JPH09213191A - 静電型可動接点素子および静電型可動接点集積回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 回路間の接続をより低抵抗で接続を可能にす
ることを目的とする。 【解決手段】 スイッチ１０を閉じて直流電圧５Ｖを固
定電極２と可動電極４との間に印加することで、生じた
静電引力により支持梁５が撓み、可動電極４が固定電極
２に引きつけられ接触する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、電子システムの
相互接続を行う静電型可動接点素子およびそれを用いた
静電型可動接点集積回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路の進展により、電子シス
テムの小型化と同時に機能の革新および規模の拡大はめ
ざましく、これにともないシステム開発コストの増大も
甚だしくなっている。このため、ＬＳＩの開発期間の短
縮が強く求められており、機能の変更や拡張が容易なＦ
ＰＧＡ（Field Programmable Gate Array ）などのプロ
グラマブルＬＳＩが、システムの中核部品として有望視
されている。

【０００３】これまでのＦＰＧＡの実現手法としては、
文献１（Chenming Hu, "Interconnect Device For Fiel
d Programmabl Gate Array,"IEDM92(1992)）などにみら
れるように、ＳＲＡＭ型、Ｅ（Ｅ）ＰＲＯＭ型、アンチ
フューズ型の３種が知られている。ＳＲＡＭ型は、プロ
グラム情報をＳＲＡＭメモリセルに蓄えておき、それに
基づいて論理モジュール間の相互接点をＭＯＳＦＥＴス
イッチのオンオフで制御するものである。

【０００４】また、Ｅ（Ｅ）ＰＲＯＭ型は、プログラム
情報を、ＳＲＡＭメモリセルではなくフローティングゲ
ートＭＯＳＦＥＴに蓄積して制御を行うものである。前
者がＳＲＡＭという揮発性メモリを用いるのに比べ、後
者は不揮発性のフローティングゲート素子を用いている
ことや、相互スイッチ用ＭＯＳＦＥＴをそれ自身で兼用
もできることなどの利点がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、いずれの方式
においても、相互接続点のオンオフをＭＯＳＦＥＴで行
うことは共通であり、導通時の抵抗がｋΩ台の値とな
る。このため、論理モジュール間で信号をやりとりする
際にＲＣ遅延が生じ、高速システムでは使えないという
問題があった。

【０００６】一方、アンチフューズ型では、相互接続点
の電極間に薄い絶縁膜を挿入しておき、プログラム情報
に従って高電圧を印加するなどして強制的に大きな電流
を流し、その薄膜を絶縁破壊させることにより電気的接
続を実現する。従って、この場合は不揮発性であり、再
プログラミングはできない。但し、接続点は低抵抗とな
るので高速化には有利である。しかし、このアンチフュ
ーズ型では絶縁破壊領域の大きさが接続点毎にまちまち
となり、また、絶縁破壊と同時に電極材料がジュール熱
で溶融することもあるので、一般的に抵抗値のバラツキ
が大きいという問題があった。

【０００７】この発明は、以上のような問題点を解消す
るためになされたものであり、より低抵抗で接続を可能
にすることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明の静電型可動接
点素子は、絶縁性基体上に固定された接続部および絶縁
性基体と一定の空隙を隔てて接続部に続く可動な支持部
から構成された支持梁と、支持部下の絶縁性基体上に形
成された第１の電極と、支持部の第１の電極に対向する
面に、第１の電極と所定の空隙をあけて形成された第２
の電極とを少なくとも備えるようにした。第１と第２の
電極間に電位差を与えると、静電引力が発生し、互いに
引き寄せ合う。また、この発明の静電型可動接点集積回
路は、静電型可動接点素子の第１の電極および第２の電
極の互いに対向または近設する電極の間に所定の電圧を
供給する駆動用回路を備えるようにした。発生した静電
引力により、支持梁の支持部が絶縁性基板に引き寄せら
れる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下この発明の実施の形態を図を
参照して説明する。 実施の形態１．図１は、この発明の実施の形態における
静電型可動接点素子の構成を示す構成図である。同図に
おいて、絶縁性基板１（絶縁性基体）の上に固定電極２
（第１の電極）を設け、微小空隙３を隔てて可動電極４
（第２の電極）が支持梁５によって支えられている。

【００１０】固定電極２，可動電極４，それぞれの配線
６，７、そして支持梁５はアルミニウムの薄膜とし、各
電極は１００μｍ×１００μｍの正方形、膜厚０．５μ
ｍとし、各配線は幅１μｍ、厚さ０．５μｍとした。と
ころで、支持梁５は、アルミニウムに限るものではな
く、他の金属薄膜で形成するようにしても良い。また、
支持梁５は、幅５μｍ、厚さ０．５μｍ長さ４０μｍと
し、微小空隙３は、約１μｍとした。そして、電圧源８
は、保護抵抗９およびスイッチ１０を介して、固定電極
２用配線と可動電極４用配線の間に接続した。なお、こ
の実施の形態では、支持梁５が導体であるので、可動電
極４を設けず、この支持梁５を可動電極と兼用するよう
にしてもよい。

【００１１】以上の構成で、スイッチ１０を閉じて直流
電圧５Ｖを固定電極２と可動電極４との間に印加したと
ころ、生じた静電引力により支持梁５が撓み、可動電極
４が固定電極２に引きつけられ接触すると同時に電流が
流れた。このように、固定電極２と可動電極４との対
は、この回路でのもう１つのスイッチとして働くことが
明かであり、その開閉は静電引力の有無によっている。
印加電圧の極性に関して、固定電極２を正，可動電極４
を負とした場合も、また、その逆とした場合も同じよう
に静電引力による接触が生じた。

【００１２】実施の形態２．図２は、この発明の実施の
形態２における静電型可動接点素子の構成を示す構成図
である。同図において、２ａ，２ｂは可動電極４下に互
いに２μｍ離れて近設配置された固定電極（第１の電
極）であり、他は図１と同様である。上述の図２に示し
た構成で、スイッチ１０をオンにすることで固定電極２
ａと可動電極４との間に直流電圧５Ｖを印加したとこ
ろ、上記実施の形態１と同様に、可動電極４は、固定電
極２ａに引き寄せられて２つならんでいる固定電極２
ａ，２ｂに接触した。

【００１３】このことにより、固定電極２ａは、可動電
極４との間だけでなく、固定電極２ｂとの間も導通を得
たことになる。すなわち、図２に示した電流回路の他
に、固定電極用配線６に接続する回路（図示せず）や、
固定電極２ｂに配線を介して接続する回路（図示せず）
との間を接続することができたことになる。

【００１４】ところで、この実施の形態では、固定電極
２ａと可動電極４との間に電圧を印加するようにした
が、これに限るものではなく、固定電極２ｂと可動電極
４との間に電圧を印加するようにしても良いことはいう
までもない。また、固定電極２ａと固定電極２ｂとの間
に、電圧を印加するようにしても良い。この場合、可動
電極４は電圧が印加されないが、それぞれの固定電極２
ａ，２ｂは、近設した可動電極４との間で静電容量結合
を生じている。このため、可動電極４は固定電極２ａ，
２ｂより吸引力を受けることになる。

【００１５】実施の形態３．図３は、この発明の実施の
形態３における静電型可動接点素子の構成を示す構成図
である。同図において、５ａは絶縁物質から構成され、
絶縁性基板１に形成された支持梁である。図２と同様
に、支持梁５ａは可動電極４を支えており、この可動電
極４下に、固定電極用配線６に接続する固定電極２ａと
分離した固定電極２ｂが形成されている。

【００１６】前記実施の形態２では、図２に示すよう
に、固定電極２ａと可動電極４との間に電圧を印加する
ようにしたが、ここでは、固定電極２ａと固定電極２ｂ
との間に所定の電圧を印加する。この電圧印加により、
固定電極２ａと固定電極２ｂは、対向している可動電極
４との間で静電容量結合を生じ、可動電極４は固定電極
２ａ，２ｂより吸引力を受ける。そして、可動電極４
は、固定電極２ａ，２ｂに接触し、固定電極２ａと固定
電極２ｂとの間が導通することになる。

【００１７】以上示したように、絶縁物からなる支持梁
５ａを用いるようにしても、実施の形態２と同様に、固
定電極用配線６に接続する回路（図示せず）や、固定電
極２ｂに配線を介して接続する回路（図示せず）との間
を接続することができることになる。なお、上述では、
図１では１つであった固定電極２を、近設する２つの固
定電極２ａ，２ｂとするようにしたが、これに限るもの
ではなく、近設する３つの，または，４つの電極とする
ようにしても良い。

【００１８】また、支持梁側にの可動電極４を電気的に
分離した近設する２つの電極で構成し、これに対向する
固定電極２は１つとし、２つの可動電極の間に電位差を
与え、固定電極との間に静電引力を発生させるようにし
ても良い。すなわち、図３において、固定電極２ａおよ
び固定電極２ｂと可動電極４とを入れ換えた構成であ
る。この場合においても、可動電極４を電気的に分離し
た近設する３つ以上の電極で構成するようにしても良
い。

【００１９】実施の形態４．図４は、この発明の実施の
形態４における静電型可動接点素子の構成を示す構成図
である。同図において、１１は支持梁５に設けられた可
動電極（第４の電極）、１２は可動電極１１に対向する
ように絶縁性基板１上に形成した固定電極（第３の電
極）である。なお、他は図２と同様である。

【００２０】この実施の形態４において、スイッチ１０
をオンにすることで、固定電極２と可動電極４との間に
電圧を印加すると、それらの間で静電容量結合を生じ、
可動電極４は固定電極２に引きつけられる。そして同時
に、支持梁５に懸架されている可動電極１１は下降し、
固定電極１２と接触することになる。このことにより、
可動電極１１と固定電極１２は導通することになる。す
なわち、これらをスイッチの両端子とみなした回路（図
示していない）を、スイッチ１０のオンオフにより開閉
することができる。

【００２１】実施の形態５．この実施の形態５は、上記
実施の形態４において１つの電極としていた固定電極１
２を、近設する２つの固定電極とし、また、可動電極１
１を絶縁膜を介して形成するようにしたものである。図
５の構成図に示すように、可動電極１１と支持梁５とを
絶縁膜１４で分離し、また、固定電極１２ａ，１２ｂを
電気的に分離して近設すれば、上述のことが達成でき
る。なお、他は図４と同様である。そして、図５に示す
構成においても、スイッチ１０をオンにすることで、固
定電極２と可動電極４との間に電圧を印加すると、それ
らの間で静電容量結合を生じ、可動電極４は固定電極２
に引きつけられる。このことにより、可動電極１１は固
定電極１２ａと固定電極１２ｂとに接続することにな
り、固定電極１２ａと固定電極１２ｂとが、支持梁５と
は絶縁された状態で接続することになる。

【００２２】ところで、絶縁膜１４は配置しなくても良
いが、固定電極１２ａと固定電極１２ｂによるスイッチ
で回路の開閉を行う場合、それら固定電極１２ａ，１２
ｂと支持梁５を介した他の電極とが接続する必要はな
い。むしろ、固定電極１２ａ，１２ｂは支持梁５と絶縁
されている方が、回路外に不要な漏れ電流を発生するこ
となくかえって好都合である。ここで、この固定電極１
２ａ，１２ｂに接続する図示していない回路は、図５に
示している回路とは電気的に分離されているため、固定
電極１２ａ，１２ｂに接続する回路は全く独立に実現で
きる。このように、この実施の形態５によれば、よりシ
ステムへ応用する場合の設計自由度が高いという利点を
有する。

【００２３】実施の形態６．図６は、この発明の第６の
実施の形態における静電型可動接点素子の構成を示す構
成図である。この実施の形態６は、図２と図５の接続を
組み合わせたものである。この実施の形態６の場合、上
記実施の形態５と同様に、固定電極２ａと可動電極４と
の間に電圧を印加してもよいが、固定電極２ａと固定電
極２ｂとの間に電圧を印加するようにしても良い。

【００２４】このことによっても、前述の実施の形態３
でも説明したように、固定電極２ａと固定電極２ｂは、
近設している可動電極４との間で静電容量結合を生じ、
可動電極４は固定電極２ａ，２ｂより吸引力を受ける。
そして、結果として、上記実施の形態５と同様の効果を
奏するものとなる。すなわち、固定電極１２ａと固定電
極１２ｂをスイッチの両端子とみなした回路（図示して
いない）を、スイッチ１０のオンオフにより開閉するこ
とができる。このようにすることで、可動電極には電圧
を印加することがないので、構造が単純化され製造が容
易になる。

【００２５】実施の形態７．図７は、この発明の実施の
形態７における静電型可動接点素子の構成を示す構成図
である。この実施の形態７においては、図７に示すよう
に、絶縁膜１５を可動電極４の表面にも形成するように
した。このことにより、固定電極２ａと固定電極２ｂと
の間に電圧を印加して可動電極４を引きつけても、上記
実施の形態６とは異なり、固定電極２ａと固定電極２ｂ
とが導通状態とはならない。一方、固定電極１２ａと固
定電極１２ｂとは、上記実施の形態６と同様に、導通状
態となる。

【００２６】このように、支持梁５に配置した可動電極
４を引きつけるようにしても、この実施の形態７におい
ては、固定電極２ａと固定電極２ｂとが導通状態となら
ず、この回路には電流が流れない。従って、この場合
は、電圧は供給されるのみでほとんど電力を消費しない
という利点がある。なお、上述では、可動電極４の表面
に絶縁膜１５を形成するようにしたが、可動電極４を形
成せず、可動電極４と同位置に、絶縁膜だけを形成する
ようにしても良い。支持梁５が導電性を有するからであ
る。また、上述では、可動電極４の表面に絶縁膜１５を
形成するようにしたが、この絶縁膜１５は形成せずに、
固定電極２ａ，２ｂ上に絶縁膜を形成するようにしても
同様である。

【００２７】実施の形態８．図８は、この発明の実施の
形態８における静電型可動接点素子の構成を示す構成図
である。同図に示すように、この実施の形態８において
は、固定電極２ａ，２ｂに対向して支持梁５に絶縁膜１
５を形成した上に、可動電極４ａおよび可動電極４ｂを
近設して形成するようにした。固定電極２ａと支持梁５
もしくは固定電極２ａと固定電極２ｂとの間に電圧を印
加することで、固定電極２ａ，２ｂ，１２ａ，１２ｂ側
に支持梁５を引きつけたとき、固定電極２ａ，２ｂは、
可動電極４ａ，４ｂと接触することになる。このように
しても、上記実施の形態７と同様に、支持梁５に配置し
た可動電極４ａ，４ｂを引きつけるようにしても、固定
電極２ａと支持梁５もしくは固定電極２ａと固定電極２
ｂとの間に電流が流れることがない。

【００２８】ところで、上述では、断面構造図で説明す
る都合上、各電極や支持梁などを横１列方向に並べた
が、これらは２次元平面上で考えれば、より自由な配置
が可能であることはいうまでもない。また、電極材料と
してアルミニウムを例示したが、これに限るものではな
く、半導体電子素子で用いられる他の材料を用いるよう
にしても良い。例えば、ポリシリコンなどの半導体材
料、タングステンやモリブデンなどの高融点金属、各種
金属シリサイド、チタンや窒化チタン、銅や白金および
金など様々な材料を用いることができる。

【００２９】一方、支持梁の材料としては、アルミニウ
ムや上述した導電体の他に、二酸化シリコン，窒化シリ
コン，窒化アルミニウムなどの絶縁材料を用いることも
できる。また、上述では、支持梁の基板への固定は、片
側の一カ所としているが、両側を固定した梁構造として
も良いことはいうまでもない。また、梁の本数も、一方
向に一本とは限らず、複数本の梁を用いるようにしても
良い。

【００３０】実施の形態９ 図９は、この発明の実施の形態９における静電型可動接
点集積回路の構成を示す構成図であり、可動のための電
圧を供給する電気回路（駆動用集積回路）を組み込んだ
状態を示している。同図において、９１はｐ型のシリコ
ンからなる基板、９２は素子分離用の絶縁層、９３は基
板９１表面の所望の領域に形成されたｎウエル、９４は
ゲート絶縁膜、９５ａはｐＭＯＳＦＥＴのゲート電極、
９５ｂはｎＭＯＳＦＥＴのゲート電極、９６はｎ形の不
純物が導入されたｎＭＯＳＦＥＴのソース・ドレイン領
域、９７はｐ形の不純物が導入されたｐＭＯＳＦＥＴの
ソース・ドレイン領域、９８は層間絶縁膜である。

【００３１】また、９９はドレイン引き出し電極、１０
０は出力引き出し電極、１０１はソース引き出し電極、
１０２は層間絶縁膜、１０３はドレイン引き出し電極９
９に接続するＶＤＤ端子、１０４はソース引き出し電極
１０１および支持梁５に接続するＧＮＤ端子、１０５は
出力引き出し電極１００と固定電極２とを接続する出力
用ビア配線であり、他はほぼ図５と同様である。ただ
し、ここでは、可動電極４が絶縁膜１５を介して支持梁
５に形成されている。そして、ゲート電極９５ａとゲー
ト電極９５ｂには、図示していないが、共通の配線によ
って同一の電位が与えられ、これらで駆動用のＣＭＯＳ
インバータ回路１０６が形成されている。

【００３２】このＣＭＯＳインバータ回路１０６の動作
により、出力引き出し電極１００の電位が変化するの
で、固定電極２と支持梁５の間の電圧が変化する。この
動作に合わせて、支持梁５の可動部分は上下に運動し、
可動電極４および可動電極１１が上下する。そして、固
定電極１２ａ，１２ｂの間が、可動電極１１により開閉
される。以上示したように、この実施の形態９によれ
ば、静電型可動接点素子の駆動用の電圧供給回路（ＣＭ
ＯＳインバータ回路）をその静電型可動接点素子の下に
組み込むようにしたので、占有面積が小さくなる。ま
た、電圧供給回路と静電型可動接点素子との接続配線も
最短距離となるので、全体として高速動作が可能とな
る。

【００３３】実施の形態１０．図１０は、この発明の実
施の形態１０における静電型可動接点集積回路の構成を
示す構成図であり、可動のための電圧を供給する電気回
路を組み込んだ状態を示している。この実施の形態１０
では、ドレイン引き出し電極９９に固定電極２ａを接続
し、出力引き出し電極１００には固定電極２ｂを接続す
るようにしている。そして、固定電極２ｂに対向するよ
うに可動電極４ｂを配置し、また、支持梁５は回路より
分離している。

【００３４】この実施の形態１０においては、ＣＭＯＳ
インバータ回路１０６の動作により、出力引き出し電極
１００の電位が変化し、固定電極２ａと固定電極２ｂの
間の電圧が変化する。固定電極２ａと固定電極２ｂの間
に電位差が発生したとき、静電引力が生じ、支持梁５を
引きつける。そして、この動作に合わせて、支持梁５の
可動部分は上下に運動し、可動電極４ａ，４ｂおよび可
動電極１１が上下する。そして、固定電極１２ａ，１２
ｂの間が、可動電極１１により開閉される。以上示した
ように、この実施の形態１０においても、上記実施の形
態９と同様に、占有面積を小さくすることが可能とな
り、また、電圧供給回路と静電型可動接点素子との接続
配線も最短距離となり、全体として高速動作が可能とな
る。

【００３５】ところで、上記実施の形態９，１０で示し
た静電型可動接点集積回路を、一つの基板に複数組集積
化し、任意のＣＭＯＳインバータ回路を選んで動作させ
る選択回路を同時に集積化することで、多接点集積回路
が実現できる。この、多接点集積回路によれば、所望の
接点の開閉状態をプログラムデータに応じて切り替える
ことが可能となり、これを用いれば、ＦＰＧＡを構成す
ることが可能となる。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、この発明では、電
圧を印加することで第１の電極と第２の電極の間に電位
差を発生させ、このことにより発生した静電引力により
支持梁を引き寄せることで、オンオフ動作をさせるよう
にした。この結果、この発明によれば、回路間をより低
抵抗で接続可能にできるという効果がある。そして、こ
れらを複数組み合わせることで、高速性に優れたＦＰＧ
Ａなどを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１における静電型可動
接点素子の構成を示す構成図である。

【図２】 この発明の実施の形態２における静電型可動
接点素子の構成を示す構成図である。

【図３】 この発明の実施の形態３における静電型可動
接点素子の構成を示す構成図である。

【図４】 この発明の実施の形態４における静電型可動
接点素子の構成を示す構成図である。

【図５】 この発明の実施の形態５における静電型可動
接点素子の構成を示す構成図である。

【図６】 この発明の第６の実施の形態における静電型
可動接点素子の構成を示す構成図である。

【図７】 この発明の実施の形態７における静電型可動
接点素子の構成を示す構成図である。

【図８】 この発明の実施の形態８における静電型可動
接点素子の構成を示す構成図である。

【図９】 この発明の実施の形態９における静電型可動
接点集積回路の構成を示す構成図である。

【図１０】 この発明の実施の形態１０における静電型
可動接点集積回路の構成を示す構成図である。

【符号の説明】

１…絶縁性基板、２…固定電極、３…微小空隙、４…可
動電極、５…支持梁、６，７…配線、８…電圧源、９…
保護抵抗、１０…スイッチ。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁性基体上に固定された接続部および
   前記絶縁性基体と一定の空隙を隔てて前記接続部に続く
   可動な支持部から構成された支持梁と、 前記支持部下の前記絶縁性基体上に形成された第１の電
   極と、 前記支持部の前記第１の電極に対向する面に、前記第１
   の電極と所定の空隙をあけて形成された第２の電極とを
   少なくとも備えたことを特徴とする静電型可動接点素
   子。
2. 【請求項２】 請求項１記載の静電型可動接点素子にお
   いて、 前記支持部下の前記絶縁性基体上に形成された第３の電
   極と、 前記支持部の前記第３の電極に対向する面に、前記第３
   の電極と所定の空隙をあけて形成された第４の電極とを
   少なくとも備えたことを特徴とする静電型可動接点素
   子。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載の静電型可動接点
   素子において、 前記第２の電極または第４の電極は、絶縁膜を介して形
   成されていることを特徴とする静電型可動接点素子。
4. 【請求項４】 請求項１または２記載の静電型可動接点
   素子において、 前記第１の電極または第２の電極は、他の電極と対向す
   る面上に絶縁膜が形成されていることを特徴とする静電
   型可動接点素子。
5. 【請求項５】 請求項１から４いずれか１項記載の静電
   型可動接点素子において、 前記第１，第２，第３，または，第４の電極の少なくと
   も１つが、電気的に分離された近設する２つ以上の電極
   から構成されていることを特徴とする静電型可動接点素
   子。
6. 【請求項６】 請求項１から５いずれか１項記載の静電
   型可動接点素子を設けた静電型可動接点集積回路におい
   て、 前記第１の電極および第２の電極の互いに対向または近
   設する電極の間に所定の電圧を供給する駆動用回路を備
   えたことを特徴とする静電型可動接点集積回路。
7. 【請求項７】 請求項６記載の静電型可動接点集積回路
   において、 前記駆動用回路は、前記静電型可動接点素子の下に形成
   されていることを特徴とする静電型可動接点集積回路。
8. 【請求項８】 請求項７記載の静電型可動接点集積回路
   において、 前記第１から第４の電極の少なくとも２つに接続する選
   択回路を有し、前記静電型可動接点素子および駆動用回
   路が複数備えて集積されていることを特徴とする静電型
   可動接点集積回路。