JP2007522609A - ピエゾ電気材料でできたマイクロ電気機械スイッチを備える電子装置 - Google Patents

Abstract

電子装置は、電極層の少なくとも一つが独立に制御できる分離した電極に構造化される、第１及び第２電極層（１１、１３）の間にピエゾ電気層（１２）を備えるピエゾ電気素子を有するマイクロ電気機械スイッチ（ＭＥＭＳ）を含む。

Description

本発明は、第１の電極層と第２の電極層との間に位置するピエゾ電気層を備えるピエゾ電気素子と、第１のＭＥＭＳ電極が前記ピエゾ電気素子の面にあって、第２のＭＥＭＳ電極が基板の面にあるので、前記ピエゾ電気素子への動作電圧印加により第１ＭＥＭＳ電極が第２ＭＥＭＳ電極に向かって、及び／又は離れるように動くような第１のＭＥＭＳ電極及び第２のＭＥＭＳ電極とを有するマイクロ電気機械スイッチを備える電子装置に関する。

斯様な装置は、文献から知られている。マイクロ電気機械スイッチ（ＭＥＭＳ）は、半導体スイッチについての興味ある代替物である。より低い容積抵抗値を得る一方で、半導体スイッチの固有の容量を避ける可能性が特に、ＭＥＭＳに対して、ここ数年でかなりの研究及び開発活動の焦点を当ててきた。第１期の製品は既に使用されているが、相対的に高いスイッチング電圧に関わることができるアプリケーション（応用）にこれまでのところ制限されていた。５Ｖより低い電圧で動作させる解決策が特に興味深く追及されている。なぜならば、これらの解決策はＭＥＭＳに対して移動通信の全領域に向けて開放するからである。この理由のため、研究努力を増大することがピエゾ−ＭＥＭＳに専心されてきた。なぜならば、純粋に静電的にスイッチされるＭＥＭＳよりも非常に低いスイッチング電圧しか必要としないからである。

図１は、片側が固定されたピエゾセラミックプレート及び両端それぞれが固定されたピエゾセラミックプレートの基本図である。これらは、あらゆるピエゾ−ＭＥＭＳの中核を表す。基本原理は、どちらの場合も同じである。ピエゾセラミックプレート１２の上側表面及び下側表面は、電圧が印加されたとき当該ピエゾセラミックプレートが収縮したり又は伸長したりさせる電極層１１、１３をサポートする。電極層１１、１３と一緒に、ピエゾセラミックプレート１２はピエゾ電気素子を形成する。これは、素子１０が片側３０又は両側３０、３１に固定されるための一つ以上の支持部を介して基板に接続される。図の構成は、ｄ３１ピエゾ電気係数に基づいている、すなわちピエゾセラミックプレート１２はｚ方向に電極の法線面に沿って分極されている。ピエゾセラミックプレートの曲がりは、硬さの度合い傾斜により生じる。よって、上側面及び下側面上の電極１１、１３は、同じ金属により作られてもよいが、層の厚さの値は異ならなければならない。他のあり得る解決策は、異なる剛性率を持つ異なる電極材料の使用である。これら２つの原理の組み合わせは、同様に可能である。

図２は、上側面と下側面との間に電圧を印加した後の２つのスイッチを示す。片側を固定することは、スイッチングが低い電圧（低電圧での大きな偏向）により達成できるという利益を提供する。それに対して、両端で固定されたスイッチは、より高い機械的安定性を提供するが、片側固定のスイッチと同じ偏向に達するために非常に高い電圧を必要とする。しかしながら、両端が固定されたスイッチをよく見ると、電圧印加の後の曲がった形状は非常に好ましくないことがわかる。機械的な利点に関係なく、両端が固定されたスイッチは、この構成では片側固定のスイッチに対する利用できる代替物とはいえない。

したがって、本発明の目的は、第１段落で述べたタイプの装置であって、低いスイッチング電圧であるが良好な機械的安定性を備えたＭＥＭＳスイッチとなる装置を提供することである。

この目的は、ピエゾ電気素子内に変位領域を規定する一方で電極層の少なくとも一つが電極に構造化され、当該変位領域内に第１のＭＥＭＳ電極が位置され、当該変位領域は電極への少なくとも一つの動作電圧の印加によりピエゾ電気素子の残りの部分に対して基板から離れて及び／又は基板に向かって大きく変位できるものであることを提供することにより達成できた。

本発明では、少なくとも一つの電極層が構造化されるので、ピエゾ電気素子の一部だけが変形可能である。結果として、動作電圧が印加されるとき、素子全体が基板に、特に第２のＭＥＭＳ電極に導かれるのではなく、その特定の一部だけ、すなわち変位領域だけが導かれる。特に、複数の電極は、ピエゾ電気素子が全体として偏向されるのではない可能性を提供する。セラミック素子は局部的に収縮する。特に、これは、第１のＭＥＭＳ電極に平坦な表面を付与するように仕立てられる。

ピエゾ電気層は、製造中に分極モードで好ましくは分極されている。この目的のため、ピエゾ電気層の局部的収縮を生じさせる動作電圧が局部的に印加できるように、電極は規定される。斯様な分極モードの使用は、ピエゾ−セラミックに関する当業者であれば誰でも知っている。通例、より高い動作電圧及びより高い温度が使用される。ここには、分極モードは、電極への動作電圧の種々異なる分布によって動作モードとは異なる。

このデザインは、２つの又は複数で固定されたピエゾ電気素子に対して特に興味深い。この明細書では、対立する側とは、上側面及び下側面と普通呼ばれる側を意味するのではなく、むしろピエゾ電気素子の「エッジ」すなわち「離れた端部」を意味し、これらのエッジ間に変形可能なピエゾ電気素子が、本質的に基板に平行に充分に開いた位置にある。したがって、ピエゾ電気素子は、「梁−形状」である。文字的にも両端で固定されたものとしてこのことを述べる。

電極のデザインとの組み合わせで斯様に二つで固定された（単に「固定された」と言う）ピエゾ電気素子は、良好な変形特性を呈示し、１μｍより大きなスイッチング距離を橋渡しするのに充分な変形を低電圧（＜５Ｖ）で達成する。１μｍのスイッチング距離が、ＭＥＭスイッチに対する特性である。電極が変位領域の周りに対称的に配置されることが好都合である。

スイッチは、ガルバーニ的でも容量的でも何れでもよい。加えて、当該スイッチは、共振器として及びセンサとして使用されてもよい。ピエゾ電気層は、好ましくは当業者には、PbZrTiO₃、Pb(X_aNb_b)O₃-PbTiO₃、ここでa=0.33又は0.5、b=1-a、X=In,Mn,Mg,Y,Er,Zn,Ni,Sc又は何かしらのものであって、La,Mn,Fe,Sb,Sr,Ni,Wのドーピング若しくはこれらの組み合わせを具備する又は具備しないものとして知られている鉛−ジルコン酸塩−チタン酸塩グループなどからの材料のような、ペロブスカイト型構造を備える材料を含む。斯様な材料は、当業者には知られている様々な態様で基板に適用できる。ピエゾ電気素子は、さらに構造化された層を含んでもよいが、異なる電極層を使用することにより硬さにおいて非対称も達成できる。斯様なＭＥＭＳ素子を作る種々の態様は知られている。

第１の実施例では、第２の電極層も複数の電極に分割される。各層は、好ましくは独立して制御可能な電位を持った少なくとも２つの電極を含む。この実施例は、様々な構成で使用できる。

第１の構成では、誘電層は、対向電極である、第２のＭＥＭＳ電極上に位置する。ピエゾ電気素子の上側及び下側の中間電極両方は、信号を送ることができる。閉じた状態では、前記信号は、容量的に第２のＭＥＭＳ電極に結合される。誘電体は厚いけれども上側の中間電極が前記信号を送るならば、これは、層の厚さ及び材料の選択によって低めの内部抵抗を持つことができる。

第２の構成では、第２のＭＥＭＳ電極上には誘電層がない。下側の中間電極が信号を運ぶならば、ＤＣスイッチを考慮して、閉じた状態は第２ＭＥＭＳ電極とのガルバニック接触となる。上側の中間電極が信号を運ぶならば、誘電体を介して開状態でさえ下側の中間電極に結合される。スイッチが閉じるならば、信号は第２のＭＥＭＳ電極（対向電極）との接触により短絡される。

第３の構成では、スイッチは、「伝送ライン」を介して信号を運ぶようにデザインされる。この伝送ラインは、不連続であり得るので、ピエゾセラミック素子上の第１のＭＥＭＳ電極は、誘電体を介してガルバニック的な又は容量的な接続を閉じる。代替的には、伝送ラインは連続的であってもよい。この場合、誘電体により覆われてもよい、ピエゾセラミック素子上の第１のＭＥＭＳ電極との接触があるならば、信号はガルバニック的に又は容量的にグランドに接続される。

２つの制御モードがある。分極モード及び動作モードである。分極モードでは、第２のＭＥＭＳ電極とは反対側のピエゾ電気層の部分は、隣接する部分に関して反対に分極される。

ＭＥＭＳスイッチは、ピエゾセラミック素子上に電極を構造化することに関して、更に異なることができる。一つの実施例では、第２の電極層は連続的な金属層であり、一方第１の電極層は少なくとも３つの電極を有し、中間の電極は第２のＭＥＭＳ電極の反対側に位置する。ここにまた、種々異なる構成が利用可能である。

第１の構成では、スイッチが開くとき信号は連続的な下側電極に沿って流れ、スイッチが閉じるときガルバニック的に短絡される（図９Ａ）。第２の構成では、スイッチが開くとき信号は連続的な上側電極に沿って流れ、スイッチが閉じるときピエゾセラミック素子を介して容量的に短絡する（図９Ｂ）。第３の構成では、スイッチが開くとき信号は連続的な下側電極に沿って流れ、スイッチが閉じるとき誘電体によって覆われた対向電極を介して容量的に短絡する（図９Ｃ）。

この実施例でも、異なるモード、すなわち分極モード及び動作モードがある。

この実施例の特別な変形例では、構造化された電極層上の電極は、いわゆる「内部デジタル電極」としてデザインされる。ここでは電圧は、狭い電極間に印加される。よって、ピエゾセラミック素子の分極は、＋ｘ又は−ｘ方向に大きく指向される。動作のために付与された場は、ｘ軸に沿って所望の伸長又は収縮と平行に延在する。ｄ３３ピエゾ電気係数は、この場合達成可能な偏向に対してクリティカルである。これは、ｄ３１のピエゾ電気係数値の２倍であり、電極が精細な構造を持ち電位シーケンスがスイッチが曲がる態様に合っているとすると、低いスイッティング電圧で大きな偏向さえ可能である。

本発明は更に、ＭＥＭＳスイッチの準備のための方法にも関する。この準備は本質的に、分極モードで電圧を活性化させるアプリケーションに関する。この工程は、ピエゾ電気素子の偏向及びテーラメード局部収縮を実効する好適なやり方を表す。

本発明は更に、ＭＥＭＳスイッチのアプリケーションに関する。動作モードを含む使用において、変位領域が望ましく動くように動作電圧が印加される。動作電圧は駆動装置（ドライバ、特に駆動集積回路）により一般には印加される。

本発明のこれら及び他の側面は、これ以降述べられる実施例を参照して明らかに説明されるだろう。

異なる図面での同一の参照符号は、同一の要素を示す。これらの図は、全くの略図である。ピエゾ電気スイッチ又はスイッチ可能なキャパシタの原理的構成が図４に示される。ＭＥＭＳ素子は、第１電極層１１、ピエゾ電気層１２及び第２電極層１３を備えたピエゾ電気素子１０を有する。第１のＭＥＭＳ電極４２は、ピエゾ電気素子１０の一つの表面に位置される。これ以降対向電極とも呼ばれる第２のＭＥＭＳ電極２１は、基板２０上に位置される。第１及び第２ＭＥＭＳ電極４２、２１は、ＭＥＭＳ素子の閉じた状態で相互にガルバニック的又は容量的な接触で配される。ピエゾ電気素子１０は、２つの側３０、３１で支持部に固定される。図示されていない、支持部は、基板２０上に位置される。

図４Ａは、第２のＭＥＭＳ電極２１上の誘電層２２を備えるスイッチを示す。これは、閉じた状態で容量的な接触となる。図４Ｂは、第２のＭＥＭＳ電極上に誘電層なしのスイッチを示す。これは、ガルバニック的又は容量的接触となる。下側の中間電極とも呼ばれる第１のＭＥＭＳ電極４２は、入力部に直接接続され、スイッチはガルバニック的である。しかしながら、信号が上側の中間電極５２により送られるならば、第１及び第２ＭＥＭＳ電極４２、２１がガルバニック的に接続されたとしても、結果は容量的なスイッチとなる。

図４Ａ（Ｉ）及び４Ｂ（Ｉ）は、開いた状態のスイッチを示し、一方図４Ａ（ＩＩ）及び４Ｂ（ＩＩ）は閉じた状態のスイッチを示す。下側の中間電極４２に隣接する、他の電極４１、４３は、第１電極層１１に配される。同じように第２電極層１３は、他の電極５１、５３を含む。これらの電極４１、４３、５１、５３は、中間電極４２、５２の電圧とは異なる電圧に動作時に設定される。このようにして、ピエゾセラミック層１２は、都合よく曲げられる。電極層１１、１３内の他の電極４１、４３；５１、５３の相互の接続は、不可能ではない。他の図は、関連する構成を示す。

本発明によるスイッチの好ましい実施例では、ゾルゲル技術を使ってウェット化学プロセスで適用できるピエゾ電気層１２が選択される。有用な材料は、例えば、鉛−ランタン−ジルコニウム−チタン(PbLa_0.02Zr_0.53Ti_0.47O₃)であるが、種々の代替物も専門家には知られている。しかしながら、斯様な強誘電層は、一般に５００から９００℃の間の高い温度での加熱処理を必要とする。この理由のため、一つの電極層は、好ましくはこれらの温度に耐えるプラチナ(Pt)を含む。しかしながら、導電酸化物のような他の可能性もある。他の電極層に対しては、プラチナ、アルミニウム又は他の好ましい材料が使用できる。接着層及びバリア層は、専門家が知っているように、必要である限り使用すべきである。ＭＥＭＳスイッチは、後からエッチングにより除去される「犠牲層」で普通は作られる。この場合、Pt層は基板に最も近い。代わりに、ピエゾ電気素子１０は分けて作ることができ、その後半田付け又は類似の方法により基板２０にくっ付けることができる。この場合、Pt層は、基板２０から離れたピエゾ電気素子１０の側にある。

図５は、ピエゾ電気素子１０を示す。これは、本発明に基づくスイッチの可動部分である。第２のＭＥＭＳ電極２１及び基板２０は示されていない。本発明によるスイッチの構造は、ピエゾセラミック層１２の少なくとも一方の側にマウントされる、電位が独立して制御可能な少なくとも２つの電極により特徴付けられる。この実施例では、電極層１１、１３の両方は、３つの電極４１−４３、５１−５３に分割される。この構成では、絶対的に必要というわけではないが、第２電極層１３の電極と同一であるような第１電極層１１の電極を設計することは有利である。例えば、benzo-cyclobutane(BCB)又は低誘電率の同様な材料でできた絶縁物が、上側の中間電極５２と端部の電極５１、５３との間に置くことができる。

ピエゾセラミック層１２が固定ポイント３０、３１間で長さ４Ｌを持つとすると、低スイッチング電圧でピエゾセラミック層の最大の偏向を達成するために、側部の電極４１、４３の長さは好ましくはほぼＬであり、中間電極の長さはほぼ２Ｌである。電極４１、４２、４３の間の絶縁ギャップは、技術的に最小に低減すべきである。

電極の材料は、互いにできるだけ異なるような弾性率のモジュラを持つように選択される。電極の層厚さの値を組み合わせて、これはピエゾセラミック層の曲げを増大させるからである。下側の電極１１は好ましくは１６５ＧＰａの弾性率のモジュラを備えたプラチナから成り、一方で上述の設計において上側の電極は好ましくはたった７１ＧＰａの弾性率のモジュラしかないアルミニウムから成る。実際的には、これは、プラチナの下側電極の厚さが０．１μｍでアルミニウムの上側電極の層厚さが０．３１μｍであるならば、厚さ０．５μｍで２００ｘ５０μｍの固定されたピエゾセラミック層は１Ｖの電圧で最大偏向０．７３μｍを達成することを意味する。このことは、最適な層厚さのプラチナの上側電極と比較して約７０％の改善を提供する。結果として、より長いスイッチング距離が、同じ電圧でブリッジすることができ、又はより低い電圧で等価な距離がブリッジできる。第１の場合、スイッチが対向電極に印加できるポテンシャル力が増大し、よって良好な接触を保証し、一方第２の場合では電圧供給要件が低減し、よってこれらマイクロスイッチの範囲が拡大する。

図６は制御電圧と共にピエゾ電気素子１０を再び示す。２つの異なるモードが示されている。第１のモード、分極モードはピエゾセラミック層１２を調整するために使用される。これは、好ましくはピエゾ電気素子１０の層の作成後直ちになされる。高めの電圧及び高めの温度がこのプロセスで用いられる。これは製造段階では依然可能である、なぜならばピエゾ電気素子１０よりももっと限定された温度安定性の他の層又はパッケージがまだ適用されてないからである。第２のモードは動作モード、すなわちユニットの使用中実効的であるモードである。

図６ａは、分極モードでの制御電圧のアプリケーションを示す。ピエゾセラミック層は−ｚ方向に分極され、すなわち、第１の電極層１１の電極が第２の電極層１３の電極の電位とは異なる電位に設定される。今の場合、第１の電極層１１の電位は０Ｖであり、一方第２の電極層１３の電位は５Ｖである。５Ｖの値は単なる例を与えていることに留意すべきである。

図６Ｂは、動作モードでの制御電圧のアプリケーションを示す。ここで、シーケンスは交互であるが、第２電極層１３の側部の電極５１、５３及び下側の中間電極４２は５Ｖに設定され、一方第１電極層１１の側部の電極４１、４３及び上側の中間電極５２には０Ｖが印加される。

分極及び動作モードの電位シーケンスは交換可能なので、ピエゾセラミック層は両側で＋ｚ方向に、中間電極より下で−ｚ方向に分極されてもよい。

上述のワイヤリングと共に電極材料及び層厚値の適切な選択と組み合わされたこれらの電極構造化の結果として、ピエゾセラミック層は、両端部で右に曲がり、中央部で左に曲がる。したがって、ピエゾセラミック層の曲がる様子は、境界条件（位置が固定されたスイッチの両端部）により課せられたものと対応し、電極材料の選択によってサポートされる。これは、等しい電圧でスイッチの偏向を増大する。スイッチング電圧１Ｖで２００μｍｘ５０μｍの上記寸法を備える固定されたピエゾセラミック層に基づいてＡｎｓｙｓ６．０ソフトウェアツールでのシミュレーションは、連続する上部の又は下部の電極、そうでなければ適当な電極材料及び層厚値を備えたユニットと比較して約５倍偏向が増大した（図３）。加えて、曲げ形状は、大きな接触面を保証する、よって接触を確かにするように変化する（図７）。上述の構成は、制御可能なキャパシタの電極として使用できる。

仮に電極材料とは独立に、０．３μｍから１μｍ（技術的に可能であればもっと薄く）の好ましい層厚を備える固定されたピエゾセラミック層の偏向は、１：２と１：６との間の電極層厚比で最大に達する。

図８は、分割された電極を活性化する種々の構成を示す。図の左部分は、（ハッチされた）電極により覆われたセラミック層の下側を示し、一方図の右部分は上側を示す。上の構成では、電極はピエゾセラミック層の全幅にわたって延在する。下側の電極は、材料の力を対称的に保つために、上の電極とは鏡像になるように配される。真ん中の構成では、中間電極は一方の側だけに接続される。ここでも電極は対称的に鏡像に配される。下の配置では、上の中間電極は第３ベースに接続される。この構成は、低損失で幅広ラインを介して中間電極へ信号を伝達するための機会を与える（他のベースが対称的に加えられる）。

図９及び他の図は、本発明によるスイッチの第２実施例を示す。この実施例では、電極層１１、１３の一つだけが幾つかの電極に分割された。この実施例でも、電極が（ピエゾセラミック層を調整するための）分極モード及び（ピエゾセラミック層を曲げるための）動作モードにおいて種々異なる態様で活性化できるので、異なる電圧を印加するだけでなく、電圧が電極に対して異なって分配されるという重要な特徴を提供できる。動作モードでは、連続する電極、すなわち構造化されていない電極層が信号を運ぶ。

図９は、本発明の第２実施例におけるピエゾ電気スイッチ又は制御可能なキャパシタの基本構造を示す。この実施例は、連続する電極が信号を運ぶという事実により特徴付けられる様々な構成を含む。

図９Ａは、単一の、連続する下側電極１１を備えるスイッチを示す。スイッチが開いているとき、信号はこの下側電極１１に沿って流れる。スイッチが閉じているとき、信号は、ガルバニック的に短絡するか又は結合される。したがって、この下側電極１１は、第１のＭＥＭＳ電極である。

図９Ｂは、単一の、連続する上側電極１３を備えるスイッチを示す。スイッチが開いているとき、信号は連続する上側電極に沿って流れる。スイッチが閉じているとき、信号は、ピエゾセラミック層を介して容量的に短絡するか又は結合される。

図９Ｃは、単一の、連続する下側電極１１を備える他のスイッチを示す。この場合、基板２０の第２のＭＥＭＳ電極２１上に誘電体２２がある。スイッチが開いているとき、信号は連続する下側電極に沿って流れる。スイッチが閉じているとき、信号は、第２のＭＥＭＳ電極２１を介して容量的に短絡するか又は結合される。

短絡という用語は、信号がグランドに流れることを意味する。信号が結合されるならば、第２のＭＥＭＳ電極は信号ラインに接続される。

図１０は、この実施例のピエゾ電気素子１０を示す。本発明によるスイッチの構成は、ピエゾセラミック層１２の一方の側にマウントされて、独立して電位が制御できる、少なくとも二つの電極によって特徴付けられる。ピエゾセラミック層の他方の側の電極は連続である。

ピエゾセラミック層が長さ４Ｌを持つならば、低スイッチング電圧でピエゾセラミック層の最大偏向を達成するために、それぞれ端部の電極の長さはほぼＬであり、中間電極の長さはほぼ２Ｌである。電極間の絶縁ギャップは技術的に最小に低減されるべきである。

電極材料は、一方で最大偏向のため、他方でスルーメタライジングのために用いられる材料の高導電性のために選択される。プラチナが薄くて構造化された電極のために好ましい材料であり、厚めのアルミニウム層が構成されていない電極のために好ましい材料である。銅、銀又は金のような高導電率を備える材料も構成されていない電極のために好適である。

電極材料とは実質的に独立に、０．３μｍから１μｍ（もし技術的に可能であればもっと薄く）の好ましい層厚を備える固定されたピエゾセラミック層の偏向は、１：２と１：１０との間の電極層厚比で最大に達する。

図１１の図Ａ及びＢは、２つのモードにおける印加された電圧を示す。分極モードでは（図１１Ａ）、ピエゾセラミック層は端部電極の領域において＋ｚ方向（又はその反対方向）に分極され、中間電極の領域において−ｚ方向（又はその反対方向）に分極され、すなわち、例えばピエゾセラミック層の下側での構成された電極の電位が交互になる。したがって、製造時、少なくとも３つの異なる電位が必要とされ、一方動作モードは２つの異なる電位だけ必要とされる（図１２ＲＨ側）。

分極モード及び動作モードの電位シーケンスは、原則として交換可能であるが、アプリケーションの制御電子部により高い要求を出すことになる。５Ｖ及び０Ｖの特定の電圧が、例示される。他の電圧が用いられてもよい。特に、分極モードでの電圧は、動作モードでの電圧より高くできる。加えて、セラミック層が収縮する電極に印加される電圧は、セラミック層が伸長する電極に印加される電圧より低くてよい。示された例では、中間電極４２は、分極モードに負の電位を印加することにより反対方向に分極される。例えば、下側の中間電極４２に印加される制御電圧は、５Ｖのかわりに３Ｖ又は１Ｖでさえよい。このことは、制御電圧によりピエゾセラミック層の反対分極を防止する。

図１２は、構成された電極を活性化するための種々の構成を示す。中間電極４２は、非常に狭い接続部４２Ａを使用して接触できる、なぜならば信号を送らないからである。したがって、ピエゾセラミック層１２の偏向についての影響が最小になる。図１２Ａの装置では、中間電極４２は第３ベース４５に接続される。

ピエゾセラミック層の一方の側が完全に金属化されることを許容した固定されたスイッチのこの実施例の他の態様が、図１３に示されている。図１３Ｂは、ピエゾセラミック層の分極を説明するために図１３Ａからの詳細な図を示す。スイッチを偏向するためにｄ３１ピエゾ電気係数を使用する上述した構成とは対照的に、ｄ３３係数がこの場合に用いられる。これは、分極の軸に沿ったピエゾセラミック層１２の偏向が、同じ電圧で分極の軸とは９０度である偏向のほぼ３倍であるという利益を提供する。これは、構造化された電極１３が非常に精細な構造を持つならば特に好都合である。本例では、これは上側の電極１３であるが、代わりに下側の電極層１１でもよい。この特別な場合、プラチナ層が上側の電極のために選択され、アルミニウム層が下側の電極のために選ばれた。このことは、ピエゾ電気素子が基板製造後にだけ組み立てられるプロセスに対して適している。

電位のシーケンスは、ピエゾセラミック層が分極の軸に沿って伸長するように選ばれる。異なる電位を持つ電極間のピエゾセラミック層の上側トップの場の強さが最大であるので、これはピエゾセラミック層をサイド領域の下方に曲げながら、非常に強く伸長する。この効果は、ピエゾセラミック層が上側の電極の上へ垂直に伸長し、よって横方向に収縮するという事実により補強される。厚めの下側のアルミニウム電極と比べて薄い上側のＰｔ電極のかなりの硬さの結果として、この領域も下方に曲げられる。電位のシーケンスを変更することにより、ピエゾセラミック層の中間における曲がる様子が変化できる。

スイッチの偏向が、ピエゾセラミック層の曲がる様子を両側固定のものに合わせることにより、この構成において最適化できる。このことは、ピエゾセラミック層の全体の長さの１／１０と４／１０との間、好ましくは１／４と、ピエゾセラミック層の全体の長さの６／１０と９／１０との間、好ましくは３／４とで電位シーケンスを変えることにより達成される。これによると、種々異なる電位シーケンスが、図９に示されるように動作モード及び分極モードに対して必要とされる。これら２つのモードは、交換もできる。加えて、異なる電圧がピエゾセラミック層の分極に依存して動作モードで選択できるので、消極効果を避けるために、ピエゾセラミック層の両側の電圧は例えば５Ｖと０Ｖとの間、ピエゾセラミック層の中間の電圧は１Ｖと０Ｖとの間（又はその逆）で変化する。

低電圧で最大の偏向を得るために、連続する接触電極の電位は、電極の層厚値及び硬さの組み合わせで構成された電極より下のピエゾセラミック層の偏向がピエゾセラミック層の偏向を支えるように選ばれるべきである。

スイッチが電圧の印加なしで、すなわちピエゾセラミック層が偏向しないで開いているならば、分極及び電圧シーケンスは、動作電圧が印加されるときピエゾセラミック層の完全に金属化された表面が外側に曲げられるように合わされなければならない。代替として、ピエゾセラミック層は動作電圧なしでスイッチを閉じるようにあらかじめ機械的にすることができる。この場合、分極及び電圧シーケンスは、動作電圧が印加されたときピエゾセラミック層の完全に金属化された表面が内側に曲げられるように合わせられなければならない。

図１４は、ピエゾ電気層１２が構成された電極間で見える、第２電極層１３の電極構成の例の平面図である。電極に働きかかる制御が示されている。図１４Ａは分極モードでの働きを示し、図１４Ｂは動作モードでの働きを示す。上述の図のように、これら活性化プロセスは、電圧値においてというよりはむしろ電極にわたる分布において異なる。図１４Ａでは、（図１３と似ていて）分布は０Ｖ−５Ｖ−０Ｖ−５Ｖ−０Ｖ−５Ｖ−０Ｖ−５Ｖ−０Ｖ−５Ｖ−０Ｖである。したがって、分極モードでは、ピエゾセラミック層は特にピエゾ電気素子の表面の方向（ｄ３３係数の方向）に分極される。図１４Ｂでは、図１３のように、分布は０Ｖ−５Ｖ−０Ｖ−０Ｖ−５Ｖ−０Ｖ−５Ｖ−０Ｖ−０Ｖ−５Ｖ−０Ｖである。これは、単なる交互パターンではないが、３つの部分に分割されたパターンである。変化は分極の方向に抗して力を発生する。このことは、この場合端部で起こる。結果として、ピエゾセラミック層は局部的に収縮し、他の位置で伸長する。収縮及び伸長のこの繰返しは、ピエゾ電気素子１０が基板上の第２のＭＥＭＳ電極に向かって又は離れて動くようにする。

上述のワイヤリングと一緒に、層厚値及び電極材料の適切な選択を組み合わせた第２実施例のこれらの電極構造化の結果として、ピエゾセラミック層の曲がる様子は、端部及び中間で異なる。これは、境界条件（位置が固定されたスイッチの両端部での）を満足する。この態様は、選択された電極材料により更にサポートされる。これは、全く同一の電圧でのスイッチの偏向を増大する。両方の構成の結果的な曲がり形状は、図１５及び図１６に示される。

上述の構成は、制御可能なキャパシタの電極としても使用できる。

要約すると、本発明は、大変小さな全体サイズにもかかわらず、整合された電気的活性化、電極材料及び層厚を組み合わせた特別な電極設計のおかげで数μｍのスイッチング距離を橋渡しできる両端部で固定された新規なピエゾ電気機械的スイッチ（Ｐ−ＭＥＭＳ）に関する。同時に、非常に平坦な接触表面が接触を改善する。片方で固定されたスイッチと比べて、機械的な安定性が大きく強調される。

ピエゾ電気機械スイッチ（Ｐ−ＭＥＭＳ）は、５Ｖより低くスイッチング電圧を低減する利点を提供する。このことは、このタイプの部品をモバイルアプリケーションに適したものにする。この観点に加えて、損失の最小化が最も重要である。ここで述べられた本発明は、これらの要求を全て満たす。

これは、活性化電圧の印加のもとで対立する力を発生するピエゾセラミック層の局部的な活性化により達成される。これは、ピエゾセラミック層の伸長と収縮との間での変化となって、したがって種々異なる曲げとなる。両端で固定された素子において、このことは、左及び右への曲げを意味する。複数固定された素子では、Ｘ軸及びＹ軸にそれぞれ（ピエゾセラミック層の表面で両方）に沿った左への２つの曲げ及び右への１つの曲げが好ましい。前記対立する力は、分極モードにおけるピエゾセラミック層の以前の分極の結果である。（局部的な）分極方向に抗して印加された活性化電圧は収縮となり、一方分極方向に活性している力は伸長となる。

第１の実施例では、ピエゾセラミック層の両側上に構造化された電極があり、この一部が種々のやり方で活性化可能である。

第２の実施例では、一方の側で完全に金属化されたピエゾセラミック層は、両方で固定されたスイッチのこの信号を運ぶ金属層の抵抗を大きく低減する。同時に、特別な電極設計は、極端に小さな全体サイズ（例えば２００μｍｘ５０μｍ）にかかわらず、スイッチが５Ｖより低いスイッチング電圧で数μｍのスイッチング距離を橋渡しできるようにし、ピエゾセラミック層の曲げの様子が（両方の）固定された構成に合わせられるという事実のおかげで、大きな領域、よって対向電極との低い損失の接触を保証する。

第２の実施例の特に有益な変形例では、異なる電位に設定できる非常に多くの平行な線を規定して、上側の電極１３が非常に精細な構造を持つ。これは、ピエゾセラミック層の局部的活性化と、ピエゾ電気素子の面におけるｄ３３ピエゾ電気係数又はピエゾ電気素子に直角のｄ３１ピエゾ電気係数の何れかの使用とを許容する。

他の変形例では、基板２０上の第２のＭＥＭＳ電極２１が伝送ラインとして設計される。必要なベース面は、電極２０に位置される。第１のＭＥＭＳ電極はリレー（すなわち伝送ラインの２つの区分間の橋渡し）として設計できる。しかしながら、代わりにこの伝送ラインは連続してもよく、第２のＭＥＭＳ電極上に誘電体を備えるＭＥＭＳ素子はキャパシタである。

両方の実施例において、電極層１１、１３は、分極モードにおける電圧分布が動作モードにおけるものと異なるように更に設計される。分極モードでは、ピエゾセラミック層１２は、適した偏向のために調整できる。動作モードでは、このときこの偏向は、むしろ低い制御電圧を使って得られる。第２の実施例では、分極モードでの３つの異なる電位の印加が都合がよい。２つの電位が、動作モードで充分である。

他の利点は、ピエゾ電気層１２がカップリング面として使用できるという事実にある。特に、高周波信号が、低い内部抵抗で電極層１１、１３内で送ることができる。ピエゾ電気層を介したカップリング構成により、このとき当該信号は遠くへ伝送できる。ピエゾセラミック層の高い誘電係数のおかげで、１０００を越えるεｒ値が完全に可能であり、高周波信号は大きく干渉されない。この明細書では、第２の電極層が完全に又は少なくとも大部分アルミニウムで出来ていて、好ましくは０．５μｍより大きな、特にほぼ１μｍ又はそれ以上の厚さを持つことが特に有益である。

上側表面及び下側表面各々に電極を備える片側で固定されたピエゾ−ＭＥＭ及び両側で固定されたピエゾ−ＭＥＭの基本図である。 電極への電圧印加後の２つのスイッチの偏向を示す。 両端で固定されたスイッチの種々の視角からの偏向を示す。強い付加的な曲げのため接触面が中央で非常に小さいので、曲げ形状は貧弱である。 本発明の第１実施例によるスイッチ可能なキャパシタ又はスイッチの基本図である。 上側表面に２つの電極及び下側表面に２つの電極を備える両端で固定されたスイッチを示す。 分極モード（ＬＨ）及び動作モード（ＲＨ）での本発明によるスイッチを示す。特定の電圧が例示されているだけであって、端部の電極は中間の電極とは異なる電圧を持ってもよい。 動作モードでのスイッチの曲げ形状を示す。 電極の種々の接続構成を示す。 本発明の第２の実施例によるスイッチ可能なキャパシタ又はスイッチの基本図である。 スイッチの第２実施例を示す。 活性化したスイッチの第２実施例を示す。 構成された電極の種々の接続構成を示す。 特別な変形例を示した、スイッチの第２実施例の更なる図である。 分極モード（ＬＨ）及び動作モード（ＲＨ）での態様を示した、スイッチの特別な実施例の基本図である。５Ｖの電圧が、連続的な下側電極に両方の場合で印加される。 第２実施例のシミュレーションされた曲げ形状を示す。 第２実施例の特別な変形例でシミュレーションされた曲げ形状を示す。

Claims (11)

1. 第１の電極層と第２の電極層との間に位置するピエゾ電気層を備えるピエゾ電気素子であって、少なくとも一つの電極がこれら電極層の各々にある当該ピエゾ電気素子と、第１のＭＥＭＳ電極が前記ピエゾ電気素子の面にあって、第２のＭＥＭＳ電極が基板の面にあるので、前記ピエゾ電気素子への動作電圧印加により第１ＭＥＭＳ電極が第２ＭＥＭＳ電極に向かって、及び／又は離れるように動くような第１のＭＥＭＳ電極及び第２のＭＥＭＳ電極とを有するマイクロ電気機械スイッチを備える電子装置において、前記ピエゾ電気素子の変位領域を規定する一方で前記電極層の少なくとも一つが電極へ構造化され、この変位領域に第１のＭＥＭＳ電極が位置し、この変位領域は前記電極への少なくとも一つの動作電圧印加により前記ピエゾ電気素子の残りの領域に対して前記基板に向かって、及び／又は離れるように大きく動かせる領域であることを特徴とする装置。
2. 前記ピエゾ電気層は分極化モードでの製造中に分極され、前記ピエゾ電気層の局部的収縮を生じさせる動作電圧が局部的に印加できるように前記電極が規定されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記ピエゾ電気層は前記変位領域の一方の側で左へ曲がり、対立する側で右へ曲がることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記ピエゾ電気素子は第１の側及び対立する第２の側で機械的な支持部に固定されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 前記電極は前記変位領域の周りで対称的に規定されることを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 第１電極層及び第２電極層の各々は少なくとも二つの電極を含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
7. 第２の電極層は連続的な金属層であり、一方第１の電極層は少なくとも三つの電極を含み、このうちの中間の電極は第２のＭＥＭＳ電極とは反対側に本質的に位置することを特徴とする請求項１に記載の装置。
8. 第１の電極層は第２のＭＥＭＳ電極に対向する面に位置することを特徴とする請求項７に記載の装置。
9. 前記ピエゾ電気素子は動作電圧を前記電極に印加することによって分極モードに設定され、前記ピエゾ電気層が分極されるので、適当な動作電圧が動作モードで印加されるとき局部的に伸長及び収縮する、請求項１に記載の電子装置を準備する方法。
10. 前記動作電圧が前記電極に印加されるので、前記ピエゾ電気層が局部的に伸長及び収縮する、請求項１に記載の電子装置の応用。
11. 前記ピエゾ電気層の局部的収縮を実効させる動作電圧が、既に導入された分極化の方向における動作電圧より低い、請求項１０に記載の応用。

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