(57)【要約】  ＭＥＭＳチューナブル装置たとえば可変キャパシタにおいて、２つまたはそれよりも多くのチューナブルデバイスたとえば可変キャパシタと、複数のチューナブルデバイスをいっしょに結合する結合回路が設けられている。これによってチューニング信号に応じて可変の合成出力たとえば合成容量が供給される。結合回路は、チューニング信号における変化に対し装置の応答を変化させるためにリコンフィギュレーション可能であり、これによって用途の範囲を広げることができ、製造コストを低減可能であり、さらに設計におけるフレキシビリティを高めることができる。この装置には、制御信号により動作可能なピボット式ビームを設けることができ、このビームは、ピボットの両側に配置された電極と、ビームにおいてこの電極と対向する対応する固定電極を有しており、これによってスイッチまたは可変キャパシタのような２つまたはそれよりも多くの可変デバイスが提供され、これは２つまたはそれよりも多くのキャパシタについてビームの定められた動きにより電極の分離が同じ方向で生じるように構成されている。
2009521125.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つまたはそれよりも多くのチューナブルデバイスを有するチューナブル電子装置において、
前記チューナブルデバイス各々は、基準部材に対し移動可能な可動部材（４０，６０）を有しており、
前記２つまたはそれよりも多くのチューナブルデバイスは、マイクロエレクトロメカニカル構造体（３０）により機械的に作用して連結されており、
各チューナブルデバイスの応答は、前記基準部材に対し相対的な可動部材のポジションに依存し、
前記マイクロエレクトロメカニカル構造体（３０）は、チューナブルデバイスの可動部材を動かすために整合されていて、該チューナブルデバイスの応答をチューニング信号に従い変化させ、
前記２つまたはそれよりも多くのチューナブルデバイスを結合し該チューナブルデバイスの合成応答を供給するために結合回路が配置されており、
該結合回路は前記チューナブルデバイスの合成応答を変化させてチューニング信号において変化を生じさせるためにリコンフィギュレーション可能であることを特徴とする、
チューナブル電子装置。
【請求項２】
請求項１記載のチューナブル電子装置において、
前記結合回路は、前記チューナブルデバイスの直列接続、前記チューナブルデバイスの並列接続、前記チューナブルデバイスの直列接続と並列接続の組み合わせ、および逆の極性符号をもつ応答を有する前記チューナブルデバイスの接続のいずれかの間でスイッチングを行うことを特徴とする、
チューナブル電子装置。
【請求項３】
請求項１記載のチューナブル電子装置において、
前記２つまたはそれよりも多くのチューナブルデバイスは、可動部材と基準部材の分離、基準部材または可動部材のサイズ、チューニング信号に依存した可動部材と基準部材の分離の関係および材料パラメータのいずれか１つまたは複数において異なっていることを特徴とする、
チューナブル電子装置。
【請求項４】
請求項２記載のチューナブル電子装置において、
ＲＦ信号とともに使用するために整合されており、直列接続された前記チューナブルデバイスを介してＲＦ信号を供給するのに適した接続部が設けられていることを特徴とする、チューナブル電子装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項記載のチューナブル電子装置において、
前記チューナブルデバイスのうち少なくともいくつかは、定められたチューナブルデバイスにおける可動部材と基準部材の一方または両方に供給されるチューニング信号を有しており、前記部材は動作部材としておよび応答供給のために使用されることを特徴とする、チューナブル電子装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項記載のチューナブル電子装置において、
前記２つまたはそれよりも多くの可動部材のために共有されるマイクロエレクトロメカニカル構造体が設けられていることを特徴とする、チューナブル電子装置。
【請求項７】
請求項６記載のチューナブル電子装置において、
前記共有されるマイクロエレクトロメカニカル構造体はピボット式ビームを有しており、前記可動電極はピボットの両側に配置されていることを特徴とする、チューナブル電子装置。
【請求項８】
請求項７記載のチューナブル電子装置において、
対応する基準部材が設けられていて、前記チューナブルデバイスは前記ビームの定められた動きに対し同じ極性符号で応答することを特徴とする、チューナブル電子装置。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項記載のチューナブル電子装置において、
前記チューナブルデバイスは可変インピーダンスまたはセンサであることを特徴とする、チューナブル電子装置。
【請求項１０】
請求項９記載のチューナブル電子装置において、
前記可変インピーダンスは可変の抵抗またはキャパシタまたはインダクタであることを特徴とする、チューナブル電子装置。
【請求項１１】
ＲＦ集積回路において、
請求項１から１０のいずれか１項記載の１つまたは複数のチューナブル電子装置を有することを特徴とする、ＲＦ集積回路。
【請求項１２】
請求項１１記載のＲＦ集積回路の製造方法において、
２つまたはそれよりも多くのチューナブルデバイスを形成するステップと、
チューニング信号における変化に対し合成応答による応答を変化させるためにリコンフィギュレーション可能な結合回路を形成するステップ
を有することを特徴とする、ＲＦ集積回路の製造方法。
【請求項１３】
チューナブル電子装置のリコンフィギュレーション方法において、
前記チューナブル電子装置は、２つまたはそれよりも多くのチューナブルデバイスと、該チューナブルデバイスをいっしょに結合して該チューナブルデバイスの合成応答を供給するための結合回路を有しており、
前記チューナブルデバイス各々は可動部材（４０，６０）と基準部材を有しており、
前記２つまたはそれよりも多くのチューナブルデバイスは、前記可動部材を前記基準部材に対し相対的に動かすために、マイクロエレクトロメカニカル構造体（３０）により機械的に作用させて連結されていて、チューニング信号に従い前記チューナブルデバイスの応答を変化させ、
前記チューニング信号における変化に対し前記チューナブル電子装置の合成応答を変化させるため、前記結合回路をリコンフィギュレーションするステップが設けられていることを特徴とする、
チューナブル電子装置のリコンフィギュレーション方法。
【請求項１４】
マイクロエレクトロメカニカル構造装置において、
制御信号により動作可能なピボット式ビーム（３０）が設けられており、
２つまたはそれよりも多くの可変デバイスを形成するため該ピボット式ビーム（３０）は、ピボットの両側に設けられ該ビームとともに動く可動部材と、該ビームにおいて前記可動部材と対向する対応する基準部材（５０，７０）を有しており、
前記ビームの定められた動きにより、前記２つまたはそれよりも多くの可変デバイスに対し同じ方向で電極を分離させることを特徴とする、
マイクロエレクトロメカニカル構造装置。
【請求項１５】
請求項１４記載のマイクロエレクトロメカニカル構造装置において、
前記可変デバイスはスイッチまたはインピーダンスであることを特徴とする、マイクロエレクトロメカニカル構造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえばキャパシタ、抵抗、インダクタまたはセンサなどインピーダンスのようなチューナブル装置を有するチューナブル電子装置、ＭＥＭＳデバイス、この種のＭＥＭＳデバイスを組み込んだ集積回路および装置、ならびにこれらに対応する方法に関する。
【０００２】
"ＭＥＭＳ"（Micro-electromechanical system or structure or switchマイクロエレクトロメカニカルシステムまたは構造またはスイッチ）とういう用語は、様々なデバイスを包含することができる。ＭＥＭＳデバイスの一般的な構成には、第２の電極と対向して配置された第１の電極を備えた自立型のビームないしは梁が含まれている。第１の電極と第２の電極はエアギャップにより相互に分離されている。静電力を生じさせる動作電圧の印加によって、第１の電極を第２の電極へ向かって、あるいは第２の電極から離れるよう、動かすことができる（基本的に誘導力や熱膨張力またはピエゾ電気力といった他の力も利用できる）。よって用語ＭＥＭＳには、ピエゾマイクロエレクトロメカニカルも含むものとする。いくつかの一般的な適用事例として以下のものが挙げられる：
−（特定の形式の膜を使った）マイクロフォンまたはスピーカとしての利用
−センサたとえば空気圧センサとしての利用
−共振器としての利用
−ディスプレイにおけるピクセルスイッチとしての利用またはオプティカルスイッチ用ミラーの駆動
−ＲＦアプリケーションにおける利用たとえばスイッチまたは可変容量としての利用商業ベースで重要な適用事例の１つは、電話機またはコンピュータのような移動無線デバイスのフロントエンドに集積されたバンドスイッチングとの可変インピーダンスマッチングのために利用することである。
【０００３】
電気的に調整可能ないしはチューニング可能なコンポーネントおよび回路は、このような用途に対して需要がある。適切な制御信号（たとえば直流の振幅）を供給することにより、この制御信号に応答してあらゆる周波数について異なる容量値が与えられるよう、コンポーネントの特性（たとえばキャパシタの容量）を変化させることができる。この種の特性をもつ典型的なコンポーネントはたとえばバラクタダイオード、ピンダイオード（スイッチング可能）、ホトレジスタ等である。特にピンダイオードおよびバラクタダイオードは、最近の無線周波数モジュールにおいて使用されている。ただし典型的にはこれらのコンポーネントは比較的大きい損失といった何らかの欠点を有しており、これらのコンポーネントのためには大きい制御信号振幅が必要とされる。
【０００４】
ＭＥＭＳスイッチおよびスイッチはチューニングのためにもスイッチングのためにも利用できることが見出されている。それ相応に設計されたＭＥＭＳデバイスの可動部分を連続的に可変の距離だけ動かすことができ、それによってキャパシタのプレートまたは電極の分離状態が変化し、ひいてはこれによってキャパシタの容量に作用が及ぼされる。他の半導体コンポーネント（たとえばバラクタダイオードなど）と比較してＭＥＭＳのもつ利点とは、その損失がきわめて小さくなることであり、この利点は無線周波数回路やその他の用途に関して重要なことである。
【０００５】
ただしＭＥＭＳはいくつかの欠点を有している。チューニングレンジが比較的小さい。さらに慣用のＭＥＭＳデザインであると、容量特性における線形の勾配を生じさせるのも難しい。
【０００６】
WO2004/000717には、ＭＥＭＳデバイスを利用した可変キャパシタの一例が示されている。そこには、電極間のギャップが小さくなると容量が増大することが記載されている。この場合、機械的なばね力によって動きが制限されており、この力は可動電極が辿る距離に正比例している。しかしながら静電的な吸引力は、可動電極が動いたときのギャップの変化に対し非線形の関係を有している。したがって、引力がばね力に打ち勝って電極がいっしょに合わさるポイントが存在する。これが生じる制御電圧を「プル・イン」電圧ＶPIと称する。さらに上述の文献には、この制約によって容量整合比が１．５〜１に制限されることも記載されており、これは多くの適用事例にとって不十分なものである。この比を大きくするために知られているのは、キャパシタおよび静電力のために別個の電極を設けることであり、その際、キャパシタ電極のギャップがいっそう小さくされる。電極間のギャップがその初期サイズの３分の１まで低減されると、プルイン電圧を発生させることができ、電極は互いに接近する。この場合、リリースを可能にするためには動作電圧をさらに下げる必要がある。
【０００７】
ＭＥＭＳスイッチの主な故障メカニズムの１つとして挙げられるのは静止摩擦であり、この場合、動作電圧が除かれたときにビームまたは膜が対向電極から離れない。このような静止摩擦が主として発生するのは、可動の作動ステージと基板との間に湿気または異物が存在するときである。静止摩擦は、使用中または製造プロセス中に発生する可能性がある。接触面にコーティングを施したり表面を粗くする処理たとえばディンプリングないしは微細くぼみ形成処理などを施すことで、静止摩擦に対処することが知られている。また、ギャップが閉鎖されたときに屈曲部材の反発力を急激に急勾配で増大させるためにストッパを使用することができ、これにより可動部材のこう着を効果的に回避できる非線形の復帰力が与えられる。小さいＭＥＭＳキャパシタのためには殊に小さい面積が必要とされるため、動作力がいっそう小さくなり、剛性ｋの値が著しく小さいきわめて従順ないしはコンプライアントなばねが必要とされる。小さいｋの値を達成するためにはこれらのばねは著しく長くなければならないので、それによっていっそう大きい面積が占められてしまい、これはコストに関して効率的ではない。長いばねによりキャパシタに対しいっそう大きな直列抵抗と直列インダクタンスが加わることになり、殊にばねがＲＦ信号を搬送する場合、このことは望ましくない。ばね定数の小さいばねを用いたデバイスは、クローズ状態におけるデバイスの静止摩擦に起因していっそう故障しやすい。この力がばね力よりも大きいと故障が発生する。
【０００８】
Fstiction > Fspring = kg
静止摩擦力に対する物理的な出所は誘電体においてトラップされた電荷であり、電極間に湿気が存在するときに表面力または毛管力の間に生じるファンデルワールス力van der Waal forceである。
【０００９】
US 6040611によれば、ＭＥＭＳデバイスに旋回式ないしはピボット式のビームないしは梁においてアンカーの両側で電極を設けることが知られている。ビームのポジションはアンカーの両側で動作電圧を加えることにより制御されるので、スイッチング周波数はこの電圧により制御される。このためスイッチング周波数を、カンチレバービームの剛性には依存せずに著しく高めることができる。
【００１０】
本発明の課題は、キャパシタ、抵抗、インダクタ、センサなど改善されたチューナブル装置を提供すること、ＭＥＭＳデバイスを提供すること、この種のＭＥＭＳデバイスを組み込んだ集積回路および装置を提供すること、さらにこれらに対応する方法を提供することである。
【００１１】
第１の観点によれば本発明は以下のように構成されている。チューナブル電子装置は２つまたはそれよりも多くのチューナブルデバイスを有している。この場合、チューナブルデバイス各々は、基準部材に対し移動可能な可動部材を有している。上述の２つまたはそれよりも多くのチューナブルデバイスは、マイクロエレクトロメカニカル構造体により機械的に作用して連結されており、各チューナブルデバイスの応答は、基準部材に対し相対的な可動部材のポジションに依存し、マイクロエレクトロメカニカル構造体は、チューナブルデバイスの可動部材を動かすために整合されており、これによってチューナブルデバイスの応答をチューニング信号に従い変化させる。さらに上述の２つまたはそれよりも多くのチューナブルデバイスを結合しそれらのチューナブルデバイスの合成応答を供給するために結合回路が配置されている。この結合回路は、チューナブルデバイスの合成応答を変化させてチューニング信号において変化を生じさせるためにリコンフィギュレーション可能ないしは再構成可能である。この場合、上述のチューナブルデバイスを可変インピーダンスたとえばキャパシタ、抵抗、インピーダンスなどとすることができ、あるいはセンサとしてもよい。リコンフィギュレーション可能な回路は、慣用のチューナブルＭＥＭＳデバイスの複数の欠点うち少なくとも１つの欠点を克服するのに役立つ。たとえばこれによってばねの長さひいては直列抵抗および直列インダクタンス、静止摩擦が低減されて、適用範囲を広げることができるようになり、さらに製造コストを低減することができ、しかも設計におけるフレキシビリティを高めることができる。
【００１２】
いくつかの実施形態における付加的な特徴によれば、結合回路は以下のいずれかの間でスイッチングを行うよう構成されている。すなわち、チューナブルデバイスたとえば可変インピーダンスの直列接続、チューナブルデバイスたとえば可変インピーダンスの並列接続、チューナブルデバイスの直列接続と並列接続の組み合わせ、および逆の極性符号をもつ応答を有するチューナブルデバイスたとえば可変デバイスの接続のいずれかの間で、スイッチングを行うように構成されている。応答の勾配を整合させることのできるいくつかの好適な手法がある。
【００１３】
これとは別のこの種の付加的な特徴によれば、２つのチューナブルデバイスたとえば可変インピーダンスは以下に挙げる点のいずれか１つまたは複数の点で異なっている：分離距離たとえば可動部材と基準部材との間の分離状態、サイズたとえば可動部材と基準部材のサイズ、可動部材と基準部材との間の分離距離とチューニング信号との関係、装置の製造に使用される材料パラメータ。このことは、合成応答特性たとえば合成インピーダンスの特性制御をいっそう大きくできるようにするのに役立つ。
【００１４】
いくつかの実施形態による付加的な特徴によれば、チューナブル装置たとえばキャパシタなどの可変インピーダンスは、ＲＦ信号とともに使用するために整合されており、直列接続されたチューナブルデバイスたとえばキャパシタなどの可変インピーダンスを介してＲＦ信号を供給するのに適した接続部を有している。これはとりわけ価値のある適用分野である。
【００１５】
いくつかの実施形態による付加的な特徴によれば、複数のチューナブルデバイスたとえばキャパシタのような可変インピーダンスのうち少なくともいくつかは、可動部材と基準部材を動作電極として使用するために、定められたチューニングデバイスたとえばキャパシタのような可変インピーダンスにおける可動部材と基準部材の一方または両方に供給されるチューニング信号を有している。さらにこのことを、可動部材と基準部材を応答電極たとえばキャパシタ電極などのようなインピーダンスの電極として使用するためのものとすることができる。これによって、制約のあるスペースをいっそう良好に使用することができる。
【００１６】
いくつかの実施形態における付加的な特徴によれば、可変部材のうち２つまたはそれよりも多くの可変部材のために、マイクロエレクトロメカニカル構造が共有される。これにより構造を小さくすることができる。その理由は、必要とされる支持体が少なくなるからであり、２倍の動作力が得られることからばね定数を低減できるからである。これによって各支持体を小さくすることができ、したがって支持体の直列電気抵抗が小さくなる。
【００１７】
いくつかの実施形態における付加的な特徴によれば上述の共有される構造は、ピボット式ビームと、ピボットの両側に配置された可動部材を有している。つまりこのことは、１つのビームの撓みにのみ基づくカンチレバー機構よりも長さを短くすることが可能であることを意味する。これによってスペースを節約することができ、さらに低速のスイッチング速度といった他の問題点も少なくすることができる。
【００１８】
これとは別のこの種の特徴によれば、２つのチューナブルデバイスたとえばキャパシタのようなインピーダンスが定められたビームの動きに対し同じ極性符号で応答するよう、対応する基準部材たとえば固定電極が配置される。これによって、チューナブル装置の合成出力応答たとえば合成容量のような合成インピーダンスにおいて急峻な勾配を形成することができる。
【００１９】
別の観点によれば、上述の形式をもつ１つまたは複数のチューナブル装置を有するＲＦ集積回路が提供される。
【００２０】
さらに別の観点によれば、この種の集積回路の製造方法が提供される。
【００２１】
さらに別の観点によれば、この種の集積回路を利用したチューニング方法が提供される。
【００２２】
さらに別の観点によれば、マイクロエレクトロメカニカル構造装置が提供される。この装置には、制御信号により動作可能なピボット式ビームが設けられており、このビームは、ピボットの両側に配置された電極と、ビームにおいてこの電極と対向する対応する固定電極を有しており、これによって２つまたはそれよりも多くの可変デバイスたとえばスイッチ、またはキャパシタ、抵抗、インダクタといった可変インピーダンス、あるいはセンサが提供され、これはビームの定められた動きにより電極の分離が同じ方向で生じるように構成されている。
【００２３】
分離状態の変化が逆方向ではなく同じ方向であることによって、チューナブルデバイスたとえばキャパシタのような可変インピーダンスに関していっそう急峻な応答を形成できるようにするのに役立ち、あるいはスイッチに関してダブルポールないしは二極のスイッチング動作を可能にするのに役立つ。１つのビームを２つまたはそれよりも多くのデバイスのために共有することにより、構造を小さくすることができる。その理由は、必要とされる支持体が少なくなるからであり、２倍の動作力が得られることからばね定数を低減できるからである。これによって各支持体を小さくすることができ、したがって支持体の直列電気抵抗が小さくなる。ピボット式ビームによれば、１つのビームの撓みにのみ基づくカンチレバー機構よりも長さを短くすることができるようになる。これによってスペースを節約することができ、さらに低速のスイッチング速度といった他の問題点も少なくすることができる。
【００２４】
これら付加的な特徴のいずれも互いに組み合わせることができ、本発明のどのような観点とも組み合わせることができる。その他の利点殊に他の従来技術と比較したその他の利点は、当業者にとって明らかである。本発明の特許請求の範囲を逸脱することなく、数多くの変更や変形を施すことができる。したがって本発明の実施形態は例証にすぎず、本発明の範囲の制限を意図するものではないことは自明である。次に、本発明をどのように実施できるのかについて、添付の図面を参照しながら実施例に基づき説明する。
【００２５】
本発明の有利な実施形態を示す添付の図面を参照することで、本発明の特徴に対しさらに理解が深まることになる。
【００２６】
図１は公知の装置を示す図である。
図２〜図４は本発明の実施形態を示す図である。
図５は、それぞれ異なる勾配を有する特性をもつ合成容量を示すグラフである。
図６〜図１０は本発明の実施形態を示す図である。
図１１は公知のＭＥＭＳ構造を示す図である。
【００２７】
次に、特定の実施形態に基づきいくつかの図面を参照しながら本発明について説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって規定されるものである。また、特許請求の範囲に記載されたいかなる参照符号も、範囲の制限を意図するものではない。上述の図面は概略的なものにすぎず、それらに限定されるものではない。さらに図中、いくつかの部材のサイズは誇張されている可能性があり、例証目的であるためスケールどおりには描かれていない。発明の詳細な説明ならびに特許請求の範囲において用語「有する」「含む」ないしは「〜構成されている」が使用されているけれども、この場合、他の部材あるいはステップが除外されるわけではない。また、たとえば「１つの」または「この」「その」など、単数名詞について言及するときには不定冠詞または定冠詞が用いられるけれども、何か他に特別に言及していないかぎり、これにはその名詞の複数形が含まれる。
【００２８】
さらに発明の詳細な説明および特許請求の範囲において、類似の部材を区別するために用語「第１」「第２」「第３」等が用いられるが、これらは必ずしも連続的な順序あるいは時間順を記述するものではない。なお、このようにして使われる用語は適切な状況のもとでは置き換え可能であること、ここで説明する本発明の実施形態をここで述べるものとは別の順序で動作させることができることは自明である。
【００２９】
実施形態のうち少なくともいくつかは以下の認識に基づくものである。すなわち、可変インピーダンスのようなチューナブル装置たとえばチューナブルキャパシタ装置などにおいて、装置の出力応答特性たとえば装置の容量を制御信号に依存していっそう急峻にすることができるか、または急峻さを抑えることができるならば、そして有利には装置の容量が調整可能であれば、いくつかの用途のために有用となる、という認識に基づいている。したがってこれらの実施形態によれば、ＭＥＭＳテクノロジに基づくチューナブルコンポーネントの新たな構成が呈示され、これは上述の欠点に取り組むことができるものであり、あるいはそれらを相殺できるものである。新たな装置によれば、チューニング特性をそのチューニングレンジにおいて適応させることができ、その勾配を要求どおり条件に適合させることができる。さらにＭＥＭＳにおける可動部分の長さを著しく低減することができ、その結果、所定の振れを達成するためにいっそう低い電圧を使用することができる。
【００３０】
以下では本発明を主として可変キャパシタを参照しながら説明するけれども、本発明はそれに限定されるものではない。たとえば本発明を汎用的に他のチューナブルデバイスたとえば可変インピーダンスなどに、あるいはセンサに適用することができる。
【００３１】
まずは導入として、公知のＭＥＭＳ構造を図１に略示する。原理をいっそう明確に説明する目的で、制御信号の接続部については省略した。適切な制御信号（たとえばまえもって規定された振幅をもつ直流）に応答し、アームの振れが引き起こされることにより、ＭＥＭＳの可動部分がまえもって規定されたポジションに動かされる。そのようにすることで、可動部分自体とさらに別の接点とを介して導電性の接続が形成されている。
【００３２】
チューナブルコンポーネントを形成するため運動特性つまりは容量の変化に対して、可動部分（アーム）における電極２０と固定電極１０との間の分離状態が連続的に変えられることによって、変更が加えられる。その結果、上述の２つの導電性接点間の容量が分離状態の関数として変化することになる。きわめて簡単に表現すれば、図１による構成の容量をプレートキャパシタに関する簡単な式に従い計算することができる。
【００３３】
【数１】
2009521125.tif 000003
ここでε0は真空の誘電率ε0 = 8.85・10-15As/Vmを表し、
εrは２つのスイッチング接点間における媒体の相対的誘電率を表し、
Aはスイッチング接点の表面積を表し、
ｄは２つのスイッチング接点間の距離を表す。
【００３４】
図１１には、慣用の容量性ＲＦ ＭＥＭＳキャパシタにおける機械的および電気的な接続部が略示されている。電極ｅ１は基板に固定されており、電極ｅ２は基板に関して可動であり、総ばね定数ｋをもつばねによって懸架されている。このばねは導電性であり、デバイスが適用される回路を表すＲＦ源とＭＥＭＳデバイスを作動させるＤＣ源とに対する電気的な接続部を形成している。固定電極ｅ１の頂部に、誘電率ｅdであり厚さｇdの誘電層が配置されている。ばねが弛緩すると、誘電層頂部と頂部電極ｅ２の底部との間に距離ｇのエアギャップが生じる。
【００３５】
本発明の基礎として利用可能であり本発明の新規の特徴も含む２つの共通の構造は以下のとおりである：
１．シリコン基板のような半導体材料基板におけるＭＥＭＳ構造このケースでは電極は基板表面に対し垂直方向に配向されている。この構造は典型的にはセンサおよび共振器の用途に利用される（他の用途も除外されない）。
２．薄膜素子としてのＭＥＭＳ構造この場合、ビームないしは梁は基板に対し実質的に平行に配向される。このタイプのＭＥＭＳ構造は典型的にはＲＦ ＭＥＭＳのために使用される。ビームに関して少なくとも２つの構造がある：
−二重にクランプされたビーム（２つまたはそれよりも多くの辺で基板表面に接続されているビーム、このため基板に対する振れはビーム中央で発生する）
−単一個所でクランプされたビーム（このケースでは基板に対する振れはビーム端部で発生する）
【００３６】
ビームないしは梁には一般にホールが設けられており、これはエアギャップ形成のためビームと基板との間における犠牲層のエッチングのために設けられる。これらのホールは、ビーム開閉動作中にビームと基板との間のキャビティへまたはキャビティから空気を流すことができるため、空気制動の低減にも役立つ。ただしビームを基板に取り付ける製造技術があるため、その場合にはエッチングのためにホールは不要である。さらに、頂部電極と底部電極との間の中間層を成すビームを使用することも可能である。
【００３７】
図２には本発明の第１の実施形態として、１つまたは複数の可動アームを有するＭＥＭＳ構造を備えたチューナブル電子装置が示されている。付加的なアーム（図２の左側に示す）は、有利には機械的に作用するよう第１のアームと連結されている。たとえばこの付加的なアームを、ピボット式のビーム３０を実現するため（図２の右側における）第１のアームに取り付けることができる。つまり、もともとの（右側の）アームが（適切な制御信号により）動かされるとただちに、第２のアーム（左側）の運動が発生することになる。よってこれら２つのアームは、ＭＥＭＳ構造により機械的に作用するよう連結されている。さらに、１つのピボット式ではなくそれぞれ独立して制御可能な２つの別個の可動アームを有する択一的な構造も考えられる。図１１に示した既述の例を、ピボット式ビームに対する代案として適用することができる。
【００３８】
２つのアームは１つのピボットで支持される１つのビームを成し、これら２つのアームは、それらの運動方向が相補的となるよう制御される。換言すれば、右側のアームが下がると左側が上がる（およびその逆のことが行われる）。これらのアームは、スイッチまたはチューナブルデバイスのような可変のデバイスたとえばキャパシタのような可変インピーダンスを形成するために、固定電極５０，７０と向き合って配置された電極４０，６０を有している。ピボットの両側に可変のデバイスたとえばキャパシタが配置されているので、ビームの所定の運動について両方の容量は同じ方向に変化し、したがって容量特性は同じ極性符号の勾配をもつことになる。
【００３９】
たとえば距離ｄ1が小さくなると距離ｄ2も小さくなり、距離ｄ1が大きくなると距離ｄ2も大きくなる。そこでこの装置を、適切な手法でチューニングコンポーネントにおける２つのキャパシタの合成容量特性ないしは組み合わせられた容量特性を変化させるために使用することができる。機械的に作用するよう連結することに加え、可変デバイスが電気的に結合されて、組み合わせられた出力応答ないしは合成出力応答を生じさせる。２つの出力特性を種々の手法で組み合わせることができ、これはたとえば電気的なスイッチによる選択によって行うことができる。図３および図４には、２つの異なる形式による接続の組み合わせたとえばスイッチングの組み合わせについて示されている。図３には２つのキャパシタの直列接続が示されており、図４には２つのキャパシタの並列接続が示されている。
【００４０】
これら２つの形式の接続を組み合わせた結果、この種のコンポーネントの出力応答全体に対し２つの異なる値または特性たとえば容量が生じることになる。理想的な対称の設計であると単純化して仮定すると以下のことが成り立つ：
d = d1 = d2, A = A1 = A2であり同様にεr = ε1 = ε2 （さらにε=ε0εr,x)
このケースでは、キャパシタ回路の総容量を次式に従い計算することができる：
１．直列接続
【数２】
2009521125.tif 000004
２．並列接続
【数３】
2009521125.tif 000005
【００４１】
これと比較して、図１に示したような単純なキャパシタに関する単純化した式は以下のとおりである：
【数４】
2009521125.tif 000006
【００４２】
総容量の計算式からわかるように、上述の式は単純なキャパシタの計算と比べていくつかの係数a0 (a0 = 1/2 および／または a0 = 2)において異なっている。この係数は基本的に、プレートの距離ｄの関数として容量変化の勾配を規定するものである。
【００４３】
電極の分離状態を可変のパラメータとして考慮する際、単純なキャパシタにおける容量はl/dに比例する関係となる。しかしながら図３または図４の実施形態による構成によれば、直列接続の場合には1/2 1/dに従った容量の依存関係となり、および／または並列接続の場合には2 l/d、あるいは一般にa0 * l/dの依存関係となる。図５のグラフには、容量の種々の変化が電極の分離状態dおよびパラメータa0の関数として示されている。
【００４４】
それゆえ新規の構成に基づき、分離状態dに依存する合成出力応答たとえば容量の変化に対し、２つの可変デバイスたとえばキャパシタの接続をスイッチングすることで変更を加えることができ、これにより合成出力応答特性たとえば容量について、いっそう急峻な勾配（a0 = 2）または急峻さの抑えられた勾配（a0 = 1/2）を達成することができる。
【００４５】
さらに別の実施形態によれば、チューナブル電子装置における可変デバイスたとえばキャパシタンスの組み合わせのバリエーションが用いられる。係数ａ0に対し、例として挙げられた２つの値1/2および／または２のほかに、他の任意の値をとらせることができる。この目的で以下の可能性があり、これらは組み合わせて適用しやすいものである：
１．種々のプレート分離状態dx
２．種々のプレートサイズAx
３．分離状態とチューニング信号との関係を変化させるための可動アーム（てこ作用によるアーム）の種々の長さlx
４．種々の材料パラメータεr,x
【００４６】
さらに別の実施形態によれば、２つよりも多くの可変デバイスたとえばキャパシタが（たとえば半導体基板またはＰＣＢプレーン上で）組み合わせられ（いっしょに接続され）、係数a0をさらに変化させることができる：
図６に示すｎ回折り曲げた直列接続の場合：a0 = l/n * 1/2
図７に示すｎ回折り曲げた直列接続の場合：a0 = n * 2
（ｎは正の整数を表す）
【００４７】
直列接続を並列接続と組み合わせることもでき（図８に示す）、完全に対称的な設計であれば比較的単純な実施形態ではこれによって出力応答たとえば容量の等しい変化がもたらされ（1/2 *2 = 1）、さらに応答周波数のシフトといった他の利点も得られる。非対称的な設計のケースでは、基本的にあらゆる任意のa0値を実現することができる。
【００４８】
さらに基本的に並列接続または直列接続（あるいは混合の組み合わせ）によるさらに別の組み合わせは、出力特性に対し逆の勾配特性をもつ１つまたは複数の可変デバイスたとえばキャパシタを追加することである。これは電極をビームの両側に配置することにより実現可能であり、この場合、分離状態d1が増加すると（キャパシタのC1の低減）、距離d2が低減し（キャパシタC2の増大）、さらにその逆のことが生じるようになる。
【００４９】
このような組み合わせによれば、電極分離状態の関数としての組み合わせられた出力応答たとえば容量の変化に対し、さらに変更を加えることができる。特にいくつかの組み合わせによれば、いっそう微細なチューニングのためにチューニングコンポーネントにより合成出力応答たとえばキャパシタンスを著しく僅かに変化させることができるようになる。
【００５０】
図９には、チューナブル電子装置のさらに別の実施形態が示されている。このケースによれば、図示のとおり電極をスイッチまたはキャパシタとして使用することができる。電極分離状態に依存した容量を変化を無視し、接点プレート間における固定接点の２つの２つの最終状態だけを考察するならば、この構造をデュアルポールスイッチ（図９）として動作させることができる。択一的に、デュアルスイッチの対応するスイッチング接点をバイパスして同時に使用すれば、現在の最大負荷容量を２倍にすることができる。スイッチ（たとえばパワーアンプ）を介して大きい電流が流れる場合、この装置はハイパワーの用途に役立つ。このようにして、デュアルキャパシタおよび／またはデュアルチューニング機能を実現することもできる。
【００５１】
スイッチの接続領域を図１０に示したように配置すれば、トグルスイッチとしての用途も実現できる。たとえばキャパシタ、インダクタ、抵抗またはセンサのような可変デバイスの回路あるいは一般的な回路技術により知られているスイッチの組み合わせと類似した複数の組み合わせも、同様に実現できる。図１０によればスイッチＳ１およびＳ２が設けられており、これらの一方の極はビームに取り付けられている。ビームの動作によって、「ダブルスイッチングdouble switching」機能が形成される。
【００５２】
マイクロメカニカル構造を形成するために慣用のプロセスを使用することができる。US 6040611には実現可能なピボットの実装の詳細について示されている。これまで基板に対し垂直方向に可動である部材について述べてきたけれども、基本的に動きを平行にすることもでき、あるいは平行なコンポーネントを設けることもできる。
【００５３】
本発明によるデバイスはアンテナ整合、バンドスイッチングおよび移動電話機用のアダプティブアンテナにおける他の用途といった適用事例のために役立つ可能性があり、特にこのような適用事例においては、プルインなしで高いＲＦ電圧を扱えることが重要である。他の適用事例として挙げられるのはたとえば、ＲＦ信号エレクトロニクスまたは高出力ＲＦシステムあるいは他の移動電話機回路またはワイヤレスモバイルコンピューティングなどである。様々なプログラマブルデバイスの開発に利用可能なＭＥＭＳキャパシタデバイスを製造することができ、たとえばリコンフィギュラブル無線システムなどにおいて、線形および非線形両方の高周波回路（ＬＮＡ、ミキサ、ＶＣＯ、ＰＡ、フィルタ等）の開発に利用することができる。
【００５４】
これまで本発明による装置に関して有利な実施形態、特定の構造および構成ならびに材料について説明してきたけれども、本発明の範囲や着想を逸脱することなく、形状および細部における種々の変更や変形が可能である。例を挙げると本発明には、たとえばＭＥＭＳビームの一方の側に配置されたフェライト材料を使用して形成されたチューナブルインダクタが含まれ、スパイラル形状またはメアンダ形状の導電性インダクタ構造が適用され、これはたとえばビームに対向する下方の基板上にプリントされる。可変インダクタを形成する目的で、フェライトと導電性構造と間の距離を変化させるよう制御回路を適合させることができ、この可変インダクタはフェライトと導電性部材を分離する距離の関数として可変である。さらに例を挙げると本発明には、たとえばＭＥＭＳビームの一方の側に配置された磁気材料を使用して形成されたチューナブル抵抗が含まれ、磁気抵抗性の導電性構造がビームに対向する下方の基板の上に設けられる。可変抵抗を形成する目的で、マグネットと導電性構造と間の距離を変化させるよう制御回路を適合させることができ、この可変抵抗はマグネットと導電性部材とを分離する距離の関数として可変である。さらに本発明は、センサたとえばホールセンサなどを可動ＭＥＭＳ構造における磁気材料に対向して配置することにも関する。その際、磁気材料をホールセンサに向かっておよびホールセンサから離れるように動かすことによって、上述のようにその合成出力ないしは組み合わせられた出力が変化することになる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】公知の装置を示す図
【図２】本発明の実施形態を示す図
【図３】本発明の実施形態を示す図
【図４】本発明の実施形態を示す図
【図５】それぞれ異なる勾配を有する特性をもつ合成容量を示すグラフ
【図６】本発明の実施形態を示す図
【図７】本発明の実施形態を示す図
【図８】本発明の実施形態を示す図
【図９】本発明の実施形態を示す図
【図１０】本発明の実施形態を示す図
【図１１】公知のＭＥＭＳ構造を示す図
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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