JP2007026726A

JP2007026726A - Mems switch

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Publication number: JP2007026726A
Application number: JP2005203483A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Adachi; 一彦安達
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2005-07-12
Filing date: 2005-07-12
Publication date: 2007-02-01

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an MEMS switch in which an insertion loss is low in a high frequency region and which is superior in isolation characteristics. <P>SOLUTION: In the MEMS switch provided with at least two transmission lines 2 of which mutual ends are opposedly arranged on a substrate 1 surface, a movable electrode 4 arranged above the transmission lines 2 so as to connect between these transmission lines 2, and a driving means 3 to displace this movable electrode 4, an electrically insulated protrusion 11 is formed between the opposing transmission lines 2, and one part of the movable electrode 4 is deformed with the protrusion 11 end part as a fulcrum in that displacement. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、高周波帯におけるスイッチ素子に関し、とくにプリント基板表面の伝送線路間を接続するために配置した可動電極、この可動電極を変位させる駆動手段を備えるＭＥＭＳスイッチに関するものである。 The present invention relates to a switch element in a high frequency band, and more particularly to a MEMS switch including a movable electrode arranged for connecting transmission lines on the surface of a printed circuit board and a driving means for displacing the movable electrode.

高周波回路で使用されるスイッチとしては、半導体デバイス、例えば能動デバイスのＦＥＴやＰＩＮダイオードなどが知られている（例えば、特許文献１参照）。
しかし、これら半導体デバイスでは、信号周波数がＧＨｚ帯になると挿入損失が増加し、アイソレーションが劣化する欠点があった。より具体的には、ＦＥＴでは４ＧＨｚにおいて、挿入損失が２（ｄＢ）、アイソレーションが−２０（ｄＢ）、ＰＩＮダイオードでは２０ＧＨｚにおいて、挿入損失が４（ｄＢ）、アイソレーションが−１８（ｄＢ）程度であった。
このように、半導体デバイススイッチでは、導電性を有しかつ比誘電率が高いＧａＡｓ（εｒ＝１３）などの半導体を使うために、高周波帯において挿入損失が増加し、アイソレーションが劣化してしまう。
そこで、近年、マイクロマシン技術を用いたＭＥＭＳスイッチが研究、開発されている。ＭＥＭＳスイッチでは、接点間に絶縁性の空隙（エア）があるため高い周波数まで良好なアイソレーション特性が期待されている。 As switches used in high-frequency circuits, semiconductor devices such as active device FETs and PIN diodes are known (see, for example, Patent Document 1).
However, these semiconductor devices have the disadvantage that the insertion loss increases and the isolation deteriorates when the signal frequency is in the GHz band. More specifically, the insertion loss is 2 (dB) and isolation is -20 (dB) at 4 GHz for the FET, and the insertion loss is 4 (dB) and isolation is -18 (dB) at 20 GHz for the PIN diode. It was about.
As described above, in the semiconductor device switch, since a semiconductor such as GaAs (εr = 13) having conductivity and high relative dielectric constant is used, the insertion loss increases in the high frequency band, and the isolation is deteriorated. .
Therefore, in recent years, MEMS switches using micromachine technology have been researched and developed. In the MEMS switch, since there is an insulating air gap (air) between the contacts, good isolation characteristics are expected up to a high frequency.

図２３は従来のＭＥＭＳスイッチの構造を示す概略斜視図である。図２３において、基板１表面には高周波信号が伝送する２本の伝送線路２が対向して形成されている。
２本の伝送線路２の直上には、絶縁性部材からなるビーム３に連結した可動電極４が配置され、ビーム３上には第１の制御電極５が形成されており、直流電源バイアス配線８に接続されている。
ビーム３はアンカー部６に固定されて中空に浮いている。第１の制御電極５の直下には、エアギャップを介してグランドに接続された第２の制御電極７が形成されている。以下に動作を簡単に説明する。
第１の制御電極５に直流電圧を印加することにより、第２の制御電極７との間に静電力が発生して両者は吸引し合い、プルダウン電圧Ｖｐで接触する。その結果、ビーム３の端部に形成した可動電極４が下の伝送線路２と接触し、回路がオン状態となる。一般的に、伝送線路２と可動電極４とのギャップは１〜３μｍ、第１の制御電極５に印加する電圧としては数十Ｖの直流電圧が使われる。
このようなＭＥＭＳスイッチでは、４０ＧＨｚにおいて、挿入損失が０．１５（ｄＢ）、アイソレーションが−２５（ｄＢ）と良好な特性が得られることが知られている。
ＭＥＭＳスイッチにおける挿入損失は、主にスイッチ接点のコンタクト抵抗Ｒｃによる電力損失である。また、アイソレーションはオフ状態でのＭＥＭＳスイッチに寄生するキャパシタンス、とくに伝送線路２と可動電極４間ギャップで形成される寄生キャパシタンスＣｓの影響が大きい。
図２４は図２３のＭＥＭＳスイッチのオフ時を示す断面図である。図２５は図２４の電気的等価回路を示す回路図である。アイソレーション特性を劣化させる寄生キャパシタには、伝送線路２と可動電極４間に形成されるＣｓと、伝送線路２間の基板内に寄生するＣｐの２種類がある。一般的には、伝送線路２と可動電極４に形成されるＣｓが大きい。
したがって、アイソレーション特性を向上させるには、Ｃｓの低減を行う必要がある。しかし、静電駆動方式においては、前記ギャップを大きくすると駆動のための印加電圧が大きくなってしまう不具合がある。 FIG. 23 is a schematic perspective view showing the structure of a conventional MEMS switch. In FIG. 23, two transmission lines 2 for transmitting a high-frequency signal are formed opposite to each other on the surface of the substrate 1.
A movable electrode 4 connected to a beam 3 made of an insulating member is disposed immediately above the two transmission lines 2, and a first control electrode 5 is formed on the beam 3. It is connected to the.
The beam 3 is fixed to the anchor portion 6 and floats in the hollow. A second control electrode 7 connected to the ground via an air gap is formed immediately below the first control electrode 5. The operation will be briefly described below.
By applying a DC voltage to the first control electrode 5, an electrostatic force is generated between the second control electrode 7 and the two are attracted and contacted with the pull-down voltage Vp. As a result, the movable electrode 4 formed at the end of the beam 3 comes into contact with the lower transmission line 2 and the circuit is turned on. Generally, a gap between the transmission line 2 and the movable electrode 4 is 1 to 3 μm, and a DC voltage of several tens of volts is used as a voltage applied to the first control electrode 5.
In such a MEMS switch, it is known that good characteristics are obtained with an insertion loss of 0.15 (dB) and an isolation of −25 (dB) at 40 GHz.
The insertion loss in the MEMS switch is mainly a power loss due to the contact resistance Rc of the switch contact. In addition, the isolation is greatly affected by the parasitic capacitance of the MEMS switch in the off state, particularly the parasitic capacitance Cs formed by the gap between the transmission line 2 and the movable electrode 4.
24 is a cross-sectional view showing the MEMS switch of FIG. 23 when it is off. FIG. 25 is a circuit diagram showing the electrical equivalent circuit of FIG. There are two types of parasitic capacitors that degrade the isolation characteristics: Cs formed between the transmission line 2 and the movable electrode 4 and Cp parasitic on the substrate between the transmission lines 2. Generally, Cs formed on the transmission line 2 and the movable electrode 4 is large.
Therefore, it is necessary to reduce Cs in order to improve the isolation characteristics. However, the electrostatic driving method has a problem that the applied voltage for driving increases when the gap is increased.

以下に具体的に説明する。ＭＥＭＳスイッチにおいて図２３のような片持ビームでは駆動電圧（プルダウン電圧）Ｖｐは次の式で表せる。
Ｖｐ＝√（８ｋ／２７ε₀ＷＬ）ｇ³
ここで、ｋはバネ定数で、εoは真空の誘電率、ＷおよびＬは制御電極の幅と長さ、ｇはギャップである。
今、ばね定数としてアームの形状が長さｌ＝１００μｍ、幅ｗ＝２５μｍ、厚さｔ＝２μｍのＳｉＮ膜と厚さ２μｍの金薄膜の積層構造とし、ばね定数を１９．３（Ｎ/ｍ）、静電駆動部の制御電極面積（Ｗ×Ｌ）を１００μｍ×１００μｍと仮定する。
図２６は静電駆動部のギャップｇとプルダウン電圧との関係を上記式から求めた結果を示す特性図である。図２６に示すように、従来のＭＥＭＳスイッチでは、ギャップが３．５（μｍ）以上になるとプルダウン電圧Ｖｐは５０（Ｖ）以上となってしまい実用化は難しくなってしまう。したがって、可動電極と伝送線路間隔を大きくし、寄生キャパシタンスＣｓを低減させることで高周波特性を改善することには限界があった。
そこで、アイソレーションを向上させる他の方法として特許文献１はマイクロマシンスイッチを開示している。図２７はマイクロマシンスイッチの構造を示す斜視図である。
図２７に示すように可動電極４の両端部に切り欠かれた部分１０を形成することで、伝送線路２であるマイクロストリップ線路と可動電極４で形成する寄生キャパシタンスＣｓを低減させる構造となっている。
つまり、可動電極４に切り欠き１０を形成することで伝送線路２との対向面積を減らし寄生キャパシタンスを低減させ、アイソレーション特性が改善されるのである。
特許第３１１２００１号 This will be specifically described below. In the MEMS switch, the drive voltage (pull-down voltage) Vp can be expressed by the following equation for a cantilever beam as shown in FIG.
Vp = √ (8k / 27ε ₀ WL) g ³
Here, k is a spring constant, εo is a vacuum dielectric constant, W and L are the width and length of the control electrode, and g is a gap.
Now, as a spring constant, the shape of the arm is a laminated structure of a SiN film having a length l = 100 μm, a width w = 25 μm, a thickness t = 2 μm and a gold thin film having a thickness of 2 μm, and the spring constant is 19.3 (N / m ), The control electrode area (W × L) of the electrostatic drive unit is assumed to be 100 μm × 100 μm.
FIG. 26 is a characteristic diagram showing the result of the relationship between the gap g of the electrostatic driving unit and the pull-down voltage obtained from the above equation. As shown in FIG. 26, in the conventional MEMS switch, when the gap is 3.5 (μm) or more, the pull-down voltage Vp is 50 (V) or more, and it becomes difficult to put it into practical use. Therefore, there is a limit to improving the high frequency characteristics by increasing the distance between the movable electrode and the transmission line and reducing the parasitic capacitance Cs.
Therefore, Patent Document 1 discloses a micromachine switch as another method for improving isolation. FIG. 27 is a perspective view showing the structure of the micromachine switch.
As shown in FIG. 27, by forming the notched portions 10 at both ends of the movable electrode 4, the parasitic capacitance Cs formed by the microstrip line as the transmission line 2 and the movable electrode 4 is reduced. Yes.
That is, by forming the notch 10 in the movable electrode 4, the area facing the transmission line 2 is reduced, the parasitic capacitance is reduced, and the isolation characteristics are improved.
Japanese Patent No. 3112001

しかし、従来技術の可動電極の一部を切り欠く方法では、より寄生キャパシタンスを低減させるために切り欠く幅を広くすれば、伝送線路との接触面積が減少し、コンタクト抵抗Ｒｃの増加、また電流が集中することでインダクタンスが増加するなどの不具合があるため挿入損失が増加することが懸念される。
また、ＭＥＭＳスイッチのより詳細な解析では、寄生キャパシタンスとして、マイクロストリップ線路間容量Ｃｐの影響を考慮する必要がある。しかし、従来技術では、配線間容量Ｃｐを低減させることはできないため、さらなる高周波化には限界があった。
そこで、本発明の目的は、上述した実情を考慮して、高周波領域において挿入損失が低く、アイソレーション特性が良好なＭＥＭＳスイッチを提供することにある。 However, in the conventional method of cutting out a part of the movable electrode, if the width of the cutout is increased in order to further reduce the parasitic capacitance, the contact area with the transmission line is reduced, the contact resistance Rc is increased, and the current is increased. There is a concern that the insertion loss may increase due to a problem such as an increase in inductance due to the concentration of.
Further, in the detailed analysis of the MEMS switch, it is necessary to consider the influence of the capacitance Cp between the microstrip lines as the parasitic capacitance. However, in the prior art, since the inter-wiring capacitance Cp cannot be reduced, there is a limit to further increasing the frequency.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a MEMS switch having a low insertion loss and a good isolation characteristic in a high frequency region in consideration of the above-described situation.

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、基板表面に互いの端部を対向させて配置した少なくとも２本の伝送線路と、これらの伝送線路間を接続するために前記伝送線路上方に配置した可動電極、この可動電極を変位させるための駆動手段とを備えたＭＥＭＳスイッチにおいて、前記対向する伝送線路間には、電気的に絶縁された凸部が形成され、前記可動電極の一部は、その変位時において、前記凸部端部を支点として変形するＭＥＭＳスイッチを特徴とする。
また、請求項２に記載の発明は、前記凸部の表面高さが、前記伝送線路の高さよりも低い請求項１記載のＭＥＭＳスイッチを特徴とする。
また、請求項３に記載の発明は、前記可動電極直下の前記基板の高さが前記伝送線路直下の前記基板の高さよりも低い請求項１記載のＭＥＭＳスイッチを特徴とする。
また、請求項４に記載の発明は、前記可動電極の底部に導電性部材による突起が形成されている請求項１記載のＭＥＭＳスイッチを特徴とする。
また、請求項５に記載の発明は、前記可動電極に取り付けた駆動手段が片持梁型である請求項１記載のＭＥＭＳスイッチを特徴とする。
また、請求項６に記載の発明は、前記可動電極に取り付けた駆動手段が片持ち梁であり、可動電極が梁方向に変形する請求項１記載のＭＥＭＳスイッチを特徴とする。
また、請求項７に記載の発明は、前記可動電極に取り付けた駆動手段が両持ち梁型である請求項１記載のＭＥＭＳスイッチを特徴とする。
また、請求項８に記載の発明は、前記駆動手段が静電力を利用した静電駆動方式である請求項１記載のＭＥＭＳスイッチを特徴とする。
また、請求項９に記載の発明は、前記駆動手段が圧電素子を利用した圧電型駆動方式である請求項１記載のＭＥＭＳスイッチを特徴とする。
また、請求項１０に記載の発明は、前記駆動手段が熱膨張を利用したバイメタル型駆動方式である請求項１記載のＭＥＭＳスイッチを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 1 is characterized in that at least two transmission lines arranged with their ends facing each other on the surface of the substrate and said transmission line are connected to each other. In a MEMS switch including a movable electrode disposed above a transmission line and a driving means for displacing the movable electrode, an electrically insulated convex portion is formed between the opposing transmission lines, and the movable switch A part of the electrode is characterized by a MEMS switch that deforms with the end of the convex portion as a fulcrum when the electrode is displaced.
The invention according to claim 2 is the MEMS switch according to claim 1, wherein a surface height of the convex portion is lower than a height of the transmission line.
According to a third aspect of the present invention, there is provided the MEMS switch according to the first aspect, wherein a height of the substrate immediately below the movable electrode is lower than a height of the substrate immediately below the transmission line.
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the MEMS switch according to the first aspect, wherein a protrusion made of a conductive member is formed on the bottom of the movable electrode.
The invention according to claim 5 is the MEMS switch according to claim 1, wherein the driving means attached to the movable electrode is a cantilever type.
The invention described in claim 6 is characterized in that the drive means attached to the movable electrode is a cantilever beam, and the movable electrode is deformed in the beam direction.
The invention described in claim 7 is the MEMS switch according to claim 1, wherein the driving means attached to the movable electrode is a doubly supported beam type.
The invention according to claim 8 is the MEMS switch according to claim 1, wherein the drive means is an electrostatic drive system using an electrostatic force.
The invention described in claim 9 is the MEMS switch according to claim 1, wherein the driving means is a piezoelectric driving system using a piezoelectric element.
The invention described in claim 10 is the MEMS switch according to claim 1, wherein the driving means is a bimetal type driving system using thermal expansion.

本発明のＭＥＭＳスイッチは、従来よりも可動電極と伝送線路間隔を大きくすることができ、その結果、可動電極と伝送線路に形成される寄生キャパシタンスを低減することができる。
また、伝送線路間に溝を設けた本発明のＭＥＭＳスイッチにおいては、伝送線路間の誘電体内に形成される寄生キャパシタンスを低減することが可能になり、より一層の寄生キャパシタンス低減が可能で、その結果、スイッチオフ時のアイソレーション特性を大幅に改善する効果がある。 In the MEMS switch of the present invention, the distance between the movable electrode and the transmission line can be increased as compared with the prior art, and as a result, the parasitic capacitance formed between the movable electrode and the transmission line can be reduced.
Further, in the MEMS switch of the present invention in which a groove is provided between the transmission lines, it is possible to reduce the parasitic capacitance formed in the dielectric between the transmission lines, and to further reduce the parasitic capacitance. As a result, there is an effect of greatly improving the isolation characteristics when the switch is turned off.

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明によるＭＥＭＳスイッチの第１の実施の形態を示す平面図である。図２は図１の線Ｂ−Ｂ’に沿う断面図である。第１の実施の形態において可動電極４の駆動方式が片持ちビーム型静電駆動方式である本ＭＥＭＳスイッチを説明する。
図１および図２に示すように、基板１、即ち高周波信号伝送に適した誘電体基板上、例えば、厚さ２００μｍの石英基板上に、幅６０μｍの２本の伝送線路２が、夫々の端縁間を６０μｍ離して対向して形成されている。
伝送線路２の材質としては、下地に基板１との密着性を確保するために薄く（０．１μｍ程度）チタンが成膜され、さらのその上に数μｍ程度の金を積層して形成される。２本の伝送線路２の上方には、これらの伝送線路２に跨るように可動電極４が配置されている。
可動電極４は絶縁性部材からなるビーム３の下面に形成され、ビーム３はアンカー部６で基板１に固定されている。ビーム３の表面には第１の制御電極５が形成されており、直流バイアス用配線８ａを介して電圧が印加できる。
また、第１の制御電極５直下の基板１表面には第２の制御電極７が形成されており、直流バイアス用配線８ｂを介して電圧が印加できる。両制御電極５、７間に直流バイアス用配線８ａ、８ｂを通して直流電圧を印加することで、静電力が発生する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a plan view showing a first embodiment of a MEMS switch according to the present invention. FIG. 2 is a sectional view taken along line BB ′ of FIG. The MEMS switch in which the driving method of the movable electrode 4 is a cantilever beam type electrostatic driving method in the first embodiment will be described.
As shown in FIGS. 1 and 2, two transmission lines 2 having a width of 60 μm are formed on a substrate 1, that is, a dielectric substrate suitable for high-frequency signal transmission, for example, a quartz substrate having a thickness of 200 μm, at each end. The edges are formed to face each other with a separation of 60 μm.
As a material for the transmission line 2, a thin (about 0.1 μm) titanium film is formed on the base to secure adhesion to the substrate 1, and a gold film of about several μm is laminated thereon. The A movable electrode 4 is arranged above the two transmission lines 2 so as to straddle these transmission lines 2.
The movable electrode 4 is formed on the lower surface of the beam 3 made of an insulating member, and the beam 3 is fixed to the substrate 1 by an anchor portion 6. A first control electrode 5 is formed on the surface of the beam 3, and a voltage can be applied via the DC bias wiring 8a.
In addition, a second control electrode 7 is formed on the surface of the substrate 1 immediately below the first control electrode 5, and a voltage can be applied via the DC bias wiring 8b. An electrostatic force is generated by applying a DC voltage between the control electrodes 5 and 7 through DC bias wirings 8a and 8b.

図３は図１のＭＥＭＳスイッチの第１の実施の形態のオン状態を線Ａ−Ａ’に沿って示す断面図である。図４は図１のＭＥＭＳスイッチの第１の実施の形態のオフ状態を線Ａ−Ａ’に沿って示す断面図である。図３および図４は図１中のＡ−Ａ’断面の拡大図を示している。
図３および図４に示すように、基板１の表面には２本の伝送線路２と２つの凸部１１が形成され、凸部１１表面の高さは伝送線路２の表面高さよりも低く設定されている。凸部１１の最上層には、基板エッチング時のマスク材１２で絶縁性部材のＳｉＮなどが成膜されている。
この構造は、後で説明するように、基板１をエッチングすることで容易に形成することができる。さらに２本の伝送線路２の上方には、両者に跨るように可動電極４が配置され、可動電極４はビーム３により制御電極と連結されている。
同じく図３および図４を用いて本発明によるＭＥＭＳスイッチの動作について説明する。本発明のＭＥＭＳスイッチは、制御電極への印加電圧が０（Ｖ）では、僅かに浮いた状態となっているため、回路はオフ状態である。
まず、第１の制御電極５および第２の制御電極７に電圧を印加する。例えば、第１の制御電極に＋Ｖａ（Ｖ）を、第２の制御電極７をグランド電位に設定する。制御電極への電圧を印加すると、両制御電極５、７間に静電力が発生し、第１の制御電極５が基板側に引き寄せられる。その結果、まず、可動電極４が伝送線路２に接触し、回路はオン状態となる（図３）。
さらに、制御電極への印加電圧を増加させプルダウン電圧Ｖｐに達すると、第１および第２の制御電極５、７は接触し、可動電極４も最下点まで降下する。このとき、可動電極４の端部は基板１に配置した凸部１１を支点として折り返され変形する。その結果、回路はオフ状態となる（図４）。 FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of the first embodiment of the MEMS switch of FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of the first embodiment of the MEMS switch of FIG. 3 and 4 show enlarged views of the AA 'cross section in FIG.
As shown in FIGS. 3 and 4, two transmission lines 2 and two protrusions 11 are formed on the surface of the substrate 1, and the height of the surface of the protrusions 11 is set lower than the surface height of the transmission line 2. Has been. On the uppermost layer of the protrusion 11, an insulating member such as SiN is formed with a mask material 12 during substrate etching.
This structure can be easily formed by etching the substrate 1 as will be described later. Further, a movable electrode 4 is disposed above the two transmission lines 2 so as to straddle both, and the movable electrode 4 is connected to the control electrode by a beam 3.
Similarly, the operation of the MEMS switch according to the present invention will be described with reference to FIGS. The MEMS switch of the present invention is in a slightly floating state when the voltage applied to the control electrode is 0 (V), and therefore the circuit is in an off state.
First, a voltage is applied to the first control electrode 5 and the second control electrode 7. For example, + Va (V) is set to the first control electrode, and the second control electrode 7 is set to the ground potential. When a voltage is applied to the control electrode, an electrostatic force is generated between the control electrodes 5 and 7, and the first control electrode 5 is drawn toward the substrate side. As a result, first, the movable electrode 4 contacts the transmission line 2, and the circuit is turned on (FIG. 3).
Further, when the voltage applied to the control electrode is increased to reach the pull-down voltage Vp, the first and second control electrodes 5 and 7 come into contact with each other, and the movable electrode 4 also drops to the lowest point. At this time, the end of the movable electrode 4 is folded and deformed with the convex portion 11 disposed on the substrate 1 as a fulcrum. As a result, the circuit is turned off (FIG. 4).

図５は可動電極の端部が基板に配置した凸部を支点として折り返されて変形された状態の左側半分を示す概略図である。図５から明らかなように、本発明は可動電極４の僅かな変位が支点を介して拡大されるので可動電極４端部では大きな変位量が得られる効果がある。
例えば、可動電極４の左半分の後続を、可動電極４の左端と凸部端水平距離ａ＝３５μｍ、凸部端部からビーム端部までの水平距離ｂ＝１５μｍとし、凸部１１と可動電極ビームまでの距離ｃ＝５μｍ、凸部高さｄ＝１．５μｍ、伝送線路厚さｔ＝２μｍと仮定する。
この構造において、制御電極にプルダウン電圧を印加することにより、可動電極４は、伝送線路２表面から２μｍ下降して基板１に接触する、その結果、可動電極４の一部（端部）は凸部１１を支点にし、図のように折り返される。
このとき、折り返された可動電極４と伝送線路２表面との距離は、最大（ｈ１）で８．５μｍ程度、最小（ｈ２）でも溝４μｍ程度と予測される。つまり、可動電極の移動量２μｍが、支点を介して折り返すことで２倍から８倍以上拡大されることが分かる。図５において、符号１２は後述するマスクパターンを示している。
したがって、伝送線路２と可動電極４間が大きく離されることで寄生キャパシタンスＣｓが減少し、アイソレーション特性を向上させることが可能になるのである。また、従来と同程度のアイソレーション特性であれば、プルダウン電圧を低くすることが可能になる。
図６は第１の実施の形態のＭＥＭＳスイッチの製造プロセスの第１工程を示す概略図である。図７は第１の実施の形態のＭＥＭＳスイッチの製造プロセスの第２工程を示す概略図である。図８は第１の実施の形態のＭＥＭＳスイッチの製造プロセスの第３工程を示す概略図である。図９は第１の実施の形態のＭＥＭＳスイッチの製造プロセスの第４工程を示す概略図である。
図１０は第１の実施の形態のＭＥＭＳスイッチの製造プロセスの第５工程を示す概略図である。図１１は第１の実施の形態のＭＥＭＳスイッチの製造プロセスの第６工程を示す概略図である。図１２は第１の実施の形態のＭＥＭＳスイッチの製造プロセスの第７工程を示す概略図である。 FIG. 5 is a schematic diagram showing the left half in a state where the end of the movable electrode is folded and deformed with a convex portion arranged on the substrate as a fulcrum. As is clear from FIG. 5, the present invention has an effect that a large amount of displacement can be obtained at the end of the movable electrode 4 because a slight displacement of the movable electrode 4 is enlarged through the fulcrum.
For example, the left half of the movable electrode 4 is followed by a horizontal distance a = 35 μm from the left end of the movable electrode 4 and a horizontal distance b = 15 μm from the convex end to the beam end, and the convex 11 and the movable electrode It is assumed that the distance c to the beam is c = 5 μm, the convex part height d = 1.5 μm, and the transmission line thickness t = 2 μm.
In this structure, by applying a pull-down voltage to the control electrode, the movable electrode 4 is lowered by 2 μm from the surface of the transmission line 2 and contacts the substrate 1. As a result, a part (end) of the movable electrode 4 is convex. Folded as shown in FIG.
At this time, the distance between the folded movable electrode 4 and the surface of the transmission line 2 is predicted to be about 8.5 μm at the maximum (h1) and about 4 μm at the minimum (h2). That is, it can be seen that the amount of movement of the movable electrode of 2 μm is expanded from 2 times to 8 times or more by folding back through the fulcrum. In FIG. 5, reference numeral 12 denotes a mask pattern to be described later.
Therefore, when the transmission line 2 and the movable electrode 4 are largely separated, the parasitic capacitance Cs is reduced, and the isolation characteristic can be improved. In addition, the pull-down voltage can be lowered if the isolation characteristics are comparable to those of the prior art.
FIG. 6 is a schematic view showing a first step of the manufacturing process of the MEMS switch according to the first embodiment. FIG. 7 is a schematic view illustrating a second step of the manufacturing process of the MEMS switch according to the first embodiment. FIG. 8 is a schematic view showing a third step of the manufacturing process of the MEMS switch according to the first embodiment. FIG. 9 is a schematic diagram showing a fourth step of the manufacturing process of the MEMS switch according to the first embodiment.
FIG. 10 is a schematic diagram showing a fifth step of the manufacturing process of the MEMS switch according to the first embodiment. FIG. 11 is a schematic diagram showing a sixth step of the manufacturing process of the MEMS switch according to the first embodiment. FIG. 12 is a schematic diagram showing a seventh step of the manufacturing process of the MEMS switch according to the first embodiment.

次に、図６ないし図１２を参照して第１の実施の形態の製造プロセスを簡単に説明する。基板１として石英やＧａＡｓ、あるいはＳｉ基板を用い、先ず凸部を形成するために、ＳｉＮ膜などからなるマスクパターン１２を形成する（図６）。
その後、基板１全面をドライエッチング法により、可動電極４（図５参照）の移動量よりも深く基板をエッチングして凸部１１を形成する（図７）。次に、蒸着法やメッキ法を用いて金の伝送線路２のパターンをリフトオフ法により形成する（図８）。
その後、全面に犠牲層１３となるレジスト剤を充填し、基板１表面を平坦化する（図９）。このとき、伝送線路２上のレジスト厚さは０．５μｍ以下と薄くすることが望ましい。次に、金を蒸着し、可動電極４をリフトオフ法により形成する（図１０）。
次に、可動電極４を支持するためのビーム３として絶縁性材料であるＳｉＮ膜をＰＣＶＤにより成膜・パターニングを行う（図１１）。次に、金の蒸着・リフトオフ法により第１の制御電極５を形成する（図示せず）。最後に、図１１の犠牲層１３のレジストを除去してＭＥＭＳスイッチが完成する（図１２）。 Next, the manufacturing process of the first embodiment will be briefly described with reference to FIGS. A quartz, GaAs, or Si substrate is used as the substrate 1, and a mask pattern 12 made of a SiN film or the like is first formed in order to form a convex portion (FIG. 6).
After that, the entire surface of the substrate 1 is etched by a dry etching method so that the substrate is etched deeper than the moving amount of the movable electrode 4 (see FIG. 5) to form the convex portion 11 (FIG. 7). Next, a pattern of the gold transmission line 2 is formed by a lift-off method using a vapor deposition method or a plating method (FIG. 8).
Thereafter, the entire surface is filled with a resist agent that becomes the sacrificial layer 13, and the surface of the substrate 1 is flattened (FIG. 9). At this time, the resist thickness on the transmission line 2 is desirably as thin as 0.5 μm or less. Next, gold is vapor-deposited and the movable electrode 4 is formed by a lift-off method (FIG. 10).
Next, an SiN film, which is an insulating material, is formed and patterned by PCVD as the beam 3 for supporting the movable electrode 4 (FIG. 11). Next, the first control electrode 5 is formed by gold vapor deposition / lift-off method (not shown). Finally, the resist of the sacrificial layer 13 in FIG. 11 is removed to complete the MEMS switch (FIG. 12).

図１３は本発明によるＭＥＭＳスイッチの第２の実施の形態をオン状態で示す断面図である。図１４は図１３の第２の実施の形態をオフ状態で示す断面図である。図１３および図１４に示すように、伝送線路２間に形成した２つの凸部１１の間の基板表面１４を、伝送線路２底部よりも下に向けて凹状に形成した構造となっている。
本構造のプロセスの説明は省略するが、第１の実施の形態とほぼ同様なプロセスで作製することができる。このＭＥＭＳスイッチ構造においても、制御電極にプルダウイン電圧以下でオン状態、プルダウン電圧において可動電極４は凸部１１を支点として折り返される。
その結果、オフ状態では、可動電極４とマイクロストリップ線路間距離は大きく離れ、寄生キャパシタンスＣｓは低減する。さらに、本構造では、伝送線路２間に溝１４を形成したことにより配線間容量Ｃｐ低減を可能としたことを特徴としている。
図１５は本発明によるＭＥＭＳスイッチの第３の実施の形態をオン状態で示す断面図である。図１６は図１５の第３の実施の形態をオフ状態で示す断面図である。図１５および図１６に示すように、２本の伝送線路２間に溝１４を形成し、その後、伝送線路２と凸部１２（１１）を同一工程により形成したことを特徴としている。
第１の実施例が伝送線路２下の基板１をエッチングしたのに対して、この第３の実施の形態の構造では、伝送線路２下の基板１はエッチングしないため、基板厚さが変化せず伝送線路２にマイクロストリップ線路を用いた場合でも特性インピーダンスが変化しない利点がある。
第３の実施の形態の動作は第１および第２の実施の形態と同様であり、第２の実施の形態と同様に伝送線路２間に溝１４が形成されているために配線間寄生キャパシタンスＣｐを従来よりも低減することができる利点がある。本実施の形態の凸部１２（１１）は、伝送線路パターニング工程により伝送線路２と同時に金で形成することができる。 FIG. 13 is a sectional view showing a MEMS switch according to a second embodiment of the present invention in an on state. FIG. 14 is a sectional view showing the second embodiment of FIG. 13 in an off state. As shown in FIGS. 13 and 14, the substrate surface 14 between the two convex portions 11 formed between the transmission lines 2 is formed in a concave shape downward from the bottom of the transmission line 2.
Although description of the process of this structure is omitted, it can be manufactured by a process substantially similar to that of the first embodiment. Also in this MEMS switch structure, the control electrode is turned on at a pull-down voltage or lower, and the movable electrode 4 is folded back with the convex portion 11 as a fulcrum in the pull-down voltage.
As a result, in the off state, the distance between the movable electrode 4 and the microstrip line is greatly separated, and the parasitic capacitance Cs is reduced. Furthermore, this structure is characterized in that the inter-wiring capacitance Cp can be reduced by forming the groove 14 between the transmission lines 2.
FIG. 15 is a cross-sectional view showing a third embodiment of the MEMS switch according to the present invention in an ON state. FIG. 16 is a sectional view showing the third embodiment of FIG. 15 in an off state. As shown in FIGS. 15 and 16, a groove 14 is formed between the two transmission lines 2, and then the transmission line 2 and the convex portion 12 (11) are formed in the same process.
Whereas in the first embodiment, the substrate 1 under the transmission line 2 is etched, in the structure of the third embodiment, since the substrate 1 under the transmission line 2 is not etched, the substrate thickness changes. Even when a microstrip line is used for the transmission line 2, there is an advantage that the characteristic impedance does not change.
The operation of the third embodiment is the same as that of the first and second embodiments. Since the groove 14 is formed between the transmission lines 2 as in the second embodiment, the inter-wiring parasitic capacitance There is an advantage that Cp can be reduced as compared with the prior art. The convex part 12 (11) of this Embodiment can be formed with gold | metal | money simultaneously with the transmission line 2 by the transmission line patterning process.

図１７は本発明によるＭＥＭＳスイッチの第４の実施の形態をオン状態で示す断面図である。図１８は図１７の第４の実施の形態をオフ状態で示す断面図である。
図１７および図１８に示すように、本構造では、伝送線路２と可動電極４の電気的接触を確実に行うために、可動電極４の両端下面に突起１５を設けた構造となっている。可動電極４に突起１５を設けることで、面での接触で懸念される片当たりによる接触不良をなくし、良好な接触状態を実現することを可能にしている。
図１９は本発明によるＭＥＭＳスイッチの第５の実施の形態をオン状態で示す斜視図である。図２０は図１９の第５の実施の形態をオフ状態で示す斜視図である。
図１９および図２０に示すように、可動電極４はビーム３の先端に取り付けられた片持ち梁（ビーム）構造の静電駆動ＭＥＭＳスイッチ構造である。図１９および図２０において、第１の制御電極はビーム３の内部に形成するので図示しないが、第２の制御電極７はビーム３の直下に配置している。
また、ビーム３の先端部直下の基板１上には凸部１１が配置されている。動作を簡単に説明すれば、第１の制御電極および第２の制御電極７に電圧を印加すると、ビーム３は第２の制御電極７に引き寄せられ、この第２の制御電極７に接触する。
その結果、可動電極４側のビーム３は凸部１１を支点としてアンカー部６側のビーム３の方向に反り返ることになる。図２０に示すように、可動電極４と伝送線路２間は大きく離すことができるので、十分なアイソレーションが確保できる。 FIG. 17 is a sectional view showing a MEMS switch according to a fourth embodiment of the present invention in an on state. FIG. 18 is a sectional view showing the fourth embodiment of FIG. 17 in an off state.
As shown in FIGS. 17 and 18, this structure has a structure in which protrusions 15 are provided on the lower surfaces of both ends of the movable electrode 4 in order to ensure electrical contact between the transmission line 2 and the movable electrode 4. Providing the movable electrode 4 with the protrusion 15 eliminates the contact failure due to the contact with the surface, which makes it possible to realize a good contact state.
FIG. 19 is a perspective view showing a MEMS switch according to a fifth embodiment of the present invention in an on state. FIG. 20 is a perspective view showing the fifth embodiment of FIG. 19 in an off state.
As shown in FIGS. 19 and 20, the movable electrode 4 has a cantilever (beam) structure electrostatically driven MEMS switch structure attached to the tip of the beam 3. In FIG. 19 and FIG. 20, the first control electrode is not shown because it is formed inside the beam 3, but the second control electrode 7 is arranged immediately below the beam 3.
A convex portion 11 is arranged on the substrate 1 immediately below the tip of the beam 3. In brief, when a voltage is applied to the first control electrode and the second control electrode 7, the beam 3 is attracted to the second control electrode 7 and comes into contact with the second control electrode 7.
As a result, the beam 3 on the movable electrode 4 side warps in the direction of the beam 3 on the anchor portion 6 side with the convex portion 11 as a fulcrum. As shown in FIG. 20, since the movable electrode 4 and the transmission line 2 can be largely separated, sufficient isolation can be ensured.

図２１は本発明によるＭＥＭＳスイッチの第６の実施の形態をオン状態で示す斜視図である。図２２は図２１の第６の実施の形態をオフ状態で示す斜視図である。
図２１および図２２に示すように、本実施の形態では静電駆動手段として両持梁（ビーム）構造を用いている。両持ち梁構造とすることで、可動電極４の保持が確実となり、安定したオン／オフ特性を実現できる。
図２１および図２２において、第１の制御電極はビーム３内部に形成してあるので見えず、第２の制御電極７は可動電極４直下に配置している。直流バイアス用配線は省略した。図中には、伝送線路２、アンカー部６および突起１１が示してある。
上記説明では、静電型駆動方式による本発明のＭＥＭＳスイッチを説明したが、駆動方式としては、圧電素子を用いた圧電型駆動方式や、熱膨張を利用したバイメタル型駆動方式を用いても同様な効果を得ることができる。 FIG. 21 is a perspective view showing a MEMS switch according to a sixth embodiment of the present invention in an on state. FIG. 22 is a perspective view showing the sixth embodiment of FIG. 21 in the off state.
As shown in FIGS. 21 and 22, in this embodiment, a double-supported beam (beam) structure is used as the electrostatic drive means. By using the double-supported beam structure, the movable electrode 4 can be reliably held, and a stable on / off characteristic can be realized.
In FIG. 21 and FIG. 22, the first control electrode is not visible because it is formed inside the beam 3, and the second control electrode 7 is disposed immediately below the movable electrode 4. The DC bias wiring is omitted. In the figure, the transmission line 2, the anchor portion 6 and the protrusion 11 are shown.
In the above description, the MEMS switch according to the present invention using the electrostatic drive method has been described. However, the drive method may be the same using a piezoelectric drive method using a piezoelectric element or a bimetal drive method using thermal expansion. Effects can be obtained.

本発明によるＭＥＭＳスイッチの第１の実施の形態を示す平面図である。It is a top view which shows 1st Embodiment of the MEMS switch by this invention. 図１の線Ｂ−Ｂ’に沿う断面図である。It is sectional drawing which follows the line B-B 'of FIG. 図１のＭＥＭＳスイッチの第１の実施の形態のオン状態を線Ａ−Ａ’に沿って示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line A-A ′ of the first embodiment of the MEMS switch of FIG. 1. 図１のＭＥＭＳスイッチの第１の実施の形態のオフ状態を線Ａ−Ａ’に沿って示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line A-A ′ of the first embodiment of the MEMS switch of FIG. 1. 可動電極の端部が基板に配置した凸部を支点として折り返されて変形された状態の左側半分を示す概略図である。It is the schematic which shows the left half of the state by which the edge part of the movable electrode was folded and deform | transformed by using the convex part arrange | positioned in the board | substrate as a fulcrum. 第１の実施の形態のＭＥＭＳスイッチの製造プロセスの第１工程を示す概略図である。It is the schematic which shows the 1st process of the manufacturing process of the MEMS switch of 1st Embodiment. 第１の実施の形態のＭＥＭＳスイッチの製造プロセスの第２工程を示す概略図である。It is the schematic which shows the 2nd process of the manufacturing process of the MEMS switch of 1st Embodiment. 第１の実施の形態のＭＥＭＳスイッチの製造プロセスの第３工程を示す概略図である。It is the schematic which shows the 3rd process of the manufacturing process of the MEMS switch of 1st Embodiment. 第１の実施の形態のＭＥＭＳスイッチの製造プロセスの第４工程を示す概略図である。It is the schematic which shows the 4th process of the manufacturing process of the MEMS switch of 1st Embodiment. 第１の実施の形態のＭＥＭＳスイッチの製造プロセスの第５工程を示す概略図である。It is the schematic which shows the 5th process of the manufacturing process of the MEMS switch of 1st Embodiment. 第１の実施の形態のＭＥＭＳスイッチの製造プロセスの第６工程を示す概略図である。It is the schematic which shows the 6th process of the manufacturing process of the MEMS switch of 1st Embodiment. 第１の実施の形態のＭＥＭＳスイッチの製造プロセスの第７工程を示す概略図である。It is the schematic which shows the 7th process of the manufacturing process of the MEMS switch of 1st Embodiment. 本発明によるＭＥＭＳスイッチの第２の実施の形態をオン状態で示す断面図である。It is sectional drawing which shows 2nd Embodiment of the MEMS switch by this invention in an ON state. 図１３の第２の実施の形態をオフ状態で示す断面図である。It is sectional drawing which shows 2nd Embodiment of FIG. 13 in an OFF state. 本発明によるＭＥＭＳスイッチの第３の実施の形態をオン状態で示す断面図である。It is sectional drawing which shows 3rd Embodiment of the MEMS switch by this invention in an ON state. 図１５の第３の実施の形態をオフ状態で示す断面図である。It is sectional drawing which shows 3rd Embodiment of FIG. 15 in an OFF state. 本発明によるＭＥＭＳスイッチの第４の実施の形態をオン状態で示す断面図である。It is sectional drawing which shows 4th Embodiment of the MEMS switch by this invention in an ON state. 図１７の第４の実施の形態をオフ状態で示す断面図である。It is sectional drawing which shows 4th Embodiment of FIG. 17 in an OFF state. 本発明によるＭＥＭＳスイッチの第５の実施の形態をオン状態で示す斜視図である。It is a perspective view which shows 5th Embodiment of the MEMS switch by this invention in an ON state. 図１９の第５の実施の形態をオフ状態で示す斜視図である。It is a perspective view which shows 5th Embodiment of FIG. 19 in an OFF state. 本発明によるＭＥＭＳスイッチの第６の実施の形態をオン状態で示す斜視図である。It is a perspective view which shows 6th Embodiment of the MEMS switch by this invention in an ON state. 図２１の第６の実施の形態をオフ状態で示す斜視図である。It is a perspective view which shows 6th Embodiment of FIG. 21 in an OFF state. 従来のＭＥＭＳスイッチの構造を示す概略斜視図である。It is a schematic perspective view which shows the structure of the conventional MEMS switch. 図２３の従来のＭＥＭＳスイッチのオフ時を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the time of OFF of the conventional MEMS switch of FIG. 図２４の電気的等価回路を示す回路図である。FIG. 25 is a circuit diagram showing an electrical equivalent circuit of FIG. 24. 静電駆動部のギャップｇとプルダウン電圧の関係を上記式から求めた結果を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the result of having calculated | required the relationship between the gap g of an electrostatic drive part, and a pull-down voltage from the said Formula. マイクロマシンスイッチの構造図を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure figure of a micromachine switch.

Explanation of symbols

１基板
２伝送線路
３駆動手段（ビーム（梁）、片持ち梁型、両持ち梁型）
４可動電極
１１凸部
１４可動電極の底部の突起 1 Substrate
2 Transmission line 3 Drive means (beam, cantilever beam type, double beam type)
4 Movable electrode 11 Convex part 14 Protrusion at the bottom of the movable electrode

Claims

At least two transmission lines that are spaced apart from each other with their ends facing each other on the substrate surface, a movable electrode that can be moved up and down above the transmission line in order to connect between the ends of each transmission line, And a driving means for displacing the movable electrode, wherein an electrically insulated convex portion is formed on the substrate surface between the end portions of the transmission line, and a part of the movable electrode is At the time of the displacement, the MEMS switch is characterized by being deformed with the end of the convex portion as a fulcrum.

The MEMS switch according to claim 1, wherein a surface height of the convex portion is lower than a surface height of the transmission line.

The MEMS switch according to claim 1, wherein a height of the substrate surface immediately below the movable electrode is lower than a height of the substrate immediately below the transmission line.

2. The MEMS switch according to claim 1, wherein a protrusion made of a conductive member is formed on the bottom of the movable electrode.

2. The MEMS switch according to claim 1, wherein the driving means attached to the movable electrode is a cantilever type.

2. The MEMS switch according to claim 1, wherein the driving means attached to the movable electrode is a cantilever, and the movable electrode is deformed in the beam direction.

2. The MEMS switch according to claim 1, wherein the driving means attached to the movable electrode is a doubly supported beam type.

2. The MEMS switch according to claim 1, wherein the driving means is an electrostatic driving system using electrostatic force.

2. The MEMS switch according to claim 1, wherein the driving means is a piezoelectric driving system using a piezoelectric element.

2. The MEMS switch according to claim 1, wherein the driving means is a bimetal type driving system using thermal expansion.