(57)【要約】【課題】振動下などにおいても誤動作しないデジタル可変容量ＭＥＭＳデバイスを提供する。【解決手段】駆動電圧が印加されず、ＭＥＭＳブリッジ３が変位していない状態では、第１の電極２１から第２の電極２２における静電容量が、第１の電極２１と第３の電極３３との隙間ｇ１と、第３の電極３３および第４の電極３４と電極板４１との隙間ｇ２、ｇ３と、第２の電極２２と第４の電極３４との隙間ｇ４との総和に依存するように、各電極２１、２２、３３、３４が配設されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極と第２の電極とが配設された固定板と、
前記第１の電極と対向する第３の電極と、前記第２の電極と対向しかつ前記第３の電極と電気的に隔離された第４の電極とが絶縁板に配設され、駆動電圧が印加されると前記固定板側に変位する可動板と、
前記可動板の反固定板側に配設され、前記第３の電極および前記第４の電極と対向する電極板と、を備え、
前記第１の電極から前記第２の電極における静電容量が、駆動電圧が印加されない状態では、前記第１の電極と前記第３の電極との距離と、前記第３の電極および前記第４の電極と前記電極板との距離と、前記第２の電極と前記第４の電極との距離との総和に依存し、駆動電圧が印加された状態では、前記第１の電極と前記第３の電極との間および前記第２の電極と前記第４の電極との間の静電容量に依存するように、前記各電極が配設されている、
ことを特徴とするデジタル可変容量ＭＥＭＳデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電容量（ＲＦ容量）が可変なＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ、微小電子機械システム）デバイスである、デジタル可変容量ＭＥＭＳデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
静電容量が可変なＭＥＭＳデバイスとして、固定板と可動板とを所定の間隔で対向して配設し、駆動電極に駆動電圧を印加することで可動板に静電引力を作用させ、可動板を変位させるものが知られている（例えば、特許文献１）。すなわち、図３に示すように、ＭＥＭＳ基板（固定板）１０１の上に、第１の電極１０２、第２の電極１０３および駆動電極１０４が配設され、これらの電極１０２〜１０４の上面には、層間誘電膜１０２Ａ〜１０４Ａが形成されている。一方、ＭＥＭＳ基板１０１に対向し、かつＭＥＭＳ基板１０１から所定距離だけ隔ててＭＥＭＳブリッジ（可動板）１０５が配設され、このＭＥＭＳブリッジ１０５には、複数のストッパ１０６が配設されている。
【０００３】
そして、駆動電極１０４に電圧が印加されると、図４に示すように、静電引力によってＭＥＭＳブリッジ１０５がＭＥＭＳ基板１０１側に変位し、第１の電極１０２と第２の電極１０３とがＭＥＭＳブリッジ１０５に接する。このようにＭＥＭＳブリッジ１０５が変位することで、第１の電極１０２から第２の電極１０３における静電容量Ｃが変化するものである。
【０００４】
すなわち、図３に示すように、駆動電極１０４に電圧が印加されていない状態では、第１の電極１０２とＭＥＭＳブリッジ１０５との間の空間における静電容量を第１の静電容量Ｃ１１、第２の電極１０３とＭＥＭＳブリッジ１０５との間の空間における静電容量を第２の静電容量Ｃ１２、第１の電極１０２上の層間誘電膜１０２Ａの静電容量を第３の静電容量Ｃ１３、第２の電極１０３上の層間誘電膜１０３Ａの静電容量を第４の静電容量Ｃ１４とすると、第１の電極１０２から第２の電極１０３に至る静電容量Ｃは、図５に示すように、これら４つの静電容量Ｃ１１〜Ｃ１４を直列に接続した容量（低容量）となる。
【０００５】
一方、図４に示すように、駆動電極１０４に電圧が印加された状態では、第１の電極１０２と第２の電極１０３との間における静電容量Ｃは、図６に示すように、第３の静電容量Ｃ１３と第４の静電容量Ｃ１４とを直列に接続した容量（高容量）となる。このように、電極１０２、１０３とＭＥＭＳブリッジ１０５との空間距離が変化することで、静電容量Ｃが変化し、これによりバリキャップなどに利用することができるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−１７６４４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、可変容量ＭＥＭＳデバイスは、多様な環境下で使用され、振動が発生する環境下で使用される場合もある。しかしながら、このような場合、振動によってＭＥＭＳブリッジ１０５が振動・上下動し、電極１０２、１０３とＭＥＭＳブリッジ１０５との空間距離が変動してしまう。つまり、駆動電極１０４に電圧が印加されていないにもかかわらず、ＭＥＭＳブリッジ１０５が電極１０２、１０３側に変位して、静電容量Ｃが変化してしまい、その結果、可変容量ＭＥＭＳデバイスが誤動作する場合がある。
【０００８】
そこで本発明は、振動下などにおいても誤動作しないデジタル可変容量ＭＥＭＳデバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、請求項１に記載のデジタル可変容量ＭＥＭＳデバイスは、第１の電極と第２の電極とが配設された固定板と、前記第１の電極と対向する第３の電極と、前記第２の電極と対向しかつ前記第３の電極と電気的に隔離された第４の電極とが絶縁板に配設され、駆動電圧が印加されると前記固定板側に変位する可動板と、前記可動板の反固定板側に配設され、前記第３の電極および前記第４の電極と対向する電極板と、を備え、前記第１の電極から前記第２の電極における静電容量が、駆動電圧が印加されない状態では、前記第１の電極と前記第３の電極との距離と、前記第３の電極および前記第４の電極と前記電極板との距離と、前記第２の電極と前記第４の電極との距離との総和に依存し、駆動電圧が印加された状態では、前記第１の電極と前記第３の電極との間および前記第２の電極と前記第４の電極との間の静電容量に依存するように、前記各電極が配設されている、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、駆動電圧が印加されると、可動板が固定板側に変位し、第１の電極から第２の電極に至る静電容量が、第１の電極と第３の電極との間の静電容量および第２の電極と第４の電極との間の静電容量に依存する。一方、駆動電圧が印加されない状態では、第１の電極から第２の電極に至る静電容量が、第１の電極と第３の電極との距離と、第３の電極および第４の電極と電極板との距離と、第２の電極と第４の電極との距離との総和に依存するため、可動板が振動などで変動したとしても、当静電容量が変化しない。
【００１１】
すなわち、可動板が固定板側にΔｇだけ変動した場合、第１の電極と第３の電極との距離および第２の電極と第４の電極との距離が、それぞれΔｇだけ短くなるが、第３の電極と電極板との距離および第４の電極と電極板との距離が、それぞれΔｇだけ長くなる。このため、各距離の総和は変わらず、第１の電極から第２の電極に至る静電容量は、変化しない。同様に、可動板が電極板側（反固定板側）にΔｇだけ変動した場合、第１の電極と第３の電極との距離および第２の電極と第４の電極との距離が、それぞれΔｇだけ長くなるが、第３の電極と電極板との距離および第４の電極と電極板との距離が、それぞれΔｇだけ短くなる。このため、各距離の総和は変わらず、第１の電極から第２の電極に至る静電容量は、変化しない。このように、可動板が振動などで変動したとしても、当静電容量は変化せず、この結果、振動下などにおいても誤動作が生じないものである。
【００１２】
また、駆動電圧の印加によって可動板を固定板側のみに変位させるだけであるため、１本の制御線のみを設ければよい。このため、制御線を接続する電極パッドの面積も小さくてすみ、デバイス面積を小さくすることが可能となる。さらに、電極がグランドに接続されていないため、シャントキャパシタのみならず、線路用直列キャパシタとしても使用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明の実施の形態に係るデジタル可変容量ＭＥＭＳデバイスにおいて、駆動電圧が印加されていない状態を示す断面図である。
【図２】図１のデジタル可変容量ＭＥＭＳデバイスにおいて、駆動電圧が印加されている状態を示す断面図である。
【図３】従来の可変容量ＭＥＭＳデバイスにおいて、駆動電圧が印加されていない状態を示す断面図である。
【図４】図３の可変容量ＭＥＭＳデバイスにおいて、駆動電圧が印加されている状態を示す断面図である。
【図５】図３の状態における静電容量を示す等価回路図である。
【図６】図４の状態における静電容量を示す等価回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
【００１５】
図１は、この発明の実施の形態に係るデジタル可変容量ＭＥＭＳデバイス１において、駆動電圧が印加されていない状態を示す断面図である。このデジタル可変容量ＭＥＭＳデバイス１は、静電容量（ＲＦ容量）が可変なＭＥＭＳデバイスであり、図中上から順に、ＭＥＭＳ基板（固定板）２と、ＭＥＭＳブリッジ（可動板）３と、パッケージ基板４とが積層されて、構成されている。
【００１６】
ＭＥＭＳ基板２の一方（ＭＥＭＳブリッジ３側）の面には、第１の電極（固定電極）２１と第２の電極（固定電極）２２とが所定の距離を隔てて並列に配設され、また、第１の電極２１に隣接する第１の駆動電極２３と、第２の電極２２に隣接する第２の駆動電極２４とが配設されている。これらの電極２１〜２４の上面には、それぞれ層間誘電膜２１Ａ〜２４Ａが形成されている。ここで、第１の電極２１と第２の電極２２の電極面積（ＭＥＭＳブリッジ３に対向する面積）は、同面積Ｓに設定されている。
【００１７】
また、第１の電極２１と第２の電極２２との間には、導電性の第１の導体２５が配設され、第１の電極２１と第１の駆動電極２３との間には、導電性の第２の導体２６が配設され、第２の電極２２と第２の駆動電極２４との間には、導電性の第３の導体２７が配設されている。これらの導体２５〜２７は、後述するようにして、第１の電極２１と第２の電極２２とを接続する役割などを有している。
【００１８】
ＭＥＭＳブリッジ３は、ＭＥＭＳ基板２の電極２１〜２４側に対向して配設され、変形・変位自在な導電性の変位板３１と、電気絶縁性の絶縁板３２とを備えている。変位板３１は、断面が凹状で、ＭＥＭＳ基板２から所定の距離だけ隔てて配設されている。ここで、所定の距離は、振動などが与えられた場合であっても、後述する第３の電極３３と第４の電極３４とが、第１の電極２１と第２の電極２２とに接触しないように、設定されている。
【００１９】
変位板３１の中央部には、変位板３１を貫通するように絶縁板３２が配設され、さらに、この絶縁板３２を貫通して第３の電極（可動電極）３３と第４の電極（可動電極）３４とが、並列に配設されている。第３の電極３３は、第１の電極２１と対向して配設され、第４の電極３４は、第２の電極２２と対向して配設されている。また、第３の電極３３と第４の電極３４のＭＥＭＳ基板２側（図中上面側）の電極面積は、第１の電極２１と第２の電極２２の電極面積Ｓよりも大きく、第３の電極３３と第４の電極３４のパッケージ基板４側（図中下面側）の電極面積は、第１の電極２１と第２の電極２２の電極面積Ｓと同面積に設定されている。
【００２０】
このような第３の電極３３と第４の電極３４とは、絶縁板３２の絶縁中央部３２ａによって電気的に隔離されている。また、第３の電極３３の上面には、第１の導体２５と対向する導電性の第４の導体３５と、第２の導体２６と対向する導電性の第５の導体３６とが配設されている。同様に、第４の電極３４の上面には、第１の導体２５と対向する導電性の第６の導体３７と、第３の導体２７と対向する導電性の第７の導体３８とが配設されている。
【００２１】
そして、駆動電極２３、２４に駆動電圧が印加されると、図２に示すように、変位板３１がＭＥＭＳ基板２側に変位し、第４の導体３５と第６の導体３７とが第１の導体２５に接し、第５の導体３６と第７の導体３８とがそれぞれ、第２の導体２６と第３の導体２７とに接する。これと同時に、第３の電極３３が第１の電極２１の層間誘電膜２１Ａに接し、第４の電極３４が第２の電極２２の層間誘電膜２２Ａに接する。換言すると、このような接触・接続が行われるように、各導体２５〜２７、３５〜３８の厚み・高さが設定され、各導体２５〜２７、３５〜３８は、ストッパ・ゲタの役割を有してしている。
【００２２】
パッケージ基板４は、ＭＥＭＳブリッジ３の反ＭＥＭＳ基板２側（図中下側）に配設され、ＭＥＭＳブリッジ３に対向する面（図中上面）に、第３の電極３３および第４の電極３４と対向する電極板４１が配設されている。このようなパッケージ基板４は、バンプ４２を介してＭＥＭＳブリッジ３と対向して配設され、第３の電極３３および第４の電極３４と電極板４１とが、所定の距離だけ隔てられるようにバンプ４２の高さが設定されている。
【００２３】
ここで、各電極２１〜２４、３３、３４の材料として、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、ルビジウム（Ｒｕ）、白金（Ｐｔ）の単一物質、あるいは、これらの金属の合金が挙げられる。また、絶縁板３２の材料として、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ポリイミド、ベンゾシクロブテン、パラキシレン系ポリマー（商標名パリレン）の単一材料、あるいは、これらの絶縁物の積層体が挙げられる。
【００２４】
次に、このような構成のデジタル可変容量ＭＥＭＳデバイス１の作用などについて説明する。
【００２５】
まず、駆動電極２３、２４に駆動電圧が印加されない状態では、上記および図１に示すように、ＭＥＭＳブリッジ３は変位せず、第３の電極３３および第４の電極３４は、第１の電極２１および第２の電極２２から離れている。このとき、第１の電極２１の層間誘電膜２１Ａと第３の電極３３との距離を第１の隙間ｇ１、この隙間ｇ１における静電容量をＣ１とする。同様に、第３の電極３３と電極板４１との距離を第２の隙間ｇ２、この隙間ｇ２における静電容量をＣ２とし、第４の電極３４と電極板４１との距離を第３の隙間ｇ３、この隙間ｇ３における静電容量をＣ３とし、第２の電極２２の層間誘電膜２２Ａと第４の電極３４との距離を第４の隙間ｇ４、この隙間ｇ４における静電容量をＣ４とする。
【００２６】
このような状態では、第１の電極２１から第２の電極２２における総静電容量Ｃが、各隙間ｇ１〜ｇ４の総和に依存する。すなわち、各隙間ｇ１〜ｇ４における静電容量Ｃ１〜Ｃ４に依存し、各静電容量Ｃ１〜Ｃ４は、各隙間ｇ１〜ｇ４の距離に依存するため、総静電容量Ｃは、各隙間ｇ１〜ｇ４の総和に依存することになる。
【００２７】
具体的に、第１の電極２１から第２の電極２２における総静電容量Ｃは、例えば、次の式で算出される。
Ｃ＝ε０×εｒ×Ｓ÷{２ｄ＋εｒ×（ｇ１＋ｇ２＋ｇ３＋ｇ４）}
ε０：真空の誘電率
εｒ：層間誘電膜の比誘電率
Ｓ：上記の電極面積
ｄ：層間誘電膜の膜厚
【００２８】
ここで、外部からの振動などにより、ＭＥＭＳブリッジ３（変位板３１）がＭＥＭＳ基板２側にΔｇだけ変動した場合、第１の隙間ｇ１と第４の隙間ｇ４は、それぞれΔｇだけ短くなり、第２の隙間ｇ２と第３の隙間ｇ３は、それぞれΔｇだけ長くなる。このため、各隙間ｇ１〜ｇ４の総和は変わらず、第１の電極２１から第２の電極２２に至る総静電容量Ｃは、変化しない。すなわち、上記の式における（ｇ１＋ｇ２＋ｇ３＋ｇ４）が、
{（ｇ１−Δｇ）＋（ｇ２＋Δｇ）＋（ｇ３＋Δｇ）＋（ｇ４−Δｇ））}
＝（ｇ１＋ｇ２＋ｇ３＋ｇ４）となり、
総静電容量Ｃは、変化しない。
【００２９】
同様に、ＭＥＭＳブリッジ３がパッケージ基板４にΔｇだけ変動した場合、第１の隙間ｇ１と第４の隙間ｇ４は、それぞれΔｇだけ長くなり、第２の隙間ｇ２と第３の隙間ｇ３は、それぞれΔｇだけ短くなる。このため、各隙間ｇ１〜ｇ４の総和は変わらず、第１の電極２１から第２の電極２２に至る総静電容量Ｃは、変化しないものである。
【００３０】
一方、駆動電極２３、２４に駆動電圧が印加されると、上記および図２に示すように、ＭＥＭＳブリッジ３が変位して、第３の電極３３が第１の電極２１の層間誘電膜２１Ａに接し、第４の電極３４が第２の電極２２の層間誘電膜２２Ａに接する。と同時に、第４の導体３５と第６の導体３７とが第１の導体２５に接し、第５の導体３６と第７の導体３８とがそれぞれ、第２の導体２６と第３の導体２７とに接する。これにより、第３の電極３３と第４の電極３４とが、第４の導体３５、第１の導体２５および第６の導体３７を介して電気的に導通した状態となる。つまり、第３の電極３３と第４の電極３４とが、電気的に一体となる。
【００３１】
このような状態では、第１の電極２１から第２の電極２２に至る総静電容量Ｃは、第１の電極２１と第３の電極３３との間の静電容量および第２の電極２２と第４の電極３４との間の静電容量に依存する。すなわち、上記のように、第３の電極３３と第４の電極３４とが電気的に一体となっているため、第１の電極２１と第３の電極３３との間の静電容量、つまり、第１の層間誘電膜２１Ａの静電容量と、第２の電極２２と第４の電極３４との間の静電容量、つまり、第２の層間誘電膜２２Ａの静電容量とのみに、依存することになる。
【００３２】
具体的には、例えば、次の式で算出される。
Ｃ＝ε０×εｒ×Ｓ÷２ｄ
【００３３】
そして、各層間誘電膜２１Ａ、２２Ａの静電容量は、一定であるため、第１の電極２１から第２の電極２２に至る総静電容量Ｃは、一定値となるものである。すなわち、第３の電極３３と第１の層間誘電膜２１Ａ間、および第４の電極３４と第２の層間誘電膜２２Ａ間における粘性減衰係数が無限大になるため、ＭＥＭＳブリッジ３に加速度が加わっても変位が生じず、総静電容量Ｃは変化しない。
【００３４】
以上のように、本デジタル可変容量ＭＥＭＳデバイス１によれば、駆動電圧が印加されていない状態において、ＭＥＭＳブリッジ３が振動などによって変動したとしても、第１の電極２１から第２の電極２２に至る総静電容量Ｃは、変化しない。従って、駆動電圧が印加されない状態での総静電容量Ｃと、駆動電圧が印加された状態での総静電容量Ｃとが、それぞれ常に安定して一定となる。この結果、振動下などにおいても誤動作が生ぜず、安定した動作が確保されるものである。
【００３５】
また、駆動電圧の印加によってＭＥＭＳブリッジ３をＭＥＭＳ基板２側（一方側）のみに変位させるだけであるため、１本の制御線のみを設ければよい。このため、制御線を接続する電極パッドの面積も小さくてすみ、本デジタル可変容量ＭＥＭＳデバイス１の面積を小さくすることが可能となる。さらに、第３の電極３３および第４の電極３４がグランドに接続されていないため、シャントキャパシタのみならず、線路用直列キャパシタとしても使用することが可能である。
【００３６】
以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、第５の導体３６と第７の導体３８とを設けずに、これらの厚みだけ、第２の導体２６と第３の導体２７の厚みを厚くしてもよい。
【符号の説明】
【００３７】
１        デジタル可変容量ＭＥＭＳデバイス
２        ＭＥＭＳ基板（固定板）
２１      第１の電極
２２      第２の電極
２３      第１の駆動電極
２４      第２の駆動電極
２１Ａ〜２４Ａ  層間誘電膜
２５      第１の導体
２６      第２の導体
２７      第３の導体
３        ＭＥＭＳブリッジ（可動板）
３１      変位板
３２      絶縁板
３２ａ    絶縁中央部
３３      第３の電極
３４      第４の電極
３５      第４の導体
３６      第５の導体
３７      第６の導体
３８      第７の導体
４        パッケージ基板
４１      電極板
４２      バンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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