(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンベースと、前記シリコンベースと略平行に対向するように配置されている可動接触片と、前記シリコンベースの前記可動接触片と対向している側である上面に一対の固定接点を配置するとともに固定電極を形成する一方、前記可動接触片の前記シリコンベースと対向している側である下面に前記固定接点に接離可能に対向する可動接点を配置するとともに可動電極を形成し、前記可動電極と前記固定電極との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触させて前記一対の固定接点間を導通させる静電マイクロリレーにおいて、
前記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り、
前記固定接点を、前記シリコンベースに設けた凹部の底面に、上端面が前記シリコンベースの上面に設けた絶縁膜の表面よりも高く、かつ、側面が前記凹部の内側面に接触しないように配置する一方、
前記可動接触片の前記シリコンベースに対向している側に凹部を設けて薄肉部を形成するとともに、前記凹部の内側面に接触しないように前記凹部の底面に前記可動接点を配置し、
前記可動接点と前記固定接点との接触後に、前記可動電極と前記固定電極とが絶縁膜を介して吸着し、前記可動接点を配置した前記薄肉部が撓む
ことを特徴とする静電マイクロリレー。
【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に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、静電マイクロリレーとしては、特開平６−１２９６２号公報に記載の静電駆動型リレーがある。
すなわち、固定電極を形成するシリコンウェハからなる２つの固定片と、可動電極を形成するシリコンウェハからなり、かつ、前記固定片によってサンドイッチ状に挟まれ、前記可動電極が移動可能に支持された可動片とで構成され、前記両固定片の各固定電極上にエレクトレットを形成し、可動片と固定片とには可動片の移動により互いに接離する接点を設けたことを特徴とする静電駆動型リレーが開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の静電駆動型リレーは、固定電極および固定接点が下部固定片の上面に配置されている一方、可動電極の表面に絶縁膜を介して可動接点が設けられている。このため、所望の絶縁特性を確保すべく、固定接点と可動接点との接点間距離を大きくすると、固定電極と可動電極との間隙が大きくなり、駆動電圧が高くなる。一方、駆動電圧を低くするために固定電極と可動電極との間隙を狭くすると、可動接点と固定接点とが接近しすぎるため、所望の絶縁特性が得られない。
また、均一な厚さを有する下部固定片の上面に固定接点が設けられ、これに均一な厚さを有する可動片に設けた可動接点が当接する。このため、両接点はほぼ面接触するが、接点同士では摺動しない。このため、接点溶着が生じやすく、接触信頼性が低いという問題点がある。
【０００４】
本発明は、前記問題点に鑑み、所望の絶縁特性を確保しつつ、駆動電圧が低く、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。
【０００５】
【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、シリコンベースと、前記シリコンベースと略平行に対向するように配置されている可動接触片と、前記シリコンベースの前記可動接触片と対向している側である上面に一対の固定接点を配置するとともに固定電極を形成する一方、前記可動接触片の前記シリコンベースと対向している側である下面に前記固定接点に接離可能に対向する可動接点を配置するとともに可動電極を形成し、前記可動電極と前記固定電極との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触させて前記一対の固定接点間を導通させる静電マイクロリレーにおいて、前記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り、前記固定接点を、前記シリコンベースに設けた凹部の底面に、上端面が前記シリコンベースの上面に設けた絶縁膜の表面よりも高く、かつ、側面が前記凹部の内側面に接触しないように配置する一方、前記可動接触片の前記シリコンベースに対向している側に凹部を設けて薄肉部を形成するとともに、前記凹部の内側面に接触しないように前記凹部の底面に前記可動接点を配置し、前記可動接点と前記固定接点との接触後に、前記可動電極と前記固定電極とが絶縁膜を介して吸着し、前記可動接点を配置した前記薄肉部が撓むように構成したものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明にかかる一実施形態を図１ないし図６の添付図面に従って説明する。
本実施形態にかかる静電マイクロリレーは、ベース１０と、アクチュエータ２０と、カバー３０とで構成されている。
ベース１０は、シリコンウェハ１１の上面に形成した大キャビティ１２の中央に小キャビティ１３を設けたものである。そして、前記シリコンウェハ１１の上面全面に、接続用露出孔１１ａを除き、絶縁膜１４ａを形成してある一方、その裏面に絶縁膜１４ｂを形成してある。前記小キャビティ１３の底面には一対の固定接点１５，１６を設けてある。また、前記大キャビティ１２の開口縁部には、金等の低融点の導電材からなる帯状接合パッド１７，１８が不連続に形成されている。さらに、前記シリコンウェハ１１の上面片側縁部には、接続パッド１５ａ，１７ａ，１６ａが前記接続用露出孔１１ａと同一直線上に設けられている。そして、接続パッド１５ａ，１６ａはプリント配線１５ｂ，１６ｂを介して固定接点１５，１６にそれぞれ電気接続されている。一方、接続パッド１７ａはプリント配線１７ｂを介して接合パッド１７に電気接続されている。また、前記小キャビティ１３の下方側に凹所１９が設けられ、薄肉部１３ａが形成されている。
【０００７】
アクチュエータ２０は、薄板状に形成したシリコンウェハ２１の下面中央に小キャビティ２２を設けて薄肉部２２ａを形成してある。さらに、シリコンウェハ２１の下面全面には、絶縁膜２３を形成してある。そして、前記小キャビティ２２の天井面には可動接点２４を設けてある。また、小キャビティ２２の周囲には、前記ベース１０の大キャビティ１２に対向する略口字形の可動電極２５を設けてある。さらに、前記アクチュエータ２０は、一対のスリット２６，２６を設けて可動接触片２７を切り出してある。
そして、アクチュエータ２０は、その下面周辺縁部を前記ベース１０の帯状接合パッド１７，１８に接合一体化して密閉してある。このため、固定接点１５，１６に可動接点２４が接離可能に対向するとともに、可動電極２５が接合パッド１７およびプリント配線１７ｂを介して接続パッド１７ａに電気接続される。
【０００８】
カバー３０は、薄板状シリコンウェハ３１の下面に、前記アクチュエータ２０を被覆できる平面長方形の凹所３２を形成したものである。そして、カバー３０は、その下面開口縁部に設けた絶縁膜３３を介し、前記ベース１０の上面周辺縁部に接合一体化してある。このため、前記ベース１０の上面片側縁部から接続パッド１５ａ，１７ａ，１６ａおよび接続用露出孔１１ａが露出している。
【０００９】
次に、前述の構成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３（ａ）に示すシリコンウェハ１１にエッチング加工を施して大キャビティ１２を形成した後（図３（ｂ））、さらに、その中央に小キャビティ１３を形成する。前記大キャビティ１２の深さは後述する可動接触片２７の動作範囲を決定する。そして、シリコンウェハ１１の上面に酸化膜を絶縁膜１４ａとして形成するとともに、その下面に絶縁膜１４ｂを同様に形成する（図３（ｃ））。さらに、絶縁膜１４ａの一部をエッチングで取り除き、前記シリコンウェハ１１に直接電気接続するための接続用露出孔１１ａを形成する。ついで、小キャビティ１３の底面に固定接点１５，１６を設けるとともに、これらにそれぞれ電気接続する接続パッド１５ａ，１６ａおよびプリント配線１５ｂ，１６ｂを絶縁膜１４ａの上面に形成する。さらに、前記大キャビティ１２の縁部周辺に不連続な帯状接合パッド１７，１８を形成する（図３（ｄ），（ｅ））。なお、前記固定接点１５，１６の上端面は絶縁膜１４ａの表面よりも若干高い位置にある。
【００１０】
ついで、図４（ａ）に示すシリコンウェハ２１の下面に小キャビティ２２を形成した後（図４（ｂ））、酸化膜を絶縁膜２３として形成する。そして、前記小キャビティ２２の天井面に可動接点２４を形成するとともに、その周辺に可動電極２５を形成する。このとき、可動接点２４の下端面と可動電極２５の表面とはほぼ面一となっている（図４（ｃ））。
【００１１】
そして、図５（ａ）に示すように、ベース１０となるシリコンウェハ１１にアクチュエータ２０となるシリコンウェハ２１を積み重ねた後、可動電極２５の周辺縁部と接合パッド１７，１８とを温度３９０℃で溶融接合する。このため、接合パッド１７およびプリント配線１７ｂを介して可動電極２５が接続パッド１７ａに電気接続されるとともに、可動接点２４が固定接点１５，１６に接離可能に対向する。
さらに、ベース１０の裏面に形成した絶縁膜１４ｂをパターンニングしてエッチングマスクを形成する。そして、接合一体化したシリコンウェハ１１，２１をエッチングマスクが露出する治具に位置決めしてエッチングし、凹所１９を形成することにより、固定接点１５，１６の下方側に薄肉部１３ａを形成する（図５（ｂ））。
【００１２】
ついで、アクチュエータ２０となるシリコンウェハ２１をラッピングすることにより、可動接触片２７として必要な厚さまで薄くし、小キャビティ２２の上方に薄肉部２２ａを形成する（図６（ａ））。さらに、このシリコンウェハ２１の周囲にエッチングを施すことにより、接続パッド１５ａ，１７ａ，１６ａおよび接続用露出孔１１ａを露出させるとともに、一対のスリット２６，２６を形成して可動接触片２７を切り出す（図６（ｂ））。
【００１３】
一方、カバー３０となるシリコンウェハ３１の下面全面に絶縁膜３３を形成した後、その中央部にエッチングを施して凹所３２を形成する。ついで、このカバー３０を前記ベース１０の周辺縁部に接合一体化することにより、固定接点１５，１６および可動接点２４を密封する。最後に、図示しないリードフレームに位置決めし、ワイヤボンディングで接続した後、樹脂モールドで密封する。
【００１４】
次に、前述の構成からなる静電マイクロリレーの動作について説明する。
まず、接続用露出孔１１ａおよび接続パッド１７ａを介してベース１０および可動電極２５の間に電圧が印加されていない場合には、可動接点２４が固定接点１５，１６から開離している（図６（ｃ））。
【００１５】
そして、前記ベース１０および可動電極２５の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２５が吸引されて可動接触片２７が下方側に撓む。そして、可動接点２４が固定接点１５，１６に接触した後、可動電極２５が絶縁膜１４ａを介してベース１０に吸着する。このとき、可動接点２４および固定接点１５，１６を設けた薄肉部２２ａ，１３ａが撓むので、可動接点２４が固定接点１５，１６と擦り合う。このため、接点溶着の発生を防止でき、接触信頼性を向上させることができる。
また、本実施形態では、薄肉部２２ａ，１３ａの肉厚を調整することにより、接点圧を簡単に調整できるという利点がある。
【００１６】
前述の実施形態では、可動接触片に可動電極を設ける場合について説明したが、必ずしもこれに限らず、ベースの上面だけに固定電極を形成してもよく、あるいは、可動接触片およびベースの対向面のそれぞれに電極を形成してもよい。
【００１７】
【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にかかる静電マイクロリレーによれば、ベースの上面および可動接触片の下面うち、少なくともいずれか一方に設けた凹部の底面に、固定接点あるいは可動接点を配置してある。このため、駆動電圧を低くするために固定電極と可動電極とを接近させても、所望の接点間距離を確保でき、絶縁特性に優れた静電マイクロリレーが得られる。
【００１８】
また、可動接点および固定接点のうち、少なくともいずれか一方を薄肉部に設けてある。このため、可動接点が固定接点に接触した後、可動接触片がベースに吸着すると、前記薄肉部が撓んで接点同士が擦り合う状態となる。この結果、接点溶着が生じにくくなり、接触信頼性の高い静電マイクロリレーが得られる。
さらに、薄肉部を形成することにより、アクチュエータを構成する可動接触片のバネ係数を非線形にできる。このため、静電引力の吸引力特性に沿ったバネ力を有する可動接触片が得られ、所望の動作特性を有する静電マイクロリレーが得られる。
【００１９】
そして、可動接触片が両端支持梁形状となっているので、安定した動作特性を有する静電マイクロリレーが得られる。
ついで、ベース自体を固定電極に兼用でき、固定電極を新たに設ける必要がないので、より生産性の高い静電マイクロリレーが得られる。
【００２０】
また、シリコンベースおよび可動電極の間に電圧を印加すると、まず可動接点と固定接点とが接触した後、可動電極が絶縁膜を介して可動電極に吸着する。このため、可動接触片のバネ係数を非線形にできるだけでなく、薄肉部が撓むときに可動接点と固定接点とが擦り合い、接点溶着を防止できる。さらに、薄肉部の肉厚を調整することにより、接点圧を簡単に調整できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明にかかる静電マイクロリレーの一実施形態を示す平面図である。
【図２】  図１にかかる静電マイクロリレーのベースを示す平面図である。
【図３】  図１で示したベースの半導体プロセスを示す断面図である。
【図４】  図１で示したアクチュエータの半導体プロセスを示す断面図である。
【図５】  図３および図４で示したシリコンウェハの半導体プロセスを示す断面図である。
【図６】  図３および図４で示したシリコンウェハの半導体プロセスを示す断面図である。
【符号の説明】
１０…ベース、１１…シリコンウェハ、１２…大キャビティ、１３…小キャビティ、１３ａ…薄肉部、１５，１６…固定接点、１７，１８…接合パッド、２０…アクチュエータ、２１…シリコンウェハ、２２…小キャビティ、２２ａ…薄肉部、２４…可動接点、２５…可動電極、２６…スリット、２７…可動接触片。
【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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