JP2005011795A - 非固定の静電的活性型マイクロ電気機械システム・スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】 理想的なスイッチの数々の特徴を有する静電マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチを提供する。
【解決手段】 ＭＥＭＳスイッチ（１０）は基板（１２）と、基板（１２）上に配置された無応力ビーム（１４）とを含む。基板（１２）と実質的に平行ではない方向への無応力ビーム（１４）の変位を制限すべく、無応力ビーム（１４）が、第一及び第二のプラットホーム（１６，１８）の内側に設けられる。無応力ビーム（１４）の長手方向の第一の側面（２２）に電位を形成する一つの組の一つ以上の制御パッド（２０）が、無応力ビーム（１４）の長手方向の第一の側面（２２）の近傍に配置される。無応力ビーム（１４）は、信号経路を提供すべく、電位に従って、基板（１２）と実質的に平行な方向へ変位可能である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、概してスイッチに関し、より詳細にはマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術により実施されるスイッチに関する。

マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチは、例えば、フェイズド・アレイ・アンテナ、移相器、スイッチング可能な同調素子、及びレーダ・センサ等のＲＦ通信システムにおいて広く利用される。通常、ＭＥＭＳスイッチには、従来の固体スイッチ（例えば、ＦＥＴ又はＰＩＮダイオード）には見られない低挿入損失、低電力消費、低コスト、小型、広帯域動作、長寿命、及び高速スイッチング・スピード等の特徴がある。特に、高品質のＭＥＭＳスイッチは、理想的には、できる限り多くの以下の特徴を備えるべきである。低活性化電圧、高スイッチング・スピード、長動作寿命、オフ状態における出力信号からの良好な絶縁、オン状態における接触電極間の低接触抵抗及び高接触力、分離を容易にするため接触領域での付着（スティクション：ｓｔｉｃｔｉｏｎ）の問題がほとんど又は全くないこと、異なる状態の間のスイッチングにおける低電力消費、スイッチを一定の状態に保つための電力消費がほとんど又は全くないこと、低コスト、製造が容易であること、及びスイッチを同一平面上の他の回路部品と一緒に集積化することが容易であること。

ＭＥＭＳスイッチは、静電、電磁、又は電熱スイッチを含む、作動方法に基づいた複数の主要なカテゴリーに分類することができる。これらのカテゴリーのうちの一つに分類される従来のＭＥＭＳスイッチは、上記の高品質のＭＥＭＳスイッチの特徴のうちのいくつかのものを有する。

更に、静電スイッチに関して、任意の状態にスイッチング若しくは維持される時、零電力消費であるという特別な利点が存在する。
米国特許第６１４３９９７号明細書 米国特許第６２１８９１１号明細書

しかしながら、静電スイッチには、低スイッチング・スピード（μ秒からｍ秒のオーダ）、比較的高い作動電圧（１０〜８０Ｖ）、接触電極が物理的に接触した状態で溶着した時の付着の問題、比較的短い寿命（コールド・スイッチングに対して１億サイクル）、及び熱と製造時にかかる応力とに起因する不安定性の問題等の様々な不都合が存在する。

従って、本発明の目的は、前記の理想的なスイッチの特徴の全てを有し、かつ前記の不都合のない静電ＭＥＭＳスイッチを提供することにある。
本発明の別の目的は、そのようなＭＥＭＳスイッチを簡単な工程により製造することにある。

本発明の更なる目的は、多極及び多投を可能とする構成を備える静電ＭＥＭＳスイッチを提供することにある。

本発明は、基板及び基板上に配置された無応力ビーム（応力フリー・ビーム）を含むマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチを提供する。無応力ビームは第一及び第二のプラットホーム（土台）の内側に設けられる。第一及び第二のプラットホームは基板上に配置され、基板と実質的に平行ではない方向への無応力ビームの変位を制限する。ＭＥＭＳスイッチは、無応力ビームの長手方向の第一の側面の近傍に配置されて長手方向の第一の側面に電位を形成する第一の組の一つ以上の制御パッドと、基板上かつ無応力ビームの長手方向の第二の側面の近傍に配置されて長手方向の第二の側面に第二の電位を形成する第二の組の一つ以上の制御パッドとを含む。無応力ビームは、信号経路を提供すべく、第一及び第二の電位の間の相対電位に従って、基板と実質的に平行な方向へと変位可能である。

ＭＥＭＳスイッチは、基板上に配置され、信号の流れを制御する主無応力ビームと、主無応力ビームと構造的かつ電気的に接続された複数の副無応力ビームとを含んで実施されてもよい。複数の副無応力ビームの各々は、好ましくは、基板と実質的に平行ではない方向へのビームの変位を制限する第一、第二及び第三のプラットホームの内側に配置される。また、複数の副無応力ビームの各々は、主無応力ビームを変位させるべく、相対電位に応答して基板と実質的に平行な方向へ変位可能である。

添付の図面において、同様の符号は、同一又は機能的に類似した構成部品を表し、添付の図面は、以下の詳細な説明に引用されて明細書の一部を形成し、本発明に従って、種々の実施形態を図示して様々な原理及び利点を説明するためのものである。

本発明によれば、前記の理想的なスイッチの特徴の全てを有し、かつ前記の不都合のない静電ＭＥＭＳスイッチを提供することができる。

同じ部材には同じ番号が付与された図面を参照して、図１及び２Ａに第一の好ましい実施形態の典型的なＭＥＭＳスイッチ１０が示されている。図１に示すように、ＭＥＭＳスイッチ１０は、例えば、ＧａＡｓ、石英、又はニオブ酸リチウム等の基板１２を含む。しかしながら、ＭＥＭＳスイッチ１０を対象とする特定の用途に応じて、基板１２が透明であってもよい。ビーム１４（無応力ビーム）は基板１２上に配置され、第一のプラットホーム１６及び第二のプラットホーム１８の内側に設けられる。第一及び第二のプラットホーム１６，１８も基板１２上に配置される。無応力ビーム１４は、第一のプラットホーム１６又は第二のプラットホーム１８に固定されていない。従って、ビーム１４は無応力であり、故に「無応力ビーム」と呼ばれる。

無応力ビーム１４は、金又はタングステン等の高導電性材料から製造され、ビームの動きを示す矢印で表されるように、基板１２と実質的に平行な方向に変位可能である。第一及び第二のプラットホーム１６，１８は、基板１２と実質的に平行ではない方向への無応力ビーム１４の変位を制限し、入力源からのＲＦ信号等の入力信号ＲＦ ＩＮを受信する。無応力ビーム１４は、無応力ビーム１４を第一及び第二のプラットホーム１６，１８の内側に拘束するビーム・ストッパ１９を含んでもよい。ビーム・ストッパ１９は任意的であり、図２Ａに示して後述するような幅広部により置き換えてもよい。

図２Ａに示すように、ＭＥＭＳスイッチ１０は、無応力ビーム１４の長手方向の第一の側面２２の近傍に配置された第一の組の一つ以上の電気的導電性制御パッドＰ１〜Ｐ４（第一の組の制御パッド）２０、及び無応力ビーム１４の長手方向の第二の側面２６の近傍に配置された第二の組の一つ以上の電気的導電性制御パッドＰ５〜Ｐ８（第二の組の制御パッド）２４を含む。第一の組の制御パッド２０と第二の組の制御パッド２４とは互いに対向する。第一の組の制御パッド２０は、無応力ビーム１４の長手方向の第一の側面２２に第一の電位を形成する。一方、第二の組の制御パッド２４は、無応力ビーム１４の長手方向の第二の側面２６に第二の電位を形成する。第一及び第二の組の制御パッド２０，２４の各々は、好ましくは図１に示すように少なくとも二つの制御パッドを含む。しかしながら、それより多い又はそれより少ない制御パッドを含んでもよい。例えば、図２Ａに示すように、第一及び第二の組の制御パッド２０，２４の各々が、４つの制御パッドを含んでもよい。

ＭＥＭＳスイッチ１０は、基板１２上で、無応力ビーム１４の長手方向の第一の側面２２の近傍に配置された第一の電気導電性出力コンタクト・パッド２８（図２ＡでＲＦ１として示す）と、基板１２上で、無応力ビーム１４の長手方向の第二の側面２６の近傍に配置された第二の（又は別の）電気導電性出力コンタクト・パッド３０（図２ＡでＲＦ２として示す）とを含む。

図２Ａに示すように、無応力ビーム１４は、好ましくは、第一及び第二のプラットホーム１６，１８の内側と、第一及び第二の出力コンタクト・パッド２８，３０の間とにそれぞれ設けられた複数の幅広部３１，３２，３４を備える。幅広部３１，３２，３４により、無応力ビーム１４が第一及び第二の組の制御パッド２０，２４と電気的に接続される（又は、直接的に接触する）ことが防止される。しかしながら、幅広部３１，３２，３４は任意的なものである。あるいは、図１に示すように出力コンタクト・パッド２８，３０及びプラットホームの面を、無応力ビーム１４に更に近づけて配置することにより、無応力ビーム１４が第一及び第二の組の制御パッド２０，２４と接触することを防止してもよい。

図２Ａに示すように、第一及び第二のプラットホーム１６，１８の各々は、好ましくは、無応力ビーム１４の水平方向の変位を特定の範囲に限定する延長側壁３６を含む。第一及び第二のプラットホーム１６，１８の各々は、好ましくは、図３に示すようなビーム・ラッチ３８も含む。ビーム・ラッチ３８はプラットホーム１６，１８の上端を横断して配置され、無応力ビーム１４の垂直方向の変位を実質的に防止する。より詳細には、ビーム・ラッチ３８は、無応力ビーム１４が第一及び第二のプラットホーム１６，１８から接続を断たれることを防止するために使用される。しかしながら、第一及び第二のプラットホーム１６，１８がビーム・ラッチ３８又は延長側壁３６を含む必要はない。例えば、図８Ａ及び８Ｃに示すように、第一及び第二のプラットホーム１６，１８は延長側壁３６のみを含んでもよい。更に、図８Ｂに示すように、第一及び第二のプラットホーム１６，１８は、ビーム・ラッチ３８も延長側壁３６も含まなくてもよい。

図２Ａに示すように、第一及び第二のプラットホーム１６，１８の（Ｃ１及びＣ３により示される）面と、第二の出力コンタクト・パッド３０の（Ｃ２により示される）面とが線Ａ１上に配置され、かつ第一及び第二のプラットホーム１６，１８の（Ｃ４及びＣ６により示される）面と、第一の出力コンタクト・パッド２８の（Ｃ５により示される）面とが線２Ａ上に配置されるように、ＭＥＭＳスイッチ１０の構成部品が配置される。無応力ビーム１４と第一及び第二の組の制御パッド２０，２４の一方との間に形成されたギャップＷ２の幅が、無応力ビーム１４の幅広部３１，３２，３４と第一及び第二の出力コンタクト・パッド２８，３０の一方との間に形成された別のギャップＷ１の幅よりも常に大きくなるように、第一及び第二の組の制御パッド２０，２４が配置される。図２Ａには示されていないが、中心線Ａ（断面線III−IIIと対応する）より下側のプラットホームの面と第一の出力コンタクト・パッド２８の面との間に形成された対応するギャップは同様の関係を有する。更に、第一の出力コンタクト・パッド２８の幅は、第二の出力コンタクト・パッド３０の幅と必ずしも等しくする必要はない。

以下に詳細に説明するように、第一の電位と第二の電位との間の差に基づく相対電位により、無応力ビーム１４は、相対電位が、例えば１０Ｖ等の閾値電位以上である場合、第一及び第二の出力コンタクト・パッド２８，３０の一方に向かって横方向（基板１２と実質的に平行）に変位し、そして、接触状態を維持する。閾値電位は、通常、無応力ビーム１４の断面積と、無応力ビーム１４と第一及び第二の組の制御パッド２０，２４との間の距離とによって決定される。相対電位が第一及び第二の組の制御パッド２０，２４の間に形成されると、無応力ビーム１４は、出力コンタクト・パッドと電気的に接続された状態になり、それにより、その出力コンタクト・パッドと、無応力ビーム１４と、第一及び第二のプラットホーム１６，１８との間に信号経路が提供される。

ＭＥＭＳスイッチ１０がＲＦ信号経路を提供する典型的な実施形態に関連付けて、図１及び２ＡのＭＥＭＳスイッチ１０の動作を詳細に説明する。無応力ビーム１４は非常に軽量であり（ｎＮのオーダ）、無応力ビーム１４と第一及び第二のプラットホーム１６，１８との間の接着力（主にファン・デル・ワールス力）は小さい（１μＮ以下）。故に、接触力は、有効な電気接触状態を確立するのに十分ではないかもしれない。従って、第一及び第二の組の制御パッド２０，２４に電圧が印加される以前に、無応力ビーム１４と入力信号（図２ＡのＲＦ ＩＮ）との間の大きな抵抗Ｒが初期的に存在すると仮定する。

図４に示すように電圧Ｖがいずれかの制御パッド２０，２４に印加される前は、無応力ビーム１４が、第二の組の制御パッド２４の上側の制御パッドＰ６と第一の組の制御パッド２０の下側の制御パッドＰ２との間のギャップ内のどの位置にあってもよい。電圧Ｖが上側の制御パッドＰ６に印加され、かつプラットホーム１６，１８が接地されている場合、結果として無応力ビーム１４は、プラットホーム１６，１８と無応力ビーム１４との間に大きな接触抵抗Ｒを有するフローティング・コンダクタ状態になる。図５に示すように、無応力ビーム１４がフローティング・コンダクタ状態にあるときのＭＥＭＳスイッチ１０の等価回路は、直列接続された二つのコンデンサＣ１’及びＣ２’により表される。正電荷Ｑが上側の制御パッドＰ６の面Ｓ１に集まり、同数の負電荷−Ｑが下側の制御パッドＰ２の面Ｓ４に集まる。無応力ビーム１４は高導電性材料から製造されるため、それは良導体であり、従って、無応力ビーム１４の長手方向の第二の側面２６に誘導される負電荷の数は、無応力ビーム１４の長手方向の第一の側面２２に誘導される正電荷の数に等しく、故に無応力ビーム１４上の差し引きした正味の電荷は零である。

静電的な状況下では、電流（すなわち電荷の移動）が無応力ビーム１４の内部を流れることはない。従って、無応力ビーム１４の長手方向の側面の接線方向の電場は完全に零である。しかしながら、上側の制御パッドＰ６と無応力ビーム１４との間に、上側の制御パッドＰ６の面Ｓ１及び無応力ビーム１４の長手方向の第二の側面２６に垂直な電場Ｅ１が存在する。また、無応力ビーム１４と下側の制御パッドＰ２との間に、下側の制御パッドＰ２の面Ｓ４及び無応力ビーム１４の長手方向の第一の側面２２に垂直な第二の電場Ｅ２が存在する。上側及び下側の制御パッドＰ６，Ｐ２の端部における電場の端部効果は、単純にするために無視する。上側の制御パッドＰ６の長さＬ１は下側の制御パッドＰ２の長さＬ２よりも大きいため、結果として電場Ｅ１は、電場Ｅ２よりも広い範囲に広がる。従って、電場Ｅ２はＥ１よりも強い。

全電荷Ｑに電場Ｅ１を乗算したものに等しい第一合成静電力Ｆ１が無応力ビーム１４の長手方向の第二の側面２６上に存在する。全電荷−Ｑに電場Ｅ２を乗算したものに等しい第二合成静電力Ｆ２が無応力ビーム１４の長手方向の第一の側面２２上に存在する。第一の電場Ｅ１は第二の電場Ｅ２よりも弱いため、第一合成力Ｆ１は第二合成力Ｆ２よりも弱い。第一合成力Ｆ１は無応力ビーム１４を上側の制御パッドＰ６に向かって引こうとする。一方、力Ｆ２は無応力ビーム１４を下側の制御パッドＰ２に向かって引こうとする。しかしながら、正味の又は最終的な力（Ｆ２−Ｆ１）は、無応力ビーム１４を下側の制御パッドＰ２に向かって引き、これにより、無応力ビーム１４の幅広部３１がプラットホーム１６の面Ｃ４と接触して、無応力ビーム１４の幅広部３１と第一のプラットホーム１６の面Ｃ４との間に良好な電気接触状態が提供される。正味の力（Ｆ２−Ｆ１）による電気的接触により、抵抗Ｒは、無応力ビーム１４が第一のプラットホーム１６と同じ電位になるような非常に小さな値に低減される。図６には示していないが、それと同時に、無応力ビーム１４は、第一の出力コンタクト・パッド２８の面Ｃ５、及び第二のプラットホーム１８の面Ｃ６とも接触した状態になる。

図示してはいないが、負電荷−Ｑは結局、無応力ビーム１４に蓄積され、静電力Ｆ２は零になる。図６に示すように、静電力Ｆ１により、ビームは、第一のプラットホーム１６の面Ｃ１と接触するまで、上側の制御パッドＰ６に向かって引かれる。無応力ビーム１４と上側の制御パッドＰ６との間の間隔は非常に小さいため、上側の制御パッドＰ６及び無応力ビーム１４の電荷が増加する。電場Ｅ１及び静電力Ｆ１は最初の接触以前よりも強い。同時に、無応力ビーム１４は第二の出力コンタクト・パッド３０及び第二のプラットホーム１８の面Ｃ３とも接触した状態になる。強力な静電力Ｆ１により、第一及び第二のプラットホーム１６，１８の上側の面Ｃ１，Ｃ３と、第二の出力コンタクト・パッド３０とにおいて良好な接触状態が形成される。導電（又は信号）経路が、入力信号ＲＦ ＩＮから、第一及び第二のプラットホーム１６，１８と、無応力ビーム１４とを経由して、第二の出力コンタクト・パッド３０へと確立される。

図７に信号経路の等価回路を示す。Ｒ１は第二の出力コンタクト・パッド３０の面Ｃ２における接触抵抗値を表し、Ｒ２及びＲ３はそれぞれ、第一及び第二のプラットホーム１６，１８の面Ｃ１及びＣ３における接触抵抗値を表す。

この状態で、ＭＥＭＳスイッチ１０のスイッチングを行うべく、電圧Ｖが下側の制御パッドＰ２に印加されてもよい。無応力ビーム１４が第一及び第二のプラットホーム１６，１８の面Ｃ４，Ｃ６と第一の出力コンタクト・パッド２８の面Ｃ５とに接触するまで、静電力により、ビームが下側の制御パッドＰ２に向かって引かれる。同様に、導電（又は信号）経路が、入力信号ＲＦ ＩＮから、第一及び第二のプラットホーム１６，１８と、無応力ビーム１４とを経由し、第一の出力コンタクト・パッド２８へと確立される。従って、二つの出力パッドにより、単極双投（ＳＰＤＴ）スイッチが提供される。

上記の実施形態では、電圧Ｖは制御パッドＰ２又は制御パッドＰ６のいずれかに印加される。しかしながら、電圧Ｖが、制御パッドＰ３等の第二の組の制御パッド２４の別の制御パッド、又は制御パッドＰ７等の第一の組の制御パッド２０の別の制御パッドに印加されることもある。更に、電圧Ｖが、複数の又は全ての、第一の組の制御パッド２０又は第二の組の制御パッド２４に印加されることもある。いずれにせよ、無応力ビーム１４の変位は、対向する制御パッド間の相対電位即ち静電力に依存する。

ＲＦ信号経路用のスイッチとして上記のように説明したが、ＭＥＭＳスイッチ１０は、光送信を遮断若しくは可能にして光信号経路を提供する光学スイッチとして利用することもできる。基板１２は、この用途に対しては透明であることが好ましい。より詳細には、無応力ビーム１４が、例えば第二の出力コンタクト・パッド３０と接触した場合、無応力ビーム１４と第一の出力コンタクト・パッド２８との間のギャップを介して光信号が送信される。これは、オン状態に対応する。無応力ビーム１４が第一の出力コンタクト・パッド２８と接触した場合、元のギャップは消滅し、光信号の完全な遮断が可能である。これは、オフ状態に対応する。

ＭＥＭＳスイッチ１０は、以下に説明する第一及び第二の変形例に従って、光又はレーザ等の電磁放射の向きを変える光学スイッチを提供すべく、変更されてもよい。ＭＥＭＳスイッチ１０の第一の変形例では、図２Ｂに示すように、無応力ビーム１４はその上面に設けられた光反射層３９を含む。しかしながら、無応力ビーム１４は、その下面又は上面及び下面の両方に設けられた光反射層３９を含んでもよい。更に、光反射層３９が、必ずしも無応力ビーム１４の面全体を覆う必要はない。光反射層３９は、面上で複数部分に分かれていてもよい。上記のように基板１２が透明である場合、無応力ビーム１４が第一の出力コンタクト・パッド２８又は第二の出力コンタクト・パッド３０と接触している時、無応力ビーム１４は、通常、光信号が基板１２を介して送信されるように動作する。基板１２が吸光性である場合、無応力ビーム１４が第一の出力コンタクト・パッド２８又は第二の出力コンタクト・パッド３０と接触している時、光信号は基板１２により吸収される。無応力ビーム１４が第一の出力コンタクト・パッド２８又は第二の出力コンタクト・パッド３０の他方と接触している場合、無応力ビーム１４の光反射層３９により、光信号が反射される。この第一変形例では、光信号を単に遮断するというよりはむしろオフ状態にある時、無応力ビーム１４の光反射層３９により光信号が反射されることを除いて、この動作は光送信を遮断若しくは可能にする上記の光学スイッチと類似する。

第二変形例では、ＭＥＭＳスイッチ１０により、角度的に変位した光信号経路が提供される。図２Ｃに示すように、ＭＥＭＳスイッチ１０は、無応力ビーム１４の上面に設けられた光反射ミラー４０を含むように変更される。光反射ミラー４０は片面若しくは両面である。相対電位が、対向していない制御パッド間に存在する時、無応力ビーム１４は、相対電位に従って角度的に変位可能であり、その無応力ビーム１４の角度変位に従って光信号が変位される。対向する制御パッド間に相対電位が存在する時、無応力ビーム１４は、相対電位に従って更に横方向に変位可能であり、光信号が無応力ビーム１４と垂直に変位される。より詳細には、第一及び第二の組の制御パッド２０，２４に印加された活性化電圧に応じて、無応力ビーム１４は、中心線Ａ（図２Ａに示す断面線III−IIIに対応する）と平行に、若しくは垂直軸Ｚ（図２Ｃに示す）周りに回転して変位することができる。

例えば、第二の組の制御パッド２４の全ての制御パッドが同じ電位であり、かつ第一の組の制御パッド２０の制御パッドが接地電位である場合、無応力ビーム１４は、中心線Ａ（断面線III−IIIに対応する）と平行に変位する。無応力ビーム１４が出力コンタクト・パッド２８，３０の一方と接触している時、光信号が光反射ミラー４０を捉えた場合、光信号の向きが変更される。無応力ビーム１４が出力コンタクト・パッド２８，３０の他方と接触している場合、向きの変更は行われない。制御パッドＰ１、Ｐ２、Ｐ６及びＰ８が同じ電位である場合、無応力ビーム１４の回転に応じて、ミラー４０が垂直軸Ｚ周りに回転し、光信号が光反射ミラー４０から異なる角度で反射される。第二変形例では、第一及び第二の組の制御パッド２０，２４の各々は少なくとも二つの制御パッドを含む。また、光反射ミラー４０に類似した複数の光反射ミラーが無応力ビーム１４上に含まれてもよい。

図９に、ＭＥＭＳスイッチ１０により得られた活性化電圧対スイッチ抵抗と、従来の固定ブリッジ・スイッチにより得られた活性化電圧対スイッチ抵抗との比較を示す。両スイッチは、同様の配置を備え、同じ表面抵抗率を持つ同様の材料から形成されている。ＭＥＭＳスイッチ１０の曲線は特注設計の電気機械ソフトウェアを利用してシミュレーションしたデータから得られた。一方、固定エア・ブリッジの曲線は実際のデータを利用して得られた。この曲線から示されるように、スイッチが接触するために必要なＭＥＭＳスイッチ１０の活性化電圧Ｖ２は、固定エア・ブリッジの活性化電圧Ｖ３よりも非常に低い。更に、表面膜抵抗が無視できる場合、非常に小さな活性化電圧Ｖ１を持つＭＥＭＳスイッチ１０を使用して、より小さな接触抵抗（第三の曲線）が得られる。

図１０Ａ〜１０Ｅを参照して、ＭＥＭＳスイッチ１０の典型的な製造方法を説明する。図１０Ａに示すように、最初、第一段階の金属４２が、第一マスク（図示せず）を利用して基板１２上に配置される。図１０Ｂに示すように、コンタクト及び電極金属４４が、第二マスク（図示せず）を利用して第一段階の金属４２上に配置される。図１０Ｃに示すように、第一の犠牲層４６と、無応力ビーム１４を形成する導電性材料４８とが第三マスクを利用して配置される。図１０Ｄに示すように、第二の犠牲層５０とビーム・ラッチ５２のための材料とが、第４及び第５のマスク（図示せず）を利用して配置される。最後に、図１０Ｅに示すように、第一及び第二の犠牲層４６，５０が除去され、ＭＥＭＳスイッチ１０が製造される。ＭＥＭＳスイッチ１０の製造は、工業的なＩＣの製造工程と実質的に同じ程度に複雑である。更に、基板選択の柔軟性により、ＭＥＭＳスイッチ１０をＩＣの残りの部分に比較的容易に集積することができる。この製造工程には、垂直方向に変位するＭＥＭＳスイッチを製造するために必要なステップよりも少ない製造ステップが含まれる。

図１１を参照して、第二実施形態に従うＭＥＭＳスイッチ１０’を、第一実施形態のＭＥＭＳスイッチ１０と同様の部分には同様の符号を付して説明する。ＭＥＭＳスイッチ１０’は、基板１２’上に配置され、信号の流れを制御する主無応力ビーム５４を含む。主無応力ビーム５４は、基板１２’上に配置された第一及び第二の出力コンタクト・パッド２８’，３０’との電気接触状態を選択的に形成若しくは解除するために、基板１２’と実質的に平行な方向に変位可能である。主無応力ビーム５４は、好ましくはフレーム構造を備える。ＭＥＭＳスイッチ１０’は、主無応力ビーム５４と構造的かつ電気的に接続された複数の副無応力ビーム１４’も含む。複数の副無応力ビーム１４’の各々は、基板１２’と実質的に平行ではない方向への複数の副無応力ビーム１４’の各々の変位を制限する第一、第二及び第三のプラットホーム１６’，１８’，１９’の内側、かつ基板１２’上の第一及び第二の組の制御パッド２０’，２４’の間に配置される。第一及び第二の組の制御パッド２０’，２４’により相対電位が提供される。第一、第二及び第三のプラットホーム１６’，１８’，１９’は、全体的なスイッチ接触抵抗を低減すべく、互いに電気的に接続される（図を簡単なものとするため、１９’に関しては図示せず）。

複数の副無応力ビーム１４’の各々は相対電位に対して応答的であり、相対電位に従って、基板１２’上に配置された第一、第二及び第三のプラットホーム１６’，１８’，１９’の側壁との電気接触状態を形成若しくは解除する。第三プラットホーム１９’と第一及び第二のプラットホーム１６’，１８’とにより、副無応力ビーム１４’の各々がそれぞれの制御パッド２０’，２４’と接触することが防止される。より詳細には、複数の副無応力ビーム１４’の各々が第一実施形態の無応力ビーム１４と同一である場合、幅広部（図示せず）により、副無応力ビーム１４’がそれぞれの制御パッドと接触することが防止される。

また、第一及び第二の出力コンタクト・パッド２８’，３０’と主無応力ビーム５４とは、複数の図１に示すスイッチを直列に組合わせることにより除去されてもよい。このような配列では、図１に示すように、各無応力ビーム１４が出力コンタクト・パッド２８，３０を備える。このように、複数のビームを備えるスイッチの上記実施形態により、互い並行に若しくは直列に電気的に接続可能なｍ×ｎ個のスイッチ・アレイが提供される。同じ横の列にある全てのスイッチ１０の無応力ビーム１４を、図１１におけるスイッチ１０’の副無応力ビーム１４’に類似した単一の無応力ビームとして組合わせることができる。二つ以上のＭＥＭＳスイッチ（１０又は１０’）の組合せを利用して、多極多投ＭＥＭＳスイッチを構成することができる。

動作においては、図２Ａに関連して上記したように、無応力ビーム１４が入力信号をプラットホーム１６，１８を介して受信したのと類似の方法で、複数の副無応力ビーム１４’のうちの一つが、第一、第二及び第三のプラットホーム１６’，１８’，１９’を介してＲＦ信号等の入力信号を受信してもよい。複数の副無応力ビーム１４’の全てが主無応力ビーム５４と電気的に接続されるため、信号は副無応力ビーム１４’から主無応力ビーム５４へ伝達される。例えば副無応力ビーム１４’の各々の第二の組の制御パッド２４’により電圧が印加され、副無応力ビーム１４’が第一、第二及び第三のプラットホーム１６’，１８’，１９’の側壁に向かって変位する。複数の副無応力ビーム１４’は構造的かつ電気的に主無応力ビーム５４と接続されているため、複数の副無応力ビーム１４’の変位により、それが第二の出力コンタクト・パッド２８’と第一、第二及び第三のプラットホーム１６’，１８’，１９’の側壁とに同時に接触するまで、主無応力ビーム５４が変位する。

従って、信号経路は、副無応力ビーム１４’、主無応力ビーム５４及び出力コンタクト・パッド２８’の間に提供される。主無応力ビーム５４は、副無応力ビーム１４’の組合わせ変位により変位させられるため、ＭＥＭＳスイッチ１０と同じ活性化電圧及び横方向変位に対して、より強い接触力が主無応力ビーム５４により蓄積される。更に、ＭＥＭＳスイッチ１０と同じ接触力及び横方向変位に対して、より低い活性化電圧がＭＥＭＳスイッチ１０’を駆動させるために必要となる。また、ＭＥＭＳスイッチ１０と同じ接触力及び活性化電圧に対して、より大きな横方向の変位がＭＥＭＳスイッチ１０’において実現される。概して、後述するように、ＭＥＭＳスイッチ１０’はより大きな設計の柔軟性を有することができる。

要約すれば、ＭＥＭＳスイッチ１０は、横方向へ自由に変位可能な非固定の無応力ビーム１４を含む。この非固定の無応力ビーム１４により、従来の固定ビーム構造と比べて多くの利点が得られる。

具体的には、無応力ビーム１４は自由に移動するため、動作中及び製造中において、無応力ビーム１４には実質的に応力が存在しない。更に、固定スイッチ構造にあるような度重なる曲げに起因する金属疲労及びその結果の塑性変形は、実質的に存在しない。軽減された金属疲労、塑性変形、動作応力及び製造応力により、従来の固定スイッチよりも信頼性及び耐久性のあるスイッチ構造が得られる。

ＭＥＭＳスイッチ１０は、低活性化電圧であることはもちろん、スイッチングを行って無応力ビーム１４をある位置に維持する間、零電力消費である。この理由は、無応力ビーム１４の二端における極僅かな接着力と、無応力ビーム１４を動かす時における空気抵抗とを克服する静電力のみが要求されるからである。

大きな接触力により、無応力ビーム１４が一定の位置に維持される。この理由は、静電力の大部分は、固定されたアンカを備える構造を曲げる若しくは歪めるためというより、むしろ接触のために使用されるからである。大きな接触力により大きな接触面積が保証され、接触抵抗が低減される。小さな接触抵抗の結果として、接触部分が過剰に加熱されて破壊されることなく、大電流が接触部を通過することが可能である。

更に、無応力ビームにかかる重力（ｎＮ）は静電力（数十〜数百μＮ）と比較して極僅かであるため、ＭＥＭＳスイッチ１０により、サブμ秒オーダのスイッチング時間が達成される。

ＭＥＭＳスイッチ１０により、より大きな設計の柔軟性が得られる。より詳細には、異なる用途に応じた最適な設計を達成すべく、様々な材料及びビーム形状を、異なる面硬度及びビーム剛性を備えるビームのために利用することができる。従来の固定ビーム構造では、曲げに対する要求のため、一定の材料及びビーム形状に制限される。更に、ビーム材料及び面硬度を適切に選択することにより、接触中の付着の問題を最小化することができる。付着した場合において、反対の電圧をかけることにより、接触した状態を分離させるための分離力が提供される。

ＭＥＭＳスイッチ１０には、屈曲柔軟性を提供するための細長い幾何形状を備えるビームは要求されない。従って、非常に小型のスイッチとすることが可能であり、スイッチのレイアウト設計において、ＲＦ動作を最適化し、かつＭＥＭＳスイッチ１０がオフ状態の時の絶縁を向上させる点で柔軟性がある。

ＭＥＭＳスイッチ１０’により、更に特有な利点が提供される。横方向の変位及び活性化電圧を同じ量にしてスイッチ１０’の配列規模を増加させることにより、スイッチの接触力を増加させることができ、低接触抵抗及びハイ・パワー操作が達成される。接触力及び活性化電圧を同じ量にしてスイッチ１０’の配列規模を増加させることにより、ビームの横方向の変位を増加させることができ、入力及び出力の更なる分離と、入力及び出力の間のＲＦ信号の更なる絶縁とが達成される。接触力及び横方向変位を同じ量にしてスイッチ１０’の配列規模を増加させることにより、スイッチの活性化電圧が減少されて、より広い商業的な適用の機会が提供される。スイッチ１０’には、より広い範囲で接触力を得るためにコンタクト材料を最適化することにおいて、より大きな設計の柔軟性がある。スイッチ１０’の複数の副無応力ビーム１４’により、一つ以上の副無応力ビーム１４’と、第一、第二及び／又は第三のプラットホーム１６’，１８’，１９’の接触位置との間の付着の問題を除去する自己修復機構として働く蓄積力が提供される。

上記の説明は本発明の好ましい実施形態に関するものであるが、当然のことながら、特許請求の範囲の正確な範囲から逸脱することなく、本発明が改良、修正、若しくは変更されてもよい。

第一の好ましい実施形態に従う典型的なＭＥＭＳスイッチの斜視図。 第一の好ましい実施形態に従う典型的なＭＥＭＳスイッチの平面図。 第一の好ましい実施形態の変形例に従う無応力ビームの部分Ｂの分解図。 第一の好ましい実施形態の別の変形例に従う無応力ビームの部分Ｂの分解図。 断面線III−IIIに沿う、図２Ａの典型的なＭＥＭＳスイッチの無応力ビーム及びプラットホームの側断面図。 無応力ビームがプラットホームの延長側壁と良好な電気接触状態を確立する前の、図２ＡのＭＥＭＳスイッチ内部の初期の電荷分布の図。 無応力ビームがプラットホームの延長側壁と良好な電気接触状態を確立する前の、図２ＡのＭＥＭＳスイッチの等価回路の図。 無応力ビームがプラットホームの延長側壁と良好な電気接触状態を確立した後の、図２ＡのＭＥＭＳスイッチ内部の電荷分布の図。 無応力ビームがプラットホームの延長側壁と良好な電気接触状態を確立した後の、図２ＡのＭＥＭＳスイッチの等価回路の図。 図１のＭＥＭＳスイッチのプラットホームに関する別の実施形態の図。 図１のＭＥＭＳスイッチのプラットホームに関する別の実施形態の図。 図１のＭＥＭＳスイッチのプラットホームに関する別の実施形態の図。 接触面の間に膜抵抗がない図２Ａの非固定のＭＥＭＳスイッチと、接触面の間に膜抵抗がある図２Ａの非固定のＭＥＭＳスイッチと、固定エア・ブリッジＭＥＭＳスイッチとにより得られた活性化電圧対スイッチ抵抗のグラフ。 図１に示されたＭＥＭＳスイッチを製造する製造工程を示す図。 図１に示されたＭＥＭＳスイッチを製造する製造工程を示す図。 図１に示されたＭＥＭＳスイッチを製造する製造工程を示す図。 図１に示されたＭＥＭＳスイッチを製造する製造工程を示す図。 図１に示されたＭＥＭＳスイッチを製造する製造工程を示す図。 第二の好ましい実施形態に従う典型的なＭＥＭＳスイッチの斜視図。

符号の説明

１０，１０’…マイクロ電気機械システム・スイッチ（ＭＥＭＳスイッチ）、１２…基板、１４，１４’…無応力ビーム、１６，１６’…第一のプラットホーム、１８，１８’…第二のプラットホーム、２０，２０’…第一の組の制御パッド、２２…無応力ビームの長手方向の第一の側面、２４，２４’…第二の組の制御パッド、２６…無応力ビームの長手方向の第二の側面、２８，２８’…第一の出力コンタクト・パッド、３０，３０’…第二の出力コンタクト・パッド、３９…光反射層、４０…光反射ミラー、３１，３２，３４…幅広部、３６…延長側壁、３８，５２…ビーム・ラッチ、５４…主無応力ビーム、Ｐ１〜Ｐ８…制御パッド。

Claims (12)

1. マイクロ電気機械システム・スイッチであって、
   基板と、
   前記基板上に配置された無応力ビームであって、前記基板上に配置されて前記基板と実質的に平行ではない方向への無応力ビームの変位を制限する第一及び第二のプラットホームの内側に設けられた無応力ビームと、
   前記無応力ビームの長手方向の第一の側面の近傍に配置され、前記無応力ビームの長手方向の第一の側面に電位を形成する一つの組の一つ以上の制御パッドとを備え、
   前記無応力ビームは、前記電位に従って、信号経路を提供するために前記基板と実質的に平行な方向に変位可能である、マイクロ電気機械システム・スイッチ。
2. 前記第一及び第二のプラットホームは入力信号を受信する、請求項１に記載のマイクロ電気機械システム・スイッチ。
3. 前記基板上かつ前記無応力ビームの長手方向の第一の側面の近傍に配置された出力コンタクト・パッドを備え、前記電位が前記一つ以上の制御パッドにより形成された場合、前記出力コンタクト・パッドと前記無応力ビームと前記第一及び第二のプラットホームとの間に前記信号経路を提供するように、前記出力コンタクト・パッドが前記無応力ビームと電気的に接続される、請求項１に記載のマイクロ電気機械システム・スイッチ。
4. 前記基板上かつ前記無応力ビームの長手方向の第二の側面の近傍に配置され、前記無応力ビームの長手方向の第二の側面に別の電位を形成する別の一つの組の一つ以上の制御パッドと、
   前記基板上かつ前記無応力ビームの長手方向の第二の側面の近傍に配置された別の出力コンタクト・パッドとを備える、請求項３に記載のマイクロ電気機械システム・スイッチ。
5. 前記一つの組の一つ以上の制御パッドと前記別の一つの組の一つ以上の制御パッドとにより、無応力ビームの長手方向の第一及び第二の側面の間に、前記電位と前記別の電位との間の差に基づく相対電位が形成され、
   前記相対電位が閾値電位以上である場合、前記無応力ビームは、前記出力コンタクト・パッドへ変位してそれと接触状態を維持するか、又は前記別の出力コンタクト・パッドへ変位してそれと接触状態を維持する、請求項４に記載のマイクロ電気機械システム・スイッチ。
6. 前記基板は透明であり、
   前記無応力ビームが前記出力コンタクト・パッド又は前記別の出力コンタクト・パッドの最初のものと接触している場合、前記無応力ビームにより、光信号を前記基板を介して送信することができ、前記無応力ビームが前記出力コンタクト・パッド又は前記別の出力コンタクト・パッドの二つ目のものと接触している場合、前記無応力ビームにより、光信号が遮断される、請求項５に記載のマイクロ電気機械システム・スイッチ。
7. 前記無応力ビームはその上面に、前記無応力ビームが前記出力コンタクト・パッド又は前記別の出力コンタクト・パッドの最初のものと接触している場合、光信号を反射し、前記無応力ビームが前記出力コンタクト・パッド又は前記別の出力コンタクト・パッドの二つ目のものと接触している場合、基板により前記光信号を吸収することを可能にする光反射層を含む、請求項５に記載のマイクロ電気機械システム・スイッチ。
8. 前記無応力ビームは光反射ミラーを含み、
   前記一つの組の一つ以上の制御パッド及び前記別の一つの組の一つ以上の制御パッドの各々は少なくとも二つの制御パッドを備え、前記一つの組の一つ以上の制御パッドの前記少なくとも二つの制御パッドは、前記別の一つの組の一つ以上の制御パッドの前記少なくとも二つの制御パッドとそれぞれ対向し、
   前記相対電位が対向していない制御パッド間に存在する時、前記無応力ビームは前記相対電位に従って角度的に変位可能であり、光信号を前記無応力ビームの角度変位に従って変位させ、
   前記相対電位が対向する制御パッド間に存在する時、前記無応力ビームは前記相対電位に従って更に横方向に変位可能であり、前記光信号を前記無応力ビームと垂直に変位させる、請求項５に記載のマイクロ電気機械システム・スイッチ。
9. 前記無応力ビームは、前記第一及び第二のプラットホームと、対向する前記出力コンタクト・パッドとの内側に配置される幅広部を備え、前記幅広部により、前記無応力ビームが、前記一つの組の一つ以上の制御パッド及び前記別の一つの組の一つ以上の制御パッドと実質的に電気的に接続されることが防止される、請求項３に記載のマイクロ電気機械システム・スイッチ。
10. 前記第一及び第二のプラットホームの各々は、前記無応力ビームの水平方向の変位を限定する延長側壁を備える、請求項１に記載のマイクロ電気機械システム・スイッチ。
11. 前記第一及び第二のプラットホームの各々は、前記無応力ビームの垂直方向の変位を実質的に防止するビーム・ラッチを備える、請求項１０に記載のマイクロ電気機械システム・スイッチ。
12. 前記無応力ビームと実質的に同一な、少なくとも一つの付加的な無応力ビームと、
    前記無応力ビーム及び前記少なくとも一つの付加的な無応力ビームと構造的かつ電気的に接続された主無応力ビームとを備え、
    前記少なくとも一つの付加的な無応力ビーム及び前記無応力ビームの変位の結果として前記信号経路が提供されるように、前記主無応力ビームが前記基板と実質的に平行な方向に変位可能である、請求項１に記載のマイクロ電気機械システム・スイッチ。

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