JP2005079604A - 信号伝達装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】透過帯域内の信号強度の制御、あるいは信号の透過・遮断を可能し、且つ信号損失の低減、面積の小型化などを可能にした信号伝達装置を提供するものである。
【解決手段】基板上にそれぞれ形成された、入力側の第１の固定電極２３と、第１の固定電極２３に空間を介して対向する可動電極２５と、可動電極２５に空間を介して対向する出力側の第２の固定電極２４と、可動電極２５に印加する直流電圧Ｖ２ を制御する電圧制御手段２９とを有して成る。
【選択図】 図１
【解決手段】基板上にそれぞれ形成された、入力側の第１の固定電極２３と、第１の固定電極２３に空間を介して対向する可動電極２５と、可動電極２５に空間を介して対向する出力側の第２の固定電極２４と、可動電極２５に印加する直流電圧Ｖ２ を制御する電圧制御手段２９とを有して成る。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＭＥＭＳ素子を利用した信号伝達装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロマシン（ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ、超小型電気的・機械的複合体）素子、及びＭＥＭＳ素子を組み込んだ小型機器が注目されている。ＭＥＭＳ素子の基本的な特徴は、機械的構造として構成されている駆動体が素子の一部に組み込まれていることであって、駆動体の駆動は、電極間のクーロン力などを応用して電気的に行われる。
【０００３】
携帯電話に代表される通信機器に用いられる高周波フロントエンド回路では、通信周波数帯域に応じたフィルタ等の処理回路への切り替えに高周波スイッチが用いられている。高周波スイッチには低抵抗（低損失）や高速なスイッチング速度が求められており、ＰＩＮダイオード、接合型電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）等の素子が主として用いられている。最近では、より低抵抗が実現きるＭＥＭＳスイッチなども提案されている。
【０００４】
図９は、ＭＥＭＳスイッチの概略を示す。このＭＥＭＳスイッチ１１は、基板上に入力電極１２及び出力電極１３を形成し、入力電極１２及び出力電極１３に空間１４を介して対向するスイッチ板となる可動電極１５を配置し、可動電極１５を静電力により上下動作させて入力電極１２と出力電極１３に電気的に接触、非接触させて、導通、非導通が得られるように構成される。
【０００５】
また、携帯電話に代表される通信機器に用いられる高周波フロントエンド回路では、通信周波数帯域に応じたフィルタが用いられている。フィルタには低損失や急峻なカットオフ特性、小型化が求められている。従来のフィルタとしては、表面弾性波（ＳＡＷ）、薄膜弾性波（ＦＢＡＲ）などの素子が主として用いられている。最近ではより小型でカットオフ性能の高いＭＥＭＳフィルタなども、ミシガン大学を始めとする研究機関から提案されている（非特許文献１）。
【０００６】
図１０は、非特許文献１に記載された高周波フィルタを構成する振動素子、即ちＭＥＭＳ振動素子の概略を示す。この振動素子１は、半導体基板２上に絶縁膜３を介して例えば多結晶シリコンによる入力側配線層４と出力電極５が形成され、この出力電極５に対向して空間６を挟んで例えば多結晶シリコンによる振動可能なビーム、いわゆるビーム型の振動電極７が形成されてなる。振動電極７は、両端のアンカー部（保持部）８〔８Ａ，８Ｂ〕にて保持されるように、出力電極５をブリッジ状に跨いで入力側配線層４に接続される。振動電極７は入力電極となる。
この振動素子１は、振動電極７と接地間にＤＣバイアス電圧Ｖ１ が印加された状態で、入力端子ｔ１ を通じて振動電極７に高周波信号Ｓ１ が供給される。即ち、入力端子ｔ１ からＤＣバイアス電圧Ｖ１ と高周波信号Ｓ１ が重畳された入力信号が供給される。目的周波数の高周波信号Ｓ１ が入力されると、長さＬで決まる固有振動数を有する振動電極７が、出力電極５と振動電極７間に生じる静電力で振動する。この振動によって、出力電極５と振動電極７との間の容量の時間変化とＤＣバイアス電圧に応じた高周波信号が出力電極５（したがって、出力端子ｔ２ ）から出力される。高周波フィルタでは振動電極７の固有振動数（共振周波数）に対応した信号が出力される。
【０００７】
【非特許文献１】
Ｃ．Ｔ．−Ｎｇｕｙｅｎ，″Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｆｏｒ ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄ ｌｏｗ−ｐｏｗｅｒ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ（ｉｎｖｉｔｅｄ ｐｌｅｎａｒｙ），″ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，１９９９ ＩＥＥＥ ＭＴＴ−Ｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ＲＦ ＭＥＭＳ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ，Ｊｕｎｅ，１８，１９９９，ｐｐ．４８−７７．
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、フィルタ等の処理回路への切り替えに用いられるＭＥＭＳスイッチにおいては、スイッチング速度が相対的に遅く、またデバイスの大きさも１００ミクロン角レベルと大きい。また通常、切り替えスイッチは、信号線路上に配置されるため、信号損失の原因の１つにもなる。
一方、フィルタとしての表面弾性波（ＳＡＷ）、薄膜弾性波（ＦＢＡＲ）、ＭＥＭＳフィルタでは、いずれも共振子の受動的特性を組み合わせて一定の帯域の信号をフィルタリングするように配置しているため、透過帯域内の透過特性（信号強度）をバランスすることが難しいという課題ある。
【０００９】
本発明は、上述に点に鑑み、透過帯域内の信号強度の制御、あるいは信号の透過・遮断を可能し、且つ信号損失の低減、面積の小型化などを可能にした信号伝達装置を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る信号伝達装置は、基板上にそれぞれ形成された入力側の第１の固定電極と、第１の固定電極に空間を介して対向する可動電極と、可動電極に空間を介して対向する出力側の第２の固定電極と、可動電極に印加する直流電圧を制御する電圧制御手段とを有して成る。
電圧制御手段としては、可動電極に印加する直流電圧を可変制御する電圧可変手段、あるいは可動電極に印加する直流電圧をオン・オフ制御するスイッチ手段とすることができる。電圧制御手段は、基板に形成した半導体素子を用いることが望ましい。
【００１１】
本発明の信号伝達装置では、可動電極に直流電圧を印加した状態で第１の固定電極に可動電極がもつ固有振動数に応じた所要周波数の入力信号が入ると、第１の固定電極と可動電極間で生じる静電力で可動電極が共振し、第２の固定電極に対して交流振動を励起するため、入力信号が第１の固定電極から第２の固定電極へ伝播する。いわゆるフィルタ効果が得られる。
そして、可動電極に印加する直流電圧を制御することにより、第１の固定電極から第２の固定電極へ伝播する信号の制御が可能になる。例えば、可動電極に印加する直流電圧を制御する電圧制御手段を電圧可変手段とするときは、可動電極に印加される電圧の大きさに応じて第１の固定電極から第２の固定電極へ透過される信号の強度が変調される。また、電圧制御手段をオン・オフ制御するスイッチ手段とするときは、第１の固定電極から第２の固定電極への信号の透過、遮断を行うことができる。
電圧制御手段は信号線路上にないので、信号損失が低減される。電圧制御手段が基板に形成した半導体素子を用いることができるので、信号伝達装置の小型化が可能になる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の信号伝達装置の実施の形態を説明する。
【００１３】
図１及び図２は、本発明に係る信号伝達装置の実施の形態の基本的な構成を示す。本実施の形態に係る信号伝達装置２１は、基板２２の少なくとも絶縁性を有する表面上に互いに所要の間隔を置いて配置された第１の固定電極２３と第２の固定電極２４と、これら第１及び第２の固定電極２３及び２４に対して空間２６を挟んで対向して配置された可動し得る第３の電極２５とを有して成る。第３の電極２５は、第１及び第２の固定電極２３及び２４をブリッジ状に跨ぎ、第１及び第２の固定電極２３及び２４の外側に配置した配線層２７に接続されるように両端を保持手段（いわゆるアンカー部）２８〔２８Ａ，２８Ｂ〕により一体に保持される。第１の固定電極２３は、信号が入力される入力電極として用いられ、第２の固定電極２４は、信号が出力される出力電極として用いられる。第３の電極２５は可動し得る可動電極となる。この可動電極となる第３の電極２５には、可変な直流電圧を印加する手段、即ち可動電極２５に印加する直流電圧Ｖ２ を制御する電圧制御手段２９が接続される。
【００１４】
基板２２は、例えばシリコン（Ｓｉ）やガリウム砒素（ＧａＡｓ）等の半導体基板上に絶縁膜を形成した基板、本例ではシリコン基板３１上に絶縁膜３２を形成した基板が用いられる。絶縁膜３２は、例えばシリコン酸化膜とシリコン窒化膜の積層膜、単層膜、その他の絶縁膜を用いることができる。基板２２は、その他、石英基板やガラス基板のような絶縁性基板等を用いることも可能である。第１及び第２の固定電極２３及び２４、配線層２７は、同じ導電材料で形成し、例えば多結晶シリコン膜、アルミニウム（Ａｌ）などの金属膜にて形成することができる。
【００１５】
次に、この信号伝達装置２１の動作を説明する。第３の電極である可動電極２５に電圧制御手段２９を通じて所要の直流電圧（即ち、ＤＣバイアス電圧）Ｖ２ が印加される。入力端子ｔ２１から第１の電極である入力電極２３に交流信号である入力信号Ｓ２ が入力される。この所要周波数の入力信号が入力されると、可動電極２５に印加される直流電圧Ｖ２ の効果で、即ち入力電極２３と可動電極２５間に生じる静電力で可動電極２５に対して振動を励起する。可動電極２５は、保持手段２８〔２８Ａ，２８Ｂ〕の間隔で定義される長さＬ２ に応じた固有振動数（共振周波数）を有しているので、入力信号Ｓ２ が上記共振周波数を含む場合は可動電極２５に共振が起こり、他の周波数に対して選択的に信号の励起が起きる。さらに、この共振振動は、可動電極２５に印加された直流電圧Ｖ２ の効果により、出力電極２４に対して交流振動を励起する。このため、信号伝達装置２１では、可動電極２５の共振周波数近傍の信号のみが、入力電極２３から出力電極２４（したがって出力端子ｔ２２）へ伝播する結果となり、いわゆるフィルタ効果が得られる。
【００１６】
ここで、可動電極２５に上記の直流電圧Ｖ２ が印加されない場合に、入力電極２３から出力電極２４へ交流信号が実質的に透過（いわゆるリーク）しないように、入出力電極２３及び２４の電極間距離ｄ２ を離して配置する。このように入出力電極２３及び２４を離して配置したとき、図３に示すように、可動電極２５に印加する直流電圧Ｖ２ の値に応じて入力電極２３〜出力電極２４へ透過される信号Ｓ２ の透過強度を変調することができる。図３は直流電圧Ｖ２ をパラメータとした透過強度特性を示す。可動電極２５に印加する直流電圧をＶ２１，Ｖ２２，Ｖ２３と上げてゆくと、それに応じて透過する信号の透過強度が上がる。
【００１７】
本実施の形態の信号伝達装置２１によれば、電圧制御手段２９を、印加する電圧を可変調整できる電圧可変手段として構成したときには、この電圧可変手段２９により図３に示したように可動電極２５に印加する直流電圧、いわゆるＤＣバイアス電圧を制御することにより、入力電極２３から出力電極２４へ透過する所要の周波数信号の強度を調整することができる。また、電圧制御手段２９を、印加する電圧をオン・オフ制御するスイッチ手段として構成したときには、このスイッチ手段２９により入力電極２３から出力電極２４への所要の周波数信号の透過、遮断を選択的に制御することができる。
【００１８】
信号伝達装置２１では、電圧制御手段２９が信号線路上になく、可動電極２５に接続されているので、電圧制御手段２９による信号損失がなくなり、回路システムの信号損失を低減することができる。電圧制御手段２９を半導体基板３１に形成した半導体素子、例えばトランジスタを用いることにより、信号伝達装置２１をより小型化することができる。
【００１９】
例えば、本信号伝達装置２１を、通信周波数帯域に応じたフィルタなどの処理回路への切り替えに適用した場合、従来のＭＥＭＳスイッチと比較して面積の小型化、フィルタとスイッチの共有化ができ、構造として電極間の接触がなく信頼性を高めることができる。また、本信号伝達装置２１を、通信周波数帯域に応じたフィルタに適用した場合、可動電極２５に印加する直流電圧によって通過帯域内の信号の透過強度を調整することができるので、透過帯域内の透過特性をバランスよく揃えることができる。
【００２０】
図４は、上述の基本構成を適用した本発明の信号伝達装置の他の実施の形態を示す。本実施の形態は、図３の可動電極に印加する直流電圧による信号透過特性を利用した信号透過装置として構成した場合である。
本実施の形態に係る信号伝達装置４１は、基板、本例では表面に絶縁膜を有するシリコン半導体基板上に、各信号が入力される複数に分割された第１の固定電極となる入力電極２３〔２３１、２３２、２３３〕と、各入力電極２３と対をなし信号が出力される複数に分割された第２の固定電極となる出力電極２４〔２４１、２４２、２４３〕と、各対の第１の電極２３〔２３１、２３２、２３３〕と第２の電極２４〔２４１、２４２、２４３〕に対して夫々空間を挟んで対向して配置され、それぞれ目的の透過周波数に応じた長さＬ２ 〔Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ２３〕の異なる第３の電極となる可動電極２５〔２５１、２５２、２５３〕とを有して成る。各入力電極２３１〜２３３は配線層２７１を介して共通の入力端子ｔ３１に接続される。また、各出力電極２４１〜２４３は配線層２７２を介して共通の出力端子ｔ３２に接続される。さらに、各第３の電極２５〔２５１、２５２、２５３〕には直流電圧を制御する電圧制御手段（即ち、電圧可変手段）２９〔２９１、２９２、２９３〕が接続され、これら各電圧制御手段２９〔２９１、２９２、２９３〕が共通の電源Ｖ２ に接続される。
【００２１】
この場合の電圧制御手段２９〔２９１、２９２、２９３〕は、図５Ａに示すように、上記シリコン半導体基板内に形成した半導体素子による可変抵抗器で構成することができる。図５Ａは、電圧制御手段２９１〜２９３の回路構成を示す。この回路は、トランジスタＱ１と抵抗Ｒ１を組み合わせて成る。トランジスタＱ１の第１の主電極に第１の電源電圧１（たとえば１０Ｖ）が印加され、ゲートに第２の電源電圧２（たとえば０〜５Ｖ）が印加される。トランジスタＱ１と抵抗Ｒ１の接続中点から駆動電極電圧Ｖが出力される。この第２の電源電圧Ｖ２を制御することで、ＭＥＭＳを駆動する比較的高い電圧を連続的に制御することができｆる。第２の電源電圧Ｖ２を増加させると、トランジスタＱ１に流れる電流Ｉ１が増加し、抵抗Ｒ１に流れ込むことによって駆動電極の電圧がＶ＝ＩＲ（オームの法則）の原理から決まる。
【００２２】
ここで、入力電極２３１、出力電極２４１及び可動電極２５１により、第１の目的周波数の信号を透過する第１のＭＥＭＳフィルタ素子４２１が構成される。入力電極２３２、出力電極２４２及び可動電極２５２により、第２の目的周波数の信号を透過する第２のＭＥＭＳフィルタ素子４２２が構成される。入力電極２３３、出力電極２４３及び可動電極２５３により、第３の目的周波数の信号を透過する第３のＭＥＭＳフィルタ素子４２３が構成される。
【００２３】
本実施の形態に係る信号伝達装置４１においては、各電圧制御手段２９〔２９１〜２９３〕により各ＭＥＭＳフィルタ素子４２〔４２１、４２２、４２３〕を構成する長さＬ２ 〔Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ２３〕の異なる可動電極２５１、２５２、２５３に印加する直流電圧を調整することにより、各ＭＥＭＳフィルタ素子４２〔４２１、４２２、４２３〕を透過する目的周波数帯の透過特性（即ち、透過する信号の強度）を調整することができる。
【００２４】
この信号伝達装置４１は、いわゆるイコライザとして用いることができる。入力端子ｔ３１から例えば各シャンネルの周波数信号が混合されて入力された場合、周波数帯によって信号強度差（レベル差）があると、出力端子ｔ３２から出力した信号を増幅器で増幅したときに透過強度の小さい周波数帯の信号が歪んでしまう。従って、予め入力される各周波数帯の信号の透過強度が判っていれば、その信号に対する透過強度を調整することにより、各チャンネルの周波数信号の透過強度を揃えることができる。即ち、各ＭＥＭＳフィルタ素子４２〔４２１、４２２、４２３〕で対応する周波数帯の信号を透過させる際に、電圧制御手段２９〔２９１、２９２、２９３〕により可動電極２５〔２５１、２５２、２５３〕に印加する直流電圧を制御する。例えば、各ＭＥＭＳフィルタ素子４２〔４２１、４２２、４２３〕において、可動電極２５〔２５１、２５２、２５３〕の長さが小さい順（Ｌ２１＜Ｌ２２＜Ｌ２３）に透過する信号強度が小さいとすれば、可動電極２５〔２５１、２５２、２５３〕に印加する直流電圧をその順に大きくすれば、各ＭＥＭＳフィルタ素子４２〔４２１、４２２、４２３〕を透過する信号強度を揃えることができる。
【００２５】
そして、本実施の形態に係る信号伝達装置４１によれば、信号線路上に電圧制御手段２９〔２９１、２９２、２９３〕がないので、ＭＥＭＳフィルタ素子４２〔４２１、４２２、４２３〕以外に損失の原因がないことになり、システムとして信号損失を小さくすることができる。電圧制御手段が信号線路上にないので、電圧制御手段２９〔２９１、２９２、２９３〕として高周波特性、伝達特性を考慮したものを用いる必要がなく、安価な素子で済む。直流電圧で特定の周波数帯の透過強度を変化させることができる。
本実施の形態の信号伝達装置４１は、音響信号処理にも応用することができる。
【００２６】
図６は、上述の基本構成を適用した本発明の信号伝達装置の他の実施の形態を示す。本実施の形態は、信号の透過、遮断の２値的な制御のみを目的とするスイッチ機能を実現した信号伝達装置として構成した場合である。
本実施の形態に係る信号伝達装置４５は、夫々独立した複数のＭＥＭＳフィルタ素子４２〔４２１、４２２、４２３〕と、各ＭＥＭＳフィルタ素子４２〔４２１、４２２、４２３〕を夫々オン・オフ制御するためのスイッチ手段（即ち、電圧制御手段）３９〔３９１、３９２、３９３〕とを備えて成る。
【００２７】
各ＭＥＭＳフィルタ素子４２〔４２１、４２２、４２３〕は、前述と同様に、共通の基板、本例では表面に絶縁膜を有するシリコン半導体基板上に信号が入力される第１の固定電極となる入力電極２３〔２３１、２３２、２３３〕と、各入力電極２３と対をなし信号を出力する第２の固定電極となる出力電極２４〔２４１、２４２、２４３〕と、図示せざるも配線層とが形成され、各対をなす入力電極２３〔２３１、２３２、２３３〕と出力電極２４〔２４１、２４２、２４３〕に対して空間を挟んで対向して配置された第３の電極となる可動電極２５〔２５１、２５２、２５３〕とを有して構成される。
【００２８】
各ＭＥＭＳフィルタ素子４２〔４２１、４２２、４２３〕では、透過信号（高周波信号）に応じて可動電極２５〔２５１、２５２、２５３〕の長さＬ２ 〔Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ２３〕が異なるように設定されている（Ｌ２１＜Ｌ２２＜Ｌ２３）。各ＭＥＭＳフィルタ素子２５〔２５１、２５２、２５３〕の可動電極２５〔２５１、２５２、２５３〕には、夫々スイッチ素子３９〔３９１、３９２、３９３〕を介して直流電源Ｖ２ が接続され、直流電源Ｖ２ を通じて所要のＤＣバイアス電圧が印加されるよになされる。即ち、直流電源Ｖ２ は、全ての可動電極２５〔２５１、２５２、２５３〕に対して一定の直流電圧を供給している。
ＭＥＭＳフィルタ素子４２〔４２１、４２２、４２３〕の各入力電極２３〔２３１、２３２、２３３〕には夫々入力端子ｔ４１，ｔ４２，ｔ４３が導出され、各出力電極２４〔２４１、２４２、２４３〕には夫々出力端子ｔ５１，ｔ５２，ｔ５３が導出される。
【００２９】
スイッチ手段３９〔３９１、３９２、３９３〕は、例えばトランジスタなどの半導体素子によるスイッチ素子が用いられる。この半導体スイッチ素子は、ＭＥＭＳフィルタ素子４２が形成されるシリコン半導体基板に一体に形成される。図５Ｂは、スイッチ手段３９の回路構成を示す。この回路は、トランジスタＱ２で構成される。トランジスタＱ２の第１の主電極に第１の電源電圧１（たとえば１０Ｖ）が印加され、ゲートに第２の電源電圧２（たとえば０〜５Ｖ）が印加され、第２の主電極が接地される。トランジスタＱ２の第１の主電極より駆動電極電圧Ｖが出力される。この回路では、第２の電源電圧２で駆動電圧の印加状況を制御することができる。
【００３０】
本実施の形態の信号伝達装置４５の動作を説明する。各ＭＥＭＳフィルタ素子４２〔４２１、４２２、４２３〕では、スイッチ手段３９〔３９１、３９２、３９３〕がオンして可動電極２５〔２５１、２５２、２５３〕に所要のＤＣバイアス電圧Ｖ２ が印加されると、入力電極２３〔２３１、２３２、２３３〕から出力電極２４〔２４１、２４２、２４３〕へ夫々対応する目的周波数帯の高周波信号が透過する。スイッチ手段３９〔３９１、３９２、３９３〕をオフ状態にすれば、上記各高周波信号は各ＭＥＭＳフィルタ素子４２〔４２１、４２２、４２３〕を透過しない。従って、スイッチ手段３９１、３９２、３９３を選択的にオン・オフ制御することにより、ＭＥＭＳフィルタ素子４２〔４２１、４２２、４２３〕の信号の透過・不透過を制御することができる。従って、目的周波数帯の高周波信号のみ選択して透過をすることができる。
【００３１】
この信号伝達装置４５は、いわゆる選局装置として用いることができる。各ＭＥＭＳフィルタ素子４２〔４２１、４２２、４２３〕の入力電極２３〔２３１、２３２、２３３〕に各対応するチャンネルの周波数信号が入力され、所要のスイッチ手段３９〔３９１、３９２、３９３〕が選択されてオン状態になれば、スイッチ手段３９〔３９１、３９２、３９３〕により選択されたＭＥＭＳフィルタ素子４２に入力された信号のみが出力される。従って、この信号伝達装置４５の各ＭＥＭＳフィルタ素子４２〔４２１、４２２、４２３〕の出力電極２４〔２４１、２４２、２４３〕に受信機が接続されていれば、選択されたチャンネルを受信することができる。
【００３２】
本実施の形態の信号伝達装置４５によれば、ＭＥＭＳフィルタ素子４２〔４２１、４２２、４２３〕の可動電極２５〔２５１、２５２、２５３〕にスイッチ手段３９〔３９１、３９２、３９３〕を設けて、ＭＥＭＳフィルタ素子４２〔４２１、４２２、４２３〕のオン・オフ制御を行うようにしたので、従来のように信号線路上にスイッチ手段を配置する必要がない。このため、ＭＥＭＳフィルタ素子４２〔４２１、４２２、４２３〕以外に損失の原因がなくなり、システムとして信号損失を小さくすることができる。スイッチ手段３９をシリコン半導体基板に形成した半導体素子で形成することにより、従来のＭＥＭＳスイッチに比較して面積が小型化、共有化でき、構造としても電極間の接触がないので、信頼性が高くなる。
【００３３】
本発明では、共通の半導体基板上に上述の両信号伝達装置４１及び４５を形成することができる。例えば図４に示す信号伝達装置４１の後段に、増幅器を介して図５に示す信号伝達装置４５を配置した構成とすることも可能である。この構成によれば、各チャンネルの高周波信号を同じ信号レベルで選局できることになる。
【００３４】
なお、上述した固定電極とは、目的とする信号の透過領域で実質的に振動しない構造のことを指す。例えば、後述の図７及び図８に示す第２の固定電極である出力電極のように、中空に配置され、その中空部分の長さに依存した共振振動数が上記目的とする信号の透過領域から乖離していればよい。
【００３５】
図７及び図８は、本発明の信号伝達装置の他の実施の形態を示す。本実施の形態においては、基本的には前述の図１及び図２の構成と同じである。本実施の形態に係る信号伝達装置４７は、基板２２、本例では表面に絶縁膜３２を有する半導体基板３１上に入力電極または出力電極のいずれか一方、本例では入力電極２３を形成し、また配線層２７を形成し、この入力電極２３を跨ぐように入力電極２３に対して空間２６を挟んで対向して可動電極２５を配置し、さらに入力電極２３と対をなす出力電極２４を可動電極２５を跨ぐように、可動電極２５に対して空間２６を挟んで対向して配置して構成される。可動電極２５は、配線層２７に接続されるように両端を保持部（アンカー部）２８〔２８Ａ，２８Ｂ〕により一体に保持される。出力電極２４は、可動電極２５を跨いで基板２２上に形成される。そして、可動電極２５には、可動電極２５に印加する直流電圧Ｖ２ を制御する電圧制御手段２９が接続される。
【００３６】
本実施の形態に係る信号伝達装置４７の動作は、前述の図１と同様である。また、本信号伝達装置４７の効果も図１のものと同様の効果を奏する。この信号伝達装置４７においては、さらに入力電極２３と出力電極２４とが、可動電極２５を挟んで配置されるので、可動電極２５に直流電圧Ｖ２ が印加されたとき、可動電極２５がシールド電極として作用し、入力電極２３に入力された信号が直接出力電極２４にリークすることを防止することができる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明に係る信号伝達装置によれば、ＭＥＭＳフィルタ構造を有し、その可動電極に印加する直流電圧を電圧制御手段で制御することにより、透過帯域内の信号強度の制御、調整、あるいは透過帯域の信号の透過、遮断を可能にする。
【００３８】
従来技術のスイッチのように信号線路上にスイッチ（従来の高周波スイッチ）がなく、フィルタ以外の信号損失の原因が低減し、回路システムとして信号損失を小さくすることができる。従来のＭＥＭＳスイッチに比較して、面積が小型化・共有化でき、構造としても電極間の接触がないので信頼性が高い。即ち、高周波スイッチと高周波フィルタの占める基板上の面積を共有化できる。従来では、ＭＥＭＳスイッチは電極間の接触・非接触によって信号のオン・オフの切り替えを行っているが、本発明ではこのような電極間の接触がない。
ＤＣ電圧でフィルタ切り替えが行えるため、半導体素子でスイッチ（電圧制御手段）が構成でき、透過帯域内の信号強度を外部信号によって制御できる。
【００３９】
電圧制御手段を、可動電極に印加する直流電圧をオン・オフ制御するスイッチ手段として構成するときは、このスイッチ手段により、第１の固定電極から第２の固定電極への透過帯域内の信号の透過、遮断を選択的に制御することができる。例えば、本装置を通信周波数帯域に応じたフィルタなどの処理回路への切り替えに適用した場合、スイッチ素子として半導体スイッチを使用できるので、ＭＥＭＳスイッチに比べてスイッチ速度を速くすることができ、また、面積の小型化、共有化することができ、構造的にも電極間の接触がなく信頼性が高い。
【００４０】
電圧制御手段を、可動電極に印加する直流電圧を可変制御する電圧可変手段として構成するときは、第１の固定電極から第２の固定電極への透過帯域内の信号強度を制御することができる。
【００４１】
本発明に係る信号伝達装置によれば、複数のＭＥＭＳフィルタ素子を形成し、各ＭＥＭＳフィルタ素子の可動電極の夫々に可動電極に印加する直流電圧を制御する電圧制御手段を接続し、各ＭＥＭＳフィルタ素子の第１の固定電極を共通の入力線に接続すると共に、各第２の固定電極を共通の出力線に接続する構成とすることにより、各ＭＥＭＳフィルタ素子を透過する周波数帯の信号強度を制御することができる。従って、例えばイコライザとして適用することができる。
【００４２】
本発明に係る信号伝達装置によれば、複数のＭＥＭＳフィルタ素子をけせいし、各ＭＥＭＳフィルタ素子の可動電極の夫々に可動電極に印加する直流電圧をオン・オフ制御するスイッチ素子を接続し、各ＭＥＭＳフィルタ素子の第１の固定電極を夫々の入力線に接続し、各第２の固定電極を夫々出力線に接続する構成とすることにより、各ＭＥＭＳフィルタ素子を透過する周波数帯の信号を選択することができる。従って、例えば選局装置として適用することがでる。
【００４３】
上記電圧可変手段、スイッチ手段を半導体素子で形成するとにより、ＭＥＭＳフィルタ素子と一体に同一基板上に形成することができ、より小型化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る信号伝達装置の基本的な実施の形態を示す概略構成図である。
【図２】図１の信号伝達装置の断面図である。
【図３】本発明に係る信号伝達装置の可動電極に印加する直流電圧と信号の透過強度との関係を示す説明図である。
【図４】本発明に係る信号伝達装置の他の実施の形態を示す概略構成図である。
【図５】Ａ 図４の電圧制御手段の回路構成図及び電源電圧２−駆動電極電圧の特性図である。Ｂ 図６のスイッチ手段の回路構成図及び電源電圧２−駆動電極電圧の特性図である。
【図６】本発明に係る信号伝達装置の他の実施の形態を示す概略構成図である。
【図７】本発明に係る信号伝達装置の他の実施の形態を示す概略構成図である。
【図８】図７の信号伝達装置の断面図である。
【図９】ＭＥＭＳスイッチの概略的構成図である。
【図１０】ＭＥＭＳフィルタの概略的構成図である。
【符号の説明】
２１、４１、４５・・信号伝達装置、２２・・基板、２３〔２３１〜２３３〕・・第１の固定電極、２４〔２４１〜２４３〕・・第２の固定電極、２５〔２５１〜２５３〕・・可動電極、２９・・電圧制御手段、２９１〜２９３・・電圧可変手段、３９１〜３９３・・スイッチ手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＭＥＭＳ素子を利用した信号伝達装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロマシン（ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ、超小型電気的・機械的複合体）素子、及びＭＥＭＳ素子を組み込んだ小型機器が注目されている。ＭＥＭＳ素子の基本的な特徴は、機械的構造として構成されている駆動体が素子の一部に組み込まれていることであって、駆動体の駆動は、電極間のクーロン力などを応用して電気的に行われる。
【０００３】
携帯電話に代表される通信機器に用いられる高周波フロントエンド回路では、通信周波数帯域に応じたフィルタ等の処理回路への切り替えに高周波スイッチが用いられている。高周波スイッチには低抵抗（低損失）や高速なスイッチング速度が求められており、ＰＩＮダイオード、接合型電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）等の素子が主として用いられている。最近では、より低抵抗が実現きるＭＥＭＳスイッチなども提案されている。
【０００４】
図９は、ＭＥＭＳスイッチの概略を示す。このＭＥＭＳスイッチ１１は、基板上に入力電極１２及び出力電極１３を形成し、入力電極１２及び出力電極１３に空間１４を介して対向するスイッチ板となる可動電極１５を配置し、可動電極１５を静電力により上下動作させて入力電極１２と出力電極１３に電気的に接触、非接触させて、導通、非導通が得られるように構成される。
【０００５】
また、携帯電話に代表される通信機器に用いられる高周波フロントエンド回路では、通信周波数帯域に応じたフィルタが用いられている。フィルタには低損失や急峻なカットオフ特性、小型化が求められている。従来のフィルタとしては、表面弾性波（ＳＡＷ）、薄膜弾性波（ＦＢＡＲ）などの素子が主として用いられている。最近ではより小型でカットオフ性能の高いＭＥＭＳフィルタなども、ミシガン大学を始めとする研究機関から提案されている（非特許文献１）。
【０００６】
図１０は、非特許文献１に記載された高周波フィルタを構成する振動素子、即ちＭＥＭＳ振動素子の概略を示す。この振動素子１は、半導体基板２上に絶縁膜３を介して例えば多結晶シリコンによる入力側配線層４と出力電極５が形成され、この出力電極５に対向して空間６を挟んで例えば多結晶シリコンによる振動可能なビーム、いわゆるビーム型の振動電極７が形成されてなる。振動電極７は、両端のアンカー部（保持部）８〔８Ａ，８Ｂ〕にて保持されるように、出力電極５をブリッジ状に跨いで入力側配線層４に接続される。振動電極７は入力電極となる。
この振動素子１は、振動電極７と接地間にＤＣバイアス電圧Ｖ１ が印加された状態で、入力端子ｔ１ を通じて振動電極７に高周波信号Ｓ１ が供給される。即ち、入力端子ｔ１ からＤＣバイアス電圧Ｖ１ と高周波信号Ｓ１ が重畳された入力信号が供給される。目的周波数の高周波信号Ｓ１ が入力されると、長さＬで決まる固有振動数を有する振動電極７が、出力電極５と振動電極７間に生じる静電力で振動する。この振動によって、出力電極５と振動電極７との間の容量の時間変化とＤＣバイアス電圧に応じた高周波信号が出力電極５（したがって、出力端子ｔ２ ）から出力される。高周波フィルタでは振動電極７の固有振動数（共振周波数）に対応した信号が出力される。
【０００７】
【非特許文献１】
Ｃ．Ｔ．−Ｎｇｕｙｅｎ，″Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｆｏｒ ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄ ｌｏｗ−ｐｏｗｅｒ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ（ｉｎｖｉｔｅｄ ｐｌｅｎａｒｙ），″ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，１９９９ ＩＥＥＥ ＭＴＴ−Ｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ＲＦ ＭＥＭＳ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ，Ｊｕｎｅ，１８，１９９９，ｐｐ．４８−７７．
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、フィルタ等の処理回路への切り替えに用いられるＭＥＭＳスイッチにおいては、スイッチング速度が相対的に遅く、またデバイスの大きさも１００ミクロン角レベルと大きい。また通常、切り替えスイッチは、信号線路上に配置されるため、信号損失の原因の１つにもなる。
一方、フィルタとしての表面弾性波（ＳＡＷ）、薄膜弾性波（ＦＢＡＲ）、ＭＥＭＳフィルタでは、いずれも共振子の受動的特性を組み合わせて一定の帯域の信号をフィルタリングするように配置しているため、透過帯域内の透過特性（信号強度）をバランスすることが難しいという課題ある。
【０００９】
本発明は、上述に点に鑑み、透過帯域内の信号強度の制御、あるいは信号の透過・遮断を可能し、且つ信号損失の低減、面積の小型化などを可能にした信号伝達装置を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る信号伝達装置は、基板上にそれぞれ形成された入力側の第１の固定電極と、第１の固定電極に空間を介して対向する可動電極と、可動電極に空間を介して対向する出力側の第２の固定電極と、可動電極に印加する直流電圧を制御する電圧制御手段とを有して成る。
電圧制御手段としては、可動電極に印加する直流電圧を可変制御する電圧可変手段、あるいは可動電極に印加する直流電圧をオン・オフ制御するスイッチ手段とすることができる。電圧制御手段は、基板に形成した半導体素子を用いることが望ましい。
【００１１】
本発明の信号伝達装置では、可動電極に直流電圧を印加した状態で第１の固定電極に可動電極がもつ固有振動数に応じた所要周波数の入力信号が入ると、第１の固定電極と可動電極間で生じる静電力で可動電極が共振し、第２の固定電極に対して交流振動を励起するため、入力信号が第１の固定電極から第２の固定電極へ伝播する。いわゆるフィルタ効果が得られる。
そして、可動電極に印加する直流電圧を制御することにより、第１の固定電極から第２の固定電極へ伝播する信号の制御が可能になる。例えば、可動電極に印加する直流電圧を制御する電圧制御手段を電圧可変手段とするときは、可動電極に印加される電圧の大きさに応じて第１の固定電極から第２の固定電極へ透過される信号の強度が変調される。また、電圧制御手段をオン・オフ制御するスイッチ手段とするときは、第１の固定電極から第２の固定電極への信号の透過、遮断を行うことができる。
電圧制御手段は信号線路上にないので、信号損失が低減される。電圧制御手段が基板に形成した半導体素子を用いることができるので、信号伝達装置の小型化が可能になる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の信号伝達装置の実施の形態を説明する。
【００１３】
図１及び図２は、本発明に係る信号伝達装置の実施の形態の基本的な構成を示す。本実施の形態に係る信号伝達装置２１は、基板２２の少なくとも絶縁性を有する表面上に互いに所要の間隔を置いて配置された第１の固定電極２３と第２の固定電極２４と、これら第１及び第２の固定電極２３及び２４に対して空間２６を挟んで対向して配置された可動し得る第３の電極２５とを有して成る。第３の電極２５は、第１及び第２の固定電極２３及び２４をブリッジ状に跨ぎ、第１及び第２の固定電極２３及び２４の外側に配置した配線層２７に接続されるように両端を保持手段（いわゆるアンカー部）２８〔２８Ａ，２８Ｂ〕により一体に保持される。第１の固定電極２３は、信号が入力される入力電極として用いられ、第２の固定電極２４は、信号が出力される出力電極として用いられる。第３の電極２５は可動し得る可動電極となる。この可動電極となる第３の電極２５には、可変な直流電圧を印加する手段、即ち可動電極２５に印加する直流電圧Ｖ２ を制御する電圧制御手段２９が接続される。
【００１４】
基板２２は、例えばシリコン（Ｓｉ）やガリウム砒素（ＧａＡｓ）等の半導体基板上に絶縁膜を形成した基板、本例ではシリコン基板３１上に絶縁膜３２を形成した基板が用いられる。絶縁膜３２は、例えばシリコン酸化膜とシリコン窒化膜の積層膜、単層膜、その他の絶縁膜を用いることができる。基板２２は、その他、石英基板やガラス基板のような絶縁性基板等を用いることも可能である。第１及び第２の固定電極２３及び２４、配線層２７は、同じ導電材料で形成し、例えば多結晶シリコン膜、アルミニウム（Ａｌ）などの金属膜にて形成することができる。
【００１５】
次に、この信号伝達装置２１の動作を説明する。第３の電極である可動電極２５に電圧制御手段２９を通じて所要の直流電圧（即ち、ＤＣバイアス電圧）Ｖ２ が印加される。入力端子ｔ２１から第１の電極である入力電極２３に交流信号である入力信号Ｓ２ が入力される。この所要周波数の入力信号が入力されると、可動電極２５に印加される直流電圧Ｖ２ の効果で、即ち入力電極２３と可動電極２５間に生じる静電力で可動電極２５に対して振動を励起する。可動電極２５は、保持手段２８〔２８Ａ，２８Ｂ〕の間隔で定義される長さＬ２ に応じた固有振動数（共振周波数）を有しているので、入力信号Ｓ２ が上記共振周波数を含む場合は可動電極２５に共振が起こり、他の周波数に対して選択的に信号の励起が起きる。さらに、この共振振動は、可動電極２５に印加された直流電圧Ｖ２ の効果により、出力電極２４に対して交流振動を励起する。このため、信号伝達装置２１では、可動電極２５の共振周波数近傍の信号のみが、入力電極２３から出力電極２４（したがって出力端子ｔ２２）へ伝播する結果となり、いわゆるフィルタ効果が得られる。
【００１６】
ここで、可動電極２５に上記の直流電圧Ｖ２ が印加されない場合に、入力電極２３から出力電極２４へ交流信号が実質的に透過（いわゆるリーク）しないように、入出力電極２３及び２４の電極間距離ｄ２ を離して配置する。このように入出力電極２３及び２４を離して配置したとき、図３に示すように、可動電極２５に印加する直流電圧Ｖ２ の値に応じて入力電極２３〜出力電極２４へ透過される信号Ｓ２ の透過強度を変調することができる。図３は直流電圧Ｖ２ をパラメータとした透過強度特性を示す。可動電極２５に印加する直流電圧をＶ２１，Ｖ２２，Ｖ２３と上げてゆくと、それに応じて透過する信号の透過強度が上がる。
【００１７】
本実施の形態の信号伝達装置２１によれば、電圧制御手段２９を、印加する電圧を可変調整できる電圧可変手段として構成したときには、この電圧可変手段２９により図３に示したように可動電極２５に印加する直流電圧、いわゆるＤＣバイアス電圧を制御することにより、入力電極２３から出力電極２４へ透過する所要の周波数信号の強度を調整することができる。また、電圧制御手段２９を、印加する電圧をオン・オフ制御するスイッチ手段として構成したときには、このスイッチ手段２９により入力電極２３から出力電極２４への所要の周波数信号の透過、遮断を選択的に制御することができる。
【００１８】
信号伝達装置２１では、電圧制御手段２９が信号線路上になく、可動電極２５に接続されているので、電圧制御手段２９による信号損失がなくなり、回路システムの信号損失を低減することができる。電圧制御手段２９を半導体基板３１に形成した半導体素子、例えばトランジスタを用いることにより、信号伝達装置２１をより小型化することができる。
【００１９】
例えば、本信号伝達装置２１を、通信周波数帯域に応じたフィルタなどの処理回路への切り替えに適用した場合、従来のＭＥＭＳスイッチと比較して面積の小型化、フィルタとスイッチの共有化ができ、構造として電極間の接触がなく信頼性を高めることができる。また、本信号伝達装置２１を、通信周波数帯域に応じたフィルタに適用した場合、可動電極２５に印加する直流電圧によって通過帯域内の信号の透過強度を調整することができるので、透過帯域内の透過特性をバランスよく揃えることができる。
【００２０】
図４は、上述の基本構成を適用した本発明の信号伝達装置の他の実施の形態を示す。本実施の形態は、図３の可動電極に印加する直流電圧による信号透過特性を利用した信号透過装置として構成した場合である。
本実施の形態に係る信号伝達装置４１は、基板、本例では表面に絶縁膜を有するシリコン半導体基板上に、各信号が入力される複数に分割された第１の固定電極となる入力電極２３〔２３１、２３２、２３３〕と、各入力電極２３と対をなし信号が出力される複数に分割された第２の固定電極となる出力電極２４〔２４１、２４２、２４３〕と、各対の第１の電極２３〔２３１、２３２、２３３〕と第２の電極２４〔２４１、２４２、２４３〕に対して夫々空間を挟んで対向して配置され、それぞれ目的の透過周波数に応じた長さＬ２ 〔Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ２３〕の異なる第３の電極となる可動電極２５〔２５１、２５２、２５３〕とを有して成る。各入力電極２３１〜２３３は配線層２７１を介して共通の入力端子ｔ３１に接続される。また、各出力電極２４１〜２４３は配線層２７２を介して共通の出力端子ｔ３２に接続される。さらに、各第３の電極２５〔２５１、２５２、２５３〕には直流電圧を制御する電圧制御手段（即ち、電圧可変手段）２９〔２９１、２９２、２９３〕が接続され、これら各電圧制御手段２９〔２９１、２９２、２９３〕が共通の電源Ｖ２ に接続される。
【００２１】
この場合の電圧制御手段２９〔２９１、２９２、２９３〕は、図５Ａに示すように、上記シリコン半導体基板内に形成した半導体素子による可変抵抗器で構成することができる。図５Ａは、電圧制御手段２９１〜２９３の回路構成を示す。この回路は、トランジスタＱ１と抵抗Ｒ１を組み合わせて成る。トランジスタＱ１の第１の主電極に第１の電源電圧１（たとえば１０Ｖ）が印加され、ゲートに第２の電源電圧２（たとえば０〜５Ｖ）が印加される。トランジスタＱ１と抵抗Ｒ１の接続中点から駆動電極電圧Ｖが出力される。この第２の電源電圧Ｖ２を制御することで、ＭＥＭＳを駆動する比較的高い電圧を連続的に制御することができｆる。第２の電源電圧Ｖ２を増加させると、トランジスタＱ１に流れる電流Ｉ１が増加し、抵抗Ｒ１に流れ込むことによって駆動電極の電圧がＶ＝ＩＲ（オームの法則）の原理から決まる。
【００２２】
ここで、入力電極２３１、出力電極２４１及び可動電極２５１により、第１の目的周波数の信号を透過する第１のＭＥＭＳフィルタ素子４２１が構成される。入力電極２３２、出力電極２４２及び可動電極２５２により、第２の目的周波数の信号を透過する第２のＭＥＭＳフィルタ素子４２２が構成される。入力電極２３３、出力電極２４３及び可動電極２５３により、第３の目的周波数の信号を透過する第３のＭＥＭＳフィルタ素子４２３が構成される。
【００２３】
本実施の形態に係る信号伝達装置４１においては、各電圧制御手段２９〔２９１〜２９３〕により各ＭＥＭＳフィルタ素子４２〔４２１、４２２、４２３〕を構成する長さＬ２ 〔Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ２３〕の異なる可動電極２５１、２５２、２５３に印加する直流電圧を調整することにより、各ＭＥＭＳフィルタ素子４２〔４２１、４２２、４２３〕を透過する目的周波数帯の透過特性（即ち、透過する信号の強度）を調整することができる。
【００２４】
この信号伝達装置４１は、いわゆるイコライザとして用いることができる。入力端子ｔ３１から例えば各シャンネルの周波数信号が混合されて入力された場合、周波数帯によって信号強度差（レベル差）があると、出力端子ｔ３２から出力した信号を増幅器で増幅したときに透過強度の小さい周波数帯の信号が歪んでしまう。従って、予め入力される各周波数帯の信号の透過強度が判っていれば、その信号に対する透過強度を調整することにより、各チャンネルの周波数信号の透過強度を揃えることができる。即ち、各ＭＥＭＳフィルタ素子４２〔４２１、４２２、４２３〕で対応する周波数帯の信号を透過させる際に、電圧制御手段２９〔２９１、２９２、２９３〕により可動電極２５〔２５１、２５２、２５３〕に印加する直流電圧を制御する。例えば、各ＭＥＭＳフィルタ素子４２〔４２１、４２２、４２３〕において、可動電極２５〔２５１、２５２、２５３〕の長さが小さい順（Ｌ２１＜Ｌ２２＜Ｌ２３）に透過する信号強度が小さいとすれば、可動電極２５〔２５１、２５２、２５３〕に印加する直流電圧をその順に大きくすれば、各ＭＥＭＳフィルタ素子４２〔４２１、４２２、４２３〕を透過する信号強度を揃えることができる。
【００２５】
そして、本実施の形態に係る信号伝達装置４１によれば、信号線路上に電圧制御手段２９〔２９１、２９２、２９３〕がないので、ＭＥＭＳフィルタ素子４２〔４２１、４２２、４２３〕以外に損失の原因がないことになり、システムとして信号損失を小さくすることができる。電圧制御手段が信号線路上にないので、電圧制御手段２９〔２９１、２９２、２９３〕として高周波特性、伝達特性を考慮したものを用いる必要がなく、安価な素子で済む。直流電圧で特定の周波数帯の透過強度を変化させることができる。
本実施の形態の信号伝達装置４１は、音響信号処理にも応用することができる。
【００２６】
図６は、上述の基本構成を適用した本発明の信号伝達装置の他の実施の形態を示す。本実施の形態は、信号の透過、遮断の２値的な制御のみを目的とするスイッチ機能を実現した信号伝達装置として構成した場合である。
本実施の形態に係る信号伝達装置４５は、夫々独立した複数のＭＥＭＳフィルタ素子４２〔４２１、４２２、４２３〕と、各ＭＥＭＳフィルタ素子４２〔４２１、４２２、４２３〕を夫々オン・オフ制御するためのスイッチ手段（即ち、電圧制御手段）３９〔３９１、３９２、３９３〕とを備えて成る。
【００２７】
各ＭＥＭＳフィルタ素子４２〔４２１、４２２、４２３〕は、前述と同様に、共通の基板、本例では表面に絶縁膜を有するシリコン半導体基板上に信号が入力される第１の固定電極となる入力電極２３〔２３１、２３２、２３３〕と、各入力電極２３と対をなし信号を出力する第２の固定電極となる出力電極２４〔２４１、２４２、２４３〕と、図示せざるも配線層とが形成され、各対をなす入力電極２３〔２３１、２３２、２３３〕と出力電極２４〔２４１、２４２、２４３〕に対して空間を挟んで対向して配置された第３の電極となる可動電極２５〔２５１、２５２、２５３〕とを有して構成される。
【００２８】
各ＭＥＭＳフィルタ素子４２〔４２１、４２２、４２３〕では、透過信号（高周波信号）に応じて可動電極２５〔２５１、２５２、２５３〕の長さＬ２ 〔Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ２３〕が異なるように設定されている（Ｌ２１＜Ｌ２２＜Ｌ２３）。各ＭＥＭＳフィルタ素子２５〔２５１、２５２、２５３〕の可動電極２５〔２５１、２５２、２５３〕には、夫々スイッチ素子３９〔３９１、３９２、３９３〕を介して直流電源Ｖ２ が接続され、直流電源Ｖ２ を通じて所要のＤＣバイアス電圧が印加されるよになされる。即ち、直流電源Ｖ２ は、全ての可動電極２５〔２５１、２５２、２５３〕に対して一定の直流電圧を供給している。
ＭＥＭＳフィルタ素子４２〔４２１、４２２、４２３〕の各入力電極２３〔２３１、２３２、２３３〕には夫々入力端子ｔ４１，ｔ４２，ｔ４３が導出され、各出力電極２４〔２４１、２４２、２４３〕には夫々出力端子ｔ５１，ｔ５２，ｔ５３が導出される。
【００２９】
スイッチ手段３９〔３９１、３９２、３９３〕は、例えばトランジスタなどの半導体素子によるスイッチ素子が用いられる。この半導体スイッチ素子は、ＭＥＭＳフィルタ素子４２が形成されるシリコン半導体基板に一体に形成される。図５Ｂは、スイッチ手段３９の回路構成を示す。この回路は、トランジスタＱ２で構成される。トランジスタＱ２の第１の主電極に第１の電源電圧１（たとえば１０Ｖ）が印加され、ゲートに第２の電源電圧２（たとえば０〜５Ｖ）が印加され、第２の主電極が接地される。トランジスタＱ２の第１の主電極より駆動電極電圧Ｖが出力される。この回路では、第２の電源電圧２で駆動電圧の印加状況を制御することができる。
【００３０】
本実施の形態の信号伝達装置４５の動作を説明する。各ＭＥＭＳフィルタ素子４２〔４２１、４２２、４２３〕では、スイッチ手段３９〔３９１、３９２、３９３〕がオンして可動電極２５〔２５１、２５２、２５３〕に所要のＤＣバイアス電圧Ｖ２ が印加されると、入力電極２３〔２３１、２３２、２３３〕から出力電極２４〔２４１、２４２、２４３〕へ夫々対応する目的周波数帯の高周波信号が透過する。スイッチ手段３９〔３９１、３９２、３９３〕をオフ状態にすれば、上記各高周波信号は各ＭＥＭＳフィルタ素子４２〔４２１、４２２、４２３〕を透過しない。従って、スイッチ手段３９１、３９２、３９３を選択的にオン・オフ制御することにより、ＭＥＭＳフィルタ素子４２〔４２１、４２２、４２３〕の信号の透過・不透過を制御することができる。従って、目的周波数帯の高周波信号のみ選択して透過をすることができる。
【００３１】
この信号伝達装置４５は、いわゆる選局装置として用いることができる。各ＭＥＭＳフィルタ素子４２〔４２１、４２２、４２３〕の入力電極２３〔２３１、２３２、２３３〕に各対応するチャンネルの周波数信号が入力され、所要のスイッチ手段３９〔３９１、３９２、３９３〕が選択されてオン状態になれば、スイッチ手段３９〔３９１、３９２、３９３〕により選択されたＭＥＭＳフィルタ素子４２に入力された信号のみが出力される。従って、この信号伝達装置４５の各ＭＥＭＳフィルタ素子４２〔４２１、４２２、４２３〕の出力電極２４〔２４１、２４２、２４３〕に受信機が接続されていれば、選択されたチャンネルを受信することができる。
【００３２】
本実施の形態の信号伝達装置４５によれば、ＭＥＭＳフィルタ素子４２〔４２１、４２２、４２３〕の可動電極２５〔２５１、２５２、２５３〕にスイッチ手段３９〔３９１、３９２、３９３〕を設けて、ＭＥＭＳフィルタ素子４２〔４２１、４２２、４２３〕のオン・オフ制御を行うようにしたので、従来のように信号線路上にスイッチ手段を配置する必要がない。このため、ＭＥＭＳフィルタ素子４２〔４２１、４２２、４２３〕以外に損失の原因がなくなり、システムとして信号損失を小さくすることができる。スイッチ手段３９をシリコン半導体基板に形成した半導体素子で形成することにより、従来のＭＥＭＳスイッチに比較して面積が小型化、共有化でき、構造としても電極間の接触がないので、信頼性が高くなる。
【００３３】
本発明では、共通の半導体基板上に上述の両信号伝達装置４１及び４５を形成することができる。例えば図４に示す信号伝達装置４１の後段に、増幅器を介して図５に示す信号伝達装置４５を配置した構成とすることも可能である。この構成によれば、各チャンネルの高周波信号を同じ信号レベルで選局できることになる。
【００３４】
なお、上述した固定電極とは、目的とする信号の透過領域で実質的に振動しない構造のことを指す。例えば、後述の図７及び図８に示す第２の固定電極である出力電極のように、中空に配置され、その中空部分の長さに依存した共振振動数が上記目的とする信号の透過領域から乖離していればよい。
【００３５】
図７及び図８は、本発明の信号伝達装置の他の実施の形態を示す。本実施の形態においては、基本的には前述の図１及び図２の構成と同じである。本実施の形態に係る信号伝達装置４７は、基板２２、本例では表面に絶縁膜３２を有する半導体基板３１上に入力電極または出力電極のいずれか一方、本例では入力電極２３を形成し、また配線層２７を形成し、この入力電極２３を跨ぐように入力電極２３に対して空間２６を挟んで対向して可動電極２５を配置し、さらに入力電極２３と対をなす出力電極２４を可動電極２５を跨ぐように、可動電極２５に対して空間２６を挟んで対向して配置して構成される。可動電極２５は、配線層２７に接続されるように両端を保持部（アンカー部）２８〔２８Ａ，２８Ｂ〕により一体に保持される。出力電極２４は、可動電極２５を跨いで基板２２上に形成される。そして、可動電極２５には、可動電極２５に印加する直流電圧Ｖ２ を制御する電圧制御手段２９が接続される。
【００３６】
本実施の形態に係る信号伝達装置４７の動作は、前述の図１と同様である。また、本信号伝達装置４７の効果も図１のものと同様の効果を奏する。この信号伝達装置４７においては、さらに入力電極２３と出力電極２４とが、可動電極２５を挟んで配置されるので、可動電極２５に直流電圧Ｖ２ が印加されたとき、可動電極２５がシールド電極として作用し、入力電極２３に入力された信号が直接出力電極２４にリークすることを防止することができる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明に係る信号伝達装置によれば、ＭＥＭＳフィルタ構造を有し、その可動電極に印加する直流電圧を電圧制御手段で制御することにより、透過帯域内の信号強度の制御、調整、あるいは透過帯域の信号の透過、遮断を可能にする。
【００３８】
従来技術のスイッチのように信号線路上にスイッチ（従来の高周波スイッチ）がなく、フィルタ以外の信号損失の原因が低減し、回路システムとして信号損失を小さくすることができる。従来のＭＥＭＳスイッチに比較して、面積が小型化・共有化でき、構造としても電極間の接触がないので信頼性が高い。即ち、高周波スイッチと高周波フィルタの占める基板上の面積を共有化できる。従来では、ＭＥＭＳスイッチは電極間の接触・非接触によって信号のオン・オフの切り替えを行っているが、本発明ではこのような電極間の接触がない。
ＤＣ電圧でフィルタ切り替えが行えるため、半導体素子でスイッチ（電圧制御手段）が構成でき、透過帯域内の信号強度を外部信号によって制御できる。
【００３９】
電圧制御手段を、可動電極に印加する直流電圧をオン・オフ制御するスイッチ手段として構成するときは、このスイッチ手段により、第１の固定電極から第２の固定電極への透過帯域内の信号の透過、遮断を選択的に制御することができる。例えば、本装置を通信周波数帯域に応じたフィルタなどの処理回路への切り替えに適用した場合、スイッチ素子として半導体スイッチを使用できるので、ＭＥＭＳスイッチに比べてスイッチ速度を速くすることができ、また、面積の小型化、共有化することができ、構造的にも電極間の接触がなく信頼性が高い。
【００４０】
電圧制御手段を、可動電極に印加する直流電圧を可変制御する電圧可変手段として構成するときは、第１の固定電極から第２の固定電極への透過帯域内の信号強度を制御することができる。
【００４１】
本発明に係る信号伝達装置によれば、複数のＭＥＭＳフィルタ素子を形成し、各ＭＥＭＳフィルタ素子の可動電極の夫々に可動電極に印加する直流電圧を制御する電圧制御手段を接続し、各ＭＥＭＳフィルタ素子の第１の固定電極を共通の入力線に接続すると共に、各第２の固定電極を共通の出力線に接続する構成とすることにより、各ＭＥＭＳフィルタ素子を透過する周波数帯の信号強度を制御することができる。従って、例えばイコライザとして適用することができる。
【００４２】
本発明に係る信号伝達装置によれば、複数のＭＥＭＳフィルタ素子をけせいし、各ＭＥＭＳフィルタ素子の可動電極の夫々に可動電極に印加する直流電圧をオン・オフ制御するスイッチ素子を接続し、各ＭＥＭＳフィルタ素子の第１の固定電極を夫々の入力線に接続し、各第２の固定電極を夫々出力線に接続する構成とすることにより、各ＭＥＭＳフィルタ素子を透過する周波数帯の信号を選択することができる。従って、例えば選局装置として適用することがでる。
【００４３】
上記電圧可変手段、スイッチ手段を半導体素子で形成するとにより、ＭＥＭＳフィルタ素子と一体に同一基板上に形成することができ、より小型化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る信号伝達装置の基本的な実施の形態を示す概略構成図である。
【図２】図１の信号伝達装置の断面図である。
【図３】本発明に係る信号伝達装置の可動電極に印加する直流電圧と信号の透過強度との関係を示す説明図である。
【図４】本発明に係る信号伝達装置の他の実施の形態を示す概略構成図である。
【図５】Ａ 図４の電圧制御手段の回路構成図及び電源電圧２−駆動電極電圧の特性図である。Ｂ 図６のスイッチ手段の回路構成図及び電源電圧２−駆動電極電圧の特性図である。
【図６】本発明に係る信号伝達装置の他の実施の形態を示す概略構成図である。
【図７】本発明に係る信号伝達装置の他の実施の形態を示す概略構成図である。
【図８】図７の信号伝達装置の断面図である。
【図９】ＭＥＭＳスイッチの概略的構成図である。
【図１０】ＭＥＭＳフィルタの概略的構成図である。
【符号の説明】
２１、４１、４５・・信号伝達装置、２２・・基板、２３〔２３１〜２３３〕・・第１の固定電極、２４〔２４１〜２４３〕・・第２の固定電極、２５〔２５１〜２５３〕・・可動電極、２９・・電圧制御手段、２９１〜２９３・・電圧可変手段、３９１〜３９３・・スイッチ手段
Claims (8)
- 基板上にそれぞれ形成された、入力側の第１の固定電極と、
前記第１の固定電極に空間を介して対向する可動電極と、
前記可動電極に空間を介して対向する出力側の第２の固定電極と、
前記可動電極に印加する直流電圧を制御する電圧制御手段とを有して成る
ことを特徴とする信号伝達装置。 - 前記電圧制御手段は基板に形成された半導体素子を用いて成る
ことを特徴とする請求項１記載の信号伝達装置。 - 前記電圧制御手段が電圧可変制御手段である
ことを特徴とする請求項１記載の信号伝達装置。 - 前記電圧制御手段がスイッチ手段である
ことを特徴とする請求項１記載の信号伝達装置。 - 基板上に、入力側の第１の固定電極と、前記第１の固定電極に空間を介して対向する可動電極と、前記可動電極に空間を介して対向する出力側の第２の固定電極とからなる複数ＭＥＭＳフィルタ素子が形成され、
前記各ＭＥＭＳフィルタ素子の可動電極のそれぞれに、該可動電極に印加する直流電圧を制御する電圧可変制御手段が接続され、
前記各ＭＥＭＳフィルタ素子の第１の固定電極が共通の入力線に接続され、
前記各ＭＥＭＳフィルタ素子の第２の固定電極が共通の出力線に接続されて成る
ことを特徴とする信号伝達装置。 - 前記電圧可変制御手段は前記基板に形成された半導体素子を用いて成る
ことを特徴とする請求項５記載の信号伝達装置。 - 基板上に、入力側の第１の固定電極と、前記第１の固定電極に空間を介して対向する可動電極と、前記可動電極に空間を介して対向する出力側の第２の固定電極とからなる複数ＭＥＭＳフィルタ素子が形成され、
前記各ＭＥＭＳフィルタ素子の可動電極のそれぞれに、該可動電極に印加する直流電圧をオン・オフ制御するスイッチ素子が接続されて成る
前記各ＭＥＭＳフィルタ素子の第１の固定電極がそれぞれの入力線に接続され、
前記各ＭＥＭＳフィルタ素子の第２の固定電極が夫々の共通の出力線に接続され、
ことを特徴とする信号伝達装置。 - 前記スイッチ素子は前記基板に形成された半導体素子を用いて成る
ことを特徴とする請求項７記載の信号伝達装置。
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|---|---|---|---|---|
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-
2003
- 2003-08-29 JP JP2003209556A patent/JP2005079604A/ja active Pending
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