JP2007214039A - マイクロマシンスイッチ及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で可動片の張り付きを防止し、信頼性の高いマイクロマシンスイッチを提供する。
【解決手段】マイクロマシンスイッチ１Ａにおいて、基板２と、基板２上に設けられた高周波信号線３と、高周波信号線３上に設けられた絶縁体５と、高周波信号線３の両側にそれぞれ位置付けて基板２上に設けられた第１接地導体４ａ及び第２接地導体４ｂと、絶縁体５に対し離間させて設けられ、第１接地導体４ａ及び第２接地導体４ｂのどちらか一方に少なくとも一端が接続固定され、高周波信号線３との間への電圧印加により絶縁体５に接触する可動片６Ａと、基板２と可動片６Ａとの間に設けられ、電圧印加により発生し絶縁体５と可動片６Ａとの離間距離に応じて変化する静電引力に可動片６Ａの復帰力を増大させて近づける段差部７ａ、７ｂとを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロマシンスイッチ及び電子機器に関し、特に高周波信号の切り替えに使用されるマイクロマシンスイッチ及びそれを実装した電子機器に関する。

マイクロ波及びミリ波等も含む高周波帯を用いる通信機器等の電子機器は広い分野において用いられている。このため、電子機器を構成する高周波用の電子部品の製造も活発化している。この高周波用の電子部品としては、例えば高周波信号の送受信用として、高周波信号の通過を制御するために高周波スイッチが用いられる。

この高周波スイッチを構成する素子としては、近年、マイクロマシン技術を応用したマイクロマシンスイッチが用いられるようになってきている。マイクロマシンスイッチは、レジスティブスイッチとキャパシティブスイッチとに分類されるが、構造がシンプルなことや製作の容易さ等の面から、一般的に、キャパシティブスイッチ（シャントスイッチ）が用いられている。

このようなマイクロマシンスイッチは、絶縁体基板上に設けられた高周波信号線に対して絶縁体膜を介して接触可能に離間させて設けられ、両端が接地導体に接続固定された可動片を備えている。この可動片と高周波信号線との間に電圧が印加されると、可動片は静電引力により変形して絶縁体膜に接触し、高周波信号線を通過する高周波信号を短絡する。これにより、高周波信号線を通過する所定の周波数帯の高周波信号を阻止することができる。電圧が印加されなくなると、可動片は機械的なバネ復帰力（元の形状に戻る回復力）により、絶縁体膜から離反した元の位置に復帰する。

マイクロマシンスイッチでは、可動片は電圧の印加、すなわちスイッチのオン／オフに応じて繰り返し何度も絶縁体膜に接触する。このため、絶縁体膜に電荷が溜まったり、絶縁体膜が変質したりする。この結果、可動片のバネ復帰力が小さいマイクロマシンスイッチでは、可動片が絶縁体膜に張り付くスティクション（張り付き）という問題が発生してしまう。

これを防止するため、静電引力により可動片を元の位置に復帰させるための復帰電極を可動片の上方に可動片から離間させて設ける技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この技術では、可動片と復帰電極との間に復帰電圧が印加され、可動片はバネ復帰力に加え、静電引力により元の位置に復帰する。
特開２００１−１７９６９９号公報

しかしながら、復帰電極を設ける技術では、可動片の上方に復帰電極を設ける必要があるため、マイクロマシンスイッチの構成が複雑になり、さらに、その製造工程も複雑になる。加えて、復帰電極が高周波数特性に悪影響を与えることがある。また、復帰電極に復帰電圧を供給する必要があるため、電圧印加回路も複雑になってしまう。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単な構成で可動片の張り付きを防止し、信頼性の高いマイクロマシンスイッチ及び電子機器を提供することである。

本発明の実施の形態に係る第１の特徴は、マイクロマシンスイッチにおいて、基板と、基板上に設けられた高周波信号線と、高周波信号線の両側にそれぞれ位置付けて基板上に設けられた第１接地導体及び第２接地導体と、高周波信号線上に設けられた絶縁体と、絶縁体に対し離間させて設けられ、第１接地導体及び第２接地導体のどちらか一方に少なくとも一端が接続固定され、高周波信号線との間への電圧印加により絶縁体に接触する可動片と、基板と可動片との間に設けられ、電圧印加により発生し絶縁体と可動片との離間距離に応じて変化する静電引力に可動片の復帰力を増大させて近づける段差部とを備えることである。

本発明の実施の形態に係る第２の特徴は、電子機器において、実装用基板と、実装用基板上に実装された前述の第１の特徴に係るマイクロマシンスイッチと、マイクロマシンスイッチに接続された増幅器とを備えることである。

本発明によれば、簡単な構成で可動片のバネ復帰力を増大させ、可動片の張り付きを防止し、マイクロマシンスイッチの信頼性を向上させることができる。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態について図１ないし図１２を参照して説明する。

［マイクロマシンスイッチの構成］
図１及び図２に示すように、第１の実施の形態に係るマイクロマシンスイッチ１Ａは、基板２と、この基板２の上面（図１中）の中央部分を横切る領域（図２参照）に設けられた高周波信号線３と、基板２上の高周波信号線３が設けられた上面に高周波信号線３に接触させず高周波信号線３の両側にそれぞれ位置付けて設けられた第１接地導体４ａ及び第２接地導体４ｂと、高周波信号線３上に設けられた絶縁体５と、この絶縁体５に対し離間させて設けられ高周波信号線３との間への電圧印加により絶縁体５に接触し、高周波信号線３を通過する高周波信号を短絡する可動片６Ａと、基板２と可動片６Ａとの間にそれぞれ設けられ電圧印加により発生する静電引力に可動片６Ａの復帰力を増大させて近づける第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂとを備えている。

基板２は、絶縁性を有する基板、例えば高抵抗を有するシリコン基板や半絶縁性ＧａＡｓ基板等により形成されている。なお、シリコン基板の表面には、例えばシリコン酸化膜等の絶縁膜（図示せず）が設けられる。

高周波信号線３は、高周波信号の伝送路であり、基板２の一辺（図２中の上辺）から対向する他の一辺（図２中の下辺）に渡って配設されている。なお、高周波信号線３は例えばＴｉ／Ａｕ膜等により形成されている。

第１接地導体４ａ及び第２接地導体４ｂは、高周波信号線３から所定の距離だけ離反させて高周波信号線３を挟むように高周波信号線３の両側にそれぞれ設けられている。これらの第１接地導体４ａ及び第２接地導体４ｂは、高周波信号線３と共にコプレナ線路を構成している。ここで、第１接地導体４ａ及び第２接地導体４ｂと高周波信号線３との間の各離反距離を変化させることにより、コプレーナ線路としてのインピーダンスを調整することができる。なお、第１接地導体４ａ及び第２接地導体４ｂは例えばＴｉ／Ａｕ膜等により形成されている。

絶縁体５は、可動片６Ａに対向させて高周波信号線３上の中央部分に薄膜状に設けられている。この絶縁体５は、例えば、シリコン酸化（ＳｉＯ_２）膜又はシリコン窒化（Ｓｉ_３Ｎ_４）膜の単層膜、もしくはそれらを積層した複合膜等により形成されている。なお、第１の実施の形態においては、誘電率が高く、製造上安定して絶縁体５を形成することができるシリコン窒化膜を用いる。

可動片６Ａは、可撓性を有する板状に形成されており、絶縁体５の表面から数μｍの間隔（ギャップ）を設けて配設されている。可動片６Ａの両端部分は、メアンダ状、すなわちジグザグ状に曲がりくねった形状に形成されている。これにより、可動片６Ａの両端部分がメアンダ状に形成されていない場合に比べ、インダクタンスを増加させることができる。

可動片６Ａは、両持梁構造により第１接地導体４ａ及び第２接地導体４ｂに固定されている。詳しくは、可動片６Ａの一端が第１接地導体４ａに固定され、可動片６Ａの他端が第２接地導体４ｂに固定されている。したがって、可動片６Ａは、第１接地導体４ａ及び第２接地導体４ｂに電気的に接続されている。

この可動片６Ａは、高周波信号線３との間に電圧が印加された場合、高周波信号線３側に撓んで変形し、高周波信号線３上の絶縁体５に密着する板状のスイッチである。なお、可動片６Ａは、可塑性を有し電気伝導性に優れた金属、例えばＴｉ／Ａｕ膜やＴｉ／Ａｕ／Ｔｉ膜等により形成されている。

第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂは、可動片６Ａに一体的にそれぞれ形成されて設けられている。第１段差部７ａは、基板２上の高周波信号線３と第１接地導体４ａとの間の第１領域２ａに対向するように設けられている。また、第２段差部７ｂは、基板２上の高周波信号線３と第２接地導体４ｂとの間の第２領域２ｂに対向するように設けられている。

詳しくは、第１段差部７ａは第１領域２ａの略中央部分に対向するように設けられている。同様に、第２段差部７ｂは第２領域２ｂの略中央部分に対向するように設けられている。なお、第１領域２ａ及び第２領域２ｂは、基板２の表面上の高周波信号線３、第１接地導体４ａ及び第２接地導体４ｂが設けられていない領域、すなわち基板２の表面が露出している領域であり、基板２の一辺（図２中の上辺）から対向する他の一辺（図２中の下辺）まで伸びている領域である。

第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂは、その高さが高周波信号線３の厚さと絶縁体５の厚さとの合計よりも大きくなるように形成されている。すなわち、第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂの高さは、可動片６Ａが静電引力Ｐ１により高周波信号線３上の絶縁体５に接触する前に、第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂが基板２の表面に接触するように設定されている。

ここで、可動片６Ａが高周波信号線３上の絶縁体５に密着する密着力は、可動片６Ａと高周波信号線３との間に電圧を印加した場合に発生する静電引力Ｐ１である。また、可動片６Ａが元の位置に戻る復帰力は、可動片６Ａのバネ復帰力Ｐ２である。なお、可動片６Ａが絶縁体５に密着する必要があるため、静電引力Ｐ１は可動片６Ａのバネ復帰力Ｐ２より大きくなるように（Ｐ１＞Ｐ２）設定されている。

静電引力Ｐ１は、Ｐ１＝ε_０ＳＶ^２／２（ｇ^−ｘ）^２（非線形）であり、バネ復帰力Ｐ２は、Ｐ２＝Ｋｘ（線形）である。なお、ε_０：真空の誘電率、Ｓ：可動片６Ａと高周波信号線３の対向面積、ｇ：ギャップ、ｘ：ギャップの変位量、Ｋ：バネ定数である。この静電引力Ｐ１は、絶縁体５と可動片６Ａとの離間距離であるギャップの変位量ｘに応じて変化する。

バネ定数Ｋは、Ｋ［Ｎ／ｍ］＝３２Ｅｔ^３ｗ／Ｌ^３＋８σ（１−ν）ｔｗ／Ｌである。このバネ定数Ｋは、可動片６Ａの長さＬが小さくなる程大きくなる。なお、Ｅ：可動片６Ａのヤング率、ｔ：可動片６Ａの厚さ、σ：可動片６Ａの残留応力、ν：可動片６Ａのポアソン比、Ｌ：可動片６Ａの長さ、ｗ：可動片６Ａの幅である。

可動片６Ａの長さＬは、可動片６Ａの長尺方向の長さであり、可動片６Ａを基板２上に設けた場合、高周波信号線３と直交する方向の長さである。また、可動片６Ａの幅Ｗは、可動片６Ａの短尺方向の長さであり、可動片６Ａを基板２上に設けた場合、高周波信号線３と平行な方向の長さである。

可動片６Ａは、高周波信号線３との間に電圧が印加されると、第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂが基板２の表面に当接するまで、長さＬがＬ１である可動片として動作し（図１及び図２参照）、第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂが基板２に当接した後、長さＬが第１段差部７ａから第２段差部７ｂまでの間の長さＬ２（Ｌ２＜Ｌ１）である可動片として動作する。

また、可動片６Ａは、高周波信号線３との間の電圧印加が断たれると、第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂが基板２の表面から離反するまで、長さＬがＬ２である可動片として動作し、第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂが基板２から離反した後、長さＬがＬ１である可動片として動作する。

すなわち、第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂが基板２の表面に当接していない状態では、可動片６Ａの長さＬはＬ１であり、第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂが基板２の表面に当接している状態では、可動片６Ａの長さＬはＬ２として扱われる。

このように可動片６Ａは、その長さＬがＬ１からＬ２に、逆にＬ２からＬ１に移行するように動作する。これに応じて、可動片６Ａのバネ定数Ｋが変化する。したがって、バネ定数Ｋは、第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂが基板２に当接する前後で変化するので、可動片６Ａは、第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂにより２段階のバネ定数Ｋを有することになる。

例えば、図３に示すように、静電引力Ｐ１（Ｐ１＝ε_０ＳＶ^２／２（ｇ^−ｘ）^２）は、非線形の波形Ｓ１のように変化する。また、バネ復帰力Ｐ２（Ｐ２＝Ｋｘ）は、異なる傾きを有する２つの線形の波形から構成された波形Ｆ１のように変化する。なお、第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂが設けられていない場合のバネ復帰力Ｐ２は、バネ定数Ｋが一定であるため、１つの傾きを有する線形の波形Ｆ２のように変化する（比較例１）。

第１の実施の形態に係るマイクロマシンスイッチ１Ａでは、可動片６Ａが２段階のバネ定数Ｋ（２つのバネ定数Ｋ）に基づいて動作するため、図３に示すように、バネ復帰力Ｐ２の波形Ｆ１は、傾きが異なる２つの線形の波形により構成されている。このバネ復帰力Ｐ２の波形Ｆ１は、バネ定数Ｋが一定である波形Ｆ２に比べ、静電引力Ｐ１の波形Ｓ１に近づいていることがわかる。このように、第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂは、ギャップの変位量ｘに応じて変化する静電引力Ｐ１に可動片６Ａのバネ復帰力Ｐ２を近づけるように（静電引力Ｐ１の波形Ｓ１にバネ復帰力Ｐ２の波形Ｆ１を近づけるように）、すなわち可動片６Ａが２段階のバネ定数Ｋを有するように設けられている。

［マイクロマシンスイッチの動作］
このような構成のマイクロマシンスイッチ１Ａの動作について説明する。マイクロマシンスイッチ１Ａは、可動片６Ａの形状変化により、オフ状態及びオン状態のいずれかに切り替わり、高周波信号線３を通過する高周波信号を制御する。

マイクロマシンスイッチ１Ａのオフ状態（ノーマル状態）は、高周波信号線３と可動片６Ａとの間に電圧が印加されておらず、図１に示すように、可動片６Ａが形状変化せずに高周波信号線３上の絶縁体５に対して所定の間隔を維持して接触していない状態である。ここで、その状態における可動変６Ａの位置が可動片６Ａのノーマル位置である。このオフ状態において、マイクロマシンスイッチ１Ａは、高周波信号線３を通過する高周波信号に対して良好な通過特性を有する。

マイクロマシンスイッチ１Ａのオン状態は、第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂが基板２の表面に当接し、可動片６Ａが高周波信号線３上の絶縁体５に密着した状態である。すなわち、可動片６Ａと高周波信号線３との間に電圧が印加されると、それらの間に静電引力Ｐ１が発生する。その静電引力Ｐ１により可動片６Ａが高周波信号線３側に引き寄せられ、第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂが基板２の表面に当接し、その後、可動片６Ａが高周波信号線３上の絶縁体５に密着する。これにより、所望のキャパシタンスが育成され、高周波信号線３を通過する所定の周波数帯の高周波信号が阻止される。

その後、電圧の印加が断たれると、可動片６Ａはオフ状態のノーマル位置に復帰する。このとき、可動片６Ａは、第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂが基板２の表面に当接している状態から、長さＬがＬ２である場合のバネ定数Ｋに基づくバネ復帰力Ｐ２により、ノーマル位置に移動し始める。その移動途中に、第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂが基板２の表面から離反すると、可動片６Ａは、長さＬが長さＬ１である場合のバネ定数Ｋに基づくバネ復帰力Ｐ２により、ノーマル位置まで移動する。

以上説明したように、第１の実施の形態に係るマイクロマシンスイッチ１Ａによれば、第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂを設けることによって、可動片６Ａのバネ定数Ｋが２段階に変化するので、可動片６Ａのバネ復帰力Ｐ２が、ギャップの変位量ｘに応じて変化する静電引力Ｐ１に近づくように大きくなる。これにより、第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂを設けるという簡単な構成で、絶縁体５に対する可動片６Ａの張り付きを防止した信頼性の高いマイクロマシンスイッチ１Ａを構築することができる。

さらに、第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂは高周波信号線３の両側にそれぞれ設けられていることから、どちらか一方だけを設けた場合に比べ、可動片６Ａの長さＬが短く変化するので、可動片６Ａのバネ定数Ｋを大きくすることができる。

また、第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂは可動片６Ａに設けられていることから、可動片６Ａを形成する際に可動片６Ａと一体に第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂを形成することが可能になるので、製造工程数の増加を抑えることができる。

［マイクロマシンスイッチの製造方法］
次に、マイクロマシンスイッチ１Ａの製造方法について説明する。

まず、基板２を準備する。基板２は、絶縁性基板又は半導体基板により形成されている。この基板２としては、例えば、ガラス基板、サファイア基板、シリコン酸化膜を有するシリコン基板等を用いる。

図４に示すように、基板２上の全面に導電層１１を形成する。ここでは、導電層１１は例えばＴｉ／Ａｕ膜により形成される。続いて、導電層１１上にパターニング用のフォトレジスト膜１２を形成する。このフォトレジスト膜１２は、高周波信号線３、第１接地導体４ａ及び第２接地導体４ｂの形状をパターンニングするマスクとして使用される。

次いで、フォトレジスト膜１２を使用して導電層１１にエッチングを行い、図５に示すように、導電層１１から高周波信号線３、第１接地導体４ａ及び第２接地導体４ｂを形成する。その後、フォトレジスト膜１２を除去する。

図６に示すように、基板２上の全面に、高周波信号線３、第１接地導体４ａ及び第２接地導体４ｂを覆う絶縁層１３を形成する。絶縁層１３としては、例えばシリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）を用いる。続いて、絶縁層１３上にパターンニング用のフォトレジスト膜１４を形成する。このフォトレジスト膜１４は、高周波信号線３上に絶縁層１３を残存させるため、高周波信号線３上に設けられる。

次いで、フォトレジスト膜１４を使用して絶縁層１３をエッチングし、図７に示すように、絶縁層１３から高周波信号線３上に絶縁体５を形成する。その後、フォトレジスト膜１４を除去する。

図８に示すように、基板２上の全面に、可動片６Ａ、第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂ形成用の犠牲層１５を形成する。犠牲層１５としては、例えばフォトレジスト膜を用いる。この犠牲層１５には、可動片６Ａと第１接地導体４ａ及び第２接地導体４ｂとの接続部分を形成するための開口部が設けられている。

図９に示すように、犠牲層１５上に金属層１６を形成し、図１０に示すように、その金属層１６上にパターンニング用のフォトレジスト膜１７を形成する。このフォトレジスト膜１７は可動片６Ａをパターンニングするマスクとして使用される。

次いで、フォトレジスト膜１７を使用して金属層１６をエッチングし、図１１に示すように、金属層１６から可動片６Ａを形成し、フォトレジスト膜１７を除去する。その後、図１２に示すように、犠牲層１５を除去し、図１及び図２に示すようなマイクロマシンスイッチ１Ａが完成する。

以上説明したように、第１の実施の形態に係る製造方法によれば、特別な製造方法を使用することなく、既存の半導体製造プロセスを使用して簡易にマイクロマシンスイッチ１Ａを製造することができる。さらに、高周波信号線３を形成する工程と同一工程において第１接地導体４ａ及び第２接地導体４ｂを形成し、かつ、可動片６Ａを形成する工程において第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂを形成することにより、マイクロマシンスイッチ１Ａを製造することが可能であるので、製造工程数を削減することができる。その結果として、マイクロマシンスイッチ１Ａの製造上の歩留まりを向上させることができる。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態について図１３ないし図２０を参照して説明する。

第２の実施の形態では、第１の実施の形態と異なる部分について説明する。なお、第１の実施の形態で説明した部分と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。

図１３及び図１４に示すように、第２の実施の形態に係るマイクロマシンスイッチ１Ｂでは、第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂに加え、第３段差部７ｃ及び第４段差部７ｄが可動片６Ｂに一体的にそれぞれ形成されて設けられている。

第３段差部７ｃは、第１段差部７ａより第１接地導体４ａ側に位置付けられ、基板２上の高周波信号線３と第１接地導体４ａとの間の第１領域２ａに対向するように設けられている。また、第４段差部７ｄは、第２段差部７ｂより第２接地導体４ｂ側に位置付けられ、基板２上の高周波信号線３と第２接地導体４ｂとの間の第２領域２ｂに対向するように設けられている。

詳しくは、第１段差部７ａが高周波信号線３側に位置付けられ、第３段差部７ｃが第１接地導体４ａ側に位置付けられてそれぞれ設けられている。同様に、第２段差部７ｂが高周波信号線３側に位置付けられ、第４段差部７ｄが第２接地導体４ｂ側に位置付けられてそれぞれ設けられている。

第３段差部７ｃ及び第４段差部７ｄは、その高さが第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂの高さよりも高くなるように形成されている。すなわち、第３段差部７ｃ及び第４段差部７ｄの高さは、第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂが静電引力Ｐ１により基板２の表面に接触する前に、第３段差部７ｃ及び第４段差部７ｄが基板２の表面に接触するように設定されている。

可動片６Ｂは、高周波信号線３との間に電圧が印加されると、第３段差部７ｃ及び第４段差部７ｄが基板２に当接するまで、長さＬがＬ３である可動片として動作し（図１３及び図１４参照）、第３段差部７ｃ及び第４段差部７ｄが基板２に当接した後、第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂが基板２に当接するまで、長さＬが第３段差部７ｃから第４段差部７ｄまでの間の長さＬ４（Ｌ４＜Ｌ３）である可動片として動作する。さらに、可動片６Ｂは、第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂが基板２に当接した後、長さＬが第１段差部７ａから第２段差部７ｂまでの間の長さＬ５（Ｌ５＜Ｌ４）である可動片として動作する。

また、可動片６Ｂは、高周波信号線３との間の電圧印加が断たれると、第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂが基板２から離反するまで、長さＬがＬ５である可動片として動作し、第３段差部７ｃ及び第４段差部７ｄが基板２の表面から離反するまで、長さＬがＬ４である可動片として動作し、さらに、第３段差部７ｃ及び第４段差部７ｄが基板２から離反した後、長さＬがＬ３である可動片として動作する。

すなわち、第１段差部７ａ、第２段差部７ｂ、第３段差部７ｃ及び第４段差部７ｄが基板２に当接していない状態では、可動片６Ｂの長さＬはＬ３である。また、第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂが基板２に当接しておらず、第３段差部７ｃ及び第４段差部７ｄが基板２に当接した状態では、可動片６Ｂの長さＬはＬ４として扱われる。さらに、第１段差部７ａ、第２段差部７ｂ、第３段差部７ｃ及び第４段差部７ｄが基板２に当接している状態では、可動片６Ｂの長さＬはＬ５として扱われる。

このように可動片６Ｂは、その長さＬがＬ３からＬ４、Ｌ５に、逆にＬ５からＬ４、Ｌ３に順次移行するように動作する。これに応じて、可動片６Ｂのバネ定数Ｋも変化し、可動片６Ｂのバネ復帰力Ｐ２も変化する。したがって、バネ定数Ｋは、第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂと、第３段差部７ｃ及び第４段差部７ｄとが基板２に当接する前後で変化するので、可動片６Ｂは、第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂと、第３段差部７ｃ及び第４段差部７ｄとにより３段階のバネ定数Ｋを有することになる。

例えば、図１５に示すように、静電引力Ｐ１（Ｐ１＝ε_０ＳＶ^２／（ｇ^−ｘ）^２）は、非線形の波形Ｓ２のように変化する。また、バネ復帰力Ｐ２（Ｐ２＝Ｋｘ）は、異なる傾きを有する３の線形の波形により構成された波形Ｆ３のように変化する。なお、第１段差部７ａ、第２段差部７ｂ、第３段差部７ｃ及び第４段差部７ｄが設けられていない場合のバネ復帰力Ｐ２は、１つの傾きを有する線形の波形Ｆ４のように変化する（比較例２）。

第２の実施の形態に係るマイクロマシンスイッチ１Ｂでは、可動片６Ｂが３段階のバネ定数Ｋ（３つのバネ定数Ｋ）に基づいて動作するため、図１５に示すように、バネ復帰力Ｐ２の波形Ｆ３は、傾きが異なる３つの線形の波形により構成されている。このバネ復帰力Ｐ２の波形Ｆ３は、バネ定数Ｋが一定である波形Ｆ４に比べ、静電引力Ｐ１の波形Ｓ２に近づいていることがわかる。このように、第１段差部７ａ、第２段差部７ｂ、第３段差部７ｃ及び第４段差部７ｄは、ギャップの変位量ｘに応じて変化する静電引力Ｐ１に可動片６Ｂのバネ復帰力Ｐ２を近づけるように（静電引力Ｐ１の波形Ｓ２にバネ復帰力Ｐ２の波形Ｆ３を近づけるように）、すなわち可動片６Ｂが３段階のバネ定数Ｋを有するように設けられている。

［マイクロマシンスイッチの動作］
このような構成のマイクロマシンスイッチ１Ｂの動作について説明する。マイクロマシンスイッチ１Ｂは、可動片６Ｂの形状変化により、オフ状態及びオン状態のいずれかに切り替わり、高周波信号線３を通過する高周波信号を制御する。

マイクロマシンスイッチ１Ｂのオフ状態（ノーマル状態）は、第１の実施の形態と同様に、高周波信号線３と可動片６Ｂとの間に電圧が印加されておらず、図１３に示すように、可動片６Ｂが形状変化せずに高周波信号線３上の絶縁体５に対して所定の間隔を維持して接触していない状態である。ここで、その状態における可動変６Ｂの位置が可動片６Ｂのノーマル位置である。このオフ状態において、マイクロマシンスイッチ１Ｂは、高周波信号線３を通過する高周波信号に対して良好な通過特性を有する。

マイクロマシンスイッチ１Ｂのオン状態は、第１段差部７ａ、第２段差部７ｂ、第３段差部７ｃ及び第４段差部７ｄが基板２の表面に当接し、可動片６Ｂが高周波信号線３上の絶縁体５に密着した状態である。すなわち、可動片６Ｂと高周波信号線３との間に電圧が印加されると、それらの間に静電引力Ｐ１が発生する。その静電引力Ｐ１により可動片６Ｂが高周波信号線３側に引き寄せられ、第３段差部７ｃ及び第４段差部７ｄが基板２の表面に当接し、次いで、第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂが基板２の表面に当接し、その後、可動片６Ｂが高周波信号線３上の絶縁体５に密着する。これにより、所望のキャパシタンスが育成され、高周波信号線３を通過する所定の周波数帯の高周波信号が阻止される。

その後、電圧の印加が断たれると、可動片６Ｂはオフ状態のノーマル位置に復帰する。このとき、可動片６Ｂは、第１段差部７ａ、第２段差部７ｂ、第３段差部７ｃ及び第４段差部７ｄが基板２の表面に当接している状態から、長さＬがＬ５である場合のバネ定数Ｋに基づくバネ復帰力Ｐ２により、ノーマル位置に移動し始める。その移動途中に、第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂが基板２の表面から離反すると、可動片６Ｂは、第３段差部７ｃ及び第４段差部７ｄが基板２の表面に当接している状態であり、長さＬが長さＬ４である場合のバネ定数Ｋに基づくバネ復帰力Ｐ２により、ノーマル位置に移動する。さらに、その移動途中に、第３段差部７ｃ及び第４段差部７ｄが基板２の表面から離反すると、可動片６Ｂは、長さＬが長さＬ３である場合のバネ定数Ｋに基づくバネ復帰力Ｐ２により、ノーマル位置まで移動する。

以上説明したように、第２の実施の形態に係るマイクロマシンスイッチ１Ｂによれば、第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂに加え、第３段差部７ｃ及び第４段差部７ｄを設けることによって、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。さらに、第２の実施の形態に係るマイクロマシンスイッチ１Ｂにおいては、第１の実施の形態に係るマイクロマシンスイッチ１Ａに比べ、段差部７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄの数が増えており、ギャップの変位量ｘに応じて変化する静電引力Ｐ１に可動片６Ｂのバネ復帰力Ｐ２をより確実に近づけて大きくすることができる。この結果、絶縁体５に対する可動片６Ｂの張り付きをより防止した信頼性の高いマイクロマシンスイッチ１Ｂを構築することができる。

［マイクロマシンスイッチの製造方法］
次に、マイクロマシンスイッチ１Ｂの製造方法について説明する。基板２の準備から図７に示す絶縁体５の形成までの工程は、第１の実施の形態と同様である（図４ないし図７参照）。

図１６に示すように、基板２上の全面に、可動片６Ｂ、第１段差部７ａ、第２段差部７ｂ、第３段差部７ｃ及び第４段差部７ｄ形成用の犠牲層１５を形成する。犠牲層１５としては、例えばフォトレジスト膜を用いる。この犠牲層１５には、可動片６Ｂと第１接地導体４ａ及び第２接地導体４ｂとの接続部分を形成するための開口部が設けられている。

図１７に示すように、犠牲層１５上に金属層１６を形成し、図１８に示すように、その金属層１６上にパターンニング用のフォトレジスト膜１７を形成する。このフォトレジスト膜１７は可動片６Ｂをパターンニングするマスクとして使用される。

次いで、フォトレジスト膜１７を使用して金属層１６をエッチングし、図１９に示すように、金属層１６から可動片６Ｂを形成し、フォトレジスト膜１７を除去する。その後、図２０に示すように、犠牲層１５を除去し、図１３及び図１４に示すようなマイクロマシンスイッチ１Ｂが完成する。

以上説明したように、第２の実施の形態に係る製造方法によれば、特別な製造方法を使用することなく、既存の半導体製造プロセスを使用して簡易にマイクロマシンスイッチ１Ｂを製造することができる。さらに、高周波信号線３を形成する工程と同一工程において第１接地導体４ａ及び第２接地導体４ｂを形成し、かつ、可動片６Ｂを形成する工程において第１段差部７ａ、第２段差部７ｂ、第３段差部７ｃ及び第４段差部７ｄを形成することにより、マイクロマシンスイッチ１Ｂを製造することができるので、製造工程数を削減することができる。その結果として、マイクロマシンスイッチ１Ｂの製造上の歩留まりを向上させることができる。

（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態について図２２ないし図３３を参照して説明する。

第３の実施の形態では、第２の実施の形態と異なる部分について説明する。なお、第２の実施の形態で説明した部分と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。

図２１及び図２２に示すように、第３の実施の形態に係るマイクロマシンスイッチ１Ｃでは、第１段差部７ａ、第２段差部７ｂ、第３段差部７ｃ及び第４段差部７ｄが基板２上に設けられている。

第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂは、その高さが高周波信号線３の厚さと絶縁体５の厚さとの合計よりも大きくなるように形成されている。第３段差部７ｃ及び第４段差部７ｄは、その高さが第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂの高さよりも高くなるように形成されている。

すなわち、第１段差部７ａ、第２段差部７ｂ、第３段差部７ｃ及び第４段差部７ｄの各高さは、可動片６Ｃが静電引力Ｐ１により高周波信号線３上の絶縁体５に接触する前に、まず、第３段差部７ｃ及び第４段差部７ｄに接触し、その後、第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂに接触するように設定されている。

可動片６Ｃは、高周波信号線３との間に電圧が印加されると、第３段差部７ｃ及び第４段差部７ｄに当接するまで、長さＬがＬ３である可動片として動作し（図２１及び図２２参照）、第３段差部７ｃ及び第４段差部７ｄに当接した後、第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂが基板２に当接するまで、長さＬがＬ４（Ｌ４＜Ｌ３）である可動片として動作する。さらに、可動片６Ｃは、第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂに当接した後、長さＬがＬ５（Ｌ５＜Ｌ４）である可動片として動作する。

また、可動片６Ｃは、高周波信号線３との間の電圧印加が断たれると、第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂから離反するまで、長さＬがＬ５である可動片として動作し、第３段差部７ｃ及び第４段差部７ｄから離反するまで、長さＬがＬ４である可動片として動作し、さらに、第３段差部７ｃ及び第４段差部７ｄから離反した後、長さＬがＬ３である可動片として動作する。

すなわち、可動片６Ｃが第１段差部７ａ、第２段差部７ｂ、第３段差部７ｃ及び第４段差部７ｄに当接していない状態では、可動片６Ｃの長さＬはＬ３である。また、可動片６Ｃが第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂに当接しておらず、第３段差部７ｃ及び第４段差部７ｄに当接した状態では、可動片６Ｃの長さＬはＬ４として扱われる。さらに、可動片６Ｃが第１段差部７ａ、第２段差部７ｂ、第３段差部７ｃ及び第４段差部７ｄに当接している状態では、可動片６Ｃの長さＬはＬ５として扱われる。

このように可動片６Ｃは、その長さＬがＬ３からＬ４、Ｌ５に、逆にＬ５からＬ４、Ｌ３に順次移行するように動作する。これに応じて、可動片６Ｃのバネ定数Ｋも変化し、可動片６Ｃのバネ復帰力Ｐ２も変化する。したがって、バネ定数Ｋは、可動片６Ｃが第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂと、第３段差部７ｃ及び第４段差部７ｄとに当接する前後で変化するので、可動片６Ｃは、第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂと、第３段差部７ｃ及び第４段差部７ｄとにより３段階のバネ定数Ｋを有することになる。

例えば、図１５に示すように、静電引力Ｐ１（Ｐ１＝ε_０ＳＶ^２／（ｇ^−ｘ）^２）は、非線形の波形Ｓ２のように変化する。また、バネ復帰力Ｐ２（Ｐ２＝Ｋｘ）は、異なる傾きを有する３の線形の波形により構成された波形Ｆ３のように変化する。なお、第１段差部７ａ、第２段差部７ｂ、第３段差部７ｃ及び第４段差部７ｄが設けられていない場合のバネ復帰力Ｐ２は、１つの傾きを有する線形の波形Ｆ４のように変化する（比較例２）。

第３の実施の形態に係るマイクロマシンスイッチ１Ｃでは、可動片６Ｃが３段階のバネ定数Ｋ（３つのバネ定数Ｋ）に基づいて動作するため、図１５に示すように、バネ復帰力Ｐ２の波形Ｆ３は、傾きが異なる３つの線形の波形により構成されている。このバネ復帰力Ｐ２の波形Ｆ３は、バネ定数Ｋが一定である波形Ｆ４に比べ、静電引力Ｐ１の波形Ｓ２に近づいていることがわかる。このように、第１段差部７ａ、第２段差部７ｂ、第３段差部７ｃ及び第４段差部７ｄは、ギャップの変位量ｘに応じて変化する静電引力Ｐ１に可動片６Ｃのバネ復帰力Ｐ２を近づけるように（静電引力Ｐ１の波形Ｓ２にバネ復帰力Ｐ２の波形Ｆ３を近づけるように）、すなわち可動片６Ｃが３段階のバネ定数Ｋを有するように設けられている。

以上説明したように、第３の実施の形態に係るマイクロマシンスイッチ１Ｃによれば、第１段差部７ａ、第２段差部７ｂ、第３段差部７ｃ及び第４段差部７ｄを設けることによって、第２の実施の形態と同様の効果を得ることができる。さらに、第１段差部７ａ、第２段差部７ｂ、第３段差部７ｃ及び第４段差部７ｄは基板２上に設けられていることから、基板２上に第１段差部７ａ、第２段差部７ｂ、第３段差部７ｃ及び第４段差部７ｄを形成するという簡単な構成で、絶縁体５に対する可動片６Ｃの張り付きを防止することができる。

［マイクロマシンスイッチの製造方法］
次に、マイクロマシンスイッチ１Ｃの製造方法について説明する。

まず、基板２を準備する。基板２は、絶縁性基板又は半導体基板により形成されている。この基板２としては、例えば、ガラス基板、サファイア基板、シリコン酸化膜を有するシリコン基板等を用いる。

図２３に示すように、基板２上の全面に導電層１１を形成する。ここでは、導電層１１は例えばＴｉ／Ａｕ膜により形成される。続いて、導電層１１上にパターニング用のフォトレジスト膜１２を形成する。このフォトレジスト膜１２は、第１段差部７ａ、第２段差部７ｂ、第３段差部７ｃ及び第４段差部７ｄの形状をパターンニングするマスクとして使用される。

次いで、フォトレジスト膜１２を使用して導電層１１にエッチングを行い、図２４に示すように、導電層１１から第１段差部７ａの一部、第２段差部７ｂの一部、第３段差部７ｃの一部及び第４段差部７ｄの一部を形成する。その後、第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂに対応するフォトレジスト膜１２を除去する。

続いて、フォトレジスト膜１２を使用して導電層１１にエッチングを行い、図２５に示すように、第３段差部７ｃの一部及び第４段差部７ｄの一部の高さを高くする。その後、図２６に示すように、導電層１１上にパターニング用のフォトレジスト膜１２ａを形成する。このフォトレジスト膜１２ａは、高周波信号線３、第１接地導体４ａ、第２接地導体４ｂ、第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂの形状をパターンニングするマスクとして使用される。

次いで、フォトレジスト膜１２及びフォトレジスト膜１２ａを使用して導電層１１にエッチングを行い、図２７に示すように、導電層１１から高周波信号線３、第１接地導体４ａ、第２接地導体４ｂ、第１段差部７ａ、第２段差部７ｂ、第３段差部７ｃ及び第４段差部７ｄを形成する。その後、フォトレジスト膜１２及びフォトレジスト膜１２ａを除去する。

図２８に示すように、基板２上の全面に、高周波信号線３、第１接地導体４ａ、第２接地導体４ｂ、第１段差部７ａ、第２段差部７ｂ、第３段差部７ｃ及び第４段差部７ｄを覆う絶縁層１３を形成する。絶縁層１３としては、例えばシリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）を用いる。続いて、絶縁層１３上にパターンニング用のフォトレジスト膜１４を形成する。このフォトレジスト膜１４は、高周波信号線３上に絶縁層１３を残存させるため、高周波信号線３上に設けられている。

次いで、フォトレジスト膜１４を使用して絶縁層１３をエッチングし、図２９に示すように、絶縁層１３から高周波信号線３上に絶縁体５を形成する。その後、フォトレジスト膜１４を除去する。

図３０に示すように、基板２上の全面に、可動片６Ｃ形成用の犠牲層１５を形成する。犠牲層１５としては、例えばフォトレジスト膜を用いる。この犠牲層１５には、可動片６Ｃと第１接地導体４ａ及び第２接地導体４ｂとの接続部分を形成するための開口部が設けられている。

図３１に示すように、犠牲層１５上に金属層１６を形成し、その金属層１６上にパターンニング用のフォトレジスト膜１７を形成する。このフォトレジスト膜１７は可動片６Ｃをパターンニングするマスクとして使用される。

次いで、フォトレジスト膜１７を使用して金属層１６をエッチングし、図３２に示すように、金属層１６から可動片６Ｃを形成し、フォトレジスト膜１７を除去する。その後、図３３に示すように、犠牲層１５を除去し、図２１及び図２２に示すようなマイクロマシンスイッチ１Ｃが完成する。

以上説明したように、第３の実施の形態に係る製造方法によれば、特別な製造方法を使用することなく、既存の半導体製造プロセスを使用して簡易にマイクロマシンスイッチ１Ｃを製造することができる。さらに、第１段差部７ａ、第２段差部７ｂ、第３段差部７ｃ及び第４段差部７ｄを形成する工程と同一工程において高周波信号線３、第１接地導体４ａ及び第２接地導体４ｂを形成することにより、マイクロマシンスイッチ１Ｃを製造することが可能であるので、製造工程数を削減することができる。その結果として、マイクロマシンスイッチ１Ｃの製造上の歩留まりを向上させることができる。

（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態について図３４を参照して説明する。第４の実施の形態は、前述の第１、第２又は第３の実施の形態に係るマイクロマシンスイッチ１Ａ、１Ｂ、１Ｃを備える無線通信機や携帯電話機等の電子機器の一例である。

図３４に示すように、第４の実施の形態に係る電子機器５１は、実装用基板５２と、実装用基板５２上に実装された第１、第２又は第３の実施の形態に係るマイクロマシンスイッチ（ＳＷ）１Ａ、１Ｂ、１Ｃと、そのマイクロマシンスイッチ１Ａ、１Ｂ、１Ｃに接続された増幅器（ＡＭＰ）５３とを備えている。

なお、図３４中では、上側のマイクロマシンスイッチ１Ａ、１Ｂ、１Ｃは信号入力経路に配設され、下側のマイクロマシンスイッチ１Ａ、１Ｂ、１Ｃは信号出力経路に配設されている。上側のマイクロマシンスイッチ１Ａ、１Ｂ、１Ｃには、内部回路の入力段の増幅器５３が接続されており、下側のマイクロマシンスイッチ１Ａ、１Ｂ、１Ｃには、内部回路の出力段の増幅器５３が接続されている。また、各マイクロマシンスイッチ１Ａ、１Ｂ、１Ｃには、アンテナ５４がそれぞれ接続されている。

以上説明したように、第４の実施の形態に係る電子機器５１によれば、マイクロマシンスイッチ１Ａ、１Ｂ、１Ｃは、簡単な構成で可動片６Ａ、６Ｂ、６Ｃのバネ復帰力を増大させ、絶縁体５に対する可動片６Ａ、６Ｂ、６Ｃの張り付きを防止することが可能になるので、電子機器５１の動作信頼性を向上させることができる。

（他の実施の形態）
なお、本発明は、前述の実施の形態に限るものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。

例えば、前述の実施の形態においては、第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂを設けたり、第１段差部７ａ及び第２段差部７ｂに加え、第３段差部７ｃ及び第４段差部７ｄを設けたりしているが、これに限るものではなく、例えば第１段差部７ａを１つだけ設けるようにしてもよく、また、その数を増やすようにしてもよい。

また、前述の実施の形態においては、可動片６Ａ、６Ｂ、６Ｃの両端を基板２上に固定し、可動片６Ａ、６Ｂ、６Ｃを両持梁構造により基板２上に設けているが、これに限るものではなく、例えば、可動片６Ａ、６Ｂ、６Ｃの一端だけを基板２上に設け、可動片６Ａ、６Ｂ、６Ｃを片持梁構造により基板２上に設けるようにしてもよい。

また、前述の実施の形態においては、基板２上に１本の高周波信号線３を設けているが、これに限るものではなく、例えば、基板２上に２本以上の高周波信号線３を設けるようにしてもよい。

本発明の第１の実施の形態に係るマイクロマシンスイッチの概略構成を示す側面図である。 図１に示すマイクロマシンスイッチを示す平面図である。 図１及び図２に示すマイクロマシンスイッチにおける静電引力及び復帰力とギャップ変位量との関係を説明するための説明図である。 図１及び図２に示すマイクロマシンスイッチの製造方法を説明するための第１の工程側面図である。 第２の工程側面図である。 第３の工程側面図である。 第４の工程側面図である。 第５の工程側面図である。 第６の工程側面図である。 第７の工程側面図である。 第８の工程側面図である。 第９の工程側面図である。 本発明の第２の実施の形態に係るマイクロマシンスイッチの概略構成を示す側面図である。 図１３に示すマイクロマシンスイッチを示す平面図である。 図１３及び図１４に示すマイクロマシンスイッチにおける静電引力及び復帰力とギャップ変位量との関係を説明するための説明図である。 図１３及び図１４に示すマイクロマシンスイッチの製造方法を説明するための第１の工程側面図である。 第２の工程側面図である。 第３の工程側面図である。 第４の工程側面図である。 第５の工程側面図である。 本発明の第３の実施の形態に係るマイクロマシンスイッチの概略構成を示す側面図である。 図２１に示すマイクロマシンスイッチを示す平面図である。 図２１及び図２２に示すマイクロマシンスイッチの製造方法を説明するための第１の工程側面図である。 第２の工程側面図である。 第３の工程側面図である。 第４の工程側面図である。 第５の工程側面図である。 第６の工程側面図である。 第７の工程側面図である。 第８の工程側面図である。 第９の工程側面図である。 第１０の工程側面図である。 第１１の工程側面図である。 本発明の第４の実施の形態に係る電子機器の概略構成を示す平面図である。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…マイクロマシンスイッチ、２…基板、３…高周波信号線、４ａ…第１接地導体、４ｂ…第２接地導体、５…絶縁体、６Ａ，６Ｂ，６Ｃ…可動片、７ａ…第１段差部、７ｂ…第２段差部、７ｃ…第３段差部、７ｄ…第４段差部、５１…電子機器、５２…実装用基板、５３…増幅器

Claims (5)

1. 基板と、
   前記基板上に設けられた高周波信号線と、
   前記高周波信号線の両側にそれぞれ位置付けて前記基板上に設けられた第１接地導体及び第２接地導体と、
   前記高周波信号線上に設けられた絶縁体と、
   前記絶縁体に対し離間させて設けられ、前記第１接地導体及び前記第２接地導体のどちらか一方に少なくとも一端が接続固定され、前記高周波信号線との間への電圧印加により前記絶縁体に接触する可動片と、
   前記基板と前記可動片との間に設けられ、前記電圧印加により発生し前記絶縁体と前記可動片との離間距離に応じて変化する静電引力に前記可動片の復帰力を増大させて近づける段差部と、
   を備えることを特徴とするマイクロマシンスイッチ。
2. 前記段差部は前記高周波信号線の両側に設けられていることを特徴とする請求項１記載のマイクロマシンスイッチ。
3. 前記段差部は前記可動片に設けられていることを特徴とする請求項１記載のマイクロマシンスイッチ。
4. 前記段差部は前記基板上に設けられていることを特徴とする請求項１記載のマイクロマシンスイッチ。
5. 実装用基板と、
   前記実装用基板上に実装された請求項１ないし４のいずれか一に記載のマイクロマシンスイッチと、
   前記マイクロマシンスイッチに接続された増幅器と、
   を備えることを特徴とする電子機器。

Images