JP2011034929A - Ｍｅｍｓスイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】低電圧で駆動することが可能なＭＥＭＳスイッチを提供することを目的とする。
【解決手段】アンカーと、固定電極と、信号線とが形成された基板と、アンカーに連接されたバネと、バネに連接された平行平板電極と、アンカーと平行平板電極との間で、バネに形成された接点と、平行平板電極に連接され、その端部が基板側に傾いた傾斜電極とを備え、平行平板電極及び傾斜電極と固定電極との間に電圧が印加されて、平行平板電極と傾斜電極とが基板側に向かう場合において、接点が信号線に接触することにより、電気的に接続される。
【選択図】 図３

Description

本発明は、静電気力を利用して駆動するＭＥＭＳスイッチに関する。

高周波信号をＯＮ／ＯＦＦする微細な電気機械部品として、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）スイッチが知られている。ＭＥＭＳスイッチは、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）やＰＩＮダイオード等の半導体スイッチと異なり、信号のＯＮ／ＯＦＦを金属接点の機械的接触により行う。このため、ＭＥＭＳスイッチでは、高周波領域を含む広い周波数帯域にわたって信号の挿入損失を抑えると共に、高い信号遮断性を得ることができる。

ＭＥＭＳスイッチでは、主に消費電力が小さいという利点から、静電気力を利用して接点の接触／非接触を制御する静電駆動型スイッチの開発例が多い。この機械的な接点の接触／非接触でスイッチのＯＮ／ＯＦＦを制御する場合には、ＯＮする時には接点を強い力で押し付けて接点抵抗を小さくし、ＯＦＦする時には強い力で押し付けられていた接点を引き剥がして信号が伝わらないようにする必要がある。これを静電気力で行う場合、静電気力が電圧の二乗に比例するため、駆動電圧として２０Ｖ以上を必要とするものが多く、携帯電話などの携帯機器で求められる３Ｖ以下でのスイッチ駆動を実現していない。

この駆動電圧を下げる方法としては、１）静電引力を発生させる電極面積を大きくする、２）静電引力を発生させる電極間距離を短くする、３）静電引力に対抗するスイッチの剛性を小さくする、などが考えられる。各々の方式には、それぞれ欠点が有り、電極面積を大きくする方法は、スイッチのサイズが大きくなり、サイズが小さいことも性能の一つとして要求される携帯機器への搭載では欠点となる。また、電極間距離を短くする方法は、電極間距離のばらつき影響の増大や生産での検査工程増などによるコスト増、使用時の振動などに対する信頼性の低下などの欠点が考えられる。バネの剛性を小さくした場合は、ＯＦＦ時に接点を確実に引き剥がす復元力の低下により信頼性の劣化が欠点として考えられる。このような欠点に対して、特許文献１と非特許文献１には、スイッチの接点の位置をアンカーと静電電極の間のバネに形成する方法が開示されている。この方法により、電極間ギャップが広く静電引力が小さい時にはスイッチの剛性を低い状態で駆動し、電極間ギャップが狭くなり接点が接触した時にはスイッチの剛性が高くなるようにして高い復元力を発生させている。

米国特許第７３２１２７５号

Nishijima, et al.，"A Low-Voltage High Contact Force RF-MEMS Switch"，IEEE MTT-S Digest(2004)，pp. 577-580

しかし、前述の非線形のバネ剛性を有するスイッチ構造を用いた場合でも低電圧と高信頼性を両立させることは難しい。例えば、めっきの金属薄膜やポリシリコンをスイッチの材料として用いた場合、構造材料の残留応力などによるスイッチのバネ定数や電極間距離のばらつきにより、信頼性を維持するために初期の電極間距離を確保する必要が有り、低電圧化には限界がある。

本発明は、前記課題に鑑みて成されたものであり、低電圧で駆動することが可能なＭＥＭＳスイッチを提供することを目的とする。

本発明は、前記目的を達成するために、アンカーと、固定電極と、信号線とが形成された基板と、前記アンカーに連接されたバネと、前記バネに連接された平行平板電極と、前記アンカーと前記平行平板電極との間で、前記バネに形成された接点と、前記平行平板電極に連接され、その端部が前記基板側に傾いた傾斜電極とを備え、前記平行平板電極及び前記傾斜電極と前記固定電極との間に電圧が印加されて、前記平行平板電極と前記傾斜電極とが前記基板側に向かう場合において、前記接点が前記信号線に接触することにより、電気的に接続される。

また、前記アンカー，前記バネ，前記平行平板電極及び前記傾斜電極は、一体構造で形成されるとともに、単結晶シリコンで形成される。

また、前記傾斜電極は、前記固定電極との距離がゼロから連続的に変化する構造である。

本発明によれば、低電圧で駆動することが可能なＭＥＭＳスイッチを提供することができる。

本発明のＭＥＭＳスイッチの上面を示す図である。 図１のＭＥＭＳスイッチの側面を示す図である。 図１のＭＥＭＳスイッチの動作を示す図である。 図１のＭＥＭＳスイッチの動作を示す図である。 従来のスイッチを示す図である。 本発明のＭＥＭＳスイッチと従来のスイッチとの電極移動距離の電圧依存性を示した曲線図である。 本発明のＭＥＭＳスイッチを用いたＳＰＤＴ（Single Pole Double Throw）スイッチの上面を示す図である。

（１）ＭＥＭＳスイッチの構成
図１は、本発明のＭＥＭＳスイッチの上面を示す図である。

基板９上に信号線５と、固定電極３と、バイアス電極８，アンカー７が形成されている。基板９は、ガラス基板，化合物半導体基板などの絶縁材料で形成されている。固定電極３には、０Ｖが印加され、グランドとして機能している。バイアス電極８には３Ｖが印加され、この電圧がＭＥＭＳスイッチのＯＮ／ＯＦＦを制御する。

信号線５は、所定の距離に設置された固定電極３と合わせて、高周波伝送信号線路として機能している。信号線５は、Ａｕ，Ｐｔ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｉｒなどの金属で形成されている。

信号線上に流れる入力高周波信号は、バネ６に設置されている接点４と信号線５との接触によりＭＥＭＳスイッチがＯＮ／ＯＦＦ動作で、出力高周波信号のＯＮ／ＯＦＦが制御される。

ＭＥＭＳスイッチの上部は、傾斜電極１上に形成されたアンカー７とバネ６と平行平板電極２と傾斜電極１が一体構造をなし、単結晶シリコンによって形成されている。

バネ６は、長さ３００μｍ，幅１０μｍ，厚さ１０μｍである。また、バネ６は、アンカー７に連接されている。平行平板電極２は、長さ３００μｍ，幅２００μｍ，厚さ１０μｍである。また、平行平板電極２は、バネ６に連接されている。傾斜電極１は、長さ５００μｍ，幅１００μｍ，厚さ１０μｍであり、その端部が基板９と接触している。

単結晶シリコンは、内部残留応力がないことから、バネ定数の増加や電極間距離が拡大の問題が起きない特徴を持つ。

ＭＥＭＳスイッチの接点４は、アンカー７と平行平板電極２間のバネ６の下部に形成されており、材質はＡｕ，Ｐｔ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｉｒなどの金属である。

傾斜電極１の役割は、低い電圧でも大きい静電引力を得ることで、傾斜電極１の配置には制限がない。図１には、二つの傾斜電極１が平行平板電極２に連接されて、アンカー７の方に端部が位置するように配置されている。この配置の他に傾斜電極１が平行平板電極２に連接され、その端部が平行平板電極２の両側に位置し、傾斜電極１がバネ６と垂直に位置する配置も可能である。また、傾斜電極１が平行平板電極２に連接され、傾斜電極１がバネ６と平行で、傾斜電極の端部がアンカー７と反対側に位置する配置することも可能である。

図２は、図１のＭＥＭＳスイッチの側面を示す図である。

図２（ａ）に、図１のＭＥＭＳスイッチのＯＦＦ状態での側面図を示す。

傾斜電極１は、平行平板電極２と連接されており、固定電極３との距離がゼロから電極間距離１０まで連続的に変化する構造となっている。

固定電極３は、最初Ａｕなどの金属に形成し、その金属の上に静電容量を大きくするため、誘電薄膜が形成されている。誘電薄膜は、材質がＳｉ₃Ｎ₄で、厚さが０.１μｍである。上部の平行平板電極２と固定電極３との電極間距離１０は、２μｍである。

バイアス電極８は、アンカー７と電気的に直接に連結されており、駆動電圧が印加されるとＭＥＭＳスイッチ上部の平行平板電極２と傾斜電極１に同電位の電位が印加されることになっている。

図２（ｂ）は、ＭＥＭＳスイッチのＯＦＦ状態での図１の断面Ａ−Ａ′を示す図である。

接点４は、アンカー７と平行平板電極２間のバネ６の下部に形成されている。基板９上の固定電極３と上部の電極との間に電圧が印加されて、平行平板電極２と傾斜電極１とが基板９側に運動するとき、接点４が信号線５に接触することにより、電気的に接続される。

（２）ＭＥＭＳスイッチの動作
図３は、図１におけるＭＥＭＳスイッチの動作を示す図である。

図３（ａ）は、ＭＥＭＳスイッチのＯＦＦ状態での側面図である。傾斜電極１は、平行平板電極２と連接されており、固定電極３との距離がゼロから電極間距離１０まで連続的に変化する構造となっている。静電引力が電極間距離の二乗に反比例して大きくなるため、電圧が印加された場合、傾斜電極１の端部には強い静電引力が発生する。

例えば、電極のサイズが長さ４００μｍ，幅４００μｍで、電極間距離が２μｍであって、固定電極３に０.１μｍのＳｉ₃Ｎ₄の誘電薄膜が形成された平行平板電極に３Ｖの電圧を印加したとき発生する静電引力は１.５μＮである。同一条件の傾斜電極の場合は、発生する静電引力は６.５μＮであって、同一面積の平行平板電極より傾斜電極の方が４倍の静電引力が発生する。この結果から、ＭＥＭＳスイッチに傾斜電極を採用した場合、低い電圧でも大きい静電引力を得ることができ、ＭＥＭＳスイッチの低電圧駆動が可能になる。

図３（ｂ）は、図１におけるＭＥＭＳスイッチの動作を示す図であり、動作を始めた時点での側面図である。駆動電圧が印加すると、強い静電引力が発生する傾斜電極１の端部から固定電極３と接触し始める。傾斜電極１と平行平板電極２とバネ６は連接されて、傾斜電極１が端部から接触し始めると、バネ６の変形により傾斜電極１の電極間距離１０も小さくなる。従って、傾斜電極１に上々に強い静電引力が発生し、傾斜電極１全体を固定電極３に近づけることになる。

図３（ｃ）は、図１におけるＭＥＭＳスイッチの動作を示す図であり、ＯＮ状態での側面図である。最大静電引力の発生による、傾斜電極１全体が固定電極３全体と接触している状態である。

図４は、図１におけるＭＥＭＳスイッチの動作を示す図である。

図４（ａ）は、図１のＭＥＭＳスイッチのＯＦＦ状態での断面Ａ−Ａ′を示す図である。ＭＥＭＳスイッチの接点４は、バネ６の下部に形成されており、信号線５と離れていて、ＭＥＭＳスイッチのＯＦＦ状態を示す。

図４（ｂ）は、図１のＭＥＭＳスイッチが動作を始めた時点での断面Ａ−Ａ′を示す図である。駆動電圧が印加すると、強い静電引力が発生する傾斜電極１の端部から固定電極３と接触し始める。傾斜電極１と平行平板電極２とバネ６は連接されて、傾斜電極１が端部から接触し始めると、バネ６の変形により連接された平行平板電極２と固定電極３との距離も狭くなる。従って、平行平板電極２にも上々に強い静電引力が発生し、平行平板電極２を固定電極３に近づけることになる。

図４（ｃ）は、図１のＭＥＭＳスイッチのＯＮ状態での断面Ａ−Ａ′を示す図である。最大静電引力の発生により、平行平板電極２全体が固定電極３全体と接触することで、バネ６が変形され、バネ６の下部に形成された接点４が信号線５と接触し、電気的に接続された状態である。

（３）傾斜電極の低電圧効果
図５に、従来のＭＥＭＳスイッチ２００を示す。従来のＭＥＭＳスイッチ２００は、本発明のＭＥＭＳスイッチ１００と比べると、傾斜電極１を備えていない構造になっている。特許文献１と非特許文献１のＭＥＭＳスイッチは、この構造となっている。従来のＭＥＭＳスイッチ２００の材質は、単結晶シリコンで形成されており、バネ６は、長さ３００μｍ，幅１０μｍ，厚さ１０μｍである。平行平板電極２は、長さ３００μｍ，幅４００μｍ，厚さ１０μｍである。従来のＭＥＭＳスイッチ２００と本発明のＭＥＭＳスイッチ１００の面積は同一であって、７００×４００μｍ²である。

図６に、本発明のＭＥＭＳスイッチ１００と、従来のＭＥＭＳスイッチ２００の、電極移動距離の電圧依存性を示した曲線図を示す。

両ＭＥＭＳスイッチの電極間距離１０を２μｍにし、ＭＥＭＳスイッチ上部の平行平板電極２の移動距離の比較を表している。ＭＥＭＳスイッチの材質は、単結晶シリコンで、ＭＥＭＳスイッチ全体のサイズは７００×４００μｍ²である。図５の従来のＭＥＭＳスイッチ構造では、駆動するのに６〜７Ｖが必要である。これに対して、本発明のＭＥＭＳスイッチ構造では、３Ｖで駆動することを確認した。同じ面積のＭＥＭＳスイッチを設計した場合、本発明の構造の傾斜電極１を採用することで、駆動電圧を１／２低減できることを確認した。

図７に、本発明の実施の形態におけるＭＥＭＳスイッチを用いたＳＰＤＴ（Single Pole Double Throw）スイッチを示す。このＭＥＭＳスイッチは、複数のスイッチを使い高周波信号の経路を切り替えるスイッチとして使用される。例えば、携帯電話のバンド切替スイッチ用としてはＳＰＤＴ（入力１，出力２）スイッチ，ＳＰ３Ｔ（入力１，出力３）スイッチ，ＳＰ６Ｔ（入力１，出力６）スイッチがある。

ＳＰＤＴスイッチは、高周波信号線５を分岐して、分岐した先にＭＥＭＳスイッチ１００Ａ，１００Ｂを設置することで、入力端子５１に印加された高周波信号を出力端子５２ａ又は出力端子５２ｂに切り替える機能を有する。

本発明のＭＥＭＳスイッチは、静電電極間の距離が狭いとき、大きい静電引力が発生する原理を利用する傾斜電極を用いることで、低駆動電圧でも、大きい静電引力を得ることができる。従って、スイッチの低電圧駆動が可能になる。また静電電極の寸法が小さくでき、スイッチサイズの小型化が可能になる。

１ 傾斜電極
２ 平行平板電極
３ 固定電極
４ 接点
５ 信号線
６ バネ
７ アンカー
８ バイアス電極
９ 基板
１０ 電極間距離
５１ 入力端子
５２ａ，５２ｂ 出力端子
１００ 本発明のＭＥＭＳスイッチ
２００ 従来構造のＭＥＭＳスイッチ

Claims (3)

1. アンカーと、固定電極と、信号線とが形成された基板と、
   前記アンカーに連接されたバネと、
   前記バネに連接された平行平板電極と、
   前記アンカーと前記平行平板電極との間で、前記バネに形成された接点と、
   前記平行平板電極に連接され、その端部が前記基板側に傾いた傾斜電極とを備え、
   前記平行平板電極及び前記傾斜電極と前記固定電極との間に電圧が印加されて、前記平行平板電極と前記傾斜電極とが前記基板側に向かう場合において、前記接点が前記信号線に接触することにより、電気的に接続されることを特徴とするＭＥＭＳスイッチ。
2. 前記アンカー，前記バネ，前記平行平板電極及び前記傾斜電極は、一体構造で形成されるとともに、単結晶シリコンで形成されたことを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳスイッチ。
3. 前記傾斜電極は、前記固定電極との距離がゼロから連続的に変化する構造であることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳスイッチ。

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