JP5399075B2 - 直列接続されたキャパシタを有するｍｅｍｓデバイス装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＭＥＭＳデバイスを用いたチューナブルキャパシタ、この種の装置を組み込んだ集積回路およびこれに対応する製造方法および使用方法に関する。

"ＭＥＭＳ"（Micro-electromechanical system or structure or switchマイクロエレクトロメカニカルシステムまたは構造またはスイッチ）とういう用語は、様々なデバイスを包含することができる。ＭＥＭデバイスの一般的な構成には、第２の電極に対向して配置された第１の電極を備えた自立型のビームないしは梁が含まれている。第１の電極と第２の電極はエアギャップにより相互に分離されている。静電力を生じさせる動作電圧の印加によって、第１の電極を第２の電極へ向かって、あるいは第２の電極から離れるよう、動かすことができる（基本的に誘導力や熱膨張力といった他の力も利用できる）。

いくつかの一般的な適用事例として以下のものが挙げられる：
−（特定の形式の膜を使った）マイクロフォンまたはスピーカとしての利用
−センサたとえば空気圧センサとしての利用
−共振器としての利用
−ディスプレイにおけるピクセルスイッチとしての利用またはオプティカルスイッチ用ミラーの駆動
−ＲＦアプリケーションにおける利用たとえばスイッチまたは可変容量としての利用
商業ベースで重要な適用事例の１つは、電話機またはコンピュータのような移動無線デバイスのフロントエンドに集積されたバンドスイッチングとの可変インピーダンスマッチングのために利用することである。

WO2004/000717には、ＭＥＭデバイスを利用した可変キャパシタの一例が示されている。そこには、電極間のギャップが小さくなると容量が増大することが記載されている。この場合、機械的なばね力によって動きが制限されており、この力は可動電極が辿る距離に正比例している。しかしながら静電的な引力ないしは吸引力は、可動電極が動いたときのギャップサイズの変化に対し非線形の関係を有している。したがって、引力がばね力に打ち勝って電極がいっしょに合わさるポイントが存在する。このことが生じる制御電圧を「プル・イン」電圧Ｖ_PIと称する。さらに上述の文献には、この現象によって容量整合比が１．５〜１に制限されることも記載されており、これは多くの適用事例にとって不十分なものである。この比を大きくするために知られているのは、キャパシタおよび静電力のために別個の電極を設けることであり、その際、キャパシタ電極のギャップがいっそう小さくされる。電極間のギャップがその初期サイズの３分の１まで低減されると、プルイン電圧を発生させることができ、電極は互いに接近する。この場合、リリースを可能にするためには動作電圧をさらに下げる必要がある。

ＭＥＭＳスイッチの主な故障メカニズムの１つとして挙げられるのは静止摩擦であり、この場合、動作電圧が除かれたときにビームまたは膜が対向電極から離れない。このような静止摩擦が主として発生するのは、可動の作動ステージと基板との間に湿気または異物が存在するときである。静止摩擦は、使用中または製造プロセス中に発生する可能性がある。接触面にコーティングを施したり表面を粗くする処理たとえばディンプリングないしは微細くぼみ形成処理などを施すことで、静止摩擦に対処することが知られている。また、ギャップが閉鎖されたときに屈曲部材の反発力を急激に急勾配で増大させるためにストッパを使用することができ、これにより可動部材のこう着を効果的に回避できる非線形の復帰力が与えられる。

湿気または異物がキャパシタ電極間またはスイッチ電極間のギャップに存在しないとしても、可動電極と固定電極との間の直流接点が閉じた状態になるのを防止する誘電層への電荷注入の結果として、静止摩擦が生じる可能性がある。この電荷は、動作電圧により電界が生じた結果、誘電層に加わる。この電荷により、たとえ動作電圧がなくても可動電極に力が加わる可能性がある。そしてこの力が十分に大きいと、それによって静止摩擦が引き起こされる可能性がある。これは容量性ＭＥＭＳスイッチにおける静止摩擦に関して重要なメカニズムとなり得るものである。

図１には、慣用の容量性ＲＦ ＭＥＭＳチューナブルキャパシタにおける機械的および電気的な接続部が示されている。電極ｅ１は基板に固定されており、電極ｅ２は基板に関して可動であり、総ばね定数ｋをもつばねによって懸架されている。このばねは導電性であり、デバイスが適用される回路を表すＲＦ源とＭＥＭＳデバイスを作動させるＤＣ源とに対する電気的な接続部を形成している。固定電極ｅ１の頂部に、誘電率ｅ_dであり厚さｇ_dの誘電層が配置されている。ばねが弛緩すると、誘電層頂部と頂部電極ｅ２の底部との間に距離ｇのエアギャップが生じる。図２には、図１と同じ構成が回路図として描かれている。電極ｅ１とｅ２は可変容量Ｃ_３を成している。

電極を近づけ、それによって容量を増大させるために電極ｅ２に直流電圧Ｖdcが供給される一方、電極ｅ１はアース電位に保持される（あるいはこの逆、この場合、電極ｅ１とｅ２は電気的に交換可能）。電極間の距離が短くなると容量は大きくなる。ＭＥＭＳチューナブルキャパシタを、ＲＦ（無線周波数）信号電子回路において使用することができる。ＲＦ電子回路に大きい直流電圧が存在するのは一般に望ましくないので、直流分離キャパシタＣが必要とされ、これはかなりのチップ面積をとるものである。他方、ＲＦ電流が直流動作ラインを介して漏れ出るのを避けるために、大きい抵抗Ｒ（またはコイルＬ）が必要とされる。この抵抗の典型的な抵抗値はＲ＝１０ｋΩである。オープン状態における慣用のＭＥＭＳスイッチの容量は
C_open = A ε₀ /(g+ g_d ε₀/ε_d)
であり、クローズ状態ではこれは
C_closed = A ε_d/g_d
で表される。

慣用のＲＦ ＭＥＭＳチューナブルキャパシタを高出力システムに適用する際の難点の１つは、頂部電極ｅ２に加わる力が直流動作電圧によって発生するだけでなく、スイッチ両端におけるＲＦ電圧によっても発生することである。実際、Ｖdc＝０のとき、頂部電極に加わる力は（Ｖ_RFrms）²に比例する。

ＲＦ信号が正弦波であると、その２乗は常に直流成分を有する。したがってｒｍｓ ＲＦ電圧ないしは実効ＲＦ電圧がスイッチのプルイン電圧を超えると（V_{RF rms} > V_PI）、直流電圧がスイッチに加えられていなくても、不所望なプルインが発生する可能性がある。これは殊に、たとえば移動電話機のアンテナ近くなどＲＦ電圧が高い（Ｚ＝５０Ω）高出力高インピーダンス回路において問題となる。

容量の小さい慣用のＭＥＭＳのさらに別の欠点は、可動電極の支持に用いられるばねのサイズである。一般に、いくつかのＭＥＭＳプロセスにおいて製造可能なばねの最小の幅ｗと厚さｔについては制限があり、ギャップｇも一定である。したがってばねの長さＬは、ばね定数ｋを調整するための主要なパラメータである。ばね定数ｋはｗｔ³／Ｌ³にほぼ比例しているので、きわめてコンプライアントないしは従順なばねはそれらを著しく長く設計することでしか形成できない。慣用のＭＥＭＳスイッチのプルイン電圧は次式により定められる：

複数のＭＥＭＳキャパシタを、それぞれ異なる容量値をもつようにするが同じプルイン電圧を有するように設計したい場合、小さいＭＥＭＳキャパシタをうまく設計できるようにするには以下の４つの理由から難しくなる傾向にある。
１．小さい容量のためには小さい面積が必要とされるため、ｋの値が著しく小さいきわめて従順ないしはコンプライアントなばねが必要とされる。これらのばねは著しく長くなければならないので、それによって大きい面積が占められてしまい、これはコストに関して効率的ではない。
２．長いばねによりキャパシタに対し大きな直列抵抗と直列インダクタンスが加わることになり、殊にばねがＲＦ信号を搬送する場合、このことは望ましくない。
３．ばね定数の小さいばねを用いたデバイスは、クローズ状態におけるデバイスの静止摩擦に起因していっそう故障しやすい。静止摩擦力がばね力よりも大きいと故障が発生する。
F_stiction > F_spring = kg
静止摩擦力に対する物理的な出所は誘電体においてトラップされた電荷であり、電極間に湿気が存在するときに表面力または毛管力の間に生じるファンデルワールス力van der Waal forceである。
４．小さいｋ値によりスイッチング時間が長くなり、つまりそれによってスイッチングが緩慢になる。慣用のデカップリングキャパシタＣの欠点は、ＭＥＭＳキャパシタの容量チューニングレンジが低減することである。デカップリングキャパシタＣがない場合、チューニングレンジは以下のとおりである：
α_MEMS = C_closed/C_open = (ε_d g/ (ε₀g_d) + 1)
デカップリングキャパシタＣがある場合、チューニングレンジは以下のとおりである：
α_MEMS+C = α_MEMS ^*(C_c/C_open + 1)/(C/C_open + α_MEMS)
大きい容量値をもつＭＥＭＳデバイスにおいて広いチューニングレンジを達成するのは困難である場合が多く、したがって効果的なチューニングレンジをさらにデカップリングキャパシタにより低減するのはいっそう望ましくない。

本発明は、ＭＥＭＳデバイスにおいてチューナブルキャパシタないしは調整可能なキャパシタを有する装置、この種の装置を組み込んだ集積回路およびこれに対応する製造方法および使用方法を改善することにある。

第１の観点によれば本発明は以下のように構成されている。

チューナブルキャパシタ装置には、２つまたはそれよりも多くの可変キャパシタが設けられており、各可変キャパシタは可動電極と、制御信号に従い容量を変化させるため可動電極を動かすマイクロエレクトロメカニカル構造体を有しており、これらの可変キャパシタは電気的に直列に接続されている。

直列接続によって、キャパシタ装置はいっそう高い電圧に耐えられるようになる。その理由は、直列接続されると動作電圧が個々のキャパシタにより分けられるため、個々のキャパシタ各々に加わる電圧が小さくなることによる。この装置によれば、図１の装置と比べて各キャパシタの電極サイズが不所望に増大するかもしれないが、このことは有利には少なくとも部分的に、ばねのようなマイクロエレクトロメカニカル構造体のサイズ低減によって相殺される。この場合、キャパシタがいっそう大きいから、そして動作電極をいっそう大きくすることができるから、このようなばねにいっそう高い剛性値をもたせることができる。剛性が高まるということは、ばねが短くなることを意味する。他方、その結果として、静止摩擦、抵抗および緩慢なスイッチといった上述の問題点のうち少なくとも１つを低減できるようになる。

いくつかの実施形態による付加的な特徴によれば、チューナブルキャパシタ装置はＲＦ信号とともに使用するために整合されており、直列接続された可変キャパシタを介してＲＦ信号を供給するのに適した接続部が設けられている。これはとりわけ価値のある適用分野である。

この装置を容量性スイッチたとえばＲＦ容量性スイッチとすることもできる。いくつかの実施形態の付加的な特徴によれば、直列接続された可変キャパシタのうち少なくとも最初のキャパシタまたは最後のキャパシタは固定電極を有しており、ＲＦ信号がこの固定電極に結合されるように配置されている。これによって、マイクロエレクトロメカニカル構造がＲＦ信号を搬送する必要性をなくすることができ、あるいはそのような必要性を低減することができ、したがってこの種の構造におけるインダクタンスと抵抗によって引き起こされる問題点を低減することができる。いくつかの実施形態の付加的な特徴によれば、複数の可変キャパシタのうちの少なくともいくつかは、動作電極およびキャパシタンス電極として電極を使用するために、所定の可変キャパシタの一方または両方の電極に供給される制御信号を有する。これによって、制約のあるスペースをいっそう良好に使用することができる。

いくつかの実施形態による付加的な特徴によれば、可変キャパシタのうち２つまたはそれよりも多くの可変キャパシタのために、共有される可動電極と共有されるマイクロエレクトロメカニカル構造が設けられている。これによれば僅かな支持体しか必要とされないため、構造をいっそう小さくすることができる。さらに、２倍の動作力となることからばね定数も低減することができ、したがって支持体各々を小さくすることができる。このため支持体の直列電気抵抗が小さくなる。

いくつかの実施形態による付加的な特徴によれば、可変キャパシタは実質的に等しい仕様ないしは寸法を有する。このことは、電圧を取り扱う能力の最大化つまりは電力を取り扱う能力の最大化に役立つ。

いくつかの実施形態による付加的な特徴によれば、制御信号としてＤＣ電圧を供給するために、直列接続されている可変キャパシタの間に結合部ないしは供給部が設けられている。これによれば可変キャパシタによりＤＣ電圧をＲＦから分離することができ、別個のデカップリングキャパシタを設ける必要がなくなる。

いくつかの実施形態による付加的な特徴によれば、直列接続された２つよりも多くの可変キャパシタと、これらの可変キャパシタ各々に等しい直流制御電圧を供給するための回路が設けられている。これによって直列接続された２つの可変キャパシタよりもいっそう大きい電圧を扱えるようになり、１つの共通の制御電圧は制御の単純化に役立つ。別の観点によれば、１つまたは複数のチューナブルキャパシタ装置を有するＲＦ集積回路が提供される。

さらに別の観点によれば、この種の集積回路の製造方法が提供される。

さらに別の観点によれば、この種の集積回路を利用したチューニング方法が提供される。

これら付加的な特徴のいずれも互いに組み合わせることができ、本発明のどのような観点とも組み合わせることができる。その他の利点殊に他の従来技術と比較したその他の利点は、当業者にとって明らかである。本発明の特許請求の範囲を逸脱することなく、数多くの変更や変形を施すことができる。したがって本発明の実施形態は例証にすぎず、本発明の範囲の制限を意図するものではないことは自明である。次に、本発明をどのように実施できるのかについて、添付の図面を参照しながら実施例に基づき説明する。

本発明の有利な実施形態を示す添付の図面を参照することで、本発明の特徴に対しさらに理解が深まることになる。

図１および図２は公知の装置構成を示す図である。
図３は、チューナブルキャパシタの実施形態を示す概略図である。
図４は、別の実施形態を示す概略図である。
図５は、別の実施形態を示す断面図である。
図６は、図５に対応する実施形態を示す平面図である。

次に、特定の実施形態に基づきいくつかの図面を参照しながら本発明について説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって規定されるものである。また、特許請求の範囲に記載されたいかなる参照符号も、範囲の制限を意図するものではない。上述の図面は概略的なものにすぎず、それらに限定されるものではない。さらに図中、いくつかの部材のサイズは誇張されている可能性があり、例証目的であるためスケールどおりには描かれていない。発明の詳細な説明ならびに特許請求の範囲において用語「有する」「含む」ないしは「〜構成されている」が使用されているけれども、この場合、他の部材あるいはステップが除外されるわけではない。また、たとえば「１つの」または「この」「その」など、単数名詞について言及するときには不定冠詞または定冠詞が用いられるけれども、何か他に特別に言及していないかぎり、これにはその名詞の複数形が含まれる。さらに発明の詳細な説明および特許請求の範囲において、類似の部材を区別するために用語「第１」「第２」「第３」等が用いられるが、これらは必ずしも連続的な順序あるいは時間順を記述するものではない。なお、このようにして使われる用語は適切な状況のもとでは置き換え可能であること、ここで説明する本発明の実施形態をここで述べるものとは別の順序で動作させることができることは自明である。

ここで述べる実施形態によれば、慣用のキャパシタ装置特にデカップリングキャパシタを有する慣用のＲＦ容量性スイッチの不都合な点のいくつかが可能となる。本発明は、たとえばＲＦプルインのリスクを低減するために、いっそう高いチューニングレンジとオープン状態におけるいっそう高い電圧の操作ないしは取り扱いをいっそう良好に組み合わせることができるという利点を有している。図３には、本発明の実施形態によるチューナブルキャパシタ装置ないしはチューナブルキャパシタ装置の一例が、直列接続された２つの可変ＲＦ−ＭＥＭＳキャパシタＣ１，Ｃ２として示されている。これらのキャパシタ各々には図１に示したような構造をもたせることができるし、あるいは他のタイプのＭＥＭＳ可変キャパシタンス構造をもたせてもよい。これらのキャパシタを制御するためにＤＣ電圧源が用いられる。これは抵抗Ｒのようなインピーダンスを介して、可変キャパシタ間の回路点に接続されている。抵抗Ｒの代わりに、コイルなどのインダクタまたは抵抗として構成されたトランジスタを用いることができる。本発明によれば、ＤＣ電圧源を制御して２つまたはそれ以上のプリセットレベルを切り替えることができるし、あるいは所定の範囲内でアナログ信号を出力することができる。キャパシタの値をＣ１＝Ｃ２＝２Ｃの関係をもつよう選定すれば、この装置は図２に示した慣用のＭＥＭＳデバイスと等しいチューニングレンジを有する。しかしながら電圧の操作が２倍になり、電力の操作が４倍となる。これとは別の仕様選定も可能であり、慣用のＲＦ−ＭＥＭＳよりもさらに良好なものとにすることができる。

次に、ＲＦプルインにおける改善について説明する。一般にデカップリングキャパシタＣは、その容量がＭＥＭＳスイッチのＣ３_closedよりも大きくなるよう選定される。その理由は、さもないとチューニングレンジが上述のように著しく損なわれるからである。ただし他方ではこのことは、オープン状態（Ｃ＞＞Ｃ３_open）のときにＲＦ電圧の大部分がＭＥＭＳキャパシタの両端におけるものであり、ＲＦプルインが上述のように発生することを意味する。Ｃ＞＞Ｃ３_openでありＣ１＝Ｃ２＝２Ｃ３であれば、双方の回路のＲＦ容量全体および容量チューニングレンジは等しく、これにより同じ機能が実行される。しかしながらオープン状態の場合、ＭＥＭＳキャパシタＣ３の両端におけるＲＦ電圧はキャパシタＣ１およびＣ２における電圧の２倍の高さとなる。このことは、図３の回路は２倍の電圧を扱える能力と４倍の電力Ｐを扱える能力をもつことを意味する。なぜならば（特性インピーダンスＺにおいて）Ｐ＝Ｖ_rf ²／Ｚとなるからである。

Ｃ１とＣ２が等しくなければ、回路が電力を扱う能力は僅かに低減するけれども、図２の回路よりもやはり良好である。ここで述べておくと図３の回路は、デカップリングキャパシタにより（上述のように）チューニングレンジがいつでも低減されてしまう公知の回路とは異なり、最大容量チューニングレンジα_total＝α_MEMSを依然として有している。デカップリングキャパシタの容量密度が閉じたＭＥＭＳキャパシタの容量密度よりも高いならば、慣用の解決策は少なくともキャパシタ電極については僅かなチップ面積しかとらない。容量密度が互いに等しいならば、双方の解決策は同じスペースを使うことになる。他方、Ｃ＞＞Ｃ３_openでありＣ１＝Ｃ２＝２Ｃ３であるならば、ＭＥＭＳデバイスＣ１およびＣ２の面積はＣ３の面積の２倍であり、したがって上述のばねの問題が起こる可能性は少なくなり、ばねの占める総面積はＣ１およびＣ２についていっそう僅かになる。

図４は、別の実施形態を示す概略図である。この実施形態によれば、直列接続された４つの可変ＭＥＭＳキャパシタＣ４，Ｃ５，Ｃ６，Ｃ７が設けられており、これは図３の構成よりも４倍良好な電圧取り扱い能力を有している。この場合、各可変キャパシタの間に２つの中間回路点が設けられている。これら各々において等しい制御電圧を維持するために、直列接続の中央回路点が抵抗Ｒのような接続部を介してアースされており、上方および下方の中間回路点は抵抗Ｒのようなインピーダンスを介してＤＣ電圧源と接続されている。等しい実効容量であれば、総容量（および面積）は４倍大きくなければならない。電圧取り扱い能力をいっそう改善するためにこの装置をさらに拡張することができ、この場合、さらに良好な電圧取り扱いのために４つよりも多くの可変キャパシタンスが直列に設けられる。

図５には、直列に接続された２つの可変キャパシタと複数の有用な付加的特徴を有するキャパシタ装置の実施形態に関する側面図が示されている。２つの可変ＭＥＭＳキャパシタＣ１およびＣ２は互いに隣り合って配置されており、共通の可動電極ｅ２を共有している。したがってキャパシタＣ１およびＣ２は直列に配置されている。共通のまたは共有されている可動電極はばねｋ／２の形態で支持部材を有しており、これによってギャップε₀を閉じる動きが可能となる。別個の固定電極ｅ１およびｅ３が基板上に設けられており、さらにこれらの固定電極上に誘電層ε_dが設けられている。この装置は上述の図３により得られるすべての利点を備えており、さらに以下の付加的な利点も備えている。
１．頂部電極はキャパシタＣ１とＣ２との間で共有されているので、Ｃ１とＣ２との間の（電気的な）距離が最小化され、それゆえ直列抵抗ならびに装置のインダクタンスが最小化される。この利点は、共有される可動電極の代わりに下方の固定電極が共有されるようにした代案にもあてはまる。
２．キャパシタはそれらの可動電極を共有するので（図１とは異なり）ばねを介してＲＦ電力を流す必要がなく、これによって直列抵抗ならびにインダクタンスがさらに最小化される。この利点は、上述の項目１における代案についてはあてはまらない。
３．双方のキャパシタにおける静電力は同じ頂部電極を動かすために用いられるので、等しいプルイン電圧についてばね定数ｋを図２のＣ１およびＣ２の場合の２倍の大きさにすることができ、（Ｃ＞＞Ｃ３_openとすれば）図２のＣ３の場合よりも４倍の大きさにさえすることができる。

これによってさらに、上述のチューニングの問題におけるサイズ、摩擦および速度が低減される。この利点は上述の代案についてもあてはまる。

図６には、図５の断面図に対応する電極およびＭＥＭＳ構造の平面図が示されている。濃いグレーでハッチングされホールｈを備えた膜が可動電極ｅ２である。これは導電材料から成る１つまたは複数のばねｋを介してＶｄｃ駆動パッドと電気的に接続されている。ばねｋの最小数は、基板上に単一のアンカーポイントＡ１〜Ａ４が設けられているとすれば１である。ただし１つよりも多くのばねたとえば２つ、３つまたは４つのばねを使用することもできる。たとえばばね各々を、多角形の可動電極ｅ２の１つの辺に取り付けることができる。ただし本発明は多角形の電極に限定されるものではない。電極形状をあらゆる適切なものとすることができ、たとえば円形あるいは楕円なども含めることができる。さらに各ばねに１つよりも多くのばね部材を含めることができる。たとえば各ばねに１つ、２つあるいはそれよりも多くのアームを設けることができる。図６に示した実施例の場合には４つのばねｋが示されており、これらのばねは、正方形の可動電極ｅ２における４つの角各々に２つのアームが取り付けられている構造となっている。各アームはその一方の端部で、４つの正方形において各辺の中央点に示されたアンカーＡ１〜Ａ４の１つに留められている。これとは別の多数の構成が可能であり、それらは本発明の範囲に含まれる。電極ｅ２の下方において明るいグレーで陰影の付けられたエリアは固定電極ｅ１およびｅ３である。電極ｅ１およびｅ３は電極ｅ２の下方のエリアを占めるよう互いに補完し合う形状で示されており、電極ｅ１とｅ３間にはＵ字型の余白があり、これは電極ｅ２のホールを通して白色エリアとして見える部分である。この場合も他の多くの構成が可能である。この装置がキャパシタとして使用されるならば、底部側の電極ｅ１およびｅ３と頂部側の可動電極ｅ２との間に誘電層（図示せず）が設けられる。たとえば、誘電層は底部側の電極ｅ１およびｅ３の上に設けられる。

可動電極ｅ２は、チューニング速度を高めるために重量および空気抵抗を低減する目的で、複数のホールｈから成るアレイとともに示されている。ＭＥＭＳデバイスのスイッチング速度は一般に空気制動によって著しく低減される。動作電圧を高めて印加することにより、静電デバイスの閉鎖速度を上昇させることができる。ただし静電力は常に吸引性であるため、開放速度は単に構造のばね定数と空気制動によって決まる。ＭＥＭＳスイッチ（この場合、膜エリアの寸法は一般にギャップ距離よりもかなり大きい）に関して、主要な空気制動力はスクイズ膜制動力squeeze film damping forceであり、これは次式により表される：
F_sfd = b₀v/ z³
ここでｖは速度であり、ｚは各電極間の距離である。定数ｂ₀はホールを設けることにより低減できる。

マイクロメカニカル構造を形成するために慣用のプロセスを使用することができる。これまで基板に対し垂直方向に可動である部材について述べてきたけれども、基本的に動きを平行にすることもでき、あるいは平行なコンポーネントを設けることもできる。共通する２つの構造は以下の通りである：
１．シリコン基板におけるＭＥＭＳ構造このケースでは電極は基板表面に対し垂直方向に配向されている。この構造は典型的にはセンサおよび共振器の用途に利用される（他の用途も除外されない）。

２．薄膜素子としてのＭＥＭＳ構造この場合、ビームないしは梁は基板に対し実質的に平行に配向される。このタイプのＭＥＭＳ構造は典型的にはＲＦ ＭＥＭＳのために使用される。ビームに関して少なくとも２つの構造がある：
−二重にクランプされたビーム（２つまたはそれよりも多くの辺で基板表面に接続されているビーム、このため基板に対する振れはビーム中央で発生する）
−単一個所でクランプされたビーム（このケースでは基板に対する振れはビーム端部で発生する）

ビームないしは梁には一般にホールが設けられており、これはエアギャップ形成のためビームと基板との間における犠牲層のエッチングのために設けられる。エッチャントを流体または気体のエッチャントとすることができる。これらのホールは、ビーム開閉動作中にビームと基板との間のキャビティへまたはキャビティから空気を流すことができるため、空気制動の低減にも役立つ。ただしビームを基板に取り付ける製造技術があるため、その場合にはエッチングのためにホールは不要である。さらに、頂部電極と底部電極との間の中間層を成すビームを使用することも可能である。

以上要約すると、直列に接続されたＲＦ ＭＥＭＳデバイスを使用しそれに付随する電気回路を備えたチューナブルキャパシタ装置についてこれまで説明してきた。既述の実施形態は、図１の装置構成に対し以下の利点のうちの少なくとも１つまたはいくつかを備えており、あるいはすべてを兼ね備えている。
１．電力ないしは電圧の取り扱いが向上する。
２．チューニングレンジが大きくなる。
３．特に小さいキャパシタについて、静止摩擦の影響を受けにくくなる。
４．特に小さいキャパシタについて、直列のインダクタンスおよび抵抗が小さくなる。
５．小さい容量値を形成するために総サイズが小さくなる。

これらの利点のうちのいくつかは、容量値の大きいデバイス（たとえば約５ｐＦよりも大きいデバイス）についてはあまり顕著にはならない。なぜならばそのような場合には、慣用の解決策よりも大きいエリアとなることが多いかもしれないからである。このようにデバイスが大きくなるにもかかわらず、小さいＥＳＲを必要とする適用事例のために役立つ可能性がある（ESR Equivalent Series Resistance 等価直列抵抗：キャパシタにおける抵抗損の和を表す特性、電力損およびノイズ抑圧はＥＳＲとダイレクトに関係することになる）。したがってアンテナ整合、バンドスイッチングおよび移動電話機用のアダプティブアンテナにおける他の用途といった適用事例のために役立つ可能性があり、特にこのような適用事例においては、プルインなしで高いＲＦ電圧を扱えることが重要である。他の適用事例として挙げられるのはたとえば、ＲＦ信号エレクトロニクスまたは高出力ＲＦシステムあるいは他の移動電話機回路またはワイヤレスモバイルコンピューティングなどである。様々なプログラマブルデバイスの開発に利用可能なＭＥＭＳキャパシタデバイスを製造することができ、たとえばリコンフィギュラブル無線システムなどにおいて、線形および非線形両方の高周波回路（ＬＮＡ、ミキサ、ＶＣＯ、ＰＡ、フィルタ等）の開発に利用することができる。

これ以外の適用事例を以下に挙げておく：
−（特定の形式の膜を使った）マイクロフォンまたはスピーカにおける利用
−センサたとえば空気圧センサにおける利用
−共振器における利用
−ディスプレイのピクセルスイッチにおける利用またはオプティカルスイッチ用ミラーの駆動
−ＲＦアプリケーションにおける利用たとえばスイッチまたは可変容量としての利用

公知の装置構成を示す図 公知の装置構成を示す図 チューナブルキャパシタの実施形態を示す概略図 別の実施形態を示す概略図 別の実施形態を示す断面図 図５に対応する実施形態を示す平面図

Claims (7)

1. ＲＦ集積回路において、
   複数の固定電極（ｅ１，ｅ３）と、
   前記複数の固定電極（ｅ１，ｅ３）に対し共通の電極として動作する可動電極（ｅ２）と、
   該可動電極（ｅ２）を動かすマイクロエレクトロメカニカル構造体（ｋ，ｋ／２）と、
   直列接続された２つ以上の可変キャパシタ（Ｃ１，Ｃ２；Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６，Ｃ７）と、
   を有しており、
   ただし、前記直列接続された可変キャパシタのうち少なくとも最初のキャパシタまたは最後のキャパシタは前記複数の固定電極（ｅ１，ｅ３）を有しており、
   前記複数の固定電極（ｅ１，ｅ３）のみにＲＦ信号が印加され、
   複数の前記可変キャパシタのうち少なくとも１つの可変キャパシタの前記固定電極と前記可動電極の間にＤＣ制御電圧が印加される、
   ことを特徴とする、ＲＦ集積回路。
2. 請求項１記載のＲＦ集積回路において、
   前記直列接続された可変キャパシタ（Ｃ１，Ｃ２；Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６，Ｃ７）を介してＲＦ信号が供給されることを特徴とする、ＲＦ集積回路。
3. 請求項１または２記載のＲＦ集積回路において、
   前記可変キャパシタは同じ実効容量を有することを特徴とする、ＲＦ集積回路。
4. 請求項１から３のいずれか１項記載のＲＦ集積回路において、
   該可変キャパシタの各々に等しいＤＣ制御電圧が加えられることを特徴とする、ＲＦ集積回路。
5. 請求項１から４のいずれか１項記載のＲＦ集積回路において、
   チューニング速度を高めるため、前記可動電極（ｅ２）は複数のホールから成るアレイを有することを特徴とする、ＲＦ集積回路。
6. 請求項１から５のいずれか１項記載の集積回路の製造方法において、
   各々可動電極（ｅ２）を有する２つ以上の可変キャパシタ（Ｃ１，Ｃ２；Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６，Ｃ７）を形成するステップと、
   制御信号に従い容量を変化させるため前記可動電極を動かすマイクロエレクトロメカニカル構造体（ｋ，ｋ／２）を形成するステップと、
   前記可変キャパシタを直列に接続するステップ
   を有することを特徴とする製造方法。
7. 請求項６記載の集積回路を使用したチューニング方法において、
   容量を変化させるために制御信号を設定するステップを有することを特徴とするチューニング方法。

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