(57)【要約】【課題】流体移動の制御回路が簡単であり容量を大きな変化範囲でディジタル的に変化させることができる。【解決手段】流体チャネル１５に設けられ、ＥＷＯＤ駆動により流体を流体チャネル１５に流入させるための駆動電圧を印加する電極２１と、電極２２を有し流体チャネル１５に流体を供給するタンク１４と、タンク１４内の流体を毛細管現象により流体チャネル１５に流入させず留置させるように制御するスリット部４１とを含む。電極２１，２２間に駆動電圧を印加したときに誘電体エレクトロウェッティング駆動により流体を流体チャネル１５に流入させるときの応力を、スリット部４１による流体に対する応力よりも大きくなるように設定するように構成され、電極２１，２２間に駆動電圧を印加しないときに流体はタンク１４内に留置される一方、駆動電圧を印加したときに流体が流体チャネル１５に流入して充填されてディジタル的に電極間容量を変化させる。【選択図】図１０
2011086661.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向する１対の電極間の流体チャネルに流体を流入させるか否かを選択的に切り換えることによりディジタル的に上記１対の電極間容量を変化させるＭＥＭＳ可変キャパシタであって、
上記流体チャネルに設けられ、誘電体エレクトロウェッティング駆動により上記流体を上記流体チャネルに流入させるための駆動電圧を印加する第１の駆動電極と、
第２の駆動電極を有し、上記流体チャネルに流体を供給するタンクと、
上記タンクに設けられ、上記タンク内の流体を毛細管現象により流体チャネルに流入させず上記タンク内に留置させるように制御する流体制御手段とを備え、
上記第１の駆動電極と上記の第２の駆動電極との間に上記駆動電圧を印加したときに上記誘電体エレクトロウェッティング駆動により上記流体を上記流体チャネルに流入させるときの応力を、上記流体制御手段による流体に対する応力よりも大きくなるように設定するように構成され、
上記第１の駆動電極と上記の第２の駆動電極との間に上記駆動電圧を印加しないときに上記流体は上記タンク内に留置される一方、上記第１の駆動電極と上記の第２の駆動電極との間に上記駆動電圧を印加したときに上記流体が上記流体チャネルに流入して充填されることにより、１個のみの駆動電圧を用いてディジタル的に上記１対の電極間容量を変化させることを特徴とするＭＥＭＳ可変キャパシタ。
【請求項２】
上記流体制御手段は、複数のスリットを含むスリット部であることを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳ可変キャパシタ。
【請求項３】
上記流体制御手段は、上記タンクの内部高さを、上記流体が毛細管現象により上記タンク内に留置されるように薄くなるように設定して構成されたことを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳ可変キャパシタ。
【請求項４】
請求項１乃至３のうちのいずれか１つに記載のＭＥＭＳ可変キャパシタを複数Ｎ個備えたＭＥＭＳ可変キャパシタ装置であって、
複数Ｎ個のＭＥＭＳ可変キャパシタを並列に接続し、各ＭＥＭＳ可変キャパシタに対する駆動電圧をオン・オフすることにより、上記ＭＥＭＳ可変キャパシタ装置の全体容量をディジタル的に変化させることを特徴とするＭＥＭＳ可変キャパシタ装置。
【請求項５】
上記各ＭＥＭＳ可変キャパシタの容量を互いに異なる値を有するように構成されたことを特徴とする請求項４記載のＭＥＭＳ可変キャパシタ装置。
【請求項６】
上記各ＭＥＭＳ可変キャパシタはそれぞれ、基本容量をＣ０として容量ｎＣ０（ｎ＝１，２，…，Ｎ；Ｎ≧２）を有するように構成され、上記ＭＥＭＳ可変キャパシタ装置の全体容量をＮビットの分解能でディジタル的に変化させることを特徴とする請求項４記載のＭＥＭＳ可変キャパシタ装置。
【請求項７】
請求項４乃至６のうちのいずれか１つに記載のＭＥＭＳ可変キャパシタ装置と、
上記ＭＥＭＳ可変キャパシタ装置に接続された少なくとも１個のインダクタとを備えたことを特徴とするフィルタ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳ（Microelectromechanical System）技術を用いて製造されたＭＥＭＳ可変キャパシタとそれを用いたフィルタ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＲＦ（Radio Frequency）技術に対する需要が急激に増大している。機能の多様性やユーザの急激な増大に伴いＲＦ機器に対してさまざまな要求がなされるようになってきた。特に、ＲＦ周波数のブロードバンド化に伴いフィルタに対して、小型化、低コスト化に加えて広帯域で動作する機能が望まれている。このような社会的背景から、ＭＥＭＳ技術が携帯無線端末機器応用で注目されるようになってきた。これは、ＭＥＭＳデバイスが低消費電力、高密度実装、広帯域特性等の特徴があるからである。
【０００３】
ＭＥＭＳフィルタの研究は、１９９０年代後半から米国を中心に活発になってきた。現在、二三の企業がサンプルを提供するまでになっている。しかし、これら製品は主に水晶を代替とするものでデバイスの小型化を特徴としており、未だフィルタまで応用されていない。ＭＥＭＳ技術をフィルタに適用したものでは、キャパシタの間隔を変化させるものが学会で発表されている。しかし、可変率が３程度で比較的小さく、応用範囲が限られているという問題点があった。
【０００４】
ＭＥＭＳ可変キヤパシタについては、例えば、非特許文献１〜３において報告があるが、一例として、非特許文献１に記載された技術を従来例として以下に図１９を参照して説明する。
【０００５】
図１９は従来例に係るＭＥＭＳ可変キャパシタの構成を示す斜視図である。図１９において、ばねビーム９１，９２は誘電体基板９０上で設けられ、カーリング９７を有して各先端が接続部９８を介して接続されかつ一端はアンカー９３で固定し、もう１つの一端は固定電極９４と対向するキャパシタ部を構成される。ばねビーム９１，９２は圧電材料ＡｌＮのバイモルフ構造を有し、反りを小さく抑えるために分極の方向を逆にして接続しており（逆電界９５，９６参照。）、各ばねビーム９１，９２に対して直流電圧を印加すると逆圧電効果によってばねビーム９１，９２が変形するためにばねビーム９２の一端と固定電極９４との間隔が変化し、その結果、静電容量の値が変化するというものである。
【０００６】
図１９の従来例では、静電容量の値が約３倍変化するというものであった。しかし、これをフィルタに応用したとき、カットオフ周波数がキャパシタンスの平方根に逆比例することから約１．７倍の変化が起こるだけであり、半導体のバリキャップの性能とあまり大差のないものである。このため、新規技術として特に優れたものではなかった。さらに、圧電材料を堆積するというプロセスは標準のＬＳＩプロセスと異なっており、特殊な装置が必要であるという問題もあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−０９８６０９号公報。
【特許文献２】特開２００９−１３５３５９号公報。
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】T. Kawakubo et al., "Piezoelectric RF MEMS tunable capacitor with 3V operation using CMOS compatible materials and process", IEDM Technical Digest, IEEE International Electron Devices Meeting, Washington, DC, U.S.A., pp. 294-297, December 2005.
【非特許文献２】Robert L. Borwick III et al., "A high Q, Large tuning range, tunable capacitor for RF applications", The Fifteenth IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, pp.669-672, January 2002.
【非特許文献３】J.K. Luo et al., "MEMS based digital variable capacitors with a high-k dielectric insulator", Sensors and Actuators, A 132, pp. 139-146, May 2006.
【非特許文献４】T. Yasuda et al., "Microfluidic Dispensing Device Using Wettability Gradient and Electrowetting", Proceeding of the 24th Sensor symposium, Vol. 24, pp.138-141, Tokyo Japan, 2007.
【非特許文献５】Sung Kwon Cho et al., "Creating, Transporting, Cutting, and Merging Liquid Droplets by Electrowetting-Based Actuation for Digital Microfluidic Circuits", Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 12, No. 1, February 2003.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
以上の問題点を解決するために、特許文献１及び２において以下の可変キャパシタが開示されている。
【００１０】
例えば、特許文献１においては、製造工程が容易になり、また、信頼性及び耐久性に優れ、チューニング範囲に制限のない電気湿潤現象を用いた可変キャパシタを提供するために、第１電極と、第１電極から隔てて設けられた第２電極と、第１電極と第２電極との間に形成された流体チャネルと、第１電極と上記流体チャネルとの間に設けられた第１絶縁膜と流体チャネルの内部に配置され、第１及び第２電極間でＤＣ電位差が発生することで流体チャネルに沿って移動する導電性流体とを含むことを特徴としている。なお、特許文献１においては、「チューニング範囲に制限のない可変キャパシタ」と記載しているが、現実の装置においては、容量の範囲が限定され、これにより、限定された容量の範囲に基づいてチューニング範囲に制限されると考えられる。
【００１１】
また、特許文献２においては、機械的消耗を減らして、従来品より寿命を延ばすことができるバリアブルキャパシタを提供するために、２つの電極を相対するように設け、これら電極の内側に１対の誘電体板を付け合せ、これら誘電体板の間を液体金属を含む２種類の流体が流れるように構成してある容器と、上記流体を収容するタンクと、上記容器とタンクとの間に上記流体を往来させるポンプ３を有し、液体金属の量に応じて静電容量が変化するように構成してあることを特徴としている。
【００１２】
しかしながら、以上の従来技術においては、キャパシタの容量をディジタル的に変化することができず、しかも可変キャパシタ内の流体移動の制御回路が複雑であるという問題点があった。すなわち、特許文献１においては、２つの直流電源が必要であり、特許文献２においては、流体を移動させるポンプが必要である。
【００１３】
本発明の目的は以上の問題点を解決し、従来技術に比較して流体移動の制御回路が簡単でありかつキャパシタの容量を例えば３桁以上の大きな変化範囲でディジタル的に変化させることができるＭＥＭＳ可変キャパシタと、複数のＭＥＭＳ可変キャパシタを備えたＭＥＭＳ可変キャパシタ装置と、それを用いたフィルタ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係るＭＥＭＳ可変キャパシタは、互いに対向する１対の電極間の流体チャネルに流体を流入させるか否かを選択的に切り換えることによりディジタル的に上記１対の電極間容量を変化させるＭＥＭＳ可変キャパシタであって、
上記流体チャネルに設けられ、誘電体エレクトロウェッティング駆動により上記流体を上記流体チャネルに流入させるための駆動電圧を印加する第１の駆動電極と、
第２の駆動電極を有し、上記流体チャネルに流体を供給するタンクと、
上記タンクに設けられ、上記タンク内の流体を毛細管現象により流体チャネルに流入させず上記タンク内に留置させるように制御する流体制御手段とを備え、
上記第１の駆動電極と上記の第２の駆動電極との間に上記駆動電圧を印加したときに上記誘電体エレクトロウェッティング駆動により上記流体を上記流体チャネルに流入させるときの応力を、上記流体制御手段による流体に対する応力よりも大きくなるように設定するように構成され、
上記第１の駆動電極と上記の第２の駆動電極との間に上記駆動電圧を印加しないときに上記流体は上記タンク内に留置される一方、上記第１の駆動電極と上記の第２の駆動電極との間に上記駆動電圧を印加したときに上記流体が上記流体チャネルに流入して充填されることにより、１個のみの駆動電圧を用いてディジタル的に上記１対の電極間容量を変化させることを特徴とする。
【００１５】
上記ＭＥＭＳ可変キャパシタにおいて、上記流体制御手段は、複数のスリットを含むスリット部であることを特徴とする。
【００１６】
また、上記ＭＥＭＳ可変キャパシタにおいて、上記流体制御手段は、上記タンクの内部高さを、上記流体が毛細管現象により上記タンク内に留置されるように薄くなるように設定して構成されたことを特徴とする。
【００１７】
本発明に係るＭＥＭＳ可変キャパシタ装置は、上記ＭＥＭＳ可変キャパシタを複数Ｎ個備えたＭＥＭＳ可変キャパシタ装置であって、
複数Ｎ個のＭＥＭＳ可変キャパシタを並列に接続し、各ＭＥＭＳ可変キャパシタに対する駆動電圧をオン・オフすることにより、上記ＭＥＭＳ可変キャパシタ装置の全体容量をディジタル的に変化させることを特徴とする。
【００１８】
上記ＭＥＭＳ可変キャパシタ装置において、上記各ＭＥＭＳ可変キャパシタの容量を互いに異なる値を有するように構成されたことを特徴とする。
【００１９】
また、上記ＭＥＭＳ可変キャパシタ装置において、上記各ＭＥＭＳ可変キャパシタはそれぞれ、基本容量をＣ０として容量ｎＣ０（ｎ＝１，２，…，Ｎ）を有するように構成され、上記ＭＥＭＳ可変キャパシタ装置の全体容量をＮビットの分解能でディジタル的に変化させることを特徴とする。
【００２０】
本発明に係るフィルタ装置は、上記ＭＥＭＳ可変キャパシタ装置と、上記ＭＥＭＳ可変キャパシタ装置に接続された少なくとも１個のインダクタとを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、特許文献１において２つの直流電圧源を用いる従来技術に比較して、ＥＷＯＤ駆動電圧を印加しないとき、上記スリット部又はタンクの上記流体制御手段における毛細管現象により流体はタンク側にあるが、ＥＷＯＤ駆動電圧を印加したときに流体チャネル側に導水することにより、１つの直流電圧源を用いてディジタル的に１つのＭＥＭＳ可変キャパシタの容量を極めて簡単な構成で変化させることができる。また、複数の上記ＭＥＭＳ可変キャパシタを並列に接続することで、従来技術に比較して大きな容量変化範囲を有しかつディジタル的に容量を変化できるＭＥＭＳ可変キャパシタ装置を実現できる。さらに、当該ＭＥＭＳ可変キャパシタ装置及びインダクタを用いてフィルタ装置を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る流体可変ＭＥＭＳキャパシタの原理を示す側面図である。
【図２】図１の３個の流体可変ＭＥＭＳキャパシタを用いたディジタル可変回路を示す回路図である。
【図３】（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る２タンク型ＭＥＭＳ可変キャパシタの構成を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）の２タンク型ＭＥＭＳ可変キャパシタの構成を示す正面図である。
【図４】図２及び図３の２タンク型ＭＥＭＳ可変キャパシタにおける水充填本数に対する静電容量を示すグラフである。
【図５】図２及び図３の２タンク型ＭＥＭＳ可変キャパシタにおいて用いる流体駆動原理を示すための縦断面図であって、（ａ）は直流電圧を印加しないときの流体２５の位置を示す縦断面図であり、（ｂ）直流電圧の印加開始時の流体２５の位置を示す縦断面図であり、（ｃ）は直流電圧の印加開始した後、十分な時間経過後の流体２５の位置を示す縦断面図である。
【図６】図２及び図３の４個の２タンク型ＭＥＭＳ可変キャパシタを用いて構成されたＭＥＭＳ可変ローパスフィルタを示す回路図である。
【図７】図６のＭＥＭＳ可変ローパスフィルタの段階的可変とカットオフ周波数測定結果を示す表である。
【図８】図６のＭＥＭＳ可変ローパスフィルタの通過係数Ｓ２１の周波数特性（０．００１ＧＨｚ〜８ＧＨｚ）を示すグラフである。
【図９】図６のＭＥＭＳ可変ローパスフィルタの通過係数Ｓ２１の周波数特性（０．００１ＧＨｚ〜１ＧＨｚ）を示すグラフである。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係るディジタル可変型ＭＥＭＳ可変キャパシタの構成を示す斜視図である。
【図１１】図１０の主要部の拡大図である。
【図１２】図１０の流体チャネル部の縦断面図である。
【図１３】図１２のＡ−Ａ’線についての横断面図である。
【図１４】図１０のディジタル可変型ＭＥＭＳ可変キャパシタの電極サイズ等の一覧を示す表である。
【図１５】図１０のディジタル可変型ＭＥＭＳ可変キャパシタの回路図である。
【図１６】本発明の第１の変形例に係る密閉流体チャネル内の２つの流体２６，２７を用いたＭＥＭＳ可変キャパシタの構成を示す縦断面図である。
【図１７】本発明の第２の変形例に係る流体チャネル内の粒子２６ａを有する流体２６を用いたＭＥＭＳ可変キャパシタの構成を示す縦断面図である。
【図１８】本発明の第３の変形例に係る密閉流体チャネル内の流体２７内の泡２８を用いたＭＥＭＳ可変キャパシタの構成を示す縦断面図である。
【図１９】従来例に係るＭＥＭＳ可変キャパシタの構成を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。
【００２４】
基本原理．
以下の本発明に係る実施形態では、キャパシタの電極間に高誘電率をもつ水（比誘電率εｒ＝８０）を挿入することにより現状を大幅に上回る８０倍のキャパシタンスの可変を実現できることを示し、さらに、これを用いたＲＦフィルタの試作評価について説明する。また、電極間の流体（液体）搬送に誘電体エレクトロウェッティング（以下、ＥＷＯＤ（Electrowetting on dielectric）という。）原理（例えば、非特許文献４及び５）を採用し、流体を電気制御することで機械的可動部のない構造が実現できることについて説明する。
【００２５】
図１は本発明に係る流体可変ＭＥＭＳキャパシタの原理を示す側面図であり、図２は図１の３個の流体可変ＭＥＭＳキャパシタを用いたディジタル可変回路を示す回路図である。流体可変ＭＥＭＳキャパシタは、電極１１，１２間に水（比誘電率εｒ＝８０）を挿入することで大幅な静電容量可変を実現するものである。真空中の誘電率をε０、比誘電率をεｒ、電極１１，１２の面積をＡ、電極１１，１２の間隔をｄとすると、静電容量Ｃは次式で表される。
【００２６】
【数１】
2011086661.tif 000003
【００２７】
図１に示すように、互いに対向する二つの電極１１，１２間に水を出し入れする場合には、式（１）の比誘電率εｒが変化して容量Ｃ０が容量８０Ｃ０となり、８０倍のキャパシタンス可変を得ることができる。また、水を充填する流路数を変化させることにより、ディジタル可変も可能である（図２）。図２において、ＭＥＭＳ可変キャパシタＣ１は１対の電極１１ａ，１２ａから構成され、ＭＥＭＳ可変キャパシタＣ２は１対の駆動電極１１ｂ，１２ｂから構成され、ＭＥＭＳ可変キャパシタＣ３は１対の電極１１ｃ，１２ｃから構成される。ここで、１対の電極１１ａ，１２ａと、１対の駆動電極１１ｂ，１２ｂと、１対の電極１１ｃ，１２ｃと互いに異なる電極面積（図２の例では、１：２：４の面積比）を有しており、それぞれ各電極間で、ほぼ電極面積全体を満たして満充填するように水などの流体２５が満たされる。満充填と無充填とを切り替えることにより、全体容量Ｃｔを以下の表のごとく、０から７Ｃ０の範囲でＣ０毎にディジタル的に変化させることができる。
【００２８】
［表１］
―――――――――――――――――――――
Ｃ３    Ｃ２    Ｃ１      全体容量Ｃｔ
―――――――――――――――――――――
０      ０      ０      ０
０      ０      １      Ｃ０
０      １      ０      ２Ｃ０
０      １      １      ３Ｃ０
１      ０      ０      ４Ｃ０
１      ０      １      ５Ｃ０
１      １      ０      ６Ｃ０
１      １      １      ７Ｃ０
―――――――――――――――――――――
【００２９】
第１の実施形態．
図３（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る２タンク型ＭＥＭＳ可変キャパシタの構成を示す平面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）の２タンク型ＭＥＭＳ可変キャパシタの構成を示す正面図である。
【００３０】
図３において、本実施形態に係るＭＥＭＳ可変キャパシタは二つの流体補充用タンク１４ａ，１４ｂを有し、流体チャネル１５ａ，１５ｂの内部高さ（図３の例では、３５μｍ）に比較して極めて薄い厚さ又は内部高さ（図３の例では、７μｍ）を有するタンク１４ａ，１４ｂ内に流体を毛細管現象により満充填する。次いで、ＥＷＯＤ駆動電圧を、タンク１４ａの駆動電極２１ａと駆動電極２２ａとの間に、もしくはタンク１４ｂの駆動電極２１ｂと駆動電極２２ｂとの間に印加すると、ＥＷＯＤ駆動により流体がタンク１４ａ，１４ｂからそれぞれキャパシタ部Ｃ１１，Ｃ１２を構成する二つの電極１１，１２間の流体チャネル１５ａ，１５ｂに流出して、流体チャネル１５ａ，１５ｂが流体で充填される一方、電圧印加を停止すると、流体に対する毛細管現象による応力がＥＷＯＤ駆動電圧による応力よりも大きくなり、流体が流体チャネル１５ａ，１５ｂからそれぞれタンク１４ａ，１４ｂに戻るように制御できる。ここで、各タンク１４，１４ｂから、電極１１，１２がある手前側に各タンク１４１，１４ｂよりも狭いが毛細管現象が発生しない流体チャネル１５ａ，１５ｂをシリコン構造体１３により導通形成し、それぞれ互いに対向する１対の電極１１，１２によりキャパシタ部Ｃ２１，Ｃ２２を構成している。ＥＷＯＤ駆動電圧印加用駆動電極２２ａ，２２ｂを下部電極１１，１１の各両側であって、タンク１４ａ，１４ｂ内の流体を導水するようにタンク１４ａ，１４ｂの近傍まで延在させて形成している。なお、流体に対する毛細管現象による応力は、一般に、タンク１４ａ，１４ｂ又は流体チャネル１５ａ，１５ｂの高さを小さくすることにより大きくなる。
【００３１】
本実施形態では、流体チャネル１５ａ，１５ｂを流体で充填しないときに１ｐＦの静電容量をもつようにシリコン構造体１３の寸法を設計した。このため、流体を片方の流路チャネル１５ａ，１５ｂのみに充填すると４０．５ｐＦ、両方に充填すると８０ｐＦに全体の静電容量が変化し、三段階の静電容量変化が得られる。なお、本実施形態では、６ｍｍ角のガラス基板１０上にバルクマイクロマシニングにより加工したシリコン構造体１３を静電接合することによりデバイスを作製した。
【００３２】
図４は図２及び図３の２タンク型ＭＥＭＳ可変キャパシタにおける水充填本数に対する静電容量を示すグラフである。図４から明らかなように、流体チャネル１５ａ，１５ｂを流体で充填しないとき、片方を充填したとき、両方を充填したときで、予想通りに、三段階に静電容量が変化することが示された。
【００３３】
図５は図２及び図３の２タンク型ＭＥＭＳ可変キャパシタにおいて用いる流体駆動原理を示すための縦断面図であって、図５（ａ）は直流電圧を印加しないときの流体２５の位置を示す縦断面図であり、図５（ｂ）直流電圧の印加開始時の流体２５の位置を示す縦断面図であり、図５（ｃ）は直流電圧の印加開始した後、十分な時間経過後の流体２５の位置を示す縦断面図である。すなわち、図５は、流体移動の電気制御を行うために、ＥＷＯＤ（Electrowetting on dielectric）駆動を用いた原理を示す図である。図５において、当該ＥＷＯＤ駆動回路は、ガラス基板１０上に分割された駆動電極２１，２２と、ガラス基板１０表面上を、例えばＳｉＯ２にてなる絶縁膜２３と、例えばＣＹＴＯＰ（登録商標）にてなる撥水膜２４で被覆して構成される。駆動電極２１，２２間に直流電圧源２０を接続して、電極１１，１２上の流体２５に印加する電界を変化させると、水の濡れ性が変化するために流体輸送が生じる。ここで、流体２５の接触角をθ０、真空中の誘電率と絶縁膜の比誘電率をそれぞれε０、εｒ、絶縁層の厚さをｔ、流体−固体間の表面張力をγＳＬとすると、電圧Ｖを印加したときの接触角θＶは、次式で表わされる。
【００３４】
【数２】
2011086661.tif 000004
【００３５】
ここで、流体２５として、純水、ガリウム合金などの金属流体などの電導性流体を用いるときは、絶縁層２３を形成する必要があるが、例えばシリコンオイル、脱イオン水などの非導電性流体を用いるときは絶縁層２３を形成しなくてもよい。ここで、流体２５として、電導性流体又は非電導性流体であってもよい。
【００３６】
図６は図２及び図３の４個の２タンク型ＭＥＭＳ可変キャパシタを用いて構成されたＭＥＭＳ可変ローパスフィルタを示す回路図である。すなわち、図６のＭＥＭＳ可変ローパスフィルタは、バターワース３次型フィルタを基にして改良設計したものである。図６において、当該ＭＥＭＳ可変ローパスフィルタは、端子Ｔ１，Ｔ２の間に構成され、２個の１５ｎＨのインダクタＬ１，Ｌ２と、互いに並列に接続された４個のＭＥＭＳ可変キャパシタＣ２１〜Ｃ２４を備えて構成される。ここで、各ＭＥＭＳ可変キャパシタＣ２１〜Ｃ２４は最小静電容量が４ｐＦで、すべての流体チャネル１５ａ，１５ｂに流体を充填させたときの最大静電容量が３２０ｐＦで９段階の可変が行えるものである。
【００３７】
図７は図６のＭＥＭＳ可変ローパスフィルタの段階的可変とカットオフ周波数測定結果を示す表である。また、図８は図６のＭＥＭＳ可変ローパスフィルタの通過係数Ｓ２１の周波数特性（０．００１ＧＨｚ〜８ＧＨｚ）を示すグラフであり、図９は図６のＭＥＭＳ可変ローパスフィルタの通過係数Ｓ２１の周波数特性（０．００１ＧＨｚ〜１ＧＨｚ）を示すグラフである。なお、図８及び図９において、Ｎ０〜Ｎ９の数字は水充填本数を示す。
【００３８】
図６のＭＥＭＳ可変ローパスフィルタにおいて、アジレント製Ｅ５０７１Ｂ型ネットワークアナライザを用いて８ＧＨｚまでの、挿入損失を示す通過係数Ｓ２１の周波数特性を測定した（図８及び図９）。また、そのカットオフ周波数を図７及び図８に示す。図７〜図９の測定から明らかなように、８段階のフィルタ周波数特性の可変を確認できた。測定されたカットオフ周波数は、４９．４〜６７２ＭＨｚの幅にあり、１３．６倍の可変率を実現できた。これは静電容量の１８５倍の変化に対応している。
【００３９】
以上説明したように、比誘電率を変化させて静電容量の可変を行う原理を利用した流体可変ＭＥＭＳキャパシタを作成し、純水を使用して８０倍の静電容量可変率が実現できることを実証した。また、上記ＭＥＭＳ可変キャパシタを用いてローパスフィルタを試作し、その周波数特性を評価した。ローパスフィルタのカットオフ周波数が４９．４〜６７２ＭＨｚと８段階に変化した。これはＭＥＭＳ可変キャパシタの１８５倍の可変率に対応する。
【００４０】
従って、本実施形態によれば、特許文献１において２つの直流電圧源を用いる従来技術に比較して、ＥＷＯＤ駆動電圧を印加しないとき、タンク１４ａ，１４ｂの毛細管現象により流体は流体チャネル１５ａ，１５ｂに流出せずタンク１４ａ，１４ｂ側に留置しているが、ＥＷＯＤ駆動電圧を印加したときに流体チャネル１５ａ，１５ｂ側に導水することにより、１つの直流電圧源を用いてディジタル的に１つのＭＥＭＳ可変キャパシタの容量を極めて簡単な構成で変化させることができる。なお、特許文献２のようなポンプを必要としないので制御装置が簡単である。また、複数の上記ＭＥＭＳ可変キャパシタを並列に接続することで、従来技術に比較して大きな容量変化範囲を有しかつディジタル的に容量を変化できるＭＥＭＳ可変キャパシタ装置を実現できる。さらに、当該ＭＥＭＳ可変キャパシタ装置及びインダクタを用いてローパスフィルタを構成することができる。
【００４１】
以上の実施形態においては、ローパスフィルタを構成しているが、本発明はこれに限らず、当該ＭＥＭＳ可変キャパシタ装置とインダクタとを公知の方法で組み合わせることにより、ハイパスフィルタ、もしくはバンドパスフィルタなどのフィルタ装置を構成してもよい。
【００４２】
第２の実施形態．
図１０は本発明の第２の実施形態に係るディジタル可変型ＭＥＭＳ可変キャパシタの構成を示す斜視図であり、図１１は図１０の主要部の拡大図である。また、図１２は図１０の流体チャネル部の縦断面図であり、図１３は図１２のＡ−Ａ’線についての横断面図である。
【００４３】
図１０において、ガラス基板１０上に、異なる直径を有する円形の堰壁１４ｃ，１４ｄにより純水などの流体を留置するタンク１４を形成し、当該タンク１４の一方の側に、それぞれ流体チャネル１５（図１２）を有する複数のＭＥＭＳ可変キャパシタからなるＭＥＭＳ可変キャパシタ装置４０を設け、ＭＥＭＳ可変キャパシタ装置４０とは対向する側である当該タンク１４の他方の側に複数のスリットからなるスリット部４１を設けている。ここで、スリット部４１は、毛細管現象で流体を引き込むような所定の薄い間隔でスリットを形成するようにシリコン板を並設して構成され、タンク１４内の流体をＭＥＭＳ可変キャパシタ装置４０の流体チャネル１５に導水せず（ＥＷＯＤ駆動電圧の非印加時）タンク１４内に留置するように動作する。なお、タンク１４の下側に駆動電極２１が形成され、当該駆動電極２１は電極パッド２１ｐに接続されている。また、実装時において、タンク１４は流体が流出しないように蓋（図示せず。）により密閉される。なお、流体に対する毛細管現象による応力は、一般に、スリット部４１のスリット間隔を小さくすることにより大きくなる。
【００４４】
図１２及び図１３は、ＭＥＭＳ可変キャパシタ装置４０内の１つのＭＥＭＳ可変キャパシタの構成を示しており、ガラス基板１０上にシリコン構造体３１を用いて構成され、ガラス基板１０上に、幅Ｗ及び長さＬを有する下部電極１１が形成され、その両側にＥＷＯＤによりタンクから流体を流体チャネル１５に導水するための駆動電極２２がタンク１４の近傍であってかつ駆動電極２１の近傍まで延在するように形成されている。また、下部電極１１の上側には、略直方体形状の流体チャネル１５を介して上部電極１２が形成されており、ＭＥＭＳ可変キャパシタを構成する。そして例えば９個のＭＥＭＳ可変キャパシタを並列に接続することによりＭＥＭＳ可変キャパシタ装置４０を構成する。なお、図１０及び図１１に示すように、下部電極１１は電極パッド１１ｐに接続され、上部電極１２は電極パッド１２ｐに接続され、駆動電極２２は電極パッド２２ｐに接続されている。また、シリコン構造体３１と上部電極１２との間は絶縁層３２で電気的に絶縁されている。ここで、流体チャネル１５は、ＭＥＭＳ可変キャパシタ側からタンク１４に導通しており、電極１１，１２に対するＥＷＯＤ駆動電圧の印加時において、タンク１４内の流体を流体チャネル１５に導水するように構成されている。すなわち、流体に対するスリット部４１の応力を、流体に対するＥＷＯＤ駆動の応力よりも大きくなるように設定しておく。
【００４５】
以上のように構成されたＭＥＭＳ可変キャパシタ装置４０内の１つのＭＥＭＳ可変キャパシタにおいて、ＥＷＯＤ駆動電圧を駆動電極２１，２２に印加していないときは、流体はタンク１４側にあり、流体チャネル１５に導水されていないので、ＭＥＭＳ可変キャパシタの電極１１，１２間は空気となり、空気による所定の容量（以下、非充填容量という。）となる。ＥＷＯＤ駆動電圧を駆動電極２１，２２に印加されたときは、流体は流体チャネル１５に導水されるので、ＭＥＭＳ可変キャパシタの電極１１，１２間は流体となり、上記非充填容量に比較して大きな流体による容量（以下、充填容量という。）となる。なお、この状態でＥＷＯＤ駆動電圧を印加しないときは、流体に対するスリット部４１の応力を、流体に対するＥＷＯＤ駆動の応力よりも大きくなるように設定されているので、流体チャネル１５内の流体はタンク１４に戻るように制御できる。
【００４６】
図１２及び図１３から明らかなように、各ＭＥＭＳ可変キャパシタの下部電極１１の幅Ｗと長さＬを変化させることにより、非充填容量及び充填容量を変化させることができる。図１４は図１０のディジタル可変型ＭＥＭＳ可変キャパシタの電極サイズ等の一覧を示す表である。図１４においては、各ＭＥＭＳ可変キャパシタの充填容量及び非充填容量をｎＣ０（ｎ＝１，２，…，２５６）と変化して設定した場合を示す。
【００４７】
図１５は図１０のディジタル可変型ＭＥＭＳ可変キャパシタの回路図である。図１５において、１３個のＭＥＭＳ可変キャパシタＣ１〜Ｃ１３を並列に接続し、各ＭＥＭＳ可変キャパシタＣ１〜Ｃ１３の容量を、直流電圧源を備えたコントローラ５０からのＥＷＯＤ駆動電圧のオン・オフにより充填容量と非充填容量との間でディジタル的に変化させることができる。図１４から明らかなように、１３個のＭＥＭＳ可変キャパシタを並列に接続した場合、最小容量Ｃｍｉｎ＝０．３０２ｐＦから最大容量Ｃｍａｘ＝３０．１６ｐＦまで１００倍の容量変化で２１３（＝８１９２通り）の分解能で変化することができる。
【００４８】
なお、各ＭＥＭＳ可変キャパシタの充填容量及び非充填容量をｎＣ０（ｎ＝１，２，…，Ｎ；Ｎ≧２）と変化して設定してもよく、この場合、２Ｎの分解能で変化させることができる。
【００４９】
以上説明したように、本実施形態によれば、特許文献１において２つの直流電圧源を用いる従来技術に比較して、ＥＷＯＤ駆動電圧を印加しないとき、タンク１４に連結されたスリット部４１の毛細管現象により流体はタンク１４側にあるが、ＥＷＯＤ駆動電圧を印加したときに各ＭＥＭＳ可変キャパシタの流体チャネル１５側に導水することにより、直流電圧源４０を備えたコントローラ５０を用いてディジタル的に各ＭＥＭＳ可変キャパシタの容量を極めて簡単な構成で変化させることができ、複数の上記ＭＥＭＳ可変キャパシタを並列に接続することで、従来技術に比較して大きな容量変化範囲を有しかつディジタル的に容量を変化できるＭＥＭＳ可変キャパシタ装置を実現できる。なお、特許文献２のようなポンプを必要としないので制御装置が簡単である。さらに、当該ＭＥＭＳ可変キャパシタ装置及びインダクタを用いてローパスフィルタなどのフィルタ装置を構成することができる。
【００５０】
図１６は本発明の第１の変形例に係る密閉流体チャネル内の２つの流体２６，２７を用いたＭＥＭＳ可変キャパシタの構成を示す縦断面図である。図１６において、例えば二種類の流体（純水とシリコンオイル又はアルコールなどの組み合わせ）２６，２７をガラス基板１０と密閉誘電体基板１０ａとの間の密閉空間の流体チャネルに閉じこめて、比誘電率が大きな流体２６のみを移動させてＭＥＭＳ可変キャパシタの容量を変化させるように構成してもよい。
【００５１】
図１７は本発明の第２の変形例に係る流体チャネル内の粒子２６ａを有する流体２６を用いたＭＥＭＳ可変キャパシタの構成を示す縦断面図である。誘電率が大きな流体の粒子２６ａを小さな流体２６内に拡散して流体２６の移動とともにこの粒子２６ａを移動させることによりＭＥＭＳ可変キャパシタの容量を変化させるように構成してもよい。
【００５２】
図１８は本発明の第３の変形例に係る密閉流体チャネル内の流体２７内の泡２８を用いたＭＥＭＳ可変キャパシタの構成を示す縦断面図である。誘電率が大きな流体２７の中を泡（例えば空気を含む）２８を移動させることによりＭＥＭＳ可変キャパシタの容量を変化させるように構成してもよい。
【００５３】
図１６〜図１８のいずれの変形例に係る方法でも流体チャネル１５内の電極１１，１２間の比誘電率を変化させることが可能であり、流体の移動のしやすさによってさまざまな形態をとることができる。
【００５４】
さらに、図１４においては、各ＭＥＭＳ可変キャパシタの充填容量及び非充填容量をｎＣ０（ｎ＝１，２，…，２５６）と変化しているが、本発明はこれに限らず、各ＭＥＭＳ可変キャパシタの充填容量及び非充填容量を互いに異なるように、もしくは同一となるように構成してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
以上詳述したように、本発明によれば、特許文献１において２つの直流電圧源を用いる従来技術に比較して、ＥＷＯＤ駆動電圧を印加しないとき、上記スリット部又はタンクの上記流体制御手段における毛細管現象により流体はタンク側にあるが、ＥＷＯＤ駆動電圧を印加したときに流体チャネル側に導水することにより、１つの直流電圧源を用いてディジタル的に１つのＭＥＭＳ可変キャパシタの容量を極めて簡単な構成で変化させることができる。また、複数の上記ＭＥＭＳ可変キャパシタを並列に接続することで、従来技術に比較して大きな容量変化範囲を有しかつディジタル的に容量を変化できるＭＥＭＳ可変キャパシタ装置を実現できる。さらに、当該ＭＥＭＳ可変キャパシタ装置及びインダクタを用いてフィルタ装置を構成することができる。
【符号の説明】
【００５６】
１０…ガラス基板、
１０ａ…密閉誘電体基板、
１１，１２，１１ａ，１２ａ，１１ｂ，１２ｂ，１１ｃ，１２ｃ…電極、
１１ｐ，１２ｐ，２１ｐ，２２ｐ…電極パッド、
１３…シリコン構造体、
１４，１４ａ，１４ｂ…タンク、
１４ｃ，１４ｄ…堰壁、
１５，１５ａ，１５ｂ…流体チャネル、
２０…直流電圧源、
２１，２２…駆動電極、
２３…絶縁層、
２４…撥水層、
２５…流体、
２６，２７…流体、
２６ａ…粒子、
２８…泡、
３１…シリコン層、
３２…絶縁層、
４０…ＭＥＭＳ可変キャパシタ装置、
４１…スリット群、
５０…コントローラ、
Ｃ１〜Ｃ１３，Ｃ２１〜Ｃ２４…可変キャパシタ、
Ｌ１，Ｌ２…インダクタ、
Ｔ１，Ｔ２…端子。
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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