JP5314932B2 - Electric micro mechanical switch - Google Patents
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本発明は、電気式微少機械装置(MEMS:Micro Electro Mechanical Systems)に関する。 The present invention relates to an electric micro mechanical system (MEMS).
従来の電気式微少機械装置(MEMS)におけるアクチュエータは、アクチュエータの駆動部となる駆動アームが基板上に支持され、基板と駆動アームに設けられた静電用電極の一方に正電圧を印加し、他方の静電用電極に負電圧を印加することで、これによって生じる静電気力を用いて駆動アームを基板側に引き寄せるようになっている。また、駆動アームに圧電体層及び圧電駆動電極を設けることにより、圧電力を用いて駆動アームを基板側に引き寄せる構成が知られている。 In an actuator in a conventional electric micromechanical device (MEMS), a driving arm serving as a driving unit of the actuator is supported on a substrate, and a positive voltage is applied to one of the substrate and an electrostatic electrode provided on the driving arm. By applying a negative voltage to the other electrostatic electrode, the driving arm is pulled toward the substrate side by using the electrostatic force generated thereby. Further, a configuration is known in which a piezoelectric arm layer and a piezoelectric driving electrode are provided on the driving arm, and the driving arm is pulled toward the substrate side using piezoelectric power.
例えば、特開2005−302711号公報には、低電圧で高速駆動が可能なアクチュエータ及びこれを用いた高周波スイッチが開示されている。具体的には、当該公報記載のアクチュエータは、少なくとも表面が絶縁化された基板と、この基板に少なくとも1カ所が支持された駆動アームと、基板および駆動アームにそれぞれ対向する位置に設けられた静電用電極と、この静電用電極に電圧を印加する第1の電圧印加手段とを備える。そして、駆動アームに対してさらに圧電体層の上下面に電極を有する圧電駆動電極を設け、この圧電駆動電極に電圧を印加する第2の電圧印加手段を設けた構成となっている。また、当該公報記載の高周波スイッチでは、駆動アームを上下に駆動させることで、駆動アームの先端に設けられた接続電極と、基板に設けられた端子電極との接続を制御するようになっている。
しかしながら、異種材料を組み合わせて駆動部を形成した場合、材料の持つ応力によって反りが生じてしまう。また、反り量を一定に制御することは難しく、電気特性(例えば、駆動電圧、高周波特性など)のばらつきが大きくなる。例えば、駆動アームが当該駆動アーム上に延伸している信号線と接するようになっている電気式微少機械スイッチ(以下、MEMSスイッチと呼ぶ場合もある)の場合、駆動アームが下向きに反ってしまうと、信号線と駆動アームとの距離が離れてしまい、その分、駆動電圧を高くしなければならない。 However, when the drive unit is formed by combining different materials, warpage occurs due to the stress of the material. In addition, it is difficult to control the amount of warpage to be constant, and variations in electrical characteristics (for example, drive voltage, high frequency characteristics, etc.) increase. For example, in the case of an electrical micro mechanical switch (hereinafter sometimes referred to as a MEMS switch) in which the drive arm is in contact with a signal line extending on the drive arm, the drive arm is warped downward. As a result, the distance between the signal line and the drive arm is increased, and the drive voltage must be increased accordingly.
従って、本発明の目的は、材料の応力による反りを抑制し、電気特性のばらつきを小さくすることが可能な電気式微少機械スイッチを提供することである。 Therefore, an object of the present invention is to provide an electrical micromechanical switch that can suppress warping due to stress of a material and reduce variation in electrical characteristics.
本発明に係る電気式微少機械スイッチは、一端又は両端が基板に固定された板状の弾性体と、当該弾性体の上面に形成された下部電極と、当該下部電極の上面に形成された圧電体と、当該圧電体の上面に形成された上部電極とを有する駆動部と、駆動部の一部に形成された接点と、少なくとも一端が基板に固定され且つ接点上に延伸している信号線と、駆動部を支持するように基板に接合され且つ絶縁体で構成された係止部とを有する。そして、駆動部が、接点を介して信号線と接することができるようになっており、係止部が、信号線と反対の側から駆動部を支持するようになっているものである。 An electrical micromechanical switch according to the present invention includes a plate-like elastic body having one or both ends fixed to a substrate, a lower electrode formed on the upper surface of the elastic body, and a piezoelectric formed on the upper surface of the lower electrode. Body, a drive unit having an upper electrode formed on the upper surface of the piezoelectric body, a contact formed on a part of the drive unit, and a signal line having at least one end fixed to the substrate and extending on the contact And a locking portion joined to the substrate and configured of an insulator so as to support the driving portion. The drive unit can come into contact with the signal line through the contact, and the locking unit supports the drive unit from the side opposite to the signal line.
このように、例えば、穴、切り欠き部などにおいて、係止部が駆動部を支持するような構成となれば、材料の応力による反りを抑制することができる。すなわち、駆動部と信号線との距離を一定に保つことができ、電気特性のばらつきを小さくすることができる。 In this way, for example, in a hole, a notch, or the like, if the locking portion supports the drive portion, warpage due to material stress can be suppressed. That is, the distance between the drive unit and the signal line can be kept constant, and variations in electrical characteristics can be reduced.
また、上で述べた駆動部が、下部電極及び上部電極に印加される電圧によって圧電体に従って接点と信号線とが接するように駆動されるようにしてもよい。 Further, the driving unit described above may be driven so that the contact and the signal line are in contact with each other according to the piezoelectric body by a voltage applied to the lower electrode and the upper electrode.
さらに、上で述べた信号線が、駆動部とねじれの位置関係になるように接点上に延伸するようにしてもよい。 Further, the signal line described above may be extended on the contact point so as to have a twisted positional relationship with the drive unit.
本発明によれば、材料の応力による反りを抑制し、電気特性のばらつきを小さくすることが可能な電気式微少機械スイッチを実現できる。 According to the present invention, it is possible to realize an electrical micromechanical switch that can suppress warping due to material stress and reduce variation in electrical characteristics.
図1に、本発明の実施の形態の前提となるアクチュエータの構成を示す上面図を示す。例えば、Siの基板1の表面には、SiO2の絶縁層が形成され、その上には、圧電体層の下部電極層となるグランド2が形成されている。さらに、グランド2の上には、圧電体層の上部電極層6が形成されている。なお、同じハッチングは同じ層を示している。駆動アーム8は、信号線3a及び3bと接する接点8cと、接点8cとヒンジ部8dを介して接続される第1のカンチレバー8aと、接点8cとヒンジ部8eを介して接続される第2のカンチレバー8bとを有しており、穴5を架橋するように設けられている。ヒンジ部8d及び8eにおいては、ヒンジの機能を有効に果たすために穴が形成されている。
FIG. 1 is a top view showing a configuration of an actuator which is a premise of the embodiment of the present invention. For example, a SiO 2 insulating layer is formed on the surface of a Si substrate 1, and a
信号線3aは、一端が基板1に支持され、接点8cの一部と穴5の一部とを覆うように延伸している。そして、信号線3aの先端(支持部と反対側)の部分は、幅が除々に狭くなるように形成されている。同様に、信号線3bは、一端が基板1に支持され、接点8cの一部と穴5の一部とを覆うように延伸している。そして、信号線3bの先端(支持部と反対側)の部分は、幅が除々に狭くなるように形成されている。また、信号線3a及び3bは、駆動アーム8とねじれの関係になるように形成されている。さらに、信号線3aと信号線3bとは、接点8c上において切断されており、上下対称になっている。また、信号線3a及び3bの左右には、それらと平行に、駆動アーム8と穴5とを架橋するようにグランド線7a及び7bが形成されている。
One end of the
図2(a)に、上面図(図1)のA−A’線での概略断面図を示す。駆動アーム8は、弾性層として機能する基板1の一部の層1a、1b及び1cと、グランド2a、2b及び2cと、PZT(Pb(ZrTi)O3)等の圧電体層4a、4b及び4cと、上部電極層6a、6b及び6cとを有する。また、駆動アーム8は、基板1の一部の層1aと、グランド2aと、圧電体層4aと、上部電極層6aとで構成される第1のカンチレバー8aと、基板1の一部の層1bと、グランド2bと、圧電体層4bと、上部電極層6bとで構成される第2のカンチレバー8bと、基板1の一部の層1cと、グランド2cと、圧電体層4cと、上部電極層6cとで構成される接点8cとに分けられる。第1のカンチレバー8aと接点8cとは、基板1の一部の層1a及びグランド2aと、基板1の一部の層1c及びグランド2cとの間に形成されているヒンジ部8dで接続されている。すなわち、上部電極層及び圧電体層は切断されている。同様に、第2のカンチレバー8bと接点8cとは、基板1の一部の層1b及びグランド2bと、基板1の一部の層1c及びグランド2cとの間に形成されているヒンジ部8eで接続されている。ここでも、上部電極層及び圧電体層は切断されている。また、接点8cの上には、信号線3a及び3b(信号線3aはA−A’線での断面図では示されない)が延伸している。
FIG. 2A is a schematic cross-sectional view taken along the line AA ′ in the top view (FIG. 1). The drive arm 8 includes a part of
そして、第1及び第2のカンチレバー8a及び8bに電圧を印加することにより、駆動アーム8を駆動させ、接点8cと信号線3a及び3bとを接触させる。具体的には、グランド層2a及び2bに負電圧を印加し、上部電極層6a及び6bに正電圧を印加することにより、駆動アーム8を引き上げる。アクチュエータをスイッチとすると、接点8cと信号線3a及び3bとが接触することで導通する。なお、ヒンジ部8d及び8eによって、適切な形で接点8cが信号線3a及び3bに接触するようになる。
Then, by applying a voltage to the first and
しかし、第1及び第2のカンチレバー8a及び8bには反りが生じるため、図2(b)に示すように、駆動アーム8全体が反ることになる。そのため、信号線3a及び3bと接点8cとの距離が、反り量Mの分だけ広がってしまう。なお、例えば、長さ500μmのカンチレバーでは数十〜百μm程度の反りが生じる。また、例えば数十μm程度の反りが生じると、元の位置に戻すためには数十Vの電圧が必要となる。
However, since the first and
そこで、本発明の実施の形態では、図3に示すような構成を採用する。以下、本発明の実施の形態について説明する。 Therefore, in the embodiment of the present invention, a configuration as shown in FIG. 3 is adopted. Embodiments of the present invention will be described below.
図3は、図1のA−A’線での断面図である。なお、上面図は基本的には図1に示したものと同様である。図3では、駆動アーム8を下から(すなわち、信号線3a及び3bと反対の側から)支持するように、基板1の下にガラスなどの絶縁体である係止部9が設けられている。係止部9は、基板1と接合されており、接点8cの下の部分に突起部9aを有する。すなわち、係止部9は、凸型に形成されている。突起部9aは、接点8cを下から支持することで駆動アーム8全体の反りを抑制するようになっている。なお、突起部9aと接点8cとは接合されておらず、駆動アーム8を駆動させた場合には、接点8cは突起部9aから離れるようになっている。駆動アーム8を駆動させる仕組みについては、上で説明した仕組みと同様であるため、ここでは説明は省略する。このような係止部9を設けることにより、材料の応力による反りを抑制することができる。すなわち、信号線3a及び3bと接点8cとの距離を一定に保つことができ、電気特性のばらつきを小さくすることができる。
FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ of FIG. 1. The top view is basically the same as that shown in FIG. In FIG. 3, a locking portion 9, which is an insulator such as glass, is provided under the substrate 1 so as to support the drive arm 8 from below (that is, from the side opposite to the
次に、図4乃至図8を用いて、図3に示したようなMEMSスイッチの製造方法を説明する。なお、図4乃至図8において、左側に示す断面図Aは図1のA−A’線での断面図を示し、右側に示す断面図Bは図1のB−B’線での断面図を示す。 Next, a manufacturing method of the MEMS switch as shown in FIG. 3 will be described with reference to FIGS. 4 to 8, the cross-sectional view A shown on the left side is a cross-sectional view taken along the line AA 'in FIG. 1, and the cross-sectional view B shown on the right side is a cross-sectional view taken along the line BB' in FIG. Indicates.
図4(a)に示すように、表面にSi層101、当該表面のSi層101より下にSiO2層102、そしてSiO2層102の下にSi層103が形成されているSOI(Silicon On Insulator)ウエハを用いる。そして、図4(b)に示すように、水又は酸素雰囲気中で、SOIウエハの上下面の表面を熱酸化させてSiO2層104及び105を形成する。このSiO2層104は、図1に示した、基板1の表面の絶縁層である。その後、図4(c)に示すように、スパッタによって圧電体層の下部電極層となるPt/Ti層106をSiO2層104の上に形成する。
Figure 4 As shown in (a),
そして、図4(d)に示すように、SOIウエハを回転させ、PZTゾルゲルの成膜を1μm程度行って、PZT圧電体層107をPt/Ti層106の上に形成する。次に、図4(e)に示すように、再度スパッタによって圧電体層の上部電極となるPt/Ti層108をPZT圧電体層107の上に形成する。ここまでは、断面図A及び断面図B共に変わりない。
Then, as shown in FIG. 4D, the SOI wafer is rotated, and the PZT sol-gel film is formed by about 1 μm to form the PZT
次に、フォトレジストを塗布し、フォトマスクを透過させて露光し、感光したレジストを現像し、不要部分のレジストを除去して、図5(a)に示すように、Pt/Ti層108及びPZT圧電体層107をエッチングするためのレジスト層109を形成する。なお、使用するフォトレジストが、ポジ型レジストの場合は感光した部分、ネガ型レジストの場合は感光しなかった部分を不要部分として除去する。断面図Aでは、第1及び第2のカンチレバー8a及び8bと、接点8cとを切断するため、2つの溝110a及び110bが形成される。一方、断面図Bでは、接点8cの部分のみを残すように、一カ所のみレジスト層109が形成される。
Next, a photoresist is applied, exposed through a photomask, exposed, developed, and unnecessary portions of the resist are removed. As shown in FIG. 5A, the Pt /
そして、図5(b)に示すように、エッチングでレジスト層109が形成されていない部分のPt/Ti層108及びPZT圧電体層107が削られ、その後レジスト層109が除去される。次に、フォトレジストを塗布し、フォトマスクを透過させて露光し、感光したレジストを現像し、不要部分のレジストを除去して、図5(c)に示すように、下部電極層であるPt/Ti層106をエッチングするためのレジスト層111を形成する。なお、断面図Aでは、上部全面にレジスト層111が形成されるが、断面図Bでは、接点8cの部分のみを残すように、一カ所のみレジスト層111が形成される。
Then, as shown in FIG. 5B, the Pt /
そして、図5(d)に示すように、エッチングでレジスト層111が形成されていない部分のPt/Ti層106が削られ、その後レジスト層111が除去される。次に、SiO2層104と、Si層101と、SiO2層102とを加工するために、フォトレジストを塗布し、フォトマスクを透過させて露光し、感光したレジストを現像し、不要部分のレジストを除去して、図5(e)に示すように、レジスト層112を形成する。なお、断面図Aでは、上部全面にレジスト層112が形成されるが、断面図Bでは、接点8cを分離するために、2つの溝113a及び113bが形成される。
Then, as shown in FIG. 5D, the Pt /
その後、図6(a)に示すように、エッチングで、レジスト層112が形成されていない部分のSiO2層104と、Si層101と、SiO2層102とが削られ、その後レジスト層112が除去される。なお、ヒンジ部8d及び8eについてはここでは説明を省略している。このヒンジ部8d及び8eを形成するためには、図5(c)及び(e)の段階で断面図Aにもレジストが形成されない部分が適切に形成される必要がある。
Thereafter, as shown in FIG. 6A, the portions of the SiO 2 layer 104, the
次に、Auの信号線3a及び3bを形成する前段階として、図6(b)に示すように、溝110a及び110bと、溝113a及び113bとに埋め込み用レジスト114を塗布する。そして、信号線3a及び3bを形成するために、フォトレジストを塗布し、フォトマスクを透過させて露光し、感光したレジストを現像し、不要部分のレジストを除去して、図6(c)に示すように、犠牲層115を形成する。犠牲層115は、図2(a)に示した長さLを実現するための厚みを有する。その後、図6(d)に示すように、犠牲層115の上に、スパッタで、Au層116を形成する。
Next, as a pre-stage for forming the
そして、フォトレジストを塗布し、フォトマスクを透過させて露光し、感光したレジストを現像し、不要部分のレジストを除去して、図7(a)に示すように、レジスト層117を形成する。断面図Aでは、Au層116のうちAu層116aのみが信号線として用いられるため、Au層116aの上部にのみレジスト層117を形成する。一方、断面図Bでは、信号線3aと信号線3bとに分離するために、溝118が形成される。その後、図7(b)に示すように、エッチングで、レジスト層117が形成されていない部分のAu層116を削り取る。
Then, a photoresist is applied, exposed through a photomask and exposed, the exposed resist is developed, and unnecessary portions of the resist are removed to form a resist
次に、裏面のSiO2層105の下に、フォトレジストを塗布し、フォトマスクを透過させて露光し、感光したレジストを現像し、不要部分のレジストを除去して、図7(c)に示すように、レジスト層119を形成する。そして、下部からエッチングを行って、図7(d)に示すように、レジスト層119が形成されていない部分における、SiO2層105と、Si層103と、SiO2層102とを削り取る。
Next, a photoresist is applied under the SiO 2 layer 105 on the back surface, exposed through a photomask, developed, and the exposed resist is developed. Unnecessary portions of the resist are removed, and FIG. As shown, a resist
その後、埋め込み用レジスト114と、犠牲層115と、レジスト層117と、レジスト層119とを除去し、超臨界乾燥を実施すると、図8(a)に示すように、係止部9以外の部分が形成された状態となる。一方で、係止部9となるガラス120を微細加工する。信号線3a及び3bと接点8cとの距離を精度よく一定に保つには、係止部9の突起部9aの高さを精密に加工する必要があり、この加工にはドライエッチングなどの微細加工技術を用いる。そして、ガラス120と、SiO2層105との接する部分121を接合すると、図8(b)に示すように、完成する。なお、基板1と係止部9とを接合するには、陽極接合などの技術を用いる。図8(b)に示すように、接点8cの下には突起部9aが形成されており、駆動アーム8全体を支持するようになっている。
After that, when the embedding resist 114, the
以上述べたような製造プロセスを実施することによって、図3で示したようなMEMSスイッチを製造することができる。なお、係止部9以外の部分については、前提となるアクチュエータの製造プロセスをそのまま応用して製造することができる。また、上で述べた各層は、特に触れなかった場合にはnmレベルの厚さとなる。 By performing the manufacturing process as described above, the MEMS switch as shown in FIG. 3 can be manufactured. In addition, about parts other than the latching | locking part 9, it can manufacture by applying the manufacturing process of a presupposed actuator as it is. In addition, each layer described above has a thickness of nm level unless otherwise touched.
以上本発明の一実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば細かい構造は、全て同じでなければならないわけではない。ヒンジ部の構造は、他のヒンジ構造を採用することも可能である。 Although one embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to this. For example, the fine structure does not have to be all the same. Other hinge structures can be adopted as the structure of the hinge portion.
また、上では、信号線と駆動アームとがねじれの関係になるような構造を例に説明したが、信号線と駆動アームとの位置関係はこれに限定されない。信号線の先端が、駆動アームと重なるような関係であれば、他の構造を採用することも可能である。さらに、上では、基板に穴が設けられるような構造を例に説明したが、必ずしも穴を構成しなければならないわけではない。例えば、切り欠き部が設けられるような場合もある。また、駆動アームを支持するような構造であれば、係止部を他の構造に変形することも可能である。 In the above description, the structure in which the signal line and the drive arm are twisted is described as an example, but the positional relationship between the signal line and the drive arm is not limited to this. Other structures may be employed as long as the tip of the signal line overlaps with the drive arm. Furthermore, in the above description, a structure in which a hole is provided in the substrate has been described as an example, but the hole does not necessarily have to be configured. For example, a notch may be provided. Moreover, if it is a structure which supports a drive arm, it is also possible to change a latching | locking part into another structure.
1 基板 2 グランド
3a,3b 信号線
4 圧電体層
5 穴
6 上部電極層
7a,7b グランド線
8 駆動アーム
8a 第1のカンチレバー
8b 第2のカンチレバー
8c 接点
8d,8e ヒンジ部
9 係止部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Board |
Claims (2)
前記駆動部の一部に形成された接点と、
少なくとも一端が基板に固定され且つ前記接点上に延伸している信号線と、
前記駆動部を支持するように前記基板に接合され且つ絶縁体で構成された係止部と、
を有し、
前記駆動部が、前記接点を介して前記信号線と接することができるようになっており、
前記係止部が、前記信号線と反対の側から前記駆動部を支持するようになっており、
前記駆動部が、前記下部電極及び前記上部電極に印加される電圧によって前記圧電体に従って前記接点と前記信号線とが接するように駆動され、
前記係止部が、前記下部電極及び前記上部電極に電圧が印加されない時に、前記接点と前記信号線との距離を一定に保持する
ことを特徴とする電気式微少機械スイッチ。 A plate-like elastic body having one or both ends fixed to the substrate, a lower electrode formed on the upper surface of the elastic body, a piezoelectric body formed on the upper surface of the lower electrode, and an upper surface of the piezoelectric body. A drive unit having an upper electrode;
A contact formed on a part of the drive unit;
A signal line having at least one end fixed to the substrate and extending on the contact;
A locking portion joined to the substrate and configured of an insulator so as to support the driving portion;
Have
The drive unit can come into contact with the signal line via the contact point,
The locking part is adapted to support the driving part from the side opposite to the signal line ,
The driving unit is driven by the voltage applied to the lower electrode and the upper electrode so that the contact and the signal line are in contact with each other according to the piezoelectric body,
The electrical micromechanical switch characterized in that the locking portion maintains a constant distance between the contact and the signal line when no voltage is applied to the lower electrode and the upper electrode .
ことを特徴とする請求項1記載の電気式微少機械スイッチ。 The electrical micro mechanical switch according to claim 1, wherein the signal line extends on the contact so as to have a twisted positional relationship with the drive unit.
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