JP5402355B2 - シャントスイッチ、半導体デバイス、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）を用いたシャントスイッチ、並びにそのシャントスイッチを内蔵する半導体デバイス、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。

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が開発されているが、その１つに高周波信号を伝送する信号線路の継断を機械的に行うためのスイッチがある。従来の高周波向けのスイッチでは、オフ状態の時に伝送線路が物理的に断絶されるシリーズ型よりも、オフ状態の時に伝送線路がシャント線路を経由してグランドに接地されるシャント型のほうが広く用いられている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１のシャントスイッチでは、例えば、基板上に伝送線路とグランド線路とを設ける一方、基板の上方にシャント線路としての可動電極を設け、可動電極を伝送線路およびグランド線路に接触させることによって伝送線路をグランドに接地するようにしている。

特開２００３−２６４１２２号公報

しかしながら、このような従来の高周波向けのシャントスイッチでは一般に、挿入損失の周波数特性が優れるものの、アイソレーションの周波数特性が悪かった。シャントスイッチのアイソレーションは、シャント線路のインピーダンスＺ１、伝送線路のインピーダンスＺ２を用いて１０Ｌｏｇ（Ｚ１／Ｚ２）と表され、一般に−２０ｄＢ〜−４０ｄＢ必要である。伝送線路のインピーダンスＺ２は挿入損失を１ｄＢ程度にするための上限があるので、アイソレーションを向上させるにはシャント線路のインピーダンスＺ１だけを小さくすることが望ましい。しかし、従来では、伝送線路のインピーダンスＺ２を保持したまま、シャント線路のインピーダンスＺ１を小さくするのは困難であった。

すなわち、シャント線路のインピーダンスＺ１は、例えば、シャント線路としての可動電極の寸法を大きくして、伝送線路との接触面積を増やすことによって下げることができる。しかし、そのようにした場合、信号がシャント線路を経由して伝送線路に戻ってくる経路の抵抗も同時に下がってしまい、いわゆる戻り信号（リターン信号）が発生しやすいという問題があった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、アイソレーションを向上させることの可能なシャントスイッチを提供することにある。

本願発明の第２の目的は、そのシャントスイッチを内蔵した半導体デバイス、モジュールおよび電子機器を提供することにある。

本発明によるシャントスイッチは、伝送線路と、グランド電位に設定されたグランド線路と、伝送線路およびグランド線路を電気的に結合するシャント線路とを備え、シャント線路が二つ以上並列化され、二つ以上のシャント線路の相互間のインピーダンスが伝送線路のインピーダンスより高いものである。グランド線路は、基板上に設けられ、伝送線路は、基板と一体化された板ばねの上に設けられている。基板には、伝送線路および／またはグランド線路に対して変位可能な可動部が設けられている。可動部は、伝送線路の中央部に対向して押し込み用突起を有し、押し込み用突起は、可動部の変位に伴って板ばねに接触し板ばねを変形させることにより、伝送線路の中央部をグランド線路に接触させる。

本発明の半導体デバイスは、上記本発明のシャントスイッチを備えたものである。本発明のモジュールおよび電子機器は、上記本発明の半導体デバイスを内蔵したものである。

本発明のシャントスイッチ、半導体デバイス、モジュールおよび電子機器では、オン状態（開動作）の時には伝送線路とグランド線路とが電気的に結合されず、伝送線路において例えば高周波信号の伝送が行われる。オフ状態（閉動作）の時には、可動部の変位に伴って押し込み用突起が板ばねに接触し板ばねを変形させることにより、伝送線路の中央部をグランド線路に接触させる。これにより、伝送線路がシャント線路を経由してグランド線路に接地される。ここでは、シャント線路が二つ以上並列化されると共に、それらのシャント線路の相互間のインピーダンスが伝送線路のインピーダンスより高くされているので、シャント線路を経由した戻り信号の発生が抑えられ、各々のシャント線路のインピーダンスが低減される。よって、オフ状態（閉動作）でのアイソレーションが改善される。

本発明のシャントスイッチによれば、シャント線路を二つ以上並列化し、それらのシャント線路の相互間のインピーダンスを伝送線路のインピーダンスより高くするようにしたので、アイソレーションを向上させることが可能となる。従って、このシャントスイッチを備えた半導体デバイス、モジュールおよび電子機器においても高周波特性の向上を図ることが可能になる。
また、可動部に、伝送線路の中央部に対向して押し込み用突起を設け、押し込み用突起は、可動部の変位に伴って板ばねに接触し板ばねを変形させることにより、伝送線路の中央部をグランド線路に接触させるようにしたので、より高いアイソレーション特性が得られる。

本発明に係るシャントスイッチの回路構成を表す図である。 従来のシャントスイッチの概略構造を表す平面図および回路構成を表す図である。 従来の他のシャントスイッチの概略構造を表す平面図および回路構成を表す図である。 従来の更に他のシャントスイッチの概略構造を表す平面図である。 図４の変形例を表す平面図である。 図４および図５に示した従来のシャントスイッチの回路構成を表す図である。 図１に示したシャントスイッチの等価回路図である。 図７に示したスイッチの一例を表す図である。 図８の変形例を表す図である。 図８の他の変形例を表す図である。 第１の実施の形態に係るシャントスイッチの全体構成を表す平面図および断面図である。 図１１に示したシャントスイッチの製造方法を工程順に表す平面図および断面図である。 図１２に続く工程を表す平面図および断面図である。 図１３に続く工程を表す平面図および断面図である。 図１４に続く工程を表す平面図および断面図である。 図１１に示したシャントスイッチの作用を説明するための図である。 図１１に示したシャントスイッチのアイソレーション特性を従来と比較して表す図である。 変形例１に係るシャントスイッチの平面図である。 図１８に示したシャントスイッチのアイソレーション特性を従来と比較して表す図である。 第２の実施の形態に係るシャントスイッチの構成および作用を説明するための図である。 図２０に示したシャントスイッチの回路構成を表す図である。 図２０に示したシャントスイッチのアイソレーション特性を従来と比較して表す図である。 変形例２に係るシャントスイッチの平面図である。 変形例３に係るシャントスイッチの構成を説明するための図である。 図２４に示したシャントスイッチの作用を説明するための図である。 図２４に示したシャントスイッチの変形例を表す図である。 変形例４に係るシャントスイッチの構成および作用を説明するための図である。 シャントスイッチの適用例に係る電子機器の機能ブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は本発明の実施の形態に係るシャントスイッチの回路構成を表したものであり、図１（Ａ）はオン状態（開動作）、図１（Ｂ）はオフ状態（閉動作）をそれぞれ表している。このシャントスイッチ１０は、例えば、伝送線路１１と、グランド１２と、シャント線路１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ（以下、シャント線路１３と総称する。）とを有している。

伝送線路１１は、入力ポートＶｉｎと出力ポートＶｏｕｔとの間で信号、例えば高周波信号を伝送する信号線路である。シャント線路１３は、この伝送線路１１およびグランド１２を電気的に結合することにより伝送線路１１をグランド１２に接地するものであり、伝送線路１１のインピーダンスＺ２に対して十分に小さなインピーダンスＺ１を有している。

シャント線路１３は、二つ以上（図１では例えばシャント線路１３Ａ〜１３Ｃの三つ）並列化されている。それら二つ以上のシャント線路１３の相互間のインピーダンスＺ３は、伝送線路１１のインピーダンスＺ２よりも高い。これにより、このシャントスイッチ１０では、アイソレーションを向上させることが可能となっている。

以下、このようなシャントスイッチ１０の構成について従来のシャントスイッチと対比して説明する。

図２（Ｂ）は、伝送線路１１１に対してシャント線路１１３を一つだけ設けた従来のシャントスイッチ１１０の回路構成を表したものであり、図２（Ａ）は、図２（Ｂ）に対応するシャントスイッチ１１０の概略構成を表したものである。この従来のシャントスイッチ１１０では、図２（Ａ）に示したように、シャント線路１１３としての可動電極１１６を伝送線路１１１に接触させることによって、伝送線路１１１をグランド１１２に接地するようになっている。

図２（Ｂ）に示したシャントスイッチ１１０のアイソレーションは、上述したように、シャント線路１１３のインピーダンスＺ１、伝送線路１１１のインピーダンスＺ２を用いて１０Ｌｏｇ（Ｚ１／Ｚ２）と表され、一般に−２０ｄＢ〜−４０ｄＢ必要である。伝送線路１１１のインピーダンスＺ２は挿入損失を１ｄＢ程度にするための上限があるので、アイソレーションを向上させるにはシャント線路１１３のインピーダンスＺ１だけを小さくすることが望ましい。

シャント線路１１３のインピーダンスＺ１を下げる一つの方法として、例えば、図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示したように、シャント線路１１３としての可動電極１１６の寸法を大きくすることが考えられる。このようにすれば、可動電極１１６と伝送線路１１１との接触面積が大きくなり、シャント線路１１３のインピーダンスＺ'１は図２よりも低くなる（Ｚ'１＜Ｚ１）。しかし、その場合には、伝送線路１１１のインピーダンスＺ'２も同時に下がり（Ｚ'２＜Ｚ２）、いわゆる戻り信号（リターン信号）が発生しやすくなってしまう。

戻り信号を抑えるための方法としては、図４に示したように可動電極１１６の表面に突起状の接点１１６Ａ，１１６Ｂ，１１６Ｃ，１１６Ｄを設けることが考えられる。更には図５に示したように、接点１１６Ａ〜１１６Ｄの間に切込みを設けて可動電極１１６を櫛歯状にすることも可能である。

図６は、図４および図５に対応する回路構成を表したものである。図４および図５に示した構成では、接点１１６Ａ〜１１６Ｄを設けて電流経路を増やすようにしているので、図２または図３に示した構成よりは伝送線路１１１のインピーダンスＺ２の低下を抑えることが可能である。しかしながら、接点１１６Ａ〜１１６Ｄは十分に低いインピーダンスで結合されているので、戻り信号を抑制することは難しく、アイソレーションの十分な向上は得られない。

これに対して、図１に示した本実施の形態のシャントスイッチ１０では、三つのシャント線路１３Ａ〜１３Ｃの相互間が、伝送線路１１のインピーダンスＺ２よりも十分に高いインピーダンスＺ３で絶縁されている（Ｚ３＞Ｚ２）。よって、このシャントスイッチ１０のオフ状態のインピーダンスＺoffは、図２に示したシャント線路１１３のインピーダンスＺ１の３分の１（（Ｚ１）／３）という理想的な値となる。その理由は、シャント線路１３を経由して伝送線路１１に戻る信号が抑制されるからである。

なお、図１において、シャント線路１３Ａ〜１３ＣのインピーダンスＺ１の一部あるいは全部、またはシャント線路１３Ａ〜１３Ｃ相互間のインピーダンスＺ３の一部あるいは全部が互いに異なっている場合にも上述と同様であることは自明である。

次に、このシャントスイッチ１０の作用を説明する。

このシャントスイッチ１０では、オン状態（開動作）の場合には、図１（Ａ）に示したように、伝送線路１１とグランド１２とが電気的に結合されず、入力ポートＶｉｎから入った信号は伝送線路１１を通過し、出力ポートＶｏｕｔから出力される。一方、オフ状態（閉動作）の場合には、図１（Ｂ）に示したように、伝送線路１１に三つのシャント線路１３Ａ〜１３Ｃが接続され、伝送線路１１がシャント線路１３Ａ〜１３Ｃを経由してグランド１２に接地される。

ここでは、シャント線路１３が二つ以上並列化されると共に、それらのシャント線路１３Ａ〜１３Ｃの相互間のインピーダンスＺ３が伝送線路１１のインピーダンスＺ２より高くされているので、シャント線路１３Ａ〜１３Ｃを経由した戻り信号の発生が抑えられ、各々のシャント線路１３Ａ〜１３ＣのインピーダンスＺ１が低減される。よって、オン状態（開動作）での挿入損失特性は損なわれることなく、オフ状態（閉動作）でのアイソレーションが改善される。

以下、図１に示した回路構成を有するシャントスイッチ１０の具体的な実施の形態を説明するが、その説明は以下の順序で行う。
（１）等価回路
（２）第１の実施の形態（二つのシャント線路が入力ポートの近傍と出力ポートの近傍とに並列に設けられており、水平動作を行う例）
（３）変形例１（二つのシャント線路が入力ポートの近傍に並列に設けられている例）
（４）第２の実施の形態（伝送線路の中央部に、固定電極との接点用突起を有する例）
（５）変形例２（固定電極に、伝送線路の中央部との接点用突起を有する例）
（６）変形例３（バイメタルを用いた例）
（７）変形例４（垂直動作を行う例）
（８）適用例

（等価回路）
図７は、図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示したシャントスイッチ１０のオン状態およびオフ状態を、一つの等価回路として表したものである。図７では、シャントスイッチ１０のオン状態とオフ状態との切り替え機構を、伝送線路１１とシャント線路１３との間に記したスイッチ１５で表している。

図８ないし図１０は、スイッチ１５の構成例を表したものである。シャント線路１３は、伝送線路１１およびグランド１２の一方または両方に対して変位可能な可動電極１６により構成されていることが好ましい。シャント線路１３を機械的部品である可動電極１６により構成することにより、図７に示したスイッチ１５を機械的に開閉することが可能となる。従って、伝送線路１１とシャント線路１３との結線に関わる挿入損失およびアイソレーションの両立が実現可能となる。

可動電極１６と伝送線路１１およびグランド１２とは、図８に示したような金属表面どうしを直接開閉するダイレクトコンタクトタイプでもよいし、あるいは、図９または図１０に示したような誘電体を経由する容量変化タイプでもよい。金属としては、例えば、金（Ａｕ）またはＡｕを母材とした合金が望ましい。容量変化タイプの場合には、図９に示したように可動電極１６の側に誘電体を設けてもよいし、図１０に示したように伝送線路１１およびグランド１２の側に誘電体を設けてもよい。なお、可動電極１６側は複雑な形状になっている場合が多いので、誘電体は、図１０に示したように伝送線路１１およびグランド１２の側に設けることが望ましい。

（第１の実施の形態）
図１１（Ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係るシャントスイッチ１０の全体構成を表したものであり、図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）におけるＸＩＢ−ＸＩＢ矢視方向の断面構造を表している。このシャントスイッチ１０は、一の素子（図示せず）から他の素子（図示せず）へ信号、例えば高周波信号を伝送するための伝送線路１１の継断を機械的に行うために実装される微小構造物（マイクロマシン）である。また、シャントスイッチ１０は、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、より好適にはＳｉＰ(System in Package) で同梱実装されたり、ＳｏＣの一部として混載される。シャントスイッチ１０は、例えば、半導体などよりなる基板２１上に、伝送線路１１と、グランド１２としてのグランド線路１７とを有し、これら伝送線路１１およびグランド線路１７に対向して、シャント線路１３としての可動電極１６を備えている。

基板２１としては、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系半導体よりなる基板が挙げられる。基板２１としては、また、ガラス、樹脂およびプラスチックなどの非Ｓｉ系基板を用いてもよい。基板２１の表面には、酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）、窒化ケイ素（ＳｉＮ）またはＳｉＮ膜とＳｉＯ₂膜との積層膜などよりなる絶縁膜２２が設けられており、この絶縁膜２２により、基板２１と伝送線路１１とグランド線路１７とが互いに電気的に分離されている。

伝送線路１１は、基板２１表面の絶縁膜２２上に直線状の固定電極として設けられている。伝送線路１１の一端には入力ポートＶｉｎ、他端には出力ポートＶｏｕｔが設けられている。

グランド線路１７は、基板２１表面の絶縁膜２２上に、グランド電位に設定された固定電極として設けられている。グランド線路１７は、例えば一辺を欠いた矩形の形状を有し、伝送線路１１の三方を囲んで設けられている。

可動電極１６は、伝送線路１１およびグランド線路１７に対して変位可能な可動部２３の上に、二つ以上互いに離間して配置されている。これら二つ以上の可動電極１６は、可動部２３の表面に設けられた絶縁膜２２により互いに絶縁されている。これにより、このシャントスイッチ１０では、図１を参照して説明したように、シャント線路１３が二つ以上並列化されていると共に、それら二つ以上のシャント線路１３の相互間のインピーダンスＺ３が伝送線路１１のインピーダンスＺ２よりも高くなっており、アイソレーションを向上させることが可能となっている。

可動部２３は、基板２１をＭＥＭＳ技術を用いて加工することにより基板２１と一体化して形成されたものであり、基板２１の表面に対して水平な方向に変位可能となっている。すなわち、このシャントスイッチ１０は、伝送線路１１，グランド線路１７および可動電極１６が同一水平面内に設けられ、可動部２３上の可動電極１６が水平方向に変位する、いわゆるラテラルスイッチに分類されるものである。

可動部２３は、伝送線路１１に平行な直線状に設けられ、その両端に可動電極１６が一つずつ設けられている。すなわち、二つの可動電極１６が、伝送線路１１の入力ポートＶｉｎの近傍と、出力ポートＶｏｕｔの近傍とに設けられ、伝送線路１１を通過する伝送信号に対して平行に並列化されている。二つの可動電極１６の各々は、伝送線路１１およびグランド線路１７に対応して突起状の接点１６Ａ，１６Ｂを有している。

可動部２３は、互いに噛み合せられた一対の櫛歯電極２４Ａ，２４Ｂの一方（例えば、櫛歯電極２４Ａ）に連結されており、それら一対の櫛歯電極２４Ａ，２４Ｂの間に発生する静電力により変位可能となっている。櫛歯電極２４Ｂは基板２１に固定されている。櫛歯電極２４Ａ，２４Ｂは、可動部２３と同様に、基板２１の素材例えばシリコン（Ｓｉ）を、公知のリソグラフィー技術を用いて３次元加工することにより形成されたものである。櫛歯電極２４Ａ，２４Ｂの櫛歯部分の対向面には電極層（図示せず）が設けられている。これら櫛歯電極２４Ａ，２４Ｂにはオン動作時において、電源（図示せず）からの電圧印加により駆動力として電磁力が発生し、これにより櫛歯電極２４Ａが櫛歯電極２４Ｂ側に吸引され、それに連動して可動電極１６が伝送線路１１およびグランド線路１７に接触するようになっている。

このシャントスイッチ１０は、例えば、次のようにして製造することができる。

図１２ないし図１５は、このシャントスイッチ１０の主要部の製造方法を工程順に表したものである。なお、図１２ないし図１５の各図において、（Ａ）は平面構造、（Ｂ）は（Ａ）に示したＢ−Ｂ線に沿った断面構造を表している。

まず、図１２に示したように、上述した材料、例えばシリコン（Ｓｉ）よりなる基板２１を用意し、この基板２１に、リソグラフィー技術を用いた３次元加工により、入力ポートＶｉｎおよび出力ポートＶｏｕｔとしてビアを形成する。

次いで、図１３に示したように、グランド線路１７の一部として、例えばＡｌ−Ｃｕ合金よりなる配線１７Ａを０．８μｍの厚みで形成する。

続いて、図１４に示したように、例えばＭＥＭＳ技術を用いて、ＲＩＥ(Reactive Ion Etching；反応性イオンエッチング）により基板２１を垂直に加工し（シリコン深堀り）、可動部２３を形成する。このとき、櫛歯電極２４Ａ，２４Ｂも同時に形成する。

可動部２３および櫛歯電極２４Ａ，２４Ｂを形成したのち、基板２１の表面に、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition；化学気相成長）法またはＰＶＤ（Physical Vapor Deposition；物理蒸着）法により、上述した材料よりなる絶縁膜２２を形成する。

そののち、図１５に示したように、基板２１上に伝送線路２１とグランド線路１７の残部とを形成すると共に、可動部２３の両端に可動電極１６を形成する。このとき、櫛歯電極２４Ａ，２４Ｂの表面にも電圧印加のための電極（図示せず）を同時に形成する。可動電極１６としては、例えば、基板２１側から、厚み０．１μｍのチタン（Ｔｉ）膜と厚み２μｍの金（Ａｕ）膜とを順に積層した構造とすることができる。以上により、図１１に示したシャントスイッチ１０が完成する。

このシャントスイッチ１０では、図１１および図１６（Ａ）に示した開動作（オン状態）時において、閉動作（オフ状態）の指令を受けると櫛歯電極２４Ａ，２４Ｂに所定の電圧が印加され、これら電極間に電磁力が発生する。その結果、櫛歯電極２４Ａが櫛歯電極２４Ｂに近接し、それに伴って可動部２３が伝送線路１１側に水平に移動し、図１６（Ｂ）に示したように可動電極１６と伝送線路１１およびグランド線路１７とが接触する。これにより伝送線路１１が閉じられた状態（オフ状態）となる。

この閉動作（オフ状態）に続いて、開動作（オン状態）の指令を受けると櫛歯電極２４Ａ，２４Ｂ間の電磁力が解除され、それに伴い可動電極１６は伝送線路１１およびグランド線路１７から乖離し、図１１および図１６（Ａ）の位置に復帰する。

図１７は、このシャントスイッチ１０の電磁界解析による高周波特性（アイソレーション特性）の計算結果を、図２で説明した従来構造と比較して表したものである。図１７から分かるように、このシャントスイッチ１０では、従来構造に比較してアイソレーションが３ｄＢ高く、同電磁界解析で設けた評価基準値（１０ｄＢ＠６０ＧＨｚ）をクリアできた。

このように本実施の形態では、可動電極１６を、伝送線路１１およびグランド線路１７に対して変位可能な可動部２３の上に、二つ以上互いに離間して配置すると共に、これら二つ以上の可動電極１６を、可動部２３の表面に設けられた絶縁膜２２により互いに絶縁するようにしたので、アイソレーションを向上させることが可能となる。

以下，変形例および他の実施の形態を説明する。なお、第１の実施の形態と同一の構成要素については同一符号を付してその説明を適宜省略する。

（変形例１）
図１８は、変形例１に係るシャントスイッチ１０Ａの平面構成を表したものである。この変形例１は、直線状のグランド線路１７が伝送線路１１の両側に配置されており、二つの可動電極１６がいずれも伝送線路１１の入力ポートＶｉｎの近傍に設けられているものである。すなわち、本変形例１は、二つの可動電極１６を、伝送線路１１を通過する伝送信号に対して垂直に並列化したものである。このことを除いては、このシャントスイッチ１０Ａは、上記第１の実施の形態のシャントスイッチ１０と同様にして製造することができ、その作用・効果も同様である。

図１９は、変形例１に係るシャントスイッチ１０Ａの電磁界解析による高周波特性（アイソレーション特性）の計算結果を、図２で説明した従来構造と比較して表したものである。図１９から分かるように、このシャントスイッチ１０Ａでは、従来構造に比較してアイソレーションが３ｄＢ高く、同電磁界解析で設けた評価基準値（１０ｄＢ＠６０ＧＨｚ）をクリアできた。

（第２の実施の形態）
図２０は、本発明の第２の実施の形態に係るシャントスイッチ１０Ｂの平面構成を表したものである。本実施の形態は、伝送線路１１を、基板２１を加工することにより基板２１と一体化して形成された板ばね２５の上に設け、この板ばね２５の変形を利用して、オフ状態において伝送線路１１の中央部をグランド線路１７に接触可能としたものである。すなわち、このシャントスイッチ１０Ｂは、可動部２３に設けられた二つの可動電極１６（第１のシャント線路１３Ａおよび第２のシャント線路１３Ｂ）に加えて、伝送線路１１の中央部に第３のシャント線路１３Ｃを有している。このことを除いては、このシャントスイッチ１０Ｂは第１の実施の形態で説明したシャントスイッチ１０と同様の構成を有し、同様にして製造することができる。

可動部２３は、伝送線路１１の中央部に対向して押し込み用突起２６を有している。この押し込み用突起２６は、可動部２３の変位に伴って板ばね２５に接触し、板ばね２５を変形させることにより、伝送線路１１の中央部をグランド線路１７に接触させるものである。伝送線路１１は、伝送線路１１とグランド線路１７との接触位置に、接点用突起１６Ｃを有していることが望ましい。伝送線路１１とグランド線路１７との接触をより確実にすることが可能となるからである。

押し込み用突起２６は、可動電極１６よりも伝送線路１１側に突出していることが望ましい。これにより、板ばね２５を接圧し、板ばね２５の押し込み用突起２６とは逆側、すなわち伝送線路１１の中央部をグランド線路１７に接触させることが可能となるからである。

図２１は、このシャントスイッチ１０Ｂの回路構成を表したものであり、図２１（Ａ）はオン状態（開動作）、図１（Ｂ）はオフ状態（閉動作）をそれぞれ表している。伝送線路１１の中央部に設けられた第３のシャント線路１３ＣのインピーダンスＺ４は、伝送線路１１のインピーダンスＺ２に対して十分に小さい。第３のシャント線路１３ＣのインピーダンスＺ４と、第１および第２のシャント線路１３Ａ，１３ＢのインピーダンスＺ１との大小関係は特に限定されない。

第１および第２のシャント線路１３Ａ，１３Ｂの相互間のインピーダンスＺ３は、第１の実施の形態と同様に、伝送線路１１のインピーダンスＺ２よりも高い。また、第３のシャント線路１３Ｃと第１および第２のシャント線路１３Ａ，１３Ｂとの間のインピーダンスＺ５は、伝送線路１１のインピーダンスＺ２よりも高い。これにより、このシャントスイッチ１０では、アイソレーションを向上させることが可能となっている。

このシャントスイッチ１０Ｂでは、図２０（Ａ）に示した開動作（オン状態）の場合には、可動電極１６は伝送線路１１およびグランド線路１７から乖離すると共に、伝送線路１１の中央部はグランド線路１７から乖離している。よって、図２１（Ａ）に示したように、伝送線路１１とグランド１２とが電気的に結合されず、入力ポートＶｉｎから入った信号は伝送線路１１を通過し、出力ポートＶｏｕｔから出力される。

この開動作（オン状態）時において、閉動作（オフ状態）の指令を受けると櫛歯電極２４Ａ，２４Ｂ（図２０には図示せず、図１１参照。）に所定の電圧が印加され、これら電極間に電磁力が発生する。その結果、櫛歯電極２４Ａが櫛歯電極２４Ｂに近接し、それに伴って可動部２３が伝送線路１１側に水平に移動し、図２０（Ｂ）に示したように可動電極１６（第１および第２のシャント線路１３Ａ，１３Ｂ）と伝送線路１１およびグランド線路１７とが接触する。

このとき、可動部２３に設けられた押し込み用突起２６は、可動部２３の変位に伴って板ばね２５に接触し、板ばね２５を屈曲変形させることにより、伝送線路１１の中央部（第３のシャント線路１３Ｃ）をグランド線路１７に接触させる。

これにより図２１（Ｂ）に示したように、伝送線路１１に第１ないし第３シャント線路１３Ａ〜１３Ｃが接続され、伝送線路１１が第１ないし第３シャント線路１３Ａ〜１３Ｃを経由してグランド１２に接地された状態（オフ状態）となる。

ここでは、第１および第２のシャント線路１３Ａ，１３Ｂの相互間のインピーダンスＺ３は、伝送線路１１のインピーダンスＺ２よりも高くされている。また、第３のシャント線路１３Ｃと第１および第２のシャント線路１３Ａ，１３Ｂとの間のインピーダンスＺ５は、伝送線路１１のインピーダンスＺ２よりも高くされている。よって、第１ないし第３のシャント線路１３Ａ〜１３Ｃを経由した戻り信号の発生が抑えられ、各々のシャント線路１３Ａ〜１３ＣのインピーダンスＺ１，Ｚ４が低減される。従って、オン状態（開動作）での挿入損失特性は損なわれることなく、オフ状態（閉動作）でのアイソレーションが改善される。

更に、第３のシャント線路１３Ｃと第１および第２のシャント線路１３Ａ，１３Ｂとは、図２０にも示したように、物理的に大きく離れている。そのため、第３のシャント線路１３Ｃと第１および第２のシャント線路１３Ａ，１３Ｂとの間のインピーダンスＺ５としては、第１および第２のシャント線路１３Ａ，１３Ｂの相互間のインピーダンスＺ３よりも大きな抵抗が確保される（Ｚ５＞Ｚ３）。よって、第３のシャント線路１３Ｃでは信号の戻りが更に少なくなり、より高いアイソレーション特性が得られる。

この閉動作（オフ状態）に続いて、開動作（オン状態）の指令を受けると櫛歯電極２４Ａ，２４Ｂ間の電磁力が解除され、それに伴い可動電極１６は伝送線路１１およびグランド線路１７から乖離すると共に、伝送線路１１の中央部はグランド線路１７から乖離し、図２０（Ａ）の位置に復帰する。

図２２は、本実施の形態に係るシャントスイッチ１０Ｂの電磁界解析による高周波特性（アイソレーション特性）の計算結果を、図２で説明した従来構造と比較して表したものである。図２２から分かるように、このシャントスイッチ１０Ｂでは、従来構造に比較してアイソレーションが５ｄＢ高く、同電磁界解析で設けた評価基準値（１０ｄＢ＠６０ＧＨｚ）をクリアできた。

また、第１の実施の形態では図１７（Ａ）から分かるように、伝送線路１１の中央部に電流密度の高い部分がみられたが、本実施の形態では、図２２（Ａ）から分かるように、伝送線路１１の中央部における電流の密集が解消されていた。

（変形例２）
図２３は、変形例２に係るシャントスイッチ１０Ｃの平面構成を表したものである。この変形例２は、接点用突起１６Ｃがグランド線路１７に設けられていることを除いては、上記第２の実施の形態と同様に構成されている。また、このシャントスイッチ１０Ｃは、上記第２の実施の形態と同様にして製造することができ、その作用・効果も第２の実施の形態と同様である。

（変形例３）
図２４は、変形例３に係るシャントスイッチ１０Ｄの構成を表したものである。この変形例３は、シャント線路１３としての可動電極１６と可動部２３とによりバイメタルを構成し、可動電極１６自身が変形することにより伝送線路１１および／またはグランド線路１７に対して変位可能としたものである。ここにバイメタルとは、温度による膨張係数の違う２種類の薄片を貼り合わせた構造体である。

可動電極１６は、低膨張率材料よりなる板状の可動部２３の裏面（基板２１側の面）に、二つ以上（図２４では例えば二つ）互いに離間して配置されている。このように可動電極１６をバイメタルにより構成することにより、可動電極１６自身の伸縮あるいは屈曲を利用してシャント線路１３の機能を持たせることが可能である。

可動電極１６は、バイメタルにおける高屈折率材料層としての機能も有しており、例えば、アルミニウム（Ａｌ），銅（Ｃｕ）あるいは金（Ａｕ）、またはそれらを母材とする合金により構成されていることが好ましい。加工が低コストであり、大量生産に適しているからである。

可動部２３は、バイメタルにおける低膨張率材料層としての機能も有しており、一端は支持部３１により基板２１に固定された固定端であり、他端はバイメタルにより上下に伸縮あるいは屈曲可能な可動端となっている。可動部２３は、例えば、シリコン（Ｓｉ）、多結晶シリコン（ポリシリコン）、ポリイミドあるいはＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）などの樹脂材料、ＳｉＮあるいはＳｉＯ２などの誘電膜により構成されている。支持部３１は、シリコン（Ｓｉ）または多結晶シリコン等により構成され、接地されている。

これら二つ以上の可動電極１６は、例えば可動部２３自体が絶縁性材料により構成されていることにより、または、例えば可動部２３の表面に絶縁膜（図示せず）が設けられていることにより、互いに絶縁されている。これにより、このシャントスイッチ１０Ｄでは、第１の実施の形態において図１を参照して説明したように、シャント線路１３が二つ以上並列化されていると共に、それら二つ以上のシャント線路１３の相互間のインピーダンスＺ３が伝送線路１１のインピーダンスＺ２よりも高くなっており、アイソレーションを向上させることが可能となっている。

基板２１上には、可動部２３の可動端に対向して、伝送線路１１および二つのグランド線路１７が設けられている。二つのグランド線路１７は、伝送線路１１の両側に一つずつ配置されている。一方の可動電極１６は、伝送線路１１および二つのグランド線路１７の一方に対向している。他方の可動電極１６は、伝送線路１１および二つのグランド線路１７の他方に対向している。

このシャントスイッチ１０Ｄでは、室温においてバイメタルよりなる可動部２３および可動電極１６は図２５（Ａ）に示したようにまっすぐな状態にあり、可動電極１６によって伝送線路１１がグランド１２に接続されたオフ状態となる。一方、バイメタルよりなる可動部２３および可動電極１６に温度を加えると、高膨張率材料よりなる可動電極１６の方が、低膨張率材料よりなる可動部２３よりも膨張量が大きいので、図２５（Ｂ）に示したように可動部２３および可動電極１６は反り上がった状態になり、伝送線路１１がグランド１２から切り離されたオン状態になる。

なお、本変形例は、バイメタルのような熱駆動の他、圧電駆動、静電駆動、電磁駆動によって可動電極１６を変形させる場合にも適用可能であることは自明である。

また、図２６に示したように、可動部２３の裏面に、二つの可動電極１６に加えて、可動部２３をバイメタル駆動するためのバイメタル駆動用電極３２を設けるようにしてもよい。バイメタル駆動用電極３２は、可動電極１６よりも大きい寸法を有することが望ましい。このように可動電極１６とバイメタル駆動用電極３２とを分離することにより、駆動回路との間の信号漏洩またはノイズ混入が削減され、より高いアイソレーション特性を得ることが可能となる。

（変形例４）
図２７は、本発明の変形例４に係るシャントスイッチ１０Ｅの断面構成を表したものである。この変形例４は、可動部２３が薄板ばね２７を間にして静電駆動用可動電極２８に連結されており、グランド線路１７が静電駆動用固定電極としての機能を兼ねているものである。可動部２３は、静電駆動用可動電極２８とグランド線路１７との間に発生する静電力により、基板２１の表面に対して垂直な方向に変位可能となっている。なお、可動部２３上の可動電極１６は、静電駆動用可動電極２８の制御電位とは絶縁されている。

このシャントスイッチ１０Ｅでは、図２７（Ｂ）に示した開動作（オン状態）時において、閉動作（オフ状態）の指令を受けると静電駆動用可動電極２８およびグランド線路１７に所定の電圧が印加され、これら電極間に電磁力が発生する。その結果、静電駆動用可動電極２８がグランド線路１７に近接する。これに伴って、静電駆動用可動電極２８に薄板ばね２７を間にして連結された可動部２３が、伝送線路１１側に垂直に下降移動し、図２７（Ａ）に示したように可動電極１６と伝送線路１１およびグランド線路１７とが接触する。これにより伝送線路１１が閉じられた状態（オフ状態）となる。

この閉動作（オフ状態）に続いて、開動作（オン状態）の指令を受けると静電駆動用可動電極２８およびグランド線路１７間の電磁力が解除され、それに伴い可動電極１６は伝送線路１１およびグランド線路１７から乖離し、図２７（Ｂ）の位置に復帰する。なお、図２７において信号は紙面に対して垂直方向に伝送されている。

なお、本変形例は、上述した静電アクチュエータの他、ピエゾアクチュエータ、電磁アクチュエータ、バイメタルアクチュエータなど、いわゆるＭＥＭＳ機能によるアクチュエータを使った他の駆動方式にも適用可能であることは自明である。

（適用例）
次に、図２８を参照して、本発明のシャントスイッチを搭載した通信装置の構成について説明する。図２８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、本発明のシャントスイッチ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２８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シャントスイッチを送受信切替器３０１（半導体デバイス）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２８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シャントスイッチを受信切替器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、優れた高周波特性を有する。

なお、図２８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シャントスイッチを受信切替器３０１（半導体デバイス）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、シャントスイッチを送信系回路３００Ａおよび受信系回路３００Ｂ（モジュール）内のミキサ３２２Ｉ，３２２Ｑ，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（半導体デバイス）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、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形が可能である。例えば、上記実施の形態において説明した各層の材料および厚み、または成膜方法などは限定されるものではなく、他の材料および厚みとしてもよく、または他の成膜方法としてもよい。

更に、上記実施の形態では、シャントスイッチ１０，１０Ａ〜１０Ｅの構成を具体的に挙げて説明したが、全ての構成要素を備える必要はなく、また、他の構成要素を更に備えていてもよい。

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ…シャントスイッチ、１１…伝送線路、１２…グランド、１３，１３Ａ〜１３Ｃ…シャント線路、１６…可動電極、１７…グランド線路、２１…基板、２２…絶縁膜、２３…可動部、２４Ａ，２４Ｂ…櫛歯電極

Claims (10)

1. 伝送線路と、グランド電位に設定されたグランド線路と、前記伝送線路および前記グランド線路を電気的に結合するシャント線路とを備え、前記シャント線路が二つ以上並列化され、前記二つ以上のシャント線路の相互間のインピーダンスが前記伝送線路のインピーダンスより高く、
   前記グランド線路は、基板上に設けられ、
   前記伝送線路は、前記基板と一体化された板ばねの上に設けられ、
   前記基板には、前記伝送線路および／または前記グランド線路に対して変位可能な可動部が設けられ、
   前記可動部は、前記伝送線路の中央部に対向して押し込み用突起を有し、
   前記押し込み用突起は、前記可動部の変位に伴って前記板ばねに接触し前記板ばねを変形させることにより、前記伝送線路の中央部を前記グランド線路に接触させる
   シャントスイッチ。
2. 前記シャント線路は、前記伝送線路および／または前記グランド線路に対して変位可能な可動電極と、前記伝送線路の中央部とにより構成されている
   請求項１記載のシャントスイッチ。
3. 前記可動電極は、前記可動部の上に、二つ以上互いに離間して配置され、
   前記二つ以上の可動電極は、前記可動部の表面に設けられた絶縁膜により互いに絶縁されている
   請求項２記載のシャントスイッチ。
4. 前記可動部は、互いに噛み合せられた一対の櫛歯電極に連結されており、前記一対の櫛歯電極の間に発生する静電力により変位可能である
   請求項３記載のシャントスイッチ。
5. 前記可動部が、前記基板の表面に対して水平な方向に変位可能である
   請求項４記載のシャントスイッチ。
6. 前記伝送線路または前記グランド線路は、前記伝送線路と前記グランド線路との接触位置に、接点用突起を有する
   請求項１記載のシャントスイッチ。
7. 前記押し込み用突起は、前記可動電極よりも前記伝送線路側に突出している
   請求項１記載のシャントスイッチ。
8. シャントスイッチを備え、
   前記シャントスイッチは、
   伝送線路と、グランド電位に設定されたグランド線路と、前記伝送線路および前記グランド線路を電気的に結合するシャント線路とを備え、前記シャント線路が二つ以上並列化され、前記二つ以上のシャント線路の相互間のインピーダンスが前記伝送線路のインピーダンスより高く、
   前記グランド線路は、基板上に設けられ、
   前記伝送線路は、前記基板と一体化された板ばねの上に設けられ、
   前記基板には、前記伝送線路および／または前記グランド線路に対して変位可能な可動部が設けられ、
   前記可動部は、前記伝送線路の中央部に対向して押し込み用突起を有し、
   前記押し込み用突起は、前記可動部の変位に伴って前記板ばねに接触し前記板ばねを変形させることにより、前記伝送線路の中央部を前記グランド線路に接触させる
   半導体デバイス。
9. シャントスイッチを有する半導体デバイスを備え、
   前記シャントスイッチは、
   伝送線路と、グランド電位に設定されたグランド線路と、前記伝送線路および前記グランド線路を電気的に結合するシャント線路とを備え、前記シャント線路が二つ以上並列化され、前記二つ以上のシャント線路の相互間のインピーダンスが前記伝送線路のインピーダンスより高く、
   前記グランド線路は、基板上に設けられ、
   前記伝送線路は、前記基板と一体化された板ばねの上に設けられ、
   前記基板には、前記伝送線路および／または前記グランド線路に対して変位可能な可動部が設けられ、
   前記可動部は、前記伝送線路の中央部に対向して押し込み用突起を有し、
   前記押し込み用突起は、前記可動部の変位に伴って前記板ばねに接触し前記板ばねを変形させることにより、前記伝送線路の中央部を前記グランド線路に接触させる
   モジュール。
10. シャントスイッチを有する半導体デバイスを備え、
    前記シャントスイッチは、
    伝送線路と、グランド電位に設定されたグランド線路と、前記伝送線路および前記グランド線路を電気的に結合するシャント線路とを備え、前記シャント線路が二つ以上並列化され、前記二つ以上のシャント線路の相互間のインピーダンスが前記伝送線路のインピーダンスより高く、
    前記グランド線路は、基板上に設けられ、
    前記伝送線路は、前記基板と一体化された板ばねの上に設けられ、
    前記基板には、前記伝送線路および／または前記グランド線路に対して変位可能な可動部が設けられ、
    前記可動部は、前記伝送線路の中央部に対向して押し込み用突起を有し、
    前記押し込み用突起は、前記可動部の変位に伴って前記板ばねに接触し前記板ばねを変形させることにより、前記伝送線路の中央部を前記グランド線路に接触させる
    電子機器。

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