KR100798981B1 - 가변 커패시터 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

양단측에 선로부(35a, 35a) 및 중앙측에 커패시터부(35b)를 가지는 하부가동전극(35)과 양단측에 선로부(37a, 37a) 및 중앙측에 커패시터부(37b)를 가지는 하부가동전극(37)을, 커패시터부(35b, 37b)가 대향하도록 배치하고, 하부가동전극(35)을 구동하는 하부가동전극용 액츄에이터(27a, 27b, 27c, 27d) 및 상부가동전극(37)을 구동하는 상부가동전극용 액츄에이터(29a, 29b, 29c, 29d)의 구동전극을, 하부가동전극(35) 및 상부가동전극(37)과 전기적으로 분리해서 설치한다. 이들 액츄에이터(27a-27d) 및/또는 (29a-29d)에 의해, 하부가동전극(35) 및/또는 상부가동전극(37)을 이동시켜서, 양 커패시터부(35b, 37b)간의 거리를 조정해서 정전용량을 제어한다.
가변 커패시터, MEMS, 가동전극, 액츄에이터, 정전용량

Description

가변 커패시터 및 그 제조 방법{VARIABLE CAPACITOR AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은, 가변 커패시터 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히, MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술을 이용한 대향하는 가동전극을 가지는 가변 커패시터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
가변 커패시터는, 가변 주파수 발진기, 동조 증폭기, 위상 천이기(Phase shifter), 임피던스 정합 회로 등을 포함하는 전기 회로에 있어서 중요한 부품이며, 최근, 휴대기기에의 탑재가 늘어나고 있다. 현재 주로 사용되고 있는 버랙터(Varactor) 다이오드에 비해, MEMS 기술을 이용해서 제작된 가변 커패시터는, 손실이 적고 Q값을 높게 할 수 있다고 하는 이점이 있으며, 그 개발을 서두르고 있다.
도 1(a), (b)는, 종래의 가변 커패시터의 구성을 나타내는 단면도, 평면도이다(예를 들면, 비특허문헌 Jan Y. Park, et al., "MICROMACHINED RF MEMS TUNABLE CAPACITORS USING PIEZOELECTRIC ACTUATORS" IEEE International Microwave Symposium, 2001 참조). 이 가변 커패시터는, 유니모프(Unimorph)형의 압전 액츄에이터(Actuator)(12) 및 가동 전극(13)을 가지는 가동 전극용 기판(11)과, 고정 전극(16)을 설치한 고정 전극용 기판(15)을, 가동 전극(13) 및 고정 전극(16)이 대향하도록, 솔더 범프(Solder Bump)(14)로 접합시킨 구성을 하고 있다. 압전 액츄에이터(12)의 구동에 의해서 가동 전극(13)을 이동시켜, 가동 전극(13) 및 고정 전극(16)간의 거리를 변동시켜서 커패시터의 용량을 제어한다.
<발명이 해결하고자 하는 과제>
그러나, 상술한 종래의 가변 커패시터에는, 이하와 같은 문제가 있다. 가동 전극(13)과 고정 전극(16)을 솔더 범프(14)로 접합시키고 있기 때문에, 양 전극간의 거리가 솔더 범프(14)로 제어되는 것이 되어, 그 거리를 0에 가까운 상태까지 작게 하는 것이 불가능하며, 압전 액츄에이터(12)가 초기 상태일 때의 커패시터의 정전 용량은 커지지 않는다.
커패시터의 정전 용량 C와 커패시터를 구성하는 전극간의 거리 d와의 사이에는, C=ε0εrS/d(ε0:진공중의 유전율, εr:비유전율, S:전극의 면적)의 관계가 있으며, 정전 용량 C 및 전극간 거리 d와의 관계를 도 2에 나타낸다. 도 2에는, 종축 및 횡축의 눈금을 초기 상태 C 및 d로 규격화하고 있다. 압전 액츄에이터의 변화량이 일정할 경우, 양 전극이 떨어져 있는 상태보다도, 근접해 있는 상태가 정전 용량의 변화의 비율이 크게 된다. 따라서, 초기 상태일 때의 정전 용량이 크게 되지않는다(작다)는 것은, 정전 용량의 변화도 크게 되지 않는다(작다)는 것이 된다.
이 종래예의 가변 커패시터에서는, 도 1(b)에 보이는 바와 같이, 가동 전극(13)과 압전 액츄에이터(12)가 토션바(Torsion Bar)(17)로 접속되어 있으며, 가동 전극(13)과 압전 액츄에이터(12)용의 구동 전극과는 일체적으로 구성되어 전기적으로 접속되어 있다. 커패시터를 구성하는 가동 전극(13)까지의 선로에, 폭이 좁은 토션바(17)가 포함되어 있기 때문에, 이 부분이 등가직열저항(ESR: Equivalent Series Resistance)으로 되어 저항 손실이 발생하고, 게다가 가변 커패시터에 전기적으로 접속되는 신호선로와 압전 액츄에이터(12)용의 구동 전극이 겸용되고 있기 때문에, 이 신호선로는 고유전체인 압전소자와 접속해서 유전손실이 발생하며, Q값이 매우 작게 되는 문제가 있다. 또한 가동 전극(13)까지의 선로는 임피던스 정합이 행하여지지 않고 입력된 에너지의 손실, 즉 삽입손실도 발생한다. 그래서 본 발명자는, 이 문제를 해결하기 위한 기술개발을 추진하고 있다.
또한 본 발명자는 대향하는 2개의 전극을 어느 쪽도 전압 액츄에이터로 구동가능한 구성으로 한 가변 커패시터를 제안하고 있다(일본국 특개2004-127973호 공보 참조). 이와 같은 2개의 가동 전극을 대향시킨 구성을 이루는 가변 커패시터에서는, 범프(Bump)가 설치되어 있지 않기 때문에, 양 전극간의 거리를 용이하게 작게 할 수 있기 때문에 소형의 구성이더라도 큰 정전 용량이 얻어지는 것과 함께 정전 용량의 변화를 크게 할 수 있는 효과를 가져온다.
본 발명은 이와 같은 사정을 감안하여 안출된 것으로, 소형의 구성이더라도 정전 용량을 크게 할 수 있는 것과 함께 정전 용량의 변화의 비율을 크게 할 수 있어 정전 용량의 미조정도 가능하며, 게다가 Q값이 높은 가변 커패시터 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적은, 외부로부터 입력된 신호의 에너지 손실(삽입 손실)을 방지할 수 있는 가변 커패시터 및 그 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 압전 액츄에이터의 구동 전압이 적어도 큰 정전 용량과 정전 용량의 큰 변화를 얻을 수 있는 가변 커패시터 및 그 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
<과제를 해결하기 위한 수단>
본 발명에 관련하는 가변 커패시터는, 대향하는 전극이 이동가능한 가변 커패시터에 있어서, 기판과, 제1 전극부 및 제2 전극부를 가지는 가동 전극과, 상기 가동 전극을 구동하는 복수의 압전 액츄에이터를 구비하며, 상기 가동 전극이 대향해서 커패시터를 구성하고 있으며, 상기 가동 전극과 신호 패드를 도전 접속하고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서는, 가동 전극과 가동 전극을 구동하는 전압 액츄에이터를 동일의 기판에 설치하고 있기 때문에, 소형의 구성이다. 또한, 각 가동 전극을 이동할 수 있기 때문에, 양 가동 전극간의 거리를 작게 할 수 있으며, 큰 정전 용량과 정전 용량의 큰 변화를 실현하며, 정전 용량의 미조정도 용이하다. 또한, 커패시터를 구성하는 제2 전극부까지의 선로(신호선)에 상당하는 제1 전극부와, 압전 액츄에이터를 구동하기 위한 구동 전극이 전기적으로 분리하고 있기 때문에, 제1 전극부가 압전 액츄에이터의 압전체(고유전체)와 접촉하지 않으며, 삽입 손실을 억제하여 Q값의 향상을 꾀할 수 있다.
본 발명에 관련하는 가변 커패시터는, 상기 가동 전극은, 상기 제1 전극부와 제2 전극부를 가지고 있으며, 상기 가동 전극을 상하로 배치하고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서는, 커패시터를 구성하는 제2 전극부로의 선로에 상당하는 제1 전극부에는, 종래예와 같은 폭이 좁은 토션바가 포함되어 있지 않으며, 등가직렬저항을 작게 할 수 있기 때문에, Q값의 향상을 꾀할 수 있다.
본 발명에 관련하는 가변 커패시터는, 상기 복수의 압전 액츄에이터 각각은, 구동 전극과, 그 구동 전극간에 설치된 압전 소자를 포함하고 있으며, 상기 구동 전극과 상기 가동 전극과는 별체(別體)인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서는, 커패시터용의 가동 전극과 전압 액츄에이터용의 구동 전극을 별체로 구성하고 있기 때문에, 종래예와 같이 선로부가 압전 소자(고유전체)에 접촉하는 것이 없어져, Q값의 향상을 꾀할 수 있다.
본 발명에 관련하는 가변 커패시터는, 상기 가동 전극의 제1 전극부의 양측에 상기 압전 액츄에이터를 설치하고 있으며, 상기 제1 전극부와 상기 전압 액츄에이터의 구동 전극에 의해 CPW형 선로를 구성하고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서는, CPW형 선로에 있어서의 제1 전극부의 폭과 제1 전극부 및 전압 액츄에이터의 구동 전극의 간격을 조정함으로써 임피던스 정합을 용이하게 행할 수 있기 때문에, 삽입 손실이 없어져 Q값의 향상을 꾀할 수 있다.
본 발명에 관련하는 가변 커패시터는, 상기 가동 전극의 대향하는 상기 제2 전극부간에 유전체층을 설치하고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서는, 커패시터를 구성하는 제2 전극부간에 유전체층을 설치하고 있기 때문에, 정전 용량 및 그 변화량의 증대를 꾀할 수 있다.
본 발명에 관련하는 가변 커패시터는, 상기 가동 전극의 적어도 한 쪽이 접지전극에 접속되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서는, 한쪽의 가동 전극을 접지 전극에 접속시킴으로써, 부유용량을 억제한다.
본 발명에 관련하는 가변 커패시터는, 상기 가동 전극의 어느 한쪽의 상기 제1 전극부와 상기 제2 전극부의 경계부 근방이 전기적으로 분리되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서는, 한쪽의 가동 전극이 제1 전극부와 제2 전극부와의 경계부 근방에서 전기적으로 분리되어 있기 때문에, 한쪽의 제1 전극부에 입력된 신호가 제2 전극부를 통과해서 다른 쪽의 제1 전극부의 단(端)까지 도착하며, 거기에서 반사하는 것과 같은 것이 없어져, 입력 신호의 에너지 손실(삽입 손실)을 저감한다.
본 발명에 관련하는 가변 커패시터는, 그 대향 방향이 이동가능한 가동 전극과, 그 가동 전극을 구동하는 복수의 압전 액츄에이터를 구비한 가변 커패시터에 있어서, 상기 가동전극간에 전압을 인가하는 전압인가수단을 구비하고 있으며, 상기 압전 액츄에이터의 구동에서 상기 가동 전극을 접근시킨 상태에서, 상기 전압인가수단에서 상기 가동 전극간에 전압을 인가하도록 구성하고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서는, 압전 액츄에이터의 구동에 의해 한 쌍의 가동 전극을 접근시킨 상태에서, 한 쌍의 가동 전극간에 전압을 인가함으로써, 한 쌍의 가동 전극간에 발생하는 정전 인력에 의해서 양 가동 전극간의 거리를 더더욱 작게 한다.
본 발명에 관련하는 가변 커패시터의 제조방법은, 전극이, 압전 액츄에이터의 구동에 의해, 이동가능한 가변 커패시터를 제조하는 방법에 있어서, 기판에 복수의 상기 압전 액츄에이터를 형성하는 공정과, 제1 전극부 및 제2 전극부를 가지는 가동 전극을 상기 기판에 형성하는 공정과, 상기 가동 전극간에 간극을 형성하기 위한 희생층(Sacrificial Layer)을 형성하는 공정과, 상기 희생층을 제거하는 제거공정과, 상기 복수의 상기 압전 액츄에이터의 단부 및 상기 가동 전극의 제1 전극부의 단부를 제외한 부분을 상기 기판으로부터 잘라내는 절리(切離)공정을 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서는, 동일의 기판위에, 한 쌍의 가동 전극 및 이들을 구동하는 압전 액츄에이터를 용이하게 형성한다.
본 발명에 관련하는 가변 액츄에이터의 제조방법은, 전극이, 압전 액츄에이터의 구동에 의해서 이동 가능한 가변 커패시터를 제조하는 방법에 있어서, 기판에 복수의 상기 압전 액츄에이터를 형성하는 공정과, 제1 전극부 및 제2 전극부를 가지는 가동 전극을 상기 기판에 형성하는 공정과, 상기 가동 전극간에 유전체층을 형성하는 공정과, 상기 가동 전극의 어느 한쪽 및 상기 유전체층간에 간극을 형성하기 위한 희생층을 형성하는 공정과, 상기 희생층을 제거하는 제거공정과, 상기 복수의 상기 압전 액츄에이터의 단부 및 상기 가동 전극의 제1 전극부의 단부를 제외한 부분을 상기 기판으로부터 잘라내는 절리공정을 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서는, 동일의 기판위에, 한 쌍의 가동 전극, 이들을 구동하는 전압 액츄에이터 및 한 쌍의 가동 전극간의 유전체층을 용이하게 형성한다.
본 발명에 관련하는 가변 커패시터의 제조방법은, 상기 제거공정 및 상기 절리공정을 동시적으로 행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서는, 희생층의 제거공정과, 단부를 제외한 가동 전극 및 전압 액츄에이터의 기판으로부터의 절리공정을 동시에 행하므로써, 작업효율이 향상된다.
<발명의 효과>
본 발명에서는, 소형의 구성이더라도 정전 용량을 크게 할 수 있는 것과 함께 정전용량의 변화의 비율을 크게하는 것이 가능하며, 정전용량의 미조정도 가능하며, 내충격성이 우수한 가변 커패시터를 제공하는 것이 가능하다. 또한, 가동 전극과 압전 액츄에이터를 전기적으로 분리해서, 등가직렬저항의 원인이 되는 토션바의 구조를 없애고, 커패시터 형성부(제2 전극부)까지의 폭넓은 선로부(제1 전극부)를 확보했기 때문에 높은 Q값을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에서는, 커패시터 형성부분 및 그 주위부분을 기판으로부터 공기중에 뜬 상태로 하였기 때문에, 기판 등의 유전율의 영향이 없어지고, 높은 Q값을 얻을 수가 있다.
또한 본 발명에서는, 제1 전극부와 제2 전극부의 경계 근방에서 한쪽의 가변 전극을 전기적으로 분리하도록 하였기 때문에, 외부로부터 입력된 신호의 에너지 손실(삽입손실)을 방지하는 것이 가능하다.
또한 본 발명에서는, 압전 액츄에이터의 구동에 의해서 한쌍의 가동 전극을 접근시킨 상태에서, 한쌍의 가동 전극간에 전압을 인가하도록 하였기 때문에, 한쌍의 가동 전극간에 발생하는 정전인력에 의해서 양 가동 전극간의 거리를 더더욱 작게 하는 것이 가능하여, 큰 정전용량과 정전용량의 큰 변화를 얻을 수 있다. 또한, 전압 액츄에이터의 구동에 의해서 한쌍의 가동 전극을 접근시킨 상태에서, 정전인력을 발생시키기 때문에, 작은 구동전압으로 큰 정전인력을 발생시킬 수 있다.
도 1은 종래의 가변 커패시터의 구성을 나타내는 단면도, 평면도.
도 2는 커패시터의 정전용량과 전극간 거리의 관계를 나타내는 그래프.
도 3은 제1 실시의 형태에 관련하는 가변 커패시터의 투시도.
도 4는 제1 실시의 형태에 관련하는 가변 커패시터의 분해투시도.
도 5는 도 3의 B-B선 및 C-C선에서의 단면도.
도 6은 제1 실시의 형태에 관련하는 가변 커패시터의 제조공정을 나타내는 단면도.
도 7은 제1 실시의 형태에 관련하는 가변 커패시터의 제조공정을 나타내는 단면도.
도 8은 제1 실시의 형태에 관련하는 가변 커패시터의 제조공정의 변형예를 나타내는 단면도.
도 9는 제1 실시의 형태에 관련하는 가변 커패시터의 변형예의 분해투시도.
도 10은 제2 실시의 형태에 관련하는 가변 커패시터의 분해 투시도.
도 11은 제2 실시의 형태에 관련하는 가변 커패시터의 제조공정을 나타내는 단면도.
도 12는 제2 실시의 형태에 관련하는 가변 커패시터의 제조공정을 나타내는 단면도.
도 13은 제3 실시의 형태에 관련하는 가변 커패시터(가동전극 및 전압 액츄에이터만)의 분해 투시도.
도 14는 제3 실시의 형태에 관련하는 가변 커패시터의 제조공정의 한 예를 나타내는 단면도.
도 15는 제3 실시의 형태에 관련하는 가변 커패시터의 제조공정의 다른 예를 나타내는 단면도.
도 16은 제3 실시의 형태에 관련하는 가변 커패시터에 있어서의 유전체층의 효과를 설명하기 위한 도.
도 17은 제4 실시의 형태에 관련하는 가변 커패시터의 상면도 및 확대도.
도 18은 제5 실시의 형태에 관련하는 가변 커패시터의 상면도.
도 19는 바이모프형의 압전 액츄에이터를 설명하기 위한 도.
<부호의 설명>
21 기판
23 절연층
27, 27a, 27b, 27c, 27d 하부가동전극용 액츄에이터
29, 29a, 29b, 27c, 27d 상부가동전극용 액츄에이터
31 액츄에이터용 하부전극
33 액츄에이터용 상부전극
34 압전층
35 하부가동전극
37 상부가동전극
35a, 37a 선로부(제1 전극부)
35b, 37b 커패시터부(제2 전극부)
40 개구
41 희생층
44 접지전극
45 신호패드
46 유전체층
47 캐비티
48 전원회로
50 공간
51 제2 희생층
본 발명을 그 실시의 형태를 나타내는 도면을 참조해서 구체적으로 설명한다. 또한, 본 발명은 이하의 실시의 형태에 한정되는 것은 아니다.
(제1 실시의 형태)
도 3은 제1 실시의 형태에 관련하는 가변 커패시터의 투시도, 도 4는 마찬가지로 그 분해 투시도이다. 도면중 21은, 실리콘, 화합물 반도체 등으로 형성되는 기판이다. 기판(21)의 중앙부에 십자형의 개구(開口)(40)가 구비되어 있으며, 기판(21)의 윗면에는 절연층(23)이 구비되어 있다.
도면중 35, 37은 어느 쪽도 A1(알루미늄)으로 된 하부가동전극, 상부가동전극이다. 하부가동전극(35)은, 제1 전극부으로서의 양단측의 선로부(35a, 35a)와 제2 전극부로서의 중앙의 커패시터부(35b)로 구성되며, 한쪽의 선로부(35a)의 단부는 외부의 고주파신호원(미도시)으로부터 신호가 입력되는 신호패드(45)에 접속되며, 다른 쪽의 선로부(35a)의 단부는 절연층(23)위에 접속되어 접지전극(44)과는 전기적으로 분리되어 있다. 이들 단부에서 하부가동전극(35)은 기판(21)에 지지되며, 이들의 단부를 제외한 하부가동전극(35)의 다른 부분은 개구(40)위에 위치하고 있다. 또한, 상부가동전극(37)은, 제1 전극부로서의 양단측의 선로부(37a, 37a)와 제2 전극부로서의 중앙의 커패시터부(37b)로 구성되며, 양쪽의 선로부(37a, 37a)의 단부는 어느쪽 이나 접지전극(44)에 접속되어 있다. 이들의 단부에서 상부가동전극(37)은 기판(21)에 지지되며, 이들의 단부를 제외한 상부가동전극(37)의 다른 부분은 개구 (40)위에 위치하고 있다.
이들 하부가동전극(35) 및 상부가동전극(37)은, 기판(21)의 개구(40)에 맞추어 십자형으로 배치되어 있으며, 하부가동전극(35)의 커패시터부(35b)와 상부가동전극(37)의 커패시터부(37b)가 공기층을 통해서 대향하고 있다. 이 대향하는 커패시터부(35b) 및 커패시터부(37b)에서 커패시터로서 기능한다. 또한 서로 전기적으 로 분리된 하부가동전극(35) 및 상부가동전극(37), 어느 쪽도 지면에서 뜬 상태로 사용해도 좋으나, 부유용량을 억제할 목적으로부터, 상부가동전극(37)을 접지전극(44)에 접속하고 있다.
하부가동전극(35) 및 상부가동전극(37)은, 각각 4개의 하부가동전극용 액츄에이터(27a, 27b, 27c, 27d) 및 상부가동전극용 액츄에이터(29a, 29b, 29c, 29d)로 구동된다. 이들 하부가동전극용 액츄에이터(27a, 27b, 27c, 27d) 및 상부가동전극용 액츄에이터(29a, 29b, 29c, 29d)는, 기판(21)의 개구(40)에 면하고 있다. 하부가동전극용 액츄에이터(27)(대표로서 하나의 하부가동전극용 액츄에이터를 설명하는 경우에는, 간단히 참조부호 27을 이용한다) 및 상부가동전극용 액츄에이터(29)(대표로서 하나의 하부가동전극용 액츄에이터를 설명하는 경우에는, 간단히 참조부호 29를 이용한다)는 압전 액츄에이터이며, 절연층(23)과 액츄에이터용 하부전극(31)과 압전층(34)과 액츄에이터용 상부전극(33)이 이 순서로 아래 쪽으로부터 적층된 유니모프형의 구성을 하고 있다. 액츄에이터용 하부전극(31)은 Pt/Ti(백금/티타늄)으로 형성되며, 액츄에이터용 상부전극(33)은 Pt로부터 형성되어 있으며, 어느 쪽도 하부가동전극(35), 상부가동전극(37)과는 별체(別體)의 것이다. 고주파신호원(미도시)으로부터 신호패드(45)로 입력된 신호는, 하부가동전극(35) 선로부(35a)를 통해서 커패시터부(35b)로부터 공기층을 통해서, 커패시터부(35b)에 대향한 상부가동전극(37)의 커패시터부(37b), 선로부(37a)를 경유해서 접지전극(44)으로 흘러든다. 하부가동전극용 액츄에이터(27) 및 상부가동전극용 액츄에이터(29) 각각의 압전층(34)의 분극방향을 거꾸로 함으로써, 액츄에이터 구동시의 이 동방향을 상반되도록 한다.
하부가동전극용 액츄에이터(27)의 액츄에이터용 상부전극(33)에 하부가동전극구동용 전원(미도시)으로부터 하부가동전극구동패드(49)에 전압을 가함으로써, 하부가동전극(35)은 상부가동전극(37)쪽으로, 상부가동전극용 액츄에이터(29)의 액츄에이터용 상부전극(33)에 상부가동전극구동용 전원(미도시)으로부터 상부가동전극구동패드(43)에 전압을 가함으로써, 상부가동전극(37)은 하부가동전극(35)쪽으로, 각각 독립적으로 이동한다. 따라서, 하부가동전극용 액츄에이터(27) 및/또는 상부가동전극용 액츄에이터(29)를 구동함으로써, 상부가동전극(37)(커패시터부(37b))과 하부가동전극(35)(커패시터부(35b))과의 거리를 변화시킬 수가 있으므로, 원하는 정전용량을 얻을 수가 있다.
본 발명에서는, 고주파 신호원으로부터의 신호가 흐르는 선로부 및 커패시터부와, 액츄에이터를 구동하기 위한 구동전극이 전기적으로 분리되어 있다. 그 때문에, 선로부 및 커패시터부가 액츄에이터 중의 압전층(고유전체)과 접촉하는 일이 없고, 게다가 주위가 공기이기 때문에 유전손실이 없어서 Q값을 높게 할 수 있다. 도 5는, 도 3의 B-B선 및 C-C선에서의 단면을 표시하고 있다. 하부가동전극(35)의 선로부(35a) 및 상부가동전극(37)의 선로부(37a)는, 접지전극(44)에 접속된 액츄에이터용 하부전극(31)에 끼워지도록 되어있다. 즉, 이들 선로부(35a) 및 선로부(37a)는, CPW형의 선로로 되며, 액츄에이터용 하부전극(31) 및 선로부(35a) 또는 선로부(37a)의 간격 w1과, 선로부(35a) 또는 선로부(37a)의 폭 w2를 조절함으로써, 선로부(35a) 또는 선로부(37a)의 임피던스를 50Ω으로 하여, 삽입손실을 없애고 있 다.
다음에, 도 6 및 도 7을 참조해서, 상기의 구성을 가지는 가변 커패시터의 제조방법을 설명한다. 또한 도 6 및 도 7에서는 도 3의 A-A선에서의 단면을 나타내고 있다.
실리콘을 재료로하는 기판(21)위에, LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)법에 의해, 저응력의 질소 실리콘층(23a)을 형성하며, 그 후, Pt/Ti(예를 들면, 두께 0.5㎛/50nm)층(31a)과, 니오프산리튬(Lithium Niobate), 티탄산발륨(Barium Titanate), 티탄산납(Lead Titanate), 티탄산지르콘산납(Lead Zirconate Titanate), 티탄산비스마스(Bismuth Titanate) 등을 재료로하는 압전층(34a)(예를 들면, 두께 0.5㎛)을 순차 형성한다(도 6(a)).
그리고, 포토리소그래픽(Photolithographic)기술의 패터닝처리에 의해, 압전층(34a), Pt/Ti층(31a)으로부터 소정 형상의 압전층(34), 액츄에이터용 하부전극(31)을 형성한다(도 6(b), (c)). 이때의 패터닝처리에는 Cl2/Ar(염소/아르곤)계 가스를 사용한 RIE(Reactive Ion Etching)장치 또는 이온밀링장치 등을 사용한다.
포토리소그래픽(Photolithographic)기술에 의해, 압전층(34) 위에 Pt로 된 액츄에이터용 상부전극(33)을 형성함과 동시에(도 6(d)), 질화실리콘층(23a)을 패터닝해서 절연층(23)을 얻는다(도 6(e)). 또한, 절연층(23)으로서는, 질화실리콘층 이외에, 스퍼터링법, 열산화법, CVD법에 의해 형성한 산화실리콘층을 이용해도 된다.
다음에, 소정 형상의 Al로 된 하부가동전극(35)을 기판(21)위에 형성한 후(도 7(f)), 레지스터 재료(resist material)로 된 소정 형상의 희생층(41)을 형성하고(도 7(g)), 하부가동전극(35)에 대향하는 위치에 소정 형상의 Al로 된 상부가동전극(37)을 형성한다(도 7(h)).
그리고, 하부가동전극(35)과 상부가동전극(37)과 하부가동전극용 액츄에이터(27)와 상부가동전극용 액츄에이터(29)의 주변의 기판(21)을, 그 배면으로부터 DRIE(Deep Reactive Ion Etching)장치에 의해서 에칭하여, 개구(40)를 형성한다.(도 7(i)). 이 에칭에 의해서, 하부가동전극(35)과 상부가동전극(37)의 각 선로부(35a) 및 선로부(37a)의 단부와 하부가동전극용 액츄에이터(27)와 상부가동전극용 액츄에이터(29)의 각 단부를 제외한 나머지의 부분이, 기판(21)으로부터 잘려 나간다. 또한, 이 처리에서의 에칭가스는 예를 들면 SF6을 사용하며, 개구(40)를 형성하기 위한 마스크는 레지스터이다.
마지막으로, 희생층(41)을 에칭 제거해서, 하부가동전극(35)과 상부가동전극(37)의 사이에 간극(42)을 확보함으로써, 가변커패시터를 제작한다(도 7(j)).
또한, 상술한 제조순서와는 달리, 도 7(h)의 공정후에, 우선 희생층(41)을 제거해서 하부가동전극(35)과 상부가동전극(37)의 사이에 간극(42)을 확보하고나서, 기판(21)을 에칭해서 개구(40)를 형성하도록 해도 된다. 또한 희생층(41)의 재료로서는, 상기 레지스터 이외에 MgO(산화마그네슘) 등의 산화물도 이용할 수 있으며, 그 경우의 에칭에는 초산(酢酸) 또는 초산(硝酸)을 사용하면 된다.
도 8은, 가변커패시터의 제조방법의 변형례를 나타낸다. 이 변형례에 있어서의 전반의 제조공정은 상술한 예(도 6(a)-도 7(f))와 마찬가지이다. 기판(21)과 동일 재료인 실리콘으로 된 소정 형태의 희생층(41)을 형성하고(도 8(a)), 하부가동전극(35)에 대행하는 위치에 소정 형상의 Al로 된 상부가동전극(37)을 형성한다(도 8(b)).
그리고, 기판(21)의 표면으로부터 예를 들면 SF6 가스를 사용해서, 희생층(41)과 기판(21)을 동시에 에칭해서, 캐비티(cavity)(47)를 형성한다(도 8(c)). 이 에칭에 의해서, 하부가동전극(35)과 상부가동전극(37)의 각 선로부(35a) 및 선로부(37a)의 단부와 하부가동전극용 액츄에이터(27) 및 상부가동전극용 액츄에이터(29)의 각 단부를 제외한 나머지 부분이, 기판(21)로부터 잘려 나가는 것은 상술한 예와 마찬가지이나, 기판(21)의 표면측으로 에칭하기 때문에, 상술한 예와 같이 개구(開口)로 되지 않고, 캐비티(47)가 형성된다.
이 변형례에 의해 제작된 가변커패시터의 분해투시도를 도 9에 나타낸다. 기판(21)의 중앙부에 십자(十字)형의 캐비티(47)가 설치되어 있다. 또한, 도 9에 있어서, 도 3, 도 4와 동일 부분에는 동일 부호를 붙여 설명을 생략한다.
(제2 실시의 형태)
도 10은 제2 실시의 형태에 관련하는 가변커패시터의 분해투시도, 도 11 및 도 12는 이 가변커패시터의 제조공정을 나타내는 단면도이다.
제2 실시의 형태에서는, 하부가동전극(35), 상부가동전극(37), 하부가동전극 용 액츄에이터(27) 및 상부가동전극용 액츄에이터(29)의 주변에 있어서, 하부가동전극(35), 상부가동전극(37) 및 절연층(23)과 기판(21)의 사이에 공간(50)을 가지고 있다. 또한, 기판(21)은, 실리콘이 아닌, 유리, 사파이어, 알루미나, 글래스 세라믹스, 갈륨(gallium)비소 등의 재료로부터 형성되어 있다. 이들 이외의 구성은, 제1 실시의 형태와 마찬가지이며, 동일부분에는 동일 부호를 붙였다.
예를 들면 유리를 재료로 하는 기판(21)위에, 스파터링법에 의한 실리콘의 제2 희생층(51)을 형성한 후, 제1 실시의 형태와 마찬가지로, 질소 실리콘층(23a), Pt/Ti층(31a), 압전층(34a)을 순차 형성한다(도 11(a)). 그리고, 제1 실시의 형태와 마찬가지로, 소정 형상의 압전층(34), 액츄에이터용 하부전극(31), 액츄에이터용 상부전극(33) 및 절연층(23)을 얻는다(도 11(b)-(e)).
다음에, 소정 형상의 Al로 된 하부가동전극(35)을 제2 희생층(51)위에 형성한 후(도 12(f)), 레지스터재료로 된 희생층(41)을 전역에 형성하고(도 12(g)), 하부가동전극(35)에 대향하는 위치에 소정 형상의 Al로 된 상부가동전극(37)을 형성한다(도 12(h)).
그리고, 희생층(41)을 에칭 제거하여, 하부가동전극(35)과 상부가동전극(37)의 사이에 간극(42)을 확보하며(도 12(i)), 또한, 제2 희생층(51)을 에칭 제거해서, 기판(21)과 하부가동전극(35) 및 절연층(23)과의 사이에 공간(50)을 확보함으로써, 가변커패시터를 제작한다(도 12(j)). 또한, 희생층(41)과 제2 희생층(51)의 재료를 동일하게 하여, 이 희생층(41)의 에칭 및 제2 희생층(51)의 에칭을 동시에 행해도 된다.
제2 실시의 형태에서는, 제2 희생층(51)의 에칭에 의해 하부가동전극(35)을 기판(21)으로부터 공중에 띄울 수 있기 때문에, 기판(21)을 에칭할 필요가 없어져, 기판(21)으로서 사용할 수 있는 재료의 종류가 늘어나게 된다. 예를 들면, 유전율이 낮고, 에칭이 어려운 글래스 세라믹스 등의 재료도, 기판(21)으로서 이용이 가능하게 된다. 이로 인해, Q값을 보다 향상시키는 것이 가능하게 된다.
(제3 실시의 형태)
도 13은 제3 실시의 형태에 관련하는 가변커패시터(가동전극 및 전압 액츄에이터만)의 분해투시도, 도 14 및 도 15는 이 가변 커패시터의 제조공정을 나타내는 단면도이다.
제3 실시의 형태에서는, 하부가동전극(35)(커패시터부(35b))과 상부가동전극(37)(커패시터부(37b))의 사이에 유전체층(46)을 설치하고 있다. 그 외의 구성은, 제1 실시의 형태와 마찬가지이며, 동일 부분에는 동일 부호를 붙여서 설명을 생략한다.
이 유전체층(46)은, 도 13에서 나타내는 것과 같이 상부가동전극(37)(커패시터부(37b))측에 설치해도 좋으며, 도면으로 나타내지 않으나 하부가동전극(35)(커패시터부(35b))측에 설치해도 된다. 유전체층(46)의 설치에 의해서 가동부분의 질량이 증가하여, 공진주파수의 저하 또는 가동속도의 저하 등이 약간 일어나나, 뒤에서 기술하는 것과 같이 정전용량 및 그 변화율을 크게 증대하는 것이 가능하다.
도 16은, 유전체층(46)의 효과를 나타내는 도이다. 도 16(a)에 나타내는 것처럼, 상부가동전극(37)의 커패시터부(37b)측에 유전체층(46)을 설치하는 경우에 대해서 설명한다. 유전체층(46)의 두께를 d1, 유전체층(46)과 하부가동전극(35)의 커패시터부(35b)의 사이에 형성된 공기층의 두께를 d2라고 하면, 커패시터부(37b)와 커패시터부(35b)의 사이의 거리 d는, d=d1+d2로 된다.
도 16(b)은, 커패시터부(35b) 및/또는 커패시터부(37b)를 이동시켜서, 공기층의 두께 d2를 변화시킨 경우의 정전용량 C의 변화를 나타내는 그래프이다. 커패시터부(35b) 및 커패시터부(37b)는 정방형(한변:230㎛)이며, 초기상태의 전극간 거리 d 및 공기층의 두께 d2를 d=0.75㎛ 및 d2=0.3㎛(d2/d=0.4)로서, 유전층(46)은 유전손실이 작은 재료인 Al2O3(알루미나)(유전율ε=10)을 이용한다. 또한, 이와 같은 유전체층을 설치하지 않은 점만을 달리한 비교예에 있어서의 정전용량 C의 변화도 도 16(b)에 같이 나타낸다.
도 16(b)에 나타내는 것처럼, 유전체층(46)을 설치한 본 발명의 예의 가변 커패시터에 있어서는, 초기상태에서 약 1.36pF, 커패시터부(35b)가 유전체층(46)에 접한 상태에서 약 10.4pF의 정전용량을 가지고 있으며, 그 변화율은 약 7.6배이다. 이와 같이, 유전체층(46)을 설치함으로써, 정전용량 및 그 가변범위를 매우 크게 할 수 있다.
도 14는 제3 실시의 형태의 가변 커패시터의 제조공정의 한 예(상부가동전극(37)(커패시터부(37b))측에 유전체층(46)을 설치)를 나타내는 단면도이다. 전반의 공정은, 앞서 기술한 제1 실시의 형태의 공정(도 6(a)-도 7(g))과 동일하다.
포토리소그래픽기술에 의해, Al2O3를 재료로 하는 유전체층(46)을 희생 층(41)위에 패턴 형성하고(도 14(a)), 하부가동전극(35)에 대향하는 위치에 소정 형상의 Al로 된 상부가동전극(37)을 형성한다(도 14(b)). 그리고, 하부가동전극(35)과, 상부가동전극(37)과, 하부가동전극용 액츄에이터(27)와, 상부가동전극용 액츄에이터(29)의 주변의 기판(21)을, 그 배면으로부터 DRIE장치에 의해 에칭하여, 개구(40)를 형성하며(도 14(c)), 최후에, 희생층(41)을 에칭 제거해서, 하부가동전극(35)과 유전체층(46)의 사이에 간극(42)을 확보함으로써, 가변 커패시터를 제작한다(도 14(d)).
도 15는 제3 실시의 형태의 가변 커패시터의 제조공정의 다른 예(상부가동전극(35)(커패시터부(35b))측에 유전체층(46)을 설치)를 나타내는 단면도이다. 전반의 공정은, 앞서 기술한 제1 실시의 형태의 공정(도 6(a)-도 7(f))과 동일하다.
포토리소그래픽기술에 의해, Al2O3를 재료로 하는 유전체층(46)을 하부가동전극(35)위에 패턴 형성한다(도 15(a)). 레지스터 재료 또는 MgO로 된 희생층(41)을 소정 형상으로 형성하고(도 15(b)), 하부가동전극(35)에 대향하는 위치에 소정 형상의 Al로 된 상부가동전극(37)을 형성한다(도 15(c)). 그리고, 하부가동전극(35)과 상부가동전극(37)과, 하부가동전극용 액츄에이터(27)와, 상부가동전극용 액츄에이터(29)의 주변의 기판(21)을, 그 배면으로부터 DRIE장치에 의해 에칭하여, 개구(40)를 형성하며(도 15(d)), 최후에, 희생층(41)을 에칭 제거해서, 유전체층(46)과 상부가동전극(37)의 사이에 간극(42)을 확보함으로써, 가변 커패시터를 제작한다(도 15(e)).
또한, 상술한 도 14, 도 15의 제조순서와는 달리, 도 14(b), 도 15(c)의 공정후에, 우선 희생층(41)을 제거하여 간극(42) 확보한 뒤에, 기판(21)을 에칭해서 개구(40)를 형성하도록 해도 된다. 또한, 이 제3 실시의 형태에 있어서도, 앞서 기술한 것과 같이(도 8 참조), 희생층(41)의 재료를 기판(21)과 동일하게 하여, 희생층(41)과 기판(21)을 순번으로 또는 동시에 기판(21)의 배면측으로부터 에칭하도록 해도 된다.
(제4 실시의 형태)
도 17은 제4 실시의 형태를 나타내고 있으며, 도 17(a)는 제4 실시의 형태에 관련하는 가변 커패시터의 상면도, 도 17(b)는 도 17(a)의 D부에 있어서의 확대도이다.
제4 실시의 형태에 있어서는, 한 쪽의 선로부(35a)가 신호패드(45)에 접속되어 있는 하부가동전극(35)에 있어서, 그 커패시터부(35b)와 다른 쪽의 선로부(35a)가, 전기적으로 분리되어 있다. 즉, 신호패드(45)로부터 봐서 하부가동전극(35)이, 하부가동전극(35)과 상부가동전극(37)이 대향해서 커패시터가 구성되어 있는 부분(커패시터부(35b) 및 커패시터부(37b)의 대향부분)을 지난 곳에서, 전기적으로 둘로 분리되어 있다. 또한, 분리된 선로부(35a)는, 접지전극(44)을 접속해서 그랜드(grand) 전위로 해도 된다.
제4 실시의 형태에서는, 신호패드(45)로부터 들어온 신호가, 한 쪽의 선로부(35a)를 통해서 커패시터부(35b)를 통과해서 다른 쪽의 선로부(35a)의 신호패드(45)와 반대쪽의 끝에 도착하고, 거기에서 반사되는 것과 같은 일이 없어지고, 이와 같은 반사신호를 제거할 수 있기 때문에, 입력신호의 에너지 손실을 막는 것이 가능하다.
(제5 실시의 형태)
도 18은 제5 실시의 형태에 관련하는 가변 커패시터의 상면도이다. 도 18에 있어서, 신호패드(45) 및 접지전극(44)간에 전원회로(48)가 설치되어 있으며, 신호패드(45)(하부가동전극(35)과 접지전극(44)(상부가동전극(37)의 사이에 전압을 인가할 수 있도록 되어 있다.
제5 실시의 형태는, 하부가동전극(35)(커패시터부(35b))과 상부가동전극(37)(커패시터부(37b))의 간격을 조정하는 방법에 관한다. 하부가동전극용 액츄에이터(27) 및/또는 상부가동전극용 액츄에이터(29)를 구동해서, 커패시터부(35b)와 커패시터부(37b)의 간격을 작게 한 후에, 전원회로(48)에 의해 하부가동전극(35)과 상부가동전극(37)의 사이에 전압을 인가하여, 양전극간에 발생하는 정전인력으로 양전극간의 거리를 더더욱 작게 한다.
이와 같이 제5 실시의 형태에서는, 압전 액츄에이터 구동과 정전 액츄에이터(인력) 구동이라고 하는 2단계의 거리제어를 행하도록 하고 있으며, 양가동전극을 보다 접근시키는 것이 가능하여, 보다 정전용량이 큰 변화를 얻을 수 있게 된다. 압전 액츄에이터에서 양가동전극을 접근시킨 상태에서, 정전인력을 발생시키기 때문에, 큰 정전용량과 용량변화를 얻을 수 있다고 하는 효과를 가져온다. 또한, 압전 액츄에이터에 의해 양가동전극이 접근한 상태에서 정전인력을 발생시키기 때문에, 작은 구동전압으로 큰 정전인력을 발생시킬 수 있다.
또한, 상술한 예에서는, 하부가동전극용 액츄에이터(27) 및 상부가동전극용 액츄에이터(29)가 유니모프형이었으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 도 19(a)에 나타내는 병렬접속형의 바이모프(bimorph), 또는, 도 19(b)에 나타내는 직렬접속형의 바이모프이어도 된다. 도 19(a), 19(b)에 있어서, 중간전극(63)의 상하에 도시하는 화살표방향으로 분극된 압전소자(54a, 54b)가 설치되어 있다. 압전소자(54a)에는 하부가동전극(53)이 설치되며, 압전소자(54b)에는 상부가동전극(55)이 설치되어 있다. 그리고 도시하는 것처럼, 직류전압 V를 인가함으로써, 바이모프는 변형한다. 하부가동전극용 액츄에이터(27) 및 상부가동전극용 액츄에이터(29)를 바이모프형으로 하는 경우에는, 상술한 각 실시의 형태에 있어서 액츄에이터용 하부전극(31)에 접하고 있는 절연층(23)은 필요하지 않다.
본 발명은, 상술한 각 실시의 형태 또는 변형례에 한정되는 것은 아니며, 다른 여러 종류의 실시의 형태 또는 변형례를 포함한다. 예를 들면, 상술한 예에서는, 양가동전극간의 거리, 또는, 가동전극과 유전체층 간의 거리를 작게(정전용량이 커진다) 하도록 압전 액츄에이터를 구동하도록 하였으나, 이와는 반대로, 이들의 거리를 크게(정전용량이 작아진다) 하도록 압전 액츄에이터를 구동하도록 해도된다. 이 경우에는, 유니모프형의 압전 액츄에이터가 변형하는 방향이 역으로 되도록 하면 된다. 또한, 상술한 실시의 형태 또는 변형례에서의 가변커패시터를 세라믹제(製)의 패키지에 수용해도 된다. 이와 같은 경우, 패키지에 설치된 외부접속단자와 기판(21)에 설치된 신호패드(45) 등의 각종 패드를, 와이어 또는 범프 등의 접속부재로 접속한다.
소형의 구성이더라도 정전 용량을 크게 할 수 있는 것과 함께 정전 용량의 변화의 비율을 크게 할 수 있어 정전 용량의 미조정도 가능하며, 게다가 Q값이 높은 가변 커패시터 및 그 제조방법을 제공할 수 있다. 또한, 외부로부터 입력된 신호의 에너지 손실(삽입 손실)을 방지할 수 있는 가변 커패시터 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.

Claims (11)

  1. 대향하는 전극이 이동가능한 가변 커패시터에 있어서, 기판과, 제1 전극부 및 제2 전극부를 가지는 가동 전극과, 상기 가동 전극을 구동하는 복수의 압전 액츄에이터를 구비하며, 상기 가동 전극이 대향해서 커패시터를 구성하고 있으며, 상기 가동 전극과 신호 패드를 도전 접속하고 있는 것을 특징으로 하는 가변 커패시터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 압전 액츄에이터 각각은, 구동 전극과, 그 구동 전극간에 설치된 압전 소자를 포함하고 있으며, 상기 구동 전극과 상기 가동 전극과는 별체(別體)인 것을 특징으로 하는 가변 커패시터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 가동 전극의 제1 전극부의 양측에 상기 압전 액츄에이터를 설치하고 있으며, 상기 제1 전극부와 상기 전압 액츄에이터의 구동 전극에 의해 CPW형 선로를 구성하고 있는 것을 특징으로 하는 가변 커패시터.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가동 전극의 어느 한쪽의 상기 제1 전극부와 상기 제2 전극부의 경계부 근방이 전기적으로 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 가변 커패시터.
  5. 그 대향 방향이 이동가능한 가동 전극과, 그 가동 전극을 구동하는 복수의 압전 액츄에이터를 구비한 가변 커패시터에 있어서, 상기 가동전극간에 전압을 인가하는 전압인가수단을 구비하고 있으며, 상기 압전 액츄에이터의 구동에서 상기 가동 전극을 접근시킨 상태에서, 상기 전압인가수단에서 상기 가동 전극간에 전압을 인가하도록 구성하고 있는 것을 특징으로 하는 가변 커패시터.
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