JP2011040385A

JP2011040385A - スイッチ構造

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Publication number: JP2011040385A
Application number: JP2010178239A
Authority: JP
Inventors: Xuefeng Wang; シューフェン・ワン; Marco Francesco Aimi; マーコ・フランセスコ・エイミー; Shubhra Bansal; シュブラ・バンサル; Christopher Fred Keimel; クリストファー・フレッド・ケイメル; Kuna Venkat Satya Rama Kishore; クナ・ヴェンカット・サティア・ラマ・キショア; Kanakasabapathi Subramanian; カナカサバパティ・スルブラマニアン; Patro Debdutt; デブダット・パトロ; Kumar Sinha Vikash; ヴィカシュ・クマール・シンハ; Om Prakash; オム・プラカシュ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-08-14
Filing date: 2010-08-09
Publication date: 2011-02-24
Also published as: CN102176391B; KR101766482B1; US7928333B2; EP2315227A1; US20110036690A1; KR20110017838A; CN102176391A

Abstract

【課題】大型電気機械スイッチおよびソリッドステートスイッチの代替手段で実現したデバイスを提供する。
【解決手段】スイッチ構造１００などのデバイスが実現され、このデバイスは、接点１０２および導体素子の片持ち梁１０４を備える。導体素子の片持ち梁１０４は、導体素子の片持ち梁１０４が接点１０２からいくつかの場合において、約４μｍ以下の距離、他の場合には約１μｍ以下の距離だけ隔てられている非接触位置と、導体素子の片持ち梁１０４が接点１０２と接触し、接点１０２との電気的連通を確立する接触位置との間で選択的に移動可能なように構成される。導体素子の片持ち梁１０４が非接触位置に配置されたとき、接点１０２および導体素子の片持ち梁１０４は、それらの間で３２０Ｖμｍ−１を超える大きさを有する、および／または約３３０Ｖ以上の電位差のある電界を維持するように構成される。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、一般的には、電流をスイッチングするためのデバイスに関するものであり、より具体的には、微小電気機械スイッチ構造に関するものである。

回路遮断器は、回路の故障によって引き起こされる損傷から電気機器を保護するように設計された電気デバイスである。従来、多くの従来型回路遮断器は、かさばる（大型）電気機械スイッチを備える。残念なことに、これらの従来型回路遮断器はサイズが大きいため、スイッチング機構を作動させるために大きな力を使用することを必要とする場合がある。それに加えて、これらの回路遮断器のスイッチの動作速度は、一般的には比較的遅い。さらに、これらの回路遮断器は組み立てが複雑であり、したがって製作コストが高くつくことがある。それに加えて、従来型回路遮断器内のスイッチング機構の接点が、物理的に分離されている場合、それらの間にアークが形成する可能性があり、このアークによって、回路内の電流が止まるまで電流がスイッチを通って流れ続ける。さらに、アークに付随するエネルギーは、接点に重大な損傷をもたらし、および／または人が火傷する危険もある。

低速の電気機械スイッチの代替として、高速スイッチング用途では、比較的高速なソリッドステートスイッチがこれまで使用されてきた。これらのソリッドステートスイッチは、電圧またはバイアスを制御しつつ印加することによって導通状態と非導通状態とを切り換える。しかし、ソリッドステートスイッチは、非導通状態にスイッチングされたときに接点間に物理的間隙を形成しないため、公称的に非導通のときにリーク電流を生じる。さらに、導通状態で動作しているソリッドステートスイッチには、内部抵抗による電圧降下が生じる。電圧降下とリーク電流は共に、通常動作環境においてワット損と過剰な熱の発生の一因となり、スイッチの性能および寿命に悪影響をもたらしうる。さらに、少なくとも一部にはソリッドステートスイッチに付随する固有のリーク電流のため、回路遮断器用途にこのようなソリッドステートスイッチを使用することは、可能でない。

微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ベースのスイッチデバイスは、いくつかの電流スイッチング用途に対して上述の大型電気機械スイッチおよびソリッドステートスイッチの有用な代替手段となりうる。ＭＥＭＳベースのスイッチは、電流を通すように設定されると抵抗が低くなり、スイッチ内の電流の流れを遮断するように設定されるとリークが低くなる（またはなくなる）傾向を有する。さらに、ＭＥＭＳベースのスイッチは、大型電気機械スイッチに比べて応答時間が速くなることが期待される。

米国特許出願公開第２００８／００１３５３８号公報

第１の態様では、スイッチ構造などのデバイスが実現され、このデバイスは、場合によっては基板上に配置された、接点および導体素子を備える。導体素子は、導体素子が接点から（例えば、約４μｍ以下の距離、場合によっては約１μｍ以下の距離だけ）隔てられている非接触位置と、導体素子が接点と接触し、接点との電気的連通を確立する接触位置との間で選択的に移動可能なように構成されうる。導体素子が非接触位置に配置されたとき、接点および導体素子は、例えばそれらの間に少なくとも約３３０Ｖの電位差があるため、それらの間で３２０Ｖμｍ^−１を超える大きさの電界を維持するように構成されうる。

いくつかの実施形態では、接点および導体素子は、微小電気機械デバイスの一部であってもよく、導体素子は、１０^３ｍ^−１以上の表面積対体積比を有することができる。導体素子は、接触位置と非接触位置との間で移動したとき変形を受けるように構成することができる。導体素子は、片持ち梁を備えることができる。接点または導体素子のうちの少なくとも一方は、導体素子が非接触位置にあるときの接点と導体素子との間の静電気力が導体素子と接点とを接触させるために必要な力よりも小さくなるように構成された有効接触表面積（例えば、約１００μｍ^２以下）を有することができる。

いくつかの実施形態では、接点および導体素子は、導体素子が非接触位置に配置されたときそれらの間の電流を約１μＡ以下制限するように構成されうる。いくつかの実施形態では、導体素子が非接触位置に配置されたとき、接点と導体素子は、少なくとも約３３０Ｖの振幅および約４０ＧＨｚ以下の周波数で振動する電位差に、または少なくとも約１μｓの時間の間少なくとも約３３０Ｖの電位差に保持されるように構成されうる。

いくつかの実施形態では、デバイスは、接点または導体素子のうちの少なくとも一方と電気的に連通し、少なくとも約３３０Ｖの電圧を供給するように構成されている電源を備えることができる。電源は、導体素子が接触位置に配置されたとき少なくとも約１ｍＡの電流を供給するように構成することができる。

他の態様では、スイッチ構造などのデバイスが提供され、このデバイスは、接点および導体素子を備える。導体素子は、導体素子が接点から隔てられている非接触位置と、導体素子が接点と接触し、接点との電気的連通を確立する接触位置との間で選択的に移動可能なように構成されうる。導体素子が非接触位置に配置されたとき、接点および導体素子は、少なくとも約３３０Ｖの電位差に保持されるように構成されうる。

本発明のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、図面全体を通して同様の符号が同様の部分を表す添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読めば、よりよく理解されるであろう。

例示的な一実施形態により構成されたスイッチ構造の概略斜視図である。図１のスイッチ構造の概略側面図である。図１のスイッチ構造の概略部分斜視図である。開位置にある図１のスイッチ構造の概略側面図である。閉位置にある図１のスイッチ構造の概略側面図である。スイッチ構造が等しい電位に保持されているビームと接点とを備える、図１のスイッチ構造の概略側面図である。図６Ａにおいて６Ｂとラベル付けされている領域の拡大図である。ビームと接点とがそれぞれ異なる電位に保持されている、図１のスイッチ構造の概略側面図である。図７Ａにおいて７Ｂとラベル付けされている領域の拡大図である。他の例示的な実施形態により構成されたスイッチ構造の概略側面図である。スイッチ構造がビームと接点とを備える、さらに他の例示的な実施形態により構成されたスイッチ構造の概略側面図である。図９Ａのスイッチ構造のビームの概略斜視図である。ビームの表面の粗さを示す図４において１０とラベル付けされている領域の拡大図である。ビームの表面と接点の表面との間の接触の詳細を示す図５において１１とラベル付けされている領域の拡大図である。例示的な一実施形態により構成されたスイッチ構造を製作するためのプロセスを表す概略側面図である。例示的な一実施形態により構成されたスイッチ構造を製作するためのプロセスを表す概略側面図である。例示的な一実施形態により構成されたスイッチ構造を製作するためのプロセスを表す概略側面図である。例示的な一実施形態により構成されたスイッチ構造を製作するためのプロセスを表す概略側面図である。例示的な一実施形態により構成されたスイッチ構造を製作するためのプロセスを表す概略側面図である。

本発明の例示的な実施形態は、添付の図面を参照して詳細に以下で説明されており、図面では同じ参照番号は図面全体を通して同じ部分を示す。これらの実施形態の一部は、上記の要求条件および他の要求条件に対処できる。

図１〜３を参照すると、例示的な一実施形態により構成されたスイッチ構造１００のいくつかの概略図が示されている。スイッチ構造１００は、例えば、少なくとも部分的には、導電材料（例えば、金属）で形成された凸状パッドであってもよい、接点１０２を備えることができる。スイッチ構造１００は、少なくとも部分的には導電材料（例えば、金属）で形成された片持ち梁１０４などの導体素子を備えることもできる。ビーム１０４は、ビームを基板１０８などの下支え構造に接続するために使用できる、アンカー１０６によって支持されうる。接点１０２は、基板１０８によっても支持されうる。

接点１０２およびビーム１０４を基板１０８上に配置することで、微細加工技術（例えば、蒸着、電気めっき、フォトリソグラフィ、湿式および乾式エッチング、など）を用いたスイッチ構造１００の生産が容易になる。このようにして、スイッチ構造１００は、微小電気機械デバイスまたはＭＥＭＳの一部を構成することができる。例えば、接点１０２およびビーム１０４は、数ないし数十マイクロメートルまたは数ないし数十ナノメートル程度の特徴を有することができる。一実施形態では、ビーム１０４は、１０^３ｍ^−１以上の表面積対体積比を有することができる。スイッチ構造１００を製作するための可能な方法に関する詳細について、さらに以下で説明する。基板１０８は、接点１０２およびビーム１０４との電気的接続を形成するために使用されるパターン形成された導電層（図示されていない）を備えるか、または支持することもできる。これらの導電層は、標準的な微細加工技術を使用して製作することもできる。

図１〜５を参照すると、ビーム１０４は、ビームが接点１０２から隔てられている非接触または「開」位置（例えば、図４）と、ビームが接点と接触し、接点との電気的連通を確立する接触または「閉」位置（例えば、図５）との間で選択的に移動可能なように構成されうることがわかる。例えば、ビーム１０４は、接触位置と非接触位置との間で移動するときに変形を受けるように構成することができ、これにより、ビームは、非接触位置に自然に配置され（すなわち、外力が加えられていない場合）、接触位置を占有するように変形されうる。他の実施形態では、ビーム１０４の無変形構成は、接触位置とすることができる。ビーム１０４は、表面１１６を備えることができ、これはすべて電気的接触が可能であるものとしてよい（例えば、表面が公称的に連続的金属平面である場合）。しかし、「有効」接触表面積ａ_ｅｆｆは、ビーム１０４の表面１１６より著しく小さい場合があり、ビームと接点１０２との間の重なり具合によって定まる傾向を持つ。

ビーム１０４は、負荷電源１１２と（例えば、アンカー１０６を介して）連通していてもよく、接点１０２は、電気負荷（および、その後に、接地または他の何らかの電流シンク）と連通していてもよい。負荷電源１１２は、電圧源および電流源として異なる時点に動作することができる。したがって、ビーム１０４は、負荷電流（例えば、約１ｍＡ以上の電流）をビームが接触位置にあるときに負荷電源１１２からビームと接点１０２とを通して電気負荷に流すことができ、そうでない場合には、電気経路を遮断し、ビームが非接触位置にあるときに大きな電流が負荷電源から負荷に流れるのを防止する、電気スイッチとして機能することができる（ただし、場合によっては、ビームが開位置にあるときでも１μＡ以下の小さなリーク電流が接点とビームに流れることがある）。

スイッチ構造１００は、電極１１０を備えることもできる。電極１１０が適切に帯電すると、電極とビーム１０４との間に電位差が生じ、静電気力が働き、ビームを電極の方へ（また、接点１０２の方へも）引っ張る。電極１１０に印加する電圧を適切に選択すると、その結果生じる静電気力（場合によっては、バネによって与えられる補完的機械力など他の力と併せて）によってビーム１０４が変形し、ビームが非接触（すなわち、存在しうる比較的小さなリーク電流を除いて、開もしくは非導通）位置から接触（すなわち、閉もしくは導通）位置に十分移動することができる。したがって、電極１１０は、スイッチ構造１００に関して「ゲート」としての機能を果たすことができ、電極に印加される電圧はスイッチ構造の開閉を制御するために使用される。電極１１０は、ゲート電圧源（図示されていない）と連通し、このゲート電圧源は、選択的ゲート電圧Ｖ_Ｇを電極に印加することができる。

接点１０２およびビーム１０４は、ビームが非接触位置にあるときに約４μｍ以下の距離ｄだけ隔てられ、いくつかの場合においては、約１μｍ以下の距離だけ隔てられるように構成されうる。すなわち、無変形構成のときには、ビーム１０４は、（スイッチング事象の発生時のある瞬間において、対応する接点から４μｍ以下の位置を占有することができるが、他の場合には、接点からより大きな距離だけ離れてより一貫して配置されるスイッチとは対照的に）接点１０２から４μｍ以下の距離に、ときには、１μｍ以下に一貫して保持されうる。接点１０２およびビーム１０４は、ビームが非接触位置にあるときに約１００ｎｍ以上の距離ｄだけ隔てられるようにさらに構成されうる。

負荷電源１１２は、接点１０２とビーム１０４との間で３２０Ｖμｍ^−１を越える大きさ、および／または少なくとも３３０Ｖの相対電位差を有する電界を確立するのに十分な負荷電圧Ｖ_Ｌを選択的に供給することができる。例えば、接点１０２およびビーム１０４は、過渡期間より長い期間にわたって少なくとも３２０Ｖの相対電位差に保持され、１μｍ以下の距離だけ隔てられるように構成されうるか、またはときには、相対電位差が少なくとも３３０Ｖ、分離距離が４μｍ以下の場合もある。いくつかの実施形態では、ビーム１０４が非接触位置に配置されたとき、接点１０２とビームは、少なくとも約３３０Ｖの振幅および約４０ＧＨｚ以下の周波数で振動する電位差に保持されるように構成されうる。他の実施形態では、ビーム１０４が非接触位置に配置されたとき、接点１０２とビームは、少なくとも約１μｓの時間に少なくとも約３３０Ｖの振幅で振動する電位差に保持されるように構成されうる。いずれの場合も、ビーム１０４および接点１０２は、有意な時間の間（ｆｏｒｍｏｒｅｔｈａｎｊｕｓｔａｔｒｉｖｉａｌａｍｏｕｎｔｏｆｔｉｍｅ）存在する相対電位差に耐えるように構成されうる。

出願人は、非接触位置にあるときのビーム１０４（または他の移動可能な導体素子）と接点１０２との間の分離距離ｄは通常は約５０ｎｍ超であるが、それを約４μｍ以下に維持すると、ビームと接点との間に３３０Ｖ以上電位差があっても、大気圧下空気の環境内ではビームと接点との間に電気アークが形成されるのを抑制する傾向があることを発見した。これは、３２０Ｖμｍ^−１以上の電界または３３０Ｖ以上の電位差に曝され、４μｍ以下の（ただし、約５０ｎｍより大きい）程度の距離で隔てられている対向するミクロン規模のスイッチ構成部品は、それらの間にアークを形成する傾向があるという定説とは対照的である。特に、帯電量が異なる、密集配置されているスイッチ構成部品のこのような構成、例えば、電気めっき、蒸着、およびフォトリソグラフィを含む従来の微細製作法を通じて形成された構成部品では、例えば、物体間の領域内のガス粒子のイオン化による、構成部品間の空間の崩壊、および／または広く行き渡っている電界の影響による複数の物体のうちの少なくとも１つの物体からの電子の放出が生じることが一般的に予想される。分離距離が約５０ｎｍ以下の場合、電界放出効果は、デバイスの全体的電気的挙動を支配することが予想されうる。

すでに述べたように、電極１１０とビーム１０４との間に電位差を確立すると、ビームと電極との間に静電気力が発生する。同様に、接点１０２とビーム１０４との間に電位差が存在する場合（例えば、ビームが非接触位置にあり、Ｖ_Ｌ＞０の場合）、静電気力Ｆ_ｅは、ビームを接点に引き付ける（この現象は、本明細書では、「自己駆動」と称される）。

例えば、図１、６Ａ、６Ｂ、７Ａ、および７Ｂを参照すると、スイッチ構造１００は、選択的電圧Ｖ_Ｌと負荷電流Ｉ_Ｌ（完全な回路の一部であるとき）を供給するように構成されうる負荷電源１１２と、Ｒ_Ｌで表される負荷との間のスイッチとしての機能を果たすことができることがわかる。ある時点において（図６Ａ〜Ｂに示されている）、ゲート電圧Ｖ_Ｇをゼロに設定することができ（例えば、ビーム１０４が、非接触位置を占有することが意図されている場合）、Ｖ_Ｌをゼロに設定することができ、これにより、接点１０２およびビームは等しい電位になる。この場合、ビーム１０４は、接点１０２から距離ｄだけ隔てられる。

別の時点において（図７Ａ〜Ｂに示されている）、Ｖ_Ｇはまだゼロであり、負荷電源１１２は、電圧Ｖ_Ｌ＝３３０Ｖを供給する。接点１０２およびビーム１０４は、現在では互いに関して異なる電位にある。その結果、相対する極性の電荷が、接点１０２の表面１１４、および接触表面１１４に対向するビーム１０４の表面の部分ｐにそれぞれ蓄積する。接点１０２とビーム１０４とを引き寄せる働きをする静電気力Ｆ_ｅが確立され、ビームは、その自然な配置（すなわち、Ｆ_ｅが存在しない場合のその配置）に関して距離δだけ変位される。接点１０２がＦ_ｅの影響下でごくわずかしか変形しないと仮定すると、ビーム１０４は、距離ｄ_ｅ＝ｄ−δだけ接点から隔てられる。出願人は、自己駆動が、場合によっては、スイッチを意図せず閉じさせる十分な大きさとなり、スイッチの故障につながることを観察した。したがって、自己駆動は、スイッチ構造の設計時に考慮されなければならない。以下では、このことについてさらに説明する。

接点１０２とビーム１０４とを平行板コンデンサとして扱うと、基礎静電理論により、これら２つの間の静電気力Ｆ_ｅの大きさは、接点とビームとの間の電位差Ｖの平方に比例し、接点とビームとを隔てる距離ｄ_ｅの平方に反比例し、接点とビームとが対向している面積Ａに比例し、これは、ε_０を空気の誘電率として、概ね式

で表されることが示されている。重なり面積Ａがビーム１０４の幅全体ｗ（図１）を含むと仮定すると、重なり面積Ａは、単純に、ビームと接点１０２とが重なる長さＬ_０（図２）に幅ｗを掛けた値である。いくつかの場合においてスイッチ構造１００によってオフに保持される大きな負荷電圧Ｖ_Ｌ（場合によっては３３０Ｖ以上）、さらには接点１０２とビーム１０４との間の小さな分離距離ｄ（および、静電気力Ｆｅの存在下でのさらに小さな分離距離ｄ_ｅ）が与えられたとすると、Ｆ_ｅは、比較的高い、また潜在的には、ビームを接点に接触させるのに十分な高さの電位を有する。電極１１０上のゲート電圧Ｖ_Ｇによりスイッチ構造１００が開いているか、それとも閉じているかを一方的に決定することが意図されている実施形態では、Ｆ_ｅの影響によりスイッチが誤って閉じることが回避されるように、スイッチ構造の設計時に力Ｆ_ｅを考慮しなければならない。特に、自己駆動によってスイッチ構造１００がうっかり閉じることを回避するために、ビーム１０４および接点１０２は、引力Ｆ_ｅ（後述のように、とりわけ、接点の面積ａに関係する）が接点からの自然な分離距離より小さなビームの反りを引き起こすように設計されなければならない。以下では、このことについてさらに詳しく説明する。

静電気力Ｆ_ｅが、ビーム１０４の自由端に印加され、アンカー１０６にごくわずかの変形が生じると仮定した場合、基礎ビーム理論から、Ｆ_ｅによるビーム１０４の反りの量δは、近似式

で与えられ、ただし、Ｅはビームを構成する材料の弾性率であり、Ｌはビームの長さであり、Ｉはビームの慣性モーメントであり、（ｗ・ｔ^３）／１２（ただし、ｗは、図１に示されているように、ビームの幅である）に等しい。

（１）からのＦ_ｅおよびモーメントＩの両方について（２）に代入すると式

が得られる。

ビーム１０４が、接点１０２から１μｍだけ自然に隔てられる（すなわち、Ｆ_ｅが存在していない場合）と仮定し、δが０．５μｍ未満であることを要求し（ｄ_ｅ＝０．５μｍとする）、Ｖを３３０Ｖとし、ビーム１０４の長さＬを１００μｍ程度とし、厚さｔを５μｍ程度とし（微細製作構造では典型的な寸法）、弾性スティフネスＥが１００ＧＰａ程度（金属では代表的な値）とすると、（３）は、約１０ｎｍの重なり長さＬ_ｏがビーム１０４の自己駆動を妨げるのに十分に小さいことを示す。より一般的には、重なり面積Ａは、例えば、材料特性、分離距離、および印加電圧に応じて、約１００μｍ^２以下であるか、またはいくつかの場合において、約１μｍ^２以下であるか、または他の場合には、約１０ｎｍ^２以下であると予想される。

上記に照らして、接点１０２は、ビーム１０４の自己駆動を妨げるのに十分に小さい面積ａを有する接触面１１４を有することができる。例えば、接触面積１１４は、約１００μｍ^２以下、場合によっては１μｍ^２未満、場合によっては１０ｎｍ^２未満の面積ａを有することができる（例えば、１つまたは複数のナノワイヤから接点１０２を形成することによって）。接点１０２の面積ａを制限することによって、対向する、ビーム１０４と接点の逆帯電した領域が制限され、これにより、これら２つの間の静電気力Ｆ_ｅが制限される。さらに、接点１０２とビーム１０４との間の接触面積を制限することで、スイッチ構造１００を閉じたときにそれらの間に生じる粘着力を低減することができ、これにより、開くことが意図されているときにスイッチ構造が開かないという可能性（「張り付き」と称されることもある問題）が少なくなる。

図８を参照すると、他の実施形態では、接点の表面積が比較的大きい場合があるが、「有効」接触表面積が小さい場合があることがわかる。例えば、接点２０２は、ゲート電極２１０によって確立される静電気力の影響下でビーム２０４が選択的に接触するように基板２０８上に配置されうる。接点２０２は、かなりの程度まで誘電体層２２０によって覆われている表面２１４を有するものとしてもよい。より小さな有効接触表面２１４ａが、誘電体層２２０を通じて露出され、このより小さな表面領域はビーム２０４と接点との間に静電気力を確立することを目的として（また、接点とビームとの間に電気接触をその後確立するために）接点２０２の有効表面積として働く。図９Ａ〜Ｂを参照すると、さらに他の実施形態において、ビーム３０４が関連の接点３０２と接触するように構成されている。ビーム３０４の表面３１６は、一般的には、誘電体層３２０で覆うことができ、これにより、接点３０２との電気接触を確立するために小さな有効接触表面３１６ａのみがビームによって形成される。

全体として、有効接触表面積は、接点と導体素子との間の静電気力がこれら２つを接触させるのに必要な静電気力より小さくなるように構成されうる。しかし、有効接触面積が小さくなると、それに比例してビーム−接点界面に付随する抵抗が増大することが予想され、一般の通念は、有効面積に対する下限は、システムが許容できる最小電気抵抗によって確立されることを示している。例えば、抵抗が増大すると、受け入れがたいほどに高いレベルの抵抗加熱およびワット損が生じうる。さらに、有効接触表面積に対する抵抗で決まる下限が、いくつかの用途では（例えば、非常に高いスタンドオフ電圧、大動作電流（例えば、１〜１０ｍＡを超える）、および非常に小さな分離距離）、自己駆動によってスイッチが閉じるのを回避するためにＦ_ｅを適切に調節するのに十分な有効接触表面積の減少を妨げることが予想されることも考えられる。

しかし、出願人は、ビーム１０４（図１）と接点１０２（図１）との間の有効接触表面積が減少しても、それに比例してビーム−接点界面に付随する抵抗が増大することはないが（この界面はその一方の側または両側に金属を有する）、その代わりに、抵抗の増加は予想より小さいことを観察した。したがって、金属表面の有効接触表面積は、抵抗を著しく増大させることなく減少させることができる。さらに、出願人は、１００μｍ^２の金属性の有効接触表面積を有する単一スイッチ構造の実効抵抗は、１μｍ^２の金属性の有効接触表面積をそれぞれ有する１００個の平行スイッチ構造の場合に比べて高い実抵抗をもたらすことを観察しており、この結果は、普通なら単純な電子論から予想されないはずである。

特定の理論に束縛されることを望まないが、出願人は、有効接触表面積と接触界面の抵抗との間の関係は、実表面（理想化された表面ではなく）の間の接触の性質に関係しうることを前提とする。特に、図４、５、１０、および１１を参照すると、表面（例えば、１１４および１１６）は、多くの場合に、平面として概略的に示されているが、実表面、および特に、電気めっき、蒸着、および湿式および／または乾式エッチングなどの従来の微細加工技術により形成された表面は、マイクロメートル規模、ナノメートル規模の粗さｒ、ならびに表面アスペリティｓａをしばしば含む。２つの実表面が接触させられると（例えば、図５の１１４および１１６の場合のように）、接触表面の起伏によって規定される不連続の位置で接触が生じると予想され、表面アスペリティは対向する表面と最初に接触する可能性がより高いと予想される。

ビーム１０４および接点１０２の公称寸法は、有効接触表面積ａ_ｅｆｆを定義するために使用される。しかし、実接触表面積ａ_ａｃｔ（すなわち、物理的接触が確立される総面積）は、かなり低く、個別接点のすべての総計に等しい（ａ_ａｃｔ＝ａ_ａｃｔ１＋ａ_ａｃｔ２・・・）。有効接触面積が増大すると、常に大きいアスペリティが接触面積内（限度まで）に見つかる可能性も増大し、したがって、より大きなアスペリティのところで優先接触するが、他のあまり突出していない場所では接触が抑制される。

式（３）から、所定のスタンドオフ電圧Ｖに対してビーム１０４に生じる反りの量δは、ビームが関連の接点１０２に対向している面積Ａを修正するのとは別の方法で調節することができることは明らかである。例えば、反りδは、ビームを構成する（１つまたは複数の）材料の弾性率Ｅを高めるか、またはビームの曲げ慣性モーメントＩを高めて（例えば、ビームの太さを大きくすることにより）、ビーム１０４の変形に対する抵抗を増大させることによって減少させることができる。しかし、曲げ変形に対するビーム１０４の抵抗を増大させると、ビームを意図的に変形して接点１０２と接触させるのに必要な力の大きさもそれに応じて増大する可能性がある。

上述のように、図１のスイッチ構造１００などの上述のようなスイッチ構造は、従来の微細加工技術を使用して基板上に製作することができる。例えば、図１２Ａ〜Ｅを参照すると、例示的な一実施形態により構成されたスイッチ構造を生産するための製作プロセスの概略図が示されている。最初に、基板４０８に、電極４１０およびその上に配置された接点４０２を備えることができる。次いで、例えば、蒸着によって二酸化ケイ素４３０を堆積させ、電極４１０および接点４０２を封入するようにパターン形成することができる（図１２Ａ）。次いで、電気めっきおよび／または蒸着を介して、薄い接着層４３２（例えば、チタン）、シード層４３４（例えば、金）、および金属層４３６（例えば、金）を堆積することができる（図１２Ｂ）。次いで、従来のフォトリソグラフィを使用してフォトレジスト４３８を施し、パターン形成し（図１２Ｃ）、その後、金属層４３６、シード層４３４、および接着層４３２をエッチングして、ビーム４０４を形成し、その後フォトレジストを取り除くことができる（図１２Ｄ）。最後に、ビーム４０４を支持し、電極４１０と接点４０２を封入する二酸化ケイ素４３０を取り除くことができる。その後、保護キャップでビーム４０４を封じ込めることができる。

本明細書では、本発明のいくつかの特徴のみが例示され、説明されているが、当業者であれば、多くの修正形態および変更形態を思い付くであろう。例えば、上述のスイッチ構造はすべて、非接触位置から接触位置へ変形されるように構成された片持ち梁を備えていた。しかし、他の実施形態は、著しく変形することなく、非接触位置と接触位置との間で移動するように構成された導体素子を備えることができる。例えば、導体素子は、弾力性のある蝶番構造に結合することができる。さらに、変形を受ける導体素子では、導体素子が片持ち梁を備える必要はなく、その代わりに、例えば、二重支持ビームまたは柔軟膜を備えることも可能である。また、上述の実施形態は、ビーム／導体素子に接続された負荷電源、および関連の接点に接続されている負荷を備えていたが、この配置構成をとる必要はなく、負荷電源を接点に接続することが可能である。最後に、例えば、バンプ、ナノワイヤアレイ、および／またはより剛性の高い非導電基板に埋設された導電パッドを含む、接点１０２（図１）に対して可能なさまざまな構成および幾何学的形状がある。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の精神の範囲内に入るすべての修正形態および／または変更形態を対象とすることが意図されていると理解されるであろう。

１００スイッチ構造
１０２接点
１０４片持ち梁
１０６アンカー
１０８基板
１１０電極
１１２負荷電源
１１４表面
１１６表面
２０２接点
２０４ビーム
２０８基板
２０１ゲート電極
２１０ゲート電極
２１４表面
２１４ａ有効接触表面
２２０誘電体層
３０２接点
３０４ビーム
３１６表面
３１６ａ有効接触表面
３２０誘電体層
４０２接点
４０４ビーム
４０８基板
４１０電極
４３０二酸化ケイ素
４３２接着層
４３４シード層
４３６金属層
４３８フォトレジスト

Claims

接点（１０２）と、
非接触位置と接触位置との間で選択的に移動可能に構成された導体素子であって、前記導体素子が、前記非接触位置では前記接点から隔てられ、前記接触位置では前記導体素子が前記接点と接触して前記接点との電気的連通を確立する、構成の導体素子とを備え、
前記導体素子が前記非接触位置に配置されたとき、前記接点および前記導体素子が、それらの間で３２０Ｖμｍ^−１を超える大きさの電界を維持するように構成されたデバイス。
前記導体素子が前記非接触位置に配置されたとき、前記接点および前記導体素子が、少なくとも約３３０Ｖの電位差に保持されるように構成された請求項１記載のデバイス。
前記導体素子が前記非接触位置に配置されたとき、前記接点および前記導体素子が、約４μｍ以下の距離だけ隔てられるように構成された請求項１記載のデバイス。
前記導体素子が、前記接触位置と前記非接触位置との間で移動したとき変形を受けるように構成された請求項１記載のデバイス。
前記導体素子が片持ち梁を備える請求項１記載のデバイス。
前記導体素子が、前記接触位置と前記非接触位置との間で移動したとき変形を受けるように構成され、前記接点または前記導体素子のうちの少なくとも一方は、前記導体素子が前記非接触位置にあるときの前記接点と前記導体素子との間の静電気力が前記導体素子と前記接点とを接触させるのに必要な力より小さくなるように構成された有効接触表面積を有する請求項１記載のデバイス。
前記導体素子が前記非接触位置に配置されたとき、前記接点および前記導体素子が、少なくとも約３３０Ｖの振幅および約４０ＧＨｚ以下の周波数で振動する電位差に保持されるように構成された請求項１記載のデバイス。
前記導体素子が前記非接触位置に配置されたとき、前記接点および前記導体素子が、少なくとも約１μｓの時間の間、少なくとも約３３０Ｖの電位差に保持されるように構成された請求項１記載のデバイス。
基板（１０８）をさらに備え、前記接点および前記導電素子が前記基板上に配置される請求項１記載のデバイス。
接点（１０２）と、
導体素子が前記接点から隔てられている非接触位置と、導体素子が前記接点と接触し、前記接点との電気的連通を確立する接触位置との間で選択的に移動可能なように構成された導体素子（１０４）とを備え、
前記導体素子が前記非接触位置に配置されたとき、前記接点および前記導体素子が、少なくとも約３３０Ｖの電位差に保持されるように構成されたデバイス。