JPH08287809A - マイクロリレー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】安定な接触状態を得ることにより、接触信頼性
が良く、更に十分な開閉寿命も期待でき、しかも小型化
が図れるマイクロリレーを提供するにある。 【構成】上、下部の固定片１、３の間に挟持される可動
片２も可動電極６を形成せるシリコン単結晶ウェハから
なり可動電極４が移動可能に支持されている。可動電極
４に設けられる可動接点６は可動片２の基材であるシリ
コン単結晶ウェハを異方性及び等方性エッチングして形
成した凸部１０６上に上記絶縁膜１４を介して形成さ
れ、可動電極４の凹部により固定片１、３が可動片２の
上下に接合されるだけで、接点間ギャップを設けること
ができるようになっている。 【効果】可動片２に絶縁膜１４を介して凸部１０６上に
形成した可動接点６とと平面状の固定接点１２又は１９
とが接触することにより、安定な接触状態を得ることが
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、静電力によって駆動さ
れる静電駆動型のマイクロリレーに関するも

【０００２】のである。

【従来の技術】従来の静電型駆動リレーの公知例として
は特公昭５５−１５０６０号、特開平２−１００２２４
号に示されるものがあり、前者のものは図１９に示すよ
うに並行配設した固定電極４０、４０の間にエレクトレ
ットを形成した可動片４１を配置した構成となってい
る。また後者のものは図２０に示すように固定片を構成
する基板４３上に固定電極４０を形成し、この固定電極
４０の上方に並行するように可動片４１を配置した構成
となっている。何れの構成においても可動片４１、固定
電極４０の何れも平板上に接点が形成されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】何れの従来例も可動片
４１の支持端部を中心に先端部は撓む。よってその可動
片４１の先端に形成された可動接点４４は基板４３の固
定接点４５とある角度にて接触するにもかかわらず、接
点も平板状に形成されているため、安定な接触状態が得
られず、接触信頼性が悪いという問題があった。更に後
者の場合では、微細加工を用いて小型化を図ろうとして
いるが、接点そのものも薄膜となり、磨耗等の点で十分
な開閉寿命が得られないという問題があった。

【０００４】本発明は上記問題点を解決するために為さ
れたもので、安定な接触状態を得ることにより、接触信
頼性が高く、更に十分な開閉寿命も期待でき、しかも小
型化が図れるマイクロリレーを提供するにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項１の発明では、固定吸引面を形成せるシリコン
ウェハからなる固定片と、可動吸引面を形成せるシリコ
ンウェハからなり、上記可動吸引面が移動可能に支持さ
れた可動片とで構成さ、可動片と固定片とに可動片の移
動により互いに接離する接点を設け、いずれかの接点は
凸部が形成されたシリコンウェハ上に絶縁層を介して形
成したものである。

【０００６】請求項２の発明では、請求項１の発明にお
いて、上記シリコンウェハーの凸部の先端を曲面とした
ものである。請求項３の発明では、請求項１の発明にお
いて、上記凸部を可動片側に形成したものである。請求
項４の発明では、請求項１の発明において、上記接点を
厚膜金属にて形成したものである。

【０００７】

【作用】請求項１の発明によれば、固定吸引面を形成せ
るシリコンウェハからなる固定片と、可動吸引面を形成
せるシリコンウェハからなり、上記可動吸引面が移動可
能に支持された可動片とで構成さ、可動片と固定片とに
可動片の移動により互いに接離する接点を設け、いずれ
かの接点は凸部が形成されたシリコンウェハ上に絶縁層
を介して形成したので、凸状の接点と平面状の接点とが
接触することにより、安定な接触状態を得ることができ
る。

【０００８】しかも可動片、固定片ともシリコンウェハ
で作っているため、一つのウェハ上に多数個同時に製作
することもでき、そのため量産性が向上し、その結果安
価に製作することができ、しかも接合する可動片、固定
片が同一材料であるので、熱膨張係数が同じで、バイメ
タルのような動きはなく、温度変化に対しても安定であ
り、また固定片がシリコンウェハよりなるため放電回
路、昇圧回路等の駆動回路をシリコンウェハ上に形成す
ることが可能となり、そのため外部に駆動装置を設ける
必要が無くなる。

【０００９】請求項２の発明によれば、請求項１の発明
において、上記シリコンウェハの凸部の先端を曲面とし
たので、滑らかな曲面状の接点と平面状の接点との接触
により一層接点同士の接触を安定な状態にすることがで
きる。請求項３の発明によれば、請求項１の発明におい
て、上記凸部を可動片側に形成したので、可動片の接点
を固定片の接点より小さくすることができ、そのため可
動片の小型化、軽量化を図ることができる。

【００１０】請求項４の発明によれば、請求項１の発明
において、上記接点を厚膜金属にて形成したので、耐久
性のある接点を形成することができる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。 （実施例１）本実施例は、図１、図２に示すように上部
固定片１と、可動片２と、下部固定片３とで構成され、
上下の固定片１、３間に可動片２をサンドイッチ状に挟
持する構造となっている。

【００１２】可動片２は、図３に示すようにシリコン単
結晶ウェハを基材とするもので、可動電極４、固定接点
端子５、可動接点６、固定片接合用金属薄膜層７、電極
端子８等を形成している。可動電極４は可動片２の周辺
部より異方性エッチング等により、上下から凹部に加工
されてもので、外周はコの字状にエッチングされて可動
片２と切り離され、その一端が可動片４と一体につなが
った支持端部９となっており、可動電極４は上記支持端
部９を中心に回転（揺動）する。

【００１３】よって可動電極４は、後述する上下の固定
片１、３の固定電極１０、１１に対して移動する。また
下部固定片３の固定接点１９から電気信号を取り出せる
ように可動片２の隅には切欠１３も設けられている。可
動接点６は、異方性及び等方性エッチングにより形成さ
れた凸部１０６上に上記絶縁膜１４を介して形成され、
可動電極４の凹部により、二つの固定片１、３が可動片
２の上下に接合されるだけで、接点間ギャップを設ける
ことができるようになっている。また上記金属薄膜層７
及び固定接点端子５も上記絶縁膜１４上に形成されたも
ので、金属薄膜層７は金或いは金合金層からなり、可動
片２の基材であるシリコン単結晶ウェハに接続されてい
る。

【００１４】上、下固定片１、３は可動片２と同様にシ
リコン単結晶ウェハを基材とするもので、図４、図５に
示すように絶縁膜１５、１６上に固定電極１０、１１、
エレクトレット１７、１８はコンタクト２１、２２によ
り接続されている。尚２３は上部固定片１の電極端子で
ある。可動片２の上、下面に設けた上記固定接点端子５
は上記上、下固定片１、３の固定接点１２、１９に接続
される固定接点端子である。

【００１５】而して、これら可動片２、上下の固定片
１、３の接合用金属薄膜層７と２５及び２６とが合わさ
るように接触させて、適当な圧力を加えながら加熱する
と接合用金属薄膜層７、２５、２６が互いに基材のシリ
コンとともに共晶化して、図１に示すように機械的に
も、電気的にも接続されることになる。ここで可動電極
４の支持端部９から略中央部に亘って対向する固定片
１、３の固定電極１０、１１の部位が、可動電極４の略
中央部から自由端に亘って対向する固定電極１０、１１
の部位に比べて可動電極４との空隙が小さくなるように
可動電極４の中間部から支持端部９に対向する固定電極
１０、１１の部位表面が可動電極４側へ突出する如く固
定電極１０、１１の表面に段差２７、２８を夫々形成し
ている。

【００１６】而して本実施例では上部固定片１のエレク
トレット１７の可動電極４に面している表面がプラス、
下部固定片３のエレクトレット１８の可動電極４に面し
ている表面がマイナスとなるように永久分極している。
そして両エレクトレット１７、１８の電荷量の絶対値が
同じ時の電極間距離と静電力（可動電極４にかかるトル
ク）及びバネ負荷との関係を図６に示す。ただし静電力
とバネ負荷によるトルクは逆向きに作用するが、図６で
は同じ向きとして示している。尚図６中イはバネ負荷力
を、ロは印加電圧が０Ｖの時の静電力を、ハは可動電極
４にプラス電圧を印加した時の静電力を、ニは可動電極
４にマイナス電圧を印加した時の静電力を夫々示す。

【００１７】さて本実施例のマイクロリレーは、固定電
極１０、１１と可動電極４の電位が同電位の場合、固定
電極１０、１１と可動電極４が平行になっている中立位
置では二つのエレクトレット１７、１８により発生する
静電力は同じ大きさで、可動電極４に働くトルクは０で
ある。可動電極４が上部エレクトレット１７側に傾く
と、上部エレクトレット１７により発生する静電力が大
きいので、可動電極４には、上部エレクトレット１７側
に傾こうとするトルクが発生する。逆に可動電極４が下
部エレクトレット１８側に傾くと、下部エレクトレット
１８により発生する静電力が大きいので、可動電極４に
は、下部エレクトレット１８側に傾こうとするトルクが
発生する。

【００１８】さて可動電極４に電極端子８、２３を用い
てプラスの電圧を印加した場合、上部エレクトレット１
７と可動電極４には反発力、下部エレクトレット１８と
可動電極４には吸引力が発生するため、可動電極４に下
部エレクトレット１８側に傾こうとするトルクが発生す
る。この場合、反発力、吸引力の両者が同じ向きのトル
クに寄与するので非常に大きな接点圧を得ることができ
る。逆に可動電極４にマイナスの電圧を印加した場合、
上部エレクトレット１７と可動電極４には吸引力、下部
エレクトレット１８と可動電極４には反発力が発生する
ため可動電極４に上部エレクトレット１７側に傾こうと
するトルクが発生する。

【００１９】また可動電極４のバネ力が中立位置では
０、どちらかのエレクトレット１７又は１８側に可動電
極４が傾いている時、中立位置へ戻ろうとするトルクが
働く。即ち、静電力とバネ力は互いに逆向きにかかるこ
とになる。図６において可動電極４に電圧が印加されて
いない状態で、可動電極４がどちらかのエレクトレット
１７又は１８に傾いている時、静電力の方がバネ力より
大きくなるように設定すると、可動電極４はその位置を
保持して、中立位置へは戻らない。即ち二つの安定状態
を持つ。

【００２０】例えば、最初、上部エレクトレット１７側
に傾いた状態から、可動電極４にプラスの電圧を印加し
た場合、上部エレクトレット１７への吸着力が弱くな
り、下部エレクトレット１８側に回転（揺動）して保持
される。この状態で可動電極４への印加電圧を０にして
も、その状態を保持する。逆に可動電極４へマイナスの
電圧を印加した場合、逆の動作をする。つまりラッチン
グ動作が可能になる。

【００２１】二つのエレクトレット１７、１８の帯電量
の絶対値が異なる場合の動作を図７に示す。この図示例
ではエレクトレット１７のプラスの帯電量の方が大きく
なるようにしている。可動電極４に電圧を印加していな
い状態では上部からの吸引力の方が大きくなるため、上
部に傾いた状態で安定している。そして可動電極４にプ
ラスの電圧を印加した時は下部からの吸引力が強くなり
可動電極４には下部へ傾こうとするトルクが働き接点部
を閉じた状態で安定する。そして印加電圧を取り除くと
バネの復元力の方が優るため、中立位置へ戻り、上部の
吸引力によって再び元の位置へ戻る。図７中イはバネ負
荷力、ロは印加電圧が０のときの静電力、ハは可動電極
４にプラス電圧を印加した時の静電力を示す。

【００２２】以上により二つのエレクトレット１７、１
８の帯電量のバランスを変えることによってラッチング
動作、シングル動作の両方を可能にする。また可動電極
４の支持端部９から略中央部に亘って対向する固定電極
１０、１１との間の空隙が可動電極４の自由端側と固定
電極１０、１１との間の空隙に比べて段差２７、２８に
より小さくなり、しかもエレクトレット１７、１８によ
る可動電極４に及ぼす静電力と外部印加電圧による静電
力を重ねた力を利用することとにより、大きな静電力が
得られて、接点圧が大きくとれる。

【００２３】尚本実施例では上述のように構成している
ので、固定片１、３、可動片２が多数個形成された３枚
のシリコンウェハを先に接合してから切り出すことが可
能なり、生産効率が向上する。さらに固定片１、３に、
ウェハ内に高密度ドーピング層からなる固定電極１０、
１１を形成したり、トランジスタ、ダイオード、抵抗素
子、コンデンサ等で構成される静電駆動回路用ＩＣを形
成しても良く、駆動回路を一体形成した場合、外部に駆
動回路を設ける必要がなくなる。

【００２４】本実施例のような静電リレーからなるマイ
クロリレーを動作させる場合印加電圧は数十Ｖの電圧が
必要だが昇圧回路を固定片１、３に形成しておくと入力
は数Ｖで動作する。内可動片２は図８に示す工程で形成
される。つまり図８（ａ）に示すように表面にＳｉＯか
らなる絶縁膜１４を形成したシリコンウェハ３１の上面
に同図（ｂ）に示すように異方性エッチングによって凹
部３２ａ及び凸部１０６を形成し、更に同図（ｃ）に示
すように絶縁膜１４及び金属薄膜１０５を形成して、そ
の上にレジスト３３をパターニングする。メッキ法等に
よりレジスト３３が付いていない部分、即ち可動接点６
を厚膜化する（同図（ｄ））。この後レジスト３３を除
去し、金属薄膜１０５をエッチングし、固定片接続用金
属薄膜片７、固定接点端子５を形成した後、絶縁膜１４
をパターニングする（同図（ｅ））。この後エッチング
によって可動電極４の周囲をコ状に切離し、この切離し
後レジスト３３を除去すれば、可動電極４等を形成した
可動片２が得られることになる（同図（ｆ））。

【００２５】また上部固定片１は図９に示す工程で形成
される。つまり図９（ａ）に示すように表面にＳｉＯか
らなる絶縁膜１５を形成したシリコンウェハ３１の下面
に異方性エッチングによって段差２７を形成し（同図
（ｂ））、しかる後にコンタクト２１を形成し、更に下
面に絶縁膜１５上にＡｕによって固定電極１０、固定接
点１２、金属薄膜層２５を同図（ｃ）に示すように形成
し、更にエレクトレット１７を同図（ｄ）に示すように
形成し、固定電極１０を絶縁膜１５で覆って同図（ｅ）
のように上部固定片１が得られることになる。

【００２６】下部固定片３は図１０に示す工程で形成さ
れる。つまり図１０（ａ）に示すように表面にＳｉＯか
らなる絶縁膜１６を形成したシリコンウェハ３１の上面
に異方性エッチングによって段差２８を形成し（同図
（ｂ））、しかる後にコンタクト２２を形成し、更に上
面の絶縁膜１６上にＡｕによって固定電極１１、固定接
点１９、金属薄膜層２６を同図（ｃ）に示すように形成
し、更にエレクトレット１８を同図（ｄ）に示すように
形成し、固定電極１１を別の絶縁膜１６’で覆って同図
（ｅ）のように下部固定片３が得られることになる。

【００２７】（実施例２）上記実施例１では、可動接点
６の下地のシリコンウェハ３１に凸部１０６を形成し
て、可動接点６の形状を曲面としていうが、本実施例で
は、図１４、図１５に示すように固定接点１２の下地の
シリコンウェハに凸部１１６を形成し、固定接点１２の
形状を曲面にしたものである。

【００２８】尚凸部１１６以外の構成は実施例１と同じ
であるため、実施例１と同じ構成部位には同じ番号を付
している。また本実施例の動作や、特性も実施例１と同
様でであるため、動作説明は省略する。また可動片６、
固定片１、３は図１６乃至図１８に夫々示す工程で形成
されるが、固定片１、３の形成工程では凸部１１６を異
方性及び等方性エッチングで形成する工程（図１６の
（ａ）乃至（ｄ））がある点で実施例１と異なり、可動
片２の形成では実施例１における凸部１０６を形成する
工程が無くなっている点で相違するが、その他は同じで
あるため説明は省略する。

【００２９】

【発明の効果】請求項１の発明は、固定吸引面を形成せ
るシリコンウェハからなる固定片と、可動吸引面を形成
せるシリコンウェハからなり、上記可動吸引面が移動可
能に支持された可動片とで構成さ、可動片と固定片とに
可動片の移動により互いに接離する接点を設け、いずれ
かの接点を凸部が形成されたシリコンウェハ上に絶縁層
を介して形成したので、凸状の接点と平面状の接点とが
接触することにより、安定な接触状態を得ることがで
き、そのため接触信頼性が高く、更に十分な開閉寿命も
期待できるという効果がある。

【００３０】しかも可動片、固定片ともシリコンウェハ
で作っているため、一つのウェハ上に多数個同時に製作
することもでき、そのため量産性が向上し、その結果安
価に製作することができ、しかも接合する可動片、固定
片が同一材料であるので、熱膨張係数が同じで、バイメ
タルのような動きはなく、温度変化に対しても安定であ
り、また固定片がシリコンウェハよりなるため放電回
路、昇圧回路等の駆動回路をシリコンウェハ上に形成す
ることが可能となり、そのため外部に駆動装置を設ける
必要が無くなるという効果がある。

【００３１】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、上記シリコンウェハの凸部の先端を曲面としたの
で、滑らかな曲面状の接点と平面状の接点との接触によ
り一層安定な状態にすることができるという効果があ
る。請求項３の発明は、請求項１の発明において、上記
凸部を可動片側に形成したので、可動片の接点を固定片
の接点より小さくすることができ、そのため可動片の小
型化、軽量化を図ることができるという効果がある。

【００３２】請求項４の発明は、請求項１の発明におい
て、上記接点を厚膜金属にて形成したので、耐久性のあ
る接点を形成することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明は実施例１の断面図である。

【図２】同上の分解斜視図である。

【図３】同上の可動片の上面図である。

【図４】同上の上部固定片の下面図である。

【図５】同上の下部固定片の上面図である。

【図６】同上の動作説明用の接点間距離と静電力及びバ
ネ負荷の関係動作特性図である。

【図７】同上の別の動作説明用の接点間距離と静電力及
びバネ負荷の関係動作特性図である。

【図８】同上の可動片の形成工程説明図である。

【図９】同上の上部固定片の形成工程説明図である。

【図１０】同上の下部固定片の形成工程説明図である。

【図１１】本発明は実施例１の断面図である。

【図１２】同上の分解斜視図である。

【図１３】同上の可動片の上面図である。

【図１４】同上の上部固定片の下面図である。

【図１５】同上の下部固定片の上面図である。

【図１６】同上の可動片の形成工程説明図である。

【図１７】同上の上部固定片の形成工程説明図である。

【図１８】同上の下部固定片の形成工程説明図である。

【図１９】従来例の構成図である。

【図２０】別の従来例の構成図である。

【符号の説明】

１ 上部固定片 ２ 可動片 ３ 下部固定片 ４ 可動電極 ６ 可動接点 ９ 可動接点 １２ 固定接点 １４ 絶縁膜 １９ 固定接点 １０６ 凸部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固定吸引面を形成せるシリコンウェハから
   なる固定片と、可動吸引面を形成せるシリコンウェハか
   らなり、上記可動吸引面が移動可能に支持された可動片
   とで構成さ、可動片と固定片とに可動片の移動により互
   いに接離する接点を設け、いずれかの接点は凸部が形成
   されたシリコンウェハ上に絶縁層を介して形成したこと
   を特徴とするマイクロリレー。
2. 【請求項２】上記シリコンウェハーの凸部の先端を曲面
   としたことを特徴とする請求項１記載のマイクロリレ
   ー。
3. 【請求項３】上記凸部を可動片側に形成したことを特徴
   とする請求項１記載のマイクロリレー。
4. 【請求項４】上記接点を厚膜金属にて形成したことを特
   徴とする請求項１記載のマイクロリレー。