(57)【要約】【課題】埋め込み可能医療デバイスシステムに含まれる電気回路を選択的に開閉する時に使用するための改良された双安定ＭＥＭＳスイッチを提供される。【解決手段】双安定ＭＥＭＳスイッチは、可動接点を有する中央可動梁と、可動梁を支持し、接点力を生成する懸垂保持システムと、駆動信号の印加によって梁を変位させるアクチュエータと、スイッチがクローズ状態にある時に可動接点に干渉する固定接点とを含む。スイッチは、フォトリソグラフィ、ＤＲＩＥ、及び犠牲酸化物エッチングと、その後の、電気接触点の耐磨耗性金属又は合金による金属化を使用して、Ｓｉ／ＳｉＯ２／Ｓｉウェハから作製される。アクチュエーション層を、ウェハのシリコン基板層から作製し、信号層を、上部シリコン層から作製する。それによって、アクチュエーション層と信号層は、介在するＳｉＯ２層によって、電気的に分離し且つ機械的に結合する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小電気機械システム、即ちＭＥＭＳスイッチであって、
可動梁と、
該可動梁を支持する手段と、
前記可動梁を変位させる駆動手段と、
該スイッチの状態に基づいて前記可動梁に干渉する接点手段と,
を備えるＭＥＭＳスイッチ。
【請求項２】
前記可動梁は、実質的に中央に配設され、可動接点を含む、請求項１に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項３】
前記可動梁は、懸垂保持システムを含む、請求項２に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項４】
前記駆動手段は、始動信号の印加によって前記可動梁を変位させるアクチュエータを含む、請求項１に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項５】
前記接点手段は固定構造を含む、請求項１に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項６】
アクチュエーション層を含む、請求項１に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項７】
Ｓｉ、ＳｉＯ２、及びＳｉウェハを含む、請求項１に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項８】
Ｓｉ基板層がアクチュエーション層を形成し、Ｓｉ上部層が信号層を形成する、請求項１に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項９】
前記アクチュエーション層と前記信号層は、介在ＳｉＯ２層によって、電気的に分離し、且つ、機械的に結合する、請求項８に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、埋め込み可能医療デバイスにおいて切り換えを実施する改良されたシステムに関し、より具体的には、埋め込み可能医療デバイスのスイッチング回路を実施するための微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術の使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの埋め込み可能医療デバイス（ＩＭＤ）は、電気刺激を組織に送出する回路を含む。たとえば、埋め込み可能なペーシングデバイス、ディフィブリレーションデバイス、及びカーディオバージョンデバイスは、心臓組織に接触している電極を介して心臓に電気刺激を送出するように設計されている。患者の体内の筋肉、神経、又は他のタイプの組織に電気刺激を送出するための、神経刺激システム等の他のタイプの埋め込み可能デバイスが知られている。
【０００３】
電気刺激を送出するＩＭＤは、一般に、デバイスに内在するアルゴリズム又はファームウェアの監視制御下で、電池及び／又はコンデンサからの刺激エネルギーを心臓組織、筋肉組織、又は神経組織に選択的に結合させる出力スイッチング網を含む。従来技術では、これらのスイッチは、一般に、ＣＭＯＳ電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を使用したＣＭＯＳ技術で実施される。これらのトランジスタは、３〜５μｍ（ミクロン）以上のＣＭＯＳ技術を使用して、シリコンデバイスにおいて容易に実施することができる。しかしながら、ＣＭＯＳ  ＦＥＴのフィーチャサイズが、３μｍ（ミクロン）未満に減少するにつれて、ＦＥＴの絶縁破壊電圧もまた減少する。絶縁破壊電圧が、ＦＥＴの両端に印加されることになる電圧か、又は、その電圧近くの電圧まで減少する場合、刺激パルス寄生漏れが発生することになり、非効率的な刺激がもたらされ、電池電流ドレインが増加し、集積回路に対する損傷が生じる可能性がある。
【０００４】
上述の問題を解決するための１つの提案されているメカニズムは、第１集積回路において少なくとも３μｍ（ミクロン）技術で全てのスイッチング回路要素を実施し、一方、ＩＭＤ用の全ての他の回路要素を、より小さい大きさで作ったゲートを使用して、別の集積回路において実施することを含む。このタイプの手法は、ジェイコブソン（Jacobson）に対する米国特許第５，８３３，７１０号に記載される。この提案された解決策は、設計に付加的な集積回路を追加するため、システムサイズ及びコストが増加する。さらに、この方法は、複数の集積回路を結合するための、ハイブリッド回路相互接続の追加を必要とする。これらの相互接続は、製造するのに費用がかかり、故障し易い。同様に、ハイブリッド回路レベルに関する相互接続部は、一般に、単一の集積回路内に収容される相互接続部より多くの電流を消費する。
【０００５】
問題に対する別の解決策は、スイッチング機能を実施するために、単一のＦＥＴの代わりに直列のいくつかのＦＥＴトランジスタを使用することを含む。これによって、所与の電圧降下が、複数のトランジスタで分配されることが可能になり、その結果、回路の損傷及び／又は漏れの可能性が減る。しかしながら、この解決策は、各スイッチを実施するのに必要とされるシリコン面積量を著しく増加させるという欠点を有する。さらに、回路に損傷を与えるか、又は、大きな漏れ電流を生じる可能性があるため、非常に短時間の間でさえも単一のＦＥＴが、全電圧降下を受けることを防止するために、単一のスイッチを実施する複数のＦＥＴが、所定の順序で使用可能にされなければならないことから、設計が複雑になる。したがって、この設計手法の実施態様は、一般に、著しく増大したシリコンダイ面積の使用をもたらす。
【０００６】
さらに別の手法は、アイケフィヨルド（Eikefjord）他に対する米国特許第５，０９７，８３０号に説明される。この特許は、ディフィブリレーションパルスを患者に送出するための転送リレーを組み込む外部ディフィブリレータを述べる。この設計は比較的大きな量の空間を消費する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
先の説明は、ＩＭＤの出力回路要素内で使用されるスイッチング網に焦点を当てるが、ＩＭＤ内の他のスイッチが、先に説明した問題と同じ問題に関連することを、当業者は認識するであろう。したがって、必要とされるものは、実質的により小さいダイ面積を使用してロバストに実施することができ、且つ／又は、埋め込み式デバイスにおいて電池エネルギーを節約するのに必要とされる低電力要件を満たすことができるＩＭＤ又は関連するリード線内でスイッチング機能を実施する時に使用するための改良されたスイッチングシステム及び方法である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、埋め込み可能医療デバイス（ＩＭＤ）システムと共に使用するための改良されたスイッチングシステムを対象とする。この改良されたスイッチングシステムは、トランジスタ網を使用して、従来から実施される１つ又は複数のスイッチの代わりに、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチを利用する。本発明の一態様によれば、双安定ＭＥＭＳスイッチが設けられ、双安定ＭＥＭＳスイッチは、中央の可動梁であって、前方端に接点が配置されている中央の可動梁と、可動梁に結合した２重クランプ式梁及びこの２重クランプ式梁と機械的グラウンドの間で結合した懸垂保持部材とを含む、可動梁を支持する２重ばね懸垂保持システムと、梁が、始動信号によって状態位置を変えるようにさせるアクチュエータと、固定接点とを含む。「クローズ」位置では、中央梁上に配置された可動接点は、ＩＭＤ又は関連するリード線若しくはアダプタ内の回路を閉じるために固定接点と電気接触している。
【０００９】
「オープン」回路位置では、固定接点は、可動接点から距離ｘｃのところに配置される。スイッチは、「オープン」位置において、可動接点と固定接点との間に距離ｘｃを有するように作製されるため、距離ｘｃの中央梁の変位は、２重ばね懸垂保持システムによってかけられる最大ばね力Ｆｃをもたらし、スイッチが閉じると、可動接点と固定接点の間で確実な接点力を維持する。比較的大きな接点力は、比較的低い駆動電圧又は面積を使用して達成される。
【００１０】
本発明の別の態様によれば、双安定ＭＥＭＳスイッチは、単一のマスクによるフォトリソグラフィ、深い反応性イオンエッチング、及び犠牲酸化物エッチングと、その後の、電気接触点の金属化を使用して、Ｓｉ／ＳｉＯ２／Ｓｉウェハから作製される。アクチュエーション層を作製するためにウェハの背面シリコン基板層、及び信号層を作製するために上部シリコン層を使用することによって、別個のアクチュエーション層と信号層が設けられてもよい。アクチュエーション層と信号層は、それによって、介在ＳｉＯ２層によって、電気的に分離され、且つ、機械的に結合される。本発明の種々の実施態様では、ＩＭＤ又は関連するリード線若しくはアダプタ内に含まれるリード線導体／電極選択回路要素、ＩＭＤ出力及び保護回路要素、並びに／或いはＩＭＤ電力制御回路要素は、ＩＭＤシステム内の種々の回路を開閉するための必要なスイッチング機能を達成するために、本発明によって提供される１つ又は複数の双安定ＭＥＭＳスイッチを含んでもよい。一実施の形態によれば、本発明は、患者に電気刺激を提供することが可能なＩＭＤを包含し、このＩＭＤにおいて、出力スイッチは、本発明の双安定ＭＥＭＳスイッチを使用して実施される。別の実施の形態では、本発明は、患者に電気刺激を提供することが可能な第１回路と、電気刺激が所望の電極構成に経路制御されることを選択的に可能にする双安定ＭＥＭＳスイッチを含むスイッチング回路とを含むＩＭＤを包含する。第１回路は、ペーシングパルスを送出する回路、ディフィブリレーションシステムに含むことができる高電圧出力回路、神経刺激器の出力回路、又は別のタイプの電気刺激出力システムであってよい。
【００１１】
さらなる実施の形態では、ＩＭＤにおいて実施される出力回路は、双安定ＭＥＭＳスイッチを使用して実施されたスイッチを使用して選択可能であるリターン電流経路を含んでもよい。さらなる実施の形態では、ＩＭＤは、双安定ＭＥＭＳスイッチを使用して実施されたサージ保護回路を含んでもよく、サージ保護回路内では、１つ又は複数のスイッチが、埋め込み式デバイスに損傷を与える可能性のある状況が検知されると開くことができる。さらに別の実施の形態では、本発明は、ＩＭＤ内の１つ又は複数の回路に電力を選択的に印加するのに使用される１つ又は複数のＭＥＭＳスイッチを含んでもよい。
【００１２】
本発明の一態様によれば、体への電気刺激の送出を制御する方法又は電気的体信号を検知する方法が提供され、方法は、刺激信号を生成するステップと、体へのその刺激信号の送出を制御するためにＭＥＭＳスイッチを利用するステップとを含む。ＭＥＭＳスイッチの状態は、アクチュエータに送出された電気信号（又は、他の始動信号）を使用して制御される。双安定ＭＥＭＳスイッチの適切な組み合わせは、所望の電極構成が選択されるように、それぞれのオープン又はクローズ状態に切り換えられることができる。双安定ＭＥＭＳスイッチを使用した、こうした電極選択回路要素は、ＩＭＤ又は関連するリード線若しくはアダプタにおいて実施されてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は、埋め込み可能医療デバイス内で使用される一般的な従来技術のスイッチング網１００を示すブロック図である。スイッチＳ１１０２及びＳ２１０４は、心房２極ペーシングパルスを心臓の心房腔１０６に供給する。刺激パルスは、心房保持コンデンサ１０７から、結合コンデンサ１０３を介して心臓に結合する。同様なスイッチＳ７１１６及びＳ８１１８は、心室２極ペーシングパルスを心臓の心室腔１２０に供給する。これらの心室刺激パルスは、心室保持コンデンサ１１３から結合コンデンサ１１７を介して送出される。
【００１４】
制御回路１２４は、全てのスイッチの閉鎖並びに保持コンデンサ１０７及び１１３上の電圧レベルを制御する。スイッチ１１０及び１２２は、心房又は心室刺激パルスがそれぞれ送出された後に閉じて、コンデンサ１０３及び１１７上に存在する残留電荷並びに電極−組織界面において蓄積された任意の電荷の放電を可能にする。スイッチ１０８及び１１２は、心臓の心房腔及び／又は心室腔の単極ペーシングを可能にする。スイッチ１１４は、単極モードでのペーシング時に、コンデンサ１０３及び１１７の放電を可能にする。
【００１５】
図２は、本発明のスイッチングシステムを使用するようになっていることができる埋め込み可能医療デバイス（ＩＭＤ）のブロック図である。例示的なＩＭＤ１０は、患者１２内に埋め込まれたペースメーカとして示される。当該技術分野の従来の手法によれば、ペースメーカ１０は、密閉された、生物学的に不活性な外部ケーシング内に収容され、その外部ケーシングは、それ自体導電性があって、ペーシング／検知回路において不関電極の役をする。１つ又は複数のペースメーカリード線１４は、従来の方法で、ＩＭＤ１０に電気的に結合され、静脈１８を介して患者の心臓１６内に延びる。リード線１４の遠位端の近くには、一般に、電気心臓信号を受け取るための、且つ／又は、電気ペーシング刺激を心臓１６に送出するための１つ又は複数の露出した導電性電極が配設される。当業者によって理解されるように、リード線１４の電極は、心臓１６の心房及び／又は心室内に位置決めすることができる。アップリンク及びダウンリンク通信チャネル２６を介したＩＭＤ１０との無侵襲通信のために、外部プログラマ２０が設けられる。
【００１６】
図３は、今開示している発明によるペースメーカ等の埋め込み可能医療デバイス内で利用することができる電子回路要素のブロック図である。ペースメーカ１０は、ペーシング及び検知機能を制御する刺激制御回路３２を備える。刺激制御回路３２は、Sivula他に発行された特許第５，０５２、３８８号に開示されるような従来の設計であってよい。たとえば、この回路は、センス増幅器３４、ペーシング出力回路３６、水晶クロック４０、ランダムアクセスメモリ及び／又は読み出し専用メモリ（ＲＡＭ／ＲＯＭ）ユニット４２、Ｉ／Ｏバス４６、及び、中央処理ユニット（ＣＰＵ）３８を含んでもよく、これら全ては当該技術分野で既知である。デバイスが、アンテナ４５及び通信チャネル２６を介して外部プログラマ２０と通信することを可能にするために、テレメトリシステム４４等の通信回路を設けることができる。
【００１７】
ペースメーカ１０は、患者の心臓１６又は関連する血管系内に経静脈的に延びる１つ又は複数のリード線１４と結合することができる。これらのリード線は、図２に示すように、標準又は非標準コネクタブロックアセンブリ１１を介してペースメーカ１０の内部回路要素に接続することができる。リード線導体は、リード線インタフェース回路３０を介してペースメーカ１０の内部電気部品と電気的に結合することができる。このインタフェース回路は、心房先端及び心房リング（ＡＴＩＰ及びＡＲＩＮＧ）電極導体、並びに、心室先端及び心室リング（ＶＴＩＰ及びＶＲＩＮＧ）電極導体を含む、ペースメーカ１０の回路要素とリード線１４の種々の導体の間の必要な接続部を、選択的且つ動的に確立するスイッチとして機能するように設計することができる。リード線１４とペースメーカ１０の種々の部品の間の特定の接続部は図３には示されない。しかしながら、リード線１４は、直接的又は間接的に、センス増幅器３４及びペーシング出力回路３６に必ず結合することになることが、当業者に明らかになるであろう。
【００１８】
先に述べたように、刺激制御回路３２は、既製のプログラム可能なマイクロプロセッサか、マイクロコントローラか、又はカスタム集積回路であってよい中央処理ユニット（ＣＰＵ）３８を含む。ＣＰＵ３８は、ＲＡＭ／ＲＯＭユニット４２に記憶されたプログラムされた命令を実行して、ペーシング出力回路３６及びセンス増幅器３４のタイミングをとった動作が制御される。心臓刺激信号を生成する、ペーシング出力回路３６は、参照によりその全体が本明細書に援用されるトムソン（Thompson）に対する米国特許第４，４７６，８６８号に開示されるタイプであってよい。或いは、当該技術分野で知られている任意の他のタイプのペーシング出力回路が、システム内に適応されてもよい。
【００１９】
センス増幅器３４は、リード線１４から電気心臓信号を受け取る。これらの信号は、心房収縮（Ｐ波）及び心室収縮（Ｒ波）を含む特定の心臓電気事象の発生を検出するために処理される。当該技術分野の一般的な手法に従って、ペースメーカ１０の同期刺激動作の制御時に使用するために、センス増幅器３４は、事象指示信号をＣＰＵ３８に供給する。さらに、これらの事象指示信号は、診断データとしてＲＡＭ／ＲＯＭ４２に記憶され、その後、アップリンク送信波２６を介して、外部プログラマ２０に伝達されてもよい。
【００２０】
制御回路３２はさらに、クロック信号を制御回路３２に供給する水晶クロック４０を含む。活動センサ及び／又はＩＭＤ内で使用するために知られているあらゆる他のタイプのサブシステムを含む、他の部品及びサブシステムは、本発明の範囲内で設けられてもよい。種々の部品は、当該技術分野の一般的なより方に従って、ペースメーカ１０の密閉収納部内に収容される電池（図示せず）等の電力源によって駆動される。
【００２１】
本発明の一実施形態によれば、ＭＥＭＳスイッチは、先に説明したように、ペーシング出力回路において利用することができる。具体的には、図１に示すスイッチの任意のスイッチ又は全てのスイッチが、ＭＥＭＳスイッチと置き換えられてもよい。これらのスイッチはまた、検知回路要素を高電圧サージから保護するツェナーダイオードの代わりに使用することができる保護回路を実施するのに使用されてもよい。
【００２２】
ＭＥＭＳスイッチの使用によって、出力システムは、信頼性が高くなり、あまり費用がかからず、集積回路のダイ面積がずっと小さくなるため、ＩＭＤの全体の容積が減少する。ＭＥＭＳスイッチの使用によって、残りのＩＭＤ回路要素について、より小さな幾何形状の集積回路の使用が可能になる可能性がある。さらに、ＭＥＭＳスイッチを小さな面積で実施することができるため、多くのスイッチを、単一のデバイス内に組み込むことができる。たとえば、複数部位３腔及び４腔ペースメーカが、単一のダイ上で容易に実施される可能性がある。例示的なデバイスは、参照によりその全体が本明細書に援用される、米国特許第６，０７０，１０１号、第６，０８１，７４８号、第６，１２２，５４５号、及び米国特許公開第ＵＳ２００３／００９３１３０Ａ１号に記載される。
【００２３】
図４は、医療リード線によって保持される導体を、埋め込み可能医療デバイスに選択的に結合するためのスイッチング回路要素を収容する中間アダプタを介して医療リード線に結合した埋め込み可能医療デバイスの図である。埋め込み可能医療デバイス１０は、心臓ペースメーカと共に使用するために知られているＩＳ−１コネクタアセンブリであってよいリード線コネクタアセンブリを受け取るように構成されたコネクタブロック１１を含む。一部の心臓又は神経筋刺激用途において、刺激電極が、最適な刺激反応に基づいて多極リード線上で利用可能な複数の電極から選択されるように、刺激部位に多極リード線を配置することが望ましい。さらに、特定の刺激又は検知構成のために選択された各電極の極性を選択することが望ましい場合がある。したがって、刺激リード線２３は、刺激リード線２３によって保持される各導体にそれぞれ結合する複数のコネクタ端子を備えるインラインコネクタアセンブリ２４を有する多極リード線として設けられてもよい。アダプタ２５は、多極リード線をＩＭＤ１０の標準コネクタブロック１１に結合するのに使用されてもよい。アダプタ２５は、リード線２３の多極コネクタアセンブリ２４を受け取るための多極インラインコネクタポート２７を備える。アダプタ２５はさらに、コネクタブロック１１に含まれる接続ポートに嵌合するようになっているコネクタアセンブリ２８を備える。
【００２４】
アダプタ２５は、インラインコネクタポート２７内に配置された端子を、コネクタアセンブリ２８上に配置されたコネクタに選択的に結合するためのスイッチング回路要素（図示せず）を含む。たとえば、コネクタアセンブリ２８が、ピンコネクタ及びリングコネクタを有する２極コネクタアセンブリとして設けられる場合、アダプタ２５内に含まれるスイッチは、インラインコネクタポート２７内の複数の接続端子のうちの２つを選択的に接続し、それによって、リード線２３によって保持される２つの導体をＩＭＤ１０に結合するのに使用されてもよい。アダプタ２５が、好ましい導体と、多極リード線の各電極と、ＩＭＤコネクタブロック１１内のコネクタ端子との間の選択的な接続を可能にする点で、アダプタ２５は、「スマートリード線」と呼ぶことができる。さらに、アダプタ２５に含まれるスイッチング回路要素は、電極とコネクタブロック１１内の所望の端子との間の回路を閉じることによって、特定の電極の極性（アノード、カソード、又は中性）を選択するのに使用されてもよい。
【００２５】
アダプタ２５はさらに、ＩＭＤ１０と通信し、スイッチ状態の変更を制御する電子部品と、スイッチを駆動させるのに必要とされる電力を供給する電源と、インラインコネクタ及びコネクタアセンブリを収容するフィードスルーとを含んでもよく、それらは全て、アダプタ本体内に収容することができる。埋め込み可能な、プログラム可能なリード線アダプタは、一般に、参照によりその全体が本明細書に援用される、２００３年４月２９日に出願された同一譲受人に譲渡された米国特許出願第１０／４２５，５２７号（代理人整理番号第Ｐ８８２７号）に開示される。
【００２６】
好ましくは、アダプタ２５に含まれるスイッチは、アダプタ２５に含まれるＩＭＤ電池又は別個の電力源に関するドレインを最小にするために低い動作電圧及び電力消費を必要とし、ＩＭＤ電池又は別個の電力源は、好ましくは、アダプタ２５の全体の小さいサイズを維持するために最小限のサイズである。さらに、アダプタ２５に含まれるスイッチは、クローズ位置にある時に、安定した接触と低い抵抗を維持することによって、確実な導電性を提供しなければならない。アダプタ２５に含まれるスイッチは、本発明による双安定ＭＥＭＳスイッチとして設けられてもよい。
【００２７】
図５は、本発明による双安定ＭＥＭＳ ＤＣスイッチの略図であり、上述したスイッチング回路要素の任意の回路要素において実施することができる。スイッチ２００は、長期継続的な埋め込み可能デバイス及びリード線の用途によって課される、電力消費、サイズ、信頼性、及び接点抵抗の厳しい要件を満たすように設計された横方向に移動するスイッチである。スイッチ２００は、可動接点２０２と固定接点２０４を含む。可動接点２０２は、可動中央梁２０８の前方端２０６上に配置される。中央梁２０８は、好ましくは、２重ばね懸垂保持システムに搭載されて、梁２０８の横方向の移動が可能になり、それによって、可動接点２０２が、２つの位置、「オープン」位置と「クローズ」位置の間で、双安定的に併進する。示す実施形態では、梁２０８は、２重クランプ式梁２２１、２２３、２２５、及び２２７並びに懸垂保持部材２２２、２２４、２２６、及び２２８を含む２重ばね懸垂保持システムを使用して中央に搭載される。懸垂保持部材２２２、２２４、２２６、及び２２８は、たとえば、機械的ヒンジ又はばねとして設けられてもよい。懸垂保持部材２２２、２２４、２２６、及び２２８はそれぞれ、機械的グラウンド２２９と、それぞれの２重クランプ式梁２２１、２２３、２２５、及び２２７の間に結合される。２重クランプ式梁２２１、２２３、２２５、及び２２７はそれぞれ、中央可動梁２０８の両端に結合される。以下でさらに述べるように、懸垂保持部材２２２、２２４、２２６、及び２２８並びに２重クランプ式梁２２１、２２３、２２５、及び２２７は、固定接点２０４と可動接点２０２の間で確実な電気接触を維持するのに必要とされる接点力を一まとめにして生成する。
【００２８】
梁２０８と可動接点２０２の横方向移動は、アクチュエータ２３０によって達成される。アクチュエータ２３０は、好ましくは、２つの互いにかみ合った静電アレイを有する静電コムアクチュエータ又は静電平行板アクチュエータ等の電気駆動式アクチュエータとして設けられる。図５に示す実施形態では、２つの横方向固定アクチュエータ部材２３２及び２３６は、中央梁２０８の併進を引き起こすように可動アクチュエータ部材２３４と相互作用することになる。「プッシュ」電圧パルスは、固定アクチュエータ部材２３６と可動アクチュエータ部材２３４の間に印加されて、可動アクチュエータ部材２３４を固定部材２３６の方に引き寄せ、梁２０８が前方方向に移動させられ、それによって、可動接点２０２が、「クローズ」位置で、固定接点２０４に接触するようになる。「プル」電気パルスは、横方向固定アクチュエータ部材２３２と可動部材２３４の間に印加されて、梁２０８が反対方向に移動させられ、可動接点２０２を、図５に示す「オープン」位置で、固定接点２０４に引き寄せる。
【００２９】
ＭＥＭＳスイッチで使用するための、コムタイプ静電アクチュエータは、一般に、参照によりその全体が本明細書に援用されるデュレリ（Durelli）に発行された米国特許第６，３８８，３５９号に記載される。他の静電アクチュエータ、電磁アクチュエータ、又は熱始動式アクチュエータを含む、他のタイプのアクチュエータが、本発明によって使用されてもよいことが認識される。しかしながら、応答時間が速く、電力要件が低いために、一般に、静電アクチュエータが好ましい。
【００３０】
本発明によって提供される双安定ＭＥＭＳスイッチを使用する方法では、患者の体内に埋め込まれた、選択された電極又は電極の組み合わせを介して電気刺激パルスを患者に送出するか、或いは、患者の体内に埋め込まれた、選択された電極又は電極の組み合わせを介して電気信号を検知するために、始動信号がアクチュエータ２３０に印加されて、スイッチ２００が、所望に応じて状態を変えるようにさせられる。
【００３１】
図６は、中央梁２０８の横方向変位ｘの関数としての、懸垂保持部材２２２、２２４、２２６、及び２２８並びに２重クランプ式梁２２１、２２３、２２５、及び２２７のばね力（Ｆｘ）のプロットである。スイッチ２００は、可動接点が「オープン」位置にある時に、固定接点２０４が、可動接点２０２から距離ｘｃに位置するように作製される。可動接点２０２が、アクチュエータ２３０によって「クローズ」位置へ距離ｘｃ進むと、懸垂保持部材２２２、２２４、２２６、及び２２８並びに２重クランプ式梁２２１、２２３、２２５、及び２２７を含む２重ばね懸垂保持システムによって生成されるばね力は、最大Ｆｃであり、それによって、安定した電気接触のために最大接点力を課す。位置ｘ０にて、ばね力は０である。
【００３２】
可動接点２０２及び固定接点２０４は、好ましくは、接点抵抗と機械的磨耗を最小にするためように設計された、ニッケル−金合金から形成される。しかしながら、ルテニウム等の、代替の耐磨耗性接点金属又は合金が使用されてもよい。シリコン−オン−インシュレータ（ＳＯＩ）プロセスにおいて、深い反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）及び犠牲酸化物エッチングを使用して、スイッチ２００の作製中に、Ｎｉ／Ａｕ合金がシリコン基板上に蒸着した。
【００３３】
図７は、本発明に従ってスイッチ２００を作製する一方法の図である。第１工程（ａ）にて、シリコン層２４２、シリコン酸化物層２４４、及びシリコン基板２４６を含むウェハ２３８に関してフォトリソグラフィが実施される。マスクを使用して、所望のパターンでフォトレジスト層２４０のエリアを除去するのに、標準的なフォトリソグラフィ技法が使用される。
【００３４】
第２工程（ｂ）にて、工程（ａ）中に露出したエリアのシリコン層２４２を、ほぼ垂直な側壁を有する深い形状で除去するのに、深い反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）が実施される。ＤＲＩＥ工程は、結果として得られる開口の形状が、Ｓｉ層２４２の上部層では狭く、底部では広くなるよう、図７に示す垂直側壁が垂直ではなく、傾斜しているようになっていてもよい。こうして、垂直側壁によって形成された比較的大きな平坦エリアと比較して、固定接点と可動接点間のより小さい接触エリアが、傾斜した側壁に沿って形成される。
【００３５】
工程（ｃ）にて、シリコン基板層２４６を露出するために、シリコン酸化物層２４４のエリアを除去するのに、犠牲酸化物エッチングが実施される。こうして、ＳｉＯ２層２４４及び下にあるＳｉ基板２４６から分離した可動構造が作られる。これらの可動構造は、図７には示さない、先に述べた機械的グラウンドに結合する懸垂保持システムを介して支持される。
【００３６】
第４の金属化工程（ｄ）にて、Ｎｉ／Ａｕ合金２５０は、シリコン上部層２４２の側壁上に蒸着され、それによって、接触エリアが形成される。この蒸着工程は、深い形状の開口の側壁が金属化されるような角度で実施される。Ｓｉ基板層２４６の上部表面の一部の外来の(extraneous)金属化もまた起こることになり、この金属化が、上部Ｓｉ層２４２に接触しないという配慮が払われるべきである。
【００３７】
図８は、本発明の方法に従って作製された双安定ＭＥＭＳスイッチのＳＥＭ画像である。構造の全体のサイズは、約１．５ｍｍ×１．５ｍｍである。単位面積当たりの静電力は、上部シリコン層２４２について最適な厚さを選択することによって最大にされる（図７）。
【００３８】
図９Ａは、本発明による双安定ＭＥＭＳスイッチを作製する時に使用することができる中間構造２０１の略図の平面図であり、構造２０１の断面図が、図９Ｂ及び図９Ｃに提供される。一実施形態では、可動接点２０２を有する可動梁２０８、懸垂保持部材２２２、２２４、２２６、及び２２８を含む２重ばね懸垂保持システム、並びに固定接点２０４は、Ｓｉ／ＳｉＯ２／Ｓｉウェハ２３８のシリコンの上部層２４２から作製される信号層２５０に含まれる（図７）。アクチュエータ２３０は、シリコン基板層２４６から作製されて（図７）、シリコン基板層２４６の背面上で、フォトリソグラフィ及びＤＲＩＥを使用してアクチュエータ層２５２が形成される。それによって、アクチュエータ層２５２と信号層２５０は電気的に分離される。しかしながら、アクチュエータ層２５２と信号層２５０は、シリコン酸化物層２４４を介して機械的に結合したままである。
【００３９】
図９Ａ〜図９Ｃに示す実施形態では、アクチュエータ２３０は、中央固定部分２３４並びに横方向可動部分２３２及び２３６を含む。可動部分２３２と固定部分２３４にわたって電圧パルスを印加することによって、中央梁２０８と可動接点２０２の、スイッチを閉じる方向への駆動が達成され、可動部分２３６と固定部分２３４にわたって電圧パルスを印加することによって、中央梁２０８と可動接点２０２の、スイッチを開く反対方向への駆動が達成される。
【００４０】
始動信号を送出するためのアクチュエーション層に対する電気的接続性は、導電性懸垂保持部材及び信号層２５０に作られる開口を通した選択的金属化によって達成することができる。たとえば、横方向に移動するアクチュエーション部材２３２に電圧パルスを送出するのに必要とされる電気接続は、導電性懸垂保持部材２２８及び上部Ｓｉ層２４２とＳｉＯ２層２４４を通してエッチングすることによって作られる開口２６０を通した選択的金属化によって達成することができる。同様に、横方向に移動するアクチュエーション部材２３６に対する電気接続は、導電性懸垂保持部材２２２及び開口２６２を通した選択的金属化によって達成することができる。或いは、電気接続は、図９Ａに示すロケーションに代わるロケーションにおいて、上部Ｓｉ層２４２とＳｉＯ２層２４４を通してエッチングすることによって作られる開口を通した選択的金属化によって作ることができ、こうした接続は、懸垂保持部材２２２、２２４、２２６、及び／又は２２８を含んでもよいし、又は、含まなくてもよい。
【００４１】
アクチュエーション層の可動部品に対する電気結合が、信号層を通って達成される。アクチュエーション層２５２に対する電気的接続性を達成するのに、懸垂保持部材２２２及び２２８が使用される時に、中央梁２０８及び可動接点２０２のアクチュエーション層２５２からの電気的分離を維持するために、信号層は、Ｓｉ層２４２に開口２６４及び２６６を作成することによって、電気的に２つに分割することができる。信号層２５０は、ＳｉＯ２層２４４及びアクチュエーション層２５２を介して機械的に結合したままである。
【００４２】
構造２０１は、電気的に分離したアクチュエーション層及び信号層を有する双安定ＭＥＭＳスイッチの作製中に得られる中間構造である。当該技術分野の技術を持ち、且つ、本発明の範囲から逸脱することなく、双安定ＭＥＭＳスイッチを作製する時に本明細書で提供される教示の利益を受ける当業者によって、構造２０１の変更及び変形が作られてもよいことが認識される。
【００４３】
両者間での干渉を防止するために、アクチュエーション層及び信号層を電気的に分離することが望ましい。従来技術では、信号層とアクチュエーション層の電気的分離は、シリコン基板の上部の絶縁層によって分離された複数の導電性層を積重ねることによって達成されてきた。しかしながら、この方法は、付加的な製造工程を必要とし、全体のウェハサイズを増加させる。アクチュエーション層を作製するためにウェハの背面上のシリコン基板を利用することによって、全体のサイズが小さいままになり、製造工程の数が、従来技術の方法より少なくなる。アクチュエーション層２５２と信号層２５０をそれぞれ電気的に分離することによって、シリコン層厚さ２４２及び２４６の独立した最適化及びアクチュエータ層部品及び信号層部品の寸法入れ(dimensioning)を達成することができる。たとえば、異なる層厚さは、不足減衰による接点の「跳ね返り」が回避され、双安定性が維持されるように、状態を変えるのに必要とされる力が最適化されることを可能にすることができる。アクチュエーション層２５２は、最低のアクチュエーション電圧における単位面積当たりの最大の力について最適化することができる。信号層２５０は、最適な接点特性及び機械的ばね力について最適化することができる。別個のアクチュエーション層２５２は、比較的低い電圧を使用して、梁２０８及び可動接点２０２の比較的大きな変位を可能にする。通常、確実な接点力を得るために、高いアクチュエーション電圧又は大きな面積が必要とされる。本発明によって提供される設計は、面積を最小にし、アクチュエーション電圧を最低にして、確実な接点力の生成を可能にする。
【００４４】
懸垂保持部材２２２、２２４、２２６、及び２２８並びに２重クランプ式梁２２１、２２３、２２５、及び２２７のばね力特性に基づいて固定接点２０４と可動接点２０２の間の距離を最適化し、可動接点２０２をこの最適な距離だけ変位させるようにアクチュエータ２３０を設計することによって、比較的大きな接点力を得ることができる。エッチングされた接点部材２０２及び２０４は、明確な輪郭を持ち、埋め込み式医療デバイスの実質的な寿命にわたって必要とされる予想サイクル時間を越える、最小の接点抵抗及び機械的磨耗特性を有するように作製される。
【００４５】
本発明の双安定ＭＥＭＳスイッチは、図１及び図４に関連して上述されたリード線選択スイッチング回路要素の用途に限定されない。スイッチングシステムを必要とし、ＭＥＭＳスイッチの使用によって改良することができる、ＩＭＤ内で使用されるいくつかの回路は、一般に、参照によりその全体が本明細書に援用される、トムソン他に対する、同一譲受人に譲渡された米国特許出願第２００２／００９５１８７号に記載される。図１０Ａは、本発明の双安定ＭＥＭＳスイッチを利用することができる出力回路３００の一実施形態を示す回路図である。この実施形態は、デバイス保護回路３１２を組み込む。チャージポンプ３０２及びコンデンサ３０４は、事前にプログラムされた出力電荷を蓄積する。この出力電荷は、カーディオバージョンシステム又はディフィブリレーションシステム内で使用される高電圧電荷であってもよいし、又は、ペーシング用途で使用される出力電荷であることができる。スイッチ３０６を閉じるために、制御パルス３２４が、制御回路３２２及び制御線３２６を介して送出される。制御回路は、ＥＧＭ、圧力、温度、血流を含む体から得られる生理的信号測定値、又は、当該技術分野で知られている検知デバイスを使用して取得される他の生理的信号測定値の任意の測定値に、部分的に基づいて動作することができる。
【００４６】
スイッチ３０６が閉じた後、コンデンサ３０４上に蓄積した電荷は、結合コンデンサ３０８及び保護回路３１２を介して心臓３１４に送出される。リターン電流経路は、制御回路３２２の制御線３３０によって制御することができるスイッチ３２０の配置に基づいて、リング３１６及び筐体３１８によって選択可能に提供される。ペーシングパルスの送出後に、スイッチ３１０は、制御線３２８によって制御されるのに応じて、リード線／組織界面分極電圧を放電するために５〜１０ミリ秒の間閉じることができる。
【００４７】
図１０Ｂは、保護回路３１２の一実施形態を示す回路図である。通常動作中に、直列スイッチ３３２が閉じて、ペーシングパルスが心臓３１４を刺激することが可能になる。リード線システム１４上で信号が大きく変動している間、電圧は、正の比較器３３８及び負の比較器３４０にそれぞれ印加される。抵抗器３４４の両端で大きな電圧が検知される場合、比較器の１つが、入力信号の極性に応じて切り換わることになる。保護制御回路３４２は、次に、スイッチ３３２が開き、スイッチ３３４が閉じるようにさせ、ＩＭＤ１０に対する保護を可能にする。抵抗器３４６及び閉じたスイッチ３３４を通る電流は、比較器３３６が、その信号が除去されるまで、保護制御回路をこのモードにラッチすることを可能にすることになる。
【００４８】
出力回路３００及び保護回路３１２に含まれるスイッチの任意のスイッチは、上述した所望のスイッチング機能を達成するために、本発明による双安定ＭＥＭＳスイッチ又は双安定ＭＥＭＳスイッチの組み合わせを使用して実施することができる。
【００４９】
図１１は、ＩＭＤ内の１つ又は複数の回路に電力を選択的に印加するための、本発明によって提供されるＭＥＭＳスイッチを実施することができる回路を示すブロック図である。標準的なＣＭＯＳスイッチを使用してＩＭＤ内の回路を選択的に駆動するための方法及び装置は、参照によりその全体が本明細書に援用されるシュー（Schu）に対する米国特許第５，９１６，２３７号に記載される。電圧供給部と直列にスイッチを挿入することに関する１つの問題は、スイッチのＲｏｎインピーダンスを通る電流によって生じる電圧降下が、駆動されている回路に影響を及ぼす場合があることである。ＭＥＭＳスイッチは、直接の機械的接続を行うため、そのＲｏｎインピーダンスは、この目的のために使用される一般的なＣＭＯＳスイッチよりずっと低い。スイッチの両端の電圧降下は、ＭＥＭＳスイッチの使用によって著しく減少する。さらに、ＭＥＭＳスイッチを、使用されていないパワーダウン回路に集積化することによって、大幅なシリコン面積の節約を実現することができる。
【００５０】
図１１では、デジタル回路５０１は、マイクロプロセッサ又は他のプログラム可能制御デバイスであってよい、コントローラ５１１によって制御される複数のＭＥＭＳ電力スイッチ５０４、５０６、５０８を含む。図１１に示す回路要素５００の要素の多くは、広範囲の埋め込み可能医療デバイスにおいて通常見出される回路要素を表すことを意図される。入力信号は、入力信号又はバス５１６上に供給され、出力信号は、出力信号又はバス５１８上に与えられる。電源５０２によって供給される電力は、コントローラ５１１とＭＥＭＳ電力スイッチ５０４、５０６、及び５０８との間の協調した方法で、デジタル回路５０１のロジック回路５１０又はレジスタ５１２及び５１４等の種々の回路要素に、選択的に印加され、また、そこから取り除かれる。制御バス５１３は、ＭＥＭＳ電力スイッチを制御する電力制御線５０３、５０５、及び５０７のグループ、並びに、パワーアップ又はパワーダウン手順の一部として、ロジックブロックを使用可能及び／又は使用不能にする、イネーブル制御線５０９、５１５、及び５１７のグループを含む。本発明によれば、ＭＥＭＳ電力スイッチ５０４、５０６、及び５０８は、上述した双安定ＭＥＭＳスイッチとして設けられる。
例
上述した方法を使用して作製されたＭＥＭＳスイッチは、窒素雰囲気内で密閉されたセラミックＤＩＬハウジング内に実装した後に評価された。
【００５１】
図１２は、変位の関数として、計算されたばね力のプロットである。変位は、アクチュエータにかかる電圧から力が計算されている間に測定された。最小２乗当てはめによって、４．２Ｎ／ｍの理論的に予測される値に適度に近い４．６Ｎ／ｍのばね定数が得られた。
【００５２】
図１３は、本発明の双安定ＭＥＭＳスイッチの動作のタイミング図である。接点上の電圧は、スイッチが「クローズ」位置にある時、ほぼ０である。短い電圧パルスが、アクチュエータに印加されて、スイッチが、「オープン」状態から「クローズ」状態へ変わる。アクチュエータに印加される第２パルスによって、スイッチが、「クローズ」から「オープン」へ状態が変わる。接点上の電圧は、「オープン」位置においてほぼ０．５Ｖである。１０〜１００μＮ程度の接点力を有する双安定スイッチプロトタイプにおいて、１０オーム未満の低い接点抵抗が達成された。
【００５３】
図１４は、１８Ｖパルスによって駆動される双安定ＭＥＭＳスイッチについての、状態変化サイクル数に対する接点抵抗のプロットである。本明細書に述べる方法に従って作製された双安定スイッチは、１００万サイクル以上にわたる信頼性のあるサイクルを示した。接点抵抗は、最初の１０，０００サイクルの間、１０オーム未満のままであり、実質的に約４０，０００サイクル後に増加する。ＳＥＭ−ＥＤＸ解析によって、４０，０００サイクル後における、接触エリア上の金被覆の喪失がわかった。
【００５４】
多くの医療分野において、パルス発生器に接続された、長期継続的に埋め込み式電極を介して電気パルスを体に送出することは、患者の健康を回復することができる。複数の可能性から電極を無侵襲に選択する能力は、埋め込みを行う医師と患者の両方にとって有利であることになる（図４）。制御ロジック以外に、こうした機構を使用可能にするために、相互接続、及び、おそらく或るスイッチング形態の電力が必要とされる。従来の個体スイッチに対する双安定微小電気機械スイッチの主な利点は、双安定微小電気機械スイッチが、長期継続的に埋め込み可能なシステムの非常に厳しいエネルギーバジットに関して最小の負荷を与えることである。さらに、低い接点抵抗、小さなサイズ、及び実際の絶縁が、好ましい特性である。
【００５５】
接点部材の平面移動がない状態の双安定スイッチは、永続的な外部磁界におけるパーマロイ片持ち梁の優先的な磁化を変えるための電流パルス、又は、熱駆動式の２セグメント複数形態の片持ち梁によって生じる機械的ラッチのいずれかを使用する。横方向に移動する双安定スイッチは、両側で２重にピン留めされたアーム又は中央部から２つの可能な方向に押される２つの２重にピン留めされたアームによって支持される中央スライダから成る柔軟構造を使用する。
【００５６】
本発明による双安定設計は、２つの安定位置を有する中央可動接点部材を有する。これは、ヒンジ及び重クランプ式梁を有する２重ばね懸垂保持システムによって達成される（図５）。本発明によれば、対向する接点部材は、電気接点を閉じる第２の安定位置において接触する（図６）。静電コムアクチュエータは、スイッチ位置を変えることができる。接点は、接点抵抗及び機械的磨耗を最小にするように設計される。
【００５７】
スイッチは、単一のマスク工程を使用して、シリコン−オン−インシュレータ（ＳＯＩ）ウェハ（３５０μｍ厚キャリア層、１μｍシリコン酸化物、８０μｍデバイス層、ＳＩＣＯ）から作製される（図７）。このウェハは、脱水され、接着性を高めるために処理され、２．３μｍレジスト層（ＡＺ１５１８）が、スピンオンされ、プリベークされる。マスクパターン（ガラス上のＣｒ）は、マスクアライナ（エレクトロニック・ビジョンズ社（Electronic Visions））を使用してウェハに転写される。デバイス層は、深堀反応性イオンエッチングされる（ＤＲＩＥ、サーフェス・テクノロジー・システムズ社（Surface Technology Systems））。切り欠き(notching)を防止し、最大の金属被覆が予想される、デバイス層の上面に対する接触エリアを制限する、わずかに張り出す構造を作るための設定が注意深く選択される。構造は、５０％ＨＦで剥離し、サブリメーション技法によって乾燥される。接点材料として、たとえば、接点の抵抗及び固着を最小にするために、アニーリングしたＮｉ／Ａｕ合金が利用された。接点材料は、同様に、シリコン構造の垂直側壁を被覆する特別なセットアップで蒸着された。完成したウェハは、剥離した構造を保護するために、ダイシングする前にフォトレジストに浸漬され、個々のダイは、後でストリッピングされた。図８は、完成したスイッチのＳＥＭ画像を示し、図１５は、接点部材の詳細画像である。図１５に示すように、微小接点の左部分は、接点を閉じるために右に移動する。
設計
構造は、エキスパートシステムを使用して設計される。静電コムアクチュエータは図１６に示され、機械的ばねシステムは図１７に示される。図１６及び図１７は、スイッチの振る舞いを定量的に記述する理論において使用することになるパラメータを規定する。一般的な値が、図１８の表１に与えられる。図１６に示すように、ｗは指部の幅であり、ｇは指部間のギャップであり、Ｉは指部の重なりであり、ｄは先端からコムベースまでの距離であり、ｈは構造の高さである（作製時のＩ及びｄ）。図１７に示すように、機械的ばねシステムが初期位置にある時、ｔ１は２重クランプ式梁の厚さであり、Ｌ１は長さであり、ｔｈはヒンジの厚さであり、Ｉｈは長さであり、Ｌｈはアーム長である。さらに、ｘｏはオフセットであり、ｘｃは接点位置であり、一方、ｔｓは接点ばねの厚さであり、ｗｓは幅であり、ｈｓは長さである。移動接点部材は、半径ｒｃを有するバンプを含み、完成した構造は高さｈを有する。
【００５８】
単安定試験構造では、接点特性をよりよく調査することができるように、可動梁は、直線ばねによって保持される。接点形状の影響を調べるために、非対称接点設計及び２重接点設計が含まれる。
実験セットアップ
ベアダイは、アレッシ・インダストリーズ社（Alessi Industries）のニードルプローバを使用して、クラス１００００に制御された環境に配置された顕微鏡（Mitutoyo）に接触する。アクチュエーション電圧を作成するために、標準電源がＥＭＣＯ高電圧増幅器と組み合わせて使用され、接点電圧を測定するために標準マルチメータが使用される。
【００５９】
スイッチは、クリーンルームの外での動作と制御された雰囲気における容易な相互接続を可能にするために、セラミックパッケージ（京セラ社（Kyocera）、８リード側面ろう付けパケージ）内でワイヤボンディングされ、Ｎ２環境下で密閉された。一部のパッケージ上では、目視検査を可能にするために、ガラス蓋が非密閉式に接着された。
【００６０】
オシロスコープ（テクトロニクス社（Tektronix）製ＴＤＳ３０１４Ｂ）上で接点電圧を監視しながら、制御された継続時間及び大きさの周期的パルスをアクチュエータに供給することによって、スイッチの動特性が調べられた。アクチュエータ上の電圧は、ＦＥＴスイッチ（ＢＳＳ１００）を使用して、スイッチをオン／オフされ、この時、ゲートは、ファンクション発生器（横河電機（Yokogawa）製ＦＧ１２０）によってトリガされたプログラム可能ワンショット（テクトロニクス社）によって制御された。継続時間試験について、アクチュエータ上の電圧を制御し、Ｌａｂｖｉｅｗを搭載したコンピュータを使用して接点電圧を記録するために、デジタルとアナログの両方のＩ／Ｏ機能（ＮＩ６０２４Ｅ）を有するデータ取得カードが使用された。
【００６１】
アクチュエータ電圧の関数としての接点抵抗及び接点電流は、単安定試験構造を使用して、コンピュータコントロール（Ｌａｂｖｉｅｗ）下で測定された。アクチュエータ上の電圧は、プログラム可能高電圧源（アジレント社（Agilent）製６０３０Ａ、ＧＰＩＢ経由）を使用して小さなステップで増加することができる。接点を通る電流はまた、ＧＰＩＢ経由で制御され、一方、電圧は、上述したように記録された。
静電アクチュエータ
コム指部（図１６）を平行板コンデンサとしてモデル化することによって、変位ｘの関数としての、アクチュエータの２つの部分(part)間の静電容量Ｃは、
【００６２】
【数１】
2007513468.tif 000003
で与えられる。ここで、Ｎは移動するコム指部の数であり、εはコム間の媒体の誘電率である。第１項は、先端からベースまでの寄与（Ｃｔ）であり、第２項は、側面から側面までの寄与（Ｃｓ）である。
【００６３】
電圧Ｖがコンデンサに印加される時のコンデンサに蓄積されたエネルギーのｘの導関数は、ｘ方向の、アクチュエータの２つの部分間の引力Ｆｘに付いての表現を与える。
【００６４】
【数２】
2007513468.tif 000004
機械的システム
変位の関数としての、中央可動梁（図１７）に対してヒンジ及び２重クランプ式梁によって加えられる力の合計は、
【００６５】
【数３】
2007513468.tif 000005
によって与えられる。ここで、ｋｈ、ｋｌはそれぞれ、
【００６６】
【数４】
2007513468.tif 000006
によって与えられる、４つのヒンジ及び４つの２重クランプ式梁のばね定数である。ここで、Ｅは材料のヤング率である。図６に概略的に示すように、（ｓ−力の）第２項は、双安定の振る舞いの原因となる、ｙ方向の２重クランプ式梁の圧縮によるｘ方向の反応力である。
【００６７】
スイッチを閉じるのに必要とされる力は、力−変位曲線の極小によって与えられる。スイッチを開くための必要とされる力は、接点力によって与えられる。任意の付着力がこれに加わることになる。スイッチが、意図しない代替状態への切り換えに耐え、回避することができる、非電気的寄生力(parasitic non-electric force)に関する上限は、ニュートンの慣性質量の法則
【００６８】
【数５】
2007513468.tif 000007
を考えることによって見出すことができる。ここで、ａは加速度であり、Ｆは必要とされる最小のスイッチング力であり、ｍは、
【００６９】
【数６】
2007513468.tif 000008
によって与えられる可動部分の質量である。ここで、Ａは可動部分の総面積であり、ρは材料の密度である。シリコンの上部の金層の質量もまた考慮されるべきである。
【００７０】
単安定試験構造につついて、ばね力Ｆｍｏｎｏは、
【００７１】
【数７】
2007513468.tif 000009
によって記述される。ここで、ｋｍはばね定数であり、Ｉは慣性モーメントであり、ｌ、ｈ及びｂは、それぞれ、梁の長さ、高さ及び幅である。
動特性
ニュートンの慣性の法則は、時間の関数としての、変位についての微分方程式（動特性）を与える。
【００７２】
【数８】
2007513468.tif 000010
ここで、ｍは構造の質量であり、ｃは、
【００７３】
【数９】
2007513468.tif 000011
によって与えられる摩擦係数である。ここで、μはコム間の媒体の絶対粘度であり、Ａｃは総摺動表面積であり、ｄｃは摺動表面間のギャップである。
【００７４】
単安定構造についての共振が、
【００７５】
【数１０】
2007513468.tif 000012
で予想される。
【００７６】
スイッチの状態を変えるのに必要とされるエネルギーＥは、
【００７７】
【数１１】
2007513468.tif 000013
で与えられる充電されたアクチュエータに蓄積されたエネルギーに等しい。ここで、Ｃはアクチュエータの静電容量であり、Ｖはスイッチング電圧である。
微小接点
接点抵抗Ｒｃは、
【００７８】
【数１２】
2007513468.tif 000014
であるように、接点力Ｆｃに依存する。ここで、静電変形についてα＝３であり、プラスチック変形についてα＝２である。
【００７９】
ヒンジは、長く且つ薄いため、測定される接点抵抗に大幅に寄与する。測定される抵抗値は、
【００８０】
【数１３】
2007513468.tif 000015
によって与えられる値Ｒｃｏｒで補正される。ここで、ρｓ＝ρ／ｈは金層の平方当たりの抵抗であり、ｎｓ＝１／ｗは平方数である。断熱状況下で、且つ、ウィーデマン・フランツの法則を使用して、接点Ｕｃ上の電圧と、材料特性又は接点形状に無関係な接点温度Ｔｃとの関係
【００８１】
【数１４】
2007513468.tif 000016
を見出すことができる。
【００８２】
ここで、Ｔ０は周囲温度であり、Ｌ０＝２．４×１０−８Ｖ２Ｋ−２（ローレンツ数）である。この接点電圧Ｕｃは、接触するのに必要とされる静電アクチュエータにかかる接点電圧Ｖｃと混同されるべきではない。接点温度が、接点金属の融点に達すると、スイッチは損傷を受けることになる。式（接点−温度−電圧）を使用して、接点上の対応する電圧Ｕｃを計算することができる。これは、次に、接点抵抗がわかっている時の最大電流に関連することができる。
【００８３】
第１の単安定試験構造は、作製された構造の基本特性を検証するのに使用された。変位は、アクチュエータにかかる電圧の関数として測定された。静電力は、式（ｅ−力）を使用して、アクチュエータ上の電圧から計算される。平衡状態では、ばね力Ｆｍｏｎｏは、静電力Ｆｘに等しい。
【００８４】
【数１５】
2007513468.tif 000017
この式を使用して、変位に対するばね力をプロットすることができる（図１９）。力は、変位が測定される間に、アクチュエータにかかる電圧から計算される。ばね定数について、当てはめた値は４．６Ｎ／ｍであるが、理論的な予想は４．２Ｎ／ｍであった。
【００８５】
静電容量は、有限要素解析法（Ｍａｘｗｅｌｌ）を使用して変位の関数として計算され、理論と比較された（図２０を参照されたい）。電圧の関数としての相対的な静電容量変化が測定され、反復手法が利用され、反復手法において、（式ｅ−力を使用するか、又は、シミュレートした静電容量の導関数を使用して、）静電力及びばね力が、特定の電圧について、変位の関数として最初に計算される。その後、式（平衡状態）を使用して、変位についての値が見出される。この変位における静電容量の計算は、或る点の静電容量及び電圧をもたらす。所望の範囲の電圧が計算されると、静電容量値が相対単位に変更される（図２１を参照されたい）。図２０では、ｆＦ単位の、計算された静電容量（Ｃ）とシミュレートされた静電容量（Ｃｓｉｍ）（垂直軸）が、１つのコム指部について、μｍ単位の変位ｘ（水平軸）の関数として示される。Ｃｔ及びＣｓは、それぞれ、先端からベースまでと、側面から側面までの寄与を表す。垂直線は、コム指部が動作する範囲を示す。一定オフセット以外は、本発明者等のモデルは、この範囲内に当てはまることに留意されたい。図２１は、測定され、計算され、シミュレートされた、電圧Ｖ（ボルト）の関数としての相対的な静電容量の変化を示す。
【００８６】
単安定構造の共振周波数は、ＡＣ電圧をアクチュエータにかけて、顕微鏡下で視覚的に求められ、３．６±０．１ｋＨｚで見出された。ばね定数についての理論値を使用し、また、可動構造上の金層の質量を考慮して、計算した共振は、３．４ｋＨｚである。
【００８７】
接点変位ｘｃにおいて式（平衡状態）を使用して、接点電圧Ｖｃについて、５０Ｖが理論値として見出された。アクチュエータにかかる電圧がゆっくり増加する間に、測定される接点抵抗Ｒｃが１０Ω未満に低下する最初の電圧として、実験的なＶｃが規定され、５４Ｖであった。測定された全ての値は、予想の１０％以内であった。
【００８８】
双安定リレーは、１０オーム未満の接点抵抗を有し、スイッチの状態を変えるのに、わずか１８Ｖが使用される。スイッチの状態を変えるのに必要とされるエネルギーは、アクチュエータの静電容量について１ｐＦの近似値を使用して、わずか０．２ｎＪである。リレーの動的な振る舞いは、図２２に示され、双安定スイッチの動作中における時間の関数としての、接点上の電圧及びアクチュエータにかかる電圧を示す。これらの測定値から、アクチュエータ充電時間は８０μ秒と推定された。８０μ秒は、２００ｎＡのスイッチング中の近似電流ドレインを意味する。閉じる電圧と比較して、スイッチを開くのに必要とされるより高い電圧（２４Ｖ対１７Ｖ）によって示される、Ｎｉ−Ａｕ接点部材の付着が起こる。双安定設計では、コムアクチュエータが、この付着力を克服する。構造は不足減衰応答を示す。接点を閉じる時に、跳ね返りが観測されるであろう（拡大図参照）。図２２及び２２Ａに示すように、接点電圧は、クローズ位置でゼロであり、オープン位置で０．５Ｖである。適切なアクチュエータに関する短いパルスによって、スイッチが状態を変える。アクチュエータ電圧の除去後に、スイッチがその位置を保持することによって、双安定性が示される。詳細図は、閉じると、スイッチが跳ね返ることを示す。
【００８９】
ライフサイクル試験は、双安定スイッチが、１０６回を超えて確実に開閉することを示す。しかしながら、接点抵抗は、約４×１０４回後に増加し始める（図２３）。ＳＥＭ−ＥＤＸ解析は、非接触エリアに比較して、接点スポットにおける金被覆の損傷を示す（図２４）。
【００９０】
さらなる調査において、接点抵抗は、特別な単安定試験構造を使用して、接点力及び接点電流の関数として測定された。接点力の関数としての接点抵抗の特徴化が図２６に示される。
【００９１】
オープン接点ギャップ（８μｍ）の状態で、対向する固定接点部材に対する中央移動梁のＤＣ絶縁破壊は、Ｎ２環境で密閉したスイッチについて、３０５Ｖであることがわかった。アクチュエータからキャリア層まで絶縁破壊は、１５０Ｖで起こった。
【００９２】
接点上の臨界電圧Ｕｃは０．４Ｖである。最大電流は、６４μＮの接点力と３．２〜５Ωの接点抵抗に相当する１００Ｖで駆動された閉じた単安定接点を通して測定された。２５７ｍＡの測定値に対して、予想した最大電流は２５８ｍＡである（図２５を参照されたい）。
【００９３】
先の説明は、例示の目的のために、心臓ペーシングシステム及び関連する回路要素を利用するが、本発明は、ディフィブリレータ、カーディオバータ、神経刺激器等を含むが、それに限定されない、あらゆるタイプのＩＭＤによって使用されてもよい。本発明は、上述した実施形態によって示し、述べられたが、本発明の範囲は、これらの例示的な実施形態に限定されないことが理解されるべきである。むしろ、本明細書に述べる特定の実施形態の変形は、当業者によって思いつかれ、やはり、本発明の範囲内にあるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】埋め込み可能医療デバイスで使用される一般的なスイッチング網を示すブロック図である。
【図２】本発明によるＭＥＭＳスイッチを使用するようになっていることができる埋め込み可能医療デバイス（ＩＭＤ）のブロック図である。
【図３】開示した発明による、ペースメーカ等の埋め込み可能医療デバイス内で利用することができる電子回路要素のブロック図である。
【図４】医療リード線によって保持される導体を、埋め込み可能医療デバイスに選択的に結合するためのスイッチング回路要素を収容する中間アダプタを介して医療リード線に結合した埋め込み可能医療デバイスの図である。
【図５】上述したスイッチング回路要素の任意の回路要素で実施することができる、本発明による双安定ＭＥＭＳ ＤＣスイッチの略図である。
【図６】図５のスイッチに含まれる、可動接点の横方向変位ｘの関数としての、懸垂保持部材のばね力（Ｆｘ）のプロットである。
【図７】図５の双安定ＭＥＭＳスイッチを作製する一方法の図である。
【図８】本発明の方法に従って作製された双安定ＭＥＭＳスイッチのＳＥＭ画像である。
【図９Ａ】本発明による双安定ＭＥＭＳスイッチを作製する時に使用することができる中間構造の略図の平面図である。
【図９Ｂ】図９Ａに示す構造の断面図である。
【図９Ｃ】図９Ａに示す構造の断面図である。
【図１０Ａ】本発明の双安定ＭＥＭＳスイッチを利用することができる出力回路３００の一実施形態を示す回路図である。
【図１０Ｂ】図１０Ａの回路に含まれる保護回路要素の一実施形態を示す回路図である。
【図１１】ＩＭＤ内の１つ又は複数の回路に電力を選択的に印加するための、本発明によって提供されるＭＥＭＳスイッチを実施することができる回路を示すブロック図である。
【図１２】本明細書で述べる方法に従って構築された、動作中のＭＥＭＳスイッチにおける測定された変位の関数としての、計算されたばね力のプロットである。
【図１３】本発明の双安定ＭＥＭＳスイッチの動作のタイミング図である。
【図１４】１８Ｖパルスによって駆動される双安定ＭＥＭＳスイッチについての、状態変化サイクル数に対する接点抵抗のプロットである。
【図１５】本発明の一実施形態による接点部材の詳細画像である。
【図１６】本発明の一実施形態による双安定スイッチの指部部材の平面図である。
【図１７】初期位置にある、本発明の一実施形態による機械的ばねシステムの略図である。
【図１８】本発明によるスイッチで利用される一般的なパラメータ値の表である。
【図１９】変位の関数としてのばね力のグラフ表示である。
【図２０】静電容量−変位のグラフ表示である。
【図２１】相対的な静電容量変化のグラフ表示である。
【図２２】本発明の一実施形態によるスイッチの動作中の、接点上の電圧とアクチュエータに関する電圧の略図である。(拡大図含む）
【図２３】接点抵抗のグラフ表示である。
【図２４】非接触エリアに比較しての、接点スポットにおける金被覆の損傷を示す図である。
【図２５】接点電流の関数としての接点抵抗と温度のグラフ表示である。
【図２６】接点抵抗と接点力のグラフ表示である。
【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９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【国際調査報告】
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