JP2011070950A - Ｍｅｍｓ型ｒｆスイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチを切り替えるための駆動力を低減し、小型化、低コスト化を図ることができ、加えて、長寿命化を図り、耐久性を向上させることができるようにする。
【解決手段】マイクロマシニング技術を用いて製作され、内部に空洞１６が形成された構造部材１２、１３、１４を備え、構造部材１２の空洞１６に面する面において、互いに離間されて２つの信号用接点２２ａ、２３ａが形成される。空洞１６内には、空洞１６内において構造部材のいずれの部分とも連結されない可動部材２０が配置される。可動部材２０は空洞１６内で移動駆動され、可動部材２０の導体２０ａが２つの信号用接点２２ａ、２３ａに対して接触した第１スイッチ切替状態と、２つの信号用接点２２ａ、２３ａに対して離反した第２スイッチ切替状態とに、切替可能となっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロマシニング技術を用いて製作されるＭＥＭＳ型（Micro Electro Mechanical Systems）ＲＦスイッチに関する。

高周波電流を断続する手段として、従来から数多くの種類のスイッチが提案されている。

例えば電子式スイッチとしては、ＰＩＮダイオードやトランジスタなどの半導体素子を用いたスイッチがある。これらの電子式スイッチは、半導体素子の電極間インピーダンスが外部からの印加電圧によって大きく変化する現象を利用している。

これらの電子式スイッチは、小型で高速動作が可能であるという特長を有するが、ダイオードやトランジスタの素子中での電流流路となる半導体基板の抵抗値や周辺インピーダンスの削減に限界があるという問題がある。このため、スイッチＯＮ状態での高周波挿入損失の低下に限界を生じている。加えて、理想的には無限大のインピーダンスであるスイッチＯＦＦ状態でも無視できない値のインピーダンスとなり、アイソレーションにも限界がある。このため、低損失且つ高アイソレーションを実現させることが困難で、特に周波数が高い高周波領域（例えばミリ波帯）では、実用的性能を実現することが極めて困難である。

一方、機械式スイッチとしては、巻線に電流を通じることで電磁力を発生させ、この電磁力でレバーを機械的に駆動し、そのレバーの先端付近に設けられた移動接点の空間的移動で同接点近傍に設けられている固定接点との間の接触または非接触という状態を切り替えて、高周波電流の断続を行うスイッチがある。この代表的な例としては、同軸リレーとして良く知られている部品を挙げることができる。

この機械式スイッチは、金属間の接触／非接触状態でのインピーダンス変化を用いているとも言えるが、電子式スイッチに比べて、その変化幅が飛躍的に大きい。特に接点が接触状態にあるときには、電流流路の抵抗値が電子式スイッチに比して非常に小さくなるために、挿入損失の極めて小さいスイッチを得ることができる。しかしながら、部品として従来の機械加工を用いて製作されるため、寸法の大型化、質量の増大が不可避であり、動作速度も遅いという問題がある。加えて、寸法の大型化の結果として、電流流路とその周囲の導体との間に、比較的大きな分布容量が形成されてしまい、ミリ波帯などの高周波領域では反射特性やアイソレーションの悪化が生じ、実用的性能を得にくいという問題がある。

近年、フォトリソグラフィー技術を用いて製作された微小な機械的構造を有する部品、即ちＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）が実用可能となっており、この技術を用いたＲＦスイッチも幾つか提案されている（特許文献１〜４）。

これら提案された代表的なＭＥＭＳ型ＲＦスイッチの構成としては、図５に示すものがある。図において、構造部材５２に固定接点５４が形成されており、該固定接点５４に対して接離可能となったカンチレバー等の可動レバー５６の先端付近には可動接点５８が形成されている。

また、図示しないが、可動レバー５６に変形を与える駆動力発生手段（例えば、静電力発生のための電極）が設けられており、駆動力が発生していないときには、可動レバー５６は、図５（ａ）に示すように変形せず、接点間は非接触状態となり、スイッチとしてはＯＦＦ状態にある。電圧を印加する等の手段で駆動力を発生させると、可動レバー５６は、図５（ｂ）のように図中下方に吸引され、その結果、接点同士が接触してＯＮ状態になる。

このＭＥＭＳ型ＲＦスイッチでは、インピーダンス変化は機械式と同様に、金属の接触／非接触状態を利用できるため、挿入損失の低減が可能であり、加えて寸法の微細化が可能であるため小型化が可能である。小型化の結果、実用上限周波数を高周波化することができ、ミリ波帯でも使用可能な性能が得られる。

米国特許第６，７６８，４０３明細書 特許第３９３５４７７号公報 特開２００７−４２６４４号公報 特開２００６−２１０２６５号公報

しかしながら、従来のＭＥＭＳ型ＲＦスイッチにおいては、ＯＦＦ状態を維持するためには、カンチレバー等の可動レバーが通常想定される外力で変形し接点が接触することを避けなければならない。そのため、可動レバーには一定以上の硬さを与えることになる。一方、ＯＮ状態にするためには、可動レバーに弾性変形を与え、加えて接点間の電気的接続を確実にするための接触圧を与えなければならない。

以上の結果、この構造でのスイッチで必要な駆動力は比較的大きなものとなる。これは、駆動力発生のために高電圧または大電流が必要で、駆動のための回路規模が大きくなってしまうということを意味し、スイッチ全体の小型化と低コスト化にとって、大きな障害となる。

更には、カンチレバー等の可動レバーの一部に大きな変形が繰り返し作用する構造であるため、寿命、耐久性に問題が生じる。

本発明は、上記の従来の課題に鑑みなされたもので、スイッチを切り替えるための駆動力を低減し、小型化、低コスト化を図ることができ、加えて、長寿命化を図り、耐久性を向上させることができるＭＥＭＳ型ＲＦスイッチを提供することをその目的とする。

上記目的を達成するために請求項１記載の本発明は、マイクロマシニング技術を用いて製作されるＭＥＭＳ型ＲＦスイッチであって、
内部に空洞が形成された構造部材と、
前記空洞を介して対向する構造部材の２つの対向面の少なくとも１つの面において、互いに離間されて形成された２つの信号用接点と、
構造部材の前記空洞よりも僅かに小さい寸法を持ち、空洞内において該構造部材のいずれの部分とも連結されずに空洞内に配置されて空洞内で移動可能となっており、その表面の少なくとも一部が導体となった可動部材と、
前記可動部材を空洞内で移動させる駆動手段と、
を備え、駆動手段の駆動により、前記可動部材の導体が前記２つの信号用接点に対して接触した第１スイッチ切替状態と、前記２つの信号用接点に対して離反した第２スイッチ切替状態とを切り替えるように可動部材が移動可能となっている。

請求項２記載の発明は、請求項１記載のスイッチにおいて、前記駆動手段は、前記２つの対向面側のそれぞれに設けられた駆動電極対と、この２つの駆動電極対のいずれかの駆動電極対に選択的に電圧を印加する切替手段とを備えることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載のスイッチにおいて、前記２つの対向面の両方にそれぞれ２つの信号用接点が形成され、前記可動部材の導体が一方の面に形成された２つの信号用接点に対して接触した第１スイッチ切替状態と、他方の面に形成された２つの信号用接点に対して接触した第２スイッチ切替状態とに、切替可能となっていることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項３記載のスイッチにおいて、前記可動部材の導体が一方の面に形成された一方の信号用接点と他方の面に形成された一方の信号用接点に対してそれぞれ接触した第３スイッチ切替状態と、前記可動部材の導体が一方の面に形成された他方の信号用接点と他方の面に形成された他方の信号用接点に対してそれぞれ接触した第４スイッチ切替状態とに切替可能となっていることを特徴とする。

本発明によれば、空洞内に配置される可動部材が２つの信号用接点に対して接触することで、２つの信号用接点間を導通させることができて、あるスイッチ切替状態とすることができ、または、可動部材が２つの信号用接点に対して離反することで、２つの信号用接点間を非導通とさせることができて、別のスイッチ切替状態とすることができる。

導体によって２つの信号用接点の導通が行われるので、挿入損失を極めて小さくすることができる。また、非導通時には、導体が信号用接点から離反することで、アイソレーションを確実にすることができる。

マイクロマシニング技術で製作されるので、スイッチ自体の微小化を図ることができる。さらには、可動部材が空洞内において構造部材のいずれの部分とも連結されておらず、大きく弾性変形させる部位が存在しないので、可動部材を動かすための駆動力を低減させることができる。よって、駆動手段を小型化することができ、スイッチ全体の小型化、低コスト化を図ることができる。また、大きく弾性変形させる部位が存在しないので、高寿命化を図り、耐久性を向上させることができる。

本発明の第１実施形態によるＭＥＭ型ＲＦスイッチの説明断面図であり、ＯＦＦ状態を表す。 本発明の第１実施形態によるＭＥＭ型ＲＦスイッチの説明断面図であり、ＯＮ状態を表す。 本発明の第２実施形態によるＭＥＭ型ＲＦスイッチの説明断面図である。 本発明の第２実施形態によるＭＥＭ型ＲＦスイッチの説明断面図であり、或るスイッチ切替状態を示す。 本発明の第２実施形態によるＭＥＭ型ＲＦスイッチの説明断面図であり、別のスイッチ切替状態を示す。 本発明の第３実施形態によるＭＥＭ型ＲＦスイッチの説明断面図であり、或るスイッチ切替状態を示す。 本発明の第３実施形態によるＭＥＭ型ＲＦスイッチの説明断面図であり、別のスイッチ切替状態を示す。 本発明の第３実施形態によるＭＥＭ型ＲＦスイッチの説明断面図であり、さらに別のスイッチ切替状態を示す。 本発明の第３実施形態によるＭＥＭ型ＲＦスイッチの説明断面図であり、さらに別のスイッチ切替状態を示す。 従来のカンチレバーを用いたＭＥＭ型ＲＦスイッチの説明断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態によるＭＥＭＳ型ＲＦスイッチを表している。図に示すように、ＭＥＭＳ型ＲＦスイッチ１０は、主として絶縁材料から構成される構造部材１２、１３、１４によって空洞１６が形成されており、空洞１６内には可動部材２０が配置されている。

構造部材１２の下面にはＲＦ信号のためのグランド電極２１が設けられており、上面には、ＲＦ信号のための信号用電極２２、２３が互いに離間して設けられる。一方の信号用電極２２は入力用でありＲＦ信号源に接続され、他方の信号用電極２３は出力用でありＲＦ負荷に接続される。信号用電極２２と信号用電極２３の互いに近接する端部は、空洞１６内に延びており、それぞれ接点２２ａ、２３ａが空洞１６内へと突設される。構造部材１２と、信号用電極２２、２３、グランド電極２１とは、マイクロストリップ線路を構成している。但し、信号用電極２２、２３は、任意の高周波伝送線路とすることができる。

可動部材２０は、空洞１６に対してやや小さい大きさとなっており、空洞１６内のどこにも連結または支持されずに空洞１６内に配置される。図では誇張して示されているが、実際には、空洞１６とは僅かな隙間を残す寸法で製作される。そして、可動部材２０の構造部材１２に対向する面に、良導体である金属層２０ａが設けられている。

よって、可動部材２０の金属層２０ａが、信号用電極２２、２３の接点２２ａ、２３ａに同時に接触することで、接点２２ａと接点２３ａが導通するＯＮ状態となり、金属層２０ａが接点２２ａ、２３ａから離反することで、接点２２ａと接点２３ａとが非導通となるＯＦＦ状態となる。

そして、構造部材１２及び構造部材１２に対向する構造部材１４には、それぞれ可動部材２０を駆動する駆動手段が設けられる。駆動手段としては、任意の力を利用する任意の手段とすることができるが、この例では、静電力を利用したものとなっている。即ち、空洞１６において構造部材１２の上面には、駆動電極対３０が設けられ、該上面に対向する構造部材１４の部分には、駆動電極対３２が埋め込まれている。そして、それぞれの駆動電極対の一方の駆動電極３０ａ、駆動電極３２ａは、それぞれ切替器４０を介して駆動用電源４２に接続される。また、それぞれの駆動電極対の他方の駆動電極３０ｂ、３２ｂは、それぞれ接地される。

以上のＭＥＭＳ型ＲＦスイッチ１０は、マイクロマシニング技術で製作することができる。必要な電極等を備えた構造部材１２、１３、１４及び可動部材２０をそれぞれマイクロマシニング技術で製作した後、互いに貼り付けて可動部材２０を入れて空洞１６を形成するようにするか、または、犠牲層を用いて構造部材１２、１３、１４と可動部材２０及び空洞１６とを形成することにしてもよい。好ましくは、空洞１６は真空引きにより真空状態になった完全閉空間となっているとよいが、一部分が外部に開放されていてもよい。また、切替器４０及び駆動用電源４２も一緒に集積化することができる。尚、本実施形態では可動部材２０の一部が導電性である例を示したが、可動部材２０全体が導電性材料（例えば金属）で構成されていてもよい。

以上のように構成されるＭＥＭＳ型ＲＦスイッチ１０の作用を説明する。

いずれの駆動電極対３０、３２にも駆動用電源４２からの電圧が印加されていない状態では、可動部材２０は常時作用する外力、例えば重力に従っている。よって、重力方向が図中上向きであれば、可動部材２０は構造部材１４の方に寄っていて、接点２２ａと接点２３ａは非導通となるために、スイッチはＯＦＦ状態にある。

一方、切替器４０を切り替えて、駆動電極対３０に駆動用電源４２からの電圧を印加すると、電場が形成され、可動部材２０に対して図中下向きの吸引力が働く。このときの初期吸引力は可動部材２０が常時作用する外力に打ち勝つ大きさである必要がある。この条件が満足されると、可動部材２０は駆動電極対３０に接近し始めるが、静電吸引力は両者の距離の２乗に反比例するから、接近するにつれて可動部材２０は大きな静電吸引力を受けることになる。こうして可動部材２０が構造部材１２に接近すると、可動部材２０は接点２２ａ、２３ａに接触しＯＮ状態となる（図２）。この接点に接触した状態では可動部材２０は最大の吸引力を受けており、このため、可動部材２０の金属層２０ａが接点２２ａ、２３ａに押しつけられ、接触を確実なものとする。

また、ＯＮ状態からＯＦＦ状態へと遷移させるためには、切替器４０を切り替えて、駆動電極対３２に駆動用電源４２からの電圧を印加すると、電場が形成され、可動部材２０に対して図中上向きの吸引力が働く。この結果、可動部材２０は図中上方に移動を開始するため、接点２２ａ、２３ａは非導通となりＯＦＦ状態となる（図１）。可動部材２０は、最終的に構造部材１４に到達するが、ここでも、移動初期時の吸引力に比較して大きな吸引力を受けて、構造部材１４に押し付けられて拘束されるために、電極間インピーダンスが外力によって変動しないよう構成することができる。

ＯＦＦ状態とした後、その後は、要求されるスイッチの仕様に応じて、駆動電極対３２への電圧印加を継続してもよく、または、可動部材２０が重力等の外力に依存した状態で十分な場合には、駆動電極対３０、３２のいずれにも電圧を印加しない状態としていてもよい。

以上のように、本発明のＭＥＭＳ型ＲＦスイッチ１０によれば、良導体による金属層２０ａによって接点２２ａ、２３ａが導通されるため、電流流路の抵抗値を小さくすることができ、挿入損失を極めて小さくすることができる。

可動部材２０は、空洞１６において構造部材に何ら連結されていないために、可動部材２０をスイッチ動作のために駆動するための駆動力は小さくて済む。カンチレバーや両端支持レバーのようにレバーが何らかの点で構造部材等と連結されている従来例と比較して、可動部材とレバーの大きさを同じとし、同じ移動距離を移動させると仮定した場合に、本発明は、スイッチ動作のための必要な駆動最大電力を小さくできる。更に、従来例では、カンチレバーの厚みが動作と密接に関連する設計因子であるが、本発明では、可動部材２０の厚みはほぼ自由に設定可能であり、さらには、可動部材２０に不要な部分の肉抜きや穿設を行うなどして軽量化のための手段を駆使することができる。この結果、更に必要な駆動電力を低減化することができる。

また、ＯＦＦ状態においても、前述のように、可動部材が安定的に構造部材１４に押し付けられた状態で拘束されて、電極間インピーダンスの変動が少ないために、アイソレーション特性が変動しにくい。これに対して、従来例では、カンチレバーが外力による間隔の変更を生じると電極間容量が変化するため、高周波的なインピーダンスが変化し、アイソレーションがふらつく現象が発生する。そのようなアイソレーションのふらつきを防ぐため、従来例では、レバーの硬さを上げる必要があるが、そうすると、前述のような必要な駆動最大電力が上昇するというジレンマに陥る。本発明では、空洞１６内において構造部材に何ら連結されていない可動部材２０を用いることにより、このトレードオフを完全に解消することができ、低電圧駆動を実現することができる。

また、図５に示した従来例とは異なり、可動部材２０にはＲＦ信号源やＲＦ負荷に接続された信号ラインを構成する電極がない。このため、従来例では、ＯＦＦ時には可動接点５８が微小なアンテナを形成してしまい、外部への輻射や、外部からの干渉を受け易いという欠点があるが、本発明ではその欠点がない。

（第２実施形態）
図３は、本発明の第２実施形態を表している。この実施形態では、信号用電極２２、２３で構成される第１信号ラインの他に、第２信号ラインを構成する信号用電極２４と２５が構造部材１４上に形成されている。信号用電極２４、２５は構造部材１４上で高周波伝送線路を構成しており、信号用電極２４と２５の互いに近接する端部は、構造部材１４を貫通して空洞１６に向かって延びており、それぞれ接点２４ａ、２５ａが空洞１６内へ突設される。また、信号用電極２４、２５との間にはグランド電極２６が形成される。

可動部材２０には構造部材１２に対向する面に金属層２０ａが形成されるのみならず構造部材１４に対向する面に金属層２０ｂが設けられている。または、可動部材２０全体を導電性素材を用いて形成してもよい。

この実施形態において、いずれの駆動電極対３０、３２にも駆動用電源４２からの電圧が印加されていない状態では、可動部材２０は常時作用する外力、例えば重力に従っている。

切替器４０を切り替えて、駆動電極対３０に駆動用電源４２からの電圧を印加すると、図３Ｂに示すように、可動部材２０に対して図中下向きの吸引力が働くため、接点２２ａと接点２３ａとが導通し、信号用電極２２と２３とが導通し、第１信号ラインがＯＮ状態となる。一方、第２信号ラインはＯＦＦ状態となる。

これに対して切替器４０を切り替えて、駆動電極対３２に駆動用電源４２からの電圧を印加すると、図３Ｃに示すように、可動部材２０に対して図中上向きの吸引力が働くため、接点２４ａと接点２５ａとが導通し、信号用電極２４と２５とが導通し、第２信号ラインがＯＮ状態となり、第１信号ラインがＯＦＦ状態となる。

こうして、２つの信号ラインを択一的にＯＮ状態またはＯＦＦ状態にさせることができるようになる。

この実施形態において、通常時には、いずれかの駆動電極対に電圧を印加して、いずれかの信号ラインを常ＯＮ状態にするか、または、可動部材２０が重力等の外力に依存した状態で十分な場合には、駆動電極対３０、３２のいずれにも電圧を印加しない状態としていてもよい。

（第３実施形態）
図４は、本発明の第３実施形態を表している。この実施形態では、第２実施形態の駆動電極対３０、３２に代えて、構造部材１２には、空洞１６に面して２つの駆動電極対５０、５２が形成され、対向する構造部材１４には、空洞１６に面して２つの駆動電極対５４、５６が形成される。また、可動部材２０の導体２０ａ、２０ｂはスルーホール２０ｃにより接続されている。前述したように、可動部材２０全体が導電性素材を用いて形成されていてもよい。

いずれの駆動電極対５０、５２、５４、５６にも駆動用電源４２からの電圧が印加されていない状態では、可動部材２０は常時作用する外力、例えば重力に従っている。

そして、切替器４０を切り替えて、駆動電極対５０と５２とに駆動用電源４２からの電圧を印加すると、図４Ａに示すように、可動部材２０に対して駆動電極対５０、５２へと接近するように吸引力が働くため、接点２２ａと接点２３ａとが導通し、信号用電極２２と２３とが導通し、信号用電極２２と信号用電極２３とからなる第１信号ラインがＯＮ状態となる。

一方、切替器４０を切り替えて、駆動電極対５４と５６とに駆動用電源４２からの電圧を印加すると、図４Ｂに示すように、可動部材２０に対して駆動電極対５４、５６へと接近するように吸引力が働くため、接点２４ａと接点２５ａとが導通し、信号用電極２４と２５とが導通し、信号用電極２４と信号用電極２５とからなる第２信号ラインがＯＮ状態となる。

または、切替器４０を切り替えて、駆動電極対５２と５４とに駆動用電源４２からの電圧を印加すると、図４Ｃに示すように、可動部材２０に対して駆動電極対５２、５４へと接近するように吸引力が働くため、接点２３ａと接点２４ａとが導通し、信号用電極２３と２４とが導通し、信号用電極２３と信号用電極２４とからなる第３信号ラインがＯＮ状態となる。

または、切替器４０を切り替えて、駆動電極対５０と５６とに駆動用電源４２からの電圧を印加すると、図４Ｄに示すように、可動部材２０に対して駆動電極対５０、５６へと接近するように吸引力が働くため、接点２２ａと接点２５ａとが導通し、信号用電極２２と２５とが導通し、信号用電極２２と信号用電極２５とからなる第４信号ラインがＯＮ状態となる。

このように、可動部材２０には、信号ラインを構成する電極自体が形成されておらず、信号ラインを構成する電極同士を導通させる導体が形成されているだけであるため、本発明のスイッチは、多数の信号ラインを切り替えるスイッチ切替状態をとることも可能である。

以上のＭＥＭＳ型ＲＦスイッチは、携帯電話などの各種通信装置、レーダ等の電波応用機器に用いることができる。

１０ ＭＥＭＳ型ＲＦスイッチ
１２、１３、１４ 構造部材
２０ 可動部材
２０ａ、２０ｂ 金属層（導体）
２２ａ、２３ａ、２４ａ、２５ａ 信号用接点
３０、３２、５０、５２、５４、５６ 駆動電極対
４０ 切替器

Claims (4)

1. マイクロマシニング技術を用いて製作されるＭＥＭＳ型ＲＦスイッチであって、
   内部に空洞が形成された構造部材と、
   前記空洞を介して対向する構造部材の２つの対向面の少なくとも１つの面において、互いに離間されて形成された２つの信号用接点と、
   構造部材の前記空洞よりも僅かに小さい寸法を持ち、空洞内において該構造部材のいずれの部分とも連結されずに空洞内に配置されて空洞内で移動可能となっており、その表面の少なくとも一部が導体となった可動部材と、
   前記可動部材を空洞内で移動させる駆動手段と、
   を備え、駆動手段の駆動により、前記可動部材の導体が前記２つの信号用接点に対して接触した第１スイッチ切替状態と、前記２つの信号用接点に対して離反した第２スイッチ切替状態とを切り替えるように可動部材が空洞内を移動可能となったＭＥＭＳ型ＲＦスイッチ。
2. 前記駆動手段は、前記２つの対向面側のそれぞれに設けられた駆動電極対と、この２つの駆動電極対のいずれかの駆動電極対に選択的に電圧を印加する切替手段とを備えることを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳ型ＲＦスイッチ。
3. 前記２つの対向面の両方にそれぞれ２つの信号用接点が形成され、前記可動部材の導体が一方の面に形成された２つの信号用接点に対して接触した第１スイッチ切替状態と、他方の面に形成された２つの信号用接点に対して接触した第２スイッチ切替状態とに、切替可能となっていることを特徴とする請求項１または２記載のＭＥＭＳ型ＲＦスイッチ。
4. 前記可動部材の導体が一方の面に形成された一方の信号用接点と他方の面に形成された一方の信号用接点に対してそれぞれ接触した第３スイッチ切替状態と、前記可動部材の導体が一方の面に形成された他方の信号用接点と他方の面に形成された他方の信号用接点に対してそれぞれ接触した第４スイッチ切替状態とに切替可能となっていることを特徴とする請求項３記載のＭＥＭＳ型ＲＦスイッチ。

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