WO2013021425A1 - 可変容量素子を有する電子機器とその製造方法 - Google Patents

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WO2013021425A1
WO2013021425A1 PCT/JP2011/004537 JP2011004537W WO2013021425A1 WO 2013021425 A1 WO2013021425 A1 WO 2013021425A1 JP 2011004537 W JP2011004537 W JP 2011004537W WO 2013021425 A1 WO2013021425 A1 WO 2013021425A1
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liquid crystal
dielectric substrate
frequency
frequency signal
signal line
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Inventor
豊田　治
シャオユウ ミイ
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富士通株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1343—Electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G5/00—Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture
    • H01G5/16—Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture using variation of distance between electrodes
    • H01G5/18—Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture using variation of distance between electrodes due to change in inclination, e.g. by flexing, by spiral wrapping

Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to an electronic device having a variable capacitance element and a manufacturing method thereof.
  • the capacitance In a high-frequency circuit, the capacitance (capacitance) is connected in series with the line, or loaded on the line to adjust the distributed constant of the line. By using a variable capacitor, it is possible to change the resonance frequency or change the distribution constant.
  • a variable capacitance element generally has a configuration in which a fixed electrode and a movable electrode are arranged to face each other and the capacitance is changed by displacing the movable electrode.
  • the movable electrode can be displaced by piezoelectric drive, electrostatic drive, or the like. It is desired that a variable capacitance element capable of realizing a necessary capacitance change can be formed with a simple configuration as small as possible. Size and weight is required in portable electronic devices such as, MEMS (m icro variable capacitance element using the e lectro m echanical s ystem) have been developed.
  • a fixed electrode is formed on the support substrate, the movable electrode is supported above the fixed electrode via a flexible beam, the drive electrode is disposed opposite the movable electrode, and a drive voltage is provided between the drive electrode and the movable electrode. Is applied, and the distance between the fixed electrode and the movable electrode is controlled by electrostatic driving to change the capacitance (see, for example, JP-A-2009-83018). For example, when the distance between the drive electrode and the movable electrode is about 3 ⁇ m, a voltage of several tens to several hundreds of volts is applied as the drive voltage.
  • the dielectric film can be charged up or the restoring force of the flexible beam is weakened while the on / off operation is repeated. There is a sticking phenomenon in which the electrode is not separated from the dielectric film. Countermeasures using drive waveforms have been studied, but have not been solved.
  • the capacitance value can be increased by filling the space between the counter electrodes constituting the capacitance with a dielectric having a high dielectric constant. If the space between the counter electrodes is filled with a material whose dielectric constant changes, and the dielectric constant is changed, it can function as a variable capacitor.
  • the liquid crystal molecules have a shape that is long in the molecular axis direction, and show different dielectric constants depending on whether the electric vector is along the long axis direction or the electric vector is along the short axis direction.
  • the dielectric constant exhibited by the liquid crystal layer can be changed by controlling the alignment of the liquid crystal molecules.
  • the positive type nematic liquid crystal has a positive dielectric anisotropy in which the dielectric constant in the major axis direction of the liquid crystal molecules is higher than the dielectric constant in the minor axis direction perpendicular to the major axis (director).
  • a first ceramic substrate having a strip conductor connected to an input / output line and a second ceramic substrate having a ground conductor are disposed opposite to each other, and liquid crystal is sealed between the first and second ceramic substrates facing each other;
  • a microstrip resonator is configured.
  • a control voltage source is connected to the strip conductor, and a DC or low-frequency AC voltage is applied between the strip conductor and the ground conductor. Depending on the output voltage of the control voltage source, the dielectric constant of the liquid crystal layer changes, and the resonance frequency of the microstrip resonator changes.
  • the orientation of the liquid crystal can be controlled by a direct current (or low frequency) signal different from the high frequency signal.
  • a direct current (or low frequency) signal different from the high frequency signal.
  • the liquid crystal layer between the high-frequency line and the ground plane, that is, the medium itself that propagates the high frequency is made into a liquid crystal, the high-frequency propagation loss increases unless the thickness is about 200 ⁇ m to 800 ⁇ m, which is not suitable for practical use.
  • the time required for the change in the alignment of the liquid crystal is proportional to the square of the liquid crystal layer thickness.
  • the liquid crystal layer thickness of a normal liquid crystal display device is often several ⁇ m.
  • the time required for the orientation change is about 80 seconds. .
  • the response time is not suitable for practical use.
  • One object of the present invention is to provide an electronic device having a variable capacitance element with low driving voltage and high reliability.
  • a dielectric substrate A high-frequency signal line formed on the surface of the dielectric substrate; Opposing to the high-frequency line, a ground conductor formed on the dielectric substrate, A capacitor upper electrode disposed above the dielectric substrate surface and facing the high-frequency signal line; A liquid crystal material filled in a space where the high-frequency signal line and the capacitor upper electrode face each other; An electric device having a variable capacitance element having the above is provided.
  • a dielectric substrate with a ground conductor Forming a high-frequency line on the surface of the dielectric substrate; Forming a capacitor upper electrode extending above the high-frequency line, demarcating a liquid crystal accommodation space between the high-frequency line and the capacitor upper electrode; Filling the liquid crystal containing space with a liquid crystal material;
  • a method for manufacturing an electrical device having a variable capacitance element is provided.
  • FIG. 1A is a plan view of a distributed constant type capacitively coupled two-stage filter
  • FIGS. 1B and 1C are perspective views showing structures of two types of variable capacitors included in the filter
  • FIG. 1D is an equivalent circuit diagram of the filter
  • 1E is a cross-sectional view showing the configuration of the variable capacitor
  • FIG. 1F is a cross-sectional view showing a state in which liquid crystal is dropped between the counter electrodes of the variable capacitor shown in FIG. 1E according to the first embodiment.
  • 2A, 2B, and 2C are graphs showing the measurement results of the samples S1 and S2, and cross-sectional views showing the configurations of the samples S1 and S2 in a simplified manner.
  • 3A to 3K are cross-sectional views showing a manufacturing process of an electronic device having a variable capacitor according to the first embodiment, and a structure obtained.
  • 4A to 4F are cross-sectional views showing modifications of the first embodiment.
  • 5A, 5B, and 5C are a perspective view showing a variable capacitor according to a second embodiment and two cross-sectional views showing an operation state.
  • 6A to 6H are cross-sectional views showing a manufacturing process of the variable capacitor according to the second embodiment.
  • 7A, 7B, and 7C are cross-sectional views showing modifications of the second embodiment.
  • 8A and 8B are a plan view and a sectional view showing a variable capacitor according to the third embodiment.
  • 9A and 9B are a sectional view and an assembled view of a variable capacitor according to the fourth embodiment.
  • the present inventors examined the use of liquid crystal for the variable capacitor of the high-frequency circuit.
  • a high-frequency circuit comprising a ground conductor surface within the rear surface or substrate LTCC (L ow T emperature C o-fired C eramics using low temperature co-sintering ceramics) microstrip structure formed distributed constant type capacitance coupling 2-stage filter on the substrate.
  • the high-frequency propagation space between the ground conductor and the high-frequency line is composed of ceramics, ensuring high-frequency propagation characteristics. Cheap. Even if a liquid crystal is used as a variable-capacitance dielectric loaded on the high-frequency line, high-frequency propagation loss will be suppressed.
  • nematic liquid crystal as a liquid crystal whose relative permittivity varies greatly depending on the alignment state of the liquid crystal.
  • a positive nematic liquid crystal having a relative dielectric constant difference ⁇ s 32.4 was used.
  • the liquid crystal molecules of the positive type nematic liquid crystal have dielectric anisotropy, and the dielectric constant in the major axis direction (director direction) is higher than the dielectric constant in the minor axis direction.
  • a positive nematic liquid crystal layer is sandwiched between counter substrates on which counter electrodes are formed, and a voltage is selectively applied between the counter electrodes.
  • the director of the liquid crystal molecules in the liquid crystal layer In a state where no voltage is applied (off state), the director of the liquid crystal molecules in the liquid crystal layer is parallel to the electrode surface when the alignment film is formed and the alignment treatment is performed in parallel to the electrode surface. Or it is random when the alignment film is not formed, and when a voltage is applied (ON state), the director of the liquid crystal molecules in the liquid crystal layer rises in a direction perpendicular to the electrode surface.
  • FIG. 1A shows a planar arrangement of a distributed constant type capacitively coupled two-stage filter.
  • the illustrated configuration is formed on an LTCC substrate having a ground conductor on the back surface.
  • a high frequency signal is propagated from the left input terminal IN to the right output terminal OUT via the coupling variable capacitor Cm.
  • a distributed constant line L1 is connected to the high frequency signal line on the input side from the coupling variable capacitor Cm, and a distributed constant line L2 is connected to the high frequency signal line on the output side from the coupling variable capacitor Cm.
  • the line L1 is loaded (loaded) with variable capacitors C 11 , C 12 , C 13 , and C 14 to form a distributed constant line
  • the line L2 has variable capacitors C 21 , C 22 , C 23 , C 24 is loaded to form a distributed constant line.
  • FIG. 1B shows the configuration of the variable capacitor Cij.
  • drive electrodes DE are formed on both sides of the line L, and a pair of columnar conductive supports (supports) PL are formed on the outside thereof.
  • the columnar conductive support PL, and thus the capacitive upper electrode UE, is connected to a constant potential, for example ground.
  • FIG. 1C shows the configuration of the coupling variable capacitor Cm.
  • Two input-side high-frequency lines L11 and L12 and two output-side high-frequency lines L21 and L22 are alternately arranged in the coupling region on the substrate surface.
  • Drive electrodes DE are formed on both sides of the high-frequency lines L11, L12, L21, L22, and a pair of columnar conductive supports PL are formed on the outside thereof.
  • the capacitor upper electrode UE is supported at both ends by the columnar conductive support PL, and forms a variable capacitor facing the high frequency lines L11, L12, L21, L22.
  • the columnar conductive support PL and the capacitor upper electrode UE are connected to a constant potential, for example, ground, and the drive voltage is applied to the drive electrode DE to make the variable capacitor function, similar to the configuration of FIG. 1B.
  • FIG. 1D shows an equivalent circuit of a distributed constant type capacitively coupled two-stage filter.
  • the input terminal IN is coupled to the output terminal OUT through a coupling variable capacitor Cm.
  • a distributed constant line L1 is connected to the input high frequency line, and a distributed constant line L2 is connected to the output high frequency line.
  • the distributed constant lines L1 and L2 can be approximated as circuits having a variable capacitor Ci, a fixed capacitor, an inductance Li, and a resistance component, respectively.
  • FIG. 1E is a cross-sectional view schematically showing the structure of the variable capacitor shown in FIG. 1B.
  • the substrate 1 is an LTCC substrate having a ground conductor 112 made of, for example, silver on the back surface and an internal wiring 113 of, for example, silver inside.
  • a high-frequency line 4 On the surface of the substrate 1, a high-frequency line 4, a drive electrode 6, and a columnar conductive support 5 made of, for example, gold are formed, and a capacitor upper electrode 8 made of, for example, gold has columnar conductive support at both ends thereof. 5 is supported.
  • the through via conductor 114 connects the columnar conductive support 5 and the ground conductor 112, and the via conductor 115 connects the drive electrode 6 to the internal wiring 113.
  • sample S1 When a voltage is applied between the drive electrode 6 and the grounded capacitive upper electrode 8, the capacitive upper electrode 8 is attracted toward the drive electrode 6 by electrostatic attraction. The capacitance upper electrode 8 is displaced up and down to form a variable capacitance.
  • This distributed-capacitance capacitively coupled two-stage filter when the space between the counter electrodes of the variable capacitance is air is designated as sample S1.
  • FIG. 1F shows a structure in which the liquid crystal 12 is dropped and filled in a space between the upper electrode 8 of the variable capacitor Cij and the electrodes 4 and 6 facing each other. Similarly to the variable capacitor Cij, the coupling variable capacitor Cm is filled with the liquid crystal dropped in the space between the counter electrodes.
  • a distributed constant capacitively coupled two-stage filter in the case where the space between the variable capacitance counter electrodes is filled with liquid crystal is referred to as sample S2.
  • FIG. 2A is a graph showing a change in resonance frequency indicated by a distributed constant capacitively coupled two-stage filter when a voltage is applied to a driving electrode of a sample. While applying a DC voltage to each variable capacitance drive electrode, the filter characteristics were measured with a network analyzer, and the center frequency was measured. The horizontal axis indicates the applied voltage in units (V), and the vertical axis indicates the center frequency in units (GHz).
  • 2B and 2C are cross-sectional views schematically showing the configurations of samples S1 and S2.
  • 2B is the same as FIG. 1E, and the medium of the space between the counter electrode electrodes of the variable capacitance is air.
  • sample S1 when the applied voltage was 0V, the center frequency was 4.28 GHz, and when the applied voltage was 150V, the center frequency was 3.93 GHz.
  • the upper electrode 8 With respect to the applied voltage difference of 0 V to 150 V, the upper electrode 8 is displaced downward, and a center frequency change of 0.35 GHz is obtained.
  • the variable capacitor in which the space between the electrodes is filled with the nematic liquid crystal 12 is only loaded into the high-frequency line 4 and it is considered that the deterioration of the high-frequency characteristics is suppressed.
  • Sample S2 is the first embodiment.
  • the capacitance change with respect to the displacement of the upper electrode is considered to be large, but a large capacitance change that cannot be explained only by it occurs.
  • the liquid crystal molecules arranged close to each other have the property that the alignment is not displaced independently but the alignment is displaced collectively. Although no voltage is applied between the high-frequency line 4 and the upper electrode 8, it is considered that the orientation of the liquid crystal molecules has changed from the measurement results. It is considered that the liquid crystal molecules are changed from a random alignment state to an alignment state almost rising with respect to the electrode surface.
  • the change of the center frequency with respect to the applied voltage of 30 V is that S2 is about one digit higher than S1. Comparing the applied voltage of 150V with respect to the sample S1 and the applied voltage of 30V with respect to the sample S2, the center frequency change of about 3 times is obtained with the applied voltage of 1/5. It is considered that by filling the space between the electrodes of the variable capacitance with the liquid crystal, the drive voltage can be reduced and the obtained capacitance (frequency) change can be increased.
  • 3A to 3K are cross-sectional views schematically showing a manufacturing process of the variable capacitor shown in FIGS. 1F and 2C.
  • a gold layer 2 having a thickness of about 0.5 ⁇ m is sputtered on the surface of the LTCC substrate 1 having the ground conductor 112 on the back surface (or inside the substrate), the wiring 113 inside, and the conductive vias 114 and 115.
  • Ti film or the like may be attached as an adhesion film under the gold film).
  • the gold layer 2 functions as a seed layer in the plating process and is patterned to form a drive electrode.
  • a resist pattern RP1 having an opening in the plating region is formed on the seed layer 2.
  • a region for forming the high-frequency line 4 and the columnar conductive support 5 is defined.
  • Gold plating is performed using the seed layer 2 as an electrode, and a gold layer is formed on the seed layer 2 exposed in the opening of the resist pattern RP1. Lower portions of the high-frequency line 4 and the columnar conductive support 5 are formed. Thereafter, the resist pattern RP1 is removed.
  • a resist pattern RP2 having an opening in a region where the columnar conductive support 5 is newly formed is formed.
  • the high frequency line 4 is covered with a resist pattern RP2.
  • gold electrolytic plating is performed to form the remaining thickness of the columnar conductive support 5. Thereafter, the resist pattern RP2 is removed.
  • a resist pattern RP3 having a drive electrode pattern is formed, the exposed gold layer 2 is removed by milling using Ar ions, and the drive electrode 6 is left.
  • the high frequency line 4 and the columnar conductive support 5 are also milled, but a sufficient thickness remains.
  • a resist pattern may be formed on the high-frequency line 4 and the columnar conductive support 5. Thereafter, the resist pattern RP3 is removed.
  • a resist pattern RP4 having an opening that defines a space between electrodes of a variable capacitor is formed, and a copper layer 7 serving as a dummy (sacrificial layer) is formed. Electrolytic plating. Thereafter, the resist pattern RP4 is removed.
  • a resist pattern RP5 having an opening in the upper electrode region of the variable capacitor is formed.
  • the upper surfaces of the dummy copper layer 7 and the columnar conductive support 5 are selectively exposed. Electrolytic plating of gold is performed, and a gold layer to be the upper electrode 8 is plated. Note that a pattern for forming a through-opening used for liquid crystal injection can be added to the upper electrode 8 in the resist pattern RP5. Thereafter, the resist pattern RP5 is removed.
  • the dummy copper layer 7 (sacrificial layer) is removed by etching.
  • the case where the through-opening 9 is formed in the upper electrode 8 is shown.
  • a resin layer 11 surrounding the variable capacitance region is formed.
  • a photosensitive negative polyimide resin layer is applied, exposed and developed, and the resin package region 11 surrounding the variable capacitance cell region is formed leaving only the exposed portion.
  • the resin package region 11 is selectively formed, and the liquid crystal injection port is left above the high-frequency line 4.
  • the resin package region 11 may completely surround the variable capacitance cell region.
  • the liquid crystal 12 is injected into the interelectrode region of the variable capacitance.
  • the atmosphere is evacuated and the substrate is immersed in the liquid crystal and vacuum-injected. Excess liquid crystal is removed using a squeegee.
  • the liquid crystal injection port is filled with a sealing resin and cured to form the sealing portion 13.
  • the resin package layer 14 is formed so as to cover the upper electrode 8.
  • an electronic device having a variable capacitance shown in FIGS. 1F and 2C can be created.
  • Various modifications can be made to the variable capacitor shown in FIGS. 1F and 2C. 4A to 4F show a modification.
  • the structure shown in FIG. 3K may be created, and another ground conductor 16 may be formed on the resin package layer 14 to form a stripline structure.
  • a wiring layer 117 may be provided inside the substrate 1 separately from the ground conductor 112 for the high-frequency line and used as a ground wiring for DC bias.
  • the upper electrode 8 is connected to the ground wiring 117 through the columnar conductive support 5 and the via conductor 114.
  • the internal wiring has two layers, the number of layers of the internal wiring can be arbitrarily selected.
  • an alignment film 15 may be formed on the surface of the substrate 1 in contact with the liquid crystal.
  • the liquid crystal molecules are stably aligned parallel to the substrate surface.
  • the orientation direction can be controlled by an orientation treatment such as rubbing or light irradiation.
  • the drive electrode may be omitted, and a DC bias may be applied to the high-frequency line 4 from the variable bias power supply VB via the resistor R.
  • a DC bias may be applied to the high-frequency line 4 from the variable bias power supply VB via the resistor R.
  • the resistance R is 5 k ⁇ or more, high-frequency leakage hardly occurs.
  • the variable capacitance upper electrode 8 may not be displaced.
  • the variable capacitor can be reduced in size without considering flexibility.
  • an insulating member 11 such as resin is formed on the substrate 1 to support the upper electrode 8 thereon, and a DC bias application circuit is interposed between the upper electrode 8 and the high-frequency line 4 via a resistor. May be connected.
  • a plurality of upper electrodes 8-1, 8-2,. . . And a DC bias application circuit may be connected between the high-frequency line 4 and each upper electrode 8-i via a resistor.
  • the bias power supply in FIGS. 4E and 4F may be a fixed voltage in the case of a digital variable capacitor.
  • An analog variable capacitor can be configured with a variable voltage.
  • FIGS. 5A to 5C show variable capacitors according to the second embodiment.
  • the high-frequency line 4 includes a wide bottom 4b and a narrow top 4t disposed on the center of the bottom 4b.
  • the bottom 4b protrudes on both sides of the top 4t.
  • Four variable capacitor upper electrodes 8-1, 8-2, 8-3, 8-4 are arranged on both sides of the top 4t of the high-frequency line 4, and conductive supports 5-1, 5-2, 5-3, 5- 4, a variable capacitor is formed facing the bottom 4 b of the high-frequency line 4.
  • the drive electrodes 6-1, 6-2, 6-3, 6- 4 is formed on the LTCC substrate 1, between the bottom 4b of the high-frequency line 4 and the conductive supports 5-1, 5-2, 5-3, 5-4, the drive electrodes 6-1, 6-2, 6-3, 6- 4 is formed.
  • the liquid crystal 12 is filled in the space between the four variable capacitance upper electrodes 8-1, 8-2, 8-3, 8-4 and the LTCC substrate, and the periphery thereof is covered with the resin package PK.
  • the resin package PK includes a resin region 11 surrounding the liquid crystal accommodation space and a package layer 14 covering the upper electrode and extending over the entire surface.
  • the LTCC substrate 1 has internal wirings 113-1, 113-2,. . . Are formed, and the drive electrodes 6-1, 6-2,. . . Independent drive signals can be supplied to each.
  • no drive signal is applied (0 V)
  • the liquid crystal 12 is aligned parallel to the surface of the substrate 1 along the alignment film (random when there is no alignment film).
  • the capacitance between the high-frequency line 4 and the variable capacitor upper electrode 8 becomes a relatively low value.
  • the drive electrodes 6-1, 6-2,. . . In addition, when a drive signal of 5 V to 10 V, for example, is applied, the liquid crystal molecules of the liquid crystal layer 12 rise in a direction perpendicular to the substrate surface. At this time, the capacitance between the high-frequency line 4 and the variable capacitor upper electrode 8 has a relatively high value.
  • 6A to 6H are cross-sectional views showing a manufacturing process of the variable capacitor shown in FIG. 5A.
  • a gold seed layer 2 is formed by sputtering or the like on the surface of the LTCC substrate 1 having the ground conductor 112 on the back surface, and a high-frequency line 4 is formed in a selected region using a resist pattern.
  • the bottom 4b and the lower part of the conductive support 5 are formed by gold plating.
  • the upper part of the conductive support 5 and the lower part of the top part 4t of the high-frequency line 4 are formed by gold plating using a resist pattern.
  • a new resist pattern is formed, and the upper part of the top 4t of the high-frequency line 4 is formed by gold plating.
  • milling using Ar ions is performed using the resist pattern, and the drive electrodes 6-1, 6-2,. . . Is patterned.
  • a copper layer is sputtered to form a seed layer
  • a dummy copper layer 7 is electrolytically plated in a space serving as a variable inter-electrode space by copper plating using a resist pattern.
  • the upper electrodes 8-1, 8-2,... are formed on the dummy copper layer 7 and the conductive support 5 by gold plating using a resist pattern. . . Form.
  • the top 4t of the high-frequency line 4 is exposed between the left and right upper electrodes 8-1 and 8-2.
  • the dummy copper layer 7 is selectively etched and removed.
  • a capacitor upper electrode (5, 8) having a cantilever structure is formed.
  • a resin layer 11 surrounding the variable capacitance region is formed.
  • a photosensitive negative polyimide resin layer is applied, exposed and developed, and the resin package region 11 surrounding the variable capacitance cell region is formed leaving only the exposed portion.
  • the liquid crystal 12 is injected into the interelectrode region of the variable capacitance.
  • the atmosphere is evacuated and the substrate is immersed in the liquid crystal and vacuum-injected. Excess liquid crystal is removed using a squeegee.
  • the liquid crystal injection port is filled with a sealing resin and cured to form the sealing portion 13.
  • the upper electrodes 8-1, 8-2,. . . Then, the resin package layer 14 is formed.
  • independent variable capacitors are formed on both sides of the high-frequency line.
  • the distributed constant of the high-frequency line can be controlled more finely.
  • a strip line may be formed by forming a second ground conductor 16 on the resin package layer 14.
  • an insulating region 11 made of resin or the like that defines a liquid crystal accommodation space may be formed on the substrate 1, and the upper electrodes 8-1 and 8-2 may be formed thereon.
  • a DC bias application circuit may be connected between the upper electrode 8-i and the drive electrode 6-i via a resistor.
  • the drive electrode 6 can be omitted.
  • the driving voltage for the liquid crystal is applied by connecting a DC bias application circuit between the high-frequency line 4 and the upper electrodes 8-1 and 8-2 via resistors.
  • FIGS. 8A and 8B show a third embodiment.
  • an independent liquid crystal storage space is formed for each variable capacitor.
  • a plurality of variable capacitors are formed along the high-frequency line, and the liquid crystal accommodation space is formed in common for the plurality of variable capacitors.
  • FIG. 8A is a plan view of a plurality of variable capacitors arranged along the left and right of the high-frequency line.
  • the high-frequency line 4 has a bottom 4b and a top 4t, and extends in the vertical direction in the figure on the substrate.
  • Drive electrodes 6-1, 6-3, 6-5, and 6-7 are disposed on the substrate along the left side of the high-frequency line 4, and the drive electrodes 6-2 are disposed on the substrate along the right side of the high-frequency line 4.
  • 6-4, 6-6, 6-8 are arranged.
  • the variable capacitance upper electrodes 8-1 to 8-8 face the drive electrodes 6-1 to 6-8, and are arranged so as to partially overlap the bottom 4b of the high-frequency line 4 to form a capacitance.
  • a resin package region 11 outside the upper electrodes 8-1 to 8-8 defines a liquid crystal accommodation space along the high-frequency line 4.
  • FIG. 8B is a cross-sectional view taken along line VII-VII in FIG. 8A.
  • Drive electrodes 6-1, 6-3, 6-5, and 6-7 are formed on the LTCC substrate 1 including the ground conductor 112.
  • Upper electrodes 8-1, 8-3, 8-5, 8-7 supported above the substrate by conductive support are opposed to drive electrodes 6-1, 6-3, 6-5, 6-7.
  • a resin package layer 14 is formed on the upper surfaces of the upper electrodes 8-1, 8-3, 8-5, and 8-7.
  • a liquid crystal accommodation space common to a plurality of variable capacitors is formed in the space between the substrate 1 and the resin package layer 14 and filled with the liquid crystal layer 12. The liquid crystal has a higher dielectric constant than air and package resin.
  • the capacitance increases, which contributes to a reduction in the size of the device.
  • a configuration in which a common liquid crystal layer is disposed in a plurality of capacitors is possible.
  • 9A and 9B show a fourth embodiment.
  • a stripline structure is configured using two LTCC substrates.
  • the first LTCC substrate 1 has a first ground conductor 112 on the back surface and a high-frequency line 4 on the front surface to constitute a microstrip structure.
  • the high-frequency line 4 has a shape in which a narrow top portion 4t is formed on a wide bottom portion 4b.
  • Drive electrodes 6-1 and 6-2 are formed on the second surface of the second LTCC substrate 18 having the second ground conductor 16 on the first surface. In the region between the drive electrodes 6-1 and 6-2 on the LTCC substrate 18, the top 4t of the high-frequency line 4 is in contact with the second LTCC substrate 18.
  • Ground conductors 112 and 16 are disposed on both sides of the high-frequency line 4 to form a strip structure.
  • the drive electrodes 6-1 and 6-2 are opposed to the bottom 4b of the high-frequency line 4 to form a capacitor.
  • a resin seal region 11 defines a liquid crystal accommodation space between the substrates 1 and 18.
  • Drive voltages VB1 and VB2 are applied between the high-frequency line 4 and the drive electrodes 6-1 and 6-2 through the in-substrate wiring.
  • FIG. 9B is an assembly diagram of the configuration of FIG. 9A.
  • the high-frequency line 4 is formed on the first LTCC substrate 1, and the drive electrode 6 and the resin seal region 11 are formed on the second LTCC substrate 18.
  • a liquid crystal accommodation space common to a plurality of capacitors is formed.
  • the first substrate 1 and the second substrate 18 are bonded together to form a stripline structure.
  • the liquid crystal is injected between the electrodes by, for example, dropping the liquid crystal on the second substrate 18 and bonding the first substrate 1 together.
  • a liquid crystal injection port may be formed and liquid crystal may be injected after bonding.
  • the space between the high-frequency line 4 and the first and second ground conductors 112 and 16 is mostly occupied by the substrate ceramics, high-frequency propagation characteristics can be secured.

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Abstract

【課題】　液晶を用いた新規な構成の可変容量素子を有する電子機器を提供する。 【解決手段】　可変容量素子を有する電気機器は、誘電体基板と、誘電体基板表面上に形成された高周波信号線路と、高周波線路に対向して、誘電体基板に形成されたグランド導体と、誘電体基板表面上方に配置され、高周波信号線路に対向する容量上部電極と、高周波信号線路と容量上部電極とが対向する空間に充填された液晶材料と、を有する。

Description

可変容量素子を有する電子機器とその製造方法
　本発明の実施例は、可変容量素子を有する電子機器とその製造方法に関する。
　高周波回路において、容量（キャパシタンス）は線路に直列に接続されたり、線路に装荷されて線路の分布定数を調整したりする。可変容量を利用することにより、共振周波数を変化させたり、分布定数を変化させたりすることができる。
　可変容量素子は、固定電極と可動電極を対向配置し、可動電極を変位させることにより容量を変化させる構成が一般的である。可動電極は、圧電駆動、静電駆動等により、変位させることができる。必要な容量変化を実現できる可変容量素子を、なるべく簡単な構成で、且つ小型に形成できることが望まれる。携帯用電子機器等においては小型軽量化が要求され、ＭＥＭＳ（micro
electro mechanical system）を用いた可変容量素子が開発されている。
　支持基板上に固定電極を形成し、可撓梁等を介して固定電極上方に可動電極を支持し、駆動電極を可動電極に対向して配置し、駆動電極と可動電極との間に駆動電圧を印加して、固定電極と可動電極との電極間距離を静電駆動により制御して、容量を変化させる構成が知られている（例えば、特開２００９－８３０１８号公報参照）。例えば、駆動電極と可動電極との間の距離が３μｍ程度の場合、駆動電圧として数十～百数十Ｖの電圧を印加する。
　固定電極が誘電体膜で覆われている場合、オンオフ動作を繰り返すうちに、誘電体膜がチャージアップしたり、可撓梁の復元力が弱ったりなどして、外部電源をオフにしても可動電極が誘電体膜から離れなくなるスティッキング現象がある。駆動波形による対策も検討されているが、解決には至っていない。
　また、高周波信号の信号波形に基づく電位差により可動電極が動くセルフアクチュエーションと呼ばれる現象がある。セルフアクチュエーションを防止するために、投入信号の電力に応じて可撓梁の復元力を強く（即ち駆動電圧を高く）する対処方法がある。しかし、駆動電圧を高くすると、スティッキング現象がより生じやすくなる。また、より高い電圧を確保するために昇圧回路が必要になることもある。
　容量を構成する対向電極間の空間を、誘電率が高い誘電体で充填することにより、容量値を大きくすることができる。対向電極間の空間を誘電率が変化する材料で充填し、誘電率を変化させれば、可変容量として機能させることができる。
　液晶分子は、分子軸方向に長い形態を有し、電気ベクトルが長軸方向に沿う場合と、電気ベクトルが短軸方向に沿う場合とで、異なる誘電率を示す。対向電極間に液晶層を挟持する場合、液晶分子の配向を制御することにより、液晶層が示す誘電率を変化させることができる。ポジ型ネマチック液晶は液晶分子の長軸（ディレクタ）方向の誘電率が長軸（ディレクタ）に直交する短軸方向の誘電率より高い、正の誘電率異方性を有する。例えば、対向電極間にポジ型ネマチック液晶を充填し、液晶分子の配向方向を対向電極面に平行から対向電極面に直交に変化させると、誘電率が増加する（例えば、特開２００３－１７９１２号公報）。入出力線路に接続されたストリップ導体を有する第１のセラミックス基板と、グランド導体を有する第２のセラミックス基板とを対向配置し、対向する第１、第２のセラミックス基板間に液晶を封入し、マイクロストリップ共振器を構成する。ストリップ導体に制御電圧源を接続し、ストリップ導体とグランド導体との間に直流、或いは低周波交流電圧を印加する。制御電圧源の出力電圧に応じて、液晶層の誘電率が変化し、マイクロストリップ共振器の共振周波数が変化する。
特開２００９－８３０１８号公報 特開２００３－１７９１２号公報　液晶材料は、高周波応答性が乏しいため、高周波信号とは別の直流（もしくは低周波）信号により液晶の配向を制御できる。しかし、高周波線路とグランド面の間、即ち高周波が伝播する媒体自体を液晶にした場合、伝播媒体となる液晶層は厚さ２００μｍ～８００μｍ程度ないと高周波伝播損失が大きくなり、実用に適さない。また、液晶の配向変化に必要な時間は、液晶層厚の２乗に比例する。通常の液晶表示装置の液晶層厚は数μｍである場合が多い。例えば液晶層厚５μｍで、３Ｖ～５Ｖの電圧を印加し、５０ｍｓｅｃ程度で配向が変化する液晶を用い、液晶層厚２００μｍの可変容量を形成すると、配向変化に必要な時間が８０秒程度となる。実用には適さない応答時間となる。
　本発明の１つの目的は、駆動電圧が低く信頼性が高い可変容量素子を有する電子機器を提供することである。
　本発明の１観点によれば、
　誘電体基板と、
　前記誘電体基板表面上に形成された高周波信号線路と、
　前記高周波線路に対向して、前記誘電体基板に形成されたグランド導体と、
　前記誘電体基板表面上方に配置され、前記高周波信号線路に対向する容量上部電極と、
　前記高周波信号線路と前記容量上部電極とが対向する空間に充填された液晶材料と、
を有する可変容量素子を有する電気機器
が提供される。
　本発明の他の観点によれば、
　グランド導体を備えた誘電体基板を準備し、
　前記誘電体基板の表面上に高周波線路を形成し、
　前記高周波線路上方に延在する容量上部電極を形成し、前記高周波線路と前記容量上部電極との間に液晶収容スペースを画定し、
　前記液晶収容スペースに液晶材料を充填する、
可変容量素子を有する電気機器の製造方法
が提供される。
図１Ａは分布定数型容量結合２段フィルタの平面図であり、図１Ｂ、１Ｃは同フィルタに含まれる２種類の可変容量の構造を示す斜視図であり、図１Ｄは同フィルタの等価回路図であり、図１Ｅは可変容量の構成を示す断面図であり、図１Ｆは第１の実施例により図１Ｅにしめす可変容量の対向電極間に液晶を滴下した状態を示す断面図である。 図２Ａ，２Ｂ，２Ｃは、サンプルＳ１，Ｓ２の測定結果を示すグラフ、及びサンプルＳ１，Ｓ２の構成を簡略化して示す断面図である。 及び、 図３Ａ～３Ｋは、第１の実施例による可変容量素子を有する電子機器の製造プロセス、及び得られる構造を示す断面図である。 及び、 図４Ａ～４Ｆは、第１の実施例の変形例を示す断面図である。 図５Ａ，５Ｂ、５Ｃは、第２の実施例による可変容量素子を示す斜視図及び動作状態を示す２つの断面図である。 及び、 図６Ａ～６Ｈは、第２の実施例による可変容量素子の製造プロセスを示す断面図である。 図７Ａ，７Ｂ，７Ｃは、第２の実施例の変形例を示す断面図である。 図８Ａ，８Ｂは、第３の実施例による可変容量を示す平面図と断面図である。 図９Ａ，９Ｂは、第４の実施例による可変容量の断面図と組立図である。
　本発明者らは、高周波回路の可変容量に液晶を用いることを検討した。高周波回路のサンプルとして、裏面もしくは基板内部にグランド導体面を備えたＬＴＣＣ（Low
Temperature Co-fired Ceramics低温共焼結セラミクス）基板上に分布定数型容量結合２段フィルタを形成したマイクロストリップ構造を用いた。セラミクス基板表面乃至内部に、グランド（接地）導体と高周波線路とを形成したマイクロストリップ線路においては、グランド導体と高周波線路の間の高周波伝播空間がセラミクスで構成されるので、高周波伝播特性を確保しやすい。高周波線路に装荷する可変容量の誘電体として液晶を用いても、高周波伝播損失は抑制されるであろう。
　液晶の配向状態により、比誘電率が大きく変化する液晶としてネマチック液晶がある。比誘電率の差Δεｓ＝３２．４のポジ型ネマチック液晶を用いた。ポジ型ネマチック液晶の液晶分子は、誘電率異方性を有し、長軸方向（ディレクタ方向）の誘電率が、短軸方向の誘電率より高い。液晶表示装置においては、対向電極を形成した対向基板間にポジ型ネマチック液晶層を挟持し、対向電極間に選択的に電圧を印加する。電圧を印加されない状態（オフ状態）では、液晶層の液晶分子のディレクタは配向膜が形成され電極面に平行になるような配向処理が行われている場合には、電極面に平行になり、あるいは、配向膜が形成されていない場合にはランダムになっており、電圧を印加した状態（オン状態）では、液晶層の液晶分子のディレクタは電極面に対して垂直方向に立ち上がる。
　図１Ａは、分布定数型容量結合２段フィルタの平面配置を示す。裏面にグランド導体を備えたＬＴＣＣ基板上に、図示の構成が形成されている。左側の入力端子ＩＮから右側の出力端子ＯＵＴに、結合用可変容量Ｃｍを介して、高周波信号が伝播される。結合用可変容量Ｃｍより入力側の高周波信号線路に分布定数線路Ｌ１が接続され、結合用可変容量Ｃｍより出力側の高周波信号線路に分布定数線路Ｌ２が接続されている。線路Ｌ１には、可変容量Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ１３，Ｃ１４が装荷（ロード）されて、分布定数線路を構成し、線路Ｌ２には、可変容量Ｃ２１，Ｃ２２，Ｃ２３，Ｃ２４が装荷（ロード）されて、分布定数線路を構成している。
　図１Ｂは可変容量Ｃｉｊの構成を示す。基板表面上において、線路Ｌの両側に駆動電極ＤＥが形成され、その外側に１対の柱状導電支持（サポート）ＰＬが形成されている。両端が柱状導電性支持ＰＬに支持された（両持ち）梁構造の容量上部電極ＵＥが線路Ｌと対向して可変容量を形成する。柱状導電性支持ＰＬ、従って容量上部電極ＵＥは、一定電位、例えば接地に接続される。駆動電極ＤＥに正（又は負）の駆動電圧を印加すると、容量上部電極ＵＥと駆動電極ＤＥとの間に静電引力が生じ、静電引力に応じて容量上部電極ＵＥが下方に変位する。容量上部電極ＵＥが下方に変位すると、容量上部電極ＵＥと線路Ｌとの間に形成されている容量値が増加する。このようにして可変容量が機能する。
　図１Ｃは結合用可変容量Ｃｍの構成を示す。基板表面の結合領域に２本の入力側高周波線路Ｌ１１，Ｌ１２と２本の出力側高周波線路Ｌ２１，Ｌ２２が交互に配置されている。高周波線路Ｌ１１、Ｌ１２，Ｌ２１，Ｌ２２の両側に駆動電極ＤＥが形成され、その外側に１対の柱状導電性支持ＰＬが形成されている。容量上部電極ＵＥが柱状導電性支持ＰＬに両端を支持され、高周波線路Ｌ１１、Ｌ１２，Ｌ２１，Ｌ２２に対向して可変容量を形成する。柱状導電性支持ＰＬ、容量上部電極ＵＥを一定電位、例えば接地、に接続し、駆動電極ＤＥに駆動電圧を印加して、可変容量を機能させる点は図１Ｂの構成と同様である。
　図１Ｄは、分布定数型容量結合２段フィルタの等価回路を示す。入力端子ＩＮは結合用可変容量Ｃｍを介して、出力端子ＯＵＴに結合されている。入力側高周波線路には分布定数線路Ｌ１、出力側高周波線路には分布定数線路Ｌ２が接続されている。分布定数線路Ｌ１，Ｌ２は、夫々、可変容量Ｃｉ、固定容量、インダクタンスＬｉ、抵抗成分を有する回路として近似できる。
　図１Ｅは、図１Ｂに示した可変容量の構造を概略的に示す断面図である。基板１は、裏面に例えば銀で形成されたグランド導体１１２、内部に例えば銀の内部配線１１３を有するＬＴＣＣ基板である。基板１表面上には、例えば金で形成された、高周波線路４、駆動電極６、柱状導電性支持５が形成され、例えば金で形成された容量上部電極８が、その両端で柱状導電性支持５に支持されている。貫通ビア導電体１１４が柱状導電性支持５とグランド導体１１２を接続し、ビア導電体１１５が駆動電極６を内部配線１１３に接続する。駆動電極６と接地された容量上部電極８との間に電圧を印加すると、静電引力により、容量上部電極８が駆動電極６に向かって引き寄せられる。容量上部電極８が上下に変位することにより、可変容量を形成する。この、可変容量の対向電極間スペースが空気である場合の分布定数型容量結合２段フィルタを、サンプルＳ１とする。
　図１Ｆは、可変容量Ｃｉｊの上部電極８と対向する電極４，６との間のスペースに液晶１２を滴下し、充填した構造を示す。結合用可変容量Ｃｍにも，可変容量Ｃｉｊ同様に、対向電極間スペースに滴下した液晶を充填する。可変容量の対向電極間の空間が液晶で充填された場合の分布定数型容量結合２段フィルタを、サンプルＳ２とする。
　図２Ａは、サンプルの駆動電極に電圧を印加した時、分布定数型容量結合２段フィルタの示す共振周波数の変化を示すグラフである。各可変容量の駆動電極に直流電圧を印加しつつ、ネットワークアナライザでフィルタ特性を測定し、中心周波数を測定した。横軸が印加電圧を単位（Ｖ）で示し、縦軸が中心周波数を単位（ＧＨｚ）で示す。
　図２Ｂ，２ＣはサンプルＳ１，Ｓ２の構成を概略的に示す断面図である。図２Ｂは、図１Ｅと同じで、可変容量の対向電極電極間スペースの媒体は空気である。サンプルＳ１において、印加電圧０Ｖの時、中心周波数が４．２８ＧＨｚ、印加電圧１５０Ｖの時、中心周波数が３．９３ＧＨｚであった。０Ｖ～１５０Ｖの印加電圧差に対して、上部電極８が下方に変位し、０．３５ＧＨｚの中心周波数変化が得られたことになる。
　図２Ｃは、比誘電率差Δεｓ＝３２．４のネマチック液晶１２を滴下して、可変容量の対向電極間を充填したサンプルＳ２を示す。マイクロストリップ線路４とグランド導体１１２との間のスペースは、ＬＴＣＣ基板のセラミクス等で充填されており、図２Ｂ同様の高周波特性が得られるであろうと考えられる。電極間のスペースにネマチック液晶１２が充填された可変容量は、高周波線路４にロードされるのみであり、高周波特性の劣化は抑制されると考えられる。サンプルＳ２が第１の実施例である。
　駆動電極６に駆動電圧を印加すると、上部電極８と駆動電極６の間に電界が生じ、液晶分子が垂直方向に向かって立ち上がると考えられる。印加電圧０Ｖで中心周波数約４ＧＨｚであり、印加電圧を増加していくと、十数Ｖで中心周波数が減少し始め、３０Ｖを印加した時には中心周波数は約３ＧＨｚとなった。３０Ｖの印加電圧は、サンプルＳ１では約０．１ＧＨｚの周波数変化しか生じさせないが、サンプルＳ２においては３０Ｖの印加電圧で約１ＧＨｚの周波数変化を生じている。電極間スペースに誘電率の大きな誘電体を充填しているので、上部電極の変位に対する容量変化は大きくなると考えられるが、それのみでは説明できない大きな容量変化が生じている。近接配置された液晶分子は、独立には配向変位せず、集団的に配向変位する性質を有する。高周波線路４と上部電極８との間に電圧は印加されていないが、測定結果から液晶分子の配向は変化していると考えられる。液晶分子がランダムな配向状態から、電極面に対してほぼ立ち上がった配向状態に変化していると考えられる。
　３０Ｖの印加電圧に対する中心周波数の変化は、Ｓ２がＳ１の約１桁上である。サンプルＳ１に対する１５０Ｖの印加電圧とサンプルＳ２に対すると３０Ｖの印加電圧を較べると、１／５の印加電圧で約３倍の中心周波数変化が得られている。可変容量の電極間スペースに液晶を充填することにより、駆動電圧の減少が可能となり、且つ得られる容量（周波数）変化を大きくすることができると考えられる。
　図３Ａ～３Ｋは、図１Ｆ，２Ｃに示す可変容量の製造プロセスを概略的に示す断面図である。
　図３Ａに示すように、裏面（もしくは基板内部）にグランド導体１１２、内部に配線１１３、導電性ビア１１４，１１５を有するＬＴＣＣ基板１の表面に、厚さ０．５μｍ程度の金層２をスパッタリングなどで形成する（金膜の下には密着膜としてＴｉ膜等をつける場合もある）。この金層２はメッキ工程ではシード層として機能し、パターニングされて駆動電極を形成する。
　図３Ｂに示すように、シード層２の上にメッキ領域に開口を有するレジストパターンＲＰ１を形成する。高周波線路４および柱状導電性支持５を形成する領域が画定される。シード層２を電極として金の電解メッキを行い、レジストパターンＲＰ１の開口内に露出したシード層２の上に、金層を形成する。高周波線路４及び柱状導電性支持５の下部が形成される。その後レジストパターンＲＰ１は除去する。
　図３Ｃに示すように、新たに柱状導電性支持５を形成する領域に開口を有するレジストパターンＲＰ２を形成する。高周波線路４はレジストパターンＲＰ２に覆われる。さらに、金の電解メッキを行い、柱状導電性支持５の残りの厚さを形成する。その後、レジストパターンＲＰ２は除去する。
　図３Ｄに示すように、駆動電極のパターンを有するレッジストパターンＲＰ３を形成し、Ａｒイオンを用いたミリング等により、露出している金層２を除去し、駆動電極６を残す。高周波線路４、柱状導電性支持５もミリングされるが、十分な厚さが残る。高周波線路４、柱状導電性支持５上にレジストパターンを形成してもよい。その後、レジストパターンＲＰ３は除去する。
　図３Ｅに示すように、銅層をスパッタしてシード層を形成した後、可変容量の電極間スペースを画定する開口を有するレジストパターンＲＰ４を形成し、ダミー（犠牲層）となる銅層７を電解メッキする。その後レジストパターンＲＰ４は除去する。
　図３Ｆに示すように、可変容量の上部電極領域に開口を有するレジストパターンＲＰ５を形成する。ダミー銅層７及び柱状導電性支持５の上面が選択的に露出する。金の電解メッキを行い、上部電極８となる金層をメッキする。なお、レジストパターンＲＰ５に上部電極８に液晶注入に用いる貫通開口を形成するパターンを付加することもできる。その後レジストパターンＲＰ５は除去する。
　図３Ｇに示すように、ダミー銅層７（犠牲層）をエッチングして除去する。上部電極８に貫通開口９が形成されている場合を示す。
　図３Ｈに示すように、可変容量領域を包囲する樹脂層１１を形成する。例えば、感光性ネガ型ポリイミド樹脂層を塗布し、露光現像して、露光部のみを残し、可変容量セル領域を囲む樹脂パッケージ領域１１を形成する。上部電極８に液晶注入用開口を形成しない場合は、例えば樹脂パッケージ領域１１を選択的に形成して、高周波線路４上方に液晶注入口を残す。上部電極８に液晶注入用開口を形成した場合は、樹脂パッケージ領域１１が可変容量セル領域を完全に包囲するようにしてもよい。
　図３Ｉに示すように、可変容量の電極間領域に液晶１２を注入する。例えば雰囲気を真空排気し、液晶内に基板を浸漬して真空注入する。余分な液晶はスキージなどを用いて除去する。
　図３Ｊにしめすように、液晶注入口に封止樹脂を充填し、キュアして封止部１３とする。
　図３Ｋに示すように、上部電極８を覆って、樹脂パッケージ層１４を形成する。このようにして、図１Ｆ，２Ｃに示す可変容量を有する電子機器を作成することができる。なお、図１Ｆ，２Ｃに示した可変容量には、種々の変形が可能である。図４Ａ～４Ｆは、変形例を示す。
　図４Ａに示すように、図３Ｋに示した構造を作成し、樹脂パッケージ層１４の上にもう一方のグランド導体１６を形成し、ストリップライン構造としてもよい。
　図４Ｂに示すように、高周波線路用のグランド導体１１２とは別に、基板１の内部に配線層１１７を設け、直流バイアス用のグランド配線として用いてもよい。上部電極８は、柱状導電性支持５、ビア導電体１１４を介して、グランド配線１１７に接続する。内部配線が２層になっているが、内部配線の層数は任意に選択できる。
　図４Ｃに示すように、基板１の液晶と接する表面上に配向膜１５を形成してもよい。水平配向膜を形成すると液晶分子が安定に基板表面に平行に配向する。配向方向は、ラビング、光照射等の配向処理により制御することができる。
　図４Ｄに示すように、駆動電極を省略し、高周波線路４に、抵抗Ｒを介して可変バイアス電源ＶＢから直流バイアスを印加してもよい。抵抗Ｒは例えば５ｋΩ以上とすると高周波リークはほとんど生じない。液晶分子の配向変化で所望の容量変化を得る場合、可変容量の上部電極８は変位しなくてもよい。可撓性を考慮せずに、可変容量を小型化することが可能である。
　図４Ｅに示すように、基板１上に樹脂等の絶縁部材１１を形成して上部電極８をその上に支持し、上部電極８と高周波線路４との間に抵抗を介して直流バイアス印加回路を接続してもよい。
　図４Ｆに示すように、高周波線路４上方に複数の上部電極８－１，８－２、．．．を形成し、高周波線路４と各上部電極８－ｉとの間に抵抗を介して直流バイアス印加回路を接続してもよい。
　図４Ｅ，４Ｆのバイアス電源は、デジタル可変キャパシタの場合は固定電圧でよい。可変電圧にしてアナログ可変キャパシタを構成することもできる。
　図５Ａ～５Ｃは、第２の実施例による可変容量を示す。
　図５Ａに示すように、高周波線路４は、幅の広い底部４ｂと底部４ｂの中央部上に配置された幅の狭い頂部４ｔを含む。頂部４ｔの両側で、底部４ｂが張り出す形状である。４つの可変容量上部電極８－１，８－２，８－３，８－４が高周波線路４の頂部４ｔ両側に配置され、導電性支持５－１，５－２，５－３，５－４に支持されて、高周波線路４の底部４ｂと対向して可変容量を形成する。ＬＴＣＣ基板１上、高周波線路４の底部４ｂと導電性支持５－１，５－２，５－３，５－４の間にそれぞれ駆動電極６－１，６－２，６－３，６－４が形成されている。４つの可変容量上部電極８－１，８－２，８－３，８－４とＬＴＣＣ基板の間のスペースに液晶１２が充填され、その周囲は樹脂パッケージＰＫで覆われている。樹脂パッケージＰＫは、例えば図３Ｋで示したように、液晶収容空間を囲む樹脂領域１１と上部電極を覆って全面に広がるパッケージ層１４とを含む。
　図５Ｂに示すように、ＬＴＣＣ基板１には内部配線１１３－１，１１３－２、．．．が形成されており、駆動電極６－１，６－２，．．．にそれぞれ独立の駆動信号を供給できる。駆動信号が印加されていない（０Ｖ）時、液晶１２は配向膜に沿った基板１表面に平行に配向する（配向膜がない場合はランダムである）。この時、高周波線路４と可変容量上部電極８との間の容量は相対的に低い値となる。
　図５Ｃに示すように、駆動電極６－１，６－２，．．．に、例えば５Ｖ～１０Ｖの、駆動信号を印加すると、液晶層１２の液晶分子は基板表面に垂直方向に立ち上がる。この時、高周波線路４と可変容量上部電極８との間の容量は相対的に高い値となる。
　図６Ａ～６Ｈは、図５Ａに示した可変容量の製造プロセスを示す断面図である。
　図６Ａに示すように、裏面にグランド導体１１２を有するＬＴＣＣ基板１の表面に、金シード層２をスパッタリングなどで形成し、レジストパターンを用いてその上の選択された領域に、高周波線路４の底部４ｂおよび導電性支持５の下部を金メッキにより形成する。
　図６Ｂに示すように、レジストパターンを用いて、導電性支持５の上部と高周波線路４の頂部４ｔの下部を金メッキにより形成する。新たなレジストパターンを形成し、高周波線路４の頂部４ｔの上部を金メッキにより形成する。
　図６Ｃに示すように、レジストパターンを用いて、Ａｒイオンを用いたミリングを行い、金シード層２から駆動電極６－１，６－２、．．．をパターニングする。銅層をスパッタしてシード層を形成した後、レジストパターンを用いた銅メッキにより、可変容量の電極間スペースとなるスペースに、ダミーとなる銅層７を電解メッキする。
　図６Ｄに示すように、レジストパターンを用いた金メッキにより、ダミー銅層７及び導電性支持５の上に、上部電極８－１、８－２、．．．を形成する。左右の上部電極８－１，８－２の間に高周波線路４の頂部４ｔが露出している。
　図６Ｅに示すように、ダミー銅層７を選択的にエッチングして除去する。片持ち梁構造の容量上部電極（５，８）が形成される。
　図６Ｆに示すように、可変容量領域を包囲する樹脂層１１を形成する。例えば、感光性ネガ型ポリイミド樹脂層を塗布し、露光現像して、露光部のみを残し、可変容量セル領域を囲む樹脂パッケージ領域１１を形成する。
　図６Ｇに示すように、可変容量の電極間領域に液晶１２を注入する。例えば雰囲気を真空排気し、液晶内に基板を浸漬して真空注入する。余分な液晶はスキージ等を用いて除去する。
　図６Ｈにしめすように、液晶注入口に封止樹脂を充填し、キュアして封止部１３とする。上部電極８－１、８－２、．．．を覆って、樹脂パッケージ層１４を形成する。
　第２の実施例では、高周波線路の両側にそれぞれ独立の可変容量を形成した。可変容量の数を増大することにより、高周波線路の分布定数をより細かく制御することができよう。各可変容量をオン－オフ制御する代わりに、アナログ量として制御することも可能である。
　第２の実施例においても、種々の変形例が可能である。
　図７Ａに示すように、樹脂パッケージ層１４の上に、第２のグランド導体１６を形成してストリップ線路を構成してもよい。
　図７Ｂに示すように、基板１上に液晶収容スペースを画定する、樹脂等の絶縁領域１１を形成し、その上に上部電極８－１，８－２を形成してもよい。例えば、上部電極８－ｉと駆動電極６－ｉとの間に抵抗を介して直流バイアス印加回路を接続してもよい。
　図７Ｃに示すように、駆動電極６を省略することもできる。液晶の駆動電圧は、高周波線路４と各上部電極８－１，８－２との間に抵抗を介して直流バイアス印加回路を接続して印加する。
　図８Ａ，８Ｂは第３の実施例を示す。図５Ａ～５Ｃに示した第２の実施例においては、各可変容量毎に独立した液晶収容スペースが形成されている。本実施例においては、高周波線路に沿って複数の可変容量が形成され、液晶収容スペースは複数の可変容量に共通に形成する。
　図８Ａは、高周波線路の左右に沿って配置された複数の可変容量の平面図である。高周波線路４は、底部４ｂと頂部４ｔを有し、基板上、図中縦方向に延在する。高周波線路４の左側に沿って、基板上に駆動電極６－１，６－３，６－５，６－７が配置され、高周波線路４の右側に沿って、基板上に駆動電極６－２，６－４，６－６，６－８が配置されている。可変容量の上部電極８－１～８－８は、駆動電極６－１～６－８と対向し、一部高周波線路４の底部４ｂにオーバラップして配置され、容量を形成する。上部電極８－１～８－８外側の樹脂パッケージ領域１１が高周波線路４に沿って液晶収容スペースを画定している。
　図８Ｂは、図８ＡのＶＩＩ－ＶＩＩ線に沿う断面図である。グランド導体１１２を備えたＬＴＣＣ基板１の上に駆動電極６－１，６－３，６－５，６－７が形成されている。導電性支持によって基板上方に支持された上部電極８－１，８－３，８－５，８－７が駆動電極６－１，６－３，６－５，６－７と対向している。上部電極８－１，８－３，８－５，８－７の上面には樹脂パッケージ層１４が形成されている。基板１と樹脂パッケージ層１４の間のスペースに、複数の可変容量に共通の液晶収容スペースが形成され、液晶層１２が充填されている。液晶は、空気、パッケージ樹脂より高い誘電率を有する。高周波信号線路４が液晶層で覆われることにより、容量が増大し、デバイスのサイズダウンに寄与する。他の構成においても、同様に、複数の容量に共通の液晶層を配置する構成が可能である。
　図９Ａ，９Ｂは、第４の実施例を示す。
　図９Ａに示すように、２枚のＬＴＣＣ基板を用いてストリップライン構造を構成する。第１のＬＴＣＣ基板１は、裏面上に第１のグランド導体１１２を有し、表面上に高周波線路４を有して、マイクロストリップ構造を構成している。高周波線路４は、図５Ａ～５Ｃに示す第２の実施例同様、幅広の底部４ｂの上に幅狭の頂部４ｔが形成された形状を有する。第１面上に第２のグランド導体１６を有する第２のＬＴＣＣ基板１８の第２面上に駆動電極６－１，６－２が形成されている。ＬＴＣＣ基板１８上の駆動電極６－１，６－２間の領域で、高周波線路４の頂部４ｔが第２のＬＴＣＣ基板１８に当接している。高周波線路４の両側にグランド導体１１２，１６が配置され、ストリップ構造を構成する。駆動電極６－１，６－２が高周波線路４の底部４ｂと対向して、容量を形成している。樹脂シール領域１１が両基板１，１８間に液晶収容スペースを画定している。基板内配線を介して高周波線路４と駆動電極６－１，６－２間に、駆動電圧ＶＢ１，ＶＢ２を印加する。
　図９Ｂは、図９Ａの構成の組立図である。第１のＬＴＣＣ基板１の上に高周波線路４が形成され、第２のＬＴＣＣ基板１８の上に駆動電極６と樹脂シール領域１１が形成されている。複数の容量に共通の液晶収容スペースが形成されている。第１の基板１と第２の基板１８を貼り合わせてストリップ線路構造を形成する。電極間への液晶の注入は、例えば第２の基板１８上に液晶を滴下し、第１の基板１を貼り合わせて行う。液晶注入口を形成しておき、貼り合わせ後に液晶を注入してもよい。
　第４の実施例によれば、高周波線路４と第１、第２のグランド導体１１２，１６の間のスペースは大半基板のセラミクスで占有されるので、高周波伝播特性を確保できよう。
　以上実施例に沿って説明したが、本発明はこれら実施例に限られるものではない。例えば、セラミックス基板に換え、ガラスエポキシ基板を用いることも可能である。その他、種々の変更、置換、改良、組み合わせ等が可能なことは、当業者に自明であろう。
　　　１　　　ＬＴＣＣ基板、
　　　４　　　高周波線路、
　　　５　　　導電支持、
　　　６　　　駆動電極、
　　　８　　　上部電極、
　　　９　　　貫通孔、
　　１１　　　樹脂パッケージ領域、
　　１２　　　液晶、
　　１３　　　封止部、
　　１４　　　樹脂パッケージ層、
　　１５　　　配向膜、
　　１６　　　グランド導体、
　　１８　　　ＬＴＣＣ基板、
　１１２　　　グランド導体、
　１１３　　　内部配線、
　１１４　　　ビア導電体、
　１１５　　　ビア導電体。

Claims (11)

  1. 　誘電体基板と、
    　前記誘電体基板表面上に形成された高周波信号線路と、
    　前記高周波線路に対向して、前記誘電体基板に形成されたグランド導体と、
    　前記誘電体基板表面上方に配置され、前記高周波信号線路に対向する容量上部電極と、
    　前記高周波信号線路と前記容量上部電極とが対向する空間に充填された液晶材料と、
    を有する可変容量素子を有する電気機器。
  2. 　前記高周波信号線路両側で、前記誘電体基板表面上に形成された１対の導電支持をさらに有し、
    　前記容量上部電極は、前記１対の導電支持に支持されている、請求項１記載の電気機器。
  3. 　前記１対の導電支持を一定電位に接続する配線をさらに有する請求項２記載の電気機器。
  4. 　前記高周波信号線路両側で、前記誘電体基板表面上に形成された１対の導電支持をさらに有し、
    　前記高周波信号線路は、相対的に幅の広い底部と前記底部上に配置され相対的に幅の狭い頂部を有し、
    　前記容量上部電極は、前記高周波信号線路頂部両側に配置された第１、第２の部分を有し、前記第１、第２の部分はそれぞれ前記１対の導電支持に支持されている、請求項１記載の電気機器。
  5. 　前記誘電体基板表面上、前記高周波線路両側に配置され、前記容量上部電極との対向領域内に前記液晶材料が存在する、複数の駆動電極と、
    　前記駆動電極の各々へ駆動電圧を印加するバイアス電圧印加回路と、
    をさらに有する請求項１記載の電気機器。
  6. 　前記誘電体基板内に形成されたバイアス電圧印加回路用接地配線をさらに有する請求項５記載の電気機器。
  7. 　前記駆動電極を覆って、前記誘電体基板上に形成された配向膜をさらに有する請求項５記載の電気機器。
  8. 　前記液晶材料がネマチック液晶である請求項１記載の電気機器。
  9. 　前記高周波信号線路両側で、前記誘電体基板表面上に形成された絶縁性支持をさらに有し、
    　前記容量上部電極は、前記１対の絶縁性支持に両端が支持されている１枚の電極を含む、請求項１記載の電気機器。
  10. 　前記高周波信号線路両側で、前記誘電体基板表面上に形成された絶縁性支持をさらに有し、
    　前記高周波信号線路は、相対的に幅の広い底部と前記底部上に配置され相対的に幅の狭い頂部を有し、
    　前記容量上部電極は、前記高周波信号線路頂部両側に配置された第１、第２の部分を有し、前記第１、第２の部分はそれぞれ前記絶縁性支持に支持されている、請求項１記載の電気機器。
  11. 　グランド導体を備えた誘電体基板を準備し、
    　前記誘電体基板の表面上に高周波線路を形成し、
    　前記高周波線路上方に延在する容量上部電極を形成し、前記高周波線路と前記容量上部電極との間に液晶収容スペースを画定し、
    　前記液晶収容スペースに液晶材料を充填する、
    可変容量素子を有する電気機器の製造方法。
     
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