JP2006511060A - マイクロエレクトロメカニカルｒｆスイッチ - Google Patents

Abstract

各々が支持構成部に接続された一端と、共通中央ブリッジ部に一体化された他端を有する３つの対称アームを有するブリッジを備えたＭＥＭＳスイッチ。第１および第２導電体は基板上に設けられ、第１導電体は、基板上にあって導電体よりも低い高さを有する引き下げ電極を囲む開放領域を有する端部を備える。引き下げ電極に印加される制御電圧は、ブリッジを下方へ移動させ、比較的低インピーダンスを与え、それによってブリッジが引き下げ電極に接触することなく、信号を第１および第２導電体間に伝達させる。アームの各々には湾曲によって引き起こされる硬化を減少させるために溝が形成される。

Description

関連出願の相互参照
この発明は、主題において、２００２年５月３１日出願の特許出願第１０／１５７,９３５号と、同時出願の特許出願第１０／^***｛ＮＧＣケース０００２５１−０７８｝号に関連し、それらの出願はすべて、この発明と同じ譲受け人に譲渡される。

発明の背景
発明の分野
この発明は、一般的に、ミニチュアスイッチに関し、特にレーダー又は他のマイクロ波の用途に有役なＭＥＭＳスイッチに関連する。

関連技術の説明
種々のＭＥＭＳ（マイクロエレクトロメカニカルシステム）スイッチは、レーダーおよび通信システム、さらに、高周波（ＲＦ）信号を制御するための他の高周波回路において使用されるか、又は使用されることが提案されている。これらのＭＥＭＳスイッチは、それらが比較的高いオフ・インピーダンスと低いオフ・キャパシタンス、および比較的低いオン・インピーダンスと高いオン・キャパシタンスを有し、望ましい高カットオフ周波数と広帯域処理をもたらす限りにおいて、評判がよい。さらに、ＭＥＭＳスイッチは、小さい設置面積を有し、高い周波数（ＲＦ）電圧で操作でき、従来の集積回路製造技術になじむものである。
これらのＭＥＭＳスイッチの多くは、一般的に、対向電極のような静電エレメントを有し、それらのエレメントは直流引き下げ制御電圧の印加時に互いに引きつけ合う。直流引き下げ電極の少なくとも一方は基板上にあり、対向電極は基板の情報の可動ブリッジの下側に形成される。直流引き下げ制御電圧の印加時には、そのブリッジが下方へ湾曲し、電気的インピーダンスが、基板上の離間した第１および第２ＲＦ導電体間において、（容量結合又は直接オーミック接触のいずれかにより）著しく減少する。

ＭＥＭＳスイッチには、特別なブリッジの設計によって、操作中に非対称の縦と横の振動モードを生成するものがある。オン状態とオフ状態との間の切換えによってブリッジが運動し、振動モードが励起され、望ましくない電気的インピーダンス変調が生じる。このインピーダンス変調は、横方向に非対称なブリッジ設計によってさらに増大し、ねじりモードを引き起こす。

さらに、ブリッジは、異なる層から作られることがある。ブリッジアームの内部応力によってブリッジアームが湾曲し、それによって硬化する。応力によってひき起こされる湾曲によるこの硬化によって、必要な引き下げ電圧が１００％より大きく増大する。これは、集積回路を操作する観点から望ましくない。

従来の容量形ＭＥＭＳスイッチにおいて、ブリッジの下方の導電体の一部は誘電体層で覆われている。ブリッジと引き下げ導電体との間に直流引き下げ電圧をくり返し印加することによって、その誘電体に電荷が蓄積される。引き下げ電圧が除去された後でさえ、誘電体に蓄積されたこの電荷によって、ブリッジがある状態で導電体にくっつき、そして引きつけられたままに維持されることがある。

この発明の目的は、ブリッジ構造における望ましくない非対称の横および縦方向の振動モードを減少又は除去することである。

さらに他の目的は、誘電体中に蓄積される電荷によって、容量形ＭＥＭＳスイッチに生じるくっつき問題を排除することである。

発明の要旨
基板部材と、前記基板上に設けられ間隔を有する第１および第２ＲＦ導電体とを備えるＭＥＭＳスイッチが提供される。
放射状に設けられた等しい長さを有する少なくとも３つのアームを備えたブリッジ部材は、基板上の支持構成部に接続され、前記アームが支持構成部に接続される一端部と、下側表面を有する共通中央ブリッジ部と一体の第２端部とを有する。前記アームの少なくとも１つは、第２導電体に電気的に接続される。第１導電体は、前記中央ブリッジ部の下側表面に対面する端部を有し、第１導電体の端部が開放領域を形成するように構成および配列される。引き下げ電極は、第１導電体の開放領域内に設けられ、かつ、第１導電体から電気的に絶縁される。引き下げ電極の高さは、端部の高さよりも低い。前記中央ブリッジ部は、前記引き下げ電極への制御電圧の印加時に、第１導電体の方へ引き寄せられ、第１および第２導電体間の電気的インピーダンスを変化させる。そのインピーダンスは、導電体のインピーダンスに対して高い値（オフ状態）から低い値（オン状態）まで変化し、第１および第２導電体間に信号を伝達させる。

さらに、この発明の適用可能範囲は、以下に与えられる詳細な説明から明らかになるであろう。しかしながら、詳細な説明および特定の実例は、この発明の好ましい実施態様を開示するが、この発明の精神と範囲内での種々の変更や変形が詳細な説明から当業者に明らかであるので、実施例のみによって与えられるということは、理解されるであろう。

図面の簡単な説明
この発明は、縮尺の必要のない、実施例のみによって与えられる、以下の詳細な説明と添付図面からさらによく理解されるであろう。さらに、上，下，上方，下方などのような空間的な用語の使用は説明を容易にするためのものであり、構造や方向を限定するものではない。

図１は、この発明の一実施態様によるＭＥＭＳスイッチの平面図である。

図２は図１の線２−２に沿った断面図である。

図３は図１のスイッチの分解図である。

図４は従来技術のＭＥＭＳスイッチのアームの部分図である。

図５は図１のスイッチのブリッジのアームの１つの部分図である。

好ましい実施態様の説明
図１〜図３を参照すると、改良されたＭＥＭＳスイッチ１０は、第１および第２の離間したＲＦ導電体１２および１３と、マイクロ波信号を搬送および伝達するための一般的な５０オームのマイクロストリップ（microstrip）とを備え、基板１４上（通常は酸化物又は他の絶縁物の上に）に設置される。一般的な基板は、例えば、ガリウム砒化物，シリコン，アルミナ又はサファイアを含む。

スイッチ１０は、少なくとも３つの放射状に対称に設けられた同じ長さのアーム１８ａ，１８ｂ，１８ｃを有するブリッジ（bridge）部材１６を備える。図示された３つのアームの実施態様については、アームは１２０°離れている。各アームは、第１端部又は先端部２０ａ，２０ｂ，２０ｃと、第２端部又は基端部２１ａ，２１ｂ，２１ｃとを備え、これらの第２端部は共通中央ブリッジ部２２で一体になっている。このブリッジの設計によって、ねじれや放射状の非対称振動モードが低減する。

図３に最もよく示されるように、アーム１８ａ，１８ｂ，１８ｃの第１端部２０ａ，２０ｂ，２０ｃは、基板１４上に（一般的には酸化物や他の絶縁体上に）配置された金属又は非金属の支持構成部２６に接続される。支持構成部２６は、例えば、ほぼ「Ｃ」形の方向に、第１端部２０ｃから第１端部２０ｂへ延び、ブリッジ部材１６を基板１４の上方に支持し、共通中央ブリッジ部２２は第１導電体１２の上方に配置される。支持構成部２６は、次に説明するような目的のために、開口３２を備える。

導電性ブリッジセグメントが追加され、アーム１８ｃがセグメント３４を介してアーム１８ａに電気的に接続され、アーム１８ｂがセグメント３５を介してアーム１８ａに電気的に接続されてもよい。支持構成部２６が非導電性材料のものである場合には、導電性セグメント３６が追加され、第２導電体１３との電気的な接続を完全にする。なお、セグメント３４又は３５を介して追加される電流路の長さは、スイッチされるマイクロ波信号の波長に比べて小さい。

ほぼＣ形の支持構成部が、例として示されているが、他の構成も可能である。例えば、支持セグメントは、湾曲する代わりに、アームの先端部間に、直線的に延びることもできる。さらに、支持構成部は、ブリッジアームの先端の各々の下方に個別の支柱を備えることができる。後者の場合には、セグメント３４と３５は、除去される。

図４は典型的な従来技術のブリッジアーム４０のセグメントを示す。ブリッジ構成および／又は多層構造は、金属アーム４０内に応力を生成し、図示する曲率半径Ｒだけアームを湾曲させ、好ましくない程度まで堅くなる。内部応力を制御することは難しく、応力によりひき起こされた湾曲による硬化によって、オン／オフスイッチ動作に必要な引き込み電圧を著しく増大する。アームが堅くなる程度は、アームの慣性モーメントに直接関係し、湾曲がこの慣性モーメントを増大させる。

この発明は、応力によって堅くなるアーム（従って、ブリッジ）の効果を実質的に低減し、図５を参照すると、３つのアームの具体例としてアーム１８ａの一部の断面が示されている。

アーム１８ａは、縦溝４２ａを備え、縦溝４２ａは軸Ａに沿って形成され、支持構成部２６から共通中央ブリッジ部２２へ延びる。アームの湾曲が生じると、溝４２ａを設けることによって、湾曲が引き起こす硬化効果が著しく減少し、引き下げ電圧の要求を少なくさせる。

しかしながら、湾曲が生じないので、アームが最初に接して支持構成部２６に、破線で示される接合部４４ａで接合される。湾曲による硬化がないので、アーム１８ａはこの位置で弱くなり、スイッチの製造および／又はスイッチの連続動作の期間にその弾性限界を越えるかもしれない。この接合部４４ａにおける永久的なアームの変形を防止するために、個々の補剛材エレメント４８ａと４９ａが設けられ、その各々は軸Ａの両側に接合部４４ａをまたいで設けられ、それによって、弱い領域が除去される。

図１〜図３を再び参照すると、第１導電体１２の端部３０は、開放領域５６を形成するために設けられ設置される。端部３０より高さが低い引き下げ電極５８が開放領域５６内に設けられ、導電体１２から絶縁されている。引き下げ電圧が印加されるパッド６０は、薄膜抵抗６２を介して引き下げ電極５８に接続され、薄膜抵抗６２は支持構成部２６の開口３２と端部３０の開口６４を貫通する。抵抗６２はマイクロ波信号上のローディング（loading）を潜在的に除去することを意図し、５０オーム導電体のインピーダンスに対して相対的に高いインピーダンス値のものであるべきである。所望であれば、スイッチは、抵抗６２が支持構成部２６と端部３０の下方にトンネルを掘って通り抜け、それによって開口３２と６４が除去されるように作られる。

スイッチ１０が容量型ＭＥＭＳスイッチであるときには、誘電体層６６は端部３０を覆うように設けられるが、開放領域５６の上には設けられない。引き下げ電圧が引き下げ電極５８に印加されるとき、共通中央ブリッジ部２２の下面７０の静電気の吸引は、それを引き下げ、誘電体層６６に接触させる。誘電体層６６は機械的なストッパーとして働く。接触が行われるとき、容量的電気接続が第１および第２導電体１２と１３の間で形成される。

スイッチがオーミック型のものであるときには、誘電体層は存在せず、共通中央ブリッジ部２２は端部３０に直接オーミック接触を形成し、第１および第２導電体１２と１３との間のオーミック電気接続を完成させる。

図１〜図３に例として示されるように、容量型ＭＥＭＳスイッチに関して、引き下げ電圧は第１導電体１２の端部３０に直接印加されず、引き下げ電界は、共通中央ブリッジ部２２と引き下げ電極５８との間にのみ存在する。従って、引き下げ電極５８又はブリッジ部材１６の下側共通領域の上には誘電体が設けられていないので、電荷は蓄積されない。従って、ブリッジ部材１６は、引き下げ電圧を除去した後は、湾曲したままに維持されることはない。

第１導電体１２の端部３０は、六角形として示されているが、導電体の端部が引き下げ電極を取り囲むデザインであればいずれのデザインでも意図されるものであり、全体的又はほぼ全体的に包囲することを含む。さらに、共通中央ブリッジ部２２が端部３０に均一に接触し全く偏らないことを保証するために、補剛材７２が共通中央ブリッジ部２２の上面に適用されてもよい。

典型的なＭＥＭＳスイッチは、従来公知の集積回路製造技術を利用して一般的に作られる。スイッチの製造工程中に、或る溶剤が不要な材料を除去するために用いられる。溶剤の結果として、表面張力効果によって、アーム１８ａ，１８ｂ，１８ｃが基板１４の方へ、アームの弾性限界を越える程度まで押しつけられ、それによって永久変形が引き起こされる。この可能性を未然に防ぐために、スイッチ１０は、各アーム１８ａ，１８ｂ，１８ｃの下方に配置されたバンパー７４を備え、製造工程中にアームが下の方へ移動することを制限する。

前述の説明は単にこの発明の原理を示したものにすぎない。従って、当業者であれば、ここに明確に説明又は開示されていないけれども、発明の原理を具体化し、かつ、その精神と範囲の中にある種々の構成を考案することができるということは認められるであろう。

図１は、この発明の一実施態様によるＭＥＭＳスイッチの平面図である。 図２は図１の線２−２に沿った断面図である。 図３は図１のスイッチの分解図である。 図４は従来技術のＭＥＭＳスイッチのアームの部分図である。 図５は図１のスイッチのブリッジのアームの１つの部分図である。

Claims (11)

1. ａ）基板部材、
   ｂ）前記基板上に設けられ間隔を有する第１および第２ＲＦ導電体、
   ｃ）前記基板上の支持構成部、
   ｄ）放射状に設けられた等しい長さを有する少なくとも３つのアームを備え、前記アームが支持構成部に接続される一端部と、下側表面を有する共通中央ブリッジ部と一体の第２端部とを有するブリッジ部材、
   を備え、
   ｅ）前記アームの少なくとも１つが第２導電体に電気的に接続され、
   ｆ）第１導電体が、前記中央ブリッジ部の下側表面に対面する端部を有し、
   ｇ）第１導電体の端部が開放領域を形成するように構成および配列され、
   ｈ）第１導電体の開放領域内に設けられ、かつ、第１導電体から電気的に絶縁され、第１導電体の前記端部よりも低い高さを有する引き下げ電極を備え、
   ｉ）前記中央ブリッジ部は、前記引き下げ電極への制御電圧の印加時に、第１導電体の方へ引き寄せられ、相対的に低いインピーダンスを示し、第１および第２導電体間に信号を伝達させる、
   ＭＥＭＳスイッチ。
2. 前記ブリッジ部材（ｄ）が、１２０°離れた３つのアームを有する請求項１記載のＭＥＭＳスイッチ。
3. 前記ブリッジ部材（ｄ）の各アームは縦軸に沿って設けられ、各アームが前記縦軸に沿って配置された溝を備える請求項１記載のＭＥＭＳスイッチ。
4. 前記ブリッジ部材（ｄ）の各アームは、アーム上に配置され前記支持構成部に接続される少なくとも１つの補剛部材を備える請求項１記載のＭＥＭＳスイッチ。
5. 前記ブリッジ部材（ｄ）の各アームは縦軸に沿って設けられ、各アームは２つの補剛部材を備え、その一方が前記縦軸のいずれかの側にある請求項４記載のＭＥＭＳスイッチ。
6. ｊ）前記ブリッジ部材（ｄ）の共通中央ブリッジ部に配置される補剛部材をさらに備える請求項１記載のＭＥＭＳスイッチ。
7. ｋ）制御電圧の印加時に第１および第２導電体間に容量的な接続が形成されるように、間隔を有する第１および第２ＲＦ導電体（ｂ）の第１導電体の前記端部に設けられた誘電体層をさらに備えた請求項１記載のＭＥＭＳスイッチ。
8. ｌ）前記制御電圧を受入れるために前記基板部材（ａ）の上に設けられたパッド、および
   ｍ）前記パッド（ｌ）を前記引き下げ電極（ｈ）に接続する薄膜抵抗、をさらに備える請求項１記載のＭＥＭＳスイッチ。
9. 前記支持構成部（ｃ）が前記ブリッジ部材（ｄ）のアームの第１と第２の間と、アームの第１および第３の間に延びる請求項２記載のＭＥＭＳスイッチ。
10. ｍ）前記ブリッジ部材（ｄ）の第１および第２アームの間と、前記ブリッジ部材の第１および第３アームの間に延びる通電路をさらに備える請求項９記載のＭＥＭＳスイッチ。
11. ｏ）前記アームの下方に配置され、アームの下向きの運動を制限し、スイッチ製造時にアームが弾性限界を越えることを防止するバンパー部材をさらに備える請求項１記載のＭＥＭＳスイッチ。

Images