JP2011042019A - 微細電子機械素子 - Google Patents

Abstract

【課題】対称性を向上させた微細電子機械素子を提供する。
【解決手段】可動電極１０８，１０９は、絶縁連結部材１１０により物理的に連結されている。これにより、第１の端子１１１および第２の端子１１２に対する駆動信号を印加すると、可動電極１０８，１０９が同様に変位するので、従来の二つのＭＥＭＳバラクタを単純に組み合わせた従来の場合と比較して、より高い対称性を得ることができる。
【選択図】 図１Ａ

Description

本発明は、電圧を印加することにより移動する電極を備えた微細電子機械素子に関するものである。

近年、薄膜形成技術やフォトリソグラフィ技術を用いてエッチング等を行うことにより立体的な微細加工を行うＭＥＭＳ(Micro-Electro-Mechanical Systems)技術が脚光を浴びており、このＭＥＭＳ技術を利用した微細電子機械素子の開発が行われている。この微細電子機械素子としては、例えば、無線通信回路などにおいて応用が期待されている可動電極と固定電極からなるＭＥＭＳバラクタが挙げられる（例えば、非特許文献１参照。）。このＭＥＭＳバラクタについて、図８Ａ−図８Ｃを参照して説明する。

図８Ａに示すように、ＭＥＭＳバラクタ１０００は、電気的絶縁性を有する部材からなる基板１００１と、基板１００１の上面に形成された固定電極１００２と、基板１００１上面の固定電極１００２を挟む位置に配置され鉛直上方に延在する一対の柱状の支持部１００３，１００４と、一端が支持部１００３の上端に支持され支持部１００４の上端に向かって延在するバネ部１００５と、一端が支持部１００４の上端に支持され支持部１００３の上端に向かって延在するバネ部１００６と、バネ部１００５，１００６の他端が接続され、固定電極１００２と対向配置された可動電極１００７とを備えている。ここで、固定電極１００２には第１の端子１００８が、支持部１００３には第２の端子１００９がそれぞれ基板１００１に設けられた電気配線を介して接続されている。また、固定電極１００２、支持部１００３，１００４、バネ部１００５，１００６および可動電極１００７は、導電性を有する部材から構成されている。したがって、可動電極１００７は、バネ部１００５および支持部１００３を介して第２の端子１００９と電気的に接続されることとなる。また、対向配置された固定電極１００２と可動電極１００７との間には、容量が形成されている。

このようなＭＥＭＳバラクタ１０００の第１の端子１００８と第２の端子１００９の間に直流電圧を印加すると、図８Ｂに示すように、静電引力によって可動電極１００７が固定電極１００２側に引き寄せられる。これにより、固定電極１００２と可動電極１００７との間隔が変化するので、固定電極１００２と可動電極１００７との間の容量も変化する。ＭＥＭＳバラクタは、従来の半導体技術を用いて作製される半導体バラクタと比べて、高い線形性や高い可変率を実現できることから、次世代の無線通信回路の実現を支える重要な素子と期待されている。

バラクタを用いる無線通信回路においては、雑音の影響を低減し、高い性能を得るため、差動回路を利用することが有効である。その差動回路では、振幅が等しく、位相が反転した二つの電圧もしくは電流からなる差動信号を処理することにより、雑音の影響を打ち消すことができる。

上述したＭＥＭＳバラクタ１０００においては、第２の端子１００９に図８Ｃに示す第１の信号（符号ｂ）を、第１の端子１００８に第１の信号を逆相となる第２の信号（符号ｃ）を入力することにより、第１の端子１００８と第２の端子１００９との間に可動電極１００７を変位させるためのバイアス信号に位相が互いにπだけずれた差動信号（符号ｂ、ｃ）を重畳して、差動回路用のバラクタとして利用することができる。

このような差動回路において、雑音低減の効果を十分に発揮するためには、回路に高い対称性が求められる。対称性が高いとは、差動信号を構成する二つの信号に対する処理が等価であることを意味し、高い対称性を備えることによって、雑音をより低減することが可能となる。高い対称性を備えた差動回路を実現するためには、回路を構成する素子自体が高い対称性を備えていることが望ましい。例えば二端子の素子においては、第一の端子から見た素子の特性と、第二の端子から見た素子の特性が等しいことが要求される。

M. V. Shakhrai, "Microelectromechanical (ＭＥＭＳ) Varactors for Mobile Communications," 4th Siberian Russian Workshop and Tutorials EDM’2003, Tutorials, 1-4 July, Erlagol, 2003.

しかしながら、上述したＭＥＭＳバラクタ１０００のような従来の微細電子機械素子では、一方の第１の端子１００８が固定電極１００２に接続されるのに対し、他方の第２の端子１００９は支持部１００３およびバネ１００５部を介して可動電極１００７に接続されるため、構造が非対称であり、素子の特性の対称性も低いものとなっている。このため、寄生抵抗や寄生容量、寄生インダクタンスなどが非対称に分布するので、特に高周波において、第１の端子１００８と第２の端子１００９とでは、それぞれの立場から見た特性が異なってしまう。このような非対称な素子を差動回路に適用すると、雑音を十分に低減できないといった問題が生じてしまう。

このような問題を解消するのに従来より半導体回路の分野で提案されている方法としては、図９に示す微細電子機械素子２０００のように、同一の共通の基板１０１上に、二つののＭＥＭＳバラクタ１０００を設けたものであり、一方のＭＥＭＳバラクタ１０００の固定電極１００２と他方のＭＥＭＳバラクタ１０００の支持部１００３とを第１の端子１００８に、一方のＭＥＭＳバラクタ１０００の固定電極１００２と他方のＭＥＭＳバラクタ１０００の支持部１００３とを第２の端子１００９にそれぞれ接続して、上述したＭＥＭＳバラクタ１０００のような対称性が低い微細電子機械素子を二つ組み合わせて一つの素子のように扱う方法がある。

しかしながら、図９に示すように、二つのＭＥＭＳバラクタ１０００を組み合わせた場合、製造上の不均一性やばらつきにより、それぞれの素子のバネの形状や、固定電極１００２と可動電極１００７の間隔などに差が生じる。この影響により、二つの素子の電気的特性や機械的特性に差が生じてしまうので、対称性を十分に高めることが難しくなってしまう。また、二つのＭＥＭＳバラクタ１０００を組み合わせるので、占有面積も大きくなってしまう。

そこで、本願発明は、対称性を向上させた微細電子機械素子を提供することを目的とする。

上述したような課題を解決するために、本発明に係る微細電子機械素子は、第１の電極と、この第１の電極と自身とを結ぶ方向に移動可能に支持された状態で当該第１の電極と対向配置され、当該第１の電極と第１の容量電極対を構成する第２の電極と、この第２の電極と電気的に接続された第３の電極と、第１の電極と電気的に接続され、第３の電極と自身とを結ぶ方向に移動可能に支持された状態で当該第３の電極と対向配置され、第２の電極と電気的に絶縁された状態で物理的に連結され、当該第３の電極と第２の容量電極対を構成する第４の電極とを少なくとも備えることを特徴とするものである。

上記微細電子機械素子において、第１の容量電極対と第２の容量電極対とは、それぞれに含まれる電極の面積が互いに等しく、かつ、それぞれに含まれる電極の重心が互いに平面視において一致するようにしてもよい。

また、上記微細電子機械素子において、第１の容量電極対および第２の容量電極対のうち少なくとも一方を構成する二つの電極は、それぞれ複数に分割され、第２の電極および第４の電極は、物理的に連結されているようにしてもよい。

また、上記微細電子機械素子において、第５の電極と、この第５の電極と自身とを結ぶ方向に移動可能に支持された状態で当該第５の電極と対向配置され、第２の電極および第４の電極と電気的に絶縁された状態で物理的に連結され、当該第５の電極と駆動電極対を構成する第６の電極とをさらに備えるようにしてもよい。

また、上記微細電子機械素子において、駆動電極対の重心は、第１の容量電極対の重心および第２の容量電極対の重心と平面視において一致するようにしてもよい。

また、上記微細電子機械素子において、第１の電極および第２の電極が上面に固定された基板と、この基板の上面から突出した導電性を有する支持部と、一端が支持部の上端に支持され、他端が第２の電極または第４の電極に接続された導電性を有するバネ部と、基板に設けられ、支持部およびバネ部を介して第２の電極または第４の電極に接続された配線とをさらに備えるようにしてもよい。

本発明によれば、二つの容量電極対を備えた微細電子機械素子において、第１の容量電極対を構成する第２の電極と、第２の容量電極対を構成する第４の電極とが電気的に絶縁された状態で物理的に連結されているので、第２の電極および第４の電極の少なくとも一方が移動すると、この移動に連動して他方も移動するので、微細電子機械素子としての対称性を向上させることができる。

図１Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る微細電子機械素子の構成を模式的に示す平面図である。 図１Ｂは、図１ＡのI-I線断面図である。 図１Ｃは、本発明の第１の実施の形態に係る微細電子機械素子に印加される電圧を説明するための模式図である。 図２Ａは、本発明の第２の実施の形態に係る微細電子機械素子の構成を模式的に示す平面図である。 図２Ｂは、図２ＡのII-II線断面図である。 図２Ｃは、図２ＡのIII-III線断面図である。 図３Ａは、本発明の第２の実施の形態に係る微細電子機械素子の動作を説明するための要部断面図である。 図３Ｂは、本発明の第２の実施の形態に係る微細電子機械素子の動作を説明するための要部断面図である。 図４Ａは、本発明の第３の実施の形態に係る微細電子機械素子の構成を模式的に示す平面図である。 図４Ｂは、図４ＡのIV-IV線断面図である。 図５Ａは、本発明の第４の実施の形態に係る微細電子機械素子の構成を模式的に示す平面図である。 図５Ｂは、図５ＡのV-V線断面図である。 図５Ｃは、図５ＡのVI-VI線断面図である。 図６は、本発明の第５の実施の形態に係る微細電子機械素子の構成を模式的に示す平面図である。 図７は、本発明の第６の実施の形態に係る微細電子機械素子の構成を模式的に示す平面図である。 図８Ａは、従来の微細電子機械素子の構成を模式的に示す側面図である。 図８Ｂは、図８Ａの微細電子機械素子の動作を模式的に示す側面図である。 図８Ｃは、図８Ａの微細電子機械素子に印加される電圧を説明するための模式図である。 図９は、従来の他の微細電子機械素子の構成を模式的に示す側面図である。

［実施の形態１］
以下、図面を参照して、本発明の第１の実施の形態について詳細に説明する。

＜微細電子機械素子の構成＞
図１Ａ，図１Ｂに示すように、本実施の形態に係る微細電子機械素子１は、板状の基板１０１と、この基板１０１の上面に所定間隔離間して平行に配設され、本発明における第１，第３の電極として作用する平面視略矩形の固定電極１０２，１０３と、基板１０１上面の固定電極１０２，１０３が並んだ方向からそれらを挟む位置に配置され鉛直上方に延在する一対の柱状の支持部１０４，１０５と、この支持部１０４の上端に一端が支持され支持部１０５の上端に向かって延在するバネ部１０６と、支持部１０５の上端に一端が支持され支持部１０４の上端に向かって延在するバネ部１０７と、固定電極１０２と同等の形状を有し、バネ部１０６の他端が接続され固定電極１０２と対向配置され、本発明の第２の電極として作用する可動電極１０８と、固定電極１０３と同等の形状を有し、バネ部１０７の他端が接続され固定電極１０３と対向配置され、本発明の第４の電極として作用する可動電極１０９と、可動電極１０８のバネ部１０６が接続された側の反対側と可動電極１０９のバネ部１０７が接続された側と反対側とを接続する絶縁連結部材１１０とを備えている。
ここで、第１の容量電極対を構成する固定電極１０２と第２の容量電極対の一部を構成する支持部１０５とは、基板１０１に設けられた電気配線を介して第１の端子１１１に接続されている。同様に、第２の容量電極対を構成する固定電極１０３と第１の容量電極対の一部を構成する支持部１０４とは、基板１０１に設けられた電気配線を介して第２の端子１１２に接続されている。
また、第１の容量電極対を構成する固定電極１０２と可動電極１０８との間には、第１の容量１１３が形成されている。同様に、第２の容量電極対を構成する固定電極１０３と可動電極１０９との間には第２の容量１１４が形成されている。

基板１０１は、例えば表面にシリコン酸化膜などの絶縁膜を形成したシリコン基板や、アルミナ基板、ガラス基板などの絶縁物から構成され、固定電極１０２，１０３および支持部１０４，１０５をそれぞれ絶縁している。

固定電極１０２，１０３、支持部１０４，１０５、バネ部１０６，１０７、可動電極１０８，１０９は、例えば、Au、Al、Cu、Niなどの導電性を有する部材から構成されている。

このように、支持部１０４，１０５、バネ部１０６，１０７、可動電極１０８，１０９は、導電性を有する部材から構成されている。したがって、可動電極１０８は、バネ部１０６および支持部１０４を介して第１の端子１１１と電気的に接続されることとなる。同様に、可動電極１０９は、バネ部１０７および支持部１０５を介して第２の端子１１２と電気的に接続されることとなる。

絶縁連結部材１１０は、例えば、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜などの絶縁材料から構成され、可動電極１０８，１０９と一体となって両者を物理的に連結している。このような絶縁連結部材１１０は、剛体として作用するのが望ましい。

このような微細電子機械素子１は、公知のマイクロマシン製造技術を利用して、成膜や選択的エッチング等を行うことによって作製できる。

＜微細電子機械素子の動作＞
本実施の形態に係る微細電子機械素子１は、第１の端子１１１と第２の端子１１２に駆動信号が印加されると、第１の容量電極対を構成する固定電極１０２と可動電極１０８との間、および、第２の容量電極対を構成する固定電極１０３と可動電極１０９との間に電位差が生じ、この電位差に基づく静電引力によって可動電極１０８が固定電極１０２の側に、可動電極１０９が固定電極１０３の側に、それぞれ引き寄せられる。このとき、可動電極１０８，１０９は、絶縁連結部材１１０により物理的に連結されているので、一体となって（連動して）変位することとなる。このように、第１の容量電極対の電極間のギャップや第２の容量電極対の電極間ギャップが変化すると、第１の容量１１３と第２の容量１１４の大きさも変化する。この容量の変化を用いることにより、微細電子機械素子１は、例えばバラクタとして利用することができる。

なお、微細電子機械素子１をバラクタとして利用する場合、電圧信号が駆動信号として用いられる。この場合、図１Ｃに符号ｂで示す上部の波形を第１の端子１１１に入力し、符号ｃで示す下部の波形を第２の端子１１２に入力することによって、第１の端子１１１と第２の端子１１２の間に駆動バイアス電圧（符号ａ）を有する駆動信号を印加する。符号ｂで示す信号と符号ｃで示す信号とは、互いに振幅が等しく、位相が反転している。このような駆動信号を印加すると、第１，第２の容量電極対の間に静電引力が発生し、可動電極１０８，１０９が変位して、固定電極１０２，１０３の側に方向に引き付けられる。このとき、可動電極１０８，１０９は、絶縁連結部材１１０により物理的に連結されているので、一体となって（連動して）変位することとなる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、第１の端子１１１および第２の端子１１２に対する駆動信号の印加に応じて可動電極１０８，１０９が同様に変位するので、微細電子機械素子における対称性を向上させることができる。すなわち、可動電極１０８，１０９が絶縁連結部材１１０により物理的に連結されており、第１の端子１１１，１１２に対する駆動信号の印加に応じて可動電極１０８，１０９が一体となって（連動して）変位するようになっているので、図９に示した微細電子機械素子２０００ように二つのＭＥＭＳバラクタ１０００を単純に組み合わせた場合と比較して、より高い対称性を得ることができる。
また、微細電子機械素子１は、第１の端子１１１および第２の端子１１２のそれぞれに固定電極と可動電極とが接続されているので、高い対象性を得ることができる。
また、バネ部１０６，１０７など一部の構成要素を容量電極対毎に設けなくてよいので、図９に示した微細電子機械素子２０００よりも占有面積を低減することができ、結果として小型化も実現することができる。

なお、本実施の形態においては、微細電子機械素子１を主にバラクタとして利用する場合を例に説明したが、微細電子機械素子１の用途はバラクタに限定されず、適宜自由に適用することができる。例えば、加速度センサに微細電子機械素子１を応用することもできる。この場合、外部環境から印加された加速度を駆動信号として利用する。微細電子機械素子１に差動の容量センス回路を接続し、加速度の印加により生じた可動電極１０８，１０９の変位を、第１，第２容量１１３，１１４の変化として検出することによって、加速度信号を検出することが可能となる。この場合にも、対称性に優れた微細電子機械素子１を、差動の容量センス回路と組み合わせて利用することによって、雑音などの影響を低減した高性能な加速度センサを実現することができる。

また、本実施の形態においては、固定電極１０２，１０３を基板１０１上に配設するようにしたが、可動電極１０８，１０９と同様に、固定電極１０２，１０３を変位可能な構成としてもよい。

また、本実施の形態においては、第１，第２の容量電極対が平行平板型の場合を例に説明したが、第１，第２の容量電極対の構成は並行平板型に限定されず、例えば櫛歯型など適宜自由に適用することができる。また、可動電極１０８，１０９の変位方向についても、基板１０１に対して垂直方向に限らず、水平方向やその他の方向に対して変位するようにしてもよい。

［実施の形態２］
次に、本発明に係る第２の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態は、第１の実施の形態に係る微細電子機械素子１を二つ並べたものに相当する。

図２Ａ〜図２Ｃに示すように、本実施の形態に係る微細電子機械素子２は、板状の基板２００と、基板２００の上面に配置された固定電極２０１〜２０４と、基板２００の正面に設けられた支持部２１１〜２１４と、一端が支持部２１１〜２１４の上端に支持されたバネ部２２１〜２２４と、このバネ部２２１〜２２４の他端が接続された可動電極２３１〜２３４と、この可動電極２３１〜２３４を連結する絶縁連結部材２４１とを備えている。ここで、固定電極２０１、支持部２１２、支持部２１３および固定電極２０４は、基板２００に設けられた電気配線を介して第１の端子２５１に接続されている。同様に、固定電極２０２、支持部２１１、固定電極２０３および支持部２１４は、基板２００に設けられた電気配線を介して第２の端子２５２に接続されている。

基板２００は、例えば表面にシリコン酸化膜などの絶縁膜を形成したシリコン基板や、アルミナ基板、ガラス基板などの絶縁物から構成され、固定電極２０１〜２０４および支持部２１１〜２１４それぞれを絶縁している。

固定電極２０１は、平面視略矩形の形状を有し、基板２００の上面に配置され、本発明の第１の電極を分割したものとして作用する。
固定電極２０２は、固定電極２０１と同等の形状を有し、固定電極２０１に対して第１の方向に所定間隔離間して配置され、本発明の第３の電極を分割したものとして作用する。
固定電極２０３は、固定電極２０１と同等の形状を有し、固定電極２０１に対して第２の方向に所定間隔離間して配置され、本発明の第３の電極を分割したものとして作用する。
固定電極２０４は、固定電極２０１と同等の形状を有し、固定電極２０２に対して第２の方向に、固定電極２０３に対して第１の方向に、それぞれ所定間隔離間した配置され、本発明の第１の電極を分割したものとして作用する。
このような固定電極２０１〜２０４は、例えば、Au、Al、Cu、Niなどの導電性を有する部材から構成されており、基板２００上では互いに絶縁されている。

支持部２１１，２１２は、鉛直上方の延在する柱状の形状を有し、基板２００上面の固定電極２０１，２０２を挟む位置に配設される。
支持部２１３，２１４は、支持部２１１，２１２と同等の形状を有し、基板２００上面の固定電極２０３，２０４を挟む位置に配設される。
このような支持部２１１〜２１４は、例えば、Au、Al、Cu、Niなどの導電性を有する部材から構成されている。

バネ部２２１は、一端が支持部２１１の上端に支持され支持部２１２の上端に向かって延在する構成を有する。
バネ部２２２は、一端が支持部２１２の上端に支持され支持部２１１の上端に向かって延在する構成を有する。
バネ部２２３は、一端が支持部２１３の上端に支持され支持部２１４の上端に向かって延在する構成を有する。
バネ部２２４は、一端が支持部２１４の上端に支持され支持部２１３の上端に向かって延在する構成を有する。
このようなバネ部２２１〜２２４は、例えば、Au、Al、Cu、Niなどの導電性を有する部材から構成されている。

可動電極２３１は、固定電極２０１と同等の形状を有し、バネ部２２１の他端が接続され、固定電極２０１と対向配置され、本発明の第２の電極を分割したものとして作用する。
可動電極２３２は、可動電極２３１と同等の形状を有し、バネ部２２２の他端が接続され、固定電極２０２と対向配置され、本発明の第４の電極を分割したものとして作用する。
可動電極２３３は、可動電極２３１と同等の形状を有し、バネ部２２３の他端が接続され、固定電極２０３と対向配置され、本発明の第４の電極を分割したものとして作用する。
可動電極２３４は、可動電極２３１と同等の形状を有し、バネ部２２４の他端が接続され、固定電極２０４と対向配置され、本発明の第２の電極を分割したものとして作用する。
このような可動電極２３１〜２３４は、例えば、Au、Al、Cu、Niなどの導電性を有する部材から構成されている。

絶縁連結部材２４１は、平面視略十字の形状を有し、隣り合う可動電極２３１〜２３４と一体となってそれらを所定間隔離間させた状態で物理的に連結している。このような絶縁連結部材２４１は、例えば、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜などの絶縁材料から構成されており、剛体として作用することが望ましい。

このような構成を有する微細電子機械素子２は、公知のマイクロマシン製造技術を利用して、成膜や選択的エッチング等を行うことによって作製できる。

微細電子機械素子２において、対向配置された固定電極２０１と可動電極２３１は、第１の容量電極対領域を構成しており、これらの間には第１の容量２６１が形成されている。同様に、対向配置された固定電極２０２と可動電極２３２、固定電極２０３と可動電極２３３、固定電極２０４と可動電極２３４は、第２〜第４の容量電極対領域を構成しており、それらの間には第２〜第４の容量２６２〜２６４が形成されている。このような第１〜第４の容量電極対領域のうち、第１，第４の容量電極対領域は第１の容量電極対を構成し、第２，第３の容量電極対領域は第２の容量電極対を構成する。

第１の容量電極対と第２の容量電極対は、それぞれが有する固定電極および可動電極の面積が等しくなるように形成されている。また、平面視において、第１の容量電極対の重心と、第２の容量電極対の重心が一致するように、第１〜第４の容量電極対領域が配置されている。

このような構成を有する微細電子機械素子２は、第１の端子２５１と第２の端子２５２に駆動信号が印加されると、第１〜第４の容量電極対領域を構成する固定電極と可動電極との間に電位差が生じ、この電位差に基づく静電引力によってそれぞれの可動電極が対向配置された固定電極の側にそれぞれ引き寄せられる。このとき、可動電極２３１〜２３４は、絶縁連結部材２４１により物理的に連結されているので、一体となって（連動して）変位することとなる。このように、第１〜第４の容量電極対領域における固定電極と可動電極との間隔が変化すると、第１〜第４の容量２６１〜２６４の大きさも変化する。この容量の変化を用いることにより、微細電子機械素子２は、例えばバラクタとして利用することができる。

なお、本実施の形態では、二つの容量電極対の重心が一致するように各容量電極対領域が配置されている。これにより、より高い対称性を得ることができる。このことについて、図３を用いて説明する。

従来より、微細電子機械素子では、製造上の不均一性やばらつきなどの影響により、可動電極が傾くといった現象が発生しており、このような場合には、素子の特性が変動し、対称性が劣化していた。本実施の形態に係る微細電子機械素子２では、図３Ａ，図３Ｂに示すように、可動電極が傾いた場合、図３Ａに示すように、第１の容量電極対領域の第１の容量２６１は小さくなり、第２の容量電極対領域の第２の容量２６２は大きくなるが、図３Ｂに示すように、第４の容量電極対領域の第４の容量２６４は大きくなり、第３の容量電極対領域の第３の容量２６４は小さくなる。したがって、第１の容量電極対を構成する第１，第４の容量電極対領域の容量の合計は、第２の容量電極対を構成する第２，第３の容量電極対領域の容量の合計と等しくなる。この結果、第１の端子２５１から見た微細電子機械素子２の特性と、第２の端子２５２から見た微細電子機械素子２の特性が等しくなるので、傾きが発生した場合にも高い対称性を得ることができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、絶縁連結部材２４１により可動電極２３１〜２３４を物理的に連結することにより、第１の端子２５１および第２の端子２５２に対する駆動信号の印加に応じて可動電極２３１〜２３４が一体となって（連動して）変位するので、微細電子機械素子における対称性を向上させることができる。

また、本実施の形態の微細電子機械素子２では、第１の容量電極対と第２の容量電極対を複数の領域に分割しているので、第１の容量電極対と第２の容量電極対の重心を一致させるのを容易に行うことができる。

また、本実施の形態では、第１の容量電極対と第２の容量電極対を複数の領域に分割しているので、駆動電極の移動をバランスよく行わせることができる。

［実施の形態３］
次に、本発明に係る第３の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態に係る微細電子機械素子３は、第１の実施の形態に係る微細電子機械素子１の第１の容量電極対と第２の容量電極対の間に第３の容量電極対を設けたものに相当する。

図４Ａ，図４Ｂに示すように、本実施の形態に係る微細電子機械素子３は、板状の基板３００と、この基板３００の上面に第１の方向に沿って所定間隔離間して配列された平面視略形の固定電極３０１，３０３，３０２と、基板３００上面の固定電極３０１，３０３，３０２を挟む位置および固定電極３０１，３０３，３０２の配列方向に対して直交する方向における固定電極３０３の近傍に配設され、鉛直上方に延在する柱状の支持部３１１〜３１３と、一端が支持部３１１の上端に支持され支持部３１２の上端に向かって延在するバネ部３２１と、一端が支持部３１２の上端に支持され支持部３１１の上端に向かって延在するバネ部３２２と、一端が支持部３１３の上端に支持され水平面内において固定電極３０３に向かって延在するバネ部３２３と、バネ部３２１の他端が接続され固定電極３０１と対向配置されその固定電極３０１と同等の形状を有する可動電極３３１と、バネ部３２２の他端が接続され固定電極３０２と対向配置されその固定電極３０２と同等の形状を有する可動電極３３２と、一端が絶縁連結部材３４１を介して可動電極３３１に、他端が絶縁連結部材３４２を介して可動電極３３２に接続され、固定電極３０３と対向配置されその固定電極３０３と同等の形状を有する可動電極３３３とを備えている。
ここで、第１の容量電極対を構成する固定電極３０１および第２の容量電極対の一部を構成する支持部３１２は、第１の端子３５１に接続されている。また、第２の容量電極対を構成する固定電極３０２および第１の容量電極対の一部を構成する支持部３１１は、第２の端子３５２に接続されている。また、固定電極３０３は第３の端子３５３に、支持部３１３は第４の端子３５４に接続されている。

基板３００は、例えば表面にシリコン酸化膜などの絶縁膜を形成したシリコン基板や、アルミナ基板、ガラス基板などの絶縁物から構成され、固定電極３０１〜３０３および支持部３１１〜３１３をそれぞれ絶縁している。

固定電極３０１〜３０３、支持部３１１〜３１３、バネ部３２１〜３２３、可動電極３３１〜３３３は、例えば、Au、Al、Cu、Niなどの導電性を有する部材から構成されている。
ここで、固定電極３０１は、本発明における第１の電極として作用する。また、固定電極３０２は、本発明における第３の電極として作用する。また、可動電極３３１は、本発明における第２の電極として作用する。また、可動電極３３２は、本発明における第４の電極として作用する。

絶縁連結部材３４１，３４２は、例えば、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜などの絶縁材料から構成され、可動電極３３１〜３３３と一体となってそれらを物理的に連結している。このような絶縁連結部材３４１，３４２は、剛体として作用するのが望ましい。

このような微細電子機械素子３は、公知のマイクロマシン技術を利用して膜の積層や加工を行うことによって作製できる。

本実施の形態に係る微細電子機械素子３において、対向配置された固定電極３０１と可動電極３３１は、第１の容量電極対を構成しており、これらの間には第１の容量が形成されている。また、対向配置された固定電極３０２と可動電極３３２は、第２の容量電極対を構成しており、これらの間には第２の容量が形成されている。さらに、対向配置された固定電極３０３と可動電極３３３とは、駆動電極対を構成する。

このような微細電子機械素子３において、第３の端子３５３と第４の端子３５４の間に電圧を印加すると、駆動電極対を構成する固定電極３０３と可動電極３３３の間に静電引力が生じ、可動電極３３３が固定電極３０３の方に引き寄せられる。このとき、可動電極３３３には絶縁連結部材３４１，３４２を介して可動電極３３１，３３２が機械的に接続されているので、可動電極３３３の移動に伴って可動電極３３１，３３２も一体となって（連動して）固定電極３０１，３０２の方に向かって移動する。これにより、固定電極３０１と可動電極３３１との間隔および固定電極３０２と可動電極３３２との間隔が変化するので、第１の容量や第２の容量の大きさも変化することとなる。

図８Ａ，図８Ｂに示したＭＥＭＳバラクタ１０００の場合では、駆動電極対を有しないので、図８Ｃに示したように、第１の端子１００８と第２の端子１００９に、交流信号と重畳して駆動バイアス電圧を印加する必要がある。このため、第１の端子１００８と第２の端子１００９に駆動バイアス電圧を印加するための回路を接続しなければならず、この回路の影響によって、対称性が劣化することがあった。これに対して、本実施の形態に係る微細電子機械素子３では、第１および第２の容量電極対に加えて、固定電極３０３と可動電極３３３から構成される駆動電極対を有するので、対称性を劣化させることなく、駆動電極対に対する駆動電圧の印加によって容量の変化を実現することができる。

また、本実施の形態では、第１および第２の容量電極対および駆動電極対という３つの電極対を備えているので、駆動電極をバランスよく移動させることができる。

［第４の実施の形態］
次に、本発明に係る第４の実施の形態について説明する。

図５Ａ〜図５Ｃに示すように、本実施の形態に係る微細電子機械素子４は、板状の基板４００と、この基板４００上に設けられた固定電極４０１〜４０５と、基板４００上に設けられた支持部４１１〜４１８と、この支持部４１１〜４１８に一端が支持されたバネ部４２１〜４２８と、固定電極４０１〜４０５と対向配置された可動電極４３１〜４３５と、絶縁連結部材４４１〜４４４とを備えている。固定電極４０２，４０４および支持部４１４，４１８は、第１の端子４５１に接続されている。また、固定電極４０３，４０５および支持部４１２，４１６は、第２の端子４５２に接続されている。また、固定電極４０１は第３の端子４５３に、支持部４１１は第４の端子４５４に接続されている。

基板４００は、例えば表面にシリコン酸化膜などの絶縁膜を形成したシリコン基板や、アルミナ基板、ガラス基板などの絶縁物から構成され、固定電極４０１〜４０５および支持部４１１〜４１８をそれぞれ絶縁している。

固定電極４０１は、円形の形状を有し、基板４００上面の略中央部に配設される。一方、固定電極４０２〜４０５は、固定電極４０１と同心の円を４等分した略扇形の形状を有し、固定電極４０１の周囲に固定電極４０１の中心に対してそれぞれが点対称にとなるよう所定間隔離間して配置される。ここで、固定電極４０２は、本発明における第１の電極を分割したものとして作用する。また、固定電極４０３は、本発明における第３の電極を分割したものとして作用する。また、固定電極４０４は、本発明における第１の電極を分割したものとして作用する。また、固定電極４０５は、本発明における第３の電極を分割したものとして作用する。
このような固定電極４０１〜４０５は、例えば、Au、Al、Cu、Niなどの導電性を有する部材から構成されている。

支持部４１１〜４１８は、鉛直上方に延在する柱状の形状を有し、基板４００上面の固定電極４０２〜４０５の外側に、固定電極４０１の中心に対して点対称にそれぞれ所定間隔離間して配置される。このような支持部４１１〜３１８は、例えば、Au、Al、Cu、Niなどの導電性を有する部材から構成されている。

バネ部４２１〜４２８は、一端が支持部４１１〜４１８の上端に支持され、その支持部と対向配置された支持部の上端に向かって延在する。このようなバネ部４２１〜４２８は、例えば、Au、Al、Cu、Niなどの導電性を有する部材から構成されている。

可動電極４３１は、固定電極４０１と同等の形状を有し、バネ部４２１，４２３，４２５，４２７の他端が接続され、固定電極４０１と対向配置されている。
また、可動電極４３２は、固定電極４０２と同等の形状を有し、弧の中央部にバネ部４２２の他端が接続され、弧の部分を除く周囲が絶縁連結部材４４１によりバネ部４２１，４２３および可動電極４３１と連結されて、固定電極４０２と対向配置され、本発明における第２の電極を分割したものとして作用する。
また、可動電極４３３は、固定電極４０３と同等の形状を有し、弧の中央部にバネ部４２４の他端が接続され、弧の部分を除く周囲が絶縁連結部材４４２によりバネ部４２３，４２５および可動電極４３１と連結されて、固定電極４０３と対向配置され、本発明における第４の電極を分割したものとして作用する。
また、可動電極４３４は、固定電極４０４と同等の形状を有し、弧の中央部にバネ部４２６の他端が接続され、弧の部分を除く周囲が絶縁連結部材４４３によりバネ部４２５，４２７および可動電極４３１と連結されて、固定電極４０４と対向配置され、本発明における第２の電極を分割したものとして作用する。
また、可動電極４３５は、固定電極４０５と同等の形状を有し、弧の中央部にバネ部４２８の他端が接続され、弧の部分を除く周囲が絶縁連結部材４４４によりバネ部４２７，４２１および可動電極４３１と連結されて、固定電極４０５と対向配置され、本発明における第４の電極を分割したものとして作用する。
このような可動電極４３１〜４３５は、例えば、Au、Al、Cu、Niなどの導電性を有する部材から構成されている。

また、絶縁連結部材４４１〜４４５は、例えば、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜などの絶縁材料から構成されており、可動電極４３１〜４３５と一体となってそれらを物理的に連結している。このような絶縁連結部材４４１〜４４５は、剛体として作用するのが望ましい。

このような微細電子機械素子４は、公知のマイクロマシン製造技術を利用して、成膜や選択的エッチング等を行うことによって作製できる。

本実施の形態に係る微細電子機械素子４において、対向配置された固定電極４０２と可動電極４３２は、第１の容量電極対領域を構成しており、これらの間には第１の容量が形成されている。同様に、対向配置された固定電極４０３と可動電極４３３、固定電極４０４と可動電極４３４、固定電極４０５と可動電極４３５は、第２〜第４の容量電極対領域を構成しており、それらの間には第２〜第４の容量が形成されている。このような第１〜第４の容量電極対領域のうち、固定電極４０１を挟んで対向配置された、第１，第３の容量電極対領域は第１の容量電極対を構成し、第２，第４の容量電極対領域は第２の容量電極対を構成する。このような第１の容量電極対と第２の容量電極対は、それぞれが有する固定電極および可動電極の面積が等しくなるように形成されている。また、第１の容量電極対の重心と、第２の容量電極対の重心が一致するように、第１〜第４の容量電極対領域が配置されている。
一方、対向配置された固定電極４０１と可動電極４３１は、駆動電極対を構成する。

このような微細電子機械素子４において、第３の端子４５３と第４の端子４５４の間に電圧を印加すると、駆動電極対を構成する固定電極４０１と可動電極４３１の間に静電引力が生じ、可動電極４３１が固定電極４０１の方に引き寄せられる。このとき、可動電極４３１には絶縁連結部材４４１〜４４４を介して可動電極４３２〜４４５が機械的に接続されているので、可動電極４３１の移動に伴って可動電極４３２〜４４５も可動電極４３１と一体となって（連動して）固定電極４０２〜４０５の方に向かって移動する。これにより、第１〜第４の容量電極対領域の固定電極と可動電極の間隔が変化するので、第１〜第４の容量の大きさも変化することとなる。

このとき、本実施の形態に係る微細電子機械素子４では、上述した第２の実施の形態と同様に、第１の容量電極対と第２の容量電極対がそれぞれ二つの容量電極対領域によって構成されていおり、それらの容量電極対は、各々の重心が一致するように配置されている。これにより、製造上の不均一性やばらつきにより第１の容量と第２の容量の値に差が生じるのを防ぐことができる。

また、微細電子機械素子４は、駆動電極対を備えており、この駆動電極対は、その重心が第１の容量電極対および第２の容量電極対の重心と一致するように配置されている。これにより、駆動電極対に電圧を印加して変位させた際に、電極の傾きなどが発生しても、第１〜第４の容量の変化を均一化することが可能となり、微細電子機械素子としての対称性を向上させることができる。

また、本実施の形態では、４つの容量電極対領域を備えているので、駆動電極の移動をバランス良く行わせることができる。

なお、本実施の形態では、固定電極および可動電極全体の形状を円形とした場合を例に説明したが、電極の形状は円形に限定されず、例えば、四角形や台形など、適宜自由に設定することができる。

［第５の実施の形態］
次に、本発明に係る第５の実施の形態について説明する。

図６に示すように、本実施の形態に係る微細電子機械素子５は、板状の基板５００と、この基板５００の上面に形成され、本発明における第１の電極として作用する円形の固定電極５０１と、この固定電極５０１の周囲に形成され、本発明における第３の電極として作用する平面視略Ｃの字の形状を有する固定電極５０２と、固定電極５０１の中心および固定電極５０２の間隙とを通る直線上の固定電極５０１，５０２を挟む位置に配設され鉛直上方に延在する一対の柱状の支持部５１１，５１２と、一端が支持部５１１の上端に支持され支持部５１２の上端に向かって延在するバネ部５２１と、一端が支持部５１２の上端に支持され支持部５１１の上端に向かって延在するバネ部５２２と、固定電極５０１と同等の形状を有し、バネ部５２２の他端が接続され固定電極５０１と対向配置され、本発明における第２の電極として作用する可動電極５３１と、固定電極５０２と同等の形状を有し、バネ部の他端が間隙の反対側に接続されて鉛直方向から見たときに固定電極５０２と重なり合うように固定電極５０２と対向配置され、本発明における第４の電極として作用する可動電極５３２と、可動電極５３１と可動電極５３２の間に設けられこれらを接続する絶縁連結部材５４１とを備えている。ここで、第１の容量電極対を構成する固定電極５０１と第２の容量電極対の一部を構成する支持部５１１とは、基板５００に設けられた電気配線を介して第１の端子５５１に接続されている。また、第２の容量電極対を構成する固定電極５０２と第１の容量電極対の一部を構成する支持部５１２とは、基板５００に設けられた電気配線を介して第２の端子５５２に接続されている。

基板５００は、例えば表面にシリコン酸化膜などの絶縁膜を形成したシリコン基板や、アルミナ基板、ガラス基板などから構成され、固定電極５０１，５０２および支持部５１１，５１２をそれぞれ絶縁している。

固定電極５０１，５０２、支持部５１１，５１２、バネ部５２１，５２２、可動電極５３１，５３２は、例えば、Au、Al、Cu、Niなどの導電性を有する部材から構成されている。

絶縁連結部材５４１は、例えば、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜などの絶縁材料から構成され、可動電極５３１，５３２と一体となって両者を物理的に連結しているこのような絶縁連結部材５４１は、剛体として作用するのが望ましい。

このような微細電子機械素子５は、公知のマイクロマシン技術を利用して膜の積層や加工を行うことによって作製できる。

このような微細電子機械素子５において、対向配置された固定電極５０１と可動電極５３１は、第１の容量電極対を構成しており、これらの間には第１の容量が形成される。同様に、対向配置された固定電極５０２と可動電極５３２は、第２の容量電極対を構成しており、これらの間には第２の容量が形成される。

第１の容量電極対と第２の容量電極対は、それぞれが有する固定電極および可動電極の面積が等しくなり、かつ、鉛直方向から見たときの重心が一致するように形成されている。

このような微細電子機械素子５において、第１の端子５５１と第２の端子５５２の間に電圧を印加すると、第１の容量電極対を構成する固定電極５０１と可動電極５３１の間、および、第２の容量電極対を構成する固定電極５０２と可動電極５３２の間に静電引力が生じる。このとき、可動電極５３１および可動電極５３２は、絶縁連結部材５４１により物理的に連結されているので、一体となって（連動して）変位することとなる。このように第１の容量電極対の電極間の間隔や第２の容量電極対の電極間の間隔が変化すると、それぞれの容量も変化する。この容量の変化を用いることにより、微細電子機械素子５は、例えばバラクタとして利用することができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、絶縁連結部材５４１により可動電極５３１，５３２を物理的に連結することにより、第１の端子５５１および第２の端子５５２に対する駆動信号の印加に応じて可動電極５５１，５５２が同様に変位するので、微細電子機械素子における対称性を向上させることができる。
また、本実施の形態では、上述した第４の実施の形態等のように必ずしも容量電極対が複数の領域に分割されていなくて、第４の実施の形態等と同等の作用効果を実現することができる。

［第６の実施の形態］
次に、本発明に係る第６の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態に係る微細電子機械素子６は、上述した第２の実施の形態に係る微細電子機械素子２における可動電極２３２と可動電極２３３とを連結したものである。したがって、本実施の形態において、第２の実施の形態と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付し、適宜説明を省略する。

図７に示すように、本実施の形態に係る微細電子機械素子６は、板状の基板２００と、基板２００の上面に配置された固定電極２０１，６０１，２０４と、基板２００の正面に設けられた支持部２１１〜２１４と、一端が支持部２１１〜２１４の上端に支持されたバネ部２２１〜２２４と、このバネ部２２１〜２２４の他端が接続された可動電極２３１，６＃１，２３４と、この可動電極２３１，６３１，２３４を連結する絶縁連結部材６４１，６４２とを備えている。ここで、固定電極２０１、支持部２１２、支持部２１３および固定電極２０４は、基板２００に設けられた電気配線を介して第１の端子２５１に接続されている。同様に、固定電極６０１、支持部２１１および支持部２１４は、基板２００に設けられた電気配線を介して第２の端子２５２に接続されている。

ここで、固定電極６０１は、第２の実施の形態における固定電極２０２および固定電極の隣接する角部を直線状の部材で連結した形状を有し、本発明における第２の電極として作用する。
また、可動電極６３１は、固定電極６０１と同等の形状を有し、本発明における第４の電極として作用する。

絶縁連結部材６４１は、平面視略Ｌの字状の形状を有し、隣り合う可動電極２３１，６０１を所定間隔離間させた状態で連結する。
絶縁連結部材６４２は、平面視略Ｌの字状の形状を有し、隣り合う可動電極２３４，６０１を所定間隔離間させた状態で接続する。
したがって、絶縁連結部材６４１，６４２は、可動電極２３１，２３４，６０１と一体となってそれらを物理的に連結することとなる。このような絶縁連結部材６４１，６４２は、剛体として作用するのが望ましい。

このような微細電子機械素子６において、対向配置された固定電極２０１と可動電極２３１は、第１の容量電極対領域を構成しており、これらの間には第１の容量が形成されている。また、固定電極２０４と可動電極２３４は、第２の容量電極対領域を構成しており、これらの間には第２の容量が形成されている。これらの第１，第２の容量電極対領域は、第１の容量電極対を構成する。
一方、対向配置された固定電極６０１と可動電極６３１は、駆動電極対第２の容量電極対を構成している。これらの間には、第３の容量が形成されている。

ここで、第１の容量電極対と第２の容量電極対は、それぞれが有する固定電極および可動電極の面積が等しくなるように形成されている。また、第１の容量電極対の重心と、第２の容量電極対の重心が一致するように、第１〜第４の容量電極対領域が配置されている。

このような構成を有する微細電子機械素子６は、第１の端子２５１と第２の端子２５２に駆動信号が印加されると、第１〜第３の容量電極対領域を構成する固定電極と可動電極との間に電位差が生じ、この電位差に基づく静電引力によってそれぞれの可動電極が対向配置された固定電極の側にそれぞれ引き寄せられる。このとき、可動電極２３１，６３１，２３４は、絶縁連結部材６４１，６４２により物理的に連結されているので、連動して変位することとなる。このように、第１，第２の容量電極対に含まれる固定電極と可動電極との間隔が変化すると、第１〜第３の容量の大きさも変化する。この容量の変化を用いることにより、微細電子機械素子６は、例えばバラクタとして利用することができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、絶縁連結部材６４１，６４２により可動電極２３１，６３１，２３４を物理的に連結することにより、第１の端子２５１および第２の端子２５２に対する駆動信号の印加に応じて可動電極２３１，６３１，２３４が同様に変位するので、微細電子機械素子における対称性を向上させることができる。
また、本実施の形態では、上述した構成を採っても、第２の実施の形態と同等の作用効果を得ることができる。したがって、容量電極対が複数存在する場合において、各容量電極対の容量電極対領域を構成する固定電極や可動電極が、容量電極対領域毎にそれぞれ分割されていなくてもよい。

本発明は、ＭＥＭＳバラクタなどＭＥＭＳ技術を利用した各種微細電子機械素子に適用することができる。

１〜６…微細電子機械素子、１０１…基板、１０２，１０３…固定電極、１０４，１０５…支持部、１０６，１０７…バネ部、１０８，１０９…可動電極、１１０…絶縁連結部材，１１１，１１２…端子、１１３…第１の容量、１１４…第２の容量、２００…基板、２０１〜２０４…固定電極、２１１，２１２…支持部、２２１〜２２４…バネ部、２３１〜２３４…可動電極、２４１…絶縁連結部材、２５１…第１の端子、２５２…第２の端子、２６１〜２６４…第１〜第４の容量、３００…基板、３０１〜３０３…固定電極、３１１〜３１３…支持部、３２１〜３２３…バネ部、３３１〜３３３…可動電極、３４１，３４２…絶縁連結部材、３５１〜３５４…第１〜第４の端子、４００…基板、４０１〜４０５…固定電極、４１１〜４１８…支持部、４２１〜４２８…バネ部、４３１〜４３５…可動電極、４４１〜４４４…絶縁連結部材、４５１〜４５４…第１〜第４の端子、５００…基板、５０１，５０２…固定電極、５１１，５１２…支持部、５２１，５２２…バネ部、５３１，５３２…可動電極、５４１…絶縁連結部材、５５１…第１の端子、５５２…第２の端子、６０１…固定電極、６３１…可動電極。

Claims (6)

1. 第１の電極と、
   この第１の電極と自身とを結ぶ方向に移動可能に支持された状態で前記第１の電極と対向配置され、前記第１の電極と第１の容量電極対を構成する第２の電極と、
   この第２の電極と電気的に接続された第３の電極と、
   前記第１の電極と電気的に接続され、前記第３の電極と自身とを結ぶ方向に移動可能に支持された状態で前記第３の電極と対向配置され、前記第２の電極と電気的に絶縁された状態で物理的に連結され、前記第３の電極と第２の容量電極対を構成する第４の電極と
   を少なくとも備えることを特徴とする微細電子機械素子。
2. 請求項１記載の微細電子機械素子において、
   前記第１の容量電極対と前記第２の容量電極対とは、それぞれに含まれる電極の面積が互いに等しく、かつ、それぞれに含まれる電極の重心が互いに平面視において一致する
   ことを特徴とする微細電子機械素子。
3. 請求項１または２記載の微細電子機械素子において、
   前記第１の容量電極対および前記第２の容量電極対のうち少なくとも一方を構成する２つの電極は、それぞれ複数に分割され、
   前記第２の電極および前記第４の電極は、物理的に連結されている
   ことを特徴とする請求項１または２記載の微細電子機械素子。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載された微細電子機械素子において、
   第５の電極と、
   この第５の電極と自身とを結ぶ方向に移動可能に支持された状態で前記第５の電極と対向配置され、前記第２の電極および前記第４の電極と電気的に絶縁された状態で物理的に連結され、前記第５の電極と駆動電極対を構成する第６の電極と
   をさらに備えることを特徴とする微細電子機械素子。
5. 請求項４記載の微細電子機械素子において、
   前記駆動電極対の重心は、前記第１の容量電極対の重心および前記第２の容量電極対の重心と平面視において一致する
   ことを特徴とする微細電子機械素子。
6. 請求項１乃至５の何れか１項に記載の微細電子機械素子において、
   前記第１の電極および前記第２の電極が上面に固定された基板と、
   この基板の上面から突出した導電性を有する支持部と、
   一端が前記支持部の上端に支持され、他端が前記第２の電極または前記第４の電極に接続された導電性を有するバネ部と、
   前記基板に設けられ、前記支持部およびバネ部を介して前記第２の電極または前記第４の電極に接続された配線と
   をさらに備えることを特徴とする微細電子機械素子。
   

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