JP2006294460A - Micro mechanical switch - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は主に移動体通信等に利用される高周波帯域で利用されるマイクロメカニカルスイッチに関する。 The present invention relates to a micromechanical switch used in a high frequency band mainly used for mobile communication and the like.
移動体通信においてはマルチメディアへの対応の為、ますます通信波長の高周波化が進められている。例えば10GHzのような従来使用されている高周波帯域よりさらに高い周波数領域が必要になるとされている。このような高い周波数領域では旧来の半導体を用いた素子では挿入損失が大き過ぎ且つアイソレーションが不十分な為実用上十分な性能が得られていない。このことから挿入損失及びアイソレーションの面で十分な性能の得られるマイクロマシン技術を用いた高周波スイッチの開発が進められている。その一つの方法として、[特許文献1]に代表的に示されるようにスイッチング用の板状の電極を静電気等で曲げ信号線に接触させたりする方法が提案されているが、この場合曲げるために24V程度の大きな電位を必要とすることがありさらにこのような大きな電圧ではスイッチング用の電極が信号線に接触する時に大きな力が加わり信頼性の上でも問題があった。これを改善する為のスイッチが[非特許文献1]に提案されている。この場合、可動部は基本的に構造体から浮き。上下の電極でプッシュプル方式で動作する為、外部から大きな力が加わらないようにでき且つ低電圧で駆動できるが、可動部は可動方向以外の外部からの加速度により可動部が支持用の柱に接触することで摩擦による力を受けるといった欠点があった。
本発明は上記の課題を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは可動部を中空に浮かせる場合において外部から加わる加速度により可動部が他の可動部の動く方向以外で可動部が構造体に接触することを防ぐことにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and the object of the present invention is to make the movable part structured in a direction other than the direction of movement of the other movable part by the acceleration applied from the outside when the movable part is floated in the air. It is to prevent contact with the body.
接点を有する可動部を静電気により駆動させさる一対の電極を有し、さらに駆動方向に垂直方向の移動を制限するため二対の電極を有することでの可動部を構造体から基本的に浮かせることにより外部からの力を可能な限り小さくする。 Having a pair of electrodes that drive a movable part having a contact by static electricity, and further having two pairs of electrodes to restrict movement perpendicular to the driving direction, the movable part is basically floated from the structure. To reduce the external force as much as possible.
本発明による構造であれば不要な力が可動部に加わらない為低電圧で駆動でき且つ高速で可動部を駆動することができる。またメカニカルなスイッチングである為不要な寄生容量及び電流が洩れる部分も無いことから挿入損失及びアイソレーションといった特性も良好である。さらに可動部の板厚も弾性変形を利用しない為適切な範囲で充分厚く取れることから信頼性を高められる。また可動部に静電気力を加える場合この力を適切に制御できれば信号線への接触の瞬間のダメージは低減可能である。これによりさらに信頼性を高めることができる。 With the structure according to the present invention, unnecessary force is not applied to the movable part, so that the movable part can be driven at a low voltage and at a high speed. In addition, since it is mechanical switching, there are no unnecessary parasitic capacitances and current leaking parts, so that characteristics such as insertion loss and isolation are good. Further, since the plate thickness of the movable part does not use elastic deformation, it can be sufficiently thick within an appropriate range, so that the reliability can be improved. Further, when an electrostatic force is applied to the movable part, the damage at the moment of contact with the signal line can be reduced if this force can be appropriately controlled. Thereby, reliability can be further improved.
静電気を駆動源としたスイッチにおいて、接点となる電極を有する略板状の可動部の一
部分あるいは全部が静電気により他の構造体から浮かされたことを特徴としたマイクロメカニカルスイッチ。
A micromechanical switch characterized in that, in a switch using static electricity as a driving source, part or all of a substantially plate-like movable portion having an electrode serving as a contact is floated from another structure by static electricity.
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。但し図面はもっぱら説明の為のものであって、本発明の技術的範囲を限定するものでない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. However, the drawings are for explanation only and do not limit the technical scope of the present invention.
図1.は応用物理学会に報告された構造図であり説明のために図2では図1を3つの部分に分解し示してある。基板上に駆動用電極1、3また可動部5を介し対抗した場所に駆動用電極2、4が配置されている。ここで可動部を3Vに帯電しておき駆動用電極1及び2をグラウンド電位とし、駆動用電極3,4を3Vとすると、可動部5は傾き駆動用電極1,2に接触し駆動用電極2,4と反発するためA信号線7を短絡し、B信号線8を開放とする。駆動用電極1,2を3Vとし、駆動用電極3,4をグラウンド電位とした場合まったく逆にA信号線7は開放され、B信号線8は短絡される。この際可動部の平面方向での動きは支持部6に接触することで制限される。 FIG. FIG. 2 is a structural diagram reported to the Japan Society of Applied Physics. For the sake of explanation, FIG. 2 shows FIG. 1 broken down into three parts. Driving electrodes 2 and 4 are arranged on the substrate at locations facing each other via the driving electrodes 1 and 3 and the movable portion 5. Here, when the movable part is charged to 3 V, the drive electrodes 1 and 2 are set to the ground potential, and the drive electrodes 3 and 4 are set to 3 V, the movable part 5 comes into contact with the tilt drive electrodes 1 and 2 to drive the drive electrode. 2, the A signal line 7 is short-circuited and the B signal line 8 is opened. When the drive electrodes 1 and 2 are set to 3 V and the drive electrodes 3 and 4 are set to the ground potential, the A signal line 7 is opened and the B signal line 8 is short-circuited. At this time, the movement of the movable part in the planar direction is restricted by contacting the support part 6.
図3.は本発明によるスイッチの構造図である。説明の為3つの要素に分解した状態を図4.に示す。まず基板上に駆動用電極及11及び可動部位置制限用電極14が設けられている。この中に可動部がはめ込まれ、さらに上部駆動用電極12がこれらを覆うことになる。実際には図3に示すような組み立て形状となる。可動部13は上部電極に接している場合、電圧供給部16より3Vの電位を印加され、下部電極と接している場合では信号線15自体から3Vの電位を印加される。信号線15では信号とは別に常時3Vにバイアスされ信号線15は静電容量を介し信号線15に供給されている。これらにより可動部13は常に3V程度に帯電している。また信号線15及び電圧供給部16は下部電極11及び上部電極12より可動部13側に張り出しており可動部が動いた場合でも以外に可動部13が信号線15及び電圧供給部16以外に接触しないようにしている。信号線15は中央で分離されており、ここに可動部13が接したときのみ導通する。 FIG. FIG. 3 is a structural diagram of a switch according to the present invention. For the purpose of explanation, FIG. Shown in First, the driving electrode 11 and the movable part position limiting electrode 14 are provided on the substrate. The movable part is fitted in this, and the upper driving electrode 12 covers them. Actually, the assembled shape is as shown in FIG. When the movable part 13 is in contact with the upper electrode, a potential of 3 V is applied from the voltage supply part 16, and when it is in contact with the lower electrode, a potential of 3 V is applied from the signal line 15 itself. The signal line 15 is always biased to 3 V separately from the signal, and the signal line 15 is supplied to the signal line 15 via an electrostatic capacity. As a result, the movable portion 13 is always charged to about 3V. Further, the signal line 15 and the voltage supply unit 16 protrude from the lower electrode 11 and the upper electrode 12 toward the movable unit 13, so that the movable unit 13 contacts other than the signal line 15 and the voltage supply unit 16 except when the movable unit moves. I try not to. The signal line 15 is separated at the center, and is conductive only when the movable part 13 is in contact therewith.
動作を説明すると、上部電極12を3Vとし、下部電極11をグウランドとした場合可動部は下部電極に接し、中央部に開放部を設けた信号線15を短絡させ、スイッチONの状態となる。これに対し上部電極12をグラウンド電位、下部電極11を3Vとした場合可動部は上部電極に接し信号線15は開放されスイッチはOFF状態となる。この時可動部13の周囲には凹凸形状が設けられておりこれは対抗して設けられている可動部位置制限用電極14の凹凸上の電極とで反発し合い可動部13の可動方向と垂直方向での移動を制限している。外部から可動方向と垂直の重力が加わる場合を想定すると、本設計では構造体をニッケルとした場合、可動部13と可動部位置制限用電極14とのギャップは最小では約3μmとなり、接することを妨げることができる。この為本発明によるスイッチはどのような角度においても信号線15及びの構造体には可動部13は触れずにスイッチング動作を行える。 To explain the operation, when the upper electrode 12 is 3 V and the lower electrode 11 is ground, the movable part is in contact with the lower electrode, the signal line 15 provided with an open part at the center is short-circuited, and the switch is turned on. On the other hand, when the upper electrode 12 is set to the ground potential and the lower electrode 11 is set to 3 V, the movable part is in contact with the upper electrode, the signal line 15 is opened, and the switch is turned off. At this time, a concavo-convex shape is provided around the movable portion 13, which repels against the electrode on the concavo-convex portion of the movable portion position limiting electrode 14 provided in opposition, and is perpendicular to the movable direction of the movable portion 13. Restricts movement in the direction. Assuming the case where gravity perpendicular to the movable direction is applied from the outside, in this design, when the structure is nickel, the gap between the movable portion 13 and the movable portion position limiting electrode 14 is about 3 μm at the minimum, and is in contact. Can hinder. Therefore, the switch according to the present invention can perform the switching operation without touching the movable portion 13 to the structure of the signal line 15 and the structure at any angle.
製造プロセスの例に付き図5を基に説明する。材料及び構造は説明の為のものであり本発明の技術的範囲を限定するものでない。例えばガラス基板上にCr/Tiパターンをリフトオフ法により形成する。これは上部駆動用電極11、信号線15、可動部位置制限用電極14のパターンに適用される。ここで信号線15の一部あるいは可動部位置制限用電極14は他の部分より金メッキにより厚くするこれを図5aに示す。この上に可動部の下にギャップを与える為可動部位置制限用電極14の鋳型を厚さ5μmのレジストあるいはアルカリにより容易に溶かすことのできる金属により形成する。ここにニッケルメッキを満たすことで可動部制限用電極14は形成される。これを図5bに示す。この上に可動位置部制限用電極を形成したのと同様な方法でニッケルメッキにより可動部13及び可動部位置制限用電極14を形成する。これを図5cに示す。さらに上部電極12を下部電極11と同様な方法で別の基板に形成した上部電極を陽極接合により貼り合わせることで完成する。これを図5dに示す。 An example of the manufacturing process will be described with reference to FIG. The materials and structures are illustrative and do not limit the technical scope of the present invention. For example, a Cr / Ti pattern is formed on a glass substrate by a lift-off method. This is applied to the pattern of the upper drive electrode 11, the signal line 15, and the movable part position limiting electrode 14. Here, a part of the signal line 15 or the movable part position limiting electrode 14 is made thicker by gold plating than the other part as shown in FIG. 5a. In order to provide a gap below the movable portion, the mold of the movable portion position limiting electrode 14 is formed of a resist having a thickness of 5 μm or a metal that can be easily dissolved by alkali. The movable part limiting electrode 14 is formed by filling the nickel plating here. This is shown in FIG. The movable portion 13 and the movable portion position limiting electrode 14 are formed by nickel plating in the same manner as the movable position portion limiting electrode is formed thereon. This is shown in FIG. Further, the upper electrode 12 formed on another substrate by the same method as the lower electrode 11 is completed by bonding by anodic bonding. This is shown in FIG.
このようにして本発明による高周波スイッチが形成できる。このような構造では、可動部には接触による摩擦などの力や曲げ応力などの力が加わることが無く、この為低電圧で且つ高速にスイッチングおおなうことができ且つ高い信頼性を得ることができる Thus, the high frequency switch according to the present invention can be formed. In such a structure, there is no force such as friction caused by contact or bending stress on the movable part, so that switching can be performed at low voltage and high speed and high reliability can be obtained. Can
本発明の用途として最も期待されるのが携帯電話等のモバイル通信機器の高周波スイッチである。 現在は半導体による固体スイッチが主流であるが、将来予想される更なる高周波化においては挿入損失、アイソレーション共に問題が発生すると考えられている。 本発明は、金属の接点を利用する為、挿入損失は極めて小さく、また空間的に接点を引き離す為アイソレーションも良好である。 さらに可動部に加わる力を最小限にできる為高い信頼性で高速のスイッチングも可能である。 さらに加えるならば接触する際、可動部が浮いている為衝撃が緩和され耐損傷性も高いと考えられ極めて優れた特性を有することとなり、今後予想される10GHz等の高周波帯域でも十分良好な結果が期待できる。 The most promising application of the present invention is a high-frequency switch for a mobile communication device such as a mobile phone. At present, solid-state switches made of semiconductors are the mainstream, but it is considered that both the insertion loss and the isolation will cause problems in the further higher frequency expected in the future. Since the present invention uses a metal contact, the insertion loss is extremely small, and since the contact is spatially separated, the isolation is good. Furthermore, since the force applied to the movable part can be minimized, high-speed switching with high reliability is possible. In addition, when the contact is made, the movable part floats when contacting, so the impact is mitigated and the damage resistance is considered to be high, and it has extremely excellent characteristics. Can be expected.
1、3 下部駆動用電極
2、4 上部駆動用電極
5 可動部
6 支持部
7 A信号線
8 B信号線
11 下部電極
12 上部電極
13 可動部
14 可動部位置制限用電極
15 信号線
16 電圧供給部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 3 Lower drive electrode 2, 4 Upper drive electrode 5 Movable part 6 Support part 7 A signal line 8 B signal line 11 Lower electrode 12 Upper electrode 13 Movable part 14 Movable part position limiting electrode 15 Signal line 16 Voltage supply Part
Claims (2)
部分あるいは全部が静電気により他の構造体から浮かすことを特徴としたマイロメカニカルスイッチにおいて可動部を動かす静電気力を発生する電極以外に可動方向と垂直方向での可動部の移動を限定する為の静電気力を作り出す電極を設けたことを特徴とするマイクロメカニカルスイッチ。 In a switch using static electricity as a drive source, the electrostatic force that moves the movable part in the myromechanical switch is characterized in that a part or all of the substantially plate-like movable part having the contact electrode floats from another structure due to static electricity. A micromechanical switch comprising an electrode for generating an electrostatic force for limiting movement of a movable part in a direction perpendicular to the movable direction in addition to the generated electrode.
2. The micromechanical switch according to claim 1, further comprising an electrode for supplying a potential to the movable part itself by contacting the movable part.
Priority Applications (1)
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