JP5259188B2 - Memsデバイス用のバネ構造体 - Google Patents
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Description
− マイクロフォン又はラウドスピーカ(特定のタイプの膜を使用する)としての使用 − センサ、特に気圧センサとしての使用
− 共振器としての使用
− ディスプレイのピクセルスイッチとして、又は、光スイッチのためのミラーを駆動するものとしての使用、
− RF用途における使用、特にスイッチ又は可変キャパシタンスとしての使用、
である。
1.シリコン基板におけるMEMSデバイス。この場合、電極は、基板表面に対して垂直に向けられる。この構造は、センサ用途又は共振器用途において使用されるが、他の用途も除外されない。
2.薄膜要素としてのMEMSデバイス。ここでは、ビームが基板と略平行に方向付けられる。このタイプのMEMSデバイスは、RF MEMSのために使用される。ビームに関しては、以下のような少なくとも二つの構造がある。
− ダブルクランプビーム、例えば二つ以上の側で基板表面に対して接続されるビーム。そのため、ビームの中心において基板への偏りが起こる。このタイプのビームは、両端が組み込まれたビームとして知られており、不静定である。
− シングルクランプビーム。この場合、ビームの端部において基板への偏りが起こる。このタイプのビームは、片持ち梁と呼ばれており、静定である。
ここで、可動要素は、動作電極によって静電的に動作させられる一つの金属層であり、信号ラインの二つの部分を接続するためにスイッチ電極を含んでいる。スイッチ電極は、二つの動作電極間のブリッジとして配置されている。これらの電極は、フレキシブル要素を介して基板上の支持体に対して接続されている。実際には、このMEMSデバイスは、リレーとして動作する。
図示の実施の形態において、バネk2のバネ定数は、バネk1のそれよりも十分に大きい。このように電極e3の有効バネ定数は、電極e1のそれよりもわずかに小さいため、プルイン電圧はわずかに小さいが、この影響はごくわずかであり、k2がk1よりも十分に大きい場合には無視することができる。実際にこれはいくつかの用途において有益となり得る。
電極に対して高い電圧を印加することにより電極を互いに接近させる(スイッチの用途において、これはスイッチの閉状態に対応する)と、上端電極e2,e3に作用する静電気力がこれらの電極の面積に比例する。電極e2の面積A2が従来のスイッチのそれ(A2+A3)よりも小さいため、静電気力も小さい。従って、同じバネ定数を有する従来のスイッチと比較すると、提案されたスイッチの電極e2は、高い解放電圧を有する。注目に値する有効性の指標は、比率VPI 2/Vrel 2をk2/k1と比較することである。A2=A3となる場合、これは、従来の単一バネデバイスにおいては直線であり、2バネデバイスにおいては直線より下方の曲線である。k2/k1=8の場合には、従来のスイッチに比較して相対解放電圧が約40%増大され、それにより、スイッチの信頼性が更に高くなる。
二重バネ構造体の構造は、MEMSデバイスの開放速度も高める。これは、スティクション作用が低減されるとともに、スイッチの加速のために多くの力を利用することができるからである。これは、特にスイッチデバイスにおいて重要である。この機構は、開放動作の初期の部分においてのみ意味がある。前述したように、二重バネ構造体は、静電MEMSスイッチの信頼性を高めることができる。当該構造は、約1.4の係数分だけ比率VPI/Vrelを減少させることができ、それにより、MEMSデバイスの信頼性を著しく高めることができる。
Fsfd=b0v/z3 (1)
プルイン電圧及び解放電圧を従来支配している方程式は、以下の通りである。即ち、VPI=8k1g1 3/(27Aε0)及びVrel 2=2g1k1Aε0/Cdownである。最初に、提案されたスイッチのプルイン電圧及び解放電圧と従来のスイッチのそれとの間の差について検討する。g2がg1/3よりも大きい場合には、上端膜のプルイン電圧VPIが影響を受けないため、VPIにおいては、スタンプが基板に接触するまでスイッチが閉じている。この時点で、電極間の間隙はg1−g2であり、スイッチの有効バネ定数はk1+k2である。プルイン方程式から分かるように、スタンプを有する構造体のプルイン電圧は、以下が成り立つ限りスタンプが無い構造体と同じである。
k1g1 3>(k1+k2)(g1−g2k2/(k1+k2))3
即ち、その領域のVPIは、独立可動部を有する本発明のMEMS要素においては、そのような可動部が無い従来のMEMS要素の場合と同じである。尚、VPIが増大される場合であっても、VPI/Vrelの比率は、スタンプの影響を有利に受ける。
スタンプは、以下のファクタ分だけVrel 2を増大させる。
V2 rel.stamp/V2 rel.conventional
=1+(k2/k1)[1−g2/g1] (2)
例えばg2=0.6g1であり且つk2=9k1である場合には、スタンプの結果として解放電圧が90%だけ増大する一方で、プルイン電圧は影響を受けないままである。
スタンプは、スイッチをその閉動作中にわずかに減速するが、この影響はあまり大きくない。これは、スイッチがほぼ閉じられているときにだけスタンプの力が大きく、それに対し、この領域では静電気力が非常に大きく、静電気力がバネ力を容易に補償し得るからである。閉塞中のスイッチの速度は、電極が一緒に閉じられるときに最大となるのが分かる。
Claims (10)
- 基板(10)上の第1の電極(e1)と、第2の電極(e2)とを備えるマイクロ電気機械デバイスであって、
前記第2の電極(e2)は、可動要素(k1,k2,70,80)の一部であり、前記可動要素の変形可能部分(k1,k2)の弾性変形によって第1の位置と十分に近接した第2の位置との間で前記第1の電極(e1)に向かって及び前記第1の電極(e1)から移動可能であるとともに、前記第1の位置において所定の間隙だけ前記第1の電極(e1)から離間し、
前記可動要素は、弾性カップリング(k2)により前記可動要素(k1,k2,70,80)の主要部に対して結合される第1の独立可動部(80)及び第2の独立可動部(70)を備え、それにより、前記弾性カップリング(k2)は、前記第2の電極(e2)が前記第2の位置にあるときに前記可動要素(k1,k2,70,80)に対して前記第1の電極(e1)から離隔する方向に力を及ぼし、
前記第1の電極(e1)及び前記第2の電極(e2)は、RFキャパシタの電極であり、
前記可動要素(k1,k2,70,80)の前記第1の独立可動部(80)の一部として、電圧源と接触可能な第3の電極(e3)が配置され、
前記第3の電極(e3)と対向して第2の電極対を形成する第4の電極(e4)が、前記基板上(10)に配置されることを特徴とするマイクロ電気機械デバイス。 - 前記弾性カップリングは、前記変形可能部分よりも大きいバネ定数を有していることを特徴とする請求項1に記載のデバイス。
- 前記弾性カップリングは、前記第1の独立可動部の少なくとも二つの側に配置されていることを特徴とする請求項1に記載のデバイス。
- 前記第1の独立可動部は、少なくとも三つの側において前記主要部によって取り囲まれていることを特徴とする請求項3に記載のデバイス。
- 前記第1の独立可動部は、前記基板に向かって突出していることを特徴とする請求項1に記載のデバイス。
- 前記主要部は、前記変形可能部分に対して結合されていることを特徴とする請求項1に記載のデバイス。
- 前記変形可能部分は、一つ以上の可撓性要素として存在することを特徴とする請求項1に記載のデバイス。
- 前記第1の電極及び前記第2の電極の対は、ガルバニックスイッチを形成することを特徴とする請求項1に記載のデバイス。
- 前記可動要素は、実質的に金属層により構成され、前記第1の独立可動部と前記主要部との間の弾性カップリングは、少なくとも一つのブリッジとして構成されることを特徴とする請求項1に記載のデバイス。
- 基板(10)と、
RFキャパシタの一部である可動要素(k1,k2,70,80)と、
前記可動要素(k1,k2,70,80)を前記基板(10)に向けて移動させるための駆動手段(e1,e2)とを有し、
前記可動要素(k1,k2,70,80)は、前記可動要素(k1,k2,70,80)の残余の部分に対して弾性的に結合された第1の独立可動部(80)及び第2の独立可動部(70)と、前記基板(10)に対する支持部(41)と、を有し、
前記可動要素(k1,k2,70,80)の前記第1の独立可動部(80)の一部として、電圧源と接触可能な第3の電極(e3)が配置され、
前記第3の電極(e3)と対向して第2の電極対を形成する第4の電極(e4)が前記基板(10)上に配置されることを特徴とするマイクロ電気機械デバイス。
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