JP4500201B2

JP4500201B2 - マイクロマシンスイッチ

Info

Publication number: JP4500201B2
Application number: JP2005130311A
Authority: JP
Inventors: 光広岡田; 健一郎鈴木
Original assignee: Ritsumeikan Trust; Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Ritsumeikan Trust; Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2005-04-27
Filing date: 2005-04-27
Publication date: 2010-07-14
Anticipated expiration: 2025-04-27
Also published as: JP2006310053A

Description

本発明は、半導体の微細加工技術を利用して極微細でメカニカルな機構を実現したマイクロマシンの技術分野に属し、特に基板上を伸びる信号線の導通／非導通を切替え制御するマイクロマシンスイッチに関するものである。

この種のマイクロマシンスイッチは、図１８及び図１９に示す如く、ガラス製の基板(10)の表面に形成された信号線(20)に対して、作用電極(80)を接触又は離間させることにより、信号線(20)の導通／非導通を制御するものである(特許文献１参照)。

該マイクロマシンスイッチは、基板(10)上の信号線(20)を挟んで両側に設けられた左右一対のシリコン製の支持部(50)(50)と、該支持部(50)(50)から互いに接近する方向に伸びる左右一対のシリコン製のアーム部(70)(70)と、該アーム部(70)(70)の先端部に設けられた左右一対のシリコン製の上部電極(40)(40)と、両上部電極(40)(40)の裏面に跨って架設された絶縁性部材(60a)とを具え、該絶縁性部材(60a)の表面中央部にシリコン製の補強部(30)が設けられると共に、該絶縁性部材(60a)の裏面中央部には、信号線(20)の断線部分に対向して、前記作用電極(80)が形成されている。
一方、基板(10)の表面には、左右一対の上部電極(40)(40)との対向位置に、左右一対の下部電極(90)(90)が形成されている。

上記マイクロマシンスイッチにおいては、上部電極(40)(40)と下部電極(90)(90)の間に静電気力を発生させることにより、図２０に示す如く、左右一対のアーム部(70)(70)が弾性変形して、作用電極(80)が信号線(20)に接触することになる。又、前記静電気力を消失させることにより、図１９に示す如く、第１アーム部(70)(70)が弾性復帰して、信号線(20)から作用電極(80)が離間する。

図１７(ａ)は、信号線(20)の片側に形成したマイクロマシンスイッチの構成を示している。該マイクロマシンスイッチにおいては、支持部(50)にアーム部(70)が突設され、該アーム部(70)の先端部に絶縁性部材(60)が連結されており、該絶縁性部材(60)の裏面に、上部電極(40)と作用電極(80)が形成されている。

該マイクロマシンスイッチにおいて、上部電極(40)と下部電極(90)の間に静電気力を発生させることにより、作用電極(80)が信号線(20)に接触すると、信号線(20)が導通状態となって、該信号線(20)を例えば数百ＧＨｚ帯までの高周波信号が流れることになる。
ここで、作用電極(80)と信号線(20)の間には接触抵抗Ｒが存在するため、スイッチオン時の状態は、図１７(ｂ)に示す等価回路で表わすことが出来る。このとき、抵抗Ｒによる信号の減衰量は、図１７(ｃ)に示す様に、信号の周波数に拘わらず一定となる。

又、図８に示すマイクロマシンスイッチは、信号線(20)に対して作用電極(80)を接近させて該信号線(20)と作用電極(80)の間のキャパシタンス成分を増大させることにより、該信号線(20)を流れる信号を遮断する、所謂シャント型のスイッチであって、導電性部材(63)の裏面には、信号線(20)との対向位置に作用電極(80)が形成され、該作用電極(80)は絶縁層(61)によって覆われている。

該マイクロマシンスイッチにおいて、上部電極(40)と下部電極(90)の間に静電気力を発生させることにより、絶縁層(61)が信号線(20)に接触し、信号線(20)と作用電極(80)とが互いに接近すると、信号線(20)と作用電極(80)の間のキャパシタンス成分が増大し、この状態は、図８(ｂ)に示す如く信号線(20)に容量Ｃのキャパシタンス成分が接続された等価回路により表わすことが出来る。
従って、信号線(20)を流れる信号の減衰量は、図８(ｃ)に示すように信号の周波数の上昇につれて増大し、高い周波数を有する信号は大きな減衰を伴って、信号線(20)の通過を阻止されることになる。
特許第３５３８１０９号公報

しかしながら、図８(ａ)に示すマイクロマシンスイッチにおいては、同図(ｃ)に示す様に周波数の上昇につれて信号の減衰量が徐々に増大するので、信号線(20)を流れる信号の周波数ｆが比較的低い場合は、スイッチオフ時に充分に大きな減衰量が得られず、信号遮断特性(アイソレーション特性)が悪くなる問題があった。
又、図１７(ａ)に示すマイクロマシンスイッチにおいては、信号線(20)と作用電極(80)の間の接触抵抗Ｒが大きいときには、高周波信号の通過特性が悪くなる問題があった。特に、スイッチを長期間使用するとき接触抵抗が増大した。

そこで、本発明の第１の目的は、信号線を流れる信号についてスイッチオフ時には充分に大きな減衰量を得ることが出来る信号遮断特性の良好なマイクロマシンスイッチを提供することである。
又、本発明の第２の目的は、信号線を流れる信号についてスイッチオン時には減衰量を充分に抑制することが出来る信号通過特性の良好なマイクロマシンスイッチを提供することである。

本発明に係る第１のマイクロマシンスイッチは、基板(１)上を伸びる信号線(２)に対して作用電極(８)を接近させて該信号線(２)と作用電極(８)の間のキャパシタンス成分を増大させることにより、該信号線(２)を流れる信号を遮断するものであって、
基板(１)の表面に配備された支持部(５)と、該支持部(５)に突設されて基板(１)の表面から離間した位置を基板(１)に沿って伸びるアーム部(７)と、該アーム部(７)の先端部に設けられた上部電極(４)と、該アーム部(７)の先端部に前記上部電極(４)と近接して設けられた作用電極(８)と、前記基板(１)の表面に前記上部電極(４)と対向して配備された下部電極(９)とを具え、前記アーム部(７)は少なくとも一部が導電性材料から形成されて所定のインダクタンス成分を有し、該インダクタンス成分と前記キャパシタンス成分とによって決まる共振周波数が信号線(２)を通過する信号の周波数に一致若しくは近似する様、前記アーム部(７)の形状寸法が規定されている。

上記第１のマイクロマシンスイッチにおいて、スイッチオフ時には、上部電極(４)と下部電極(９)の間に静電気力を発生させることにより、アーム部(７)が弾性変形して、信号線(２)に対して作用電極(８)が接近し、信号線(２)と作用電極(８)の間のキャパシタンス成分が増大する。
そして、該キャパシタンス成分には、アーム部(７)によって構成されるインダクタンス成分が直列に接続されることとなり、この結果、信号線(２)に対して、前記インダクタンス成分とキャパシタンス成分からなるＬＣ回路(トラップ回路)を接続した電気状態が実現される。
従って、前記ＬＣ回路の共振周波数にて大きな減衰量が得られることとなり、該共振周波数が信号線(２)を流れる信号の周波数に一致する様にアーム部(７)の形状寸法が規定されている構成においては、信号線(２)を流れる信号は大きな減衰を伴って、信号線(２)の通過を阻止されることになる。

スイッチオン時には、前記静電気力を消失せしめることにより、アーム部(７)が弾性復帰して、信号線(２)から作用電極(８)が離間し、信号線(２)と作用電極(８)の間のキャパシタンス成分が減少する。
この結果、信号線(２)にＬＣ回路を接続した電気状態が解消されて、信号線(２)を流れる信号は殆ど減衰することなく、信号線(２)を通過することになる。

又、本発明に係る第２のマイクロマシンスイッチは、基板(１)上を伸びる２本の信号線(2a)(2b)の互いに対向する端部に跨って作用電極(８)を接触させることによって、該２本の信号線(2a)(2b)を互いに接続するものであって、
基板(１)の表面に配備された支持部(５)と、該支持部(５)に突設されて基板(１)の表面から離間した位置を基板(１)に沿って伸びるアーム部(71)と、該アーム部(71)の先端部に設けられた上部電極(41)と、該アーム部(71)の先端部に前記上部電極(41)と近接して設けられた作用電極(81)と、前記基板(１)の表面に前記上部電極(41)と対向して配備された下部電極(91)とを具え、前記２本の信号線(2a)(2b)の端部にそれぞれ電極片(21a)(21a)が突設され、前記アーム部(71)に、両電極片(21a)(21b)に対向して対向電極(82)を設けることにより、作用電極(81)と信号線(2a)(2b)の抵抗成分Ｒに対して並列に、キャパシタンス成分を形成している。

上記第２のマイクロマシンスイッチにおいて、スイッチオン時には、上部電極(41)と下部電極(９)の間に静電気力を発生させることにより、アーム部(71)が弾性変形して、信号線(2a)(2b)に作用電極(81)が接触し、信号線(2a)(2b)と作用電極(81)の間には接触抵抗が生じる。
又、アーム部(71)の弾性変形に伴って、対向電極(82)が電極片(21a)(21b)に接近して、対向電極(82)と電極片(21a)(21b)の間のキャパシタンス成分が増大することになる。
この結果、信号線(2a)(2b)に対して、前記抵抗に対して前記キャパシタンス成分を並列に接続してなるＲＣ回路が接続された電気状態が実現される。
従って、信号線(2a)(2b)を流れる信号の周波数が低い場合は、前記抵抗によって大きな減衰を伴うが、信号の周波数が一定値を越えて上昇すると、信号線(2a)(2b)を流れる信号は、前記キャパシタンス成分を通過する様になるので、減衰量は減少し、信号線(2a)(2b)を殆ど減衰することなく通過することになる。

スイッチオフ時には、前記静電気力を消失せしめることにより、アーム部(71)が弾性復帰して、信号線(2a)(2b)から作用電極(81)が離間し、信号線(2a)(2b)が切断され、信号の通過が阻止されることになる。

本発明に係る第１のマイクロマシンスイッチによれば、信号線を流れる信号についてスイッチオフ時には充分に大きな減衰量を得ることが出来、良好な信号遮断特性が得られる。
又、本発明に係る第２のマイクロマシンスイッチによれば、信号線を流れる信号についてスイッチオン時には減衰量を充分に抑制することが出来、良好な信号通過特性が得られる。

以下、本発明の実施の形態につき、図面に沿って具体的に説明する。
第１実施例
本実施例のマイクロマシンスイッチにおいては、図１(ａ)、図２、図３及び図４に示す如く、ガラス製の基板(１)の表面に、シリコンにボロンを注入した材料を用いて支持部(５)が形成されており、該支持部(５)は、基板(１)上のグランド電位部に接続されて、接地されている。
該支持部(５)には、基板(１)の表面から離間した位置を伸びるアーム部(７)が、シリコンにボロンを注入した材料を用いて形成され、該アーム部(７)の先端部に導電性部材(６)が連結されている。
尚、アーム部(７)は、後述の如く所定のインダクタンス成分を有する形状寸法に設計されている。

導電性部材(６)の裏面には、アーム部(７)側に上部電極(４)が形成されると共に、導電性部材(６)の先端側に作用電極(８)が形成されている。又、アーム部(７)の先端部と作用電極(８)とは互いに直列に電気接続されている。
一方、基板(１)の表面には、上部電極(４)との対向位置に、下部電極(９)が形成され、該下部電極(９)は絶縁層(62)によって覆われている。又、基板(１)上の信号線(２)は、作用電極(８)との対向領域が絶縁層(61)によって覆われている。

上記本発明のマイクロマシンスイッチにおいて、スイッチオフ時には上部電極(４)と下部電極(９)の間に静電気力を発生させる。これによって、図５、図６及び図７に示す様に、アーム部(７)が弾性変形して、上部電極(４)が下部電極(９)を覆う絶縁層(62)に接触すると共に、作用電極(８)が信号線(２)を覆う絶縁層(61)に接触する。この結果、作用電極(８)と信号線(２)の間のキャパシタンス成分が増大する。

この状態で、前記キャパシタンス成分には、前記アーム部(７)によって構成されるインダクタンス成分が直列に接続されることとなり、この結果、図１(ｂ)に示す等価回路の如く、信号線(２)に対して、前記インダクタンス成分とキャパシタンス成分からなるＬＣ回路(トラップ回路)を接続した電気状態が実現される。従って、図１(ｃ)に示す様に、前記ＬＣ回路の共振周波数にて大きな減衰量が得られることとなる。

ここで、インダクタンス成分を構成すべきアーム部(７)は、前記ＬＣ回路の共振周波数が信号線(２)を流れる信号の周波数ｆに一致する様に形状寸法が規定されている。この結果、信号線(２)を流れる信号は大きな減衰を伴って、信号線(２)の通過を阻止されることになる。

スイッチオン時には、上部電極(４)と下部電極(９)の間の静電気力を消失せしめる。これによって、図２、図３及び図４に示す如くアーム部(７)が弾性復帰して、信号線(２)から作用電極(８)が離間し、信号線(２)と作用電極(８)の間のキャパシタンス成分が減少する。
この結果、信号線(２)にＬＣ回路を接続した電気状態が解消されて、信号線(２)を流れる信号は殆ど減衰することなく、信号線(２)を通過することになる。

図９は、本実施例のマイクロマシンスイッチの特性をコンピュータシミュレーションによって調べるためのモデルを表わしている。
該モデルにおいては、図示の如く信号線(２)の両側に、一対の支持部(５)(５)が形成され、両支持部(５)(５)から信号線(２)と平行に左右一対のアーム部(７)(７)が基板(１)から離間した位置を伸びており、両アーム部(７)(７)の先端部には、左右一対の上部電極(４)(４)が形成されている。
各アーム部(７)は、前述の如く所定のインダクタンス成分を発揮することとなる幅Ｗ、厚さ及び長さＬに形成されている。

更に両上部電極(４)(４)には、信号線(２)と直交して互いに接近する方向に伸びる左右一対の第２のアーム部(6a)(6a)が形成されている。そして、両アーム部(6a)(6a)の先端部に補強部(３)が連結され、該補強部(３)の裏面側には、作用電極(８)が形成されている。
一方、基板(１)の表面には、左右一対の上部電極(４)(４)と対向して、左右一対の下部電極(９)(９)が形成されている。

上記マイクロマシンスイッチのモデルにおいては、第１のアーム部(７)が第２のアーム部(6a)に対して９０度の角度で折れ曲がっているので、該第１アーム部(７)は、その先端部が自由に変位可能な片持ち梁を構成することになる。従って、マイクロマシンスイッチのスイッチオン／オフ動作に関与するバネ定数は小さなものとなる。この結果、スイッチオン状態で第１アーム部(７)に作用する弾性復帰力は小さなものとなり、スイッチオン／オフのための制御電力を大幅に節減することが出来る。

上記のモデルを用いたコンピュータシミュレーションにおいては、シリコンによって形成されるアーム部(７)の幅Ｗを５μm、厚さを５μm、長さＬを１５０μmとした。これによってアーム部(７)のインダクタンスＬは略０.０６ｎＨとなる。又、信号線(２)は金製であって、厚さを２μm、幅を２００μmとした。上部電極(４)は２００μm×２００μmの大きさとした。作用電極(８)は２００μm×５０μmの大きさとした。これによって、作用電極(８)と信号線(２)の間のキャパシタンスＣは略５ｐＦとなる。

図１０は、スイッチオフ時の電磁界シミュレーションの結果を表わし、図１１は、回路シミュレーションの結果を表わしている。何れの結果においても、周波数が略８〜９ＧＨｚで共振しており、該共振周波数にて大きな減衰量が得られている。
従って、信号線(２)を通過する信号の周波数が上記共振周波数と一致している構成においては、良好なアイソレーション特性が得られることになる。

第２実施例
本実施例のマイクロマシンスイッチにおいては、図１２(ａ)、及び図１３〜図１６に示す如く、ガラス製の基板(１)の表面に、シリコン製の支持部(５)が形成されており、該支持部(５)には、基板(１)の表面から離間した位置を伸びるシリコン製のアーム部(71)が突設され、該アーム部(７)の先端部に絶縁性部材(69)が連結されている。

絶縁性部材(69)の裏面には、アーム部(71)側の端部に上部電極(41)が形成され、該上部電極(41)は絶縁層(65)によって覆われている。又、絶縁性部材(69)の裏面には、絶縁性部材(69)の先端側に作用電極(81)が形成されている。更に絶縁性部材(69)の裏面には、上部電極(41)と作用電極(81)の間に、対向電極(82)が形成され、該対向電極(82)は絶縁層(64)によって覆われている。

一方、基板(１)の表面には、上部電極(41)との対向位置に、下部電極(91)が形成されている。
又、基板(１)の表面に形成されている２本の信号線(2a)(2b)の端部にはそれぞれ、上部電極(41)に向けて、２つの電極片(21a)(21a)が突設され、両電極片(21a)(21a)は対向電極(82)の両端部と対向している。

本実施例のマイクロマシンスイッチにおいて、スイッチオン時には、上部電極(41)と下部電極(91)の間に静電気力を発生させる。これによって、アーム部(71)が弾性変形して、信号線(2a)(2b)に作用電極(81)が接触し、信号線(2a)(2b)が導通することになる。但し、信号線(2a)(2b)と作用電極(81)の間には接触抵抗が生じる。
又、アーム部(71)の弾性変形に伴って、対向電極(82)を覆う絶縁層(64)が２つの電極片(21a)(21b)に接触して、対向電極(82)と２つの電極片(21a)(21b)の間のキャパシタンス成分が増大することになる。
この結果、図１２(ｂ)に示す等価回路の如く、信号線(2a)(2b)に前記抵抗が介在すると共に該抵抗に対して前記キャパシタンス成分が並列に接続された、ＲＣ回路が構成されることになる。

図１２(ｃ)は、信号線(2a)(2b)に前記のＲＣ回路が接続された構成における周波数特性を示しており、信号線(2a)(2b)を流れる信号の周波数が低い場合は、前記抵抗によってある程度大きな減衰が生じるが、信号の周波数が一定値を越えて上昇すると、前記キャパシタンス成分が優勢となって信号の減衰量が大幅に減少する。
従って、信号線(2a)(2b)を流れる信号は、殆ど減衰することなく信号線(2a)(2b)を通過することになる。

スイッチオフ時には、前記静電気力を消失せしめる。これによって、図１３〜図１６に示す様にアーム部(71)が弾性復帰して、信号線(2a)(2b)から作用電極(81)が離間し、信号線(2a)(2b)が切断される。この結果、信号線(2a)(2b)を流れる信号が遮断されることになる。

尚、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。例えば図１に示す第１実施例のマイクロマシンスイッチにおいて、アーム部(７)の形状としては、帯状、Ｃ字状、Ｓ字状、渦巻き状等、所望のインダクタンスが得られる種々の形状を採用することが出来る。

本発明の第１実施例のマイクロマシンスイッチの平面視(ａ)、等価回路(ｂ)、及び周波数特性(ｃ)を示す図である。スイッチオン時の図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。スイッチオン時の図１のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。スイッチオン時の図１のＤ−Ｄ線に沿う断面図である。スイッチオフ時の図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。スイッチオフ時の図１のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。スイッチオフ時の図１のＤ−Ｄ線に沿う断面図である。第１実施例に対応する従来のマイクロマシンスイッチの平面視(ａ)、等価回路(ｂ)及び周波数特性(ｃ)を示す図である。第１実施例のマイクロマシンスイッチのモデルを示す平面図である。該モデルにおけるスイッチオフ時の電磁界シミュレーションの結果を表わすグラフである。該モデルにおけるスイッチオフ時の回路シミュレーションの結果を表わすグラフである。本発明の第２実施例のマイクロマシンスイッチの平面視(ａ)、等価回路(ｂ)、及び周波数特性(ｃ)を示す図である。スイッチオフ時の図１２のＥ−Ｅ線に沿う断面図である。スイッチオフ時の図１２のＦ−Ｆ線に沿う断面図である。スイッチオフ時の図１２のＧ−Ｇ線に沿う断面図である。スイッチオフ時の図１２のＨ−Ｈ線に沿う断面図である。第２実施例に対応する従来のマイクロマシンスイッチの平面視(ａ)、等価回路(ｂ)及び周波数特性(ｃ)を示す図である。従来の一般的なマイクロマシンスイッチの平面図である。スイッチオフ時における図１８のＤ−Ｄ線に沿う断面図である。スイッチオン時における図１８のＤ−Ｄ線に沿う断面図である。

符号の説明

(１) 基板
(２) 信号線
(2a) 信号線
(2b) 信号線
(21a) 電極片
(21b) 電極片
(４) 上部電極
(41) 上部電極
(５) 支持部
(６) 導電性部材
(69) 絶縁性部材
(７) アーム部
(71) アーム部
(８) 作用電極
(81) 作用電極
(82) 対向電極
(９) 下部電極
(91) 下部電極

Claims

基板(１)上を伸びる信号線(２)に対して作用電極(８)を接近させて該信号線(２)と作用電極(８)の間のキャパシタンス成分を増大させることにより、該信号線(２)を流れる信号を遮断するマイクロマシンスイッチにおいて、
基板(１)の表面に配備され、該基板(１)上のグランド電位部に接続された導電性の支持部(５)と、該支持部(５)に突設されて基板(１)の表面から離間した位置を基板(１)に沿って伸びる導電性のアーム部(７)と、該アーム部(７)の先端部に連結された導電性部材(６)と、該導電性部材(６)の裏面に形成された上部電極(４)と、前記導電性部材(６)の裏面に前記上部電極(４)と近接して設けられた作用電極(８)と、前記基板(１)の表面に前記上部電極(４)と対向して配備された、前記上部電極(４)との間に静電気力を発生させることのできる下部電極(９)とを具え、
前記アーム部(７)は少なくとも一部が所定のインダクタンス成分を有し、
前記静電気力により前記上部電極(４)が前記下部電極(９)に引き寄せられることに伴い、前記作用電極(８)が前記信号線(２)に近づいて前記キャパシタ成分が増大したときに、前記所定のインダクタンス成分と前記増大したキャパシタンス成分とによって決まる共振周波数が信号線(２)を通過する信号の周波数に一致若しくは近似する様、前記アーム部(７)の形状寸法が規定されていることを特徴とするマイクロマシンスイッチ。
基板(１)上を伸びる２本の信号線(2a)(2b)の互いに対向する端部に跨って作用電極(８)を接触させることによって、該２本の信号線(2a)(2b)を互いに接続するマイクロマシンスイッチにおいて
基板(１)の表面に配備され、該基板(１)上のグランド電位部に接続された導電性の支持部(５)と、該支持部(５)に突設されて基板(１)の表面から離間した位置を基板(１)に沿って伸びる導電性のアーム部(71)と、該アーム部(71)の先端部に連結された導電性部材(６)と、該導電性部材(６)の裏面に形成された上部電極(41)と、前記導電性部材(６)の裏面に前記上部電極(41)と近接して設けられた作用電極(81)と、前記基板(１)の表面に前記上部電極(41)と対向して配備され、前記上部電極(４)との間に静電気力を発生させることのできる下部電極(91)とを具え、
前記静電気力により前記上部電極(４)が前記下部電極(９)に引き寄せられることに伴い、前記作用電極(８)は前記信号線(2a)(2b)の互いに対向する端部に跨って接触し、
前記２本の信号線(2a)(2b)の端部には、それぞれ電極片(21a)(21a)が突設され、前記アーム部(71)に、両電極片(21a)(21b)に対向して対向電極(82)を設けることにより、作用電極(81)と信号線(2a)(2b)の抵抗成分Ｒに対して並列に、キャパシタンス成分を形成することを特徴とするマイクロマシンスイッチ。