JP2014093752A - 可変フィルタおよび通信機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 温度安定性に優れた、または、信頼性がより高い可変フィルタや、通信機器等を提供する。
【解決手段】 可変フィルタにおいて、基板１―１と、基板１―１に設けられ、前記基板より熱膨張係数の大きいビア７―１と、基板と接続部を介して機械的に接続されるメンブレン５０と、メンブレン５０に形成される可動電極５―３と、可動電極５―３に対向する固定電極５―４と、を有し、ビアの熱膨張による可動電極と固定電極の間の距離の変化を打ち消す構造を有することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、コンデンサとインダクタを有する可変フィルタ、および、当該可変フィルタを搭載した通信機器に関する。

コンデンサとインダクタを主たる構成要素とした電圧駆動の可変フィルタは、高周波のフィルタ、分波器等の固体回路素子として通信機器等に有用である。特に、複数の周波数帯で通信する携帯電話機では、一本のアンテナが複数の周波数帯で送受信を行うため、アンテナ直下に周波数可変の受信フィルタと送信フィルタを備えた分波器が有用である。

非特許文献１には、円形の圧電セラミックスを用いた可変コンデンサと、樹脂基板を貫通する金属ビアで製造されたインダクタとを主たる構成要素とする可変フィルタの構造が開示されている。また、圧電セラミックスとして単一分極させたＰＺＴセラミックス板を用い、ＰＺＴセラミックス板に可動電極を形成し、樹脂基板上に固定電極を形成し、さらにＰＺＴセラミックスに電圧を印加することにより、ＰＺＴセラミックスがquardraticに変形し、その結果、ＰＺＴセラミックス上の電極と、固定電極との間の容量値が変化することが開示されている。

なお、非特許文献１では、resonatorをインダクタとして働かせている。本明細書では、resonatorとインダクタを分けず、両方を含めて単にインダクタと表現する。

「Substrate Integrated Evanescent-Mode Cavity Filter With a 3.5 to 1 Tuning Ratio」(Sungwook Moon, Hjalti H. Sigmarsson, Himanshu Joshi, and William J. Chappell, IEEE MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTS LET, Digital Object Identifier 10.1109/LMWC.2010.2050680)

一般に、電圧駆動の可変フィルタには、小型であること、駆動電圧が低いこと、信頼性が高いこと、温度安定性が優れていることが要求される。上記非特許文献１に開示された可変フィルタには以下のような問題点がある。

まず第１に、非特許文献１においては、可変フィルタの温度安定性について考慮されていない。一般に金属材料は他の材料よりも熱膨張率が大きいため、温度上昇に伴い大きく変形することとなる。これにより、可変コンデンサやインダクタの特性が変化し、ひいては可変フィルタの性能も変化してしまうこととなるが、係る熱膨張率の差による課題を解決する手段や、あるいは熱膨張率の差を積極的に利用してより特性の良い可変フィルタを得る主端については、非特許文献１には何ら記載されていない。

さらに、非特許文献１には、ＰＺＴセラミックス板がquardraticに変形することが開示されている。一方、ＰＺＴセラミックスと、固定電極が形成されている樹脂基板との間の固定方法が開示されていない。一般に、quardraticに変形した板は、基板と線または点でしか接触することは出来ない。そのため、強固な接着層を用いてＰＺＴセラミックス板を基板に固定できず、信頼性に劣る。またゴムのような非硬化型接着材料を用いると、強度が劣るため、高い信頼性を得ることが出来ない。

以上を踏まえ、本発明の目的は、温度安定性により優れた、または、信頼性がより高い可変フィルタを提供することである。さらには、温度安定性の優れた、または、信頼性がより高い通信機器、基地局をも実現することである。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものを挙げれば、可変フィルタであって、基板と、基板に設けられ、前記基板より熱膨張係数の大きいビアと、基板と接続部を介して機械的に接続されるメンブレンと、メンブレンに形成される可動電極と、可動電極に対向する固定電極と、を有し、ビアの熱膨張による可動電極と固定電極の間の距離の変化を打ち消す構造を有することを特徴とする。

または、可変フィルタであって、第一の基板と、第二の基板と、第一の基板および第二の基板と接続部を介して接続され、第一の基板側に設けられる第一の部と、第二の基板側に設けられる第二の空洞部に挟まれるメンブレンと、メンブレンに形成される可動電極と、可動電極と対向する固定電極と、第一の基板と他の基板とを機械的に接続する接続端子と、を有し、第一の基板の主面と平行な方向において、第一の空洞部の幅は、第二の空洞部の幅よりも大きいことを特徴とする。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、温度安定性により優れた、または、信頼性のより高い可変フィルタ、通信機器、または基地局等を提供することができる。

実施例１の可変フィルタの断面図である。 実施例１の可変フィルタにおけるオフセットとメンブレンの温度安定性の関係を示した図である。 実施例２の可変フィルタの断面図である。 実施例２の可変フィルタにおける空洞部とビアの相対位置とメンブレンの温度安定性の関係を示した表である。 実施例３の可変フィルタの断面図である。 実施例３の可変フィルタの変形例の断面図である。 実施例４の可変フィルタの上面図である。 実施例４の可変フィルタの断面図である。 実施例４の可変フィルタの変形を説明する図である。 実施例４の可変フィルタの変形例の断面図である。 実施例４の可変フィルタの変形例の断面図である。 実施例４の可変フィルタの変形例の断面図である。 実施例４の可変フィルタの変形例の上面図である。 実施例４の可変フィルタの変形例の断面図である。 実施例４の可変フィルタの変形例の断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、実施の形態では、特に必要なときを除き、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。さらに、実施の形態を説明する図面においては、構成を分かり易くするために、断面図であってもハッチングを省略する場合がある。また変形の形状を誇張して記載している場合もある。

図１は、本実施例１の可変フィルタの構成要素である可変コンデンサの構造と、本実施例１の可変フィルタの構成要素であるインダクタの構造の一部とを模式的に説明した断面図である。本実施例１に係る可変フィルタは、第一の基板１−１と、固定部５１により第一の基板１−１に両端を機械的に接続されたメンブレン５０と、固定部５１の上面に設けられた接着層（図示せず）を介して接合処理された第二の基板１−２とで構成されており、基板１−１または基板１−２に形成された固定電極５―４と、メンブレン５０に形成された可動電極５―３でコンデンサを構成している。図１では、基板１―１側に固定電極を形成した例を記載したが、基板１―２側に形成しても良い。また、それらを接続する電気配線、電気的絶縁を向上させる絶縁膜、メンブレンの機械的な強度を上げる膜、膜同士の密着性を向上させるための膜等も同一可変フィルタ内に配置されているが、図面では省略されている。

メンブレン５０は、可動電極を±Ｚ方向に移動させる機能を有する。可動電極を±Ｚ方向に移動させる方法としては、静電力や磁力を用いて動かす方法や、圧電材料の伸縮や、過熱による物質の熱膨張を利用した方法が知られている。しかし、メンブレン５０の構造は、後述する実施例４に示す構造であることが望ましい。

第二の基板１−２には、Ｚ軸方向に延伸するように形成された複数のビア７を用いた空洞共振器が構成されており、これによってインダクタの機能を有している。そのため、第二の基板１−２は、電磁気の伝搬を阻害しない材料である必要があるため、電気抵抗が十分大きいガラス基板、珪素基板、金属基板、セラミックス基板、樹脂基板などに代表される絶縁基板、またはこれらの複合基板であることが望ましい。また、第二の基板１―２の内部に、気体や真空を有する空洞部を設けても良い。より望ましくは、メンブレンの熱歪を低減するため、少なくとも第二の基板１−２の一部に、熱膨張率が１０ｐｐｍ／℃以下であるガラス基板、単結晶珪素基板、セラミックス基板、アルミナ基板を用いることが望ましい。また表面と裏面の一部には金属膜が形成されているが、図面では省略している。

ビア７のうち、ビア７―２が空洞部共振器のポストビアとして、ビア７―１がポストから発生する電磁波を閉じ込めるシールドビアとして機能する。そのため、ビア７のそれぞれは、必ずしも基板１−２を貫通している必要はなく、また、物質で完全に詰まっている必要もない。しかし、高周波電気抵抗を十分小さくするため、ビア７の材料は、貴金属、アルミニウムなどに代表される金属、またはそれらを含む複合金属や多層金属であることが望ましい。本実施例１では、ビア７―１およびビア７―２の材料として銅を用いており、基板１−２との絶縁性を高めるため、その境界に酸化珪素膜を形成している。

メンブレン５０は、±Ｚ軸方向を空洞部６―１、６―２に挟まれている。さらに、可変容量の可動電極５―３が、メンブレン５０に設けられている。そのため可動電極５―３は、上下に動かすことが出来る。このようなメンブレン５０が外乱因子である温度によって変形すると、可動電極５―３および固定電極５―４の間の距離が変化してしまう。その結果、形成されるコンデンサの容量が変化し、可変フィルタの温度安定性の劣化となる。従って、温度変化による可動電極５―３と固定電極５―４の間の距離の変化による影響を打ち消す構成が必要である。

ここで、メンブレンの温度安定性の劣化要因としては、メンブレン５０の支持部の近傍に配置されたビア７−１の熱膨張率と、メンブレン５０の製造時に除去し切れなかった残留応力がある。メンブレン５０の支持部の近傍に配置されたビア７−１は、第二の基板１−２とは異なる熱膨張率を有する。一般に、誘電材料より金属材料の方が熱膨張率が大きいため、高温のときは第二の基板１−２の下面のビア７−１近傍が下方向に膨らみ、低温のときは反対にへこむ。このような、メンブレン５０の支持部近傍で生じた変形は、メンブレン５０の温度安定性に影響を与える。この影響は、第二の基板１−２に熱膨張率が１０ｐｐｍ／℃以下の非金属材料または無機材料を用い、ビアに１０ｐｐｍ／℃以上の金属材料または有機材料を用いたとき、顕著に現れる。

このような温度安定性の課題に対し、本実施例１の可変フィルタでは、ビア７−１の側面とメンブレン５０の側面の間に、基板１―１の主面に平行な方向において一定の距離を設けている。以下本明細書では、この距離を「オフセット」と称する。このオフセットによって、メンブレン５０を含む基板１―１の主面に平行な平面Ｐと、ビア７―１の延長線Ｌと、が交わる交点Ａは、平面Ｐにおいてメンブレン５０の外側に位置する構造となる。

ここで、オフセットがない場合、高温時、ビア７−１は伸びるため、メンブレン５０の支持部は下向きに押され、その結果、メンブレン５０は下凸に変形する。一方、オフセットがある程度大きいと、オフセット部分が固定点として機能するため、高温時、ビア７−１は伸びると、メンブレン５０の支持部は固定点を中心に回転するように上向きにおされ、その結果、メンブレン５０は上凸に変形する。オフセットがさらに大きくなると、ビア７−１からの影響は十分小さくなり、メンブレン５０の残留応力に依存した温度係数に漸近する。

図２は、有限要素法を用いて計算した、本実施例１の可変フィルタにおけるオフセットとメンブレンの温度安定性の関係を示した図である。第一の基板１−１と第二の基板１−２は共に厚さ１ｍｍの単結晶珪素基板で、ビア７は直径２０μｍの銅で、メンブレン５０は銅薄膜とＰＺＴ薄膜と単結晶珪素膜で形成されている。またメンブレン５０は、直径０．８５ｍｍ、厚さ４０μｍに設定されている。縦軸はメンブレンの中心部分のＺ軸方向変位量の温度係数であり、オフセットがゼロ(−５ｎｍ／℃)、またはマイナスの場合(−５ｎｍ／℃以下)より、オフセットを設けた方(−５から５ｎｍ／ｇ℃)が温度安定性に優れていることは明らかであり、本実施例１のオフセットは、ビア７―１の熱膨張による可動電極５―３と固定電極５―４の間の距離の変化を打ち消す構造であると言える。なお、「打ち消す」という用語は、当該変化を完全に消滅させる場合に限定する意味ではなく、少なくとも当該変化を低減していれば良い意味で用いている。特にオフセット量をビア７−１の直径の1倍から４倍の間に設定すると、さらに温度係数の絶対値が半分以下に向上する。

以上を踏まえ、本実施例１に係る可変フィルタは、基板１―１と、基板に設けられ基板より熱膨張係数の大きいビア７―１と、基板１―１と接続部５１を介して機械的に接続されるメンブレン５０と、メンブレン５０に形成される可動電極５―３と、可動電極に対向する固定電極５―４と、を有し、ビア７―１の熱膨張による可動電極５―３と固定電極５―４の間の距離の変化を打ち消す構造を有することを特徴とする。この構造とは、本実施例１においては、上述のオフセットを設けたことであり、他の表現をすれば、メンブレン５０を含み基板１―１の主面に平行な平面Ｐと、ビア７―１の延長線Ｌと、が交わる交点Ａが、平面Ｐ内においてメンブレン５０の外側に位置する構成としたことである。

係る構成によって、本実施例１に係る可変フィルタは、オフセットがゼロまたはマイナスの場合と比較して温度係数を低減することが可能となり、より温度安定性に優れた可変フィルタを実現することが可能となる。

図３は、本実施例２の可変フィルタの構成要素である可変コンデンサの構造と、インダクタの構造の一部とを模式的に示した断面図である。本実施例２では、ビア７―１の熱膨張による可動電極５―３と固定電極５―４の間の距離の変化を打ち消す構造の例として、実施例１とは異なる構造を説明する。本実施例２に係る可変フィルタは、ビア７−１の下部(−Ｚ側)に空洞部６−３が設置されていることを除くと、実施例１と同じである。また、実施例１と本実施例２に係る発明は両立しうるものであり、本実施例２においても、実施例１と同様にビア７−１とメンブレン５０との間にオフセットを設けた。オフセットの値は特に限定されないが、６０μmのオフセットを設けるものとした。

図３の空洞部６−３は、メンブレン５０を含み基板１―１の主面に平行な平面Ｐとビア７―１の延長線Ｌと、が交わる交点Ａを含む位置、または交点Ａよりビアに近い位置に設けられる。この空洞部６―３は、ビア７−１の熱膨張が可動電極５―３と固定電極５―４の間の距離を変化させる影響を打ち消す機能を有する。

図４は、有限要素法を用いて計算した、本実施例２の空洞部６−３とビア７―１の相対位置と、メンブレンの温度安定性との関係を示した表である。比較のため、最下段に空洞部６−３がない場合の温度係数を記してある。ビア７−１のメンブレン方向に空洞部を設けることで、空洞部のサイズにかかわらず、温度係数の絶対値が小さくなっている。さらに空洞部６−３とビア７−３の相対位置関係を設計パラメータにすることが出来るため、相対位置関係を最適化することにより、メンブレン５０の製造時に除去し切れなかった残留応力に起因する温度係数をキャンセルさせることが出来る。

ここで、空洞部６−３の厚さを大きくする必要はなく、例えば、接続部５１と第二の基板１−２の間の接着層をビア７−１の近傍のみ取り除くことでも、同様な効果を得ることが出来る。さらに、空洞部６−３のビア７―１側の面のＺ軸方向の座標は、ビア７−１の下部に近い方が効果が大きく、メンブレン５０のビア７−１側の面とビア７―１のメンブレン５０側の座標の間である方が、ビア７−１がメンブレン５０に与える影響を制御する効果が大きい。

このように、本実施例２に係る可変フィルタは、ビア７―１の熱膨張による可動電極５―３と固定電極５―４の間の距離の変化を打ち消す構造として、メンブレン５０を含み基板１―１の主面に平行な平面Ｐと、ビア７―１の延長線Ｌと、が交わる交点Ａを含む位置、または交点Ａよりビアに近い位置に設けられる空洞部６―３を有する。係る構成によって、温度係数をより小さくすることが可能となり、また、空洞部６―３とビア７―１の相対位置関係を設計パラメータとした最適化を行うことが可能となる。よって、さらに温度安定性が優れた可変フィルタを実現することができる。

図５は、本実施例３の可変フィルタの構成要素である可変コンデンサの構造と、可変フィルタを実装する第三の基板１−３を模式的に示した断面図である。本実施例３の可変フィルタは、第一の基板１−１と、固定部５１により第一の基板１−１に両端を固定されたメンブレン５０と、固定部５１の上面に設けられた接着層を介して接合処理された第二の基板１−２とで構成されている。基板１−１または基板１−２に設置された固定電極と、メンブレン５０に設置された可動電極でコンデンサを構成しているが、図面では省略している。また、第一の基板１−１または第二の基板１−２は、例えば実施例１で述べたビア７を有することでインダクタの機能を有しているが、図面では省略している。それらを接続する電気配線、電気的絶縁を向上させる絶縁膜、メンブレンの機械的な強度を上げる膜、膜同士の密着性を向上させるための膜等も同一可変フィルタ内に配置されているが、図面では省略されている。

本実施例３の可変フィルタにおいては、第一の基板１―１の下面に、第一の基板１―１を他の基板（第三の基板１−３）と機械的に接続する端子８―１、８―２が設置されている。そして、本実施例３の可変フィルタは、端子８―１および８―２を介して、通信機器（携帯電話端末や基地局等の装置等）に固定されている。

ここで、第三の基板１−３は、第一の基板１−１とは異なる熱膨張率を有する。このことは、第三の基板１―３と第一の基板１―１が異なる材料に限られるということを意味しない。同じ材料を用いていても、第一の基板１−１と第三の基板１−３とは電気配線が異なるため、膜構成や構造が異なり、基板のＸ軸方向の熱膨張率も異なる値となりうるためである。その結果、低温または高温で、第三の基板１−３の熱伸縮により、第一の基板１−１は変形する。

メンブレン５０は、±Ｚ軸方向を空洞部６―１および６―２に挟まれている。さらに、可動電極が、メンブレン５０に設けられている。そのため、可動電極は、上下に動かすことが出来る。よって、本実施例３に係る可変フィルタにも、実施例１と同様に、可動電極と固定電極の間の距離が変化する課題がある。

これに対し、本実施例３に係る可変フィルタでは、空洞部６−２より空洞部６−１の方が、Ｘ軸方向における幅がより大きく設定されている。そのため、低温または高温で、第三の基板１−３の熱伸縮により発生する第一の基板１−１の変形がメンブレン５０に与える影響を低減することができる。なお、第一の基板１−１の変形は第二の基板１−２には影響を与え、メンブレン５０は第二の基板１−２の影響を受けるが、しかし第一の基板１−１の変形はメンブレン５０より体積の大きい第二の基板１−２で緩和されるため、メンブレン５０の変形は抑制される。

このように、本実施例３に係る可変フィルタは、第一の基板１―１と、第二の基板１―２と、第一の基板１―１および第二の基板１―２と接続部５１を介して接続され、第一の基板側に設けられる第一の空洞部６―１と、第二の基板側に設けられる空洞部６―２に挟まれるメンブレン５０と、第一の基板と他の基板とを機械的に接続する接続端子８―１、８―２と、を有し、第一の基板１―１の主面と平行な方向において、第一の空洞部６―１の幅が、第二の空洞部６―２の幅よりも大きいことを特徴とする。係る構成により、本実施例３に係る可変フィルタは、熱伸縮による基板の変形がメンブレンに与える影響を抑制することができる。その結果、温度安定性の優れた可変フィルタを実現し、また、当該可変フィルタを搭載した通信機器という形で、温度安定性に優れた携帯電話端末や基地局等をも実現することができる。

図６は、本実施例３において、可変コンデンサの固定電極５−４を、特に第二の基板１―２の下面に設けた変形例を模式的に示す断面図である。

上述の通り、外乱因子である温度に対するメンブレン５０の変形は、可変フィルタの温度安定性の劣化となるため、避ける必要がある。図６の可変フィルタでも、低温または高温で、第三の基板１−３の熱伸縮により発生する第一の基板１−１の変形は第二の基板１−２には影響を与え、またメンブレン５０は第二の基板１−２の影響を受ける。しかし、図６の可変フィルタでは、第二の基板の下面に、可変コンデンサの固定電極５−４が設けられており、かつ、空洞部６−１より空洞部６−２の方がＸ軸方向に小さく設定されているため、メンブレン５０と第二の基板１−２は、同じ変形をする。その結果、温度変化によっては、メンブレン５０に設置されている可動電極と固定電極５−４の相対位置は変わらない。そのため、可変コンデンサの容量値は、第三の基板の変形による影響を受けない。

以上説明したように、図６のように第二の基板１―２の下面に固定電極５―４を設けることで、特に温度安定性の優れた可変フィルタを実現することができ、さらに温度安定性の優れた携帯電話端末と基地局をも実現することができる。

本実施例４では、上述した各実施例の可変フィルタに適用しうる、好適な構成を説明する。図７と８は、本実施例４の可変フィルタの構成要素である可変コンデンサの構造を模式的に示した図である。図７は、模式的に示す可変コンデンサの上面、図８は、図７のＩ１−Ｉ１’線の断面図である。本実施例４に係る可変コンデンサは、基板１−１と、固定部５１により基板１−１に両端を固定されたメンブレン５０と、空洞部６を挟んで形成されたコンデンサ５２とで構成されている。またそれらを接続する電気配線、電気的絶縁を向上させる絶縁膜、メンブレンの機械的な強度を上げる膜、膜同士の密着性を向上させるための膜等も同一可変フィルタ内に配置されているが、図面では省略されている。

メンブレン５０は、可動電極５―３を±Ｚ方向に移動させる機能を有し、少なくとも、圧電薄膜２と、非圧電材料である単結晶珪素膜３と、圧電薄膜２を挟んで向かい合っている上部電極５−１と下部電極５−２と、メンブレン５０の一部を為す可動電極５−３で構成されている。そのため、メンブレン５０は、モノモルフ型の駆動機構として機能する。なお、非圧電材料として未分極の圧電薄膜を用いても良い。

圧電薄膜２は、メンブレン５０を駆動させるため、Ｚ軸方向の電圧に対してＸ軸及びＹ軸方向に伸縮する機能を有する。そのため、十分に圧電性が高く、且つ電気抵抗値が高いことが望ましい。また、圧電薄膜２は、小型の可変フィルタを実現し、低電圧で動作させるため、50μｍ以下の厚さであることが望ましい。本実施例では、圧電薄膜２として、スパッタ装置やゾルゲル装置で成膜したＰＺＴ薄膜を用いている。

固定部５１は、メンブレン５０を基板１−１に固定する機能を有し、本実施例４では、主に機械的強度の高い酸化ケイ素薄膜４と単結晶珪素膜３と圧電薄膜２で構成されている。さらに、メンブレン５０を高信頼に固定するため、酸化珪素４は、酸化珪素４のＺ方向の厚さよりＸ方向またはＹ方向の幅の方が大きい値に設定されている。また、酸化珪素４は、面で基板１−１と機械的に接続されているため、より強固にメンブレン５０を基板１−１に固定しており、また、空洞部６の気密性を高めてもいる。なお、図面では省略しているが、本実施例に係る可変フィルタには、上部電極５−１と下部電極５−２と可動電極５−３の電気的引き出し線も形成されている。

基板１−１は、固定電極５−４と、メンブレン５０の端部の相対位置を固定する機能を有し、機械的強度の高い材料で構成されている。具体的には、基板１−１の材料は、ガラス基板、珪素基板、金属基板、セラミックス基板、またはこれらの複合基板に代表される無機基板であることが望ましい。本実施例１では、固定電極５−４との絶縁性を保つため、表面に酸化珪素膜を形成した単結晶珪素基板を用いている。

コンデンサ５２は、少なくとも、真空または気体で満たされた空洞部６と、メンブレン５０に設置された可動電極５−３と、基板１−１に固定された固定電極５−４で構成されている。図面では省略しているが、可動電極５−３と固定電極５−４が電気的に短絡することを防ぐため、固定電極５−４の表面には、薄い絶縁膜が設置されている。

圧電薄膜２は、メンブレン５０の中心部と周辺では分極が逆向きに設定されている。このことを示すために、圧電薄膜２を、図８では圧電薄膜２―１、２―２、および２―３に区切って図示している。圧電薄膜２において、中心部付近の圧電薄膜２−１は＋Ｚ軸方向に、周辺付近の圧電薄膜２−２は−Ｚ軸方向に分極している。メンブレン５０以外の圧電薄膜２−３は、いずれの方向に分極していても、または無分極でも良い。

図９は、図７の可変フィルタの上部電極５−１と下部電極５−２の間に電圧を印加したときの変形を模式的に説明した図である。圧電薄膜２−１と２−２が互いに逆向きに分極しているため、メンブレンはユニモルフとして機能する。つまり、上部電極５−１と下部電極５−２の間に電圧を印加すると、圧電薄膜２−１と圧電薄膜２−２の内部に同一符号の電界が生じ、圧電薄膜２−１と圧電薄膜２−２はＸＹ方向に伸縮する。一方、単結晶珪素膜３は伸縮しない。

図１０は、図８の変形例である、モノモルフ型可変コンデンサを模式的に示す断面図である。図１０のメンブレンは、少なくとも、圧電薄膜２と、非圧電材料である単結晶珪素膜３と、圧電薄膜２を挟んでいる上部電極５−１と下部電極５−２と、メンブレン５０の一部に設置されている可動電極５−３で構成されている。そのため、メンブレン５０は、モノモルフ型の駆動機構として機能する。

圧電薄膜２は、メンブレン５０の中心部と周辺で分極は同じ向きに設定されている。一方、上部電極５−１と下部電極５−２は、中心部と周辺部に分割されており、上部電極５―１は、中心部５―１―１と周辺部５―１―２に、互いに異符号の電位が印加され、同様に下部電極５―２も、中心部５―２―１と周辺部５―２―１に、互いに異符号の電位が印加される。その結果、中心部の圧電薄膜２−１と、周辺付近の圧電薄膜２−２に、逆方向に電界が印加されることとなる。従って、本変形例のモノモルフ型可変コンデンサは、図８のモノモルフ型と同じ機能を有するが、本構造の方が分極処理が容易である。

このように、図８および１０に係る可変フィルタは、メンブレン５０に第一の圧電薄膜２を有し、第一の圧電薄膜２は、メンブレンの中心部２―１と周辺部２―２との間で、分極が逆向きであるか（図８）、印加される電界の符号が反転しているか（図１０）、どちらか一方のみを満たすことを特徴とする。係る特徴により、図９で示すように、メンブレン５０は、周辺部では上に凸に、中心部では下に凸に湾曲する。その結果、メンブレンの中心部分で変位が大きくなり、コンデンサ５２の容量値が変化する可変コンデンサを実現しうる。

図８および１０の効果をさらに説明するため、例えば本実施例４の圧電薄膜２（圧電薄膜２―１から２―３）を、非特許文献１に記載のような、全体が単一分極である圧電薄膜２―４に置き換えた比較例１（図示せず）を検討する。圧電薄膜以外は本実施例４と同一であるとする。係る比較例１においても、上部電極５―１と下部電極５―２の間に電圧を印加すると、圧電薄膜２−４の内部に電界が生じ、圧電薄膜２−４はＸＹ方向に伸縮しようとするが、単結晶珪素膜３は伸縮しないため、メンブレン５０は上凸または下凸に湾曲しようとする。しかしメンブレン５０の両端が固定部５１で固定されているため、湾曲することは出来ない。

または、比較例１に対し、さらに酸化珪素膜４を、ＸＹ方向における幅を小さくし、容易に変形できる程度の幅とした酸化珪素膜４―２に置き換えた比較例２（図示せず）を検討する。圧電薄膜および酸化珪素膜以外は、本実施例１と同一であるとする。このような場合は、酸化珪素膜４―２の幅が細いため、上部電極５―１と下部電極５―２の間に電圧が印加された際に、酸化珪素膜４―２が変形することで、圧電薄膜２―４および単結晶珪素膜３を湾曲させ、メンブレン５０を変位させることが可能となる。しかしながら、係る変形の際には、酸化珪素膜４―２の内部に大きな歪が生じ、著しく信頼性が劣化する。さらに、圧電薄膜２―４と単結晶珪素膜３は異なる熱膨張率を有する。そのため、気温の変化に伴い、比較例２のメンブレン５０は、電極間に電圧を印加していないにも関わらず湾曲してしまう。そのため、比較例２で構成された可変フィルタは、温度安定性が著しく劣化する。一方、本実施例４のメンブレンは、気温の変化が発生しても、比較例１が湾曲しないのと同じ理由で、湾曲しない。そのため、本実施例４の可変フィルタは優れた温度安定性を示す。

図１１と１２は、本実施例４の可変フィルタの構成要素である可変コンデンサの変形例を模式的に説明した断面図であり、図１１と１２のいずれも、メンブレン５０内部の構造を除くと図８と同じである。すなわち、基板１−１と、固定部５１により基板１−１に両端を固定されたメンブレン５０と、空洞部６を挟んで形成されたコンデンサ５２とで構成されている点が、図８と同じである。

図１１は、本発明の実施例４の別の構造のバイモルフ型可変コンデンサを模式的に示す断面図である。メンブレン５０は、可動電極を±Ｚ方向に移動させる機能を有する。ここで、本変形例のメンブレン５０は、２層の圧電薄膜２と、圧電薄膜２を挟んでいる上部電極５−１と下部電極５−２と、可動電極５−３を有している。そして、２層の圧電薄膜２は、分極が逆向きである圧電薄膜２―１と２―２とを交互に配置しているため、重なり合う部分が逆向きに分極している。そのため、本変形例４のメンブレン５０は、バイモルフ型の駆動機構として機能する。図１１のバイモルフ型可変コンデンサは、図８のモノモルフ型可変コンデンサと同じ機能を有しているが、図１１のバイモルフ型の方が、複雑な分極処理を必要とするが、強い駆動力を得ることが出来る。なお、図１１では下部電極５−２は可動電極５−３を兼ねているが、分けても良い。

図１２は、図１１の変形例である、２層の圧電薄膜２の間に中間電極５−５を設置したバイモルフ型可変コンデンサを模式的に示す断面図である。２層の圧電薄膜２は、圧電薄膜２―１同士、または圧電薄膜２―２同士を重ねているため、重なり合う部分が同方向に分極している。従って、上の圧電薄膜２と下の圧電薄膜２の間に、互いに逆方向に電界をかけることにより、メンブレン５０は、全体としてバイモルフ型の駆動機構として機能する。図１２のバイモルフ型可変コンデンサは、図１１のバイモルフ型可変コンデンサと比較して、電極間距離が小さいので、より低電圧で駆動させることができる。また、複雑な分極処理も必要ない。

このように、図１１および図１２に係る可変フィルタは、第二の圧電薄膜２をさらに有し、第一の圧電薄膜２のメンブレン中心部とメンブレンの周辺部の間、第二の圧電薄膜２のメンブレンの中心部とメンブレンの周辺部の間、および、第一の圧電薄膜２と第二の圧電薄膜２の互いに接する部分の間、のそれぞれにおいて、分極の向きが逆向きであるか（図１１）、または、印加される電界の符号が反転しているか（図１２）、どちらか一方のみを満たすことを特徴とする。これにより、バイモルフ型の可変コンデンサを実現しつつ、上述した各効果を奏する。

図１３から１５は、本実施例４の可変フィルタの構成要素である可変コンデンサの、さらに別の構造を模式的に説明した図である。図１３は、模式的に示す上面、図１４は、図１３のＩ２−Ｉ２’線の断面図である。図１５は、図１３に示した構造を、Ｙ方向に３個並べた際の、Ｉ２−Ｉ２’線の断面図である。図１３において、Ｉ１−Ｉ１’線の断面図は、図８と同じである。そのため、上部電極５−１と下部電極５−２の間に電圧を印加すると、Ｉ１−Ｉ１’線の断面では、図９と同じ動作をする。その上で、本変形例に係る可変コンデンサは、メンブレン５０が長方形であるため、図１５に示すように、容易に複数の可変コンデンサ（メンブレン５０、固定電極５―４、可動電極５―３の組）を集積することが可能になる。また、メンブレン５０の変位量がメンブレン５０の幅に依存しないため、必要な容量値に合わせて、メンブレン５０の幅を設定することができる。そして、これらのメンブレン５０を並列または直列に電気接続し、独立に電圧を印加することにより、きめ細かい容量値を得ることが出来る。

以上説明したように、本実施例４の可変フィルタでは、高い信頼性を有し、温度安定性が優れ、きめ細かい容量値が得られ、大きな変位を有するメンブレンを薄膜で実現しているため、低電圧で動作する小型の可変フィルタを実現することができる。

１―１ 基板
１―２ 基板
１―３ 基板
２ 圧電薄膜
２−１ ＋Ｚ方向に分極した圧電薄膜
２−２ −Ｚ方向に分極した圧電薄膜
２−３ 分極方向や分極の有無が特性に影響しない圧電薄膜
２−４ ＋Ｚ方向または−Ｚ方向に単一分極した圧電薄膜
３ 単結晶珪素膜
４ 酸化ケイ素薄膜
５−１ 上部電極
５−２ 下部電極
５−３ 可動電極
５−４ 固定電極
５−５ 中間電極
６ 空洞部
６―１ 空洞部
６―２ 空洞部
７ ビア
７−１ シールドビア
７−２ ポストビア
８―１ 端子
８―２ 端子
９―１ 金属膜
５０ メンブレン
５１ 固定部
５２ コンデンサ
１００ 可変コンデンサ
１０１ 可変フィルタ。

Claims (11)

1. 基板と、
   前記基板に設けられ、前記基板より熱膨張係数の大きいビアと、
   前記基板と接続部を介して機械的に接続されるメンブレンと、
   前記メンブレンに形成される可動電極と、
   前記可動電極に対向する固定電極と、
   を有し、
   ビアの熱膨張による前記可動電極と前記固定電極の間の距離の変化を打ち消す構造を有することを特徴とする可変フィルタ。
2. 請求項１において、
   前記メンブレンを含み前記基板の主面に平行な平面と、前記ビアの延長線と、が交わる交点が、前記平面内において前記メンブレンの外側に位置することを特徴とする可変フィルタ。
3. 請求項１において、
   前記基板の熱膨張率が１０ｐｐｍ／℃以下であり、前記ビアが有する金属の熱膨張率が１０ｐｐｍ／℃以上であることを特徴とする可変フィルタ。
4. 請求項１において、
   前記基板の主面に平行な方向において、前記ビアの側面から前記メンブレンの側面までの距離は、前記ビアの径の１倍から４倍の間であることを特徴とする可変フィルタ。
5. 請求項１において、
   前記メンブレンを含み前記基板の主面に平行な平面と、前記ビアの延長線と、が交わる交点と前記ビアとの間に設けられる空洞部をさらに有することを特徴とする可変フィルタ。
6. 請求項１において、
   前記メンブレンは、第一の圧電薄膜を有し、
   前記第一の圧電薄膜は、前記メンブレンの中心部と前記メンブレンの周辺部との間で、分極の向きが逆向きであるか、または、印加される電界の符号が反転しているか、どちらか一方のみを満たすことを特徴とする可変フィルタ。
7. 請求項６において、
   前記メンブレンは、前記第一の圧電薄膜と積層される第二の圧電薄膜をさらに有し、
   前記第一の圧電薄膜の前記メンブレン中心部と前記メンブレンの周辺部の間、前記第二の圧電薄膜の前記メンブレンの中心部と前記メンブレンの周辺部の間、および、前記第一の圧電薄膜と前記第二の圧電薄膜の互いに接する部分の間、のそれぞれにおいて、分極の向きが逆向きであるか、または、印加される電界の符号が反転しているか、どちらか一方のみを満たすことを特徴とする可変フィルタ。
8. 請求項１において、
   前記メンブレン、前記固定電極、および前記可動電極は、それぞれ複数設けられ、
   前記メンブレン、前記固定電極、および前記可動電極のそれぞれにより形成される複数のコンデンサが、互いに電気的に接続されることを特徴とする可変フィルタ。
9. 第一の基板と、
   第二の基板と、
   前記第一の基板および前記第二の基板と接続部を介して接続され、前記第一の基板側に設けられる第一の空洞部と、前記第二の基板側に設けられる第二の空洞部に挟まれるメンブレンと、
   前記メンブレンに形成される可動電極と、
   前記可動電極と対向する固定電極と、
   前記第一の基板と他の基板とを機械的に接続する接続端子と、を有し、
   前記第一の基板の主面と平行な方向において、前記第一の空洞部の幅は、前記第二の空洞部の幅よりも大きいことを特徴とする可変フィルタ。
10. 請求項９において、
    前記メンブレンに形成される可動電極と、
    前記第二の基板に形成され、前記可動電極と対向する固定電極と、をさらに有することを特徴とする可変フィルタ。
11. 請求項９の可変フィルタを搭載した通信機器。

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