JP2008166484A

JP2008166484A - 可変容量素子及びそれを用いた可変フィルタ

Info

Publication number: JP2008166484A
Application number: JP2006354275A
Authority: JP
Inventors: Masaya Tamura; 昌也田村; Katsuya Morinaka; 克也森仲
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-12-28
Filing date: 2006-12-28
Publication date: 2008-07-17

Abstract

【課題】可動時に容量値の差が小さく、また連続的に容量値を可変することができる素子を提供することを目的としている。
【解決手段】基板４と、基板４上に配置した複数の信号線路導体１，２と、複数の信号線路導体１，２上を可動する可動電極部とを備え、可動電極部は複数の導体電極５，６を配置した誘電体３を有し、導体電極５，６の少なくとも１つは、誘電体３を介して信号線路導体１，２と常時対向させ、導体電極５，６の他の少なくとも１つは、誘電体３を介して信号線路導体１，２と対向させたり対向させなかったりしているものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、携帯電話等の通信機器やパソコンやＰＤＡなどの電子機器に用いる可変容量素子およびそれを用いた可変フィルタに関するものである。

以下、携帯電話等の小型無線情報通信機器に用いる従来の可変容量素子について図面を参照しながら説明する。

図１０は従来の可変容量素子の構成図である。

基板１３上にそれぞれの端部が所定の間隔２０をおいて配置された第１および第２電極１２，１４を備えている。第１電極１２の端部を含む基板１３と反対側の表面領域には絶縁膜１５が設けられ、第２電極１４の端部を含む基板と反対側の表面領域には接触電極１６が設けられている。第１および第２電極１２，１４との間の間隔２０上に、接触電極１６および絶縁膜１５の少なくとも一部分と上面から見たときにオーバーラップするように、接触電極１８および浮遊電極１７からなる積層体が設けられている。浮遊電極１７は基板１３から遠い側に、接触電極１８は基板１３に近い側に設けられている。接触電極１８および浮遊電極１７の積層体は、基板１３上に指示部を介して設けられた圧電型アクチュエータによって駆動される。

浮遊電極１７が可動した状態では、浮遊電極１７と電気的に接続された接触電極１８が接触電極１６と接し、電気的に短絡された状態となるとともに、接触電極１８が絶縁膜１５と接する。このため第１電極１２と第２電極１４が、絶縁膜１５からなる容量を介して接続された状態になる。一方、浮遊電極１７が可動しない状態では、第１電極１２と浮遊電極１８の間に、絶縁膜１５からなる容量と、絶縁膜１５と接触電極１８の間の空間が形成する容量とが、直列に接続された状態となる。また、第２電極１４と浮遊電極１７の間には、接触電極１６と接触電極１８の間の空間が形成する容量が挿入された状態となる。したがって、浮遊電極１７が可動しない状態では、第１電極１２と第２電極１４の間に、合計三つの容量が直列に接続された状態となる。

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２００６−２６１４８０号公報

上記構成の可変容量素子は、空間を介した容量と絶縁体１０を介した容量を直列に接続して構成しているが、直列に接続した場合、容量は互いの容量の逆数の和で表される。空気の比誘電率は１であるため、非常に小さい容量値しか得ることができない。したがって、浮遊導体１２が可動して絶縁膜１０と接触した場合と浮遊導体１１が可動しない場合とでの容量値の差が非常に大きく、また離散的にしか容量値を変動することができないという問題点を有していた。

本発明は上記問題点を解決し、可動時に容量値の差が小さく、また連続的に容量値を可変することができる素子を提供することを目的としている。

上記問題点を解決するために本発明は、特に、基板と、前記基板上に配置した複数の信号線路導体と、複数の前記信号線路導体上を可動する可動電極部とを備え、前記可動電極部は複数の導体電極を配置した誘電体を有し、前記導体電極の少なくとも１つは、前記誘電体を介して前記信号線路導体と常時対向させ、前記導体電極の他の少なくとも１つは、前記誘電体を介して前記信号線路導体と対向させたり対向させなかったりすることを特徴とする構成である。

上記構成により、導体電極の他の少なくとも１つは、誘電体を介して信号線路導体と対向させたり対向させなかったりするので、対向させた場合と対向させない場合において、静電容量が変化するため可変容量素子を形成できる。また、対向させない場合は、スイッチのＯＦＦと同じ状態であり、対向させた場合は、スイッチのＯＮと同じ状態であり、スイッチとしても用いることができる。

以下、本発明の一実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の一実施の形態における可変容量素子の構成図（上面図およびＡ−Ａ〜Ｃ−Ｃ断面図）、図２、図３は同可変容量素子の可動状態を示す構成図（上面図およびＡ−Ａ〜Ｃ−Ｃ断面図）である。

図１において、可変容量素子は、シリコンからなる基板４上に平行に配置した信号線路導体１，２と、誘電体３とその上部に設けた導体電極５，６を備えている。

信号線路導体１，２は平行に配置されており、信号線路導体１と信号線路導体２の入力部は互いに相対した方向に設けてあり、他端はともに開放されている。信号線路導体１，２の材料としては、例えば、金、白金、銅、アルミニウム、銀、パラジウム、チタン、クロム、タングステンからなる群より選択される一種の金属もしくは二種以上を組み合わせた合金から形成している。金、白金で形成した場合ならば、損失劣化を抑えるという観点から線路幅は１００μｍ、厚みは０．２μｍ以上であることが好ましい。また、信号線路導体１，２の間隔は、線路間アイソレーションを確保するために１μｍ以上離れていることが望ましい。

この２本の信号線路導体１，２の上面に誘電体３を配置し、上面からみて信号線路導体１，２と重なるように誘電体３上に導体電極５，６を配置した可動電極部を設けている。この可動電極部は２本の信号線路１，２のうちのどちらかの一方の信号入力部からもう一方の信号入力部に向かって可動する。この可動は、どちらか一方の信号線路導体１，２のみ可動電極部が接触した状態となり、信号線路導体１，２は電気的に非接触となる。続いてもう一方の信号線路導体１，２の開放側から、徐々に可動電極部が接触し、連続的に接触面積が変化する。最後に、可動電極部はどちらの信号線路導体１，２とも完全に接触した状態となる。すなわち、導体電極５，６の少なくとも１つは、誘電体３を介して信号線路導体１，２と常時対向させ、導体電極５，６の他の少なくとも１つは、誘電体３を介して信号線路導体１，２と対向させたり対向させなかったりしているものである。この可動状態を図２、図３に示す。

例えば、誘電体３をＰＺＴ、導体電極５，６を白金で形成すると、ＰＺＴに直流電圧を与えることで、圧電効果により可動させることができる。図４に示すように、印加電極９Ａ，９Ｂ，９Ｃ，９Ｄのように両持ち梁の構造で配置すればよい。もちろん、片持ち梁でもかまわない。また、他にも、図５のように導体電極５，６同一平面状に櫛型電極１０Ａ，１０Ｂを形成し、それらと噛み合うように櫛型電極１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆを配置して、１０Ａと１０Ｃ、１０Ｄの間に、また１０Ｂと１０Ｅ、１０Ｆの間に電位差を加えることで、静電力により可動させることもできる。この場合も片持ち梁でもかまわない。

これにより、容量値は面積に比例するため連続的に容量値を可変させることができる。さらに、信号線路１，２が電気的に非接触の状態と接触の状態を作り出すことができるため、スイッチとしても使用することができる。

なお、図６に示すように誘電体３と信号線路導体１，２との間の摩擦を防ぐために空隙を設けてもよい。その際、大きな容量値を得るために空隙は５０ｎｍ以下が望ましい。これを保持するには、図７に示すように表面に凹凸１１を設けた絶縁体８を配置すればよい。両持ち梁構造の場合は絶縁体８はなくてもよい。

なお、大きな容量値を得るために誘電体をＢＳＴ（チタン酸バリウムストロンチウム）、ＳＴＯ（チタン酸ストロンチウム）、ＢＴＯ（チタン酸バリウム）、ＳｒＴａ₂Ｏ₆（タンタル酸ストロンチウム）、Ｓｒ₂Ｔａ₂Ｏ₇（タンタル酸ストロンチウム）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＨｆＯ₂（酸化ハフニウム）、Ｔａ₂Ｏ₅（酸化タンタル）などに代表される高誘電体や、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、ＰＺＴＮ（Ｎｂ添加ＰＺＴ）、ＰＬＺＴ（チタン酸ジルコン酸ランタン鉛）、ＰＬＴ（チタン酸ランタン鉛）、ＰＴＮ（Ｎｂ添加ＰＴ）、ＳＢＴ（タンタル酸ストロンチウム・ビスマス）、ＳＢＴＮ（Ｎｂ添加ＳＢＴ）、ＡＩＮ（窒化アルミニウム）などに代表される強誘電体を用いることが望ましい。

なお、図８に示すようにキャパシタ７に用いれば、図９に示すように可変フィルタとして構成することができる。

以上のように本発明にかかる可変容量素子およびそれを用いた可変フィルタは、携帯電話等の通信機器やパソコンやＰＤＡなどの電子機器に用いることができる。

本発明の一実施形態における可変容量素子の構成図同可変容量素子の可動状態を示す構成図同可変容量素子の可動状態を示す構成図他の可変容量素子の構成図他の可変容量素子の構成図他の可変容量素子の構成図他の可変容量素子の構成図同可変容量素子を用いたフィルタの等価回路図同フィルタの周波数特性図従来の可変容量素子の構成図

符号の説明

１，２信号線路導体
３誘電体
４基板
５，６導体電極
７キャパシタ
８絶縁体
９Ａ印加電極
９Ｂ印加電極
９Ｃ印加電極
９Ｄ印加電極
１０Ａ櫛型電極
１０Ｂ櫛型電極
１０Ｃ櫛型電極
１０Ｄ櫛型電極
１０Ｅ櫛型電極
１０Ｆ櫛型電極
１１凹凸

Claims

基板と、前記基板上に配置した複数の信号線路導体と、複数の前記信号線路導体上を可動する可動電極部とを備え、前記可動電極部は複数の導体電極を配置した誘電体を有し、前記導体電極の少なくとも１つは、前記誘電体を介して前記信号線路導体と常時対向させ、前記導体電極の他の少なくとも１つは、前記誘電体を介して前記信号線路導体と対向させたり対向させなかったりすることを特徴とする可変容量素子。
前記誘電体と前記信号線路導体との間に空隙を設けたことを特徴とする請求項１に記載の可変容量素子。
前記誘電体はＢＳＴ、ＳＴＯ、ＢＴＯ、ＳｒＴａ₂Ｏ₆、Ｓｒ₂Ｔａ₂Ｏ₇、ＺｎＯ、ＨｆＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅からなる群より選択される一種の高誘電体であることを特徴とする請求項１に記載の可変容量素子。
前記誘電体はＰＺＴ、ＰＺＴＮ、ＰＬＺＴ、ＰＬＴ、ＰＴＮ、ＳＢＴ、ＳＢＴＮ、ＢＴＯ、ＡＩＮからなる群より選択される一種の強誘電体であることを特徴とする請求項１に記載の可変容量素子。
前記信号線路導体及び前記導体電極は金、白金、銅、アルミニウム、銀、パラジウム、チタン、クロム、タングステンからなる群より選択される一種の金属もしくは二種以上を組み合わせた合金からなることを特徴とする請求項１に記載の可変容量素子。
前記可動電極部を静電力で可動させることを特徴とする請求項１に記載の可変容量素子。
前記可動電極部を圧電効果で可動させることを特徴とする請求項１記載の可変容量素子。
前記可動電極部を形状記憶効果で可動させることを特徴とする請求項１に記載の可変容量素子。
前記信号線路導体及び導体電極を幅１００μｍ、厚み０．２０μｍ以上で構成することを特徴とする請求項１に記載の可変容量素子。
前記信号線路導体の間隔を１μｍ以上とすることを特徴とする請求項１に記載の可変容量素子。
前記誘電体と前記信号線路導体との間に５０ｎｍ以下の空隙を設けたことを特徴とする請求項１に記載の可変容量素子。
請求項１に記載の可変容量素子を用いた可変フィルタ。