JP2009238547A

JP2009238547A - Ｍｅｍｓスイッチ

Info

Publication number: JP2009238547A
Application number: JP2008082146A
Authority: JP
Inventors: Takeo Shirai; 健雄白井; Yoshiki Hayazaki; 嘉城早崎; Chomei Matsushima; 朝明松嶋; Takaaki Yoshihara; 孝明吉原; Hiroshi Kawada; 裕志河田; Yosuke Hagiwara; 洋右萩原
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2008-03-26
Filing date: 2008-03-26
Publication date: 2009-10-15

Abstract

【課題】低消費電力化を図りつつ、可動接点と両固定接点との間の寄生容量を低減でき且つ所望の接圧を確保できるＭＥＭＳスイッチを提供する。
【解決手段】一対の固定接点１５，１５が設けられたベース基板１１と、ベース基板１１の一表面側に固定されたポスト部１２，１２に支持され可動接点１４が形成された可撓部１３とを備える。両固定接点１５，１５を短絡する向きに可動接点１４を変位させる駆動手段として、可撓部１３におけるベース基板１１側とは反対側に設けられ互いに分極方向の異なる２層の圧電層１６ａ，１６ｂを一対の電極１６ｃ，１６ｄ間に有するバイモルフ型の圧電アクチュエータ１６と、ベース基板１１の上記一表面側において可撓部１３に対向する部位に設けられた固定電極１７ａおよび可撓部１３における固定電極１７ａ側とは反対側に設けられた可動電極１７ｂを有する静電アクチュエータ１７とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＭＥＭＳ（micro electro mechanical systems）スイッチに関するものである。

従来から、静電アクチュエータを利用したＭＥＭＳスイッチに比べて低消費電力化が可能な高周波信号用のＭＥＭＳスイッチとして、バイモルフ型の圧電アクチュエータを利用して可動接点と固定接点とを接離するようにしたＭＥＭＳスイッチが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

ここにおいて、上記特許文献１に開示されたＭＥＭＳスイッチは、図６に示すように、厚み方向の一表面側に一対の固定接点１５’，１５’が設けられたベース基板１１’と、ベース基板１１’の上記一表面側に固定されたポスト部１２’に支持されベース基板１１’との対向面側に可動接点１４’が形成された可撓部１３’と、可撓部１３’におけるベース基板１１’側とは反対側に形成されたバイモルフ型の圧電アクチュエータ１６’とを備え、可動接点１４’が一対の固定接点１５’，１５’間を開放する位置と短絡する位置との間で変位可能となっている。
特開２００５−３３２８０２号公報

ところで、上記特許文献１に開示されたＭＥＭＳスイッチでは、可動接点１４’が一対の固定接点１５’，１５’間を開放した状態における可動接点１４’と両固定接点１５’，１５’との間の距離を大きくできて寄生容量を低減できるので、アイソレーション特性を向上できるという利点がある。しかしながら、上記特許文献１に開示されたＭＥＭＳスイッチでは、可撓部１３’を変形させることで可動接点１４’を変位させる駆動手段としてバイモルフ型の圧電アクチュエータを用いているので、所望の接圧を確保するのが難しかった。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、低消費電力化を図りつつ、可動接点と両固定接点との間の寄生容量を低減でき且つ所望の接圧を確保できるＭＥＭＳスイッチを提供することにある。

請求項１の発明は、厚み方向の一表面側に一対の固定接点が設けられたベース基板と、ベース基板の前記一表面側に固定されたポスト部に支持され両固定接点を短絡するように両固定接点に接触する位置と両固定接点間を開放するように両固定接点から規定距離だけ離れた位置との間で変位可能な可動接点が形成された絶縁層からなる可撓部と、両固定接点を短絡する向きに可動接点を変位させる駆動手段とを備え、駆動手段は、可撓部におけるベース基板側とは反対側に設けられ互いに分極方向の異なる２層の圧電層を一対の電極間に有し当該一対の電極間に電圧を印加したときに両固定接点を短絡する向きに可動接点が変位するように可撓部を変形させるバイモルフ型の圧電アクチュエータと、ベース基板の前記一表面側において可撓部に対向する部位に設けられた固定電極および可撓部における固定電極側とは反対側に設けられた可動電極を有し可動電極と固定電極との間に電圧を印加したときに両固定接点を短絡する向きに可動接点を変位させる静電アクチュエータとを備えることを特徴とする。

この発明によれば、両固定接点を短絡する向きに可動接点を変位させる駆動手段として、可撓部におけるベース基板側とは反対側に設けられ互いに分極方向の異なる２層の圧電層を一対の電極間に有し当該一対の電極間に電圧を印加したときに両固定接点を短絡する向きに可動接点が変位するように可撓部を変形させるバイモルフ型の圧電アクチュエータと、ベース基板の一表面側において可撓部に対向する部位に設けられた固定電極および可撓部における固定電極側とは反対側に設けられた可動電極を有し可動電極と固定電極との間に電圧を印加したときに両固定接点を短絡する向きに可動接点を変位させる静電アクチュエータとを備えているので、両固定接点間を開放するように両固定接点から規定距離だけ離れた位置にある可動接点を両固定接点を短絡する位置に変位させる際に、バイモルフ型の圧電アクチュエータによる駆動力で可動接点を両固定接点に近づけた後で、静電アクチュエータによる駆動力で可動接点を固定接点に接触させるようにすれば、低消費電力化を図りつつ、可動接点と両固定接点との間の距離を大きくできて寄生容量を低減でき且つ所望の接圧を確保できる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記各圧電層は、鉛系圧電材料により形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記各圧電層の圧電材料としてＡｌＮやＺｎＯなど採用する場合に比べて圧電定数が大きいので、接圧を大きくすることができる。

請求項１の発明では、低消費電力化を図りつつ、可動接点と両固定接点との間の距離を大きくできて寄生容量を低減でき且つ所望の接圧を確保できるという効果がある。

（実施形態１）
以下、本実施形態のＭＥＭＳスイッチについて図１および図２を参照しながら説明する。

本実施形態のＭＥＭＳスイッチは、矩形板状の第１の絶縁性基板（例えば、ガラス基板、セラミック基板など）からなり厚み方向の一面側において長手方向の中央部に一対の固定接点１５，１５が設けられたベース基板１１と、ベース基板１１の上記一表面側において長手方向の両端部に固定された一対のポスト部１２，１２と、両ポスト部１２，１２に支持され両固定接点１５，１５を短絡するように両固定接点１５，１５に接触する位置と両固定接点１５，１５間を開放するように両固定接点１５，１５から規定距離だけ離れた位置との間で変位可能な可動接点１４が形成された絶縁層からなる可撓部１３とを備えている。なお、第１の絶縁性基板の材料としては、誘電率の高い材料が好ましい。

上述の一対の固定接点１５，１５は、ベース基板１の長手方向の中央部においてベース基板１の短手方向に離間して形成された２つの貫通孔配線１８，１８の間で上記短手方向に並設されており、上記短手方向において隣り合う貫通孔配線１８，１８と信号線１５ｂ，１５ｂを介して電気的に接続されている。ここにおいて、各信号線１５ｂ，１５ｂは、各固定接点１５，１５と連続一体に形成されている。各固定接点１５，１５および信号線１５ｂ，１５ｂの材料としては、例えば、Ａｕを採用すればよく、貫通孔配線１８の材料としては、例えば、Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｌなどを採用すればよい。なお、各固定接点１５，１５および信号線１５ｂ，１５ｂの材料は、Ａｕに限らず、例えば、Ｐｔなどを採用してもよい。上述のベース基板１１に貫通孔配線１８を形成するにあたっては、例えば、ベース基板１１における貫通孔配線１８の形成予定領域にエッチング法などにより貫通孔を形成した後、めっき法などにより上記貫通孔の内側に貫通孔配線１８を形成すればよい。

各ポスト部１２，１２は、金属膜により構成されており、当該金属膜の材料として、Ｐｔを採用しているが、当該金属膜の材料は、Ｐｔに限定するものではない。なお、各ポスト部１２，１２の高さ寸法は、接点開成状態において可動接点１４と両固定接点１５，１５との間の距離が上記規定距離となるように適宜設定すればよい。

可撓部１３を構成する絶縁層の材料としては、ＳｉＯ_２を採用しているが、ＳｉＯ_２に限らず、例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４などを採用してもよい。ここにおいて、可撓部１３は、可動接点１４が形成された部位が上記短手方向において他の部位に比べて細幅に形成されており、可動接点１４と後述の可動電極１７ｂとを絶縁分離してある。

ところで、本実施形態のＭＥＭＳスイッチは、両固定接点１５，１５を短絡する向きに可動接点１４を変位させる駆動手段として、可撓部１３におけるベース基板１１側とは反対側に設けられたバイモルフ型の圧電アクチュエータ１６と、静電アクチュエータ１７とを備えている。

バイモルフ型の圧電アクチュエータ１６は、互いに分極方向の異なる２層の圧電層１６ａ，１６ｂを一対の電極１６ｃ，１６ｄ間に有し当該一対の電極１６ｃ，１６ｄ間に電圧を印加したときに両固定接点１５，１５を短絡する向きに可動接点１４が変位するように可撓部１３を変形させる。ここにおいて、各圧電層１６ａ，１６ｂの圧電材料としては、鉛系圧電材料の一種であるＰＺＴを採用しているが、鉛系圧電材料であれば、ＰＺＴに限らず、例えば、ＰＺＴに不純物を添加したものや、ＰＭＮ−ＰＺＴなどを採用してもよい。また、各圧電層１６ａ，１６ｂの圧電材料は、鉛系圧電材料に限らず、例えば、鉛フリーのＫＮＮ（ニオブ酸カリウムナトリウム）や、ＫＮ（カリウムナトリウム）、ＮＮ（ニオブナトリウム）、ＫＮＮに不純物（例えば、Ｌｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｃｕなど）を添加したものでもよい。ここで、各圧電層１６ａ，１６ｂの圧電材料として、上述の鉛系圧電材料や、ＫＮＮ，ＫＮ，ＮＮなどを採用すれば、ＡｌＮやＺｎＯなど採用する場合に比べて圧電定数が大きいので、接圧を大きくすることができる。また、各圧電層１６ａ，１６ｂの材料として、ＫＮＮ，ＫＮ，ＮＮなどを採用すれば、鉛フリーになるので、環境負荷を低減できる。

また、一対の電極１６ｃ，１６ｄのうち可撓部１３に近い側の電極（以下、下部電極と称する）１６ｃの材料としては、Ｐｔを採用し、可撓部１３から遠い側の電極（以下、上部電極と称する）１６ｄの材料としてＡｕを採用しているが、これらの材料は特に限定するものではない。ここにおいて、下部電極１６ｃは、各ポスト部１２と連続一体に形成されており、上部電極１６ｄにおいてベース基板１１の上記一表面上まで延設される部位とポスト部１２および下部電極１６ｃとはＳｉＯ_２膜からなる絶縁膜２０により電気的に絶縁されている。

また、バイモルフ型の圧電アクチュエータ１６は、可撓部１３に近い側の圧電層（以下、第１の圧電層と称する）１６ａの分極方向が上部電極１６ｄから下部電極１６ｃに向かう方向（図２の下方向）になっており、可撓部１３から遠い側の圧電層（以下、第２の圧電層と称する）１６ｂの分極方向が下部電極１６ｃから上部電極１６ｄに向かう方向（図２の上方向）となっており、下部電極１６ｃと上部電極１６ｄとの間に直流電源Ｅから下部電極１６ｃを高電位側として電圧を印加すると、第１の圧電層１６ａに引っ張り方向の応力が発生する一方で第２の圧電層１６ｂに圧縮方向の応力が発生し、可撓部１３が撓むので、ユニモルフ型のアクチュエータに比べて可動接点１４の変位量を大きくすることができる。

一方、静電アクチュエータ１７は、ベース基板１１の上記一表面側において可撓部１３に対向する部位に設けられた固定電極１７ａと、可撓部１３における固定電極１７ａ側とは反対側に設けられた可動電極１７ｂとを有しており、可動電極１７ｂと固定電極１７ａとの間に電圧を印加したときに可動電極１７ｂと固定電極１７ａとの間に発生する静電力によって両固定接点１５，１５を短絡する向きに可動接点１４を変位させる。ここにおいて、圧電アクチュエータ１７は、可動電極１７ｂにおける固定電極１７ａ側に絶縁層からなる可撓部１３が形成されているので、スティッキングを防止することができる。可動電極１７ｂは、圧電アクチュエータ１６の下部電極１６ｃの一部により構成されている。なお、固定電極１７ａの材料としては、固定接点１５，１５と同じＡｕを採用し、可動電極１７ｂの材料としては、可動接点１４と同じＰｔを採用しているが、これらの材料は特に限定するものではない。

また、本実施形態のＭＥＭＳスイッチは、ベース基板１１の上記一表面側に、ベース基板１１との間に各ポスト部１２，１２、可撓部１３、可動接点１４、一対の固定接点１５，１５、圧電アクチュエータ１６および静電アクチュエータ１７を収納する収納凹所が形成された矩形板状の第２の絶縁性基板（例えば、ガラス基板など）からなるカバー（図示せず）が気密的に接合されている。したがって、可動接点１４と両固定接点１５，１５との間に異物が侵入するのを防止できて可動接点１４と両固定接点１５，１５との接触信頼性を向上させることができる。なお、ベース基板１１と上記カバーとは、例えば、ガラスフリットを用いて接合すればよいが、互いの対向面に接合用の金属膜などを形成して、共晶接合法、陽極接合法、常温活性化接合法などにより接合してもよい。また、第２の絶縁性基板としては、誘電率の高い材料が好ましい。

ベース基板１１には、一対の固定接点１５，１５、可動接点１４、下部電極１６ｃ、上部電極１６ｄ、固定電極１７ａそれぞれに電気的に接続される貫通孔配線１８が厚み方向に貫設されており、ベース基板１１の他表面側に、各貫通孔配線１８それぞれと電気的に接続された外部接続用電極１９が形成されている。なお、各外部接続用電極１９の材料としては、Ａｕを採用しているが、Ａｕに限らず、例えば、Ｃｕ，Ｃｒ，Ｐｔなどを採用してもよい。また、ベース基板１１の上記他表面側の各外部接続用電極１９には、バンプを適宜固着してもよい。

以上説明したＭＥＭＳスイッチをプリント基板のような実装基板に実装する際には、例えば、ベース基板１１の上記他表面側の各外部接続用電極１９それぞれを上記実装基板の一表面側に形成された導体パターンとバンプなどを介して適宜接続すればよい。

ところで、上述のＭＥＭＳスイッチの製造にあたっては、マイクロマシニング技術などを利用すればよく、例えば、上記第１の絶縁性基板に各貫通孔配線１８および各外部接続用電極１９を形成したベース基板１１の上記一表面側に各固定接点１５，１５、各信号線１５ｂ，１５ｂおよび固定接点１７ａの基礎となる第１の金属層をスパッタ法や蒸着法などにより成膜してから、第１の金属層をパターニングすることにより各固定接点１５，１５、各信号線１５ｂ，１５ｂおよび固定電極１７ａを形成し、その後、ベース基板１１の上記一表面側に犠牲層を形成してから、薄膜形成技術、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用して可動接点１４を形成し、その後、絶縁層（例えば、ＳｉＯ_２膜）からなる可撓部１３をスパッタ法などにより形成し、続いて、下部電極１６ｃをスパッタ法や蒸着法などにより形成し、その後、第１の圧電層１６ａ、第２の圧電層１６ｂをスパッタ法などにより順次形成し、続いて、ＳｉＯ_２膜からなる絶縁膜２０を形成し、上部電極１６ｄをスパッタ法や蒸着法などを利用して形成し、その後、上記犠牲層をエッチング除去することにより可撓部１３とベース基板１１との間に空洞を形成し、更にその後、ベース基板１１と上記カバーとを接合すればよい。

以上説明した本実施形態のＭＥＭＳスイッチによれば、両固定接点１５，１５を短絡する向きに可動接点１４を変位させる駆動手段として、可撓部１３におけるベース基板１１側とは反対側に設けられ互いに分極方向の異なる２層の圧電層１６ａ，１６ｂを一対の電極１６ｃ，１６ｄ間に有し当該一対の電極１６ｃ，１６ｄ間に電圧を印加したときに両固定接点１５，１５を短絡する向きに可動接点１４が変位するように可撓部１３を変形させるバイモルフ型の圧電アクチュエータ１６と、ベース基板１１の上記一表面側において可撓部１３に対向する部位に設けられた固定電極１７ａおよび可撓部１３における固定電極１７ａ側とは反対側に設けられた可動電極１７ｂを有し可動電極１７ｂと固定電極１７ａとの間に電圧を印加したときに両固定接点１５，１５を短絡する向きに可動接点１４を変位させる静電アクチュエータ１７とを備えているので、両固定接点１５，１５間を開放するように両固定接点１５，１５から上記規定距離だけ離れた位置にある可動接点１４を両固定接点１５，１５を短絡する位置に変位させる際に、バイモルフ型の圧電アクチュエータ１６による駆動力で可動接点１４を両固定接点１５，１５に近づけた後で、静電アクチュエータ１７による駆動力で可動接点１４を固定接点１５，１５に接触させるような駆動が可能となるから、低消費電力化を図りつつ、可動接点１４と両固定接点１５，１５との間の距離を大きくできて寄生容量を低減でき且つ所望の接圧を確保できる。なお、両固定接点１５，１５間を開放する際には、静電アクチュエータ１７への通電を停止すればよい。

（実施形態２）
本実施形態のＭＥＭＳスイッチの基本構成は実施形態１と略同じであって、図３に示すようにバイモルフ型の圧電アクチュエータ１６における第１の圧電層１６ａと第２の圧電層１６ｂとの間に中間電極１６ｅが形成されている点が相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

ところで、実施形態１のＭＥＭＳスイッチでは、第１の圧電層１６ａと第２の圧電層１６ｂとが積層されているので、各圧電層１６ａ，１６ｂをスパッタ法などにより形成する際に所望の分極方向となるように形成する必要がある。

これに対して、本実施形態のＭＥＭＳスイッチでは、上述のように第１の圧電層１６ａと第２の圧電層１６ｂとの間に中間電極１６ｅが形成されているので、上部電極１６ｄの形成後に、下部電極１６ｃおよび上部電極１６ｄに対して中間電極１６ｅを高電位側として電圧を印加してポーリング処理を行うことにより、バイモルフ型の圧電アクチュエータ１６を形成することができ、各圧電層１６ａ，１６ｂの成膜条件の自由度が高くなるとともに、製造が容易になり、しかも、圧電特性の向上を図れる。

（実施形態３）
本実施形態のＭＥＭＳスイッチの基本構成は実施形態１と略同じであって、図４に示すように、各ポスト部１２が、下部電極１６ｃに連続一体に形成された部位と第１の圧電層１６ａに連続一体に形成された部位とで構成されている点が相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を適宜省略する。

本実施形態のＭＥＭＳスイッチでは、実施形態１のように各ポスト部１２が下部電極１６ｃに連続一体に形成された部位のみにより形成されている場合に比べて、各ポスト部１２の機械的強度を高めることが可能となるとともに、各ポスト部１２において第１の圧電層１６ａに連続一体に形成された部位と第２の圧電層１６ｂに連続一体に形成された部位とが下部電極１６ｃに連続一体に形成された部位と上部電極１６ｄに連続一体に形成された部位とで挟まれていることにより、各ポスト１２が変形可能となり、可動接点１４の変位を大きくすることができ、可動接点１４と両固定接点１５，１５との接圧を大きくすることができる。

（実施形態４）
本実施形態のＭＥＭＳスイッチの基本構成は実施形態１と略同じであって、実施形態１でポスト部１２を２つ備え、可撓部１３が両持ち梁状に形成されているのに対し、図５に示すように、ポスト部１２を１つだけ備え、可撓部１３が片持ち梁状に形成されている点が相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を適宜省略する。

しかして、本実施形態のＭＥＭＳスイッチでは、実施形態１に比べて、可撓部１３が両持ち梁状に形成されている場合に比べてＭＥＭＳスイッチ全体の小型化を図れる。なお、他の実施形態において可撓部１３を片持ち梁状に形成してもよいことは勿論である。ただし、可動接点１４と両固定接点１５，１５との接触信頼性を高めるという観点からは、実施形態１〜３のように可撓部１３が両持ち梁状に形成されている方が有利である。

実施形態１のＭＥＭＳスイッチを示し、（ａ）は要部概略断面図、（ｂ）は要部概略平面図である。同上の要部説明図である。実施形態２のＭＥＭＳスイッチを示し、（ａ）は要部概略断面図、（ｂ）は要部概略平面図である。実施形態３のＭＥＭＳスイッチを示し、（ａ）は要部概略断面図、（ｂ）は要部概略平面図である。実施形態４のＭＥＭＳスイッチを示し、（ａ）は要部概略断面図、（ｂ）は要部概略平面図である。従来例を示すＭＥＭＳスイッチの概略斜視図である。

符号の説明

１１ベース基板
１２ポスト部
１３可撓部
１４可動接点
１５固定接点
１６圧電アクチュエータ
１６ａ圧電層
１６ｂ圧電層
１６ｃ電極
１６ｄ電極
１７静電アクチュエータ
１７ａ固定電極
１７ｂ可動電極
１８貫通孔配線
１９外部接続用電極
２０絶縁膜

Claims

厚み方向の一表面側に一対の固定接点が設けられたベース基板と、ベース基板の前記一表面側に固定されたポスト部に支持され両固定接点を短絡するように両固定接点に接触する位置と両固定接点間を開放するように両固定接点から規定距離だけ離れた位置との間で変位可能な可動接点が形成された絶縁層からなる可撓部と、両固定接点を短絡する向きに可動接点を変位させる駆動手段とを備え、駆動手段は、可撓部におけるベース基板側とは反対側に設けられ互いに分極方向の異なる２層の圧電層を一対の電極間に有し当該一対の電極間に電圧を印加したときに両固定接点を短絡する向きに可動接点が変位するように可撓部を変形させるバイモルフ型の圧電アクチュエータと、ベース基板の前記一表面側において可撓部に対向する部位に設けられた固定電極および可撓部における固定電極側とは反対側に設けられた可動電極を有し可動電極と固定電極との間に電圧を印加したときに両固定接点を短絡する向きに可動接点を変位させる静電アクチュエータとを備えることを特徴とするＭＥＭＳスイッチ。
前記各圧電層は、鉛系圧電材料により形成されてなることを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳスイッチ。