JP4855508B2 - MEMS variable capacitor and filter device using the same - Google Patents

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Description

本発明は、MEMS(Microelectromechanical System)技術を用いて製造されたMEMS可変キャパシタとそれを用いたフィルタ装置に関する。   The present invention relates to a MEMS variable capacitor manufactured using MEMS (Microelectromechanical System) technology and a filter device using the same.

近年、RF(Radio Frequency)技術に対する需要が急激に増大している。機能の多様性やユーザの急激な増大に伴いRF機器に対してさまざまな要求がなされるようになってきた。特に、RF周波数のブロードバンド化に伴いフィルタに対して、小型化、低コスト化に加えて広帯域で動作する機能が望まれている。このような社会的背景から、MEMS技術が携帯無線端末機器応用で注目されるようになってきた。これは、MEMSデバイスが低消費電力、高密度実装、広帯域特性等の特徴があるからである。   In recent years, the demand for RF (Radio Frequency) technology has increased rapidly. Various functions have come to be demanded for RF devices due to the diversity of functions and the rapid increase in users. In particular, a function that operates in a wide band in addition to downsizing and cost reduction is desired for the filter as the RF frequency becomes broadband. From such a social background, the MEMS technology has been attracting attention in the application of portable radio terminal equipment. This is because the MEMS device has characteristics such as low power consumption, high-density packaging, and broadband characteristics.

MEMSフィルタの研究は、1990年代後半から米国を中心に活発になってきた。現在、二三の企業がサンプルを提供するまでになっている。しかし、これら製品は主に水晶を代替とするものでデバイスの小型化を特徴としており、未だフィルタまで応用されていない。MEMS技術をフィルタに適用したものでは、キャパシタの間隔を変化させるものが学会で発表されている。しかし、可変率が3程度で比較的小さく、応用範囲が限られているという問題点があった。   Research on MEMS filters has been active mainly in the United States since the late 1990s. Currently, a few companies have provided samples. However, these products mainly replace quartz and are characterized by miniaturization of devices, and filters have not yet been applied. In the case where the MEMS technology is applied to a filter, a technique for changing the interval between capacitors has been published at an academic conference. However, there is a problem that the variable rate is about 3 and relatively small, and the application range is limited.

MEMS可変キヤパシタについては、例えば、非特許文献1〜3において報告があるが、一例として、非特許文献1に記載された技術を従来例として以下に図19を参照して説明する。   The MEMS variable capacitor is reported in, for example, Non-Patent Documents 1 to 3, but as an example, the technique described in Non-Patent Document 1 will be described below with reference to FIG. 19 as a conventional example.

図19は従来例に係るMEMS可変キャパシタの構成を示す斜視図である。図19において、ばねビーム91,92は誘電体基板90上で設けられ、カーリング97を有して各先端が接続部98を介して接続されかつ一端はアンカー93で固定し、もう1つの一端は固定電極94と対向するキャパシタ部を構成される。ばねビーム91,92は圧電材料AlNのバイモルフ構造を有し、反りを小さく抑えるために分極の方向を逆にして接続しており(逆電界95,96参照。)、各ばねビーム91,92に対して直流電圧を印加すると逆圧電効果によってばねビーム91,92が変形するためにばねビーム92の一端と固定電極94との間隔が変化し、その結果、静電容量の値が変化するというものである。   FIG. 19 is a perspective view showing a configuration of a conventional MEMS variable capacitor. In FIG. 19, spring beams 91 and 92 are provided on a dielectric substrate 90, have curling 97, each tip is connected via a connection portion 98, and one end is fixed by an anchor 93, and the other end is A capacitor portion facing the fixed electrode 94 is configured. The spring beams 91 and 92 have a bimorph structure of the piezoelectric material AlN, and are connected by reversing the direction of polarization in order to suppress warping (see reverse electric fields 95 and 96). On the other hand, when a DC voltage is applied, the spring beams 91 and 92 are deformed by the inverse piezoelectric effect, so that the distance between one end of the spring beam 92 and the fixed electrode 94 changes, and as a result, the capacitance value changes. It is.

図19の従来例では、静電容量の値が約3倍変化するというものであった。しかし、これをフィルタに応用したとき、カットオフ周波数がキャパシタンスの平方根に逆比例することから約1.7倍の変化が起こるだけであり、半導体のバリキャップの性能とあまり大差のないものである。このため、新規技術として特に優れたものではなかった。さらに、圧電材料を堆積するというプロセスは標準のLSIプロセスと異なっており、特殊な装置が必要であるという問題もあった。   In the conventional example of FIG. 19, the capacitance value changes about three times. However, when this is applied to a filter, since the cutoff frequency is inversely proportional to the square root of the capacitance, only a change of about 1.7 times occurs, which is not much different from the performance of a semiconductor varicap. . For this reason, it was not particularly excellent as a new technology. Further, the process of depositing the piezoelectric material is different from the standard LSI process, and there is a problem that a special apparatus is required.

特開2008−098609号公報。Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-098609. 特開2009−135359号公報。JP2009-135359A.

T. Kawakubo et al., "Piezoelectric RF MEMS tunable capacitor with 3V operation using CMOS compatible materials and process", IEDM Technical Digest, IEEE International Electron Devices Meeting, Washington, DC, U.S.A., pp. 294-297, December 2005.T. Kawakubo et al., "Piezoelectric RF MEMS tunable capacitor with 3V operation using CMOS compatible materials and process", IEDM Technical Digest, IEEE International Electron Devices Meeting, Washington, DC, U.S.A., pp. 294-297, December 2005. Robert L. Borwick III et al., "A high Q, Large tuning range, tunable capacitor for RF applications", The Fifteenth IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, pp.669-672, January 2002.Robert L. Borwick III et al., "A high Q, Large tuning range, tunable capacitor for RF applications", The Fifteenth IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, pp.669-672, January 2002. J.K. Luo et al., "MEMS based digital variable capacitors with a high-k dielectric insulator", Sensors and Actuators, A 132, pp. 139-146, May 2006.J.K.Luo et al., "MEMS based digital variable capacitors with a high-k dielectric insulator", Sensors and Actuators, A 132, pp. 139-146, May 2006. T. Yasuda et al., "Microfluidic Dispensing Device Using Wettability Gradient and Electrowetting", Proceeding of the 24th Sensor symposium, Vol. 24, pp.138-141, Tokyo Japan, 2007.T. Yasuda et al., "Microfluidic Dispensing Device Using Wettability Gradient and Electrowetting", Proceeding of the 24th Sensor symposium, Vol. 24, pp.138-141, Tokyo Japan, 2007. Sung Kwon Cho et al., "Creating, Transporting, Cutting, and Merging Liquid Droplets by Electrowetting-Based Actuation for Digital Microfluidic Circuits", Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 12, No. 1, February 2003.Sung Kwon Cho et al., "Creating, Transporting, Cutting, and Merging Liquid Droplets by Electrowetting-Based Actuation for Digital Microfluidic Circuits", Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 12, No. 1, February 2003.

以上の問題点を解決するために、特許文献1及び2において以下の可変キャパシタが開示されている。   In order to solve the above problems, Patent Documents 1 and 2 disclose the following variable capacitors.

例えば、特許文献1においては、製造工程が容易になり、また、信頼性及び耐久性に優れ、チューニング範囲に制限のない電気湿潤現象を用いた可変キャパシタを提供するために、第1電極と、第1電極から隔てて設けられた第2電極と、第1電極と第2電極との間に形成された流体チャネルと、第1電極と上記流体チャネルとの間に設けられた第1絶縁膜と流体チャネルの内部に配置され、第1及び第2電極間でDC電位差が発生することで流体チャネルに沿って移動する導電性流体とを含むことを特徴としている。なお、特許文献1においては、「チューニング範囲に制限のない可変キャパシタ」と記載しているが、現実の装置においては、容量の範囲が限定され、これにより、限定された容量の範囲に基づいてチューニング範囲に制限されると考えられる。   For example, in Patent Document 1, in order to provide a variable capacitor using an electrowetting phenomenon that facilitates the manufacturing process, is excellent in reliability and durability, and has no limitation on the tuning range, A second electrode provided apart from the first electrode; a fluid channel formed between the first electrode and the second electrode; and a first insulating film provided between the first electrode and the fluid channel. And a conductive fluid that moves along the fluid channel by generating a DC potential difference between the first and second electrodes. In Patent Document 1, it is described as “a variable capacitor with no limitation on the tuning range”. However, in an actual device, the capacitance range is limited, and thus, based on the limited capacitance range. It is considered to be limited to the tuning range.

また、特許文献2においては、機械的消耗を減らして、従来品より寿命を延ばすことができるバリアブルキャパシタを提供するために、2つの電極を相対するように設け、これら電極の内側に1対の誘電体板を付け合せ、これら誘電体板の間を液体金属を含む2種類の流体が流れるように構成してある容器と、上記流体を収容するタンクと、上記容器とタンクとの間に上記流体を往来させるポンプ3を有し、液体金属の量に応じて静電容量が変化するように構成してあることを特徴としている。   Further, in Patent Document 2, in order to provide a variable capacitor that can reduce mechanical wear and extend the life compared to a conventional product, two electrodes are provided to face each other, and a pair of electrodes is provided inside these electrodes. A dielectric plate is attached, and a container configured to allow two types of fluid containing liquid metal to flow between the dielectric plates, a tank for storing the fluid, and the fluid is transferred between the container and the tank. It is characterized by having a pump 3 that is configured to change the capacitance according to the amount of liquid metal.

しかしながら、以上の従来技術においては、キャパシタの容量をディジタル的に変化することができず、しかも可変キャパシタ内の流体移動の制御回路が複雑であるという問題点があった。すなわち、特許文献1においては、2つの直流電源が必要であり、特許文献2においては、流体を移動させるポンプが必要である。   However, the above prior art has a problem that the capacitance of the capacitor cannot be changed digitally and the control circuit for fluid movement in the variable capacitor is complicated. That is, in Patent Document 1, two DC power sources are necessary, and in Patent Document 2, a pump that moves fluid is necessary.

本発明の目的は以上の問題点を解決し、従来技術に比較して流体移動の制御回路が簡単でありかつキャパシタの容量を例えば3桁以上の大きな変化範囲でディジタル的に変化させることができるMEMS可変キャパシタと、複数のMEMS可変キャパシタを備えたMEMS可変キャパシタ装置と、それを用いたフィルタ装置を提供することにある。   The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, the fluid movement control circuit is simpler than the prior art, and the capacitance of the capacitor can be changed digitally within a large change range of, for example, three digits or more. An object of the present invention is to provide a MEMS variable capacitor, a MEMS variable capacitor device including a plurality of MEMS variable capacitors, and a filter device using the MEMS variable capacitor device.

本発明に係るMEMS可変キャパシタは、互いに対向する1対の電極間の流体チャネルに流体を流入させるか否かを選択的に切り換えることによりディジタル的に上記1対の電極間容量を変化させるMEMS可変キャパシタであって、
上記流体チャネルに設けられ、誘電体エレクトロウェッティング駆動により上記流体を上記流体チャネルに流入させるための駆動電圧を印加する第1の駆動電極と、
第2の駆動電極を有し、上記流体チャネルに流体を供給するタンクと、
上記タンクに設けられ、上記タンク内の流体を毛細管現象により流体チャネルに流入させず上記タンク内に留置させるように制御する流体制御手段とを備え、
上記第1の駆動電極と上記の第2の駆動電極との間に上記駆動電圧を印加したときに上記誘電体エレクトロウェッティング駆動により上記流体を上記流体チャネルに流入させるときの応力を、上記流体制御手段による流体に対する応力よりも大きくなるように設定するように構成され、
上記第1の駆動電極と上記の第2の駆動電極との間に上記駆動電圧を印加しないときに上記流体は上記タンク内に留置される一方、上記第1の駆動電極と上記の第2の駆動電極との間に上記駆動電圧を印加したときに上記流体が上記流体チャネルに流入して充填されることにより、1個のみの駆動電圧を用いてディジタル的に上記1対の電極間容量を変化させることを特徴とする。
The MEMS variable capacitor according to the present invention is a MEMS variable capacitor that digitally changes the capacitance between the pair of electrodes by selectively switching whether or not to allow fluid to flow into a fluid channel between the pair of electrodes facing each other. A capacitor,
A first drive electrode provided in the fluid channel and applying a drive voltage for allowing the fluid to flow into the fluid channel by dielectric electrowetting drive;
A tank having a second drive electrode and supplying fluid to the fluid channel;
Fluid control means provided in the tank for controlling the fluid in the tank to be retained in the tank without flowing into the fluid channel by capillary action;
When the drive voltage is applied between the first drive electrode and the second drive electrode, the stress when the fluid flows into the fluid channel by the dielectric electrowetting drive is expressed as the fluid. Configured to be greater than the stress on the fluid by the control means,
When the drive voltage is not applied between the first drive electrode and the second drive electrode, the fluid is retained in the tank, while the first drive electrode and the second drive electrode When the drive voltage is applied between the drive electrodes, the fluid flows into the fluid channel and is filled, so that the pair of interelectrode capacitances can be digitally generated using only one drive voltage. It is characterized by changing.

上記MEMS可変キャパシタにおいて、上記流体制御手段は、複数のスリットを含むスリット部であることを特徴とする。   In the MEMS variable capacitor, the fluid control means is a slit portion including a plurality of slits.

また、上記MEMS可変キャパシタにおいて、上記流体制御手段は、上記タンクの内部高さを、上記流体が毛細管現象により上記タンク内に留置されるように薄くなるように設定して構成されたことを特徴とする。   Further, in the MEMS variable capacitor, the fluid control means is configured such that the internal height of the tank is set so as to be thin so that the fluid is retained in the tank by a capillary phenomenon. And

本発明に係るMEMS可変キャパシタ装置は、上記MEMS可変キャパシタを複数N個備えたMEMS可変キャパシタ装置であって、
複数N個のMEMS可変キャパシタを並列に接続し、各MEMS可変キャパシタに対する駆動電圧をオン・オフすることにより、上記MEMS可変キャパシタ装置の全体容量をディジタル的に変化させることを特徴とする。
A MEMS variable capacitor device according to the present invention is a MEMS variable capacitor device including a plurality of N of the above MEMS variable capacitors,
A plurality of N MEMS variable capacitors are connected in parallel, and a drive voltage for each MEMS variable capacitor is turned on / off to digitally change the overall capacitance of the MEMS variable capacitor device.

上記MEMS可変キャパシタ装置において、上記各MEMS可変キャパシタの容量を互いに異なる値を有するように構成されたことを特徴とする。   In the MEMS variable capacitor device, the capacitances of the MEMS variable capacitors are configured to have different values.

また、上記MEMS可変キャパシタ装置において、上記各MEMS可変キャパシタはそれぞれ、基本容量をCとして容量nC(n=1,2,…,N)を有するように構成され、上記MEMS可変キャパシタ装置の全体容量をNビットの分解能でディジタル的に変化させることを特徴とする。 In the MEMS variable capacitor device, each of the MEMS variable capacitors is configured to have a capacitance nC 0 (n = 1, 2,..., N) with a basic capacitance C 0 , The total capacity is changed digitally with a resolution of N bits.

本発明に係るフィルタ装置は、上記MEMS可変キャパシタ装置と、上記MEMS可変キャパシタ装置に接続された少なくとも1個のインダクタとを備えたことを特徴とする。   A filter device according to the present invention includes the MEMS variable capacitor device and at least one inductor connected to the MEMS variable capacitor device.

本発明によれば、特許文献1において2つの直流電圧源を用いる従来技術に比較して、EWOD駆動電圧を印加しないとき、上記スリット部又はタンクの上記流体制御手段における毛細管現象により流体はタンク側にあるが、EWOD駆動電圧を印加したときに流体チャネル側に導水することにより、1つの直流電圧源を用いてディジタル的に1つのMEMS可変キャパシタの容量を極めて簡単な構成で変化させることができる。また、複数の上記MEMS可変キャパシタを並列に接続することで、従来技術に比較して大きな容量変化範囲を有しかつディジタル的に容量を変化できるMEMS可変キャパシタ装置を実現できる。さらに、当該MEMS可変キャパシタ装置及びインダクタを用いてフィルタ装置を構成することができる。   According to the present invention, as compared with the prior art using two DC voltage sources in Patent Document 1, when no EWOD driving voltage is applied, the fluid flows into the tank side due to capillary action in the fluid control means of the slit portion or tank. However, it is possible to change the capacitance of one MEMS variable capacitor digitally with one DC voltage source with a very simple configuration by conducting water to the fluid channel side when an EWOD driving voltage is applied. . Further, by connecting a plurality of the MEMS variable capacitors in parallel, it is possible to realize a MEMS variable capacitor device that has a large capacitance change range and can change the capacitance digitally as compared with the prior art. Furthermore, a filter apparatus can be comprised using the said MEMS variable capacitor apparatus and an inductor.

本発明に係る流体可変MEMSキャパシタの原理を示す側面図である。It is a side view which shows the principle of the fluid variable MEMS capacitor which concerns on this invention. 図1の3個の流体可変MEMSキャパシタを用いたディジタル可変回路を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the digital variable circuit using the three fluid variable MEMS capacitors of FIG. (a)は本発明の第1の実施形態に係る2タンク型MEMS可変キャパシタの構成を示す平面図であり、(b)は(a)の2タンク型MEMS可変キャパシタの構成を示す正面図である。(A) is a top view which shows the structure of the 2 tank type MEMS variable capacitor based on the 1st Embodiment of this invention, (b) is a front view which shows the structure of the 2 tank type MEMS variable capacitor of (a). is there. 図2及び図3の2タンク型MEMS可変キャパシタにおける水充填本数に対する静電容量を示すグラフである。It is a graph which shows the electrostatic capacitance with respect to the water filling number in the 2 tank type MEMS variable capacitor of FIG.2 and FIG.3. 図2及び図3の2タンク型MEMS可変キャパシタにおいて用いる流体駆動原理を示すための縦断面図であって、(a)は直流電圧を印加しないときの流体25の位置を示す縦断面図であり、(b)直流電圧の印加開始時の流体25の位置を示す縦断面図であり、(c)は直流電圧の印加開始した後、十分な時間経過後の流体25の位置を示す縦断面図である。FIG. 4 is a longitudinal sectional view for illustrating the fluid driving principle used in the two-tank MEMS variable capacitor of FIGS. 2 and 3, wherein (a) is a longitudinal sectional view showing the position of the fluid 25 when no DC voltage is applied. (B) It is a longitudinal cross-sectional view which shows the position of the fluid 25 at the time of the start of application of DC voltage, (c) is a longitudinal cross-sectional view which shows the position of the fluid 25 after sufficient time passes after the application of DC voltage is started. It is. 図2及び図3の4個の2タンク型MEMS可変キャパシタを用いて構成されたMEMS可変ローパスフィルタを示す回路図である。FIG. 4 is a circuit diagram showing a MEMS variable low-pass filter configured using the four 2-tank MEMS variable capacitors of FIGS. 2 and 3. 図6のMEMS可変ローパスフィルタの段階的可変とカットオフ周波数測定結果を示す表である。It is a table | surface which shows the step change of the MEMS variable low-pass filter of FIG. 6, and a cut-off frequency measurement result. 図6のMEMS可変ローパスフィルタの通過係数S21の周波数特性(0.001GHz〜8GHz)を示すグラフである。It is a graph showing the frequency characteristics of the MEMS variable low-pass filter in the pass coefficient S 21 of FIG. 6 (0.001GHz~8GHz). 図6のMEMS可変ローパスフィルタの通過係数S21の周波数特性(0.001GHz〜1GHz)を示すグラフである。It is a graph showing the frequency characteristics of the MEMS variable low-pass filter in the pass coefficient S 21 of FIG. 6 (0.001GHz~1GHz). 本発明の第2の実施形態に係るディジタル可変型MEMS可変キャパシタの構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the digital variable type MEMS variable capacitor based on the 2nd Embodiment of this invention. 図10の主要部の拡大図である。It is an enlarged view of the principal part of FIG. 図10の流体チャネル部の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the fluid channel part of FIG. 図12のA−A’線についての横断面図である。It is a cross-sectional view about the A-A 'line of FIG. 図10のディジタル可変型MEMS可変キャパシタの電極サイズ等の一覧を示す表である。11 is a table showing a list of electrode sizes and the like of the digital variable MEMS variable capacitor in FIG. 10. 図10のディジタル可変型MEMS可変キャパシタの回路図である。FIG. 11 is a circuit diagram of the digital variable MEMS variable capacitor of FIG. 10. 本発明の第1の変形例に係る密閉流体チャネル内の2つの流体26,27を用いたMEMS可変キャパシタの構成を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the structure of the MEMS variable capacitor using the two fluids 26 and 27 in the sealed fluid channel which concerns on the 1st modification of this invention. 本発明の第2の変形例に係る流体チャネル内の粒子26aを有する流体26を用いたMEMS可変キャパシタの構成を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the structure of the MEMS variable capacitor using the fluid 26 which has the particle | grains 26a in the fluid channel based on the 2nd modification of this invention. 本発明の第3の変形例に係る密閉流体チャネル内の流体27内の泡28を用いたMEMS可変キャパシタの構成を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the structure of the MEMS variable capacitor using the bubble 28 in the fluid 27 in the sealed fluid channel which concerns on the 3rd modification of this invention. 従来例に係るMEMS可変キャパシタの構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the MEMS variable capacitor which concerns on a prior art example.

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。   Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in each following embodiment, the same code | symbol is attached | subjected about the same component.

基本原理.
以下の本発明に係る実施形態では、キャパシタの電極間に高誘電率をもつ水(比誘電率ε=80)を挿入することにより現状を大幅に上回る80倍のキャパシタンスの可変を実現できることを示し、さらに、これを用いたRFフィルタの試作評価について説明する。また、電極間の流体(液体)搬送に誘電体エレクトロウェッティング(以下、EWOD(Electrowetting on dielectric)という。)原理(例えば、非特許文献4及び5)を採用し、流体を電気制御することで機械的可動部のない構造が実現できることについて説明する。
Basic principle.
In the following embodiments of the present invention, it is possible to realize a capacitance change of 80 times which is significantly higher than the current state by inserting water having a high dielectric constant (relative permittivity ε r = 80) between the electrodes of the capacitor. In addition, a description will be given of trial evaluation of an RF filter using the same. In addition, by adopting the principle of dielectric electrowetting (hereinafter referred to as EWOD (Electrowetting on dielectric)) (for example, Non-Patent Documents 4 and 5) for transporting fluid (liquid) between electrodes, the fluid is electrically controlled. The fact that a structure having no mechanical movable part can be realized will be described.

図1は本発明に係る流体可変MEMSキャパシタの原理を示す側面図であり、図2は図1の3個の流体可変MEMSキャパシタを用いたディジタル可変回路を示す回路図である。流体可変MEMSキャパシタは、電極11,12間に水(比誘電率ε=80)を挿入することで大幅な静電容量可変を実現するものである。真空中の誘電率をε、比誘電率をε、電極11,12の面積をA、電極11,12の間隔をdとすると、静電容量Cは次式で表される。 FIG. 1 is a side view showing the principle of a fluid variable MEMS capacitor according to the present invention, and FIG. 2 is a circuit diagram showing a digital variable circuit using the three fluid variable MEMS capacitors of FIG. The fluid variable MEMS capacitor realizes a large capacitance change by inserting water (relative permittivity ε r = 80) between the electrodes 11 and 12. When the dielectric constant in vacuum is ε 0 , the relative dielectric constant is ε r , the area of the electrodes 11 and 12 is A, and the distance between the electrodes 11 and 12 is d, the capacitance C is expressed by the following equation.

Figure 0004855508
Figure 0004855508

図1に示すように、互いに対向する二つの電極11,12間に水を出し入れする場合には、式(1)の比誘電率εが変化して容量Cが容量80Cとなり、80倍のキャパシタンス可変を得ることができる。また、水を充填する流路数を変化させることにより、ディジタル可変も可能である(図2)。図2において、MEMS可変キャパシタC1は1対の電極11a,12aから構成され、MEMS可変キャパシタC2は1対の駆動電極11b,12bから構成され、MEMS可変キャパシタC3は1対の電極11c,12cから構成される。ここで、1対の電極11a,12aと、1対の駆動電極11b,12bと、1対の電極11c,12cと互いに異なる電極面積(図2の例では、1:2:4の面積比)を有しており、それぞれ各電極間で、ほぼ電極面積全体を満たして満充填するように水などの流体25が満たされる。満充填と無充填とを切り替えることにより、全体容量Ctを以下の表のごとく、0から7Cの範囲でC毎にディジタル的に変化させることができる。 As shown in FIG. 1, when out of the water between the two electrodes 11 and 12 facing each other, the dielectric constant epsilon r is changed to capacitance C 0 is the capacitance 80C 0 next to the formula (1), 80 Double capacitance variation can be obtained. In addition, digital change is possible by changing the number of channels filled with water (FIG. 2). In FIG. 2, the MEMS variable capacitor C1 is composed of a pair of electrodes 11a and 12a, the MEMS variable capacitor C2 is composed of a pair of drive electrodes 11b and 12b, and the MEMS variable capacitor C3 is composed of a pair of electrodes 11c and 12c. Composed. Here, the pair of electrodes 11a and 12a, the pair of drive electrodes 11b and 12b, and the pair of electrodes 11c and 12c have different electrode areas (in the example of FIG. 2, the area ratio is 1: 2: 4). Each of the electrodes is filled with a fluid 25 such as water so as to fill and fill almost the entire electrode area. By switching between full filling and non-filling, the total capacity Ct can be changed digitally for each C 0 in the range from 0 to 7 C 0 as shown in the following table.

[表1]
―――――――――――――――――――――
C3 C2 C1 全体容量Ct
―――――――――――――――――――――
0 0 0 0
0 0 1 C
0 1 0 2C
0 1 1 3C
1 0 0 4C
1 0 1 5C
1 1 0 6C
1 1 1 7C
―――――――――――――――――――――
[Table 1]
―――――――――――――――――――――
C3 C2 C1 Total capacity Ct
―――――――――――――――――――――
0 0 0 0
0 0 1 C 0
0 1 0 2C 0
0 1 1 3C 0
1 0 0 4C 0
1 0 1 5C 0
1 1 0 6C 0
1 1 1 7C 0
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第1の実施形態.
図3(a)は本発明の第1の実施形態に係る2タンク型MEMS可変キャパシタの構成を示す平面図であり、図3(b)は図3(a)の2タンク型MEMS可変キャパシタの構成を示す正面図である。
First embodiment.
FIG. 3A is a plan view showing a configuration of the two-tank MEMS variable capacitor according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 3B is a diagram of the two-tank MEMS variable capacitor of FIG. It is a front view which shows a structure.

図3において、本実施形態に係るMEMS可変キャパシタは二つの流体補充用タンク14a,14bを有し、流体チャネル15a,15bの内部高さ(図3の例では、35μm)に比較して極めて薄い厚さ又は内部高さ(図3の例では、7μm)を有するタンク14a,14b内に流体を毛細管現象により満充填する。次いで、EWOD駆動電圧を、タンク14aの駆動電極21aと駆動電極22aとの間に、もしくはタンク14bの駆動電極21bと駆動電極22bとの間に印加すると、EWOD駆動により流体がタンク14a,14bからそれぞれキャパシタ部C11,C12を構成する二つの電極11,12間の流体チャネル15a,15bに流出して、流体チャネル15a,15bが流体で充填される一方、電圧印加を停止すると、流体に対する毛細管現象による応力がEWOD駆動電圧による応力よりも大きくなり、流体が流体チャネル15a,15bからそれぞれタンク14a,14bに戻るように制御できる。ここで、各タンク14,14bから、電極11,12がある手前側に各タンク141,14bよりも狭いが毛細管現象が発生しない流体チャネル15a,15bをシリコン構造体13により導通形成し、それぞれ互いに対向する1対の電極11,12によりキャパシタ部C21,C22を構成している。EWOD駆動電圧印加用駆動電極22a,22bを下部電極11,11の各両側であって、タンク14a,14b内の流体を導水するようにタンク14a,14bの近傍まで延在させて形成している。なお、流体に対する毛細管現象による応力は、一般に、タンク14a,14b又は流体チャネル15a,15bの高さを小さくすることにより大きくなる。   In FIG. 3, the MEMS variable capacitor according to the present embodiment has two fluid replenishing tanks 14a and 14b, and is extremely thin compared to the internal height of the fluid channels 15a and 15b (35 μm in the example of FIG. 3). The tanks 14a and 14b having a thickness or an internal height (7 μm in the example of FIG. 3) are filled with fluid by capillary action. Next, when the EWOD drive voltage is applied between the drive electrode 21a and the drive electrode 22a of the tank 14a or between the drive electrode 21b and the drive electrode 22b of the tank 14b, fluid is transferred from the tanks 14a and 14b by the EWOD drive. When the fluid channel 15a, 15b flows out into the fluid channels 15a, 15b between the two electrodes 11, 12 constituting the capacitor portions C11, C12, respectively, and the fluid channels 15a, 15b are filled with the fluid, the capillary action on the fluid is stopped when the voltage application is stopped. Can be controlled so that the fluid due to the EWOD driving voltage becomes larger than the stress due to the EWOD driving voltage and the fluid returns from the fluid channels 15a and 15b to the tanks 14a and 14b, respectively. Here, fluid channels 15a and 15b, which are narrower than the tanks 141 and 14b but do not generate capillary action, are electrically formed by the silicon structure 13 from the tanks 14 and 14b on the near side of the electrodes 11 and 12, respectively. Capacitor portions C21 and C22 are constituted by a pair of electrodes 11 and 12 facing each other. The EWOD drive voltage application drive electrodes 22a and 22b are formed on both sides of the lower electrodes 11 and 11 so as to extend to the vicinity of the tanks 14a and 14b so as to guide the fluid in the tanks 14a and 14b. . Note that the stress due to capillary action on the fluid generally increases as the height of the tanks 14a, 14b or the fluid channels 15a, 15b is reduced.

本実施形態では、流体チャネル15a,15bを流体で充填しないときに1pFの静電容量をもつようにシリコン構造体13の寸法を設計した。このため、流体を片方の流路チャネル15a,15bのみに充填すると40.5pF、両方に充填すると80pFに全体の静電容量が変化し、三段階の静電容量変化が得られる。なお、本実施形態では、6mm角のガラス基板10上にバルクマイクロマシニングにより加工したシリコン構造体13を静電接合することによりデバイスを作製した。   In this embodiment, the dimensions of the silicon structure 13 are designed so as to have a capacitance of 1 pF when the fluid channels 15a and 15b are not filled with fluid. For this reason, if the fluid is filled only in one of the flow channels 15a and 15b, the entire capacitance changes to 40.5 pF, and if both are filled, the overall capacitance changes to 80 pF, and a three-stage capacitance change is obtained. In the present embodiment, the device was fabricated by electrostatic bonding the silicon structure 13 processed by bulk micromachining on a 6 mm square glass substrate 10.

図4は図2及び図3の2タンク型MEMS可変キャパシタにおける水充填本数に対する静電容量を示すグラフである。図4から明らかなように、流体チャネル15a,15bを流体で充填しないとき、片方を充填したとき、両方を充填したときで、予想通りに、三段階に静電容量が変化することが示された。   FIG. 4 is a graph showing the capacitance with respect to the number of water fillings in the two-tank MEMS variable capacitor of FIGS. As is clear from FIG. 4, it is shown that the capacitance changes in three stages as expected when the fluid channels 15a and 15b are not filled with fluid, when one is filled, and when both are filled. It was.

図5は図2及び図3の2タンク型MEMS可変キャパシタにおいて用いる流体駆動原理を示すための縦断面図であって、図5(a)は直流電圧を印加しないときの流体25の位置を示す縦断面図であり、図5(b)直流電圧の印加開始時の流体25の位置を示す縦断面図であり、図5(c)は直流電圧の印加開始した後、十分な時間経過後の流体25の位置を示す縦断面図である。すなわち、図5は、流体移動の電気制御を行うために、EWOD(Electrowetting on dielectric)駆動を用いた原理を示す図である。図5において、当該EWOD駆動回路は、ガラス基板10上に分割された駆動電極21,22と、ガラス基板10表面上を、例えばSiOにてなる絶縁膜23と、例えばCYTOP(登録商標)にてなる撥水膜24で被覆して構成される。駆動電極21,22間に直流電圧源20を接続して、電極11,12上の流体25に印加する電界を変化させると、水の濡れ性が変化するために流体輸送が生じる。ここで、流体25の接触角をθ、真空中の誘電率と絶縁膜の比誘電率をそれぞれε、ε、絶縁層の厚さをt、流体−固体間の表面張力をγSLとすると、電圧Vを印加したときの接触角θは、次式で表わされる。 FIG. 5 is a longitudinal sectional view for illustrating the fluid drive principle used in the two-tank MEMS variable capacitor of FIGS. 2 and 3, and FIG. 5 (a) shows the position of the fluid 25 when no DC voltage is applied. FIG. 5 (b) is a longitudinal sectional view showing the position of the fluid 25 at the start of application of the DC voltage, and FIG. 5 (c) is a view after a sufficient time has elapsed after the start of application of the DC voltage. 3 is a longitudinal sectional view showing the position of a fluid 25. FIG. That is, FIG. 5 is a diagram showing a principle using EWOD (Electrowetting on dielectric) drive in order to perform electrical control of fluid movement. In FIG. 5, the EWOD driving circuit includes driving electrodes 21 and 22 divided on the glass substrate 10, an insulating film 23 made of, for example, SiO 2 on the surface of the glass substrate 10, and CYTOP (registered trademark), for example. The water-repellent film 24 is covered. When the DC voltage source 20 is connected between the drive electrodes 21 and 22 and the electric field applied to the fluid 25 on the electrodes 11 and 12 is changed, fluid transport occurs because the wettability of water changes. Here, the contact angle of the fluid 25 is θ 0 , the dielectric constant in vacuum and the relative dielectric constant of the insulating film are ε 0 and ε r , the thickness of the insulating layer is t, and the surface tension between the fluid and the solid is γ SL. Then, the contact angle θ V when the voltage V is applied is expressed by the following equation.

Figure 0004855508
Figure 0004855508

ここで、流体25として、純水、ガリウム合金などの金属流体などの電導性流体を用いるときは、絶縁層23を形成する必要があるが、例えばシリコンオイル、脱イオン水などの非導電性流体を用いるときは絶縁層23を形成しなくてもよい。ここで、流体25として、電導性流体又は非電導性流体であってもよい。   Here, when a conductive fluid such as pure water or a metal fluid such as a gallium alloy is used as the fluid 25, it is necessary to form the insulating layer 23. For example, a nonconductive fluid such as silicon oil or deionized water is required. When using the insulating layer 23, the insulating layer 23 may not be formed. Here, the fluid 25 may be a conductive fluid or a non-conductive fluid.

図6は図2及び図3の4個の2タンク型MEMS可変キャパシタを用いて構成されたMEMS可変ローパスフィルタを示す回路図である。すなわち、図6のMEMS可変ローパスフィルタは、バターワース3次型フィルタを基にして改良設計したものである。図6において、当該MEMS可変ローパスフィルタは、端子T1,T2の間に構成され、2個の15nHのインダクタL1,L2と、互いに並列に接続された4個のMEMS可変キャパシタC21〜C24を備えて構成される。ここで、各MEMS可変キャパシタC21〜C24は最小静電容量が4pFで、すべての流体チャネル15a,15bに流体を充填させたときの最大静電容量が320pFで9段階の可変が行えるものである。   FIG. 6 is a circuit diagram showing a MEMS variable low-pass filter configured using the four 2-tank MEMS variable capacitors shown in FIGS. That is, the MEMS variable low-pass filter of FIG. 6 is an improved design based on a Butterworth cubic filter. In FIG. 6, the MEMS variable low-pass filter is configured between terminals T1 and T2, and includes two 15nH inductors L1 and L2, and four MEMS variable capacitors C21 to C24 connected in parallel to each other. Composed. Here, each of the MEMS variable capacitors C21 to C24 has a minimum capacitance of 4 pF, and a maximum capacitance of 320 pF when all the fluid channels 15a and 15b are filled with fluid can be varied in nine steps. .

図7は図6のMEMS可変ローパスフィルタの段階的可変とカットオフ周波数測定結果を示す表である。また、図8は図6のMEMS可変ローパスフィルタの通過係数S21の周波数特性(0.001GHz〜8GHz)を示すグラフであり、図9は図6のMEMS可変ローパスフィルタの通過係数S21の周波数特性(0.001GHz〜1GHz)を示すグラフである。なお、図8及び図9において、N0〜N9の数字は水充填本数を示す。 FIG. 7 is a table showing stepwise variable and cutoff frequency measurement results of the MEMS variable low-pass filter of FIG. Further, FIG. 8 is a graph showing the frequency characteristics of the MEMS variable low-pass filter in the pass coefficient S 21 of FIG. 6 (0.001GHz~8GHz), 9 frequency of the pass coefficient S 21 of the MEMS variable low-pass filter in FIG. 6 It is a graph which shows a characteristic (0.001 GHz-1 GHz). 8 and 9, the numbers N0 to N9 indicate the number of water fillings.

図6のMEMS可変ローパスフィルタにおいて、アジレント製E5071B型ネットワークアナライザを用いて8GHzまでの、挿入損失を示す通過係数S21の周波数特性を測定した(図8及び図9)。また、そのカットオフ周波数を図7及び図8に示す。図7〜図9の測定から明らかなように、8段階のフィルタ周波数特性の可変を確認できた。測定されたカットオフ周波数は、49.4〜672MHzの幅にあり、13.6倍の可変率を実現できた。これは静電容量の185倍の変化に対応している。 In the MEMS variable low-pass filter in FIG. 6, to 8GHz using Agilent E5071B network analyzer to measure the frequency characteristic of the pass coefficient S 21 showing the insertion loss (FIGS. 8 and 9). The cut-off frequency is shown in FIGS. As is clear from the measurements in FIGS. 7 to 9, it was confirmed that the filter frequency characteristics were variable in eight stages. The measured cutoff frequency was in the range of 49.4 to 672 MHz, and a variable rate of 13.6 times could be realized. This corresponds to a change of 185 times the capacitance.

以上説明したように、比誘電率を変化させて静電容量の可変を行う原理を利用した流体可変MEMSキャパシタを作成し、純水を使用して80倍の静電容量可変率が実現できることを実証した。また、上記MEMS可変キャパシタを用いてローパスフィルタを試作し、その周波数特性を評価した。ローパスフィルタのカットオフ周波数が49.4〜672MHzと8段階に変化した。これはMEMS可変キャパシタの185倍の可変率に対応する。   As described above, a fluid variable MEMS capacitor using the principle of changing the capacitance by changing the relative dielectric constant is created, and 80 times the capacitance variable rate can be realized using pure water. Demonstrated. In addition, a low-pass filter was prototyped using the MEMS variable capacitor, and its frequency characteristics were evaluated. The cut-off frequency of the low-pass filter was changed from 49.4 to 672 MHz in 8 steps. This corresponds to a variable ratio of 185 times that of the MEMS variable capacitor.

従って、本実施形態によれば、特許文献1において2つの直流電圧源を用いる従来技術に比較して、EWOD駆動電圧を印加しないとき、タンク14a,14bの毛細管現象により流体は流体チャネル15a,15bに流出せずタンク14a,14b側に留置しているが、EWOD駆動電圧を印加したときに流体チャネル15a,15b側に導水することにより、1つの直流電圧源を用いてディジタル的に1つのMEMS可変キャパシタの容量を極めて簡単な構成で変化させることができる。なお、特許文献2のようなポンプを必要としないので制御装置が簡単である。また、複数の上記MEMS可変キャパシタを並列に接続することで、従来技術に比較して大きな容量変化範囲を有しかつディジタル的に容量を変化できるMEMS可変キャパシタ装置を実現できる。さらに、当該MEMS可変キャパシタ装置及びインダクタを用いてローパスフィルタを構成することができる。   Therefore, according to the present embodiment, as compared with the conventional technique using two DC voltage sources in Patent Document 1, when the EWOD driving voltage is not applied, the fluid flows into the fluid channels 15a and 15b due to the capillary action of the tanks 14a and 14b. However, when the EWOD drive voltage is applied, water is introduced to the fluid channels 15a and 15b to digitally use one DC voltage source to generate one MEMS. The capacitance of the variable capacitor can be changed with a very simple configuration. In addition, since a pump like patent document 2 is not required, a control apparatus is simple. Further, by connecting a plurality of the MEMS variable capacitors in parallel, it is possible to realize a MEMS variable capacitor device that has a large capacitance change range and can change the capacitance digitally as compared with the prior art. Furthermore, a low-pass filter can be configured using the MEMS variable capacitor device and the inductor.

以上の実施形態においては、ローパスフィルタを構成しているが、本発明はこれに限らず、当該MEMS可変キャパシタ装置とインダクタとを公知の方法で組み合わせることにより、ハイパスフィルタ、もしくはバンドパスフィルタなどのフィルタ装置を構成してもよい。   In the above embodiment, a low-pass filter is configured. However, the present invention is not limited to this, and a high-pass filter, a band-pass filter, or the like can be obtained by combining the MEMS variable capacitor device and the inductor by a known method. A filter device may be configured.

第2の実施形態.
図10は本発明の第2の実施形態に係るディジタル可変型MEMS可変キャパシタの構成を示す斜視図であり、図11は図10の主要部の拡大図である。また、図12は図10の流体チャネル部の縦断面図であり、図13は図12のA−A’線についての横断面図である。
Second embodiment.
FIG. 10 is a perspective view showing a configuration of a digital variable MEMS variable capacitor according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 11 is an enlarged view of a main part of FIG. 12 is a longitudinal sectional view of the fluid channel portion of FIG. 10, and FIG. 13 is a transverse sectional view taken along line AA ′ of FIG.

図10において、ガラス基板10上に、異なる直径を有する円形の堰壁14c,14dにより純水などの流体を留置するタンク14を形成し、当該タンク14の一方の側に、それぞれ流体チャネル15(図12)を有する複数のMEMS可変キャパシタからなるMEMS可変キャパシタ装置40を設け、MEMS可変キャパシタ装置40とは対向する側である当該タンク14の他方の側に複数のスリットからなるスリット部41を設けている。ここで、スリット部41は、毛細管現象で流体を引き込むような所定の薄い間隔でスリットを形成するようにシリコン板を並設して構成され、タンク14内の流体をMEMS可変キャパシタ装置40の流体チャネル15に導水せず(EWOD駆動電圧の非印加時)タンク14内に留置するように動作する。なお、タンク14の下側に駆動電極21が形成され、当該駆動電極21は電極パッド21pに接続されている。また、実装時において、タンク14は流体が流出しないように蓋(図示せず。)により密閉される。なお、流体に対する毛細管現象による応力は、一般に、スリット部41のスリット間隔を小さくすることにより大きくなる。   In FIG. 10, a tank 14 in which a fluid such as pure water is placed is formed on a glass substrate 10 by circular weir walls 14 c and 14 d having different diameters, and a fluid channel 15 ( 12), a MEMS variable capacitor device 40 including a plurality of MEMS variable capacitors is provided, and a slit portion 41 including a plurality of slits is provided on the other side of the tank 14, which is the side facing the MEMS variable capacitor device 40. ing. Here, the slit portion 41 is configured by arranging silicon plates in parallel so as to form slits at predetermined thin intervals so as to draw the fluid by capillary action, and the fluid in the tank 14 is used as the fluid of the MEMS variable capacitor device 40. The channel 15 does not conduct water (when the EWOD driving voltage is not applied) and operates so as to be placed in the tank 14. A drive electrode 21 is formed below the tank 14, and the drive electrode 21 is connected to the electrode pad 21p. In mounting, the tank 14 is sealed with a lid (not shown) so that fluid does not flow out. Note that the stress due to capillary action on the fluid generally increases as the slit interval of the slit portion 41 is reduced.

図12及び図13は、MEMS可変キャパシタ装置40内の1つのMEMS可変キャパシタの構成を示しており、ガラス基板10上にシリコン構造体31を用いて構成され、ガラス基板10上に、幅W及び長さLを有する下部電極11が形成され、その両側にEWODによりタンクから流体を流体チャネル15に導水するための駆動電極22がタンク14の近傍であってかつ駆動電極21の近傍まで延在するように形成されている。また、下部電極11の上側には、略直方体形状の流体チャネル15を介して上部電極12が形成されており、MEMS可変キャパシタを構成する。そして例えば9個のMEMS可変キャパシタを並列に接続することによりMEMS可変キャパシタ装置40を構成する。なお、図10及び図11に示すように、下部電極11は電極パッド11pに接続され、上部電極12は電極パッド12pに接続され、駆動電極22は電極パッド22pに接続されている。また、シリコン構造体31と上部電極12との間は絶縁層32で電気的に絶縁されている。ここで、流体チャネル15は、MEMS可変キャパシタ側からタンク14に導通しており、電極11,12に対するEWOD駆動電圧の印加時において、タンク14内の流体を流体チャネル15に導水するように構成されている。すなわち、流体に対するスリット部41の応力を、流体に対するEWOD駆動の応力よりも大きくなるように設定しておく。   12 and 13 show the configuration of one MEMS variable capacitor in the MEMS variable capacitor device 40, which is configured using a silicon structure 31 on the glass substrate 10, and has a width W and a width on the glass substrate 10. A lower electrode 11 having a length L is formed, and drive electrodes 22 for guiding fluid from the tank to the fluid channel 15 by EWOD extend on both sides of the lower electrode 11 in the vicinity of the tank 14 and the vicinity of the drive electrode 21. It is formed as follows. An upper electrode 12 is formed on the upper side of the lower electrode 11 via a fluid channel 15 having a substantially rectangular parallelepiped shape, and constitutes a MEMS variable capacitor. For example, the MEMS variable capacitor device 40 is configured by connecting nine MEMS variable capacitors in parallel. As shown in FIGS. 10 and 11, the lower electrode 11 is connected to the electrode pad 11p, the upper electrode 12 is connected to the electrode pad 12p, and the drive electrode 22 is connected to the electrode pad 22p. Further, the silicon structure 31 and the upper electrode 12 are electrically insulated by an insulating layer 32. Here, the fluid channel 15 is electrically connected to the tank 14 from the MEMS variable capacitor side, and is configured to guide the fluid in the tank 14 to the fluid channel 15 when the EWOD driving voltage is applied to the electrodes 11 and 12. ing. That is, the stress of the slit portion 41 with respect to the fluid is set to be larger than the stress of the EWOD drive with respect to the fluid.

以上のように構成されたMEMS可変キャパシタ装置40内の1つのMEMS可変キャパシタにおいて、EWOD駆動電圧を駆動電極21,22に印加していないときは、流体はタンク14側にあり、流体チャネル15に導水されていないので、MEMS可変キャパシタの電極11,12間は空気となり、空気による所定の容量(以下、非充填容量という。)となる。EWOD駆動電圧を駆動電極21,22に印加されたときは、流体は流体チャネル15に導水されるので、MEMS可変キャパシタの電極11,12間は流体となり、上記非充填容量に比較して大きな流体による容量(以下、充填容量という。)となる。なお、この状態でEWOD駆動電圧を印加しないときは、流体に対するスリット部41の応力を、流体に対するEWOD駆動の応力よりも大きくなるように設定されているので、流体チャネル15内の流体はタンク14に戻るように制御できる。   In one MEMS variable capacitor in the MEMS variable capacitor device 40 configured as described above, when the EWOD drive voltage is not applied to the drive electrodes 21 and 22, the fluid is on the tank 14 side and the fluid channel 15. Since no water is conducted, the space between the electrodes 11 and 12 of the MEMS variable capacitor becomes air, and has a predetermined capacity (hereinafter referred to as an unfilled capacity). When the EWOD drive voltage is applied to the drive electrodes 21 and 22, the fluid is guided to the fluid channel 15, so that the fluid between the electrodes 11 and 12 of the MEMS variable capacitor becomes a fluid larger than the unfilled capacity. (Hereinafter referred to as the filling capacity). In this state, when the EWOD driving voltage is not applied, the stress of the slit portion 41 with respect to the fluid is set to be larger than the stress of the EWOD driving with respect to the fluid, so that the fluid in the fluid channel 15 is contained in the tank 14. Can be controlled to return to

図12及び図13から明らかなように、各MEMS可変キャパシタの下部電極11の幅Wと長さLを変化させることにより、非充填容量及び充填容量を変化させることができる。図14は図10のディジタル可変型MEMS可変キャパシタの電極サイズ等の一覧を示す表である。図14においては、各MEMS可変キャパシタの充填容量及び非充填容量をnC(n=1,2,…,256)と変化して設定した場合を示す。 As is apparent from FIGS. 12 and 13, by changing the width W and length L of the lower electrode 11 of each MEMS variable capacitor, the unfilled capacity and the filled capacity can be changed. FIG. 14 is a table showing a list of electrode sizes and the like of the digital variable MEMS variable capacitor of FIG. FIG. 14 shows a case where the filling capacity and non-filling capacity of each MEMS variable capacitor are set to nC 0 (n = 1, 2,..., 256).

図15は図10のディジタル可変型MEMS可変キャパシタの回路図である。図15において、13個のMEMS可変キャパシタC1〜C13を並列に接続し、各MEMS可変キャパシタC1〜C13の容量を、直流電圧源を備えたコントローラ50からのEWOD駆動電圧のオン・オフにより充填容量と非充填容量との間でディジタル的に変化させることができる。図14から明らかなように、13個のMEMS可変キャパシタを並列に接続した場合、最小容量Cmin=0.302pFから最大容量Cmax=30.16pFまで100倍の容量変化で213(=8192通り)の分解能で変化することができる。 FIG. 15 is a circuit diagram of the digital variable MEMS variable capacitor of FIG. In FIG. 15, 13 MEMS variable capacitors C1 to C13 are connected in parallel, and the capacitance of each MEMS variable capacitor C1 to C13 is filled by turning on and off the EWOD drive voltage from the controller 50 having a DC voltage source. And non-filled volume can be changed digitally. As is apparent from FIG. 14, when 13 MEMS variable capacitors are connected in parallel, 2 13 (= 8192 types) with a capacitance change of 100 times from the minimum capacitance Cmin = 0.302 pF to the maximum capacitance Cmax = 30.16 pF. The resolution can be changed.

なお、各MEMS可変キャパシタの充填容量及び非充填容量をnC(n=1,2,…,N;N≧2)と変化して設定してもよく、この場合、2の分解能で変化させることができる。 In addition, the filling capacity and the non-filling capacity of each MEMS variable capacitor may be set as nC 0 (n = 1, 2,..., N; N ≧ 2), and in this case, it changes with a resolution of 2 N. Can be made.

以上説明したように、本実施形態によれば、特許文献1において2つの直流電圧源を用いる従来技術に比較して、EWOD駆動電圧を印加しないとき、タンク14に連結されたスリット部41の毛細管現象により流体はタンク14側にあるが、EWOD駆動電圧を印加したときに各MEMS可変キャパシタの流体チャネル15側に導水することにより、直流電圧源40を備えたコントローラ50を用いてディジタル的に各MEMS可変キャパシタの容量を極めて簡単な構成で変化させることができ、複数の上記MEMS可変キャパシタを並列に接続することで、従来技術に比較して大きな容量変化範囲を有しかつディジタル的に容量を変化できるMEMS可変キャパシタ装置を実現できる。なお、特許文献2のようなポンプを必要としないので制御装置が簡単である。さらに、当該MEMS可変キャパシタ装置及びインダクタを用いてローパスフィルタなどのフィルタ装置を構成することができる。   As described above, according to the present embodiment, the capillary tube of the slit portion 41 connected to the tank 14 when no EWOD driving voltage is applied, as compared with the prior art using two DC voltage sources in Patent Document 1. The fluid is on the tank 14 side due to the phenomenon, but when the EWOD driving voltage is applied, the fluid is guided to the fluid channel 15 side of each MEMS variable capacitor, thereby digitally using the controller 50 having the DC voltage source 40. Capacitance of the MEMS variable capacitor can be changed with a very simple configuration. By connecting a plurality of the MEMS variable capacitors in parallel, the capacitance can be changed digitally with a large capacitance change range compared to the prior art. A variable MEMS variable capacitor device can be realized. In addition, since a pump like patent document 2 is not required, a control apparatus is simple. Furthermore, a filter device such as a low-pass filter can be configured using the MEMS variable capacitor device and the inductor.

図16は本発明の第1の変形例に係る密閉流体チャネル内の2つの流体26,27を用いたMEMS可変キャパシタの構成を示す縦断面図である。図16において、例えば二種類の流体(純水とシリコンオイル又はアルコールなどの組み合わせ)26,27をガラス基板10と密閉誘電体基板10aとの間の密閉空間の流体チャネルに閉じこめて、比誘電率が大きな流体26のみを移動させてMEMS可変キャパシタの容量を変化させるように構成してもよい。   FIG. 16 is a longitudinal sectional view showing a configuration of a MEMS variable capacitor using two fluids 26 and 27 in a sealed fluid channel according to a first modification of the present invention. In FIG. 16, for example, two kinds of fluids (combination of pure water and silicon oil or alcohol) 26 and 27 are confined in a fluid channel in a sealed space between the glass substrate 10 and the sealed dielectric substrate 10a, so that the relative dielectric constant is obtained. Alternatively, the capacitance of the MEMS variable capacitor may be changed by moving only the large fluid 26.

図17は本発明の第2の変形例に係る流体チャネル内の粒子26aを有する流体26を用いたMEMS可変キャパシタの構成を示す縦断面図である。誘電率が大きな流体の粒子26aを小さな流体26内に拡散して流体26の移動とともにこの粒子26aを移動させることによりMEMS可変キャパシタの容量を変化させるように構成してもよい。   FIG. 17 is a longitudinal sectional view showing a configuration of a MEMS variable capacitor using a fluid 26 having particles 26a in a fluid channel according to a second modification of the present invention. The capacitance of the MEMS variable capacitor may be changed by diffusing the particles 26a having a large dielectric constant into the small fluid 26 and moving the particles 26a as the fluid 26 moves.

図18は本発明の第3の変形例に係る密閉流体チャネル内の流体27内の泡28を用いたMEMS可変キャパシタの構成を示す縦断面図である。誘電率が大きな流体27の中を泡(例えば空気を含む)28を移動させることによりMEMS可変キャパシタの容量を変化させるように構成してもよい。   FIG. 18 is a longitudinal sectional view showing a configuration of a MEMS variable capacitor using bubbles 28 in a fluid 27 in a sealed fluid channel according to a third modification of the present invention. You may comprise so that the capacity | capacitance of a MEMS variable capacitor may be changed by moving the bubble (for example, air is included) 28 in the fluid 27 with a large dielectric constant.

図16〜図18のいずれの変形例に係る方法でも流体チャネル15内の電極11,12間の比誘電率を変化させることが可能であり、流体の移動のしやすさによってさまざまな形態をとることができる。   It is possible to change the relative dielectric constant between the electrodes 11 and 12 in the fluid channel 15 by the method according to any modification of FIGS. 16 to 18, and various forms are taken depending on the ease of movement of the fluid. be able to.

さらに、図14においては、各MEMS可変キャパシタの充填容量及び非充填容量をnC(n=1,2,…,256)と変化しているが、本発明はこれに限らず、各MEMS可変キャパシタの充填容量及び非充填容量を互いに異なるように、もしくは同一となるように構成してもよい。 Further, in FIG. 14, the filling capacity and the non-filling capacity of each MEMS variable capacitor are changed to nC 0 (n = 1, 2,..., 256), but the present invention is not limited to this, and each MEMS variable is variable. You may comprise so that the filling capacity | capacitance and non-filling capacity | capacitance of a capacitor may mutually differ, or may become the same.

以上詳述したように、本発明によれば、特許文献1において2つの直流電圧源を用いる従来技術に比較して、EWOD駆動電圧を印加しないとき、上記スリット部又はタンクの上記流体制御手段における毛細管現象により流体はタンク側にあるが、EWOD駆動電圧を印加したときに流体チャネル側に導水することにより、1つの直流電圧源を用いてディジタル的に1つのMEMS可変キャパシタの容量を極めて簡単な構成で変化させることができる。また、複数の上記MEMS可変キャパシタを並列に接続することで、従来技術に比較して大きな容量変化範囲を有しかつディジタル的に容量を変化できるMEMS可変キャパシタ装置を実現できる。さらに、当該MEMS可変キャパシタ装置及びインダクタを用いてフィルタ装置を構成することができる。   As described above in detail, according to the present invention, compared with the prior art using two DC voltage sources in Patent Document 1, when no EWOD driving voltage is applied, the fluid control means of the slit portion or tank Although the fluid is on the tank side due to capillary action, the capacitance of one MEMS variable capacitor can be digitally simplified using one DC voltage source by conducting water to the fluid channel side when the EWOD driving voltage is applied. Can vary with configuration. Further, by connecting a plurality of the MEMS variable capacitors in parallel, it is possible to realize a MEMS variable capacitor device that has a large capacitance change range and can change the capacitance digitally as compared with the prior art. Furthermore, a filter apparatus can be comprised using the said MEMS variable capacitor apparatus and an inductor.

10…ガラス基板、
10a…密閉誘電体基板、
11,12,11a,12a,11b,12b,11c,12c…電極、
11p,12p,21p,22p…電極パッド、
13…シリコン構造体、
14,14a,14b…タンク、
14c,14d…堰壁、
15,15a,15b…流体チャネル、
20…直流電圧源、
21,22…駆動電極、
23…絶縁層、
24…撥水層、
25…流体、
26,27…流体、
26a…粒子、
28…泡、
31…シリコン層、
32…絶縁層、
40…MEMS可変キャパシタ装置、
41…スリット群、
50…コントローラ、
C1〜C13,C21〜C24…可変キャパシタ、
L1,L2…インダクタ、
T1,T2…端子。
10 ... Glass substrate,
10a: sealed dielectric substrate,
11, 12, 11a, 12a, 11b, 12b, 11c, 12c ... electrodes,
11p, 12p, 21p, 22p ... electrode pads,
13 ... silicon structure,
14, 14a, 14b ... tanks
14c, 14d ... dam wall,
15, 15a, 15b ... fluid channels,
20: DC voltage source,
21, 22 ... drive electrodes,
23. Insulating layer,
24 ... water-repellent layer,
25 ... Fluid,
26, 27 ... fluid,
26a ... particles,
28 ... bubbles,
31 ... silicon layer,
32. Insulating layer,
40 ... MEMS variable capacitor device,
41 ... slit group,
50 ... Controller,
C1 to C13, C21 to C24 ... variable capacitors,
L1, L2 ... inductors,
T1, T2 ... terminals.

Claims (7)

互いに対向する1対の電極間の流体チャネルに流体を流入させるか否かを選択的に切り換えることによりディジタル的に上記1対の電極間容量を変化させるMEMS可変キャパシタであって、
上記流体チャネルに設けられ、誘電体エレクトロウェッティング駆動により上記流体を上記流体チャネルに流入させるための駆動電圧を印加する第1の駆動電極と、
第2の駆動電極を有し、上記流体チャネルに流体を供給するタンクと、
上記タンクに設けられ、上記タンク内の流体を毛細管現象により流体チャネルに流入させず上記タンク内に留置させるように制御する流体制御手段とを備え、
上記第1の駆動電極と上記の第2の駆動電極との間に上記駆動電圧を印加したときに上記誘電体エレクトロウェッティング駆動により上記流体を上記流体チャネルに流入させるときの応力を、上記流体制御手段による流体に対する応力よりも大きくなるように設定するように構成され、
上記第1の駆動電極と上記の第2の駆動電極との間に上記駆動電圧を印加しないときに上記流体は上記タンク内に留置される一方、上記第1の駆動電極と上記の第2の駆動電極との間に上記駆動電圧を印加したときに上記流体が上記流体チャネルに流入して充填されることにより、1個のみの駆動電圧を用いてディジタル的に上記1対の電極間容量を変化させることを特徴とするMEMS可変キャパシタ。
A MEMS variable capacitor that digitally changes the capacitance between a pair of electrodes by selectively switching whether or not a fluid flows into a fluid channel between a pair of electrodes facing each other,
A first drive electrode provided in the fluid channel and applying a drive voltage for allowing the fluid to flow into the fluid channel by dielectric electrowetting drive;
A tank having a second drive electrode and supplying fluid to the fluid channel;
Fluid control means provided in the tank for controlling the fluid in the tank to be retained in the tank without flowing into the fluid channel by capillary action;
When the drive voltage is applied between the first drive electrode and the second drive electrode, the stress when the fluid flows into the fluid channel by the dielectric electrowetting drive is expressed as the fluid. Configured to be greater than the stress on the fluid by the control means,
When the drive voltage is not applied between the first drive electrode and the second drive electrode, the fluid is retained in the tank, while the first drive electrode and the second drive electrode When the drive voltage is applied between the drive electrodes, the fluid flows into the fluid channel and is filled, so that the pair of interelectrode capacitances can be digitally generated using only one drive voltage. A MEMS variable capacitor characterized by being changed.
上記流体制御手段は、複数のスリットを含むスリット部であることを特徴とする請求項1記載のMEMS可変キャパシタ。   2. The MEMS variable capacitor according to claim 1, wherein the fluid control means is a slit portion including a plurality of slits. 上記流体制御手段は、上記タンクの内部高さを、上記流体が毛細管現象により上記タンク内に留置されるように薄くなるように設定して構成されたことを特徴とする請求項1記載のMEMS可変キャパシタ。   2. The MEMS according to claim 1, wherein the fluid control means is configured such that an internal height of the tank is set so as to be thin so that the fluid is retained in the tank by capillary action. Variable capacitor. 請求項1乃至3のうちのいずれか1つに記載のMEMS可変キャパシタを複数N個備えたMEMS可変キャパシタ装置であって、
複数N個のMEMS可変キャパシタを並列に接続し、各MEMS可変キャパシタに対する駆動電圧をオン・オフすることにより、上記MEMS可変キャパシタ装置の全体容量をディジタル的に変化させることを特徴とするMEMS可変キャパシタ装置。
A MEMS variable capacitor device comprising a plurality of N MEMS variable capacitors according to any one of claims 1 to 3,
A MEMS variable capacitor characterized in that a plurality of N MEMS variable capacitors are connected in parallel, and a drive voltage for each MEMS variable capacitor is turned on / off to digitally change the overall capacitance of the MEMS variable capacitor device. apparatus.
上記各MEMS可変キャパシタの容量を互いに異なる値を有するように構成されたことを特徴とする請求項4記載のMEMS可変キャパシタ装置。   5. The MEMS variable capacitor device according to claim 4, wherein the capacitances of the MEMS variable capacitors have different values. 上記各MEMS可変キャパシタはそれぞれ、基本容量をCとして容量nC(n=1,2,…,N;N≧2)を有するように構成され、上記MEMS可変キャパシタ装置の全体容量をNビットの分解能でディジタル的に変化させることを特徴とする請求項4記載のMEMS可変キャパシタ装置。 Each of the MEMS variable capacitors is configured to have a capacitance nC 0 (n = 1, 2,..., N ≧ 2) with a basic capacitance C 0 , and the total capacitance of the MEMS variable capacitor device is N bits. The MEMS variable capacitor device according to claim 4, wherein the MEMS variable capacitor device is digitally changed with a resolution of 5. 請求項4乃至6のうちのいずれか1つに記載のMEMS可変キャパシタ装置と、
上記MEMS可変キャパシタ装置に接続された少なくとも1個のインダクタとを備えたことを特徴とするフィルタ装置。
A MEMS variable capacitor device according to any one of claims 4 to 6,
A filter device comprising: at least one inductor connected to the MEMS variable capacitor device.
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