(57)【要約】【課題】従来の半導体型ＲＦスイッチにおいては、高い周波数帯域において、求められる挿入損失と絶縁性を満足していなかった。また、従来の静電型ＲＦスイッチにおいては、挿入損失は小さいが、機械的なスイッチングに必要な実用的な変位量をうるためには、数１０〜１００Ｖの電圧が必要であり、コストアップの問題があった。さらに、従来の圧電型ＲＦスイッチは、低電圧で挿入損失が小さいが、素子の反り量が大きいという問題、および変位量が小さいという課題を有していた。【解決手段】本発明は、圧電素子を用いたＲＦスイッチにおいて、強誘電体素子を用いたＲＦスイッチにおいて、前記強誘電体素子が少なくとも二箇所のセグメントに分割され、隣接するセグメントにおける強誘電体素子の自発分極の方向が互いに概略反対方向であることを特徴とする。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強誘電体素子を用いたスイッチング素子であって、強誘電体素子と、強誘電体素子に電界を与えるための複数の一対の電極とを含み、前記強誘電体素子が少なくとも二箇所のセグメントに分割され、隣接するセグメントにおける強誘電体素子の自発分極の方向が互いに概略反対方向であることを特徴とするスイッチング素子。
【請求項２】
前記強誘電体素子が薄膜プロセスによって形成されることを特徴とする請求項１に記載のスイッチング素子。
【請求項３】
前記強誘電体素子の両端の変位が固定されていることを特徴とする請求項１に記載のスイッチング素子。
【請求項４】
前記一対の電極のうち、少なくとも一方の電極が、前記強誘電体の少なくとも二箇所のセグメントの位置に対応して形で分離していることを特徴とする請求項１に記載のスイッチング素子。
【請求項５】
前記強誘電体素子がＭｇＯ基板上に形成されることを特徴とする請求項１に記載のスイッチング素子。
【請求項６】
前記強誘電体素子がシリコン基板上に形成されることを特徴とする請求項１に記載のスイッチング素子。
【請求項７】
強誘電体素子を用いたスイッチングシステムにおいて、強誘電体素子と、この強誘電体素子に電界を印加するための複数の電極対と、この電極対に電力を供給するための電気配線と、アンテナと送受信用高周波回路を電気的に接続させるための電極対と、前記強誘電体素子を含むスイッチング素子と前記高周波回路とを整合するためのカップラーと、を含み、前記強誘電体素子が少なくとも二箇所のセグメントに分割され、隣接するセグメントにおける強誘電体素子の自発分極の方向が互いに概略反対方向であることを特徴とするスイッチングシステム。
【請求項８】
前記スイッチングシステムが高周波遮蔽材料によりパッケージングされたことを特徴とする請求項７に記載のスイッチングシステム。
【請求項９】
前記高周波遮蔽材料がガラスもしくは溶融シリカからなることを特徴とする請求項７に記載のスイッチングシステム。
【請求項１０】
前記強誘電体素子が薄膜プロセスによって形成されることを特徴とする請求項７に記載のスイッチングシステム。
【請求項１１】
前記強誘電体素子の両端の変位が固定されていることを特徴とする請求項
７に記載のスイッチングシステム。
【請求項１２】
前記一対の電極のうち、少なくとも一方の電極が、前記強誘電体の少なくとも二箇所のセグメントの位置に対応して形で分離していることを特徴とする請求項７に記載のスイッチングシステム。
【請求項１３】
前記強誘電体素子がＭｇＯ基板上に形成されることを特徴とする請求項７に記載のスイッチングシステム。
【請求項１４】
前記強誘電体素子がシリコン基板上に形成されることを特徴とする請求項７に記載のスイッチング素子。
【請求項１５】
強誘電体素子を用いたスイッチング素子であって、強誘電体素子と、強誘電体素子を含む第一の可動部と、第一の可動部と連結する２本からなって対をなし、強誘電体素子を含む第二の可動部と、前記第一の可動部および前記第二の可動部に電界を印加するための複数の電極対とを含み、前記各々の可動部における強誘電体素子が、それぞれ少なくとも二箇所のセグメントに分割され、隣接するセグメントにおける強誘電体素子の自発分極の方向が互いに概略反対方向であることを特徴とするスイッチング素子。
【請求項１６】
前記第一の可動部が、前記第二の可動部における最大変位部において、第二の可動部と連結することを特徴とする請求項１５に記載のスイッチング素子。
【請求項１７】
強誘電体素子を用いたスイッチングシステムであって、強誘電体素子と、強誘電体素子を含む第一の可動部と、第一の可動部と連結する２本からなって対をなし、強誘電体素子を含む第二の可動部と、前記第一の可動部および前記第二の可動部に電界を印加するための複数の電極対と、これらの電極対に電力を供給するための電気配線と、アンテナと送受信用高周波回路を電気的に接続させるための電極対と、前記強誘電体素子を含むスイッチング素子と前記高周波回路とを整合するためのカップラーと、を含み、前記各々の可動部における強誘電体素子が、それぞれ少なくとも二箇所のセグメントに分割され、隣接するセグメントにおける強誘電体素子の自発分極の方向が互いに概略反対方向であることを特徴とするスイッチングシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロマシンスイッチング素子に関し、ギガヘルツ以上の高い周波数帯域における、挿入損失の少ないスイッチング素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年電気通信システム、特に移動電話もしくは無線セルラ電話の発展が著しい。たとえば、ＴＤＭＡ方式の通信システムにおいては、アンテナを介してＧＨｚ周波数帯域のＲＦ信号の送受信が行われる。これらのシステムにおいては、通常、ひとつのアンテナが、送信段における出力と、受信段の入力のために、交互に使用される。したがって、このようなシステムにおけるスイッチに求められる性能は、接続時の電気抵抗が十分小さいこと、および、切断時の絶縁性が十分高いことである。電気抵抗が十分小さくなければ、ジュール熱による発熱によって挿入損失が生まれ、消費電力が大きくなる。また、絶縁性が低いと送受信の二つの回路の信号が干渉して、ノイズを発生してしまう。
【０００３】
従来のスイッチング素子としては、たとえばＰＩＮダイオードを用いた電気的なスイッチングシステムが使われている。ところが、このような半導体スイッチは、ＲＦ信号の周波数帯域が大きくなるほど電気抵抗が大きくなり、損失を招くことが分かっている。
【０００４】
また、ＰＩＮダイオードの損失は、実用的な２ＧＨｚの周波数において、１から１．５ｄＢ程度ある。また、絶縁性は４０ｄＢ以上が望まれるのに対し、現状のＰＩＮでは１５〜２５ｄＢ程度と不充分である。そのため、今後、さらに高周波数化していくことが予想されているこの分野の産業において、挿入損失が少なく、絶縁性の高いスイッチング素子が求められていた（例えば特許文献１を参照）。
【０００５】
そこで、（特許文献１）の例に見られるようなマイクロマシンシステムを用いたスイッチング素子が提案された。この例においてはスイッチングは電気的ではなく、機械的に行われるため、ＲＦ回路とのインピーダンスの整合がなされていれば、高い周波数帯域での損失や絶縁性が半導体スイッチに比較して、大きく改善される。
【０００６】
しかしながら、この例に見られるような静電型のスイッチにおいては、機械的なスイッチングに必要な実用的な変位量をうるためには、数１０Ｖの電圧が必要である。通常、移動電話においては、５Ｖ以下の電源が用いられているので、２５〜１００Ｖの電圧を得るには昇圧器が必要となり、サイズの増大、コストアップを招くという問題があった。
【０００７】
そこで、静電型よりもはるかに小さな数Ｖの電圧でスイッチングに必要な変位を得ることができる圧電素子型が開発された（例えば特許文献２，特許文献３を参照）。この例においては、変位部の一端のみを機械的に拘束し、他端を自由端とする、いわゆる片持ち梁の形態が示されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−３４８５９５号公報（第５頁、図１）
【特許文献２】
特開平１１―３４０７０２号公報（第２〜５図）
【特許文献３】
特開２０００−３４８５９４号公報（図１）
【非特許文献１】
Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  ２２，  Ｓｕｐｐｌ．２，  １５４  （１９８３）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の（特許文献１〜３）の例では、自由端が応力により反ってしまい、スイッチの平面度を損なうという、実用的な完成物を製作する際の課題を有していた。
【００１０】
さらに、上述のような片持ち梁構成の圧電アクチュエータの欠点を改善するために、両持ち梁構成の圧電アクチュエータが自然に導かれる（例えば非特許文献１を参照）が、この構成においては、可動部の両端が固定されているために、ほとんど変位することができないということは自明である。
【００１１】
これに対して（非特許文献１）においては、このような両持ち梁構成のアクチュエータの変位特性を改善するために、両端の固定方法に工夫が凝らされているが、この方法によって改善される変位量はさほど大きくないし、モーメントを発生させるための、固定端における接点は、ある程度の大きさを必要とし、現実的な試作も困難で、さらにコストアップを招くため、アクチュエータの量産には不向きである。
【００１２】
本発明の目的は、上述したような従来の課題を解決するスイッチング素子を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
そのため、本発明は、強誘電体素子を用いたスイッチング素子において、前記強誘電体素子が少なくとも二箇所のセグメントに分割され、隣接するセグメントにおける強誘電体素子の自発分極の方向が互いに概略反対方向であることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
この目的のために、本発明におけるスイッチング素子は、強誘電体素子を用いたスイッチング素子において、前記強誘電体素子が少なくとも二箇所のセグメントに分割され、隣接するセグメントにおける強誘電体素子の自発分極の方向が互いに概略反対方向であることによって特徴づけられる。
【００１５】
本発明のひとつの形態においては、半導体プロセスにより成膜されるＰＺＴ薄膜に弾性板と電極膜を重ねて成膜したユニモルフ型の圧電アクチュエータによってスイッチの主要部分が形成される。電極に電位差を与えることにより、ＰＺＴ薄膜はその電界に応じて応力を発生する。発生した応力によりアクチュエータがどのように変位するかは、強誘電体素子の弾性定数、圧電定数、および弾性板の弾性定数、そして、アクチュエータにおける変位に対する境界条件によって異なる。本発明の好適な実施例を示すために、たとえば、次式の弾性コンプライアンスＳ、圧電歪定数ｄ、誘電率ε、によって表されるＰＺＴ素子を用いた例について、図１を用いて説明する。
【００１６】
このような圧電歪定数をもつＰＺＴ素子を（００１）面を膜面として用いる。（００１）面とｘｙｚ座標軸におけるｚ軸を同一方向に選ぶ。ＰＺＴ素子をあらかじめ＋ｚ方向に分極処理しておくと、＋ｚ方向に弾性板を重ねて形成した場合、＋ｚ方向の電界の印加によりｘ方向における収縮を発生し、結果として−ｚ方向への変位を生ずる。逆に−ｚ方向の電界を印加するとｘ方向において伸張を示し、結果として＋ｚ方向への変位を生ずる。このようにして、弾性板として適当な弾性定数をもつ材質を選択することにより、アクチュエータとして適量の変位を得ることが可能である。
【００１７】
【数１】
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図１に示す例においては、強誘電体素子２３、および弾性板２２が重ねて形成され、基板６上に固定部２６によって固定されることにより、アクチュエータの一端が力学的に固定され、他端が自由であるような、いわゆる、片持ち梁構成のアクチュエータが形成される。電源２１により強誘電体素子膜の両面に形成される電極膜（図示しない）を通じて、膜面に垂直な−ｚ方向の電界を印加することにより、ｘ方向における伸張を生じる。この伸張は一方の固定端の存在により、多端にモーメントを生じさせ、その結果、アクチュエータは図１のように変位する。このような変位の特徴は、可動部の両端が固定される両持ち梁構成においては、モーメントを発生することができないので現れない。
【００１８】
ところで、強誘電体は、その特徴として、電界によって分極方向を変えることができる。はじめにある方向に分極処理された強誘電体に、その分極と反対方向の電界を与えると、ある大きさ以上の電界で強誘電体のグレインの分極方向がすべて反転することが知られている。この臨界電界は抗電界とよばれており、一般的に、数ｋＶ／ｃｍから１０数ｋＶ／ｃｍの範囲である。したがって、抗電界による分極反転処理をほどこされた強誘電体を含むアクチュエータは前記の例と同方向の電界を印加すると、前記の例と全く反対の方向に変位する。そのときにアクチュエータに与える電界強度は抗電界より小さい値であることは言うまでもない。さもなければ、再び分極反転が起こり、もとの分極方向に戻ってしまうからである。
【００１９】
そこで、本発明のひとつの形態においては、アクチュエータ両端における固定部が基板と連結するようにパターニングされた両持ち梁構成の一本の可動部が設けられる。可動部は強誘電体素子膜、電極、弾性板、および絶縁層からなる。強誘電体素子膜を挟むように一対の電極が形成される。一対の電極のうちの少なくとも一方は、複数に分割・分離して形成される。実際のアクチュエータとして機能させるために、次の前処理を施す。すなわち、分割された電極のうち、隣接する電極の初期分極が概略反対になるような電界を与える。そのようにすることにより、強誘電体素子は分割された電極の形に対応した自発分極の反転分布を示す。この前処理の後、強誘電体素子全体に同一方向の電界を与える。
【００２０】
図４に本発明におけるひとつの形態をあらわす斜視図を示す。アクチュエータ、すなわち可動部１は固定部２６において基板６と連結する。基板６にはスペーサ１４を介してＲＦ信号ラインを含む上部基板１５が密着する。上部基板１５は高周波回路に連結する端子１２と送受信アンテナ１１を電気的に接続するためのギャップ電極１３を含む。
【００２１】
図５は可動部１および固定部２６を横切る断面を見た断面図である。可動部１の最上面はコンタクト電極３１が形成されており、可動部１の変位によってコンタクト電極３１がギャップ電極１３のギャップに接触することにより、ＲＦ回路とアンテナが短絡する。
【００２２】
可動部１は強誘電体素子２３とそれに電界を与えるための下部電極と上部電極から構成される。図２は下部電極を含む層を示す。下部電極７は可動部１と同じ形状にパターニングされてひとつの電極を形成する。下部電極７はは配線部を通じてコンタクト３と接続し、電源と電気的に接続する。図３は上部電極を含む層を示す。上部電極は、可動部１の長手方向の概略１／４と３／４の位置で分割され、接地電極１０および信号電極９を形成する。それぞれの電極は配線部を通じてコンタクト４および５と接続する。接地電極１０と信号電極９は好ましくは絶縁層により被覆される。
【００２３】
図６および図７に、前記前処理の方法について示す。下部電極７の上に強誘電体素子２３が形成され、その上に上部電極９および１０が形成され、その上にさらに、弾性板２２が形成される。下部電極および上部電極９を接地し、上部電極１０だけに正の電位をその電界強度が抗電界を超えるように印加する。ＧＮＤはゼロ電位を、ＨＩＧＨは正の電位を表す。このとき、上部電極９には上部電極１０との境界近傍を除いてほぼ存在せず、上部電極１０では電界６０の方向は図面下方へ向くので、強誘電体素子２３の分極方向１６１も下方を向く。
【００２４】
次に、図７のように、下部電極、および上部電極１０を接地し、上部電極９のみに負の電位を与える。ＬＯＷは負の電位を表す。このとき、上部電極１０では、上部電極９との境界近傍以外では電界がほぼ存在せず、上部電極９では、電界６０は図中上方を向くため、強誘電体２３の分極方向１６１も上方を向く。
【００２５】
以上が本発明における、強誘電体素子の前処理である。これにより、隣接する二つの電極９および１０の形状に対応して、強誘電体素子２３の自発分極の反転分布が得られる。この状態において、図８に示すように、下部電極を接地し、二つの上部電極はいずれも正の電位を与える。ＧＮＤはゼロ電位を、ＨＩＧＨは正の電位を表す。このとき上部電極９と下部電極７とに挟まれた空間においては、強誘電体素子２３の分極方向１６１が図中上向きであり、電界６０が下向きであるので、強誘電体素子は伸張を呈し、下に凸な形に変形する。一方、上部電極対１０と下部電極７に挟まれた空間においては、強誘電体素子２３の分極方向１６１が図中下向きであり、電界６０が下向きに与えられるので、強誘電体素子２３は収縮を呈し、上に凸な形に変形する。両方の効果が組み合わさり、全体として最大高さを持つように変位部が変形する。
【００２６】
このようにすると、変位部の概略中央部に変曲点が形成されることから、最大変位の部分がほぼ水平となるという効果を有する。この特徴は、高周波回路とアンテナを短絡しようとするときに、最大変位部とギャップ電極との、より良好な接触を実現するという利点をもたらす。
【００２７】
このように、本発明は、変位部の両端が固定されているため、膜状の変位部を形成しても、片持ち梁構成では課題であった膜反りが抑制されると同時に、片持ち梁構成のスイッチと同様な変位量を得ることができるという効果を有する。さらに、本発明は、変位部に変曲点を持つことから、ＲＦ回路の短絡部におけるより良好な接触を実現するという効果を有する。
【００２８】
本発明の別の形態においては、前記変位部を３つ組み合わせてさらに、変位量を大きくすることができる。図１１にこの別の形態におけるスイッチング素子の斜視図を示す。第一の変位部１は２本からなる第二の可動部６１および６２の概略中央で第二の可動部６１および６２と連結する。固定部２６は第二の可動部６１および６２のみに設けられ、基板６と連結する。
【００２９】
図９に下部電極層を示す。下部電極７はひとつで形成される。図１０に上部電極層を示す。上部電極は前記の形態と同様に、二つの電極９および１０から構成される。上部電極９および１０は絶縁のために分割・分離されて、望ましくは絶縁層を被覆されて隣接する。上部電極９および１０はそれぞれの可動部１、６１、および６２において、前記の形態と同様にそれぞれ概略長さ１／４と３／４の位置で分割される。この形態においては、第二の可動部の概略中央部において、第一の可動部が接続するため、第一の可動部の最下点が第二の可動部の最大変位部となる。すなわち、第一の変位部は第二の変位部の最高点から相対的に変位する。従って、第一の変位部の基板からの絶対変位量は第二の変位部を持たない場合よりも、さらに大きくなるという効果がある。
【００３０】
本発明の別の形態においては、前記強誘電体素子が薄膜プロセスによって形成されることを特徴とする。強誘電体素子が薄膜であることにより、低い電圧でも高い電界強度を得ることが可能となり、特に移動電話に用いる際に通常要求される低電圧駆動の条件を満たすという長所をもつ。また、薄膜プロセスを用いることにより、同様に要求される小型化、低価格化をも同時に満足する。
【００３１】
【実施例】
（実施例１）
本発明の好適な実施例を図５、６、および７を用いて以下に説明する。単結晶ＭｇＯ基板６上にＰｔ層の下部電極７、８、およびコンタクト２，３をフォトリソグラフによりパターニングし、その上に強誘電体素子としてＰＬＴ／ＰＺＴ薄膜２３を１μｍ成長させた。続いて、Ｃｒ層の上部電極９，１０およびコンタクト５，４を形成した。絶縁層としての機能を兼ね備えるＳｉＯ２層の弾性板２２を１μｍ成膜し、最後にＲＦ回路とアンテナを短絡させるための接触電極１３をＴｉ層により形成した。ＰＺＴ層の可動部を形成するために、ＭｇＯ基板を熱燐酸によりエッチングし、キャビティ６５を形成した。
【００３２】
アクチュエータの形状として、図４に示すような、ただ一つの可動部をもつものを、上記方法によって作製した。素子外寸は１ｍｍの正方形で、可動部は長さ０．８ｍｍ、幅０．１ｍｍとなるよう形成した。このアクチュエータにおいて、上部および下部電極に３Ｖの電圧を印加して、レーザードップラー装置により、その最大変位を計測した。その結果、変位部中央において約４．４μｍの最大変位を得た。最大変位までの応答速度はおよそ４０μｓであった。挿入損失は周波数が２ＧＨｚにおいて約０．２ｄＢ、２０ＧＨｚにおいて約０．５ｄＢであった。アイソレーションは周波数２ＧＨｚにおいて約５０ｄＢ、２０ＧＨｚにおいて約４０ｄＢであった。
【００３３】
（実施例２）
別の実施例として、図８に示すような、二つの可動部をもつものを、上記と同様な方法によって作製した。弾性板には１μｍ厚のポリイミドを用いた。素子外寸は１ｍｍの正方形で、可動部は長さ０．８ｍｍ、幅０．１ｍｍとした。第一の可動部は一対の第二の可動部の中央部で連結するようにパターニングした。このアクチュエータにおいて、上部および下部電極に３Ｖの電圧を印加したところ、第一の可動部の中央部において、６．５μｍの最大変位を得た。応答速度はおよそ６０μｓであった。挿入損失は周波数が２ＧＨｚにおいて約０．２ｄＢ、２０ＧＨｚにおいて約０．５ｄＢであった。アイソレーションは周波数２ＧＨｚにおいて約５０ｄＢ、２０ＧＨｚにおいて約４０ｄＢであった。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によるスイッチング素子は、従来、半導体スイッチにおいて課題であった、高周波帯域での挿入損失を低減することを可能とする。また、本発明は、従来のマイクロマシンスイッチにおいて課題であった、膜反りの解決と変位改善という両立しない課題を一度に改善する効果を有する。さらに、本発明は、アクチュエータに変曲点を持たせることにより、スイッチ接点における良好な接触をもたらし、低い電気抵抗有するという効果を有する。
【００３５】
なお、上記の例は、好適な例を示したにすぎず、本発明による電界印加方法は、いかなる形状のアクチュエータにも適用可能である。また、電界印加方法は直流であっても交流であってもよい。下部電極は共通のひとつの電極で構成される必要はなく、上部電極と同様の形状で分割されていてもよい。さらに、下部電極が分割され、上部電極が共通のひとつの電極で構成されてもよい。
【００３６】
さらに、強誘電体素子としては上記のような材質で圧電パラメータをもつものを選んだが、どのような圧電材料であっても、どのような圧電パラメータであっても、電界方向の正しい選択により、同様の効果が得られることは言うまでもない。さらに、弾性板の選択もスイッチの設計によって任意であって、強誘電体素子との適当な組み合わせにより、上記と同様な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のスイッチング素子斜視図
【図２】本発明による電界印加用電極（下部電極）の正面図
【図３】本発明による電界印加用電極（上部電極）の正面図
【図４】本発明によるスイッチング素子斜視図
【図５】本発明によるスイッチング素子断面図
【図６】本発明によるスイッチング素子の変位状態を表す断面図
【図７】本発明による別の形態におけるスイッチング素子の正面図
【図８】本発明による別の形態におけるスイッチング素子の斜視図
【図９】本発明による別の形態におけるスイッチング素子の平面図
【図１０】本発明による別の形態におけるスイッチング素子の平面図
【図１１】本発明による別の形態におけるスイッチング素子の斜視図
【符号の説明】
１  可動部（第一の可動部）
２  下部電極におけるＬＯＷ電極のコンタクト
３  下部電極におけるＨＩＧＨ電極のコンタクト
４  上部電極におけるＬＯＷ電極のコンタクト
５  上部電極におけるＨＩＧＨ電極のコンタクト
６  基板
７  下部電極におけるＬＯＷ電極
８  下部電極におけるＨＩＧＨ電極
９  上部電極におけるＨＩＧＨ電極
１０  上部電極におけるＬＯＷ電極
１１  アンテナ
１２  ＲＦ回路への端子
１３  ギャップ電極
１４  スペーサ
１５  上部基板
２１  電源
２２  弾性板
２３  強誘電体素子
２４  分極方向
２６  固定部
３１  コンタクト電極
６０  電界
６１  第二の可動部
６２  第二の可動部
６３  引出し線
６４  引出し線
６５  キャビティ
１６１  分極方向
【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】
2004158769.tif 000012
【図１０】
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【図１１】
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