JP3783635B2

JP3783635B2 - シャントスイッチ素子

Info

Publication number: JP3783635B2
Application number: JP2002063141A
Authority: JP
Inventors: 康生藤井; 真司小林; 浩史川合; 光司竹村; 義宏小中
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2002-03-08
Filing date: 2002-03-08
Publication date: 2006-06-07
Anticipated expiration: 2022-03-08
Also published as: JP2003264122A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波回路に組み込まれるシャントスイッチ素子に関するものである。
【０００２】
【背景技術】
図４（ａ）にはシャントスイッチ素子の一例が断面図により簡略化されて示されている。このシャントスイッチ素子３０は誘電体から成る基板３１を有し、この基板３１上にはコプレーナー線路３２が形成されている。このコプレーナー線路３２は高周波信号を通電する線路であり、３本の線路３３ｇ１，３３ｓ，３３ｇ２が基板３１上に間隔を介し並設されて構成されている。その真ん中の線路３３ｓは信号線路と成し、信号線路３３ｓの両側の線路３３ｇ１，３３ｇ２はグランド線路と成している。
【０００３】
コプレーナー線路３２上には、電極ブリッジ３４が、その両端をそれぞれグランド線路３３g1，３３g2に接合させ信号線路３３ｓの上方側を跨ぐ形態で配置されている。図４（ｂ）にはコプレーナー線路３２と電極ブリッジ３４を図４（ａ）の上方側から見た図が模式的に示されている。
【０００４】
このシャントスイッチ素子３０を構成する信号線路３３ｓと電極ブリッジ３４間に直流電圧を印加すると、信号線路３３ｓと電極ブリッジ３４間に静電引力が発生する。この結果、発生した静電引力により、電極ブリッジ３４が信号線路３３ｓに引き寄せられ、電極ブリッジ３４と、コプレーナー線路３２の信号線路３３ｓとの間の静電容量が変化する。
【０００５】
ところで、コプレーナー線路３２と電極ブリッジ３４の等価回路は図４（ｃ）の如く表すことができる。この図４（ｃ）において、符号Ｃは信号線路３３ｓと電極ブリッジ３４間の静電容量を示し、符号Ｌは電極ブリッジ３４が持つインダクタンス成分を示し、符号Ｒは電極ブリッジ３４が持つ抵抗成分を示している。
【０００６】
信号線路３３ｓと電極ブリッジ３４間の間隔が狭くて当該信号線路３３ｓと電極ブリッジ３４間の静電容量Ｃが大きくなると、図４（ｃ）のＬＣ直列回路の自己共振周波数が低下する。ＬＣ直列回路の自己共振周波数において、そのＬＣ直列回路のインピーダンスは最低となる。これにより、信号線路３３ｓから電極ブリッジ３４を介してグランド線路３３g1，３３g2側を見たときにＬＣ直列回路の自己共振周波数において高周波的に短絡した状態となって、コプレーナー線路３２（信号線路３３ｓ）の高周波信号の導通がオフする。
【０００７】
また、信号線路３３ｓと電極ブリッジ３４間の間隔が広くて当該信号線路３３ｓと電極ブリッジ３４間の静電容量Ｃが小さくなると、図４（ｃ）のＬＣ直列回路の自己共振周波数が上昇する。この結果、信号線路３３ｓから電極ブリッジ３４を介してグランド線路３３g1，３３g2側を見たときに高周波的にオープンとなって、コプレーナー線路３２の高周波信号の導通がオンする。
【０００８】
このシャントスイッチ素子３０では、前述したように、電極ブリッジ３４を変位させて当該電極ブリッジ３４と信号線路３３ｓ間の静電容量Ｃを可変することにより、コプレーナー線路３２の高周波信号の導通オン・オフを制御することができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このシャントスイッチ素子３０の構成では、電極ブリッジ３４は、駆動用固定電極と対を成して静電引力を発生させるための駆動電極としての機能と、信号線路３３ｓと対を成して図４（ｃ）に示すＬＣ直列回路の自己共振周波数を決定するための静電容量用の電極としての機能とを兼用している。
【００１０】
しかしながら、コプレーナー線路３２を導通する信号が例えばミリ波帯などの高周波信号の場合、前述の如く静電容量変化を利用したＬＣ直列回路の自己共振周波数の変化によってコプレーナー線路３２の高周波信号の導通オン・オフを精度良く行うためには、電極ブリッジ３４の電極面を小さく形成する必要がある。一方、そのように電極ブリッジ３４を小さく形成すると、当該電極ブリッジ３４を変位させるための静電引力を発生させるためには、電極ブリッジ３４と駆動用固定電極間に大きな直流電圧を印加しなければならない。しかし、低い直流電圧で電極ブリッジ３４を変位させることが望ましいので、変位駆動の面から見ると、電極ブリッジ３４は大きく形成することが好ましい。
【００１１】
このように、高周波信号の導通オン・オフ制御に適した電極ブリッジ３４の大きさと、電極ブリッジ３４自体の変位に適した電極ブリッジ３４の大きさとにずれがあることから、電極ブリッジ３４の設計が難しいという問題がある。
【００１２】
この発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的は、電極設計の自由度を向上させることができるシャントスイッチ素子を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明は次に示す構成をもって前記課題を解決するための手段としている。すなわち、第１の発明は、基板と、この基板上に形成される高周波信号導通部と、基板の上方側に基板と間隔を介して配置され高周波信号導通部の少なくとも一部分に対向する可動体と、この可動体に形成され高周波信号導通部に対向する可動電極とを有し、前記可動体は、高周波信号に対して絶縁性を有する半導体又は絶縁体により構成され、この可動体には前記可動電極とは分離された位置に可動体変位用可動側電極が形成され、前記可動体と間隔を介して対向する位置には前記可動体変位用可動側電極に間隔を介して対向する位置に固定配置された可動体変位用固定側電極が設けられており、前記高周波信号導通部は信号線を中央にしてその両側に間隔を介してグランド線を形成した線路と成し、前記高周波信号導通部と前記可動電極との間には該高周波信号導通部と可動電極間の静電容量をＣ成分としたＬＣ直列回路の等価回路が形成されており、前記可動体変位用可動側電極と可動体変位用固定側電極間の直流電圧印加による静電引力によって可動体を基板側に変位させて前記ＬＣ直列回路のＣ成分を可変して前記高周波信号導通部の信号線を導通する高周波信号の導通オン・オフを制御することを特徴としている。
【００１５】
第２の発明は、第１の発明の構成を備え、高周波信号導通部は、コプレーナー線路あるいはマイクロストリップ線路を構成する導体部としたことを特徴としている。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明に係る実施形態例を図面に基づいて説明する。
【００１７】
図１（ａ）にはシャントスイッチ素子の第１実施形態例が模式的な断面図により示されている。
【００１８】
第１実施形態例のシャントスイッチ素子１は、誘電体から成る基板２を有し、この基板２上にはコプレーナー線路３が形成されている。コプレーナー線路３は、前述したと同様に、例えば５ＧHz以上の高周波信号が導通する高周波信号通電部として機能する線路であり、３本の線路４g1，４ｓ，４g2が基板２上に間隔を介し並設されている。真ん中の線路４ｓは信号線路であり、この信号線路４ｓの両側の線路４g1，４g2はグランド線路である。
【００１９】
また、基板２上には、例えばガラスから成る上部部材５が、コプレーナー線路３の上方側を間隔を介して覆うように配置されている。この上部部材５と基板２は基板２の端縁部において接合している。この上部部材５と基板２との間の間隙には、可動体６が、コプレーナー線路３の一部分に間隔を介し対向して設けられている。この可動体６は支持部７を介して上部部材５に支持されている。可動体６は、絶縁体、又は、高周波信号に対しては絶縁性を示すＳｉやＧａＡｓ等の高抵抗（例えば抵抗率が1000Ωcm以上、かつ、10000Ωcmの範囲内）の半導体により構成されている。
【００２０】
可動体６の基板対向面６ａには、可動電極８が、コプレーナー線路３の一方側のグランド電極４g1から信号線路４ｓを介し他方側のグランド電極４g2にかけて当該線路４g1，４ｓ，４g2の一部分に対向して形成されている。また、可動体６の上部部材対向面６ｂには可動体変位用可動側電極１０が形成されている。図１（ｂ）には、それらコプレーナー線路３と可動電極８と可動体変位用可動側電極１０を図１（ａ）の上方側から見た配置関係例が模式図により示されている。
【００２１】
さらに、上部部材５には、可動体変位用固定側電極１１が、可動体変位用可動側電極１０と対向して形成されている。さらにまた、上部部材５にはスルーホール１２が形成されており、このスルーホール１２を介して可動体変位用可動側電極１０と可動体変位用固定側電極１１は、それぞれ、外部と導通することが可能となっている。
【００２２】
外部からスルーホール１２を利用して可動体変位用可動側電極１０と可動体変位用固定側電極１１間に直流電圧（例えば５Ｖ程度の直流電圧）が印加されると、当該可動体変位用可動側電極１０と可動体変位用固定側電極１１間に静電引力が発生し、当該静電引力によって可動体６が上部部材５側に引き寄せられる。これにより、コプレーナー線路３の信号線路４ｓと可動電極８間の間隔が広がって当該信号線路４ｓと可動電極８間の静電容量Ｃが小さくなる。すなわち、この第１実施形態例では、可動体変位用可動側電極１０と可動体変位用固定側電極１１は、可動体６を変位させてコプレーナー線路３の信号線路４ｓと可動電極８との間の静電容量Ｃを可変する容量可変手段を構成している。
【００２３】
この第１実施形態例のシャントスイッチ素子１では、可動体変位用可動側電極１０と可動体変位用固定側電極１１から成る容量可変手段によって、可動体６が上部部材５側に変位してコプレーナー線路３と可動電極８間の静電容量Ｃが小さくなると、この静電容量Ｃの変化によって信号線路４ｓから可動電極８を介してグランド線路４g1，４g2を見たときのインピーダンスが大きくなり、信号線路４ｓから可動電極８を介してグランド側を見たときに高周波的にオープンとなる。これにより、コプレーナー線路３（信号線路４ｓ）の信号導通がオンする。
【００２４】
反対に、可動体変位用可動側電極１０と可動体変位用固定側電極１１間の静電引力が無くなると、可動体６は図１（ａ）のような位置に配置されてコプレーナー線路３と可動電極８間の静電容量Ｃが大きくなって、信号線路４ｓは可動電極８を介してグランド側と高周波的にショートする。これにより、コプレーナー線路３（信号線路４ｓ）の信号導通がオフする。
【００２５】
この第１実施形態例では、可動電極８は、コプレーナー線路３を流れる高周波信号の周波数を考慮して、可動電極８と信号線路４ｓ間の静電容量変化により精度良くコプレーナー線路３の信号導通のオン・オフを行うことができるための電極面の大きさを有している。また、可動体変位用可動側電極１０は、可動電極８よりも大きな電極面を有し、低い直流電圧でもって可動体６を上部部材５側に静電引力によって変位させることができるようになっている。
【００２６】
この第１実施形態例によれば、コプレーナー線路３の信号導通のオン・オフを制御するための可動電極８と、可動体６を変位させるための可動体変位用可動側電極１０とを別々に形成したので、可動電極８と可動体変位用可動側電極１０をそれぞれ独立に設計することができる。これにより、図４に示されるシャントスイッチ素子３０の如く可動電極８の機能と可動体変位用可動側電極１０の機能とを兼用する電極ブリッジ３４が設けられる場合と比べて、電極設計の自由度を格段に向上させることができる。
【００２７】
よって、可動電極８は、コプレーナー線路３の信号の周波数を考慮して当該高周波信号の導通オン・オフを精度良く行うことができる適切な大きさを持つことができる。また、可動体変位用可動側電極１０は、低い直流電圧でもって可動体６を静電引力により変位させることができる適切な大きさを持つことができる。すなわち、少ない消費電力でコプレーナー線路３の信号導通のオン・オフを精度良く制御することができるシャントスイッチ素子１を提供することが容易となる。
【００２８】
また、図４に示すシャントスイッチ素子３０では、電極ブリッジ３４自体が撓み変位するので、電極ブリッジ３４は金属疲労を起こし易かったが、この第１実施形態例では、可動電極８や可動体変位用可動側電極１０とは別に可動体６が設けられており、この可動体６の変位に伴って可動電極８と可動体変位用可動側電極１０が変位する構成であるので、可動電極８や可動体変位用可動側電極１０の金属疲労を抑制することができる。また、可動体６を柔軟性を持つ材料により構成することによって、可動体６の変位による劣化を抑制することができる。これにより、この第１実施形態例の構成では、シャントスイッチ素子１の耐久性を向上させることができる。
【００２９】
以下に、第２実施形態例を説明する。なお、この第２実施形態例の説明では、第１実施形態例と同一構成部分には同一符号を付し、その共通部分の重複説明は省略する。
【００３０】
この第２実施形態例では、図２に示されるように、可動体６の上面に可動体変位用可動側電極１０を設けるのに代えて、可動体変位用可動側電極１０（１０ａ，１０ｂ）が可動体６の基板対向面に可動電極８と間隔を介して形成されている。また、基板２上には、可動体変位用固定側電極１１（１１ａ，１１ｂ）が可動体変位用可動側電極１０（１０ａ，１０ｂ）に対向させ、かつ、コプレーナー線路３と間隔を介して形成されている。さらに、基板２には固定部１３（１３ａ，１３ｂ）が可動体６を挟み込むようにして配設されており、可動体６は梁１４（１４ａ，１４ｂ）を介し固定部１３に支持されている。
【００３１】
第１実施形態例では、可動体変位用固定側電極１１を可動体６の上方側に配置するために、上部部材５を可動体６の上方側に配設していたが、この第２実施形態例では、可動体変位用固定側電極１１は基板２上に形成する構成であるために、上部部材５を設けなくとも済む。このことから、この第２実施形態例では、上部部材５が省略されている。これにより、シャントスイッチ素子１の構造および製造工程の簡略化を図ることができる。
【００３２】
また、上部部材５を省略することができ、さらに、可動体変位用可動側電極１０と可動体変位用固定側電極１１から成る容量可変手段の静電引力によって可動体６は上方側には変位しない構成であるので、シャントスイッチ素子１の低背化を図ることができる。
【００３３】
上記以外の構成は、第１実施形態例と同様である。
【００３４】
この第２実施形態例においても、第１実施形態例と同様に、可動体変位用可動側電極１０と可動体変位用固定側電極１１間に直流電圧を印加すると、当該直流電圧に起因した静電引力が可動体変位用可動側電極１０と可動体変位用固定側電極１１間に発生する。この静電引力によって可動体６が基板２側に引き寄せられる。この可動体６の変位によって、可動電極８とコプレーナー線路３間の間隔が狭くなって当該可動電極８とコプレーナー線路３間の静電容量Ｃが大きくなる。これにより、可動電極８とコプレーナー線路３間が高周波的にショートしてコプレーナー線路３の信号導通がオフする。このように可動体６の変位による可動電極８とコプレーナー線路３間の静電容量Ｃの変化によって、コプレーナー線路３の高周波信号の導通オン・オフが制御される。
【００３５】
なお、この発明は第１や第２の実施形態例に限定されるものではなく、様々な実施の形態を採り得る。例えば、第１や第２の実施形態例では、高周波信号導通部としてコプレーナー線路３を例にして説明したが、コプレーナー線路３に代えて、マイクロストリップ線路を設けてもよい。
【００３６】
また、第１や第２の実施形態例の構成に加えて、対向し合うコプレーナー線路３の表面と可動電極８の表面のうちの少なくとも一方側に保護用の例えばＳｉＮ等の絶縁膜を形成してもよい。
【００３７】
さらに、第２実施形態例に示した図２の構成では、上部部材５が省略されていたが、低背化を気にしない場合などの場合には、可動体６やコプレーナー線路３等の保護を図る観点から、第１実施形態例に示すように、基板２の上方側に上部部材５を設けてもよい。
【００３８】
さらに、第１や第２の実施形態例では、シャントスイッチ素子１はいわゆる並列スイッチであったが、図３に示すような直列スイッチを構成してもよい。つまり、図３において、コプレーナー線路３の信号線路４ｓには分断部１５が形成されており、この分断部１５の両端の線路部分に共通に対向するように可動電極８が配置されている。なお、この場合、可動電極８は、グランド線路４g1，４g2には対向していない。
【００３９】
この構成では、可動電極８と、分断部１５の両端の線路部分との間隔が狭くなり、当該可動電極８と、分断部１５の両端の線路部分との間の静電容量が大きくなって、可動電極８と、分断部１５の両端の線路部分とが高周波的にショートすると、高周波信号は可動電極８を介して信号線路４ｓを流れ当該信号線路４ｓの信号導通がオンする。また反対に、可動電極８と、分断部１５の両端の線路部分との間の間隔が広くなり、当該可動電極８と、分断部１５の両端の線路部分との間の静電容量が小さなって、可動電極８と、分断部１５の両端の線路部分とが高周波的にオープンになると、信号線路４ｓの高周波信号の導通はオフする。
【００４１】
【発明の効果】
この発明によれば、高周波信号導通部と対を成して当該高周波信号導通部との間に静電容量を発生させる可動電極と、この可動電極が設けられている可動体を静電引力を利用して変位させるための可動体変位用可動側電極とを別々に設ける構成とした。
【００４２】
従来では、高周波信号導通部との間に静電容量を生じさせるための電極（つまり、可動電極）としての機能と、当該電極を変位させるための電極（つまり、可動体変位用可動側電極）としての機能とを兼用する電極（電極ブリッジ）が設けられる構成であった。この電極ブリッジの設計には、それら両方の機能を果たすための制約が多く、電極設計の自由度が低いものであった。
【００４３】
これに対して、この発明では、それら機能をそれぞれ別々の可動電極、可動体変位用可動側電極に持たせる構成としたので、それら可動電極と可動体変位用可動側電極とをそれぞれ独立に設計することができることとなり、電極設計の自由度を高めることができる。
【００４４】
また、従来の電極ブリッジは、当該電極ブリッジ自体を撓み変形させることで、高周波信号導通部と電極ブリッジ間の静電容量を可変する構成であったために、電極ブリッジの金属疲労が発生し易かった。これに対して、この発明では、可動電極および可動体変位用可動側電極は可動体に形成され、また、その可動体は金属以外の例えば柔軟性と絶縁性を持つ材料により構成することが可能である。このことから、可動体の変位による劣化や、可動電極や可動体変位用可動側電極の金属疲労が起こりにくく、これにより、可変容量素子の耐久性を高めることができる。
【００４７】
高周波信号導通部がコプレーナー線路又はマイクロストリップ線路であるシャントスイッチ素子にあっては、高周波信号導通部の信号導通オン・オフを精度良く制御するためには、可動電極は、高周波信号導通部を流れる高周波信号の高い周波数に応じて電極面を小さく形成することが好ましい。一方、可動体を低い電圧で変位させるためには、可動体変位用可動側電極と可動体変位用固定側電極の対向し合う電極面を大きく形成することが好ましい。
【００４８】
この発明では、可動電極と、可動体変位用可動側電極とを独立して設計することができるので、高周波信号導通部の信号導通のオン・オフ制御に適した大きさに可動電極を適切に設計でき、かつ、この可動電極とは別に、可動体の変位駆動に適した大きさに可動体変位用可動側電極を適切に設計することができる。これにより、低い電圧供給で精度良く高周波信号の導通オン・オフを制御できる性能の高いシャントスイッチ素子を提供することが容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態例のシャントスイッチ素子を説明するための図である。
【図２】第２実施形態例を説明するための模式的な断面図である。
【図３】その他の実施形態例を説明するための図である。
【図４】従来例を説明するための図である。
【符号の説明】
１シャントスイッチ素子
２基板
３コプレーナー線路
５上部部材
６可動体
８可動電極
１０可動体変位用可動側電極
１１可動体変位用固定側電極

Claims

基板と、この基板上に形成される高周波信号導通部と、基板の上方側に基板と間隔を介して配置され高周波信号導通部の少なくとも一部分に対向する可動体と、この可動体に形成され高周波信号導通部に対向する可動電極とを有し、前記可動体は、高周波信号に対して絶縁性を有する半導体又は絶縁体により構成され、この可動体には前記可動電極とは分離された位置に可動体変位用可動側電極が形成され、前記可動体と間隔を介して対向する位置には前記可動体変位用可動側電極に間隔を介して対向する位置に固定配置された可動体変位用固定側電極が設けられており、前記高周波信号導通部は信号線を中央にしてその両側に間隔を介してグランド線を形成した線路と成し、前記高周波信号導通部と前記可動電極との間には該高周波信号導通部と可動電極間の静電容量をＣ成分としたＬＣ直列回路の等価回路が形成されており、前記可動体変位用可動側電極と可動体変位用固定側電極間の直流電圧印加による静電引力によって可動体を基板側に変位させて前記ＬＣ直列回路のＣ成分を可変して前記高周波信号導通部の信号線を導通する高周波信号の導通オン・オフを制御することを特徴とするシャントスイッチ素子。
高周波信号導通部は、コプレーナー線路あるいはマイクロストリップ線路を構成する導体部としたことを特徴とする請求項１記載のシャントスイッチ素子。