特許 6245562 ＭＥＭＳスイッチ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6245562

(24)【登録日】2017年11月24日

(45)【発行日】2017年12月13日

(54)【発明の名称】ＭＥＭＳスイッチ

(51)【国際特許分類】

   H01H 59/00 20060101AFI20171204BHJP

【ＦＩ】

   H01H59/00

【請求項の数】34

【外国語出願】

【全頁数】33

(21)【出願番号】特願2015-89553(P2015-89553)

(22)【出願日】2015年4月24日

(65)【公開番号】特開2015-211042(P2015-211042A)

(43)【公開日】2015年11月24日

【審査請求日】2015年4月24日

(31)【優先権主張番号】14/262,188

(32)【優先日】2014年4月25日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】515280067

【氏名又は名称】アナログ・デヴァイシズ・グローバル

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(74)【代理人】

【識別番号】100133400

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 達彦

(72)【発明者】

【氏名】パドレイグ エル． フィッツジェラルド

(72)【発明者】

【氏名】ウォン ジョ−エイ

(72)【発明者】

【氏名】レイモンド シー． ゴギン

(72)【発明者】

【氏名】バーナード ピー． ステンソン

(72)【発明者】

【氏名】ポール ラムキン

(72)【発明者】

【氏名】マーク シルマー

【審査官】 関 信之

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−１５２１９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１４６４０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１３／０２４６５８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特表２００５−５３６８５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０２５４３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０４１７３３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｈ ５９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
支持体と、
可動構造と、
制御電極と
を備えるＭＥＭＳ構成要素であって、
前記支持体は、前記基板から延在し、前記支持体は、前記基板に隣接する前記可動構造の一部を保持し、前記可動構造は、前記制御電極と重複し、前記可動構造は、前記支持体から離れた端壁を有し、前記制御電極は、前記可動構造の接点担体部分の領域を除いて、前記端壁を越えて延在する、ＭＥＭＳ構成要素。

【請求項2】

第１のスイッチ接点をさらに備え、前記可動構造は、前記支持体から前記第１のスイッチ接点に向かう第１の方向に延在し、かつ、前記第１のスイッチ接点の上に延在する、請求項１に記載のＭＥＭＳ構成要素。

【請求項3】

前記制御電極は、第２の方向の前記可動構造の端部を超えて前記第２の方向に延在し、前記第２の方向は、前記第１の方向とは異なる、請求項２に記載のＭＥＭＳ構成要素。

【請求項4】

前記接点担体部分が接点を担持し、前記接点担体部分の長さまたは前記接点の高さのうちの一方または両方は、前記制御電極のエッジ近くにトラップされた電荷からの力を閾値未満に減少させるように選択される、請求項１に記載のＭＥＭＳ構成要素。

【請求項5】

前記接点担体および前記接点担体に隣接する前記基板のうちの少なくとも一方は、その中に形成された表面凹部を有する、請求項４に記載のＭＥＭＳ構成要素。

【請求項6】

前記可動構造の第２の部分は、前記支持体から第３の方向に延在し、前記第３の方向は、前記第１の方向に対して実質的に反対であり、前記第２の部分は、第２の制御電極と重複する、請求項２に記載のＭＥＭＳ構成要素。

【請求項7】

使用時、前記第２の制御電極は、前記可動構造の前記第２の部分を引き付け、それによって前記可動構造を付勢して前記第１のスイッチ接点との係合から離すために、電圧に選択的に接続されることが可能である、請求項６に記載のＭＥＭＳ構成要素。

【請求項8】

支持体によって第１の位置に支持された変形可能構造を備えるＭＥＭＳ構成要素であって、前記変形可能構造は、さらなる接触表面と接触し、かつ、制御電極から離れているが、その近くを通過する接点を担持し、前記制御電極と前記変形可能構造との間の電位差が前記変形可能構造に力を与えて変形させ、前記変形可能構造は、前記変形可能構造に発生するピーク応力を制限するように構成されており、前記接点と前記支持体との間の前記変形可能構造の長さは、ピーク応力を制限するように同様の構成要素の長さを超えて増加される、ＭＥＭＳ構成要素。

【請求項9】

前記変形可能構造は、９５ミクロンまたは３０ミクロンの長さを有する、請求項８に記載のＭＥＭＳ構成要素。

【請求項10】

前記変形可能構造の厚みが増加される、請求項８に記載のＭＥＭＳ構成要素。

【請求項11】

前記変形可能構造の幅が不均一である、請求項８に記載のＭＥＭＳ構成要素。

【請求項12】

前記接点の長さは、２００ミクロンと４００ミクロンとの間である、請求項８に記載のＭＥＭＳ構成要素。

【請求項13】

基板と、
支持体と、
可動構造と、
制御電極と
を備えるＭＥＭＳスイッチであって、前記ＭＥＭＳスイッチは、オン状態とオフ状態とを有し、
前記ＭＥＭＳスイッチは、前記可動構造が前記支持体によって前記基板の上に保持され、かつ、前記可動構造が前記制御電極の上に延在するように構成されており、前記可動構造は、前記可動構造上に形成された少なくとも１つの構造を有し、前記オフ状態において、前記可動構造は、前記支持体のみによって前記基板の上方に保持され、前記オン状態において、前記可動構造は、前記可動構造上に形成されたバンパーによって前記制御電極から離間して保持され、かつ、前記制御電極に触れないように構成されている、ＭＥＭＳスイッチ。

【請求項14】

前記バンパーは、前記制御電極の片側に形成されている、請求項１３に記載のＭＥＭＳスイッチ。

【請求項15】

前記バンパーは、前記制御電極と重複する領域内の前記可動構造上に形成されており、開口部が前記制御電極の対応する部分に形成されている、請求項１３に記載のＭＥＭＳスイッチ。

【請求項16】

第１の熱膨張係数を有する基板と、
前記基板から延在する支持体であって、第２の熱膨張係数を有する支持体と
を備えるＭＥＭＳ構成要素であって、
前記ＭＥＭＳ構成要素は、膨張修正構造をさらに備え、前記膨張修正構造は、前記基板と前記支持体との間の界面に形成され、または、前記基板と前記支持体との間の界面に隣接して形成され、前記膨張修正構造は、前記第１の膨張係数よりも大きい第３の膨張係数を有し、前記膨張修正構造は、前記界面付近の前記基板に熱膨張力を与えるように構成されており、これにより、前記界面付近の前記基板の一部の前記第１の膨張係数とは異なる有効な膨張係数をもたらし、前記膨張修正構造は、前記支持体の下部の下に埋め込まれたプレート状またはブロック状の構造を備える、ＭＥＭＳ構成要素。

【請求項17】

前記第３の熱膨張係数は、前記第２の熱膨張係数よりも大きい、請求項１６に記載のＭＥＭＳ構成要素。

【請求項18】

前記膨張修正構造は、前記基板の一部によって前記支持体から隔離されている、請求項１６に記載のＭＥＭＳ構成要素。

【請求項19】

前記膨張修正構造は、前記支持体のエッジを超えて延在する、請求項１６に記載のＭＥＭＳ構成要素。

【請求項20】

前記膨張修正構造は、アルミニウムまたは銅から形成されている、請求項１６に記載のＭＥＭＳ構成要素。

【請求項21】

前記ＭＥＭＳ構成要素は、スイッチであり、スイッチ部材が前記支持体によって支持されている、請求項１６に記載のＭＥＭＳ構成要素。

【請求項22】

第１の熱膨張係数を有する基板と、
前記基板から延在する支持体であって、第２の熱膨張係数を有する支持体と
を備えるＭＥＭＳ構成要素であって、
前記ＭＥＭＳ構成要素は、膨張修正構造をさらに備え、前記膨張修正構造は、前記基板と前記支持体との間の界面に形成され、または、前記基板と前記支持体との間の界面に隣接して形成され、前記膨張修正構造は、前記第１の膨張係数よりも大きい第３の膨張係数を有し、前記膨張修正構造は、前記界面付近の前記基板に熱膨張力を与えるように構成されており、これにより、前記界面付近の前記基板の一部の前記第１の膨張係数とは異なる有効な膨張係数をもたらし、
前記支持体は、前記支持体を複数の直立の要素に分割するように、その中に形成されたスロットを有する、ＭＥＭＳ構成要素。

【請求項23】

前記スロットは、前記支持体を通して延在し、前記支持体を複数の柱に分割する、請求項２２に記載のＭＥＭＳ構成要素。

【請求項24】

前記スイッチ部材は、前記スイッチ部材の長さの一部に沿って配置された複数のスロットを有する、請求項２２に記載のＭＥＭＳ構成要素。

【請求項25】

前記基板と前記支持体との間に与えられる熱応力を減少させるように、前記支持体の下部のエッジに隣接して形成された凹部またはチャネルをさらに備える、請求項１６に記載のＭＥＭＳ構成要素。

【請求項26】

前記基板の凹部の上に配置された片持ち梁または梁として形成された部分を有する第１のスイッチ接点をさらに備え、前記ＭＥＭＳ構成要素がオン状態のとき、前記スイッチ部材は、前記基板に向かってたわむように構成されており、前記ＭＥＭＳ構成要素がオン状態のとき、前記第１のスイッチ接点は、前記スイッチ部材によってその上に与えられる圧力に応じてたわむように構成されている、請求項２１に記載のＭＥＭＳスイッチ。

【請求項27】

支持体を有するＭＥＭＳ構成要素であって、
前記支持体は、基板から上向きに延在し、かつ、前記基板の表面または前記基板に形成された窪みの上に延在する構造を担持し、前記構造は、その中に複数のスロットおよび／または開口部を有するように提供され、
前記ＭＥＭＳ構成要素は、第１のスイッチ接点に向かって前記基板の上に延在する前記構造によって形成されたスイッチ部材を有し、
少なくとも１つの開口および／またはスロットが前記スイッチ部材の中に形成され、前記スイッチ部材のすべての部分は、前記スイッチ部材のエッジまたは前記スイッチ部材の開口部から常に２０ミクロン未満である、ＭＥＭＳ構成要素。

【請求項28】

基板と、
支持体と、
前記支持体によってある位置に支持されたスイッチ部材と
を備えるＭＥＭＳ電気スイッチであって、前記スイッチ部材の一部は、前記支持体から第１のスイッチ接点に向かう第１の方向に延在し、かつ、第１の制御電極の上に延在し、
前記スイッチが閉じているとき、前記スイッチ部材は、前記スイッチ接点と接触しており、
前記ＭＥＭＳスイッチは、前記スイッチ部材の一部に隣接する第２の制御電極をさらに備え、前記第２の制御電極と前記スイッチ部材との間に作用する引力は、前記スイッチ部材を付勢して前記第１のスイッチ接点から離れさせ、前記第１の制御電極および前記第２の制御電極は、前記支持体に対して対向する半円の領域内に位置する、ＭＥＭＳ電気スイッチ。

【請求項29】

前記スイッチ部材は、第２の部分をさらに備え、前記第２の部分は、前記支持体から前記第１の方向と反対の第３の方向に延在し、かつ、前記第２の制御電極の上に延在する、請求項２８に記載のＭＥＭＳ電気スイッチ。

【請求項30】

前記第２の制御電極は、静電保護または過電圧保護デバイスを介して前記第１の制御電極に接続されている、請求項２８に記載のＭＥＭＳ電気スイッチ。

【請求項31】

前記第２の制御電極は、高インピーダンス経路によって前記第１の制御電極に接続されており、前記第２の制御電極の電圧は、前記第１の制御電極の電圧よりも遅れる、請求項２８に記載のＭＥＭＳ電気スイッチ。

【請求項32】

前記第２の制御電極の電圧は、分圧器によって設定された前記第１の制御電極の電圧の分率になる傾向がある、請求項２８に記載のＭＥＭＳ電気スイッチ。

【請求項33】

第１のスイッチ接点と、
第２のスイッチ接点と、
制御電極と、
基板と、
支持体と、
ばねと、
導電要素と
を備えるＭＥＭＳスイッチであって、
前記支持体は、前記第１のスイッチ接点および前記第２のスイッチ接点から離れて形成されており、前記ばねは、前記支持体から前記第１のスイッチ接点および前記第２のスイッチ接点に向かって延在し、かつ、前記導電要素を担持し、前記導電要素は、前記第１の接点および前記第２の接点のうちの少なくとも一方の上に離間して保持され、前記ばねおよび／または前記導電要素は、前記制御電極の近くを通過し、前記導電要素は、金属であり、前記ばねは、前記基板と同じ材料から作られている、ＭＥＭＳスイッチ。

【請求項34】

前記ばねに使用される長さ、幅、厚み、材料のうちの少なくとも１つは、所望の復元力のために選択される、請求項３３に記載のＭＥＭＳスイッチ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、スイッチなどの微小電気機械構成要素の改善に関する。

【背景技術】

【0002】

微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）は、スイッチ、ジャイロスコープ、マイクロホン、歪ゲージ、および多くのセンサ構成要素などの構成要素が、集積回路パッケージ内にこれらの構成要素を組み入れることに対応可能であるように、小規模で形成されることを可能にする。

【0003】

ＭＥＭＳ構成要素は、集積回路の形成で使用されるのと同じプロセスを使用して、シリコンウエハなどの基板上に形成することができる。本開示は、ＭＥＭＳ構成要素、特にＭＥＭＳスイッチの製造における改善を提供する。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0004】

第１の態様では、本明細書は、基板、支持体、可動構造、および制御電極を備えるＭＥＭＳ構成要素を開示する。支持体は、基板から延在し、基板に隣接する可動構造の第１の部分を保持し、可動構造は、制御電極と重複し、この可動構造はエッジによって境界が定められ、制御電極は可動構造のエッジを超えて延在する。

【0005】

可動構造は、支持体から離れて延在してもよい。いくつかの変形例では、可動構造は、支持体に取り付けられて、例えば、片持ち梁または梁を形成するが、他の変形例では、支持体と可動構造との間に中間アーム部が延在してもよい。

【0006】

使用時、制御電極の周囲の静電場は、基板が誘電体を含む場所の基板内に電荷をトラップすることができる。可動構造の端部または側部を超えて制御電極を延在させることにより、全てのトラップされた電荷と可動構造との間の距離が増加する。これは、例えばＭＥＭＳ構成要素がスイッチの場合、スイッチの開離がより確実になる。

【0007】

有利には、可動構造は、支持体に回転可能に載置され、その両側に延在することができる。このような配設はシーソーに類似するが、本明細書の関連では、シーソーの個々の側部が同じ長さである必要はない。このような配設では、支持体のそれぞれの側部は、可動構造の両側を基板に向かって引くことができるように、それぞれの制御電極に関連付けられ得る。一方の側部を引き下げることにより、「シーソー」の他方の側部を持ち上げ、それによってスイッチを能動的に引いて開く能力を提供する。

【0008】

本開示の第２の態様では、支持体によって第１の位置に支持された変形可能構造を備え、変形可能構造が、さらなる接触面と接触する接点を担持し、制御電極から離れているが、その近くを通過する、ＭＥＭＳ構成要素を開示する。制御電極と変形可能構造との間の電位差は、変形可能構造に力を与えてそれを変形させ、この変形可能構造が、変形可能構造内に発生するピーク応力を制限するように修正される。
ピーク応力を制限することにより、構成要素内で受ける力の下で、構成要素で使用されている材料が降伏する危険性が減少する。

【0009】

第３の態様では、基板、支持体、可動構造、および制御電極を備え、可動構造が、基板の上に支持体によって保持されて制御電極の上に延在するように配設される、ＭＥＭＳスイッチを開示する。基板および可動構造のうちの少なくとも一方は、使用時に制御電極から離間して可動構造を保持するように、その上に形成された少なくとも１つの構造を有する。

【0010】

使用時、オーバードライブ電圧または材料の降伏は、可動構造を付勢し、それを制御電極に触れさせるように屈曲させることがある。これを防ぐための少なくとも１つの構造を設けることにより、このような問題がなくなる。

【0011】

第４の態様では、第１の熱膨張係数を有する基板と、構造から延在して第２の熱膨張係数を有する支持体とを含む、ＭＥＭＳ構成要素を開示する。ＭＥＭＳ構成要素は、基板と支持体との間の界面に、またはその近くに形成されて、第１の膨張係数よりも大きい第３の膨張係数を有する膨張修正構造をさらに備え、膨張修正構造は、その界面の付近の基板の第１の係数と異なる第４の膨張係数をシミュレートするために、その界面の付近の基板に熱膨張力を与えるように配設される。

【0012】

熱膨張差は、支持体内に、それを変形させて最終的に支持体に取り付けられた構成要素または要素の向きに影響を与える力を、発生させることがある。膨張修正構造の使用は、このような影響を減少させることができる。

【0013】

第５の態様では、基板から上向きに延在して基板の表面の上に、または基板内に形成された窪みの上に延在する構造を担持する支持体を有し、構造が、構造の下からの材料の化学的除去を促進するために、その中に複数のスロットおよび／または開口部を提供される、ＭＥＭＳ構成要素を開示する。

【0014】

製造中に犠牲材料を除去できないと、構成要素の収量が減少することになる。エッチング剤がデバイスに浸透するための開口部を提供することにより、収量が向上する。

【0015】

第６の態様では、基板、支持体、および支持体によってある位置に支持されたスイッチ部材を備え、スイッチ部材の一部が支持体から離れて第１の方向に第１のスイッチ接点に向かって第１の制御電極の上に延在する、ＭＥＭＳスイッチを開示する。ＭＥＭＳスイッチは、スイッチ部材の一部に隣接する第２の制御電極をさらに備え、第２の制御電極とスイッチ部材との間に作用する引力が、スイッチ部材を付勢して第１のスイッチ接点から離す。

【0016】

スイッチの能動的開閉を提供する制御電極を設けることにより、動作の信頼性が向上する。スイッチが常時閉じているように製造時に応力がスイッチ部材に導入された、または寸法が変えられた常時閉型スイッチでは、第１の制御電極を省略することができ、スイッチは、能動的に駆動されて開くが、第２の制御電極からの制御電圧の除去に応じて閉じる。

【0017】

可動構造またはスイッチ部材は、支持体の対向側に配置された第１および第２の部分を有すると概念上考えることができる。これは、スイッチ部材と第２の制御電極との間の引力が、スイッチ部材と第１の制御電極との間の引力に対して反対に作用することを可能にする。その力の相対的強度は、制御電極の相対的幅、スイッチ部材からのそれらの距離、支持体からのそれらの距離、供給される電圧、またはこれらのパラメータの任意の組合せを制御することによって、変えることができる。

【0018】

いくつかの実施形態では、第２の制御電極は、第２の制御電極への電圧が第１の制御電極への電圧よりも遅れるように、高インピーダンスによって第１の制御電極に接続することができる。電極を接続する大きいインピーダンスと第２の電極のキャパシタンスとがＲＣフィルターを形成する。したがって、制御電圧を第１の電極に印加してスイッチを閉じると、第２の電極が充電を開始し、それによって、保持電圧を第１の制御電極に印加しながら、スイッチを開くには不十分であるように選択された開離力を提供する。第１の電極から駆動信号が除去されると、第２の電極上の電圧が減衰するのにしばらく時間がかかり、この間に第２の制御電極とスイッチ部材との間の引力がスイッチを開き、第１のスイッチ接点への導電性経路が存在しなくなる。

【0019】

第７の態様では、本明細書は、第１のスイッチ接点、第２のスイッチ接点、制御電極、基板、支持体、ばね、および導電要素を備えるＭＥＭＳスイッチをさらに開示する。支持体は、第１および第２のスイッチ接点から離れて形成され、ばねは、支持体から第１および第２のスイッチ接点に向かって延在し、かつ第１および第２の接点の少なくとも一方の上に離間されて保持されるように導電要素を担持し、ばねおよび／または導電要素は、制御電極に隣接して通過する。

【0020】

したがって、導電要素に要求される機械的特性からばねに要求される機械的特性を切り離すことが可能である。

【0021】

２つ以上の様々な態様は、単一の実施形態に組み合わせられて存在してもよい。

【0022】

したがって、例えば、導電要素を担持するばねの使用は、第１の態様の拡張された電極と、および／またはピーク応力を制限する特徴と、および／または第６の態様のシーソー設計と、組み合わせられて存在してもよい。

【0023】

例えば、本願発明は以下の項目を提供する。
（項目１）
基板と、
支持体と、
可動構造と、
制御電極と、を備えるＭＥＭＳ構成要素であって、
前記支持体が前記基板から延在し、前記基板に隣接する前記可動構造の一部を保持し、前記可動構造が前記制御電極と重複し、前記可動構造がエッジによって境界を定められ、前記制御電極が前記可動構造の前記エッジを超えて延在する、ＭＥＭＳ構成要素。
（項目２）
第１のスイッチ接点をさらに備え、前記可動構造が、前記支持体から前記第１のスイッチ接点に向かう第１の方向に、かつ前記第１のスイッチ接点の上に延在する、上記項目に記載のＭＥＭＳ構成要素。
（項目３）
第２の方向の前記制御電極の空間的広がりが前記第２の方向の前記可動構造の前記空間的広がりよりも大きい、上記項目のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ構成要素。
（項目４）
前記可動構造が前記支持体から遠位の端壁を有し、前記制御電極が、前記可動構造の接点担体部分の領域を除いて、前記端壁を越えて延在する、上記項目のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ構成要素。
（項目５）
前記接点担体部分が接点を担持し、前記接点担体部分の長さまたは前記接点の高さのうちの一方または両方が、前記制御電極のエッジ近くにトラップされた電荷からの力を閾値未満に減少させるように選択される、上記項目のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ構成要素。
（項目６）
前記接点担体および前記接点担体に隣接する前記基板のうちの少なくとも一方が、その中に形成された表面凹部を有する、上記項目のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ構成要素。
（項目７）
前記可動構造の第２の部分が前記支持体から第３の方向に延在し、前記第３の方向が前記第１の方向に対して実質的に反対であり、前記第２の部分が第２の制御電極と重複する、上記項目のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ構成要素。
（項目８）
使用時、前記第２の制御電極が、前記可動構造の前記第２の部分を引き付け、それによって前記可動構造を付勢して前記第１のスイッチ接点との係合から離すために、電圧に選択的に接続され得る、上記項目のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ構成要素。
（項目９）
支持体によって第１の位置に支持された変形可能構造を備えるＭＥＭＳ構成要素であって、前記変形可能構造が、さらなる接触表面と接触し、かつ制御電極から離れているが、その近くを通過する接点を担持し、前記制御電極と前記変形可能構造との間の電位差が前記変形可能構造に力を与えて変形させ、前記変形可能構造が前記変形可能構造に発生するピーク応力を制限するように修正される、ＭＥＭＳ構成要素。
（項目１０）
前記長さが増加してピーク応力を制限する、上記項目のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ構成要素。
（項目１１）
前記変形可能構造の厚みが増加する、上記項目のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ構成要素。
（項目１２）
前記変形可能構造の幅が不均一である、上記項目のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ構成要素。
（項目１３）
前記変形可能部材と前記制御電極との間の接触が起こる前に、前記接点の長さが増加してピーク応力を増加させる、上記項目のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ構成要素。
（項目１４）
基板と、
支持体と、
可動構造と、
制御電極と、を備えるＭＥＭＳスイッチであって、
前記可動構造が、前記支持体によって前記基板の上に保持され、かつ前記制御電極の上に延在するように配設され、前記基板および前記可動構造のうちの少なくとも一方が、使用中に前記可動構造を前記制御電極から離間して保持するようにその上に形成された少なくとも１つの構造を有する、ＭＥＭＳスイッチ。
（項目１５）
垂下バンパーまたは支持体が、前記可動構造上に形成され、前記制御電極に触れないように配設される、上記項目に記載のＭＥＭＳスイッチ。
（項目１６）
前記垂下バンパーが前記制御電極の片側に形成される、上記項目のいずれか一項に記載のＭＥＭＳスイッチ。
（項目１７）
前記垂下バンパーが前記制御電極と重複する領域内の前記可動構造上に形成され、開口部が前記制御電極の対応する部分に形成される上記項目のいずれか一項に記載のＭＥＭＳスイッチ。
（項目１８）
前記構造が、前記制御電極と前記可動構造との間に形成された絶縁体を備える、上記項目のいずれか一項に記載のＭＥＭＳスイッチ。
（項目１９）
第１の熱膨張係数を有する基板と、
前記基板から延長し、かつ第２の熱膨張係数を有する支持体と、を備えるＭＥＭＳ構成要素であって、前記基板と前記支持体との間の界面に、またはそれに隣接して形成され、前記第１の膨張係数よりも大きい第３の膨張係数を有し、かつ前記界面付近の前記基板で前記第１の係数とは異なる第４の膨張係数をシミュレートするために前記界面付近の前記基板に熱膨張力を与えるように配設された膨張修正構造をさらに備える、ＭＥＭＳ構成要素。
（項目２０）
前記第３の熱膨張係数が前記第２の熱膨張係数よりも大きい、上記項目のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ構成要素。
（項目２１）
前記膨張修正構造が、前記支持体の下部の下に埋め込まれたプレートまたはブロック状構造を備える、上記項目のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ構成要素。
（項目２２）
前記膨張修正構造が、前記基板の一部によって前記支持体から隔離される、上記項目のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ構成要素。
（項目２３）
前記膨張修正構造が、前記支持体のエッジを超えて延在する、上記項目のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ構成要素。
（項目２４）
前記膨張修正構造が、アルミニウムまたは銅から形成される。上記項目のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ構成要素。
（項目２５）
前記ＭＥＭＳ構成要素がスイッチであり、スイッチ部材が前記支持体によって支持される、上記項目のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ構成要素。
（項目２６）
前記支持体が、前記支持体を複数の直立の要素に分割するように、その中に形成されたスロットを有する、上記項目のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ構成要素。
（項目２７）
前記スロットが、前記支持体を通して延在し、それを複数の柱に分割する、上記項目のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ構成要素。
（項目２８）
前記スイッチ部材が、その長さの一部に沿ってスロットを付けられる、上記項目のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ構成要素。
（項目２９）
前記基板と前記支持体との間に与えられる熱応力を減少させるように、前記支持体の下部のエッジに隣接して形成された凹部またはチャネルをさらに備える、上記項目のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ構成要素。
（項目３０）
空隙の上の片持ち梁または梁として形成された領域を有する第１のスイッチ接点をさらに備え、その結果、前記第１のスイッチ接点が、前記スイッチ部材によってその上に与えられる圧力に応じてたわむことができる、上記項目のいずれか一項に記載のＭＥＭＳスイッチ。
（項目３１）
基板から上向きに延在して、前記基板の表面または前記基板に形成された窪みの上に延在する構造を担持する、支持体を有し、前記構造が、前記構造の下からの材料の化学的除去を促進するように、その中に複数のスロットおよび／または開口部が提供される、ＭＥＭＳ構成要素。
（項目３２）
前記ＭＥＭＳ構成が、第１のスイッチ接点に向かって前記基板の上に延在するスイッチ部材（３２）を有するスイッチであり、少なくとも１つの開口部および／またはスロットが、前記スイッチ部材の一部がエッジまたは開口部から常に２０ミクロン未満であるように、前記スイッチ部材内に形成される、上記項目のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ構成要素。
（項目３３）
基板と、
支持体と、
前記支持体によってある位置に支持されたスイッチ部材と、を備え、その結果、前記スイッチ部材の一部が、前記支持体から第１のスイッチ接点に向かう第１の方向に、かつ第１の制御電極の上に延在する、ＭＥＭＳスイッチであって、前記ＭＥＭＳスイッチが、前記スイッチ部材の一部に隣接する第２の制御電極をさらに備え、その結果、前記第２の制御電極と前記スイッチ部材との間に作用する引力が、前記スイッチ部材を付勢して前記第１のスイッチ接点から離れさせる、ＭＥＭＳスイッチ。
（項目３４）
前記第１および第２の制御電極が、前記支持体に対して対向する半円の領域内に位置する、上記項目のいずれか一項に記載のＭＥＭＳスイッチ。
（項目３５）
前記スイッチ部材が、前記支持体から前記第１の方向と反対の第３の方向に、かつ前記第２の制御電極の上に延在する、第２の部分をさらに備える、上記項目のいずれか一項に記載のＭＥＭＳスイッチ。
（項目３６）
前記第２の制御電極が、静電保護または過電圧保護デバイスを介して前記第１の制御電極に接続される、上記項目のいずれか一項に記載のＭＥＭＳスイッチ。
（項目３７）
前記第２の制御電極が、高インピーダンス経路によって前記第１の制御電極に接続され、その結果、前記第２の制御電極の電圧が第１の制御電極の電圧よりも遅れる、上記項目のいずれか一項に記載のＭＥＭＳスイッチ。
（項目３８）
前記第２の制御電極の電圧が、分圧器によって設定された前記第１の制御電極の電圧の分率になる傾向がある、上記項目のいずれか一項に記載のＭＥＭＳスイッチ。
（項目３９）
第１のスイッチ接点と、
第２のスイッチ接点と、
制御電極と、
基板と、
支持体と、
ばねと、
導電要素と、を備えるＭＥＭＳスイッチであって、
前記支持体が前記第１および第２のスイッチ接点から離れて形成され、前記ばねが前記支持体から前記第１および第２のスイッチ接点に向かって延在して前記導電要素を担持し、その結果、前記導電要素が前記第１および第２の接点のうちの少なくとも一方の上に離間して保持され、前記ばねおよび／または前記導電要素が前記制御電極の近くを通過する、ＭＥＭＳスイッチ。
（項目４０）
前記ばねに使用される長さ、幅、厚み、および材料のうちの少なくとも１つが、所望の復元力のために選択される、上記項目に記載のＭＥＭＳスイッチ。
（項目４１）
前記導電要素の長さ、幅、厚み、および材料のうちの少なくとも１つが、第１の閾値を超える破壊電圧を与えながら、前記第１のスイッチ接点と第２のスイッチ接点との間の距離にわたるように、選択される、上記項目のいずれか一項に記載のＭＥＭＳスイッチ。
（項目４２）
支持体、可動要素、前記可動要素に隣接する制御電極、および前記可動要素と前記支持体との間に延在する捻じりアームを備える、ＭＥＭＳ構成要素。
（項目４３）
前記可動要素の対向側に配置されて、第１および第２のアームによってそこに接続された第１および第２の支持体を備える、上記項目のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ構成要素。
（項目４４）
前記制御電圧に電圧が印加されると、前記アームの回転変位に対して平行な方向に沿って、この前記第１および第２の支持体が互いに整合される、上記項目のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ構成要素。
（項目４５）
前記可動要素が、前記捻じりアームの両側で反対方向に延在し、前記第１の制御電極に電圧を印加すると、前記可動要素を付勢して前記捻じりアームを中心にして第１の方向に回転させ、前記第２の制御電極に電圧を印加すると、前記可動要素を付勢して前記捻じりアームを中心にして前記第１の方向と反対の第２の方向に回転させる、上記項目のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ構成要素。
（項目４６）
前記構成要素がスイッチであり、前記可動要素がスイッチ接点を担持する上記項目のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ構成要素。

【0024】

（摘要）
ＭＥＭＳスイッチが、改善された稼働寿命、およびオン・オフの切り換えに対するよりよい制御を示すように、ＭＥＭＳスイッチの動作性能を改善するいくつかの特徴を開示する。

【図面の簡単な説明】

【0025】

本開示の実施形態を構成するＭＥＭＳ構造は、添付の図面を参照して非限定的な実施例として説明する。

【図1】図１は、ＭＥＭＳスイッチの断面図である。

【図2】図２は、ゲート電極のエッジの周囲の電場を概略的に示す。

【図3】図３は、ゲート電極がスイッチ部材のエッジを超えて延在するＭＥＭＳスイッチの平面図である。

【図4】図４および５は、接点担体の長さおよび垂下接点の長さがゲートとスイッチ部材との間の距離を修正する方法を示す。

【図5】図４および５は、接点担体の長さおよび垂下接点の長さがゲートとスイッチ部材との間の距離を修正する方法を示す。

【図6】図６は、トラップされた電荷の閉成効果を減少させるための別の特徴を示す。

【図7a】図７ａおよび７ｂは、ゲート電極からのスイッチ閉成力を受けるスイッチ部材の縦断面を示す。

【図7b】図７ａおよび７ｂは、ゲート電極からのスイッチ閉成力を受けるスイッチ部材の縦断面を示す。

【図8a】図８ａおよび８ｂは、スイッチ部材の実施形態の平面図を示し、図８ｃは図８ａおよび８ｂのスイッチ部材の側面図を示し、図８ｄは、図８ａおよび８ｂのスイッチ部材内の歪を位置の関数として比較する。

【図8b】図８ａおよび８ｂは、スイッチ部材の実施形態の平面図を示し、図８ｃは図８ａおよび８ｂのスイッチ部材の側面図を示し、図８ｄは、図８ａおよび８ｂのスイッチ部材内の歪を位置の関数として比較する。

【図8c】図８ａおよび８ｂは、スイッチ部材の実施形態の平面図を示し、図８ｃは図８ａおよび８ｂのスイッチ部材の側面図を示し、図８ｄは、図８ａおよび８ｂのスイッチ部材内の歪を位置の関数として比較する。

【図8d】図８ａおよび８ｂは、スイッチ部材の実施形態の平面図を示し、図８ｃは図８ａおよび８ｂのスイッチ部材の側面図を示し、図８ｄは、図８ａおよび８ｂのスイッチ部材内の歪を位置の関数として比較する。

【図9】図９は、スイッチ部材がゲート電極に触れる危険性を減少させるように形成された追加の支持体を有するＭＥＭＳスイッチの実施形態の断面を示す。

【図10】図１０は、図９に示される配設で使用される修正されたゲート電極の平面図である。

【図11】図１１は、長さが９５μｍ、厚みが７μｍ、８μｍ、および９μｍ、垂下チップ長さが２００ｎｍ〜４００ｎｍの片持ち梁型金スイッチ部材において、スイッチ部材がゲートに触れるゲートソース間電圧を示すグラフである。

【図12】図１２は、長さが３０μｍで厚みが８μｍの片持ち梁についての追加のデータを含む図１１に示されるデータの繰り返しである。

【図13】図１３は、ＭＥＭＳスイッチの別の実施形態の断面である。

【図14】図１４は、温度Ｔ１における片持ち梁アンカーの概略図である。

【図15】図１５は、ΔＴの温度変化に伴う図１４の配設への熱膨張の影響を示す。

【図16】図１６は、支持体の下部に隣接して形成された追加の構造を有する実施形態を示す。

【図17】図１７は、図１６に示される配設の修正を示す。

【図18】図１８は、修正された支持体の平面図である。

【図19】図１９は、ＭＥＭＳスイッチの実施形態の斜視図である。

【図20】図２０は、スイッチに追加することができる別の特徴の断面図である。

【図21】図２１は、２つのゲートを有し、閉状態に駆動し、かつ開状態に駆動することができるスイッチの断面である。

【図22】図２２は、ＭＥＭＳスイッチの別の実施形態の斜視表現である。

【図23】図２３は、図２２に示される配設の変型を示す。

【図24】図２４は、ビームが２箇所で支持された実施形態の概略の断面である。

【図25】図２５は、ＭＥＭＳスイッチの別の実施形態の概略の平面図である。

【図26】図２６は、別の実施形態の概略の平面図である。

【図27】図２７は、非対称のビーム設計の概略図を示し、またシーソースイッチの駆動方式のバージョンを示す。

【図28】図２８は、別の非対称シーソースイッチの斜視図を示す。

【図29】図２９は、捻じり支持体を有する実施形態を示す。

【発明を実施するための形態】

【0026】

（いくつかの実施形態の説明）
微小機械加工システム（ＭＥＭＳ）構成要素は、当業者に公知である。このような構成要素の一般的な実施例は、固体ジャイロスコープおよび固体加速度計である。
スイッチもまた、ＭＥＭＳ技術で利用可能である。原則として、ＭＥＭＳスイッチは、長く、信頼性の高い動作寿命を提供するべきである。しかしながら、このようなデバイスは、期待されていた動作寿命を示さない傾向がある。この開示は、ＭＥＭＳスイッチで起こるプロセスの調査および同定に基づく。本明細書の教示は、他のＭＥＭＳデバイスに関連することができる。

【0027】

図１は、全般的に１として示されるＭＥＭＳスイッチの概略図である。スイッチ１は、基板２の上に形成される。基板２は、例えばシリコンなどの半導体である。シリコン基板は、チョクラルスキー法、ＣＺプロセス、またはフロートゾーン法などのプロセスによって形成されるウエハであり得る。ＣＺプロセスは、フロートゾーン法を使用して得られるものよりも物理的に堅牢であるシリコン基板を生じるが、フロートゾーンは、高周波回路での使用により適しているより高い抵抗率を有するシリコンを実現する。

【0028】

シリコン基板は、任意選択的にアンドープポリシリコンの層４によって覆うことができる。ポリシリコンの層４は、キャリアライフタイムキラーとして機能する。これは、ＣＺシリコンの高周波性能を改善することを可能にする。

【0029】

酸化シリコン（一般的にＳｉＯ_２）などである誘電体層６は、基板２および任意のポリシリコン層４の上に形成される。誘電体層６は、２段階で形成することができ、金属層を堆積し、マスク後、エッチングして導体１０、１２、および１４を形成する。次に、誘電体層６の堆積の第２の段階を行うことができ、導体１０、１２、および１４が誘電体層６内に埋め込まれた図１に示される構造を形成する。

【0030】

誘電体層６の表面は、誘電体層６の一部の上に形成された比較的耐摩耗性の導体によって設けられた第１のスイッチ接点２０を有する。第１のスイッチ接点２０は、１つ以上のバイア２２を介して導体１２に接続される。同様に、制御電極２３は、導体１４の上に形成され、１つ以上のバイア２４によってそれに電気的に接続することができる。

【0031】

スイッチ部材３２のための支持体３０も、誘電体層６の上に形成される。支持体３０は、層６の選択された部分の上に堆積した下部領域３４を備え、下部領域３４は導体１０の上に配置される。下部領域３４は、１つ以上のバイア３６を介して導体１０に接続される。

【0032】

典型的なＭＥＭＳスイッチでは、導体１０、１２、および１４は、アルミニウムまたは銅などの金属から作ることができる。バイアは、アルミニウム、銅、タングステン、または任意の他の適切な金属または導電材料から作ることができる。第１のスイッチ接点２０は、任意の適切な金属でよいが、ロジウムが耐摩耗性であるので選択されることが多い。処理を容易にするために、制御電極は、第１のスイッチ接点２０または下部領域３４と同じ材料で作ることができる。下部領域３４は、金などの金属で作ることができる。

【0033】

支持体３０は、例えば、誘電体層６の表面から離れて延在する壁または複数のタワーの形態の少なくとも１つの直立部分４０をさらに備える。

【0034】

スイッチ部材３２は、直立部分４０の最上部から延在する可動構造を形成する。スイッチ部材３２は、典型的には（必ずしもそうではないが）支持体３０から第１のスイッチ接点２０に向かって、方向Ａとして図１に示される第１の方向に延在する片持ち梁として設けられる。スイッチ部材２０の端部４２は、第１のスイッチ接点３２の上に延在し、垂下接点４４を担持する。直立部分４０およびスイッチ部材３２は、下部領域３２と同じ材料で作ることができる。

【0035】

ＭＥＭＳ構造は、スイッチ部材３２および第１のスイッチ接点２０を囲むように誘電体層６の表面に接合されたキャップ構造５０または他の適切な構造によって、保護することができる。適切な接合技術は、当業者には公知である。

【0036】

スイッチ１は、リレーおよび、ＦＥＴスイッチなどの固体トランジスタスイッチを置き換えるために使用することができる。この分野の多くの専門家は、ＦＥＴで使用されている用語を採用している。したがって、導体１０はソースと呼ぶことができ、導体１２はドレインと呼ぶことができ、導体２３は、ゲート端子１４に接続されたゲートを形成する。ソースとドレインは、スイッチの動作に影響を与えることなく、交換することができる。

【0037】

使用時、駆動電圧が駆動回路からゲート２３に印加される。ゲート２３とスイッチ部材３２との間の電位差によって、例えば、ゲート２３の表面上の正電荷が片持ち梁型のスイッチ部材３２の底面上の負電荷を引き付ける。これは、スイッチ部材３２を基板２の方に引っ張る力を作用させる。この力はスイッチ部材を湾曲させ、垂下接点４４が第１のスイッチ接点２０に接触する。

【0038】

実際には、スイッチがオーバードライブされ、接点４４を第１のスイッチ接点２０に対して比較的強く保持する。

【0039】

しかしながら、このようなスイッチは、いくつかの実用上の問題を示す。

【0040】

第１に、スイッチが数時間から数日にわたって閉状態（導通状態）に保持されると、ゲート信号を除去したときにスイッチが開く（高インピーダンスになる）ことができない場合がある。

【0041】

第２に、スイッチは、温度に影響され、一般的に、低温では閉じることがより困難になり、温度が上昇すると、制御信号が存在しない状態で閉じるまでに、閉じることがより容易になる。

【0042】

第３に、閉じられた状態で、スイッチが破壊して操作不能になる場合がある。
これらの特性は、ＭＥＭＳスイッチの採用を妨げていた。

【0043】

（開閉）
上述のように、スイッチは、ゲート２３とスイッチ部材３２との間に作用する静電力に応じて閉じる。スイッチは、スイッチ部材３２のばね作用によって開く。
スイッチを開くために作用するばねまたは復元力は、スイッチ部材３２を形成する材料の幅および深さなどの寸法の関数である。材料の選択もまた、ばね力に変化をもたらす。直立部分３０および下部３４の寸法と材料も、復元力に影響を与えることができる。

【0044】

閉成力は、ゲート２３とスイッチ部材３２との間の電圧差と、支持体３０からのゲート２３の距離と、の関数である。

【0045】

しかしながら、閉成力に影響を与える他の現象が、本発明者らによって観測されている。

【0046】

図２は、ゲート電極３２の周囲の電場の線とともにゲート２３およびスイッチ部材３２を示す。

【0047】

図２に示す配設では、ゲート２３は、スイッチ部材３２に対して正に帯電するように正電圧に接続される。実際には、ユーザーは、ゲートを負または正に駆動するかどうかを選択することができ、適切なゲート電圧の取得し易さによって決定することができる。電場のベクトルは、ゲート２３から始まり、スイッチ部材３２の方に伸びる。引力の大部分は、ゲートが設けられた領域６２で発生する。ゲート２３上の電位はまた、ゲート電極２３のエッジに隣接する領域６６に電場６０を生成する。この電場は、領域６６の「＋」の記号によって概略的に表されるように、電荷を誘電体層６内に蓄積させることができる。この電荷は、閉状態に駆動されているスイッチに数時間かけて蓄積し、ゲート電圧が除去されると、数時間かけて減衰する。

【0048】

発明者らは、この機構が有効であり、ゲート２３を形成する金属の大きさと形状を修正して、トラップされた電荷の領域６２とスイッチ部材３２との間の距離を増加させることができ、それによって、トラップされた電荷に起因する引力を減少させることができることを見出した。図２はまた、アンドープポリシリコンの層４を省略できることを示す。

【0049】

（電荷トラッピングの減少）
誘電体層６内にトラップされる電荷に起因する望ましくない閉成力を減少させるために、発明者らは、スイッチ部材３２の下の露出した誘電体の領域を減少させることが望ましいことを見出した。これは、ゲートの大きさを増加することにより達成することができる。ゲートの寸法は、図３に示すように、ゲートがスイッチ部材３２の側面エッジを超えて延在するように、図１および図２の面に対して直角に、図１および図３のＢで示される第２の次元で増加させることができる。図３は、図１に示すスイッチの一部の平面図である。スイッチ部材３２は、スイッチ部材３２から延在する、かつゲート２３の空間的広がりを超えて延在するスイッチ部材３２の一部を画定する、接点担体部分７０を有するように輪郭が形成される。したがって、スイッチ部材３２の側面７２および７４について考察すると、これらはゲート２３の上に位置するので、ゲートはスイッチ部材３４の側面７２および７４を超えて延在し、エッジを誘電体６内の電荷トラッピングの影響からシールドする。同様に、スイッチ部材３２の前方エッジ７６は、第１のスイッチ接点２０に達する必要がある接点担体部分７０を除いて、ゲート２３を超えて延在しない。

【0050】

この構成は、鎖線８２によって全体的に囲まれた領域内のゲート２３の前方エッジ８０に隣接して発生する電荷ビルドアップのみが、引力を接点担体部分７０に与えることができることを意味する。この電荷トラッピングの相互作用の大幅な減少は、ゲート電圧が除去されたときにスイッチが「貼り付き状態」になることを防ぐために十分である。出願人が社内試験設備で終えた試験では、スイッチを数ヶ月間にわたって「オン」に駆動後、ゲート電圧を除去したときに正常に解放された。これは、１日程度後に張り付き状態になる可能性がある従来技術のスイッチに対して大幅な改善である。

【0051】

しかしながら、図３に示されるスイッチの他の設計特徴もまた、そのスイッチオフ性能を向上させる。図４および５は、接点担体部分７０の長さ、および垂下接点４４の大きさの影響を比較し、対比する。

【0052】

図４および図５では、片持ち梁が下側の基板に対して角度θにあり、第１のスイッチ接点２０は、高さｈ１を有し、接点４４は高さｈ２を有する。

【0053】

図４に示す配設では、接点担体７０は長さＬ１（エッジ７６と担体チップ７８との間）を有する。ゲート２３は、ガード距離ｄｇだけ前方エッジ７６を超えて延在する。接点担体７０と誘電体６内の潜在的にトラップされた電荷との間の距離は、ゲートの前方エッジの「＋」の記号によって図４に表される。
妥当な近似では、分離距離Ｓは、
Ｓ＝（Ｌ１−ｄｇ）ｓｉｎθ＋ｈ１＋ｈ２
接点担体７０のより長い長さが距離Ｓを増加させ、したがってトラップされた電荷と担体７０との間の引力を減少させることが理解できる。同様に、接点４４の接点高さを増加させることも距離Ｓを増し、第１のスイッチ接点２０を形成するために使用される金属の厚みを増加させることもそのようになる。

【0054】

したがって、接点担体７０が、比較的長い長さＬ１を有し、かつ比較的深い接点４４を有する図４において、距離Ｓは、接点担体７０が、より短くてＬ１未満の長さＬ２を有し、接点４４の接点高さｈ２も縮小された図５に示されるものよりも大幅に大きい。

【0055】

一方の誘電体６の領域６６内にトラップされた電荷と他方のスイッチ部材３２および接点担体７０との間の距離の関数である引力もまた、スイッチ部材３２および／または接点担体７０の材料の輪郭を修正することによって、減少できることが直感的に理解できる。

【0056】

図６は、スイッチ部材３２を形成する金属の深さと比較して、接点担体７０を形成する金属の深さを減少させるように修正されたスイッチ部材３２の端部を示す。金属の厚みを減少させることにより、垂下接点４４とスイッチ部材３２の本体との間に空隙９０が生成される。これは、基板６と接点担体７０との間の距離を増加させるので、トラップされた電荷によって与えられる閉成力を減少させる。さらに、またはあるいは、凹部９２をゲート電極２３と第１のスイッチ接点２０との間の誘電体層６内に形成してもよい。これもまた、トラップされた電荷によって与えられる引力を減少させるように働く。

【0057】

（応力下での材料の降伏）
上述のように、ゲート電圧によって与えられる引力は、片持ち梁のスイッチ部材３２を変形させる、具体的には湾曲させる。片持ち梁３２が湾曲し始めると、ゲート電極に近接し、引力が増加する。さらに、低い「オン」抵抗のためには、垂下接点４４を第１のスイッチ接点２０に対して保持する必要があるので、スイッチをオーバードライブすることが一般的である。

【0058】

金属は、負荷の下で降伏する場合があり、変形した形状を示し始める。降伏の割合はまた、温度によって影響される。

【0059】

図７ａは、閉位置にある片持ち梁型のスイッチ部材３２の概念的な輪郭を示し、図７ｂは、スイッチ部材３２の材料が、ゲート電極２３によって与えられる閉成力の下で降伏するとき、片持ち梁型のスイッチ部材３２の輪郭が、時間の経過で如何に変化する可能性があるかを概略的に示す。

【0060】

図７ａに示す配設では、スイッチ部材３２の高さは、支持体３０からの距離の増加とともに滑らかに減少する。しかしながら、降伏の影響、またはかなり過度のオーバードライブは、スイッチ部材３２をゲート領域２３の上で過剰にたわませる。極限では、スイッチ部材３２がゲート２３に接触する可能性があり、この場合、ゲートとスイッチ部材との間の電流が、ゲート電圧を提供する駆動回路の破壊をもたらす可能性がある。この現象は、「絶縁破壊」として説明することができる。

【0061】

スイッチが開いているとき、垂下接点４４が第１のスイッチ接点２０に接触せず、スイッチ部材３２が片持ち梁であるので、そのたわみを推定することができる。

【0062】

スイッチ部材３２のこの力の分析は、所与の点の力がゲート電極までの局所距離に依存するので、複雑である。

【0063】

しかしながら、片持ち梁型のスイッチ部材３２がゲート電極２３に平行であり、かつゲート２３が比較的広大である理想的な開位置から始まる第１の近似では、スイッチ部材３２は、均一に負荷を受ける片持ち梁として近似される。

【0064】

均一に負荷を受ける片持ち梁の自由端のたわみｄ_Ｂは、次のように近似することができる、

【0065】

【数1】

【0066】

ｑは単位長さ当たりの力である
Ｌは梁の長さである
Ｅは弾性率である
Ｉは面積慣性モーメントである。
スイッチ部材３２内の応力はまた、弾性曲げ応力の式で表すことができる、

【0067】

【数2】

【0068】

σは「中立面」からの距離ｙにおける通常の曲げ応力である
ｍは片持ち梁のセクション内の抵抗モーメントである
Ｉは面積慣性モーメントである。

【0069】

【数3】

【0070】

ｗは梁の幅である
ｈは梁の垂直厚みである。
接点４４および２０が触れると、状況がより複雑であるたわみの性質となり、片持ち梁タイプのたわみと、対向する端部で支持されて負荷を受ける梁のたわみと、の混合になる。これは、支持体３０および支持体として作用する接点が負担する力が同じではないためである。

【0071】

２つの単純な支持体によって支持されて均一に負荷を受ける梁において、中間点のたわみＤは次の式で与えられる、

【0072】

【数4】

【0073】

接点４４および２０は、組み合わせられて単純な支持体を近似するが、スイッチ部材３２と支持体３０との間の界面はない。したがって、これらの式のいずれもが正確にはスイッチ部材３２のたわみを記述しないが、その挙動に有益な知見を提供する。
また、応力が過剰になると、梁の材料が恒久的に変形することに注意されたい。
発明者らは以下を見出した、実際の応力について、
１） スイッチ部材３２内の応力は、スイッチ部材３２をより長くすることによって減少させることができる、
２） 梁内の応力は、慣性モーメント（または面積のモーメントとして公知）を増やすことによって減少させることができる。
発明者らはまた、以下を見出した、オーバードライブ応力について、
３） 作動力を接点部分の方に動かすことによって応力が減少する、
４） 面積のモーメントを増やすことによって応力が減少する。
したがって、より厚いおよび／またはより長い梁を使用することにより、材料内の応力を減少させる、したがって恒久的な変形を減少させるとともに、復元（開離）力を維持することが可能になる。

【0074】

しかしながら、応力を制御する他の解決策もまた、援用することができ、先に定めたように次のように記述できる、

【0075】

【数5】

【0076】

および、

【0077】

【数6】

【0078】

したがって、梁の幅を修正することにより、梁内の応力が変化する。梁の幅を梁のほぼ中間で半減させると、この点の応力が倍増することが理解される。しかしながら、応力は梁に沿って均等化する傾向があり、ピーク応力を減少させる。

【0079】

これを説明するために、図８ａは直線的な片持ち梁１００の平面図を示し、一方図８ｂは先端まで直線的に先細るテーパー状の片持ち梁１０２の平面図を示す。片持ち梁１００および１０２は、図８ｃに表されるように、同じ側面輪郭を有する。

【0080】

図８ｄは、距離の関数として片持ち梁の梁内の応力のプロットを示す。直線的な梁１００内の応力は、ライン１１０によって表される。応力は、支持体３０における最大値から先端におけるゼロまで直線的に変化する。テーパー状の梁内の応力は、より低い最大値を示すライン１１２によって表される。テーパー加工は、直線的である必要がなく、梁の大部分がテーパー加工されなくてもよい。

【0081】

より長い梁が閉成力を減少させ、より厚い梁が梁の変形の危険性を減少させるが、スイッチ部材３２の設計を修正して、その作動性能を改善し、かつスイッチ部材がゲートに触れる座屈を防ぐために、他の技術を使用することもできる。

【0082】

そのような接触の危険性を減少させる一方法は、垂下チップ４４の長さを増やすことである。これは、即ち、スイッチ部材が、接触が起こる前に、図７ｂで示されるタイプのより多くの歪みを受けることができることを意味する。

【0083】

さらに、またはあるいは、以下を含む他の措置を講じてもよい、
ａ） 梁の座屈を抑制するための梁または基板上の１つ以上の支持構造の形成、
ｂ） より厚いスイッチ部材３２の使用、
ｃ） ゲートとスイッチ部材３２との間の誘電体の提供。
図９は、１つ以上の追加の支持体１２０を有する片持ち梁のスイッチ部材３２を概略的に示す。支持体１２０は、バンパーとみなすことができ、垂下接点４４を形成するために使用される同じ処理ステップを使用して形成することができ、追加の処理ステップをもたらさない。１つ以上の支持体（バンパー）１２０は、ゲート上へのスイッチ部材３２の座屈を防ぐために設計者が適当と思う任意のパターンおよび間隔で設けることができる。支持体１２０は、スイッチ部材３２と電気的に接触し、ゲート電極２３と接触してはならない。したがって、ゲート電極構成は、その、またはそれぞれの追加の支持体１２０に隣接するゲートの部分を除去することにより、そのような接触を防ぐように修正する必要があり得る。したがって、図９では、支持体１２０の下のゲート２３内に間隙１２２が形成される。このような間隙は、図１０に概略的に示すように、ゲート２３内にエッチングされた開口部によって形成することができる。
さらに、またはあるいは、支持体１２４は、ゲート２３のエッジを超えて設けることができる。

【0084】

支持体は、図９に示されるピンまたはカラム状の構造として設けることができるが、そのような形状に限定されない。例えば、支持体は、必要に応じて細長く、壁の形態であってもよい。

【0085】

支持体は、基板に触れるとき、スイッチ部材３２の支持されていないスパンを減少させる。これは、２つの支持体によって支持された梁のたわみがＬ^４、Ｌは支持体間の距離、に比例するので、絶縁破壊の危険性を大幅に減少させる。

【0086】

上述のように、接点の高さおよび梁の厚みもまた、大きな影響を有する。これは、金から作られた７、８、および９μｍの厚みを有する片持ち梁において、９５μｍのスパンと、２００ｎｍ〜４００ｎｍの垂下接点の高さと、を有する片持ち梁の梁について実験的に調査した。破壊電圧は、２００ｎｍの接点深さを有する厚みが７μｍの片持ち梁の約６５Ｖから、４００ｎｍの接点深さを有する厚みが９μｍの片持ち梁の１９８Ｖまでの範囲であった。このデータは、図１１に図示され、７μｍの片持ち梁がライン１４０で表され、厚みが８μｍの片持ち梁がライン１４４で表され、９μｍの片持ち梁がライン１４８で表される。

【0087】

厚みが８μｍの片持ち梁のスパンを３０μｍまで短縮することにより、片持ち梁がゲート上に座屈する破壊電圧は、図１２のライン１５０で表されるように、２００ｎｍの接点４４の２４０Ｖから４００ｎｍの接点４４の６００Ｖまで増加した。

【0088】

したがって、接点の高さの修正、梁の厚みの修正、またはバンパーの使用は、破壊電圧を修正するために単独で、または任意の組合せで使用することができるが、選択された手法が他の動作パラメータに影響を与える場合もある。

【0089】

デバイスを絶縁破壊から保護するための別の手法は、図１３に示すように、薄い誘電体で覆われるようにゲートを埋め込むことである。このような手法は、スイッチを閉じるために必要なゲート電圧を増加する場合もあるが、第１のスイッチング接点をゲートに近接させてトラップされた電荷の影響を減少させる可能性を可能にし、埋め込みゲート２３を有するデバイスは、長時間にわたって閉じられることが予想されるスイッチにより適切であり得る。ゲートの上の誘電体は、パターン化されて、その中に開口部、トレンチなどを形成してゲート電極を部分的に露出させること、およびスイッチ部材をゲートから離して保持する支持構造を形成することができる。

【0090】

図９に示すスイッチへの別の修正では、ゲート２３から絶縁された金属スイッチ接点は、バンパー１２０および１２４の下に配置されて、第１のスイッチ電極２０に接続することができ、片持ち梁型のスイッチ部材３２の過度の屈曲は、スイッチのドレインとソースとの間にさらなる電流経路を追加する。あるいは、バンパーの下の接点は、第２のスイッチ接点を形成するために使用することができる。

【0091】

スイッチ部材３２がゲート２３に触れることを防ぐためのバンパーを提供することに加えて、または代わりに、スイッチ部材の有効幅またはその厚みを修正して、スイッチ部材３２を比較的硬くすることができる。したがって、スイッチ部材３２は、支持体３０と最も内側のバンパー１２４との間（図９を参照）などの既知の領域内にたわみが集中するように、ゲートの上を通るセクションでは比較的厚いまたは比較的広いが、他の場所ではより薄くまたはより狭くなることができる。

【0092】

スイッチを制御する能力に影響する別の特徴は、温度である。これは、主に熱膨張係数の不整合、およびそれがもたらす力に起因する。

【0093】

図１４は、簡略化のために第１の温度Ｔ_０でＸの辺の長さを有すると仮定される支持体３０の上面から水平方向に延在する片持ち梁型のスイッチ接点３２を概略的に示す。温度が上昇すると、支持体および基板が膨張する。

【0094】

基板が膨張係数Ａを有し、支持体が膨張係数Ｂを有し、ＢがＡよりも大きいとき、基板が支持体３０の下部を保持して圧縮するので、支持体は、その下部では基板とともに膨張するが、支持体の上部では実質的に通常の膨張を受けると想定できる。金の熱膨張係数はシリコンのおよそ５倍であるので、温度が上昇すると、温度の上昇に応じて、図１５に示すように、支持体の壁が支持体の上部に向かって広がる。

【0095】

初期に、これは、スイッチをより容易に始動させて閉じさせることができる。実際に約２５０℃で、従来技術のスイッチは自然に閉じることになる。しかしながら、これは、時間の経過とともに梁を湾曲させる可能性があり、それが今度はスイッチの閾値電圧を変化させる可能性がある。片持ち梁型のスイッチ部材は、使用時にそのような高い温度に曝されないことが予想される。しかしながら、例えばガラスフリットを使用してキャップ５０を基板に接合することは、約４４０℃のプロセス温度を必要とすることがある。したがって、製造時、熱の影響によって、梁が比較的強く閉位置に強制されることがあり、高い温度では梁がより容易に降伏する場合がある。したがって、これが発生することを防ぐ特徴を備えることが有益である。

【0096】

膨張はまた、図１４および１５のページの面に直角な方向で起こる。さらなる応力は、熱的に循環する材料のアニール処理よって構造内にトラップすることができる。
同様に、温度の低下はスイッチ接点を上向きにたわませる。これらの外乱は望ましくない。

【0097】

発明者らは、温度が原因となるそのようなスイッチの動作点の変化を減少させるいくつかの構造を提供する。

【0098】

第１の手法は、支持体の下部に起こる膨張量を修正することを含む。支持体の下部、またはその周囲の材料は、膨張により容易に対応するように修正することができる。
金の熱膨張係数は、１℃当たり７．９×１０^−６である。シリコンは、２．８×１０^−６の係数を有する。アルミニウムなどの他の金属は１３．１×１０^−６の係数を有し、銅は９．８×１０^−６の係数を有する。

【0099】

異なる材料間の膨張係数のこの差は、梁の変位を相殺するために使用することができる。

【0100】

第１の構造では、金属板を支持体の下部の近くに設けることができる。概して水平方向の膨張修正構造１６０を、図１６に示すように、設けることができる。構造１６０は、アルミニウムまたは銅の層であり、その目的は、温度の上昇とともに膨張して支持体３０の下部近くの基板に力を与え、下部は、シリコンによって単独で保持された場合に可能であるよりも膨張することができる。アルミニウムおよび銅は両方とも金よりも膨張するが、シリコンはそうではないので、下部の基部に対する構造１６０の長さ、深さ、および厚みの変化は、支持体の下部近くのシリコンの有効膨張係数が支持体３０の金の膨張係数により緊密に整合することを可能にする。

【0101】

別の選択実行可能な例では、膨張修正構造１６２を形成して温度が上昇するにつれて上向きに膨張させ、支持体の上部のアンカーの壁部分が基板の面に対して実質的に直角のままであるように、支持体を反時計方向に回転させるように作用させる（図１７に示す）。これらの構造は、組み合わせることができる。

【0102】

応力の一部を減少させる方法は、支持体の形状を修正することである。凹部またはスロットを、膨張に対応するようにその中に形成してもよい。

【0103】

平面図で図１８に示すように、支持体は、スロット１７０，１７２、および１７４によって、複数の柱３０−１〜３０−４に細分化することができる。これは、支持体の下部の圧縮の一部がスロット内に適応されることを可能し、それによって支持体の上部の形状を修正するように作用し、熱膨張に起因する歪みの量を減少させる。

【0104】

同様に、スイッチ部材３４もまた、スロットによって、支持体３０から延在する複数の個別の指形部分に分割することができる。

【0105】

支持体３０およびその下部から材料を除去する手法は、ＭＥＭＳスイッチの製造で使用される高価な金の量を削減するという追加の経費上の利点を有する。

【0106】

ＭＥＭＳスイッチの実施形態の斜視図を図１９に示す。下部領域３４はスイッチの幅を延長する一体的要素として形成されるが、支持体３０は、間隙によって互いに分離された４つの直立する柱３０−１〜３０−４として形成される。スイッチ部材は、一方の端部でそれぞれの柱３０−１〜３０−４に接続されて、横方向領域２００によって第２の端部で共に結合された４つのセクション３２−１〜３２−４に分割される。この領域は、正方形２１０によって位置が概略的に示された垂下バンパーパッドを担持する。

【0107】

スイッチ部材３２の端部２２０は、構造の端部をゲート電極２３によってトラップされた電荷からシールドすることを可能にする全体的にテーパー状の領域２２２および２２４を有する。

【0108】

さらに、ゲート電極２３は、比較的薄く、端部２２２の下に、および接点担体７０によって担持された垂下接点（図示せず）近くに配置される。これは、静電力が領域３２−１〜３２−４の下に印加されることがなく、これらの領域が基板に触れる危険性が減少することを意味する。

【0109】

典型的には、スイッチ部材３２は、約７０〜１１０μｍの長さであるが、他の長さを使用してもよく、同等の幅を有することができる。

【0110】

垂下スイッチ接点４４（図１）の端部から第１のスイッチ電極２０（明確にするために図１９に示されないが、図１に示す）までの間隙は、約３００ｎｍであり、接点長さは約２００ｎｍ〜４００ｎｍである。したがって、スイッチ部材３２の下の基板６までの間隙は、約０．６μｍである。

【0111】

製造時、完成したデバイスでは間隙となる領域の基板の上には、犠牲層が形成される。次に、スイッチ部材の金属、一般的には、必ずしもそうではないが、金を、犠牲層の上に堆積させ、犠牲層をエッチングしてスイッチ部材を解放し、図１および１９に示す片持ち梁型構造を形成する。このプロセスは、当業者に公知である。

【0112】

しかしながら、収量を向上させ、閉じるスイッチを得るために、犠牲材料を信頼性のある経済的な方式で除去することが必要である。

【0113】

スイッチ部材３２の領域３２−１〜３２−４の間にスロットを形成することは、エッチング剤がスイッチ部材の下の犠牲層に達することを促進する。同様に、領域２２２および２２４と、接点担体７０の間のある程度までの領域２２６と、におけるテーパー加工もまた、犠牲材料の除去を促進する。しかしながら、これはまだ、エッチング剤が移動するのにかなりの距離がある領域２２０の下に相当な領域を残すことがある。信頼性のある解放を促進するために、エッチング開口部２４０が領域２２０に設けられ、この開口部は、スイッチ部材３２を貫通して延在し、エッチング剤は、基板とスイッチ部材３２との間の空間をより容易に貫通して、犠牲材料を除去することができる。

【0114】

より多いまたはより少ない数のエッチング開口部を設けることができる。エッチング開口部は、二次元のパターンで設けることができる。パターンは、正方形や六角形のパターンなどの規則的なものでもよく、ランダム化されてもよい。

【0115】

アーム部分３２−１〜３２−４間のスロットの長さは変わってもよく、エッチング開口部は、支持体３０により近接して設けることができる。これは、約１５ミクロンのエッジまたは開口部からのエッチング距離を生じさせることができるが、８〜２０ミクロンの間の距離が企図される。

【0116】

スイッチは、図１９に示すように、１つの接点、２つの接点、またそれ以上の接点を有することができる。複数の接点の使用は、より低いオン状態抵抗を提供する。いくつかの実施形態では、スイッチは、３、４、５、またはそれ以上の接点を有する。

【0117】

本明細書に記載の様々な特徴は、組み合わせて使用することができる。これらの実施形態は、図１８および１９に示すようにブロックおよびカラムに分割された支持体を備えることができ、バンプパッドまたは他の追加の支持体の使用の有無にかかわらない、テーパー状のヒンジ、面取り、またはノッチの有無にかかわらない、オーバードライブを減少させるために延在するゲートの有無にかかわらない、オーバードライブの応力を減少させるために垂下接点により近接して配置されるゲートの有無にかかわらない、絶縁破壊性能を向上させるための細長い垂下接点の有無にかかわらない、熱応力および結果としてのスイッチ部材の動きを減少させるために支持体の下部に隣接する挿入体の有無にかかわらない、かつ増加させた厚みのスイッチ部材の使用の有無にかかわらない。

【0118】

別の変形例では、犠牲材料を下部３４の一部、または第１のスイッチ接点の一部の下に形成し、次にエッチングして熱応力を減少させてもよい。このような選択肢は、図２０に概略的に示す。

【0119】

図２０では、カラム３０−１〜３０−４の下部に起こる圧縮を減少させるために、アンカー３０の後方の基板の一部を、例えば図１８のカラム３０−１〜３０−４に整合するトレンチ２４０内にエッチングする。これは、下部がより容易に膨張することを可能にし、支持体の上部に熱的に誘発される傾きを減少させる。これは、基板内の埋め込み金属挿入体１６０の使用に対して代用する、または併用することができ、支持体を形成するために使用される金属の熱膨張係数により緊密に整合する有効熱膨張係数で基板を膨張させる。同様に、第１の接点２０を延在させ、部分的にアンダーエッチングして、空洞部２４２および空洞部の上に延在する片持ち梁型の接点を形成することができる。したがって、第１の接点２０は、スイッチ部材３２からの負荷の下でたわむことができ、スイッチ部材３２によって受ける最大応力を減少させる。これはまた、基板からスイッチ部材３２までの距離を空洞部の深さだけ空洞部２４２の領域内で増加させることが可能であり、トラップされた電荷の引力を減少させる。

【0120】

別の実施形態では、片持ち梁は、図２１に示すように支持体の両側に延在することができる。したがって、スイッチ部材３２の第１の部分３２−１は、支持体３０から第１の方向Ａに延在することができ、スイッチ部材３２の第２の部分３２−２は、支持体３０から第３の方向−Ａに延在することができる。スイッチは、個別に駆動されてスイッチの一方または他方が閉位置に駆動されるのを可能にする２つのゲート２３−１および２３−２を形成することができる。アイテム２０−１および２０−２として示されるように、２つのソース接点が設けられる場合、ブレークビフォメーク方式で動作可能な単投２極スイッチが提供される。

【0121】

一方のソース、例えば２０−２は、未使用のままにし、または省略し、ゲート２３−１上のゲート電圧が、スイッチを開くために除去されると、ゲート２３−２が励起されて左手側（図２１に示すように）を基板の方に引っ張り、スイッチが開くことを保証するスイッチを形成することができる。

【0122】

このような能動的に駆動されるスイッチでは、スイッチ部材の梁は、オーバードライブ絶縁破壊につながる過度の屈曲を回避する十分な剛性を有する必要があるが、支持体および／またはヒンジは、それほどの復元力を提供する必要がないので、はるかに薄く作ることができる。支持体は、スイッチ部材を基板から離して保持するためのものである。縮小した厚みの支持体の使用は、上部から底部の膨張差を縮小し、その結果、温度の上昇に対する閉じるためのスイッチ間隙の傾向を縮小する。さらに、単極スイッチでは、スイッチを開くために使用される左手側（図示のように）は、導通する必要がないので、異なる金属で作ることができ、金を使用する経費を負担する必要がない。同様に、支持体の厚みの縮小およびより短いアームの使用の選択によって、金の量を削減することができる。

【0123】

これまで説明した実施形態では、スイッチ部材３２は、支持体３０と第１のスイッチ接点２０との間に導電性経路を提供した。その結果、制御可能かつ合理的な閾値を有する必要性は、ゲート電極上にスイッチ部材が座屈することが考量された。

【0124】

別の変形例では、図２２にその実施例を示すが、スイッチ部材３２は、概念的に導電要素２６０および復元ばね２６２に分割することができる。この図では、図表の単純化のために、導電要素２６０は、復元ばね２６２の自由端に横方向に載置されたバーとして描かれている。復元ばね２６２は、これまでスイッチ部材３２に対して説明したように、支持体３０から片持ち梁を形成するものとして示されている。しかしながら、支持体３０およびばね２６２は、デバイスを通る導電性経路の一部を形成する必要がない。代わりに、第１および第２のスイッチ接点が、導電要素の対向する端部の下に形成され、スイッチのソースおよびドレインを形成する。

【0125】

ゲート２３は、ソースとドレインとの間に形成することができる。ゲートは、ソースおよびドレインＳおよびＤよりも薄くてもよく、および／または導電要素は、スイッチが閉じたときにゲートの上に離間して導電要素２６０の中心を保持するように垂下接点（接点４４に対して説明したように）を有することができる。

【0126】

導電要素およびばねの機械的特性は、切り離され、導電要素２６０およびばね２６２のそれぞれは、それぞれの役割のために指定することができる。したがって、ばねは、低い閾値電圧を与えるために比較的長く、かつ比較的薄くすることができる。導電要素２６０は、変形してゲートに触れることを回避するために短く、かつ厚くすることができる。

【0127】

それぞれの要素で使用される材料は、同じである必要がなく、したがって、ばねを別の材料から形成することによって高価な金の量を削減できる。さらに、導電要素は、より広く、すなわち第１の方向Ａにさらに延在するように、かつより厚く、ならびに第２の方向により短く、形成することができ、次に導電要素２６０は、コスト削減のために選択することができる銅またはアルミニウム、または耐摩耗性の機械的特性のために選択することができるロジウムなどの他の材料から作ることができる。他の材料は、非ゼロのまたは著しく非ゼロのドレインソース間電圧で操作されるスイッチで起こる可能性のあるアーク放電に耐えることに有用であるように選択することができる。

【0128】

ばね２６２は、もはや電気を導通する必要がないので、金属から作る必要がなく、支持体３０および復元ばね２６２は、基板と同じ材料、例えばシリコン、から作ることができる。これは、前述の熱膨張の問題を除去する、または縮小する。ばねおよび導電要素は、互いに直流的に分離することができる。

【0129】

ゲート２３は、示されるようにソースとドレインとの間に配置する必要がなく、代わりにばね２６２の下に配置することができる。ゲートとばね２６２または導電部材３２との間に電位差を確立するために、支持体３０およびばね２６２は導電性である必要があるが、高抵抗を有していてもよく、支持体は、ドレイン、ソース、またはローカルグランドに接続する必要がある。ゲート配置および電気的接続のこのような変形例の実施例は、図２３に示す。

【0130】

導電要素２６０は、ばねに対して横方向に形成する必要がない。それは、ばね２６２に沿って形成される長方形または他の形状の要素であってよい。

【0131】

同様に、導電要素２６０は、形状が長方形である必要がなく、単一の細長いばねによって支持される必要がない。ばね２６２は、蛇行状の、螺旋状またはジグザグの、または他の適切な形状であってよい。

【0132】

実施形態を、スイッチ部材を細長い物体とする、片持ち梁で説明したが、３次元空間をさらに完全に利用する他の設計も使用することができる。ＭＥＭＳスイッチの非片持ち梁型の実施形態を、図２４〜図２６に示す。

【0133】

図２４では、３０−１および３０−２と指定された２つの支持体が設けられ、スイッチ部材３２は、それらの間に延在する。この配設では、第１のスイッチ接点２０は、ゲート電極２３間に配置され、垂下接点４４に整合される。支持体３０−１および３０−２は、ドレインまたはソースであることができ、スイッチ接点２０は、ソースまたはドレインであることができる。

【0134】

図２４に示す配設は、図示のように直線状に形成することができる、または、ゲート２３が接点２０の囲む金属リングを形成するように回転対称に形成することができる。

【0135】

図２５は、長方形または正方形のスイッチ部材３２が複数の支持体３０−１〜３０−４および中間アーム部３００−１〜３００−４によって支持された変形例を示す。スイッチ部材３２は、その中央に第１のスイッチ接点２０が形成される開口部を有するゲート２３の上に懸架される。図２５は、スイッチ部材２３の下にあるゲート２３および接点２０の位置を示すように描かれている。

【0136】

図２６は、スイッチ部材が実質的に円形であり、複数のアーム部３００−１〜３００−４によって支持体に接続される変形例を示す。図２５および２６では、４つのアーム部が示されているが、より少ない（２つまたは３つ）またはより多いアーム部、または中間支持体構造の他の形状を使用することができる。スイッチ部材３２は、基板ならびに１つ以上のスイッチ接点に対向する面から垂下する１つ以上の支持体３１０を有することができる固体要素である。スイッチ部材３２は、前述のようにその中に形成された開口部を有するゲートの上に懸架され、支持体の使用を促進し、かつ第１のスイッチ接点（場合によっては、さらなるスイッチ接点）を形成することを可能にする。

【0137】

図２１を参照して前に説明したように、「シーソー」またはシーソー設計の使用は、導電要素２６０がアーム部の端部に担持されて復元力の一部を提供するように支持体とともに作用することができる図２２および２３の設計とともに、使用することができる。スイッチから電力が除去されたとき、スイッチ部材を既知の位置に置く（例えば、スイッチを開いたままにする）ために十分な復元力を提供することが望ましい。
しかしながら、設計者は、支持体に対する第１および第２のゲート２３−１および２３−２の相対的位置に対する選択の自由度と、他にスイッチを開閉するためにそれらに印加される電圧に対する選択の自由度とを有する。

【0138】

図２７に示す配設では、スイッチ部材の第１の部分３２−１は、スイッチ部材の第２の部分３２−２よりも長くなるように選択される。これは、テーパー加工などと関連して、前述のようにスイッチ部材の閉成力（したがって必要な電圧）および降伏を制御することを可能にする。同様に、図２３の設計が導電要素を形成するために使用される場合、第１の部分３２−１および支持体３０を形成するために使用される材料を、主に電気的特性ではなく機械的特性のために選択することができる。

【0139】

第２のゲート２３−２に関連する第２の部分３２−２は、第１のゲートへの駆動電圧が除去されたときに、スイッチが正確に開くことを保証するために十分な復元力を提供する必要があるだけである。したがって、第２の部分は、第１の部分より短くすることができ、それによって第１および第２の部分が同じ長さを有するときと比較して、スイッチの実装面積が減少する。

【0140】

第１および第２のゲートは、例えば駆動信号の反転バージョンによって、個別に駆動することができる。あるいは、単一の駆動信号を使用して、スイッチオン（閉成）力およびスイッチオフ（開離）力の両方を提供することができる。このような駆動方式もまた、図２７に示す。

【0141】

スイッチは、「ゲート」端子Ｇで駆動信号Ｖ駆動を受け取る。第１のゲート２３−１は、低インピーダンス経路によって「ゲート」Ｇに接続される。第２のゲート２３−２は、抵抗体３３０によって表される高インピーダンス経路によってゲートＧに接続される。したがって、第２のゲート２３−２が図２７のＣｐとして表される寄生容量に関連付けられることを考慮すると、駆動信号が印加されたとき、第２のゲートの電圧は、第１のゲート２３−１のゲート電圧の準瞬時電圧と比較して徐々に上昇する。この電圧の変化は、抵抗体３３０およびキャパシタＣｐのＲＣ時定数によって決定される。したがって、第２のゲートは、スイッチの初期の閉成段階中に一切の復元力を印加しない。第２のゲート２３−２が充電し始めるにつれて、それは開離力を与え始める。設計者は、組み合わせられた復元力がスイッチを開かない、または接触力を過度に減少させないことを保証するように、第１のゲートからの力に対する第２のゲートからの力の相対的大きさを制御する必要がある。これは、第２のゲート２３−２を支持体により近づけて配置すること（図示のように）、第２のゲートの面積を修正すること、または第２のゲートの電圧を制限することによって、達成できる。図２７に示す実施例では、第２のゲート２３−２の電圧は、抵抗体が分圧器を形成するように第２の抵抗体３３２を介して第２のゲート２３−２をローカルグランドに接続することにより、第１のゲートの電圧（定常状態にある）の既知の分割割合となるように制御される。

【0142】

駆動電圧が除去されると、第１のゲート２３−１の電位は非常に迅速に減少するが、第２のゲートの電位は、よりゆっくりと減衰する。したがって、しばらくの間、第２のゲートは第１のゲートよりも高い電圧にあり、この開離力が作用してスイッチ接点４４を接点２０から持ち上げる。

【0143】

スイッチは、例えば、静電放電（ＥＳＤ）または誘導ローカルの操作が原因の過渡電圧に反応して不意に閉じないことが有利である。シーソー設計は、ＥＳＤ事象が両方のゲートに同時に影響することができるので、ＥＳＤまたは過電圧事象に対して良好な耐性を提供するよう修正することができる。両端の電圧が所定の値に達すると通常高インピーダンスである保護セル３４０および３４２を設けてもよい。このようなセル３４０および３４２は、当業者に公知であり、本明細書ではさらに詳細に説明する必要がない。

【0144】

第１のセル３４０は、過電圧またはＥＳＤ事象に反応して第１のゲート２３−１の電圧を制限するように設けることができる。さらに、またはあるいは、第２の保護セル３４２は、第１のゲートのＥＳＤ事象による閉成力を相殺するために比較的大きな復元力が印加されるように、ＥＳＤ事象に反応して第１および第２のゲートを相互接続するように設けることができる。

【0145】

制御信号から第２のゲート電圧を導出する代わりに、第２のゲートを別個のゲート制御信号からプリチャージする、または駆動することができる。電気的に制御された開離力の使用は、機械的な開離力のみに依存するよりも大きな融通性を提供し、力をプロセス変動に対応するように使用時に、または試験時に調整または変更することが可能である。

【0146】

第１および第２の部分３２−１および３２−２の相対的幅は、図２８に示すように、開離および閉成力の相対的大きさを修正するために、変更することができる。同様に、ゲートの大きさも修正することができる。

【0147】

片持ち梁またはシーソー（シーソー）スイッチまたはＭＥＭＳ構成要素に適用することができる別の変形例では、図２９に示すように直立の支持体３０を捻じり支持体と置き換えることができる。図２９では、スイッチ部材３２は、シーソー設計の一部として示され、したがって部分３２−１および２３−２に分割される。しかしながら、本明細書に記載の原理はまた、片持ち梁の設計に適用する。

【0148】

支持構造は、１つ以上の、単純化のために、スイッチ部材３２から支持体３５２に延在する２つの横方向に延在するアーム部３５０を備える。アーム部３５０は、それぞれＸ方向に幅を、Ｙ方向に長さを、Ｚ方向に厚みを有する。それぞれのアーム部は、本来平坦であり、Ｙ方向の周りの捻じれに抵抗する傾向がある。復元力は、幅Ｘとともに、および厚みＺとともに増加し、長さＹとともに減少する。従って、設計者は、梁３２をその休止位置に戻すように働く捻じり力を制御するためにかなりの自由度を有する。さらに、支持体３５２に対するアーム部３５０の適切な配置によって、支持体の上部と底部との間の熱膨張差をゼロにする、または利用することができる。したがって、アーム部３５０が支持体３５２に沿って中央に配置されると、端部２７０は、温度変化に対して上下に移動しない傾向がある。アーム部３５０が支持体３５２のエッジ３７２の方に移動すると、過剰の温度（一部の製造工程中に受ける可能性がある）は、端部３７０を下側の基板から持ち上げる傾向がある。

【0149】

図２７に示す配設は、図２２および２３に関して説明したように、別個の接点部分２６０ｃを使用するのに適している。
したがって、改善されたＭＥＭＳスイッチを提供することが可能である。

【0150】

単一の依存関係の特許請求の範囲は、ＵＳＰＴＯに出願するために提示されたが、特許請求の範囲は、技術的に実現可能であるデバイスをもたらす任意の組合せで提供することができることを理解されたい。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7a】

【図7b】

【図8a】

【図8b】

【図8c】

【図8d】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】