JPH08506690A - ハイブリッド駆動装置を備えたマイクロメカニカルなリレー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 マイクロメカニカルなリレーは、可動子基板（５２）からエッチングされた舌片状の可動子（５３）を有している。この可動子は、弾性的に可動子基板に結合されており、下方に位置するベース基板（５１）のベース電極（５８）と一緒に静電駆動装置を形成している。さらに、この可動子（５３）には圧電層（６０）が設けられている。この圧電層は撓みトランスデューサとして働き、付加的な駆動装置を形成している。可動子（５３）、ベース基板（５１）および圧電層（６０）の電極に電圧が印加されると、可動子はベース基板に引付けられ、次いで、ベースに大きな面にわたって載置され、これにより少なくとも１つのコンタクトが（５５，５６）が閉じる。この場合、静電駆動装置および圧電駆動装置の異なる特性が重畳されるので、可動子運動開始時に強い引付け力が生ぜしめられると共に、可動子引付け後にも強いコンタクトカが生ぜしめられる。

Description

【発明の詳細な説明】 ハイブリッド駆動装置を備えたマイクロメカニカルなリレー 本発明は、マイクロメカニカルなリレーであって、面状のベース電極と、少な くとも１つの固定の対応コンタクト片とを支持するベース基板が設けられており 、さらに少なくとも１つの可動子が設けられており、該可動子が、舌片の形で一 方の側で支持体に弾性的に結合されており、ベース電極に対向して位置する可動 子電極ならびに対応コンタクト片に対向して位置する可動子コンタクト片を有し ていて、可動子電極とベース電極との間に電圧が印加された時に、可動子がベー ス基板に引付けられるようになっている形式のものに関する。 静電駆動装置を備えたマイクロメカニカルなリレーは、例えば論文［Minoru S akata著、「An Electro-static Microactuator for Electro-Mechanical Relay 」、IEEE Micro Electro Mechanical Systems，1989年2月 第149〜151頁］に基 づき公知である。この公知の装置の場合、シリコン基板から露出エッチングされ た可動子が、２つのトーションウェブを介して中心線で支承されて、この可動子 の両翼部のそれぞれが、下方に位置するベース電極に対向して位置している。 このようなリレーの静電励起のためには、その都度電圧が可動子電極と、両ベー ス電極のうちの１つとの間で印加されるので、可動子が、選択的に一方の側また は他方の側への旋回運動を行う。ベースに対するトーション支承部の距離のため に、旋回運動後にもある程度の楔状のエアギャップが両電極相互間に形成され続 けるので、静電引付け力は僅かにしか残らない。このことはコンタクト力をも相 対的に小さくしてしまう。 ドイツ連邦共和国特許第３２０７９２０号明細書において既に、静電リレーの 製造方法が記載されている。この公知の製造方法においては、可動子が、結晶半 導体材料から成るフレームプレートからエッチングされる。このフレームプレー トと一緒に、可動子が絶縁性のベースに載置される。このベースは、対向電極を も支持している。しかしながら、可動子と対向電極との間には、比較的大きな距 離が存在する。この距離は、可動子が引付けられているときにも残る。可動子と 対向電極相互のこのような間隔において所望のコンタクト力を生ぜしめるために は、この公知のリレーの場合、比較的大きな電圧が必要となる。 一般的に見てリレーのための静電駆動装置の欠点は、可動子運動開始時に、つ まり、両電極相互の間隔が大きい場合に、引付け力が比較的小さいので、このリ レーが遅れてしか応答しないか、もしくは高い応答電圧を必要としてしまうこと である。従って本発明の課題 は、冒頭で述べた形式のマイクロメカニカルなリレーを改良して、応答特性が改 善されるような、すなわち、静電駆動装置の利点である、可動子が引付けられて いるときの比較的高いコンタクト力がそのまま残されると共に応答開始時の力が 高められるようなリレーを提供することである。 この課題を解決するために本発明の構成では、可動子が少なくとも部分的に、 撓みトランスデューサとして作用する圧電層を備えており、該圧電層の撓み力が 励起時に、ベース電極と可動子電極相互間の静電的な引付け力を助成するように なっているようにした。 本発明によるリレーの場合、可動子が、静電駆動装置に加えて圧電駆動装置を 備えている。このように形成されたハイブリッド駆動装置の場合、２つの駆動系 の特性が有利に組合わされて、一方の駆動装置の利点がその都度他方の駆動装置 の欠点を補償する。すなわち、圧電駆動装置は可動子を大きな距離にわたって、 もしくは大きな切替行程にわたってシフトすることができるものの、可動子が大 きく変位しているとき、つまり作業位置においては小さな力しか生ぜしめない。 これに対して、静電駆動装置は作業位置、つまり可動子が引付けられているとき には、大きなコンタクト力を生ぜしめるものの、可動子運動開始時、つまり両電 極の相互間隔が大きいときの静電引付け力は僅かにすぎない。 本発明によるリレーは、可動電極と圧電層とを支持する舌片の形の可動子が、 一方の側で可動子基板に旋回可能に結合されている。このようなリレーの場合、 可動子とベース相互間に形成された多かれ少なかれ楔形状を成すエアギャップに よって、初めから比較的高い静電引付け力が生ぜしめられるが、しかし、この静 電引付け力は、圧電力との重畳によってさらに改善される。この場合、ベース電 極が、ベース基板の斜めにエッチングされた区分に配置されて、可動子電極が、 静止状態においてはベース電極と一緒に前記楔状のエアギャップを形成し、励起 状態においてはほぼ平行にベース電極に当て付けられるようになっていると有利 である。このようになっていると、可動子が引付られたあとには、必要となる薄 い絶縁層を除いて、両電極間にエアギャップが残されることは決してないので、 比較的高いコンタクト力が得られる。 以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。 第１図は、一方で支承された舌片状の可動子を備えたハイブリッドリレーを示 す図である。 第２図は、第１図のリレーの可動子基板およびベース基板に設けられた層を示 す拡大断面図（寸法通りではない）である。 第３図は、ハイブリッドリレーの概略的な制御回路図である。 第４図は、ハイブリッドリレーの力を示す概略的な線図である。 第１図には、マイクロメカニカルなハイブリッドリレーが概略的に示されてい る。見易さのために実際の寸法の関係は無視している。このハイブリッドリレー には、ベース基板５１が設けられている。このベース基板５１は例えばシリコン から成っていてよいが、有利にはパイレックスガラス（Pyrex-Glas）から成って いてもよい。このベース基板５１上には、可動子基板５２が配置されて固定され ている。この可動子基板は有利にはシリコンから成っていてよい。このような可 動子基板５２には、舌片状の可動子５３が、エッチングによって露出された表面 域として形成されている。このベース基板５１と可動子基板５２とは、エッチン グによって露出された領域の縁部で結合されているので、可動子５３は閉じたコ ンタクト室５４内に位置している。 可動子の自由端は可動子コンタクト片５５を有している。この可動子コンタク ト片は、ベース基板の固定の対応コンタクトエレメント５６と協働する。さらに 可動子には、この可動子の前記ベースに向いた表面域に、金属層の形の可動子電 極５７が配置されている。この可動子電極は、ベース基板のベース電極５８に対 向して位置している。これらの可動子電極５７およびベース電極５８は、リレー のための静電駆動装置を形 成している。ベース電極５８は、ベース基板の斜め面取り区分５９に配置されて いるので、可動子電極５７は、第１図のように可動子が引付けられた状態におい ては、ベース電極５８に一貫して平行に載置されている。 さらに、可動子５３は圧電層６０の形の圧電駆動装置を有している。この圧電 層は撓みトランスデューサとして働き、特に可動子運動開始時に、可動子のため に必要な引付け力を付与する。 第１図において符号６４で概略的にのみ示してはいるが、勿論、コンタクト片 ５５，５６ならびに両電極５７，５９、および圧電トランスデューサ６０の図示 していない電極への給電線路が設けられなければならない。これらの給電線路は 、汎用の膜技術で被着される。勿論個々の導体路は１平面内に相並んで位置する ことができる。こうして可動の可動子コンタクト片５５への給電線路は、可動子 電極５７と１平面内に位置することができ、この平面内部で適当な間隙によって この電極から分離することができる。可動子５３の舌片端部は長手方向スリット によって、例えば互いに可動の３つの端部に分割することもできる。このように すると、可動子コンタクト片５５を備えた舌片端部は、コンタクト力を高めるた めに弾性的に撓むことができ、これに対して、電極層が載置された側方の舌片端 部は、ベース電極５８に面状に載置されている。念のために 述べておくが、特に図示されてはいないが、異なる電位の層の絶縁は適当な絶縁 層によって確実に行われる。 第２図においては、リレーを形成する組立て前の２つの部分が、層を強調する ために、若干拡大された状態で再度示されている。ただしこの概略図においては 、ジオメトリックな関係が個々の層の実際の長さおよび厚さに寸法通りに相当す る訳ではない。製造時には、可動子基板５２から、可動子５３を形成する舌片が 選択的なエッチングを行うことにより露出される。つまりこのような舌片は、基 板自体と同じシリコンから成ってはいるが、しかし、ドーピングによって耐エッ チング性にさせられている。この舌片上にはＳｉＯ₂層が絶縁層として形成され 、この絶縁層には金属層が被着される。この金属層は例えばアルミニウムから成 っており、一方では可動子電極５７を形成し、他方では可動子コンタクト片５５ のための給電線路と、あとで被着されるようになっている圧電層６０のための内 側の電極６１をも形成する。各金属面または各線路が互いに絶縁されなければな らない場合には、このような絶縁は適当な長手方向中断部によって行われる。圧 電層６０形成のあとで、この圧電層の外側の電極６２がやはり金属層として被着 される。舌片つまり可動子５３の自由端に、可動子コンタクト片５５が電気メッ キされる。さらに、この舌片の前端部が２つのスリット によって、スイッチばねと、側方に位置する２つの静電可動子エレメントとに分 割されてよい。 ベースはベース基板５１から、やはりシリコンまたはパイレックスガラスから エッチングされることによって製造される。第１のエッチング工程において、異 方性または等方性にトラフ５４ａが製造される。このトラフの底部はウェーハ表 面に対して平行である。次いで第２のエッチング工程においては、斜め面取り部 ５９を形成するための楔状の切欠きが公知技術によってエッチングされる。この 斜め面取り部は基板表面に対してフラットな角度を成して傾斜している。この傾 斜はこの図面では誇張して示されている。実際の例では、この角度は３゜オーダ である。次いで、エッチングされたこの表面形状に、ベース電極５８と必要な給 電線路とを形成するための金属層が形成される。対応コンタクトエレメントが電 気メッキにより形成される。さらに、例えばＳｉＯ₂から成る絶縁層６３が、従 来の形式で被着される。この実施例に変更を加えて、圧電層６０が舌片の全長に わたって延びてもよい。このようにすると、この圧電層が可動子電極５７とベー ス電極２８相互間の絶縁層として作用するので、付加的な絶縁層６３は不要であ る。 ベース基板５１と可動子基板５２とは公知の形式で、例えば陽極ボンディング によって接合される。このとき、金属層への適当な給電線路も設けられる。なお 、 このような給電線路については図示されていない。 第３図は、第１図に示されたハイブリッド駆動装置のための簡単な回路を示し ている。ベース電極１１が可動子電極２３に対して並列に位置している。これら のベース電極と可動子電極とはプレート状に互いに対向して位置しており、電圧 源４０からの電圧印加時には静電駆動装置として役立つ。このような静電駆動装 置に対して並列に、電極４２，４３を備えた圧電トランスデューサ４１が位置し ている。電極４３は、可動子電極２３と同じ層によって形成されていてよい。ス イッチ４４を介して、ベース電極１１と可動子電極２３とを備えた静電駆動装置 ならびに電極４２，４３を備えた圧電駆動装置は並列に電圧源４０に接続するこ とができる。両駆動装置は同時に応答し、各コンタクトを閉じるための両駆動装 置の力を重畳する。 両駆動装置の特性曲線が第４図において概略的に示されている。可動子距離Ｓ を示す座標軸に関連して力Ｆがプロットされている。可動子距離が値ａを有する ような静止状態においては、符号ｆ１で示された静電力は比較的僅かである。こ の静電力は、ベース電極に可動子が接近するにつれて増大し、可動子距離Ｓがほ ぼ０になったときに高い値に達する。符号ｆ２で示された圧電引付け力は、可動 子の運動開始時、つまり可動子距離が大きいときに最大である。この圧電引付け 力は、撓みトランスデューサの、ベース電極に向かう 変位が増大するにつれて小さくなる。これにより、圧電力ｆ２は可動子距離ａが 大きい場合にｆ１の小さな値を補償し、これに対して、静電力ｆ１は可動子閉鎖 後に圧電力ｆ２の小さな値を補償する。これにより、全移動経過にわたって、弾 性的な支承ストリップの、反対に作用するばね力ｆ４に打勝とうとし、かつ可動 子が閉鎖されているときに大きなコンタクト力を生ぜしめようとするような力ｆ ３の全特性曲線が得られる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 シュラーク， ヘルムート ドイツ連邦共和国 Ｄ―13503 ベルリン シュヴァープステッター ヴェーク 30 アー

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．マイクロメカニカルなリレーであって、面状のベース電極（５８）と、少な くとも１つの固定の対応コンタクト片（５６）とを支持するベース基板（５１） が設けられており、さらに少なくとも１つの可動子（５３）が設けられており、 該可動子が、舌片の形で一方の側で支持体（５２）に弾性的に結合されており、 ベース電極（５８）に対向して位置する可動子電極（５７）ならびに対応コンタ クト片（５６）に対向して位置する可動子コンタクト片（５５）を有していて、 可動子電極（２３，５７）とベース電極（１１；５８）との間に電圧が印加され た時に、可動子がベース基板に引付けられるようになっている形式のものにおい て、 可動子（５３）が少なくとも部分的に、撓みトランスデューサとして作用する 圧電層（６０）を備えており、該圧電層の撓み力が励起時に、ベース電極と可動 子電極相互間の静電引付け力を助成するようになっていることを特徴とする、マ イクロメカニカルなリレー。 ２．可動子電極（５７）が、休止状態ではベース電極（５８）と楔状のエアギャ ップを形成し、励起状態ではほぼ平行にベース電極に当て付けられるように、ベ ース電極（５８）が、ベース基板（５１）の斜め にエッチングされた区分に配置されている、請求項１記載のリレー。 ３．可動子（５３）が、半導体材料、特にシリコンから成る可動子基板（５２） の、エッチングによってアンダカットして３面を露出させた表面層から形成され ており、シリコンまたはパイレックスガラスから形成されたベース基板（５１） が、可動子基板（５２）の表面に結合されている、請求項１または２記載のリレ ー。