JP5588663B2 - マイクロ電気機械システムスイッチ - Google Patents

Description

本発明は、一般にスイッチに関し、特にマイクロ電気機械システムスイッチに関する。

マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチを使用することは、従来のソリッドステートスイッチよりも有利であることが判明している。例えば、ＭＥＭＳスイッチは電力効率に優れ、挿入損失が少なく、電気絶縁性が優れていることが判明している。

ＭＥＭＳスイッチは、回路内の短絡（接続）又は開路（遮断）を行うために機械的な動きを利用するデバイスである。機械的な動きに必要な力は、静電、磁気、圧電、又は熱駆動などの様々な種類の駆動機構を使用して得ることができる。静電駆動型スイッチは、高い信頼性と、ウエーハスケールの製造技術を有することが実証されている。このようなＭＥＭＳスイッチの構造と設計は常に向上してきた。

（スイッチの接点間の）スタンドオフ電圧及び（アクチュエータと接点間の）プルイン電圧などのスイッチ特性は、ＭＥＭＳスイッチの設計に際して考慮される。典型的には、より高いスタンドオフ電圧を達成しようとすると、プルイン電圧が低下するという矛盾する特徴が示される。伝統的には、ビームの厚さとギャップのサイズを大きくするとスタンドオフ電圧が上昇する。しかし、それによってプルイン電圧も同様に上昇し、それは望ましくない。

米国特許第６１６０２３０号明細書 米国特許出願公開第２００３／０００６８５８号明細書 米国特許出願公開第２００４／０２１１６５４号明細書 米国特許出願公開第２００８／０１６９７０７号明細書 国際公開第２００７／１３０９１３号

実質的に高いスタンドオフ電圧を示し、同時にスイッチの設計の複雑性が増すことなく実質的に低いプルイン電圧を示す改良されたＭＥＭＳスイッチが必要とされている。

簡単に記載すると、電気経路を有するマイクロ電気機械システムスイッチを提示する。スイッチは、第１の部分と第２の部分とを有する。第２の部分は、スイッチが開位置（又はスイッチの構造によっては閉位置）にある場合に第１の部分に対して重複しない位置に偏移される。スイッチはさらに、第１の部分と第２の部分とが接触する位置にこれらの部分を移動するためのアクチュエータを含む。

一実施形態では、電気的接続を行い、又は遮断する装置を提示する。この装置は、アクチュエータ及び電流を搬送する片持ビームを含む。この装置はさらに、電流を搬送する端子を含み、端子は片持ビームに対して重複しない位置に配置される。

一実施形態では、電気経路を有するマイクロ電気機械システムスイッチを提示する。このスイッチは第１の部分と第２の部分とを有し、第２の部分は第１の部分に対して重複しない位置に偏移される。このスイッチはさらに、作動すると第１の部分と第２の部分とが接触し、作動停止すると離脱する位置に移動させるアクチュエータを含む。

一実施形態では、電気経路を有するスイッチを提示する。このスイッチは第１の部分と第２の部分とを有し、第２の部分は第１の部分に対して重複しない位置に偏移される。第２の部分は第１の部分に対して同一平面上に配置される。第１の部分と第２の部分とが接触するようにこれらの部分を移動させるアクチュエータが備えられる。

一実施形態では、電気経路を有するスイッチを提示する。このスイッチは、第１のビームと第２のビームとを含み、第２のビームは第１のビームに対して重複しない位置に偏移される。第１のビームは上部の基板から懸架される。第１のビームと第２のビームとが接触するようにこれらの部分を移動させるアクチュエータが備えられる。加えて、スイッチの第１又は第２のビームを能動的に開く第２又は第３のアクチュエータが備えられる。

一実施形態では、スイッチを形成するために同じアクチュエータの周囲に一対以上の平面内及び平面外移動部を配置することができる。

一実施形態では、マイクロ電気機械スイッチの製造方法を提示する。この方法は、底部基板の第１の表面上に形成された第２の表面を有する導電性又は半導電性の上部基板を形成するステップを含む。この方法はさらに、上部基板の第２の表面を底部基板の第１の表面上に取り付け、上部表面をエッチングして電極を画成し、上部基板に絶縁層をコーティングし、片持ビームと電極との間に重複領域がないように上部基板上に単一の、又は複合された片持ビームを形成するステップを含む。上部基板及び底部基板は、半導体ウエーハ接合技術を用いて互いに付着させることができ、又は接合された２つの基板の代わりにシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウェーハを用いることができる。さらに別の実施形態では、１つの片持ビームを第３の基板上に形成し、片持ビームと上部基板との間に所望の空隙を設けて、ウエーハ接合技術などを用いて上部基板上に付着させることができる。

本発明の上記及びその他の特徴、態様及び利点は、図面全体を通して同一の符号が同一の要素を示す添付図面を参照しつつ以下の説明を読むことによってより明解に理解されよう。

本発明の技術の態様により実施されるマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチの上面図である。 図１のＭＥＭＳスイッチの部分斜視図である。 図２のＭＥＭＳスイッチの断面図である。 図１のＭＥＭＳスイッチの別の実施形態である。 本発明の技術の態様による例示的なＭＥＭＳスイッチの断面図である。 本発明の技術の態様による３本ビーム構造を実装したＭＥＭＳスイッチの断面図である。 本発明によるＭＥＭＳスイッチの例示的な製造段階を示す図である。 本発明によるＭＥＭＳスイッチの例示的な製造方法のフローチャートである。

ＭＥＭＳスイッチは、電気的、機械的又は光学的信号の流れを制御することができる。ＭＥＭＳスイッチは典型的には、損失が少なく絶縁性が高い。さらに、ＭＥＭＳスイッチは、ソリッドステートスイッチと比較して大幅なサイズの縮小、低い電力消費量、及びコスト面での利点をもたらす。ＭＥＭＳスイッチはさらに、（広い周波数範囲にわたって動作可能な）ブロードバンド動作などの利点をもたらす。ＭＥＭＳのこのような特質は、電力処理能力を大幅に高める。損失が少なく、歪みが少なく、電力消費が少ないことで、ＭＥＭＳスイッチは、通信業務用途、アナログスイッチング回路、及びスイッチング電源などの用途に適している。さらにＭＥＭＳスイッチは、高性能の電気機械的なリードリレー及びその他の単一機能のスイッチング技術が現在使用されている用途にも最適である。

ＭＥＭＳスイッチは、静電、磁気、圧電又は熱駆動などの１つ又は複数の駆動機構を使用することができる。静電駆動は他の駆動機構と比較して作動速度が速く、適度の力を提供する。静電駆動は、典型的には、各スイッチング事象にナノジュールのレベルの電力を必要とし、スイッチが閉状態又は開状態にある場合には電力が消費されないので極度に低い電力しか必要としない。このアプローチは、このような用途で伝統的に機械的リレーが使用されてきた電力をより消費するスイッチ起動のアプローチよりも省電力の用途に適している。例えば、従来のリレーは、大きい機械的な力（接触及び復帰）で動作し、寿命が短い（典型的には約１００万サイクル）。ＭＥＭＳスイッチは、大幅に小さい力で動作して寿命が大幅に長い。接触時の力が小さいことの利点は、接触寿命が延びることである。しかし、接触時の力が小さいと接触特性が定性的に変化し、特に表面の形態及び汚れに対する敏感さが増し、それに対応して復帰力が小さいのでスティッキングに弱いスイッチになる。

次に、本発明の技術の態様により実装されたＭＥＭＳスイッチの上面図である図１を参照する。ＭＥＭＳスイッチ１０は、第１の部分１２と第２の部分１８とを有する電気経路を含む。第１の部分１２（片持ビーム）はアクチュエータ１６上に配置される。アクチュエータ１６と片持ビーム１２との間に絶縁層１７を配置する。第２の部分１８（第２のビーム又は端子）は上部基板１４上に配置される。第２のビーム１８は、重複しない位置が形成されるように片持ビーム１２に対して偏移された位置に配置される。アクチュエータ１６は、スイッチ１０の動作中に片持ビーム１２と第２のビーム１８とが接触するようにこれらを移動させる静電力を提供するように構成される。例示的実施形態では、スイッチ１０が「開」位置にある間は第２のビーム１８は位置１９に置かれ、スイッチ１０が「閉」位置にある間に作動すると位置２０へと移動する。

図２は、参照番号１０で示す図１のＭＥＭＳスイッチの部分斜視図である。片持ビームとも言われる第１の部分１２は、アクチュエータ１６の上部に配置される。片持ビーム１２は、絶縁層１７上に配置されたベース２６と独立した先端部２８とを含む。片持ビーム１２の独立した先端部２８は、第２のビーム１８（端子）の上方に懸架される。第２のビーム１８は、表面が片持ビーム１２と接触するように配置された導電層２２を含む。基板は、ＭＥＭＳスイッチ１０を動作させるのに必要な駆動回路や保護回路などの多くの電子素子を収容する。片持ビーム１２と端子１８とを電極対とも呼ぶ。ＭＥＭＳスイッチの設計者が直面する問題点の１つは、電極対の不要な接触である。ＭＥＭＳスイッチの電極は「開」位置にある間、互いに極めて密接した位置にあることが最適である。電極を互いに密接して配置することによって、ビームを「閉」位置に偏向させるために必要な電力（すなわちプルイン電圧）が低減される。しかし、この設計により電極の不都合な接触が生ずる。ＭＥＭＳスイッチではアクチュエータ１６と電極対１２、１８との間の電圧（スタンドオフ電圧）が高く、プルイン電圧が低いことが最適である。より高いスタンドオフ電圧を達成するには、電極を互いにさらに離れた位置に配置する必要があるが、その結果、プルイン電圧がさらに高くなってしまうことになる。前述のように、高いターンオフ比と低いプルイン電圧を達成することには矛盾がある。ターンオフ比は、スタンドオフ電圧とプルイン電圧との比率として定義される。しかし、本発明の実施形態は、ターンオフ比を高めるように巧みに統合した。

図３は、図２のＭＥＭＳスイッチの断面図である。「開」位置（動作状態）にあるＭＥＭＳスイッチは、全体を通して参照番号３２で示される。片持ビーム１２は、アクチュエータ１６に対して面外方向３４に自由に移動（撓み）可能である。例えば、片持ビーム１２は、「開」位置である位置３８から「閉」位置である位置４２に移動する。同様に、第２のビーム１８は、アクチュエータ１６に対して面内方向３６に撓むように構成される。ＭＥＭＳスイッチが「開」状態にある場合は、片持ビームは休止位置１９にあり、同様に、第２のビーム１８は第１の位置１９にある。動作中、「閉」位置にあるＭＥＭＳスイッチは参照番号４０で示され、電圧がアクチュエータ１６に印加され、合成静電力が第２のビーム１８を位置２０へとアクチュエータ１６の方向に引き寄せる。同様に、片持ビーム１２に対するアクチュエータ１６からの電圧は合成静電力を発生し、これが片持ビーム１２をアクチュエータ１６の方向への位置４２に引き寄せる。この時点で、スイッチは閉じられ、片持ビーム１２と第２のビーム１８とを通る電気経路が形成される。静電的に駆動されるので、閉鎖状態を保つために静止電流は必要ない。

本発明の一実施形態では、片持ビーム１２と第２のビーム１８とはやや異なる機械的特性を有するように設計される。剛性などの機械的特性が異なることで、ＭＥＭＳスイッチの動作中に片持ビーム１２と第２のビーム１８との異なる移動速度を達成することに役立つ。閉状態の間、第２のビーム１８は片持ビーム１２よりも速く移動し、その結果、片持ビーム１２は第２のビーム１８の上で閉鎖される。動作中、片持ビーム１２は第２のビーム１８に対して移動して接触を解除する。提案している動作手順は、第２のビーム１８よりも剛性が高い片持ビーム１２を使用することによって達成できる。片持ちビーム１２及び第２のビーム１８の材料の選択及び幾何学寸法（長さ、幅、厚さ）が機械的特性を決定することがある。例示的実施形態では、片持ビーム１２と第２のビーム１８とを閉じる動作手順を達成するために可変的な駆動電圧を印加しても良い。例えば、第１段階の電圧と第２段階の電圧とを含む多段階のステップ状電圧を、アクチュエータ１６に印加しても良い。片持ビーム１２を第１のプルイン電圧向けに構成し、第２のビームを第１のプルイン電圧よりも低い第２のプルイン電圧向けに構成しても良い。最初に、第１段階の電圧をアクチュエータ１６に印加しても良く、その際、第１段階の電圧は第２のプルイン電圧よりも高く、第１のプルイン電圧よりも低く、第２のビーム１８を駆動してこれを閉じる。その後、第２段階の電圧をアクチュエータ１６に印加しても良く、その際、第２段階の電圧は第１のプルイン電圧よりも高く、片持ビーム１２を駆動してこれが移動し、第２のビーム１８と接触させる。

例示的実施形態では、第２のビーム１８の第２のアクチュエータを形成するように上部基板１４を構成しても良い。ＭＥＭＳスイッチの動作中、第２のアクチュエータ１４を駆動して第２のビーム１８に静電力を付与し、これが第２のビーム１８が片持ビーム１２から離れる方向に引っ張るようにしても良い。

ＭＥＭＳスイッチの更に別の実施形態を図４に示す（参照番号４４）。ＭＥＭＳスイッチの「閉」位置では、片持ビーム１２を第１の機械的止めバンプ４８上に置くように構成しても良く、同様に、第２のビーム１８を第２の機械的止めバンプ５０上に置くように構成しても良い。例示的実施形態では、止めバンプは、絶縁材料、半導電性材料又は導電性材料の少なくとも１つによってできている。当業者には分かるように、このような機械的止めバンプ４８及び５０を設けることで、片持ビームとアクチュエータとの間で不慮の望ましくない短絡が生ずることを防止できる。

図５は、本発明の技術の態様による例示的なＭＥＭＳスイッチの断面図である。スイッチ５４は、第１のビーム５８と第２のビーム１８とを有する電気経路を形成するように構成される。第２のビーム１８は第１のビーム５８に対して重複しない位置に偏移される。第１のビーム５８は、上部基板５６から懸架された固定端６０を有する。上部基板５６は、ＭＥＭＳスイッチが開位置６２にある間に第１のビーム５８とアクチュエータ１６との間の絶縁を保つように、予め規定された空隙６６を設けて配置される。さらに、絶縁層１７を上部基板と第１のビームとの間に配置する。

ＭＥＭＳスイッチ５４の動作中、アクチュエータ１６にバイアスをかけるために電圧が印加される。このバイアス電圧は静電力６８を付与する。片持ビーム５８は、結果として生ずる静電力により位置６２から位置６４へと面外方向に作動する。同様に、第２のビーム１８は位置１９から位置２０へと面内方向に作動する。「閉」状態にある間、位置６４の片持ビーム５８と位置２０の第２のビーム１８とが電気経路を形成する。前述のように、作動の手順はビームの異なる機械的特性又は複数レベルのステップ状電圧による駆動によって達成される。

図６は、本発明の技術の態様による３つのビーム構造を実装したＭＥＭＳスイッチの断面図である。ＭＥＭＳスイッチ７２は、絶縁層１７を有するベース基板２４を含む。上部基板８４を絶縁層１７上に配置する。少なくとも２つの自由移動端７６、７８を有する第１のビーム７４は上部基板８４上に固定される。絶縁層８５は、上部基板８４と第１のビーム７４とを電気的に絶縁する。上部基板はさらに、第１のビーム７４の自由移動端７６、７８に対して面外に配置された第２のビーム８０と第３のビーム８２とを画成する。このような面外配置によって、第２のビーム８０と第１のビーム７４の自由移動端７６との間に重複しない位置が形成される。同様に、第３のビーム８２と第１のビーム７４の自由移動端７８との間には重複しない位置がある。

動作中、参照番号８６で示されるＭＥＭＳスイッチは「閉」位置にある。上部基板８４はアクチュエータ１６を形成するように構成される。アクチュエータ１６に電圧が印加されると（作動）、静電力が発生して第１のビーム７４の自由移動端７６、７８と、第２のビーム８０と、第３のビーム８２とを移動させる。自由移動端７６、７８は面外方向（９０）に作動し、第２のビーム８０と第３のビーム８２とは面内方向（８８）に作動することに留意されたい。アクチュエータ１６は静電力８８、９０を発生する。静電力８８は、第２のビーム８０と第３のビーム８２を面内作動のために牽引する力を付与する。同様に、静電力９０は自由移動端７６、７８を面外作動のために牽引する力を付与する。この「閉」状態（ＭＥＭＳスイッチの動作状態）で、第１のビーム７４と、第２のビーム８０と、第３のビーム８２との間に電気経路が形成される。

図７は、ＭＥＭＳスイッチを製造する例示的な段階を示す。最初の段階（９４）では、ベース基板２４を設ける。一実施形態では、ベース基板２４はシリコン基板である。第２の段階で、ベース基板２４上に絶縁層９５が形成される。さらに、第２段階では上部基板９６が絶縁層９５の上に形成される。一実施形態では、上部基板は導電層である。別の実施形態では、上部基板は半導電層である。第３の段階９８では、上部基板材料１００を上部基板９６から一部除去することによって第２のビーム１８が画成される。第４の段階１０２では、絶縁層１７を上部基板上に配置する。絶縁層は上部基板と第２のビーム１８とを覆う。第５の段階１０４では、固定端６０を有する片持ビーム１２が上部基板１６上に固定される。片持ビーム１２とアクチュエータ１６とは絶縁層１７を介して電気的に絶縁されることに留意されたい。第２のビーム１８の上部に導電層２２が形成され、「閉」位置にある間に片持ビーム１２と第２のビーム１８との間に電気経路が形成される。

図８は、図１のＭＥＭＳスイッチを製造する例示的方法を示すフローチャートである。方法１０８は、ベース基板を備えるステップ（ステップ１１０）を含む。ベース基板上に第１の絶縁層を配置する（ステップ１１２）。第１の絶縁層上に上部基板を配置する（ステップ１１４）。ステップ１１６として第２のビーム１８が上部基板上に画成される。第２のビームと上部基板との上に第２の絶縁層を配設する（ステップ１１８）。ステップ１１９で上部基板上に片持ビームを配置する。第２のビームとの電気接点を画成する導電層をステップ１２０で配設する。

好適には、このような設計によって、ビームは面外方向と面内方向とに作動する。その結果、２つのビームの間には重複領域がない。スイッチの設計はプルイン電圧をスタンドオフ電圧から切り離し、重複領域をなくす。このように重複がないことにより、プルイン電圧が調整可能な高いスタンドオフ電圧が生じることが多い。

本明細書では本発明のある特定の特徴のみを図示し、記載したが、当業者には多くの修正及び変更が想到されるであろう。従って、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨に含まれるそのような修正と変更の全てを含むものであることを理解されたい。

１０ ＭＥＭＳスイッチ
１２ 片持ビーム／第１の部分
１４ 上部基板
１６ アクチュエータ
１７ 絶縁層
１８ 第２のビーム
１９ 位置
２０ 位置
２２ 導電層
２４ 基板
２６ ベース
２８ 独立した先端部
３２ 「開」位置にあるＭＥＭＳスイッチ
３４ 面外方向
３６ 面内方向
３８ 位置
４０ 「閉」位置にあるＭＥＭＳスイッチ
４２ 位置
４４ ＭＥＭＳスイッチ
４８ 第１の機械的止めバンプ
５０ 第２の機械的止めバンプ
５４ ＭＥＭＳスイッチ
５６ 上部基板
５８ 第１のビーム
６０ 固定端
６２ 位置
６４ 位置
６６ 予め規定された空隙
６８ 静電力
７２ ＭＥＭＳスイッチ
７４ 第１のビーム
７６ 自由移動端
７８ 自由移動端
８０ 第２のビーム
８２ 第３のビーム
８４ 上部基板
８６ ＭＥＭＳスイッチ
８８ 静電力
９０ 静電力
９４ ベース基板、絶縁層、上部基板を設ける
９５ 絶縁層
９６ 上部基板
９８ 第２のビームを画成する
１００ 上部基板材料を除去する
１０２ 絶縁層を配置する
１０４ 片持ビームを固定し、導電層を設ける
１０８ ＭＥＭＳスイッチを製造する例示的方法
１１０ ベース基板を設ける
１１２ ベース基板上に第１の絶縁層を配置する
１１４ 第１の絶縁層上に上部基板を設ける
１１６ 上部基板上に第２のビームを形成する
１１８ 上部基板と第２のビームとの上に第２の絶縁層を設ける
１１９ 上部基板上に片持ビームを配置する
１２０ 導電層を設けて第２のビーム上に電気接点を形成する

Claims (10)

1. マイクロ電気機械システムスイッチであって、
   第１の部分と第２の部分とを備え、第２の部分が前記第１の部分に対して重複しない位置に位置づけられる電気経路と、
   前記第１の部分と前記第２の部分とが接触するようにこれらの部分を移動させるアクチュエータとを備え、
   前記重複しない位置は、前記第１及び第２の部分の移動方向において重複していない、マイクロ電気機械システムスイッチ。
2. 前記電気経路が電流を搬送するように構成される、請求項１に記載のマイクロ電気機械システムスイッチ。
3. 前記アクチュエータが静電力を発生するように構成される、請求項１又は２に記載のマイクロ電気機械システムスイッチ。
4. 前記アクチュエータの上方において、前記アクチュエータから離れて配置された基板を備え、
   前記第１の部分は、前記アクチュエータの上方に配置された前記基板から懸架された固定端を備える、請求項１に記載のマイクロ電気機械システムスイッチ。
5. ベース基板と、
   ベース基板上に設けられた第１の電気絶縁面と、
   前記第１の電気絶縁面上に設けられた半導電性の上部基板と、
   を備え、
   前記第２の部分が前記上部基板上に画成され、
   前記第２の部分と前記上部基板上に第２の電気絶縁面が設けられ、
   前記第２の部分上に導電層が形成され、
   前記第１の部分が前記上部基板上に配置され、
   前記上部基板の少なくとも一部が前記アクチュエータとして構成される、請求項１に記載のマイクロ電気機械システムスイッチ。
6. 前記アクチュエータは、平板状であり、
   前記第１の部分は、前記第２の部分と接触する平板状の部分を有し、
   前記第２の部分は、前記第１の部分と接触する平板状の部分を有し、
   前記第１の部分は前記アクチュエータの上面に沿って配置され、前記アクチュエータの上面の方向に駆動され、前記第２の部分は前記アクチュエータの側面に沿って配置され、前記アクチュエータの側面の方向に駆動され、
   前記第１の部分の前記平板状の部分の底面と、前記第２の部分の平板状の部分の側面が接触する、請求項１に記載のマイクロ電気機械システムスイッチ。
7. 前記アクチュエータと前記第１の部分との短絡を防止する第１の機械的止めバンプと、
   前記アクチュエータと前記第２の部分との短絡を防止する第２の機械的止めバンプと、
   を備える、請求項１に記載のマイクロ電気機械システムスイッチ。
8. 前記第１の部分は、前記アクチュエータの上面に沿って配置され、前記アクチュエータの上面の方向に駆動される第１の端と第２の端とを備え、
   前記第２の部分は、前記アクチュエータの第１の側面に沿って配置され、前記アクチュエータの前記第１の側面の方向に駆動される第１のビームと、前記アクチュエータの第２の側面に沿って配置され、前記アクチュエータの前記第２の側面の方向に駆動される第２のビームとを備え、
   前記第１の部分の前記第１の端と前記第２の部分の第１のビームが接触し、前記第１の部分の前記第２の端と前記第２の部分の第２のビームが接触する、請求項１に記載のマイクロ電気機械システムスイッチ。
9. マイクロ電気機械システムスイッチの製造方法であって、
   ベース基板に第１の電気絶縁面を設けるステップと、
   前記第１の電気絶縁面上に半導電性の上部基板を設けるステップと、
   前記上部基板上に第２のビームを画成するステップと、
   前記第２のビームと前記上部基板上に第２の電気絶縁面を設けるステップと、
   前記第２のビーム上に導電層を形成するステップと、
   片持ビームと前記第２のビームとの間に重複しない領域を設けるように、前記上部基板上に前記片持ビームを配置するステップと、
   前記上部基板をアクチュエータとして構成するステップと、
   作動時には前記片持ビームと前記第２のビームとの間に電気経路を設けるステップとを含む方法。
10. 前記重複しない位置は、前記第１及び第２の部分の移動方向において重複していない、請求項９に記載の方法。
    

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