(57)【要約】【課題】低駆動電圧で高速なスイッチング応答をすることができる電気機械スイッチを提供する。【解決手段】MEMSスイッチである電気機械スイッチ本体１０は、シリコン基板２上に形成された第１アンカー１２及び第２アンカー１３にて両端を固定かつ装架された第１可動電極１４及び第２可動電極１６と、これら可動電極に対面した固定電極１８とを有し、相対的に弱いばね力の第１可動電極１４と固定電極１８とにより低電圧駆動可能な第１の電気機械スイッチ２２が構成され、相対的に強いばね力の第２可動電極１６と固定電極１８とにより低電圧駆動でラッチ可能な第２の電気機械スイッチ２４が構成されることにより、低駆動電圧により第１可動電極１４が高速で変位して第１の電気機械スイッチが高速でオンし、第２可動電極１６が復元力により高速に固有振動して第２の電気機械スイッチが高速でオフし、戻ってきた第２可動電極１６を低駆動電圧でラッチして、第２の電気機械スイッチがオンする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対的に弱いばね力で復元可能な第１の梁の変位に基づいてオン・オフする第１の電気機械スイッチと、相対的に強いばね力で復元可能な第２の梁の変位に基づいてオン・オフする第２の電気機械スイッチとを備え、
初期状態において上記第１の電気機械スイッチがオフであり、上記第２の電気機械スイッチがオンであることにより、オフ状態となっているようにした電気機械スイッチ。
【請求項２】
請求項１記載の電気機械スイッチであって、
前記初期状態から、駆動力の印加及び解除のいずれかにより前記第１の梁が変位して、前記第１の電気機械スイッチが応答してオンになることにより、オン状態となるように構成した電気機械スイッチ。
【請求項３】
請求項１記載の電気機械スイッチであって、
前記第１の電気機械スイッチ及び前記第２の電気機械スイッチがともにオンである場合、前記第１の梁及び前記第２の梁の変位を同時に解消させることで復元動作して、前記第２の電気機械スイッチがオフとなり、オフ状態になる電気機械スイッチ。
【請求項４】
請求項１記載の電気機械スイッチであって、
前記第２の梁が前記第２の電気機械スイッチをオフにすることで固有振動を開始し、前記第２の電気機械スイッチをオフにしている変位位置近傍まで戻ってきた場合に、印加及び解除のいずれかによる駆動力で前記第２の梁をラッチする電気機械スイッチ。
【請求項５】
請求項１記載の電気機械スイッチであって、
前記第１の梁の変位及び前記第２の梁の変位の少なくとも一方が、静電力に基づくものである電気機械スイッチ。
【請求項６】
請求項１記載の電気機械スイッチであって、
前記第１の梁の変位及び前記第２の梁の変位の少なくとも一方が、電磁力に基づくものである電気機械スイッチ。
【請求項７】
請求項１記載の電気機械スイッチであって、
前記第１の梁の変位及び前記第２の梁の変位の少なくとも一方が、圧電効果によるものである電気機械スイッチ。
【請求項８】
請求項１記載の電気機械スイッチであって、
前記第１の梁の変位及び前記第２の梁の変位の少なくとも一方が、熱膨張によるものである電気機械スイッチ。
【請求項９】
請求項１記載の電気機械スイッチであって、
前記第１の梁及び前記第２の梁が、空隙を介して平行に対面する共通の固定電極を有しており、この固定電極と前記第１の梁とで前記第１の電気機械スイッチを構成し、この固定電極と前記第２の梁とで前記第２の電気機械スイッチを構成する電気機械スイッチ。
【請求項１０】
請求項９記載の電気機械スイッチであって、
前記第１の梁及び前記第２の梁の各固有振動の最大振幅よりも小さくなるように前記固定電極との空隙を設定した電気機械スイッチ。
【請求項１１】
請求項９記載の電気機械スイッチであって、
前記第１の電気機械スイッチがオンであって前記第２の電気機械スイッチがオンであるときのみオン状態となる電気機械スイッチ。
【請求項１２】
請求項１記載の電気機械スイッチであって、
前記第１の梁と前記第２の梁とを平行に配設するとともに、前記第２の梁よりも相対的に弱いばね力で復元可能な第３の梁を平行に配設しており、前記第１の梁と前記第２の梁とで前記第１の電気機械スイッチを構成し、前記第２の梁と当該第３の梁とで前記第２の電気機械スイッチを構成した電気機械スイッチ。
【請求項１３】
請求項１２記載の電気機械スイッチであって、
前記第１の梁及び前記第３の梁と前記第２の梁との空隙を、前記第２の梁の固有振動の最大振幅に基づいて形成した電気機械スイッチ。
【請求項１４】
請求項１２記載の電気機械スイッチであって、
前記第１の梁、前記第２の梁及び前記第３の梁のいずれの変位も解消している場合、メカニカルプローブにより前記第２の梁を前記第３の梁に近づけるとともに、駆動力の印加及び解除のいずれかにより第３の梁を変位させて当該第２の梁をラッチする電気機械スイッチ。
【請求項１５】
請求項１乃至１４のいずれかに記載の電気機械スイッチであって、
前記第１の電気機械スイッチ及び前記第２の電気機械スイッチが、気圧が大気圧と異なる環境下に置かれている電気機械スイッチ。
【請求項１６】
請求項１乃至１４のいずれかに記載の電気機械スイッチであって、
前記第１の電気機械スイッチが、所定のアイソレーションを得るのに要するまでに必要な時間だけ、前記第２の電気機械スイッチがオフとなる電気機械スイッチ。
【請求項１７】
請求項１乃至１４のいずれかに記載の電気機械スイッチであって、
前記第２の梁の固有振動による周期が、前記第１の梁が十分にアイソレーションを得るための位置に達する時間と、同じである電気機械スイッチ。
【請求項１８】
請求項１乃至１４のいずれかに記載の電気機械スイッチであって、
前記第２の梁の固有振動による周期が、前記第１の梁が十分にアイソレーションを得るための位置に達する時間より長い電気機械スイッチ。
【請求項１９】
請求項１乃至１４のいずれかに記載の電気機械スイッチであって、
前記第２の梁の固有振動による周期が、前記第１の梁が十分にアイソレーションを得るための位置に達する時間より短い電気機械スイッチ。
【請求項２０】
請求項１に記載の電気機械スイッチであって、
前記第１の電気機械スイッチがオンであって、信号を通過状態から遮断状態にスイッチングさせる場合は、前記第１の梁が所定のアイソレーションを得るために必要な位置に到達するまでの間に、前記第２の梁が、所定の時間内に、必要アイソレーションを得るための位置に到達し、かつ、再び元のラッチ状態に戻るように構成された電気機械スイッチ。
【請求項２１】
請求項１記載の電気機械スイッチであって、
互いに平行となるように配設された、第１の梁で構成された低ばね可動電極と、第２の梁で構成された高ばね可動電極と、前記第１の梁および第２の梁に相対向して配設された固定電極とを備え、
前記第１の電気機械スイッチは、第１の梁で構成された低ばね可動電極と、前記第１の固定電極とを具備し、
前記第２の電気機械スイッチは、第２の梁で構成された高ばね可動電極と、前記第１の固定電極とを具備し、
前記第１および第２の梁は、連結部を介して機械的に接続され、前記第２の梁は、前記第１の梁の変位に連動して変位する電機機械スイッチ。
【請求項２２】
請求項２１記載の電気機械スイッチであって、
前記第２の梁が入力端子に接続されるとともに、
前記第１および第２の梁がそれぞれ第１および第２の出力端子に接続された電気機械スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ・エレクトロメカニカル・システムズ・スイッチ(以下、「MEMSスイッチ」という)に関し、特に低駆動電圧で高速な応答を可能にするための電気機械スイッチに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
RFスイッチ(Radio Frequency and Micro-wave Switch)は、現在GaAs基板を利用したHEMT、MESFET、PINダイオードなどの半導体RFスイッチが主力である。
しかし無線端末のさらなる高性能化、低消費電力化を図るため、従来の半導体素子だけではなく、微小な電気機械素子を用いたデバイスを活用することが提案されている。
【０００３】
これは微小な電極を静電力等で駆動させ、電極間の相対距離をメカニカルに制御することで、信号のオン、オフを行う電気機械スイッチである。オン時には電極が電気的に接触しているため、電極間の損失は極めて微小となり、低損失のスイッチを実現することができる。
【０００４】
特に無線端末のフロントエンド部に適用されるRFスイッチは、低損失及び低消費電力が要求されるため、このような微小な電気機械素子を用いたデバイスは、有用な解決手法として期待されている。
従来の電気機械素子を用いたスイッチとしては、多くの種類のスイッチが考案されており、非特許文献１に大半が網羅されている。
【０００５】
例えば、非特許文献１に記載のRFMEMS(Radio Frequency Microelectoromechanical Systems)を使用したスイッチは、一つの可動電極と、一つの固定電極で構成されており、可動電極と固定電極間に駆動制御電圧としてDC電圧を印加すれば、静電力が発生し、その静電力を駆動力として可動電極が固定電極に引き込まれ、物理的に電極が接触し、可動電極側の入力端子からの入力信号が固定電極側の出力端子へと出力し、信号が結合する。
【０００６】
結合の方法として、メタルとメタルを直接接触させる方式と、絶縁体を介して、容量的に結合させる方式とがあるが、何れも低損失の結合を可能としている。
電極間に印加した駆動制御電圧を０にすれば静電力が解消され、可動電極が持つばね力を駆動力として、可動電極は元の位置に復帰する。このとき、可動電極と固定電極間との距離は十分離れているため、電極間の容量値も小さく、容量結合しないので、電極間で結合する信号を遮蔽することが可能となる。
【０００７】
このように、電極間距離を十分にとれば、アイソレーションを十分確保でき、かつ、損失も極めて小さくなるため、従来の半導体を用いたRFスイッチと比べて、電気的な特性は大変優れている。
【０００８】
またこの種のMEMSスイッチとして特許文献１の提案がある。
特許文献１記載のMEMSスイッチでは、応答時間及び印加電圧の低電圧化等を目的として、互いに僅かに離れた間隔で配置された第１、第２及び第３の梁と、これらの梁に静電力を印加させるための電圧印加手段とを備え、静電力によって各梁の位置及び梁間の容量を変化させるように構成されており、第１の梁及び第２の梁の両方とも可動させることで、梁がより高速で電気的に結合することができ、かつ、高速でオフさせるために、第２の梁に対面する第３の梁に静電力を発生させ、第１及び第２の梁に予め近づけておくことで、第２と第３の梁間に強い静電力を印加でき、より高速に応答することが示されている。
【０００９】
さらに梁に同形状の湾曲を設けることで、梁の内部応力変化に対応するプルイン電圧の変化を緩和させ、梁の歪みによる梁間の静電容量変化も緩和させることができることが示されている。
【００１０】
【非特許文献１】Gabriel M.Rebeiz著、"RF MEMS THEORY、 DESIGN、 AND、 TECHNOLOGY"、 John Wiley & Sons刊、  ２００３年２月１日、p.１２２
【特許文献１】特開２００４-１１１３６０号公報  (第５頁から第６頁、第１図、第３図及び第３図)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、非特許文献１に示すMEMSスイッチでは、有限の質量を持った可動電極を、静電力を駆動力として動かすため、強い静電力が必要となり、またスイッチがオン・オフする応答時間についても、従来の半導体素子を用いたスイッチでは、ナノセカンド(nｓ)オーダーであるのに比べ、MEMSスイッチの応答時間は数１０μｓ以上であり、応答時間が極めて遅いという問題がある。
【００１２】
例えば非特許文献１には、既に公表されている電気機械スイッチの駆動電圧と応答時間とがまとめられている。最も早い応答時間は４μsであるが、それを実現するためには４０V以上の極めて高い電圧を印加している(非特許文献１、p.１６)。
【００１３】
MEMSスイッチを無線通信端末に適用する場合、駆動電圧が制限され、数ボルト以下で駆動させなければならない。また適用する無線システムにもよるが、例えば無線LANシステムなどでは、０.２μｓの極めて短い時間でオン・オフすることが要求される場合もあるが、非特許文献１に示す例では４μｓ程度に止まっている。
【００１４】
これは、無線通信端末の駆動電圧の制限に加え、所望のアイソレーションを確保するためには、電極間距離を大きくする必要があるが、電極間距離が大きいと必然的に応答時間が遅くなることに基づくものである。
【００１５】
さらに、MEMSスイッチの可動電極を固定電極に引き込む際には静電力を用いているが、可動電極を引き離す場合には、可動電極が有するばね力を用いる。オンとオフとの応答時間を同じにしようとすれば、可動電極のばね力をある一定以上の大きさにする必要がある。駆動力としてのばね力を強くすると、可動電極を引き込む際には、このばね力に抗して静電力を印加しなければならないので、更に大きな駆動電圧が必然的に要することになる。
したがって、非特許文献１に示すMEMSスイッチでは、駆動電圧が極めて高いという問題がある。
【００１６】
また特許文献１に示す例では、各梁を全て可動にすることにより高速にスイッチングかつ低直流電位での動作を可能にしているが、さらに、より高速にスイッチングかつ低駆動電圧を持つスイッチへの要求が高まっている。
【００１７】
本発明は、前記実情に鑑みてなされたものであり、低駆動電圧で高速スイッチング応答の可能な電気機械スイッチを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するために、本発明の電気機械スイッチは、MEMSスイッチにおいて、相対的に弱いばね力で復元可能な少なくとも第１の梁の変位に基づいてオン・オフする第１の電気機械スイッチと、相対的に強いばね力で復元可能な少なくとも第２の梁の変位に基づいてオン・オフする第２の電気機械スイッチとを備え、初期状態において第１の電気機械スイッチがオフであり、第２の電気機械スイッチがオンであることによりオフ状態となる構成を有している。
【００１９】
この構成により、第１の電気機械スイッチは高速にオンし、また第２の電気機械スイッチは高速にオフして、低電圧駆動が可能で高速にスイッチング応答することができる電気機械スイッチを提供することができる。
さらにメカニカルなスイッチング動作をするので、低損失で、高いアイソレーションを確保することができる。
【００２０】
さらに本発明の電気機械スイッチは、初期状態から、駆動力の印加及び解除のいずれかにより第１の梁が高速に変位して第１の電気機械スイッチが高速応答してオンになることにより、高速にオン状態となるものを含む。
この構成により、メカニカルなスイッチングのオン応答を高速にすることができる。
【００２１】
また本発明の電気機械スイッチは、第１の電気機械スイッチ及び第２の電気機械スイッチがともにオンであるとき、第１の梁及び第２の梁の変位を同時に解消させ、第２の梁が強いばね力のために高速に復元動作して第２の電気機械スイッチが高速にオフとなることにより、高速にオフ状態になるものを含む。
この構成により、メカニカルなスイッチングのオフ応答を高速にすることができる。
【００２２】
さらに本発明の電気機械スイッチは、第２の梁が第２の電気機械スイッチをオフにしたことにより固有振動を開始し、第２の電気機械スイッチをオフにしている変位位置近くまで戻ってきたときに、印加及び解除のいずれかによる駆動力で第２の梁をラッチするものを含む。
この構成により、低電力動作でラッチすることができる。
【００２３】
また本発明の電気機械スイッチは、第１の梁の変位及び第２の梁の変位の少なくとも一方が、静電力に基づくものを含む。
また本発明の電気機械スイッチは、第１の梁の変位及び第２の梁の変位の少なくとも一方が、電磁力に基づくものを含む。
また本発明の電気機械スイッチは、第１の梁の変位及び第２の梁の変位の少なくとも一方が、圧電気に基づくものを含む。
また本発明の電気機械スイッチは、第１の梁の変位及び第２の梁の変位の少なくとも一方が、熱膨張に基づくものを含む。
この構成により、低電力動作で梁を変位させることができる。
【００２４】
さらに本発明の電気機械スイッチは、第１の梁及び第２の梁のいずれもが空隙を介して平行に対面する共通の固定電極を有しており、固定電極と第１の梁とで第１の電気機械スイッチを構成し、固定電極と第２の梁とで第２の電気機械スイッチを構成したものを含む。
この構成により、第１の梁及び第２の梁が固定電極と電気的に結合する動作速度を異なるものに調節でき、双極双投のスイッチングが可能になる。
【００２５】
また本発明の電気機械スイッチは、第１の梁及び第２の梁の各固有振動の最大振幅に基づいて固定電極との空隙を設けたものを含む。
この構成により、第１の電気機械スイッチ及び第２の電気機械スイッチの動作速度を異なるものに設定することができ、アイソレーションの確保が可能になる。
【００２６】
また本発明の電気機械スイッチは、第１の電気機械スイッチがオンかつ第２の電気機械スイッチがオンであるときのみオン状態となるものを含む。
この構成により、初期状態から第１の梁が高速に変位して第１の電気機械スイッチをオンするだけで電気機械スイッチがオン状態になるため、高速にオン応答をすることができる。
【００２７】
また本発明の電気機械スイッチは、第１の梁と第２の梁とを平行に配設するとともに、第２の梁よりも相対的に弱いばね力で復元可能な第３の梁を平行にして設けており、第１の梁と第２の梁とで第１の電気機械スイッチを構成し、第２の梁と第３の梁とで第２の電気機械スイッチを構成したものを含む。
この構成により、第２の電気機械スイッチの第２の梁が高速に変位するので、高速にオン・オフ動作することができる。
【００２８】
また本発明の電気機械スイッチは、第１の梁及び第３の梁と第２の梁との空隙を、第２の梁の固有振動の最大振幅に基づいて形成したものを含む。
この構成により、第２の梁の固有振動数を設定して高速応答可能にできる。
【００２９】
また本発明の電気機械スイッチは、第３の梁の変位が、静電力に基づくものを含む。
この構成により、低電力動作で第３の梁を変位させることができる。
また本発明の電気機械スイッチは、第３の梁の変位が、電磁力に基づくものを含む。
この構成により、上記効果に加えて変位位置（ギャップ）に依存しない線形的な変化を与えることができる。これは静電力による変化はプルインという現象があり、ギャップの１/３程度しか、線形的に変化できないが、電磁力の場合、距離に依存しない力となるためである。
また本発明の電気機械スイッチは、第３の梁の変位が、圧電効果に基づくものを含む。
この構成により、上記効果に加えて両方向への変位が容易となることができる。
また本発明の電気機械スイッチは、第３の梁の変位が、熱膨張に基づくものを含む。
この構成により、上記効果に加えてより強い接触力を確保することができる。
【００３０】
また本発明の電気機械スイッチは、梁が圧電素子、形状記憶合金、バイモルフ素子及び電磁歪素子のいずれか、或いは複数の梁がこれらの組合せであるものを含む。
この構成により、各梁が低電力で動作し、動作電圧を低くすることができる。
【００３１】
また本発明の電気機械スイッチは、第１の梁、第２の梁及び第３の梁のいずれの変位もが解消しているとき、メカニカルプローブにより第２の梁を第３の梁に近づけるとともに、駆動力の印加及び解除のいずれかにより第３の梁を変位させて第２の梁をラッチするものを含む。
この構成により、電圧印加することなく第２の梁が変位して第３の梁に近づくので、第３の梁を低電力で動作することができる。
【００３２】
また本発明の電気機械スイッチは、第１の電気機械スイッチ及び第２の電気機械スイッチが、気圧が大気圧と異なる環境下及び乾燥したヘリウムを充填した環境下のいずれかに置かれているものを含む。
この構成により、高速な動作をする梁に対する空気などの流体の影響を抑え、ダンピング効果を低減することができる。
【００３３】
また本発明の電気機械スイッチは、第１の電気機械スイッチが、所定のアイソレーションを得るのに要するまでに必要な時間だけ、第２の電気機械スイッチがオフとなるものを含む。
この構成により、高いアイソレーションを確保できるとともに、確実にオフ動作をすることができる。
【００３４】
また本発明の電気機械スイッチは、第２の梁の固有振動による周期が、第１の梁が十分にアイソレーションを得るための位置に達する時間と、同じ時間であるものを含む。
【００３５】
第１の電気機械スイッチがオンであって、信号を通過状態から遮断状態にスイッチングさせる場合は、第１の梁が所定のアイソレーションを得るために必要な位置に到達するまでの間に、第２の梁が、所定の時間内に、必要アイソレーションを得るための位置に到達し、かつ、再び元のラッチ状態に戻る構成を有している。
この構成により、高速で動作する第２の梁がアイソレーションを確保するとともに、相対的に低速で動作する第１の梁のアイソレーションを確保してから第２の梁をラッチすることができる。
【００３６】
また本発明は、上記電気機械スイッチにおいて、電気機械スイッチは、互いに平行となるように配設された、第１の梁で構成された第１の低ばね可動電極と、第２の梁で構成された高ばね可動電極と、第３の梁で構成された第２の低ばね可動電極とを備え、前記第１の電気機械スイッチは、第１の梁で構成された第１の低ばね可動電極と、前記第１の梁に相対向して配設された第１の固定電極とを具備し、前記第３の電気機械スイッチは、第３の梁で構成された第２の低ばね可動電極と、前記第２の梁に相対向して配設された第３の固定電極とを具備し、前記第２の電気機械スイッチは、第２の梁で構成された高ばね可動電極と、前記第１の固定電極から延長せしめられ、前記高ばね可動電極と相対向する第１の領域と、前記第２の固定電極から延長せしめられ、前記高ばね可動電極と相対向する第２の領域と、を具備し、前記第３の梁と、前記第１および第２の梁は、連結部を介して機械的に接続されたものを含む。
また本発明は、上記電気機械スイッチにおいて、前記第２の梁が入力端子に接続されるとともに、前記第１および第２の梁がそれぞれ第１および第２の出力端子に接続されたものを含む。
この構成により、第３の梁は、第１及び第２の梁の変位に連動して変位するため、第１低ばね可動電極が何らかの不具合で第１の固定電極にラッチされた場合にも、強いばね力を有する高ばね可動電極がオフ状態から電極を引き込むことができず、最終的に中間位置、すなわち第１および第２の低ばね可動電極、高ばね可動電極ともにオフ状態になるのを回避することができる。
【発明の効果】
【００３７】
本発明の電気機械スイッチでは、低電圧駆動で動作可能な第１の電気機械スイッチが高速でオンし、低電圧駆動でラッチ可能な第２の電気機械スイッチが高速でオフするので、第１の電気機械スイッチと第２の電気機械スイッチとの組合せにより低駆動電圧で動作することができかつ高速にオン・オフすることができるという効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
本発明の電気機械スイッチは、空気の粘性などのダンピング効果が十分に弱くなる環境下として減圧下またはヘリウムガス雰囲気下に設置された電気機械スイッチで、弱いばね力の可動電極が固定電極に高速で引き込まれる第１の電気機械スイッチと、強いばね力を有する可動電極が高速に固定電極から引き離される第２の電気機械スイッチとで構成されるもので、定常状態では、第１の電気機械スイッチのオン・オフのみで、信号を切り替えることができる。
【００３９】
さらに、信号を遮断する際の過渡状態において、第１の電気機械スイッチが十分なアイソレーションを得るためには、十分電極位置が離れるまでに要する時間内のアイソレーションを確保するため、第２の電気機械スイッチが高速にオフ状態となることで、過渡状態でのアイソレーションを確保する。
また第２の電気機械スイッチは、信号を遮蔽する場合、一瞬だけ、可動電極が引き離されるが、強いばね力と弱いダンピング効果により、可動電極は固有振動で振動するため、可動電極は再び、初期位置付近に戻る。このため微小な電圧で、強いばね力の可動電極を有する第２の電気機械スイッチをラッチすることができる。
【００４０】
このように本発明の電気機械スイッチは、微小な電気機械素子を用いたスイッチにおいて、弱いばね力を有した電極を用いて、高速に引き込まれるが低速に戻る第１の電気機械スイッチと、強いばね力を有した電極を用いて、一瞬、ラッチから解除されるがすぐにラッチされる第２の電気機械スイッチとを組み合わせることで、低駆動電圧で、高速に信号をオン・オフすることができる。
【００４１】
以下、図面を参照しつつ本発明による電気機械スイッチの好適な実施の形態を詳細に説明する。なお図中、実質的に同一又は対応する部材には同一符号を用いる。
【００４２】
（実施の形態１）
図１は実施の形態１における電気機械スイッチの一単位素子を示す外観構成図である。
図２は実施の形態１の第１の電気機械スイッチ及び第２の電気機械スイッチの要部構成一部断面図である。
図１及び図２において、実施の形態１の電気機械スイッチ１は、シリコン基板２上に形成され封止カバーガラス３で覆われた電気機械スイッチ本体１０と、入出力端子となる第１電極端子４、第２電極端子５、第３電極端子６、第４電極端子７、第５電極端子８及び第６電極端子９とを備えている。
【００４３】
図２において電気機械スイッチ本体１０は、シリコン基板２上に形成された第１アンカー１２及び第２アンカー１３にて両端を固定かつ装架された第１可動電極１４及び第２可動電極１６と、これら第１可動電極１４及び第２可動電極１６と所定の空隙を設けて対面して形成された固定電極１８とを有している。
本実施の形態１では、第１可動電極１４及び第２可動電極１６が両持ち梁として構成されており、相対的に、第１可動電極１４が弱いばね力を、第２可動電極１６が強いばね力を有するように構成されている。
第１可動電極１４と固定電極１８とにより第１の電気機械スイッチ２２が構成され、第２可動電極１６と固定電極１８とにより第２の電気機械スイッチ２４が構成され、これらは直列接続されている。
【００４４】
第１可動電極１４及び第２可動電極１６は印加された電圧に基づく静電力と、これら可動電極自体のばね力とにより固有振動するが、その最大振幅以上の空隙が確保されている。
この空隙には、ダンピング効果を低減するために乾燥したヘリウムが充填され、又は、真空に保持されている。
【００４５】
なお、第１可動電極１４の入出力端子となるのが第１電極端子４と第５電極端子８であり、第２可動電極１６の入出力端子となるのが第２電極端子５と第４電極端子７であり、固定電極１８の入出力端子となるのが第３電極端子６と第６電極端子９である。
例えば、第５電極端子８を信号入力端子とすると、第２電極端子５又は第４電極端子７が信号出力端子になる。
また各電極端子には、第１可動電極１４及び第２可動電極１６と固定電極１８との間に静電力を印加するための制御電圧源が接続可能になっている。
【００４６】
図３は図２に示すA-A断面図である。
図２及び図３において、第１可動電極１４及び第２可動電極１６の長さL１、L２(図示せず)は同じ長さLで４００μm、幅はw１が２.５μm、w２が５μm、厚さD１、D２は同じ０.４μm、固定電極１８との電極間ギャップはg１が０.２μm、g２が１.５μmに、それぞれ設定されている。
【００４７】
図４は本発明の電気機械スイッチの等価回路図である。
図４に示すように、本発明の電気機械スイッチ４０は、第１の電気機械スイッチ２２と、第２の電気機械スイッチ２４とを備え、初期状態において第１の電気機械スイッチ２２がオフ状態であり、第２の電気機械スイッチ２４がオン状態となっており、初期状態において電気機械スイッチ４０はオフになっている。
すなわち、初期状態において、第２可動電極１６には駆動制御電圧が印加され、静電力により固定電極１８と電気的に結合しているが、第１可動電極１４には駆動制御電圧は印加されていない。
【００４８】
次に実施の形態１における電気機械スイッチの動作について説明する。
図２及び図４を参照して、初期状態から第１可動電極１４に駆動制御電圧を印加すると、ばね力の弱い第１可動電極１４が静電力により高速動作して固定電極１８に引き込まれ電気的に結合し、第１の電気機械スイッチ２２がオン状態となり、電気機械スイッチ４０がオンになる。
【００４９】
第１可動電極１４及び第２可動電極１６に印加している駆動制御電圧を解除すると、各可動電極の持つばねの復元力により、第１可動電極１４及び第２可動電極１６が固定電極１８から引き離れ、最初に第２の電気機械スイッチ２４がオフ状態となり、電気機械スイッチ４０がオフになる。
【００５０】
このとき、ばねの復元力の強い第２可動電極１６は、ばねの復元力の弱い第１可動電極１４よりも高速動作して固定電極１８から離れ、固有振動を開始する。
この振動する第２可動電極１６が、固定電極１８付近に戻ってきた時に駆動制御電圧を印加すると、静電力により第２可動電極１６が固定電極１８にラッチする。この間に、第１可動電極１４が固定電極１８から十分に離れ、第１の電気機械スイッチ２２がオフ状態となっており、第２可動電極１６がラッチされて第２の電気機械スイッチ２４がオン状態になっても、電気機械スイッチ４０はオフのままである。
【００５１】
このように実施の形態１における電気機械スイッチでは、高速にオン状態になる第１の電気機械スイッチと高速にオフ状態になる第２の電気機械スイッチとの組合せにより、高速でオン・オフ応答することができる。
【００５２】
次に、実施の形態１で示した可動電極が両持ち梁の場合を例にあげ、本発明の電気機械スイッチの動作を詳細に説明する。
実施の形態１のように可動電極が両持ち梁で構成されている場合、可動電極のばね定数ｋは式(１)で示される。
【００５３】
k=Ew(D／L)３+８σ(１ーν)w(D ／L)  …(１)
【００５４】
ここで、Ｅはヤング率、ｗは可動電極の線幅、Dは可動電極の厚さ、Lは可動電極の長さ、σは内部応力、νはポアソン比をそれぞれ示す。
【００５５】
式(１)から明らかなように、可動電極の形状、材質、物性値を変化させることで、ばね定数ｋを変化させることができる。
【００５６】
次に、可動電極に外力Ｆが印加された場合の運動方程式を式(２)に示す。
【００５７】
mdZ(t)２／dt２+b(１.２ーZ(t)／g)ー３／２Z(t)+kZ(t)=F  …(２)
【００５８】
ここで、Z（t）は時刻ｔでの固定電極からみた可動電極の位置、Ｆは外力、ｍは可動電極の質量、ｂはダンピング係数、ｇは電極間距離の初期値、ｋは可動電極のばね定数をそれぞれ示す。
【００５９】
第１の電気機械スイッチ２２では第１可動電極１４のばね力が極めて弱く、僅かな駆動力でも応答するように設計されている。そのため、第１可動電極１４を引き込む際には、僅かな駆動力でも、高速に応答して、引き込むことが可能となる。
【００６０】
例えば、第１可動電極１４の材質にアルミニウム（内部応力が５０ＭPa、ヤング率７０GPa、ポアソン比０.２５、密度２.６９kg/ｍ３）を用い、形状は幅w１が２.５μｍ、厚さDが０.４μｍ、長さLが５００μｍ、電極間ギャップg１が０.２μｍの場合、８Vを印加すれば、０.２μｓで第１可動電極１４は固定電極１８に引き込まれる。
【００６１】
図５は、式(２)の運動方程式を解いて、横軸に時間、縦軸に第１可動電極の固定電極からの位置を示したもので、時刻０で駆動電圧を印加した際の第１可動電極の位置変化の過渡現象を示したもので、電極位置が０の状態は、固定電極１８と第１可動電極１４とが接触した位置を示す。
【００６２】
図５に示すように、０.２μｓ以内に第１可動電極１４が固定電極１８に引き込まれて、接触していることが判る。
このとき、第１可動電極１４のような薄い構造物に高速な動作を行わせる場合、その周りの空気などの流体の影響を受けて動作が複雑になるため、この流体の影響を無視できない。
したがって、このようなダンピング効果を軽減するため、スイッチを構成する梁などが形成された内部に密閉空間を形成し、大気中でのダンピング効果と比べて、２５分の１となるようにしている。
【００６３】
次に、第１の電気機械スイッチのオフ動作について説明する。
式(２)からも明らかなように、制御電圧を切り、駆動力を解除すれば、第１可動電極は自身のばね力を駆動力とし、元の位置に復元する。しかし、ばね力が弱いため、応答時間はオンの時よりも遅くなる。
【００６４】
図６は第１可動電極と固定電極とが接触している位置で、駆動制御電圧をオフにした時の第１可動電極位置の過渡応答を示す図である。
図６に示すように、第１可動電極１４と固定電極１８とが接触している位置の時刻０で静電力を解除すると、第１可動電極１４のばね力を復元力として、初期位置の０.２μｍへと１.６μｓ(約２μs)の時間で復帰しており、オン動作の０.２μsに比べて約１０倍程度の応答時間を要することが判る。
このため第１の電気機械スイッチ２２だけでは、高速オンは可能でも、高速オフは困難となる。
【００６５】
次に、第２の電気機械スイッチ２４の構造及び動作について説明する。
第２の電気機械スイッチの第２可動電極１６は、ばね力が極めて強くなるように構成されている。第１の電気機械スイッチ２２と同じ形状の可動電極にする場合には、電極間ギャップｇ２を大きくすればよく、また式(１)からばね定数を強くするような可動電極構造にしてもよい。
【００６６】
例えば、第２可動電極の材質にアルミニウム（内部応力が５０MPa、ヤング率７０GPa、ポアソン比０.２５、密度２.６９kg/ｍ３）を用い、形状は幅w２が５μｍ、厚さDが０.４μｍ、長さLが５００μｍ、電極間ギャップg２が１.５μｍの構成にしてもよい。
この第２の電気機械スイッチでは、何も外力を加えない場合(ラッチしない場合)、第２可動電極と固定電極とが接触している位置で制御電圧を解除した時の第２可動電極位置の過渡応答は、図７と図８に示すようになる。なお、図８は図７の１μｓ以下のふるまいを拡大したものである。
【００６７】
このような第２の電気機械スイッチの構成では、第１の電気機械スイッチの第１可動電極のばね力よりも第２可動電極のばね力の方が強く、さらにダンピング力も弱いため、図７に示すように第２可動電極は固有振動数で振動しながら、固定電極からの位置を変化させる。
図８に示すように、０.２μｓ以内に、第２可動電極の電極位置は０.１６μｍ(約０.２μｍ)に達し、さらに図７に示すように１μｓ以内に初期位置の１.５μｍを通過し、さらにオーバーシュートして、１.５μｓで最大変位の３μｍ、２．５μｓで変位０μｍ付近まで戻ってくる。
このように第２可動電極のダンピングを抑えた環境であるため、電極位置は徐々に１．５μｍの位置に収束していく。
【００６８】
次に、以上のような第１の電気機械スイッチと第２の電気機械スイッチとを組み合わせた本発明の電気機械スイッチのスイッチ動作について詳細に説明する。
先ず、本発明の電気機械スイッチのオフ状態からオン状態への動作を説明する。
図９は電気機械スイッチのオン状態とオフ状態とを等価回路で示した図である。
図９(a)に示すように、本発明の電気機械スイッチのオフ状態は、第１の電気機械スイッチ２２がオフ、第２の電気機械スイッチ２４がオン状態となっている。つまり第１の電気機械スイッチ２２は制御電圧が０、第２の電気機械スイッチ２４には制御電圧を印加し、第２可動電極を固定電極にラッチしている。
【００６９】
この状態から、第１の電気機械スイッチ２２に駆動制御電圧を印加すると、第１可動電極が固定電極に引き込まれ、第１可動電極と固定電極とが接触して電気的に結合し、図９(b)に示すように電気機械スイッチはオン状態となる。このとき、先に述べたように、第１の電気機械スイッチの第１可動電極は、０.２μｓの高速で引き込まれるため、信号は０.２μｓで伝達される。
【００７０】
図９(a)及び(b)に示すように、第２の電気機械スイッチ２４は、第１の電気機械スイッチ２２がオフ状態からオン状態へ切り替える過渡状態においては、常に駆動制御電圧を印加した状態、すなわちオン状態を保っている。
【００７１】
次に、電気機械スイッチのオン状態からオフ状態へ切り替える動作について説明する。
図１０は第１の電気機械スイッチと第２の電気機械スイッチの可動電極位置を併せて示したもので、曲線３１が第１の電気機械スイッチ、曲線３２が第２の電気機械スイッチの可動電極位置をそれぞれ示している。
図１１(a)から(d)は各時刻における第１の電気機械スイッチ及び第２の電気機械スイッチの状態を等価回路で示したものである。
本発明の電気機械スイッチのオン状態では、第１の電気機械スイッチ及び第２の電気機械スイッチの両方ともオン状態、すなわち可動電極位置は固定電極と接触して０となっており、ともに駆動制御電圧が印加されている。
【００７２】
時刻０で第１の電気機械スイッチ２２と第２の電気機械スイッチ２４とに印加している駆動制御電圧を０にすると、図１０に示すように、時刻t１(約０.２５μs)において、第２の電気機械スイッチ２４の第２可動電極の位置は０.２μｍとなり、第２の電気機械スイッチ２４単体でアイソレーションを確保することが可能になるとともに、本発明の電気機械スイッチは高速動作してオフ状態になる。
【００７３】
時刻t２(約２μs)では、第２の電気機械スイッチ２４の第２可動電極の位置は初期位置の１.５μｍ程度であるが、第１の電気機械スイッチ２２の第１可動電極が０.２μｍの位置に達し、第１の電気機械スイッチ２２単体でも十分なアイソレーションを確保することができる。
時刻t３(約２.５μs)において、第２の電気機械スイッチ２４の第２可動電極は、再びラッチ位置に、すなわち変位０の付近に戻ってくる。
【００７４】
この時刻t３においては、第１の電気機械スイッチ２２は既に単体で十分なアイソレーションを確保した状態となっているため、この状態において、第２の電気機械スイッチ２４に駆動制御電圧を印加して第２可動電極をラッチしても、本発明の電気機械スイッチ全体として高周波信号のアイソレーションは十分確保される。
【００７５】
このラッチに要する制御電圧は、戻ってきた第２可動電極と固定電極間のギャップが小さくなっているため、僅かな電圧にすることこができる。
このようにして、本発明では第１の電気機械スイッチと第２の電気機械スイッチとを組み合わせることにより、高速な応答特性を有する電気機械スイッチを実現することができる。
【００７６】
実施の形態１では、図１２(a)に示すように、固定電極６２及び可動電極６４が平行平板型６０で構成したが、図１２(b)に示すように固定電極６６と可動電極６８とが櫛歯型６９の構造でしてもよい。
可動電極と固定電極とが対向する面のいずれか、或いは両方に誘電体を形成し、容量型スイッチとしてもよい。
【００７７】
さらに可動電極としてアルミニウムを例に挙げたが、Alでなくとも他の金属材料、例えばMo、Ti、Au、Cuでもよく、また導電性材料を用いてもよい。
また可動電極として、板状シリコンの表面にナノメータサイズで金属を堆積させた梁構造体であってもよく、さらに圧電素子、形状記憶合金、電磁歪素子及びバイモルフ効果を利用したバイモルフ素子でもよい。
【００７８】
この平行平板型及び櫛歯型では、可動電極が基板に形成された固定電極側に静電力により引き込まれるが、基板に対して水平方向に動作する構造でもよい。
【００７９】
次に、本発明の実施の形態１の変形例について説明する。図１３は可動電極が水平方向に動作する電気機械スイッチの概略図である。
図１３において電気機械スイッチ７０は、シリコン基板２上に形成された第１アンカー７２及び第２アンカー７３にて、両端を固定かつ装架された第１可動電極７４及び第２可動電極７６と、これらの可動電極の間に形成され、かつ、各可動電極の厚さよりも厚く形成された固定電極７８とを有し、この固定電極７８に対して第１可動電極７４及び第２可動電極７６が平行に所定間隙を有して形成されている。
【００８０】
第１可動電極７４と固定電極７８との間隙は固有振動する第１可動電極７４の最大振幅であり、第２可動電極７６と固定電極７８との間隙は固有振動する第２可動電極７６の最大振幅であり、異なる間隙である。
第１可動電極７４と固定電極７８とで第１の電気機械スイッチが構成され、第２可動電極７６と固定電極７８とで第２の電気機械スイッチが構成されている。
【００８１】
例えば、第１可動電極１４の形状は、厚さが２.５μｍ、幅が０.４μｍ、長さが５００μｍ、固定電極とのギャップが０.２μｍであり、第２可動電極７６の形状は、厚さが５μｍ、幅が０.４μｍ、長さが５００μｍ、固定電極とのギャップが１.５μｍである。このような形状であれば実施の形態１と同様の作用効果を有する。
なお、図２と実質的に同一の部材には同一の符号を付した。
【００８２】
この構成の電気機械スイッチ７０では、第１可動電極７４及び第２可動電極７６が基板に対して水平方向に動作する。
またこのように基板に対して水平方向に動作する構成であれば、第１の電気機械スイッチ及び第２の電気機械スイッチの固定電極との異なる空隙を容易に形成できる。その他の動作については実施の形態１と同様である。
【００８３】
以上説明した電気機械スイッチは必ずしも静電力で駆動させる必要はなく、例えば電磁力、熱源を用いた加熱、圧電素子などを駆動力としてもよい。
また特に高速で切り替えを要求する無線LANなどのアンテナダイバーシティ用DPDT(Dual Pole Double Throw、双極双投)スイッチに用いることができる。
【００８４】
次に実施の形態１の電気機械スイッチの製造方法について説明する。
図１４は電気機械スイッチの一単位素子を形成するシリコン基板の外観図である。
図１４に示すシリコン基板２は、シリコン基板に、レジスト膜を塗布し、所定マスクパターンで露光し、現像エッチング後、レジスト膜を除去し、所定形状に形成したものである。
【００８５】
シリコン基板２には、第１可動電極を固定かつ装架するための一対の第１凹部８２と、第２可動電極１６を固定かつ装架するための一対の第２凹部８４と、固定電極端子を取り出すための一対の第３凹部８６と、固定電極１８を形成するための第４凹部８８とが形成されている。
【００８６】
図１５は封止カバーガラスの外観図である。
封止カバーガラス３は板状であり、シリコン基板２の第１凹部８２、第２凹部８４及び第３凹部８６に対応したそれぞれ一対の突起部９２,９４,９６を有している。
【００８７】
図１６(a)乃至(e)はこの電気機械スイッチの製造工程図であり、(a)は図１４のB−B線に対応する断面図であり、各製造工程は（ａ）と同一の断面を示す断面図である。
先ず、シリコン基板２上にAl層を真空蒸着又はスパッタリングにより堆積し、所定パターンのレジスト膜を塗布し、このレジスト膜をマスクとしてAl層をウエットエッチング又はドライエッチングし、固定電極１８、第３電極端子６及び第６電極端子９を形成する(図２及び図１６(b)参照)。
【００８８】
次に、レジストで犠牲層１０２を形成し(図１６(c)参照)、この上層にAl層をスパッタリングにより堆積後、所定パターンのレジスト膜１０４をマスクとしてAl層をECRプラズマによりドライエッチングし、第１可動電極１４及び第２可動電極１６を形成する(図１６(d)参照)。
【００８９】
そして、レジスト膜１０４及び犠牲層１０２をプラズマアッシングにより除去し、第１可動電極１４及び第２可動電極１６の梁構造を形成し、減圧装置内又はヘリウム充填装置内において、封止カバーガラス３の突起部でシリコン基板２との位置合わせをした後、封止カバーガラス３とシリコン基板２とを陽極接合する(図１６(e)参照)。
【００９０】
このようにして、第１可動電極１４及び第２可動電極１６のような薄膜状の梁構造体を形成することができるとともに、高速動作をする各可動電極の周囲の空隙を減圧あるいは乾燥したヘリウムで充填した電気機械スイッチを製造することができる。
【００９１】
（実施の形態２）
次に実施の形態２について説明する。
図１７は実施の形態２の一例を示す概略構成図である。
電気機械スイッチの構造、材質には制限がなく、可動電極の形状、材質を設定して、固有振動が所望の応答時間以下となればよい。実施の形態２では相対的にばね力を変化させている。
【００９２】
図１７において、実施の形態２の電気機械スイッチ２００は、シリコン基板２上に形成された第１アンカー２０１及び第２アンカー２０３にて、両端を固定かつ装架された第１可動電極２０２、第２可動電極２０４及び第３可動電極２０６を有し、各可動電極はそれぞれ対面かつ平行に所定間隙を設けて形成されている。各可動電極は両持ち梁としてそれぞれ異なるばね力を有するように構成され、第２可動電極２０４のばね力は第１可動電極２０２及び第３可動電極２０６のばね力よりも強く形成され、第１可動電極２０２のばね力と第３可動電極２０６のばね力とは同一又は異なって構成されている。
【００９３】
図１７に示す例では、信号入力端子とする第２電極端子２１２と、信号出力端子とする第４電極端子２１４及び第６電極端子２１６とを有し、SPDT(Single Pole Dual Throw、単極双投)スイッチが構成可能である。
さらに、第１電極端子２１１と第６電極端子２１６とが第１可動電極２０２の端に、第２電極端子２１２と第５電極端子２１５とが第２可動電極２０４の端に、第３電極端子２１３と第４電極端子２１４とが第３可動電極２０６の端に形成されており、各電極端子にはそれぞれ対面する可動電極との間に静電力を印加するための制御電圧源が接続可能になっている。
【００９４】
図１７に示す電気機械スイッチ２００では、第１可動電極２０２と第２可動電極２０４とにより第１の電気機械スイッチが構成され、第２可動電極２０４と第３可動電極２０６とにより第２の電気機械スイッチが構成されている。
なお、図示していないが電気機械スイッチ２００は、封止カバーガラスで覆われ、内部は乾燥したヘリウムガスで充填又は減圧下に維持されている。
【００９５】
また、第１可動電極２０２及び第３可動電極２０６に電気的に結合可能な第２可動電極２０４の固有振動数は、所望の応答時間以下となるように構成され、所定の応答時間で可動電極を変位させることができるようになっている。
【００９６】
例えば所望の応答時間を０.２μｓとすれば、固有振動数を５MHｚ以上にしなければならない。
具体的に説明すると、上記の式(１)、式(２)を用いて、固有振動数を５MHｚにするためには、例えば、可動電極の材質にアルミニウム（内部応力が２５０ＭPa、ヤング率７０GPa、ポアソン比０.２５、密度２.６９kg/ｍ３）を用い、形状は幅ｗが１μｍ、厚さDが１０μｍ、長さLが５０μｍとすれば、固有振動数は５MHzとなる。また各可動電極間の空隙は２.４μｍとしている。
【００９７】
基本的には第２可動電極２０４は、初期状態において常に第１可動電極２０２及び第３可動電極２０６のいずれかと電気的に結合した状態を保っている。つまり、電気機械スイッチ２００は、第１の電気機械スイッチ及び第２の電気機械スイッチのいずれかがオン状態であり、他方がオフ状態を保っている。
【００９８】
図１７に示す例では、第３可動電極２０６に駆動制御電圧を印加して、第２可動電極２０４と第３可動電極２０６とは静電力で接触又は容量結合している。このとき、第２可動電極２０４及び第１可動電極２０２には駆動制御電圧を印加していない。
【００９９】
図１８は第２可動電極の変位を示す図である。
図１７に示す初期状態から第３可動電極２０６の駆動制御電圧を０にして、静電力をリリースすると、図１８に示すように、第２可動電極２０４はそれ自体の復元力により固有振動数で第１可動電極２０２と９第３可動電極２０６との間を振動する。このとき、ダンピング効果を軽減するため、大気中でのダンピング効果と比べて、２５分の１となるようにしている。
【０１００】
次に実施の形態２のスイッチング動作について説明する。
いま、駆動制御電圧を第３可動電極２１４に印加していて第２可動電極２０４と第３可動電極２１４とが接触している状態から、時刻０で、第３可動電極２１４に印加している駆動制御電圧を０にすると同時に、第１可動電極２０２に駆動制御電圧を印加する。
このとき、第２可動電極２０４は、強いばね力により第１可動電極２０２方向に高速に変位し、さらに第１可動電極２０２と第２可動電極２０４との間に働く静電力によって、相対的に弱いばね力を持つ第１可動電極２０２が、高速に応答して第２可動電極２０４を迎えにいきラッチする。このときの駆動制御電圧は３Vで十分ラッチできる。
このような構成の電気機械スイッチによれば、低駆動電圧ながら高速にスイッチング動作を行うことができる。
【０１０１】
ところで、何らかの原因で駆動制御電圧が印加されない状態になれば、第２可動電極２０４が第１可動電極２０２又は第３可動電極２０６にラッチされず、第２可動電極２０４が変位０の状態になることもあり得る。
この第２可動電極２０４の変位０の状態から、静電力を印加して第２可動電極２０４を第１可動電極２０２又は第３可動電極２０６に引き込むためには、相当な駆動制御電圧が必要となる。上記の可動電極の場合、４４Vを印加する必要がある。
【０１０２】
このため、上記の第１の電気機械スイッチ及び第２の電気機械スイッチのいずれかをオン状態にするために、可動電極間に電圧を印加して発生させる静電力ではなく、別の駆動機構をも用いて第２可動電極を引き込めるようにする。
【０１０３】
駆動機構として電圧の印加により構造体素子自体が変形する、例えば、圧電素子、形状記憶合金、バイモルフ素子及び電磁歪素子を用いても良い。
例えば、第２可動電極２０４に代えて初期電圧の印加により変形する第２可動体を設け、この第２可動体が第３可動電極２０６に近づいた時に、第３可動電極２０６に駆動制御電圧を印加して静電力により第２可動体をラッチ後、第２可動体の電圧を解除するようにしてもよい。
【０１０４】
またメカニカルなプローブを用いて、第２可動電極２０４を第１可動電極２０２又は第３可動電極２０６に引き込んでも良い。この第２可動電極２０４を引き込んだときに第１可動電極２０２又は第３可動電極２０６に駆動制御電圧を印加する。
【０１０５】
この構成によれば、第１可動電極２０２及び第３可動電極２０６に印加する駆動電圧を低電圧にすることができ、高速スイッチング特性の電気機械スイッチを提供することができる。
【０１０６】
（実施の形態３）
次に本発明の実施の形態３について説明する。図１９に本発明の実施の形態３の上面図を示す。本実施の形態の電気機械スイッチにおいても、実施の形態１と同様に、異なるばね力を有する複数のスイッチで構成されているが、本実施の形態では、実施の形態１で、第１可動電極が何らかの不具合で固定電極にラッチされた場合にも、強いばね力を有する第２可動電極がオフ状態から電極を引き込むことができず、最終的に中間位置、すなわち第１可動電極、第２可動電極ともにオフ状態になるのを回避する構造である。
【０１０７】
すなわち、第１可動電極が何らかの不具合で固定電極にラッチするために、必要な電圧が外部から供給されないと、第１可動電極、第２可動電極は、自由振動を経て、最終的に中間位置、すなわち第１可動電極、第２可動電極ともにオフ状態になる。
このとき第２可動電極はばね力が強いため、オフ状態から電極を引き込み、ラッチするためには高い引き込み電圧を要することになる。
【０１０８】
本実施の形態３では上記問題を回避するために、次のような構造を提供する。
本スイッチは、図１９に概略構成を示すように、入力端子３０３と、２つの出力端子３０１，３０２とで構成されている。
入力端子３０３は、高ばね可動電極３０６と、出力端子３０１、３０２は第１の低ばね可動電極３０４，第２の低ばね可動電極３０５とそれぞれ接続されている。この高ばね可動電極と第１および第２の低ばね可動電極のばね力は相対的に異なり、ばね定数は、実施の形態１と同様にばねの形状、材料特性、ギャップで制御可能である。可動電極３０４−３０６は、それぞれポスト部３１０で基板に固定されている。また第１の低ばね可動電極３０４と高ばね可動電極３０６とは連結部３０７で機械的に連結されている。同様に、高ばね可動電極３０６と第２の低ばね可動電極とは連結部３０７で機械的に連結されている。さらに、第１の低ばね可動電極が基板方向に変位した際に接触する領域と、高ばね可動電極３０６が基板方向に変位した際に一部接触する領域とに、第１の固定電極３０８が形成されている。
連結部３０７は、ばね力が第１および第２の低ばね可動電極よりも小さく、かつ絶縁性部材で構成されている。第１の固定電極３０８と第２の固定電極３０９とは空間的に分離されており、両電極は電気的に十分分離されており、高ばね可動電極３０６と第１または第２の固定電極３０８、３０９とが接触しない限りは、第１の固定電極３０８及び第２の固定電極３０９のアイソレーションは十分とれている。
【０１０９】
次に、スイッチの基本動作について説明する。本実施の形態は、SPDTスイッチとして適用しているが、SPSTスイッチとしても適用できる。入力端子３０３から入力した信号を出力端子３０１へ出力する方法について説明する。高ばね可動電極３０６および第１の低ばね可動電極３０４間に外部から制御信号を印加して、可動電極と固定電極間に電位差を設け、静電力を発生させると、第１の低ばね可動電極３０４および高ばね可動電極３０６は、固定電極方向に引き込まれ、高ばね可動電極３０６と第１の低ばね可動電極３０４は、第１の固定電極３０８と接触し、電気的に結合し、入力端子３０３から入力した信号は、高ばね可動電極３０６−第１の固定電極３０８−第１の低ばね可動電極３０５を介し、出力端子３０１を経て出力される。同様に出力端子３０２へ出力する場合は、第２の低ばね可動電極３０５と高ばね可動電極３０６を基板方向に引き込み、第２の固定電極３０９と電気的に結合させれば良い。
【０１１０】
次に、図２０を用いて、スイッチの遷移動作について説明する。図２０は図１９のA-A'の断面をそれぞれ示したものである。時刻(a)において、第１と第２の低ばね可動電極３０４，３０５はオフ状態となっており、高ばね可動電極３０６はラッチされ、第１および第２の固定電極３０８，３０９と接触している。この状態では、第１および第２の低ばね可動電極はオフ状態となっているので、信号は遮断されている。
このとき、第１および第２の低ばね可動電極と第１および第２の固定電極に制御信号を印加し、電位差を設け、静電力を発生させると、第１の低ばね可動電極と第２の低ばね可動電極３０４，３０５は、基板方向に引き込まれ、第１の低ばね可動電極３０４は第１の固定電極３０８と、第２の低ばね可動電極３０５は、第２の固定電極３０９とそれぞれ接触し、電気的に結合する。第１第２の低ばね可動電極３０４，３０５と第１および第２の固定電極３０８，３０９のそれぞれの対応する電極の少なくとも一方の接触面には、絶縁膜が形成されており、直流電位が流れないように構成されている。
【０１１１】
第１、第２の低ばね可動電極３０４，３０５はばね力が小さいため、僅かな電位差で高速に引き込まれ、スイッチはオン状態となる。時刻（ｂ）
【０１１２】
次にこのオン状態からスイッチをオフにする動作を説明する。オン状態である時刻（ｂ）において、第１、第２の低ばね可動電極３０４，３０５および高ばね可動電極３０６をラッチしている電位差を解消すると、ばね力により、第１、第２の低ばね可動電極３０４，３０５および高ばね可動電極３０６は、リリースされ、自由振動を開始する。
【０１１３】
このとき、ばね力が強い高ばね可動電極３０６は高速でリリースされるが、連結部３０７によって第１および第２の低ばね可動電極３０４、３０５と連結されているため、第１、第２の低ばね可動電極３０４，３０５を上方に引き上げる力となり、第１および第２の低ばね可動電極３０４、３０５を高速にリリースすることをアシストする。時刻（ｃ）
【０１１４】
また時刻（ｄ）において、高ばね可動電極３０６は大きくオーバーシュートするが、このときは連結部３０７で結合された第１、第２の低ばね可動電極３０４，３０５が大きくオーバーシュートすることを阻止することになる。
さらに時刻(ｆ)において、高ばね可動電極３０６が固定電極側（第１および第２の固定電極３０８，３０９）に戻ってきたところをラッチすればよい。
【０１１５】
このように、高ばね可動電極３０６と第１および第２の低ばね可動電極３０４、３０５を連結部３０７で連結することにより、オーバーシュートを軽減でき、かつ、低ばね可動電極３０４、３０５がより高速にリリースすることをアシストすることが可能となる。
【０１１６】
また、図２１に示すように、高ばね可動電極３０６をラッチする電極が何らかの不具合により、印加されずにリリースされ、自由振動を経て、図２１（ａ）の状態となる場合が想定される。この状態から、高ばね可動電極３０６をラッチするために、固定電極側（第１および第２の固定電極３０８，３０９）に引き込むためには、高い電圧を要する。
このため、まず図２１（ｂ）のように、第１、第２の低ばね可動電極３０４，３０５を固定電極側（第１および第２の固定電極３０８，３０９）に引き込む。この時、高ばね可動電極と第１、第２の低ばね可動電極３０４、３０５とは連結されているので、高ばね可動電極３０６は基板方向に変位する。静電力は距離の−２乗に比例するため、高ばね可動電極３０６を引き込むために必要な電圧を低下させることができる。
【０１１７】
またこの動作でも、所望の引き込み電圧以下にならない場合は、第１、第２の低ばね可動電極の引き込み及びリリースを、高ばね可動電極の固有振動で繰り返せば、高ばね可動電極が励振され、振動の振幅が増大し、所望の引き込み電圧でラッチすることが可能となる。
【０１１８】
さらに、連結部３０７によって、連結された高ばね可動電極と第１、第２の低ばね可動電極の結合状態は、連結部３０７の取り付け位置により制御することが可能である。
両端を固定された可動電極は、全領域において、一様な振幅で振動しているのではなく、可動電極としての梁中心付近では最大の振幅、ポスト部３１０付近では殆ど振動しない。このため、梁のどの位置で連結するかによって、可動電極の結合状態が変化する。振幅の最も大きな位置で連結させた場合、互いに連結する場合にお互いに与える影響は最も大きくなるため、強い結合となる。すなわち、図２０の時刻（ｃ）で高ばね可動電極３０６をリリースする際に、強い力で第１、第２の低ばね可動電極３０４、３０５がリリースすることをサポートしている。逆に互いの振動が阻害されることになり、高ばね可動電極３０６の振動エネルギーが損なわれ、自由振動での振幅が減少し、ラッチ電圧が高くなる。
【０１１９】
逆に、振幅があまりない、ポスト部３１０付近で連結した場合は、連結部３０７がない状態と近い状態となり、第１、第２の低ばね可動電極３０４、３０５がリリースする際のアシストとならない。このため、要求仕様に満たすように、連結部３０７の位置を調整する必要がある。
なお、本実施の形態では、低ばね可動電極を２つ用いて説明したが、低ばね可動電極を１つで構成しても同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１２０】
本発明の電気機械スイッチは、低駆動電圧で動作かつ高速にオン・オフすることができ、RFMEMSスイッチ、特に高速で切り替えを要求する無線LANなどのアンテナダイバーシティ用DPDT(Dual Pole Double Throw、双極双投)スイッチなどに有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１２１】
【図１】実施の形態１における電気機械スイッチの一単位素子を示す外観構成図である。
【図２】実施の形態１の第１の電気機械スイッチ及び第２の電気機械スイッチの要部構成一部断面図である。
【図３】図２に示すA-A断面図である。
【図４】本発明の電気機械スイッチの等価回路図である。
【図５】縦軸に第１可動電極の固定電極からの位置、横軸に時刻を示した図である。
【図６】第１可動電極と固定電極とが接触している位置で駆動制御電圧をオフにした時の第１可動電極位置の過渡応答を示す図である。
【図７】第２の電気機械スイッチにおける第２可動電極位置の過渡応答を示す図である。
【図８】第２可動電極位置の過渡応答を示す図７の１μs以下の振る舞いを拡大した図である。
【図９】実施の形態１にかかる電気機械スイッチのオン状態とオフ状態とを等価回路で示した図であり、(a)はオフ状態を、(b)はオン状態を示す図である。
【図１０】第１の電気機械スイッチと第２の電気機械スイッチの可動電極位置の過渡応答を併せて示した図である。
【図１１】各時刻における第１の電気機械スイッチ及び第２の電気機械スイッチの状態を等価回路で示した図であり、(a)は時刻０、(b)は時刻t１、(c)は時刻t２、(d)は時刻t３を示したずである。
【図１２】平行平板型の電極と櫛歯型の電極の構造を示す図である。
【図１３】可動電極が水平方向に動作する電気機械スイッチの概略図である。
【図１４】電気機械スイッチの一単位素子を形成するシリコン基板の外観図である。
【図１５】封止カバーガラスの外観図である。
【図１６】実施の形態１にかかる電気機械スイッチの製造工程図であり、各製造工程は図１４のBーB線に対応する断面図である。
【図１７】実施の形態２の一例を示す概略構成図である。
【図１８】実施の形態２における第２可動電極の変位を示す図である。
【図１９】実施の形態３にかかる電気機械スイッチの概略図である。
【図２０】実施の形態３にかかる動作説明図である。
【図２１】実施の形態３にかかる動作説明図である。
【符号の説明】
【０１２２】
１、４０、７０、２００  電気機械スイッチ
２  シリコン基板
３  封止カバーガラス
４、２１１  第１電極端子
５、２１２  第２電極端子
６、２１３  第３電極端子
７、２１４  第４電極端子
８、２１５  第５電極端子
９、２１６  第６電極端子
１０  電気機械スイッチ本体
１２、７２、２０１  第１アンカー
１３、７３、２０３  第２アンカー
１４、７４、２０２  第１可動電極
１６、７６、２０４  第２可動電極
１８、６２、６６、７８  固定電極
２２  第１の電気機械スイッチ
２４  第２の電気機械スイッチ
３１、３２  曲線
６０  平行平板型
６４、６８  可動電極
６９  櫛歯型
８２  第１凹部
８４  第２凹部
８６  第３凹部
８８  第４凹部
９２、９４、９６  突起部
１０２  犠牲層
１０４  レジスト膜
２０６  第２可動電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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