(57)【要約】【課題】微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）用のスイッチを提供する。【解決手段】微小電気機械スイッチは、静電誘引力を使用して接点に向かって梁を引っぱり、電磁反発力を使用して接点から梁を係脱しはね返す。静電誘引力は、ゲート電極によって発生される。電磁反発力は、梁と、梁の接点と同じ側に位置する磁気コイルとの間で発生される。磁気コイルは、磁気コイルをはね返す梁に電流を誘起する磁界を生成する。ゲート電極および磁気コイルは、同一平面上にあってもよいし、異なる平面内にあってもよい。回路もまた、構成に依存して、ゲート電極および磁気コイルとして作用するコイル形状構造体を動作させてもよい。【選択図】図２
2019021631.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
梁と、
前記梁の下にあるゲート電極と、
前記梁の下にあり、かつ前記梁に電流を誘起するように構成されたコイルと、
を備える、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチ。
【請求項２】
前記コイルを駆動して磁界を生成するように構成された第１のソースと、前記ゲート電極を駆動するように構成された第２のソースと、をさらに備える、請求項１に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項３】
前記コイルは、１０，０００Ｓ／ｍよりも大きい導電率を有する導電性材料で形成される、請求項１に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項４】
前記コイルは、前記ゲート電極を取り囲む、請求項１に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項５】
前記コイルは、前記梁の下にある基板上の前記ゲート電極の隣にある、請求項１に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項６】
前記コイルは、前記梁の下にある基板の複数のレベルに位置する導電トレースを含む多層コイルである、請求項１に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項７】
梁と、
前記梁の下にあり、かつ前記梁に電流を誘起するように構成されたコイルと、を備える、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチ。
【請求項８】
前記コイルは、前記コイルを電極またはコイルとして動作させるように構成可能な回路に連結される、請求項７に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項９】
前記回路は、前記コイルに連結され、かつ１ｎＦ〜１００μＦのキャパシタンスを有するキャパシタを備える、請求項８に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項１０】
前記キャパシタは、少なくとも部分的に前記回路に電力供給する、請求項９に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項１１】
前記回路は、３０〜１５０Ｖの電圧を提供するチャージポンプを備える、請求項８に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項１２】
回路は、第１のスイッチおよび第２のスイッチを備える、請求項８に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項１３】
前記第１のスイッチおよび第２のスイッチは、前記電極または前記コイルとして動作する前記回路に対応する第１の位置および第２の位置を有する、請求項１２に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項１４】
前記コイルは、１０，０００Ｓ／ｍよりも大きい導電率を有する導電性材料で形成される、請求項７に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項１５】
ＭＥＭＳスイッチを制御する方法であって、
微細加工された片持ち梁の下にあるゲート電極を使用して、下にある電気接点に向かって前記微細加工された片持ち梁を静電的に誘引することと、
前記梁の下に位置するコイルで第１の磁界を発生させることによって、前記梁内に電流を誘起することにより前記下にある電気接点から前記微細加工された片持ち梁を磁気的に反発させることと、
を含む、方法。
【請求項１６】
前記コイルと前記ゲート電極とを交互に駆動することをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記微細加工された片持ち梁に無線周波数信号を導電的に連結することをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記ゲート電極を使用し、かつ前記コイルで前記第１の磁界を発生させることは、異なる構成で電気的に連結された同じコイル形状構造体を使用することを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記コイルで第１の磁界を発生させることは、前記コイルを通してキャパシタを放電することを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記ゲート電極を使用している間、前記キャパシタを充電することをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
開示された実施形態は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）用のスイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
スイッチは、電気回路の接続を行なうか、または切断するために使用される。典型的なＭＥＭＳスイッチは、信号源に連結された片持ち梁を備える。梁の自由端は、スイッチを開閉するために作動される。スイッチが閉じられると、信号源からの信号が梁を通過し、スイッチが開かれると、信号経路が切断される。典型的には、片持ち梁に力が印加されていないとき、スイッチはデフォルトの開状態を有する。スイッチを閉じるためには静電力が印加される。
【発明の概要】
【０００３】
微小電気機械スイッチは、静電誘引力を使用して、接点に向かって梁を引っぱり、電磁反発力を使用して接点から梁を係脱しはね返す。静電誘引力は、ゲート電極によって発生される。電磁反発力は、梁と、梁の接点と同じ側に位置する磁気コイルとの間で発生される。磁気コイルは、磁気コイルをはね返す梁に電流を誘起する磁界を生成する。ゲート電極および磁気コイルは、同一平面上にあってもよいし、異なる平面内にあってもよい。回路もまた、構成に依存して、ゲート電極および磁気コイルとして作用するコイル形状構造体を動作させてもよい。
【０００４】
一実施形態では、梁と、梁の下にあるゲート電極と、梁の下にあり、かつ梁に電流を誘起するように構成されたコイルと、を備えるＭＥＭＳスイッチが提供される。
【０００５】
別の実施形態では、ＭＥＭＳスイッチは、梁と、梁の下にあるコイルとを備え、コイルは、梁内に電流を誘起するように構成される。
【０００６】
別の実施形態では、ＭＥＭＳスイッチを制御する方法が提供される。方法は、微細加工された片持ち梁の下にあるゲート電極を使用して、下にある電気接点に向かって微細加工された片持ち梁を静電的に誘引することを含む。微細加工された片持ち梁は、梁の下に位置するコイルで第１の磁界を発生させることによって梁内に電流を誘起することによって、下にある電気接点から磁気的に反発される。
【０００７】
本出願の様々な態様および実施形態が、以下の図を参照して説明される。これらの図は、必ずしも縮尺通りに描かれていないことを理解されたい。複数の図に現れる項目は、それらが現れるすべての図において同じ参照番号によって指し示されている。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１Ａ】図１Ａは、一実施形態による、開状態の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチの左側立面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、閉状態の図１ＡのＭＥＭＳスイッチの左側立面図である。
【図２】図２は、非限定的実施形態による、図１ＡのＭＥＭＳスイッチの動作フローチャートである。
【図３】図３は、図１ＡのＭＥＭＳスイッチのコイルおよび梁の概略回路表現である。
【図４Ａ】図４Ａは、別の実施形態による、コイルがゲート電極の上に位置するＭＥＭＳスイッチの左上側透視図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、別の実施形態による、複数のコイルがゲート電極に近接して位置するＭＥＭＳスイッチの左上側透視図である。
【図５Ａ】図５Ａは、本出願の代替的な非限定的実施形態による、ＭＥＭＳスイッチのコイルおよびゲートの代替的構成を図示する。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本出願の代替的な非限定的実施形態による、ＭＥＭＳスイッチのコイルおよびゲートの代替的構成を図示する。
【図５Ｃ】図５Ｃは、本出願の代替的な非限定的実施形態による、ＭＥＭＳスイッチのコイルおよびゲートの代替的構成を図示する。
【図６】図６は、別の実施形態によるＭＥＭＳスイッチの左上側透視図である。
【図７】図７は、図６のＭＥＭＳスイッチのコイルおよびゲート構成の概略回路図である。
【図８Ａ】図８Ａは、時間ｔ＝０における図６のＭＥＭＳスイッチのコイルおよびゲート構成の概略回路図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、時間ｔ＞０における図６のＭＥＭＳスイッチのコイルおよびゲート構成の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本出願の態様は、電磁力を使用して少なくとも部分的に作動される微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチを提供する。例えば、スイッチは、スイッチが閉じられている様態にかかわらず、電磁力を使用して開かれてもよい。本発明者は、静電力−静電力を印加することによってスイッチを閉じ、静電力を除去することによってスイッチを開く−のみで作動される片持ち梁を有するＭＥＭＳスイッチが、様々な欠点を抱える可能性があることを認識した。１つは、スイッチを開こうとする際に静電力を除去するにもかかわらず、梁の自由端は、スティクションのために下にある電気接点と接触したままであり、そのため、スイッチは閉状態にとどまる。さらに、湾曲された位置に長期間保持されると、片持ち梁が軟化し得る。静電気力の除去によって開かれるＭＥＭＳスイッチは、片持ち梁の回復性のばねのような挙動に依存して、梁を非変形状態に戻し、こうしてスイッチを開く。閉じて、変形した（または湾曲した）状態に長期間スイッチを保持した結果としての梁材料の軟化は、時々クリープ力と称される現象である、梁がその湾曲していない状態に戻る能力への悪影響を及ぼし得る。こうして、スイッチが適切に開かないことがある。
【００１０】
上記に照らして、本出願の態様は、電磁力を使用して動作され、片持ち梁を接点パッドから選択的にはね返すＭＥＭＳスイッチを提供する。梁の下に電磁コイルを設置することにより、たとえ梁が接点に張り付いても、あるいは梁が変形しても、電磁力が発生され、梁を選択的に作動させるように使用することができる。これは、スイッチを、長期間閉状態にあった後、オフにすることができることを保証する。
【００１１】
ＭＥＭＳスイッチを作動させるための電磁力の使用は、他の作動技術と組み合わせることができる。例えば、静電技術を電磁技術と組み合わせてもよい。一例として、ＭＥＭＳスイッチは、静電力を使用して閉じ、かつ閉状態に保持することができ、次いで静電気力を除去し、かつ反発電磁力を印加することによって開くことができる。こうして、スイッチの活性化および非活性化は、別々の（または「異なる」）メカニズムによって達成されてもよい。他の動作シナリオも可能である。
【００１２】
本出願の態様は、片持ち微細加工された梁の自由端の下にある作動構造を有するＭＥＭＳスイッチを提供し、作動構造はコイルとして形成され、電磁コイルおよび電気プレートの両方として動作可能である。コイル構造は、１つの状態に構成されたときに、電磁力を発生させるためにコイルを電磁コイルとして動作させる電気回路に連結されてもよい。別の状態に構成されたとき、電気回路は、静電力を発生させるために、コイルを導電性プレートとして動作させてもよい。こうして、組み合わされた電磁／静電作動構造が、本出願のいくつかの態様によるＭＥＭＳスイッチに提供されてもよい。
【００１３】
いくつかの実施形態は片持ち梁ＭＥＭＳスイッチに関連するものとして本明細書に記載されているが、本開示はそれに限定されず、様々な他のＭＥＭＳスイッチ構成は、ＭＥＭＳスイッチを選択的に作動させるために電磁反発力を使用するなど、本明細書に記載された態様のうちの１つ以上を利用してもよいことが理解されるべきである。こうして、片持ち梁、シーソー型、または他のＭＥＭＳスイッチを採用し得る。
【００１４】
図１Ａは、スイッチを開く反発力を発生させるための電磁コイルを有する片持ち梁ＭＥＭＳスイッチの非限定的な例を示す。ＭＥＭＳスイッチ１００は、図１Ａにおいて開状態で示されている。動作の開状態は、スイッチの「オフ」状態を表すことができるが、この専門用語は限定的ではないことを理解されたい。
【００１５】
ＭＥＭＳスイッチ１００は、固定材７によって基板１１に実装された片持ち梁９を含む。片持ち梁９は、
【００１６】
【数１】
2019021631.tif 000003
【００１７】
によって下側の基板から分離された自由端８を有する。片持ち梁９の自由端８に、基板１１に面する梁の下側に、電気接点２５が配備されている。電気接点１３、ゲート電極１５、およびコイル１７が、梁９の下の基板１１上に実装される（または加工される）。無線周波数（ＲＦ）信号源２７も設けられており、さらに下記で説明されるように、梁にＲＦ信号を提供するために任意の適切な様態で片持ち梁９に連結され得る。
【００１８】
基板１１は、任意の適切な材料で形成されてもよい。いくつかの実施形態では、基板１１は、ガラス、プラスチック、またはポリマーのような絶縁材料から形成される。いくつかの実施形態では、基板１１は、シリコン基板またはシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板などの半導体基板であってもよい。
【００１９】
片持ち梁９は、任意の適切な材料で形成されてもよい。一実施形態では、梁９は、金属または合金などの導電性材料で形成される。こうして、梁９自体は、ＲＦ信号源２７からＲＦ信号を導電することができる、少なくともいくつかの実施形態における電極を表してもよい。別の実施形態では、梁９は、プラスチックまたはポリマー材料などの絶縁材料で形成され、それに実装されるか、またはその中に形成される電極を有する。そのような電極は、梁材料自体が導電性でない場合に、梁の静電および／または電磁作動を可能にし得る。前に説明したように、片持ち梁は、ばねとして作用してもよい。梁９の材料は、一部所望のばねのような挙動を提供するように選択されてもよい。例えば、梁９は、２００〜６０００Ｎ／ｍのばね定数を有してもよい。
【００２０】
片持ち梁９は、任意の適切な形状および寸法を有してもよい。いくつかの実施形態では、片持ち梁９は、その
【００２１】
【数２】
2019021631.tif 000004
【００２２】
に沿って均一な
【００２３】
【数３】
2019021631.tif 000005
【００２４】
を有する。他の実施形態では、片持ち梁９は一端でテーパ状になっていてもよい。一実施形態では、梁９は、その幅（図１Ａの紙面に出入りする方向）よりも大きい長さＬ１を有する。例えば、梁の寸法は、長さＬ１が１００〜７００μｍの間、幅が５０〜５００μｍの間、および厚さＴ１が１〜１５μｍの間などであってもよいが、これらの寸法のいずれかについて他の範囲も可能である。
【００２５】
【数４】
2019021631.tif 000006
【００２６】
は、任意の適切な寸法を有してもよい。このギャップは、スイッチが開いているときには存在するので、可変であるが、スイッチが閉じているときには可変ではないことを理解されたい。片持ち梁が中立（非偏向）状態にあるとき、
【００２７】
【数５】
2019021631.tif 000007
【００２８】
は、０．５μｍ、５μｍ、５０μｍ、１００μｍ、２００μｍ、０．５μｍ〜２００ミクロンの間の任意の値、または別の適切な距離であってもよい。
【００２９】
図１Ａは、単一の片持ち梁９を有するＭＥＭＳスイッチの一例を図示しているが、代替の実施形態は、複数の梁、または「指形小片」を含む。一例を、図４Ａ〜４Ｂに関連して以下でさらに説明する。採用される梁の数は、本出願の様々な態様が１つ以上の梁を有するＭＥＭＳスイッチに適用され得るので、限定されない。
【００３０】
固定材７は、任意の適切な材料で形成されてもよい。いくつかの実施形態では、固定材７は、基板１１と同じ材料を含む。他の実施形態では、固定材７は、片持ち梁９と同じ材料を含む。さらに他の実施形態では、固定材７、片持ち梁９、および基板１１は、微細加工技術または他の機構を通して適切に連結された別個の材料から形成されてもよい。
【００３１】
電気接点２５は、金属または合金などの導電性材料で形成されてもよい。一実施形態では、接点２５は、金−クロム合金である。一実施形態では、接点２５は、梁９の表面から（例えば、梁９の表面上に形成された材料の層として）突出しているが、他の実施形態では、接点２５は、梁９の表面と同一平面上にある。ＭＥＭＳスイッチが複数の梁または指形小片を含む実施形態では、複数の電気接点２５が設けられてもよい。例えば、１つ以上の梁が、電気接点を備えてもよい。
【００３２】
ゲート電極１５およびコイル１７（本明細書では代わりに「スパイラル」とも呼ばれる）は導電性であり、任意の適切な導電性材料で形成されてもよい。例えば、ゲート電極１５およびコイル１７は、金属、金属合金、または他の導電性材料で形成されてもよい。適切な例として、アルミニウム、銅、ルテニウム、ポリシリコン、または金属酸化物半導体（ＭＯＳ）処理に一般的に使用される他の材料が含まれる。いくつかの実施形態では、１０，０００Ｓ／ｍより大きい導電率を有する材料が使用される。いくつかの実施形態では、ゲート電極１５およびコイル１７は、例えば基板１１上の共通金属層から形成される同じ材料で形成されてもよい。以下でさらに説明するように、コイル１７は、電流を印加することによって電磁界を発生させるために使用されてもよい。こうして、コイル１７の材料は、所望の時定数の挙動を提供するように選択されてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、コイル１７は、０．５ｎｓ〜５μｓの範囲の時定数を有するように、その範囲内の任意の値を含めて、選択されてもよい。
【００３３】
ゲート電極１５およびコイル１７は、互いに関し任意の適切な構成を有してもよい。図１Ａの非限定的な例において、ゲート電極１５およびコイル１７は、別個の電気的構造である。図６に示すような代替の実施形態では、組み合わせたゲート電極およびコイルを表す作動構造を採用してもよい。図１Ａの実施形態では、ゲート電極１５とコイル１７は同一平面上にあるが、図５Ｂ〜５Ｃに関連して以下に説明するような代替が可能である。一実施形態では、コイル１７がゲート電極１５を取り囲む。代わりに、コイル１７とゲート電極１５とが横に並んでもよい。いくつかの実施形態では、コイル１７および／またはゲート電極１５はセグメント化されてもよく、その様々なセグメントが、任意の適切な方法で互いに対して配置されてもよい。図４Ｂに関連して、一例が以下でさらに説明される。
【００３４】
ゲート電極１５およびコイル１７は、それぞれのソースまたは電源によって駆動されるか、または接続されてもよい。例えば、第１の電圧源がゲート電極１５に接続されてもよく、第２の電圧源がコイル１７に接続されてもよい。電源はオンチップでもオフチップでもよい。
【００３５】
接点１３は、基板１１上に実装された導電性ラインであってもよい。一実施形態では、導電性ラインはマイクロ波伝送ラインであり、回路を完成するために接点２５が切断部分を接続しなければ切断されてもよい。一実施形態では、接点１３は接点２５と同じ材料であるが、異なる材料を使用してもよい。
【００３６】
ＲＦ信号源２７は、任意の適切な信号源であってもよく、ＲＦ信号を梁９に提供するために任意の適切な位置に位置付けてもよい。いくつかの実施形態では、ＲＦ信号源は基板１１上に位置付けられてもよいが、他の実施形態では、信号源はチップ外に位置付けられてもよい。ＲＦ信号源は、固定材７が導電性材料で形成されているとき、ＲＦ信号を梁９に提供するために固定材７に接続されてもよく、あるいは別個の電気経路（例えば、電気トレース）が梁９に提供されてもよい。
【００３７】
ＭＥＭＳスイッチ１００は、微細加工技術を使用して基板１１上に形成された構成要素を有する微細加工された構造であってもよい。例えば、ＭＥＭＳスイッチ１００の構成要素は、成膜、エッチング、リソグラフィ、または他の適切な技術のうちの少なくとも１つを使用して加工されてもよい。
【００３８】
図１Ａは、片持ち梁９が中立位置にあるときの開状態のＭＥＭＳスイッチを示す。図１Ｂは、閉状態のＭＥＭＳスイッチを図示する。動作の閉状態は、スイッチの「オン」状態を表すことができるが、この専門用語は限定的ではないことを理解されたい。この状態で、片持ち梁９は、接点１３および２５が接触するように、基板１１に向かって偏向される（または「変形される」あるいは「湾曲される」）。
【００３９】
ＭＥＭＳスイッチ１００の動作は、図２に関連して説明され、静電作動と電磁作動の組み合わせを含んでもよい。概して、動作は、ゲート電極１５で発生された静電力を使用して梁９を基板１１に向かって偏向させることによってスイッチ１００を閉じることと、静電力の継続的な印加によってスイッチを閉状態に保持することを伴う。スイッチ１００は、静電力をオフにし、かつコイル１７を使用して反発電磁力を印加することによって開かれ得る。さらなる詳細を以下に説明する。
【００４０】
再度、図１Ａは、開状態のスイッチ１００を図示する。図２を参照して、スイッチ１００を動作させる方法２００は、段階２０２において、片持ち梁９を電気接点１３に静電的に誘引することによって片持ち梁９を電気接点１３に接触させることによってスイッチ１００を閉じることを含んでもよい。梁９を下にある接点１３に向かって静電的に誘引するために、ゲート電極１５に電圧を印加する。ゲート電極１５に連結された電圧源は、基板１１上またはオフチップ上に位置付けられてもよく、かつ手動または自動のいずれかで選択的に制御されてもよい。ゲート電極１５に電圧を印加することによって、ゲート電極１５は図１Ａに示すように
【００４１】
【数６】
2019021631.tif 000008
【００４２】
を発生し得、梁９とゲート電極１５との間に静電誘引力をもたらす。電界は、梁９に印加される力をもたらし、梁９を、固定材７に固定された端部の周りを
【００４３】
【数７】
2019021631.tif 000009
【００４４】
に旋回(pivot)させる。電気接点２５を電気接点１３に接触させるのに十分な静電力を発生させるように、適切な電圧がゲート電極１５に印加され得、こうして回路を完成させる。結果として生じる閉状態が図１Ｂに図示されている。
【００４５】
一旦閉じられると、スイッチ１００は、ゲート電極１５からの静電力の継続的な印加を通して閉じられた状態に保持され得る。閉じられると、ＲＦ信号源からのＲＦ信号は、梁９を通過して電気接点１３に到達し得る。スイッチは、望む限り長く閉じたままに保持され得る。
【００４６】
スイッチ１００は、方法２００の段階２０４と一致して、コイル１７によって発生される反発電磁力を使用して開かれてもよい。すなわち、段階２０４において、ゲート電極１５に印加された電圧をオフにして静電力の印加を終了し、基板１１上またはオフチップ上に位置付けられた適切な電流源を使用して電流がコイル１７に印加されてもよい。コイル１７に電流を印加すると、
【００４７】
【数８】
2019021631.tif 000010
【００４８】
が発生し、片持ち梁９に
【００４９】
【数９】
2019021631.tif 000011
【００５０】
を誘起する。例えば、反時計回りの電流をコイル１７に印加し得、梁９に向かって磁界２１を発生し、レンツの法則に従って梁９に時計回りの電流２３を誘起する。誘起された電流２３に関連付けられた磁界は、方法２００の段階２０６で、図１Ｂに示す
【００５１】
【数１０】
2019021631.tif 000012
【００５２】
に従って電気接点１３から梁９の自由端をはね返し得、梁９を電気接点１３から外し、それによってスイッチを開く。
【００５３】
コイル１７に印加される電流は、任意の適切な大きさおよび持続時間を有してもよい。例えば、印加される電流は、電気接点１３に対する梁９のスティクションを克服するのに十分な反発力を発生させるのに十分な大きさを有することができる。例えば、コイルへの過渡電流は、導電性梁に電流を誘起し、その電流は今度は、梁とコイルとの間に１００〜１０００μＮの反発力を発生させる。電流は、電気接点１３から梁９を取り外すのに十分長く、一時的にだけコイル１７に印加されてもよい。ひとたび取り外されると、梁９自身の復元力はスイッチを開状態に維持し得、電磁力をさらに印加する必要はない。この意味において、電磁力は、梁９をその中立位置に「蹴り」返すためにインパルスとして印加されてもよい。
【００５４】
方法２００の段階は、望むだけ何回も繰り返されてもよい。いくつかの実施形態では、スイッチは、短期間に繰り返し閉じられ、開かれてもよい。他の実施形態では、スイッチは、長期間（例えば、数分、数時間、数日、数ヶ月、または数年）閉状態に維持され、まれに開かれてもよい。他の様態の動作も可能である。
【００５５】
図３は、一実施形態によるＭＥＭＳスイッチ１００の概略回路表現を示す。磁気コイル１７は、抵抗Ｒ１およびインダクタＬ１と直列のキャパシタＣｘを有する回路としてモデル化することができる。片持ち梁９の電極は、抵抗Ｒ２およびインダクタＬ２を備える回路としてモデル化してもよい。一実施形態では、Ｌ１およびＬ２は、同じあるいは異なるインダクタンスを有してもよい。別の実施形態では、Ｌ１およびＬ２は、同じあるいは異なる巻数を有してもよい。キャパシタＣｘが充電されると、放電して、磁界を生成するようにインダクタＬ１を通過する電流Ｉ１を発生し得る。磁界は、結合係数ｋでインダクタＬ１をインダクタＬ２に結合させ、レンツの法則に従って磁界の変化に対抗する電流Ｉ２を発生させる。図１Ａ〜１Ｂおよび図２に関連して前に説明したように、誘起電流（例えば、電流Ｉ２）は、コイル１７から梁９を反発させる磁界を発生させる。
【００５６】
図４Ａは、本出願の一実施形態によるＭＥＭＳスイッチ４００を示す。ＭＥＭＳスイッチ４００は、基板１１１、片持ち梁１０９、電気接点１１３、ゲート電極１１５、およびコイル１１７を含む。接点１２３は、梁１０９上に位置してもよく、ＲＦ信号を搬送する。これらの構成要素は、対応する図１Ａの構成要素に関して前に説明したいずれかの材料で形成されてもよい。
【００５７】
図４Ａの例では、梁１０９は複数の指形小片１２５を含む。指形小片１２５は、すべて同じ長さを有してもよく、または異なる長さを有してもよい。示された実施形態では、梁１０９は２つの指形小片１２５を含む。各指形小片１２５は、それに実装された電極を有してもよい。しかしながら、代わりの構造も可能である。例えば、いくつかの実施形態では、片持ち梁の指形小片のうちの１つ、すべてより少ない、は、関連する電気接点を有する。
【００５８】
図４Ａは、ＭＥＭＳスイッチのゲート電極および分離したコイルの相対的構成の非限定的な例を図示する。この例では、コイル１１７はゲート電極１１５の上にあり、両者は片持ち梁１０９の自由端の下の基板１１１上に形成されている。この例では、コイル１１７は複数巻の単一層を備え、ゲート電極１１５と同じように基板１１１上に実質的に同じ表面積（または設置面積）を占める。しかしながら、ゲート電極がコイルより大きな表面積を占めるか、またはその逆のような代替が可能である。図示の実施形態は、ゲート電極１１５の上方に配備されたコイル１１７を有するが、コイル１１７と片持ち梁１０９との間にゲート電極を有する別の構成も可能である。
【００５９】
一実施形態では、ゲート電極１１５および磁気コイル１１７は、銅、銀または導電性合金などの同じ導電性材料から形成される。別の実施形態では、ゲート電極１１５および磁気コイル１１７は、異なる材料から形成される。
【００６０】
ＭＥＭＳスイッチ４００は、図２に関連して前述した様態で動作してもよい。すなわち、スイッチ４００は、ゲート電極１１５を使用して片持ち梁１０９に静電力を印加することによって閉じられてもよく、かつ静電力をオフにし、コイル１１７を使用して反発電磁力を印加ことによって開かれてもよい。
【００６１】
図４Ｂは、図４ＡのＭＥＭＳスイッチの代替を示す。図４Ｂにおいて、ＭＥＭＳスイッチ４０２は、ゲート電極１１５の両側に配置された２つのコイル１１７を有する。すなわち、ゲート電極は２つのコイル１１７の間に位置する。一実施形態では、１つ以上のコイル１１７は、梁１０９の中央に位置合わせされたゲート電極１１５の両側にある。別の実施形態では、１つ以上のコイル１１７は、ゲート電極１１５の片側にある。図４Ｂは２つの分離したコイル１１７を図示しているが、いくつかの実施形態では、２つの図示されたコイルは単一のコイルの部分を表してもよいことを理解されたい。こうして、本出願の態様は、ＭＥＭＳスイッチを開くための反発力を発生させるように位置する２つ以上の部分を備えたコイルを有するＭＥＭＳスイッチを提供する。
【００６２】
ゲート電極およびコイルのさらなる代替構成は、図４Ａ〜４Ｂに図示されたものを越えて可能である。例えば、図４Ｂはコイル間に配備されたゲート電極を図示しているが、代替的な構成は、ゲート電極の同じ側に配備された複数の部分を有するコイルを有する。別の代替構成は、複数のゲート電極１１５を有する。例えば、複数のゲート電極は、コイルの反対側に配備されてもよい。複数のゲート電極１１５または磁気コイル１１７を有する実施形態では、単一の電圧源がゲート電極１１５または磁気コイル１１７に電力供給するのに用いられてもよい。別の実施形態では、複数の電圧源がゲート電極１１５または磁気コイル１１７に電力供給するのに用いられてもよく、電圧源はタイミングシステムを使用して制御されてもよい。
【００６３】
上述のように、ＭＥＭＳスイッチのコイルに対してゲート電極を位置決めするための様々な構成が可能である。図５Ａ〜５Ｃは、様々な非限定的な例を図示する。
【００６４】
図５Ａは、コイル１１７と面内（または「同一平面上」）のゲート電極１１５の例を示す。一実施形態では、コイル１１７がゲート電極１１５を取り囲む。別の実施形態では、ゲート電極１１５が磁気コイル１１７を取り囲んでもよい。
【００６５】
図５Ｂは、コイル１１７が１つ以上の層を有してもよい非限定的な例を図示する。示されるような多層アプローチを使用することは、同じ設置面積を有する単一層構造で得ることができるよりも長いコイル長を達成することを可能にし得る。例えば、図５Ｂに示すコイル１１７の長さは、０．５〜１０ｍｍの間であってもよい。１つ以上の層のそれぞれは、同じ巻数を有してもよいし、または異なる巻数を有してもよい。コイルが多層構造であるとき、コイル１１７は、ゲート電極１１５と同一平面上の１つの層、ならびにゲート電極１１５の上または下のいずれかの１つの層を有してもよい。
【００６６】
図５Ｃは、コイル１１７がゲート電極１１５の下に位置する１回転以上の巻線を備える非限定的な例を図示する。別の実施形態では、磁気コイル１１７は、ゲート電極１１５の上に位置する。
【００６７】
図５Ａ〜５Ｃの例のいずれにおいても、コイル１１７の層は、楕円形、矩形、または他の任意の形状の巻線を含んでもよい。一実施形態では、コイル１１７は、０．１〜２μｍの厚さを有するワイヤで構成される。
【００６８】
上述のように、本出願の一態様によれば、ＭＥＭＳスイッチは、組み合わされたゲート電極およびコイルとして動作する作動構造または構成要素を有して提供される。図６は、非限定的な例を図示する。ＭＥＭＳスイッチ６００は、前述したＭＥＭＳスイッチ４００の多くの同じ構成要素を含む。したがって、それらの構成要素は、ここで再び詳細に説明されない。しかしながら、ＭＥＭＳスイッチ６００は、組み合わされたゲート電極およびコイルとして動作可能な作動構成要素１３１を有する点で異なる。作動構成要素１３１は、静電力を発生させるための（例えば、片持ち梁１０９を誘引することによってスイッチ６００を閉じるための）ゲート電極としてある期間動作され、かつ電磁力を発生させるための（例えば、片持ち梁１０９をはね返すことによってスイッチ６００を開くための）コイルとして異なる期間動作されてもよい。示されるように、作動構成要素１３１は、コイルとして形作られてもよい。これは、図７に関連して以下に説明されるように、２つの異なる動作モードを得るために適切な方法で回路に電気的に連結可能であり得る。
【００６９】
図７は、作動構成要素１３１を備え、作動構成要素１３１をゲート電極およびコイルの両方として動作させるのに適した回路７００の概略図を示す。この非限定的な例において、回路７００は、抵抗ＲＣ、キャパシタＣ１、チャージポンプＶ、第１および第２の位置（図中、１および２で示す）を有するスイッチＳ１、および第１および第２の位置（図中、１および２で示す）を有するスイッチＳ２を備える。一実施形態では、回路は、初期状態（ｔ＝０）でスイッチＳ１およびＳ２は第１の位置を有し、スイッチは異なる状態でそれぞれの第２の位置に切り替えられてもよい。回路７００の動作は、動作の２つの状態（またはモード）に対応する回路表現を図示する図８Ａおよび８Ｂから理解し得る。
【００７０】
図８Ａに示す構成では、回路７００は、作動構成要素１３１をゲート電極として動作させ得る。すなわち、作動構成要素１３１は、ＶとＲＣとの間のノードに連結され、こうして定電圧を受ける。こうして、作動構成要素１３１は、梁１０９に静電力を働かせる電界を生成する。また、キャパシタＣ１は充電される。
【００７１】
図８Ｂは、回路７００のスイッチＳ１およびＳ２がそれぞれの第２の状態に切り替えられたときに得られる回路を図示する。ここで、回路は、抵抗器Ｒ１、キャパシタＣ１、および作動構成要素１３１を表すインダクタＬ１を備える。この構成では、キャパシタＣ１が放電し、磁界を発生させるインダクタＬ１を通る電流を提供する。一実施形態では、回路７００は、キャパシタＣ１が完全に放電するまで、この構成のままである。別の実施形態では、回路は、キャパシタＣ１が一部だけ放電したとき、スイッチＳ１、Ｓ２を第１の構成に移動させる。一実施形態では、抵抗ＲＣは１０ｋ〜１００ＭΩの値を有し、キャパシタは１ｎ〜１００μＦの値を有し、チャージポンプは３０〜１５０Ｖの電圧を印加してもよい。
【００７２】
回路７００のスイッチングは、時限スケジュールまたは電荷蓄積に基づいてもよい。一実施形態では、回路７００は、回路７００にスイッチＳ１、Ｓ２の第１および第２のスイッチ位置の間で交代させるデューティサイクルを有する。第２の実施形態では、回路７００は、キャパシタＣ１が完全に充電された後に第１および第２モードの間でスイッチするように構成されてもよく、キャパシタＣ１が完全に放電した後スイッチバックするように構成されてもよい。別の実施形態では、回路７００は、キャパシタＣ１が完全に充電および放電するときにスイッチするように時間決めされてもよい。
【００７３】
一実施形態では、回路１３１は各構成で一回動作し、キャパシタＣ１は、スイッチＳ１、Ｓ２が第２の位置に移動する前に一部放電するように構成されてもよい。代わりに、キャパシタＣ１およびチャージポンプＶは、バッテリ、電気幹線、またはテブナン回路などの電圧源で置き換えられてもよい。
【００７４】
別の実施形態では、回路７００は、各構成間でスイッチし、コンデンサＣ１は、各スイッチングサイクル中に完全に充電および放電する。スイッチング間の時間はアプリケーションに依存し、５μｓから数年の範囲に及んでもよい。
【００７５】
チャージポンプＶは、制御システムによって調節される直流電圧源である。システムの制御は、回路７００を手動で接続すること、または回路７００を調節するために制御システムを使用することを含んでもよい。
【００７６】
回路７００は、任意の適切な様態で実装されてもよい。いくつかの実施形態では、回路７００の構成要素は基板１１１上に形成される。代替の実施形態では、１つ以上の回路７００の構成要素がオフチップで形成される。それ故に、様々な構成が可能である。
【００７７】
上記の実施形態は、単極単投スイッチのような単一の片持ち梁１０９を記載しているが、限定はされないが、単極双投スイッチ、および双極単投スイッチを含めて、とりわけ他のスイッチタイプにおいて電磁的に作動されるスイッチが適用されてもよい。加えて、上記の実施形態では、静電力でスイッチを閉じ、電磁力でスイッチを開くことを説明したが、電磁力でスイッチを閉じ、反発静電力でスイッチを開くことも可能である。
【００７８】
「おおよそ（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」および「約（ａｂｏｕｔ）」という用語は、いくつかの実施形態では目標値の±２０％以内を、いくつかの実施形態では目標値の±１０％以内を、いくつかの実施形態では目標値の±５％以内を、およびいくつかの実施形態ではさらに目標値の±２％以内を、意味するために使用されてもよい。「おおよそ（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」および「約（ａｂｏｕｔ）」という用語は、目標値を含んでもよい。
【００７９】
特許請求の対象：
【符号の説明】
【００８０】
７      固定材
８      自由端
９      梁
１１    基板
１３    電気接点
１５    ゲート電極
１７    磁気コイル
２５    電気接点
２７    無線周波数（ＲＦ）信号源
１００  スイッチ
１０９  梁
１１１  基板
１１３  電気接点
１１５  ゲート電極
１１７  磁気コイル
１２３  接点
１２５  指形小片
１３１  作動構成要素
４００  スイッチ
４０２  スイッチ
６００  スイッチ
７００  回路
【図１Ａ】
2019021631.tif 000013
【図１Ｂ】
2019021631.tif 000014
【図２】
2019021631.tif 000015
【図３】
2019021631.tif 000016
【図４Ａ】
2019021631.tif 000017
【図４Ｂ】
2019021631.tif 000018
【図５Ａ】
2019021631.tif 000019
【図５Ｂ】
2019021631.tif 000020
【図５Ｃ】
2019021631.tif 000021
【図６】
2019021631.tif 000022
【図７】
2019021631.tif 000023
【図８Ａ】
2019021631.tif 000024
【図８Ｂ】
2019021631.tif 000025
【外国語明細書】
2019021631000001.pdf