JP2007035640A - Ｍｅｍｓスイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、圧電力および静電気力によって駆動され、接点間のスティクションを防止することのできるＭＥＭＳスイッチを提供する。
【解決手段】ＭＥＭＳスイッチは、基板１１０と、基板１１０の上部表面上の所定第１領域に位置する第１接点１２０と、基板１１０の上部表面と所定の距離離隔された状態で浮遊する支持層１３０と、支持層１３０の下部表面に形成された第２接点１４０と、静電気力を用いて支持層１３０を所定の方向に移動させる第１アクチュエーター１５０と、圧電力を用いて支持層１３０を所定の方向に移動させる第２アクチュエーター１６０と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明はＭＥＭＳスイッチに関し、詳細には圧電力および静電気力によって駆動されるＭＥＭＳスイッチに関する。

通信産業の発達に伴ない携帯電話機の普及が増大されつつある。これによって種々の携帯電話機が世界中で使用されている。一方、携帯電話機内には相異なる周波数帯域の信号を区別するためにＲＦスイッチが使用されている。従来にはフィルタ型スイッチが用いられたが、送受信端との間で漏れ信号が発生する問題があった。従って、ＭＥＭＳ技術を用いて製造されたＭＥＭＳスイッチを使用することが提案されている。ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）とは、半導体工程技術を応用し、マイクロ単位の構造物を製造する技術である。

ＭＥＭＳスイッチは、既存の半導体スイッチに比べて、スイッチＯＮ時に低い挿入損失を有し、スイッチＯＦＦ時に高い減衰特性を有する。また、スイッチ駆動電力も半導体スイッチに比べて小さく、適用周波数範囲も相当に高いことから、約７０ＧＨｚに至るまで適用できるという長所を持つ。
一方、携帯電話機のような小型電子機器は、バッテリ容量が制限されているという問題を抱えている。従って、小型電子機器に使用されるＭＥＭＳスイッチは低電圧で正常にＯＮ／ＯＦＦ制御できることが求められる。このために、接点間の間隔が数μｍ以下である必要がある。この場合、電源が接続されると正常にＯＮされるが、電源が途切れた場合、接点間にスティクション（ｓｔｉｃｔｉｏｎ）現象が生じて正常にＯＦＦされない問題がある。

また、極間が数μｍ以下である接点を製造するには困難が伴なう。即ち、接点をそれぞれ隔離させるためには犠牲層を用いなければならないが、数μｍ以下の間隔を実現するためには犠牲層の厚さを数μｍ以下にする必要がある。この場合、犠牲層の除去過程において接点間のスティクションが発生する恐れがあり、結果的には製造収率（歩留まり）が落ちてしまう。

また従来より、剛性の高い物質を用いてスイッチレバーを製造したり、スイッチレバーおよび接点間の間隔を増大させることによってスティクション現象を防止することが試みられている。しかし、このような方式においては、スイッチをＯＮさせるため高い駆動電圧が必要となるという問題がある。
韓国特許出願公開２００４−１０３０３９号明細書 韓国特許出願公開２００４−０９９８０８号明細書 米国特許出願公開２００４−０７５３６６号明細書 韓国特許出願公開２００１−１００３７４号明細書 国際公開第２００１／０５１９７３号パンフレット

本発明は前述した問題点を解決するために案出されたもので、圧電力および静電気力により駆動されて接点間のスティクションを防止することのできるＭＥＭＳスイッチを提供することを目的とする。

前述した目的を達成するための本発明の一実施の形態に係るＭＥＭＳスイッチは、基板と、基板の上部表面上の所定第１領域に位置する第１接点と、基板の上部表面と所定の距離離隔された状態で浮遊する支持層と、支持層の下部表面に形成された第２接点と、静電気力を用いて支持層を所定の方向に移動させる第１アクチュエーターと、圧電力を用いて支持層を所定の方向に移動させる第２アクチュエーターと、を含む。

好ましくは、第１アクチュエーターは、所定の第１電源が接続されると、第１接点と第２接点とが接触するよう支持層を基板の方向に移動させることができる。また、第２アクチュエーターは、所定の第２電源が接続されると、第１接点と第２接点とが分離するよう支持層を基板の反対方向に移動させることができる。
この場合、第１電源が第１アクチュエーターに接続される動作と第２電源が第２アクチュエーターに接続される動作とは交互に行なわれることが好ましい。

より好ましくは、第１アクチュエーターが、基板の上部表面上の所定第２領域に位置する第１電極と、支持層の下部表面上で第１電極と向かい合う領域に位置し、第１電極と所定の距離離隔された第２電極と、を含む。
さらに、第２アクチュエーターが、支持層の上部表面上に位置する圧電層と、圧電層の上部表面上に位置する駆動電極と、を含むことができる。

この場合、駆動電極は、櫛形電極（ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｔｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）であってもよい。
一方、本発明の他の実施形態によると、第２アクチュエーターは、所定の第２電源が接続されると、第１接点と第２接点とが接触するよう支持層を基板の方向に移動させることができる。

この場合、第１電源および第２電源は同一電源である。
好ましくは、第２アクチュエーターが、支持層の下部表面上に位置する駆動電極と、駆動電極上に位置する圧電層と、を含む。
より好ましくは、第１アクチュエーターが、基板上の所定第２領域に位置する第１電極と、圧電層上で第１電極と向かい合う領域に位置し、第１電極と所定の距離離隔された第２電極と、を含むことができる。

一方、以上のような実施形態において、支持層が、基板の上部表面に接する支持部と、支持部から突出して基板の上部表面と所定の距離離隔された状態で浮遊する突出部とからなっているカンチレバー構造であることが好ましい。

本発明によると、ＭＥＭＳスイッチを静電気力および圧電力を用いてＯＮ／ＯＦＦさせることができ、これにより、接点間のスティクション現象を防止できる。また、本発明の一実施の形態によると、同一サイズの電源で駆動される従来のＭＥＭＳスイッチに比べて接点間の間隔を大きくすることができる。これにより、ＭＥＭＳスイッチ製造が容易になり、製造収率（歩留まり）も向上する。

以下、添付の図面に基づいて本発明の好適な実施形態を詳述する。
（実施の形態）
図１は本発明の一実施の形態に係るＭＥＭＳスイッチの構成を示す縦断面図である。図に示すように、ＭＥＭＳスイッチは、基板１１０、第１接点１２０、支持層１３０、第２接点１４０、第１アクチュエーター１５０、および第２アクチュエーター１６０を含んでいる。

基板１１０は通常のシリコンウエハである。
第１接点１２０は、導電性物質で製造され、基板１１０上の所定第１領域に位置する。第１接点１２０は、外部信号ライン（図示せず）と接続され、スイッチＯＮされて第２接点１４０と接触すると信号の伝達を行なう。支持層１３０は、基板１１０の上部表面と所定の距離離隔され、基板１１０から浮遊するよう形成される。支持層１３０は、第１および第２アクチュエーター１５０，１６０によって基板１１０方向あるいはその反対方向に移動されて、第１接点１２０と第２接点２４０とを接触または分離する役割を果たす。図１では、基板１１０の上部表面から浮遊した支持層１３０を図示したが、支持層１３０は、基板１１０によって支持される形態で製造されてもよい。係る構造に対しては図５を用いて後述する。

支持層１３０上で基板１１０に向かう表面（以下、下部表面と称する）の一部の領域には第２接点１４０が位置している。第２接点１４０は、第１接点１２０と接触し信号を伝える。
一方、第１アクチュエーター１５０および第２アクチュエーター１６０は、それぞれ支持層１３０を所定の方向に移動させる役割を果たす。具体的には、第１アクチュエーター１５０は、ＭＥＭＳスイッチをＯＮするために使用され、第２アクチュエーター１６０は、ＭＥＭＳスイッチをオフするために使用される。

まず、第１アクチュエーター１５０は、第１電源（Ｖ₁）が接続されると、第２接点１４０が第１接点１２０に接触するよう支持層１３０を基板１１０方向に移動させる。
第１アクチュエーター１５０は、第１電極１５１および第２電極１５２を含んでいる。第１電極１５１は、基板１１０の上部表面上の所定第２領域に位置する。第２電極１５２は、支持層１３０の下部表面上の第１電極１５１と向かい合う領域に位置する。第２電極１５２および第１電極１５１は、お互いに所定の距離だけ離隔されている。このような状態で第１電源（Ｖ₁）が接続されると、第１電極１５１および第２電極１５２の間に静電気力が発生して、支持層１３０を基板１１０方向に移動させる。

一方、第２アクチュエーター１６０は、第２電源（Ｖ₂）が接続されると、支持層１３０を基板１１０の反対方向に移動させる。これにより、第１接点１２０および第２接点１４０が接触された状態で第２アクチュエーター１６０に第２電源（Ｖ₂）が接続されれば、第１接点１２０と第２接点１４０とが分離される。
第２アクチュエーター１６０は、圧電層１６１および駆動電極１６２を含んでいる。圧電層１６１は、支持層１３０の両表面のうち基板１１０の反対方向に向かう表面（以下、上部表面と称する）上に位置する。圧電層１６１は、窒化アルミニウム（ＡＩＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの圧電物質から製造されている。

駆動電極１６２は、圧電層１６１上に位置し、第２電源（Ｖ₂）が印加されると圧電層１６１の圧電現象によって基板表面に水平な方向で振動する。これによって支持層１３０は基板１１０の反対方向に持ち上げられる。
図２は、図１のＭＥＭＳスイッチの横断面図である。図２に示すように、第２アクチュエーター１６０は、圧電層１６１およびこの圧電層１６１上に製造された駆動電極１６２を含む。駆動電極１６２は、圧電層１６１上にコーム状（櫛形）に形成された第１駆動電極１６２ａと、第１駆動電極１６２aと噛み合うコーム構造（櫛形構造）に形成された第２駆動電極１６２ｂを含んでいる。

図３は、図１のＭＥＭＳスイッチに適用された第２アクチュエーター１６０の動作原理を説明するための模式図である。駆動電極１６２は噛み合ったコーム状に形成されているため、圧電層１６１上には、第１駆動電極１６２ａと第２駆動電極１６２ｂとが交互に配置されている。かかる状態で第２電源（Ｖ₂）の両端子が接続されると、第１および第２駆動電極１６２ａ、１６２ｂ間に電位差が生じる。よって、圧電層１６１内で矢印方向に電界が形成されて、第１駆動電極１６２ａの各櫛の歯が第２駆動電極１６２ｂの各櫛の歯の方向に力を受けることとなる。これにより、圧電層１６１が水平方向に収縮される。圧電層１６１は支持層１３０の上部表面に接することから、圧電層１６１の収縮により支持層１３０は上側、即ち、基板１１０の反対方向に移動される。

この結果、第１接点１３０および第２接点１４０は分離される。
図１のＭＥＭＳスイッチにおいて、第１電源（Ｖ₁）と第２電源（Ｖ₂）とは互いに相違した電源を用いている。これによって、第１電源（Ｖ₁）を第１アクチュエーター１５０に接続する動作、および第２電源（Ｖ₂）を第２アクチュエーター１６０に接続する動作を交互に行なってＭＥＭＳスイッチをＯＮ／ＯＦＦすることができる。即ち、ＯＮするときは第１電源（Ｖ₁）を第１アクチュエーター１５０に接続し、ＯＦＦするときは第１電源（Ｖ₁）を遮断すると同時に第２電源（Ｖ₂）を第２アクチュエーター１６０に接続する。これによりスティクションの現象が防止できる。
（他の実施の形態）
図４は、本発明の他の実施形態に係るＭＥＭＳスイッチの構成を示す垂直断面図である。図４に示すＭＥＭＳスイッチは、基板２１０、第１接点２２０、支持層２３０、第２接点２４０、第１アクチュエーター２５０、および第２アクチュエーター２６０を含んでいる。

図４に示すＭＥＭＳスイッチにおいて、第１アクチューエーター２５０は、電源（Ｖ）の接続時に静電気力を用いて支持層２３０を基板２１０の方向に移動させる。また、第２アクチュエーター２６０も電源（Ｖ）の接続時に圧電力を用いて支持層２３０を基板２１０方向に移動させる。結果的に、電源（Ｖ）の接続時には、圧電力および静電気力が同時に作用して第１接点２２０と第２接点２４０とを接触させる。なお図４では、第１および第２アクチュエーター２５０，２６０には同一の電源（Ｖ）が接続されているが、相異なるサイズの電源が接続されてもよい。

ただし、第１および第２アクチュエーター２５０，２６０に対する電源接続のタイミングは一致させることが必要である。すなわち、スイッチをＯＮする場合には、第１および第２アクチュエーター２５０，２６０へ同時に電源（Ｖ）を接続し、ＯＦＦする場合には、同時に電源（Ｖ）を遮断する。
一方、図４において、第１接点２２０、支持層２３０、および第２接点２４０の構造および役割は図１を用いて説明したのと同一であるので、それらの説明は省略する。

第２アクチュエーター２６０は、圧電層２６１および駆動電極２６２を含む。図４によると、駆動電極２６２は、支持層２３０の下部表面上の一部の領域に位置する。圧電層２６１は、駆動電極２６２上（駆動電極２６２の基板２１０側）に位置する。
第１アクチュエーター２５０は、第１電極２５１および第２電極２５２を含む。第１電極２５１は、基板１１０の上部表面上の所定第２領域に位置する。第２電極２５２は、圧電層２６１上（圧電層２６１の基板２１０側）に位置し、第１電極２５１と所定の距離離隔して形成されている。

第１アクチュエーター２５０の第１電極２５１および第２電極２５２と、第２アクチュエーター２６０の駆動電極２６２とにそれぞれ電源（Ｖ）が接続されると、第１アクチュエーター２５０の第１および第２電極２５１，２５２間には静電気力が発生する。
一方、駆動電極２６２および第２電極２５２に電源（Ｖ）が接続されることによって、圧電層２６１には圧電現象が発生する。これによって、基板２１０の表面に垂直した方向に向って圧電力が作用する。かかる圧電力と静電気力とが合わせられて支持層２３０が基板２１０の方向に移動される。この結果、第１接点２２０と第２接点２４０とが接触されることとなる。

図４に示すＭＥＭＳスイッチによると、電源（Ｖ）の接続時には、静電気力以外に圧電力も支持層１３０に作用する。従って、支持層１３０の移動距離が大きくなる。結果的に、第１および第２接点２２０，２４０間の間隔を大きくしても正常にスイッチをＯＮすることが可能となる。また、接点間の間隔が大きくなるため、その復元力も増大し、電源（Ｖ）を遮断してもスティクション現象が発生せず、正常にスイッチをＯＦＦすることが可能となる。また、第１および第２接点２２０，２４０間の間隔を微細に施す必要がないことから、ＭＥＭＳスイッチの製造が容易になり、かつ製造収率（歩留まり）も向上する。

なお、図１および図４に示すＭＥＭＳスイッチにおいて、支持層１３０，２３０を基板１１０，２１０によって支持するカンチレバー状に形成することも可能である。図５は、図１のＭＥＭＳスイッチにおいて支持層１３０をカンチレバー構造で実現した場合の縦断面図である。
図５における支持層１３０を除いた残り構成要素は、図１を用いて説明したのと同様であるので、その説明は省略する。

図５に示すように、支持層１３０は、支持部１３０ａおよび突出部１３０ｂを含むカンチレバー構造を有するよう形成されている。支持部１３０ａは、基板１１０の上部表面に接して支持層１３０の全体を支持する。突出部１３０ｂは、支持部１３０ａから突出して形成され、基板１１０の上部表面と所定の距離離隔されて浮遊するように形成される。また、突出部１３０ｂの下部表面上の各領域には、第２電極１５２および第２接点１４０が配置される。さらに、突出部１３０ｂの上部表面には、圧電層１６１および駆動電極１６２が順次積層された構造で形成される。

このように、支持層１３０がカンチレバー構造で製造されると、第１電源（Ｖ₁）（第１電極１５１と第２電極１５２との間の電源）が遮断された場合、支持部１３０ａと突出部１３０ｂとの接合部分が一種の復元バネの役割を果たし、下方（基板１１０側）に湾曲している支持層１３０を上側に復元させるための復元力が提供される。
以上、図面に基づいて本発明の好適な実施形態を図示および説明してきたが、本発明の権利範囲は、前述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物にまで及ぶものである。

本発明は、接点間のスティクションの防止が求められる分野において有用であり、ＭＥＭＳスイッチとして利用可能である。

本発明の実施の形態に係るＭＥＭＳスイッチの構成を示す縦断面図である。 図１のＭＥＭＳスイッチの構成を示す横断面図である。 図１のＭＥＭＳスイッチに使用された第２アクチュエーターの作動原理を説明するための模式図である。 本発明の他の実施形態に係るＭＥＭＳスイッチの構成を示す縦断面図である。 図１のＭＥＭＳスイッチをカンチレバー状に形成した構成を示す縦断面図である。

符号の説明

１１０，２１０ 基板
１２０，２２０ 第１接点
１３０，２３０ 支持層
１４０，２４０ 第２接点
１５０，２５０ 第１アクチュエーター
１６０，２６０ 第２アクチュエーター
１５１，２５１ 第１電極
１５２，２５２ 第２電極
１６１，２６１ 圧電層
１６２，２６２ 駆動電極

Claims (12)

1. 基板と、
   前記基板の上部表面上の所定第１領域に位置する第１接点と、
   前記基板の前記上部表面と所定の距離離隔された状態で浮遊する支持層と、
   前記支持層の下部表面に形成された第２接点と、
   静電気力を用いて前記支持層を所定の方向に移動させる第１アクチュエーターと、
   圧電力を用いて前記支持層を所定の方向に移動させる第２アクチュエーターと、
   を含むことを特徴とするＭＥＭＳスイッチ。
2. 前記第１アクチュエーターは、所定の第１電源が接続されると、前記第１接点と前記第２接点とが接触するよう前記支持層を前記基板の方向に移動させることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳスイッチ。
3. 前記第２アクチュエーターは、所定の第２電源が接続されると、前記第１接点と前記第２接点とが分離するよう前記支持層を前記基板の反対方向に移動させることを特徴とする請求項２に記載のＭＥＭＳスイッチ。
4. 前記第１電源が第１アクチュエーターに接続される動作と前記第２電源が第２アクチュエーターに接続される動作とは交互に行なわれることを特徴とする請求項３に記載のＭＥＭＳスイッチ。
5. 前記第１アクチュエーターが、
   前記基板の前記上部表面上の所定第２領域に位置する第１電極と、
   前記支持層の前記下部表面上で前記第１電極と向かい合う領域に位置し、前記第１電極と所定の距離離隔された第２電極と、
   を含むことを特徴とする請求項３に記載のＭＥＭＳスイッチ。
6. 前記第２アクチュエーターが、
   前記支持層の前記上部表面上に位置する圧電層と、
   前記圧電層の上部表面上に位置する駆動電極と、
   を含むことを特徴とする請求項５に記載のＭＥＭＳスイッチ。
7. 前記駆動電極が櫛形電極であることを特徴とする請求項６に記載のＭＥＭＳスイッチ。
8. 前記第２アクチュエーターは、所定の第２電源が接続されると、前記第１接点と前記第２接点とが接触するよう前記支持層を前記基板の方向に移動させることを特徴とする請求項２に記載のＭＥＭＳスイッチ。
9. 前記第１電源および第２電源は同一電源であることを特徴とする請求項８に記載のＭＥＭＳスイッチ。
10. 前記第２アクチュエーターが、
    前記支持層の前記下部表面上に位置する駆動電極と、
    前記駆動電極上に位置する圧電層と、
    を含むことを特徴とする請求項８に記載のＭＥＭＳスイッチ。
11. 前記第１アクチュエーターが、
    前記基板上の所定第２領域に位置する第１電極と、
    前記圧電層上で前記第１電極と向かい合う領域に位置し、前記第１電極と所定の距離離隔された第２電極と、
    を含むことを特徴とする請求項１０に記載のＭＥＭＳスイッチ。
12. 前記支持層が、前記基板の前記上部表面に接する支持部と、前記支持部から突出して前記基板の前記上部表面と所定の距離離隔された状態で浮遊する突出部とからなっているカンチレバー構造であることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳスイッチ。

Images