JP2007026726A - Ｍｅｍｓスイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】 高周波領域において挿入損失が低く、アイソレーション特性が良好なＭＥＭＳスイッチを提供する。
【解決手段】 基板１表面に互いの端部を対向させて配置した少なくとも２本の伝送線路２と、これらの伝送線路２間を接続するために前記伝送線路２上方に配置した可動電極４と、この可動電極４を変位させるための駆動手段３とを備えたＭＥＭＳスイッチにおいて、前記対向する伝送線路２間には、電気的に絶縁された凸部１１が形成され、前記可動電極４の一部は、その変位時において、前記凸部１１端部を支点として変形する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高周波帯におけるスイッチ素子に関し、とくにプリント基板表面の伝送線路間を接続するために配置した可動電極、この可動電極を変位させる駆動手段を備えるＭＥＭＳスイッチに関するものである。

高周波回路で使用されるスイッチとしては、半導体デバイス、例えば能動デバイスのＦＥＴやＰＩＮダイオードなどが知られている（例えば、特許文献１参照）。
しかし、これら半導体デバイスでは、信号周波数がＧＨｚ帯になると挿入損失が増加し、アイソレーションが劣化する欠点があった。より具体的には、ＦＥＴでは４ＧＨｚにおいて、挿入損失が２（ｄＢ）、アイソレーションが−２０（ｄＢ）、ＰＩＮダイオードでは２０ＧＨｚにおいて、挿入損失が４（ｄＢ）、アイソレーションが−１８（ｄＢ）程度であった。
このように、半導体デバイススイッチでは、導電性を有しかつ比誘電率が高いＧａＡｓ（εｒ＝１３）などの半導体を使うために、高周波帯において挿入損失が増加し、アイソレーションが劣化してしまう。
そこで、近年、マイクロマシン技術を用いたＭＥＭＳスイッチが研究、開発されている。ＭＥＭＳスイッチでは、接点間に絶縁性の空隙（エア）があるため高い周波数まで良好なアイソレーション特性が期待されている。

図２３は従来のＭＥＭＳスイッチの構造を示す概略斜視図である。図２３において、基板１表面には高周波信号が伝送する２本の伝送線路２が対向して形成されている。
２本の伝送線路２の直上には、絶縁性部材からなるビーム３に連結した可動電極４が配置され、ビーム３上には第１の制御電極５が形成されており、直流電源バイアス配線８に接続されている。
ビーム３はアンカー部６に固定されて中空に浮いている。第１の制御電極５の直下には、エアギャップを介してグランドに接続された第２の制御電極７が形成されている。以下に動作を簡単に説明する。
第１の制御電極５に直流電圧を印加することにより、第２の制御電極７との間に静電力が発生して両者は吸引し合い、プルダウン電圧Ｖｐで接触する。その結果、ビーム３の端部に形成した可動電極４が下の伝送線路２と接触し、回路がオン状態となる。一般的に、伝送線路２と可動電極４とのギャップは１〜３μｍ、第１の制御電極５に印加する電圧としては数十Ｖの直流電圧が使われる。
このようなＭＥＭＳスイッチでは、４０ＧＨｚにおいて、挿入損失が０．１５（ｄＢ）、アイソレーションが−２５（ｄＢ）と良好な特性が得られることが知られている。
ＭＥＭＳスイッチにおける挿入損失は、主にスイッチ接点のコンタクト抵抗Ｒｃによる電力損失である。また、アイソレーションはオフ状態でのＭＥＭＳスイッチに寄生するキャパシタンス、とくに伝送線路２と可動電極４間ギャップで形成される寄生キャパシタンスＣｓの影響が大きい。
図２４は図２３のＭＥＭＳスイッチのオフ時を示す断面図である。図２５は図２４の電気的等価回路を示す回路図である。アイソレーション特性を劣化させる寄生キャパシタには、伝送線路２と可動電極４間に形成されるＣｓと、伝送線路２間の基板内に寄生するＣｐの２種類がある。一般的には、伝送線路２と可動電極４に形成されるＣｓが大きい。
したがって、アイソレーション特性を向上させるには、Ｃｓの低減を行う必要がある。しかし、静電駆動方式においては、前記ギャップを大きくすると駆動のための印加電圧が大きくなってしまう不具合がある。

以下に具体的に説明する。ＭＥＭＳスイッチにおいて図２３のような片持ビームでは駆動電圧（プルダウン電圧）Ｖｐは次の式で表せる。
Ｖｐ＝√（８ｋ／２７ε₀ＷＬ）ｇ³
ここで、ｋはバネ定数で、εoは真空の誘電率、ＷおよびＬは制御電極の幅と長さ、ｇはギャップである。
今、ばね定数としてアームの形状が長さｌ＝１００μｍ、幅ｗ＝２５μｍ、厚さｔ＝２μｍのＳｉＮ膜と厚さ２μｍの金薄膜の積層構造とし、ばね定数を１９．３（Ｎ/ｍ）、静電駆動部の制御電極面積（Ｗ×Ｌ）を１００μｍ×１００μｍと仮定する。
図２６は静電駆動部のギャップｇとプルダウン電圧との関係を上記式から求めた結果を示す特性図である。図２６に示すように、従来のＭＥＭＳスイッチでは、ギャップが３．５（μｍ）以上になるとプルダウン電圧Ｖｐは５０（Ｖ）以上となってしまい実用化は難しくなってしまう。したがって、可動電極と伝送線路間隔を大きくし、寄生キャパシタンスＣｓを低減させることで高周波特性を改善することには限界があった。
そこで、アイソレーションを向上させる他の方法として特許文献１はマイクロマシンスイッチを開示している。図２７はマイクロマシンスイッチの構造を示す斜視図である。
図２７に示すように可動電極４の両端部に切り欠かれた部分１０を形成することで、伝送線路２であるマイクロストリップ線路と可動電極４で形成する寄生キャパシタンスＣｓを低減させる構造となっている。
つまり、可動電極４に切り欠き１０を形成することで伝送線路２との対向面積を減らし寄生キャパシタンスを低減させ、アイソレーション特性が改善されるのである。
特許第３１１２００１号

しかし、従来技術の可動電極の一部を切り欠く方法では、より寄生キャパシタンスを低減させるために切り欠く幅を広くすれば、伝送線路との接触面積が減少し、コンタクト抵抗Ｒｃの増加、また電流が集中することでインダクタンスが増加するなどの不具合があるため挿入損失が増加することが懸念される。
また、ＭＥＭＳスイッチのより詳細な解析では、寄生キャパシタンスとして、マイクロストリップ線路間容量Ｃｐの影響を考慮する必要がある。しかし、従来技術では、配線間容量Ｃｐを低減させることはできないため、さらなる高周波化には限界があった。
そこで、本発明の目的は、上述した実情を考慮して、高周波領域において挿入損失が低く、アイソレーション特性が良好なＭＥＭＳスイッチを提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、基板表面に互いの端部を対向させて配置した少なくとも２本の伝送線路と、これらの伝送線路間を接続するために前記伝送線路上方に配置した可動電極、この可動電極を変位させるための駆動手段とを備えたＭＥＭＳスイッチにおいて、前記対向する伝送線路間には、電気的に絶縁された凸部が形成され、前記可動電極の一部は、その変位時において、前記凸部端部を支点として変形するＭＥＭＳスイッチを特徴とする。
また、請求項２に記載の発明は、前記凸部の表面高さが、前記伝送線路の高さよりも低い請求項１記載のＭＥＭＳスイッチを特徴とする。
また、請求項３に記載の発明は、前記可動電極直下の前記基板の高さが前記伝送線路直下の前記基板の高さよりも低い請求項１記載のＭＥＭＳスイッチを特徴とする。
また、請求項４に記載の発明は、前記可動電極の底部に導電性部材による突起が形成されている請求項１記載のＭＥＭＳスイッチを特徴とする。
また、請求項５に記載の発明は、前記可動電極に取り付けた駆動手段が片持梁型である請求項１記載のＭＥＭＳスイッチを特徴とする。
また、請求項６に記載の発明は、前記可動電極に取り付けた駆動手段が片持ち梁であり、可動電極が梁方向に変形する請求項１記載のＭＥＭＳスイッチを特徴とする。
また、請求項７に記載の発明は、前記可動電極に取り付けた駆動手段が両持ち梁型である請求項１記載のＭＥＭＳスイッチを特徴とする。
また、請求項８に記載の発明は、前記駆動手段が静電力を利用した静電駆動方式である請求項１記載のＭＥＭＳスイッチを特徴とする。
また、請求項９に記載の発明は、前記駆動手段が圧電素子を利用した圧電型駆動方式である請求項１記載のＭＥＭＳスイッチを特徴とする。
また、請求項１０に記載の発明は、前記駆動手段が熱膨張を利用したバイメタル型駆動方式である請求項１記載のＭＥＭＳスイッチを特徴とする。

本発明のＭＥＭＳスイッチは、従来よりも可動電極と伝送線路間隔を大きくすることができ、その結果、可動電極と伝送線路に形成される寄生キャパシタンスを低減することができる。
また、伝送線路間に溝を設けた本発明のＭＥＭＳスイッチにおいては、伝送線路間の誘電体内に形成される寄生キャパシタンスを低減することが可能になり、より一層の寄生キャパシタンス低減が可能で、その結果、スイッチオフ時のアイソレーション特性を大幅に改善する効果がある。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明によるＭＥＭＳスイッチの第１の実施の形態を示す平面図である。図２は図１の線Ｂ−Ｂ’に沿う断面図である。第１の実施の形態において可動電極４の駆動方式が片持ちビーム型静電駆動方式である本ＭＥＭＳスイッチを説明する。
図１および図２に示すように、基板１、即ち高周波信号伝送に適した誘電体基板上、例えば、厚さ２００μｍの石英基板上に、幅６０μｍの２本の伝送線路２が、夫々の端縁間を６０μｍ離して対向して形成されている。
伝送線路２の材質としては、下地に基板１との密着性を確保するために薄く（０．１μｍ程度）チタンが成膜され、さらのその上に数μｍ程度の金を積層して形成される。２本の伝送線路２の上方には、これらの伝送線路２に跨るように可動電極４が配置されている。
可動電極４は絶縁性部材からなるビーム３の下面に形成され、ビーム３はアンカー部６で基板１に固定されている。ビーム３の表面には第１の制御電極５が形成されており、直流バイアス用配線８ａを介して電圧が印加できる。
また、第１の制御電極５直下の基板１表面には第２の制御電極７が形成されており、直流バイアス用配線８ｂを介して電圧が印加できる。両制御電極５、７間に直流バイアス用配線８ａ、８ｂを通して直流電圧を印加することで、静電力が発生する。

図３は図１のＭＥＭＳスイッチの第１の実施の形態のオン状態を線Ａ−Ａ’に沿って示す断面図である。図４は図１のＭＥＭＳスイッチの第１の実施の形態のオフ状態を線Ａ−Ａ’に沿って示す断面図である。図３および図４は図１中のＡ−Ａ’断面の拡大図を示している。
図３および図４に示すように、基板１の表面には２本の伝送線路２と２つの凸部１１が形成され、凸部１１表面の高さは伝送線路２の表面高さよりも低く設定されている。凸部１１の最上層には、基板エッチング時のマスク材１２で絶縁性部材のＳｉＮなどが成膜されている。
この構造は、後で説明するように、基板１をエッチングすることで容易に形成することができる。さらに２本の伝送線路２の上方には、両者に跨るように可動電極４が配置され、可動電極４はビーム３により制御電極と連結されている。
同じく図３および図４を用いて本発明によるＭＥＭＳスイッチの動作について説明する。本発明のＭＥＭＳスイッチは、制御電極への印加電圧が０（Ｖ）では、僅かに浮いた状態となっているため、回路はオフ状態である。
まず、第１の制御電極５および第２の制御電極７に電圧を印加する。例えば、第１の制御電極に＋Ｖａ（Ｖ）を、第２の制御電極７をグランド電位に設定する。制御電極への電圧を印加すると、両制御電極５、７間に静電力が発生し、第１の制御電極５が基板側に引き寄せられる。その結果、まず、可動電極４が伝送線路２に接触し、回路はオン状態となる（図３）。
さらに、制御電極への印加電圧を増加させプルダウン電圧Ｖｐに達すると、第１および第２の制御電極５、７は接触し、可動電極４も最下点まで降下する。このとき、可動電極４の端部は基板１に配置した凸部１１を支点として折り返され変形する。その結果、回路はオフ状態となる（図４）。

図５は可動電極の端部が基板に配置した凸部を支点として折り返されて変形された状態の左側半分を示す概略図である。図５から明らかなように、本発明は可動電極４の僅かな変位が支点を介して拡大されるので可動電極４端部では大きな変位量が得られる効果がある。
例えば、可動電極４の左半分の後続を、可動電極４の左端と凸部端水平距離ａ＝３５μｍ、凸部端部からビーム端部までの水平距離ｂ＝１５μｍとし、凸部１１と可動電極ビームまでの距離ｃ＝５μｍ、凸部高さｄ＝１．５μｍ、伝送線路厚さｔ＝２μｍと仮定する。
この構造において、制御電極にプルダウン電圧を印加することにより、可動電極４は、伝送線路２表面から２μｍ下降して基板１に接触する、その結果、可動電極４の一部（端部）は凸部１１を支点にし、図のように折り返される。
このとき、折り返された可動電極４と伝送線路２表面との距離は、最大（ｈ１）で８．５μｍ程度、最小（ｈ２）でも溝４μｍ程度と予測される。つまり、可動電極の移動量２μｍが、支点を介して折り返すことで２倍から８倍以上拡大されることが分かる。図５において、符号１２は後述するマスクパターンを示している。
したがって、伝送線路２と可動電極４間が大きく離されることで寄生キャパシタンスＣｓが減少し、アイソレーション特性を向上させることが可能になるのである。また、従来と同程度のアイソレーション特性であれば、プルダウン電圧を低くすることが可能になる。
図６は第１の実施の形態のＭＥＭＳスイッチの製造プロセスの第１工程を示す概略図である。図７は第１の実施の形態のＭＥＭＳスイッチの製造プロセスの第２工程を示す概略図である。図８は第１の実施の形態のＭＥＭＳスイッチの製造プロセスの第３工程を示す概略図である。図９は第１の実施の形態のＭＥＭＳスイッチの製造プロセスの第４工程を示す概略図である。
図１０は第１の実施の形態のＭＥＭＳスイッチの製造プロセスの第５工程を示す概略図である。図１１は第１の実施の形態のＭＥＭＳスイッチの製造プロセスの第６工程を示す概略図である。図１２は第１の実施の形態のＭＥＭＳスイッチの製造プロセスの第７工程を示す概略図である。

次に、図６ないし図１２を参照して第１の実施の形態の製造プロセスを簡単に説明する。基板１として石英やＧａＡｓ、あるいはＳｉ基板を用い、先ず凸部を形成するために、ＳｉＮ膜などからなるマスクパターン１２を形成する（図６）。
その後、基板１全面をドライエッチング法により、可動電極４（図５参照）の移動量よりも深く基板をエッチングして凸部１１を形成する（図７）。次に、蒸着法やメッキ法を用いて金の伝送線路２のパターンをリフトオフ法により形成する（図８）。
その後、全面に犠牲層１３となるレジスト剤を充填し、基板１表面を平坦化する（図９）。このとき、伝送線路２上のレジスト厚さは０．５μｍ以下と薄くすることが望ましい。次に、金を蒸着し、可動電極４をリフトオフ法により形成する（図１０）。
次に、可動電極４を支持するためのビーム３として絶縁性材料であるＳｉＮ膜をＰＣＶＤにより成膜・パターニングを行う（図１１）。次に、金の蒸着・リフトオフ法により第１の制御電極５を形成する（図示せず）。最後に、図１１の犠牲層１３のレジストを除去してＭＥＭＳスイッチが完成する（図１２）。

図１３は本発明によるＭＥＭＳスイッチの第２の実施の形態をオン状態で示す断面図である。図１４は図１３の第２の実施の形態をオフ状態で示す断面図である。図１３および図１４に示すように、伝送線路２間に形成した２つの凸部１１の間の基板表面１４を、伝送線路２底部よりも下に向けて凹状に形成した構造となっている。
本構造のプロセスの説明は省略するが、第１の実施の形態とほぼ同様なプロセスで作製することができる。このＭＥＭＳスイッチ構造においても、制御電極にプルダウイン電圧以下でオン状態、プルダウン電圧において可動電極４は凸部１１を支点として折り返される。
その結果、オフ状態では、可動電極４とマイクロストリップ線路間距離は大きく離れ、寄生キャパシタンスＣｓは低減する。さらに、本構造では、伝送線路２間に溝１４を形成したことにより配線間容量Ｃｐ低減を可能としたことを特徴としている。
図１５は本発明によるＭＥＭＳスイッチの第３の実施の形態をオン状態で示す断面図である。図１６は図１５の第３の実施の形態をオフ状態で示す断面図である。図１５および図１６に示すように、２本の伝送線路２間に溝１４を形成し、その後、伝送線路２と凸部１２（１１）を同一工程により形成したことを特徴としている。
第１の実施例が伝送線路２下の基板１をエッチングしたのに対して、この第３の実施の形態の構造では、伝送線路２下の基板１はエッチングしないため、基板厚さが変化せず伝送線路２にマイクロストリップ線路を用いた場合でも特性インピーダンスが変化しない利点がある。
第３の実施の形態の動作は第１および第２の実施の形態と同様であり、第２の実施の形態と同様に伝送線路２間に溝１４が形成されているために配線間寄生キャパシタンスＣｐを従来よりも低減することができる利点がある。本実施の形態の凸部１２（１１）は、伝送線路パターニング工程により伝送線路２と同時に金で形成することができる。

図１７は本発明によるＭＥＭＳスイッチの第４の実施の形態をオン状態で示す断面図である。図１８は図１７の第４の実施の形態をオフ状態で示す断面図である。
図１７および図１８に示すように、本構造では、伝送線路２と可動電極４の電気的接触を確実に行うために、可動電極４の両端下面に突起１５を設けた構造となっている。可動電極４に突起１５を設けることで、面での接触で懸念される片当たりによる接触不良をなくし、良好な接触状態を実現することを可能にしている。
図１９は本発明によるＭＥＭＳスイッチの第５の実施の形態をオン状態で示す斜視図である。図２０は図１９の第５の実施の形態をオフ状態で示す斜視図である。
図１９および図２０に示すように、可動電極４はビーム３の先端に取り付けられた片持ち梁（ビーム）構造の静電駆動ＭＥＭＳスイッチ構造である。図１９および図２０において、第１の制御電極はビーム３の内部に形成するので図示しないが、第２の制御電極７はビーム３の直下に配置している。
また、ビーム３の先端部直下の基板１上には凸部１１が配置されている。動作を簡単に説明すれば、第１の制御電極および第２の制御電極７に電圧を印加すると、ビーム３は第２の制御電極７に引き寄せられ、この第２の制御電極７に接触する。
その結果、可動電極４側のビーム３は凸部１１を支点としてアンカー部６側のビーム３の方向に反り返ることになる。図２０に示すように、可動電極４と伝送線路２間は大きく離すことができるので、十分なアイソレーションが確保できる。

図２１は本発明によるＭＥＭＳスイッチの第６の実施の形態をオン状態で示す斜視図である。図２２は図２１の第６の実施の形態をオフ状態で示す斜視図である。
図２１および図２２に示すように、本実施の形態では静電駆動手段として両持梁（ビーム）構造を用いている。両持ち梁構造とすることで、可動電極４の保持が確実となり、安定したオン／オフ特性を実現できる。
図２１および図２２において、第１の制御電極はビーム３内部に形成してあるので見えず、第２の制御電極７は可動電極４直下に配置している。直流バイアス用配線は省略した。図中には、伝送線路２、アンカー部６および突起１１が示してある。
上記説明では、静電型駆動方式による本発明のＭＥＭＳスイッチを説明したが、駆動方式としては、圧電素子を用いた圧電型駆動方式や、熱膨張を利用したバイメタル型駆動方式を用いても同様な効果を得ることができる。

本発明によるＭＥＭＳスイッチの第１の実施の形態を示す平面図である。 図１の線Ｂ−Ｂ’に沿う断面図である。 図１のＭＥＭＳスイッチの第１の実施の形態のオン状態を線Ａ−Ａ’に沿って示す断面図である。 図１のＭＥＭＳスイッチの第１の実施の形態のオフ状態を線Ａ−Ａ’に沿って示す断面図である。 可動電極の端部が基板に配置した凸部を支点として折り返されて変形された状態の左側半分を示す概略図である。 第１の実施の形態のＭＥＭＳスイッチの製造プロセスの第１工程を示す概略図である。 第１の実施の形態のＭＥＭＳスイッチの製造プロセスの第２工程を示す概略図である。 第１の実施の形態のＭＥＭＳスイッチの製造プロセスの第３工程を示す概略図である。 第１の実施の形態のＭＥＭＳスイッチの製造プロセスの第４工程を示す概略図である。 第１の実施の形態のＭＥＭＳスイッチの製造プロセスの第５工程を示す概略図である。 第１の実施の形態のＭＥＭＳスイッチの製造プロセスの第６工程を示す概略図である。 第１の実施の形態のＭＥＭＳスイッチの製造プロセスの第７工程を示す概略図である。 本発明によるＭＥＭＳスイッチの第２の実施の形態をオン状態で示す断面図である。 図１３の第２の実施の形態をオフ状態で示す断面図である。 本発明によるＭＥＭＳスイッチの第３の実施の形態をオン状態で示す断面図である。 図１５の第３の実施の形態をオフ状態で示す断面図である。 本発明によるＭＥＭＳスイッチの第４の実施の形態をオン状態で示す断面図である。 図１７の第４の実施の形態をオフ状態で示す断面図である。 本発明によるＭＥＭＳスイッチの第５の実施の形態をオン状態で示す斜視図である。 図１９の第５の実施の形態をオフ状態で示す斜視図である。 本発明によるＭＥＭＳスイッチの第６の実施の形態をオン状態で示す斜視図である。 図２１の第６の実施の形態をオフ状態で示す斜視図である。 従来のＭＥＭＳスイッチの構造を示す概略斜視図である。 図２３の従来のＭＥＭＳスイッチのオフ時を示す断面図である。 図２４の電気的等価回路を示す回路図である。 静電駆動部のギャップｇとプルダウン電圧の関係を上記式から求めた結果を示す特性図である。 マイクロマシンスイッチの構造図を示す斜視図である。

符号の説明

１ 基板
２ 伝送線路
３ 駆動手段（ビーム（梁）、片持ち梁型、両持ち梁型）
４ 可動電極
１１ 凸部
１４ 可動電極の底部の突起

Claims (10)

1. 基板表面に互いの端部を対向させて離間配置した少なくとも２本の伝送線路と、各伝送線路の端部間を接続するために前記伝送線路上方に上下動可能に配置した可動電極と、この可動電極を変位させるための駆動手段と、を備えたＭＥＭＳスイッチにおいて、前記伝送線路の端部間の基板表面には、電気的に絶縁された凸部が形成され、前記可動電極の一部はその変位時において、前記凸部端部を支点として変形することを特徴とするＭＥＭＳスイッチ。
2. 前記凸部の表面高さは、前記伝送線路の表面高さよりも低いことを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳスイッチ。
3. 前記可動電極直下の前記基板表面の高さは前記伝送線路直下の前記基板の高さよりも低いことを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳスイッチ。
4. 前記可動電極の底部に導電性部材による突起が形成されていることを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳスイッチ。
5. 前記可動電極に取り付けた駆動手段は片持梁型であることを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳスイッチ。
6. 前記可動電極に取り付けた駆動手段は片持ち梁であり、該可動電極が梁方向に変形することを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳスイッチ。
7. 前記可動電極に取り付けた駆動手段は両持ち梁型であることを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳスイッチ。
8. 前記駆動手段は静電力を利用した静電駆動方式であることを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳスイッチ。
9. 前記駆動手段は圧電素子を利用した圧電型駆動方式であることを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳスイッチ。
10. 前記駆動手段は熱膨張を利用したバイメタル型駆動方式であることを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳスイッチ。

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