(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性的に動作するスプリングと、
前記スプリングの一端部に保持されて形成されたメンブレンと、
前記メンブレンの下方に形成され、電圧の印加により静電気力を生じる下部電極とを含むマイクロスイッチング素子において、
前記メンブレンは、曲面を有する円形であることを特徴とする低電圧駆動のマイクロスイッチング素子。
【請求項２】
前記スプリングは、基板上に固定されたアンカー部に形成されることを特徴とする請求項１に記載の低電圧駆動のマイクロ素子。
【請求項３】
前記メンブレンは、前記スプリングにより保持され、前記基板とは非接触状態で動作することを特徴とする請求項２に記載の低電圧駆動のマイクロスイッチング素子。
【請求項４】
前記基板上に形成され、前記メンブレンの駆動により前記メンブレンと接触する信号ラインをさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の低電圧駆動のマイクロスイッチング素子。
【請求項５】
前記メンブレンは、球の一部を切り取った形状であることを特徴とする請求項１に記載の低電圧駆動のマイクロスイッチング素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は静電気力を用いた低電圧駆動のマイクロスイッチング素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常のＲＦスイッチは、静電気力を用いて動作できる構造物を信号線に接触させて素子のオン／オフ制御を行う。この場合、所望の静電気力を得るために所定の電圧を加えるが、かかる印加電圧はマイクロ構造物を保持するスプリングの剛性によって決まる。ここで、低電圧にてスイッチを駆動するためには、低い剛性を持つスプリングを使うことが望ましい。マイクロ素子において、一般的に、構造物と信号線、若しくは構造物と電極が互いに接触する場合には粘着問題が生じる。電極への印加電圧を除去する場合にもこのような粘着問題が生じ、マイクロ構造物と信号線とが接触し続けることがあるため、所望のオン／オフ作動を行えない場合がある。
【０００３】
前記の如き粘着現象を防止するためには、駆動された構造物がさらに元の位置に戻れるように復元力を増やさなければならない。このように復元力を増やすためには強い剛性を持つスプリングが必要となるが、前述の通り強い剛性のスプリングを使えば、結局駆動電圧を高めなければならない。現在汎用されているマイクロスイッチング素子の場合には、前記の如きマイクロ素子の粘着現象を防止するために、強い剛性を持つスプリングを使っている。これにより駆動電圧が高くなってしまい、その結果、低電圧駆動スイッチが製作し難くなる問題点がある。
【０００４】
図１Ａは、従来の技術によるマイクロスイッチング素子の構造を示す斜視図である。マイクロスイッチング素子は、基板上に固設されたアンカー部１３と、前記アンカー部に形成されたスプリング１４により保持され、基板の上方に形成されたメンブレン１５と、前記基板の上方の前記メンブレン１５に対応する位置に形成された下部電極１１及び絶縁膜１２を含む。スプリングの駆動時に前記下部電極１１に電圧を印加すれば、前記メンブレン１５は静電気力により前記下部電極１１に近づき、信号ライン１６と接触しつつスイッチをオンさせる。
【０００５】
図１Ｂ及び図１Ｃは、従来の技術によるマイクロスイッチング素子の問題点を説明するための図面である。ここでは、説明の便宜のために、従来の技術によるマイクロスイッチング素子が簡略に示してある。図１Ｂは、下部電極１１に電源を印加してメンブレン１５を駆動することを示し、図１Ｃは、前記メンブレン１５が駆動されて下部電極１１上に達したことを示す。メンブレン１５がスプリングにより保持され、下部構造物１１，１２に対して非接触状態で下部電極１１に電圧を印加する場合、メンブレン１５と下部電極１１との間に静電気力が生じ、前記メンブレン１５が下部電極１１側に近づく。この時、前記メンブレン１５と下部電極１１との間の距離が近くなるほどメンブレン１５と下部電極１１との間の静電気力は高まり、メンブレン１５の変位は上がる。この場合、スプリング１４の変位も上がりつつスプリング復元力もまた増える。
【０００６】
ここで、前記メンブレン１５と下部電極１１との間で生じる静電気力は、下記式１により得られる。
【０００７】
【数１】
0003942532.tif 000002
（式中、ＦEは静電気力を、Ａは対応面積を、Ｖは印加電圧を、Ｕzはメンブレンの駆動距離を、ｇ0はメンブレン１５と下部電極１２との間の距離を表わす。）
ここで、前記メンブレン１５の移動距離Ｕzが長くなるに伴い静電気力ＦEが著しく増えるということが分かる。
【０００８】
そして、スプリングの復元力は、下記式２の通りである。
【０００９】
【数２】
0003942532.tif 000003
（式中、前記Ｆsはスプリング復元力を、ｋはスプリング定数を表わす。）
ここで、スプリング復元力Ｆsは前記メンブレン１５の変位量に応じて線形的に増えるということが分かる。
メンブレン１５の変位に伴う静電気力及びスプリング復元力の関係をグラフで表わせば、図２の通りである。図２から明らかなように、静電気力はメンブレン１５の移動距離に応じて急激に変わり、スプリング復元力は線形的に変わる。メンブレン１５の変位に応じて静電気力がスプリング復元力より大きいか小さい場合がどちらも存在する。これにより、スプリング定数が比較的に大きいスプリングを使っているか、それとも印加電圧が低い場合、メンブレン１５がある程度移動してからそれ以上作動しなくなり、スイッチとして役割が果たせい。しかしながら、図２のように、静電気力が常時スプリングの復元力より大きい場合には、静電気力によりメンブレン１５が下部構造物１１，１２，１６と接触でき、スイッチとしての役割が果たせる。
【００１０】
一旦電圧が印加されてメンブレン１５が信号ライン１６と接触した状態、すなわち、スイッチがオンされた状態では、復元力に比べて静電気力がはるかに大きくなる。この場合、オフ信号を示すために電圧の印加を止めるが、一旦接触したメンブレン１５と下部構造物１１，１２，１６との間にマイクロ素子特有の粘着現象が生じてスプリングの復元力が粘着現象を克服できない場合がある。従って、スプリング定数ｋが大きいスプリングを使う必要があるが、このためには、前述の通り、印加電圧を必ず高める必要があるという短所がある。 前記の如き問題点を防止するために、剛性が強いスプリングを使うのに代えて、構造物の復元のために外部より別途の力を加える方式がある。これは、駆動電圧を下げるために剛性が低いスプリングを設計して使えば、マイクロ構造物の復元時には粘着現象を防止するために別途の力を加え得る手段が設けられる方式である。
【００１１】
例えば、駆動力を加え得る電極をメンブレンの上下部に同時に設け、構造物の駆動及びその復元時に前記メンブレンの上下部電極各々に電圧を印加すれば、相異なる方向への力をスイッチに加えるので、復元に役立つ。しかし、この場合には、その製造工程が複雑になり、歩留まりが低くなるほか、低電圧環境では事実上所望の復元力が得難いという問題点がある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の技術の問題点を解決するために、本発明は、印加電圧を下げられ、弱い静電気力によっても所望の変形量が得られ、小さい剛性を持ちつつも粘着現象を防止し得る新しい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。
【００１３】
発明１は、弾性的に動作するスプリングと、前記スプリングの一端部に保持されて形成されたメンブレンと、前記メンブレンの下方に形成され、電圧の印加により静電気力を生じる下部電極とを含むマイクロスイッチング素子において、前記メンブレンは、曲面を有する円形であることを特徴とする低電圧駆動のマイクロスイッチング素子を提供する。
発明２は、発明１において、前記スプリングは、基板上に固定されたアンカー部に形成されることを特徴とする。
【００１４】
発明３は、発明２において、前記メンブレンは、前記スプリングにより保持され、前記基板とは非接触状態で動作することを特徴とする。
発明４は、発明３において、前記基板上に形成され、前記メンブレンの駆動により前記メンブレンと接触する信号ラインをさらに含むことを特徴とする。
発明５は、発明１において、前記メンブレンは、球の一部を切り取った形状であることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図３Ａないし図３Ｃを参照し、本発明に係る低電圧駆動のマイクロスイッチング素子の構造及び動作の原理を概念的に説明する。本発明に係る低電圧駆動のマイクロスイッチング素子は、前記図１Ａないし図１Ｃに示されたマイクロスイッチング素子と比較し、メンブレンの下面が平らでなく、凹部または凸部を持つ非平面型であることを特徴とする。
図３Ａないし図３Ｃには、所定の曲率を持つ非平面型メンブレンを含むスイッチが概念的に示してある。図３Ａは、下部電極３１に電圧を印加し、メンブレン３５が下部電極３１側に近づいて行くものの、下部電極３１とメンブレン３５とがまだ互いに接触していない状態を示す。この時には、メンブレン３５は所定の曲率をもった形状をそのまま保持している。
【００１６】
ここで、図３Ｂに示されたように、メンブレン３５の変位が大きくなるほど静電気力が増えてメンブレン３５が下部構造体３１，３２に接触する。すなわち、メンブレン３５の変位が大きくなってメンブレン３５の非平面型下端部が下部構造体３１，３２と接触すれば、大きい静電気力によりメンブレン３５そのものが変形されてしまう。マイクロ寸法のメンブレン３５は一定の変形に弾性的に反応し得る。先ず、メンブレン３５の最も低い部分である下端部が前記下部電極３２に接触するに伴い、図３Ｂのメンブレン３５の場合、その接触面が円形となる。そして、図３Ｃに示されたように、大きい静電気力によりメンブレン３５そのものが変形されつつ、メンブレン３５の凹部を含む下面全体が前記下部構造体３１，３２と接触する。
【００１７】
メンブレン３５は強い剛性を持つ材料よりなるので、下面全体が前記下部構造体３１，３２に接触するためには強い静電気力が必要である。ここで、メンブレン３５が下部電極３１に近づいているため、静電気力も極めて大きくなっている状態である。前記メンブレン３５が前記下部構造体３１，３２に達した状態がスイッチオン状態である。ここで、オフ状態で動作させるために印加電圧を遮断すれば、アンカー３３に固定されたスプリング３４の復元力の他にメンブレン３５の変形による弾性復元力が作用し、前記メンブレン３５が下部構造体３１，３２と分離される。
【００１８】
通常のマイクロスイッチング素子においては、スプリングによる復元力がメンブレンの駆動距離に応じて線形的に増えるが、本発明に係るマイクロスイッチング素子の場合には、スプリングの復元力の他にメンブレンの変形に伴う弾性力が共に作用する。従って、全体的な復元力は非線形性を示す。図４に示されたように、駆動距離Ｕzが小さい状態（図４のＡ領域）では静電気力及び全体的な復元力が従来の技術によるマイクロスイッチング素子と同じである。しかしながら、メンブレンが下部電極に接触した後の状態（図４のＢ領域）では、スプリングの復元力にメンブレンの変形に伴う復元力が加わって全体的な復元力が極めて大きくなり、本発明に係るマイクロスイッチング素子の復元力は非線形性を示すことが分かる。
【００１９】
従って、メンブレンの形状によって復元力の大小が決まるので、メンブレンの形状がマイクロスイッチング素子において極めて重要である。低電圧駆動のマイクロスイッチング素子の場合、メンブレンは円形を持ち、所定の曲率を持つことが望ましい。すなわち、メンブレンの下面が円形である場合には、メンブレンが下部電極または信号ラインと接触する場合、メンブレンの円周部が接触され、接触されていない部分と下部電極との間の距離が、メンブレンが他の形状を呈する場合に比べて一層短くなるからである。従って、相対的に大きい静電気力が得られるので、低電圧駆動にても大きい変位が得られる。これに対し、メンブレンの下面が円形ではなく、長方形などである場合には、円形である場合に比べて下部電極と接触されていない下面と下部電極との間の平均距離が前記他の形状より大きくなる。従って、メンブレンの凹部が下部電極に接するためには、相対的に大きい印加電圧が必要となる。
【００２０】
図５Ａないし図５Ｃは、本発明に係る低電圧駆動のマイクロスイッチング素子の実施形態を示すものである。図５Ａを参照し、本発明に係る低電圧駆動のマイクロスイッチング素子について説明する。まず、基板５１上にメンブレン５５を駆動させるための下部電極５２が形成される。また、メンブレン５５を基板５１の上方に浮き上げるスプリング５４が取り付け可能にアンカー５３が前記基板５１上に固設される。前記アンカー５３に形成されたスプリング５４によりメンブレン５５が保持されて前記下部電極の上方に位置する。前記メンブレン５５の下方には下部電極５２のほかに、信号ライン５６が形成されている。前記メンブレン５５は非平面型であり、内部的に所定の曲率をもって形成される。下部電極５２に電圧を印加すれば、静電気力により前記メンブレン５５が下部電極５２側に移動する。そして、前記メンブレン５５が信号ライン５６に接すれば、互いに分離された信号ラインが導電状態となり、スイッチがオンされて動作する。
【００２１】
図５Ｂは、通常の長方形メンブレンを１／４のみ示すものであり、メンブレン５５の下面の外周部が下方に突出されて中央部が盛り上がっていることを示す。そして、図５Ｃは、円形メンブレンを示すものであり、中央部が盛り上がった形状、すなわち下面の内側に所定の曲率をもって形成されたことを示す。図５Ｂ及び図５Ｃにおいて、Ｃ及びＣ’部分は基板５１との距離が最も近いことを示し、Ｄ及びＤ’はメンブレンの中央部であって、基板５１との距離が最も遠いことを示す。従って、Ｃ及びＣ’からＤ及びＤ’へ行くほどメンブレン５５と基板５１との間の距離が次第に長くなる。本発明に係るメンブレンはその形状が重要である。図５Ｂ及び図５Ｃに示されたスイッチング素子では、そのメンブレンの形状が相異なる場合、メンブレン５５の下面の面積と使われるスプリング５４の定数とを一致させ、且つ、その応力勾配値も同一に設定した場合であっても、その駆動電圧は相異なる。すなわち、図５Ｂに示されたように、平面図から見たメンブレン５５が長方形であるスイッチング素子の場合には駆動電圧が１０．３Ｖであるのに対し、図５Ｃに示されたように、円形のメンブレンを持つスイッチング素子の場合には３Ｖであって、円形メンブレンの場合、長方形メンブレンより駆動電圧が３０％しか要されないということが分かる。図５Ｂ及び図５Ｃのスイッチング素子はどちらも従来の技術による平板形メンブレンを持つスイッチング素子に比べてその復元力が大きく向上されたが、内部的に所定の曲率を持ち、且つ、円形のメンブレンが低い電圧にて駆動される結果を示している。
【００２２】
このことは、円形のメンブレンの場合、同じ曲率及び同じ面積を持つ長方形のメンブレンよりメンブレン内における高さ差が小さいので、下部電極による静電気力が相対的に大きく作用するからである。また、円形のメンブレンは長方形のメンブレンより幾何学的な剛性が大きいため、復元力も大きい。
本発明に係る低電圧駆動のマイクロスイッチング素子は、下部電極に接触するメンブレンの下面に平らにせず、屈曲を持たせることを特徴とし、その形状は制限されない。すなわち、メンブレンの下面の外周部が突出された構造も採用可能であり、下面の中央部が突出された構造も採用可能である。メンブレンの内部的な曲率を誘導するには、スイッチング素子の製造工程時に、犠牲層をメンブレン及び下部構造物、例えば、下部電極または信号ライン上にメンブレンの外周部に対して斜めに形成してメンブレンに所定曲率を持たせれば良い。
【００２３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、低い印加電圧にて駆動しつつも通常のマイクロ素子における粘着現象を防止し得る低電圧駆動のマイクロスイッチング素子を提供することができる。本発明は、下部電極に対応するメンブレンの下面に凹部または凸部を形成することにより、簡単な方法により各種のマイクロ素子に容易に適用可能な低電圧駆動のマイクロスイッチング素子を製造できる長所がある。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】従来の技術によるマイクロスイッチング素子の構造を示す図面である。
【図１Ｂ】従来の技術によるマイクロスイッチング素子の動作を概念的に示す図面である。
【図１Ｃ】従来の技術によるマイクロスイッチング素子の動作を概念的に示す図面である。
【図２】従来の技術のよるマイクロスイッチング素子の作動時にメンブレンの作動距離による静電気力及び復元力を示すグラフである。
【図３Ａ】本発明に係る低電圧駆動のマイクロスイッチング素子を説明するための図面である。
【図３Ｂ】本発明に係る低電圧駆動のマイクロスイッチング素子を説明するための図面である。
【図３Ｃ】本発明に係る低電圧駆動のマイクロスイッチング素子を説明するための図面である。
【図４】本発明に係る低電圧駆動のマイクロスイッチング素子のメンブレンの作動距離による静電気力及び復元力を示すグラフである。
【図５Ａ】本発明の実施形態による低電圧駆動のマイクロスイッチング素子を示す図面である。
【図５Ｂ】本発明の実施形態による低電圧駆動のマイクロスイッチング素子を示す図面である。
【図５Ｃ】本発明の実施形態による低電圧駆動のマイクロスイッチング素子を示す図面である。（符号の説明）
３１      電極
３２      誘電物質
３３      アンカー部
３４      スプリング
３５      メンブレン
【図１Ａ】
0003942532.tif 000004
【図１Ｂ】
0003942532.tif 000005
【図１Ｃ】
0003942532.tif 000006
【図２】
0003942532.tif 000007
【図３Ａ】
0003942532.tif 000008
【図３Ｂ】
0003942532.tif 000009
【図３Ｃ】
0003942532.tif 000010
【図４】
0003942532.tif 000011
【図５Ａ】
0003942532.tif 000012
【図５Ｂ】
0003942532.tif 000013
【図５Ｃ】
0003942532.tif 000014