JP2006261067A - 静電マイクロスイッチおよびその製造方法、ならびに静電マイクロスイッチを備えた装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高周波特性を維持しつつ、駆動電圧上昇や動作速度低下を防止できる静電マイクロスイッチを提供する。
【解決手段】 静電マイクロスイッチは、固定基板１０に設けた固定電極１２と、固定基板１０に弾性支持される可動基板２０における可動電極２３との間の静電引力によって可動基板２０を変位させることにより、固定基板１０に設けた信号線１４と、可動基板２０に設けた可動接点２８との間のスイッチングを行う。可動基板２０は、複数の抵抗率を含む半導体で構成されており、可動電極２３において固定電極１２と対向する部分が低抵抗率である。また、可動基板２０において信号線１４と対向する部分が高抵抗率である。
【選択図】 図３

Description

本発明は、静電引力により駆動してスイッチングを行う静電マイクロスイッチおよびその製造方法、ならびに静電マイクロスイッチを備えた装置に関するものである。特に、本発明は、高周波信号のスイッチングを行う静電マイクロスイッチなどに関するものである。

従来の静電マイクロスイッチとして、特許文献１に記載のＲＦ−ＭＥＭＳ（Radio Frequency Micro Electro Mechanical Systems）素子について、図２０〜図２６を参照しつつ説明する。

図２０（ａ）・（ｂ）は、上記ＲＦ−ＭＥＭＳ素子の概要を示している。図示のＲＦ−ＭＥＭＳ素子８１は、高周波回路に組み込まれてコプレナ線路のスイッチ素子として機能するものである。ＲＦ−ＭＥＭＳ素子８１は、基板８２を有し、この基板８２上には高周波信号伝送用の線路であるコプレナ線路（ＣＰＷ線路）８３が形成されている。このコプレナ線路８３は、信号線８３ｓを２本のグランド線８３ｇ１・８３ｇ２が間隔を介して挟み込む形態で配置されて成っている。

また、基板８２には、可動体８４が設けられている。可動体８４は、コプレナ線路８３の上方側に間隔を介し、かつ、コプレナ線路８３の信号線８３ｓと、グランド線８３ｇ１・８３ｇ２の一部分とに共通に対向させて配置されている。この可動体８４は、基板８２に対して遠近方向に変位が可能となるように、梁８５および支持部８９を介して基板８２に支持されている。また、可動体８４における基板８２側の面には、可動電極８６が形成されている。

図２１（ａ）は、上方側から見た可動電極８６とコプレナ線路８３との配置関係例を簡略化して示しており、図２１（ｂ）は、その可動電極８６とコプレナ線路８３とを横側から見た配置関係例を示している。図示のように、可動電極８６は、コプレナ線路８３のグランド線８３ｇ１から信号線８３ｓを介しグランド線８３ｇ２にかけて跨ぐように、かつ、それら線路８３ｓ・８３ｇ１・８３ｇ２と間隔を介し対向させて形成されている。

再び、図２０（ａ）・（ｂ）に戻ると、可動電極８６の表面には保護用の絶縁膜８７が形成されている。さらにまた、基板８２には、可動体８４に対向する部位に、可動体８４に対向する可動用固定電極８８（８８ａ，８８ｂ）が形成されている。

上記構成のＭＥＭＳ素子８１では、電極としての可動体８４と、可動用固定電極８８ａ，８８ｂとによって、可動体８４を変位させる可動体変位手段が構成されている。すなわち、外部から直流電圧を可動体８４と可動用固定電極８８との間に印加すると、当該可動体８４と可動用固定電極８８との間に静電引力が発生する。この静電引力によって可動体８４は、図２０（ｂ）に示すように、可動用固定電極８８側に引き寄せられる。このように、可動体８４と可動用固定電極８８とにより静電引力を利用して可動体８４を変位させることができる。この変位により可動電極８６とコプレナ線路８３との間の静電容量が変化することでコプレナ線路８３の信号導通のオン・オフを行うことができる。

また、上記構成のＭＥＭＳ素子８１は、ＭＥＭＳ技術を用いて作るので、小型で高周波（伝送）特性の良好な低損失の静電マイクロスイッチを実現できる。

さらに、特許文献１では、可動体８４は、抵抗率が１ｋΩｃｍ〜１０ｋΩｃｍの範囲内である高抵抗半導体により構成されている。高抵抗半導体とは、高周波信号（例えば約５ＧＨｚ以上の信号）に対しては絶縁体として振る舞い、低周波信号（例えば約１００ｋＨｚ以下の信号）および直流信号に対しては電極として振る舞うことができる、抵抗率の高い半導体をいう。すなわち、高抵抗半導体から成る可動体８４は、高周波信号に対しては良好な誘電体損失の特性を有し、直流信号（直流電圧）に対しては電極として機能することができる。
特開２００３−２５８５０２号公報（２００３年９月１２日公開）

上記の静電マイクロスイッチには、以下の問題点が存在する。すなわち、可動体８４を変位させるために、可動体８４と可動用固定電極８８との間に直流電圧を印加すると、図２０（ｂ）に示すように、可動体８４において可動用固定電極８８に対向する領域に空乏層９０（９０ａ，９０ｂ）が形成される。

上記の現象を、図２２および図２３に示されるモデルを用いて詳細に説明する。図２２（ａ）および図２３（ａ）は、可動体８４および可動用固定電極８８の対向部分をキャパシタとしてモデル化したものであり、図２２（ｂ）および図２３（ｂ）は、このモデルを等価回路で示すものである。このモデルは、可動体８４と可動用固定電極８８との間にあるギャップ９１が絶縁体となり、可動体８４が半導体であるので、トランジスタの一形態であるＭＩＳ構造（金属−絶縁体−半導体）となる。

図２２（ａ）（ｂ）は、可動体８４と可動用固定電極８８との間に直流電圧を印加していない状態を示している。この場合、キャパシタの全容量Ｃは、同図（ｂ）に示すように、可動体８４および可動用固定電極８８がギャップ９１を介して形成するキャパシタの容量Ｃｏに等しくなる。

一方、図２３（ａ）（ｂ）は、可動体８４と可動用固定電極８８との間に直流電圧を印加した状態を示している。この場合、同図（ａ）に示すように、半導体で構成される可動体８４において可動用固定電極８８に対向する領域に空乏層９０が形成される。このため、可動体８４内に新たなキャパシタが形成された状態となり、該キャパシタは、同図（ｂ）に示すように、ギャップ９１を介して形成する上記キャパシタと直列接続した状態となる。したがって、キャパシタの全容量は、１／Ｃ＝（１／Ｃｏ）＋（１／Ｃｓ）となって低下するので、ギャップ９１間の電圧が低下する。

そして、図２２および図２３にて示されるＭＩＳ構造の容量ＣをＣｏで規格化した式は次式となる。

ここで、各記号の意味は下記の通りである。すなわち、
ε_０：真空の誘電率、ε_ｏ：絶縁体の誘電率、ｑ：電子の電荷量、Ｎａ：キャリア濃度、Ｘｏ：絶縁体の厚み、ε_Ｓｉ：半導体の誘電率、Ｖ：印加電圧。

図２４は、上記式（１）に基づいて、比Ｃ／Ｃｏと印加電圧Ｖとの関係を、シリコン半導体の抵抗率を種々に変化させて示すグラフである。同図を参照すると、半導体の抵抗率が上昇するにつれて、比Ｃ／Ｃｏが減少することが分かる。つまり、抵抗率が高いと空乏層が大きくなり容量Ｃｓの値も大きくなる。よって、抵抗率が高いほど容量Ｃｓによるギャップ９１間の電圧の降下が大きくなる。このため、高抵抗半導体である可動体８４に所望の動作をさせるためには、可動体８４を低抵抗半導体とする場合に比べて、可動体８４と可動用固定電極８８との間に高い直流電圧を印加する必要がある。

また、図２５は、図２０（ｂ）に示すように、直流電源９２が、可動体８４と可動用固定電極８８との間に直流電圧を印加した状態を等価回路で示すものである。図示において、上述した記号以外の各記号の意味は下記の通りである。すなわち、
Ｒ：可動体８４の抵抗、ｖｃ：キャパシタの端子電圧、ｖ_Ｒ：抵抗の端子電圧、ｉｃ：可動体８４に流れる電流。

図２５に示す回路は、ＲＣ回路となるので、次式が成立する。

ここで、上述した記号以外の各記号の意味は下記の通りである。すなわち、
ε：自然対数の底、ｔ：時間。
上記式（２）から、抵抗Ｒと容量Ｃとの積が大きくなると、電圧ｖｃがＶに近づくまでの時間ｔが長くなることが分かる。

また、図２６は、図２５に示される等価回路において、キャパシタの容量Ｃを１μＦとしたときの、抵抗Ｒと、キャパシタの端子電圧ｖｃがＶとなる時間ｔとの関係を示すグラフである。図示のように、抵抗Ｒが大きくなるにつれて、キャパシタへの充電時間が長くなることが分かる。つまり、可動体８４である半導体の抵抗率が大きくなると、キャパシタへの充電時間が長くなる。

さらに、可動体８４と可動用固定電極８８との間に直流電圧を印加すると、可動体８４が可動用固定電極８８に近づくので、キャパシタの容量Ｃが大きくなる。このため、上記式（２）より、キャパシタへの充電時間はさらに長くなる。これによって静電マイクロスイッチの動作速度が低下する。

一方、これらの問題点を回避するには、可動体８４の抵抗率を下げることが考えられる。しかしこの場合、高周波信号の伝送特性が低下することになる。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、高周波特性を維持しつつ、駆動電圧上昇や動作速度低下などの特性悪化を招くことのない静電マイクロスイッチなどを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る静電マイクロスイッチは、固定基板に設けた固定電極と、前記固定基板に弾性支持される可動基板における可動電極との間の静電引力によって前記可動基板を変位させることにより、前記固定基板に設けた固定側信号導通部と、前記可動基板に設けた可動側信号導通部との間のスイッチングを行う静電マイクロスイッチにおいて、前記可動基板は、複数の抵抗率を含む半導体で構成されており、前記可動電極の少なくとも一部が低抵抗率であり、少なくとも、前記可動側信号導通部を設けた部分と、前記固定側信号導通部と対向する部分とが高抵抗率であることを特徴としている。

上記の構成によると、可動電極の少なくとも一部が低抵抗率であるので、可動電極における空乏層の発生を抑えることができ、駆動電圧の上昇を回避することができると共に、動作速度の低下を防止することができる。また、可動側信号導通部を設けた部分と、固定側信号導通部と対向する部分とが高抵抗率であるので、挿入損失を低下でき、良好な高周波特性を維持することができる。

なお、空乏層は、可動電極において固定電極と対向する部分に発生し易い。そこで、前記可動基板は、前記可動電極において前記固定電極と対向する部分が低抵抗率であることが好ましい。

ところで、可動側信号導通部および固定側信号導通部に高周波信号が流れる場合、高周波信号によって電場が可動側信号導通部および固定側信号導通部の付近に発生し伝搬することが考えられる。電場が伝搬した部分が低抵抗率である場合、電場が乱れるので挿入損失が発生するとされている。

そこで、前記可動基板は、少なくとも、前記可動側信号導通部を設けた部分と、前記固定側信号導通部と対向する部分と、それらの周辺部分とが高抵抗率であることが好ましい。この場合、挿入損失を確実に低下でき、良好な高周波特性を確実に維持することができる。

さらに、前記周辺部分は、前記可動基板において、前記可動側信号導通部を設けた部分と、前記固定側信号導通部と対向する部分とから少なくとも１００μｍ外側までの部分であることが好ましい。この場合、挿入損失をさらに確実に低下でき、良好な高周波特性をさらに確実に維持することができる。

また、本発明に係る静電マイクロスイッチでは、前記可動基板は、前記可動電極を備える低抵抗率の半導体基板と、前記可動側信号導通部を備える高抵抗率の半導体基板とを接合したものであることが好ましい。この場合、所望する複数の領域を異なる抵抗率とするために、半導体基板に対しドーピングを行ったり、半導体基板に異なる抵抗率の半導体膜を形成したりする必要が無いので、静電マイクロスイッチの製造に必要な時間を短縮することができる。

また、本発明に係る静電マイクロスイッチでは、挿入損失を低下するため、前記高抵抗率は８００Ωｃｍ以上であることが好ましい。

また、電気回路の開閉を行うために、上記構成の静電マイクロスイッチを備えた装置でも、上述の作用効果を奏することができる。なお、上記装置の例としては、上記構成の静電マイクロスイッチを、アンテナと内部回路との間の電気信号を開閉するように設けた無線通信機、上記構成の静電マイクロスイッチを、測定対象物と内部回路との間の電気信号を開閉するように設けた計測器、および、上記構成の静電マイクロスイッチを、内部の電気信号を開閉するように設けた携帯情報端末が挙げられる。

なお、前記可動基板を製造するには、前記可動基板となる高抵抗率の半導体基板に対し、前記固定電極と対向する領域にドーピングを行って低抵抗率とすればよい。或いは、前記可動基板となる高抵抗率の半導体基板に対し、前記固定電極と対向する領域を除去し、除去した領域に低抵抗率の半導体膜を形成すればよい。

以上のように、本発明に係る静電マイクロスイッチは、可動電極の少なくとも一部が低抵抗率であるので、駆動電圧の上昇を回避でき、動作速度の低下を防止できるという効果を奏すると共に、可動側信号導通部を設けた部分と、固定側信号導通部と対向する部分とが高抵抗率であるので、良好な高周波特性を維持できるという効果を奏する。

〔実施の形態１〕
本発明の一実施形態について図１〜図１３を参照しつつ説明する。図１〜図３は、本実施形態の静電マイクロスイッチの構造を示しており、図１は分解組立図であり、図２は平面図であり、図３は、図２のＡ−Ａ’線での断面図である。また、図４は、静電マイクロスイッチにおける可動基板の下面図である。なお、図中同じ部材には同じ符号を付している。

静電マイクロスイッチ１は、固定基板１０の上面に可動基板２０を一体化したものである。固定基板１０は、ガラス基板１０ａの上面に固定電極１２と、２本の信号線（固定側信号導通部）１３，１４とをそれぞれ設けたものである。固定電極１２は、表面が絶縁膜１７で被覆され、配線１２ａ１を介して接続パッド１２ｂ１，１２ｂ２に接続され、配線１２ａ２を介して接続パッド１２ｂ３に接続され、配線１２ａ３を介して接続パッド１２ｂ４，１２ｂ５に接続され、かつ、配線１２ａ４を介して接続パッド１２ｂ６に接続されている。信号線１３，１４は、同一直線上に配置されており、互いに対向する端部が、それぞれ、所定間隔で設けられる固定接点１３ａ，１４ａとなっており、その反対側の端部が、接続パッド１３ｂ，１４ｂにそれぞれ接続されている。

固定電極１２は、信号線１３，１４の両側に所定距離を有して形成されると共に、高周波ＧＮＤ電極と兼用されることにより、コプレナ構造を構成している。また、信号線１３，１４の両側に位置する固定電極１２，１２は、信号線１３，１４の固定接点１３ａ，１４ａの間で、互いに接続されている。これにより、開閉信号の発生する電気力線は、固定接点１３ａ、１４ａ間の高周波ＧＮＤ電極で終端されるので、アイソレーション特性が向上する。なお、固定電極１２は、その上面が信号線１３，１４の上面よりも低くなるように形成されている。

可動基板２０は、略矩形板状の半導体基板を、アンカ２１ａ，２１ｂにより、第１弾性支持部２２，２２を介して可動電極２３，２３を弾性支持し、中央部に第２弾性支持部２４，２４を介して接点設置部２５を弾性支持する構成としたものである。なお、上記半導体基板の例としては、シリコン基板が挙げられる。

アンカ２１ａ、２１ｂは、固定基板１０の上面２カ所に立設され、それぞれが固定基板１０の上面に設けた配線１６ａ，１５ａを介して接続パッド１６ｂ，１５ｂに電気的に接続されている。第１弾性支持部２２，２２は、可動基板２０の両側縁部に沿って設けたスリット２２ａ，２２ａにより形成され、端部下面にてアンカ２１ａ、２１ｂと一体化している。

可動電極２３は、固定電極１２に対向しており、両電極１２，２３間に電圧を印加することにより発生する静電引力によって固定電極１２に吸引される。第２弾性支持部２４，２４及び接点設置部２５は、可動基板２０の両側縁部中央から中央部に向かって設けた切欠部２６ａ，２６ｂにより形成される。また、この切欠部２６ａ，２６ｂにより、可動電極２３は、少なくとも信号線１３、１４に対向する部分が除去される。

第２弾性支持部２４，２４は、可動電極２３，２３と接点設置部２５とを連結する幅狭の梁であり、接点閉成時に、第１弾性支持部２２，２２よりも大きな弾性力を得られるように構成されている。接点設置部２５は、第２弾性支持部２４，２４に支持されており、その下面に絶縁膜２７を介して可動接点（可動側信号導通部）２８が設けられている。接点設置部２５、絶縁膜２７、および可動接点２８によって可動接点部２９が構成される。可動接点２８は、各固定接点１３ａ，１４ａと対向し、両固定接点１３ａ，１４ａと閉成することにより、信号線１３，１４を互いに電気的に接続するようになっている。

本実施形態では、図３および図４に示されるように、半導体で構成される可動基板２０の下面、すなわち固定基板１０の配置側の面において、固定基板１０の固定電極１２に対向する領域が低抵抗率の領域となっている。これにより、該領域の空乏層の発生を抑えることができ、駆動電圧の上昇を回避することができる。また、可動基板２０の上記領域が低抵抗率であるため、動作速度の低下を抑えることができる。

また、可動基板２０における上記領域以外の領域、つまりは高周波信号が通過する信号線１３，１４付近の領域が高抵抗率の領域ＨＲとなっている。これにより、挿入損失を低下することができ、良好な高周波特性を維持することができる。

なお、半導体の抵抗率を制御するには、或る抵抗率の半導体基板において抵抗率を変えたい部分にのみ、必要量の不純物をイオン注入や拡散などで選択的にドーピングすることにより実現可能である。

また、図１〜図４に示すような構造の静電マイクロスイッチ１の場合には、可動電極２３と固定電極１２との間に電圧を印加するとき、可動電極２３および固定電極１２の対向する面内でより均一に静電引力を発生させることが望ましい。このため、可動電極２３に電気的に接続している固定基板１０の接続パッド１５ｂ，１６ｂの両方に電圧を印加することが望ましい。その理由を図５および図６を参照しつつ以下に説明する。

図５は、図２のＢ−Ｂ’線での断面図である。本実施形態では、信号線１３，１４の両側に位置する固定電極１２，１２は、固定接点１３ａ，１４ａの間で互いに接続されているが、可動電極２３，２３とで構成されるキャパシタとしては、同図に示すように、アンカ２１ａ側のキャパシタＣ１とアンカ２１ｂ側のキャパシタＣ２とが存在する。

図６（ａ）は、固定電極１２と接続パッド１６ｂとの間のみに電圧を印加したときの等価回路を示している。図示の場合では、キャパシタＣ１は、電源ＰＳとの間に低抵抗成分ＬＲのみが直列に接続された状態となるが、キャパシタＣ２は、電源ＰＳとの間に高抵抗成分ＨＲが直列に接続された状態となる。このため、図２５および図２６を参照して上述したように、キャパシタＣ１は充電特性に問題はないが、キャパシタＣ２は充電に時間がかかるという問題がある。

一方、図６（ｂ）は、固定電極１２と、接続パッド１６ｂおよび接続パッド１５ｂの両方との間に電圧を印加したときの等価回路を示している。図示の場合では、キャパシタＣ２は、キャパシタＣ１と同様に、電源ＰＳとの間に低抵抗成分ＬＲが直列に接続された状態となる。このため、キャパシタＣ２も充電特性に問題がなくなる。

次に、上記構成の静電マイクロスイッチ１の製造方法について説明する。特に、可動基板２０の形成方法について、図７および図８を参照しつつ詳述する。なお、個別のプロセス手法は、汎用のＭＥＭＳプロセスや半導体製造プロセスを利用することができ、特有のプロセスを用いる必要は無い。

図７（ａ）〜（ｆ）は、可動基板２０の製造工程の一例を示している。まず、同図（ａ）に示すように、可動基板２０となる高抵抗率の半導体基板３０を用意し、その下面における低抵抗率を所望しない領域に絶縁膜などでマスク３１を形成する。次に、同図（ｂ）に示すように、半導体基板３０の下面に対し、イオン注入や拡散などのドーピングを実施して所望の深さおよび領域を低抵抗率にし、その後、同図（ｃ）に示すように、マスク３１を除去する。

次に、厚みの調整や、所望の箇所への凹部形成をエッチングで行うために、同図（ｄ）に示すように、エッチングを所望しない領域に絶縁膜などでマスク３２を形成し、同図（ｅ）に示すようにエッチングを行い、その後、同図（ｆ）に示すように、マスク３２を除去することにより、可動基板２０が完成する。なお、形成すべき凹部が複数あり、かつ深さが異なる場合には、その都度適当なマスクを形成して、同図（ｄ）〜同図（ｆ）に示す工程を繰り返せばよい。

図８（ａ）〜（ｇ）は、可動基板２０の製造工程の他の例を示している。まず、同図（ａ）に示すように、可動基板２０となる高抵抗率の半導体基板３０を用意し、その下面における低抵抗率を所望しない領域に絶縁膜などでマスク３１を形成する。次に、同図（ｂ）に示すように、半導体基板３０の下面における低抵抗率を所望する領域にエッチングを行う。次に、マスク３１を除去した後、低抵抗率を所望しない領域に犠牲層３３を形成した後、同図（ｃ）に示すように、所望の厚さの低抵抗率半導体膜３４をＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）などで成膜する。次に、犠牲層３３のエッチングを行うことにより、同図（ｄ）に示すように、低抵抗領域が埋め込まれた半導体基板３０が得られる。

その後、上述と同様に、厚みの調整や、所望の箇所への凹部形成をエッチングで行うために、同図（ｅ）に示すように、エッチングを所望しない領域に絶縁膜などでマスク３２を形成し、同図（ｆ）に示すようにエッチングを行い、その後、同図（ｇ）に示すように、マスク３２を除去することにより、可動基板２０が完成する。なお、形成すべき凹部が複数あり、かつ深さが異なる場合には、その都度適当なマスクを形成して、同図（ｅ）〜同図（ｇ）に示す工程を繰り返せばよい。

以上のように製造した可動基板２０に対し、接点部などを汎用のＭＥＭＳプロセスを用いて形成した後、配線等が形成された固定基板１０に接合し、フォトリソグラフィーとエッチングとを用いて、可動電極２３や第１および第２弾性支持部２２，２４を形成することにより、静電マイクロスイッチ１が完成する。

次に、上記の高抵抗率および低抵抗率の範囲について図９〜図１０を参照しつつ説明する。図９は、可動基板２０として使用される半導体に関して抵抗率と、高周波特性の１つである挿入損失との関係を調べたシミュレーション結果を示すグラフである。シミュレーションに用いたモデルは、本実施形態の静電マイクロスイッチ１であり、各種特性を示す数値は以下の通りである。

すなわち、半導体基板３０の材質：シリコン、半導体基板３０の厚み：２０μｍ、半導体基板３０の比誘電率：１１．３６、半導体基板３０の誘電損失特性であるｔａｎδ：０．０１３、可動基板２０の可動接点２８の厚み：１μｍ、可動基板２０の可動接点２８の幅：１００μｍ、固定基板１０の材質：パイレックス（登録商標）、固定基板１０の厚み：５００μｍ、固定基板１０の固定接点１３ａ，１４ａの厚み：２μｍ、固定基板１０の固定接点１３ａ，１４ａの幅：３００μｍ、２つの固定接点１３ａ，１４ａの間隔：４０μｍ。なお、半導体基板３０の抵抗率は１種類としている。

図９を参照すると、半導体の抵抗率が３００Ωｃｍまでは挿入損失が急激に減少し、８００Ωｃｍで飽和し始め、それ以上は緩やかに減少していくことが分かる。つまり高抵抗率としては抵抗率が８００Ωｃｍ以上であることが望ましい。

図１０は、本実施形態の静電マイクロスイッチ１において、スイッチングする信号の周波数と挿入損失との関係を調べたシミュレーション結果を示すグラフである。図示において、バツ印を結んだ曲線は、図３および図４に示すように、可動基板２０である半導体の所定部分を８００Ωｃｍの高抵抗率とし、それ以外の部分を３００Ωｃｍの低抵抗率とした本実施例を示している。一方、菱形印を結んだ曲線は、可動基板である半導体を全て３００Ωｃｍの低抵抗率とした比較例を示している。また、正方形印を結んだ曲線は、可動基板である半導体を全て８００Ωｃｍの高抵抗率とした比較例を示している。図１０を参照すると、本実施例の静電マイクロスイッチ１は、可動基板である半導体を全て高抵抗率とした場合と同様の優れた高周波特性を有することが分かる。

ところで、上述のように、本実施形態の可動基板２０では、図３および図４に示されるように、固定基板１０の配置側の面において、高周波信号が通過する信号線１３，１４付近の領域が高抵抗率の領域ＨＲとなっている。そこで次に、本実施形態の可動基板２０において、信号線１３，１４と対向する領域からどの程度までの領域を高抵抗率の領域ＨＲとすべきかについて図１１および図１２を参照しつつ説明する。

図１１および図１２は、本実施形態の静電マイクロスイッチ１において、高抵抗率の領域ＨＲの大きさ（幅）を変えたときの、スイッチングする信号の周波数ｆと挿入損失（Insertion Loss）との関係を調べたシミュレーション結果を示したものである。図１１（ａ）は、該シミュレーションに利用したモデルに関して、可動基板２０、可動接点２８、ガラス基板１０ａ、および固定接点１３ａ、１４ａを簡略化して示している。また、同図（ｂ）は、信号線１３，１４の幅、間隔、および配置が分かるように示している。

また、上記モデルに関して、高抵抗率は８００Ωｃｍ、低抵抗率は３００Ωｃｍとした。また、図１１（ａ）に示すように、可動基板２０において、信号線１３，１４と対向する領域から所定の幅Ｗだけ拡大した領域を高抵抗率の領域ＨＲとし、この幅Ｗが、０，７０，１００，１３０，１６０μｍである場合において上記シミュレーションをそれぞれ行った。

図１２は、上記シミュレーションの結果を示すグラフである。同図を参照すると、高抵抗率の領域ＨＲは、信号線１３，１４と対向する領域から幅Ｗを１００μｍ以上拡大した領域であればよいことが分かる。これは、信号線を流れる高周波信号によって発生する電場が信号線付近の空間に伝搬するためと考えられる。したがって、可動基板２０がどのような構造であっても、高周波信号が流れる信号線と対向する領域から１００μｍ以上拡大した領域を高抵抗率とすればよいことが分かる。

なお、本実施例では、固定基板１０にある信号線１３，１４の幅（２９０μｍ）が、可動基板２０にある可動接点２８の幅（１００μｍ）よりも広いために、信号線１３，１４と対向する領域を基準領域として高抵抗率の領域ＨＲを決定した。しかしながら、可動接点２８の幅が信号線１３，１４の幅よりも広い場合には、可動接点２８の領域を基準領域として高抵抗率の領域ＨＲを決定すればよい。

次に、本実施形態の静電マイクロスイッチ１の応答時間について、図１３を参照しつつ説明する。図１３は、静電マイクロスイッチを駆動させたときの応答時間の分布を示している。図示において、灰色の棒グラフは、図３および図４に示すように、可動基板２０である半導体の所定部分を８００Ωｃｍの高抵抗率とし、それ以外の部分を３００Ωｃｍの低抵抗率とした本実施例を示している。一方、斜線の棒グラフは、可動基板である半導体を全て８００Ωｃｍの高抵抗率とした比較例を示している。

図１３を参照すると、可動基板である半導体を全て高抵抗率とした場合、前述の空乏層形成やＣＲ回路の充電特性の影響により応答時間が長くなることが分かる。これに対し、本実施例の静電マイクロスイッチ１は、駆動電圧が印加される部分を低抵抗率にしているので、上記の影響は少なく、その結果応答時間が１００μｓｅｃ以下と短くなることが分かる。

以上より、本実施形態の静電マイクロスイッチ１は、駆動電圧上昇や応答速度低下を招くことなく、挿入損失の少ない優れた高周波特性を有するものであることが理解できる。

なお、必要な低抵抗率領域の厚さは、可動基板２０と固定電極１０とに電圧を印加したときに、可動基板２０内に生成する空乏層９０の厚さと、可動基板２０全体の抵抗値をＲとし、可動基板２０と固定電極１２との間の容量をＣとしたときのＣＲ回路の充電特性とによって決定されることが望ましい。

ここで、空乏層９０の厚さは、可動基板２０と固定電極１２とでモデル化されたＭＩＳ構造の閾値電圧、可動基板２０の抵抗率、真空の誘電率などによって求められるが、ＭＩＳ構造の閾値電圧は、構造体の面積やギャップなどの寸法によって決まるものである。また、可動基板２０全体の抵抗値Ｒは、可動基板２０の抵抗率およびその分布や、可動基板２０の体積によって決まるものである。したがって、必要な低抵抗率領域の厚さは、可動基板２０の材質および構造、可動基板２０と固定電極１２との位置関係など、種々の特徴を考慮して設計する必要がある。

さらに、本実施形態では、低抵抗率領域と高抵抗率領域との境界が明確であるが、領域の厚みや抵抗率を適切に設定していれば、上記境界で抵抗率を徐々に変化するようにしても同様の効果が得られることは言うまでもない。

〔実施の形態２〕
次に、本発明の別の実施形態について、図１４を参照しつつ説明する。本実施形態の静電マイクロスイッチ１は、図１〜図５に示される静電マイクロスイッチ１に比べて、可動基板２０における高抵抗率の領域と低抵抗率の領域とが異なるのみであり、その他の構成は同様である。なお、上記実施形態で説明した構成と同様の機能を有する構成には同一の符号を付して、その説明を省略する。

図１４は、本実施形態の静電マイクロスイッチ１の構造を示すものであり、同図（ａ）（ｂ）は、それぞれ図３および図４に対応するものである。図示のように、本実施形態の可動基板２０では、高周波信号が流れる信号線１３，１４付近の領域のみが高抵抗率の領域ＨＲとなっており、その他の領域が低抵抗率となっている。上記構成の可動基板２０は、低抵抗率の半導体基板を用意し、該半導体基板上の所定領域に高抵抗率の半導体膜を形成することにより製造できる。

本実施形態の静電マイクロスイッチ１でも、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。なお、高抵抗率の領域ＨＲの幅や厚さは、図１１および図１２に示すシミュレーションを行って決定すればよい。

〔実施の形態３〕
次に、本発明のさらに別の実施形態について、図１５を参照しつつ説明する。本実施形態の静電マイクロスイッチ１は、図１〜図５に示される静電マイクロスイッチ１に比べて、可動基板２０における高抵抗率の領域と低抵抗率の領域とが異なるのみであり、その他の構成は同様である。なお、上記実施形態で説明した構成と同様の機能を有する構成には同一の符号を付して、その説明を省略する。

図１５は、本実施形態の静電マイクロスイッチ１の構造を示すものであり、同図（ａ）（ｂ）は、それぞれ図３および図４に対応するものである。図示のように、本実施形態の可動基板２０では、下面において高周波信号が流れる信号線１３，１４付近の領域から、上面の対応する領域までが高抵抗率の領域ＨＲとなっており、その他の領域が低抵抗率となっている。上記構成の可動基板２０を製造するには、高抵抗率の半導体基板を２つの低抵抗率の半導体基板で挟んで接合した半導体基板を利用すればよい。

本実施形態では、上記実施形態と同様の効果を奏するとともに、図７に示すようなドーピングなどによる抵抗率の制御や、図８に示すような半導体膜の形成が不要であるため、製造期間の短縮や製造コストの削減が実現できる。なお、上記実施形態と同様に、可動電極２３および固定電極１２の対向する面内でより均一に静電引力を発生させるため、可動電極２３に電気的に接続している固定基板１０の接続パッド１５ｂ，１６ｂの両方に電圧を印加することが望ましい。

〔実施の形態４〕
次に、本発明のさらに別の実施形態について、図１６を参照しつつ説明する。本実施形態の静電マイクロスイッチ１は、図１５に示される静電マイクロスイッチ１に比べて、可動基板２０の両側縁部中央から中央部に向かう切欠部２６ａ，２６ｂが形成されていない点のみが異なり、その他の構成は同様である。なお、上記実施形態で説明した構成と同様の機能を有する構成には同一の符号を付して、その説明を省略する。

図１６は、本実施形態の静電マイクロスイッチ１の構造を示すものであり、同図（ａ）（ｂ）は、それぞれ図１５（ａ）（ｂ）に対応するものである。また、図１６（ｃ）は、同図（ｂ）のＣ−Ｃ’線にて断面した図を示している。図示のように、本実施形態の可動基板２０は、図１５に示される可動基板２０に比べて、可動基板２０の両側縁部中央から中央部に向かう切欠部２６ａ，２６ｂが形成されずに、凹部２６ｃとなる。

凹部２６ｃは、信号線１３，１４と対向することになるが、凹部２６ｃが高抵抗率であるため、挿入損失の少ない優れた高周波特性を維持することができる。さらに、切欠部２６ａ，２６ｂを設けないため、剛性が向上し、可動基板２０の強度が向上するだけでなく、可動基板２０に形成される絶縁膜２７、可動接点２８などの膜の残留応力の影響を受け難くなるので、反りの影響が減り、寸法精度が向上する。

なお、上記実施形態では、接点が接触することでスイッチングする静電マイクロスイッチ１について説明したが、特許文献１に記載のような、静電容量の変化でスイッチングする静電マイクロスイッチに本願発明を適用しても、同様の効果が得られることは明らかである。

〔実施の形態５〕
次に、本発明のさらに別の実施形態について図１７を参照しつつ説明する。図１７は、本実施形態の無線通信機４１の概略構成を示している。無線通信機４１では、静電マイクロスイッチ４２が内部処理回路４３とアンテナ４４との間に接続されている。静電マイクロスイッチ４２をオン，オフすることによって、内部処理回路４３がアンテナ４４を通じて送信または受信可能な状態と、送信または受信不能な状態とに切り替えられるようになっている。本実施形態では、静電マイクロスイッチ４２に、図１〜図１６に示される静電マイクロスイッチ１を利用している。これにより、静電マイクロスイッチ４２において、駆動電圧の上昇や応答速度の低下を招くことなく、内部処理回路４３が送信または受信する高周波信号の挿入損失を抑えることができる。

〔実施の形態６〕
次に、本発明のさらに別の実施形態について図１８を参照しつつ説明する。図１８は、本実施形態の計測器５１の概略構成を示している。計測器５１では、複数の静電マイクロスイッチ５２が、１つの内部処理回路５６から複数の測定対象物５８に至る複数の信号線５７の途中にそれぞれ接続されている。各静電マイクロスイッチ５２をオン、オフすることにより、内部処理回路５６が送信または受信すべき測定対象物５８を切り替えられるようになっている。

本実施形態では、静電マイクロスイッチ５２に、図１〜図１６に示される静電マイクロスイッチ１を利用している。これにより、静電マイクロスイッチ５２において、駆動電圧の上昇や応答速度の低下を招くことなく、内部処理回路５６が送信または受信する高周波信号の挿入損失を抑えることができる。

〔実施の形態７〕
次に、本発明の他の実施形態について図１９を参照しつつ説明する。図１９は、本実施形態の携帯情報端末６１の要部構成を示している。携帯情報端末６１では、２つの静電マイクロスイッチ６２ａ，６２ｂが利用されている。一方の静電マイクロスイッチ６２ａは、内部アンテナ６３と外部アンテナ６４とを切り替える働きをしており、他方の静電マイクロスイッチ６２ｂは、信号の流れを送信回路側の電力増幅器６５と受信回路側の低ノイズ増幅器６６とに切り替えられるようにしている。

本実施形態では、静電マイクロスイッチ６２ａ，６２ｂに、図１〜図１６に示される静電マイクロスイッチ１を利用している。これにより、静電マイクロスイッチ６２ａ，６２ｂにおいて、駆動電圧の上昇や応答速度の低下を招くことなく、電力増幅器６５を介して送信し、または低ノイズ増幅器６６を介して受信する高周波信号の挿入損失を抑えることができる。

以上のように、本発明に係る静電マイクロスイッチは、直流電流から高周波信号までを低損失で通過させ、かつ、長時間安定した特性を維持できる。したがって、上記のような無線通信機４１、計測器５１、および携帯情報端末６１に本発明の静電マイクロスイッチを採用することにより、内部処理回路に用いられる増幅器などへの負担を抑制しつつ、長時間精度良く信号を伝達可能となる。また、小型で消費電力も少ないので、特にバッテリー駆動の無線通信機や携帯情報端末、複数使用される計測器などで効果を発揮する。

なお、上記実施形態では、可動基板２０である半導体における低抵抗率部分の抵抗率を３００Ωｃｍとしているが、応答速度の観点から、上記低抵抗率部分の抵抗率は低ければ低いほどよい。例えば、ＭＥＭＳ素子において通常使用される半導体の抵抗率が３〜４Ωｃｍ程度であるから、このような半導体を上記低抵抗率部分として使用すればよい。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

以上のように、本発明に係る静電マイクロスイッチは、駆動電圧の上昇を回避でき、動作速度の低下を防止できると共に、良好な高周波特性を維持できるので、高周波信号を利用するその他のＭＥＭＳ素子にも適用することができる。

本発明の一実施形態である静電マイクロスイッチの構造を示す分解組立図である。 上記静電マイクロスイッチの平面図である。 図２のＡ−Ａ’線での矢視断面図である。 上記静電マイクロスイッチにおける可動基板の下面図である。 図２のＢ−Ｂ’線での矢視断面図である。 同図（ａ）は、固定電極と１つの接続パッドとの間に電圧を印加したときの等価回路を示す図であり、同図（ｂ）は、固定電極と２つの接続パッドとの間に電圧を印加したときの等価回路を示す図である。 同図（ａ）〜（ｆ）は、可動基板の製造工程の一例を示す断面図である。 同図（ａ）〜（ｇ）は、可動基板の製造工程の他の例を示す断面図である。 可動基板として使用される半導体に関して、抵抗率と挿入損失との関係を調べたシミュレーション結果を示すグラフである。 上記静電マイクロスイッチにおいて、スイッチングする信号の周波数と挿入損失との関係を調べたシミュレーション結果を示すグラフである。 上記静電マイクロスイッチにおいて、高抵抗率領域の幅を変えたときの、入切する信号の周波数と挿入損失との関係を調べるシミュレーションに利用したモデルを示すものであり、同図（ａ）は断面図であり、同図（ｂ）は平面図である。 上記シミュレーションの結果を示すグラフである。 上記静電マイクロスイッチを駆動させたときの応答時間の分布を示すグラフである。 本発明の別の実施形態である静電マイクロスイッチの構造を示すものであり、同図（ａ）は断面図であり、同図（ｂ）は、上記静電マイクロスイッチにおける可動基板の下面図である。 本発明のさらに別の実施形態である静電マイクロスイッチの構造を示すものであり、同図（ａ）は断面図であり、同図（ｂ）は、上記静電マイクロスイッチにおける可動基板の下面図である。 本発明のさらに別の実施形態である静電マイクロスイッチの構造を示すものであり、同図（ａ）は断面図であり、同図（ｂ）は、上記静電マイクロスイッチにおける可動基板の下面図であり、同図（ｃ）は、同図（ｂ）のＣ−Ｃ’線での矢視断面図である。 本発明のさらに別の実施形態である無線通信機の概略構成を示すブロック図である。 本発明のさらに別の実施形態である計測器の概略構成を示すブロック図である。 本発明のさらに別の実施形態である携帯情報端末の要部構成を示す回路図である。 従来のＲＦ−ＭＥＭＳ素子の概要を示す断面図であり、同図（ａ）は、上記ＲＦ−ＭＥＭＳ素子における可動体と可動用固定電極との間に電圧を印加していない状態を示しており、同図（ｂ）は、上記電圧を印加している状態を示している。 上記ＲＦ−ＭＥＭＳ素子における可動電極とコプレナ線路との配置関係例を簡略化して示す図であり、同図（ａ）は平面図であり、同図（ｂ）は断面図である。 同図（ａ）は、上記可動体と上記可動用固定電極との間に電圧を印加していない状態をモデル化して示す図であり、同図（ｂ）はその等価回路図である。 同図（ａ）は、上記可動体と上記可動用固定電極との間に電圧を印加している状態をモデル化して示す図であり、同図（ｂ）はその等価回路図である。 図２３（ｂ）に示される等価回路において、比Ｃ／Ｃｏと印加電圧Ｖとの関係を、シリコン半導体の抵抗率を種々に変化させて示すグラフである。 電源が上記可動体と上記可動用固定電極との間に電圧を印加した状態を示す等価回路図である。 図２５に示される等価回路において、抵抗Ｒと時間ｔとの関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 静電マイクロスイッチ
１０ 固定基板
１２ 固定電極
１３，１４ 信号線（固定側信号導通部）
２０ 可動基板
２３ 可動電極
２８ 可動接点（可動側信号導通部）
３４ 低抵抗率の半導体膜
ＨＲ 高抵抗率の領域

Claims (9)

1. 固定基板に設けた固定電極と、前記固定基板に弾性支持される可動基板における可動電極との間の静電引力によって前記可動基板を変位させることにより、前記固定基板に設けた固定側信号導通部と、前記可動基板に設けた可動側信号導通部との間のスイッチングを行う静電マイクロスイッチにおいて、
   前記可動基板は、複数の抵抗率を含む半導体で構成されており、
   前記可動電極の少なくとも一部が低抵抗率であり、
   少なくとも、前記可動側信号導通部を設けた部分と、前記固定側信号導通部と対向する部分とが高抵抗率であることを特徴とする静電マイクロスイッチ。
2. 前記可動基板は、前記可動電極において前記固定電極と対向する部分が低抵抗率であることを特徴とする請求項１に記載の静電マイクロスイッチ。
3. 前記可動基板は、少なくとも、前記可動側信号導通部を設けた部分と、前記固定側信号導通部と対向する部分と、それらの周辺部分とが高抵抗率であることを特徴とする請求項１または２に記載の静電マイクロスイッチ。
4. 前記周辺部分は、前記可動基板において、前記可動側信号導通部を設けた部分と、前記固定側信号導通部と対向する部分とから少なくとも１００μｍ外側までの部分であることを特徴とする請求項１ないし３の何れか１項に記載の静電マイクロスイッチ。
5. 前記可動基板は、前記可動電極を備える低抵抗率の半導体基板と、前記可動側信号導通部を備える高抵抗率の半導体基板とを接合したものであることを特徴とする請求項１ないし４の何れか１項に記載の静電マイクロスイッチ。
6. 前記高抵抗率は８００Ωｃｍ以上であることを特徴とする請求項１ないし５の何れか１項に記載の静電マイクロスイッチ。
7. 電気回路の開閉を行うために、請求項１ないし６の何れか１項に記載の静電マイクロスイッチを備えた装置。
8. 請求項１に記載の静電マイクロスイッチの製造方法において、
   前記可動基板となる高抵抗率の半導体基板に対し、前記固定電極と対向する領域にドーピングを行って低抵抗率とすることを特徴とする静電マイクロスイッチの製造方法。
9. 請求項１に記載の静電マイクロスイッチの製造方法において、
   前記可動基板となる高抵抗率の半導体基板に対し、前記固定電極と対向する領域を除去し、除去した領域に低抵抗率の半導体膜を形成することを特徴とする静電マイクロスイッチの製造方法。

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