JP2010061976A - スイッチ及びesd保護素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】電極と接点部材との接触抵抗を低減する。
【解決手段】スイッチは、基板11上に設けられた電極14と、基板11上に設けられたアンカー15と、アンカー15に支持され、かつアンカー15から第1の方向に延在するように電極14の上方に設けられ、かつ導電体からなり、かつ下方向に動く可動構造16と、可動構造16の外周部に設けられ、かつ導電体からなり、かつ電極14に向かって反っている接点部材17とを含む。
【選択図】 図1
【解決手段】スイッチは、基板11上に設けられた電極14と、基板11上に設けられたアンカー15と、アンカー15に支持され、かつアンカー15から第1の方向に延在するように電極14の上方に設けられ、かつ導電体からなり、かつ下方向に動く可動構造16と、可動構造16の外周部に設けられ、かつ導電体からなり、かつ電極14に向かって反っている接点部材17とを含む。
【選択図】 図1
Description
本発明は、マイクロマシン技術(Micromachine technology)又はMEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)を用いたスイッチ及びESD(electrostatic discharge)保護素子に関する。
近年、マイクロマシン技術の微細化が進んでいる。このマイクロマシン技術に含まれる技術として、MEMSが知られている。MEMSとは、半導体プロセス技術を用いて可動な3次元構造体を微細に作り込む技術である。
MEMSを用いて形成されたデバイスとしては、主に、可変容量、スイッチ、加速度センサ、圧力センサ、RF(radio frequency)フィルタ、ジャイロスコープ、ミラーデバイスなどが研究、開発されている。
これらのデバイスの中で、MEMSスイッチは、ロスが小さい、アイソレーションがよい、線形性に優れているなどの特性から、高周波スイッチに適している。MEMSスイッチのロスが小さいのは、接点部の接触抵抗が小さいためであり、この接触抵抗を小さくするには、接点部のコンタクト力を十分強くする必要がある。
コンタクト力を強くするためには、接点部に突起を設けることが考えられるが、この突起の先端を尖らせるのが困難である。このため、MEMSスイッチの駆動電圧を上げるなどしてコンタクト力を増やす必要がある。また、突起の先端が十分尖っていないため、スイッチング動作を繰り返して接点部に付着物がつくと、接点部の抵抗が増加するという問題が生じてしまう。
さらに、接点部に突起を形成する場合、この突起と同じ形状を有する窪みを犠牲層に形成するなどしており、製造プロセスが複雑化し、これによって製造コストが高くなってしまう。
この種の関連技術として、電極の先端に導電性のディンプルが設けられたMEMSスイッチが開示されている(特許文献1参照)。
米国特許第6,440,767号明細書
本発明は、電極と接点部材との接触抵抗によるロスを低減することが可能なスイッチ及びESD保護素子を提供する。
本発明の一態様に係るスイッチは、基板上に設けられた第1の電極と、前記基板上に設けられたアンカーと、前記アンカーに支持され、かつ前記アンカーから第1の方向に延在するように前記第1の電極の上方に設けられ、かつ導電体からなり、かつ下方向に動く可動構造と、前記可動構造の外周部に設けられ、かつ導電体からなり、かつ前記第1の電極に向かって反っている接点部材とを具備する。
本発明の一態様に係るESD保護素子は、基板上に設けられ、かつESD保護対象である回路の電流経路の一端に電気的に接続された電極と、前記基板上に設けられたアンカーと、前記アンカーに支持され、かつ前記アンカーから第1の方向に延在するように前記電極の上方に設けられ、かつ導電体からなり、かつ下方向に動き、かつ前記回路の電流経路の他端に電気的に接続された可動構造と、前記可動構造の外周部に設けられ、かつ導電体からなり、かつ前記電極に向かって反っている接点部材とを具備する。
本発明によれば、電極と接点部材との接触抵抗によるロスを低減することが可能なスイッチ及びESD保護素子を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
[第1の実施形態]
第1の実施形態は、本発明のMEMS構造をスイッチに適用した例である。
第1の実施形態は、本発明のMEMS構造をスイッチに適用した例である。
図1(a)は、本発明の第1の実施形態に係るMEMSスイッチ10の構成を示す平面図である。図1(b)は、図1(a)に示したA−A´線に沿ったMEMSスイッチ10の断面図である。
絶縁性の基板11は、ガラス基板や、シリコン基板上に形成された絶縁層等からなる。基板11上には、3個の電極12、13、14が設けられている。3個の電極12、13、14は、X方向に並んで配置されており、互いに電気的に分離されている。電極12は、後述する可動構造16に電圧を供給するための電極であり、またスイッチの一方の電極(ポート1)である。電極13は、可動構造16を駆動するための電極である。電極14は、スイッチの他方の電極(ポート2)である。
電極13の上方には、下方向に動く可動構造16が設けられている。可動構造16は、電極12上に設けられたアンカー15によって支えられている。可動構造16は、その平面形状が矩形であり、X方向に延在している。アンカー15は、電極12に電気的に接続されている。可動構造16及びアンカー15は、金属等の導電体からなる。よって、可動構造16は、電極12に電気的に接続されている。
可動構造16の外周部(本実施形態では、先端)には、例えば3個の接点部材17が設けられている。接点部材17は、電極14の上方に配置される。接点部材17の数は、スイッチのサイズによって変わってくるが、この数に特に制限はなく、1個であってもよいし、2個以上であってもよい。本実施形態では、3個の接点部材17を一例として示している。各接点部材17は、可動構造16と同じ材料からなる。
接点部材17は、可動構造16の外周部からX方向かつ水平方向に延在しつつ、下側に、すなわち電極14に向かって反っている。また、接点部材17は、その平面形状が尖っており、また、かぎ爪形状を有している。接点部材17の反りは、接点部材17上に設けられた調整膜18によって実現される。調整膜18は、接点部材17を覆うように設けられている。調整膜18は、接点部材17よりも大きな圧縮性の内部応力を有する。調整膜18の材料は、前述した内部応力の条件を満たす限り、絶縁体であってもよいし、導電体であってもよい。接点部材17の先端と電極14との距離は、可動構造16と電極13との距離よりも、接点部材17の反りの分だけ短くなっている。本構造にはディンプルがなく、接点部材17の先端が接触部となる。
次に、MEMSスイッチ10の製造方法について説明する。図2は、MEMSスイッチ10の製造工程を示す断面図である。
まず、基板11上に導電層を堆積し、この導電層をパターニングする。これにより、基板11上に、電極12、13、14を形成する。続いて、基板11及び電極12、13、14上に犠牲層19を堆積し、この犠牲層19の上面を平坦化する。
続いて、犠牲層19上に、可動構造16及び接点部材17となる導電層を堆積し、この導電層を所望の形状にパターニングする。続いて、電極12上に、可動構造16を支えるアンカー15を形成する。続いて、接点部材17上に、調整膜18を形成する。
この後、犠牲層19を除去すると、可動構造16は、ほぼ水平状態を保持するように形成される。一方、接点部材17は、調整膜18との応力差によって、下方向に反る。このように、非常に簡単な製造方法にて、かぎ爪形状を有する接点部材17を形成することができる。
(動作)
次に、MEMSスイッチ10の動作について説明する。図3(a)及び図3(b)は、MEMSスイッチ10の動作を説明する図であり、図3(a)は駆動前、図3(b)は駆動時のMEMSスイッチ10の様子を示している。
次に、MEMSスイッチ10の動作について説明する。図3(a)及び図3(b)は、MEMSスイッチ10の動作を説明する図であり、図3(a)は駆動前、図3(b)は駆動時のMEMSスイッチ10の様子を示している。
駆動前では、可動構造16の電圧V1と電極13の電圧V2との電位差は、ほぼ0Vに設定される。よって、可動構造16は、電極13によって引き付けられず、水平状態を保持している。この時、接点部材17と電極14とは非接触であり、電極12に対応するポート1と電極14に対応するポート2とは導通していない。すなわち、MEMSスイッチ10は、オフ状態である。
駆動時には、可動構造16の電圧V1と電極13の電圧V2との電位差は、可動構造16が動き始める所定のプルイン電圧Vpiより大きく設定される。すると、可動構造16は、電極13によって引き付けられて下方向に動き、これに連動して接点部材17の先端が電極14に接触する。このように、駆動時には、接点部材17と電極14とが接触し、ポート1とポート2とは導通する。すなわち、MEMSスイッチ10は、オン状態である。
ここで、接点部材17はかぎ爪形状を有しているため、図3(b)に示すように、その先端のみが電極14に接触する。さらに、接点部材17と電極14との接触時には、接点部材17の先端が電極14の表面をスクラッチする。このため、接点部材17と電極14との接触部分の付着物を除去することが可能である。また、接点部材17の先端が尖っているため、可動構造16が下方向に動く際の単位面積当たりの力、すなわち接点部材17と電極14との接触時の力(コンタクト力)が強くなる。このため、駆動電圧を高くしなくても接触抵抗を低減することができる。
(実施例1)
次に、MEMSスイッチ10の具体的な実施例について説明する。図4(a)は、実施例1に係るMEMSスイッチ10の構成を示す平面図である。図4(b)は、図4(a)に示したA−A´線に沿ったMEMSスイッチ10の断面図である。
次に、MEMSスイッチ10の具体的な実施例について説明する。図4(a)は、実施例1に係るMEMSスイッチ10の構成を示す平面図である。図4(b)は、図4(a)に示したA−A´線に沿ったMEMSスイッチ10の断面図である。
可動構造16及び電極12、13、14の構成は、図1(a)及び図1(b)と同じである。なお、可動構造16に設けられた複数の開口部は、この製造工程において、可動構造16の下から残らず犠牲層を除去するために使用される。
基板11上には、電極12、13、14を両側から囲むように、グランド線21、22が設けられている。グランド線21及び22は、コプレーナ型の伝送線路を構成するために設けられている。
基板11上には、電極13に電圧を供給するための駆動用配線23が設けられている。駆動用配線23と電極13とは、グランド線22を跨ぐための配線24及びアンカー25、26を介して電気的に接続されている。
実施例1では、図4(a)及び図4(b)に示すように、接点部材17が電極14の端に配置されている。このため、接点部材17と電極14とのオーバーラップ面積が小さい。このことは、MEMSスイッチ10がオフ時の電極間容量が小さい、すなわちアイソレーションがよいという特性を有する。
(実施例2)
図5は、実施例2に係るMEMSスイッチ10の構成を示す平面図である。図6(a)は、図5に示したA−A´線に沿ったMEMSスイッチ10の断面図である。図6(b)は、図5に示したB−B´線に沿ったMEMSスイッチ10の断面図である。
図5は、実施例2に係るMEMSスイッチ10の構成を示す平面図である。図6(a)は、図5に示したA−A´線に沿ったMEMSスイッチ10の断面図である。図6(b)は、図5に示したB−B´線に沿ったMEMSスイッチ10の断面図である。
基板11上には、Y方向に並んで配置され、かつ互いに電気的に分離された2個の電極14A及び14Bが設けられている。電極14A及び14Bの上方には、X方向に延在し、かつ下方向に動く可動構造16が設けられている。
可動構造16のY方向両側の端部のうち一方には、例えば2個の接点部材17Aが設けられている。2個の接点部材17Aはそれぞれ、電極14Aの上方に配置される。各接点部材17A上には、この接点部材17Aを電極14Aに向かって反らせるための調整膜18Aが設けられている。接点部材17Aは、その平面形状が尖っており、また、かぎ爪形状を有している。
可動構造16のY方向両側の端部のうち他方には、例えば2個の接点部材17Bが設けられている。2個の接点部材17Bは、電極14Bの上方に配置される。各接点部材17B上には、この接点部材17Bを電極14Bに向かって反らせるための調整膜18Bが設けられている。接点部材17Bは、その平面形状が尖っており、また、かぎ爪形状を有している。
可動構造16のX方向両端はそれぞれ、2個のアクチュエータ31A、31Bによって支えられている。各アクチュエータ31は、以下のように構成される。上部電極33の一端は、絶縁層32を介して可動構造16に接続されている。すなわち、可動構造16と上部電極33とは、電気的に分離されている。上部電極33の他端は、ばね34を介して、基板11上に設けられたアンカー36に接続されている。ばね34は、その平面形状がメアンダ状になっている。ばね34のアンカー36側の端部には、ばね34の反りを調整する調整膜35が設けられている。
基板11上かつ上部電極33の下方には、下部電極37が設けられている。下部電極37上には、下部電極37と上部電極33とが接触するのを防ぐために、絶縁膜38が設けられている。
また、図6(b)に示すように、上部電極33は、可動構造16と電極14Aとの距離を調節するために、基板11に対して斜めに配置されている。具体的には、上部電極33は、可動構造16に近づくにつれて、下部電極37との距離が長くなるように、下部電極37(或いは基板11)に対して斜めに配置されている。
なお、可動構造16、上部電極33、及びアンカー36に設けられた複数の開口部は、これらの製造工程において、下から残らず犠牲層を除去するために使用される。
上部電極33は、配線及びアンカーを介して、駆動用配線39に電気的に接続されている。下部電極37は、配線及びアンカーを介して、駆動用配線40に電気的に接続されている。基板11上には、アクチュエータ31Aを囲むようにグランド線21が設けられている。同様に、基板11上には、アクチュエータ31Bを囲むようにグランド線22が設けられている。グランド線21及び22は、コプレーナ型の伝送線路を構成するために
設けられている。
設けられている。
(動作)
次に、実施例2に係るMEMSスイッチ10の動作について説明する。図7(a)及び図7(b)は、MEMSスイッチ10の動作を説明する図であり、図7(a)は図5のB−B´線に反ったMEMSスイッチ10の断面図、図7(b)は図5のA−A´線に反ったMEMSスイッチ10の断面図である。
次に、実施例2に係るMEMSスイッチ10の動作について説明する。図7(a)及び図7(b)は、MEMSスイッチ10の動作を説明する図であり、図7(a)は図5のB−B´線に反ったMEMSスイッチ10の断面図、図7(b)は図5のA−A´線に反ったMEMSスイッチ10の断面図である。
図5において、電極14Aがポート1、電極14Bがポート2であり、これらポート1及びポート2が非導通である場合は、MEMSスイッチ10がオフ状態であり、これらポート1及びポート2が導通している場合は、MEMSスイッチ10がオン状態である。
駆動前では、上部電極33と下部電極37との電位差は、0Vに設定される。駆動前のMEMSスイッチ10の状態は、図6(b)と同じである。上部電極33及び下部電極37への電圧印加は、駆動用配線39及び40を用いて行うことができる。この場合、上部電極33は、下部電極37によって引き付けられず、すなわち、アクチュエータ31A及び31Bはともに駆動しない。この時、接点部材17と電極14とは非接触であり、ポート1とポート2とは導通していない。すなわち、MEMSスイッチ10は、オフ状態である。
駆動時には、上部電極33と下部電極37との電位差は、所定のプルイン電圧Vpiより大きく設定される。すると、上部電極33は、下部電極37によって引き付けられて下方向に動き、すなわち、アクチュエータ31A及び31Bがともに下に駆動する。そして、図7(a)及び図7(b)に示すように、アクチュエータ31A及び31Bに連動して可動構造16が下方向に動き、接点部材17A及び17Bの先端がそれぞれ電極14A及び14Bに接触する。この時、ポート1とポート2とが導通し、MEMSスイッチ10がオン状態となる。
このように、実施例2では、両持ち構造を有する可動構造16を用いてMEMSスイッチ10を構成することができる。また、可動構造16の両側にアクチュエータ31A及び31Bを設けることで、可動構造16の動作がスムーズになり、さらに駆動電圧を低減することができる。
(実施例3)
図8(a)は、実施例3に係るMEMSスイッチ10の構成を示す平面図である。図8(b)は、図8(a)に示したA−A´線に沿ったMEMSスイッチ10の断面図である。
図8(a)は、実施例3に係るMEMSスイッチ10の構成を示す平面図である。図8(b)は、図8(a)に示したA−A´線に沿ったMEMSスイッチ10の断面図である。
基板11上には、Y方向に並んで配置され、かつ互いに電気的に分離された4個の電極45〜48が設けられている。電極46及び47の上方には、可動構造16が設けられている。
可動構造16のX方向の端部には、例えば3個の接点部材17が設けられている。3個の接点部材17は、電極45の上方に配置される。各接点部材17上には、この接点部材17を電極45に向かって反らせるための調整膜18が設けられている。接点部材17は、その平面形状が尖っており、また、かぎ爪形状を有している。
可動構造16のX方向両側面かつそれらの中央部にはそれぞれ、X方向に延在するトーションバー42A及び42Bが取り付けられている。トーションバー42A及び42Bは、支持部材43によって支えられている。支持部材43は、その平面形状が凹状を有している。具体的には、支持部材43は、トーションバー42A及び42Bの端からそれぞれY方向に延在する第1及び第2の部分と、これら第1及び第2の部分を接続するX方向に延在する第3の部分とから構成されている。支持部材43は、電極48上に設けられたアンカー44によって固定されている。トーションバー42、支持部材43、及びアンカー44は、導電体からなり、よって可動構造16は電極48に電気的に接続されている。
電極47は、配線及びアンカーを介して、駆動用配線49に電気的に接続されている。電極46は、配線及びアンカーを介して、駆動用配線50に電気的に接続されている。基板11上かつ電極45〜48のX方向両側にはそれぞれ、グランド線21及び22が設けられている。
(動作)
次に、実施例3に係るMEMSスイッチ10の動作について説明する。図9(a)及び図9(b)は、MEMSスイッチ10の動作を説明する断面図であり、図9(a)はオフ状態、図9(b)はオン状態のMEMSスイッチ10の様子を示している。
次に、実施例3に係るMEMSスイッチ10の動作について説明する。図9(a)及び図9(b)は、MEMSスイッチ10の動作を説明する断面図であり、図9(a)はオフ状態、図9(b)はオン状態のMEMSスイッチ10の様子を示している。
駆動用配線49とポート1(電極48)との間に電位差を与えると、可動構造16が電極47に引き付けられ、可動構造16が図9(a)に示すように傾く。この時、接点部材17と電極45とは非接触であり、電極48に対応するポート1と電極45に対応するポート2とは導通していない。すなわち、MEMSスイッチ10は、オフ状態である。
一方、駆動用配線50とポート1との間に電位差を与えると、可動構造16が電極46に引き付けられ、可動構造16が図9(b)に示すように傾く。この時、接点部材17と電極45とが接触し、ポート1とポート2とが導通する。すなわち、MEMSスイッチ10は、オン状態である。
実施例3では、図9(a)に示すように、オフ状態において、接点部材17と電極45との距離が大きくなる。これにより、実施例3のMEMSスイッチ10では、オフ状態でのアイソレーションを大きくすることが可能となる。
(実施例4)
実施例4は、可動構造16の他の構成例について示している。図10(a)は、実施例4に係る可動構造16及び接点部材17の構成を示す平面図である。図10(b)は、図10(a)に示したA−A´線に沿った可動構造16及び接点部材17の断面図である。
実施例4は、可動構造16の他の構成例について示している。図10(a)は、実施例4に係る可動構造16及び接点部材17の構成を示す平面図である。図10(b)は、図10(a)に示したA−A´線に沿った可動構造16及び接点部材17の断面図である。
可動構造16及び接点部材17は、電極51に切込み52を形成し、この切込み52によって、所望の平面形状に加工される。接点部材17上には、この接点部材17を下に反るための調整膜18が設けられている。接点部材17は、その平面形状が尖っており、また、かぎ爪形状を有している。
実施例4のようにして可動構造16及び接点部材17を形成することも可能である。なお、実施例4の可動構造16を用いる場合、可動構造16を下方向に駆動するための電極13は、可動構造16のサイズと略同じサイズを有し、かつ可動構造16の下方に配置される。このような電極13を設けることで、可動構造16及び接点部材17を下方向に駆動させることできる。
以上詳述したように本実施形態では、MEMSスイッチ10のオン状態時に電極14と接触する接点部材17を可動構造16の外周部に設け、この接点部材17上に、接点部材17よりも大きな圧縮性の内部応力を有する調整膜18を形成する。これにより、接点部材17を下に向かって反るように構成している。さらに、接点部材17の平面形状を尖らせることで、接点部材17がかぎ爪形状を有するようにしている。
従って本実施形態によれば、接点部材17がこれの下方に配置された電極14に接触する際、その先端のみが電極14に接触することになる。これにより、接点部材17の接触抵抗を低減することができるため、MEMSスイッチのロスを低減することができる。
また、接点部材17の先端が尖っているため、可動構造16が下方向に動く際の単位面積当たりの力、すなわち接点部材17と電極14との接触時の圧力を強くすることができる。このため、駆動電圧を高くせずに接触抵抗を低減することができる。
また、接点部材17の先端が尖っているため、接点部材17と電極14とが接触する際、接点部材17が電極14の表面をスクラッチする。これにより、接点部材17と電極14との接触部の付着物を除去することが可能であり、MEMSスイッチの誤動作を防ぐことができる。
本実施形態のMEMSスイッチは、ロスが小さい、アイソレーションがよい、線形性に優れているなどの特性から、特に高周波スイッチに適している。
なお、本実施形態のMEMSスイッチを高周波向けに使用する場合は、可動構造16、接点部材17、及び電極14として、自然酸化膜が形成されにくい金(Au)などの導電体を使用することが望ましい。しかしながら、本実施形態のMEMSスイッチは、駆動時に前述したようなスクラッチ動作をするため、接点部材17及び電極14に形成された自然酸化膜を除去することが可能である。したがって、可動構造16、接点部材17、及び電極14として、金(Au)以外に、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)などの材料を使用した場合でも、良好な特性を有する高周波スイッチを構成することが可能である。
[第2の実施形態]
第2の実施形態は、本発明のMEMS構造を、静電気放電(ESD:electrostatic discharge)から各種の回路及び素子を保護するために用いられるESD保護素子に適用した例である。
第2の実施形態は、本発明のMEMS構造を、静電気放電(ESD:electrostatic discharge)から各種の回路及び素子を保護するために用いられるESD保護素子に適用した例である。
図11(a)は、本発明の第2の実施形態に係るESD保護素子60の構成を示す平面図である。図11(b)は、図11(a)に示したA−A´線に沿ったESD保護素子60の断面図である。図11(c)は、図11(a)に示したB−B´線に沿ったESD保護素子60の断面図である。
基板11上には、3個の電極63、61、65が設けられている。3個の電極63、61、65は、X方向に並んで配置されており、互いに電気的に分離されている。
電極61の上方には、X方向に延在し、下方向に動く可動構造16が設けられている。可動構造16の一端は、電極63上に設けられたアンカー15Aによって支えられている。可動構造16の他端は、電極65上に設けられたアンカー15Bによって支えられている。アンカー15A及び15Bはそれぞれ、電極63及び65に電気的に接続されている。可動構造16及びアンカー15A、15Bは、金属等の導電体からなる。よって、可動構造16は、電極63及び65に電気的に接続されている。
可動構造16の外周部(本実施形態では、Y方向の側面)には、例えば3個の接点部材17が設けられている。接点部材17は、電極61の上方に配置される。接点部材17の数は、ESD保護素子60のサイズによって変わってくるが、この数に特に制限はなく、1個であってもよいし、2個以上であってもよい。本実施形態では、3個の接点部材17を一例として示している。各接点部材17は、可動構造16と同じ材料からなる。
接点部材17は、可動構造16の外周部からY方向かつ水平方向に延在しつつ、下側に、すなわち電極61に向かって反っている。また、接点部材17は、その平面形状が尖っており、また、かぎ爪形状を有している。接点部材17の反りは、接点部材17上に設けられた調整膜18によって実現される。調整膜18は、接点部材17よりも大きな圧縮性の内部応力を有する。調整膜18の材料は、前述した内部応力の条件を満たす限り、絶縁体であってもよいし、導電体であってもよい。
なお、電極61の表面は、接点部材17が接触する部分以外は、絶縁膜62で被覆されている。電極63の表面は、アンカー15Aが形成されている部分以外は、絶縁膜64で被覆されている。電極65の表面は、アンカー15Bが形成されている部分以外は、絶縁膜66で被覆されている。
ESD保護素子60は、ESD保護の対象である回路に並列に接続されて使用される。すなわち、電極63は、ESD保護対象回路の電流経路の一端に電気的に接続される。電極63及び65は、ESD保護対象回路の電流経路の他端に電気的に接続される。
[1]可変容量への適用例
ESD保護対象回路として可変容量素子を用いた場合のESD保護素子60の適用例について説明する。図12は、ESD保護素子60及び可変容量素子70の構成を示す平面図である。図13は、図12に示したC−C´線に沿った可変容量素子70の断面図である。なお、図12において、ESD保護素子60は簡略化して示してあり、ESD保護素子60の実際の構成は、図11(a)乃至11(c)に示す通りである。
ESD保護対象回路として可変容量素子を用いた場合のESD保護素子60の適用例について説明する。図12は、ESD保護素子60及び可変容量素子70の構成を示す平面図である。図13は、図12に示したC−C´線に沿った可変容量素子70の断面図である。なお、図12において、ESD保護素子60は簡略化して示してあり、ESD保護素子60の実際の構成は、図11(a)乃至11(c)に示す通りである。
先ず、可変容量素子70の構成について説明する。基板11上には、Y方向に延在する信号線61が設けられている。信号線61の表面は、絶縁膜62で被覆されている。信号線61は、図11(a)乃至11(c)の電極61に対応する。
信号線61の上方には、下に駆動する電極71が設けられている。電極71は、その平面形状が矩形であり、X方向に延在している。電極71の両端はそれぞれ、2個のアクチュエータ31A及び31Bによって支えられている。各アクチュエータ31の構成は、図5と同じである。アクチュエータ31の上部電極33は、駆動用配線39に電気的に接続されている。アクチュエータ31の下部電極37は、駆動用配線40に電気的に接続されている。駆動用配線39及び40の表面は、絶縁膜75で被覆されている。アクチュエータ31の駆動は、駆動用配線39及び駆動用配線40に電圧を印加することで実現される。
電極71は、アクチュエータ31によって、下に駆動される。このような電極71の動作によって、電極71と信号線61との距離が変化する。このようにして、可変容量素子70の容量を変化させることができる。
電極71の一端は、配線72A及び導電性のアンカー73Aを介して、グランド線65に電気的に接続されている。具体的には、配線72Aは、電極71から外側に引き出され、グランド線65に電気的に接続されている。グランド線65は、図11(a)及び図11(b)の電極65に対応する。
同様に、電極71の他端は、配線72B及び導電性のアンカー73Bを介して、グランド線63に電気的に接続されている。具体的には、配線72Bは、電極71から外側に引き出され、グランド線63に電気的に接続されている。グランド線63は、図11(a)及び図11(b)の電極63に対応する。
信号線61は、パッド74Aに電気的に接続されている。グランド線63は、パッド74Bに電気的に接続されている。グランド線65は、パッド74Cに電気的に接続されている。信号線61には、パッド74Aを介して所定の電圧(信号)が供給される。グランド線63は、パッド74Bを介して接地される。グランド線65は、パッド74Cを介して接地される。
(動作)
次に、ESD保護素子60の動作について説明する。図14は、ESD保護素子60及び可変容量素子70の等価回路図である。ESD保護素子60は、可変容量素子70に並列に接続されている。
次に、ESD保護素子60の動作について説明する。図14は、ESD保護素子60及び可変容量素子70の等価回路図である。ESD保護素子60は、可変容量素子70に並列に接続されている。
パッド(接地端子)74B及び74Cは、接地されており、接地電圧Vgndが印加されている。パッド(信号端子)74Aには、ESDパルスを生成する電圧生成回路VGが接続されている。
スイッチSWの第1端子は、容量Cesdの一方の電極に接続されている。容量Cesdの他方の電極は、接地されている。スイッチSWの第2端子は、電源Vesdに接続されている。スイッチSWの第3端子は、抵抗Resdの一端に接続されている。抵抗Resdの他端は、信号端子74Aに接続されている。容量Cesdは、100pF程度である。電源Vesdは、数kVである。抵抗Resdは、1.5kΩ程度である。
ESDパルスは、以下のように生成される。まず、スイッチSWによって電源Vesdと容量Cesdとが接続され、電圧Vesdが容量Cesdに充電される。続いて、スイッチSWによって容量Cesdと抵抗Resdとが接続される。これにより、容量Cesdに蓄積された電荷がESDパルスとして、抵抗Resdを介して信号端子74Aに印加される。
図15(a)及び図15(b)は、ESD保護素子60の動作を説明する図であり、図15(a)はESDパルス印加前、図15(b)はESDパルス印加時のESD保護素子60の様子を示している。
信号端子74Aの電圧をVsigとすると、ESDパルス印加前では、“Vsig=Vgnd”であり、可動構造16(及び接点部材17)と信号線61との間の電位差は0Vである。よって、可動構造16は駆動せず、接点部材17と信号線61との距離gは、これらが最も離れた初期状態の距離(この距離をg0と表記する)である。この時、接点部材17と信号線61とは非接触であり、ESD保護素子60はオフ状態である。
ESDパルス印加時では、“Vsig>>Vgnd”、若しくは、“Vsig<<Vgnd”であり、可動構造16(及び接点部材17)と信号線61との間の電位差が大きくなる。すると、接点部材17の先端に電界集中が起こり、接点部材17が下方向に動く。そして、接点部材17の先端が信号線61に接触し、接点部材17と信号線61との距離gがゼロになる。図16(a)は、ESDパルス印加時に接点部材17と信号線61とが接触する様子を示す図である。この時、ESD保護素子60はオン状態である。
図16(b)及び図16(c)は、ESDパルス印加時における接点部材17と信号線61との距離gの変化を示す図である。図16(b)は、ESDパルスの変化について示している。図16(b)の横軸は時間t、縦軸は信号端子74Aと接地端子74B(及び74C)との間の電位差ΔV(=|Vsig−Vgnd|)を表している。図16(c)は、ESD保護素子60の接点部材17と信号線61との距離の変化、及び可変容量素子70の電極71と信号線61との距離の変化について示している。図16(c)の横軸は時間t、縦軸は接点部材17(或いは電極71)と信号線61との距離gを表している。初期状態(駆動前)での距離gは、ESD保護素子60及び可変容量素子70ともに、g0であるものとする。
図16(b)に示した“Vpic”は、可変容量素子70の電極71が動き始めるプルイン電圧である。“Vpi”は、ESD保護素子60の接点部材17(或いは可動構造16)が動き始めるプルイン電圧である。“Vbd”は、ESD保護素子60のブレークダウン電圧である。図12に示すように、可変容量素子70の電極71と信号線61とのオーバーラップ面積は、ESD保護素子60の可動構造16と信号線61とのオーバーラップ面積よりも大きい。よって、可変容量素子70の容量は、ESD保護素子60の容量より大きくなる。すなわち、可変容量素子70のプルイン電圧Vpicは、ESD保護素子60のプルイン電圧Vpiより大きい。
信号端子74AにESDパルスを印加すると、電位差ΔVが急激に上昇する。そして、電位差ΔVがプルイン電圧Vpicに達すると、可変容量素子70の電極71が動き始める。続いて、電位差ΔVがプルイン電圧Vpiに達すると、ESD保護素子60の接点部材17(及び可動構造16)が動き始める。
ここで、ESD保護素子60は、図12に示すように、可動構造16の幅(Y方向の長さ)は、電極71の幅(Y方向の長さ)より小さく設定されている。すなわち、可動構造16の面積は、電極71の面積より小さい。よって、可動構造16は、電極71より空気抵抗が小さいため、電極71より早く降下する。そして、電位差ΔVがブレークダウン電圧Vbdを超えると、接点部材17が信号線61と接触する。この時、ESD保護素子60が信号端子74Aの電荷を接地端子74Bに放電する。これにより、信号端子74Aの電圧Vsigは、接地電圧Vgndに戻る。
このように、信号端子74AにESDパルスが印加された場合でも、可変容量素子70が破壊されるのを防ぐことができる。また、接点部材17と信号線61とは接触面積が小さいため、スティクション不良を起こしにくい。また、初期状態では接点部材17と信号線61との距離が離れているため、ESD保護素子60の寄生容量を小さくすることができる。
また、接点部材17と信号線61とは点で接触するため、電位差ΔVがゼロになった場合に、接点部材17と信号線61とが離れやすくなる。これにより、本実施形態のESD保護素子60は、ESDパルスが印加された場合でも壊れにくいという特性を有する。
[2]MEMSスイッチへの適用例
ESD保護対象回路としてMEMSスイッチを用いた場合のESD保護素子60の適用例について説明する。図17は、ESD保護素子60及びMEMSスイッチ80の構成を示す平面図である。図18(a)は、図17に示したA−A´線に沿ったMEMSスイッチ80の断面図である。図18(b)は、図17に示したB−B´線に沿ったMEMSスイッチ80の断面図である。
ESD保護対象回路としてMEMSスイッチを用いた場合のESD保護素子60の適用例について説明する。図17は、ESD保護素子60及びMEMSスイッチ80の構成を示す平面図である。図18(a)は、図17に示したA−A´線に沿ったMEMSスイッチ80の断面図である。図18(b)は、図17に示したB−B´線に沿ったMEMSスイッチ80の断面図である。
先ず、MEMSスイッチ80の構成について説明する。基板11上には、Y方向に並んで配置され、互いに電気的に分離された電極61A、61Bが設けられている。電極61A及び61B上には、下に駆動する電極71が設けられている。電極71は、その平面形状が矩形であり、X方向に延在している。電極71の両端はそれぞれ、2個のアクチュエータ31A、31Bによって支えられている。各アクチュエータ31の構成及び動作は、図12のアクチュエータと同じである。
電極71は、アクチュエータ31によって、下に駆動される。そして、電極71が電極61A及び61Bに接触することで、電極61Aと61Bとが導通する。このようにして、MEMSスイッチ80のオン状態とオフ状態とを切り替えることができる。
MEMSスイッチ80のY方向両側にはそれぞれ、ESD保護素子60−1、60−2が設けられている。なお、図17において、各ESD保護素子60は簡略化して示してあり、ESD保護素子60の実際の構成は、図11(a)乃至図11(c)に示す通りである。
ESD保護素子60−1の可動構造16−1は、電極61Aの上方に配置されている。ESD保護素子60−1のアンカー15A−1は、グランド線63A上に設けられ、グランド線63Aに電気的に接続されている。ESD保護素子60−1のアンカー15B−1は、グランド線65A上に設けられ、グランド線65Aに電気的に接続されている。
グランド線63Aは、パッド74B−1に電気的に接続されている。グランド線65Aは、パッド74C−1に電気的に接続されている。グランド線63Aは、パッド74B−1を介して接地される。グランド線65Aは、パッド74C−1を介して接地される。グランド線63A及び65Aの表面はそれぞれ、絶縁膜64A及び66Aで被覆されている。
ESD保護素子60−2の可動構造16−2は、電極61Bの上方に配置されている。ESD保護素子60−2のアンカー15A−2は、グランド線63B上に設けられ、グランド線63Bに電気的に接続されている。ESD保護素子60−2のアンカー15B−2は、グランド線65B上に設けられ、グランド線65Bに電気的に接続されている。
グランド線63Bは、パッド74B−2に電気的に接続されている。グランド線65Bは、パッド74C−2に電気的に接続されている。グランド線63Bは、パッド74B−2を介して接地される。グランド線65Bは、パッド74C−2を介して接地される。グランド線63B及び65Bの表面はそれぞれ、絶縁膜64B及び66Bで被覆されている。
グランド線63Aとグランド線63Bとは、2個のアンカー82A及び配線81Aによって電気的に接続されている。グランド線65Aとグランド線65Bとは、2個のアンカー82B及び配線81Bによって電気的に接続されている。
図18(c)は、図17に示したMEMSスイッチ80及びESD保護素子60の等価回路図である。MEMSスイッチ80の第1端子は、ポート1(電極61A)に接続されている。MEMSスイッチ80の第2端子は、ポート2(電極61B)に接続されている。
ESD保護素子60−1の第1端子は、ポート1に接続されている。ESD保護素子60−1の第2端子は、パッド(接地端子)74B−1を介して接地されている。ESD保護素子60−2の第1端子は、ポート2に接続されている。ESD保護素子60−2の第2端子は、パッド(接地端子)74C−1を介して接地されている。
このような回路構成により、ポート1にESDパルスが印加された場合、ESD保護素子60−1がオンする。よって、ESD保護素子60−1は、ポート1の電荷を接地端子74B−1に放電する。同様に、ポート2にESDパルスが印加された場合、ESD保護素子60−2がオンする。よって、ESD保護素子60−2は、ポート2の電荷を接地端子74C−1に放電する。これにより、ESDパルスによってMEMSスイッチ80が破壊されるのを防ぐことができる。
(実施例1)
次に、ESD保護素子60の他の構成例について説明する。図19(a)は、実施例1に係るESD保護素子60の構成を示す平面図である。図19(b)は、図19(a)に示したA−A´線に沿ったESD保護素子60の断面図である。
次に、ESD保護素子60の他の構成例について説明する。図19(a)は、実施例1に係るESD保護素子60の構成を示す平面図である。図19(b)は、図19(a)に示したA−A´線に沿ったESD保護素子60の断面図である。
電極61の上方には、X方向に延在し、下方向に動く可動構造16が設けられている。可動構造16の一端は、電極63上に設けられたアンカー15Aによって支えられている。可動構造16の他端は、電極65上に設けられたアンカー15Bによって支えられている。可動構造16は、アンカー15A及び15Bをそれぞれ介して、電極63及び65に電気的に接続されている。
可動構造16のY方向両側面にはそれぞれ、接点部材17が設けられている。各接点部材17は、電極61の上方に配置される。各接点部材17は、可動構造16の端部からY方向かつ水平方向に延在しつつ、電極61に向かって反っている。接点部材17は、その平面形状が尖っており、また、かぎ爪形状を有している。接点部材17の反りは、接点部材17上に設けられた調整膜18によって実現される。
このようにしてESD保護素子60を構成した場合でも、図11(a)乃至図11(c)に示したESD保護素子60と同様の動作が可能であり、また同様の効果を得ることができる。
(実施例2)
図20(a)は、実施例2に係るESD保護素子60の構成を示す平面図である。図20(b)は、図20(a)に示したA−A´線に沿ったESD保護素子60の断面図である。
図20(a)は、実施例2に係るESD保護素子60の構成を示す平面図である。図20(b)は、図20(a)に示したA−A´線に沿ったESD保護素子60の断面図である。
可動構造16の中央部は、その平面形状がY方向に突き出したV字状になっている。このV字状部分16Aの先端が接点部材17に対応する。すなわち、可動構造16は、V字状部分16Aと、これの両端からX方向にそれぞれ延在する2個の矩形部分16B、16Cとから構成されている。矩形部分16Bは、アンカー15Aによって支えられている。矩形部分16Cは、アンカー15Bによって支えられている。
接点部材17は、電極61の上方に配置される。また、接点部材17は、Y方向かつ水平方向に延在しつつ、電極61に向かって反っている。接点部材17は、その平面形状が尖っており、また、かぎ爪形状を有している。接点部材17の反りは、接点部材17上に設けられた調整膜18によって実現される。
実施例2のESD保護素子60では、可動構造16がライン状ではなく、一部がV字状になっている。このため、可動構造16のばね定数は、ライン状のものに比べて小さくなる。これにより、接点部材17が下方向に動きやすくなり、ひいては、ESD保護素子60がオンする電圧を低くすることが可能である。
(実施例3)
図21(a)は、実施例3に係るESD保護素子60の構成を示す平面図である。図21(b)は、図21(a)に示したA−A´線に沿ったESD保護素子60の断面図である。
図21(a)は、実施例3に係るESD保護素子60の構成を示す平面図である。図21(b)は、図21(a)に示したA−A´線に沿ったESD保護素子60の断面図である。
電極61の上方には、X方向に延在し、下方向に動く可動構造16Aが設けられている。可動構造16Aの一端は、電極63上に設けられたアンカー15Aによって支えられている。すなわち、可動構造16Aは、片持ち構造を有している。可動構造16Aの先端には、接点部材17Aが設けられている。接点部材17Aは、電極61の上方に配置される。また、接点部材17Aは、可動構造16Aの先端からY方向かつ水平方向に延在しつつ、電極61に向かって反っている。接点部材17Aは、その平面形状が尖っており、また、かぎ爪形状を有している。接点部材17Aの反りは、接点部材17A上に設けられた調整膜18Aによって実現される。
同様に、電極61の上方には、X方向に延在し、下方向に動く可動構造16Bが設けられている。可動構造16Bの一端は、電極65上に設けられたアンカー15Bによって支えられている。可動構造16Bの先端には、接点部材17Bが設けられている。接点部材17Bは、可動構造16Bの先端からY方向かつ水平方向に延在しつつ、電極61に向かって反っている。接点部材17Bは、その平面形状が尖っており、また、かぎ爪形状を有している。接点部材17Bの反りは、接点部材17B上に設けられた調整膜18Bによって実現される。接点部材17Bは、電極61の上方に配置され、かつ、接点部材17Aと向き合うように配置されている。
実施例3のESD保護素子60では、可動構造16A及び16Bがそれぞれ、片持ち構造を有している。このため、可動構造16A及び16Bはそれぞれ、両持ち構造のものに比べて、それらのばね定数が小さくなる。これにより、接点部材17A及び17Bが下方向に動きやすくなり、ひいては、ESD保護素子60がオンする電圧を低くすることが可能である。
以上詳述したように本実施形態では、ESD保護素子60へのESDパルス印加時に電極61と接触する接点部材17を可動構造16の外周部に設け、この接点部材17上に、接点部材17よりも大きな圧縮性の内部応力を有する調整膜18を形成する。これにより、接点部材17を下に向かって反るように構成している。さらに、接点部材17の平面形状を尖らせることで、接点部材17がかぎ爪形状を有するようにしている。
従って本実施形態によれば、かぎ爪形状の接点部材17を有するESD保護素子60をESD保護対象回路に並列に接続することで、ESD保護対象回路にESDパルスが印加された場合に、ESD保護素子60が電荷を接地端子に放電することができる。これにより、ESD保護対象回路にESDパルスが印加された場合でも、ESD保護対象回路が破壊されるのを防ぐことができる。
また、接点部材17がこれの下方に配置された電極61に接触する際、その先端のみが電極14に接触する。これにより、ESD保護素子60のスティクション不良を防ぐことが可能となる。
また、ESDパルス印加前では接点部材17と電極61との距離が離れているため、ESD保護素子60の寄生容量を小さくすることができる。これにより、ESD保護対象回路にESD保護素子60を並列接続した場合でも、回路特性への影響を低減することが可能となる。
また、接点部材17と電極61とは点で接触するため、これらの電位差がゼロになった場合に、接点部材17と信号線61とが離れやすくなる。これにより、本実施形態のESD保護素子60は、ESDパルスが印加された場合でも壊れにくいという特性を有する。
なお、ESD保護対象回路としては、前述した可変容量素子及びMEMSスイッチに加えて様々な回路を用いることが可能である。例えば、ESD保護対象回路としてCMOS回路を用いるようにしてもよい。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で、構成要素を変形して具体化できる。また、実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を構成することができる。例えば、実施形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる実施形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。
10…MEMSスイッチ、11…基板、12〜14,45〜48,51,61,63,65,71…電極、15,25,26,36,44,73A,73B,82A,82B…アンカー、16…可動構造、17…接点部材、18,35…調整膜、19…犠牲層、21,22…グランド線、23,39,40,49,50…駆動用配線、24,72A,72B,81A,81B…配線、31A,31B…アクチュエータ、32…絶縁層、33…上部電極、34…ばね、37…下部電極、38,62,64,66,75…絶縁膜、42A,42B…トーションバー、43…支持部材、60…ESD保護素子、70…可変容量素子、74A〜74C…パッド、80…MEMSスイッチ、SW…スイッチ、Cesd…容量、Vesd…電源、Resd…抵抗。
Claims (5)
- 基板上に設けられた第1の電極と、
前記基板上に設けられたアンカーと、
前記アンカーに支持され、かつ前記アンカーから第1の方向に延在するように前記第1の電極の上方に設けられ、かつ導電体からなり、かつ下方向に動く可動構造と、
前記可動構造の外周部に設けられ、かつ導電体からなり、かつ前記第1の電極に向かって反っている接点部材と、
を具備することを特徴とするスイッチ。 - 前記接点部材上に設けられ、かつ前記接点部材の材料と応力差を有する調整膜をさらに具備することを特徴とする請求項1に記載のスイッチ。
- 前記接点部材は、その平面形状が尖っていることを特徴とする請求項1又は2に記載のスイッチ。
- 前記基板上かつ前記可動構造の下方に設けられ、かつ前記可動構造を駆動する第2の電極をさらに具備することを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載のスイッチ。
- 基板上に設けられ、かつESD(electrostatic discharge)保護対象である回路の電流経路の一端に電気的に接続された電極と、
前記基板上に設けられたアンカーと、
前記アンカーに支持され、かつ前記アンカーから第1の方向に延在するように前記電極の上方に設けられ、かつ導電体からなり、かつ下方向に動き、かつ前記回路の電流経路の他端に電気的に接続された可動構造と、
前記可動構造の外周部に設けられ、かつ導電体からなり、かつ前記電極に向かって反っている接点部材と、
を具備することを特徴とするESD保護素子。
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