JP2008181725A - マイクロマシンデバイスの駆動制御方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】可変容量のマイクロマシンデバイスの制御において、ヒステリシスの生じるのを抑え、従来よりも容易に正確な制御を行えること。
【解決手段】互いに対向する第１の電極２４と第２の電極２５を有しかつそれらの間に誘電体層２６が形成されてなるマイクロマシンデバイス１１の駆動制御方法であって、第１の電極２４と第２の電極２５との間に制御電圧ＶＣを加えることによって、第１の電極２４と第２の電極２５とに静電力を作用させて第１の電極２４または第２の電極２５を変位させるとともに、制御電圧ＶＣの正負極性を所定の周期以内で反転させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、互いに対向する第１の電極と第２の電極を有しかつそれらの間に誘電体層が形成されてなるマイクロマシンデバイスの駆動制御方法および装置、並びに、それらを利用した可変容量素子および可変容量型スイッチに関する。

近年、マイクロマシン加工技術〔ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)またはＭＳＴ(Micro System Technology) ともいう〕により加工して得られる微小構造のマイクロマシンデバイスの無線通信回路への応用が注目されている（特許文献１〜３）。

マイクロマシンデバイスは、機械的なパラメータを制御することによって、静電容量を可変したり電気的なスイッチの機能を持たせることができる。そのため、損失などの電気的な特性が材料に左右され難く、半導体を用いたスイッチや可変容量デバイスと比較して電気的に優れた性能を得易い。なお、マイクロマシンデバイスは、「マイクロマシンニングデバイス」「マイクロマシン素子」または「ＭＥＭＳ機構部品」などとも呼称されることがある。

ここで、マイクロマシンデバイスによって実現される可変容量デバイス（可変容量素子）の従来の構造について、図１を参照して説明する。

図１において、可変容量デバイスは、基板２１上に、下部電極２４、下部電極２４を覆う誘電体膜２６、支持膜２２、および、支持膜２２により支持された上部電極２５が形成されて構成されている。誘電体膜２６と上部電極２５との間には空隙ＫＧが設けられている。下部電極２４と上部電極２５との間の静電容量ＣＰが、上部電極２５の変位によって可変される。

すなわち、下部電極２４と上部電極２５との間に電圧を印可すると、それら電極間の静電引力により上部電極２５が引き寄せられ、空隙ＫＧが狭まることによって静電容量ＣＰの値が増大する。下部電極２４と上部電極２５との間に印加する電圧を「制御電圧」または「制御電圧ＶＣ」という。制御電圧ＶＣが十分に大きい場合には、上部電極２５は誘電体膜２６と直接に接触するまで変位し、空隙ＫＧはなくなる。これによって静電容量ＣＰは著しく増大する。特許文献１においては、このような可変容量デバイスをいわゆる可変容量型スイッチ（容量性スイッチ）として用いている。
米国特許第６３９１６７５ 特開２００２−８４１４８ 特開２００２−３６１９７

しかし、従来の可変容量デバイスにおいては、制御電圧ＶＣに対する静電容量ＣＰの変化がヒステリシスを示すため、再現性が悪くて所望の静電容量ＣＰを正確に得ることができないなど、実質的な制御が困難であった。

すなわち、図４（Ａ）には、制御電圧ＶＣをゆっくりと変化させた場合の静電容量ＣＰの変化が示されている。つまり、制御電圧ＶＣを、０ボルトから１０ボルトまでゆっくりと上昇させ、その後に０ボルトまで下降させ、さらにマイナス１０ボルトまで下降させ、その後に０ボルトまで上昇させる。この間においてヒステリシスが生じるため、制御電圧ＶＣが同じであってもその上昇時と下降時とでは静電容量ＣＰの値は全く異なっている。しかも、制御電圧ＶＣが０ボルトのときの静電容量ＣＰが大きい方へシフトしてしまい、０ボルトのときの本来の静電容量ＣＰに対してオフセット値を持ってしまって元に戻らない。その結果、制御電圧ＶＣが０ボルトのときの静電容量ＣＰが、例えば４ボルトのときの静電容量ＣＰよりも大きくなってしまっている。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、互いに対向する第１の電極と第２の電極を有しかつそれらの間に誘電体層が形成されてなるマイクロマシンデバイスの制御において、ヒステリシスの発生を抑え、従来よりも容易に正確な制御を行えるようにすることを目的とする。

また、ヒステリシスの発生を抑えて従来よりも正確な制御を行うことのできる可変容量素子、可変容量型スイッチ、インピーダンス整合回路、または送受切り替え回路を提供することを目的とする。

本発明に係る方法は、互いに対向する第１の電極と第２の電極を有しかつそれらの間に誘電体層が形成されてなるマイクロマシンデバイスの駆動制御方法であって、前記第１の電極と第２の電極との間に制御電圧を加えることによって、前記第１の電極と第２の電極とに静電力を作用させて前記第１の電極または第２の電極を変位させるとともに、前記制御電圧の正負極性を所定の周期以内で反転させる。

制御電圧の正負極性を、所定の周期以内で反転、例えばある決められた時間より短い時間で繰り返して反転させることによって、誘電体層がチャージアップするのを防ぐことができ、静電容量のヒステリシスの発生が抑えられる。なお、繰り返して反転させる場合に、それぞれの周期（時間）は互いに異なっていてもよい。

制御電圧の正負極性を反転させる周期は、誘電体層内に空間電荷の移動による分極を生じさせない短い時間とすればよい。例えば、１００ミリ秒以下である。

また、本発明に係るインピーダンス整合回路は、可変容量として、互いに対向する第１の電極と第２の電極を有しかつそれらの間に誘電体層が形成されてなる可変容量のマイクロマシンデバイスが用いられており、前記第１の電極と第２の電極との間に制御電圧を加えることにより、前記第１の電極と第２の電極とに静電力を作用させて前記第１の電極または第２の電極を変位させ、これによってインピーダンスの整合を図るようになっており、前記通信回路が休止している時間において前記制御電圧の正負極性を反転させるように構成される。

通信回路が休止している時間に制御電圧の正負極性を反転させるので、可変容量（可変容量素子）における空間電荷の発生を抑えられるとともに、制御電圧の切り替え時における静電容量の乱れの影響がなくなり、インピーダンス整合回路の機能に悪影響を与えない。

また、本発明に係る送受切り替え回路は、オンとなったときに前記送信回路による送信動作を行わせるための、マイクロマシンデバイスからなる第１の可変容量型スイッチと、オンとなったときに前記受信回路による受信動作を行わせるための、マイクロマシンデバイスからなる第２の可変容量型スイッチと、が設けられ、前記第１の可変容量型スイッチおよび前記第２の可変容量型スイッチは、いずれも、互いに対向する第１の電極と第２の電極を有しかつそれらの間に誘電体層が形成されており、前記第１の電極と第２の電極との間に制御電圧を加えることによって前記第１の電極または第２の電極が変位し、これによってオンオフが切り替わるように構成されており、前記第１の可変容量型スイッチおよび前記第２の可変容量型スイッチをそれぞれオフからオンに切り替えるタイミングにおいて、それぞれに印加する前記制御電圧の正負極性を反転するように構成される。

このように、マイクロマシンデバイスからなる可変容量型スイッチを用いると、簡単な構成によって送受信の切り替え動作を確実に行うことができる。

本発明によると、互いに対向する第１の電極と第２の電極を有しかつそれらの間に誘電体層が形成されてなるマイクロマシンデバイスの電圧制御特性にヒステリシスが生ずることを抑え、従来よりも容易に正確な制御を行うことができる。

〔マイクロマシンシステム〕
図１は本発明に係るマイクロマシンシステム３の例を示す図、図２は駆動回路１２の構成例を示すブロック図、図３は制御電圧ＶＣの電圧波形の例を示す図、図４は可変容量デバイス１１の制御電圧ＶＣと静電容量ＣＰとの関係を示す図、図５は周波数ｆｓをパラメータとした制御電圧ＶＣと静電容量ＣＰのオフセット値ΔＣ0 との関係を示す図、図６は可変容量デバイス１１のチャージアップを説明する図である。

図１において、マイクロマシンシステム３は、マイクロマシンデバイスである可変容量デバイス１１、および駆動回路１２からなっている。

可変容量デバイス（可変容量素子）１１は、シリコンやガラスなどからなる基板２１上に、下部電極２４、および下部電極２４を覆う誘電体膜２６が形成されている。基板２１上には、さらに、支持膜２２，２３、および支持膜２２，２３で支持された上部電極２５が形成されている。誘電体膜２６と上部電極２５との間には空隙ＫＧが設けられている。下部電極２４と上部電極２５との間に静電容量ＣＰが存在するが、その静電容量ＣＰが、上部電極２５の変位によって可変される。

すなわち、駆動回路１２によって、下部電極２４と上部電極２５との間に制御電圧ＶＣを印可する。制御電圧ＶＣの絶対値に応じて、下部電極２４と上部電極２５との間に静電力（静電引力）が作用し、その結果、上部電極２５が引き寄せられて下方に変位する。これによって空隙ＫＧが狭まり、静電容量ＣＰの値が増大する。

図２において、駆動回路１２は、出力電圧調整部３３と、外部から入力される極性反転信号Ｓ１とからなる。なお、駆動回路１２は、アナログまたはデジタルの回路素子を用いたハードウエアによって、または適当なプログラムを実行するＣＰＵまたはＤＳＰなどを用いたソフトウエアによって、またはそれらの組み合わせによって、実現することが可能である。

出力電圧調整部３３は、可変容量デバイス１１に加える制御電圧ＶＣが所定の値になるように調整し出力する。制御電圧ＶＣの値は、制御の目的および内容に応じて決定される。また、制御電圧ＶＣの極性は外部から入力される極性反転信号Ｓ１により変化する。

制御電圧ＶＣの極性変化は、可変容量デバイス１１の構造、寸法、および材質などにもよるが、５Ｈｚよりも速い周期、つまり２００ｍｓ以下の時間で切り換えることが好ましい。１０Ｈｚ以上（１００ｍｓ以下）とするとより一層好ましい。さらには、極性変化の周期を例えば５０〜２００Ｈｚ程度としてもよい。

いずれにしても、制御電圧ＶＣは、図３（Ａ）に示すように、正負極性がほぼ周期的に反転する矩形状の電圧である。振幅である電圧ＶＳの値は、「０」から最大値までの任意の値に設定可能である。また、制御電圧ＶＣ２として、図３（Ｂ）に示すように、正負極性の反転時に電圧が「０」である期間Ｔ２，Ｔ４を設けた波形とすることも可能である。

制御電圧ＶＣの正負極性がほぼ周期的に反転することにより、誘電体膜２６の内部に空間電荷の移動による分極が生じることなく、また生じたとしても極僅かであり、制御電圧ＶＣによる静電容量ＣＰの制御にヒステリシスが生じないか、またはヒステリシスが大幅に低減される。

以下、その理由について、図６を参照して説明する。

図６において、下部電極２４はグランドに接地されており、下部電極２４と上部電極２５との間に制御電圧ＶＣが印加されている。つまり、この場合には、制御電圧ＶＣの片方の電極はグランドに接地されている。図６（Ａ）に示すように、制御電圧ＶＣが「０」ボルトの場合には、下部電極２４、上部電極２５、および誘電体膜２６の内部に電荷は存在しない。

図６（Ｂ）は、制御電圧ＶＣの電圧ＶＳが「＋ａ」ボルトとなった状態、つまり上部電極２５に「＋ａ」ボルトの正の電圧が印加された状態を示す。この状態では、下部電極２４と誘電体膜２６との界面にはマイナス電荷が発生し、上部電極２５の表面にはプラス電荷が発生する。これと同時に、電極との界面の電荷を打ち消すように、誘電体膜２６の内部に分極ＢＫ１が発生する。この分極ＢＫ１は、上下の電極２４，２５の電位の変化にほぼ追従して生ずる。誘電体膜２６の内部には、この分極ＢＫ１の外にもイオンの移動をともない、移動に時間を要する空間電荷が発生する。

図６（Ｃ）は、図６（Ｂ）に示す状態から約１秒を経たときの電荷の状態を示す。誘電体膜２６の内部には、分極ＢＫ１の電荷と同じプラスの空間電荷ＫＤ１と、マイナスの空間電荷ＫＤ２とが発生する。上下の電極２４，２５には、この空間電荷ＫＤ１，２を打ち消すように電荷が補充される。

図６（Ｄ）は、制御電圧ＶＣが再び「０」ボルトに低下し、上部電極２５の電位が「０」ボルトとなった状態を示す。この状態になると、移動に時間のかかる空間電荷ＫＤ１，２は取り残された形となる。このように空間電荷ＫＤ１，２が取り残されることによって、図４（Ａ）に示したように、制御電圧ＶＣが「０」になっても静電容量ＣＰが元の状態に戻らなくなり、静電容量ＣＰの初期値に対してオフセット値（オフセット容量）ΔＣ0 を持ってしまう。

図６（Ｅ）は、図６（Ｄ）に示す状態から制御電圧ＶＣがさらに低下し、上部電極２５の電位が「−ａ」ボルトとなった状態を示す。上下の電極２４，２５には、それぞれマイナス電荷とプラス電荷とが発生し、これにともなって誘電体膜２６の内部には分極ＢＫ２が発生する。このときにも空間電荷ＫＤ１，２の一部はまだ取り残されている。この空間電荷ＫＤ１，２は時間とともに解消され、最終的には図６（Ｆ）に示すように逆極性の電荷による空間電荷ＫＤ３，４が発生する。このように、空間電荷ＫＤの移動を繰り返すことにより、図４（Ａ）に示したヒステリシスを描くこととなる。

なお、誘電体膜２６の内部に残留する空間電荷ＫＤは、上下の電極２４，２５に電圧を印可する時間が長ければ長いほど、かつ印可する電圧が高ければ高いほど、大きくなる。空間電荷ＫＤの発生メカニズムについてはこの他にも説明を試みることは可能であるが、誘電体膜２６の内部に移動速度の速い分極と移動速度の遅い空間電荷ＫＤのような分極とが共存することにより説明されることに変わりはない。

このように、可変容量デバイス１１が制御電圧ＶＣに対して静電容量ＣＰがヒステリシスを持つと、静電容量ＣＰの再現性が悪くなって制御が困難となる。

そこで、本実施形態においては、空間電荷ＫＤの発生を抑えるため、空間電荷ＫＤの移動時間よりも短い時間間隔（周期）で、上下の電極２４，２５に印可する電圧の極性を入れ替えるのである。

図４（Ｂ）には、図４（Ａ）で説明したのと同じように制御電圧ＶＣの振幅を変化させるとともに、その変化速度を速くしたときの静電容量ＣＰの変化が示されている。つまり、制御電圧ＶＣとして図３（Ａ）に示す波形の電圧を印加し、その周期Ｔを１０ミリ秒（つまり周波数ｆｓ＝１００Ｈｚ）とした場合が示されている。この場合には、上下の電極２４，２５に印加される電圧は５ミリ秒ごとに極性が入れ替わることとなる。

この程度の速い速度で極性を入れ替えると、空間電荷ＫＤの移動をともなうことなく可変容量デバイス１１を制御することが可能となり、静電容量ＣＰのヒステリシスはほとんど発生しない。

上に述べたように、図３に示すような制御電圧ＶＣを用いることにより、誘電体膜２６がチャージアップすることを防ぐことができるが、制御電圧ＶＣの極性の反転の周期（間隔）Ｔ／２が短ければ短いほどその効果が得られ易くなる。制御電圧ＶＣの反転周期は、可変容量デバイス１１に使用する誘電体膜２６の材料によって異なる。誘電体膜２６にＡｌ2 Ｏ3 やＳｉＯ2 を用いた場合には、反転周期Ｔ／２を１００ミリ秒以下とすることにより、誘電体膜２６のチャージアップを防ぐことができる。

図５には、制御電圧ＶＣを反転する周波数ｆｓをパラメータとして、制御電圧ＶＣの電圧ＶＳと静電容量ＣＰのオフセット値ΔＣ0 との関係が示されている。つまり、制御電圧ＶＣの電圧ＶＳの最大値に対する電圧ＶＳが「０」ボルトのときの静電容量ＣＰの初期値からのずれであるオフセット値ΔＣ0 のデータが示されている。なお、周波数ｆｓについては、ｆｓ１＜ｆｓ２＜ｆｓ３＜ｆｓ４の関係がある。図５に基づいて、誘電体膜２６に用いる誘電体材料に対する制御電圧ＶＣの適切な反転周期を求めることが可能である。静電容量ＣＰの最大値に対するオフセット値ΔＣ0 の割合が１０パーセント以下であれば、誤差の範囲内として通常の回路に支障なく用いることが可能である。

図５から分かるように、周波数ｆｓが高いほどオフセット値ΔＣ0 が小さい。例えば周波数がｆｓ４であるときにはオフセット値ΔＣ0 が十分小さいので、その値が静電容量ＣＰの最大値に対して１０パーセント以下であれば、その周波数ｆｓ４の制御電圧ＶＣを用いればよい。
〔可変容量デバイスの変形例〕
次に、可変容量デバイス１１の種々の変形例について説明する。

図７は第１の変形例の可変容量デバイス１１Ｂを示す図、図８は第２の変形例の可変容量デバイス１１Ｃを示す図、図９は第３の変形例の可変容量デバイス１１Ｄを示す図である。

図１に示した可変容量デバイス１１では、下部電極２４は基板２１上に直接に固定されて形成されている。しかし、図示は省略したが、下部電極２４についても、基板２１から空隙を介して固定された構造としてもよい。

また、図１に示した可変容量デバイス１１では、誘電体膜２６が下部電極２４を覆っているが、図７に示す第１の変形例の可変容量デバイス１１Ｂのように、誘電体膜２７が上部電極２５を覆うように構成してもよい。

また、図８に示す第２の変形例の可変容量デバイス１１Ｃのように、誘電体膜２６が下部電極２４を覆い、かつ誘電体膜２７が上部電極２５を覆うように構成してもよい。

また、図示は省略したが、上に説明した可変容量デバイス１１，１１Ｂ，１１Ｃなどに対して、誘電体膜２６，２７のいずれかの表面に金属膜を部分的に設けてもよい。金属膜を設けることによって、誘電体膜２６，２７に残留した電荷を容易に逃がすことが可能となる。

また、図１、図７、図８に示す可変容量デバイス１１，１１Ｂ，１１Ｃでは、上部電極２５を変位させるために電圧ＶＳを印加する電極と静電容量ＣＰを生成する電極とは同じ電極となっているが、これらの機能を分離して独立して設けてもよい。

すなわち、図９に示す可変容量デバイス１１Ｄでは、基板２１上に、静電容量ＣＰを生成する下部電極２４Ｂの両側に、分離された２つの下部電極２４Ａ，２４Ａが形成され、それぞれの下部電極２４Ｂ，２４Ａの上部は誘電体膜２６によって覆われている。下部電極２４Ｂ，２４Ａの上方には、基板２１上の支持膜２２，２３で支持された絶縁体膜２８が設けられており、絶縁体膜２８の下面には、下部電極２４Ａ，２４Ｂにそれぞれ対向する位置に上部電極２５Ａ，２５Ｂが形成されている。誘電体膜２６と上部電極２５Ａ，２５Ｂとの間には空隙ＫＧが設けられ、下部電極２４Ｂと上部電極２５Ｂとの間に静電容量ＣＰが形成されている。

２つの下部電極２４Ａと２つの上部電極２５Ａとの間に制御電圧ＶＣを印加すると、それら電極間の静電引力によって、上部電極２５Ａおよび絶縁体膜２８が下方へ引き寄せられ、空隙ＫＧが狭まることによって静電容量ＣＰの値が増大する。この場合に、制御電圧ＶＣが直流であった場合には、制御電極である下部電極２４Ａおよび上部電極２５Ａにおいてヒステリシスが発生する。上に述べたように正負極性が所定の周期で反転する制御電圧ＶＣを用いることによって、上部電極２５Ａおよび絶縁体膜２８の変位を正確に制御することが可能となり、静電容量ＣＰを正確に制御することができる。
〔インピーダンス整合回路〕
次に、可変容量デバイス１１を無線送信回路の終段のインピーダンス整合回路に適用した例について説明する。

図１０は無線送信回路のインピーダンス整合回路４０の例を示す図、図１１は制御電圧ＶＣの極性の切り替えのタイミングを示す図である。

図１０において、送信信号処理回路４４からの信号は、終段の高周波パワーアンプ４５によって増幅される。高周波パワーアンプ４５の出力に対し、インピーダンス整合回路４０によって、アンテナ４６とのマッチングが行われる。インピーダンス整合回路４０は、可変容量４１，４２、およびインダクタンス４３からなるπ型回路である。一般に、パワーアンプ回路は、使用する周波数帯域や増幅出力によってインピーダンスが大きく異なるため、このようなインピーダンス整合回路４０が必要とされている。

ここで、可変容量４１，４２として、それぞれ、上に述べた可変容量デバイス１１，１１Ｂ〜Ｄが用いられ、上に述べた制御電圧ＶＣによって制御される。制御電圧ＶＣの電圧ＶＳを調整することにより、可変容量４１，４２の静電容量ＣＰを調整し、アンテナ４６とのインピーダンス整合を図る。

なお、本明細書において、「可変容量４１，４２」は、可変容量デバイス１１，１１Ｂ〜Ｄによって実現される物としての「可変容量素子（可変キャパシタ）」を意味する場合と、可変容量デバイス１１，１１Ｂ〜Ｄによって実現される機能を意味する場合とがある。

制御電圧ＶＣは、図３に示すような波形の電圧であり、可変容量４１，４２における空間電荷ＫＤの発生を抑えるため、所定の周期Ｔ／２で電圧の極性を反転する。しかし、高周波パワーアンプ４５が動作しているときに、つまり送信しているときに、制御電圧ＶＣの極性を反転させた場合には、極性が反転する瞬間に電圧ＶＳが低下するので、可変容量４１，４２の静電容量ＣＰの値が変動してマッチングがとれなくなる恐れがある。

そこで、本実施形態では、高周波パワーアンプ４５が動作していないときに、つまり送信していないときに、制御電圧ＶＣの正負極性を切り替える。換言すれば、可変容量４１，４２に信号が流れていないときに極性を切り替える。これによって、制御電圧ＶＣの切り替え時における静電容量ＣＰの乱れの影響がなくなり、インピーダンス整合回路４０の機能に悪影響を与えない。

すなわち、図１１に示すように、送信回路が送信を行っていない時間において、制御電圧ＶＣの極性を切り替える。制御電圧（１）は、正の電圧ＶＳと負の電圧ＶＳとのみを有し、それら正負を送信回路が休止している時間に切り替える場合の例である。制御電圧（２）は、正の電圧ＶＳと負の電圧ＶＳとの間に「０」ボルトの期間を有し、送信回路が休止している時間においてできるだけ長く「０」ボルトとするようにした例である。この場合は、図３（Ｂ）に示す制御電圧ＶＣ２と同様な波形となり、「０」ボルトの期間を経由することによって、誘電体膜２６のチャージアップをより一層効果的に防止することが可能である。

なお、図１０には示していないが、可変容量４１，４２を制御するための制御電圧ＶＣが高周波パワーアンプ４５などに印加されないようにする必要がある。そのためには、適当な容量の容量を用いて低周波成分をカットし、また適当なＬＣフィルタを用いて高周波成分をカットするなど、種々の方策を採用することが可能である。
〔携帯端末における制御電圧の極性切り替え〕
次に、可変容量デバイス１１，１１Ｂ〜Ｄを携帯端末に組み込んだ場合において、制御電圧ＶＣの極性の切り替えのタイミングについて説明する。携帯端末として、ＴＤＤ方式（送受信時分割方式）の携帯電話を例に説明する。

ＴＤＤ方式としては、ＧＳＭ（Global System for Mobile Communications ）、ＷｉＭＡＸ（Worldwide Interoperability for Microwave Access ；IEEE 802.16 規格）などがある。

図１２はＷｉＭＡＸの送受信のシーケンスと制御電圧ＶＣの極性の切り替えタイミングとの関係を示す図である。

図１２に示すように、送受信は５ミリ秒単位で区切られており、区切られた各送受信区間ＫＫ内において、１回の受信と１回の送信とが順次実行される。つまり、携帯端末は、それぞれの送受信区間ＫＫの始めに、基地局からの受信信号(Down link signal)を受け取り、引き続いて基地局に送信信号(Up link signal)を送り出す。

基地局から受信信号を受け取る期間には、例えば図１０に示す送信回路は休止しており、その間に可変容量４１，４２を制御する制御電圧ＶＣの極性を反転する。制御電圧ＶＣの極性の切り替えは、送信回路が休止する毎に毎回行ってもよいが、複数回毎に行ってもよい。図１２に示す例では、送信回路の６回の休止毎に、つまり送受信区間ＫＫが６回行われる毎に、１回の極性の切り替えを行っている。したがって、この場合には、３０ミリ秒の周期で極性を切り替えることになる。

このような制御を行うことにより、上に述べたように誘電体膜２６のチャージアップによるヒステリシスがなくなり、可変容量デバイスによる可変容量４１，４２を精度良く可変調整することができる。また、送信回路が休止している間に制御電圧ＶＣの極性を反転することにより、可変容量４１，４２の瞬間的な変動の影響を避けることができる。

図１３はＷｉＭＡＸの送受信のシーケンスと制御電圧ＶＣの極性の切り替えタイミングとの関係の他の例を示す図である。

図１２においては、携帯端末の受信区間において、制御電圧ＶＣの極性を直接に切り替えた。これに対して、図１３においては、制御電圧ＶＣの極性を０ボルトの期間を経て切り替えるようにする。

すなわち、携帯端末の受信区間において、その初期のタイミングで制御電圧ＶＣを０ボルトとし、終期において制御電圧ＶＣの極性を反転して立ち上げる。したがって、携帯端末の送信区間をカバーしかつそれとほぼ同じ時間においてのみ、制御電圧ＶＣが正の電圧（＋ＶＳ）または負の電圧（−ＶＳ）となる。このように、電圧ＶＳが印可されない期間を極力持つことにより、誘電体膜２６のチャージアップをより確実に防ぐことができ、可変容量デバイスを精度良く制御することができる。

なお、図１３に示す制御を行う場合に、ＷｉＭＡＸ方式の無線通信では送受信の区切りが５ミリ秒であるため、制御対象となる可変容量デバイスの誘電体膜２６のチャージアップを抑えることのできる極性反転周期が５ミリ秒以上であれば、実用上問題ない。

つまり、例えば、制御電圧ＶＣの極性の反転の周期が５ミリ秒のときに、静電容量ＣＰの初期値からの変動が１０パーセント以下であれば、その可変容量デバイスをＷｉＭＡＸの携帯端末の送受信回路に適用することができる。また、そのように適用可能な可変容量デバイスとするために、誘電体層の材料および厚さなどを選定すればよい。
〔可変容量型スイッチによる携帯端末の送受信の切り替え〕
次に、可変容量デバイス１１，１１Ｂ〜Ｄを、可変容量型スイッチとして携帯端末に組み込んだ場合について説明する。

図１４は携帯端末の送受信の切り替え回路を示す図、図１５は可変容量型スイッチの動作状態を示す図、図１６は送受信の切り替えタイミングと制御電圧ＶＣの極性の切り替えタイミングとの関係を示す図である。

図１４において、送受信の切り替え回路５０では、受信回路５１および送信回路５２とアンテナ５３とを切り替えて接続するために、可変容量型スイッチ５４，５５が接続されている。つまり、可変容量型スイッチ５４は、アンテナ５３と受信回路５１とを接続しまたは切断するためのスイッチであり、可変容量型スイッチ５５は、アンテナ５３と送信回路５２とを接続しまたは切断するためのスイッチである。なお、インピーダンス整合回路などの図示は省略した。

可変容量型スイッチ５４，５５として、上で説明した可変容量デバイス１１，１１Ｂ〜Ｄが用いられており、制御電圧ＶＣの電圧ＶＳを十分に大きく取ることにより、静電容量ＣＰを大きく可変して電気的インピーダンスを大きく変化させる。携帯端末で用いる無線周波数はギガＨｚ帯またはそれに近いので、静電容量ＣＰの可変によって電気的スイッチと等価な動作を実現することができる。

図１４においては、受信回路用の可変容量型スイッチ５４がオフであり、送信回路用の可変容量型スイッチ５５がオンである。したがって、アンテナ５３は送信回路５２に接続されている。

この状態においては、図１５（Ａ）に示すように、可変容量型スイッチ５４には制御電圧ＶＣが印加されておらず、上部電極２５は誘電体膜２６から離れた状態であり、静電容量ＣＰは小さい。また、図１５（Ｂ）に示すように、可変容量型スイッチ５５には制御電圧ＶＣとして最大の電圧ＶＳが印加されており、上部電極２５は誘電体膜２６に接触した状態であり、静電容量ＣＰは極めて大きくなっている。また、制御電圧ＶＣの状態をこれとは逆にすることにより、可変容量型スイッチ５４をオンとし、可変容量型スイッチ５５をオフとすることができる。

図１６に示すように、送受信が交互に切り替えられるが、その切り替えのタイミングに合わせて、可変容量型スイッチ５４，５５に対するそれぞれの制御電圧ＶＣの極性が切り替えられる。

つまり、受信回路用の可変容量型スイッチ５４の制御電圧ＶＣは、受信時に所定の電圧ＶＳとなるとともに、送信時には０ボルトとなる。そして、受信の区間となる毎に、制御電圧ＶＣの極性が反転する。

また、送信回路用の可変容量型スイッチ５５の制御電圧ＶＣは、送信時に所定の電圧ＶＳとなるとともに、受信時には０ボルトとなる。そして、送信の区間となる毎に、制御電圧ＶＣの極性が反転する。

このように、可変容量デバイス１１，１１Ｂ〜Ｄを、可変容量型スイッチ５４，５５として用いた場合においても、制御電圧ＶＣを適当な周期で反転させることにより、誘電体膜２６のチャージアップを防止して切り替え動作を確実に行うことができる。

上に述べた実施形態において、可変容量デバイス１１，１１Ｂ，１１Ｃの構造、形状、材料、個数などは、種々変更することができる。その他、可変容量デバイス、インピーダンス整合回路４０、可変容量型スイッチ５４，５５、駆動回路１２、およびマイクロマシンシステム３の全体または各部の構造、形状、寸法、個数、材質、回路構成、制御電圧ＶＣの波形、極性の切り替えのタイミング、周期または周波数などは、本発明の趣旨に沿って適宜変更することができる。

マイクロマシンデバイスとして可変容量デバイスを例に用いて説明したが、これ以外に、制御電圧ＶＣによりチャージアップが発生する可能性のあるその他のマイクロマシンデバイスについても、制御電圧ＶＣの極性を周期的に反転させることによって同様の効果を期待することができる。

以上、本発明の実施形態をいくつかの実施例とともに説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、次に付記として示すような種々の形態で実施することが可能である。
（付記１） （１、図１〜９）
互いに対向する第１の電極と第２の電極を有しかつそれらの間に誘電体層が形成されてなるマイクロマシンデバイスの駆動制御方法であって、
前記第１の電極と第２の電極との間に制御電圧を加えることによって、前記第１の電極と第２の電極とに静電力を作用させて前記第１の電極または第２の電極を変位させるとともに、
前記制御電圧の正負極性を所定の周期以内で反転させる、
ことを特徴とするマイクロマシンデバイスの駆動制御方法。
（付記２） （２）
前記制御電圧の正負極性を反転させる所定の周期は、前記誘電体層内に空間電荷の移動による分極を生じさせない短い時間である、
付記１記載のマイクロマシンデバイスの駆動制御方法。
（付記３） （３）
前記制御電圧の正負極性を反転させる所定の周期は、１００ミリ秒以下である、
付記１記載のマイクロマシンデバイスの駆動制御方法。
（付記４） （４）
前記マイクロマシンデバイスは、前記第１の電極または第２の電極の変位によって静電容量が可変される可変容量素子であり、
前記制御電圧の正負極性を反転させる所定の周期は、前記制御電圧を印加し始めて前記第１の電極と第２の電極との間の静電容量の初期値からの変動が１０パーセント以下となる短い時間である、
付記１記載のマイクロマシンデバイスの駆動制御方法。
（付記５） （５）
前記マイクロマシンデバイスは、前記第１の電極または第２の電極の変位によって静電容量が可変される可変容量素子であり、
前記可変容量素子が接続された回路が休止している間を挟んで、前記制御電圧の正負極性を反転させる、
付記１記載のマイクロマシンデバイスの駆動制御方法。
（付記６）
互いに対向する第１の電極と第２の電極を有しかつそれらの間に誘電体層が形成されてなるマイクロマシンデバイスの駆動制御装置であって、
前記第１の電極と第２の電極とに静電力を作用させて前記第１の電極または第２の電極を変位させるために、前記第１の電極と第２の電極との間に制御電圧を加える制御電圧印加手段が設けられており、
前記制御電圧印加手段は、前記第１の電極と第２の電極とに対して正負極性が所定の周期以内に反転するような制御電圧を加えるように構成されている、
ことを特徴とするマイクロマシンデバイスの駆動制御装置。
（付記７）
前記制御電圧の正負極性を反転させる所定の周期は、前記誘電体層内に空間電荷の移動による分極を生じさせない短い時間である、
付記６記載のマイクロマシンデバイスの駆動制御装置。
（付記８）
前記制御電圧の正負極性を反転させる所定の周期は、１００ミリ秒以下である、
付記６記載のマイクロマシンデバイスの駆動制御装置。
（付記９）
前記マイクロマシンデバイスは、前記第１の電極または第２の電極の変位によって静電容量が可変される可変容量素子であり、
前記制御電圧の正負極性を反転させる所定の周期は、前記制御電圧を印加し始めて前記第１の電極と第２の電極との間の静電容量の初期値からの変動が１０パーセント以下となる短い時間である、
付記６記載のマイクロマシンデバイスの駆動制御装置。
（付記１０）
前記マイクロマシンデバイスは、前記第１の電極または第２の電極の変位によって静電容量が可変される可変容量素子であり、
前記可変容量素子が接続された回路が休止している間を挟んで、前記制御電圧の正負極性を反転させる、
付記６記載のマイクロマシンデバイスの駆動制御装置。
（付記１１）
互いに対向する第１の電極と第２の電極を有しかつそれらの間に誘電体層が形成されており、前記第１の電極と第２の電極との間に制御電圧を加えることによって前記第１の電極または第２の電極が変位し、これによって回路のオンオフを切り替えるように構成された、マイクロマシンデバイスからなる可変容量型スイッチであって、
前記制御電圧の正負極性を反転させかつその反転の周期が５ミリ秒のときに、前記第１の電極と第２の電極との間の静電容量の初期値からの変動が１０パーセント以下となるように、前記誘電体層の材料および厚さが選定されて形成されている、
ことを特徴とする可変容量型スイッチ。
（付記１２）
前記第１の電極または第２の電極の変位とともに変位する絶縁体膜と、
前記絶縁体膜に設けられた第３の電極と、
前記第３の電極に対向する第４の電極と、
前記第３の電極と第４の電極との間に形成された第２の誘電体層と、
を有し、
前記絶縁体膜の変位にともなって前記第３の電極と第４の電極との間隔が可変され、これによるインピーダンスの変化によって前記回路のオンオフを切り替えるように構成されている、
付記１１記載の可変容量型スイッチ。
（付記１３）
通信回路に設けられる、可変容量素子を含んだインピーダンス整合回路であって、
前記可変容量素子として、互いに対向する第１の電極と第２の電極を有しかつそれらの間に誘電体層が形成されてなる可変容量のマイクロマシンデバイスが用いられており、
前記第１の電極と第２の電極との間に制御電圧を加えることにより、前記第１の電極と第２の電極とに静電力を作用させて前記第１の電極または第２の電極を変位させ、これによってインピーダンスの整合を図るようになっており、
前記通信回路が休止している時間において前記制御電圧の正負極性を反転させるように構成されている、
ことを特徴とするインピーダンス整合回路。
（付記１４）
前記制御電圧の正負極性を反転させる周期は、前記誘電体層内に空間電荷の移動による分極を生じさせない短い時間である、
付記１３記載のインピーダンス整合回路。
（付記１５）
前記制御電圧の正負極性を反転させる周期は、１００ミリ秒以下である、
付記１３記載のインピーダンス整合回路。
（付記１６）
前記マイクロマシンデバイスは、前記第１の電極または第２の電極の変位によって静電容量が可変される可変容量素子であり、
前記制御電圧の正負極性を反転させる周期は、前記制御電圧を印加し始めて前記第１の電極と第２の電極との間の静電容量の初期値からの変動が１０パーセント以下となる短い時間である、
付記１３記載のインピーダンス整合回路。
（付記１７）
前記マイクロマシンデバイスは、前記第１の電極または第２の電極の変位によって静電容量が可変される可変容量素子であり、
前記可変容量素子が接続された回路が休止している間を挟んで、前記制御電圧の正負極性を反転させる、
付記１３記載のインピーダンス整合回路
（付記１８）
送信回路による送信動作と受信回路による受信動作とを切り替えるための送受切り替え回路であって、
オンとなったときに前記送信回路による送信動作を行わせるための、マイクロマシンデバイスからなる第１の可変容量型スイッチと、
オンとなったときに前記受信回路による受信動作を行わせるための、マイクロマシンデバイスからなる第２の可変容量型スイッチと、が設けられ、
前記第１の可変容量型スイッチおよび前記第２の可変容量型スイッチは、いずれも、互いに対向する第１の電極と第２の電極を有しかつそれらの間に誘電体層が形成されており、前記第１の電極と第２の電極との間に制御電圧を加えることによって前記第１の電極または第２の電極が変位し、これによってオンオフが切り替わるように構成されており、
前記第１の可変容量型スイッチおよび前記第２の可変容量型スイッチをそれぞれオフからオンに切り替えるタイミングにおいて、それぞれに印加する前記制御電圧の正負極性を反転するように構成されている、
ことを特徴とする送受切り替え回路。
（付記１９）
前記第１の可変容量型スイッチおよび前記第２の可変容量型スイッチを交互にオンさせることによって、前記送信回路による送信動作と前記受信回路による受信動作とを交互に周期的に切り替えるように構成されている、
付記１８記載の送受切り替え回路。
（付記２０）
前記制御電圧の正負極性を反転させる周期は、前記誘電体層内に空間電荷の移動による分極を生じさせない短い時間である、
付記１８記載の送受切り替え回路。
（付記２１）
前記制御電圧の正負極性を反転させる周期は、１００ミリ秒以下である、
付記１８記載の送受切り替え回路。
（付記２２）
前記マイクロマシンデバイスは、前記第１の電極または第２の電極の変位によって静電容量が可変される可変容量素子であり、
前記制御電圧の正負極性を反転させる周期は、前記制御電圧を印加し始めて前記第１の電極と第２の電極との間の静電容量の初期値からの変動が１０パーセント以下となる短い時間である、
付記１８記載の送受切り替え回路。
（付記２３）
前記マイクロマシンデバイスは、前記第１の電極または第２の電極の変位によって静電容量が可変される可変容量素子であり、
前記可変容量素子が接続された回路が休止している間を挟んで、前記制御電圧の正負極性を反転させる、
付記１８記載の送受切り替え回路。

本発明に係るマイクロマシンシステムの例を示す図である。 駆動回路の構成例を示すブロック図である。 制御電圧の電圧波形の例を示す図である。 可変容量デバイスの制御電圧と静電容量との関係を示す図である。 周波数をパラメータとした制御電圧とオフセット値との関係を示す図である。 可変容量デバイスのチャージアップを説明する図である。 第１の変形例の可変容量デバイスを示す図である。 第２の変形例の可変容量デバイスを示す図である。 第３の変形例の可変容量デバイスを示す図である。 無線送信回路のインピーダンス整合回路の例を示す図である。 制御電圧の極性の切り替えのタイミングを示す図である。 送受信と極性の切り替えタイミングとの関係を示す図である。 送受信と極性の切り替えタイミングとの関係の他の例を示す図である。 携帯端末の送受信の切り替え回路を示す図である。 可変容量型スイッチの動作状態を示す図である。 送受信と極性の切り替えタイミングとの関係を示す図である。

符号の説明

３ マイクロマシンシステム
１１，１１Ｂ〜Ｄ 可変容量デバイス（マイクロマシンデバイス）
２４ 下部電極（第１の電極、第２の電極）
２４Ａ 下部電極（第４の電極）
２４Ｂ 下部電極（第１の電極、第２の電極）
２５ 上部電極（第２の電極、第１の電極）
２５Ａ 上部電極（第３の電極）
２５Ｂ 上部電極（第２の電極、第１の電極）
２６ 誘電体膜（誘電体層、第２の誘電体層）
２８ 絶縁体膜
４０ インピーダンス整合回路
４１，４２ 可変容量（マイクロマシンデバイス）
４５ 高周波パワーアンプ（通信回路）
５０ 送受信の切り替え回路（送受切り替え回路）
５１ 受信回路（通信回路）
５２ 送信回路（通信回路）
５４ 可変容量型スイッチ（第２の可変容量型スイッチ、マイクロマシンデバイス）
５５ 可変容量型スイッチ（第１の可変容量型スイッチ、マイクロマシンデバイス）
ＶＣ，ＶＣ２ 制御電圧

Claims (8)

1. 互いに対向する第１の電極と第２の電極を有しかつそれらの間に誘電体層が形成されてなるマイクロマシンデバイスの駆動制御方法であって、
   前記第１の電極と第２の電極との間に制御電圧を加えることによって、前記第１の電極と第２の電極とに静電力を作用させて前記第１の電極または第２の電極を変位させるとともに、
   前記制御電圧の正負極性を所定の周期以内で反転させる、
   ことを特徴とするマイクロマシンデバイスの駆動制御方法。
2. 前記制御電圧の正負極性を反転させる所定の周期は、前記誘電体層内に空間電荷の移動による分極を生じさせない短い時間である、
   請求項１記載のマイクロマシンデバイスの駆動制御方法。
3. 前記制御電圧の正負極性を反転させる所定の周期は、１００ミリ秒以下である、
   請求項１記載のマイクロマシンデバイスの駆動制御方法。
4. 前記マイクロマシンデバイスは、前記第１の電極または第２の電極の変位によって静電容量が可変される可変容量素子であり、
   前記制御電圧の正負極性を反転させる所定の周期は、前記制御電圧を印加し始めて前記第１の電極と第２の電極との間の静電容量の初期値からの変動が１０パーセント以下となる短い時間である、
   請求項１記載のマイクロマシンデバイスの駆動制御方法。
5. 前記マイクロマシンデバイスは、前記第１の電極または第２の電極の変位によって静電容量が可変される可変容量素子であり、
   前記可変容量素子が接続された回路が休止している間を挟んで、前記制御電圧の正負極性を反転させる、
   請求項１記載のマイクロマシンデバイスの駆動制御方法。
6. 互いに対向する第１の電極と第２の電極を有しかつそれらの間に誘電体層が形成されてなるマイクロマシンデバイスの駆動制御装置であって、
   前記第１の電極と第２の電極とに静電力を作用させて前記第１の電極または第２の電極を変位させるために、前記第１の電極と第２の電極との間に制御電圧を加える制御電圧印加手段が設けられており、
   前記制御電圧印加手段は、前記第１の電極と第２の電極とに対して正負極性が所定の周期以内に反転するような制御電圧を加えるように構成されている、
   ことを特徴とするマイクロマシンデバイスの駆動制御装置。
7. 通信回路に設けられる、可変容量を含んだインピーダンス整合回路であって、
   前記可変容量として、互いに対向する第１の電極と第２の電極を有しかつそれらの間に誘電体層が形成されてなる可変容量のマイクロマシンデバイスが用いられており、
   前記第１の電極と第２の電極との間に制御電圧を加えることにより、前記第１の電極と第２の電極とに静電力を作用させて前記第１の電極または第２の電極を変位させ、これによってインピーダンスの整合を図るようになっており、
   前記通信回路が休止している時間において前記制御電圧の正負極性を反転させるように構成されている、
   ことを特徴とするインピーダンス整合回路。
8. 送信回路による送信動作と受信回路による受信動作とを切り替えるための送受切り替え回路であって、
   オンとなったときに前記送信回路による送信動作を行わせるための、マイクロマシンデバイスからなる第１の可変容量型スイッチと、
   オンとなったときに前記受信回路による受信動作を行わせるための、マイクロマシンデバイスからなる第２の可変容量型スイッチと、が設けられ、
   前記第１の可変容量型スイッチおよび前記第２の可変容量型スイッチは、いずれも、互いに対向する第１の電極と第２の電極を有しかつそれらの間に誘電体層が形成されており、前記第１の電極と第２の電極との間に制御電圧を加えることによって前記第１の電極または第２の電極が変位し、これによってオンオフが切り替わるように構成されており、
   前記第１の可変容量型スイッチおよび前記第２の可変容量型スイッチをそれぞれオフからオンに切り替えるタイミングにおいて、それぞれに印加する前記制御電圧の正負極性を反転するように構成されている、
   ことを特徴とする送受切り替え回路。

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