JP4867007B2 - Memsスイッチ及び携帯無線端末機器 - Google Patents
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固定金属ブロック1は、梁電極2a、2bの一端に接続され、第1の可動金属ブロック3は、梁電極2a、2bの他端に接続されている。更に第1の可動金属ブロック3は、梁電極4の一端に接続されている。梁電極4の他端には、第2の可動金属ブロック5が接続されている。固定電極6は、可動金属ブロック3と対を成す電極である。伝送線電極7は、第2の可動ブロック5と対を成し、信号を伝達する電極である。
先ず、第1の可動金属ブロック3と固定電極6との間、及び第2の可動金属ブロック5と伝送線電極7との間に、駆動電圧が印加されていない状態について説明する。この状態では、伝送線電極7と第2の可動金属ブロック5との間隔は保たれる。従って、信号は伝送線電極7を介して伝達される。
従って、携帯電話端末等の携帯無線端末機器に組み込むRF−MEMSスイッチを実用化するには、これらの課題を克服することが不可欠となっている。
また、MEMSスイッチを携帯電話端末等の携帯無線端末機器に適用することにより、携帯無線端末機器における送受信回路の小型化、低電圧化、及びスイッチング動作の高速化を実現可能とすることを第2の目的とする。
また、このようなMEMSスイッチを携帯無線端末機器に適用するようにしたので、携帯無線端末機器における送受信回路の小型化、低電圧化、及びスイッチング動作の高速化が実現可能となる。
図1は、RF−MEMSスイッチの構成の一例を示す図である。具体的に図1(a)は、電圧が印加されていない状態のRF−MEMSスイッチの状態の一例を示す図である。図1(b)及び図1(c)は、電圧が印加された状態のRF−MEMSスイッチの状態の一例を時系列的に示す図である。また、図2は、図1に示すRF−MEMSスイッチの前提となるRF−MEMSスイッチの構成の一例を示す図である。
図1に示すように、本実施形態のMEMSスイッチは、図2に示す固定電極15と可動電極13とをそれぞれ2個に分割することにより得られた、固定電極15a、15bと可動電極13a、13bとを備えている。固定電極15a、15bは、基板16上で固定されており、それぞれ可動電極13a、13bと対向する位置に設けられている。
先ず図2に示すRF−MEMSスイッチで発生する静電引力Faは、以下の(1)式で表される。
ここで、固定電極15a、15b間の段差は、図2に示したRF−MEMSスイッチにおける電極間隔dの1/2倍(=d/2)とする。また、前述したように本実施形態では、図2に示した可動電極13と固定電極15とをそれぞれ2つに分割して、可動電極13a、13bと固定電極15a、15bとを構成している。従って、可動電極13a、13bと固定電極15a、15bの面積は、可動電極13と固定電極15の面積の1/2倍となる。よって、1段目の可動電極13aと、1段目の固定電極15aとの間に励起される静電引力Fb2は、以下の(2)式で与えられる。
このようなRF−MEMSスイッチでは、可動電極13a、13bと固定電極15a、15bとの間に電圧を印加すると、可動電極13a、13bと、それらに対向する固定電極15a、15bとを順次接触させることによりスイッチングが行われる。従って、電極面積を広くすることなく、低い駆動電圧でも大きな静電引力が得られる。よって、従来のRF−MEMSスイッチよりも、小型化、駆動電圧の低減化、及びスイッチング動作の高速化を、単一の電源で実現可能なRF−MEMSスイッチを提供できる。また、本実施形態のRF−MEMSスイッチは、挿入損失やアイソレーションにおいても従来のRF−MEMSスイッチと同等以上の性能が得られる。
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。尚、本実施形態の説明において、前述した第1の実施形態と同一の部分については、必要に応じて詳細な説明を省略する。
図3は、RF−MEMSスイッチの構成の一例を示す図である。具体的に図3(a)は、RF−MEMSスイッチを俯瞰した図である。図3(b)は、図3(a)に示したRF−MEMSスイッチの分解図である。また、図4は、図3(a)に示したRF−MEMSスイッチのA−A´方向から見た断面図である。
ここで、上部固定電極21a〜21eと可動電極22a〜22eとが接触したり、底部固定電極23a〜23d、24と可動電極22a〜22eとが接触したりしても、それらが電気的に導通しないように、誘電体膜29a〜29jの材料及び厚さが定められる。例えば、誘電体膜29a〜29jを窒化シリコンで形成し、誘電体膜29a〜29jの厚さを1000×10-10mにすることができる。
図5は、可動電極22a〜22eが設けられた中部電極層22の構成の一例を示す図である。尚、可動電極22a〜22eと、板バネ25a〜25fは、それぞれ同じであるので、図5(b)では、可動電極22b、22cの間にある板バネ25cのみを例に挙げて記載しており、他の部分についての記載を省略している。
可動電極22a〜22eは、段差が3の場合、長さが210μm、幅が50μmである。また、段差が4の場合、長さが210μm、幅が31μmである。また、段差が5の場合:長さ210μm、幅21μmである。
尚、段差を設けない従来のRF−MEMSスイッチの場合には約4Vの駆動電圧が必要となる。従って、本実施形態のRF−MEMSスイッチを適用すれば、駆動電圧を1/4以下にすることができ、RF−MEMSスイッチを低電圧化できることが分かる。
図9に示すように、本実施形態のRF−MEMSスイッチでは、駆動電圧が最小になる段数が存在した。即ち、ある段数(7段)までは段数を増やすと駆動電圧は減少するが、ある段数(7段)よりも段数を増やすと、駆動電圧が増加する傾向になった。
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。本実施形態では、前述した第1の実施形態及び第2の実施形態で説明したMEMSスイッチを用いて構成された携帯無線端末機器について説明する。従って、本実施形態で説明する携帯無線端末機器には、前述した第1の実施形態及び第2の実施形態で説明したMEMSスイッチの何れかが設けられる。
図10において、アンテナ101で受信された受信信号は、フィルタ103、増幅器104、及びミキサ105を備えて構成される受信フロントエンド102に入力される。フィルタ103を通過した受信信号は、増幅器104により増幅された後、ミキサ105により中間周波に変換される。ミキサ105により中間周波に変換された受信信号は、中間信号処理回路IF−IC106を通して音声処理回路107に伝えられる。
前述した第1及び第2の実施形態のRF−MEMSスイッチでは、可動電極と固定電極との間に印加される駆動電圧が低くても大きな静電引力を得ることができる。このため、可動電極の寸法を小型化できる上にスイッチングの高速化も可能になる。例えば、第2の実施形態RF−MEMSスイッチでは、従来のRF−MEMSスイッチに対して、約1/4の低電圧化と、約1/2の小型化と、2倍以上の高速化とが実現可能となる。それ故、高周波化が求められている高周波携帯無線端末機器の一例である携帯電話端末に、前述した第1及び第2の実施形態で説明したMEMSスイッチを適用すれば、携帯電話端末における送受信回路の小型化、低電圧化、及びスイッチング動作の高速化が実現可能となる。即ち、第1及び第2の実施形態で説明したMEMSスイッチは、携帯電話端末の低電圧駆動と、小型化と、スイッチングの高速化とに大きく資することが可能になる。
14a、14b 板バネ
15a、15b 固定電極
16 基板
19 固定梁電極
20 電源
21 上部電極層
21a〜21e 上部固定電極
22 中部電極層
22a〜22e 可動電極
23 底部電極層
23a〜23d、24 底部固定電極
25a〜25f 板バネ
29a〜29j 誘電体膜
35a、35b 固定梁電極
36a、36b 基板
Claims (8)
- 複数の可動電極と、
前記複数の可動電極に接続され、前記複数の可動電極を横方向に連結するための複数の導電性弾性部材と、
前記複数の可動電極と上下方向で対向する位置に設けられた複数の固定電極とを有し、
前記複数の固定電極の1つは、伝送線に連結され、
前記伝送線に連結された固定電極が形成されている部分と、その伝送線に連結された固定電極と異なる固定電極の少なくとも1つが形成されている部分との間には、上下方向の段差があり、
前記複数の可動電極と、当該複数の可動電極と一方向で対向する位置に設けられた複数の固定電極との間の距離のうち、前記伝送線に連結された固定電極と、当該固定電極と対向する位置に設けられた可動電極との間の距離が最も長く、
前記複数の可動電極と、当該複数の可動電極と一方向で対向する位置に設けられた複数の固定電極との間の距離の短いものから順に、前記可動電極と、当該可動電極と一方向で対向する位置に設けられた固定電極との間に電圧が印加されて、前記複数の可動電極のうち、前記伝送線に連結された固定電極と一方向で対向する位置に設けられた可動電極と異なる可動電極の1つが、当該可動電極に一方向で対向する位置に設けられた固定電極に接触する際に、前記固定電極に接触していない残りの可動電極は、それぞれ一方向で対向する位置に設けられた固定電極に近づき、
前記固定電極と、当該固定電極と一方向で対向する位置に設けられた可動電極とが接触する際には、当該可動電極と当該固定電極との間に、当該可動電極と当該固定電極との間の距離に応じた電圧が印加されることを特徴とするMEMSスイッチ。 - 前記複数の可動電極は、2以上の自然数であるn個の可動電極であり、
前記複数の導電性弾性部材は、(n+1)個の導電性弾性部材であり、
前記複数の固定電極は、前記n個の可動電極と上下方向で対向する位置に設けられたn個の第1の固定電極と、
前記n個の可動電極と上下方向で対向する位置に設けられ、且つ前記n個の第1の固定電極と前記n個の可動電極を介して対向する位置に設けられたn個の第2の固定電極とを有し、
前記n個の第1の固定電極の何れか1つには、伝送線が連結されており、
前記n個の第1の固定電極と、当該n個の第1の固定電極と上下方向で対向する位置に設けられた前記n個の可動電極との間の距離のうち、前記伝送線に連結された第1の固定電極と、当該第1の固定電極と上下方向で対向する位置に設けられた可動電極との間の距離が最も長く、
前記n個の第2の固定電極と、当該n個の第2の固定電極と上下方向で対向する位置に設けられた前記n個の可動電極との間の距離のうち、前記伝送線に連結された第1の固定電極と前記可動電極を介して上下方向で対向する位置に設けられた第2の固定電極と、当該第2の固定電極と上下方向で対向する位置に設けられた可動電極との間の距離が最も長く、
前記n個の第1の固定電極が形成されている部分の間と、前記n個の第2の固定電極が形成されている部分の間には、それぞれ上下方向の段差があることを特徴とする請求項1に記載のMEMSスイッチ。 - 前記伝送線が連結された第1の固定電極と、当該第1の固定電極と一方向で対向する位置に設けられた可動電極との間に、当該第1の固定電極と当該可動電極との間の距離に応じた電圧が印加されると、当該第1の固定電極と当該可動電極とが接触し、前記伝送線が連結された第1の固定電極と対向する位置に設けられた第2の固定電極と、当該第2の固定電極と一方向で対向する位置に設けられた可動電極との間に、当該第2の固定電極と当該可動電極との間の距離に応じた電圧が印加されると、当該第2の固定電極と当該可動電極とが接触することを特徴とする請求項2に記載のMEMSスイッチ。
- 前記複数の固定電極のうち、横方向で隣り合う複数の固定電極が設けられている複数の段は、端部の段ほど前記可動電極に近い位置に存在する構造を有すると共に、中央部の段を中心として左右の段が対称となる位置に存在する構造を有し、
前記伝送線に連結された固定電極は、前記複数の段のうち、中央部の段に設けられていることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載のMEMSスイッチ。 - 前記導電性弾性部材は、板バネであることを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載のMEMSスイッチ。
- 前記複数の固定電極の面であって、前記可動電極と対向する面に形成された絶縁部材を有することを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載のMEMSスイッチ。
- 前記伝送線に連結された固定電極が設けられている段は、その固定電極の横方向に位置する固定電極が設けられている段よりも、前記可動電極から遠い位置にあることを特徴とする請求項1〜6の何れか1項に記載のMEMSスイッチ。
- 請求項1〜7の何れか1項に記載のMEMSスイッチと、
無線通信を行うアンテナとを有し、
前記MEMSスイッチは、前記アンテナに送信信号を出力するか、前記アンテナから受信信号を入力するかの何れかを選択することを特徴とする携帯無線端末機器。
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