JPH11185586A - 静電マイクロリレーおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 接点寿命が長いとともに、所望の接触荷重を
確保でき、接触信頼性の高い静電マイクロリレーを提供
することにある。 【解決手段】 可動接触片２５の可動電極２２の上面に
中間絶縁膜２３を介して補助ばね層２４を形成する。さ
らに、前記中間絶縁膜２３のうち、前記可動接点２６の
直上に位置する部分を部分的に除去して空隙部２７を形
成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は静電マイクロリレ
ー、特に、非線形のばね定数を有する可動接触片を備え
た静電マイクロリレーに関する。

【０００２】

【従来の技術と発明が解決しようとする課題】従来、静
電マイクロリレーとしては、例えば、ベースの上面に固
定電極および固定接点を配置する一方、前記ベースの上
方で略平行に対向するアクチュエータの下面側に可動電
極を配置するとともに、この可動電極に絶縁膜を介して
可動接点を配置したものが考えられている。そして、対
向する前記固定電極および可動電極間に電圧を印加する
と、静電引力が生じる。このため、ベースの固定電極に
アクチュエータの可動電極が吸引されてアクチュエータ
がベース側に弾性変形し、可動接点が固定接点に接触し
た後、可動電極が固定電極に吸着する。

【０００３】前述の静電マイクロリレーは、アクチュエ
ータが均一、かつ、内実の断面形状を有している。そし
て、対向する固定電極および可動電極間に電圧を印加し
た場合における静電引力および変位の関係を図示する
と、図１１となる。一般に、アクチュエータのばね力
は、静電引力の吸引力曲線の下方側で変化するように設
計されている。

【０００４】一方、図１１から明らかなように、従来の
アクチュエータのばね定数は直線で示される線形であ
る。このため、大きな接触荷重を確保すべく、アクチュ
エータのばね定数を大きくすると、図１１においてばね
定数を示す直線の傾斜角度が大きくなる。この結果、接
点の突き出し量の許容値が小さくなり、接点摩耗によっ
て接点寿命が短くなる。逆に、接点の突き出し量の許容
値を大きくすべく、アクチュエータのばね定数を小さく
すると、図１１においてばね定数を示す直線の傾斜角度
が小さくなる。このため、所望の接触荷重が得られず、
接触信頼性が低下するという問題点がある。

【０００５】本発明は、前記問題点に鑑み、接点寿命が
長いとともに、所望の接触荷重を確保でき、接触信頼性
の高い静電マイクロリレーを提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明にかかる静電マイ
クロリレーは、前記目的を達成するため、ベースの上面
に固定電極および固定接点を配置する一方、前記ベース
の上方で略平行に対向するアクチュエータの可動接触片
の下面側に、前記固定電極に対向する可動電極を形成す
るとともに、この可動電極の下面に絶縁膜を介して前記
固定接点に対向する可動接点を配置し、前記固定電極お
よび可動電極間に電圧を印加して生じる静電引力で前記
可動接触片を駆動し、前記可動接点を前記固定接点に接
離する静電マイクロリレーにおいて、前記可動接触片
が、前記可動電極の上面に中間絶縁膜を介して補助ばね
層を積層するととともに、前記中間絶縁膜のうち、前記
可動接点の直上に位置する部分を部分的に除去して空隙
部を形成した構成としてある。

【０００７】前記アクチュエータの可動接触片は、その
両端部を支持された両端支持梁形状であってもよい。ま
た、前記アクチュエータの可動接触片は、その一端部を
支持した片持ち梁形状であってもよい。さらに、前記ア
クチュエータの可動接触片は、その周辺縁部を支持した
ダイヤフラム形状であってもよい。

【０００８】前記可動接触片は、その補助ばね層のう
ち、前記空隙部に接する部分を薄肉としてもよい。ま
た、前記可動接触片は、その補助ばね層のうち、前記空
隙部に接する部分に一対のスリットを設けてもよい。

【０００９】前記可動接触片の可動電極および補助ばね
層は、シリコンウエハで形成してもよい。また、前記ベ
ースは、ガラスウエハで形成しておいてもよい。

【００１０】前記空隙部が平面円形であるとともに、前
記可動接点がリング形状であってもよい。

【００１１】前記可動電極および前記補助ばね層のう
ち、前記空隙部に面する部分の少なくともいずれか一方
に貫通孔を設けておいてもよい。

【００１２】また、本発明にかかる静電マイクロリレー
は、その目的を達成するため、ベースの上面に固定電極
および固定接点を配置する一方、前記ベースの上方で略
平行に対向するアクチュエータの可動接触片の下面側
に、前記固定電極に対向する可動電極を形成するととも
に、この可動電極の下面に絶縁膜を介して前記固定接点
に対向する可動接点を配置し、前記固定電極および可動
電極間に電圧を印加して生じる静電引力で前記可動接触
片を駆動し、前記可動接点を前記固定接点に接離する静
電マイクロリレーの製造方法において、前記可動電極の
上面に中間絶縁膜を介して補助ばね層を積層した後、前
記中間絶縁膜のうち、前記可動接点の直上に位置する部
分を部分的に除去して空隙部を形成する方法で製造して
もよい。

【００１３】

【発明の実施の形態】次に、本発明にかかる実施形態を
図１ないし図１０の添付図面に従って説明する。第１実
施形態にかかる静電マイクロリレーは、図１ないし図６
に示すように、ベース１０と、アクチュエータ２０とか
らなるものである。前記ベース１０は、シリコンウエハ
１１の上面に形成した絶縁膜１２の上に、一対の固定接
点１３，１３（図１中、手前側の固定接点は図示せず）
を形成するとともに、これらにそれぞれ電気接続したプ
リント配線（図示せず）および接続パッド１４を形成し
たものである。さらに、前記固定接点１３の近傍には、
固定電極１５を形成してある。

【００１４】前記アクチュエータ２０は、絶縁膜２１、
可動電極２２、中間絶縁膜２３および補助ばね層２４の
４層構造であり、前記ベース１０の上面周辺縁部に接合
一体化することにより、密封した内部空間２０ａを形成
する。また、シリコンウエハからなる可動電極２２の下
面には絶縁膜２１を介して可動接点２６を設けてある。
一方、前記中間絶縁膜２３のうち、前記可動接点２６の
直上に位置する部分を部分的に除去することにより、空
隙部２７が形成されている。さらに、前記可動電極２２
の下面縁部が、ベース１０の上面縁部に設けた接続パッ
ド１４に電気接続されている。

【００１５】次に、前述の構造を有する静電マイクロリ
レーの製造方法について説明する。まず、図２（ａ）に
示すように、下面にアライメントマーク用の凹部を形成
した単結晶シリコンウエハ１１の上面に熱酸化膜からな
る絶縁膜１２を形成する。そして、この絶縁膜１２に２
個の固定接点１３，１３（図２（ｂ）中、手前側の固定
接点は図示せず）を並設するとともに、前記固定接点１
３にそれぞれ電気接続したプリント配線（図示せず）お
よび接続パッド１４を設ける。さらに、前記固定接点１
３近傍に固定電極１５およびこれに電気接続したプリン
ト配線（図示せず）、接続パッド（図示せず）を形成す
る。なお、固定接点等の形成方法としては、例えば、ス
パッタリング、蒸着などの半導体プロセスの他、スクリ
ーン印刷が挙げられる。したがって、シリコンウエハの
上面縁部には４個の接続パッド１４が形成される。

【００１６】次に、図３（ａ）に示すように、下面に酸
化膜からなる中間絶縁膜２３を形成した単結晶シリコン
ウエハ３０にエッチング加工を施し、前記絶縁膜２３の
一部を除去して空隙部２７を形成する。そして、前記絶
縁膜２３を介して別体の単結晶シリコンウエハ３１を接
合一体化する（図３（ｂ））。さらに、前記シリコンウ
エハ３１をウェットエッチングあるいはＣＭＰ（化学機
械研磨）法等で１０ないし２０μｍまで一様にシンニン
グする（図３（ｃ））。ついで、前記シリコンウエハ３
１のうち、固定接点１３、固定電極１５およびプリント
配線と重なる部分をエッチングで除去するとともに、凹
所３３を形成する（図３（ｄ））。さらに、前記シリコ
ンウエハ３１の下面に酸化膜からなる絶縁膜２１を形成
した後、この絶縁膜２１のうち、可動接触片２５の可動
電極２２を電気接続するために部分的に除去し、可動電
極２２の縁部下面を露出させる（図３（ｅ））。そし
て、前記絶縁膜２１上に可動接点２６を形成するととも
に、絶縁膜２１を除去した部分に中継用接続パッド２７
ａを形成する（図３（ｆ））。

【００１７】ついで、ベース１０の絶縁膜１２にアクチ
ュエータ２０となる前記シリコンウエハ３０を直接接合
一体化した後（図４（ａ））、シリコンウエハ３０を所
定の厚さまでＣＭＰ，エッチング等でシンニングする
（図４（ｂ））。そして、絶縁膜２１，可動電極２２，
中間絶縁膜２３および補助ばね層２４を、エッチング，
ダイシング等で部分的に除去し、アクチュエータ２０か
ら両端支持梁形状の可動接触片２５を切り出すことによ
り、接続パッド１４が露出し、本実施形態にかかる静電
マイクロリレーが完成する（図４（ｃ））。

【００１８】次に、前述の構造を有する静電マイクロリ
レーの動作について説明する。接続パッド１４を介して
固定電極１５および可動電極２２に電圧が印加されてい
ない場合には、可動接点２６が固定接点１３から開離し
ている（図５（ａ））。

【００１９】そして、前記固定電極１５および可動電極
２２間に電圧を印加すると、両者間に静電引力が生じ
る。このため、アクチュエータ２０の可動電極２２が吸
引されて可動接触片２５が下方側に膨らみ、可動接点２
６が固定接点１３に接触する（図５（ｂ））。このと
き、可動接触片２５のばね定数は図６中の（I）とな
る。さらに、可動接触片２５が静電引力で吸引され、撓
んだ可動電極２２の弾性変形部２８が補助ばね層２４の
天井面に当接した後（図５（ｃ））、補助ばね層２４を
上方に押し上げる。このため、可動接触片２５のばね定
数が増大して図６中の（II）となる。さらに、可動電極
２２の弾性変形部２８が補助ばね層２４を上方に押し上
げ（図５（ｄ））、可動電極２２が絶縁膜２１を介して
固定電極１５に吸着する。

【００２０】ついで、前述の電圧の印加を解除すると、
静電引力が消失するので、アクチュエータ２０が自己の
ばね力で弾性復帰し、前述の動作と逆の動作を繰り返し
て元の状態に復帰する。

【００２１】第２実施形態は、図７に示すように、アク
チュエータ２０に略コ字形状のスリット２９を設けて可
動接触片２５を片持ち梁形状とした場合であり、第１実
施形態と同一部分に同一番号を付して説明する。なお、
本実施形態にかかる静電マイクロリレーの製造方法は前
述の第１実施形態とほぼ同様であるので、説明を省力す
る。

【００２２】この実施形態の動作について説明する。接
続パッド１４を介して固定電極１５および可動電極２２
に電圧が印加されていない場合には、可動接点２６が固
定接点１３から開離している。

【００２３】そして、前記固定電極１５および可動電極
２２間に電圧を印加することにより、静電引力が生じ
る。このため、可動接触片２５の可動電極２２が吸引さ
れて下方側にたわみ、可動接点２６が固定接点１３に接
触する。この結果、可動接触片２５のばね定数が増大す
る。さらに、可動接触片２５が静電引力で吸引され、可
動電極２２の弾性変形部２８が上方に撓んで補助ばね層
２４の天井面に当接するので、可動接触片２５のばね定
数がより一層増大する。このため、弾性変形部２８が補
助ばね層２４を上方に押し上げて弾性変形させ、可動電
極２２が絶縁膜２１を介して固定電極１５に吸着する。

【００２４】ついで、前述の電圧の印加を解除すると、
静電引力が消失するので、可動接触片２５自身のばね力
によって弾性復帰し、前述の動作と逆の動作を繰り返し
て元の状態に復帰する。

【００２５】本実施形態によれば、アクチュエータ２０
に略コ字形状のスリットを設けて片持ち梁形状となって
いるので、小さな駆動力で可動接触片２５を駆動でき、
駆動電圧を低減できるという利点がある。

【００２６】第３実施形態は、図８に示すように、アク
チュエータ２０に平面円形の空隙部２７を形成するとと
もに、リング形状の可動接点２６を設けた場合である。
そして、前記弾性変形部２８および絶縁膜２１のうち、
前記リング形状の可動接点２６の中心に位置する部分
に、前記空隙部２７に連通する貫通孔２８ａを設けてあ
る。

【００２７】本実施形態によれば、貫通孔２８ａを介し
て空隙部２７を形成できるので、空隙部２７内が負圧に
なることがない。このため、弾性変形部２８に歪みが生
じない。また、前記空隙部２７内における空気の出入り
が自由となり、弾性変形部２８の変形が容易となるの
で、動作特性が向上するという利点がある。

【００２８】第４実施形態は、図９に示すように、ガラ
スウエハ１６からなるベース１０に、片持ち梁形状のア
クチュエータ２０を接合一体化した場合である。前記ベ
ース１０の上面には、固定接点１３、絶縁膜１７で被覆
された固定電極１５および接続パッド１４が設けられて
いる。一方、アクチュエータ２０は、可動電極２２、中
間絶縁膜２３および補助ばね層２４の３層構造からなる
ものである。そして、前記可動電極２２の下面に絶縁膜
２１を介して可動接点２６を設けてある一方、補助ばね
層２４のうち、可動接点２６の上方に位置する部分に薄
肉部２４ａを形成し、弾性変形容易としてある。

【００２９】本実施形態によれば、薄肉部２４ａを設け
ることにより、弾性変形の微調整が容易となるので、所
望のばね特性を有する可動接触片２５が得られるという
利点がある。

【００３０】第５実施形態は、図１０（ａ），（ｂ）に
示すように、アクチュエータ２０の補助ばね層２４に一
対のスリット２４ｃ，２４ｃを設けることにより、前記
可動接点２６の上方に両端支持された弾性梁部２４ｃを
形成した場合である。本実施形態によれば、弾性梁部２
４ｃにより、所望のばね特性を有する可動接触片２５が
得られるとともに、弾性梁部２４ｃの形状を選択するこ
とにより、可動接触片２５のばね定数を所望の値に変更
できるという利点がある。

【００３１】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の請求項１によれば、可動接触片のばね定数が２段階に
変化して非線形となる。このため、吸引力特性を示すグ
ラフ図においては、可動接触片のばね定数が従来例より
も静電引力の曲線に沿った折れ線となる。この結果、接
点突き出し量の許容値が大きくなり、接点寿命が長くな
るとともに、所定の接触信頼性が得られる。接点突き出
し量の許容値を大きくできるので、高精度のプロセス制
御が不要となり、歩留まりが改善され、生産性が向上す
る。

【００３２】請求項２によれば、アクチュエータの可動
接触片が両端支持梁形状であるので、前述の効果に加
え、外部からの振動等によっても、誤動作が生じにく
い。このため、開閉動作の安定した静電マイクロリレー
が得られる。請求項３によれば、アクチュエータの可動
接触片が片持ち梁形状であるので、変形しやすい。この
ため、小さな駆動力でアクチュエータを駆動でき、動作
電圧を低減できる。請求項４によれば、アクチュエータ
の可動接触片がダイヤフラム形状であるので、密封した
空間内で可動接点を固定接点に接離でき、シール性質の
高い静電マイクロリレーが得られる。請求項５によれ
ば、補助ばね層の一部を薄肉とすることにより、弾性変
形の微調整が容易となる。このため、所望のばね特性を
有する可動接触片がより一層得やすくなる。請求項６に
よれば、補助ばね層に一対のスリットを形成することに
より、弾性変形の微調整が容易となる。このため、所望
のばね特性を有する可動接触片がより一層得やすくな
る。請求項７によれば、アクチュエータの可動電極およ
び補助ばね層をシリコンウエハで形成してある。このた
め、アクチュエータを半導体プロセスで製造でき、軽
く、寸法精度の高いアクチュエータが得られる。請求項
８によれば、ベースをガラスウエハで形成してあるの
で、ベースの上面に絶縁膜を形成する必要がなくなり、
生産性が向上する。請求項９によれば、平面円形の空隙
部の下方側にリング形状の可動接点が同一軸心上に配置
してある。このため、可動電極が均等にたわむので、可
動接点の片当たりがなくなり、接触信頼性がより一層向
上する。請求項１０によれば、可動電極および補助ばね
層のうち、前記空隙部に面する部分の少なくともいずれ
か一方に貫通孔を設けてある。このため、空隙部内への
空気の出入りが容易となり、可動電極の弾性変形が容易
となるので、動作特性が向上する。

【００３３】請求項１１によれば、空隙部が外部と連通
しているので、空隙部内が負圧になることがない。この
ため、可動接触片を形成する可動電極の一部が空隙部の
内側に凹むことがなく、設計値通りの動作を確保できる
という効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１実施形態を示す断面図である。

【図２】 図１で示したベースの製造を示すプロセス図
である。

【図３】 図１で示したアクチュエータとなるシリコン
ウエハに対するプロセス処理を示すプロセス図である。

【図４】 ベースとアクチュエータとの接合一体化を示
すプロセス図である。

【図５】 図１に示した静電マイクロリレーの動作を説
明するための部分断面図である。

【図６】 静電引力とばね反力との関係を示すグラフ図
である。

【図７】 本発明の第２実施形態を示す断面図である。

【図８】 本発明の第３実施形態を示す部分底面図であ
る。

【図９】 本発明の第４実施形態を示す断面図である。

【図１０】 本発明の第５実施形態を示し、図１０
（ａ）は要部断面図、図１０（ｂ）は要部平面図であ
る。

【図１１】 従来例にかかる静電マイクロリレーの静電
引力とばね力との関係を示すグラフ図である。

【符号の説明】

１０…ベース、１１…シリコンウエハ、１３…固定接
点、１４…接続パッド、１５…固定電極、２０…アクチ
ュエータ、２１…絶縁膜、２２…可動電極、２３…中間
絶縁膜、２４…補助ばね層、２５…可動接触片、２６…
可動接点、２７…空隙部、２８…弾性変形部。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ベースの上面に固定電極および固定接点
   を配置する一方、前記ベースの上方で略平行に対向する
   アクチュエータの可動接触片の下面側に、前記固定電極
   に対向する可動電極を形成するとともに、この可動電極
   の下面に絶縁膜を介して前記固定接点に対向する可動接
   点を配置し、前記固定電極および可動電極間に電圧を印
   加して生じる静電引力で前記可動接触片を駆動し、前記
   可動接点を前記固定接点に接離する静電マイクロリレー
   において、 前記可動接触片が、前記可動電極の上面に中間絶縁膜を
   介して補助ばね層を積層するととともに、前記中間絶縁
   膜のうち、前記可動接点の直上に位置する部分を部分的
   に除去して空隙部を形成したことを特徴とする静電マイ
   クロリレー。
2. 【請求項２】 前記アクチュエータの可動接触片が、そ
   の両端部を支持された両端支持梁形状であることを特徴
   とする請求項１に記載の静電マイクロリレー。
3. 【請求項３】 前記アクチュエータの可動接触片が、そ
   の一端部を支持した片持ち梁形状であることを特徴とす
   る請求項１に記載の静電マイクロリレー。
4. 【請求項４】 前記アクチュエータの可動接触片が、そ
   の周辺縁部を支持したダイヤフラム形状であることを特
   徴とする請求項１に記載の静電マイクロリレー。
5. 【請求項５】 前記可動接触片が、その補助ばね層のう
   ち、前記空隙部に接する部分を薄肉としたことを特徴と
   する請求項１ないし４のいずれかに記載の静電マイクロ
   リレー。
6. 【請求項６】 前記可動接触片が、その補助ばね層のう
   ち、前記空隙部に接する部分に一対のスリットを設けた
   ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記
   載の静電マイクロリレー。
7. 【請求項７】前記可動接触片の可動電極および補助ばね
   層を、シリコンウエハで形成したことを特徴とする請求
   項１ないし６に記載の静電マイクロリレー。
8. 【請求項８】前記ベースを、ガラスウエハで形成したこ
   とを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載
   の静電マイクロリレー。
9. 【請求項９】 前記空隙部が平面円形であるとともに、
   前記可動接点がリング形状であることを特徴とする請求
   項１ないし８のいずれか１項に記載の静電マイクロリレ
   ー。
10. 【請求項１０】 前記可動電極および前記補助ばね層の
    うち、前記空隙部に面する部分の少なくともいずれか一
    方に貫通孔を設けたことを特徴とする請求項１ないし９
    のいずれか１項に記載の静電マイクロリレー。
11. 【請求項１１】 ベースの上面に固定電極および固定接
    点を配置する一方、前記ベースの上方で略平行に対向す
    るアクチュエータの可動接触片の下面側に、前記固定電
    極に対向する可動電極を形成するとともに、この可動電
    極の下面に絶縁膜を介して前記固定接点に対向する可動
    接点を配置し、前記固定電極および可動電極間に電圧を
    印加して生じる静電引力で前記可動接触片を駆動し、前
    記可動接点を前記固定接点に接離する静電マイクロリレ
    ーの製造方法において、 前記可動電極の上面に中間絶縁膜を介して補助ばね層を
    積層した後、前記中間絶縁膜のうち、前記可動接点の直
    上に位置する部分を部分的に除去して空隙部を形成する
    ことを特徴とする静電マイクロリレーの製造方法。