JP2011187680A - Variable capacitance device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えばMEMS技術を用いて製作される可変容量デバイスに関する。 The present invention relates to a variable capacitance device manufactured using, for example, MEMS technology.
近年において、携帯電話機をはじめとする移動体通信機の普及と機能の高度化にともなって、GHz以上の高い周波数で使用可能な小型の可変容量デバイスの需要が増大している。このような市場の要求に応えることのできる技術またはデバイスとして、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)またはMEMSデバイス(マイクロマシンデバイス)が存在する。 In recent years, with the spread of mobile communication devices such as mobile phones and the advancement of functions, there is an increasing demand for small variable capacitance devices that can be used at high frequencies of GHz or higher. There are MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) or MEMS devices (micromachine devices) as technologies or devices that can meet such market demands.
従来より、MEMS技術を用いて製作される可変容量デバイス(MEMSキャパシタ)が提案されている。 Conventionally, variable capacitance devices (MEMS capacitors) manufactured using MEMS technology have been proposed.
すなわち、そのような可変容量デバイスは、基板、基板に支持された固定電極および可動電極、および、固定電極と可動電極との間に設けられた誘電体層を備える。誘電体層と可動電極との間に空気層が形成される。アクチュエータによって可動電極が駆動されると、可動電極と固定電極との間の距離が変化し、容量が変化する(特許文献1)。 That is, such a variable capacitance device includes a substrate, a fixed electrode and a movable electrode supported by the substrate, and a dielectric layer provided between the fixed electrode and the movable electrode. An air layer is formed between the dielectric layer and the movable electrode. When the movable electrode is driven by the actuator, the distance between the movable electrode and the fixed electrode changes, and the capacitance changes (Patent Document 1).
上に述べた従来の可変容量デバイスでは、駆動時に誘電体層の表面と可動電極の表面とが接触するが、それぞれの表面には多数の凹凸が存在するので、表面の全体が一様に接触するのではなく、そのうちの一部分のみが実際に接触する。そのため、誘電体層の接触した部分に電荷が蓄積されて帯電することがあり、その場合に駆動特性が変化してしまう可能性がある。 In the conventional variable capacitance device described above, the surface of the dielectric layer and the surface of the movable electrode are in contact with each other during driving, but since there are many irregularities on each surface, the entire surface is in uniform contact. Instead, only a portion of them actually touch. For this reason, charges may be accumulated and charged in the contact portion of the dielectric layer, and in this case, the driving characteristics may change.
これを抑制するために、誘電体層の表面に電極(キャパシタ電極)を配置し、誘電体層の電荷の移動を促して電荷の蓄積を抑えるような構造が考えられる。 In order to suppress this, a structure in which an electrode (capacitor electrode) is arranged on the surface of the dielectric layer and the charge movement of the dielectric layer is promoted to suppress the charge accumulation can be considered.
つまり、図1に示す可変容量デバイス1Kでは、基板11Kの上に固定電極12Kが形成され、固定電極12Kの上に誘電体層13Kおよびキャパシタ電極14Kが積層されている。キャパシタ電極14Kの上方には、キャパシタ電極14Kと対向する可動電極15Kが、基板11Kにより弾性的に支持されることによって設けられている。
That is, in the
外部電源GDによって固定電極12Kと可動電極15Kとの間に電位差を与えると、それらの間に発生する静電引力によって可動電極15Kが吸引される。これにより、固定電極12Kと可動電極15Kとの間の距離が変化し、それらの間の静電容量が変化する。
When a potential difference is applied between the
通常、デジタル型の可変容量デバイスでは、キャパシタ電極14Kと可動電極15Kとが離れた状態で形成される容量が最小(オフ状態)、キャパシタ電極14Kと可動電極15Kとが接触した状態で形成される容量が最大(オン状態)となり、この2つの状態で使用される。
Usually, in the digital variable capacitance device, the capacitance formed when the
しかし、その場合に、オンオフ動作を繰返すうちに、キャパシタ電極14Kと可動電極15Kとの接触抵抗が上昇し、可変容量デバイスのQ値が変動して安定した特性が得られなくなることがある。
However, in such a case, the contact resistance between the
また、可変容量デバイスに信号を流した状態でのオンオフ動作(ホットスイッチ)では、キャパシタ電極14Kと可動電極15Kとの接触部分への負荷が大きくなって電極同士が溶融して張りつく可能性もある。
In addition, in the on / off operation (hot switch) with a signal flowing through the variable capacitance device, there is a possibility that the load on the contact portion between the
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、Q値の変動を抑制することができ、特性の安定した可変容量デバイスを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a variable capacitance device that can suppress variation in the Q value and has stable characteristics.
ここに述べる実施形態では、可変容量デバイスは、固定電極と、前記固定電極の上に形成された誘電体層と、前記誘電体層の上に形成されたキャパシタ電極と、前記キャパシタ電極に対向して設けられ前記キャパシタ電極に対して接離可能な可動電極と、を有して形成される。前記キャパシタ電極と前記可動電極との間においてその接触時における接触抵抗および接触容量が形成されており、前記接触抵抗の抵抗値Rmおよび前記接触容量のリアクタンスXCmによる誘電正接tanδ=XCm/Rmの逆数をQ値としたときに、前記Q値が10以上となるように、前記抵抗値Rmが設定される。 In the embodiment described herein, the variable capacitance device includes a fixed electrode, a dielectric layer formed on the fixed electrode, a capacitor electrode formed on the dielectric layer, and the capacitor electrode. And a movable electrode that can be brought into contact with and separated from the capacitor electrode. A contact resistance and a contact capacitance at the time of contact are formed between the capacitor electrode and the movable electrode, and a reciprocal of a dielectric loss tangent tan δ = XCm / Rm based on a resistance value Rm of the contact resistance and a reactance XCm of the contact capacitance The resistance value Rm is set so that the Q value is 10 or more, where is a Q value.
接触抵抗Rmは、例えばQ値が40以上となるように設定される。また、抵抗値Rmは例えば1KΩ以上とされる。 The contact resistance Rm is set such that the Q value is 40 or more, for example. Further, the resistance value Rm is, for example, 1 KΩ or more.
本発明によると、Q値の変動を抑制することができ、特性の安定した可変容量デバイスを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a variable capacitance device that can suppress fluctuations in the Q value and have stable characteristics.
〔第1の実施形態〕
図2において、可変容量デバイス1は、基板11、基板11上に形成された固定電極12、固定電極12の上に形成された誘電体層13、誘電体層13の上に形成されたキャパシタ電極14、および可動電極15などを有する。
[First Embodiment]
In FIG. 2, the
基板11は、金属酸化物からなるセラミックス基板、またはSOI(Silicon On Insulator)基板などである。
The
固定電極12は、金属材料によるメッキなどによって形成される。固定電極12は、可変容量デバイス1における一方の電極となる。
The
誘電体層13は、適当な比誘電率εrを持った誘電体材料からなる。誘電体層13の上面は、キャパシタ電極14によって覆われている。キャパシタ電極14は、誘電体層13における電荷の移動を促して電荷が偏在したり蓄積したりするのを抑制する機能を有する。
The
キャパシタ電極14は、誘電体層13を介して固定電極12と対向するので、キャパシタ電極14と固定電極12との間に静電容量(固定容量)Cbが生じる。静電容量Cbの大きさは、対向部分の面積、距離、および誘電体層13の誘電率などに応じた大きさである。
Since the
キャパシタ電極14の表面には、可動電極15との間において接触抵抗を得るための多数の突起21が形成されている。このような突起21は、例えば、プラズマを用いたイオンミリングによって形成することができる。
A large number of
つまり、キャパシタ電極14を、例えば金属薄膜を重ねて作製した場合に、その表面は鏡面に近いものとすることが可能であるが、その表面にイオンビームを照射するなどして微細加工を行い、突起21を形成する。即ち、キャパシタ電極14の表面に対して除去加工を行うことにより、単にキャパシタ電極14をメッキなどにより形成しただけでは生じ得ない突起21を形成するのである。ここでは、除去加工としてのイオンミリングを例示したが、その他の種々の方法で突起21を形成してもよく、いくつかの例を後で説明する。
That is, when the
可動電極15は、例えばその両端部において基板11に弾性的に支持されたブリッジ構造となったものである。図1にはブリッジ構造の中央部が示されている。可動電極15は、その両端部が基板11に対して固定されているが、中央部は可撓性を有して弾性的に撓み、図における上下方向に移動可能である。可動電極15は、可変容量デバイス1における他方の電極となる。
The
これら固定電極12および可動電極15は、駆動電圧の印加のために、および高周波の信号出力のために、図示しない電極などによって引き出される。
The
なお、キャパシタ電極14および可動電極15は、例えば銅、金、アルミニウムなどの金属材料によるメッキなどによって形成される。可動電極15は、ブリッジ構造でなく片持ち梁構造であってもよい。
The
このような可変容量デバイス1に対し、外部電源GDを接続して固定電極12と可動電極15との間に電位差(駆動電圧)を与えると、それらの間に発生する静電引力によって、可動電極15が固定電極12の方へ吸引される。これにより、固定電極12と可動電極15との間の距離が変化し、それらの間の静電容量C1が変化する。
When an external power source GD is connected to such a
なお、外部電源GDと可変容量デバイス1の電極との間には、高周波信号の漏れを防止するためのRFブロック31,32が設けられる。
Note that RF blocks 31 and 32 for preventing leakage of high-frequency signals are provided between the external power supply GD and the electrodes of the
可変容量デバイス1では、外部電源GDを接続しないときは、可動電極15は自由状態であり、キャパシタ電極14の突起21と可動電極15Kとが離れた状態である〔図2(a)の状態〕。外部電源GDを接続して駆動電圧を印加すると、可動電極15は固定電極12に吸引されて撓み、可動電極15の表面が突起21の先端部と接触した状態となる〔図2(b)の状態〕。
In the
このように、外部電源GDを接続して所定の駆動電圧を印加したときに、可動電極15は、キャパシタ電極14と接触するが、直接に接触するのではなく、突起21を介してキャパシタ電極14と接触する。したがって、可動電極15とキャパシタ電極14との接触に際しての接触面積は大きくならず、ここに接触抵抗Rmが生じる。接触抵抗Rmの大きさは、突起21の材料、形状、寸法、面積、接触圧力などに応じて定まる。
In this way, when the external power supply GD is connected and a predetermined drive voltage is applied, the
また、可動電極15が突起21を介してキャパシタ電極14と接触した状態で、可動電極15とキャパシタ電極14との間に接触容量Cmが生じる。接触容量Cmの大きさは、対向部分の面積、距離、およびその間の物質の誘電率に応じた大きさである。接触容量Cmは、等価回路において接触抵抗Rmと並列接続で表される。
Further, a contact capacitance Cm is generated between the
次に、可変容量デバイス1の等価回路について説明する。なお、本明細書において、物体または回路素子としての「接触抵抗Rm」を意味する場合、および接触抵抗の「抵抗値Rm」を意味する場合のいずれにおいても、「接触抵抗Rm」と記載する。ただし、「抵抗値Rm」を表す場合に、「接触抵抗Rmの大きさ」と記載することもある。接触容量Cmおよび静電容量Cbなどの他の要素についても同様である。
Next, an equivalent circuit of the
図3には、可動電極15を駆動したとき、つまり可動電極15と突起21とが接触したときの可変容量デバイス1の等価回路が示されている。
FIG. 3 shows an equivalent circuit of the
図3に示す等価回路において、キャパシタ電極14と可動電極15との間の接触抵抗Rmと接触容量Cmとが互いに並列に接続され、これと、キャパシタ電極14と固定電極12との間の静電容量Cbが直列に接続される。また、それらに、寄生インダクタンスLpおよび寄生抵抗Rpがそれぞれ直列に接続される。
In the equivalent circuit shown in FIG. 3, the contact resistance Rm and the contact capacitance Cm between the
さて、本実施形態において、接触抵抗Rmの大きさ(抵抗値Rm)は、可変容量デバイス1のQ値が10以上となるように設定されている。好ましくは、Q値が40以上となるように、またはQ値が50以上となるように、接触抵抗Rmの大きさが設定される。接触抵抗Rmの具体例は、例えば250Ω以上とされ、好ましくは例えば1KΩ以上とされる。
In the present embodiment, the magnitude of the contact resistance Rm (resistance value Rm) is set so that the Q value of the
ここで、可変容量デバイス1のQ値は、可変容量デバイス1の性能の良さを示すものであり、Q値が高いほど損失が少ない。
Here, the Q value of the
本実施形態において、可変容量デバイス1のQ値は、接触抵抗Rmの大きさおよび接触容量CmのリアクタンスXCmによる誘電正接tanδ=XCm/Rmの逆数である次の(1)式で表される。
In the present embodiment, the Q value of the
Q値=Rm/XCm ……(1)
すなわち、誘電正接tanδ=XCm/Rmは、接触抵抗Rmが接触容量Cmの抵抗成分(実数部分)であるとした場合のキャパシタとしての接触容量Cmの損失を示すこととなる。したがって接触抵抗Rmは、大きいほど損失が少なくなり、Q値が高くなる。しかし、可変容量デバイス1においては、キャパシタ電極14の機能上、無限大とすることはできず、有限の値である。例えば、Q値は、通常、40〜50程度、または50以上であり、100程度あれば十分であり、最大で1000程度である。
Q value = Rm / XCm (1)
That is, the dielectric loss tangent tan δ = XCm / Rm represents the loss of the contact capacitance Cm as a capacitor when the contact resistance Rm is a resistance component (real part) of the contact capacitance Cm. Therefore, the larger the contact resistance Rm, the smaller the loss and the higher the Q value. However, in the
例えば、キャパシタ電極14と可動電極15との間に突起21を設けず、キャパシタ電極14と可動電極15との接触抵抗をできるだけ低く設定することを考えた場合に、その接触抵抗は、通常、0.5Ω程度である。
For example, when it is considered that the
可変容量デバイス1のインピーダンスZ1を、例えばよく用いられる特性インピーダンスZ0である50Ωに合わせ、その2分の1の25Ωが接触容量CmによるリアクタンスXCmであると仮定すると、この場合のQ値は単純に見れば50(25Ω÷0.5Ω)程度となる。
Assuming that the impedance Z1 of the
なお、本実施形態の可変容量デバイス1では、等価回路が図3で示され、接触抵抗Rmは0.5Ω程度ではなく、1KΩ程度と大きくする。そのため、接触抵抗Rmと接触容量Cmとの並列接続体では、接触容量CmのリアクタンスXCmは接触抵抗Rmに比べて十分に低い。
In the
したがって、接触抵抗Rmは、この並列接続体と直列に接続される静電容量Cbに対するQ値には、ほとんど影響を与えないと見做せる。また、接触抵抗Rmが1KΩ程度と高く設定されている場合には、その値を基点に接触抵抗Rmが少々変化した場合でも、接触容量Cmおよび静電容量Cbに対してもほとんど影響を与えないと見做せる。 Therefore, it can be considered that the contact resistance Rm hardly affects the Q value for the capacitance Cb connected in series with the parallel connection body. Further, when the contact resistance Rm is set as high as about 1 KΩ, even if the contact resistance Rm slightly changes with the value as a base point, the contact resistance Cm and the capacitance Cb are hardly affected. It can be regarded as.
すなわち、可変容量デバイス1の静電容量C1は、接触抵抗Rmが小さい場合にはほぼ静電容量Cbに近くなり、接触抵抗Rmが大きい場合には静電容量Cbと接触容量Cmとの直列接続の合成容量に近くなる。
That is, the capacitance C1 of the
一般に、MEMS技術によって形成されるスイッチの接触抵抗は0.5Ω前後であり、このためQ値は40程度である。本実施形態の可変容量デバイス1では、接触抵抗Rmを大きくし、静電容量Cbと接触容量Cmとの合成容量を用いることにより、高いQ値を得るようにしたのである。
In general, the contact resistance of a switch formed by the MEMS technology is about 0.5Ω, and thus the Q value is about 40. In the
すなわち、例えば、可変容量デバイス1の使用周波数におけるインピーダンスZ1を例えば上のように50Ω程度とし、これに合うように接触容量Cmおよび静電容量CbのリアクタンスXCm、XCbをそれぞれ25Ω程度とする。つまり、接触容量Cmを、静電容量Cbと同じ程度の大きさとする。この場合に、接触抵抗Rmが、これらのリアクタンスXCm、XCbと同じ25Ω近辺の値である場合には、Q値が最も低くなることが予想される。
That is, for example, the impedance Z1 at the operating frequency of the
したがって、Q値を高くするために、接触抵抗Rmを25Ωよりも十分に高くする必要があり、最小でも10倍の250Ω程度は必要であると考えられ、通常、例えば40倍の1kΩ、50倍の1.25kΩ、100倍の2.5kΩなどとする。さらに、10kΩ、100kΩ、1MΩ程度とすることも可能である。
Therefore, in order to increase the Q value, it is necessary to make the contact resistance Rm sufficiently higher than 25Ω, and it is considered that a minimum of about 10 times 250Ω is necessary, and usually 40
図4は、図3に示す回路において、周波数を0.5〜8GHzの範囲で可変したときの、接触抵抗Rmに応じた可変容量デバイス1の反射特性をシミュレーショによって求めた結果をスミスチャートに示したものである。
FIG. 4 is a Smith chart showing the results obtained by simulating the reflection characteristics of the
シミュレーションにおいて、図3の接触容量Cmおよび静電容量Cbをともに2.5pFに、寄生インダクタンスLpを0.163nHに、寄生抵抗Rpを0.288Ωに、それぞれ設定した。 In the simulation, both the contact capacitance Cm and the capacitance Cb in FIG. 3 were set to 2.5 pF, the parasitic inductance Lp was set to 0.163 nH, and the parasitic resistance Rp was set to 0.288Ω.
図4では、水平軸は複素反射係数の実数部、垂直軸は虚数部をそれぞれ示す。図の各円上ではインピーダンスの実数成分(抵抗成分)が一定であり、上下に曲がった円周上ではインピーダンスの虚数成分(リアクタンス成分)が一定である。図において、外側の円周に近づくほどQ値が高くなる。 In FIG. 4, the horizontal axis represents the real part of the complex reflection coefficient, and the vertical axis represents the imaginary part. The real number component (resistance component) of the impedance is constant on each circle in the figure, and the imaginary number component (reactance component) of the impedance is constant on the circle bent up and down. In the figure, the Q value increases as it approaches the outer circumference.
図4には、接触抵抗Rmを、0.1Ω、1Ω、10Ω、100Ω、1kΩ、10kΩとした場合について示されている。各接触抵抗Rmによる曲線において、各曲線の右端が周波数0.5GHz、左端が周波数8GHzである。 FIG. 4 shows the case where the contact resistance Rm is 0.1Ω, 1Ω, 10Ω, 100Ω, 1 kΩ, and 10 kΩ. In the curve by each contact resistance Rm, the right end of each curve has a frequency of 0.5 GHz and the left end has a frequency of 8 GHz.
図4によると、接触抵抗Rmを、0.1Ω、1Ω、1kΩ、10kΩとした場合に、その曲線が外側の円周に近づいており、Q値が高いことが分かる。接触抵抗Rmが、10Ω、100Ωである場合には外側の円周から離れ、Q値が低い。 According to FIG. 4, when the contact resistance Rm is 0.1Ω, 1Ω, 1 kΩ, and 10 kΩ, the curve approaches the outer circumference, and it can be seen that the Q value is high. When the contact resistance Rm is 10Ω or 100Ω, the contact resistance Rm is far from the outer circumference and the Q value is low.
図5は、図4の場合と同様に接触容量Cmおよび静電容量Cbをともに2.5pFに設定し、周波数が2.0GHzである場合について、接触抵抗Rmに応じた可変容量デバイス1の静電容量C1およびQ値を、シミュレーションによって求めた結果を示したものである。
FIG. 5 shows a static capacitance of the
図5において、接触抵抗Rmが低い場合は、静電容量C1は2.7pF程度であり、これは静電容量Cbの2.5pFに近い値である。接触抵抗Rmが10Ωより大きくなると静電容量C1が低下し、接触抵抗Rmが100Ω程度になると静電容量C1は1.8pF程度となる。 In FIG. 5, when the contact resistance Rm is low, the capacitance C1 is about 2.7 pF, which is a value close to 2.5 pF of the capacitance Cb. When the contact resistance Rm exceeds 10Ω, the capacitance C1 decreases, and when the contact resistance Rm reaches about 100Ω, the capacitance C1 becomes about 1.8 pF.
接触抵抗Rmが100Ωよりも大きくなっても静電容量C1に大きな変化はない。接触抵抗Rmが10kΩ程度になると、静電容量C1は1.75pF程度となり、これは接触容量Cmおよび静電容量Cbの2.5pFの2分の1の値である。 Even if the contact resistance Rm is greater than 100Ω, there is no significant change in the capacitance C1. When the contact resistance Rm is about 10 kΩ, the capacitance C1 is about 1.75 pF, which is half the value of the contact capacitance Cm and the capacitance Cb of 2.5 pF.
図5において、接触抵抗Rmが0.5Ω程度の場合に、Q値は50程度であるが、接触抵抗Rmがそれより大きくなるにしたがってQ値が低下し、接触抵抗Rmが10Ω程度になるとQ値は1程度に低下する。接触抵抗Rmが10Ω〜100Ωの間はQ値は1程度であり、接触抵抗Rmが100Ωよりも大きくなると、それにしたがってQ値も高くなる。 In FIG. 5, when the contact resistance Rm is about 0.5Ω, the Q value is about 50. However, as the contact resistance Rm increases, the Q value decreases, and when the contact resistance Rm becomes about 10Ω, the Q value decreases. The value drops to about 1. When the contact resistance Rm is between 10Ω and 100Ω, the Q value is about 1, and when the contact resistance Rm exceeds 100Ω, the Q value increases accordingly.
例えば、接触抵抗Rmが1000Ω程度の場合に、Q値は50程度となる。接触抵抗Rmが10kΩ程度になるとQ値は160程度にまで高くなる。 For example, when the contact resistance Rm is about 1000Ω, the Q value is about 50. When the contact resistance Rm is about 10 kΩ, the Q value is increased to about 160.
これら図4および図5によると、接触抵抗Rmが10Ω〜100Ωの間でQ値は最低となり、高いQ値を得るには接触抵抗Rmを十分に低くするかまたは高くするかのどちらかにする必要がある。接触抵抗Rmが100Ωよりも大きくなることによってある程度のQ値が得られる。接触抵抗Rmが1kΩ程度になると、接触抵抗Rmが0.5Ω程度の場合と同等のQ値50が得られる。 According to these FIG. 4 and FIG. 5, the Q value is the lowest when the contact resistance Rm is between 10Ω and 100Ω, and the contact resistance Rm is made sufficiently low or high to obtain a high Q value. There is a need. A certain Q value is obtained when the contact resistance Rm is greater than 100Ω. When the contact resistance Rm is about 1 kΩ, a Q value 50 equivalent to that when the contact resistance Rm is about 0.5Ω is obtained.
また、本実施形態の可変容量デバイス1では、接触抵抗Rmを1kΩ程度とし、Q値50を得る。また、静電容量C1は、静電容量Cbと接触容量Cmとの合成容量とする。
In the
接触抵抗Rmが1kΩ程度と高いので、使用によってキャパシタ電極14と可動電極15との接触離間を繰り返しても、それによる接触抵抗Rmの変化はほとんどなく、Q値はほとんど変化しない。また、接触容量Cmおよび静電容量Cbの変化もほとんどないので、可変容量デバイス1の静電容量C1もほとんど変化しない。
Since the contact resistance Rm is as high as about 1 kΩ, even if the contact and separation between the
なお、図3に示す等価回路において、各要素の実際の数値は上に述べた値と種々異なることがあり、また等価回路では示されない要因が含まれることがあるので、図4および図5に示したシミュレーションの結果とは異なってくることがある。 In the equivalent circuit shown in FIG. 3, the actual numerical value of each element may be different from the above-described values, and factors not shown in the equivalent circuit may be included. The simulation results shown may be different.
このように、本実施形態の可変容量デバイス1では、Q値の変動を抑制することができ、特性が安定する。
Thus, in the
また、接触抵抗Rmが1kΩ程度と高いので、可変容量デバイス1に信号電流を流した状態でオンオフ動作を行っても、つまりホットスイッチとして動作させても、可変容量デバイス1に流れる電流が抑制され、キャパシタ電極14と可動電極15との溶着などを防ぐことができる。
In addition, since the contact resistance Rm is as high as about 1 kΩ, the current flowing through the
上の実施形態では、キャパシタ電極14の表面に突起21を設けたが、このような突起21を他の部分に設けてもよい。
In the above embodiment, the
すなわち、図6(A)に示す可変容量デバイス1Bのように、キャパシタ電極14の表面に設けるのではなく、キャパシタ電極14の表面と対向する可動電極15の表面(下面)に、突起21Bを設ける。
That is, unlike the variable capacitance device 1B shown in FIG. 6A, the
また、図6(B)に示す可変容量デバイス1Cのように、突起21,21Bを、キャパシタ電極14の表面と可動電極15の表面との両方の対向面に設ける。
Further, like the variable capacitance device 1C shown in FIG. 6B, the
図7(A)に示すように、突起21,21Bの形状を、円錐状とすることができる。また、図7(B)に示すように、円錐状の突起21,21Bを、縦方向および横方向にマトリックス状に配置することができる。
As shown in FIG. 7A, the shapes of the
なお、突起21,21Bの形状は円錐状以外の種々の形状としてよく、また、配列もマトリックス状以外の種々の配列とすることができる。
The shape of the
なお、突起21は、種々のイオンミリング、その他の方法によって表面を粗くすることによって形成することが可能である。
〔第2の実施形態〕
上に述べた第1の実施形態では、キャパシタ電極14と可動電極15とを、突起21を介して接触させることにより、適切な接触抵抗Rmを得た。第2の実施形態では、突起21に代えて抵抗層を用いる。
The
[Second Embodiment]
In the first embodiment described above, an appropriate contact resistance Rm is obtained by bringing the
図8において、可変容量デバイス1D〜Fは、基板11、基板11上に形成された固定電極12、固定電極12の上に形成された誘電体層13、誘電体層13の上に形成されたキャパシタ電極14、および可動電極15などを有する。キャパシタ電極14または可動電極15の表面に、接触抵抗Rmを形成するための、抵抗材料を用いて形成された複数の抵抗層22,22Bが設けられる。
In FIG. 8, the
すなわち、図8(A)に示す可変容量デバイス1Dでは、可動電極15の表面(下面)に複数の抵抗層22を設ける。図8(B)に示す可変容量デバイス1Eでは、キャパシタ電極14の表面(上面)に複数の抵抗層22Bを設ける。図8(C)に示す可変容量デバイス1Fでは、可動電極15の表面(下面)およびキャパシタ電極14の表面(上面)の両方に複数の抵抗層22,22Bを設ける。
That is, in the variable capacitance device 1D shown in FIG. 8A, a plurality of resistance layers 22 are provided on the surface (lower surface) of the
図9(A)に示すように、抵抗層22,22Bは、平面視(正面視)が円形である。抵抗層22,22Bの厚さ(高さ)は、例えば50〜100nm程度であり、直径は例えば3〜10μm程度である。 As shown in FIG. 9A, the resistance layers 22 and 22B are circular in plan view (front view). The resistance layers 22 and 22B have a thickness (height) of, for example, about 50 to 100 nm and a diameter of, for example, about 3 to 10 μm.
また、図9(B)に示すように、抵抗層22,22Bを、平面視(正面視)が正方形または矩形となるように形成してもよい。その場合の一辺の長さは、例えば3〜10μm程度である。 Further, as shown in FIG. 9B, the resistance layers 22 and 22B may be formed so that the plan view (front view) is a square or a rectangle. In that case, the length of one side is, for example, about 3 to 10 μm.
また、抵抗層22,22Bの形状を、これら以外の種々の形状としてもよい。例えば、正多角形、台形状、多角錘形状、円錐台形状、球面状、半球面状、その他の曲面状などとしてもよい。 The resistance layers 22 and 22B may have various shapes other than these. For example, a regular polygon, a trapezoid, a polygonal pyramid, a truncated cone, a spherical surface, a hemispherical surface, or other curved surface may be used.
これら抵抗層22,22Bの配列として、マトリックス状の配列、斜め方向の配列、同心円状の配列、渦巻き状の配列などとすることができる。図10に示す例では、可動電極15の下面に、複数の抵抗層22がマトリックス状に整列して配置されている。
The arrangement of the resistance layers 22 and 22B may be a matrix arrangement, an oblique arrangement, a concentric arrangement, a spiral arrangement, or the like. In the example shown in FIG. 10, a plurality of resistance layers 22 are arranged in a matrix on the lower surface of the
これら抵抗層22,22Bの材料として、Nb−SiO2、酸化ルテニウム、Cu−Mn合金、Ni−Cu合金、Ni−Cr合金などが用いられる。また、樹脂中にAgまたはCuなど金属の導電体粒子を分散させたものを用いることができる。
Nb—
また、抵抗層22,22Bを、Siなどの半導体材料を用いて形成することもできる。例えば、抵抗率の高いSi薄膜を真空蒸着やスパッタリングによって形成し、抵抗層22,22Bとしてもよい。 The resistance layers 22 and 22B can also be formed using a semiconductor material such as Si. For example, a Si thin film having a high resistivity may be formed by vacuum evaporation or sputtering to form the resistance layers 22 and 22B.
このように、抵抗層22,22Bによって接触抵抗Rmおよび接触容量Cmを形成することにより、接触抵抗Rmおよび接触容量Cmの設計が容易であり、また正確な値の接触抵抗Rmおよび接触容量Cmを得ることができる。例えば、抵抗層22,22Bの厚さ、高さ、面積、体積などを適当な値に設定することによって、接触抵抗Rmの大きさを容易に種々設定することができる。また、接触抵抗Rmおよび接触容量Cmの値が長期の使用にわたって安定である。
〔第3の実施形態〕
上に述べた第1および第2の実施形態では、1つのキャパシタ電極14と1つの可動電極15とを対向させた。第3の実施形態では、1つの可動電極15に対して、複数のキャパシタ電極14a〜cが対向して設けられる。
Thus, by forming the contact resistance Rm and the contact capacitance Cm by the resistance layers 22 and 22B, the design of the contact resistance Rm and the contact capacitance Cm is easy, and the contact resistance Rm and the contact capacitance Cm having accurate values can be obtained. Obtainable. For example, by setting the thickness, height, area, volume, and the like of the resistance layers 22 and 22B to appropriate values, the magnitude of the contact resistance Rm can be easily set. Further, the values of the contact resistance Rm and the contact capacitance Cm are stable over a long period of use.
[Third Embodiment]
In the first and second embodiments described above, one
図11において、可変容量デバイス1G〜Jは、基板11、基板11上に形成された固定電極12、固定電極12の上に形成された複数の誘電体層13a〜c、各誘電体層13a〜cの上に形成された複数のキャパシタ電極14a〜c、および可動電極15などを有する。
11, the variable capacitance devices 1G to 1J include a
各キャパシタ電極14a〜cまたは可動電極15の表面に、接触抵抗Rmを形成するための、1つまたは複数の突起21または抵抗層22,23が設けられる。
One or a plurality of
すなわち、図11(A)に示す可変容量デバイス1Gでは、可動電極15の表面(下面)に複数の突起21を設ける。図11(B)に示す可変容量デバイス1Hでは、可動電極15の表面(下面)に複数の抵抗層22を設ける。図11(C)に示す可変容量デバイス1Jでは、可動電極15の表面(下面)に一体になった長い抵抗層23を設ける。
That is, in the variable capacitance device 1G shown in FIG. 11A, a plurality of
これら突起21および抵抗層22,23は、それぞれ第1または第2に実施形態で述べたものと同様のものである。
The
ところで、外部電源GDにより固定電極12と可動電極15との間に電位差を与え、これによってそれらが接触したときに、固定電極12とキャパシタ電極14との間の静電容量Cbが充電される。その状態から、電位差をなくして可動電極15をキャパシタ電極14から離間させる際に、充電された電荷によってキャパシタ電極14と可動電極15との間に放電が起きる可能性がある。
By the way, a potential difference is applied between the fixed
これに対し、第3の実施形態の可変容量デバイス1G〜Jによると、1つの可動電極15に対向して複数のキャパシタ電極14a〜cを設けることによって固定容量である静電容量Cbを細分化した。これにより、それぞれのキャパシタ電極14a〜cにおいて形成される静電容量Cba〜cが細分化され、個々の静電容量Cba〜cに対する充電量が減少する。したがって、放電が起き難くなり、また放電が起きたとしても小さい放電となり、電極の損傷が生じ難く、また溶着などが生じ難い。これにより、信頼性を一層向上させることができる。
〔突起および抵抗層の形成方法〕
次に、突起21,21Bおよび抵抗層22,23の形成方法の例について説明する。
On the other hand, according to the variable capacitance devices 1G to 1J of the third embodiment, the capacitance Cb which is a fixed capacitance is subdivided by providing a plurality of capacitor electrodes 14a to 14c facing one
[Method of forming protrusion and resistance layer]
Next, an example of a method for forming the
図12〜図14には突起21,21Bの形成方法の例が、図15〜図16には抵抗層22,23の形成方法の例が、それぞれ示されている。
FIGS. 12 to 14 show examples of methods for forming the
図12(A)に示すように、キャパシタ電極14の上面に犠牲層31を形成する。犠牲層31の材料として、例えばSiO2、MgOなどを用いる。図12(B)に示すように、犠牲層31の上に、多数の穴32aが形成されたマスク32を配置し、図12(C)に示すように犠牲層31の部分エッチングを行う。犠牲層31はアンダーカットされ、各穴32aの下に空間KKが形成される。
As shown in FIG. 12A, a
図12(D)に示すように、金属材料または半導体材料を用いてスパッタリングなどを行い、キャパシタ電極14の表面の空間KKの部分に円錐状の突起21を形成する。なお、このとき、マスク32の上にもスパッタリングなどの材料が堆積する。図12(E)に示すように、犠牲層31をエッチングなどで除去することにより、キャパシタ電極14の表面に突起21が形成される。
As shown in FIG. 12D, sputtering or the like is performed using a metal material or a semiconductor material to form a
図13(A)に示すように、キャパシタ電極14の上面に犠牲層31を形成する。図13(B)(C)に示すように、表面に円錐状の多数の突起33aが形成された金属からなるプレス型33を用い、犠牲層31の表面をプレスして型成形する。これにより、図13(D)に示すように、犠牲層31の表面に、円錐状の多数の凹部31aが形成される。
As shown in FIG. 13A, a
図13(E)に示すように、犠牲層31の上に、メッキなどによって金属層34を形成する。図13(F)に示すように、犠牲層31を除去することにより、表面に多数の突起21Bを持った可動電極15が形成される。
As shown in FIG. 13E, a
図14(A)に示すように、キャパシタ電極14の上面に犠牲層31を形成する。犠牲層31の材料として、例えばSiO2、MgOなどを用いる。図14(B)に示すように、犠牲層31の上に、多数の穴35aが形成されたマスク35を配置し、図14(C)に示すように犠牲層31のハーフエッチングを行う。これにより、犠牲層31には凹部31bが形成される。
As shown in FIG. 14A, a
図14(D)に示すようにマスク35を除去し、図14(E)に示すように、犠牲層31の上にメッキなどによって金属層36を形成する。図14(F)に示すように、犠牲層31を除去することにより、表面に多数の突起21Bを持った可動電極15が形成される。
The
図15(A)に示すように、キャパシタ電極14の上面に犠牲層31を形成する。犠牲層31の材料として樹脂などを用いることができる。図15(B)(C)に示すように、表面に円錐状の多数の突起37aが形成された金属からなるプレス型37を用い、犠牲層31の表面をプレスして型成形する。これにより、図15(D)に示すように、犠牲層31の表面に、円錐状の多数の凹部31cが形成される。
As shown in FIG. 15A, a
図15(E)に示すように、犠牲層31の上に、スクリーン印刷などによって抵抗体38を塗布する。図15(F)に示すように、抵抗体38に対してエッチバックを行い、凹部31c内に塗布された抵抗体38aを残して除去する。図15(G)に示すように、犠牲層31および抵抗体38aの上に、スパッタリングなどによって金属層39を形成する。金属層39と抵抗体38aとはアンカー効果によって一体化する。図15(H)に示すように、犠牲層31を除去することにより、表面に多数の抵抗層22を持った可動電極15が形成される。
As shown in FIG. 15E, a
図16(A)に示すように、キャパシタ電極14の上面に犠牲層31を形成する。図16(B)に示すように、犠牲層31の上に、多数の穴40aが形成されたマスク40を配置し、図16(C)に示すように犠牲層31のハーフエッチングを行う。これにより、犠牲層31には凹部31dが形成される。
As shown in FIG. 16A, a
図16(D)に示すようにマスク40を除去し、図16(E)に示すように、犠牲層31の上にスクリーン印刷などによって抵抗体41を塗布する。図16(F)に示すように、抵抗体41に対してエッチバックを行い、凹部31d内に塗布された抵抗体41aを残して他を除去する。図16(G)に示すように、犠牲層31および抵抗体41aの上に、スパッタリングなどによって金属層42を形成する。金属層42と抵抗体41aとはアンカー効果によって一体化する。図16(H)に示すように、犠牲層31を除去することにより、表面に多数の抵抗層22を持った可動電極15が形成される。
The
上に述べた各形成方法において、穴32a,35a,40a、突起33a,37a、凹部31a,31b,31c,31d、抵抗体38a、突起21,21B、抵抗層22の形状、サイズ、個数、配列などは、上記以外に種々変更することができる。また、上に述べた以外の種々の形成方法を採用することが可能である。
In each of the forming methods described above, the shape, size, number, and arrangement of the
上の各実施形態において、Q値、接触抵抗Rm、接触容量Cm、静電容量Cb、寄生インダクタンスLp、寄生抵抗Rpなどの値は、可変容量デバイスの使用目的、伝送線路の特性インピーダンスZ0、その他の使用条件などに応じて種々変更することができる。 In each of the above embodiments, the Q value, the contact resistance Rm, the contact capacitance Cm, the electrostatic capacitance Cb, the parasitic inductance Lp, the parasitic resistance Rp, and the like are the purpose of use of the variable capacitance device, the characteristic impedance Z0 of the transmission line, etc. Various changes can be made according to the usage conditions.
上の各実施形態においては、外部電源GDによって固定電極12と可動電極15との間に電位差を与え、静電引力によってキャパシタ電極14と可動電極15とを接触させる可変容量デバイス1,1B〜Jの例を示した。しかし、可変容量デバイスとしてこの構造に限ることなく、キャパシタ電極14と可動電極15とを接触させる機構が搭載されているものについて適用することができる。また、可動電極15を駆動するための駆動電極を別途設けるようにしてもよい。
In each of the above embodiments, the
その他、固定電極12、誘電体層13、キャパシタ電極14、可動電極15、突起21、抵抗層22,22B,23、可変容量デバイス1,1B〜Jの各部または全体の構成、構造、回路、形状、個数、材料、配置、作製方法などは、本発明の主旨に沿って適宜変更することができる。
In addition, each part of the fixed
1,1B〜J 可変容量デバイス
12 固定電極
13 誘電体層
14 キャパシタ電極
15 可動電極
21 突起
22,22B 抵抗層
23 抵抗層
Rm 接触抵抗
Cm 接触容量
Cb 静電容量(固定容量)
C1 静電容量(合成容量)
XCm リアクタンス
1, 1B to J
C1 Capacitance (combined capacity)
XCm reactance
Claims (6)
前記固定電極の上に形成された誘電体層と、
前記誘電体層の上に形成されたキャパシタ電極と、
前記キャパシタ電極に対向して設けられ前記キャパシタ電極に対して接離可能な可動電極と、を有し、
前記キャパシタ電極と前記可動電極との間においてその接触時における接触抵抗および接触容量が形成されており、
前記接触抵抗の抵抗値Rmおよび前記接触容量のリアクタンスXCmによる誘電正接tanδ=XCm/Rmの逆数をQ値としたときに、前記Q値が10以上となるように、前記抵抗値Rmが設定されている、
可変容量デバイス。 A fixed electrode;
A dielectric layer formed on the fixed electrode;
A capacitor electrode formed on the dielectric layer;
A movable electrode provided facing the capacitor electrode and capable of contacting and separating from the capacitor electrode;
A contact resistance and a contact capacitance at the time of contact are formed between the capacitor electrode and the movable electrode,
The resistance value Rm is set so that the Q value becomes 10 or more when the reciprocal of the dielectric loss tangent tan δ = XCm / Rm based on the resistance value Rm of the contact resistance and the reactance XCm of the contact capacitance is defined as a Q value. ing,
Variable capacity device.
請求項1記載の可変容量デバイス The resistance value Rm is set so that the Q value is 40 or more.
The variable capacitance device according to claim 1.
請求項1記載の可変容量デバイス The resistance value Rm is 1 KΩ or more,
The variable capacitance device according to claim 1.
請求項1ないし3のいずれかに記載の可変容量デバイス A plurality of protrusions for forming the contact resistance is provided on the surface of the capacitor electrode or the movable electrode.
The variable capacitance device according to claim 1.
請求項1ないし3のいずれかに記載の可変容量デバイス A resistance layer formed using a resistance material for forming the contact resistance is provided on the surface of the capacitor electrode or the movable electrode.
The variable capacitance device according to claim 1.
請求項1ないし5のいずれかに記載の可変容量デバイス A plurality of the capacitor electrodes are provided facing one movable electrode,
The variable capacitance device according to claim 1.
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8981617B2 (en) | 2012-04-25 | 2015-03-17 | Advantest Corporation | Actuator apparatus, test apparatus, and test method |
JP2015529971A (en) * | 2012-07-24 | 2015-10-08 | レイセオン カンパニー | Capacitor switchable with switch |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2003208841A (en) * | 2002-10-21 | 2003-07-25 | Nec Corp | Micro machine switch and phased array antenna device using the switch |
JP2004006588A (en) * | 2002-03-25 | 2004-01-08 | Fujitsu Media Device Kk | Variable capacitor and method of fabricating the same |
JP2006179252A (en) * | 2004-12-21 | 2006-07-06 | Fujitsu Component Ltd | Switch device |
WO2006137455A1 (en) * | 2005-06-22 | 2006-12-28 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Electro-mechanical memory, electric circuit using the same, and electro-mechanical memory drive method |
-
2010
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Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004006588A (en) * | 2002-03-25 | 2004-01-08 | Fujitsu Media Device Kk | Variable capacitor and method of fabricating the same |
JP2003208841A (en) * | 2002-10-21 | 2003-07-25 | Nec Corp | Micro machine switch and phased array antenna device using the switch |
JP2006179252A (en) * | 2004-12-21 | 2006-07-06 | Fujitsu Component Ltd | Switch device |
WO2006137455A1 (en) * | 2005-06-22 | 2006-12-28 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Electro-mechanical memory, electric circuit using the same, and electro-mechanical memory drive method |
JP2007036201A (en) * | 2005-06-22 | 2007-02-08 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Electromechanical memory, electric circuit employing the same, and driving method of electromechanical memory |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8981617B2 (en) | 2012-04-25 | 2015-03-17 | Advantest Corporation | Actuator apparatus, test apparatus, and test method |
JP2015529971A (en) * | 2012-07-24 | 2015-10-08 | レイセオン カンパニー | Capacitor switchable with switch |
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Publication number | Publication date |
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