JP4887465B2 - Ｍｅｍｓスイッチおよびそれを用いた通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、微小電気機械素子の一つである、ＭＥＭＳスイッチおよびそれを用いた通信装置に関する。

微小電気機械素子（Micro Electro Mechanical Systems、以下「ＭＥＭＳ」と略すことがある）は、無線技術、光学技術、加速度センサ、およびバイオなど、多くの分野において多様な機能を発揮し得る。ＭＥＭＳは、とりわけ無線端末用のスイッチおよびフィルタなどの素子に適用するのに適している。

無線端末などの情報通信機器の普及が進むにつれて、一つの無線端末で各種通信方式に対応した小型端末の実現が望まれている。また、最近では、端末の筐体内に内蔵されるスイッチなどの受動部品数が増加する傾向にあるため、受動部品の小型化もまた望まれている。

これらの要望に応える部品として、MEMS技術を利用して作製される高周波微小電気機械（ＲＦ−ＭＥＭＳ）スイッチが有望視されている。RF−MEMSスイッチとは、微小な可動電極を動かし、機械的に信号の伝播経路を切り替えるスイッチである。その利点は、超低挿入損失、高アイソレーション、および線形性等の高周波特性が優れていることである。また、ＭＥＭＳスイッチは、半導体と親和性の良いプロセスで製造可能であるため、スイッチをＲＦ−ＩＣに内蔵することも可能である。これらの理由により、ＭＥＭＳスイッチの開発は、無線部分（wireless segment）の小型化に大きく貢献する技術として期待されている。

従来のＲＦ−ＭＥＭＳスイッチは、メンブレン（membrane）状または棒状の両持ちもしくは片持ち梁構造の可動体を電極に接触させる、あるいは離間させることにより、機械的に信号の伝搬経路を切り替える。従来のＲＦ−ＭＥＭＳスイッチの多くは、可動体の駆動力源として、静電気力を用いている。他の駆動力源として電磁気力を用いたＲＦ−ＭＥＭＳスイッチも提案されている。

ＲＦ−ＭＥＭＳスイッチの一つの型として、シリーズ型スイッチがある。シリーズ型ＲＦ−ＭＥＭＳは、可動電極と駆動電極とを有し、可動電極においては、高周波信号が伝達される信号線路の延長上に位置し、信号電極から離間した長さ数百μｍ程度の微細なメンブレンが形成されている。可動電極の先端はオープン状態となっている。当該可動電極のメンブレンが位置しない部分の直下には駆動電極が設けられている。駆動電極に直流電位を印加すると、可動電極が駆動電極側に静電引力により引き付けられて撓み、信号を出力する信号線路と接触する。信号線路間はショート状態となり、高周波信号は可動電極を介して流れる（即ち、ＯＮ状態となる）。駆動電極に直流電位を印加しない状態では、可動電極と信号線路は接触せず、高周波信号は遮断される（即ち、ＯＦＦ状態となる）。

図５および図６を参照して、従来のシリーズ型ＭＥＭＳスイッチの構成の一例を説明する。図５は、従来のＭＥＭＳスイッチの一例の構成を示す上面図であり、図６は、図５におけるＡ−Ａ’断面を示す横断面図である。

図示するＭＥＭＳスイッチ５００においては、基板５１０上に層間絶縁膜となる絶縁層５０９が設けられ、絶縁層５０９の上に、駆動電極５０２、および信号の伝送路となる信号電極５０４が形成されている。これらの電極と対向し、これらの電極から離間するように、支持部５０５により支持された、接触電極（メンブレン）５０３を有する可動電極５０１が設けられている。可動電極５０１は、変形可能な部材であり、接触電極５０３から見て片側にのみ形成されている（即ち、片持ち梁である）。この構成のスイッチは、可動電極５０１と駆動電極５０２との間に静電気力を作用させて、接触電極５０３を信号電極５０４に電気的に接触させることにより、ＯＮとなる。

また、微小電気機械素子である別の形態のスイッチとして、静電型リレーが、特許文献１に開示されている。特許文献１に記載のスイッチは、弾性的に支持された可動電極を静電気力に基づいて固定電極に面接触させる構成である。

国際公開第ＷＯ０１／８２３２３号

現在のところ、スイッチのＯＮ状態の低挿入損失を実現するためには、信号の伝搬する接点の接触抵抗を低く維持する必要がある。そのためには低接触抵抗とするに十分な接触力を、接触後も（即ち、ＯＮ状態の間ずっと）維持する必要がある。

図５および図６に示すＭＥＭＳスイッチは、ＯＮ状態のときに、可動電極５０１が撓んで、駆動電極５０２とほぼ接触した状態となる。それにより、信号電極５０４と接する接触電極５０３は、可動電極５０１の湾曲に起因して、傾いて、信号電極５０４に接触する。その結果、接触電極５０３と信号電極５０４との間の接点に偏った接触力が加わり、接点全体に接触力が加わらないという課題がある。また、接触電極５０３の一部が信号電極５０４に接触していない浮いた状態が発生する場合もある。その場合には、接触電極５０３から、信号電極５０４に作用する接触力が、信号電極５０４表面に対して垂直である方向以外の方向へ加わり、接触力が分散することがある。また、接触電極と信号電極の一部が接触していないことに起因して、接触面積が減少し、それが接触抵抗の増大の原因となる。

特許文献１に記載された構成のスイッチにおいては、接点の両側に固定電極が存在するため、図５および図６に示すスイッチと比較して、接点における接触力は偏りの小さいものとなる。しかし、この構成のスイッチにおいては、可動電極と固定電極とが接触した後、接点には可動電極のバネ力（弾性力）のみが加わることとなる、即ち、低接触抵抗を維持する接触力がバネ力のみとなる。高信頼性の接点形成には接触後の接触力の増大が望まれる。また、面接触は、スティクション（引っ付き現象）による信頼性の低下という課題を有している。

本発明は前記実情に鑑みてなされたものであり、高信頼性の接点形成の可能なＭＥＭＳスイッチを提供することを目的とする。

本発明は、第１の電極と、第１の電極に対向し、かつ第１の電極から離間して形成された第２の電極および第３の電極を有し、第１の電極と第３の電極との間に発生させた静電気力によって、第１の電極と第２の電極との間で電気的接点を形成し得る、ＭＥＭＳスイッチであって、
第１の電極と第３の電極との間で接点を形成し得る凸部が、第１の電極および第３の電極から選択される一または複数の電極に設けられており、
第１の電極と第２の電極との間で電気的接点が形成されたときに、第１の電極と第３の電極との間にギャップが形成される、
ＭＥＭＳスイッチを提供する。

本発明のＭＥＭＳスイッチは、第１の電極と第３の電極との間で接点を形成し得る凸部が、第１の電極および第３の電極から選択される一または複数の電極に設けられていることを特徴とする、当該凸部の存在により、第１の電極と第２の電極との間で電気的接点が形成されたときに、第１の電極と第３の電極との間にギャップが形成される。そのため、第１の電極と第２の電極が電気的に一旦接触した後も、第１の電極が有するバネ力に加え、第１の電極と第３の電極との間で作用する静電気力によって、高い接触力を維持することが可能となる。その結果、低駆動電圧において、低接触抵抗および低挿入損失を実現する高信頼性の接点形成を実現することができる。また、本発明のＭＥＭＳスイッチにおいては、第１の電極と第２の電極とが接触している状態にあるときの第１の電極と第３の電極との間の物理的な接触面積を減少させることができ、スティクションまたは磨耗による信頼性低下を回避することが可能となる。

本発明のＭＥＭＳスイッチは、さらに第１の電極に対向し、かつ第１の電極から離間して形成された第４の電極を含み、第１の電極と、第３の電極および第４の電極との間に発生させた静電気力によって、第１の電極と第２の電極との間で電気的接点を形成し得うるものであってよい。この構成のＭＥＭＳスイッチにおいては、第１の電極と第３の電極および／または第４の電極との間で接点を形成し得る凸部が、第１の電極、第３の電極および第４の電極から選択される一または複数の電極に設けられており、第１の電極と第２の電極との間で電気的接点が形成されたときに、第１の電極と、第３の電極および／または第４の電極との間にギャップが形成されることとなる。即ち、凸部は、第１の電極と第３の電極との間にのみ、ギャップを形成するように設けられてよく、あるいは、第１の電極と、第３の電極および第４の電極との間に、ギャップを形成するように設けられていてよい。

第３の電極に加えて、第４の電極を有するＭＥＭＳスイッチにおいては、静電気力が作用する面積が広くなるので、より高い接触力を得ることが可能となる。また、第１の電極と第２の電極との間で電気的接点が形成されたときに、当該接点を囲むより広い領域で、静電気力が作用することにより、接点における接触がより安定する。

本発明のＭＥＭＳスイッチ第３の電極（第４の電極が設けられる場合には、第３の電極および／または第４の電極）と第１の電極との間で接点を形成し得る凸部は、第１の電極に形成されて、第３の電極（第４の電極が設けられる場合には、第３の電極および／または第４の電極）に形成された浮き島電極と接点を形成し得るものであることが好ましい。浮き島電極の存在により、第１の電極と第３の電極（第４の電極が設けられる場合には、第３の電極および／または第４の電極）が同電位となることは無く、静電気力を維持することができる。

本発明のＭＥＭＳスイッチにおいては、前記凸部は、前記電気的接点が形成されているときに、前記第１の電極と、前記第３の電極（第４の電極が設けられる場合には、第３の電極および／または第４の電極）とが直接接触しないように、数および位置を選択して形成することが好ましい。それにより、ギャップの領域を増大させることができ、その結果、静電容量が増大し、第１の電極と第２の電極とが接触している状態の電気的接点の保持に寄与する静電気力を増大させることができる。

本発明のＭＥＭＳスイッチにおいて、前記凸部が複数個設けられている場合には、前記複数個の凸部が、前記電気的接点から延びる複数の放射線上にそれぞれ１つずつ設けられていることが好ましい。その場合、前記複数個の凸部と前記電気的接点との距離がそれぞれ等しくなるように、前記複数個の凸部が配置されることがより好ましい。即ち、複数の凸部は、電気的接点を中心とする円上に配置されることがより好ましい。複数の凸部を複数の放射線上にそれぞれ１つずつ設けることにより、凸部が二次元的に配置され、電気的接点と凸部とによって囲まれる領域に架橋される可動電極が、長さのみならず幅を持つこととなり、バネ量を増大させること可能となる。また、複数の凸部をこのように配置することによって、前記第１の電極と、前記第３の電極（第４の電極が設けられる場合には、第３の電極および／または第４の電極）との間のギャップを、電気的接点が形成されている間、確保することができる。

本発明のＭＥＭＳスイッチにおいて、前記凸部が第１の電極および／または第３の電極に複数形成されているときには、上から（即ち、第１の電極が第２の電極とが電気的接点を形成するときに、第１の電極が移動する（撓む）方向から）見たときに、第１の電極と第２の電極との電気的接点と凸部とによって囲まれる領域の面積が、第１の電極と第３の電極との間で静電気力が作用する面積の２０％以上となるように、凸部の数および位置が選択されることが好ましい。電気的接点と凸部とによって囲まれる領域が大きいほど、第１の電極と第２の電極とが接触している状態の電気的接点の保持に寄与する静電気力を増大させることができる。本発明のＭＥＭＳスイッチにおいて、第４の電極がさらに設けられ、前記凸部が第１の電極および／または第４の電極に複数形成されているときも、凸部は、同様に形成されることが好ましい。

本発明のＭＥＭＳスイッチにおいて、前記第４の電極が設けられる場合には、前記第３の電極および前記第４の電極は、上から見たときに前記電気的接点を挟むように配置されていることが好ましく、前記電気的接点を中心線として対称となるように配置されていることがより好ましい。その構成により、電気的接点全体に偏りの無い均一な接触力を加えることが可能であり、接触力の分散を回避することができる。

本発明のＭＥＭＳスイッチにおいて、前記電気接点における前記第１の電極は、前記凸部における前記第１の電極よりも高い位置にあることが好ましい。本構成により、接触後に、バネ力による接触力をも維持することが可能となる。

本発明はまた、前記本発明のＭＥＭＳスイッチを有する通信用機器を提供する。本発明の通信用機器は、スイッチの高信頼性および低挿入損失に起因して、信頼性が高く、また、低電力で駆動可能となる。

本発明のＭＥＭＳスイッチは、従来実現困難であった高信頼性の電気的接点の形成を実現する。

本発明の実施の形態１におけるＭＥＭＳスイッチの構成を示す上面図 図１におけるＡ−Ａ’断面を示す図であり、ＯＦＦ状態のＭＥＭＳスイッチの構成を示す横断面図 図１におけるＡ−Ａ’断面を示す図であり、ＯＮ状態のＭＥＭＳスイッチの構成を示す横断面図 図１におけるＡ−Ａ’断面を示す図であり、ＯＮ状態の電気的接点近傍の横断面図 従来のＭＥＭＳスイッチの構成を示す上面図 図５におけるＡ−Ａ’断面を示す横断面図 本発明の実施の形態２におけるＭＥＭＳスイッチの構成を示す横断面図 本発明の実施の形態３におけるＭＥＭＳスイッチの構成を示す横断面図 本発明の実施の形態４におけるＭＥＭＳスイッチの構成を示す横断面図

以下、本発明の各実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるＭＥＭＳスイッチの構成を示す上面図である。図２は、図１におけるＡ−Ａ’断面を示しており、ＭＥＭＳ素子のＯＦＦ状態の構成を示す横断面図である。図３は、図１におけるＡ−Ａ’断面を示しており、ＭＥＭＳスイッチのＯＮ状態の構成を示す横断面図である。

図１乃至図３に示すＭＥＭＳスイッチ１００はシリーズ型である。このスイッチにおいては、基板１１０上に層間絶縁膜となる絶縁層１０９が設けられ、絶縁層１０９の上に、第３の電極としての駆動電極１０２１、第４の電極としての駆動電極１０２２、および信号の伝送路となる第２の電極としての信号電極１０４が形成されている。これらの電極と対向し、これらの電極から離間するように、２つの支持部１０５により架橋された、第１の電極としての両持ち梁型の可動電極１０１が設けられている。可動電極１０１は、変形可能な部材であり、可動部と呼ぶこともできる。可動電極１０１には、信号電極１０４と接触する接触電極１０３と、駆動電極１０２１、１０２２と接触する凸部１０６（１０６Ａ、１０６Ｂ）とが設けられている。

次に、ＭＥＭＳスイッチ１００におけるスイッチングの仕組みを説明する。
スイッチがＯＦＦの状態においては、可動電極１０１と駆動電極１０２１、１０２２との間に駆動電圧Ｖ_ｄは印加しない。可動電極１０１は変位していない初期位置にあり、接触電極１０３は信号電極１０４と接触していない状態にある。したがって、入力ポート側（ＩＮ）と出力ポート側（ＯＵＴ）の信号電極１０４の間には信号の導通経路は形成されない。より具体的には、信号電極１０４と接触電極１０３の間にエアーギャップを介して形成された静電容量Ｃ_ｃは小さい値となるので、高周波信号が伝播する場合、交流的にインピーダンスの高い状態となる。このため、高周波信号の電力は大きく減衰し、入力ポート側と出力ポート側の信号電極１０４の間を高周波信号が伝播できない状態となる。

スイッチをＯＮの状態とするときには、可動電極１０１と駆動電極１０２１、１０２２との間に駆動電圧Ｖ_ｄが印加される。それにより静電気力が作用して、可動電極１０１が基板１１０側に引き込まれ、接触電極１０３と信号電極１０４とが電気的に接触する。接触電極１０３と信号電極１０４との間の接触が、金属接触による抵抗結合型である場合、抵抗Ｒ_ｃが低い値となり、信号の導通経路が形成され、信号は入力ポート側の信号電極１０４から出力ポート側の信号電極１０４へと接触電極１０３を介して伝播する。

ＯＮ状態からＯＦＦ状態に切り替える場合、可動電極１０１の電位と駆動電極１０２１、１０２２の電位を同じにして静電気力を排除し、可動電極１０１は自己の持つバネ力により初期位置に戻る。このようにして信号の伝播経路の開閉を行う。

図４は、図１におけるＡ−Ａ’断面を示しており、本実施の形態のＭＥＭＳスイッチがＯＮ状態にあるときの接点近傍の横断面図である。

ＯＮ状態においては、可動電極１０１上に設けられた凸部１０６が、浮き島電極１０２６と接触する。浮き島電極１０２６は、駆動電極１０２１、１０２２と同じ材料からなる同じ厚さの層であって、かつスリット１０２０により、物理的および電気的に分離された部分である。浮き島電極１０２６の存在により、可動電極１０１と駆動電極１０２１、１０２２とが同電位となることは無く、静電気力を維持することができる。また、スリット１０２０により浮き島電極１０２６を形成する方法によれば、駆動電極１０２１、１０２２と同一の層に、１つの工程で浮き島電極１０２６を形成することが可能であるため、製造工程の簡素化を実現することが可能となる。また、浮き島電極１０２６を形成することにより、凸部１０６を接触電極１０３と同じ材料で形成することが可能となり、その点においても、製造工程の簡素化を実現することが可能となる。

接触後の可動電極１０１のバネ定数は、複数個設けられた凸部１０６および接触電極１０３の間に架橋された領域で決定され、領域が狭くなるためバネ定数は初期位置の状態と比較して大きくなる。接触後に可動電極１０１と駆動電極１０２１、１０２２が第２のプルインにより接触しないよう、接触後の可動電極１０１のバネ力が静電気力より大きくなるよう凸部１０６および接触電極１０３の配置を設定する。そのような配置により、接触後に可動電極１０１と駆動電極１０２１、１０２２の間にギャップが形成され、凸部１０６により点接触する形となる。そのことは、可動電極と駆動電極との直接接触による接触界面のチャージングを回避し、また、可動電極と駆動電極とのスティクションに起因する信頼性低下を回避することを可能にする。

バネ力による接触力が電気的接触点を形成した後も作用するように、接触電極１０３の高さは、ギャップの高さより高く設定する。即ち、基板１１０から見て、接触電極の設けられた可動電極１０１の位置が、凸部の設けられた可動電極１０１の位置よりも高くなるように、接触電極１０３の高さ（または厚さ）および凸部１０６の高さ（または厚さ）を選択することが好ましい。一般に、可動電極１０１の厚さは一定であるから、接触電極１０３の高さが凸部１０６の高さよりも大きくなるようにすることが好ましい。凸部１０６Ｂと接触電極１０３との間に架橋された長さｌの可動電極１０１は、高さの差Δｚ分だけ、撓みバネ定数ｋに依存するバネ力Ｆ_ｓ＝ｋΔｚを、接触電極１０３と信号電極１０４との接点に加える。また、可動電極１０１と駆動電極１０２１、１０２２との間にギャップが形成されて、静電気力Ｆ_ｅが加わり続ける構成となっているため、接点には接触力Ｆ_ｃ＝Ｆ_ｓ＋Ｆ_ｅが加わる。ここで、可動電極１０１の長さｌは、可動電極１０１の側縁のｘ座標と、複数の凸部の側縁のｘ座標のうち可動電極１０１の側縁のｘ座標に最も近いものとの間の差（即ち、ｘ方向の距離）を指していることに留意されたい。

本実施の形態の構成により、接触後も、バネ力（または弾性力）に加え、静電気力により高い接触力を維持することが可能となり、低駆動電圧において低接触抵抗および低挿入損失を実現する高信頼性の接点形成を実現することができる。

また、本実施の形態の構成は、高い接触力を電気的接点で得ることを可能にし、もってＭＥＭＳスイッチにおける、接触電極１０３と信号電極１０４との物理的な接触面積を減少させることができる。そのことは接触電極１０３と信号電極１０４とのスティクションによる信頼性低下を回避することを可能にする。

図１に示すように、この形態において、駆動電極１０２１、１０２２は、接触電極１０３を挟むように配置される。即ち、駆動電極１０２１、１０２２は、信号電極１０４と平行な方向（図において上下方向）を長さ方向とし、これに直交する方向を幅方向としたときに、接触電極１０３の両側部に配置される。さらに、図示した形態において、駆動電極１０２１、１０２２は、信号電極１０４とこれをつなぐ接触電極１０３を中心線として対称に配置されている。そのような配置により、接触電極１０３と信号電極１０４の間の接点全体に偏りの無い均一な接触力を加えることが可能であり、接触力の分散を回避することができる。駆動電極を２つ設ける場合には、必要に応じて、非対称となるように配置してよく、例えば、電気的接点が上から見たときに長方形である場合には、電気的接点の１つの短辺の側と１つの長辺の側に駆動電極を設けてよい。即ち、２つの駆動電極が、互いに平行とならず、角度を形成してよい。

図示した形態において、凸部１０６は、上から見たときに、信号電極１０４とこれをつなぐ接触電極１０３を中心線として、対称となるように配置されている。そのような配置は、接触電極１０３の両側に形成されるギャップを対称なものとし、接触電極１０３の両側にて、同じ静電気力が作用し、電気的接点に偏りの無い均一な接触力を加えることに寄与する。凸部１０６は、必要に応じて、非対称となるように配置してよく、あるいは、一方の駆動電極のみと対向するように配置されてよい。

図示するように、凸部１０６は、複数個設けられ、各凸部１０６と電気的接点との距離がそれぞれ等しくなるように、互いに異なる位置に配置されることが好ましい。図示した形態においては、駆動電極１０２１および１０２２と接触する凸部１０６が設けられており、各凸部１０６が電気的接点を中心とする円の上に配置されている。電気的接点と凸部との距離は、図示するように、電気的接点および凸部が面接触している場合には、信号電極１０３の中心と、凸部１０６との間の距離をいう。このように凸部を配置すると、電気的接点と凸部とによって囲まれる領域に架橋される可動電極１０１が、ｘ方向のみならずｙ方向にも支持される。それにより、可動電極１０１のバネ力が増大し、可動電極１０１の駆動電極１０２１、１０２２への引き込みを回避できる。そのため、可動電極１０１と駆動電極１０２１、１０２２との間のギャップを確保することができる。

凸部１０６は、上から見たときに、電気的接点（図示するように、面接触している場合には、面接触（接触電極１０３））の中心と、凸部（凸部の中心）とを直線で結んで形成される領域（図１において一点鎖線で囲まれる領域）の面積が、可動電極１０１と駆動電極１０２１、１０２２との間で静電気力が作用する面積の２０％以上となるように、設けることが好ましい。それにより、接触後に、凸部１０６と接触電極１０３の間に架橋する可動電極１０１と、駆動電極１０２１、１０２２とにより形成されるギャップ領域が、広く確保される。ギャップ領域を広げることにより可能電極１０１のバネ力が低下し、また、ギャップ領域の可動電極１０１と駆動電極１０２１、１０２２の対向面積が大きくなり静電気力が増大する。それにより、接触後においても、接点に静電気力を加え続けることが可能となる。

例えば、図示した形態において、２つの駆動電極の面積が合わせて1mm²、駆動電圧が7V、可動電極の厚さが8μmであって、接触電極１０３が信号電極１０４に接触した後で、駆動電極と可動電極との間で0.2μmのギャップが形成されるようにする場合、電気的接点から各凸部までの距離を最大0.3mmに設定することができる。この場合、電気的接点と凸部で囲まれた領域の面積の合計は0.23mm²となり、可動電極と駆動電極との間で静電気力が作用する面積の２３％となる。

凸部１０６の数および位置は、可動電極１０１の物性および寸法等を考慮して、選択される。凸部は、好ましくは、電気的接点の近傍に位置せず、かつ駆動電極１０２１、１０２２の周縁部に位置するように設けられる。それにより、可動電極１０１と駆動電極１０２１との間で静電気力が作用する領域の面積を広くすることができる。この実施の形態においては、上から見たときに略三角形である駆動電極１０２１、１０２２の略頂点に凸部１０６を配置して、電気的接点と凸部とが囲む領域が、できるだけ広くなるようにしている。その結果、ギャップの領域が広くなって、静電容量が増大し、それにより接触後に接触電極１０３と信号電極１０４の間の接触を保持する力となる静電気力を増大させることができる。

また、凸部１０６は、可動電極１０１と、駆動電極１０２１、１０２２とが直接接触しないように、数および位置を選択して形成することが好ましい。可動電極と駆動電極との間で接触が生じると、静電気力による接触力を得られなくなる。前述のように、Δｚが大きくなるほど、大きいバネ力を得ることができるので、凸部と可動電極との間の距離、および凸部間の距離を調節することによって、可動電極を大きく撓ませることが好ましい。しかし、それらの距離が大きくなりすぎて、撓んだ可動電極が駆動電極と接触すると、静電気力Ｆ_ｅが得られなくなる。そのことを避けるように、可動電極１０１のバネ定数等を考慮して、凸部の位置および数を決定することが好ましい。

以上において説明したように、この形態のＭＥＭＳスイッチ１００によれば、従来実現困難であった高信頼接点形成を実現する微小電気機械スイッチおよびそれを用いた電気機器を提供することが可能となる。このＭＥＭＳスイッチは、種々の電気機器、特に、通信機器に用いることができる。具体的には、携帯電話、無線通信端末の送受信部、およびアンテナ装置に用いることができる。

図示した形態において、ＭＥＭＳスイッチは、上から見たときに正八角形の形状を有する。本発明のＭＥＭＳスイッチの形状はこれに限定されず、例えば、正方形、正六角形、円形、楕円形、長方形、または三角形等の他の形状を有してよい。

なお、本発明は、ＭＥＭＳスイッチの等価回路上で信号が結合する可動電極と信号電極の接触部を伝送線路に対して並列に接続し、その先を接地させた構成のスイッチ（シャント型スイッチ）にも適用可能である。シャント型スイッチにおける、ＯＮ状態、ＯＦＦ状態における可動電極の位置は、シリーズ型スイッチのそれらとは逆となる。ＯＦＦ時においては、可動電極と信号電極が接触した状態となる。信号は接地に伝播し、出力ポートへは伝搬しない。ＯＮ時においては、可動電極と信号電極とが接触していない状態にあり、信号は入力ポートから出力ポートに向かって、信号電極上を伝搬する。

また、本発明の別の実施の形態においては、可動電極を片持ち梁型とすることが可能である。可動電極が片持ち梁型である場合には、図５に示すように駆動電極は一つだけ設けられていてよい。即ち、本発明のＭＥＭＳスイッチは、第３の電極として駆動電極を一つ有する構成であってよい。
本発明のさらに別の実施の形態においては、実施の形態１において可動電極側に設けられていた凸部を駆動電極側に設けてよい。
本発明のさらに別の実施の形態においては、凸部を絶縁体で構成してよい。その場合には、駆動電極内に浮き島電極を設けなくても、可動電極と駆動電極とが同電位となることを避けることができる。

いずれの形態（後述する形態を含む）のＭＥＭＳスイッチも、その製造方法は特に限定されない。例えば、可動電極は、犠牲層を用いたエッチングにより、両持ち梁型または片持ち梁型となるように形成できる。接触電極は、エッチングによって犠牲層に凹部を形成し、当該凹部内に接触電極の材料（可動電極の材料と同じであってよい）を堆積することにより形成される。可動電極に凸部を形成する場合、マスキングおよびエッチングにより、犠牲層に、接触電極を形成するための凹部とは別の凹部を形成し、当該凹部内および犠牲層表面に可動電極の材料を堆積させた後、犠牲層を除去することにより、凸部を有する可動電極が形成される。凸部の材料は、可動電極の材料と異なる材料（例えば、絶縁体）であってよい。絶縁層は、例えば、シリコンから成る基板の表面を熱酸化することにより形成してよい。絶縁層の厚さは、例えば、１μｍ程度としてよい。

第３の電極および第４の電極としての駆動電極、および第２の電極としての信号電極は、絶縁層の上に、各電極材料を堆積し、マスキングおよびエッチングによりパターニングして形成する。第３の電極および第４の電極としての駆動電極、および第２の電極としての信号電極の厚さは、いずれも0.5〜1.0μｍ程度であってよい。第３の電極および第４の電極内に、浮き島電極を形成する場合には、同一マスクにスリットを設け、エッチング工程により、浮き島電極を第３の電極および第４の電極から分離して形成する。

（実施の形態２）
実施の形態１では、第３および第４の電極として、駆動電極１０２１および１０２２が構成されている形態を説明した。実施の形態２として、第１の電極である可動電極の側に駆動電極が設けられた構成を示す。図７は、実施の形態２のＭＥＭＳスイッチの構成を示す横断面図である。このＭＥＭＳスイッチの上面図は、実施の形態１のそれと略同じ（即ち、図１）であり、図７は、図１のＡ−Ａ’断面を示している。

図７に示すＭＥＭＳスイッチ２００は、基板１１０上に層間絶縁膜１０９となる絶縁層１０９が設けられ、絶縁層１０９の上に、第３および第４の電極としての２つの対向電極１１２１および１１２２、ならびに信号の伝送路となる第２の電極としての信号電極１０４が設けられている。これらの電極と対向し、これらの電極から離間するように、２つの支持部１０５により架橋された、第１の電極としての両持ち梁型の可動電極２０１が設けられている。図示した形態において、可動電極２０１は２層からなり、支持部により架橋された架橋層２０１Ａと、電圧を印加する層である駆動電極層２０２１および２０２２とからなる。

可動電極２０１には、さらに信号電極１０４と接触する接触電極１０３が設けられ、対向電極１１２１および１１２２と接触する凸部１０６（１０６Ａ、１０６Ｂ）が設けられている。可動電極２０１と対向電極１１２１および１１２２との間での静電引力の発生は、可動電極２０１の駆動電極層２０２１および２０２２に電圧を印加することによって行う。電圧の印加により、接触電極１０３と信号電極１０４とが電気的に接触する。このとき、凸部１０６が対向電極１１２１、１１２２と接触して、可動電極の駆動電極層と対向電極との直接接触が避けられる。

電圧が駆動電極層２０２１および２０２２に印加されることを除いては、ＭＥＭＳスイッチ２００におけるスイッチングの仕組みは、実施の形態１に関連して説明したとおりである。よって、その詳細な説明は省略する。また、この形態においても、凸部１０６が浮き島電極と接触するように、対向電極１１２１および１１２２を構成することが好ましい。その他、実施の形態１に関連して説明した各部材の好ましい構成が、この形態においても好ましく採用され得る。さらに、この形態のＭＥＭＳスイッチにおいて達成される効果も、実施の形態１に関連して説明したとおりである。

（実施の形態３）
実施の形態１〜２では、可動電極が両持ち梁型であるスイッチを説明した。実施の形態３として、可動電極が片持ち梁型である形態を説明する。図８に示すＭＥＭＳスイッチにおいては、基板３１０上に層間絶縁膜となる絶縁層３０９が設けられ、絶縁層３０９の上に、第３の電極としての駆動電極３０２、ならびに信号の伝送路となる、第２の電極としての信号電極３０４が形成されている。これらの電極と対向し、これらの電極から離間するように、支持部３０５により支持された、接触電極３０３を有する可動電極３０１（第１の電極）が設けられている。可動電極３０１には、凸部３０６（３０６Ａ、３０６Ｂ）が設けられている。

ＭＥＭＳスイッチ３００におけるスイッチングの仕組みは、実施の形態１に関連して説明したとおりである。具体的には、駆動電極３０２に電圧を印加して、静電引力により、接触電極３０３を信号電極３０４に接触させる。このとき、可動電極３０１に設けられた凸部３０６が、駆動電極３０２と接触して、可動電極と駆動電極との直接接触が避けられる。この形態においても、凸部３０６が浮き島電極と接触するように、駆動電極３０２を構成することが好ましい。その他、実施の形態１に関連して説明した各部材の好ましい構成が、この形態においても好ましく採用され得る。さらに、この形態のＭＥＭＳスイッチにおいて達成される効果も、実施の形態１に関連して説明したとおりである。

（実施の形態４）
実施の形態４として、可動電極が片持ち梁型である別の形態を説明する。図９に示すＭＥＭＳスイッチ４００においては、基板３１０上に層間絶縁膜となる絶縁層３０９が設けられ、絶縁層３０９の上に、第３および第４の電極としての駆動電極３０２１および３０２２、ならびに信号の伝送路となる、第２の電極としての信号電極３０４が形成されている。これらの電極と対向し、これらの電極から離間するように、支持部３０５により支持された、接触電極３０３を有する可動電極３０１（第１の電極）が設けられている。可動電極３０１には、凸部３０６（３０６Ａ、３０６Ｂ）が設けられている。

ＭＥＭＳスイッチ４００におけるスイッチングの仕組みは、実施の形態１に関連して説明したとおりである。具体的には、駆動電極３０２１および３０２２に電圧を印加して、静電引力により、接触電極３０３を信号電極３０４に接触させる。このとき、可動電極３０１に設けられた凸部３０６が、駆動電極３０２１および３０２２と接触して、可動電極と駆動電極との直接接触が避けられる。この形態においても、凸部３０６が浮き島電極と接触するように、駆動電極３０２１および３０２２を構成することが好ましい。その他、実施の形態１に関連して説明した各部材の好ましい構成が、この形態においても好ましく採用され得る。さらに、この形態のＭＥＭＳスイッチにおいて達成される効果も、実施の形態１に関連して説明したとおりである。

本発明に係るＭＥＭＳスイッチは、高信頼性および低挿入損失を実現することができ、通信機器等の電気機器の部品として有用である。

１００、２００、３００、４００、５００ ＭＥＭＳスイッチ
１０１、２０１、３０１ 可動電極
１０２０ スリット
１０２１、１０２２、３０２、３０２１、３０２２ 駆動電極
１０２６ 浮き島電極
１０３、３０３ 接触電極
１０４、３０４ 信号電極
１０５、３０５ 支持部
１０６、１０６Ａ、１０６Ｂ、３０６、３０６Ａ、３０６Ｂ 凸部
１０９、３０９ 絶縁層
１１０、３１０ 基板
２０１Ａ 架橋層
２０２１、２０２２ 駆動電極層
１１２１、１１２２ 対向電極
５０１ 可動電極
５０２ 駆動電極
５０３ 接触電極
５０５ 支持部
５０９ 絶縁層

Claims (18)

1. 第１の電極と、
   第１の電極に対向し、かつ第１の電極から離間して形成された第２の電極および第３の電極を有し、第１の電極と第３の電極との間に発生させた静電気力によって、第１の電極と第２の電極との間で電気的接点を形成し得る、ＭＥＭＳスイッチであって、
   第１の電極と第３の電極との間で接点を形成し得る凸部が、第１の電極および第３の電極から選択される一または複数の電極に設けられており、
   第１の電極と第２の電極との間で電気的接点が形成されたときに、第１の電極と第３の電極との間にギャップが形成され、
   前記凸部が前記第１の電極に設けられており、前記凸部が、前記第３の電極内に形成された浮き島電極と接点を形成し得る、
   ＭＥＭＳスイッチ。
2. 前記凸部の数および位置が、前記電気的接点が形成されているときに、前記第１の電極と、前記第３の電極とが直接接触しないように、選択されている、請求項１に記載のＭＥＭＳスイッチ。
3. 前記凸部が複数個設けられており、前記複数個の凸部が、前記電気的接点から延びる複数の放射線上にそれぞれ１つずつ設けられている、請求項１または２に記載のＭＥＭＳスイッチ。
4. 前記複数の凸部が、各凸部と前記電気的接点との距離が等しくなるように、配置されている、請求項３に記載のＭＥＭＳスイッチ。
5. 前記凸部が複数個設けられており、前記凸部の数および位置が、前記電気的接点と前記凸部とによって囲まれる領域の面積が、前記第１の電極と前記第３の電極との間で静電気力が作用する面積の２０％以上となるように、選択されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載のＭＥＭＳスイッチ。
6. 前記凸部が、絶縁体である、請求項１〜５のいずれか１項に記載のＭＥＭＳスイッチ。
7. 第１の電極に対向し、かつ第１の電極から離間して形成された第４の電極をさらに含み、前記第１の電極と、前記第３の電極および第４の電極との間に発生させた静電気力によって、前記第１の電極と前記第２の電極との間で電気的接点を形成し得る、
   請求項１に記載のＭＥＭＳスイッチ。
8. 前記第１の電極と前記第４の電極との間で接点を形成し得る凸部が、前記第１の電極および前記第４の電極から選択される一または複数の電極に設けられており、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間で電気的接点が形成されたときに、前記第１の電極と、前記第３の電極および前記第４の電極との間にギャップが形成される、
   請求項７に記載のＭＥＭＳスイッチ。
9. 前記凸部が前記第１の電極に設けられており、前記凸部が前記第４の電極内に形成された浮き島電極と接点を形成し得る、請求項８に記載のＭＥＭＳスイッチ。
10. 前記凸部の数および位置が、前記電気的接点が形成されているときに、前記第１の電極と、前記第４の電極とが直接接触しないように、選択されている、請求項８または９に記載のＭＥＭＳスイッチ。
11. 前記凸部が複数個設けられており、前記複数個の凸部が、前記電気的接点から延びる複数の放射線上にそれぞれ１つずつ設けられている、請求項８〜１０のいずれか１項に記載のＭＥＭＳスイッチ。
12. 前記複数の凸部が、各凸部と前記電気的接点との距離が等しくなるように、配置されている、請求項１１に記載のＭＥＭＳスイッチ。
13. 前記凸部が複数個設けられており、前記凸部の数および位置が、前記電気的接点と前記凸部とによって囲まれる領域の面積が、前記第１の電極と前記第４の電極との間で静電気力が作用する面積の２０％以上となるように、選択されている、請求項８〜１２のいずれか１項に記載のＭＥＭＳスイッチ。
14. 前記凸部が、絶縁体である、請求項８〜１３のいずれか１項に記載のＭＥＭＳスイッチ。
15. 前記第３の電極および前記第４の電極が、上から見たときに前記電気的接点を挟むように配置されている、請求項７〜１４のいずれか１項に記載のＭＥＭＳスイッチ。
16. 前記電気的接点における前記第１の電極が、前記凸部における前記第１の電極よりも高い位置にある、請求項１〜１５のいずれか１項に記載のＭＥＭＳスイッチ。
17. 前記電気的接点において、前記第１の電極に接触電極が形成され、接触電極の高さが、前記凸部の高さよりも大きい、請求項１６に記載のＭＥＭＳスイッチ。
18. 請求項１〜１７のいずれか１項に記載のＭＥＭＳスイッチを有する通信用機器。

Images