JP2008533690A - 柔軟かつ自由なスイッチ膜を持つｒｆｍｅｍｓスイッチ - Google Patents

Abstract

基板（１）により支持されかつ二つの位置：第一位置（オフ状態／図１）と第二位置（オン状態）の間で動作されることができるマイクロメカニカルスイッチ手段、及びスイッチ手段の位置を動作するための動作手段を含むＲＦ ＭＥＭＳスイッチ。マイクロメカニカルスイッチ手段は支持手段（３）により自由に支持される柔軟な膜（６）を含み、それは動作手段（７）の作用下に曲げられ、かつその曲げ運動時に支持手段（３）に対して自由にスライドすることができる。
【選択図】 図２

Description

本発明はマイクロエレクトロメカニカルシステムズ（ＭＥＭＳ）により実行される無線周波数（ＲＦ）スイッチの技術分野に関する。

マイクロエレクトロメカニカルシステムズ（ＭＥＭＳ）スイッチは現在、例えばフェーズドアレーアンテナ、位相移動器、切換可能同調要素等のような無線周波数（ＲＦ）通信システムで広く使用されている。

ＲＦ ＭＥＭＳスイッチは本質的に、ＲＦ伝送線路の短絡または開回路を達成するために電気的に動作される機械的運動を使用するミニチュア装置である。従って、ＲＦ ＭＥＭＳスイッチは本質的に二つの別個の手段を含む：
− マイクロメカニカル手段、それは一般的に“スイッチ手段”と呼ばれ、かつ二つの異なる位置：スイッチのオフ状態に相当するオフ位置、すなわち伝送線路が開かれ、ＲＦ信号を伝送するために使用されることができない状態、及びスイッチのオン状態に相当するオン位置、すなわち伝送線路が“閉じられ”、ＲＦ信号を伝送するために使用されることができる状態、に動かされることができる、
− 電気手段、それは一般的に“動作手段”と呼ばれる；前記電気動作手段は一般的に機械的スイッチ手段をそれらのオン位置及び／またはそれらのオフ位置に動かすために機械的スイッチ手段に付与される力を発生するために使用される。

ＭＥＭＳ ＲＦスイッチは、使用される電機動作手段、すなわち静電、電磁、圧電、または電熱動作手段に基づいて幾つかの種類に分類されることができる。静電動作は今日まで使用される一般的な技術である。なぜならばそれはより短い切換時間（典型的には２００μｓ未満）及び事実上ゼロ電力消費を達成することができるからである。更に、ＲＦ ＭＥＭＳスイッチ設計では、異なる動作技術が組合されることができる（例えば静電圧保持が熱動作と結合されることができる）。

ＭＥＭＳ ＲＦスイッチはまた、伝送線路を切換えるために使用される接点に基づいて二つの種類に分類されることができる。すなわち“金属と金属の接点スイッチ”または“容量性接点スイッチ”。いわゆる金属と金属の接点スイッチ（“オーム接点スイッチ”とも呼ばれる）は典型的にはＤＣから６０ＧＨｚまでの信号を切換えるために使用される。容量性スイッチは特に６ＧＨｚ−１２０ＧＨｚ間のＲＦ信号を切換えるために使用される。

今日まで、ＲＦ ＭＥＭＳスイッチはまた、それらのマイクロメカニカルスイッチ手段の構造に基づいて二つの主要な種類に分類されることができる。

第一の主要な種類はマイクロメカニカルスイッチ手段がスイッチの基板上に固定された柔軟な膜を含むＲＦ ＭＥＭＳスイッチを含む。第二の種類はマイクロメカニカルスイッチ手段がスイッチの基板上に自由に取付けられた応力の残留していない硬いビームを含むＲＦ ＭＥＭＳスイッチを含む。

柔軟な固定された膜を持つＲＥ ＭＥＭＳ
第一の形状では、柔軟な膜は基板上に両端で固定され、従って橋を形成している。スイッチ素子として柔軟な橋を使用するＭＥＭＳスイッチは例えば次の刊行物：米国特許出願２００４／００９１２０３号、米国特許６６２１３８７号、ヨーロッパ特許出願ＥＰ １３４３１８９、ＰＣＴ出願ＷＯ ２００４／０７６３４１に開示されている。

第二の形状では、柔軟な膜は基板上に一つの端部でのみ固定され、従って片持ばりを形成している。スイッチ素子として柔軟な片持ばりを使用するＭＥＭＳスイッチは例えば米国特許第５６３８９４６号に開示されている。

スイッチ素子として柔軟な固定された膜（橋または片持ばり）を持つＲＦ ＭＥＭＳスイッチの使用は主要な次の欠点を生む。これらのスイッチは温度変動及び基板の機械的及び／または熱的変形に非常に敏感である（第一の主要な欠点）。動作時に、動作手段により発生された力の下で固定されたスイッチ膜が変形されると、前記膜は高い機械的応力にさらされ、それは次いでＲＦ ＭＥＭＳスイッチの寿命を劇的に減らす（第二の主要な欠点）。

応力の残留していない硬いビームを持つＲＦ ＭＥＭＳスイッチ
応力の残留していない硬いビームを持つＲＦ ＭＥＭＳスイッチは例えばヨーロッパ特許出願ＥＰ １４８９６３９に開示されている。この刊行物では、スイッチ素子は基板に平行な面内でオン位置とオフ位置の両者間で自由に動くことができる硬いビームである。別の変形例では、硬いビームは基板に対して垂直な方向内でオン位置とオフ位置の両者間で自由に動くことができる浮動ビームであることができる。

この形式のスイッチは固定されたスイッチ膜を持つＲＦ ＭＥＭＳスイッチの前述の欠点を有利に克服する。代わりに、これらの応力の残留しない硬いスイッチビームを持つＲＦ ＭＥＭＳスイッチはより長い切換時間（すなわちスイッチビームをオン位置とオフ位置の間で動かすために必要な時間）を持つ。更に、それらは機械的衝撃または振動に対してより敏感である。

本発明の主要な目的はＲＦ ＭＥＭＳスイッチのための新規な構造を提案することである。

本発明の更なる目的は固定されたスイッチ膜を用いるＲＦ ＭＥＭＳスイッチの前述の欠点を克服する新規なＲＦ ＭＥＭＳスイッチを提案することである。

本発明の更なる目的は応力の残留しない硬いスイッチビームを持つ前述のＲＦ ＭＥＭＳスイッチと比べて短い切換時間を持つ新規なＲＦ ＭＥＭＳスイッチを提案することである。

本発明の更なる目的は応力の残留しない硬いスイッチビームを持つ前述のＲＦ ＭＥＭＳスイッチと比べて機械的衝撃または振動に対してあまり敏感でない新規なＲＦ ＭＥＭＳスイッチを提案することである。

少なくとも上記の主要な目的は請求項１のＲＦ ＭＥＭＳスイッチにより達成される。

本発明のＲＦ ＭＥＭＳスイッチは：
− 二つの位置：第一位置（オフ状態）と第二位置（オン状態）の間で動作されることができるマイクロメカニカルスイッチ手段、及び
− スイッチ手段の位置を動作するための動作手段、
を含む。

本発明の一つの主要な新規な特徴によれば、マイクロメカニカルスイッチ手段は支持手段により自由に支持されている柔軟な膜を含み、それは動作手段の作用下に曲げられ、その曲げ運動時に支持手段（３）に対して自由にスライドできる。

ここで（明細書及び特許請求の範囲で）使用される語“自由に支持されている”はスイッチ膜が膜のオフ位置とオン位置の間の切換運動時に支持手段に対して自由にスライドできることを意味する。

図面の簡略説明
本発明の他の特徴及び利点は非排他的かつ非制限的例としてかつ添付図面に関してなされる以下の詳細な説明を読めばより明らかとなるであろう。図面において：
− 図１は本発明の容量性ＲＦ ＭＥＭＳスイッチの断面図（図３の面Ｉ−Ｉ）であり、スイッチはオフ状態にある、
− 図２は図１のスイッチの断面図であり、スイッチはオン状態にある、
− 図３は図の容量性ＲＦ ＭＥＭＳスイッチの上面図であり、そして
− 図４は製造工程時でかつ最終解放段階直前のスイッチの断面図である。

図１から３は本発明の好適実施態様により作られた容量性ＲＦ ＭＥＭＳスイッチを示す。しかし明確化のために、本発明の範囲は容量性ＲＦ ＭＥＭＳスイッチに限定されず、オーム接点ＲＦ ＭＥＭＳスイッチも包含することが強調されなければならない。図１から３の容量性ＲＦ ＭＥＭＳスイッチは、詳述されようとしている新規な構造を持ち、それは通常の表面マイクロ機械加工技術を用いることにより製造されることができる。

図１を参照すると、ＲＦ ＭＥＭＳスイッチはスイッチの基板を形成するウェハー１（例えばケイ素から作られた）を含む。薄い誘電層２は前記ウェハー１の表面上に付着される。誘電層２上に、スイッチは：
− 図１の横断方向（図３参照−方向Ｙ）に延びる二つの間隔を置いて離れかつ平行な側方支持部材３、
− 側方支持部材３の主方向に実質的に平行な方向（すなわち図１の横断方向−図３参照）に延びる一つの中心支持部材４、前記中心支持部材４は二つの側方支持部材３の間に、好ましくは側方支持部材３間の中心に配置されている、
を含む。

側方支持部材３と対照的に、中心支持部材４の上面は薄い誘電体層５により覆われている。

二つの側方支持部材３と誘電体層２は共面導波管（ＣＰＷ）を形成し、二つの側方支持部材３は接地線路に相当する。中心支持部材４は共面導波管（ＣＰＷ）内のＲＦ電気信号の伝送のための信号線路を形成する。

側方及び中心支持部材３，４は例えば金のような金属から作られる。層２及び５のための誘電材料は非常に低い電気伝導度を持つ如何なる材料であることもでき、特に高分子であることができる。例えば誘電層２及び５は窒化ケイ素から作られる。

ＲＦ ＭＥＭＳスイッチは例えばアルミニウム、金、または他の伝導性合金のような金属から作られた薄い柔軟な膜６により構成される容量性スイッチ素子を更に含む。柔軟なスイッチ膜６は少なくとも側方支持部材３により自由に支持されている。

図３を参照すると、柔軟なスイッチ膜６は主要な中心部６ａとプレート６ｂの形の二つの対向する端部を持つ。図の特別な実施態様では、中心部６ａは長方形であり、かつ側方支持部材３の上を横方向（Ｘ）に延びる。プレート６ｂは支持部材３の縦方向（Ｙ）でとった寸法（Ｅ）を持ち、それは長方形部６ａの幅（ｅ）より大きい。柔軟な膜６の形は本発明に対しては重要ではない。

各支持部材３はその上部に通路３ｂを形成する橋部３ａを更に含み、この通路を通して膜の中心部６ａが自由に配置される。橋部３ａの組合せにおける膜のプレート６ｂは支持部材３上に膜を維持するための固定手段として使用されるが、スイッチの通常使用時の支持部材３に対して膜６が自由に動くのを妨げない。

ＲＦ ＭＥＭＳスイッチは、膜６を曲げるために使用されかつ二つの側方の埋蔵された電極７により形成される静電動作手段を更に含む。図１から３の好適実施態様では、埋蔵された電極は有利には共面導波管（ＣＰＷ）の外側のスイッチ膜６の二つのプレート６ｂの下に配置される。各電極の上面は膜プレート６ｂと電極７の間の如何なるオーム接点も避けるために誘電層８により覆われる。誘電層８は膜プレート６ｂと電極７の間のオーム接点を避けることができる如何なる他の均等な手段によっても置き換えられることができる。

オフ状態
図１はＲＦ ＭＥＭＳスイッチのオフ状態形状を示している。このオフ状態形状では電気動作信号は電極７上に付与されない。

オフ状態では、スイッチ膜６は静止しており、誘電層５と接触している。信号線路４は開いており、共面導波管（ＣＰＷ）内の如何なるＲＦ信号も伝送することができない。

好ましくは、膜６上に小さな静電力（Ｆ１）を働かせ、かつ膜６と誘電層５の間の完全な接触を維持するために、中心支持部材４上にＤＣ信号が付与される。前記オフ状態ＤＣ電圧は有利には非常に低くすることができる（低消費）。

このバイアスＤＣ信号はまた、膜が静止しているとき誘電層５と膜６の間に非常に小さい初期隙間があるような場合に有用である。かかる場合に、バイアスＤＣ信号の電圧は膜６の中心部上に膜の対向する静止力より高い接触力Ｆ１（図１）を働かせるために十分でなければならない。

オフ状態位置では、膜６は有利には、三つの支持部材３，４により安定位置に支持され、従って応力の残留しない硬いスイッチビームを使用するＲＦ ＭＥＭＳスイッチ（刊行物ＥＰ １４８９６３９）と比べて機械的振動または衝撃に対してあまり敏感ではない。

好ましくは、膜６がオフ状態位置にあるとき、プレート６ｂと側方支持部材３の橋部３ａの間になお小さな隙間がある［図３−寸法（ｄ）］。従って、支持部材３は膜６を垂直にのみ支持し（図１の方向Ｚ）、面（Ｘ，Ｙ）内の膜に如何なる機械的力も及ぼさない。従って、膜６がオフ状態位置にあるときに側方支持部材３により膜６内に誘発される機械的応力はない。

オン状態
図２はＲＦ ＭＥＭＳスイッチのオン状態形状を示している。このオン状態形状では、膜６は基板１から離れるように曲げられ、もはや誘電層５と接触しておらず；ＲＦ信号線路はＲＦ信号を伝送するために使用されることができる。

この曲げ状態では面の外方向の膜剛性は増加され、それは次いでスイッチ膜６の振動または衝撃に対する抵抗性を増大する。

オフ状態からオン状態へ
オン状態配置を達成するように、電極７と膜プレート６ｂの間に静電力（Ｆ２）を作るために、ＤＣ信号が電極７に付与される。側方支持部材３と組合せて前記静電力Ｆ２は、膜６の中心部６ａが誘電層５から離れるように動かされるように膜の曲がり（図２）を起こす（ＲＦ信号線路の閉鎖）。

膜６のこの切換運動時（及びオン状態からオフ状態への逆の切換運動時）に、膜６が前記支持部材３の通路３ｂ内で、支持部材３に対して完全に自由にスライドすることが強調されなければならない。

切換操作時の膜６のこの自由な運動のため、膜（橋または片持ばり）が支持構造上に留められている従来技術のＲＦスイッチと比べて、支持部材３により膜６内に誘発される機械的応力はあまりない。膜６の端部の周期的応力による機械的疲労及びクリープは避けられ、従って膜寿命は基板上に留められた膜を用いる従来技術のＲＦ ＭＥＭＳスイッチと比べて有利に増加される。

膜６が支持部材に対して自由に動くという事実のため、ＲＦ ＭＥＭＳスイッチが温度変動を受けるとき、スイッチ膜６の膨張及び弛緩は膜の追加的な曲がりを引き起こさない。従って、本発明のＲＦ ＭＥＭＳスイッチは基板上に留められた膜を用いる従来技術のＲＦ ＭＥＭＳスイッチと対照的に、有利なことに温度に左右されない。

更に、完全に自由な膜６の使用のため、この構造は基板（ウェハー）曲率に依存しない。特に、例えば熱的変動または他の機械的束縛下にまたは製作工程時に、切換操作を損なうことなく、基板１の小さな変形が起こりうる。従って、本発明のＲＦ ＭＥＭＳスイッチは基板上に留められた膜を用いる従来技術のＲＦ ＭＥＭＳスイッチと比べて、有利なことに基板変形にあまり敏感ではない。

一般的に、容量性ＲＦ ＭＥＭＳスイッチでは、誘電層の湿気または静電荷のため、スイッチ素子がオフ状態の誘電層に粘着することがしばしば起こる。本発明のスイッチに対しては、膜６をオン状態位置に向けて動かすための動作力（静電力Ｆ２）の使用のため、膜の誘電層５への粘着問題は解決される。

オン状態からオフ状態へ
電極７へのＤＣオン状態動作信号が予め決められたしきい値（プルアウト電圧）未満であるとき、静電動作力Ｆ２はもはや膜６の端部（プレート６ｂ）上に付与されず、膜６は図１のオフ状態位置に曲がって戻る。膜６のオン状態位置（図２）からオフ状態位置（図１）への動きは膜６の固有剛性のため、膜６の復元力により起こされる。

膜の固有剛性の使用のため、オン状態位置からオフ状態位置への動きは非常に速く、かつ高電気エネルギーを必要としない。従って、本発明のＲＦ ＭＥＭＳスイッチの切換時間（図１から３の特別な実施態様の場合のオン状態からオフ状態へ）は非常に短く、かつ応力の残留しない硬いスイッチビームを用いるＲＦ ＭＥＭＳスイッチ（刊行物ＥＰ １４８９６３９）と比べて電気エネルギーを必要としない。

図４／製造工程
図１から３のＲＦ ＭＥＭＳスイッチは通常の表面マイクロ機械加工技術（すなわちウェハー上への幾つかの層の付着及びパターン化による）を用いることにより製造されることができる。

図４は製作工程直後及び解放段階前のＲＦ ＭＥＭＳスイッチを示す。三つの犠牲層９，１０及び１１が使用されている。これらの犠牲層は如何なる材料（金属、高分子、誘電材料）からも作られることができる。

一つの第一犠牲層９は誘電層２上に膜６を付着するために使用される。最終解放段階でこの犠牲層９が除去されると、膜６の二つのプレート６ｂ及び側方支持部材３間に延びる膜６の部分が解放される。他の犠牲層１０及び１１は膜６を誘電層５から及び側方支持部材３（接地線路）から解放するために使用される。

製作工程時の膜６と誘電層５の間の距離（すなわち犠牲層１０の厚さ）は非常に短い。典型的には、この距離は０．１μｍ未満である。有利にはこれは膜６と誘電層５のためのプロファイルが同じであることを伴なう。オフ状態では膜６は静止し変形されず、膜６のプロファイルは誘電層５のプロファイルと同じであるので、そのとき完全な表面と表面の接触が膜６のオフ状態位置において膜と誘電層５の間に得られる。

本発明は、図１から３の好適実施態様に限定されず、むしろ基板上に支持部材等により自由に支持されかつ動作手段の作用下に曲げられることのできる柔軟なスイッチ膜を含む全てのＲＦ ＭＥＭＳスイッチに広げられることができる。

動作手段は、好ましくはしかし必然的ではないが、静電手段である。

本発明は非常に低い動作パラメーター、非常に速い切換及び改善されたＲＦ性能を持つ容量性ＲＦ ＭＥＭＳスイッチを作ることを可能とする。本発明は非常に高いＲＦ信号周波数で、特に２５ＧＨｚを越えるＲＦ周波数で使用されることができる容量性ＲＦ ＭＥＭＳスイッチを作るために特にかつ主として興味がある。

しかし、本発明は容量性ＲＦ ＭＥＭＳスイッチに限定されず、オーム接点ＲＦ ＭＥＭＳスイッチ（一般的に“金属と金属接点のＲＦ ＭＥＭＳスイッチ”とも呼ばれる）を作るために使用されることができる。本発明のオーム接点ＲＦ ＭＥＭＳスイッチにおいて、柔軟かつ自由に支持された膜６は側方支持部材３間に位置された一つの第一金属接点と例えば膜６と永久的に触れていることができる第二金属接点の間のオン状態位置の短絡回路を作るために設計されている。オフ状態位置では、膜はもはや前記第一金属接点と触れていない。

容量性ＲＦ ＭＥＭＳスイッチの場合、誘電層５は膜６によってかつ必然的に信号線路４によってではなく支持されることができる。これに代えて、誘電層は信号線路４と膜６の両者により支持されることができる。

図１から３の好適実施態様では、動作電極７は膜６の下に（すなわち誘電層２と膜６の間に）かつ側方支持部材３により形成された共面導波管（ＣＰＷ）の外側に配置される。電極のこの特別な位置は次の利点を含む。オン状態形状時には、有利なことに膜６の位置を動作するために使用される静電力（Ｆ２）と共面導波管内で伝送されるＲＦ信号の間の相互作用の危険がない。従って、電極７の表面は大きくすることができ、また電極７に付与される“オン状態電圧”は有利なことに非常に低くすることができる。しかし、電極７のこの特別な位置は本発明の好ましい特徴であるにすぎない。本発明の別の変更例では、ＲＦ ＭＥＭＳスイッチは例えば動作電極７が膜６の上に位置されるように設計されることができる。

本発明の容量性ＲＦ ＭＥＭＳスイッチの断面図（図３の面Ｉ−Ｉ）である。 図１のスイッチの断面図である。 図の容量性ＲＦ ＭＥＭＳスイッチの上面図である。 製造工程時でかつ最終解放段階直前のスイッチの断面図である。

Claims (11)

1. 二つの位置：第一位置（オフ状態）と第二位置（オン状態）の間で動作されることができるマイクロメカニカルスイッチ手段、及びスイッチ手段の位置を動作するための動作手段を含むＲＦ ＭＥＭＳスイッチにおいて、マイクロメカニカルスイッチ手段が支持手段（３）により自由に支持されている柔軟な膜（６）を含み、その柔軟な膜（６）が動作手段（７）の作用下に曲げられることができ、かつその曲げ運動時に支持手段（３）に対して自由にスライドできることを特徴とするＲＦ ＭＥＭＳスイッチ。
2. 柔軟な膜（６）が二つの第一及び第二位置のうちの一つで、好ましくはスイッチが開かれている第一位置（オフ状態）で、静止していることを特徴とする請求項１に記載のＲＦ ＭＥＭＳスイッチ。
3. 膜（６）をその静止位置に維持するための静電手段（４）を含むことを特徴とする請求項２に記載のＲＦ ＭＥＭＳスイッチ。
4. 膜（６）が容量性スイッチ素子を形成することを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載のＲＦ ＭＥＭＳスイッチ。
5. 第一誘電層（２）が、基板（１）の表面上に付着され、更に第一誘電層（２）と共に共面導波管を形成する二つの金属支持部材（３）を含み、膜（６）が前記二つの金属支持部材（３）により自由に支持されていることを特徴とする請求項４に記載の容量性ＲＦ ＭＥＭＳスイッチ。
6. 各支持部材（３）が通路（３ｂ）を含み、この通路を通してスイッチ膜（６）が自由に配置され、膜のスイッチ運動時に膜（６）が支持部材（３）に対して自由にスライドするのを妨げることなしに、膜（６）が膜（６）を支持部材（３）に固定するための二つの拡大寸法部（６ｂ）を両端部に含むことを特徴とする請求項５に記載の容量性ＲＦ ＭＥＭＳスイッチ。
7. 二つの金属支持部材（３）間に配置され、かつＲＦ信号のための信号線路として使用される第三の金属支持部材（４）を含み、更に少なくとも一つの第二誘電層（５）が膜（６）と第三の金属支持部材（４）の間に挿入されていることを特徴とする請求項５または６に記載の容量性ＲＦ ＭＥＭＳスイッチ。
8. 第二誘電層（５）が第三の金属支持部材（４）により支持されることを特徴とする請求項７に記載の容量性ＲＦ ＭＥＭＳスイッチ。
9. 膜（６）は膜（６）が静止しているときに第二誘電層（５）と接触していることを特徴とする請求項２または８に記載の容量性ＲＦ ＭＥＭＳスイッチ。
10. 動作手段が静電手段であることを特徴とする請求項１から９のいずれか一つに記載のＲＦ ＭＥＭＳスイッチ。
11. 動作手段が、膜を基板（１）から離れるように曲げるための二つの電極（７）を含む静電手段であり、二つの電極（７）が共面導波管の外側の基板（１）上に配置されていることを特徴とする請求項５から９のいずれか一つに記載の容量性ＲＦ ＭＥＭＳスイッチ。