(57)【要約】      （修正有）【課題】相互嵌合電極を備えた電気機械アクチュエータを提供する。【解決手段】静電気的に作動する電気スイッチのようなアクチュエータが提供される。このスイッチは、そのスイッチの可動要素の一部分を形成する第１組の導電プレートＰＭを含み、この第１組の導電プレートＰＭは、基板の一部を形成する１組の導電プレートＰＦと相互に嵌合される。第１組の導電プレートＰＭ、ＰＦとは原則として基板１０の表面に対して垂直である。第１組の導電プレートＰＭ、ＰＦは高さ方向において部分的に重なり合い、第１組の導電プレートＰＭ、ＰＦの間に制御電圧を印加すると、可動要素の導電プレートＰＭを基板１０に近接するように動かす垂直力が生じる。可動要素の導電プレートＰＭは、これらの導電プレートＰＭの端部を結合する導電性の端部クロス部材２２、２４によって相互に連結され、それによって、定置の導電プレートＰＦを側面から囲繞する形になる。【選択図】図１
2011060766.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
静電気的に制御可能なマイクロ電気機械アクチュエータであり、定置基板（１０）、およびその基板上にヒンジ取り付けされる可動要素であってその一部が第１の選択された方向（Ｚ）に動くことができる可動要素と、その可動要素上の１組の平行な導電プレート（ＰＭ）であって、そのプレートの高さが前記第１の方向に延びていると共に前記第１の方向に垂直な第２の方向において規則的に間隔をあけて配置される１組の平行な導電プレート（ＰＭ）と、前記定置基板上のもう１組の平行な導電プレート（ＰＦ）であって、その２組のプレートが対称に互に相互嵌合されると共に高さ方向において部分的に重なり合い、その結果、その２組の間に制御電圧を印加すると、前記第１の方向において前記プレートの高さに沿う成分を有する静電力が生じるもう１組の平行な導電プレート（ＰＦ）とを含み、さらに、そのもう１組のプレートは最初の２つの方向に垂直な第３の方向において両端部を有するアクチュエータにおいて、
前記２組のプレートのうちの１組のプレートの両端部が、もう一方の組のプレートの両端部に対面して位置する２つの端部クロス部材（２２、２４）に電気的にかつ機械的に固定されることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記クロス部材に固定されるプレートの組が、前記可動要素に属する組であることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記プレートが平面状であり、かつ、前記第３の方向において細長いことを特徴とする請求項１または２に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記動きの方向が前記基板の表面に垂直であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
【請求項５】
１組のプレートの前記２つの固定された端部クロス部材が、もう一方の組のプレートの両端部から正確に同じ距離に配置され、かつ、この距離はもう一方の組のすべてのプレートについて同じであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
【請求項６】
前記可動要素が、前記定置基板が担持する少なくとも１つの導体に、アクチュエータに印加される制御電圧に応じて任意選択的に接触することができる導電部分（３０）を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
【請求項７】
アクチュエータの前記可動要素が、その可動要素のヒンジの両側にシーソーのように対称に配置され、かつ、このアクチュエータは、２組の可動導電プレートであってそれぞれが定置導電プレートのそれぞれの組と相互に嵌合される２組の可動導電プレートと、第１組の可動導電プレートと対応する第１組の定置導電プレートとの間、または、第２組の可動導電プレートと対応する第２組の定置導電プレートとの間のいずれかに制御電圧を印加する手段とを含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
【請求項８】
制御電圧を印加することによって開かれまたは閉じられる２つの対称な電気接点であって、一方が開かれると他方が閉じられ、その逆も成り立つ２つの対称な電気接点を含むことを特徴とする請求項７に記載のアクチュエータ。
【請求項９】
前記可動要素を安定位置に維持するための磁気保持手段であり、その可動要素内における磁化可能材料と前記定置要素に付属する永久磁石とを含む磁気保持手段であって、その磁石は、前記可動要素の前記基板に対する傾きに応じて、前記磁化可能材料内部に一方向またはもう一方の方向の磁界を発生させる磁気保持手段を備えたことを特徴とする請求項７または８に記載のアクチュエータ。
【請求項１０】
前記永久磁石（６０）が前記可動要素の上部に配置され、磁気材料の層（１０２）が前記定置要素の下部に配置されることを特徴とする請求項９に記載のアクチュエータ。
【請求項１１】
前記永久磁石が、前記定置要素および前記可動要素の下部の前記定置基板の中に組み込まれることを特徴とする請求項９に記載のアクチュエータ。
【請求項１２】
前記定置導電プレートの間の基板上に形成される導電膜であり、これらのプレートと同じ電圧に保持される連続的な導電膜であって、前記可動要素の導電プレートを前記基板の方に引き付ける補足的な静電引き付け力を生成する連続的な導電膜を含むことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集積電子回路チップの製作から発展の契機を得たマイクロマシン技術を用いて製造されるＭＥＭＳ（ｍｉｃｒｏ−ｅｌｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍｓ：マイクロ電気機械システム）アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
アクチュエータは、制御電圧または制御電流が印加された時に機械的な動作を引き起こす素子である。機械的な動作はアクチュエータの可動要素の動きであり、この動きの結果は当該アクチュエータによって決まるものである。以下においては、主として電気スイッチ、すなわち可動要素の動きによる電気的接触の開閉を考察する。しかし、本発明は、可動要素の動きによって、光線が通過する光学径路を遮断または変更する光学スイッチなどの他のタイプのアクチュエータにも、状況に応じて適用することができる。
【０００３】
スイッチの定置部分に組み込まれる微小な電気コイルが発生する電磁力によって作動するＭＥＭＳ電気スイッチがすでに提案されている。このコイルは、アクチュエータの可動要素が担持する磁気部分に作用する。他のアクチュエータ、すなわち、可動要素が、互いに対面して配置される導電性の２つの平面電極間に生成される静電力によって動かされるようなアクチュエータもすでに提案されている。この２つの平面電極のうちの１つはアクチュエータの基板上に形成され、もう１つはアクチュエータの可動要素によって担持される。米国特許第７，０７１，４３１号明細書は、この原理に基づいて作動するスイッチを記述している。可動要素は、定置基板に平行な、埋め込まれたカンチレバーのビームである。基板とビームとの間に静電力が印加され、ビームの自由端を基板の方に引き付けるように作用する。ビームの端部には電気接点のパッドが設けられ、基板とビームとの間に十分な制御電圧が印加されると、そのビーム端部の接点パッドが、基板上の１つ以上の対応するパッドと接触するに至る。
【０００４】
電気スイッチの設計の際に特に考慮するべき重要な因子は特に次の各項である。すなわち、
−スイッチを第１状態からもう１つの状態に切り換えるのに必要な作動力。この力は、可動要素が第１位置にある時、どのような保持力（例えば磁力）または復元力（例えばビームの弾性）が可動要素に作用する可能性があろうとも、可動要素を第１位置から第２位置に動かすのに十分でなければならない（またその逆も成り立つべきである）。
−この力を得るために印加される電圧。この電圧は、特に、集積回路において慣例的に用いられている供給電圧（すなわち数ボルト）と整合するように、できるだけ低いものであることが望ましい。
−１つの状態からもう１つの状態への切換を得るべきであるとすれば不可避である消費電流。低消費であることが望ましい。
−スイッチをその状態に維持するのに必要な消費電流。消費電流なしで状態が維持されるのが理想である。
−スイッチが閉じられた時に電気接点の間に加わる力。この力が小さ過ぎると、接触が弱くなり、スイッチが非常に小さい電流しか通過させ得ないことになるであろう（さもなければその寿命が低下する）。
−スイッチが開状態にある時の電気接点間の距離。その距離は、開状態のスイッチの接点間に寄生電流が通電するリスクがないように十分に大きくなければならないが、スイッチの可動要素の動きが過大な程大きいものであってはならない。
【０００５】
これらすべてのパラメータは相互依存的である。例えば、作動力と印加される制御電圧との間には関係があり、開状態における接点間の距離とスイッチを閉じるのに必要な作動力との間には関係がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の１つの目的は、上記の因子間の良き妥協を容易に見出すことを可能にする解決策を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、静電気的に制御可能なマイクロ電気機械アクチュエータが提供される。このアクチュエータは、定置基板、およびその基板上にヒンジ取り付けされる可動要素であってその一部が第１の選択された方向に動くことができる可動要素と、その可動要素上の１組の平行な導電プレートであって、そのプレートの高さが前記第１の方向に延びていると共に第１の方向に垂直な第２の方向において規則的に間隔をあけて配置される１組の平行な導電プレートと、前記定置基板上のもう１組の平行な導電プレートであって、その２組のプレートが対称に互に相互嵌合されると共に高さ方向において部分的に重なり合い、その結果、その２組の間に電圧を印加すると、第１の方向においてプレートの高さに沿う成分を有する静電力が生じるもう１組の平行な導電プレートとを含み、さらに、そのもう１組の平行なプレートは最初の２つの方向に垂直な第３の方向において両端部を有する。このアクチュエータは、前記２組のプレートのうちの１組のプレートの両端部が、もう一方の組のプレートの両端部に対面して位置する２つの端部クロス部材に電気的にかつ機械的に固定されることを特徴とする。
【０００８】
クロス部材は可動要素のプレートに固定するのが好ましい。第１組の可動導電プレートは、定置電極を形成する第２組のプレートと相互に嵌合される可動電極を形成する。制御電圧はこの２つの電極の間に印加される。
【０００９】
換言すれば、２組のプレートを、選択された動きの方向に垂直な平面における断面として見ると、定置電極の各プレートは、可動電極の２つのプレートと、そのプレートの両端部を連結するクロス部材の部分とを含む導電材料によって完全に囲繞されるであろう。場合により、逆もまた成り立つことができる。すなわち、各可動プレートを、２つのクロス部材に固定される２つの定置プレートによって囲繞することも可能である。
【００１０】
クロス部材は、第１の系列のプレートと同じ導電材料からマイクロマシン加工して、そのプレートと共に均質なブロックを形成することが好ましい。
【００１１】
導電プレートは平面状であることが望ましく、また、第３の方向におけるその長さが、動きの方向におけるその高さよりも大きいことが望ましい。この動きの方向（従ってプレートの高さ）は、定置電極および可動電極が機械加工される基板の表面に垂直であることが好ましい。従って、定置プレートは基板の表面から垂直に立ち上がっている。
【００１２】
基板上の可動電極のヒンジは、定置プレートまたは可動プレートと同じ材料から機械加工するのが好ましい。ヒンジは、プレートのそれ自体の平面内における回転、すなわち基板に平行でかつプレートに垂直な軸の回りの回転を可能にするトーションアーム、あるいは、基板内に埋め込まれ、かつまた可動電極のプレートの平面内における回転を可能にする可撓アームまたはプレートから構成することができる。
【００１３】
１組のプレートを一緒に結合する２つの端部クロス部材は、もう１組のプレートの両端部から正確に同じ距離に配置すると共に、この距離がすべてのプレートについて同じであることが好ましい。定置電極と可動電極との間に制御電圧を印加すると、所望の動きの方向の力が生じるが、同時に、第１組のプレートを結合するクロス部材ともう１組のプレートの端部との間に作用する長手方向の力も発生する。しかし、この長手方向の力は、両端の部材が、同じプレートの両端部から同じ距離に位置していれば、互いに打ち消し合うことになる。
【００１４】
この終端クロス部材の相互嵌合電極構造によって、選択された動きの方向に大きな力が生成される。選択された動きの方向に垂直な方向に発生する可能性がある力は、部分的に、または好ましくは完全に打ち消されるからである。この後者の力は、電極を変形させあるいは場合によっては隣接電極に接触させる可能性がある。
【００１５】
さらに、クロス部材は、それによって結合される平行プレートのアセンブリを強固にして変形し難くする。
【００１６】
一実施形態においては、アクチュエータの可動要素がヒンジの両側にシーソーのように対称に配置される。この場合は、アクチュエータは、互いに対して固定される２つの可動電極（それぞれ１組の導電プレートからなる）を含む。この可動電極は逆相で作動する。すなわち、一方の可動電極に制御電圧を印加すると、その可動電極は基板に近接するように動かされ、それによって、もう一方は基板から離れるように動かされ、その逆も成り立つ。それぞれの可動電極は、それが相互に嵌合されるそれぞれの定置電極に対応している。
【００１７】
電気スイッチを形成するために、可動要素は、それが閉回路に相当する位置に動いた時に電気的接続を確立するための１つ以上の電気接点パッドを担持することができる。例えば、可動要素が担持するパッドは、可動要素の自由端が静電力の作用によって基板に近接するように動いた時に、定置基板が担持する２つの導体を短絡する。
【００１８】
このようにして形成されたスイッチには、特にそれが対称な作動手段から構成される場合、トグル式切り換え制御電圧または電流が取り除かれた後もスイッチの状態を維持する磁気保持手段を付属させることができる。この磁気保持手段は、例えば、可動要素の上部に配置される永久磁石と、定置要素の下部に配置される磁気材料のソフトな膜とを含む。あるいは別の方法として、この磁気保持手段は、定置要素および可動要素の下部の定置基板の中に組み込まれる１つ以上の永久磁石を含む。
【００１９】
可動電極を形成するプレートの上部の基板上に、定置電極を形成するプレートの間において、かつ定置電極と同じ電位にある導電膜を形成するのが好ましい。これによって、可動要素の導電プレートを基板の方に引き付ける補足的な静電引き付け力が生じる。
【００２０】
本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照して記述される以下の詳細説明を読めば明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】平面状の基板からマイクロマシン加工された本発明のアクチュエータの上面図を示す。
【図２】図１のアクチュエータの第１の状態における線Ｉ−Ｉに沿う垂直断面図を示す。
【図３】第２の状態におけるアクチュエータの断面図を示す。
【図４】アクチュエータの定置要素と可動要素との間に作用する種々の力を模式的に示す。
【図５】定置要素と可動要素との間に作用する別の力を示す。
【図６】対称な接点を備えた対称的に制御されるスイッチの一実施形態を示す。
【図７】マイクロマシン加工された構造の上部に配置される磁石によって磁気的に保持されるスイッチを示す。
【図８】マイクロマシン加工された構造の基板の中に組み込まれた磁石によって磁気的に保持されるスイッチを示す。
【図９】アクチュエータの製作方法のステップを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１および２のアクチュエータは、平面状の基板１０の上に形成された電気スイッチである。図２は開状態のスイッチを示す。基板１０は電気絶縁体またはシリコンから作製することができ、その基板１０に、従来方式のマイクロ電子技法（連続的膜蒸着、エッチング、ドーピングなど）によって所望のパターンにエッチングされた導電性および／または半導体および／または絶縁性の膜が形成されている。
【００２３】
この基板は、スイッチに開または閉の制御電圧を印加するための接点パッド１２および１４を担持することができる。これらのパッドは、そのパッドにハンダ付けされる接続ワイヤであってスイッチをスイッチ制御用の外部回路素子に接続する接続ワイヤを有することができる。基板１０は、また、スイッチの出力端を形成する２つのパッド１６および１８をも担持することができる。すなわち、スイッチが開である時は、この両パッドは互いに電気的に絶縁されており、スイッチが閉じられると、この両パッドは相互に電気的に接続される。この両パッド１６および１８も、それらにハンダ付けされる接続ワイヤであって、スイッチが制御しようとする外部回路素子にスイッチを接続する接続ワイヤを有することができる。
【００２４】
このスイッチの機械的な部分は２つの要素を含んでいる。１つの要素は基板に対して定置され、もう一方は基板に対して可動である。これら２つの要素は導体であり、それぞれ定置電極および可動電極として機能する。このスイッチの作動力は、制御電圧がこの２つの電極間に印加された時に可動電極を定置電極に近接するように動かす静電力である。定置電極はパッド１２に電気的に接続され、可動電極はパッド１４に電気的に接続される。
【００２５】
可動電極はヒンジＡＲＴによって基板に連結され、可動電極はそのヒンジの回りに回動する。状況を簡単化するため、ヒンジを、可動電極の第１端部に設けられる単純な回転ヒンジと考えてもよい。その回転軸は、基板の平面（図１の上面図の平面）に平行で、図２の断面図の平面に垂直であると考えることができる。回転方向は矢印Ｒで示されている。回転によって可動電極が傾き、その結果、ヒンジの反対側の端部に位置する可動電極の自由端が、基板の平面に垂直の方向（矢印Ｚで示す方向）に動く。
【００２６】
定置電極は、基板の上面からＺ方向にある高さだけ突き出ている１組の平行な導電プレートＰＦから構成される。可動電極は、定置電極のプレートＰＦの間の空間に対称に挿入された１組の平行な導電プレートＰＭから構成される。従って、相互に嵌合される平行な導電プレートの組から構成される２つの電極が存在する。電極は、基板の平面に平行なＹ方向に一定間隔を置いて配置される。
【００２７】
平行プレートは、Ｙ方向およびＺ方向に垂直な通常の伸張方向Ｘに細長くなっている。プレートは平面であることが好ましい。
【００２８】
プレートＰＦおよびプレートＰＭは高さ方向において部分的に重なり合っている。すなわち、可動プレートＰＭの底面は定置プレートＰＦの底面に達しておらず、定置プレートＰＦの上面は可動プレートＰＭの上面まで届いていない。
【００２９】
定置プレートＰＦは、すべて相互に電気的に接続され、かつ、パッド１２に電気的に接続される。実際には、それらは全く同一の導電膜の中に機械加工される。可動プレートＰＭは、すべて相互に電気的に接続され、かつ、パッド１４に電気的に接続される。それらは別の導電膜の中に機械加工される。
【００３０】
プレートとパッド１２および１４とを接続する導電膜および絶縁膜のパターンは詳細には図示されていない。これらの膜は基板の近表面部分２０に形成される。可動プレートはヒンジＡＲＴを介して電気的に接続される。定置プレートは、プレートの底面と基板上に蒸着された導電膜との間の直接接触によって電気的に接続することができる。
【００３１】
可動電極は、可動導電プレートＰＭを含むだけでなく、プレートの両端（すなわち、通常の伸張方向Ｘにおける反対側）に配置されるクロス部材２２および２４をも含む。クロス部材２２は、ヒンジＡＲＴの近傍に配置され、可動プレートのすべての近端部（すなわちヒンジに近い端部）に機械的にかつ電気的に固定される。クロス部材２４は、可動プレートの遠い方のすべての端部（ヒンジから離れた側の端部）に機械的にかつ電気的に固定される。クロス部材は、可動プレートの全厚さにわたって延びており、可動プレートと同じ膜内に形成される。
【００３２】
結果的に、図１の上面図に示すように、各定置プレートＰＦは、そのプレートの組の両端部にある２つの定置プレートを除いて、長方形の導電材料によって完全に囲繞される。この長方形の導電材料は、２つの可動プレートＰＭと、この２つの可動プレートをその各両端部において連結する２つのクロス部材部分とを含む。図１は、Ｎ個の可動プレートに対してＮ＋１個の定置プレートが配備される場合に対応する。この逆、すなわち、Ｎ個の定置プレートに対してＮ＋１個の可動プレートを設ける方式を想定することもできる。この場合は、すべての定置プレートが、２つの可動プレートとそれらを連結するクロス部材部分とによって囲繞される。
【００３３】
定置プレートの一方の端部をクロス部材２２から隔てる距離は、この定置プレートのもう一方の端部をクロス部材２４から隔てる距離に厳密にあるいは絶対的に等しいことが好ましい。また、この距離は、定置プレートの全高さにわたって一定であり、かつ各定置プレートについて同一であることが好ましい。（Ｘ方向における）この距離は、任意の定置導電プレートとそれに隣接する可動導電プレートとの間の（Ｙ方向における）一様な間隔の２〜３倍であることが好ましい。
【００３４】
可動電極を形成する導電プレートＰＭの群がそれら自体の平面内において基板に平行な軸の回りに回転することを可能にする回転ヒンジＡＲＴは、例えば、基板に固定される剛性の取り付け脚４０と、平行プレートの平面に垂直なＹ方向に延びる水平のトーションバー４２、４４とを含む。これらのトーションバー４２、４４は、取り付け脚４０とクロス部材２２とを結合する。図示の例においては、クロス部材２２が中空領域４６を含んでおり、その中空領域の中に、取り付け脚とトーションバー４２および４４とが配置される。トーションバーは、クロス部材２２の中空部内ではなく、可動電極の外側の両側に配置することも可能である。ヒンジは別の形に製作することもできる。例えば、可撓であり、かつ可動プレートの細長い方向に垂直に可動プレートの全高さにわたって延びる薄いプレートによって製作できる。このプレートの脚部は、Ｙ方向の嵌め込みラインに沿って基板に固定される。この可撓プレートは薄いので、この嵌め込みラインの回りに撓み変形することが可能になり、この撓み変形は、その組の全可動プレートがその平面内においてこのラインの回りに回転することと等価である。この場合も、この可撓プレートは、クロス部材２２の中空部内に配置してもよいし、あるいは、電極の外側で、可動電極の両側に配置される２つのプレートに分割してもよい。
【００３５】
クロス部材２２および２４は、可動プレートを形成する導電材料の同じブロックに機械加工して形成することが好ましい。一実施形態においては、この材料は、８０／２０ニッケル−鉄などの導電性かつ磁性の材料である。
【００３６】
定置導電プレートと可動導電プレートとの間に制御電圧を印加すると、Ｚ方向の成分を有する静電力が生じ、この力は、可動電極の遠い方の端部を、回転ヒンジのトーションアームまたは可撓プレートが生成する復元力に抗して、基板に近接するように動かす。
【００３７】
可動電極の遠い方の自由端は１つ以上の接点パッドを担持しており、この１つ以上の接点パッドが、印加された制御電圧によって可動電極が基板１０の方に動いた時に、基板のパッド１６および１８を電気的に接続する。
【００３８】
例えば、パッド１６および１８は、それぞれ、基板上に形成される各導体２６、２８に結合される。これらの導体２６、２８の端部は互いに近付いているが、その間に直接的な電気的接触が生じないように分離されており、従って電流が流れることは不可能である。可動電極の端部が基板に近接するように動いて２つの導体端部２６および２８に同時に接触すると、その２つの導体端部２６および２８は互いに電気的に接続され、パッド１６および１８が短絡される。
【００３９】
導体の接点パッド３０は、この接点の製作を容易にするためにクロス部材２４の下部に形成することが好ましい。また、このパッドは導電プレートから絶縁するのが好ましい。この絶縁によって、接触が確立しても、導体２６および２８が電位状態になって制御電圧が可動電極にかかることはない。
【００４０】
例として、定置電極を、ドープされたポリシリコン膜内にエッチングし、可動電極をニッケル−鉄膜内にエッチングする。定置プレートまたは可動プレートの厚さは約５ミクロンであり、定置プレートと可動プレートとの間の空隙は、１ミクロン〜２ミクロンであって、定置プレートの両側において同一であり、かつすべての定置プレートに対して同一である。２０〜５０個の定置プレートが設けられる。Ｎ個の定置プレートが設けられると、Ｎ＋１個またはＮ−１個の可動プレートが定置プレートと相互に嵌合される。プレートの長さは、通常３００ミクロン〜７００ミクロンとすることができ、可動電極の自由端の動きの振幅は１ミクロン〜５ミクロンとすることができる。定置プレートの端部とクロス部材２２または２４との間の間隙は２〜５ミクロンとするのが好ましい。プレートの高さは５〜２０ミクロンとすることができる。ＤＣ制御電圧は１ボルト〜１０ボルトである。得られる接触力は１０−４ニュートン程度の大きさとすることができる。この接触力は、プレートの高さによるのではなく、プレート相互の重なり合いの高さによるのでもない。しかし、接触力は、印加される電圧と、プレートの長さおよびその個数と、定置プレートと可動プレートとの間の空隙とによって（２次的に）変化する。また、接触力は、可動プレートと、定置プレートの間に場合によって存在する導電膜との間の垂直距離によっても変化する。
【００４１】
制御電圧が存在しない休止位置においては、スイッチは開いている。スイッチは、制御電圧を維持することによって、電流消費なしにその閉位置に保持される。制御電圧を取り除くとスイッチは開位置に戻る。この場合、可撓プレートまたはトーションバーの復元力が、可動電極を、基板から絶縁されたその休止位置に戻す。
【００４２】
定置プレートと可動プレートとの間の垂直方向の引き付け力を高めるために、定置プレートを、定置プレートと同じ電位にある連続的な導電膜５０の上に載せることが好ましい。この膜は、定置プレートの間の空隙に存在し、その結果、可動電極を形成するすべてのプレートＰＭを下向きに一様に引き付ける傾向を有する。このプレートはこの膜の真上に位置している。
【００４３】
上記においては、電極の端部が基板に触れた時に、可動電極が、基板上に形成される２つの導体２６および２８を電気的に接続した。この接触を、可動電極のパッド３０と基板の単一の接点２８との間に形成して、パッド３０と接点２８との間の接続を確立することを想定することも可能であろう。これは、このように確立される電流径路が、制御電圧の印加経路から絶縁されていることが条件になる。この場合は、確立された接続の電流径路も、取り付け脚とトーションバーまたは可撓プレートとを通過するが、制御電圧の電流径路からは分離されたままである。
【００４４】
図４および図５は、定置導電プレートＰＦと可動導電プレートＰＭとの間に作用する力を、模式的ではあるが詳細に示している（Ｎ個の可動プレートに対してＮ＋１個の定置プレートがある構成にすると、力が可動プレートに対称に作用するので、この構成が好ましい）。矢印はこの力を示しており、この場合、矢印の方向が、定置要素によって可動プレートに加えられる引き付け力の方向を示すという慣例に従っている。
【００４５】
図４は、図２の断面に垂直な導電プレートの横方向断面を、簡略化された模式図の形で示している。相互に重なり合うプレート部分の間に作用する水平力は、相互に完全に相殺される。重なり合わない部分の間に作用する力は対称であるが、結果的に得られる合成力は下向きになる。最後に、可動プレートの底面と、定置プレートの間に位置しかつ定置プレートと同じ電位にある導体５０との間に垂直力が作用する。この垂直力は、スイッチが閉状態の時に、可動プレートが基板に近接するので一層大きくなる。従って、それは、スイッチをその閉位置に保持するのに寄与する。しかし、この力は、制御電圧が取り除かれると瞬時に消失し、従って、それは、スイッチが弾性復元力の作用でその開位置に戻るのを妨げない。
【００４６】
図５は、（プレートの平面に平行な）簡略化された垂直断面図を示す。この図では、導電性定置プレートＰＦと、可動プレートを結合する端部のクロス部材２２および２４とが示されており、可動プレートは表現されていない。クロス部材と導電膜５０との間に作用する垂直力と、クロス部材と定置プレートの端部との間に作用する垂直力の成分との他に、水平力の成分が存在する。しかし、この水平成分は、プレートのもう一方の端部ともう一方のクロス部材との間の水平力によって打ち消される。従って、プレートはその平面内に明確に保持され、結果的に得られる全体の力は真に垂直のままである。
【００４７】
定置プレートおよび可動プレートが高さ方向において部分的に重なり合う相互嵌合電極構造の１つの利点は、可動プレートと定置プレートとの間に生成される垂直作動力が強く、しかも、可動導電プレートの底面が定置プレートの間に残留し、定置プレートの上面が可動プレートの間に残留している限り、その垂直作動力が可動電極の傾きによって変化しないということである。
【００４８】
図１〜３に示すアクチュエータは、中立の復元位置から作動位置へのトグル式切り換えが制御電圧の印加によって得られ、制御位置への戻りが、制御電圧が取り除かれた後のヒンジの弾性復元力によって得られるという意味において、対称に制御されない。
【００４９】
アクチュエータを第１状態に移行させるための第１制御電圧と、アクチュエータを別の状態に移行させるための第２制御電圧とを有する対称制御のアクチュエータも製造することができる。この構成は、定置電極（導電プレートＰＦおよびＰＦ’）および可動電極（導電プレートＰＭおよびＰＭ’）の対を２対設けることによって得ることができる。図６がこのような構成を示している。２つの同等の可動電極が、同一のヒンジＡＲＴの両側にヒンジ取り付けされている。この２つの可動電極は相互に固定されているので、一方が下向きに動くと、他方は上向きに動く。ヒンジの片側に配置される１対の定置電極と可動電極との間に第１の制御電圧が印加されると、この可動電極の遠い方の端部が基板に近接するように動かされ、もう一方の電極の遠い方の端部は基板から離れるように動かされる。第２の対の可動電極と定置電極との間には第２の制御電圧を印加することができるが、その場合は、第２の可動電極の遠い方の端部が基板に近接するように動かされ、第１の可動電極は基板から離れるように動かされる。
【００５０】
このようにして対称制御方式が得られる。この制御方式は、一方の接点が閉じられた時に他方の接点が開き、その逆も成り立つような対称二重スイッチの製造に用いることができる。図６は、対称な二重接点を備えたこのような対称制御のスイッチ構造を示す。第１可動電極の参照符号２８および３０に相当する接点２８’、３０’が第２可動電極の端部に設けられる。対称な制御電圧が、例えば、１つのパッド１２から２つの定置電極に、図１のパッド１４などの２つの他のパッドから２つの可動電極に供給される。所与の瞬間には、これら２つのパッドのうちの１つのパッドのみが制御電圧を受け取る。制御パッドは図６には示されていない。
【００５１】
特定の一実施形態においては、２つの定置電極と、相互に固定された２つの可動電極とを含む対称制御アクチュエータを磁気的に保持することができる。この磁気的な保持は、可動電極の材料またはその材料の一部を磁気材料とすることによって得ることができる。この場合、基板の上部または下部に配置される磁石が、可動電極群を、それがトグル切り換えされた側に保持する。この磁石は垂直の磁界を生成し、可動要素の磁気膜の磁化の方向は可動要素の傾き（従ってトグル切り換えの方向）によって変化する。磁界は、スイッチを、そのトグル切り換え位置に安定するように保持する。制御電圧は、トグル切り換え後、可動電極がその休止位置に戻る動きを惹起することなく取り除くことができる。この場合、当然ながら、可動電極をその傾きの方向に保持する磁力がヒンジの弾性復元力よりも大きいことが条件である。磁気保持を用いると、安定状態における電気的なエネルギー消費は厳密にゼロである。スイッチが確立する電気的接触力は磁力に依存する。保持されるべき位置における磁力と、安定なスイッチ位置から外れるのに必要な静電力との間に妥協を見出す必要があるのは当然である。
【００５２】
このような実施形態においては、２つの可動電極の導電プレートを形成する導電材料は、導電性であると共に磁気材料でもあるニッケル−鉄などの磁気材料から製造することができる。可動導電電極を磁気膜によって被覆処理することも十分であり得る。さらに、磁気保持を一層効果的にするために、磁気材料の膜（「ソフト」膜と呼称され、好ましくはＦｅＮｉ製）を可動電極のもう一方の側に設けることが望ましい。この膜は、定置電極および可動電極を形成する前に基板１０上に蒸着することができる。磁石は、可動電極を閉側の方向に好適に引き付ける磁界を生成し、これによって磁気保持が可能になる。
【００５３】
図７は、定置電極および可動電極の上部に置かれた永久磁石６０と、これらの電極の上部の基板１０上に蒸着されたニッケル−鉄製のソフト磁気膜１０２とを含む構造を示す。
【００５４】
磁石の作用を強化するソフト磁気膜を備えた構造の上部または下部に磁石を配置する代わりに、磁石を直接基板の中に組み込んでもよい。磁石を、基板の表面上に、あるいは基板の表面にエッチングされたウェル内に、薄膜として蒸着することが知られている。これらの磁石は垂直方向に磁化される。例えば、可動電極のそれぞれの端部に磁石を設けること、あるいは、可動電極アセンブリの下部に単一の磁石を設けることが可能である。磁石は、ＮｄＦｅＢ（ネオジム−鉄−ホウ素）製またはサマリウム−コバルト化合物製とすることができ、約１／１０テスラ〜１テスラの磁気誘導を想定することができる。蒸着は電気化学的蒸着またはスパッタリングによることができる。１０〜５０ミクロン厚さの磁気膜の蒸着が技術的には可能であり、これによって十分な磁気保持が保証される。この膜は約７００℃の温度で焼きなまし処理することが必要であり、従って、この膜は、定置電極および可動電極を構成する多層膜のスタックを形成する前に作製される。
【００５５】
図８は組み込み磁石を備えた構造を示す。すなわち、２つの磁石６２および６２’が基板の中に組み込まれ、それぞれ、２つの可動電極の端部の直下に配置される。
【００５６】
組み込み磁石の利点は、磁石６０と、この磁石を基板に取り付ける装着手段とを省略できるので空間をあまり取らないという点にある。さらに、基板上にソフト磁気膜（図７の１０２）を形成するステップの必要性もなくなる。最後に、（無線周波数適用の場合の）無線周波数挙動が良好である。
【００５７】
単独制御または対称制御されるこれらの単独または二重の作動構造は、すべて、電気スイッチとして利用可能であるだけでなく、可動部分の微小な動き（数ミクロン）が有用な他の用途、特に光学スイッチにおいても利用することができる。この場合、可動電極は、光線の径路に配置される偏向ミラーを担持することができる。この偏向ミラーは、その光線の光学径路を、可動電極のトグル切り換え状態に応じて、従ってミラーの表面が基板の表面となす角度に応じて変更または遮断する。
【００５８】
本発明による相互に嵌合された導電プレートを製造するために、磁気保持アクチュエータの場合には、例えば、次の手順に従うことができる。
【００５９】
半導体のシリコン基板１００の上に、ニッケル−鉄の薄い磁気膜１０２を蒸着する（図９）。この膜は、後に基板の上部または下部に配置されることになる磁石の磁界を分布させる機能を果たす。
【００６０】
次に、絶縁および導電膜１０４を蒸着しかつエッチングして、定置プレートと制御パッドとの間の相互連結パターンを確立し、さらに、定置プレート間に場合によっては存在する導電膜をも蒸着しかつエッチングする。これらの膜は詳細には図示されていない。次に、定置プレート製作用に用いるポリシリコン膜１０６を蒸着する。この全体を、酸化シリコン膜１０８およびレジスト膜１１０でカバーする。このレジスト膜１１０は光エッチングされて定置導電プレートのパターンを画定する。図９Ａ。
【００６１】
次に、平行な導電性定置プレートのパターンを、酸化物膜１０８およびシリコン膜１０６の中までエッチングする。図９Ｂ。
【００６２】
（膜１０８と同じ材料からなる）絶縁膜１１２を蒸着する。この膜１１２は、可動プレートと定置プレートとの間の側面方向のスペーサとして、かつ、可動プレートと基板との間の垂直方向のスペーサとしての役割を担うものである。この膜の断面形状は、平行な導電性定置プレートの間の開口部を含んでおり、この開口部が可動導電プレートの材料を受け入れることになる。図９Ｃ。
【００６３】
膜１１２の上にニッケルの薄膜１１４（０．１ミクロン）を蒸着する。このニッケル膜は、引き続くニッケル−鉄の電気化学的成長を可能にする種膜を形成する。図９Ｄ。
【００６４】
約８〜１０ミクロン厚さのニッケル−鉄（８０％／２０％）膜１１６を電気化学的に成長させ、定置プレートの間に可動導電プレートを形成するように、膜１１２の開口部を充填する。図９Ｅ。
【００６５】
この膜の上部部分を局所的に取り除いて、平行な導電プレートと、それらを連結するクロス部材とのみを残す。クロス部材は図には見えていない。可動電極のヒンジとして、および特にヒンジの基板上への取り付け部として使用できる部分が保存される。図９Ｆ。
【００６６】
最後に、酸化シリコン膜１０８および１１２を取り除いて、膜１１６によって形成される可動プレートＰＭを遊離させる。この結果、部分的に重なり合う相互に嵌合された２組の導電プレートが得られる。この２組のうちの１組は基板に固定され、もう１組は遊離している。
【００６７】
この場合、最も簡単なヒンジは、薄い垂直の可撓プレートであって可動プレートと同時に形成されるが、定置基板と接触するように膜１１２の開口部の中に形成される可撓プレートから構成される。
【００６８】
組み込み磁石を形成したい場合は、ソフト磁気膜１０２を形成せず、その代わりに、組み込み磁石を形成することになる。組み込み磁石は、表面が面一になるように基板の窪みに埋め込むことが好ましい。
【００６９】
第１技法（電気蒸着）においては、基板に磁石装着開口をエッチング加工し、電極をこの開口内に蒸着し、続いて、この基板を、磁石を形成する金属イオンを含有する電解質浴の中に入れてもよい。これにより、特に、磁性のＣｏＰｔ化合物を形成させ、開口の底面に配置される電極上に電気化学的に蒸着することができる。焼きなまし処理によって材料内に垂直の結晶方位が確実に実現し、これによって、引き続く垂直方向の永久磁化が容易になる。
【００７０】
第２技法（スパッタリング）においては、製造するべき磁石の成分金属、特にＮｄＦｅＢ（ネオジム、鉄、ホウ素）を気相から基板上に凝固させる。磁石の製造プロセスは次のステップを含むことができる。すなわち、シリコンウエハから出発する。光リソグラフィーのステップを用いて、シリコンに、フォトレジストを除去することなく、磁石装着開口を画定する。次に、ＳｉＯ２膜およびタンタル膜を蒸着し、開口を超えた部分のタンタルを、タンタルが載っているフォトレジストを取り除くことによってリフトオフする。タンタルは開口の底面における遮蔽膜として機能する。ＮｄＦｅＢ化合物、例えばＮｄ２Ｆｅ１４Ｂを、アルゴンプラズマスパッタリング法によって蒸着する。蒸着は、無定形のＮｄＦｅＢ膜を生成する４００℃において実施してもよい。蒸着に引き続いて、７５０℃の焼きなまし処理を行い、垂直磁化を得るのに適した化合物の垂直方向の結晶化を確実に実現する。
【符号の説明】
【００７１】
１０    基板
１２    接点パッド
１４    接点パッド
１６    パッド
１８    パッド
２０    近表面部分
２２    クロス部材
２４    クロス部材
２６    導体
２８    導体
２８’  導体
３０    接点パッド
３０’  接点パッド
４０    取り付け脚
４２    トーションバー
４４    トーションバー
４６    中空領域
５０    導電膜
６０    永久磁石
６２    磁石
６２’  磁石
１００  シリコン基板
１０２  ソフト磁気膜
１０４  絶縁および導電膜
１０６  ポリシリコン膜
１０８  酸化シリコン膜
１１０  レジスト膜
１１２  絶縁膜
１１４  ニッケル薄膜
１１６  ニッケル−鉄膜
ＡＲＴ  ヒンジ
ＰＦ    定置プレート
ＰＦ’  定置プレート
ＰＭ    可動プレート
ＰＭ’  可動プレート
Ｒ      回転方向
Ｘ      方向
Ｙ      方向
Ｚ      方向
【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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【図９】
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【外国語明細書】
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