WO2022153696A1 - Ｍｅｍｓスイッチ - Google Patents

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WO2022153696A1
WO2022153696A1 PCT/JP2021/043953 JP2021043953W WO2022153696A1 WO 2022153696 A1 WO2022153696 A1 WO 2022153696A1 JP 2021043953 W JP2021043953 W JP 2021043953W WO 2022153696 A1 WO2022153696 A1 WO 2022153696A1
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WO
WIPO (PCT)
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contact portion
electrode
movable
fixed
movable contact
Prior art date
Application number
PCT/JP2021/043953
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
理 松島
敬和 藤森
Original Assignee
ローム株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ローム株式会社 filed Critical ローム株式会社
Priority to JP2022575114A priority Critical patent/JPWO2022153696A1/ja
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H57/00—Electrostrictive relays; Piezoelectric relays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H59/00—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays

Definitions

  • This disclosure relates to MEMS switches.
  • Patent Document 1 discloses a MEMS switch.
  • This MEMS switch includes a fixed contact portion and a movable contact portion.
  • the fixed contact portion has a lower surface fixed to the upper surface of the base substrate via an insulating film.
  • the movable contact portion floats from the upper surface of the base substrate.
  • the movable contact portion is moved by the actuator in a direction parallel to the upper surface of the base substrate.
  • the MEMS switch as an example of the present disclosure has a first main surface and a second main surface on the opposite side thereof, and has a substrate in which a cavity is formed and the cavity on the first main surface side of the substrate.
  • a flexible portion that is fixed in a floating state and extends in a first direction that intersects the thickness direction of the substrate, and the flexible portion that extends side by side along the first direction.
  • the first piezoelectric element and the second piezoelectric element which are formed on the top and can be expanded and contracted along the first direction, are connected to the flexible portion, and the deformation of the flexible portion causes the thickness direction of the substrate and the second piezoelectric element.
  • a connecting member that intersects in one direction and is displaceable in a second direction, a movable contact portion provided in the connecting member, and the movable contact portion facing the movable contact portion in the second direction, and the movable contact portion is displaced by the displacement of the connecting member.
  • a fixed contact portion that can be contacted and non-contacted with the portion.
  • FIG. 1 is a schematic plan view of a MEMS switch according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the MEMS switch according to the embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 3 is an enlarged view of the beam portion of the MEMS switch of FIG. 4A to 4C are schematic views showing the operating principle of the piezoelectric element.
  • 5A and 5B are schematic views showing the operation of the MEMS switch of FIG. 6A to 6C are schematic views showing a state in which the beam portion of the MEMS switch of FIG. 1 is deformed.
  • FIG. 7A is a diagram showing a part of the manufacturing process of the MEMS switch of FIG.
  • FIG. 7B is a diagram showing the next step of FIG. 7A.
  • FIG. 7C is a diagram showing the next step of FIG. 7B.
  • FIG. 7D is a diagram showing the next step of FIG. 7C.
  • FIG. 7E is a diagram showing the next step of FIG. 7D.
  • FIG. 7F is a diagram showing the next step of FIG. 7E.
  • FIG. 7G is a diagram showing the next step of FIG. 7F.
  • FIG. 7H is a diagram showing the next step of FIG. 7G.
  • FIG. 8 is a schematic plan view of the MEMS switch according to the embodiment of the present disclosure.
  • 9A and 9B are schematic views showing the operation of the MEMS switch of FIG.
  • FIG. 10 is a schematic plan view of the MEMS switch according to the embodiment of the present disclosure.
  • 11A and 11B are schematic views showing the operation of the MEMS switch of FIG.
  • a MEMS switch as a first example of the present disclosure has a first main surface and a second main surface on the opposite side thereof, and a substrate having a cavity formed inside and a substrate formed in the substrate to partition the cavity.
  • a flexible portion that is fixed in a floating state with respect to the cavity on the first main surface side of the substrate and extends in the first direction that intersects the thickness direction of the substrate.
  • a first piezoelectric element and a second piezoelectric element formed on the flexible portion so as to extend side by side along the first direction and expandable and contractable along the first direction are connected to the flexible portion.
  • a connecting member that can be displaced in the thickness direction of the substrate and a second direction that intersects the first direction by deformation of the flexible portion, and a movable contact portion provided in the connecting member. It includes a fixed contact portion that faces the movable contact portion and can be contacted and non-contacted with the movable contact portion by displacement of the connecting member.
  • the first piezoelectric element and the second piezoelectric element extend side by side on the flexible portion.
  • a predetermined voltage is applied to each of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element so that the first piezoelectric element expands and the second piezoelectric element contracts.
  • the elongation of the first piezoelectric element and the contraction of the second piezoelectric element are achieved by the inverse piezoelectric effect of the voltage.
  • the elongation of the first piezoelectric element provides the elongation of the first portion of the flexible portion on which the first piezoelectric element is formed, and the contraction of the second piezoelectric element is the extension of the flexible portion on which the second piezoelectric element is formed.
  • the connecting member By exchanging the polarities of the voltages applied to the first piezoelectric element and the second piezoelectric element with each other, the connecting member can be displaced to either one side or the opposite side in the second direction. Therefore, the fixed contact portion can be arranged on either one side or the opposite side of the second direction with respect to the movable contact portion.
  • the movable contact portion and the fixed contact portion may be brought into contact with each other due to the displacement of the connecting member due to the deformation of the flexible portion.
  • the movable contact portion since the shape of the flexible portion is restored by releasing the voltage applied to the first piezoelectric element and the second piezoelectric element, the movable contact portion may be separated (non-contact) from the fixed contact portion.
  • the non-contact state between the movable contact portion and the fixed contact portion is the initial state, and the movable contact portion comes into contact with the fixed contact portion due to the deformation of the flexible portion.
  • the contact state between the movable contact portion and the fixed contact portion is the initial state, and the movable contact portion may be separated from the fixed contact portion due to the deformation of the flexible portion.
  • the MEMS switch as the first example of the present disclosure is fixed to the movable electrode extending in the first direction from the connecting member and the first main surface side of the substrate, extending side by side with the movable electrode, and the second. It may include a fixed electrode facing the movable electrode in the direction.
  • the electrostatic force between the movable electrode and the fixed electrode can be used for the switching operation of the MEMS switch.
  • the movable contact portion may come into contact with the fixed contact portion by causing the connecting member to be piezoelectrically driven by deformation of the flexible portion and then displacement the connecting member by an electrostatic force between the movable electrode and the fixed electrode.
  • the connecting member is piezoelectrically driven by deformation of the flexible portion, and after the movable contact portion comes into contact with the fixed contact portion, the contact state between the movable contact portion and the fixed contact portion is set between the movable electrode and the fixed electrode. It may be held by the electrostatic force of.
  • the power consumption of electrostatic drive tends to be smaller than the power consumption of piezoelectric drive. Therefore, by combining the piezoelectric drive and the electrostatic drive, it is possible to expect power saving as compared with the switching operation of the MEMS switch only by the piezoelectric drive.
  • the movable electrode and the fixed electrode may form a comb-tooth type electrode in which the movable electrode and the fixed electrode are alternately arranged at equal intervals with each other in the second direction.
  • the first fixed electrode and the second fixed electrode are adjacent to each other on both sides of one movable electrode in the second direction.
  • the MEMS switch is piezoelectrically driven by the expansion and contraction of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element, one movable electrode is relatively close to the first fixed electrode in the second direction, while is relatively far from the second fixed electrode.
  • This provides an asymmetric structure in which the first fixed electrode is relatively close to one movable electrode and the second fixed electrode is relatively farther than the first fixed electrode. This asymmetric structure upsets the balance of electrostatic forces in the comb-toothed electrodes.
  • an electrostatic force acting toward one side in the second direction (first electrostatic force) is applied to one movable electrode toward the opposite side in the second direction (second electrostatic force). It can be made larger than the force). Therefore, the connecting member can be displaced by the electrostatic force corresponding to the difference between the first electrostatic force and the second electrostatic force (first electrostatic force ⁇ second electrostatic force). That is, since the asymmetric structure of the comb-tooth type electrode can be formed by starting the switching operation of the MEMS switch by piezoelectric drive, it is possible to smoothly shift to the displacement of the connecting member due to the electrostatic force.
  • the movable contact portion includes a first movable contact portion and a second movable contact portion facing in opposite directions in the second direction, and the fixed contact portion is the first movable contact portion.
  • a first fixed contact portion facing the first movable contact portion in two directions and a second fixed contact portion facing the second movable contact portion in the second direction may be included.
  • the connecting member can be displaced to either one side of the second direction or the opposite side. Therefore, two types of asymmetric structures, the first pattern and the second pattern, can be formed as the asymmetric structure of the comb-tooth type electrode by the piezoelectric drive.
  • the first pattern the first fixed electrode is relatively close to one movable electrode, and the second fixed electrode is relatively far from the first fixed electrode.
  • the second pattern the first fixed electrode is relatively far from one movable electrode, and the second fixed electrode is relatively close to the first fixed electrode.
  • two types of asymmetrical structures can be formed by piezoelectric drive from a comb-tooth type electrode having one type of structure.
  • two circuits a first circuit including the first movable contact portion and the first fixed contact portion and a second circuit including the second movable contact portion and the second fixed contact portion, are combined with a comb tooth having one type of structure. It can be switched by the mold electrode. Therefore, the space for forming the electrode structure for switching between the two circuits can be reduced, so that the MEMS switch can be miniaturized.
  • the movable electrode includes a first movable electrode and a second movable electrode arranged so as to sandwich the fixed electrode in the second direction, and the movable electrode is said in the second direction.
  • the distance between the first movable electrode and the fixed electrode is equal to the distance between the second movable electrode and the fixed electrode in the second direction, and the movable contact portions face in opposite directions in the second direction.
  • the fixed contact portion includes a first movable contact portion and a second movable contact portion, and the fixed contact portion includes a first fixed contact portion facing the first movable contact portion in the second direction and the second movable contact portion in the second direction. It may include a second fixed contact portion facing the contact portion.
  • the first movable electrode and the second movable electrode are adjacent to each other on both sides of one fixed electrode in the second direction.
  • the MEMS switch is piezoelectrically driven by the expansion and contraction of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element, for example, the first movable electrode is relatively close to the fixed electrode in the second direction, while the second movable electrode is relatively close to the fixed electrode. Go away.
  • This provides an asymmetric structure in which the first movable electrode is relatively close to one fixed electrode and the second movable electrode is relatively farther than the first movable electrode. This asymmetric structure upsets the balance of electrostatic forces between the fixed electrode and the first and second movable electrodes.
  • an electrostatic force acting on the first movable electrode toward one side in the second direction acts on the second movable electrode toward the opposite side in the second direction. It can be made larger than the electrostatic force (second electrostatic force) to be applied. Therefore, the connecting member can be displaced by the electrostatic force corresponding to the difference between the first electrostatic force and the second electrostatic force (first electrostatic force ⁇ second electrostatic force). That is, by starting the switching operation of the MEMS switch by piezoelectric drive, the structure including the fixed electrode, the first movable electrode, and the second movable electrode can be formed as an asymmetric structure, so that the displacement of the connecting member due to the electrostatic force can be smoothly performed. Can be migrated.
  • the connecting member can be displaced to either one side of the second direction or the opposite side. Therefore, two types of asymmetric structures, the first pattern and the second pattern, can be formed as the asymmetric structure of the structure including the fixed electrode, the first movable electrode, and the second movable electrode by the piezoelectric drive.
  • the first movable electrode is relatively close to one fixed electrode
  • the second movable electrode is relatively far from the first movable electrode.
  • the first movable electrode is relatively far from one fixed electrode
  • the second movable electrode is relatively closer than the first movable electrode.
  • two types of asymmetrical structures can be formed by piezoelectric drive from electrodes of one type of structure.
  • two circuits a first circuit including the first movable contact portion and the first fixed contact portion and a second circuit including the second movable contact portion and the second fixed contact portion, are formed by electrodes having one type of structure. You can switch. Therefore, the space for forming the electrode structure for switching between the two circuits can be reduced, so that the MEMS switch can be miniaturized.
  • the fixed electrode includes a first fixed electrode and a second fixed electrode arranged so as to sandwich the movable electrode in the second direction, and said in the second direction.
  • the distance between the first fixed electrode and the movable electrode is equal to the distance between the second fixed electrode and the movable electrode in the second direction, and the movable contact portions face in opposite directions in the second direction.
  • the fixed contact portion includes a first movable contact portion and a second movable contact portion, and the fixed contact portion includes a first fixed contact portion facing the first movable contact portion in the second direction and the second movable contact portion in the second direction. It may include a second fixed contact portion facing the contact portion.
  • the first fixed electrode and the second fixed electrode are adjacent to each other on both sides of one movable electrode in the second direction.
  • the MEMS switch is piezoelectrically driven by the expansion and contraction of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element, for example, the first fixed electrode is relatively close to the movable electrode in the second direction, while the second fixed electrode is relatively close to the movable electrode. Go away.
  • This provides an asymmetric structure in which the first fixed electrode is relatively close to one movable electrode and the second fixed electrode is relatively farther than the first fixed electrode. This asymmetric structure upsets the balance of electrostatic forces between the movable electrode and the first and second fixed electrodes.
  • an electrostatic force acting on the movable electrode toward one side in the second direction (first electrostatic force) is applied to the movable electrode toward the opposite side in the second direction (electrostatic force). It can be made larger than the second electrostatic force). Therefore, the connecting member can be displaced by the electrostatic force corresponding to the difference between the first electrostatic force and the second electrostatic force (first electrostatic force ⁇ second electrostatic force). That is, by starting the switching operation of the MEMS switch by piezoelectric drive, the structure including the movable electrode, the first fixed electrode, and the second fixed electrode can be formed as an asymmetric structure, so that the displacement of the connecting member due to electrostatic force can be smoothly performed. Can be migrated.
  • the connecting member can be displaced to either one side of the second direction or the opposite side. Therefore, two types of asymmetric structures, the first pattern and the second pattern, can be formed as the asymmetric structure of the structure including the movable electrode, the first fixed electrode, and the second fixed electrode by the piezoelectric drive.
  • the first fixed electrode is relatively close to one movable electrode
  • the second fixed electrode is relatively far from the first fixed electrode
  • the first fixed electrode is relatively far from one movable electrode
  • the second fixed electrode is relatively close to the first fixed electrode.
  • two types of asymmetrical structures can be formed by piezoelectric drive from electrodes of one type of structure.
  • two circuits a first circuit including the first movable contact portion and the first fixed contact portion and a second circuit including the second movable contact portion and the second fixed contact portion, are formed by electrodes having one type of structure. You can switch. Therefore, the space for forming the electrode structure for switching between the two circuits can be reduced, so that the MEMS switch can be miniaturized.
  • the flexible portion is formed in a band shape extending in the first direction, and at least one of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element is in the band shape.
  • the capacitor structure includes a capacitor structure formed in a band shape along the longitudinal direction of the flexible portion, and the capacitor structure may have a piezoelectric thin film and an upper electrode and a lower electrode that sandwich the piezoelectric thin film from the vertical direction. good.
  • the piezoelectric thin film may contain at least one of lead zirconate titanate (PZT) and aluminum nitride (AlN).
  • PZT lead zirconate titanate
  • AlN aluminum nitride
  • the MEMS switch as the second example of the present disclosure has a first main surface and a second main surface on the opposite side thereof, and has a substrate in which a cavity is formed and the substrate on the first main surface side of the substrate.
  • An electrostatic actuator formed in a floating state with respect to a cavity which includes fixed electrodes and movable electrodes arranged alternately, and is a comb-tooth type that is displaced by an electrostatic force between the movable electrodes and the fixed electrodes.
  • a flexible beam portion that supports the electrostatic actuator displaceably via a connecting member connected to the movable electrode and extends in a direction intersecting the displacement direction of the electrostatic actuator.
  • a first piezoelectric element and a second piezoelectric element formed on the beam portion so as to extend side by side along the longitudinal direction of the beam portion and expandable and contractable along the longitudinal direction of the beam portion are provided on the connecting member.
  • the movable contact portion is included, and a fixed contact portion that faces the movable contact portion in the displacement direction of the electrostatic actuator and is capable of contacting and not contacting the movable contact portion due to the displacement of the electrostatic actuator.
  • the first piezoelectric element and the second piezoelectric element extend side by side on the beam portion.
  • a predetermined voltage is applied to each of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element so that the first piezoelectric element extends and the second piezoelectric element contracts in the longitudinal direction of the beam portion.
  • the elongation of the first piezoelectric element and the contraction of the second piezoelectric element are achieved by the inverse piezoelectric effect of the voltage.
  • the elongation of the first piezo element provides the elongation of the first portion of the beam portion on which the first piezo element is formed, and the contraction of the second piezo element is the second portion of the beam portion on which the second piezo element is formed.
  • the piezoelectric drive has a faster response speed than the electrostatic drive, the switching speed of the electrostatic drive of the electrostatic actuator can be assisted by starting the switching operation of the MEMS switch with the piezoelectric drive.
  • the connecting member can be displaced on either one side or the opposite side of the displacement direction of the electrostatic actuator. Therefore, the fixed contact portion can be arranged on either one side or the opposite side of the displacement direction of the electrostatic actuator with respect to the movable contact portion.
  • the movable electrode and the fixed electrode may be arranged alternately at equal intervals from each other.
  • the first fixed electrode and the second fixed electrode are adjacent to each other so as to sandwich one movable electrode.
  • the MEMS switch is piezoelectrically driven by the expansion and contraction of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element, one movable electrode is relatively close to the first fixed electrode while being relatively far from the second fixed electrode.
  • This provides an asymmetric structure in which the first fixed electrode is relatively close to one movable electrode and the second fixed electrode is relatively farther than the first fixed electrode. This asymmetric structure upsets the balance of electrostatic forces in the comb-toothed electrostatic actuator.
  • the electrostatic force acting on the first fixed electrode (first electrostatic force) on one movable electrode is compared with the electrostatic force acting on the second fixed electrode (second electrostatic force).
  • the electrostatic actuator can be displaced by the electrostatic force corresponding to the difference between the first electrostatic force and the second electrostatic force (first electrostatic force ⁇ second electrostatic force). That is, since the asymmetric structure of the comb-tooth type electrode can be formed by starting the switching operation of the MEMS switch by the piezoelectric drive, the displacement of the electrostatic actuator due to the electrostatic force can be smoothly shifted.
  • the movable contact portion includes a first movable contact portion and a second movable contact portion facing in opposite directions in the displacement direction of the electrostatic actuator
  • the fixed contact portion is Includes a first fixed contact portion facing the first movable contact portion in the displacement direction of the electrostatic actuator and a second fixed contact portion facing the second movable contact portion in the displacement direction of the electrostatic actuator. You may be.
  • the connecting member is displaced on either one side or the opposite side of the displacement direction of the electrostatic actuator by exchanging the polarities of the voltages applied to the first piezoelectric element and the second piezoelectric element.
  • two types of asymmetric structures can be formed as the asymmetric structure of the comb-tooth type electrostatic actuator.
  • the first pattern the first fixed electrode is relatively close to one movable electrode, and the second fixed electrode is relatively far from the first fixed electrode.
  • the first fixed electrode is relatively far from one movable electrode, and the second fixed electrode is relatively close to the first fixed electrode.
  • two types of asymmetrical structures can be formed by piezoelectric drive from a comb-tooth type electrostatic actuator having one type of structure.
  • two circuits a first circuit including the first movable contact portion and the first fixed contact portion and a second circuit including the second movable contact portion and the second fixed contact portion, are combined with a comb tooth having one type of structure. It can be switched by the electrode of the mold. Therefore, the space for forming the electrode structure for switching between the two circuits can be reduced, so that the MEMS switch can be miniaturized.
  • At least one of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element includes a capacitor structure formed in a band shape along the longitudinal direction of the beam portion, and the capacitor structure is included. May have a piezoelectric thin film and an upper electrode and a lower electrode that sandwich the piezoelectric thin film from the vertical direction.
  • the piezoelectric thin film may contain at least one of lead zirconate titanate (PZT) and aluminum nitride (AlN).
  • PZT lead zirconate titanate
  • AlN aluminum nitride
  • FIG. 1 is a schematic plan view of the MEMS switch A1 according to the embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the MEMS switch A1 according to the embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 does not show a cross section of a specific portion of the MEMS switch A1 of FIG.
  • FIG. 2 some configurations of the MEMS switch A1 are extracted and shown in order to clarify the structure of the MEMS switch A1.
  • the MEMS switch A1 is, for example, a piezoelectric electrostatic drive MEMS switch including both the piezoelectric actuator 1 and the electrostatic actuator 2.
  • the MEMS switch A1 generates a driving force along the first direction X by, for example, mechanical operation of the piezoelectric actuator 1 and the electrostatic actuator 2.
  • the direction orthogonal to the first direction X in the horizontal direction is the second direction Y
  • the direction orthogonal to the first direction X in the vertical direction is the third direction Z.
  • the third direction Z may be defined as the thickness direction of the MEMS switch A1 and the thickness direction of the substrate 3 described later.
  • the first direction X and the second direction Y may be defined as directions orthogonal to the thickness direction of the substrate 3, which will be described later.
  • the MEMS switch A1 includes the substrate 3.
  • the substrate 3 may form the outer shape of the MEMS switch A1.
  • the substrate 3 may be a structure formed in a chip shape (rectangular cuboid shape). 1 to 3 show a part of the substrate 3.
  • the substrate 3 may be a semiconductor substrate containing a semiconductor material such as Si.
  • the substrate 3 has a first main surface 4 and a second main surface 5 on the opposite side of the first main surface 4.
  • the first main surface 4 may be the upper surface of the substrate 3, and the second main surface 5 may be the lower surface of the substrate 3.
  • the first main surface 4 may be a processed surface of the substrate 3 on which the MEMS structure is formed, and the second main surface 5 may be a non-processed surface with respect to the processed surface.
  • the substrate 3 includes a first base layer 6, a second base layer 7, and an embedded insulating layer 8 between the first base layer 6 and the second base layer 7.
  • the substrate 3 may be an SOI (Silicon on Insulator) substrate.
  • the first base layer 6 may be a Si substrate
  • the second base layer 7 may be a Si layer
  • the embedded insulating layer 8 may be a BOX (Buried Oxide) layer.
  • the first base layer 6 may be a semiconductor substrate (for example, a Si substrate).
  • the thickness of the first base layer 6 may be, for example, 100 ⁇ m or more and 700 ⁇ m or less.
  • the first base layer 6 has a first main surface 9 and a second main surface 10 on the opposite side of the first main surface 9.
  • the second main surface 10 of the first base layer 6 may be the second main surface 5 of the substrate 3.
  • the second base layer 7 may be a semiconductor layer (for example, a Si layer).
  • the thickness of the second base layer 7 may be, for example, 10 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less.
  • the second base layer 7 has a first main surface 11 and a second main surface 12 on the opposite side of the first main surface 11.
  • the first main surface 11 of the second base layer 7 may be the first main surface 4 of the substrate 3.
  • the embedded insulating layer 8 is in contact with and sandwiched between the first base layer 6 and the second base layer 7.
  • the embedded insulating layer 8 may be an insulating layer containing the first insulating material.
  • the first insulating material may be, for example, an insulating material containing silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ), or the like.
  • the first insulating material may be, for example, an insulating material that can be etched by an etching gas such as CF 4 , CHF 3 , SF 6 , and an etching solution.
  • the thickness of the embedded insulating layer 8 may be smaller than that of the first base layer 6 and the second base layer 7.
  • the thickness of the embedded insulating layer 8 may be, for example, 0.1 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less.
  • the embedded insulating layer 8 has a first joint surface 13 in contact with the second main surface 12 of the second base layer 7, and a second joint surface 14 in contact with the first main surface 9 of the first base layer 6. ..
  • the embedded insulating layer 8 further has a side surface 15.
  • the side surface 15 of the embedded insulating layer 8 faces the cavity 16 from the side. In other words, the side surface 15 of the embedded insulating layer 8 faces the cavity 16 in the first direction X and the second direction Y.
  • the embedded insulating layer 8 is partially formed between the first base layer 6 and the second base layer 7. In the region between the first base layer 6 and the second base layer 7, the region where the embedded insulating layer 8 is not formed is the cavity 16.
  • the cavity 16 is partitioned by a first main surface 9 of the first base layer 6, a second main surface 12 of the second base layer 7, and a side surface 15 of the embedded insulating layer 8.
  • the bottom surface of the cavity 16 is the first main surface 9 of the first base layer 6,
  • the upper surface of the cavity 16 is the second main surface 12 of the second base layer 7, and
  • the side surface 15 of the cavity 16 is the side surface of the embedded insulating layer 8. It may be 15.
  • the second base layer 7 includes a fixed structure 17 and a movable structure 18 that can be displaced with respect to the fixed structure 17.
  • the fixing structure 17 has a frame portion 19 fixed to the first joint surface 13 of the embedded insulating layer 8 and a first cantilever supported by the frame portion 19 in a floating state with respect to the cavity 16. Includes structure 20 and.
  • the frame portion 19 may include a pair of strip-shaped frame portions 19 extending parallel to each other in the first direction X.
  • the first cantilever structure 20 may include a plurality of first cantilever structures 20 extending parallel to each other in the second direction Y from the frame portion 19. In this embodiment, four first cantilever structures 20 are mechanically connected to the frame portion 19. Since the first cantilever structure 20 is an electrode fixed via the frame portion 19, it may be defined as a fixed electrode 21.
  • the movable structure 18 is formed so as to be entirely floating with respect to the cavity 16. With reference to FIG. 1, the movable structure 18 includes a connecting member 22 and a second cantilever structure 23.
  • the connecting member 22 may include a strip-shaped connecting member 22 extending in the first direction X.
  • the second cantilever structure 23 may include a plurality of second cantilever structures 23 extending parallel to each other in the second direction Y from the connecting member 22. In this embodiment, four second cantilever structures 23 extending from the connecting member 22 toward the frame portion 19 are mechanically connected to the connecting member 22.
  • the second cantilever structure 23 extends between adjacent first cantilever structures 20 toward the frame portion 19.
  • the first cantilever structure 20 and the second cantilever structure 23 extend in parallel with a gap between them. Since the second cantilever structure 23 is an electrode supported by the connecting member 22 while floating with respect to the cavity 16, it may be defined as a movable electrode 24.
  • the integrated structure of the connecting member 22 and the second cantilever structure 23 may be defined as the movable electrode 24. Since the connecting member 22 is a member that presses the movable contact portion 45 against the fixed contact portion 46 described later, it may be defined as a push rod.
  • the first cantilever structure 20 and the second cantilever structure 23 are each formed in a comb-teeth shape and mesh with each other at intervals.
  • the comb-tooth type electrode 25 including the first cantilever structure 20 (fixed electrode 21) and the second cantilever structure 23 (movable electrode 24) is formed.
  • an electrostatic force is generated between the fixed electrode 21 and the movable electrode 24.
  • the comb-toothed electrode 25 may be defined as an electrostatic actuator 2 that converts an electrical signal into a mechanical displacement along the first direction X.
  • the first cantilever structure 20 and the second cantilever structure 23 face each other in the first direction X.
  • the first cantilever structure 20 and the second cantilever structure 23 may be alternately arranged at equal intervals along the first direction X.
  • the second cantilever structure 23 and the first cantilever structure 20 are defined as the first movable electrode 24A, the first fixed electrode 21A, the second movable electrode 24B, and the second fixed electrode 21B in the order of arrangement in the first direction X. You may.
  • the first fixed electrode 21A is sandwiched between the first movable electrode 24A and the second movable electrode 24B at intervals in the first direction X.
  • the second movable electrode 24B is sandwiched between the first fixed electrode 21A and the second fixed electrode 21B at intervals in the first direction X.
  • the distance between the fixed electrode 21 and the movable electrode 24 in the first direction X may be equal to each other.
  • the distance d1 between the first movable electrode 24A and the first fixed electrode 21A and the distance d2 between the second movable electrode 24B and the first fixed electrode 21A may be equal.
  • the distance d2 between the second movable electrode 24B and the first fixed electrode 21A and the distance d3 between the second movable electrode 24B and the second fixed electrode 21B may be equal.
  • the fact that the distances d1 to d3 are "equal" does not mean that the distances d1 to d3 are exactly the same.
  • the movable structure 18 is mechanically connected to the fixed structure 17 via a beam portion 27 so as to be displaceable.
  • the beam portion 27 is formed by utilizing the second base layer 7 as in the fixed structure 17 and the movable structure 18.
  • the beam portion 27 is formed in a band shape extending from both sides of the connecting member 22 in the second direction Y toward the frame portion 19 along the second direction Y.
  • the first end 28 in the longitudinal direction of the beam 27 and the second end 29 on the opposite side thereof are mechanically connected to the frame 19 and the connecting member 22, respectively.
  • two beam portions 27 may be formed on both sides of the comb tooth type electrode 25 in the first direction X, for a total of four beams.
  • the movable structure 18 is supported at four points by the beam portion 27 in a state of floating with respect to the cavity 16.
  • Each beam portion 27 may be connected perpendicularly to the connecting member 22.
  • the beam portion 27 has flexibility.
  • the beam portion 27 can be elastically bent in the first direction X.
  • the second end portion 29, which is a free end opposite to the fixed end can be displaced in the first direction X with respect to the first end portion 28, which is a fixed end fixed to the frame portion 19.
  • it may have flexibility.
  • the beam portion 27 has a flexible structure for connecting the fixed structure 17 and the movable structure 18, it may be defined as a flexible connection structure.
  • the beam portion 27 may be defined as a spring structure that bends in the first direction X.
  • the beam portion 27 may be defined as a structure included in the movable structure 18. In this case, the integrated structure of the connecting member 22, the second cantilever structure 23, and the beam portion 27 may be defined as the movable electrode 24.
  • FIG. 3 is an enlarged view of the beam portion 27 of the MEMS switch A1 of FIG.
  • a first piezoelectric element 30 and a second piezoelectric element 31 are formed on the beam portion 27.
  • the second piezoelectric element 31 of the first piezoelectric element 30 and the second piezoelectric element 31 is omitted.
  • the second piezoelectric element 31 has the same structure as the first piezoelectric element 30.
  • the first piezoelectric element 30 and the second piezoelectric element 31 extend along the longitudinal direction of the beam portion 27 (in this embodiment, the second direction Y).
  • the first piezoelectric element 30 and the second piezoelectric element 31 are arranged at intervals in the width direction of the beam portion 27 (in this embodiment, the first direction X).
  • the strip-shaped first piezoelectric element 30 and the second piezoelectric element 31, respectively, extend in parallel along the longitudinal direction of the beam portion 27.
  • the first piezoelectric element 30 has a capacitor structure 32.
  • the capacitor structure 32 includes a lower electrode 33, a piezoelectric thin film 34 formed on the lower electrode 33, and an upper electrode 35 formed on the piezoelectric thin film 34.
  • the piezoelectric thin film 34 is sandwiched by the upper electrode 35 and the lower electrode 33 in contact with each other from above and below.
  • the lower electrode 33 and the upper electrode 35 may be, for example, a metal material layer containing silver (Ag), nickel (Ni), gold (Au), platinum (Pt), or the like.
  • the piezoelectric thin film 34 may be, for example, a piezoelectric material layer such as lead zirconate titanate (PZT) or aluminum nitride (AlN).
  • PZT lead zirconate titanate
  • AlN aluminum nitride
  • the second piezoelectric element 31 may also have the same capacitor structure as the capacitor structure 32 of the first piezoelectric element 30.
  • the first piezoelectric element 30 and the second piezoelectric element 31 are insulated from the beam portion 27, and the stress due to the deformation of the first piezoelectric element 30 and the second piezoelectric element 31 can be transmitted to the beam portion 27 in a state where the beam portion 27 can be transmitted. It is fixed to.
  • the first piezoelectric element 30 and the second piezoelectric element 31 are formed on the beam portion 27 via the first insulating layer 36 formed on the first main surface 11 of the second base layer 7.
  • the first insulating layer 36 may contain, for example, the same material as the embedded insulating layer 8.
  • the first insulating layer 36 may be silicon oxide (SiO 2 ).
  • the first insulating layer 36 may have a thickness of, for example, 0.01 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less. When the thickness of the first insulating layer 36 is within the above range, the stress due to the deformation of the first piezoelectric element 30 and the second piezoelectric element 31 can be effectively transmitted to the beam portion 27.
  • the capacitor structure 32 is covered with a second insulating layer 37.
  • the second insulating layer 37 is formed on the first insulating layer 36.
  • the second insulating layer 37 may be the same first insulating material as the first insulating layer 36, or may be an insulating material different from the first insulating material.
  • the second insulating layer 37 may be silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (SiN), or the like.
  • the second insulating layer 37 may be defined as a surface insulating layer.
  • FIGS. 4A to 4C are schematic views showing the operating principle of the piezoelectric element 38 (capacitor structure 39).
  • the piezoelectric element 38 of FIGS. 4A to 4C has a capacitor structure 39 similar to that of the first piezoelectric element 30 and the second piezoelectric element 31.
  • the positive charge 41 and the negative charge 42 exist separately, and spontaneous polarization occurs.
  • a voltage is applied between the upper electrode 43 and the lower electrode 44, an electric field is generated between the upper electrode 43 and the lower electrode 44, and the magnitude of polarization changes.
  • the direction from the lower electrode 44 toward the upper electrode 43 is the polarization direction.
  • FIG. 4B when the electric field when a voltage is applied between the upper electrode 43 and the lower electrode 44 so that the upper electrode 43 becomes a positive potential is larger than the coercive electric field of the piezoelectric thin film 40, the polarization is inverted. ..
  • the piezoelectric thin film 40 expands in the lateral direction and shrinks in the thickness direction.
  • the magnitude of polarization becomes larger while maintaining the polarization direction. ..
  • the piezoelectric thin film 40 shrinks in the lateral direction and extends in the thickness direction.
  • the vibration mode of the piezoelectric thin film 34 differs depending on the resonance frequency (natural frequency) of the material constituting the piezoelectric thin film 34.
  • vibration modes such as bending vibration, length vibration, and spreading vibration can be mentioned.
  • the piezoelectric thin film 34 having a resonance frequency capable of exhibiting length vibration since the first piezoelectric element 30 and the second piezoelectric element 31 are expanded and contracted in the longitudinal direction of the beam portion 27, it is preferable to select the piezoelectric thin film 34 having a resonance frequency capable of exhibiting length vibration.
  • the resonance frequency can be changed by adjusting the crystal symmetry of the piezoelectric thin film 34.
  • the piezoelectric thin film 34 is PZT (Pb (Zr x Ti 1-x ) O 3 )
  • adjusting the Zr content x changes the crystal symmetry of the piezoelectric thin film 34. Therefore, the appropriate piezoelectric thin film 34 may be formed on the MEMS switch A1 in consideration of the crystal symmetry of the piezoelectric thin film 34.
  • the MEMS switch A1 includes a movable contact portion 45 and a fixed contact portion 46.
  • the movable contact portion 45 is provided on the connecting member 22 of the movable structure 18.
  • the movable contact portion 45 is provided at the end portion 47 in the longitudinal direction of the connecting member 22.
  • the second beam portion 48 is mechanically connected to the end portion 47 of the connecting member 22.
  • the second beam portion 48 has a linear shape extending in a direction intersecting the longitudinal direction of the connecting member 22.
  • the second beam portion 48 extends from the end portion 47 of the connecting member 22 on both sides in the crossing direction.
  • the movable contact portion 45 is selectively formed on the second side portion 50 of the first side portion 49 and the second side portion 50 in the width direction of the second beam portion 48.
  • the first side portion 49 of the second beam portion 48 is a side portion facing the electrostatic actuator 2 in the first direction X, and the second side portion 50 is the opposite side of the first side portion 49.
  • the movable contact portion 45 has a first structure 51 formed in a floating state with respect to the cavity 16.
  • the first structure 51 includes a second base layer 7, a first insulating layer 36 formed on the second base layer 7, and a conductive movable contact layer 52 supported by the first insulating layer 36.
  • the first insulating layer 36 has an end surface 53 along the thickness direction of the substrate 3 (in this embodiment, the third direction Z) and a main surface 54 intersecting the end surface 53. ..
  • the main surface 54 of the first insulating layer 36 is formed along the first main surface 4 of the substrate 3.
  • the end surface 53 of the first insulating layer 36 of the first structure 51 faces the fixed contact portion 46 via a gap 55 between the first insulating layer 36 and the fixed contact portion 46.
  • the movable contact layer 52 covers the main surface 54 and the end surface 53 of the first insulating layer 36.
  • the portion of the end surface 53 near the main surface 54 is covered with the movable contact layer 52, and the remaining portion of the end surface 53 is exposed toward the gap 55. May be good.
  • the boundary portion 56 between the first insulating layer 36 and the second base layer 7 of the first structure 51 may face the gap 55.
  • the movable contact layer 52 includes a base portion 57 formed on the main surface 54 of the first insulating layer 36 and a protruding portion 58 protruding from the base portion 57 toward the fixed contact portion 46 with respect to the end surface 53 of the first insulating layer 36.
  • the protruding portion 58 may be a portion that covers the end surface 53 of the first insulating layer 36.
  • the movable contact layer 52 may be made of a conductive material such as gold (Au) or aluminum (Al). The movable contact layer 52 is electrically connected to the first signal line 59.
  • the fixed contact portion 46 is provided in the frame portion 19 of the fixed structure 17.
  • the frame portion 19 includes a first frame portion 60 and a second frame portion 61 that are mechanically separated from each other.
  • a second signal line 62 is formed in the first frame portion 60 and the second frame portion 61.
  • the fixed contact portion 46 has a second structure 63 supported by the embedded insulating layer 8.
  • the second structure 63 includes a second base layer 7, a first insulating layer 36 formed on the second base layer 7, and a conductive fixed contact layer 64 supported by the first insulating layer 36.
  • the first insulating layer 36 has an end surface 65 along the thickness direction of the substrate 3 (in this embodiment, the third direction Z) and a main surface 66 intersecting the end surface 65.
  • the main surface 66 of the first insulating layer 36 is formed along the first main surface 4 of the substrate 3.
  • the end surface 65 of the first insulating layer 36 of the second structure 63 faces the movable contact portion 45 via a gap 55 between the first insulating layer 36 and the movable contact portion 45.
  • the fixed contact layer 64 covers the main surface 66 and the end surface 65 of the first insulating layer 36.
  • the portion of the end surface 65 close to the main surface 66 is covered with the fixed contact layer 64, and the remaining portion of the end surface 65 is exposed toward the gap 55. May be good.
  • the boundary portion 67 between the first insulating layer 36 and the second base layer 7 of the second structure 63 may face the gap 55.
  • the fixed contact layer 64 includes a base portion 68 formed on the main surface 66 of the first insulating layer 36 and a protruding portion 69 protruding from the base portion 68 toward the movable contact portion 45 with respect to the end surface 65 of the first insulating layer 36.
  • the protruding portion 69 may be a portion that covers the end face 65 of the first insulating layer 36.
  • the fixed contact layer 64 may be, for example, a conductive material such as gold (Au) or aluminum (Al). The fixed contact layer 64 is electrically connected to the second signal line 62.
  • 5A and 5B are schematic views showing the operation of the MEMS switch A1 of FIG. 6A to 6C are schematic views showing a state in which the beam portion 27 of the MEMS switch A1 of FIG. 1 is deformed.
  • the first piezoelectric element 30 and the second piezoelectric element 31 are respectively extended so that the first piezoelectric element 30 is extended and the second piezoelectric element 31 is contracted.
  • a predetermined voltage is applied to the.
  • the expansion of the first piezoelectric element 30 and the contraction of the second piezoelectric element 31 are achieved by the inverse piezoelectric effect of the voltage.
  • the elongation of the first piezoelectric element 30 provides the elongation of the first portion 70 of the beam portion 27 on which the first piezoelectric element 30 is formed, and the contraction of the second piezoelectric element 31 is the second.
  • the contraction of the second portion 71 of the beam portion 27 in which the piezoelectric element 31 is formed is provided.
  • the MEMS switch A1 includes the piezoelectric actuator 1 that converts the electric signal input to the first piezoelectric element 30 and the second piezoelectric element 31 into the mechanical displacement of the movable structure 18 via the beam unit 27.
  • the piezoelectric actuator 1 may be defined as a structure including a beam portion 27, a comb-toothed electrode 25, a first piezoelectric element 30, and a second piezoelectric element 31. Since the piezoelectric drive by the piezoelectric actuator 1 has a faster response speed than the electrostatic drive by the electrostatic actuator 2, the switching speed of the MEMS switch A1 is improved as compared with the case where the movable structure 18 is displaced only by the electrostatic actuator 2. be able to.
  • the switching speed of the electrostatic drive of the electrostatic actuator 2 can be assisted.
  • the response speed can be further improved by applying a voltage that matches the resonance frequency of each piezoelectric thin film 34.
  • the MEMS switch A1 also includes an electrostatic actuator 2. Therefore, the MEMS switch A1 may be switched by a combination of mechanical operations of the piezoelectric actuator 1 and the electrostatic actuator 2.
  • the first movable electrode 24A and the second movable electrode 24B are respectively in the first direction X.
  • the second movable electrode 24B moves away from the first fixed electrode 21A.
  • This asymmetric structure 72 upsets the balance of the electrostatic force in the comb-tooth type electrode 25.
  • an electrostatic force acting between the second movable electrode 24B and the second fixed electrode 21B acts between the second movable electrode 24B and the first fixed electrode 21A. It can be made larger than the electrostatic force (first electrostatic force F1). Therefore, the movable structure 18 is displaced toward the fixed contact portion 46 by the electrostatic force corresponding to the difference between the first electrostatic force F1 and the second electrostatic force F2 (first electrostatic force F1-second electrostatic force F2). Can be done.
  • the asymmetric structure 72 of the comb-tooth type electrode 25 can be formed by starting the switching operation of the MEMS switch A1 by the piezoelectric drive, the displacement of the movable structure 18 due to the electrostatic force can be smoothly shifted.
  • the movable structure 18 is displaced by the electrostatic force of the electrostatic actuator 2, so that the movable contact portion 45 is fixed to the fixed contact portion 46. May be contacted with.
  • the contact state between the movable contact portion 45 and the fixed contact portion 46 is determined by the electrostatic force of the electrostatic actuator 2. May be retained by.
  • the power consumption of electrostatic drive tends to be smaller than the power consumption of piezoelectric drive. Therefore, by combining the piezoelectric drive and the electrostatic drive, it is possible to expect power saving as compared with the switching operation of the MEMS switch A1 only by the piezoelectric drive.
  • 7A to 7H are diagrams showing a part of the manufacturing process of the MEMS switch A1 of FIG. 1 in the order of processes.
  • a wafer 73 forming the substrate 3 of the MEMS switch A1 is prepared with reference to FIG. 7A.
  • the wafer 73 has a first wafer main surface 74 and a second wafer main surface 75 on the opposite side of the first wafer main surface 74.
  • the first wafer main surface 74 is the first main surface 11 of the second base layer 7, and the second wafer main surface 75 is the second main surface 10 of the first base layer 6.
  • the wafer 73 may be a semiconductor wafer, and in this embodiment, it is an SOI wafer.
  • the first insulating layer 36 is formed on the first wafer main surface 74 of the wafer 73.
  • the first insulating layer 36 may be formed by, for example, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, a thermal oxidation method, or the like.
  • the first piezoelectric element 30 and the second piezoelectric element 31 are formed on the first insulating layer 36. Specifically, the lower electrode 33, the piezoelectric thin film 34, and the upper electrode 35 are formed in this order to form the capacitor structure 32 constituting the first piezoelectric element 30 and the second piezoelectric element 31. In FIGS. 7C and 7C and subsequent views, only the first piezoelectric element 30 is shown.
  • the second insulating layer 37 is formed on the first insulating layer 36.
  • the second insulating layer 37 may be formed by, for example, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, a thermal oxidation method, or the like. As a result, the capacitor structure 32 is covered with the second insulating layer 37.
  • a trench 76 is formed from the first main surface 11 of the second base layer 7 to the embedded insulating layer 8 through the second base layer 7.
  • the trench 76 may be formed by, for example, an anisotropic deep RIE (Reactive Ion Etching).
  • an etching gas capable of etching the embedded insulating layer 8 is supplied.
  • a fluorine-based gas for example, HF or the like
  • the embedded insulating layer 8 is selectively removed.
  • a cavity 16 sandwiched between the first base layer 6 and the second base layer 7 is formed in the portion from which the embedded insulating layer 8 has been removed.
  • the fixed structure 17 and the movable structure 18 are separately formed.
  • a part of the embedded insulating layer 8 remains in contact with and sandwiched between the first base layer 6 and the second base layer 7.
  • the movable contact layer 52 and the fixed contact layer 64 are formed.
  • the movable contact layer 52 and the fixed contact layer 64 are formed by depositing these conductive materials (metal materials).
  • the movable contact layer 52 and the fixed contact layer 64 may be deposited by, for example, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, a PVD (Physical Vapor Deposition) method, or the like.
  • a part of the conductive material may not be deposited on the first insulating layer 36, but may be deposited as a residue 77 on the end face of the second base layer 7, the cavity 16, or the like.
  • the residue 77 is physically and electrically separated from the movable contact layer 52 and the fixed contact layer 64.
  • FIG. 8 is a schematic plan view of the MEMS switch B1 according to the embodiment of the present disclosure.
  • 9A and 9B are schematic views showing the operation of the MEMS switch B1 of FIG.
  • the same reference numerals will be given to the structures corresponding to the structures described for the MEMS switch A1 according to the above-described embodiment, and the description thereof will be omitted.
  • the MEMS switch B1 includes a movable contact portion 78 instead of the movable contact portion 45.
  • the movable contact portion 78 includes a first movable contact portion 78A and a second movable contact portion 78B.
  • the structure of the first movable contact portion 78A and the second movable contact portion 78B is the same as that of the above-mentioned movable contact portion 45.
  • the first movable contact portion 78A and the second movable contact portion 78B face each other in the first direction X in opposite directions.
  • the first movable contact portion 78A is formed on the first side portion 49 in the width direction of the second beam portion 48
  • the second movable contact portion 78B is formed on the second side portion 50.
  • One first movable contact portion 78A and one second movable contact portion 78B are provided at one end portion and the other end portion in the longitudinal direction of the second beam portion 48, respectively.
  • the MEMS switch B1 includes a fixed contact portion 79 instead of the fixed contact portion 46.
  • the fixed contact portion 79 includes a first fixed contact portion 79A and a second fixed contact portion 79B.
  • the first fixed contact portion 79A faces the first movable contact portion 78A
  • the second fixed contact portion 79B faces the second movable contact portion 78B.
  • the first fixed contact portion 79A is electrically connected to the third signal line 80
  • the second fixed contact portion 79B is electrically connected to the second signal line 62.
  • the MEMS switch B1 includes a single-pole double-throw switch.
  • the connecting member 22 is displaced to either one side or the opposite side of the first direction X by exchanging the polarities of the voltages applied to the first piezoelectric element 30 and the second piezoelectric element 31 with each other. be able to. Therefore, by the piezoelectric drive, two types of asymmetric structures 81 and 82 of the first pattern shown in FIG. 9A and the second pattern shown in FIG. 9B can be formed as the asymmetric structure of the comb tooth type electrode 25.
  • the first asymmetric structure of the first pattern first asymmetric structure 81
  • the second fixed electrode 21B is relatively close to the second movable electrode 24B
  • the first fixed electrode 21A is larger than the second fixed electrode 21B. Relatively far.
  • the first fixed electrode 21A is relatively close to the second movable electrode 24B
  • the second fixed electrode 21B is relative to the first fixed electrode 21A. Far from.
  • asymmetric structures 81 and 82 can be formed from the comb-tooth type electrodes 25 of one type of symmetrical structure 26 by piezoelectric driving.
  • a first circuit (a circuit formed by conducting the first signal line 59 and the third signal line 80) including the first movable contact portion 78A and the first fixed contact portion 79A, and the second movable contact portion.
  • Two circuits of the second circuit (a circuit formed by conducting the first signal line 59 and the second signal line 62) including the 78B and the second fixed contact portion 79B are combined with one type of symmetric structure 26 comb teeth. It can be switched by the mold electrode 25. Therefore, the space for forming the electrode structure for switching between the two circuits can be reduced, so that the MEMS switch B1 can be miniaturized.
  • FIG. 10 is a schematic plan view of the MEMS switch C1 according to the embodiment of the present disclosure.
  • 11A and 11B are schematic views showing the operation of the MEMS switch C1 of FIG.
  • the same reference numerals will be given to the structures corresponding to the structures described for the MEMS switches A1 and B1 according to the above-described embodiment, and the description thereof will be omitted.
  • the MEMS switch C1 is a piezoelectric drive MEMS switch C1 including only the piezoelectric actuator 1 among the above-mentioned piezoelectric actuator 1 and electrostatic actuator 2.
  • the beam portion 27 is deformed so as to bend toward the connecting member 22 due to the inverse piezoelectric effect of the first piezoelectric element 30 and the second piezoelectric element 31.
  • the connecting member 22 can be displaced by this deformation. Due to the displacement of the connecting member 22, the movable contact portion 45 approaches the fixed contact portion 46, and the movable contact portion 45 can be brought into contact with the fixed contact portion 46. By this contact, the MEMS switch C1 is turned on, the first signal line 59 and the second signal line 62 are made conductive, and a conduction circuit is formed.
  • the space for forming the electrostatic actuator 2 can be omitted, so that the MEMS switch C1 can be miniaturized.
  • MEMS switches A1, B1, and C1 of the present disclosure can also be implemented in other embodiments.
  • Piezoelectric actuator 2 Electrostatic actuator 3: Substrate 4: First main surface 5: Second main surface 6: First base layer 7: Second base layer 8: Embedded insulating layer 9: First main surface 10: First 2 Main surface 11: 1st main surface 12: 2nd main surface 13: 1st joint surface 14: 2nd joint surface 15: Side surface 16: Cavity 17: Fixed structure 18: Movable structure 19: Frame portion 20: 1st cantilever Structure 21: Fixed electrode 21A: First fixed electrode 21B: Second fixed electrode 22: Connecting member 23: Second cantilever structure 24: Movable electrode 24A: First movable electrode 24B: Second movable electrode 25: Comb tooth type electrode 26 : Symmetrical structure 27: Beam part 28: First end part 29: Second end part 30: First piezoelectric element 31: Second piezoelectric element 32: Capacitor structure 33: Lower electrode 34: Piezoelectric thin film 35: Upper electrode 36: First insulating layer 37: Second insulating layer 38: Piezoelectric

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Abstract

ＭＥＭＳスイッチは、第１主面およびその反対側の第２主面を有し、空洞が内部に形成された基板と、前記基板の前記第１主面側において前記空洞に対して浮いた状態で固定され、前記基板の厚さ方向に交差する第１方向に延びる、可撓性を有する可撓部と、前記第１方向に沿って並んで延びるように前記可撓部上に形成され、前記第１方向に沿って伸縮可能な第１圧電素子および第２圧電素子と、前記可撓部に連結され、前記可撓部の変形によって前記基板の厚さ方向および前記第１方向に交差する第２方向に変位可能な連結部材と、前記連結部材に設けられた可動接点部と、前記第２方向において前記可動接点部に対向し、前記連結部材の変位によって前記可動接点部と接触および非接触可能な固定接点部とを含む。

Description

ＭＥＭＳスイッチ
　本開示は、ＭＥＭＳスイッチに関する。
　たとえば、特許文献１は、ＭＥＭＳスイッチを開示している。このＭＥＭＳスイッチは、固定接点部と可動接点部とを備えている。固定接点部は、絶縁膜を介してベース基板の上面に固定された下面を有している。可動接点部は、ベース基板の上面から浮いている。可動接点部は、アクチュエータによってベース基板の上面と平行な方向に移動する。
欧州特許出願公開第２３６５４９９明細書
　本開示の一例としてのＭＥＭＳスイッチは、第１主面およびその反対側の第２主面を有し、空洞が内部に形成された基板と、前記基板の前記第１主面側において前記空洞に対して浮いた状態で固定され、前記基板の厚さ方向に交差する第１方向に延びる、可撓性を有する可撓部と、前記第１方向に沿って並んで延びるように前記可撓部上に形成され、前記第１方向に沿って伸縮可能な第１圧電素子および第２圧電素子と、前記可撓部に連結され、前記可撓部の変形によって前記基板の厚さ方向および前記第１方向に交差する第２方向に変位可能な連結部材と、前記連結部材に設けられた可動接点部と、前記第２方向において前記可動接点部に対向し、前記連結部材の変位によって前記可動接点部と接触および非接触可能な固定接点部とを含む。
図１は、本開示の一実施形態に係るＭＥＭＳスイッチの模式的な平面図である。 図２は、本開示の一実施形態に係るＭＥＭＳスイッチの模式的な断面図である。 図３は、図１のＭＥＭＳスイッチのビーム部の拡大図である。 図４Ａ～図４Ｃは、圧電素子の動作原理を示す模式図である。 図５Ａおよび図５Ｂは、図１のＭＥＭＳスイッチの動作を示す模式図である。 図６Ａ～図６Ｃは、図１のＭＥＭＳスイッチのビーム部が変形する状態を示す模式図である。 図７Ａは、図１のＭＥＭＳスイッチの製造工程の一部を示す図である。 図７Ｂは、図７Ａの次の工程を示す図である。 図７Ｃは、図７Ｂの次の工程を示す図である。 図７Ｄは、図７Ｃの次の工程を示す図である。 図７Ｅは、図７Ｄの次の工程を示す図である。 図７Ｆは、図７Ｅの次の工程を示す図である。 図７Ｇは、図７Ｆの次の工程を示す図である。 図７Ｈは、図７Ｇの次の工程を示す図である。 図８は、本開示の一実施形態に係るＭＥＭＳスイッチの模式的な平面図である。 図９Ａおよび図９Ｂは、図８のＭＥＭＳスイッチの動作を示す模式図である。 図１０は、本開示の一実施形態に係るＭＥＭＳスイッチの模式的な平面図である。 図１１Ａおよび図１１Ｂは、図１０のＭＥＭＳスイッチの動作を示す模式図である。
＜本開示の実施形態＞
　まず、本開示の実施形態を列記して説明する。
　本開示の第１例としてのＭＥＭＳスイッチは、第１主面およびその反対側の第２主面を有し、空洞が内部に形成された基板と、前記基板に形成され、前記空洞を区画するフレーム部と、前記基板の前記第１主面側において前記空洞に対して浮いた状態で固定され、前記基板の厚さ方向に交差する第１方向に延びる、可撓性を有する可撓部と、前記第１方向に沿って並んで延びるように前記可撓部上に形成され、前記第１方向に沿って伸縮可能な第１圧電素子および第２圧電素子と、前記可撓部に連結され、前記可撓部の変形によって前記基板の厚さ方向および前記第１方向に交差する第２方向に変位可能な連結部材と、前記連結部材に設けられた可動接点部と、前記第２方向において前記可動接点部に対向し、前記連結部材の変位によって前記可動接点部と接触および非接触可能な固定接点部とを含む。
　この構成によれば、可撓部上に、第１圧電素子および第２圧電素子が並んで延びている。たとえば、第１方向において、第１圧電素子が伸びるように、かつ第２圧電素子が縮むように、第１圧電素子および第２圧電素子のそれぞれに所定の電圧が印加される。第１圧電素子の伸びおよび第２圧電素子の縮みは、当該電圧による逆圧電効果によって達成される。第１圧電素子の伸びは、第１圧電素子が形成された可撓部の第１部分の伸びを提供し、第２圧電素子の縮みは、第２圧電素子が形成された可撓部の第２部分の縮みを提供する。これにより、可撓部の第１部分と第２部分との間に第１方向における長さの差が発生し、連結部材に向かって曲がるように可撓部が変形する。この変形によって連結部材を変位させることができる。圧電駆動は静電駆動よりも応答速度が速いので、連結部材が静電気力のみによって変位する場合に比べて、ＭＥＭＳスイッチのスイッチング速度を向上することができる。
　第１圧電素子および第２圧電素子に印加する電圧の極性を互いに入れ替えることによって、第２方向の一方側およびその反対側のどちらにでも、連結部材を変位させることができる。したがって、固定接点部を、可動接点部に対して第２方向の一方側およびその反対側のどちらにも配置することができる。
　可撓部の変形に起因する連結部材の変位によって、可動接点部と固定接点部とを接触させてもよい。一方、第１圧電素子および第２圧電素子に印加した電圧の解除によって可撓部の形状が復元するので、可動接点部を固定接点部から離間（非接触）させてもよい。なお、上記の例では、可動接点部と固定接点部との非接触状態が初期状態であり、可撓部の変形によって、可動接点部が固定接点部と接触する。これに対し、可動接点部と固定接点部との接触状態が初期状態であり、可撓部の変形によって、可動接点部が固定接点部から離間してもよい。
　本開示の第１例としてのＭＥＭＳスイッチは、前記連結部材から前記第１方向に延びる可動電極と、前記基板の前記第１主面側に固定され、前記可動電極に並んで延び、前記第２方向において前記可動電極に対向する固定電極とを含んでいてもよい。
　この構成によれば、第１圧電素子および第２圧電素子による可撓部の変形に加えて、可動電極と固定電極との間の静電気力を、ＭＥＭＳスイッチのスイッチング動作に利用することができる。たとえば、可撓部の変形によって連結部材を圧電駆動させた後、可動電極と固定電極との間の静電気力によって連結部材を変位させることによって、可動接点部が固定接点部に接触してもよい。たとえば、可撓部の変形によって連結部材を圧電駆動させ、可動接点部が固定接点部に接触した後、可動接点部と固定接点部との間の接触状態を、可動電極と固定電極との間の静電気力によって保持してもよい。
　静電駆動の消費電力は、圧電駆動の消費電力よりも小さい傾向がある。そのため、圧電駆動と静電駆動との組み合わせによって、圧電駆動のみでＭＥＭＳスイッチをスイッチング動作させるよりも省電力化を期待することができる。
　本開示の第１例としてのＭＥＭＳスイッチでは、前記可動電極および前記固定電極は、前記第２方向において互いに等しい間隔を空けて交互に配列された櫛歯型電極を形成していてもよい。
　櫛歯型電極では、１つの可動電極の第２方向の両側に、第１固定電極および第２固定電極が隣接している。第１圧電素子および第２圧電素子の伸縮によってＭＥＭＳスイッチが圧電駆動すると、１つの可動電極は、第２方向において第１固定電極に相対的に近づく一方、第２固定電極から相対的に遠ざかる。これにより、１つの可動電極に対して、第１固定電極が相対的に近く、第２固定電極が第１固定電極よりも相対的に遠い非対称構造が提供される。この非対称構造は、櫛歯型電極における静電気力の釣り合いを崩す。その結果、たとえば、１つの可動電極に対して第２方向の一方側に向かって作用する静電気力（第１静電気力）を、第２方向の反対側に向かって作用する静電気力（第２静電気力）に比べて大きくすることができる。したがって、第１静電気力と第２静電気力との差（第１静電気力－第２静電気力）に相当する静電気力によって、連結部材を変位させることができる。つまり、ＭＥＭＳスイッチのスイッチング動作を圧電駆動で開始することによって櫛歯型電極の非対称構造を形成できるので、静電気力による連結部材の変位にスムーズに移行することができる。
　本開示の第１例としてのＭＥＭＳスイッチでは、前記可動接点部は、前記第２方向において互いに反対方向に臨む第１可動接点部および第２可動接点部を含み、前記固定接点部は、前記第２方向において前記第１可動接点部に対向する第１固定接点部と、前記第２方向において前記第２可動接点部に対向する第２固定接点部とを含んでいてもよい。
　前述のように、第１圧電素子および第２圧電素子に印加する電圧の極性を互いに入れ替えることによって、第２方向の一方側およびその反対側のどちらにでも、連結部材を変位させることができる。そのため、圧電駆動によって、櫛歯型電極の非対称構造として、第１パターンおよび第２パターンの２種類の非対称構造を形成できる。たとえば、第１パターンでは、１つの可動電極に対して、第１固定電極が相対的に近く、第２固定電極が第１固定電極よりも相対的に遠い。第２パターンでは、１つの可動電極に対して、第１固定電極が相対的に遠く、第２固定電極が第１固定電極よりも相対的に近い。
　このように、１種類の構造の櫛歯型電極から、圧電駆動によって２種類の非対称構造を形成することができる。その結果、第１可動接点部および第１固定接点部を含む第１回路と、第２可動接点部および第２固定接点部を含む第２回路の２つの回路を、１種類の構造の櫛歯型電極によって切り替えることができる。そのため、２つの回路を切り替えるための電極構造の形成スペースを小さくできるので、ＭＥＭＳスイッチの小型化を図ることができる。
　本開示の第１例としてのＭＥＭＳスイッチでは、前記可動電極は、前記第２方向において前記固定電極を挟むように配列された第１可動電極および第２可動電極を含み、前記第２方向における前記第１可動電極と前記固定電極との距離と、前記第２方向における前記第２可動電極と前記固定電極との距離とが等しく、前記可動接点部は、前記第２方向において互いに反対方向に臨む第１可動接点部および第２可動接点部を含み、前記固定接点部は、前記第２方向において前記第１可動接点部に対向する第１固定接点部と、前記第２方向において前記第２可動接点部に対向する第２固定接点部とを含んでいてもよい。
　この構成によれば、１つの固定電極の第２方向の両側に、第１可動電極および第２可動電極が隣接している。第１圧電素子および第２圧電素子の伸縮によってＭＥＭＳスイッチが圧電駆動すると、たとえば第１可動電極は、第２方向において固定電極に相対的に近づく一方、第２可動電極は固定電極から相対的に遠ざかる。これにより、１つの固定電極に対して、第１可動電極が相対的に近く、第２可動電極が第１可動電極よりも相対的に遠い非対称構造が提供される。この非対称構造は、固定電極と第１可動電極および第２可動電極との間の静電気力の釣り合いを崩す。その結果、たとえば、第１可動電極に対して第２方向の一方側に向かって作用する静電気力（第１静電気力）を、第２可動電極に対して第２方向の反対側に向かって作用する静電気力（第２静電気力）に比べて大きくすることができる。したがって、第１静電気力と第２静電気力との差（第１静電気力－第２静電気力）に相当する静電気力によって、連結部材を変位させることができる。つまり、ＭＥＭＳスイッチのスイッチング動作を圧電駆動で開始することによって、固定電極と第１可動電極および第２可動電極とを含む構造を非対称構造として形成できるので、静電気力による連結部材の変位にスムーズに移行することができる。
　前述のように、第１圧電素子および第２圧電素子に印加する電圧の極性を互いに入れ替えることによって、第２方向の一方側およびその反対側のどちらにでも、連結部材を変位させることができる。そのため、圧電駆動によって、固定電極と第１可動電極および第２可動電極とを含む構造の非対称構造として、第１パターンおよび第２パターンの２種類の非対称構造を形成できる。たとえば、第１パターンでは、１つの固定電極に対して、第１可動電極が相対的に近く、第２可動電極が第１可動電極よりも相対的に遠い。第２パターンでは、１つの固定電極に対して、第１可動電極が相対的に遠く、第２可動電極が第１可動電極よりも相対的に近い。
　このように、１種類の構造の電極から、圧電駆動によって２種類の非対称構造を形成することができる。その結果、第１可動接点部および第１固定接点部を含む第１回路と、第２可動接点部および第２固定接点部を含む第２回路の２つの回路を、１種類の構造の電極によって切り替えることができる。そのため、２つの回路を切り替えるための電極構造の形成スペースを小さくできるので、ＭＥＭＳスイッチの小型化を図ることができる。
　本開示の第１例としてのＭＥＭＳスイッチでは、前記固定電極は、前記第２方向において前記可動電極を挟むように配列された第１固定電極および第２固定電極を含み、前記第２方向における前記第１固定電極と前記可動電極との距離と、前記第２方向における前記第２固定電極と前記可動電極との距離とが等しく、前記可動接点部は、前記第２方向において互いに反対方向に臨む第１可動接点部および第２可動接点部を含み、前記固定接点部は、前記第２方向において前記第１可動接点部に対向する第１固定接点部と、前記第２方向において前記第２可動接点部に対向する第２固定接点部とを含んでいてもよい。
　この構成によれば、１つの可動電極の第２方向の両側に、第１固定電極および第２固定電極が隣接している。第１圧電素子および第２圧電素子の伸縮によってＭＥＭＳスイッチが圧電駆動すると、たとえば第１固定電極は、第２方向において可動電極に相対的に近づく一方、第２固定電極は可動電極から相対的に遠ざかる。これにより、１つの可動電極に対して、第１固定電極が相対的に近く、第２固定電極が第１固定電極よりも相対的に遠い非対称構造が提供される。この非対称構造は、可動電極と第１固定電極および第２固定電極との間の静電気力の釣り合いを崩す。その結果、たとえば、可動電極に対して第２方向の一方側に向かって作用する静電気力（第１静電気力）を、可動電極に対して第２方向の反対側に向かって作用する静電気力（第２静電気力）に比べて大きくすることができる。したがって、第１静電気力と第２静電気力との差（第１静電気力－第２静電気力）に相当する静電気力によって、連結部材を変位させることができる。つまり、ＭＥＭＳスイッチのスイッチング動作を圧電駆動で開始することによって、可動電極と第１固定電極および第２固定電極とを含む構造を非対称構造として形成できるので、静電気力による連結部材の変位にスムーズに移行することができる。
　前述のように、第１圧電素子および第２圧電素子に印加する電圧の極性を互いに入れ替えることによって、第２方向の一方側およびその反対側のどちらにでも、連結部材を変位させることができる。そのため、圧電駆動によって、可動電極と第１固定電極および第２固定電極とを含む構造の非対称構造として、第１パターンおよび第２パターンの２種類の非対称構造を形成できる。たとえば、第１パターンでは、１つの可動電極に対して、第１固定電極が相対的に近く、第２固定電極が第１固定電極よりも相対的に遠い。第２パターンでは、１つの可動電極に対して、第１固定電極が相対的に遠く、第２固定電極が第１固定電極よりも相対的に近い。
　このように、１種類の構造の電極から、圧電駆動によって２種類の非対称構造を形成することができる。その結果、第１可動接点部および第１固定接点部を含む第１回路と、第２可動接点部および第２固定接点部を含む第２回路の２つの回路を、１種類の構造の電極によって切り替えることができる。そのため、２つの回路を切り替えるための電極構造の形成スペースを小さくできるので、ＭＥＭＳスイッチの小型化を図ることができる。
　本開示の第１例としてのＭＥＭＳスイッチでは、前記可撓部は、前記第１方向に延びる帯状に形成されており、前記第１圧電素子および前記第２圧電素子の少なくとも一方は、前記帯状の可撓部の長手方向に沿って帯状に形成されたキャパシタ構造を含み、前記キャパシタ構造は、圧電体薄膜と、前記圧電体薄膜を上下方向から挟む上部電極および下部電極とを有していてもよい。
　本開示の第１例としてのＭＥＭＳスイッチでは、前記圧電体薄膜は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）および窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の少なくとも一方を含んでいてもよい。
　本開示の第２例としてのＭＥＭＳスイッチは、第１主面およびその反対側の第２主面を有し、空洞が内部に形成された基板と、前記基板の前記第１主面側に前記空洞に対して浮いた状態で形成された静電アクチュエータであって、交互に配列された固定電極および可動電極を含み、前記可動電極と前記固定電極との間の静電気力によって変位する櫛歯型の静電アクチュエータと、前記可動電極に連結された連結部材を介して前記静電アクチュエータを変位可能に支持し、前記静電アクチュエータの変位方向に交差する方向に延びる可撓性のビーム部と、前記ビーム部の長手方向に沿って並んで延びるように前記ビーム部上に形成され、前記ビーム部の長手方向に沿って伸縮可能な第１圧電素子および第２圧電素子と、前記連結部材に設けられた可動接点部と、前記静電アクチュエータの変位方向において前記可動接点部に対向し、前記静電アクチュエータの変位によって前記可動接点部と接触および非接触可能な固定接点部とを含む。
　この構成によれば、ビーム部上に、第１圧電素子および第２圧電素子が並んで延びている。たとえば、ビーム部の長手方向において、第１圧電素子が伸びるように、かつ第２圧電素子が縮むように、第１圧電素子および第２圧電素子のそれぞれに所定の電圧が印加される。第１圧電素子の伸びおよび第２圧電素子の縮みは、当該電圧による逆圧電効果によって達成される。第１圧電素子の伸びは、第１圧電素子が形成されたビーム部の第１部分の伸びを提供し、第２圧電素子の縮みは、第２圧電素子が形成されたビーム部の第２部分の縮みを提供する。これにより、ビーム部の第１部分と第２部分との間にビーム部の長手方向における長さの差が発生し、連結部材に向かって曲がるようにビーム部が変形する。この変形によって静電アクチュエータを変位させることができる。圧電駆動は静電駆動よりも応答速度が速いので、ＭＥＭＳスイッチのスイッチング動作を圧電駆動で開始することによって、静電アクチュエータの静電駆動のスイッチング速度を補助することができる。
　第１圧電素子および第２圧電素子に印加する電圧の極性を互いに入れ替えることによって、静電アクチュエータの変位方向の一方側およびその反対側のどちらにでも、連結部材を変位させることができる。したがって、固定接点部を、可動接点部に対して静電アクチュエータの変位方向の一方側およびその反対側のどちらにも配置することができる。
　本開示の第２例としてのＭＥＭＳスイッチでは、前記可動電極および前記固定電極は、互いに等しい間隔を空けて交互に配列されていてもよい。
　櫛歯型の静電アクチュエータでは、１つの可動電極を挟むように、第１固定電極および第２固定電極が隣接している。第１圧電素子および第２圧電素子の伸縮によってＭＥＭＳスイッチが圧電駆動すると、１つの可動電極は、第１固定電極に相対的に近づく一方、第２固定電極から相対的に遠ざかる。これにより、１つの可動電極に対して、第１固定電極が相対的に近く、第２固定電極が第１固定電極よりも相対的に遠い非対称構造が提供される。この非対称構造は、櫛歯型の静電アクチュエータにおける静電気力の釣り合いを崩す。その結果、たとえば、１つの可動電極に対して第１固定電極に向かって作用する静電気力（第１静電気力）を、第２固定電極に向かって作用する静電気力（第２静電気力）に比べて大きくすることができる。したがって、第１静電気力と第２静電気力との差（第１静電気力－第２静電気力）に相当する静電気力によって、静電アクチュエータを変位させることができる。つまり、ＭＥＭＳスイッチのスイッチング動作を圧電駆動で開始することによって櫛歯型電極の非対称構造を形成できるので、静電気力による静電アクチュエータの変位にスムーズに移行することができる。
　本開示の第２例としてのＭＥＭＳスイッチでは、前記可動接点部は、前記静電アクチュエータの変位方向において互いに反対方向に臨む第１可動接点部および第２可動接点部を含み、前記固定接点部は、前記静電アクチュエータの変位方向において前記第１可動接点部に対向する第１固定接点部と、前記静電アクチュエータの変位方向において前記第２可動接点部に対向する第２固定接点部とを含んでいてもよい。
　前述のように、第１圧電素子および第２圧電素子に印加する電圧の極性を互いに入れ替えることによって、静電アクチュエータの変位方向の一方側およびその反対側のどちらにでも、連結部材を変位させることができる。そのため、圧電駆動によって、櫛歯型の静電アクチュエータの非対称構造として、第１パターンおよび第２パターンの２種類の非対称構造を形成できる。たとえば、第１パターンでは、１つの可動電極に対して、第１固定電極が相対的に近く、第２固定電極が第１固定電極よりも相対的に遠い。第２パターンでは、１つの可動電極に対して、第１固定電極が相対的に遠く、第２固定電極が第１固定電極よりも相対的に近い。
　このように、１種類の構造の櫛歯型の静電アクチュエータから、圧電駆動によって２種類の非対称構造を形成することができる。その結果、第１可動接点部および第１固定接点部を含む第１回路と、第２可動接点部および第２固定接点部を含む第２回路の２つの回路を、１種類の構造の櫛歯型の電極によって切り替えることができる。そのため、２つの回路を切り替えるための電極構造の形成スペースを小さくできるので、ＭＥＭＳスイッチの小型化を図ることができる。
　本開示の第２例としてのＭＥＭＳスイッチでは、前記第１圧電素子および前記第２圧電素子の少なくとも一方は、前記ビーム部の長手方向に沿って帯状に形成されたキャパシタ構造を含み、前記キャパシタ構造は、圧電体薄膜と、前記圧電体薄膜を上下方向から挟む上部電極および下部電極とを有していてもよい。
　本開示の第２例としてのＭＥＭＳスイッチでは、前記圧電体薄膜は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）および窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の少なくとも一方を含んでいてもよい。
＜本開示の実施形態の詳細な説明＞
　次に、本開示の実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。以下の詳細な説明において、序数が付された名称の構成要素および方向が複数存在するが、当該序数と、請求項に記載の構成要素および方向の序数とは、必ずしも一致するものではない。
　図１は、本開示の一実施形態に係るＭＥＭＳスイッチＡ１の模式的な平面図である。図２は、本開示の一実施形態に係るＭＥＭＳスイッチＡ１の模式的な断面図である。図２は、図１のＭＥＭＳスイッチＡ１の特定部分の断面を示すものではない。図２では、ＭＥＭＳスイッチＡ１の構造の明瞭化のために、ＭＥＭＳスイッチＡ１のいくつかの構成が抽出して示されている。
　ＭＥＭＳスイッチＡ１は、たとえば、圧電アクチュエータ１および静電アクチュエータ２の両方を備える圧電静電駆動ＭＥＭＳスイッチである。ＭＥＭＳスイッチＡ１は、たとえば、圧電アクチュエータ１および静電アクチュエータ２の機械的動作によって、第１方向Ｘに沿う駆動力を発生する。この実施形態では、第１方向Ｘに対して水平方向に直交する方向が第２方向Ｙであり、第１方向Ｘに対して鉛直方向に直交する方向が第３方向Ｚである。第３方向Ｚは、ＭＥＭＳスイッチＡ１の厚さ方向、後述する基板３の厚さ方向と定義してもよい。第１方向Ｘおよび第２方向Ｙは、後述する基板３の厚さ方向に直交する方向と定義してもよい。
　ＭＥＭＳスイッチＡ１は、基板３を含む。基板３は、ＭＥＭＳスイッチＡ１の外形を形成していてもよい。たとえば、基板３は、チップ状（直方体形状）に形成された構造体であってもよい。図１～図３は、基板３の一部を示している。基板３は、Ｓｉ等の半導体材料を含む半導体基板であってもよい。基板３は、第１主面４と、第１主面４の反対側の第２主面５とを有している。第１主面４が基板３の上面であり、第２主面５が基板３の下面であってもよい。第１主面４は、ＭＥＭＳ構造が形成された基板３の加工面であり、第２主面５は、加工面に対して非加工面であってもよい。
　基板３は、この実施形態では、第１ベース層６と、第２ベース層７と、第１ベース層６および第２ベース層７の間の埋め込み絶縁層８とを含む。基板３は、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板であってもよい。基板３がＳＯＩ基板である場合、第１ベース層６はＳｉ基板であり、第２ベース層７はＳｉ層であり、埋め込み絶縁層８はＢＯＸ（Buried Oxide）層であってもよい。
　第１ベース層６は、この実施形態では、半導体基板（たとえば、Ｓｉ基板）であってもよい。第１ベース層６の厚さは、たとえば、１００μｍ以上７００μｍ以下であってもよい。第１ベース層６は、第１主面９と、第１主面９の反対側の第２主面１０とを有している。第１ベース層６の第２主面１０は、基板３の第２主面５であってもよい。
　第２ベース層７は、この実施形態では、半導体層（たとえば、Ｓｉ層）であってもよい。第２ベース層７の厚さは、たとえば、１０μｍ以上１００μｍ以下であってもよい。第２ベース層７は、第１主面１１と、第１主面１１の反対側の第２主面１２とを有している。第２ベース層７の第１主面１１は、基板３の第１主面４であってもよい。
　埋め込み絶縁層８は、第１ベース層６と第２ベース層７との間に接触して挟まれている。埋め込み絶縁層８は、この実施形態では、第１絶縁材料を含む絶縁層であってもよい。第１絶縁材料は、たとえば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）等を含む絶縁材料であってもよい。第１絶縁材料は、たとえば、ＣＦ４、ＣＨＦ３、ＳＦ６等のエッチングガスおよびエッチング液によってエッチング可能な絶縁材料であってもよい。埋め込み絶縁層８の厚さは、第１ベース層６および第２ベース層７よりも小さくてもよい。埋め込み絶縁層８の厚さは、たとえば、０．１μｍ以上２０μｍ以下であってもよい。
　埋め込み絶縁層８は、第２ベース層７の第２主面１２に接する第１接合面１３と、第１ベース層６の第１主面９に接する第２接合面１４とを有している。埋め込み絶縁層８は、さらに、側面１５を有している。埋め込み絶縁層８の側面１５は、空洞１６に対して横側から面している。他の言い方では、埋め込み絶縁層８の側面１５は、第１方向Ｘおよび第２方向Ｙにおいて、空洞１６に対して面している。埋め込み絶縁層８は、第１ベース層６と第２ベース層７との間に部分的に形成されている。第１ベース層６と第２ベース層７との間の領域において、埋め込み絶縁層８が形成されていない領域が空洞１６である。空洞１６は、第１ベース層６の第１主面９、第２ベース層７の第２主面１２および埋め込み絶縁層８の側面１５によって区画されている。空洞１６の底面が第１ベース層６の第１主面９であり、空洞１６の上面が第２ベース層７の第２主面１２であり、空洞１６の側面１５が埋め込み絶縁層８の側面１５であってもよい。
　第２ベース層７は、固定構造１７と、固定構造１７に対して変位可能な可動構造１８とを含む。
　固定構造１７は、少なくとも一部が埋め込み絶縁層８上に形成されている。図２を参照して、固定構造１７は、埋め込み絶縁層８の第１接合面１３に固定されたフレーム部１９と、フレーム部１９によって空洞１６に対して浮いた状態で支持された第１カンチレバー構造２０とを含む。
　図１を参照して、フレーム部１９は、第１方向Ｘにおいて互いに平行に延びる一対の帯状のフレーム部１９を含んでいてもよい。第１カンチレバー構造２０は、フレーム部１９から第２方向Ｙに互いに平行に延びる複数の第１カンチレバー構造２０を含んでいてもよい。この実施形態では、フレーム部１９に対して４本の第１カンチレバー構造２０が機械的に接続されている。第１カンチレバー構造２０は、フレーム部１９を介して固定された電極であるため、固定電極２１と定義してもよい。
　可動構造１８は、全体が空洞１６に対して浮いた状態で形成されている。図１を参照して、可動構造１８は、連結部材２２と、第２カンチレバー構造２３とを含む。
　連結部材２２は、第１方向Ｘに延びる帯状の連結部材２２を含んでいてもよい。第２カンチレバー構造２３は、連結部材２２から第２方向Ｙに互いに平行に延びる複数の第２カンチレバー構造２３を含んでいてもよい。この実施形態では、フレーム部１９に向かって連結部材２２から延びる４本の第２カンチレバー構造２３が、連結部材２２に機械的に連結されている。第２カンチレバー構造２３は、隣り合う第１カンチレバー構造２０の間をフレーム部１９に向かって延びている。第１カンチレバー構造２０および第２カンチレバー構造２３は、互いに隙間を挟んで平行に延びている。第２カンチレバー構造２３は、空洞１６に対して浮いた状態で連結部材２２に支持された電極であるため、可動電極２４と定義してもよい。連結部材２２および第２カンチレバー構造２３の一体構造物を可動電極２４と定義してもよい。連結部材２２は、後述する固定接点部４６に可動接点部４５を押し付ける部材であるため、プッシュロッドと定義してもよい。
　このように、第１カンチレバー構造２０および第２カンチレバー構造２３は、それぞれ櫛歯状に形成されており、互いに間隔を空けてかみ合っている。これにより、第１カンチレバー構造２０（固定電極２１）および第２カンチレバー構造２３（可動電極２４）を含む櫛歯型電極２５が形成されている。固定電極２１および可動電極２４に電気信号が入力されることによって、固定電極２１と可動電極２４との間に静電気力が発生する。この静電気力によって、第１方向Ｘにおいて可動電極２４を固定電極２１に近づけたり、可動電極２４を固定電極２１から遠ざけたりする機械的動作を行うことができる。したがって、櫛歯型電極２５は、電気信号を第１方向Ｘに沿う機械的変位に変換する静電アクチュエータ２と定義してもよい。
　第１カンチレバー構造２０および第２カンチレバー構造２３は、第１方向Ｘにおいて対向している。たとえば、図１に示すように、第１カンチレバー構造２０および第２カンチレバー構造２３が、第１方向Ｘに沿って等しい間隔で交互に配置されていてもよい。たとえば、第２カンチレバー構造２３および第１カンチレバー構造２０は、第１方向Ｘの配列順に、第１可動電極２４Ａ、第１固定電極２１Ａ、第２可動電極２４Ｂ、および第２固定電極２１Ｂと定義してもよい。第１固定電極２１Ａは、第１方向Ｘにおいて、第１可動電極２４Ａおよび第２可動電極２４Ｂに間隔を空けて挟まれている。第２可動電極２４Ｂは、第１方向Ｘにおいて、第１固定電極２１Ａおよび第２固定電極２１Ｂに間隔を空けて挟まれている。
　第１方向Ｘにおける固定電極２１および可動電極２４の距離は、互いに等しくてもよい。たとえば、第１可動電極２４Ａと第１固定電極２１Ａとの距離ｄ１と、第２可動電極２４Ｂと第１固定電極２１Ａとの距離ｄ２とが等しくてもよい。第２可動電極２４Ｂと第１固定電極２１Ａとの距離ｄ２と、第２可動電極２４Ｂと第２固定電極２１Ｂとの距離ｄ３とが等しくてもよい。距離ｄ１～ｄ３が「等しい」とは、距離ｄ１～ｄ３が厳密に同一であることを意味するものではない。たとえば、距離ｄ１～ｄ３が厳密に同一である場合の他、寸法公差等の影響によって距離ｄ１～ｄ３との間に多少の違いがある場合を含んでいてもよい。これにより、櫛歯型電極２５の電極間の距離が互いに等しい対称構造２６が形成されている。
　可動構造１８は、ビーム部２７を介して、固定構造１７に対して変位可能に機械的に接続されている。ビーム部２７は、固定構造１７および可動構造１８と同様に第２ベース層７を利用して形成されている。ビーム部２７は、連結部材２２の第２方向Ｙの両側からフレーム部１９に向かって第２方向Ｙに沿って延びる帯状に形成されている。ビーム部２７の長手方向の第１端部２８およびその反対側の第２端部２９は、それぞれ、フレーム部１９および連結部材２２に機械的に接続されている。ビーム部２７は、図１に示すように、櫛歯型電極２５の第１方向Ｘの両側に２本ずつ、合計４本形成されていてもよい。これにより、可動構造１８は、空洞１６に対して浮いた状態で、ビーム部２７によって４点で支持されている。各ビーム部２７は、連結部材２２に対して垂直に接続されていてもよい。
　ビーム部２７は、可撓性を有している。たとえば、ビーム部２７は、第１方向Ｘにおいて弾性的に折り曲げ可能である。ビーム部２７は、たとえば、フレーム部１９に固定された固定端である第１端部２８に対して、固定端の反対側の自由端である第２端部２９が第１方向Ｘにおいて変位可能なように、可撓性を有していてもよい。ビーム部２７は、固定構造１７と可動構造１８とを接続する可撓性を有する構造であるため、フレキシブル接続構造と定義してもよい。ビーム部２７は、第１方向Ｘに撓むスプリング構造と定義してもよい。ビーム部２７は、可動構造１８に含まれる構造と定義してもよい。この場合、連結部材２２、第２カンチレバー構造２３およびビーム部２７の一体構造物を可動電極２４と定義してもよい。
　図３は、図１のＭＥＭＳスイッチＡ１のビーム部２７の拡大図である。
　図１～図３を参照して、ビーム部２７上には、第１圧電素子３０および第２圧電素子３１が形成されている。図２では、明瞭化のため、第１圧電素子３０および第２圧電素子３１のうち第２圧電素子３１を省略して示している。第２圧電素子３１は、第１圧電素子３０と同一構造を有している。
　図３を参照して、第１圧電素子３０および第２圧電素子３１は、ビーム部２７の長手方向（この実施形態では、第２方向Ｙ）に沿って延びている。第１圧電素子３０および第２圧電素子３１は、ビーム部２７の幅方向（この実施形態では、第１方向Ｘ）において間隔を空けて並んでいる。この実施形態では、それぞれ帯状の第１圧電素子３０および第２圧電素子３１が、ビーム部２７の長手方向に沿って平行に並んで延びている。
　第１圧電素子３０は、キャパシタ構造３２を有している。キャパシタ構造３２は、下部電極３３と、下部電極３３上に形成された圧電体薄膜３４と、圧電体薄膜３４上に形成された上部電極３５とを含む。圧電体薄膜３４は、上部電極３５および下部電極３３によって、上下方向から接触して挟まれている。下部電極３３および上部電極３５は、たとえば、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）等を含む金属材料層であってもよい。圧電体薄膜３４は、たとえば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の圧電材料層であってもよい。図１～図３に示されていないが、第２圧電素子３１も第１圧電素子３０のキャパシタ構造３２と同一のキャパシタ構造を有していてもよい。
　第１圧電素子３０および第２圧電素子３１は、ビーム部２７から絶縁され、かつ第１圧電素子３０および第２圧電素子３１の変形による応力をビーム部２７に伝達可能な状態で、ビーム部２７に固定されている。たとえば、第１圧電素子３０および第２圧電素子３１は、第２ベース層７の第１主面１１に形成された第１絶縁層３６を介して、ビーム部２７上に形成されている。第１絶縁層３６は、たとえば、埋め込み絶縁層８と同じ材料を含んでいてもよい。この実施形態では、第１絶縁層３６は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）であってもよい。第１絶縁層３６は、たとえば、０．０１μｍ以上１０μｍ以下の厚さを有していてもよい。第１絶縁層３６の厚さが上記範囲であれば、第１圧電素子３０および第２圧電素子３１の変形による応力を、ビーム部２７に対して効果的に伝達することができる。
　キャパシタ構造３２は、第２絶縁層３７に被覆されている。第２絶縁層３７は、第１絶縁層３６上に形成されている。第２絶縁層３７は、第１絶縁層３６と同じ第１絶縁材料であってもよいし、第１絶縁材料とは異なる絶縁材料であってもよい。この実施形態では、第２絶縁層３７は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）等であってもよい。第２絶縁層３７は、表面絶縁層と定義してもよい。
　図４Ａ～図４Ｃは、圧電素子３８（キャパシタ構造３９）の動作原理を示す模式図である。図４Ａ～図４Ｃの圧電素子３８は、第１圧電素子３０および第２圧電素子３１と同様のキャパシタ構造３９を有している。
　図４Ａに示すように、圧電体薄膜４０の結晶内では、正電荷４１と負電荷４２とが分離して存在しており、自発分極が生じている。上部電極４３と下部電極４４との間に電圧が印加されると、上部電極４３と下部電極４４との間に電界が生じ、分極の大きさが変化する。たとえば、下部電極４４から上部電極４３に向かう方向が分極方向である。図４Ｂに示すように上部電極４３が正電位となるように上部電極４３－下部電極４４間に電圧が印加されたときの電界が、圧電体薄膜４０の抗電界よりも大きいと分極が反転する。これにより、圧電体薄膜４０は、横方向に伸び、かつ厚さ方向に縮む。一方、図４Ｃに示すように上部電極４３が負電位となるように上部電極４３－下部電極４４間に電圧が印加されたときは、分極の大きさが分極方向を維持したまま、さらに大きくなる。これにより、圧電体薄膜４０は、横方向に縮み、かつ厚さ方向に伸びる。
　圧電体薄膜３４の振動モードは、圧電体薄膜３４を構成する材料の共振周波数（固有振動数）によって異なる。一般的には、屈曲振動、長さ振動、広がり振動等の振動モードが挙げられる。この実施形態では、第１圧電素子３０および第２圧電素子３１をビーム部２７の長手方向に伸縮させるので、長さ振動を発現できる共振周波数を有する圧電体薄膜３４を選択することが好ましい。共振周波数は、圧電体薄膜３４の結晶の対称性を調整することによって変えることができる。たとえば、圧電体薄膜３４がＰＺＴ（Ｐｂ（ＺｒｘＴｉ１－ｘ）Ｏ３）である場合、Ｚｒの含有量ｘを調整することによって、圧電体薄膜３４の結晶の対称性が変化する。したがって、圧電体薄膜３４の結晶の対称性を考慮して、ＭＥＭＳスイッチＡ１に適切な圧電体薄膜３４を形成すればよい。
　ＭＥＭＳスイッチＡ１は、可動接点部４５と、固定接点部４６とを含む。
　図１を参照して、可動接点部４５は、可動構造１８の連結部材２２に設けられている。たとえば、可動接点部４５は、連結部材２２の長手方向の端部４７に設けられている。この実施形態では、連結部材２２の端部４７に第２ビーム部４８が機械的に接続されている。第２ビーム部４８は、連結部材２２の長手方向に交差する方向に延びる直線状である。第２ビーム部４８は、連結部材２２の端部４７から当該交差方向の両側に延びている。可動接点部４５は、第２ビーム部４８の幅方向における第１側部４９および第２側部５０のうち、第２側部５０に選択的に形成されている。第２ビーム部４８の第１側部４９は、第１方向Ｘにおいて静電アクチュエータ２に対向する側部であり、第２側部５０は第１側部４９の反対側である。
　図２を参照して、可動接点部４５は、空洞１６に対して浮いた状態で形成された第１構造５１を有している。第１構造５１は、第２ベース層７と、第２ベース層７上に形成された第１絶縁層３６と、第１絶縁層３６に支持された導電性の可動接点層５２とを含む。
　第１構造５１において第１絶縁層３６は、基板３の厚さ方向（この実施形態では、第３方向Ｚ）に沿う端面５３と、当該端面５３に交差する主面５４とを有している。第１絶縁層３６の主面５４は、基板３の第１主面４に沿って形成されている。第１構造５１の第１絶縁層３６の端面５３は、固定接点部４６との間の隙間５５を介して固定接点部４６に対向している。
　可動接点層５２は、第１絶縁層３６の主面５４および端面５３を被覆している。この実施形態では、第１絶縁層３６の厚さ方向において、端面５３の主面５４に近い部分が可動接点層５２で被覆され、端面５３の残りの部分は隙間５５に向かって露出していてもよい。言い換えれば、第１構造５１の第１絶縁層３６と第２ベース層７との境界部５６が隙間５５に面していてもよい。可動接点層５２は、第１絶縁層３６の主面５４に形成されたベース部５７と、ベース部５７から第１絶縁層３６の端面５３よりも固定接点部４６側に突出した突出部５８とを一体的に含んでいてもよい。突出部５８は、第１絶縁層３６の端面５３を被覆する部分であってもよい。可動接点層５２は、たとえば、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等の導電材料であってもよい。可動接点層５２は、第１信号線５９に電気的に接続されている。
　図２を参照して、固定接点部４６は、固定構造１７のフレーム部１９に設けられている。フレーム部１９は、互いに機械的に分離された第１フレーム部６０および第２フレーム部６１を含む。第１フレーム部６０および第２フレーム部６１には、第２信号線６２が形成されている。固定接点部４６は、埋め込み絶縁層８に支持された第２構造６３を有している。第２構造６３は、第２ベース層７と、第２ベース層７上に形成された第１絶縁層３６と、第１絶縁層３６に支持された導電性の固定接点層６４とを含む。
　第２構造６３において第１絶縁層３６は、基板３の厚さ方向（この実施形態では、第３方向Ｚ）に沿う端面６５と、当該端面６５に交差する主面６６を有している。第１絶縁層３６の主面６６は、基板３の第１主面４に沿って形成されている。第２構造６３の第１絶縁層３６の端面６５は、可動接点部４５との間の隙間５５を介して可動接点部４５に対向している。
　固定接点層６４は、第１絶縁層３６の主面６６および端面６５を被覆している。この実施形態では、第１絶縁層３６の厚さ方向において、端面６５の主面６６に近い部分が固定接点層６４で被覆され、端面６５の残りの部分は隙間５５に向かって露出していてもよい。言い換えれば、第２構造６３の第１絶縁層３６と第２ベース層７との境界部６７が隙間５５に面していてもよい。固定接点層６４は、第１絶縁層３６の主面６６に形成されたベース部６８と、ベース部６８から第１絶縁層３６の端面６５よりも可動接点部４５側に突出した突出部６９とを一体的に含んでいてもよい。突出部６９は、第１絶縁層３６の端面６５を被覆する部分であってもよい。固定接点層６４は、たとえば、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等の導電材料であってもよい。固定接点層６４は、第２信号線６２に電気的に接続されている。
　図５Ａおよび図５Ｂは、図１のＭＥＭＳスイッチＡ１の動作を示す模式図である。図６Ａ～図６Ｃは、図１のＭＥＭＳスイッチＡ１のビーム部２７が変形する状態を示す模式図である。
　ＭＥＭＳスイッチＡ１を駆動させるには、たとえば、第２方向Ｙにおいて、第１圧電素子３０が伸びるように、かつ第２圧電素子３１が縮むように、第１圧電素子３０および第２圧電素子３１のそれぞれに所定の電圧が印加される。第１圧電素子３０の伸びおよび第２圧電素子３１の縮みは、当該電圧による逆圧電効果によって達成される。図６Ｂに示すように、第１圧電素子３０の伸びは、第１圧電素子３０が形成されたビーム部２７の第１部分７０の伸びを提供し、第２圧電素子３１の縮みは、第２圧電素子３１が形成されたビーム部２７の第２部分７１の縮みを提供する。
　これにより、図６Ｃに示すように、ビーム部２７の第１部分７０と第２部分７１との間に第２方向Ｙにおける長さの差が発生し、連結部材２２に向かって曲がるようにビーム部２７が変形する。この変形によって連結部材２２を変位させることができる。連結部材２２の変位によって可動接点部４５が固定接点部４６に近づき、可動接点部４５を固定接点部４６に接触させることができる。この接触によって、ＭＥＭＳスイッチＡ１がオンとなり第１信号線５９と第２信号線６２との間が導通し、導通回路が形成される。一方、第１圧電素子３０および第２圧電素子３１への電圧の印加を解除すると、変形していたビーム部２７が復元する。これにより、可動接点部４５が固定接点部４６から離間して非接触となり、ＭＥＭＳスイッチＡ１がオフとなる。
　このように、ＭＥＭＳスイッチＡ１は、第１圧電素子３０および第２圧電素子３１に入力された電気信号を、ビーム部２７を介して可動構造１８の機械的変位に変換する圧電アクチュエータ１を備えている。圧電アクチュエータ１は、ビーム部２７と、櫛歯型電極２５と、第１圧電素子３０および第２圧電素子３１とを含む構造と定義してもよい。圧電アクチュエータ１による圧電駆動は、静電アクチュエータ２による静電駆動よりも応答速度が速いので、可動構造１８が静電アクチュエータ２のみによって変位する場合に比べて、ＭＥＭＳスイッチＡ１のスイッチング速度を向上することができる。つまり、ＭＥＭＳスイッチＡ１のスイッチング動作を圧電駆動で開始することによって、静電アクチュエータ２の静電駆動のスイッチング速度を補助することができる。第１圧電素子３０および第２圧電素子３１への電圧印加時、それぞれの圧電体薄膜３４の共振周波数に一致する電圧を印加することによって、応答速度を一層向上することができる。
　一方、ＭＥＭＳスイッチＡ１は、静電アクチュエータ２も備えている。したがって、ＭＥＭＳスイッチＡ１を、圧電アクチュエータ１および静電アクチュエータ２の機械的動作の組み合わせによってスイッチングしてもよい。
　たとえば、図５Ｂに示すように、圧電アクチュエータ１の圧電駆動によって可動構造１８が固定接点部４６に向かって変位すると、第１可動電極２４Ａおよび第２可動電極２４Ｂは、それぞれ、第１方向Ｘにおいて、第１固定電極２１Ａおよび第２固定電極２１Ｂに近づく。第２可動電極２４Ｂは、第１固定電極２１Ａから遠ざかる。これにより、たとえば、第２可動電極２４Ｂに対して、第２固定電極２１Ｂが相対的に近く、第１固定電極２１Ａが第２固定電極２１Ｂよりも相対的に遠い構造が提供される。この非対称構造７２は、櫛歯型電極２５における静電気力の釣り合いを崩す。その結果、たとえば、第２可動電極２４Ｂと第２固定電極２１Ｂとの間に作用する静電気力（第２静電気力Ｆ２）を、第２可動電極２４Ｂと第１固定電極２１Ａとの間に作用する静電気力（第１静電気力Ｆ１）に比べて大きくすることができる。したがって、第１静電気力Ｆ１と第２静電気力Ｆ２との差（第１静電気力Ｆ１－第２静電気力Ｆ２）に相当する静電気力によって、可動構造１８を固定接点部４６に向かって変位させることができる。つまり、ＭＥＭＳスイッチＡ１のスイッチング動作を圧電駆動で開始することによって櫛歯型電極２５の非対称構造７２を形成できるので、静電気力による可動構造１８の変位にスムーズに移行することができる。
　たとえば、圧電アクチュエータ１による圧電駆動によって櫛歯型電極２５の非対称構造７２が形成された後、静電アクチュエータ２の静電気力によって可動構造１８を変位させることによって、可動接点部４５を固定接点部４６に接触させてもよい。一方、たとえば、圧電アクチュエータ１による圧電駆動によって可動接点部４５を固定接点部４６に接触させた後、可動接点部４５と固定接点部４６との間の接触状態を、静電アクチュエータ２の静電気力によって保持してもよい。静電駆動の消費電力は、圧電駆動の消費電力よりも小さい傾向がある。そのため、圧電駆動と静電駆動との組み合わせによって、圧電駆動のみでＭＥＭＳスイッチＡ１をスイッチング動作させるよりも省電力化を期待することができる。
　図７Ａ～図７Ｈは、図１のＭＥＭＳスイッチＡ１の製造工程の一部を工程順に示す図である。
　ＭＥＭＳスイッチＡ１を製造するには、たとえば、図７Ａを参照して、ＭＥＭＳスイッチＡ１の基板３を形成するウエハ７３が準備される。ウエハ７３は、第１ウエハ主面７４と、第１ウエハ主面７４の反対側の第２ウエハ主面７５とを有している。第１ウエハ主面７４が第２ベース層７の第１主面１１であり、第２ウエハ主面７５が第１ベース層６の第２主面１０である。ウエハ７３は、半導体ウエハであってよく、この実施形態ではＳＯＩウエハである。
　次に、図７Ｂを参照して、ウエハ７３の第１ウエハ主面７４に、第１絶縁層３６が形成される。第１絶縁層３６は、たとえば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、熱酸化法等によって形成されてもよい。
　次に、図７Ｃを参照して、第１絶縁層３６上に第１圧電素子３０および第２圧電素子３１が形成される。具体的には、下部電極３３、圧電体薄膜３４および上部電極３５が順に形成されることによって、第１圧電素子３０および第２圧電素子３１を構成するキャパシタ構造３２が形成される。図７Ｃおよび図７Ｃ以降の図では、第１圧電素子３０のみが示されている。
　次に、図７Ｄに示すように、第１絶縁層３６上に、第２絶縁層３７が形成される。第２絶縁層３７は、たとえば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、熱酸化法等によって形成されてもよい。これにより、キャパシタ構造３２が第２絶縁層３７に被覆される。
　次に、図７Ｅに示すように、第１絶縁層３６および第２絶縁層３７の不要部分が除去される。これにより、第２ベース層７の第１主面１１の一部が露出する。
　次に、図７Ｆを参照して、第２ベース層７の第１主面１１から第２ベース層７を貫通して埋め込み絶縁層８に達するトレンチ７６が形成される。トレンチ７６は、たとえば、異方性のディープＲＩＥ（Reactive Ion Etching）によって形成されてもよい。
　次に、図７Ｇを参照して、埋め込み絶縁層８をエッチング可能なエッチングガスが供給される。エッチングガスとしては、たとえば、フッ素系ガス（たとえば、ＨＦ等）が使用される。これにより、埋め込み絶縁層８が選択的に除去される。埋め込み絶縁層８が除去された部分には、第１ベース層６と第２ベース層７で挟まれた空洞１６が形成される。空洞１６の形成によって、固定構造１７および可動構造１８が分離して形成される。一方、埋め込み絶縁層８の一部は、第１ベース層６と第２ベース層７とに接触して挟まれた状態で残存する。
　次に、図７Ｈを参照して、可動接点層５２および固定接点層６４が形成される。可動接点層５２および固定接点層６４は、これらの導電材料（金属材料）の堆積によって形成される。可動接点層５２および固定接点層６４の堆積は、たとえば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法等によって行われてもよい。この際、導電材料の一部が、第１絶縁層３６上に堆積せず、第２ベース層７の端面、空洞１６等に残渣７７として堆積してもよい。残渣７７は、可動接点層５２および固定接点層６４とは、物理的かつ電気的に分離されている。
　その後、たとえば第１信号線５９、第２信号線６２等の必要な配線等が形成され、ウエハ７３が各チップ単位に分割されることによって、ＭＥＭＳスイッチＡ１が得られる。
　図８は、本開示の一実施形態に係るＭＥＭＳスイッチＢ１の模式的な平面図である。図９Ａおよび図９Ｂは、図８のＭＥＭＳスイッチＢ１の動作を示す模式図である。以下では、前述の実施形態に係るＭＥＭＳスイッチＡ１に対して述べた構造に対応する構造については同一の参照符号を付して説明を省略する。
　ＭＥＭＳスイッチＢ１は、可動接点部４５に代えて可動接点部７８を含む。可動接点部７８は、第１可動接点部７８Ａおよび第２可動接点部７８Ｂを含む。第１可動接点部７８Ａおよび第２可動接点部７８Ｂの構造は、前述の可動接点部４５と同じである。第１可動接点部７８Ａおよび第２可動接点部７８Ｂは、第１方向Ｘにおいて互いに反対方向に臨んでいる。この実施形態では、第２ビーム部４８の幅方向における第１側部４９に第１可動接点部７８Ａが形成され、第２側部５０に第２可動接点部７８Ｂが形成されている。第１可動接点部７８Ａおよび第２可動接点部７８Ｂは、第２ビーム部４８の長手方向一端部および他端部にそれぞれ１つずつ設けられている。
　ＭＥＭＳスイッチＢ１は、固定接点部４６に代えて固定接点部７９を含む。固定接点部７９は、第１固定接点部７９Ａおよび第２固定接点部７９Ｂを含む。第１方向Ｘにおいて、第１固定接点部７９Ａは第１可動接点部７８Ａに対向し、第２固定接点部７９Ｂは第２可動接点部７８Ｂに対向している。第１固定接点部７９Ａは、第３信号線８０に電気的に接続され、第２固定接点部７９Ｂは第２信号線６２に電気的に接続されている。これにより、ＭＥＭＳスイッチＢ１は、単極双投のスイッチを備えている。
　ＭＥＭＳスイッチＢ１では、第１圧電素子３０および第２圧電素子３１に印加する電圧の極性を互いに入れ替えることによって、第１方向Ｘの一方側およびその反対側のどちらにでも、連結部材２２を変位させることができる。そのため、圧電駆動によって、櫛歯型電極２５の非対称構造として、図９Ａに示す第１パターンおよび図９Ｂに示す第２パターンの２種類の非対称構造８１，８２を形成できる。たとえば、第１パターンの非対称構造（第１非対称構造８１）では、第２可動電極２４Ｂに対して、第２固定電極２１Ｂが相対的に近く、第１固定電極２１Ａが第２固定電極２１Ｂよりも相対的に遠い。第２パターンの非対称構造（第２非対称構造８２）では、第２可動電極２４Ｂに対して、第１固定電極２１Ａが相対的に近く、第２固定電極２１Ｂが第１固定電極２１Ａよりも相対的に遠い。
　このように、１種類の対称構造２６の櫛歯型電極２５から、圧電駆動によって２種類の非対称構造８１，８２を形成することができる。その結果、第１可動接点部７８Ａおよび第１固定接点部７９Ａを含む第１回路（第１信号線５９と第３信号線８０とが導通して形成された回路）と、第２可動接点部７８Ｂおよび第２固定接点部７９Ｂを含む第２回路（第１信号線５９と第２信号線６２とが導通して形成された回路）の２つの回路を、１種類の対称構造２６の櫛歯型電極２５によって切り替えることができる。そのため、２つの回路を切り替えるための電極構造の形成スペースを小さくできるので、ＭＥＭＳスイッチＢ１の小型化を図ることができる。
　図１０は、本開示の一実施形態に係るＭＥＭＳスイッチＣ１の模式的な平面図である。図１１Ａおよび図１１Ｂは、図１０のＭＥＭＳスイッチＣ１の動作を示す模式図である。以下では、前述の実施形態に係るＭＥＭＳスイッチＡ１およびＢ１に対して述べた構造に対応する構造については同一の参照符号を付して説明を省略する。
　ＭＥＭＳスイッチＣ１は、前述の圧電アクチュエータ１および静電アクチュエータ２のうち圧電アクチュエータ１のみを備える圧電駆動ＭＥＭＳスイッチＣ１である。
　ＭＥＭＳスイッチＣ１では、ＭＥＭＳスイッチＡ１と同様に、第１圧電素子３０および第２圧電素子３１の逆圧電効果によって、連結部材２２に向かって曲がるようにビーム部２７が変形する。この変形によって連結部材２２を変位させることができる。連結部材２２の変位によって可動接点部４５が固定接点部４６に近づき、可動接点部４５を固定接点部４６に接触させることができる。この接触によって、ＭＥＭＳスイッチＣ１がオンとなり第１信号線５９と第２信号線６２との間が導通し、導通回路が形成される。一方、第１圧電素子３０および第２圧電素子３１への電圧の印加を解除すると、変形していたビーム部２７が復元する。これにより、可動接点部４５が固定接点部４６から離間して非接触となり、ＭＥＭＳスイッチＣ１がオフとなる。
　このようなＭＥＭＳスイッチＣ１では、静電アクチュエータ２の形成スペースを省略できるので、ＭＥＭＳスイッチＣ１の小型化を図ることができる。
　以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示のＭＥＭＳスイッチＡ１，Ｂ１，Ｃ１は他の形態で実施することもできる。
　たとえば、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
　本出願は、２０２１年１月１２日に日本国特許庁に提出された特願２０２１－００２８３７号に対応しており、この出願の全開示はここに引用により組み込まれるものとする。
１　　　　　：圧電アクチュエータ
２　　　　　：静電アクチュエータ
３　　　　　：基板
４　　　　　：第１主面
５　　　　　：第２主面
６　　　　　：第１ベース層
７　　　　　：第２ベース層
８　　　　　：埋め込み絶縁層
９　　　　　：第１主面
１０　　　　：第２主面
１１　　　　：第１主面
１２　　　　：第２主面
１３　　　　：第１接合面
１４　　　　：第２接合面
１５　　　　：側面
１６　　　　：空洞
１７　　　　：固定構造
１８　　　　：可動構造
１９　　　　：フレーム部
２０　　　　：第１カンチレバー構造
２１　　　　：固定電極
２１Ａ　　　：第１固定電極
２１Ｂ　　　：第２固定電極
２２　　　　：連結部材
２３　　　　：第２カンチレバー構造
２４　　　　：可動電極
２４Ａ　　　：第１可動電極
２４Ｂ　　　：第２可動電極
２５　　　　：櫛歯型電極
２６　　　　：対称構造
２７　　　　：ビーム部
２８　　　　：第１端部
２９　　　　：第２端部
３０　　　　：第１圧電素子
３１　　　　：第２圧電素子
３２　　　　：キャパシタ構造
３３　　　　：下部電極
３４　　　　：圧電体薄膜
３５　　　　：上部電極
３６　　　　：第１絶縁層
３７　　　　：第２絶縁層
３８　　　　：圧電素子
３９　　　　：キャパシタ構造
４０　　　　：圧電体薄膜
４１　　　　：正電荷
４２　　　　：負電荷
４３　　　　：上部電極
４４　　　　：下部電極
４５　　　　：可動接点部
４６　　　　：固定接点部
４７　　　　：端部
４８　　　　：第２ビーム部
４９　　　　：第１側部
５０　　　　：第２側部
５１　　　　：第１構造
５２　　　　：可動接点層
５３　　　　：端面
５４　　　　：主面
５５　　　　：隙間
５６　　　　：境界部
５７　　　　：ベース部
５８　　　　：突出部
５９　　　　：第１信号線
６０　　　　：第１フレーム部
６１　　　　：第２フレーム部
６２　　　　：第２信号線
６３　　　　：第２構造
６４　　　　：固定接点層
６５　　　　：端面
６６　　　　：主面
６７　　　　：境界部
６８　　　　：ベース部
６９　　　　：突出部
７０　　　　：第１部分
７１　　　　：第２部分
７２　　　　：非対称構造
７３　　　　：ウエハ
７４　　　　：第１ウエハ主面
７５　　　　：第２ウエハ主面
７６　　　　：トレンチ
７７　　　　：残渣
７８　　　　：可動接点部
７８Ａ　　　：第１可動接点部
７８Ｂ　　　：第２可動接点部
７９　　　　：固定接点部
７９Ａ　　　：第１固定接点部
７９Ｂ　　　：第２固定接点部
８０　　　　：第３信号線
８１　　　　：第１非対称構造
８２　　　　：第２非対称構造
Ａ１　　　　：ＭＥＭＳスイッチ
Ｂ１　　　　：ＭＥＭＳスイッチ
Ｃ１　　　　：ＭＥＭＳスイッチ
Ｆ１　　　　：第１静電気力
Ｆ２　　　　：第２静電気力
Ｘ　　　　　：第１方向
Ｙ　　　　　：第２方向
Ｚ　　　　　：第３方向
ｄ１　　　　：距離
ｄ２　　　　：距離
ｄ３　　　　：距離
 

Claims (13)

  1. 　第１主面およびその反対側の第２主面を有し、空洞が内部に形成された基板と、
    　前記基板の前記第１主面側において前記空洞に対して浮いた状態で固定され、前記基板の厚さ方向に交差する第１方向に延びる、可撓性を有する可撓部と、
    　前記第１方向に沿って並んで延びるように前記可撓部上に形成され、前記第１方向に沿って伸縮可能な第１圧電素子および第２圧電素子と、
    　前記可撓部に連結され、前記可撓部の変形によって前記基板の厚さ方向および前記第１方向に交差する第２方向に変位可能な連結部材と、
    　前記連結部材に設けられた可動接点部と、
    　前記第２方向において前記可動接点部に対向し、前記連結部材の変位によって前記可動接点部と接触および非接触可能な固定接点部とを含む、ＭＥＭＳスイッチ。
  2. 　前記連結部材から前記第１方向に延びる可動電極と、
    　前記基板の前記第１主面側に固定され、前記可動電極に並んで延び、前記第２方向において前記可動電極に対向する固定電極とを含む、請求項１に記載のＭＥＭＳスイッチ。
  3. 　前記可動電極および前記固定電極は、前記第２方向において互いに等しい間隔を空けて交互に配列された櫛歯型電極を形成している、請求項２に記載のＭＥＭＳスイッチ。
  4. 　前記可動接点部は、前記第２方向において互いに反対方向に臨む第１可動接点部および第２可動接点部を含み、
    　前記固定接点部は、前記第２方向において前記第１可動接点部に対向する第１固定接点部と、前記第２方向において前記第２可動接点部に対向する第２固定接点部とを含む、請求項３に記載のＭＥＭＳスイッチ。
  5. 　前記可動電極は、前記第２方向において前記固定電極を挟むように配列された第１可動電極および第２可動電極を含み、
    　前記第２方向における前記第１可動電極と前記固定電極との距離と、前記第２方向における前記第２可動電極と前記固定電極との距離とが等しく、
    　前記可動接点部は、前記第２方向において互いに反対方向に臨む第１可動接点部および第２可動接点部を含み、
    　前記固定接点部は、前記第２方向において前記第１可動接点部に対向する第１固定接点部と、前記第２方向において前記第２可動接点部に対向する第２固定接点部とを含む、請求項２に記載のＭＥＭＳスイッチ。
  6. 　前記固定電極は、前記第２方向において前記可動電極を挟むように配列された第１固定電極および第２固定電極を含み、
    　前記第２方向における前記第１固定電極と前記可動電極との距離と、前記第２方向における前記第２固定電極と前記可動電極との距離とが等しく、
    　前記可動接点部は、前記第２方向において互いに反対方向に臨む第１可動接点部および第２可動接点部を含み、
    　前記固定接点部は、前記第２方向において前記第１可動接点部に対向する第１固定接点部と、前記第２方向において前記第２可動接点部に対向する第２固定接点部とを含む、請求項２に記載のＭＥＭＳスイッチ。
  7. 　前記可撓部は、前記第１方向に延びる帯状に形成されており、
    　前記第１圧電素子および前記第２圧電素子の少なくとも一方は、前記帯状の可撓部の長手方向に沿って帯状に形成されたキャパシタ構造を含み、
    　前記キャパシタ構造は、圧電体薄膜と、前記圧電体薄膜を上下方向から挟む上部電極および下部電極とを有している、請求項１～６のいずれか一項に記載のＭＥＭＳスイッチ。
  8. 　前記圧電体薄膜は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）および窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の少なくとも一方を含む、請求項７に記載のＭＥＭＳスイッチ。
  9. 　第１主面およびその反対側の第２主面を有し、空洞が内部に形成された基板と、
    　前記基板の前記第１主面側に前記空洞に対して浮いた状態で形成された静電アクチュエータであって、交互に配列された固定電極および可動電極を含み、前記可動電極と前記固定電極との間の静電気力によって変位する櫛歯型の静電アクチュエータと、
    　前記可動電極に連結された連結部材を介して前記静電アクチュエータを変位可能に支持し、前記静電アクチュエータの変位方向に交差する方向に延びる可撓性のビーム部と、
    　前記ビーム部の長手方向に沿って並んで延びるように前記ビーム部上に形成され、前記ビーム部の長手方向に沿って伸縮可能な第１圧電素子および第２圧電素子と、
    　前記連結部材に設けられた可動接点部と、
    　前記静電アクチュエータの変位方向において前記可動接点部に対向し、前記静電アクチュエータの変位によって前記可動接点部と接触および非接触可能な固定接点部とを含む、ＭＥＭＳスイッチ。
  10. 　前記可動電極および前記固定電極は、互いに等しい間隔を空けて交互に配列されている、請求項９に記載のＭＥＭＳスイッチ。
  11. 　前記可動接点部は、前記静電アクチュエータの変位方向において互いに反対方向に臨む第１可動接点部および第２可動接点部を含み、
    　前記固定接点部は、前記静電アクチュエータの変位方向において前記第１可動接点部に対向する第１固定接点部と、前記静電アクチュエータの変位方向において前記第２可動接点部に対向する第２固定接点部とを含む、請求項１０に記載のＭＥＭＳスイッチ。
  12. 　前記第１圧電素子および前記第２圧電素子の少なくとも一方は、前記ビーム部の長手方向に沿って帯状に形成されたキャパシタ構造を含み、
    　前記キャパシタ構造は、圧電体薄膜と、前記圧電体薄膜を上下方向から挟む上部電極および下部電極とを有している、請求項９～１１のいずれか一項に記載のＭＥＭＳスイッチ。
  13. 　前記圧電体薄膜は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）および窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の少なくとも一方を含む、請求項１２に記載のＭＥＭＳスイッチ。
     
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