JP2008238330A - Mems装置およびこのmems装置を有する携帯通信端末 - Google Patents
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Abstract
【課題】動作電圧が低く、圧接力および引離し力が強いMEMS装置を提供することを可能にする。
【解決手段】基板1と、基板上に設けられた支持部2と、基板上に設けられた固定電極10と、第1の電極4と、第1の電極上に形成された第1の圧電膜5と、第1の圧電膜上に形成された第2の電極6とを有し、一端が支持部を介して基板上に固定され、支持部と固定電極とを結ぶ方向に延在しかつ第1の電極が固定電極に対向するように設けられたアクチュエータ3と、支持部と固定電極とを結ぶ直線上でかつ第1の電極に対向するように前記基板上に設けられたストッパ部9と、を備えている。
【選択図】図2
【解決手段】基板1と、基板上に設けられた支持部2と、基板上に設けられた固定電極10と、第1の電極4と、第1の電極上に形成された第1の圧電膜5と、第1の圧電膜上に形成された第2の電極6とを有し、一端が支持部を介して基板上に固定され、支持部と固定電極とを結ぶ方向に延在しかつ第1の電極が固定電極に対向するように設けられたアクチュエータ3と、支持部と固定電極とを結ぶ直線上でかつ第1の電極に対向するように前記基板上に設けられたストッパ部9と、を備えている。
【選択図】図2
Description
本発明は,MEMS装置およびこのMEMS装置を有する携帯通信端末に関する。
半導体プロセスを応用したMEMS(Micro-Electro-Mechanical System)は、広い範囲の応用が嘱望されている。例えば高周波回路の分野においては、RFスイッチや可変キャパシタとしてのMEMSの応用が強く望まれている。
高周波用のMEMSスイッチとしては、DCから高周波まで使用可能であり、2個の接点がオーミックに通電するDCコンタクト型MEMSスイッチと、主として10GHz以上の高周波のみで使用可能であり、2個の接点が薄い誘電膜を介して接触するキャパシティブ型スイッチとに大別される。民生用の携帯無線機器はおよそ500MHz〜5GHz帯を主として使用しているので、特にDCコンタクト型MEMSスイッチの利用価値が高い。
従来のDCコンタクト型MEMSスイッチの駆動機構としては、静電駆動機構が主として使用されてきた。これは、材料や構造が単純でプロセスが容易なためである。典型的な構造としては、基板上に誘電膜に覆われた固定電極と、オーミック接触用の接点電極を作製し、固定電極と接点電極の上方に弱いバネにより懸架された導電性の可動梁を設置する。固定電極と可動梁との間に電圧を印加し、静電力により吸引して接点電極と可動梁の可動電極とをオーミック接触させることにより、スイッチを開閉する。
可動梁のバネの力、静電力、および両者の和を模式的に図14に示す。MEMSスイッチのアイソレーションを充分とるためには可動梁を2μm〜3μm程度は動かす必要があるが、静電駆動力は、接点電極と可動電極との距離の2乗に反比例して急減するため、バネ定数は比較的弱くするとともに、静電駆動電圧として通常は20V以上の高い電圧が必要になる。接点電極と可動梁の可動電極とが接触したときには強い圧接力が生じるが、引離し時はバネ力のみに依存するため、引離し力は弱く、接点が固着して信頼性が低いという問題が生じる。すなわち、静電駆動MEMSスイッチの場合は、圧着力が強いという長所と、駆動電圧が高い、引離し力が弱いという短所を有する。
一方、MEMS駆動機構として圧電駆動システムも検討されている。この圧電駆動システムは、圧電駆動機構として可動梁に電極膜に挟まれた圧電膜を有する。可動梁には可動電極が設けられ、基板には固定電極が設けられる。可動梁のバネの力は、可動電極と固定電極との距離の線形関数となる。可動梁のバネの力、圧電駆動力、および両者の和を模式的に図15に示す。圧電駆動力は電圧に比例して一定であり、比較的低電圧で大きな変位を可能にする。しかしながら駆動力自体は弱いため、圧接力や引離し力は小さい。すなわち、圧電駆動型MEMSスイッチの場合は、駆動電圧が低いという長所はあるが、圧接力および引離し力が弱いという短所を有する。
そこで、静電駆動と圧電駆動の長所を取り入れた、静電と圧電のハイブリッド駆動機構も検討されている(例えば、特許文献1参照)。駆動梁のバネの力、静電駆動力、圧電駆動力、および3者の和が特許文献1の図4に示されている。この特許文献1の図4によれば、可動梁が固定電極から離れているときは主として圧電作用により、また近づいたときは主として静電作用により駆動されるため、それぞれ単独の場合よりもバネ定数の強い駆動梁を使用することができる。しかしながら、それでも引離し力がそれほど強くないという問題が残る。すなわち、静電および圧電のハイブリッド駆動MEMSスイッチの場合は、駆動電圧が低く圧接力が大きいという長所はあるが、引離し力がやや弱いという短所を有する。
特表平8−506690号公報
本発明は,上記事情を考慮してなされたものであって、動作電圧が低く、圧接力および引離し力が強いMEMS装置およびこのMEMS装置を有する携帯通信端末を提供することを目的とする。
本発明の第1の態様によるMEMS装置は、基板と、前記基板上に設けられた支持部と、前記基板上に設けられた固定電極と、第1の電極と、前記第1の電極上に形成された第1の圧電膜と、前記第1の圧電膜上に形成された第2の電極とを有し、一端が前記支持部を介して前記基板上に固定され、前記支持部と前記固定電極とを結ぶ方向に延在しかつ前記第1の電極が前記固定電極に対向するように設けられたアクチュエータと、前記支持部と前記固定電極とを結ぶ直線上でかつ前記第1の電極に対向するように前記基板上に設けられたストッパ部と、を備えていることを特徴とする。
また、本発明の第2の態様によるMEMS装置は、基板と、前記基板上に離間して設けられた第1および第2の支持部と、前記第1の支持部と前記第2の支持部との間の前記基板上に設けられた第1の固定電極と、この第1の固定電極と前記第2の支持部との間の前記基板上に設けられた第2の固定電極と、前記第1の固定電極と前記第2の固定電極との間に設けられたRF線路と、前記第1の支持部と前記第2の支持部とを結ぶ直線上でかつ前記第1の固定電極からみて前記RF線路と反対側の前記基板上に設けられた第1ストッパ部と、前記第1の支持部と前記第2の支持部とを結ぶ直線上でかつ前記第2の固定電極からみて前記RF線路と反対側の前記基板上に設けられた第2ストッパ部と、第1の電極と、前記第1の電極上に形成された第1の圧電膜と、前記第1の圧電膜上に形成された第2の電極とを有し、両端が前記第1および第2の支持部を介して前記基板上に固定されたアクチュエータと、前記RF線路に対向するように前記アクチュエータに設けられた接点電極と、を備えていることを特徴とする。
また、本発明の第3の態様によるMEMS装置は、基板と、前記基板上に離間して設けられた第1および第2の支持部と、前記第1の支持部と前記第2の支持部との間の前記基板上に設けられた固定電極と、前記第1の支持部と前記第2の支持部とを結ぶ直線上でかつ前記固定電極と前記第1の支持部との間の前記基板上に設けられた第1のストッパ部と、前記第1の支持部と前記第2の支持部とを結ぶ直線上でかつ前記固定電極と前記第2の支持部との間の前記基板上に設けられた第2のストッパ部と、第1の電極と、前記第1の電極上に形成された第1の圧電膜と、前記第1の圧電膜上に形成された第2の電極とを有し、両端が前記第1および第2の支持部を介して前記基板上に固定されたアクチュエータと、を備えていることを特徴とする。
また、本発明の第4の態様による携帯通信端末は、上記のいずれかに記載のMEMS装置をRFスイッチまたは可変キャパシタとして備えたことを特徴とする。
本発明によれば、動作電圧が低く、圧接力および引離し力が強いMEMS装置およびこのMEMS装置を有する携帯通信端末を提供することができる。
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態によるMEMS装置の平面図を図1に、図1に示す切断線A−Aで切断したときの断面図を図2に示す。
本発明の第1実施形態によるMEMS装置の平面図を図1に、図1に示す切断線A−Aで切断したときの断面図を図2に示す。
本実施形態のMEMS装置はMEMSスイッチであって、基板1上には、アンカー2と、ストッパ9と、固定電極10と、1組のRF線路12とがそれぞれ固定されて設けられている。1組のRF線路12はアンカー2から一番遠くに設けられ、ストッパ9はアンカー2と1組のRF線路との間に設けられ、固定電極10はストッパ9と1組のRF線路12との間に設けられている。なお、固定電極10は基板1上に固定され、誘電体膜11によってその表面が覆われている。
また、アンカー2に一端が固定された可動梁3が設けられている。可動梁3は下部電極4、圧電膜5、上部電極6、および支持膜7の積層構造を有している。可動梁3のアンカー2に固定された固定端と反対側の先端が作用端であり、この作用端には一組の接点電極13が、基板1上に設けられた1組のRF線路12に対向するように設けられている。接点電極13がRF線路12と接触することで導通状態になる。
可動梁3全体は圧電アクチュエータを構成しており、下部電極4と上部電極6の間に圧電駆動電圧を印加することにより圧電膜5が伸縮し、可動梁3が上下に屈曲する。また可動梁3は静電アクチュエータとしても動作し、固定電極10と可動梁3の下部電極4との間に静電駆動電圧を印加することにより、可動梁3は基板1側に吸引される。
本実施形態においては、アンカー2からストッパ9までの距離すなわちアンカー2の端部からストッパ9の中心までの距離k1は、ストッパ9から固定電極10までの距離すなわちストッパ9の中心から固定電極10の中心までの距離k2よりも長く、固定電極10からRF線路12までの距離すなわち固定電極10の中心からRF線路12の中心までの距離k3よりも長く、かつストッパ9からRF線路12までの距離すなわちストッパ9の中心からRF線路12の中心までの距離k4よりも長くなるように構成されている。
本実施形態のMEMS装置の動作すなわち可動梁の動きを、図3を参照して詳細に説明する。図3は、接点電極12とRF線路13との間の距離に応じて働くバネ力、圧電力、静電力、およびそれらの和を示している。静電駆動電圧および圧電駆動電圧を印加しない初期状態では、接点電極12とRF線路13との間の距離は3μmである。静電および圧電駆動電圧として所定の電圧を印加する。まず、接点電極12とRF線路13との間の距離が離れている場合は、圧電力が主体になって可動梁3が下方に屈曲駆動され、基板1上に形成されたストッパ9に接触する。このときに固定電極10を被う誘電体膜11と可動梁3との間、およびRF線路12と接点電極13との間には僅かな隙間(図3では0.5μm)が形成されている。可動梁3がストッパ9に接触する前は、可動梁3はアンカー2を支点として作用点である接点電極13までの長さが長いため、バネ定数は小さく圧電力が主体で駆動が可能である。
可動梁3がストッパ部9に接触した後は、可動梁3はストッパ9を新たな支点として動作するため、ストッパ9から作用点である接点電極13までの長さが、アンカー2から接点電極13までの長さよりも短く、バネ定数は大きくなる。しかしこの状態では、固定電極10と可動梁3の下部電極4の間には誘電体膜11を介して狭い間隙しか存在しないので強い静電引力が働き、接点電極13がRF線路12に圧接される。
次に、静電および圧電駆動電圧を除去した場合、接点電極13とRF線路12との間には強いバネ定数による大きな引き離し力が働き、安定に両者が分離することができる。
一方、比較例として、本実施形態において、ストッパ9を削除した構成のMEMS装置を作成した。この比較例のMEMS装置の可動梁の動作は、図16に示すようになる。したがって、この比較例においては、可動梁が固定電極から離れているときは主として圧電作用により、また近づいたときは主として静電作用により駆動されるため、それぞれ単独の場合よりも2倍程度バネ定数の強い駆動梁を使用することができる。しかしながら、それでも引離し力がそれほど強くないという問題が残る。すなわち、静電および圧電のハイブリッド駆動MEMSスイッチの場合は、駆動電圧が低く圧接力が大きいという長所はあるが、引離し力がやや弱いという短所を有する。
このように、本実施形態によるMEMS装置においては、アンカー2と固定電極10との間にストッパ9を設けることにより、可動梁3がストッパ9に接触する前の弱いバネ定数を持つアクチュエータと、接触した後の強いバネ定数を持つアクチュエータの2段の動作を行うことが可能になり、低い動作電圧、大きな圧接力、大きな引き離し力を有するMEMS装置を実現することができる。これにより、接触抵抗が低く、信頼性の高い静電駆動DCコンタクト型MEMSスイッチを実現することができる。なお、ストッパ9の位置は、アンカー2と固定電極10との間の中間点より、固定電極10側に設けるのが好ましい。また、基板1からのストッパ9の高さは、固定電極10および誘電体膜11の厚さよりも大きいことが好ましい。
次に、本実施形態によるMEMS装置の製造方法を図4(a)乃至図5(b)を参照して説明する。
まず、図4(a)に示すように、表面が絶縁性の基板1に、アンカー部2、ストッパ部9、誘電体膜11に覆われた固定電極10、およびRF線路12を形成する。アンカー部2、ストッパ部9、誘電体膜11は材料としてシリコン窒化膜や酸化膜などの絶縁膜が好適であり、リソグラフィーと反応性イオンエッチング(RIE)などの公知の方法を使用して形成することが可能である。また、固定電極10やRF線路12の材料には、Alなどの配線材料や、Auなどの貴金属を使用することができる。例えばAlの場合はRIEで、またAuなどの貴金属の場合は周知のリフトオフプロセスなどにより形成することが可能である。
次に、図4(b)に示すように、基板1の表面に犠牲層21を形成し、周知のCMP(Chemical Mechanical Polishing)技術によりアンカー部2が露出するまで表面研磨および平坦化を行う。犠牲層21としては、他の膜材料に対して選択エッチングが可能な、無機材料、金属材料、有機材料を使用することが可能であるが、本実施形態では多結晶シリコンを使用する。
次に、図4(c)に示すように、RF線路12上の犠牲層21の一部の領域にトレンチを形成し、その内部に接点電極13を形成する。このときリフトオフプロセス用のレジストを使用し、RIEによりトレンチを形成する工程と、リフトオフにより接点電極13をパターニングする工程とを連続して行っても良いし、別々のリソグラフィーとエッチングによりトレンチと接点電極13をパターニングすることにより形成しても良い。接点電極13の材料としてAuなどの貴金属が好適である。
次に、図5(a)に示すように、アンカー部2および犠牲層21の上に、可動梁3の下部電極4、圧電膜5、上部電極6、支持膜7を順に形成する。下部電極4として厚さ200nmのAl、圧電膜5としてc軸配向した膜厚500nmのAlN、上部電極6として膜厚200nmのAu、支持膜7として膜厚600nmの酸化シリコン層を使用する。Al、AlN、Auはスパッタにより、また酸化シリコンはCVD(Chemical Vapor Deposition)により作製し、リソグラフィーおよびエッチングによりパターニングする。
次に、図5(b)に示すように、XeF2をエッチングガスとして使用した選択エッチングにより犠牲層21を除去し、ハイブリッド駆動機構3を作成し、本実施形態のMEMS装置を完成する。
(第1変形例)
次に、本実施形態の第1変形例によるMEMS装置の断面を図6に示す。本変形例のハイブリッドアクチュエータはMEMSスイッチであって、ストッパ9とRF線路12との位置を第1実施形態の場合と逆にした構成となっている。すなわち、アンカー2と固定電極10との間にRF線路12が設けられ、固定電極10のアンカー2とは反対側にストッパ9が設けられ、アンカー2、RF線路12、固定電極10、ストッパ9の順に配列された構成となっている。なお、本変形においても、接点電極13はRF線路12に対応する位置に設けられている。
次に、本実施形態の第1変形例によるMEMS装置の断面を図6に示す。本変形例のハイブリッドアクチュエータはMEMSスイッチであって、ストッパ9とRF線路12との位置を第1実施形態の場合と逆にした構成となっている。すなわち、アンカー2と固定電極10との間にRF線路12が設けられ、固定電極10のアンカー2とは反対側にストッパ9が設けられ、アンカー2、RF線路12、固定電極10、ストッパ9の順に配列された構成となっている。なお、本変形においても、接点電極13はRF線路12に対応する位置に設けられている。
本変形も第1実施形態と同様に、低い動作電圧、大きな圧接力、大きな引き離し力を揺するMEMS装置を実現することが可能となる。これにより、接触抵抗が低く、信頼性の高い静電駆動DCコンタクト型MEMSスイッチを実現することができる。
(第2変形例)
次に、本実施形態の第2変形例によるMEMS装置の断面を図7に示す。本変形例のハイブリッドアクチュエータはMEMSスイッチであって、固定電極10とRF線路12との位置を第1実施形態の場合と逆にした構成となっている。すなわち、ストッパ9と、固定電極10の間にRF線路12が設けられ、アンカー2、ストッパ9、RF線路12、固定電極10の順に配列された構成となっている。なお、本変形においても、接点電極13はRF線路12に対応する位置に設けられている。
次に、本実施形態の第2変形例によるMEMS装置の断面を図7に示す。本変形例のハイブリッドアクチュエータはMEMSスイッチであって、固定電極10とRF線路12との位置を第1実施形態の場合と逆にした構成となっている。すなわち、ストッパ9と、固定電極10の間にRF線路12が設けられ、アンカー2、ストッパ9、RF線路12、固定電極10の順に配列された構成となっている。なお、本変形においても、接点電極13はRF線路12に対応する位置に設けられている。
本変形も第1実施形態と同様に、低い動作電圧、大きな圧接力、大きな引き離し力を揺するMEMS装置を実現することが可能となる。これにより、接触抵抗が低く、信頼性の高い静電駆動DCコンタクト型MEMSスイッチを実現することができる。
(第3変形例)
次に、本実施形態の第2変形例によるMEMS装置の断面を図8に示す。本変形例のハイブリッドアクチュエータはMEMSスイッチであって、固定電極10とRF線路12との位置を第1変形例の場合と逆にした構成となっている。すなわち、ストッパ9と、固定電極10との間にRF線路12が設けられ、アンカー2、固定電極10、RF線路12、ストッパ9の順に配列された構成となっている。なお、本変形においても、接点電極13はRF線路12に対応する位置に設けられている。
次に、本実施形態の第2変形例によるMEMS装置の断面を図8に示す。本変形例のハイブリッドアクチュエータはMEMSスイッチであって、固定電極10とRF線路12との位置を第1変形例の場合と逆にした構成となっている。すなわち、ストッパ9と、固定電極10との間にRF線路12が設けられ、アンカー2、固定電極10、RF線路12、ストッパ9の順に配列された構成となっている。なお、本変形においても、接点電極13はRF線路12に対応する位置に設けられている。
本変形も第1変形例と同様に、低い動作電圧、大きな圧接力、大きな引き離し力を揺するMEMS装置を実現することが可能となる。これにより、接触抵抗が低く、信頼性の高い静電駆動DCコンタクト型MEMSスイッチを実現することができる。
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態によるMEMS装置の断面を図9に示す。第1実施形態のMEMS装置はMEMSスイッチであって、可動梁3が片持ち梁であったが、本実施形態のMEMS装置は、可動梁3が両端支持の梁となっている。このため、基板1上には離間して形成された一対のアンカー2a、2bが設けられ、アンカー2aとアンカー2bとの間の基板1上に1組のRF線路12が設けられている。そして、アンカー2aとRF線路12との間の基板1上にストッパ9aが設けられ、このストッパ9aとRF線路12との間の基板1上に誘電体膜11aで表面が覆われた固定電極10aが設けられている。また、アンカー2bとRF線路12との間の基板1上にストッパ9bが設けられ、このストッパ9bとRF線路12との間の基板1上に誘電体膜11bで表面が覆われた固定電極10bが設けられている。
次に、本発明の第2実施形態によるMEMS装置の断面を図9に示す。第1実施形態のMEMS装置はMEMSスイッチであって、可動梁3が片持ち梁であったが、本実施形態のMEMS装置は、可動梁3が両端支持の梁となっている。このため、基板1上には離間して形成された一対のアンカー2a、2bが設けられ、アンカー2aとアンカー2bとの間の基板1上に1組のRF線路12が設けられている。そして、アンカー2aとRF線路12との間の基板1上にストッパ9aが設けられ、このストッパ9aとRF線路12との間の基板1上に誘電体膜11aで表面が覆われた固定電極10aが設けられている。また、アンカー2bとRF線路12との間の基板1上にストッパ9bが設けられ、このストッパ9bとRF線路12との間の基板1上に誘電体膜11bで表面が覆われた固定電極10bが設けられている。
可動梁3は第1実施形態と同様に、下部電極4、圧電膜5、上部電極6、支持膜7の積層構造を有しており、両端がアンカー2a、2bによって支持されている。また、作用点となる可動梁3の中央部にRF線路12に対向するように接点電極13が設けられている。
また、本実施形態も第1実施形態と同様に、アンカー2aからストッパ9aまでの距離は、ストッパ9aから固定電極10aまでの距離よりも長く、固定電極10aからRF線路12までの距離よりも長く、かつストッパ9aからRF線路12までの距離よりも長くなるように構成されている。また、同様に、アンカー2bからストッパ9bまでの距離は、ストッパ9bから固定電極10bまでの距離よりも長く、固定電極10bからRF線路12までの距離よりも長く、かつストッパ9bからRF線路12までの距離よりも長くなるように構成されている。
このように構成された本実施形態も、第1実施形態と同様に、低い動作電圧、大きな圧接力、大きな引き離し力を揺するMEMS装置を実現することが可能となる。これにより、接触抵抗が低く、信頼性の高い静電駆動DCコンタクト型MEMSスイッチを実現することができる。
なお、本実施形態においても、第1実施形態の各変形例のように、ストッパ、固定電極、およびRF線路の配置を変えてもよい。
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態によるMEMS装置の断面を図10に示す。本実施形態のMEMS装置はMEMSスイッチであって、第1実施形態のモノモルフ構造の可動梁3をバイモルフ構造の可動梁3Aに置き換えた構成となっている。この可動梁3Aは、下部電極4、第1圧電膜5a、中間電極8、第2圧電膜5b、および上部電極6の積層構造を有している。下部電極4、中間電極8、上部電極6に圧電駆動電圧を印加することにより、圧電膜5a、5bが伸縮し、可動梁3Aが上下に屈曲する。また可動梁3Aは静電アクチュエータとしても動作し、固定電極10と可動梁3Aの下部電極4との間に静電駆動電圧を印加することにより、可動梁3Aは基板1側に吸引される。
次に、本発明の第3実施形態によるMEMS装置の断面を図10に示す。本実施形態のMEMS装置はMEMSスイッチであって、第1実施形態のモノモルフ構造の可動梁3をバイモルフ構造の可動梁3Aに置き換えた構成となっている。この可動梁3Aは、下部電極4、第1圧電膜5a、中間電極8、第2圧電膜5b、および上部電極6の積層構造を有している。下部電極4、中間電極8、上部電極6に圧電駆動電圧を印加することにより、圧電膜5a、5bが伸縮し、可動梁3Aが上下に屈曲する。また可動梁3Aは静電アクチュエータとしても動作し、固定電極10と可動梁3Aの下部電極4との間に静電駆動電圧を印加することにより、可動梁3Aは基板1側に吸引される。
このように構成された本実施形態のMEMS装置も、第1実施形態と同様に、低い動作電圧、大きな圧接力、大きな引き離し力を揺するMEMS装置を実現することが可能となる。これにより、接触抵抗が低く、信頼性の高い静電駆動DCコンタクト型MEMSスイッチを実現することができる。
なお、本実施形態のような、バイモルフ構造の可動梁は、第2実施形態および後述する第4実施形態のMEMS装置にも用いることができる。
なお、本実施形態においても、第1実施形態の各変形例のように、ストッパ、固定電極、およびRF線路の配置を変えてもよい。
(第4実施形態)
次に、本発明の第4実施形態によるMEMS装置の断面を図11に示す。本実施形態のMEMS装置は可変キャパシタであって、第1実施形態のMEMS装置において、RF線路12および接点電極13を削除した構成となっている。したがって、本実施形態においても第1実施形態と同様に、アンカー2からストッパ9までの距離は、ストッパ9から固定電極10までの距離よりも長くなるように構成されている。
次に、本発明の第4実施形態によるMEMS装置の断面を図11に示す。本実施形態のMEMS装置は可変キャパシタであって、第1実施形態のMEMS装置において、RF線路12および接点電極13を削除した構成となっている。したがって、本実施形態においても第1実施形態と同様に、アンカー2からストッパ9までの距離は、ストッパ9から固定電極10までの距離よりも長くなるように構成されている。
このため、本実施形態の可変キャパシタにおいても、第1実施形態と同様に、アンカー2と固定電極10との間にストッパ9を設けることにより、可動梁3がストッパ9に接触する前の弱いバネ定数を持つアクチュエータと、接触した後の強いバネ定数を持つアクチュエータの2段の動作を行うことが可能になり、低い動作電圧、大きな圧接力、大きな引き離し力を有するMEMS装置を実現することができる。これにより、接触容量が大きく、信頼性の高い可変キャパシタを実現することができる。また、本実施形態においては、ストッパ9と固定電極10との配置を逆にしてもよい。
なお、本実施形態においては、可動梁は片持ち支持であったが、両持ち支持であってもよい。この場合は、図12に示すように、アンカー2a、2b間の中央に、表面が誘電体膜11で覆われた固定電極10が設けられ、この固定電極10の両側にストッパ9a、9bが設けられた構成となる。
(第5実施形態)
次に、本発明の第5実施形態による携帯通信端末のブロック図を図13に示す。本実施形態の携帯通信端末は、可変アンテナ100と、アンテナスイッチ105と、フィルタバンク110と、可変低雑音アンプ120と、フィルタバンク130と、直交復調器140と、ベースバンド回路150と、直交変調器160と、ドライバアンプ170と、フィルタバンク180と、可変パワーアンプ190とを備えている。可変低雑音アンプ120と、フィルタバンク130と、直交復調器140とが受信回路を構成し、直交変調器160と、ドライバアンプ170と、フィルタバンク180と、可変パワーアンプ190とが送信回路を構成する。なお、可変低雑音アンプ120は2つの可変整合器と低雑音アンプとを有し、可変パワーアンプ190は2つの可変整合器とパワーアンプとを有している。
次に、本発明の第5実施形態による携帯通信端末のブロック図を図13に示す。本実施形態の携帯通信端末は、可変アンテナ100と、アンテナスイッチ105と、フィルタバンク110と、可変低雑音アンプ120と、フィルタバンク130と、直交復調器140と、ベースバンド回路150と、直交変調器160と、ドライバアンプ170と、フィルタバンク180と、可変パワーアンプ190とを備えている。可変低雑音アンプ120と、フィルタバンク130と、直交復調器140とが受信回路を構成し、直交変調器160と、ドライバアンプ170と、フィルタバンク180と、可変パワーアンプ190とが送信回路を構成する。なお、可変低雑音アンプ120は2つの可変整合器と低雑音アンプとを有し、可変パワーアンプ190は2つの可変整合器とパワーアンプとを有している。
そして、アンテナスイッチ105およびフィルタバンク110、130に第1乃至第3実施形態のハイブリッドアクチュエータがRFスイッチとして使用され、可変アンテナ100および可変低雑音アンプ120ならびに可変パワーアンプ190に第4実施形態の可変キャパシタが使用されている。
このように、本実施形態においては、信頼性の高いRFスイッチおよび可変キャパシタが用いられているため、信頼性の高い携帯通信端末を得ることができる。
以上説明したように、本発明の各実施形態によれば、動作電圧が低く、圧接力および引離し力が強いMEMS装置を実現することが可能となる。このため、動作電圧が低く接点抵抗が低くかつ信頼性の高いDCコンタクト型MEMSスイッチや、動作電圧が低く容量可変比が大きく信頼性の高い可変キャパシタを実現することができる。
なお、接点電極13としては、線または面でコンタクトするものでも適用可能である。また、RF線路12としては、線路状のものでだけでなく、パッド状等の形状のものでも適用可能である。また、上記実施形態ではRF線路は2つが対になっていたが、1つのものでも、3つ以上のものでも適用可能である。また、RF線路はRF用でなくDC用のものであってもよい。
1 基板
2 アンカー
2a、2b アンカー
3 可動梁
4 下部電極
5 圧電膜
5a、5b 圧電膜
6 上部電極
7 支持膜
8 中間電極
9 ストッパ
9a、9b ストッパ
10 固定電極
11 誘電体膜
12 RF線路
13 接点電極
2 アンカー
2a、2b アンカー
3 可動梁
4 下部電極
5 圧電膜
5a、5b 圧電膜
6 上部電極
7 支持膜
8 中間電極
9 ストッパ
9a、9b ストッパ
10 固定電極
11 誘電体膜
12 RF線路
13 接点電極
Claims (14)
- 基板と、
前記基板上に設けられた支持部と、
前記基板上に設けられた固定電極と、
第1の電極と、前記第1の電極上に形成された第1の圧電膜と、前記第1の圧電膜上に形成された第2の電極とを有し、一端が前記支持部を介して前記基板上に固定され、前記支持部と前記固定電極とを結ぶ方向に延在しかつ前記第1の電極が前記固定電極に対向するように設けられたアクチュエータと、
前記支持部と前記固定電極とを結ぶ直線上でかつ前記第1の電極に対向するように前記基板上に設けられたストッパ部と、
を備えていることを特徴とするMEMS装置。 - 前記支持部から前記ストッパ部までの距離が、前記ストッパ部から前記固定電極までの距離よりも長いことを特徴とする請求項1記載のMEMS装置。
- 前記アクチュエータは、前記第2の電極上に形成された第2の圧電膜と、前記第2の圧電膜上に形成された第3の電極とを更に備えていることを特徴とする請求項1または2記載のMEMS装置。
- 前記基板上に設けられた第1のコンタクト電極と、前記第1のコンタクト電極に対向するように前記アクチュエータに設けられた第2のコンタクト電極と、を更に備え、前記ストッパ部は前記支持部と前記固定電極との間に設けられ、前記第1のコンタクト電極は、前記支持部と前記固定電極とを結ぶ直線上でかつ前記固定電極からみて前記ストッパ部と反対側に設けられていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載のMEMS装置。
- 前記基板上に設けられた第1のコンタクト電極と、前記第1のコンタクト電極に対向するように前記アクチュエータに設けられた第2のコンタクト電極と、を更に備え、前記固定電極は前記支持部と前記ストッパ部との間に設けられ、前記第1のコンタクト電極は、前記支持部と前記固定電極とを結ぶ直線上でかつ前記固定電極からみて前記ストッパ部と反対側に設けられていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載のMEMS装置。
- 前記ストッパと前記固定電極との間の前記基板上に設けられた第1のコンタクト電極と、前記第1のコンタクト電極に対向するように前記アクチュエータに設けられた第2のコンタクト電極と、を更に備えていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載のMEMS装置。
- 前記支持部から前記ストッパ部までの距離が、前記ストッパ部から前記第1のコンタクト電極までの距離よりも長いことを特徴とする請求項4乃至6のいずれかに記載のMEMS装置。
- 基板と、
前記基板上に離間して設けられた第1および第2の支持部と、
前記第1の支持部と前記第2の支持部との間の前記基板上に設けられた第1の固定電極と、
この第1の固定電極と前記第2の支持部との間の前記基板上に設けられた第2の固定電極と、
前記第1の固定電極と前記第2の固定電極との間に設けられた第1のコンタクト電極と、
前記第1の支持部と前記第2の支持部とを結ぶ直線上でかつ前記第1の固定電極からみて前記第1のコンタクト電極と反対側の前記基板上に設けられた第1ストッパ部と、
前記第1の支持部と前記第2の支持部とを結ぶ直線上でかつ前記第2の固定電極からみて前記第1のコンタクト電極と反対側の前記基板上に設けられた第2ストッパ部と、
第1の電極と、前記第1の電極上に形成された第1の圧電膜と、前記第1の圧電膜上に形成された第2の電極とを有し、両端が前記第1および第2の支持部を介して前記基板上に固定されたアクチュエータと、
前記第1のコンタクト電極に対向するように前記アクチュエータに設けられた第2のコンタクト電極と
を備えていることを特徴とするMEMS装置。 - 前記第1の支持部から前記第1のストッパ部までの距離が、前記第1のストッパ部から前記第1のコンタクト電極までの距離よりも長く、前記第2の支持部から前記第2のストッパ部までの距離が、前記第2のストッパ部から前記第1のコンタクト電極までの距離よりも長いことを特徴とする請求項8記載のMEMS装置。
- 前記アクチュエータは、前記第2の電極上に形成された第2の圧電膜と、前記第2の圧電膜上に形成された第3の電極とを更に備えていることを特徴とする請求項8または9記載のMEMS装置。
- 基板と、
前記基板上に離間して設けられた第1および第2の支持部と、
前記第1の支持部と前記第2の支持部との間の前記基板上に設けられた固定電極と、
前記第1の支持部と前記第2の支持部とを結ぶ直線上でかつ前記固定電極と前記第1の支持部との間の前記基板上に設けられた第1のストッパ部と、
前記第1の支持部と前記第2の支持部とを結ぶ直線上でかつ前記固定電極と前記第2の支持部との間の前記基板上に設けられた第2のストッパ部と、
第1の電極と、前記第1の電極上に形成された第1の圧電膜と、前記第1の圧電膜上に形成された第2の電極とを有し、両端が前記第1および第2の支持部を介して前記基板上に固定されたアクチュエータと、
を備えていることを特徴とするMEMS装置。 - 前記第1の支持部から前記第1のストッパ部までの距離が、前記第1のストッパ部から前記固定電極までの距離よりも長く、前記第2の支持部から前記第2のストッパ部までの距離が、前記第2のストッパ部から前記固定電極までの距離よりも長いことを特徴とする請求項11記載のMEMS装置。
- 前記アクチュエータは、前記第2の電極上に形成された第2の圧電膜と、前記第2の圧電膜上に形成された第3の電極とを更に備えていることを特徴とする請求項11または12記載のMEMS装置。
- 請求項1乃至13のいずれかに記載のMEMS装置をRFスイッチまたは可変キャパシタとして備えたことを特徴とする携帯通信端末。
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