JP4010769B2 - 超小型電気機械式リレー - Google Patents

Description

【０００１】
（発明の分野）
本発明は、改良型の超小型電気機械式（ＭＥＭＳ）リレーに関する。さらに詳しくは、電流減衰時間を長くし、熱放散を大きくし、静止摩擦力と密封封入部を減少させた、ＭＥＭＳリレーに関する。
【０００２】
（発明の背景）
ＭＥＭＳリレーは従来から様々な用途に採用されてきたが、これら従来型のＭＥＭＳリレーには、その設計に固有の特性のため、広範な適用を阻み、いくつかの応用的な使用を妨げる欠点がある。具体的には、ＭＥＭＳリレーは誘導パルスにより迅速に開き、および、閉じて、接触点に一気に流れ込む大電力を供給するものであるが、これが大きな問題となっており、設計の自由度を制限している。
【０００３】
動作中に発生した熱は、局部的な温度上昇を起こしながら増大する。これらの過熱箇所は、潜在的に、または、現実にリレーに損害をもたらす原因となる。しかし、熱を減少させる実践的な方法は、未だに提案されていない。いくつかのリレーが持つもう一つの問題は、電極の分離を困難にしている静止摩擦力である。これは製造費用を増大させ、リレーの信頼性を下げるもので、この静止摩擦力を克服するための代替手段が必要となっている。
【０００４】
従来の設計では、多くの場合、電気的な接点および／または駆動用膜が雰囲気と接しており、腐食やスパークの危険を招いている。これは、特に損害を与えやすい雰囲気中において、および、少量の自浄電流または非自浄電流を切り換える際に、リレーの動作寿命を大幅に縮めるものである。
【０００５】
従来のＭＥＭＳリレーの持つ大きな問題は、切り換えが行なわれる電荷量を任意に設定するのに十分な柔軟性がないことである。利用可能な選択肢は、設計においても多くない。
【０００６】
そこで、必要となっている、スイッチングする負荷の任意のカスタム化を図ることができ、広範な顧客の要求を満たすリレーの製品系列とを新たに加えることができるような、さらに広範な設計の選択肢をもたらす改良型のＭＥＭＳリレーが提供されることは、本技術分野において大きな利点となるものと思われる。
【０００７】
また、誘導パルスによって、接点に一気に流れ込む電力量を減少させたＭＥＭＳリレーが提供されることも、本技術分野におけるもう一つの大きな利点になると思われる。
【０００８】
さらに、熱を放散し、静止摩擦力を減少させ、損害を与えやすい雰囲気中、および、少量の自浄電流または非自浄電流を切り換える際にも寿命が長く動作を行なうＭＥＭＳリレーを提供することは、もう一つの利点となると思われる。
【０００９】
その他の利点は、以下に記載する。
【００１０】
（発明の概要）
上述された、および、他の本発明の目的は、以下に記載する方法によって達成され得ることが明らかになった。特に、本発明は、ＭＥＭＳ技術を用いて構成されたリレー装置を提供するものである。
【００１１】
このリレーは、シリコン・ウエハーなどの半導体ウエハー基板上に構成されている。この基板には、表面に窪みまたは椀型の領域があり、その上に電気伝導性のある表面パターンが構成されている。下部ダイヤフラムは、窪んだ表面との接触を得るために表面の窪みの上方に設置されている。下部ダイヤフラムは、上面に電気伝導性のある第２の表面パターンが構成されており、このパターンはウエハー基板上の表面パターンと同様のものが好ましい。上部ダイヤフラム上には電極があり、このダイヤフラムは下部ダイヤフラムの上方にある。両ダイヤフラムの間には、電圧の印加によりダイヤフラム電極を選択的に引き寄せ、ダイヤフラムを動かすための中央電極がある。ダイヤフラムの好ましい材料は、ポリシリコンである。
【００１２】
一方のダイヤフラムが電圧の印加により動かされた際に、他方のダイヤフラムを動かすために、１本または複数のポストなどの機械的な接続が、両ダイヤフラムの間にこれらをつなぐように設置されている。
【００１３】
両ダイヤフラムは基板上に密封して設置され、前記中央電極とダイヤフラム電極を取り囲む両ダイヤフラムの間に密封された領域を区画する。この密封された領域は、真空に排気されてもよいが、気体または測定可能な粘度を持つ流体で満たされてもよい。後者の実施態様においては、ダイヤフラムの動きの速度を調整するために流体の粘度が選べるよう、この領域はダイヤフラムの静電気による動作の際に流体が移動できるように設計されている。
【００１４】
本発明の重要な部分は、接触等高線を得るために基板表面パターンと下部ダイヤフラムパターンをそれらのそれぞれの周辺において傾斜させたことである。最初の接触は窪みの周囲においてのみ起こり、下部ダイヤフラムが表面に向かって動くにつれ接触が増大していき、事前に所定の時間をかけて最終的に両パターンの間に完全な接触をもたらすものである。
【００１５】
両パターンの中央領域が、金などの高導電性材料、または、他の任意の同様な導電性材料からも形成されることが重要である。同様に、両パターンは、ＣｒＳｉＮなどの高抵抗の化学的に安定な材料で形成されている、中央から延びている外周領域も含むものである。
【００１６】
ダイヤフラムの柔軟性とダイヤフラムの周辺のギャップは、好ましくは前記両ダイヤフラムを静電的に動かすために１０ボルトの電圧を必要とするように調整されている。両パターンは、中央から延び、減少して行くスポーク状の領域を備えた導電性の中央部を得られるような形状とされている。この代わりに、両パターンは、その方式の特定の要求によって、螺旋形または他の形状でもよい。
【００１７】
本発明のより完全な理解のため、参考として図面をここに掲載する。
【００１８】
（好ましい実施形態の詳細な説明）
図１の１０として一般的に示されるＭＥＭＳリレーは、本発明に従って構成されたものである。シリコン以外の半導体基板材料も同様に適切であるが、通常はシリコン・ウエハーである基板１１に、以下により完全に記述されている窪み１３が形成されており、この上に導電性パターンが設置されている。リレーは基板上に設置されていて、上部の導電性ポリシリコンダイヤフラム１５、中央電極１７、および、下部の導電性ポリシリコンダイヤフラム１９を有し、中央電極１７と、ダイヤフラム１５および１９の一方、または、他方との間に静電的な力を発生させるために、これらの間に電圧差を印加するための電圧源２１を備えている。
【００１９】
上部ダイヤフラム１５と中央電極１７との間に電圧が印加されると、このダイヤフラムを静電的な力が下方に引き寄せる。両ダイヤフラムの剛性は、ダイヤフラムの周辺におけるギャップおよび傾斜とともに、約１０ボルトで駆動するように調整されている。中央電極１７にある穴２５を通じてポスト２３により上部ダイヤフラム１５に接続されている下部ダイヤフラム１９は、下部ダイヤフラム１９が基板１１にある窪み１３と接触するように下方に押される。下部ダイヤフラム１９が最初は窪み１３の周辺にのみ接触するように窪み１３は傾斜しており、等高線が刻まれている。しかし、駆動が進行するにつれ、窪み１３の導電性部分の中央領域のより多くの部分とダイヤフラム１９が接触を始める。最終的に、両表面は互いに全面的に接触する。
【００２０】
続いて、下部ダイヤフラム１９と中央電極１７との間に電圧が印加されると、静電的な力が動作を逆転させる。下部ダイヤフラム１９が基板の窪み１３からその中心で離れ始め、周辺部においてのみ接触している状態になるまで離れ続ける。最終的に、再び、両表面の間には全く接触がなくなる。
【００２１】
ダイヤフラムには前もって応力を加えておいてもよく、そうすると、リレーは、図１に示されているように、常時開、常時閉、または、中立になる。ダイヤフラム１５と１９の間の領域２７は、排気されている、または、（アルゴンのような）不活性気体か粘性のある何らかの流体のいずれかで満たされていてもよい。装置が静電的な力のもとで動く際に、粘性のある流体が中央電極の両側の間を流れるのにかかる有限の時間のため、粘性のある流体の使用は、ダイヤフラムが開くまたは閉じる速度に対する制御を可能にする。例えば、リレーを完全に開いて閉じるのに０．１ミリ秒が必要となることもある。装置が動作する際に気体または液体が動く空間を設けるために、チャンバまたはスリットが従来使用されている。
【００２２】
本発明の重要な部分は、下部ダイヤフラム１９の底部と基板１１にある窪み１３の先端にある導電性パターンの使用である。図２は好ましい実施形態を描いたもので、ここで、ダイヤフラム１９の低部にある先端表面３１は、例えば厚さ２ミクロンの金でできた中央導電性領域３３と、ＣｒＳｉＮまたは他の高抵抗の化学的に安定な材料でできた外周接触表面３５を備えている。同様に、窪み１３の先端の底部表面３７は、例えばこれも厚さ２ミクロンの金でできた中央導電性領域３９と、やはりＣｒＳｉＮまたは他の高抵抗の化学的に安定な材料でできた外周接触表面４１を備えている。図３Ａに図式的に示されているように、両ダイヤフラムが下方に引き寄せられると、時間とともに表面３３と３９の間の抵抗が数桁の大きさで変化する。図３Ｂに示されているように、駆動が逆転し、接触点３３と３９が離れると、抵抗は徐々に大きくなる。
【００２３】
ダイヤフラム１５と１９の開閉機構を制御してきわめて多様な電気的スイッチング動作を提供するために、パターン３３と３５は、パターン３９と４１とともに、導電性合金および形状の変化例を利用して、任意にカスタム化できることは明らかである。図４は、金でできた導電性中央領域４３と抵抗を持つＣｒＳｉＮ領域４５が、図５に非線形反応として示されている異なった応答を示す他の実施形態である。上述したように、下部ダイヤフラムと窪みの間の接触が数桁の大きさで時間とともに変化する限り、これらの変化例には実質的な制限はない。
【００２４】
基板１１にある下部ダイヤフラム１９と窪み１３との間のギャップと傾斜も、接触点の間の電圧が１５０ボルトにまで上がった際でさえダイヤフラムが閉じないように選択してもよい。例えば、図２では星形、および、図４では螺旋形となっている上述のパターンは、ダイヤフラムと基板が離れる際、非常に狭い領域が引き込みの対象となることを保証する。従って、引き込み力は非常に小さいものになる。よって、引き込みも交流によるビビリ（ｃｈａｔｔｅｒ）も起きない。
【００２５】
本発明は、ＭＥＭＳ技術を用いて構成されたものであり、ＭＥＭＳスイッチ、加速度計、血液分析キット、光学系、および、リレーに用いることができる。本発明は、さらに、電子レンジのような（超小型ではない）従来のシステムおよび自動車とその類似物に用いられることも意図したものである。
【００２６】
本発明の具体的な実施形態を図示し、述べてきたが、特許請求の範囲に定義されているものを除き、本発明に制限を加えるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の好ましい実施形態の概略断面図である。
【図２】 本発明の一実施形態を描いた概略平面図である。
【図３】 図２の実施形態を用いた本発明の装置のグラフである。
【図４】 他の実施形態を描いた概略平面図である。
【図５】 図４の実施形態を用いた本発明の装置のグラフである。

Claims (28)

1. 第１の導電性表面パターンが上面に形成された表面窪みを有する半導体ウエハー基板と、
   前記表面窪みの上方に配置され、第２の導電性表面パターンが下面に、電極が上面に形成され、この第２の導電性表面パターンが前記窪みと接触するように可動となっている下部ダイヤフラムと、
   前記下部ダイヤフラムの上方に配置され、下面に電極を有する上部ダイヤフラムと、
   前記上部ダイヤフラムと前記下部ダイヤフラムとの間に設置された中央電極であって、前記中央電極と前記上部ダイヤフラム電極との間への電圧の印加により前記上部ダイヤフラム電極を選択的に引き寄せ、前記上部ダイヤフラムをより低い位置に動かすよう配置されていて、さらに、前記中央電極と前記下部ダイヤフラム電極との間への電圧の印加により前記下部ダイヤフラム電極を選択的に引き寄せ、前記下部ダイヤフラムをより上方の位置へ動かすよう配置されている前記中央電極と、
   前記中央電極と前記ダイヤフラムのもう一方への電圧の前記印加により前記ダイヤフラムのもう一方が動かされた際、前記ダイヤフラムの他方を機械的に動かすための、前記上部ダイヤフラムと前記下部ダイヤフラムとの間に接続して設置された機械的接続手段とを備え、
   前記上部ダイヤフラムと前記下部ダイヤフラムが、前記基板上に密封して設置されて、前記中央電極と前記上部と下部のダイヤフラム電極を取り囲む、前記上部と前記下部ダイヤフラムの間の密封された領域を区画し、
   前記第１の導電性表面パターンと前記第２の導電性表面パターンは、それぞれの周辺において傾斜しており、窪みの周囲のみにおいて最初の接触がなされ、前記下部ダイヤフラムが前記表面窪みに向かって動くにつれ接触を増加させ、所定の時間をかけて前記両パターンの間に完全な接触をもたらせるような接触等高線を備えるリレー装置。
2. 前記ウエハーがシリコン・ウエハーである請求項１に記載の装置。
3. 前記上部と下部のダイヤフラムがポリシリコンにより形成されている請求項１に記載の装置。
4. 前記第１の導電性表面パターンおよび前記第２の導電性表面パターンが高導電性材料により形成されている中央領域を含んでいる請求項１に記載の装置。
5. 前記高導電性材料が金より選ばれている請求項４に記載の装置。
6. 前記第１の導電性表面パターンおよび前記第２の導電性表面パターンが、前記中央領域から延びている外周領域を含み、この外周領域は高抵抗の化学的に安定な材料により形成されている請求項４に記載の装置。
7. 前記高抵抗の、化学的に安定な材料がＣｒＳｉＮである請求項６に記載の装置。
8. 前記上部と下部のダイヤフラムの柔軟性と前記ダイヤフラムの周辺における両ダイヤフラム間のギャップが前記上部と下部のダイヤフラムを静電的に動かすのに１０Ｖの電圧を必要とするように調整されている請求項１に記載の装置。
9. 前記密封された領域が真空になるように排気されている請求項１に記載の装置。
10. 前記密封された領域が不活性気体で満たされている請求項１に記載の装置。
11. 前記ダイヤフラムの動きの速度を調整するために測定可能な粘度を有する流体の粘度が選択できるように、前記密封された領域が測定可能な粘度を有する前記流体で満たされ、前記ダイヤフラムの静電的な動きの際に前記流体を動かすために、この領域が適合されている請求項１に記載の装置。
12. 前記第１の導電性表面パターンと前記第２の導電性表面パターンが実質的に同じである請求項１に記載の装置。
13. 前記第１の導電性表面パターンと前記第２の導電性表面パターンが、より導電性の大きい中心と前記中心から延びていて疎らになっていくスポーク状の領域をなすような形状となっている請求項１２に記載の装置。
14. 前記第１の導電性表面パターンと前記第２の導電性表面パターンが螺旋形である請求項１に記載の装置。
15. 半導体ウエハー基板と１対の上部と下部のダイヤフラムを有し、中央電極と前記ダイヤフラムの一方との間への電圧の印加によって前記ダイヤフラムが動くために、前記ダイヤフラムが前記中央電極付近に中心を持つリレー装置において、
    前記半導体ウエハー基板の上方に配置され、半導体ウエハー基板と接触するように可動となっていて、かつ、電極が上面に形成されている下部ダイヤフラムと、
    前記下部ダイヤフラムの上方に配置され、下面に電極を有している上部ダイヤフラムと、
    前記基板上に形成された第１の導電性表面パターンを備えた表面窪みと、
    前記下部ダイヤフラムの下面上に形成された第２の導電性表面パターンと、
    前記中央電極と前記ダイヤフラムのもう一方への電圧の前記印加により前記ダイヤフラムのもう一方が動かされた際、前記ダイヤフラムの他方を機械的に動かすための、前記上部ダイヤフラムと前記下部ダイヤフラムとの間に接続して設置された機械的接続手段とを備え、
    前記上部ダイヤフラムと前記下部ダイヤフラムが、前記基板上に密封して設置されて、前記中央電極と前記上部と下部のダイヤフラム電極を取り囲む、前記上部と前記下部ダイヤフラムの間の密封された領域を区画し、
    前記第１の導電性表面パターンと前記第２の導電性表面パターンは、それぞれの周辺において傾斜しており、窪みの周囲のみにおいて最初の接触がなされ、前記下部ダイヤフラムが前記表面窪みに向かって動くにつれ接触を増加させ、所定の時間をかけて前記両パターンの間に完全な接触をもたらせるような接触等高線を備える改良のリレー装置。
16. 前記ウエハーがシリコン・ウエハーである請求項１５に記載の装置。
17. 前記上部と下部のダイヤフラムがポリシリコンにより形成されている請求項１５に記載の装置。
18. 前記第１の導電性表面パターンおよび前記第２の導電性表面パターンが高導電性材料により形成されている中央領域を含んでいる請求項１５に記載の装置。
19. 前記高導電性材料が金より選ばれている請求項１８に記載の装置。
20. 前記第１の導電性表面パターンおよび前記第２の導電性表面パターンが前記中央領域から延びている外周領域を含み、この外周領域は高抵抗の化学的に安定な材料により形成されている請求項１８に記載の装置。
21. 前記高抵抗の化学的に安定な材料がＣｒＳｉＮである請求項２０に記載の装置。
22. 前記上部と下部のダイヤフラムの柔軟性と前記ダイヤフラムの周辺における両ダイヤフラム間のギャップが前記上部と下部のダイヤフラムを静電的に動かすのに１０Ｖの電圧を必要とするように調整されている請求項１５に記載の装置。
23. 前記密封された領域が真空になるように排気されている請求項１５に記載の装置。
24. 前記密封された領域が不活性気体で満たされている請求項１５に記載の装置。
25. 前記ダイヤフラムの動きの速度を調整するために測定可能な粘度を有する流体の粘度が選択できるように、前記密封された領域が測定可能な粘度を有する前記流体で満たされ、前記ダイヤフラムの静電的な動きの際に前記流体を動かすために、この領域が適合されている請求項１５に記載の装置。
26. 前記第１の導電性表面パターンと前記第２の導電性表面パターンが実質的に同じである請求項１５に記載の装置。
27. 前記第１の導電性表面パターンと前記第２の導電性表面パターンが、より導電性の大きい中心と前記中心から延びていて疎らになっていくスポーク状の領域をなすような形状となっている請求項１５に記載の装置。
28. 前記第１の導電性表面パターンと前記第２の導電性表面パターンが螺旋形である請求項１５に記載の装置。

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