JP4355717B2 - コーム構造のアクチュエータを含むｒｆ−ｍｅｍｓスイッチ - Google Patents

Description

本発明はＭＥＭＳ（Micro−Electro−Mechanical Systems）を利用したＲＦ（Radio Frequency）素子に関し、特にＲＦ−ＭＥＭＳスイッチに関する。

動作周波数帯域の高い電子システムの多くでは、更なる超小型化、更なる超軽量化、及び更なる高性能化に対する要求がいずれも高い。それに伴い、それらの電子システムを構成するＲＦ（Radio Frequency）素子に対するＭＥＭＳの利用が進んでいる。ここで、ＭＥＭＳ（Micro−Electro−Mechanical Systems）とは、微小化された機械的な構成要素を電気的な構成要素と組み合わせて構成した素子やシステムを意味する。ＭＥＭＳを利用したＲＦ素子やシステム（以下、ＲＦ−ＭＥＭＳという）は、従来のＲＦ素子と比べて高性能でかつ高機能であり、かつ集積度が高いので、小型／軽量化、低コスト化、省電力化の点で優れている。

ＭＥＭＳを利用したＲＦ素子の中で、現在最も用途の広いものの一つがＲＦ−ＭＥＭＳスイッチである。ここで、ＲＦスイッチは、マイクロ波帯域やミリメートル波帯域の無線通信端末及びシステムで、信号の選別やインピーダンス整合などに良く利用されている。ＲＦ−ＭＥＭＳスイッチは、ＦＥＴスイッチやピンダイオード等の半導体を用いたＲＦスイッチと比べ、動作周波数の帯域幅、アイソレーション、挿入損失、電力損失、及び線形性などに優れている。ここで、挿入損失は、スイッチがオン状態であるときに伝達されるＲＦ信号の損失を意味する。アイソレーションは、スイッチがオフ状態であるときにＲＦ信号を遮断する能力を意味する。また、線形性は、入力パワーに対する出力パワーの比率を一定に維持する能力を意味する。

図1に、従来のＲＦ−ＭＥＭＳスイッチング素子の一例を示す。従来のＲＦ−ＭＥＭＳスイッチング素子10は、半導体の基板11、その基板11の表面に形成された一対の信号ライン13、及び、一対の信号ライン13の間を接続する連結部15から成る。ＲＦ信号は、外部から一方の信号ライン13に入力され、連結部15を通して他方の信号ライン13から外部に出力される。連結部15は一対の信号ライン13の隙間の上方を覆い、静電気力などの外力によって変位することにより、一対の信号ライン13の両方に接触し、又はそれらの信号ライン13から離脱する。こうして、連結部15は、一対の信号ライン13の間でのＲＦ信号の伝送を制御する。
特開2003−133880号公報 韓国特許出願公開第2003−039103号明細書 特開2003−009502号公報 米国特許第6,768,403号明細書

図1に示されているような従来のＲＦ−ＭＥＭＳスイッチでは、連結部15と基板11との間の距離がわずかである。それにより、製造工程中、連結部15と基板11との間から犠牲層が除去される時、連結部15が基板11にくっつく現象（stiction）が発生しやすい。また、連結部15の両端を各信号ライン13に上方から接触させる構造であるので、接触抵抗の更なる低減に限界があり、接触抵抗に起因する挿入損失及び電力損失の更なる低減が困難である。
本発明の目的は、製造時にアクチュエータが基板にくっつく現象、を防止し、アクチュエータの駆動電圧の更なる低減、及び、アクチュエータと信号ラインとの間の接触抵抗の更なる低減により、挿入損失及び電力損失をいずれも更に低減できるＲＦ−ＭＥＭＳスイッチ、の提供にある。

本発明の一つの観点によるＲＦ−ＭＥＭＳスイッチは、
基板、
その基板の表面に蒸着されている二つの信号ラインであり、各先端部が基板の表面から離れ、かつ相互に所定の距離を隔てて対向している第１信号ラインと第２信号ライン、
第１信号ラインの先端部と第２信号ラインの先端部との間に、第１信号ラインと第２信号ラインとのそれぞれから所定の距離を隔てて配置されたアクチュエータ、及び、
第１信号ラインと第２信号ラインとの各先端部に対してアクチュエータとは反対側に配置され、外部から印加される所定の駆動電圧に伴う静電気力によりアクチュエータを変位させ、第１信号ラインと第２信号ラインとの両方の先端部に接触させる固定部、を有する。好ましくはアクチュエータと固定部との少なくともいずれかがコーム構造であり、更に好ましくはそれらの両方がコーム構造である。好ましくは、アクチュエータがブリッジの形でスイッチング動作を行う。すなわち、アクチュエータの両端が固定され、中央部が基板の表面から浮いた状態で固定部と対向し、上記の静電気力により変位する。更に好ましくは、本発明による上記のＲＦ−ＭＥＭＳスイッチが、上記の基板と対向する第２の基板を更に有し、その第２の基板が上記の固定部を固定する。

本発明の他の観点によるＲＦ−ＭＥＭＳスイッチは、
基板、
その基板の表面に蒸着されている二つの信号ラインであり、各先端部が基板の表面から離れ、かつ相互に所定の距離を隔てて対向している第１信号ラインと第２信号ライン、
第１信号ラインの先端部と一体化され、基板の表面から浮いた状態で、第２信号ラインの先端部と所定の距離を隔てて対向しているアクチュエータ、及び、
第２信号ラインの先端部に対してアクチュエータとは反対側に配置され、外部から印加される所定の駆動電圧に伴う静電気力によりアクチュエータを変位させ、第２信号ラインの先端部に接触させる固定部、を有する。好ましくはアクチュエータと固定部との少なくともいずれかがコーム構造であり、更に好ましくはそれらの両方がコーム構造である。好ましくは、アクチュエータの一端が第１信号ラインの先端部に一体化されて支持されている。更に好ましくは、アクチュエータがカンチレバーの形でスイッチング動作を行う。すなわち、アクチュエータの一端が第１信号ラインの先端部に一体化されて固定され、中央部が基板の表面から浮いた状態で固定部と対向し、上記の静電気力により変位する。更に好ましくは、本発明の他の観点によるＲＦ−ＭＥＭＳスイッチが、上記の基板と対向する第２の基板を更に有し、その第２の基板が上記の固定部を固定する。

本発明による上記のＲＦ−ＭＥＭＳスイッチでは、一対の信号ラインの各先端部が基板の表面から離れ、アクチュエータと固定部とがそれらの先端部の少なくとも一方を間に挟んでいる。更に、固定部とアクチュエータとが静電気力により相互に引き合い、特にアクチュエータが基板の表面から離れる方向に変位することで、各信号ラインの先端部に接触する。この構造では、アクチュエータを基板の表面から十分に離すことができるので、製造時にアクチュエータが基板にくっつく現象が防止される。その場合、固定部とアクチュエータとの少なくとも一方、好ましくは両方をコーム構造に形成することにより、アクチュエータの低電圧駆動が可能である。また、アクチュエータと各信号ラインとの間の接触抵抗が低いので、挿入損失及び電力損失が更に削減できる。

以下、添付の図面に基づいて本発明の好適な実施形態を詳述する。
図2Aは本発明の一実施形態によるＲＦ−ＭＥＭＳスイッチの構成を示した水平断面図であり、図2Bは図2Aに示されている直線2B−2Bに沿って切断した垂直断面図である。図2A及び図2Bに図示されたように、本発明によるＲＦ−ＭＥＭＳスイッチ200は下部基板210、第１信号ライン220、第２信号ライン230、アクチュエータ240、固定部250、上部基板260を含む。

下部基板210上には第１信号ライン220及び第２信号ライン230が相互所定の間隔で離隔した状態で蒸着される。アクチュエータ240は、下部基板210に形成された犠牲層に一旦蒸着され、その後、犠牲層を除去することにより、下部基板210から所定の間隔d1で浮上した状態に形成される（アクチュエータ240の両端が図示されていない部材で支持されることにより、図2A、2Bに示されている部分が浮上した状態に維持されている）。アクチュエータ240はこのようなブリッジの形でスイッチング動作を行う。また、アクチュエータ240は上方にコーム構造を成す。ＲＦ−ＭＥＭＳスイッチ200がオン状態の場合、コンタクトポイントP1、P2でアクチュエータ240と第１信号ライン220及び第２信号ライン230が接触する。

固定部250は上部基板260に固定された支持台251及び支持台251によって支持される櫛の歯252を含む。固定部250は下方にコーム構造を成し、所定の駆動電圧が印加されると、固定部250の櫛の歯252とアクチュエータ240の櫛の歯が噛み合う構造になる。固定部250は上部基板260によって固定され、アクチュエータ240が上下方向に稼動される。所定の駆動電圧がアクチュエータ240と固定部250に印加されると、その間に静電気力が発生し、固定部250はアクチュエータ240を引っ張る。それによって、アクチュエータ240はコンタクトポイントP1、P2で第１信号ライン220及び第２信号ライン230と接触する。アクチュエータ240と第１信号ライン220及び第２信号ライン230が接触することにより、ＲＦ−ＭＥＭＳスイッチ200がオン状態になる。アクチュエータ240と固定部250とがいずれもコーム構造をしているため、相対的に両方の間隔が小さくなり、従来のＲＦ−ＭＥＭＳスイッチより小さい駆動電圧でＲＦ−ＭＥＭＳスイッチ200をオンさせることができる。

アクチュエータ240と固定部250がコーム構造ではない場合、コーム構造の場合より高電圧の駆動電圧が必要であるが、ＲＦ−ＭＥＭＳスイッチの製造時、アクチュエータ240が基板210にくっ付く現象を防止することができる。本発明による一実施形態はアクチュエータ240製造時、犠牲層の間隔d1を従来より大きくすることができ、ＲＦ−ＭＥＭＳスイッチの製造時、アクチュエータが基板にくっ付く現象を防止することができる。

図3Aは、本発明の他の実施形態によるＲＦ−ＭＥＭＳスイッチの構成を示す水平断面図であり、図3Bは図3Aに示されている直線3B−3Bに沿って切断した垂直断面図である。図3A及び図3Bに図示されたように、本発明によるＲＦ−ＭＥＭＳスイッチ300は下部基板310、アクチュエータ320、第２信号ライン330、固定部340、上部基板350を含む。

下部基板310上には第１信号ライン320aが蒸着される。アクチュエータ320は第１信号ライン320aによって支持され、第１信号ライン320aと一体になる。アクチュエータ320は下部基板310から所定の間隔d2で浮上する。即ち、アクチュエータ320はカンチレバーの形でスイッチング動作する。また、アクチュエータ320は上方にコーム構造を成す。第２信号ライン330は下部基板310上に第１信号ライン320aと所定の間隔で離隔して蒸着される。第２信号ライン330はＲＦ−ＭＥＭＳスイッチ300がオン状態の場合、コンタクトポイントP3でアクチュエータ320と接触する。

固定部340は上部基板350に固定された支持台341及び支持台341によって支持される櫛の歯342を含む。固定部340は下方にコーム構造を成し、所定の駆動電圧が印加されると、固定部340の櫛の歯342とアクチュエータ320の櫛の歯が噛み合う構造になる。固定部340は上部基板350によって固定され、アクチュエータ320が稼動される。所定の駆動電圧がアクチュエータ320と固定部340に印加されると、その間に静電気力が発生し、固定部340はアクチュエータ320を引っ張る。それによって、アクチュエータ320はコンタクトポイントP3で第２信号ライン330と接触する。アクチュエータ320と第２信号ライン330が接触することで、結局第１信号ライン320aと第２信号ライン330が連結される。これにより、ＲＦ−ＭＥＭＳスイッチ300がオンになる。アクチュエータ320と固定部340とがいずれもコーム構造をしているため、相対的に両方の間隔が小さくなり、従来のＲＦ−ＭＥＭＳスイッチより小さい駆動電圧でＲＦ−ＭＥＭＳスイッチをオンさせることができる。

アクチュエータ320と固定部340がコーム構造ではない場合、コーム構造の場合より高電圧の駆動電圧が必要だが、ＲＦ−ＭＥＭＳスイッチの製造時、アクチュエータ320が基板310にくっ付く現象を防止することができる。本発明による他の実施形態はアクチュエータ320製造時、犠牲層の間隔d2を従来より大きくすることができ、ＲＦ−ＭＥＭＳスイッチの製造時、アクチュエータ320が基板にくっ付く現象を防止することができる。また、コンタクトポイントP1が一つであるため挿入損失及び電力消耗が少なくなる。

このように本発明の詳細説明では具体的な実施形態について説明したが、本発明の範疇から外れない範囲内で様々な変形が可能であることはもちろんのことである。従って、本発明の範囲は説明された実施形態に限定されるべきではなく、前述した特許請求範囲のみならずこの特許請求範囲と均等なものによって定められるべきである。

従来のＲＦ−ＭＥＭＳスイッチング素子の一例を示す断面図 本発明の一実施形態によるＲＦ−ＭＥＭＳスイッチのオン状態を示す水平断面図 図2Aに示されている直線2B−2Bに沿った、ＲＦ−ＭＥＭＳスイッチのオフ状態を示す垂直断面図 本発明の他の実施形態によるＲＦ−ＭＥＭＳスイッチのオン状態を示す水平断面図 図3Aに示されている直線2B−2Bに沿った、ＲＦ−ＭＥＭＳスイッチのオフ状態を示す垂直断面図

符号の説明

210 下部基板
220 第１信号ライン
230 第２信号ライン
240 アクチュエータ
250 固定部
260 上部基板
310 下部基板
320 アクチュエータ
330 第２信号ライン
340 固定部
350 上部基板

Claims (11)

1. 所定の距離を隔てて対向する第１基板と第２基板、
   前記第２基板に面した前記第１基板の表面に蒸着されている二つの信号ラインであり、各先端部が前記第１基板の表面から離れて前記第１基板と前記第２基板との間に浮いた状態で、相互に所定の距離を隔てて対向している第１信号ラインと第２信号ライン、
   前記第１信号ラインの先端部と前記第２信号ラインの先端部との間で、かつ前記第１信号ラインと前記第２信号ラインとの各先端部と前記第１基板の表面との間に、前記第１信号ラインと前記第２信号ラインとのそれぞれから所定の距離を隔てて配置されたアクチュエータ、及び、
   前記第１基板に面した前記第２基板の表面に固定され、外部から印加される所定の駆動電圧に伴う静電気力により前記アクチュエータを変位させて前記第１信号ラインと前記第２信号ラインとの両方の先端部に接触させる固定部を有し、
   前記アクチュエータと前記固定部との少なくともいずれかがコーム構造であり、
   第１及び第２信号ラインが前記アクチュエータとの接触で、ＲＦ信号が前記第１信号ラインから前記第２信号ラインに伝送されることを特徴とするＲＦ−ＭＥＭＳスイッチ。
2. 前記アクチュエータの両端が固定され、中央部が前記第１基板の表面から浮いた状態で
   前記固定部と対向し、前記静電気力により変位する請求項１に記載のＲＦ−ＭＥＭＳス
   イッチ。
3. 前記アクチュエータと前記固定部との両方がコーム構造である請求項１に記載のＲＦ
   −ＭＥＭＳスイッチ。
4. 前記アクチュエータと前記固定部との両方が櫛歯状に並んだ複数の突起を含み、前記ア
   クチュエータの突起と前記固定部の突起とが互いに噛み合うように配置されている請求
   項３に記載のＲＦ−ＭＥＭＳスイッチ。
5. 所定の距離を隔てて対向する第１基板と第２基板、
   前記第２基板に面した前記第１基板の表面に蒸着されている二つの信号ラインであり、
   各先端部が前記第１基板の表面から離れて前記第１基板と前記第２基板との間に浮いた状
   態で、相互に所定の距離を隔てて対向している第１信号ラインと第２信号ライン、
   前記第１信号ラインの先端部と一体化され、前記第２信号ラインの先端部と前記第１基
   板の表面との間に浮いた状態で、前記第２信号ラインの先端部と所定の距離を隔てて対向
   しているアクチュエータ、及び、
   前記第１基板に面した前記第２基板の表面に固定され、外部から印加される所定の駆動
   電圧に伴う静電気力により前記アクチュエータを変位させて前記第２信号ラインの先端部
   に接触させる固定部を有するＲＦ−ＭＥＭＳスイッチ。
6. 前記アクチュエータと前記固定部との少なくともいずれかはコーム構造である請求項
   ５に記載のＲＦ−ＭＥＭＳスイッチ。
7. 前記アクチュエータの一端が前記第１信号ラインの先端部に一体化されて支持されてい
   る請求項５に記載のＲＦ−ＭＥＭＳスイッチ。
8. 前記アクチュエータの一端が前記第１信号ラインの先端部に一体化されて固定され、中
   央部が前記第１基板の表面から浮いた状態で前記固定部と対向し、前記静電気力により変
   位する請求項５に記載のＲＦ−ＭＥＭＳスイッチ。
9. 前記固定部が、
   前記第２基板に固定された支持台、及び、
   前記支持台によって支持されている、櫛歯状に並んだ複数の突起を含む請求項５に記載のＲＦ−ＭＥＭＳスイッチ。
10. 前記アクチュエータと前記固定部との両方がコーム構造である請求項６に記載のＲＦ
    −ＭＥＭＳスイッチ。
11. 前記アクチュエータと前記固定部との両方が櫛歯状に並んだ複数の突起を含み、前記ア
    クチュエータの突起と前記固定部の突起とが互いに噛み合うように配置されている請求
    項１０に記載のＲＦ−ＭＥＭＳスイッチ。
    

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