(57)【要約】【課題】携帯電話の送受信切替回路に適用可能なマイクロスイッチング素子を提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、片持ち梁３と、片持ち梁３の上面に設けられた下部接点電極５と、下部接点電極５に対向して固定配置され、下部接点電極５と電気的に導通する上部接点電極７と、下部接点電極５と上部接点電極７との間に圧力を加える加圧手段９と、下部接点電極５と上部接点電極７との間に接触して挟まれ、加圧手段９の圧力により物性が相転移する材料１１と、を備える。【選択図】  図１
2007273347.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
片持ち梁と、
前記片持ち梁の上面に設けられた下部接点電極と、
前記下部接点電極に対向して固定配置され、前記下部接点電極と電気的に導通する上部接点電極と、
前記下部接点電極と前記上部接点電極との間に圧力を加える加圧手段と、
前記下部接点電極と前記上部接点電極との間に接触して挟まれ、前記加圧手段の圧力により物性が相転移する材料と、
を備えることを特徴とするマイクロスイッチング素子。
【請求項２】
前記材料は、絶縁体と金属とを相転移することを特徴とする請求項１に記載のマイクロスイッチング素子。
【請求項３】
前記材料は、遷移金属の酸化物であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロスイッチング素子。
【請求項４】
前記材料は、擬二次元有機超伝導体であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロスイッチング素子。
【請求項５】
前記材料は、常温、常圧下において、前記加圧手段により正の圧力が加えられることで、絶縁体から金属に転移することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のマイクロスイッチング素子。
【請求項６】
前記材料は、常温、常圧下において、前記加圧手段により負の圧力が加えられることで、金属から絶縁体に転移することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のマイクロスイッチング素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳ技術を利用したマイクロスイッチング素子に関し、特に、高速にスイッチを切り替えができるマイクロスイッチング素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話に代表される無線通信機器の技術分野では、高機能の実現化により搭載される部品が増加することとなり、その結果、高周波回路などで構成される様々な部品に対し小型化の要求が高まりつつある。このような小型化の要求に対し、特に高周波信号を切替えるスイッチ（高周波スイッチ）においては、ＭＥＳＦＥＴ（Metal Semiconductor Field Effect Transistor）などのガリウムヒ素（ＧａＡｓ）半導体スイッチが多用されている。このような半導体スイッチは、高周波信号に対し高速に応答することができるため携帯電話の送受信切替回路に適している。
【０００３】
一方、近年、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems：マイクロマシン）技術を利用した機械スイッチの微小化が進められている。シリコン基板などをＭＥＭＳ技術により加工して得られるＭＥＭＳスイッチ（以下、マイクロスイッチング素子という。）は直接的な電気接点を用いるため、スイッチ駆動後（ＯＮ時）の電力損失が少なく、スイッチ駆動前（ＯＦＦ時）のアイソレーションが大きいことから注目されている。
【０００４】
ここで、このマイクロスイッチング素子の動作原理について図面を参照して簡単に説明する。図６はスイッチ駆動前のマイクロスイッチング素子の３００を示す断面図であり、図７は、スイッチ駆動後のマイクロスイッチング素子３００を示す断面図である。
【０００５】
図６に示すように、マイクロスイッチング素子３００は、一端が固定され、シリコンなどを加工して形成される片持ち梁２１（以下、カンチレバーという。）と、カンチレバー２１の上面に形成された下部駆動電極２３と、下部駆動電極２３に対向して固定配置された上部駆動電極２５と、下部駆動電極２３及び上部駆動電極２５に電圧を印加する電源部２７とからなる加圧手段２９を備え、さらに、カンチレバー２１の他端の上面に形成された下部接点電極３１と、下部接点電極３１に対向して固定配置された上部接点電極３３とを備える。
【０００６】
このように構成されたマイクロスイッチング素子３００に対し、電源部２７から下部駆動電極２３及び上部駆動電極２５に電圧を印加すると、図７に示すように、両電極間に電圧がかかり、静電引力が発生し、カンチレバー２１が上方に引き上げられようとする。この際、カンチレバー２１の一端は固定されているため、他端のみが上方に引き上げられ、下部接点電極３１が上部接点電極３３に接触し、導通状態となる。
【０００７】
また、マイクロスイッチング素子は、例えば、特許文献１にも開示されている。特許文献１では、基板に支持部をパターニングすることで生じていた歩留まりの低下を改善し、歩留まりよくマイクロスイッチング素子を製造するために、膜体３１と基板Ｓ１との間に一対の支持部２０が残存形成されるように、犠牲層に対し膜体３１を介してエッチング処理するようにしたものである。
【特許文献１】特開２００５−２４３５７６号公報  図２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したように、特許文献１等で開示されるマイクロスイッチング素子は、導通状態に移行しようとする時に、カンチレバーに物理的移動が伴う。しかしながら、その反応速度は、半導体スイッチのような電気信号のＯＮ／ＯＦＦに比べるとはるかに遅いという問題があったため、マイクロスイッチング素子は携帯電話の送受信切替回路に適用されていなかった。
【０００９】
例えば、ＧＳＭ（Global System for Mobile Communications）を用いた携帯電話では送受信の切り替えに２μｓ（マイクロ秒）以下のスイッチ切り替え速度が必要であるところ、例えば、カンチレバーがシリコンで形成され、その厚みが５μｍ、長さが５００μｍ、接点間隔が３μｍの場合、十分に大きな電圧を下部駆動電極及び上部駆動電極間に印加した場合であっても下部接点電極が上部接点電極に接触するまでに１０〜２０μｓの時間がかかることが実験的に知られている。
【００１０】
また、スイッチが駆動している状態から解除された際、すなわち、下部接点電極が上部接点電極との接触から離れる際に、スパークが発生することが知られている。したがって、当該スパークにより、接点電極は劣化するため、スイッチとしての信頼性が低下するという問題点もある。
【００１１】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、カンチレバーに物理的な移動が生じさせずスイッチ機能を確保するとともに、携帯電話の送受信切替回路に適用可能なマイクロスイッチング素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した問題点を解決するために、本発明のマイクロスイッチング素子は、片持ち梁と、片持ち梁の上面に設けられた下部接点電極と、下部接点電極に対向して固定配置され、下部接点電極と電気的に導通する上部接点電極と、下部接点電極と上部接点電極との間に圧力を加える加圧手段と、下部接点電極と上部接点電極との間に接触して挟まれ、加圧手段の圧力により、物性が相転移する材料と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
物性が相転移する材料を使用することでスイッチ機能を確保することができ、また、材料を接点電極間に挟むことで、片持ち梁は物理的に移動しないため、高速なスイッチ機能を得ることができる。
【００１４】
また、本発明は、前記材料が、絶縁体と金属とを相転移することを特徴とする。この構成により、接点電極間を導通状態と不通状態とに切替えることができ、スイッチ機能を確保することができる。
【００１５】
また、本発明は、前記材料が、遷移金属の酸化物であることを特徴とする。この構成により、加圧手段によって物性が変化するため、スイッチ機能を確保することができる。
【００１６】
また、本発明は、前記材料が、擬二次元有機超伝導体であることを特徴とする。この構成により、加圧手段によって物性が変化するため、スイッチ機能を確保することができる。
【００１７】
また、本発明は、前記材料が、常温、常圧下において、加圧手段により正の圧力が加えられることで、絶縁体から金属に転移することを特徴とする。この構成により、常温、常圧下において、正の圧力が加えられ、材料の物性が絶縁体から金属に転移することで、スイッチ機能を確保できる。
【００１８】
また、本発明は、前記材料が、常温、常圧下において、加圧手段により負の圧力が加えられることで、金属から絶縁体に転移することを特徴とする。この構成により、常温、常圧下において、負の圧力が加えられ、材料の物性が金属から絶縁体に転移することで、スイッチ機能を確保できる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、カンチレバーの物理的移動が生じないため、接点電極間に発生してスパークを防止することができるとともに、高周波信号に対する切替え速度が増し、携帯電話の送受信切り替えに適用可能なマイクロスイッチング素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照に本発明に係る実施形態について説明する。
【００２１】
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施携帯に係るマイクロスイッチング素子１００の断面図である。図１に示すように、マイクロスイッチング素子１００は、ベース基板１上に形成されたカンチレバー３と、カンチレバー３の上面に設けられた下部接点電極５と、下部接点電極５に対向して固定配置され、下部設定電極５と電気的に導通する上部接点電極７と、下部接点電極５と上部接点電極７との間に圧力を印加する加圧手段９と、下部接点電極５と上部接点電極７との間に接触して挟まれ、加圧手段９の圧力により、物性が相転移する材料１１と、を備えている。
【００２２】
カンチレバー３は、シリコンなどを加工して形成することができる。また、下部接点電極５及び上部接点電極７はともに膜体であり、その材料に、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）などの金属材料あるいはこれらの金属を組み合わせた積層材料を用いることができる。
【００２３】
物性が相転移する材料１１には、例えば、モット転移物質（Mott Transition）などがある。当該物質は、所定の条件の下において、モット絶縁体から金属に、または、金属からモット絶縁体に相転移する材料である。
【００２４】
加圧手段９は、カンチレバーの上面に設けられた下部駆動電極１３と、下部接点電極に対向して固定配置される上部駆動電極１５と、これらに電圧を印加する電源部１７と、を備えている。下部駆動電極１３及び上部駆動電極１５としては、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）などを用いることができる。
【００２５】
このように構成されたマイクロスイッチング素子１００の動作について説明する
【００２６】
電源部１７から下部駆動電極１３及び上部駆動電極１５に電力を加えると、例えば、下部駆動電極１３及び上部駆動電極１５にはそれぞれ負の電荷、正の電荷が帯電することとなる。これによって、下部駆動電極１３と上部駆動電極１５との間には、静電引力が発生することとなり、カンチレバー３は、当該静電引力によって、固定された上部駆動電極１５の方向に引き付けられ、変形しようとする。
【００２７】
また、当該静電引力は、カンチレバー３の先端に形成された下部接点電極５及び下部接点電極５と上部接点電極７との間に接触して挟まれた材料１１にも及ぶ。したがって、下部接点電極５が上方へ引き付けられようとすることにより、下部接点電極５と、固定された上部接点電極７との間の材料１１には、正の圧力（押す方向の力）が加えられる。当該圧力が、モット絶縁体から金属へと転移する臨界圧力以上となると、モット絶縁体は金属に転移し、接点間のモット絶縁体の抵抗率が急激に減少することとなる。これによって、下部接点電極５と上部接点電極７とは導通状態となる。
【００２８】
すなわち、本発明の第１実施形態に係るマイクロスイッチング素子１００は、電源部１７から下部駆動電極１３及び上部駆動電極１５に電圧を印加しないときには、スイッチ機能はＯＦＦ状態となるが、下部駆動電極１３及び上部駆動電極１５に電圧を印加することで、スイッチ機能がＯＮ状態となって動作することとなる。このように、本実施形態のマイクロスイッチング素子１００は、カンチレバーの物理的移動を生じさせる従来のマイクロスイッチング素子に比べて、カンチレバーの移動を生じさせずにスイッチ機能を確保することができる。
【００２９】
例えば、カンチレバー内に音波を生じさせた場合、その速度はカンチレバーを形成する材料によって２０００ｍ／ｓから１００００ｍ／ｓであることが知られているが、仮に音波の速度を４０００ｍ／ｓとし、加圧手段９から下部接点電極５までの距離を２００μｓ（マイクロ秒）とした場合、加圧手段９を駆動してから材料１１に圧力が加えられるまでの時間は５０ｎｓ（ナノ秒）となり、ＧＳＭを用いた携帯電話の送受信切替回路におけるスイッチ動作に十分適用可能である。
【００３０】
ここで、上述したモット転移物質について図面を参照して詳細に説明する。
【００３１】
モット転移物質はバンド理論では金属になると想定されるが、実際には絶縁体として振舞うことが知られている。例えば、酸化第二クロム（Ｃｒ２Ｏ３）、二酸化マンガン（ＭｎＯ２）、三酸化モリブデン（ＭｏＯ３）、タングステン酸ナトリウム（Ｎａ７ＷＯ３）、二酸化クロム（ＣｒＯ２）、三酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ３）、一酸化バナジウム（ＶＯ）、三酸化タングステン（ＷＯ３）、三酸化二チタン（Ｔｉ２Ｏ３）等、遷移金属の酸化化合物がモット絶縁体であることが知られており（N.F.Mott,Phil.Mag.6,287(1961)）、これらモット絶縁体に圧力を加えると、所定の圧力下で金属に転移する（McWhan et al.,Phys.Rev.Lett.27,941 (1971)）。このような現象をモット転移という。
【００３２】
図２は、三酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ３）の温度圧力相図であり、図３は、クロムを添加した三酸化バナジウム（（Ｖ０．９８Ｃｒ０．０２）２Ｏ３）の温度圧力相図である。図２及び図３は、横軸に圧力（単位：ＧＰａ（ギガパスカル））、縦軸に温度（単位：Ｋ（ケルビン））をとる。
【００３３】
例えば、図２に示すように、常温、常圧下（３００Ｋ、０ＧＰａ）において、三酸化バナジウムは、金属として振舞うが、当該温度を維持しながら、負の圧力（引っ張る方向の力）を加えると、矢印で示すように、モット絶縁体に転移する。また、図３に示すように、クロムを添加した三酸化バナジウムは、図２に示す三酸化バナジウムと比較して、モット絶縁体から金属へ転移する臨界圧力はクロムを添加することで約０．８ＧＰａ増加する方向に移動する。このようなクロムを添加した三酸化バナジウムにおいては、常温、常圧下（３００Ｋ、０ＧＰａ）において、モット絶縁体として振舞うが、当該温度を維持しながら、正の圧力を加えていくと、矢印に示すように臨界圧力が約０．４ＧＰａ程度に達した際にモット絶縁体から金属に転移する。
【００３４】
このようなモット転移物質は、図４の圧力と電気抵抗値の関係を示すグラフのように、転移圧力に到達するまでは、一定の電気抵抗値を有し、モット絶縁体として振舞うが、転移圧力に到達すると、電気抵抗値は急激に減少し、転移圧力以上の圧力をモット転移物質にかけると、電気抵抗値は、ゆるやかに下降を続けることが分かる。
【００３５】
さらに、上述したマイクロスイッチング素子１００について具体的に検証する。例えば、駆動電極間隔ｄが０．６μｍで上部下部それぞれの電極面積が４９，２０３平方μｍの場合、電極間に発生する静電引力は電極に印加する電圧をＶとすると０．６１×Ｖ２μＮ、電極に印加する電圧を１００ボルトとすると６，１００μＮの静電引力が発生する。静電引力が発生する駆動電極部（力点）と固定端部との距離と圧力が発生する接点電極部（作用点）と固定端部との距離を１．５倍とし、接点電極の先端部の面積を３．１４平方μｍ（２μｍφ）とすると接点電極間に発生する圧力は１，２９５ＭＰａとなる。モット転移物質が（Ｖ０．９８Ｃｒ０．０２）２Ｏ３の場合室温での臨界圧力は４００ＭＰａなので、モット転移を引き起こすに足る圧力が得られることが分かる。モット転移物質によっては更に低い圧力でモット転移が起こりうる。接点部に発生する圧力はこの作用点と力点の位置関係、及び駆動電極の面積、接点の面積により変わりうる。
【００３６】
（第２実施形態）
図５は本発明の第２実施携帯に係るマイクロスイッチング素子２００の断面図である。なお、図１に示されるマイクロスイッチング素子１００の各部と同様の構成には同一符号を付し、その説明を省略する。
【００３７】
図５に示すように、マイクロスイッチング素子２００は、ベース基板１上に形成されたカンチレバー３と、カンチレバー３の上面に設けられた下部接点電極５と下部接点電極５に対向して固定配置され、下部設定電極５と電気的に導通する上部接点電極７と、下部接点電極５と上部接点電極７との間に圧力を印加する加圧手段９と、下部接点電極５と上部接点電極７との間に接触して挟まれ、加圧手段９の圧力により物性が相転移する材料１１と、を備えている。
【００３８】
加圧手段９は、カンチレバー３の下面に設けられた上部駆動電極１５と、上部駆動電極１５に対向して固定配置される下部駆動電極１３と、これらに電圧を印加する電源部１７と、を備えている。すなわち、当該加圧手段９は、第１実施形態で説明した加圧手段９と比べて、カンチレバー３の下方に形成されている。
【００３９】
このように構成されたマイクロスイッチング素子２００は、電源部１７から上部駆動電極１５及び下部駆動電極１３に電力を加えると、例えば、上部駆動電極１５及び下部駆動電極１３にはそれぞれ負の電荷、正の電荷が帯電することとなる。これによって、上部駆動電極１５と下部駆動電極１３との間には、静電引力が発生することとなり、カンチレバー３は、当該静電引力によって、固定された下部駆動電極１３の方向に引き付けられ、変形しようとする。
【００４０】
また、当該静電引力は、カンチレバー３の先端に形成された下部接点電極５及び下部接点電極５と上部接点電極７との間に接触して挟まれた材料１１にも及ぶ。したがって、下部接点電極５が下方へ引っ張られようとすることにより、下部接点電極５と、固定された上部接点電極７との間のモット転移物質には、負の圧力が発生することとなる。当該圧力が、金属からモット絶縁体へと転移する臨界圧力以下となると、金属はモット絶縁体に転移し、接点間のモット絶縁体の抵抗率が急激に増加することとなる。これによって、下部接点電極５と上部接点電極７とは非導通状態となる。
【００４１】
すなわち、本発明の第２実施形態に係るマイクロスイッチング素子２００は、電源部１７から上部駆動電極１５及び下部駆動電極１３に電圧を印加しないときには、スイッチ機能はＯＮ状態となるが、上部駆動電極１５及び下部駆動電極１３に電圧を印加することで、スイッチ機能がＯＦＦ状態となって動作することとなる。
【００４２】
さらに、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施することが可能である。例えば、上述した
第１実施形態、第２実施形態において加圧手段に電源部からの静電力を使用した実施形態を説明したが、モット転移物質にかかる圧力が可変できればよく、加圧手段は静電力に限定するものでない。したがって、加圧手段には、例えば、圧電体を用いたものや、バイメタルなどの熱歪みを利用したもの等が適用可能である。
【００４３】
また、モット転移物質に加える圧力を伝える構造としてカンチレバーの構造を例として説明したが、スイッチ機能を確保するためにモット転移物質に圧力を加えることができればよく、例えば、両持ち梁の構造や、積層の圧電体を用いた構造であってもよい。
【００４４】
さらに、モット転移物質には、上述した遷移金属酸化物に限らず、例えば、（ＢＥＤＴ−ＴＴＦ）２Ｃｕ[Ｎ（ＣＮ）２]Ｃｌ等、擬二次元有機超伝導体や、反強磁性状態から超伝導状態に転移する性質を有するモット転移物質を利用して、スイッチ機能を確保することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】図１は第１実施携帯に係るマイクロスイッチング素子の断面図である。
【図２】図２は三酸化バナジウムの温度圧力相図である。
【図３】図３はクロムを添加した三酸化バナジウムの温度圧力相図である。
【図４】図４は圧力と電気抵抗値の関係を示すグラフである。
【図５】図５は第２実施携帯に係るマイクロスイッチング素子の断面図である。
【図６】図６はスイッチ駆動前の従来のマイクロスイッチング素子を示す断面図である。
【図７】図７はスイッチ駆動後の従来のマイクロスイッチング素子を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１００、２００、３００  マイクロスイッチング素子
１、１９  ベース基板
３、２１  カンチレバー
５、３１  下部接点電極
７、３３  上部接点電極
９、２９  加圧手段
１１  材料
１３、２３  下部駆動電極
１５、２５  上部駆動電極
１７、２７  電源部
【図１】
2007273347.tif 000003
【図２】
2007273347.tif 000004
【図３】
2007273347.tif 000005
【図４】
2007273347.tif 000006
【図５】
2007273347.tif 000007
【図６】
2007273347.tif 000008
【図７】
2007273347.tif 000009