專利名稱：靜電微型繼電器、無線電器件和測量器件及觸點切換方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種根據在電極之間產生的靜電吸引力通過驅動切換信號線的靜電微型繼電器、使用該靜電微型繼電器的一種無線電器件和一種測量器件、及一種觸點切換方法發(fā)明背景按常規(guī)，作為靜電微型繼電器，例如，公開在日本專利申請公開No.2000-164104和2000-113792中的那些已經是已知的。
在前者中，一個電壓施加在電極之間以產生驅動一個可動基片的靜電吸引力，從而使一個可動觸點與一個固定觸點相接觸，允許提供在固定基片上信號線彼此并聯地電氣連接。在可動基片中，縫隙形成在可動觸點的兩側，并且突出部分形成在下表面上在四個位置處，由此增大觸點打開/分離力。
在后者中，一個可動基片彈性地支撐在一個固定基片上在兩部分處，從而信號線形成在固定基片上，以便對準相同的信號線，并且布置在兩側的固定電極通常用作高頻GND電極。
然而，在前一種器件的情況下，由于信號線彼此并聯地提供，所以不適用于高頻信號的切換。突出部分在閉合觸點之前鄰接在一個相對基片上；然而，不能說，為了增大操作特性該位置是最適當的位置。
相反，盡管后者適用于高頻信號的切換，但沒有考慮到為了增大觸點打開/分離力的突出部分的結構等。即使當簡單地采用上述突出部分時，也難以得到希望的操作特性，除非不指定用來提供突出部分的最適當位置。
本發(fā)明的公開因而，本發(fā)明已經設計成解決上述問題，并且其一個目的在于提供一種靜電微型繼電器，具有容易以低成本制造的簡單和小尺寸結構，并且提供一個適當觸點打開/分離力；使用該靜電微型繼電器的一種無線電器件和一種測量器件；及一種觸點切換方法。
為了實現上述目的，一種靜電微型繼電器根據在把一個電壓施加在一個形成在一個固定基片上的固定電極、與形成在經一個梁部分支撐在固定基片上的可動基片上的可動電極之間的情況下產生的靜電吸引力，驅動一個可動基片，并且電氣切換形成在固定基片上的一個固定觸點、和形成在可動基片上的一個可動觸點，在該靜電微型繼電器中，一個凸塊提供在固定基片或可動基片的至少一個上，并且凸塊提供在這樣一個位置處當在固定電極與可動電極之間施加電壓而不提供凸塊時，固定觸點與可動觸點相接觸，并且然后固定基片和可動基片彼此鄰接。
借用于這種布置，盡管這種器件具有一種適用于切換高頻信號的結構，但按照靜電吸引力的變化能把觸點打開/分離力切換到兩步。更具體地說，在具有弱靜電吸引力的范圍內，不允許突出部分鄰接在相對基片上，從而可動基片按照靜電吸引力容易地變形。相反，在具有一個強靜電吸引力的范圍內，允許突出部分鄰接在相對基片上，從而可動基片具有一個較大的彈性力。況且，凸塊提供在這樣一個位置處當在固定電極與可動電極之間施加電壓而不提供凸塊時，固定觸點與可動觸點相接觸，并且然后固定基片和可動基片彼此鄰接。因此，在可動觸點側的可動基片的彈性力對于一條靜電吸引力曲線能在最適當的位置處變化，由此使得有可能改進觸點打開/分離性能。
最好，如果另一個凸塊布置在這樣一個位置處在把電壓施加在固定電極與可動電極之間時，在固定基片或可動基片的至少一個與凸塊進入接觸之后，所述固定電極和可動電極彼此鄰接，則每當突出部分鄰接在相對基片上時，在可動觸點側的彈性力變得大得能夠與靜電吸引力曲線一道承受，由此得到適當的觸點打開/分離力。
突出部分應該由一種絕緣材料制成。
況且，最好，如果所述固定電極或所述可動電極都不布置在一個位置上，該位置鄰接在與提供有所述突出部分的一個基片不同的所述固定基片或所述可動基片的所述突出部分上，則有機物質不會聯接在突出部分與相對電極之間，由此根據在長時間上的設計得到一種適當的操作特性。
注意，具有上述結構的靜電微型繼電器適用于切換在用來處理高頻信號的設備，如無線電器件、測量器件等，中的觸點切換。
附圖的簡要描述

圖1是按照一個第一實施例的一種靜電微型繼電器的組裝立體圖；圖2是圖1的分解立體圖；圖3是立體圖，表示一種其中表示在圖2中的一個可動基片從相對側看到的狀態(tài)；圖4是剖視圖，表示圖1中所示的靜電微型繼電器的處理順序；圖5是示意圖，表示圖1中所示的靜電微型繼電器的一種操作狀態(tài)；圖6是曲線圖，表示間隙尺寸和在固定基片與可動基片之間的靜電吸引力及可動基片的彈性力中的關系；圖7是方塊圖，表示一種其中圖1的靜電微型繼電器采用在無線電器件中的狀態(tài)；圖8是方塊圖，表示一種其中圖1的靜電微型繼電器采用在測量器件中的狀態(tài)；圖9(a)和圖9(b)分別是按照另一個實施例的一種靜電微型繼電器的平面圖和剖視圖；及圖10(a)和圖10(b)分別是按照另一個實施例的一種靜電微型繼電器的平面圖和剖視圖。
用來實現本發(fā)明的最好模式下面參照附圖將描述根據本發(fā)明的實施例。
圖1和2表示根據本發(fā)明的一種靜電微型繼電器。這種靜電微型繼電器具有一種其中一個可動基片2提供在一個固定基片1的上表面上的配置。
固定基片具有一種其中一個固定電極4和信號線5a、5b形成在一個玻璃基片3的上表面上的配置。固定電極4的表面涂有一層絕緣膜6。信號線5a、5b沿相同的直線布置，并且具有在玻璃基片3的中心上以一個預定間隙彼此相鄰的固定觸點7a、7b。信號線5a、5b分別連接到連接墊8a、8b上。況且，一個連接墊8c通過一個布線圖案9a形成在信號線5b側?？蓜踊?的一個可動電極12電氣連接到布線圖案9a和連接墊8c上。一個電壓施加連接墊8d和一個連接到GND上的連接墊8e形成在固定電極4上。當高頻信號經信號線5a、5b傳輸時，連接墊8e具有防止信號泄漏的功能。
如圖3中所示，可動基片2具有一種可動電極12由從一個支撐部分10延伸的兩個第一梁部分11均勻支撐的配置，支撐部分10在側向在固定基片1的上表面上選擇?？蓜与姌O12經提供在固定基片1的上表面上的第一梁部分11、支撐部分11、及印刷布線9a電氣連接到連接墊8c上。一個觸點底座14由一對第二梁部分13彈性支撐在可動電極12的中心中。一個可動觸點16穿過絕緣膜15提供在觸點底座14的下表面上。可動觸點16與固定觸點7接觸和分離，以切換信號線5a、5b。況且，突出部分17分別形成在可動電極12的下表面上，在與其上對中的可動觸點16彼此點對稱的位置處。更具體地說，突出部分17提供在這樣一個位置上當在固定電極4與可動電極12之間施加一個電壓沒有提供突出部分17時，固定觸點7與可動觸點16接觸，并且然后固定電極4和可動電極12彼此鄰接。因而，當施加一個靜電吸引力，并且可動基片2收縮時，突出部分17總是在觸點閉合之前鄰接在固定基片1上。然后，把接觸和接觸力生成減小之后的打開/分離力的增大速率設置到一個最優(yōu)狀態(tài)。況且，突出部分17這樣形成，從而在可動電極12與固定電極4之間的方向不大于在分離固定基片1與在鄰接固定基片1時的可動其片2之間的間隙的1/3。借助于這種布置，靜電吸引力在當突出部分17鄰接在固定基片1時的時刻，靜電吸引力迅速變大，由此允許可動電極12可靠地吸合到固定電極4上。
這里，突出部分17與其它部分(可動電極12)相比靠近相對固定電極4。因此，靜電吸引力變大，從而電場集中。這里，當在邊緣區(qū)域上有外來物時，外來物由具有集中電場的突出部分17吸引，并且附著到其上。在這種情況下，突出部分17的高度可能改變，由此引起操作特性的不穩(wěn)定性。因此，如圖2中所示，從其已經除去固定電極4的非電極部分18形成在相對著突出部分17的部分處。然而，當突出部分17由諸如氧化物膜之類的絕緣材料形成時，不必要求非電極段18，因為抑制產生的靜電吸引力。況且，在當突出部分17形成以具有半柱形狀時的情況下，變得有可能抑制電場集中，并因此提供一種較不可能吸引外來物的結構。
其次，將描述一種用于具有上述配置的靜電微型繼電器MR的制造方法。
首先，如圖4(b)中所示，一個固定電極4和固定觸點7a、7b(這里僅表示7a形成在一個玻璃基片3上，玻璃基片3由PYREX等制成，如圖4(a)中所示。同時，未表示在圖4中的一個印刷布線9a、一個連接墊8a等形成在其上。然后，一個絕緣膜6形成在固定電極4上，從而完成圖4(c)中所示的固定基片1。這里，作為絕緣膜6，可以使用具有3至6介電常數的氧化硅膜或具有7至8介電常數的氮化硅膜；因而，變得有可能得到一種較大靜電吸引力，并因此增大接觸力。
這里，如圖4(d)中所示，為了在由以如下順序從頂部疊置的一個硅層101、一個氧化硅層102、及一個硅層103制成的SOI晶片的下表面上形成一個觸點對觸點間隙，例如，執(zhí)行一個濕蝕刻過程，把具有氧化硅膜的TMAH用作掩模，從而如圖4(e)中所示，形成向下突出的支撐部分10和突出部分17。然后，如圖4(f)所示，在提供一個絕緣膜15之后，形成一個可動觸點16。
其次，如圖4(g)中所示，上述SOI晶片100經一個陽極接合過程整體接合到固定基片1上。而且，如圖4(h)中所示，SOI晶片100的上表面經受使用諸如TMAH、KOH等之類的堿性蝕刻溶液的蝕刻過程，深到是氧化物膜的氧化硅層102以使它更薄。況且，氧化硅層102由氟基蝕刻溶液除去，從而露出硅層103，即可動電極12，如圖4(i)中所示。然后，通過使用RIE等干蝕刻執(zhí)行一個振動蝕刻過程，從而切出第一和第二梁部分11、13，由此完成可動基片2。這里，固定基片1不限于玻璃板3，并且這可以由一個至少其上表面涂有一個絕緣膜6的單晶硅基片形成。
其次，參照圖5的示意圖將描述具有上述配置的靜電微型繼電器MR的操作。
在其中在兩個電極之間不施加電壓并且沒有靜電吸引力產生的狀態(tài)下，如圖5(a)中所示，第一梁部分11不會彈性變形以保持從支撐件10水平延伸的狀態(tài)，從而可動基片2以預定間隙相對著固定基片1。因此，可動觸點16打開，并且與固定觸點7a、7b分離。
這里，當把電壓施加在兩個電極之間以產生靜電吸引力時，第一梁部分11彈性變形，并且可動基片2靠近固定基片1。因而，如圖5(b)中所示，突出部分17鄰接在固定基片1上。如圖6中所示，靜電吸引力往往在電極之間的距離變小時增大。這里，作好準備，從而當突出部分17上向靠近鄰接在固定基片1上時，在兩個電極4和12之間施加的靜電吸引力突然增大。因此，可動基片2也使每個突出部分17的邊緣部分經受部分彈性變形，從而可動電極12吸引粘結到固定電極4上。結果，如圖5(c)中所示，可動觸點16和固定觸點7閉合。在可動觸點16已經鄰接在固定觸點7上之后，除圖5(d)中表示的第一梁部分11之外，第二梁部分13彎曲，從而可動電極12吸引粘結到固定電極4上。因此，由于邊緣可動電極12吸引粘結到固定電極4上，所以可動觸點16經第二梁部分13壓到固定觸點7上。為此原因，沒有不規(guī)則接觸發(fā)生，并且變得有可能改進接觸可靠性。
在這時，假定向上拉動可動電極12的第一和第二梁部分11、13的力是Fs1、Fs2，從突出部分17的接觸到觸點的閉合由每個突出部分邊緣的彈性變形施加的、和向上拉動可動觸點12的一個力是Fs3，經絕緣膜6施加在可動電極12與固定電極4之間的靜電吸引力是Fe，及從絕緣膜6的表面施加的拉力是Fn，這些力具有由如下公式(1)指示的關系；因此，通過適當地設計因數，如第一和第二梁部分11、13的彈簧系數、在可動電極12與固定電極4之間的初始間隙、及觸點的厚度，有可能使Fn、Fs1較小，即減小接觸力(來自最優(yōu)模型)。Fe＝Fs1+Fs2+Fs3+Fn此后，當除去在兩個電極之間的施加電壓時，不僅第一和第二梁部分11、13的彈性力、而且由突出部分17的邊緣變形產生的彈性力，能作為觸點打開/分離力施加。因此，即使當粘結和沉積等施加在觸點之間時，也變得有可能肯定地打開和分離觸點。在觸點已經打開和分離之后，允許可動基片2通過在觸點打開之后高至突出部分17的分離在突出部分17的邊緣上的彈性力、和通過在突出部分17分離之后第一梁部分11的彈性力返回原始位置。
以這種方式，在上述實施例中，由于形成突出部分17，所以變得有可能大大地增大觸點打開/分離力，從而當除去施加電壓時，平穩(wěn)地執(zhí)行可動基片2的操作。
況且，整個可動基片2由一種簡單物質的硅基片形成，并且以橫向點對稱方式或橫截面對稱方式形成。因此，可動電極12對翹曲和扭曲較不敏感，并且有可能有效地防止操作特性的不正確操作和漂移、和也保證平穩(wěn)操作特性。
具有上述配置的靜電微型繼電器MR具有一種用來以很小損失傳輸直流電流高至高頻信號的特性；因此，這能應用于例如圖7中所示的無線電器件110和圖8中所示的測量器件120。在圖7中，靜電微型繼電器MR連接在一個內部電路112和一根天線113之間。在圖8中，靜電微型繼電器MR連接到從一個內部電路121連接到要測量的物體(未表示)上的每根信號的中部。按照這種配置，變得有可能與常規(guī)器件相比，以高精度傳輸信號同時減小至用在內部電路中的放大器等的負載。況且，由于它具有小尺寸和低功耗，所以它有效地應用于電池驅動無線電器件和使用其多個的測量器件。
這里，在上述實施例中，可動基片2由兩個第一梁部分11支撐；然而，這可以由三個或四個梁部分支撐。因而，變得有可能得到具有良好面積效率的靜電微型繼電器。更具體地說，圖9表示其中可動基片2由四個梁部分支撐的布置。在圖9中，結構與圖1中所示的相同，不同之處在于放置四個梁部分11。
況且，上述靜電微型繼電器MR可以具有圖10中所示的配置。換句話說，在該靜電微型繼電器中，支撐部分31由安裝在固定基片30的上表面上的矩形機架件構成。可動基片40由來自支撐部分31的內邊緣的耦合部分32懸臂支撐。一個絕緣膜41形成在可動基片40的下表面上，并且可動觸點42放置在其自由端側。然而，一個突出部分43形成在可動觸點42與連接部分32之間，從而允許可動觸點42在可動觸點42和固定觸點33閉合之前鄰接在固定基片30上。在當突出部分43形成在一個允許可動基片40在觸點閉合之后首先接觸固定基片30的位置處時的情況下，有可能使接觸力更大。而且，當進一步安裝突出部分43時，它最好安裝在其次允許可動基片40鄰接在固定基片30上的一個位置處。
況且，在上述實施例中，可動電極12形成具有一個扁平形狀；然而，一個凹下段可以形成在上表面中以具有薄的結構。因而，即使它具有重量輕的結構，也有可能進一步改進操作和返回速度，同時保持希望的剛性。況且，可以使可動電極12變厚以具有比梁部分大的剛性。借助于這種配置，使所有靜電吸引力用作對于可動電極12的吸力，從而靜電吸引力有效地用來扭曲第一梁部分11或第二梁部分13。
另外，在上述實施例中，突出部分17提供在可動基片2上；然而，這可以提供在固定基片1或基片的每一個上。這里，關于突出部分17，它們的不少于兩對可以放置在觸點與支撐部分10之間。在這種情況下，另一個突出部分17放置在一個其中在首先接觸突出部分17之后固定基片1和可動基片2其次彼此鄰接的位置處。以這種方式，下個突出部分17可以依次形成，從而與其中僅提供突出部分17的一對的情形相比，變得有可能進一步穩(wěn)定接觸力和打開/分離力。
如以上清楚描述的那樣，按照本發(fā)明，有可能提供具有容易以低成本經一個半導體過程制造的簡單和小尺寸結構的靜電微型繼電器。況且，由于信號線布置在相同直線上，并且除去相對可動基片，所以器件施加卓越的高頻特性。由于一個突出部分形成在兩個基片的至少一個上，所以有可能得到在閉合觸點時的希望均勻接觸力，并且也增大觸點打開/分離力。特別是，突出部分提供在這樣一個位置處如果電壓施加在固定電極與可動電極之間而沒有突出部分，則固定基片和可動基片在固定觸和可動觸點之間的接觸之后彼此接觸；因此，在打開觸點時，有可能相對于靜電吸引力曲線施加一個最優(yōu)觸點打開/分離力。
權利要求
1.一種靜電微型繼電器，根據一個靜電吸引力驅動一個可動基片，該靜電吸引力是在把一個電壓施加在一個形成在一個固定基片上的固定電極、與形成在經一個梁部分支撐在所述固定基片上的所述可動基片上的可動電極之間的情況下產生的，并且電氣切換形成在所述固定基片上的一個固定觸點、和形成在所述可動基片上的一個可動觸點，其特征在于一個凸塊提供在所述固定基片或所述可動基片的至少一個上，并且所述凸塊提供在這樣一個位置處當在所述固定電極與所述可動電極之間施加電壓而不提供所述凸塊時，所述固定觸點與所述可動觸點相接觸，并且然后所述固定基片和所述可動基片彼此鄰接。
2.根據權利要求1所述的靜電微型繼電器，其特征在于，另一個凸塊布置在這樣一個位置處當在所述固定電極與所述可動電極之間施加電壓時，在所述固定基片或所述可動基片的至少一個與所述凸塊相接觸之后，所述固定電極和所述可動電極彼此鄰接。
3.根據權利要求1所述的靜電微型繼電器，其特征在于，所述凸塊由一種絕緣材料制成。
4.根據權利要求1所述的靜電微型繼電器，其特征在于，所述固定電極或所述可動電極都不布置在這樣一個位置上，該位置是與提供有所述凸塊的一個基片不同的所述固定基片或所述可動基片上的÷鄰接所述突出部分的一個位置。
5.一種無線電器件，其特征在于，提供根據權利要求1所述的靜電微型繼電器，以便在天線與內部電路之間切換電氣信號。
6.一種測量器件，其特征在于，提供根據權利要求1所述的靜電微型繼電器，以便在要測量的物體與內部電路之間切換電氣信號。
7.一種觸點切換方法，用來根據一個靜電吸引力驅動一個可動基片，該靜電吸引力是在把一個電壓施加在一個形成在一個固定基片上的固定電極、與形成在經一個梁部分支撐在所述固定基片上的所述可動基片上的可動電極之間的情況下產生的，驅動一個可動基片，并且用來電氣切換形成在所述固定基片上的一個固定觸點、和形成在所述可動基片上的一個可動觸點，其特征在于一個凸塊提供在所述固定基片或所述可動基片的至少一個上，所述凸塊布置在一個預定高度在這樣一個位置處當在所述固定電極與所述可動電極之間施加電壓而不提供所述凸塊時，所述固定觸點與所述可動觸點相接觸，并且然后所述固定基片和所述可動基片彼此鄰接，并且當在所述固定電極與所述可動電極之間施加電壓時，所述凸塊鄰接在一個相對基片上，并且然后所述固定觸點與所述可動觸點相接觸。
全文摘要
形成在固定基片上的信號線布置在相同直線上?？蓜踊浱峁┰趦蓚€位置處的梁部分彈性地支撐在固定基片上,這兩個位置關于對中在其上的可動觸點彼此點對稱。至少相對著信號線的部分從可動基片除去?？蓜佑|點彈性支撐在與在其上布置信號線的直線正交并且不面對著信號線的兩個點處。一對突出部分形成在這樣的位置處:在閉合觸點之后,如果一個電壓施加在固定電極與可動電極之間而沒有突出部分,則在固定觸點與可動觸點的接觸之后,以關于其上對中可動觸點的點對稱方式,固定基片和可動基片彼此接觸。這樣,能夠提供這種靜電微型繼電器:具有容易以低成本制造的簡單和小尺寸結構,并且在關于適當觸點打開/分離力的高頻特性方面優(yōu)良。
文檔編號H01H59/00GK1378225SQ02108230
公開日2002年11月6日 申請日期2002年3月27日 優(yōu)先權日2001年3月27日
發(fā)明者積知范 申請人:歐姆龍株式會社