JP6042984B2 - 切り替え可能なコンデンサ - Google Patents

Description

[0001] この開示は全般的に、切り替え可能なコンデンサに、そして、詳細には、マイクロ波伝送線の入力セクションと出力セクションとの間でマイクロ波信号を選択的にカップリング又はデカップリングするために用いる切り替え可能なコンデンサに関する。

[0002] 周知のように、時々、マイクロ波伝送線の入力セクションと出力セクションとの間にスイッチを提供することは望ましい。この機能を実行するためのデバイスとして、無線周波数（ＲＦ）微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチがある。この既存のタイプのスイッチは、基板上で離間された２つの導電ポストを有する基板を典型的に有する。このスイッチは、電気的に分離されてこれらのポストの底部部分の間に配置された、基板上の導電部（例えば、切り替え可能なコンデンサの底部電極）を有している切り替え可能なコンデンサを含む。底部電極は、固体の誘電材料の層によって、カバーされる。可撓性で導電性の膜（メンブレン）（例えば、切り替え可能なコンデンサの上部電極）が、これらのポストの頂部に電気的に接続された端部を有して、これらのポストの頂部の間を延在する。その結果、可撓性の導電性メンブレンの中心部が底部電極の上方につるされる。マイクロ波伝送線の入力セクションが、第１および第２の電極の一方に結合され、伝送線上の出力セクションが、伝送線の他の一つに結合される。

[0003] ＲＦ信号は、入力セクションに典型的に適用されて、出力セクションへスイッチを介して容量結合される。より詳しくは、スイッチは、頂部電極と底部電極との間に結合されて第１の電極と第２の電極との間（すなわち、底部電極と頂部電極との間）に切り替え可能な静電力を発生する切り替え可能な電圧源を備える。切り替え可能な静電力は、切り替え可能なバイアス電圧源によって発生される電圧に従って選択的に、第１の電極と第２の電極との間の間隔を変えて、それ故、スイッチの静電容量を切替える。

[0004] より詳しくは、切り替え可能な電圧源により発生される電圧がない場合（すなわち、作動解除状態又は非作動状態において）、第２の可撓性の電極は、低静電容量状態で、第１の電極及び固体誘電層の双方より上に間隔を置かれる。スイッチを作動させるために、切り替え可能な電圧源は、第１および第２の電極の間に接続される。このバイアス電圧が、第１および第２の電極上に静電電荷を作り出し、および該電荷が第１および第２の電極を互いに静電的に引き付けさせる。この引力は、第１の電極の方へ下方に第２の可撓性の電極の中心部を移動させて、固体誘電層の頂部に接触させる。これは、スイッチの作動位置または高静電容量状態である。

[0005] スイッチのこの作動状態において、第１および第２の電極間の間隔は、作動解除状態においてよりも小さい。従って、作動状態で、第１および第２の電極間の容量性カップリングは、作動解除状態においてよりも有意に大きい。従って、作動状態で、第１および第２の電極の一方を通って進んでいるＲＦ信号が、第１および第２の電極の他方に沿って進んでいる信号に、実質的に完全に容量結合される。

[0006] スイッチを作動解除するために、ＤＣバイアス電圧は、オフにされる。それから、第２の可撓性の電極の固有の復元力によってその元々の位置に戻る。これはスイッチの作動解除状態を表す。第１および第２の電極間の容量性カップリングは作動解除状態において遥かに低いので、第１および第２の電極の一方を通って進んでいるＲＦ信号は、第１および第２の電極の他方に沿って進んでいる信号に対する容量結合をほとんど又は全く経験しない。

[0007] ある応用で、ハイパワー・アプリケーションに関し第２の可撓性の電極の高いプルダウン（引き下げ）電圧が望ましいと、発明者は、認めた。何故なら、プルダウン電圧が低すぎる場合、望ましくない効果で、ＲＦマイクロ波信号自体がスイッチを起動させてしまい得るからである。従来のＲＦ ＭＥＭＳスイッチのプルダウン電圧が増加される場合、これは、ＭＥＭＳスイッチが閉じられているときの（すなわち、活性化状態における）固体誘電体内の電界強度を増加させる。これは、固体誘電破壊または固体誘電体の過剰帯電を生じさせ得る。固体誘電体の過剰帯電は、ＤＣバイアス電圧がオフにされてスイッチが非活性化状態に戻るべき後でさえ、可撓性メンブレンに下方位置または閉位置のままでいさせ得る第２の可撓性の電極の「スティクション」をもたらし得る。

[0008] 本開示によれば、切り替え可能なコンデンサは、固体の誘電体と、一対の電極であり、当該電極のうちの第１の電極は、その上に前記固体の誘電体を備え、当該電極のうちの第２の可撓性の電極は、当該切り替え可能なコンデンサが非活性化状態にあるとき、前記固体の誘電体の上に懸架される、一対の電極と、前記固体の誘電体と前記第２の可撓性の電極との間に配置され、基準電位に接続されている上部プレートと、を有する。上部プレートは基準電位に結合される。切り替え可能なコンデンサが活性化状態に静電的に駆動されるとき、前記電極のうちの第２の可撓性の電極が前記上部プレートと接触し、当該切り替え可能なコンデンサが前記非活性化状態に戻されるとき、前記上部プレート上の電荷が前記基準電位へと放電される。

[0009] ある態様では、スイッチは、固体の誘電体と、一対の電極であり、当該電極のうちの第１の電極は、その上に前記固体誘電体を備え、当該電極のうちの第２の可撓性の電極は、当該スイッチが非活性化状態にあるとき、前記誘電体の上に懸架される、一対の電極と、前記誘電体と前記第２の可撓性の電極との間に配置され、基準電位に接続されているアパーチャ上部プレートまたは抵抗プレートと、前記第１の電極と前記第２の電極との間に結合されて、コンデンサを活性化状態と前記非活性化状態との間で静電的に駆動するために第１の電極と第２の電極との間に切り替え可能な静電力を生成する、切り替え可能な電源と、を有する。上部プレートまたは抵抗プレートは、固体の誘電体がそれを介して露出される複数の穴を有して形成される。切り替え可能コンデンサが活性化状態に静電的に駆動されるとき、前記電極のうちの第２の電極が上部プレートと接触する。これが発生するとき、上部プレートおよび第２の電極は等ポテンシャルであり、かくして、静電力がそれらの間に存在しない。静電力は、上部プレートのアパーチャを通じて上部プレートと底部電極の間に残る。頂部電極に適用される力は、印加電圧及びアパーチャの組み合わせ面積の関数である。ここでの利点は、上部プレートの下にトラップされた電荷が上部プレートによって遮蔽されて、可撓性の第２の電極の起動電圧への影響を有しないことである。活性化される間に、上部プレートがアパーチャであるところで固体の誘電体が電荷をトラップするとしても、これは最小限であり、第２の電極を抑えつけるのに十分でない。第２の電極の解放に応じて、上部プレートの下の固体の誘電体内に残存する電荷は上部プレートで終端し、故に、第２の電極は、固体の誘電体内の電荷を見ることなく、上部プレートの電位のみを見ることになる。切り替え可能なコンデンサが非活性化状態に戻されるときに、上部プレートの非開口部分と基準電位との間に放電経路が供されて、上部プレート上の電荷が取り除かれる。

[0010] ある態様によるスイッチングシステムは、基板と、入力セクション及び出力セクションを備えたマイクロ波伝送線と、前記基板上に配置された切り替え可能なコンデンサであって、かかるコンデンサが、固体の誘電体と、一対の電極であり、当該電極のうちの第１の電極は、その上に前記誘電体を備え、当該電極のうちの第２の可撓性の電極は、当該切り替え可能なコンデンサが非活性化状態にあるとき、前記固体の誘電体の上に懸架され、当該コンデンサが活性化状態に切り替えられたとき、電極のうちの第２の可撓性の電極が第１の電極の方へ静電的に駆動される、一対の電極と、前記固体の誘電体と第２の可撓性の電極との間に配置され、基準電位に接続された上部プレートと、を有する切り替え可能なコンデンサと、前記第１の電極と前記第２の電極との間に結合されて、前記コンデンサを活性化状態と非活性化状態との間で静電的に駆動するために第１の電極と第２の電極との間に切り替え可能な静電力を生成する、切り替え可能な電圧源と、を有する。この電圧源は、活性化電圧と低い非活性化電圧との間で切り替える。切り替え可能なコンデンサが活性化状態に静電的に駆動されるとき、入力セクション上のマイクロ波エネルギーが、切り替え可能なコンデンサを介して出力セクションに結合され、電極のうちの第２の電極が、上部プレートに接触され、電極のうちの第２の電極の電荷が、切り替え可能な電圧源の活性化電圧よりも低い電圧まで放電され、それにより固体誘電体層にかかる電圧を制限する。

[0011] 実施形態において、上部プレートは抵抗であり、回路は抵抗上部プレートを加熱するために提供される。
[0012] 一実施形態において、回路は、抵抗上部プレートを備える。

[0013] 本開示の一つ以上の実施形態の詳細は、添付の図面および下記の説明に記載される。開示の他の特徴、目的および利点は、説明および図面から、そして、請求項から明らかである。

[0014] 図１は、本開示によるスイッチングシステムの上面図である、 [0015] 図２Ａは、本開示によれる図１のスイッチングシステムの断面図表のスケッチである、 [0016] 図２Ｂは、図１のスイッチングシステムのスイッチで使用する上部プレートの上面図である、 [0017] 図２Ｃは、図１が開いているか非活性化状態のスイッチングシステムのブロック線図である、 [0018] 図２Ｄは、閉または活性化状態の図１のスイッチングシステムのブロック線図である、 [0019] 図３は、スイッチングシステムが非活性化状態であるような本開示の別の実施形態によるスイッチングシステムである図１のスイッチングシステム断面図のスケッチである。 [0020] 図３Ａは、活性化状態の図３のスイッチングシステムの断面図表のスケッチである。 [0021] 図３Ｂは、図３Ａに示される活性化状態のスイッチを有するスイッチングシステムで図３Ａの拡大でより詳細な断面図のスケッチである、 [0022] 図４は、開示の他の実施形態に一致するスイッチングシステムの断面図のスケッチである。

[0023] 種々の図面の同様なリファレンスシンボルは、同じエレメントを示す。
[0024] 次いで、図１および２Ａを参照すると、スイッチングシステム１０は、絶縁基板１２と、マイクロ波伝送線１４とを有し、例えば、マイクロ波伝送線は、ここでは上面である基板１２の一方の表面上のストリップ導体回路１６と、基板１２の反対表面（すなわち、背面）上の接地面導体１８とを有する。例えば、接地面導体１８がストリップ導体回路１６と同じ表面にあるコプラナー導波路（ＣＰＷ）のような他のタイプのマイクロ波伝送線が用いられることが可能であることを理解すべきである。いずれにせよ、マイクロ波伝送線１４の伝送線１４の入力セクション１９のストリップ導体回路１６は一対の導電性の垂直に伸びているポスト（柱）のうちの一方２２に接続し、マイクロ波伝送線１４の出力セクション２０のストリップ導体回路１６は一対の導電性の垂直に伸びている柱のうちの他方２４に接続している。

[0025] スイッチングシステム１０は、基板１２上に配置されている切り替え可能なコンデンサ２６を備える。コンデンサ２６は、例えば、窒化ケイ素である固体誘電体２８と、一対の電極３０、３２とを含んでおり、電極のうちの第１のもの３０は、接地面１８に接地されるとともに、その上に誘電体２８を有し、図２Aおよび２Bに示したように、スイッチングシステム１０（すなわち、スイッチングコンデンサ２６）が非活性化状態にあるとき、電極のうちの第２の可撓性のもの３２は、導電ポスト２２，２４によって、誘電体２８の上で空気により懸架され、スイッチングシステム１０（すなわち、スイッチングコンデンサ２６）が、図２Ｄに示すように、活性化状態に切り替えられるとき、電極のうちの第２の可撓性のもの３２は第１の電極３０の方へ下方に静電的に駆動される。

[0026] 上部プレート４０（図２Ｂ）が、誘電体２８と第２の可撓性の電極３２との間で誘電体２８（図２Ａ）上に配置されている。上部プレート４０は、レジスタ（抵抗）５０を介して基準電位に接続しており（図１および２Ａ）、ここでは接地されている。上部プレート４０は導電材料（例えば金）でもよいかまたは抵抗性材料（後述するように例えば酸化スズ）でもよく、図２Ｂに示すように、その中に形成されるアパーチャ４１の配列を有する。
上部プレートが存在しないと、可撓性電極３２が誘電体２８の上の全域全体の親密接触にすることができないので、上部プレート４０の使用はスイッチの静電容量を増加させる。より詳しくは、可撓性の電極３２のいくつかの部分に関し、作動位置の最大静電容量の減少に結果としてなる可撓性の電極３２と誘電体２８の間の小さいエアギャップが存在することがありえる。このＲＦ ＭＥＭＳ回路１０の副次的な利点は、上部プレート４０と誘電体２８との間の親密接触による、スイッチが閉じられたときのＭＥＭＳ静電容量の予想される増加である。

[0027] ここで、例えば、可撓性電極３２は、厚さ.１〜１μｍのオーダーのアルミニウムであり、上部プレート４０は、０．０１乃至１μｍの厚みを有しているアルミニウムまたはＴｉＷであり、底部電極３０は厚さ０．１〜１μｍであり、誘電体２８は厚さ０．１〜０．５μｍ窒化ケイ素である。図２Ｄに示される活性化状態にあるとき、可撓性電極３２との上部プレート４０の接触面積５７は１０ｘ１０から＞５００ｘ５００のレンジにある。典型的に、それは約１００ｘ１００である。アパーチャ４１は、矩形または、方形又は円形とし得る。可撓性の電極３２を支持している２つの端上のポスト２２、２４間の分離は、例えば、幅又は長さ約５０乃至５００μｍの間でもよいかまたはより大きくてもよく、典型的には約３００μｍとし得る。上部プレート４０のアパーチャ４１は、直径１―２５μｍ、５―２５μｍのスペースで間隔が置かれる。

[0028] バイアス電圧源４２は、示すように、第２の電極３２とグランドとの間に、レジスタ４４で結合される切り替え可能なバイアス電圧源である。切り替え可能な電圧源４２は、正、負またはａｃ電圧源のいずれかでありえる。この実施形態において、切り替え可能であるかパルス化された電圧源４２は、その出力４３でグランドと正電圧との間で切り替わり、それにより、図２Ｄに示される活性化状態（ソース４２がグランドに対して正の電位を出力４３に発生するとき）と、図２Ｃに示される非活性化状態（すなわち、電圧源４２が出力４３でグランド電圧を発生するとき）との間で静電的にスイッチ１０（すなわち、切り替え可能なコンデンサ２６）を駆動するために、第１の電極３０と第２の電極３２の間に切り替え可能な静電力を発生する。（パルス化された電圧源４２を伝送線から分離（アイソレート）するために標準習慣に従って、入力セクション１９および／または出力セクション２０と直列の図示しないｄｃ阻止コンデンサが用いられて、提供されることに注意されたい。）

[0029] 切り替え可能なコンデンサ２６が非活性化状態である（すなわち、第２の電極３２が図２Ｂ又は２Ｃに示すように上部プレート４０から離隔される）とき、入力セクション１９上のマイクロ波エネルギーはスイッチ１０を通じて出力セクション２０にカップリングされる。他方、切り替え可能なコンデンサ２６が図２Ｄで示す活性化状態であるとき、入力セクション１９上のマイクロ波エネルギーは出力セクション２０からデカップリングされ、接地された第１の電極３０を通じてグランドにパスする。切り替え可能なコンデンサが活性化状態に駆動されるとき、電極のうちの第２の可撓性の電極が上部プレートと接触する。そして、切り替え可能なコンデンサが非活性化状態に戻されるときに、上部プレート４０上の電荷が上部プレート４０から基準電位へと放電される。

[0030] より詳しくは、誘電体２８上に配置されている上部プレート４０は基準電位（ここでは接地電位）に高い値のレジスタ５０で接続される。上部プレート４０に接続されるレジスタ５０の抵抗は、第２の可撓性の電極３２と上部プレート４０との間でかなりのＲＦまたは直流電流が基準電位（ここでは接地電位）へと流れることを防止するのに十分な高さである。例えば１メガオームといった、レジスタ５０のこの高い値の抵抗は、スイッチが作動するときに、上部プレート４０を第２の可撓性の電極３２に融着させる可能性のあるアーク流が上部プレート４０と第２の可撓性の電極３２の間にないことを保証する。誘電体２８上の上部プレート４０は、良好な導体、例えば金またはアルミニウム、または抵抗性材料（例えば、酸窒化チタン）でもよい。上部プレート４０に関し抵抗性材料の使用は、第２の可撓性の電極３２が上部プレート４０と接触させられるときの電気アークによる不具合の確率を更に低減させる。

[0031] 図２Ｃを次に参照すると、頂部電極３２が十分に正の電圧をまず最初に受信する（すなわち、ソース４２からの電圧がグランドに対して正になる）ときに、アパーチャ４１が存在するところを除く上部プレート４０（すなわち、上部プレートの非開口部分）と電極３２との間に、静電界５３が生じる。アパーチャ４１が存在するところでは、静電界５４が電極対３０、３２の間に生じる。静電界５４は静電界５３よりも大きい大きさを有し、双方の静電界が、頂部可撓性メンブレンが上部プレート４０の非開口部分と接触するまで、電極３２を下方に電極３０に向かわせる。

[0032] この初めの作動の後、ソース４２によって発生される電圧は、まだ高い。注意されたいことには、電極３２と上部プレート４０の非開口部分すなわち接触部分５７との間の静電界５３（図２Ｃ）は、これらが接触すると存在しないが、静電界５４は、電極対３０、３２の間に残存しており、電極対３０、３２の間の距離が小さくなっているので、静電界５４は大きさ的にも大きく増加している。これらの静電界５４は、切換構造２６を作動状態に保つことを担う。電極対３０、３２間の接触は為されず、このことにより電荷移送が制限される。この時点で、上部プレート４０の非開口部分および電極３２は等電位である。すべての電圧が、大きいレジスタ５０および４４で降下され、それにより、電極３２上の電荷が維持され、そしてそれにより、電界５４が維持される。

[0033] 電圧源４２がその出力４３にグランドを発生するように切替えられるとき、電界５４（図２Ｄ）が除去される。上部プレート４０を用いることによって、充電電界５４が存在した面積を最小化することにより、誘電体２８内に残る残留電荷が最小化される。充分な静電力なしで、図２Ｃに示すように、電極３２がその以前の上方位置に戻る。レジスタ５０を介してグランドに結合された上部プレート４０はまた、誘電体内の残留電荷のフォールド線を上部電極４０で終端させることにより、差動電圧の変化を防止し、故に、上部プレート４０の電圧は、トラップされた電荷によって影響されず、そして、より重要なことには、上部プレート４０と可撓性電極３２との間のフィールド５３及び静電力は、上部プレート４０の下の誘電体層２８内のトラップ電荷によって影響を受けない。

[0034] 図２Ｄを再度参照して、スイッチが活性化状態にあるとき、電流がソース４３から、レジスタ４４を通り、可撓性の電極３２を通り、上部プレート４０を通り、レジスタ５０を通って、グランドに戻る点に注意されたい。上部プレート４０とグランドとの間の電圧は、出力４３における電圧に、レジスタ５０の抵抗値とレジスタ４３の抵抗値との和に対するレジスタ５０の抵抗値比率Ｒを乗じたものに等しい。第２の可撓性の電極３２が上がり、誘電体２８の頂部上の上部プレート４０と接触していない限り、第２の可撓性の電極３２と誘電体２８との間のエアギャップを挟んで、及び第２の可撓性の電極と上部プレート４０との間のエアギャップを挟んで、完全な電位が存在し、それにより、スイッチ１０を閉じるために最大の力が及ぼされる。

[0035] より詳しくは、スイッチ１０が閉じられているとき、すなわち、第２の可撓性の電極３２が誘電体２８の上のポイントＰ（図２Ｄ）で上部プレート４０と接触しているとき、誘電体２８での電圧降下は、シャント抵抗５０の大きさの、該シャント抵抗を含むバイアス回路の抵抗の総量（すなわち、レジスタ４４の抵抗とレジスタ５０の抵抗との和）に対する比Ｒに比例する。かくして、ｄｃ回路は分圧器を提供し、レジスタ５０のシャント抵抗がより低いほど、誘電体２８への印加電圧はより低い。例えば、シャント抵抗５０の大きさが第２の可撓性の電極のバイアス回路６０の抵抗４４の大きさに等しい場合、ソース４２の電圧全体がスイッチ１０を閉じるためになおも利用可能でありながら、誘電体にかかる電圧は半分に低減される。第２の可撓性の電極のバイアス６０が適用される限り、誘電体にかかる結果的な電圧が第２の可撓性の電極３２を押さえつけるのに十分であることが必要である。誘電体２８の蓄積電荷から生じるスティクションによるスイッチ故障がこの開示により除去されたにもかかわらず、誘電体２８にかかる電圧を低減させることは、誘電破壊によって生じる故障までの平均時間を増やすという更なる有利さを提供する。

[0036] 可撓性の電極３２がアップ位置に戻るとき（すなわち、パルスが取り除かれるとき）、上部プレート４０から大きいレジスタ５０を通ってグランドへの放電経路が、上部プレート４０上の電荷を取り除く。我々は次の“オン”パルスの前に上部プレート４０がグランドまで放電されることを望むので、これは重要である。さもなければ、電極３２と上部プレート４０間の静電界５３は、上部プレート４０より上にエアギャップにおいて、低減させられる。この電界は、上部プレート４０の電位と可撓性の電極３２の電位との差に比例する。この電圧（すなわち、電位）差が活性化開始時に最大であることが望ましい。何故なら、活性化開始時には、電界を低減させるこれら２つの電極４０、３２間の隔たりが最大だからである（すなわち、電界は、この電位差をエアギャップ間隔で割ったものである）。

[0037] 可撓性の電極３２がアップ位置すなわち非活性化状態に戻るとき（すなわち、パルスが取り除かれるとき）、上部プレート４０から大きいレジスタ５０を通ってグランドへの放電経路はまた、固体誘電体２８内の電荷を取り除く点にも注意されたい。しかしながら、上部プレート４０の下の電荷は、それが上部プレート４０によって静電的に遮蔽（スクリーン）されるので、あまり重要でない。誘電体２８内のこの電荷は、上部プレート４０の誘電体接触面上の電荷によって相殺され、如何なるネット（正味）電界も、上部プレート４０の下の誘電体２８内の電荷によっては、上部プレート４０の上のエアギャップ内に延在しない。上部プレート４０より上のエアギャップの電界は、常に可撓性の電極３２と上部プレート４０の間の電位差によって決定される。重要であることは、上部プレート４０のアパーチャ４１の下の誘電体２８上の電荷がエアギャップ・フィールド、したがって可撓性の電極３２上の力に影響を与えるということであり、すなわち、これらのエアギャップ領域には、上部プレート４０による静電遮蔽が存在しないか、最小限しかないということである。レジスタ５０による上部プレート４０とグランドとの間の放電経路は、この電荷を放出する傾向があり、これは、アパーチャの固体誘電体が除去されない場合に重要である。電荷が誘電体２８の表面を横切って及び誘電体２８の体積を通ってゆっくりと移動するとき、上部プレート４０のアパーチャを電荷の収集箇所として見ることができる。

[0038] レジスタ５０の抵抗の値とレジスタ４４の抵抗の値との合計に対するレジスタ５０の抵抗の値の比率（Ｒ）は、システムの他のパラメータに依存する。より詳しくは、誘電体２８にかかる電圧が非常に低いことを望む場合、比率Ｒは低いべきであり、または０．７と０．３の間にあるべきである。パルス信号が可撓性電極３２にどれだけ早く現れるかを決定するスイッチ１０の「抵抗」（「抵抗」は抵抗43の抵抗値である）に静電容量を掛けた（ＲＣ）時定数が、どれだけ大きい抵抗が可撓性電極３２に接続されるかを決定し得る。典型的に、レジスタ４４のこの抵抗は、充電時定数を満足するように十分な小さいべきであるが、パルス供給がシステム内で大きい電流スパイクを生じさせることがないように十分に大きいべきである。同様に、上部プレート４０に接続されるレジスタ５０は、上部プレート４０がどれほど速く放電するか（そのＲＣ時定数に等しい）を決定する。思い出してほしいことには、上部プレート４０は次の“オン”パルスの前までに放電されるべきである。一方で、レジスタ４４はいくら小さくしてもしすぎるということはない、または、上部プレート４０と接触した後の可撓性の電極３２の電圧はメンブレン電極３２を“下”に保持するのに十分に大きくない。異なるシステム・アプリケーションに関して、これらのレジスタ値の最適化は、異なってもよい。

[0039] 入力セクション１９に供給されるＲＦ／マイクロ波信号の観点から、スイッチ１０が活性化状態（図２Ｄ）にあるときに誘電体２８により提供される静電容量は、スイッチ１０が閉じるときに高値シャント抵抗５０を効果的に短絡させ、マイクロ波性能へのレジスタ５０の影響を最小にする。シャント抵抗５０は、スイッチ１０が閉じるときに第２の可撓性の電極３２のバイアス電源４２からのパワー放散を増やす。これは、望ましくないが、ある条件下では、スイッチ寿命が改善され得る場合に価値があり得る。

[0040] 別の言い方をすれば、可撓性の電極３２が下方位置にあるとき、可撓性の電極３２は、レジスタ５０の抵抗の値とレジスタ４４の抵抗の値との合計に対するレジスタ５０の抵抗の値の比Ｒに依存する電圧まで上部プレート４０を充電する。これは、電極４０の下で誘電体２８を帯電させるが、上部プレート４０の下の電荷は、上部プレート４０によって、静電的に遮蔽されて、したがって電極４０と可撓性の電極３２の間の電界に影響を与えず、このことにより可撓性メンブレン電極３２上の力に影響を及ぼさない。下方位置において、可撓性の電極３２はまた、上部プレート４０のアパーチャ４１（図２Ｂ）の下で、誘電体２８を帯電させる。電圧源４２が可撓性の電極３２を解放するためにグランドに低下されるとき、可撓性の電極３２が上方位置にあるときに、レジスタ５０がレジスタ５４を介して上部プレート４０上の電荷をグランドに放電する。しかしながら、上部プレート４０によって覆われていない誘電体２８の部分（すなわち、アパーチャ４１によって露出された誘電体２８の部分）にある電荷は、直ちに放電されなくて、長期間残ることがありえる。これらの電荷は、電圧源４２がグランドまで低下された後にも可撓性電極３２を下方にとどまらせる、すなわち、上部プレート４０にスティックさせる、あるいは、電圧源４２がグランドから正の値に上昇されるときに可撓性電極３２が下方に来るのを妨げるものである。レジスタ５０を介して接地される上部プレート４０は、これらの誘電体電荷をグランドに放電するためのこれらの電荷用の最終的な経路を提供し、接地された上部プレート４０を持たない（故に、これらの電荷を除去するのに好都合な手法を持たず、標準的なＲＦ ＭＥＭＳの動作寿命を短くし得る）標準的なＲＦ ＭＥＭＳに関してよりも、帯電問題を有意に小さいものにする。更に、可撓性の電極３２がアパーチャ４１を通って誘電体２８と物理的に接触しないように、上部プレートが十分に厚い場合、アパーチャ４１の下の誘電体の蓄積電荷は最小限である。

[0041] 図３および３Ａを参照するに、ここでは、誘電体２８が、上部プレート４０のアパーチャ４１の下に、すなわち、それと位置を合わせられて、アパーチャ８０を備えている。上部プレート４０のアパーチャ４１の下の誘電体２８の部分を除去することによって、結果として生じるエアギャップは、可撓性電極３２が下方位置から解放されるときに電荷を蓄積せず、それ故、可撓性の電極３２をそれが下にあるときに縛り付けるか又はそれがその後に閉じるのを防止するかの何れかである残留電荷がない。これは、誘電体２８の帯電がＲＦ ＭＥＭＳ動作に影響を与えることを完全に排除する。

[0042] 図１に示すように、可撓性の電極３２の穴７８があることを理解すべきである。かくして、上部プレート４０のアパーチャ４１が可撓性の電極３２のアパーチャ７８から、そして、上部プレート４０のアパーチャ４１からオフセットされるべき点に留意する必要がある。これは、閉位置すなわち活性化位置にある図３のスイッチを示す図３Ｂにいっそう明瞭に示される。

[0043] 図４を次に参照すると、スイッチングシステム１０が示されている。ここでは、上部プレート４０は抵抗性であり、この抵抗上部プレート４０を加熱するための回路が設けられている。この回路は、図示のように、グランドとレジスタ５０の間に連結される電圧源９０を含んでおり、上記の如く、レジスタ５０が、ここでは上部プレート４０の一端で、上部プレート４０に接続され、上部プレート４０の反対側の端部に、そしてグランドへと、レジスタ９２が接続されている。ここでは、抵抗性材料からできた誘電体２９上の上部プレート４０を有し、それを第１の電極３０を僅かに加熱するために使用することができ、このことにより、スイッチ１０のパッケージ（図示せず）内に捕獲された水分を、パッケージのいっそう冷たい部分へと移動させ、それにより、水分によって発生される上部プレート４０への第２の可撓性の電極３２のスティクションを更に低減させ得る。このケースに関して、追加抵抗器９２は、電圧源９０により提供される加熱電流に関し、無線周波数（ｒｆ）絶縁（アイソレート）された電流路を提供する。上部プレート４０による下に横たわる誘電体２８の加熱はまた、シャント抵抗５０を介して誘電体２８が放電する速さを上昇させ、それにより第２の可撓性の電極３２のスティクションを抑制する傾向もある。上部プレート４０による誘電体２８の加熱はまた、上部プレート４０のアパーチャ４１領域の下の誘電体電荷が誘電体内を移動してシャント抵抗５０を介して放電することができる速さを上昇させ、それにより可撓性電極３２のスティクションを更に抑制する。

[0044] 抵抗性の上部プレート４０の使用は、第２の可撓性の電極の３２のプルダウン電圧を下げるために、それが上部プレート４０と接触しているときに、すなわち、下方位置すなわち活性化位置にあるときに、第２の可撓性の電極３２の温度を上げるために使用され得る。かかるアプリケーションに関して、プルダウン電圧（すなわち、電源４２により提供される活性化電圧）が、図２Ａにおいてよりも意図的に高く設計されるとともに、抵抗性の上部プレート４０がプルダウン電圧を所望の値へと低下させるために使用され、それによって、プロセスバラつきに起因するプルダウン電圧のバラつきを補償する。このアプローチは、ＲＦ ＭＥＭＳ回路の温度がそれぞれに決定されることができると仮定して、環境またはＲＦ電力放散によりスイッチが加熱するときのプルダウン電圧の自然な低下を補償するために用いることができる。この用途に関して、パッケージ温度が増加するにつれて、電源によって抵抗上部プレート４０に供給される電力は低減され、それによって、一定の第２の可撓性の電極３２温度およびプルダウン電圧を維持する。指摘されるべきことには、加熱される抵抗上部プレート４０に関して挙げた利点は、単にヒーターとしてＭＥＭＳスイッチ１０に隣接して抵抗材料を使用することによっても得られ得るが、熱が変えられたときと第２の可撓性の電極３２が応答するときとの間の時間遅延がより大きいことが予期される。

[0045] さまざまな本発明の特徴を記載し、開示によるスイッチで切り替え可能なコンデンサが以下を備えるとここで認められるべきである：固体の誘電体と、一対の電極であって、スイッチで切り替え可能なコンデンサが非活性化状態にあるとき、電極の第１の方がその上に固体の誘電体を有し、および、電極の第２の可撓性の一方が固体の誘電体において、懸架されていることを特徴とする一対の電極と、固体の誘電体と第２の可撓性の電極の間に配置され、基準電位に接続された上部プレートと、を有し、スイッチで切り替え可能なコンデンサが活性化状態に静電的に駆動されるとき、電極の第２の可撓性の方が上部プレートに接触し、スイッチで切り替え可能なコンデンサが非活性化状態に戻されるとき、上部プレート上の電荷はリファレンス可能性に放出される。スイッチで切り替え可能なコンデンサは、以下の特徴の一つ以上を備えることもありえる：上部プレートはそこにアパーチャを有し、電極の第２の方がそこにアパーチャを有し、上部プレートのアパーチャは、誘電体のアパーチャに合わせられ、電極の第２の方はそこにアパーチャを有し、電極の第２の方のアパーチャが上部プレートのアパーチャからオフセットされ、回路は、上部プレートを備え、上部プレートは抵抗であり、そこにアパーチャを有し、電極の第２の方は、そこにアパーチャを有し、上部プレートのアパーチャからオフセットされる。

[0046] 本開示によるスイッチは、固体の誘電体と、一対の電極であって、スイッチで切り替え可能なコンデンサが非活性化状態にあるとき、該電極の第1の方がその上に前記固体の誘電体を備え、該電極の第2の可撓性の方が前記誘電体の上に懸架されることを特徴とする、一対の電極と、前記誘電体と前記第２の可撓性の電極との間に配置され、基準電位に接続している上部プレートと、活性化状態と非活性化状態との間で静電的にスイッチを静電的に駆動するために第一の電極と第２の電極との間にスイッチで切り替え可能な静電力を生成するために、第一の電極と第２の電極の間に接続されたスイッチで切り替え可能な電源と、を有し、スイッチが活性化状態に静電的に駆動されるとき、電極の第２の方が上部プレートと接触し、スイッチが非活性化状態に戻るとき、上部プレート上の電荷が上部プレートから基準電位まで放電される、ことを特徴とする。

[0047] 本開示によるスイッチングシステムは、基板と、入力セクション及び出力セクションを備えたマイクロ波伝送線と、基板に配置されたスイッチで切り替え可能なコンデンサであって、かかるコンデンサが、誘電体と、一対の電極であって、スイッチで切り替え可能なコンデンサが非活性化状態にあるとき、該電極の第1の方がその上に前記誘電体を備え、該電極の第2の可撓性の方が前記誘電体の上に懸架され、コンデンサが活性化状態に切り替えられたとき、電極の第２の可撓性の方が第一の電極の方へ静電的に駆動されることを特徴とする、一対の電極と、誘電体と第２の可撓性の電極との間に配置され、基準電位に接続された上部プレートと、を備えることを特徴とするスイッチで切り替え可能なコンデンサと、活性化状態と非活性化状態との間で静電的にコンデンサを静電的に駆動するために第一の電極と第２の電極との間にスイッチで切り替え可能な静電力を生成するために、第一の電極と第２の電極の間に接続されたスイッチで切り替え可能な電源と、を有し、スイッチで切り替え可能なコンデンサが活性化状態に静電的に駆動されるとき、入力セクション上のマイクロ波エネルギーが、スイッチで切り替え可能なコンデンサを介して出力セクションに結合され、電極の第２の方が、上部プレートに接触され、スイッチで切り替え可能なコンデンサが、非活性化状態に戻るとき、上部プレート上の電荷が基準電位まで放電されることを特徴とする。

[0048] 本開示の多くの実施形態を記載してきたにもかかわらず、さまざまな修正が開示の精神と範囲から逸脱することなくされることができることが理解されよう。したがって、他の実施形態は、以下の請求項の範囲内である。

Claims (19)

1. 切り替え可能なコンデンサであって、
   固体の誘電体と、
   一対の電極であり、当該電極のうちの第１の電極は、その上に前記固体の誘電体を備え、当該電極のうちの第２の可撓性の電極は、当該切り替え可能なコンデンサが非活性化状態にあるとき、前記固体の誘電体の上に懸架される、一対の電極と、
   前記固体の誘電体と前記第２の可撓性の電極との間に配置され、基準電位に接続されている上部プレートであり、その中に複数のアパーチャを有する上部プレートと、
   を有し、
   当該切り替え可能なコンデンサが活性化状態に静電的に駆動されるとき、前記電極のうちの前記第２の可撓性の電極が前記上部プレートと接触し、当該切り替え可能なコンデンサが前記非活性化状態に戻されるとき、前記上部プレート上の電荷が前記基準電位へと放電される、
   切り替え可能なコンデンサ。
2. スイッチであって、
   固体の誘電体と、
   一対の電極であり、当該電極のうちの第１の電極は、その上に前記固体の誘電体を備え、当該電極のうちの第２の可撓性の電極は、当該スイッチが非活性化状態にあるとき、前記誘電体の上に懸架される、一対の電極と、
   前記誘電体と前記第２の可撓性の電極との間に配置され、基準電位に接続されている上部プレートであり、その中に複数のアパーチャを有する上部プレートと、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間に結合されて、当該スイッチを活性化状態と前記非活性化状態との間で静電的に駆動するために前記第１の電極と前記第２の電極との間に切り替え可能な静電力を生成する、切り替え可能な電源と、
   を有し、
   当該スイッチが前記活性化状態に静電的に駆動されるとき、前記電極のうちの前記第２の電極が前記上部プレートと接触し、当該スイッチが前記非活性化状態に戻されるとき、前記上部プレート上の電荷が前記上部プレートから前記基準電位へと放電される、
   スイッチ。
3. 基板と、
   入力セクション及び出力セクションを備えたマイクロ波伝送線と、
   前記基板上に配置された切り替え可能なコンデンサであり、かかるコンデンサが、
   誘電体と、
   一対の電極であり、当該電極のうちの第１の電極は、その上に前記誘電体を備え、当該電極のうちの第２の可撓性の電極は、当該切り替え可能なコンデンサが非活性化状態にあるとき、前記誘電体の上に懸架され、当該コンデンサが活性化状態に切り替えられたとき、当該電極のうちの前記第２の可撓性の電極が前記第１の電極の方へ静電的に駆動される、一対の電極と、
   前記誘電体と前記第２の可撓性の電極との間に配置され、基準電位に接続された上部プレートであり、その中に複数のアパーチャを有する上部プレートと、
   を有する切り替え可能なコンデンサと、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間に結合されて、前記コンデンサを前記活性化状態と前記非活性化状態との間で静電的に駆動するために前記第１の電極と前記第２の電極との間に切り替え可能な静電力を生成する、切り替え可能な電圧源と、
   を有し、
   前記切り替え可能なコンデンサが前記活性化状態に静電的に駆動されるとき、
   前記入力セクション上のマイクロ波エネルギーが、前記切り替え可能なコンデンサを介して前記出力セクションに結合され、且つ
   前記電極のうちの前記第２の電極が、前記上部プレートと接触し、
   前記切り替え可能なコンデンサが前記非活性化状態に戻されるとき、前記上部プレート上の電荷が前記基準電位へと放電される、
   スイッチングシステム。
4. 前記誘電体がその中にアパーチャを有し、前記上部プレート内の前記アパーチャが、前記誘電体内の前記アパーチャと位置合わせされている、請求項１に記載の切り替え可能なコンデンサ。
5. 前記電極のうちの前記第２の電極がその中にアパーチャを有し、前記電極のうちの前記第２の電極内の前記アパーチャが前記上部プレート内のアパーチャからオフセットされている、請求項４に記載の切り替え可能なコンデンサ。
6. 前記上部プレートが抵抗性である請求項２に記載のスイッチ。
7. 前記誘電体がその中にアパーチャを有し、前記上部プレート内の前記アパーチャが、前記誘電体内の前記アパーチャに位置合わせされている、請求項６に記載のスイッチ。
8. 前記電極のうちの前記第２の電極がその中にアパーチャを有し、前記電極のうちの前記第２の電極内の前記アパーチャが前記上部プレート内の前記アパーチャからオフセットされている、請求項７に記載のスイッチ。
9. 前記上部プレートが抵抗性であり、前記上部プレートを加熱するための回路を備えている、請求項２に記載のスイッチ。
10. 前記回路が前記上部プレートを含んでいる、請求項９に記載のスイッチ。
11. 前記上部プレートが抵抗性であり、前記上部プレートを加熱するための回路を備えている、請求項１に記載の切り替え可能なコンデンサ。
12. 前記回路が前記上部プレートを含んでいる、請求項１１に記載の切り替え可能なコンデンサ。
13. 前記上部プレートが抵抗性であり、前記電極のうちの前記第２の電極がその中に、前記上部プレート内の前記アパーチャからオフセットされたアパーチャを有する、請求項１に記載の切り替え可能なコンデンサ。
14. 切り替え可能なコンデンサであって、
    固体の誘電体と、
    一対の電極であり、当該電極のうちの第１の電極は、その上に前記固体の誘電体を備え、当該電極のうちの第２の可撓性の電極は、当該切り替え可能なコンデンサが非活性化状態にあるとき、前記固体の誘電体の上に懸架される、一対の電極と、
    前記固体の誘電体と前記電極のうちの前記第２の電極との間に配置された抵抗上部プレートであり、その中に複数のアパーチャを有する上部プレートと、
    を有し、
    当該切り替え可能なコンデンサが活性化状態に静電的に駆動されるとき、前記電極のうちの前記第２の可撓性の電極が前記上部プレートと接触し、当該切り替え可能なコンデンサが前記非活性化状態に戻されるとき、前記上部プレート上の電荷が基準電位へと放電される、
    切り替え可能なコンデンサ。
15. 前記抵抗上部プレートを加熱するための回路を含む請求項１４に記載の切り替え可能なコンデンサ。
16. 前記回路が前記上部プレートを含んでいる、請求項１５に記載の切り替え可能なコンデンサ。
17. 前記電極のうちの前記第２の電極が前記上部プレートに接触する時点に、前記誘電体にかかる電圧が低下される、請求項１４に記載の切り替え可能なコンデンサ。
18. 前記固体の誘電体がその中にアパーチャを有し、前記上部プレート内の前記アパーチャが、前記固体の誘電体内の前記アパーチャと位置合わせされている、請求項１４に記載の切り替え可能なコンデンサ。
19. 前記電極のうちの前記第２の電極がその中に、前記上部プレート内の前記アパーチャからオフセットされたアパーチャを有する、請求項１８に記載の切り替え可能なコンデンサ。

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