JP2014512643A

JP2014512643A - Ｒｆｍｅｍｓ交点スイッチ、及びｒｆｍｅｍｓ交点スイッチを含む交点スイッチマトリックス

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Publication number: JP2014512643A
Application number: JP2014501532A
Authority: JP
Inventors: クリストフパヴァジョー，
Original assignee: デルフメムズ
Priority date: 2011-03-28
Filing date: 2012-03-20
Publication date: 2014-05-22
Anticipated expiration: 2032-03-20
Also published as: RU2013147496A; CN103518248A; HK1177323A1; EP2506282B1; IL227548A0; ES2436644T3; AU2012234514A1; EP2506282A1; SG193261A1; PL2506282T3; KR20140003474A; US20140009244A1; BR112013023017A2; JP5774193B2; CA2823973A1; MX2013011270A; US9048523B2; ZA201305325B; WO2012130664A1; HRP20130938T1

Abstract

第一伝送ライン（１０）と、第一伝送ラインと交差する第二伝送ライン（１１）とを含むＲＦＭＥＭＳ交点スイッチ（１）であって、第一伝送ライン（１０）が、二つの間隔を置いて離れた伝送ライン部（１００，１０１）、及び前記二つの間隔を置いて離れた伝送ライン部（１００，１０１）を永続的に電気的に接続するスイッチ素子（１２）を含み、第二伝送ライン（１１）が、二つの間隔を置いて離れた伝送ライン部（１００，１０１）間で第一伝送ライン（１０）と交差し、ＲＦＭＥＭＳ交点スイッチ（１）がさらに、スイッチ素子（１２）が第一伝送ライン（１０）の前記二つの間隔を置いて離れた伝送ライン部（１００，１０１）を電気的に接続しかつ第一（１０）及び第二（１１）伝送ラインが電気的に切られる第一位置と、スイッチ素子（１２）が第一伝送ライン（１０）の前記二つの間隔を置いて離れた伝送ライン部（１００，１０１）を電気的に接続しかつ二つの伝送ライン（１０，１１）を一緒に電気的に接続する第二位置との間で少なくともスイッチ素子（１２）を作動するための作動手段（１２１）を含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、高周波（ＲＦ）微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）に関する。この分野では、本発明は、新規なＲＦＭＥＭＳ交点スイッチ、及び複数の交点スイッチを含む新規なＭ×Ｎ交点スイッチマトリックスに関し、ここでＭは横列伝送ラインの数であり、Ｎは縦列伝送ラインの数である。

ＲＦ信号のルーティングは、例えばＭ信号入力ポートをＮ信号出力ポート中にマッピングするのに適合しているＲＦＭＥＭＳ交点スイッチマトリックスを使用することによって達成されることができる。Ｍ×Ｎ交点スイッチマトリックスは、信号入力ポートを形成するＭ横列（または縦列）伝送ライン、及び横列（または縦列）伝送ラインと交差しかつ出力ポートを形成するＮ縦列（または横列）伝送ラインを含む。マトリックスのいずれの縦列伝送ラインも、ＲＦＭＥＭＳ交点装置をＯＮ状態に単に切り替えることによっていずれの横列伝送ラインにも電気的に接続されることができる。交点スイッチマトリックスは、初期の電話システムで歴史的に使用された簡単な構造であり、いずれの電気通信システムでもＲＦ信号をルーティングするために有利に使用されることができる。

米国特許６８８８４２０は、三つの切り替え素子を含む交点デバイスを開示する。図２は、前記米国特許６８８８４２０に開示されかつ各交点のために三つの切り替え素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を持つ前記の特別な交点デバイスを含む交点スイッチマトリックスの一例を示す。

この従来技術の実施は、各交点のために三つの切り替え素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３（図２）を使用する主要な欠点を持つ。各切り替え素子は、その技術がどのようなものであっても、従来技術に対してかなり低いオン状態抵抗を持つ。しかし、図２に関して、横列ＲＦＩＮ_１と縦列ＲＦＯＵＴ_４の間の接続はオン抵抗に７回交わり、それは挿入損失を劇的に増大する。さらに、横列伝送ラインと縦列伝送ラインの間の切り替え素子Ｓ１は、交点スイッチ装置のかさを不利に増大する。

本発明の目的は、交点スイッチマトリックス用途等のための新規なＲＦＭＥＭＳスイッチ交点であって、前記ＲＦＭＥＭＳスイッチ交点が、交点スイッチマトリックス等を通してルーティングされるＲＦ信号のためのより低い挿入損失を達成することができるものを提案することである。前記新規なＲＦＭＥＭＳスイッチ交点はまた、コンパクトであり、減少した数のスイッチを持つ大きなスイッチマトリックスの構築を可能にし、それは結果として制御を簡単にする。

この目的は、請求項１に記載のＲＦＭＥＭＳ交点スイッチにより達成される。

本発明のＲＦＭＥＭＳ交点スイッチでは、唯一のスイッチ素子が有利に使用されることができ、それはスイッチマトリックス用途におけるＲＦ信号のための挿入損失を劇的に減少する。さらに、本発明のＲＦＭＥＭＳ交点スイッチは、米国特許６８８８４２０に開示された交点デバイスに比べて、よりコンパクトな方法で容易に構築されることができる。

より詳細にはかつ任意選択的には、本発明のＲＦＭＥＭＳ交点スイッチは、請求項２〜１１に記載の任意選択的な特徴のいずれか一つを含むことができる。

本発明はまた、複数の横列伝送ライン、及び横列伝送ラインと交差する複数の縦列伝送ラインを含むＲＦＭＥＭＳスイッチマトリックスであって、前記マトリックスが各交点に請求項１に記載のＲＦＭＥＭＳ交点スイッチを含むものに関する。

本発明の特徴及び利点は、非網羅的なかつ非限定的な例により及び添付図面に関してなされる以下の詳細な説明を読めば、より明らかになるであろう。

図１は、交点スイッチマトリックスの一例である。

図２は、従来技術、特に米国特許６８８８４２０に開示された交点スイッチマトリックスの実施の一例である。

図３は、本発明のＲＦＭＥＭＳ抵抗交点スイッチの第一実施態様の上面図である。

図４Ａは、スイッチがＯＦＦ状態にあるときの図３のＩＶ−ＩＶ面のＲＦＭＥＭＳ抵抗交点スイッチの断面図である。

図４Ｂは、スイッチがＯＮ状態にあるときの図３のＩＶ−ＩＶ面のＲＦＭＥＭＳ抵抗交点スイッチの断面図である。

図５は、本発明のＲＦＭＥＭＳ容量性交点スイッチの一実施態様の上面図である。

図６Ａは、スイッチがＯＦＦ状態にあるときの図５のＶＩ−ＶＩ面のＲＦＭＥＭＳ容量性交点スイッチの断面図である。

図６Ｂは、スイッチがＯＮ状態にあるときの図５のＶＩ−ＶＩ面のＲＦＭＥＭＳ容量性交点スイッチの断面図である。

図１を参照すると、Ｍ×Ｎ交点スイッチマトリックスは、ＲＦ信号経路を形成するＭ個の横列伝送ラインＲＦ−Ｒ_ｉ、及び横列伝送ラインと交差しかつＲＦ信号経路を形成するＮ個の縦列伝送ラインＲＦ−Ｃ_ｊを含む。二つの伝送ラインの各交点に、マトリックスはＲＦＭＥＭＳ交点スイッチＳＷ_ｉ，ｊを含む。

図３，４Ａ及び４Ｂは、本発明のＲＦＭＥＭＳ抵抗交点スイッチ１の実施の一例を示し、それは図１の交点スイッチマトリックスの各交点スイッチＳＷ_ｉ，ｊを作るために使用されることができる。

図３を参照すると、交点スイッチ１は横列伝送ライン１０と縦列伝送ライン１１を含み、それぞれの伝送ライン１０，１１は、交点スイッチ１を通してＲＦ信号を伝送するために適合されている。交点スイッチ１が交点スイッチＳＷ_ｉ，ｊとして図１のマトリックスで実施されるとき、交点スイッチの横列伝送ライン１０は横列伝送ラインＲＦ−Ｒ_ｉの一部を形成し、交点スイッチの縦列伝送ライン１１は縦列伝送ラインＲＦ−Ｃ_ｉの一部を形成する。

前記横列及び縦列伝送ライン１０，１１は、通常の微小機械加工技術（すなわちバルクまたは表面）を用いることにより基板Ｓの表面上に形成される。基板Ｓは、例えばケイ素、シリコン・オン・インシュレーター、シリコン・オン・サファイア、ヒ化ガリウム、窒化ガリウム、ガラス、石英、アルミナ、または半導体装置の製造のために使用される他の物質のウエーハーである。基板Ｓはさらに、絶縁材料、例えば窒化ケイ素、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、またはマイクロエレクトロニクス装置の製造のために使用される他の誘電体層から作られた薄層により覆われることができるが、必須ではない。

横列伝送ライン１０は、二つの間隔を置いて離れた伝送ライン部１００，１０１を含む。

縦列伝送ライン１１は、中断されていないＲＦ信号経路を形成し、かつ二つの間隔を置いて離れた伝送ライン１００，１０１間で横列伝送ライン１０と交差する。

より詳細には、図３の例では、縦列伝送ライン１１は、二つの導電体片１１０，１１１、及びこの二つの導電体片１１０，１１１を一緒に永続的に電気的に接続する、より小さな幅の中央導電体片１１２から作られる。

図３，４Ａ及び４Ｂの特別な例では、伝送ライン１０及び１１はＣＰＷ（共平面導波路）ラインであるが、本発明はこの特別な技術に限定されず、伝送ラインは例えば接地された共平面導波路、マイクロストリップライン、スロットライン、ストリップライン、同軸ライン、導波路または他のタイプの伝送ラインであることができる。

ＲＦＭＥＭＳ交点スイッチ１はスイッチ１２を含む。前記スイッチ１２は、横列伝送ライン１０の前記二つの間隔を置いて離れた伝送ライン１００，１０１を永続的に電気的に接続するスイッチ素子１２０を含む。従って、このスイッチ素子１２０は、前記二つの間隔を置いて離れた伝送ライン部１００，１０１と共に、中断されていないＲＦ信号経路を構成する横列伝送ライン１０を形成する。

スイッチ１２はまた、以下においてＯＦＦ状態として言及される第一位置と、以下においてＯＮ状態として言及される第二位置との間でスイッチ素子１２を作動するための作動手段１２１を含む。

ＯＦＦ状態では、交点スイッチの二つの伝送ライン１０，１１は電気的に切られているが、スイッチ素子１２０は、横列伝送ライン１０の前記二つの間隔を置いて離れた伝送ライン１００，１０１をなお電気的に接続している。

ＯＮ状態では、スイッチ素子１２０は、横列伝送ライン１０の前記二つの間隔を置いて離れた伝送ライン１００，１０１をなお電気的に接続しており、かつまた二つの伝送ライン１０，１１を電気的に接続している。

図３，４Ａ及び４Ｂの特定の実施態様では、スイッチ素子１２０は可撓性の膜１２０ａにより構成され、それは二つの柱１２０ｂにより支持されかつ横列伝送ライン１０の二つの間隔を置いて離れた伝送ライン部１００，１０１間にブリッジを形成する。機械的停止具１２０ｃもまた、膜１２０ａの上に設けられている。可撓性の膜１２０ａは両端で固定されていないが、その曲げ運動時に柱１２０ｂに対して自由にスライドすることができる。このタイプの可撓性の自由なスイッチ膜は、既にヨーロッパ特許出願ＥＰ−Ａ−１７０５６７６に詳細に記載されている。

図４Ａを参照すると、作動手段１２１は、スイッチ膜１２０ａの下の基板Ｓ内に形成されている埋められた電極１２１ａ及び１２１ｂを含む静電的作動手段である。各電極１２１ａ及び１２１ｂは、スイッチ膜１２０ａと電極１２１ａ，１２１ｂの間のいかなる抵抗接触も避けるために誘電体層１２１ｃにより覆われている。別の実施態様では、各電極１２１ａ及び１２１ｂは、誘電体層により覆われていないが、スイッチ膜１２０ａと電極１２１ａ，１２１ｂの間のいかなる抵抗接触も避けるために、適切な機械的手段により空気もしくはガスの薄い層によりまたは真空分離によりスイッチ膜１２０ａから分離される。電極１２１ａは、柱１２０ｂの外側に、スイッチ膜１２０ａの二つの端の下に配置され、かつ図４ＡのＯＦＦ状態位置にスイッチ膜１２０ａを作動するために使用される。電極１２１ｂは、柱１２０ｂ間に配置され、かつ図４ＢのＯＮ状態位置にスイッチ膜１２０ａを作動するために使用される。

静電的作動手段１２１の使用が好ましいけれども、本発明はこの特定の電気作動に限定されず、例えば電磁的、圧電的または電熱的な作動のような他の電気的作動技術もまた使用されることができる。

ＯＦＦ状態−図４Ａ
ＤＣ信号が外部電極１２１ａ上に付与される。従って、これらの電極１２１ａは膜１２０ａの二つの端を引き付けかつ可撓性の膜１２０ａを図４ＡのＯＦＦ状態位置に曲げる静電力を作る。

このＯＦＦ状態位置では、可撓性の膜１２０ａは、二つの柱１２０ｂと金属−金属電気接触状態にある。これらの二つの柱１２０ｂと可撓性の膜１２０ａは、横列伝送ライン１０の一部であり、かつ二つの間隔を置いて離れた伝送ライン部１００，１０１と中断されていないＲＦ信号を形成する。

柱１２０ｂと可撓性の膜１２０ａの間の金属−金属電気接触（抵抗抵触）は、例えば金属柱（例えばアルミニウム、金または導電性合金から作られた柱）を使用することによって、及び金属膜１２０ａ（例えばアルミニウム、または金、または銅、または導電性合金から作られた膜）または柱１２０ａと接触状態の面が金属である膜１２０ａを使用することによって得られる。

ＯＦＦ状態位置では、可撓性の膜１２０ａは、可撓性の膜の下で横列伝送ライン１０と交差する縦列伝送ライン１１と接触状態にない。従って、横列伝送ライン１０と縦列伝送ライン１１は電気的に切られている。ＲＦ信号は、縦列伝送ライン１１に方向を変えることなしに横列伝送ライン１０によってルーティングされることができ、逆もまた同様である。

ＯＮ状態−図４Ｂ
ＤＣ信号が内部電極１２１ｂ上に付与される。従って、これらの電極１２１ｂは、膜１２０ａの中央部を引き付け、かつ可撓性の膜１２０ａを図４ＢのＯＮ状態位置に下に曲げる静電力を作る。

このＯＮ状態位置では、可撓性の膜１２０ａはＯＦＦ状態位置と同様に、二つの柱１２０ｂと金属−金属電気接触状態になおある。しかし、ＯＦＦ状態位置とは対照的に、ＯＮ状態位置では可撓性の膜１２０ａはまた、縦列伝送ライン１１の中央部１１２と金属−金属電気接触状態にある。従って、横列伝送ライン１０は、膜１２０ａにより縦列伝送ライン１１と電気的に接続される。従って、横列伝送ライン１０上に付与されるＲＦ信号は、横列伝送ライン１０から縦列伝送ライン１１にルーティングされ、逆もまた同様である。

可撓性の膜１２０ａと縦列伝送ライン１１の中央部１１２の間の金属−金属電気接触（抵抗接触）は、例えば金属膜１２０ａ、例えばアルミニウム、または金または導電性合金から作られた膜、または中央部１１２と接触する面が金属であるかまたは一つまたは複数の金属接触領域を含む膜１２０ａを使用することによって、及び膜と接触する面が金属であるかまたは一つまたは複数の金属接触領域を含む中央部１１２を使用することによって得られる。

一つまたは複数の金属−金属接触は、膜と縦列伝送ライン１１の間で実現されることができる。より詳細には、縦列伝送ライン１１と接触状態にされるように適合されている膜１２０ａの面は、一つまたは複数の金属接触凹み等を含むことができるか、及び／または膜１２０ａと接触状態にされるように適合されている縦列伝送ライン１１の面は一つまたは複数の金属接触プロットを含むことができる。

各交点に本発明のＲＦＭＥＭＳ交点スイッチＳＷ_ｉ，ｊを含む図１の交点スイッチマトリックスを参照すると、横列伝送ラインＲＦ−Ｒ_ｉの全てのＲＦＭＥＭＳ交点スイッチＳＷ_ｉ，ｊはＯＮ状態またはＯＦＦ状態位置のいずれかで中断されていないＲＦ信号経路を形成し、縦列伝送ラインＲＦ−Ｃ_ｊの全てのＲＦＭＥＭＳ交点スイッチＳＷ_ｉ，ｊはＯＮ状態またはＯＦＦ状態位置のいずれかで中断されていないＲＦ信号経路を形成する。ＲＦ信号を例えば横列伝送ラインＲＦ−Ｒ_１の入力から縦列伝送ラインＲＦ−Ｃ_４の出力にルーティングするために、ラインＲＦ−Ｒ_１及びＲＦ−Ｃ_４の交点の交点スイッチＳＷ_１，４はそのＯＮ状態で作動され、信号は、図２に示された従来技術の実施の場合の７回の代わりに、スイッチ素子１２０のＯＮ状態抵抗と一回だけ会う。従って、信号のための挿入損失は有利に減少され、本発明は、交点マトリックスを効率的に高いＭ×Ｎ数に拡大することを可能にする。一つの交点スイッチのための切り替え素子の数もまた、従来技術（図２）の解決策に比べて３倍減少され、製造収率もまた大きく高められ、駆動回路によるマトリックス制御もまた大きく簡略化される。

本発明は、固定なしの可撓性のスイッチ膜１２０ａの使用に限定されず、スイッチ素子は前述の少なくともＯＮ状態及びＯＦＦ状態位置で作動されることができるいかなる可動スイッチ素子であることもできる。特に、スイッチ素子は、可撓性のスイッチ素子の使用が好ましいけれども必ずしも可撓性である必要はない。スイッチ素子はまた、一つ以上の場所で基板に固定されることができる。特に、スイッチ素子は基板に両端で固定されることができ、従ってブリッジを形成する。スイッチ素子はまた、基板に一端でのみ固定されることができ、この場合において片持ちスイッチ素子を形成する。

本発明は抵抗スイッチに限定されず、容量性スイッチにより実現されることもできる。

図５，６Ａ及び６Ｂは、本発明のＲＦＭＥＭＳ交点容量性スイッチの一例を示す。このＲＦＭＥＭＳ交点容量性スイッチは、上部表面が薄い誘電体絶縁層１１２′により覆われている広い幅の中央導電体片１１２を使用し、従って膜の接触領域内に金属−絶縁体−金属構造を作る点で図３，４Ａ及び４ＢのＲＦＭＥＭＳ交点抵抗スイッチとは本質的に異なる。このスイッチの容量値Ｃは次の式により与えられる：
ここでε_０は真空誘導率、ε_ｒは誘電体絶縁層比誘電率、ｈは誘電体絶縁層の厚さ、Ｓは誘電体絶縁層の面積である。

薄い誘電体絶縁層１１２′は、例えば窒化ケイ素、二酸化ケイ素または酸化アルミニウムから作られた固体物質であることができる。薄い誘電体絶縁層１１２′は、真空により、またはガス層（空気またはいずれかのガス）により置き換えられることができる。

Claims

第一伝送ライン（１０）と、第一伝送ラインと交差する第二伝送ライン（１１）とを含むＲＦＭＥＭＳ交点スイッチ（１）であって、第一伝送ライン（１０）が、二つの間隔を置いて離れた伝送ライン部（１００，１０１）、及び前記二つの間隔を置いて離れた伝送ライン部（１００，１０１）を永続的に電気的に接続するスイッチ素子（１２）を含み、第二伝送ライン（１１）が、二つの間隔を置いて離れた伝送ライン部（１００，１０１）間で第一伝送ライン（１０）と交差し、ＲＦＭＥＭＳ交点スイッチ（１）がさらに、スイッチ素子（１２）が第一伝送ライン（１０）の前記二つの間隔を置いて離れた伝送ライン部（１００，１０１）を電気的に接続しかつ第一（１０）及び第二（１１）伝送ラインが電気的に切られる第一位置と、スイッチ素子（１２）が第一伝送ライン（１０）の前記二つの間隔を置いて離れた伝送ライン部（１００，１０１）を電気的に接続しかつ二つの伝送ライン（１０，１１）を一緒に電気的に接続する第二位置との間で少なくともスイッチ素子（１２）を作動するための作動手段（１２１）を含むことを特徴とするＲＦＭＥＭＳ交点スイッチ。
スイッチ素子（１２）が可撓性の膜（１２０ａ）を含むことを特徴とする請求項１に記載のＲＦＭＥＭＳ交点スイッチ。
可撓性の膜（１２０ａ）が少なくとも一つの柱（１２０ｂ）により支持され、膜（１２０ａ）と少なくとも一つの柱（１２０ｂ）が第一伝送ライン（１０）の一部を形成することを特徴とする請求項２に記載のＲＦＭＥＭＳ交点スイッチ。
可撓性の膜（１２０ａ）が固定されず、その曲げ運動時に少なくとも一つの柱（１２０ｂ）に対して自由にスライドすることができることを特徴とする請求項３に記載のＲＦＭＥＭＳ交点スイッチ。
スイッチ素子（１２）が基板に固定されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のＲＦＭＥＭＳ交点スイッチ。
スイッチ素子（１２）が基板に両端で固定され、ブリッジを形成することを特徴とする請求項５に記載のＲＦＭＥＭＳ交点スイッチ。
スイッチ素子（１２）が基板に一端でのみ固定され、片持ちスイッチ素子を形成することを特徴とする請求項５に記載のＲＦＭＥＭＳ交点スイッチ。
作動手段が、前記第二位置に相当する下方に強制された状態にスイッチ素子（１２）を下に曲げるために適合されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載のＲＦＭＥＭＳ交点スイッチ。
作動手段が、前記第一位置に相当する上方に強制された状態にスイッチ素子（１２）を上に曲げるために適合されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載のＲＦＭＥＭＳ交点スイッチ。
スイッチ素子（１２）が、第二伝送ライン（１１）との抵抗接触を提供するために適合されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載のＲＦＭＥＭＳ交点スイッチ。
スイッチ素子（１２）が、第二伝送ライン（１１）との容量性結合を提供するために適合されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載のＲＦＭＥＭＳ交点スイッチ。
複数の横列伝送ライン（ＲＦ−Ｒ_ｉ）、及び横列伝送ラインと交差する複数の縦列伝送ライン（ＲＦ−Ｃ_ｊ）を含み、かつ各交点に請求項１〜１１のいずれか一つに記載のＲＦＭＥＭＳ交点スイッチ（ＳＷ_ｉ，ｊ）を含むことを特徴とするＲＦＭＥＭＳスイッチマトリックス。
ＲＦ信号をルーティングするための請求項１２に記載のＲＦＭＥＭＳ交点スイッチマトリックスの使用。