以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
図1は、MEMSスイッチ100の概略構成を示す図である。
MEMSスイッチ100は、所謂高周波スイッチ(RFスイッチ)の1つであり、圧電アクチュエータによって機械的にスイッチングを行う装置である。
図1に示すように、MEMSスイッチ100は、第1駆動部SP1と、第1信号線14と、接触端子15と、第1グランド(第1GND)16と、第2駆動部SP2と、第2信号線24と、第2グランド(第2GND)26と、を含んで構成される。第1駆動部SP1は、第1駆動素子11と、第1駆動回路12と、第1ビーム13(梁)とを含んで構成される。また、第2駆動部SP2は、第2駆動素子21と、第2駆動回路22と、第2ビーム23(梁)とを含んで構成される。また、MEMSスイッチ100を構成する上述の要素は、例えば筐体等の固定部材PKによって覆われた状態とされる。なお、第1駆動素子11及び第2駆動素子21は、圧電素子(圧電駆動素子)である。なお、固定部材の材料としては、Siなどを用いることもできる。
第1信号線14及び第2信号線24はそれぞれCu等の導体から構成される。また、接触端子15は、例えばAuやRu等の導体から構成される。MEMSスイッチ100では、外部からの入力信号を第1信号線14及び第2信号線24を介して導き、第2信号線24から出力信号として外部へ出力する。第1信号線14と第2信号線24との間は、接触端子15により接続及び切断が切り換えられる。
接触端子15が、第1信号線14に固定されている場合は、接触端子15が第2信号線24に対して接触することで、第1信号線14と第2信号線24との間が電気的に接続(ON)され、接触端子15が第2信号線24から離間することで、第1信号線14と第2信号線24との間が電気的に切断(OFF)される。接触端子15は、第1信号線14ではなく、第2信号線24に固定することもできる。
なお、第1信号線14と第1GND16とは、電磁気学的な影響が生じる程度に近接配置されており、所定の特性インピーダンスを有する高周波線路が形成される。また、第2信号線24と第2GND26とは、電磁気学的な影響が生じる程度に近接配置されており、所定の特性インピーダンスを有する高周波用の高周波線路が形成される。第1GND16と、第2GND26とは、電気的に接続されており、同電位に固定されていることが好ましい。これらのグランドは、第1信号線14と第2信号線24と共に高周波線路、例えばコプレーナ導波路(CPW:Coplanar Waveguide)を構成する。なお、第1信号線14と第1GND16との間には容量C1が介在し、第2信号線24と第2GND26との間には容量C2が介在する。
接触端子15による第1信号線14と第2信号線24との間の接続及び切断の切り替えは、第1信号線14、接触端子15及び第2信号線24のうちの一部の物理的な移動によって行われる。第1駆動部SP1は、第1駆動素子11によって、第1ビーム13を変形させ、第1信号線14に接触端子15が固定されている場合には、これら双方を移動させる機能を有している。
第2駆動部SP2は、第2駆動素子21によって、第2ビーム23を変形させることができるので、第2ビーム23に固定された第2信号線24は、必要に応じて、接触端子15の方向へ移動したり、離間することができる。なお、第2ビーム23を変形する必要が無い場合には、第2駆動素子21には第2駆動回路22から駆動信号は与えられず、第2ビーム23の変形が不要である場合は、第2駆動回路22は無くてもよい。
第1駆動部SP1では、制御回路CONTからの信号に基づいて第1駆動回路12からの電圧印加により、第1駆動素子11が変形する。第1ビーム13(第1可撓性部材13)は、可撓性を有する部材により構成され第1駆動素子11の変形に伴って変形する。
同様に、第2駆動部SP2では、制御回路CONTからの信号に基づいて第2駆動回路22からの電圧印加により、第2駆動素子21が変形する。第2ビーム23(第2可撓性部材23)は、可撓性を有する部材により構成され第2駆動素子21の変形に伴って変形する。
図2は、圧電駆動素子の構成について説明する概略断面図である。
以下では、XYZ三次元直交座標系を設定する。図1に示した第1ビーム13の厚み方向をZ軸方向とし、長手方向をX軸方向として、Z軸及びX軸の双方に垂直な幅方向をY軸方向とする。
図2に示すように、第1駆動部SP1の第1駆動素子11は、Pt等の下部電極層11a、圧電体材料層11b、及びPtなどの上部電極層11cをZ方向に積層配置した構成を有する。この第1駆動素子11の下部電極層11aと上部電極層11cとの間に所定の電圧を印加することにより、圧電体材料層11bの厚さが増加し、面内寸法が減少する(面内方向では縮む)。圧電体の分極と、同一の方向に正の直流電圧を印加すると圧電素子は伸び、逆に負の直流電圧をかけると縮む。したがって、電圧の向き制御することで、圧電素子の面内方向の伸縮を制御することができる。
第1駆動素子11が、圧電素子である場合の材料について、補足説明する。
圧電体の材料としては、電気機械結合係数が大きく、伝搬損失およびパワーフロー角が小さく、遅延時間温度係数が小さい材料が好ましい。例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸バリウム(BaTiO3)などが好適である。各層の形成には、従来公知の成膜方法を適宜用いることができ、例えば、蒸着法、スパッタリング法、化学的気相成長(CVD)法、プラズマアシスト気相成膜(PCVD)法、めっき等を用いることができる。その他、圧電体の材料としては、ニオブ酸カリウムナトリウム(KNN)、ニオブ酸カリウム(KNbO3)、チタン酸ビスマスナトリウム(BNT)、窒化アルミ(AlN)、酸化亜鉛(ZnO)、ビスマス鉄酸化物(例えば、BiFeO3)、チタン酸鉛(PbTiO3)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、タンタル酸リチウム(LiTaO3)等を用いることができる。
第1駆動素子11の寸法について説明する。
第1駆動素子11のX軸方向の寸法は200μm(50〜500μm)、Y軸方向の寸法は250μm(50〜500μm)、Z軸方向の寸法は2μm(0.3〜3μm)である。なお、括弧内は、好適範囲を示している。この場合、第1駆動素子11の形態的なバランスが、小型化された圧電型MEMSスイッチに要求される駆動素子の微小変位(サブミクロンから数ミクロン)を制御しやすいものとなるという効果がある。
第2駆動部SP2の第2駆動素子21についても、第1駆動素子11と同様に、下部電極層21a、圧電体材料層21b、及び上部電極層21cを含んで構成される。また、第2駆動素子21の構造、材料及び作用効果は、第1駆動素子11の場合と同一である。さらに、第2駆動素子21のXY平面内の形状は、第2ビーム23のXY平面内の形状と同一であり、これらが固着しているため、第2駆動素子21の変形の通りに、第2ビーム23は変形する。
図3は、第1ビーム13及び第2ビーム23の周辺構造を説明する概略構造図である。
本実施形態に係るMEMSスイッチ100では、第1ビーム13及び第2ビーム23はそれぞれX軸方向に延びる平板状の可撓性部材であり、長手方向がX軸方向に沿って整列し、同一のXY平面内に配置されている。第1ビーム13の−X方向の一端側及び第2ビーム23の+X方向の一端側がそれぞれ固定部材PKに対して固定されていて、第1ビーム13及び第2ビーム23において、互いに対向する先端部分は、自由端とされている。すなわち、第1ビーム13及び第2ビーム23は所謂片持ち梁構造を有する。
第1ビーム13には第1信号線14が取り付けられていると共に、第2ビーム23には第2信号線24が取り付けられている。第1信号線14及び第2信号線24は、それぞれ第1ビーム13及び第2ビーム23の延在方向(X軸方向)に沿って配置されている。また、第1ビーム13における自由端側の端部には接触端子15が取り付けられる。接触端子15は、第1信号線14と接続しているが、これらは一体化させることができる。
接触端子15は、第1ビーム13から接続する本体部15a(接触端子本体)と、本体部15aから突出する接点部15bとを含んで構成される。接点部15bは、本体部15aにおいて、第2信号線24と対向する位置に設けられる。接触端子15は、導体により構成されて、第1駆動素子11及び第2駆動素子21が駆動していない状態では、接触端子15は、本体部15aにおいて第1信号線14に対して接続する側の端部とは逆側の端部に設けられ、第2信号線24側へ突出する接点部15bが第2信号線24に対して離間した状態に配置される。なお、接触端子15の接点部15bは、接触端子15の本体部15aと同一の材料であってもよいし、本体部15aとは別の材料であってもよい。
第1駆動素子11は、第1ビーム13に固着しているため、第1駆動素子11の変形の通りに、第1ビーム13は変形する。また、第2駆動素子21は、第2ビーム23と固着しているため、第2駆動素子21の変形の通りに、第2ビーム23は変形する。
第1駆動素子11に対して電圧を印加することによって、第1駆動素子11が電圧に連動して変形すると、第1ビーム13が変形し、接点部15bが、例えば、下方へ移動する。同様に、必要に応じて、第2駆動素子21に対して、電圧を印加することによって、第2駆動素子21が電圧に連動して変形すると、第2ビーム23が変形する。第1ビーム13の変形および/または第2駆動素子21による第2ビーム23の変形により、接点部15bが第2ビーム上の第2信号線24と接触する。これにより、接触端子15を介して第1信号線14と第2信号線24との間が電気的に接続される。なお、第1駆動素子11と第2駆動素子21に逆方向の駆動電圧を印加すれば、互いに逆方向に湾曲して移動するため、個々の素子においては、接触に必要なストロークを小さくし、スイッチングスピードを増加させることもできる。
なお、接触端子15による第1信号線14と第2信号線24との間の接続及び切断の切り替えができる構成であれば、第1駆動部SP1及び第2駆動部SP2の構成は特に限定されない。例えば、第1駆動部SP1及び第2駆動部SP2の一方は駆動回路を備えず、駆動素子の圧電駆動によってビームが移動しない(すなわち、固定部材PKに対して固定される)構成であってもよい。この場合であっても、一方側のビームの変形によって、第1信号線14、第2信号線24、及び接触端子15の位置関係を変更することによって、接触端子15による第1信号線14と第2信号線24との間の接続及び切断の切り替えを実現することができる。
第1ビーム13及び第2ビーム23の材料について、補足説明する。
第1ビーム13及び第2ビーム23の材料は特に限定はされないが、歪応力曲線において線形性を示す材料、すなわち弾性を有する材料が好ましい。例えば、Fe−Ni−Cr合金、Cu−Sn−P合金などの金属間化合物や、単結晶Si等を適宜用いることができる。なかでも単結晶Siは、歪応力曲線において広い線形領域を有するため、特に好適に用いることができる。第1ビーム13及び第2ビーム23の材質は、上述のように、可撓性を有する材料から適宜選択することができるが、上述の材料の他に、SiNx(窒化シリコン)、Al2O3(アルミナ)、TiNx(窒化チタン)、SiO2(酸化ケイ素)、AlN(窒化アルミ)、多結晶Si、アモルファスシリコン、ダイアモンド、DLC(ダイヤモンドライクカーボン)等を用いることができる。好適には、SiNxを用いることができる。
第1ビーム13及び第2ビーム23の寸法について説明する。
第1ビーム13のX軸方向の寸法は250μm(50〜500μm)、Y軸方向の寸法は250μm(50〜500μm)、Z軸方向の寸法は3μm(0.5〜5μm)である。なお、括弧内は、好適範囲を示している。この場合、第1ビーム13の形態的なバランスが、小型化された圧電型MEMSスイッチに要求されるビームの微小変位(サブミクロンから数ミクロン)を制御しやすいものとなるという効果がある。また、第1ビーム13のXY平面内の形状は、偏向可能な可動領域(固定部材PKに固定された部分よりも先端側の領域)に関しては、概ね長方形であるが、この可動領域の形状としては、例えば、半円形、フォーク状形状、三角形が考えられる。
図4は、MEMSスイッチの斜視図である。
上述の固定部材PKは、対向する凹部を有する第1部材PK(1)と第2部材PK(2)からなる筐体パッケージである。上述のビーム13及びビーム23は、これを含む基板13Kの一部であり、基板13Kの周辺領域は、第1部材PK(1)と第2部材PK(2)によって挟まれている。
入力信号INを入力側の電極パッドB3を介して、MEMSスイッチ100に入力すると、内部の接触端子によって第1信号線と第2信号線が導通している場合は、出力側の電極パッドB1から出力信号OUTが出力される。MEMSスイッチ100の内部の接触端子の位置によって、第1信号線と第2信号線が切断されている場合には、入力信号INは、出力側の電極パッドB1からは取り出されない。
上述の第1GND16に電気的に接続された第1電極パッドBGND1、第2GND26に電気的に接続された第2電極パッドBGND2は、互いに接続用の電極パターンEP1によって電気的に接続され、これらのグランド電極は同電位に設定されている。なお、接続用の電極パターンEP1は、パッケージの外表面上に設けることとしたが、これはパッケージの内部に設けてよい。
図5は、図4に示したMEMSスイッチの縦断面構成(V−V矢印断面)を示す図である。図11は、図7に示した駆動部を、B−B矢印で一部破断した駆動部周辺の縦断面構成を示す図であり、図5の構造の詳細な例を示し、図14は、図7に示した駆動部を、E−E矢印で一部破断した駆動部周辺の縦断面構成を示す図である。本例においては、接触端子15は、第1信号線14と一体化している。なお、図5は、原理的な構造を示す図であり、実際の構造例は、図10〜図15に示す通りである。
図5及び図11を参照すると、第1駆動素子11は、第1ビーム13の下面に固着されており、第2駆動素子21は、第2ビーム23の下面に固着されている。実際には、圧電素子を構成する第1駆動素子11の周辺部は、下部の第2部材PK(2)と、第1ビーム13(基板13K)との間に挟まれて、支持されている(図10〜図15参照)。同様に、圧電素子を構成する第2駆動素子21の周辺部は、下部の第2部材PK(2)と、第2ビーム23との間に挟まれて、支持されている(図11参照)。なお、図5の原理的な構造図に示すように、これらの周辺部を固定しない構造を採用することも可能である。
第1駆動素子11には、第1駆動回路12によって、駆動電圧が与えられる。具体的には、第1駆動素子11の下部電極層11aと上部電極層11cとの間に所定の電圧が印加される。接触端子15は、第1信号線14に連続・固定されており、電気的に接続されている。所定の電圧の印加により、第1ビーム13がXZ平面内において撓み、接触端子15が上下方向に移動し、接触端子15が第2信号線24に接触した場合には、第1信号線14と第2信号線24とが電気的に接続される。
なお、第1駆動素子11の上部電極層11cは、第1部材PK(1)に設けられた貫通孔を介して、バンプ又は電極パッド(図示せず)に電気的に接続されている。
第2駆動素子21には、第2駆動回路22によって、駆動電圧を与えてもよい。具体的には、第2駆動素子21の下部電極層21aと上部電極層21cとの間に所定の電圧を印加してもよい。この所定の電圧の印加により、第2ビーム23がXZ平面内において撓み、第2信号線24の先端部分が、接触端子15の方向へ移動した場合には、接触端子15と第2信号線24とが接触し、第1信号線14と第2信号線24とが電気的に接続される。
なお、第2駆動素子21の上部電極層21cは、第1部材PK(1)に設けられた貫通孔を介して、バンプ又は電極パッド(図示せず)に電気的に接続されている。第1駆動回路と第2駆動回路と駆動素子との接続には、各種の方法が可能である。また、駆動回路は、パッケージ内に配置することとしてもよく、駆動素子の一方の電極層はグランド電位に固定することができる。
ここで、第1信号線14の接触端子側の端部を第1端子とし、第2信号線24の第1信号線側の端部を第2端子とすると、このMEMSスイッチは、それぞれの端子に固定して設けられ、これらのZ軸方向に移動速度を減衰させるダンパー要素を備えている。なお、この固定は、一体化して連続している場合の意味を含む。
図5においては、第1ダンパー要素DAMP1が示されている。第1信号線14に連続する接触端子の本体部15aは、Z軸方向に沿って、第1信号線14から立設して立設部を構成し、そのZ軸方向端は、XY平面と平行になるように折れ曲がっている。本体部15aのXY平面内に広がる層と、同一平面内には、同一材料からなる第1薄膜領域F1が、離間部を介して位置している。なお、離間部があるため、接触端子の本体部15aと、第1薄膜領域F1とは、電気的に分離されている(図14参照)。また、接触端子の本体部15a及び第1薄膜領域F1を覆うように、SiNxなどの絶縁膜からなる補強支持膜S1が設けられている。なお、図13は、図7に示した駆動部を、D−D矢印で一部破断した駆動部周辺の縦断面構成を示す図であり、補強支持膜S1は、第1信号線14の幅方向の一端部から立設した立設部RG1を有しており、立設部RG1の上端部は平坦な薄膜状の補強支持膜S1としてXY平面内に広がっている。平坦な薄膜状の補強支持膜S1の下面には、第1薄膜領域F1が固定されている。
なお、第2ダンパー要素の構造は、第1ダンパー要素の構造と同様であり、これらのダンパー要素の構造の詳細については、図7以降で後述する。
図6は、図5に示したMEMSスイッチにおける基板の平面図(図5のVI−VI矢印方向に見た平面図)である。なお、この図では、ダンパー要素を省略し、便宜上、接触端子15を簡略化して、図6上に重ねて図示する。
第1ビーム13及び第2ビーム23は、これらを含む基板13Kの一部であり、基板13Kの2点鎖線Pの外側領域(周辺領域)は、上述の第1部材PK(1)と第2部材PK(2)によって挟まれている。
第1ビーム13上には、第1信号線14が設けられ、第2ビーム23上には、第2信号線24が設けられているが、それぞれの信号線は、先端部に向かうほど、幅が細くなっている。第1ビーム13と第2ビーム23の先端部間には、ギャップとなる空間GAPが介在しており、この空間GAPを横断するように、接触端子15が延びている。
第1ビーム13上に固定されたグランド電極である第1GND16は、第1グランド電極パッドBGND1に電気的に接続され、第2ビーム23上に固定されたグランド電極である第2GND26は、第2グランド電極パッドBGND2に電気的に接続されている。
第1GND16の平面形状は、扇形であり、第2GND26の平面形状も、同一形状の扇形であり、ビーム先端部間の空間GAPの重心を中心として、これらは点対称に配置されている。したがって、第1GND16の外側の円弧の含む仮想的な円の軌道上に、第2GND26の外側の円弧が重なる。この仮想的な円の内側の領域が、基板13Kにおいて実効的に撓むビームの領域であり、この領域内の厚みは、領域外の厚みよりも薄くしてもよい。
また、第1ビーム13と第2ビーム23も、ビーム先端部間の空間GAPの重心を中心として、これらは点対称に配置されている。同様に、第1信号線14と第2信号線24も、ビーム先端部間の空間GAPの重心を中心として、これらは点対称に配置されている。
上述の空間GAPのY軸方向の両端部からは、XY平面内において、これに連続するギャップとしての空間GAP1及び空間GAP2が、互いに逆方向に延びている。一方の空間GAP1は、第1信号線14の一方の側面と平行に延びており、また、扇型の第2GND26の径方向の辺とも平行に延びており、これらの側面と辺によって挟まれている。他方の空間GAP2は、第2信号線24の一方の側面と平行に延びており、また、扇型の第1GND16の径方向の辺とも平行に延びており、これらの側面と辺によって挟まれている。
このMEMSスイッチ100においては、第1ビーム13と、第1ビーム13に設けられた第1信号線14と、第1ビーム13に設けられ、第1信号線14に隣接する第1グランド電極(第1GND16)と、第1ビーム13に対してギャップ(GAP、GAP1,GAP2)を介して隣接した第2ビーム23と、第2ビーム23に設けられた第2信号線24と、第2ビーム23に設けられ、第2信号線24に隣接する第2グランド電極(第2GND26)と、を備えている。
そして、このスイッチは、少なくとも第1ビーム13を変形させる第1駆動素子を備えており、接触端子15は、第1信号線14及び第2信号線24のいずれか一方に固定され、第1ビーム13の変形に伴って、第1信号線14と第2信号線24との間の接続を行っている。
このMEMSスイッチ100によれば、第1信号線14と第1GND16は、同一の第1ビーム13に設けられているので、第1駆動素子によって第1ビーム13を変位させても、相対位置が変化せず、第1信号線14の特性インピーダンスの変化を抑制できる。
同様に、第2信号線24と第2GND26は、同一の第2ビーム23に設けられているので、第2駆動素子によって第2ビーム23を変位させても、相対位置が変化せず、第2信号線24の特性インピーダンスの変化を抑制できる。
また、第1ビーム13と第2ビーム23は、いずれも信号線とグランド電極を備えているため、物理的な特性が一致しやすく、したがって、温度変化に伴う構成要素の特性やスイッチング用の接触端子15の位置の変化を相殺して軽減することが可能である。したがって、MEMSスイッチ100は、温度変化及びビームの撓みに対して、高い耐性を有することとなり、高品質な信号伝達をすることができる。
なお、コプレーナ導波路構造に関して、上述のMEMSスイッチにおいては、図6に示すように、第1ビーム13上には、第1信号線14及び第1GND16(グランド電極)が設けられ、第2ビーム23上には、第2信号線24及び第2GND26(グランド電極)が設けられ、第2GND26は、第1の隙間W1を介して、第1信号線14に隣接するまで延びており、第1信号線14は、第1GND16と第2GND26とにより挟まれように位置することで、第1のコプレーナ導波路を構成し、第1GND16は、第2の隙間W2を介して、第2信号線24に隣接するまで延びており、第2信号線24は、第2GND26と第1GND16とにより挟まれように位置することで、第2のコプレーナ導波路を構成している。
コプレーナ導波路は、信号を伝送する信号線及びグランド電極が、誘電体基板上の同一平面上に位置する伝送線路であり、信号線とグランド電極との隙間が一定となるように設定されており、電磁界分布が同軸線路と似ているため、電磁波の漏れが少ないことが知られている。また、コプレーナ導波路は、線路の幅や隙間を調整することで、位相定数や特性インピーダンスを広範囲に調整することができるという利点もある。また、これらのグランド電極は、ダンパー要素を構成するキャパシタの一方の電極を構成しており、上述のように、電磁波の漏れを低減させ、接触端子近傍の電位を安定させることができる。
また、このMEMSスイッチ100においては、第1ビーム13と、第2ビーム23とは、平面視において、点対称に配置されている。これらのビームが点対称に配置されている場合、その変位動作も点対称になるため、これらのビームの温度変位量と撓み動作が同じようになる。したがって、温度変化と撓み動作の相違に伴う接触端子15による接触位置のバラつきを抑制し、信号伝達品質の劣化を抑制することができる。
図7は、ダンパー要素を含む駆動部の平面図(XY平面)である。
第1ダンパー要素DAMP1の平面形状は、概ね扇型であり、第1ダンパー要素DAMP1の主要部は、第2GND(電極)26の上方に位置している。第2ダンパー要素DAMP2の平面形状も、概ね扇型であり、第2ダンパー要素DAMP2の主要部は、第1GND(電極)16の上方に位置している。
図8は、図7に示した駆動部のA−A矢印を通るMEMSスイッチの縦断面構成の概要を示す図である。また、図10は、図7に示した駆動部を、A−A矢印で一部破断した駆動部周辺の縦断面構成を示す斜視図であり、図8の構造の詳細な例を示している。 図15は、図7に示した駆動部を、F−F矢印で一部破断した駆動部周辺の縦断面構成を示す図である。
図8、図10及び図15を参照すると、第2ダンパー要素DAMP2が示されている。第2信号線24の幅方向の一方の端部からは、第1ダンパー要素の場合と同様に、Z軸方向に沿って、補強支持膜S2が立設して立設部RG2を構成し(図15参照)、このZ軸方向端は、XY平面と平行になるように折れ曲がって、XY平面内において広がっている。立設部RG2の上端部は平坦な薄膜状の補強支持膜S2としてXY平面内に広がり、平坦な薄膜状の補強支持膜S2の下面には、第2ダンパー要素側の第1薄膜領域F2が固定されている。換言すれば、第2信号線24の端部近傍、第2ダンパー要素側の第1薄膜領域F2を覆うように、SiNxなどの絶縁膜からなる補強支持膜S2が設けられている。
ここで、第2ダンパー要素側の第1薄膜領域F2と第1GND16とは、キャパシタを構成しており、これらの間には、気体(窒素など)が介在しており、エアギャップAGが構成されている。なお、上述のように、第1GND16は、グランドに接続されている。
更に、第2ダンパー要素側の第1薄膜領域F2に対向する位置の第1GND16上に、ストッパーP1が設けられている。MEMSスイッチにおいては、第1薄膜領域と、グランド電極(第1GND16(第2薄膜領域))との間の最短距離を制限するストッパーP1を、第1及び第2薄膜領域の少なくともいずれか一方に設けることができる。
ストッパーがある場合、第1薄膜領域及び第2薄膜領域が導電体であった場合においても、これらがショートしないため、設計の自由度が高くなる。特に、第1薄膜領域及び第2薄膜領域を導電体とすると、上記に加えて、静電容量を用いた駆動力制御を行う構成も可能となる。また、ストッパーを用いることで、タンパー要素のストローク制御ができるため、OFFにする際のスイッチング速度を増加させることができる。また、ストッパーにより、ダンパー要素を構成する第1薄膜領域と第2薄膜領域の接触による固着も抑制することができる。
また、第2ダンパー要素DAMP2は、気体を誘電体とするキャパシタを構成しており、キャパシタを構成する一対の電極間には、電圧を印加可能な配線WXが接続され、当該配線WXと第1静電駆動回路SCONT1が接続されている。
この場合、第2ダンパー要素DAMP2を構成するキャパシタの電極間に、第2静電駆動回路を介して、電圧を印加することで、キャパシタの静電容量を用いた駆動力制御を行うことができる。第2ダンパー要素DAMP2は、図5の第2信号線24に固定されているため、このキャパシタの電極間距離を調整することで、接触端子15と第2信号線24との距離を調整することができるからである。これらの電極は、上述の第1及び第2薄膜領域から構成することができる。
なお、図10及び図11を参照すると、第2部材PK(2)は、円筒形状の開口部を有しており、この開口部の開口端面上に第1駆動素子11及び第2駆動素子12の周辺部が配置され、この上に、基板13Kが形成されている。したがって、第1駆動素子11及び第2駆動素子21の周辺領域において、基板13K及びこの上に形成される各種配線(16,14,26,24)は、段差を有している。
図9は、図7に示した駆動部のC−C矢印を通るMEMSスイッチの縦断面構成の概要を示す図である。図12は、図7に示した駆動部を、C−C矢印で一部破断した駆動部周辺の縦断面構成を示す図であり、図9の構造の詳細な例を示している。
第1ダンパー要素側の第1薄膜領域F1と第2GND26とは、キャパシタを構成しており、これらの間には、気体(窒素など)が介在しており、エアギャップAGが構成されている。なお、上述のように、第2GND26は、グランドに接続されている。
更に、第1ダンパー要素側の第1薄膜領域F1に対向する位置の第2GND26上に、ストッパーP2が設けられている。MEMSスイッチにおいては、第1薄膜領域と、グランド電極(第2GND26(第2薄膜領域))との間の最短距離を制限するストッパーP2を、第1及び第2薄膜領域の少なくともいずれか一方に設けることができる。
ストッパーがある場合、第1薄膜領域及び第2薄膜領域が導電体であった場合においても、これらがショートしないため、設計の自由度が高くなる。特に、第1薄膜領域及び第2薄膜領域を導電体とすると、上記に加えて、静電容量を用いた駆動力制御を行う構成も可能となる。また、ストッパーを用いることで、タンパー要素のストローク制御ができるため、OFFにする際のスイッチング速度を増加させることができる。また、ストッパーにより、ダンパー要素を構成する第1薄膜領域と第2薄膜領域の接触による固着も抑制することができる。
また、第1ダンパー要素DAMP1は、気体を誘電体とするキャパシタを構成しており、キャパシタを構成する一対の電極間には、電圧を印加可能な配線WYが接続され、当該配線WYと第2静電駆動回路SCONT2が接続されている。
この場合、第2ダンパー要素DAMP2を構成するキャパシタの電極間に、第2静電駆動回路SCONT2を介して、電圧を印加することで、キャパシタの静電容量を用いた駆動力制御を行うことができる。第1ダンパー要素DAMP1は、図5の第1信号線14(第1端子)に固定されているため、このキャパシタの電極間距離を調整することで、接触端子15に力を与え、接触端子15と第2信号線24との間の距離を調整することができるからである。これらの電極は、上述の第1及び第2薄膜領域から構成することもできる。
以上、説明したように、上述のMEMSスイッチは、圧電素子により、変位可能な第1端子(第1信号線14の端部)と、第1端子に対向し、第1端子と導通可能な位置に配置された第2端子(第2信号線24の端部)と、第1及び第2端子の一方に設けられた接触端子15と、第1端子の移動速度を減衰させるダンパー要素DAMP1(第1端子の第2端子に対する相対移動速度は第2ダンパー要素DAMP2によっても減少する)と、を備え、ダンパー要素DAMP1は、第1端子に固定された第1薄膜領域F1と、第1薄膜領域F1の移動方向(Z軸方向)の延長線上に位置する第2薄膜領域(第2GND26)と、第1薄膜領域F1と第2薄膜領域(第2GND26)との間に介在する気体と、を備え、平面視において、ダンパー要素DAMP1は、圧電素子(第1駆動素子11)及び接触端子15の双方から離れる方向に広がっている(図6及び図7参照)。
このMEMSスイッチは、第1端子に固定されたダンパー要素を備えているので、圧電素子を駆動して第1端子を変位させる場合に、第1及び第2薄膜領域間に気体を備えたダンパー要素が機能し、当該気体の運動が抵抗となって、接触端子と第2端子とが接触する際に生じるバウンドを抑制することができる。すなわち、ダンパー要素は、圧電素子及び接触端子の双方から離れる方向に広がっているので、スイッチON時において、気体を圧縮する際の反作用が、第1薄膜領域にかかる。第1薄膜領域は、その立設部を介して、第1端子に固定されているので、第1端子の移動速度を減衰させることができる。かかる構造により、圧電素子に印加する駆動電圧を大きく増加させないでも、接触端子のバウンドを抑制することができるため、安定したON状態になるまでの期間を短縮することができる。
従来、バウンドする時間は圧電素子への駆動電圧が6Vの場合、40μsほどあったが、本構造の場合、4μsに短縮することができた。また、圧電素子への駆動電圧を増加させると、消費電力は増加するが、バウンドする時間を更に短くすることができる。
また、第1薄膜領域と、第2薄膜領域との間の最短距離を制限するストッパーを、前記第1及び第2薄膜領域の少なくともいずれか一方に設けているので、第1薄膜領域及び第2薄膜領域が導電体であった場合においても、これらがショートしないため、設計の自由度が高くなる。
また、ダンパー要素は、前記気体を誘電体とするキャパシタを構成しており、キャパシタを構成する一対の電極間には、電圧を印加可能な配線が接続されている。ダンパー要素を構成するキャパシタの電極間に電圧を印加することで、キャパシタの静電容量を用いた駆動力制御を行うことができる。圧電素子への駆動電圧の印加と同時に、静電駆動回路からダンパー要素からなるキャパシタに電圧を印加した場合、上記バウンドの時間は、さらに大きく短縮することができる。
このキャパシタを構成する一方の前記電極(第1薄膜領域F1)は、接触端子の本体部15aとは、離間部を介して、離間しており、電気的に絶縁されているが(図14参照)、他方の電極(第2グランドGND26又は第1グランドGND16(第2薄膜領域))は、グランド電位に固定されており、グランド電位に固定された他方の電極により、接触端子近傍の電位の揺らぎを抑制することができる。なお、離間部の構成材料は、電気的な絶縁体であればよく、絶縁性補強材料である補強支持膜S1の他、空気などの気体によっても構成することができる。また、グランド電位と電源電位を用いることにより、圧電素子に印加する電圧を大きくすることができ、結果としてスイッチングスピードが増加する。なお、入力側の第1信号線の基準電位をグランド電位として、この上に、信号を乗せることも可能である。以上のようにグランド電位を用いた場合には、高周波特性が向上し、小型化が可能になる。
小型化が可能な素子は、共振周波数が高くなるため、スイッチングの動作を更に向上させることができる。
また、ダンパー要素を有する第2薄膜領域がバネ性を有することで、撓むことができると、ダンパー要素の減衰機能を増加させることができる。
なお、ダンパー要素の面積は、圧電素子の平面視における面積の30〜100%であることを特徴とする。この場合、十分にダンバー要素の減衰機能を発揮することができる。
図16は、本実施形態に係るMEMSスイッチが適用される電子機器の一例の概略構成図である。
図16に示す電子機器200は、無線通信を行う電子機器であり、ハウジングHに収容された複数のMEMSスイッチ100と、複数のMEMSスイッチ100に対してそれぞれ直列に接続されたフィルタ102と、アンテナ103と、スイッチ104と、処理回路105と、入力装置106と、ディスプレイ107と、制御回路CONTと、を含んで構成される。
アンテナ103からは、変調された高周波信号(RF信号)が入力される。電子機器200では、制御回路CONTからの制御によって複数のMEMSスイッチ100におけるON/OFFが切り替えられる。例えば、アンテナに含まれる複数の周波数帯域の信号から、単一の周波数帯域の信号を選択することができる。アンテナ103により受信された入力信号は、必要に応じて、アンプで増幅された後、ON状態が選択されたMEMSスイッチ100、及び、当該MEMSスイッチ100に接続されたフィルタ102を通り、スイッチ104を経て処理回路105に入力し、処理回路105において入力信号に係る処理が行われる。それぞれのフィルタ102は、通過帯域の異なる周波数フィルタであり、選択された周波数の信号が、処理回路105に入力されることとなる。
処理回路105は、変調されていた入力信号を復調し、復調された信号から、文字又は画像情報を抽出し、制御回路CONTは、処理回路105から得られた文字又は画像情報をディスプレイ107上に表示することができる。なお、アンテナ103への入力信号は、映像信号又は音声信号とすることもできる。
また、入力装置106からユーザにより入力される情報が、制御回路CONTに対して送られて制御回路CONTによる複数のMEMSスイッチ100の制御に反映されると共に、処理回路105による処理の結果等が制御回路CONTを介して、ディスプレイ107に対して出力されて、ユーザに通知される。なお、電子機器は、携帯電子機器とすることができる。
本実施形態に係るMEMSスイッチ100は、上述したように、第1駆動素子11及び第2駆動素子21の圧電駆動により、接点部15bと第2信号線24との接触及び離間が繰り返されることにより、第2信号線24と接触端子15との接続及び切断が繰り返される。
上記MEMSスイッチを用いた電子機器は、MEMSスイッチ100と、アンテナ103と、アンテナ103にMEMSスイッチ100を介して接続された周波数フィルタ102とを備えている。この電子機器は、MEMSスイッチが高品質な信号伝達を行うため、誤動作が少ないなどの高性能な動作をすることができる。また、この電子機器は、MEMSスイッチが消費電力を低減しつつ、安定したON状態になるまでの期間を短縮することができるので、低消費電力で高速のスイッチングが可能となる。
なお、アンテナ103は、MEMSスイッチ100への信号入力を行う信号入力素子であり、周波数フィルタ102はMEMSスイッチ100からの出力信号を処理する信号処理素子である。信号入力素子としては、例えば、実験システムにおける信号発生器を適用することもできるし、信号処理素子としては、周波数逓倍器やAD変換器などを適用することも可能である。
上述のMEMSスイッチにおいて、ビームが容易に変形し、スイッチングをスムーズに行うことができるためには、ビームを薄層化する必要がある。CVDやスパッタ等の薄膜成膜工程で薄膜を作成するほかに、薄層化処理には、バックグラインド処理(裏面研削処理)が挙げられるが、かかる処理には、グラインド(研削)の他、ポリッシュ(研磨)やエッチングなどの方法が考えられる。
上述の構造によれば、MEMS自体の変形(スイッチング、製造時反り、熱応力反り)によらず、安定したCPW形成が可能で、RF性能の高性能化、安定化(バラつき減少)が可能である。また、複数のスイッチを並べることができるため、マルチチャンネル化を行うこともできる。
本発明の他の実施形態として、コールドスイッチ化されたMEMSスイッチがある。
オーミック接触式のMEMSスイッチは機械的なスイッチであるため、OFF時においては可動接点が端子と完全に離間してリーク電流が生じないことから、高品質なスイッチングが可能と期待されている。その一方、MEMSスイッチの接点信頼性が経時的に劣化する可能性が指摘されている。これは、接点の開閉遷移時(接触遷移時および離間遷移時)に接点にかかる電圧によって、所謂ホットスイッチングが生じ、接点が劣化すると予想するものである。これを回避するために、別回路を設け、接点開閉時にMEMSスイッチに電圧がかからないようにしてコールドスイッチ化する方法が提案されている。
しかし、別回路を用意することは、システムの複雑化、大型化、消費電力増につながるという不具合がある。本発明の実施形態によれば、機構的な工夫だけで接点の開閉遷移時をコールドスイッチ化し、本発明のMEMSスイッチの接点信頼性を高めることができる。以下、このMEMSスイッチの実施形態を説明する。
本実施形態のMEMSスイッチは、端子部分にシャント(shunt)用の接点を設けることにより、シリーズ・シャント(series−shunt)スイッチ化されたMEMSスイッチである。最初に、図17の模式図によってシリーズ・シャントスイッチ化されたMEMSスイッチの機能を説明する。第1駆動素子11を駆動する(第1ビーム13(図5参照)を下方に移動させる)と、第1端子15と、第2信号線24の先端に位置する第2端子24Aとが接触し、電極パッドB3側のPort1と、例えば入力信号INが入力される入力側の電極パッドB1とが電気的に導通状態となり、MEMSスイッチはON状態となる。なお、図18は、シリーズ・シャントスイッチ化されたMEMSスイッチにおける基板の平面図である。同図に示すように、第2信号線24の先端部には、可撓性の第3端子25が設けられている。第3端子25の構造は、第1端子15の構造と同一である。
ここで、第2駆動素子21を駆動する(第2ビーム23(図5参照)を下方に移動させる)と、第2信号線24の先端部に設けられた第3端子25と、第1GND16(配線)の先端に位置する第4端子16A(図17)とが接触状態となり、同時に、MEMSスイッチの機構により、第1端子15と第2端子24Aとは離間し、第1GND16側のPort2(BGND1)と、入力信号INが入力される入力側の電極パッドB1とが電気的に導通した状態でシャントされ、MEMSスイッチはOFF状態になる。
このように、MEMSスイッチは、シリーズ・シャントスイッチとなり、OFF時のアイソレーション性能が向上する。
本実施形態のMEMSスイッチは、第1駆動部SP1および第2駆動部SP2からなり、第1駆動部SP1は、第1駆動素子11により変位可能な第1端子15(series)と、第1端子15からスイッチ外部のPort1(電極パッドB3)に延伸した第1信号線14と、Port2と共用となっている第1GND16と、第2駆動部SP2上に延伸した第1ダンパー要素DAMP1とを有する。第2駆動部SP2は、第2駆動素子21により変位可能で第1端子15と平面視で重なっている第2端子24Aと、第1GND16の一部と平面視で重なっている第3端子25と、第2端子24Aおよび第3端子25からスイッチ外部からの入力信号INが入力されるポート(電極パッドB1)に延伸した第2信号線24とを備え、第2GND26と、第1駆動部SP1上に延伸した第2ダンパー要素DAMP2とを有している。
第1ダンパー要素DAMP1と第2GND26との間には気体が介在し、第1端子15の移動速度を減衰させる。また、第2ダンパー要素DAMP2と第1GND16との間にも気体が介在し、第2端子24A及び第3端子25の移動速度を減衰させる。
本実施形態のMEMSスイッチは、第1及び第2ダンパー要素を有し、ダンピングを調節することにより、接触遷移時間より離間遷移時間を長くすることが可能である。このように調整されたMEMSスイッチでは、遷移時において、第1端子15と第2端子25Aとの間、および、第3端子25と第1GND16(第4端子16A)との間の両方が導通した状態が存在する。MEMSスイッチの遷移時に、この状態が存在することにより、MEMSスイッチの遷移は常にコールドスイッチ状態で生じる。このため、遷移時に接点において過度な電圧がかからず、接点の高信頼性化に寄与する。本実施形態のMEMSスイッチは、アクティブな接触−離間動作により、低電圧駆動かつ高信頼性、高速度動作が可能である。
さらに、第1駆動素子11の駆動時に第1ダンパー要素DAMP1に電圧(圧電素子と同じが回路的に望ましい)を加えることにより、第1ダンパー要素DAMP1と第2GND26の間に静電引力が発生し、圧電―静電ハイブリッド駆動により接触力が増大する。また、第2駆動素子21の駆動時に第2ダンパー要素DAMP2に電圧を加えることにより、離間力が増大する。これにより、本実施形態のMEMSスイッチは、さらなる低電圧駆動かつ高信頼性、高速度動作が容易になる。このとき、第1ダンパー要素DAMP1あるいは第2ダンパー要素DAMP2に加えられる電圧は、第1駆動素子11および第2駆動素子21と同じであることが回路機能の上は好ましい。
第1ダンパー要素DAMP1が導電性の場合には、導電性薄膜からなる第2GND26との間に、必要に応じてストッパーや誘電層を設けてもよい。また、第2ダンパー要素DAMP2と第1GND16との間についても同様である。