JP5130291B2 - 電気機械素子およびそれを用いた電気機器 - Google Patents

Description

本発明は、電気駆動により動作する電気機械素子に関し、さらに詳しくは電気機械素子およびそれを用いた電気機器に関する。

電気機械素子は、無線、光、加速度センサ、バイオなど、多くの応用分野があり、特に無線端末用として、スイッチ、フィルタなどの素子に適用することが可能である。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きた。このような多方式対応端末では、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ため、受動部品の小型化が望まれる。

その中で、微小電気機械素子（ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術により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送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、線形性といった高周波信号特性が優れていることである。また、半導体と親和性の良いプロセスで製造可能であるため、スイッチを高周波集積回路（ＲＦ−ＩＣ）に内蔵することも可能であり、無線部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）状や棒状の可動体を両持ち梁や片持ち梁構造とし、それらを電極へ接触させたり離したりすることにより、信号の伝搬経路を切り替える機械スイッチである。可動体の駆動力源としては、静電気力を用いたものが多く、他にも電磁気力を用いたものも発表されている。

信号の伝送経路に対して直列に挿入されるシリーズ型ＲＦ−ＭＥＭＳスイッチについて説明する。高周波信号が伝達される信号線路の延長上に、可動電極となる長さが数百μｍ程度の微細なメンブレンを形成する。可動電極の先は、ＯＦＦ状態時にはオープン状態となっている。当該可動電極の直下に駆動電極を設け直流電圧を印加すると、可動電極が駆動電極側に静電気力により引き付けられ、撓むことにより信号を出力する信号電極と接触する。可動電極と信号電極との間の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信号電極に流れ、ＯＮ状態となる。駆動電極に直流電位を印加しなければ可動電極と信号電極は接触せず、高周波信号は遮断され、ＯＦＦ状態となる。

米国特許出願公開第２００４／０３１６７０Ａ１号公報

しかしながら、電気機械素子に高い電力の信号を入力した場合、可動電極と駆動電極間に信号による電位差が発生し、静電気力により可動電極が意図せず自動的に駆動する現象（セルフアクチュエーション）が課題となっている。セルフアクチュエーションにより、誤作動や強い駆動力による構造破壊、接触した電極間が離れ難くなる課題が発生し、電気機械素子の信頼性を低下させる原因となっている。

本課題の解決法として特許文献１が開示されている。電気機械素子と並列に具備した固体素子をＯＮ状態にすることにより電力を接地に逃がし、電気機械素子に高い電力が入力されない構成である。本構成では、固体素子が必要となり、素子数の増大による大型化、高コスト化が課題である。

本発明は、上述した従来の課題を解決するもので、電気機械素子において高電力入力時の高信頼性化とともに、小型化および低コスト化を図ることを目的とする。

そこで本発明では、基板上に形成された電気機械素子であって、第１の電極とギャップを介して形成された第２の電極と第３の電極を具備し、前記第１の電極と前記第３の電極の間に引力を加えることにより、前記第１の電極は前記第２の電極と接触可能であり、高周波信号の入力ポート側に前記第１の電極と前記第３の電極が絶縁層を介して対向することにより形成される静電容量を具備した電気機械素子とする。

本構成により、電気機械素子の信号入力側に形成した静電容量を介し、可動電極と駆動電極に高周波信号が伝播する構成となる。高電力による可動電極と駆動電極間の高い電位差の発生を避け、セルフアクチュエーションを回避することができる。高電力に適用可能な高信頼性の電気機械素子を実現する。また、駆動電極の容量を大きくすることが可能であり、静電力を増大することができる。低電圧駆動・高速応答の電気機械素子を実現する。

また、本発明の電気機械素子は、前記絶縁層は絶縁膜であるものを含む。

本構成により、構造的に安定した電気機械素子を製造上容易に実現することが可能である。

また、本発明の電気機械素子は、前記絶縁層はギャップであるものを含む。

本構成により、製造工程を減少させ低コスト化を実現するとこができる。

また、本発明の電気機械素子は、高周波信号が前記第１の電極と前記第３の電極に分岐し伝播する電気機械素子。

本構成により、高電力による可動電極と駆動電極間の高い電位差の発生を避け、セルフアクチュエーションを回避することができる。

さらに、本発明の電気機械素子は、互いに一体化された、第１部分、第２部分、および第３部分を含む第１電極と、前記第１部分と対向する第１対向部分を含む第２電極と、ギャップを介して前記第２部分と対向する第２対向部分、および前記第３部分と対向する第３対向部分を含む第３電極と、を有し、前記第３電極は、前記第１電極の直流電位を基準とする第１駆動電圧を受ける入力端を含み、前記第１駆動電圧が第１電圧の場合、ギャップは第１所定距離に設定される一方、前記第１駆動電圧が第２電圧の場合、ギャップは第２所定距離に設定され、前記第１駆動電圧が前記第１電圧の場合、前記第１部分は前記第１対向部分から離間されるとともに電気的に前記第１対向部分と実質遮断される一方、前記第１駆動電圧が前記第２電圧の場合、前記第１部分は前記第１対向部分に当接されるとともに電気的に前記第１対向部分と実質導通され、前記第１電極に入力された高周波信号が大略前記第２電極から出力され、前記第３部分と前記第３対向部分は、所定の大きさの第１電気容量を構成している。

さらに、本発明の電気機器は、上記電気機械素子を有している。

本発明の電気機械素子およびそれを用いた電気機器によれば、第１電気容量により、第１電極と第３電極間に発生する電力による電位差を低減することができる。これにより、電気機械素子に高い電力の高周波信号を入力した場合でも、第１電極と第３電極間に高周波信号による電位差が発生せず、静電気力により第１電極が自動的に駆動する現象（セルフアクチュエーション）を回避することが可能となる。このように、いかなる高周波信号に対しても、ＯＮ状態とＯＦＦ状態を確実に切り替えることができ、高信頼性を実現する電気機械素子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。

本発明の実施の形態１における電気機械素子の構成を示す平面図 図１Ａの一部を拡大した模式図 図１ＡにおけるＡ１−Ａ２断面を示す断面図 図１ＡにおけるＢ１−Ｂ２断面を示す断面図 本発明の実施の形態１における電気機械素子のＯＦＦ状態の構成を示す等価回路図 本発明の実施の形態１における電気機械素子のＯＮ状態の構成を示す等価回路図 本発明の実施の形態１における電気機械素子のＯＦＦ状態の構成を示す等価回路図 図４ＡにおけるＳパラメータの周波数特性を示すグラフ 本発明の実施の形態１における電気機械素子のＯＮ状態の構成を示す等価回路図 図５ＡにおけるＳパラメータの周波数特性を示すグラフ

以下、本発明を実施するための最良の形態に関するいくつかの例について、図面を参照しながら説明する。なお、図面において、実質的に同一の構成、動作、および効果を表す要素については、同一の符号を付す。また、以下において記述される数字は、すべて本発明を具体的に説明するために例示するものであり、本発明は例示された数字に制限されない。

（実施の形態１）
図１Ａは、実施の形態１における電気機械素子１００の構成を示す平面図、図１Ｂは、図１Ａの部分領域１２０を拡大した模式図、図２Ａは、図１ＡにおけるＡ１−Ａ２断面を示す断面図、図２Ｂは、図１ＡにおけるＢ１−Ｂ２断面を示す断面図である。

図１Ａないし図２Ｂにおいて、電気機械素子１００は、基板１１０、絶縁層１０７、絶縁層１０９、信号電極１０５、接点部１０４、可動電極１０１、駆動電極１０３、絶縁層１０２、固定櫛歯電極１１１Ａおよび１１１Ｂ、ならびに支持部１１２Ａおよび１１２Ｂを含む。基板１１０は、代表的には半導体で構成される半導体基板である。絶縁層１０９は基板１１０上に形成され、層間絶縁膜を構成する。

可動電極１０１は、可動電極折曲部１０１Ｂを中心として折曲されており、一方の側に可動電極固定部１０１Ａ、他方の側に可動電極可動部１０１Ｃを含む。すなわち、可動電極固定部１０１Ａと可動電極可動部１０１Ｃは、可動電極折曲部１０１Ｂを中心に折曲されている。可動電極固定部１０１Ａは、絶縁層１０７、駆動電極１０３、および絶縁層１０９を介して基板１１０に固定され、可動電極可動部１０１Ｃは中空に架橋される。すなわち、可動電極１０１は、変形可能であり、可動電極可動部１０１Ｃを自由体とする片持ち梁の構造を有する。可動電極可動部１０１Ｃは、可動電極駆動部１０１Ｃ１および可動電極開閉部１０１Ｃ２を含む。すなわち、可動電極１０１は、互いに一体化された、可動電極固定部１０１Ａ、可動電極折曲部１０１Ｂ、可動電極駆動部１０１Ｃ１、および可動電極開閉部１０１Ｃ２を含む。可動電極折曲部１０１Ｂは、可動電極固定部１０１Ａと可動電極駆動部１０１Ｃ１との間に位置し、可動電極駆動部１０１Ｃ１は、可動電極折曲部１０１Ｂと可動電極開閉部１０１Ｃ２との間に位置する。

信号電極１０５は、電極間ギャップ１２２および接点部１０４を介して、可動電極開閉部１０１Ｃ２と対向する位置に信号電極開閉部１０５Ａを含む。接点部１０４は信号電極開閉部１０５Ａ上に形成され、信号電極１０５は、絶縁層１０９上に形成される。接点部１０４は、可動電極１０１と信号電極１０５との接触抵抗を低減するため、設けられる。信号電極１０５および接点部１０４は、統合信号電極を構成する。信号電極開閉部１０５Ａおよび接点部１０４は、統合信号電極開閉部を構成する。統合信号電極開閉部は、開閉部対向部分とも呼ばれる。

駆動電極１０３は、絶縁層１０７を介して、可動電極固定部１０１Ａと対向する位置に駆動電極固定部１０３Ａを含み、電極間ギャップ１２３および絶縁層１０２を介して、可動電極駆動部１０１Ｃ１と対向する位置に駆動電極駆動部１０３Ｂを含む。駆動電極固定部１０３Ａは固定部対向部分とも呼ばれ、駆動電極駆動部１０３Ｂは駆動部対向部分とも呼ばれる。絶縁層１０２は駆動電極駆動部１０３Ｂ上に形成され、駆動電極１０３は絶縁層１０９上に形成される。さらに絶縁層１０７は駆動電極固定部１０３Ａ上に形成され、可動電極固定部１０１Ａは絶縁層１０７上に形成される。絶縁層１０７は、絶縁膜もしくは空隙ギャップで構成することができる。絶縁膜、特に固体絶縁膜の場合、構造的に安定した電気機械素子１００を、製造上容易に実現することが可能である。空隙ギャップの場合、一部に絶縁膜を用いて、もしくはその他の部材を用いて、可動電極固定部１０１Ａを基板１１０に固定する必要があるが、全体的には製造工程を減少させ低コスト化を実現するとこができる。このように、可動電極固定部１０１Ａと駆動電極固定部１０３Ａは、絶縁層１０７を介在して、近接した位置に互いの平面を対向させる。

固定櫛歯電極１１１Ａ、１１１Ｂは、可動電極駆動部１０１Ｃ１と大略同一平面上に、かつ可動電極駆動部１０１Ｃ１の周囲を囲む位置に配置され、支持部１１２Ａ、１１２Ｂ上にそれぞれ形成される。各支持部１１２Ａ、１１２Ｂは絶縁体で構成され、絶縁層１０９もしくは駆動電極駆動部１０３Ｂ上に形成される。図１Ｂに示すように、各固定櫛歯電極１１１Ａ、１１１Ｂおよび可動電極駆動部１０１Ｃ１の側面は凹凸状に形成され、各固定櫛歯電極１１１Ａ、１１１Ｂと可動電極駆動部１０１Ｃ１とは、電極間ギャップ１２１を介在して、一方の凹部が他方の凸部にかみ合うように対向する。

次に、電気機械素子１００におけるスイッチングの電気的構成および動作を説明する。
図３Ａは、実施の形態１における電気機械素子１００のＯＦＦ状態を示す等価回路図、図３Ｂは、ＯＮ状態を示す等価回路図である。

図１Ａおよび図２Ａにおいて、入力端子ＲＦＩＮは、高周波信号が電気機械素子１００に入力される端子を表し、可動電極固定部１０１Ａに接続される。出力端子ＲＦＯＵＴは、高周波信号が電気機械素子１００から出力される端子を表し、信号電極１０５に接続される。

駆動端子ＶｄＩＮは、可動電極１０１の直流電位を基準とする駆動電圧Ｖｄが駆動電極１０３に印加される端子を表し、駆動電極駆動部１０３Ｂに接続される。駆動端子ＶｕＩＮＡおよびＶｕＩＮＢは、可動電極１０１の直流電位を基準とする駆動電圧Ｖｕがそれぞれ固定櫛歯電極１１１Ａおよび１１１Ｂに印加される端子を表し、それぞれ固定櫛歯電極１１１Ａおよび１１１Ｂに接続される。入力端子ＲＦＩＮは、可動電極固定部１０１Ａに接続される。駆動端子ＶｄＩＮは、駆動電極駆動部１０３Ｂだけでなく、駆動電極１０３であればいずれの部分に接続されてもよい。可動電極１０１および信号電極１０５の直流電位は、代表的な例では大略接地電位に保持される。この場合、駆動電圧ＶｄおよびＶｕは、接地電位を基準とする電位を表す。

駆動電圧供給部１３０は、駆動端子ＶｄＩＮを介して、駆動電圧Ｖｄを駆動電極１０３に供給する。駆動電圧供給部１３１は、駆動端子ＶｕＩＮＡおよびＶｕＩＮＢを介して、駆動電圧Ｖｕを固定櫛歯電極１１１Ａおよび１１１Ｂにそれぞれ供給する。駆動電圧供給部１３０および１３１は、それぞれ駆動電圧ＶｄおよびＶｕの供給を、所望の期間、継続したり、別の所望の期間、停止したりすることができる。駆動電圧の供給の継続および停止のタイミングは、代表的な例では、駆動電圧供給部１３０および１３１のそれぞれにおいて、互いに同期して実行される。

最初に、電気機械素子１００がＯＦＦ状態の場合を説明する。この場合、可動電極１０１と駆動電極１０３の間に駆動電圧Ｖｄ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、信号電極１０５と接触していない状態にある。可動電極１０１と信号電極１０５との間には信号の導通経路は形成されない。可動電極１０１と信号電極１０５との間に電極間ギャップ１２２を介して形成された静電容量Ｃｃは小さい値となり、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、可動電極１０１から信号電極１０５へ高周波信号が伝播できない状態となる。

このように、駆動電極駆動部１０３Ｂと可動電極駆動部１０１Ｃ１は、電極間ギャップ１２３の距離と絶縁層１０２の厚みの和だけ、互いに離間される。これにより、可動電極開閉部１０１Ｃ２と統合信号電極開閉部は、電極間ギャップ１２２の距離だけ互いに離間され、可動電極１０１と信号電極１０５は電気的に実質遮断される。

可動電極固定部１０１Ａと駆動電極固定部１０３Ａとの間には、絶縁層１０７を介して固定部容量Ｃｆが形成される。可動電極固定部１０１Ａと駆動電極固定部１０３Ａは、絶縁層１０７を介して近接した位置に互いの平面を対向しているため、固定部容量Ｃｆの容量値は大きく、インピーダンスは十分に低い。可動電極駆動部１０１Ｃ１と駆動電極駆動部１０３Ｂとの間には、駆動部容量Ｃｄが形成される。電気機械素子１００がＯＦＦ状態の場合、可動電極駆動部１０１Ｃ１と駆動電極駆動部１０３Ｂとの間に、電極間ギャップ１２３および絶縁層１０２が介在するため、電極間は離れた状態となり、駆動部容量Ｃｄは小さくインピーダンスは高い状態となる。可動電極開閉部１０１Ｃ２と統合信号電極開閉部との間には、開閉部容量Ｃｃが形成される。電気機械素子１００がＯＦＦ状態の場合、可動電極開閉部１０１Ｃ２と統合信号電極開閉部との間に、電極間ギャップ１２２が介在するため、電極間は離れた状態となり、開閉部容量Ｃｃは小さくインピーダンスは高い状態となる。可動電極固定部１０１Ａと可動電極駆動部１０１Ｃ１との間には、可動電極抵抗Ｒｍが形成される。

代表的な例では、電極間ギャップ１２３の距離と電極間ギャップ１２２の距離は、大略等しい。したがって、可動電極駆動部１０１Ｃ１と駆動電極駆動部１０３Ｂとの距離は、可動電極開閉部１０１Ｃ２と統合信号電極開閉部との距離に比べて、絶縁層１０２の厚みだけ若干長くなる。一方、可動電極開閉部１０１Ｃ２と統合信号電極開閉部とが対向する部分の面積は、可動電極駆動部１０１Ｃ１と駆動電極駆動部１０３Ｂとが対向する部分の面積に比べて、代表的な例では、スイッチングの駆動力を増すためにかなり広く設定する。これにより、駆動部容量Ｃｄは開閉部容量Ｃｃよりも大きくなる。

さらに、可動電極固定部１０１Ａはスイッチングにより動作しないので、固定部容量Ｃｆは、可動電極１０１がスイッチングにより動作する空隙を表す電極間ギャップ１２３および１２２を必要としない。このため、可動電極固定部１０１Ａと駆動電極固定部１０３Ａとの距離は、可動電極駆動部１０１Ｃ１と駆動電極駆動部１０３Ｂとの距離および可動電極開閉部１０１Ｃ２と統合信号電極開閉部との距離に比べて、かなり短くなる。さらに、可動電極固定部１０１Ａと駆動電極固定部１０３Ａとが対向する部分の面積は、可動電極開閉部１０１Ｃ２と統合信号電極開閉部とが対向する部分の面積に比べて、かなり広く、可動電極駆動部１０１Ｃ１と駆動電極駆動部１０３Ｂとが対向する部分の面積に比べて、大略同等以上である。それゆえに、固定部容量Ｃｆは、駆動部容量Ｃｄおよび開閉部容量Ｃｃに比べて、かなり大きくなる。

入力端子ＲＦＩＮに入力された入力高周波信号Ｓ１０は、可動電極固定部１０１Ａにおいて、本流高周波信号Ｓ１１と支流高周波信号Ｓ１２とに分岐される。本流高周波信号Ｓ１１は、可動電極固定部１０１Ａから、可動電極抵抗Ｒｍを介して可動電極駆動部１０１Ｃ１へと伝播する。支流高周波信号Ｓ１２は、可動電極固定部１０１Ａから、固定部容量Ｃｆ、駆動電極固定部１０３Ａを介して、駆動電極駆動部１０３Ｂへと伝播する。固定部容量Ｃｆのインピーダンスは十分に低く、駆動部容量Ｃｄのインピーダンスは高い状態となる。駆動電極１０３へ分岐された支流高周波信号Ｓ１２は、可動電極駆動部１０１Ｃ１へ減衰して伝播する。

この場合、駆動電極１０３における支流高周波信号Ｓ１２は、可動電極１０１における本流高周波信号Ｓ１１に比べて、周波数および位相については大略等しく、振幅についてはいくらか小さいだけである。このため、本流高周波信号Ｓ１１により可動電極１０１に生じる電位変化は、支流高周波信号Ｓ１２により駆動電極１０３に生じる電位変化と連動し、結果的に両電極間に発生する電力による電位差は、十分に低減することができる。固定部容量Ｃｆでの電力の減衰量が小さい程、電位差は減少する。これにより、電気機械素子１００に高い電力の高周波信号を入力した場合でも、可動電極１０１と駆動電極１０３間に高周波信号による電位差が発生せず、静電気力により可動電極１０１が自動的に駆動する現象（セルフアクチュエーション）を回避することができる。また、駆動部容量Ｃｄをある程度大きくしてもセルフアクチュエーションを回避できるため、駆動電圧当たりの静電気力を増大することができる。このように、低電圧駆動・高速応答の電気機械素子１００を実現することができる。

次に、電気機械素子１００がＯＮ状態の場合を説明する。この場合、駆動電圧供給部１３０は、可動電極１０１と駆動電極１０３の間に駆動電圧Ｖｄを印加する。静電気力Ｆｓにより可動電極１０１と駆動電極１０３を引き合わせ、可動電極１０１と、駆動電極１０３および信号電極１０５とを接触させる。すなわち、可動電極駆動部１０１Ｃ１は、可動電極駆動部１０１Ｄ１のように絶縁層１０２に当接され、可動電極駆動部１０１Ｄ１と駆動電極駆動部１０３Ｂとの距離は絶縁層１０２の厚みに大略一致する。その結果、可動電極開閉部１０１Ｃ２は、可動電極開閉部１０１Ｄ２のように接点部１０４に当接される（図２Ａ、図２Ｂを参照）。別の観点によれば、可動電極駆動部１０１Ｃ１は可撓性を有し、駆動電圧Ｖｄが印加されている場合、可動電極駆動部１０１Ｃ１が撓むことにより、可動電極開閉部１０１Ｃ２は初期位置から変位して接点部１０４に当接される。

可動電極１０１と信号電極１０５の間が金属接触による抵抗結合型の場合、可動電極開閉部１０１Ｄ２と接点部１０４との間に形成される開閉部抵抗Ｒｃは、接点部１０４の効果により低い値となる。このように、高周波信号の導通経路が形成され、高周波信号は可動電極１０１から信号電極１０５へと伝播する。このため、可動電極１０１に入力された高周波信号は、大略、信号電極１０５を介して出力端子ＲＦＯＵＴに伝搬する。

電気機械素子１００がＯＮ状態の場合、固定部容量Ｃｆおよび可動電極抵抗Ｒｍの各値は、ＯＦＦ状態の場合に大略等しい。駆動部容量Ｃｄは、絶縁層１０２を介して可動電極駆動部１０１Ｄ１と駆動電極駆動部１０３Ｂとの間に形成されるため、ＯＦＦ状態の場合よりも電極間距離が短くなる。結果的に駆動部容量Ｃｄの容量値は大きくなり、インピーダンスは低い状態となる。開閉部容量Ｃｃは、可動電極開閉部１０１Ｄ２が接点部１０４に当接するため、低い値の開閉部抵抗Ｒｃに置き換えられる。

入力端子ＲＦＩＮに入力された入力高周波信号Ｓ１０は、可動電極固定部１０１Ａにおいて、本流高周波信号Ｓ１１と支流高周波信号Ｓ１２とに分岐される。本流高周波信号Ｓ１１は、可動電極固定部１０１Ａから、可動電極抵抗Ｒｍを介して可動電極駆動部１０１Ｄ１へと伝播する。支流高周波信号Ｓ１２は、可動電極固定部１０１Ａから、固定部容量Ｃｆ、駆動電極固定部１０３Ａを介して、駆動電極駆動部１０３Ｂへと伝播する。駆動部容量Ｃｄのインピーダンスは低い状態となるため、駆動電極１０３へ分岐された支流高周波信号Ｓ１２は比較的減衰せず、可動電極駆動部１０１Ｄ１へ伝播する。可動電極駆動部１０１Ｄ１において、本流高周波信号Ｓ１１と支流高周波信号Ｓ１２が合流し、開閉部抵抗Ｒｃを介して出力端子ＲＦＯＵＴへと伝播する。

ＯＮ状態からＯＦＦ状態に切り替える場合、可動電極１０１と駆動電極１０３の直流電位を同電位とし、静電気力Ｆｓを排除する。その結果、可動電極駆動部１０１Ｃ１の可撓性が有するバネ力により、可動電極開閉部１０１Ｃ２は元の初期位置に復帰する。

このバネ力に加え、図２Ｂに示すように、可動電極１０１と固定櫛歯電極１１１Ａ、１１１Ｂの間に、駆動電圧供給部１３１を介して駆動電圧Ｖｕを印加し、斜め上方に静電気力ＦｓＡ、ＦｓＢをそれぞれ印加する構成としてもよい。本構成により、可動電極１０１に上方への電極間を引き離す力が発生する。図１Ｂに示すように、可動電極１０１と固定櫛歯電極１１１の間は、櫛歯型電極となっており、オーバーラップ面積を広くすることにより静電容量を増加させ、より大きな静電気力が発生する構造となっている。以上のように、バネ力と静電気力により確実にＯＮ状態からＯＦＦ状態に切り替えることが可能であり、低電圧駆動・高速応答、可動電極１０１と駆動電極１０３間の引っ付き現象（スティクション）回避の効果を得ることができる。このようにして信号の伝播経路の開閉を行う。

図４Ａおよび図４Ｂは、実施の形態１における電気機械素子１００のＯＦＦ状態を示す図であり、そのうち図４Ａは、電気機械素子１００の等価回路図、図４Ｂは、電気機械素子１００のＳパラメータの周波数特性を示すグラフである。

ＯＦＦ状態における等価回路上の各素子定数の一例として、Ｃｃ＝４ｆＦ（フェムト・ファラッド）、Ｃｄ＝０．１ｐＦ、Ｃｆ＝１０ｐＦ、可動電極抵抗Ｒｍ＝５Ωとしている。周波数ｆ＝４００ＭＨｚ〜２ＧＨｚにおいて、挿入損失ＳパラメータＳ２１の絶対値は４０ｄＢ以上の高いアイソレーションを示しており、入力された高周波信号の電力を大きく減衰させたＯＦＦ状態を実現できる。

図５Ａおよび図５Ｂは、実施の形態１における電気機械素子１００のＯＮ状態を示す図であり、そのうち図５Ａは、電気機械素子１００の等価回路図、図５Ｂは、電気機械素子１００のＳパラメータの周波数特性を示すグラフである。

ＯＮ状態における等価回路上の各素子定数の一例として、Ｒｃ＝１Ω、Ｃｄ＝３ｐＦ、Ｃｆ＝１０μＦ、可動電極抵抗Ｒｍ＝５Ωとしている。周波数ｆ＝４００ＭＨｚ〜２ＧＨｚにおいて、挿入損失ＳパラメータＳ２１の絶対値は０．５ｄＢの低い挿入損失を示しており、入力された高周波信号の電力を低損失で伝播するＯＮ状態を実現できる。可動電極抵抗Ｒｍを更に低い値に設定した場合、挿入損失をより低減することが可能である。

なお、本実施の形態は、電気機械スイッチの等価回路上で高周波信号が結合する可動電極１０１と信号電極１０５の接触部を伝送線路に対して並列に接続し、その先を接地へと接続した構成のスイッチ（シャント型スイッチ）においても適用可能である。シャント型スイッチにおいては、シリーズ型スイッチとＯＮ状態、ＯＦＦ状態における可動電極１０１の位置が逆となる。ＯＦＦ時においては、可動電極１０１と信号電極１０５が接触した状態となる。高周波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１０１と信号電極とが接触していない状態にあり、高周波信号は入力ポートから出力ポートへ信号電極１０５上を伝搬する。

また、本実施の形態は、少なくとも可動電極１０１もしくは信号電極１０５の表面に絶縁膜を形成し、絶縁膜を介した静電容量により交流信号の伝播経路が結合する容量結合型スイッチにも適用可能である。

また、本実施の形態は、可動電極を両持ち梁型とすることが可能である。

（まとめ）
以上、本発明の電気機械素子およびそれを用いた電気機器によれば、固定部容量Ｃｆにより、可動電極１０１と駆動電極１０３間に発生する電力による電位差を低減することができる。これにより、電気機械素子１００に高い電力の高周波信号を入力した場合でも、可動電極１０１と駆動電極１０３間に高周波信号による電位差が発生せず、静電気力により可動電極１０１が自動的に駆動する現象（セルフアクチュエーション）を回避することが可能となる。このように、いかなる高周波信号に対しても、ＯＮ状態とＯＦＦ状態を確実に切り替えることができ、高信頼性を実現する電気機械素子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。

本発明に係る電気機械素子は、高信頼性を実現する電気機械素子およびそれを用いた電気機器として有用である。

以上、実施の形態におけるこれまでの説明は、すべて本発明を具体化した一例であって、本発明はこれらの例に限定されず、本発明の技術を用いて当業者が容易に構成可能な種々の例に展開可能である。

本発明は、電気機械素子およびそれを用いた電気機器に利用できる。

１００ 電気機械素子
１０１ 可動電極
１０１Ａ 可動電極固定部
１０１Ｂ 可動電極折曲部
１０１Ｃ 可動電極可動部
１０１Ｃ１、１０１Ｄ１ 可動電極駆動部
１０１Ｃ２、１０１Ｄ２ 可動電極開閉部
１０２、１０７、１０９ 絶縁層
１０３ 駆動電極
１０３Ａ 駆動電極固定部
１０３Ｂ 駆動電極駆動部
１０４ 接点部
１０５ 信号電極
１０５Ａ 信号電極開閉部
１１０ 基板
１１１Ａ、１１１Ｂ 固定櫛歯電極
１１２Ａ、１１２Ｂ 支持部
１２０ 部分領域
１２１、１２２、１２３ 電極間ギャップ
１３０、１３１ 駆動電圧供給部
ＲＦＩＮ 入力端子
ＲＦＯＵＴ 出力端子
ＶｄＩＮ、ＶｕＩＮＡ、ＶｕＩＮＢ 駆動端子

Claims (17)

1. 互いに一体化された、第１部分、第２部分、および第３部分を含む第１電極と、
   前記第１部分と対向する第１対向部分を含む第２電極と、
   ギャップまたは絶縁層を介して前記第２部分と対向する第２対向部分、および前記第３部分と対向する第３対向部分を含む第３電極と、
   を有し、
   前記第３電極は、前記第１電極の直流電位を基準とする第１駆動電圧を受ける入力端を含み、
   前記第１駆動電圧が第１電圧の場合、前記ギャップは第１所定距離に設定される一方、前記第１駆動電圧が第２電圧の場合、前記ギャップは第２所定距離に設定され、
   前記第１駆動電圧が前記第１電圧の場合、前記第１部分は前記第１対向部分から離間されるとともに電気的に前記第１対向部分と実質遮断される一方、前記第１駆動電圧が前記第２電圧の場合、前記第１部分は前記第１対向部分に当接されるとともに電気的に前記第１対向部分と実質導通され、前記第１電極に入力された高周波信号が大略前記第２電極から出力され、
   前記第３部分と前記第３対向部分は、所定の大きさの第１電気容量を構成する、
   電気機械素子。
2. 前記第２部分と前記第２対向部分は、前記第１駆動電圧が前記第１電圧の場合、所定の大きさの第２電気容量を構成し、
   前記第１部分と前記第１対向部分は、前記第１駆動電圧が前記第１電圧の場合、所定の大きさの第３電気容量を構成し、
   前記第１電気容量の大きさは、前記第２電気容量または前記第３電気容量のいずれよりも大きい、請求項１に記載の電気機械素子。
3. 前記第３部分と前記第３対向部分は、固体絶縁膜を介して対向する、請求項１に記載の電気機械素子。
4. 前記第３部分と前記第３対向部分は、空隙を介して対向する、請求項１に記載の電気機械素子。
5. 前記第３電極は、前記第１電気容量を介して前記高周波信号を受ける、請求項１に記載の電気機械素子。
6. さらに、前記第２部分の周囲に前記第２部分と対向して位置する第４電極を有し、
   前記第４電極は、前記第１電極の直流電位を基準とする第２駆動電圧を受ける入力端を含む、請求項１に記載の電気機械素子。
7. 前記第２部分と前記第４電極は、互いの側面が凹凸状に形成され、空隙を介して、一方の凹部が他方の凸部にかみ合うように対向する、請求項６に記載の電気機械素子。
8. 前記第２所定距離は、前記第１所定距離よりも短い、請求項１に記載の電気機械素子。
9. さらに、前記第３部分および前記第３対向部分が固定される基板を有する、請求項１に記載の電気機械素子。
10. 前記第１電極は、前記第１部分および前記第２部分を自由体とする片持ち梁を構成する、請求項９に記載の電気機械素子。
11. 前記第１電極は、変形可能である、請求項１に記載の電気機械素子。
12. 前記第２部分は可撓性を有し、前記第１駆動電圧が前記第２電圧の場合、前記第２部分が撓むことにより、前記第１部分は初期位置から変位して前記第１対向部分に当接され、前記第１駆動電圧が前記第１電圧の場合、前記第２部分の可撓性により、前記第１部分は前記初期位置に復帰する、請求項１１に記載の電気機械素子。
13. 前記第２部分は、前記第１部分と前記第３部分との間に位置する、請求項１に記載の電気機械素子。
14. 前記第１電極は、第４部分を含み、
    前記第４部分は、前記第２部分と前記第３部分との間に位置し、
    前記第２部分と前記第３部分は、前記第４部分を中心に折曲される、請求項１３に記載の電気機械素子。
15. 請求項１に記載の電気機械素子を有する、電気機器。
16. 前記第１電極の前記第３部分は、前記第３電極の前記第３対向部分に対し固定されている、
    請求項１に記載の電気機械素子。
17. 前記第１駆動電圧が前記第１電圧の場合の前記第１電気容量の大きさは、前記第１駆動電圧が前記第２電圧の場合の前記第１電気容量の大きさと等しい、
    請求項１に記載の電気機械素子。

Images