JP2011188182A - シャントスイッチ - Google Patents

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朗 秋葉
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Abstract

【課題】高信頼性を実現すると共にアイソレーションを向上させることの可能なシャントスイッチを提供する。
【解決手段】シャントスイッチ1は、伝送線路11の一部に対応する固定接点15aと、グランド線路17の一部に対応すると共に固定接点15aに対向配置され、かつ基板面に平行な方向に沿って変位して固定接点15aと接触または乖離可能な可動接点15bとを備える。固定接点15aおよび可動接点15bの各表面には、誘電体膜12,16が形成されている。固定接点15aと可動接点15bとが乖離した状態(開状態)では、伝送線路11において信号伝送が行われ、接触した状態(閉状態)では、伝送線路11が可動接点15bを経由してグランドに接地される。容量結合によるシャント回路が形成されると共に、可動接点15bの基板面に沿った変位によって接点接触がなされることにより、シャント回路への電気的干渉が抑制される。
【選択図】図1

Description

本発明は、例えばミリ波帯(周波数30〜300GHz)の伝送線路において好適に使用されるシャント型のスイッチに関する。
近年の集積化技術の向上に伴い、電子機器の小型・軽量化、低電圧動作・低消費電力化、高周波動作化が急速に進んでいる。特に、携帯電話などの移動通信端末装置の技術分野では、上記の要求が厳しい上に、高機能化も求められており、これらの対立する課題を解決する技術の一つとして、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems;マイクロマシン)が注目されている。このMEMSは、シリコンプロセス技術により、マイクロな機械的要素と電子回路要素とを融合したシステムである。MEMS技術は、その精密加工性などの優れた特徴から、高機能化に対応しつつ、小型で低価格なSoC(System on a Chip) を実現することができる。
移動通信端末装置の技術分野では、このMEMS技術を利用した様々な半導体素子が開発されているが、その1つに高周波信号を伝送する伝送線路の継断を機械的に行うための有接点スイッチがある。この有接点スイッチでは、閉状態の時に伝送線路を導通させるシリーズ型と、閉状態の時に伝送線路をグランドに接地するシャント型とに大別される。具体的には、シリーズ型の接点構造では、伝送線路を物理的に分断した状態で配置し、この分断された伝送線路に可動接点(可動電極)を接触させることで伝送線路を導通させ、スイッチを閉状態に制御する。
他方、シャント型の接点構造では、伝送線路は物理的に分断されておらず、何もしなければ(接点接触させなければ)スイッチは閉状態に制御される。この伝送線路に対し、グランドに接続された可動接点(シャント線路)を接触させることで、伝送線路をグランド電位に落とし込み、スイッチを開状態に制御する。これらのシリーズ型およびシャント型の周波数特性を比較すると、シリーズ型では伝送線路が物理的に分断された構造であるため、高周波ほどインサーションロスが生じる。インサーションロスの観点では、およそ10GHz以上の周波数において、シャント型が圧倒的に優位である。
シャント型の接点構造は、更に接点表面の材料によってDCコンタクト式と容量結合式に2分される。DCコンタクト式では、各接点の最表面に金属膜を形成し、金属同士を接触させる構造となっている(例えば、非特許文献1)。一方、容量結合式では、各接点の最表面に誘電薄膜を形成し、この誘電体膜を介した容量結合によってシャント回路を形成するようになっている。これらのうち、容量結合式のシャント型有接点スイッチ(以下、単にシャントスイッチという)は、接点部に非金属を用いているため、金属由来の不良モードが少なく、信頼性の高い接点構造を実現できる点で注目が高まっている。
Noriyo Nishijima、他2名(Mechanical Engineering Research Laboratory,Hitachi,Ltd.;Department of Electrical Engineering and Computer Science,The University of Michigan)「A Low-Voltage High Contact Force RF-MEMS Switch」
しかしながら、この容量結合式のシャントスイッチは、構造上、信号を通し易いため、シリーズ型に比べ、伝送線路と駆動部とのアイソレーションを確保することが難しい。ここで、高いアイソレーションを確保するためには、使用周波数における接点部からグランド電位までのインピーダンスを小さくする必要があるが、シャント回路において低インピーダンスを実現することは困難である。その理由は、第一に大きな容量結合の実現が困難であり、第二に低抵抗(あるいは低インダクタンス)の実現が困難であることが挙げられる。特に、ミリ波のような高い周波数では、極小さな容量結合を信号が抜けていくため、上記のようなアイソレーションを確保することが困難となっている。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、高信頼性を実現すると共にアイソレーションを向上させることの可能なシャントスイッチを提供することにある。
本発明のシャントスイッチは、基板上の伝送線路に設けられた第1接点と、グランドに接続されると共に第1接点に対向配置され、かつ基板面に平行な方向に沿って変位して第1接点と接触または乖離可能な第2接点とを備えている。第1接点および第2接点の一方または両方の表面には、誘電体膜が形成されている。
本発明のシャントスイッチでは、第1接点と第2接点とが乖離した状態(開状態)の時に、伝送線路において例えば高周波信号の伝送が行われる一方、第1接点および第2接点が接触した状態(閉状態)では、伝送線路が第2接点を経由してグランドに接地される。このとき、第1接点および第2接点の一方または両方の表面に誘電体膜を有することにより、容量結合によるシャント回路が形成される。また、これらの第1接点および第2接点の接触が、第2接点の基板面に平行な方向に沿った変位、いわゆるラテラル動作によってなされることにより、シャント回路への電気的干渉が抑制される。
本発明のシャントスイッチによれば、第1接点および第2接点の一方または両方の表面に誘電体膜を設け、容量結合によってシャント回路を形成するので、シリーズ型と異なり、金属同士の接触による不良(粘着、溶着、ロッキング等)を防ぎ、長寿命化できる。また、第2接点を基板面に沿って変位させ、即ち第2接点のラテラル動作により接点接触を行うので、シャント回路における抵抗およびインダクタンスを低減することができる。よって、高信頼性を実現すると共に、アイソレーションを向上させることが可能となる。これにより、特にミリ波帯の高周波伝送において周波数特性を向上させることができる。
本発明の第1の実施形態に係るシャントスイッチの概略構成を表す平面図および断面図である。 図1に示したプッシュロッドおよび梁の連結構造の一例を表す模式図である。 図1に示したシャントスイッチの製造方法を工程順に表す平面図および断面図である。 図3に続く工程を表す平面図および断面図である。 図4に続く工程を表す平面図および断面図である。 図5に続く工程を表す平面図および断面図である。 図6に続く工程を表す平面図および断面図である。 図7に続く工程を表す平面図および断面図である。 図1に示したシャントスイッチの接点部付近の概略構成(オン状態)を表す平面図および断面図である。 図1に示したシャントスイッチの接点部付近の概略構成(オフ状態)を表す平面図および断面図である。 周波数特性(インサーション)についてのシミュレーション結果である。 周波数特性(アイソレーション)についてのシミュレーション結果である。 変形例1に係るシャントスイッチの接点部付近の概略構成(オン状態)を表す平面図および断面図である。 変形例1に係るシャントスイッチの接点部付近の概略構成(オフ状態)を表す平面図および断面図である。 変形例2に係るシャントスイッチの接点部付近の概略構成(オン状態)を表す平面図および断面図である。 変形例2に係るシャントスイッチの接点部付近の概略構成(オフ状態)を表す平面図および断面図である。 変形例3に係るシャントスイッチの接点部付近の概略構成を表す平面図である。 比較例に係るシャントスイッチの接点部付近の概略構成を表す平面図である。 変形例4に係るシャントスイッチの接点部付近の概略構成を表す平面図である。 本発明の第2の実施形態に係るシャントスイッチの接点部付近の概略構成(オン状態)を表す平面図および断面図である。 図20に示したシャントスイッチの接点部付近の概略構成(オフ状態)を表す平面図および断面図である。 本発明の第3の実施形態に係るシャントスイッチの接点部付近の概略構成(オン状態)を表す平面図および断面図である。 図22に示したシャントスイッチの接点部付近の概略構成(オフ状態)を表す平面図および断面図である。 シャントスイッチの適用例に係る電子機器の機能ブロック図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。尚、説明は以下の順序で行う。

1.第1の実施の形態(伝送線路をコプレーナストリップラインとし、固定接点および可動接点の両方に誘電体膜を設けた例)
2.変形例1(固定接点のみに誘電体膜を設けた例)
3.変形例2(可動接点のみに誘電体膜を設けた例)
4.変形例3(基板のキャビティ壁面に凹みを設けた例)
5.変形例4(プッシュロッドの連結部分の幅を接点幅と略同一にした例)
6.第2の実施の形態(伝送線路をマイクロストリップラインとした例)
7.第3の実施の形態(伝送線路をコプレーナウェーブガイドとした例)
8.適用例
<第1の実施の形態>
[シャントスイッチ1の構成]
図1は、本発明の一実施の形態に係るシャントスイッチ(シャントスイッチ1)の概略構成を表したものであり、図1(A)は平面図、図1(B)は図1(A)のI−I線における矢視断面図である。シャントスイッチ1は、いわゆる容量結合式のシャント型有接点スイッチであり、例えば高周波信号を伝送するための伝送線路(伝送線路11)の継断を機械的に行う微小構造物(マイクロマシン)である。
このシャントスイッチ1は、伝送線路11をグランド線路17へ電気的に結合させるための接点部10Aを備え、この接点部10Aは、駆動部20により機械的に駆動される。これらの接点部10Aおよび駆動部20は、プッシュロッド13(可動部材)によって互いに連結されている。伝送線路11およびグランド線路17の大部分は、基板21上に配置され、接点部10A、プッシュロッド13および駆動部20は、基板21に形成されたキャビティ21a(凹部)内に収容されている。
基板21としては、例えば、シリコン(Si)、シリコン・カーバイト(SiC)、シリコン・ゲルマニウム(SiGe)およびシリコン・ゲルマニウム・カーボン(SiGeC)などのSi系半導体よりなる基板が挙げられる。基板21としては、また、ガラス、樹脂およびプラスチックなどの非Si系基板を用いてもよい。この基板21の表面は、図1(B)に示したように、絶縁膜22によって被覆されており、この絶縁膜22上に伝送線路11およびグランド線路17が互いに離間して配置されている。絶縁膜22は、例えば酸化ケイ素(SiO2)、窒化ケイ素(SiN)またはSiN膜とSiO2膜との積層膜
などよりなる。
キャビティ21aは、基板21に垂直な壁面21bを有しており、詳細は後述するが、基板21に例えばリソグラフィとドライエッチングを施すことにより形成することができる。また、このエッチングと同時に、プッシュロッド13および後述の梁14を形成する(取り出す)ことができる。
プッシュロッド13は、基板21面に平行な動作軸Zに沿って摺動可能となっており、その動作軸Zに沿って延在する棒状部材である。このプッシュロッド13の接点部10A側の端部には、動作軸Zに直交する方向に延在する梁14が連結されている。梁14は、キャビティ21の壁面21bに対向して配置されると共に、その両端が基板21に固定されている。ここでは、梁14は、リソグラフィ技術を用いた3次元加工により基板21と一体的に形成されている。このような構造により、プッシュロッド13が、伝送線路11側へ梁14を押し出すことができるようになっている。
これらのプッシュロッド13および梁14の構造としては、例えば図2に示したような連結構造が挙げられる。即ち、プッシュロッド13と梁14とを、例えば複数の補助梁130を組み合わせたようなラダー構造とし、プッシュロッド13からの動力が、連結部分130aの幅S1の範囲に渡って梁14へ伝達されるようになっている。また、このようなラダー構造により、プッシュロッド13および連結部分130aの質量を軽減することができ、プッシュロッド13の動作速度(摺動速度)を速めることができる。
伝送線路11は、一端に入力ポートVin、他端に出力ポートVoutをそれぞれ有し、これらの入力ポートVinおよび出力ポートVoutの間で信号、例えばミリ波の高周波信号を伝送する線路である。この伝送線路11は、例えば基板21の側から順にチタン(Ti)および金(Au)を有する積層膜よりなる。
本実施の形態では、この伝送線路11は、いわゆるコプレーナストリップラインとして機能し、信号の伝送方向(入力ポートVinから出力ポートVoutに向かう方向)が、後述の可動接点15bの変位方向(プッシュロッド13の動作軸Z方向)と直交している。また、伝送線路11は、平面形状が矩形状であり(信号伝送方向に延在しており)、その矩形状における長辺側の一部がキャビティ21aの内部まで延設されている。即ち、伝送線路11は、基板21の上面からキャビティ21aの壁面21bにかけて延在して設けられている。その壁面21bに形成された部分が、接点部10Aにおける固定接点15a(第1接点)となっている。
グランド線路17は、グランド電位に設定されており、基板21上に、例えば伝送線路11と離隔して、かつ伝送線路11の矩形状の三辺(キャビティ21aに対向していない3辺)を囲むように設けられ、例えば伝送線路と同様の金属積層膜によりなる。更に、このグランド線路17は、梁14の上面および側面14a(壁面21aに対向する面)にかけて延設されている。その梁14の側面に形成された部分が、接点部10Aにおける可動接点15b(第2接点)となっている。
駆動部20は、基板21をMEMS技術を用いて3次元加工することにより形成されたMEMSアクチュエータ(ここでは、静電MEMSアクチュエータ)を含んでいる。この静電MEMSアクチュエータは、プッシュロッド13に連結された櫛歯電極24Aと、基板21に固定された櫛歯電極24Bとが噛み合わせられて配置されたものである。櫛歯電極24Aおよび櫛歯電極24Bはそれぞれ、櫛歯状の電極であり、互いに噛み合わせられて配置されている。詳細は後述するが、それらの櫛歯電極24A,24B間に生じる電磁力によって櫛歯電極24Aを動作軸Zに沿って摺動し、この櫛歯電極24Aの動作に連動してプッシュロッド12が摺動する仕組みである。
本実施の形態では、接点部10Aにおいて、グランド線路17の一部に対応する可動接点15bが、プッシュロッド13の摺動動作および梁14の変形により、基板21面に平行な方向に沿って変位するようになっている。このような可動接点15bの変位動作、いわゆるラテラル動作により、伝送線路11の一部に対応する固定接点15aとの接触または乖離がなされる。固定接点15aの表面には、伝送線路11の壁面21bに対応する領域を覆うように誘電体膜12が形成されている。可動接点15bの表面には、グランド線路17の側面14aに対応する領域を覆うように、かつ誘電体膜12に対向して誘電体膜16が形成されている。接点接触の際には、それらの誘電体膜12,16同士が接触するようになっている。
誘電体膜12,16としては、例えば厚みが100nm〜300nmの窒化シリコン(SiN)膜等が挙げられるが、このSiNよりも誘電率の高い次のような材料が用いられることが望ましい。即ち、例えばHfSiO(ハフニウムシリケート)、Nを添加したHfSiOおよびHfAlON(窒素添加ハフニウムアルミネート)、HfO2およびY23等のhigh-k(高誘電率ゲート絶縁膜)材料が挙げられる。このような高誘電率の材料を用いることにより、アイソレーション向上に有利となる。
[シャントスイッチ1の製造方法]
上記のようなシャントスイッチ1は、例えば、次のようにして製造することができる。図3〜図8は、シャントスイッチ1の主要部の製造方法を工程順に表したものである。
まず、図3(A)に示したように、上述した材料、例えばシリコンよりなる基板21上に、キャビティ21aの形成領域に開口を有するマスク121(ハードマスク)を形成する。但し、基板21には、図3(B)に示したように、所定の領域、具体的には、キャビティ21aの底部となる領域に渡って、犠牲層120を形成しておく。この犠牲層120は、例えば二酸化シリコン(SiO2)よりなり、後述のエッチング工程において除去される層である。また、基板21の表面には、マスク121の形成前に、リソグラフィ技術を用いた3次元加工により、入力ポートVinおよび出力ポートVoutとしてビアを形成しておく(図3には図示せず)。尚、図3において、(A)は平面構造、(B)は(A)に示したIA−IA線における矢視断面構造を示し、以下の図4〜図8についても同様である。
次いで、図4(A),(B)に示したように、例えばRIE(Reactive Ion Etching;反応性イオンエッチング)により、基板21を犠牲層120の表面まで垂直に加工(シリコン深堀)する。
続いて、図5(A),(B)に示したように、エッチングを等方性に切り換え、犠牲層120を除去する。これにより、キャビティ21aの底部に対応する部分がくり抜かれ、それと同時にプッシュロッド13および梁14を形成することができる。尚、図示は省略しているが、駆動部20の櫛歯電極24A,24Bの基材となる部分についても、同時に形成することができる。
次いで、図6(A),(B)に示したように、キャビティ21aが形成された基板21の表面に絶縁膜22を、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition;化学気相成長)法またはPVD(Physical Vapor Deposition;物理蒸着)法により成膜する。
続いて、図7(A),(B)に示したように、基板21上の所定の領域からキャビティ21aの壁面21bにかけて伝送線路11を形成する。また、基板21上の伝送線路11を囲む領域、梁14の上面および側面14a(壁面21bとの対向面)には、グランド線路17を形成する。具体的には、図7(C)に示したように、基板21上に、所定の領域に開口を有するマスク122(ハードマスク)を配置した後、マスク122の上から例えばチタンおよび金よりなる積層膜を、例えばスパッタにより成膜する。この後、マスク122を除去することにより、上記のような所定の領域に伝送線路11およびグランド線路17を形成する。
尚、図示しない駆動部20の櫛歯電極24A,24Bについても、伝送線路11およびグランド線路17と同時に形成することができる。但し、プッシュロッド13の駆動部20と梁14との間の領域では、絶縁膜22を露出させ、駆動部20と接点部10Aとが電気的に絶縁されるようにする。
次いで、図8(A),(B)に示したように、伝送線路11の壁面21bに対応する領域(固定接点15a)に誘電体膜12を、グランド線路17の側面14aに対応する領域(可動接点15b)に誘電体膜16をそれぞれ成膜する。具体的には、図8(C)に示したように、伝送線路11およびグランド線路17の上に、キャビティ21aの壁面21bおよび梁14の側面14aに対応する部分にのみ開口を有するマスク123を形成する。その後、マスク123を除去することにより、上記のような所定の領域に誘電体膜12,16を形成する。以上により、図1に示したシャントスイッチ1が完成する。
[シャントスイッチ1の作用・効果]
本実施の形態では、開動作(オン状態)時において、閉動作(オフ状態)の指令を受けると、駆動部20の櫛歯電極24A,24B間に所定の電圧が印加され、これらの電極間に電磁力が発生する。その結果、櫛歯電極24Aが櫛歯電極24Bに近接し、それに伴ってプッシュロッド13が伝送線路11側に動作軸Zに沿って水平に摺動する。これにより、図10(A),(B)に示したように、梁14が伝送線路11側へ撓み(変形し)、誘電体膜12と誘電体膜16とが接触する。即ち、接点部10Aにおいて、伝送線路11が誘電体膜12,16を介してグランド線路17に容量結合により接続され、シャント回路が形成される(オフ状態)。
一方、閉動作時において、開動作の指令を受けると、櫛歯電極24A,24B間の電磁力が解除され、それに伴いプッシュロッド13および梁14が、図9(A),(B)に示した位置に復帰する。これにより、誘電体膜12,16が乖離し、伝送線路11とグランド線路17との接続が解除され、伝送線路11において例えば高周波信号の伝送が行われる(オン状態)。
このように、本実施の形態では、プッシュロッド13の摺動動作およびこれに伴う梁14の変形により、可動接点15bの動作軸Zに平行な方向に沿って変位し(ラテラル動作)、固定接点15aとの接触または乖離がなされる。即ち、駆動回路20からの駆動力は、プッシュロッド13において機械運動に変換され、この機械運動がプッシュロッド13および梁14を通じて可動接点15bに伝達される。つまり、接点部10Aと駆動部20とを機械的に連結すればよいので、これらを電気的に絶縁した状態で配置することが可能となる。よって、シャント回路では、駆動部20側からの電気的な干渉を受けずに済み、抵抗およびインダクタンスが低減する(インピーダンスが低減する)。
また、伝送線路11がコプレーナストリップラインとして機能し、信号伝送方向と、可動接点15bの変位方向(プッシュロッド13の動作軸Z)とが互いに直交するような配置構造となっている。これにより、伝送線路11の延在方向に沿って接点部10Aを配置することができるため、固定接点15aおよび可動接点15bの形成面積を大きく(長く)確保することができる。よって、固定接点15aおよび可動接点15b間の接触面積を確保し易くなる。即ち、誘電体膜12,16がより広い面積で接触することから、十分に大きな結合容量が得られ、アイソレーションの確保に有利となる。
更に、梁14の両端が基板21に固定されていることにより、閉動作時(オフ状態)には、上記のようなプッシュロッド13の摺動動作に伴う梁14の変形動作が安定する。これにより、開閉動作の繰り返しによっても、再現性良く十分な接触面積が確保される。一方、開動作時(オン状態)には、伝送線路11の信号電力によって静電引力が生じるが、このような引力に対しての耐性が高まり、信号歪みが軽減される。
以上のように、本実施の形態では、固定接点15aおよび可動接点15bの各表面に誘電体膜12,16を有することにより、閉状態では、伝送線路11を誘電体膜12,16を介してグランド線路17に接地させ、容量結合によるシャント回路を形成できる。これにより、金属接点同士を接触させるシリーズ型と異なり、金属由来の不良モード(粘着、溶着、ロッキング等)の発生を防ぎ、長寿命となる。また、これらの接点接触を、可動接点15bのラテラル動作によって行うことで、伝送線路11の継断を機械的に切り換えることができ、シャント回路への電気的干渉を抑制できる。よって、高信頼性を実現すると共に、アイソレーションを向上させることが可能となる。特に、ミリ波帯の高周波伝送における周波数特性を向上させることができる。
図11および図12は、このシャントスイッチ1の周波数特性(インサーション、アイソレーション)について、SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)により計算した結果を表したものである。尚、比較のためにDCシリーズ型の接点構造についての結果も示す。DCシリーズ構造では、伝送線路が分断されており、その分断された線路の双方に固定接点が配置されると共に、これらの固定接点に対向するように可動接点が設けられている。また、各接点の最表面は金属膜となっており、これらの接点同士の接触によって伝送線路の継断がなされる。具体的には、固定接点および可動接点が接触することで伝送線路が継続される一方、それらが乖離すると伝送線路が断絶される仕組みとなっている。
図11に示したように、このシャントスイッチ1では、60GHzにおいて良好なインサーションロス(0.3dB以下)を示し、DCシリーズ構造に比較して、インサーションロスの観点において非常に有利な構造であることがわかる。一方、アイソレーションについては、シャント型ではシリーズ型に比べ、その確保が難しいことを既に述べたが、図12に示したように、60GHzでは、シリーズ型と同等の24dBを示し、実用上問題のないレベルに達していることがわかる。即ち、本実施の形態のシャントスイッチ1では、容量結合型のシャント接点構造において、アイソレーションが向上していることがわかる。
以下,変形例および他の実施の形態を説明する。尚、第1の実施の形態と同一の構成要素については同一符号を付してその説明を適宜省略する。
<変形例1>
図13および図14は、変形例1に係るシャントスイッチにおける接点部(接点部10B)付近の概略構成を表したものであり、図13はオン状態、図14はオフ状態をそれぞれ示す。また、各図において、(A)は平面構成、(B)は(A)のIIA−IIA線における矢視断面構成を表している。変形例1のシャントスイッチは、上記第1の実施の形態と同様、コプレーナストリップラインとしての伝送線路11の継断を行う有接点スイッチであり、接点部10Bがプッシュロッド13によって駆動部20に連結されたものである。また、閉動作時には、誘電体膜を介した接点接触によって容量結合によるシャント回路を形成するようになっている。
但し、本変形例では、伝送線路11側の固定接点15aの表面には誘電体膜12が形成されているが、グランド線路17側の可動接点15bの表面には誘電体膜が形成されておらず、露出している。このように誘電体膜12は、固定接点15aの表面にのみ形成してもよい。
本変形例においても、上記第1の実施の形態と同様、開動作時において、プッシュロッド13が伝送線路11側に向けて動作軸Zに沿って摺動すると、梁14が伝送線路11側へ撓む。これにより、グランド線路17の側面14aに対応する領域(可動接点15b)が、誘電体膜12に接触する(図14(A),(B))。即ち、接点部10Bにおいて、伝送線路11が誘電体膜12を介してグランド線路17に容量結合により接続され、シャント回路が形成される。一方、閉動作時において、プッシュロッド13および梁14が、図13(A),(B)に示した位置に復帰すると、可動接点15bは誘電体膜12から乖離し、伝送線路11とグランド線路17との接続が解除される。
このように、本変形例においても、容量結合によりシャント回路を形成すると共に、接点接触が機械的になされることから、シャント回路では、駆動部側からの電気的な干渉を受けず、抵抗およびインダクタンスが低減する。よって、上記第1の実施の形態と同等の効果を得ることができる。また、固定接点15aの表面にのみ誘電体膜12を形成すればよいため、上記第1の実施の形態に比べプロセスが容易となる。更に、固定接点15aおよび可動接点15bの両側に誘電体膜を設ける場合に比べ、誘電体膜厚を薄くすることができるので、大きな容量結合を得易くなる。
<変形例2>
図15および図16は、変形例2に係るシャントスイッチにおける接点部(接点部10C)付近の概略構成を表したものであり、図15はオン状態、図16はオフ状態をそれぞれ示す。また、各図において、(A)は平面構成、(B)は(A)のIIB−IIB線における矢視断面構成を表している。変形例2のシャントスイッチは、上記第1の実施の形態と同様、コプレーナストリップラインとしての伝送線路11の継断を行う有接点スイッチであり、接点部10Cがプッシュロッド13によって駆動部20に連結されたものである。また、閉動作時には、誘電体膜を介した接点接触によって容量結合によるシャント回路を形成するようになっている。
但し、本変形例では、伝送線路11側の固定接点15aの表面には誘電体膜が形成されておらず露出しているが、グランド線路17側の可動接点15bの表面には誘電体膜16が形成されている。このように、誘電体膜16は、可動接点15bの表面にのみ形成してもよい。
本変形例においても、上記第1の実施の形態と同様、開動作時において、プッシュロッド13が伝送線路11側に向けて動作軸Zに沿って摺動すると、梁14が伝送線路11側へ撓む。これにより、可動接点15bの表面に形成された誘電体膜16が、伝送線路11の壁面21bに対応する領域(固定接点15a)に接触する(図16(A),(B))。即ち、接点部10Cにおいて、伝送線路11が誘電体膜16を介してグランド線路17に容量結合により接続され、シャント回路が形成される。一方、閉動作時において、プッシュロッド13および梁14が、図15(A),(B)に示した位置に復帰すると、誘電体膜16は固定接点15aから乖離し、伝送線路11とグランド線路17との接続が解除される。
このように、本変形例においても、容量結合によりシャント回路を形成すると共に、接点接触が機械的になされることから、シャント回路では、駆動部側からの電気的な干渉を受けず、抵抗およびインダクタンスが低減する。よって、上記第1の実施の形態と同等の効果を得ることができる。また、可動接点15bの表面にのみ誘電体膜16を形成すればよいため、上記変形例1と同様の理由から、プロセスが容易となると共に、大きな容量結合を得易くなる。
尚、上記変形例1,2では、固定接点15aおよび可動接点15bのどちらか一方にのみ誘電体膜を設けた例を挙げたが、誘電体膜は変形や変位によって剥がれ等を生じ易いため、そのような機械的ストレスを伴わない固定接点15a側に形成することが望ましい。
<変形例3>
図17は、変形例3に係るシャントスイッチにおける接点部(接点部10D)付近の概略構成を表したものであり、(A)はオン状態、(B)はオフ状態をそれぞれ示す。変形例3のシャントスイッチは、上記第1の実施の形態と同様、コプレーナストリップラインとしての伝送線路11の継断を行う有接点スイッチであり、接点部10Dがプッシュロッド13によって駆動部20に連結されたものである。また、閉動作時には、誘電体膜を介した接点接触によって容量結合によるシャント回路を形成するようになっている。
但し、本変形例では、プッシュロッド13と梁14との連結部分130bの幅S1が、固定接点15aおよび可動接点15bの幅(誘電体膜12,16の幅)S2に比べ、小さくなっている。このような構成において、キャビティ21aの伝送線路11側の壁面21bに凹み21b1が形成されており、この壁面21bの凹み21b1の面形状に倣って伝送線路11(固定接点15a)および誘電体膜12が形成されている。凹み21b1の深さは、例えば、連結部分130bに対応する中央付近おいて大きく、端部側において小さくなっている。尚、このような凹み21b1は、例えばキャビティ21aを形成した後、壁面21aを、円形の開口を有するマスクを用いたフォトリソグラフィによって形成可能である。
本変形例においても、上記第1の実施の形態と同様、開動作時において、プッシュロッド13が伝送線路11側に向けて動作軸Zに沿って摺動すると、梁14が伝送線路11側へ撓む。これにより、可動接点15bの表面に形成された誘電体膜16が、誘電体膜12に接触する(図17(B))。即ち、接点部10Dにおいて、伝送線路11が誘電体膜12,16を介してグランド線路17に容量結合により接続され、シャント回路が形成される。一方、閉動作時において、プッシュロッド13および梁14が、図17(A)に示した位置に復帰すると、誘電体膜12,16は乖離し、伝送線路11とグランド線路17との接続が解除される。このように、本変形例においても、容量結合によりシャント回路を形成すると共に、接点接触が機械的になされることから、シャント回路では、駆動部側からの電気的な干渉を受けず、抵抗およびインダクタンスが低減する。よって、上記第1の実施の形態と同等の効果を得ることができる。
ここで、図18(A),(B)に比較例に係る接点構造について示す。この比較例では、連結部分130bの幅S1が、誘電体膜12,16の幅S2に比べ小さくなっている構造において、キャビティ21aの壁面21bは平坦な面となっている。誘電体膜12は、その平坦な面に沿って形成されている。比較例において、プッシュロッド13が梁14を伝送線路11側に押されると、梁14は、連結部分130bが設けられた中央部において端部よりも強く押し出されるため、湾曲したような形状に変形する。誘電体膜16は、その梁14の湾曲形状に倣って変形しつつ、誘電体膜12側へ移動する。そのため、誘電体膜12,16は、連結部分130bに対応する中央付近では接触(密着)するが、端部付近では隙間Xが生じて密着せず、十分な容量結合が得られない場合が生じる。
これに対し、本変形例では、キャビティ21aの壁面21bに凹み21b1が設けられ、誘電体膜12がその面形状に倣って形成されていることで、上記のように誘電体膜16が湾曲した状態で接近する場合であっても、誘電体膜12,16は隙間なく密着する。詳細には、例えば湾曲した状態で誘電体膜16が押し出されると、誘電体膜12,16は、まずその端部側からに徐々に接触していき、最後に中央部において接触する。これにより、例えば連結部分130bの幅S1を拡大しなくとも、十分な接触面積を確保することができ、大きな容量結合を得ることができる。よって、プッシュロッド13と梁14との連結部分130bの構成を簡易化することができ、プロセスが容易となる。また、連結部分130bの質量を軽減することができるため、プッシュロッド13の動作速度を速めることが可能となる。
<変形例4>
図19は、変形例4に係るシャントスイッチにおける接点部(接点部10E)付近の概略構成を表したものであり、(A)はオン状態、(B)はオフ状態をそれぞれ示す。変形例3のシャントスイッチは、上記第1の実施の形態と同様、コプレーナストリップラインとしての伝送線路11の継断を行う有接点スイッチであり、接点部10Eがプッシュロッド13によって駆動部20に連結されたものである。また、閉動作時には、誘電体膜を介した接点接触によって容量結合によるシャント回路を形成するようになっている。
但し、本変形例では、プッシュロッド13と梁14との連結部分130bの幅S1が、固定接点15aおよび可動接点15bの幅(誘電体膜12,16の幅)S2と略等しくなっている。
本変形例においても、上記第1の実施の形態と同様、開動作時において、プッシュロッド13が伝送線路11側に向けて動作軸Zに沿って摺動すると、梁14が伝送線路11側へ撓む。これにより、可動接点15bの表面に形成された誘電体膜16が、誘電体膜12に接触する(図19(B))。即ち、接点部10Eにおいて、伝送線路11が誘電体膜12,16を介してグランド線路17に容量結合により接続され、シャント回路が形成される。一方、閉動作時において、プッシュロッド13および梁14が、図19(A)に示した位置に復帰すると、誘電体膜12,16は乖離し、伝送線路11とグランド線路17との接続が解除される。このように、本変形例においても、容量結合によりシャント回路を形成すると共に、接点接触が機械的になされることから、シャント回路では、駆動部側からの電気的な干渉を受けず、抵抗およびインダクタンスが低減する。よって、上記第1の実施の形態と同等の効果を得ることができる。
また、プッシュロッド13と梁14との連結部分130bの幅S1が、固定接点15aおよび可動接点15bの幅S2と略等しいことにより、閉動作時には、誘電体膜12,16同士を中央部から端部にかけて隙間なく密着させることができる。よって、十分な接触面積を確保することができ、大きな容量結合を得ることができる。
<第2の実施の形態>
図20および図21は、本発明の第2の実施の形態に係るシャントスイッチにおける接点部(接点部10F)付近の概略構成を表したものであり、図20はオン状態、図21はオフ状態をそれぞれ示す。また、各図において、(A)は平面構成、(B)は(A)のIIC−IIC線における矢視断面構成を表している。本実施の形態のシャントスイッチは、上記第1の実施の形態と同様、伝送線路23の継断を行う有接点スイッチであり、接点部10Fがプッシュロッド13によって駆動部20に連結されたものである。また、閉動作時には、誘電体膜12,16を介した接点接触によって容量結合によるシャント回路を形成するようになっている。
但し、本実施の形態では、伝送線路23が、いわゆるマイクロストリップラインとして機能している。マイクロストリップラインとしての伝送線路23では、上記第1の実施の形態で説明したコプレーナストリップラインとしての伝送線路11に比べ、フットプリント(回路占有面積)を小さくすることができる。即ち、より小さな接点構造を実現することができる。
伝送線路23は、上記第1の実施の形態の伝送線路11と同様、一端に入力ポートVin、他端に出力ポートVoutをそれぞれ有し、例えばミリ波の高周波信号を伝送するものである。また、伝送線路23における信号の伝送方向(入力ポートVinから出力ポートVoutに向かう方向)についても、コプレーナストリップラインの場合と同様、可動接点15bの変位方向(プッシュロッド13の動作軸Z方向)と直交している。更に、伝送線路23は、平面形状が矩形状となっており、その矩形状の長辺側の一部がキャビティ21aの壁面21bまで延在するように配置され、壁面21bに対応する部分が固定接点15aとなっている。
このような伝送線路23と基板21(絶縁膜22)との間には、基板21の側から順にグランド線路24および誘電体膜18が設けられている。グランド線路24は、グランド電位に設定されると共に、基板21(絶縁膜22)上において、伝送線路23の短辺側(入力ポートVin側および出力ポートVout側)に向けて張り出しており、かつ梁14の上面および側面14aまで延在して設けられている。そのグランド線路24の側面14aに対応する部分が可動接点15bとなっている。誘電体膜18は、伝送線路23とグランド線路24とを電気的に絶縁するものであり、伝送線路23の形成領域に対応して設けられている。この誘電体膜18としては、例えば酸化シリコン(SiO2)や窒化シリコン等が挙げられる。
本実施の形態においても、上記第1の実施の形態と同様、開動作時において、プッシュロッド13が動作軸Zに沿って伝送線路23側に摺動すると、梁14が伝送線路23側へ撓む。これにより、可動接点15bの表面に形成された誘電体膜16が、誘電体膜12に接触する(図21(A),(B))。即ち、接点部10Fにおいて、伝送線路23が誘電体膜12,16を介してグランド線路24に容量結合により接続され、シャント回路が形成される。一方、閉動作時において、プッシュロッド13および梁14が、図20(A),(B)に示した位置に復帰すると、誘電体膜12,16は乖離し、伝送線路23とグランド線路24との接続が解除される。このように、本実施の形態においても、容量結合によりシャント回路を形成すると共に、接点接触が機械的になされることから、シャント回路では、駆動部側からの電気的な干渉を受けず、抵抗およびインダクタンスが低減する。よって、上記第1の実施の形態と同等の効果を得ることができる。ま
<第3の実施の形態>
図22および図23は、本発明の第3の実施の形態に係るシャントスイッチにおける接点部(接点部10G)付近の概略構成を表したものであり、図22はオン状態、図23はオフ状態をそれぞれ示す。また、各図において、(A)は平面構成、(B)は(A)のIID−IID線における矢視断面構成を表している。本実施の形態のシャントスイッチは、上記第1の実施の形態と同様、伝送線路25の継断を行う有接点スイッチであり、接点部10Gがプッシュロッド13によって駆動部20に連結されたものである。また、閉動作時には、誘電体膜12,16を介した接点接触によって容量結合によるシャント回路を形成するようになっている。
但し、本実施の形態では、伝送線路25が、いわゆるコプレーナウェーブガイドとして機能している。この伝送線路25は、上記第1の実施の形態の伝送線路11と同様、例えばミリ波の高周波信号を伝送するものであるが、その信号の伝送方向D1(伝送線路25の延在方向)は、可動接点15bの変位方向と平行となっている。このような伝送線路25は、その一端側がキャビティ21aの壁面21bまで延在して配置され、その壁面21bに対応する部分が固定接点15aとなっている。
尚、本実施の形態では、信号伝送方向D1と可動接点15bの変位方向とが平行であるため、上記第1および第2の実施の形態に比べ、固定接点15aおよび可動接点15bの幅を確保しくい構造となっている。そのため、伝送線路25の幅(信号伝送方向D1と直交する方向における長さ)を広く形成したり、壁面21bの深さ方向に長く形成したりすることによって、固定接点15aおよび可動接点15b間の接触面積を確保することが望ましい。
基板21(絶縁膜22)上には、そのような伝送線路25を両側から挟み込むように、かつ伝送線路25と離隔してグランド線路26が配置されている。このグランド線路26は、更に、梁14の上面および側面14aまで延在して形成され、グランド電位に設定されている。そのグランド線路26の側面14aに対応する部分が可動接点15bとなっている。
本実施の形態においても、上記第1の実施の形態と同様、開動作時において、プッシュロッド13が動作軸Zに沿って伝送線路25側に摺動すると、梁14が伝送線路25側へ撓む。これにより、可動接点15bの表面に形成された誘電体膜16が、誘電体膜12に接触する(図23(A),(B))。即ち、接点部10Gにおいて、伝送線路25が誘電体膜12,16を介してグランド線路26に容量結合により接続され、シャント回路が形成される。一方、閉動作時において、プッシュロッド13および梁14が、図22(A),(B)に示した位置に復帰すると、誘電体膜12,16は乖離し、伝送線路25とグランド線路26との接続が解除される。このように、本実施の形態においても、容量結合によりシャント回路を形成すると共に、接点接触が機械的になされることから、シャント回路では、駆動部側からの電気的な干渉を受けず、抵抗およびインダクタンスが低減する。よって、上記第1の実施の形態と同等の効果を得ることができる。
<適用例>
次に、本発明のシャントスイッチを搭載した通信装置の構成について説明する。図24は、電子機器としての通信装置のブロック構成を表している。
図24に示した通信装置は、上記各実施の形態において説明したシャントスイッチを送受信切替器301として搭載したものであり、例えば、携帯電話器、情報携帯端末(PDA)、無線LAN機器などである。なお、上記送受信切替器301は、SoCからなる半導体デバイス内に形成されている。この通信装置は、例えば、送信系回路300Aと、受信系回路300Bと、送受信経路を切り替える送受信切換器301と、高周波フィルタ302と、送受信用のアンテナ303とを備えている。
送信系回路300Aは、Iチャンネルの送信データおよびQチャンネルの送信データに対応したデジタル/アナログ変換器(DAC;Digital/Analogue Converter)311I,311Qおよびバンドパスフィルタ312I,312Qと、変調器320および送信用PLL(Phase-Locked Loop )回路313と、電力増幅器314とを備える。変調器320は、バンドパスフィルタ312I,312Qに対応したバッファアンプ321I,321Qおよびミキサ322I,322Qと、移相器323と、加算器324と、バッファアンプ325とを含むものである。
受信系回路300Bは、高周波部330、バンドパスフィルタ341およびチャンネル選択用PLL回路342と、中間周波回路350およびバンドパスフィルタ343と、復調器360および中間周波用PLL回路344と、Iチャンネルの受信データおよびQチャンネルの受信データに対応したバンドパスフィルタ345I,345Qおよびアナログ/デジタル変換器(ADC;Analogue/Digital Converter)346I,346Qとを備えている。高周波部330は、低ノイズアンプ331と、バッファアンプ332,334と、ミキサ333とを含み、中間周波回路350は、バッファアンプ351,353と、自動ゲイン調整(AGC;Auto Gain Controller)回路352とを含むものである。復調器360は、バッファアンプ361と、バンドパスフィルタ345I,345Qに対応したミキサ362I,362Qおよびバッファアンプ363I,363Qと、移相器364とを含む。
この通信装置では、送信系回路300AにIチャンネルの送信データおよびQチャンネルの送信データが入力されると、それぞれの送信データを以下の手順で処理する。即ち、まず、DAC311I、311Qにおいてアナログ信号に変換し、引き続きバンドパスフィルタ312I,312Qにおいて送信信号の帯域以外の信号成分を除去したのち、変調器320に供給する。続いて、変調器320において、バッファアンプ321I,321Qを介してミキサ322I,322Qに供給し、引き続き送信用PLL回路313から供給される送信周波数に対応した周波数信号を混合して変調したのち、両混合信号を加算器324において加算することにより1系統の送信信号とする。この際、ミキサ322Iに供給する周波数信号に関しては、移相器323において信号移相を90°シフトさせることにより、Iチャンネルの信号とQチャンネルの信号とが互いに直交変調されるようにする。最後に、バッファアンプ325を介して電力増幅器314に供給することにより、所定の送信電力となるように増幅する。この電力増幅器314において増幅された信号は、送受信切換器301および高周波フィルタ302を介してアンテナ303に供給されることにより、そのアンテナ303を介して無線送信される。この高周波フィルタ302は、通信装置において送信または受信する信号のうちの周波数帯域以外の信号成分を除去するバンドパスフィルタとして機能する。
一方、アンテナ303から高周波フィルタ302および送受信切換器301を介して受信系回路300Bに信号が受信されると、その信号を以下の手順で処理する。即ち、まず、高周波部330において、受信信号を低ノイズアンプ331で増幅し、引き続きバンドパスフィルタ341で受信周波数帯域以外の信号成分を除去したのち、バッファアンプ332を介してミキサ333に供給する。続いて、チャンネル選択用PPL回路342から供給される周波数信号を混合し、所定の送信チャンネルの信号を中間周波信号とすることにより、バッファアンプ334を介して中間周波回路350に供給する。続いて、中間周波回路350において、バッファアンプ351を介してバンドパスフィルタ343に供給することにより中間周波信号の帯域以外の信号成分を除去し、引き続きAGC回路352でほぼ一定のゲイン信号としたのち、バッファアンプ353を介して復調器360に供給する。続いて、復調器360において、バッファアンプ361を介してミキサ362I,362Qに供給したのち、中間周波用PPL回路344から供給される周波数信号を混合し、Iチャンネルの信号成分とQチャンネルの信号成分とを復調する。この際、ミキサ362Iに供給する周波数信号に関しては、移相器364において信号移相を90°シフトさせることにより、互いに直交変調されたIチャンネルの信号成分とQチャンネルの信号成分とを復調する。最後に、Iチャンネルの信号およびQチャンネルの信号をそれぞれバンドパスフィルタ345I,345Qに供給することによりIチャンネルの信号およびQチャンネルの信号以外の信号成分を除去したのち、ADC346I,346Qに供給してデジタルデータとする。これにより、Iチャンネルの受信データおよびQチャンネルの受信データが得られる。
この通信装置は、上記各実施の形態において説明したシャントスイッチを受信切替器301として搭載しているため、上述した作用により、特にミリ波帯において優れた周波数特性を発揮する。
尚、ここでは、上記各実施の形態において説明したシャントスイッチを受信切替器301(半導体デバイス)に適用する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、例えば、シャントスイッチを送信系回路300Aおよび受信系回路300B(モジュール)内のミキサ332I,332Q,333,362I,362Qや、バンドパスフィルタ312I,312Q,341,343,346I,346Q、または、高周波フィルタ302(半導体デバイス)に適用してもよい。この場合においても、上記と同様の効果を得ることができる。
以上、実施の形態および変形例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態等に限定されるものではなく、種々変形が可能である。例えば、上記実施の形態等では、伝送線路の一部(壁面21bに対応する部分)を固定接点15a、グランド線路の一部(梁14の側面14aに対応する部分)を可動接点15bとしたが、接点構造はこれに限定されない。例えば、伝送線路の一部およびグランド線路の一部にそれぞれ別途電極を成膜して、これらの電極部分を固定接点および可動接点としてもよい。但し、いずれの接点構造であっても、接触面積を確保するために、固定接点および可動接点が広い面積で形成されることが望ましい。
また、上記実施の形態等では、接点部を機械的に駆動する駆動部が、静電アクチュエータを含む場合を例に挙げて説明したが、これに限らず、ピエゾアクチュエータ、電磁アクチュエータ、バイメタルアクチュエータ等、他のMEMSアクチュエータにも適用可能である。
更に、上記実施の形態等において説明した各層の材料および厚み、または成膜方法などは限定されるものではなく、他の材料および厚みとしてもよく、または他の成膜方法としてもよい。
1…シャントスイッチ、10A〜10G…接点部、11,23,25…伝送線路、12,16,18…誘電体膜、13…プッシュロッド、14…梁、15a…固定接点、15b…可動接点、17,24,26…グランド線路、20…駆動部、21…基板、22…絶縁膜、24A,24B…櫛歯電極。

Claims (10)

  1. 基板上の伝送線路に設けられた第1接点と、
    グランドに接続されると共に前記第1接点に対向配置され、かつ基板面に平行な方向に沿って変位して前記第1接点と接触または乖離可能な第2接点とを備え、
    前記第1接点および前記第2接点の一方または両方の表面に誘電体膜が形成されている
    シャントスイッチ。
  2. 前記基板は、前記基板面に垂直な壁面を含む凹部を有し、
    前記凹部には、
    前記壁面に対向して配置されると共に、前記壁面側に前記第2接点を有する梁と、
    前記基板面に平行な方向に沿って摺動し、前記梁を前記壁面側へ押し出し可能な可動部材と
    が収容され、
    前記伝送線路が、前記基板上面から前記壁面にかけて延在して設けられ、かつ
    前記伝送線路の前記壁面に対応する領域に前記第1接点を有する
    請求項1に記載のシャントスイッチ。
  3. 前記壁面は凹みを有し、
    前記伝送線路および前記第1接点は、前記壁面の凹みに倣って形成されている
    請求項2に記載のシャントスイッチ。
  4. 前記可動部材は、一端が前記梁に連結された棒状部材であると共に、その連結部分の幅が前記第1接点および前記第2接点の幅と略同一である
    請求項2に記載のシャントスイッチ。
  5. 前記梁は、前記可動部材の動作軸方向と直交する方向に延在すると共に、両端が前記基板に固定されている
    請求項2に記載のシャントスイッチ。
  6. 前記可動部材を機械的に駆動する駆動部を備え、
    前記駆動部はMEMSアクチュエータを含む
    請求項1に記載のシャントスイッチ。
  7. 前記伝送線路がコプレーナストリップラインまたはマイクロストリップラインとして機能する
    請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載のシャントスイッチ。
  8. 前記伝送線路における信号伝送方向が、前記第2接点の変位方向と直交している
    請求項7に記載のシャントスイッチ。
  9. 前記伝送線路がコプレーナウェーブガイドとして機能する
    請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載のシャントスイッチ。
  10. 前記伝送線路における信号伝送方向が、前記第2接点の変位方向に平行である
    請求項9に記載のシャントスイッチ。
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