JP2011044556A - プログラマブルアクチュエータ及びそのプログラミング方法 - Google Patents

プログラマブルアクチュエータ及びそのプログラミング方法 Download PDF

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Abstract

【課題】プログラム機能を有する静電型ＭＥＭＳアクチュエータを実現する。
【解決手段】本発明の例に係るプログラマブルアクチュエータは、第１駆動電極３Ａを含む可動部１と、第１駆動電極３Ａに対向し、第１及び第２部分５ａ，５ｂから構成される第２駆動電極３Ｂと、第２駆動電極３Ｂの第１部分５ａと第１駆動電極３Ａとの間に第１電位差を発生させることにより両電極を電気的に接触させない状態で可動部１を複数回動作可能にする第１駆動回路６ａと、第２駆動電極３Ｂの第２部分５ｂと第１駆動電極３Ａとの間に第２電位差を発生させることにより両電極を電気的に接触させた状態で可動部１を固定可能にする第２駆動回路６ｂとを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、プログラマブルアクチュエータ及びそのプログラミング方法に関する。
ＭＥＭＳ(Micro-Electro-Mechanical Systems)アクチュエータは、可変容量素子、スイッチ素子などに使用される。この場合、ＭＥＭＳアクチュエータには、出荷後に、可動部(moving part)の安定した繰り返し動作が要求される。
これに対し、ＭＥＭＳアクチュエータを、出荷前の容量値や抵抗値などのトリミングに使用する用途も検討されている。この場合、ＭＥＭＳアクチュエータには、可動部の安定した繰り返し動作と、容量値や抵抗値などを記憶する機能とが要求される。
以下、容量値をトリミングするトリマーコンデンサについて説明する。
トリマーコンデンサは、水晶発振器やキーレスエントリーシステムなどにおいて、出荷前に出力周波数を規定の範囲内に収めるために使用される。
トリマーコンデンサの第一例は、半円状の電極を駆動回路などで回転させることにより容量値を可変かつ記憶する（例えば、特許文献１を参照）。しかし、このタイプは、サイズが大きく、かつ、振動や熱などにより容量値が変化し易い。
トリマーコンデンサの第二例は、レーザーにより電極の一部を除去することにより容量値を可変かつ記憶する（例えば、特許文献２を参照）。これは、レーザートリマブルコンデンサと呼ばれる。しかし、このタイプは、レーザー光源を含む大掛かりなシステムが必要になる。また、レーザーによる電極の除去は、不可逆工程であるため、電極を削り過ぎたときは二度と元の容量値に戻せない。
このような状況の下、静電力により可動部を駆動する静電型ＭＥＭＳアクチュエータ（例えば、非特許文献１を参照）を出荷前の容量値や抵抗値などのトリミングに使用することが検討されている。
この場合、静電型ＭＥＭＳアクチュエータには、静電力（引力／斥力）による可動部の安定した繰り返し動作と共に、その後、静電力により可動部を所定の位置に動かすことにより容量値を記憶する、という機能が要求される。
しかし、静電力により可動部を所定の位置に動かし、その位置を維持するためには、静電力を与え続けなければならない。
そこで、静電力を用いずに、その状態（例えば、容量値、スイッチのオン／オフなど）を記憶できるプログラム機能を有する静電型ＭＥＭＳアクチュエータの開発が望まれている。
特開２００１−１８５４５０号公報 特開平１０−８３９３６号公報
High-Power High-Reliability High-Q Switched RF MEMS Capacitors, Grichener.A, Merrier.D and Rebeiz.G.M., 2006 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, pp31-34
本発明は、プログラム機能を有する静電型ＭＥＭＳアクチュエータを提案する。
(1) 本発明の例に係るプログラマブルアクチュエータは、第１駆動電極を含む可動部と、前記第１駆動電極に対向し、第１及び第２部分から構成される第２駆動電極と、前記第２駆動電極の前記第１部分と前記第１駆動電極との間に第１電位差を発生させることにより両電極を電気的に接触させない状態で前記可動部を複数回動作可能にする第１駆動回路と、前記第２駆動電極の前記第２部分と前記第１駆動電極との間に第２電位差を発生させることにより両電極を電気的に接触させた状態で前記可動部を固定可能にする第２駆動回路とを備える。
本発明の例に係わるプログラミング方法は、前記第２駆動電極の前記第２部分と前記第１駆動電極とを電気的に接触させた状態で両電極の間に電流を流し、前記第２駆動電極の前記第２部分と前記第１駆動電極とを電気的に接触させた状態で前記可動部を固定する。
(2) 本発明の例に係るプログラマブルアクチュエータは、第１駆動電極を含む可動部と、前記第１駆動電極に対向する第２駆動電極と、前記第２駆動電極の前記第１駆動電極側の面上に部分的に配置される絶縁層と、前記第１及び第２駆動電極間に第１電位差を発生させることにより両電極を電気的に接触させない状態で前記可動部を複数回動作可能にし、前記第１及び第２駆動電極間に前記第１電位差よりも大きい第２電位差を発生させることにより両電極を電気的に接触させた状態で前記可動部を固定可能にする駆動回路とを備える。
本発明によれば、プログラム機能を有する静電型ＭＥＭＳアクチュエータを実現できる。
基本構成を示す図。 プログラミング方法を示す図。 第１実施形態を示す平面図。 図３のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図。 図３のＶ−Ｖ線に沿う断面図。 下部駆動電極を示す図。 下部駆動電極を示す図。 通常動作を示す図。 プログラミング動作を示す図。 第２実施形態を示す図。 容量バンクを示す図。 バンクのバイアス関係を示す図。 共通化されたバイアス線を示す図。 第３実施形態を示す図。 通常動作を示す図。 プログラミング動作を示す図。 第４実施形態を示す図。 下部駆動電極を示す図。 下部駆動電極を示す図。 通常動作を示す図。 プログラミング動作を示す図。 第５実施形態を示す図。 プログラマブルインダクタを示す図。 プログラマブルレジスタを示す図。 第６実施形態を示す図。
以下、図面を参照しながら、本発明の例を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
１． 基本構成
本発明は、例えば、出荷前に容量値や抵抗値などのトリミングを行うために、プログラム機能を有する静電型ＭＥＭＳアクチュエータを提案する。
プログラム機能を有する、とは、可動部を永久的に固定することができることを意味する。通常の静電型ＭＥＭＳアクチュエータは、可動部を永久的に固定するということはないため、本発明に係わる静電型ＭＥＭＳアクチュエータは、これと区別する意味で、プログラマブルアクチュエータと称することにする。
永久的な固定とは、一度固定したら、その後、静電力などの力をなくしたり又は与えたりしても元に戻らない不可逆的動作を意味する。従って、例えば、ＭＥＭＳの通常動作時の静電力などによる一時的な固定は、永久的な固定とは言わない。また、永久的な固定は、通常動作時以外に非常に大きな力が与えられた場合に固定が解除されることを排除するものではない。
本発明に係わるプログラマブルアクチュエータの基本構成について説明する。
図１は、プログラマブルアクチュエータの基本構成を示している。
可動部１は、第１信号電極２Ａ、第１駆動電極３Ａ及びこれらを結合する絶縁体４から構成される。第２信号電極２Ｂは、第１信号電極２Ａに対向し、第２駆動電極３Ｂは、第１駆動電極３Ａに対向する。
第２駆動電極３Ｂは、第１及び第２部分５ａ，５ｂから構成される。
第１駆動回路６ａは、第２駆動電極３Ｂの第１部分５ａに接続され、第２駆動回路６ｂは、第２駆動電極３Ｂの第２部分５ｂに接続される。
第１駆動回路６ａは、第２駆動電極３Ｂの第１部分５ａと第１駆動電極３Ａとの間に第１電位差（静電力）を発生させることにより、両者を接触させない状態で可動部１を複数回動作させる。
また、第２駆動回路６ｂは、第２駆動電極３Ｂの第２部分５ｂと第１駆動電極３Ａとの間に第２電位差（静電力）を発生させることにより、両者を接触させた状態で可動部１を固定する。
このような構成によれば、出荷前のトリミング時に、第１駆動回路６ａにより可動部１を複数回動作させることができると共に、第２駆動回路６ｂにより第１駆動電極３Ａを第２部分５ｂに接触させた状態で可動部１を固定することもできる。
従って、静電型ＭＥＭＳアクチュエータにプログラム機能を持たせることができ、例えば、出荷前のトリミングが可能になる。また、静電型ＭＥＭＳアクチュエータを基本とするため、小型化、低コスト化も可能である。
尚、図１の基本構成においては、上下／左右の位置関係に制限はない。例えば、電極２Ａ，３Ａと電極２Ｂ，３Ｂとは、上下の関係にあってもよく、左右の関係にあってもよい。この場合、どちらが上（又は左）でも、下（又は右）でもよい。
図２は、図１のプログラマブルアクチュエータのプログラミング方法を示している。
まず、第１駆動回路６ａにより可動部１を複数回動作させる（ステップＳＴ１）。
ここで、例えば、出荷前に容量値のトリミングを行う際には、複数のプログラマブルアクチュエータをグループ化し、バンクを構成する。そして、バンク内の各アクチュエータを駆動させ、様々な容量値を作成し、そのなかから最適値を選択する。
この様々な容量値を作成するために可動部１の複数回動作が必要になる。
次に、第２駆動回路６ｂにより第２駆動電極３Ｂの第２部分５ｂと第１駆動電極３Ａとを接触させた状態で両者の間に電流を流す（ステップＳＴ２）。
第２駆動電極３Ｂの第２部分５ｂと第１駆動電極３Ａとを接触させる方法は、以下の通りである。
例えば、第１駆動回路６ａを用いて第２駆動電極３Ｂの第１部分５ａと第１駆動電極３Ａとの間に電位差（静電力）を発生させてもよいし、第２駆動回路６ｂを用いて第２駆動電極３Ｂの第２部分５ｂと第１駆動電極３Ａとの間に電位差（静電力）を発生させてもよい。また、両者を併用してもよい。
次に、第２駆動電極３Ｂの第２部分５ｂと第１駆動電極３Ａとを接触させた状態で可動部１を固定する（ステップＳＴ３）。
この固定は、第１駆動電極３Ａを第２部分５ｂに固定することで実現する。例えば、第２駆動電極３Ｂの第２部分５ｂと第１駆動電極３Ａとの間に流す電流の値を、両者が発熱により部分的に溶解する程度にすればよい。
また、可動部１の固定は、ファンデルワールス力やカシミア力などにより実現させてもよい。
このような方法によれば、簡単かつ低コストで、プログラマブルアクチュエータに対するプログラミングを実行することができる。
２． 実施形態
(1) 第１実施形態
A. デバイス構造
図３は、プログラマブルアクチュエータの平面図を示している。図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図、図５は、図３のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。
半導体基板１１は、例えば、シリコン基板である。半導体基板１１上には、絶縁層１２が配置される。絶縁層１２は、例えば、酸化シリコンから構成される。
絶縁層１２上には、下部信号電極(lower signal electrode)１３、下部駆動電極(lower drive electrode)１４ａ，１４ｂ、及び、導電層２０ａ，２０ｂ，２２が配置される。
下部信号電極１３は、絶縁層１５により覆われる。
下部駆動電極１４ａ，１４ｂは、第１部分２３及び第２部分２４から構成される。第１部分２３及び第２部分２４は、交互に配置され、第１部分２３は、絶縁層１５により覆われる。
下部駆動電極１４ａの平面形状は、例えば、図６に示すようになり、下部駆動電極１４ｂの平面形状は、例えば、図７に示すようになる。
下部信号電極１３の上部には、下部信号電極１３に対向する上部信号電極(upper signal electrode)１６が配置される。
下部駆動電極１４ａ，１４ｂの上部には、下部駆動電極１４ａ，１４ｂに対向する上部駆動電極(upper drive electrode)１７ａ，１７ｂが配置される。
上部信号電極１６及び上部駆動電極１７ａ，１７ｂは、絶縁体１８により互いに結合される。可動部２５は、上部信号電極１６、上部駆動電極１７ａ，１７ｂ及びこれらを結合する絶縁体１８により構成される。
上部信号電極１６は、アンカー２１を介して、導電層２２に接続される。
上部駆動電極１７ａの一端は、アンカー１９ａを介して導電層２０ａに接続される。上部駆動電極１７ｂの一端は、アンカー１９ｂを介して導電層２０ｂに接続される。
ここで、ＮＡは、第１駆動回路（図１の第１駆動回路６ａに相当）により生成される電位であり、ＮＢは、第２駆動回路（図１の第２駆動回路６ｂに相当）により生成される電位である。
また、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第１部分２３と第２部分２４とに対しては、独立に電位をバイアスすることができる。
ところで、この構造は、プログラマブルアクチュエータをプログラマブルコンデンサとして使用する場合に相当する。例えば、プログラマブルアクチュエータをプログラマブルスイッチとして使用する場合には、図３乃至図７の構造において、下部信号電極１３を覆う絶縁層１５を取り除けばよい。
B. 通常動作
図８は、プログラマブルアクチュエータの通常動作を示している。
通常動作とは、可動部が固定されていない状態での動作のことである。
初期状態では、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第１部分２３の電位ＮＡは、０Ｖ、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第２部分２４の電位ＮＢは、０Ｖ、上部駆動電極１７ａ，１７ｂの電位Ｖａｃｔは、０Ｖに設定される。
この時、下部信号電極と上部信号電極との距離は最大になるため、例えば、プログラマブルコンデンサとしての容量は、最小値となり、また、プログラマブルスイッチとしての状態は、オフ状態になる。
可動部を駆動する駆動状態では、例えば、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第１部分２３の電位ＮＡは、０Ｖ、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第２部分２４の電位ＮＢは、Ｖａｃｔ又はフローティング、上部駆動電極１７ａ，１７ｂの電位Ｖａｃｔは、２０Ｖに設定される。
この時、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第１部分２３と上部駆動電極１７ａ，１７ｂとの間に静電引力が発生するため、上部駆動電極１７ａ，１７ｂは、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第１部分２３に引き寄せられる。
その結果、下部信号電極と上部信号電極との距離は最小又は零（接触状態）になるため、例えば、プログラマブルコンデンサとしての容量は、最大値となり、また、プログラマブルスイッチとしての状態は、オン状態になる。
以上の動作は、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第１部分２３と上部駆動電極１７ａ，１７ｂとを接触させない状態で行われるため、ＮＡ、ＮＢ及びＶａｃｔの値を制御することにより、安定して、複数回行うことができる。
尚、可動部を駆動する駆動状態では、例えば、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第１部分２３の電位ＮＡを、２０Ｖとし、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第２部分２４の電位ＮＢ及び上部駆動電極１７ａ，１７ｂの電位Ｖａｃｔを、０Ｖにしてもよい。
C. プログラミング動作
図９は、プログラマブルアクチュエータのプログラミング動作を示している。
プログラミング動作とは、可動部を固定する動作のことである。
第１ステップでは、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第１部分２３の電位ＮＡは、０Ｖ、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第２部分２４の電位ＮＢは、０Ｖ、上部駆動電極１７ａ，１７ｂの電位Ｖａｃｔは、０Ｖに設定される。
この時、下部信号電極と上部信号電極との距離は最大になるため、例えば、プログラマブルコンデンサとしての容量は、最小値となり、また、プログラマブルスイッチとしての状態は、オフ状態になる。
第２ステップでは、例えば、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第１部分２３の電位ＮＡは、０Ｖ、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第２部分２４の電位ＮＢは、Ｖａｃｔ又はフローティング、上部駆動電極１７ａ，１７ｂの電位Ｖａｃｔは、２０Ｖに設定される。
この時、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第１部分２３と上部駆動電極１７ａ，１７ｂとの間に静電引力が発生するため、上部駆動電極１７ａ，１７ｂは、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第１部分２３に引き寄せられる。
その結果、下部信号電極と上部信号電極との距離は最小又は零（接触状態）になるため、例えば、プログラマブルコンデンサとしての容量は、最大値となり、また、プログラマブルスイッチとしての状態は、オン状態になる。
第３ステップでは、例えば、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第１部分２３の電位ＮＡは、０Ｖ、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第２部分２４の電位ＮＢは、０Ｖ、上部駆動電極１７ａ，１７ｂの電位Ｖａｃｔは、２０Ｖに設定される。
この時、上部駆動電極１７ａ，１７ｂが下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第１部分２３に引き寄せられている状態で、さらに、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第２部分２４と上部駆動電極１７ａ，１７ｂとの間に静電引力が発生するため、上部駆動電極１７ａ，１７ｂは、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第２部分２４に接触する。
この状態で、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第２部分２４と上部駆動電極１７ａ，１７ｂとの間に、両者が発熱により部分的に溶解する程度の電流を流す。また、この電流を止めれば、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第２部分２４と上部駆動電極１７ａ，１７ｂとが冷却され、両者は、永久的に固定される。
結果として、例えば、プログラマブルコンデンサとしての容量が最大値の状態、また、プログラマブルスイッチとしての状態がオン状態で、可動部は、固定される。
尚、第２ステップにおいて、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第１部分２３の電位ＮＡを、２０Ｖとし、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第２部分２４の電位ＮＢ及び上部駆動電極１７ａ，１７ｂの電位Ｖａｃｔを、０Ｖとし、第３ステップにおいて、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第１部分２３の電位ＮＡ及び第２部分２４の電位ＮＢを、２０Ｖとし、上部駆動電極１７ａ，１７ｂの電位Ｖａｃｔを、０Ｖとしてもよい。
また、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第２部分２４と上部駆動電極１７ａ，１７ｂとの永久的な固定は、電流による発熱ではなく、ファンデルワールス力やカシミア力などにより実現させてもよい。
この方法では、第２ステップで可動部を引き寄せた後、第３ステップで、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第２部分２４と上部駆動電極１７ａ，１７ｂとを固定する。
この時、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第２部分２４と上部駆動電極１７ａ，１７ｂとの間に発生させる電圧は、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第１部分２３と上部駆動電極１７ａ，１７ｂとの間に発生させる電圧よりも小さくてよい。
なぜなら、第２ステップにおいて、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第２部分２４と上部駆動電極１７ａ，１７ｂとの距離は、十分に小さくなっているからである。
D. まとめ
第１実施形態によれば、プログラマブルアクチュエータに対するプログラミングを容易に行うことができるため、これを用いて、例えば、出荷前に容量値や抵抗値などのトリミングを行うことができる。
(2) 第２実施形態
第２実施形態は、第１実施形態のプログラマブルアクチュエータを用いたバンク構成に関する。
A. バンク構成
図１０は、バンク構成の例を示している。
１つのバンクは、グループ化された複数のプログラマブルアクチュエータから構成される。ここでは、４つのプログラマブルアクチュエータＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４により１つのバンクが構成される例を説明する。
プログラマブルアクチュエータＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４の各々の構成は、例えば、図３乃至図７と同じである。
このようなバンク構成を採用すると、１つのアクチュエータは、例えば、２値しか実現できなくても、バンク全体としては、（ｎ×ｍ）値を実現できる。但し、ｎは、アクチュエータの数、ｍは、１つのアクチュエータにプログラム可能な値である。
特に、プログラマブルアクチュエータをプログラマブルコンデンサとして使用するときは、各々のアクチュエータにより生成される容量値を異ならせれば、バンク全体として、さらに多くの容量値を実現できる。
例えば、１つのプログラマブルコンデンサは、２値を生成し、ｎ個のプログラマブルコンデンサの容量値を、Ｃmin／Ｃmax、２Ｃmin／２Ｃmax、４Ｃmin／４Ｃmax、８Ｃmin／８Ｃmax、…のように、バイナリ的に変化させれば、２ｎ通りの容量値を実現することができる。
図１１は、４個のプログラマブルコンデンサの容量値をバイナリ的に変化させるときのバンク構成の例を示している。
容量値のバイナリ的な変化は、下部信号電極１３と上部信号電極１６−１，１６−２，１６−３，１６−４とのオーバーラップ面積をバイナリ的に変化させることにより実現する。
例えば、プログラマブルコンデンサＣ１の下部信号電極１３と上部信号電極１６−１とのオーバーラップ面積を「１」とすると、プログラマブルコンデンサＣ２の下部信号電極１３と上部信号電極１６−２とのオーバーラップ面積は、「２」となり、プログラマブルコンデンサＣ３の下部信号電極１３と上部信号電極１６−３とのオーバーラップ面積は、「４」となり、プログラマブルコンデンサＣ４の下部信号電極１３と上部信号電極１６−４とのオーバーラップ面積は、「８」となる。
図１２は、図１０のバンク構成において下部駆動電極に対するバイアス線をさらに追加した図である。
プログラマブルアクチュエータＡ１において、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第１部分２３は、ＮＡ１にバイアスされ、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第２部分２４は、ＮＢ１にバイアスされる。上部駆動電極１７ａ，１７ｂは、Ｖａｃｔ１にバイアスされる。
プログラマブルアクチュエータＡ２において、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第１部分２３は、ＮＡ２にバイアスされ、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第２部分２４は、ＮＢ２にバイアスされる。上部駆動電極１７ａ，１７ｂは、Ｖａｃｔ２にバイアスされる。
プログラマブルアクチュエータＡ３において、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第１部分２３は、ＮＡ３にバイアスされ、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第２部分２４は、ＮＢ３にバイアスされる。上部駆動電極１７ａ，１７ｂは、Ｖａｃｔ３にバイアスされる。
プログラマブルアクチュエータＡ４において、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第１部分２３は、ＮＡ４にバイアスされ、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第２部分２４は、ＮＢ４にバイアスされる。上部駆動電極１７ａ，１７ｂは、Ｖａｃｔ４にバイアスされる。
このようなバンク構成において、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第２部分２４と上部駆動電極１７ａ，１７ｂとのオーバーラップ面積は、十分に小さい。このため、例えば、電位ＮＢ１，ＮＢ２，ＮＢ３，ＮＢ４のみをバイアスした状態で、上部駆動電極１７ａ，１７ｂが引き寄せられることはない。
従って、例えば、容量値のトリミングを行うときは、まず、電位ＮＡ１，ＮＡ２，ＮＡ３，ＮＡ４と電位Ｖａｃｔとの間の電位差を制御することにより可動部を駆動し、容量値の最適値を決定する。
この後、電位ＮＢ１，ＮＢ２，ＮＢ３，ＮＢ４と電位Ｖａｃｔとの間の電位差を制御することにより、プログラマブルアクチュエータＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４に対するプログラミングを行う、といった手順を採用する。
B. 変形例
図１３は、バンク構成の変形例を示している。
この変形例は、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第２部分２４に対するバイアス線２５を共通化した点に特徴を有する。
下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第２部分２４に対するバイアス線２５を共通化することにより配線の複雑化を防止し、配線レイアウトを容易化できる。
この構成では、例えば、容量値のトリミングを行うときは、まず、電位ＮＡ１，ＮＡ２，ＮＡ３，ＮＡ４と電位Ｖａｃｔとの間の電位差を制御することにより可動部を駆動し、容量値の最適値を決定する。
この後、バンクが容量値の最適値を維持した状態で、さらに、電位ＮＢと電位Ｖａｃｔとの間に電位差を発生させることにより、プログラマブルアクチュエータＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４に対するプログラミングを行う。
例えば、プログラマブルアクチュエータＡ１，Ａ３の下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第２部分２４と上部駆動電極１７ａ，１７ｂとが接触し、プログラマブルアクチュエータＡ２，Ａ４の下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第２部分２４と上部駆動電極１７ａ，１７ｂとが接触していない状態が、容量値の最適値であると仮定する。
この時、この状態を維持しつつ、電位ＮＢと電位Ｖａｃｔとの間に電位差を発生させると、プログラマブルアクチュエータＡ１，Ａ３のみに対してプログラミングを行うことができる。なぜなら、プログラマブルアクチュエータＡ１，Ａ３は、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第２部分２４と上部駆動電極１７ａ，１７ｂとが接触した状態にあるからである。
ところで、この変形例では、１つのバンク内の複数のプログラマブルアクチュエータに対して同時にプログラミングを行う場合に、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第２部分２４と上部駆動電極１７ａ，１７ｂとのショートによる電圧降下の問題が発生する。
そこで、共通化されたバイアス線２５と下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第２部分２４との間に抵抗素子２６を接続する。
この抵抗素子２６は、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第２部分２４と上部駆動電極１７ａ，１７ｂとをショートさせたときの電圧降下を防ぐ役割を果たす。
例えば、２個のプログラマブルアクチュエータＡ１，Ａ３に対してプログラミングを行う場合を考える。
この場合、先に、プログラマブルアクチュエータＡ１の下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第２部分２４と上部駆動電極１７ａ，１７ｂとが接触すると、プログラマブルアクチュエータＡ３の下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第２部分２４の電圧降下が発生するため、プログラマブルアクチュエータＡ３の下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第２部分２４と上部駆動電極１７ａ，１７ｂとの接触が不可能になる。
このような事態を防ぐため、先に、プログラマブルアクチュエータＡ１の下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第２部分２４と上部駆動電極１７ａ，１７ｂとが接触しても、抵抗素子２６により、プログラマブルアクチュエータＡ３の下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第２部分２４の電圧降下を防ぐ。
これにより、１つのバンク内の複数のプログラマブルアクチュエータに対して同時にプログラミングを行う場合に、下部駆動電極の第２部分と上部駆動電極との接触タイミングがずれても、プログラム対象となる全てのプログラマブルアクチュエータに対してプログラミングを行うことができる。
C. まとめ
第２実施形態では、バンク構成を採用することにより、２値を超える多値をプログラミングすることができる。また、例えば、容量値については、これをデジタル的に記憶させることができるため、容量値の経時変化が発生し難い。
(3) 第３実施形態
第３実施形態は、下部駆動電極の構造に関する。
A. 構造
図１４は、下部／上部駆動電極を示している。
半導体基板１１は、例えば、シリコン基板である。半導体基板１１上には、絶縁層１２が配置される。絶縁層１２は、例えば、酸化シリコンから構成される。絶縁層１２上には、下部駆動電極１４ａ，１４ｂが配置される。
下部駆動電極１４ａ，１４ｂは、第１部分２３及び第２部分２４から構成される。第１部分２３及び第２部分２４は、交互に配置され、第１部分２３は、第２部分２４よりも低い。
下部駆動電極１４ａの平面形状は、例えば、図６に示すようになり、下部駆動電極１４ｂの平面形状は、例えば、図７に示すようになる。
下部駆動電極１４ａ，１４ｂの上部には、下部駆動電極１４ａ，１４ｂに対向する上部駆動電極１７ａ，１７ｂが配置される。
その他の構成については、第１実施形態（図３及び図４を参照）と同じである。
尚、この実施形態では、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第１部分２３は、絶縁層に覆われていないが、自然酸化膜などの極薄の絶縁層に覆われていてもよいし、また、積極的に絶縁層で覆ってもよい。
B. 通常動作
図１５は、プログラマブルアクチュエータの通常動作を示している。
初期状態では、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第１部分２３の電位ＮＡは、０Ｖ、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第２部分２４の電位ＮＢは、０Ｖ、上部駆動電極１７ａ，１７ｂの電位Ｖａｃｔは、０Ｖに設定される。
この時、下部信号電極と上部信号電極との距離は最大になるため、例えば、プログラマブルコンデンサとしての容量は、最小値となり、また、プログラマブルスイッチとしての状態は、オフ状態になる。
可動部を駆動する駆動状態では、例えば、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第１部分２３の電位ＮＡは、０Ｖ、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第２部分２４の電位ＮＢは、Ｖａｃｔ又はフローティング、上部駆動電極１７ａ，１７ｂの電位Ｖａｃｔは、２０Ｖに設定される。
この時、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第１部分２３と上部駆動電極１７ａ，１７ｂとの間に静電引力が発生するため、上部駆動電極１７ａ，１７ｂは、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第１部分２３に引き寄せられる。
また、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第２部分２４がストッパになるため、上部駆動電極１７ａ，１７ｂが下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第１部分２３に接触することはない。
その結果、下部信号電極と上部信号電極との距離は最小又は零（接触状態）になるため、例えば、プログラマブルコンデンサとしての容量は、最大値となり、また、プログラマブルスイッチとしての状態は、オン状態になる。
以上の動作は、ＮＡ、ＮＢ及びＶａｃｔの値を制御することにより、安定して、複数回行うことができる。
尚、可動部を駆動する駆動状態では、例えば、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第１部分２３の電位ＮＡを、２０Ｖとし、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第２部分２４の電位ＮＢ及び上部駆動電極１７ａ，１７ｂの電位Ｖａｃｔを、０Ｖにしてもよい。
C. プログラミング動作
図１６は、プログラマブルアクチュエータのプログラミング動作を示している。
第１ステップでは、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第１部分２３の電位ＮＡは、０Ｖ、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第２部分２４の電位ＮＢは、０Ｖ、上部駆動電極１７ａ，１７ｂの電位Ｖａｃｔは、０Ｖに設定される。
この時、下部信号電極と上部信号電極との距離は最大になるため、例えば、プログラマブルコンデンサとしての容量は、最小値となり、また、プログラマブルスイッチとしての状態は、オフ状態になる。
第２ステップでは、例えば、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第１部分２３の電位ＮＡは、Ｖａｃｔ又はフローティング、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第２部分２４の電位ＮＢは、０Ｖ、上部駆動電極１７ａ，１７ｂの電位Ｖａｃｔは、２０Ｖに設定される。
この時、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第２部分２４と上部駆動電極１７ａ，１７ｂとの間に静電引力が発生するため、上部駆動電極１７ａ，１７ｂは、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第２部分２４に引き寄せられ、これに接触する。
この状態で、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第２部分２４と上部駆動電極１７ａ，１７ｂとの間に、両者が発熱により部分的に溶解する程度の電流を流す。また、この電流を止めれば、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第２部分２４と上部駆動電極１７ａ，１７ｂとが冷却され、両者は、永久的に固定される。
結果として、例えば、プログラマブルコンデンサとしての容量が最大値の状態、また、プログラマブルスイッチとしての状態がオン状態で、可動部は、固定される。
尚、第２ステップにおいて、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第２部分２４の電位ＮＢを、２０Ｖとし、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第１部分２３の電位ＮＡ及び上部駆動電極１７ａ，１７ｂの電位Ｖａｃｔを、０Ｖとしてもよい。
また、第２ステップにおいて、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第１部分２３と上部駆動電極１７ａ，１７ｂとの間に電位差を与えてもよい。
さらに、下部駆動電極１４ａ，１４ｂの第２部分２４と上部駆動電極１７ａ，１７ｂとの永久的な固定は、電流による発熱ではなく、ファンデルワールス力やカシミア力などにより実現させてもよい。
D. まとめ
第３実施形態によれば、下部駆動電極の第１部分及び第２部分を絶縁層により覆う必要がないため、ステップ数の削減による製造コストの低下を図ることができる。
(4) 第４実施形態
第４実施形態も、下部駆動電極の構造に関する。
A. 構造
図１７は、下部／上部駆動電極を示している。
半導体基板１１は、例えば、シリコン基板である。半導体基板１１上には、絶縁層１２が配置される。絶縁層１２は、例えば、酸化シリコンから構成される。絶縁層１２上には、下部駆動電極３１（１４ａ，１４ｂ）が配置される。
下部駆動電極３１上には、絶縁層３２が部分的に配置される。
下部駆動電極３１の平面形状は、例えば、図１８及び図１９に示すように、四角形になり、絶縁層３２の平面形状は、例えば、図１８に示すように、２本のラインが並んだ形、又は、例えば、図１９に示すように、リング形になる。
下部駆動電極３１の上部には、下部駆動電極３１に対向する上部駆動電極１７ａ，１７ｂが配置される。
その他の構成については、第１実施形態（図３及び図４を参照）と同じである。
B. 通常動作
図２０は、プログラマブルアクチュエータの通常動作を示している。
初期状態では、下部駆動電極３１（１４ａ，１４ｂ）の電位ＮＣは、０Ｖ、上部駆動電極１７ａ，１７ｂの電位Ｖａｃｔは、０Ｖに設定される。
この時、下部信号電極と上部信号電極との距離は最大になるため、例えば、プログラマブルコンデンサとしての容量は、最小値となり、また、プログラマブルスイッチとしての状態は、オフ状態になる。
可動部を駆動する駆動状態では、例えば、下部駆動電極３１の電位ＮＣは、０Ｖ、上部駆動電極１７ａ，１７ｂの電位Ｖａｃｔは、２０Ｖに設定される。
この時、下部駆動電極３１と上部駆動電極１７ａ，１７ｂとの間に静電引力が発生するため、上部駆動電極１７ａ，１７ｂは、下部駆動電極３１に引き寄せられる。
また、下部駆動電極３１上の絶縁層３２がストッパになるため、上部駆動電極１７ａ，１７ｂが下部駆動電極３１に接触することはない。
その結果、下部信号電極と上部信号電極との距離は最小又は零（接触状態）になるため、例えば、プログラマブルコンデンサとしての容量は、最大値となり、また、プログラマブルスイッチとしての状態は、オン状態になる。
以上の動作は、ＮＣ及びＶａｃｔの値を制御することにより、安定して、複数回行うことができる。
尚、可動部を駆動する駆動状態では、例えば、下部駆動電極３１の電位ＮＣを、２０Ｖとし、上部駆動電極１７ａ，１７ｂの電位Ｖａｃｔを、０Ｖにしてもよい。
C. プログラミング動作
図２１は、プログラマブルアクチュエータのプログラミング動作を示している。
第１ステップでは、下部駆動電極３１（１４ａ，１４ｂ）の電位ＮＣは、０Ｖ、上部駆動電極１７ａ，１７ｂの電位Ｖａｃｔは、０Ｖに設定される。
この時、下部信号電極と上部信号電極との距離は最大になるため、例えば、プログラマブルコンデンサとしての容量は、最小値となり、また、プログラマブルスイッチとしての状態は、オフ状態になる。
第２ステップでは、例えば、下部駆動電極３１の電位ＮＣは、０Ｖ、上部駆動電極１７ａ，１７ｂの電位Ｖａｃｔは、３０Ｖに設定される。
この時、下部駆動電極３１と上部駆動電極１７ａ，１７ｂとの間に静電引力が発生するため、上部駆動電極１７ａ，１７ｂは、下部駆動電極３１に引き寄せられる。
また、第２ステップにおいて下部駆動電極３１と上部駆動電極１７ａ，１７ｂとの間に発生する電位差は、第１ステップにおいて下部駆動電極３１と上部駆動電極１７ａ，１７ｂとの間に発生する電位差よりも大きいため、上部駆動電極１７ａ，１７ｂは、湾曲し、下部駆動電極３１に接触する。
この状態で、下部駆動電極３１と上部駆動電極１７ａ，１７ｂとの間に、両者が発熱により部分的に溶解する程度の電流を流す。また、この電流を止めれば、下部駆動電極３１と上部駆動電極１７ａ，１７ｂとが冷却され、両者は、永久的に固定される。
結果として、例えば、プログラマブルコンデンサとしての容量が最大値の状態、また、プログラマブルスイッチとしての状態がオン状態で、可動部は、固定される。
尚、第２ステップにおいて、下部駆動電極３１の電位ＮＣを、３０Ｖとし、上部駆動電極１７ａ，１７ｂの電位Ｖａｃｔを、０Ｖとしてもよい。
また、下部駆動電極３１と上部駆動電極１７ａ，１７ｂとの永久的な固定は、電流による発熱ではなく、ファンデルワールス力やカシミア力などにより実現させてもよい。
D. まとめ
第４実施形態によれば、下部駆動電極が第１及び第２部分に分割されていない。また、通常動作とプログラミング動作との区別は、下部電極に与える電位の大きさにより行う。このため、配線の複雑化を回避できる。
(5) 第５実施形態
第５実施形態は、プログラマブルスイッチに関する。
図２２は、プログラマブルスイッチを示している。
半導体基板１１は、例えば、シリコン基板である。半導体基板１１上には、絶縁層１２が配置される。絶縁層１２は、例えば、酸化シリコンから構成される。
絶縁層１２上には、下部信号電極１３、下部駆動電極１４ａ，１４ｂ、及び、導電層２０ａ，２０ｂが配置される。
下部駆動電極１４ａ，１４ｂは、第１実施形態と同様に、第１部分及び第２部分から構成される。下部駆動電極１４ａの平面形状は、例えば、図６に示すようになり、下部駆動電極１４ｂの平面形状は、例えば、図７に示すようになる。
下部信号電極１３の上部には、下部信号電極１３に対向する上部信号電極１６が配置される。下部駆動電極１４ａ，１４ｂの上部には、下部駆動電極１４ａ，１４ｂに対向する上部駆動電極１７ａ，１７ｂが配置される。
上部信号電極１６及び上部駆動電極１７ａ，１７ｂは、絶縁体１８により互いに結合される。可動部２５は、上部信号電極１６、上部駆動電極１７ａ，１７ｂ及びこれらを結合する絶縁体１８により構成される。
その他の構成については、第１実施形態（図３乃至図５を参照）と同じである。
第５実施形態が第１実施形態と異なる点は、下部信号電極１３上に絶縁層１５が存在しないことにある。
図２３は、プログラマブルスイッチを用いたシステムの第１例を示している。
このシステムは、インダクタンスのプログラミングを行うプログラマブルインダクタを実現する。
プログラマブルスイッチＳＷ１，ＳＷ２は、例えば、図２２に示す構造を有する。
このシステムでは、プログラマブルスイッチＳＷ１，ＳＷ２のオン／オフをプログラミングすることにより、Ｌ１、Ｌ１＋Ｌ２、Ｌ１＋Ｌ３、Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３の４つのインダクタンスのうちの１つを選択できる。
図２４は、プログラマブルスイッチを用いたシステムの第２例を示している。
このシステムは、レジスタンスのプログラミングを行うプログラマブルレジスタを実現する。
プログラマブルスイッチＳＷ１，ＳＷ２は、例えば、図２２に示す構造を有する。
このシステムでは、プログラマブルスイッチＳＷ１，ＳＷ２のオン／オフをプログラミングすることにより、Ｒ１、Ｒ１＋Ｒ２、Ｒ１＋Ｒ３、Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３の４つのレジスタンスのうちの１つを選択できる。
(6) 第６実施形態
第６実施形態は、容量バンク内の複数のプログラマブルコンデンサの一部を出荷後に可変容量として使用し、他の一部をトリマーコンデンサとして使用する用途に関する。
図２５は、容量バンクの例を示している。
例えば、４つのプログラマブルコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４のうちの１つを、容量値のばらつきをトリミングするトリマーコンデンサとして使用する。残りの３つは、出荷後に可変容量として使用する。
３． その他
本発明の例に係わるプログラマブルアクチュエータにおいて、可動部を駆動させるのは主に出荷前（例えば、ウェハ状態）であるため、これを駆動するための電源は、チップ（半導体基板）の外部（例えば、テスタ）から与えることができる。
また、プログラマブルアクチュエータを駆動する駆動回路は、チップの内部に設けてもよいし、チップの外部（例えば、テスタ）に設けてもよい。駆動回路をチップの外部に設ければ、チップの内部に、プログラマブルアクチュエータを駆動する駆動回路が不要になるため、製造コストを削減できる。
４． 適用例
本発明の例に係わるプログラマブルアクチュエータは、出荷前に容量値や抵抗値などのトリミングを行う素子、例えば、トリマーコンデンサに適用可能である。
例えば、水晶発振器やキーレスエントリーシステムなどにおける周波数のトリミングでは、様々な容量値を生成し、このなかから最適値を決定した後、その最適値をプログラミングすることができる。
また、本発明の例に係わるプログラマブルアクチュエータは、無線通信カードの規格に合わせるための周波数のトリミングに応用することもできる。
さらに、本発明は、トリミングに限らず、キャパシタンスのプログラミングを行うプログラマブルコンデンサ、レジスタンスのプログラミングを行うプログラマブルレジスタ、インダクタンスのプログラミングを行うプログラマブルインダクタ、スイッチのオン／オフのプログラミングを行うプログラマブルスイッチなどに適用できる。
５． むすび
本発明によれば、プログラム機能を有する静電型ＭＥＭＳアクチュエータを実現できる。
本発明の例は、上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、各構成要素を変形して具体化できる。また、上述の実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を構成できる。例えば、上述の実施形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる実施形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。
１： 可動部、 ２Ａ： 第１信号電極、２Ｂ： 第２信号電極、 ３Ａ： 第１駆動電極、 ３Ｂ： 第２駆動電極、 ４，１８： 絶縁体、 ５ａ，２３： 第１部分、 ５ｂ，２４： 第２部分、 ６ａ： 第１駆動回路、 ６ｂ： 第２駆動回路、 １１： 半導体基板、 １２，１５，３２： 絶縁層、 １３： 下部信号電極、 １４ａ，１４ｂ，３１： 下部駆動電極、 １６： 上部信号電極、 １７ａ，１７ｂ： 上部駆動電極、 １９ａ，１９ｂ，２１： アンカー、 ２０ａ，２０ｂ，２２： 導電層、 ２５： バイアス線、 ２６： 抵抗素子。

Claims (5)

  1. 第１駆動電極を含む可動部と、
    前記第１駆動電極に対向し、第１及び第２部分から構成される第２駆動電極と、
    前記第２駆動電極の前記第１部分と前記第１駆動電極との間に第１電位差を発生させることにより両電極を電気的に接触させない状態で前記可動部を複数回動作可能にする第１駆動回路と、
    前記第２駆動電極の前記第２部分と前記第１駆動電極との間に第２電位差を発生させることにより両電極を電気的に接触させた状態で前記可動部を固定可能にする第２駆動回路と
    を具備することを特徴とするプログラマブルアクチュエータ。
  2. 前記第２駆動電極の前記第１部分は、絶縁層により覆われることを特徴とする請求項１に記載のプログラマブルアクチュエータ。
  3. 前記第１部分は、前記第２部分よりも低い位置にあることを特徴とする請求項１に記載のプログラマブルアクチュエータ。
  4. 第１駆動電極を含む可動部と、
    前記第１駆動電極に対向する第２駆動電極と、
    前記第２駆動電極の前記第１駆動電極側の面上に部分的に配置される絶縁層と、
    前記第１及び第２駆動電極間に第１電位差を発生させることにより両電極を電気的に接触させない状態で前記可動部を複数回動作可能にし、前記第１及び第２駆動電極間に前記第１電位差よりも大きい第２電位差を発生させることにより両電極を電気的に接触させた状態で前記可動部を固定可能にする駆動回路と
    を具備することを特徴とするプログラマブルアクチュエータ。
  5. 請求項１に記載のプログラマブルアクチュエータを用い、
    前記第２駆動電極の前記第２部分と前記第１駆動電極とを電気的に接触させた状態で両電極の間に電流を流し、
    前記第２駆動電極の前記第２部分と前記第１駆動電極とを電気的に接触させた状態で前記可動部を固定する
    ことを特徴とするプログラミング方法。
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