(57)【要約】【課題】  電気信号を誘導結合または減結合することができる微小電子機械（ＭＥＭＳ）スイッチを提供することにある。【解決手段】  誘導性ＭＥＭＳスイッチは、可動プラットフォーム上の第１の複数のコイルと、固定されたプラットフォームまたは基板上の第２の複数のコイルから構成され、可動のプラットフォーム上のコイルが固定基板上のコイルの上または下にある。結合または減結合は、固定基板上のコイルに対して可動プラットフォームのコイルを回転するかまたは横変位させることによって行われる。それぞれ可動および固定基板上のコイルの多様な配置により、多重極および多位置のスイッチング構成が可能になる。上記のＭＥＭＳスイッチは、スイッチ接点の静摩擦、アーキング、および溶接の問題を除去する。本発明のＭＥＭＳスイッチは、標準的なＣＭＯＳ技法を使用して製作することができる。
2006514414.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの可動インダクタと、
固定された基板上の少なくとも１つの固定されたインダクタとを有し、前記少なくとも１つの固定されたインダクタに対する前記少なくとも１つの可動インダクタの相対的移動により、前記少なくとも１つの固定インダクタに対して前記少なくとも１つの可動インダクタを電気的に結合及び減結合する、
半導体微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチ。
【請求項２】
前記少なくとも１つの可動インダクタに結合された駆動手段をさらに有する、請求項１に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項３】
前記少なくとも１つの可動インダクタおよび前記少なくとも１つの固定インダクタがそれぞれ第１および第２の平面または基板上に配置される、請求項１に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項４】
前記第１の平面が、前記第２の平面の上または下の可動プラットフォームである、請求項３に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項５】
前記駆動手段が前記可動プラットフォームの外部にあり、前記駆動手段が回転運動を提供する、請求項４に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項６】
そのそれぞれの端部で互いに相互接続された前記可動プラットフォーム上の第２および第３のインダクタをさらに有する、請求項４に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項７】
互いに接近してグループ化された複数のインダクタの配置と、前記複数のインダクタの配置とは別の少なくとも１つのインダクタと、
回転プラットフォーム上で互いに相互接続された２つのインダクタとを有し、前記回転プラットフォーム上の前記インダクタのうちの一方が、回転プラットフォームの回転により前記複数のインダクタの配置内の前記インダクタの１つと交互に結合及び減結合し、前記回転プラットフォーム上の他方のインダクタが固定基板上の前記複数のインダクタの配置とは別の前記少なくとも１つのインダクタと結合及び減結合する、
固定基板上のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項８】
前記回転プラットフォームがその一方の端部でピボット・ピンに取付けられる、請求項７に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項９】
前記回転プラットフォームが支点に取付けられ、前記支点がその一方の端部で前記ピボット・ピンの周りを回転する、請求項７に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項１０】
固定基板上の複数のインダクタより成る第１および第２の配置と、
２対のインダクタであって、前記２対がそれぞれ２つの可動プラットフォーム上に配置され、前記プラットフォームが支点のそれぞれの端部で互いに結合され、前記支点が前記可動プラットフォームの回転運動を可能にするピボット・ピンに接続される２対のインダクタとを有し、前記回転運動により、前記固定基板上の前記複数のインダクタの第１および第２の配置のそれぞれの対に対して前記可動プラットフォーム上の前記インダクタのそれぞれの対を結合及び減結合する、
ＭＥＭＳスイッチ。
【請求項１１】
固定基板上の複数のインダクタの配置と、
ピボット・ピンの周りを回転する可動プラットフォームであって、前記可動プラットフォームがその上に２つのインダクタを有し、前記可動プラットフォームにより、その上の前記インダクタのそれぞれが前記固定基板上の前記配置のインダクタと交互に結合及び減結合することができる、可動プラットフォームと、
を有する、ＭＥＭＳスイッチ。
【請求項１２】
固定基板上の複数のインダクタと、
可動プラットフォーム上の少なくとも１つのインダクタであって、前記可動プラットフォームが、前記固定基板に対する前記可動プラットフォームの横変位を可能にするよう駆動手段に結合され、前記可動プラットフォームが前記固定基板上の前記複数のインダクタに対して前記少なくとも１つのインダクタを結合及び減結合する、可動プラットフォーム上の少なくとも１つのインダクタと、
を有する、半導体多極誘導性ＭＥＭＳスイッチ。
【請求項１３】
前記インダクタが、単一閉ループまたは複数ループからなるらせんのうちの一方を形成する、請求項１３に記載の半導体多極誘導性ＭＥＭＳスイッチ。
【請求項１４】
固定プラットフォーム上の少なくとも１つのインダクタと、
２対のインダクタであって、前記２対のそれぞれがそれぞれ１つの回転プラットフォーム上に配置され、前記回転プラットフォームのそれぞれがピボット・ピンに接続された端部を有する２対のインダクタとを有し、前記２つのプラットフォームの回転運動により、前記固定プラットフォーム上の前記少なくとも１つのインダクタに対して前記複数対のインダクタを交互に結合及び減結合する、
半導体誘導性ＭＥＭＳスイッチ。
【請求項１５】
固定基板上の複数のインダクタの配置と、
回転プラットフォーム上の複数の相互接続インダクタとを有し、前記回転プラットフォームが前記固定基板上の前記複数のインダクタの配置に対して前記複数の相互接続インダクタを結合及び減結合する、
半導体誘導性ＭＥＭＳスイッチ。
【請求項１６】
前記回転プラットフォームが前記回転プラットフォームの重心上またはその付近のピボット・ピンに接続され、前記ピボット・ピンが前記固定基板上に固定される、請求項１６に記載の半導体誘導性ＭＥＭＳスイッチ。
【請求項１７】
固定基板上の複数のインダクタと、
その上に少なくとも１つのインダクタを有する回転プラットフォームであって、前記回転プラットフォームがその一方の端部に接続されたピボット・ピンの周りを回転し、前記ピボット・ピンが前記固定基板上に固定され、前記回転プラットフォームが前記固定基板上の前記インダクタに対して前記複数のインダクタを交互に結合及び減結合する回転プラットフォームと、
を有する、半導体ＭＥＭＳスイッチ／スイッチの組合せ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ：micro-electromechanicalsystem）、特にＭＥＭＳスイッチに関し、より具体的には、誘導結合および減結合を使用し、標準的なＣＭＯＳ製造材料およびプロセスと完全に互換性のある誘導性ＭＥＭＳスイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
スイッチング動作は、多くの電気的、機械的、および電子機械的応用例の基本部分である。ＭＥＭＳスイッチは、この数年にわたり、相当な関心を引きつけてきた。ＭＥＭＳスイッチ技術を使用する製品は、バイオメディカル・システム、航空宇宙システム、および通信システムで普及している。
【０００３】
ＭＥＭＳスイッチは様々な構成を使用して製造されてきたが、それらは、容量性スイッチを形成するために誘電体ストップを使用する金属同士の接触または同様の構造を作成する静電制御されたビーム（梁）である。このデバイスを特徴付ける一般的な特徴は、回路を完成するために他の可動エレメントに接触する少なくとも１つの可動エレメントが設けられていることである。
【０００４】
本発明をより十分に理解するために、次に、変形可能なビーム５の両端が誘電体２上に固定されているＭＥＭＳスイッチの断面図を示す図１に関連して従来のＭＥＭＳスイッチについて説明する。最低レベルは、デバイスの様々な電気コンポーネントを接続または形成するために使用される導電エレメント３および４からなる誘電材料１から構成される。番号３および６によって参照される導体は、ビームを曲げさせる（または変形させる）動作電圧電位を提供するために使用される。導体４は、電気信号を伝導するものであり、ＭＥＭＳスイッチが動作しているときに変形可能なビームに接触する。図２は、同じ従来のスイッチの平面図を示している。
【０００５】
従来のＭＥＭＳスイッチの典型的な実現例では、接点ビームは、たとえば、ＳｉＯ2で作られた誘電体の上にポリシリコンを付着させることによって形成される。周囲の材料はエッチングで除去され、シリコン・ビーム５に接続された隆起構造を残す。シリコン・ビーム５上の一方の端部に固定された接触エレメント６は、導体３および４の上のそのもう一方の端部で宙に浮いており、好ましくはポリシリコンで作られている。その後、デバイスは、通常、金の無電解めっきが施され、これはポリシリコンに付着して、導電エレメント３、４、および６の製作を完了する。
【０００６】
このスイッチは、接点ビーム６と電極３との間に電位差を提供することによって操作される。この電圧は、ビーム６を電極４に接触させるような静電引力を発生し、その結果、スイッチを閉じる。固定されたビーム５に付与されたねじれは、制御電圧電位が降下したときに、接点ビーム６をその開位置に戻すために使用される。
【０００７】
一般に、すべての従来のＭＥＭＳスイッチは、スイッチング動作を実行するために、物理的接触、特に金属同士の接触に依存する。このため、アークの発生、物質移動、微細溶接、静摩擦などに関連する多くの信頼性問題が発生する。これらのスイッチの大部分が高周波数で信頼性が低下することは当技術分野では周知のことである。金など、使用される冶金の一部は、これらの問題を緩和しようとして一般に使用されるものであるが、標準的なＣＭＯＳ製作と互換性のあるものではない。以下に説明する本発明の誘導性ＭＥＭＳスイッチは、任意の数の周知のＭＥＭＳアクチュエータによって操作するのに向いている。
【０００８】
ＭＥＭＳアクチュエータの例は、Ｓａｎｄｉａ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  ＬａｂｏｒａｔｏｒｙのＷｅｂサイト（ｗｗｗ．ｓａｎｄｉａ．ｇｏｖ）か、または２００１年１２月１１日に発行されたＧｅｏｒｇｅ  Ｅ．  Ｖｅｒｎｏｎ，  Ｓｒ．による「Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ  Ｃｈａｉｎ  ｆｏｒ  Ｕｓｅ  ｉｎ  Ｍｉｃｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」という米国特許第６３２８９０３号など、アクチュエータに関連するいくつかのＭＥＭＳ特許で見つけることができる。以下に説明するくし形駆動システムを特に対象とするその他の特許は、たとえば、１９９９年１２月７日に発行されたＪｅｒｍａｎ他による「Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ  Ｍｉｃｒｏａｃｔｕａｔｏｒ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｕｓｅ  Ｔｈｅｒｅｏｆ」という米国特許第５９９８９０６号で見つかるはずである。
【０００９】
たとえば、２０００年６月１３日に発行されたＹａｏ他による「Ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  Ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ  Ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ  Ｓｉｎｇｌｅ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  ＭＥＭＳ  Ｄｅｖｉｃｅｓ」という米国特許第６０７４８９０号に記載され、２００１年１２月に発行されたＩＥＥＥ  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅにさらに記載されている従来のＭＥＭＳスイッチでは、概して、スイッチング回路内の少なくとも１つの電極には、静電作動の一部としてＤＣ電位が印加されている。したがって、静電作動を実行するために、少なくとも１つの接点にＤＣ制御電圧がまったく印加されないように、スイッチング回路から駆動システムを分離する明確な必要性が存在する。
【特許文献１】米国特許第６３２８９０３号
【特許文献２】米国特許第５９９８９０６号
【特許文献３】米国特許第６０７４８９０号
【特許文献４】米国特許第６４６５９２９号
【特許文献５】米国特許第６４０４５９９号
【特許文献６】米国特許第６３０５７７９号
【非特許文献１】２００１年１２月に発行されたＩＥＥＥ  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、本発明の第一の目的は、電気信号の誘導結合および減結合に基づく誘導性ＭＥＭＳスイッチを提供することにある。
【００１１】
他の目的は、デバイスを操作するために使用される制御回路からスイッチされた信号の経路を分離することにより、スイッチされた信号から制御信号を隔離する、誘導性ＭＥＭＳスイッチを提供することにある。
【００１２】
さらに他の目的は、オフ状態で従来のスイッチをしのぎ、概して６ＧＨｚで約５０ｄＢの隔離を行うように制限される、オフ状態隔離を有する誘導性ＭＥＭＳスイッチを提供することにある。
【００１３】
他の一目的は、様々な多極多連配置（multi-pole, multi-throw arrangement）として構成可能であり、任意の数のＭＥＭＳ直線または回転駆動システムによって制御される、誘導性ＭＥＭＳスイッチを提供することにある。
【００１４】
さらに他の目的は、「ホットスイッチング（hot-switching）」、すなわち、公称電力レベルで動作している間のスイッチングを確実に実行可能である、誘導性ＭＥＭＳスイッチを提供することにある。スイッチングは非接触であり、したがって、接点のアーキングまたは溶接がまったく発生しないので、スイッチングは１ワット、５ワット或いは回路の残りの部分が対処できる値までで実施することができる。
【００１５】
さらに他の目的は、潜在的にアーキング、溶接または物質移動、および劣化を発生する可能性のある信号経路内のＤＣ電位または物理的接触点がまったくない状態で確実に動作する、誘導性ＭＥＭＳスイッチを提供することにある。
【００１６】
さらに他の一目的は、高周波数でその効率を増進し、信号の周波数が増加したときにコイルのサイズを低減することができ、効率の増進がスイッチ・コンポーネント間の磁界結合によって達成され、したがって、対応する隔離性能の低下なしに高周波数でより良好な挿入損特性を提供する、誘導性ＭＥＭＳスイッチを提供することにある。
【００１７】
本発明の他の目的は、インピーダンス整合を達成するためのスイッチ／変圧器の組合せを提供することにある。誘導性スイッチの各部分のインダクタンスを適切に選択することにより、スイッチの入出力インピーダンスを独立して調整することができる。この調整は、インピーダンス整合とスイッチングを同時に可能にするものである。変圧器の特殊構成を使用してシングルエンド／ダブルエンド変換器（single-ended to double-ended converter）またはバラン（balun）（平衡不平衡（BAlanced-UNbalanced）を作成し、スイッチングと信号変換の両方を単一デバイスで行うことができる。
【００１８】
さらに他の一目的は、ＣＭＯＳ互換プロセスおよび材料を使用して製造可能な誘導性ＭＥＭＳスイッチを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の一態様では、信号のスイッチングは固定コイルと可動コイルとの間の誘導結合および減結合によって実施される。可動コイルが固定コイルに対して位置合せされるかまたは位置合せされないときに、スイッチングが行われる。
【００２０】
金属厚が４μｍ、巻き幅（turn width）が１０μｍ、外径が１５０μｍであり、スイッチの１つのエレメントととして構成された４回巻きらせんインダクタは、すぐ上またはすぐ下の他の同様のらせんに磁気結合され、約０．８５の結合係数をもたらす。これらのらせんが上述の通りに構成されると、１３ＧＨｚで６．６ｄＢの閉スイッチ挿入損および６５ｄＢの開スイッチ隔離が達成される。これにより、スイッチの２つのポート間に外部同調コンデンサを追加することにより、１３ＧＨｚ以下の周波数に同調された優れたオン／オフ・スイッチ比が得られる。同様に、金属厚が４μｍ、巻き幅が１０μｍ、外径が１５０μｍであり、スイッチの１つのエレメントととして構成された１回半巻きらせんインダクタは、すぐ上またはすぐ下の他の同様のらせんに磁気結合され、約０．８５の結合係数をもたらす。これらのらせんがこのように構成されると、２５ＧＨｚで１０ｄＢの閉スイッチ挿入損および６０ｄＢの開スイッチ隔離が達成される。これにより、スイッチの２つのポート間に外部同調コンデンサを追加することにより、２５ＧＨｚ以下の周波数に同調された優れたオン／オフ・スイッチ比が得られる。
【００２１】
本発明の他の態様では、このＭＥＭＳスイッチは、スイッチ接点の静摩擦、アーキング、および溶接として知られる問題を解決し、そのいずれもスイッチング・エレメント間の物理的接触がないために除去される。誘導結合により一方のコイルともう一方のコイルとの間で信号を転送できるように、コイル同士はきわめて接近して単純に位置合せされる。この特性を考慮して、ＭＥＭＳスイッチは、全動力でのスイッチング（ホットスイッチング）と、明らかに従来のＭＥＭＳスイッチより多くの電力を容易に処理することができる。
【００２２】
固定コイルまたは可動コイルの数を変化させることにより、あるいはコイルのコイル幾何構成および対応する可動エレメントの変位を変更することにより、またはその両方により、複数のスイッチ構成が実現される。さらに、駆動回路はスイッチング回路から完全に独立しているので、制御信号およびスイッチされた信号の経路からの完全隔離が可能である。
【００２３】
本発明の上記その他の目的、態様、および利点は、添付図面に併せて読んだときに、本発明の好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
次に、好ましい諸実施形態が示されている図面に関連して、本発明についてより詳細に説明する。
【００２５】
図３は、その最も単純な形で本発明を図示する、第１の実施形態の概略図である。可動コイル・アセンブリ１０は、ピボット・ピン７０の周りを回転する可動インダクタ２０および３０の基板、プラットフォーム、またはモジュール１５から構成され、プラットフォーム１５の上または下の第２の基板上に位置決めされた固定コイル４０および５０に対して可動コイル２０および３０を誘導結合または減結合する。他の駆動システムも同様に効果的に使用できるが、くし形駆動部８および９は、ある動作モードを示すためにアセンブリに駆動機能を提供する。固定コイルに対する可動コイルの相対位置をより十分に図示するために、後続の図では、両方の位置に位置決めされたデバイスを示す。
【００２６】
２つのインダクタ２０および３０は、一方のコイルで誘導された電流がもう一方を流れるように、導体２５および３５により回路を閉鎖するように接続される。ピボット・ピン７０は、ホール７５（図６により詳細に図示する）を通る。インダクタ４０および５０は、基礎となる基板７（図６に図示する）上で位置決めされ、電力増幅器、受信機、アンテナなど、スイッチング・メカニズムを必要とする他の回路に接続される。
【００２７】
それにより回転が達成されるメカニズムは、この実施形態の要素ではない。当業者であれば、必要な運動をデバイスに提供するために任意の数のＭＥＭＳスイッチに対処可能であることを容易に認識することになる。このようなデバイスの一例は、たとえば、単純なくし形駆動部を製作する方法を記載したＹａｏ他による「Ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  Ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ  Ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ  Ｓｉｎｇｌｅ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  ＭＥＭＳ  ｄｅｖｉｃｅｓ」という米国特許第６０７４８９０号、またはＬｅｖｉｔａｎ他による「Ｍｉｃｒｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍ  ａｃｔｕａｔｏｒ  ｆｏｒ  ｅｘｔｅｎｄｅｄ  ｌｉｎｅａｒ  ｍｏｔｉｏｎ」という米国特許第６４６５９２９号で見つかるが、どちらの特許も参照により本明細書に組み込まれる。
【００２８】
図４は、可動コイル３０が固定コイル５０に結合される間に、コイル同士が誘導結合される、すなわち、可動インダクタ２０が固定インダクタ４０に誘導結合される位置まで回転された、図３のＭＥＭＳスイッチを図示している。このように、コイル４０に注入された信号は、コイル２０に誘導的に転送することができる。電気信号はコイル３０に転送され、次にコイル３０がそれをコイル５０に誘導結合する。したがって、たとえば、送信機の電力増幅器からの電気信号はコイル４０に印加され、その信号はデバイスを通ってコイル５０まで流れ、次にコイル５０は、たとえば、アンテナに接続することができる。追加の機能を達成するために、追加のコイルがアセンブリの一部になりうることに留意されたい。これについては、図９〜１２、図１７、および図２２〜２４に関連して以下に例証する。
【００２９】
図５は、コイル２０および３０と、それらの内側および外側のコイル接続部３５および２５をそれぞれ図示する、アセンブリ１０の平面図である。また、図６に関連して以下に使用することになる区切り文字（delimiter）Ａ−Ａも示されている。
【００３０】
図６は、線Ａ−Ａによって取られた図５の断面図である。同図には、固定コイルと、おそらく他の関連回路（明瞭にするために同図には図示せず）とを含む、下部基板７が図示されている。ピボット・ピン７０を取り囲む肩部８０は基板７上に構築される。この肩部は、デバイス１０が移動できるようにするために必要なクリアランスを提供する。肩部の高さは、このクリアランスと、ある程度まで、コイルを結合する効率のレベルを決定する。肩部は、特定の応用例に応じて、約１０００Å〜２μｍ以上の厚さである。ピボット・ピン７０は肩部の領域内に含まれ、そのサイズはデバイス１０が束縛または著しい揺れを発生せずにそこで自由に動ける能力によって決定される。ピボットの直径は、必要な機械的信頼性を提供するのに十分なものでなければならず、それに応じてスケーリングされる。また、その直径は、材料の選択およびプロセス・ケイパビリティにも左右される。同様に、デバイス１０内のホール７５は、束縛なしに所望の範囲の運動が発生するようにピボット・ピンを収容するように設計される。ピボットの高さは、デバイス１０の厚さに適合するようにスケーリングされる。一例として、デバイス１０が３μｍの厚さである場合、ピボットは、デバイスを確実に保持するために、厚さの相当な部分を占めることになる。優先的に、デバイスを密封し保持するために上部肩部８５（図１８を参照）にピボットが接触するように、ピボットはデバイス１０の厚さよりわずかに高くなるように作られる。
【００３１】
図７は、図８でさらに使用するために、区切り文字Ｂ−Ｂによって定義された異なる位置から見たデバイス１０の可動部分の平面図である。
【００３２】
図８は、区切り文字Ｂ−Ｂから見た図７の断面透視図である。これは、真のらせんインダクタを形成するために必要なマルチレベル構造を製作するために使用されるコイルとスタッド６０との間の上部接続部３５を具体的に図示している。このように、コイル２０および３０の内側端部は相互接続することができる。外側接続部２５は、コイルと同じ層に構築され、したがって、スタッドを必要としない。この配置は唯一可能な配置ではないことに留意されたい。以下に記載する図２０および図２１は、１つのレベルの配線のみを使用して構築されるコイルを図示することになる。
【００３３】
図９は、ピボット７０がデバイス１０の可動部分の一方の端部に向かって移動し、追加の固定コイル４２および４５がコイル４０および５０のそばに組み込まれている、本発明の第２の実施形態を図示している。これは、多連配置を達成する１つの方法を図示している。図示の配置では、出力コイル３０を固定コイル４２、４５、および５０のいずれかに結合することができる。可動コイルへの入力は、固定コイル４０をコイル２０に結合することによって提供される。ピボット・ピン７０はコイル２０の中心に位置するので、くし形駆動部１３がかみ合い、デバイスが反時計回りに回転し、コイル４２および３０が重なり合って、誘導結合状態になっている図１０に示した通り、デバイス１０が回転したときに４０に誘導結合されたままになる。
【００３４】
図１１は、可動コイル２０および３０が支持部（fulcrum）１１の一方の端部に構築される、本発明のさらに他の実施形態を示している。これらのコイルは、移動すると、固定コイル４０、４２、および５０に対して２つ一組になって結合または減結合する。図１１は、固定コイル４２および４０に結合するための位置にあるデバイス１０を示している。図１２は、コイル４２が減結合され、したがって、コイル４０および５０が２０および３０とそれぞれ結合できるように、くし形駆動部１３によって時計回りに回転された後のデバイス１０を図示している。
【００３５】
図１３は、多極多連スイッチを形成するために、図１１の実施形態が複数の可動コイル・セットを含むように拡張されている、本発明の他の実現例を図示している。図１１のコイル配置を複製するために図１１に示した構成に対して左右対称の構成を使用するが、その構成では、固定コイル４２Ａ、４０Ａ、および５０Ａがそれぞれ可動コイル２０Ａおよび３０Ａに結合され、その可動コイルが支持部１１に接続され、ピボット・ピン７０の周りを回転する。図１３は、コイル２０および３０がそれぞれ４２および４０に誘導結合されるようなデバイスを図示している。同時に、コイル２０Ａおよび３０Ａはそれぞれコイル４２Ａおよび４０Ａに結合される。図１４では、同じデバイスが、駆動部１３によって時計回りに回転した後の相補的位置に示されている。この位置では、コイル２０および３０はそれぞれ４０および５０に結合された状態で示され、コイル２０Ａおよび３０Ａはそれぞれ４０Ａおよび５０Ａに結合されている。
【００３６】
図１５は、マルチモード・スイッチングを可能にするために可動コイル・デバイス１０が回転駆動部（図示せず）によって作動される、本発明のさらに他の実施形態を示している。この応用例は、たとえば、携帯電話での帯域スイッチングの場合に特に有利である。駆動部は、当技術分野で知られており、たとえば、Ｖｅｇａｎによる「Ｈｉｇｈ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｍｉｃｒｏ−ａｃｔｕａｔｏｒ」という米国特許第６４０４５９９号に完全に記載されている。図１５は、コイル２０および３０がそれぞれ固定コイル４２および４２Ａに結合されたデバイス１０を示している。図１６は、コイル２０および３０がそれぞれ４０および４０Ａに結合されるように時計回りに回転したときのデバイス１０を示している。この時計回りの回転により、２０および３０がそれぞれ５０および５０Ａに結合されるように、デバイスはさらに移動する。回転は他の組合せのために時計回り方向にさらに継続するか、この時点で逆転してそれぞれの固定コイルとの可動コイル２０および３０の上記の結合および減結合を繰り返すこともできる。この回転運動は、当技術分野で現在知られている任意の数の手段により、デバイス１０に付与することができる。
【００３７】
図１７は、デバイス１０がレール１６またはトレンチ・ガイドによって拘束され、直線駆動部を介して、または図示した通り、ラック１７およびピニオン１８を使用して、横方向に移動する、本発明のさらに他の実施形態を図示している。図示したデバイスは、唯一の固定コイル４２と、２つの可動コイルとを含む。固定コイル４２に隣接してデバイス１０の下（または上）に他のコイル（図１９の４０Ａおよび５０Ａと同様のもの）を組み込むこともできるが、明瞭にするためにそのいずれもこの図には示されていない。デバイス１０は、前後に移動すると、デバイスの下（または上）に位置決めされた様々な固定コイルに対して結合及び減結合する。ラックアンドピニオン式のＭＥＭＳデバイスの一例は、Ｃａｐｕｒｓｏ他による「ＭＥＭＳ  ｉｎｋ−ｊｅｔ  ｎｏｚｚｌｅ  ｃｌｅａｎｉｎｇ  ａｎｄ  ｃｌｏｓｉｎｇ  ｍｅｃｈａｎｉｓｍ」という米国特許第６３０５７７９号に記載されているが、同特許は参照により本明細書に組み込まれる。
【００３８】
図１８は、信頼性のために完全にカプセル化された完成デバイスの断面図である。下部固定コイル４０および５０は、下部誘電体層７に構築される。さらに、下部肩部８０も同じ層７上に構築され、同一平面上の誘電体層９０と同じ材料で製作される。キャビティ１２は誘電体層９０内に形成され、デバイス１０を移動するために必要な空間を提供する。上部誘電体層１００は、デバイス１０をすっぽり包み、ピボット・ピン７０に接触する上部肩部８５により示す通り、その構造に対して追加の機械的支持を提供する。
【００３９】
図１９は、同図が上部誘電体１００に追加のコイル４０Ａおよび５０Ａを組み込むことにより追加の機能を達成する方法を図示することを除いて、図１８と同様のものである。
【００４０】
図２０は、スタッド（図８の６０など）の必要性を除去する、より単純な１レベルの配線方式のデバイス１０の平面図である。この実施形態は、デバイス１０の構造を単純化するが、らせんインダクタを可能にするものではなく、したがって、特定の応用例では用途が限られている可能性がある。区切り文字Ｃ−Ｃは、図２１に示した断面図に関する参照を示す。
【００４１】
図２１は、図２０の区切り文字Ｃ−Ｃにより示された構造の断面図を表す図である。この図は、らせんインダクタに必要な多層配線を図示する前述の図８に匹敵するものである。
【００４２】
図２２は、固定コイル３０に対して複数の可動デバイス１０および１０Ａを使用する、本発明のさらに他の実施形態である。これらのデバイスは、３つ以上のインダクタが同時に垂直結合する際に図２３に示したように移動するように、構造の異なるレベルに形成することができる。図２２は減結合状態の可動コイル１０および１０Ａを示し、図２３は結合状態の図２２のデバイスを図示している。
【００４３】
図２４は、３つ以上のコイルと、ピボット・ピン７０の周りを回転する三角形の基板とを含む、誘導性スイッチの構造を図示している。この配置では、コイル２０、２１、および３０は、それぞれコイル５６、４１、および５１に結合された状態で示されている。図示したミスアライメントは例示のみのためのものである。デバイスが時計回りに回転した場合、コイル２０、２１、および３０はそれぞれコイル４０、５０、および５５と位置合せされた状態になる。
【００４４】
図２５は、スイッチ／バランの組合せを提供するために単一可動コイルが使用される、減結合状態の誘導性ＭＥＭＳスイッチを図示している。前述の通り、インピーダンス整合およびバラン機能ならびにスイッチングは、誘導性スイッチ内の適切な位置に異なるインダクタンス値を提供することによって使用可能になる。
【００４５】
図２６は、結合状態にある、図２５と同じデバイスを図示している。可動コイル／バラン２０Ａは、インダクタ４０および５０の両方と同時に結合する。
【００４６】
図２７は、固定コイルおよび可動コイルが基板１０の平面に対して垂直または直角に構築された、直線配置の平面図である。
【００４７】
図２８は、図２７の可動コイル配置１０の断面図を示し、可動コイルが可動エレメント１０内にどのように構築されるかを図示している。図２９は、垂直コイルの構造をより詳細に示している。この構造は、層Ａがインダクタ・ループの下部部分を形成する、複数の層として製作される。このプロセスは、標準的なダマスク線（damascene line）レベルと同様のものである。層Ｂは、バイアおよび相互接続線を提供する二重ダマスク構造（dualdamascene structure）と同様に、ループ内の外側および内側垂直導体ならびに水平内側導体の一部分を含む。層Ｃは、この場合も二重ダマスク構造のように、コイル（複数も可）を完成する垂直ループの上部部分と上部水平導体とを含む。層Ｄは、金属をカプセル化し保護するという目的にもかなう、上部絶縁層である。
【００４８】
図３０は、図２７に図示したものと同様の、より複雑な可動コイル配置のもう１つの平面図であり、図３１は、前述の水平２次元コイルの代わりに垂直３次元構造のコイル２０および３０を備えた、図３０に示した構造の断面図表現である。図３２は、図３０および図３１に図示した３次元コイル配置の透視図を示している。この配置は、ダマスクまたは二重ダマスク処理で通常行われるようにコイルの様々なセグメントが層として構築される、図２８に関して記載したものと同様に構築される。
【００４９】
本発明の誘導性ＭＥＭＳスイッチは、高周波数で効率の増進を示し、信号の周波数が増加したときにコイルのサイズを低減することができる。効率の増進はスイッチング・コンポーネント間の磁界結合によって達成される。この磁界結合は、対応する隔離性能の低下なしに高周波数でより良好な挿入損特性を提供する。この高周波数で効率の良い動作は、スイッチ開状態のときにその隔離性能が低下するので典型的な金属同士の接触および容量性スイッチの性能がますます低下することと対比される。典型的な金属接触スイッチは２〜３ＧＨｚのみを確実に処理できるが、本発明は２５ＧＨｚ以上を容易に処理することができる。（高周波数で効率の良い動作は、スイッチ開状態のときに隔離性能が低下するので典型的な金属接触および容量性スイッチの性能がますます低下することと対比される。）
【００５０】
本発明のもう１つの利点は、組込みインピーダンス整合のためにスイッチ／変圧器の組合せを構築できることにある。誘導性スイッチの各部分のインダクタンスを適切に選択することにより、スイッチの入出力インピーダンスを独立して調整することができる。この調整は、インピーダンス整合と同期スイッチングを可能にするものである。変圧器の特殊構成を使用してシングルエンド／ダブルエンド変換器またはバランを作成し、スイッチングと信号変換の両方を単一デバイスで行うことができる。
【００５１】
好ましい実施形態に関連して本発明を説明してきたが、上記の説明を考慮して多くの代替例、変更例、および変形例が当業者には明らかになることを理解されたい。したがって、特許請求の範囲の精神および範囲に含まれるこのような代替例、変更例、および変形例をすべて包含することが意図されている。本明細書に示したものまたは添付図面に示したものはいずれも、例示的かつ非制限的な意味で解釈すべきものである。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】従来技術のＭＥＭＳスイッチの断面図を示す概略図である。
【図２】従来技術のＭＥＭＳスイッチの平面図を示す概略図である。
【図３】複数の可動インダクタからなるモジュールがピボット・ピンの周りを回転して、１組のコイルを誘導結合し、他の組のコイルから減結合する、本発明の第１の実施形態を示す図である。可能な１つの動作モードを示すくし形駆動部も示されている。また、固定コイルをより十分に見るために、減結合モード（decoupled mode）で位置決めされたスイッチを示している。
【図４】図３に示したものと同じデバイスであるが、本発明により可動インダクタを固定インダクタに結合するモードを図示するために大幅に回転されたデバイスを示す図である。
【図５】可動コイル配置の平面図である。区切り文字Ａ−Ａは図６で使用する断面図を示すものである。
【図６】区切り文字Ａ−Ａによる図５の断面図である。固定コイル４０および５０と、ピボット・ホールと、その周りをデバイスが回転するピボット・ピンとを含む基礎となる基板の関連部分も示されている。
【図７】図８に示す断面図で使用する異なる区切り文字Ｂ−Ｂで取られた同じデバイスのもう１つの平面図である。
【図８】区切り文字Ｂ−Ｂによる図７のデバイスの断面図であり、可動コイルを接続するために使用されるエレメントのより良好な透視図を示す図である。
【図９】可動コイルの１つの内部までピボットが移動した配置を示す図である。多連スイッチを提供するために固定コイル４０に結合されたコイルも示している。
【図１０】可動コイルの１つの内部までピボットが移動した配置を示す図である。多連スイッチを提供するために固定コイル４０に結合されたコイルも示している。
【図１１】可動支持部の一方の端部でコイルによって構成されたＭＥＭＳスイッチを示す図である。
【図１２】可動支持部の一方の端部でコイルによって構成されたＭＥＭＳスイッチを示す図である。
【図１３】多極スイッチとして追加された機能を提供する図１１および図１２の拡張例を示す図である。
【図１４】多極スイッチとして追加された機能を提供する図１１および図１２の拡張例を示す図である。
【図１５】多位置ＭＥＭＳスイッチに回転駆動部を使用する配置を示す図である。
【図１６】多位置ＭＥＭＳスイッチに回転駆動部を使用する配置を示す図である。
【図１７】本発明のＭＥＭＳスイッチに横運動を提供するための直線（またはラック）およびピニオン駆動部を示す配置図である。
【図１８】スイッチをカプセル化する完全密封キャビティとともに図３〜５に描写されているＭＥＭＳスイッチの断面図である。
【図１９】機能を強化するために追加された１組の上部コイルを示す、図１８のＭＥＭＳスイッチを示す図である。
【図２０】単一巻きコイルを示し、デバイスの可動部分において１つのレベルの配線のみを必要とする、ＭＥＭＳデバイスの他の実施形態の平面図である。
【図２１】区切り文字Ｃ−Ｃから見た図２０に示すデバイスの断面図である。
【図２２】より要求の厳しい応用例のために可動コイルの複数配置を製作できることを描写する図である。
【図２３】より要求の厳しい応用例のために可動コイルの複数配置を製作できることを描写する図である。
【図２４】３対以上のコイルを一度に結合可能な配置を示す図である。
【図２５】スイッチ／バラン（平衡不平衡）の組合せを作成するために単一可動コイルをどのように使用するかを示す図である。
【図２６】結合状態にある、図２５に描写したものと同じスイッチ／バランを示す図である。
【図２７】コイルが基板の平面に対して垂直（直角）に構築された、直線配置の平面図である。
【図２８】図２７に示したデバイスの断面図であり、可動コイルがＭＥＭＳスイッチの可動エレメント内にどのように構築されるかを示す図である。
【図２９】図２７に示したデバイスの断面図であり、可動コイルがＭＥＭＳスイッチの可動エレメント内にどのように構築されるかを示す図である。
【図３０】図２７に示したものと同様の、より複雑な可動コイル配置のもう１つの平面図である。
【図３１】図３０に示したＭＥＭＳスイッチの断面図表現である。
【図３２】図３０および図３１に図示した３次元コイル配置の透視図である。
【図１】
2006514414.tif 000003
【図２】
2006514414.tif 000004
【図３】
2006514414.tif 000005
【図４】
2006514414.tif 000006
【図５】
2006514414.tif 000007
【図６】
2006514414.tif 000008
【図７】
2006514414.tif 000009
【図８】
2006514414.tif 000010
【図９】
2006514414.tif 000011
【図１０】
2006514414.tif 000012
【図１１】
2006514414.tif 000013
【図１２】
2006514414.tif 000014
【図１３】
2006514414.tif 000015
【図１４】
2006514414.tif 000016
【図１５】
2006514414.tif 000017
【図１６】
2006514414.tif 000018
【図１７】
2006514414.tif 000019
【図１８】
2006514414.tif 000020
【図１９】
2006514414.tif 000021
【図２０】
2006514414.tif 000022
【図２１】
2006514414.tif 000023
【図２２】
2006514414.tif 000024
【図２３】
2006514414.tif 000025
【図２４】
2006514414.tif 000026
【図２５】
2006514414.tif 000027
【図２６】
2006514414.tif 000028
【図２７】
2006514414.tif 000029
【図２８】
2006514414.tif 000030
【図２９】
2006514414.tif 000031
【図３０】
2006514414.tif 000032
【図３１】
2006514414.tif 000033
【図３２】
2006514414.tif 000034
【手続補正書】
【提出日】平成17年1月26日(2005.1.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの可動インダクタと、
固定基板上の少なくとも１つの固定インダクタとを有し、前記少なくとも１つの固定インダクタに対する前記少なくとも１つの可動インダクタの相対的移動により、前記少なくとも１つの固定インダクタに対して前記少なくとも１つの可動インダクタを電気的に結合／減結合することができる、
半導体微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチ。
【請求項２】
前記少なくとも１つの可動インダクタに結合された駆動手段をさらに有する、請求項１に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項３】
前記少なくとも１つの可動インダクタおよび前記少なくとも１つの固定インダクタがそれぞれ第１および第２の平面または基板上に配置される、請求項２に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項４】
前記第１の平面が、前記第２の平面の上または下の可動プラットフォームである、請求項３に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項５】
前記駆動手段が前記可動プラットフォームの外部にあり、前記駆動手段が回転運動を提供することができる、請求項４に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項６】
そのそれぞれの端部で互いに相互接続された前記可動プラットフォーム上の第２および第３のインダクタをさらに有する、請求項４に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項７】
互いに接近して配設された固定基板上の複数個のインダクタのグループと、前記複数個のインダクタのグループとは別の少なくとも１つのインダクタと、
回転プラットフォーム上で互いに相互接続された２つのインダクタとを有し、前記回転プラットフォーム上の前記インダクタのうちの１つが回転プラットフォームの回転により前記複数個のインダクタのグループ内の前記インダクタの１つと交互に結合／減結合し、前記回転プラットフォーム上の他のインダクタが前記固定基板上の前記複数個のインダクタのグループとは別の前記少なくとも１つのインダクタを結合／減結合することができる、
固定基板上のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項８】
前記回転プラットフォームがその一方の端部でピボット・ピンに接続される、請求項７に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項９】
前記回転プラットフォームが支持部に接続され、前記支持部がその一方の端部で前記ピボット・ピンの周りを回転する、請求項７に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項１０】
固定基板上の複数個のインダクタの第１および第２のグループと、
２対のインダクタであって、前記２対がそれぞれ２つの可動プラットフォーム上に配設され、前記プラットフォームが支持部のそれぞれの端部で互いに結合され、前記支持部が前記可動プラットフォームの回転運動を可能にするピボット・ピンに接続される２対のインダクタとを有し、前記回転運動により、前記固定基板上の前記複数個のインダクタの第１および第２のグループのそれぞれの対に対して前記可動プラットフォーム上の前記インダクタのそれぞれの対を結合／減結合することができる、
ＭＥＭＳスイッチ。
【請求項１１】
固定基板上の複数個のインダクタのグループと、
ピボット・ピンの周りを回転する可動プラットフォームであって、前記可動プラットフォームがその上に２つのインダクタを有し、前記可動プラットフォームにより、その上の前記インダクタのそれぞれが前記固定基板上の前記配置のインダクタを交互に結合／減結合することができる、可動プラットフォームと、
を有する、ＭＥＭＳスイッチ。
【請求項１２】
固定基板上の複数個のインダクタと、
可動プラットフォーム上の少なくとも１つのインダクタであって、前記可動プラットフォームが、前記固定基板に対する前記可動プラットフォームの横変位を可能にする駆動手段に結合され、前記可動プラットフォームが前記固定基板上の前記複数個のインダクタに対して前記少なくとも１つのインダクタを結合／減結合することができる、可動プラットフォーム上の少なくとも１つのインダクタと、
を有する、半導体多重極誘導性ＭＥＭＳスイッチ。
【請求項１３】
前記インダクタが、単一閉ループまたは複数ループからなるらせんのうちの一方を形成する、請求項１２に記載の半導体多重極誘導性ＭＥＭＳスイッチ。
【請求項１４】
固定プラットフォーム上の少なくとも１つのインダクタと、
２対のインダクタであって、前記２対のそれぞれがそれぞれ１つの回転プラットフォーム上に配置され、前記回転プラットフォームのそれぞれがピボット・ピンに接続された端部を有する２対のインダクタとを有し、前記２つのプラットフォームの回転運動により、前記固定プラットフォーム上の前記少なくとも１つのインダクタに対して前記複数対のインダクタを交互に結合／減結合することができる、
半導体誘導性ＭＥＭＳスイッチ。
【請求項１５】
固定基板上の複数個のインダクタのグループと、
回転プラットフォーム上の複数個の相互接続インダクタとを有し、前記回転プラットフォームが前記固定基板上の前記複数個のインダクタのグループに対して前記複数個の相互接続インダクタを結合／減結合することができる、
半導体誘導性ＭＥＭＳスイッチ。
【請求項１６】
前記回転プラットフォームが前記回転プラットフォームの重心上またはその付近のピボット・ピンに接続され、前記ピボット・ピンが前記固定基板上に固定される、請求項１５に記載の半導体誘導性ＭＥＭＳスイッチ。
【請求項１７】
固定基板上の複数個のインダクタと、
その上に少なくとも１つのインダクタを有する回転プラットフォームであって、前記回転プラットフォームがその一方の端部に接続されたピボット・ピンの周りを回転し、前記ピボット・ピンが前記固定基板上に固定され、前記回転プラットフォームが前記固定基板上の前記インダクタに対して前記複数個のインダクタを交互に結合／減結合することができる回転プラットフォームと、
を有する、半導体ＭＥＭＳスイッチ／スイッチ。
【国際調査報告】
2006514414.tif 000035