JP6038362B2 - 静電アクチュエーターおよび可変容量デバイス - Google Patents

Description

本発明は、固定電極とこれに対向する可動梁とを有し、静電気力を利用して、固定電極に対し可動梁を離接させる静電アクチュエーターおよび可変容量デバイスに関するものである。

従来、シグナル線と、シグナル線の上方にこれと対向して設けられた電極とから成る可変容量を駆動する静電型アクチュエーターが知られている。この静電型アクチュエーターは、絶縁層を介して可変容量の電極に繋がった可動側の上部電極と、上部電極に対向する固定側の下部電極と、上部電極に接続されたばね構造部とを備えている。そして、上部電極および下部電極間にプルイン電圧を印加することで、上部電極および下部電極間に静電気力が働き、上部電極が下部電極に近づく。これにより、上部電極に繋がった可変容量の電極が下方に駆動してシグナル線上の絶縁膜と接触する。また、プルイン電圧の印加を停止すると、ばね構造部の復元力により、上部電極が下部電極から引き離され、これに伴って電極が上方に駆動してシグナル線から引き離される。このように、電極とシグナル線との間の距離を変化させることで、可変容量の容量値が変化する。

特開２００８−２７８６３４号公報

ところで、この種の静電型アクチュエーター（静電アクチュエーター）では、可変容量（可変容量素子）に電圧を印加した状態で駆動するホットスイッチング時などにおいて、下部電極（固定電極）から上部電極（第１可動梁）を引き離すときに、強い引離し力を必要とする場合がある。そのため、従来の静電型アクチュエーターでは、ばね構造部のバネ定数を高くすることが考えられるが、これでは、上部電極を下部電極に近づける際に強い静電気力を必要とするため、プルイン電圧を高くするか、上部電極と下部電極との対向面積を広くしなければならない。

これに対し、上部電極の上方に、第３の電極を上部電極と平行に設け、上部電極と第３の電極との間に静電気力を生じさせて、上部電極を下部電極から引き離す構成とすることも考えられる。しかしながら、この構成では、上部電極を下部電極から引き離す離間動作の開始時には、上部電極が下部電極に近づいた状態であり、上部電極が第３の電極から最大限離れた状態となっているため、離間動作の開始時に、上部電極と第３の電極との間に強い静電気力を作用させることができない。このため、離間動作の初動が遅く離間動作全体の動作速度が遅くなってしまい、静電アクチュエーターの動作を安定的に行うことができない。

本発明は、簡単な構成で、固定電極から第１可動梁を引き離す際に強い引離し力を得ることができる静電アクチュエーターおよび可変容量デバイスを提供することを目的とする。

本発明の静電アクチュエーターは、基板に設けられた固定電極と、伸縮可能に構成された折り返し構造を為し、絶縁体で構成される連結部を介して連なる複数の可動梁を有する可動部と、を備え、可動部は、複数の可動梁のうち固定電極側に位置する第１可動梁と固定電極との間の静電気力により複数の可動梁間が拡開することで、第１可動梁が固定電極に近づき、隣り合う可動梁の相互の静電気力により可動梁間が縮むことで、第１可動梁が固定電極から離れることを特徴とする。

この構成によれば、複数の可動梁が相互に折り返し構造を為して連なると共に伸縮可能に構成されていることから、可動梁相互の折り返し部分近傍において、可動梁同士が常に近接して対向した状態となるため、可動梁相互間に強い静電気力を生じさせることができる。その結果、第１可動梁を固定電極から引き離す離間動作の開始時にも、強い引離し力を得ることができる。このように、簡単な構成で、固定電極から第１可動梁を引き離す際に強い引離し力を得ることができる。
なお、当該構成において、可動梁同士は非導通となるように構成されている。

この場合、複数の可動梁の少なくとも１本は、主体を為す絶縁体部と、絶縁体部の固定電極側の面および固定電極とは反対側の面の少なくとも一方に形成された導電体層と、を有することが好ましい。

この場合、第１可動梁が固定電極に近づく際、複数の可動梁の少なくとも１本が、弾性を持って変形すると共に、当該変形の復元力が、第１可動梁を固定電極から引き離す引離し力として作用することが好ましい。

この構成によれば、可動梁相互間の静電気力に加え、弾性変形した可動梁の復元力によって、第１可動梁を固定電極から引き離すため、より強い引離し力を得ることができる。

この場合、固定電極は、第１可動梁が固定電極に近づくための所要のプルイン動作電圧を印加する第１印加電源に接続され、複数の可動梁のうち第１可動梁側から数えて奇数番目の可動梁は、基準電位点に接続され、複数の可動梁のうち第１可動梁側から数えて偶数番目の可動梁は、第１可動梁が固定電極から離れるための所要のプルアウト動作電圧を印加する第２印加電源に接続されることが好ましい。

第１可動梁が固定電極に近づく近接動作の際に、可動梁相互間に電位差が生じていると、それによる静電気力が近接動作の妨げになる。また、第１可動梁が固定電極から離れる離間動作の際に、固定電極と第１可動梁との間に電位差が生じていると、それによる静電気力が離間動作の妨げになる。そのため、近接動作時には、可動梁同士が同一の電位を有していることが好ましく、離間動作時には、固定電極と第１可動梁とが同一の電位を有していることが好ましい。そのため、例えば、近接動作時には、固定電極、奇数番目の可動梁（第１可動梁を含む）および偶数番目の可動梁に対し、それぞれ、基準電圧、プルイン動作電圧およびプルイン動作電圧を印加し、離接動作時には、それぞれ、プルアウト動作電圧、プルアウト動作電圧および基準電圧を印加することが考えられる。しかしながら、この場合、固定電極、奇数番目の可動梁および偶数番目の可動梁のそれぞれに対して電位制御を行うことになるため、煩雑である。
これに対し、上記構成によれば、近接動作時には、固定電極、奇数番目の可動梁（第１可動梁を含む）および偶数番目の可動梁に対し、それぞれ、プルイン電圧、基準電圧および基準電圧を印加し、離接動作時には、それぞれ、基準電圧、基準電圧およびプルアウト動作電圧を印加すれば、近接動作時には、可動梁同士が同一の電位を有し、離間動作時には、固定電極と第１可動梁とが同一の電位を有することになる。このため、奇数番目の可動梁に対して電位制御を行う必要がなく、固定電極に対して第１可動梁を離接動作させるための電位制御を、簡易な構成で行うことができる。

この場合、可動部が、３本以上の可動梁を有することが好ましい。

この構成によれば、可動部が２本の可動梁を有する場合に比べ、より強い引離し力を得ることができる。

本発明の可変容量デバイスは、請求項１ないし４のいずれかに記載の静電アクチュエーターと、静電アクチュエーターを駆動源として駆動し、静電容量を可変する可変容量素子と、を備えたことを特徴とする。

この構成によれば、簡単な構成で、固定電極から第１可動梁を引き離す際に強い引離し力を得ることができる静電アクチュエーターを備えたことで、動作安定性の高い可変容量デバイスを提供することができる。
なお、可変容量デバイスとは、可変容量コンデンサーおよび可変容量型のスイッチ等を含む概念である。

この場合、静電アクチュエーターは、可変容量素子に電圧を印加した状態で、固定電極に対する第１可動梁の離接動作を行うことが好ましい。

可変容量素子に電圧を印加した状態で第１可動梁の離接動作を行う、いわゆるホットスイッチングを行うと、その印加電圧に起因して、可変容量素子を構成する対向電極間に静電引力が生じるため、固定電極から第１可動梁を引き離す際の引離し力が弱いと、固定電極に第１可動梁が貼り付いて（スティッキング）しまう場合がある。
これに対し、上記構成によれば、固定電極から第１可動梁を引き離す際に強い引離し力を得ることができる静電アクチュエーターを備えたことで、スティッキングを効果的に防止することができ、ホットスイッチングを安定的に行うことができる。

本発明の一実施形態に係る可変容量コンデンサーであって、図２のＩ−Ｉ切断線による断面図である。 可変容量コンデンサーの平面図である。 可変容量コンデンサーの分解図である。 可変容量コンデンサーにおける静電アクチュエーターの断面図である。 静電アクチュエーターにおいて、固定駆動電極に対する第１可動梁の離接動作および離間動作を示した説明図である。 静電アクチュエーターにおける可動部の変形例であって、第１可動梁および第２可動梁にビアが形成されたもの示した断面図である。 静電アクチュエーターにおける可動部の他の変形例であって、第１可動梁や第２可動梁において上下面の一方のみに導電体層が形成されたものを示す断面図である。 静電アクチュエーターにおける可動部の他の変形例であって、第１可動梁の全体を導電体で構成したものを示した断面図である。 静電アクチュエーターにおける可動部の他の変形例であって、第２可動梁の全体を導電体で構成したものを示した断面図である。 静電アクチュエーターの変形例であって、第３可動梁をさらに備えたものを示した断面図である。 可変容量コンデンサーにおける可変容量素子の変形例を示した断面図である。

以下、添付の図面を参照して、本発明の一実施形態に係る静電アクチュエーターおよびこれを備えた可変容量デバイスについて説明する。本実施形態では、可変容量デバイスとして、可変容量コンデンサーを例示する。この可変容量コンデンサーは、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイスであり、半導体集積回路作製技術を用いて、シリコン基板などの半導体基板上に、電子回路および機械構造を作り込むことで構成されている。

図１ないし図４に示すように、可変容量コンデンサー１は、シリコン基板２と、シリコン基板２上に設けられた可変容量素子３と、シリコン基板２上に設けられ、可変容量素子３の両側に連なる一対の静電アクチュエーター４とを備えている。この可変容量コンデンサー１においては、可変容量素子３にＲＦ（Radio Frequency）電圧が印加された状態で、静電アクチュエーター４を駆動源として可変容量素子３を駆動して静電容量を可変する、いわゆるホットスイッチングが行われる。
なお、本実施形態では、シリコン基板２の表面において、可変容量素子３に対して一対の静電アクチュエーター４が連なる方向（図２の左右方向）を左右方向とし、それに直交する方向（図２の上下方向）を前後方向とする。また、シリコン基板２の厚さ方向（図２の紙面に直交する方向）を上下方向とする。

シリコン基板２の表面には、例えばＳｉＯ₂（シリコン酸化膜）から成る絶縁層５が形成されており、この絶縁層５上に、可変容量素子３および一対の静電アクチュエーター４が設けられている。

可変容量素子３は、シリコン基板２上に設けられた固定容量電極１１と、固定容量電極１１の上方に設けられ、これに対向（対面）する可動容量電極１２と、固定容量電極１１の表面を覆う絶縁膜１３とを備えており、可動容量電極１２が静電アクチュエーター４により上下に駆動するようになっている。固定容量電極１１および可動容量電極１２は、Ａｌ（アルミニウム）などの導電体で構成され、絶縁膜１３は、例えばＳｉＯ₂で構成されている。また、固定容量電極１１がグランド電極に電気的に接続されると共に、可動容量電極１２が取出し部１４を介してシグナル電極に接続されており、固定容量電極１１と可動容量電極１２との間に所定のＲＦ電圧が印加され、ＲＦ電圧に起因した静電引力が生じる。

そして、可変容量素子３は、可動容量電極１２が静電アクチュエーター４により上下に駆動し、固定容量電極１１と可動容量電極１２との距離が変化することで、静電容量が２段階に可変するようになっている。なお、本実施形態では、可動容量電極１２は、絶縁膜１３と接触するまで下方に駆動するが、絶縁膜１３を設けずに、エアギャップを介して固定容量電極１１と対向するようにしてもよい。

静電アクチュエーター４は、可変間隔型のものであり、シリコン基板２上に設けた固定駆動電極２１と、固定駆動電極２１の上方に設けられた可動部２２と、シリコン基板２上に立設され、可動部２２を支持する電極支持部２３とを備えている。

固定駆動電極２１は、Ａｌなどの導電体で構成されている。固定駆動電極２１は、第１印加電源Ｗ１に接続されており、固定駆動電極２１に所要のプルイン動作電圧が印加される。なお、プルイン動作電圧とは、固定駆動電極２１と可動部２２の第１可動梁３１（後述する）との間の静電気力（静電引力）により、第１可動梁３１が固定駆動電極２１と接触する状態（プルイン状態）が生じる電圧（いわゆるプルイン電圧）以上の電圧である。また、固定駆動電極２１は、例えばＳｉＯ₂から成る絶縁膜２４で覆われており、可動部２２の第１可動梁３１は、絶縁膜２４と接触するまで下方に引き寄せられる。

可動部２２は、固定駆動電極２１側（下側）から順に、第１可動梁３１および第２可動梁３２を有している。第１可動梁３１および第２可動梁３２は、絶縁体で構成された連結部３４を介して、相互に折り返し構造を為して連なっている。すなわち、第１可動梁３１と第２可動梁３２とは、左右方向における外側（可変容量素子３側とは反対側）の端部において、連結部３４を介して互いに連結（接続）されている。

第１可動梁３１は、その内側の略半部（先端部）において、固定駆動電極２１と対向すると共に、その外側略半部（基端部）が前後に余地を残して矩形状にくり抜いたように形成されている。また、可動部２２は、第２可動梁３２の内側端部に形成された前後一対の被支持部３５により、電極支持部２３に支持されている。そして、可動部２２は、被支持部３５により電極支持部２３に支持された状態で、第１可動梁３１および第２可動梁３２が、蛇腹状（べローズ状）に伸縮可能となっている。

すなわち、可動部２２は、第１可動梁３１と固定駆動電極２１とが離間した定常状態において、第１可動梁３１と固定駆動電極２１との間に静電気力が生ずると、第１可動梁３１および第２可動梁３２が蛇腹状に伸び、第１可動梁３１が固定駆動電極２１に近づく（近接動作）。このとき、第１可動梁３１は、固定駆動電極２１との間の静電気力により、第２可動梁３２に連結された連結部３４を中心に下方に回動するようにして弾性変形しながら固定駆動電極２１に近づき、内側略半部が絶縁膜２４と接触する。また、第２可動梁３２も、電極支持部２３に支持された被支持部３５を中心に下方に回動するようにして弾性変形する。つまり、第１可動梁３１および第２可動梁３２は、連結部３４を中心に横「Ｖ」字状に拡開するようにして弾性変形する。

また、可動部２２は、蛇腹状に伸びて第１可動梁３１が固定駆動電極２１に近づいた状態で、第１可動梁３１と第２可動梁３２との間に静電気力が生じると、その静電気力と、弾性変形した第１可動梁３１および第２可動梁３２のバネ力（復元力）とにより、第１可動梁３１および第２可動梁３２が蛇腹状に縮み、第１可動梁３１が固定駆動電極２１から離れる（離間動作）。このとき、第１可動梁３１および第２可動梁３２は、連結部３４側からファスナー状（ジッパー状）に閉じるようにして、弾性変形した状態から復元する。

以上のようにして、第１可動梁３１は、固定駆動電極２１に対して離接する。また、第１可動梁３１は、その内側（可変容量素子３側）で、絶縁体で構成された接続部３６を介して、可変容量素子３の可動容量電極１２と接続している。これにより、第１可動梁３１が固定駆動電極２１に対して離接することに伴って、可動容量電極１２が上下に駆動する。

第１可動梁３１は、主体を為す第１絶縁体部３１ａと、第１絶縁体部３１ａの固定駆動電極２１側の面（下面）に形成された第１下側導電体層３１ｂおよび固定駆動電極２１とは反対側の面（上面）に形成された第１上側導電体層３１ｃとを有している。第１絶縁体部３１ａは、ＳｉＯ₂（酸化シリコン）などの絶縁体から構成されている。また、第１下側導電体層３１ｂおよび第１上側導電体層３１ｃは、Ａｌなどの導電体から構成されており、基準電位点ＧＮＤに接続され、常に基準電位（グランド電位）を有している。

第２可動梁３２は、第１可動梁３１と同様に構成され、主体を為す第２絶縁体部３２ａと、第２絶縁体部３２ａの下面に形成された第２下側導電体層３２ｂおよび上面に形成された第２上側導電体層３２ｃとを有している。第２下側導電体層３２ｂおよび第２上側導電体層３２ｃは、取出し部３７を介して、第２印加電源Ｗ２に接続されており、第２下側導電体層３２ｂおよび第２上側導電体層３２ｃに所要のプルアウト動作電圧が印加される。なお、プルアウト動作電圧とは、第１可動梁３１と第２可動梁３２との間の静電気力により、第１可動梁３１が固定駆動電極２１から離間する状態（プルアウト状態）が生じる電圧以上の電圧である。

電極支持部２３は、第２可動梁３２の前後一対の被支持部３５を支持する前後一対の第１アンカー部４６および第２アンカー部４７を有している。一対の静電アクチュエーター４において、前方（図２の下方）の第１アンカー部４６同士は、一体に形成されており、後方（図２の上方）の第２アンカー部４７同士は、可動容量電極１２の取出し部１４を避けるように離間して別体で形成されている。

図５を参照しつつ、静電アクチュエーター４における、固定駆動電極２１や第２可動梁３２へのプルイン動作電圧やプルアウト動作電圧の印加による、可動部２２の近接動作および離間動作について説明する。なお、上述したように、第１可動梁３１（第１下側導電体層３１ｂおよび第１上側導電体層３１ｃ）には、常に基準電圧が印加されている。

図５（ａ）に示すように、定常状態において、固定駆動電極２１には、基準電圧が印加され、固定駆動電極２１と第１可動梁３１とは同一の電位を有している。同様に、第２可動梁３２（第２下側導電体層３２ｂおよび第２上側導電体層３２ｃ）には、基準電圧が印加され、第１可動梁３１と第２可動梁３２とは同一の電位を有している。

図５（ｂ）に示すように、定常状態において、第１印加電源Ｗ１を制御して固定駆動電極２１にプルイン動作電圧が印加されると、固定駆動電極２１と第１可動梁３１との間に電圧差が生じ、その電圧差で固定駆動電極２１と第１可動梁３１との間に静電気力が生じる。このとき、第１可動梁３１と第２可動梁３２とは同電位のままであり、第１可動梁３１と第２可動梁３２との間に静電気力は生じていない。そして、固定駆動電極２１と第１可動梁３１との間に生じた静電気力により、第１可動梁３１および第２可動梁３２が、それぞれのバネ力に抗して蛇腹状に伸び、第１可動梁３１が固定駆動電極２１に近づく（近接動作）。

図５（ｃ）に示すように、近接動作の後、第１可動梁３１が絶縁膜２４に接触したプルイン状態となる。プルイン状態でも、引き続き、固定駆動電極２１にはプルイン動作電圧が印加され、第１可動梁３１および第２可動梁３２は基準電位を有している。なお、プルイン状態を維持するのに必要なプルイン維持電圧は、プルイン状態にするプルイン電圧よりも低いため、プルイン状態では、固定駆動電極２１に、プルイン動作電圧よりも低い電圧（ただしプルイン維持電圧以上の電圧）を印加する構成であってもよい。

図５（ｄ）に示すように、プルイン状態において、第１印加電源Ｗ１を制御して固定駆動電極２１に基準電圧が印加されると、固定駆動電極２１と第１可動梁３１とは同電位となり、固定駆動電極２１と第１可動梁３１との間の静電気力が解除される。これと共に、第２印加電源Ｗ２を制御して第２可動梁３２にプルアウト動作電圧が印加されると、第１可動梁３１と第２可動梁３２との間に電圧差が生じ、その電圧差で第１可動梁３１と第２可動梁３２との間に静電気力が生じる。

ここで、特に連結部３４の近傍においては、第１可動梁３１が絶縁膜２４に接触した状態でも、第１可動梁３１と第２可動梁３２との距離が短いため、強い静電気力が生じる。例えば、離間動作において、プルアウト動作電圧Ｖを印加した場合、第１可動梁３１と第２可動梁３２との間の静電気力Ｆ１は以下のようになる。すなわち、第１可動梁３１の左右方向の長さをＬ、前後方向の長さをＷ、第１可動梁３１の基端部（連結部３４側の端部）での第２可動梁３２との離間距離をＧ０、先端部（連結部３４とは反対側の端部）での第２可動梁３２との離間距離をＧ１、第１可動梁３１と第２可動梁３２との空間の誘電率をεとする。そして、第１可動梁３１の基端部から先端部までにおける第２可動梁３２との離間距離ｆ（ｘ）を、一次線形近似で計算すると、
ｆ（ｘ）＝（（Ｇ１−Ｇ０）×ｘ／Ｌ）＋Ｇ０
となる。ここで、ｘは、基端部をゼロとした位置座標である。これを利用して、静電気力Ｆ１を計算すると、
Ｆ１＝（１／２）×ε×Ｗ×Ｌ×Ｖ²／（Ｇ０×Ｇ１）
となる。

一方、単に、第１可動梁３１の上方に、第２可動梁３２を第１可動梁３１と平行に設けた場合には、第１可動梁３１と第２可動梁３２との離間距離が、第１可動梁３１の先端部から基端部までの全域でＧ１となるため、この場合の静電気力Ｆ０を計算すると、
Ｆ０＝（１／２）×ε×Ｗ×Ｌ×Ｖ²／（Ｇ１）²
となる。
Ｇ０＜＜Ｇ１であることから、本実施形態における静電気力Ｆ１の方が、静電気力Ｆ０よりも格段に大きい数値となる。

そして、第１可動梁３１と第２可動梁３２との間に生じた静電気力と、第１可動梁３１および第２可動梁３２のバネ力とにより、第１可動梁３１が固定駆動電極２１から離れ（離間動作）、プルイン状態から定常状態へと戻る。

以上のように、本実施形態の静電アクチュエーター４によれば、第１可動梁３１および第２可動梁３２が相互に折り返し構造を為して連なっているため、第２可動梁３２を支持する電極支持部２３を設ければよく、第１可動梁３１および第２可動梁３２それぞれに対して支持部材を設ける必要がない。また、可動部２２が、第１可動梁３１および第２可動梁３２により蛇腹状に伸縮可能に構成されていることから、第１可動梁３１と第２可動梁３２との折り返し部分（連結部３４）近傍において、第１可動梁３１と第２可動梁３２とが常に近接して対向した状態となるため、第１可動梁３１と第２可動梁３２との間に強い静電気力を生じさせることができる。その結果、第１可動梁３１を固定駆動電極２１から引き離す離間動作の開始時にも、強い引離し力を得ることができる。このように、簡単な構成で、固定駆動電極２１から第１可動梁３１を引き離す際に強い引離し力を得ることができる。したがって、本実施形態の可変容量コンデンサー１は、可変容量素子３においてスティッキングを効果的に防止することができ、ホットスイッチングを安定的に行うことができる。

また、第１可動梁３１が固定駆動電極２１に近づく際、第１可動梁３１および第２可動梁３２が、弾性を持って変形することで、上記の静電気力に加え、弾性変形した第１可動梁３１および第２可動梁３２のバネ力（復元力）によっても、第１可動梁３１を固定駆動電極２１から引き離すため、より強い引離し力を得ることができる。もっとも、第１可動梁３１および第２可動梁３２が弾性変形することなく、静電気力のみによって、第１可動梁３１を固定駆動電極２１から引き離す構成であってもよい。

また、本実施形態では、近接動作時には、固定駆動電極２１、第１可動梁３１および第２可動梁３２に対し、それぞれ、プルイン電圧、基準電圧および基準電圧を印加し、離接動作時には、それぞれ、基準電圧、基準電圧およびプルアウト動作電圧を印加することで、近接動作時には、第１可動梁３１および第２可動梁３２が同一の電位を有し、離間動作時には、固定駆動電極２１と第１可動梁３１とが同一の電位を有する。このため、固定駆動電極２１と第１可動梁３１との間や、第１可動梁３１と第２可動梁３２との間に、近接動作や離間動作の妨げとなる静電気力が生ずることがない。そして、第１可動梁３１に対して電位制御を行う必要がなく、固定駆動電極２１に対して第１可動梁３１を離接動作させるための電位制御を、簡易な構成で行うことができる。

本実施形態では、第１可動梁３１および第２可動梁３２を、絶縁体部と導電体層とで構成したが、特に、絶縁体部をＳｉＯ₂で構成し、導電体層をＡｌで構成すると共に、犠牲層（図示省略）をアモルファスシリコンで構成し、ＸｅＦ₂（二フッ化キセノン）で犠牲層をドライエッチングすれば、その高いエッチング選択性により、導電体層（Ａｌ）や絶縁体部（ＳｉＯ₂）にダメージを与えることがないため、好ましい。

次に、第１可動梁３１や第２可動梁３２の変形例について説明する。図６に示したように、第１可動梁３１に形成した第１下側導電体層３１ｂと第１上側導電体層３１ｃとが、ビア３１ｄを介して相互に接続し、第２可動梁３２に形成した第２下側導電体層３２ｂと第２上側導電体層３２ｃとが、ビア３２ｄを介して相互に接続していてもよい。もちろん、第１可動梁３１および第２可動梁３２のいずれか一方のみにおいて、ビア３１ｄ或いは３２ｄを介して導電体層同士が接続していてもよい。

また、本実施形態では、第１可動梁３１の上下両面に導電体層（第１下側導電体層３１ｂおよび第１上側導電体層３１ｃ）を形成すると共に、第２可動梁３２の上下両面に導電体層（第２下側導電体層３２ｂおよび第２上側導電体層３２ｃ）を形成したが、これに限定されるものではなく、第１可動梁３１の少なくとも上下一方の面に導電体層が形成されていればよく、第２可動梁３２の少なくとも上下一方の面に導電体層が形成されていればよい。例えば、上記の実施形態と比べ、第２上側導電体層３２ｃが形成されていなくてもよく（図７（ａ）参照）、さらに第１上側導電体層３１ｃ或いは第１下側導電体層３１ｂが形成されていなくてもよい（図７（ｂ）（ｃ）参照）。

もっとも、上記の実施形態のように、第１可動梁３１や第２可動梁３２の上下両面に導電体層を形成することで、導電体層に生ずる内部応力に起因して、第１可動梁３１や第２可動梁３２に反りが発生することを防止できる。なお、第１可動梁３１や第２可動梁３２の上下両面に導電体層を形成した場合、上面に形成された導電体層と下面に形成された導電体層とに別電位を与えてもよく、上下いずれか一方の導電体層を、電気的にフローティング状態としてもよい。

また、本実施形態では、第１可動梁３１および第２可動梁３２の双方を、絶縁体部と導電体層とで構成したが、第１可動梁３１および第２可動梁３２のいずれか一方の全体を、導電体で構成してもよい。すなわち、図８に示すように、第１可動梁３１の全体を導電体で構成してもよく、図９に示すように、第２可動梁３２の全体を導電体で構成してもよい。

第１可動梁３１の全体を導電体で構成した場合、第２可動梁３２には、上記の変形例と同様に、第２下側導電体層３２ｂのみが形成されていてもよく（図８（ａ）参照）、第２上側導電体層３２ｃのみが形成されていてもよい（図８（ｂ）参照）。もっとも、図８（ａ）の構成は、第１可動梁３１と第２可動梁３２との間の静電気力が、図８（ｂ）の構成よりも大きいため、好ましい。もちろん、第２下側導電体層３２ｂおよび第２上側導電体層３２ｃの双方が形成されていてもよい。

一方、第２可動梁３２の全体を導電体で構成した場合、第１可動梁３１には、第１下側導電体層３１ｂおよび第１上側導電体層３１ｃの双方が形成されていてもよく（図９（ａ））、第１下側導電体層３１ｂのみが形成されていてもよく（図９（ｂ）参照）、第１上側導電体層３１ｃのみが形成されていてもよい（図９（ｃ）参照）。もっとも、図９（ａ）の構成や図９（ｃ）の構成は、第１可動梁３１と第２可動梁３２との間の静電気力が、図９（ｂ）の構成よりも大きいため、好ましい。また、図９（ａ）の構成や図９（ｂ）の構成は、固定駆動電極２１と第１可動梁３１との間の静電気力が、図９（ｃ）の構成よりも大きいため、好ましい。したがって、図９（ａ）〜（ｃ）の構成のなかでは、図９（ａ）が最も好ましい。

次に、可動部２２の変形例について説明する。図１０に示すように、変形例の可動部２２は、固定駆動電極２１側（下側）から順に、第１可動梁３１、第２可動梁３２および第３可動梁３３を有している。第１可動梁３１、第２可動梁３２および第３可動梁３３は、連結部３４を介して、相互に折り返し構造を為して連なっている。すなわち、第１可動梁３１と第２可動梁３２とは、相互に対向すると共に、左右方向における外側（可変容量素子３側とは反対側）の端部において、連結部３４を介して互いに連結（接続）されている。また、第２可動梁３２と第３可動梁３３とは、相互に対向すると共に、左右方向における内側の端部において、連結部３４を介して互いに連結されている。さらに、可動部２２は、第３可動梁３３の外側端部において、被支持部３５により、電極支持部２３に支持されている。そして、可動部２２は、被支持部３５により電極支持部２３に支持された状態で、第１可動梁３１、第２可動梁３２および第３可動梁３３が、蛇腹状に伸縮可能となっている。

第３可動梁３３は、第１可動梁３１および第２可動梁３２と同様に、主体を為す第３絶縁体部３３ａと、第３絶縁体部３３ａの下面に形成された第３下側導電体層３３ｂおよび上面に形成された第３上側導電体層３３ｃとを有している。なお、第１可動梁３１や第２可動梁３２の変形例と同様に、第３可動梁３３は、第３下側導電体層３３ｂおよび第３上側導電体層３３ｃの一方のみを備えていてもよく、全体が導電体で構成されていてもよい。また、第３可動梁３３は、第１可動梁３１および第２可動梁３２と同様に、蛇腹状に伸びる際、弾性変形する。さらに、第３可動梁３３（第３下側導電体層３３ｂおよび第３上側導電体層３３ｃ）は、第１可動梁３１と同様に、基準電位点ＧＮＤに接続されている。

そして、上記の実施形態と同様に、定常状態において固定駆動電極２１にプルイン動作電圧が印加されると、固定駆動電極２１と第１可動梁３１との間に静電気力が生じる。このとき、第１可動梁３１と第２可動梁３２とは同電位のままであり、その間に静電気力は生じていない。また、第２可動梁３２と第３可動梁３３とは同電位のままであり、その間に静電気力は生じていない。そして、固定駆動電極２１と第１可動梁３１との間に生じた静電気力により、第１可動梁３１、第２可動梁および第３可動梁が、それぞれのバネ力に抗して蛇腹状に伸び、第１可動梁が固定駆動電極２１に近づく。

また、プルイン状態において、第２可動梁３２にプルアウト電圧が印加されると、第１可動梁３１と第２可動梁３２との間に電圧差が生じ、その電圧差で第１可動梁３１と第２可動梁３２との間に静電気力が生じることに加え、第２可動梁３２と第３可動梁３３との間にも電圧差が生じ、その電圧差で第２可動梁３２と第３可動梁３３との間にも静電気力が生じる。そして、これらの静電気力と、第１可動梁３１、第２可動梁および第３可動梁のバネ力とにより、第１可動梁３１が固定駆動電極２１から離れる。このように、第３可動梁３３を設けることで、第２可動梁３２と第３可動梁３３との間にも、第１可動梁３１が固定駆動電極２１から離れるための静電気力が生じるため、より強い引離し力を得ることができる。

なお、本変形例では、可動部２２を、３本の可動梁で構成したが、４本以上の可動梁で構成し、４本以上の可動梁を、相互に押し返し構造を為して連ねると共に、蛇腹状に伸縮可能に構成してもよい。この場合、第１可動梁３１側から数えて奇数番目の可動梁（第１可動梁３１を含む）は、基準電位点ＧＮＤに接続され、偶数番目の可動梁は、プルアウト動作電圧を印加する第２印加電源Ｗ２に接続される。

次に、可変容量素子３の変形例について説明する。図１１に示すように、変形例の可変容量素子３は、絶縁性基板６と、絶縁性基板６上に設けられた一対の固定容量電極１１と、一対の固定容量電極１１の上方に設けられて、これらに対向する可動容量電極１２と、絶縁性基板６に埋め込まれ、一対の固定容量電極１１の下面に絶縁層５を介して対向する一対の埋込容量電極６０とを備えている。一対の固定容量電極１１および可動容量電極１２は、静電容量が可変の２個の可変容量部６１を構成し、一対の固定容量電極１１および一対の埋込容量電極６０は、静電容量が固定の２個の固定容量部６２を構成している（図１１（ｃ）参照）。そして、一対の埋込容量電極６０には、可変容量素子３の電気接点（入力端子）をそれぞれ配しており、一対の固定容量電極１１、可動容量電極１２および一対の埋込容量電極６０は、一方の固定容量部６２、２個の可変容量部６１、他方の固定容量部６２の順で直列した電気回路を構成している。なお、一対の固定容量電極１１および可動容量電極１２は、電気的にフローティング状態となっている。

本変形例の可変容量素子３によれば、２個の可変容量部６１と２個の固定容量部６２とを直列接続することにより、ホットスイッチング時のＲＦ電圧が分圧されるので、第１可動梁３１の引離しを妨げる静電気力、すなわち固定容量電極１１と可動容量電極１２との間の静電気力を全体として小さくすることができる。また、一対の固定容量電極１１および可動容量電極１２を、フローティング状態にすることができる。

なお、本変形例では、一対の埋込容量電極６０間が非導通となるように絶縁性基板６を用いたが、絶縁性基板６に代えてシリコン基板２を用いてもよい。ただし、隣接する埋込容量電極６０間の絶縁性を確保するにはシリコン基板２のＰＮ接合では十分とは言えないので、絶縁性基板６を用いる方が好ましい。また、本変形例では、２個の可変容量部６１の可動容量電極１２を、一体に形成する構成であったが、２個の可変容量部６１の可動容量電極１２を、別体で形成する構成であってもよい。

また、以上の実施形態においては、可変容量デバイスとして、可変容量コンデンサー１を例示したが、可変容量素子３を用いた可変容量型のスイッチに本発明を適用してもよい。

なお、本実施形態においては、ホットスイッチング時におけるスティッキング対策として本発明を適用する構成であったが、ホットスイッチングを行う場合に限定されるものではなく、例えば、近接時の静電気力を低減する方策として、第１可動梁３１等のバネ定数を低くしつつ（もしくはゼロにしつつ）、本発明を適用する構成であってもよい。

１：可変容量コンデンサー、２：シリコン基板、３：可変容量素子、４：静電アクチュエーター、２１：固定駆動電極、２２：可動部、３１：第１可動梁、３１ａ：第１絶縁体部、３１ｂ：第１下側導電体層、３１ｃ：第１上側導電体層、３２：第２可動梁、３２ａ：第２絶縁体部、３２ｂ：第２下側導電体層、３２ｃ：第２上側導電体層

Claims (7)

1. 基板に設けられた固定電極と、
   伸縮可能に構成された折り返し構造を為し、絶縁体で構成される連結部を介して連なる複数の可動梁を有する可動部と、を備え、
   前記可動部は、前記複数の可動梁のうち前記固定電極側に位置する第１可動梁と前記固定電極との間の静電気力により前記複数の可動梁間が拡開することで、前記第１可動梁が前記固定電極に近づき、隣り合う前記可動梁の相互の静電気力により前記可動梁間が縮むことで、前記第１可動梁が前記固定電極から離れることを特徴とする静電アクチュエーター。
2. 前記複数の可動梁の少なくとも１本は、
   主体を為す絶縁体部と、
   前記絶縁体部の前記固定電極側の面および前記固定電極とは反対側の面の少なくとも一方に形成された導電体層と、を有することを特徴とする請求項１に記載の静電アクチュエーター。
3. 前記第１可動梁が前記固定電極に近づく際、前記複数の可動梁の少なくとも１本が、弾性を持って変形すると共に、当該変形の復元力が、前記第１可動梁を前記固定電極から引き離す引離し力として作用することを特徴とする請求項１または２に記載の静電アクチュエーター。
4. 前記固定電極は、前記第１可動梁が前記固定電極に近づくための所要のプルイン動作電圧を印加する第１印加電源に接続され、
   前記複数の可動梁のうち前記第１可動梁側から数えて奇数番目の前記可動梁は、基準電位点に接続され、
   前記複数の可動梁のうち前記第１可動梁側から数えて偶数番目の前記可動梁は、前記第１可動梁が前記固定電極から離れるための所要のプルアウト動作電圧を印加する第２印加電源に接続されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の静電アクチュエーター。
5. 前記可動部が、３本以上の前記可動梁を有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の静電アクチュエーター。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の静電アクチュエーターと、
   前記静電アクチュエーターを駆動源として駆動し、静電容量を可変する可変容量素子と、
   を備えたことを特徴とする可変容量デバイス。
7. 前記静電アクチュエーターは、前記可変容量素子に電圧を印加した状態で、前記固定電極に対する前記第１可動梁の離接動作を行うことを特徴とする請求項６に記載の可変容量デバイス。

Images