JP2007516560A - 電力消費量の小さな双安定型マイクロスイッチ - Google Patents

Abstract

本発明は、基板上に形成された双安定型のＭＥＭＳマイクロスイッチに関するものであって、少なくとも２つの導電トラック（２，３）の端部（１２，１３）どうしを電気的に接続し得るものであり、基板の表面上に懸架された梁（６）を具備している。梁は、両端部のところにおいて埋設されているとともに、非変形状態においては圧縮応力を受ける。梁（６）は、電気的コンタクト形成手段（７，８）を備え、これら電気的コンタクト形成手段は、基板表面に対して平行に梁が変形した際には、２つの導電トラックの端部に対して側方から接触し得るようにして、配置されている。アクチュエータ（４０，５０）は、梁を、第１安定状態に対応した第１変形位置へと、または、第２安定状態に対応した第２変形位置へと、配置することができる。電気的コンタクト形成手段（７，８）は、梁がいずれかの変形位置とされた際には、２つの導電トラックの端部を確実に接続する。

Description

本発明は、水平方向に移動するような、電力消費量の小さな双安定型マイクロスイッチに関するものである。

そのようなマイクロスイッチは、特に、携帯電話の分野においておよび宇宙工学の分野において、有効なものである。

これら分野における使用を意図したＲＦ素子は、以下のような仕様を満たす必要がある。
−５ボルト未満という供給電圧。
−３０ｄＢよりも大きな絶縁性能。
−０．３ｄＢ未満という挿入損失。
−１０^９ よりも多くのサイクルに対応する信頼性。
−０．０５ｍｍ^２ 未満という表面積。
−できるだけ小さな電力消費。

特に宇宙工学の分野の場合には、例えば設備の破損といったような状況において、ある状態から他の状態へのスイッチングを行うために、いくつかのスイッチを一度だけ使用する。この種の用途においては、現在、ある状態から他の状態へとスイッチングされた後に電力供給を必要としないような双安定型スイッチに、非常に大きな興味が存在する。

また、重要な機能の場合に使用される冗長回路のスイッチマトリクスをかなり単純化するようなデュアルスイッチに、大きな興味が存在する。この種の用途は、特に、宇宙工学の分野（衛星アンテナ）に見受けられる。このようなデュアルスイッチにより、破損の際には、ある電子回路から他の電子回路への入力信号をスイッチングすることができる。したがって、このようなスイッチは、第１組をなす２つの電気トラックを、あるいは、第２組をなす２つの電気トラックを、ある状態から他の状態へとスイッチングすることができる。

デュアルスイッチは、より少ない構成部材でもって（例えば、１０個の冗長機能においては、２０個の単一スイッチではなく、１０個のデュアルスイッチが、必要とされる）回路を形成し得るという利点を有している。このことは、とりわけ、信頼性試験の回数を低減し得ること、また、組立工数を低減し得ること、また、空きスペースを増大させ得ること、また、全体的なコストを低減化し得ること、を意味する。

通信の分野においては、従来的なマイクロスイッチ（つまり、マイクロエレクトロニクスにおいて使用されているマイクロスイッチ）は、非常に広範に使用されている。それらマイクロスイッチは、信号分岐ネットワークや、インピーダンスマッチングネットワークや、アンプのゲイン調整、等において有効である。スイッチングすべき信号の周波数帯域は、数ＭＨｚ〜数十ＧＨｚとすることができる。

従来技術においては、マイクロエレクトロニクススイッチは、ＲＦ回路において使用されてきた。このようなスイッチは、回路の集積化を可能とするとともに、製造コストを低減化する。しかしながら、性能という観点においては、これら素子は、制限されている。すなわち、シリコンＦＥＴスイッチは、低周波数においては大電力信号をスイッチングし得るものの、高周波数においてはスイッチングを行うことができない。ＧａＡｓダイオードやＰＩＮダイオードからなるＭＥＳＦＥＴ（Metal Semiconductor Field Effect
Transistor）スイッチは、高周波数においてはうまく動作するものの、低電力の信号にしか適用することができない。結局、一般に、１ＧＨｚよりも大きな周波数においては、すべてのマイクロエレクトロニクススイッチは、オン時には、大きな挿入損失（従来技術においては、およそ１〜２ｄＢ）を有しているとともに、開放状態においては、かなり小さな絶縁性能（−２０〜−２５ｄＢ）を示す。したがって、これら従来的なスイッチを、ＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical-System ）マイクロスイッチによって代替することが、このタイプの応用においては期待されるところである。

構成および動作原理の点から、ＭＥＭＳスイッチは、次のような特性を有している。
−小さな挿入損失（典型的には、０．３ｄＢ未満）。
−ＭＨｚ領域において、ミリメートル範囲（典型的には、−３０ｄＢよりも大きい）という大きな絶縁性能。
−レスポンスが非線形的ではないこと（ＩＰ３）。

ＭＥＭＳマイクロスイッチに関しては、２つのタイプのコンタクトが識別される。すなわち、オーミックコンタクトと容量性コンタクトとが、識別される。オーミックコンタクトスイッチにおいては、２つのＲＦトラックが、短絡（金属と金属との間のコンタクト）によってコンタクトする。このタイプのコンタクトは、連続的な信号においても、また、高周波信号（１０ＧＨｚ以上）においても、適切である。容量性コンタクトスイッチにおいては、閉状態と開状態との間のキャパシタンス変化が得られるように、エアギャップが、電気機械的に調節される。このタイプのコンタクトは、高周波数（１０ＧＨｚ以上）においては特に好適であるものの、低周波数においては不適切である。

ＭＥＭＳスイッチに関するいくつかの主要な駆動原理が識別される。

代表的なものとして記述し得るような熱駆動型のマイクロスイッチは、双安定性ではない。このようなマイクロスイッチは、駆動電圧が小さいという利点を有している。このようなマイクロスイッチは、いくつかの欠点を有している。すなわち、消費電力が大きく（特に、携帯電話という用途の場合）、スイッチング速度が遅く（熱的な慣性のために）、閉塞位置におけるコンタクトを維持するために供給電圧を必要とする。

代表的なものとして記述し得るような静電駆動型のマイクロスイッチは、双安定性ではない。このようなマイクロスイッチは、スイッチング速度が速いという利点、および、一般的に単純な技術であるという利点、を有している。このようなマイクロスイッチは、信頼性という点において問題点を有している。特に、低駆動電圧型の静電スイッチ（構造的結合）の場合には、信頼性という点において問題点を有している。また、このようなマイクロスイッチは、閉状態でのコンタクトを維持するために供給電圧を必要とする。

代表的なものとして記述し得るような電磁駆動型のマイクロスイッチは、双安定性ではない。このようなマイクロスイッチは、一般に、電磁石の原理で動作し、鉄をベースとした磁気回路と磁界コイルとを不可欠的に使用する。このようなマイクロスイッチは、いくつかの欠点を有している。このようなマイクロスイッチに関する技術は、複雑である（コイル、場合によっては永久磁石といったような磁性材料、等）。このようなマイクロスイッチにおいては、電力消費量が大きい。さらに、このようなマイクロスイッチは、閉状態でのコンタクトを維持するために供給電圧を必要とする。

コンタクトを移動させるための２つの構成を識別することができる。すなわち、鉛直方向移動と、水平方向移動と、が存在する。

鉛直方向移動の場合には、移動は、ＲＦトラックがなす平面の外部において起こる。コンタクトは、トラックの上部または底部において、行われる。この構成の利点は、コンタクトパッドの金属化を容易に行い得ること（平面的成膜）である。したがって、コンタクトの抵抗値が小さい。しかしながら、この構成は、デュアルコンタクトスイッチの機能を実現するのには、適していない。頂面上におけるコンタクトは、実際、得ることが困難である。一般に、そのようなコンタクトは、キャップ上のコンタクトを使用することによって得られる。また、この構成は、集積化に対する互換性を有していない。確かに、抵抗性スイッチにおいては、金によって金属化したようなトラックおよびコンタクト（良好な電気的特性を有するとともに、酸化しない）が、従来より使用されている。しかしながら、この金属は、このタイプの構成の初期の時点から使用されているにもかかわらず、集積化には互換的ではない。コンタクトを最適化することはできない。表面は、平面的なものとすることしかできない。コンタクトを形成する梁の硬さは、うまく制御することができない。この硬さは、犠牲層の形状に依存するような梁の最終形状によって調整される。犠牲層の形状自体は、直下に位置するトラックの形状および厚さに依存する。梁の形状は、一般に、不規則的である。このことは、スイッチの硬さを実質的に増大させ、したがって、スイッチの駆動条件を制約する。

水平方向移動の場合には、移動は、トラックがなす平面内において起こる。コンタクトは、トラックの側面のところにおいて行われる。この構成は、対称的なアクチュエータを使用した場合には、デュアルコンタクトにおいて好適である。『金』による金属化は、最も最後の技術的ステップにおいて、行うことができる。それ以前に行われるすべてのステップは、集積回路の製造に対して互換的なものとすることができる。コンタクトの形状は、光リソグラフィーステップにおいて、決定される。例えば、円形のコンタクトを形成することができ、これにより、コンタクト抵抗を制限し得るようにして、ある場所でのコンタクトを行うことができる。梁の形状は、光リソグラフィーステップにおいて、決定される。したがって、梁の硬さを、うまく制御することができる。しかしながら、側面上における金属化は、困難である。したがって、コンタクトの抵抗値を、うまく制御することができない。この構成は、双方の駆動面がかなり低減されていることのために、静電駆動には不適切である。

平衡状態の数は、スイッチの移動の他の特性である。典型的な状況においては、アクチュエータは、ただ１つの平衡状態しか有していない。このことは、スイッチの２つの状態のうちの一方の状態（スイッチングされた状態、あるいは、スイッチングされていない状態）において、その状態を保持するために、連続的な電圧供給を必要とすることを、意味している。励起を遮断すると、スイッチは、平衡状態へと戻ってしまう。

双安定の場合には、アクチュエータは、互いに異なる２つの平衡状態を有している。この動作モードの利点は、『閉』状態および『開』状態というスイッチの２つの状態が、安定なものであって、一方の状態から他方の状態へのスイッチングを行わない場合には、電力供給が不要であるということである。なお、本出願人の知る限りにおいては、本出願に関連性を有する先行技術文献は存在しない。

本発明は、水平方向移動を行うような低電力消費型の双安定型マイクロスイッチを提供する。このマイクロスイッチは、携帯電話という分野においておよび宇宙工学の分野において、特に好適なものである。

したがって、本発明の主題は、基板上に形成された双安定型のＭＥＭＳマイクロスイッチであって、少なくとも２つの導電トラックの端部どうしを電気的に接続し得るものであり、基板の表面上に懸架された梁を具備し、この梁が、両端部のところにおいて埋設されているとともに、非変形状態においては圧縮応力を受けるものとされ、梁が、電気的コンタクト形成手段を備え、これら電気的コンタクト形成手段が、基板表面に対して平行に梁が変形した際には、２つの導電トラックの端部に対して側方から接触し得るようにして、配置され、マイクロスイッチが、梁を駆動するための駆動手段を具備し、これら駆動手段が、梁を、第１安定状態に対応した第１変形位置へと、または、第２安定状態に対応した第２変形位置へと、配置し、ここで、第１変形位置と第２変形位置とが、非変形状態を挟んで、互いに反対側に位置するものとされ、電気的コンタクト形成手段が、梁がいずれかの変形位置とされた際には、２つの導電トラックの端部を確実に接続する。

マイクロスイッチは、デュアルマイクロスイッチとすることができる。この場合には、第１変形位置は、第１組をなす２つの導電トラックの各端部を接続する位置に対応し、第２変形位置は、第２組をなす２つの導電トラックの各端部を接続する位置に対応する。

マイクロスイッチは、シングルマイクロスイッチとすることができる。この場合には、第１変形位置は、２つの導電トラックの各端部を接続する位置に対応し、第２変形位置は、接続をもたらさない位置に対応する。

一実施形態においては、梁は、誘電性材料あるいは半導体材料から形成され、電気的コンタクト形成手段は、梁と一体化された導電性パッドから形成される。駆動手段は、バイメタル効果を使用した加熱アクチュエータを備えることができる。各加熱アクチュエータは、熱伝導性材料からなるブロックと、このブロックに対して緊密に接触して配置された電気抵抗部材と、を備えることができる。駆動手段は、静電力を誘起するための手段を備えることができる。駆動手段は、バイメタル効果を使用した加熱アクチュエータと、静電力を誘起するための手段と、を備えることができる。

他の実施形態においては、梁は、導電性材料から形成される。駆動手段は、静電力を誘起するための手段を備えることができる。

電気的コンタクト形成手段は、接続すべき導電トラックの端部間に嵌め込まれ得るような形状を有することができる。この場合、導電トラックの端部は、接続時に電気的コンタクト形成手段の形状に適合することを可能とし得るよう、フレキシブルさを有することができる。

マイクロスイッチは、さらに、梁の埋設された少なくとも１つの端部のための解放スプリング形成手段を具備することができる。

電気的コンタクト形成手段は、オーミックコンタクトをもたらし得るようなまたは容量性コンタクトをもたらし得るような、手段とすることができる。

添付図面を参照しつつ、本発明を何ら限定するものではなく単なる例示としての好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明を読むことにより、本発明が、より明瞭に理解され、本発明の他の利点や特徴点が、明らかとなるであろう。

以下の説明は、例示として、オーミックコンタクトマイクロスイッチに関するものである。しかしながら、当業者であれば、本発明を容量性コンタクトマイクロスイッチに対して容易に適用し得ることは、理解されるであろう。

図１は、本発明によるデュアルマイクロスイッチの第１実施形態を示す平面図である。

マイクロスイッチは、基板１上に形成されている。基板１は、図１においては、図示の単純化のために、その一部だけが図示されている。このマイクロスイッチは、デュアルスイッチである。このマイクロスイッチは、導電トラック２，３の端部１２，１３の間を接続することまたは導電トラック４，５の端部１４，１５の間を接続することのいずれかを行い得るよう、意図されたものである。

図１のマイクロスイッチは、誘電性材料あるいは半導体材料から形成された梁６を備えている。梁６は、導電トラックがなす平面内に位置している。この梁６の両端部は、基板１の高所部分に埋め込まれている。図１においては、梁は、初期状態で図示されている。梁は、その後、圧縮応力を受けることとなる。この応力は、マイクロスイッチの可動構造つまり梁とこの梁に関連する部材（アクチュエータ）とを形成するために使用されている材料の本来的応力によって、引き起こすことができる。

図示されている梁は、矩形横断面形状を有するものとされている。梁のうちの、導電トラック２，３を向いた面（すなわち、梁の一方の側面）上においては、梁は、アクチュエータ２０，３０を支持している。梁のうちの、導電トラック４，５を向いた面（すなわち、梁の他方の側面）上においては、梁は、アクチュエータ４０，５０を支持している。アクチュエータは、梁の埋設領域の近傍に配置されている。各アクチュエータは、電気抵抗値を有した熱伝導ブロックから構成されている。すなわち、アクチュエータ２０は、電気抵抗部材２２が接続されているブロック２１を備えている。同じことは、他のアクチュエータに対しても、当てはまる。

梁は、好ましくは、熱膨張係数の小さな誘電性材料あるいは半導体材料から形成される。加熱アクチュエータをなすブロックは、好ましくは、熱膨張係数の大きな金属材料から形成される。これにより、効果的なバイメタル効果を得ることができる。水平方向（図面がなす平面）において梁を移動させる際には、アクチュエータは、梁の埋設部分の近傍のところにおいて梁の両端部のところに配置される。これにより、熱機械的な効果を、常に効果的なものとすることができる。

梁６は、さらに、中央部分においてかつ一方の側面上において、電気的コンタクトパッド７を支持している。この電気的コンタクトパッド７は、トラック２，３の端部１２，１３の間の電気的オーミック接続をもたらすことを意図したものである。梁６は、さらに、中央部分においてかつ他方の側面上において、電気的コンタクトパッド８を支持している。この電気的コンタクトパッド８は、トラック４，５の端部１４，１５の間の電気的オーミック接続をもたらすことを意図したものである。

マイクロスイッチが起動されたときには、第１組をなす複数のアクチュエータにより、梁６を、２つの安定状態のうちの一方の安定状態に対応した位置へと、スイッチングすることができる。この状況は、図２に示されている。アクチュエータ４０，５０は、梁６に対して、バイメタル効果をもたらしている。これにより、梁が変形を受け、梁は、図２に示すように、第１安定状態へと移動している。この安定状態においては、電気的コンタクトパッド７は、導電トラック２，３の端部１２，１３の間の接続を行っている。アクチュエータ４０，５０の電気抵抗部材に対する電力供給を停止しても、梁は、この第１安定状態を維持する。

マイクロスイッチをスイッチングするには、すなわち、マイクロスイッチを第２安定状態へと移動させるには、アクチュエータ２０，３０の電気抵抗部材に対して電力を供給しなければならない。これにより、梁６に対して、上記とは逆向きのバイメタル効果を誘起することができる。これにより、梁が変形し、梁は、図３に示すように、第２安定状態へと移動する。この第２安定状態においては、電気的コンタクトパッド８は、導電トラック４，５の端部１４，１５の間の接続を行う。アクチュエータ２０，３０の電気抵抗部材に対する電力供給を停止しても、梁は、この第２安定状態を維持する。

アクチュエータの電気抵抗部材は、好ましくは、大きな電気抵抗値を有した導電材料から形成される。導電トラックおよびコンタクトパッドは、好ましくは、金から形成される。その理由は、良好な電気的特性を有するとともに、特に酸化に対する耐性といったように、経時的な信頼性を有しているからである。

梁の埋設領域は、剛直なものとすることができる（単純な埋設）。あるいは、梁の埋設領域は、例えば解放スプリングの付加といったような手法によって、埋設領域の構成を変更することにより、いささかフレキシブルなものとすることができる。梁のフレキシブルさを調節し得ることにより、梁内の応力を、初期的に（本来的応力）制御することができ、梁を、一方の安定状態から（座屈状態を経由して）他方の安定状態へと移行させることができる。このことは、梁の破損というリスクを制限し得るだけでなく、マイクロスイッチの電力消費量を制限し得る（マイクロスイッチのスイッチング温度を低下させ得ることによる）という、利点を有している。梁の応力は、埋設端部の一方のみにおいても、また、埋設端部の双方においても、緩和することができる。

図４は、本発明によるデュアルマイクロスイッチの第２実施形態を示す平面図であって、この実施形態においては、梁の２つの端部は、応力が緩和された埋設領域を備えている。

図４の実施形態は、図２の実施形態の場合と同じ複数の構成部材を備えている。しかしながら、梁の端部の埋設領域の構成に関しては、相違している。埋設領域のところにおいては、基板１は、梁の長手方向軸線に対して直交する応力緩和スロット１１１を備えている。スロット１１１は、基板のうちの、スロットと梁との間に位置した部分に対して、いくらかのフレキシブルさを付与する。マイクロスイッチは、図４においては、起動前の初期状態でもって図示されている。

静電気力を、本発明によるマイクロスイッチの駆動原理として使用することができる。あるいは、静電気力を、アクチュエータの加熱用電気抵抗部材に対する電力供給の停止後に、スイッチング後の位置における補助力として使用することができる。これにより、電気的コンタクトパッドの押圧力を増大させることができ、これにより、コンタクト抵抗値を低減することができる。

図５は、本発明によるデュアルマイクロスイッチの第３実施形態を示す平面図である。このマイクロスイッチは、バイメタル効果アクチュエータと、静電的補助力と、を使用する。マイクロスイッチは、図５においては、起動前の初期状態でもって図示されている。

基板２０１が図示されており、さらに、梁２０６を第１安定状態へとスイッチングした時に電気的コンタクトパッド２０７によって接続されることとなるトラック２０２，２０３が図示されており、さらに、梁２０６を第２安定状態へとスイッチングした時に電気的コンタクトパッド２０８によって接続されることとなるトラック２０４，２０５が図示されており、さらに、アクチュエータ２２０，２３０，２４０，２５０が図示されている。

図５のマイクロスイッチは、さらに、静電気力の適用を可能とするための電極を備えている。これら電極は、梁上と基板上とに配置されている。梁２０６は、第１側面上においては、電極２６１，２６２を支持しており、第２側面上においては、電極２６３，２６４を支持している。これら電極は、加熱アクチュエータと電気的コンタクトパッドとの間に配置されている。基板２０１は、梁２０６によって支持されている各電極に対向させつつ、電極２７１〜２７４を支持している。電極２７１は、電極２６１に対向した部分を有している。この部分は、図面上では見えない部分である。電極２７１は、さらに、電気的接続を意図した部分を有している。この部分は、図面上で見える部分である。同じことは、電極２６２，２６３，２６４に対してそれぞれ対向した電極２７２，２７３，２７４に関しても、当てはまる。

電極２７１〜２７４が、変形した梁の形状に対応する形状を有していることに注意されたい。これにより、駆動電圧あるいは維持電圧を低減することができる（可変ギャップ電極）。

マイクロスイッチは、加熱アクチュエータ２４０，２５０を使用することによって、例えば電気的コンタクトパッド２０７による導電トラック２０２，２０３の接続に対応したような第１安定状態に、配置することができる。加熱アクチュエータ２４０，２５０は、第１安定状態を達成する際にのみ起動される。電極２６１，２７１間への、および、電極２６２，２７２間への、電圧供給により、パッド２０７とトラック２０２，２０３との間のコンタクト抵抗値を確実に低減することができる。

マイクロスイッチは、加熱アクチュエータ２２０，２３０を使用することによって、第２安定状態へと、配置することができる。加熱アクチュエータ２２０，２３０は、第１安定状態から第２安定状態へのスイッチングを達成する際にのみ起動される。電極２６３，２７３間への、および、電極２６４，２７４間への、電圧供給により、パッド２０８とトラック２０４，２０５との間のコンタクト抵抗値を確実に低減することができる。

図６は、本発明によるシングルマイクロスイッチを示す平面図である。このマイクロスイッチにおいては、バイメタル効果アクチュエータを使用しており、静電的補助力は使用していない。マイクロスイッチは、図６においては、起動前の初期状態でもって図示されている。

基板３０１が図示されており、さらに、梁３０６を第１安定状態へとスイッチングした時に電気的コンタクトパッド３０７によって接続されることとなるトラック３０２，３０３が図示されている。第２安定状態は、接続を行わない状態に対応している。さらに、アクチュエータ３２０，３３０，３４０，３５０が図示されている。

図７は、本発明によるデュアルマイクロスイッチの第４実施形態を示す平面図である。このマイクロスイッチは、静電効果アクチュエータのみを使用する。マイクロスイッチは、図７においては、起動前の初期状態でもって図示されている。

基板４０１が図示されており、さらに、梁４０６を第１安定状態へとスイッチングした時に電気的コンタクトパッド４０７によって接続されることとなるトラック４０２，４０３が図示されており、さらに、梁４０６を第２安定状態へとスイッチングした時に電気的コンタクトパッド４０８によって接続されることとなるトラック４０４，４０５が図示されている。

図７のマイクロスイッチは、静電力の適用を可能とする電極を備えている。これら電極は、梁上と基板上とに配置されている。梁４０６は、第１側面上においては、電極４６１，４６２を支持しており、第２側面上においては、電極４６３，４６４を支持している。これら電極は、電気的コンタクトパッド４０７，４０８の両サイドに配置されている。基板４０１は、梁４０６によって支持されている各電極に対向させつつ、電極４７１〜４７４を支持している。電極４７１は、電極４６１に対向した部分を有している。この部分は、図面上では見えない部分である。電極４７１は、さらに、電気的接続を意図した部分を有している。この部分は、図面上で見える部分である。同じことは、電極４６２，４６３，４６４に対してそれぞれ対向した電極４７２，４７３，４７４に関しても、当てはまる。

マイクロスイッチは、電極４６１，４７１間へとおよび電極４６２，４７２間へと電圧を印加することにより、例えば電気的コンタクトパッド４０７による導電トラック４０２，４０３の接続に対応したような第１安定状態に、配置することができる。第１安定状態へと梁をスイッチングした後には、印加電圧を解除または低減することができる。これにより、パッド４０７とトラック４０２，４０３との間のコンタクト抵抗値を低減することができる。

マイクロスイッチは、電極４６３，４７３間へとおよび電極４６４，４７４間へと電圧を印加することにより、第２安定状態に配置することができる（ここで、マイクロスイッチを第１安定状態に維持するために静電力を使用していたのであれば、その静電力のための印加電圧は、解除する）。第２安定状態へと梁をスイッチングした後には、上記の場合と同様に、印加電圧を解除または低減することができる。

図８は、本発明によるデュアルマイクロスイッチの第５実施形態を示す平面図である。この第５実施形態は、上記第４実施形態を最適化した実施形態である。上記第４実施形態と同じ符号を使用することによって、同じ部材を表している。

電極４７１’，４７２’，４７３’，４７４’は、図７のマイクロスイッチにおけるそれぞれ対応する電極４７１，４７２，４７３，４７４と同じ機能を有している。しかしながら、これら電極４７１’，４７２’，４７３’，４７４’は、変形後の梁の形状に対応した形状を有している。これにより、駆動電圧あるいは維持電圧を低減することができる（可変ギャップ電極）。

図９は、本発明によるデュアルマイクロスイッチの第６実施形態を示す平面図である。このマイクロスイッチは、図９においては、起動前の初期状態でもって図示されている。

基板５０１が図示されており、さらに、梁５０６を第１安定状態へとスイッチングした時に電気的コンタクトパッド５０７によって接続されることとなるトラック５０２，５０３が図示されており、さらに、梁５０６を第２安定状態へとスイッチングした時に電気的コンタクトパッド５０８によって接続されることとなるトラック５０４，５０５が図示されている。

この実施形態においては、梁５０６は、金属からなる梁とされており、例えばアルミニウムからなる梁とされている。梁の側面上には、コンタクトパッド５０７，５０８が支持されている。例えば導電トラック５０２，５０３の接続に対応したような第１安定状態への梁のスイッチングは、電極として作用する梁５０６と、電極５７１，５７２と、の間へとスイッチング電圧を印加することにより、得られる。第１安定状態へと梁をスイッチングした後には、印加電圧を解除または低減することができる。これにより、パッド５０７とトラック５０２，５０３との間のコンタクト抵抗値を低減することができる。

マイクロスイッチは、梁５０６と電極５７３，５７４との間へと電圧を印加することにより、第２安定状態に配置することができる（ここで、マイクロスイッチを第１安定状態に維持するために静電力を使用していたのであれば、その静電力のための印加電圧は、解除する）。第２安定状態へと梁をスイッチングした後には、上記の場合と同様に、印加電圧を解除または低減することができる。マイクロスイッチのこの実施形態においては、電極５７１〜５７４に対して付与された形状によって、静電駆動が最適化されている。

図１０は、第１実施形態と同様のデュアルマイクロスイッチであって、コンタクトが最適化されているような実施形態を示す平面図である。マイクロスイッチは、図１０においては、起動前の初期状態でもって図示されている。図１と同じ符号を使用することによって、同じ部材を表している。

図１０においては、導電トラック２，３，４，５の各端部１２’，１３’，１４’，１５’が、コンタクトパッド７’，８’に対してより良好な電気的コンタクトを行い得るように最適化されていることに注意されたい。すなわち、コンタクトパッド７’，８’の形状は、先端側と比較して、基端側（つまり、梁に近い方）の方が、より幅の広いものとされている。よって、コンタクトパッド７’，８’は、嵌め込みグルーブが形成されている端部１２’，１３’，１４’，１５’の間に、より容易に嵌め込むことができる。

また、導電トラックの端部は、わずかにフレキシブルなものとすることができる。これにより、コンタクトパッドの形状に対する適合性を向上させることができ、したがって、より良好な電気的コンタクトをもたらすことができる。このような状況は、図１１に示されている。図１１においては、マイクロスイッチは、第１安定状態で示されている。

本発明によるマイクロスイッチは、以下のような様々な利点を有している。

本発明によるマイクロスイッチの動作に際しては、双安定性であることに基づいて、小さな電力消費量しか必要としない。

加熱アクチュエータを備えた実施形態は、大きな駆動効率を有している。本発明によるマイクロスイッチにおいては、梁のスイッチングを引き起こすに際して温度を非常に急激に上昇させる必要がないことにより、スイッチング時間が短い。また、本発明によるマイクロスイッチは、静電アクチュエータが加熱アクチュエータに対して組み合わされている場合には、小さなスイッチング電圧を有している。これは、以下の理由に基づくものである。
−熱的バイメタル効果を使用していること。
−加熱用電気抵抗部材が、梁内に組み込まれているとともに、大きな熱膨張係数を有したバイメタル（金属ブロック）部分上に（あるいは、その近傍に）配置されていること。これにより、電気加熱効果を最大限のものとすることができる（最小の熱損失。
−熱伝導度の小さな誘電性梁を使用していること。これにより、バイメタル領域の外部に対しての熱放散を大幅に防止することができる。

したがって、本発明においては、２つの材料間の熱膨張度合いの差と、バイメタルのところにおける加熱用電気抵抗部材による温度の印加および調節と、の双方を使用している。

本発明においては、デュアルスイッチを得ることができる。

本発明においては、
−コンタクトパッドに対して付与し得る形状によって、および、スイッチング対象をなすトラックの端部に対して付与し得る形状によって、および、付加的には、コンタクトパッドとトラックとの間のコンタクトをより『適切な』ものとし得るよう、コンタクト領域に対して付与されたフレキシブルさによって、
−より小さな電圧でもって電極端子がコンタクトパッドに対してより大きな押圧力を印加し得るよう、適切な形状とされた『補助』電極を付加することによって、
コンタクト抵抗値を最適化し得るスイッチを得ることができる。

本発明によるマイクロスイッチの形成は、集積回路の製造方法に対して、大いなる互換性を有している（必要に応じて、『金』による金属化を、製造方法の最終ステップとして行うこと）。

マイクロスイッチの双安定性は、２つの理由により、完全に制御される。第１の理由は、双安定性が、梁が圧縮応力を受けなければならないことによって得られているということである。この応力は、スイッチに構成する材料によってもたらされる（形状、厚さ）。梁が、完全に対称なものとして構成されている場合には、なおかつ、２組をなすアクチュエータの各組が、同じ成膜によって形成されている場合には、応力は、完全に対称なものとなる（アクチュエータの同じ形状および同じ厚さおよび対称性）。この結果、デバイスにとって、ある安定状態と他の安定状態とが同等なものとなる。第２の理由は、圧縮応力の値を、成膜のタイプによって、および、構成によって、および、応力解放『スプリング』の追加によって、制御し得ることである。

本発明によるマイクロスイッチは、有利には、シリコン基板上に形成することができる。埋設領域および梁は、Ｓｉ_３Ｎ_４あるいはＳｉＯ_２ あるいは多結晶シリコンから、形成することができる。導電トラック、コンタクトパッド、電極、および、加熱アクチュエータは、金や、アルミニウムや、銅や、ニッケルや、真空中で成膜可能な材料や、電気化学的に成膜（電解、自己触媒メッキ）可能な材料、から形成することができる。加熱用の電気抵抗部材は、ＴａＮや、ＴｉＮや、あるいは、Ｔｉ、から形成することができる。

例えば、シリコン基板上において、加熱アクチュエータを備えたオーミックマイクロスイッチを形成するための方法においては、以下のような各ステップを行うことができる。
−基板上に、ＰＥＣＶＤによって、１μｍ厚さの酸化物層を成膜し、
−リソグラフィーとエッチングとを行うことにより、埋設領域のためのキャビティを形成し、
−犠牲層として作用することとなる１μｍ厚さのポリイミド層を成膜し、
−犠牲層に対して、乾式平坦化操作または化学的機械的研磨（ＣＭＰ）操作を施し、
−３μｍ厚さのＳｉＯ_２ 層を成膜し、
−このＳｉＯ_２ 層をエッチングすることによって、アクチュエータとコンタクトパッドと導電トラックとのための開口を形成し、
−３μｍ厚さのアルミナ層を成膜し、
−ＳｉＯ_２ 層が露出されるまで、アルミナ層を、ＣＭＰ操作によって平坦化し、
−０．１５μｍ厚さのＳｉＯ_２ 層を成膜し、
−０．２μｍ厚さのＴｉＮ層を成膜し、
−リソグラフィーとエッチングとを行うことにより、ＴｉＮ層の中に加熱用電気抵抗部材を形成し、
−０．２μｍ厚さのＳｉＯ_２ 層を成膜し、
−このＳｉＯ_２ 層に対してリソグラフィーとエッチングとを行うことにより、加熱用電気抵抗部材のコンタクトパッドを形成し、
−犠牲層を停止層として使用することによって、ＳｉＯ_２ 層に対してリソグラフィーとエッチングとを行うことにより、梁を形成し、
−Ｃｒ／Ａｕからなる０．３μｍ厚さの２層を成膜し、
−リソグラフィーとエッチングとを行うことにより、導電トラックおよびコンタクトパッドを形成し、
−犠牲層をエッチングすることによって、梁を露出させる。

他の実施形態においては、シリコン基板上において、加熱アクチュエータを備えたオーミックマイクロスイッチを形成するための方法においては、以下のような各ステップを行うことができる。
−基板上に、ＰＥＣＶＤによって、１μｍ厚さの酸化物層を成膜し、
−リソグラフィーとエッチングとを行うことにより、埋設領域のためのキャビティを形成し、
−犠牲層として作用することとなる１μｍ厚さのポリイミド層を成膜し、
−犠牲層に対して、乾式平坦化操作または化学的機械的研磨（ＣＭＰ）操作を施し、
−３μｍ厚さのＳｉＯ_２ 層を成膜し、
−このＳｉＯ_２ 層をエッチングすることによって、アクチュエータのための開口を形成し、
−３μｍ厚さのアルミナ層を成膜し、
−アクチュエータを、ＣＭＰ操作によって平坦化し、
−０．２μｍ厚さのＴｉＮ層を成膜し、
−リソグラフィーとエッチングとを行うことにより、ＴｉＮ層の中に加熱用電気抵抗部材を形成し、
−０．２μｍ厚さのＳｉＯ_２ 層を成膜し、
−このＳｉＯ_２ 層に対してリソグラフィーとエッチングとを行うことにより、加熱用電気抵抗部材のコンタクトパッドを形成し、
−ＳｉＯ_２ 層に対してリソグラフィーと３．２μｍ深さのエッチングとを行うことにより、梁を形成し、
−Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕからなる１μｍ厚さの３層を成膜し、
−リソグラフィーとエッチングとを行うことにより、導電トラックおよびコンタクトパッドを形成し、
−犠牲層をエッチングすることによって、梁を露出させる。

本発明によるデュアルマイクロスイッチの第１実施形態を示す平面図である。 第１安定動作状態において、図１のマイクロスイッチを示す図である。 第２安定動作状態において、図１のマイクロスイッチを示す図である。 本発明によるデュアルマイクロスイッチの第２実施形態を示す平面図である。 本発明によるデュアルマイクロスイッチの第３実施形態を示す平面図である。 本発明によるシングルマイクロスイッチを示す平面図である。 本発明によるデュアルマイクロスイッチの第４実施形態を示す平面図である。 本発明によるデュアルマイクロスイッチの第５実施形態を示す平面図である。 本発明によるデュアルマイクロスイッチの第６実施形態を示す平面図である。 第１実施形態に対応したデュアルマイクロスイッチを示す平面図であるものの、最適化されたコンタクトが設けられている。 第１安定動作状態において、図１０のマイクロスイッチを示す図である。

符号の説明

１ 基板
２ 導電トラック
３ 導電トラック
４ 導電トラック
５ 導電トラック
６ 梁
７ 電気的コンタクトパッド（電気的コンタクト形成手段）
７’ 電気的コンタクトパッド（電気的コンタクト形成手段）
８ 電気的コンタクトパッド（電気的コンタクト形成手段）
８’ 電気的コンタクトパッド（電気的コンタクト形成手段）
１２ 端部
１２’ 端部
１３ 端部
１３’ 端部
１４ 端部
１４’ 端部
１５ 端部
１５’ 端部
２０ アクチュエータ（駆動手段）
２１ ブロック
２２ 電気抵抗部材
３０ アクチュエータ（駆動手段）
４０ アクチュエータ（駆動手段）
５０ アクチュエータ（駆動手段）
１０６ 梁
１１１ 応力緩和スロット（解放スプリング形成手段）
２６１ 電極（静電力を誘起するための手段）
２６２ 電極（静電力を誘起するための手段）
２６３ 電極（静電力を誘起するための手段）
２６４ 電極（静電力を誘起するための手段）
２７１ 電極（静電力を誘起するための手段）
２７２ 電極（静電力を誘起するための手段）
２７３ 電極（静電力を誘起するための手段）
２７４ 電極（静電力を誘起するための手段）
３０２ 導電トラック
３０３ 導電トラック
５０６ 梁（静電力を誘起するための手段）
５７１ 電極（静電力を誘起するための手段）
５７２ 電極（静電力を誘起するための手段）
５７３ 電極（静電力を誘起するための手段）
５７４ 電極（静電力を誘起するための手段）

Claims (15)

1. 基板（１）上に形成された双安定型のＭＥＭＳマイクロスイッチであって、
   少なくとも２つの導電トラック（２，３，４，５）の端部（１２，１３，１４，１５）どうしを電気的に接続し得るものであり、
   前記マイクロスイッチが、前記基板の表面上に懸架された梁（６）を具備し、
   この梁が、両端部のところにおいて埋設されているとともに、非変形状態においては圧縮応力を受けるものとされ、
   前記梁（６）が、電気的コンタクト形成手段（７，８）を備え、
   これら電気的コンタクト形成手段（７，８）が、前記基板表面に対して平行に前記梁が変形した際には、前記２つの導電トラックの前記端部に対して側方から接触し得るようにして、配置され、
   前記マイクロスイッチが、前記梁を駆動するための駆動手段（２０，３０，４０，５０）を具備し、
   これら駆動手段（２０，３０，４０，５０）が、前記梁を、第１安定状態に対応した第１変形位置へと、または、第２安定状態に対応した第２変形位置へと、配置し、
   ここで、前記第１変形位置と前記第２変形位置とが、前記非変形状態を挟んで、互いに反対側に位置するものとされ、
   前記電気的コンタクト形成手段（７，８）が、前記梁が前記いずれかの変形位置とされた際には、前記２つの導電トラック（２，３，４，５）の前記端部（１２，１３，１４，１５）を確実に接続することを特徴とするマイクロスイッチ。
2. 請求項１記載のマイクロスイッチにおいて、
   前記マイクロスイッチが、デュアルマイクロスイッチとされ、
   前記第１変形位置においては、第１組をなす２つの導電トラック（２，３）の各端部（１２，１３）を接続し、
   前記第２変形位置においては、第２組をなす２つの導電トラック（４，５）の各端部（１４，１５）を接続することを特徴とするマイクロスイッチ。
3. 請求項１記載のマイクロスイッチにおいて、
   前記マイクロスイッチが、シングルマイクロスイッチとされ、
   前記第１変形位置においては、２つの導電トラック（３０２，３０３）の各端部を接続し、
   前記第２変形位置においては、接続をもたらさないことを特徴とするマイクロスイッチ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のマイクロスイッチにおいて、
   前記梁（６）が、誘電性材料あるいは半導体材料から形成され、
   前記電気的コンタクト形成手段が、前記梁と一体化された導電性パッド（７，８）から形成されていることを特徴とするマイクロスイッチ。
5. 請求項４記載のマイクロスイッチにおいて、
   前記駆動手段が、バイメタル効果を使用した加熱アクチュエータ（２０，３０，４０，５０）を備えていることを特徴とするマイクロスイッチ。
6. 請求項５記載のマイクロスイッチにおいて、
   前記各加熱アクチュエータ（２０）が、熱伝導性材料からなるブロック（２１）と、このブロックに対して緊密に接触して配置された電気抵抗部材（２２）と、を備えていることを特徴とするマイクロスイッチ。
7. 請求項４記載のマイクロスイッチにおいて、
   前記駆動手段が、静電力を誘起するための手段（２７１，２７２，２７３，２７４； ２６１，２６２，２６３，２６４）を備えていることを特徴とするマイクロスイッチ。
8. 請求項４記載のマイクロスイッチにおいて、
   前記駆動手段が、バイメタル効果を使用した加熱アクチュエータと、静電力を誘起するための手段と、を備えていることを特徴とするマイクロスイッチ。
9. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のマイクロスイッチにおいて、
   前記梁（５０６）が、導電性材料から形成されていることを特徴とするマイクロスイッチ。
10. 請求項９記載のマイクロスイッチにおいて、
    前記駆動手段が、静電力を誘起するための手段（５０６；５７１，５７２，５７３，５７４）を備えていることを特徴とするマイクロスイッチ。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載のマイクロスイッチにおいて、
    前記電気的コンタクト形成手段（７’，８’）が、接続すべき前記導電トラック（２，３，４，５）の前記端部（１２’，１３’，１４’，１５’）間に嵌め込まれ得るような形状を有していることを特徴とするマイクロスイッチ。
12. 請求項１０記載のマイクロスイッチにおいて、
    前記導電トラック（２，３，４，５）の前記端部（１２’，１３’，１４’，１５’）が、接続時に前記電気的コンタクト形成手段（７’，８’）の形状に適合することを可能とし得るよう、フレキシブルさを有していることを特徴とするマイクロスイッチ。
13. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載のマイクロスイッチにおいて、
    前記梁（１０６）の埋設された少なくとも１つの端部のための解放スプリング形成手段（１１１）を備えていることを特徴とするマイクロスイッチ。
14. 請求項１〜１３のいずれか１項に記載のマイクロスイッチにおいて、
    前記電気的コンタクト形成手段が、オーミックコンタクトをもたらし得る手段とされていることを特徴とするマイクロスイッチ。
15. 請求項１〜１３のいずれか１項に記載のマイクロスイッチにおいて、
    前記電気的コンタクト形成手段が、容量性コンタクトをもたらし得る手段とされていることを特徴とするマイクロスイッチ。

Images