JP2009095180A

JP2009095180A - アクチュエータとその製造方法

Info

Publication number: JP2009095180A
Application number: JP2007265156A
Authority: JP
Inventors: Katsuya Morinaka; 克也森仲; Soichiro Hiraoka; 聡一郎平岡
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2007-10-11
Filing date: 2007-10-11
Publication date: 2009-04-30

Abstract

【課題】数Ｖの低電圧であっても、確実に駆動させることができるマイクロメカニカルスイッチ用の素子を提供することを目的とする。
【解決手段】貫通孔１０を有する基板９と、弾性体部１３と駆動部１４とを有し、駆動部１４側の一端を前記貫通孔１０の対向する二辺の周縁部に保持した支持体１５と、表面の一部に導電体部１１を有し、対向する二辺を前記弾性体部１３で支持して前記貫通孔１０上に懸架された伝送電極部１２を備え、前記駆動部１４は、下方より、下部電極層１７、圧電体層１８、上部電極層１９からなり、これら上、下部電極層１７、１９に電圧を印加して前記圧電体層１８を反らせることで、伝送電極部１２を上下動させた。
【選択図】図１

Description

本発明は、アクチュエータに関するものであり、特に数十ＧＨzの信号周波数まで機能する機械式スイッチに用いるアクチュエータに関するものである。

携帯電話や無線ＬＡＮなどの無線通信機器では、送信と受信信号の切替えや内蔵アンテナと外部アンテナなどの切替える用途の一部に高周波で切替え可能なスイッチが用いられている。携帯電話では、利用されている周波数帯域やその種類から広い周波数帯域に対応できるスイッチが求められている。

最近では、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｏｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ：以下「ＭＥＭＳ」と呼ぶ）を利用して微小構造の機械式スイッチを形成することにより、数ＧＨｚの周波数帯域に対応した例が提案されている。

図１２は、ＭＥＭＳにより形成した機械式スイッチの一例を説明するための外観斜視図である。片持ち構造のアクチュエータであり、基板１上に設けた固定部２を固定端として、この固定部２上にアクチュエータ３を他端に向けて延伸させている。このアクチュエータ３の自由端３ａ側の底面には第一の電極４が設けられており、この第一の電極４に対向して基板１上には第二の電極５が設けられている。アクチュエータ３は、その下方より、下部電極６、圧電体７、上部電極８で構成されており、この上、下部電極８、６に電圧を印加させることで圧電体７を反らすことで、先端に設けた第一の電極４と第二の電極５との間隔を変化させることによりスイッチング動作を行うものである。

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２００６−３４６８３０号公報

このような機械式のスイッチを高周波帯域で利用する場合、アクチュエータ３に設けた第一の電極４と、基板１上に設けた第二の電極５との間に生じる容量を変化させることで信号を切り替える。そのため、第一、第二の電極５、６との間隙を高い精度で制御するとともに、一定レベル以上での信号分離を行うために、第一の電極５をできるだけ大きく変位させる必要がある。第一、第二の電極５、６との間隙を制御する目的で反りを抑える場合、アクチュエータ３を複数の点で拘束すればよいが、所望の変位量が得られなくなり、その結果スイッチの精度が低下するという課題があった。

そこで本発明は、スイッチの精度を高めることを目的とする。

そして上記目的を達成するために、本発明は、アクチュエータに関するものであり、貫通孔を有する基板と、弾性体部と駆動部とを有し、駆動部側の一端を前記貫通孔の対向する二辺の周縁部に保持した支持体と、表面の一部に導電体部を有し、対向する二辺を前記弾性体部で支持して前記貫通孔上に懸架された伝送電極部を備え、前記駆動部は、下方より、下部電極層、圧電体層、上部電極層からなり、これら上、下部電極層に電圧を印加して前記圧電体層を反らせることで、伝送電極部を上下動させるものである。

本発明のアクチュエータは、基板に設けた貫通孔の上に、弾性体部と駆動部を有する支持体により伝送電極部を貫通孔上に配置している。さらに伝送電極部は、対向する二辺を弾性体部で支持され、駆動部を介して貫通孔の周縁部に支持されることで、両持ち構造で貫通孔上に懸架されている。この駆動部は、その下方より下部電極層、圧電体層、上部電極層とからなり、これら上、下電極層に電圧を印加して前記圧電体層を反らせることで、伝送電極部を上下動させる。このように伝送電極部を、弾性体部を介して両端で支持することにより、支持体の反りを低減するとともに、弾性体部の緩衝により駆動部を自由に変位させることができる。その結果、伝送電極部の初期位置の精度を高くするとともに、その変位量を大きくすることができるので、機械式スイッチに用いた場合、その精度を高めることができる効果を奏する。

以下、図を用いて詳細を説明する。

図１は、本発明のアクチュエータの一例を説明するための外観斜視図である。

シリコンやガラスなどからなる絶縁性の基板９と、この基板９の一部に設けた貫通孔１０と、この貫通孔１０の上方に配置されて、機械式スイッチの短絡片となる導電体部１１を形成した伝送電極部１２と、弾性体部１３と駆動部１４とを有し、弾性体部１３側の一端で伝送電極部１２を、駆動部１４側の一端を貫通孔１０の周縁部に支持することで、伝送電極部１２を貫通孔１０の上に懸架する支持体１５とから構成されている。

本実施の形態では、伝送電極部１２の外形を矩形とし、支持体１５を貫通孔１０の短辺側周縁部より、それぞれ二本略平行となるように配置している。そして、これら二本の支持体１５の弾性体部１３で、伝送電極部１２の対向する二辺の両端部をそれぞれ支持することで、伝送電極部１２を両持ち構造で貫通孔１０の上に懸架している。

また、伝送電極部１２は、略中央に機械式スイッチの短絡片となる導電体部１１と、それを囲むように貫通部１６が設けられている。この貫通部１６により、伝送電極部１２は一定の空隙が設けられた桟形状となっており、この貫通部１６の非形成領域である桟の幅は、少なくとも駆動部１４の幅より狭くなっている。

図２は、図１のＡ−ＡＡ断面図である。伝送電極部１２とそれを支持する弾性体部１３は、その下方より、白金からなる下部電極層１７と、この下部電極層１７上にチタン酸ジルコン酸鉛（以降「ＰＺＴ」と記す）からなる圧電体層１８を積層して形成している。また、伝送電極部１２に設けた導電体部１１は、圧電体層１８上に金からなる上部電極層１９を形成した後、さらに最表層にＴａ₂Ｏ₅を形成している。この最表層のＴａ₂Ｏ₅は、伝送線路上の電極に当接した時に両者が固着する、いわゆるスティッキング現象を防止するためのものである。

駆動部１４は、上述した白金、ＰＺＴからなる下部電極層１７、圧電体層１８上に、さらにクロムからなる上部電極層１９を数ミクロンの厚みで形成している。また、下部電極層１７を露出させた第一の取出し電極２０と、上部電極層１９につながっている第二の取出し電極２１（図１）を、支持体１５が支持されている貫通孔１０の周縁部に対向して設けている。これら第一、第二の取出し電極２０、２１を通じて、下部電極層１７および上部電極層１９に一定の電圧を印加して圧電体層１８を反らせることで、懸架されている伝送電極部１２を上下に駆動させるものである。

弾性体部１３は、駆動部１４を形成している下部電極層１７と圧電体層１８とからなり、上面から見たとき、その外形は略Ｓ字の折り返し形状となっている。この弾性体部１３がバネとして作用することで、駆動部１４を反らせたときに生じる伝送電極部１２への応力を、伸縮することで緩和し、破損することなく伝送電極部１２を繰り返し上下動させることができる。このとき重要なのが、弾性体部１３の形状である。弾性体部１３の共振周波数は、少なくともスイッチの応答速度より大きくなるように略Ｓ字の折り返し形状を設計する。こうすることで、伝送電極部１２を共振させることなく、所望の応答速度で動作させることができる。また、この弾性体部１３の幅と折り返しの間隔は、少なくとも幅に対して空隙が大きくなるように折り返すようにする。

本実施の形態では、上述したように伝送電極部１２を、弾性体部１３を介して駆動部１４により両持ちでかつ、端部の四箇所をそれぞれ支持することで、製造工程に起因する駆動部１４の反り量（変位量）のバラツキを緩和し、伝送電極部１２を傾斜させることなく伝送線路に対して略水平に上下動させることができる。さらに、図３に示す図１のＢ−ＢＢ断面図のように、伝送電極部１２に形成した導電体部１１の断面形状を、曲面を有する凸部とすることで、伝送電極部１２が傾斜した場合であっても、対向する伝送線路上の電極に確実に当接させることができる。

次に製造方法について説明する。

図４は、本発明のアクチュエータの製造方法を説明するための図であり、図１のＡ−ＡＡ断面図である。以下、このＡ−ＡＡ断面図で各工程を追って説明する。

本実施の形態では、基板９としてシリコンを選択した。まず初めに、図４に示すごとく、基板９上の一面に白金からなる下部電極層１７と、ＰＺＴからなる圧電体層１８をスパッタ等により順に積層する。

次に図５に示すごとく、感光性のレジスト等で覆ってパターニングした後、ＣＦ₄やＡｒガスによるＩＣＰドライエッチングで下部電極層１７と圧電体層１８の一部を除去し、伝送電極部１２（図１）や弾性体部１３、駆動部１４などを形成する。

次に図６に示すごとく、フッ酸や硝酸などを用いて、下部電極層１７をストッパーとして上層の圧電体層１８をウエットエッチングし、基板９上の一部から下部電極層１７を露出させる。この露出した下部電極層１７が、第一の取出し電極２０となる。

次に図７に示すごとく、このパターニングした表面全面に、クロムからなる上部電極層１９を、蒸着などを用いて形成する。

次に図８に示すごとく、このクロムからなる上部電極層１９上に再度感光性のレジストで覆いパターニングした後、駆動部１４と、第二の取出し電極２１（図１）を除き、図５と同様にＩＣＰドライエッチングを用いて上部電極層１９の一部を除去する。上記工程により、下部電極層１７と圧電体層１８、さらに上部電極層１９とからなる弾性体部１３、駆動部１４、伝送電極部１２を形成するものである。

次に、図９に示すごとく、伝送電極部１２の一部に金からなる上部電極層１９、そして最表層にＴａ₂Ｏ₅を形成して、短絡片となる導電体部１１を形成する。このとき、導電体部１１を形成する際に、上記工程と同様に感光性のレジストでパターニングした後、ＩＣＰドライエッチングを用いて行う。

最後に、図１０に示すごとく、再度感光性のレジストを塗布してパターニングした後、ドライエッチングを用いて上記で基板９上に形成した駆動部１４、弾性体部１３、伝送電極部１２の直下の基板９を除去した後に裏面まで貫通させて、これら駆動部１４、弾性体部１３、伝送電極部１２の下方に貫通孔１０を形成する。こうすることにより、伝送電極部１２は、弾性体部１３、駆動部１４を介して貫通孔１０の周縁部に支持されるとともに、この貫通孔１０上に懸架されるものである。

このとき重要なのが、ドライエッチングに用いるガスの選択と、伝送電極部１２、弾性体部１３、駆動部１４を剥離させる順番である。この工程では、伝送電極部１２や支持体１５などの側面から下面へえぐるように回り込ませて、下部電極層１７の直下の基板９をエッチングで除去する必要があるため、シリコンに対して等方性エッチングが可能なＸｅＦ₂をエッチング用のガスとして用いた。そして、剥離する順番を、伝送電極部１２および弾性体部１３を基板９から剥離させた後、最後に駆動部１４を剥離できるように、それぞれの幅を設計している。これは、先に駆動部１４を剥離した後、弾性体部１３と伝送電極部１２を剥離した場合、駆動部１３の剥離時に生じる応力が弾性体部１３に集中して断線することを防止するためである。断線を防止し、剥離の順番を制御するため、伝送電極部１２は、導電体部１１の周囲に貫通部１６を設けて桟のような形状とし、さらに、この桟および弾性体部１３の幅を駆動部１４の幅より充分に狭くすることで、伝送電極部１２と弾性体部１３から順に基板９からエッチングで剥離させるものである。このように、それぞれの幅の制御のみで、ドライエッチングの条件などを変更することなく、損傷を与えることなく確実に伝送電極部１２と弾性体部１３を基板９の表面から剥離して懸架させることができるものである。

最後に、上記の素子を用いて構成したスイッチの一例を説明する。

図１１は、上記方法で形成したアクチュエータを実装した、高周波対応の機械式スイッチを説明する分解斜視図である。

本実施の形態では、アクチュエータをセラミックパッケージ２６に実装、封止している。下方より、セラミックパッケージ２６の実装面である底面２１ａ等には、伝送線路２２およびアクチュエータに電圧を印加するための駆動用電極２３を設けている。そしてこの底面２１ａに、伝送線路２２と伝送電極部１２（導電体部１１）、駆動用電極２３と第一、第二の取出し電極２０、２１とが一定の間隔で対向するように、スペーサ等を介してアクチュエータを実装、固定する。このとき、貫通孔１０を介して伝送電極部１２の裏面を測定することにより、伝送線路２２と伝送電極部１２との間隙を正確に位置決め、固定することができる。

底面２１ａに設けた伝送線路２２および駆動用電極２３は、ビアや内部配線などを通じて、セラミックパッケージ２６の外側面の外部電極２４に接続されている。このように、セラミックパッケージ２６内にアクチュエータを実装した後、ＦｅやＮｉ、Ｃｏなどからなる蓋２５（リッド）でセラミックパッケージ２６を覆い、その内部を不活性ガスやドライエアで置換、または真空状態で封止することで機械式スイッチを構成するものである。この機械式スイッチを回路基板上に実装した後、セラミックパッケージ２６の外部電極２１を介して内部のアクチュエータを駆動させ、所望のタイミングで伝送線路２２を切り替えるものである。

尚、上述した実施の形態では、基板９に貫通孔１０をエッチングで形成したが、伝送電極部１２の変位量に余裕度がある場合は、貫通孔１０を有底の凹溝として構成してもよい。

上記の方法で製造したアクチュエータを用いることにより、数Ｖの低電圧であっても、確実に動作して所望の応答速度で伝送線路を切り替えることのできる機械式スイッチを実現するものである。

本発明のアクチュエータは、基板に設けた貫通孔の上に、弾性体部と駆動部を有する支持体により伝送電極部を貫通孔上に配置している。さらに伝送電極部は、対向する二辺を弾性体部で支持され、駆動部を介して貫通孔の周縁部に支持されることで、両持ち構造で貫通孔上に懸架されている。この駆動部は、その下方より下部電極層、圧電体層、上部電極層とからなり、これら上、下電極層に電圧を印加して前記圧電体層を反らせることで、伝送電極部を上下動させる。このように伝送電極部を、弾性体部を介して両端で支持することにより、支持体の反りを低減するとともに、弾性体部の緩衝により駆動部を自由に変位させることができる。その結果、伝送電極部の初期位置の精度を高くするとともに、その変位量を大きくすることができるので、機械式スイッチに用いた場合、その精度を高めることができる効果を奏するので、アクチュエータに関するものであり、特に数十ＧＨzの信号周波数まで機能する機械式スイッチに用いるアクチュエータに有用である。

本発明の一実施の形態におけるアクチュエータを説明する斜視図図１のＡ−ＡＡ断面図図１のＢ−ＢＢ断面図本発明の一実施の形態におけるアクチュエータの製造方法を説明する断面図本発明の一実施の形態におけるアクチュエータの製造方法を説明する断面図本発明の一実施の形態におけるアクチュエータの製造方法を説明する断面図本発明の一実施の形態におけるアクチュエータの製造方法を説明する断面図本発明の一実施の形態におけるアクチュエータの製造方法を説明する断面図本発明の一実施の形態におけるアクチュエータの製造方法を説明する断面図本発明の一実施の形態におけるアクチュエータの製造方法を説明する断面図本発明のアクチュエータを用いたマイクロメカニカルスイッチの一実施の形態を説明する分解斜視図従来の機械式スイッチの構成を説明する外観斜視図

符号の説明

９基板
１０貫通孔
１１導電体部
１２伝送電極部
１３弾性体部
１４駆動部
１５支持体
１６貫通部
１７下部電極層
１８圧電体層
１９上部電極層

Claims

貫通孔を有する基板と、弾性体部と駆動部とを有し、駆動部側の一端を前記貫通孔の対向する二辺の周縁部に保持した支持体と、表面の一部に導電体部を有し、対向する二辺を前記弾性体部で支持して前記貫通孔上に懸架された伝送電極部を備え、前記駆動部は、下方より、下部電極層、圧電体層、上部電極層からなり、これら上、下部電極層に電圧を印加して前記圧電体層を反らせることで、伝送電極部を上下動させるアクチュエータ。
弾性体部は、略Ｓ字の折り返し形状である請求項１に記載のアクチュエータ。
伝送電極部は、導電体部を避けて貫通部を設けた請求項１に記載のアクチュエータ
弾性体部の幅および貫通部周辺の幅を、駆動部の幅より狭くした請求項３に記載のアクチュエータ。
支持体は、それぞれ略平行に二本設けられ、各弾性体部で伝送電極部の対向する二辺の両端を支持した請求項４に記載のアクチュエータ。
導電体部を曲面とした請求項４または請求項５に記載のアクチュエータ。
基板上に、下方より順に下部電極層、圧電体層、上部電極層を形成し、弾性体部と駆動部とからなる支持体および導電体部を形成する第一の工程と、前記基板上の一部に下部電極層のみを露出させる第二の工程と、これら伝送電極部および支持体の直下の基板をエッチングして貫通孔を形成するとともに、この基板を剥離して前記伝送電極部を、支持体を介し貫通孔上へ懸架する第三の工程とからなるアクチュエータの製造方法。
第三の工程は、初めに伝送電極部と弾性体部を剥離し、その後に駆動部を剥離させる請求項７に記載のアクチュエータの製造方法。