JP4887466B2 - Ｍｅｍｓスイッチおよびそれを用いた通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、微小電気機械素子の一つである、ＭＥＭＳスイッチおよびそれを用いた通信装置に関する。

微小電気機械素子（Micro Electro Mechanical Systems、以下「ＭＥＭＳ」と略すことがある）は、無線技術、光学技術、加速度センサ、およびバイオなど、多くの分野において多様な機能を発揮し得る。ＭＥＭＳは、とりわけ無線端末用のスイッチおよびフィルタなどの素子に適用するのに適している。

無線端末などの情報通信機器の普及が進むにつれて、一つの無線端末で各種通信方式に対応した小型端末の実現が望まれている。また、最近では、端末の筐体内に内蔵されるスイッチなどの受動部品数が増加する傾向にあるため、受動部品の小型化もまた望まれている。

これらの要望に応える部品として、MEMS技術を利用して作製される高周波微小電気機械（ＲＦ−ＭＥＭＳ）スイッチが有望視されている。RF−MEMSスイッチとは、微小な可動電極を動かし、機械的に信号の伝播経路を切り替えるスイッチである。その利点は、超低挿入損失、高アイソレーション、および線形性等の高周波特性が優れていることである。また、ＭＥＭＳスイッチは、半導体と親和性の良いプロセスで製造可能であるため、スイッチをＲＦ−ＩＣに内蔵することも可能である。これらの理由により、ＭＥＭＳスイッチの開発は、無線部分（wireless segment）の小型化に大きく貢献する技術として期待されている。

従来のＲＦ−ＭＥＭＳスイッチは、メンブレン（membrane）状または棒状の両持ちもしくは片持ち梁構造の可動体を電極に接触させる、あるいは離間させることにより、機械的に信号の伝搬経路を切り替える。従来のＲＦ−ＭＥＭＳスイッチの多くは、可動体の駆動力源として、静電気力を用いている。他の駆動力源として電磁気力を用いたＲＦ−ＭＥＭＳスイッチも提案されている。

ＲＦ−ＭＥＭＳスイッチの一つの型として、シリーズ型スイッチがある。シリーズ型ＲＦ−ＭＥＭＳは、可動電極と駆動電極とを有し、可動電極においては、高周波信号が伝達される信号線路の延長上に位置し、信号電極から離間した長さ数百μｍ程度の微細なメンブレンが形成されている。可動電極の先端はオープン状態となっている。当該可動電極のメンブレンが位置しない部分の直下には駆動電極が設けられている。駆動電極に直流電位を印加すると、可動電極が駆動電極側に静電引力により引き付けられて撓み、信号を出力する信号線路と接触する。信号線路間はショート状態となり、高周波信号は可動電極を介して流れる（即ち、ＯＮ状態となる）。駆動電極に直流電位を印加しない状態では、可動電極と信号線路は接触せず、高周波信号は遮断される（即ち、ＯＦＦ状態となる）。

図７および図８を参照して、従来のシリーズ型ＭＥＭＳスイッチの構成の一例を説明する。図７は、従来のＭＥＭＳスイッチの一例の構成を示す上面図であり、図８は、図７におけるＡ−Ａ’断面を示す横断面図である。

図示するＭＥＭＳスイッチ５００においては、基板５１０上に層間絶縁膜となる絶縁層５０９が設けられ、絶縁層５０９の上に、駆動電極５０２、および信号の伝送路となる信号電極５０４が形成されている。これらの電極と対向し、これらの電極から離間するように、支持部５０５により支持された、接触電極５０３（メンブレン）を有する可動電極５０１が設けられている。可動電極５０１は、変形可能な部材であり、接触電極５０３から見て片側にのみ形成されている（即ち、片持ち梁である）。この構成のスイッチは、可動電極５０１と駆動電極５０２との間に静電気力を作用させて、接触電極５０３を信号電極５０４に電気的に接触させることにより、ＯＮとなる。

また、微小電気機械素子である別の形態のスイッチとして、静電型リレーが、特許文献１に開示されている。特許文献１に記載のスイッチは、弾性的に支持された可動電極を静電気力に基づいて固定電極に面接触させる構成である。

国際公開第ＷＯ０１／８２３２３号

現在のところ、スイッチのＯＮ状態の低挿入損失を実現するためには、信号の伝搬する接点の接触抵抗を低く維持する必要がある。しかし、接触抵抗は、電極を構成する金属の表面に形成される酸化皮膜および電極表面の汚染により、高くなり、そのことが接点の信頼性の低下を招くという問題がある。酸化皮膜および汚染領域は、例えば、金属表面を擦る、および突刺す等して得られる、機械清浄効果を利用して、物理的に取り除く、または破ることが可能である。機械的清浄効果は、電気的接点が形成される際に加わる物理的な力によって得られる。しかし、そのような機械清浄効果が十分に得られない場合には、駆動電圧を高くして接触力を高くし、より高い機械清浄効果およびより低い接触抵抗を得る必要がある。このことは、スイッチにおいてより多くの電力が消費されることを意味する。また、接点の信頼性は、接点を形成した後、接点を分離することが困難となるスティクション（引っ付き現象）によっても低下する。駆動電圧を高くすると、このスティクションが発生しやすくなる。

特許文献１に記載された構成のスイッチにおいては、接点の両側に固定電極が存在するため、接触電極５０３と信号電極５０４とは面接触となる。面接触方式のスイッチにおいては、スティクション（引っ付き現象）による信頼性の低下という課題が発生し易くなる。さらに、特許文献１のスイッチは、一つの駆動電極および一つの制御信号で静電型アクチュエータを駆動させ、接点を一軸方向に押し付けて金属接合を形成する構成であるため、機械清浄効果を得るには、大きな接触力、即ち、大きな駆動電圧が必要である。

本発明は前記実情に鑑みてなされたものであり、高信頼性の接点形成の可能なＭＥＭＳスイッチを提供することを目的とする。

可動電極と、
前記可動電極に対向し、かつ前記可動電極から離間して形成された信号電極と、
前記可動電極に対向し、かつ前記可動電極から離間して形成された対向電極とを有し、
前記可動電極と、対向電極との間に発生させた静電気力によって、前記可動電極と前記信号電極との間で電気的接点を形成し得る、ＭＥＭＳスイッチであって、
前記可動電極と前記対向電極との間で静電気力を発生させるための電圧を、前記可動電極および前記対向電極のいずれか一方に印加するようになっており、
前記電圧が印加される電極が、複数に分割されており、
分割されたそれぞれの電極に電圧を印加することが時間差をもって行われる、
ＭＥＭＳスイッチを提供する。

本発明のＭＥＭＳスイッチは、可動電極、および可動電極との間で静電気力を発生する対向電極のうち、いずれか一方を複数に分割し、分割されたそれぞれの電極への電圧の印加が時間差をもって行われることを特徴とする。そのような電圧の印加は、分割された電極それぞれへの制御信号の入力を、独立して行うことによって可能となる。電圧の印加に時間差を設けると、可動電極と信号電極の間の接点形成の際に、可動電極をスライドさせることができ、それにより機械清浄効果が得られ、繰り返し動作における接点形成の安定化を実現することができる。

よって、本発明のＭＥＭＳスイッチは、低駆動電圧において、低接触抵抗および低挿入損失を実現する高信頼性の接点形成を実現することができる。

電圧は、スイッチの応答時間と略同じ時間差をもって、分割された電極に印加されることが好ましい。時間差をスイッチの応答時間と略同じとすることによって、より高い機械的清浄効果を得ることができる。

本発明のＭＥＭＳスイッチにおいて、複数に分割された電極は、電気的接点に対して対称となるように配置されていることが好ましい。それにより、より高い機械的清浄効果を得ることができる。

本発明のＭＥＭＳスイッチにおいては、可動電極を第１の電極、信号電極を第２の電極とした場合に、対向電極が２つに分割されて、第３の電極と第４の電極を形成していることが好ましい。対向電極を分割することは、可動電極を分割することと比較して、より容易な回路設計および製造を可能にする。また、対向電極を２つに分割することにより、電圧が時間差をもって印加される電極を、電気的接点に対して対称となるように配置することが容易となる。

第３の電極と第４の電極を有するＭＥＭＳスイッチにおいては、第１の電極と第３の電極および／または第４の電極との間で接点を形成し得る凸部が、第１の電極、第３の電極および第４の電極から選択される一または複数の電極に設けられていることが好ましい。当該凸部の存在により、第１の電極と第２の電極との間で電気的接点が形成されたときに、第１の電極と、第３の電極および／または第４の電極との間にギャップが形成される。そのため、第１の電極と第２の電極が電気的に一旦接触した後も、第１の電極が有するバネ力に加え、第１の電極と第３の電極および／または第４の電極との間で作用する静電気力によって、高い接触力を維持することが可能となる。

前記凸部は、前記電気的接点が形成されているときに、前記第１の電極と、前記第３の電極および／または前記第４の電極とが直接接触しないように、数および位置を選択して形成することが好ましい。それにより、ギャップの領域を増大させることができ、その結果、静電容量が増大し、第１の電極と第２の電極とが接触している状態の電気的接点の保持に寄与する静電気力を増大させることができる。

本発明のＭＥＭＳスイッチにおいて、前記凸部が複数個設けられている場合には、前記複数個の凸部が、前記電気的接点から延びる複数の放射線上にそれぞれ１つずつ設けられていることが好ましい。その場合、前記複数個の凸部と前記電気的接点との距離がそれぞれ等しくなるように、前記複数個の凸部が配置されることがより好ましい。即ち、複数の凸部は、電気的接点を中心とする円上に配置されることがより好ましい。複数の凸部を複数の放射線上にそれぞれ１つずつ設けることにより、凸部が二次元的に配置され、電気的接点と凸部とによって囲まれる領域に架橋される可動電極が、長さのみならず幅を有することにより、可動電極のバネ力を増大させることが可能となる。また、複数の凸部をこのように配置することによって、前記第１の電極と、前記第３の電極（第４の電極が設けられる場合には、第３の電極および／または第４の電極）との間のギャップを、電気的接点が形成されている間、確保することができる。

前記凸部が第１の電極および／または第３の電極に複数形成されているときには、上から（即ち、第１の電極と第２の電極とが電気的接点を形成するときに、第１の電極が移動する（撓む）方向から）見たときに、第１の電極と第２の電極との電気的接点と凸部とによって囲まれる領域の面積が、第１の電極と第３の電極との間で静電気力が作用する面積の２０％以上となるように、凸部の数および位置が選択されることが好ましい。電気的接点と凸部とによって囲まれる領域が大きいほど、第１の電極と第２の電極とが接触している状態の電気的接点の保持に寄与する静電気力を増大させることができる。本発明のＭＥＭＳスイッチにおいて、前記凸部が第１の電極および／または第４の電極に複数形成されているときも、凸部は、同様に形成されることが好ましい。

前記第３の電極および前記第４の電極は、上から見たときに前記電気的接点を挟むように配置されていることが好ましく、前記電気的接点を中心線として対称となるように配置されていることがより好ましい。その構成により、より高い機械的清浄効果が得られる。また、この構成により、電気的接点全体に偏りの無い均一な接触力を加えることが可能であり、接触力の分散を回避することができる。

前記第３の電極および前記第４の電極を有し、かつ前記凸部が設けられている場合において、前記電気接点における前記第１の電極は、前記凸部における前記第１の電極よりも高い位置にあることが好ましい。本構成により、接触後に、バネ力による接触力をも維持することが可能となる。

本発明のＭＥＭＳスイッチにおいて、前記可動電極（第１の電極）は両持ち梁（fixed-fixed beam）であることが好ましい。前記第１の電極が両持ち梁であり、両端が固定された構造であると、電圧の印加に時間差を設けて、可動電極の撓みの発生に時間差を生じさせたときに、一方の側に引っ張られていた可動電極が、他方の側の固定部によって確実に引っ張られる。それにより、信号電極（第２の電極）表面における可動電極のスライドがより確実に生じる。

本発明はまた、前記本発明のＭＥＭＳスイッチを有する通信用機器を提供する。本発明の通信用機器は、スイッチの高信頼性および低挿入損失に起因して、信頼性が高く、また、低電力で駆動可能となる。

本発明のＭＥＭＳスイッチは、従来実現困難であった高信頼性の電気的接点の形成を実現する。

本発明の実施の形態１におけるＭＥＭＳスイッチの構成を示す上面図 図１におけるＡ−Ａ’断面を示す図であり、ＯＦＦ状態のＭＥＭＳスイッチの構成を示す横断面図 図１におけるＡ−Ａ’断面を示す図であり、ＯＮ状態のＭＥＭＳスイッチの構成を示す横断面図 図１におけるＡ−Ａ’断面を示す図であり、ＯＮ状態の電気的接点近傍の横断面図 図１におけるＡ−Ａ’断面を示す図であり、第１の電極と第３の電極との間にのみ駆動電圧が印加されている状態を示す横断面図 図１におけるＡ−Ａ’断面を示す図であり、第１の電極と、第３の電極および第４の電極との間に駆動電圧が印加されている状態を示す横断面図 従来のＭＥＭＳスイッチの構成を示す上面図 図７におけるＡ−Ａ’断面を示す横断面図 本発明の実施の形態２におけるＭＥＭＳスイッチの構成を示す横面図 本発明の実施の形態３におけるＭＥＭＳスイッチの構成を示す上面図 図１０におけるＡ−Ａ’断面を示す図であり、ＯＦＦ状態のＭＥＭＳスイッチの構成を示す横断面図 図１０におけるＡ−Ａ’断面を示す図であり、ＯＮ状態のＭＥＭＳスイッチの構成を示す横断面図 本発明の実施の形態４におけるＭＥＭＳスイッチの構成を示す横断面図

以下、本発明の各実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるＭＥＭＳスイッチの構成を示す上面図であり、図２は、図１におけるＡ−Ａ’断面を示しており、ＭＥＭＳ素子のＯＦＦ状態の構成を示す横断面図であり、図３は、図１におけるＡ−Ａ’断面を示しており、ＭＥＭＳスイッチのＯＮ状態の構成を示す横断面図である。

図１乃至図３に示すＭＥＭＳスイッチ１００はシリーズ型である。このスイッチにおいては、基板１１０上に層間絶縁膜となる絶縁層１０９が設けられ、絶縁層１０９の上に、駆動電極１０２１および１０２２、ならびに信号の伝送路となる第２の電極としての信号電極１０４が設けられている。これらの電極と対向し、これらの電極から離間するように、２つの支持部１０５により架橋された、第１の電極としての両持ち梁型の可動電極１０１が設けられている。可動電極１０１は、変形可能な部材であり、可動部と呼ぶこともできる。可動電極１０１には、信号電極１０４と接触する接触電極１０３と、駆動電極１０２１、１０２２と接触する凸部１０６（１０６Ａ、１０６Ｂ）とが設けられている。

この実施の形態においては、第１の電極である可動電極との間で静電引力を発生する対向電極が分割されて、電圧が印加される駆動電極１０２１および１０２２を形成している。よって、駆動電極１０２１および１０２２はそれぞれ、第３の電極および第４の電極に相当する。駆動電極は、可動でないことから、固定電極と呼ばれることもある。

次に、ＭＥＭＳスイッチ１００におけるスイッチングの仕組みを説明する。
スイッチがＯＦＦの状態においては、可動電極１０１と駆動電極１０２１、１０２２との間に駆動電圧Ｖ_ｄ１およびＶ_ｄ２は印加しない。可動電極１０１は変位していない初期位置にあり、接触電極１０３は信号電極１０４と接触していない状態にある。したがって、入力ポート側（ＩＮ）と出力ポート側（ＯＵＴ）の信号電極１０４の間には信号の導通経路は形成されない。より具体的には、信号電極１０４と接触電極１０３の間にエアーギャップを介して形成された静電容量Ｃ_ｃは小さい値となるので、高周波信号が伝播する場合、交流的にインピーダンスの高い状態となる。このため、高周波信号の電力は大きく減衰し、入力ポート側と出力ポート側の信号電極１０４の間を高周波信号が伝播できない状態となる。

スイッチをＯＮの状態とするときには、可動電極１０１と駆動電極１０２１、１０２２との間に駆動電圧Ｖ_ｄ１およびＶ_ｄ２がそれぞれ印加される。それにより静電気力が作用して、可動電極１０１が基板１１０側に引き込まれ、接触電極１０３と信号電極１０４とが電気的に接触する。接触電極１０３と信号電極１０４との間の接触が、金属接触による抵抗結合型である場合、抵抗Ｒ_ｃが低い値となり、信号の導通経路が形成され、信号は入力ポート側の信号電極１０４から出力ポート側の信号電極１０４へと接触電極１０３を介して伝播する。

ＯＮ状態からＯＦＦ状態に切り替える場合、可動電極１０１の電位と駆動電極１０２１、１０２２の電位を同じにして静電気力を排除し、可動電極１０１は自己の持つバネ力により初期位置に戻る。このようにして信号の伝播経路の開閉を行う。

図４は、図１におけるＡ−Ａ’断面を示しており、本実施の形態のＭＥＭＳスイッチがＯＮ状態にあるときの接点近傍の横断面図である。

ＯＮ状態においては、可動電極１０１上に設けられた凸部１０６Ｂが、浮き島電極１０２６と接触する。浮き島電極１０２６は、駆動電極１０２１、１０２２と同じ材料からなる同じ厚さの層であって、かつスリット１０２０により、駆動電極１０２１、１０２２とは物理的および電気的に分離された部分である。浮き島電極１０２６の存在により、可動電極１０１と駆動電極１０２１、１０２２とが同電位となることは無く、静電気力を維持することができる。また、スリット１０２０により浮き島電極１０２６を形成する方法によれば、駆動電極１０２１、１０２２と同一の層に、１つの工程で浮き島電極１０２６を形成することが可能であるため、製造工程の簡素化を実現することが可能となる。また、浮き島電極１０２６を形成することにより、凸部１０６を接触電極１０３と同じ材料で形成することが可能となり、その点においても、製造工程の簡素化を実現することが可能となる。

接触後の可動電極１０１のバネ定数は、複数個設けられた凸部１０６および接触電極１０３の間に架橋された領域で決定され、領域が狭くなるためバネ定数は初期位置の状態と比較して大きくなる。接触後に可動電極１０１と駆動電極１０２１、１０２２が第２のプルインにより接触しないよう、接触後の可動電極１０１のバネ力が静電気力より大きくなるよう凸部１０６および接触電極１０３の配置を設定する。そのような配置により、接触後に可動電極１０１と駆動電極１０２１、１０２２の間にギャップが形成され、凸部１０６により点接触する形となる。そのことは、可動電極１０１と駆動電極１０２１、１０２２とが直接接触することによる接触界面のチャージングを回避できる。また、可動電極１０１と駆動電極１０２１、１０２２との間のスティクションを回避することを可能にする。

バネ力による接触力が電気的接触点を形成した後も作用するように、接触電極１０３の高さは、ギャップの高さより高く設定する。即ち、基板１１０から見て、接触電極の設けられた可動電極１０１の位置が、凸部の設けられた可動電極１０１の位置よりも高くなるように、接触電極１０３の高さ（または厚さ）および凸部１０６の高さ（または厚さ）を選択することが好ましい。一般に、可動電極１０１の厚さは一定であるから、接触電極１０３の高さが凸部１０６の高さよりも大きくなるようにすることが好ましい。凸部１０６Ｂと接触電極１０３との間に架橋された長さｌの可動電極１０１は、高さの差Δｚ分だけ、撓みバネ定数ｋに依存するバネ力Ｆ_ｓ＝ｋΔｚを、接触電極１０３と信号電極１０４との接点に加える。また、可動電極１０１と駆動電極１０２１、１０２２との間にギャップが形成されて、静電気力Ｆ_ｅが加わり続ける構成となっているため、接点には接触力Ｆ_ｃ＝Ｆ_ｓ＋Ｆ_ｅが加わる。ここで、可動電極１０１の長さｌは、可動電極１０１の側縁のｘ座標と、複数の凸部の側縁のｘ座標のうち可動電極１０１の側縁のｘ座標に最も近いものとの間の差（即ち、ｘ方向の距離）を指していることに留意されたい。

本実施の形態の構成により、接触後も、バネ力（または弾性力）に加え、静電気力により高い接触力を維持することが可能となり、低駆動電圧において低接触抵抗および低挿入損失を実現する高信頼性の接点形成を実現することができる。

次に、本実施の形態のＭＥＭＳスイッチにおいて、第３の電極としての駆動電極１０２１への制御信号の入力を、第４の電極としての駆動電極１０２２への制御信号の入力と時間差を有するように行うときのスイッチの状態を、具体的に説明する。図５および６は、図１におけるＡ−Ａ’断面を示す、横断面図であり、２つの駆動電極に制御信号を独立して入力したときの状態を説明している。このようなＭＥＭＳスイッチ１００におけるスイッチングの仕組みを説明する。

スイッチをＯＮの状態とするために、可動電極１０１と駆動電極１０２１および１０２２との間にそれぞれ駆動電圧Ｖ_d1およびＶ_d2を印加する制御信号を駆動電極１０２１および１０２２に送る。この形態においては、先ず、駆動電極１０２１に電圧を印加する制御信号が送られ、それから一定時間後に、駆動電極１０２２に電圧を印加する制御信号が送られる。駆動電極１０２１に電圧を印加する制御信号が送られると、可動電極１０１が駆動電極１０２１の側へ引き込まれ、接触電極１０３の駆動電極１０２１に近い側が、まず信号電極１０４に接触し、それから接触電極１０３が駆動電極１０２１の方に向かって（即ち、図５中、矢印で示す方向へ）信号電極１０４上をスライドする。

次に、駆動電極１０２２に電圧を印加すると、可動電極１０１が駆動電極１０２２の側に引き込まれ、接触電極１０３は、駆動電極１０２２側に（即ち、図６中、矢印で示す方向へ）スライドする。凸部１０６が駆動電極１０２２に接触すると、最終的に、接触電極１０３の全体が信号電極１０４に向かって下向きに力を加える。このように、２つの駆動電極に与える制御信号の入力に時間差を設けることにより、可動電極１０１を非対称に接触させ、接触電極１０３を信号電極１０４上でスライドさせながら、接点を形成することが可能である。

図示した形態においては、駆動電極１０２１に電圧を印加したときに、可動電極１０１と駆動電極１０２１が広い面積で接触することなく、凸部１０６のみが駆動電極（図示した形態では浮き島電極１０２６）に接触している。即ち、可動電極１０１と駆動電極１０２１との接触面積は小さく、したがって、基板１１０表面と水平な方向において両者の間で生じる摩擦力は小さい。そのため、駆動電極１０２２に電圧を印加したときに、可動電極１０１と駆動電極１０２１との間の摩擦力に起因する、可動電極１０１の駆動電極１０２２への引き込みの阻害が低減され、接触電極１０３を信号電極１０４上でスライドさせることが容易となる。

なお、駆動電極１０２１および１０２２に電圧を印加する時間差は、スイッチの応答時間と同程度であることが好ましい。そのような時間差で電圧を印加すると、駆動電極１０２１による駆動がほぼ完了して、可動電極１０１が非対称に変形した状態から、可動電極１０１が駆動電極１０２２側へ引き込まれるので、接触電極１０３を信号電極１０４上でスムーズにスライドさせることができる。スイッチの応答時間は、スイッチが組み込まれる機器の用途に応じて異なり、一般に数μ秒〜数百μ秒である。時間差が小さすぎると、接触電極１０３が十分にスライドしないことがある。時間差が大きすぎると、非対称に変形した状態の可動電極１０１を変形させる（即ち、図５の状態から図６の状態にする）ことが困難となることがある。

ＯＮ状態からＯＦＦ状態に切り替える場合、可動電極１０１と駆動電極１０２２を同電位とした後に、可動電極１０１と駆動電極１０２１を同電位として、静電気力を排除する。その結果、可動電極１０１は、自己の持つバネ力により、元の初期位置に戻る。ＯＦＦ状態への切り替えの際にも、２つの駆動電極に与える制御信号に時間差を設けることによって、可動電極１０１を非対称に復元させて、接触電極１０３を信号電極１０４上でスライドさせながら、接触電極１０３を信号電極１０４から離して、電気的接触を解除する。即ち、電気的接触を解除する際にも、機械清浄効果が得られ、次の電気的接触のときに、良好な電気的接触を得ることが可能となる。このようにして信号の伝播経路の開閉を行うことにより、接触電極１０３と信号電極１０４との接触および離間の際の接触電極１０３のスライド作用により、接点を、繰り返し、安定に且つ低接触抵抗で形成することができる。

この形態において、可動電極１０１は、その両端が固定された両持ち梁構成である。可動電極が両持ち梁構成であると、図５に示すように、可動電極１０１が左側に引っ張られた後、右側に確実に引っ張られる。よって、接触電極１０３は、図５に示すように、左側にスライドした後、右側へ、より確実にスライドして、高い機械清浄効果が得られる。

また、本実施の形態の構成は、高い接触力を電気的接点で得ることを可能にし、もってＭＥＭＳスイッチにおける、接触電極１０３と信号電極１０４との物理的な接触面積を減少させることができる。そのことはスティクションによる信頼性低下を回避することを可能にする。

図１に示すように、この形態において、駆動電極１０２１、１０２２は、接触電極１０３を挟むように配置される。即ち、駆動電極１０２１、１０２２は、信号電極１０４と平行な方向（図において上下方向）を長さ方向とし、これに直交する方向を幅方向としたときに、接触電極１０３の両側部に配置される。さらに、図示した形態において、駆動電極１０２１、１０２２は、信号電極１０４とこれをつなぐ接触電極１０３を中心線として対称に配置されている。そのような配置により、ＯＮ状態（図６に示す状態）で接触電極１０３と信号電極１０４の間の接点全体に偏りの無い均一な接触力を加えることが可能であり、接触力の分散を回避することができる。

図示した形態において、凸部１０６は、上から見たときに、信号電極１０４とこれをつなぐ接触電極１０３を中心線として、対称となるように配置されている。そのような配置は、接触電極１０３の両側に形成されるギャップを対称なものとし、接触電極１０３の両側にて、電気的接点に偏りの無い均一な接触力を加えることに寄与する。凸部１０６は、必要に応じて、非対称となるように配置してよく、あるいは、一方の駆動電極のみと対向するように配置されてよい。

図示するように、凸部１０６は、複数個設けられ、各凸部１０６と電気的接点との距離がそれぞれ等しくなるように、互いに異なる位置に配置されることが好ましい。図示した形態においては、駆動電極１０２１および１０２２と接触する凸部１０６が設けられており、各凸部１０６が電気的接点を中心とする円の上に配置されている。電気的接点と凸部との距離は、図示するように、電気的接点および凸部が面接触している場合には、信号電極１０３の中心と、凸部１０６との間の距離をいう。このように凸部を配置すると、電気的接点と凸部とによって囲まれる領域に架橋される可動電極１０１が、ｘ方向のみならずｙ方向にも支持されることによりバネ力が増大し、可動電極１０１の駆動電極１０２１、１０２２への引き込みを回避できる。そのため、可動電極１０１と駆動電極１０２１、１０２２との間のギャップを確保することができる。

凸部１０６は、上から見たときに、電気的接点（図示するように、面接触している場合には、面接触（信号電極１０３））の中心と、凸部（凸部の中心）とを直線で結んで形成される領域（図１において一点鎖線で囲まれる領域）の面積が、可動電極１０１と駆動電極１０２１との間で静電気力が作用する面積の２０％以上となるように、設けることが好ましい。それにより、接触後に、凸部１０６と接触電極１０３の間に架橋する可動電極１０１と、駆動電極１０２１、１０２２とにより形成されるギャップ領域が、広く確保される。ギャップ領域を広げることにより可能電極１０１のバネ力が低下し、また、ギャップ領域の可動電極１０１と駆動電極１０２１、１０２２の対向面積が大きくなり静電気力が増大する。それにより接触後においても、接点に静電気力を加え続けることが可能となる。

例えば、図示した形態において、２つの駆動電極の面積が合わせて1mm²、駆動電圧7V、可動電極の厚さが8μmであって、接触電極１０３が信号電極１０４に接触した後で、駆動電極と可動電極との間で0.2μmのギャップが形成されるようにする場合、電気的接点から各凸部までの距離を最大0.3mmに設定することができる。この場合、電気的接点と凸部で囲まれた領域の面積の合計は0.23mm²となり、可動電極と駆動電極との間で静電気力が作用する面積の２３％となる。

凸部１０６の数および位置は、可動電極１０１の物性および寸法等を考慮して、選択される。凸部は、好ましくは、電気的接点の近傍に位置せず、かつ駆動電極１０２１、１０２２の周縁部に位置するように設けられる。それにより、可動電極１０１と駆動電極１０２１との間で静電気力が作用する領域の面積を広くすることができる。この実施の形態においては、上から見たときに略三角形である駆動電極１０２１、１０２２の略頂点に凸部１０６を配置して、電気的接点と凸部とが囲む領域が、できるだけ広くなるようにしている。その結果、ギャップの領域が広くなって、静電容量が増大し、それにより接触後に接触電極１０３と信号電極１０４の間の接触を保持する力となる静電気力を増大させることができる。

また、凸部１０６は、可動電極１０１と、駆動電極１０２１、１０２２とが直接接触しないように、数および位置を選択して形成することが好ましい。可動電極と駆動電極との間で接触が生じると、静電気力による接触力を得られなくなる。前述のように、Δｚが大きくなるほど、大きいバネ力を得ることができるので、凸部と可動電極との間の距離、および凸部間の距離を調節することによって、可動電極を大きく撓ませることが好ましい。しかし、それらの距離が大きくなりすぎて、撓んだ可動電極が駆動電極と接触すると、静電気力Ｆ_ｅが得られなくなる。そのことを避けるように、可動電極１０１のバネ定数等を考慮して、凸部の位置および数を決定することが好ましい。

以上において説明したように、この形態のＭＥＭＳスイッチ１００によれば、従来実現困難であった高信頼接点形成を実現する微小電気機械スイッチおよびそれを用いた電気機器を提供することが可能となる。このＭＥＭＳスイッチは、種々の電気機器、特に、通信機器に用いることができる。具体的には、携帯電話、無線通信端末の送受信部、およびアンテナ装置に用いることができる。

図示した形態において、ＭＥＭＳスイッチは、上から見たときに正八角形の形状を有する。本発明のＭＥＭＳスイッチの形状はこれに限定されず、例えば、正方形、正六角形、円形、楕円形、長方形、または三角形等の他の形状を有してよい。

なお、本発明は、ＭＥＭＳスイッチの等価回路上で信号が結合する可動電極と信号電極の接触部を伝送線路に対して並列に接続し、その先を接地させた構成のスイッチ（シャント型スイッチ）にも適用可能である。シャント型スイッチにおける、ＯＮ状態、ＯＦＦ状態における可動電極の位置は、シリーズ型スイッチのそれらとは逆となる。ＯＦＦ時においては、可動電極と信号電極が接触した状態となる。信号は接地に伝播し、出力ポートへは伝搬しない。ＯＮ時においては、可動電極と信号電極とが接触していない状態にあり、信号は入力ポートから出力ポートに向かって、信号電極上を伝搬する。
本発明のさらに別の実施の形態においては、実施の形態１において可動電極側に設けられていた凸部を駆動電極側に設けてよい。
本発明のさらに別の実施の形態においては、凸部を絶縁体で構成してよい。その場合には、駆動電極内に浮き島電極を設けなくても、可動電極と駆動電極とが同電位となることを避けることができる。

いずれの形態（後述する形態を含む）のＭＥＭＳスイッチも、その製造方法は特に限定されない。例えば、可動電極は、犠牲層を用いたエッチングにより、両持ち梁型または片持ち梁型となるように形成できる。接触電極は、エッチングによって犠牲層に凹部を形成し、当該凹部内に接触電極の材料（可動電極の材料と同じであってよい）を堆積することにより形成される。接触電極１０３は、プラチナまたはルテニウムなどの材料で形成することが好ましい。そのような材料は、低抵抗であり、かつ高い剛性を有するので、低接触抵抗および高信頼性の電気的接点を与える。また、接触電極１０３は、直方体であることが好ましく、矩形または正方形の断面を有することが好ましい。そのような形状の接触電極１０３は、信号電極１０４において、直方体の１辺が線接触して、信号電極上をスライドするため、広範囲にわたって機械的清浄効果が得られることを可能にする。

可動電極に凸部を形成する場合、マスキングおよびエッチングにより、犠牲層に、接触電極を形成するための凹部とは別の凹部を形成し、当該凹部内および犠牲層表面に可動電極の材料を堆積させた後、犠牲層を除去することにより、凸部を有する可動電極が形成される。凸部の材料は、可動電極の材料と異なる材料（例えば、絶縁体）であってよい。絶縁層は、例えば、シリコンから成る基板の表面を熱酸化することにより形成してよい。絶縁層の厚さは、例えば、１μｍ程度としてよい。

第３の電極および第４の電極としての駆動電極、および第２の電極としての信号電極は、絶縁層の上に、各電極材料を堆積し、マスキングおよびエッチングによりパターニングして形成する。第３の電極および第４の電極としての駆動電極、および第２の電極としての信号電極の厚さは、いずれも0.5〜1.0μｍ程度であってよい。第３の電極および第４の電極内に、浮き島電極を形成する場合には、同一マスクにスリットを設け、エッチング工程により、浮き島電極を第３の電極および第４の電極から分離して形成する。

また、本発明のＭＥＭＳスイッチにおいて、電圧の印加に時間差を生じさせるために、第３の電極および第４の電極への制御信号の入力回路を独立して設け、それらの電極への制御信号の入力が独立して行われるようにする必要がある。これらの回路を制御することにより、２つの電極への制御信号の入力において、所望の時間差を設けることができる。それに加えて、２つの電極の電位Ｖ_ｄ１、Ｖ_ｄ２を互いに異なる値とすることもできる。

Ｖ_ｄ１を印加し、その後、Ｖ_ｄ２を印加する場合、Ｖ_ｄ２の大きさは、Ｖ_ｄ１が印加された状態における第１の電極（可動電極１０１）のバネ力、および第１の電極（可動電極１０１）と第４の電極（駆動電極１０２２）との間のギャップの距離に応じて決定される。一般に、Ｖ_ｄ１が印加された状態における第１の電極のバネ力は、Ｖ_ｄ１が印加されていない状態のそれより大きく、それを撓ませるには、より大きな静電気力を要する。また、Ｖ_ｄ１が印加されると、第１の電極と第４の電極との間のギャップの距離は、Ｖ_ｄ１が印加されていない状態のそれよりも小さくなり、第１の電極を第４の電極に接触させるのに必要な静電気力はより小さくなる。

（実施の形態２）
実施の形態１では、対向電極が分割されて、第３および第４の電極として、駆動電極１０２１および１０２２を構成している形態を説明した。実施の形態２として、可動電極が２つに分割されて、分割された可動電極に、電圧の印加を時間差をもって行う形態を説明する。図９は、実施の形態２のＭＥＭＳスイッチの構成を示す横断面図である。このＭＥＭＳスイッチの上面図は、実施の形態１のそれと略同じ（即ち、図１）であり、図９は、図１のＡ−Ａ’断面を示している。

図９に示すＭＥＭＳスイッチ２００は、基板１１０上に層間絶縁膜１０９となる絶縁層１０９が設けられ、絶縁層１０９の上に、２つの対向電極１１２１および１１２２、ならびに信号の伝送路となる信号電極１０４が設けられている。これらの電極と対向し、これらの電極から離間するように、２つの支持部１０５により架橋された、両持ち梁型の可動電極２０１が設けられている。図示した形態において、可動電極２０１は２層からなり、支持部により架橋された架橋層２０１Ａと、電圧を印加する層である駆動電極層２０２１および２０２２とからなる。これらの駆動電極層２０２１および２０２２によって、可動電極が実質的に分割され、電圧をそれぞれの駆動電極層に時間差をもって印加することが可能となる。

可動電極２０１には、さらに信号電極１０４と接触する接触電極１０３が設けられ、対向電極１１２１および１１２２と接触する凸部１０６（１０６Ａ、１０６Ｂ）が設けられている。可動電極２０１と対向電極１１２１および１１２２との間での静電引力の発生は、可動電極２０１の駆動電極層２０２１および２０２２に電圧を印加することによって行う。この形態においても、対向電極１１２１および１１２２は、可動でないから、固定電極とも呼ばれ得る。

可動電極２０１においては、架橋層２０１を、駆動電極層２０２１および２０２２から、絶縁体によって電気的に絶縁させて、駆動電極層２０２１および２０２２への電圧の印加が互いに影響を受けないようにする必要がある。あるいは、架橋層２０１を、絶縁体で形成することによって、２つの駆動電極層の独立性を確保してもよい。駆動電極層２０２１および２０２２は、上から見たときに、対向電極１１２１および１１２２と実質的に同じ形状および寸法を有するように形成されることが好ましい。

電圧が駆動電極層２０２１および２０２２に印加されることを除いては、ＭＥＭＳスイッチ２００におけるスイッチングの仕組みは、実施の形態１に関連して説明したとおりである。よって、その詳細な説明は省略する。また、この形態においても、凸部１０６が浮き島電極と接触するように、対向電極１１２１および１１２２を構成することが好ましい。その他、実施の形態１に関連して説明した各部材の好ましい構成が、この形態においても好ましく採用され得る。さらに、この形態のＭＥＭＳスイッチにおいて達成される効果も、実施の形態１に関連して説明したとおりである。

（実施の形態３）
実施の形態１および２は、可動電極に凸部を設けた形態である。しかし、このような凸部は必ずしも必要ではない。実施の形態３として、凸部を設けない形態を説明する。
図１０は、本発明の実施の形態３におけるＭＥＭＳスイッチの構成を示す上面図である。図１１は、図１０におけるＡ−Ａ’断面を示しており、ＭＥＭＳ素子のＯＦＦ状態の構成を示す横断面図である。図１２は、図１０におけるＡ−Ａ’断面を示しており、ＭＥＭＳスイッチのＯＮ状態の構成を示す横断面図である。

図１０乃至図１２に示すＭＥＭＳスイッチ１０００は、凸部を有していない点を除いては、実施の形態１のＭＥＭＳスイッチと同じ構成を有する。したがって、同じ部材または要素は、同じ符号で表している。凸部を具備しないＭＥＭＳスイッチ１０００においても、実施の形態１のＭＥＭＳスイッチ１００において採用する制御信号の入力方法を実施して、同様のメカニズムにより、スイッチングのオン／オフ動作を実行できる。即ち、この形態においても、駆動電極１０２１に電圧を印加した後、駆動電極１０２２に電圧を印加することによって、接触電極１０３を信号電極１０４上でスライドさせることができる。それにより、機械清浄効果が得られ、繰り返し動作における接点形成の安定化を実現することができる。図示するように、凸部を有しない形態においても、電気的接点が形成されている間、可動電極１０１と駆動電極１０２１および１０２２との間でギャップが確保され、静電気力を作用させることが好ましい。そのために、電圧の印加によって、可動電極１０１が駆動電極１０２１および１０２２と接触しないように、可動電極および回路の設計を行い、かつ制御信号を調節する必要がある。

（実施の形態４）
実施の形態１〜３では、可動電極が両持ち梁型であるスイッチを説明した。実施の形態４として、可動電極が片持ち梁型である形態を説明する。図１３に示すＭＥＭＳスイッチ３００においては、基板３１０上に層間絶縁膜となる絶縁層３０９が設けられ、絶縁層３０９の上に、駆動電極３０２１および３０２２、ならびに信号の伝送路となる信号電極３０４が形成されている。これらの電極と対向し、これらの電極から離間するように、支持部３０５により支持された、接触電極３０３を有する可動電極３０１が設けられている。

この形態においては、可動電極と対向する対向電極が２つに分割されて、駆動電極３０２１および３０２２を形成し、これらの電極に電圧を印加することが時間差をもって行われる。この形態もまた、図１０〜１２に示す形態と同様に、可動電極に凸部が設けられていない。可動電極が片持ち梁型である場合にも、必要に応じて凸部を設けてよい。

ＭＥＭＳスイッチ３００におけるスイッチングの仕組みは、実施の形態１に関連して説明したとおりである。具体的には、駆動電極３０２１および３０２２のいずれか一方に電圧を印加した後、好ましくはスイッチの応答時間と略同じ時間差でもって、他方に電圧を印加する。それにより、接触電極３０３が、信号電極３０４に接触した状態で、後から電圧が印加された駆動電極の側に引き込まれてスライドし、機械的清浄効果が得られる。その結果、電気的接点において、接触抵抗を低くすることができる。また、この形態においても、可動電極３０１は、駆動電極３０２１および３０２２と直接接触しないように構成されるので、可動電極と駆動電極との間で発生する静電気力によって、高い接触力を維持することができる。

本発明に係るＭＥＭＳスイッチは、高信頼性であり、通信機器等の電気機器の部品として有用である。

１００、２００、３００、５００、１０００ ＭＥＭＳスイッチ
１０１、２０１、３０１ 可動電極
１０２０ スリット
１０２１、１０２２、３０２１、３０２２ 駆動電極
１０２６ 浮き島電極
１０３、３０３ 接触電極
１０４、３０４ 信号電極
１０５、３０５ 支持部
１０６、１０６Ａ、１０６Ｂ 凸部
１０９、３０９ 絶縁層
１１０、３１０ 基板
２０１Ａ 架橋層
２０２１、２０２２ 駆動電極層
１１２１、１１２２ 対向電極
３０１、５０１ 可動電極
５０２ 駆動電極
５０３ 接触電極
５０５ 支持部
５０９ 絶縁層

Claims (17)

1. 可動電極と、
   前記可動電極に対向し、かつ前記可動電極から離間して形成された信号電極と、
   前記可動電極に対向し、かつ前記可動電極から離間して形成された対向電極とを有し、前記可動電極と、前記対向電極との間に発生させた静電気力によって、前記可動電極と前記信号電極との間で電気的接点を形成し得る、ＭＥＭＳスイッチであって、
   前記可動電極と前記対向電極との間で静電気力を発生させるための電圧を、前記可動電極および前記対向電極のいずれか一方に印加するようになっており、
   前記電圧が印加される電極が、複数に分割されており、
   分割されたそれぞれの電極に電圧を印加することが時間差をもって行われる、
   ＭＥＭＳスイッチ。
2. 前記時間差が、スイッチの応答時間と略同じである、請求項１に記載のＭＥＭＳスイッチ。
3. 前記複数に分割された電極が、前記電気的接点に対して対称となるように配置されている、請求項１または２に記載のＭＥＭＳスイッチ。
4. 前記可動電極を第１の電極、前記信号電極を第２の電極とした場合に、前記対向電極が２つに分割されて、第３の電極と第４の電極を形成している、請求項１〜３のいずれか１項に記載のＭＥＭＳスイッチ。
5. 前記第１の電極と前記第３の電極および／または前記第４の電極との間で接点を形成し得る凸部が、前記第１の電極、前記第３の電極および前記第４の電極から選択される一または複数の電極に設けられており、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間で電気的接点が形成されたときに、前記第１の電極と、前記第３の電極および／または前記第４の電極との間にギャップが形成される、請求項４に記載のＭＥＭＳスイッチ。
6. 前記凸部の数および位置が、前記電気的接点が形成されているときに、前記第１の電極と、前記第３の電極および／または前記第４の電極とが直接接触しないように、選択されている、請求項５に記載のＭＥＭＳスイッチ。
7. 前記凸部が複数個設けられており、前記複数個の凸部が、前記電気的接点から延びる複数の放射線上にそれぞれ１つずつ設けられている、請求項５または６に記載のＭＥＭＳスイッチ。
8. 前記複数の凸部が、各凸部と前記電気的接点との距離が等しくなり、かつ前記複数の凸部の位置が互いに異なるように、配置されている、請求項７に記載のＭＥＭＳスイッチ。
9. 前記凸部が、前記第１の電極と前記第３の電極との間で複数個設けられており、前記凸部の数および位置が、前記電気的接点と前記凸部とによって囲まれる領域の面積が、前記第１の電極と前記第３の電極との間で静電気力が作用する面積の２０％以上となるように、選択されている、請求項５〜８のいずれか１項に記載のＭＥＭＳスイッチ。
10. 前記凸部が、前記第１の電極と前記第４の電極との間で複数個設けられており、前記凸部の数および位置が、前記電気的接点と前記凸部とによって囲まれる領域が、前記第１の電極と前記第４の電極との間で静電気力が作用する面積の２０％以上となるように、選択されている、請求項５〜９のいずれか１項に記載のＭＥＭＳスイッチ。
11. 前記凸部が、前記第３の電極および／または前記第４の電極内に形成された浮き島電極と接点を形成し得る、請求項５〜１０のいずれか１項に記載のＭＥＭＳスイッチ。
12. 前記凸部が、絶縁体である、請求項５〜１１のいずれか１項に記載のＭＥＭＳスイッチ。
13. 前記電気的接点における前記第１の電極が、前記凸部における前記第１の電極よりも高い位置にある、請求項５〜１２のいずれか１項に記載のＭＥＭＳスイッチ。
14. 前記電気的接点において、前記第１の電極に接触電極が形成され、接触電極の高さが、前記凸部の高さよりも大きい、請求項１３に記載のＭＥＭＳスイッチ。
15. 前記第３の電極および前記第４の電極が、上から見たときに前記電気的接点を挟むように配置されている、請求項４〜１４のいずれか１項に記載のＭＥＭＳスイッチ。
16. 前記可動電極が両持ち梁である、請求項１〜１５のいずれか１項に記載のＭＥＭＳスイッチ。
17. 請求項１〜１６のいずれか１項に記載のＭＥＭＳスイッチを有する通信用機器。

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