(57)【要約】【課題】マイクロキャパシタの欠点を改善することと、特に、低い電気的作動電圧で動作し、安定した容量および広い容量変化範囲を与える可変容量電気機械的マイクロキャパシタを提供する。【解決手段】第１の電極（６）は、基板（４）に固定された支持体にしっかりと取り付けられた両端（２）を有する梁（１）と一体的である。残留応力は、梁のアーチ（１０）が少なくとも１個の第２の電極（７）に接近するように、梁の曲げを引き起こす。支持体は、円環（３）の中心を通る固定軸上で円環の両側のそれぞれに配置された２つの固定ベース（５）を用いて基板に固定された円環によって形成され、梁は固定軸に直交する円環の直径上に配置される。円環は固定軸に沿って引張応力を受ける少なくとも１層を含む。梁は梁の長軸に沿って圧縮応力を受ける少なくとも１層を含む。第２の電極は付加的な支持体（８）と一体的であり、梁は基板と第２の電極（７）との間に配置される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気的作動電圧に従う可変容量を有し、第１の電極（６）および第２の電極（７）を少なくとも備え、該第１の電極（６）が基板（４）の上に固定された支持体（Ｓ）にしっかりと取り付けられた２つの端（２）を有する梁（１）と一体的である、電気機械的マイクロキャパシタであって、
前記梁（１）のアーチ（１０）が前記第２の電極（７）の近傍であるように、残留応力が前記梁（１）の曲げを引き起こす、電気機械的マイクロキャパシタ。
【請求項２】
前記梁（１）は、前記第２の電極（７）に対向して配置された絶縁層（１１）を備えることを特徴とする請求項１に記載のマイクロキャパシタ。
【請求項３】
前記梁（１）の前記アーチ（１０）は、前記第２の電極（７）と接触することを特徴とする請求項２に記載のマイクロキャパシタ。
【請求項４】
前記支持体は、２つの固定ベース（５）を用いて前記基板（４）に固定された円環（３）によって形成され、その２つの固定ベース（５）は前記円環（３）の中心（Ｐ）を通る固定軸（Ａ−Ａ）上で前記円環（３）の両側にそれぞれ配置され、前記梁（１）は前記固定軸（Ａ−Ａ）と直行する前記円環（３）の直径上に配置され、前記円環（３）は前記固定軸（Ａ−Ａ）に沿って引張応力を受ける少なくとも１つの層を備えたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のマイクロキャパシタ。
【請求項５】
前記梁（１）は、前記梁（１）の長軸（Ｂ−Ｂ）に沿って圧縮応力を受ける少なくとも１つの層を備えることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のマイクロキャパシタ。
【請求項６】
前記第２の電極（７）は付加的な支持体（８）と一体的であり、前記梁（１）は前記基板（４）と前記第２の電極（７）との間に配置されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のマイクロキャパシタ。
【請求項７】
前記第２の電極（７）は、前記梁（１）の前記アーチ（１０）の両側のそれぞれで、前記梁（１）の前記長軸に平行である軸に沿って前記梁（１）に対向して配置されたことを特徴とする請求項６に記載のマイクロキャパシタ。
【請求項８】
前記第１の電極（６）および前記第２の電極（７）は電気的作動手段を構成し、前記電気的作動電圧は前記第１の電極（６）と前記第２の電極（７）との間に印加されるように設計されたことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のマイクロキャパシタ。
【請求項９】
前記梁（１）は、圧電材料と熱変形性材料とから選択された材料で作られ、作動電極（１８）によって少なくとも部分的に覆われた層（１７）を備え、前記電気的作動電圧は前記作動電極（１８）と前記第１の電極（６）との間に印加されるように設計されていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のマイクロキャパシタ。
【請求項１０】
前記梁（１）と一体的である少なくとも１つの付加的な電極（１６ａ）を含む電気的作動手段を備え、前記電気的作動電圧は前記付加的な電極（１６ａ）と前記第２の電極（７）との間に印加されるように設計されていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のマイクロキャパシタ。
【請求項１１】
前記梁（１）と一体的である２つの付加的な電極（１６ａ）は、前記梁（１）の長軸の両側のそれぞれに配置されていることを特徴とする請求項１０に記載のマイクロキャパシタ。
【請求項１２】
前記付加的な支持体（８）と一体的である少なくとも１つの付加的な電極（１６ｂ）を含む電気的作動手段を備え、前記電気的作動電圧は前記付加的な電極（１６ｂ）と前記第１の電極（６）との間に印加されるように設計されることを特徴とする請求項６および請求項７のいずれか一項に記載のマイクロキャパシタ。
【請求項１３】
前記付加的な支持体（８）と一体的である２つの付加的な電極（１６ｂ）は、前記付加的な支持体（８）の長軸の両側のそれぞれに配置されることを特徴とする請求項１２に記載のマイクロキャパシタ。
【請求項１４】
請求項１から請求項１３のいずれか一項に記載の電気機械的マイクロキャパシタを生産する方法であって、
残留応力が前記梁（１）の曲げを引き起こすように、前記梁（１）と前記支持体（Ｓ）から選択された要素のうちの少なくとも一方を応力下で堆積するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１５】
犠牲層（１４）上の単一の積層に前記梁（１）および前記円環（３）を製造し、それにより前記犠牲層（１４）が除去された後に、前記円環（３）が前記固定軸（Ａ−Ａ）に沿って引張応力を受けるステップを含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記梁（１）の長軸（Ｂ−Ｂ）に沿って圧縮応力を受ける少なくとも１つの層の堆積によって、前記犠牲層（１４）および前記支持体（Ｓ）によって形成された組立体上に、前記梁（１）を製造するステップを含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも第１および第２の電極を備え、電気的作動電圧に従った可変容量を有し、第１の電極が基板の上に固定された支持体にしっかりと取り付けられた２つの端を有する梁と一体的である、電気機械的マイクロキャパシタに関係する。
【背景技術】
【０００２】
ある種の可変容量電気機械的マイクロキャパシタは、コンデンサの２つの電極の間の分離距離の変化に基づいて動作する。よって、キャパシタの容量は、たとえば、一方の電極をもう一方の電極へ近づけるか、または、もう一方の電極から遠ざけるように移動させることが可能な電極の一方の作動によって制御される。動作は、典型的には静電アクチュエータによって実行される。ある種のタイプのマイクロキャパシタの場合、電極間の静電気力は、突然の付着の原因となり、容量変化範囲を５０％の変化に制限する。
【０００３】
文献仏国特許第２８３１７０５Ａ１号は、基板の上に固定された支持体にしっかりと取り付けられた２つの端を有する吊り下げられた梁と一体的であるか、または、吊り下げられた梁を形成する第１の電極を備える可変容量電気機械的マイクロキャパシタについて説明する。第２の電極は基板上に配置される。梁の中央部に取り付けられた電極の作動は、電気的作動電圧に依存して、梁の中央部を基板の方向へ、したがって、第２の電極の方向へ引き付けることを可能にさせる。絶縁層は、第１の電極と第２の電極との間の電気的接触を回避できるようにする。さらに、第１の電極と第２の電極との間に電圧を印加することにより、第１の電極と第２の電極との間の付着ゾーンが拡張され、これによりキャパシタの容量を増加させることが可能である。しかし、このキャパシタは２つの電圧の使用を必要とする。さらに、梁の中央部だけが第２の電極に接近するように梁の作動を制御することは難しい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は上記の欠点を改善することと、特に、低い電気的作動電圧で動作し、安定した容量および広い容量変化範囲を与える可変容量電気機械的マイクロキャパシタを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、この目的は、梁のアーチが第２の電極に接近するように、残留応力が梁の曲げを引き起こすという事実によって達成される。
【０００６】
本発明の好ましい実施形態によれば、梁は第２の電極に対向して配置された絶縁層を備える。梁のアーチは、その後、第２の電極と接触する。
【０００７】
本発明の特定の実施形態によれば、支持体は２つの固定ベースによって基板に固定された円環によって形成され、その２つの固定ベースは円環の両側に一つずつ配置され、その梁は固定軸に対して垂直な円環の直径上に配置され、円環は固定軸に沿って引張応力を受ける少なくとも１つの層を備える。
【０００８】
本発明の一形態によれば、梁は、その梁の長軸に沿って圧縮応力を受ける少なくとも１つの層を備える。
【０００９】
第２の電極は特に付加的な支持体と一体的であり、梁は基板と第２の電極との間に配置される。
【００１０】
２つの第２の電極は、好ましくは、梁のアーチの両側のそれぞれで、梁の長軸に平行である軸に沿って、梁に対向して配置される。
【００１１】
作動手段の第１の特定の実施形態によれば、第１の電極および第２の電極は電気的作動手段を構成し、その電気的作動電圧は第１の電極と第２の電極との間に印加されるように設計される。
【００１２】
作動手段の第２の特定の実施形態によれば、梁と一体的である少なくとも１つの付加的な電極を含む電気的作動手段を備え、その電気的作動電圧は付加的な電極と第２の電極との間に印加されるように設計される。
【００１３】
梁と一体的である２つの付加的な電極は、特に、梁の長軸の両側のそれぞれに配置される。
【００１４】
作動手段の第３の特定の実施形態によれば、マイクロキャパシタは、付加的な支持体と一体的である少なくとも１つの付加的な電極を含む電気的作動手段を備え、電気的作動電圧は付加的な電極と第１の電極との間に印加されるように設計される。
【００１５】
梁と一体的である２つの付加的な電極は特に付加的な支持体の長軸の両側のそれぞれに配置される。
【００１６】
本発明のさらなる目的は、本発明によるマイクロキャパシタを生産する方法であって、残留応力が梁の曲げを引き起こすように、梁と支持体とから選択された要素のうちの少なくとも一方を応力下で堆積するステップを含む方法を提供することである。
【００１７】
本発明による方法の特定の実施形態によれば、この方法は、犠牲層が除去された後、円環が固定軸に沿って引張応力を受けるように、犠牲層上の単一の積層に梁および円環を製造するステップを含む。
【００１８】
本発明による方法の別の特定の実施形態によれば、この方法は、梁の長軸に沿って圧縮応力を受ける少なくとも１つの層の堆積によって、犠牲層および支持体によって形成された組立体上に、梁を製造するステップを含む。
【００１９】
発明のその他の効果および特長は、限定的ではない単なる例として記載され、添付図面に示された以下の特定の実施形態の説明からより明白になるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１〜３に示された可変容量電気機械的マイクロキャパシタは、２つの固定ベース５によって基板４に固定された円環３にしっかりと取り付けられた両端２を有する梁１を備える。よって、円環３は、梁１の支持体Ｓを構成する。固定ベース５は、円環３の中心Ｐを通る固定軸Ａ−Ａ上で、円環３の両側のそれぞれに配置される。梁１は固定ベース５によって規定された固定軸Ａ−Ａに直交する円環３の直径に配置される。図１において、梁１は軸Ｂ−Ｂに沿って配置される。
【００２１】
図３では、マイクロキャパシタは、図１および図２では明瞭さのため表示されていないが、梁１と一体的である第１の電極６、および、２つの第２の電極７を備える。図２では、ドット付き表面１ａは梁１の底面を表す。
【００２２】
図１〜図３に示された特定の実施形態では、マイクロキャパシタは、２つの付加的なベース９を用いて基板４に取り付けられた付加的な支持体８を備える。図３では、第２の電極７は付加的な支持体８と一体的であり、梁１は基板４と第２の電極７との間に配置される。
【００２３】
基板４へ円環３を固定することによって残留応力は、梁１のアーチ１０が第２の電極７に近づくように、梁１の曲げを引き起こす。曲げは、特に、円環３が固定軸Ａ−Ａに沿って引張応力を受ける少なくとも１層によって形成されるとき、または、その円環が少なくとも１層のそのような層を含むときに発生する。固定軸Ａ−Ａに沿った円環３の引張応力は、固定軸Ａ−Ａに直交する円環３の直径の方向に円環３の収縮を引き起こし、その後、梁１にその長軸に沿って圧縮応力を生じさせる。
【００２４】
図３に示されるように、梁１は、好ましくは、第２の電極７に対向して配置された上部絶縁層１１を備える。よって、梁１のアーチ１０は、第１の電極６と第２の電極７との間に電気的接触を生じることなく、第２の電極７と接触する。別の実施形態では、絶縁層は、第１の電極６と対向して、第２の電極７に堆積される。
【００２５】
図３は、静止位置における、すなわち、作動電圧がゼロであるときのマイクロキャパシタを示す。本発明によるマイクロキャパシタは、作動電圧に応じて梁１が第２の電極の方向にさらに引き付けられることを可能にする。よって、作動電圧を増加することにより、図４に示されるように、第２の電極７に接近する第１の電極６の部分が徐々に大きくなり、キャパシタの容量は非常に増加される。
【００２６】
マイクロキャパシタは、その静止位置（図３）において、第１の電極６の中央部が第２の電極７へ自動的に接近し、それによって、弱い電圧が印加されるときでさえ、静電気力が局部的に高くなるという効果を奏する。局部的な静電気力は、特に、電極間の引力を電極６および７に沿ってますます近くへ伝播させ、よって、梁１と第２の電極７との間の接触ゾーンを拡張することを可能にさせる。
【００２７】
図３では、２つの第２の電極７は、梁１のアーチ１０の片側のそれぞれで、梁１の長軸と平行する軸に沿って、梁１に対向して配置される。よって、第２の電極７はアーチ１０自体に対向して配置されず、キャパシタの容量が梁１の静止位置で低減されることを可能にし、従って、容量変化範囲を拡大することを可能にする。
【００２８】
本発明によるマイクロキャパシタを生産する方法は、残留応力がビーム１の曲げを引き起こすように、梁１、および／または、梁の支持体Ｓを応力下で堆積（stressed deposition）することを含む。たとえば、梁１および円環３は、図５に示されるように、第１の犠牲層１４上の単一の積層に実現され得る。前記積層は、下部絶縁層１２、第１の電極６を形成する導電層１３、および、上部絶縁層１１を備える。導電層１３は、図５に示されるように、梁１に対応する積層の一部に限定される。よって、円環３は、底部絶縁層１２および上部絶縁層１１だけによって構成される。
【００２９】
図５に示された特定の実施形態では、底部絶縁層１２の堆積は第１の犠牲層１４上で行われる。第２の犠牲層１５は付加的な支持体８の実現を可能にさせる。
【００３０】
梁１および円環３を構成する積層は、第１の犠牲層１４および第２の犠牲層１５が除去された後に、その積層が固定軸Ａ−Ａに沿って引張応力を受けるように堆積される。よって、円環３の引張応力は、固定軸Ａ‐Ａに沿った円環の引き伸ばしの原因となり、このようにして、梁１の長軸に沿って梁１の曲げを引き起こす。
【００３１】
図６〜８に示された別の特定の実施形態では、梁自体は、梁１の長軸Ｃ−Ｃに沿って圧縮応力を受ける少なくとも１つの層を含む。支持体Ｓは簡単に２つの固定ベースによって形成される。図７に示されるように、梁１は、第１の犠牲層１４と支持体Ｓを構成する２つのベースとによって形成された組立体上での堆積によって実現され得る。よって、固定ベースＳ上の梁１の固定に起因する残留応力は、梁１の曲げを引き起こし、その結果、図８に示されるように、第１の犠牲層１４が除去された後、梁１のアーチ１０は第２の電極７に接近する。
【００３２】
残留応力は、たとえば、堆積した層の厚さ、寸法、幾何学的形状（geometry）、および、材料（ヤング率、ポアソン比）を調整することによって制御される。たとえば、円環３に対し０．５〜１ミクロンからなる厚さを有する引張応力を受ける窒化化合物が使用される。梁１のアーチ１０を第２の電極７に接近させるために必要な引張応力レベルは、梁１の曲げを計算するために応力値を変更することにより有限要素シミュレーションによって調べることができる。梁１がある点で第２の電極７に接触するように曲げが振幅を示すための応力値は、このようにして決定される。
【００３３】
上記のパラメータはテストによって経験的にも決定され、および／または、窒化物堆積パラメータ、たとえば、堆積温度または電力は調整可能である。移動可能な第１の電極６は、窒化チタンまたは金で形成される。第１の電極６の厚さは、たとえば、０．３〜０．４ミクロンからなる。
【００３４】
円環３は、たとえば、４００ミクロンの内径と４５０ミクロンの外径を有する。したがって、梁１は４００ミクロンの長さを有し、たとえば、６０ミクロンの幅を有する。曲げは、たとえば、梁１のアーチ１０を１２ミクロンだけ隆起させるようにされている。
【００３５】
マイクロキャパシタの作動は第１および第２の電極を用いて行われる。よって、電気的作動電圧は、第１の電極６と第２の電極７との間に印加され、すなわち、作動電圧は、マイクロキャパシタの端子における電圧と同じであり、マイクロキャパシタの容量は、したがって、その端子に印加される電圧に応じて変化する。
【００３６】
無線周波用途では、作動ゾーンを、可変容量値を決めるアクティブゾーンから分離するようにマイクロキャパシタ端子と作動電極とを引き離す方が有利である。作動電圧に重畳された高出力無線周波信号は、実際には、マイクロキャパシタの動作を乱す可能性がある。この場合、付加的な電極が作動のために使用される。付加的な第１および第２の電極は、たとえば、静電駆動のために使用され、マイクロキャパシタの第１の電極６および第２の電極７の動作は完全に引き離される。
【００３７】
作動のために第１の電極と第２の電極とのうちの一方を使用することも可能である。たとえば、マイクロキャパシタは、梁１と一体できである少なくとも１つの付加的な電極１６ａを備える。電気的作動電圧はこのようにして付加的な電極１６ａと第２の電極７との間に印加される。図９に示されるように、梁１と一体的である２つの付加的な電極１６ａは、梁１の長軸である軸Ｂ−Ｂの両側に配置される。第２の電極７の幅は、２つの付加的な電極１６ａおよび第１の電極６によって形成された組立体の幅に適合させられる。
【００３８】
作動の別の特定の実施形態では、マイクロキャパシタは、付加的な支持体８と一体的である付加的な電極１６ｂを備える。電気的作動電圧はこのようにして付加的な電極１６ｂと第１の電極６との間に印加される。図１０に示されるように、付加的な支持体８と一体的である２個の付加的な電極１６ｂは、たとえば、付加的な支持体８の長軸の両側に配置される。従って、２つの付加的な電極１６ｂは、付加的な支持体８の長軸および梁１の長軸に対応する軸Ｂ−Ｂに配置された単一の第２の電極７の各側のそれぞれに配置される。従って、第１の電極６の幅は、２つの付加的な電極１６ｂおよび第２の電極７によって形成された組立体の幅に適合される。
【００３９】
代替的な実施形態では、マイクロキャパシタの梁１は、圧電材料（ＡＩＮ、ＰＺＴなど）から、または、熱膨張する能力をもつ材料（ＡＩ、ＡＩＳｉ、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）など）で作られた層を備える。静止位置で図１１に示されたこの特定の実施形態では、この層１７は、梁１の底面において、梁１の縦端にそれぞれ配置された２つの区別可能なゾーン１７ａおよび１７ｂを形成する。たとえば、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、プラチナ（Ｐｔ）、または金で作られた作動電極１８は、層１７の少なくとも一部を覆う。図１１において、２つの作動電圧１８ａおよび１８ｂは、層１７のゾーン１７ａおよび１７ｂをそれぞれ部分的に覆う。電極６と１８との間の作動電圧の印加は、圧電性であるか、または、熱的に変形する能力を備えた層１７の材料の膨張の原因となる。この材料の膨張が梁の構造層を構成する材料（ＳｉＮ、酸化物、Ｓｉなど）の膨張より大きくなると、機械的トルクを出現させる原因となるバイメタル効果が発生し、よって、付着ゾーンを増大する。
【００４０】
層１７の長さは梁の長さ以下である。好ましい一実施形態では、各ゾーン１７ａおよび１７ｂは実質的にＬ／３に近い長さを有する。層１７の幅は梁の幅以下であり、その厚さは好ましくは０．２〜１μｍにより構成される。この厚さは所要変位に応じて調整される。
【００４１】
本発明は説明された実施形態に限定されない。特に、第１および第２の電極の個数はどのような個数でもよい。たとえば、マイクロキャパシタは、数個の第１の電極６、および／または、単一の第２の電極７若しくは３つ以上の第２の電極７を備える。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明によるマイクロキャパシタの特定の一実施形態の平面図である。
【図２】図１によるマイクロキャパシタを示す軸Ａ−Ａに沿った断面図である。
【図３】図１によるマイクロキャパシタを示す軸Ｂ−Ｂに沿った断面図である。
【図４】図１によるマイクロキャパシタの動作を示す軸Ｂ−Ｂに沿った断面図である。
【図５】図１によるマイクロキャパシタを生産する方法の特定の一実施形態のステップを示す軸Ｂ−Ｂによる断面図である。
【図６】本発明によるマイクロキャパシタの別の特定の実施形態による平面図である。
【図７】図６によるマイクロキャパシタを生産する方法の特定の実施形態の２ステップを示す軸Ｃ−Ｃに沿った断面図である。
【図８】図６によるマイクロキャパシタを生産する方法の特定の実施形態の２ステップを示す軸Ｃ−Ｃに沿った断面図である。
【図９】本発明によるマイクロキャパシタの付加的な電極の二つの特定の実施形態を概略的に示す平面図である。
【図１０】本発明によるマイクロキャパシタの付加的な電極の二つの特定の実施形態を概略的に示す平面図である。
【図１１】図１によるマイクロキャパシタの代替的な実施形態を示す軸Ｂ−Ｂに沿った断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１  梁
１ａ  梁の底面
２  端
３  円環
４  基板
５  固定ベース
６  第１の電極
７  第２の電極
８  付加的な支持体
９  付加的なベース
１０  アーチ
１１  上部絶縁層
１２  下部絶縁層
１３  導電層
１４  第１の犠牲層
１５  第２の犠牲層
１６ａ  付加的な電極
１６ｂ  付加的な電極
１７  層
１７ａ  区別可能なゾーン
１７ｂ  区別可能なゾーン
１８  作動電圧
１８ａ  作動電圧
１８ｂ  作動電圧
Ｐ  中心
Ｓ  支持体
【図１】
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【図２】
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【図３】
2006310854.tif 000005
【図４】
2006310854.tif 000006
【図５】
2006310854.tif 000007
【図６】
2006310854.tif 000008
【図７】
2006310854.tif 000009
【図８】
2006310854.tif 000010
【図９】
2006310854.tif 000011
【図１０】
2006310854.tif 000012
【図１１】
2006310854.tif 000013
【外国語明細書】
2006310854000001.pdf