JP2012009637A - 可変容量装置 - Google Patents

Abstract

【課題】可動梁の自己駆動による影響を受けにくく、ＲＦ容量が緩やかに変化するバイアス電圧の電圧範囲を広げることができる、可変容量装置を提供する。
【解決手段】可変容量装置１は、支持板２と可動梁３とＲＦ容量部Ｃ１Ａ，Ｃ１Ｂと駆動容量部Ｃ２Ａ，Ｃ２Ｂとを備える。可動梁３は片持ち梁構造であり、可動端周辺に矩形薄肉部３Ｅを設けて、曲げ剛性を局所的に低減した構成である。駆動容量部Ｃ２Ａ，Ｃ２Ｂは、バイアス電圧が印加されて生じる駆動容量によって可動梁３を曲げ変形させる。ＲＦ容量部Ｃ１Ａ，Ｃ１Ｂは、支持板２と可動梁３との間が近接状態となる領域面積に応じて容量値が変化するＲＦ容量を生じる。
【選択図】 図２

Description

この発明は、静電力により駆動するＭＥＭＳを用いてＲＦ容量を可変する可変容量装置に関するものである。

近年、可変容量装置において静電力で駆動するＭＥＭＳが利用されることがある（特許文献１，２参照。）。図１は、従来の可変容量装置の構成例を説明する図である。
可変容量装置１０１は可動板１０２，１０３を備える。可動板１０２，１０３はそれぞれ両持ち梁構造であり導電性材料からなる。可動板１０３は可動板１０２との対向面が凸形状で誘電体層１０４を表面に備える。可動板１０２と可動板１０３とは互いに間隔を隔てて平行に配置され、可動板１０２，１０３間にバイアス電圧を印加することで駆動容量が生じて、可動板１０２，１０３間の間隔が狭まる。バイアス電圧を増大させていくことで、まず、可動板１０３の凸形状先端領域が可動板１０２に誘電体層１０４を介して接触するプルイン状態になり、そこからバイアス電圧をさらに増大させることで接触面積が増大していく。この可変容量装置１０１は、可動板１０２，１０３間の接触面積に応じた容量値のＲＦ容量素子として利用される。

特開２００６−２１０８４３号公報 特開２００８−１８２１３４号公報

上述のように、可変容量装置では可動梁と支持板とが近接状態となる領域面積の変化によってＲＦ容量が変化するが、ＲＦ容量の変化はプルイン状態の直後に大きく、その後は緩やかに変化することになる。
例えば片持ち梁構造の場合、まず、所定のバイアス電圧値で可動端がプルイン状態となりＲＦ容量が大きく立ち上がる。この時、支持板に対して可動梁は可動端のみが接触する状態である。その後、バイアス電圧値をさらに高く所定のバイアス電圧値に到達した時に、可動端周辺の面領域が近接状態（面領域プルイン状態）となり、ＲＦ容量がさらに大きく立ち上がる。その後、バイアス電圧値を高くしていくにしたがって近接領域面積は拡大していき、その間、ＲＦ容量は緩やかに変化していく。
両持ち梁構造の場合、片持ち梁の中央周辺の面領域が支持板に平行に近づくため、所定のバイアス電圧値でいきなり面領域プルイン状態となり、ＲＦ容量が極めて大きく立ち上がる。その後、バイアス電圧値を高くしていくにしたがって近接領域面積は拡大していき、その間、ＲＦ容量は緩やかに変化していく。

可変容量装置は上述のような容量特性を持つが、その容量特性においてＲＦ容量が緩やかに変化するバイアス電圧の範囲が広いことが望まれる。ＲＦ容量が緩やかに変化するバイアス電圧の範囲を拡げるためには、可動梁として曲げ剛性の低い柔らかい材料を利用することが有効であるが、可動梁として極端に曲げ剛性が低い材料を利用することはできない。例えば、ＲＦ信号による静電引力が可動梁に作用することで、所謂、可動梁の自己駆動（セルフアクチュエーション）による変形を引き起こされ、この変形の影響から極端に曲げ剛性が低い可動梁ではバイアス電圧による可動梁の適正駆動が困難になることがある。

そこで本発明の目的は、可動梁の自己駆動による影響を受けにくく、ＲＦ容量が緩やかに変化するバイアス電圧の電圧範囲を広げることができる、可変容量装置を提供することにある。

この発明の可変容量装置は、支持板と可動梁と容量形成部とを備える。可動梁は支持板の主面に平行に支持される。容量形成部は、支持板と可動梁との間に可動梁の主軸方向に沿って長尺に設けられ、バイアス電圧が印加されて生じる駆動容量によって可動梁を曲げ変形させ、曲げ変形によって支持板と可動梁との間が近接状態となる領域面積に応じて容量値が変化するＲＦ容量を生じる。このような可変容量装置において可動梁は、容量形成部が最初に近接状態となる位置周辺で曲げ剛性を局所的に低減した構成である。
この構成では、容量形成部が最初に近接状態となる位置周辺での可動梁の曲げ剛性を局所的に低いものとすることで、その領域での曲げ変形の曲率を大きくすることが可能になり、面領域プルイン状態で近接状態になる領域面積を低減することができる。これにより、ＲＦ容量が緩やかに変化するバイアス電圧の電圧範囲を広げることができる。また、可動梁の支持端側は曲げ剛性が高いままであるため、可動梁の自己駆動による変形を抑制することができる。

この発明の可動梁は、容量形成部が最初に近接状態となる位置周辺で、前記支持板の主面法線方向の厚みを局所的に低減した構成であると好適である。この構成により、容量形成部が最初に近接状態となる位置周辺で、曲げ剛性を局所的に低減することができる。

この発明の可動梁は、支持端から容量形成部が最初に近接状態となる位置にかけて、前記支持板の主面法線方向の厚みを多段階に低減した構成であると好適である。この構成により、バイアス電圧の変化に対するＲＦ容量の変化の線形性が高まり、ＲＦ容量の制御を精緻に行えるようになる。

この発明の可動梁は、主軸方向と直交する方向に延設した溝部を主面に配列し、溝部の主軸方向幅または主軸方向配列間隔を部分的に異ならせた構成であると好適である。この構成により、溝部の主軸方向幅または主軸方向配列間隔に応じて可動梁の剛性を部分的に異ならせることができる。その上、全ての溝部を深さ一定で形成しても、可動梁の曲げ剛性の分布を任意に設定でき、バイアス電圧の変化に対するＲＦ容量の変化の線形性を高めることと、可動梁の成形とが容易になる。

この発明によれば、片持ち梁構造または両持ち梁構造の可動梁において容量形成部が最初に近接状態となる位置周辺で局所的に可動梁の曲げ剛性を低くすることにより、そこでの曲げ変形による曲率を大きくして面領域プルイン状態での近接領域面積を低減することができる。これにより、ＲＦ容量が緩やかに変化するバイアス電圧の電圧範囲を広げることができる。そして可動梁の支持端側は曲げ剛性が高いままとすることにより、可動梁の自己駆動による変形を抑制することができる。

従来の可変容量装置の構成例を説明する図である。 本発明の第１の実施形態に係る可変容量装置の構成例を説明する図である。 本発明の第１の実施形態に係る可変容量装置の容量特性を説明する図である。 本発明の第２の実施形態に係る可変容量装置の構成例を説明する図である。 本発明の第３の実施形態に係る可変容量装置の構成例を説明する図である。

本発明の実施形態に係る可変容量装置の構成例について図を参照して説明する。なお図中に、可動梁の厚み方向をＺ軸方向、可動梁の主軸方向をＸ軸方向、可動梁の幅方向をＹ軸方向とする直交座標形のＸ−Ｙ−Ｚ軸を付記する。

《第１の実施形態》
図２（Ａ）は第１の実施形態に係る可変容量装置１のＸ−Ｙ面図である。図２（Ｂ）は可変容量装置１のＸ−Ｚ面断面図である。図２（Ｃ）は可変容量装置１のＹ−Ｚ面断面図である。

可変容量装置１は、バイアス電圧の印加によって容量値が変化するＲＦ容量素子である。この可変容量装置１は、支持板２と可動梁３と下容量電極４Ａ，４Ｂ，下駆動電極５Ａ，５Ｂと上容量電極６，上駆動電極７Ａ，７Ｂと誘電体膜８とを備える。
支持板２は平面視して矩形状のガラス基板からなり、上面に下容量電極４Ａ，４Ｂ，下駆動電極５Ａ，５Ｂが形成され、下容量電極４Ａ，４Ｂ，下駆動電極５Ａ，５Ｂを覆うように誘電体膜８が形成されている。下容量電極４Ａ，４Ｂ，下駆動電極５Ａ，５ＢはそれぞれＸ軸方向に長尺な線路状電極であり、下容量電極４Ａ，４Ｂの両脇に下駆動電極５Ａ，５Ｂを配置している。誘電体膜８は五酸化タンタルからなり、下容量電極４Ａ，４Ｂ，下駆動電極５Ａ，５Ｂを覆うように矩形状で支持板２の上面に積層している。

可動梁３は、Ｘ−Ｚ面を視て略Ｌ字状の高抵抗シリコン基板（絶縁材料）からなり、一端で支持板２に支持される片持ち梁構造であり、２本の連結部３Ｂと可動部３Ｃと支持部３Ａとラダー部３Ｄとを備える。支持部３Ａは、支持板２に接合されて連結部３Ｂと可動部３Ｃとを支持板２から離間した状態で支持する。ここでは、支持部３ＡはＹ軸方向に長尺な柱状としている。２本の連結部３Ｂは、支持部３ＡのＹ軸方向両端から支持板２と平行にＸ軸方向に立設し、先端側で可動部３Ｃを支持する。ここでは、連結部３ＢをそれぞれＸ軸に対して蛇行するミアンダライン状としていて、これにより可動梁３の支持端を固定端ではなく回転端としている。可動部３ＣはＸ軸方向に長尺な平板状であり、Ｘ軸正方向端部にＺ軸方向の厚み寸法が薄い矩形薄肉部３Ｅを設けて曲げ剛性を局所的に小さくした構成である。また可動部３Ｃは、Ｘ軸に沿って配列される複数の開口部からなる２列のラダー部３Ｄを設けた構成である。

上容量電極６，上駆動電極７Ａ，７Ｂはそれぞれ可動梁３の下面に形成したＸ軸方向に長尺な線路状電極である。それらのうち上容量電極６は可動部３Ｃのラダー部３Ｄによって区画される中央の領域に、上駆動電極７Ａ，７Ｂは可動部３Ｃのラダー部３Ｄによって区画されるＹ軸方向両外側の領域に設けている。なお、上容量電極６は下容量電極４Ａ，４Ｂに対向配置していて、上駆動電極７Ａ，７Ｂは下駆動電極５Ａ，５Ｂに対向配置している。

このような構成の可変容量装置１において、下駆動電極５Ａ，５Ｂにはバイアス電圧を印加するためのバイアス電圧端子を接続し、上駆動電極７Ａ，７Ｂにはグランド端子を接続している。また、下容量電極４ＡはＲＦ信号の入力端子（または出力端子）に接続し、下容量電極４ＢはＲＦ信号の出力端子（または入力端子）に接続している。このため、下駆動電極５Ａ，５Ｂはそれぞれ上駆動電極７Ａ，７Ｂおよび誘電体膜８の対向する領域とともに駆動容量部Ｃ２Ａ，Ｃ２Ｂを構成し、下容量電極４Ａ，４Ｂはそれぞれ上容量電極６および誘電体膜８の対向する領域とともにＲＦ容量部Ｃ１Ａ，Ｃ１Ｂを構成することになる。駆動容量部Ｃ２Ａ，Ｃ２Ｂは、バイアス電圧が印加されて生じる静電引力で可動梁３を支持板２側に引き付け、可動梁３を先端（Ｘ軸正方向側の端部）から誘電体膜８に接触させる駆動容量として機能する。また、ＲＦ容量部Ｃ１Ａ，Ｃ１Ｂは、互いが直列に接続される構成であり、数百MHz〜数GHzの高周波回路の中で使用され、可動梁３と誘電体膜８との接触面積に応じて変化する容量可変なＲＦ容量として機能する。

本実施形態の可変容量装置１は、前述のように可動梁３の可動端周辺に矩形薄肉部３Ｅを設けることで可動梁３の可動端における曲げ剛性を局所的に低減した構成であり、これにより、可動梁３が面領域プルイン状態となる際の、可動梁３と誘電体膜８との接触面積およびＲＦ容量部Ｃ１Ａ，Ｃ１Ｂの容量値を低減している。

図３（Ａ）は可変容量装置１におけるバイアス電圧ごとの形状プロファイルの例を説明する図であり、図３（Ｂ）は比較構成におけるバイアス電圧ごとの形状プロファイルの例を説明する図である。なお比較構成としては、可変容量装置１における矩形薄肉部３Ｅを省いた構成、即ち可動部３Ｃを一様な厚みとした構成を採用している。

両図において、横軸は可動梁３の支持端をゼロとしたＸ軸上の位置（可動部３Ｃに対応する位置のみを図示）を、縦軸は無変形状態を基準にしたＺ軸上の位置を示している。このため図中の各線分は、異なるバイアス電圧での可動部３Ｃの下面形状を上下逆向きにしたものと相似している。なお、各線分ごとのバイアス電圧の差は0.5Vである。

図３（Ａ），（Ｂ）において、バイアス電圧を印加していない電圧値｛Ｖ（０），Ｖ’（０）｝の状態から電圧値｛Ｖ（ｎ），Ｖ’（ｎ）｝までの電圧増加に従い、可動梁３には連結部３Ｂでの曲げ変形が生じ、可動部３Ｃの傾きが徐々に大きくなっていく。そして、電圧値｛Ｖ（ｎ），Ｖ’（ｎ）｝から電圧値｛Ｖ（ｎ＋１），Ｖ’（ｎ＋１）｝への0.5Vの電圧増加により、一気に可動部３Ｃの傾きが増大し、可動部３Ｃの先端が誘電体膜８に接触するプルイン状態になる。次いで、バイアス電圧値｛Ｖ（ｎ＋１），Ｖ’（ｎ＋１）｝から電圧｛Ｖ（ｍ），Ｖ’（ｍ）｝までの電圧増加に従い、可動部３Ｃに曲げ変形が生じ、可動部３Ｃと誘電体膜８との接触角が徐々に低減していく。そして、電圧値｛Ｖ（ｍ），Ｖ’（ｍ）｝から電圧値｛Ｖ（ｍ＋１），Ｖ’（ｍ＋１）｝への0.5Vの電圧増加により、一気に接触角がゼロになり、可動端周辺の面領域が誘電体膜８に接触する面領域プルイン状態になる。

図３（Ｂ）の従来構成では、可動部３Ｃの曲げ剛性が一様に高いために、面領域プルイン状態とするために必要な静電引力が大きく、プルイン状態から面領域プルイン状態になるまでのバイアス電圧の電圧範囲｛Ｖ’（ｎ＋１）〜Ｖ’（ｍ）｝が広いものになっている。また、面領域プルイン状態で接触する領域面積が大きくなっていて、面領域プルイン状態でのＲＦ容量の容量値、即ち、ＲＦ容量の制御範囲の下限値が大きいものになっている。
一方、図３（Ａ）の本願構成では、可動部３Ｃの先端周辺での曲げ剛性が局所的に低いために、面領域プルイン状態とするために必要な静電引力が小さく、プルイン状態から面領域プルイン状態になるまでのバイアス電圧の電圧範囲｛Ｖ（ｎ＋１）〜Ｖ（ｍ）｝が狭いものになっている。このため、面領域プルイン状態になった後のＲＦ容量を連続変化させることができるバイアス電圧の範囲｛Ｖ（ｍ＋１）〜｝が従来構成よりも広いものになる。また、面領域プルイン状態で接触する領域面積が小さくなっていて、面領域プルイン状態でのＲＦ容量の容量値、即ち、ＲＦ容量の制御範囲の下限値が小さくなっている。このため、ＲＦ容量の制御範囲が従来構成よりも広いものになる。

図３（Ｃ）は可変容量装置の容量特性の一例を説明する図である。図中に破線で示す従来構成では、約３Ｖの電圧値でプルイン状態になり、この際にＲＦ容量が急増する。その後、約８Ｖの電圧値で面領域プルイン状態になり、この際にもＲＦ容量が急増する。一方、図中に実線で示す本願構成では、約３Ｖの電圧値でプルイン状態になるまでは従来構成と同様であるが、その後、約５．５Ｖと従来構成よりも低い電圧値で面領域プルイン状態になり、この際のＲＦ容量の増加の程度が従来構成よりも緩やかなものになる。なお、約７Ｖの電圧値でもＲＦ容量の増加が見られるが、これは、可動部３Ｃの厚肉部分が面接触することによる。このように、本願構成では、面領域プルイン状態でのＲＦ容量の変化を抑制でき、従来構成よりもＲＦ容量の連続性が高まるため、ＲＦ容量を従来構成よりも精緻に設定することが可能となる。

《第２の実施形態》
図４（Ａ）は第２の実施形態に係る可変容量装置１１の構成を説明する図である。
この可変容量装置１１は、Ｘ−Ｙ面断面形状が可変容量装置１と相違する可動梁１３を備える。前述の可変容量装置１は可動梁が１段の段付き形状であったが、本実施形態の可変容量装置１１は可動梁１３が多段（３段）の段付き形状で、支持端側から可動端側にかけて、段階的にＺ軸方向の厚み寸法が小さくなる形状として、可動梁１３の曲げ剛性を支持端側から可動端側にかけて段階的に低減している。

図４（Ｂ）は可変容量装置１１の容量特性の例を説明する図である。図中に実線で示す本願構成では、約３Ｖの電圧値で一気に面領域プルイン状態になり、ＲＦ容量の増加が従来構成よりも大きい。その後も、厚みが増す位置まで変形が進む際に若干のＲＦ容量の急増があるが、電圧増加に従ってほぼ緩やかにＲＦ容量が増加していく。このように、可動梁１３における厚みを多段にして、曲げ剛性の勾配の離散度を高めることでＲＦ容量の変化の連続性を高めることができる。

《第３の実施形態》
図５（Ａ）は第３の実施形態に係る可変容量装置２１の構成を説明する図である。

この可変容量装置２１は、Ｘ−Ｙ面断面形状が可変容量装置１，１１と相違する可動梁２３を備える。本実施形態の可変容量装置２１はＸ軸に沿って配列される複数の溝部２４を備える形状である。各溝部２４はＹ軸に沿って所定深さで延設するとともに、溝部２４の配置間隔を可動端側を狭く支持端側を広くしていて、これにより、支持端側から可動端側にかけて段階的に曲げ剛性を低減している。可動梁の成形にはエッチング等の製造技術を採用することができるが、前述の可変容量装置１１ではエッチング深さを変更して複数回のエッチングプロセスを必要とし、一方、本実施形態の構成では、一度のエッチングで複数の溝部を成形でき、プロセス数を低減してより容易に製造できる。

図５（Ｂ）は可変容量装置２１の容量特性の例を説明する図である。図中に実線で示す本願構成では、約３Ｖの電圧値でプルイン状態になり、約５Ｖの電圧値で面領域プルイン状態になっている。そして、その後、電圧増加に従ってほぼ緩やかにＲＦ容量が増加している。このように、可動梁１３における曲げ剛性の分布を多段にして、曲げ剛性の勾配の離散度を高めることでＲＦ容量の変化の連続性を高めることができる。

なお、溝部２４の配置間隔だけでなく溝部２４自体の幅寸法の調整によっても曲げ剛性の勾配を変更することができ、それらの配置間隔や幅寸法を調整することにより、可変容量装置２１の容量特性をより自由に設計することが可能になる。 以上の各実施形態で説明したように本発明は実施できるが、本発明の範囲は上述の実施形態の記載に制限されるものではなく、本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図されるものである。

１，１１，２１…可変容量装置
２…支持板
３，１３，２３…可動梁
３Ａ…支持部
３Ｂ…連結部
３Ｃ…可動部
３Ｄ…ラダー部
３Ｅ…矩形薄肉部
４Ａ，４Ｂ…下容量電極
６…上容量電極
５Ａ，５Ｂ…下駆動電極
７Ａ，７Ｂ…上駆動電極
８…誘電体膜
２４…溝部
Ｃ１Ａ，Ｃ１Ｂ…ＲＦ容量部
Ｃ２Ａ，Ｃ２Ｂ…駆動容量部

Claims (4)

1. 支持板と、
   前記支持板の主面に平行に支持される可動梁と、
   前記支持板と前記可動梁との間に前記可動梁の主軸方向に沿って長尺に設けられ、バイアス電圧が印加されて生じる駆動容量によって前記可動梁を曲げ変形させ、曲げ変形によって前記支持板と前記可動梁とが近接状態となる領域面積に応じて容量値が変化するＲＦ容量を生じる容量形成部と、を備え、
   前記可動梁が、前記容量形成部が最初に近接状態となる位置周辺で曲げ剛性を局所的に低減した構成である、可変容量装置。
2. 前記可動梁は、前記容量形成部が最初に近接状態となる位置周辺で、前記支持板の主面法線方向の厚みを局所的に低減した構成である、請求項１に記載の可変容量装置。
3. 前記可動梁は、支持端から前記容量形成部が最初に近接状態となる位置にかけて、前記支持板の主面法線方向の厚みを多段階に低減した構成である、請求項１または２に記載の可変容量装置。
4. 前記可動梁は、前記主軸方向と直交する方向に延設した溝部を主面に配列し、前記溝部の主軸方向幅または主軸方向配列間隔を部分的に異ならせた構成である、請求項１または２に記載の可変容量装置。

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