JP4366310B2 - マイクロ接点開閉器および無線通信機器 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ接点開閉器および無線通信機器に関し、半導体の微細加工技術を利用して極微細でメカニカルな機構を実現したマイクロマシン技術分野に属し、詳しくは、基板上に集積回路の一部として組み込み可能で、電気的な接点を開閉するためのマイクロ接点開閉器およびそれを用いた無線通信機器に関する。

従来、マイクロ接点開閉器としては、半導体の微細加工技術を応用するマイクロマシン技術を利用することによって超小型化されたマイクロスイッチがある(例えば、特開２００３−２１７４２３号公報(特許文献１)参照)。

このマイクロスイッチは、図５(a)に示すように、単結晶シリコンあるいはＧaＡsなどからなる基板１００上に設けられた絶縁層１０１の上に設けられた固定接点１０５とマイクロ可動部１０３に設けられた可動接点１０４とを備え、マイクロ可動部１０３の片端を支持部１０２で基板１００に固定している。前記可動接点１０４および固定接点１０５は、所定の隙間を設けて対向しており、可動接点１０４が固定接点１０５に接離することにより、電気的な接点の開閉を行う。

このようなマイクロスイッチのマイクロ可動部１０３の駆動には、例えば、図５(a)に示すように、静電式アクチュエータ１０６として互いに対向する電極１０７,１０８が、それぞれ可動部１０３側と基板１００側に設けられ、両電極１０７,１０８間に電圧を印加しない場合には、静電引力が発生しないので、固定接点１０５と可動接点１０４は接触しない。一方、電極１０７,１０８間に電圧を印加する場合には、静電引力が発生してマイクロ可動部１０３のアームが撓み、固定接点１０５と可動接点１０４が接触する。

さらに、この状態から電極１０７,１０８に印加している電圧をオフにすると、変形しているマイクロ可動部１０３のアームの復元力によって可動接点１０４が固定接点１０５から開離する。このように、静電式アクチュエータ１０６の電極１０７,１０８間の電圧を制御することにより、容易にマイクロスイッチの接点を接離させることができる。このようなマイクロスイッチは小型であるのみならず、消費電力が小さいという利点がある。

また、図５(b)に示すように、マイクロ可動部１２３の両端を基板１００上に支持した形態をとることもできる。このような形態のマイクロスイッチでは、マイクロ可動部１２３の中央が撓むため、接点の配置が中央に変わるが、基本的な動作は同じであり、同一構成部は同一参照番号を付している。なお、図５(b)において、１０６a,１０６bは静電式アクチュエータ、１０７a,１０７bは電極、１０８a,１０８bは電極、１０２a,１０２bは支持部である。

図５(a),(b)に示す従来のマイクロスイッチでは、静電式アクチュエータ１０６,１０６a,１０６bの発生する静電引力とマイクロ可動部１０３,１２３のアームの撓みによるバネの復元力とがつりあってアームが移動する。そのため、実用的にチップ上で実現可能な電圧範囲で接点を開閉させるには、アームの弾性定数をあまり大きく設計できないという制約をうける。従って、可動接点１０４を固定接点１０５から開離するときのアームの復元力が小さくなるために、通算開閉回数が増加したときに、接点同士が接着してしまい、接点を開離できなくなるという問題があった。
特開２００３−２１７４２３号公報

そこで、本発明は、前記のような従来技術の問題点を解決するために成されたものであって、通算開閉回数が増加しても、接点同士が接着して接点が開離できなくなるのを防止できると共に、基板上に集積回路の一部として組み込みできるマイクロ接点開閉器および無線通信機器を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明のマイクロ接点開閉器は、
基板と、
前記基板上に形成され、前記基板に固定された固定部分と、その固定部分に連なる弾性変形可能な変形部分とを有する板状の構造体と、
前記構造体の変形部分上に形成された第１の接点電極と、
前記第１の接点電極と離れた位置に形成された第２の接点電極と、
前記第２の接点電極が可動部分に配置されたマイクロ可動部と、
前記マイクロ可動部を駆動する駆動機構と、
前記基板上に形成された前記構造体の変形部分の下方に配置され、前記構造体の変形部分が弾性変形するための弾性材と
を備え、
前記駆動機構により前記マイクロ可動部を駆動することによって、前記第２の接点電極を前記第１の接点電極に対して接触または開離させることを特徴とする。

前記構成のマイクロ接点開閉器によれば、基板上に集積回路の一部として組み込み可能で、接点の接触のときに電極同士が押し付けあう力を小さくすることができ、通算開閉回数が増加したときに、接点同士が接着し、接点を開離できなくなるという問題が発生しにくくなり、長期使用が実現できる。また、接点の接触のときに電極同士が押し付けあう力を小さくすることができ、通算開閉回数が増加したときに、接点同士が接着し、接点を開離できなくなるという問題が発生しにくくなり、長期使用が実現できる。

また、一実施形態のマイクロ接点開閉器は、前記第２の接点電極が前記第１の接点電極に接触するとき、前記第１の接点電極が押圧される方向に前記構造体の変形部分が弾性変形することを特徴とする。

前記実施形態のマイクロ接点開閉器によれば、前記第２の接点電極を前記第１の接点電極に接触させたときに、第１の接点電極から受ける強い反動を弱めることができ、立ち上がりの接点抵抗の不安定特性を改善できる。

また、一実施形態のマイクロ接点開閉器は、前記基板上に形成された前記構造体の変形部分の下方に、前記構造体の変形部分が弾性変形するための空間が形成されていることを特徴とする。

前記実施形態のマイクロ接点開閉器によれば、接点の接触のときに電極同士が押し付けあう力を小さくすることができ、通算開閉回数が増加したときに、接点同士が接着し、接点を開離できなくなるという問題が発生しにくくなり、長期使用が実現できる。

また、一実施形態のマイクロ接点開閉器は、前記空間が、前記第２の接点電極が前記第１の接点電極に接触するとき、少なくとも前記構造体の変形部分が前記空間側に変形可能なように設けられていることを特徴とする。

前記実施形態のマイクロ接点開閉器によれば、前記第２の接点電極を高速で前記第１の接点電極に接触させたときに、第１の接点電極から受ける強い反動を弱めることができ、立ち上がりの接点抵抗の不安定特性を改善できる。

また、一実施形態のマイクロ接点開閉器は、前記弾性材が、前記第２の接点電極が前記第１の接点電極に接触するとき、少なくとも前記構造体の変形部分が前記弾性材側に変形可能なように設けられていることを特徴とする。

前記実施形態のマイクロ接点開閉器によれば、前記第２の接点電極を高速で前記第１の接点電極に接触させたときに、固定接点から受ける強い反動を弱めることができ、立ち上がりの接点抵抗の不安定特性を改善できる。

また、一実施形態のマイクロ接点開閉器は、前記駆動機構により前記マイクロ可動部を駆動することによって、前記第２の接点電極を前記第１の接点電極に接触させた状態で前記第２の接点電極を前記第１の接点電極の接触面に沿って滑らせることを特徴とする。

前記実施形態のマイクロ接点開閉器によれば、前記第２の接点電極を第１の接点電極の接触面に沿って滑らせる摺動効果により、通算開閉回数が増加したときに、接点同士が接着し、接点を開離できなくなるという問題が発生しにくくなり、長期使用が実現できる。

また、一実施形態のマイクロ接点開閉器は、前記マイクロ可動部を駆動する前記駆動機構に、静電式アクチュエータ、圧電式アクチュエータまたは熱式アクチュエータのうちのいずれかが用いられていることを特徴とする。

前記実施形態のマイクロ接点開閉器によれば、半導体製造プロセスを用いて、基板上にマイクロ可動部の駆動機構が形成可能になる。

また、一実施形態のマイクロ接点開閉器は、前記マイクロ可動部が、高融点金属元素と他のもう１つの元素とが少なくとも含まれる材料からなることを特徴とする。

前記実施形態のマイクロ接点開閉器によれば、組成比によって内部応力を制御したマイクロ可動部を基板上に形成することができる。

また、一実施形態のマイクロ接点開閉器は、前記高融点金属元素が、タングステン、タンタル、モリブデン、チタンのいずれか１つであることを特徴とする。

前記実施形態のマイクロ接点開閉器によれば、弾性定数の高いマイクロ可動部が得られる。

また、一実施形態のマイクロ接点開閉器は、前記マイクロ可動部が、窒素、酸素および炭素のうちのいずれか１つの元素と高融点金属元素とが少なくとも含まれる材料からなることを特徴とする。

前記実施形態のマイクロ接点開閉器によれば、室温程度の低温で内部応力を制御したマイクロ可動部が得られる。

また、一実施形態のマイクロ接点開閉器は、半導体製造プロセスを用いて作成されていることが望ましい。

また、本発明の無線通信機器は、上記のいずれか１つに記載のマイクロ接点開閉器と、送信部と、受信部と、前記送信部からの送信信号を電波として送信すると共に前記受信部への受信信号を電波として受信するためのアンテナとを備え、前記アンテナと前記送信部とを前記マイクロ接点開閉器を介して接続すると共に、前記アンテナと前記受信部とを前記マイクロ接点開閉器を介して接続することを特徴とする。

前記構成の無線通信機器によれば、送受信を切り替えるときに、マイクロ接点開閉器の接点が接着しにくく、接点の劣化が少ない無線通信機器が得られる。

また、本発明の無線通信機器は、上記のいずれか１つに記載のマイクロ接点開閉器と、送信部と、受信部と、前記送信部からの送信信号を電波として送信すると共に前記受信部への受信信号を電波として受信するための複数のアンテナとを備え、前記複数のアンテナと前記受信部を前記マイクロ接点開閉器を介して夫々接続し、前記マイクロ接点開閉器のいずれか１つを閉じて前記複数のアンテナのうちの１つと前記受信部を接続することを特徴とする。

前記実施形態の無線通信機器によれば、受信状態に応じてアンテナを切り替えるときに、マイクロ接点開閉器の接点が接着しにくく、接点の劣化が少ない無線通信機器が得られる。

以上より明らかなように、本発明のマイクロ接点開閉器によれば、通算開閉回数が増加しても、接点同士が接着して接点が開離できなくなるのを防止できると共に、基板上に集積回路の一部として組み込みが可能なマイクロ接点開閉器を実現することができる。

また、本発明の無線通信機器によれば、受信状態のよいアンテナを選択するためのアンテナの切り替えや、アンテナとの接続を受信部か送信部のいずれかに切り替えるために本発明のマイクロ接点開閉器を用いることで、アンテナ切り替えや送受信の切り替え時に接点が接着しにくく、接点の劣化が少ない信頼性の高い無線通信機器を実現することができる。

以下に本発明のマイクロ接点開閉器および無線通信機器の好適な実施形態について図面を参照して説明する。

(第１の実施形態)
図１Ａは、本発明の第１の実施形態のマイクロ接点開閉器の構成を示す断面図であり、図１Ｂは前記マイクロ接点開閉器の平面図であり、図１Ｃは前記マイクロ接点開閉器の駆動時の断面図である。

この第１の実施形態のマイクロ接点開閉器は、図１Ａ,図１Ｂに示すように、基板１０と、この基板１０上に形成された弾性変形可能な構造体２２と、弾性変形可能な構造体２２の上に形成された第１の接点電極１５と、この第１の接点電極１５と離れた位置に形成された第２の接点電極１６と、この第２の接点電極１６を前記第１の接点電極１５に対して接触または開離させることができるマイクロ可動部１４と、このマイクロ可動部１４を駆動する駆動機構１７を備えている。ここでは、駆動機構１７には、上部可動電極１８と下部固定電極１９で構成された静電式アクチュエータを用いている。前記マイクロ可動部１４の可動部分である片持ち梁２１を支持部２３,電極２４を介して基板１０側に接合している。

ここで、このマイクロ接点開閉器は、半導体製造プロセスを用いて作成しており、基板１０にシリコン基板を用いている。なお、本発明は基板材料に本質的に依存するものではなく、ＧaＡs基板など他の半導体基板、あるいは、アルミナなどのセラミック基板およびガラスエポキシ樹脂などの絶縁材料からなる基板が選択されてもよい。

また、構造体２２を含む層１２の上に、第１の接点電極１５などのマイクロ接点開閉器の各電極や配線類が短絡しないよう絶縁層１３を形成している。このため構造体２２を含む層１２の導電性には制約がなく、絶縁材料でも、導電性材料で構成されていてもよい。ここではポリシリコン膜を用いているが、絶縁材料を用いる場合には絶縁層１３は省くこともできる。

図１Ａ〜図１Ｃを使って、この第１の実施形態のマイクロ接点開閉器の動作について説明する。静電式アクチュエータ１７の上部可動電極１８と下部固定電極１９との間に電圧が印加されていないとき(非駆動時)には、第１の接点電極１５と第２の接点電極１６は開離した状態にあり、マイクロ接点開閉器の接点は開状態にある。そして、静電式アクチュエータ１７の上部可動電極１８と下部固定電極１９との間に電圧が印加されたとき(駆動時)には、図１Ｃに示すように、両電極の間に静電引力が発生し、マイクロ可動部１４が第２の接点電極１６を第１の接点電極１５に接触させて、マイクロ接点開閉器の接点が閉状態になる。

このとき、第１の接点電極１５は、弾性変形可能な構造体２２の上に形成されており、第２の接点電極１６が第１の接点電極１５に接触するときには、構造体２２がわずかに変形し、第２の接点電極１６を含めたマイクロ可動部１４の動作を静止する。

これにより、接点の接触時に電極同士が押し付けあう力(特にピーク値)を小さくすることができ、通算開閉回数が増加したときに、接点同士が接着し、接点を開離できなくなるという問題が発生しにくくなり、長期使用が実現できる。

さらに好ましくは、第２の接点電極１６が第１の接点電極１５に接触(衝突)するときに、構造体２２が第１の接点電極１５の押圧方向に逃げるように弾性変形することによって、構造体２２は第１の接点電極１５から第２の接点電極１６が受ける反動を和らげるように機能している。これにより、マイクロ接点開閉器の接触操作のときの立ち上がりの接点抵抗の不安定性を改善でき、より高速なスイッチングが可能となる。

リレーやスイッチなど接点開閉器において、高速に接点の接触を行うと、機械振動による跳ね返りが起きる場合がある。機械振動系の跳ね返りについては、

の式で表される。ここで、ｖは接点の衝突前の速度、ωは接点の可動部(振動系)の共振周波数、ｄは接点の押し付け距離である。一般にκがある値κｃよりも小さいときには跳ね返りは起こらず、これより大きくなると跳ね返りが起きるようになるとされている。開閉速度を速くするには、共振周波数を大きくするか、または、押し付け距離を大きくしなければならないことになる。

図５に示す従来のマイクロ接点開閉器の場合、マイクロ可動部の振動系の共振周波数がｋＨzからＭＨz程度の値になるが、共振周波数を大きくすると、マイクロ可動部の駆動により大きな力が必要となるため、あまり共振周波数を大きくすることはできない。押し付け距離も数ミクロンから数１０ミクロン程度であり、あまり押し付け距離を大きくすると、これもマイクロ可動部の駆動により大きな力が必要となることから、実質的には接点開閉時間は数１００μ秒程度で、駆動に高電圧を使用するものに限っても数１０マイクロ秒程度となっている。

これに対して、この第１の実施形態のマイクロ接点開閉器では、第２の接点電極１６が高速で第１の接点電極１５に接触するとき、静止していた第１の接点電極１５が構造体２２とともに変位することにより、第２の接点電極１６がうける反動による跳ね返りを抑えることができるため、接点開閉時の立ち上がりの電気的な不安定性を解消できる。

さらに、この第１の実施形態のマイクロ接点開閉器では、構造体２２を含む層１２の下層１１には、構造体２２が弾性変形するための空間２０が形成されている。これにより、第２の接点電極１６が第１の接点電極１５に接触したときに電極同士が押し付けあう力を小さくすることができ、通算開閉回数が増加したときに、接点同士が接着し、接点を開離できなくなるという問題が発生しにくくなり、長期使用が実現できる。

とくに、空間２０は、第２の接点電極１６が第１の接点電極１５に接触したときに、第１の接点電極１５が少なくとも空間２０側に変形できるように配置されているのが好ましく、これにより、第２の接点電極１６を高速で第１の接点電極１５に接触させたときに、第１の接点電極から受ける反動を弱めることができ、立ち上がりの接点抵抗の不安定性を改善できる。

図１Ａ〜図１Ｃに示す第１の実施形態では、層１１にはシリコン酸化膜を用いているが、層１１は空間２０を形成するための層であって、導電性等に制約はなく、基板１０や上層１２と同じ材料であってもよい。ここでは、層１１にシリコン酸化膜を用いているので、空間２０は、マイクロ可動部１４等を形成するときの犠牲層エッチングと一緒にエッチングすることによって形成できる。

また、基板１０にＳＯＩ基板を用いることもできる。これにより、層１１にはＳＯＩ基板の絶縁層を、構造体２２を含む層１２に表面の単結晶シリコン層を用いることができ、層１２において構造体２２のパターニングを行えば容易に構造体２２および空間２０を形成することができる。構造体２２も単結晶シリコンで構成されるため、ポリシリコン膜を用いる場合にくらべ耐久性や信頼性に優れた構造体２２が得られる。

また、基板上に固定される第１の接点電極をマイクロ可動部の第２の接点電極に対して上方に配置することも可能である。第１の接点電極を基板側ではなく可動部の接点よりも上に配置することで、第２の接点電極の接触のときの運動量移動を少なくしている。しかし、固定側の接点電極が可動部の上方になるよう基板側から立体的に配線を立ち上げ接点電極を形成しなければならないため、構造やプロセスが複雑になる。

本発明の第１の実施形態では、図１Ｂに示すように、固定(静止)側の第１の接点電極１５や配線層は基板１０上に平面的に形成されており、プロセスも簡単で配線や接点材料も均質でばらつきの少ない信頼性の高いものが得やすい。

また、図１Ａ〜図１Ｃに示す第１の実施形態のマイクロ接点開閉器のように、構造体２２の構造を単純にできるので、繰り返し接点開閉を行ったときの構造の耐久性も得やすい。

さらに、第１の接点電極１５および第２の接点電極１６ともに平面的で、かつ接触面積も広くすることが可能なため、安定した接点抵抗を得ることができる。

特に、この第１の実施形態のマイクロ接点開閉器においては、図１Ａ〜図１Ｃに示すように構造体２２上の第１の接点電極とマイクロ可動部１４の第２の接点電極の変形方向がほぼ同じになっている。これにより、接触面の変化も少なく、直流のみでなくＲＦ(無線周波数)信号に対しても安定した接点抵抗が得られる。

また、配線が平面的で接点の接触面積も大きいのでＲＦ信号の接点として使用した場合の損失も小さくすることができる。

また、空間２０に弾性材を配置することも可能である。弾性材は、第２の接点電極１６が第１の接点電極１５に接触したときに構造体２２が弾性変形可能であればよく、好ましくは弾性体２２よりも弾性定数が１桁以上小さい材料が選ばれる。特に導電性についての制約はなく、レジストやポリイミドなどの有機材料、ならびに多孔質材などが可能である。

また、本実施形態では、マイクロ可動部の駆動機構１７に静電式アクチュエータを用いたが、マイクロ可動部１４を駆動し、第２の接点電極１６を第１の接点電極１５に接触あるいは開離する方向に駆動力を発生することができるものであれば、これに限るものではない。圧電式アクチュエータや熱式のアクチュエータでも同様の効果がえられることは明らかである。

(第２の実施形態)
図２は、本発明の第２の実施形態のマイクロ接点開閉器の構成を示す断面図であり、図２(a)は非駆動時を示し、図２(b)は駆動時を示している。

この第２の実施形態のマイクロ接点開閉器は、図２(a)に示すように、基板３０と、この基板３０上に形成された構造体４２と、この構造体４２の下方に形成された空間４０と、構造体４２上に形成された第１の接点電極３５と、第１の接点電極３５に対して空間４０とは反対側に位置し、第１の接点電極３５と開離して形成された第２の接点電極３６と、この第２の接点電極３６を第１の接点電極３５に対して接触または開離させることができるマイクロ可動部３４と、第１,第２の接点電極３５,３６の両側に夫々配置され、マイクロ可動部３４を駆動する２つの駆動機構３７,３７を備えている。

ここでは、駆動機構３７には、上部可動電極３８と下部固定電極３９で構成された静電式アクチュエータを用いている。前記基板３０上に、層３１と層３２および絶縁層３３を順に形成している。また、前記マイクロ可動部３４は、可動部分である両持ち梁４１と、その両持ち梁４１の両端に連なり基板３０側に接合された端部４３,４３とを有している。

図２に示す両端部４３,４３を固定,支持したマイクロ可動部３４により接点を開閉するマイクロ接点開閉器の動作について説明する。駆動機構(静電式アクチュエータ)３７の上部可動電極３８と下部固定電極３９との間に電圧が印加されていないとき(非駆動時)には、図２(a)に示すように、第１の接点電極３５と第２の接点電極３６は開離した状態にあり、マイクロ接点開閉器の接点は開状態にある。

そして、２つの駆動機構３７である静電式アクチュエータの上部可動電極３８と下部固定電極３９との間に電圧が印加されたとき(駆動時)には、図２(b)に示すように、両電極の間に静電引力が発生し、マイクロ可動部３４が第２の接点電極３６を第１の接点電極３５に接触させて、マイクロ接点開閉器の接点が閉状態になる。ただし、このとき、第１の接点電極３５の下には空間４０が形成されており、第２の接点電極３６が第１の接点電極３５に接触するときには、第１の接点電極３５下部の弾性変形可能な構造体４２がわずかに変形し、第２の接点電極３６を含めたマイクロ可動部３４の動作を静止する。

これにより、接点が接触したときに電極同士が押し付けあう力(特にピーク値)を小さくすることができ、通算開閉回数が増加したときに、接点同士が接着し、接点を開離できなくなるという問題が発生しにくくなり、長期使用が実現できる。

また、第２の接点電極３６が接触(衝突)するときに、第１の接点電極３５が押圧された方向に逃げるように構造体４０が弾性変形することによって、第２の接点電極３６が第１の接点電極３５から受ける反動を軽減する。これにより、マイクロ接点開閉器の接触操作のときに立ち上がりの接点抵抗の不安定性を改善でき、より高速なスイッチングが可能となる。

ここで本発明の好適な実施形態の詳細について図２を例に説明する。基板３０には、シリコン基板が用いられている。しかし、本発明は、第１の実施形態のマイクロ接点開閉器と同様に、基板材料に本質的に依存するものではなく、ＧaＡs基板など他の半導体基板、あるいは、アルミナなどのセラミック基板およびガラスエポキシ樹脂などの絶縁材料からなる基板が選択されてもよい。

さらに、基板３０上には、空間４０が形成されている。これについても図１Ａ〜図１Ｃに示した第１の実施形態の空間２０と同様に形成することができ、第１の実施形態と同様の効果が得られる。ここでは、第１の接点電極３５の下部の構造体４２がブリッジ状になっているだけである。

第１の実施形態のマイクロ接点開閉器と同様に、マイクロ可動部３４を形成する基板にＳＯＩ基板を用いることもできる、層３１にはＳＯＩ基板の絶縁層を、構造体４２を含む層３２に表面の単結晶シリコン層を用いることができ、層３２において構造体４２のパターニングを行えば容易に構造体４２および空間４０を形成することができる。構造体４２も単結晶シリコンで構成されるため、ポリシリコン膜を用いる場合にくらべ耐久性や信頼性に優れるものが得られる。

また、この第２の実施形態のマイクロ接点開閉器では、第１の実施形態と同様に駆動機構３７に静電式アクチュエータを用いたが、マイクロ可動部３４を駆動し、第２の接点電極３６を第１の接点電極３５に接触あるいは開離する方向に駆動力を発生することができるものであれば、これに限るものではない。圧電式アクチュエータや熱式のアクチュエータでも同様の効果が得られることは明らかである。

また、この第２の実施形態のマイクロ接点開閉器では、図２で示した空間４０に弾性材を配置することによっても第１の実施形態と同様の効果が得られる。前記弾性材は、第２の接点電極３６が接したときに、第１の接点電極３５と構造体４２が変形することを可能にするものであればよく、好ましくは構造体４２よりも弾性定数が１桁以上小さい材料が選ばれる。特に導電性の制約はなく、レジストやポリイミドなどの有機材料、ならびに多孔質材などが可能である。ここでは、レジストやポリイミドなどの有機材料が用いられている。

(第３の実施形態)
図３(a)は本発明の第３の実施形態のマイクロ接点開閉器の構成を示す断面図であり、図３(b),(c)はそのマイクロ接点開閉器の動作を説明する断面図である。この第３の実施形態のマイクロ接点開閉器は、基板５０などの基板側の構成に図１Ａ〜図１Ｃに示す第１の実施形態と同じものが適用できる。ここでは、マイクロ可動部６１は、第２の接点電極５４を第１の接点電極５５に対して接触あるいは開離させるときに、第２の接点電極５４の少なくとも一部が前記第１の接点電極５５に接触した状態から、第１の接点電極５５の表面に沿って第２の接点電極５４を移動するよう構成されている。図３(a)〜(c)において、５１は層、５２は層、５３は絶縁層、６０は空間、６２は構造体である。

この第３の実施形態のマイクロ接点開閉器では、図３に示すように、マイクロ可動部６１の可動部分である片持ち梁５６は、変形部６４を有している。

図３に従いこの第３の実施形態のマイクロ接点開閉器の動作について説明する。駆動機構５７の上部可動電極５８と下部固定電極５９との間に電位差が与えられると、両電極間に静電引力が発生し、図３(b)に示すように、上部可動電極５８が下部固定電極５９に引きつけられ、片持ち梁５６が撓むことによって第１の接点電極５５と第２の接点電極５４が接触する。このとき、少なくとも片持ち梁５６の変形部６４は、片持ち梁５６の他の部分よりの曲がりにくい構造に設計されているために、この段階で変形部６４付近に大きな変形はなく、主に支持部６３に近いところで片持ち梁５６が撓むようになっている。

さらに上部可動電極５８と下部固定電極５９間の電位差を高めると、図３(c)に示すように、片持ち梁５６の変形部６４付近が大きく変形することによって、第１の接点電極５５と第２の接点電極５４がこすられる状態で、第１の接点電極５５の表面に沿って第２の接点電極５４を移動させることができる。図３(b)の状態までは、片持ち梁５６の復元力が小さいために低電圧で上部可動電極５８と下部固定電極５９を接近させることができる。そして、図３(b)から図３(c)の状態までは、片持ち梁５６の復元力が大きくなるが、上部可動電極５８と下部固定電極５９が十分近づいているために、同じ復元力を有する片持ち梁を図３(a)に示す上部可動電極５８と下部固定電極５９の非駆動時での位置から駆動する場合に比べ駆動電圧を低くすることができる。そして、第１の接点電極５５と第２の接点電極５４が開離するときには、片持ち張り変形部６４の変形による強い復元力により第２の接点電極５４が第１の接点電極５５に沿って移動してから開離させることができる。これにより、接点開離のときにアーム部に強い復元力が得られるとともに、第１の接点電極５５の表面に沿って移動させる力が働くために、通算スイッチング回数が増加したときに、接点同士が接着して、接点を開離できなくなるという問題を解決することができる。

さらに、この第３の実施形態のマイクロ接点開閉器においては、図３(c)に示すように、第１の接点電極５５との接触後に第２の接点電極５４を押し付けるときに、駆動機構５７の静電式アクチュエータは、上部可動電極５８と下部固定電極５９が接触するまで駆動される。このように静電式アクチュエータの電極が近づいて接触することをプル・インという。このプル・イン状態まで駆動することによって、安定したアクチュエータ動作で摺動させることができる。

さらに、前記マイクロ接点開閉器では、図３(a)に示すように、変形部６４は、少なくとも第２の接点電極５４と第１の接点電極５５の対向する方向に上部可動電極５８と下部固定電極５９との間隔が広がるように形成される。これにより、上部可動電極５８と下部固定電極５９からなる駆動機構５７の駆動力を利用して、効果的に第２の接点電極５４に押し付け方向と移動方向の力を与えることができ、十分な摺動距離を得ることができる。ここでは、変形部６４は、マイクロ可動部６１の途中に備えられているが、支持部６３の部分に接続するように設けられてもよい。

さらに、前記マイクロ接点開閉器では、図３(a)に示すように、マイクロ可動部６１の駆動機構５７は、変形部６４を弾性変形させやすいように、変形部６４の基板５０表面に接する突き出し部６５と第２の接点電極５４との間に配置されている。これにより、一つの駆動機構５７で変形部６４を変形させながら第２の接点電極５４の押し付けることができる。

図１Ａ〜図１Ｃ、図２、図３に示したマイクロ接点開閉器のマイクロ可動部には、シリコン単結晶や、多結晶シリコン膜のほかに、アモルファスシリコン、ＳiＧe膜、ＳiＣ膜、さらにはＮi、タングステンなど導電性材料、あるいは、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜のような絶縁性材料を用いることができる(ただし、導電性を有する材料を用いる場合には、第２の接点電極ならびに上部可動電極と電気的に絶縁する必要がある)。さらに好ましい実施形態として、マイクロ可動部の材料として、窒化タングステンを用いることができる。

まず、タングステンなどの高融点金属に窒素を含有させた材料を用いることの効果について説明する。窒化タングステン膜は、反応性スパッタ法で堆積可能で、たとえば、スパッタ圧力２Ｐａ、ＲＦパワー３００Ｗ、Ａｒ流量３３.６ｓｃｃｍ、Ｎ₂流量８.４ｓｃｃｍ、基板温度室温の条件で堆積できる。

米国特許第６２１０９８８号公報には、ＬＰＣＶＤ(低圧化学気相成長)法により製膜したＳiＧe膜を用いることで、ポリシリコン膜に比べて低温の５５０℃程度で残留応力を制御したマイクロ構造の形成が可能であることが開示されている。しかしながら、ここで用いた窒素を含有するタングステンの場合、スパッタ法を用いているので室温程度まで低温化することが可能となり、Ｓi基板上にＣＭＯＳ(Complementary Metal-Oxide Semiconductor：コンプリメンタリ・メタル・オキサイド・セミコンダクタ)プロセスで作製したＬＳＩ(Large Scale Integrated circuit：大規模集積回路)上のみならず、ガラス基板や樹脂基板など、Ｃu配線や低誘電率の有機絶縁膜など耐熱性の低いプロセスを経た基板上にもマイクロ接点開閉器の作製が可能となる。

また、他の金属材料と比較しても、たとえばタングステン材料のみ場合、成長方向に膜質制御することが困難であるため、内部応力の制御が困難であり、また、外部から応力等の負荷がかかった場合には、クラッキングなど欠陥が発生し、変形や破壊が起きやすくなってしまう。このように、接点開閉の繰り返し操作を行う可動部として必要な信頼性確保が困難であった。

しかし、タングステンに窒素を含有させた場合、Ｎ₂分圧やスパッタ圧力などによって容易に膜組成などを変えることができる。押し込み式の薄膜試験装置で計測したところ、窒素の含有率を０％から６０％程度まで変えることによりヤング率は３６０ＧＰａから２５０ＧＰａ程度まで変化するが、それでもポリシリコンやＳiＧe膜よりも高いヤング率が得られることを確認している。

また、スパッタ圧力を変えることにより膜中の残留応力を引張応力から圧縮応力まで変化させることができた。このため、残留応力や組成の異なる層を、連続的、あるいは断続的に成長させることが可能になり、膜中の残留応力を殆どなくすことができた。

また、成長方向に異なる組成や粒状態の膜を積層可能なため、外部からの応力等により欠陥が発生しても容易に膜を貫きにくくなり、クラッキングなどによる変形や破壊に対するマイクロ可動部の耐性を高めることができた。

ここでは、タングステンに窒素を含有させたが、この効果はこれに限るものではない。窒素のみでなく炭素や酸素を含有させたりすることは、反応性スパッタ法で容易に実施可能であり、同様の効果が期待できることは明らかである。また、タングステンのみでなくタンタルやモリブデン、チタン、ニッケル、アルミニウムなどの他の金属を適用しても同様の効果が期待できるが、高ヤング率が得られるタングステン、タンタル、モリブデン、チタンなどの高融点金属が片持ち梁５６の材料として好ましい。

(第４の実施形態)
図４は本発明の第４の実施形態のマイクロ接点開閉器を用いた無線通信機器について説明する。

この第４の実施形態の無線通信機器は、図４に示すように、送信部８３と、受信部８４と、送信部８３からの送信信号を電波として送信すると共に受信部８４への受信信号を電波として受信するための２つのアンテナ９０,９０と、２つのアンテナ９０,９０に一端が夫々接続され、他端同士が接続された２つのマイクロ接点開閉器８０,８０と、その２つのマイクロ接点開閉器８０,８０の他端に一端が夫々接続された２つのマイクロ接点開閉器８２,８２とを備えている。前記マイクロ接点開閉器８０,８０および８２,８２に本発明のマイクロ接点開閉器を用いている。

上記送信部８３の出力をミキサ８５の一端に接続し、ミキサ８５の他端をアンプ８８の入力に接続している。前記アンプ８８の出力を帯域通過フィルタ８６の入力に接続し、帯域通過フィルタ８６の出力をパワーアンプ８７の入力に接続している。前記パワーアンプ８７の出力を一方のマイクロ接点開閉器８２の他端に接続している。また、他方のマイクロ接点開閉器８２の他端をローノイズアンプ９１の入力に接続し、ローノイズアンプ９１の出力を帯域通過フィルタ９２の入力に接続している。前記帯域通過フィルタ９２の出力をミキサ９３の一端に接続し、ミキサ９３の他端をアンプ９５の入力に接続し、アンプ９５の出力を受信部８４の入力に接続している。上記ミキサ８５,９３にＰＬＬ(Phase-Locked Loop:位相同期ループ)発振回路９４からの局部発振信号を供給する。

前記構成の無線通信機器は、送信時には、ＰＬＬ発振回路９４で発生した高周波の局部発振信号に基づいて、送信部８３からの送信信号を変調し、ミキサ８５でミキシングして特定の周波数に変換し、帯域通過フィルタ８６でそれ以外の不要な周波数信号を除去し、パワーアンプ８７で増幅後、送信側のマイクロ接点開閉器８２とアンテナ側のマイクロ接点開閉器８０を経由してアンテナ９０からその信号が送信される。

一方、受信時には、マイクロ接点開閉器８０で接続された側のアンテナ９０から入った信号が受信側のマイクロ接点開閉器８２を経由して、ローノイズアンプ９１で増幅され、帯域通過フィルタ９２に不要周波数信号を除去後、ＰＬＬ発振回路９４からの高周波の局部発振信号とその信号をミキサ９３でミキシングし、受信周波数に変換された受信信号が受信部８４に供給される。

このように、受信状態のよいアンテナ９０を選択するためのアンテナ９０の切り替えのために本発明のマイクロ接点開閉器８０,８０を用い、アンテナ９０と受信部８４を接続するかまたはアンテナ９０と送信部８３を接続するかを切り替えるために本発明のマイクロ接点開閉器８２,８２を用いることで、従来のマイクロ接点開閉器を使用する場合に比べ、アンテナ切り替えあるいは送受信の切り替えのときにマイクロ接点開閉器の接点が接着しにくく、接点の劣化が少ない信頼性の高い無線通信機器が得られる。

ここでは、図４に示すＲＦ(無線周波数)送受信方式を用いているが、送受信方式はこれに限るものでなく、本発明のマイクロ接点開閉器は、アンテナと送信部の接続またはアンテナと受信部の接続を切り替える場合に効果が得られるもので、送受信の方式に依存するものではなく、他の送受信の方式であっても同様の効果が得られることは明らかである。

また、アンテナがひとつの場合は、アンテナを切り替えるためのマイクロ接点開閉器８０は不要であるし、マイクロ接点開閉器８０がなくても、マイクロ接点開閉器８２の効果に変わりがないことは言うまでもない。

図１Ａは本発明の第１の実施形態のマイクロ接点開閉器の構成を示す断面図である。 図１Ｂは前記マイクロ接点開閉器の平面図である。 図１Ｃは前記マイクロ接点開閉器の駆動時の断面図である。 図２は、本発明の第２の実施形態のマイクロ接点開閉器の構成を示す断面図であり、図２(a)は非駆動時を示す図であり、図２(b)は駆動時を示す図である。 図３は本発明の第３の実施形態のマイクロ接点開閉器の構成とその動作を説明する断面図である。 図４は本発明の第４の実施形態の無線通信機器の構成図である。 図５は従来のマイクロ接点開閉器の構成を示す断面図である。

１０…基板
１１…下層
１２…層
１３…絶縁層
１４…マイクロ可動部
１５…第１の接点電極
１６…第２の接点電極
１７…駆動機構
１８…上部可動電極
１９…下部固定電極
２０…空間
２１…片持ち梁
２２…構造体
２３…支持部
２４…電極
３０…基板
３１…層
３２…層
３３…絶縁層
３４…マイクロ可動部
３５…第１の接点電極
３６…第２の接点電極
３７…駆動機構
３８…上部可動電極
３９…下部固定電極
４０…空間
４１…両持ち梁
４２…構造体
４３…端部
５０…基板
５１…層
５２…層
５３…絶縁層
５４…第２の接点電極
５５…第１の接点電極
５６…片持ち梁
５７…駆動機構
５８…上部可動電極
５９…下部固定電極
６０…空間
６１…マイクロ可動部
６２…構造体
６３…支持部
６４…変形部
６５…突き出し部
８０…マイクロ接点開閉器
８２…マイクロ接点開閉器
８３…送信部
８４…受信部
８５…ミキサ
８６…帯域通過フィルタ
８７…パワーアンプ
８８…アンプ
９０…アンテナ
９１…ローノイズアンプ
９２…帯域通過フィルタ
９３…ミキサ
９４…ＰＬＬ
９５…アンプ

Claims (13)

1. 基板と、
   前記基板上に形成され、前記基板に固定された固定部分と、その固定部分に連なる弾性変形可能な変形部分とを有する板状の構造体と、
   前記構造体の変形部分上に形成された第１の接点電極と、
   前記第１の接点電極と離れた位置に形成された第２の接点電極と、
   前記第２の接点電極が可動部分に配置されたマイクロ可動部と、
   前記マイクロ可動部を駆動する駆動機構と、
   前記基板上に形成された前記構造体の変形部分の下方に配置され、前記構造体の変形部分が弾性変形するための弾性材と
   を備え、
   前記駆動機構により前記マイクロ可動部を駆動することによって、前記第２の接点電極を前記第１の接点電極に対して接触または開離させることを特徴とするマイクロ接点開閉器。
2. 請求項１に記載のマイクロ接点開閉器において、
   前記第２の接点電極が前記第１の接点電極に接触するとき、前記第１の接点電極が押圧される方向に前記構造体の変形部分が弾性変形することを特徴とするマイクロ接点開閉器。
3. 請求項１または２に記載のマイクロ接点開閉器において、
   前記基板上に形成された前記構造体の変形部分の下方に、前記構造体の変形部分が弾性変形するための空間が形成されていることを特徴とするマイクロ接点開閉器。
4. 請求項３に記載のマイクロ接点開閉器において、
   前記空間は、前記第２の接点電極が前記第１の接点電極に接触するとき、少なくとも前記構造体の変形部分が前記空間側に変形可能なように設けられていることを特徴とするマイクロ接点開閉器。
5. 請求項１に記載のマイクロ接点開閉器において、
   前記弾性材は、前記第２の接点電極が前記第１の接点電極に接触するとき、少なくとも前記構造体の変形部分が前記弾性材側に変形可能なように設けられていることを特徴とするマイクロ接点開閉器。
6. 請求項１乃至５のいずれか１つに記載のマイクロ接点開閉器において、
   前記駆動機構により前記マイクロ可動部を駆動することによって、前記第２の接点電極を前記第１の接点電極に接触させた状態で前記第２の接点電極を前記第１の接点電極の接触面に沿って滑らせることを特徴とするマイクロ接点開閉器。
7. 請求項１乃至６のいずれか１つに記載のマイクロ接点開閉器において、
   前記マイクロ可動部を駆動する前記駆動機構に、静電式アクチュエータ、圧電式アクチュエータまたは熱式アクチュエータのうちのいずれかが用いられていることを特徴とするマイクロ接点開閉器。
8. 請求項１乃至７のいずれか１つに記載のマイクロ接点開閉器において、
   前記マイクロ可動部は、高融点金属元素と他のもう１つの元素とが少なくとも含まれる材料からなることを特徴とするマイクロ接点開閉器。
9. 請求項８に記載のマイクロ接点開閉器において、
   前記高融点金属元素は、タングステン、タンタル、モリブデン、チタンのいずれか１つであることを特徴とするマイクロ接点開閉器。
10. 請求項９に記載のマイクロ接点開閉器において、
    前記マイクロ可動部は、窒素、酸素および炭素のうちのいずれか１つの元素と高融点金属元素とが少なくとも含まれる材料からなることを特徴とするマイクロ接点開閉器。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１つに記載のマイクロ接点開閉器において、
    半導体製造プロセスを用いて作成されていることを特徴とするマイクロ接点開閉器。
12. 請求項１乃至１１のいずれか１つに記載のマイクロ接点開閉器と、
    送信部と、
    受信部と、
    前記送信部からの送信信号を電波として送信すると共に前記受信部への受信信号を電波として受信するためのアンテナと
    を備え、
    前記アンテナと前記送信部とを前記マイクロ接点開閉器を介して接続すると共に、前記アンテナと前記受信部とを前記マイクロ接点開閉器を介して接続することを特徴とする無線通信機器。
13. 請求項１乃至１１のいずれか１つに記載のマイクロ接点開閉器と、
    送信部と、
    受信部と、
    前記送信部からの送信信号を電波として送信すると共に前記受信部への受信信号を電波として受信するための複数のアンテナと
    を備え、
    前記複数のアンテナと前記受信部を前記マイクロ接点開閉器を介して夫々接続し、前記マイクロ接点開閉器のいずれか１つを閉じて前記複数のアンテナのうちの１つと前記受信部を接続することを特徴とする無線通信機器。

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