（実施形態１）
以下、本実施形態のＭＥＭＳリレーについて図１〜図７を参照しながら説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, the MEMS relay of this embodiment will be described with reference to FIGS.
ＭＥＭＳリレーは、ベース基板１と、ベース基板１の厚み方向の一表面側に配置されたカバー基板３と、カバー基板３に形成された収納部３６に収納された電磁石装置４と、ベース基板１とカバー基板３との間に配置された第１可動部形成基板２と、ベース基板１と第１可動部形成基板２との間に配置された第２可動部形成基板５とを備えている。要するに、ＭＥＭＳリレーは、ベース基板１に近い側から順に、第２可動部形成基板５、第１可動部形成基板２、カバー基板３が配置されている。このＭＥＭＳリレーは、第１可動部形成基板２に設けられた磁性体板からなるアーマチュア２４を電磁石装置４によって動かすことにより、ベース基板１の上記一表面側に設けられた固定接点１４と第２可動部形成基板５に設けられた可動接点５４とが接離する。つまり、ＭＥＭＳリレーは、電磁駆動式のリレーである。なお、本実施形態のＭＥＭＳリレーでは、ベース基板１と第２可動部形成基板５と第１可動部形成基板２とカバー基板３とで、外形サイズを同じに設定してある。
The MEMS relay includes a base substrate 1, a cover substrate 3 disposed on one surface side in the thickness direction of the base substrate 1, an electromagnet device 4 housed in a housing portion 36 formed on the cover substrate 3, and the base substrate 1. A first movable part forming substrate 2 disposed between the base substrate 1 and the first movable part forming substrate 2, and a second movable part forming substrate 5 disposed between the base substrate 1 and the first movable part forming substrate 2. . In short, in the MEMS relay, the second movable part forming substrate 5, the first movable part forming substrate 2, and the cover substrate 3 are arranged in order from the side close to the base substrate 1. In this MEMS relay, the armature 24 made of a magnetic plate provided on the first movable part forming substrate 2 is moved by the electromagnet device 4, whereby the fixed contact 14 provided on the one surface side of the base substrate 1 and the second contact are provided. The movable contact 54 provided on the movable part forming substrate 5 comes in contact with and separates from the movable part forming substrate 5. That is, the MEMS relay is an electromagnetically driven relay. In the MEMS relay of this embodiment, the base substrate 1, the second movable part forming substrate 5, the first movable part forming substrate 2, and the cover substrate 3 have the same outer size.
以下、ＭＥＭＳリレーの各構成要素について詳細に説明する。
Hereinafter, each component of the MEMS relay will be described in detail.
ベース基板１は、絶縁性基板の一種であるガラス基板からなる第１の基板１０を用いて形成されている。第１の基板１０は、ガラス基板に限らず、例えば、高抵抗率のシリコン基板や、低温同時焼成セラミック基板（Low Temperature Co-fired Ceramic Substrate：ＬＴＣＣ基板）を用いてもよい。第１の基板１０として用いるガラス基板のガラス材料としては、硼珪酸ガラスを採用しているが、これに限らず、ソーダガラス、無アルカリガラス、石英ガラスなどを採用してもよい。硼珪酸ガラスとしては、例えば、パイレックス（登録商標）やテンパックス（登録商標）を採用することができる。また、高抵抗率のシリコン基板としては、例えば、ＭＥＭＳリレーを高周波信号の伝送用に用いる場合、抵抗率がより高い方が好ましく、例えば、伝送対象の高周波信号の周波数が６ＧＨｚであれば、抵抗率が１００Ωｃｍ以上であることが好ましく、１０００Ωｃｍ以上であることがより好ましい。また、伝送対象の高周波信号の周波数が高いほど、抵抗率が高い方が好ましい。
The base substrate 1 is formed using a first substrate 10 made of a glass substrate which is a kind of insulating substrate. The first substrate 10 is not limited to a glass substrate, and for example, a high resistivity silicon substrate or a low temperature co-fired ceramic substrate (LTCC substrate) may be used. The glass material of the glass substrate used as the first substrate 10 is borosilicate glass, but is not limited thereto, and soda glass, alkali-free glass, quartz glass, or the like may be used. As the borosilicate glass, for example, Pyrex (registered trademark) or Tempax (registered trademark) can be employed. Moreover, as a high resistivity silicon substrate, for example, when a MEMS relay is used for transmission of a high frequency signal, it is preferable that the resistivity is higher. For example, if the frequency of the high frequency signal to be transmitted is 6 GHz, The rate is preferably 100 Ωcm or more, and more preferably 1000 Ωcm or more. Further, the higher the frequency of the high-frequency signal to be transmitted, the higher the resistivity is preferable.
上述のベース基板１は、矩形板状に形成されており、上記一表面側において第１の基板１０の長手方向の両端部それぞれに一対の信号線１３，１３が形成されている。ここで、各一対の信号線１３，１３は、ベース基板１の上記一表面側において第１の基板１０の短手方向に沿って配置されている。また、ベース基板１は、各信号線１３それぞれの一端部に、上述の固定接点１４が設けられ、各信号線１３それぞれの他端部が、第１の基板１０の厚み方向に貫設された貫通孔配線１５（図２参照）と電気的に接続されている。
The above-described base substrate 1 is formed in a rectangular plate shape, and a pair of signal lines 13 and 13 are formed at both ends in the longitudinal direction of the first substrate 10 on the one surface side. Here, each pair of signal lines 13 and 13 is arranged along the short direction of the first substrate 10 on the one surface side of the base substrate 1. Further, the base substrate 1 is provided with the fixed contact 14 described above at one end of each signal line 13, and the other end of each signal line 13 is penetrated in the thickness direction of the first substrate 10. It is electrically connected to the through-hole wiring 15 (see FIG. 2).
なお、本実施形態のＭＥＭＳリレーは、ベース基板１と第２可動部形成基板５と第１可動部形成基板２とカバー基板３とに亘って形成され信号線１３を囲む接地導体（図示せず）を備えている。
Note that the MEMS relay of this embodiment includes a ground conductor (not shown) that is formed across the base substrate 1, the second movable portion forming substrate 5, the first movable portion forming substrate 2, and the cover substrate 3 and surrounds the signal line 13. ).
また、信号線１３は、金属層（例えば、Ａｕ層）により構成されている。信号線１３の材料としては、Ａｕを採用しているが、Ａｕに限らず、例えば、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｏｓの群から選択される１種あるいはこれらの合金を採用してもよい。
The signal line 13 is configured by a metal layer (for example, an Au layer). The signal line 13 is made of Au, but is not limited to Au. For example, one type selected from the group of Au, Ni, Cu, Pd, Rh, Pt, Ir, and Os, or an alloy thereof. May be adopted.
固定接点１４の材料としては、例えば、Ａｕなどの導電性が良好な金属材料を採用することが好ましい。また、固定接点１４は、例えば、スパッタ法、電気めっき法、真空蒸着法などを利用して形成すればよい。なお、固定接点１４は、単層構造に限らず、多層構造でもよい。また、固定接点１４の材料は、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕや、これらの合金などを採用してもよい。
As a material of the fixed contact 14, for example, it is preferable to employ a metal material having good conductivity such as Au. The fixed contact 14 may be formed using, for example, a sputtering method, an electroplating method, a vacuum deposition method, or the like. The fixed contact 14 is not limited to a single layer structure, and may have a multilayer structure. The material of the fixed contact 14 may be, for example, Au, Ag, Cr, Ti, Pt, Ru, Rh, Co, Ni, Cu, or an alloy thereof.
また、ベース基板１において上述の貫通孔配線１５が内側に設けられた第１貫通孔（図示せず）は、ベース基板１の上記一表面から上記他表面に近づくにつれて開口面積が徐々に大きくなるテーパ形状に形成されている。ここで、貫通孔配線１５は、第１貫通孔の内面に沿って形成されベース基板１の上記一表面側において第１貫通孔を閉塞している。
Further, the first through hole (not shown) in which the above-described through-hole wiring 15 is provided inside the base substrate 1 gradually increases in opening area as it approaches the other surface from the one surface of the base substrate 1. It is formed in a tapered shape. Here, the through-hole wiring 15 is formed along the inner surface of the first through-hole, and closes the first through-hole on the one surface side of the base substrate 1.
カバー基板３は、ガラス基板からなる第２の基板３０を用いて形成されているが、第２の基板３０は、第１の基板１０と同様に、ガラス基板に限らず、高抵抗率のシリコン基板や、ＬＴＣＣ基板を用いてもよい。
The cover substrate 3 is formed by using a second substrate 30 made of a glass substrate. However, the second substrate 30 is not limited to a glass substrate, as is the case with the first substrate 10, but is a silicon having a high resistivity. A substrate or an LTCC substrate may be used.
上述のカバー基板３は、中央部に、上述の電磁石装置４が収納する収納部３６が形成されている。ここで、カバー基板３は、第２の基板３０の中央部に、厚み方向に貫通し電磁石装置４が挿入される開口部３７が形成されている。また、カバー基板３は、第２の基板３０における第１可動部形成基板２側の一表面側に、開口部３７を閉塞する蓋体部３８が接合されている。要するに、カバー基板３は、開口部３７の内周面と蓋体部３８とで囲まれた空間が収納部３６を構成している。しかして、本実施形態のＭＥＭＳリレーは、ベース基板１と第２可動部形成基板５のベース部５１と第１可動部形成基板２のフレーム部２１とカバー基板３とで囲まれた空間を、気密空間とすることが可能となる。なお、蓋体部３８の材料としては、Ｓｉを採用している。蓋体部３８の厚さは、電磁石装置４からアーマチュア２４に作用させる吸引力などの観点から５μｍ〜５０μｍ程度が好ましく、蓋体部１８の機械的強度などの観点から２０μｍ〜３０μｍ程度がより好ましい。
The cover substrate 3 described above is formed with a storage portion 36 for storing the above-described electromagnet device 4 in the center. Here, the cover substrate 3 is formed with an opening 37 in the center of the second substrate 30 through which the electromagnet device 4 is inserted in the thickness direction. In the cover substrate 3, a lid portion 38 that closes the opening 37 is joined to one surface side of the second substrate 30 on the first movable portion forming substrate 2 side. In short, in the cover substrate 3, a space surrounded by the inner peripheral surface of the opening 37 and the lid body portion 38 constitutes the storage portion 36. Therefore, the MEMS relay of the present embodiment has a space surrounded by the base substrate 1, the base portion 51 of the second movable portion forming substrate 5, the frame portion 21 of the first movable portion forming substrate 2, and the cover substrate 3. It becomes possible to make it an airtight space. Note that Si is adopted as the material of the lid portion 38. The thickness of the lid body portion 38 is preferably about 5 μm to 50 μm from the viewpoint of the attractive force applied to the armature 24 from the electromagnet device 4, and more preferably about 20 μm to 30 μm from the viewpoint of the mechanical strength of the lid body portion 18. .
カバー基板３の開口部３７は、第２の基板３０の上記一表面から他表面に近づくにつれて開口面積が徐々に大きくなるテーパ形状となっている。しかして、カバー基板３は、第１可動部形成基板２側とは反対側から電磁石装置４を挿入し易く、且つ、第２の基板３０の上記一表面における開口部３７の開口面積を比較的小さくすることができる。なお、上述の開口部３７は、例えば、サンドブラスト法やエッチング法などによって形成すればよい。
The opening 37 of the cover substrate 3 has a tapered shape in which the opening area gradually increases as it approaches the other surface from the one surface of the second substrate 30. Thus, the cover substrate 3 is easy to insert the electromagnet device 4 from the side opposite to the first movable part forming substrate 2 side, and the opening area of the opening 37 on the one surface of the second substrate 30 is relatively small. Can be small. The opening 37 described above may be formed by, for example, a sand blast method or an etching method.
電磁石装置４は、Ｕ字状のヨーク４０と、ヨーク４０に巻回された２つのコイル４２，４２とを備えている。ヨーク４０は、両コイル４２，４２が直接巻回される細長の矩形板状のコイル巻回部４０ａと、コイル巻回部４０ａの長手方向の両端部それぞれからコイル巻回部４０ａの厚み方向に延設された側片４０ｂ，４０ｂとを有している。そして、ヨーク４０は、コイル４２，４２への励磁電流に応じて一対の側片４０ｂ，４０ｂの互いの先端面が異極に励磁される。なお、ヨーク４０は、電磁軟鉄などの鉄板を曲げ加工、鋳造加工、プレス加工などにより加工することによって形成されており、両側片４０ｂ，４０ｂの断面が矩形状となっている。
The electromagnet device 4 includes a U-shaped yoke 40 and two coils 42 and 42 wound around the yoke 40. The yoke 40 has an elongated rectangular plate-shaped coil winding portion 40a around which both coils 42 and 42 are directly wound, and both ends in the longitudinal direction of the coil winding portion 40a in the thickness direction of the coil winding portion 40a. It has extended side pieces 40b and 40b. In the yoke 40, the tip surfaces of the pair of side pieces 40b, 40b are excited to have different polarities according to the excitation current to the coils 42, 42. The yoke 40 is formed by processing an iron plate such as electromagnetic soft iron by bending, casting, pressing, or the like, and the cross sections of both side pieces 40b, 40b are rectangular.
また、電磁石装置４は、ヨーク４０の両側片４０ｂ，４０ｂの間でコイル巻回部４０ａの長手方向の中央部に重ねて配置された矩形板状の永久磁石４１を備えている。しかして、電磁石装置４は、永久磁石４１とヨーク４０の側片４０ｂ，４０ｂとによって、コイル巻回部４０ａの長手方向への各コイル４２，４２の移動が規制される。
In addition, the electromagnet device 4 includes a rectangular plate-like permanent magnet 41 that is disposed between both side pieces 40b, 40b of the yoke 40 so as to overlap the central portion in the longitudinal direction of the coil winding portion 40a. Thus, in the electromagnet device 4, the movement of the coils 42 and 42 in the longitudinal direction of the coil winding portion 40 a is restricted by the permanent magnet 41 and the side pieces 40 b and 40 b of the yoke 40.
上述の電磁石装置４は、２つのコイル４２，４２に励磁電流を通電したときに電磁力を発生するものであり、当該電磁力によって、矩形板状のアーマチュア２４の長手方向の両端部のうちの一方を吸引する吸引力、当該両端部のうちの他方を反発する反発力を発生させることができる。
The above-described electromagnet device 4 generates an electromagnetic force when an excitation current is applied to the two coils 42 and 42, and the electromagnetic force causes the rectangular plate-shaped armature 24 to have a longitudinal direction. A suction force for sucking one side and a repulsive force for repelling the other of the both end portions can be generated.
永久磁石４１は、厚み方向の両面それぞれの磁極面が異極に着磁されており、一方の磁極面がヨーク４０のコイル巻回部４０ａに当接し、他方の磁極面がヨーク４０の両側片４０ｂ，４０ｂの先端面と同一平面上に位置するように厚み寸法を設定してある。ここにおいて、電磁石装置４は、ヨーク４０の両側片４０ｂの各先端面および永久磁石４１の上記他方の磁極面が蓋体部３８に当接する形で収納部３６に収納されている。しかして、ＭＥＭＳリレーは、電磁石装置４における永久磁石４１の上記他方の磁極面とヨーク４０の両側片４０ｂの各先端面とを同一平面上に位置させることができるので、電磁石装置４とアーマチュア２４との間のギャップ長の精度を高めることが可能となる。
In the permanent magnet 41, the magnetic pole surfaces on both sides in the thickness direction are magnetized differently, one magnetic pole surface is in contact with the coil winding portion 40a of the yoke 40, and the other magnetic pole surface is on both side pieces of the yoke 40. The thickness dimension is set so as to be located on the same plane as the tip surfaces of 40b and 40b. Here, the electromagnet device 4 is housed in the housing portion 36 such that the tip surfaces of the both side pieces 40 b of the yoke 40 and the other magnetic pole surface of the permanent magnet 41 abut against the lid body portion 38. Thus, the MEMS relay can position the other magnetic pole surface of the permanent magnet 41 in the electromagnet device 4 and the front end surfaces of the both side pieces 40b of the yoke 40 on the same plane, so that the electromagnet device 4 and the armature 24 can be located. It is possible to improve the accuracy of the gap length.
また、電磁石装置４は、絶縁性樹脂からなる断面Ｕ字状の端子保持部４４の両側片４４ｂの各々からコイル端子４５が突出した端子ブロック４６を備えている。電磁石装置４は、平面視において、端子保持部４４の中央片４４ａがヨーク４０のコイル巻回部４０ａと直交するようにコイル巻回部４０ａにおける永久磁石４１側とは反対側に配設されている。ここにおいて、各コイル端子４５には、各コイル４２の端末が接続されており、一対のコイル端子４５間に電圧を印加することで、両コイル４２に電流が流れる。
Further, the electromagnet device 4 includes a terminal block 46 in which the coil terminals 45 protrude from each of the both side pieces 44b of the terminal holding portion 44 having a U-shaped cross section made of an insulating resin. The electromagnet device 4 is disposed on the opposite side of the coil winding portion 40a from the permanent magnet 41 side so that the central piece 44a of the terminal holding portion 44 is orthogonal to the coil winding portion 40a of the yoke 40 in plan view. Yes. Here, the terminal of each coil 42 is connected to each coil terminal 45, and a current flows through both coils 42 by applying a voltage between the pair of coil terminals 45.
また、カバー基板３は、第１可動部形成基板２側とは反対側の表面に各コイル端子４５の各々が電気的に接続される金属膜からなる配線パターン（導体パターン）３４が形成されている。そして、電磁石装置４は、各配線パターン３４の各々の一端部に、コイル端子４５が半田付けなどによって接合され電気的に接続されている。一方、各配線パターン３４の各々の他端部は、ベース基板１の上記他表面側に設けられた駆動用の外部接続電極１９（図３参照）と電気的に接続されている。ここにおいて、各配線パターン３４と駆動用の各外部接続電極１９とは、カバー基板３、第１可動部形成基板２、第２可動部形成基板５、ベース基板１それぞれに形成された通電用の貫通孔配線３１５、２１５、５１５、１１５を介して電気的に接続されている。なお、カバー基板３の貫通孔配線３１５と第１可動部形成基板２の貫通孔配線２１５とは、カバー基板３と第１可動部形成基板２との互いの対向面側に形成されている接続用金属層（図示せず）同士を接合することにより電気的に接続されている。同様に、第１可動部形成基板２の貫通孔配線２１５と第２可動部形成基板５の貫通孔配線５１５とは、第１可動部形成基板２と第２可動部形成基板５との互いの対向面側に形成されている接続用金属層（図示せず）同士を接合することにより電気的に接続されている。同様に、第２可動部形成基板５の貫通孔配線５１５とベース基板１の貫通孔配線１１５とは、第２可動部形成基板５とベース基板１との互いの対向面側に形成されている接続用金属層（図示せず）同士を接合することにより電気的に接続されている。
Further, the cover substrate 3 has a wiring pattern (conductor pattern) 34 made of a metal film to which each of the coil terminals 45 is electrically connected on the surface opposite to the first movable portion forming substrate 2 side. Yes. In the electromagnet device 4, a coil terminal 45 is joined and electrically connected to one end of each wiring pattern 34 by soldering or the like. On the other hand, the other end of each wiring pattern 34 is electrically connected to a driving external connection electrode 19 (see FIG. 3) provided on the other surface side of the base substrate 1. Here, each wiring pattern 34 and each external connection electrode 19 for driving are used for energization formed on the cover substrate 3, the first movable portion forming substrate 2, the second movable portion forming substrate 5, and the base substrate 1, respectively. They are electrically connected through the through-hole wirings 315, 215, 515, 115. The through-hole wiring 315 of the cover substrate 3 and the through-hole wiring 215 of the first movable part forming substrate 2 are connected to each other on the facing surfaces of the cover substrate 3 and the first movable part forming substrate 2. The metal layers (not shown) are electrically connected by bonding. Similarly, the through-hole wiring 215 of the first movable part forming substrate 2 and the through-hole wiring 515 of the second movable part forming substrate 5 are the same as each other between the first movable part forming substrate 2 and the second movable part forming substrate 5. The connection metal layers (not shown) formed on the opposite surface side are electrically connected to each other by bonding. Similarly, the through-hole wiring 515 of the second movable part forming substrate 5 and the through-hole wiring 115 of the base substrate 1 are formed on the opposing surfaces of the second movable part forming substrate 5 and the base substrate 1. The connection metal layers (not shown) are electrically connected to each other by bonding.
第１可動部形成基板２は、後述のように第１半導体基板２０を用いて形成されており、第１半導体基板２０に形成されている第１絶縁膜（図示せず）により、第１半導体基板２０の同じ面側に形成されている接続用金属層が互いに電気的に絶縁されている。各接続用金属層は、第１絶縁膜上に形成されたＴｉ膜と当該Ｔｉ膜上に形成されたＡｕ膜との積層膜により構成されている。各接続用金属層は、Ａｕ膜と第１絶縁膜との間に密着性改善用の密着層としてＴｉ膜を介在させてあるが、密着層の材料はＴｉに限らず、例えば、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｚｒ、ＴｉＮ、ＴａＮなどでもよい。また、各接続用金属層は、Ａｕ膜の代わりに、例えば、Ａｌ膜やＣｕ膜を採用してもよい。また、Ｔｉ膜の膜厚は例えば１５ｎｍ〜５０ｎｍ程度の範囲、Ｔｉ膜上のＡｕ膜の膜厚は例えば２００〜５００ｎｍ程度の範囲で適宜設定すればよい。対応する接続用金属層同士を例えば常温接合法により接合する場合、Ａｕ膜の膜厚は、接合歩留まりの向上を図るうえで、２００ｎｍ〜５００ｎｍの範囲においては、より大きな値の方が好ましい。
The first movable part forming substrate 2 is formed using the first semiconductor substrate 20 as will be described later, and a first semiconductor film is formed by a first insulating film (not shown) formed on the first semiconductor substrate 20. The connection metal layers formed on the same surface side of the substrate 20 are electrically insulated from each other. Each connection metal layer is composed of a laminated film of a Ti film formed on the first insulating film and an Au film formed on the Ti film. Each connecting metal layer has a Ti film interposed as an adhesion improving adhesive layer between the Au film and the first insulating film. However, the material of the adhesion layer is not limited to Ti, and, for example, Cr, Nb Zr, TiN, TaN, etc. may be used. Each connection metal layer may employ, for example, an Al film or a Cu film instead of the Au film. Moreover, the film thickness of the Ti film may be set as appropriate within a range of, for example, about 15 nm to 50 nm, and the film thickness of the Au film on the Ti film may be set within a range of, for example, about 200 to 500 nm. In the case where the corresponding connecting metal layers are bonded to each other by, for example, a room temperature bonding method, the Au film thickness is preferably larger in the range of 200 nm to 500 nm in order to improve the bonding yield.
ところで、第１可動部形成基板２は、一表面側におけるフレーム部２１の周部の全周に亘って、カバー基板３と接合するための接合用金属層２３８（図２および図５（ａ）参照）が形成され、他表面側におけるフレーム部２１の周部の全周に亘って、第２可動部形成基板５と接合するための接合用金属層２１８（図５（ｂ）参照）が形成されている。これに対して、カバー基板３は、第１可動部形成基板２との対向面側の周部の全周に亘って、接合用金属層２３８に接合される接合用金属層（図示せず）が形成されている。また、第２可動部形成基板５は、第１可動部形成基板２との対向面側の周部の全周に亘って、接合用金属層２１８に接合される接合用金属層５３８（図７（ａ）参照）が形成され、ベース基板１との対向面側の周部の全周に亘って、ベース基板１の接合用金属層１１８（図２参照）に接合される接合用金属層５１８（図７（ｂ）参照）が形成されている。接合用金属層５１８は、Ｔｉ膜と当該Ｔｉ膜上に形成されたＡｕ膜との積層膜により構成されている。接合用金属層５１８は、Ａｕ膜と第１の基板１０との間に密着性改善用の密着層としてＴｉ膜を介在させてあるが、密着層の材料はＴｉに限らず、例えば、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｚｒ、ＴｉＮ、ＴａＮなどでもよい。また、接合用金属層５１８は、Ａｕ膜の代わりに、Ａｌ膜やＣｕ膜を採用してもよい。また、Ｔｉ膜の膜厚は例えば１５ｎｍ〜５０ｎｍ程度の範囲、Ｔｉ膜上のＡｕ膜の膜厚は例えば２００ｎｍ〜５００ｎｍ程度の範囲で適宜設定すればよい。
By the way, the 1st movable part formation board | substrate 2 is joining metal layer 238 (FIG. 2 and FIG. 5A) for joining with the cover board | substrate 3 over the perimeter of the frame part 21 in one surface side. And a joining metal layer 218 (see FIG. 5B) for joining to the second movable part forming substrate 5 is formed over the entire circumference of the frame part 21 on the other surface side. Has been. On the other hand, the cover substrate 3 is a bonding metal layer (not shown) that is bonded to the bonding metal layer 238 over the entire circumference of the peripheral portion facing the first movable portion forming substrate 2. Is formed. Further, the second movable part forming substrate 5 is bonded to the bonding metal layer 218 over the entire circumference of the peripheral part on the side facing the first movable part forming substrate 2 (FIG. 7). (See (a)) is formed, and the joining metal layer 518 joined to the joining metal layer 118 (see FIG. 2) of the base substrate 1 over the entire circumference of the peripheral portion facing the base substrate 1. (See FIG. 7B). The bonding metal layer 518 is composed of a laminated film of a Ti film and an Au film formed on the Ti film. The bonding metal layer 518 has a Ti film interposed as an adhesion improving adhesion layer between the Au film and the first substrate 10, but the material of the adhesion layer is not limited to Ti, for example, Cr, Nb, Zr, TiN, TaN, etc. may be used. Further, the bonding metal layer 518 may employ an Al film or a Cu film instead of the Au film. Further, the thickness of the Ti film may be set as appropriate within a range of, for example, about 15 nm to 50 nm, and the thickness of the Au film on the Ti film may be set within a range of, for example, about 200 nm to 500 nm.
また、第１可動部形成基板２の各接合用金属層２１８，２３８は、第１絶縁膜上に形成されたＴｉ膜と当該Ｔｉ膜上に形成されたＡｕ膜との積層膜により構成されている。各接合用金属層２１８，２３８は、Ａｕ膜と第１絶縁膜との間に密着性改善用の密着層としてＴｉ膜を介在させてあるが、密着層の材料はＴｉに限らず、例えば、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｚｒ、ＴｉＮ、ＴａＮなどでもよい。また、各接合用金属層２１８，２３８は、Ａｕ膜の代わりに、Ａｌ膜やＣｕ膜を採用してもよい。また、Ｔｉ膜の膜厚は例えば１５ｎｍ〜５０ｎｍ程度の範囲、Ｔｉ膜上のＡｕ膜の膜厚は例えば２００ｎｍ〜５００ｎｍ程度の範囲で適宜設定すればよい。
Further, each of the bonding metal layers 218 and 238 of the first movable part forming substrate 2 is configured by a laminated film of a Ti film formed on the first insulating film and an Au film formed on the Ti film. Yes. Each bonding metal layer 218, 238 has a Ti film interposed as an adhesion improving adhesion layer between the Au film and the first insulating film, but the material of the adhesion layer is not limited to Ti, for example, Cr, Nb, Zr, TiN, TaN, etc. may be used. Further, the bonding metal layers 218 and 238 may employ an Al film or a Cu film instead of the Au film. Further, the thickness of the Ti film may be set as appropriate within a range of, for example, about 15 nm to 50 nm, and the thickness of the Au film on the Ti film may be set within a range of, for example, about 200 nm to 500 nm.
また、第２可動部形成基板５は、後述のように第２半導体基板５０を用いて形成されており、第２半導体基板５０に形成されている第２絶縁膜（図示せず）により、第２半導体基板５０の同じ面側に形成された接続用金属層が互いに電気的に絶縁されている。各接続用金属層は、第２絶縁膜上に形成されたＴｉ膜と当該Ｔｉ膜上に形成されたＡｕ膜との積層膜により構成されている。各接続用金属層は、Ａｕ膜と第２絶縁膜との間に密着性改善用の密着層としてＴｉ膜を介在させてあるが、密着層の材料はＴｉに限らず、例えば、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｚｒ、ＴｉＮ、ＴａＮなどでもよい。また、各接続用金属層は、Ａｕ膜の代わりに、例えば、Ａｌ膜やＣｕ膜を採用してもよい。また、Ｔｉ膜の膜厚は例えば１５ｎｍ〜５０ｎｍ程度の範囲、Ｔｉ膜上のＡｕ膜の膜厚は例えば２００〜５００ｎｍ程度の範囲で適宜設定すればよい。対応する接続用金属層同士を例えば常温接合法により接合する場合、Ａｕ膜の膜厚は、接合歩留まりの向上を図るうえで、２００ｎｍ〜５００ｎｍの範囲においては、より大きな値の方が好ましい。
The second movable part forming substrate 5 is formed by using the second semiconductor substrate 50 as will be described later, and a second insulating film (not shown) formed on the second semiconductor substrate 50 is used to (2) The connecting metal layers formed on the same surface side of the semiconductor substrate 50 are electrically insulated from each other. Each connection metal layer is composed of a laminated film of a Ti film formed on the second insulating film and an Au film formed on the Ti film. In each connection metal layer, a Ti film is interposed as an adhesion improving adhesion layer between the Au film and the second insulating film. However, the material of the adhesion layer is not limited to Ti. For example, Cr, Nb Zr, TiN, TaN, etc. may be used. Each connection metal layer may employ, for example, an Al film or a Cu film instead of the Au film. Moreover, the film thickness of the Ti film may be set as appropriate within a range of, for example, about 15 nm to 50 nm, and the film thickness of the Au film on the Ti film may be set within a range of, for example, about 200 to 500 nm. In the case where the corresponding connecting metal layers are bonded to each other by, for example, a room temperature bonding method, the Au film thickness is preferably larger in the range of 200 nm to 500 nm in order to improve the bonding yield.
また、第２可動部形成基板５の各接合用金属層５１８，５３８は、第２絶縁膜上に形成されたＴｉ膜と当該Ｔｉ膜上に形成されたＡｕ膜との積層膜により構成されている。各接合用金属層５１８，５３８は、Ａｕ膜と第２絶縁膜との間に密着性改善用の密着層としてＴｉ膜を介在させてあるが、密着層の材料はＴｉに限らず、例えば、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｚｒ、ＴｉＮ、ＴａＮなどでもよい。また、各接合用金属層５１８，５３８は、Ａｕ膜の代わりに、Ａｌ膜やＣｕ膜を採用してもよい。また、Ｔｉ膜の膜厚は例えば１５ｎｍ〜５０ｎｍ程度の範囲、Ｔｉ膜上のＡｕ膜の膜厚は例えば２００ｎｍ〜５００ｎｍ程度の範囲で適宜設定すればよい。
In addition, each of the bonding metal layers 518 and 538 of the second movable part forming substrate 5 is configured by a laminated film of a Ti film formed on the second insulating film and an Au film formed on the Ti film. Yes. Each bonding metal layer 518, 538 has a Ti film interposed as an adhesion improving layer between the Au film and the second insulating film, but the material of the adhesion layer is not limited to Ti, for example, Cr, Nb, Zr, TiN, TaN, etc. may be used. Further, the bonding metal layers 518 and 538 may employ an Al film or a Cu film instead of the Au film. Further, the thickness of the Ti film may be set as appropriate within a range of, for example, about 15 nm to 50 nm, and the thickness of the Au film on the Ti film may be set within a range of, for example, about 200 nm to 500 nm.
なお、第１可動部形成基板２と第２可動部形成基板５およびカバー基板３との接合方法、第２可動部形成基板５とベース基板１との接合方法は、互いの接合表面を活性化してから互いの接合表面を重ね合わせて常温下で適宜の荷重を印加することにより直接接合する上述の常温接合法に限らず、例えば、互いの接合表面を活性化した後で５０〜３００℃程度の加熱を行いながら適宜の荷重を印加することにより接合する直接接合法を採用してもよい。
In addition, the joining method of the 1st movable part formation board | substrate 2, the 2nd movable part formation board | substrate 5, and the cover substrate 3 and the joining method of the 2nd movable part formation board | substrate 5 and the base substrate 1 activate each other's joining surface. In addition to the above-described room temperature bonding method in which the bonding surfaces are superposed and directly bonded by applying an appropriate load at room temperature, for example, about 50 to 300 ° C. after activating the bonding surfaces. Alternatively, a direct bonding method may be employed in which bonding is performed by applying an appropriate load while heating.
第１可動部形成基板２は、高抵抗率のシリコン基板からなる第１半導体基板２０を用いて形成されている。ここで、高抵抗率のシリコン基板としては、例えば、ＭＥＭＳリレーを高周波信号の伝送用に用いる場合、抵抗率がより高い方が好ましく、例えば、伝送対象の高周波信号の周波数が６ＧＨｚであれば、抵抗率が１００Ωｃｍ以上であることが好ましく、１０００Ωｃｍ以上であることがより好ましい。また、伝送対象の高周波信号の周波数が高いほど、抵抗率が高い方が好ましい。第１半導体基板２０は、高抵抗率のシリコン基板に限らず、例えば、シリコン層／絶縁層（ＳｉＯ２層）／シリコン層の３層構造を有するＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板や、シリコン層／絶縁層（ＳｉＯ２層）／シリコン層／絶縁層（ＳｉＯ２層）／シリコン層の５層構造（ダブルＳＯＩ構造）を有するダブルＳＯＩ基板などを用いてもよいが、各シリコン層は高抵抗率のシリコン層であることが好ましい。
The first movable part forming substrate 2 is formed using a first semiconductor substrate 20 made of a high resistivity silicon substrate. Here, as a high resistivity silicon substrate, for example, when a MEMS relay is used for transmission of a high frequency signal, it is preferable that the resistivity is higher. For example, if the frequency of the high frequency signal to be transmitted is 6 GHz, The resistivity is preferably 100 Ωcm or more, and more preferably 1000 Ωcm or more. Further, the higher the frequency of the high-frequency signal to be transmitted, the higher the resistivity is preferable. The first semiconductor substrate 20 is not limited to a high resistivity silicon substrate. For example, an SOI (Silicon On Insulator) substrate having a three-layer structure of silicon layer / insulating layer (SiO 2 layer) / silicon layer, silicon layer / A double SOI substrate having a five-layer structure (double SOI structure) of insulating layer (SiO 2 layer) / silicon layer / insulating layer (SiO 2 layer) / silicon layer may be used, but each silicon layer has a high resistivity. The silicon layer is preferable.
第１可動部形成基板２は、第２可動部形成基板５とカバー基板３との間に介在するフレーム部２１と、フレーム部２１の内側に配置されフレーム部２１に４つの第１支持ばね部２２を介して揺動自在に支持された第１可動部２３とを有している。また、第１可動部形成基板２は、第１可動部２３における一面側（電磁石装置４側）に配置され電磁石装置４とともに磁気回路を構成する上述のアーマチュア２４と、アーマチュア２４の中央部との間に第１可動部２３を挟んで配置されたプレート２５とを有している。
The first movable portion forming substrate 2 includes a frame portion 21 interposed between the second movable portion forming substrate 5 and the cover substrate 3, and four first support spring portions disposed inside the frame portion 21. And a first movable portion 23 supported so as to be swingable through the first movable portion 23. Further, the first movable part forming substrate 2 is arranged on one surface side (electromagnet apparatus 4 side) of the first movable part 23 and includes the above-described armature 24 that forms a magnetic circuit together with the electromagnet apparatus 4 and It has the plate 25 arrange | positioned on both sides of the 1st movable part 23 in between.
アーマチュア２４を構成する磁性体板の材料としては、鉄−コバルト合金からなる磁性体材料を採用しているが、これに限らず、例えば、電磁軟鉄、電磁ステンレス、パーマロイなどの磁性体材料であればよい。
As the material of the magnetic plate constituting the armature 24, a magnetic material made of an iron-cobalt alloy is adopted, but not limited to this, for example, a magnetic material such as electromagnetic soft iron, electromagnetic stainless steel, and permalloy may be used. That's fine.
また、プレート２５の材料としては、フェライト系ステンレス鋼の一種であるＳＵＳ４３０を採用しているが、これに限らず、例えば、ＳＵＳ４３０以外のステンレス鋼や、金属、合金などを採用してもよい。
Further, as a material of the plate 25, SUS430 which is a kind of ferritic stainless steel is adopted, but not limited thereto, for example, stainless steel other than SUS430, metal, alloy or the like may be adopted.
プレート２５は、第１可動部２３の厚み方向に貫通した第２貫通孔２９（図２、図５および図６参照）を通してアーマチュア２４に溶接されている。プレート２５をアーマチュア２４に溶接するにあたっては、第１可動部２３の上記一面側にアーマチュア２４を配置し他面側にプレート２５を配置した状態で、プレート２５において第２貫通孔２９に対応する部分にレーザ光を照射してプレート２５を局所的に溶融させてアーマチュア２４に溶接させるようにしている。要するに、プレート２５は、アーマチュア２４にレーザ溶接法により溶接されている。なお、レーザ溶接法により溶接する際のレーザ光源としては、例えば、ＹＡＧレーザを用いればよいが、これに限定するものではなく、例えば、プレート２５の材料に応じて適宜変更してもよい。
The plate 25 is welded to the armature 24 through a second through hole 29 (see FIGS. 2, 5, and 6) penetrating in the thickness direction of the first movable portion 23. When welding the plate 25 to the armature 24, a portion corresponding to the second through hole 29 in the plate 25 in a state where the armature 24 is disposed on the one surface side of the first movable portion 23 and the plate 25 is disposed on the other surface side. The plate 25 is locally melted by irradiating the laser beam to the armature 24 and welded. In short, the plate 25 is welded to the armature 24 by a laser welding method. In addition, as a laser light source at the time of welding by the laser welding method, for example, a YAG laser may be used. However, the laser light source is not limited thereto, and may be appropriately changed according to the material of the plate 25, for example.
ここで、第１可動部２３には、上述の第２貫通孔２９が２つ形成されている。これら２つの第２貫通孔２９は、第１可動部２３の長手方向の中央部において第１可動部２３の短手方向に沿った中心線上で並んで形成されている。また、各第２貫通孔２９は、円形状の開口形状となっている。これに対して、プレート２５は、長手方向の寸法が、第１可動部２３の短手方向の寸法よりも大きな値に設定されている。また、プレート２５は、長手方向の中間部における短手方向の寸法が、第２貫通孔２９の内径よりも大きな値に設定されている。なお、第２貫通孔２９の開口形状は特に限定するものではない。要するに、プレート２５の短手方向の寸法は、第１可動部２３の長手方向における第２貫通孔２９の最大寸法よりも大きな値であればよい。
Here, the second movable hole 23 is formed with the two second through holes 29 described above. These two second through-holes 29 are formed side by side on the center line along the short direction of the first movable part 23 at the central part in the longitudinal direction of the first movable part 23. Each second through hole 29 has a circular opening shape. On the other hand, the dimension of the longitudinal direction of the plate 25 is set to a value larger than the dimension of the first movable part 23 in the short direction. Further, the plate 25 is set such that the dimension in the short direction at the intermediate portion in the longitudinal direction is larger than the inner diameter of the second through hole 29. The opening shape of the second through hole 29 is not particularly limited. In short, the dimension in the short direction of the plate 25 may be a value larger than the maximum dimension of the second through hole 29 in the longitudinal direction of the first movable part 23.
そして、プレート２５は、アーマチュア２４に２箇所が溶接されている。なお、溶接箇所は、２箇所に限定するものではない。
The plate 25 is welded to the armature 24 at two locations. In addition, a welding location is not limited to two locations.
ところで、第１可動部形成基板２は、第１可動部２３とアーマチュア２４とプレート２５とを含む部分が、第１可動部２３の短手方向に沿った中心線に対して対称となり、且つ、第１可動部２３の長手方向に沿った中心線に対して対称となるように、第１可動部２３におけるアーマチュア２４の配置領域を規定し、第１可動部２３におけるプレート２５の配置領域を規定している。要するに、本実施形態のＭＥＭＳリレーでは、第１可動部２３の重心とアーマチュア２４およびプレート２５各々の重心とが一直線上に位置するように上記各配置領域を規定している。さらに、第１可動部形成基板２は、フレーム部２１の内側のブロック全体が、第１可動部２３の短手方向に沿った中心線に対して対称となり、且つ、第１可動部２３の長手方向に沿った中心線に対して対称となるように、各第１支持ばね部２２、各第２突片２８の形状および配置を規定してある。
By the way, the first movable part forming substrate 2 has a portion including the first movable part 23, the armature 24, and the plate 25 symmetrical with respect to the center line along the short direction of the first movable part 23, and The arrangement area of the armature 24 in the first movable section 23 is defined so as to be symmetric with respect to the center line along the longitudinal direction of the first movable section 23, and the arrangement area of the plate 25 in the first movable section 23 is defined. is doing. In short, in the MEMS relay of the present embodiment, the above-described arrangement regions are defined so that the center of gravity of the first movable part 23 and the center of gravity of each of the armature 24 and the plate 25 are positioned on a straight line. Further, in the first movable part forming substrate 2, the entire block inside the frame part 21 is symmetric with respect to the center line along the short direction of the first movable part 23, and the first movable part 23 is long. The shapes and arrangements of the first support spring portions 22 and the second projecting pieces 28 are defined so as to be symmetric with respect to the center line along the direction.
また、第１可動部形成基板２は、図６に示すように、アーマチュア２４を位置決めする第１突起２３ｆと、プレート２５を位置決めする第２突起２３ｇとを、第１可動部２３に一体に設けることが好ましい。
Further, as shown in FIG. 6, the first movable portion forming substrate 2 is integrally provided with a first protrusion 23 f for positioning the armature 24 and a second protrusion 23 g for positioning the plate 25 on the first movable portion 23. It is preferable.
第１突起２３ｆの突出寸法は、第１突起２３ｆがアーマチュア２４の揺動範囲を狭めないように、アーマチュア２４の厚さ寸法よりも小さい方が好ましい。例えば、アーマチュア２４の厚さ寸法が１００μｍの場合、第１突起２３ｆの突出寸法は、１０μｍ程度であれば十分である。なお、これらの数値は一例であり、特に限定するものではない。
The protrusion dimension of the first protrusion 23 f is preferably smaller than the thickness dimension of the armature 24 so that the first protrusion 23 f does not narrow the swing range of the armature 24. For example, when the thickness dimension of the armature 24 is 100 μm, it is sufficient that the projecting dimension of the first protrusion 23 f is about 10 μm. These numerical values are merely examples, and are not particularly limited.
また、第２突起２３ｇの突出寸法は、第２突起２３ｇがプレート２５の揺動範囲を狭めないように、プレート２５の厚さ寸法よりも小さい方が好ましい。例えば、プレート２５の厚さ寸法が１００μｍの場合、第２突起２３ｇの突出寸法は、１０μｍ程度であれば十分である。なお、これらの数値は一例であり、特に限定するものではない。
Further, it is preferable that the protruding dimension of the second protrusion 23g is smaller than the thickness dimension of the plate 25 so that the second protrusion 23g does not narrow the swinging range of the plate 25. For example, when the thickness dimension of the plate 25 is 100 μm, it is sufficient that the projecting dimension of the second protrusion 23 g is about 10 μm. These numerical values are merely examples, and are not particularly limited.
また、第１可動部形成基板２は、第１突起２３ｆおよび第２突起２３ｇの各々を複数備えていることが好ましい。要するに、第１可動部形成基板２は、複数の第１突起２３ｆが、アーマチュア２４の外周に沿って配置され、複数の第２突起２３ｇが、プレート２５の外周に沿って配置されていることが好ましい。各第１突起２３ｆおよび各第２突起２３ｇは、各々、平面形状を矩形状としてあるが、これらの形状は矩形状に限らず、例えば、円形状、三角形状、多角形状でもよい。
The first movable part forming substrate 2 preferably includes a plurality of first protrusions 23f and second protrusions 23g. In short, in the first movable part forming substrate 2, a plurality of first protrusions 23f are disposed along the outer periphery of the armature 24, and a plurality of second protrusions 23g are disposed along the outer periphery of the plate 25. preferable. Each of the first protrusions 23f and each of the second protrusions 23g has a rectangular planar shape, but these shapes are not limited to a rectangular shape, and may be, for example, a circular shape, a triangular shape, or a polygonal shape.
上述のアーマチュア２４およびプレート２５については、各々、打ち抜き加工などの機械加工技術を利用して形成してある。
The above-described armature 24 and plate 25 are each formed using a machining technique such as punching.
一方、第１可動部形成基板２は、アーマチュア２４およびプレート２５以外の構成要素を、マイクロマシニング技術などを利用して形成してある。つまり、第１可動部形成基板２のアーマチュア２４およびプレート２５以外の構成要素の大部分は、半導体プロセス技術を利用して形成してある。
On the other hand, the first movable part forming substrate 2 is formed by forming the components other than the armature 24 and the plate 25 using a micromachining technique or the like. That is, most of the components other than the armature 24 and the plate 25 of the first movable part forming substrate 2 are formed using semiconductor process technology.
第１可動部形成基板２は、第１可動部２３の厚みがフレーム部２１の厚みよりも薄く、アーマチュア２４の厚み寸法を、第１可動部形成基板２とカバー基板３とを固着した状態においてアーマチュア２４とカバー基板３との間に適宜の空隙が形成されるように設定してある。また、プレート２５の厚み寸法は、第１可動部２３と第２可動部形成基板５との間に適宜の空隙が形成されるように設定されている。
In the first movable part forming substrate 2, the thickness of the first movable part 23 is thinner than the thickness of the frame part 21, and the thickness of the armature 24 is set so that the first movable part forming substrate 2 and the cover substrate 3 are fixed. An appropriate gap is set between the armature 24 and the cover substrate 3. The thickness dimension of the plate 25 is set so that an appropriate gap is formed between the first movable part 23 and the second movable part forming substrate 5.
本実施形態では、フレーム部２１の厚さを２００μｍ、第１可動部２３の厚さを５０μｍ、アーマチュア２４の厚さを１００μｍ、プレート２５の厚さを１００μｍに設定してあるが、これらの数値は一例であり、特に限定するものではない。例えば、第１半導体基板２０としてシリコン基板を用いる場合、このシリコン基板の基礎となるシリコンウェハの厚さに応じて適宜変更してもよく、例えば、５０μｍ〜１０００μｍ程度の範囲で設定してもよく、第１半導体基板２０の厚さ寸法に基づいて、第１可動部２３の厚さ、アーマチュア２４の厚さ、およびプレート２５の厚さ、それぞれを適宜変更すればよい。ただし、アーマチュア２４の厚さ寸法は、電磁石装置４による所望の吸引力を確保するように設定する必要がある。これに対して、第１可動部２３およびプレート２５それぞれの厚さ寸法は、ＭＥＭＳリレーの小型化を図るなどの観点からは小さい方が好ましい。
In the present embodiment, the thickness of the frame portion 21 is set to 200 μm, the thickness of the first movable portion 23 is set to 50 μm, the thickness of the armature 24 is set to 100 μm, and the thickness of the plate 25 is set to 100 μm. Is an example and is not particularly limited. For example, when a silicon substrate is used as the first semiconductor substrate 20, the first semiconductor substrate 20 may be appropriately changed according to the thickness of the silicon wafer serving as the basis of the silicon substrate, and may be set within a range of about 50 μm to 1000 μm, for example. Based on the thickness dimension of the first semiconductor substrate 20, the thickness of the first movable portion 23, the thickness of the armature 24, and the thickness of the plate 25 may be appropriately changed. However, the thickness dimension of the armature 24 needs to be set so as to ensure a desired attractive force by the electromagnet device 4. On the other hand, the thickness of each of the first movable portion 23 and the plate 25 is preferably smaller from the viewpoint of reducing the size of the MEMS relay.
上述の第１可動部形成基板２は、フレーム部２１が、矩形枠状に形成され、第１可動部２３が、矩形板状に形成されている。また、アーマチュア２４は、第１可動部２３よりも小さな矩形板状に形成されている。また、プレート２５は、長手方向の寸法が第１可動部２３の短手方向の寸法よりもやや大きな細長の板状に形成されており、長手方向の両端部が先細り状の形状となっている。そして、プレート２５は、第１可動部２３の長手方向の中央部において、プレート２５の長手方向を可動部２３の短手方向に合わせて配置されている。なお、プレート２５の形状は、特に限定するものではなく、例えば、長方形状でもよいし、菱形状でもよい。
In the first movable part forming substrate 2 described above, the frame part 21 is formed in a rectangular frame shape, and the first movable part 23 is formed in a rectangular plate shape. The armature 24 is formed in a rectangular plate shape smaller than the first movable portion 23. Further, the plate 25 is formed in an elongated plate shape whose longitudinal dimension is slightly larger than the lateral dimension of the first movable portion 23, and both end portions in the longitudinal direction are tapered. . The plate 25 is arranged at the center in the longitudinal direction of the first movable portion 23 so that the longitudinal direction of the plate 25 matches the short direction of the movable portion 23. In addition, the shape of the plate 25 is not specifically limited, For example, a rectangular shape may be sufficient and a rhombus shape may be sufficient.
第１支持ばね部２２は、第１可動部２３の短手方向の両側縁側の各々において第１可動部２３の長手方向に離間した２箇所に形成されている。各第１支持ばね部２２は、一端部が第１可動部２３に連結され他端部がフレーム部２１の内周面に連結されている。各第１支持ばね部２２は、平面形状において上記一端部と上記他端部との間の部位を同一面内で蛇行した形状に形成することにより長さ寸法を長くしてある。これにより、第１可動部形成基板２は、第１可動部２３が揺動する際に各第１支持ばね部２２の各々に発生する応力を各々で分散させることが可能となり、各第１支持ばね部２２が破損するのを抑制することが可能となる。
The first support spring portion 22 is formed at two locations spaced apart in the longitudinal direction of the first movable portion 23 on each side edge side in the short direction of the first movable portion 23. Each first support spring part 22 has one end connected to the first movable part 23 and the other end connected to the inner peripheral surface of the frame part 21. Each of the first support spring portions 22 has a long length by forming a portion between the one end portion and the other end portion in a planar shape so as to meander in the same plane. As a result, the first movable part forming substrate 2 can disperse the stress generated in each of the first support spring parts 22 when the first movable part 23 swings. It becomes possible to suppress that the spring part 22 is damaged.
また、第１可動部形成基板２は、第１可動部２３の短手方向の両側縁それぞれの中央部から矩形状の第１突片２３ａが１つずつ延設されている。ここにおいて、第１可動部２３の同一の側縁側にある２つの第１支持ばね部２２は、同一の側縁から延設されている第１突片２３ａの両側に位置している。
Further, the first movable part forming substrate 2 is provided with one rectangular first projecting piece 23 a extending from the center of each side edge of the first movable part 23 in the short direction. Here, the two 1st support spring parts 22 in the same side edge side of the 1st movable part 23 are located in the both sides of the 1st protrusion 23a extended from the same side edge.
第１可動部形成基板２は、第１可動部２３の各第１突片２３ａにおけるカバー基板３との対向面に、支点突起２３ｃ（図２参照）が突設されている。この支点突起２３ｃは、第１可動部２３が第１可動部２３に一体化されているアーマチュア２４とともに揺動（回動）する際の支点として機能する。要するに、第１可動部形成基板２は、第１可動部２３の短手方向において離間して配置された２つの支点突起２３ｃがカバー基板３における第１可動部形成基板２側の一表面に当接しており、一対の支点突起２３ｃ，２３ｃを結ぶ直線を回動軸として回動可能となっている。要するに、第１可動部形成基板２は、支点突起２３ｃが、第１突片２３ａとカバー基板３との間に介在しており、第１可動部２３が、支点突起２３ｃを介してカバー基板３に支持されることとなる。
In the first movable part forming substrate 2, a fulcrum protrusion 23 c (see FIG. 2) is provided on the surface of each first protruding piece 23 a of the first movable part 23 facing the cover substrate 3. The fulcrum protrusion 23 c functions as a fulcrum when the first movable part 23 swings (rotates) together with the armature 24 integrated with the first movable part 23. In short, in the first movable part forming substrate 2, the two fulcrum protrusions 23c, which are spaced apart in the short direction of the first movable part 23, contact one surface of the cover substrate 3 on the first movable part forming substrate 2 side. It is in contact with each other and can be rotated with a straight line connecting the pair of fulcrum protrusions 23c and 23c as a rotation axis. In short, in the first movable part forming substrate 2, the fulcrum protrusion 23c is interposed between the first protruding piece 23a and the cover substrate 3, and the first movable part 23 is interposed through the fulcrum protrusion 23c. Will be supported.
また、第１可動部形成基板２は、第１可動部２３の長手方向への第１可動部２３の移動を規制する４つの移動規制部２１ｃがフレーム部２１から内方へ突設されている。
Further, the first movable portion forming substrate 2 has four movement restricting portions 21 c that restrict the movement of the first movable portion 23 in the longitudinal direction of the first movable portion 23 so as to protrude inward from the frame portion 21. .
また、第１可動部形成基板２の第１可動部２３は、長手方向の両端部の各々から延設された第２突片２８を有しており、各第２突片２８において一対の固定接点１４，１４に対向する部位から一対の固定接点１４，１４側へ凸部２７が突設されている。なお、図１の例では、凸部２７の先端面を平面状の形状としてある。
Further, the first movable part 23 of the first movable part forming substrate 2 has a second projecting piece 28 extending from each of both ends in the longitudinal direction. A projecting portion 27 protrudes from a portion facing the contacts 14, 14 toward the pair of fixed contacts 14, 14. In addition, in the example of FIG. 1, the front end surface of the convex part 27 is made into the planar shape.
第２可動部形成基板５は、ベース基板１と第１可動部形成基板２との間に介在するベース部５１を有している。また、第２可動部形成基板５は、ベース５１の長手方向の中央部に矩形状の開口部５２（以下、第１開口部５２と称する）が形成されており、ベース５１の長手方向の両側の各々に、一対の固定接点１４，１４を露出させる開口部５３（以下、第２開口部５３と称する）が形成されている。また、第２可動部形成基板５は、各開口部５３の各々の内側に配置された第２可動部５５を有している。各第２可動部５５におけるベース基板１側（一対の固定接点１４，１４側）には、一対の固定接点１４，１４に接離する可動接点５４（図７（ｂ）参照）が設けられている。また、第２可動部形成基板５は、各開口部５３の内側に、ベース部５１と第２可動部５５とを連結し第２可動部５５をベース部５１の厚み方向に変位可能とする複数（ここでは、２つ）の第２支持ばね部５６を有している。そして、第２可動部形成基板５は、第２可動部５５が第１可動部形成基板２の凸部２７により押圧された状態で可動接点５４が一対の固定接点１４，１４に接触するように、第２可動部５５および第２支持ばね部５６の形状および寸法を設定してある。
The second movable part forming substrate 5 has a base part 51 interposed between the base substrate 1 and the first movable part forming substrate 2. The second movable portion forming substrate 5 has a rectangular opening 52 (hereinafter referred to as a first opening 52) formed at the center in the longitudinal direction of the base 51, and both sides of the base 51 in the longitudinal direction. Each is formed with an opening 53 that exposes the pair of fixed contacts 14 and 14 (hereinafter, referred to as a second opening 53). Further, the second movable part forming substrate 5 has a second movable part 55 arranged inside each opening 53. A movable contact 54 (see FIG. 7B) that contacts and separates from the pair of fixed contacts 14, 14 is provided on the base substrate 1 side (the pair of fixed contacts 14, 14 side) of each second movable portion 55. Yes. In addition, the second movable part forming substrate 5 is connected to the base part 51 and the second movable part 55 inside each opening 53 so that the second movable part 55 can be displaced in the thickness direction of the base part 51. It has the 2nd support spring part 56 (here two). The second movable part forming substrate 5 is arranged such that the movable contact 54 contacts the pair of fixed contacts 14 and 14 in a state where the second movable part 55 is pressed by the convex part 27 of the first movable part forming substrate 2. The shapes and dimensions of the second movable portion 55 and the second support spring portion 56 are set.
可動接点５４の先端面（以下、可動接触面とも称する）および一対の固定接点１４，１４の先端面（以下、固定接触面とも称する）は、平面状に形成されている。また、第２可動部５５は、可動接触面と固定接触面とが略平行になるように、上述の複数の支持ばね部５６により支持されている。ここにおいて、第２可動部５５に連結された第２支持ばね部５６は、第２可動部５５の厚み方向に沿った第２可動部５５の中心線に対して回転対称となるように形成されている。
A tip surface of the movable contact 54 (hereinafter also referred to as a movable contact surface) and a tip surface of the pair of fixed contacts 14 and 14 (hereinafter also referred to as a fixed contact surface) are formed in a planar shape. Further, the second movable portion 55 is supported by the above-described plurality of support spring portions 56 so that the movable contact surface and the fixed contact surface are substantially parallel. Here, the second support spring portion 56 connected to the second movable portion 55 is formed to be rotationally symmetric with respect to the center line of the second movable portion 55 along the thickness direction of the second movable portion 55. ing.
可動接点５４は、固定接点１４と同様に、Ａｕなどの導電性が良好な金属材料からなる金属膜により構成されている。なお、可動接点５４は、スパッタ法や、電気めっき法、真空蒸着法などを利用して形成すればよい。可動接点５４は、単層構造に限らず、多層構造でもよく、例えば、Ｔｉ膜とＡｕ膜との積層膜でもよい。また、可動接点５４の材料は、Ａｕに限らず、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕや、これらの合金などを採用してもよい。
Like the fixed contact 14, the movable contact 54 is made of a metal film made of a metal material having good conductivity such as Au. The movable contact 54 may be formed using a sputtering method, an electroplating method, a vacuum deposition method, or the like. The movable contact 54 is not limited to a single layer structure, and may be a multilayer structure, for example, a laminated film of a Ti film and an Au film. Further, the material of the movable contact 54 is not limited to Au, and for example, Au, Ag, Cr, Ti, Pt, Ru, Rh, Co, Ni, Cu, and alloys thereof may be employed.
第２可動部５５の厚さ寸法は、ベース部５１の厚さ寸法よりも小さく且つ第２支持ばね部５６の厚さ寸法よりも大きな値に設定してある。また、厚み方向において重なる第２可動部５５と可動接点５４とを合わせた厚さ寸法も、このような条件を満たす値に設定してある。各第２可動部５５は、平面視形状が矩形状であり、短手方向がベース部５１の長手方向に一致するように配置されている。
The thickness dimension of the second movable part 55 is set to a value smaller than the thickness dimension of the base part 51 and larger than the thickness dimension of the second support spring part 56. The thickness dimension of the second movable portion 55 and the movable contact 54 that overlap in the thickness direction is also set to a value that satisfies such a condition. Each of the second movable portions 55 has a rectangular shape in plan view, and is arranged so that the short side direction coincides with the longitudinal direction of the base portion 51.
第２支持ばね部２６は、一端部がベース部５１における第２開口部５３の内側面に連結され、他端部が第２可動部５５の側縁に連結されており、上記一端部と上記他端部との間の中間部を、第２可動部５５の厚み方向に直交する面内で蛇行した形状としてある。また、各第２支持ばね部５６の長さは、同じとしてある。しかして、本実施形態のＭＥＭＳリレーでは、各第２支持ばね部５６の長さを適当な長さとして各第２支持ばね部５６のばね力を適宜設定することにより、可動接点５４と対応する一対の固定接点１４，１４との接点圧を所望の大きさに設定することが可能となり、可動接点５４と対応する一対の固定接点１４，１４との接触信頼性を向上させることが可能となる。
The second support spring part 26 has one end connected to the inner surface of the second opening 53 in the base 51 and the other end connected to the side edge of the second movable part 55. The intermediate portion between the other end portion is in a meandering shape in a plane perpendicular to the thickness direction of the second movable portion 55. Moreover, the length of each 2nd support spring part 56 is made the same. Therefore, in the MEMS relay of the present embodiment, the length of each second support spring portion 56 is set to an appropriate length, and the spring force of each second support spring portion 56 is appropriately set, thereby corresponding to the movable contact 54. The contact pressure between the pair of fixed contacts 14 and 14 can be set to a desired magnitude, and the contact reliability between the movable contact 54 and the corresponding pair of fixed contacts 14 and 14 can be improved. .
第２可動部形成基板５は、ベース部５１の周部が、ベース基板１および第１可動部形成基板２と接合されている。これにより、第２可動部形成基板５は、各可動接点５４が、対応する一対の固定接点１４，１４に対向し当該一対の固定接点１４，１４間を短絡する位置と開放する位置との間で変位可能となっている。ここで、説明を簡単にするために、図２において右側に位置している一対の固定接点１４，１４を一対の第１固定接点１４ａ，１４ａ、第１固定接点１４ａ，１４ａに対応する可動接点５４を第１可動接点５４ａ、図２において左側に位置している一対の固定接点１４，１４を一対の第２固定接点１４ｂ，１４ｂ、第２固定接点１４ｂ，１４ｂに対応する可動接点５４を第２可動接点５４ｂと称することもある。
In the second movable part forming substrate 5, the peripheral part of the base part 51 is bonded to the base substrate 1 and the first movable part forming substrate 2. As a result, the second movable portion forming substrate 5 is configured such that each movable contact 54 is opposed to a corresponding pair of fixed contacts 14, 14, and between the position where the pair of fixed contacts 14, 14 are short-circuited and opened. It can be displaced by. Here, for the sake of simplicity of explanation, the pair of fixed contacts 14, 14 located on the right side in FIG. 2 is replaced by a pair of first fixed contacts 14 a, 14 a and movable contacts corresponding to the first fixed contacts 14 a, 14 a. 54 is a first movable contact 54a, a pair of fixed contacts 14 and 14 located on the left side in FIG. 2 is a pair of second fixed contacts 14b and 14b, and a movable contact 54 corresponding to the second fixed contacts 14b and 14b is a first. 2 may be referred to as a movable contact 54b.
第２可動部形成基板５は、アーマチュア２４の動作（揺動）に伴って、第１可動接点５４ａが一対の第１固定接点１４ａ，１４ａ間を短絡し且つ第２可動接点５４ｂが一対の第２固定接点１４ｂ，１４ｂ間を開放した第１状態と、第１可動接点５４ａが一対の第１固定接点１４ａ，１４ａ間を開放し且つ第２可動接点５４ｂが一対の第２固定接点１４ｂ，１４ｂ間を短絡した第２状態とが交互に現われる。
In the second movable portion forming substrate 5, the first movable contact 54a short-circuits between the pair of first fixed contacts 14a and 14a and the second movable contact 54b is paired with the first armature 24 as the armature 24 operates (swings). The first state where the two fixed contacts 14b, 14b are opened, the first movable contact 54a is opened between the pair of first fixed contacts 14a, 14a, and the second movable contact 54b is a pair of second fixed contacts 14b, 14b. The second state with a short circuit appears alternately.
第２可動部形成基板５は、高抵抗率のシリコン基板からなる第２半導体基板５０を用いて形成されている。ここで、高抵抗率のシリコン基板としては、例えば、ＭＥＭＳリレーを高周波信号の伝送用に用いる場合、抵抗率がより高い方が好ましく、例えば、伝送対象の高周波信号の周波数が６ＧＨｚであれば、抵抗率が１００Ωｃｍ以上であることが好ましく、１０００Ωｃｍ以上であることがより好ましい。また、伝送対象の高周波信号の周波数が高いほど、抵抗率が高い方が好ましい。第２半導体基板５０は、高抵抗率のシリコン基板に限らず、例えば、シリコン層／絶縁層（ＳｉＯ２層）／シリコン層の３層構造を有するＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板や、シリコン層／絶縁層（ＳｉＯ２層）／シリコン層／絶縁層（ＳｉＯ２層）／シリコン層の５層構造（ダブルＳＯＩ構造）を有するダブルＳＯＩ基板などを用いてもよいが、各シリコン層は高抵抗率のシリコン層であることが好ましい。
The second movable part forming substrate 5 is formed using a second semiconductor substrate 50 made of a high resistivity silicon substrate. Here, as a high resistivity silicon substrate, for example, when a MEMS relay is used for transmission of a high frequency signal, it is preferable that the resistivity is higher. For example, if the frequency of the high frequency signal to be transmitted is 6 GHz, The resistivity is preferably 100 Ωcm or more, and more preferably 1000 Ωcm or more. Further, the higher the frequency of the high-frequency signal to be transmitted, the higher the resistivity is preferable. The second semiconductor substrate 50 is not limited to a high resistivity silicon substrate. For example, an SOI (Silicon On Insulator) substrate having a three-layer structure of silicon layer / insulating layer (SiO 2 layer) / silicon layer, silicon layer / A double SOI substrate having a five-layer structure (double SOI structure) of insulating layer (SiO 2 layer) / silicon layer / insulating layer (SiO 2 layer) / silicon layer may be used, but each silicon layer has a high resistivity. The silicon layer is preferable.
ここで、第２可動部形成基板５の基礎となる第２半導体基板５０として、ＳＯＩ基板やダブルＳＯＩ基板などを用いれば、可動接点５４と対応する一対の固定接点１４，１４とが開放されている状態での可動接点５４と一対の固定接点１４，１４との間の距離（絶縁距離）を高精度に設定することが可能となる。
Here, if an SOI substrate, a double SOI substrate, or the like is used as the second semiconductor substrate 50 serving as the basis of the second movable part forming substrate 5, the pair of fixed contacts 14 and 14 corresponding to the movable contact 54 are opened. In this state, the distance (insulation distance) between the movable contact 54 and the pair of fixed contacts 14, 14 can be set with high accuracy.
ここで、本実施形態のＭＥＭＳリレーの動作について説明する。
Here, the operation of the MEMS relay of this embodiment will be described.
本実施形態のＭＥＭＳリレーでは、コイル４２，４２への通電が行われると、磁化の向きに応じてアーマチュア２４の長手方向の一端部がヨーク４０の一方の側片４０ｂに吸引される。これにより、ＭＥＭＳリレーは、アーマチュア２４の他端部に近い第２突片２８の凸部２７により第２可動部５５が押圧され第２可動部５５の可動接点５４が対応する一対の固定接点１４，１４に接触し、且つ、アーマチュア２４の上記一端部に近い第２突片２８の凸部２７により第２可動部５５が押圧されず第２可動部５５の可動接点５４が対応する一対の固定接点１４，１４から離れた状態となる。この状態では、コイル４２，４２への通電を停止しても、永久磁石４１の発生する磁束により、アーマチュア２４の上記一端部に対する吸引力が維持され、アーマチュア２４の上記他端部に近い可動接点５４と対応する一対の固定接点１４，１４とが接触した状態が保持される。
In the MEMS relay of this embodiment, when the coils 42 are energized, one end portion in the longitudinal direction of the armature 24 is attracted to one side piece 40 b of the yoke 40 according to the direction of magnetization. Accordingly, the MEMS relay is configured such that the second movable portion 55 is pressed by the convex portion 27 of the second projecting piece 28 close to the other end portion of the armature 24 and the movable contact 54 of the second movable portion 55 corresponds to the pair of fixed contacts 14. 14, and the second movable portion 55 is not pressed by the convex portion 27 of the second projecting piece 28 close to the one end portion of the armature 24, and the movable contact 54 of the second movable portion 55 corresponds to a pair of fixed portions. It will be in the state away from the contacts 14 and 14. In this state, even if energization of the coils 42 and 42 is stopped, the attractive force to the one end of the armature 24 is maintained by the magnetic flux generated by the permanent magnet 41, and the movable contact close to the other end of the armature 24. The state in which the pair of fixed contacts 14 and 14 corresponding to 54 are in contact with each other is maintained.
また、本実施形態のＭＥＭＳリレーでは、コイル４２，４２への通電方向を逆向きにすると、アーマチュア２４の長手方向の上記他端部がヨーク４０の他方の側片４０ｂに吸引され、アーマチュア２４の上記一端部に近い可動接点５４が対応する一対の固定接点１４，１４に接触し、且つ、アーマチュア２４の上記一端部に近い第２突片２８の凸部２７により第２可動部５５が押圧され第２可動部５５の可動接点５４が対応する一対の固定接点１４，１４に接触し、且つ、アーマチュア２４の上記他端部に近い第２突片２８の凸部２７により第２可動部５５が押圧されず第２可動部５５の可動接点５４が対応する一対の固定接点１４，１４から離れた状態となる。この状態では、コイル４２，４２への通電を停止しても、永久磁石４１の発生する磁束により、アーマチュア２４の上記一端部に対する吸引力が維持され、アーマチュア２４の上記一端部に近い可動接点５４と対応する一対の固定接点１４，１４とが接触した状態が保持される。
Further, in the MEMS relay of the present embodiment, when the energization direction to the coils 42 is reversed, the other end portion in the longitudinal direction of the armature 24 is attracted to the other side piece 40b of the yoke 40, and the armature 24 The movable contact 54 near the one end contacts the corresponding pair of fixed contacts 14, 14, and the second movable portion 55 is pressed by the convex portion 27 of the second projecting piece 28 near the one end of the armature 24. The movable contact 54 of the second movable portion 55 contacts the corresponding pair of fixed contacts 14 and 14, and the second movable portion 55 is formed by the convex portion 27 of the second projecting piece 28 close to the other end portion of the armature 24. The movable contact 54 of the second movable portion 55 is not pressed and is separated from the corresponding pair of fixed contacts 14 and 14. In this state, even when energization of the coils 42, 42 is stopped, the attractive force to the one end of the armature 24 is maintained by the magnetic flux generated by the permanent magnet 41, and the movable contact 54 close to the one end of the armature 24. And a pair of corresponding fixed contacts 14 and 14 are kept in contact with each other.
なお、本実施形態のＭＥＭＳリレーは、アーマチュア２４を動かす電磁石装置４として、永久磁石４１を備えた有極型の電磁石装置を用いているので、ラッチング型のリレー（マイクロリレー）を構成している。ただし、ＭＥＭＳリレーは、電磁石装置４として永久磁石４１を備えていない無極型の電磁石装置を用いてもよい。
Note that the MEMS relay of this embodiment uses a polarized electromagnet device having a permanent magnet 41 as the electromagnet device 4 that moves the armature 24, and therefore constitutes a latching type relay (micro relay). . However, the MEMS relay may use a non-polar electromagnet device that does not include the permanent magnet 41 as the electromagnet device 4.
以上説明したように、本実施形態のＭＥＭＳリレーでは、第１可動部形成基板２の第１可動部２３において一対の固定接点１４，１４に対向する部位から、一対の固定接点１４，１４側へ凸部２７が突設されている。さらに、本実施形態のＭＥＭＳリレーは、第２可動部形成基板５が、ベース基板１と第１可動部形成基板２との間に介在するベース部５１と、ベース部５１において一対の固定接点１４，１４を露出させる開口部５３の内側に配置され一対の固定接点１４，１４に接離する可動接点５４が一対の固定接点１４，１４側に設けられた第２可動部５５と、ベース部５１と第２可動部５５とを連結し第２可動部５５をベース部５１の厚み方向に変位可能とする複数の第２支持ばね部５６とを有している。そして、本実施形態のＭＥＭＳリレーは、第２可動部５５が凸部２７により押圧された状態で可動接点５４が一対の固定接点１４，１４に接触する。しかして、本実施形態のＭＥＭＳリレーでは、可動接点５４が固定接点１４，１４に接触しているときの接触抵抗を低減することや、接触圧、接触抵抗などのばらつきを抑制すること可能となり、動作安定性を向上させることが可能となる。また、本実施形態のＭＥＭＳリレーの構成を採用することにより、個々のＭＥＭＳリレー間の動作特性や寿命のばらつきを低減することが可能となる。
As described above, in the MEMS relay of the present embodiment, the first movable portion 23 of the first movable portion forming substrate 2 is moved from the portion facing the pair of fixed contacts 14, 14 to the pair of fixed contacts 14, 14 side. Convex part 27 is projected. Furthermore, in the MEMS relay of the present embodiment, the second movable part forming substrate 5 has a base part 51 interposed between the base substrate 1 and the first movable part forming substrate 2, and a pair of fixed contacts 14 in the base part 51. , 14 is disposed on the inner side of the opening 53 to expose the pair of fixed contacts 14, 14, a movable contact 54 provided on the pair of fixed contacts 14, 14 side, and a base portion 51. And the second movable portion 55 are connected to each other so as to displace the second movable portion 55 in the thickness direction of the base portion 51. In the MEMS relay of this embodiment, the movable contact 54 contacts the pair of fixed contacts 14 and 14 in a state where the second movable portion 55 is pressed by the convex portion 27. Therefore, in the MEMS relay of this embodiment, it becomes possible to reduce the contact resistance when the movable contact 54 is in contact with the fixed contacts 14 and 14 and to suppress variations in contact pressure, contact resistance, Operation stability can be improved. In addition, by adopting the configuration of the MEMS relay of the present embodiment, it is possible to reduce variations in operating characteristics and lifetime between individual MEMS relays.
また、本実施形態のＭＥＭＳリレーでは、第２可動部５５が、可動接触面と固定接触面とが略平行になるように、上述の複数の第２支持ばね部５６により支持されているので、可動接点５４が対応する一対の固定接点１４，１４から離れている状態での絶縁距離（ギャップ長）が、ばらつくのを抑制することが可能となり、動作特性や寿命がばらつくのを抑制することが可能となる。
Further, in the MEMS relay of this embodiment, the second movable portion 55 is supported by the plurality of second support spring portions 56 so that the movable contact surface and the fixed contact surface are substantially parallel. It is possible to suppress variation in the insulation distance (gap length) when the movable contact 54 is separated from the corresponding pair of fixed contacts 14, 14, and to suppress variations in operating characteristics and life. It becomes possible.
本実施形態のＭＥＭＳリレーでは、第２可動部５５における第１可動部２３側に、衝撃緩和層（図示せず）を設けることが好ましい。この衝撃緩和層は、例えば、ポリイミド樹脂などの弾性を有する樹脂により形成することが好ましい。本実施形態のＭＥＭＳリレーでは、衝撃緩和層を設けることにより、第１可動部２３の第２突片２８の凸部２７が第２可動部５５に衝突する際の衝撃を緩和することが可能となり、凸部２７の摩耗を抑制することが可能となる。これにより、本実施形態のＭＥＭＳリレーでは、凸部２７の摩耗粉などが、可動接点５４と一対の固定接点１４，１４との間に入り込むことや、凸部２７、第２可動部５５などに衝撃に起因した破損が発生することなどを抑制することが可能となり、信頼性を向上させることが可能となる。
In the MEMS relay of this embodiment, it is preferable to provide an impact relaxation layer (not shown) on the first movable portion 23 side of the second movable portion 55. This impact relaxation layer is preferably formed of an elastic resin such as a polyimide resin. In the MEMS relay of the present embodiment, it is possible to reduce the impact when the convex portion 27 of the second projecting piece 28 of the first movable portion 23 collides with the second movable portion 55 by providing an impact relaxation layer. In addition, it becomes possible to suppress wear of the convex portion 27. Thereby, in the MEMS relay of this embodiment, the abrasion powder of the convex part 27 enters between the movable contact 54 and the pair of fixed contacts 14, 14, or the convex part 27, the second movable part 55, and the like. It is possible to suppress the occurrence of breakage due to an impact and improve reliability.
（実施形態２）
以下、本実施形態のＭＥＭＳリレーについて図８に基づいて説明する。
(Embodiment 2)
Hereinafter, the MEMS relay of this embodiment is demonstrated based on FIG.
本実施形態のＭＥＭＳリレーの基本構成は実施形態１と略同じであり、第１可動部形成基板２の凸部２７の表面が凸曲面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。
The basic configuration of the MEMS relay of the present embodiment is substantially the same as that of the first embodiment, except that the surface of the convex portion 27 of the first movable portion forming substrate 2 is formed in a convex curved surface shape. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the component similar to Embodiment 1, and description is abbreviate | omitted suitably.
以下、凸部２７の形成方法について図９を参照しながら説明するが、第１可動部形成基板２の基礎となる第１半導体基板２０として、ｐ形のシリコン基板を用いる場合について説明する。
Hereinafter, a method for forming the convex portion 27 will be described with reference to FIG. 9, and a case where a p-type silicon substrate is used as the first semiconductor substrate 20 that is the basis of the first movable portion forming substrate 2 will be described.
まず、第１半導体基板２０の一表面側（図９（ａ）の下面側）に後述の陽極酸化工程で利用する陽極２５７（図９（ｂ）参照）の基礎となる所定膜厚（例えば、１μｍ）の導電性膜（例えば、Ａｌ膜、Ａｌ−Ｓｉ膜など）からなる導電性層を形成する導電性層形成工程を行う。この導電性層形成工程では、例えばスパッタ法によって第１半導体基板２０の上記一表面上に導電性層を成膜した後、Ｎ２ガスおよびＨ２ガス雰囲気中で導電性層のシンタ（熱処理）を行うことで、導電性層と第１半導体基板２０とのオーミック接触を得る。なお、導電性層の成膜方法はスパッタ法に限らず、例えば蒸着法などを採用してもよい。
First, a predetermined film thickness (for example, the base of an anode 257 (see FIG. 9B) used in an anodic oxidation process described later on one surface side of the first semiconductor substrate 20 (the lower surface side of FIG. 9A) (for example, A conductive layer forming step of forming a conductive layer made of a 1 μm thick conductive film (for example, an Al film, an Al—Si film, etc.) is performed. In this conductive layer forming step, a conductive layer is formed on the one surface of the first semiconductor substrate 20 by, for example, sputtering, and then the conductive layer is sintered (heat treatment) in an N 2 gas and H 2 gas atmosphere. By performing the above, ohmic contact between the conductive layer and the first semiconductor substrate 20 is obtained. Note that the method for forming the conductive layer is not limited to the sputtering method, and for example, a vapor deposition method may be employed.
導電性層形成工程の後、導電性層に円形状の開孔部２５７ａを設けるように導電性層をパターニングするパターニング工程を行うことによって、図９（ｂ）に示す構造を得る。このパターニング工程では、まず、フォトリソグラフィ技術を利用して第１半導体基板２０の上記一表面側に開孔部２５７ａに対応する部位が開孔されたレジスト層（図示せず）を形成する。その後、レジスト層をマスクとして導電性層の不要部分を例えばウェットエッチング技術あるいはドライエッチング技術によってエッチング除去して開孔部２５７ａを設けることにより導電性層の残りの部分からなる陽極２５７を形成する。その後、レジスト層を除去する。また、上述の導電性層形成工程とパターニング工程とで、所望の曲面形状（ここでは、凸部２７の凸曲面状）に応じて第１半導体基板２０との接触パターンを設計した陽極２５７を第１半導体基板２０の上記一表面側に形成する陽極形成工程を構成している。
After the conductive layer forming step, a patterning step for patterning the conductive layer so as to provide a circular opening 257a in the conductive layer is performed, whereby the structure shown in FIG. 9B is obtained. In this patterning step, first, a resist layer (not shown) in which a portion corresponding to the opening portion 257a is formed on the one surface side of the first semiconductor substrate 20 by using a photolithography technique. Thereafter, an unnecessary portion of the conductive layer is removed by etching using, for example, a wet etching technique or a dry etching technique using the resist layer as a mask, and an opening 257a is provided to form an anode 257 composed of the remaining portion of the conductive layer. Thereafter, the resist layer is removed. Further, in the above-described conductive layer forming step and patterning step, the anode 257 having a contact pattern with the first semiconductor substrate 20 designed in accordance with a desired curved surface shape (here, the convex curved surface shape of the convex portion 27) is provided. 1 The anode formation process formed in the said one surface side of the semiconductor substrate 20 is comprised.
上述の陽極形成工程の後、陽極酸化用の電解液中で第１半導体基板２０の他表面側（図９（ａ）の上面側）に対向配置される陰極（図示せず）と陽極２５７との間に通電して第１半導体基板２０の上記他表面側に除去部位となる多孔質シリコンからなる多孔質部２５８を形成する陽極酸化工程（陽極酸化処理）を行うことによって、図９（ｃ）に示す構造を得る。なお、電解液としては、第１半導体基板２０の構成元素であるＳｉの酸化物であるＳｉＯ２をエッチング除去する溶液として、５５ｗｔ％のフッ化水素水溶液とエタノールとを１：１で混合したフッ酸系溶液を用いているが、フッ化水素水溶液の濃度やフッ化水素水溶液とエタノールとの混合比は特に限定するものではない。また、フッ化水素水溶液と混合する液体もエタノールに限らず、メタノール、プロパノール、イソプロパノール（ＩＰＡ）などのアルコールなど、陽極酸化反応で発生した気泡を除去できる液体であれば、特に限定するものではない。
After the above-described anode formation step, a cathode (not shown) and an anode 257 disposed opposite to the other surface side (the upper surface side of FIG. 9A) of the first semiconductor substrate 20 in the electrolytic solution for anodic oxidation. By conducting an anodic oxidation process (anodic oxidation process) for forming a porous portion 258 made of porous silicon serving as a removal site on the other surface side of the first semiconductor substrate 20 by energizing during the period of FIG. ) Is obtained. As the electrolytic solution, a 55 wt% aqueous solution of hydrogen fluoride and ethanol are mixed at a ratio of 1: 1 as a solution for etching away SiO 2 , which is an oxide of Si, which is a constituent element of the first semiconductor substrate 20. Although an acid-based solution is used, the concentration of the aqueous hydrogen fluoride solution and the mixing ratio of the aqueous hydrogen fluoride solution and ethanol are not particularly limited. Also, the liquid mixed with the aqueous hydrogen fluoride solution is not limited to ethanol, and is not particularly limited as long as it is a liquid that can remove bubbles generated by an anodizing reaction, such as alcohol such as methanol, propanol, and isopropanol (IPA). .
ところで、ｐ形のシリコン基板からなる第１半導体基板２０を上述の陽極酸化工程において多孔質化する際には、ホールをｈ＋、電子をｅ−とすると、以下の反応が起こっていると考えられる。
Ｓｉ＋２ＨＦ＋（２−ｎ）ｈ＋→ＳｉＦ２＋２Ｈ＋＋ｎｅ−
ＳｉＦ２＋２ＨＦ→ＳｉＦ４＋Ｈ２
ＳｉＦ４＋２ＨＦ→ＳｉＨ２Ｆ６
すなわち、ｐ形のシリコン基板の陽極酸化では、Ｆイオンの供給量とホールｈ＋の供給量との兼ね合いで多孔質化あるいは電解研磨が起こることが知られており、Ｆイオンの供給量の方がホールの供給量よりも多い場合には多孔質化が起こり、ホールｈ＋の供給量がＦイオンの供給量よりも多い場合には電解研磨が起こる。したがって、第１半導体基板２０としてｐ形のシリコン基板を用いている場合には、陽極酸化による多孔質化の速度はホールｈ＋の供給量で決まるから、第１半導体基板２０中を流れる電流の電流密度で多孔質化の速度が決まり、多孔質部２５８の厚みが決まることになる。本実施形態では、第１半導体基板２０の上記他表面側では、陽極２５７の開孔部２５７ａの中心線（第１半導体基板２０の厚み方向に沿った中心線）から離れるほど電流密度が徐々に大きくなるような電流密度の面内分布を有することとなる。したがって、第１半導体基板２０の上記他表面側に形成される多孔質部２５８は、陽極２５７の開孔部２５７ａの中心線に近くなるほど徐々に薄くなっている。なお、上述の電流密度の面内分布は、陽極２５７と陰極との間に通電しているときに陽極２５７と第１半導体基板２０との接触パターンなどにより決まる第１半導体基板２０内の電界強度の分布に応じて発生し、電界強度が強いほど電流密度が大きくなり、電界強度が弱いほど電流密度が小さくなる。
By the way, when the first semiconductor substrate 20 made of a p-type silicon substrate is made porous in the above-described anodic oxidation step, if the holes are h + and the electrons are e − , the following reaction is considered to occur. It is done.
Si + 2HF + (2-n) h + → SiF 2 + 2H + + ne −
SiF 2 + 2HF → SiF 4 + H 2
SiF 4 + 2HF → SiH 2 F 6
That is, in the anodic oxidation of a p-type silicon substrate, it is known that porosity or electropolishing occurs due to the supply amount of F ions and the supply amount of holes h +. Is more porous than the supply amount of holes, and porosification occurs, and when the supply amount of holes h + is larger than the supply amount of F ions, electrolytic polishing occurs. Therefore, when a p-type silicon substrate is used as the first semiconductor substrate 20, the rate of porosity formation by anodic oxidation is determined by the supply amount of holes h + , so that the current flowing through the first semiconductor substrate 20 The current density determines the rate of porosity, and the thickness of the porous portion 258 is determined. In the present embodiment, on the other surface side of the first semiconductor substrate 20, the current density gradually increases as the distance from the center line of the opening 257 a of the anode 257 (center line along the thickness direction of the first semiconductor substrate 20) increases. It has an in-plane distribution of current density that increases. Therefore, the porous portion 258 formed on the other surface side of the first semiconductor substrate 20 is gradually thinner as it approaches the center line of the opening portion 257a of the anode 257. The in-plane distribution of the current density described above is determined by the contact pattern between the anode 257 and the first semiconductor substrate 20 when the current is applied between the anode 257 and the cathode, and the electric field strength in the first semiconductor substrate 20. The current density increases as the electric field strength increases, and the current density decreases as the electric field strength decreases.
上述の陽極酸化工程の終了後、多孔質部２５８を除去する多孔質部除去工程を行う。ここにおいて、多孔質シリコンからなる多孔質部２５８を除去するエッチング液としてアルカリ系溶液（例えば、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、ＴＭＡＨなどの水溶液）やＨＦ系溶液を用いれば、多孔質部２５８を除去する多孔質部除去工程において、Ａｌ膜やＡｌ−Ｓｉ膜により形成されている陽極２５７もエッチング除去することができ、図９（ｄ）に示すような凸曲面状の表面を有する凸部２７を形成することができる。なお、多孔質部２５８を除去する多孔質部除去工程と、陽極２５７を除去する陽極除去工程とを別々に行ってもよい。また、多孔質シリコンからなる多孔質部２５８を除去する多孔質部除去工程においてエッチング液としてアルカリ系溶液を用いる場合には、エッチング液を加熱せずに室温でも多孔質部２５８をエッチング除去することができる。
After the above-described anodic oxidation step is completed, a porous portion removing step for removing the porous portion 258 is performed. Here, if an alkaline solution (for example, an aqueous solution of KOH, NaOH, TMAH, or the like) or an HF solution is used as an etching solution for removing the porous portion 258 made of porous silicon, the porous portion 258 is removed. In the part removing step, the anode 257 formed of the Al film or the Al—Si film can also be removed by etching, and the convex part 27 having a convex curved surface as shown in FIG. 9D is formed. Can do. Note that the porous portion removing step for removing the porous portion 258 and the anode removing step for removing the anode 257 may be performed separately. Further, when an alkaline solution is used as an etchant in the porous part removing step for removing the porous part 258 made of porous silicon, the porous part 258 is etched away even at room temperature without heating the etchant. Can do.
上述の凸部２７の形成方法によれば、陽極形成工程にて形成する陽極２５７と第１半導体基板２０との接触パターンにより陽極酸化工程において第１半導体基板２０に流れる電流の電流密度の面内分布が決まる。したがって、陽極酸化工程にて形成する多孔質部２５８の厚みの面内分布を制御することができて厚みが連続的に変化した多孔質部２５８を形成することが可能であり、当該多孔質部２５８を多孔質部除去工程にて除去することで所望の凸曲面状の表面を有する凸部２７が形成されるから、任意形状で且つ滑らかな凸曲面状の表面を有する凸部２７を容易に形成することができる。
According to the method for forming the protrusion 27 described above, the current density of the current flowing through the first semiconductor substrate 20 in the anodic oxidation step is determined by the contact pattern between the anode 257 formed in the anode forming step and the first semiconductor substrate 20. Distribution is determined. Therefore, it is possible to control the in-plane distribution of the thickness of the porous portion 258 formed in the anodizing step, and it is possible to form the porous portion 258 having a continuously changing thickness. Since the convex part 27 having a desired convex curved surface is formed by removing 258 in the porous part removing step, the convex part 27 having a smooth convex curved surface can be easily formed in any shape. Can be formed.
上述の凸部２７の形成方法では、陽極形成工程において円形状の開孔部２５７ａが設けられた陽極２５７を形成しており、凸部２７の凸曲面状を非球面状の一部により構成される形状としてあるが、これに限らず、球面の一部により構成される形状としてもよい。また、開孔部２５７ａの形状を円形状ではなくて長方形状の形状とすれば、凸部２７として半円柱状の凸部２７を形成することも可能である。
In the above-described method for forming the convex portion 27, the anode 257 provided with the circular aperture 257a is formed in the anode forming step, and the convex curved surface of the convex portion 27 is constituted by a part of an aspheric surface. However, the present invention is not limited to this, and the shape may be configured by a part of a spherical surface. In addition, if the shape of the opening portion 257a is not a circular shape but a rectangular shape, a semi-cylindrical convex portion 27 can be formed as the convex portion 27.
以上説明した本実施形態のＭＥＭＳリレーでは、第１可動部形成基板２の凸部２７の表面が凸曲面状に形成されているので、実施形態１に比べて、可動接点５４が固定接点１４，１４に接触しているときの接触抵抗を低減すること、接触抵抗、接触圧などのばらつきを抑制することが可能となり、動作安定性を向上させることが可能となる。
In the MEMS relay of the present embodiment described above, since the surface of the convex portion 27 of the first movable portion forming substrate 2 is formed in a convex curved surface shape, the movable contact 54 is fixed contact 14, compared to the first embodiment. Therefore, it is possible to reduce the contact resistance when in contact with 14 and to suppress variations in contact resistance, contact pressure, etc., and to improve the operational stability.
ところで、実施形態１，２では、１つの第２可動部５５に対して２つの第２支持ばね部５６を設けてあるが、第２支持ばね部５６の数は２つに限らず、例えば、図１０に示すように、４つでもよい。ここで、図１０の例では、第２可動部５５の平面視形状を円形状としてあるが、第２可動部５５の平面視形状は特に限定するものではない。なお、可動接点５４を固定接点１４，１４に安定して接触させる観点からは、第２支持ばね部５６の数は２つよりは３つ以上が好ましい。ただし、第２支持ばね部５６の形状によっては、第２支持ばね部５６を１つとしてもよい。例えば、第２支持ばね部５６をスパイラル状の形状とすれば、第２支持ばね部５６を１つとしても、可動接点５４が固定接点１４，１４に接触しているときの接触抵抗を低減すること、接触抵抗、接触圧などのばらつきを抑制することが可能となり、動作安定性を向上させることが可能となる。
By the way, in Embodiment 1, 2, although the two 2nd support spring parts 56 are provided with respect to one 2nd movable part 55, the number of the 2nd support spring parts 56 is not restricted to two, For example, As shown in FIG. Here, in the example of FIG. 10, the planar view shape of the second movable portion 55 is circular, but the planar view shape of the second movable portion 55 is not particularly limited. From the viewpoint of stably bringing the movable contact 54 into contact with the fixed contacts 14, 14, the number of the second support spring portions 56 is preferably three or more than two. However, depending on the shape of the second support spring portion 56, the number of the second support spring portions 56 may be one. For example, if the second support spring portion 56 is formed in a spiral shape, the contact resistance when the movable contact 54 is in contact with the fixed contacts 14 and 14 can be reduced even if the second support spring portion 56 is one. In addition, variations in contact resistance, contact pressure, and the like can be suppressed, and operational stability can be improved.
また、第２支持ばね部５６の形状は、第２可動部５５の厚み方向に直交する面内で蛇行した形状やスパイラル状の形状に限らず、例えば、図１１や図１２に示すように、第２可動部５５の厚み方向に沿った第２可動部５５の中心線の回りで捩れ変形が可能な形状でもよい。図１１と図１２とは、第２支持ばね部５６の形状が同じで数が相違するだけである。すなわち、図１１では、第２可動部５５に対して２つの第２支持ばね部５６が連結され、図１２では、第２可動部５５に対して３つの第２支持ばね部５６が連結されている。ここで、図１１および図１２の各例では、第２可動部５５の平面視形状を円形状としてある。
In addition, the shape of the second support spring portion 56 is not limited to a meandering shape or a spiral shape in a plane orthogonal to the thickness direction of the second movable portion 55, for example, as shown in FIGS. 11 and 12, A shape capable of torsional deformation around the center line of the second movable portion 55 along the thickness direction of the second movable portion 55 may be used. FIG. 11 and FIG. 12 differ only in the number and the shape of the 2nd support spring part 56 being the same. That is, in FIG. 11, two second support spring portions 56 are connected to the second movable portion 55, and in FIG. 12, three second support spring portions 56 are connected to the second movable portion 55. Yes. Here, in each example of FIG. 11 and FIG. 12, the planar view shape of the second movable portion 55 is circular.
図１１や図１２に示した第２支持ばね部５６は、第２可動部５５の外側面および開口部５３の内側面から離間し第２可動部５５の外周方向に沿って配置された円弧状の第１部位５６ａと、第１部位５６ａの一端部と第２可動部５５とを連結した第２部位５６ｂと、第１部位５６ａの他端部とベース部５１とを連結した第３部位５６ｃとを有している。また、第２可動部５５に連結された第２支持ばね部５６は、第２可動部５５の厚み方向に沿った第２可動部５５の中心線に対して回転対称となるように形成されている。図１１では、第２支持ばね部５６が、２回回転対称となるように形成され、図１２では、第２支持ばね部５６が、３回回転対称となるように形成されている。
The second support spring portion 56 shown in FIG. 11 and FIG. 12 is arcuately spaced from the outer surface of the second movable portion 55 and the inner surface of the opening portion 53 and arranged along the outer peripheral direction of the second movable portion 55. The first part 56a, the second part 56b connecting the one end part of the first part 56a and the second movable part 55, and the third part 56c connecting the other end part of the first part 56a and the base part 51. And have. The second support spring portion 56 connected to the second movable portion 55 is formed to be rotationally symmetric with respect to the center line of the second movable portion 55 along the thickness direction of the second movable portion 55. Yes. In FIG. 11, the second support spring portion 56 is formed so as to be rotationally symmetric twice, and in FIG. 12, the second support spring portion 56 is formed so as to be rotationally symmetric three times.
図１１や図１２の第２可動部形成基板５を用いれば、第２支持ばね部２６が、第２可動部５５の厚み方向に沿った第２可動部５５の中心線の回りで捩れ変形が可能な形状に形成されているので、可動接点５４を一対の固定接点１４，１４から離す際に可動接点５４が一対の固定接点１４，１４から離れやすくなる。これにより、可動接点５４が一対の固定接点１４，１４に固着されて離れなくなる不具合が発生するのを抑制することが可能となり、信頼性を向上させることが可能となる。
If the second movable part forming substrate 5 of FIGS. 11 and 12 is used, the second support spring part 26 is twisted and deformed around the center line of the second movable part 55 along the thickness direction of the second movable part 55. Since the movable contact 54 is separated from the pair of fixed contacts 14, 14, the movable contact 54 is easily separated from the pair of fixed contacts 14, 14. As a result, it is possible to suppress the occurrence of the problem that the movable contact 54 is fixed to the pair of fixed contacts 14 and 14 and cannot be separated, and the reliability can be improved.
ところで、実施形態１，２では、２つの可動接点５４と、各可動接点５４の各々に対して対応する一対の固定接点１４，１４が設けられているが、対応する可動接点５４と固定接点１４との数は１対２に限らず、例えば、１対１でもよい。また、可動接点５４と対応する固定接点１４との組も２組に限らず、１組でもよい。
In the first and second embodiments, two movable contacts 54 and a pair of fixed contacts 14 and 14 corresponding to each of the movable contacts 54 are provided, but the corresponding movable contact 54 and fixed contact 14 are provided. The number is not limited to 1: 2, but may be, for example, 1: 1. Further, the set of the movable contact 54 and the corresponding fixed contact 14 is not limited to two sets, and may be one set.
また、実施形態１，２では、ベース基板１と第２可動部形成基板５と第１可動部形成基板２とカバー基板３とで、外形サイズを同じに設定してあるが、これに限らない。例えば、ベース基板１とカバー基板３との各々の外形サイズを第２可動部形成基板５および第１可動部形成基板２よりも大きく設定し、且つ、カバー基板３に第２可動部形成基板５および第１可動部形成基板２を囲む枠状の外側フレーム部を一体に設けてカバー基板３をキャップ状の形状とし、カバー基板３の外側フレーム部をベース基板１に接合するようにしてもよい。
In the first and second embodiments, the base substrate 1, the second movable part forming substrate 5, the first movable part forming substrate 2, and the cover substrate 3 are set to have the same outer size, but this is not restrictive. . For example, the outer sizes of the base substrate 1 and the cover substrate 3 are set to be larger than those of the second movable portion forming substrate 5 and the first movable portion forming substrate 2, and the second movable portion forming substrate 5 is set on the cover substrate 3. Also, a frame-shaped outer frame portion surrounding the first movable portion forming substrate 2 may be integrally provided so that the cover substrate 3 has a cap shape, and the outer frame portion of the cover substrate 3 is bonded to the base substrate 1. .
