(57)【要約】【課題】応答時間の短縮および印加電圧の低電圧化が実現できるスイッチを提供する。【解決手段】互いに僅かに離れた間隔で配置された第１の梁１、第２の梁２および第３の梁に静電力を印加させるために独立に直流電位を与えるための電圧印加手段と、各梁に交流信号を入出力するための各梁に設けた電極４〜９とで構成され、静電力によって各梁１〜３の位置を変化させ、梁１〜３間の容量を変化させる。第１の梁１および第２の梁２の間に静電力を発生させ、両方の梁を可動させることで、梁１、２が高速に電気的に結合することができる。また、第２の梁２に対面して配置してある第３の梁３に静電力を発生させ、第１の梁１および第２の梁２に予め近づけておき、第１の梁１および第２の梁２の間の静電力を解除すると第２の梁が第３の梁側に移動して第１の梁および第２の梁の電気的な結合が解除する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに一定の間隔で配置された第１、第２、第３の梁と、前記第１、第２、第３の梁の各々に直流電位を与えて前記第１、第２、第３の梁に駆動力を印加させる電圧印加手段とを備えたことを特徴とするスイッチ。
【請求項２】
スイッチをオンする場合は、前記電圧印加手段によって前記第１の梁および第２の梁の間に駆動力を発生させて第１の梁と第２の梁を接触させて電気的に結合させ、スイッチをオフする場合は、前記第２の梁および第３の梁の間に駆動力を発生させて第１の梁と第２の梁を離間させることを特徴とする請求項１記載のスイッチ。
【請求項３】
前記第１、第２、第３の梁の間隔が所定のアイソレーションを満たす間隔で配置されていることを特徴とする請求項１記載のスイッチ。
【請求項４】
前記電圧印加手段は、前記第１、第２、第３の梁に直流電位を一定時間印加することを特徴とする請求項２記載のスイッチ。
【請求項５】
前記第１の梁と第２の梁が電気的に結合してから、前記第３の梁を可動させることを特徴とする請求項２記載のスイッチ。
【請求項６】
前記梁の形状を変化させることで、梁のバネ定数を変化させることを特徴とする請求項１記載のスイッチ。
【請求項７】
前記第２の梁の形状を前記第１、第３の梁と比較して小さくしたことを特徴とした請求項１記載のスイッチ。
【請求項８】
前記第２の梁の形状を前記第１、第３の梁と比較して小さくし、第１と第２の梁が電気的に結合した状態において、第３の梁に第１の梁からの駆動力が印加され、第３の梁が第１、第２の梁側に可動することを特徴とした請求項２記載のスイッチ。
【請求項９】
前記第１と第２の梁が電気的に結合した際に、第１の梁の電位と第２の梁の電位を入れ替えて、前記第３の梁に駆動力を発生させることなく第３の梁を可動させることを特徴とする請求項２記載のスイッチ。
【請求項１０】
前記第２の梁と第３の梁間で高いアイソレーションが必要な場合は、第３の梁に駆動力を発生させず、第３の梁を可動させないことを特徴とする請求項２記載のスイッチ。
【請求項１１】
スイッチをオフする場合、前記第２の梁および第３の梁を結合させることを特徴とする請求項２記載のスイッチ。
【請求項１２】
第１の梁をアンテナ端に接続し、第２の梁を入力端子に接続し、第３の梁を所定の抵抗値で終端することを特徴とする請求項１記載のスイッチ。
【請求項１３】
請求項１記載のスイッチを並列に複数個配置することで、所望のインピーダンスを得ることを特徴とするスイッチ。
【請求項１４】
請求項１記載のスイッチを並列に複数個配置することで、所望の容量を得ることを特徴とするスイッチ。
【請求項１５】
前記第１、第２、第３の梁のいずれかの梁が金属で形成されていることを特徴とする請求項１記載のスイッチ。
【請求項１６】
前記第１、第２、第３の梁が水平方向に配列され、前記第１、第２、第３の梁のいずれかの梁が水平方向に可動することを特徴とする請求項１記載のスイッチ。
【請求項１７】
前記第１、第２、第３の梁が垂直方向に配列され、前記第１、第２、第３の梁のいずれかの梁が垂直方向に可動することを特徴とする請求項１記載のスイッチ。
【請求項１８】
第１の梁とアンテナ端の間、および、第２の梁と入力端子間に容量を配置することを特徴とする請求項１２記載のスイッチ。
【請求項１９】
スイッチを真空中または不活性ガス中で作動させることを特徴とする請求項１記載のスイッチ。
【請求項２０】
請求項１記載のスイッチをアンテナ端に対して対称に複数個配置することを特徴とするスイッチ。
【請求項２１】
前記第１、第２、第３の梁のうち、隣接する２つまたは３つの梁を同じ形状に湾曲させたことを特徴とする請求項１記載のスイッチ。
【請求項２２】
前記第１、第２、第３の梁のいずれかの梁の湾曲形状をＳ字形とした請求項２１記載のスイッチ。
【請求項２３】
前記第１、第２、第３の梁のいずれかの梁の厚みが隣接する梁の厚みと異なることを特徴とする請求項２１記載のスイッチ。
【請求項２４】
前記駆動力が静電力であることを特徴とする請求項１から２３のいずれかに記載のスイッチ。
【請求項２５】
スイッチが半導体プロセスで形成された請求項１から２４のいずれかに記載のスイッチ。
【請求項２６】
基板上に設置された電極と、前記電極に対して接離可能であり、印加される電圧によって内部応力が変化する可動体を構成要素とする可動電極と、前記電極と可動電極間に静電力を発生させる第１の電圧印加手段と、前記可動体に電圧を印加する第２の電圧印加手段とを有することを特徴とするスイッチ。
【請求項２７】
前記可動体が高分子ゲルで構成されたことを特徴とする請求項２６記載のスイッチ。
【請求項２８】
前記可動電極が可動体の表面に導電性材料を形成して構成されたことを特徴とする請求項２６記載のスイッチ。
【請求項２９】
スイッチをオンする場合は、第１の電圧印加手段により可動電極と電極間に静電力を発生させ、第２の電圧印加手段により可動体のばね定数が最小になるように可動体に制御電圧を印加し、スイッチをオフする場合は、第２の電圧印加手段により可動体のばね定数が最大になるように可動体に制御電圧を印加し、第１の電圧印加手段による静電力をオフにすることを特徴とする請求項２６記載のスイッチ。
【請求項３０】
スイッチが半導体プロセスで形成されたことを特徴とする請求項２６記載のスイッチ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電気回路に用いられ、外部から印加した力により電極を機械的に移動させることで信号の通過もしくは遮蔽を行うスイッチに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電気回路に用いられるスイッチとして、従来エアーブリッジを使用したものが知られている。図１６において、１２４は可動するエアーブリッジ、１２６、１２８はそれぞれ基板１２９上に形成された電極で、電極１２６、１２８とエアーブリッジ１２４間に生じさせた静電力によってエアーブリッジ１２４が電極１２６または１２８側に水平移動する。エアーブリッジ１２４に信号を入力させれば、エアーブリッジ１２４と電極１２６または１２８間が電気的に接続され、信号が遮蔽または通過して、スイッチとして動作させる（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
また、図１７に示すようにマイクロエレクトロメカニカルなＲＦスイッチが知られている。マイクロエレクトロメカニカルなＲＦスイッチ２１０は、基板２２１上に複数の折り返しばね懸架装置２２２を形成し、その上にマイクロプラットフォーム２２０を懸架している。このマイクロプラットフォーム２２０の下に信号線が形成されており、信号線とマイクロプラットフォーム２２０間に直流電位が印加されると静電力が発生し、プラットフォーム２２０が信号線にひきつけられる構造を有している。このとき、繰り返しばね構造にすることで、梁を構成する材料の残留内部応力の殆どが、ばねの繰り返し部分で解放され、機械応力バッファとして作用する（例えば特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−８４８８４号公報
【特許文献２】
特開２００１−１４３５９５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１の構成ではエアーブリッジ１２４を静電力で駆動する場合、より大きな信号のアイソレーションを実現するには、電極１２６、１２８とエアーブリッジ１２４の間隔を大きくする必要があるが、静電力は距離の−２乗に比例するため、静電力が小さくなり、応答時間が所望の値を達成することはできない。また静電力の減少を補うために印加電圧を増加させる方法もあるが、低消費電力化、低駆動電圧化が要求される無線通信デバイスにとっては印加電圧を増加させることは好ましくない。
【０００６】
また、エアーブリッジ１２４は直線の梁構造であるため、引張り応力が梁内部に存在すると強く張った弦のように静電力に対する剛性が高くなり、プルイン電圧（静電力による引き込み電圧）が高くなる。また温度が上昇すると梁の内部応力は圧縮に転じて座屈を起こす可能性がある。すなわち製造工程に起因する残留応力や、スイッチ動作時の環境温度を一定に管理できないと、安定したスイッチの動作特性を保証できなくなる。
【０００７】
一方特許文献２におけるマイクロプラットフォーム構造では、信号線と結合する領域と、応力を緩和するための折り返しばね懸架構造部（フレクシャ）に分かれている。つまり、内部応力を緩和させるための付加的な構造が設けられている。ニュ−トンの運動方程式から明らかなように、質量ｍを有した構造体に同じ力を加えた場合、構造体に生じる加速度は質量ｍが小さいほど大きくなる。このため、上記構造ではフレクシャが付加されているために質量ｍが増大しており、応答速度を早くできないという課題を有していた。またフレクシャが柔らかいほどプラットフォーム２２０は支持部の拘束が緩められるため、膜の厚み方向に応力勾配が存在すると、応力解放によりプラットフォーム２２０は反り上がり基板２２１から離れていく。この応力勾配の値を梁の製造工程で精度よく再現できないと、この反りの度合いがばらつき、プラットフォーム２２０と信号線間の容量減少のばらつきとプルイン電圧増大のばらつきを抑えることができなくなる。また、半導体プロセスを用いて製作すると、梁とフレクシャ構造は同一材料の導電体となることから、高周波回路においてはこのフレクシャ部分の回路インピーダンスが無視できなくなる。
【０００８】
また環境温度が変化すれば、基板材料と梁材料の熱膨張係数の差から、熱応力が発生する。この熱応力の発生原因は前述の製造工程における残留応力とは異なるが、同じ「梁の応力解放に伴う歪み」という現象を引き起こすため、静電容量やプルイン電圧に与える影響を考慮しなくてはならない。
【０００９】
本発明は以上の点に鑑みてなされたもので、応答時間の短縮および印加電圧の低電圧化が実現できるスイッチを提供することを目的とする。
【００１０】
また、プルイン電圧増大のばらつきがないスイッチを実現できるスイッチを提供することを目的とする。
【００１１】
また、梁の内部応力の変化によるスイッチ特性の変化を抑制することができるスイッチを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明のスイッチは、互いに僅かに離れた間隔で配置された第１、第２、第３の梁と、前記梁に静電力を印加させるために独立に直流電位を与えるための電圧印加手段と、各梁に交流信号を入出力するための各梁に設けた電極とで構成され、静電力によって各梁の位置を変化させ、梁間の容量を変化させることを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、第１、第２の２つの梁間に静電力を発生させ、第１、第２の梁の両方とも可動させることで、より高速に梁が電気的に結合することができ、かつ高速にオフさせるために、第２の梁に対面して配置してある第３の梁に静電力を発生させ、第１および第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るため、より高速に応答することができる。
【００１４】
また本発明は、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するプルイン電圧の変化を緩和させるとともに、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。
【００１５】
これにより、半導体薄膜プロセスを用いて、低電圧、高速駆動であり、かつ残留応力や熱膨張による特性変化の少ない超小型の可変容量型スイッチを構成することを可能とした。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の骨子は、静電力によって３本の梁の相対位置を変化させ、梁間の容量を変化させることで、電気的に結合または遮蔽するスイッチにおいて、各梁を全て可動にすることで、高速にスイッチングかつ低直流電位での制御が可能な構成を実現することである。
【００１７】
また本構造において、スイッチを構成する梁を湾曲構造とすることで、梁の内部応力変化に対するプルイン電圧の変化を緩和させるとともに、梁の歪みによる梁間の静電容量変化も緩和させることである。
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、図面とともに詳細に説明する。
【００１９】
（実施の形態１）
図１から図３を参照しながら本発明の実施の形態１について説明する。図１に実施の形態１によるスイッチの概略構成図を示す。１は第１の梁、２は第２の梁、３は第３の梁をそれぞれ示す。各梁１、２、３は電気的信号を損失なく伝達するような形状および材質で形成されており、表面には数１０ｎｍ程度の絶縁膜が設けられている。各梁１、２、３は例えばＡｌや銀、銅、合金などの金属からなり、形状は例えば厚み２μｍ、幅２μｍ、長さ２００μｍの両側を固定された両持ち梁構造であり、それぞれ所定のアイソレーションを満たす間隔、例えば、０．６μｍの間隔で平行に配置されている。梁１、２、３は必ずしも両持ち梁構造である必要はなく、片持ち梁でもよい。また、梁１、２、３はその形状を変化させることで、梁のバネ定数を変化させることができる。なお、各梁１、２、３は内部応力を可能な限り小さくできる構成およびプロセスを採る。詳細は後述する。
【００２０】
梁１の両端は電極４、７に、梁２の両端は電極５、８に、梁３の両端は電極６、９にそれぞれ接続されている。
【００２１】
以下説明を容易にするために、例えば、電極５を入力端子として入力信号を印加し、電極７を出力端子としてアンテナ端へ接続し、電極９を５０Ω終端した場合を例に説明する。図２（ａ）に接続回路を、図２（ｂ）にその等価回路を示す。以下の説明において、スイッチＯＮ時とは図２（ａ）において電極５と電極７を接続した状態、スイッチＯＦＦ時とは図２（ａ）において電極５と電極７を遮断して電極５と電極９を接続した状態を言う。
【００２２】
図２（ａ）および図２（ｂ）の構成によれば、スイッチＯＦＦ時において入力端子からみて５０オームに終端されているため反射波が生じない。また、スイッチＯＦＦ時において、Ｃ１のインピーダンスが大きくなり、かつＣ２のインピーダンスが小さくなるため、入力端子から入力した信号は、Ｃ２および５０オーム抵抗を介して接地されるため、アンテナ端としての電極７と入力端子としての電極５間のアイソレーションをより大きくとることができる。この場合、必要に応じて入力信号源と入力端子としての電極５の間、および、出力端子としての電極７とアンテナ端の間に容量を配置してもよい。なお、よりアイソレーションを高くするため、５０オーム抵抗を設けないで直接接地してもよい。
【００２３】
また、電極９を終端しないで他の出力端子に接続し、１入力２出力の分配スイッチを実現することもできる。また、電極５を出力端子、電極７および９をアンテナからの入力端子とすれば２アンテナ入力に対する１出力のセレクタスイッチとすることもできる。
【００２４】
スイッチング動作について、図３を用いながら説明する。図３（ａ）は図１におけるスイッチの各電極４〜９に電圧が印加されていない状態を示す。次に、入力端子からアンテナ端子に信号を結合させるために、図３（ｂ）において、電極４に接続された制御電圧源１０の直流電位を所定の応答時間Ｈｉｇｈに、端子５に接続された制御電圧源１１の直流電位および電極６に接続された制御電圧源１２の直流電位をそれぞれ所定の応答時間Ｌｏｗにすると、梁１と梁２間に静電力が発生するため、梁１と梁２は互いに引き付けあい接触する。
【００２５】
このとき、梁１と梁２は同じ形状にしておき、バネ定数および質量も同じにしておくと、梁１と梁２は中間地点で接触する。この場合は梁１、２のどちらか一方を固定電極にする場合と比べて、同じ静電力で梁１、２間の距離の変位量が２倍変化するため、より高速での応答が可能となり、また同じ応答時間ならより低電圧での制御が可能となる。たとえば、電極４の直流電位を７．２５Ｖにすれば、応答時間が５μＳ以下を達成できるが、片側しか可動させない場合は、応答時間が７．４μＳになり、およそ１．５倍も応答時間が長くなる。逆に応答時間５μＳを達成するためには、印加電圧を１０．３Ｖにしなければならない。
【００２６】
梁１と梁２が接触すると、入力端子である電極５から入力された交流信号は、各梁１、２の表面に設けられた絶縁膜を介して容量的に結合して梁２から梁１へ伝達され、出力端子である電極７へ出力される。
【００２７】
図３（ｂ）の状態で梁３の電極６に接続された制御電圧源１２の直流電位をＨｉｇｈにすると、梁３と梁２間に静電力が発生し、図３（ｃ）のように梁３が梁２の方向に移動する。このとき、梁１、２も同様に梁３方向に移動するが、梁１、２が２本結合しているため、等価的なバネ定数が大きいので移動量は梁３に比べて小さい。ただし電極６に印加する直流電位は梁３がプルインしない電圧以下にする。前記条件であれば、プルイン電圧は６．７Ｖ程度となるため、それ以下の電圧を印加すると、梁３の最大変位量はおよそ０．１５μｍとなり、梁２、３間の最大ギャップは０．７５μｍとなる。静電力は距離の２乗に反比例するため、梁３が移動しない場合よりも、梁３と梁２間に発生する静電力は１．４倍も大きなる。
【００２８】
なお、図３（ｂ）の状態から電極６に直流電位を印加するのではなく、電極４と電極５の直流電位を瞬時に反転させてもよい。そうすれば制御電圧源１２により新たに直流電位を印加させることなく梁３と梁２間に静電力を発生させることができる。このとき梁２と梁３のギャップが大きいためプルインすることはない。
【００２９】
また高いアイソレーションが要求される状況では、制御電圧源１２の直流電位をＬｏｗの状態のままにしておけば梁３は可動しないので、梁２、３間のギャップを大きくしたままの状態を保つことができ、梁２と梁３の電気的結合を小さくすることができる。
【００３０】
次に電極７への回路を遮断して入力信号をアンテナ端である電極７から電極９に切り替えるスイッチＯＦＦ動作について説明する。
【００３１】
図３（ｃ）の状態において電極４に印加されている直流電位をＨｉｇｈからＬｏｗにすると、梁１、２間には静電力が生じないため、図３（ｄ）のように、梁１および梁２は自身のバネ力でもとの位置に復元する。このとき、梁３は予め梁２の方向に撓んでいるので、梁２は図３（ｅ）のように梁２、３間に生じている静電力によって強く高速に梁３方向に移動し梁３と接触する。梁２と梁３が接触すると、入力端子である電極５から入力された交流信号は、各梁２、３の表面に設けられた絶縁膜を介して容量的に結合して梁２から梁３へ伝達され、電極９へ出力される。
【００３２】
このように、スイッチＯＦＦ時に梁２および梁３を結合させると、図２（ｂ）においてＣ２が短絡されＣ１に信号が伝達しにくくなるため、より高いアイソレーションを確保することができる。
【００３３】
梁３を予め梁２方向に撓ませておかない場合は、最大ギャップが０．９μｍとなるため、より高い電圧を印加しなければ所望の応答時間を得ることができない。
【００３４】
なお、図３（ｅ）の状態で、さらに図３（ｃ）の場合と同様に電極４に直流電位を印加し、梁１と梁２間に静電力を印加させれば、図３（ｆ）のように梁１は梁２方向に撓み、最大ギャップを小さくすることができる。
【００３５】
上記スイッチ動作をすることにより、ＯＮ状態およびＯＦＦ状態の時に、信号が印加する梁２は常に別の梁１または３と接触し、ラッチされた状態になっている。このことにより、仮に大電力の信号が梁２に入力された場合、ラッチされていない状態であれば、梁２は信号自身の静電力により梁１もしくは梁３に引き込まれる可能性があるが、梁２は常に梁１または梁３によりラッチされているため護動することを防止できる。
【００３６】
以上の説明においては、各梁１、２、３は静電力により水平方向に可動する場合について説明したが、各梁１、２、３を垂直方向に配列して垂直方向に可動させるようにしてもよい。また、駆動力に静電力を用いているが、例えば電磁力、圧電、熱などを用いてもよい。また、各梁１、２、３は空気中で作動させる以外に真空中や不活性ガス中で作動させてもよい。
【００３７】
つぎに、図１におけるスイッチを製造する工程の一例を図４の工程断面図を用いて説明する。図４（ａ）において、高抵抗シリコン基板４１を熱酸化すると、基板４１上に３００ｎｍ程度の膜厚のシリコン酸化膜４２が形成される。その上に、シリコン窒化膜４３を減圧ＣＶＤ法を用いて２００ｎｍの膜厚で堆積する。さらにシリコン酸化膜４４を５０ｎｍの膜厚で減圧ＣＶＤ法を用いて堆積する。
【００３８】
つぎに、図４（ｂ）において、シリコン酸化膜４４にフォトレジストからなる犠牲層を膜厚２μｍでスピンコート、露光、現像したのち、ホットプレートで１４０℃１０分のベークを行うことで犠牲層４５を形成する。
【００３９】
しかる後、図４（ｃ）に示すように、基板全面にＡｌ層４６をスパッタにより２μｍの膜厚で堆積し、所定の領域にレジストが残るようにフォトレジストによるパターン４７の形成を行う。
【００４０】
次に、図４（ｄ）に示すように、前記フォトレジストからなるパターン４７をマスクとしてＡｌ層４６のドライエッチングを行って梁４８を形成し、さらに酸素プラズマによりフォトレジストからなるパターン４７および犠牲層４５を除去する。以上の工程により、基板４１の表面に対して間隙４９を有する梁４８が形成される。
【００４１】
さらに、図４（ｅ）に示すように、梁４８の全面および基板表面のシリコン酸化膜４４上にプラズマＣＶＤによりシリコン窒化膜５０を膜厚５０ｎｍで堆積すると、基板表面のシリコン酸化膜４４上および梁４８の周辺にシリコン窒化膜５０が形成される。
【００４２】
最後に図４（ｆ）に示すように、シリコン窒化膜４３を異方性を有するドライエッチング法にて前記堆積膜厚以上の膜厚例えば１００ｎｍでシリコン酸化膜４４と選択比を有する条件でエッチバックすることにより、上面にはシリコン窒化膜５０がなく側面にのみシリコン窒化膜５０が残るようにエッチングをおこない、梁５１を形成する。
【００４３】
なお本実施の形態では基板として、高抵抗シリコン基板４１を用いたが、通常のシリコン基板、化合物半導体基板、絶縁材料基板を用いても良い。
【００４４】
また、高抵抗シリコン基板４１上に絶縁膜としてシリコン酸化膜４２、シリコン窒化膜４３、シリコン酸化膜４４を形成したが、基板の抵抗が十分高い場合これら絶縁性膜の形成を省略しても良い。また、シリコン基板上にシリコン酸化膜４２、シリコン窒化膜４３、シリコン酸化膜４４と３層構造の絶縁膜を形成したが、シリコン窒化膜４３の膜厚が梁上に堆積するシリコン窒化膜と比較して十分厚い膜厚、いわゆるエッチバック工程を経ても消失しない膜厚である場合、シリコン酸化膜４４形成工程は省略することが可能である。
【００４５】
なお、本実施の形態では梁を形成する材料としてＡｌを用いたが、他の金属材料、たとえば、Ｍｏ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｃｕ、あるいは、高濃度に不純物導入されたアモルファスシリコンのような半導体材料、導電性を有する高分子材料などを用いても良い。さらに成膜方法としてスパッタを用いたがＣＶＤ法、メッキ法などを用いて形成しても良い。
【００４６】
（実施の形態２）
つぎに、図５を参照しながら第２の実施の形態について説明する。本実施の形態は基本的には第１の実施の形態と同様な構成をとっているが、第２の梁３２は第１の梁３１、第３の梁３３と比べて厚さが薄く、例えば第２の梁にくらべて、第１の梁と第３の梁が１．５倍以上厚く形成される。この実施の形態では、第１の梁３１と第２の梁３２が接触した際にも、第１の梁３１および第２の梁３２間に作用する静電力３４の他に、第１の梁３１と第３の梁３３間にも静電力３５が作用する。このような構造をとれば、第１の実施の形態のように、第１の梁３１と第２の梁３２が接触したあとに、電極６に新たに直流電位を印加しなくても、第３の梁３３が第２の梁３２の方向に移動することになる。
【００４７】
またその際、少しでも第１の梁３１を第３の梁３３方向に近づけるため、第２の梁３２のバネ定数を大きくし、第１の梁３１と第２の梁３２が中間地点ではなく、より第２の梁３２側で接触する構造をとってもよい。
【００４８】
（実施の形態３）
つぎに、図６および図７を参照しながら第３の実施の形態について説明する。本実施の形態では、図６に示すように図２（ａ）のスイッチ回路をアンテナ端子６５に対して対称に複数（図６では４個）配置する。これにより、１つのアンテナに対する入力を複数に分配して多出力が可能な１入力多出力スイッチを実現することができる。このような構成のスイッチは、図７に示すように、実施の形態１で用いたスイッチをアレイ化して各々を容量的に結合して構成することができる。なお、図７にはスイッチ回路が２つの場合を示す。図７において、電極７１に複数の梁７４が櫛歯状に形成され、各梁７４の間に梁７５が設けられている。梁７５にはそれぞれ複数の電極７２に結合されている。電極７２に対向して電極７３が設けられている。電極７１には制御電圧源７６、電極７２には制御電圧源７７、電極７３には制御電圧源７８がそれぞれ接続されている。
【００４９】
電極７１に接続された制御電圧源７６の直流電位をＨｉｇｈに、電極７２に接続された制御電圧源７７の直流電位および電極７３に接続された制御電圧源７８の直流電位をそれぞれＬｏｗにすると、梁７４と梁７５間に容量結合７９が発生し、スイッチ動作をする。
【００５０】
実施の形態１のスイッチにおいて早い応答時間が要求される場合は、可動する梁の質量が小さいことが必要となる。しかし、容量的に結合する実施の形態３におけるスイッチでは、梁の質量を小さくすれば、容量結合する断面積も小さくなるため、結合度が小さくなり、通過損失が大きくなる。このため応答時間と通過損失の２つの相反する特性を両立するために、個々の梁を微小にして、応答時間を小さくし、その梁をアレイ化することで、スイッチ全体の結合度を大きくして、応答時間と通過損失の２つの特性を満たしている。例えば個々の梁の形状を幅２．５μｍ、厚み２．５μｍ、長さ３８０μｍとした場合、交流信号の周波数が５ＧＨｚの場合、スイッチを５組並列に配置すれば、良好な通過特性が得られる。
【００５１】
本実施の形態では、容量結合であるため周波数特性を有する。図２の等価回路で示した直列側のスイッチの容量をＣ１、対接地の容量をＣ２とすると、インピーダンスＺは（数１）で表される。Ｃ１とＣ２は基本的に同じスイッチを用いており、Ｃ１とＣ２の関係は（数２）で表される。αは容量の変化比を示し、梁間のギャップと絶縁体膜の比そのものである。
【００５２】
【数１】
2004111360.tif 000003
【００５３】
【数２】
2004111360.tif 000004
【００５４】
αを大きく採れば、駆動電圧が大きくなり、応答時間も大きくなるため、あまり大きくすることができない。例えば絶縁体膜を１０ｎｍ、ギャップを０．６μｍとすると、αは６０となる。
【００５５】
アイソレーションを確保するために、インピーダンスが最大となる条件は、（数３）で示され、Ｃ１は以下の様に示される。αを６０とし、適用周波数を５ＧＨｚとすると、Ｃ１は４．２ｐＦとなる。これを梁の形状に置きなおすと、厚み２．５μｍ、幅２．５μｍ、長さ３８０μｍの梁を５組を選択して用いればよい。
【００５６】
【数３】
2004111360.tif 000005
【００５７】
また周波数が１ＧＨＺの信号を扱う際には、周波数が１／５になるので適用する梁の数を５倍の２５組にすれば、５ＧＨｚと同等な特性が得られ周波数特性を有さないスイッチを実現することができる。
【００５８】
本実施の形態によれば、スイッチを並列に複数個配置することで、所望のインピーダンスまたは容量を有するスイッチを実現することができる。
【００５９】
（実施の形態４）
つぎに、図８から図１２を参照しながら本発明の実施の形態４について説明する。図８（ａ）は、本発明の実施の形態４に関わるスイッチの斜視図、図８（ｂ）は平面図である。第１の梁８１、第２の梁８２および第３の梁８３は、それぞれその両端をアンカー部８４、８５により基板（図示せず）上に固定された両持ち梁であり、厚みｔ１＝ｔ２＝ｔ３＝２μｍ、幅Ｗ１＝Ｗ２＝Ｗ３＝２μｍ、長さＬ＝５００μｍである。梁の材料としてはヤング率７７ＧＰａのＡｌを用いている。各梁８１、８２、８３はｇ＝０．６μｍの間隔をもって並列に配置されている。隣接する梁の対向する側面には約０．０１μｍの絶縁層が形成されており、これは梁の幅に比べて充分小さいため、梁の機械的特性に影響は少ない。なお、絶縁膜は対向する側面のどちらか一方でもまた双方に形成されていてもよい。
【００６０】
図８（ｂ）に示すように、スイッチの上方から見ると、梁８１、８２、８３はＳ字型に湾曲しており、例えば（数４）の正弦関数１周期でＳ字を表現している。
【００６１】
【数４】
2004111360.tif 000006
【００６２】
ただし図８（ｂ）は、分かりやすくするために、湾曲を誇張して描いてある。梁にはｘ方向の内部応力Ｓｘとｙ方向の内部応力Ｓｙがｘ、ｙ、ｚの位置に依存せず一様に存在する。またＳｘ＝Ｓｙ＝Ｓと等方性の内部応力である。正確には、半導体プロセスを用いて製作する梁は犠牲層の上に形成されるものであり、そのとき内部応力Ｓを有するが、犠牲層を除去することでこの応力Ｓは若干解放された値をとる。
【００６３】
図８の構成で第１の梁８１と第２の梁８２の間に電位差を与えて両者を静電力により撓ませたとき、内部応力Ｓとプルイン電圧の関係は図９のようになる。湾曲の大きさ、すなわち（数４）のΔｙの値が２，４，６μｍの場合を比較している。また、Δｙ＝０、すなわち湾曲を持たない直線の梁構造の場合も併せて示した。ただし圧縮応力がかかると座屈を生じるので、応力Ｓはプラスの範囲、すなわち引張り応力の時の値のみ示している。このように、明らかに湾曲を与えるだけで、内部応力Ｓの増加によるプルイン電圧の増加を抑制することができ、これは湾曲の大きさ、すなわちΔｙの値を大きくするほど抑制効果は大きい。
【００６４】
次にＳ字の効果を検証するために、湾曲をアーチ型とした場合を説明する。アーチ型の湾曲は（数５）の正弦関数半周期で近似した。Δｙ＝４μｍとした場合の、内部応力Ｓとプルイン電圧の関係を併せて図９に示す
【００６５】
【数５】
2004111360.tif 000007
【００６６】
明らかにアーチ型の場合は、Ｓ＝０〜３０ＭＰａでは、Δｙ＝２μｍのＳ字型よりもプルイン電圧が大きくなり、３０ＭＰａ以上の領域ではやがて漸近する。Ｓ＝０〜１０ＭＰａの範囲では、むしろ直線梁よりもプルイン電圧は大きくなる。ただし、Ｓ＝２０±１０ＭＰａ近傍ではほぼプルイン電圧は一定となるので、この範囲に残留応力のばらつきを抑えることができればプルイン電圧の変動は小さくおさえることができるという利点を有する。
【００６７】
次に、隣接する梁に同じ湾曲を設けることで、内部応力による梁の変形に対して、隣接する梁間の静電容量の変化を抑制することができることを示す。図１０は、隣接する梁間の電位差を０Ｖのときの内部応力Ｓと静電容量の関係を表すものである。湾曲の度合いの異なる３つのＳ字と、アーチ型についてプロットすると、曲線ｗのように４本とも重なっていることがわかる。したがって、アーチ状でもＳ字状でも内部応力の影響を受けずに静電容量がほぼ一定に保たれる特長が観察される。すなわち梁の内部応力が製造工程によるばらつきや、周囲温度の変化に伴う熱膨張により変化しても、容量性結合タイプのスイッチとしての電気的特性のばらつきを抑えることができる。
【００６８】
なお、梁８１、８２、８３は同じ湾曲形状としていることから同じ機械的ばね特性を有し、例えば梁８１、８２間に電位差を与えると、両者は同じ量の変位をおこし、両者間ギャップの１／２の位置で接触する。例えば、この接触位置を梁８１側に近づけるには梁８１の剛性を高めればよく、その第１の方法として梁８１の幅Ｗ１を太くすることが考えられる。Δｙ＝２μｍのＳ字梁８１、８２において、Ｗ１＝４μｍ、Ｗ２＝２μｍとした場合、梁８１、８２間の電位差Ｖ＝０のときの梁の内部応力と両梁間の静電容量の変化を図１０に曲線ｘ（＊プロット）で示す。このように梁８１を太くすることで、残留応力による歪み方が梁８２と異なるため、両者間の静電容量は大きく変化してしまう。梁８１の剛性を高める究極の形態は梁８１を固定電極とすることであるが、このとき内部応力の変化により静電容量はますます変化してしまう。
【００６９】
両梁の接触位置を制御する別の方法として、例えば梁８１の厚みｔ１を梁８２の厚みｔ２よりも厚くする方法がある。ｔ１＝４μｍ、ｔ２＝２μｍとした場合、梁８１、８２間の電位差Ｖ＝０のときの梁の内部応力と両梁間の静電容量の変化を図１０に曲線ｙ（△プロット）で示す。幅を太くする方法と異なり、明らかに厚みを大きくすることで内部応力の影響を受けずに静電容量をほぼ一定に保つ効果を得る。
【００７０】
このような構造を有するスイッチの製造方法の一例を図１１に示す。図１１は図８（ｂ）のＡ−Ａ’断面であり、基板９０上に絶縁膜９１、犠牲層９２、フォトリソグラフィによりパターニングされたレジスト８６が形成され、パターニングされたレジスト８６の間に電解メッキにより金属梁８１、８２、８３が形成される状態を示している。梁８１、８３のシードレイヤー８７は接地されているが、梁８２のシードレイヤー８８は時刻Ｔまでは接地、時刻Ｔからはメッキに用いるアノード電位Ｖと同じにするようにスイッチ８９を制御する。９３はアノード電位Ｖを与えるアノード電極である。このような電解メッキ行程を用いることで時刻Ｔまでは梁８１、８２、８３は同じ高さの金属層として生成されるが、時刻Ｔ以降は梁８２のメッキは生成されなくなる。従って隣接するが厚みの異なる梁を生成することができる。
【００７１】
このように可変容量構造を構成する梁自身にわずかな湾曲を設けるだけで、細線梁構造で問題となる、残留応力や熱膨張によるプルイン電圧や静電容量などの特性変化を抑制することができる。また、例えば電極の長さＬ＝５００μｍに対して湾曲度合いの大きさは数μｍ程度であるので、この梁自体の抵抗成分もほぼ直線梁と同一である。また、梁構造以外のフレクシャ構造などを設ける必要がなく、素子の微小化を妨げることはない。さらに半導体薄膜プロセスで作製するにあたり、湾曲はマスク描画で決定されるため作製が容易である。
【００７２】
湾曲構造を用いたスイッチは、広く可変容量型素子として他のデバイスにも転用可能である。例えば梁をその横振動の共振を用いた機械共振器とし、大気中のある種のガス成分に対してのみ梁表面への吸着性を高めるように梁の表面処理を施せば、ガスの付着により梁の質量が変化し、共振周波数が変化するので、ガス濃度センサとして利用することが可能である。この場合、仮に直線両持ち梁の共振器と隣接する固定電極とで構成すると、製造工程に起因する梁の残留応力のばらつきや周囲温度変化により梁の内部応力が変化した場合、共振周波数が大きく変化してしまうことが問題となるが、実施の形態４のように、湾曲形状を有する隣接する可動梁を用いることで、この共振周波数変化を緩和することが可能となる。
【００７３】
図９に示した各種梁の湾曲形状をあらわすパラメータを用いて、内部応力と１次共振周波数の関係を図１２に示す。図９の内部応力とプルイン電圧の関係の特徴と同様な傾向があらわれ、Ｓ字の湾曲度合い（Δｙ）を大きくすることで、共振周波数の変化を抑制することが可能となっている。
【００７４】
なお、以上の各実施例では第１、第２、第３の３本の梁を使用した場合について説明したが、スイッチを構成する梁が４本以上からなり、このうちの３本の梁が各実施例の動作を行うようにすることもできる。
【００７５】
（実施の形態５）
図１３は、本発明の実施の形態５に係るスイッチの構成を示す側面図である。図１３（ａ）は電極に電圧を印加していない状態を示し、図１３（ｂ）は印加している状態を示している。基板１０６上に、信号を入力する入力端子に接続された導電性の支柱１０８および信号を出力する出力端子に接続された導電性の支柱１０９が植立されている。支柱１０８、１０９間には、梁構造の可動電極１０４が懸架されている。基板１０６上の支柱１０８および支柱１０９の中間位置に固定電極１０５が設置されており、可動電極１０４および固定電極１０５間に静電力を印加させることで、可動電極１０４を固定電極１０５方向に移動させる。可動電極１０４は可動体１０３上に形成されており、可動体１０３はＩＣＰＦ（Ｉｏｎｉｃ　Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ　Ｐｏｌｙｍｅｒ　ｇｅｌ　Ｆｉｌｍ）で構成されている。ＩＣＰＦは図１４に示すように印加される電圧によって内部応力が変化するのでこの性質を利用して可動体１０３のバネ定数を変化させることができる。次に図１５によりスイッチ動作について説明する。図１５おいて、上段は可動電極１０４の位置を示し、下段は可動電極１０４のバネ定数の時間変化を示す。可動電極１０４に静電力が印加していない中立の位置をゼロとする。可動電極１０４と電極１０５間に静電力を発生させ、可動電極１０４を電極１０５側に引き込む際は、可動体１０３のばね定数が最小になるように、制御電圧１０７を可動体１０３に印加する。このときバネ力が最小となっているため、可動体１０３および可動電極１０４は静電力によって、バネ力が妨げることなく高速に引き込まれる。
【００７６】
次に電極１０５から可動電極１０４を引き離す際には、予め制御電圧１０７によって、ＩＣＰＦのバネ定数が最大となるような電圧を可動体１０３に印加しておき、バネ力を最大にしておく。そして可動電極１０４および固定電極１０５間の静電力をＯＦＦにすることで、可動体１０３、可動電極１０４はバネ力によって高速に所定の位置に復元する。
【００７７】
一般的に高分子ゲルは制御信号に対する応答時間が数ｍｓ程度あるため、高速な応答時間が要求されるスイッチの駆動力としては、高分子ゲルの伸縮を駆動力にすることはできないが、スイッチが保持されている状態に可動体１０３のばね力を変化させるには十分な応答時間を有する。このように引き込む際と引き離す際に、それぞれ可動体１０３のバネ力を最適な値にすることで、高速な応答を可能としている。
【００７８】
可動体１０３に用いた材料はＩＣＰＦ以外に、外部からの制御によって物性値が変化する材料、例えば人工筋肉などに用いられる高分子ゲルや圧電材料でもよい。また可動体を導電性材料で形成すれば、可動電極１０４と電極１０５を一体で形成することができる。
【００７９】
【発明の効果】
以上のように本発明によるスイッチは、３つの梁を全て可動とすることで、応答時間の短縮、印加電圧の低電圧化が実現できるという効果を有する。さらに適用周波数に応じて、最適なインピーダンスになるように使用する梁の数を適応的に選択すれば、周波数特性のないスイッチを実現できるという有利な効果がある。また梁を湾曲構造にすることで、内部応力の変化によるスイッチの特性変化を抑制することができるという有利な効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１によるスイッチの概略構成を示す斜視図
【図２】（ａ）本発明の実施の形態１によるスイッチの接続回路図
（ｂ）本発明の実施の形態１によるスイッチの等価回路図
【図３】（ａ）乃至（ｆ）本発明の実施の形態１によるスイッチの動作を説明する概念図
【図４】（ａ）乃至（ｆ）本発明の実施の形態１におけるスイッチを製造する工程の一例を示す断面図
【図５】本発明の実施の形態２によるスイッチの要部の断面図
【図６】本発明の実施の形態３によるスイッチの接続回路図
【図７】本発明の実施の形態３によるスイッチの概略構成を示す断面図
【図８】（ａ）、（ｂ）本発明の実施の形態４によるスイッチの概略構成を示す斜視図および平面図
【図９】本発明の実施の形態４によるスイッチの梁の内部応力とプルイン電圧の関係を示す特性図
【図１０】本発明の実施の形態４によるスイッチの梁の内部応力と梁間静電容量の関係を示す特性図
【図１１】本発明の実施の形態４によるスイッチの製造方法の一例を説明する断面図
【図１２】本発明の実施の形態４によるスイッチの梁の内部応力と梁の一次共振周波数の関係を示す特性図
【図１３】（ａ）本発明の実施の形態５によるスイッチの電極に電圧を印加していない状態での概略構成を示す概念図
（ｂ）本発明の実施の形態５によるスイッチの電極に電圧を印加している状態での概略構成を示す概念図
【図１４】本発明の実施の形態５によるスイッチの可動体材料の印加電圧と内部応力の関係を示す特性図
【図１５】本発明の実施の形態５によるスイッチの制御方法を説明する概念図
【図１６】従来のスイッチの一例を示す斜視図
【図１７】従来の他のスイッチの一例を示す平面図
【符号の説明】
１，２，３，３１，３２，３３，８１，８２，８３　梁
４〜９　電極
４１　高抵抗シリコン基板
４２　シリコン酸化膜
４３　シリコン窒化膜
４４　シリコン酸化膜
４５　犠牲層
４６　Ａｌ層
４７　フォトレジストによるパターン
４８，５１　梁
４９　間隙
５０　シリコン窒化膜
８４，８５　アンカー部
８６　レジスト
８７，８８　シードレイヤー
８９　スイッチ
９０　アノード電極
１０１　入力端子
１０２　出力端子
１０３　可動体
１０４　可動電極
１０５　電極
【図１】
2004111360.tif 000008
【図２】
2004111360.tif 000009
【図３】
2004111360.tif 000010
【図４】
2004111360.tif 000011
【図５】
2004111360.tif 000012
【図６】
2004111360.tif 000013
【図７】
2004111360.tif 000014
【図８】
2004111360.tif 000015
【図９】
2004111360.tif 000016
【図１０】
2004111360.tif 000017
【図１１】
2004111360.tif 000018
【図１２】
2004111360.tif 000019
【図１３】
2004111360.tif 000020
【図１４】
2004111360.tif 000021
【図１５】
2004111360.tif 000022
【図１６】
2004111360.tif 000023
【図１７】
2004111360.tif 000024