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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-08-26
(45)【発行日】2022-09-05
(54)【発明の名称】メタマテリアルコンタクトを備えるマイクロ電気機械スイッチ
(51)【国際特許分類】
H01H 59/00 20060101AFI20220829BHJP
B81B 3/00 20060101ALI20220829BHJP
【ＦＩ】
H01H59/00
B81B3/00
【請求項の数】
5
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2018042929
(22)【出願日】2018-03-09
(65)【公開番号】P2018198194
(43)【公開日】2018-12-13
【審査請求日】2021-03-02
(31)【優先権主張番号】62/469,752
(32)【優先日】2017-03-10
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】503019176
【氏名又は名称】シナジー マイクロウェーブ コーポレーション
【氏名又は名称原語表記】Ｓｙｎｅｒｇｙ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ
(74)【代理人】
【識別番号】100099623
【弁理士】
【氏名又は名称】奥山 尚一
(74)【代理人】
【識別番号】100096769
【弁理士】
【氏名又は名称】有原 幸一
(74)【代理人】
【識別番号】100107319
【氏名又は名称】松島 鉄男
(74)【代理人】
【識別番号】100125380
【弁理士】
【氏名又は名称】中村 綾子
(74)【代理人】
【識別番号】100142996
【弁理士】
【氏名又は名称】森本 聡二
(74)【代理人】
【識別番号】100166268
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 祐
(74)【代理人】
【識別番号】100170379
【弁理士】
【氏名又は名称】徳本 浩一
(74)【代理人】
【識別番号】100180231
【弁理士】
【氏名又は名称】水島 亜希子
(72)【発明者】
【氏名】シバン・ケイ・カウル
(72)【発明者】
【氏名】アジャイ・クマール・ポダー
(72)【発明者】
【氏名】ウルリッヒ・エル・ローデ
【審査官】内田 勝久
(56)【参考文献】
【文献】中国特許出願公開第１０５７４２１２４（ＣＮ，Ａ）
【文献】特開２０１０－０６１９７６（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許第０６６５０５２７（ＵＳ，Ｂ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｈ ５１／００ － ５９／００
Ｂ８１Ｂ １／００ － ７／０４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
マイクロ電気機械スイッチであって、入力ポート及び出力ポートのそれぞれを有し、基板上に形成された第１の接地面と第２の接地面との間の前記基板上に形成された信号線と、
第１の端部と、第２の端部と、前記第１の端部と前記第２の端部との間の可撓性中央部とを有する第１可撓性ビームであって、前記第１の端部は前記第１の接地面の上方に形成された第１のポストにより支持され、前記第２の端部は前記第２の接地面の上方に形成された第２のポストにより支持され、前記第１可撓性ビームの中央部は、前記入力ポートの少なくとも一部及び前記出力ポートの少なくとも一部の上方に位置し、前記可撓性中央部は、下方に撓むと、前記入力ポート及び前記出力ポートのそれぞれと接触するものである、第１可撓性ビームと、
前記第１の接地面及び前記第２の接地面のそれぞれに形成された１つ以上の欠陥接地構造と、
各欠陥接地構造と対応し、当該欠陥接地構造の上方に位置する第２可撓性ビームと
を備え、
前記スイッチは、好ましくは、
前記第１可撓性ビームに接続され、前記第１可撓性ビームに第１のバイアス電圧を印加する第１のアクチュエータであって、前記第１のバイアス電圧により、前記第１可撓性ビームが前記信号線に向かって下方に撓む、第１のアクチュエータと、
１つ以上の前記第２可撓性ビームのそれぞれに接続され、前記第２可撓性ビームのそれぞれに第２のバイアス電圧を印加する第２のアクチュエータであって、前記第２のバイアス電圧により、各第２可撓性ビームが、その対応する欠陥接地構造に向かって下方に撓む、第２のアクチュエータと
を更に備えるものである、マイクロ電気機械スイッチ。
【請求項2】
前記接地面にエッチングにより形成され、らせんを形成することにより欠陥接地面を形成する複数のスロットと、各接地面における第１の欠陥接地構造及び第２の欠陥接地構造であって、前記第２の欠陥接地構造の長さ及び幅は、前記第１の欠陥接地構造の長さ及び幅より短い、第１の欠陥接地構造及び第２の欠陥接地構造と、
前記第２可撓性ビームに対して平行かつ前記第１可撓性ビームに対して垂直な方向に形成されている前記入力ポート及び前記出力ポートと
のうちの１つ又は任意の組み合わせを更に備える請求項１に記載のマイクロ電気機械スイッチ。
【請求項3】
複数の前記第２可撓性ビームはそれぞれ、第１の副ポストによって支持される第１の端部と、第２の副ポストによって支持される第２の端部とを有し、各第２可撓性ビームの底面が、前記第１の副ポスト及び前記第２の副ポストにより、前記接地面及び対応する前記欠陥接地構造の上方に架けられ、好ましくは、前記第１可撓性ビームの上面は、前記信号線の表面よりも４ミクロン未満だけ高く、
各第２可撓性ビームの上面は、前記接地面の表面よりも２．５ミクロン未満だけ高い、
請求項１又は２に記載のマイクロ電気機械スイッチ。
【請求項4】
前記第１可撓性ビームの中央部は、格子構造を形成する複数の目打ち部を有し、前記目打ち部は前記第１可撓性ビームの柔軟性を高めるためのものであり、前記中央部の各角部は前記第１の端部又は前記第２の端部に向かって蛇行パターンで外向きに延びており、前記中央部の一方の側の前記延びている複数の角部は前記第１の端部において合流し、前記中央部の他方の側の前記延びている複数の角部は前記第２の端部において合流し、好ましくは、各第２可撓性ビームは格子構造を形成する複数の目打ち部を有し、前記目打ち部は前記第２可撓性ビームの柔軟性を高めるためのものである、請求項１～３のいずれか一項に記載のマイクロ電気機械スイッチ。
【請求項5】
前記スイッチは、７５ＧＨｚと１３０ＧＨｚとの間において－２ｄＢよりも小さい挿入損失及び－２０ｄＢよりも大きいアイソレーションを達成し、好ましくは、前記第１可撓性ビームが作動し、前記第２可撓性ビームが作動しない結果として、７５ＧＨｚと１３０ＧＨｚとの間において前記入力ポートと前記出力ポートとの間のアイソレーションが約－２４ｄＢ又はそれよりも良好となる一方、前記第２可撓性ビームが作動し、前記第１可撓性ビームが作動しない結果として、７５ＧＨｚと１３０ＧＨｚとの間において挿入損失が－１．５ｄＢ又はそれよりも良好となる、請求項１～４のいずれか一項に記載のマイクロ電気機械スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、無線周波数（ＲＦ）スイッチ、又はより具体的には、ＲＦマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチに関する。
【0002】
［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１７年３月１０日に出願された米国仮特許出願第６２／４６９，７５２号の出願日の利益を主張するものであり、この仮特許出願は、その開示内容を引用することにより、本明細書の一部をなすものとする。
本出願は、２０１７年３月１０日に出願された米国仮特許出願第６２／４６９，７５２号の出願日の利益を主張するものであり、この仮特許出願は、その開示内容を引用することにより、本明細書の一部をなすものとする。
【背景技術】
【0003】
ＲＦ ＭＥＭＳスイッチは、これまで、送受信の用途における信号ルーティング、フェーズドアレイアンテナにおける交換回線（switched-line）の移相器、及び現在の通信システムにおける広帯域同調ネットワーク等の、マイクロ波及びミリメートル波の通信システムにおいて利用されている。ＭＥＭＳは通常、シリコン酸化膜犠牲層をエッチングすることによってリリースされる可動機械部品を伴うシリコンベースの集積回路技術である。
【0004】
図１Ａ～図１Ｃに、カンチレバー式面外ＲＦ ＭＥＭＳスイッチ１００の例示的な回路設計を示す。図１Ａはスイッチの平面図であり、図１ＢはＸ軸に沿ったスイッチの断面図であり、図１ＣはＹ軸に沿ったスイッチの断面図である。
【0005】
本例のスイッチ１００は、共平面導波路（又はコプレーナ導波路）（coplanar waveguide）１０１の上に形成される。基板１０５の接地面（ground plane）１０２と接地面１０４との間には、信号線１１０が形成される。信号線１１０は、基板１０５の両端部に形成されている入力ポート１１２及び出力ポート１１４を有する。カンチレバー式スイッチは、基板１０５に固定されたポスト１２０又はアンカーを有し、信号線１１０に対して垂直な方向において基板の上方にわたって延びている延長部を有する。カンチレバーの延長部は、ケイ酸塩等の誘電体材料の下層１２５と、金等の導電性材料１３０の上層１３０とを有する。カンチレバーは更に、下部誘電体層１２０の下に位置し、信号線ポート１１２、１１４と位置合わせされたコンタクトバンプ又はディンプル１３５を有する。したがって、カンチレバーが下方に曲げられると、ディンプル１３５が信号線１１０と接触し、それにより、入力ポート１１２と出力ポート１１４とが接続される。
【0006】
また、スイッチ１００は、共平面導波路１０１のカンチレバーと接地１０２、１０４との間にＤＣバイアス電圧を印加するか、又はＤＣバイアス電圧を除去することによりカンチレバーを作動させる静電アクチュエータ（不図示）をも有する。アクチュエータからの印加電圧に応じて、カンチレバーは、信号線に向かう方向及び信号線から離れる方向にそれぞれ、下方及び上方に曲がる。他のＲＦ ＭＥＭＳスイッチは、カンチレバー式スイッチの可動部品をコンタクトに引き寄せるか、又はコンタクトから引き離すために、横方向への動きに頼る場合がある。可動部品及びコンタクトはそれぞれ金属とすることができるか（抵抗性スイッチ）、又は一方を金属、他方を誘電体とすることができる（容量性スイッチ）。
【0007】
ＲＦ ＭＥＭＳスイッチは、ソリッドステートの半導体同等品に比べて、優れた線形性、小さい挿入損失及び高いアイソレーション等の幾つかの重要な利点を示す。詳細には、ミリメートル波周波数におけるＲＦ ＭＥＭＳスイッチは、最新の電気通信システムにおいて使用するのに適しており、特に、自動車レーダシステム、５Ｇワイヤレス通信、短距離屋内マイクロ波リンク、広帯域トランシーバ、フェーズドアレイシステム、及び高精度計測への適用例に関して適している。
【0008】
ＰＩＮダイオード及び電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）スイッチに比べて、ＲＦ ＭＥＭＳスイッチは、より低いコストにおいて、より低い電力消費量、より高いアイソレーション、より低い挿入損失及びより高い線形性をもたらすことがわかっている。
【0009】
ＲＦ ＭＥＭＳスイッチは、高い作動電圧、大きい挿入損失及び不十分な反射減衰量を含む、幾つかの欠点に直面する可能性がある。これらの欠点は、ミリメートル波周波数範囲において動作させるためのＭＥＭＳスイッチを設計する上での課題である。
【0010】
ＲＦ ＭＥＭＳスイッチの性能に関する別の問題は、特に高温のスイッチング条件下において、数回のスイッチングサイクル後に電気機械的な故障を起こしやすいことである。例えば、そのスイッチは、静止摩擦（static friction）（すなわち静摩擦（stiction））の蓄積に起因して作動しなくなる場合がある。スイッチの可動部品が引き寄せられてシステムの別の構成要素（例えば、信号線）と接触すると、静止摩擦により、スイッチが動かなくなる可能性がある。静止摩擦力に勝つために高い電圧を必要とする場合がある。しかし、低電圧では、スイッチはその構成要素に「くっついた（welded）」ままになる可能性がある。
【発明の概要】
【0011】
本開示の一態様は、
入力ポート及び出力ポートのそれぞれを備える信号線であって、信号線は、基板上に形成される第１の接地面と第２の接地面との間の基板上に形成される、信号線と、
第１の端部と、第２の端部と、第１の端部と第２の端部との間の可撓性中央部分とを有するプライマリ可撓性ビーム（又は第１可撓性ビーム）であって、第１の端部は第１の接地面の上方に形成される第１のポストによって支持され、第２の端部は第２の接地面の上方に形成される第２のポストによって支持され、プライマリ可撓性ビームの中央部分は、入力ポートの少なくとも一部及び出力ポートの少なくとも一部の上方に位置決めされ、それにより、可撓性中央部分は、下方に撓むときに、入力ポート及び出力ポートのそれぞれと接触する、プライマリ可撓性ビームと、
第１の接地面及び第２の接地面のそれぞれの中に形成される１つ以上の欠陥接地構造（defected ground structures）と、欠陥接地構造ごとに、その欠陥接地構造の上方に位置決めされる対応するセカンダリ可撓性ビーム（又は第２可撓性ビーム）と
を備えるマイクロ電気機械スイッチに関する。スイッチは、好ましくは、プライマリ可撓性ビームに接続され、プライマリ可撓性ビームに第１のバイアス電圧を印加するように構成される第１のアクチュエータであって、第１のバイアス電圧によって、プライマリ可撓性ビームが信号線に向かって下方に撓む、第１のアクチュエータと、１つ以上のセカンダリ可撓性ビームのそれぞれに接続され、セカンダリ可撓性ビームのそれぞれに第２のバイアス電圧を印加するように構成される第２のアクチュエータであって、第２のバイアス電圧によって、各セカンダリ可撓性ビームが、その対応する欠陥接地構造に向かって下方に撓む、第２のアクチュエータとを更に備えることができる。
入力ポート及び出力ポートのそれぞれを備える信号線であって、信号線は、基板上に形成される第１の接地面と第２の接地面との間の基板上に形成される、信号線と、
第１の端部と、第２の端部と、第１の端部と第２の端部との間の可撓性中央部分とを有するプライマリ可撓性ビーム（又は第１可撓性ビーム）であって、第１の端部は第１の接地面の上方に形成される第１のポストによって支持され、第２の端部は第２の接地面の上方に形成される第２のポストによって支持され、プライマリ可撓性ビームの中央部分は、入力ポートの少なくとも一部及び出力ポートの少なくとも一部の上方に位置決めされ、それにより、可撓性中央部分は、下方に撓むときに、入力ポート及び出力ポートのそれぞれと接触する、プライマリ可撓性ビームと、
第１の接地面及び第２の接地面のそれぞれの中に形成される１つ以上の欠陥接地構造（defected ground structures）と、欠陥接地構造ごとに、その欠陥接地構造の上方に位置決めされる対応するセカンダリ可撓性ビーム（又は第２可撓性ビーム）と
を備えるマイクロ電気機械スイッチに関する。スイッチは、好ましくは、プライマリ可撓性ビームに接続され、プライマリ可撓性ビームに第１のバイアス電圧を印加するように構成される第１のアクチュエータであって、第１のバイアス電圧によって、プライマリ可撓性ビームが信号線に向かって下方に撓む、第１のアクチュエータと、１つ以上のセカンダリ可撓性ビームのそれぞれに接続され、セカンダリ可撓性ビームのそれぞれに第２のバイアス電圧を印加するように構成される第２のアクチュエータであって、第２のバイアス電圧によって、各セカンダリ可撓性ビームが、その対応する欠陥接地構造に向かって下方に撓む、第２のアクチュエータとを更に備えることができる。
【0012】
幾つかの例において、欠陥接地構造はそれぞれ、接地面にエッチングにより形成され、らせんを形成する複数のスロットを含むことができる。また、幾つかの例において、各接地面は、第１の欠陥接地構造及び第２の欠陥接地構造を含むことができ、第２の欠陥接地構造の長さ及び幅は第１の欠陥接地構造の長さ及び幅より短い。また、幾つかの例において、入力ポート及び出力ポートはスイッチの第１の軸に沿って形成することができ、プライマリ可撓性ビームが第１の軸に対して垂直な第２の軸に沿って第１のポストから第２のポストまで延在し、セカンダリ可撓性ビームが第１の軸に対して平行な方向に延在する。
【0013】
幾つかの例において、セカンダリ可撓性ビームはそれぞれ、第１のセカンダリポスト（又は副ポスト）によって支持される第１の端部と、第２のセカンダリポストによって支持される第２の端部とを有することができる。各セカンダリ可撓性ビームの底面は、第１のセカンダリポスト及び第２のセカンダリポストによって、接地面及び対応する欠陥接地構造の上方に架け渡すことができる。プライマリ可撓性ビームの上面は、信号線の表面より４ミクロン未満だけ高くすることができる。各セカンダリ可撓性ビームの上面は、接地面の表面より２．５ミクロン未満だけ高くすることができる。
【0014】
幾つかの例において、プライマリ可撓性ビームの中央部分は、格子構造を形成する複数の目打ちを有することができる。目打ちはプライマリ可撓性ビームの柔軟性を高めることができる。中央部分の各角部は、蛇行パターンにおいて第１の端部又は第２の端部に向かって外向きに延在することができる。中央部分の一方の側の延在する角部は第１の端部において合流することができ、一方、中央部分の他方の側の延在する角部は第２の端部において合流する。これに関連して、プライマリ可撓性ビームは１５０μｍ長未満とすることができ、それでも中央部分が１μｍ以上だけ下方に撓むほど十分柔軟にすることができる。約１７ボルト以下の電圧等のバイアス電圧を印加するのに応答して、下方に撓むことができる。それに加えて、又はその代わりに、各セカンダリ可撓性ビームは、格子構造を形成する複数の目打ちを含むことができる。目打ちは、セカンダリ可撓性ビームの柔軟性を高めることができる。
【0015】
幾つかの例において、スイッチは７５ＧＨｚ～１３０ＧＨｚにおいて－２ｄＢより低い挿入損失及び－２０ｄＢより高いアイソレーションを達成することができる。また、幾つかの例において、プライマリ可撓性ビームが作動し、セカンダリ可撓性ビームが作動しない結果として、７５ＧＨｚ～１３０ＧＨｚにおいて入力ポートと出力ポートとの間のアイソレーションが約－２４ｄＢ以上になることができる。同様に、セカンダリ可撓性ビームが作動し、プライマリ可撓性ビームが作動しない結果として、７５ＧＨｚ～１３０ＧＨｚにおいて挿入損失が－１．５ｄＢ以下になることができる。
【0016】
本開示の別の態様は、入力ポート及び出力ポートのそれぞれを備える信号線であって、信号線は基板上に形成される第１の接地面と第２の接地面との間の基板上に形成される、信号線と、信号線の上方に位置決めされるビームであって、ビームは信号線及び接地面に対して面外方向に動くように構成され、信号線と接触するように構成される上側コンタクトを含む、ビームと、上側コンタクト及び信号線のうちの１つに含まれるメタマテリアル構造とを含むマイクロ電気機械スイッチに向けられる。幾つかの例において、メタマテリアル構造は同心スプリットリングを含むことができる。また、幾つかの例において、メタマテリアル構造は、少なくとも５０ＧＨｚの帯域幅にわたって０．０５以下の実効誘電率を有する。さらに、幾つかの例において、メタマテリアル構造は、１００ＧＨｚ未満の帯域幅内で主に反射性（primarily-reflective）の特性及び主に伝送性（primarily-transmissive）の特性のそれぞれの特性を示す。またさらに、幾つかの例において、メタマテリアル構造は、ビーム及び信号線を切り離すための反発性カシミール力（repulsive Casimir force）を生成することができる。
【0017】
幾つかの例において、スイッチは抵抗性スイッチとすることができる。そのような例において、メタマテリアル構造は、上側コンタクトに含まれる場合がある。信号線の入力ポート及び出力ポートの上面は導電性とすることができる。ビームは、ビームが作動するときに、入力ポート及び出力ポートのそれぞれと接触する底部導電層を更に含むことができる。メタマテリアル構造は底部導電層に埋め込まれる場合がある。また、幾つかの例において、ビームは更に、底部導電層の上方に形成される誘電体層と、誘電体層の上方に形成される上部導電層とを含むことができる。底部導電層は、誘電体層の誘電率より低い誘電率を有することができる。上部導電層は、誘電体層の誘電率より高い誘電率を有することができる。上部導電層及び底部導電層はそれぞれ金から形成することができる。誘電体層は、窒化シリコン又は一窒化シリコンのうちの１つから形成することができる。また、幾つかの例において、スイッチは更に、上部導電層に埋め込まれる第２のメタマテリアル構造、及び上部導電層と底部導電層との間の誘電体層と共通の組成を有する上部導電層の上方にわたる上部誘電体層のうちの１つ、又はその組み合わせを含むことができる。上部誘電体層、上部導電層及び誘電体層はそれぞれ、ビームの長さに等しい長さを有することができ、一方、底部導電層は信号線の幅に等しい長さを有する。幾つかの例において、スイッチは、スイッチがオフであるときに８０ＧＨｚ～１００ＧＨｚにおいて約－１５ｄＢより高いアイソレーションを有することができ、スイッチがオンであるときに８０ＧＨｚ～１００ＧＨｚにおいて約－１ｄＢ未満の挿入損失を有することができる。
【0018】
他の例において、スイッチは容量性シャントスイッチとすることができる。メタマテリアル構造は信号線に含まれる場合がある。スイッチは、第１の端部と、第２の端部と、第１の端部と第２の端部との間の可撓性中央部分とを有する可撓性ビームを更に含むことができ、第１の端部は第１の接地面の上方に形成される第１のポートによって支持される。第２の端部は、第２の接地面の上方に形成される第２のポートによって支持することができ、可撓性ビームの中央部分は、信号線内のメタマテリアル構造の上方に位置決めすることができる。可撓性中央部分は、下方に撓むときに、信号線と接触することができる。
【0019】
幾つかの例において、スイッチは、第１の接地面から信号線に向かって延在する導電性ストリップを備えることができる。導電性ストリップは、メタマテリアル構造の上に少なくとも部分的に位置決めされるように、信号線の反対に位置する端部まで延在することができる。場合によっては、第１の導電性ストリップは第１の接地面から第２の接地面まで延在することができる。
【0020】
幾つかの例において、信号線は、入力ポートに隣接する第１のメタマテリアル構造と、出力ポートに隣接する第２のメタマテリアル構造とを含むことができる。スイッチは更に、第１の接地面から第２の接地面に向かって延在し、第１のメタマテリアル構造の上に少なくとも部分的に位置決めされる第１の導電性ストリップと、第１の接地面から第２の接地面に向かって延在し、第２のメタマテリアル構造の上に少なくとも部分的に位置決めされる第２の導電性ストリップとを含むことができる。
【0021】
幾つかの例において、スイッチは、基板上に形成される底部誘電体層であって、接地面及び信号線はそれぞれ、底部誘電体層上に形成される、底部誘電体層と、接地面のうちの１つから底部誘電体層の中に下方に延在する導電性ポストと、導電性ポストから信号線に向かって外向きに延在する導電性ビームとのそれぞれを更に備えることができる。導電性ビームは、メタマテリアル構造の下方に少なくとも部分的に位置決めされるように、信号線の反対に位置する端部まで延在することができる。さらに、幾つかの例において、スイッチは、スイッチがオフであるときに３０ＧＨｚ～１００ＧＨｚにおいて約－１５ｄＢより高いアイソレーションを有することができ、スイッチがオンであるときに３０ＧＨｚ～１００ＧＨｚにおいて約－１ｄＢ未満の挿入損失を有することができる。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【図1A】従来のＲＦ ＭＥＭＳスイッチの平面図である。
【図2】本開示の一態様による、ＲＦ ＭＥＭＳシャントスイッチの側面図である。
【図3】本開示の一態様による、例示的なＲＦ ＭＥＭＳシャントスイッチの平面図である。
【図5】本開示の一態様による、別の例示的なＲＦ ＭＥＭＳシャントスイッチの平面図である。
【図7】本開示の一態様による、欠陥接地面構造を有するスイッチの平面図である。
【図11】本開示の一態様による、欠陥接地面構造を有するスイッチと、セカンダリスイッチとの部分平面図である。
【図13】欠陥接地面構造を用いないスイッチのコプレーナ線路に関する伝送位相及び反射位相のグラフ表示である。
【図14】欠陥接地面構造を用いるスイッチのコプレーナ線路に関する伝送位相及び反射位相のグラフ表示である。
【図15】欠陥接地面構造を用いるスイッチのコプレーナ線路に関する伝送位相及び反射位相のグラフ表示である。
【図17】本開示の一態様による、欠陥接地面構造を有するスイッチと、セカンダリスイッチとの平面図である。
【図27】本開示の一態様による、スイッチに関するアイソレーションのグラフ表示である。
【図28】本開示の一態様による、スイッチに関する挿入損失のグラフ表示である。
【図29】金属－メタマテリアル界面の斜視図である。
【図31】本開示の一態様による、金属－メタマテリアルコンタクトの側面図である。
【図32A】本開示の一態様による、メタマテリアル構造を有するＲＦ ＭＥＭＳ抵抗性スイッチの上面図である。
【図33】本開示の一態様による、メタマテリアル構造の平面図である。
【図34】本開示の一態様による、異なるメタマテリアル構造を有する例示的なＲＦ ＭＥＭＳ抵抗性スイッチに関する、或る周波数範囲にわたる伝送特性及び反射特性のグラフ表示である。
【図35】本開示の一態様による、異なるメタマテリアル構造を有する例示的なＲＦ ＭＥＭＳ抵抗性スイッチに関する、或る周波数範囲にわたる伝送特性及び反射特性のグラフ表示である。
【図36】本開示の一態様による、異なるメタマテリアル構造を有する例示的なＲＦ ＭＥＭＳ抵抗性スイッチに関する、或る周波数範囲にわたる伝送特性及び反射特性のグラフ表示である。
【図37】本開示の一態様による、異なるメタマテリアル構造パラメータを有する例示的なＲＦ ＭＥＭＳ抵抗性スイッチに関する、或る周波数範囲にわたる反射特性のグラフ表示である。
【図38】本開示の一態様による、異なる金属プレートコンタクト厚を有する例示的なＲＦ ＭＥＭＳ抵抗性スイッチに関する、或る周波数範囲にわたる伝送特性及び反射特性のグラフ表示である。
【図39】本開示の一態様による、異なる誘電体層厚を有する例示的なＲＦ ＭＥＭＳ抵抗性スイッチに関する、或る周波数範囲にわたる伝送特性及び反射特性のグラフ表示である。
【図40】本開示の一態様による、異なる金属プレート厚を有する例示的なＲＦ ＭＥＭＳ抵抗性スイッチに関する、或る周波数範囲にわたる伝送特性及び反射特性のグラフ表示である。
【図41】本開示の一態様による、例示的なＲＦ ＭＥＭＳ抵抗性スイッチの或る周波数範囲にわたる抽出された誘電率パラメータ及び透磁率パラメータのグラフ表示である。
【図42】本開示の一態様による、オフ状態にある例示的なＲＦ ＭＥＭＳスイッチに関する、或る周波数範囲にわたる伝送特性及び反射特性のグラフ表示である。
【図43】本開示の一態様による、オン状態にある例示的なＲＦ ＭＥＭＳスイッチに関する、或る周波数範囲にわたる伝送特性及び反射特性のグラフ表示である。
【図44】本開示の態様による、異なるメタマテリアル構造を有する例示的なＲＦ ＭＥＭＳ容量性スイッチに関する、或る周波数範囲にわたる伝送特性及び反射特性のグラフ表示である。
【図45】本開示の態様による、異なるメタマテリアル構造を有する例示的なＲＦ ＭＥＭＳ容量性スイッチに関する、或る周波数範囲にわたる伝送特性及び反射特性のグラフ表示である。
【図46】本開示の態様による、異なるメタマテリアル構造を有する例示的なＲＦ ＭＥＭＳ容量性スイッチに関する、或る周波数範囲にわたる伝送特性及び反射特性のグラフ表示である。
【図47A】本開示の一態様による、メタマテリアル構造を有する例示的なＲＦ ＭＥＭＳ容量性スイッチの上面図である。
【図50】本開示の一態様による、容量性シャント及びメタマテリアル構造を有する例示的なＲＦ ＭＥＭＳ容量性スイッチの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0023】
本開示は、信号特性が改善され、静摩擦を受けにくくするＲＦ ＭＥＭＳスイッチを提供するものである。
【0024】
図２に、基板２０１に形成された共平面導波路の上方に形成された二重支持カンチレバービーム２１０を用いるＲＦシャントスイッチ２００を示す。ビーム２１０の第１の端部２１２及び第２の端部２１４は、共平面導波路内に形成されるそれぞれの接地面２０２及び２０４によって支持される。ビーム２１０の中央部は、共平面導波路に形成されている信号線２２０の上方に架け渡されている。ビーム２１０は、ビーム２１０と、接地面２０２、２０４とに直流（ＤＣ）バイアス電圧を印加するアクチュエータ（不図示）に接続される。ＤＣバイアス電圧により、ビーム２１０が下方に撓む。
【0025】
図２の例において、信号線２２０は、窒化ケイ素等の薄い誘電体層２２４により覆われた導電層２２２を有する。誘電体層は約０．２μｍ厚とすることができる。ビーム２１０が下方に撓み、信号線２２０と接触すると、大きなシャントキャパシタンスが得られる。大きなシャントキャパシタンスは、共平面導波路の信号線２２０に沿ってＲＦ信号が伝搬するのを阻止する（オン状態）。ＤＣバイアスが除去されると、ビーム２２０は上方に撓み、その元の位置に戻り、シャントキャパシタンスが降下して、ＲＦ信号が、減衰しない形で再び伝搬し始める（オフ状態）。
【0026】
図２の例において、ビーム２１０は、モリブデンから形成され、約３２５μｍの長さ、約６０μｍの幅及び約１．２μｍの厚さを有する。信号線２２０は、共平面導波路の中を通って延在し、約６０μｍの幅（ビーム長の方向）を有する。ビーム２１０は、信号線２２０の上方約２．５μｍに架け渡され、それにより２．５μｍの空隙を形成する。誘電体層は約０．２μｍの厚さを有する。
【0027】
図３は、図２のスイッチ２００の平面図である。ビーム２１０は目打ちされ、中央部に小さな目打ち部（perforation）３０１のグリッドを有し、各端部に大きな目打ち３０２、３０３を有する。目打ちは、ビーム２１０が下方に撓むのを改善させる。図３は、ＤＣバイアス電圧が印加されるとビーム２１０が垂直に変位することを更に示し、その変位は、ビームの各端部２１２、２１４において変位がない状態から、ビーム２１０の中央部において約０．９１μｍに達する。図２のスイッチのためのＤＣバイアスは、約３７Ｖになることがわかっている。
【0028】
図４は、７５ＧＨｚ～１３０ＧＨｚのミリメートル波信号の帯域にわたる、スイッチが開いているときの図２のスイッチのアイソレーション特性を示す。アイソレーションは、７５ＧＨｚにおいて約－１２．４ｄＢであり、１３０ＧＨｚにおいて約－１９．７ｄＢである。閉じたときのスイッチの挿入損失は約０．７４ｄＢであり、反射減衰量は約１０．０４ｄＢである。
【0029】
異なる目打ち配列を与えることによって、作動電圧を３７Ｖ未満まで更に減らすことができる。図５の例において、スイッチ５００は、金から形成され、目打ちされた構造を有する長方形ビーム５１０を含む。ビーム５１０の中央部５１６は目打ちされたグリッド又は格子を形成する。格子構造の各角部は、その後、ビーム５１０の第１の端部５１２及び第２の端部５１４に向かって蛇行パターンで延びている。いずれの端部の蛇行パターンも、その後、互いに接続され、それにより、ビーム５１０の両端部に第１の蛇行構造及び第２の蛇行構造が形成される。蛇行構造は、より低いバイアス電圧でビームが撓むのを可能にする。
【0030】
図５に示すスイッチの寸法は、図５のビームがわずかに長く（約３４５μｍ）、わずかに幅が広い（約６５μｍ）ことを除けば、図２の寸法と概ね同等である。ビームはそれでも、わずか１７Ｖのバイアス電圧で０．９μｍまで下方に撓む。
【0031】
また、図５のスイッチは、改善されたアイソレーション特性を有する。図６は、７５ＧＨｚ～１３０ＧＨｚの帯域にわたる、スイッチが開いているときの図５のスイッチのアイソレーション特性を示す。アイソレーションは７５ＧＨｚにおいて約－２２．０ｄＢ、１３０ＧＨｚにおいて約－１４．７ｄＢであり、８６ＧＨｚにおいて約－２４．８ｄＢまで降下する。さらに、閉じたときのスイッチの挿入損失はわずか約０．６ｄＢであり、反射減衰量はわずか約１５．１５ｄＢである。
【0032】
それにもかかわらず、図２及び図５のシャントスイッチのアイソレーション特性は、７５ＧＨｚ～１３０ＧＨｚのミリメートル波周波数帯において特に、更に改善することができる。図７の例示的なスイッチ７００は、図５のビーム５１０と同じ構造的配列を有し、約３２０μｍ長×約４００μｍ幅の寸法を有する接地面構造７０１上に形成されるビーム７１０を含む。接地面構造７０１は、２つの接地面７０２と７０４との間に信号線７２０を含む。スイッチ７００の接地面７０２及び７０４のそれぞれに２次元の接地欠陥構造（defected ground structure, ＤＧＳ）が形成される。ＤＧＳは基本的にバンドストップフィルタとして機能し、それにより、スイッチ７００の伝送特性に影響を及ぼす。図７の例において、ＤＧＳは、２×２のグリッドをなし、信号線７２０の縦軸に沿って鏡面対称を有する４つのらせん形のスロット７３１、７３２、７３３、７３４を形成する。
【0033】
らせん形スロットの特性を、図８に更に詳細に示す。図８の例示的なＤＧＳ８００において、らせん形スロットはそれぞれ共通の均一な幅Ｗを有する。第１のスロット８１０が、信号線を接地面から分離するチャネル８０２から延在する。それぞれの後続のスロットは、先行するスロットに直角に接続する。それゆえ、図８において、第２のスロット８２０は第１のスロット８１０に直角に接続し、第３のスロット８３０は第２のスロットに直角に接続し、同じ角度方向に曲がり、それにより、らせんが形成される。図８のＤＧＳは、上記のらせんパターンを用いて形成された全部で７つのスロットを有する。
【0034】
また、ＤＧＳ構造は、第１のスロットの始点を第４のスロットの終点に接続する開口部も含む。このようにして、図８のＤＧＳ構造の最初の４つのスロットは、第２のスロットによって規定される長さと、第３のスロットによって規定される幅とを有する長方形のボックスも形成する。長方形ボックスの長さ及び幅は距離「ａ」及び「ｂ」の観点から規定することができ、「ａ」は第３のスロットの長さであり、「ｂ」は、第２のスロットと第３のスロットとの間の長さの差である（それゆえ、第２のスロットの長さはａ＋ｂに等しい）。
【0035】
図７のスイッチは更に改善された減衰特性を有する。図９は、スイッチを閉じたときのスイッチ７００の挿入損失及び反射減衰量を示す。挿入損失は、７５ＧＨｚにおいて約－２．２ｄＢ、１３０ＧＨｚにおいて約－１０．４ｄＢであり、１０５ＧＨｚにおいて－１６．６ｄＢまで降下する。反射減衰量は、７５ＧＨｚにおいて約－２４．０ｄＢ、１３０ＧＨｚにおいて約－１１．２ｄＢであり、１０５ＧＨｚにおいて約－９．５ｄＢまで上昇する。
【0036】
図１０は、スイッチが開いているときのスイッチ７００に関するアイソレーションを示す。アイソレーションは、７５ＧＨｚにおいて約－１７．１ｄＢ、１３０ＧＨｚにおいて約－１１．５であり、８２ＧＨｚにおいて約－３２．５ｄＢまで降下する。
【0037】
図７のスイッチのアイソレーション特性が改善されたにもかかわらず、図９は、スイッチの接地面内にＤＧＳを含む結果として、挿入損失が高くなることを示す。挿入損失を克服するために、図７のスイッチのＤＧＳ構造に対する改善を図１１に示す。
【0038】
図１１のスイッチ１１００は、図７のスイッチに構造が概ね類似している。スイッチ１１００は、信号線１１２０によって二分される２つの接地面１１０２、１１０４を有し、接地面内に形成された４つのＤＧＳ構造１１３１、１１３２、１１３３、１１３４を有する。接地面及び信号線の長さは約３４０μｍであり、スイッチの累積的な幅は約４０４μｍである。スイッチ１１００は、ＤＧＳ構造がそれぞれ、ＤＧＳ構造の上方に位置決めされるセカンダリＭＥＭＳスイッチ１１４１、１１４２、１１４３、１４４を含む点で、図７とは異なる。セカンダリスイッチ及びＤＧＳの形状はいずれも長方形とすることができるが、セカンダリスイッチの方を長くすることができ、その一方で、ＤＧＳ構造の幅を広くすることができる。図１１の例において、各ＤＧＳ構造は目打ちされた格子であり、長さが約１０５μｍ、幅が約８５μｍであり、長さが約１３９μｍ、幅が６５μｍであるセカンダリスイッチにより覆われる。
【0039】
スイッチ１１００の単一のＤＧＳ構造の側面図を図１２に示すが、ＤＧＳ構造自体は示されていない。スイッチ１１００は基板１１０１を含み、基板上に接地面１１０２が形成される。接地面１１０２は約２μｍの厚さ又は高さを有する。図示されないが、ＤＧＳ構造１１３１のスロットは接地面内に形成され、接地面１１０２の高さに等しい深さを有することができる。ＤＧＳ構造１１３１の上方にセカンダリスイッチ１１４１が形成される。セカンダリスイッチ１１４１は、２つの脚部１１６２、１１６４によって支持されるビーム１１５１を含む。支持用脚部は約１μｍの高さを有し、それにより、ビーム１１５１をＤＧＳ及び接地面の上方約１μｍに持ち上げる。したがって、撓んでいないビームと、下方に位置決めされたＤＧＳとの間に約１μｍの空隙が存在する。ビーム１１５１のビーム厚又はビーム高は、約１．２μｍとすることができる。
【0040】
ビーム１１５１は、バイアス電圧を供給するアクチュエータ（図示せず）に接続され、アクチュエータはビーム１１５１から脚部１１６２、１１６４を介して接地面１１０２まで延びている。バイアス電圧を印加することによって、ビーム１１５１は接地面１１０２に向かって下方に撓み、それにより、ＤＧＳ構造１１３１の容量特性に影響を及ぼす。スイッチ１１０１に印加される電圧の量は絶えず変更可能とすることができ、それにより、ＤＧＳ構造の容量特性（及びデバイスのメインＭＥＭＳスイッチに及ぼすその影響）を変更又は調整することができる。
【0041】
図１１のスイッチ配列は、メタマテリアルのように機能することがわかっている。これは、図１１のＤＧＳ構造を用いない共平面導波路内に形成される信号線の伝送位相及び反射位相を最初に解析し、その後、図１１のＤＧＳ構造を用いて同じ信号線の伝送位相及び反射位相を解析することによって確認することができる。
【0042】
図１３に、５０ＧＨｚ～１４０ＧＨｚのミリメートル波周波数の帯域における、ＤＧＳ構造を用いない共平面導波路にわたって伝送される信号の伝送位相及び反射位相を示す。図１３に示すように、信号の伝送位相内のあらゆるシフトが、反射位相内の実質的に等しい（約２０度内の）シフトに対応する。
【0043】
図１４は、同じ共平面導波路であるが、２．２μｍの高さにおいて導波路内にＤＧＳ構造が組み込まれている場合の周波数の同じ帯域にわたる信号の伝送位相及び反射位相を示しており、その高さは、基板の上面（ＤＧＳ構造のスロットのくぼみ（basin））からＤＧＳ構造の上方に位置決めされるセカンダリスイッチの底面までの距離である。図１４に示すように、伝送位相及び反射位相は、周波数の帯域にわたって等しくシフトせず、それどころか反対方向にシフトし、最終的には、８５ＧＨｚにおいて交差し、その後、９６ＧＨｚにおいて再び交差する。
【0044】
図１５に、同じ共平面導波路であるが、２．６μｍの高さにおいてＤＧＳ構造を用いる場合の伝送位相及び反射位相を示す。図１５において、伝送位相及び反射位相は、約１１０ＧＨｚまで実質的に等しくシフトするが、その後、１１５ＧＨｚより高い周波数において反対方向にシフトし始め、更には、約１２８ＧＨｚにおいて交差する。
【0045】
ＤＧＳ構造の特定の共振周波数は、接地面とビームとの間の空隙の高さに応じて異なり得る。図１６に、様々な高さにおいてＤＧＳ構造の上方に位置決めされる５つのセカンダリスイッチに関するアイソレーション特性のプロットを示す。その構造の共振周波数は、接地面とビームとの間の空隙が増加するにつれて、高い方の周波数にシフトすることが示される。
【0046】
ＤＧＳ構造と、その上を覆うセカンダリスイッチとを用いる例示的なＭＥＭＳシャントスイッチをより完全な形で図１７に示す。スイッチ１７００は、第１の接地面１７０２と第２の接地面１７０４との間に位置決めされる信号線１７２０を含み、信号線は、第１の空間１７０３及び第２の空間１７０５だけ、各接地面から離間される。プライマリシャントスイッチ１７１０は、第１の接地面１７０２及び第２の接地面１７０４の上に位置決めされ、それらの接地面に接続され、それらの接地面の橋渡しをする。プライマリシャントスイッチ１７１０は、信号線１７２０に対して垂直に延び、信号線１７２０の上方に架け渡される。プライマリシャントスイッチ１７１０にバイアス電圧が印加されると、スイッチ１７１０は、信号線１７２０に向かって下方に撓む。バイアス電圧が印加されないと、スイッチ１７１０は、上方に撓んで、その元の位置に戻る。
【0047】
第１のＤＧＳ構造１７３１及び第２のＤＧＳ構造１７３２が、第１の接地面１７０２内に形成される。第３のＤＧＳ構造１７３３及び第４のＤＧＳ構造１７３４が、第２の接地面１７０４内に形成される。第１のＤＧＳ構造１７３１及び第３のＤＧＳ構造１７３３は、プライマリスイッチ１７１０の縦軸Ｘに沿って鏡面対称性を有し、類似した形状を有する。第２のＤＧＳ構造１７３２及び第４のＤＧＳ構造１７３４も、プライマリスイッチ１７１０の縦軸Ｘに沿って鏡面対称性を有し、類似した形状を有する。
【0048】
図１７の例において、第１のＤＧＳ構造１７３１及び第３のＤＧＳ構造１７３３は、第２のＤＧＳ構造１７３２及び第４のＤＧＳ構造１７３４とはサイズが異なる。詳細には、第１のＤＧＳ構造１７３１及び第３のＤＧＳ構造１７３３の第２のスロットは約８５μｍ長であるのに対し、第２のＤＧＳ構造１７３２及び第４のＤＧＳ構造１７３４の第２のスロットは約１００μｍ長である。また、第１のＤＧＳ構造１７３１及び第３のＤＧＳ構造１７３３の第３のスロットも、第２のＤＧＳ構造１７３２及び第４のＤＧＳ構造１７３４の第３のスロットより短い。これは、全てが同じ寸法を有する図７及び図１１にそれぞれ示される４つのＤＧＳ構造とは対照的である。
【0049】
幾つかの例において、異なるＤＧＳ構造の寸法は、長さ「ａ」、「ａ１」及び「ｂ」に関して特徴付けることができる。ただし、ａは、一方のＤＧＳ構造内の第３のスロットの長さであり、ａ１は、他方のＤＧＳ構造内の第３のスロットの長さであり、ｂは、一方又は両方のサイズのＤＧＳ構造内の第２のスロットと第３のスロットとの間の長さの差である。幾つかの例において、構造が異なるサイズである場合であっても、第２のスロット長と第３のスロット長との間の差が構造ごとに同じであるように、異なるサイズのＤＧＳ構造を、同じ値「ｂ」を有するように設計することができる。
【0050】
各ＤＧＳ構造は、それぞれのセカンダリシャントスイッチ１７４１、１７４２、１７４３、１７４４によって覆われている。各セカンダリシャントスイッチはそれぞれの接地線に接続され、各ＤＧＳ構造の上方に、ＤＧＳ構造との間に空隙を有するようにして架け渡されている。セカンダリシャントスイッチは長方形であり、セカンダリスイッチはそれぞれ、縦方向において、信号線１７２０に対して平行に、かつプライマリシャントスイッチ１７１０に対して垂直に位置決めされている。第１のＤＧＳ構造１７３１及び第３のＤＧＳ構造１７３３の上方に位置決めされるセカンダリスイッチは、プライマリスイッチ１７１０の縦軸Ｘに沿って、第２のＤＧＳ構造１７３２及び第４のＤＧＳ構造１７３４の上方に位置決めされるセカンダリスイッチと鏡面対称性を有する。さらに、第１のＤＧＳ構造１７３１及び第２のＤＧＳ構造１７３２の上方に位置決めされるセカンダリスイッチは、信号線１７２０の縦軸Ｙに沿って、第３のＤＧＳ構造１７３３及び第４のＤＧＳ構造１７３４の上方に位置決めされるセカンダリスイッチと鏡面対称性を有する。また、セカンダリシャントスイッチ１７４１、１７４２、１７４３、１７４４は目打ちされている。図１７の例において、スイッチは、グリッドのような格子状の目打ちを有する。
【0051】
図１８は、図１７のいずれかの側に沿った視点からの図１７のスイッチの側面図を示す。スイッチ１７００は、基板１７０１上に形成される。接地面１７０２が基板１７０１の上方にわたって形成され、プライマリスイッチ１７１０が接地面１７０２の上に形成される。プライマリスイッチ１７１０は、ビーム１７１６を支持する２つの脚部１７１２を有する（第２の脚部は図１８において脚部１７１２によって遮られる）。２つのセカンダリスイッチ１７３１、１７３２がプライマリスイッチ１７１０の両側に位置決めされる。セカンダリスイッチもそれぞれ、ビーム１７５６を支持する２つの脚部１７５２、１７５４を含む。セカンダリスイッチ１７３１、１７３２の下方のそれぞれの位置において接地面１７０２内にＤＧＳ構造（図示せず）が形成される。
【0052】
図１７及び図１８の例において、基板及び接地面は約４０４μｍの長さ及び約３４０μｍの幅を有する。接地面は約２μｍの厚さを有する。プライマリスイッチ１７１０は、基板の長さに沿って延在し、プライマリスイッチ脚部１７１２及びビーム１７１６は約６５μｍの幅を有する。脚部１７１２は約２．５μｍの高さを有し、ビーム１７１６は約１．２μｍの厚さを有する。セカンダリスイッチ１７３１は約１３９μｍの長さを有し、セカンダリスイッチ脚部１７５２、１７５４及びビーム１７５６は約６５μｍの幅を有する。脚部１７５２は約１μｍの高さを有し、ビーム１７５６は約１．２μｍの厚さを有する。したがって、スイッチ１７００全体を、基板１７０１の上の５．７μｍの空間内に形成することができる。
【0053】
図１９はスイッチ１９００の例示的なレイアウトを示しており、プライマリスイッチ１９１０及びセカンダリスイッチ１９４１～１９４４、第１のアクチュエータ１９６２及び第２のアクチュエータ１９６４の間の接続を示す。第１のアクチュエータ１９６２はプライマリスイッチ１９１０に接続され、プライマリスイッチにバイアス電圧を与えるように構成される。第２のアクチュエータ１９６４はセカンダリスイッチ１９４１～１９４４のそれぞれに接続され、セカンダリスイッチにバイアス電圧を与えるように構成される。
【0054】
動作時に、プライマリスイッチ１９１０はオン（バイアス電圧が第１のアクチュエータ１９６２から与えられる）か、オフ（バイアス電圧が第１のアクチュエータ１９６４から与えられない）かのいずれかとすることができる。プライマリスイッチがオンであるとき、プライマリスイッチのビームが下方に撓み、結果として大きなシャントキャパシタンスが生じ、それにより、ＲＦ信号が信号線１９２０に沿って伝搬するのを阻止する。プライマリスイッチがオフであるとき、プライマリスイッチのビームが上方に撓んで戻り（静止し）、シャントキャパシタンスが減少し、ＲＦ信号が信号線１９２０に沿って伝搬できるようになる。
【0055】
プライマリスイッチ１９１０がオフであるとき、挿入損失及び反射減衰量に対するＤＧＳ構造の影響を無効にするために、セカンダリスイッチ１９４１～１９４４をオンに切り替えることができる。第２のアクチュエータ１９６４からセカンダリスイッチ１９４１～１９４４のそれぞれにバイアス電圧が印加され、それにより、スイッチがＤＧＳ構造に向かって下方に撓み、ＤＧＳ構造の影響を阻止するシャントキャパシタンスを生成する。図２０は、セカンダリスイッチが作動するときの、セカンダリスイッチの幾つかの点における下方への撓みの量（μｍ単位で測定される）を示す。
【0056】
図２１は、プライマリスイッチがオフであり、セカンダリスイッチがオンであるときのスイッチ１９００に関する反射減衰量特性及び挿入損失特性を示す。７５ＧＨｚにおいて、挿入損失は約－０．６ｄＢまで低く、反射減衰量は約－２１．１ｄＢまで低い。１３０ＧＨｚにおいて、挿入損失は依然として相対的に低い約－１．５ｄＢであり、反射減衰量も相対的に低い－１４．５ｄＢである。
【0057】
図１９に戻ると、プライマリスイッチ１９１０がオンであるとき、アイソレーションに関してＤＧＳ構造の恩恵を受けるために、セカンダリスイッチ１９４１～１９４４をオフに切り替えることができる。第２のアクチュエータからセカンダリスイッチ１９４１～１９４４にバイアス電圧が印加されないので、スイッチは下方のＤＧＳ構造から空隙分だけ分離されたままである。図２２は、プライマリスイッチが作動するときの、プライマリスイッチの幾つかの断面における下方への撓みの量（μｍ単位で測定される）を示す。スイッチの長さに沿った任意の所与の点の場合に、プライマリスイッチの全幅に沿った撓みは均一である。
【0058】
図２３～図２５は、プライマリスイッチがオンであり、セカンダリスイッチがオフであるときのスイッチ１９００に関するアイソレーション特性を示す。図２３の例では、同じＤＧＳ構造が使用される。これは、相対的に狭い帯域（例えば、９０ＧＨｚと１００ＧＨｚとの間の約１０ＧＨｚ未満）において、アイソレーションの著しい改善につながる。７５ＧＨｚにおいて、アイソレーションは約－２３．１ｄＢであり、１３０ＧＨｚにおいて約－２３．９ｄＢである。しかし、約９５ＧＨｚにおいて、アイソレーションは約－５２ｄＢまで改善される。
【0059】
図２４及び図２５の例では、異なるＤＧＳ構造が使用される。これは、より広い周波数帯域にわたるアイソレーションの全体的な改善につながる。図２４において表される構造は、約８４ＧＨｚ（約－５１ｄＢ）及び約１１２ＧＨｚ（約－５９ｄＢ）において改善されたアイソレーションをもたらし、７５ＧＨｚ～１３０ＧＨｚにおいて約－２４ｄＢ以下である。図２５に示す構造は、約９８ＧＨｚ（約－４１．５ｄＢ）においてその最良のアイソレーションを達成するが、改善されたアイソレーション特性は、急峻には低下しない。これに関連して、約８５ＧＨｚ～約１１０ＧＨｚまでの広い周波数帯域にわたって、－３０ｄＢ又はそれよりも良いアイソレーションを達成することができる。
【0060】
図２１及び図２３の減衰特性からわかるように、ＤＧＳ構造の上方に容量性シャントスイッチを備えるＤＧＳ構造を設けることは、ＲＦ信号が伝搬しているときにＤＧＳによって挿入損失及び反射減衰量に引き起こされる損失を無効にしながら、同時に、ＲＦ信号が遮断されるときの改善されたアイソレーションに関するＤＧＳの利点を組み込む実効的な方法である。これに関連して、ＤＧＳ構造及び対応するシャントスイッチを組み込むことは、ＲＦ ＭＥＭＳ設計及び動作に対する改善である。
【0061】
以下の表１に、約２．５μｍの空隙（及びカンチレバービームの高さ）を有する上記のスイッチ設計の場合の作動電圧、アイソレーション特性及び挿入損失特性の概要を示す。
【0062】
【表1】
【0063】
上記の例示的なスイッチ及び設計の場合の測定値が与えられる。しかしながら、本開示の中心概念から逸脱することなく、ＲＦ ＭＥＭＳスイッチ、構造及び導波路構成要素の特定の寸法を変更できることは容易に理解されよう。例えば、基板、接地面及び信号線は、より長く又は短く、より広く又は狭く、そしてより厚く又は薄くすることができる。さらに、プライマリスイッチ及びセカンダリスイッチは、所望の量だけ撓むことができるようにする等のために、異なる長さ、異なる幅又は異なるパターンを有する異なる形状に設計することができる。同様に、スイッチと下方に位置決めされる構成要素との間の空隙も変更することができる。そして、ＤＧＳ構造の形状及びサイズも変更することができる。
【0064】
上記のスイッチ動作は、プライマリスイッチを作動させるが、セカンダリスイッチを作動させないこと、又はセカンダリスイッチを作動させるが、プライマリスイッチを作動させないことのいずれかを考える。しかしながら、他の動作形態も可能であることは容易に理解されよう。例えば、場合によっては、プライマリスイッチ及びセカンダリスイッチの全てにバイアス電圧を与えることによって、改善されたアイソレーション特性を達成することができる。図２６は、両方のスイッチが作動する、異なるＤＧＳ及びセカンダリスイッチ配列を有する幾つかのスイッチに関するアイソレーション特性を示す。セカンダリスイッチを作動させる結果として、狭い周波数帯域にわたる改善されたアイソレーション特性がもたらされる。改善されたアイソレーションが生じる特定の帯域は、スイッチとＤＧＳ構造との間の空隙高に応じて異なる。空隙が増加するにつれて、スイッチに関する最良のアイソレーションが生じる周波数帯域が高い方にシフトする。詳細には、２．２μｍの空隙の場合に約８５ＧＨｚにおいて約－５２ｄＢのアイソレーションが達成され、２．３μｍの空隙の場合に約８５ＧＨｚにおいて約－５２ｄＢのアイソレーションが達成され、２．４μｍの空隙の場合に約８５ＧＨｚにおいて約－５２ｄＢのアイソレーションが達成され、２．５μｍの空隙の場合に約８５ＧＨｚにおいて約－５２ｄＢのアイソレーションが達成され、２．６μｍの空隙の場合に約８５ＧＨｚにおいて約－５２ｄＢのアイソレーションが達成され、２．７μｍの空隙の場合に約８５ＧＨｚにおいて約－５２ｄＢのアイソレーションが達成され、３．０μｍの空隙の場合に約８５ＧＨｚにおいて約－５２ｄＢのアイソレーションが達成される。これは、高い周波数の広い範囲にわたって改善されたアイソレーションを与える場合の、ＤＧＳ構造とセカンダリスイッチとの提案される組み合わせの相対的な柔軟性を実証する。
【0065】
全体的に、ＤＧＳ構造及びセカンダリスイッチの両方を設けることによって、挿入損失及びアイソレーションの両方に関する改善を達成できることが示される。これらの二重の改善は、シャントスイッチのみを使用するか（挿入損失は良好であるが、アイソレーションが不良である）、ＤＧＳ構造のみを使用するか（アイソレーションは改善されるが、挿入損失が劣化する）のいずれかのときに従来見られたトレードオフとは対照的である。これらの発見が更に図２７及び図２８のグラフに要約されており、それらの図は、上記で論じられたそれぞれの構造のアイソレーション特性及び挿入損失特性を示す。
【0066】
上記で言及されたように、プライマリシャントスイッチ、ＤＧＳ構造及びセカンダリシャントスイッチの提案される組み合わせは、メタマテリアルのように機能することがわかっている。この解決策に加えて、本明細書において更に詳細に説明されるように、スイッチコンタクトの設計の中でメタマテリアル層を用いてＭＥＭＳスイッチの張りつき（stiction）を改善することも提案される。
【0067】
スイッチに印加されるバイアス電圧を上げることによって張りつきの可能性を下げることができる。代替的には、バイアス電圧を上げる代わりに、上部電極を接地から離して配置することによって、スイッチの電界を高めることができる。これは、例えば、２つの誘電体層（例えば、酸窒化シリコン）間に導電層（例えば、金）を挟むことによって成し遂げることができる。
【0068】
更なる代替形態として、バイアス電圧を上げることなく、その復元力を最大化するようにビームを変更することができる。改善された復元力は、大きなプレートサイズ、短いビーム長又は厚い誘電体厚等のパラメータによって影響を及ぼされる。
【0069】
電極と接地との間の距離を制御すること、及びスイッチコンタクトの構造パラメータを制御することに加えて、本開示において、スイッチコンタクトを近接させることに起因して、スイッチコンタクトに加えられる力を弱くするか、又は反転させることも考えられる。これらの力が、図２９及び図３０に示される構成を用いて更に詳細に説明される。
【0070】
図２９は、金属２９１０の或る平面がメタマテリアル２９２０に平行に位置決めされる実験構成２９００の示力図である。金属及びメタマテリアルは、距離「ｄ」だけ互いに離間して位置決めされる。構成２９００に示される力は矢印２９３０を用いて示される。金属２９１０及びメタマテリアル２９２０に加えられる第１の力は、２つの平面を互いに接近させる。しかしながら、この第１の力を加えることは、実験構成２９００の特定の条件下で観測され、結果として、２つの平面を互いに分離させる第２の反対向きの力「Ｆ」が生成される。
【0071】
互いに近接して、かつ平行に位置決めされる２つの帯電していない金属プレートの場合、２つのプレートを互いに向かって移動させる力が観測された。この力はカシミール力と呼ばれる。カシミール力は表面と周囲の電磁スペクトルとの相互作用から生じ、表面及び表面間の媒質の誘電特性への依存性を示す。巨視的な表面間のカシミール力は、原子－表面相互作用及び２つの原子又は分子間の相互作用（ファンデルワールス力）と同じ物理的起源を有する。なぜなら、それらが量子ゆらぎから生じるためである。
【0072】
カシミール力は、金属プレートの実効誘電率に比例することが知られている。それゆえ、金属プレーン上の実効誘電率を下げることによって、カシミール力も下げることができる。この結果として、プレートが互いから離れるのを防ぐ力を小さくすることができ、それにより、ＭＥＭＳスイッチにみられる張りつきの問題を少なくとも部分的に軽減することができる。
【0073】
しかしながら、プレート間の誘電率を下げることによってカシミール力を下げることに加えて、メタマテリアルを使用する等によって実効誘電率が十分に下げられる場合には、プレーン間に実際には斥力を生成することができる。この斥力は「反発性カシミール力（repulsive Casimir force）」と呼ばれる場合もあり、本出願では、コンタクトを互いに反発させることによって、張りつきの問題を解決するために更に使用することができる。したがって、反発性カシミール力を生成する結果として、静摩擦に起因してコンタクトが実際に互いに「張りつく」傾向を更に下げることができる。
【0074】
カシミール相互作用（引力及び斥力の両方）は、浮上、マイクロ波スイッチ、ＭＥＭＳ発振器及びジャイロスコープのために使用することができる、シリコン結晶等の工学材料において実現することができる。カシミール相互作用は、非磁性メタ原子から形成される磁性メタマテリアルでは引力である。対照的に、本来磁性のメタ原子は潜在的にカシミール斥力を引き起こすことができる。金属メタ原子及び誘電体メタ原子から形成されるキラルメタマテリアルは、カシミール斥力を得るための良好な候補である。１つの手法は、カシミール斥力を引き起こす材料の組み合わせを工学的に設計することである。例えば、トポロジカル絶縁体（ＴＩ）及び通常の絶縁体の交互層から形成される多層壁間でカシミール斥力が観測されている。ＴＩ層表面上の磁性コーティング内の磁化配向、層厚、及びトポロジカル磁気電気分極率（topological magnetoelectric polarizability）の影響下でのカシミール斥力が実証されている。ＴＩ層表面上の平行磁化を伴う多層構造の場合、ＴＩ層数を増やすことによって斥力を高めることが実現可能であり、それは、各ＴＩ層表面上で生じる分極回転効果（polarization rotation effect）からの斥力への寄与の累積に起因する。一般に、半無限ＴＩ間にカシミール引力が存在する距離領域において、力がＴＩ多層構造内の斥力に変化する場合があり、半無限ＴＩの場合の斥力の領域において、斥力の大きさを増強することができ、その増強は、構造が十分に多くの層を含むときに最大値に至る。
【0075】
一般に、遅延が実質的な役割を果たす場合に、巨視的表面間のカシミール力が、通常０．１μｍを超える引き離しを引き起こし、一方、遅延がわずかである場合に、ファンデルワールス力が０．０１μｍ未満の引き離しの原因となる。理論研究及び実験技法の進歩が、２つの平行な完全な金属プレートの構成を越えて、カシミール力を試験するのを可能にした。相互作用する物体の新規の材料及び形状が、複数の適用例への新たな機会を可能にし、同時に、新たな未決の問題を提起する。理論的な面では、ＭＴＭから着想した構造（MTM-Inspired structure）は、物質の輸送を可能にする強力なカシミール効果を引き起こすことができ、これは、原理的には、その効果を用いて、物質を引き付けるか、又は押し戻すことができることを意味する。カシミール力の更なる複雑さが、潜在的には、ファンデルワールス力を部分的に相殺するために、中和又はカシミール力の使用の大きな機会を与える。ポラリトンの関与が金属構造とＭＴＭ構造との間に反発性カシミール力を引き起すことに留意されたい。例えば、結合ＴＭポラリトンが、より短い距離において支配的であり、非結合ＴＭ及びＴＥポラリトンに起因する複合斥力（joint repulsion）によって圧倒される。したがって、ハイブリッド構成の場合、表面プラズモンが、カシミール力の強さ及び符号を示すことができる。
【0076】
図３０Ａ及び図３０Ｂは浮上ミラー（levitating mirror）の典型的な例を示す。メタマテリアルの反発性カシミール力がミラーのうちの１つのミラーの重量と均衡することができ、それにより、ミラーをゼロ点ゆらぎによって浮上させることができる。
【0077】
図３０Ａは、第２の金属プレート３０４０又はミラーから距離ｄだけ離間された第１の金属プレート３０１０又はミラーを示す。２つの金属プレートは、ＭＥＭＳスイッチ内の対向するコンタクトと見なすことができ、十分に小さい距離「ｄ」において、互いに永久に張りつくのを免れない可能性がある。対照的に、図３０Ｂは、第１の金属プレート３０１０の表面に固定され、金属プレート３０１０と３０４０との間に位置決めされるメタマテリアル３０２０の薄い層を示す。メタマテリアル３０２０と第２の金属プレート３０４０との間の境界においてカシミール力３０３０が生成され、それにより、第２の金属プレートが、距離ｄ’だけ、第１の金属プレート３０１０から更に離間する。この更なる離間は、重力に更に対抗することができ、それにより、第２の金属プレート３０４０が浮上することができる。場合によっては、メタマテリアルは金箔から形成することができる。
【0078】
ＲＦ ＭＥＭＳスイッチ構造の適用例において、スイッチは、ビームの表面上に位置決めされ、信号線のコンタクトと位置合わせされる短絡バーを有する可撓性ビームを含むことができる。短絡バーは、配置された金箔の薄い層等の金属から形成することができる。短絡バーが信号線と接触するとき、金属－金属接触面が、強い接着の形で互いに張りつく場合がある。この接着は望ましくない張りつきの問題を引き起こし、それにより、スイッチが電気的に短絡する場合があり、短絡バーを信号線から切り離すのに、かなりの量の力を要する場合がある。接着力に対抗し、ビームをその静止位置又は平衡位置に戻すために、ＲＦ ＭＥＭＳスイッチは一般に、ビームが撓む結果としてビーム内に累積する応力に頼る。この対抗力は、ビーム内の応力の和であり、ビームをその静止位置に「復元する」復元力と呼ばれる。しかしながら、この力は、金属コンタクト間の接着力に対抗するのに必ずしも十分であるとは限らない。金属コンタクト間にメタマテリアル構造を設けることによって、短絡バーが信号線と接触するか、又は信号線への近接範囲内に入るときに生成される反発性カシミール力を用いて、ビームの復元力を補完することができる。
【0079】
可撓性ビームのコンタクト内に誘電率勾配を設けることによって、カシミール力を制御することができる。誘電率勾配は、誘電率の減少順又は増加順のいずれかにおいて３つの媒質層を接合することによって設けることができる。図３１において、３つの媒質層が設けられ、第１の層３１１０は誘電率ε１を有し、第２の層３１２０は誘電率ε２を有し、第３の層３１３０は誘電率ε３を有する。第１の層及び第３の層は金属層とすることができ、第２の層は誘電体層とすることができる。層はε１＜ε２＜ε３又はε１＞ε２＞ε３のいずれかになるように接合することができる。これは、正の誘電率を有する１つの金属層と、負の誘電率を有する別の金属層とを設けることによって可能にすることができる。例えば、第１の層３１１０は金から形成し、無限の誘電率を有することができ、第２の層３１２０は誘電体（例えば、一窒化ケイ素（ＳｉＮ））から形成し、小さいが、正の誘電率（例えば、７）を有することができ、第３の層３１３０は、メタマテリアル単位セル３１３５を含むことができ、０、更には負の誘電率を有することができる。他の例において、第１の層３１１０は、所望の誘電率を得るために、メタマテリアル単位セル３１１５を含むこともできる。
【0080】
図３２Ａ～図３２Ｅは、スイッチのコンタクト間に反発性カシミール力を与えるために、メタマテリアルセルを組み込む例示的なＲＦ ＭＥＭＳスイッチ３２００の図である。図３２Ａはスイッチの上面図であり、図３２Ｂはスイッチの斜視図であり、図３２Ｃはスイッチの二分された断面の斜視図であり、図３２Ｄは閉じた位置にあるスイッチの側面図であり、図３２Ｅは開いた位置にあるスイッチの側面図である。
【0081】
スイッチは、基板３２０５の上方にわたって形成される２つの接地面３２０２及び３２０４を有する位置決めされた共平面導波路３２０１内に形成される。接地面はチャネルによって分離され、チャネル内に縦方向に信号線３２１０が形成される。信号線３２１０は、そこを通って信号が受信される入力ポート３２１２（入る矢印）と、そこを通って信号が送信される出力ポート（出る矢印）とをそれぞれ含む。
【0082】
スイッチは、信号線３２１０と接触するように、そして接触を断つように動くために、共平面導波路の面内及び面外に動くカンチレバー式ビームを含む。ビームは複数の層を含む。図３２の例において、上から下に向かって、それらの層は、誘電体材料の上層３４２０と、第１の金属層３２１０と、誘電体層３２２０と、第２の金属層３２３０とを含む。第１の金属層３２１０及び第２の金属層３２２０はそれぞれ、図３２Ｃの断面図に示されるように、内部に収容されるメタマテリアルデバイス３２１５、３２３５を含むことができる。上層３２１０及び第１の金属層３２２０は、ビームの全長にわたって延在するように構成できるのに対して、挟まれる誘電体層３２２０及び第２の金属層３２３０の長さは信号線３２１０の上方のエリアに制限することができる。代替的には、誘電体層３２２０は、ビームの全長に延在することができ、一方、第２の金属層３２３０のみを信号線３２１０の上方のエリアに制限することができる。
【0083】
接地面３２０２、３２０４及び信号線ポート３２１２、３２１４は、ＳｉＮ又はＳｉＯ２等の誘電体３２５０の薄い層によって基板３２０５から分離することができる。
【0084】
スイッチの動作は、ビームが取り付けられるアンカー３２７０を共平面導波路３２０１の面内及び面外に動かすことによって制御することができる。この場合、接地線３２０２は、ビームのポスト又はアンカー３２７０がそこを通して位置決めされる穴３２６０を含むことができる。ポスト３２７０を上下に動かす結果として、それぞれ、スイッチのコンタクトを互いに分離することができるか、又は接触させることができる。図３２Ｄは、閉じたスイッチを示しており、コンタクトが互いに接触している。図３２Ｅは、開いたスイッチを示しており、ビームの誘電体層及び金属層が信号線ポート３２１４の上方に持ち上げられ、それにより、所与の高さＨの間隙３２７５を形成する。
【0085】
図３２Ａ～図３２Ｅの例において、図示される共平面導波路の部分は約１００μｍとすることができ、ビームは約７５μｍの幅とすることができる。ビームが取り付けられるアンカー３２７０は、約１１．２５μｍの（ビーム長の方向における）長さと、約７５μｍの幅とを有することができる。ビームがその中に固定される開口部３２６０は、約８０μｍ×３０μｍ等の、より大きな長さ及び幅を有することができる。導波路の（ビーム長の方向における）全長は約３３０μｍとすることができ、それにより、接地面及び信号線はそれぞれ、約７５μｍの（同じくビーム長の方向における）幅を有することができ、その間に３８μｍのチャネルを有する。ビームは約１４０μｍ（アンカー３２７０の長さを含まない）の長さを有することができる。
【0086】
閉じた位置にあるときのビームの全高は、接地面及び信号線がその上に形成される誘電体表面に対して、約５μｍとすることができる。接地面及び信号線はそれぞれ２μｍ厚とすることができる。その際、ビームはスイッチの高さに対して更に３μｍ寄与することができ、それにより、金属層３２１０、３２３０はそれぞれ約１μｍ厚であり、その間に挟まれる誘電体層３２２０も約１μｍとすることができる。上層３４４０は、スイッチの高さに対して更に約０．２μｍを追加することができる。スイッチの高さは、図３２Ｅに示されるように、開いているときにＨだけ高くなることができる。
【0087】
第２の金属層３２３０に含まれ、そして任意選択で第１の金属層３２１０にも含まれるメタマテリアル単位セルは、スプリットリング共振器の形状を有することができる。スプリットリングは、正方形の形状とすることができる。図３３は、層内に形成される、幅Ｌを有する第１のスプリットリング３３２２、及び第２のスプリットリング３３２４のそれぞれを有する例示的な金属層３３１０を示しており、それにより、リングを形成することは、その層からリングを切り抜くことを伴うことができる。リングはそれぞれ同心とすることができ、それぞれのリング内のスプリット部３３３０が層３３１０の反対側に位置決めされるように位置合わせすることができる。リングはそれぞれ均一な幅Ｗを有することができ、スプリット部３３３０は均一な幅Ｇを有することができる。リングは更に、幅Ｓを有する均一な分離部３３３２だけ、互いから分離することができる。
【0088】
異なる単位セル構造が、ＲＦ ＭＥＭＳスイッチのための関連する周波数帯域（例えば、６０ＧＨｚ～１３０ＧＨｚ）において異なるメタマテリアル特性を与えることができる。図３４～図３６はそれぞれ、それぞれの単位セル構造に関する伝送特性及び反射特性に関するシミュレートされた試験結果を与える。本明細書において提供される特定の例において、シミュレートされた試験結果は、Ｍａｔｌａｂコードを用いて収集されたが、他の場合には他のプログラムを用いてシミュレーションを実行することができる。
【0089】
図３４のメタマテリアル構造３４０１は、ビーム３４０２の幅に等しい幅を有する金属層内に含まれる。この例において、単位セルは、低い周波数、約３００ＧＨｚ、そして再び約４７０ＧＨｚにおいて、伝送タイプである。単位セルは、約１５０ＧＨｚ、そして再び約３００ＧＨｚにおいて反射タイプであり、伝送の減衰が反射の減衰を超える。したがって、図３４の構造は、メタマテリアル特性を示すことがわかる。
【0090】
図３５のメタマテリアル構造３５０１は、信号線の幅に等しい長さを有する金属層内に含まれ、金属層の幅よりはるかに狭い幅を有するビーム３５０２に更に取り付けられる。この例において、単位セルは、約５４ＧＨｚにおいて伝送特性を、約１５０ＧＨｚにおいて反射特性を有することがわかる。それゆえ、図３５の構造もメタマテリアル特性を示すことがわかる。
【0091】
図３６のメタマテリアル構造３６０１は信号線の幅に等しい長さを有する金属層内に含まれ、金属層の幅よりはるかに狭い幅をそれぞれ有する２つのブランチを有するＵ字形ビーム３６０２に更に取り付けられる。この例において、単位セルは、約８０ＧＨｚにおいて伝送特性を、約１６３ＧＨｚにおいて反射特性を有することがわかる。それゆえ、図３６の構造もメタマテリアル特性を示すことがわかり、約８３ＧＨｚの相対的に狭い帯域幅にわたってこれらの特性を示すことができる。
【0092】
さらに、メタマテリアルセル構造のパラメータを変更して、異なる伝送特性及び反射特性を生成することができる。例えば、図３７は、異なるパラメータＧ、Ｓ及びＷ（上記で図３３に関連して規定された）を有するメタマテリアルセルに関する反射特性をプロットするグラフを与える。図３７の特定の例において、反射が最も大きく減衰する周波数が、Ｇ、Ｓ及びＷに応じて約８０ＧＨｚから約９０ＧＨｚまで変化したことを確認することができる。例えば、Ｇが２μｍであり、Ｓが３μｍであり、Ｗが９μｍである場合、挿入損失は８０ＧＨｚにおいて約－７４ｄＢまで降下する。それに比べて、Ｇ、Ｓ及びＷの他のパラメータは、約９０ＧＨｚにおいて約－６０ｄＢの反射をもたらす。
【0093】
異なるメタマテリアルセル構造及びセル構造パラメータを使用することに加えて、ＭＥＭＳスイッチの金属層は、上記のそれらのパラメータ及び寸法と比べて、異なるパラメータ及び寸法を用いて形成することもできる。図３８は、第２の金属層の厚さ「ｄ」（例えば、図３２Ａ～図３２Ｅの３２３０）が０．５μｍから２μｍまで変化する場合のスイッチの伝送特性及び反射特性の両方のプロットである。図３９は、挟まれる誘電体層の厚さ（例えば、図３２Ａ～図３２Ｅの３２２０）が１．５μｍから５μｍまで変化する場合のスイッチの伝送特性及び反射特性のプロットである。図４０は、第１の金属層の厚さ「ｄ１」（例えば、図３２Ａ～図３２Ｅの３２１０）が０．５μｍから２μｍまで変化する場合のスイッチの伝送特性及び反射特性のプロットである。種々のＭＥＭＳスイッチの伝送特性はこれらの条件のそれぞれにおいて概ね類似であるが、伝送が減衰する周波数は約１６０ＧＨｚから約１８０ＧＨｚまでばらつき、スイッチの反射特性は主に６０ＧＨｚから１５０ＧＨｚまでばらつく。
【0094】
上記の伝送データ及び反射データを用いるとき、当該技術分野において既知のパラメータ抽出手順を用いて、メタマテリアルセルの透磁率及び誘電率を抽出することができる。パラメータ抽出が図４１に示される。図４１から明らかなように、メタマテリアル構造は、８０ＧＨｚを中心にした周波数帯域において０に近い誘電率及び透磁率を示す。それゆえ、図４１から、これらの構造が、約６０ＧＨｚから約１３０ＧＨｚに及ぶ周波数帯域において反発性カシミール力を生成することが明らかである。
【0095】
図４２及び図４３はそれぞれ、そのオン状態及びオフ状態におけるＲＦ ＭＥＭＳスイッチの全体応答を更に示す。図４２において、スイッチがオフであり、それゆえ、入力ポートと出力ポートとの間で伝送される信号を通さないとき、反射特性は、１３０ＧＨｚまでの周波数であっても０ｄＢよりわずかに低いだけであることがわかり、伝送特性は、約６０ＧＨｚ～約１３０ＧＨｚの動作周波数において約－２０ｄＢ～約－１５ｄＢである。図４３において、スイッチがオンであり、それゆえ、入力ポートと出力ポートとの間で伝送される信号を通すとき、反射特性は８０ＧＨｚにおいて約－７３．５ｄＢまで低く、その場合の伝送特性は－０．３３ｄＢまで高く、一方で、１６３ＧＨｚにおいて反射特性及び伝送特性はいずれも約－６．７５ｄＢである。
【0096】
図３２～図４３の例は、静摩擦の影響を小さくするために、高周波抵抗性ＭＥＭＳスイッチにメタマテリアルを組み込む可能性を実証する。しかしながら、上記の原理は容量性ＭＥＭＳスイッチに同じく適用できることも理解されよう。抵抗性スイッチと同様に、無限の誘電率を有する金層、正であるが、低い誘電率を有する誘電体層、及び約０以下の範囲内の誘電率を有するメタマテリアル層を有する等のサンドイッチ状の金属層及び誘電体層を用いて、所望の誘電率界面を達成することができる。上記の例示的なスイッチとは異なり、容量性スイッチでは、メタマテリアル層は、ビームコンタクトの一部としてではなく、信号線コンタクトの一部として設けることができる。
【0097】
異なる単位セル構造が、ＲＦ ＭＥＭＳスイッチのための関連する周波数帯域（例えば、６０ＧＨｚ～１３０ＧＨｚ）において異なるメタマテリアル特性を与えることができる。図４４～図４６はそれぞれ、それぞれの単位セル構造に関する伝送特性及び反射特性に関するシミュレートされた試験結果を与える。本明細書において提供される特定の例において、シミュレートされた試験結果は、Ｍａｔｌａｂコードを用いて収集されたが、他の場合には他のプログラムを用いてシミュレーションを実行することができる。
【0098】
図４４のメタマテリアル構造４４０１は（例えば、信号線コンタクトの）金属層内に含まれ、ビーム４４０２を接合する。この例において、ビームはメタマテリアル構造より薄く、信号線に隣接する接地面のうちの１つから延在する単一の支持体によって支持される。単位セルは、約３４ＧＨｚにおいて伝送タイプである（－８８．７５ｄＢの反射特性及び－０．２９ｄＢの伝送特性を有する）。単位セルは、約１２０ＧＨｚにおいて反射タイプである。したがって、図４４の構造は、メタマテリアル特性を示すことがわかる。
【0099】
図４５のメタマテリアル構造４５０１は（例えば、信号線コンタクトの）金属層内に含まれ、ビーム４５０２を接合する。この例において、ビームはメタマテリアル構造より薄く、信号線の両側にあるポストによって二重に支持される。単位セルは約４０ＧＨｚにおいて伝送タイプである（－５４ｄＢの反射特性及び－０．５ｄＢの伝送特性を有する）。単位セルは約１４０ＧＨｚにおいて反射タイプである。したがって、図４５の構造は、メタマテリアル特性を示すことがわかる。
【0100】
図４６は、信号線の反対に位置する入力側及び出力側に位置決めされる２つのメタマテリアル構造４６０１及び４６０３を含む。各メタマテリアル構造４６０１、４６０３は（例えば、信号線コンタクトの）金属層内に含まれる。さらに、それぞれの二重に支持されるビーム４６０２、４６０４が、メタマテリアル構造４６０１、４６０２のそれぞれの上方に位置決めされる。図４５の例と同様に、ビームはメタマテリアル構造より薄い。単位セルは約８ＧＨｚにおいて伝送タイプである（－６０ｄＢの反射特性及び－０．０１ｄＢの伝送特性を有する）。単位セルは約１６０ＧＨｚにおいて反射タイプに属する。したがって、図４５の構造は、メタマテリアル特性を示すことがわかる。
【0101】
【0102】
スイッチは、入力側４７１２及び出力側４７１４を有する信号線の上方にわたって形成される構造を含む。外側スプリットリング４７２２及び内側スプリットリング４７２４を有するメタマテリアル構造が、入力側４７１２と出力側４７１４との間の信号線コンタクトに形成されており、それを通じて信号が受信され（入る矢印）、それを通じて出力ポートから信号が送られる（出る矢印）。
【0103】
上記で説明されたスプリットリング構造と同様に、図４７Ａ～図４７Ｃの構造は幅Ｗ、Ｇのスプリット幅を有し、リング間の空間は幅Ｓを有する。信号線は幅Ｌを有し、信号線をそれぞれの接地面から分離するチャネルは幅Ｃを有する。
【0104】
接地面４７０２、４７０４及び信号線はそれぞれ、金等の導電性材料から形成され、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）等の誘電体材料４７４０の上に形成され、誘電体材料自体は基板４７０５の上に形成される。接地面４７０２のうちの１つが、接地面４７０２から誘電体材料４７４０の中に下方に延在するポスト４７７０と、ポスト４７７０から信号線４７１４の方向に延在するビーム４７８０とを含む。ビーム４７８０のエッジは、ビーム４７８０の端部が信号線４７１２、４７１４のメタマテリアル構造４７２２、４７２４の下方に位置決めされるように、信号線４７１２、４７１４の反対に位置するエッジと位置合わせされる。図４７Ａ及び図４７Ｃにおいて、ポスト４７７０は、接地面４７０２内の開口部４７６０を通して見ることができる。
【0105】
図４７Ａ～図４７Ｃの例において、接地面及び信号線はそれぞれ、約７３μｍの（ビーム４７８０の長さの方向における）幅を有することができ、ビームは約１６８μｍの長さを有することができる。信号線コンタクト上に形成されるメタマテリアル構造は、約１５μｍのリング幅Ｗと、約８μｍのスプリット幅Ｇと、約５μｍのリング間空間Ｓとを有することができる。
【0106】
或る周波数範囲にわたるスイッチ４７００の伝送特性及び反射特性が図４８に示される。図４８から明らかであるように、メタマテリアルは約１７５ＧＨｚにおいて最も反射性が高く、約８０ＧＨｚにおいて最も伝送性が高い。
【0107】
これらの結果に基づいて、メタマテリアル構造の誘電率及び透磁率を求めるために、材料パラメータ抽出を実行することができる。その抽出は、図４９において或る周波数範囲にわたって示される。図４９において見られるように、メタマテリアル構造は、約５０ＧＨｚ～１５０ＧＨｚにおいて０に近い誘電率及び透磁率を示す。これは、図４８の構造が、本開示の所望の周波数帯域においてカシミール力を小さくする（更には反発性カシミール力を生成する）のに適していることを示す。
【0108】
図５０は、スイッチ内の張りつきを削減するために、メタマテリアル信号線コンタクトを利用する容量性シャントＲＦ ＭＥＭＳスイッチ５０００の斜視図を示す。スイッチ５０００の特徴の多くは図４７Ａ～図４７Ｃにおけるスイッチ４７００の特徴と同等とすることができる（接地面５００２、５００４及び基板５００５は面４７０２、４７０４及び基板４７０５に相当し、信号線入力５０１２及び出力５０１４は４７１２及び４７１４に相当し、スプリットリングメタマテリアル構造５０２２及び５０２４は構造４７２２及び４７２４に相当し、誘電体層４７４０及び５０４０は同等であり、開口部４７６０及び５０６０は同等であり、ポスト４７７０及び５０７０は同等であり、ビーム４７８０及び５０８０は同等である）。スイッチ５０００は可撓性ビーム５０５０を更に含む。ビーム５０５０は、図５に関連して説明された長方形ビーム５１０と同等することができる（例えば、金から形成することができ、目打ちされたグリッド構造を有することができ、蛇行パターンにおいて延在することができる）。可撓性ビーム５０５０は、接地面５００２及び５００４の上にそれぞれ形成される一対のポストによって支持され、バイアス電圧によって作動するときに、信号線に向かって下方に撓むように構成される。
【0109】
動作時に、バイアス電圧によって、ビーム５０５０の中点が、信号線コンタクトと接触するまで下方に撓み、それにより、信号線がオフに切り替わる（又は他の場合にはオンに切り替わる）。バイアス電圧が除去されるとき、ビーム５０５０の中点が上方に撓んで戻る。ビームの中点が信号線コンタクトのメタマテリアル構造５０２２、５０２４と位置合わせされるので、ビームと信号線コンタクトとの間の界面におけるカシミール効果は減少するか、更には反発し、それにより、ビーム５０５０と信号線との間の張りつきの傾向を低減する。
【0110】
図５０には示されないが、信号線コンタクトは更に、メタマテリアル構造を含む金属層の上方に誘電体材料の後を含むことができる。誘電体層はＳｉＮから形成することができ、図３１に関連して上記で論じられたように、所望の誘電率勾配を達成するためにアイソレーション層として機能することができる。別の言い方をすると、ビーム５０５０は無限の誘電率を有することができ、アイソレーション層は正であるが、それより小さい誘電率を有することができ、信号線コンタクト内のメタマテリアル構造を含む金属層は０に近いか、０か、更には負の誘電率を有することができ、それにより、ε１＜ε２＜ε３（又は逆）の条件を満たすことができる。
【0111】
スイッチ５００の性能が図５１及び図５２に示されており、それらの図は、或る高いＲＦ周波数範囲にわたるスイッチの反射特性及び伝送特性の両方のプロットである。図５１は、オン状態におけるスイッチの（信号を伝送する）動作を示し、図５２はオフ状態におけるスイッチの（信号の伝送を遮断する）動作を示す。
【0112】
図５１において、最も注目すべきことに、１０．３ＧＨｚにおいて、反射減衰量が－２９．８ｄＢまで高く、一方、挿入損失が約－０．０７ｄＢまで低い。１００．２ＧＨｚにおいても、反射減衰量が－８．９ｄＢまで高く、一方、挿入損失は約－１．２３ｄＢにすぎない。これは、１０ＧＨｚ～１００ＧＨｚの高い周波数の広い範囲にわたるオン状態におけるスイッチの良好な動作を実証する。
【0113】
図５２において、スイッチはオフであり、それゆえ、伝送性ではなく、反射性になるように変化している。２９．３ＧＨｚにおいて、挿入損失は約－２２．２ｄＢまで高く、一方、反射減衰量は約－０．２６ｄＢまで低い。１００．２ＧＨｚにおいても、挿入損失は－１４．９ｄＢまで高く、一方、反射減衰量は約－０．８２ｄＢにすぎない。これは、約２０ＧＨｚ～１００ＧＨｚの概ね同じ高い周波数の広い範囲にわたるオフ状態におけるスイッチの良好な動作を実証する。
【0114】
要するに、３０ＧＨｚ～１００ＧＨｚの周波数帯域にわたって、オン状態及びオフ状態におけるＲＦ ＭＥＭＳスイッチの良好な挿入損失特性及び反射減衰量特性が達成される。これにより、ここで説明されたスイッチは、広い周波数帯域幅にわたる高周波数スイッチング動作のための良好な候補になる。したがって、本開示において説明されたスイッチは、広い帯域幅にわたって、高い周波数（例えば、１０ＧＨｚ以上）を必要とする適用例の動作及び性能を改善することができる。そのような技術は、限定はしないが、５Ｇ通信、スイッチングネットワーク、移相器（例えば、電子走査式フェーズアレイアンテナ内にある）及びモノのインターネット（Internet of Things, ＩｏＴ）の適用例を含むことができる。
【0115】
本開示において、説明されたメタマテリアル構造はスプリットリングである。しかしながら、他のメタマテリアル構造が所望の周波数範囲内で類似の誘電率特性及び透磁率特性を与えるなら、それらの構造を使用できることは、当業者は認識されたい。例えば、トポロジから着想したメビウス変換ＭＴＭ（メタマテリアル）構造（自らの上に位置付けられる連続する閉じた経路を形成する構造を意味し、別の言い方をすると、その構造は、閉じた経路が完結される前に、閉じた経路が１つの軸（例えば、構造の中心にあるか、又はその近くにある）の周りを２回転以上しながら延在するトポロジを有することができる）は、反発性カシミール力を生成するのに有利であると考えることができる。
【0116】
本発明は特定の実施形態を参照しながら本明細書において説明されてきたが、これらの実施形態は本発明の原理及び応用形態を例示するにすぎないことは理解されたい。それゆえ、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、例示的な実施形態に数多くの変更を加えることができること、及び他の構成を考案することができることは理解されたい。
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30A.30B】
【図31】
【図32A】
【図32B】
【図32C】
【図32D】
【図32E】
【図33】
【図34】
【図35】
【図36】
【図37】
【図38】
【図39】
【図40】
【図41】
【図42】
【図43】
【図44】
【図45】
【図46】
【図47A】
【図47B】
【図47C】
【図48】
【図49】
【図50】
【図51】
【図52】
