JPH02100224A

JPH02100224A - 静電式リレー

Info

Publication number: JPH02100224A
Application number: JP63252780A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Oba; 正利大場; Masao Hirano; 平野　正夫; Akira Fujimoto; 晶藤本; Yoshitoshi Sunakawa; 佳敬砂川
Original assignee: Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1988-10-05
Filing date: 1988-10-05
Publication date: 1990-04-12
Anticipated expiration: 2013-04-28
Also published as: JP2745570B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〈発明の分野〉この発明は静電力を駆動源とする静電式リレーに関する
ものである。

〈従来技術と課題〉従来、この種リレーとして、第１７図に示すようにシリ
コン単結晶ウェハ（Ｓｉ）からなる基体１０１上に酸化
ケイ素（Ｓ　ｉ０２　）の絶縁薄膜をマスク１０２とし
て形成し、このマスク１０２を介して上記基体１０１の
主面に蒸着もしくはスパッタリング手段等により導電性
薄膜１０３を形成するとともに、この導電性薄膜１０３
から駆動用電極層１０４と、可動接片１０５の設置用の
下地電極Ｎｔｏｅと、固定接点層１０７とをそれぞれ形
成して、上記駆動用電極層１０４に対向して上記基体１
０１の主面にエツチングで凹部１０８を形成することに
より上記マスク】０２の−・部を片持梁からなる可動片
１０８として、設定したものがある。

すなわち、これは駆動用電極層１０４と上記基体１０１
　との間に直流電圧Ｖを印加することにより、上記両者
１０４，１０１間に静電吸引力が作用して可動片１０９
が下方へ変位し、可動接片１０５が固定接点層１０７に
接触するようになっており、上記シリコン基体１０１を
半導体薄膜形成手段により微細加工することができ、小
形化に適している。

しかし、上記のものは、可動片１０９がｌｐｍ程度の酸
化ケイ素の薄膜で構成されているので、機械的強度が弱
く、たとえばエツチングの際に発生する気泡が激しかっ
たり、液槽への出し入れが乱雑に行われた場合、さらに
は使用時の振動等により折損するおそれがある。また、
上記エツチング処理後の洗浄が不十分であると、液の表
面張力で可動片１０９が凹部１０８の底面に吸着してし
まうこともある。

とくに、上記可動片１０９が極めて薄肉のため、駆動用
電極層１０４の形成時に１両者の線膨張率差により反り
が生じ、これのばらつきがあると、駆動力（接圧）が大
きく変化する要因となる。

また、駆動力に関係ある凹部１０８の深さ寸法を一定の
小さな値に保つためには、エツチングを途中で止める必
要があり、このため、シリコン基体１０１にＰ゛を高濃
度にドーピングさせる等の煩雑な技術も必要となり、作
りにくい。

〈発明の目的〉この発明は上記従来のものの問題点を解消するためにな
されたもので、可動片の機械的強度の強化が図れ、しか
も駆動電圧の調整が容易となり。

生産性に優れた静電式リレーを提供することを目的とし
ている。

〈発明の構成と効果〉この発明に係る静電式リレーは、電気絶縁性の基板主面
にスペーサ手段を介して対向配設された単結晶半導体基
材に枢支されて先端側が上記基板主面側へ回動変位可能
に設定された可動片を上記半導体基材から形成し、上記
可動片に対向して上記基板主面に該可動片とで駆動用対
向電極を構成する固定側電極層を形成し、上記可動片に
電気絶縁膜を介して可動接点層を形成して、上記可動接
点層に開閉される固定接点層を上記基板主面に形成した
。ものである。

上記半導体単結晶基材として、面群（１００）の表面を
もつシリコン単結晶ウェハを用い、可動片を異方性エツ
チングで形成するとともに、面群。（４）１１）に平行
に形成されたオリエンテーション・ファゼットに対して
相対的に垂直もしくは平行に配設するのが微細加工のう
えで好ましい。

この発明によれば、可動片を電気絶縁性の基板とは別体
の半導体単結晶基材から形成するため、微細加工が容易
であるうえ、酸化ケイ素による可動片に比して機械的強
度を強化することができ。

さらに可動片と基板との間隔をスペーサ手段で調整でき
るため、駆動電圧の調整も容易になり、使い易いものを
効率的に得ることができる。

また、上記単結晶半導体基材の面方位を特定することに
より、可動片等の微細加工が一層高精度に行なえ、さら
に可動片を薄肉にしたり、その基端側枢支部に切欠等を
形成すれば、該可動片の変位がしやすくなり、動作性の
向上を図ることができる。

〈実施例の説明〉以下、この発明の実施例を図面にしたがって説明する。

第１図はこの発明に係る静電式リレーの一例を示す分解
斜視図、第２図は第１図のＩＩ　−ＩＩ線断面図である
。

同図において、ｌは電気絶縁性の基板、たとえば長方形
のガラス基板であり、その主面には、前後方向（長手方
向）の中央部に位置して前後１対の駆動用電極層２，３
が並設されている。４゜５は上記前側の駆動用電極層２
の前方に位置して上記基板ｌの主面に形成された前部側
の１対の固定接点層、６．７は上記後側の駆動用電極層
３の後方に位置して上記基板１の主面に形成された後部
側の１対の固定接点層である。上記電極層２゜３や固定
接点層４〜７は蒸着等の周知手段で形成される。

８は半導体単結晶基材、たとえば長方形の板形シリコン
単結晶のウェハであり、スペーサ手段としてのガラスロ
ッド９．９と接着剤１０との混合物を介して上記基板１
の主面側に押圧して固定されている。ガラスロッド９，
９の代りにアルミナ（ＡｆＬ２０３）の粒子などを用い
てもよい。

上記シリコン単結晶ウェハ８には、日字形枠部８Ａで取
り囲まれた長方形の可動片１１が形成されており、この
可動片１１は前後方向中央と上記枠部８Ａとの間に連成
された枢支部１２を中心にして前片部１１Ａと後片部１
１Ｂとが揺動可能に設定されている。この可動片１１は
、上記ウニノー８の上面にマスクとして、たとえば酸化
ケイ素の絶縁薄膜１３（第１図では図示を省略）を所定
のパターンに形成した後、上記ウェハ８をエツチング処
理することにより、所望形状に形成される。

上記可動片１１における前片部１１Ａ、ＩＩＢはそれぞ
れ上記電極層２．３とで駆動用の対向電極を構成してい
る。

１４．１５は上記可動片１１における前片部１１Ａおよ
び後片部１１Ｂの各先端側下面に酸化ケイ素の絶縁薄膜
１６（第１図では図示を省略）を介して固定された可動
接点層であり、可動接点層１４は前部側固定接点層４．
５間の開閉用として、また可動接点層１５は後部側固定
接点Ｒ６゜７の開閉用として設定されている。

上記可動片１１や可動接点層１４．１５を形成した後に
上記ウェハ８が上記基体１の主面側に前記ガラスロッド
９を介して接合されるが、その場合、両者１．８の位置
合せの精確を期するために上記基体ｌの裏面に、第３図
に示す位置決めマーク１７を設けておくのがよい。

つぎに、上記構成の動作について説明する。

可動片１１と前側の駆動電極層２との間に直流電圧を印
加すると、可動片１１の前片部１１Ａと上記電極層２と
の間に静電吸引力が生起し、前片部１１Ａは枢支部１２
を支点として電極層２側へ撓んで変位するため、可動接
点層１４が固定接点層４．５に接触し、再固定接点層４
．５間が閉成される。上記直流電圧の印加を断つと、可
動片１１Ａは枢支部１２のねじれ復帰力で元状に復帰し
、再固定接点層４．５間が開放される。

可動片１１と後側の駆動電極層３との間に直流電圧を印
加することにより、可動片１１の後片部１１Ｂも上記と
同様の動作を行う。

ここで、可動片１１をシリコン単結晶ウェハ８から形成
するから、微細加工ができるうえ、従来の酸化ケイ素の
薄膜で形成したものに比して、機械的強度の高いものが
得られ、したがって、製作時等に可動片１１が折損した
りするおそれがなくなる。しかも、該可動片１１の反り
が抑制されるため、電極層２，３に対する間隔が一定に
保たれ、換言すれば接圧が変動するのが抑制され、信頼
性が高められる。

さらに、上記可動片１１を基体１とは別体のシリコン単
結晶ウェハ８から形成したから、スペーサ手段９の選択
によって電極間距離を変えて所望の駆動力を得ることが
できる。

ところで、上記可動片１１はシリコン単結晶ウェハ８を
エツチング処理で微細加工して得られたものであるが、
さらに精密な微細加工を行うために、異方性エツチング
が採用される。

上記可動片１１を異方性エツチングで形成する場合、つ
ぎのことに留意すればよい。

すなわち、シリコン単結晶ウェハ８の上面が（１１０）
面の場合で、オリエンテーションΦファゼット（以下、
ＯＦと称する）が。（４）０１）面であるとき、可動片
１１を矩形状に製作すると、第４ａ図に示すようにＯＦ
に対して平行な辺１１ａは精密な直線が得られるものの
、ＯＦに対して垂直な辺１１ｂはギザ状となる。ＯＦに
対して斜めに型取すすると、複雑な形状となる。したが
って、上記（１００）面を用いると、精緻な形状の可動
片１１は得られにくい。

これに対し、シリコン単結晶ウェハ８の上面が（１００
）面の場合、ＯＦに対して斜めに型取りすると、第４ｂ
図の破線で示す形状となり、マスクパターンと−・致し
なくなるが、ＯＦと平行および垂直な辺１１ａ、ｌｌｂ
に精密な直線が得られ、マスクパターンに精確に合致す
る。したがって、上記の面方位を考慮すれば、寸法精度
が高く、３次元的にも形状の再現性の高い可動片１１を
容易に得ることができ、このことは、マスク上にばりが
形成されたり、シリコンが残液として残ったりすること
に起因する動作不良のおそれも確実に解消される。

上記（１００）面の他、。（４）１０）、。（４）０１
）、（１００）、。（４）１０）。

。（４）０１）の各面が等価であり、前記の長所は、面
群（１００）の共通性質であるといえる。また、ＯＦに
ついても、可動片１１を、面群。（４）１１）に平行に
形成されたＯＦに対して相対的に垂直もしくは平行に配
設するのが好適といえる。なお１面群。（４）１１）は
。（４）１１）、（１１０）、。（４）１１）、。（４
）１１）の各面を包含している。

ところで、上記可動片１１は可及的薄肉に形成すれば、
変位しやすく、動作性が向上する。これは、第５ａ図お
よび第５ｂ図前記シリコン単結晶ウェハ８の上下両面か
ら２段にエツチングすることにより、容易に実現するこ
とができる。

第５ａ図に示すものは、矢印ａ、ｂの両方向から異方性
エツチングで形成したものであり、第５ｂ図に示すもの
は、矢印ａ方向から等方性エツチングで形成し、矢印す
方向からは異方性エツチングで形成したものであり、枠
部８Ａに対して極めて薄肉の可動片１１が形成される。

通常は、矢印ａ方向から厚さ制御用の深さｄｉだけのエ
ツチングを行った後に矢印す方向から深さｄ２のエツチ
ングを行う０片方のエツチング時に、他方の面は、ステ
ンレス板等をワックス等を介して貼着して一方からの影
響を防止しておく、上記エツチングを矢印す方向から先
に行うと、凹部８Ｂ（第５ａ図、第５ｂ図）が負圧にな
り、可動片１１が変形したり、破壊されるおそれがある
ので留意する必要がある。

第６図および第７図は、第５ａ図および第５ｂ図に示す
２段のエツチング法による可動片１１を適用した静電式
リレーを示すものである。

この場合、可動片１１が枠部８Ａよりも薄肉に形成され
ることにより、該可動片１１の変位がしやすくなるうえ
、可動片１１が枠部８Ａで保護される利点もある。

また、上記可動片１１の変位をしやすくするため、たと
えば第８図に示すように枢支部１２に等方性エツチング
による薄肉部１８を形成してもよく、さらに、第９図に
示すように枢支部１２に沿って可動片１１に切り込み部
１９を形成すれば、可動片１１の変位のストローク量を
大きく設定することができ、十分な接圧が得られやすく
なる。

さらにまた、可動片１１が第１０図のように片持ち支持
されている場合は、同図のように該可動片１１の基端部
に凹所２０等を形成すれば、該可動片１１の変位がしや
すくなる。

ところで、上記可動片１１の動作時に、その先端側の左
右両角部等が基体ｌ側に当り、これの繰り返しにより、
その部分が破損したりするおそれがあれば、第１１図の
ように面取り部２１を形成しておけばよい。

また、上記角部に対応してマスクである酸化ケイ素の絶
縁薄膜１６にぼり等が形成されると、それに積層される
可動接点層１４（１５）の角部が剥離して短絡事故を招
くおそれがある。この点については、マスクとして、熱
酸化で得た酸化ケイ素の薄膜を用いれば、エツチング直
後にばりが発生せず、都合がよい　勿論、上記可動接点
層１４（１５）における上記両角部に対応する部分２２
を第１１図のように予め切欠いた形状に設定することに
より、上記剥離の、おそれもなくなり。

短絡事故の発生を防止することができる。

第１２図は可動片ｔｉを形成する際、上下両面から交互
に異方性エツチングを行って、先端側に醸化ケイ素の絶
縁薄ＪＩ５１１３，１６のパターンにしたがって先端側
上下面に面取り部２３を形成したものであり、前記可動
片１１の破損防止策として有効である。

第１３図および第１４図はこの発明の他の実施例を示し
、可動片１１における前片および後片部１１Ａ、ＩＩＢ
の各側部に、該前片および後片部１１Ａ、ＩＩＡの各先
端より先方へ突出する可動接点固着用の腕片２４Ａ　、
２４Ａおよび２４Ｂ。

２４Ｂを連成したものである。このものは、上記腕片２
４Ａ、２４Ｂにより、可動接点層１４゜１５がそれぞれ
前片および後片部１１Ａ１１Ｂよりも確実に先に固定接
点層４，５に接触するため、短絡のおそれがないうえ、
腕片２４Ａ、２４Ｂのスバーンにより、十分な接圧が得
られやすくなる。

また、上記の例では、基板１上に、周辺部ｌａとは段差
のある凹入部ｌｂを形成し、この凹入部ｔｂの底面を基
板ｌの主面としであるので、上記周辺部１ａがスペーサ
手段として構成され、したがってスペーサ部材を省略で
き、部品点数を減らすことができる。なお、上記腕片２
４Ａ。

２４Ｂの形状は任意に変更可能である。

また、この発明の別の例として、たとえば第１５ａ図に
示すように、可動片１１の枢支部１２の部位を基板ｌに
接着した後、切断線文に沿って枢支部１２を切断して枠
部８Ａを除去し、第１５ｂ図のように可動片１１のみを
基板１に残すようにしてもよい。

上記のような可動片１１の製造手段は、基板ｌを共通と
して多数の可動片１１のブロックを設けておくことによ
り、多数個取りに応用できる。

また、第１６図に示すように１枚のシリコン単結晶ウェ
ハ８０に多数個の可動片１１のパターンをマトリック状
に形成し、これを基板１に接合して各パターン毎に切り
離すように構成して多数個取りできるようにしてもよい
。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係る静電式リレーの一例を示す分解
斜視図、第２図は第１図のＩＩ　−ＩＩ線断面図、第３
図は基板とシリコン単結晶ウェハとの位置合せ手段の説
明図、第４ａ図、第４ｂ図および第４Ｃ図はシリコン単
結晶の面方向の説明図。第５ａ図および第５ｂ図はそれぞれ異なる２段エツチン
グで薄肉に形成された可動片を示す断面図、第６図は第
５ａ図および第５ｂ図による可動片を適用した静電式リ
レーを示す分解側視図、第７図は第６図の■−■線断面
図、第８図。第９図および第１０図はそれぞれ可動片の変位を助ける
ための方策例を示す斜視図、第１１図および第１２図は
可動片の折損防止や短絡防止のための加工例の説明図、
第１３図はこの発明の他の例を示す分解斜視図、第１４
図は第１３図のもののＷ−）ＩＮ線断面図、第１５ａ図
および第１５ｂ図は可動片の枠部を取り除いて可動片の
みを基板に残存さす構成の説明図、第１６図はシリコン
単結晶ウェハに多数の可動片を形成して多数個取りする
場合の説明図、第１７図は従来の静電式リレーの構成を
示す断面図である。１・・・基板、ｌａ、９・・・スペーサ手段、ｌｂ・・
・凹入部、２．３・・・固定側電極層、４，５，６．７
・・・固定接点層、８．８０・・・半導体単結晶基材。８Ａ・・・枠部、１１・・・可動片、１２・・・枢支部
、１３．１６・・・絶縁薄膜、１４．１５・・・可動接
点層、１８・・・薄肉部、１９・・・切り込み部、２０
・・・凹部、２１．２３・・・面取り部、２２・・・切
欠部。２４Ａ、２４Ｂ・・・腕片。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）電気絶縁性の基板と、この基板の主面にスペーサ
手段を介して対向配設された半導体単結晶基材から形成
されるとともに、先端側が上記基板主面側へ回動変位可
能にその基端側が上記基材に枢支された可動片と、上記
可動片に対向して上記基板主面に形成されて該可動片と
で駆動用対向電極を構成する固定側電極層と、上記可動
片に絶縁薄膜を介して形成された可動接点層と、上記基
板の主面に形成されて上記可動接点層で開閉される固定
接点層とを備えたことを特徴とする静電式リレー。
（２）上記半導体単結晶基材を面群｛１００｝の表面を
もつシリコン単結晶ウェハで構成し、このウェハの上下
両面にマスクパターンを形成して異方性エッチングによ
り上記可動片を形成し、この可動片を、面群｛０１１｝
に平行に形成されたオリエンテーシヨン・ファゼットに
対して相対的に垂直もしくは平行に配設してなる請求項
１記載の静電式リレー。
（３）上記シリコン単結晶ウェハの上面に可動片の形状
規定用のマスクパターンを形成し、下面に可動片の厚さ
規定用のマスクパターンを形成して、上記上下面に対す
る交互のエッチングにより上記ウェハに対して薄肉の可
動片を形成してなる請求項１または２記載の静電式リレ
ー。
（４）上記可動片の基端側枢支部にエッチングによる薄
肉部もしくは凹部を形成してなる請求項１，２また３記
載の静電式リレー。
（５）上記可動片の先端側の両角部に対応して可動接点
層に切欠部をそれぞれ形成した請求項１，２または３記
載の静電式リレー。
（６）上記可動片の先端部に上下両方向からの面取り部
を形成した請求項１，２または３記載の静電式リレー。
（７）上記可動片の側面に該可動片の先端より先方へ延
出する可動接点層固着用の腕片を一体形成した請求項１
，２または３記載の静電式リレー。
（８）上記基板上に周辺部と段差のある凹入部を形成し
、この凹入部の底面を主面とし、上記周辺部をスペーサ
手段として設定した請求項１記載の静電式リレー。
（９）上記シリコン単結晶ウェハから可動片が形成され
た際の上記可動片を取り囲む枠部を、該可動片の枢支部
で切り離してなる請求項２記載の静電式リレー。
（１０）多数の可動片が形成されたシリコン単結晶ウェ
アを上記基板と接合し、上記各可動片を含む部位毎に分
割可能に構成した請求項２記載の静電式リレー。