TW550616B - Electrostatic micro-relay, radio device and measuring device using the electrostatic micro-relay, and contact switching method - Google Patents

Description

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發明説明 【發明所屬t技術領域】 本發明係關於一種根據電極間所產生的靜電引力而驅動 ，錯以對信號線進行開關的靜電微繼電器、使用該靜電微 繼€為之無線裝置及測量裝置，以及接點開關方法。 【先前技術】 以往，作為靜電微繼電器，例如有曰本專利待開⑻· 1 64104號公報或特開2〇〇〇-1 13792號公報中所揭示者。 丽者，係在電極間施加電壓以產生靜電引力，並藉由驅 動活動基板，以使活動接點閉合在固定接點上，而互相電 連接並設於固定基板上的信號線。在活動基板方面，係在 活動接點之兩侧形成有槽口，且在下面之4處形成有凸部， 藉以提高接點離開力。 後者，係在固定基板上以2處彈性支撐活動基板，且在固 定基板上將信號線設於同一直線上，以兼用配設於其兩側 的固定電極及高頻GND電極。 【發明所欲解決之問題】 然而，前者由於並設有信號線，所以不適於高頻信號之 開關。凸部，雖係頂接在接點閉合前所相對的基板上，但 是該位置難謂最適於提高動作特性的位置。 另一方面，後者雖適於高頻信號之開關，但是並未考慮 到用以提高接點離開力的凸部等之構成。在簡單採用前者 之凸部方面，只要最適於設置該凸部的位置未被待定，就 很難獲得所希望之動作特性。 因此，本發明之目的在於提供一種可廉價輕易製造之既 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公憂) 裝 iy

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發明説明（ 間早又小型的構造，而且可獲得適 徼繼泰哭、〜 Η安,¾雜開力之靜電 '“私〜吏用該靜電微繼電器之無線裝置及測| f £ 以及接點開關方法。 置及測里衣置， 【解決問題之手段】 裝 訂 用以解決上述問題的手段’其係根據在形成於 上之固定電極、及介以樑部输上述固定基板 活土板所形成的活動電極之間施加電壓時所產生的靜 電引力而驅動上述活動基板，並對形成於上述固定基板上 的固定接，點、及形成於上述活動基板上的活動接點施以電 性開關的靜電微繼電器，其於上述固定基板或上述活動基 :反之至少一方具備凸部’上述凸部，係設在未設置上述凸 部而直接在上述固定電極與上述活動電極之間施加電壓時 丄上达固；t接點與上述活動接點於接觸€，接著使上述固 定基板與上述活動基板相頂接的位置上。 線 依名構成，則然論是否適於高頻信號之開關的構成，皆 可使接點離開力對應靜電引力之變化而作2階段的切換。換 句話說，在靜電引力較弱的範圍内，藉由頂接凸部所相對 的基板即能使活動基板之彈性力變大。而且，凸部，係設 在未設置上述凸部而直接在上述固定電極與上述活動電極 之間加私壓日叮，上述固定接點與上述活動接點於接觸後 ，接著使上述固疋基板與上述活動基板相頂接的位置上。 因而’在最適於靜電引力曲線的位置上，可改變活動基板 之活勤接點側的彈性力，且能提高接點離開性。 較仫者為，吾在上述固定電極與上述活動電極之間施加 -6 - 本紙張尺度適用甲國國家標準(CNS) A4規格(210X297公爱) 55〇616 A7 B7 發明説明 電壓時，上述固定基板或上述活動基板之至少一方，在上 述凸部於接觸後接著使上述固定電極與上述活動電極相頂 接的位置上配置其他的凸部時，由於每次在凸部頂接到相 對的基板時，活動接點側之彈性力會變大且能順沿靜電引 力曲線’所以能獲得適當的接點離開力。 上4凸部，只要係由絕緣材料所構成即可。

裝 較佳者為，當在與設置上述凸部之基板不同的上述固定 基板或上述活動基板之與上述凸部相頂接的位置上，不配 置上4固疋電極或上述活動電極時，就無須在凸部與其相 對之電極之間附著有機物，而能長期獲得按照設計般的穩 定之動作特性。 另外，上述構成之靜電微繼電器，係適於用以處理無線 裝置或測量裝置等高頻信號的機器中之接點開關上。 【發明之實施形態】

以下’係按照附圖說明本發明之實施形態。 圖1及圖2，係顯示本實施形態之靜電微繼電器。該靜電微 繼電器MR，係在固定基板i之上面設置活動基板2的構成。 固定基板1，係於玻璃基板3之上面形成固定電極4及信號 線5a、5 b者。固定電極4之表面係由絕緣膜6所被覆。信號 線5a、5 b ’係配置於同一直線上，且具有以預定間隔與玻 璃基板3之中央部相鄰接的固定接點7a、7b。信號線5a、5b 係分別連接在連接銲墊8a、8b上。又，在信號線5b之側方 ’介以佈線圖案9a形成有連接銲墊8c。在該佈線圖案9a及 連接銲墊8c上’電連接有活動基板2之活動電極12。在固定 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公爱) 550616 五、發明説明（4 ) 電極4上，形成有施加電壓用的連接銲墊8d、及連接^^^〇的 連接銲墊8e。連接銲墊86，係在以信號線5a、外傳遞高頻 信號的情況检演防止信號洩漏的角色。 如圖3所示，活動基板2，係將活動電極12均等地支撐於 從立，於上述固定基板i之上面的支持部1〇延伸至側方的2 支之第一樑部丨丨上。活動電極12，係介以第一樑部η、支 撐部1〇、及設於固定基板丨之上面的印刷佈線9a而電連接在 連接銲墊8c上。在活動電極12之中央部上依一對之第二桦 部13而彈性支撐著接點台14。在接點台14之下面，介以絕 緣膜15而設有活動接點16。活動接點16,係與上述固定接 點7相接或離開而對信號線5a、巧進行開關。又，在活動電 極12之下面，以活動接點16為中心而在點對稱之位置上分 J形成有凸# 17。若詳言之，則係設在未設置凸部丨7而直 疋私極4與活動電極12之間施加電壓時，固定接點7 /、舌動接點1 6於接觸後，接著使固定基板丨與活動基板2相 接的位置上。藉此，當靜電引力作用而使活動基板2翹曲 才在接點閉合前，凸部17必會頂接到固定基板1。然後， 頁接後之離開力增加部分與隨之接觸力減少部分的比例會 2為理想的狀態。又，凸部17，頂接到固定基板^時，活動 包和—固疋電極4之距離，就會形成已離開之固定基板1 ;二 土板一之間隔的1 /j以下。藉此，在凸部1 7頂接到固 ^ 土板1的4間點上，靜電引力會急速變大，且無論凸部17 疋=存在，且能確實地使固定電極4吸附活動電極12。 、:、 上述凸°卩17 ’係比其他的部分（活動電極12)還接近其 -8 - 550616 A7

相對的固定電極4。因此，靜電引力會變大而電場會Μ 然後’若周圍有存在有機物等之異物的話，則該里：將 拉近：場集令的凸部17上並附著之。該情況，恐有因巴 1 7之南度發生變化而使動作待性變得不穩定之虞。因此 如圖2戶“’在與凸部17相對的部分上形成有已除去固定 極4的非電極部18。但是，若以絕緣_如氣化 述凸部17的言舌，則由於所產生的靜電引力會受到限制， 以並不一定需要上述非電極部18。又，若將上述凸部口 成例如半圓柱狀的話，則可形成能抑制電場集中’且不 將異物拉近的構造。 接著，說明上述構成之靜電微繼電器MR之製造方法 首先’在如圖4(a)所示之PYREX等的玻璃基板3上形成如 圖4(b)所示之固定電極4、固定接點〜、7b(在此，只圖示 7a)。又同時形成圖4中未圖示之印刷佈線％、連接銲墊^。 然後’藉由在上述固定電極4上形成絕緣膜6,以完成圖^幻 所示的固定基板丄。另外，若使用介電常數3〜6之氣化°矽1 或介電常數7〜8之氮化矽膜以作為上述絕緣膜6的話，則可 獲得較大的靜電引力，並可增加接觸力。 另一方面，如圖4(d)所示，由於在從上面側依序由矽層 10卜氡化矽層102及矽層103所構成的SOi晶圓1〇〇之下面: 形成接點間間隙，所以例如係利用以氧化石夕膜 —， TMAH進行濕式蝕刻，以形成如圖4(e)所示之 八山/7、卜方侧 的支樓部10與凸部17。然後，如圖4(f)所示，在設置絕緣膜 1 5之唆，形成活動接點丨6。 -9- 本紙張&度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐)"一 ' --—-- 550616 五、發明說明（6 其次，如圖4(g)所示，在上述固定基板1上利用陽極接合 使上述SOI晶圓1〇〇接合一體化。然後，如圖4(h)所示，利 用TMAH、K〇H等的鹼性蝕刻液將SCM晶圓1〇〇之上面蝕刻 減薄至作為氧化膜的氧化矽層102為止。更且’以氣系链刻 液去除上述氡化矽層1〇2 ’以使圖4⑴所示之矽層ι〇二即活 動電極12)露出。然後，以使用RIE等的乾式蝕刻進行脫模 蝕刻’並切出第一、第二樑部Η、13，以完成活動基板2。、 另外，固定基板1並不限於玻璃基板3，亦可由至少上面以 絕緣膜6被覆的單晶矽基板所形成。 其次，參照圖5之模型圖說明上述構成之靜電微繼電哭 M R的動作。 在兩電極間不施加電壓，不使之產生靜電引力的狀態下 ，如圖5(a)所示，由於第一樑部丨丨不變形，而維持從支撐部 I伸王水平的狀悲，所以活動基板2會以預定間隔與固定 基板1至相對配置。因而，活動接點16，會從兩固定接點h 、7 b離開。 一在此，當在兩電極間施加電壓並使之產生靜電引力時’ 第-樑㈣就會㈣’而活動基板2會接近固定基板卜藉 此，如圖5(b)所示，凸部17會頂接到固定基板卜如圖6所= 上这时電引力，會有隨著電極間距離變小而增加的傾向 。然後，設定成當接近至凸部17頂接到固定基板丨時，作用 於兩電極4、12間的靜電引力就會急速增大。因而，活動基 板2’藉由亦使凸部17之周圍作局部彈性變形，活動電極二 即可吸附在固定電極4上。結果’如圖5(c)所示，活動接點 -10 - 55〇616 A7

M會閉合在固定接點7上。然後，如圖5(d)所示，在活動接 點16頂接到固定接點7之後，除了第一樑部丨丨會翹曲，第二 榡部13亦會翹曲，而活動電極12就會吸附在固定電極4上。 因叫，活動接點16，藉由其周圍的活動電極12吸附在固定 電極4上，即可介以第二樑部13而按壓在固定接點7上。因 庄匕不胃發生單邊頂接的情形，而可提高接觸可靠度。 此時，當將第一、第二樑部u、13使活動電極12朝上方 杈伸的力量設為Fsl、Fs2，將凸部η頂接到固定基板丨之後 至接點部閉合為止的凸部周圍之彈性變形而使活動電極Η 朝上方拉伸的力量設為Fs3，將介由絕緣膜6之活動電極U -、固定私極4之間的靜電引力設為Fe，將來自絕緣膜6之表 面的抵抗力設為Fn時，就有如下（數丨）之關係，藉由設計第 一、第二樑部U、13之彈簧係數、活動電極12與固定電極4 - 之初期間隙、接點之厚度等即能減小Fn、Fsl，並抑制 (即接觸力之（來自理想模式之））降低。 【數1】

Fe 二 Fsl+Fs2 + Fs3 + Fn 之後，當除去兩電極間的施加電壓時，不僅可使第一、 苐二樑部1 1、13之彈性力當作接點離開力來作用，就連隨 著&部17附近之變形所帶來的彈性力亦可當作接點離=力 來作用。因而，即使在接點間發生黏接或熔接等，亦可確 實地使之離開。然後，在接點離開後，至凸部！7離開為止 可利用凸部17之周圍的彈性力，而回歸至原來的位置，且 在凸部1 7離開後，活動基板2可依第一樑部丨丨之彈性力而回 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公楚） """"""' -----—-. 550616 A7

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550616 A7 B7 五、發明說明（9 ) 上面的矩形樞體所構成。活動基板4 〇，係從支撐部3 1之内 緣單支支撐於連結部32上。在活動基板40之下面形成有絕 緣膜41，而其自由端侧設有活動接點42。又，在活動接點 4 2與連結部^ 2之間形成有凸部43，而在活動接點42閉合在 口疋接點j j之鈉ί*τ'頂接到固定基板3 〇。凸部4 3，係在接點 閉合後，當最初設在活動基板40頂接到固定基板3〇的位置 上時，就可取得最大的接觸力。又，更在設置凸部43的情 況其-人，杈佳者係設在活動基板4〇頂接到固定基板3 〇的 位置上。 又，在上述實施形態中，雖係將活動電極12形成平坦形 狀，但是亦可於其上面形成凹部以成為薄片狀。藉此，就 可邊確保所希望的剛性，且即使輕量，亦可更加提高動作 及㈣速度。〖’亦可將上述活動電極12之厚度形成比樑 部還厚以增大其剛性。藉此，就可將靜f引力之全部作為 對活動電極丨2之吸引力’且可效率佳地將靜電引力利用於 第一樑部1 1或第二樑部丨3之變形上。 又’在上述實施形態中，雖係將凸部丨7設在活動基板2 ，但是亦可設在固定基板1或雙方之基板上。又，上述凸 17,亦可在接點與支撐部10之間設置二對以上。該^況 只要最初於凸部17接觸之後，在固定其 " 仗U疋暴板1與活動基板2 攻相頂接的位置上配置其他的凸部17 ^ | j。如此，若依 設1以下的凸部17的話’則比起只設 ， 〜 又直一對凸部17的情 ’還能使接觸力及離開力更加穩定。 【發明之效杲】 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210:

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-13- 55〇6l6 A7 B7 五、發明説明（1〇 k以上α兒月中可明白，若依據本發明，則其係利用半導 也衣即可更廉價地輕易製作，而且既簡單又小型的構造 。又，由於信號線配置於同一直線上，其相對的活動基板 可被除去，所以能發揮較優的高頻特性。更且，由於兩基 板之中，至幻壬一方形成有凸冑，所以在接點閉合時，能 獲付均等的戶斤希望之接點接角蜀力，@時可增大接點離開力 。尤其是，凸部，由於係設在未設置上述凸部而直接在上 迷固定電極與上述活動電極之間施加電壓時，上述固定接 點與上述活勤接點於接觸後，接著使上述固定基板與上述 活動基板相頂接的位置上，所以接點開放時，可發揮最適 於靜電引力曲線的接點離開力。 【圖式之簡單說明】 圖丨係第一實施形態之靜電微繼電器的組裝立體圖。 圖2係圖I之分解立體圖。 圖3係顯示從相反側觀看圖2所示之活動基板之狀態的剖 視圖。 圖4(a)〜4(1)係顯示圖！所示之靜電微繼電器之加工過程的 剖視圖。 ih(a)〜5(d)係顯示圖1所示之靜電微繼電器之動作狀態的 模型圖。 圖6係顯示固定基板與活動基板之間隙尺寸與靜電引力及 活動基板之彈性力的關係圖表。 圖7係顯不無線裝置採用圖丨之靜電微繼電器之狀態的方 塊圖。 -14、

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圖8係顯 土鬼圖。 示測量裝置採用圖1 圖 9(a)、 9(b )係其他實施例之 剖視圖（b) 〇 圖 10(a) 、：10(b)係其他實施例 剖視圖（b)。 【元件編號之說明】 1 固定基板 2 >舌動基板 4 固定電極 5a、5b 信號線 6 絕緣膜 7 固定接點 10 支撐部 11 第一樑部 12 活動電極 13 第二樑部 16 活動接點 17 凸部 之靜電微繼電器之狀態的方 靜電微繼電器的俯視圖（a)及 之靜電微繼電器的僻視圖⑷ -15- 本紙張尺度通用中國國家標苹(CNS) A4規格(210X297公釐)

Claims (1)

1. 550616 、申請專利範圍 —種靜€微繼電器，其係根據在形成於固定基板上之固 疋％極、及介以樑部支撐於上述固定基板之活動基板所 形成的活動電極之間施加電壓時所產生的靜電引力而驅 =上述活動基板，並對形成於上述固定基板上的固定接 及幵;^成於上述活動基板上的活動接點施以電性開關 者’其特徵為： 於上述固定基板或上述活動基板之至少一方具備凸部， ^上述凸部，係設在未設置上述凸部而直接在上述固定 弘極與上述活動電極之間施加電壓時，上述固定接點與 上4 ’舌動接點於接觸後，接著使上述固定基板與上述活 動基板相頂接的位置上。 2· 如申凊專利範圍第丨項之靜電微繼電器，其中，在上述固 定電極與上述活動電極之間施加電壓時，上述固定基板 或上述活動基板之至少一方，係在上述凸部於接觸後接 著使上述固定電極與上述活動電極相頂接的位置上 其他的凸部者。 如申請專利範圍第丨項之靜電微繼電器，其中，上述&部 ίτ、由、纟巴緣材料所構成。 如t請專利範圍第丨項之靜電微繼電器，其中，在與嗖置 上述凸部之基板不同的上述固定基板或上述活動基= 與上述凸部相頂接的位置上，不配置上述固定電極或上 述活動電極者。 一種無線裝置，其特徵為：將上述申請專利範圍第i項所 述之靜電微繼電器’設計成可對天線與内部電路之間的 4. 616 A8 BS

   電k號進行開關者。 6. 7. 「種測量裝置，其特徵為 4之靜電微繼電器，設討 間的電信號進行開關者。 :將上述申請專利範圍第1項所 成對測定對象物與内部電路之 一種接點開關方法，並 %八 ，'铋根據在形成於固定基板上之固 疋包《、及介以梅邱士 ^ ^ , 撐於上述固定基板之活動基板所 Φ成的/舌動電極& 間^加電壓時所產生的靜電引力而驅 點、及形成於上述==述固定基板上的固定接 者，其特徵為： 土板上的活動接點施以電性開關 於上遠固定基板或上述活動基板之至少一方具備凸部， 上述凸部，係以預定的高度配置在未設置上述凸部而 直接在上述固定電極與上述活動電極之間施加電壓時， M H1定接點與上述活動接點於接觸後，接著使上述固 疋基板與上述活動基板相頂接的位置上， 在對上述固定電極與上述活動電極之間施加電壓時， 上述固定接點與上述活動接點相接觸之前’先使上述凸 部與其相對的基板相頂接。 -17- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公董） ---^

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