JP2007035641A

JP2007035641A - Ｒｆｍｅｍｓスイッチ

Info

Publication number: JP2007035641A
Application number: JP2006204929A
Authority: JP
Inventors: Jun-O Kim; 準 ▲オ▼ 金; Sang-Wook Kwon; 相旭權; Che-Heung Kim; 載興金; Jong-Seok Kim; 金　鐘　碩; Hee-Moon Jeong; 喜文鄭; Young-Tack Hong; 榮澤洪; Sang Hoon Lee; 相勳李
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2005-07-27
Filing date: 2006-07-27
Publication date: 2007-02-08
Also published as: KR100633101B1; US7420444B2; US20070024401A1

Abstract

【課題】ＲＦＭＥＭＳスイッチのスイッチオフ時の分離性を改善する。
【解決手段】本発明に係る相異なるバネ剛性を有するＲＦＭＥＭＳスイッチは、基板上に支持要素が所定間隔で位置し、両支持要素には運動要素であるメンブレインがその両側にそれぞれ位置する複数のバネ要素によって懸架され、メンブレインの底面に対応する基板の上面には接触面である下部電極が備えられるＲＦＭＥＭＳスイッチであって、メンブレイン３３０の両側にそれぞれ位置する複数のバネ要素３４０ａ、３４０ｂは、相異なる剛性を有し、ＲＦＭＥＭＳスイッチがオフされる場合、バネの剛性率の高いメンブレイン部分が接触面から先に分離することを特徴とする。本発明によると、運動要素であるメンブレイン３３０の左側および右側に位置したバネ３４０ａ、３４０ｂの剛性を相異ならせることによって、スイッチのオフ時に接触面とスイッチとの分離を容易にする。
【選択図】図３Ｂ

Description

本発明は、ＲＦＭＥＭＳスイッチに関する。

ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）は、半導体工程を用いて製造された超小型の電子機械システムであって、最近、移動通信技術の発達と共にその応用範囲が拡大されつつ、注目を浴びている。係るＭＥＭＳ製品のうちにはジャイロスコープ、加速度センサー、ＲＦ(Radio Frequency)スイッチなどが現在の製品に適用されており、その他にも様々なＭＥＭＳ製品の開発が加速化されている。

ＲＦスイッチは、マイクロ波やミリ波大域の無線通信端末機およびシステムにおいて信号の選別伝送（ｓｉｇｎａｌｒｏｕｔｉｎｇ）やインピーダンス整合回路（ｉｍｐｅｄａｎｃｅｍａｔｃｈｉｎｇｎｅｔｗｏｒｋ）などで最も応用される素子である。
既存のＭＭＩＣ（ＭｏｎｏｌｉｔｈｉｃＭｉｃｒｏｗａｖｅＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔｓ）回路では、ＲＦスイッチを具現するためにＧａＡｓＦＥＴやＰＩＮダイオードなどを主に利用した。しかし、係る素子を用いてスイッチを具現した場合、スイッチオン状態で挿入損失が大きく、またスイッチオフ状態では信号分離の特性が落ちてしまう問題がある。

係る短所を改善するために機械的なスイッチに関する研究が活発に進行され、特に、移動通信端末の著しい増加によりＲＦＭＥＭＳスイッチがより求められている。
ＲＦＭＥＭＳスイッチは、半導体基板上の超小型に製造されたＭＥＭＳ構造物が動きながら信号電極と接触されることによって信号をスイッチングし、信号電極から構造物が離隔されることにより信号伝送を遮断する。

しかし、係る従来のＲＦＭＥＭＳスイッチはスイッチがオンされた状態における接触面の粘着力によって、スイッチオフ時に接触面とスイッチとの分離が難しい問題がある。
米国特許６，７０７，３５５号明細書米国特許６，５３５，０９１号明細書米国特許６，３０３，８８５号明細書米国特許６，３０７，４５２号明細書

本発明は前述した問題点を解決するために案出されたもので、本発明の目的は、スイッチのオン／オフの切替の確実性を向上することができるＲＦＭＥＭＳスイッチを提供することにある。

前述した目的を達成するための本発明１に係るＲＦＭＥＭＳスイッチは、基板と、
前記基板上に所定間隔で設けられた支持要素と、前記支持要素のそれぞれに設けられた複数のバネ要素と、前記バネ要素によって前記支持要素間に懸架される、運動要素であるメンブレインと、前記メンブレインの底面に対応する基板の上面に設けられた、接触面である下部電極とを含み、前記メンブレインの両側にそれぞれ位置する複数のバネ要素は、相異なる剛性を有し、ＲＦＭＥＭＳスイッチがオフされる場合、バネの剛性率の高いメンブレイン部分が接触面から先に分離することが好ましい。

メンブレンは、複数のバネ要素によって対向するそれぞれの支持要素に支持される。ここで、それぞれの支持要素に接続されたバネ要素は、相異なる剛性を有している。そのため、スイッチをオフにした場合、バネ要素の剛性の違いにより、剛性の弱いバネ要素に支持されているメンブレイン一方が下部電極から先に分離される。よって、スイッチオフ時にスイッチの分離が容易になる利点を持つ。

以上より、本発明によれば、低い電圧にも駆動されながらも、スイッチオンされた状態での粘着力を克服してスイッチオフ時にスイッチ分離を容易にすることができる。
発明２は、発明１において、前記複数のバネ要素は相異なる長さを有することが好ましい。
バネの剛性は、バネの長さ（Ｌ）の三乗に反比例することから、長さの短いバネの剛性が長さの長いバネの剛性より大きい。このようなバネ要素の剛性の違いにより、剛性の弱いバネ要素に支持されているメンブレイン一方が下部電極から先に分離される。よって、スイッチオフ時にスイッチの分離が容易になる利点を持つ。

発明３は、発明２において、前記ＲＦＭＥＭＳスイッチがオフされる場合、長さの短い側のバネ要素と接続されたメンブレインが接触面から先に分離されることが好ましい。
発明４は、発明１において、前記複数のバネ要素は相異なる幅を有すること好ましい。
スイッチがオフされると、剛性の大きいバネ、即ち、幅の広いバネに接続されたメンブレイン部分が下部電極から分離される。よって、スイッチオフ時にスイッチの分離が容易になる利点を持つ。

発明５は、発明４において、前記ＲＦＭＥＭＳスイッチがオフされる場合、幅の広い側のバネ要素と接続されたメンブレインが接触面から先に分離されることが好ましい。
発明６は、発明１において、前記複数のバネ要素は相異なる厚さを有することが好ましい。
スイッチがオフされると、剛性の大きいバネ、即ち厚さの厚いバネに接続されたメンブレイン部分が接触面である下部電極から先に分離されることになる。よって、スイッチオフ時にスイッチ分離が容易になる利点を持つ。

発明７は、発明１において、前記ＲＦＭＥＭＳスイッチがオフされる場合、厚さの厚い側のバネ要素と接続されたメンブレインが接触面から先に分離されることが好ましい。

低い電圧にも駆動されながらも、スイッチオンされた状態での粘着力を克服してスイッチオフ時にスイッチ分離を容易にすることができる。

以下、添付の図面に基づいて本発明の好適な実施形態を詳述する。

図１は一般のＲＦＭＥＭＳスイッチの概略的な斜視図である。
同図に示すように、基板１の上方に駆動ステージ２が位置し、ステージ２はその４つの角部から延長されているバネ３、及びそれを支持するアンカー４により支持される。
ステージ２は、両側の駆動電極２ａ、２ｂ、およびこれらの間に介在される接点部２ｃを備える。駆動電極２ａ、２ｂの下部には固定電極５ａ，５ｂが位置し、接点部２ｃの下部にはスイッチのための信号ライン６ａ、６ｂが位置する。

このようなＲＦＭＥＭＳスイッチは、固定電極５ａ、５ｂと駆動電極２ａ、２ｂ間の静電気力によりステージ２が基板１について垂直なＺ方向に動く。この時、ステージ２が基板１側に移動した時、接点部２ｃが両信号ライン６ａ、６ｂに接して信号ライン６ａ、６ｂ間の通電を許容する。
図２は図１のＲＦＭＥＭＳスイッチを単純モデリングした図面である。

同図に示すように、ＲＦＭＥＭＳスイッチ１００は、基板１上に支持要素２０が所定の間隔をもって位置し、両支持要素２０には、運動要素３０がその両側のバネ要素４０により懸架される。運動要素３０の底面に対応する基板１の上面には運動要素３０と共に駆動要素を構成している下部電極５２が備えられている。
図３Ａおよび図３Ｂは、本発明の一実施の形態に係るＲＦＭＥＭＳスイッチを単純モデリングした概略的な平面図および側面図である。

図３Ａおよび図３Ｂに示すように、参照符号３３０は運動要素であるメンブレイン、３４０ａおよび３４０ｂはバネ、３２０は支持要素であるアンカーを示す。
本発明の一実施の形態に係るＲＦＭＥＭＳスイッチ３００は、一般的なＲＦＭＥＭＳスイッチ１００とは相違し、運動要素であるメンブレイン３３０を支持するバネ３４０ａ、３４０ｂの長さが相異なる構造を有する。なお、長さの短い第１バネ３４０ａの剛性（ｋ１）は長さの長い第２バネ３４０ｂの剛性（ｋ２）より大きい。バネの剛性はその程度を示す数値であるバネ定数で下記のように表すことができる。

ここで、ｋはバネ定数、Ｅは弾性係数、ｗはバネ幅、ｔはバネの厚さ、Ｌはバネの長さである。

即ち、バネの剛性はバネの長さ（Ｌ）の三乗に反比例することから、長さの短い第１バネ３４０ａの剛性が長さの長い第２バネ３４０ｂの剛性より大きい。
一方、バネの復元力とバネ定数との間に式は次の通りである。

ここで、Ｆは復元力、ｋはバネ定数、δは変位を示す。尚、第１バネ３４０ａと第２バネ３４０ｂによる変位をそれぞれδ１，δ２と仮定すると、δ１とδ２は同一であるため、第１バネ３４０ａと第２バネ３４０ｂによる復元力Ｆ１、Ｆ２はそれぞれ第１バネ３４０ａのバネ定数（ｋ１）と第２バネ３４０ｂのバネ定数（ｋ２）に比例する。

これによって、スイッチ３００がオンされた状態においてバネの復元力は、長さの短い第１バネ３４０ａによる復元力（Ｆ１）が長さの長い第２バネ３４０ｂによる復元力（Ｆ２）より大きくなる。即ちＦ１＞Ｆ２の関係が成立つ。
従って、スイッチ３００がオフされる場合、剛性の大きいバネ、即ち長さの短い第１バネ３４０ａに接続されたメンブレイン３３０の部分が下部電極（図示せず）から先に分離される。このように、本発明の一実施の形態によると、メンブレイン３３０の一方が下部電極から先に分離されることによって、スイッチオフ時にスイッチの分離が容易になる利点を持つ。

図４は本発明の他の一実施の形態に係るＲＦＭＥＭＳスイッチを単純モデリングした概略的な平面図である。
同図に示すように、本ＲＦＭＥＭＳスイッチ４００は、一般的なＲＦＭＥＭＳスイッチ１００とは相違し、第１バネ４４０ａの幅（ｗ１）が第２バネ４４０ｂの幅（ｗ２）より広い、相異なる構造を有する。

前述した数１に基づくと、バネの剛性はバネの幅（ｗ）に比例するので、幅の広い第１バネ４４０ａの剛性（ｋ１）が幅の狭い第２バネ４４０ｂの剛性（ｋ２）より大きくなる。
また、数２に基づくと、第１バネ４４０ａと第２バネ４４０ｂによる変位をそれぞれδ１，δ２と仮定すると、δ１とδ２は同一であるので、第１バネ４４０ａと第２バネ４４０ｂによる復元力Ｆ１，Ｆ２はそれぞれ第１バネ４４０ａのバネ定数（ｋ１）と第２バネ４４０ｂのバネ定数（ｋ２）に比例する。

従って、スイッチ４００がオンされた状態でバネの復元力は、幅の広い第１バネ４４０ａによる復元力（Ｆ１）が幅の狭い第２バネ４４０ｂによる復元力（Ｆ２）より大きい。即ち、Ｆ１＞Ｆ２という関係が成立つ。
同様に、スイッチ４００がオフされる場合、剛性の大きいバネ、即ち、幅の広い第１バネ４４０ａに接続されたメンブレイン４３０部分が下部電極（図示せず）から分離される。このように、本発明の一実施の形態によると、メンブレイン４３０の一方が下部電極から先に離れることから、スイッチオフ時にスイッチの分離が容易になる利点を持つ。

図５は本発明の更なる一実施の形態に係るＲＦＭＥＭＳスイッチを単純にモデリングした概略的な断面図である。
同図に示すように、本ＲＦＭＥＭＳスイッチ５００は、第１バネ５４０ａの厚さ（ｔ１）が第２バネ５４０ｂの厚さ（ｔ２）より厚い相異なる構造を有する。
前述した数１を参照すると、バネの剛性はバネの厚さ（ｔ）の三乗に比例するので、厚さの厚い第１バネ５４０ａの剛性（ｋ１）が厚さの薄い第２バネ５４０ｂの剛性（ｋ２）より大きい。

また、数２を参照すると、第１バネ５４０ａと第２バネ５４０ｂによる変位をそれぞれδ１，δ２と仮定すると、δ１とδ２は同一であるので、第１バネ５４０ａと第２バネ５４０ｂによる復元力Ｆ１，Ｆ２はそれぞれ第１バネ５４０ａのバネ定数（ｋ１）と第２バネ５４０ｂのバネ定数（ｋ２）に比例する。
これにより、スイッチ５００がオンされた状態でバネの復元力は、厚さの厚い第１バネ５４０ａによる復元力（Ｆ１）が厚さの薄い第２バネ５４０ｂによる復元力（Ｆ２）より大きくなる。

同様に、スイッチ５００がオフされる場合、剛性の大きいバネ、即ち厚さの厚い第１バネ５４０ａに接続されたメンブレイン５３０部分が接触面である下部電極から先に分離されることになる。このように、本発明の一実施の形態によると、メンブレイン４３０の一方が下部電極から先に離れることから、スイッチオフ時にスイッチ分離が容易になる利点を持つ。

以上より、本発明によれば、低い電圧で駆動されている場合であっても、スイッチオンされた状態での粘着力を克服してスイッチオフ時にスイッチ分離を容易にすることができる。
以上、図面に基づいて本発明の好適な実施形態を図示および説明してきたが本発明の保護範囲は、前述の実施形態に限定するものではなく、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物にまで及ぶものである。

本発明は、小型のMEMSスイッチとして用いることができる。

一般のＲＦＭＥＭＳスイッチの概略的な斜視図である。図１のＲＦＭＥＭＳスイッチを単純モデリングした図面である。本発明の一実施の形態に係るＲＦＭＥＭＳスイッチを単純モデリングした概略的な平面図である。本発明の一実施の形態に係るＲＦＭＥＭＳスイッチを単純モデリングした概略的な側面図である。本発明の他の実施形態に係るＲＦＭＥＭＳスイッチを単純モデリングした概略的な平面図である。本発明の更なる実施形態に係るＲＦＭＥＭＳスイッチを単純モデリングした概略的な側面図である。

符号の説明

３００，４００，５００ＭＥＭＳスイッチ
３２０，４２０，５２０アンカー
３３０，４３０，５３０メンブレイン
３４０ａ，４４０ａ，５４０ａ第１バネ
３４０ｂ，４４０ｂ，５４０ｂ第２バネ

Claims

基板と、
前記基板上に所定間隔で設けられた支持要素と、
前記支持要素のそれぞれに設けられた複数のバネ要素と、
前記バネ要素によって前記支持要素間に懸架される、運動要素であるメンブレインと、
前記メンブレインの底面に対応する基板の上面に設けられた、接触面である下部電極とを含み、
前記メンブレインの両側にそれぞれ位置する複数のバネ要素は、相異なる剛性を有し、
ＲＦＭＥＭＳスイッチがオフされる場合、バネの剛性率の高いメンブレイン部分が接触面から先に分離することを特徴とする、ＲＦＭＥＭＳスイッチ。
前記複数のバネ要素は相異なる長さを有することを特徴とする請求項１に記載のＲＦＭＥＭＳスイッチ。
前記ＲＦＭＥＭＳスイッチがオフされる場合、長さの短い側のバネ要素と接続されたメンブレインが接触面から先に分離されることを特徴とする請求項２に記載のＲＦＭＥＭＳスイッチ。
前記複数のバネ要素は相異なる幅を有することを特徴とする請求項１に記載のＲＦＭＥＭＳスイッチ。
前記ＲＦＭＥＭＳスイッチがオフされる場合、幅の広い側のバネ要素と接続されたメンブレインが接触面から先に分離されることを特徴とする請求項４に記載のＲＦＭＥＭＳスイッチ。
前記複数のバネ要素は相異なる厚さを有することを特徴とする請求項１に記載のＲＦＭＥＭＳスイッチ。
前記ＲＦＭＥＭＳスイッチがオフされる場合、厚さの厚い側のバネ要素と接続されたメンブレインが接触面から先に分離されることを特徴とする請求項６に記載のＲＦＭＥＭＳスイッチ。