JP4692739B2 - 可動素子、ならびにその可動素子を内蔵するモジュールおよび電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems；マイクロマシン）の要素技術を応用したスイッチング素子や容量素子などの可動素子、ならびにその可動素子を内蔵するモジュールおよび電子機器に関する。

近年の集積化技術の向上に伴い、電子機器の小型・軽量化、低電圧動作・低消費電力化、高周波動作化が急速に進んでいる。特に、携帯電話などの移動通信端末装置の技術分野では、上記の要求が厳しい上に、高機能化も求められており、これらの対立する課題を解決する技術の一つとして、ＭＥＭＳが注目されている。このＭＥＭＳは、シリコンプロセス技術により、マイクロな機械的要素と電子回路要素とを融合したシステムであり、日本では主にマイクロマシンと称されるものである。ＭＥＭＳ技術は、その精密加工性などの優れた特徴から、高機能化に対応しつつ、小型で低価格なＳｏＣ（System on a Chip) を実現することができる。

そのため、移動通信端末装置の技術分野では、このＭＥＭＳ技術を利用した様々な半導体素子、例えば、非特許文献１（熱スイッチ），特許文献１（電磁スイッチ），特許文献２（静電スイッチ），特許文献３（圧電スイッチ）にそれぞれ記載されたスイッチング素子などが開発されている。

松下電工技報 ２００１年５月号 「シリコンバイメタルを使った熱駆動型マイクロリレー」 米国特許第０１９６１１０号明細書等 米国特許第００９８６１３号明細書等 特開２００４−１５８７６９号公報

しかしながら、上記のいずれのスイッチング素子においても、消費電力が例えば数百ｍＷ程度まで高くなるか、駆動電圧が例えば２０Ｖを超える程に大きくなってしまうため、上記のスイッチング素子を、例えば駆動電圧が数Ｖレベル，消費電力が数ｍＷレベルの低電圧・低消費電力系の素子と一体的に形成することが事実上不可能であるという問題がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、低電圧・低消費電力系の素子と一体的に形成することが可能な程度に低電圧化・低消費電力化した可動素子、ならびにその可動素子を内蔵するモジュールおよび電子機器を提供することにある。

本発明の可動素子は、半導体基板上に、信号を伝送するための信号線路と、信号線路を機械的に継断するための継断手段と、熱アクチュエータまたは圧電アクチュエータのいずれか一つを含んで構成された、継断手段を切り替えるための切替手段と、ラッチ性を有する材料により構成された、継断手段の切り替え後の状態を保持するための保持手段とを備えたものである。切替手段は、互いに異なる変位方向を有する第１可動子および第２可動子を有し、継断手段は、互いに対向配置された一組の第３可動子および固定子を有している。また、保持手段は、第３可動子に接続されると共に、ミアンダバネを介して第１可動子および第２可動子に接続された第４可動子を有している。上記のミアンダバネは、第４可動子がＵ字状に変形しているときに、第４可動子がＵ字状の形状を維持することの可能な力を第４可動子に加えるようになっている。

ここで、「ラッチ性を有する」とは、具体的には、外部からの力と、この力により変位した形状から生じる内部応力とが釣り合って、その変位した形状を維持し続けることが可能であることを意味している。

本発明のモジュールおよび電子機器は、上記の可動素子を内蔵したものである。

本発明の可動素子、モジュールおよび電子機器では、継断手段の継断と、継断手段の切り替え後の状態の保持とが、弾性部を介した切替手段と保持手段との協調動作（２元駆動）によって行われる。

上記切替手段は、具体的には、熱アクチュエータおよび圧電アクチュエータのいずれか一つにより構成されており、上記保持手段は、具体的には、バックルアクチュエータにより構成されている。ここで、熱アクチュエータは、例えば、互いに異なる熱膨張係数を有する材料を複数積層させてなる可動子に熱エネルギーが供給されることにより生じる歪みを利用して可動子を駆動させるものである。圧電アクチュエータは、例えば、圧電体からなる可動子に電圧が印加されることにより生じる歪み（圧電効果）を利用して可動子を駆動させるものである。これらのアクチュエータは、低電圧で可動子を大きくストロークさせることが可能である。バックルアクチュエータは、例えば、外部から刺激（入力）が与えられることにより生じる内部応力を利用して可動子を駆動させるものであり、電力を消費することなく可動子をストロークさせたり保持（ラッチ）したりすることが可能である。

本発明の可動素子、モジュールおよび電子機器によれば、継断手段の継断と、継断手段の切り替え後の状態の保持とが、弾性部を介した切替手段と保持手段との協調動作によって行われるようにしたので、目的・用途に応じて最適な回路構成を選択することができる。例えば信号線路の継断の際に大きな力が必要な場合に、熱アクチュエータまたは圧電アクチュエータのような大きな力で駆動できる回路構成を選択し、一方、継断手段の切り替え後の状態を保持する場合に、ラッチ性を有するバックルアクチュエータのような、電力を全く消費しない構成を選択することができる。このように、用途に応じて最適な構成を選択することにより、低電圧・低消費電力系の素子と一体的に形成することが可能な程度の低電圧化と低消費電力とを両立させることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
まず、図１〜図４を参照して、本発明の第１の実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態に係るスイッチング素子（可動素子）の構成要素を機能ブロックごとに表したものである。図２は、このスイッチング素子の平面構成の一例を、図３は、図２のＡ−Ａ矢視方向の断面構成の一例を、図４は、図２のＢ−Ｂ矢視方向の断面構成の一例をそれぞれ表したものである

このスイッチング素子は、一の素子（図示せず）から他の素子（図示せず）へ信号を伝送する伝送路中に実装される微小構造物（いわゆるマイクロマシン）であり、好適には他の素子と同一のパッケージ内に形成されるものであり、より好適にはＳｏＣなどの集積回路に実装されるものである。このスイッチング素子は、半導体基板１上にスイッチング構造体１０を備えている。

半導体基板１は、主にスイッチング素子を構成する要素を支持するものであり、例えば、シリコン（Ｓｉ）、シリコン・カーバイト（ＳｉＣ）、シリコン・ゲルマニウム（ＳｉＧｅ）およびシリコン・ゲルマニウム・カーボン（ＳｉＧｅＣ）などのＳｉ系基板や、ガラス、樹脂およびプラスチックなどの非Ｓｉ系基板により構成されている。この半導体基板１の表面には、絶縁層２が設けられている。この絶縁層２は、コンデンサ構造体１０を基板１０から電気的に分離するものであり、例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ₂ ）または窒化ケイ素（ＳｉＮ）などの絶縁性材料により構成されている。

スイッチング構造体１０は、図３および図４に示したように、表面マイクロマシンニング技術を使用して形成された複数の微小構造物が配列されることにより構成された集合構造体である。このスイッチング構造体１０は、信号線路１１、継断部１２（継断手段）、切替部１３（切替手段）、保持部１４（保持手段）、弾性部１５、支持部１６および素子駆動部１７（駆動回路）（図１参照）を備えている。信号線路１１は、Ｙ軸方向に延在すると共に、継断部１２に接続されている。継断部１２は保持部１４に、保持部１４は弾性部１５を介して切替部１３に、切替部１３は支持部１６にそれぞれ接続されている。ここで、継断部１２は保持部１４の中心付近の位置に、切替部１３は継断部１２および保持部１４を介する２つの位置に、支持部１６は継断部１２、切替部１３および保持部１４を介する２つの位置にそれぞれ配置されている。

継断部１２は、一組の固定子１２Ａおよび可動子１２Ｂ（第３可動子）により構成されている。この固定子１２Ａおよび可動子１２Ｂは、導電性材料、例えばアルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）などのＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor)プロセスと整合する材料、または誘電体材料からなる平板により構成されている。

信号線路１１は、継断部１２と同様の導電性材料により構成されており、固定子１２Ａと直接接続されている。この信号線路１１は、図３および図４に示したように、継断部１２がオフ状態（切替部１３に対して電力が印加されていない状態）の場合には、可動子１２Ｂと電気的に絶縁されている。一方、継断部１２がオン状態（切替部１３に対して電力が印加されている状態）の場合には、固定子１２Ａを介して可動子１２Ｂと電気的に導通している。

すなわち、継断部１２は、信号線路１１を機械的に継断することができるようになっている。ここで、「機械的に継断する」とは、機械的なスイッチがオン／オフ動作することを意味している。ここで、オン動作は、切替部１３および保持部１４に対して電力を印加することにより、継断部１２の固定子１２Ａおよび可動子１２Ｂを接触させる動作を意味している。オフ動作は、切替部１３および保持部１４に対して電力の供給を停止することにより、継断部１２の固定子１２Ａおよび可動子１２Ｂの接触を開放させる動作を意味している。また、機械的なスイッチの接点の方式としては、例えばシリーズ方式（図５（Ａ））やシャント方式（図５（Ｂ））が挙げられるが、本実施の形態では何れの方式であってもよい。なお、図５（Ａ）は、シリーズ方式における、オン状態（一の素子からの信号が継断部１２を介して他の素子へ伝送されている状態）の断面構成を、図５（Ｂ）は、シャント方式における、オン状態（一の素子からの信号が継断部１２を介して他の素子へ伝送されていない状態）の断面構成を表したものである。

切替部１３は、Ｘ軸方向に延在する第１膨張層１３Ａ−１および第２膨張層１３Ａ−２を支持部１６上にこの順に積層してなる可動子１３Ａ（第１可動子）と、Ｘ軸方向に延在する第１膨張層１３Ｂ−１および第２膨張層１３Ｂ−２を支持部１６上にこの順に積層してなる可動子１３Ｂ（第２可動子）とにより構成されている。第１膨張層１３Ａ−１，１３Ｂ−１は、第２膨張層１３Ａ−２，１３Ｂ−２よりも小さな熱膨張率の材料により構成されている。これら第１膨張層１３Ａ−１，１３Ｂ−１と第２膨張層１３Ａ−２，１３Ｂ−２の組み合わせとしては、例えば、（ａ）ポリシリコン（熱膨張率：０．４ｘ１０⁵ ／Ｋ）とニッケル（熱膨張率：１２．８ｘ１０⁵ ／Ｋ）、（ｂ）ポリシリコンと銅（熱膨張率：１３．６ｘ１０⁵ ／Ｋ）、（ｃ）ポリシリコンとアルミニウム（熱膨張率：２３．０ｘ１０⁵ ／Ｋ）、（ｄ）ニッケルと銅、（ｅ）ニッケルとアルミニウム、（ｆ）銅とアルミニウムなどが挙げられる。なお、可動子１３Ａおよび可動子１３Ｂは、第１膨張層１３Ａ−１，１３Ｂ−１と第２膨張層１３Ａ−２，１３Ｂ−２の積層の順番が互いに異なるように構成されていることから、互いに異なる方向に変位（ストローク）するようになっている。具体的には、可動子１３ＡはＺ軸の負方向、可動子１３ＢはＺ軸の正方向に変位（ストローク）するようになっている。このように、この切替部１３は、低電圧で可動子１３Ａおよび可動子１３Ｂを大きくストロークさせることが可能な熱アクチュエータとしての機能を有している。従って、仮に継断部１２の固定子１２Ａと可動子１２Ｂとの間隙が例えば１μｍ程度あったとしても、継断部１２の可動子１２Ｂを固定子１２Ａに押圧することができる。

保持部１４は、例えば、図２に示したような、一対の端部１４Ｂ−１，１４Ｂ−１および一対の端部１４Ｂ−２，１４Ｂ−２を有する十字状の形状からなる可動子１４Ｂ（第４可動子）により構成されている。この一対の端部１４Ｂ−１は、弾性部１５を介して一対の可動子１３Ａにそれぞれ接続されると共に、一対の端部１４Ｂ−２は、弾性部１５を介して一対の可動子１３Ｂにそれぞれ接続されている。また、可動子１４Ｂは、中央部分、具体的には十字が交わる部分の空間Ｓ側に、継断部１２の可動子１２Ｂと接続されている。

また、可動子１４Ｂは、ラッチ性を有する材料、例えば、単結晶シリコンまたはポリシリコンにより構成されている。「ラッチ性を有する」とは、具体的には、外部からの力と、この力により変位した形状から生じる内部応力とが釣り合って、その変位した形状を維持し続けることが可能であることを意味している。このように、可動子１４Ｂは、バックルアクチュエータとしての機能を有している。なお、上記の釣り合いの状態については、スイッチング素子の動作を説明する際に合わせて詳述する。

弾性部１５は、例えば、単結晶シリコンまたはポリシリコンにより構成されている。この弾性部１５は、例えば、図６に示したように、平面上を蛇行した形状を有するミアンダ(meander) ばねであり、このミアンダばねには、蛇行路の折り返し付近に突起が設けられている。この突起はバネの縮む方向に突き出ているため、バネが縮む際に隣接する蛇行路と接触し、バネが縮むのを阻害するようになっている。そのため、このミアンダばねは、伸びるときのばね定数が縮むときのばね定数より小さくなるようになっている。これにより、切替部１３および保持部１４の応答速度を向上させることができる。

支持部１６は、例えば、単結晶シリコンまたはポリシリコンにより構成されており、絶縁層１６Ａと絶縁層１６Ｂとをこの順に積層した構造を有している。この支持部１６は、継断部１２、切替部１３および保持部１４の可動子１２Ｂ，１３Ｂ，１４Ｂからなる梁をその両端で支持すると共に、スイッチング構造体１０内部に所定の空間Ｇを構成するようになっている。

素子駆動部１７は、切替部１３に対してオン動作またはオフ動作をさせるためのものである。

このような構成を有するスイッチング素子は、例えば次のようにして製造することができる。図７（Ａ）〜（Ｂ）および図８（Ａ）〜（Ｂ）は、スイッチング素子の製造工程を説明するためのものである。

スイッチング素子を製造する際には、まず、図７（Ａ）に示したように、Ｓｉからなる半導体基板１上に、例えば減圧ＣＶＤ（Chemical Vapor Depositon）法を使用して、ＳｉＮなどの絶縁性材料を成膜することにより絶縁層２を形成する。続いて、例えば減圧ＣＶＤ法を使用して、絶縁層２上に、Ｃｕなどの導電性材料を成膜したのち、フォトリソグラフィ処理およびドライエッチング処理を使用して導電性材料をパターニングすることにより、固定子１２Ａを形成する。なお、以下では、上記したフォトリソグラフィ処理およびドライエッチング処理を使用したパターニング処理を、単に「パターニング」と称する。

次に、例えば減圧ＣＶＤ法を使用して、後工程において空間Ｇが形成されることとなる領域を埋め込むように、例えばＬＰ−ＴＥＯＳ（Low Pressure TEtraethyl ORthosilicate)を成膜することにより犠牲層Ｔ１を形成する。続いて、パターニングにより、絶縁層１６Ａを形成することとなる領域に孔を形成したのち、例えば減圧ＣＶＤ法を使用して、その孔に例えばポリシリコンなどの絶縁性材料を埋め込むことにより絶縁層１６Ａを形成する。その後、例えばＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing:化学的機械的研磨）により、犠牲層Ｔ１および絶縁層１６Ａの表面全体を平坦化する。

続いて、例えば減圧ＣＶＤ法を使用して犠牲層Ｔ１および絶縁層１６Ａ上に、Ｃｕなどの導電性材料を成膜したのち、パターニングすることにより、図７（Ｂ）に示したように、犠牲層Ｔ１の表面のうち固定子１２Ａと対向する領域に可動子１２Ｂを形成する。また、同様の方法により、犠牲層Ｔ１の表面の一部および支持部１６上に、第１膨張層１３Ａ−１および第２膨張層１３Ａ−２をこの順に積層してなる可動子１３Ａと、第１膨張層１３Ｂ−１および第２膨張層１３Ｂ−２をこの順に積層してなる可動子１３Ｂをそれぞれ形成する。なお、図７（Ｂ）には、可動子１３Ａのみが例示されている。

次に、例えば減圧ＣＶＤ法を使用して、図８（Ａ）に示したように、露出している犠牲層Ｔ１の表面全体を覆うように、例えばＬＰ−ＴＥＯＳを成膜することにより犠牲層Ｔ２を形成する。続いて、犠牲層Ｔ２および可動子１２Ｂ上に、ポリシリコンなどの優れた機械的特性を有する材料を成膜することにより、前躯体１４Ｄを形成する。さらに、例えば減圧ＣＶＤ法を使用して、半導体基板１上の表面全体を覆うように、例えばＬＰ−ＴＥＯＳを成膜したのち、パターニングすることにより、後工程において弾性部１５が形成されることとなる領域と対向する領域に開口部を有する犠牲層Ｔ３を形成する。

次に、可動子１２Ｂ、可動子１３Ａおよび可動子１３Ｂが互いに接続されることとなるようにパターニングすることにより、図８（Ｂ）に示したように、例えばミアンダばねからなる弾性部１５を複数形成する。

続いて、例えば希フッ化水素（ＤＨＦ；Diluted Hydrogen Fluorede ）溶液などの溶解液を使用して犠牲層Ｔ１、犠牲層Ｔ２および犠牲層Ｔ３を溶解させることにより、これらの犠牲層を選択的に除去する。これにより、図８（Ｂ）に示したように、犠牲層Ｔ１が設けられていた箇所に、空間Ｇが構成されるので、間隙を介して固定子１２Ａと可動子１２Ｂとが互いに対向配置される。このようにして、スイッチング素子が形成される。

次に、図３および図４および図９（Ａ）〜（Ｃ）を参照して、本実施の形態のスイッチング素子の作用について説明する。図１は、オフ状態の様子を、図９（Ａ）〜（Ｃ）は、オフ状態からオン状態に移行する様子をそれぞれ表したものである。

本実施の形態のスイッチング素子は、オン状態およびオフ状態のツーステートを有しており、素子駆動部１７から切替部１３および保持部１４に対してオン動作の指令が送られると、切替部１３および保持部１４はオフ状態からオン状態へ、逆に、オフ動作の指令が送られると、切替部１３および保持部１４はオン状態からオフ状態へそれぞれ移行する。また、素子駆動部１７から切替部１３および保持部１４に対して状態の変更を求める何らかの指令が送られて来ない限り、切替部１３よび保持部１４は、オン状態およびオフ状態のいずれか一方の状態を維持する。なお、オン状態は図９（Ｂ）に示された状態、オフ状態は図３および図４に示された状態をそれぞれ指している。

オン動作について具体的に説明すると、まず、素子駆動部１７は、切替部１３の可動子１３Ａに対して電力供給を開始する。すると、切替部１３の可動子１３Ａは、弾性部１５および可動子１４Ｂの端部１４Ｂ−１を介して継断部１２の可動子１２Ｂに接続されているので、可動子１３Ａおよび可動子１２ＢがＺ軸の負方向に変位する。その結果、図９（Ａ）に示したように、可動子１２Ｂが固定子１２Ａと接触する。その後、可動子１３Ａの駆動を停止し、可動子１３Ａを元の位置に戻すことにより、オン状態となる。

このとき、保持部１４の可動子１４Ｂは、Ｕ字状に変形しているので、外部から何らかの力が加えられていない場合には、図３および図４に示したような平面状の形状に戻ってしまう。ところが、本実施の形態では、可動子１４Ｂに接続されているそれぞれの弾性部１５から可動子１４Ｂへ力が加えられているため、可動子１４ＢはＵ字状の形状を維持することができる。これにより、上記のように、切替部１３を何ら駆動していない状態であっても、継断部１２の固定子１２Ａと可動子１２Ｂとの接触を維持することができる。このように、オン状態において、電力を消費することがないので、低電圧化・低消費電力化を同時に実現することができる。

一方、オフ動作について具体的に説明すると、まず、素子駆動部１７は、切替部１３の可動子１３Ｂに対して電力供給を開始する。すると、切替部１３の可動子１３Ｂは、弾性部１５および可動子１４Ｂの端部１４Ｂ−２を介して継断部１２の可動子１２Ｂに接続されているので、可動子１３Ｂおよび可動子１２ＢがＺ軸の正方向に変位する。その結果、図９（Ｃ）に示したように、可動子１２Ｂが固定子１２Ａと分離される。その後、可動子１３Ｂの駆動を停止し、可動子１３Ｂを元の位置に戻すことにより、図３および図４に示したように、オフ状態となる。このように、オフ状態において、電力を消費することがないので、低電圧化・低消費電力化を同時に実現することができる。

このように、本実施の形態のスイッチング素子では、継断部１２の継断と、継断部１２の切り替え後の状態の保持とが、弾性部１５を介した切替部１３と保持部１４との協調動作（２元駆動）によって行われる。

次に、本実施の形態のスイッチング素子の効果について説明する。

上記製造方法の説明の際に詳述したように、本実施の形態のスイッチング素子は、減圧ＣＶＤ法や、パターニング法など、通常の製造プロセスで使用される方法を用いて製造することが可能なものである。そのため、他の回路素子との製造プロセスの整合性が高く、他の回路素子と同一の基板上に形成することが可能となるので、他の回路素子と共に同一パッケージ内に実装することができる。また、特異な製法を必要としないので、製造プロセスを複雑化する虞もない。したがって、本実施の形態のスイッチング素子は、容易に製造することができる。

次に、高周波特性の観点から素子駆動電圧および消費電力について言及する。高周波特性における主なパラメータとしては、アイソレーション（クロストーク）と、インサーション・ロス（挿入損失）が挙げられる。前者は、一般的なスイッチング素子（シリーズ方式）の絶縁抵抗に相当し、絶縁抵抗が大きいほど漏れが小さいことを意味するが、スイッチング素子のアイソレーションを大きくするには、継断部１２の固定子１２Ａと可動子１２Ｂとの間隙ｇ１をある程度大きくすることが必要となる。しかしながら、間隙ｇ１を大きくすると、継断部１２の可動子１２Ｂのストロークも大きくなるので、従来のように、単一のアクチュエータからなるスイッチング素子（本実施の形態の保持部１４がない場合に相当する）を用いただけでは、充分なストロークが得られたとしても、素子駆動電圧がストロークの２乗に比例して大きくなることから、消費電力が例えば数百ｍＷ、または駆動電圧が例えば２０Ｖを超える程に大きくなってしまう。その結果、特に、低電圧動作・低消費電力化が常識となっている電子機器の技術分野では、このようなスイッチング素子を使用することは困難である。

また、後者は、一般的なスイッチング素子（シリーズ方式）の接触抵抗に相当し、接触抵抗が小さいほど接点間での信号の損失が小さくなり、正確な信号伝達をすることができ、また、発熱を小さくできることを意味するが、スイッチング素子のインサーション・ロスを小さくするには、継断部１２の固定子１２Ａと可動子１２Ｂとの接触抵抗を下げることが必要となる。しかしながら、接触抵抗を下げるには、可動子１２から固定子１２Ａに対して押圧することが必要となるので、単一のアクチュエータからなる従来のスイッチング素子を用いた場合には、アクチュエータの間隙を継断部のそれより大きくするか、または、アクチュエータの固定子の厚さを継断部の固定子のそれより薄くすることが必要となる。その結果、アクチュエータのストロークが大きくなり、上記と同様の問題が生じてしまうので、このようなスイッチング素子を使用することは、インサーション・ロスの観点からも困難である。

一方、本実施の形態のスイッチング素子では、上記したように、継断部１２の継断と、継断部１２の切り替え後の状態の保持とが、弾性部１５を介した切替部１３と保持部１４との協調動作によって行われるので、充分なストロークを得ることができると共に、継断部１２の接触抵抗を下げることができる。

これにより、インサーション・ロスや、アイソレーションなどの高周波特性を非常によくすることができ、高周波特性が良いとされているＭＭＩＣ（Monolithic Microwave Integrated Circuit ；モノリシック・マイクロ波集積回路）と比べても、勝るとも劣らない優れた高周波特性を有している。なお、このＭＭＩＣは、トランジスタなどの能動素子のほか、抵抗やコンデンサなどの受動素子、さらには信号分配や合成回路などを一体化して一つの化合物半導体基板（主としてＧａＡｓ（ガリウム砒素）など) 上に形成した集積回路のことであり、主にマイクロ波・ミリ波の帯域で用いられるものである。このＭＭＩＣは携帯電話をはじめ、アンプ、ミキサー、アンテナ・スイッチなどにも使われている。

また、本実施の形態では、上記した協調動作により、例えば信号線路の継断の際に大きな力が必要な場合に、熱アクチュエータのような大きな力で駆動できる回路構成を選択し、一方、継断手段の切り替え後の状態を保持する場合に、ラッチ性を有するバックルアクチュエータのような、電力を全く消費しない構成を選択することができる。このように、用途に応じて最適な構成を選択することにより、低電圧・低消費電力系の素子と一体的に形成することが可能な程度の低電圧化と低消費電力とを両立させることができる。

以上のことから、本実施の形態のスイッチング素子によれば、製造プロセスが容易で、しかも低電圧・低消費電力系の素子と一体的に形成することができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図１０および図１１は、本実施の形態に係るスイッチング素子（可動素子）の断面構成の一例を表したものである。

本実施の形態に係るスイッチング素子は、切替部１３の代わりに切替部２３を備える以外は、上記第１の実施の形態と同一の構成を備えている。そこで、以下、上記第１の実施の形態と同一の構成・作用・効果については適宜省略する。

切替部２３は、図１０および図１１に示したように、Ｘ軸方向に延在する圧電体からなる可動子２３Ａおよび可動子２３Ｂにより構成されている。ここで、圧電体とは、例えば、母材としてのＳｉと、結晶制御を兼ねた配線としてのメタル層（例えばＰｔ）と、圧電層（例えばＡｌＮ、ＰＺＴ、ＢａＴｉＯｘ）とを含んで構成されたものである。この可動子２３Ａは、電圧が印加されると、圧電効果による歪みを生じ、この歪みにより、弾性部１５の接続された一端がＺ軸の負方向に変位するようになっている。一方、可動子２３Ｂは、電圧が印加されると、可動子２３Ａとは逆に、Ｚ軸の正方向に変位するようになっている。このように、この切替部３３は、圧電アクチュエータとしての機能を有している。なお、本実施の形態に係るスイッチング素子の動作は、上記第１の実施の形態と同様である。

本実施の形態に係るスイッチング素子によれば、上記実施の形態と同様、継断部１２の継断と、継断部１２の切り替え後の状態の保持とが、弾性部１５を介した切替部２３と保持部１４との協調動作によって行われるので、充分なストロークを得ることができると共に、継断部１２の接触抵抗を下げることができる。これにより、インサーション・ロスや、アイソレーションなどの高周波特性を非常によくすることができ、高周波特性が良いとされているＭＭＩＣと比べても、勝るとも劣らない優れた高周波特性を有している。

また、本実施の形態では、上記した協調動作により、上記した協調動作により、例えば信号線路の継断の際に大きな力が必要な場合に、圧電アクチュエータのような大きな力で駆動できる回路構成を選択し、一方、継断手段の切り替え後の状態を保持する場合に、ラッチ性を有するバックルアクチュエータのような、電力を全く消費しない構成を選択することができる。このように、用途に応じて最適な構成を選択することにより、低電圧・低消費電力系の素子と一体的に形成することが可能な程度の低電圧化と低消費電力とを両立させることができる。

以上のことから、本実施の形態のスイッチング素子によれば、製造プロセスが容易で、かつパッケージサイズの縮小化を妨げることがなく、しかも低電圧・低消費電力系の素子と一体的に形成することができる。

［適用例］
次に、図１２を参照して、本発明のスイッチング素子を搭載した通信装置の構成について説明する。図１２は、電子機器としての通信装置のブロック構成を表している。なお、本発明のスイッチング素子を搭載した半導体デバイスおよびモジュールは、上記通信装置により具現化されるので、以下、合わせて説明する。

図１２に示した通信装置は、上記各実施の形態において説明したスイッチング素子を送受信切替器３０１として搭載したものであり、例えば、携帯電話器、情報携帯端末（ＰＤＡ）、無線ＬＡＮ機器などである。なお、上記送受信切替器３０１は、ＳｏＣからなる半導体デバイス内に形成されている。この通信装置は、例えば、図１２に示したように、送信系回路３００Ａ（モジュール）と、受信系回路３００Ｂ（モジュール）と、送受信経路を切り替える送受信切換器３０１と、高周波フィルタ３０２と、送受信用のアンテナ３０３とを備えている。

送信系回路３００Ａは、Ｉチャンネルの送信データおよびＱチャンネルの送信データに対応した２つのデジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ；Digital/Analogue Converter）３１１Ｉ，３１１Ｑおよび２つのバンドパスフィルタ３１２Ｉ，３１２Ｑと、変調器３２０および送信用ＰＬＬ（Phase-Locked Loop ）回路３１３と、電力増幅器３１４とを備えている。この変調器３２０は、上記した２つのバンドパスフィルタ３１２Ｉ，３１２Ｑに対応した２つのバッファアンプ３２１Ｉ，３２１Ｑおよび２つのミキサ３２２Ｉ，３２２Ｑと、移相器３２３と、加算器３２４と、バッファアンプ３２５とを含んで構成されている。

受信系回路３００Ｂは、高周波部３３０、バンドパスフィルタ３４１およびチャンネル選択用ＰＬＬ回路３４２と、中間周波回路３５０およびバンドパスフィルタ３４３と、復調器３６０および中間周波用ＰＬＬ回路３４４と、Ｉチャンネルの受信データおよびＱチャンネルの受信データに対応した２つのバンドパスフィルタ３４５Ｉ，３４５Ｑおよび２つのアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ；Analogue/Digital Converter）３４６Ｉ，３４６Ｑとを備えている。高周波部３３０は、低ノイズアンプ３３１と、バッファアンプ３３２，３３４と、ミキサ３３３とを含んで構成されており、中間周波回路３５０は、バッファアンプ３５１，３５３と、自動ゲイン調整（ＡＧＣ；Auto Gain Controller）回路３５２とを含んで構成されている。復調器３６０は、バッファアンプ３６１と、上記した２つのバンドパスフィルタ３４５Ｉ，３４５Ｑに対応した２つのミキサ３６２Ｉ，３６２Ｑおよび２つのバッファアンプ３６３Ｉ，３６３Ｑと、移相器３６４とを含んで構成されている。

この通信装置では、送信系回路３００ＡにＩチャンネルの送信データおよびＱチャンネルの送信データが入力されると、それぞれの送信データを以下の手順で処理する。すなわち、まず、ＤＡＣ３１１Ｉ、３１１Ｑにおいてアナログ信号に変換し、引き続きバンドパスフィルタ３１２Ｉ，３１２Ｑにおいて送信信号の帯域以外の信号成分を除去したのち、変調器３２０に供給する。続いて、変調器３２０において、バッファアンプ３２１Ｉ，３２１Ｑを介してミキサ３２２Ｉ，３２２Ｑに供給し、引き続き送信用ＰＬＬ回路３１３から供給される送信周波数に対応した周波数信号を混合して変調したのち、両混合信号を加算器３２４において加算することにより１系統の送信信号とする。この際、ミキサ３２２Ｉに供給する周波数信号に関しては、移相器３２３において信号移相を９０°シフトさせることにより、Ｉチャンネルの信号とＱチャンネルの信号とが互いに直交変調されるようにする。最後に、バッファアンプ３２５を介して電力増幅器３１４に供給することにより、所定の送信電力となるように増幅する。この電力増幅器３１４において増幅された信号は、送受信切換器３０１および高周波フィルタ３０２を介してアンテナ３０３に供給されることにより、そのアンテナ３０３を介して無線送信される。この高周波フィルタ３０２は、通信装置において送信または受信する信号のうちの周波数帯域以外の信号成分を除去するバンドパスフィルタとして機能する。

一方、アンテナ３０３から高周波フィルタ３０２および送受信切換器３０１を介して受信系回路３００Ｂに信号が受信されると、その信号を以下の手順で処理する。すなわち、まず、高周波部３３０において、受信信号を低ノイズアンプ３３１で増幅し、引き続きバンドパスフィルタ３４１で受信周波数帯域以外の信号成分を除去したのち、バッファアンプ３３２を介してミキサ３３３に供給する。続いて、チャンネル選択用ＰＰＬ回路３４２から供給される周波数信号を混合し、所定の送信チャンネルの信号を中間周波信号とすることにより、バッファアンプ３３４を介して中間周波回路３５０に供給する。続いて、中間周波回路３５０において、バッファアンプ３５１を介してバンドパスフィルタ３４３に供給することにより中間周波信号の帯域以外の信号成分を除去し、引き続きＡＧＣ回路３５２でほぼ一定のゲイン信号としたのち、バッファアンプ３５３を介して復調器３６０に供給する。続いて、復調器３６０において、バッファアンプ３６１を介してミキサ３６２Ｉ，３６２Ｑに供給したのち、中間周波用ＰＰＬ回路３４４から供給される周波数信号を混合し、Ｉチャンネルの信号成分とＱチャンネルの信号成分とを復調する。この際、ミキサ３６２Ｉに供給する周波数信号に関しては、移相器３６４において信号移相を９０°シフトさせることにより、互いに直交変調されたＩチャンネルの信号成分とＱチャンネルの信号成分とを復調する。最後に、Ｉチャンネルの信号およびＱチャンネルの信号をそれぞれバンドパスフィルタ３４５Ｉ，３４５Ｑに供給することによりＩチャンネルの信号およびＱチャンネルの信号以外の信号成分を除去したのち、ＡＤＣ３４６Ｉ，３４６Ｑに供給してデジタルデータとする。これにより、Ｉチャンネルの受信データおよびＱチャンネルの受信データが得られる。

この通信装置は、上記各実施の形態において説明したスイッチング素子を受信切替器３０１として搭載しているため、上記各実施の形態において説明した作用により、インサーション・ロスや、アイソレーションなどの高周波特性を非常によくすることができ、高周波特性が良いとされているＭＭＩＣと比べても、勝るとも劣らない優れた高周波特性を有する。

また、上記実施の形態と同様、低電圧・低消費電力系の素子と一体的に形成することが可能な程度の低電圧・低消費電力で可動素子を駆動させることが可能である。その結果、低電圧動作・低消費電力化が常識となっている移動通信端末装置の技術分野においても実用に耐えることができる。

なお、図１２に示した通信装置では、上記各実施の形態において説明したスイッチング素子を受信切替器３０１に適用する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、例えば、スイッチング素子を送信系回路３００Ａおよび受信系回路３００Ｂ（モジュール）内のミキサ３３２Ｉ，３３２Ｑ，３３３，３６２Ｉ，３６２Ｑや、バンドパスフィルタ３１２Ｉ，３１２Ｑ，３４１，３４３，３４６Ｉ，３４６Ｑ、または、高周波フィルタ３０２に適用してもよい。この場合においても、上記と同様の効果を得ることができる

以上、いくつかの実施の形態を挙げて本発明のスイッチング素子について説明したが、本発明は上記各実施の形態に限定されず、本発明のスイッチング素子の構成やその製造方法に関する手順などは、上記各実施の形態と同様の効果を得ることが可能な限りにおいて自由に変形可能である。

また、上記各実施の形態では、本発明の可動素子を携帯電話機などの通信装置に代表される電子機器に適用する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、通信装置以外の電子機器に適用することも可能である。これらのいずれの場合においても、上記各実施の形態と同様の効果を得ることができる。

本発明の第１の実施の形態に係るスイッチング素子の機能ブロック図である。 図１のスイッチング素子の平面構成図である。 図２のスイッチング素子のＡ−Ａ矢視方向の断面構成図である。 図２のスイッチング素子のＢ−Ｂ矢視方向の断面構成図である。 継断部を例示して説明するための断面構成図である。 図２の弾性部の平面構成図である。 図１のスイッチング素子の製造工程を説明するための断面構成図である。 図７に続く行程を説明するための断面構成図である。 図１のスイッチング素子の動作を説明するための断面構成図である。 本発明の第２の実施の形態に係るスイッチング素子の断面構成図である。 図１０のスイッチング素子の他の断面構成図である。 図１および図１０のスイッチング素子の適用例に係る電子機器の機能ブロック図である。

符号の説明

１…半導体基板、２…絶縁層、１０…スイッチング構造体、１１…信号線路、１２…継断部、１２Ａ…固定子、１２Ｂ，１３Ａ，１３Ｂ，１４Ｂ…可動子、１３，２３…切替部、１３Ａ−１，１３Ｂ−１…第１熱膨張層、１３Ａ−２，１３Ｂ−２…第２熱膨張層、１４…保持部、１４Ｂ−１，１４Ｂ−２…端部、１５…弾性部、１６，２６…支持部、１７…素子駆動部、２３Ａ…第１膨張層，２３Ｂ…第２膨張層、Ｇ…空間。

Claims (8)

1. 半導体基板上に、
   信号を伝送するための信号線路と、
   前記信号線路を機械的に継断するための継断手段と、
   熱アクチュエータまたは圧電アクチュエータのいずれか一つを含んで構成され、前記継断手段を切り替えるための切替手段と、
   ラッチ性を有する材料により構成され、前記継断手段の切り替え後の状態を保持するための保持手段と
   を備え、
   前記切替手段は、互いに異なる変位方向を有する第１可動子および第２可動子を有し、
   前記継断手段は、互いに対向配置された一組の第３可動子および固定子を有し、
   前記保持手段は、前記第３可動子に接続されると共に、ミアンダバネを介して前記第１可動子および第２可動子に接続された第４可動子を有し、
   前記ミアンダバネは、前記第４可動子がＵ字状に変形しているときに、前記第４可動子がＵ字状の形状を維持することの可能な力を前記第４可動子に加えるようになっている
   可動素子。
2. 前記第１可動子へ電力を供給して前記第４可動子をラッチさせたのち前記第１可動子への電力供給を停止し、前記第２可動子へ電力を供給して前記第４可動子のラッチを解除する駆動回路
   をさらに備えた
   請求項１に記載の可動素子。
3. 一の素子と他の素子とに接続された可動素子を内蔵するモジュールであって、
   前記可動素子は、半導体基板上に、前記一の素子から前記他の素子へ信号を伝送するための信号線路と、前記信号線路を機械的に継断するための継断手段と、熱アクチュエータまたは圧電アクチュエータのいずれか一つを含んで構成され、前記継断手段を切り替えるための切替手段と、ラッチ性を有する材料により構成され、前記継断手段の切り替え後の状態を保持するための保持手段とを有し、
   前記切替手段は、互いに異なる変位方向を有する第１可動子および第２可動子を有し、
   前記継断手段は、互いに対向配置された一組の第３可動子および固定子を有し、
   前記保持手段は、前記第３可動子に接続されると共に、ミアンダバネを介して前記第１可動子および第２可動子に接続された第４可動子を有し、
   前記ミアンダバネは、前記第４可動子がＵ字状に変形しているときに、前記第４可動子がＵ字状の形状を維持することの可能な力を前記第４可動子に加えるようになっている
   モジュール。
4. 前記第１可動子へ電力を供給して前記第４可動子をラッチさせたのち前記第１可動子への電力供給を停止し、前記第２可動子へ電力を供給して前記第４可動子のラッチを解除するように構成された駆動回路
   をさらに備えた
   請求項３に記載のモジュール。
5. 前記一の素子、他の素子、および可動素子は、同一パッケージ内に形成されている
   請求項３または請求項４に記載のモジュール。
6. 一の素子と他の素子とに接続された可動素子を内蔵する電子機器であって、
   前記可動素子は、半導体基板上に、前記一の素子から前記他の素子へ信号を伝送するための信号線路と、前記信号線路を機械的に継断するための継断手段と、熱アクチュエータまたは圧電アクチュエータのいずれか一つを含んで構成され、前記継断手段を切り替えるための切替手段と、ラッチ性を有する材料により構成され、前記継断手段の切り替え後の状態を保持するための保持手段とを有し、
   前記切替手段は、互いに異なる変位方向を有する第１可動子および第２可動子を有し、
   前記継断手段は、互いに対向配置された一組の第３可動子および固定子を有し、
   前記保持手段は、前記第３可動子に接続されると共に、ミアンダバネを介して前記第１可動子および第２可動子に接続された第４可動子を有し、
   前記ミアンダバネは、前記第４可動子がＵ字状に変形しているときに、前記第４可動子がＵ字状の形状を維持することの可能な力を前記第４可動子に加えるようになっている
   電子機器。
7. 前記第１可動子へ電力を供給して前記第４可動子をラッチさせたのち前記第１可動子への電力供給を停止し、前記第２可動子へ電力を供給して前記第４可動子のラッチを解除するように構成された駆動回路
   をさらに備えた
   請求項６に記載の電子機器。
8. 前記一の素子、他の素子、および可動素子は、同一パッケージ内に形成されている
   請求項６または請求項７に記載の電子機器。

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