JP3449334B2 - マイクロマシンスイッチおよびその製造方法 - Google Patents
マイクロマシンスイッチおよびその製造方法Info
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- JP3449334B2 JP3449334B2 JP2000101625A JP2000101625A JP3449334B2 JP 3449334 B2 JP3449334 B2 JP 3449334B2 JP 2000101625 A JP2000101625 A JP 2000101625A JP 2000101625 A JP2000101625 A JP 2000101625A JP 3449334 B2 JP3449334 B2 JP 3449334B2
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
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- H01H1/12—Contacts characterised by the manner in which co-operating contacts engage
- H01H1/14—Contacts characterised by the manner in which co-operating contacts engage by abutting
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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
Landscapes
- Micromachines (AREA)
- Pressure Sensors (AREA)
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロマシンス
イッチおよびその製造方法に関し、特にDC(直流)か
らギガヘルツ以上の広い信号周波数をオン/オフ可能と
するマイクロマシンスイッチおよびその製造方法に関す
るものである。
イッチおよびその製造方法に関し、特にDC(直流)か
らギガヘルツ以上の広い信号周波数をオン/オフ可能と
するマイクロマシンスイッチおよびその製造方法に関す
るものである。
【0002】
【従来の技術】従来、ロックウェル・インターナショナ
ル・コーポレイションのユン・ジェイソン・ヤオの「微
細電気機械スイッチ」(特開平9−17300号公報)
に記載の発明を例にして、従来技術を説明する。
ル・コーポレイションのユン・ジェイソン・ヤオの「微
細電気機械スイッチ」(特開平9−17300号公報)
に記載の発明を例にして、従来技術を説明する。
【0003】図18は、特開平9−17300号公報に
開示されたマイクロマシンスイッチの平面図(a)およ
びそのE−E’線断面図を示す。同図に示すように、ガ
リウムヒ素からなる基板51上には、熱硬化ポリイミド
からなるアンカー構造52と、金からなる下部電極53
と、金からなる信号線54とが設けられている。
開示されたマイクロマシンスイッチの平面図(a)およ
びそのE−E’線断面図を示す。同図に示すように、ガ
リウムヒ素からなる基板51上には、熱硬化ポリイミド
からなるアンカー構造52と、金からなる下部電極53
と、金からなる信号線54とが設けられている。
【0004】そして、アンカー構造52の上にはシリコ
ン酸化膜からなる片持ちアーム55が設けられ、この片
持ちアーム55は、下部電極53を越えて信号線54の
位置まで延在しており、これらと空間的な隙間を介して
対向している。
ン酸化膜からなる片持ちアーム55が設けられ、この片
持ちアーム55は、下部電極53を越えて信号線54の
位置まで延在しており、これらと空間的な隙間を介して
対向している。
【0005】片持ちアーム55の上側には、アルミから
なる上部電極56がアンカー構造52から下部電極53
に対向する位置まで作製されている。また、片持ちアー
ム55の下側には、信号線54に対向する位置に金から
なる接触電極57が設けられている。
なる上部電極56がアンカー構造52から下部電極53
に対向する位置まで作製されている。また、片持ちアー
ム55の下側には、信号線54に対向する位置に金から
なる接触電極57が設けられている。
【0006】さて、このような構造をしたマイクロマシ
ンスイッチにおいて、上部電極56と下部電極53との
間に30Vの電圧を印加すると、静電気力により上部電
極56に基板方向(矢印58の下向き)に引力が働く。
このため、片持ちアーム55が基板側に変形し、接触電
極57が信号線54の両端と接触する。
ンスイッチにおいて、上部電極56と下部電極53との
間に30Vの電圧を印加すると、静電気力により上部電
極56に基板方向(矢印58の下向き)に引力が働く。
このため、片持ちアーム55が基板側に変形し、接触電
極57が信号線54の両端と接触する。
【0007】通常の状態では、図19(b)に示すよう
に、接触電極57と信号線54との間には隙間が設けら
れ、したがって2本の信号線54は互いに切り離されて
いる。このため、下部電極53に電圧が印加されない状
態では、信号線54に電流は流れない。
に、接触電極57と信号線54との間には隙間が設けら
れ、したがって2本の信号線54は互いに切り離されて
いる。このため、下部電極53に電圧が印加されない状
態では、信号線54に電流は流れない。
【0008】しかし、下部電極53に電圧が印加されて
接触電極57が信号線54と接触した状態では、2本の
信号線54は短絡し、両者の間を電流が流れることがで
きる。したがって、下部電極53への電圧印加によっ
て、信号線54を通る電流あるいは信号のオン/オフを
制御することができる。
接触電極57が信号線54と接触した状態では、2本の
信号線54は短絡し、両者の間を電流が流れることがで
きる。したがって、下部電極53への電圧印加によっ
て、信号線54を通る電流あるいは信号のオン/オフを
制御することができる。
【0009】ただし、スイッチの損失を低減させるため
には、上部電極56と接触電極57とが電気的に十分に
絶縁されていることが重要である。すなわち、もし上部
電極56と接触電極57が電気的に短絡していれば、信
号線54を流れる信号(DCを含む)が上部電極56に
も流れ出てしまう。
には、上部電極56と接触電極57とが電気的に十分に
絶縁されていることが重要である。すなわち、もし上部
電極56と接触電極57が電気的に短絡していれば、信
号線54を流れる信号(DCを含む)が上部電極56に
も流れ出てしまう。
【0010】また、上部電極56と接触電極57とが短
絡していなくとも、静電容量がかなり大きいような状態
では、信号線54を流れる交流信号がやはり上部電極5
6に流れて外部に漏洩する。このように、上部電極56
と接触電極57との絶縁が十分でないときには、信号の
漏れが大きくなり、スイッチの特性が悪くなる。
絡していなくとも、静電容量がかなり大きいような状態
では、信号線54を流れる交流信号がやはり上部電極5
6に流れて外部に漏洩する。このように、上部電極56
と接触電極57との絶縁が十分でないときには、信号の
漏れが大きくなり、スイッチの特性が悪くなる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
従来のマイクロマシンスイッチには、以下の問題点があ
ることが判明した。スイッチをオンさせる(すなわち、
接触電極57が信号線54に接触する)ためには、片持
ちアーム55の復元力に勝る静電気力を発生するよう
に、上部電極56と下部電極53との間に充分な電圧を
印加させることが必要である。その際、この静電気力
は、上部電極56と下部電極53との間の距離(正確に
はこの距離から片持ちアーム55の厚さを減じた値)の
二乗に反比例するため、両者の電極間の距離を小さく設
計することが重要である。
従来のマイクロマシンスイッチには、以下の問題点があ
ることが判明した。スイッチをオンさせる(すなわち、
接触電極57が信号線54に接触する)ためには、片持
ちアーム55の復元力に勝る静電気力を発生するよう
に、上部電極56と下部電極53との間に充分な電圧を
印加させることが必要である。その際、この静電気力
は、上部電極56と下部電極53との間の距離(正確に
はこの距離から片持ちアーム55の厚さを減じた値)の
二乗に反比例するため、両者の電極間の距離を小さく設
計することが重要である。
【0012】ところで、従来例の構造では、図18
(b)に示すように上部電極56と下部電極53との間
の距離は、片持ちアーム55の厚さに加え、さらに接触
電極57と信号線54との間の距離よりも接触電極57
の厚さだけ大きくなる。例えば、高周波応用において信
号の損失を少なくするためには、接触電極57および信
号線54の厚さを2μm程度にする必要がある。
(b)に示すように上部電極56と下部電極53との間
の距離は、片持ちアーム55の厚さに加え、さらに接触
電極57と信号線54との間の距離よりも接触電極57
の厚さだけ大きくなる。例えば、高周波応用において信
号の損失を少なくするためには、接触電極57および信
号線54の厚さを2μm程度にする必要がある。
【0013】また、オフ時に信号線54と接触電極57
との静電容量的結合を小さくするため、両者を4μm以
上離した構成にする必要がある。このため、上部電極5
6と下部電極53とは、片持ちアーム8の厚さに加えて
6μm程度離して配置されることになる。
との静電容量的結合を小さくするため、両者を4μm以
上離した構成にする必要がある。このため、上部電極5
6と下部電極53とは、片持ちアーム8の厚さに加えて
6μm程度離して配置されることになる。
【0014】このとき、上部電極56と下部電極53と
の重なる領域を10,000μm2とし、片持ちアーム
8の幅を20μm、長さを130μmで設計すると約1
00Vもの高い電圧が必要とされることが、本願発明者
等によって確認された。もちろん、片持ちアーム8の長
さを長くしたり、幅を小さくしたりすることにより、片
持ちアーム8の復元力を小さくするように設計すること
も可能であるが、これはデバイスの作製途中あるいはデ
バイスの動作中に片持ちアーム8が破損してしまうおそ
れがある。
の重なる領域を10,000μm2とし、片持ちアーム
8の幅を20μm、長さを130μmで設計すると約1
00Vもの高い電圧が必要とされることが、本願発明者
等によって確認された。もちろん、片持ちアーム8の長
さを長くしたり、幅を小さくしたりすることにより、片
持ちアーム8の復元力を小さくするように設計すること
も可能であるが、これはデバイスの作製途中あるいはデ
バイスの動作中に片持ちアーム8が破損してしまうおそ
れがある。
【0015】一方、上部電極56と下部電極53との重
なる領域を大きくすることにより、大きな静電気力を発
生させることができ、印加電圧を低減させることが可能
であるが、それではデバイス全体が大きくなってしま
う。従来例ではこのような方法で印加電圧の低減を実現
しているが、この方法は明らかにデバイス全体の寸法が
大きくなるという代償を払ったものであり、スイッチの
小型化に関して大きな限界がある。
なる領域を大きくすることにより、大きな静電気力を発
生させることができ、印加電圧を低減させることが可能
であるが、それではデバイス全体が大きくなってしま
う。従来例ではこのような方法で印加電圧の低減を実現
しているが、この方法は明らかにデバイス全体の寸法が
大きくなるという代償を払ったものであり、スイッチの
小型化に関して大きな限界がある。
【0016】また、100Vもの高い電圧が必要とされ
ることから、絶縁破壊によりデバイスが破壊されないよ
うに、片持ちアーム8の膜質を良質なものにすることが
必要とされる。しかし、従来例のように、金からなる接
触電極57の上に酸化膜の片持ちアーム8を低温堆積プ
ロセス(250℃以下のプラズマCVDプロセス)によ
って作製するような方法では、充分の耐圧特性を持った
酸化膜を形成することは困難である。
ることから、絶縁破壊によりデバイスが破壊されないよ
うに、片持ちアーム8の膜質を良質なものにすることが
必要とされる。しかし、従来例のように、金からなる接
触電極57の上に酸化膜の片持ちアーム8を低温堆積プ
ロセス(250℃以下のプラズマCVDプロセス)によ
って作製するような方法では、充分の耐圧特性を持った
酸化膜を形成することは困難である。
【0017】また、印加電圧が高くなると、駆動用の回
路で消費される電力が増大するため、特に多数のスイッ
チを配列するというアンテナ等の用途に従来例のマイク
ロスイッチを応用することができないことがわかった。
路で消費される電力が増大するため、特に多数のスイッ
チを配列するというアンテナ等の用途に従来例のマイク
ロスイッチを応用することができないことがわかった。
【0018】本発明は、このようなを課題を解決するた
めのものであり、従来よりも低い駆動電圧で動作可能な
マイクロマシンスイッチおよびその製造方法を提供する
ことを主な目的とする。また、本発明は、印加電圧を下
げることができない場合に備え、絶縁体膜の耐圧特性を
上昇させることによってデバイス特性を改善することを
その他の目的とする。
めのものであり、従来よりも低い駆動電圧で動作可能な
マイクロマシンスイッチおよびその製造方法を提供する
ことを主な目的とする。また、本発明は、印加電圧を下
げることができない場合に備え、絶縁体膜の耐圧特性を
上昇させることによってデバイス特性を改善することを
その他の目的とする。
【0019】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明に係るマイクロマシンスイッチの一態
様は、基板上に設けられた第1の信号線と、前記基板上
に設けられかつ前記第1の信号線の端部から所定のギャ
ップを隔てて端部の設けられた第2の信号線との間の導
通/非導通を制御するマイクロマシンスイッチにおい
て、前記基板上に設けられた支持部材と、この支持部材
に接続してかつ一部が前記ギャップと対向するように前
記基板上に空間を隔てて設けられた梁部材と、この梁部
材の前記基板側における少なくとも前記ギャップと対向
する位置に設けられた接触電極と、前記基板上に前記梁
部材の一部と対向して設けられた下部電極と、前記梁部
材に前記下部電極と対向して設けられた中間電極とを備
え、前記下部電極を前記中間電極に向かい合う面積が互
いに等しい複数の櫛歯状の電極によって構成している。
または、前記基板上に設けられた支持部材と、この支持
部材に接続してかつ一部が前記ギャップと対向するよう
に前記基板上に空間を隔てて設けられた梁部材と、この
梁部材の前記基板側における少なくとも前記ギャップと
対向する位置に設けられた接触電極と、前記基板上に前
記梁部材の一部と対向して設けられた下部電極と、前記
梁部材に前記下部電極と対向して設けられた中間電極と
を備え、前記梁部材の一部に設けられた上部電極を前記
下部電極に向かい合う面積が互いに等しい複数の櫛歯状
の電極によって構成している。
るために、本発明に係るマイクロマシンスイッチの一態
様は、基板上に設けられた第1の信号線と、前記基板上
に設けられかつ前記第1の信号線の端部から所定のギャ
ップを隔てて端部の設けられた第2の信号線との間の導
通/非導通を制御するマイクロマシンスイッチにおい
て、前記基板上に設けられた支持部材と、この支持部材
に接続してかつ一部が前記ギャップと対向するように前
記基板上に空間を隔てて設けられた梁部材と、この梁部
材の前記基板側における少なくとも前記ギャップと対向
する位置に設けられた接触電極と、前記基板上に前記梁
部材の一部と対向して設けられた下部電極と、前記梁部
材に前記下部電極と対向して設けられた中間電極とを備
え、前記下部電極を前記中間電極に向かい合う面積が互
いに等しい複数の櫛歯状の電極によって構成している。
または、前記基板上に設けられた支持部材と、この支持
部材に接続してかつ一部が前記ギャップと対向するよう
に前記基板上に空間を隔てて設けられた梁部材と、この
梁部材の前記基板側における少なくとも前記ギャップと
対向する位置に設けられた接触電極と、前記基板上に前
記梁部材の一部と対向して設けられた下部電極と、前記
梁部材に前記下部電極と対向して設けられた中間電極と
を備え、前記梁部材の一部に設けられた上部電極を前記
下部電極に向かい合う面積が互いに等しい複数の櫛歯状
の電極によって構成している。
【0020】また、本発明はその他の態様として以下に
示す構成を含むものである。すなわち、前記梁部材は、
前記支持部材との接続部分から少なくとも前記下部電極
と対向する位置までの領域が導電性部材からなる。ま
た、前記導電性部材は、半導体材料よりなる。また、前
記半導体材料は、単結晶の半導体である。また、前記半
導体材料は、アモルファス半導体または多結晶半導体で
ある。また、前記支持部材と前記梁部材との接続部分
は、その表面におけるなす角が鈍角である。また、前記
接触電極は、前記第1および第2の信号線と容量接続可
能な絶縁体膜によって覆われている。
示す構成を含むものである。すなわち、前記梁部材は、
前記支持部材との接続部分から少なくとも前記下部電極
と対向する位置までの領域が導電性部材からなる。ま
た、前記導電性部材は、半導体材料よりなる。また、前
記半導体材料は、単結晶の半導体である。また、前記半
導体材料は、アモルファス半導体または多結晶半導体で
ある。また、前記支持部材と前記梁部材との接続部分
は、その表面におけるなす角が鈍角である。また、前記
接触電極は、前記第1および第2の信号線と容量接続可
能な絶縁体膜によって覆われている。
【0021】また、前記基板は、ガラス基板またはセラ
ミック基板である。また、前記基板は、ガリウムヒ素基
板である。また、前記下部電極と対向する前記導電性部
材の一部に上部電極を設け、前記中間電極は、前記上部
電極と電気的に短絡され、前記上部電極は、電気的に浮
遊した状態にある。
ミック基板である。また、前記基板は、ガリウムヒ素基
板である。また、前記下部電極と対向する前記導電性部
材の一部に上部電極を設け、前記中間電極は、前記上部
電極と電気的に短絡され、前記上部電極は、電気的に浮
遊した状態にある。
【0022】また、前記マイクロマシンスイッチは、フ
ェーズドアレイアンテナ装置に使用される。また、前記
梁部材を支持する複数の支持部材を備える。さらに、前
記梁部材は、前記支持部材との接続部分から前記下部電
極と対向する位置までの領域を少なくとも2種以上の材
料からなる多層構造から構成している。
ェーズドアレイアンテナ装置に使用される。また、前記
梁部材を支持する複数の支持部材を備える。さらに、前
記梁部材は、前記支持部材との接続部分から前記下部電
極と対向する位置までの領域を少なくとも2種以上の材
料からなる多層構造から構成している。
【0023】次に、本発明に係るマイクロマシンスイッ
チの製造方法は、基板上に設けられた第1の信号線と、
前記基板上に設けられかつ前記第1の信号線の端部から
所定のギャップを隔てて端部の設けられた第2の信号線
との間の導通/非導通を制御するマイクロマシンスイッ
チの製造方法において、前記基板上に下部電極を形成す
る工程と、所定の高さを有する支持部材とこの支持部材
に接続する梁部材、前記梁部材に設けられた接触電極、
および前記梁部材に設けられた中間電極からなる部材
を、前記接触電極が前記ギャップと対向するとともに前
記第1および第2の信号線と離間した状態で前記基板上
に接着する工程とを有し、前記下部電極を前記中間電極
に向かい合う面積が互いに等しい複数の櫛歯状の電極に
よって構成している。または、前記基板上に下部電極を
形成する工程と、所定の高さを有する支持部材とこの支
持部材に接続する梁部材、前記梁部材に設けられた接触
電極、および前記梁部材に設けられた中間電極からなる
部材を、前記接触電極が前記ギャップと対向するととも
に前記第1および第2の信号線と離間した状態で前記基
板上に接着する工程とを有し、前記梁部材の一部に設け
られた上部電極を前記下部電極に向かい合う面積が互い
に等しい複数の櫛歯状の電極によって構成している。
チの製造方法は、基板上に設けられた第1の信号線と、
前記基板上に設けられかつ前記第1の信号線の端部から
所定のギャップを隔てて端部の設けられた第2の信号線
との間の導通/非導通を制御するマイクロマシンスイッ
チの製造方法において、前記基板上に下部電極を形成す
る工程と、所定の高さを有する支持部材とこの支持部材
に接続する梁部材、前記梁部材に設けられた接触電極、
および前記梁部材に設けられた中間電極からなる部材
を、前記接触電極が前記ギャップと対向するとともに前
記第1および第2の信号線と離間した状態で前記基板上
に接着する工程とを有し、前記下部電極を前記中間電極
に向かい合う面積が互いに等しい複数の櫛歯状の電極に
よって構成している。または、前記基板上に下部電極を
形成する工程と、所定の高さを有する支持部材とこの支
持部材に接続する梁部材、前記梁部材に設けられた接触
電極、および前記梁部材に設けられた中間電極からなる
部材を、前記接触電極が前記ギャップと対向するととも
に前記第1および第2の信号線と離間した状態で前記基
板上に接着する工程とを有し、前記梁部材の一部に設け
られた上部電極を前記下部電極に向かい合う面積が互い
に等しい複数の櫛歯状の電極によって構成している。
【0024】また、本発明はその他の態様として以下に
示す構成を含む。すなわち、前記梁部材は、前記支持部
材との接続部分から少なくとも前記下部電極と対向する
位置までの領域が導電性部材からなる。また、前記導電
性部材を、半導体材料より形成する。また、前記半導体
材料を、単結晶の半導体とする。また、前記半導体材料
を、アモルファス半導体または多結晶半導体とする。ま
た、前記支持部材と前記梁部材との接続部分を、その表
面におけるなす角が鈍角となるように形成する。また、
前記接触電極を、前記第1および第2の信号線と容量接
続可能な絶縁体膜によって覆う。また、前記基板を、ガ
ラス基板またはセラミック基板とする。また、前記基板
を、ガリウムヒ素基板とする。また、前記下部電極と対
向する前記導電性部材の一部に上部電極を設け、前記中
間電極は、前記上部電極と電気的に短絡され、前記上部
電極は、電気的に浮遊した状態にある。また、前記マイ
クロマシンスイッチは、フェーズドアレイアンテナ装置
に使用される。また、前記梁部材を支持する複数の支持
部材を備える。さらに、前記梁部材は、前記支持部材と
の接続部分から前記下部電極と対向する位置までの領域
を少なくとも2種以上の材料からなる多層構造から構成
している。
示す構成を含む。すなわち、前記梁部材は、前記支持部
材との接続部分から少なくとも前記下部電極と対向する
位置までの領域が導電性部材からなる。また、前記導電
性部材を、半導体材料より形成する。また、前記半導体
材料を、単結晶の半導体とする。また、前記半導体材料
を、アモルファス半導体または多結晶半導体とする。ま
た、前記支持部材と前記梁部材との接続部分を、その表
面におけるなす角が鈍角となるように形成する。また、
前記接触電極を、前記第1および第2の信号線と容量接
続可能な絶縁体膜によって覆う。また、前記基板を、ガ
ラス基板またはセラミック基板とする。また、前記基板
を、ガリウムヒ素基板とする。また、前記下部電極と対
向する前記導電性部材の一部に上部電極を設け、前記中
間電極は、前記上部電極と電気的に短絡され、前記上部
電極は、電気的に浮遊した状態にある。また、前記マイ
クロマシンスイッチは、フェーズドアレイアンテナ装置
に使用される。また、前記梁部材を支持する複数の支持
部材を備える。さらに、前記梁部材は、前記支持部材と
の接続部分から前記下部電極と対向する位置までの領域
を少なくとも2種以上の材料からなる多層構造から構成
している。
【0025】このように本発明は、中間電極を設けるこ
とにより、上部電極と下部電極との間の距離を実質的に
短くすることにより、スイッチの駆動電圧を低減させる
ものである。例えば、接触電極と同じ厚さの中間電極を
絶縁体膜を挟んで上部電極の下側に設ける。この中間電
極は外部の電圧回路と直接接続されていないとする。上
部電極と下部電極との間に電圧(V)を印加したときに
は、中間電極の電位は以下の式から計算される。
とにより、上部電極と下部電極との間の距離を実質的に
短くすることにより、スイッチの駆動電圧を低減させる
ものである。例えば、接触電極と同じ厚さの中間電極を
絶縁体膜を挟んで上部電極の下側に設ける。この中間電
極は外部の電圧回路と直接接続されていないとする。上
部電極と下部電極との間に電圧(V)を印加したときに
は、中間電極の電位は以下の式から計算される。
【0026】V・C1 /(C1 +C2 )
【0027】ここで、中間電極と上部電極との間の静電
容量をC1 、中間電極と下部電極との間の静電容量をC
2 とした。C1 はC2 よりも大きいので、中間電極の電
位はほぼ上部電極と等しい値となる。
容量をC1 、中間電極と下部電極との間の静電容量をC
2 とした。C1 はC2 よりも大きいので、中間電極の電
位はほぼ上部電極と等しい値となる。
【0028】この中間電極を上述の従来例のケースに当
てはめると、中間電極と下部電極との間の距離は、接触
電極と信号線との間の距離の4μmに等しい。このと
き、電圧を印加する電極の距離が実質的に2/3(=4
[μm]/6[μm])に減少するため、必要とされる
電圧も約67Vと従来例の2/3に減少させることが可
能となる。
てはめると、中間電極と下部電極との間の距離は、接触
電極と信号線との間の距離の4μmに等しい。このと
き、電圧を印加する電極の距離が実質的に2/3(=4
[μm]/6[μm])に減少するため、必要とされる
電圧も約67Vと従来例の2/3に減少させることが可
能となる。
【0029】さらに、この中間電極は、接触電極の作製
と同時に作製することができるため、デバイスの製造コ
ストを少しも上昇させないという長所があることが特筆
される。中間電極の構造は、以下の実施例で詳しく述べ
るように種々の変更が可能であり、それぞれ大きな特徴
を有する。
と同時に作製することができるため、デバイスの製造コ
ストを少しも上昇させないという長所があることが特筆
される。中間電極の構造は、以下の実施例で詳しく述べ
るように種々の変更が可能であり、それぞれ大きな特徴
を有する。
【0030】このように本発明は、従来よりも低い印加
電圧で駆動させることができるとともに、絶縁体膜の耐
圧特性を上昇させることによってデバイス特性を改善す
ることができる。
電圧で駆動させることができるとともに、絶縁体膜の耐
圧特性を上昇させることによってデバイス特性を改善す
ることができる。
【0031】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て説明する。
て説明する。
【0032】[第1の実施の形態]
図1は、本発明の第1の実施の形態を示す平面図であ
る。同図に示すようにマイクロマシンスイッチは、信号
線3aに接続されるとともに片持ちアーム8および上部
電極9を備えた支持部材7と、片持ちアーム8に接続さ
れた絶縁性部材6と、絶縁性部材6を介して対向する接
触電極5および補強部材10とで構成されている。片持
ちアーム8と上部電極9と絶縁性部材6とから梁部材が
構成される。接触電極5の直下には信号線3が配置され
ている。絶縁性部材6を介して上部電極9と対向する位
置には、図示しない中間電極が設けられ、この中間電極
の直下には2個の下部電極4a,4bが配置されてい
る。図1に示すように、本実施の形態は、下部電極が図
示しない中間電極の下側で電気的に二つの異なる電位を
持つことが可能となるように、下部電極4a,4bに分
離していることが特徴である。
る。同図に示すようにマイクロマシンスイッチは、信号
線3aに接続されるとともに片持ちアーム8および上部
電極9を備えた支持部材7と、片持ちアーム8に接続さ
れた絶縁性部材6と、絶縁性部材6を介して対向する接
触電極5および補強部材10とで構成されている。片持
ちアーム8と上部電極9と絶縁性部材6とから梁部材が
構成される。接触電極5の直下には信号線3が配置され
ている。絶縁性部材6を介して上部電極9と対向する位
置には、図示しない中間電極が設けられ、この中間電極
の直下には2個の下部電極4a,4bが配置されてい
る。図1に示すように、本実施の形態は、下部電極が図
示しない中間電極の下側で電気的に二つの異なる電位を
持つことが可能となるように、下部電極4a,4bに分
離していることが特徴である。
【0033】本実施の形態の構造では、印加電圧は下部
電極4a,4b間にかけられ、上部電極9につながる支
持部材7は電気的に浮いた状態である。このとき、二つ
の下部電極4aおよび4bの間に印加された電圧の半分
が、下部電極4aおよび4bと中間電極との間に働くこ
とになる。
電極4a,4b間にかけられ、上部電極9につながる支
持部材7は電気的に浮いた状態である。このとき、二つ
の下部電極4aおよび4bの間に印加された電圧の半分
が、下部電極4aおよび4bと中間電極との間に働くこ
とになる。
【0034】このため、静電引力となってスイッチを閉
じるのに役立つ電圧が半分に減少するため、後述の第4
の実施の形態の場合の2倍の電圧を印加することによ
り、スイッチを閉じることができる。一方、上部電極9
が浮いた状態であるため、上部電極9と下部電極4aお
よび4bとの間の絶縁性部材6が高圧のために破壊され
るという問題は生じない。そして、なによりも支持部材
7に電位を与えるための信号線3aを接続する必要がな
いため、デバイス全体としての配線が非常に簡略化され
るという長所がある。
じるのに役立つ電圧が半分に減少するため、後述の第4
の実施の形態の場合の2倍の電圧を印加することによ
り、スイッチを閉じることができる。一方、上部電極9
が浮いた状態であるため、上部電極9と下部電極4aお
よび4bとの間の絶縁性部材6が高圧のために破壊され
るという問題は生じない。そして、なによりも支持部材
7に電位を与えるための信号線3aを接続する必要がな
いため、デバイス全体としての配線が非常に簡略化され
るという長所がある。
【0035】なお、支持部材7を電気的に浮かせた状態
での駆動方法は、周囲の配線の影響を受けるということ
がときには問題となることがあるが(例えば、多数のス
イッチを配置した場合、各スイッチにおける駆動電圧が
異なることがある)、本実施の形態においては周囲の影
響をあまり受けることなくスイッチを駆動させることが
できる。また、本実施の形態では、上部電極6を片持ち
アーム8と接続させた例を示したが、中間電極15の電
位を二つの下部電極4aおよび4bによって決めること
ができるで、この上部電極9を省略することができる。
また、上部電極9を単に補強板として利用することもで
きるし、片持ちアーム8と切り離してもよい。さらに、
支持部材7、片持ちアーム8、さらに上部電極9を絶縁
体あるいは高抵抗の半導体等の材料を使って作製するこ
ともできる。
での駆動方法は、周囲の配線の影響を受けるということ
がときには問題となることがあるが(例えば、多数のス
イッチを配置した場合、各スイッチにおける駆動電圧が
異なることがある)、本実施の形態においては周囲の影
響をあまり受けることなくスイッチを駆動させることが
できる。また、本実施の形態では、上部電極6を片持ち
アーム8と接続させた例を示したが、中間電極15の電
位を二つの下部電極4aおよび4bによって決めること
ができるで、この上部電極9を省略することができる。
また、上部電極9を単に補強板として利用することもで
きるし、片持ちアーム8と切り離してもよい。さらに、
支持部材7、片持ちアーム8、さらに上部電極9を絶縁
体あるいは高抵抗の半導体等の材料を使って作製するこ
ともできる。
【0036】[第2の実施の形態]図2は、本発明の第
2の実施の形態を示す平面図である。同図において、図
1における同一符号のものは同一または同等の構成要素
を示す。図2に示すように、本実施の形態は、中間電極
15の下側で電気的に二つの異なる電位を持つことが可
能な下部電極4c,4dが櫛歯構造になっている。
2の実施の形態を示す平面図である。同図において、図
1における同一符号のものは同一または同等の構成要素
を示す。図2に示すように、本実施の形態は、中間電極
15の下側で電気的に二つの異なる電位を持つことが可
能な下部電極4c,4dが櫛歯構造になっている。
【0037】第1の実施の形態では、スイッチ本体部1
4を接着する際に、下部電極4a,4bが向かい合った
部分が上部電極9のちょうど真ん中に位置するようにし
なければならない。すなわち、中間電極15と下部電極
4a,4bとの重なる領域が等しい大きさにならない
と、中間電極15の電位が二つの下部電極の電圧の半分
にならず、領域の大きな下部電極の方に引き寄せられる
ことがある。そして、片持ちアーム8にねじれの変位が
生じる恐れがある。
4を接着する際に、下部電極4a,4bが向かい合った
部分が上部電極9のちょうど真ん中に位置するようにし
なければならない。すなわち、中間電極15と下部電極
4a,4bとの重なる領域が等しい大きさにならない
と、中間電極15の電位が二つの下部電極の電圧の半分
にならず、領域の大きな下部電極の方に引き寄せられる
ことがある。そして、片持ちアーム8にねじれの変位が
生じる恐れがある。
【0038】そこで、本実施の形態ではこのような問題
を解決するため、下部電極を櫛歯構造とすることによ
り、スイッチ本体部14を接着する際に若干のずれが生
じても、下部電極と上部電極との重なる領域の大きさが
等しくなるようにしている。なお、櫛歯の数は図示した
例に限られるものではなく、さらに多数の櫛歯を設ける
ことができる。また、櫛歯の方向も任意に変えることが
できる。なお、図1、2に関して述べた実施の形態にお
ける電極の分離は、下部電極に限られるものではない。
すなわち、同様に上部電極を二つ以上に電気的に分離し
てもよいし、上部電極および下部電極の両者を分離して
もよい。また、この分離される電極の個数は二つに限ら
れず、複数であればよい。
を解決するため、下部電極を櫛歯構造とすることによ
り、スイッチ本体部14を接着する際に若干のずれが生
じても、下部電極と上部電極との重なる領域の大きさが
等しくなるようにしている。なお、櫛歯の数は図示した
例に限られるものではなく、さらに多数の櫛歯を設ける
ことができる。また、櫛歯の方向も任意に変えることが
できる。なお、図1、2に関して述べた実施の形態にお
ける電極の分離は、下部電極に限られるものではない。
すなわち、同様に上部電極を二つ以上に電気的に分離し
てもよいし、上部電極および下部電極の両者を分離して
もよい。また、この分離される電極の個数は二つに限ら
れず、複数であればよい。
【0039】
【0040】[第3の実施の形態]
図3は、本発明に係る第3の実施の形態を説明するため
の平面図(a)およびそのA−A’線断面図(b)を示
す。同図に示すように、誘電率の大きなガラス製の基板
1上に、シリコンからなるスイッチ本体部14と、金か
らなる下部電極4と、金からなる信号線3が設けられて
いる。また、基板1の裏面にはアース板2が形成されて
いる。
の平面図(a)およびそのA−A’線断面図(b)を示
す。同図に示すように、誘電率の大きなガラス製の基板
1上に、シリコンからなるスイッチ本体部14と、金か
らなる下部電極4と、金からなる信号線3が設けられて
いる。また、基板1の裏面にはアース板2が形成されて
いる。
【0041】スイッチ本体部14は、支持部材7と、片
持ちアーム8と、上部電極9との一体構造となってい
る。支持部材7からは、シリコンからなる二本の片持ち
アーム8が基板面に対してほぼ水平に延びている。二本
の片持ちアーム8は、従来例における一本のアームと比
べてアームの回転運動を低く抑えることができ、スイッ
チの片当たり接触を防止するのに役立つ。ただし、条件
に応じて片持ちアーム8の本数を変えればよいのであっ
て、本実施の形態には1本および2本以上の片持ちアー
ム8を有する構造が含まれる。
持ちアーム8と、上部電極9との一体構造となってい
る。支持部材7からは、シリコンからなる二本の片持ち
アーム8が基板面に対してほぼ水平に延びている。二本
の片持ちアーム8は、従来例における一本のアームと比
べてアームの回転運動を低く抑えることができ、スイッ
チの片当たり接触を防止するのに役立つ。ただし、条件
に応じて片持ちアーム8の本数を変えればよいのであっ
て、本実施の形態には1本および2本以上の片持ちアー
ム8を有する構造が含まれる。
【0042】ところで、支持部材7と片持ちアーム8と
接続部分においては、その表面におけるなす角α,β
が、それぞれ鈍角(90°<α,β<180°)となる
ように調整することが好ましい。このようにすることに
より、片持ちアーム8の強度を高めることができ、1M
Hz以上といった高周波数のスイッチング動作を可能と
する。
接続部分においては、その表面におけるなす角α,β
が、それぞれ鈍角(90°<α,β<180°)となる
ように調整することが好ましい。このようにすることに
より、片持ちアーム8の強度を高めることができ、1M
Hz以上といった高周波数のスイッチング動作を可能と
する。
【0043】片持ちアーム8の先端には、シリコンから
なる上部電極9が設けられている。上部電極9は、下部
電極4と空間的な隙間を介して対向している。支持部材
7は、基板1上に形成されている信号線3aに接続され
ており、この信号線3aは、支持部材7および片持ちア
ーム8を介して上部電極9と電気的に接続されている。
なる上部電極9が設けられている。上部電極9は、下部
電極4と空間的な隙間を介して対向している。支持部材
7は、基板1上に形成されている信号線3aに接続され
ており、この信号線3aは、支持部材7および片持ちア
ーム8を介して上部電極9と電気的に接続されている。
【0044】また、二酸化シリコンあるいは窒化シリコ
ン膜等の絶縁体膜からなる絶縁性部材6が、上部電極9
の下面に下部電極4と対向する位置から信号線3に対向
する位置にかけて設けられている。この信号線3に対向
する絶縁性部材6の下側の位置には、金からなる接触電
極5が設けられている。同様に、下部電極4と対向する
ようにして絶縁性部材6上には、中間電極15が設けら
れている。
ン膜等の絶縁体膜からなる絶縁性部材6が、上部電極9
の下面に下部電極4と対向する位置から信号線3に対向
する位置にかけて設けられている。この信号線3に対向
する絶縁性部材6の下側の位置には、金からなる接触電
極5が設けられている。同様に、下部電極4と対向する
ようにして絶縁性部材6上には、中間電極15が設けら
れている。
【0045】このように絶縁性部材6を設けることによ
り、接触電極5と上部電極9との短絡を防止することが
できる。ただし、絶縁性部材6は、最低限接触電極5と
上部電極9との間、および、中間電極15と上部電極9
との間にあればよい。なお、高周波信号をスイッチング
する場合は、信号線3と容量結合可能な範囲で接触電極
5の表面を絶縁体膜で覆っていてもよい。逆に信号線3
を絶縁体膜で覆っても構わない。
り、接触電極5と上部電極9との短絡を防止することが
できる。ただし、絶縁性部材6は、最低限接触電極5と
上部電極9との間、および、中間電極15と上部電極9
との間にあればよい。なお、高周波信号をスイッチング
する場合は、信号線3と容量結合可能な範囲で接触電極
5の表面を絶縁体膜で覆っていてもよい。逆に信号線3
を絶縁体膜で覆っても構わない。
【0046】このように、接触電極5と対向する絶縁性
部材6の上側には、片持ちアーム8よりも厚みのある上
部電極9が設けられているため、接触電極5と絶縁性部
材6との間に生じる歪みによる反りを小さく抑えること
ができる。したがって、接触電極5は絶えず基板1に対
して平行な状態を保つことができ、片当たりによる接触
抵抗の増大を抑えることができる。なお、片持ちアーム
8と上部電極9と絶縁性部材6とから梁部材が構成され
る。
部材6の上側には、片持ちアーム8よりも厚みのある上
部電極9が設けられているため、接触電極5と絶縁性部
材6との間に生じる歪みによる反りを小さく抑えること
ができる。したがって、接触電極5は絶えず基板1に対
して平行な状態を保つことができ、片当たりによる接触
抵抗の増大を抑えることができる。なお、片持ちアーム
8と上部電極9と絶縁性部材6とから梁部材が構成され
る。
【0047】ここで、図3に示すマイクロマシンスイッ
チの動作について説明する。信号線3aを介して上部電
極9と下部電極4との間に70Vの電圧を印加すると、
静電気力により上部電極9に基板方向(下向き)に引力
が働く。このため、片持ちアーム8が下側に湾曲して接
触電極5が信号線3と接触するようになる。
チの動作について説明する。信号線3aを介して上部電
極9と下部電極4との間に70Vの電圧を印加すると、
静電気力により上部電極9に基板方向(下向き)に引力
が働く。このため、片持ちアーム8が下側に湾曲して接
触電極5が信号線3と接触するようになる。
【0048】信号線3は、図3(b)に示すように接触
電極5に対向する位置に隙間が設けられている。このた
め、電圧が印加されない状態では信号線3に電流は流れ
ないが、電圧が印加されて接触電極5が信号線3と接触
した状態では信号線3を電流が流れることができる。こ
のように、下部電極4への電圧印加によって信号線3を
通る電流あるいは信号のオン/オフを制御することがで
きる。また、30GHzの信号を扱った場合、従来のH
EMT(High Electron Mobility Transistor)スイッ
チでの挿入損失が3〜4dBであったのに対し、図3の
スイッチでは2.5dBという結果が得られた。
電極5に対向する位置に隙間が設けられている。このた
め、電圧が印加されない状態では信号線3に電流は流れ
ないが、電圧が印加されて接触電極5が信号線3と接触
した状態では信号線3を電流が流れることができる。こ
のように、下部電極4への電圧印加によって信号線3を
通る電流あるいは信号のオン/オフを制御することがで
きる。また、30GHzの信号を扱った場合、従来のH
EMT(High Electron Mobility Transistor)スイッ
チでの挿入損失が3〜4dBであったのに対し、図3の
スイッチでは2.5dBという結果が得られた。
【0049】このように図3のマイクロマシンスイッチ
では、上部電極9は導電性の片持ちアーム8を介して導
電性の支持部材7と電気的に接続されているため、上部
電極9への電圧印加を容易に行うことができる。ただ
し、上部電極9は電気的に浮遊した状態であっても構わ
ない。その場合、信号線3aは不要であり、スイッチを
動作させるためには下部電極4に電圧を印加するだけで
よい。
では、上部電極9は導電性の片持ちアーム8を介して導
電性の支持部材7と電気的に接続されているため、上部
電極9への電圧印加を容易に行うことができる。ただ
し、上部電極9は電気的に浮遊した状態であっても構わ
ない。その場合、信号線3aは不要であり、スイッチを
動作させるためには下部電極4に電圧を印加するだけで
よい。
【0050】また、支持部材7と片持ちアーム8と上部
電極9とを、不純物が一部あるいは全体に拡散された半
導体で作製することができる。その場合、スイッチの動
作時に上部電極9と下部電極4との間に流れる電流は、
極めて小さなものであるから、これら半導体の不純物の
含有量を精密に制御する必要はない。
電極9とを、不純物が一部あるいは全体に拡散された半
導体で作製することができる。その場合、スイッチの動
作時に上部電極9と下部電極4との間に流れる電流は、
極めて小さなものであるから、これら半導体の不純物の
含有量を精密に制御する必要はない。
【0051】また、以下の作製方法に述べるように片持
ちアーム8の厚さを、他の構成要素に比べて薄く制御す
ることも容易である。このように個々の要素の厚さを制
御することによって、剛性の大きな構成要素の中に柔ら
かい片持ちアーム8を作製することができる。したがっ
て、剛性の大きな要素では電圧印加時の変形が基板1に
対して水平に行われ、変形のほとんどが薄い片持ちアー
ム8によってなされることになる。これは、スイッチの
片当たりを低く抑えることに役立つものである。
ちアーム8の厚さを、他の構成要素に比べて薄く制御す
ることも容易である。このように個々の要素の厚さを制
御することによって、剛性の大きな構成要素の中に柔ら
かい片持ちアーム8を作製することができる。したがっ
て、剛性の大きな要素では電圧印加時の変形が基板1に
対して水平に行われ、変形のほとんどが薄い片持ちアー
ム8によってなされることになる。これは、スイッチの
片当たりを低く抑えることに役立つものである。
【0052】ただし、上部電極9の厚さを、片持ちアー
ム8と同じにしたものも本発明に含むことができる。こ
のような構造は、作製方法が簡略化されるという長所が
ある。
ム8と同じにしたものも本発明に含むことができる。こ
のような構造は、作製方法が簡略化されるという長所が
ある。
【0053】なお、図3のマイクロマシンスイッチの代
表的な寸法は、表1のとおりである。
表的な寸法は、表1のとおりである。
【0054】
【表1】
【0055】ここで、幅は図3(a)の平面図に対して
縦方向の長さ、長さは図3(a)の平面図に対して横方
向の長さ、厚さは図3(b)の断面図に対して縦方向の
長さをそれぞれ示す。また、中間電極15と下部電極4
との距離は、4μmとしている。しかし、これら寸法は
個々の応用に応じて設計すべきものであり、上述の数値
に限定されるものではない。本発明においては、その増
大した設計自由度により、広い範囲の設計が可能であ
る。例えば、中間電極15の厚さを接触電極5よりも少
し薄く設計すると、接触電極5と信号線3との接触の力
が大きくなり、両者の接触抵抗が減少する。これは、特
にDC信号をオン/オフするスイッチに適した設計であ
るといえる。
縦方向の長さ、長さは図3(a)の平面図に対して横方
向の長さ、厚さは図3(b)の断面図に対して縦方向の
長さをそれぞれ示す。また、中間電極15と下部電極4
との距離は、4μmとしている。しかし、これら寸法は
個々の応用に応じて設計すべきものであり、上述の数値
に限定されるものではない。本発明においては、その増
大した設計自由度により、広い範囲の設計が可能であ
る。例えば、中間電極15の厚さを接触電極5よりも少
し薄く設計すると、接触電極5と信号線3との接触の力
が大きくなり、両者の接触抵抗が減少する。これは、特
にDC信号をオン/オフするスイッチに適した設計であ
るといえる。
【0056】また、中間電極15の厚さを接触電極5よ
りも少し厚く設計すると、接触電極5はスイッチのオン
のときでも信号線3と直接接触することがなくなる。し
かし、高周波応用では抵抗接触は必ずしも必要でなく、
容量型の接触でも信号を伝えることが可能であるため、
接触電極5が直接信号線3に触れなくてもよい。この場
合には、接触電極5が信号線3と直接ふれないため、機
械的な摩耗を低く押さえることが可能であり、スイッチ
の寿命を長く保つことができるという利点がある。
りも少し厚く設計すると、接触電極5はスイッチのオン
のときでも信号線3と直接接触することがなくなる。し
かし、高周波応用では抵抗接触は必ずしも必要でなく、
容量型の接触でも信号を伝えることが可能であるため、
接触電極5が直接信号線3に触れなくてもよい。この場
合には、接触電極5が信号線3と直接ふれないため、機
械的な摩耗を低く押さえることが可能であり、スイッチ
の寿命を長く保つことができるという利点がある。
【0057】さらに、スイッチの駆動方法として、上部
電極9に電気的短絡した支持部材7と下部電極4との間
に電圧を印加する例を示したが、支持部材7の電位を必
ずしも固定せずに、下部電極4だけに電圧を印加するだ
けでスイッチの動作は可能である。このとき、支持部材
7(すなわち、上部電極9)の電位は、固定されずに浮
いた状態である。このような状態では、通常、上部電極
9は周囲の電位に影響された電圧となり、周囲にグラン
ド線を配置することによってグランド電圧に近い状態と
することが可能である。なお、グランド線の配置は、一
般的にスイッチ本体部14の近くに設けられるのが普通
である。このように、支持部材7の電位を浮遊させた場
合、支持部材7に配線を設ける手間が省けるため、全体
としてデバイスの配線が簡略化されるという利点があ
る。
電極9に電気的短絡した支持部材7と下部電極4との間
に電圧を印加する例を示したが、支持部材7の電位を必
ずしも固定せずに、下部電極4だけに電圧を印加するだ
けでスイッチの動作は可能である。このとき、支持部材
7(すなわち、上部電極9)の電位は、固定されずに浮
いた状態である。このような状態では、通常、上部電極
9は周囲の電位に影響された電圧となり、周囲にグラン
ド線を配置することによってグランド電圧に近い状態と
することが可能である。なお、グランド線の配置は、一
般的にスイッチ本体部14の近くに設けられるのが普通
である。このように、支持部材7の電位を浮遊させた場
合、支持部材7に配線を設ける手間が省けるため、全体
としてデバイスの配線が簡略化されるという利点があ
る。
【0058】ここで、図3に係るマイクロマシンスイッ
チの製造工程について図を参照して説明する。図4,5
は、図3に係るマイクロマシンスイッチの製造工程を示
す断面図である。製造工程について順次説明する。
チの製造工程について図を参照して説明する。図4,5
は、図3に係るマイクロマシンスイッチの製造工程を示
す断面図である。製造工程について順次説明する。
【0059】まず、図4(a)に示すように、シリコン
からなる基板11に二酸化シリコン膜からなるパタン1
2を形成し、水酸化テトラメチルアンモニウム(TMA
H)等のエッチング液を用いて基板11を約6μmほど
エッチングする。ここで、基板11としては(100)
面を主面とするシリコンを用いた場合、エッチング速度
の面方位依存性により、エッチング後は(111)面が
側面に露出した台形となる。
からなる基板11に二酸化シリコン膜からなるパタン1
2を形成し、水酸化テトラメチルアンモニウム(TMA
H)等のエッチング液を用いて基板11を約6μmほど
エッチングする。ここで、基板11としては(100)
面を主面とするシリコンを用いた場合、エッチング速度
の面方位依存性により、エッチング後は(111)面が
側面に露出した台形となる。
【0060】次いで、図4(b)に示すように、新たに
パタン13を基板1上に形成し、このパタン13をマス
クにしてマスクの無い領域にボロンを拡散させ、その
後、ボロンの深い拡散を行うため、例えば1150℃で
10時間ほど熱拡散を実施する。このとき、高濃度のボ
ロンが約10μmの深さまで拡散される。その結果、支
持部材7と上部電極9とが作製される。
パタン13を基板1上に形成し、このパタン13をマス
クにしてマスクの無い領域にボロンを拡散させ、その
後、ボロンの深い拡散を行うため、例えば1150℃で
10時間ほど熱拡散を実施する。このとき、高濃度のボ
ロンが約10μmの深さまで拡散される。その結果、支
持部材7と上部電極9とが作製される。
【0061】次いで、図4(c)に示すように、片持ち
アーム8に対応する領域のパタン13を除去してから、
残ったパタン13をマスクにしてマスクの無い領域にボ
ロンを拡散させる。その結果、支持部材7,片持ちアー
ム8および上部電極9からなるスイッチ本体部14がで
きあがる。なお、今回はボロンの浅い拡散を行うため、
例えば1150℃で2時間ほど熱拡散を実施する。この
とき、高濃度のボロンが約2μm深さまで拡散される。
アーム8に対応する領域のパタン13を除去してから、
残ったパタン13をマスクにしてマスクの無い領域にボ
ロンを拡散させる。その結果、支持部材7,片持ちアー
ム8および上部電極9からなるスイッチ本体部14がで
きあがる。なお、今回はボロンの浅い拡散を行うため、
例えば1150℃で2時間ほど熱拡散を実施する。この
とき、高濃度のボロンが約2μm深さまで拡散される。
【0062】次いで、図4(d)に示すように、上部電
極9に二酸化シリコン1μmおよび窒化膜0.05μm
からなる絶縁性部材6を作製する。
極9に二酸化シリコン1μmおよび窒化膜0.05μm
からなる絶縁性部材6を作製する。
【0063】次いで、図5(e)に示すように、絶縁性
部材6上に金メッキを用いて接触電極5および中間電極
15を作製する。
部材6上に金メッキを用いて接触電極5および中間電極
15を作製する。
【0064】次いで、図5(f)に示すように、このよ
うにして作製された基板11を、金からなる下部電極4
および金からなる信号線3,3aの形成されたガラス製
の基板1に載置する。この基板1は上述のシリコンプロ
セスとは別個の工程で予め作製しておく。その後、支持
部材7を基板1上に接着する。このとき、シリコンとガ
ラスとの接着には、静電接着技術を利用することができ
る。
うにして作製された基板11を、金からなる下部電極4
および金からなる信号線3,3aの形成されたガラス製
の基板1に載置する。この基板1は上述のシリコンプロ
セスとは別個の工程で予め作製しておく。その後、支持
部材7を基板1上に接着する。このとき、シリコンとガ
ラスとの接着には、静電接着技術を利用することができ
る。
【0065】最後に、図5(g)に示すように、基板1
1をエチレンジアミンピロカテコール等のボロン濃度選
択性が大きいエッチング液に投入し、ボロンが拡散され
ていない部分を溶解する。その結果、基板1上にマイク
ロマシンスイッチを作製することができる。
1をエチレンジアミンピロカテコール等のボロン濃度選
択性が大きいエッチング液に投入し、ボロンが拡散され
ていない部分を溶解する。その結果、基板1上にマイク
ロマシンスイッチを作製することができる。
【0066】なお、基板1がセラミックあるいはガリウ
ムヒ素等で形成されているのであれば、接着剤を用いて
支持部材7とこれらの基板とを接着させることも可能で
ある。もしくは、これら基板の表面にガラスを2〜5μ
m程度スパッタしておくと、静電接着技術を使うことも
可能である。
ムヒ素等で形成されているのであれば、接着剤を用いて
支持部材7とこれらの基板とを接着させることも可能で
ある。もしくは、これら基板の表面にガラスを2〜5μ
m程度スパッタしておくと、静電接着技術を使うことも
可能である。
【0067】以上のように単結晶シリコン基板をエッチ
ングすることによって片持ちアーム8等からなるスイッ
チ本体部14を作製している。このように材料として単
結晶体を利用することにより、機械特性として最も信頼
性のおける構造体を作製することができるという利点が
ある。
ングすることによって片持ちアーム8等からなるスイッ
チ本体部14を作製している。このように材料として単
結晶体を利用することにより、機械特性として最も信頼
性のおける構造体を作製することができるという利点が
ある。
【0068】また、片持ちアーム8を単結晶体のみで作
製しているため、従来例のように複数の材料を張り合わ
せた構造に比べ、熱膨張係数に起因する反りが発生する
ことはない。すなわち、片持ちアーム8の基板1の面に
対して直交する方向に沿った熱膨張係数の変化を、基板
面側とその反対面側とで互いに対称とすることにより、
反りの発生を抑制している。
製しているため、従来例のように複数の材料を張り合わ
せた構造に比べ、熱膨張係数に起因する反りが発生する
ことはない。すなわち、片持ちアーム8の基板1の面に
対して直交する方向に沿った熱膨張係数の変化を、基板
面側とその反対面側とで互いに対称とすることにより、
反りの発生を抑制している。
【0069】一方、ここに述べた方法以外にも、基板1
上に種々の薄膜を堆積して選択エッチングを利用し、本
発明の構造をもつスイッチを作製することも可能であ
る。例えば、スイッチ本体部14を単結晶シリコンでは
なく、アモルファスシリコン、ポリシリコンまたは高抵
抗の半導体材料(GaAs,鉄をドープしたInP等)
を使って作製してもよい。また、スイッチ本体部14を
半導体ではなく、金やアルミニウム等の金属を使って作
製してもよい。
上に種々の薄膜を堆積して選択エッチングを利用し、本
発明の構造をもつスイッチを作製することも可能であ
る。例えば、スイッチ本体部14を単結晶シリコンでは
なく、アモルファスシリコン、ポリシリコンまたは高抵
抗の半導体材料(GaAs,鉄をドープしたInP等)
を使って作製してもよい。また、スイッチ本体部14を
半導体ではなく、金やアルミニウム等の金属を使って作
製してもよい。
【0070】[第4の実施の形態]
図6は、本発明の第4の実施の形態の平面図(a)およ
びそのB−B’線断面図(b)を示す。同図に示すよう
に、誘電率の大きなガラス製の基板1上に、シリコンか
らなる支持部材7と、金からなる下部電極4と、金から
なる信号線3が設けられている。また、基板1の裏面に
はアース板2が形成されている。
びそのB−B’線断面図(b)を示す。同図に示すよう
に、誘電率の大きなガラス製の基板1上に、シリコンか
らなる支持部材7と、金からなる下部電極4と、金から
なる信号線3が設けられている。また、基板1の裏面に
はアース板2が形成されている。
【0071】スイッチ本体部14は、支持部材7と、片
持ちアーム8と、上部電極9との一体構造となってい
る。支持部材7からは、シリコンからなる二本の片持ち
アーム8が基板面に対してほぼ水平に延びている。二本
の片持ちアーム8は、従来例における一本のアームと比
べてアームの回転運動を低く抑えることができ、スイッ
チの片当たり接触を防止するのに役立つ。ただし、条件
に応じて片持ちアーム8の本数を変えればよいのであっ
て、本発明には1本および2本以上の片持ちアーム8を
有する構造が含まれる。
持ちアーム8と、上部電極9との一体構造となってい
る。支持部材7からは、シリコンからなる二本の片持ち
アーム8が基板面に対してほぼ水平に延びている。二本
の片持ちアーム8は、従来例における一本のアームと比
べてアームの回転運動を低く抑えることができ、スイッ
チの片当たり接触を防止するのに役立つ。ただし、条件
に応じて片持ちアーム8の本数を変えればよいのであっ
て、本発明には1本および2本以上の片持ちアーム8を
有する構造が含まれる。
【0072】ところで、支持部材7と片持ちアーム8と
の接続部分においては、その表面におけるなす角α,β
が、それぞれ鈍角(90°<α,β<180°)となる
ように調整することが好ましい。このようにすることに
より、片持ちアーム8の強度を高めることができ、1M
Hz以上といった高周波数のスイッチング動作を可能と
する。
の接続部分においては、その表面におけるなす角α,β
が、それぞれ鈍角(90°<α,β<180°)となる
ように調整することが好ましい。このようにすることに
より、片持ちアーム8の強度を高めることができ、1M
Hz以上といった高周波数のスイッチング動作を可能と
する。
【0073】片持ちアーム8の先端には、シリコンから
なる上部電極9が設けられている。上部電極9は、下部
電極4と空間的な隙間を介して対向している。支持部材
7は、基板1上に形成されている信号線3aに接続され
ており、この信号線3aは、支持部材7および片持ちア
ーム8を介して上部電極9と電気的に接続されている。
なる上部電極9が設けられている。上部電極9は、下部
電極4と空間的な隙間を介して対向している。支持部材
7は、基板1上に形成されている信号線3aに接続され
ており、この信号線3aは、支持部材7および片持ちア
ーム8を介して上部電極9と電気的に接続されている。
【0074】また、二酸化シリコンあるいは窒化シリコ
ン膜等の絶縁体膜からなる絶縁性部材6が、上部電極9
の下面から始まって信号線3に対向する位置まで延びて
いる。この信号線3に対向する絶縁性部材6の下側の位
置には、金からなる接触電極5が設けられている。同様
に、下部電極4と対向するようにして絶縁性部材6上に
は、中間電極15が設けられている。なお、高周波信号
をスイッチングする場合は、信号線3と容量結合可能な
範囲で接触電極5の表面を絶縁体膜で覆ってもよい。逆
に信号線3を絶縁体膜で覆っても構わない。
ン膜等の絶縁体膜からなる絶縁性部材6が、上部電極9
の下面から始まって信号線3に対向する位置まで延びて
いる。この信号線3に対向する絶縁性部材6の下側の位
置には、金からなる接触電極5が設けられている。同様
に、下部電極4と対向するようにして絶縁性部材6上に
は、中間電極15が設けられている。なお、高周波信号
をスイッチングする場合は、信号線3と容量結合可能な
範囲で接触電極5の表面を絶縁体膜で覆ってもよい。逆
に信号線3を絶縁体膜で覆っても構わない。
【0075】接触電極5と対向する絶縁性部材6の上側
には、シリコンからなる補強部材10が設けられてい
る。これは、接触電極5と絶縁性部材6との間に生じる
歪みによる反りを小さく抑えるために設けられたもので
ある。このように、補強部材10を設けることにより、
接触電極5は絶えず基板1に対して平行な状態を保つこ
とができ、片当たりによる接触抵抗の増大を抑えること
ができる。なお、補強部材10は、絶縁性部材6の材料
や膜厚等によっては必ずしも必要ではなく、これがない
構造も本発明に含まれる。なお、片持ちアーム8と上部
電極9と絶縁性部材6とから梁部材が構成される。
には、シリコンからなる補強部材10が設けられてい
る。これは、接触電極5と絶縁性部材6との間に生じる
歪みによる反りを小さく抑えるために設けられたもので
ある。このように、補強部材10を設けることにより、
接触電極5は絶えず基板1に対して平行な状態を保つこ
とができ、片当たりによる接触抵抗の増大を抑えること
ができる。なお、補強部材10は、絶縁性部材6の材料
や膜厚等によっては必ずしも必要ではなく、これがない
構造も本発明に含まれる。なお、片持ちアーム8と上部
電極9と絶縁性部材6とから梁部材が構成される。
【0076】ここで、図6に示すマイクロマシンスイッ
チの動作について説明する。上部電極9と下部電極4と
の間に30Vの電圧を印加すると、静電気力により上部
電極9に基板方向(下側)に引力が働く。このため、片
持ちアーム8が下側に湾曲して接触電極5が信号線3と
接触するようになる。
チの動作について説明する。上部電極9と下部電極4と
の間に30Vの電圧を印加すると、静電気力により上部
電極9に基板方向(下側)に引力が働く。このため、片
持ちアーム8が下側に湾曲して接触電極5が信号線3と
接触するようになる。
【0077】信号線3は、図6(b)に示すように接触
電極5に対向する位置に隙間が設けられている。このた
め、電圧が印加されない状態では信号線3に電流は流れ
ないが、電圧が印加されて接触電極5が信号線3と接触
した状態では信号線3を電流が流れることができる。こ
のように、下部電極4への電圧印加によって信号線3を
通る電流あるいは信号のオン/オフを制御することがで
きる。また、30GHzの信号を扱った場合、従来のH
EMT(High Electron Mobility Transistor)スイッ
チでの挿入損失が3〜4dBであったのに対し、本実施
の形態のスイッチでは0.2dBという結果が得られ
た。
電極5に対向する位置に隙間が設けられている。このた
め、電圧が印加されない状態では信号線3に電流は流れ
ないが、電圧が印加されて接触電極5が信号線3と接触
した状態では信号線3を電流が流れることができる。こ
のように、下部電極4への電圧印加によって信号線3を
通る電流あるいは信号のオン/オフを制御することがで
きる。また、30GHzの信号を扱った場合、従来のH
EMT(High Electron Mobility Transistor)スイッ
チでの挿入損失が3〜4dBであったのに対し、本実施
の形態のスイッチでは0.2dBという結果が得られ
た。
【0078】上部電極9は導電性の片持ちアーム8を介
して導電性の支持部材7と電気的に接続されているた
め、上部電極9への電圧印加を容易に行うことができ
る。ただし、上部電極9は電気的に浮遊した状態であっ
ても構わない。その場合、信号線3aは不要であり、ス
イッチを動作させるためには下部電極4に電圧を印加す
るだけでよい。
して導電性の支持部材7と電気的に接続されているた
め、上部電極9への電圧印加を容易に行うことができ
る。ただし、上部電極9は電気的に浮遊した状態であっ
ても構わない。その場合、信号線3aは不要であり、ス
イッチを動作させるためには下部電極4に電圧を印加す
るだけでよい。
【0079】また、支持部材7と片持ちアーム8と上部
電極9と補強部材10とは、不純物が一部あるいは全体
に拡散された半導体から作製することができる。その場
合、スイッチの動作時に上部電極9と下部電極4との間
に流れる電流は、極めて小さなものであるから、これら
半導体の不純物の含有量を精密に制御する必要はない。
電極9と補強部材10とは、不純物が一部あるいは全体
に拡散された半導体から作製することができる。その場
合、スイッチの動作時に上部電極9と下部電極4との間
に流れる電流は、極めて小さなものであるから、これら
半導体の不純物の含有量を精密に制御する必要はない。
【0080】また、以下の作製方法に述べるように片持
ちアーム8の厚さを、他の構成要素に比べて薄く制御す
ることも容易である。このように個々の要素の厚さを制
御することによって、剛性の大きな構成要素の中に柔ら
かい片持ちアーム8を作製することができる。剛性の大
きな要素では電圧印加時の変形が基板1に対して水平に
行われ、変形のほとんどが薄い片持ちアーム8によって
なされることになる。これは、スイッチの片当たりを低
く抑えることに役立つものである。
ちアーム8の厚さを、他の構成要素に比べて薄く制御す
ることも容易である。このように個々の要素の厚さを制
御することによって、剛性の大きな構成要素の中に柔ら
かい片持ちアーム8を作製することができる。剛性の大
きな要素では電圧印加時の変形が基板1に対して水平に
行われ、変形のほとんどが薄い片持ちアーム8によって
なされることになる。これは、スイッチの片当たりを低
く抑えることに役立つものである。
【0081】ただし、上部電極9および補強部材10の
厚さを、片持ちアーム8と同じにしたものも本発明に含
むことができる。このような構造は、作製方法が簡略化
されるという長所がある。
厚さを、片持ちアーム8と同じにしたものも本発明に含
むことができる。このような構造は、作製方法が簡略化
されるという長所がある。
【0082】なお、図6のマイクロマシンスイッチの代
表的な寸法は、表2のとおりである。
表的な寸法は、表2のとおりである。
【0083】
【表2】
【0084】ここで、幅は図6(a)の平面図に対して
縦方向の長さ、長さは図4(a)の平面図に対して横方
向の長さ、厚さは図6(b)の断面図に対して縦方向の
長さをそれぞれ示す。また、中間電極15と下部電極4
との距離は、4μmとしている。しかし、これら寸法は
個々の応用によって設計すべきものであり、上述の数値
に限定されるものではない。本発明においては、その増
大した設計自由度により、広い範囲の設計が可能であ
る。例えば、中間電極15の厚さを接触電極5よりも少
し薄く設計すると、接触電極5と信号線3との接触の力
が大きくなり、両者の接触抵抗が減少する。これは、特
にDC信号をオン/オフするスイッチに適した設計であ
るといえる。
縦方向の長さ、長さは図4(a)の平面図に対して横方
向の長さ、厚さは図6(b)の断面図に対して縦方向の
長さをそれぞれ示す。また、中間電極15と下部電極4
との距離は、4μmとしている。しかし、これら寸法は
個々の応用によって設計すべきものであり、上述の数値
に限定されるものではない。本発明においては、その増
大した設計自由度により、広い範囲の設計が可能であ
る。例えば、中間電極15の厚さを接触電極5よりも少
し薄く設計すると、接触電極5と信号線3との接触の力
が大きくなり、両者の接触抵抗が減少する。これは、特
にDC信号をオン/オフするスイッチに適した設計であ
るといえる。
【0085】また、中間電極15の厚さを接触電極5よ
りも少し厚く設計すると、接触電極5はスイッチのオン
のときでも信号線3と直接接触することがなくなる。し
かし、高周波応用では抵抗接触は必ずしも必要でなく、
容量型の接触でも信号を伝えることが可能であるため、
接触電極5が直接信号線3に触れなくてもよい。この場
合には、接触電極5が信号線3と直接ふれないため、機
械的な摩耗を低く押さえることが可能であり、スイッチ
の寿命を長く保つことができるという利点がある。
りも少し厚く設計すると、接触電極5はスイッチのオン
のときでも信号線3と直接接触することがなくなる。し
かし、高周波応用では抵抗接触は必ずしも必要でなく、
容量型の接触でも信号を伝えることが可能であるため、
接触電極5が直接信号線3に触れなくてもよい。この場
合には、接触電極5が信号線3と直接ふれないため、機
械的な摩耗を低く押さえることが可能であり、スイッチ
の寿命を長く保つことができるという利点がある。
【0086】さらに、スイッチの駆動方法として、上部
電極9に電気的短絡した支持部材7と下部電極4との間
に電圧を印加する例を示したが、支持部材7の電位を必
ずしも固定せずに、下部電極4だけに電圧を印加するだ
けでスイッチの動作は可能である。このとき、支持部材
7(すなわち、上部電極9)の電位は、固定されずに浮
いた状態である。このような状態では、通常、上部電極
9は周囲の電位に影響された電圧となり、周囲にグラン
ド線を配置することによってグランド電圧に近い状態と
することが可能である。なお、グランド線の配置は、一
般的にスイッチ本体部14の近くに設けられるのが普通
である。このように、支持部材7の電位を浮遊させた場
合、支持部材7に配線を設ける手間が省けるため、全体
としてデバイスの配線が簡略化されるという利点があ
る。
電極9に電気的短絡した支持部材7と下部電極4との間
に電圧を印加する例を示したが、支持部材7の電位を必
ずしも固定せずに、下部電極4だけに電圧を印加するだ
けでスイッチの動作は可能である。このとき、支持部材
7(すなわち、上部電極9)の電位は、固定されずに浮
いた状態である。このような状態では、通常、上部電極
9は周囲の電位に影響された電圧となり、周囲にグラン
ド線を配置することによってグランド電圧に近い状態と
することが可能である。なお、グランド線の配置は、一
般的にスイッチ本体部14の近くに設けられるのが普通
である。このように、支持部材7の電位を浮遊させた場
合、支持部材7に配線を設ける手間が省けるため、全体
としてデバイスの配線が簡略化されるという利点があ
る。
【0087】ここで、図6に係るマイクロマシンスイッ
チの製造工程について図を参照して説明する。図7,8
は、図6に係るマイクロマシンスイッチの製造工程を示
す断面図である。製造工程について順次説明する。
チの製造工程について図を参照して説明する。図7,8
は、図6に係るマイクロマシンスイッチの製造工程を示
す断面図である。製造工程について順次説明する。
【0088】まず、図7(a)に示すように、シリコン
からなる基板11に二酸化シリコン膜からなるパタン1
2を形成し、水酸化テトラメチルアンモニウム(TMA
H)等のエッチング液を用いて基板11を約6μmほど
エッチングする。ここで、基板11としては(100)
面を主面とするシリコンを用いた場合、エッチング速度
の面方位依存性により、エッチング後は(111)面が
側面に露出した台形となる。
からなる基板11に二酸化シリコン膜からなるパタン1
2を形成し、水酸化テトラメチルアンモニウム(TMA
H)等のエッチング液を用いて基板11を約6μmほど
エッチングする。ここで、基板11としては(100)
面を主面とするシリコンを用いた場合、エッチング速度
の面方位依存性により、エッチング後は(111)面が
側面に露出した台形となる。
【0089】次いで、図7(b)に示すように、新たに
パタン13を基板1上に形成し、このパタン13をマス
クにしてマスクの無い領域にボロンを拡散させ、その
後、ボロンの深い拡散を行うため、例えば1150℃で
10時間ほど熱拡散を実施する。このとき、高濃度のボ
ロンが約10μmの深さまで拡散される。その結果、支
持部材7と上部電極9と補強部材10とが作製される。
パタン13を基板1上に形成し、このパタン13をマス
クにしてマスクの無い領域にボロンを拡散させ、その
後、ボロンの深い拡散を行うため、例えば1150℃で
10時間ほど熱拡散を実施する。このとき、高濃度のボ
ロンが約10μmの深さまで拡散される。その結果、支
持部材7と上部電極9と補強部材10とが作製される。
【0090】次いで、図7(c)に示すように、片持ち
アームに対応する領域のパタン13を除去してから、残
ったパタン13をマスクにしてマスクの無い領域にボロ
ンを拡散させる。その結果、支持部材7,片持ちアーム
8および上部電極9からなるスイッチ本体部14ができ
あがる。なお、今回はボロンの浅い拡散を行うため、例
えば1150℃で2時間ほど熱拡散を実施する。このと
き、高濃度のボロンが約2μm深さまで拡散される。
アームに対応する領域のパタン13を除去してから、残
ったパタン13をマスクにしてマスクの無い領域にボロ
ンを拡散させる。その結果、支持部材7,片持ちアーム
8および上部電極9からなるスイッチ本体部14ができ
あがる。なお、今回はボロンの浅い拡散を行うため、例
えば1150℃で2時間ほど熱拡散を実施する。このと
き、高濃度のボロンが約2μm深さまで拡散される。
【0091】次いで、図7(d)に示すように、上部電
極9から補強部材10にかけて、二酸化シリコン1μm
および窒化膜0.05μmからなる絶縁性部材6を作製
する。
極9から補強部材10にかけて、二酸化シリコン1μm
および窒化膜0.05μmからなる絶縁性部材6を作製
する。
【0092】次いで、図8(e)に示すように、補強部
材10に対向する絶縁性部材6上に金メッキを用いて接
触電極5および中間電極15を作製する。
材10に対向する絶縁性部材6上に金メッキを用いて接
触電極5および中間電極15を作製する。
【0093】次いで、図8(f)に示すように、このよ
うにして作製された基板11を、金からなる下部電極4
および金からなる信号線3,3aの形成されたガラス製
の基板1に載置する。この基板1は上述のシリコンプロ
セスとは別個の工程で予め作製しておく。その後、支持
部材7を基板1上に接着する。このとき、シリコンとガ
ラスとの接着には、静電接着技術を利用することができ
る。
うにして作製された基板11を、金からなる下部電極4
および金からなる信号線3,3aの形成されたガラス製
の基板1に載置する。この基板1は上述のシリコンプロ
セスとは別個の工程で予め作製しておく。その後、支持
部材7を基板1上に接着する。このとき、シリコンとガ
ラスとの接着には、静電接着技術を利用することができ
る。
【0094】最後に、図8(g)に示すように、基板1
1をエチレンジアミンピロカテコール等のボロン濃度選
択性が大きいエッチング液に投入し、ボロンが拡散され
ていない部分を溶解する。その結果、基板1上にマイク
ロマシンスイッチを作製することができる。
1をエチレンジアミンピロカテコール等のボロン濃度選
択性が大きいエッチング液に投入し、ボロンが拡散され
ていない部分を溶解する。その結果、基板1上にマイク
ロマシンスイッチを作製することができる。
【0095】なお、基板1がセラミックあるいはガリウ
ム砒素等で形成されているのであれば、接着剤を用いて
支持部材7とこれらの基板とを接着させることも可能で
ある。もしくは、これら基板の表面にガラスを2〜5μ
m程度スパッタしておくと、静電接着技術を使うことが
可能である。
ム砒素等で形成されているのであれば、接着剤を用いて
支持部材7とこれらの基板とを接着させることも可能で
ある。もしくは、これら基板の表面にガラスを2〜5μ
m程度スパッタしておくと、静電接着技術を使うことが
可能である。
【0096】以上のように単結晶シリコン基板をエッチ
ングすることによって片持ちアーム7等からなるスイッ
チ本体部14を作製している。このように材料として単
結晶体を利用することにより、機械特性として最も信頼
性のおける構造体を作製することができるという利点が
ある。
ングすることによって片持ちアーム7等からなるスイッ
チ本体部14を作製している。このように材料として単
結晶体を利用することにより、機械特性として最も信頼
性のおける構造体を作製することができるという利点が
ある。
【0097】また、片持ちアーム8を単結晶体のみで作
製しているため、従来例のように複数の材料を張り合わ
せた構造に比べ、熱膨張係数に起因する反りが発生する
ことはない。すなわち、片持ちアーム8の基板1の面に
対して直交する方向に沿った熱膨張係数の変化を、基板
面側とその反対面側とで互いに対称とすることにより、
反りの発生を抑制している。
製しているため、従来例のように複数の材料を張り合わ
せた構造に比べ、熱膨張係数に起因する反りが発生する
ことはない。すなわち、片持ちアーム8の基板1の面に
対して直交する方向に沿った熱膨張係数の変化を、基板
面側とその反対面側とで互いに対称とすることにより、
反りの発生を抑制している。
【0098】一方、ここに述べた方法以外にも、基板1
上に種々の薄膜を堆積して選択エッチングを利用し、本
発明の構造をもつスイッチを作製することも可能であ
る。例えば、スイッチ本体部14および補強部材10を
単結晶シリコンではなく、アモルファスシリコン、ポリ
シリコンまたは高抵抗の半導体材料(GaAs,鉄をド
ープしたInP等)を使って作製してもよい。また、ス
イッチ本体部14および補強部材10を半導体ではな
く、金やアルミニウム等の金属を使って作製してもよ
い。
上に種々の薄膜を堆積して選択エッチングを利用し、本
発明の構造をもつスイッチを作製することも可能であ
る。例えば、スイッチ本体部14および補強部材10を
単結晶シリコンではなく、アモルファスシリコン、ポリ
シリコンまたは高抵抗の半導体材料(GaAs,鉄をド
ープしたInP等)を使って作製してもよい。また、ス
イッチ本体部14および補強部材10を半導体ではな
く、金やアルミニウム等の金属を使って作製してもよ
い。
【0099】[第5の実施の形態]
図9は、本発明の第5の実施の形態の平面図(a)およ
び断面図(b)を示す。同図に示すように、図6と同一
符号の構成要素は、同一または同等の構成要素であるこ
とを示している。
び断面図(b)を示す。同図に示すように、図6と同一
符号の構成要素は、同一または同等の構成要素であるこ
とを示している。
【0100】図9のマイクロマシンスイッチは、絶縁性
部材6bが上部電極9の端面から延びている点が、図6
の構成と大きく異なる点である。この絶縁性部材6b
は、酸化膜、窒化膜等の絶縁薄膜によって形成すること
もできるが、上部電極9と同一の半導体材料を使って形
成することが可能である。その場合、例えば高抵抗の半
導体材料(GaAs,鉄をドープしたInP等)で絶縁
性部材6bを除く支持部材7,片持ちアーム8および上
部電極9のみに不純物を拡散して抵抗を下げるという方
法、または、絶縁性部材6bの領域に酸素等のイオンを
打ち込んで抵抗を高くする方法等を利用することができ
る。本実施の形態には、補強部材10を接触電極5に対
向する位置に設けているが、これがない構造も本発明に
含まれる。
部材6bが上部電極9の端面から延びている点が、図6
の構成と大きく異なる点である。この絶縁性部材6b
は、酸化膜、窒化膜等の絶縁薄膜によって形成すること
もできるが、上部電極9と同一の半導体材料を使って形
成することが可能である。その場合、例えば高抵抗の半
導体材料(GaAs,鉄をドープしたInP等)で絶縁
性部材6bを除く支持部材7,片持ちアーム8および上
部電極9のみに不純物を拡散して抵抗を下げるという方
法、または、絶縁性部材6bの領域に酸素等のイオンを
打ち込んで抵抗を高くする方法等を利用することができ
る。本実施の形態には、補強部材10を接触電極5に対
向する位置に設けているが、これがない構造も本発明に
含まれる。
【0101】また、補強部材10は、低抵抗または高抵
抗の何れであってもよい。また、上部電極9の下側に絶
縁性部材6bとは別個に絶縁性部材6aが設けられてい
るが、これは上部電極9と下部電極4との間に電圧を印
加したとき、互いに接触して短絡が起こらないようにす
るためである。この絶縁性部材6aの厚さは、接触電極
5よりも薄くすることが望ましい。
抗の何れであってもよい。また、上部電極9の下側に絶
縁性部材6bとは別個に絶縁性部材6aが設けられてい
るが、これは上部電極9と下部電極4との間に電圧を印
加したとき、互いに接触して短絡が起こらないようにす
るためである。この絶縁性部材6aの厚さは、接触電極
5よりも薄くすることが望ましい。
【0102】また、図9に示すマイクロマシンスイッチ
では、図6のものと比べて、絶縁性部材6bが基板1に
対して上側に位置するようになったため、接触電極5と
信号線3との隙間が大きく取れるようになる。このた
め、オフ時の静電容量が小さくなり、オフ時の漏れ電流
を小さく抑えることが可能となる。
では、図6のものと比べて、絶縁性部材6bが基板1に
対して上側に位置するようになったため、接触電極5と
信号線3との隙間が大きく取れるようになる。このた
め、オフ時の静電容量が小さくなり、オフ時の漏れ電流
を小さく抑えることが可能となる。
【0103】以上においては、基板1の具体例としてガ
ラス基板をあげて説明した。ガラス基板はガリウムヒ素
基板に比べて安価であり、多数のスイッチを集積化する
ことが要求されるフェーズドアレイアンテナ等の応用に
おいて有望な材料である。しかし、本発明の構造はこれ
に限られるものではなく、ガリウムヒ素、シリコン、セ
ラミック、プリント基板等においても有効である。
ラス基板をあげて説明した。ガラス基板はガリウムヒ素
基板に比べて安価であり、多数のスイッチを集積化する
ことが要求されるフェーズドアレイアンテナ等の応用に
おいて有望な材料である。しかし、本発明の構造はこれ
に限られるものではなく、ガリウムヒ素、シリコン、セ
ラミック、プリント基板等においても有効である。
【0104】また、上部電極9に穴を開けることによ
り、上部電極9と下部電極4との間に存在する空気によ
るスクイーズ効果を減少させる手法も本発明に含まれ
る。本発明では、上部電極9および補強部材10によっ
て絶縁性部材6bの強度を補強することが容易である。
このため、内部に複数個の穴を設けたとしても、可動部
全体の剛性は十分に大きく保つことが可能である。さら
に、絶縁性部材6b,接触電極5および補強部材10に
も穴をあけ、空気を通しやすくするとスクイーズ効果を
著しく抑えることが可能である。
り、上部電極9と下部電極4との間に存在する空気によ
るスクイーズ効果を減少させる手法も本発明に含まれ
る。本発明では、上部電極9および補強部材10によっ
て絶縁性部材6bの強度を補強することが容易である。
このため、内部に複数個の穴を設けたとしても、可動部
全体の剛性は十分に大きく保つことが可能である。さら
に、絶縁性部材6b,接触電極5および補強部材10に
も穴をあけ、空気を通しやすくするとスクイーズ効果を
著しく抑えることが可能である。
【0105】[第6の実施の形態]
図10は、第6の実施の形態を示す断面図である。同図
において、図3における同一符号のものは同一または同
等の構成要素を示す。図10に示すように信号線3を挟
んで2個の支持部材7を基板1上に配設している。した
がって、上部電極9は各支持部部材7からそれぞれ延び
ている片持ちアーム8に接続され、両側で支持した構造
となっている。また、十分な静電気力を発生させるた
め、上部電極9の下には信号線3を挟んで2個所に下部
電極4が配設されている。
において、図3における同一符号のものは同一または同
等の構成要素を示す。図10に示すように信号線3を挟
んで2個の支持部材7を基板1上に配設している。した
がって、上部電極9は各支持部部材7からそれぞれ延び
ている片持ちアーム8に接続され、両側で支持した構造
となっている。また、十分な静電気力を発生させるた
め、上部電極9の下には信号線3を挟んで2個所に下部
電極4が配設されている。
【0106】このように、複数の支持部材7を使って上
部電極9を支持した構成も、本発明に含まれる。また、
支持部材7の個数をさらに増やして2個以上にしてもよ
く、そのような構造も本発明に含まれる。
部電極9を支持した構成も、本発明に含まれる。また、
支持部材7の個数をさらに増やして2個以上にしてもよ
く、そのような構造も本発明に含まれる。
【0107】[第7の実施の形態]
図11は、第7の実施の形態を示す断面図である。同図
において、図3における同一符号のものは同一または同
等の構成要素を示す。図11に示すようにスイッチ本体
部14は、その表面が酸化などされ、片持ちアーム8
を、シリコン層8aとそれを両側から挟む酸化シリコン
層8bとからなる構造を有する。このように、両側の酸
化シリコン層8bの厚さを等しくしてやれば、基板1側
とその反対側の熱膨張係数は対称となるため、高温処理
を行っても片持ちアーム8の反りは抑制される。
において、図3における同一符号のものは同一または同
等の構成要素を示す。図11に示すようにスイッチ本体
部14は、その表面が酸化などされ、片持ちアーム8
を、シリコン層8aとそれを両側から挟む酸化シリコン
層8bとからなる構造を有する。このように、両側の酸
化シリコン層8bの厚さを等しくしてやれば、基板1側
とその反対側の熱膨張係数は対称となるため、高温処理
を行っても片持ちアーム8の反りは抑制される。
【0108】[第8の実施の形態]
図12は、第8の実施の形態を示す断面図である。同図
において、図3における同一符号のものは同一または同
等の構成要素を示す。図12に示すように、本実施の形
態は片持ちアーム8を2種以上の材料からなる薄膜を交
互に積層した超格子構造を有するものである。上述の第
7の実施の形態同様に、本実施の形態においても、基板
1側の熱膨張係数とその反対側の熱膨張係数とを対称に
することができるため、温度変化による片持ちアーム8
のそりを抑制することができる。
において、図3における同一符号のものは同一または同
等の構成要素を示す。図12に示すように、本実施の形
態は片持ちアーム8を2種以上の材料からなる薄膜を交
互に積層した超格子構造を有するものである。上述の第
7の実施の形態同様に、本実施の形態においても、基板
1側の熱膨張係数とその反対側の熱膨張係数とを対称に
することができるため、温度変化による片持ちアーム8
のそりを抑制することができる。
【0109】[第9の実施の形態]
図13は、本発明の第9の実施の形態を示す平面図
(a)およびそのD−D’線断面図(b)である。同図
において、図6における同一符号のものは同一または同
等の構成要素を示す。図13に示すように、本実施の形
態は、中間電極15が絶縁性部材6の一部に設けられた
開口中の埋め込み配線18を介して、上部電極4に短絡
している。また、中間電極15および接触電極5の表面
が、それぞれ絶縁体膜16および17によって被覆され
ていることが図6の構成と異なる点である。
(a)およびそのD−D’線断面図(b)である。同図
において、図6における同一符号のものは同一または同
等の構成要素を示す。図13に示すように、本実施の形
態は、中間電極15が絶縁性部材6の一部に設けられた
開口中の埋め込み配線18を介して、上部電極4に短絡
している。また、中間電極15および接触電極5の表面
が、それぞれ絶縁体膜16および17によって被覆され
ていることが図6の構成と異なる点である。
【0110】中間電極15が上部電極9と短絡している
ため、中間電極15の電位は上部電極9の電位と全く同
じである。中間電極15の上の絶縁体膜16は、中間電
極15と下部電極4とが短絡することを防止するために
設けられたものである。そして、接触電極5の上の絶縁
体膜17は、この絶縁体膜17と下部電極3とが接触し
たとき(オン時)に、絶縁体膜17と信号線3とが接触
できるように対称的に設けられたものである。
ため、中間電極15の電位は上部電極9の電位と全く同
じである。中間電極15の上の絶縁体膜16は、中間電
極15と下部電極4とが短絡することを防止するために
設けられたものである。そして、接触電極5の上の絶縁
体膜17は、この絶縁体膜17と下部電極3とが接触し
たとき(オン時)に、絶縁体膜17と信号線3とが接触
できるように対称的に設けられたものである。
【0111】ここで、中間電極15と上部電極9との短
絡は、絶縁性部材16中に設けられた埋め込み配線18
に限られるものではなく、絶縁性部材6の端部に設けた
配線を介して行ってもよい、また、中間電極15と上部
電極9との間に設けられた絶縁性部材6を省略してもよ
い。
絡は、絶縁性部材16中に設けられた埋め込み配線18
に限られるものではなく、絶縁性部材6の端部に設けた
配線を介して行ってもよい、また、中間電極15と上部
電極9との間に設けられた絶縁性部材6を省略してもよ
い。
【0112】また、絶縁体膜16および17を下部電極
4および信号線3の一部に設けることも可能であり、そ
のような構造も本発明に含まれる。また、接触電極5の
上の絶縁体膜17を省略し、中間電極15の厚さと絶縁
体膜16の厚さとの和が、接触電極5の厚さよりも薄く
することにより、DC信号のオン/オフを行うスイッチ
を作製することができる。
4および信号線3の一部に設けることも可能であり、そ
のような構造も本発明に含まれる。また、接触電極5の
上の絶縁体膜17を省略し、中間電極15の厚さと絶縁
体膜16の厚さとの和が、接触電極5の厚さよりも薄く
することにより、DC信号のオン/オフを行うスイッチ
を作製することができる。
【0113】また、絶縁体膜16を省略して、中間電極
15の厚さが接触電極5の厚さ、または、接触電極5の
厚さと絶縁体膜17の厚さとの和よりも薄くすることに
よっても、中間電極15と下部電極4との短絡を防ぐこ
ともできる。また、絶縁体膜を中間電極15および下部
電極6の両方に設けてもよい。同様に、絶縁体膜を接触
電極5および信号線3の両方に設けてもよい。さらに、
絶縁体膜16および17は、中間電極4および接触電極
5の全てを被覆する必要はなく、その一部に設けられた
としても、本発明の効果を得ることができる。
15の厚さが接触電極5の厚さ、または、接触電極5の
厚さと絶縁体膜17の厚さとの和よりも薄くすることに
よっても、中間電極15と下部電極4との短絡を防ぐこ
ともできる。また、絶縁体膜を中間電極15および下部
電極6の両方に設けてもよい。同様に、絶縁体膜を接触
電極5および信号線3の両方に設けてもよい。さらに、
絶縁体膜16および17は、中間電極4および接触電極
5の全てを被覆する必要はなく、その一部に設けられた
としても、本発明の効果を得ることができる。
【0114】[第10の実施の形態]第1〜9の実施の
形態に係るマイクロマシンスイッチを、フェーズドアレ
イアンテナに適用した例について説明する。以下に示す
ように、上述のマイクロマシンスイッチは、DC〜高周
波信号まで幅広く適用することができ、特にフェーズド
アレイアンテナ装置に適用すると効果的である。
形態に係るマイクロマシンスイッチを、フェーズドアレ
イアンテナに適用した例について説明する。以下に示す
ように、上述のマイクロマシンスイッチは、DC〜高周
波信号まで幅広く適用することができ、特にフェーズド
アレイアンテナ装置に適用すると効果的である。
【0115】図14は、特願平10−176367号に
開示されたフェーズドアレイアンテナ装置を示すブロッ
ク図である。同図に示すように、フェーズドアレイアン
テナ装置は、M個(Mは2以上の自然数)のアンテナ2
3を有し、アンテナ23は移相回路24に接続されてい
る。この移相回路24は、データ分配回路24aと、こ
のデータ分配回路24aに接続されたM個のデータラッ
チ回路24bと、このデータラッチ回路24b接続され
た移相器24cとによって構成されている。
開示されたフェーズドアレイアンテナ装置を示すブロッ
ク図である。同図に示すように、フェーズドアレイアン
テナ装置は、M個(Mは2以上の自然数)のアンテナ2
3を有し、アンテナ23は移相回路24に接続されてい
る。この移相回路24は、データ分配回路24aと、こ
のデータ分配回路24aに接続されたM個のデータラッ
チ回路24bと、このデータラッチ回路24b接続され
た移相器24cとによって構成されている。
【0116】したがって、各アンテナ23はNビット
(Nは自然数)の移相器24cにそれぞれ接続され、各
移相器24cは分配合成器22を介して給電部21に接
続されている。
(Nは自然数)の移相器24cにそれぞれ接続され、各
移相器24cは分配合成器22を介して給電部21に接
続されている。
【0117】また、データ分配回路24aは、制御装置
20に接続されている。なお、データ分配回路24aお
よびデータラッチ回路24bは、基板上に薄膜トランジ
スタ回路(TFT回路)で実現されている。
20に接続されている。なお、データ分配回路24aお
よびデータラッチ回路24bは、基板上に薄膜トランジ
スタ回路(TFT回路)で実現されている。
【0118】また、移相器24cは、各ビット毎に上述
のマイクロマシンスイッチを備えており、各データラッ
チ回路24bは各移相器24cのマイクロマシンスイッ
チに接続されている。このように、同図に示されたフェ
ーズドアレイアンテナ装置では、従来外付けICだった
移相器の駆動回路をTFT回路で構成し、移相器24c
等と同一層に形成している。
のマイクロマシンスイッチを備えており、各データラッ
チ回路24bは各移相器24cのマイクロマシンスイッ
チに接続されている。このように、同図に示されたフェ
ーズドアレイアンテナ装置では、従来外付けICだった
移相器の駆動回路をTFT回路で構成し、移相器24c
等と同一層に形成している。
【0119】次に、図14に示されたフェーズドアレイ
アンテナ装置の動作について説明する。制御装置20
は、予め設定されているアンテナ23の位置と使用する
周波数とに基づいて、放射ビームを所望の方向に向ける
のに最適な移相量をNビットの精度で計算し、その結果
を制御信号としてデータ分配回路24aに出力する。デ
ータ分配回路24aは、各データラッチ回路24bに制
御信号を分配する。
アンテナ装置の動作について説明する。制御装置20
は、予め設定されているアンテナ23の位置と使用する
周波数とに基づいて、放射ビームを所望の方向に向ける
のに最適な移相量をNビットの精度で計算し、その結果
を制御信号としてデータ分配回路24aに出力する。デ
ータ分配回路24aは、各データラッチ回路24bに制
御信号を分配する。
【0120】アンテナ23における電波の放射方向は、
全てのアンテナ23について一斉に切り換えられる。そ
の際、各データラッチ回路24bは、ビーム方向を切り
換えるためのタイミング信号に同期して、保持データを
入力データである制御信号に書き換え、保持データ(制
御信号)に基づき、移相器24cが必要とするビットの
マイクロマシンスイッチに対して駆動電圧を一斉に印加
する。
全てのアンテナ23について一斉に切り換えられる。そ
の際、各データラッチ回路24bは、ビーム方向を切り
換えるためのタイミング信号に同期して、保持データを
入力データである制御信号に書き換え、保持データ(制
御信号)に基づき、移相器24cが必要とするビットの
マイクロマシンスイッチに対して駆動電圧を一斉に印加
する。
【0121】マイクロマシンスイッチに駆動電圧が印加
されると、マイクロマシンスイッチは回路を閉じて、そ
のマイクロマシンスイッチが含まれるビットをオン状態
にする。そして、移相器24cのどのビットがオン状態
になるかで、その移相器24cの移相量が設定される。
されると、マイクロマシンスイッチは回路を閉じて、そ
のマイクロマシンスイッチが含まれるビットをオン状態
にする。そして、移相器24cのどのビットがオン状態
になるかで、その移相器24cの移相量が設定される。
【0122】各移相器24cは、このようにして設定さ
れた移相量だけ高周波信号の位相を変え、各アンテナ2
3に給電する。そして、各アンテナ23は、給電位相に
応じた位相の放射をし、その放射が等位相面が生成する
ことにより、この等位相面と垂直な方向に放射ビームを
形成する。
れた移相量だけ高周波信号の位相を変え、各アンテナ2
3に給電する。そして、各アンテナ23は、給電位相に
応じた位相の放射をし、その放射が等位相面が生成する
ことにより、この等位相面と垂直な方向に放射ビームを
形成する。
【0123】次に、図14に係るフェーズドアレイアン
テナ装置の詳細な構造について説明する。図15は、フ
ェーズドアレイアンテナ装置を示す分解斜視図である。
同図に示されるように、全体構成は多層構造となってい
る。すなわち、分配合成層L1と、誘電体層L2と、給
電用スロット層L3と、誘電体層L4と、放射素子と移
相器とTFT回路とからなる層(以下、移相回路層とい
う)L5と、誘電体層L6と、無給電素子層L7とがそ
れぞれ密着して張り合わされている。
テナ装置の詳細な構造について説明する。図15は、フ
ェーズドアレイアンテナ装置を示す分解斜視図である。
同図に示されるように、全体構成は多層構造となってい
る。すなわち、分配合成層L1と、誘電体層L2と、給
電用スロット層L3と、誘電体層L4と、放射素子と移
相器とTFT回路とからなる層(以下、移相回路層とい
う)L5と、誘電体層L6と、無給電素子層L7とがそ
れぞれ密着して張り合わされている。
【0124】各層は、フォトリソグラフィおよびエッチ
ング技術、および、接着技術等を利用して多層化されて
いる。例えば、無給電素子層L7および移相回路層L5
は、誘電体層L6の各面に形成された金属膜に対して、
フォトリソグラフィおよびエッチング技術を施して形成
される。給電用スロット層L3は、誘電体層L4の片面
に形成された金属膜に対して、フォトリソグラフィおよ
びエッチング技術を施すことによって形成される。
ング技術、および、接着技術等を利用して多層化されて
いる。例えば、無給電素子層L7および移相回路層L5
は、誘電体層L6の各面に形成された金属膜に対して、
フォトリソグラフィおよびエッチング技術を施して形成
される。給電用スロット層L3は、誘電体層L4の片面
に形成された金属膜に対して、フォトリソグラフィおよ
びエッチング技術を施すことによって形成される。
【0125】さて、無給電素子層L7には、複数の無給
電素子32が形成されている。この無給電素子32は、
アンテナの帯域を広げるために用いられ、誘電体層L6
を介して移相回路層L5の放射素子と電磁結合されてい
る。また、誘電体層L6には、比誘電率が2〜10程度
の誘電体が用いられる。例えば、ガラスを用いれば製造
コストを低減させることができ、誘電体層のうちの少な
くとも一層にガラスを用いるのが望ましい。なお、製造
コストの問題を無視すれば、誘電体層L6に比誘電率の
高いアルミナや比誘電率の低い発泡材等の誘電体を使用
してもよい。
電素子32が形成されている。この無給電素子32は、
アンテナの帯域を広げるために用いられ、誘電体層L6
を介して移相回路層L5の放射素子と電磁結合されてい
る。また、誘電体層L6には、比誘電率が2〜10程度
の誘電体が用いられる。例えば、ガラスを用いれば製造
コストを低減させることができ、誘電体層のうちの少な
くとも一層にガラスを用いるのが望ましい。なお、製造
コストの問題を無視すれば、誘電体層L6に比誘電率の
高いアルミナや比誘電率の低い発泡材等の誘電体を使用
してもよい。
【0126】次いで、移相回路層L5には、図12に示
されたアンテナ23の一部と、移相回路24と、アンテ
ナ23に給電するためのストリップライン等が形成され
ている。
されたアンテナ23の一部と、移相回路24と、アンテ
ナ23に給電するためのストリップライン等が形成され
ている。
【0127】次いで、誘電体層L4は、アルミナ等の比
誘電率が3〜12程度の誘電体で形成されている。次い
で、給電用スロット層L3は、導電性を有する金属によ
って形成され、給電用結合手段である給電用スロット3
0が複数形成されている。なお、給電用スロット層30
は、誘電体層L4に適宜設けられたスルーホールを介し
て移相回路層L5と接続され、移相回路層L5の接地と
して機能する。
誘電率が3〜12程度の誘電体で形成されている。次い
で、給電用スロット層L3は、導電性を有する金属によ
って形成され、給電用結合手段である給電用スロット3
0が複数形成されている。なお、給電用スロット層30
は、誘電体層L4に適宜設けられたスルーホールを介し
て移相回路層L5と接続され、移相回路層L5の接地と
して機能する。
【0128】次いで、分配合成層L1には、複数の分配
合成器22が形成されている。分配合成器22は、給電
用スロット層L3に設けられた給電用スロット30を介
して移相回路層L5と電磁的に結合されている。1個の
分配合成器22と1個の給電用スロット30とは、1個
の給電ユニットを構成し、各ユニットはマトリックス状
に配置されている。ただし、マトリックス状に配置され
ていないものも本発明に含まれる。
合成器22が形成されている。分配合成器22は、給電
用スロット層L3に設けられた給電用スロット30を介
して移相回路層L5と電磁的に結合されている。1個の
分配合成器22と1個の給電用スロット30とは、1個
の給電ユニットを構成し、各ユニットはマトリックス状
に配置されている。ただし、マトリックス状に配置され
ていないものも本発明に含まれる。
【0129】なお、放射素子32は、マトリックス状に
配置されていてもよいし、単に2次元的に配列されてい
るだけでもよい。あるいは一方向に整列配置されていて
もよい。また、図15では分配合成器22と移相回路層
L5とが、給電用スロット層L3を介して電磁的に結合
されているが、分配合成器22と移相回路層L5とが給
電ピン等の他の給電用結合手段で接続されている場合に
おいては、同一面に形成されていてもよい。
配置されていてもよいし、単に2次元的に配列されてい
るだけでもよい。あるいは一方向に整列配置されていて
もよい。また、図15では分配合成器22と移相回路層
L5とが、給電用スロット層L3を介して電磁的に結合
されているが、分配合成器22と移相回路層L5とが給
電ピン等の他の給電用結合手段で接続されている場合に
おいては、同一面に形成されていてもよい。
【0130】次に、図15に示された移相回路層L5に
ついて詳細に説明する。図16は、移相回路層L5の1
ユニットを示す平面図である。同図に示すようにガラス
基板等の誘電体層L6には、放射素子41、移相器群4
0およびデータラッチ回路46が形成されている。ただ
し、データラッチ回路46は移相器40a〜40dの各
ビット毎に設けられている。
ついて詳細に説明する。図16は、移相回路層L5の1
ユニットを示す平面図である。同図に示すようにガラス
基板等の誘電体層L6には、放射素子41、移相器群4
0およびデータラッチ回路46が形成されている。ただ
し、データラッチ回路46は移相器40a〜40dの各
ビット毎に設けられている。
【0131】また、ストリップライン42は、放射素子
41から移相器群40を介して、図15に示された給電
用スロット30に対応する位置まで配設されている。そ
して、放射素子41としては、例えばパッチアンテナ、
プリンテッドダイポール、スロットアンテナ、アパーチ
ャ素子等が使用される。ストリップライン42として
は、マイクロストリップ線路、トリプレート線路、コプ
レーナ線路、スロット線路等の分布定数線路が使用され
る。
41から移相器群40を介して、図15に示された給電
用スロット30に対応する位置まで配設されている。そ
して、放射素子41としては、例えばパッチアンテナ、
プリンテッドダイポール、スロットアンテナ、アパーチ
ャ素子等が使用される。ストリップライン42として
は、マイクロストリップ線路、トリプレート線路、コプ
レーナ線路、スロット線路等の分布定数線路が使用され
る。
【0132】また、図16に示す移相器群40は、全体
で4ビットの移相器を構成しており、すなわち4個の移
相器40a,40b,40cおよび40dによって構成
されている。各移相器40a〜40dは、それぞれ給電
する位相を22.5゜,45゜,90゜,180゜だけ
変化させることができ、ストリップラインとマイクロマ
シンスイッチとで構成されている。
で4ビットの移相器を構成しており、すなわち4個の移
相器40a,40b,40cおよび40dによって構成
されている。各移相器40a〜40dは、それぞれ給電
する位相を22.5゜,45゜,90゜,180゜だけ
変化させることができ、ストリップラインとマイクロマ
シンスイッチとで構成されている。
【0133】ここで、移相器40a〜40cは、ストリ
ップライン42と接地43との間に接続された2個のス
トリップライン44と、ストリップライン44の途中に
接続されたマイクロマシンスイッチ45とで構成されて
いる。これらの移相器は、ローデッドライン形移相器を
構成している。
ップライン42と接地43との間に接続された2個のス
トリップライン44と、ストリップライン44の途中に
接続されたマイクロマシンスイッチ45とで構成されて
いる。これらの移相器は、ローデッドライン形移相器を
構成している。
【0134】一方、移相器40dでは、ストリップライ
ン42の途中に接続されたマイクロマシンスイッチ45
aと、コの字型のストリップライン44aと、ストリッ
プライン44aと接地43との間に接続されたマイクロ
マシンスイッチ45aとで構成されている。この移相器
は、スイッチドライン形移相器を構成している。
ン42の途中に接続されたマイクロマシンスイッチ45
aと、コの字型のストリップライン44aと、ストリッ
プライン44aと接地43との間に接続されたマイクロ
マシンスイッチ45aとで構成されている。この移相器
は、スイッチドライン形移相器を構成している。
【0135】一般に、移相量が小さい場合にはローデッ
ドライン形の方が良い特性が得られ、移相量が大きい場
合にはスイッチドライン形の方が良い特性が得られる。
そのため、22.5゜,45゜,90゜の移相器として
ローデッドライン形を用い、180゜の移相器としてス
イッチドライン形を用いている。もちろん、移相器40
a〜40cに、スイッチドライン形を用いることも可能
である。
ドライン形の方が良い特性が得られ、移相量が大きい場
合にはスイッチドライン形の方が良い特性が得られる。
そのため、22.5゜,45゜,90゜の移相器として
ローデッドライン形を用い、180゜の移相器としてス
イッチドライン形を用いている。もちろん、移相器40
a〜40cに、スイッチドライン形を用いることも可能
である。
【0136】各移相器40a〜40dに含まれる2個の
マイクロマシンスイッチ(45または45a)は、その
近傍に配設されたデータラッチ回路46に接続され、デ
ータラッチ回路46が出力する駆動電圧によって同時に
動作する。このように、ストリップライン42に流れる
高周波信号は、移相器群40の働きにより、その給電位
相が変化させられる。
マイクロマシンスイッチ(45または45a)は、その
近傍に配設されたデータラッチ回路46に接続され、デ
ータラッチ回路46が出力する駆動電圧によって同時に
動作する。このように、ストリップライン42に流れる
高周波信号は、移相器群40の働きにより、その給電位
相が変化させられる。
【0137】なお、データラッチ回路46を、各マイク
ロマシンスイッチの近傍に配置する代わりに、複数のデ
ータラッチ回路を一カ所にまとめて配置し、そこから配
線を延ばして各マイクロマシンスイッチを駆動するよう
にしてもよい。また、1個のデータラッチ回路を複数の
異なるユニットのマイクロマシンスイッチに接続しても
よい。
ロマシンスイッチの近傍に配置する代わりに、複数のデ
ータラッチ回路を一カ所にまとめて配置し、そこから配
線を延ばして各マイクロマシンスイッチを駆動するよう
にしてもよい。また、1個のデータラッチ回路を複数の
異なるユニットのマイクロマシンスイッチに接続しても
よい。
【0138】図17は、ローデッドライン形の移相器に
用いられたマイクロマシンスイッチ45周辺を拡大した
平面図である。同図に示すように、2個のマイクロマシ
ンスイッチ45は、2個のストリップライン44に対し
て左右対称となるように配設されている。また、これら
マイクロマシンスイッチ45は、図示しない1個のデー
タラッチ回路に接続され、データラッチ回路から同時に
駆動電圧(外部電圧)が供給される。もちろん、このマ
イクロマシンスイッチ45としては、第1〜7の実施の
形態で述べたものを使用することができる。
用いられたマイクロマシンスイッチ45周辺を拡大した
平面図である。同図に示すように、2個のマイクロマシ
ンスイッチ45は、2個のストリップライン44に対し
て左右対称となるように配設されている。また、これら
マイクロマシンスイッチ45は、図示しない1個のデー
タラッチ回路に接続され、データラッチ回路から同時に
駆動電圧(外部電圧)が供給される。もちろん、このマ
イクロマシンスイッチ45としては、第1〜7の実施の
形態で述べたものを使用することができる。
【0139】
【発明の効果】以上説明したとおり本発明は、下部電極
と梁部材の上部電極との間に中間電極を有する。したが
って、このような中間電極を設けたことによりスイッチ
を駆動する印加電圧を低減させることができる。例え
ば、接触電極と信号線とが4μmのギャップをもつ場合
には、従来例の約2/3まで電圧を低減させることがで
きる。また、接触電極と信号線との距離を4μm以下に
するときには、印加電圧の低減の効果はさらに増大し、
従来例の1/2以下に抑えることも容易である。
と梁部材の上部電極との間に中間電極を有する。したが
って、このような中間電極を設けたことによりスイッチ
を駆動する印加電圧を低減させることができる。例え
ば、接触電極と信号線とが4μmのギャップをもつ場合
には、従来例の約2/3まで電圧を低減させることがで
きる。また、接触電極と信号線との距離を4μm以下に
するときには、印加電圧の低減の効果はさらに増大し、
従来例の1/2以下に抑えることも容易である。
【0140】この中間電極を従来の接触電極を作製する
のと同時に作製することが可能であるため、スイッチ作
製プロセスに特に追加の工程を加える必要がなく、コス
トの上昇が抑えられるという利点がある。そして、印加
電圧を低減できることから、上部電極と下部電極との間
の絶縁体膜に大きな電圧が印加されることを防ぐことが
でき、特に高品質の絶縁体膜を作製する必要がなくな
り、スイッチ作製プロセスの選択性を広めることにつな
がる。したがって、従来この絶縁体膜の耐圧特性の限界
から発生していたデバイスの破壊を防止することができ
る。また、外部駆動回路で必要とされる電圧も低下し、
構成が簡略化されると同時に消費電力も低減した。
のと同時に作製することが可能であるため、スイッチ作
製プロセスに特に追加の工程を加える必要がなく、コス
トの上昇が抑えられるという利点がある。そして、印加
電圧を低減できることから、上部電極と下部電極との間
の絶縁体膜に大きな電圧が印加されることを防ぐことが
でき、特に高品質の絶縁体膜を作製する必要がなくな
り、スイッチ作製プロセスの選択性を広めることにつな
がる。したがって、従来この絶縁体膜の耐圧特性の限界
から発生していたデバイスの破壊を防止することができ
る。また、外部駆動回路で必要とされる電圧も低下し、
構成が簡略化されると同時に消費電力も低減した。
【0141】一方、下部電極を2個設けることにより、
同一寸法で下部電極を1個もつ構造と比較した場合、印
加電圧が高くなるものの絶縁体膜に電圧が印加されない
ため、低品質の絶縁体膜を使用したとしても絶縁破壊す
ることがなくなった。印加電圧の上昇は、デバイスの寸
法を増大させることによって補償することが可能であ
り、デバイス寸法が特に小さくする必要がないような応
用に採用することができる。そして、何よりも上部電極
の存在が必要でなくなり、下部電極に電圧を印加するだ
けでスイッチの駆動が可能となることから、スイッチの
配線が簡略化されるという著しい効果が生ずる。このた
め、配線にともなうコストの上昇、デバイス構造の複雑
化、長期信頼性の低下等の欠点が著しく改善される。
同一寸法で下部電極を1個もつ構造と比較した場合、印
加電圧が高くなるものの絶縁体膜に電圧が印加されない
ため、低品質の絶縁体膜を使用したとしても絶縁破壊す
ることがなくなった。印加電圧の上昇は、デバイスの寸
法を増大させることによって補償することが可能であ
り、デバイス寸法が特に小さくする必要がないような応
用に採用することができる。そして、何よりも上部電極
の存在が必要でなくなり、下部電極に電圧を印加するだ
けでスイッチの駆動が可能となることから、スイッチの
配線が簡略化されるという著しい効果が生ずる。このた
め、配線にともなうコストの上昇、デバイス構造の複雑
化、長期信頼性の低下等の欠点が著しく改善される。
【0142】また、本発明に係るスイッチ作製プロセス
は、高い温度プロセスを利用できることから、次のよう
な効果が得られる1)梁部材等を構成する材料の選択が
広がり、種々の導体および半導体を利用することを可能
とし、材料選択の自由度を増大させる。2)高温度で作
製された絶縁体膜の耐圧特性がすぐれているためデバイ
スの電気特性が向上する。3)厚さ方向の自由度が増大
したため、梁部材の幅を減少することができ、スイッチ
の寸法を小さくすることが可能となる。
は、高い温度プロセスを利用できることから、次のよう
な効果が得られる1)梁部材等を構成する材料の選択が
広がり、種々の導体および半導体を利用することを可能
とし、材料選択の自由度を増大させる。2)高温度で作
製された絶縁体膜の耐圧特性がすぐれているためデバイ
スの電気特性が向上する。3)厚さ方向の自由度が増大
したため、梁部材の幅を減少することができ、スイッチ
の寸法を小さくすることが可能となる。
【0143】以上の利点が生まれたために、本発明に係
るマイクロマシンスイッチは、個々ばらばらにして使用
する単純なスイッチに留まらず、大面積の基板上に数万
個のオーダで集積化することが要求されるフェーズドア
レイアンテナのような新たな応用を可能とする。
るマイクロマシンスイッチは、個々ばらばらにして使用
する単純なスイッチに留まらず、大面積の基板上に数万
個のオーダで集積化することが要求されるフェーズドア
レイアンテナのような新たな応用を可能とする。
【図1】 本発明の第1の実施の形態を示す平面図であ
る。
る。
【図2】 本発明の第2の実施の形態を示す平面図であ
る。
る。
【図3】 本発明の第3の実施の形態を示す平面図
(a)およびそのA−A’線断面図(b)である。
(a)およびそのA−A’線断面図(b)である。
【図4】 図3に係るマイクロマシンスイッチの製造工
程を示す断面図である。
程を示す断面図である。
【図5】 図4の続きの製造工程を示す断面図である。
【図6】 本発明の第4の実施の形態を示す平面図
(a)およびそのB−B’線断面図(b)である。
(a)およびそのB−B’線断面図(b)である。
【図7】 図6に係るマイクロマシンスイッチの製造工
程を示す断面図である。
程を示す断面図である。
【図8】 図7の続きの製造工程を示す断面図である。
【図9】 本発明の第5の実施の形態を示す平面図
(a)およびそのC−C’線断面図(b)である。
(a)およびそのC−C’線断面図(b)である。
【図10】 第6の実施の形態を示す断面図である。
【図11】 第7の実施の形態を示す断面図である。
【図12】 第8の実施の形態を示す断面図である。
【図13】 本発明の第9の実施の形態を示す平面図
(a)およびそのD−D’線断面図(b)である。
(a)およびそのD−D’線断面図(b)である。
【図14】 フェーズドアレイアンテナ装置(本発明の
第10の実施の形態)を示すブロック図である。
第10の実施の形態)を示すブロック図である。
【図15】 図14に係るフェーズドアレイアンテナ装
置の詳細な構成を示す分解斜視図である。
置の詳細な構成を示す分解斜視図である。
【図16】 図15に係る移相回路を示す平面図であ
る。
る。
【図17】 図16に係るマイクロマシンスイッチの周
辺を示す平面図である。
辺を示す平面図である。
【図18】 従来例を示す平面図(a)およびそのE−
E’線断面図(b)である。
E’線断面図(b)である。
1…基板、2…アース板、3,3a…信号線、4,4
a,4b,4c,4d…下部電極、5…接触電極、6,
6a,6b…絶縁性部材、7…支持部材、8…片持ちア
ーム、8a…シリコン層、8b…酸化シリコン層、9…
上部電極、10…補強部材、11…基板、12,13…
パタン、14…スイッチ本体部、15…中間電極、1
6,17…絶縁体膜、18…埋め込み配線、20…制御
装置、21…給電部、22…分配合成器、23…アンテ
ナ、24…移相回路、24a…データ分配回路、24b
…データラッチ回路、24c…移相器、30…給電用ス
ロット、31…移相回路、32…無給電素子、40…移
相器群、40a,40b,40c,40d…移相器、4
1…放射素子、42…ストリップライン、43…接地、
44,44a…ストリップライン、45,45a…マイ
クロマシンスイッチ、46…データラッチ回路、L1…
分配合成層、L2,L4,L6…誘電体層、L3…給電
用スロット層、L5…移相回路層、L7…無給電素子
層。
a,4b,4c,4d…下部電極、5…接触電極、6,
6a,6b…絶縁性部材、7…支持部材、8…片持ちア
ーム、8a…シリコン層、8b…酸化シリコン層、9…
上部電極、10…補強部材、11…基板、12,13…
パタン、14…スイッチ本体部、15…中間電極、1
6,17…絶縁体膜、18…埋め込み配線、20…制御
装置、21…給電部、22…分配合成器、23…アンテ
ナ、24…移相回路、24a…データ分配回路、24b
…データラッチ回路、24c…移相器、30…給電用ス
ロット、31…移相回路、32…無給電素子、40…移
相器群、40a,40b,40c,40d…移相器、4
1…放射素子、42…ストリップライン、43…接地、
44,44a…ストリップライン、45,45a…マイ
クロマシンスイッチ、46…データラッチ回路、L1…
分配合成層、L2,L4,L6…誘電体層、L3…給電
用スロット層、L5…移相回路層、L7…無給電素子
層。
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フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平9−213191(JP,A)
特開 平11−204013(JP,A)
特開 平4−370622(JP,A)
特開 平8−213803(JP,A)
特開 平10−149757(JP,A)
特開 平9−17300(JP,A)
特開 平5−242788(JP,A)
特表 平8−509093(JP,A)
(58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名)
H01H 59/00
Claims (28)
- 【請求項1】 基板上に設けられた第1の信号線と、前
記基板上に設けられかつ前記第1の信号線の端部から所
定のギャップを隔てて端部の設けられた第2の信号線と
の間の導通/非導通を制御するマイクロマシンスイッチ
において、前記基板上に設けられた支持部材と、 この支持部材に接続してかつ一部が前記ギャップと対向
するように前記基板上に空間を隔てて設けられた梁部材
と、 この梁部材の前記基板側における少なくとも前記ギャッ
プと対向する位置に設けられた接触電極と、 前記基板上に前記梁部材の一部と対向して設けられた下
部電極と、 前記梁部材に前記下部電極と対向して設けられた中間電
極とを備え、前記下部電極を前記中間電極に向かい合う面積が互いに
等しい複数の櫛歯状の電極によって構成した ことを特徴
とするマイクロマシンスイッチ。 - 【請求項2】 基板上に設けられた第1の信号線と、前
記基板上に設けられかつ前記第1の信号線の端部から所
定のギャップを隔てて端部の設けられた第2の信号線と
の間の導通/非導通を制御するマイクロマシンスイッチ
において、 前記基板上に設けられた支持部材と、 この支持部材に接続してかつ一部が前記ギャップと対向
するように前記基板上に空間を隔てて設けられた梁部材
と、 この梁部材の前記基板側における少なくとも前記ギャッ
プと対向する位置に設けられた接触電極と、 前記基板上に前記梁部材の一部と対向して設けられた下
部電極と、 前記梁部材に前記下部電極と対向して設けられた中間電
極とを備え、 前記梁部材の一部に設けられた上部電極を前記下部電極
に向かい合う面積が互いに等しい複数の櫛歯状の電極に
よって構成した ことを特徴とするマイクロマシンスイッ
チ。 - 【請求項3】 請求項1または2において、前記梁部材は、前記支持部材との接続部分から少なくと
も前記下部電極と対向する位置までの領域が導電性部材
からなる ことを特徴とするマイクロマシンスイッチ。 - 【請求項4】 請求項3において、前記導電性部材は、半導体材料よりなる ことを特徴とす
るマイクロマシンスイッチ。 - 【請求項5】 請求項4において、前記半導体材料は、単結晶の半導体である ことを特徴と
するマイクロマシンスイッチ。 - 【請求項6】 請求項4において、前記半導体材料は、アモルファス半導体または多結晶半
導体である ことを特徴とするマイクロマシンスイッチ。 - 【請求項7】 請求項1または2において、前記支持部材と前記梁部材との接続部分は、その表面に
おけるなす角が鈍角である ことを特徴とするマイクロマ
シンスイッチ。 - 【請求項8】 請求項1または2において、前記接触電極は、前記第1および第2の信号線と容量接
続可能な絶縁体膜によって覆われている ことを特徴とす
るマイクロマシンスイッチ。 - 【請求項9】 請求項1または2において、前記基板は、ガラス基板またはセラミック基板である こ
とを特徴とするマイクロマシンスイッチ。 - 【請求項10】 請求項1または2において、前記基板は、ガリウムヒ素基板である ことを特徴とする
マイクロマシンスイッチ。 - 【請求項11】 請求項3において、前記下部電極と対向する前記導電性部材の一部に上部電
極を設け、 前記中間電極は、前記上部電極と電気的に短絡され、 前記上部電極は、電気的に浮遊した状態にある ことを特
徴とするマイクロマシンスイッチ。 - 【請求項12】 請求項1〜3のいずれか1項におい
て、前記マイクロマシンスイッチは、フェーズドアレイアン
テナ装置に使用される ことを特徴とするマイクロマシン
スイッチ。 - 【請求項13】 請求項1〜3のいずれか1項におい
て、前記梁部材を支持する複数の支持部材を備えた ことを特
徴とするマイクロマシンスイッチ。 - 【請求項14】 請求項1〜3のいずれか1項におい
て、 前記梁部材は、前記支持部材との接続部分から前記下部
電極と対向する位置までの領域を少なくとも2種以上の
材料からなる多層構造から構成したことを特徴とするマ
イクロマシンスイッチ 。 - 【請求項15】 基板上に設けられた第1の信号線と、
前記基板上に設けられかつ前記第1の信号線の端部から
所定のギャップを隔てて端部の設けられた第2の信号線
との間の導通/非導通を制御するマイクロマシンスイッ
チの製造方法において、 前記基板上に下部電極を形成する工程と、 所定の高さを有する支持部材とこの支持部材に接続する
梁部材、前記梁部材に設けられた接触電極、および前記
梁部材に設けられた中間電極からなる部材を、前記接触
電極が前記ギャップと対向するとともに前記第1および
第2の信号線と離間した状態で前記基板上に接着する工
程とを有し、 前記下部電極を前記中間電極に向かい合う面積が互いに
等しい複数の櫛歯状の電極によって構成したことを特徴
とするマイクロマシンスイッチの製造方法 。 - 【請求項16】 基板上に設けられた第1の信号線と、
前記基板上に設けられかつ前記第1の信号線の端部から
所定のギャップを隔てて端部の設けられた第2の信号線
との間の導通/非導通を制御するマイクロマシンスイッ
チの製造方法において、 前記基板上に下部電極を形成する工程と、 所定の高さを有する支持部材とこの支持部材に接続する
梁部材、前記梁部材に設けられた接触電極、および前記
梁部材に設けられた中間電極からなる部材を、前記接触
電極が前記ギャップと対向するとともに前記第1および
第2の信号線と離間した状態で前記基板上に接着する工
程とを有し、 前記梁部材の一部に設けられた上部電極を前記下部電極
に向かい合う面積が互 いに等しい複数の櫛歯状の電極に
よって構成した ことを特徴とするマイクロマシンスイッ
チの製造方法。 - 【請求項17】 請求項15または16において、前記梁部材は、前記支持部材との接続部分から少なくと
も前記下部電極と対向する位置までの領域が導電性部材
からなる ことを特徴とするマイクロマシンスイッチの製
造方法。 - 【請求項18】 請求項17において、前記導電性部材を、半導体材料より形成する ことを特徴
とするマイクロマシンスイッチの製造方法。 - 【請求項19】 請求項18において、前記半導体材料を、単結晶の半導体とする ことを特徴と
するマイクロマシンスイッチの製造方法。 - 【請求項20】 請求項18において、前記半導体材料を、アモルファス半導体または多結晶半
導体とする ことを特徴とするマイクロマシンスイッチの
製造方法。 - 【請求項21】 請求項15〜17のいずれか1項にお
いて、前記支持部材と前記梁部材との接続部分を、その表面に
おけるなす角が鈍角となるように形成する ことを特徴と
するマイクロマシンスイッチの製造方法。 - 【請求項22】 請求項15〜17のいずれか1項にお
いて、前記接触電極を、前記第1および第2の信号線と容量接
続可能な絶縁体膜によって覆う ことを特徴とするマイク
ロマシンスイッチの製造方法。 - 【請求項23】 請求項15〜17のいずれか1項にお
いて、前記基板を、ガラス基板またはセラミック基板とする こ
とを特徴とするマイクロマシンスイッチの製造方法。 - 【請求項24】 請求項15〜17のいずれか1項にお
いて、前記基板を、ガリウムヒ素基板とする ことを特徴とする
マイクロマシンスイッチの製造方法。 - 【請求項25】 請求項17において、前記下部電極と対向する前記導電性部材の一部に上部電
極を設け、 前記中間電極は、前記上部電極と電気的に短絡され、 前記上部電極は、電気的に浮遊した状態にある ことを特
徴とするマイクロマシンスイッチの製造方法。 - 【請求項26】 請求項15〜17のいずれか1項にお
いて、前記マイクロマシンスイッチは、フェーズドアレイアン
テナ装置に使用される ことを特徴とするマイクロマシン
スイッチの製造方法。 - 【請求項27】 請求項15〜17のいずれか1項にお
いて、 前記梁部材を支持する複数の支持部材を備えたことを特
徴とするマイクロマシンスイッチの製造方法。 - 【請求項28】 請求項15〜17のいずれか1項にお
いて、 前記梁部材は、前記支持部材との接続部分から前記下部
電極と対向する位置までの領域を少なくとも2種以上の
材料からなる多層構造から構成したことを特徴とするマ
イクロマシンスイッチの製造方法。
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