WO2011033728A1 - Ｍｅｍｓスイッチおよびそれを用いた通信装置 - Google Patents

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WO2011033728A1
WO2011033728A1 PCT/JP2010/005268 JP2010005268W WO2011033728A1 WO 2011033728 A1 WO2011033728 A1 WO 2011033728A1 JP 2010005268 W JP2010005268 W JP 2010005268W WO 2011033728 A1 WO2011033728 A1 WO 2011033728A1
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WO
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electrode
contact
mems switch
convex portion
switch according
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PCT/JP2010/005268
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内藤　康幸
ヤン ビスマン
グザビエ ロッテンバーグ
ヘンドリカス・エー・シー ティルマン
Original Assignee
パナソニック株式会社
アイメック
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H59/00—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays
    • H01H59/0009—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays making use of micromechanics
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G5/00—Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture
    • H01G5/16—Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture using variation of distance between electrodes
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01G5/00—Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture
    • H01G5/16—Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture using variation of distance between electrodes
    • H01G5/18—Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture using variation of distance between electrodes due to change in inclination, e.g. by flexing, by spiral wrapping
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    • H01H59/0009—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays making use of micromechanics
    • H01H2059/0072—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays making use of micromechanics with stoppers or protrusions for maintaining a gap, reducing the contact area or for preventing stiction between the movable and the fixed electrode in the attracted position

Definitions

  • the present invention relates to a MEMS switch, which is one of micro electromechanical elements, and a communication apparatus using the MEMS switch.
  • Microelectromechanical devices can perform various functions in many fields such as wireless technology, optical technology, acceleration sensor, and biotechnology. MEMS is particularly suitable for application to devices such as switches and filters for wireless terminals.
  • a high-frequency micro-electromechanical (RF-MEMS) switch manufactured using MEMS technology is promising.
  • the RF-MEMS switch is a switch that moves a minute movable electrode and mechanically switches a signal propagation path.
  • the advantage is excellent high frequency characteristics such as ultra-low insertion loss, high isolation, and linearity.
  • the MEMS switch can be manufactured by a process having good affinity with a semiconductor, the switch can be incorporated in the RF-IC. For these reasons, the development of MEMS switches is expected as a technology that greatly contributes to the miniaturization of the wireless segment.
  • a conventional RF-MEMS switch mechanically switches a signal propagation path by bringing a membrane-like or rod-like movable body having a cantilever structure or a cantilever structure into contact with or away from an electrode.
  • Many conventional RF-MEMS switches use electrostatic force as a driving force source for the movable body.
  • An RF-MEMS switch using electromagnetic force as another driving force source has also been proposed.
  • a series type switch as one type of RF-MEMS switch.
  • a series type RF-MEMS has a movable electrode and a drive electrode.
  • the movable electrode is located on the extension of a signal line through which a high-frequency signal is transmitted, and is a minute length of about several hundred ⁇ m apart from the signal electrode.
  • a simple membrane is formed.
  • the tip of the movable electrode is in an open state.
  • a drive electrode is provided immediately below the portion of the movable electrode where the membrane is not located. When a DC potential is applied to the drive electrode, the movable electrode is attracted to the drive electrode side by electrostatic attraction and is bent, and comes into contact with a signal line that outputs a signal.
  • the signal lines are short-circuited, and the high-frequency signal flows through the movable electrode (that is, is turned on). In a state where no DC potential is applied to the drive electrode, the movable electrode and the signal line are not in contact with each other, and the high-frequency signal is cut off (that is, turned off).
  • FIG. 5 is a top view showing a configuration of an example of a conventional MEMS switch
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing an A-A ′ section in FIG. 5.
  • an insulating layer 509 serving as an interlayer insulating film is provided over a substrate 510, and a driving electrode 502 and a signal electrode 504 serving as a signal transmission path are formed over the insulating layer 509. .
  • a movable electrode 501 having a contact electrode (membrane) 503 supported by a support portion 505 is provided so as to face these electrodes and be separated from these electrodes.
  • the movable electrode 501 is a deformable member and is formed only on one side as viewed from the contact electrode 503 (that is, a cantilever).
  • the switch having this configuration is turned on by applying an electrostatic force between the movable electrode 501 and the drive electrode 502 to bring the contact electrode 503 into electrical contact with the signal electrode 504.
  • Patent Document 1 As another type of switch that is a microelectromechanical element, an electrostatic relay is disclosed in Patent Document 1.
  • the switch described in Patent Document 1 has a configuration in which a movable electrode elastically supported is brought into surface contact with a fixed electrode based on electrostatic force.
  • the movable electrode 501 When the MEMS switch shown in FIG. 5 and FIG. 6 is in the ON state, the movable electrode 501 is bent and is in a state of being substantially in contact with the drive electrode 502. Accordingly, the contact electrode 503 in contact with the signal electrode 504 is tilted due to the curvature of the movable electrode 501 and contacts the signal electrode 504. As a result, there is a problem in that a biased contact force is applied to the contact between the contact electrode 503 and the signal electrode 504, and the contact force is not applied to the entire contact. Further, there may be a floating state in which a part of the contact electrode 503 is not in contact with the signal electrode 504.
  • the contact force acting on the signal electrode 504 is applied from the contact electrode 503 in a direction other than the direction perpendicular to the surface of the signal electrode 504, and the contact force may be dispersed. Further, the contact area is reduced due to the contact electrode and part of the signal electrode not being in contact with each other, which causes an increase in contact resistance.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a MEMS switch capable of forming a highly reliable contact.
  • the present invention includes a first electrode, a second electrode and a third electrode that are opposed to the first electrode and are spaced apart from the first electrode.
  • a MEMS switch capable of forming an electrical contact between the first electrode and the second electrode by electrostatic force generated between the first electrode and the second electrode;
  • a convex portion capable of forming a contact point between the first electrode and the third electrode is provided on one or a plurality of electrodes selected from the first electrode and the third electrode, A gap is formed between the first electrode and the third electrode when an electrical contact is formed between the first electrode and the second electrode;
  • a MEMS switch is provided.
  • a convex portion that can form a contact point between the first electrode and the third electrode is provided on one or a plurality of electrodes selected from the first electrode and the third electrode.
  • the gap between the first electrode and the third electrode A gap is formed. Therefore, even after the first electrode and the second electrode are once in electrical contact, in addition to the spring force of the first electrode, the electrostatic force acting between the first electrode and the third electrode It is possible to maintain a high contact force. As a result, it is possible to realize highly reliable contact formation that realizes low contact resistance and low insertion loss at a low drive voltage.
  • the physical contact area between the first electrode and the third electrode is reduced when the first electrode and the second electrode are in contact with each other. It is possible to avoid a decrease in reliability due to stiction or wear.
  • the MEMS switch of the present invention further includes a fourth electrode formed opposite to the first electrode and spaced from the first electrode.
  • the first electrode, the third electrode, and the fourth electrode It may be possible to form an electrical contact between the first electrode and the second electrode by electrostatic force generated between the first electrode and the second electrode.
  • the convex portion that can form a contact point between the first electrode and the third electrode and / or the fourth electrode has the first electrode, the third electrode, and the fourth electrode.
  • One or more electrodes selected from the electrodes, and when an electrical contact is formed between the first electrode and the second electrode, the first electrode, the third electrode, and A gap is formed between the fourth electrode and / or the fourth electrode. That is, the convex portion may be provided so as to form a gap only between the first electrode and the third electrode, or the first electrode, the third electrode, and the fourth electrode. A gap may be formed between them.
  • the area on which the electrostatic force acts increases, so that a higher contact force can be obtained. Further, when an electrical contact is formed between the first electrode and the second electrode, an electrostatic force acts in a wider area surrounding the contact, so that the contact at the contact becomes more stable.
  • the convex part which can form a contact between the 3rd electrode of the MEMS switch of the present invention (when the 4th electrode is provided, the 3rd electrode and / or the 4th electrode) and the 1st electrode is
  • the contact point can be formed with the floating island electrode formed on the first electrode and formed on the third electrode (the third electrode and / or the fourth electrode when the fourth electrode is provided). It is preferable. Due to the presence of the floating island electrode, the first electrode and the third electrode (when the fourth electrode is provided, the third electrode and / or the fourth electrode) are not at the same potential, and the electrostatic force Can be maintained.
  • the convex portion includes the first electrode and the third electrode (when the fourth electrode is provided, when the electrical contact is formed, 3 and / or the fourth electrode) is preferably formed by selecting the number and position so that they do not directly contact each other.
  • the area of the gap can be increased.
  • the electrostatic capacity increases, and the electrostatic force that contributes to the holding of the electrical contact in the state where the first electrode and the second electrode are in contact with each other. Can be increased.
  • the plurality of convex portions may be provided one by one on the plurality of radiations extending from the electrical contacts.
  • the plurality of protrusions are arranged so that the distances between the plurality of protrusions and the electrical contacts are equal. That is, it is more preferable that the plurality of convex portions be arranged on a circle centered on the electrical contact.
  • the movable electrodes are two-dimensionally arranged, and the movable electrode that is bridged to the region surrounded by the electrical contacts and the convex portions is only the length. Therefore, it has a width, and the amount of spring can be increased.
  • the first electrode and the third electrode in the case where a fourth electrode is provided, the third electrode and / or the fourth electrode are provided). ) Can be ensured while the electrical contacts are being formed.
  • the electrical contact is made from above (that is, the first electrode is connected to the second electrode).
  • the area of the region surrounded by the electrical contact and the convex portion between the first electrode and the second electrode is It is preferable that the number and position of the convex portions be selected so that the area where the electrostatic force acts between the first electrode and the third electrode is 20% or more. The larger the region surrounded by the electrical contact and the convex portion, the greater the electrostatic force that contributes to holding the electrical contact in the state where the first electrode and the second electrode are in contact with each other.
  • the fourth electrode is further provided and a plurality of the convex portions are formed on the first electrode and / or the fourth electrode, the convex portions are similarly formed. Is preferred.
  • the third electrode and the fourth electrode are disposed so as to sandwich the electrical contact when viewed from above. It is preferable that the electrical contacts are arranged symmetrically with respect to the center line. With this configuration, it is possible to apply a uniform contact force with no bias to the entire electrical contact, and avoid the dispersion of the contact force.
  • the first electrode in the electrical contact is located higher than the first electrode in the convex portion.
  • the present invention also provides a communication device having the MEMS switch of the present invention.
  • the communication device of the present invention has high reliability and can be driven with low power due to the high reliability and low insertion loss of the switch.
  • the MEMS switch of the present invention realizes formation of a highly reliable electrical contact that has been difficult to realize in the past.
  • FIG. 2 is a diagram showing a cross section taken along the line A-A ′ in FIG.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing the A-A ′ cross section in FIG.
  • FIG. 1 is a top view showing the configuration of the MEMS switch according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the MEMS element in the OFF state, showing the AA ′ cross section in FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of the MEMS switch in the ON state, showing the AA ′ cross section in FIG.
  • the MEMS switch 100 shown in FIGS. 1 to 3 is a series type.
  • an insulating layer 109 serving as an interlayer insulating film is provided over a substrate 110.
  • a driving electrode 1021 as a third electrode, a driving electrode 1022 as a fourth electrode, and a signal A signal electrode 104 is formed as a second electrode serving as a transmission path.
  • the movable electrode 101 is a deformable member and can also be called a movable part.
  • the movable electrode 101 is provided with a contact electrode 103 that contacts the signal electrode 104 and a convex portion 106 (106A and 106B) that contacts the drive electrodes 1021 and 1022.
  • the driving voltage V d is applied between the movable electrode 101 and the driving electrode 1021 and 1022.
  • an electrostatic force acts and the movable electrode 101 is drawn to the substrate 110 side, and the contact electrode 103 and the signal electrode 104 are in electrical contact.
  • the contact between the contact electrode 103 and the signal electrode 104 is a resistance coupling type by metal contact, the resistance Rc becomes a low value, a signal conduction path is formed, and the signal is transmitted from the signal electrode 104 on the input port side. The signal propagates to the signal electrode 104 on the output port side via the contact electrode 103.
  • the potential of the movable electrode 101 and the potential of the drive electrodes 1021, 1022 are made the same to eliminate the electrostatic force, and the movable electrode 101 returns to the initial position by its own spring force. In this way, the signal propagation path is opened and closed.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the vicinity of the contact when the MEMS switch of the present embodiment is in the ON state, showing the A-A ′ cross section in FIG.
  • the convex portion 106 provided on the movable electrode 101 is in contact with the floating island electrode 1026.
  • the floating island electrode 1026 is a layer made of the same material as the drive electrodes 1021 and 1022 and having the same thickness and is physically and electrically separated by the slit 1020. Due to the presence of the floating island electrode 1026, the movable electrode 101 and the drive electrodes 1021 and 1022 do not have the same potential, and the electrostatic force can be maintained. Further, according to the method of forming the floating island electrode 1026 by the slit 1020, the floating island electrode 1026 can be formed in the same layer as the drive electrodes 1021 and 1022 in one step, so that the manufacturing process can be simplified. It can be realized. Further, by forming the floating island electrode 1026, the convex portion 106 can be formed of the same material as that of the contact electrode 103, and in this respect also, the manufacturing process can be simplified.
  • the spring constant of the movable electrode 101 after the contact is determined by a region bridged between the plurality of convex portions 106 and the contact electrode 103. Since the region becomes narrow, the spring constant is compared with the state of the initial position. growing.
  • the arrangement of the convex portion 106 and the contact electrode 103 is set so that the spring force of the movable electrode 101 after the contact is larger than the electrostatic force so that the movable electrode 101 and the drive electrodes 1021 and 1022 are not contacted by the second pull-in after the contact. With such an arrangement, a gap is formed between the movable electrode 101 and the drive electrodes 1021 and 1022 after contact, and a point contact is made by the convex portion 106. This avoids charging of the contact interface due to direct contact between the movable electrode and the drive electrode, and also makes it possible to avoid a decrease in reliability due to stiction between the movable electrode and the drive electrode.
  • the height of the contact electrode 103 is set higher than the height of the gap so that the contact force due to the spring force acts even after the electrical contact point is formed. That is, when viewed from the substrate 110, the height (or thickness) of the contact electrode 103 is such that the position of the movable electrode 101 provided with the contact electrode is higher than the position of the movable electrode 101 provided with the convex portion. It is preferable to select the height (or thickness) of the convex portion 106. In general, since the thickness of the movable electrode 101 is constant, it is preferable that the height of the contact electrode 103 be larger than the height of the convex portion 106.
  • the length l of the movable electrode 101 is the closest to the x coordinate of the side edge of the movable electrode 101 and the x coordinate of the side edge of the movable electrode 101 among the x coordinates of the side edges of the plurality of convex portions. Note that it refers to the difference between them (ie, the distance in the x direction).
  • the configuration of the present embodiment makes it possible to obtain a high contact force with an electrical contact, thereby reducing the physical contact area between the contact electrode 103 and the signal electrode 104 in the MEMS switch. This makes it possible to avoid a decrease in reliability due to stiction between the contact electrode 103 and the signal electrode 104.
  • the drive electrodes 1021 and 1022 are arranged so as to sandwich the contact electrode 103 therebetween. That is, the drive electrodes 1021 and 1022 are arranged on both sides of the contact electrode 103 when the direction parallel to the signal electrode 104 (vertical direction in the drawing) is the length direction and the direction orthogonal to the drive electrode 1021 and 1022 is the width direction.
  • the drive electrodes 1021 and 1022 are arranged symmetrically with the signal electrode 104 and the contact electrode 103 connecting the signal electrode 104 as the center line. With such an arrangement, it is possible to apply a uniform contact force without bias to the entire contact point between the contact electrode 103 and the signal electrode 104, and avoid the dispersion of the contact force.
  • drive electrodes When two drive electrodes are provided, they may be arranged to be asymmetric if necessary. For example, when the electrical contacts are rectangular when viewed from above, one of the electrical contacts is arranged. Drive electrodes may be provided on the short side and one long side. That is, the two drive electrodes may not form parallel to each other but form an angle.
  • the convex portions 106 are arranged symmetrically with the signal electrode 104 and the contact electrode 103 connecting the same as the center line when viewed from above. Such an arrangement makes the gap formed on both sides of the contact electrode 103 symmetrical, and the same electrostatic force acts on both sides of the contact electrode 103 to apply a uniform contact force without bias to the electrical contacts. It contributes to that.
  • the convex portion 106 may be disposed so as to be asymmetric as necessary, or may be disposed so as to face only one drive electrode.
  • a plurality of convex portions 106 are provided and arranged at different positions so that the distances between the convex portions 106 and the electrical contacts are equal.
  • convex portions 106 that are in contact with the drive electrodes 1021 and 1022 are provided, and each convex portion 106 is disposed on a circle centered on an electrical contact.
  • the distance between the electrical contact and the convex portion refers to the distance between the center of the signal electrode 103 and the convex portion 106 when the electrical contact and the convex portion are in surface contact.
  • the movable electrode 101 that is bridged in the region surrounded by the electrical contacts and the convex portions is supported not only in the x direction but also in the y direction.
  • the spring force of the movable electrode 101 is increased, and the pulling of the movable electrode 101 into the drive electrodes 1021 and 1022 can be avoided. Therefore, a gap between the movable electrode 101 and the drive electrodes 1021 and 1022 can be secured.
  • the convex portion 106 When viewed from above, the convex portion 106 has an electrical contact (in the case of surface contact, the surface contact (signal electrode 103), as shown in the figure) and the convex portion (center of the convex portion).
  • the area of the region formed by connecting the two and the straight line is 20% or more of the area where the electrostatic force acts between the movable electrode 101 and the drive electrodes 1021 and 1022.
  • a wide gap region formed by the movable electrode 101 bridging between the convex portion 106 and the contact electrode 103 and the drive electrodes 1021 and 1022 after the contact is secured.
  • the spring force of the possible electrode 101 decreases, and the opposing area between the movable electrode 101 and the drive electrodes 1021 and 1022 in the gap region increases, increasing the electrostatic force. Thereby, it is possible to continue applying electrostatic force to the contact even after contact.
  • the area of the two drive electrodes is 1 mm 2
  • the drive voltage is 7 V
  • the thickness of the movable electrode is 8 ⁇ m
  • the drive electrode When a 0.2 ⁇ m gap is formed between the electrode and the movable electrode, the distance from the electrical contact to each convex portion can be set to a maximum of 0.3 mm.
  • the total area of the regions surrounded by the electrical contacts and the protrusions is 0.23 mm 2 , which is 23% of the area where the electrostatic force acts between the movable electrode and the drive electrode.
  • the number and position of the convex portions 106 are selected in consideration of the physical properties and dimensions of the movable electrode 101.
  • the convex portion is preferably provided so as not to be positioned in the vicinity of the electrical contact and to be positioned in the peripheral edge portion of the drive electrodes 1021 and 1022. Thereby, the area of the region where the electrostatic force acts between the movable electrode 101 and the drive electrode 1021 can be increased.
  • the convex portions 106 are arranged at substantially the apexes of the drive electrodes 1021 and 1022 that are substantially triangular when viewed from above, so that the region surrounded by the electrical contacts and the convex portions is as wide as possible. I have to. As a result, the gap region is widened and the capacitance is increased, thereby increasing the electrostatic force that is a force for maintaining the contact between the contact electrode 103 and the signal electrode 104 after the contact.
  • the convex portion 106 is formed by selecting the number and position so that the movable electrode 101 and the drive electrodes 1021 and 1022 do not directly contact each other.
  • contact force due to electrostatic force cannot be obtained.
  • the movable electrode is greatly bent by adjusting the distance between the convex portion and the movable electrode and the distance between the convex portions. Is preferred.
  • the electrostatic force F e is not obtained. In order to avoid this, it is preferable to determine the position and number of convex portions in consideration of the spring constant of the movable electrode 101 and the like.
  • the MEMS switch 100 of this embodiment it is possible to provide a micro electromechanical switch that realizes highly reliable contact formation, which has been difficult to realize in the past, and an electric device using the same.
  • This MEMS switch can be used for various electric devices, in particular, communication devices. Specifically, it can be used for a mobile phone, a transceiver unit of a wireless communication terminal, and an antenna device.
  • the MEMS switch has a regular octagonal shape when viewed from above.
  • the shape of the MEMS switch of the present invention is not limited to this, and may have other shapes such as a square, a regular hexagon, a circle, an ellipse, a rectangle, or a triangle.
  • a switch (shunt type switch) having a configuration in which a contact portion of a movable electrode and a signal electrode to which signals are coupled in an equivalent circuit of a MEMS switch is connected in parallel to the transmission line and the tip is grounded. It is also applicable to.
  • the position of the movable electrode in the ON state and the OFF state in the shunt type switch is opposite to those in the series type switch. In the OFF state, the movable electrode and the signal electrode are in contact with each other. The signal propagates to ground and not to the output port. At the ON time, the movable electrode and the signal electrode are not in contact with each other, and the signal propagates on the signal electrode from the input port toward the output port.
  • the movable electrode can be a cantilever type.
  • the MEMS switch of the present invention may be configured to have one drive electrode as the third electrode.
  • the convex portion provided on the movable electrode side in the first embodiment may be provided on the drive electrode side.
  • the convex portion may be made of an insulator. In that case, the movable electrode and the drive electrode can be prevented from having the same potential without providing the floating island electrode in the drive electrode.
  • the manufacturing method of the MEMS switch of any form is not particularly limited.
  • the movable electrode can be formed into a cantilever type or a cantilever type by etching using a sacrificial layer.
  • the contact electrode is formed by forming a recess in the sacrificial layer by etching and depositing a contact electrode material (which may be the same as the material of the movable electrode) in the recess.
  • a protrusion on the movable electrode When forming a protrusion on the movable electrode, masking and etching form a recess in the sacrificial layer that is different from the recess for forming the contact electrode, and deposits the material of the movable electrode in the recess and on the surface of the sacrificial layer. Then, the sacrificial layer is removed to form a movable electrode having a convex portion.
  • the material of the convex portion may be a material (for example, an insulator) different from the material of the movable electrode.
  • the insulating layer may be formed, for example, by thermally oxidizing the surface of a substrate made of silicon. The thickness of the insulating layer may be about 1 ⁇ m, for example.
  • the driving electrode as the third electrode and the fourth electrode and the signal electrode as the second electrode are formed by depositing each electrode material on the insulating layer and patterning it by masking and etching.
  • the thicknesses of the drive electrode as the third electrode and the fourth electrode and the thickness of the signal electrode as the second electrode may be about 0.5 to 1.0 ⁇ m.
  • Embodiment 2 shows a configuration in which a drive electrode is provided on the side of a movable electrode that is a first electrode.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a configuration of the MEMS switch according to the second embodiment. The top view of this MEMS switch is substantially the same as that of the first embodiment (that is, FIG. 1), and FIG. 7 shows the AA ′ cross section of FIG.
  • an insulating layer 109 to be an interlayer insulating film 109 is provided over a substrate 110, and two counter electrodes 1121 and 1122 as third and fourth electrodes are formed on the insulating layer 109.
  • a signal electrode 104 as a second electrode serving as a signal transmission path is provided.
  • the movable electrode 201 includes two layers, and includes a cross-linked layer 201A cross-linked by a support portion, and drive electrode layers 2021 and 2022 that are layers to which a voltage is applied.
  • the movable electrode 201 is further provided with a contact electrode 103 in contact with the signal electrode 104 and provided with convex portions 106 (106A, 106B) in contact with the counter electrodes 1121 and 1122.
  • Generation of electrostatic attractive force between the movable electrode 201 and the counter electrodes 1121 and 1122 is performed by applying a voltage to the drive electrode layers 2021 and 2022 of the movable electrode 201.
  • the contact electrode 103 and the signal electrode 104 are in electrical contact.
  • the convex portion 106 comes into contact with the counter electrodes 1121 and 1122, and direct contact between the drive electrode layer of the movable electrode and the counter electrode is avoided.
  • the switching mechanism in the MEMS switch 200 is as described in connection with the first embodiment. Therefore, the detailed description is abbreviate
  • the switch in which the movable electrode is a doubly supported beam type has been described.
  • an embodiment in which the movable electrode is a cantilever type will be described.
  • an insulating layer 309 serving as an interlayer insulating film is provided over a substrate 310, and a driving electrode 302 as a third electrode and a signal transmission path are provided over the insulating layer 309.
  • a signal electrode 304 as a second electrode is formed.
  • a movable electrode 301 (first electrode) having a contact electrode 303 supported by a support portion 305 is provided so as to face these electrodes and be separated from these electrodes.
  • the movable electrode 301 is provided with convex portions 306 (306A, 306B).
  • the switching mechanism in the MEMS switch 300 is as described in connection with the first embodiment. Specifically, a voltage is applied to the drive electrode 302 to bring the contact electrode 303 into contact with the signal electrode 304 by electrostatic attraction. At this time, the convex portion 306 provided on the movable electrode 301 comes into contact with the drive electrode 302, and direct contact between the movable electrode and the drive electrode is avoided. Also in this form, it is preferable to configure the drive electrode 302 so that the convex portion 306 is in contact with the floating island electrode. In addition, the preferable structure of each member demonstrated in connection with Embodiment 1 may be preferably employ
  • Embodiment 4 As Embodiment 4, another embodiment in which the movable electrode is a cantilever type will be described.
  • an insulating layer 309 serving as an interlayer insulating film is provided on a substrate 310, and driving electrodes 3021 and 3022 as third and fourth electrodes, and signals are provided on the insulating layer 309.
  • a signal electrode 304 serving as a second electrode is formed.
  • a movable electrode 301 (first electrode) having a contact electrode 303 supported by a support portion 305 is provided so as to face these electrodes and be separated from these electrodes.
  • the movable electrode 301 is provided with convex portions 306 (306A, 306B).
  • the switching mechanism in the MEMS switch 400 is as described in connection with the first embodiment. Specifically, a voltage is applied to the drive electrodes 3021 and 3022, and the contact electrode 303 is brought into contact with the signal electrode 304 by electrostatic attraction. At this time, the convex portion 306 provided on the movable electrode 301 comes into contact with the drive electrodes 3021 and 3022, and direct contact between the movable electrode and the drive electrode is avoided. Also in this form, it is preferable to configure the drive electrodes 3021 and 3022 so that the convex portion 306 is in contact with the floating island electrode. In addition, the preferable structure of each member demonstrated in connection with Embodiment 1 may be preferably employ
  • the MEMS switch according to the present invention can realize high reliability and low insertion loss, and is useful as a component of electrical equipment such as communication equipment.
  • MEMS switch 101 100, 200, 300, 400, 500 MEMS switch 101, 201, 301 Movable electrode 1020 Slit 1021, 1022, 302, 3021, 3022 Driving electrode 1026 Floating island electrode 103, 303 Contact electrode 104, 304 Signal electrode 105, 305 Supporting part 106 , 106A, 106B, 306, 306A, 306B Protruding portion 109, 309 Insulating layer 110, 310 Substrate 201A Cross-linking layer 2021, 2022 Driving electrode layer 1121, 1122 Counter electrode 501 Movable electrode 502 Driving electrode 503 Contact electrode 505 Supporting portion 509 Insulating layer

Abstract

　ＯＮ状態で、信号の伝搬する接点の接触抵抗が低く維持されるように、接点を低接触抵抗とするに十分な接触力を接触後も維持する、ＭＥＭＳスイッチを提供する。第１の電極１０１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１０４、第３の電極１０２１、および第４の電極１０２２を有し、電極１０１と、電極１０２１および電極１０２２との間に発生させた静電気力によって、電極１０１と電極１０４との間で電気的接点を形成し得る、ＭＥＭＳスイッチ１００であって、電極１０１と、電極１０２１および／または電極１０２２と接点を形成し得る凸部が、電極１０１に設けられており、電極１０１と電極１０４との間で電気的接点が形成されたときに、電極１０１と、電極１０２１および／または電極１０２２との間にギャップが形成される、スイッチを提供する。

Description

ＭＥＭＳスイッチおよびそれを用いた通信装置
　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、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Ｃｃ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Ｖｄ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Ｒｃ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Ｆｓ＝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Ｆｅが加わり続ける構成となっているため、接点には接触力Ｆｃ＝Ｆｓ＋Ｆｅ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（信号電極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Ｆｅ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 (19)

  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る、
    ＭＥＭＳスイッチ。
  2. 　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、請求項１に記載のＭＥＭＳスイッチ。
  3. 　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または２に記載のＭＥＭＳスイッチ。
  4. 　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１～３のいずれか１項に記載のＭＥＭＳスイッチ。
  5. 　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４に記載のＭＥＭＳスイッチ。
  6. 　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１～５のいずれか１項に記載のＭＥＭＳスイッチ。
  7. 　前記凸部が、絶縁体である、請求項１～６のいずれか１項に記載のＭＥＭＳスイッチ。
  8. 　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。
  9. 　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８に記載のＭＥＭＳスイッチ。
  10. 　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９項に記載のＭＥＭＳスイッチ。
  11. 　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９または１０に記載のＭＥＭＳスイッチ。
  12. 　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９～１１のいずれか１項に記載のＭＥＭＳスイッチ。
  13. 　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１２に記載のＭＥＭＳスイッチ。
  14. 　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９～１３のいずれか１項に記載のＭＥＭＳスイッチ。
  15. 　前記凸部が、絶縁体である、請求項９～１４のいずれか１項に記載のＭＥＭＳスイッチ。
  16. 　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８～１５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１～１６のいずれか１項に記載のＭＥＭＳスイッチ。
  18. 　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１７に記載のＭＥＭＳスイッチ。
  19. 　請求項１～１８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。
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