(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースの上面に固定電極および固定接点を配置する一方、前記ベースの上方で略平行に対向するアクチュエータの可動接触片の下面側に、前記固定電極に対向する可動電極を形成するとともに、この可動電極の下面に絶縁膜を介して前記固定接点に対向する可動接点を配置し、前記固定電極および可動電極間に電圧を印加して生じる静電引力で前記可動接触片を駆動し、前記可動接点を前記固定接点に接離する静電マイクロリレーにおいて、
前記可動接触片が、前記可動電極の上面に中間絶縁膜を介して補助ばね層を積層するととともに、前記中間絶縁膜のうち、前記可動接点の直上に位置する部分を部分的に除去して空隙部を形成したことを特徴とする静電マイクロリレー。
【請求項２】
前記アクチュエータの可動接触片が、その両端部を支持された両端支持梁形状であることを特徴とする請求項１に記載の静電マイクロリレー。
【請求項３】
前記アクチュエータの可動接触片が、その一端部を支持した片持ち梁形状であることを特徴とする請求項１に記載の静電マイクロリレー。
【請求項４】
前記アクチュエータの可動接触片が、その周辺縁部を支持したダイヤフラム形状であることを特徴とする請求項１に記載の静電マイクロリレー。
【請求項５】
ベースの上面に固定電極および固定接点を配置する一方、前記ベースの上方で略平行に対向し、かつ、中間層に中間絶縁膜を形成したアクチュエータの可動接触片の下面側に、前記固定電極に対向する可動電極を形成するとともに、この可動電極の下面に絶縁膜を介して前記固定接点に対向する可動接点を配置し、前記固定電極および前記可動電極間に電圧を印加して生じる静電引力で前記可動接触片を駆動し、前記可動接点を前記固定接点に接離する静電マイクロリレーの製造方法において、
前記可動電極の上面に前記中間絶縁膜を介して補助ばね層を積層した後、前記中間絶縁膜のうち、前記可動接点の直上に位置する部分を連通孔を介して部分的に除去し、外部に連通する空隙部を形成したことを特徴とする静電マイクロリレーの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は静電マイクロリレー、特に、非線形のばね定数を有する可動接触片を備えた静電マイクロリレーに関する。
【０００２】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】
従来、静電マイクロリレーとしては、例えば、ベースの上面に固定電極および固定接点を配置する一方、前記ベースの上方で略平行に対向するアクチュエータの下面側に可動電極を配置するとともに、この可動電極に絶縁膜を介して可動接点を配置したものが考えられている。
そして、対向する前記固定電極および可動電極間に電圧を印加すると、静電引力が生じる。このため、ベースの固定電極にアクチュエータの可動電極が吸引されてアクチュエータがベース側に弾性変形し、可動接点が固定接点に接触した後、可動電極が固定電極に吸着する。
【０００３】
前述の静電マイクロリレーは、アクチュエータが均一、かつ、内実の断面形状を有している。そして、対向する固定電極および可動電極間に電圧を印加した場合における静電引力および変位の関係を図示すると、図１１となる。一般に、アクチュエータのばね力は、静電引力の吸引力曲線の下方側で変化するように設計されている。
【０００４】
一方、図１１から明らかなように、従来のアクチュエータのばね定数は直線で示される線形である。このため、大きな接触荷重を確保すべく、アクチュエータのばね定数を大きくすると、図１１においてばね定数を示す直線の傾斜角度が大きくなる。この結果、接点の突き出し量の許容値が小さくなり、接点摩耗によって接点寿命が短くなる。
逆に、接点の突き出し量の許容値を大きくすべく、アクチュエータのばね定数を小さくすると、図１１においてばね定数を示す直線の傾斜角度が小さくなる。このため、所望の接触荷重が得られず、接触信頼性が低下するという問題点がある。
【０００５】
本発明は、前記問題点に鑑み、接点寿命が長いとともに、所望の接触荷重を確保でき、接触信頼性の高い静電マイクロリレーを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる静電マイクロリレーは、前記目的を達成するため、ベースの上面に固定電極および固定接点を配置する一方、前記ベースの上方で略平行に対向するアクチュエータの可動接触片の下面側に、前記固定電極に対向する可動電極を形成するとともに、この可動電極の下面に絶縁膜を介して前記固定接点に対向する可動接点を配置し、前記固定電極および可動電極間に電圧を印加して生じる静電引力で前記可動接触片を駆動し、前記可動接点を前記固定接点に接離する静電マイクロリレーにおいて、前記可動接触片が、前記可動電極の上面に中間絶縁膜を介して補助ばね層を積層するととともに、前記中間絶縁膜のうち、前記可動接点の直上に位置する部分を部分的に除去して空隙部を形成した構成としてある。
【０００７】
前記アクチュエータの可動接触片は、その両端部を支持された両端支持梁形状であってもよい。また、前記アクチュエータの可動接触片は、その一端部を支持した片持ち梁形状であってもよい。さらに、前記アクチュエータの可動接触片は、その周辺縁部を支持したダイヤフラム形状であってもよい。
【０００８】
前記可動接触片は、その補助ばね層のうち、前記空隙部に接する部分を薄肉としてもよい。また、前記可動接触片は、その補助ばね層のうち、前記空隙部に接する部分に一対のスリットを設けてもよい。
【０００９】
前記可動接触片の可動電極および補助ばね層は、シリコンウエハで形成してもよい。また、前記ベースは、ガラスウエハで形成しておいてもよい。
【００１０】
前記空隙部が平面円形であるとともに、前記可動接点がリング形状であってもよい。
【００１１】
前記可動電極および前記補助ばね層のうち、前記空隙部に面する部分の少なくともいずれか一方に貫通孔を設けておいてもよい。
【００１２】
また、本発明にかかる静電マイクロリレーは、その目的を達成するため、ベースの上面に固定電極および固定接点を配置する一方、前記ベースの上方で略平行に対向し、かつ、中間層に中間絶縁膜を形成したアクチュエータの可動接触片の下面側に、前記固定電極に対向する可動電極を形成するとともに、この可動電極の下面に絶縁膜を介して前記固定接点に対向する可動接点を配置し、前記固定電極および前記可動電極間に電圧を印加して生じる静電引力で前記可動接触片を駆動し、前記可動接点を前記固定接点に接離する静電マイクロリレーの製造方法において、前記可動電極の上面に前記中間絶縁膜を介して補助ばね層を積層した後、前記中間絶縁膜のうち、前記可動接点の直上に位置する部分を連通孔を介して部分的に除去し、外部に連通する空隙部を形成する工程で製造してもよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明にかかる実施形態を図１ないし図１０の添付図面に従って説明する。
第１実施形態にかかる静電マイクロリレーは、図１ないし図６に示すように、ベース１０と、アクチュエータ２０とからなるものである。
前記ベース１０は、シリコンウエハ１１の上面に形成した絶縁膜１２の上に、一対の固定接点１３，１３（図１中、手前側の固定接点は図示せず）を形成するとともに、これらにそれぞれ電気接続したプリント配線（図示せず）および接続パッド１４を形成したものである。さらに、前記固定接点１３の近傍には、固定電極１５を形成してある。
【００１４】
前記アクチュエータ２０は、絶縁膜２１、可動電極２２、中間絶縁膜２３および補助ばね層２４の４層構造であり、前記ベース１０の上面周辺縁部に接合一体化することにより、密封した内部空間２０ａを形成する。
また、シリコンウエハからなる可動電極２２の下面には絶縁膜２１を介して可動接点２６を設けてある。一方、前記中間絶縁膜２３のうち、前記可動接点２６の直上に位置する部分を部分的に除去することにより、空隙部２７が形成されている。さらに、前記可動電極２２の下面縁部が、ベース１０の上面縁部に設けた接続パッド１４に電気接続されている。
【００１５】
次に、前述の構造を有する静電マイクロリレーの製造方法について説明する。
まず、図２（ａ）に示すように、下面にアライメントマーク用の凹部を形成した単結晶シリコンウエハ１１の上面に熱酸化膜からなる絶縁膜１２を形成する。そして、この絶縁膜１２に２個の固定接点１３，１３（図２（ｂ）中、手前側の固定接点は図示せず）を並設するとともに、前記固定接点１３にそれぞれ電気接続したプリント配線（図示せず）および接続パッド１４を設ける。さらに、前記固定接点１３近傍に固定電極１５およびこれに電気接続したプリント配線（図示せず）、接続パッド（図示せず）を形成する。
なお、固定接点等の形成方法としては、例えば、スパッタリング、蒸着などの半導体プロセスの他、スクリーン印刷が挙げられる。
したがって、シリコンウエハの上面縁部には４個の接続パッド１４が形成される。
【００１６】
次に、図３（ａ）に示すように、下面に酸化膜からなる中間絶縁膜２３を形成した単結晶シリコンウエハ３０にエッチング加工を施し、前記絶縁膜２３の一部を除去して空隙部２７を形成する。そして、前記絶縁膜２３を介して別体の単結晶シリコンウエハ３１を接合一体化する（図３（ｂ））。さらに、前記シリコンウエハ３１をウェットエッチングあるいはＣＭＰ（化学機械研磨）法等で１０ないし２０μｍまで一様にシンニングする（図３（ｃ））。ついで、前記シリコンウエハ３１のうち、固定接点１３、固定電極１５およびプリント配線と重なる部分をエッチングで除去するとともに、凹所３３を形成する（図３（ｄ））。さらに、前記シリコンウエハ３１の下面に酸化膜からなる絶縁膜２１を形成した後、この絶縁膜２１のうち、可動接触片２５の可動電極２２を電気接続するために部分的に除去し、可動電極２２の縁部下面を露出させる（図３（ｅ））。そして、前記絶縁膜２１上に可動接点２６を形成するとともに、絶縁膜２１を除去した部分に中継用接続パッド２７ａを形成する（図３（ｆ））。
【００１７】
ついで、ベース１０の絶縁膜１２にアクチュエータ２０となる前記シリコンウエハ３０を直接接合一体化した後（図４（ａ））、シリコンウエハ３０を所定の厚さまでＣＭＰ，エッチング等でシンニングする（図４（ｂ））。そして、絶縁膜２１，可動電極２２，中間絶縁膜２３および補助ばね層２４を、エッチング，ダイシング等で部分的に除去し、アクチュエータ２０から両端支持梁形状の可動接触片２５を切り出すことにより、接続パッド１４が露出し、本実施形態にかかる静電マイクロリレーが完成する（図４（ｃ））。
【００１８】
次に、前述の構造を有する静電マイクロリレーの動作について説明する。
接続パッド１４を介して固定電極１５および可動電極２２に電圧が印加されていない場合には、可動接点２６が固定接点１３から開離している（図５（ａ））。
【００１９】
そして、前記固定電極１５および可動電極２２間に電圧を印加すると、両者間に静電引力が生じる。このため、アクチュエータ２０の可動電極２２が吸引されて可動接触片２５が下方側に膨らみ、可動接点２６が固定接点１３に接触する（図５（ｂ））。このとき、可動接触片２５のばね定数は図６中の（I）となる。さらに、可動接触片２５が静電引力で吸引され、撓んだ可動電極２２の弾性変形部２８が補助ばね層２４の天井面に当接した後（図５（ｃ））、補助ばね層２４を上方に押し上げる。このため、可動接触片２５のばね定数が増大して図６中の（II）となる。さらに、可動電極２２の弾性変形部２８が補助ばね層２４を上方に押し上げ（図５（ｄ））、可動電極２２が絶縁膜２１を介して固定電極１５に吸着する。
【００２０】
ついで、前述の電圧の印加を解除すると、静電引力が消失するので、アクチュエータ２０が自己のばね力で弾性復帰し、前述の動作と逆の動作を繰り返して元の状態に復帰する。
【００２１】
第２実施形態は、図７に示すように、アクチュエータ２０に略コ字形状のスリット２９を設けて可動接触片２５を片持ち梁形状とした場合であり、第１実施形態と同一部分に同一番号を付して説明する。
なお、本実施形態にかかる静電マイクロリレーの製造方法は前述の第１実施形態とほぼ同様であるので、説明を省力する。
【００２２】
この実施形態の動作について説明する。
接続パッド１４を介して固定電極１５および可動電極２２に電圧が印加されていない場合には、可動接点２６が固定接点１３から開離している。
【００２３】
そして、前記固定電極１５および可動電極２２間に電圧を印加することにより、静電引力が生じる。このため、可動接触片２５の可動電極２２が吸引されて下方側にたわみ、可動接点２６が固定接点１３に接触する。この結果、可動接触片２５のばね定数が増大する。さらに、可動接触片２５が静電引力で吸引され、可動電極２２の弾性変形部２８が上方に撓んで補助ばね層２４の天井面に当接するので、可動接触片２５のばね定数がより一層増大する。このため、弾性変形部２８が補助ばね層２４を上方に押し上げて弾性変形させ、可動電極２２が絶縁膜２１を介して固定電極１５に吸着する。
【００２４】
ついで、前述の電圧の印加を解除すると、静電引力が消失するので、可動接触片２５自身のばね力によって弾性復帰し、前述の動作と逆の動作を繰り返して元の状態に復帰する。
【００２５】
本実施形態によれば、アクチュエータ２０に略コ字形状のスリットを設けて片持ち梁形状となっているので、小さな駆動力で可動接触片２５を駆動でき、駆動電圧を低減できるという利点がある。
【００２６】
第３実施形態は、図８に示すように、アクチュエータ２０に平面円形の空隙部２７を形成するとともに、リング形状の可動接点２６を設けた場合である。そして、前記弾性変形部２８および絶縁膜２１のうち、前記リング形状の可動接点２６の中心に位置する部分に、前記空隙部２７に連通する貫通孔２８ａを設けてある。
【００２７】
本実施形態によれば、貫通孔２８ａを介して空隙部２７を形成できるので、空隙部２７内が負圧になることがない。このため、弾性変形部２８に歪みが生じない。また、前記空隙部２７内における空気の出入りが自由となり、弾性変形部２８の変形が容易となるので、動作特性が向上するという利点がある。
【００２８】
第４実施形態は、図９に示すように、ガラスウエハ１６からなるベース１０に、片持ち梁形状のアクチュエータ２０を接合一体化した場合である。
前記ベース１０の上面には、固定接点１３、絶縁膜１７で被覆された固定電極１５および接続パッド１４が設けられている。
一方、アクチュエータ２０は、可動電極２２、中間絶縁膜２３および補助ばね層２４の３層構造からなるものである。そして、前記可動電極２２の下面に絶縁膜２１を介して可動接点２６を設けてある一方、補助ばね層２４のうち、可動接点２６の上方に位置する部分に薄肉部２４ａを形成し、弾性変形容易としてある。
【００２９】
本実施形態によれば、薄肉部２４ａを設けることにより、弾性変形の微調整が容易となるので、所望のばね特性を有する可動接触片２５が得られるという利点がある。
【００３０】
第５実施形態は、図１０（ａ），（ｂ）に示すように、アクチュエータ２０の補助ばね層２４に一対のスリット２４ｂ，２４ｂを設けることにより、前記可動接点２６の上方に両端支持された弾性梁部２４ｃを形成した場合である。
本実施形態によれば、弾性梁部２４ｃにより、所望のばね特性を有する可動接触片２５が得られるとともに、弾性梁部２４ｃの形状を選択することにより、可動接触片２５のばね定数を所望の値に変更できるという利点がある。
【００３１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の請求項１によれば、可動接触片のばね定数が２段階に変化して非線形となる。このため、吸引力特性を示すグラフ図においては、可動接触片のばね定数が従来例よりも静電引力の曲線に沿った折れ線となる。この結果、接点突き出し量の許容値が大きくなり、接点寿命が長くなるとともに、所定の接触信頼性が得られる。
接点突き出し量の許容値を大きくできるので、高精度のプロセス制御が不要となり、歩留まりが改善され、生産性が向上する。
【００３２】
請求項２によれば、アクチュエータの可動接触片が両端支持梁形状であるので、前述の効果に加え、外部からの振動等によっても、誤動作が生じにくい。このため、開閉動作の安定した静電マイクロリレーが得られる。
請求項３によれば、アクチュエータの可動接触片が片持ち梁形状であるので、変形しやすい。このため、小さな駆動力でアクチュエータを駆動でき、動作電圧を低減できる。
請求項４によれば、アクチュエータの可動接触片がダイヤフラム形状であるので、密封した空間内で可動接点を固定接点に接離でき、シール性質の高い静電マイクロリレーが得られる。
また、補助ばね層の一部を薄肉とすれば、弾性変形の微調整が容易となる。このため、所望のばね特性を有する可動接触片がより一層得やすくなる。
さらに、補助ばね層に一対のスリットを形成すれば、弾性変形の微調整が容易となる。このため、所望のばね特性を有する可動接触片がより一層得やすくなる。
そして、アクチュエータの可動電極および補助ばね層をシリコンウエハで形成すれば、アクチュエータを半導体プロセスで製造でき、軽く、寸法精度の高いアクチュエータが得られる。
あるいは、ベースをガラスウエハで形成すれば、ベースの上面に絶縁膜を形成する必要がなくなり、生産性が向上する。
ついで、平面円形の空隙部の下方側にリング形状の可動接点を同一軸心上に配置しておけば、可動電極が均等にたわむので、可動接点の片当たりがなくなり、接触信頼性がより一層向上する。
また、可動電極および補助ばね層のうち、前記空隙部に面する部分の少なくともいずれか一方に貫通孔を設けておけば、空隙部内への空気の出入りが容易となり、可動電極の弾性変形が容易となるので、動作特性が向上する。
【００３３】
請求項５によれば、空隙部が外部と連通しているので、空隙部内が負圧になることがない。このため、可動接触片を形成する可動電極の一部が空隙部の内側に凹むことがなく、設計値通りの動作を確保できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施形態を示す断面図である。
【図２】  図１で示したベースの製造を示すプロセス図である。
【図３】  図１で示したアクチュエータとなるシリコンウエハに対するプロセス処理を示すプロセス図である。
【図４】  ベースとアクチュエータとの接合一体化を示すプロセス図である。
【図５】  図１に示した静電マイクロリレーの動作を説明するための部分断面図である。
【図６】  静電引力とばね反力との関係を示すグラフ図である。
【図７】  本発明の第２実施形態を示す断面図である。
【図８】  本発明の第３実施形態を示す部分底面図である。
【図９】  本発明の第４実施形態を示す断面図である。
【図１０】  本発明の第５実施形態を示し、図１０（ａ）は要部断面図、図１０（ｂ）は要部平面図である。
【図１１】  従来例にかかる静電マイクロリレーの静電引力とばね力との関係を示すグラフ図である。
【符号の説明】
１０…ベース、１１…シリコンウエハ、１３…固定接点、１４…接続パッド、１５…固定電極、２０…アクチュエータ、２１…絶縁膜、２２…可動電極、２３…中間絶縁膜、２４…補助ばね層、２５…可動接触片、２６…可動接点、２７…空隙部、２８…弾性変形部。
【図１】
0003669131.tif 000002
【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】
0003669131.tif 000008
【図８】
0003669131.tif 000009
【図９】
0003669131.tif 000010
【図１０】
0003669131.tif 000011
【図１１】
0003669131.tif 000012