JP2012178379A - 可変容量素子 - Google Patents

Abstract

【課題】スティッキングによる可変容量素子の動作不良を防ぐ。
【解決手段】可変容量素子１は、支持板２、可動梁３、下容量電極４Ａ，４Ｂ、下駆動電極５Ａ，５Ｂ、上容量電極６、上駆動電極７Ａ，７Ｂ、および誘電体膜８を備える。可動梁３は、長手方向に垂直な撓み方向に、ギャップ空間を介して支持板２と対向する。誘電体膜８は支持板２と可動板３との間のギャップ空間に露出して設けられる。下駆動電極５Ａ，５Ｂおよび上駆動電極７Ａ，７Ｂは駆動電圧が印加される。下容量電極４Ａ，４Ｂおよび上容量電極６はＲＦ信号が印加される。可動梁３の変位開始位置近傍での上容量電極６と誘電体膜８との接触面積を低減するストッパ１２を設ける。
【選択図】 図５

Description

この発明は、静電力により駆動するＭＥＭＳアクチュエータを用いてＲＦ容量を可変する可変容量素子に関するものである。

従来、ＭＥＭＳアクチュエータとして、固定板と可動板とを備え、両者をギャップ空間を介して対向させ、それぞれに駆動電極を設ける構成が採用されている。この構成では、駆動電極にＤＣ電圧を印加することで静電引力により可動板を変位させることができる（例えば特許文献１参照。）。

図１は、従来のＭＥＭＳアクチュエータの構成例を説明する図である。
ここで示すＭＥＭＳアクチュエータ１０１は、光の反射状態を変化させる光スイッチとして利用されるものであり、可動金属板１０２、支持アンカー部１０３、支持フレーム部１０４、固定電極板１０５、およびストッパ１０６を備える。可動金属板１０２は固定電極板１０５に対して相対的に上下動自在である。支持アンカー部１０３は可動金属板１０２を支持フレーム部１０４に対して弾性支持する。支持フレーム部１０４は可動金属板１０２と固定電極板１０５との間にギャップ空間を形成する。固定電極板１０５は可動金属板１０２に対向し、可動金属板１０２との間に駆動電圧が印加される。すると、可動金属板１０２には固定電極板１０５から駆動電圧による静電引力が作用することになる。

ストッパ１０６は固定電極板１０５から突出する部位であり、絶縁部１０６Ａと電極部１０６Ｂとを備える。絶縁部１０６Ａは、可動金属板１０２と固定電極板１０５との導通を防ぐために設けられる。絶縁部１０６Ａが可動金属板１０２に直接接触すれば、駆動電圧の電界により絶縁部１０６Ａが帯電して可動金属板１０２がストッパ１０６に吸着されるスティッキングが発生することがある。そこで、スティッキングを防ぐために絶縁部１０６Ａの表面には電極部１０６Ｂが設けられる。

特許第３６６８９３５号公報

本願出願人は、ＭＥＭＳアクチュエータを用いてＲＦ容量を連続的に制御する素子の開発を行っている。図２は、ＲＦ容量を連続的に制御可能な可変容量素子２０１の構成例を示す図である。
可変容量素子２０１は固定板２０２と可動板２０３とを備える。可動板２０３は片持ち梁構成で固定板２０２に対して平行に支持される。固定板２０２は、直線線路状電極２０４、コの字線路状電極２０５、誘電体膜２０８Ａ，２０８Ｂを備える。直線線路状電極２０４は、可動板２０３の長手方向に沿って平行に２本形成される。コの字線路状電極２０５は、平行する両端部の間に２本の直線線路状電極２０４を挟むように形成される。誘電体膜２０８Ａ，２０８Ｂは、直線線路状電極２０４、コの字線路状電極２０５それぞれを覆うように設けられる。また可動板２０３は、直線線路状電極２０４に対向する形状の矩形状電極２０６と、コの字線路状電極２０５に対向する形状のコの字線路状電極２０７とを備える。コの字線路状電極２０７とコの字線路状電極２０５とはギャップ空間および誘電体膜２０８Ｂを介して対向し、両電極間には駆動電圧が印加される。矩形状電極２０６と直線線路状電極２０４とはギャップ空間および誘電体膜２０８Ａを介して対向し、これらの電極間にはＲＦ容量が形成される。

この可変容量素子２０１では、駆動電圧の印加により可動板２０３が先端側から撓んで誘電体膜２０８Ａ，２０８Ｂに接触する。その接触面積は駆動電圧に応じて変化し、これによりＲＦ容量が連続的に制御されることになる。

このような構成の可変容量素子２０１であっても、前述の従来例（図１）と同様に誘電体膜２０８Ｂが駆動電圧により帯電してスティッキングが発生することがある。そのため、可変容量素子２０１においてもストッパ構造を採用することが考えられる。しかしながら、本願発明者らが見いだした知見によれば、可変容量素子２０１においては誘電体膜２０８Ｂに採用するストッパ構造によっては、スティッキングの発生を完全に防ぐことは極めて困難である。

そこで本発明の目的は、誘電体膜の帯電によるスティッキングの発生を防ぐことができる可変容量素子を提供することにある。

この発明の可変容量素子は、支持板と可動梁と誘電体膜と駆動電圧印加部とＲＦ信号印加部とを備える。可動梁は、長手方向に垂直な撓み方向に、ギャップ空間を介して支持板と対向する。誘電体膜は支持板と可動板との間のギャップ空間に露出して設けられる。駆動電圧印加部およびＲＦ信号印加部は、ギャップ空間および誘電体膜を介して対向する電極対からなり、可動梁の長手方向に沿って設けられる。このような構成の可変容量素子であって、可動梁の変位開始位置近傍でのＲＦ信号印加部の電極と誘電体膜との接触面積を低減するストッパを設けることを特徴とする。
本願発明者が見いだした知見によれば、誘電体膜は、極性が一定の駆動電圧による帯電だけでなく極性が反転するＲＦ信号の交番電界によっても帯電し、その帯電によってスティッキングが発生することがある。そこで、本構成では、ＲＦ信号印加部の電極と誘電体膜との接触面積をストッパにより低減し、ＲＦ信号による誘電体膜の帯電を抑制する。これにより、スティッキングの発生をより確実に防ぐことができる。
上述の可変容量素子において、可動梁の変位開始位置から長手方向に離れた領域では、ＲＦ信号印加部の電極と、その電極に対向する誘電体膜とが全面で接触すると好適である。
この構成では、ＲＦ信号印加部の電極と誘電体膜との最大接触面積を大きくでき、可変容量の最大値が増大する。したがって必要な容量最大値を確保しながら、装置サイズを小型化することが容易になる。さらに、変位開始位置にはストッパがあり、その周辺で得られる容量値が小さくなるため、結果的に得られる容量値の最小値と最大値の比率を変えることができ、容量可変比の大きな可変容量素子を作ることができる。

上述の可変容量素子において、ストッパにより駆動電圧印加部の電極と誘電体膜との接触面積を低減してもよい。
この構成では、駆動電圧印加部の電極と誘電体膜との接触面積を小さくでき、駆動電圧による誘電体膜の帯電と、その帯電によるスティッキングの発生を抑制することができる。

上述の可変容量素子は、ＲＦ信号印加部と駆動電圧印加部とのそれぞれに対向する位置にストッパを備え、ＲＦ信号印加部でのストッパの形成位置と駆動電圧印加部でのストッパの形成位置とが可動梁の変位開始位置から長手方向の同距離に配置されると好適である。

この構成では、長手方向の断面形状が、ＲＦ信号印加部の形成位置と駆動電圧印加部の形成位置とで類似するため、駆動電圧印加部の容量とＲＦ信号印の容量との相関がずれにくくなる。また、加工ばらつきが相関に及ぼす影響も低減する。すると、駆動電圧印加部に形成される容量をモニタしてＲＦ信号印加部に形成される容量を安定化させるような場合に、高精度にＲＦ容量の設定を行うことが可能になる。さらに、例えば85℃などの高温の温度負荷が素子にかかった場合、可動板は線膨脹係数によって伸び、それにより誘電膜と誘電膜に対向する電極とがより強く接触することになる。その際、ＲＦ信号印加部でのストッパの形成位置と駆動電圧印加部でのストッパの形成位置とが可動梁の変位開始位置から長手方向の同距離に配置されていると、ＲＦ容量と駆動容量とが同様に増加するため、相関ズレが大幅に抑制されるというメリットもある。

この発明によれば、ストッパを設けて可動梁の変位開始位置近傍でＲＦ信号印加部における誘電体膜との接触面積を低減することができ、これによりＲＦ信号による誘電体膜の帯電を抑制できる。したがって、スティッキングの発生をより確実に防ぐことができる。

従来のＭＥＭＳアクチュエータの構成例を説明する図である。 可変容量素子の基本構成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素子の構成例を説明する図である。 図３の可変容量素子の駆動による可動梁の変形を説明する図である。 図３の可変容量素子の備える誘電体膜の詳細構成を説明する図である。 作用効果を確認する試験に用いる可変容量素子の構成を説明する図である。 図６の可変容量素子の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素子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素子の構成例を説明する図である。 本発明の第４の実施形態に係る可変容量素子の構成例を説明する図である。

以下、本発明の実施形態について図を参照して説明する。なお、各図には直交座標形のＸ−Ｙ−Ｚ軸を付し、可動梁の厚み方向をＺ軸方向、長手方向をＸ軸方向、幅方向をＹ軸方向とする。

《第１の実施形態》
図３（Ａ）は第１の実施形態に係る可変容量素子１のＸ−Ｙ面図である。図３（Ｂ）は可変容量素子１のＸ−Ｚ面（図３（Ａ）のＢ−Ｂ’断面）図である。可変容量素子１は、支持板２、可動梁３、下容量電極４Ａ，４Ｂ、下駆動電極５Ａ，５Ｂ、上容量電極６、上駆動電極７Ａ，７Ｂ、および誘電体膜８を備える。

可動梁３は高抵抗シリコン基板（絶縁材料）からなり、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、Ｘ−Ｚ面を視て略Ｌ字状の片持ち梁構造で支持板２に支持される。支持部３Ａは、Ｙ軸方向に長尺で支持板２からＺ軸方向に立設する柱状であり、可動梁３のＸ軸負方向の端部に形成され、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。可動部３ＣはＸ−Ｙ面を視てＸ軸方向に長尺な約２０μm厚の平板であり、可動梁３のＸ軸正方向の端部に設けている。２本の連結部３ＢはそれぞれＸ軸に対して蛇行するミアンダライン状であり、支持部３ＡのＹ軸方向両端からＸ軸方向に立設して支持部３Ａと可動部３Ｃとの間を接続する。ラダー部３ＤはＸ軸に沿って複数の開口部を２列に配列してなる。

上容量電極６および上駆動電極７Ａ，７Ｂはそれぞれ可動梁３の下面に約200nm厚で形成したＸ軸方向に長尺な線路状電極である。上容量電極６は、可動部３Ｃにおけるラダー部３Ｄに区画されるＹ軸方向の中央の領域に配置され、上駆動電極７Ａ，７Ｂは可動部３Ｃにおけるラダー部３Ｄに区画されるＹ軸方向の両外側の領域に配置される。
支持板２は平面視して矩形状のガラス基板（絶縁材料）からなる。
下容量電極４Ａ，４Ｂおよび下駆動電極５Ａ，５Ｂはそれぞれ支持板２の上面に約2000nm厚で形成したＸ軸方向に長尺な線路状電極である。下容量電極４Ａ，４Ｂは上容量電極６に対向するように配置され、下駆動電極５Ａ，５Ｂは上駆動電極７Ａ，７Ｂに対向するように配置される。
誘電体膜８は、Ta₂O₃を主成分として、下容量電極４Ａ，４Ｂおよび下駆動電極５Ａ，５Ｂを約100〜300nm厚で覆うように矩形状に形成している。

上述の下容量電極４Ａ，４ＢはＲＦ端子に接続され、誘電体膜８を介して対向する上容量電極６とＲＦ容量を構成する。また、下駆動電極５Ａ，５Ｂは駆動電圧端子に接続され、上駆動電極７Ａ，７Ｂはグランド端子に接続され、駆動容量を構成する。

図４は、可動梁３の変形について説明する図である。図中のハッチングは、可動梁３の誘電体膜８に近接領域を示している。駆動電圧のＤＣ電圧値が高いほど前述の駆動容量は大きくなり、可動梁３に作用する静電引力が大きくなる。この静電引力の作用で可動梁３は先端側から誘電体膜８に近接し、静電引力に応じて近接面積が変化することになる。そのため、駆動電圧のＤＣ電圧値が高いほど前述のＲＦ容量は大きなものになる。このように可変容量素子１は、駆動電圧の制御によってＲＦ容量を連続的に変化させることができる。

図５は、誘電体膜８の詳細構成を説明する図であり、図５（Ａ）は平面図、図５（Ｂ）はＢ−Ｂ’断面図、図５（Ｃ）はＣ−Ｃ’断面図である。ここでは説明の便宜のため、図５（Ａ）に、誘電体膜８の上面を複数の領域８Ａ〜８Ｄに区画して図示している。領域８Ａ，８Ｂは、前述の下駆動電極５Ａ，５Ｂおよび上駆動電極７Ａ，７Ｂに対向するＹ軸方向両外側の領域である。領域８Ｃは、下容量電極４Ａ，４Ｂおよび上容量電極６に対向するＹ軸方向中央の領域のうちの可動梁３の先端側から約１／３の領域である。領域８Ｄは、Ｙ軸方向中央の領域のうちの可動梁３の基端側から約２／３の領域である。これらの領域のうち、領域８Ａ〜８Ｃには、誘電体膜８の表面から20nm〜100nmの高さで突出する円柱状のストッパ１２を一定間隔で設けている。また、領域８Ｄは、ストッパ１２と同じ高さまで肉厚に構成している。

領域８Ａ，８Ｂは、駆動電圧として高電圧が印加されると接触面積当たりの帯電量が大きくなる。このため領域８Ａ，８Ｂは全面にストッパ１２を設け、上駆動電極７Ａ，７Ｂとの接触面積を低減し、駆動電圧に起因する帯電量の低減とスティッキングの抑制を図っている。

また領域８Ｃ，８Ｄは、ＲＦ信号による交番電界の印加によって帯電が発生する。そこで、領域８Ｃにストッパ１２を設け、上容量電極６との接触面積を低減する。これにより領域８Ｃ，８ＤにおいてＲＦ信号に起因する帯電量の低減とスティッキングの抑制を図っている。
ただし、可変容量素子１のＲＦ容量最大値は、領域８Ｃ，８Ｄにおける上容量電極６との接触面積に応じたものになるため、領域８Ｄはストッパ１２を設けずに肉厚に構成して接触面積の確保を図っている。このような構成により、スティッキングの発生をより確実に防ぎながら、可変容量素子１のＲＦ容量最大値を大きく確保することができる。

なお、本実施形態では円柱状のストッパ１２を領域８Ａ〜８Ｃそれぞれに複数配列する構成を示したが、ストッパ１２の形状や配置、個数などはどのようであってもよい。少なくとも、領域８Ｃにおいて上容量電極６と誘電体膜８との接触面積を低減できるならば、どのような形状や配置、個数を採用してもよい。例えば半球状のストッパや、所定方向に延設されるリブ状のストッパを採用してもよい。また例えば、領域８Ａ，８Ｂにのみストッパを設けて領域８Ｃを単に薄肉に構成してもよく、逆に、領域８Ｃにのみストッパを設けて領域８Ａ，８Ｂを単に薄肉に構成してもよい。そのような構成を採用しても、領域８Ｃにおいて上容量電極６と誘電体膜８との接触面積を低減でき、可動梁３が支持板２に吸着されることをより確実に防ぐことができる。

《確認試験》
ここで、本願発明の作用効果を説明するために実施した確認試験について説明する。

図６は、この試験において用いた可変容量素子１１，２１の部分構成を示す図である。可変容量素子１１，２１は、第１の実施形態とは形状が異なる誘電体膜１８，２８を備える。誘電体膜１８は、Ｙ軸方向両外側の領域にのみストッパを備え、Ｙ軸方向中央の領域はストッパを設けずに肉厚に構成している。誘電体膜２８は全面を肉厚に構成している。また、下駆動電極５Ａ，５Ｂには、極性が一定のＤＣ電圧では無く、ＡＣ電圧を印加するように構成している。

なお、第１の実施形態では、下容量電極４Ａ，４ＢにＲＦ信号（ＡＣ電圧）を印加して下駆動電極５Ａ，５ＢにはＤＣ電圧を印加していたが、その構成のまま特性値を高精度に計測することは難しい。そのため、この試験においては、可変容量素子１１，２１のように下駆動電極５Ａ，５ＢにＡＣ電圧を印加して、下容量電極４Ａ，４Ｂ間の容量値の変化を測定する。この場合であっても、ＡＣ電圧に起因して誘電体膜の帯電と可動梁の吸着が発生する作用機序は同じであるため、本願発明の作用効果を確認することができる。

図７は、可変容量素子１１，２１のＣ−Ｖ特性を示す図である。ここではＡＣ電圧としては、極性が1MHzの周期で反転する矩形波を用いている。

ステッパを設けていない可変容量素子２１では、ＡＣ電圧振幅を昇圧させていく際には、ＲＦ容量は約０ｐＦから線形的に増加していくが、ＡＣ電圧振幅を降圧させていく際には、ＲＦ容量は約４ｐＦ程度までしか低下していない。0Vに降圧した際には、可動梁３の先端部の約１／３がスティッキングしていた。

一方、ステッパを設ける可変容量素子１１では、ＡＣ電圧振幅を昇圧させていく際に、ＲＦ容量は約０ｐＦから線形的に増加し、ＡＣ電圧振幅を降圧させていく際に、ＲＦ容量は約０ｐＦ程度まで低下した。則ち、0Vに降圧した際にも可動梁３のスティッキングは発生していなかった。

このような確認試験の結果から、スティッキングしていた誘電体膜の先端１／３の領域で接触面積の低減を図ることにより、スティッキングの発生をより確実に防止できると考えられる。

《第２の実施形態》
次に、本発明の第２の実施形態に係る可変容量素子について説明する。本実施形態の可変容量素子は第１の実施形態とは誘電体膜の形状が相違する。

図８は、本実施形態に係る可変容量素子３１の備える誘電体膜３８の詳細構成を説明する図である。

誘電体膜３８は、可動梁３の先端側から約１／３の領域にストッパ１２を備え、可動梁３の基端側から約２／３の領域をストッパ１２の形成高さと同じ高さまで肉厚に構成している。そして、Ｘ軸方向でのストッパ１２の形成位置が、下容量電極４Ａ，４Ｂに対向する領域と、下駆動電極５Ａ，５Ｂに対向する領域とで一致するようにしている。この構成では、第１の実施形態と同様に可動梁３の先端側が誘電体膜３８に吸着されてスティッキングが発生することを防ぐことができる。

また、この構成では、下容量電極４Ａ，４Ｂに対向する領域と、下駆動電極５Ａ，５Ｂに対向する領域とで、ＸーＺ断面が類似の形状になるため、各領域に形成される容量値の相関性を極めて高いものにできる。そのため、下容量電極４Ａ，４Ｂに対向する領域の容量値（駆動容量）をモニタしてＲＦ容量を安定化させるような場合に、高精度にＲＦ容量の設定を行うことが可能になる。

《第３の実施形態》
次に、本発明の第３の実施形態に係る可変容量素子について説明する。本実施形態の可変容量素子は第１・第２の実施形態とは誘電体膜の形状が相違する。

図９は、本実施形態に係る可変容量素子４１の備える誘電体膜４８の詳細構成を説明する図である。誘電体膜４８は全面にストッパ１２を備える。このような構成であっても、可動梁３の先端側が誘電体膜４８に吸着されてスティッキングが発生することを防ぐことができる。また、この構成では、下容量電極４Ａ，４Ｂに対向する領域と、下駆動電極５Ａ，５Ｂに対向する領域とに形成される容量値の相関性を極めて高いものにできる。

《第４の実施形態》
次に、本発明の第４の実施形態に係る可変容量素子について説明する。本実施形態の可変容量素子は第１乃至第３の実施形態とは誘電体膜の形状が相違する。

図１０は、本実施形態に係る可変容量素子５１の備える誘電体膜５８の詳細構成を説明する図である。誘電体膜５８は下容量電極４Ａ，４Ｂに対向する領域の先端１／３をストッパ１２を設けずに薄肉に構成している。この場合も、下駆動電極５Ａ，５Ｂに対向する領域に設けたストッパ１２によって、下容量電極４Ａ，４Ｂに対向する領域での可動梁３との接触面積を低減できる。このような構成であっても、可動梁３の先端側が誘電体膜４８に吸着されてスティッキングが発生することを防ぐことができる。

本発明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。

１，１１，２１，３１，４１，５１…可変容量素子
２…支持板
３…可動梁
３Ａ…支持部
３Ｂ…連結部
３Ｃ…可動部
３Ｄ…ラダー部
４Ａ，４Ｂ…下容量電極
５Ａ，５Ｂ…下駆動電極
６…上容量電極
７Ａ，７Ｂ…上駆動電極
８，１８，２８，３８，４８，５８…誘電体膜
１２…ストッパ

Claims (5)

1. 支持板と、
   長手方向に垂直な撓み方向に、ギャップ空間を介して前記支持板と対向する可動梁と、
   前記ギャップ空間に露出して設けられる誘電体膜と、
   前記ギャップ空間および前記誘電体膜を介して対向し、駆動電圧が印加される電極対からなり、前記長手方向に沿って設けられる駆動電圧印加部と、
   前記ギャップ空間および前記誘電体膜を介して対向し、ＲＦ信号が印加される電極対からなり、前記長手方向に沿って設けられるＲＦ信号印加部と、を備え、
   前記可動梁の変位開始位置近傍での前記ＲＦ信号印加部の電極と前記誘電体膜との接触面積を低減するストッパを設けることを特徴とする可変容量素子。
2. 前記可動梁の変位開始位置から前記長手方向に離れた領域では、前記ＲＦ信号印加部の電極と、その電極に対向する前記誘電体膜とが全面で接触する、請求項１に記載の可変容量素子。
3. 前記ストッパにより前記駆動電圧印加部の電極と前記誘電体膜との接触面積を低減する、請求項１または２に記載の可変容量素子。
4. 前記ＲＦ信号印加部と前記駆動電圧印加部とのそれぞれに対向する位置に前記ストッパを備え、前記ＲＦ信号印加部でのストッパの形成位置と前記駆動電圧印加部でのストッパの形成位置とが前記可動梁の変位開始位置から長手方向の同距離に配置される、請求項３に記載の可変容量素子。
5. 前記ストッパは、前記誘電体膜を部分的に厚くした突出部分である、請求項１〜４のいずれかに記載の可変容量素子。