JP2013114935A - Mems switch - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problem in which, for a MEMS switch, increasing a spring constant of "a spring" for supporting a movable structure is effective means for enhancing its characteristics, especially for enhancing long-term reliability and a switching speed, but the increased spring constant causes a voltage required for switch driving to increase, making it difficult to integrate it with a semiconductor circuit, and it has then been required to reduce the driving voltage while enhancing the MEMS switch characteristics.SOLUTION: A MEMS switch includes a movable structure. Use of mechanical vibration of the movable structure allows a large vibration amplitude to be obtained even with a low drive voltage and facilitates induction of pull-in. Control of a DC voltage and an AC voltage for exciting vibration allow control of the pull-in and release, to achieve make and break operations of the MEMS switch. As a result, even with a spring constant being increased, the drive voltage can be reduced and switch characteristics can be enhanced.

Description

本発明は、MEMSスイッチの特性を改善するための構成と駆動法に関するものである。また、この駆動法を用いて駆動電圧を低減することが可能なMEMSデバイスに関するものである。   The present invention relates to a configuration and a driving method for improving characteristics of a MEMS switch. The present invention also relates to a MEMS device that can reduce the driving voltage using this driving method.

近年、半導体デバイスの技術進歩は大きく、工業用機器、民生用機器など広範囲に渡って利用されてきている。特に、半導体デバイスの微細化、高集積化などが、半導体デバイスを搭載した機器、システムの小型化、軽量化、低価格化、高機能化などに大きく寄与するに至っている。しかしながら、微細化、高集積化が達成される反面、製造プロセスの大規模化、複雑化、また、製造装置の大規模化、高価格化が誘起されるに至っている。さらに、微細化の限界が議論され、微細化以外の開発方向も模索されるようになってきている。MEMS(マイクロエレクトロメカニカルシステム)デバイスはその一例であり、機械要素を微細化して半導体技術と適合させることにより、新しい機能を実現できることに特徴がある。また、MEMSデバイスの技術開発を通して得られた新技術や新しい知見は、従来の半導体プロセスにも反映され、半導体分野の進歩にも大きく貢献している。   2. Description of the Related Art In recent years, technological advances in semiconductor devices have been great, and they have been used over a wide range such as industrial equipment and consumer equipment. In particular, miniaturization and high integration of semiconductor devices have greatly contributed to downsizing, weight reduction, price reduction, and high functionality of devices and systems equipped with semiconductor devices. However, while miniaturization and high integration are achieved, an increase in the scale and complexity of the manufacturing process and an increase in the scale and cost of the manufacturing apparatus have been induced. Furthermore, the limits of miniaturization are discussed, and development directions other than miniaturization are being sought. A MEMS (microelectromechanical system) device is one example, and is characterized in that new functions can be realized by miniaturizing mechanical elements and adapting them to semiconductor technology. In addition, new technologies and new knowledge obtained through the technological development of MEMS devices are reflected in conventional semiconductor processes and contribute greatly to the advancement of the semiconductor field.

かかるMEMSデバイスの一つに「RF−MEMS」と呼ばれるデバイスがある。これは、高周波(RF)帯の信号を制御するデバイスであり、信号切換え(スイッチング)、フィルタや発振器など、通信分野への応用が期待されている。RF−MEMSスイッチを前記「信号切換え」に適用する事例では、RF−MEMSスイッチは高周波信号線の指定された領域に配置されている。前記RF−MEMSスイッチの例としては、微小な可動構造体に近接して固定電極(一般的には前記高周波信号線の脇に配置されている)を配置し、前記可動構造体と前記固定電極との間に電気信号(一般的には直流電圧)を印加し、前記可動構造体を機械的に変形させ、前記可動構造体と前記高周波信号線との間の距離を減少(電気的あるいは機械的な接触も含む)させている。かかる距離の減少の結果、高周波信号線のインピーダンスが変化し、高周波信号線を伝達する高周波信号の特性が大きく変化して、スイッチ機能を実現させることができる。このような機械的な変形を伴う構造体の作製には、多くの半導体プロセスが利用でき、今まで種々のRF−MEMSデバイスが提案されている。   One such MEMS device is a device called “RF-MEMS”. This is a device that controls a radio frequency (RF) band signal, and is expected to be applied to the communication field such as signal switching (switching), filters, and oscillators. In the case where the RF-MEMS switch is applied to the “signal switching”, the RF-MEMS switch is arranged in a specified region of the high-frequency signal line. As an example of the RF-MEMS switch, a fixed electrode (generally disposed beside the high-frequency signal line) is disposed close to a minute movable structure, and the movable structure and the fixed electrode are disposed. An electric signal (generally a DC voltage) is applied between the movable structure and the movable structure is mechanically deformed, and the distance between the movable structure and the high-frequency signal line is reduced (electrically or mechanically). Including general contact). As a result of such a decrease in the distance, the impedance of the high-frequency signal line is changed, and the characteristics of the high-frequency signal transmitted through the high-frequency signal line are greatly changed, thereby realizing the switch function. Many semiconductor processes can be used for manufacturing such a structure with mechanical deformation, and various RF-MEMS devices have been proposed.

MEMSデバイスを構成する場合、大きく分けて二つのアプローチがある。一つは単結晶シリコンに微細加工を施す「バルクマイクロマシニング」であり、他の一つは犠牲層エッチングを利用する「サーフェスマイクロマシニング」である。   When constructing a MEMS device, there are roughly two approaches. One is “bulk micromachining” in which fine processing is performed on single crystal silicon, and the other is “surface micromachining” using sacrificial layer etching.

バルクマイクロマシニングでは、単結晶シリコンのウェーハ裏面あるいは表面(あるいは、裏面および表面)をエッチングなどの周知の手段を用いて加工し、3次元構造を作製している。ダイアフラム型圧力センサや加速度センサなどへの応用が実用化されている。しかしながら、より複雑な3次元構造を実現することには限界があることも知られている。   In bulk micromachining, a single crystal silicon wafer back surface or front surface (or back surface and front surface) is processed using a known means such as etching to produce a three-dimensional structure. Applications to diaphragm type pressure sensors and acceleration sensors have been put into practical use. However, it is also known that there is a limit to realizing a more complicated three-dimensional structure.

サーフェスマイクロマシニングでは、薄膜堆積、パターニング、および、薄膜間の層の除去(犠牲層エッチング)などを組合せた加工手段により3次元構造を作製している。シリコン層の薄膜を堆積させ、この層を変形あるいは振動する前記構造体にすることが多いが、金属薄膜を利用することもある。サーフェスマイクロマシニングは、一般的な半導体製造ラインの流用が容易である反面、薄膜の機械的特性が製造条件に大きく依存する問題などが指摘されている。   In surface micromachining, a three-dimensional structure is produced by processing means that combines thin film deposition, patterning, and removal of layers between thin films (sacrificial layer etching). In many cases, a thin film of a silicon layer is deposited and the structure is deformed or vibrated, and a metal thin film is sometimes used. Although surface micromachining is easy to divert a general semiconductor production line, it has been pointed out that the mechanical properties of a thin film greatly depend on production conditions.

図13はサーフェスマイクロマシニングで作製した並列接続型のMEMSスイッチの断面構造を示している。同図は、下記非特許文献1に記載されている。同図において、199は金で形成された可動構造体であり、可撓性のサスペンション196aおよび196b、および、支持台195aおよび195bで機械的に支持されている。195aおよび195bはガラス基板190と接合されている。この可動構造体199の一方の面(同図では下側の面)には、接点198と、バンプ197aおよび197bが形成されている。また、ガラス基板190の上側表面には、固定電極193aおよび193b、バンプ接触部194aおよび194b、および、コプレーナ導波路(高周波信号線である)が形成されている。前記コプレーナ導波路は、信号線191と、その両側に配置されたグランド192aおよび192bから構成されている。   FIG. 13 shows a cross-sectional structure of a parallel-connected MEMS switch manufactured by surface micromachining. This figure is described in Non-Patent Document 1 below. In the figure, reference numeral 199 denotes a movable structure made of gold, which is mechanically supported by flexible suspensions 196a and 196b and support bases 195a and 195b. 195 a and 195 b are bonded to the glass substrate 190. A contact 198 and bumps 197a and 197b are formed on one surface of the movable structure 199 (the lower surface in the figure). Further, fixed electrodes 193a and 193b, bump contact portions 194a and 194b, and a coplanar waveguide (which is a high-frequency signal line) are formed on the upper surface of the glass substrate 190. The coplanar waveguide is composed of a signal line 191 and grounds 192a and 192b arranged on both sides thereof.

図14は、固定電極193aおよび193bと可動構造体199の間に外部から直流電圧が印加された場合の断面構造図である。前記直流電圧による静電気力により、可動構造体199は固定電極193aおよび193bの方向へ引き込まれる。この結果、可動構造体199を構成する接点198は信号線191に、バンプ197aおよび197bはバンプ接触部194aおよび194bに、それぞれ接触する。この状態では、コプレーナ導波路を伝達する高周波信号は、紙面に垂直な方向に伝達されることなく、接点198側へ伝達されることになる。この結果、高周波信号は遮断(スイッチは「オフ」)される。外部から印加された前記直流電圧をゼロにすると、可動構造体199はサスペンション196aおよび196bの「ばね」の復元力により図13に示した状態に戻る。図13の状態では、接点198が信号線191から離れた位置にあるため、コプレーナ導波路を伝達する高周波信号は、前記接点側へ伝達されることなく、このスイッチを通過して伝達(スイッチは「オン」)される。   FIG. 14 is a cross-sectional structure diagram in the case where a DC voltage is applied between the fixed electrodes 193a and 193b and the movable structure 199 from the outside. The movable structure 199 is drawn in the direction of the fixed electrodes 193a and 193b by the electrostatic force due to the DC voltage. As a result, the contact 198 constituting the movable structure 199 contacts the signal line 191, and the bumps 197a and 197b contact the bump contact portions 194a and 194b, respectively. In this state, the high frequency signal transmitted through the coplanar waveguide is transmitted to the contact 198 side without being transmitted in a direction perpendicular to the paper surface. As a result, the high frequency signal is cut off (the switch is “off”). When the DC voltage applied from the outside is reduced to zero, the movable structure 199 returns to the state shown in FIG. 13 by the restoring force of the “spring” of the suspensions 196a and 196b. In the state of FIG. 13, since the contact 198 is located away from the signal line 191, a high frequency signal transmitted through the coplanar waveguide is transmitted through this switch without being transmitted to the contact side (the switch is “ON”).

MEMSスイッチは半導体スイッチと比べて、挿入損失が小さく、またアイソレーションが大きいという特徴がある。また、静電駆動型スイッチは消費電力が小さく、構造が単純である。しかしながら、図13および図14に示した従来例のスイッチには下記のような課題がある。
(1)サスペンションの「ばね」定数を小さくするとスイッチの駆動に必要な電圧(以下、「駆動電圧」とも称する)を低くすることができる。しかし、弱いサスペンションでは復元力が小さいため、外部からの直流電圧をゼロにした時に、接点が信号線と接触したときに発生していた付着力に抗することができない。このため、前記したスイッチ「オフ」からスイッチ「オン」への動作ができず、MEMSスイッチとして機能しなくなるということが生じる。
(2)一方、可動構造体と固定電極との間の距離を小さくすることによっても駆動電圧を低減させることが可能である。しかし、この場合でも、サスペンションの変位が小さいために「ばね」の復元力を十分に大きくとることが困難であり、(1)と同様の付着の問題が発生する。
(3)上記(1)および(2)の課題を解決するために、大きな「ばね」定数をもつサスペンションでスイッチを設計した場合には、明らかに駆動電圧の増大が生じる。
(4)上記(2)の設計を行った場合には、さらに、スイッチの高周波特性が劣化するという問題が発生する。これは、前記した可動構造体と信号線との間の距離が小さくなったため、両者の間の静電容量が増大し、スイッチオン時(図13の、191と198が離れた状態である)に前記接点198を介して高周波信号が「逃げる」ことから生じる。このため、このようなスイッチでは高い周波数をもつ信号を取り扱うことが困難となる。
(5)スイッチング速度を速くするには、「ばね」定数を大きくとる必要があるが、これはスイッチの駆動電圧を増加させることになる。
(6)スイッチが伝達する高周波信号の電力が大きい場合には、駆動電圧が増大する。これは、大電力の高周波信号によって発生した静電気力に抗することができるよう、サスペンションの復元力を大きく設計することが必須となるからである。その結果、駆動電圧が増大する。
(7)可動構造体と固定電極とが接触すると、外部から直流電圧を供給する電源が短絡されることになり、MEMSスイッチが破壊される。これを避けるため、固定電極の表面に絶縁膜を設け、この短絡を防止することがしばしば用いられる。しかし、MEMSスイッチの動作を繰り返すと、この絶縁膜が帯電し、直流電圧の印加を停止しても可動構造体と固定電極が離れなくなる。絶縁膜の帯電現象はMEMSスイッチの耐久性(長期信頼性)を低下させ、特性劣化に繋がっている。
MEMS switches are characterized by low insertion loss and high isolation compared to semiconductor switches. In addition, the electrostatic drive type switch has low power consumption and a simple structure. However, the conventional switches shown in FIGS. 13 and 14 have the following problems.
(1) When the “spring” constant of the suspension is reduced, the voltage required for driving the switch (hereinafter also referred to as “drive voltage”) can be reduced. However, since the restoring force of a weak suspension is small, it is impossible to resist the adhesive force generated when the contact point contacts the signal line when the external DC voltage is reduced to zero. For this reason, the operation from the switch “off” to the switch “on” cannot be performed, and the switch does not function as a MEMS switch.
(2) On the other hand, it is also possible to reduce the drive voltage by reducing the distance between the movable structure and the fixed electrode. However, even in this case, since the displacement of the suspension is small, it is difficult to obtain a sufficiently large restoring force of the “spring”, and the same adhesion problem as in (1) occurs.
(3) When the switch is designed with a suspension having a large “spring” constant in order to solve the problems (1) and (2), the drive voltage obviously increases.
(4) When the design of (2) is performed, there is a further problem that the high frequency characteristics of the switch deteriorate. This is because the distance between the movable structure and the signal line is reduced, so that the capacitance between the two increases and when the switch is turned on (191 and 198 in FIG. 13 are separated). This is because the high-frequency signal “runs away” through the contact 198. For this reason, it is difficult to handle a signal having a high frequency with such a switch.
(5) To increase the switching speed, it is necessary to increase the “spring” constant, but this increases the drive voltage of the switch.
(6) When the power of the high-frequency signal transmitted by the switch is large, the drive voltage increases. This is because it is essential to design a large restoring force of the suspension so as to resist an electrostatic force generated by a high-power high-frequency signal. As a result, the drive voltage increases.
(7) When the movable structure and the fixed electrode come into contact with each other, the power supply that supplies a DC voltage from the outside is short-circuited, and the MEMS switch is destroyed. In order to avoid this, it is often used to provide an insulating film on the surface of the fixed electrode to prevent this short circuit. However, when the operation of the MEMS switch is repeated, the insulating film is charged, and the movable structure and the fixed electrode are not separated even when the application of the DC voltage is stopped. The charging phenomenon of the insulating film reduces the durability (long-term reliability) of the MEMS switch, leading to deterioration of characteristics.

前段落に記載したように、MEMSスイッチは利点があるものの、スイッチの駆動電圧の低減と、スイッチ特性の向上(付着に抗して使用できる動作繰返し数(寿命である)の増大、高周波特性の向上、スイッチング速度の高速化、大電力化など)との間にトレードオフの関係がある。特に、発売あるいは発表されているMEMSスイッチの駆動電圧は通常でも25ボルト以上もあり、半導体回路の動作電圧(1〜2ボルト)と大きく乖離しており、両者を集積化する大きな障害となっている。すなわち、駆動電圧の低減化が重要な解決課題であった。   As described in the previous paragraph, although the MEMS switch has advantages, the switch drive voltage is reduced, the switch characteristics are improved (the number of operation repetitions (lifetime) that can be used against adhesion is increased, and the high frequency characteristics are improved. Improvement, higher switching speed, higher power, etc.). In particular, the drive voltage of a MEMS switch that has been released or announced is usually 25 volts or more, which is greatly different from the operating voltage (1 to 2 volts) of a semiconductor circuit, which is a major obstacle to integrating the two. Yes. That is, reducing the driving voltage has been an important solution.

このような課題を解決する一つの手法として、図13とは異なる構造および駆動法のMEMSスイッチが発表されている。このスイッチは下記非特許文献2に記載されており、その構造図を図15に示す。同図(a)はMEMSスイッチの構造を示す図、同図(b)は増幅器への応用回路例を示す図である。同図(a)に示すように、中央に配置された円形の振動板は「Support Beam」と名付けられたサスペンションで支えられ、基板から浮上している。前記振動板の周囲には、前記振動板を取り囲むように、2組の固定された電極(固定電極)が配置されている。すなわち、本来はMEMS共振器として用いられる構造を利用している。上下方向(同図(b)では「左右方向」へ入れ替わっている)に配置された固定電極に高周波信号を印加すると、前記振動板の形状は円形から楕円形に変形し、上下方向および左右方向の伸縮運動(ワイングラスモードとも称される)が発生する。さらに、前記振動板の共振周波数と同じ周波数の高周波信号を印加すると、前記振動板の共振時の大きな振幅により、振動板と固定電極は周期的に「接触」と「非接触」を繰返すようになる。かかる「接触」と「非接触」の動作により、ある種のスイッチ機能が実現されている。この共振を利用したスイッチは「ばね」定数を大きくとることが可能であるにも関わらず、非常に低い駆動電圧でスイッチを駆動させることができるという特徴がある。同図(b)に示した回路例では、「VDD」と表記された直流電源からの出力が、「Vi」と表記された高周波信号でスイッチングされることになる。このスイッチングされた直流電圧からの信号(結果として高周波信号になる)が増幅器の出力となる。例示された構成は「E級」増幅器とも称されており、一部の高周波回路で利用されている。しかしながら、「E級」増幅器の適用対象は限られており、より一般的なコプレーナ導波路などへ適用することはできないという欠点がある。   As one method for solving such a problem, a MEMS switch having a structure and driving method different from those in FIG. 13 has been announced. This switch is described in Non-Patent Document 2 below, and its structural diagram is shown in FIG. FIG. 4A is a diagram showing the structure of a MEMS switch, and FIG. 4B is a diagram showing an example of an application circuit to an amplifier. As shown in FIG. 6A, the circular diaphragm arranged at the center is supported by a suspension named “Support Beam” and floats from the substrate. Around the diaphragm, two sets of fixed electrodes (fixed electrodes) are arranged so as to surround the diaphragm. That is, a structure that is originally used as a MEMS resonator is used. When a high frequency signal is applied to the fixed electrode arranged in the vertical direction (in FIG. 5B, it is switched to the “left-right direction”), the shape of the diaphragm changes from a circular shape to an elliptical shape, and the vertical direction and the horizontal direction Telescopic motion (also called wine glass mode) occurs. Furthermore, when a high frequency signal having the same frequency as the resonance frequency of the diaphragm is applied, the diaphragm and the fixed electrode periodically repeat “contact” and “non-contact” due to a large amplitude at the time of resonance of the diaphragm. Become. With such “contact” and “non-contact” operations, a certain type of switch function is realized. A switch using this resonance has a feature that the switch can be driven with a very low driving voltage even though a large “spring” constant can be obtained. In the circuit example shown in FIG. 5B, the output from the DC power source expressed as “VDD” is switched by the high-frequency signal expressed as “Vi”. The signal from this switched DC voltage (resulting in a high frequency signal) is the output of the amplifier. The illustrated configuration is also referred to as a “Class E” amplifier and is used in some high frequency circuits. However, the application target of the “class E” amplifier is limited, and there is a drawback that it cannot be applied to a more general coplanar waveguide.

さらに、共振を利用したスイッチは、スイッチが共振周波数のごく近い狭い周波数帯域で動作するのに限られるという制限がある。たとえば、下記非特許文献2では60MHzの共振周波数をもつスイッチを試作しているが、通過帯域はわずか3キロヘルツである。また、このスイッチは、17ナノ秒の周期で高速スイッチングを行うことができるが、その他の周期ではスイッチングができないため、信号を伝達することができない。これは、このスイッチが常に振動しているからである。このため、このスイッチの用途は狭く限られている。   Furthermore, a switch using resonance has a limitation that the switch is limited to operate in a narrow frequency band very close to the resonance frequency. For example, in Non-Patent Document 2 below, a switch having a resonance frequency of 60 MHz is prototyped, but the passband is only 3 kilohertz. In addition, this switch can perform high-speed switching with a period of 17 nanoseconds, but cannot perform switching with other periods, and therefore cannot transmit a signal. This is because this switch is constantly vibrating. For this reason, the application of this switch is narrowly limited.

前段落までに記載したように、MEMSスイッチの駆動電圧を低減するために「ばね」定数を小さくすると、スイッチ特性が劣化するという問題が生じていた。しかし、駆動電圧の低減は、半導体回路との集積化のためにも必須の要件である。また、スイッチの適用範囲を広げるためには、スイッチの駆動周波数帯域に狭い制限があってはならない。以上のように、MEMSスイッチの実用化への大きな期待に応えるためには、駆動電圧の低減とスイッチ特性の向上が重要な課題となっていた。   As described in the previous paragraph, when the “spring” constant is decreased in order to reduce the drive voltage of the MEMS switch, there is a problem that the switch characteristics are deteriorated. However, reduction of the driving voltage is an essential requirement for integration with a semiconductor circuit. In addition, in order to widen the application range of the switch, there should be no narrow limitation on the drive frequency band of the switch. As described above, in order to meet the great expectation for practical use of MEMS switches, reduction of drive voltage and improvement of switch characteristics have been important issues.

学会発表論文 山本他、「単結晶シリコンMEMS共振器の三次元振動特性」、第27回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム予稿集(CD版)、265〜269ページ、2010年10月Conference presentation paper Yamamoto et al., “Three-dimensional vibration characteristics of single-crystal silicon MEMS resonators”, Proceedings of the 27th “Sensor Micromachine and Application System” Symposium (CD version), pages 265-269, October 2010 学会発表論文 Y.Lin他、「A Resonance Dynamical Approach to Faster、 More Reliable Micromechanical Switches」、IEEE Frequency Control Symposium (FCR) 予稿集、640〜645ページ、2008年Conference presentation paper Lin et al., “A Resonance Dynamic Approach to Faster, More Reliable Micromechanical Switches”, IEEE Frequency Control Symposium (FCR) Proceedings, 640-645.

MEMSスイッチにおいてすぐれたスイッチ特性を実現するためには、「ばね」定数を大きくして、高速化、大電力化、長期信頼性の要求を満足させることが必須である。しかし、一般的には駆動電圧が著しく増大するという欠点があった。このため、大きなばね定数をもつスイッチの駆動電圧をいかに低減させるかが、重要な解決すべき課題となっている。また、帯電現象による耐久性と信頼性の低下はスイッチとしての特性を劣化させているので、この現象を回避することも解決すべき課題となっている。さらに、スイッチの用途を狭く限定しないため、広い周波数帯域の高周波信号を対象とするMEMSスイッチの実現が課題であった。   In order to achieve excellent switching characteristics in a MEMS switch, it is essential to increase the “spring” constant to satisfy the requirements for high speed, high power, and long-term reliability. However, in general, there is a drawback that the driving voltage is remarkably increased. For this reason, how to reduce the drive voltage of a switch having a large spring constant is an important problem to be solved. Further, since the deterioration of durability and reliability due to the charging phenomenon deteriorates the characteristics as a switch, it is also a problem to be solved to avoid this phenomenon. Furthermore, since the application of the switch is not limited, it is a problem to realize a MEMS switch for high frequency signals in a wide frequency band.

可動構造体と固定電極を有するMEMSスイッチにおいて、(1)指定された第一の交流電圧と指定された第一の直流電圧とを重畳させた信号を供給し、(2)前記可動構造体を機械的に振動させることによりメイク動作を誘起し、(3)前記第一の交流電圧を指定された第二の交流電圧に変化させ、かつ、前記第一の直流電圧を指定された第二の直流電圧に変化させた信号により前記メイク動作を維持し、(4)前記第二の交流電圧を指定された第三の交流電圧に変化させ、かつ、前記第二の直流電圧を指定された第三の直流電圧に変化させた信号によりブレーク動作を誘起させる。   In a MEMS switch having a movable structure and a fixed electrode, (1) a signal in which a designated first AC voltage and a designated first DC voltage are superimposed is supplied, and (2) the movable structure is A make operation is induced by mechanical vibration; (3) the first AC voltage is changed to a specified second AC voltage; and the first DC voltage is changed to a specified second AC voltage. The make operation is maintained by a signal changed to a DC voltage. (4) The second AC voltage is changed to a designated third AC voltage, and the second DC voltage is designated. Break operation is induced by the signal changed to the three DC voltages.

なお、本発明で使用する用語について記述する。前段落まででは、スイッチのオン、オフという用語を使用してきたが、用語の解釈の混乱を回避するため、以後は下記の定義に従って記述する。
メイクおよびブレーク:一般に「リレー」では、内蔵する接点が閉じた(接触した)状態を「メイク」、内蔵する接点が開いた(接触せず)状態を「ブレーク」と呼んでおり、これらを踏襲する。「メイク動作」とは、リレーの接点が閉じる動作であり、「ブレーク動作」はリレーの接点が接触しなくなる動作である。また、「メイク状態」とはメイク動作の後、節点が閉じたことが維持されている状態である。「ブレーク状態」とは、ブレーク動作の後、節点が開いたことが維持されている状態である。すなわち、「メイク」と「ブレーク」はスイッチの接点の物理的な動作形態を表現している。
オンおよびオフ:前記スイッチが搭載されている回路の機能を表現する。この回路が導通している状態を「オン」、非導通の状態を「オフ」とする。以下に詳述するように、高周波の分布定数回路(例えば、コプレーナ導波路)に「並列」的に配置されたスイッチでは、この導波路を高周波信号が伝播し続けるために、スイッチの接点が「ブレーク状態」である時には、スイッチが「オン」となっている。逆に、高周波信号が伝播しなくなるためには、スイッチの接点が「メイク状態」である時に、スイッチが「オフ」となっている。
プルイン:本発明の対象であるMEMSスイッチの構成要素である「可動構造体」が「固定電極」に近づき、特定の距離以下になった時、物理的に固定電極側へ「引込まれる」ことである。この時、前記MEMSスイッチは「メイク動作」を行い「メイク状態」へ移行する。
ホールド:前記「プルイン」状態が継続していることである。この時、リレーは「メイク状態」となっている。
リリース:前記「プルイン」状態から、前記可動構造体と前記固定電極との距離が大きく離れた状態へ移行することである。この時、前記MEMSスイッチは「ブレーク動作」を行い「ブレーク状態」へ移行する。
また、MEMSスイッチは、広く用いられている「リレー」と同義語と見做すことができる。リレーには多くの種類があるが、電磁型リレーが多用されている。このリレーでは、電磁石が発生した電磁力(磁界)で鉄片(アマーチャと呼ばれている)を吸引し、鉄片の一端に設けられた接点が、固定されている他の接点と機械的に接触し、これら2つの接点が電気的に導通するという動作原理である。一方、MEMSスイッチでは、前記可動構造体と前記固定電極間に外部から電圧を印加し、発生した静電気力(電磁力に対応)が、「可動構造体」(アマーチャに対応)を引き付ける。「可動構造体」には接点が配置されており、固定されている他の接点と機械的に接触し、これら2つの接点が電気的に導通(「メイク」である)する。本発明は、前記可動構造体を変位させ前記固定電極との距離を短くする手法、および、前記変位をもとの状態に復帰させる手法に特徴がある。
The terms used in the present invention will be described. Up to the previous paragraph, the term “switch on / off” has been used. In order to avoid confusion in the interpretation of the term, the following definition will be used.
Make and break: In general, in the “relay”, the state where the built-in contact is closed (contacted) is called “make”, and the state where the built-in contact is opened (not touched) is called “break”. To do. The “make operation” is an operation in which the contact of the relay is closed, and the “break operation” is an operation in which the contact of the relay is not in contact. The “make-up state” is a state in which the node is kept closed after the make-up operation. The “break state” is a state in which a node is kept open after a break operation. That is, “make” and “break” express the physical operation of the switch contacts.
ON and OFF: Expresses the function of the circuit in which the switch is mounted. The state in which this circuit is conducting is “on”, and the non-conducting state is “off”. As described in detail below, in a switch arranged in “parallel” in a high-frequency distributed constant circuit (eg, a coplanar waveguide), the contact of the switch is “ When in the “break state”, the switch is “on”. On the other hand, in order to prevent the high-frequency signal from propagating, the switch is “off” when the contact of the switch is in the “make state”.
Pull-in: When the “movable structure”, which is a component of the MEMS switch that is the subject of the present invention, approaches the “fixed electrode” and falls below a specific distance, it is physically “pulled” to the fixed electrode side. It is. At this time, the MEMS switch performs a “make operation” and shifts to a “make state”.
Hold: The “pull-in” state continues. At this time, the relay is in the “make state”.
Release: Transition from the “pull-in” state to a state in which the distance between the movable structure and the fixed electrode is greatly separated. At this time, the MEMS switch performs a “break operation” and shifts to a “break state”.
Further, the MEMS switch can be regarded as a synonym for “relay” which is widely used. There are many types of relays, but electromagnetic relays are often used. In this relay, an iron piece (called an armature) is attracted by the electromagnetic force (magnetic field) generated by an electromagnet, and the contact provided at one end of the iron piece makes mechanical contact with another fixed contact. The operation principle is that these two contacts are electrically connected. On the other hand, in the MEMS switch, a voltage is applied from the outside between the movable structure and the fixed electrode, and the generated electrostatic force (corresponding to electromagnetic force) attracts the “movable structure” (corresponding to the armature). Contact points are arranged on the “movable structure” and mechanically come into contact with other fixed contacts, and these two contacts are electrically connected (“make”). The present invention is characterized by a method of displacing the movable structure to shorten the distance from the fixed electrode, and a method of returning the displacement to the original state.

なお、前々段落に記載した「前記可動構造体を機械的に振動させることによりメイク動作を誘起し」とは、前記交流電圧の周波数で前記可動構造体が機械的に振動し、前記MEMSスイッチがメイク状態に達することを表している。ここでの「機械的な振動」には、共振時の大振幅の振動も含まれている。同様に、「ブレーク動作を誘起し」とは、前記MEMSスイッチがメイク状態からブレーク状態に移行することを表している。また、「前記第一の交流電圧を指定された第二の交流電圧に変化させ」などの表現において「変化」とは次のような場合も含んでいる。すなわち、前記第一の交流電圧と前記指定された第二の交流電圧の電圧値が等しく、実際は「変化していない」場合である。かかる場合でも、前記第一の交流電圧(例えば1ボルト)から前記指定された第二の交流電圧(1ボルト)へ形式的に「変化」すると表現している。さらに、「重畳」とは、交流電圧に直流電圧を加える(直流バイアスを与えることと同等)こと、あるいは、直流電圧に交流電圧を加えることを表している。   In addition, “inducing a make operation by mechanically vibrating the movable structure” described in the preceding paragraph means that the movable structure mechanically vibrates at a frequency of the AC voltage, and the MEMS switch Indicates that the makeup state is reached. Here, the “mechanical vibration” includes a large-amplitude vibration at the time of resonance. Similarly, “inducing a break operation” indicates that the MEMS switch shifts from a make state to a break state. In addition, in the expression such as “change the first AC voltage to the designated second AC voltage”, “change” includes the following cases. That is, the voltage value of the first AC voltage and the designated second AC voltage are equal and actually “not changed”. Even in such a case, it is expressed as “change” formally from the first AC voltage (for example, 1 volt) to the designated second AC voltage (1 volt). Further, “superimposition” represents adding a DC voltage to an AC voltage (equivalent to applying a DC bias) or adding an AC voltage to a DC voltage.

なお、前記したMEMSスイッチの駆動について、一例を下記に示す。
第一の交流電圧=0.6ボルトpp(Peak−to−Peak)
第一の直流電圧=5.5ボルト
第二の交流電圧=0ボルトpp(Peak−to−Peak)
第二の直流電圧=5.5ボルト
第三の交流電圧=0ボルトpp(Peak−to−Peak)
第三の直流電圧=4.0ボルト
この条件では、
第一の交流電圧と第一の直流電圧で「プルイン」が発生し、同時に「メイク動作」起きる。
第二の交流電圧と第二の直流電圧で「ホールド」状態に移行し、「メイク状態」が継続している。
第三の交流電圧と第三の直流電圧で「リリース」が発生し、同時に「ブレーク動作」起きる。
An example of driving the above-described MEMS switch is shown below.
First AC voltage = 0.6 volts pp (Peak-to-Peak)
First DC voltage = 5.5 volts Second AC voltage = 0 volts pp (Peak-to-Peak)
Second DC voltage = 5.5 volts Third AC voltage = 0 volts pp (Peak-to-Peak)
Third DC voltage = 4.0 volts Under this condition,
A “pull-in” occurs at the first AC voltage and the first DC voltage, and a “make operation” occurs at the same time.
A transition is made to the “hold” state at the second AC voltage and the second DC voltage, and the “make state” continues.
A “release” occurs at the third AC voltage and the third DC voltage, and a “break operation” occurs at the same time.

なお、前記可動構造体と前記固定電極は同一製造プロセスで形成されるが、これに限らない。また、前記可動構造体と前記固定電極は同一材料で構成されるが、これに限らない。前記可動構造体と前記固定電極が同一材料でない場合には、異なる製造プロセスで作製されることになる。   In addition, although the said movable structure and the said fixed electrode are formed by the same manufacturing process, it is not restricted to this. Moreover, although the said movable structure and the said fixed electrode are comprised with the same material, it is not restricted to this. When the movable structure and the fixed electrode are not made of the same material, they are manufactured by different manufacturing processes.

なお、前記可動構造体と前記固定電極の構成材料は金属とは限らない。例えば、シリコンなどの半導体、シリコンを成分として含む半導体、樹脂、樹脂などの絶縁体の表面に導電性を付与した材料、各種材料を組合せたハイブリッド材料などであっても良い。また、「前記可動構造体を機械的に振動させる」原動力としては静電気力に限らず、電磁力、圧電歪、熱歪などであっても構わない。例えば、前記可動構造体、あるいは、その一部(例えば、可動構造体の表面)に圧電材料を採用し、外部から供給された直流電圧および交流電圧で、機械的な歪を発生させ、前記可動構造体を振動させることである。さらに、静電力による前記可動構造体の変位の軌跡は、「ほぼ直線」(厳密に表現するならば、可動構造体の一端が固定されている場合には、円弧となる)とは限らない。例えば、直線、ジグザグなどであっても構わない。   In addition, the constituent material of the said movable structure and the said fixed electrode is not necessarily a metal. For example, a semiconductor such as silicon, a semiconductor containing silicon as a component, a material that imparts conductivity to the surface of an insulator such as resin or resin, a hybrid material that combines various materials, or the like may be used. The driving force for “vibrating the movable structure mechanically” is not limited to electrostatic force, and may be electromagnetic force, piezoelectric strain, thermal strain, or the like. For example, a piezoelectric material is used for the movable structure or a part of the movable structure (for example, the surface of the movable structure), and mechanical distortion is generated by a DC voltage and an AC voltage supplied from the outside, and the movable It is to vibrate the structure. Furthermore, the locus of displacement of the movable structure due to electrostatic force is not necessarily “substantially straight” (in a strict sense, it is an arc when one end of the movable structure is fixed). For example, it may be a straight line or a zigzag.

なお、「メイク状態」とは、前記した2つの接点が電気的に導通状態にあることであるから、前記可動構造体と前記固定電極間の距離とは無関係である。もちろん、「メイク状態」では、「ブレーク状態」と比較して、この距離は小さくなるが、この距離が「ゼロ」になることはない。ここで、「ゼロ」とは、前記可動構造体と前記固定電極とが直接に接触している(電気的な短絡である)ことである。もし「ゼロ」であるとすると、両者は電気的に短絡するので、前記交流電圧および前記直流電圧を供給する電源系に格段の配慮をする必要があり、好ましくないからである。本発明では「メイク状態」においても、前記可動電極と前記固定電極とが「電気的に絶縁された状態」である。すなわち、前記固定電極の表面、あるいは、前記可動構造体の表面(固定電極と対向する面)に絶縁膜が被覆されているような構成例においては、前記可動構造体が固定電極の表面と機械的に接触(機械的な距離はゼロである)をしていても、電気的には「ゼロ」ではなく、両者は電気的に絶縁されていることになる。かかる構成例は、前記したような電源系への格段の配慮が不要になるのでより好ましいと言える。しかしながら、前記可動構造体や前記固定電極の表面を絶縁膜で被覆する場合には、MEMSスイッチのメイク動作およびブレーク動作を多数回繰返すうちに、この絶縁膜が帯電し、MEMSスイッチの特性劣化(例えば、動作寿命が短くなる)を誘起することを考慮しなければならない。   Note that the “make state” means that the above-described two contact points are in an electrically conductive state, and is thus independent of the distance between the movable structure and the fixed electrode. Of course, this distance is smaller in the “make state” than in the “break state”, but this distance is never “zero”. Here, “zero” means that the movable structure and the fixed electrode are in direct contact (electrical short circuit). If it is “zero”, both are electrically short-circuited, and therefore it is not preferable because it is necessary to pay special attention to the power supply system that supplies the AC voltage and the DC voltage. In the present invention, even in the “make state”, the movable electrode and the fixed electrode are “in an electrically insulated state”. That is, in the configuration example in which the surface of the fixed electrode or the surface of the movable structure (the surface facing the fixed electrode) is covered with an insulating film, the movable structure is connected to the surface of the fixed electrode and the machine. Even if they are in contact with each other (the mechanical distance is zero), they are not electrically “zero”, and both are electrically insulated. Such a configuration example is more preferable because it does not require special consideration to the power supply system as described above. However, when the surface of the movable structure or the fixed electrode is covered with an insulating film, the insulating film is charged and the characteristics of the MEMS switch are deteriorated while the make and break operations of the MEMS switch are repeated many times. For example, it must be considered to induce a shorter operating life.

なお、前段落に例示した「絶縁膜による被覆」を排除することは可能である。具体的には、前記MEMSスイッチに「ストッパ」を組み込んで、前記可動構造体の変位量を制限することである。例えば、前記固定電極の近傍に、より背が高いストッパを配置して、前記可動構造体をこの位置で停止させる構成がある。前記ストッパが配置される位置は、(1)前記可動構造体の下側表面(前記固定電極に対向する面)であって、前記固定電極が配置されている領域に対向した領域、(2)前記可動構造体の下側表面(前記固定電極に対向する面)であって、前記固定電極が配置されていない領域に対向した領域、(3)前記固定電極の表面、(4)前記固定電極が配置されている表面であって、前記固定電極が配置されていない領域などである。(1)と(3)の構成では、メイク状態で、前記ストッパと前記固定電極とが機械的に接触する。このため、前記ストッパあるいは前記固定電極、あるいは、前記ストッパおよび前記固定電極の少なくとも表面を電気的に絶縁性にすることが必須となる。しかしながら、「絶縁膜による被覆」の排除が目的であることを考慮すると、(2)あるいは(4)が好ましい構成例となる。(2)あるいは(4)の構成例において、前記ストッパが導電材料であっても、当該ストッパとMEMSスイッチの可動構造体および固定電極とを回路的に切り離す(両者が機械的に接触しても電気的には導通しないような構成、例えば、当該ストッパをフローティング状態とする)構成を採用すれば良い。   It is possible to eliminate the “covering with an insulating film” exemplified in the previous paragraph. Specifically, a “stopper” is incorporated into the MEMS switch to limit the amount of displacement of the movable structure. For example, there is a configuration in which a taller stopper is disposed in the vicinity of the fixed electrode, and the movable structure is stopped at this position. The position where the stopper is disposed is (1) the lower surface of the movable structure (the surface facing the fixed electrode), the region facing the region where the fixed electrode is disposed, (2) A lower surface of the movable structure (a surface facing the fixed electrode), a region facing a region where the fixed electrode is not disposed, (3) a surface of the fixed electrode, (4) the fixed electrode Is a surface where the fixed electrode is not disposed. In the configurations of (1) and (3), the stopper and the fixed electrode are in mechanical contact with each other in the makeup state. For this reason, it is essential that at least the surfaces of the stopper or the fixed electrode, or the stopper and the fixed electrode be electrically insulating. However, considering that the purpose is to eliminate “covering with an insulating film”, (2) or (4) is a preferable configuration example. In the configuration example of (2) or (4), even if the stopper is made of a conductive material, the stopper, the movable structure of the MEMS switch, and the fixed electrode are separated in a circuit (even if both are mechanically contacted). A configuration that is not electrically conductive, for example, a configuration in which the stopper is in a floating state may be employed.

なお、「ストッパ」の表面は平坦であるとは限らない。例えば、この表面に「窪み」を設け、前記「窪み」の周辺領域がストッパ機能を有するような構成であっても構わない。また、当該ストッパの表面の中央領域に凸部(バンプ形状)を設け、当該凸部がストッパ機能を有するような構成であっても構わない。   Note that the surface of the “stopper” is not necessarily flat. For example, a configuration may be adopted in which a “dent” is provided on the surface, and a peripheral region of the “dent” has a stopper function. Further, a convex portion (bump shape) may be provided in the central region of the surface of the stopper, and the convex portion may have a stopper function.

なお、前々段落に記載した「ストッパ」組込の代替として、可動構造体の「位置検出機構」を前記MEMSスイッチに組込み、電気的あるいは機械的なフィードバック制御で、前記可動構造体の変位量の最大値を規制することも可能である。「絶縁膜による被覆」を排除した上記の構成例では、この絶縁膜の帯電によるMEMSスイッチの特性劣化(例えば、動作寿命が短くなる)を防止できる利点がある。   As an alternative to incorporating the “stopper” described in the previous paragraph, the “position detection mechanism” of the movable structure is incorporated in the MEMS switch, and the displacement amount of the movable structure is controlled by electrical or mechanical feedback control. It is also possible to regulate the maximum value of. In the above configuration example in which “covering with an insulating film” is excluded, there is an advantage that characteristic deterioration of the MEMS switch (for example, the operating life is shortened) due to charging of the insulating film can be prevented.

なお、前記した固定電極の数は1個とは限らない。2つ以上の固定電極を配置しても構わない。   The number of fixed electrodes described above is not limited to one. Two or more fixed electrodes may be arranged.

なお、前記可動構造体を変位させる静電気力については、対向して配置された前記可動構造体と前記固定電極との間で発生する静電気力だけとは限らず、周知の静電気力の利用形態を採用することができる。例えば、1組の櫛型電極群を組合せた静電アクチュエータの機構を利用することも可能である。   Note that the electrostatic force for displacing the movable structure is not limited to the electrostatic force generated between the movable structure and the fixed electrode that are arranged to face each other. Can be adopted. For example, it is possible to use a mechanism of an electrostatic actuator in which one set of comb-shaped electrode groups is combined.

前記可動構造体を振動させる前記第一の交流電圧を、前記可動構造体の共振周波数を中心としてプラス20パーセント、および、マイナス20パーセントを超えない周波数範囲内の周波数に設定する。   The first AC voltage that vibrates the movable structure is set to a frequency within a frequency range that does not exceed plus 20 percent and minus 20 percent around the resonance frequency of the movable structure.

なお、前記可動構造体を共振周波数で振動させると、前記可動構造体の変位を大きくすることができる。しかしながら、共振している振動体の制御は困難であるため、共振周波数「近傍」の周波数で駆動することにより、前記可動構造体の変位量が小さくなる欠点があるものの、制御の容易性を確保できる利点がある。また、前記可動構造体の振動特性(Q値)を抑える(Q値を小さくする)ようにすれば、共振周波数から離れた周波数で前記可動構造体を振動させても、その変位量の低下を抑制することができる。かかるQ値の抑制は、MEMSスイッチを「弱い真空度」(例えば、0.1気圧)の雰囲気で動作させたり、前記可動構造体を制振材料で構成することなどにより実現できる。さらに、MEMSスイッチの製造過程で発生する寸法誤差は避けることができず、このため、共振周波数は個々のMEMSスイッチでばらつくことになる。この影響を抑制するため、一定の範囲(例えば、プラスマイナス20パーセント)内にある周波数を用いれば、MEMSスイッチの前記電源系の設計が容易になる利点もある。   When the movable structure is vibrated at a resonance frequency, the displacement of the movable structure can be increased. However, since it is difficult to control a vibrating body that is resonating, there is a disadvantage that the displacement amount of the movable structure is reduced by driving at a resonance frequency “near”, but easy control is ensured. There are advantages you can do. Further, if the vibration characteristic (Q value) of the movable structure is suppressed (Q value is reduced), even if the movable structure is vibrated at a frequency away from the resonance frequency, the displacement amount is reduced. Can be suppressed. Such suppression of the Q value can be realized by operating the MEMS switch in an atmosphere of “weak vacuum” (for example, 0.1 atm), or configuring the movable structure with a damping material. Furthermore, dimensional errors that occur during the manufacturing process of the MEMS switch cannot be avoided, and therefore, the resonance frequency varies among individual MEMS switches. In order to suppress this influence, using a frequency within a certain range (for example, plus or minus 20 percent) has an advantage that the power supply system of the MEMS switch can be easily designed.

なお、「メイク状態」では、前記交流電圧の周波数を共振周波数と異なる周波数に設定しても良い。例えば、「メイク動作」には共振周波数「近傍」の周波数を用い、「メイク状態」(「ホールド」状態でもある)にはこの周波数と異なる周波数を用いることである。   In the “make state”, the frequency of the AC voltage may be set to a frequency different from the resonance frequency. For example, a frequency near the resonance frequency is used for the “make operation”, and a frequency different from this frequency is used for the “make state” (also “hold” state).

(1)指定された第一の時刻に前記第一の交流電圧を供給し、(2)指定された第二の時刻に前記第一の直流電圧を前記第一の交流電圧に重畳させることによりメイク動作を誘起し、(3)指定された第三の時刻に前記第一の交流電圧を前記第三の交流電圧に変化させ、かつ、前記第一の直流電圧を前記第三の直流電圧に変化させることによりブレーク動作を誘起する。   (1) By supplying the first AC voltage at a designated first time, and (2) superimposing the first DC voltage on the first AC voltage at a designated second time. Inducing a make operation, (3) changing the first AC voltage to the third AC voltage at a designated third time, and changing the first DC voltage to the third DC voltage A break operation is induced by changing.

なお、前段落に記載したMEMSスイッチの駆動について、一例を下記に示す。
第一の時刻: 交流電圧=0.6ボルトpp(Peak−to−Peak)
第二の時刻: 交流電圧=0.6ボルトpp、直流電圧=5.5ボルト
第三の時刻: 交流電圧=0.6ボルトpp、直流電圧=4.0ボルト
この例では、交流電圧は常に供給し続け、直流電圧値の制御のみでMEMSスイッチを制御している。上記例では、第二の時刻に「プルイン」が発生し、同時に「メイク動作」が起きる。第三の時刻に「リリース」が発生し、同時に「ブレーク動作」が起きる。また、第一の時刻から第二の時刻の間はスタンバイ状態(「リリース」状態であると共に「ブレーク状態」でもある)である。第二の時刻から第三の時刻の間は「ホールド」状態である。上記した例では、前記第一の交流電圧ないし前記第二の交流電圧は全て0.6ボルトppである。また、前記MEMSスイッチが搭載されたシステムの制御系から見ると、前記第二の時刻は「オン」信号の発生時刻であり、前記第三の時刻は「オフ」信号の発生時刻となる。
An example of driving the MEMS switch described in the previous paragraph is shown below.
First time: AC voltage = 0.6 volts pp (Peak-to-Peak)
Second time: AC voltage = 0.6 volts pp, DC voltage = 5.5 volts Third time: AC voltage = 0.6 volts pp, DC voltage = 4.0 volts In this example, the AC voltage is always The MEMS switch is controlled only by controlling the DC voltage value. In the above example, “pull-in” occurs at the second time and “make operation” occurs simultaneously. “Release” occurs at the third time and “break operation” occurs at the same time. Further, the period from the first time to the second time is a standby state (the “release state” and the “break state”). The period from the second time to the third time is the “hold” state. In the example described above, the first AC voltage or the second AC voltage is all 0.6 volts pp. Further, when viewed from the control system of the system on which the MEMS switch is mounted, the second time is the generation time of the “on” signal, and the third time is the generation time of the “off” signal.

(1)指定された第一の時刻に前記第一の直流電圧を供給し、(2)指定された第二の時刻に前記第一の交流電圧を前記第一の直流電圧に重畳させることによりメイク動作を誘起し、(3)指定された第三の時刻に前記第一の交流電圧を前記第三の交流電圧に変化させ、かつ、前記第一の直流電圧を前記第三の直流電圧に変化させることによりブレーク動作を誘起する。   (1) supplying the first DC voltage at a designated first time, and (2) superimposing the first AC voltage on the first DC voltage at a designated second time. Inducing a make operation, (3) changing the first AC voltage to the third AC voltage at a designated third time, and changing the first DC voltage to the third DC voltage A break operation is induced by changing.

なお、前段落に記載したMEMSスイッチの駆動について、一例を下記に示す。
第一の時刻: 直流電圧=5.5ボルト
第二の時刻: 直流電圧=5.5ボルト、交流電圧=0.6ボルトpp
第三の時刻: 直流電圧=4.0ボルト、交流電圧=0ボルトpp
この例では、交流電圧と直流電圧の両方を制御している。上記例では、第二の時刻に「プルイン」が発生し、同時に「メイク動作」が起きる。第三の時刻に「リリース」が発生し、同時に「ブレーク動作」が起きる。また、第一の時刻から第二の時刻の間はスタンバイ状態(「リリース」状態であると共に「ブレーク状態」でもある)である。第二の時刻から第三の時刻の間は「ホールド」状態である。また、前記MEMSスイッチが搭載されたシステムの制御系から見ると、前記第二の時刻は「オン」信号の発生時刻であり、前記第三の時刻は「オフ」信号の発生時刻となる。
An example of driving the MEMS switch described in the previous paragraph is shown below.
First time: DC voltage = 5.5 volts Second time: DC voltage = 5.5 volts, AC voltage = 0.6 volts pp
Third time: DC voltage = 4.0 volts, AC voltage = 0 volts pp
In this example, both AC voltage and DC voltage are controlled. In the above example, “pull-in” occurs at the second time and “make operation” occurs simultaneously. “Release” occurs at the third time and “break operation” occurs at the same time. Further, the period from the first time to the second time is a standby state (the “release state” and the “break state”). The period from the second time to the third time is the “hold” state. Further, when viewed from the control system of the system on which the MEMS switch is mounted, the second time is the generation time of the “on” signal, and the third time is the generation time of the “off” signal.

前段落で例示した電圧値の組には多くの変形がある。例えば、第二の時刻で「プルイン」が発生した直後に、前記第一の交流電圧(0.6ボルトppである)を低下(0ボルトでも構わない)させ、「ホールド」状態にしても良い。また、第三の時刻で「リリース」が発生した直後に、前記第三の直流電圧(4.0ボルトである)を前記第一の直流電圧(5.5ボルトである)へ増大させ(前記第一の時刻と同じ条件)、システム制御系からの「次のオン」信号を待つようにしても良い。   There are many variations on the set of voltage values illustrated in the previous paragraph. For example, immediately after the “pull-in” occurs at the second time, the first AC voltage (which is 0.6 volts pp) may be reduced (may be 0 volts) to enter the “hold” state. . Also, immediately after the “release” occurs at the third time, the third DC voltage (4.0 volts) is increased to the first DC voltage (5.5 volts) The same condition as the first time) may wait for a “next ON” signal from the system control system.

(1)指定された第一の交流電圧と指定された第一の直流電圧とを重畳させた信号を供給し、(2)前記可動構造体を機械的に振動させることにより、メイク動作を誘起し、(3)前記第一の交流電圧の周波数を増加、あるいは、低減させることにより、ブレーク動作を誘起する。   (1) A signal in which a designated first AC voltage and a designated first DC voltage are superimposed is supplied, and (2) a make operation is induced by mechanically vibrating the movable structure. (3) A break operation is induced by increasing or decreasing the frequency of the first AC voltage.

指定された第一の交流電圧と指定された第一の直流電圧とを重畳させた信号を供給し、前記第一の交流電圧の周波数を、前記可動構造体の共振周波数を超えるまで増加させてから前記第一の交流電圧の周波数を低減させることにより、メイク動作を誘起する。   Supply a signal in which the designated first AC voltage and the designated first DC voltage are superimposed, and increase the frequency of the first AC voltage until it exceeds the resonance frequency of the movable structure. The makeup operation is induced by reducing the frequency of the first AC voltage.

なお、前段落に記載したメイク動作の誘起法は、MEMSデバイス固有の非直線性な特性を利用している。   Note that the method of inducing the make operation described in the previous paragraph uses the non-linear characteristics unique to the MEMS device.

前記第一の交流電圧に、前記共振周波数を含む周波数範囲にある複数の周波数成分を含ませる。   A plurality of frequency components in a frequency range including the resonance frequency are included in the first AC voltage.

なお、前段落での記載においては、前記「複数の周波数成分」を同時刻で含んでいても良い。すなわち、特定の時刻で前記交流電圧を観察すると複数の周波数成分を含んでいる場合である。また、前記「複数の周波数成分」が時系列で現れても良い。すなわち、特定の時間幅で前記交流電圧を観察すると、複数の周波数成分が次々と現れる(時間軸で周波数が変化する)場合である。この場合の周波数変化は、順次増加しても良く、順次減少しても良く、さらには、ランダムであっても良い。   In the description in the previous paragraph, the “plurality of frequency components” may be included at the same time. That is, when the AC voltage is observed at a specific time, a plurality of frequency components are included. The “plurality of frequency components” may appear in time series. That is, when the AC voltage is observed in a specific time width, a plurality of frequency components appear one after another (the frequency changes on the time axis). In this case, the frequency change may increase sequentially, decrease sequentially, or may be random.

本発明により、可動構造体の振動を利用することが特徴であるMEMSスイッチが実現できた。本発明によれば、MEMSスイッチの特性劣化をもたらす構造変更をすることなく、駆動電圧を大幅に減少させることが可能であり、MEMSスイッチの高度化への貢献は多大である。   According to the present invention, a MEMS switch characterized by utilizing the vibration of the movable structure can be realized. According to the present invention, it is possible to significantly reduce the driving voltage without changing the structure that causes the characteristic deterioration of the MEMS switch, and the contribution to the advancement of the MEMS switch is great.

本発明により、MEMSスイッチを低い駆動電圧で動作させることが可能なうえ、従来のMEMSスイッチと比較して、大きな「ばね」定数を有するサスペンションで支持された可動構造体を利用することが可能となった。このため、接点の付着効果に起因するスイッチの「焼き付き」を防止でき、長寿命化(スイッチの繰返し回数の限界が伸びた)が実現でき、長期信頼性に優れたMEMSスイッチを提供できるようになった。   According to the present invention, the MEMS switch can be operated at a low driving voltage, and a movable structure supported by a suspension having a large “spring” constant as compared with the conventional MEMS switch can be used. became. For this reason, it is possible to prevent the “burn-in” of the switch due to the adhesion effect of the contact, to realize a long life (the limit of the number of repetitions of the switch has been extended), and to provide a MEMS switch with excellent long-term reliability. became.

大きな「ばね」定数をもつサスペンションで支持された可動構造体は、信号線に大電力の信号が伝送されても、これをスイッチ「オン」および「オフ」することができる。このため、大電力用途向けのシステムに本発明のMEMSスイッチを使用することが可能になった。   A movable structure supported by a suspension having a large “spring” constant can be switched “on” and “off” even when a high power signal is transmitted on the signal line. For this reason, the MEMS switch of the present invention can be used in a system for high power applications.

大きな「ばね」定数をもつサスペンションで支持された可動構造体は、高速に動作するために、スイッチング時間の短縮が可能となり、スイッチの高速化を実現することができた。   Since the movable structure supported by the suspension having a large “spring” constant operates at high speed, the switching time can be shortened and the speed of the switch can be increased.

駆動電圧の低電圧化により、MEMSスイッチの制御回路系、および、MEMSスイッチが搭載されたシステムの回路系を同一半導体基板上に集積化することが可能となった。   By reducing the drive voltage, it is possible to integrate the control circuit system of the MEMS switch and the circuit system of the system on which the MEMS switch is mounted on the same semiconductor substrate.

本発明によるMEMSスイッチでは、機械振動を利用することにより、駆動電圧の低減化や電気特性、機械特性の向上などが実現できる。このため、本発明は、MEMSスイッチへの適用以外にも、駆動電圧の低減化要求が大きいアクチュエータ分野へも広く適用できる。例えば、静電容量型のMEMSセンサ(加速度センサやジャイロセンサなど)に適用すれば、狭いギャップを実現することができるため、大きな静電容量変化値が出力され、センサの高感度化も実現できる。   In the MEMS switch according to the present invention, reduction of driving voltage, improvement of electrical characteristics and mechanical characteristics can be realized by utilizing mechanical vibration. Therefore, the present invention can be widely applied not only to the MEMS switch but also to the actuator field where there is a great demand for reducing the drive voltage. For example, if it is applied to a capacitance type MEMS sensor (acceleration sensor, gyro sensor, etc.), a narrow gap can be realized, so that a large capacitance change value is output, and high sensitivity of the sensor can also be realized. .

MEMSスイッチの基本構成と駆動法を説明する図である。<実施例1>It is a figure explaining the basic composition and the drive method of a MEMS switch. <Example 1> MEMSスイッチの駆動原理を示す図である。It is a figure which shows the drive principle of a MEMS switch. MEMSスイッチの動作シークエンスを示す図である。<実施例2>It is a figure which shows the operation | movement sequence of a MEMS switch. <Example 2> MEMSスイッチの構成を示す図である。<実施例3>It is a figure which shows the structure of a MEMS switch. <Example 3> MEMSスイッチの作製方法を示す図である。<実施例4>It is a figure which shows the preparation methods of a MEMS switch. <Example 4> MEMSスイッチの駆動動作範囲を示す図である。<実施例5>It is a figure which shows the drive operation | movement range of a MEMS switch. <Example 5> MEMSスイッチの他の駆動法を示す図である。<実施例6>It is a figure which shows the other drive method of a MEMS switch. <Example 6> MEMSスイッチの他の構成を示す図である。<実施例7>It is a figure which shows the other structure of a MEMS switch. <Example 7> MEMSスイッチの他の構成を示す図である。<実施例8>It is a figure which shows the other structure of a MEMS switch. <Example 8> MEMSスイッチの他の構成を示す図である。<実施例9>It is a figure which shows the other structure of a MEMS switch. <Example 9> MEMSスイッチの他の構成を示す図である。<実施例10>It is a figure which shows the other structure of a MEMS switch. <Example 10> MEMSスイッチの他の構成を示す図である。<実施例11>It is a figure which shows the other structure of a MEMS switch. <Example 11> サーフェスマイクロマシニングで作製したMEMSスイッチの断面を示す図である。<従来例1>It is a figure which shows the cross section of the MEMS switch produced by the surface micromachining. <Conventional example 1> <従来例1>のスイッチの動作を説明する図である。It is a figure explaining operation | movement of the switch of <conventional example 1>. 共振を利用したMEMSスイッチの構成と回路例である。<従来例2>It is a structure and circuit example of a MEMS switch using resonance. <Conventional example 2>

以下、図面を用いて、MEMSスイッチを詳細に説明する。   Hereinafter, the MEMS switch will be described in detail with reference to the drawings.

<共振を利用したMEMSスイッチの基本構成>
図1は、本発明の実施例1である、MEMSスイッチの基本構成と駆動法を説明する図である。MEMSスイッチ13は、高周波信号を入力する端子11と当該高周波信号を出力する端子12の間に並列に配置され、当該MEMSスイッチが高周波伝送線路17aおよび17bの間を短絡したり、開放したりする。当該例では、スイッチ13の駆動源として、交流電圧源14および直流電圧源15が直列に接続された電気回路を使用し、駆動スイッチ16によってスイッチ13のメイク・ブレーク動作を制御している。なお、当該例では、スイッチを高周波伝送線路に並列に設けたが、この構成に限らず他の構成、例えば、MEMSスイッチを当該伝送線路に直列に配列(すなわち、17aあるいは17bの途中に当該スイッチを挿入)することも可能である。
<Basic configuration of MEMS switch using resonance>
FIG. 1 is a diagram illustrating a basic configuration and a driving method of a MEMS switch that is Embodiment 1 of the present invention. The MEMS switch 13 is arranged in parallel between a terminal 11 for inputting a high-frequency signal and a terminal 12 for outputting the high-frequency signal, and the MEMS switch short-circuits or opens the high-frequency transmission lines 17a and 17b. . In this example, an electrical circuit in which an AC voltage source 14 and a DC voltage source 15 are connected in series is used as a drive source for the switch 13, and the make / break operation of the switch 13 is controlled by the drive switch 16. In this example, the switch is provided in parallel with the high-frequency transmission line. However, the present invention is not limited to this configuration. For example, MEMS switches are arranged in series with the transmission line (that is, the switch in the middle of 17a or 17b). It is also possible to insert).

図2(a)はMEMSスイッチの原理的な構成を説明する図である。同図(a)において、可動構造体21は支持体22で一端が固定され、ガラス基板20の表面に接合されている。当該ガラス基板20の上面には固定電極23が配置されている。また、可動構造体21の下面には接点24が設けられており、一方、ガラス基板20の表面で接点24に対向する位置には信号線25(接点のように描かれている)が設けられている。かかる構成において、可動構造体21と固定電極23との間には、スイッチの駆動源としての交流電圧源や直流電圧源が接続されている。当該駆動源からの交流電圧と直流電圧からなる電気信号は可動構造体21を固定電極23に近接させるような静電気力を発生させる。当該静電気力が十分に大きいとするならば、可動構造体21は大きく変位し、固定電極23と極度に近接、あるいは、接触することになる。その状態においては、接点24が信号線25と機械的、電気的に接触してスイッチが「メイク」動作を行うことになる。当該状態は、図14の従来例に記載した「スイッチオフ(信号遮断)」の状態に対応している。   FIG. 2A is a diagram for explaining the basic configuration of the MEMS switch. In FIG. 2A, one end of the movable structure 21 is fixed by a support 22 and is joined to the surface of the glass substrate 20. A fixed electrode 23 is disposed on the upper surface of the glass substrate 20. Further, a contact 24 is provided on the lower surface of the movable structure 21, while a signal line 25 (drawn like a contact) is provided at a position facing the contact 24 on the surface of the glass substrate 20. ing. In such a configuration, an AC voltage source or a DC voltage source as a switch drive source is connected between the movable structure 21 and the fixed electrode 23. An electric signal composed of an AC voltage and a DC voltage from the driving source generates an electrostatic force that brings the movable structure 21 close to the fixed electrode 23. If the electrostatic force is sufficiently large, the movable structure 21 is greatly displaced and is extremely close to or in contact with the fixed electrode 23. In this state, the contact 24 contacts the signal line 25 mechanically and electrically, and the switch performs a “make” operation. This state corresponds to the “switch-off (signal cutoff)” state described in the conventional example of FIG.

図2(b)は、本発明のMEMSスイッチの駆動法を従来の駆動法と比較して示したものである。同図は横軸に印加電圧を、縦軸にスイッチの可動構造体と固定電極との間の距離(ギャップ長)を示している。初めに、従来のMEMSスイッチの駆動法(直流電圧のみを印加)を説明する。同図(b)において、曲線27に示すように、当該MEMSスイッチへの印加電圧を増加させると静電引力により可動構造体が固定電極側に引き寄せられて、両者の間の距離(ギャップ長)が減少する。当該距離が、ギャップ長の初期値(当該直流電圧が0ボルトの時の値である)の約2/3程度になると、突然、可動電極は固定電極にきわめて近い距離まで近づく(「プルイン」である)。この時の印加電圧をプルイン電圧と呼ぶ。その後、印加電圧を増加させても当該両者間の距離の変化はきわめて小さい。同図(b)の曲線28は、「プルイン」状態で、印加電圧を減少させたときの当該両者間の距離の変化を示している。印加電圧を減少させるとプルイン電圧を超えてしばらくの間、両者の距離の変化は小さい。しかし、印加電圧が特定の電圧よりも小さくなると、突然に可動構造体は固定電極から大きく離れる(「リリース」である)。この時の印加電圧をリリース電圧と呼ぶ。プルイン電圧とリリース電圧の差は通常15ボルトを超える大きな値である。このため、一般的には、プルイン電圧には30ボルトを超える大きな電圧が要求される。   FIG. 2B shows a driving method of the MEMS switch of the present invention in comparison with a conventional driving method. In the figure, the applied voltage is plotted on the horizontal axis, and the distance (gap length) between the movable structure of the switch and the fixed electrode is plotted on the vertical axis. First, a conventional MEMS switch driving method (applying only DC voltage) will be described. In FIG. 6B, as shown by a curve 27, when the voltage applied to the MEMS switch is increased, the movable structure is attracted to the fixed electrode side by electrostatic attraction, and the distance between the two (gap length). Decrease. When the distance becomes about 2/3 of the initial value of the gap length (the value when the DC voltage is 0 volt), the movable electrode suddenly approaches a distance very close to the fixed electrode ("pull-in"). is there). The applied voltage at this time is called a pull-in voltage. Thereafter, even if the applied voltage is increased, the change in the distance between the two is extremely small. A curve 28 in FIG. 5B shows a change in the distance between the two when the applied voltage is decreased in the “pull-in” state. When the applied voltage is reduced, the change in the distance between the two exceeds the pull-in voltage for a while. However, when the applied voltage becomes smaller than a specific voltage, the movable structure suddenly moves away from the fixed electrode ("release"). The applied voltage at this time is called a release voltage. The difference between the pull-in voltage and the release voltage is usually a large value exceeding 15 volts. For this reason, generally, a large voltage exceeding 30 volts is required for the pull-in voltage.

次に、図2(b)を用いて、本発明によるMEMSスイッチの駆動法を説明する。本発明では、MEMSスイッチを「プルイン」させるため、当該可動構造体の振動現象を利用している。このため、図1に示した駆動源を使用する。すなわち、MEMSスイッチには直流電圧に交流電圧が重畳された電気信号を印加している。この交流電圧の周波数を、当該可動構造体の機械共振周波数の「近傍」に設定すると、可動構造体は大きな振幅で振動する。同図(b)の曲線29に示すように、前記したギャップの初期値の約1/2程度まで振動する状態になると、印加している電気信号の成分である直流電圧の静電気力に引き込まれて「プルイン」が発生する。この駆動法におけるプルイン電圧の値は、従来の駆動法によるプルイン電圧(曲線27参照)と比べて低くなることが重要である。また、「プルイン」状態では、当該交流電圧をゼロにして、直流電圧の印加のみでも「プルイン」状態が維持される。かかる交流電圧の印加を停止することは、当該MEMSスイッチの駆動系での消費電力を抑えることができ、さらには、当該MEMSスイッチの周辺に配置されている回路系への交流電圧の不要な輻射が抑制できるという利点もある。なお、本段落では「交流電圧の周波数を、当該可動構造体の機械共振周波数の「近傍」に設定する」と記載したが、これは、交流電圧の周波数を厳密に共振周波数と一致させるとは限らないからである。例えば、共振周波数の前後20%の範囲の周波数を交流電圧としても構わない。当該範囲は、前記可動構造体の振動の減衰係数などにも依存している。要は、印加した交流電圧成分に対して、当該可動構造体の振動振幅が大きくなり、プルイン電圧の低減に寄与できることである。   Next, a method for driving the MEMS switch according to the present invention will be described with reference to FIG. In the present invention, the vibration phenomenon of the movable structure is used to “pull in” the MEMS switch. For this reason, the drive source shown in FIG. 1 is used. That is, an electrical signal in which an AC voltage is superimposed on a DC voltage is applied to the MEMS switch. When the frequency of the AC voltage is set to “near” the mechanical resonance frequency of the movable structure, the movable structure vibrates with a large amplitude. As shown by a curve 29 in FIG. 5B, when the state oscillates to about ½ of the initial value of the gap, it is drawn into the electrostatic force of the DC voltage that is the component of the applied electric signal. "Pull-in" occurs. It is important that the value of the pull-in voltage in this driving method is lower than the pull-in voltage by the conventional driving method (see curve 27). Further, in the “pull-in” state, the AC voltage is set to zero, and the “pull-in” state is maintained only by applying the DC voltage. Stopping the application of the AC voltage can reduce the power consumption in the drive system of the MEMS switch, and further, unnecessary radiation of the AC voltage to the circuit system arranged around the MEMS switch. There is also an advantage that can be suppressed. In this paragraph, it is described that “the frequency of the AC voltage is set to“ near ”the mechanical resonance frequency of the movable structure”, but this means that the frequency of the AC voltage exactly matches the resonance frequency. It is not limited. For example, a frequency in the range of 20% before and after the resonance frequency may be used as the AC voltage. The range also depends on the vibration damping coefficient of the movable structure. The point is that the vibration amplitude of the movable structure increases with respect to the applied AC voltage component, which can contribute to the reduction of the pull-in voltage.

前段落に記載した駆動法でも、「プルイン」状態で、印加した直流電圧を減少させ、特定の電圧よりも小さくなると、「リリース」が発生する。この時のリリース電圧は、従来の駆動法におけるリリース電圧と同一である。   Even in the driving method described in the previous paragraph, “release” occurs when the applied DC voltage is decreased in a “pull-in” state and becomes smaller than a specific voltage. The release voltage at this time is the same as the release voltage in the conventional driving method.

前段落までの記載で明らかなように、「プルイン」状態を維持し続ける(可動構造体を固定電極の近くに維持し続ける、あるいは、「メイク状態」を維持する)ためには、リリース電圧よりも大きい直流電圧を印加し続けることが必要である。この「プルイン」状態を維持する電圧をホールド電圧と呼ぶ。ホールド電圧は、リリース電圧よりも大きく、好ましくはプルイン電圧よりも小さく設定する。   As is clear from the description up to the previous paragraph, in order to keep the “pull-in” state (keep the movable structure close to the fixed electrode or keep the “make-up state”), the release voltage It is necessary to continue to apply a large DC voltage. The voltage that maintains this “pull-in” state is called the hold voltage. The hold voltage is set larger than the release voltage, preferably smaller than the pull-in voltage.

<共振を利用したMEMSスイッチの動作>
前段落までの記載で、本発明によるMEMSスイッチの駆動形態が明らかにされた。当該スイッチに要求される動作シークエンスを実現するためには、多種の駆動手順がある。なお、「動作シークエンス」とは、スイッチのメイクとブレーク状態の順序である。ここで、「メイク状態」は「プルイン」状態に、「ブレーク状態」は「リリース」状態に、それぞれ対応している。本段落では、実施例2として、図3を用いて、当該シークエンスの例を記載する。図3(a)はスイッチのメイク状態とブレーク状態に対応したMEMSスイッチのプルイン、ホールド、リリースの各状態と、それぞれの状態で印加する直流電圧および交流電圧の値を一覧表で例示したものである。なお、ここでは、前記可動構造体の振動を利用した駆動法での、プルイン電圧は5.5ボルト、リリース電圧は4.0ボルト、また、従来の駆動法におけるプルイン電圧は30ボルトであると仮定している。図3(a)の「動作点」欄に記載した、AからEまでの記号は、図3(b)の図面内にも動作点として表示されている。
第一の時刻(初期状態):「第一の時刻」は、MEMSスイッチが搭載されている回路系に電源が投入された時刻である。この時の動作点はAであり、駆動のための電気信号は全く印加されておらず、MEMSスイッチはリリース状態である。
第二の時刻(「メイク」動作):リードリレーでの接点が繋がった状態に相当している。交流電圧(AC電圧と表記、電圧値としては例えば0.6ボルトppである)が重畳された6.0ボルトの直流電圧(DC電圧と表記)が印加されると直ちに「プルイン」が誘起される。動作点はBである。また、この場合では、第一の交流電圧は0.6ボルトpp、第一の直流電圧は6.0ボルトである。
「メイク」状態:「プルイン」状態に到達後、交流電圧の印加はなくなり、6.0ボルトの直流電圧だけが印加されている。上記各電圧値の例から明らかなように、MEMSスイッチは「ホールド」状態に移行するが「メイク状態」は維持されている。動作点はCである。この場合では、第二の交流電圧は0ボルトpp、第二の直流電圧は6.0ボルトである。なお、当該直流電圧は6.0ボルトではなく、リリース電圧より大きい電圧(例えば、4.5ボルト)であっても、「ホールド」状態は維持される。この時には、前記第二の直流電圧は4.5ボルトになる。
第三の時刻(「ブレーク」動作):リードリレーでの接点が離れた状態に相当している。直流電圧を3.0ボルト(前記リリース電圧以下である)まで低下させると、MEMSスイッチは直ちに「リリース」が誘起される。動作点はDである。この場合において、第三の交流電圧は0ボルト、第三の直流電圧は3.0ボルトである。
「ブレーク」状態:「リリース」状態に到達すると、次の「メイク」動作のために、6.0ボルトの直流電圧が印加される。ただし、交流電圧は印加されておらず、さらに、従来の駆動法におけるプルイン電圧(30ボルト)以下なので、「リリース」状態は継続する。動作点はEである。
2回目の第二の時刻(「メイク」動作):前の状態で、交流電圧が新たに印加されるので、前記可動構造体は振動を開始し、「プルイン」条件を満足しているので、ただちに「プルイン」が誘起され、「メイク状態」に入る。この時の動作点はBである。
以上の動作により、MEMSスイッチは所定の動作を繰り返すことができる。なお、本段落で例示したシークエンスと直流電圧、交流電圧の値はあくまでも動作を説明するための一例に過ぎず、これらに限られることはない。
<Operation of MEMS switch using resonance>
In the description up to the previous paragraph, the driving mode of the MEMS switch according to the present invention has been clarified. There are various driving procedures for realizing the operation sequence required for the switch. The “operation sequence” is an order of switch make and break states. Here, the “make state” corresponds to the “pull-in” state, and the “break state” corresponds to the “release” state. In this paragraph, an example of the sequence will be described as Example 2 with reference to FIG. FIG. 3A is a list of the pull-in, hold, and release states of the MEMS switch corresponding to the make state and break state of the switch, and the values of the DC voltage and the AC voltage applied in each state. is there. Here, in the driving method using the vibration of the movable structure, the pull-in voltage is 5.5 volts, the release voltage is 4.0 volts, and the pull-in voltage in the conventional driving method is 30 volts. Assumes. Symbols A to E described in the “operating point” column of FIG. 3A are also displayed as operating points in the drawing of FIG.
First time (initial state): “First time” is the time when power is turned on to the circuit system on which the MEMS switch is mounted. The operating point at this time is A, no electric signal for driving is applied, and the MEMS switch is in the released state.
Second time (“make” operation): Corresponds to a state in which the contacts at the reed relay are connected. When a 6.0 volt DC voltage (denoted as a DC voltage) superimposed with an alternating voltage (denoted as an AC voltage, for example, 0.6 pp as a voltage value) is applied, a “pull-in” is immediately induced. The The operating point is B. In this case, the first AC voltage is 0.6 volts pp, and the first DC voltage is 6.0 volts.
“Make” state: After reaching the “pull-in” state, no AC voltage is applied and only a DC voltage of 6.0 volts is applied. As is clear from the above examples of the voltage values, the MEMS switch shifts to the “hold” state, but the “make state” is maintained. The operating point is C. In this case, the second AC voltage is 0 volts pp and the second DC voltage is 6.0 volts. Note that the “hold” state is maintained even if the DC voltage is not 6.0 volts but is a voltage higher than the release voltage (for example, 4.5 volts). At this time, the second DC voltage is 4.5 volts.
Third time ("break" operation): corresponds to a state in which the contact at the reed relay is separated. When the DC voltage is reduced to 3.0 volts (below the release voltage), the MEMS switch is immediately "released". The operating point is D. In this case, the third AC voltage is 0 volts and the third DC voltage is 3.0 volts.
“Break” state: Upon reaching the “release” state, a DC voltage of 6.0 volts is applied for the next “make” operation. However, the AC voltage is not applied, and since it is below the pull-in voltage (30 volts) in the conventional driving method, the “release” state continues. The operating point is E.
Second time for the second time (“make” operation): Since the AC voltage is newly applied in the previous state, the movable structure starts to vibrate and satisfies the “pull-in” condition. Immediately, “pull-in” is induced and “make-up state” is entered. The operating point at this time is B.
With the above operation, the MEMS switch can repeat a predetermined operation. Note that the sequence, DC voltage, and AC voltage values illustrated in this paragraph are merely examples for explaining the operation, and are not limited thereto.

本段落では、前記の「交流電圧」について記述する。本発明では前記可動構造体を当該交流電圧で機械的に振動させることに特徴がある。かかる機械的振動を効率良く発生させるためには、当該可動構造体が持つ共振周波数(1次の共振周波数が好ましいが、この限りではない)を供給することが好ましい。しかし、MEMSスイッチの製造過程では加工誤差が避けられないので、当該可動構造体のサイズ(例えば、その長さや幅)は個々のMEMSスイッチで異なることになる。この結果、当該可動構造体の共振周波数は個々のMEMSスイッチで異なってしまう。このため、共振周波数を中心とする特定の幅(例えば、プラス20パーセント、マイナス20パーセント)の中にある周波数を用いることにより、当該MEMSスイッチの駆動系が簡略化される。一例を挙げるならば、当該可動構造体の共振周波数が13キロヘルツ(kHz)の場合は、10.4キロヘルツから15.6キロヘルツの間の周波数を前記交流電圧の周波数とする。   In this paragraph, the “AC voltage” is described. The present invention is characterized in that the movable structure is mechanically vibrated with the AC voltage. In order to efficiently generate such mechanical vibrations, it is preferable to supply the resonance frequency (primary resonance frequency is preferable, but not limited) of the movable structure. However, since a processing error is unavoidable in the manufacturing process of the MEMS switch, the size (for example, the length and width) of the movable structure is different for each MEMS switch. As a result, the resonance frequency of the movable structure is different for each MEMS switch. For this reason, the drive system of the MEMS switch is simplified by using a frequency within a specific width (for example, plus 20 percent, minus 20 percent) centered on the resonance frequency. For example, when the resonance frequency of the movable structure is 13 kHz (kHz), the frequency between 10.4 kHz and 15.6 kHz is set as the frequency of the AC voltage.

本段落では前段落までに記載した当該MEMSスイッチの他の動作例を説明する。以下では、図3(a)に例示したシークエンスに従った各時刻における各電圧値を例示する。
第一の時刻(初期状態):「第一の時刻」は、MEMSスイッチが搭載されている回路系に電源が投入された時刻である。電源投入後、直ちに第一の交流電圧(0.5ボルトpp)を供給する。ただし、重畳する直流電圧はないので「メイク動作」は誘起されない。すなわち、MEMSスイッチはリリース状態である。
第二の時刻(「メイク」動作):すでに供給されている第一の交流電圧に、第一の直流電圧(6.0ボルト)を重畳させる。この結果、直ちに「プルイン」が誘起される。
「メイク」状態:「プルイン」状態に到達後、第一の交流電圧と第一の直流電圧は継続して供給されるので、MEMSスイッチは「ホールド」状態に移行し、「メイク状態」は維持されている。なお、この状態で、交流電圧を0ボルトppにしても、直流電圧(6.0ボルト)が当該「ホールド」状態を維持できる。
第三の時刻(「ブレーク」動作):当該第一の交流電圧(0.5ボルトpp)を維持したまま、第一の直流電圧を第三の直流電圧(3.0ボルト)まで低下させると、MEMSスイッチは直ちに「リリース」が誘起される。この場合では、第三の交流電圧は当該第一の交流電圧と同じ値である。
「ブレーク」状態:「リリース」状態に到達すると、次の「メイク」動作のために、6.0ボルトの直流電圧が印加される。交流電圧は前記第三の交流電圧のままであるが、直流電圧がプルイン電圧(30ボルト)以下なので、「リリース」状態は継続する。この状態は、続いて発生する「2回目の第二の時刻(「メイク」動作)」に備えてスタンバイしている状態である。
以上のシークエンスでは、供給する交流電圧は一定であり、直流電圧の値を制御することにより、MEMSスイッチを動作させている。
In this paragraph, another example of operation of the MEMS switch described up to the previous paragraph will be described. Below, each voltage value in each time according to the sequence illustrated to Fig.3 (a) is illustrated.
First time (initial state): “First time” is the time when power is turned on to the circuit system on which the MEMS switch is mounted. Immediately after turning on the power, the first AC voltage (0.5 volts pp) is supplied. However, since there is no DC voltage to be superimposed, no “make operation” is induced. That is, the MEMS switch is in a released state.
Second time ("make" operation): The first DC voltage (6.0 volts) is superimposed on the already supplied first AC voltage. As a result, “pull-in” is immediately induced.
“Make” state: Since the first AC voltage and the first DC voltage are continuously supplied after reaching the “pull-in” state, the MEMS switch shifts to the “hold” state and maintains the “make state”. Has been. In this state, even if the AC voltage is set to 0 volts pp, the DC voltage (6.0 volts) can maintain the “hold” state.
Third time ("break" operation): When the first DC voltage is lowered to the third DC voltage (3.0 volts) while maintaining the first AC voltage (0.5 volts pp) The MEMS switch is immediately "released". In this case, the third AC voltage has the same value as the first AC voltage.
“Break” state: Upon reaching the “release” state, a DC voltage of 6.0 volts is applied for the next “make” operation. The AC voltage remains the third AC voltage, but the “release” state continues because the DC voltage is below the pull-in voltage (30 volts). This state is a standby state in preparation for the subsequent “second time (“ make ”operation”) ”.
In the above sequence, the supplied AC voltage is constant, and the MEMS switch is operated by controlling the value of the DC voltage.

本段落では当該MEMSスイッチの他の動作例を説明する。以下では、図3(a)に例示したシークエンスに従った各時刻における各電圧値を例示する。
第一の時刻(初期状態):「第一の時刻」は、MEMSスイッチが搭載されている回路系に電源が投入された時刻である。電源投入後、直ちに第一の直流電圧(6.0ボルト)を供給する。ただし、重畳する交流電圧はないので「メイク動作」は誘起されない。すなわち、MEMSスイッチはリリース状態である。
第二の時刻(「メイク」動作):すでに供給されている第一の直流電圧に、第一の交流電圧(0.5ボルトpp)を重畳させる。この結果、直ちに「プルイン」が誘起される。
「メイク」状態:「プルイン」状態に到達後、第一の交流電圧を第二の交流電圧(0ボルトpp)に変化させ、第一の直流電圧は継続して供給する(第二の直流電圧でもある)。MEMSスイッチは「ホールド」状態に移行し、「メイク状態」は維持されている。なお、この状態では、交流電圧を0.5ボルトppのままにしても構わない。
第三の時刻(「ブレーク」動作):交流電圧を0ボルトppのまま(すなわち、第三の交流電圧は前記第二の交流電圧と同じである)、当該第一の直流電圧(あるいは第二の直流電圧)を第三の直流電圧(3.0ボルト)まで低下させると、MEMSスイッチは直ちに「リリース」が誘起される。この場合では、第三の交流電圧は0.5ボルトppであっても構わない。
「ブレーク」状態:「リリース」状態に到達すると、次の「メイク」動作のために、6.0ボルトの直流電圧が印加される。交流電圧は前記第三の交流電圧のままである。当該直流電圧は従来の駆動法でのプルイン電圧(30ボルト)以下なので、「リリース」状態は継続する。この状態は、続いて発生する「2回目の第二の時刻(「メイク」動作)」に備えてスタンバイしている状態である。
以上のシークエンスでは、「メイク動作」を誘起する短い時間だけ0.5ボルトppの交流電圧を供給することにより、当該MEMSスイッチは所望の動作を行うことができる。この結果、MEMSスイッチの駆動系での消費電力を抑えることが可能となる。さらに、「メイク動作」の瞬間だけ交流信号が印加されるので、当該MEMSスイッチが配置されている周囲の領域への電界の不要輻射が抑えられる利点もある。
In this paragraph, another example of operation of the MEMS switch will be described. Below, each voltage value in each time according to the sequence illustrated to Fig.3 (a) is illustrated.
First time (initial state): “First time” is the time when power is turned on to the circuit system on which the MEMS switch is mounted. Immediately after power-on, the first DC voltage (6.0 volts) is supplied. However, since there is no superimposed AC voltage, the “make operation” is not induced. That is, the MEMS switch is in a released state.
Second time (“make” operation): The first AC voltage (0.5 volts pp) is superimposed on the already supplied first DC voltage. As a result, “pull-in” is immediately induced.
“Make” state: After reaching the “pull-in” state, the first AC voltage is changed to the second AC voltage (0 volts pp), and the first DC voltage is continuously supplied (second DC voltage) But also) The MEMS switch shifts to the “hold” state, and the “make state” is maintained. In this state, the AC voltage may be kept at 0.5 volts pp.
Third time ("break" operation): The AC voltage remains at 0 volts pp (ie, the third AC voltage is the same as the second AC voltage), and the first DC voltage (or second When the DC voltage of the MEMS switch is reduced to the third DC voltage (3.0 volts), the MEMS switch is immediately "released". In this case, the third AC voltage may be 0.5 volts pp.
“Break” state: Upon reaching the “release” state, a DC voltage of 6.0 volts is applied for the next “make” operation. The AC voltage remains the third AC voltage. Since the DC voltage is equal to or lower than the pull-in voltage (30 volts) in the conventional driving method, the “release” state continues. This state is a standby state in preparation for the subsequent “second time (“ make ”operation”) ”.
In the above sequence, the MEMS switch can perform a desired operation by supplying an alternating voltage of 0.5 volts pp for a short time to induce the “make operation”. As a result, it is possible to suppress power consumption in the drive system of the MEMS switch. Further, since an AC signal is applied only at the moment of the “make operation”, there is an advantage that unnecessary radiation of the electric field to the surrounding area where the MEMS switch is arranged can be suppressed.

<MEMSスイッチの構成例>
図4は、本発明の実施例3であるMEMSスイッチの構成例を説明する図である。本実施例3では、金属などの導電性材料で構成された可動構造体を用いたMEMSスイッチが例示されている。同図(a)は当該MEMSスイッチの上面から見た平面図であり、A−A’に沿った断面図が同図(b)である。また、図4(a)の右側には、当該平面図の中央部のみを拡大した平面図が拡大表示されている。図において、45は可動構造体、46は支持体、48はガラス基板である。当該ガラス基板48の上側表面には、高周波信号が伝播する信号線40と、その両側に配置されたグランド41から構成されたコプレーナ導波路が配置されている。さらに、当該ガラス基板の上側表面には、駆動のための固定電極42が配置され、当該固定電極42の表面には電気的な短絡を防止するための絶縁膜43が設けられている。可動構造体45は、サスペンション34を介して支持体46に結合され、当該支持体46は前記ガラス基板48に接合されている。すなわち、当該可動構造体45は当該ガラス基板48の上方に浮き上がって配置され、さらに、ガラス基板48の表面に設けられた前記コプレーナ導波路を覆うように作製されている。前記支持体46は前記ガラス基板48の上側表面に配置されたグランド41に接合されている。当該可動構造体45が導電性材料で構成されているので、当該可動構造体45は常にグランド電位(一般的には0ボルト)である。前記固定電極42は導電性のパターン47に接続されている。また、当該可動構造体45は、同図(b)での上下方向に変位するので、当該可動構造体45の周囲に存在する空気層のダンピングを抑制するため、多数の小さな貫通孔(付番せず)が設けられている。さらに、当該可動構造体45の下側表面には接点44が設けられている。当該接点44は、信号線40の上方に位置するよう設計されており、当該可動構造体45がガラス基板48側に変位してプルイン状態になった時に、信号線40と電気的に接触するようになっている。
<Configuration example of MEMS switch>
FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration example of a MEMS switch that is Embodiment 3 of the present invention. In the third embodiment, a MEMS switch using a movable structure made of a conductive material such as metal is illustrated. FIG. 4A is a plan view seen from the upper surface of the MEMS switch, and FIG. 4B is a cross-sectional view along AA ′. Further, on the right side of FIG. 4A, a plan view in which only the central portion of the plan view is enlarged is displayed. In the figure, 45 is a movable structure, 46 is a support, and 48 is a glass substrate. On the upper surface of the glass substrate 48, a coplanar waveguide composed of a signal line 40 through which a high-frequency signal propagates and a ground 41 disposed on both sides thereof is disposed. Further, a fixed electrode 42 for driving is disposed on the upper surface of the glass substrate, and an insulating film 43 for preventing an electrical short circuit is provided on the surface of the fixed electrode 42. The movable structure 45 is coupled to the support 46 via the suspension 34, and the support 46 is joined to the glass substrate 48. In other words, the movable structure 45 is arranged so as to float above the glass substrate 48 and is formed so as to cover the coplanar waveguide provided on the surface of the glass substrate 48. The support 46 is bonded to a ground 41 disposed on the upper surface of the glass substrate 48. Since the movable structure 45 is made of a conductive material, the movable structure 45 is always at a ground potential (generally 0 volts). The fixed electrode 42 is connected to a conductive pattern 47. Further, since the movable structure 45 is displaced in the vertical direction in FIG. 5B, in order to suppress the damping of the air layer existing around the movable structure 45, a large number of small through holes (numbering) Not). Further, a contact 44 is provided on the lower surface of the movable structure 45. The contact 44 is designed to be positioned above the signal line 40 so that when the movable structure 45 is displaced toward the glass substrate 48 and is brought into a pull-in state, the contact 44 is in electrical contact with the signal line 40. It has become.

本段落では図4の実施例3の動作を説明する。前記したように、当該可動構造体45の電位はグランド電位である。導電性のパターン47は、交流電圧源と直流電圧源とからなる駆動源(図示せず)に接続されている。このため、当該可動構造体45と当該固定電極42間には互いに引き合う静電気力が発生し、当該可動構造体45と当該固定電極42との間の距離(ギャップ長)が減少する。前記駆動源からの電気信号(交流電圧および直流電圧)の大きさが「プルイン」を誘起する条件を満足するならば、当該可動構造体45は当該固定電極42と接触(あるいは極度に近接)し、「プルイン」が発生し、MEMSスイッチの「メイク動作」が誘起される。かかる状態で、機械的、電気的な接触が発生すると、当該可動構造体45と当該42固定電極間に過大な短絡電流が流れることになるので、これを防止するために、当該固定電極42の表面には絶縁膜43が配置されている。プルイン状態になると、当該接点44は、前記した信号線40に接触(あるいは極度に接近)する。この結果、信号線40はグランド電位に固定される。すなわち、当該信号線40に流れ込んでいる高周波信号は当該接点44を介してグランド側へ伝播し、前記したコプレーナ導波路を伝播できなくなる。かかる動作により、スイッチの「オフ」(高周波信号が遮断される)の機能が達成される。一方、前記駆動源からの電気信号の大きさが「リリース」状態を誘起する条件になると、当該接点44と当該信号線40との接触は解除され、「ブレーク動作」が誘起される。この結果、当該信号線40も流れ込んでいる高周波信号は、当該コプレーナ導波路を伝播し続けることになる。かかる動作により、スイッチの「オン」(高周波信号が繋がる)の機能が達成される。   In this paragraph, the operation of the third embodiment shown in FIG. 4 will be described. As described above, the potential of the movable structure 45 is the ground potential. The conductive pattern 47 is connected to a drive source (not shown) composed of an AC voltage source and a DC voltage source. For this reason, electrostatic forces attracting each other are generated between the movable structure 45 and the fixed electrode 42, and the distance (gap length) between the movable structure 45 and the fixed electrode 42 is reduced. If the magnitude of the electrical signal (AC voltage and DC voltage) from the drive source satisfies the condition for inducing “pull-in”, the movable structure 45 is in contact with (or extremely close to) the fixed electrode 42. , "Pull-in" occurs, and a "make operation" of the MEMS switch is induced. If mechanical or electrical contact occurs in such a state, an excessive short-circuit current flows between the movable structure 45 and the 42 fixed electrode. To prevent this, An insulating film 43 is disposed on the surface. In the pull-in state, the contact 44 comes into contact with (or is extremely close to) the signal line 40 described above. As a result, the signal line 40 is fixed to the ground potential. That is, the high frequency signal flowing into the signal line 40 propagates to the ground side via the contact 44 and cannot propagate through the coplanar waveguide. With this operation, the function of “off” the switch (the high-frequency signal is cut off) is achieved. On the other hand, when the magnitude of the electric signal from the drive source is a condition for inducing a “release” state, the contact between the contact 44 and the signal line 40 is released, and a “break operation” is induced. As a result, the high frequency signal that also flows into the signal line 40 continues to propagate through the coplanar waveguide. With this operation, the function of “ON” of the switch (a high-frequency signal is connected) is achieved.

前記ガラス基板48の素材はガラスに限ることなく、高抵抗シリコン、ガリウムヒ素(GaAs)などの半導体材料や、セラミック、樹脂など、比抵抗が大きな材料であればよい。さらに、正接損失(tanδ)の小さな材料であれば、高周波信号の減衰が抑えられるため、より好ましい。   The material of the glass substrate 48 is not limited to glass, but may be any material having a large specific resistance, such as a semiconductor material such as high-resistance silicon or gallium arsenide (GaAs), ceramic, or resin. Furthermore, a material having a small tangent loss (tan δ) is more preferable because attenuation of a high-frequency signal can be suppressed.

前記した可動構造体45、サスペンション34、および、支持台は、種々の金属や半導体、導電性プラスチック等の材料を利用することができる。金属材料の中では、ヤング率が大きく、密度が小さいニッケル(Ni)が特に好ましい。ニッケルは「めっき」によって作製することができるために、当該MEMSスイッチを半導体集積回路と同一半導体基板上に集積化する構成に適している。接点の材料も種々の金属(例えば、金、プラチナ)や半導体、導電性プラスチックなどを利用することができる。接触抵抗を小さくできることから、金および金合金が特に好ましいが、この限りではない。   The movable structure 45, the suspension 34, and the support base described above can use materials such as various metals, semiconductors, and conductive plastics. Among metal materials, nickel (Ni) having a high Young's modulus and a low density is particularly preferable. Since nickel can be produced by “plating”, it is suitable for a structure in which the MEMS switch is integrated on the same semiconductor substrate as the semiconductor integrated circuit. Various metals (for example, gold, platinum), semiconductors, conductive plastics, and the like can be used as the contact material. Gold and a gold alloy are particularly preferable because the contact resistance can be reduced, but this is not restrictive.

実施例3では、印加した電気信号で発生する静電力を利用して当該可動構造体45を共振させているが、他の物理現象を利用して当該共振を起こさせても構わない。例えば、当該可動構造体45の上側表面に圧電薄膜を堆積し、当該薄膜に電気信号を印加することにより発生する機械的な変形(歪)で当該共振を励起することも可能である。かかる構成の一変形例として、当該可動構造体45そのものを圧電材料で構成し、その表面に導電性を付与することが挙げられる。また、磁界の中に配置された導電路には機械的な力(ロレンツ力)が誘起されることを利用して、当該共振を誘起しても構わない。以上のように、本発明では、共振を起こさせる「原動力」については特定の方法に限ることはない。   In the third embodiment, the movable structure 45 is resonated using the electrostatic force generated by the applied electric signal. However, the resonance may be caused using other physical phenomena. For example, the resonance can be excited by mechanical deformation (strain) generated by depositing a piezoelectric thin film on the upper surface of the movable structure 45 and applying an electric signal to the thin film. As a modified example of such a configuration, the movable structure 45 itself is made of a piezoelectric material, and conductivity is imparted to the surface thereof. Further, the resonance may be induced by utilizing a mechanical force (Lorentz force) induced in the conductive path arranged in the magnetic field. As described above, in the present invention, the “motive force” that causes resonance is not limited to a specific method.

図4に示した構造のMEMSスイッチの設計例を以下に示す。
伝送線路(信号線40とグランド41)、および、固定電極42:1ミクロン厚の金
絶縁膜43:0.1ミクロン厚のシリコン窒化膜
可動構造体45、サスペンション34、および、支持台46:12ミクロン厚のニッケル
接点44:0.15ミクロン厚の金
可動構造体と固定電極との間の距離の初期値:1ミクロン
A design example of the MEMS switch having the structure shown in FIG. 4 is shown below.
Transmission line (signal line 40 and ground 41), fixed electrode 42: gold insulating film 43 with a thickness of 1 micron: silicon nitride film with a thickness of 0.1 micron movable structure 45, suspension 34, and support base 46:12 Micron thick nickel Contact 44: 0.15 micron thick gold Initial value of distance between movable structure and fixed electrode: 1 micron

前段落に例示した設計値で設計したMEMSスイッチは、1ボルトの直流電圧に1ボルト(Peak-to-Peak)の交流電圧を重畳させることによりプルインが生じ、当該スイッチのオン、オフの繰り返し動作を行うことが明らかとなった。また、当該可動構造体の共振周波数(基本波)は21.4kHzであったので、スイッチング時間は約50μ秒相当である。   A MEMS switch designed with the design values illustrated in the previous paragraph causes pull-in by superimposing a 1-volt DC voltage on a 1-volt DC voltage, and the switch is turned on and off repeatedly. It became clear to do. In addition, since the resonance frequency (fundamental wave) of the movable structure is 21.4 kHz, the switching time is about 50 μsec.

<MEMSスイッチの作製方法>
MEMSスイッチの作製方法の一例を図5(a)〜(h)を用いて詳述する。なお、これらの図において、同一番号は同一構成要素を示している。
(1)厚さ500ミクロンのガラス基板50の上にクロム薄膜(厚さ0.02ミクロン)51と第一の金薄膜(厚さ1ミクロン)52を蒸着によって作製する。この後、第二のクロム薄膜(厚さ0.02ミクロン)53とCVD装置を利用してシリコン窒化膜(厚さ0.2ミクロン)54を堆積し、当該シリコン窒化膜54と当該第二のクロム薄膜53を周知の技術を用いてパターニングする(図5(a))。
(2)当該金薄膜52およびクロム薄膜51を周知の技術(フォトレジストを用いたフォトリソグラフィ技術である)を用いてパターニングを行う。続いて、この上にアルミニウム薄膜(厚さ0.02ミクロン)55を蒸着した後、前記フォトレジストを剥離する(いわゆる「リフトオフ」である)。この結果、当該ガラス基板50が露出していた領域にのみ前記アルミニウム薄膜55が積層されることになる(図5(b))。
(3)図5(b)に示した構造の上側表面全面に第一の銅薄膜を蒸着した後、研磨装置を用いて、当該銅薄膜の表面を研磨し、当該シリコン窒化膜54の上面と同じ高さになる(すなわち、当該シリコン窒化膜54の表面が露出する)まで研磨する。56はこの研磨工程が完了した時点での第一の銅薄膜である(図5(c))。
(4)当該銅薄膜56に表面に厚さ0.05ミクロンの銅を蒸着して第二の銅薄膜57を積層する。続いて、当該銅薄膜57の領域に直径20ミクロンの開口58を作製する(図5(d))。
(5)当該第二の銅薄膜57の表面に厚さ1ミクロンの銅を蒸着して第三の銅薄膜59を作製する。続いて、第二の金薄膜を積層してから、周知の技術により、当該開口58の領域に金接点60を作製する(図5(e))。
(6)当該銅薄膜59(実際は、当該第一から当該第三の銅薄膜で構成されている)の領域の一部をエッチングして支持台開口61を作製する(図5(f))。
(7)図5(f)に示した構造の上側表面全面に厚さ20ミクロンのレジストを積層してからパターンニングする(図示せず)。当該レジストパターンの開口部に厚さ12ミクロンのニッケルめっきを行い、ニッケル薄膜62を作製する。続いて、当該レジストを除去する(図5(g))。
(8)最後に、当該銅薄膜59(実際は、当該第一から当該第三の銅薄膜で構成されている)を硝酸によって除去(犠牲層エッチである)する(図5(h))。
以上のプロセスにより、MEMSスイッチは作製される。
<Method for manufacturing MEMS switch>
An example of a manufacturing method of the MEMS switch will be described in detail with reference to FIGS. In these drawings, the same number indicates the same component.
(1) A chromium thin film (thickness 0.02 micron) 51 and a first gold thin film (thickness 1 micron) 52 are formed on a glass substrate 50 having a thickness of 500 microns by vapor deposition. Thereafter, a silicon nitride film (thickness 0.2 μm) 54 is deposited using a second chromium thin film (thickness 0.02 μm) 53 and a CVD apparatus. The chromium thin film 53 is patterned using a known technique (FIG. 5A).
(2) The gold thin film 52 and the chromium thin film 51 are patterned using a known technique (a photolithography technique using a photoresist). Subsequently, an aluminum thin film (thickness: 0.02 microns) 55 is deposited thereon, and then the photoresist is peeled off (so-called “lift-off”). As a result, the aluminum thin film 55 is laminated only in the region where the glass substrate 50 is exposed (FIG. 5B).
(3) After the first copper thin film is deposited on the entire upper surface of the structure shown in FIG. 5B, the surface of the copper thin film is polished using a polishing apparatus, and the upper surface of the silicon nitride film 54 Polishing is performed until the height is the same (that is, the surface of the silicon nitride film 54 is exposed). Reference numeral 56 denotes a first copper thin film at the time when the polishing step is completed (FIG. 5C).
(4) Deposit a second copper thin film 57 by depositing 0.05 micron thick copper on the surface of the copper thin film 56. Subsequently, an opening 58 having a diameter of 20 microns is formed in the region of the copper thin film 57 (FIG. 5D).
(5) A third copper thin film 59 is produced by depositing copper having a thickness of 1 micron on the surface of the second copper thin film 57. Subsequently, after laminating the second gold thin film, a gold contact 60 is formed in the region of the opening 58 by a known technique (FIG. 5E).
(6) A part of the region of the copper thin film 59 (actually composed of the first to third copper thin films) is etched to produce the support opening 61 (FIG. 5F).
(7) A resist having a thickness of 20 microns is laminated on the entire upper surface of the structure shown in FIG. 5 (f) and then patterned (not shown). Nickel plating with a thickness of 12 microns is performed on the opening of the resist pattern to produce a nickel thin film 62. Subsequently, the resist is removed (FIG. 5G).
(8) Finally, the copper thin film 59 (actually composed of the first to third copper thin films) is removed with nitric acid (sacrificial layer etch) (FIG. 5H).
The MEMS switch is manufactured by the above process.

<MEMSスイッチの駆動動作範囲>
図6は、図4に例示した構成のMEMSスイッチを、図2を用いて記載した本発明による駆動法で駆動した時の実測結果であり、作製したMEMSスイッチの動作範囲を示している。同図のグラフの横軸は印加した直流電圧の値、縦軸は印加した交流電圧の値(Peak−to−Peak)を示す。同図の◆印は、MEMSスイッチが「プルイン」を起こして当該可動構造体が当該固定電極に「接触」(極度な近接も含む)し、かつ、その「接触」が維持されたことを示している。すなわち、「メイク状態」が行われる条件を示している。なお、ここでの「接触」は、図4(b)に示した接点44と、信号線40との間の電気抵抗を測定することにより、当該「接触」の発生を確認している。図6のグラフより、◆印は3つの直線65、66、および、67で囲まれた領域に存在している。当該直線65は、印加直流電圧がMEMSスイッチのホールド電圧と等しい場合を示している。もし、動作条件(当該直流電圧値と当該交流電圧値の組合せとなる)が、この直線より左側にある場合には当該MEMSスイッチの「ホールド」は生じない(当然のことながら「プルイン」も発生しない)。また、直線66は、直流電圧に重畳された交流電圧波形のプラス側のピーク値(波形の「山」に対応)がスイッチの「プルイン」電圧を等しい場合を示している。すなわち、当該MEMSスイッチが「プルイン」するためには、この直線の上側に動作条件を設定する必要がある。さらに、直線67は、直流電圧に重畳された交流電圧波形のマイナス側のピーク値(波形の「谷」に対応)が「リリース」電圧以下となる条件を示している。このため、この直線よりも上側に動作条件が設定された場合には、当該MEMSスイッチは「プルイン」(瞬間的ではあるが)するが、安定した「ホールド」が起こらず、スイッチとして正常な機能が達成されないことになる。
<Drive operation range of MEMS switch>
FIG. 6 shows measurement results when the MEMS switch having the configuration illustrated in FIG. 4 is driven by the driving method according to the present invention described with reference to FIG. 2, and shows an operation range of the manufactured MEMS switch. The horizontal axis of the graph of the figure shows the value of the applied DC voltage, and the vertical axis shows the value of the applied AC voltage (Peak-to-Peak). The asterisk in the figure indicates that the MEMS switch caused a “pull-in”, the movable structure “contacted” (including extreme proximity) to the fixed electrode, and the “contact” was maintained. ing. That is, the conditions for performing the “make-up state” are shown. The “contact” here confirms the occurrence of the “contact” by measuring the electrical resistance between the contact 44 shown in FIG. 4B and the signal line 40. From the graph of FIG. 6, the ♦ mark exists in the area surrounded by the three straight lines 65, 66, and 67. The straight line 65 indicates a case where the applied DC voltage is equal to the hold voltage of the MEMS switch. If the operating condition (which is a combination of the DC voltage value and the AC voltage value) is on the left side of this straight line, the MEMS switch “hold” does not occur (naturally, “pull-in” also occurs. do not do). A straight line 66 indicates a case where the positive peak value (corresponding to the “mountain” of the waveform) of the AC voltage waveform superimposed on the DC voltage is equal to the “pull-in” voltage of the switch. That is, in order for the MEMS switch to “pull in”, it is necessary to set an operating condition above this straight line. Further, a straight line 67 indicates a condition in which the negative peak value (corresponding to the “valley” of the waveform) of the AC voltage waveform superimposed on the DC voltage is equal to or lower than the “release” voltage. For this reason, when the operating condition is set above the straight line, the MEMS switch is “pulled in” (although it is instantaneous), but stable “hold” does not occur, and the switch functions normally. Will not be achieved.

本段落では、図6の結果より得られる当該MEMSスイッチの駆動法について例示する。(1)直流電圧を一定にし、交流電圧を印加することにより、スイッチを「プルイン」させる。スイッチを「ホールド」するには、このままでも良いし、あるいは、交流電圧の振幅を減少させても良い。これは、交流電圧値、直流電圧値、および、ホールド電圧の相互の関係に従って決定される。一方、「ホールド」状態のスイッチは、この直流電圧を減少させることにより「リリース」させることができる。
(2)交流電圧を一定にし、直流電圧を印加することにより、スイッチを「プルイン」させる。スイッチを「ホールド」するには、このままでも良いし、あるいは、直流電圧を減少させても良い。これは、交流電圧値、直流電圧値、および、ホールド電圧との関係に従って決定される。一方、「ホールド」状態のスイッチは、この直流電圧の値を減少させることによって「リリース」させることができる。
(3)直流電圧を一定にし、当該可動構造体の共振周波数付近(厳密に記載するならば、共振周波数の前後20%の範囲の周波数である)の交流電圧を重畳することにより、スイッチを「プルイン」させる。スイッチを「ホールド」するには、このままでも良いし、あるいは、交流電圧の振幅を減少させても良い。これは、交流電圧値、直流電圧値、および、ホールド電圧との関係に従って決定される。一方、「ホールド」状態のスイッチは、この交流電圧の周波数を共振周波数から離す(厳密に記載するならば、共振周波数の前後20%の範囲の外に設定することである)ことによって「リリース」させることができる。当該MEMSスイッチの駆動には、上記した代表的な3例以外にも、直流電圧値、交流電圧値、周波数、および、それぞれの印加タイミングなどの組合せには多く変形があるが、これらは本発明に含まれるものである。
In this paragraph, a driving method of the MEMS switch obtained from the result of FIG. 6 is illustrated. (1) Keep the DC voltage constant and apply the AC voltage to “pull in” the switch. To “hold” the switch, it can be left as it is, or the amplitude of the AC voltage can be reduced. This is determined according to the mutual relationship between the AC voltage value, the DC voltage value, and the hold voltage. On the other hand, a switch in the “hold” state can be “released” by decreasing the DC voltage.
(2) “pull-in” the switch by keeping the AC voltage constant and applying the DC voltage. To “hold” the switch, it can be left as it is, or the DC voltage can be reduced. This is determined according to the relationship between the AC voltage value, the DC voltage value, and the hold voltage. On the other hand, a switch in the “hold” state can be “released” by decreasing the value of the DC voltage.
(3) By making the DC voltage constant and superimposing an AC voltage in the vicinity of the resonance frequency of the movable structure (or, strictly speaking, a frequency in the range of 20% before and after the resonance frequency), the switch becomes “ Pull in ”. To “hold” the switch, it can be left as it is, or the amplitude of the AC voltage can be reduced. This is determined according to the relationship between the AC voltage value, the DC voltage value, and the hold voltage. On the other hand, a switch in the “hold” state is “released” by separating the frequency of the AC voltage from the resonance frequency (to be strictly speaking, setting it outside the range of 20% before and after the resonance frequency). Can be made. In addition to the three representative examples described above, there are many variations in the combination of the DC voltage value, the AC voltage value, the frequency, and the respective application timings for driving the MEMS switch. Is included.

なお、印加する交流電圧の周波数については、単一の周波数ではなく、当該可動構造体の共振周波数付近の複数の周波数を「同時に含む」信号であっても構わない。かかる手法を用いれば、交流電源の設計が簡略化されるという利点がある。さらに、印加する交流電圧の周波数については、当該可動構造体の共振周波数付近の複数の周波数を「時間的に順次含む」信号(すなわち、時間軸で周波数が変化する信号である)を利用することも可能である。ここでは、周波数を順次に増加させても、あるいは、減少させても構わない。   Note that the frequency of the AC voltage to be applied may not be a single frequency, but may be a signal “including simultaneously” a plurality of frequencies near the resonance frequency of the movable structure. Use of such a method has the advantage that the design of the AC power supply is simplified. Furthermore, as for the frequency of the alternating voltage to be applied, a signal that “sequentially includes a plurality of frequencies in the vicinity of the resonance frequency of the movable structure” (that is, a signal whose frequency changes on the time axis) is used. Is also possible. Here, the frequency may be sequentially increased or decreased.

<MEMSスイッチの他の駆動法>
当該可動構造体が当該固定電極の近くにあり、未だ「プルイン」していない状態では興味深い現象が起こることが知られている。これは、非線形共振現象と呼ばれるものである。図7は、当該非線形共振現象を利用したスイッチの駆動法の原理を示す図である。同図は、試作したMEMSスイッチを実際に測定した結果を示したものであり、横軸は交流電圧の周波数、縦軸は当該可動構造体の機械的な振動の振幅(レーザドップラ装置で計測)である。同図に示すように、(1)交流電圧の周波数を上昇させ、当該可動構造体の共振周波数に近づけていくと、振幅が増大する(曲線81)。(2)当該周波数が共振周波数を超えて高くなると、振幅の減少が起こる(曲線82)。かかる条件下においては、MEMSスイッチの「プルイン」は生じていない。(3)当該周波数が共振周波数を超えた状態で、当該周波数を減少させると、非線形現象のため振幅が増大する(曲線83)。(4)さらに当該周波数を低下させていくと、「プルイン」が発生する(曲線84)。かかる非線形現象を利用した駆動法では、当該非線形現象を利用しない駆動法における「プルインが生じない駆動条件」においても、当該MEMSスイッチの「プルイン」を起こさせることが可能であることを示しており、駆動電圧のさらなる低減に役立つものである。なお、試作したMEMSスイッチでは、交流電圧の周波数を増大させた後に減少させるという駆動法で「プルイン」を起こすことが確認されている。また、これとは逆に交流信号の周波数を減少させ、共振周波数より小さくなった段階で周波数を増大させる操作法により「プルイン」が発生することも確認された。かかる非線形現象を利用した駆動法も本発明に含まれる。
<Other driving methods for MEMS switches>
It is known that an interesting phenomenon occurs when the movable structure is near the fixed electrode and has not yet been “pulled in”. This is called a nonlinear resonance phenomenon. FIG. 7 is a diagram showing the principle of a switch driving method using the nonlinear resonance phenomenon. This figure shows the results of actual measurement of the prototype MEMS switch. The horizontal axis is the frequency of the AC voltage, and the vertical axis is the amplitude of the mechanical vibration of the movable structure (measured with a laser Doppler device). It is. As shown in the figure, (1) when the frequency of the AC voltage is increased and brought closer to the resonance frequency of the movable structure, the amplitude increases (curve 81). (2) When the frequency becomes higher than the resonance frequency, the amplitude decreases (curve 82). Under such conditions, there is no “pull-in” of the MEMS switch. (3) When the frequency is decreased while the frequency exceeds the resonance frequency, the amplitude increases due to a nonlinear phenomenon (curve 83). (4) When the frequency is further lowered, “pull-in” occurs (curve 84). The driving method using such a nonlinear phenomenon indicates that it is possible to cause the “pull-in” of the MEMS switch even in “driving conditions in which pull-in does not occur” in the driving method not using the nonlinear phenomenon. This is useful for further reducing the driving voltage. It has been confirmed that the prototype MEMS switch causes “pull-in” by a driving method in which the frequency of the alternating voltage is increased and then decreased. On the other hand, it was also confirmed that “pull-in” occurs by an operation method in which the frequency of the AC signal is decreased and the frequency is increased when the frequency is lower than the resonance frequency. A driving method using such a nonlinear phenomenon is also included in the present invention.

<MEMSスイッチの他の構成>
図8は、先に記載した実施例3と異なる構成を有するMEMSスイッチである。本実施例における当該MEMSスイッチの平面図は図4と同じであるが、A−A’に沿った断面図は異なっている。図8には当該断面図が示されている。図8において、図4と同一番号は同一構成要素を示している。本実施例では、固定電極72の厚さが図4に示した実施例(固定電極42)と比べて厚くなっているのが特徴である。かかる構成により、当該可動構造体45と当該固定電極72との間の間隔(ギャップ長)を小さく設定することが可能となる。この結果、駆動のための電気信号(前記した直流電圧や交流電圧である)の大きさを低減でき、駆動電圧の低減という課題の解決に有効である。さらに、当該可動構造体45に配置された接点74の高さを可動電極と固定電極のギャップに一意的に制限されることなく設計するため、設計の自由度が増すという利点もある。
<Other configuration of MEMS switch>
FIG. 8 shows a MEMS switch having a configuration different from that of the third embodiment described above. The plan view of the MEMS switch in the present embodiment is the same as that in FIG. 4, but the cross-sectional view along AA ′ is different. FIG. 8 shows the cross-sectional view. 8, the same numbers as those in FIG. 4 indicate the same components. This embodiment is characterized in that the thickness of the fixed electrode 72 is thicker than that of the embodiment (fixed electrode 42) shown in FIG. With this configuration, it is possible to set a small interval (gap length) between the movable structure 45 and the fixed electrode 72. As a result, the magnitude of the electric signal for driving (the above-described DC voltage or AC voltage) can be reduced, which is effective in solving the problem of reducing the driving voltage. Furthermore, since the height of the contact 74 arranged in the movable structure 45 is designed without being uniquely limited by the gap between the movable electrode and the fixed electrode, there is an advantage that the degree of freedom of design is increased.

図8に示す構成でMEMSスイッチを設計した例を以下に示す。
伝送線路(信号線40とグランド41):1ミクロン厚の金
固定電極72:1.44ミクロン厚の金
絶縁膜43:0.05ミクロン厚のシリコン窒化膜
可動構造体45、サスペンション34、および、支持台46:4ミクロン厚のニッケル
接点74:厚さ0.5ミクロン厚の金
可動構造体45と固定電極72との間の距離の初期値:0.21ミクロン
An example of designing a MEMS switch with the configuration shown in FIG. 8 is shown below.
Transmission line (signal line 40 and ground 41): 1 micron thick gold Fixed electrode 72: 1.44 micron thick gold Insulating film 43: 0.05 micron thick silicon nitride film Movable structure 45, suspension 34, and Support base 46: nickel having a thickness of 4 microns Contact 74: gold having a thickness of 0.5 microns The initial value of the distance between the movable structure 45 and the fixed electrode 72: 0.21 microns

前段落に例示した設計値で設計したMEMSスイッチは、0.96ボルトの直流電圧に30ミリボルト(実効値、rms)の交流電圧を重畳させることによりプルインが生じ、当該スイッチのオン、オフの繰り返し動作を行うことが明らかになった。また、当該可動構造体の共振周波数(基本波)は168kHzであったので、スイッチング時間は約10μ秒相当である。さらに、当該信号線を伝播する高周波信号が2Wもの大電力であっても、当該高周波信号の制御が可能であった。   In the MEMS switch designed with the design values exemplified in the previous paragraph, pull-in is generated by superimposing an AC voltage of 30 millivolts (effective value, rms) on a DC voltage of 0.96 volts, and the switch is repeatedly turned on and off repeatedly. It became clear to do the action. In addition, since the resonance frequency (fundamental wave) of the movable structure is 168 kHz, the switching time is about 10 μsec. Furthermore, even if the high-frequency signal propagating through the signal line has a high power of 2 W, the high-frequency signal can be controlled.

<MEMSスイッチの他の構成>
図9は、先に記載した実施例3と異なる構成を有するMEMSスイッチである。本実施例における当該MEMSスイッチの平面図は図4と同じであるが、A−A’に沿った断面図は異なっている。図9には当該断面図が示されている。図9において、図4と同一番号は同一構成要素を示している。本実施例では、前記した実施例3(例えば図4)と下記の諸点が異なっている。(1)図4の絶縁膜43に代えて、金属バンプ80aおよび80bが設けられている。(2)図4の固定電極42は、固定電極81aと82a、および、固定電極81bと82bとして設けられている。当該固定電極81aと当該固定電極82aは電気的に接続されており(図示せず)、当該固定電極81bと当該固定電極82bも同様に接続されている。当該金属バンプ80a、および、金属バンプ80bの高さは、当該固定電極81a、81b、82a、82bの高さよりも大きく設定されている。(3)当該可動構造体45の中央領域には接点44が設けられており、当該可動構造体45がプルインした状態では、当該接点44が伝送線路40と接触するようになっている。(4)当該金属バンプ80a、および、80bは、電気的にフローティングの状態、あるいは、当該可動構造体45と同じ電位に設定されている。かかる構成においては、当該可動構造体45が「プルイン」すると、当該可動構造体45の変位(あるいは移動)は当該金属バンプ80aと80bとで制限される。前記したように、当該金属バンプ80a、80bと当該固定電極81a、81b、82a、82bとの高さの差により、「プルイン」状態で、当該可動構造体45が当該固定電極81a、81b、82a、82bと接触することは避けられる。このため、図4では、短絡防止のために設けられていた絶縁膜43が不要となる利点がある。
<Other configuration of MEMS switch>
FIG. 9 shows a MEMS switch having a configuration different from that of the third embodiment described above. The plan view of the MEMS switch in the present embodiment is the same as that in FIG. 4, but the cross-sectional view along AA ′ is different. FIG. 9 shows the cross-sectional view. 9, the same numbers as those in FIG. 4 indicate the same components. This embodiment is different from the above-described embodiment 3 (for example, FIG. 4) in the following points. (1) Metal bumps 80a and 80b are provided in place of the insulating film 43 in FIG. (2) The fixed electrode 42 of FIG. 4 is provided as fixed electrodes 81a and 82a and fixed electrodes 81b and 82b. The fixed electrode 81a and the fixed electrode 82a are electrically connected (not shown), and the fixed electrode 81b and the fixed electrode 82b are similarly connected. The height of the metal bump 80a and the metal bump 80b is set larger than the height of the fixed electrodes 81a, 81b, 82a, and 82b. (3) A contact 44 is provided in the central region of the movable structure 45, and the contact 44 comes into contact with the transmission line 40 when the movable structure 45 is pulled in. (4) The metal bumps 80 a and 80 b are set in an electrically floating state or the same potential as the movable structure 45. In such a configuration, when the movable structure 45 is “pulled in”, the displacement (or movement) of the movable structure 45 is limited by the metal bumps 80a and 80b. As described above, due to the difference in height between the metal bumps 80a, 80b and the fixed electrodes 81a, 81b, 82a, 82b, the movable structure 45 is fixed to the fixed electrodes 81a, 81b, 82a in the “pull-in” state. , 82b is avoided. For this reason, in FIG. 4, there is an advantage that the insulating film 43 provided for preventing the short circuit becomes unnecessary.

本実施例では、絶縁膜を用いることなく、可動構造体と固定電極の短絡を金属バンプで防止したことに特徴がある。このため、絶縁膜の帯電(チャージアップ)現象により、固定電極に可動構造体が付着することが無くなり、MEMSスイッチの長期信頼性を増大できるという利点がある。   This embodiment is characterized in that a short circuit between the movable structure and the fixed electrode is prevented by a metal bump without using an insulating film. For this reason, the movable structure does not adhere to the fixed electrode due to the charging (charge-up) phenomenon of the insulating film, and there is an advantage that the long-term reliability of the MEMS switch can be increased.

<MEMSスイッチの他の構成>
図10は、先に記載した実施例3と異なる構成を有するMEMSスイッチである。本実施例における当該MEMSスイッチの平面図は図4と同じであるが、A−A’に沿った断面図は異なっている。図10には当該断面図が示されている。図10において、図4と同一番号は同一構成要素を示している。本実施例では、前記した実施例3(例えば図4)と下記の諸点が異なっている。(1)可動構造体45に配置された接点が3個ある。それぞれは95、96a、96bである(図10参照)。当該3個の接点は、同一の可動構造体45(導電体である)と一体化されているので、同一電位である。(2)コプレーナ導波路は、信号線90(信号線40と対応)と、その両側に配置されたグランド91(グランド41と対応)で構成されている。(3)当該可動構造体45が「プルイン」した状態では、当該接点95は信号線90と接触する。また、当該接点96aと96bは当該グランド91と接触する。この結果、コプレーナ導波路を構成する当該信号線90は当該グランド91と短絡されることになる。(4)当該可動構造体45が「3点」でコプレーナ導波路に接触するため、当該可動構造体45が当該固定電極72と接触することはない。参考までに記すと、接点が1個である構成(図4の実施例3である)では、当該可動構造体45は「シーソー」のように一方に傾き、どちらかの固定電極72と接触する危険がある。図10に示した構成により以下の利点が発生する。(1)本実施例では当該固定電極72との接触の可能性はないので、図4の絶縁膜43が不要になる。この結果、絶縁膜のチャージアップ現象により、固定電極72に可動構造体45が付着することが無くなり、MEMSスイッチの長期信頼性を増大できるという利点もある。(2)「プルイン」状態でコプレーナ導波路は短絡されるが、当該信号線90と当該グランド91間に流れる短絡電流は、当該接点95から当該接点96a、あるいは、当該接点96bへの電流路を通過する。このため、従来例での短絡電流路のパス(電流路の長さ)が短くなり、高周波特性が大きく改善できるという利点がある。
<Other configuration of MEMS switch>
FIG. 10 shows a MEMS switch having a configuration different from that of the third embodiment described above. The plan view of the MEMS switch in the present embodiment is the same as that in FIG. 4, but the cross-sectional view along AA ′ is different. FIG. 10 shows the cross-sectional view. 10, the same numbers as those in FIG. 4 indicate the same components. This embodiment is different from the above-described embodiment 3 (for example, FIG. 4) in the following points. (1) There are three contacts arranged on the movable structure 45. These are 95, 96a, and 96b (see FIG. 10). Since the three contacts are integrated with the same movable structure 45 (which is a conductor), they have the same potential. (2) The coplanar waveguide includes a signal line 90 (corresponding to the signal line 40) and grounds 91 (corresponding to the ground 41) arranged on both sides thereof. (3) In a state where the movable structure 45 is “pulled in”, the contact point 95 contacts the signal line 90. Further, the contacts 96a and 96b are in contact with the ground 91. As a result, the signal line 90 constituting the coplanar waveguide is short-circuited with the ground 91. (4) Since the movable structure 45 contacts the coplanar waveguide at “3 points”, the movable structure 45 does not contact the fixed electrode 72. For reference, in the configuration in which there is one contact (the third embodiment in FIG. 4), the movable structure 45 is inclined to one side like a “seesaw” and is in contact with one of the fixed electrodes 72. There is danger. The configuration shown in FIG. 10 has the following advantages. (1) In this embodiment, since there is no possibility of contact with the fixed electrode 72, the insulating film 43 in FIG. 4 becomes unnecessary. As a result, the movable structure 45 does not adhere to the fixed electrode 72 due to the charge-up phenomenon of the insulating film, and there is an advantage that the long-term reliability of the MEMS switch can be increased. (2) Although the coplanar waveguide is short-circuited in the “pull-in” state, the short-circuit current flowing between the signal line 90 and the ground 91 causes a current path from the contact 95 to the contact 96a or the contact 96b. pass. For this reason, there is an advantage that the short-circuit current path (length of the current path) in the conventional example is shortened, and the high-frequency characteristics can be greatly improved.

<MEMSスイッチの他の構成>
図11は、先に記載した実施例3と異なる構成を有するMEMSスイッチである。本実施例における当該MEMSスイッチの平面図は図4と同じであるが、A-A’に沿った断面図は異なっている。図11には当該断面図が示されている。図11において、図4と同一番号は同一構成要素を示している。本実施例では、前記した実施例3(例えば図4)と下記の諸点が異なっている。(1)信号線100(信号線40と対応)の上側表面には絶縁膜101が配置されている。当該絶縁膜101の素材は窒化膜、酸化膜、セラミクス、樹脂材料など周知の材料である。(2)固定電極42の上側表面に絶縁膜が存在しない。かかる構成では、「プルイン」状態で、当該可動構造体45に設けられた接点44は当該絶縁膜101を介して当該信号線100と機械的に接触することになる。かかる接触では、電気的な接触は発生しない。しかし、当該絶縁膜の厚さが1μm以下である場合には、当該接点44と信号線100との間に形成される静電容量値は大きくなるので、高周波信号に対しては、電気的な接触(いわゆる「静電結合」である)が達成されることになる。本実施例の構成では、電気的な接触が「間接的」であり、実施例3のような金属(接点44の金)と金属(信号線40の金)の接触ではない。このため、金属・金属の接触抵抗の変動がなく、高周波特性の劣化を抑制することが可能となる。すなわち、MEMSスイッチ特性の向上が可能である。
<Other configuration of MEMS switch>
FIG. 11 shows a MEMS switch having a configuration different from that of the third embodiment described above. The plan view of the MEMS switch in the present embodiment is the same as that in FIG. 4, but the cross-sectional view along AA ′ is different. FIG. 11 shows the cross-sectional view. 11, the same reference numerals as those in FIG. 4 denote the same components. This embodiment is different from the above-described embodiment 3 (for example, FIG. 4) in the following points. (1) An insulating film 101 is disposed on the upper surface of the signal line 100 (corresponding to the signal line 40). The material of the insulating film 101 is a known material such as a nitride film, an oxide film, ceramics, or a resin material. (2) There is no insulating film on the upper surface of the fixed electrode 42. In this configuration, the contact 44 provided on the movable structure 45 is in mechanical contact with the signal line 100 through the insulating film 101 in the “pull-in” state. Such contact does not cause electrical contact. However, when the thickness of the insulating film is 1 μm or less, the capacitance value formed between the contact 44 and the signal line 100 becomes large. Contact (so-called “electrostatic coupling”) will be achieved. In the configuration of the present embodiment, the electrical contact is “indirect”, and is not the contact between the metal (gold of the contact 44) and the metal (gold of the signal line 40) as in the third embodiment. For this reason, there is no fluctuation of the metal-metal contact resistance, and it is possible to suppress the deterioration of the high frequency characteristics. That is, the MEMS switch characteristics can be improved.

<MEMSスイッチの他の構成>
図12は、複数の接点を可動構造体に配置し、信号線と複数個所で接触が起こることを特徴とするMEMSスイッチを示している。実施例9ではコプレーナ導波路に跨って接点を3個配置する構成が示されており、その平面図は図4、断面図は図10に記載されている。本実施例は、実施例9をさらに発展させた構成を有している。本実施例の構成で、接点が配置された領域を斜め上から俯瞰した図が図12である。同図は、図4(a)の右側に図示した拡大図を俯瞰したものに相当している。同図において、110は信号線であり、4本に分岐された構成が例示されている。111は可動構造体である。112の領域の下側には接点が配置されている。113の領域の下側には固定電極が配置されている。図12の領域112には、4×4個の当該接点が二次元配列されている。当該接点の数は4×4個に限定されず、また、その配列が一次元であっても構わない。特に当該配列が一次元であり、さらに、その配列方向が当該信号線の方向と一致している場合には、図12の110で示したような「信号線の分岐」を行う必要はない。本実施例では、複数個の当該接点を同時に当該信号線に接触させることに特徴がある。このため、当該接点が占有する領域の面積が小さく、個々の場所での許容電流が小さくなっても、全体として許容電流値を大きくすることが可能である。また、個々の接点の「接触」は並列的に行われるので、接触の信頼性を高めることも可能(数個の接点が「接触」不良を起こしても全体への影響は少ない)である。さらに、この実施例では個々のスイッチ寸法を小さくすることができるため、各々の接点を「接触」させるためのバネ定数を大きく設定できる利点もある。
<Other configuration of MEMS switch>
FIG. 12 shows a MEMS switch characterized in that a plurality of contacts are arranged in a movable structure and contact with signal lines occurs at a plurality of locations. In the ninth embodiment, a configuration in which three contacts are arranged across the coplanar waveguide is shown, and a plan view thereof is shown in FIG. 4 and a sectional view thereof is shown in FIG. The present embodiment has a configuration obtained by further developing the ninth embodiment. FIG. 12 is an overhead view of the region where the contacts are arranged in the configuration of the present embodiment as viewed obliquely from above. This figure corresponds to an overhead view of the enlarged view shown on the right side of FIG. In the figure, reference numeral 110 denotes a signal line, and a configuration branched into four is illustrated. Reference numeral 111 denotes a movable structure. A contact point is disposed below the region 112. A fixed electrode is disposed below the region 113. In the region 112 of FIG. 12, 4 × 4 contact points are two-dimensionally arranged. The number of the contacts is not limited to 4 × 4, and the arrangement may be one-dimensional. In particular, when the arrangement is one-dimensional and the arrangement direction coincides with the direction of the signal line, it is not necessary to perform “signal line branching” as indicated by 110 in FIG. The present embodiment is characterized in that a plurality of the contact points are simultaneously brought into contact with the signal line. For this reason, even if the area of the region occupied by the contact is small and the allowable current at each location is small, the allowable current value can be increased as a whole. In addition, since the “contact” of the individual contacts is performed in parallel, it is possible to improve the reliability of the contact (even if several contacts cause a “contact” failure, the influence on the whole is small). Furthermore, in this embodiment, since the individual switch dimensions can be reduced, there is an advantage that a large spring constant for “contacting” each contact can be set.

なお、本明細書では、両端固定ビーム型のMEMSスイッチを例として挙げているが、当該MEMSスイッチにはこれら以外にも多くの形態がある。例えば、ディスク型(円板形状等)、リング型、「魚の骨」型、および、隣接して配置された複数のMEMSスイッチの可動構造体領域を機械的に結合させた「連結型スイッチ」などがある。これらの多くの形態に対しても、本発明を実施することが可能である。   Note that, in this specification, a both-end fixed beam type MEMS switch is exemplified, but the MEMS switch has many other forms. For example, a disk type (disc shape, etc.), a ring type, a “fishbone” type, and a “connected type switch” in which the movable structure regions of a plurality of adjacent MEMS switches are mechanically coupled. There is. The present invention can be implemented for many of these forms.

また、本明細書では、接点をもつ抵抗型のMEMSスイッチを例として挙げたが、接触部にキャパシタンスを設けた静電容量型のMEMSスイッチにも容易に適用することが可能である。   In this specification, a resistance-type MEMS switch having a contact is described as an example. However, the present invention can be easily applied to a capacitance-type MEMS switch in which a capacitance is provided at a contact portion.

本発明によれば、静電型アクチュエータの駆動電圧を大幅に低減することが可能となり、MEMSスイッチに適用した場合の効果は大きい。特に、MEMSスイッチに適用した場合には、低い駆動電圧で、「ばね」定数が大きい可動構造体を駆動することができるため、スイッチング速度と長期信頼性が向上し、かつ、大電力の信号を扱うことが可能となる。さらに、当該MEMSスイッチは、シリコン半導体技術を用いて作製されるので、シリコン基板上にMEMSスイッチを作製した場合、駆動回路や信号処理回路とのワンチップ集積化が可能であり、半導体集積回路の高度化にも有効である。この場合、1ボルト〜2ボルトの駆動電圧でMEMSスイッチが駆動できるという本発明の効果が非常に有効になる。かかる機能の向上は、可搬型機器、特に、携帯型通信機などの高機能化に多大に貢献できる。また、コグニティブ通信に代表される多周波数通信では、機器の小型化、低消費電力化が促進され、ユビキタス環境の構築に利用できる。さらに、本発明のMEMSスイッチを用いてスイッチマトリックスを構成すると、小型のスイッチングボードを作製することができる。MEMSスイッチの高周波特性が優れていることから、このスイッチングボードは高周波回路の信号を切り替えるのに利用することができる。さらに、高周波信号線に本発明のMEMSスイッチを多数配列することにより、インピーダンスマッチング回路、フィルタ、さらにアンテナの移相器などにも広く利用することが可能である。   According to the present invention, the driving voltage of the electrostatic actuator can be greatly reduced, and the effect when applied to a MEMS switch is great. In particular, when applied to a MEMS switch, a movable structure having a large “spring” constant can be driven with a low driving voltage, so that switching speed and long-term reliability are improved, and a high-power signal is transmitted. It becomes possible to handle. Further, since the MEMS switch is manufactured using silicon semiconductor technology, when the MEMS switch is manufactured on a silicon substrate, one-chip integration with a drive circuit and a signal processing circuit is possible. It is also effective for upgrading. In this case, the effect of the present invention that the MEMS switch can be driven with a driving voltage of 1 to 2 volts is very effective. Such an improvement in function can greatly contribute to the enhancement of functions of portable devices, particularly portable communication devices. In addition, multi-frequency communication represented by cognitive communication promotes downsizing and low power consumption of devices, and can be used to construct a ubiquitous environment. Furthermore, when a switch matrix is configured using the MEMS switch of the present invention, a small switching board can be manufactured. Since the high frequency characteristics of the MEMS switch are excellent, this switching board can be used to switch the signal of the high frequency circuit. Furthermore, by arranging a number of MEMS switches of the present invention on a high-frequency signal line, it can be widely used for impedance matching circuits, filters, antenna phase shifters, and the like.

11 入力する端子
12 出力する端子
13 MEMSスイッチ
14 交流電圧源
15 直流電圧源
16 駆動スイッチ
17a、17b 伝送線路
20、48、50、190 ガラス基板
21、45、111、199 可動構造体
22、46、195a、195b 支持台
23、42、72、81a、81b、82a、82b、193a、193b 固定電極
24、44、74、95、96a、96b、198 接点
25、40、90、100、110、191 信号線
27、28、29、81、82、83、84 曲線
34、196a、196b サスペンション
41、91、192a、192b グランド
43、101 絶縁膜
47 導電性のパターン
51、53 クロム薄膜
52 金薄膜
54 シリコン窒化膜
55 アルミニウム薄膜
56、57、59 銅薄膜
58、61 開口
60 金接点
62 ニッケル薄膜
65、66、67 動作限界を決める直線
80a、80b 金属バンプ
112、113 領域
194a、194b バンプ接触部
197a、197b バンプ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Input terminal 12 Output terminal 13 MEMS switch 14 AC voltage source 15 DC voltage source 16 Drive switch 17a, 17b Transmission line 20, 48, 50, 190 Glass substrate 21, 45, 111, 199 Movable structure 22, 46, 195a, 195b Support base 23, 42, 72, 81a, 81b, 82a, 82b, 193a, 193b Fixed electrode 24, 44, 74, 95, 96a, 96b, 198 Contact 25, 40, 90, 100, 110, 191 Signal Line 27, 28, 29, 81, 82, 83, 84 Curve 34, 196a, 196b Suspension 41, 91, 192a, 192b Ground 43, 101 Insulating film 47 Conductive pattern 51, 53 Chrome thin film 52 Gold thin film 54 Silicon nitride Film 55 Aluminum thin film 56, 57, 59 Copper thin film 58, 1 opening 60 Gold Contact 62 nickel thin film 65, 66, and 67 linearly 80a for determining operating limits, 80b metal bumps 112 and 113 regions 194a, 194b bump contact portion 197a, 197b bumps

Claims (7)

可動構造体と固定電極を有するMEMSスイッチにおいて、
指定された第一の交流電圧と指定された第一の直流電圧とを重畳させた信号を供給し、
前記可動構造体を機械的に振動させることにより、メイク動作を誘起し、
前記第一の交流電圧を指定された第二の交流電圧に変化させ、かつ、前記第一の直流電圧を指定された第二の直流電圧に変化させた信号により、
前記メイク動作を維持し、
前記第二の交流電圧を指定された第三の交流電圧に変化させ、かつ、前記第二の直流電圧を指定された第三の直流電圧に変化させた信号により、
ブレーク動作を誘起する
ことを特徴とするMEMSスイッチ。
In a MEMS switch having a movable structure and a fixed electrode,
Supply a signal that superimposes the specified first AC voltage and the specified first DC voltage,
Inducing make motion by mechanically vibrating the movable structure,
By changing the first AC voltage to the designated second AC voltage and changing the first DC voltage to the designated second DC voltage,
Maintaining the makeup action,
By changing the second AC voltage to the designated third AC voltage and changing the second DC voltage to the designated third DC voltage,
A MEMS switch that induces a break operation.
前記可動構造体を振動させる前記第一の交流電圧は、
前記可動構造体の共振周波数を中心としてプラス20パーセント、および、マイナス20パーセントを超えない周波数範囲内の周波数を有する
ことを特徴とする請求項1に記載のMEMSスイッチ。
The first AC voltage for vibrating the movable structure is:
2. The MEMS switch according to claim 1, wherein the MEMS switch has a frequency within a frequency range of plus 20 percent and minus minus 20 percent around the resonance frequency of the movable structure.
指定された第一の時刻に前記第一の交流電圧を供給し、
指定された第二の時刻に前記第一の直流電圧を前記第一の交流電圧に重畳させることによりメイク動作を誘起し、
指定された第三の時刻に前記第一の交流電圧を前記第三の交流電圧に変化させ、かつ、前記第一の直流電圧を前記第三の直流電圧に変化させることによりブレーク動作を誘起する
ことを特徴とする請求項1または2に記載のMEMSスイッチ。
Supplying the first alternating voltage at a designated first time;
Inducing a make operation by superimposing the first DC voltage on the first AC voltage at a specified second time,
A break operation is induced by changing the first AC voltage to the third AC voltage at the designated third time and changing the first DC voltage to the third DC voltage. The MEMS switch according to claim 1 or 2, wherein
指定された第一の時刻に前記第一の直流電圧を供給し、
指定された第二の時刻に前記第一の交流電圧を前記第一の直流電圧に重畳させることによりメイク動作を誘起し、
指定された第三の時刻に前記第一の交流電圧を前記第三の交流電圧に変化させ、かつ、前記第一の直流電圧を前記第三の直流電圧に変化させることによりブレーク動作を誘起する
ことを特徴とする請求項1または2に記載のMEMSスイッチ。
Supplying the first DC voltage at a designated first time;
Inducing a make operation by superimposing the first AC voltage on the first DC voltage at a specified second time,
A break operation is induced by changing the first AC voltage to the third AC voltage at the designated third time and changing the first DC voltage to the third DC voltage. The MEMS switch according to claim 1 or 2, wherein
指定された第一の交流電圧と指定された第一の直流電圧とを重畳させた信号を供給し、
前記可動構造体を機械的に振動させることにより、メイク動作を誘起し、
前記第一の交流電圧の周波数を増加、あるいは、低減させることにより、ブレーク動作を誘起する
ことを特徴とする請求項1または2に記載のMEMSスイッチ。
Supply a signal that superimposes the specified first AC voltage and the specified first DC voltage,
Inducing make motion by mechanically vibrating the movable structure,
The MEMS switch according to claim 1, wherein a break operation is induced by increasing or decreasing a frequency of the first AC voltage.
指定された第一の交流電圧と指定された第一の直流電圧とを重畳させた信号を供給し、
前記第一の交流電圧の周波数を、前記可動構造体の共同周波数を超えるまで増加させてから前記第一の交流電圧の周波数を低減させることにより、メイク動作を誘起する
ことを特徴とする請求項1または2に記載のMEMSスイッチ。
Supply a signal that superimposes the specified first AC voltage and the specified first DC voltage,
The makeup operation is induced by increasing the frequency of the first AC voltage until it exceeds a joint frequency of the movable structure and then decreasing the frequency of the first AC voltage. 3. The MEMS switch according to 1 or 2.
前記第一の交流電圧は、前記共振周波数を含む周波数範囲にある複数の周波数成分を含むことを特徴とする請求項1または2に記載のMEMSスイッチ。   3. The MEMS switch according to claim 1, wherein the first AC voltage includes a plurality of frequency components in a frequency range including the resonance frequency. 4.
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