JP2007501494A - 二安定マイクロメカニカルスイッチ、それを作動する方法、および、それを実現するための関連する方法 - Google Patents

Abstract

変形可能なサスペンションブリッジ（１）が、ブリッジ（１）を横方向において支柱（７）間に配置された中間セグメント（８）と２つの外側に突き出た周辺セグメント（９）とに細分するような形で配置された２つの支柱（７）によって、基板（３）に取り付けられる。周辺アクチュエータ（１１）および中間アクチュエータ（１０）は、周辺セグメント（９）および中間セグメント（８）を個々に独立して基板（３）に垂直に変形させるのを可能にする。その結果として、基板（３）上に形成されかつブリッジ（１）と基板（３）との間に位置する第１の導電性エレメント（５）とブリッジ（１）の下面に一体的にしっかりと固定された第２の導電性エレメント（６）との接点を開閉することができ、それによって、スイッチは、２つの機械的に安定な位置を有する。

Description

本発明は、マイクロメカニカルスイッチに関し、支持手段によって基板に取り付けられた変形可能なサスペンションブリッジと、スイッチの第１の安定位置から、変形可能なサスペンションブリッジを変形させ、それによって、ブリッジと基板との間に位置している基板上に形成された少なくとも１つの第１の導電性エレメントとブリッジの下面に一体的にしっかりと固定された第２の導電性エレメントとを電気的に接触させるように設計された作動手段とを備える。

図１に示されるように、マイクロメカニカルスイッチは、典型的には、支持手段２によって基板３に取り付けられた変形可能なサスペンションブリッジ１を備える。アクチュエータによって、サスペンションブリッジを変形させることができ、それによって、基板３上に形成された第１の導電性エレメント５とブリッジ１の下面に一体的にしっかりと固定された第２の導電性エレメント６とを電気的に接触させる。アクチュエータは、例えば、それぞれがブリッジ１上および基板３上に形成された電極４ａおよび４ｂによって形成され、電気的な制御電圧が、それらの間に印加される。第１の導電性エレメント５は、例えば、第２の導電性エレメント６によって接続される２つの部分の無線周波数線路によって形成される。作動手段４が、遮断されると（制御電圧を取り去られると）、ブリッジ１は、それの変形していない状態、すなわち、それの安定状態に戻り、電気的な接点は、開かれる。したがって、電気的な接触を維持するためには、作動し続けなければならず、これは、スイッチの電力消費を増大させるであろう。さらに、制御（または、電圧）に問題があれば、電気的な接触は、もはや保証されない。

一方、一般的な家庭用スイッチは、２つの安定位置を有し、電気的な接点は、連続的に電力を入力することなく、閉じられたままか、あるいは、開かれたままのいずれかである。しかしながら、微小寸法を有するこの種の二安定スイッチを製造することは面倒なことである。

知られている微小二安定スイッチにおいては、第１の導電性エレメントが、静電力によって動かされる水銀滴によって形成され、２つの固体導電性エレメント間で、電気的な接点を閉じあるいは開く。しかしながら、一方においては、水銀は、きわめて有害であり、また、他方においては、水銀滴は、スイッチのわずかな運動によって移動し、これは、誤ったスイッチ動作を発生させることがある。

米国特許出願第２００２／１９１，８９７号は、基板上に取り付けられた支持体によってスイッチの端部に接続された切り替えビームを備えたスイッチを記載している。このスイッチは、スイッチの開いた位置に対応する第１の安定位置を提供する。切り替えビームは、切り替え電極によって作動され、それによって、切り替えビームを変形させ、スイッチの閉じた位置に対応する第２の位置にスイッチを動かす。接点をこの第２の位置に保持するために、切り替え電極は、電力を供給された状態に保持されなければならない。また、スイッチは、切り替えビームの周辺において切り替えビームの片側または両側に配置された再設定ビームを備える。再設定ビームは、堅固な支持体によって基板に取り付けられる。また、スイッチは、再設定ビームと協働して動作しかつ切り替えビームに無関係に再設定ビームを変形させるように設計された作動エレメントを備える。第１の場合において、スイッチが、それの第１の安定位置にあるとき、再設定ビームの変形は、切り替えビームと電極との間の距離を増大させる。第２の場合において、再設定ビームの変形は、スイッチのばね定数を表現する戻り力を切り替えビーム内に発生させる。スイッチの第１の安定位置においてのみ、これらの再設定手段（再設定ビームおよびそれに関連する作動手段）が、スイッチを切り替えるのに必要な電圧を設定および調節するのを可能にする。実際には、切り替え電圧は、ビームと電極との間の距離かまたは再設定ビームの変形によって生成される戻り力の値に依存する。

本発明の目的は、これらの欠点を取り除くことであり、より詳細には、２つの機械的に安定な位置を有する微小スイッチを実現することである。

本発明によれば、この目的は、添付の請求項によって達成され、より詳細には、支持手段が、ブリッジを横方向において支柱間に配置された中間セグメントと自由端を備えた２つの外側に突き出た周辺セグメントとに細分するような形で、ブリッジと基板との間に配置された２つの支柱によって形成され、作動手段が、周辺作動手段および中間作動手段を備え、周辺セグメントおよび中間セグメントを個々に基板に垂直に変形させるのを可能にするという事実によって達成される。

本発明によるマイクロメカニカルスイッチの電気的な接点を作動させるための方法によれば、スイッチが、第１の安定位置にあり、第１の段階において、中間セグメントおよび周辺セグメントが、それらのそれぞれの作動手段によって、電気的に接触するような形で、基板の方向へ同時に曲げられ、そして、周辺作動手段が、第２の段階において、遮断され、それによって、必然的に、周辺セグメントを基板から遠ざかるように動かし、中間作動手段が、第３の段階において、遮断され、それによって、中間セグメントが、必然的に、曲げられた位置に保持され、それによって、スイッチの第２の安定位置を規定し、その第２の安定位置においては、電気的な接点が、接触したままである。

また、本発明の目的は、本発明によるマイクロメカニカルスイッチを実現するための方法を提供することであり、この方法は、変形可能なサスペンションブリッジを基板上に形成することが、
−基板上において周辺犠牲層を第１の導電性エレメントの両側に成膜すること、
−少なくとも１つの周辺絶縁層をそれぞれの周辺犠牲層上に成膜し、それによって、２つの周辺犠牲層の前面および側面を被覆し、周辺セグメントおよび支柱を形成すること、
−周辺絶縁層間に中間犠牲層を成膜し、２つの周辺絶縁層の隣接する側面に接触し、かつ、第１の導電性エレメントを被覆した状態となること、
−中間絶縁層を中間犠牲層上に成膜し、２つの周辺絶縁層の前面のそれぞれに接触した状態となり、それによって、中間セグメントを形成すること、
−２つの周辺絶縁層の周辺側面をエッチングし、それによって、周辺セグメントを形成すること、
−犠牲層を除去すること、
を備えたことを特徴とする。

その他の利点および特徴が、限定するものではない単なる例として以下に説明され、かつ添付の図面に示される本発明の特定の実施例からより明確に理解できる。

図２に示されるマイクロメカニカルスイッチは、２つの支柱７間に配置された中間セグメント８と外側に突き出た２つの周辺セグメント９とにブリッジ１を横方向において細分するような形でブリッジ１と基板３との間に配置された２つの支柱７によって基板３に取り付けられた変形可能なサスペンションブリッジ１を備える。２つの中間静電アクチュエータ１０および２つの周辺静電アクチュエータ１１が、それぞれ、中間セグメント８および周辺セグメント９を基板３に垂直に変形させるのを可能にする。アクチュエータ１０および１１は、基板３および中間セグメント８または周辺セグメント９上にそれぞれ形成された電極によって形成される。

図２に示される第１の安定位置から開始すると、アクチュエータ１０および１１は、ブリッジ１と基板３との間において基板３上に形成された第１の導電性エレメント５とブリッジ１の下面に一体的にしっかりと固定された第２の導電性エレメント６とを電気的に接触させるような形でブリッジ１を変形させるのを可能にする。

また、図３において、周辺アクチュエータ１０は、休止位置にあり、スイッチは、第１の安定位置にある。図２においては、中間セグメント８および周辺セグメント９は、単一層によって形成されるが、図３においては、第１の湾曲層１３が、支柱７およびそれに関連する周辺セグメント９をそれぞれ形成し、そのために、支柱７は、基板３に対して傾斜しており、周辺セグメント９は、基板３から遠ざかるように配置された傾斜した自由端１５を備える。図３において、中間セグメント８は、第２の湾曲層１４によって形成され、そのために、わずかに隆起した中央部分１２を備える。アクチュエータ１０および１１は、それぞれ、中間セグメントおよび周辺セグメントの中に一体化されている。

スイッチは、電気的な接点が開いた状態に対応するそれの第１の安定位置（図２および図３）から、電気的な接点が閉じた状態に対応する第２の安定位置へ動くことができる。図４〜図７は、第１の安定位置から第２の安定位置への切り替えを概略的に示す。図４において、スイッチは、第１の安定位置が示され、アクチュエータは、休止した状態にあり、中間セグメント８の中央部分１２は、隆起しており、周辺セグメント９は、基板３から遠ざかるように傾斜している。図面において水平方向矢印によって示される周辺セグメントのレベルに配置された変形応力σは、中間セグメント８にそれの長手方向に圧縮力を加え、それによって、中間セグメントがそれの隆起位置から逸脱するのを防止する。図５に示される第１の段階において、中間セグメント８および周辺セグメント９は、それぞれ、中間アクチュエータ１０および周辺アクチュエータ１１によって、基板３の方向へ同時に曲げられる。これは、第１の導電性エレメント５と第２の導電性エレメント６とを電気的に接触させるのを可能にする。第１の段階の間、周辺アクチュエータ１１の作動は、中間セグメント８にそれの長手方向に張力を加える変形応力σを発生させる（図５）。そして、周辺アクチュエータ１１は、図６に示される第２の段階において、遮断される。これは、必然的に、基板３から遠ざかるように周辺セグメント９を動かし、そして、第２の段階のこの最終的な位置において、圧縮応力σを中間セグメント８にそれの長手方向に発生させる（図６）。そして、中間アクチュエータ１０は、第３の段階において、遮断される。その後、中間セグメント８は、周辺セグメント９によって加えられる圧縮応力σによって、必然的に、曲がった位置に維持され、それによって、図７に示されるスイッチの第２の安定位置を規定し、その第２の安定位置においては、電気的な接点は、閉じたままである。このように、作動の３つの連続する段階は、スイッチの第１の安定位置（図４）からスイッチの第２の安定位置（図７）へスイッチを動かすのを可能にする。

図８および図９は、スイッチが第２の安定位置から第１の安定位置へ戻ることを示す。図８に示される第４の段階において、実際に、周辺セグメント９は、周辺アクチュエータ１１によって、再度、基板３の方向へ曲げられる。機械的な引張応力σが、中間セグメント８にそれの長手方向に加えられ、それの中央部分１２を基板３から遠ざかるように動かす。そして、周辺アクチュエータ１１は、図９に示される第５の段階において、遮断され、スイッチをそれの第１の安定位置へ動かし、その位置において、周辺セグメント９の位置は、基板３から遠ざかるように傾斜している。

周辺セグメント９は、スイッチの両方の安定位置（図４、図７、および、図９）において、実質的に同じ位置（基板から遠ざかるように）にあり、スイッチが作動されるときに、ほんの一時的に位置を変えるだけである（図５および図８）。

２つの安定位置、すなわち、電気的な接点が開かれる第１の位置および電気的な接点が閉じられる第２の位置を有するスイッチは、一方の位置から他方の位置へ切り替えるときにだけ、エネルギーを消費し、また、このスイッチは、それが作動された後、さらなるエネルギーを提供しなくても、それらの位置のそれぞれに留まることができる。

図１０〜図１５は、本発明によるマイクロメカニカルスイッチを実現するための方法を示す。理解しやすいように、アクチュエータ１０および１１を構成する電極の形成ステップは、示されない。したがって、変形可能なサスペンションブリッジ１を基板３上に形成することは、少なくとも以下のステップを備える。図１０に示される第１のステップにおいて、周辺犠牲層１６が、基板３上に配置された第１の導電性エレメント５の両側に成膜される。そして、図１１に示される第２のステップにおいて、例えば、窒化ケイ素からなる少なくとも１つの周辺絶縁層１７が、それぞれの周辺犠牲層１６上に成膜される。周辺絶縁層１７は、２つの周辺犠牲層１６の前面および側面を被覆する。第１の導電性エレメント５に面して配置された周辺絶縁層１７の側面は、支柱７を形成するように設計され、周辺絶縁層１７の前面は、周辺セグメント９を形成するように設計される。そして、図１２に示される第３のステップにおいて、中間犠牲層１８が、周辺絶縁層１７間に成膜される。その中間犠牲層１８は、２つの周辺絶縁層１７の隣接する側面と接触し、かつ、第１の導電性エレメント５を被覆した状態となる。第４のステップは、中間犠牲層１８上に中間絶縁層１９を成膜することである。この絶縁層は、それが部分的に被覆してもよい２つの周辺絶縁層１７のそれぞれの前面と接触した状態となり、中間セグメント８を形成する（図１３）。そして、第５のステップ（図１４）において、２つの周辺絶縁層１７の周辺側面をエッチングすることによって、周辺セグメントを形成することができ、それによって、周辺セグメント９および支柱７だけが、残される。第６のステップにおいて、犠牲層１６および１８が、除去される（図１５）。

周辺絶縁層１７は、周辺セグメント９のレベルにおける機械的なトルク作用によって、圧縮応力を中間セグメント８にそれの長手方向に発生させることのできる層であってもよい。トルク作用を得るために、周辺絶縁層１７は、周辺絶縁層１７の変形応力状態を固定するプロセスを用いて成膜されてもよい。「２周波数プラズマデポジッション」型のプロセスによって、例えば、応力勾配を提供する単一層を得ることができる。必要とされる応力レベルは、成膜される層の厚さを調節することによって得られてもよい。また、中間セグメント８をそれの長手方向に圧縮する応力勾配を実現するために、いくつかの周辺絶縁層１７をそれぞれの周辺犠牲層１６上に成膜することも可能である。２つの層の重ね合わせは、例えば、圧縮された状態にある層上に成膜された非変形応力層によって、非変形応力層上に成膜された引っ張られた状態にある層によって、あるいは、圧縮された状態にある層上に成膜された引っ張られた状態にある層によって、実現されてもよい。例えば、３つの層の重ね合わせが、圧縮された状態にある層上に成膜された引っ張られた状態にある２つの層によって、あるいは、圧縮された状態にある層上に成膜された非変形応力層自身の上に成膜された引っ張られた状態にある層によって、構成されてもよい。これによって、ばね型の作用が、得られる。

図１６に示される好ましい実施例において、中間絶縁層１９は、周辺絶縁層１７の前面をそれの端から端まで被覆し、これは、２つの層１７および１９間の変形応力を増幅する。したがって、犠牲層が除去された後においては、周辺セグメント９の自由端１５および中間セグメント８の中央部分１２は、必然的に、基板から遠ざかるように持ち上げられる。図示しない実施例において、周辺静電アクチュエータ１１の電極は、それぞれ、それぞれの周辺絶縁層１７と対応する中間絶縁層１９との間に配置される。

図１６において、周辺絶縁層１７は、それぞれ、周辺犠牲層１６の側面と第１の導電性エレメント５との間にそれぞれ配置された基板３の前面の部分２０を被覆する。

本発明は、図示される特定の実施例に限定されるものではない。とりわけ、アクチュエータ１０および１１は、どのような種類のアクチュエータ、すなわち、圧電アクチュエータ、熱アクチュエータ、磁気アクチュエータ、などによって構成されてもよい。静電アクチュエータの場合、周辺電極は、好ましくは、基板３に平行な平面において、中間電極よりも、例えば、３倍だけ幅が広く、それによって、周辺アクチュエータの制御電圧を減少させることができる。本発明によるスイッチは、マトリックス状のスイッチに使用されてもよく、あるいは、単一スイッチとして使用されてもよい。そのようなスイッチは、典型的には、とりわけ、無線周波数、地上波、衛星のための通信分野、生物医学的分野、中継器、などに使用されてもよい。

従来技術によるマイクロメカニカルスイッチを示す図である。 本発明によるマイクロメカニカルスイッチの特定の実施例を示す図である。 本発明によるマイクロメカニカルスイッチの特定の実施例を示す図である。 本発明によるマイクロメカニカルスイッチの電気的な接点を開閉する様々な段階を概略的に示す図である。 本発明によるマイクロメカニカルスイッチの電気的な接点を開閉する様々な段階を概略的に示す図である。 本発明によるマイクロメカニカルスイッチの電気的な接点を開閉する様々な段階を概略的に示す図である。 本発明によるマイクロメカニカルスイッチの電気的な接点を開閉する様々な段階を概略的に示す図である。 本発明によるマイクロメカニカルスイッチの電気的な接点を開閉する様々な段階を概略的に示す図である。 本発明によるマイクロメカニカルスイッチの電気的な接点を開閉する様々な段階を概略的に示す図である。 本発明によるマイクロメカニカルスイッチを実現するための方法を示す図である。 本発明によるマイクロメカニカルスイッチを実現するための方法を示す図である。 本発明によるマイクロメカニカルスイッチを実現するための方法を示す図である。 本発明によるマイクロメカニカルスイッチを実現するための方法を示す図である。 本発明によるマイクロメカニカルスイッチを実現するための方法を示す図である。 本発明によるマイクロメカニカルスイッチを実現するための方法を示す図である。 図１０〜図１５に示される実現方法によって実現されるマイクロメカニカルスイッチの別の実施例を示す図である。

Claims (12)

1. 支持手段（２）によって基板（３）に取り付けられた変形可能なサスペンションブリッジ（１）と、
   ブリッジ（１）と基板（３）との間において基板（３）上に形成された少なくとも１つの第１の導電性エレメント（５）とブリッジ（１）の下面に一体的にしっかりと固定された第２の導電性エレメント（６）とを電気的に接触させるような形で、前記変形可能なサスペンションブリッジ（１）をスイッチの第１の安定位置から変形させるように設計された作動手段（４）と、
   を備えたマイクロメカニカルスイッチであって、
   前記支持手段が、前記ブリッジ（１）を横方向において支柱（７）間に配置された中間セグメント（８）と自由端（１５）を備えた２つの外側に突き出た周辺セグメント（９）とに細分するような形で、ブリッジ（１）と基板（３）との間に配置された２つの支柱（７）によって形成され、
   前記作動手段が、周辺作動手段（１１）および中間作動手段（１０）を備え、周辺セグメント（９）および中間セグメント（８）を個々に独立して基板（３）に垂直に変形させるのを可能にする、
   マイクロメカニカルスイッチ。
2. 前記中間セグメント（８）が、スイッチの第１の安定位置において、隆起した中央部分（１２）を備えた、ことを特徴とする請求項１に記載のスイッチ。
3. 前記自由端（１５）が、前記周辺作動手段（１１）の休止位置において、前記基板（３）から遠ざかるように傾斜している、ことを特徴とする請求項１および２のいずれか一項に記載のスイッチ。
4. 前記作動手段が、前記基板（３）上、および、前記周辺セグメント（９）および前記中間セグメント（８）上にそれぞれ形成された電極によって形成された、ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のスイッチ。
5. 前記支柱（７）が傾斜している、ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のスイッチ。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のマイクロメカニカルスイッチの電気的な接点を作動する方法であって、
   前記スイッチが、第１の安定位置にあり、第１の段階において、前記中間セグメント（８）および前記周辺セグメント（９）が、それらのそれぞれの前記作動手段（１０、１１）によって、電気的に接触するような形で、前記基板（３）の方向へ同時に曲げられ、そして、前記周辺作動手段（１１）が、第２の段階において、遮断され、それによって、必然的に、前記周辺セグメント（９）を前記基板（３）から遠ざかるように動かし、前記中間作動手段（１０）が、第３の段階において、遮断され、それによって、中間セグメント（８）が、必然的に、曲げられた位置に保持され、それによって、前記スイッチの第２の安定位置を規定し、その第２の安定位置においては、電気的な接点が、接触したままである、方法。
7. 前記第２の安定位置にある前記スイッチが、第４の段階において、前記周辺セグメント（９）が、前記周辺作動手段（１１）によって、前記基板（３）の方向へ曲げられ、それによって、前記中間セグメント（８）に機械的な変形応力を加え、かつ、前記中間セグメント（８）の中央部分（１２）を前記基板（３）から遠ざかるように動かし、前記周辺作動手段（１１）が、第５の段階において、遮断され、前記スイッチをそれの第１の安定位置へ動かす、ことを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 請求項１から５のいずれか一項に記載のマイクロメカニカルスイッチを実現するための方法であって、
   前記変形可能なサスペンションブリッジ（１）を前記基板（３）上に形成することが、
   −基板（３）上において周辺犠牲層（１６）を第１の導電性エレメント（５）の両側に成膜すること、
   −少なくとも１つの周辺絶縁層（１７）をそれぞれの前記周辺犠牲層（１６）上に成膜し、それによって、２つの前記周辺犠牲層（１６）の前面および側面を被覆し、前記周辺セグメント（９）および前記支柱（７）を形成すること、
   −前記周辺絶縁層（１７）間に中間犠牲層（１８）を成膜し、２つの前記周辺絶縁層（１７）の隣接する側面に接触し、かつ、前記第１の導電性エレメント（５）を被覆した状態となること、
   −中間絶縁層（１９）を前記中間犠牲層（１８）上に成膜し、２つの前記周辺絶縁層（１７）の前面のそれぞれに接触した状態となり、それによって、前記中間セグメント（８）を形成すること、
   −２つの前記周辺絶縁層（１７）の周辺側面をエッチングし、それによって、前記周辺セグメント（９）を形成すること、
   −前記犠牲層（１６、１８）を除去すること、
   を備えた、方法。
9. 前記中間絶縁層（１９）が、前記周辺絶縁層（１７）の前面上に少なくとも部分的に成膜された、ことを特徴とする請求項８に記載のマイクロメカニカルスイッチを実現するための方法。
10. 前記周辺絶縁層（１７）が、それぞれ、一方の前記周辺犠牲層（１６）の側面と前記第１の導電性エレメント（５）との間にそれぞれ配置された前記基板（３）の前面の部分（２０）上に成膜された、ことを特徴とする請求項８および９のいずれか一項に記載のマイクロメカニカルスイッチを実現するための方法。
11. 前記周辺絶縁層（１７）の成膜が、前記周辺絶縁層（１７）に応力勾配を発生させるように実施されることを特徴とする請求項８から１０のいずれか一項に記載のマイクロメカニカルスイッチを実現するための方法。
12. 前記周辺絶縁層（１７）の成膜が、中間セグメント（８）が成膜された後、中間セグメント（８）に圧縮応力を前記中間セグメント（８）の長手方向に発生させるように実施される、ことを特徴とする請求項１１に記載のマイクロメカニカルスイッチを実現するための方法。

Images