JP2011023468A - Varactor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば静電容量を変化させることにより高周波信号等に対してスイッチ動作を行う可変容量型スイッチ、または可変容量コンデンサ等として好適に用いられる可変容量素子に関する。 The present invention relates to a variable-capacitance element that is suitably used as a variable-capacitance switch that performs a switching operation on a high-frequency signal or the like, for example, by changing an electrostatic capacity, or a variable-capacitance capacitor.
一般に、可変容量素子は、例えば可変容量型スイッチ、可変容量コンデンサ等として用いられている。このような可変容量素子は、基板上に設けられた支持部に支持梁を介して厚さ方向に変位可能に設けられた可動電極と、基板の上面に設けられ可動電極と空間を介して対向する位置に配置された固定電極とを備えている。この場合、例えば静電力によって可動電極を厚さ方向に変位させることによって、可動電極と固定電極との距離を変え、両電極間の静電容量を変化させる構成となっている(例えば、特許文献1参照)。 In general, the variable capacitance element is used as, for example, a variable capacitance switch, a variable capacitance capacitor, or the like. Such a variable capacitance element has a movable electrode provided on a support portion provided on a substrate so as to be displaceable in a thickness direction via a support beam, and is opposed to the movable electrode provided on an upper surface of the substrate via a space. And a fixed electrode disposed at a position to be fixed. In this case, for example, the movable electrode is displaced in the thickness direction by an electrostatic force, thereby changing the distance between the movable electrode and the fixed electrode and changing the capacitance between the two electrodes (for example, Patent Documents). 1).
多くの場合、可動電極は平面視形状が四角形の平板状に形成され、固定電極は、可動電極との間の静電容量を大きくするために、可動電極の平面視形状と同一の形状および大きさに形成されている。また、可動電極と固定電極とは極めて接近しており、可動電極が変位して固定電極に最も接近したときには、両者間の距離が例えば1μmを下回る。このように可動電極と固定電極とを相互に同一の形状および大きさに形成して相互に向き合わせ、かつ、両電極間の距離を小さくすることにより、静電容量値を大きくしている。 In many cases, the movable electrode is formed in a flat plate shape having a square shape in plan view, and the fixed electrode has the same shape and size as the plan view shape of the movable electrode in order to increase the capacitance between the movable electrode and the movable electrode. Is formed. Further, the movable electrode and the fixed electrode are very close to each other, and when the movable electrode is displaced and comes closest to the fixed electrode, the distance between the two is less than 1 μm, for example. As described above, the movable electrode and the fixed electrode are formed in the same shape and size, face each other, and the distance between the two electrodes is reduced, thereby increasing the capacitance value.
ところで、上述したような可変容量素子の可動電極は、メッキ、CVD、蒸着等の成膜技術により形成される。このような成膜技術によって可動電極を形成するとき、可動電極を形成する膜の内部応力により可動電極に反りが生じることがある。 By the way, the movable electrode of the variable capacitance element as described above is formed by a film forming technique such as plating, CVD, or vapor deposition. When the movable electrode is formed by such a film forming technique, the movable electrode may be warped due to the internal stress of the film forming the movable electrode.
可動電極の反りは、その中心部分よりも周縁部分の方が大きくなる傾向がある。特に、平面視形状が四角形の可動電極の場合には、その構造上、四角形の頂点部分、即ち四隅において反りが大きくなる傾向がある。 The warp of the movable electrode tends to be larger in the peripheral portion than in the central portion. In particular, in the case of a movable electrode having a square shape in plan view, the warp tends to increase at the apex portion of the square, that is, the four corners due to its structure.
例えば平面視形状が四角形の可動電極の場合、その四隅が固定電極に接近する方向に反ったときには、可動電極を固定電極に接近させると、可動電極の中心部分が固定電極に十分に接近する前に、可動電極の四隅が固定電極に接触してしまうおそれがある。このため、可動電極の四隅が固定電極に接触することを避けるために、可動電極と固定電極との距離を小さくすることができず、この結果、両電極間の静電容量値を大きくすることが困難になる。 For example, in the case of a movable electrode having a square shape in plan view, when its four corners warp in the direction approaching the fixed electrode, if the movable electrode is brought closer to the fixed electrode, the central portion of the movable electrode is not sufficiently close to the fixed electrode. In addition, the four corners of the movable electrode may come into contact with the fixed electrode. For this reason, in order to avoid contact of the four corners of the movable electrode with the fixed electrode, the distance between the movable electrode and the fixed electrode cannot be reduced, and as a result, the capacitance value between the two electrodes must be increased. Becomes difficult.
また、上述したような可動電極の反りがばらつくことにより、可動電極と固定電極との間の静電容量値がばらつく。このため、可変容量素子の精度を高めることが難しくなる。 Moreover, the electrostatic capacitance value between a movable electrode and a fixed electrode varies because the curvature of the movable electrode as described above varies. For this reason, it becomes difficult to increase the accuracy of the variable capacitance element.
本発明は例えば上述したような問題に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、可動電極に反りが発生しても、可動電極と固定電極との間の距離を十分に小さくすることができる可変容量素子を提供することにある。 The present invention has been made in view of, for example, the problems described above, and an object of the present invention is to sufficiently reduce the distance between the movable electrode and the fixed electrode even when the movable electrode is warped. An object of the present invention is to provide a variable capacitance element that can be used.
本発明は、基板と、前記基板上に設けられた支持部と、支持梁を介して前記支持部に厚さ方向に変位可能に支持された可動電極と、前記基板の上面に設けられ前記可動電極と空間を介して対向するように配置された固定電極とを備えた可変容量素子に適用される。 The present invention includes a substrate, a support portion provided on the substrate, a movable electrode supported by the support portion so as to be displaceable in a thickness direction via a support beam, and the movable member provided on an upper surface of the substrate. The present invention is applied to a variable capacitance element including an electrode and a fixed electrode arranged so as to face each other through a space.
そして、上記課題を解決するために、請求項1に係る発明が採用する構成の特徴は、前記可動電極はその平面視形状が多角形であり、前記固定電極は、前記基板の上面において、前記可動電極と対向する領域内であって、前記可動電極の多角形に内接する円または楕円と対向する領域内に設けたことにある。
In order to solve the above-mentioned problem, the feature of the configuration adopted by the invention according to
請求項2に係る発明では、前記可動電極は、メッキ処理によって成膜したメッキ層を用いて形成している。
In the invention according to
請求項3に係る発明の可変容量素子は、前記固定電極の平面視形状が円形または楕円形である。 In the variable capacitor according to a third aspect of the present invention, the shape of the fixed electrode in plan view is circular or elliptical.
請求項4に係る発明の可変容量素子は、前記基板の上面に設けられ、前記固定電極と外部回路との間を電気的に接続するための引出電極を備え、前記引出電極は、平面視において、前記可動電極の多角形の一辺の中心位置と交差するように配置されている。 A variable capacitance element according to a fourth aspect of the present invention is provided on the upper surface of the substrate, and includes an extraction electrode for electrically connecting the fixed electrode and an external circuit, and the extraction electrode is in a plan view. The movable electrode is arranged so as to intersect with the center position of one side of the polygon of the movable electrode.
請求項1に係る発明によれば、固定電極は、基板の上面において、可動電極の多角形に内接する円または楕円と対向する領域内に設けたから、可動電極の多角形の頂点部分に対向する領域に固定電極が配置されるのを避けることができる。即ち、大きな反りが生じる可動電極の多角形の頂点部分(角隅部分)を除いて、固定電極を配置することができる。これにより、可動電極に反りが発生しても、可動電極の頂点部分または周縁部分が固定電極に接触するのを避けることができ、可動電極と固定電極との間の距離を小さくすることができる。したがって、可動電極と固定電極との間の静電容量値を大きくすることができる。 According to the first aspect of the present invention, since the fixed electrode is provided in a region facing the circle or ellipse inscribed in the polygon of the movable electrode on the upper surface of the substrate, the fixed electrode faces the vertex of the polygon of the movable electrode. It can be avoided that fixed electrodes are arranged in the region. That is, the fixed electrode can be arranged except for the apex portion (corner corner portion) of the polygon of the movable electrode that causes a large warp. As a result, even when the movable electrode is warped, it is possible to avoid the apex portion or the peripheral portion of the movable electrode from contacting the fixed electrode, and the distance between the movable electrode and the fixed electrode can be reduced. . Therefore, the capacitance value between the movable electrode and the fixed electrode can be increased.
また、可動電極の中央部分は、周縁部分に比べて、比較的反りの程度が小さく、または反りのばらつきの程度も小さい。このため、可動電極の反りのばらつきにより、可動電極と固定電極との間の静電容量値がばらつくのを抑えることができ、可変容量素子の精度を高めることができる。 In addition, the central portion of the movable electrode has a relatively small degree of warpage or a small degree of variation in warpage compared to the peripheral portion. For this reason, it is possible to suppress variation in the capacitance value between the movable electrode and the fixed electrode due to variations in the warp of the movable electrode, and it is possible to increase the accuracy of the variable capacitance element.
請求項2に係る発明によれば、可動電極はメッキ層を用いて形成したから、可動電極の角隅部分を除いた中央部分は、反りが少ない平坦な形状に形成することができる。これにより、可動電極の中央部分は、その全体が固定電極と平行な状態で厚さ方向に変位するから、可動電極の中央部分の全体を固定電極に接近させることができ、可動電極と固定電極との間の静電容量値を大きくすることができる。また、可動電極の中央部分は、その全体に亘って反りのばらつきも小さくなるから、可動電極と固定電極との間の静電容量値が素子毎にばらつくのを抑えることができる。 According to the second aspect of the present invention, since the movable electrode is formed using the plating layer, the central portion excluding the corner portion of the movable electrode can be formed in a flat shape with little warpage. As a result, the central portion of the movable electrode is displaced in the thickness direction in a state where the entire central portion of the movable electrode is parallel to the fixed electrode, so that the entire central portion of the movable electrode can be brought close to the fixed electrode. The capacitance value between the two can be increased. In addition, since the central portion of the movable electrode is less likely to vary in warpage over the entire portion, it is possible to suppress variation in the capacitance value between the movable electrode and the fixed electrode from element to element.
請求項3に係る発明によれば、固定電極の平面視形状を円形または楕円形とすることにより、基板の上面において、固定電極を、平面視形状が多角形の可動電極の頂点部分と対向しないように配置することができる。これにより、固定電極は、反りの少ない可動電極の中央部分の全体に亘って対向することができ、反りの影響を軽減した状態で可動電極と固定電極との対向面積を大きくして、静電容量値を大きくすることができる。 According to the third aspect of the present invention, the fixed electrode is not opposed to the apex portion of the movable electrode having a polygonal shape in plan view on the upper surface of the substrate by making the shape of the fixed electrode in plan view circular or elliptical. Can be arranged as follows. As a result, the fixed electrode can be opposed across the entire central portion of the movable electrode with less warping, and the area of the movable electrode and the fixed electrode can be increased in a state where the influence of the warp is reduced, thereby The capacity value can be increased.
請求項4に係る発明によれば、基板の上面において、大きな反りが発生する傾向がある可動電極の多角形の頂点部分に対向する領域を避けて引出電極を配置することができる。これにより、可動電極のうち反りの小さい領域に引出電極を配置するから、可動電極と引出電極とが短絡しない状態で、可動電極と固定電極との間の距離を小さくすることができる。 According to the fourth aspect of the present invention, it is possible to dispose the extraction electrode while avoiding a region facing the polygonal apex portion of the movable electrode, which tends to generate a large warp on the upper surface of the substrate. Thereby, since the extraction electrode is arranged in a region where the warp is small in the movable electrode, the distance between the movable electrode and the fixed electrode can be reduced in a state where the movable electrode and the extraction electrode are not short-circuited.
以下、本発明の実施の形態による可変容量素子を、添付図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, variable capacitance elements according to embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1において、本発明の実施形態による可変容量素子1は、第1の基板2上に機能層3を設け、機能層3上に封止枠4を介して第2の基板5を設けることにより構成されている。基板2、機能層3および基板5は、互いに直交する3軸方向をX軸,Y軸およびZ軸としたときに、X軸およびY軸に沿って水平方向に延びている。
In FIG. 1, the
基板2,5は、例えば絶縁性を有するガラス材料等から形成され、一辺が数ミリ程度の大きさの四角形状に形成されている。
The
第1の基板2の上面2Aには、2つの固定電極10および引出電極11が設けられ(図3参照)、また、第1の基板2には、基板2をZ軸方向に貫通する貫通電極15,16が形成されている(図3参照)。さらに、基板2の上面2Aには複数のストッパ13が形成されている。これら固定電極10、引出電極11、貫通電極15,16およびストッパ13については後に詳述する。
Two
また、基板5の下面5Aには、駆動電極12が設けられると共に、複数のストッパ14が形成されている。また、基板5には、基板5をZ軸方向に貫通する貫通電極17,18が形成されている。これら駆動電極12、ストッパ14および貫通電極17,18については後に詳述する。
A
機能層3は、例えば銅(Cu)等の導電性金属材料からなり、メッキ処理によって成膜したメッキ層として形成されている。そして、機能層3には、後述する支持部7、可動電極8、支持梁9が形成されている。
The
封止枠4は、機能層3と第2の基板5との間に配置され、基板5の外周縁に沿って略四角形の枠形状に形成されている。この封止枠4は、例えば金(Au)を含む合金または金等の導電性の金属材料を用いて形成され、基板5と機能層3の支持部7とにそれぞれ接合されている。これにより、封止枠4は、基板2,5間に可動電極8、支持梁9、固定電極10、駆動電極12等を収容する収容空間6を形成すると共に、この収容空間6を気密状態に封止している。
The sealing
また、封止枠4と基板5との間には、封止枠4を基板5に接合するために、例えばプラチナ/クロム(Pt/Cr)等の金属膜からなる接合膜4Aが設けられている。一方、機能層3の表面には、封止枠4と対向した位置に例えば金(Au)を含む合金または金等の導電性の金属膜からなる圧着膜4Bが設けられている。そして、封止枠4は、圧着膜4Bに熱圧着によって接合され、機能層3および基板5に固着されている。
Further, a
支持部7は、機能層3に形成され、基板2,5間に封止枠4と共に固定されている。この支持部7は、例えば基板2,5の周縁に沿って延びる四角形の枠状に形成され、可動電極8、支持梁9等を取り囲んでいる。また、支持部7の内側には、可動電極8を挟んでX軸方向の両側に位置する2つの梁連結部7Aが設けられている。そして、支持部7は、数μm〜数十μm程度(例えば10μm)の厚さ寸法を有し、封止枠4と共に基板2,5の間に収容空間6を形成している。
The
可動電極8は、機能層3に形成され、支持梁9を介して支持部7にZ軸方向(厚さ方向)に変位可能に支持されている。可動電極8は、基板2,5の中央側に配置されている。また、可動電極8は、その平面視形状が例えば正方形の平板状に形成されると共に、その一辺の長さ寸法が例えば数十〜数百μm程度に設定されている。さらに、可動電極8は、支持部7よりも例えば0.1μm〜0.2μm程度小さい厚さ寸法を有している。
The
そして、可動電極8は、その頂点部分8Aが支持梁9に連結され、駆動電極12との間に発生する静電力(静電引力)によってZ軸方向に変位し、固定電極10に対して近接,離間する。可動電極8は、駆動電極12との間に駆動電圧を印加していないときには、支持梁9によって固定電極10と近接した位置に保持されている。
The
また、可動電極8の中心部には、厚さ方向に貫通した貫通孔8Bが設けられている。この貫通孔8Bは、可動電極8を形成するときに基板2と可動電極8との間に設けられる犠牲層(図示せず)を早期に除去すると共に、可動電極8が厚さ方向に変位するときに周囲の気体による抵抗を低減するものである。なお、貫通孔8Bは可動電極8に複数個設ける構成としてもよい。また、可動電極8から貫通孔8Bを省く構成としてもよい。
In addition, a through
支持梁9は、可動電極8をZ軸方向に変位可能に支持し、図2に示すように、可動電極8と支持部7との間に例えば4本設けられている。これらの支持梁9は、例えばクランク状に屈曲した梁として形成され、基板2,5の間に位置してX軸およびY軸を含む平面と平行な方向(水平方向)に延びると共に、これらの基板2,5からZ軸方向(垂直方向)に離間している。
The support beams 9 support the
また、各支持梁9は、基端側が支持部7の梁連結部7Aに連結され、先端側が可動電極8の四隅である各頂点部分8Aに連結されている。そして、支持梁9は、図5に示すように、可動電極8が基板5に向けて変位するときに、Z軸方向に捩れ変形または撓み変形する。
Each
固定電極10は、図3に示すように、基板2の上面2Aに2つ設けられている。これら固定電極10は、Y軸方向に並び、互いに離間している。いずれの固定電極10も可動電極8と空間を介して対向するように配置されている。各固定電極10は、例えば導電性の金属薄膜によって形成され、平面視形状が略半円形である。
As shown in FIG. 3, two fixed
また、固定電極10はそれぞれ引出電極11を介して、基板2をZ軸方向に貫通して形成された貫通電極15,16に電気的に接続されている。引出電極11は、基板2の上面2Aに設けられ、導電性を有する線状の金属膜によって形成されている。
The fixed
ここで、図6は、平面視(可動電極8等を真上から見下ろした場合)において、可動電極8と固定電極10との配置関係を示している。
Here, FIG. 6 shows an arrangement relationship between the
図6に示すように、各固定電極10は、基板2の上面2Aにおいて、可動電極8と対向する領域内であって、可動電極8の四角形の頂点とその周辺部分、即ち頂点部分8Aに対向する領域以外の領域に設けられている。具体的には、各固定電極10は、図6中の二点鎖線で示すように、基板2の上面において、可動電極8の正方形に内接する円Cと対向する円形の領域内に配置されている。
As shown in FIG. 6, each fixed
さらに、引出電極11は、平面視において、可動電極8の正方形の一辺の中心位置と交差するように配置されている。具体的には、引出電極11の一端部は、可動電極8の正方形の一辺の中心部分の下方位置において、固定電極10と連結している。
Furthermore, the
可動電極8との間においてこのような配置関係を有する各固定電極10には、外部の信号回路から貫通電極15,16および引出電極11を介して、例えば数百kHz〜数GHz程度の高周波信号が入力される。この場合、図3中の上側(Y軸方向一側)の固定電極10と可動電極8との間、および図3中の下側(Y軸方向他側)の固定電極10と可動電極8との間には、可動電極8を介して直列に接続された2つのコンデンサ(エアギャップコンデンサ)が形成されている。そして、これらのコンデンサ全体の静電容量、即ち、2つの固定電極10間の静電容量は、各固定電極10と可動電極8との間の距離に応じて変化する。
For each fixed
駆動電極12は、基板5の下面5Aに設けられ、可動電極8と空間を介して対向する位置に配置されている。駆動電極12は、例えば接合膜4Aと同じ導電性の金属薄膜によって形成されている。
The
ここで、駆動電極12は、基板5をZ軸方向に貫通する貫通電極17に電気的に接続され、例えば正の直流電圧からなる駆動電圧が印加される。一方、可動電極8は、支持梁9、封止枠4を介して、基板5をZ軸方向に貫通するもう1つの貫通電極18に電気的に接続され、例えばグランドに接続される。これにより、外部の駆動回路を貫通電極17,18に電気的に接続して駆動電極12と可動電極8との間に駆動電圧を印加し、駆動電極12と可動電極8との間に静電引力を発生させ、可動電極8を駆動電極12に接近する方向(Z軸方向)に変位させることができる。
Here, the
即ち、駆動電極12と可動電極8との間に駆動電圧を印加しない初期状態では、可動電極8は、支持梁9によって固定電極10に近接した位置に保持され、可動電極8と固定電極10との間には間隔寸法の小さい狭ギャップG1が形成される。
That is, in an initial state where no drive voltage is applied between the
また、駆動電極12と可動電極8との間に駆動電圧を印加した駆動状態では、これらの間に静電引力が作用することにより、可動電極8が駆動電極12に引き付けられる。この結果、可動電極8は、図5に示すように、駆動電極12に接近するようにZ軸方向に変位し、この結果、固定電極10から離れる。このとき、可動電極8と固定電極10との間には間隔寸法の大きい広ギャップG2が形成される。
In a driving state in which a driving voltage is applied between the driving
一方、ストッパ13は、基板2の上面2Aにおいて可動電極8と対向する位置に複数突設されている。各ストッパ13は、基板2と同様に絶縁性を有する材料から形成されている。ストッパ13は初期状態において可動電極8を支持する役割を果たす。即ち、駆動電極12と可動電極8との間に駆動電圧を印加しない初期状態においては、可動電極8がストッパ13の先端部に接触し、これにより、可動電極8と固定電極10との間の狭ギャップG1が高精度に確保される。
On the other hand, a plurality of
ストッパ14は、基板5の下面において可動電極8と対向する位置に複数突設されている。各ストッパ14は、基板5と同様に絶縁性を有する材料から形成されている。ストッパ14は、駆動状態において可動電極8と駆動電極12との接触を阻止する役割を果たす。即ち、駆動電極12と可動電極8との間に電圧を印加した駆動状態では、両者間に発生する静電引力により可動電極8が駆動電極12に接近する方向に引き付けられ、ストッパ14の先端部に当接する。これにより、可動電極8と駆動電極12との接触が阻止される。
A plurality of
貫通電極15,16は基板2にZ軸方向に貫通して形成されている。貫通電極15,16は、基板2に穿設されたスルーホールに導電性金属材料を充填することによって形成され、固定電極10と外部の信号回路とを電気的に接続する役割を果たす。
The through
貫通電極17,18は基板5にZ軸方向に貫通して形成されている。貫通電極17,18は、基板5に穿設されたスルーホールに導電性金属材料を充填することによって形成され、可動電極8と外部の駆動回路とを電気的に接続する役割を果たす。
The through
次に、可変容量素子1の製造方法について説明する。まず、ガラス材料からなる基板2の上面2Aに例えばエッチング加工等を施して複数のストッパ13を形成する。続いて、基板2に、レーザー加工、マイクロブラスト法等を用いてスルーホールを形成した後、このスルーホール内に銅等の導電性金属材料を例えばメッキ処理によって充填し、貫通電極15,16を形成する。また、基板2の上面2Aに、例えばスパッタ、蒸着法等を用い、金等の導電性の金属薄膜である固定電極10、引出電極11を設ける。
Next, a method for manufacturing the
次に、基板2の上面2Aのうち可動電極8および支持梁9と対応する位置に例えばチタン(Ti)、酸化シリコン(SiO2)等からなる犠牲層を形成した後、この犠牲層を含む基板2の上面全体に、例えば銅などの導電性金属材料を用いてシード層を形成する。シード層は、例えば0.1μm以下の薄膜であり、メッキ処理を行うときの基礎部分となる。
Next, after a sacrificial layer made of, for example, titanium (Ti), silicon oxide (SiO 2 ), or the like is formed on the
次に、シード層の上面に、メッキの成長を阻害するモールド材料(例えばフォトレジスト材料)を用いて、支持部7、可動電極8、支持梁9等を成形するためのモールドを形成する。
Next, a mold for forming the
次に、シード層の上面にメッキ処理を施して、例えば銅等の導電性金属材料からなるメッキ層を成長させた後、モールドを除去する。このとき、メッキ層内部に作用する応力を低減するために、メッキ層にアニール処理を施す。その後、例えばCMP(Chemical Mechanical Polishing)法を用いて、メッキ層の上面を平坦な状態に研磨する。これにより、支持部7、可動電極8、支持梁9等を備えた機能層3が形成される。
Next, a plating process is performed on the upper surface of the seed layer to grow a plating layer made of a conductive metal material such as copper, and then the mold is removed. At this time, in order to reduce the stress acting on the inside of the plated layer, the plated layer is annealed. Thereafter, the upper surface of the plating layer is polished in a flat state by using, for example, a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method. Thereby, the
次に、例えば蒸着法、スパッタ法等を用いて支持部7の上面に例えば金(Au)等の金属薄膜からなる圧着膜4Bを形成する。
Next, a pressure-
次に、例えば薄いフッ酸等を用いたエッチング処理等によって犠牲層を除去した後に、薄い硫酸を用いて不要なシード層を除去する。これにより、可動電極8は、基板2から解放され、厚さ方向に変位可能な状態となる。
Next, the sacrificial layer is removed by etching using thin hydrofluoric acid, for example, and then an unnecessary seed layer is removed using thin sulfuric acid. Thereby, the
一方、ガラス材料からなる基板5の下面5Aに例えばエッチング加工を施すことによって複数のストッパ14を形成する。続いて、基板5に、厚さ方向に貫通したスルーホールを形成した後に、このスルーホール内に銅等の導電性金属材料を充填し、貫通電極17,18を形成する。また、基板5の下面5Aに、例えばスパッタ、蒸着法等を用いて金等の導電性の金属薄膜である接合膜4Aおよび駆動電極12を形成する。さらに、例えば蒸着法、スパッタ法等を用いて基板5の下面5Aのうち接合膜4Aと対応した位置に、例えば金(Au)等の金属薄膜からなる封止枠4を形成する。
On the other hand, the plurality of
次に、封止枠4と圧着膜4Bとを熱圧着する。これにより、基板2と基板5との間には、可動電極8、支持梁9、固定電極10、駆動電極12等を収容する密閉された収容空間6が形成される。
Next, the sealing
本実施の形態による可変容量素子1は上述の製造方法によって製造されるもので、次にその作動について説明する。
The
まず、可動電極8と駆動電極12との間に電圧を印加していない初期状態では、図1に示すように、可動電極8が固定電極10に近接した位置に保持され、可動電極8と固定電極10との間の静電容量は、可動電極8と固定電極10との間の狭ギャップG1の間隔寸法に対応した最大容量値となる。
First, in an initial state where no voltage is applied between the
また、図4に示すように、可動電極8と駆動電極12との間に電圧を印加した駆動状態では、これらの間に静電引力が発生する。このとき、可動電極8は、支持梁9を撓み変形させつつ、ストッパ14と当接する位置まで垂直方向に変位し、可動電極8は固定電極10から離間した位置に保持される。この結果、可動電極8と固定電極10との間の静電容量は、互いに離間した可動電極8と固定電極10との間の広ギャップG2の間隔寸法に対応した最小容量値となる。
Further, as shown in FIG. 4, in a driving state in which a voltage is applied between the
このように、可変容量素子1は、電圧印加の有無に応じて可動電極8と固定電極10との間の静電容量を切り換えることができる。このような動作を行う可変容量素子1は、この静電容量に応じて2つの固定電極10間で高周波信号の伝送、遮断を切り換えるスイッチ素子として用いることができる。
Thus, the
以上説明した通り、本発明の実施形態による可変容量素子1では、図6に示すように、各固定電極10を、基板2の上面2Aにおいて、可動電極8の正方形に内接する円Cと対向する領域内に配置し、可動電極8の各頂点部分8Aに対向する領域に固定電極10が配置されない構成としている。このように、可動電極8の各頂点部分8Aに対向する領域に固定電極10を配置しないようにすることにより、可動電極8に反りが発生しても、可動電極8の頂点部分8Aが固定電極10に接触するのを避けることができ、可動電極8の中心領域と各固定電極10との間の距離、即ち、狭ギャップG1を小さくすることができる。したがって、可動電極8と各固定電極10との間の静電容量値を大きくすることができる。
As described above, in the
発明者が鋭意検討した結果、メッキ層を用いて可動電極8を形成した場合には、可動電極8の中央領域は、反りがほとんど発生せずに、平坦な形状となることが分かった。具体的に説明すると、例えば可動電極8を厚さ寸法が10μmで一辺の長さ寸法が150μmの正方形に形成した場合、可動電極8の各頂点部分8Aでは500nm程度の反りが生じると共に、周縁部分のうち各辺の中心位置では200nm程度の反りが生じる。これに対し、例えば半径80〜100μm程度の中央領域では、100nmよりも小さい数十nm程度の反りしか生じないことが分かった。
As a result of intensive studies by the inventors, it has been found that when the
このため、可動電極8の中央領域は、比較的反りの程度が小さく、または反りのばらつきの程度が小さくなる。従って、可動電極8の反りのばらつきによって、可動電極8と各固定電極10との間の静電容量値がばらつくのを抑えることができ、可変容量素子1の精度を高めることができる。
For this reason, the central region of the
ここで、以上に述べた可変容量素子1の作用効果について図7、図10ないし図12を参照しながら確認する。なお、図7、図11および図12では、説明の便宜上、支持梁9等の図示を省略している。
Here, the effect of the
図7は、銅等の導電性金属材料からなるメッキ層により形成された可動電極8に反りが生じ、各頂点部分8Aが基板2に接近する方向に湾曲した状態を示している。可動電極8に図7に示すような反りが発生しても、可動電極8の各頂点部分8Aに対向する領域には固定電極10が配置されていないので、可動電極8と固定電極10との接触を避けながら、可動電極8と各固定電極10との間の狭ギャップG1を小さくすることができ、両電極間の静電容量値を大きくすることができる。
FIG. 7 shows a state in which the
また、銅等の導電性金属材料からなるメッキ層により形成された可動電極8の場合には、各頂点部分8Aに大きな反りが発生するものの、可動電極8の中央部分にはほとんど反りが発生しない傾向がある。このため、可動電極8と固定電極10との間における狭ギャップG1を固定電極10の各所においてほぼ一定にすることができ、反りのばらつきによって可動電極8と固定電極10との間の静電容量値がばらつくのを阻止することができる。
Further, in the case of the
一方、図10は本発明の実施形態の効果を確認するための第1の比較例として、可動電極8の正方形とほぼ同一の正方形に形成された固定電極41を、固定電極10に代えて設けた場合を示している。図11は、固定電極41を設けた場合において、銅等の導電性金属材料からなるメッキ層により形成された可動電極8の各頂点部分8Aに反りが発生した場合を示している。図11に示すように、可動電極8の正方形とほぼ同一の正方形に形成された固定電極41の場合には、可動電極8と固定電極41との接触を避けようとすれば、可動電極8と固定電極41との間の狭ギャップG3を、図7中の狭ギャップG1と比較して大きくしなければならない。この結果、比較例における固定電極41では、可動電極8と固定電極41との間の静電容量値を大きくすることが難しくなる。
On the other hand, FIG. 10 shows, as a first comparative example for confirming the effect of the embodiment of the present invention, a fixed
また、比較例における固定電極41の場合には、反りが発生した可動電極8の各頂点部分8Aの下方に固定電極41が配置されているため、反りのばらつきにより可動電極8と固定電極41との間の静電容量値がばらつき易い。
Further, in the case of the fixed
また、図12は、本発明の実施形態の効果を確認するための第2の比較例として、銅等の導電性金属材料からなるメッキ層により形成された可動電極8を、例えばシリコン材料を用いて形成した可動電極51に置き換えた場合を示している。この場合、可動電極51は、CVD、蒸着等のメッキ以外の成膜方法を用いて形成する。図12に示すように、メッキ以外の成膜方法を用いて形成された可動電極51の場合には、各頂点部分51Aだけでなく、可動電極51の中心部分にも反りが発生する傾向がある。このように反りが全体的に発生した場合には、固定電極10が可動電極51の各頂点部分51Aに対向する領域を避けて、可動電極51の中心部分の下方位置に潜り込むように配置しても、可動電極51と各固定電極10との間の狭ギャップG4は、可動電極51の中心位置で大きくなると共に、固定電極10の全体に亘って不均一になる。この結果、両電極間の静電容量値が小さくなると共に、反りの形状に応じて静電容量値が変化し、素子毎に静電容量値がばらつき易い傾向がある。
FIG. 12 shows, as a second comparative example for confirming the effect of the embodiment of the present invention, a
このように、本発明の実施形態を示す図7と第1,第2の比較例を示す図11、図12とを比べることにより、本発明の実施形態による可変容量素子1によれば、狭ギャップG1を小さくして静電容量値を大きくすることができ、かつ静電容量値のばらつきを抑えることができることが分かる。
As described above, by comparing FIG. 7 showing the embodiment of the present invention with FIGS. 11 and 12 showing the first and second comparative examples, the
また、本発明の実施形態による可変容量素子1では、各固定電極10と貫通電極15,16とを接続する各引出電極11を、平面視において、可動電極8の正方形の一辺の中心部分と交差するように配置している。これにより、大きな反りが発生する傾向がある可動電極8の各頂点部分8Aに対向する領域を避けて各引出電極11を配置することができ、可動電極8の各頂点部分8Aと対向する領域以外の領域において各固定電極10と各引出電極11とを連結することができる。この結果、可動電極8のうち反りの小さい領域に引出電極11を配置するから、可動電極8と引出電極11とが短絡しない状態で、可動電極8と固定電極10との間の距離を小さくして、可動電極8と各固定電極10との間の静電容量値を大きくすることができる。
Further, in the
なお、上述した実施形態では、可動電極8の平面視形状を正方形としたが、本発明はこれに限らない。可動電極8の平面視形状を例えば長方形等の他の四角形、あるいは5角形、6角形等の他の多角形としてもよい。
In the above-described embodiment, the planar shape of the
また、上述した実施形態では、図6に示すように、基板2の上面2Aにおいて、可動電極8に内接する円Cに対向する円形領域内のほぼ全域に各固定電極10を並べて配置する場合を例にあげたが、本発明はこれに限らない。図8に示すように、円Cの中心部分(例えば円Cの直径寸法の50〜80%程度の部分)のみに各固定電極21を配置してもよい。これにより、基板2の上面2Aにおいて、可動電極8の各頂点部分8Aに対向する領域だけでなく、可動電極8の各辺に対向する領域、即ち、可動電極8の全周縁部分に対向する領域を避けて各固定電極21を配置することができる。したがって、もし可動電極8の各頂点部分8Aだけでなく、可動電極8の各辺部分にも反りが発生した場合にも、可動電極8と各固定電極21との接触を避けながら、可動電極8と各固定電極21との間の距離を小さくすることができる。
Further, in the above-described embodiment, as shown in FIG. 6, the fixed
また、上述した実施形態では、図6に示すように、2つの固定電極10を並べて配置する場合を例にあげたが、本発明はこれに限らない。図9に示すように、1つの固定電極31を設ける構成としてもよい。この場合、固定電極31を円形にすることが望ましい。しかし、可動電極8を正方形ではなく長方形とした場合には、固定電極31の形状を楕円形とすることが望ましい。また、3つ以上の固定電極を設けてもよい。
In the above-described embodiment, as shown in FIG. 6, the case where the two fixed
また、上述した実施形態では、可動電極8の上方に駆動電極12を設ける場合を例にあげたが、駆動電極の配置はこれに限らない。可動電極8の下方の基板2の上面2Aにおいて、固定電極10と異なる位置に駆動電極を配置することも可能である。
In the above-described embodiment, the
1 可変容量素子
2 基板
2A 上面
3 機能層(メッキ層)
7 支持部
8 可動電極
9 支持梁
10,21,31 固定電極
11 引出電極
DESCRIPTION OF
7 Supporting
Claims (4)
前記可動電極はその平面視形状が多角形であり、
前記固定電極は、前記基板の上面において、前記可動電極と対向する領域内であって、前記可動電極の多角形に内接する円または楕円と対向する領域内に設けられていることを特徴とする可変容量素子。 A substrate, a support provided on the substrate, a movable electrode supported by the support via a support beam so as to be displaceable in a thickness direction, and a space provided between the movable electrode and the space provided on the upper surface of the substrate; In a variable capacitance element provided with fixed electrodes arranged so as to face each other,
The movable electrode has a polygonal shape in plan view,
The fixed electrode is provided in a region facing the movable electrode on a top surface of the substrate and facing a circle or an ellipse inscribed in a polygon of the movable electrode. Variable capacitance element.
前記引出電極は、平面視において、前記可動電極の多角形の一辺の中心部分と交差するように配置されている請求項1,2または3に記載の可変容量素子。 Provided on the upper surface of the substrate, comprising an extraction electrode for electrically connecting the fixed electrode and an external circuit,
4. The variable capacitance element according to claim 1, wherein the extraction electrode is disposed so as to intersect with a central portion of one side of the polygon of the movable electrode in a plan view.
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