(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定基板の固定電極と、固定基板に梁部を介して支持した可動基板の可動電極との間に発生させる静電引力に基づいて可動基板を駆動し、固定基板に形成した２つの信号線にそれぞれ設けた固定接点に、前記可動基板に絶縁膜を介して形成した可動接点を接離することにより、前記信号線を電気的に開閉するようにした静電マイクロリレーにおいて、
前記梁部は、前記可動接点を中心とする点対称の位置２個所で、前記可動基板を弾性支持し、
前記信号線は、一端部の各固定接点が所定間隔で隣接するように、固定基板上の同一直線上に配設し、
前記可動基板は、少なくとも信号線に対向する部分を除去され、前記可動接点を、前記信号線が配設される直線に直交し、かつ、前記信号線に対向しない２箇所で弾性支持し、
前記基板の吸引面を平坦とし、
前記基板のいずれか一方に、接点を中心とする点対称の位置であって、接点閉成後、最初に対向する基板に当接する前記信号線に沿う部分に、接点閉成前に対向する基板に当接する一対の凸部を絶縁材料で形成することにより開離力を向上させたことを特徴とする静電マイクロリレー。
【請求項２】
固定基板の固定電極と、固定基板に梁部を介して支持した可動基板の可動電極との間に発生させる静電引力に基づいて可動基板を駆動し、固定基板に形成した２つの信号線にそれぞれ設けた固定接点に、前記可動基板に絶縁膜を介して形成した可動接点を接離することにより、前記信号線を電気的に開閉するようにした静電マイクロリレーにおいて、
前記梁部は、前記可動接点を中心とする点対称の位置２個所で、前記可動基板を弾性支持し、
前記信号線は、一端部の各固定接点が所定間隔で隣接するように、固定基板上の同一直線上に配設し、
前記可動基板は、少なくとも信号線に対向する部分を除去され、前記可動接点を、前記信号線が配設される直線に直交し、かつ、前記信号線に対向しない２箇所で弾性支持し、
前記基板の吸引面を平坦とし、
前記基板のいずれか一方に、接点を中心とする点対称の位置であって、接点閉成後、最初に対向する基板に当接する前記信号線に沿う部分に、接点閉成前に対向する基板に当接する一対の凸部を形成し、
前記基板のうち、少なくとも前記凸部が接離する部分から電極を除去することにより開離力を向上させたことを特徴とする静電マイクロリレー。
【請求項３】
前記基板のいずれか一方に、凸部が対向する基板に当接した後、さらに接点閉成前に対向する基板に当接する部分に、新たに凸部を順次形成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の静電マイクロリレー。
【請求項４】
前記請求項１に記載の静電マイクロリレーを、アンテナと内部回路との間の電気信号を開閉するように設けたことを特徴とする無線装置。
【請求項５】
前記請求項１に記載の静電マイクロリレーを、測定対象物と内部回路との間の電気信号を開閉するように設けたことを特徴とする計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電極間に発生する静電引力に基づいて駆動することにより、信号線を開閉する静電マイクロリレー、並びに、該静電マイクロリレーを利用した無線装置及び計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、静電マイクロリレーとして、例えば、特開2000−164104号公報や特開2000−113792号公報に開示のものがある。
【０００３】
前者では、電極間に電圧を印加して静電引力を発生させ、可動基板を駆動することにより、可動接点を固定接点に閉成し、固定基板上に並設した信号線を互いに電気接続する。可動基板には、可動接点の両側にスリットが形成され、又、下面には４箇所に凸部が形成されることにより、接点開離力が高められている。
【０００４】
後者では、固定基板上に可動基板を２箇所で弾性支持し、固定基板上に信号線を同一直線上に設け、その両側に配設した固定電極を高周波ＧＮＤ電極と兼用している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前者では、信号線が並設されているため、高周波信号の開閉には適さない。凸部は、接点閉成前に対向する基板に当接するが、その位置は動作特性を高めるのに最も適した位置とは言えない。
【０００６】
一方、後者では、高周波信号の開閉には適しているが、接点開離力を高めるための凸部等の構成が考慮されていない。単に、前者の凸部を採用するだけでは、その凸部を設けるのに最適な位置が特定されていない以上、所望の動作特性を得ることは困難である。
【０００７】
そこで、本発明は、安価で容易に製作できる簡単かつ小型の構造で、しかも適切な接点開離力を得ることのできる静電マイクロリレー、並びに、該静電マイクロリレーを利用した無線装置及び計測装置を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するための手段として、固定基板の固定電極と、固定基板に梁部を介して支持した可動基板の可動電極との間に発生させる静電引力に基づいて可動基板を駆動し、固定基板に形成した２つの信号線にそれぞれ設けた固定接点に、前記可動基板に絶縁膜を介して形成した可動接点を接離することにより、前記信号線を電気的に開閉するようにした静電マイクロリレーにおいて、前記梁部は、前記可動接点を中心とする点対称の位置２個所で、前記可動基板を弾性支持し、前記信号線は、一端部の各固定接点が所定間隔で隣接するように、固定基板上の同一直線上に配設し、前記可動基板は、少なくとも信号線に対向する部分を除去され、前記可動接点を、前記信号線が配設される直線に直交し、かつ、前記信号線に対向しない２箇所で弾性支持し、前記基板の吸引面を平坦とし、前記基板のいずれか一方に、接点を中心とする点対称の位置であって、接点閉成後、最初に対向する基板に当接する前記信号線に沿う部分に、接点閉成前に対向する基板に当接する一対の凸部を絶縁材料で形成することにより開離力を向上させたものである。
【０００９】
この構成により、高周波信号の開閉に適した構成であるにも拘わらず、接点開離力を、静電引力の変化に対応させて２段階で切り替えることができる。つまり、静電引力の弱い範囲では、凸部が対向する基板に当接せず、可動基板は静電引力に従って容易に変形する。そして、静電引力が強い範囲では、凸部が対向する基板に当接することにより可動基板の弾性力が大きくなる。しかも、凸部は、接点閉成後、最初に対向する基板に当接する部分に設けられている。したがって、静電引力曲線に対して最も適した位置で、可動基板の可動接点側の弾性力を変化させることができ、接点開離性を向上させることが可能となる。また、凸部が対向する基板に当接する毎に、可動接点側の弾性力が大きくなって静電引力曲線に沿わせることができるので、適切な接点開離力を得ることが可能となる。従って動作特性は安定した状態を維持する。
【００１０】
また、本発明は、前記課題を解決するための手段として、固定基板の固定電極と、固定基板に梁部を介して支持した可動基板の可動電極との間に発生させる静電引力に基づいて可動基板を駆動し、固定基板に形成した２つの信号線にそれぞれ設けた固定接点に、前記可動基板に絶縁膜を介して形成した可動接点を接離することにより、前記信号線を電気的に開閉するようにした静電マイクロリレーにおいて、前記梁部は、前記可動接点を中心とする点対称の位置２個所で、前記可動基板を弾性支持し、前記信号線は、一端部の各固定接点が所定間隔で隣接するように、固定基板上の同一直線上に配設し、前記可動基板は、少なくとも信号線に対向する部分を除去され、前記可動接点を、前記信号線が配設される直線に直交し、かつ、前記信号線に対向しない２箇所で弾性支持し、前記基板の吸引面を平坦とし、前記基板のいずれか一方に、接点を中心とする点対称の位置であって、接点閉成後、最初に対向する基板に当接する前記信号線に沿う部分に、接点閉成前に対向する基板に当接する一対の凸部を形成し、前記基板のうち、少なくとも前記凸部が接離する部分から電極を除去することにより開離力を向上させたものである。
【００１１】
前記基板のいずれか一方に、凸部が対向する基板に当接した後、さらに接点閉成前に対向する基板に当接する部分に、新たに凸部を順次形成すると、凸部が対向する基板に当接する毎に、可動接点側の弾性力が大きくなって静電引力曲線に沿わせることができるので、適切な接点開離力を得ることが可能となる点で好ましい。
【００１３】
なお、前記構成の静電マイクロリレーは、無線装置や計測装置等の高周波信号を取り扱う機器に於ける接点の開閉に適している。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施形態を添付図面に従って説明する。
図１及び図２は、本実施形態に係る静電マイクロリレーを示す。この静電マイクロリレーＭＲは、固定基板１の上面に可動基板２を設けた構成である。
【００１５】
固定基板１は、ガラス基板３の上面に固定電極４及び信号線５ａ，５ｂを形成したものである。固定電極４の表面は絶縁膜６で被覆されている。信号線５ａ，５ｂは、同一直線上に配置され、ガラス基板３の中央部に所定間隔で隣接する固定接点７ａ，７ｂを有している。信号線５ａ，５ｂは接続パッド８ａ，８ｂにそれぞれ接続されている。また、信号線５ｂの側方には、配線パターン９ａを介して接続パッド８ｃが形成されている。この配線パターン９ａ及び接続パッド８ｃには、可動基板２の可動電極１２が電気接続される。固定電極４には、電圧印加用の接続パッド８ｄと、ＧＮＤ接続される接続パッド８ｅとが形成されている。接続パッド８ｅは、信号線５ａ，５ｂで高周波信号を伝達させる場合に信号の漏れを防止する役割を果す。
【００１６】
可動基板２は、図３に示すように、前記固定基板１の上面に立設される支持部１０から側方に延在する２本の第１梁部１１に可動電極１２を均等に支持したものである。可動電極１２は、第１梁部１１、支持部１０、及び、固定基板１の上面に設けたプリント配線９ａを介して接続パッド８ｃに電気接続されている。可動電極１２の中央部には一対の第２梁部１３によって接点台１４が弾性支持されている。接点台１４の下面には、絶縁膜１５を介して可動接点１６が設けられている。可動接点１６は、前記固定接点７に接離して信号線５ａ，５ｂを開閉する。また、可動電極１２の下面には、可動接点１６を中心として点対称の位置、詳しくは、接点閉成後、可動電極１２が最初に固定電極４に当接する位置に凸部１７がそれぞれ形成されている。これにより、静電引力が作用して可動基板２が撓むと、接点閉成前に、必ず凸部１７が固定基板１に当接する。そして、当接後の開離力増分とそれに伴う接触力減分の割合が理想的な状態になる。また、凸部１７は、固定基板１への当接時、可動電極１２と固定電極４の距離が、離間した固定基板１と可動基板２の間隔の１／３以下となるように形成されている。これにより、凸部１７が固定基板１に当接した時点で、静電引力が急激に大きくなり、凸部１７の存在に拘わらず、確実に固定電極４に可動電極１２を吸着させることが可能である。
【００１７】
ところで、前記凸部１７は、他の部分（可動電極１２）に比べて対向する固定電極４に接近している。このため、静電引力が大きくなって電界が集中する。そして、周囲に有機物等の異物が存在すれば、この異物は電界の集中する凸部１７に引き寄せられて付着する。この場合、凸部１７の高さが変化して動作特性が不安定となる恐れがある。このため、図２に示すように、凸部１７に対向する部分には固定電極４を除去した非電極部１８が形成されている。但し、前記凸部１７を絶縁物、例えば酸化膜で形成すれば、発生する静電引力が抑制されるので、前記非電極部１８は必ずしも必要ではない。また、前記凸部１７を、例えば半円柱状に形成すれば、電界集中を抑制でき、異物を引き寄せにくい構造とすることができる。
【００１８】
続いて、前記構成の静電マイクロリレーＭＲの製造方法を説明する。
【００１９】
まず、図４（ａ）に示すパイレックス等のガラス基板３に図４（ｂ）に示すように固定電極４、固定接点７ａ，７ｂ（ここでは、７ａのみ図示）を形成する。また同時に、図４には図示しないプリント配線９ａ、接続パッド８ａ等を形成する。そして、前記固定電極４に絶縁膜６を形成することにより、図４（ｃ）に示す固定基板１が完成する。なお、前記絶縁膜６として比誘電率３〜６のシリコン酸化膜あるいは比誘電率７〜８のシリコン窒化膜を用いれば、大きな静電引力が得られ、接触力を増加させることができる。
【００２０】
一方、図４（ｄ）に示すように、上面側からシリコン層１０１，酸化シリコン層１０２及びシリコン層１０３からなるＳＯＩウエハ１００の下面に、接点間ギャップを形成するため、例えば、シリコン酸化膜をマスクとするＴＭＡＨによるウェットエッチングを行い、図４（ｅ）に示すように、下方側に突出する支持部１０と凸部１７とを形成する。そして、図４（ｆ）に示すように、絶縁膜１５を設けた後、可動接点１６を形成する。
【００２１】
次いで、図４（ｇ）に示すように、前記固定基板１に前記ＳＯＩウエハ１００を陽極接合で接合一体化する。そして、図４（ｈ）に示すように、ＳＯＩウエハ１００の上面をＴＭＡＨ，ＫＯＨ等のアルカリエッチング液で酸化膜である酸化シリコン層１０２までエッチングして薄くする。さらに、フッ素系エッチング液で前記酸化シリコン層１０２を除去して、図４（ｉ）に示すようにシリコン層１０３すなわち可動電極１２を露出させる。そして、ＲＩＥ等を用いたドライエッチングで型抜きエッチングを行い、第１，第２梁部１１，１３を切り出し、可動基板２が完成する。なお、固定基板１はガラス基板３に限らず、少なくとも上面を絶縁膜６で被覆した単結晶シリコン基板で形成してもよい。
【００２２】
次に、前記構成の静電マイクロリレーＭＲの動作について図５の模式図を参照して説明する。
【００２３】
両電極間に電圧を印加せず、静電引力を発生させていない状態では、図５（ａ）に示すように、第１梁部１１は弾性変形せず、支持部１０から水平に延びた状態を維持するので、可動基板２は固定基板１と所定間隔で対向する。したがって、可動接点１６は、両固定接点７ａ，７ｂから開離している。
【００２４】
ここで、両電極間に電圧を印加して静電引力を発生させると、第１梁部１１が弾性変形し、可動基板２が固定基板１に接近する。これにより、図５（ｂ）に示すように、凸部１７が固定基板１に当接する。前記静電引力は、図６に示すように、電極間距離が小さくなるに従って増加する傾向にある。そして、凸部１７が固定基板１に当接するまで接近すると、両電極４，１２間に作用する静電引力は急激に増大するように設定している。したがって、可動基板２は、凸部１７の周囲をも部分的に弾性変形させることにより、可動電極１２は固定電極４に吸着される。この結果、図５（ｃ）に示すように、可動接点１６が固定接点７に閉成する。そして、可動接点１６が固定接点７に当接した後は、図５（ｄ）に示すように、第１梁部１１に加えて第２梁部１３が撓み、可動電極１２が固定電極４に吸着される。したがって、可動接点１６は、その周囲の可動電極１２が固定電極４に吸着されることにより、第２梁部１３を介して固定接点７に押し付けられる。このため、片当たりが発生せず、接触信頼性が向上する。
【００２５】
このとき、第１、第２梁部１１，１３が可動電極１２を上方に引張る力をFs1 ，Fs2、凸部１７が固定基板１に当接してから接点部が閉性するまでの凸部周囲の弾性変形による可動電極１２を上方に引張る力をFs3、絶縁膜６を介した可動電極１２と固定電極４との間の静電引力をFe、絶縁膜６の表面からの抗力をFnとすると下記（数１）の関係があり、第１，第２梁部１１，１３のバネ係数、可動電極１２と固定電極４との初期ギャップ、接点の厚み等を設計することによりFn、Fs1を小さくし、Fs2、すなわち接触力の（理想モデルからの）低下を抑えることが可能である。
【００２６】
【数１】
Fe＝Fs1＋Fs2＋Fs3＋Fn
【００２７】
その後、両電極間の印加電圧を除去すると、第１、第２梁部１１，１３の弾性力のみならず、凸部１７近傍の変形に伴う弾性力をも接点開離力として作用させることができる。したがって、たとえ接点間に粘着や溶着等が発生していても、確実に開離させることが可能となる。そして、接点開離後、凸部１７が離れるまでは凸部１７の周囲の弾性力によって、凸部１７の開離後、可動基板２は第１梁部１１の弾性力によって元の位置に復帰する。
【００２８】
このように、前記実施形態では、凸部１７を形成したので、接点開離力を大幅に増大させることができ、印加電圧除去時の可動基板２の動作をスムーズに行わせることが可能となる。
【００２９】
また、可動基板２全体をシリコンウェハ単体で形成すると共に、左右点対称，断面線対称となるように形成されている。このため、可動電極１２に反りや捩りが生じにくい。したがって、動作不能，動作特性のバラツキを効果的に防止できると共に、円滑な動作特性を確保可能となる。
【００３０】
前記構成の静電マイクロリレーＭＲは、直流電流から高周波信号までを低損失で良好に伝達する特性を有するため、例えば、図７に示す無線装置１１０や図８に示す計測装置１２０に採用することが可能である。図７では、静電マイクロリレーＭＲは、内部回路１１２とアンテナ１１３の間に接続されている。図８では、静電マイクロリレーＭＲは、内部回路１２１から測定対象物（図示せず）に至る各信号線の途中に接続されている。これによれば、従来素子に比べて、内部回路に用いられる増幅器などへの負担を抑制しつつ、精度よく信号を伝達可能となる。また、小型で、消費電力も少なく、特に、バッテリー駆動の無線装置や複数使用される計測装置で効果を発揮する。
【００３３】
また、前記実施形態では、可動電極１２を平坦形状としたが、その上面に凹所を形成して薄肉としてもよい。これにより、所望の剛性を確保しつつ、軽量であっても、動作及び復帰速度をより一層向上させることが可能となる。また、前記可動電極１２を梁部よりも厚肉として剛性を大きくしてもよい。これにより、静電引力のすべてを可動電極１２に対する吸引力とすることができ、静電引力を効率良く第１梁部１１又は第２梁部１３の変形に利用可能となる。
【００３４】
また、前記実施形態では、凸部１７を可動基板２に設けるようにしたが、固定基板１や双方の基板に設けるようにしてもよい。また、前記凸部１７は、接点と支持部１０の間に、二対以上設けるようにしてもよい。この場合、最初に凸部１７が固定基板１に当接した後、可動基板２が固定基板１に当接する位置に、順次次の凸部１７を設けるようにすればよい。これにより、凸部１７を一対だけ設ける場合に比べて、さらに接触力及び開離力を安定させることが可能となる。
【００３５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、半導体プロセスにより安価で容易に製作でき、しかも簡単かつ小型の構造である。また、信号線が同一直線上に配置され、対向する可動基板は除去されているので、優れた高周波特性を発揮する。さらに、両基板のうち、少なくともいずれか一方に凸部を形成するようにしたので、接点閉成時、所望の均一な接点接触力を得ると共に、接点開離力を増大させることができる。特に、凸部は、接点閉成後、最初に対向する基板に当接する部分に形成するようにしたので、接点開放時、静電引力曲線に対して最適な接点開離力を発揮させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  第１実施形態に係る静電マイクロリレーの組立斜視図である。
【図２】  図１の分解斜視図である。
【図３】  図２に示す可動基板を反対側から見た状態を示す斜視図である。
【図４】  図１に示す静電マイクロリレーの加工プロセスを示す断面図である。
【図５】  図１に示す静電マイクロリレーの動作状態を示す模式図である。
【図６】  固定基板と可動基板の間隙寸法と静電引力及び可動基板の弾性力との関係を示すグラフである。
【図７】  図１の静電マイクロリレーを無線装置に採用した状態を示すブロック図である。
【図８】  図１の静電マイクロリレーを計測装置に採用した状態を示すブロック図である。
【符号の説明】
１…固定基板
２…可動基板
４…固定電極
５ａ，５ｂ…信号線
６…絶縁膜
７…固定接点
１０…支持部
１１…第１梁部
１２…可動電極
１３…第２梁部
１６…可動接点
１７…凸部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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