JP2008034154A - スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】開放状態のアイソレーションを大きくすることが可能なスイッチを提供することを提供すること。
【解決手段】本発明は、基板（１０）上に設けられた可動部（４０）と、可動部（４０）に設けられた第１電極（２２）と、第１電極と接触可能であり基板に対し固定された第２電極（２４）と、を具備し、動作周波数をｆ（Ｈｚ）、伝送インピーダンスをＲ_０（Ω）、第１電極と第２電極との開放状態の静電容量をＣ（Ｆ）としたとき、ｆ×Ｒ_０×Ｃ ≦ １．６×１０^−４であることを特徴とするスイッチである。
【選択図】図１

Description

本発明はスイッチに関し、特に可動部を有するマイクロマシンスイッチに関する。

高周波信号を切り替えるスイッチは広範囲の分野で用いられている。例えば、ＧａＡｓ半導体スイッチはその高速応答性から携帯電話端末等の送受信切換回路に多用されている。しかしながら、ＧａＡｓ半導体スイッチは、オン時の電力損失が大きく、オフ時のアイソレーションが悪い。そこで、Ｓｉ基板等を用いたマイクロマシン加工技術により作製されるＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）スイッチが注目されている。ＭＥＭＳスイッチ（マイクロマシンスイッチ）は、直接的に電気接点をオンオフさせるため、オン時の電力損失が小さく、オフ時のアイソレーションを大きくすることができる。特許文献１には、ＭＥＭＳスイッチの例が開示されている。
特開２００５−２４３５７６号公報

しかしながら、ＭＥＭＳスイッチにおいても、動作周波数が高くなるとオフ時のアイソレーションが悪化する。例えば、オフ時のアイソレーション・レベルは−３０ｄＢより大きくすることが求められている。ところが、高周波数のＭＥＭＳスイッチにおいては、オフ時のアイソレーション・レベルが−３０ｄＢより悪くなってしまう場合がある。これまで、ＭＥＭＳスイッチにおいて、オフ時のアイソレーション・レベルを左右する要件については検討されていない。そこで、本発明は、オフ状態でのアイソレーションを大きくすることが可能なスイッチを提供することを目的とする。

本発明は、基板上に設けられ、基板に対し可動する可動部と、該可動部に設けられた第１電極と、前記第１電極と接触可能であり前記基板に対し固定された第２電極と、を具備し、動作周波数をｆ（Ｈｚ）、伝送インピーダンスをＲ_０（Ω）、前記第１電極と前記第２電極との開放状態の静電容量をＣ（Ｆ）としたとき、
ｆ×Ｒ_０×Ｃ ≦ １．６×１０^−４
であることを特徴とするスイッチである。この構成によれば、開放状態でのアイソレーションを大きくすることができる。

上記構成において、前記第１電極と前記第２電極とのいずれか一方には、前記第１電極と前記第２電極との他方と接触するための突起電極を有する構成とすることができる。

上記構成において、
ｆ×Ｃ ≦ ３．２×１０^−６ Ｆ・ｓ^−１
である構成とすることができる。また、上記構成において、
Ｃ ≦ ６．４×１０^−１６ Ｆ
である構成とすることができる。

上記構成において、前記第１電極と前記第２電極との対向する面積をＳ_ｈ、間隔をｈとしたとき
Ｓ_ｈ／ｈ ≦ ７２ μｍ
である構成とすることができる。また、上記構成において、
Ｓ_ｈ ≦ ３６０ μｍ^２
である構成とすることができる。

本発明は、基板上に設けられ可動する可動部と、該可動部に設けられた第１電極と、前記第１電極と接触可能であり一方から他方に前記第１電極を介し高周波信号を接続し、前記基板に対し固定された第２電極および第３電極と、を具備し、動作周波数をｆ（Ｈｚ）、伝送インピーダンスをＲ_０（Ω）、前記第１電極と前記第２電極および前記第３電極の両方の開放状態の静電容量をそれぞれＣ（Ｆ）としたとき、
ｆ×Ｒ_０×Ｃ ≦ ３．２×１０^−４
であることを特徴とするスイッチである。本発明によれば、第２電極と第３電極との間の電力をオンオフするスイッチにおいて、開放状態のアイソレーションを大きくすることができる。

上記構成において、前記第１電極と前記第２電極および前記第３電極とのいずれか一方には、前記第１電極と前記第２電極および前記第３電極との他方と接触するための突起電極を有する構成とすることができる。

上記構成において、
ｆ×Ｃ ≦ ６．４×１０^−６ Ｆ・ｓ^−１
である構成とすることができる。また、上記構成において、
Ｃ ≦ １２．８×１０^−１６ Ｆ
である構成とすることができる。

上記構成において、前記第１電極と前記第２電極および前記第３電極の両方の対向する面積をそれぞれＳ_ｈ、間隔をそれぞれｈとしたとき
Ｓ_ｈ／ｈ ≦ １４４ μｍ
である構成とすることができる。また、上記構成において、
Ｓ_ｈ ≦ ７２０ μｍ^２
である構成とすることができる。

本発明によれば、開放状態のアイソレーションを大きくすることが可能なスイッチを提供することができる。

以下、図面を参照に本発明の実施例について説明する。

実施例１は接点が１つの場合にオフ状態でのアイソレーション・レベルを−３０ｄＢより大きくできる例である。なお、アイソレーションが大きい場合、アイソレーション・レベルの数値は小さくなっているが、ここではアイソレーションと合わせ、アイソレーション・レベルが大きくなるという。図１（ａ）は実施例１に係るスイッチの上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１（ａ）において、第２電極２４、上部電極３４下の可動梁４０、第１電極２２、突起電極２１は破線で示している。スイッチは、基板１０と、可動梁４０（可動部）と、接点部２０と、駆動部３０とで構成されている。基板１０は、シリコン基板１２上に犠牲層１４として例えば酸化シリコン層、犠牲層１４上に半導体層１６として例えばシリコン層を有している。可動梁４０は半導体層１６と同じ層で形成されており、一端が固定部４２で犠牲層１４を介し基板１０に固定されている。可動梁４０の周囲は犠牲層１４まで除去された溝５４が形成され、可動梁４０の下の犠牲層１４は固定部４２を除き除去され空隙５２が形成されている。可動梁４０上の他端には第１電極２２が設けられている。第１電極２２の上方に対向して第２電極２４が設けられている。第２電極２４は基板１０に対し固定部２８において固定されている。第２電極２４は突起電極２１を有し、第２電極２４の突起電極２１は第１電極２２と接触可能である。これにより、第１電極２２と第２電極２４とは接点部２０を形成する。駆動部３０は可動梁４０上に設けられた下部電極３２と、下部電極３２の上方に設けられ基板１０に対し固定された上部電極３４とを有する。

図２（ａ）および図２（ｂ）は、実施例１に係る動作を説明するための模式図である。図２（ａ）を参照に、下部電極３２と上部電極３４との間に電圧を印加しない状態では、第１電極２２と第２電極２４の突起電極２１とは接続しておらず、スイッチはオフ状態（開放状態）である。図２（ｂ）を参照に、駆動部３０の下部電極３２と上部電極３４とに電圧Ｖを印加すると引力が発生し、下部電極３２上に設けられた可動梁４０が基板１０に対し固定された上部電極３４の方に駆動する。これにより、第１電極２２と突起電極２１とが電気的に接続し、スイッチはオン状態(導通状態）となる。電圧Ｖを切断すると、図２（ａ）のように、スイッチはオフ状態となる。このようにして、スイッチとして機能する。

図３を用い、オフ状態でのアイソレーション・レベルを大きくすることが可能な構造について説明する。図３を参照に、ＲＦ電源電圧をＶ_０、電源および出力負荷の伝送インピーダンスをＲ_０、ＭＥＭＳスイッチＳＷを通過する電流をＩ、ＭＥＭＳスイッチＳＷの静電容量をＣとする。周波数ｆにおいて、ＭＥＭＳスイッチＳＷに入力する電力をＰ_ｉｎ、出力する電力をＰ_ｏｕｔ、ＭＥＭＳスイッチの入力端の電圧をＶ_ｉｎ、出力端の電圧をＶ_ｏｕｔとすると、これらは以下の式で表される。
Ｖ_ｉｎ＝Ｒ_０Ｉ＋Ｖ_０ 式１
Ｖ_ｏｕｔ＝Ｒ_０Ｉ 式２
ＭＥＭＳスイッチＳＷのインピーダンスＺは
Ｚ＝１／（ｊ２πｆＣ） 式３
である。Ｖ_ｉｎ−Ｖ_ｏｕｔは式１、２および３より
Ｖ_ｉｎ−Ｖ_ｏｕｔ＝Ｖ_０＝Ｉ／（ｊ２πｆＣ） 式４
Ｐ_ｉｎおよびＰ_ｏｕｔは、式１および２より
Ｐ_ｉｎ＝｜ＩＶ_ｉｎ｜＝｜Ｒ_０Ｉ^２＋ＩＶ_０｜ 式５
Ｐ_ｏｕｔ＝｜ＩＶ_ｏｕｔ｜＝｜Ｒ_０Ｉ^２｜ 式６
となる。

ＭＥＭＳスイッチの入力から出力へのアイソレーション・レベルＩＬは、式５、６より次のように示される。
ＩＬ（ｄＢ）＝１０ｌｏｇ_１０（｜Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎ｜）
＝１０ｌｏｇ_１０（１／｜１＋Ｖ_０／（Ｒ_０Ｉ）｜） 式７
ＭＥＭＳスイッチＳＷの動作周波数が数ＧＨｚ、静電容量Ｃが数ｆＦとすると、
｜Ｖ_０／（Ｒ_０Ｉ）｜≫１ 式８
であるから式６は式４、８より
ＩＬ（ｄＢ）＝１０ｌｏｇ_１０（｜（Ｒ_０Ｉ）／Ｖ_０｜）
＝１０ｌｏｇ_１０（２πｆＲ_０Ｃ） 式９
となる。

よって、アイソレーション・レベルを−３０ｄＢより大きくするためには、
２πｆＲ_０Ｃ≦１０^−３ 式１０
すなわち
ｆＲ_０Ｃ≦１．６×１０^−４ 式１１
となる。
電源および出力付加の伝送インピーダンスＲ_０を一般的に用いられる５０Ωまたはそれ以上とすると、
ｆＣ≦３．２×１０^−６ Ｆｓ^−１ 式１２
となる。さらに、動作周波数ｆを５ＧＨｚ以上とすると、
Ｃ≦６．４×１０^−１６ Ｆ ＝６４ｆＦ 式１３
となる。このように、式１１、１２または１３を満足することによりアイソレーション・レベルを−３０ｄＢより大きくすることができる。

図２（ａ）を参照に、突起電極２１と第１電極２２との間隔、先端面積をそれぞれｇ、Ｓ_ｇ、第１電極２２と第２電極２４の突起電極２１を除いた領域との距離をｈ、第１電極２２と第２電極２４との対抗する領域の面積をＳ_ｈ（図１（ａ）のハッチの面積）とする。このとき、Ｃは式１４で表される。
Ｃ＝ε_０（Ｓ_ｈ−Ｓ_ｇ）／ｈ＋ε_０Ｓ_ｇ／ｇ 式１４
ここで、
ε_０Ｓ_ｈ／ｈ＞（１／１０）×（ε_０Ｓ_ｇ／ｇ） 式１５
の場合、Ｃは、近似的に以下で表される。
Ｃ≒ε_０Ｓ_ｈ／ｈ 式１６
一般的にｇは０．２μｍ程度、Ｓｇは１μｍ^２程度であり後述するようにｈは数μｍ、Ｓｈは３６０μｍであるから、式１５を満足する。よって、式１３を満足するためには
Ｓ_ｈ／ｈ≦７２ μｍ 式１７
であり、ｈが３μｍより大きい場合は、
Ｓ_ｈ≦３６０ μｍ^２ 式１８
となる。すなわち、Ｓ_ｈは約１９μｍ×１９μｍ以下であることが好ましい。このように、式１７または式１８を満足することにより、アイソレーション・レベルＩＬを−３０ｄＢより大きくすることができる。

実施例２は２つの接点部がほぼ同時に接続、非接続するスイッチの例である。図４（ａ）は実施例２に係るスイッチの接点部付近の上視図、図４（ｂ）および図４（ｃ）はそれぞれ図４（ａ）のＡ−Ａ断面図およびＢ−Ｂ断面図である。第１電極２２と接触可能であり基板１０に対し固定された第２電極２４ａおよび第３電極２４ｂを有する。第２電極２４ａおよび第３電極２４ｂは第１電極２２とほぼ同時に接触することにより、一方から他方に第１電極２２を介し高周波信号を接続する。第２電極２４ａおよび第３電極２４ｂには、それぞれ第１電極２２と接触するための突起電極２１ａおよび２１ｂが設けられている。その他の構成は実施例１と同様であり説明を省略する。このような構成により、第２電極２４ａから第３電極２４ｂに流れる電力をオンオフすることができる。

図５は実施例２に係るスイッチのオフ状態での等価回路を示す図である。図３に対し、ＭＥＭＳスイッチＳＷに２つの静電容量Ｃ１が直列に接続される。２つの接点部２０の静電容量がほぼ同じとすると、アイソレーション・レベルを−３０ｄＢより大きくするためには、式１１より
ｆＲ_０Ｃ１≦３．２×１０^−４ 式１９
となる。電源および出力付加の伝送インピーダンスＲ_０を５０Ω以上とすると、
ｆＣ１≦６．４×１０^−６ Ｆｓ^−１ 式２０
となる。動作周波数ｆを５ＧＨｚ以上とすると、
Ｃ１≦１２．８×１０^−１６ Ｆ ＝１２８ｆＦ 式２１
となる。このように、実施例２においても、式１９、２０または２１を満足することによりアイソレーション・レベルを−３０ｄＢより大きくすることができる。

図４（ａ）および図４（ｂ）を参照に、第１電極２２と第２電極２４ａおよび第３電極２４ｂの突起電極２１を除いた領域との距離をｈ、第１電極２２と第２電極２４ａおよび第３電極２４ｂとの対抗する領域の面積をＳ_ｈとする。このとき、Ｃ１は式１５と同様に、
Ｃ１＝ε_０（Ｓ_ｈ−Ｓ_ｇ）／ｈ＋ε_０Ｓ_ｇ／ｇ 式２２
ε_０Ｓ_ｈ／ｈ＞（１／１０）×（ε_０Ｓ_ｇ／ｇ） 式２３
の場合、
Ｓ_ｈ／ｈ≦１４４ μｍ 式２４
であり、ｈが３μｍより大きい場合は、
Ｓ_ｈ≦７２０ μｍ^２ 式２５
となる。すなわち、Ｓ_ｈは約２７μｍ×２７μｍ以下であることが好ましい。このように、実施例２においても、式２４または２５を満足することによりアイソレーション・レベルを−３０ｄＢより大きくすることができる。このように式１９、２０、２１、２４または２５は両方の接点部２０で満足することが好ましい。

両方の接点部２０のうち一方がショートまたは静電容量が非常に大きい場合は、他方の接点部２０でアイソレーション・レベルを確保することとなる。この場合は実施例１の式１１、１２、１３、１７または式１８のいずれかの条件を満たせば同様にアイソレーション・レベルを−３０ｄＢ以下とすることができる。

実施例３は突起電極２１が第１電極２２に設けられた例である。図６は図４（ｂ）に相当する図である。突起電極２１は第１電極２２に設けられていても良い。また、２つの接点部２０のうち一方は突起電極２１が第１電極２２に、他方は突起電極２１が第２電極２４ａまたは第３電極２４ｂに設けられていてもよい。実施例２および実施例３のように、第１電極２２と第２電極２４ａおよび第３電極２４ｂとのいずれか一方には、第１電極２２と第２電極２４ａおよび第３電極２４ｂとの他方と接触するための突起電極２１を有することが好ましい。また、実施例１においても、第１電極２２に突起電極２１を設けることもできる。実施例１から実施例３は突起電極２１を有する例であったが、第１電極２２と第２電極２４または第１電極２２と第２電極２４ａおよび第３電極２４ｂを接続、非接続する構成であれば、突起電極２１を有していなくともよい。さらに、１つの接点部２０に複数の突起電極２１を有してもよい。

駆動部３０は下部電極３２と上部電極３４とに電圧を印加して駆動する静電駆動型の駆動部３０を用い説明したが、可動梁４０（可動部）を駆動する構成であればよく、圧電駆動型、熱駆動型、磁気駆動型の駆動部３０を用いることもできる。また、駆動部３０に電圧を印加しない状態ではオフ状態となるノーマリオフ型のスイッチの例であったが、ノーマリオン型のスイッチであってもよい。可動部として一端が基板１０に固定され他端に接点部２０を有する可動梁４０を例に説明したが、可動部は基板１０に対し可動することにより接点部２０において接点として機能する構成であればよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

図１（ａ）は実施例１に係るスイッチの上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 図２（ａ）は実施例１のオフ状態を示す模式図、図２（ｂ）は実施例１のオン状態を示す模式図である。 図３は実施例１に係るスイッチの等価回路である。 図４（ａ）は実施例２に係るスイッチの上面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ断面図、図４（ｃ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。 図５は実施例２に係るスイッチの等価回路を示す図である。 図６は実施例３に係るスイットの断面図である。

符号の説明

１０ 基板
１２ シリコン基板
１４ 犠牲層
１６ 半導体層
２０ 接点部
２１ 突起電極
２２ 第１電極
２４、２４ａ 第２電極
２４ｂ 第３電極
３０ 駆動部
３２ 下部電極
３４ 上部電極
４０ 可動梁

Claims (12)

1. 基板上に設けられ、基板に対し可動する可動部と、
   該可動部に設けられた第１電極と、
   前記第１電極と接触可能であり前記基板に対し固定された第２電極と、を具備し、
   動作周波数をｆ（Ｈｚ）、伝送インピーダンスをＲ_０（Ω）、前記第１電極と前記第２電極との開放状態の静電容量をＣ（Ｆ）としたとき、
   ｆ×Ｒ_０×Ｃ ≦ １．６×１０^−４
   であることを特徴とするスイッチ。
2. 前記第１電極と前記第２電極とのいずれか一方には、前記第１電極と前記第２電極との他方と接触するための突起電極を有することを特徴とする請求項１記載のスイッチ。
3. ｆ×Ｃ ≦ ３．２×１０^−６ Ｆ・ｓ^−１
   であることを特徴とする請求項１または２記載のスイッチ。
4. Ｃ ≦ ６．４×１０^−１６ Ｆ
   であることを特徴とする請求項１または２記載のスイッチ。
5. 前記第１電極と前記第２電極との対向する面積をＳ_ｈ、間隔をｈとしたとき
   Ｓ_ｈ／ｈ ≦ ７２ μｍ
   であることを特徴とする請求項１または２記載のスイッチ。
6. Ｓ_ｈ ≦ ３６０ μｍ^２
   であることを特徴とする請求項５記載のスイッチ。
7. 基板上に設けられ可動する可動部と、
   該可動部に設けられた第１電極と、
   前記第１電極と接触可能であり一方から他方に前記第１電極を介し高周波信号を接続し、前記基板に対し固定された第２電極および第３電極と、を具備し、
   動作周波数をｆ（Ｈｚ）、伝送インピーダンスをＲ_０（Ω）、前記第１電極と前記第２電極および前記第３電極の両方の開放状態の静電容量をそれぞれＣ（Ｆ）としたとき、
   ｆ×Ｒ_０×Ｃ ≦ ３．２×１０^−４
   であることを特徴とするスイッチ。
8. 前記第１電極と前記第２電極および前記第３電極とのいずれか一方には、前記第１電極と前記第２電極および前記第３電極との他方と接触するための突起電極を有することを特徴とする請求項７記載のスイッチ。
9. ｆ×Ｃ ≦ ６．４×１０^−６ Ｆ・ｓ^−１
   であることを特徴とする請求項７または８記載のスイッチ。
10. Ｃ ≦ １２．８×１０^−１６ Ｆ
    であることを特徴とする請求項７または８記載のスイッチ。
11. 前記第１電極と前記第２電極および前記第３電極の両方の対向する面積をそれぞれＳ_ｈ、間隔をｈとしたとき
    Ｓ_ｈ／ｈ ≦ １４４ μｍ
    であることを特徴とする請求項７または８記載のスイッチ。
12. Ｓ_ｈ ≦ ７２０ μｍ^２
    であることを特徴とする請求項１１記載のスイッチ。
    

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