(57)【要約】【課題】  マイクロ電気機械システムスイッチを提供する。【解決手段】  スイッチは、支持面を有する基板を含む。切欠きを有する駆動面及び延出部分を有する電気接触面が設けられる。延出部分は切欠きの中に設けられる。基板にビームが装着される。ビームは、駆動時に撓んで延出部分の少なくとも一部と接触し且つ延出部分を介して電流を搬送するように構成された可動自由端部を含む。【選択図】図１
2010147026.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持面を有する基板と、
切欠きを具備する駆動面と、
前記切欠きの中に設けられた延出部分を具備する電気接触面と、
前記基板に装着され、駆動時に撓んで前記延出部分の少なくとも一部と接触し且つ前記延出部分を介して電流を搬送するように構成された可動自由端部を有するビームとを具備するマイクロ電気機械システムスイッチ。
【請求項２】
前記駆動面は駆動中に静電力を発生する、請求項１記載のマイクロ電気機械システムスイッチ。
【請求項３】
前記可動自由端部、前記延出部分及び前記駆動面を規定する重複領域を更に具備し、前記重複領域は約１．５を越えるターンオフ比を示す、請求項１記載のマイクロ電気機械システムスイッチ。
【請求項４】
前記重複領域は約１．５〜約５のターンオフ比を示す、請求項３記載のマイクロ電気機械システムスイッチ。
【請求項５】
切欠きを規定するゲートと、
前記切欠きの中に設けられた延出部分を具備するドレインと、
支柱に固定され、可動自在の端部を有する片持ちビームとを具備し、
前記可動自在の端部は前記延出部分と重なり合い、前記ドレインの少なくとも一部と接触することにより電気経路を形成する機械式スイッチ。
【請求項６】
支柱に固定され且つ可動部分を具備する片持ちビームと、
静電力を発生するように構成された間隙を具備する駆動領域と、
前記駆動領域に近接して設けられた電極領域とを具備し、
前記駆動領域は切欠きを規定し且つ前記電極領域は少なくとも２つの側部で前記切欠きにより取り囲まれた延出部分を具備し、
前記可動部分は前記駆動領域に近接して設けられ且つ前記延出部分と重なり合い、約１．５を超えるスタンドオフ電圧／プルイン電圧比を示す機械式スイッチ。
【請求項７】
前記片持ちビームは駆動時に撓んで、前記電極領域と電気的に接続する、請求項６記載の機械式スイッチ。
【請求項８】
前記静電力は、前記スイッチの動作中に第１の電気接点と第２の電気接点との間に接触力を供給するように構成される、請求項６記載の機械式スイッチ。
【請求項９】
スイッチにおけるスタンドオフ電圧とプルインデン圧との比を増加する方法において、
間隙を規定する駆動面を設けることと、
前記間隙の中まで延出する延出部分を具備する電気接触面を設けることと、
前記駆動面及び前記電気接触面の上に懸架されたビームを設けることと、
前記駆動面、前記電気接触面及び前記ビームを含む重複領域を規定することと、
約１．５を超えるスタンドオフ電圧／プルイン電圧比を示すように前記重複領域を最適化すること
を含む方法。
【請求項１０】
前記重複領域は約１．７〜約５のスタンドオフ電圧／プルイン電圧比を示す、請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にスイッチに関し、特にマイクロ電気機械システムスイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチを使用すると、従来の固体スイッチを使用する場合より有利なことがわかっている。例えば、ＭＥＭＳスイッチは電力効率が高く、挿入損失が少なく且つ電気絶縁に優れていることがわかっている。
【０００３】
ＭＥＭＳスイッチは、短絡（接続）又は開路（遮断）を実現するために機械的可動を利用する素子である。機械的可動に必要とされる力は、静電駆動、磁気駆動、圧電駆動又は熱駆動などの種々の駆動メカニズムを使用して得られる。通常、静電駆動スイッチは、高い信頼性を有し且つウェハスケールの製造技術を適用できることが実証されている。そのようなＭＥＭＳスイッチの設計及び構造は絶えず改善されている。
【０００４】
ＭＥＭＳスイッチの設計に際しては、スタンドオフ電圧（スイッチの接点間）及びプルイン電圧（アクチュエータと接点との間）などのスイッチ特性が考慮される。通常、スタンドオフ電圧を高くしようとすると、プルイン電圧が下がるという相反する特性が示される。従来、ビームを太くし且つ間隙の幅を広くすることにより、スタンドオフ電圧を高くしていた。しかし、これによってプルイン電圧も増加してしまい、それは望ましくない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６１１４７９４号明細書
【特許文献２】米国特許第７２９２１２５号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００６／０１４５７９３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
スイッチ構造を更に複雑にすることなく相当に高いスタンドオフ電圧を示すと同時に、相当に低いプルイン電圧を示すように改善されたＭＥＭＳスイッチが必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
簡単に言えば、一実施形態において、マイクロ電気機械システムスイッチが提供される。スイッチは、支持面を有する基板を含む。切欠きを有する駆動面及び延出部分を有する電気接触面が設けられる。延出部分は切欠きの中に設けられる。基板にビームが装着される。ビームは、駆動時に撓んで延出部分の少なくとも一部と接触し且つ延出部分を介して電流を搬送するように構成された可動自由端部を含む。
【０００８】
一実施形態において、ゲートを有する機械式スイッチが提供される。ゲートは切欠きを規定する。スイッチは、延出部分を有するドレインを含み、延出部分は切欠きの中に設けられる。支柱に片持ちビームが固定され、片持ちビームは可動自在の端部を有する。可動自在の端部は延出部分と重なり合い、ドレインの少なくとも一部と接触することにより電気経路を形成する。
【０００９】
一実施形態において、マイクロ電気機械システムスイッチが提供される。スイッチは、空胴を有するアクチュエータを含み、静電力を発生するように構成される。伸長部分を有する電極が設けられる。伸長部分は接点を含み、空胴の中に設けられる。支柱にビームが固定され、ビームは可動自在の端部を有する。可動自在の端部は、駆動時に撓んで電極と係合し且つ電極を通して電流を搬送するように構成される。
【００１０】
一実施形態において、機械式スイッチが提供される。スイッチは、支柱に固定され且つ可動部分を具備する片持ちビームを含む。スイッチは、静電力を発生するように構成された間隙を有する駆動領域を更に含む。駆動領域に近接して電極領域が設けられる。駆動領域は切欠きを規定し、電極領域は、少なくとも２つの側部で切欠きにより取り囲まれた延出部分を具備する。可動部分は駆動領域に近接して、延出部分と重なり合うように設けられ、約１．５を超えるスタンドオフ電圧／プルイン電圧比を示す。
【００１１】
スイッチにおけるスタンドオフ電圧とプルイン電圧との比を増加する方法が提供される。方法は、間隙を規定する駆動面を設けることと、間隙の中まで延出する延出部分を有する電気接触面を設けることとを含む。方法は、駆動面及び電気接触面の上に懸架されたビームを設けることを更に含む。方法は、駆動面、電気接触面及びビームを含む重複領域を規定することと、約１．５を超えるスタンドオフ電圧／プルイン電圧比を実現するように重複領域を最適化することとを更に含む。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
本発明の上記の特徴、面及び利点並びに他の特徴、面及び利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより更によく理解されるであろう。図中、同じ図中符号は一貫して同じ部品を示す。
【図１】図１は本発明の１つの面に係るＭＥＭＳスイッチを示した斜視図である。
【図２】図２は図１のＭＥＭＳスイッチを示した一部切取り斜視図である。
【図３】図３は図１のＭＥＭＳスイッチの横断面図である。
【図４】図４は本発明の１つの面に係るＭＥＭＳスイッチを製造するための種々の層を示した平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
ＭＥＭＳスイッチは電気信号、機械的信号又は光信号の流れを制御できる。通常、ＭＥＭＳスイッチは低損失であり、絶縁性に優れている。更に、固体スイッチと比較して、ＭＥＭＳスイッチは著しく小型化されており、電力消費が少なく且つコスト面でも利点がある。ＭＥＭＳスイッチには、ブロードバンド動作（広い周波数範囲で動作できる）などの更なる利点もある。ＭＥＭＳスイッチのこのような特性は、その電力処理能力を著しく向上する。低損失で歪みが少なく、電力消費も少ないため、ＭＥＭＳスイッチは、電気通信、アナログスイッチング回路及び電源切り替えなどの用途に適しているといえる。また、ＭＥＭＳスイッチは、高性能電気機械リードリレー及び他の単機能スイッチング技術が現在採用されている用途に適する理想的な素子である。
【００１４】
ＭＥＭＳスイッチは、静電駆動、磁気駆動、圧電駆動又は熱駆動などの１つ以上の駆動のメカニズムを採用してもよい。他の駆動方法と比較して、静電駆動は高速で駆動でき、駆動力は適度である。スイッチング事象ごとに必要とされるパワーが通常ナノジュール単位であり、スイッチが閉成状態又は開成状態である場合は電力が消費されないので、静電駆動は超低電力を消費するだけである。電力消費が大きな要素である用途では、従来、静電駆動より大きな電力を要する磁気スイッチ駆動方式を使用して機械式リレーを動作していたが、磁気駆動と比べて静電駆動はそのような用途にはるかに適している。例えば、従来のリレーは大きな機械的力（接触及び復帰）によって動作し、寿命は短かった（通常約１００万サイクル）。ＭＥＭＳスイッチは、それよりはるかに小さな力で動作し、寿命もはるかに長い。接触力が小さいことの利点は、接点寿命が延びることである。しかし、接触力が小さいことによって、接触動作の質的な変化が生じ、特に表面の形態及び汚染物質に対して感度が増し、それに伴って小さな復帰力でもスイッチは非動作状態になりやすい。
【００１５】
図１を参照すると、図中符号１０は、本発明の１つの面に従って構成されたＭＥＭＳスイッチを示す。支持面２６（又は支柱）を有する基板（図３に図中符号４２により示される）が設けられる。基板に近接して、切欠き１４を有する駆動面１２が設けられる。駆動面１２に隣接して、延出部分１８を有する電気接触面１６が設けられる。延出部分１８は接点突起２０を含み、延出部分１８は切欠き１４の中に設けられる。支持面２６を介して基板にビーム２２が装着される。ビーム２２は接点突起２４と、駆動された場合に撓んで延出部分１８の少なくとも一部と接触し且つ延出部分１８を介して電流を搬送するように構成された可動自由端部２３とを含む。
【００１６】
ＭＥＭＳスイッチ１０の動作中、駆動面１２に電圧が印加される（これを駆動とも呼ぶ）。駆動面１２は、駆動面１２に印加された電圧に比例する静電力（駆動時に）を発生する。一実施形態において、この静電力はビーム２２に駆動力を加える。可動自由端部２３は、駆動時に撓んで、延出部分１８に設けられた接点突起２０を介して電気接触面１６と接触するように構成される。一実施形態において、延出部分１８とビーム２２とが接触することにより電流の流れが助長される。この状態はＭＥＭＳスイッチ１０の「導通」状態又は「閉成」状態と呼ばれる場合が多い。別の実施形態において、スイッチ１０の状態を切り替えるために、駆動面１２への電圧の印加は停止され、その結果、ビーム２２のばね復帰力によって延出部分１８とビーム２２との接触は「遮断」される。この状態は、ＭＥＭＳスイッチ１０の「非導通」状態又は「開成」状態と呼ばれる場合が多い。
【００１７】
通常、ＭＥＭＳスイッチは、延出部分１８とビーム２２との間の第１の電圧を規定する。スタンドオフ電圧は、通常、第１の閾値電圧として規定され、第１の電圧が第１の閾値電圧を超えた場合、延出部分１８とビーム２２は接触する。同様に、ＭＥＭＳスイッチは、駆動面１２とビーム２２との間の第２の電圧を規定する。プルイン電圧は、通常、駆動面１２の第２の閾値電圧として定義され、第２の電圧が第２の閾値を超えた場合、延出部分１８とビーム２２は接触する。ＭＥＭＳスイッチの設計を改善するためには、スタンドオフ電圧を高くし且つプルイン電圧を低くすることが必要であることが理解されるであろう。スタンドオフ電圧を高くすることと、プルイン電圧を低下することとは相容れない。本発明の実施形態は、電気接触面１６、駆動面１２及びビーム２２の構成及び配置を最適にすることにより、この相容れない問題を克服するように工夫されている。
【００１８】
次に図２を参照すると、ビーム２２の部分切欠き断面図が示される。例示的な実施形態において、ＭＥＭＳスイッチ１０は基板（図示せず）を具備する。基板は支持面２６を含む。切欠き１４を有する駆動面１２が設けられ、駆動面１２は静電力を発生するように構成される。延出部分１８を有する電気接触面１６が切欠き１４の中に設けられる。延出部分１８には接点突起２０が設けられる。ビーム２２（一部断面は図中符号３２により示される）は、支持面２６を介して基板に固定される。可動自由端部２３を含むビーム２２は、駆動時に撓んで（２５）延出部分１８の少なくとも一部と接触し且つ延出部分１８を介して電流を搬送するように構成される。
【００１９】
片持ちビームとも呼ばれるビーム２２は、支柱２６に固定される。アクチュエータ（又はゲート）とも呼ばれる駆動面１２は、駆動時（駆動面への電圧印加時）に静電力３４を発生するように構成される。一実施形態において、電気接触面１６（又はドレイン）はビーム２２に近接して設けられ且つ電気接触面１６と片持ちビーム２２との間に電気的接続が成立するように構成される。ビーム２２の可動自由端部２３（又は可動部分）は、駆動時に撓んで延出部分１８上の接点２０と係合し且つ接点２０を介して電流を搬送するように構成される。
【００２０】
尚、駆動面１２は典型的な矩形の面ではなく、切欠き１４を含む。切欠き１４の中に延出部分１８が設けられ、それにより、電気接触面１６とビーム２２とが重なり合う面積は縮小される。更に、駆動面１２の切欠き１４はビーム２２と重なり合う面積も縮小する。重複領域は、約１．５を超えるスタンドオフ電圧／プルイン電圧比（又はターンオフ比）を実現するように最適化される。別の実施形態において、重複領域は、約１．７〜約５のターンオフ比を実現するように最適化される。
【００２１】
図３は、図１のＭＥＭＳスイッチの横断面図である。例示的な実施形態において、ＭＥＭＳスイッチ１０は基板４２を含む。基板４２に窒化ケイ素の層４４（絶縁層）が形成される。絶縁層４４の上に支柱２６、駆動面１２及び電気接触面１６が設けられる。延出部分１８の一端に接点突起２０が設けられる。一実施形態において、ビーム２２は一端４６で支柱２６に固定され、切欠き１４及び延出部分１８の上方に可動端部２３が突出している。ビーム２２と接点突起２４との間に絶縁層４３が形成される。接点突起２４は電気接触面１６の接点突起２０と整列され、駆動時、ＭＥＭＳスイッチ１０の「導通」状態の間に接点突起２０と接触する。
【００２２】
動作中、片持ちビーム２２の動きを容易にするため、図示されるように、静電力を発生するように構成された駆動面１２がビーム２２に近接して設けられる。尚、電気接触面１６及びビーム２２は外部回路に接続される。一実施形態において、ＭＥＭＳスイッチ１０は、電気接触面１６とビーム２２とを電気的に接続するか又は電気接続を遮断するように構成される。基板４２は、例えばバイアス回路、保護回路などのＭＥＭＳスイッチ１０の動作回路を含むが、それら回路は、ここで挙げた回路に限定されない。
【００２３】
図４は、本発明の１つの面に係る構体を形成する層を示した平面図である。点線により示される片持ちビーム２２を有するＭＥＭＳスイッチは、平面図の図中符号５０により示されるように支柱２６に固定される。図示されるＭＥＭＳスイッチ５０は、片持ちビーム２２（種々の実施形態の配置を更によく理解できるように透明であるように示されている）、駆動面１２及び電気接触面１６を含む。駆動面は切欠き１４を形成するように設計され、その結果、ビーム２２の下方に延在する駆動領域は縮小されることが理解される。一実施形態において、そのように駆動領域を縮小することにより、プルイン電圧は低下する。同様に、電気接触面１６とビーム２２との重複領域はビームの幅５２に沿って規定されるのではなく、延出部分１８に限定される。そのように重複領域を縮小することにより、スタンドオフ電圧は増加する。一実施形態において、電気接触面に複数の延出部分が形成されてもよく、それに対応して、ビームの幅に沿って駆動面に複数の切欠きが形成されてもよい。
【００２４】
例示的な実施形態において、スイッチにおけるスタンドオフ電圧とプルイン電圧との比を増加する方法が提供される。方法は、間隙を規定する駆動面を設けることと、間隙の中まで延出する延出部分を有する電気接触面を設けることとを含む。方法は、駆動面及び電気接触面の上方へ懸架されたビームを設けることを更に含む。方法は、駆動面、電気接触面及びビームを含む重複領域を規定することと、約１．５を超えるスタンドオフ電圧／プルイン電圧比を示すように重複領域を最適化することとを更に含む。一実施形態において、重複領域は、約１．７〜約５のスタンドオフ電圧／プルイン電圧比を示すように最適化される。
【００２５】
高い開成状態絶縁電圧（すなわちスタンドオフ電圧）及び低い駆動電圧（プルイン電圧）が望まれるＭＥＭＳスイッチの用途において、ターンオフ比が高いことは重大な要因であることが理解されるであろう。スタンドオフ電圧及びプルイン電圧は、共にそれぞれ対応する電極の重複領域の面積に比例する静電力を発生する。本明細書において説明したように設計されたＭＥＭＳスイッチの場合、駆動面と電気接触面との重複領域の場所を規定し且つその重なり合いを調整することによりターンオフ比が高くなるという利点が得られる。従来、ビームを太くすると共に、アクチュエータとビームとの離間距離を増すことにより、スタンドオフ電圧を高くしていた。しかし、その結果、プルイン電圧も増加してしまう。本発明の現時点で考えられている実施形態において、そのような相容れない効果を克服できる。本発明のある特定の実施形態は、約１．５〜約５より相当に高いターンオフ比（スタンドオフ電圧とプルイン電圧との比）を実現するように設計される。
【００２６】
本明細書において本発明のある特定の特徴のみを図示し説明したが、当業者には多くの変形及び変更が考えられるだろう。従って、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨の範囲内に入るそのような変形及び変更をすべて含むことが意図されると理解すべきである。
【符号の説明】
【００２７】
１０    ＭＥＭＳスイッチ
１２    駆動面
１４    切欠き
１６    電気接触面
１８    延出部分
２０    接点突起
２２    ビーム
２３    可動自由端部
２４    接点突起
２６    支持面（支柱）
４２    基板
５０    ＭＥＭＳスイッチ
【図１】
2010147026.tif 000003
【図２】
2010147026.tif 000004
【図３】
2010147026.tif 000005
【図４】
2010147026.tif 000006