JP4072060B2 - 可変容量コンデンサを有する装置、とりわけ高周波マイクロスイッチ - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は独立請求項の上位概念に記載された、共面導波体のインピーダンスを変化するための可変容量コンデンサを有する、とりわけマイクロデバイス技術で製作された装置に関する。
【０００２】
従来の技術
未公開の出願ＤＥ１００３７３８５．２にはマイクロデバイス技術で製作された高周波スイッチが記載されており、このスイッチは薄い金属ブリッジを有している。この薄い金属ブリッジは所定の長さで共面導波体の信号線路に使用され、信号線路をそこに収容する。さらに金属ブリッジの下方に導電性の接続部を、信号線路に対して平行に案内される共面導波体の２つのアース線路間に設けることが提案されている。この接続部の表面にはブリッジの下方で誘電層が設けられている。従って金属ブリッジは導電接続部と共にコンデンサを形成し、このコンデンサにより共面導波体の該当する部材のインピーダンスを変化することができる。高周波スイッチの動作時にはブリッジを、静電的にないしは適切な電圧をコンデンサに印加することにより誘電層に吸着することができる。このことによって、ブリッジおよび導電接続部によって形成されるプレートコンデンサのキャパシタンスが増大される。このことは導波体に案内される電磁波の電波特性に影響を及ぼす。とりわけオフ状態、すなわち金属ブリッジが下方にあるときは、出力の大部分が反射され、オン状態、すなわち金属ブリッジが上方にあるときは、出力の大部分が伝達される。
【０００３】
発明の利点
可変容量コンデンサを有する本発明の装置は従来技術に対して、装置の駆動時に発生する温度変化が、この装置において温度に依存するマイクロデバイス特性を引き起こさないという利点を有する。
【０００４】
とりわけ有利にはＵ字状の付加的な構造体を設け、この構造体により第２接続部を少なくとも片側で懸架することによって、面内応力の調整が可能である。すなわちこの構造体は有利には、内在的応力および／または熱的に誘発された応力の大部分が第２接続部を形成するブリッジ内で減衰するように作用する。とりわけ有利には、このブリッジないしは第２接続部が曲げモーメントにより面外に傾斜するときの復元力が、片側で固定される薄いバーと同様であるようにし、取り付けられた構造体の面外曲げ剛性を無視できるようにする。
【０００５】
さらに、第２接続部により形成されるブリッジの曲げ剛性がブリッジ材料の弾性係数の温度経過にわたってほとんど温度に依存しないようにすると有利である。
【０００６】
マイクロデバイス技術では基板材料としてシリコンが多様に使用される。これはシリコンが（その導電性ゆえに第２接続部を実現するのに使用される）他の通常の材料よりも格段に小さな熱膨張係数を有するからである。従って導電接続のための第２接続部に対する材料として、モリブデン、タングステンまたはタンタルを使用するのが有利である。
【０００７】
特に有利にはモリブデンを使用する。なぜならモリブデンは４＊１０^{- ６}／Ｋの熱膨張係数を有し、これはシリコンの２．７＊１０^{- ６}／Ｋに近いからである。またアルミニウムのような他の材料が７０ＧＰａであるのに対し、３４０ＧＰａのように比較的高い弾性係数を有するからである。
【０００８】
モリブデン、タンタルまたはタングステンを使用することにより、温度変化は全くまたは僅かにしか、第２接続部内での応力形成に寄与せず、またこのような温度変化によって所要のスイッチング電圧または装置に発生するスイッチング時間が不所望に影響を受けることがない。とりわけこの応力が低減されることにより、切り換え時に力、とりわけ復元力が発生しても、第２接続部の運動への影響が取り払われる。
【０００９】
モリブデン、タンタルまたはタングステンの高い弾性係数はとりわけ、第２接続部により形成されるブリッジが十分な曲げ剛性を有するという利点をもたらす。
【００１０】
本発明の有利な改善形態は従属請求項に記載された手段から得られる。
【００１１】
例えばモリブデン、タンタルまたはタングステンが第２接続部に対する材料として、また同時に挿入される構造体に対する材料として使用されると有利である。
【００１２】
付加的な構造体を設けることの利点は、この構造体の所期の形状付与および構成を介して、付加的なインダクタンスが本発明の装置の等価回路にもたらされることであり、この付加的インダクタンスを介してこの装置の挿入減衰度を低減することができる。
【００１３】
図面
本発明を図面に基づき、以下に詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明の装置の平面図である。
【００１５】
図２は、図１の斜視図である。
【００１６】
図３は、本発明の装置の等価回路である。
【００１７】
実施例の説明
図１は実施例として、マイクロデバイス技術で作製された高周波短絡スイッチを示す。ここでは例えば厚さ１００μｍから５００μｍの高抵抗のシリコンからなる支持体９０の上に絶縁層１００が僅かな損失角で設けられている。この絶縁層は例えば二酸化ケイ素からなり、厚さは１００ｎｍから３μｍである。この絶縁層の上に共面導波体が取り付けられている。共面導波体は共面であり、かつ導電性の３つの線路を有している。これら線路は少なくとも局所的に相互に実質的に平行に案内されている。共面導波体の線路は有利には金属で構成されており、絶縁層１００の上にまず例えば種金属のスパッタリングにより、そして後で行う１つまたは複数のメッキプロセスステップにより形成される。共面導波体の３つの線路のうち外側の２つは第１アース線路１１０と第２アース線路１１１に相当し、中央の線路は共面導波体の信号線路１２０に相当する。図１には、このような絶縁層１００に案内された共面導波体のうち、本発明の装置に対して重要な部分だけが示されている。
【００１８】
共面導波体の２つのアース線路１１０，１１１は、金属からなる導電性の第１接続部１３０によって接続されている。この第１接続部は一部の領域で扁平に絶縁層１００に取り付けられており、アース線路１１０，１１の高さに対して低い高さを有している。このようにして第１接続部１３０はアース線路１１０，１１１を、絶縁層１００にあるその脚部で短絡ブリッジの形態で接続する。第１接続部１３０の領域ではさらに、共面導波体の信号線路１２０が遮断されている。すなわち第１接続部１３０は信号線路１２０と導電的に接続されていない。とりわけ第１接続部１３０上には、信号線路１２０の遮断領域内で図１では見えない誘電層１４０が取り付けられている。
【００１９】
図１ではさらに、遮断された信号線路１２０に第２導電接続部１２１が設けられている。この第２接続部１２１は金属接続ブリッジまたは信号ブリッジの形態にあり、遮断された信号線路１２０の端部間に嵌め込まれており、絶縁層１００の面に対して所定の間隔をおいて、これに対してまず平行に案内されている。ここで第２接続部１２１と絶縁層１００ないし第１接続部１３０との間隔は信号線路１２０の高さにほぼ相応する。このことにより、第２接続部１２１への力が存在しないとき、第２接続部１２１は遮断された信号線路１２０の端部間で少なくともほぼ片持ちで浮揚している。
【００２０】
第２接続部１２１は有利にはモリブデンから作製される。しかしシリコンに対して類似の熱膨張係数を有し、他の金属、例えばアルミニウムに対して高い弾性係数を有する他の導電材料も適する。その典型的な寸法は２０μｍ×１５０μｍ、および１００μｍ×６００μｍであり、厚さは０．５μｍから１．５μｍである。
【００２１】
さらに図１には、有利には扁平なテープとして構成された第２接続部１２１と信号線路１２０との間に、これら２つと接続された構造体１５０の設けられていることが示されている。この構造体はＵ字形またはメアンダ状に、第２接続部１２１のテープ平面を扁平に延在するばねとして構成されている。この構造体１５０は、第２接続部１２１に発生する機械的応力を低減させる。この機械的応力はとりわけ温度変動の際に発生するか、または内在するものである。
【００２２】
構造体１５０はさらに図１では、片持ちされた導電性第２接続部１２１を信号線路１２０の配属された部材と共に懸架し、これと接続するために用いられる。このために構造体１５０は図示のように第２接続部１２１の一方の端部または択一的に両方の端部に設けることができる。とりわけ同じように、構造体１５０を一部の領域で、例えば中央で第２接続部１２１に嵌め込むこともできる。
【００２３】
有利には第２接続部１２１と構造体１５０とは一体として構成されている。すなわち構造体１５０は第２接続部１２１の構造的な一部である。
【００２４】
図２は、図１の本発明の装置の一部を斜視図に示す。ここでも誘電層１４０並びに誘電層１４０の下に案内された第１アース線路１１０および第２アース線路１１１を導電的に接続する第１接続部１３０が示されている。
【００２５】
図３には本発明の装置の等価回路が示されている。ここで２つのアース線路１１０，１１１は共面導波体のただ１つの線路の形態で示されている。なぜならこれらは同じ電位だからである。その他に共面導波体の信号線路１２０が図３に示されている。信号線路１２０とアース線路１１０，１１１との間にはコンデンサ２００（Ｃ（Ｕ））が配置されている。さらにこの個所では第１のインダクタンス２２１（Ｌ１）も得られる。このインダクタンスは図１ないし図２では実質的に第１接続部１３０によって実現される。
【００２６】
第１インダクタンス２２１（Ｌ１）は第１接続部１３０の構造体によって定義することができる。この第１接続部はアース線路１１０，１１間の直流電圧短絡部として作用する。ここでこのインダクタンスはとりわけ第１接続部１３０の長さ対幅比の位置的変動またはその形状、例えばメアンダ状等により設定することができる。
【００２７】
図３のコンデンサ２０は少なくとも部分的に第１接続部１３０および第２接続部１２１によって実現される。ここでこのキャパシタンスは次のようにして変化可能である。すなわち第２接続部１２１が、適切な電圧とりわけ直流電圧を信号線路１２０とアース線路１１０，１１１との間に印加する際に機械的に変形し、これにより少なくとも部分的領域において第１接続部１３０への間隔を変化することにより可能である。とりわけコンデンサ２００は第２接続部１２０が変形しない状態、すなわち直流電圧Ｕが印加されない状態、すなわちオン状態ではキャパシタンスＣonを有し、直流電圧Ｕが印加され、これにより第２接続部が静止位置から誘電層１４０の方向へ撓むとき、すなわちオフ状態ではキャパシタンスＣoffを有する。
【００２８】
Ｕ字形のばねの形状に設けられた構造体１５０はさらに、これと接続された電流経路狭窄部および電流経路延長部によって直列に接続された第２インダクタンス２２０（Ｌ２）として作用する。この第２インダクタンスはとりわけ周波数が高い場合に付加的反射を引き起こす。図３の等価回路では、第２インダクタンス２２０は装置の挿入減衰度を低減する。この挿入減衰度はとりわけキャパシタンスＣonの反射により定められる。この点でこのキャパシタンスＣonはインダクタンスＬ２により補償することができ、インダクタンスＬ２はとりわけ簡単に構造体１５０の適切な構成と構造によって実現することができる。有利にはインダクタンスＬ２は、信号線路１２０のインピーダンスＺ_Ｌに対してそれぞれの動作周波数で次式が当てはまるように調整される。
【００２９】
【数１】

【００３０】
さらに直流電圧短絡部、すなわち第１接続部１３０の適切な構成と形状付与によって、形成されたプレートコンデンサ２００に対し直列に配置された第１インダクタンス２２１（Ｌ１）を、本発明の装置のそれぞれの動作周波数において次のように調整して、直列共振回路が形成されるようにすることができる。すなわちこの直列共振回路の共振周波数νresが、第２接続部１２１の遮断状態では装置の動作周波数において次式が当てはまるように調整するのである。
【００３１】
【数２】

【００３２】
オン状態、すなわち第２接続部ないしブリッジ１２１が絶縁層１００に対して比較的大きな間隔で存在する状態では、装置はプレートコンデンサ２００のキャパシタンスが小さいことによってこの共振周波数外で駆動される。そのため、高い挿入減衰度は得られない。前記装置の動作周波数はＡＣＣ（適合型クルーズコントロール）またはＳＳＲ（ショートレンジレーダー）の領域で使用する場合、７７ＧＨｚまたは２４ＧＨｚである。
【００３３】
図１と図２には機械的に変形可能な第２接続部１２１が次の場合に対して示されている。すなわち共面導波体の図示の部材が高い透過係数と低い反射係数を有する場合に対して示されている。第１接続部１３０と第接続部１２１との間隔（この間隔が誘電層１４０と共にコンデンサ２００のキャパシタンスＣ（Ｕ）を実質的に定める）は図２では最大であり、約２μｍから４μｍである。第１接続部１３０と第２接続部１２１との間に直流電圧が印加される場合に対しては、静電吸引力が第１接続部１３０と第２接続部１２１との間に生じ、この静電吸引力によって第２接続部１２１は変形し、少なくとも部分的領域で、すなわち実質的に金属ブリッジの中央で、第１接続部１３０ないしは第１接続部１３０に設けられた誘電層１４０に向かって吸引される。この誘電層は例えば二酸化ケイ素または窒化ケイ素からなる。
【００３４】
前記装置のおよびその機能についてのさらなる詳細は特許願ＤＥ１００３７３８５．２を参照されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明の装置の平面図である。
【図２】 図２は、図１の斜視図である。
【図３】 図３は、本発明の装置の等価回路である。

Claims (8)

1. 共面導波体の部材のインピーダンスを変化するための可変容量コンデンサを有する装置、とりわけ高周波マイクロスイッチであって、アース線路（１１０，１１１）と、少なくとも一部の領域で片持ちされた導電接続部（１２１）と、信号線路（１２０）とを有し、
   前記導電接続部（１２１）と前記信号線路（１２０）とは構造体（１５０）によって分離されており、
   前記コンデンサ（２００）は導電接続部（１２１）と、アース線路（１１０，１１１）と接続された別の導電接続部（１３０）とを少なくとも部分的に含む形式のものにおいて、
   前記構造体（１５０）は、前記導電接続部（１２１）と前記信号線路（１２０）とを電気的に接続し、
   該構造体は、導電接続部（１２１）に発生する機械的応力を低減するように構成されており、
   該構造体（１５０）は、前記導電接続部（１２１）の一方の端部または両方の端部でU字形またはメアンダ状のばねとして構成されており、
   前記導電接続部（１２１）は少なくとも一部の領域でテープの形状に構成されており、
   前記U字形またはメアンダ状のばねは、前記導電接続部（１２１）の前記テープの面に扁平に延在する、
   ことを特徴とする装置。
2. 前記構造体（１５０）は前記導電接続部（１２１）を、懸架形態で信号線路（１２０）の部材と接続する、請求項１記載の装置。
3. 前記構造体（１５０）は一部の領域で導電接続部（１２１）に嵌め込まれているか、または前記導電接続部（１２１）は一部の領域で前記構造体（１５０）に構造化されており、
   前記構造体（１５０）は導電接続部の懸架部を形成する、請求項１または２記載の装置。
4. 前記構造体は内在的な機械適応力および／または熱変動により導電接続部（１２１）に発生する、とりわけ構造体（１５０）の面に対して平行な機械適応力を低減または抑圧するように構成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
5. 導波体の信号線路（１２０）は、導電接続部（１２１）から所定の長さの構造体（１５０）により分離されており、
   該構造体（１５０）の所定の長さは、当該信号線路のインピーダンスにより規定され、
   別の導電接続部（１３０）が、信号線路（１２０）に対して平行に案内された、導波体の２つのアース線路（１１０，１１１）を、所定の長さにより定義された領域内で相互に接続する、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
6. 構造体（１５０）および／または導電接続部（１２１）は、シリコンと類似の熱膨張係数を有し、金属に対して高い弾性係数を有する材料、例えばモリブデン、タングステン、タンタル、またはタングステンから構成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
7. コンデンサ（２００）のキャパシタンス（Ｃ）の変化は、導電接続部（１２１）と別の導電接続部（１３０）との間の静電力によって作用する、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
8. 別の導電接続（１３０）は、コンデンサ（２００）と直列の第１のインダクタンス（２２１）を形成する、請求項１から７までのいずれか１項記載の装置。

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