(57)【要約】【課題】本発明は、連続容量可変比が高く小型の可変容量デバイスを提供する。【解決手段】強誘電体材料を用いた容量可変キャパシタと、前記容量可変キャパシタと直列に接続されたキャパシタと、前記キャパシタと並列に接続されたスイッチとを具備したことを特徴とする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強誘電体材料を用いた容量可変キャパシタと、
前記容量可変キャパシタと直列に接続されたキャパシタと、
前記キャパシタと並列に接続されたスイッチとを具備した可変容量デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載の可変容量デバイスであって、
前記容量可変キャパシタが、前記基板上に形成され、第１の電極と、第２の電極とで、強誘電体材料からなる誘電体薄膜を挟んだ薄膜素子で構成された可変容量デバイス。
【請求項３】
請求項１または２に記載の可変容量デバイスであって、
前記キャパシタは、前記基板上に形成され、第１の電極と、第２の電極とで、常誘電体材料からなる誘電体薄膜を挟んだ薄膜素子である可変容量デバイス。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の可変容量デバイスであって、
前記容量可変キャパシタの連続容量可変比は、２．７未満である可変容量デバイス。
【請求項５】
請求項４に記載の可変容量デバイスであって、
前記容量可変キャパシタの連続容量可変比は、１．６以上である可変容量デバイス。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の可変容量デバイスであって、
前記スイッチは、駆動部によって変位可能に形成されたスイッチ本体と、前記スイッチ本体に形成された可動電極と、前記可動電極に対向するように前記基板表面に形成された固定電極とを具備した可変容量デバイス。
【請求項７】
請求項６に記載の可変容量デバイスであって、
前記駆動部は、前記スイッチ本体に取り付けられた圧電素子である可変容量デバイス。
【請求項８】
請求項７に記載の可変容量デバイスであって、
前記駆動部は、前記スイッチ本体上に形成された第１の駆動電極と、前記第１の駆動電極の上層に形成された圧電体薄膜と、前記圧電体薄膜上に形成された第２の駆動電極とで構成された可変容量デバイス。
【請求項９】
請求項８に記載の可変容量デバイスであって、
前記圧電体薄膜は、ＰＺＴである可変容量デバイス。
【請求項１０】
請求項６に記載の可変容量デバイスであって、
前記駆動部は、前記スイッチ本体に取り付けられた静電駆動素子である可変容量デバイス。
【請求項１１】
請求項２乃至１０のいずれかに記載の可変容量デバイスであって、
前記誘電体薄膜は、ＢＳＴ（チタン酸バリウムストロンチウム）である可変容量デバイス。
【請求項１２】
請求項２乃至１０のいずれかに記載の可変容量デバイスであって、
前記誘電体薄膜は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）である可変容量デバイス。
【請求項１３】
請求項６に記載の可変容量デバイスであって、
前記スイッチ本体は、片持ち梁である可変容量デバイス。
【請求項１４】
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請求項６に記載の可変容量デバイスであって、
前記スイッチ本体は、両持ち梁である可変容量デバイス。
【請求項１５】
請求項６に記載の可変容量デバイスであって、
前記スイッチ本体は、枠状に形成された固定部と、前記固定部から伸長する変位部とで構成された可変容量デバイス。
【請求項１６】
請求項１５に記載の可変容量デバイスであって、
前記スイッチ本体は、変位部は、前記固定部から伸長する十字状の梁部であり、前記十字状の中心に前記可動電極の接点が設けられた可変容量デバイス。
【請求項１７】
請求項６に記載の可変容量デバイスであって、
前記スイッチ本体は、周縁部を固定された円盤状体であり、前記円盤状体の中心に前記可動電極の接点が設けられた可変容量デバイス。
【請求項１８】
請求項１５乃至１７のいずれかに記載の可変容量デバイスであって、
前記固定部と前記変位部との境界部に、前記変位部の変位を補助する変位補助部を具備した可変容量デバイス。
【請求項１９】
請求項１８に記載の可変容量デバイスであって、
前記変位補助部は、貫通穴である可変容量デバイス。
【請求項２０】
請求項１８に記載の可変容量デバイスであって、
前記変位補助部は、肉薄部である可変容量デバイス。
【請求項２１】
請求項１乃至２０のいずれかに記載の可変容量デバイスであって、
前記可変容量デバイスは同一基板上に形成されたモノリシックデバイスである可変容量デバイス。
【請求項２２】
請求項１に記載の可変容量デバイスであって、
前記容量可変キャパシタは、複数の容量可変キャパシタの直列接続体で構成した可変容量デバイス。
【請求項２３】
請求項２２に記載の可変容量デバイスであって、
前記容量可変キャパシタは、所定の間隔で配設された少なくとも２つの第１の容量電極と、前記第１の容量電極の上層に一体的に形成された強誘電体薄膜と、前記強誘電体薄膜の上層に前記第１の容量電極と一部領域で重なるように形成された少なくとも２つの第２の容量電極とで構成された可変容量デバイス。
【請求項２４】
請求項２２に記載の可変容量デバイスであって、
前記容量可変キャパシタは、３つ以上の容量電極と、各容量電極間に挟持された強誘電体薄膜とで構成された可変容量デバイス。
【請求項２５】
請求項１から２４のいずれかに記載の可変容量デバイスを備えた携帯端末。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変容量デバイスにかかり、特に連続容量可変幅が大きく、広帯域化と高放射効率を共に実現するアンテナ装置などに用いられる微細な可変容量デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
無線端末などの情報通信機器の普及が進む中、通信に使用される周波数は、デジタルテレビの４００ＭＨｚから携帯電話等の８００ＭＨｚ、更に無線ＬＡＮ等の数ＧＨｚ帯へとますます広帯域化が加速している。現在は、各種通信方式に対応した端末を独立して使用している状況が多いが、将来的には一つの無線端末で各種通信方式に対応した小型端末の実現が望まれている。
【０００３】
そこで、近年では、アンテナの広帯域化と高感度化の両立により、搭載無線システムの個数よりも少ないアンテナ素子及び増幅器によって、複数の無線システム毎の周波数帯域における高感度送受信を実現するチューナブルデバイスに関する研究開発が進められている。そのチューナブルデバイスのなかには、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を利用して、機械要素部品、各種センサ、アクチュエータ、電子回路などをシリコン基板上に集積化する、ＭＥＭＳデバイスとして製造されるものがある。このチューナブルデバイスは、シリコン基板上に可変キャパシタ、スイッチ、及びフィルタが形成されており（以下、チューナブルデバイスが備えるキャパシタ、スイッチ、及びフィルタのことを、ＭＥＭＳキャパシタ、ＭＥＭＳスイッチ、及びＭＥＭＳフィルタと称する。また、一群のＭＥＭＳキャパシタ、ＭＥＭＳスイッチ、及びＭＥＭＳフィルタのことをＭＥＭＳ複合デバイスまたは複合デバイスと称する）、任意のＭＥＭＳ可変キャパシタの容量（キャパシタンス）値やＭＥＭＳスイッチの開閉を制御することによって、複合デバイス全体のインダクタンス値や容量値を調整し、そのチューナブルデバイスに接続されているアンテナ素子のアンテナ特性を制御する。この結果、チューナブルデバイスとアンテナ素子により構成されるアンテナ装置は、複数の周波数帯域または帯域幅の広い周波数帯域における高感度送受信を実現することができる。
【０００４】
例えば、近年の携帯電話に代表される携帯端末装置のなかには、１つのチャンネルに割り当てられた周波数を１３のセグメント（帯域）に分割したうちの、１つのセグメントによって放送される地上デジタル放送（このような地上デジタル放送は、「ワンセグ」と称される。）を受信可能なものがある。複数のチャンネルで放送される地上デジタル放送を受信するために、携帯端末装置に搭載されるアンテナ装置には４７０〜７７０〔ＭＨｚ〕程度の周波数帯域を確保することが要求される。一方、携帯端末装置に搭載されることが多いループアンテナは、高感度ではあるが確保することができる周波数帯域が１０〔ＭＨｚ〕程度と狭い。このため、ループアンテナにチューナブルデバイスを接続し、そのループアンテナのアンテナ特性を制御することによって、地上デジタル放送を受信するために必要な３００〔ＭＨｚ〕程度の広帯域幅を高感度で確保する手法が検討されている。
【０００５】
上述したようなチューナブルデバイスの具体例として、例えば、特許文献１に、ＭＥＭＳ固定容量コンデンサＣ０と、ＭＥＭＳスイッチＳ１に直列に接続されたＭＥＭＳ可変容量コンデンサＣ１と、ＭＥＭＳスイッチＳ２に直列に接続されたＭＥＭＳ可変容量コンデンサＣ２と、・・・ＭＥＭＳスイッチＳｎに直列に接続されたＭＥＭＳ可変容量コンデンサＣｎと、を並列に接続した可変容量コンデンサシステムが提案されている。
【特許文献１】特開２００４−３２７８７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示されている可変容量コンデンサシステムでは、ＭＥＭＳ可変容量コンデンサを用いており、印加電界の増加とともに連続的に容量が大きくなる区間（連続容量可変幅と称する）における、容量の最小値と最大値との比（連続容量可変比と称する）を大きくするのはきわめて困難である。そこで特許文献１では、連続容量可変比が小さい可変容量コンデンサを複数個備えた構成によって、複数の周波数帯域または広い周波数帯域における送受信を実現している。しかしながら、この構成では、アンテナ装置によって送受信を実現しようとする周波数帯域の個数が多くなるあるいは、またはその周波数帯域の帯域幅が広くなると、それに対応して可変容量コンデンサの個数を増やす必要がある。変位する領域を必要とするＭＥＭＳ可変容量コンデンサの個数が多くなると占有面積が大きくなるだけでなく、寄生抵抗も増大することになる上、変位の回数を重ねることによる劣化も大きく、アンテナ装置に適用した場合、アンテナ性能を低下させる原因となっていた。
そこで複数の周波数帯域または帯域幅の広い周波数帯域における高感度送受信を実現することができる小型のアンテナ装置を提供すべく、連続容量可変比が大きく損失の小さい小型の可変容量デバイスが求められている。またアンテナ装置以外にも高周波フィルタなどにおいても広帯域化をはかるために連続容量可変比が大きく小型の可変容量デバイスは同様に強く求められている。
【０００７】
本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、連続容量可変比が大きく損失の小さい小型の可変容量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】
【０００８】
本発明の可変容量デバイスは、強誘電体材料を用いた容量可変キャパシタと、前記容量可変キャパシタと直列に接続されたキャパシタと、前記キャパシタと並列に接続されたスイッチとを具備したことを特徴とする。
この構成によれば、電界を印加することによって誘電率が変化する強誘電体材料を用いた容量可変キャパシタを用いることにより、連続可変容量比を大きくすることができ、しかもこれをキャパシタに直列接続することで、従来得られなかった２．７以上の連続可変容量比を得ることが可能となる。また、同一基板上に形成することができるため、寄生容量や寄生抵抗を低減し、小型で信頼性の高い可変容量デバイスを提供することが可能となる。また容量可変キャパシタ自体、変位型の容量可変キャパシタに比べ占有面積が小さいことから、複数個接続する際にも、小型化を実現することができる。また、強誘電体材料を用いた容量可変キャパシタは、変位型の容量可変キャパシタに比べ、変位部を持たないため、長期にわたって信頼性を維持することができる。またこの容量可変部にアンテナ素子を接続することにより、アンテナ性能の劣化を抑制することができる。
【０００９】
また、本発明は、上記可変容量デバイスにおいて、前記容量可変キャパシタが、前記基板上に形成され、第１の電極と、第２の電極とで、強誘電体材料からなる誘電体薄膜を挟んだ薄膜素子で構成されたものを含む。
上記構成によれば、製造が容易で、かつ小型化が可能となる。
【００１０】
また、本発明は、上記可変容量デバイスにおいて、前記キャパシタは、前記基板上に形成され、第１の電極と、第２の電極とで、常誘電体材料からなる誘電体薄膜を挟んだ薄膜素子であるものを含む。
上記構成によれば、製造が容易で、かつ小型化が可能となる。また、第１及び第２の電極は容量可変キャパシタと同一工程で形成することができ、誘電体薄膜のみを変更すればよいため、製造が容易で、かつ小型化が可能である。さらにまた強誘電体薄膜に比べて低抵抗であるため、寄生抵抗の低減をはかることができる。
【００１１】
また、本発明は、上記可変容量デバイスにおいて、前記容量可変キャパシタの連続容量可変比は、２．７未満であるものを含む。
上記構成によれば、連続容量可変比、２．７未満の容量可変キャパシタを用い大型化を招くことなく連続容量可変比２．７以上の容量可変部を形成することが可能となる。
【００１２】
また、本発明は、上記可変容量デバイスにおいて、前記容量可変キャパシタの連続容量可変比は、１．６以上であるものを含む。
上記構成によれば、可変容量デバイスを簡単な構成で実現できるので、製造プロセスが簡単になり高信頼性が実現でき、また低損失で大きな連続容量可変比を提供することができる。
【００１３】
また、本発明は、上記可変容量デバイスにおいて、前記スイッチは、駆動部によって変位可能に形成されたスイッチ本体と、前記スイッチ本体に形成された可動電極と、前記可動電極に対向するように前記基板表面に形成された固定電極とを具備したものを含む。
上記構成によれば、スイッチ本体に取り付けられた可動電極と、これに対向する固定電極との間でスイッチングを行うようにした電気機械的スイッチであるため、ＯＦＦ電流もなく、消費電力の低減をはかることができる。
【００１４】
また、本発明は、上記可変容量デバイスにおいて、前記駆動部は、前記スイッチ本体に取り付けられた圧電素子であるものを含む。
上記構成によれば、低電圧駆動が可能であり、小型で駆動力が高いものとなる。
【００１５】
また、本発明は、上記可変容量デバイスにおいて、前記駆動部は、前記スイッチ本体上に形成された第１の駆動電極と、前記第１の駆動電極の上層に形成された圧電体薄膜と、前記圧電体薄膜上に形成された第２の駆動電極とで構成されたものを含む。
上記構成によれば、薄膜の積層構造体としてきわめて容易に形成可能である。
【００１６】
また、本発明は、上記可変容量デバイスにおいて、前記圧電体薄膜は、ＰＺＴであるものを含む。
上記構成によれば、ＰＺＴの大きな圧電効果により低電圧で高い駆動力を得ることができる。
【００１７】
また、本発明は、上記可変容量デバイスにおいて、前記駆動部は、前記スイッチ本体に取り付けられた静電駆動素子であるものを含む。
上記構成によれば、静電力により前記スイッチ本体を固定電極に向けて駆動することでスイッチを駆動することができる。
【００１８】
また、本発明は、上記可変容量デバイスにおいて、前記誘電体薄膜は、ＢＳＴ（チタン酸バリウムストロンチウム）であるものを含む。
上記構成によれば、薄膜化が容易で連続容量変化比の高い容量可変キャパシタを得ることができる。
【００１９】
また、本発明は、上記可変容量デバイスにおいて、前記誘電体薄膜は、ＰＺＴ（チタン酸鉛ジルコニウム）であるものを含む。
上記構成によれば、薄膜化が容易で連続容量変化比の高い容量可変キャパシタを得ることができる。
【００２０】
また、本発明は、上記可変容量デバイスにおいて、前記スイッチ本体は、片持ち梁であるものを含む。
上記構成によれば、簡単な構造で低電圧駆動の可能なスイッチを得ることができる。
【００２１】
また、本発明は、上記可変容量デバイスにおいて、前記スイッチ本体は、両持ち梁であるものを含む。
上記構成によれば、より動作の安定なスイッチを得ることができる。
【００２２】
また、本発明は、上記可変容量デバイスにおいて、前記スイッチ本体が、枠状に形成された固定部と、前記固定部から伸長する変位部とで構成されたものを含む。
上記構成によれば、固定部によって変位部が確実に支持されており、安定な動作特性を得ることができる。
【００２３】
また、本発明は、上記可変容量デバイスにおいて、前記スイッチ本体は、変位部は、前記固定部から伸長する十字状の梁部であり、前記十字状の中心に前記可動電極の接点が設けられたものを含む。
上記構成によれば、安定で確実な変位を得ることができる。
【００２４】
また、本発明は、上記可変容量デバイスにおいて、前記スイッチ本体は、周縁部を固定された円盤状体であり、前記円盤状体の中心に前記可動電極の接点が設けられものを含む。
上記構成によれば、安定で確実な変位を得ることができる。
【００２５】
また、本発明は、上記可変容量デバイスにおいて、前記固定部と前記変位部との境界部に、前記変位部の変位を補助する変位補助部を具備したものを含む。
上記構成によれば、変位補助部を具備したことで、低電圧で変位を助けることができる。
【００２６】
また、本発明は、上記可変容量デバイスにおいて、前記変位補助部は、貫通穴であるものを含む。
上記構成によれば、前記固定部と前記変位部との境界部に貫通穴を設けることで、より変位しやすい状態を得ることができる。
【００２７】
また、本発明は、上記可変容量デバイスにおいて、前記変位補助部は、肉薄部であるものを含む。
上記構成によれば、前記固定部と前記変位部との境界部に肉薄部を設けることで、より変位しやすい状態を得ることができる。
【００２８】
また、本発明は、上記可変容量デバイスにおいて、前記可変容量デバイスは同一基板上に形成されたモノリシックデバイスであるものを含む。
この構成によれば、素子間接続のための接続パッドなども不要であるため、極めて微細でかつ低抵抗の可変容量デバイスを実現することができる。
【００２９】
また、本発明は、上記可変容量デバイスに、ループアンテナなどのアンテナ素子を接続してもよい。また可変容量デバイスと同一基板上にループアンテナを形成してもよい。
上記構成によれば、特にループアンテナの場合帯域幅が狭いという問題があるが、強誘電体キャパシタを用いた容量可変部を用いたことにより、より帯域幅を高めることができる。
【００３０】
また、本発明は、上記可変容量デバイスにおいて、前記容量可変キャパシタは、複数の容量可変キャパシタの直列接続体で構成したものを含む。
上記構成によれば、単体の容量可変キャパシタの容量値を大きくできるので製造を容易にすることができる。
【００３１】
また、本発明は、上記可変容量デバイスにおいて、前記容量可変キャパシタは、所定の間隔で配設された少なくとも２つの第１の容量電極と、前記第１の容量電極の上層に一体的に形成された強誘電体薄膜と、前記強誘電体薄膜の上層に前記第１の容量電極と一部領域で重なるように形成された少なくとも２つの第２の容量電極とで構成されたものを含む。
上記構成によれば、簡単な構成で容量可変キャパシタを形成することができる。強誘電体薄膜を一体形成しているため、パターニングが必要なのは第１および第２の容量電極のみである。
【００３２】
また、本発明は、上記可変容量デバイスにおいて、前記容量可変キャパシタは、３つ以上の容量電極と、各容量電極間に挟持された強誘電体薄膜とで構成されたものを含む。
上記構成によれば、積層体で構成できるため、占有面積の低減をはかることができる。
【００３３】
また、本発明は、可変容量デバイスは携帯端末用のアンテナ装置などに有効である。
この構成により、小型でかつ広帯域をもち信頼性の高いアンテナ装置を得ることができるため、アンテナ性能の良好な携帯端末を提供することが可能となる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明の可変容量デバイスによれば、小型でかつ信頼性が高く低損失で、しかも連続容量可変比が高い可変容量を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１の容量可変デバイスを用いたアンテナ装置の等価回路を図１に示す。図４はこのアンテナ装置の可変容量デバイスの上面図、下面図、図５は、図４のＡ−Ａ断面図、図６は、このスイッチの要部拡大平面図および断面図である。
【００３６】
このアンテナ装置は、図１に示すように、互いに直列接続された第１及び第２の可変キャパシタＣ１、Ｃ２と、前記第１の可変キャパシタＣ１に並列接続されたスイッチＳＷとを備えた可変容量部としての可変容量デバイスＴＤと、前記可変容量部に、両端を接続されたアンテナ素子ＡＮＴとを具備し、アンテナ素子の一方の端子は設置され、もう一方の端子は高周波集積処理回路ＲＦＩＣに接続されている。なお、ここでこの端子はキャパシタＣを介して高周波集積処理回路ＲＦＩＣに接続するようにしてもよい。
【００３７】
この可変容量デバイスにおいてスイッチＳＷの一端は、可変キャパシタＣ１の一端に接続され、スイッチＳＷの他端は、アンテナ素子ＡＮＴを構成するループアンテナの一端に接続される。また、可変キャパシタＣ１、Ｃ２の他端は、ループアンテナＡＮＴの他端に接続される。また、ループアンテナの２つの端部はそれぞれ、高周波信号を処理する高周波集積回路ＲＦＩＣ及びＧＮＤに接続されている。なお、本発明の実施の形態１では、アンテナ素子をループアンテナとしているが、本発明のアンテナ装置に適用可能なアンテナ素子は、ループアンテナに限るものではなく、他種類のアンテナ素子、例えば、スロットアンテナ、ヘリカルアンテナ、モノポールアンテナ、ダイポールアンテナ、パッチアンテナ、マイクロストリップアンテナ、逆Ｆ型アンテナ、逆Ｌ型アンテナであっても、帯域幅の広い周波数帯域における送受信を実現することができる。
【００３８】
例えば、地上波デジタルＴＶ（ワンセグ）の４７０〜７７０〔ＭＨｚ〕程度の周波数帯域を確保するために、可変容量デバイスＴＤの容量は、１．２６〜３．３９〔ｐＦ〕の範囲で変化する必要がある。このために、仮に印加電圧Ｖｔを同時に０．５〔Ｖ〕から２〔Ｖ〕へ変化させたときに、容量が次のように変化する可変キャパシタＣ１、Ｃ２を利用する。
［可変キャパシタＣ１］
３．２０〜５．３８〔ｐＦ〕に容量が変化する。なお、印加電圧Ｖｔが１〔Ｖ〕のときに可変キャパシタＣ２の容量が５．３８〔ｐＦ〕、印加電圧Ｖｔが２〔Ｖ〕のときに可変キャパシタＣ２の容量が３．２０〔ｐＦ〕になる。このとき、連続容量可変比は、５．３８／３．２０≒１．６８になる。
［可変キャパシタＣ２］
２．０８〜３．３９〔ｐＦ〕に容量が変化する。なお、印加電圧Ｖｔが１〔Ｖ〕のときに可変キャパシタＣ１の容量が３．３９〔ｐＦ〕、印加電圧Ｖｔが２〔Ｖ〕のときに可変キャパシタＣ１の容量が２．０８〔ｐＦ〕になる。このとき、連続容量可変比は、３．３９／２．０８≒１．６３になる。
最初に、スイッチＳＷを開いて、印加電圧Ｖｔを２[Ｖ]に設定すればＣ１＝３．２[ｐＦ]、Ｃ２＝２．０８[ｐＦ]になり合成容量は１．２６[ｐＦ]になる。印加電圧Ｖｔを徐々に低下していき０．５[Ｖ]に設定すればＣ１＝５．３８[ｐＦ]、Ｃ２＝３．３９[ｐＦ]になり合成容量は２．０８[ｐＦ]になる。次に、スイッチＳＷを閉じると、容量素子は可変キャパシタＣ２のみになり、印加電圧Ｖｔを２[Ｖ]に設定すればＣ２＝２．０８[ｐＦ]になり合成容量は２．０８[ｐＦ]になる。印加電圧Ｖｔを徐々に低下していき０．５[Ｖ]に設定すればＣ２＝３．３９[ｐＦ]になり合成容量は３．３９[ｐＦ]になる。つまり、可変容量デバイスＴＤの容量は、１．２６〜３．３９〔ｐＦ〕の範囲で変化させられる。
【００３９】
このため、可変キャパシタＣ１、Ｃ２の連続容量可変比が１．６以上、望ましくは１．７以上であれば、スイッチＳＷ１、ＳＷ２を選択的に短絡して可変キャパシタＣ１、Ｃ２のいずれか一つをループアンテナＡＮＴに接続することにより、可変キャパシタＣ１を接続したときは４７０Ｍ〜６００ＭＨｚの周波数帯域幅を、可変キャパシタＣ２を接続したときは６００Ｍ〜７７０ＭＨｚの周波数帯域幅を、それぞれ確保することができる。
このようにして、広帯域のアンテナ装置を提供することができる。
【００４０】
４７０〜７７０〔ＭＨｚ〕程度の周波数帯域を確保するために、チューナブルデバイスＴＤの容量は、１．２６〜３．３９〔ｐＦ〕の範囲で変化する必要があることを述べた。ここで、チューナブルデバイスＴＤが、この範囲での容量の変化を一つの容量可変キャパシタＣ０で実現した場合に、その容量可変キャパシタＣ０に要求される連続容量可変比について考察する。
【００４１】
図２に、本発明を説明するための参考例として一つの容量可変キャパシタにより構成されるチューナブルデバイスの等価回路を示す。図２では、チューナブルデバイスＴＤは、一つの容量可変キャパシタＣ０によって形成されており、ループアンテナＡＮＴの２つの端部は、容量可変キャパシタＣ０の両端に接続されている。また、ループアンテナＡＮＴの２つの端部はそれぞれ、高周波信号を処理する高周波集積回路ＲＦＩＣ及びＧＮＤに接続されている。
【００４２】
４７０〜７７０〔ＭＨｚ〕程度の周波数帯域を確保するために、容量可変キャパシタＣ０は、印加電圧Ｖｔに応じて、１．２６〜３．３９〔ｐＦ〕の値で容量が連続的に変化する必要がある（容量可変キャパシタＣ０は、その容量が３．３９〔ｐＦ〕のとき４７０〔ＭＨｚ〕、その容量が１．２６〔ｐＦ〕のとき７７０〔ＭＨｚ〕）。このとき、容量可変キャパシタＣ０の連続容量可変比、３．３９／１．２６≒２．７でなければならない。しかしながら、２．７という高い連続容量可変比を実現する容量可変キャパシタを製造することは困難であるため、図２に示した、一つの容量可変キャパシタにより構成されるチューナブルデバイスを実現することもまた、困難である。このため、本発明の実施の形態１のアンテナ装置のように、連続容量可変比が１．６以上（望ましくは１．７以上）の二つの容量可変キャパシタＣ１、Ｃ２で構成されるチューナブルデバイスを想定するに至った。本発明の実施の形態１のアンテナ装置によれば、チューナブルデバイスが少なくとも二つの容量可変キャパシタによって構成されるため、アンテナ素子に要求される周波数帯域の帯域幅が広くなる程回路規模が拡大する従来のシステムと比べて、回路規模をより縮小することができる。
【００４３】
なお、容量可変キャパシタの数を３、４個と増やせば、その分、容量可変キャパシタに要求される連続容量可変比が小さくなる。このため、容量可変キャパシタの連続容量可変比に応じて、それぞれスイッチとともに直列に接続される容量可変キャパシタの数を増減してもよい。
【００４４】
また、本発明の実施の形態１のアンテナ装置における二つの容量可変キャパシタＣ１、Ｃ２に用いられる誘電体としては、１．６以上（望ましくは１．７以上）程度の連続容量可変比を実現するＢＳＴ（チタン酸バリウムストロンチウム）やＰＺＴ（チタン酸鉛ジルコン）がある。ＢＳＴ及びＰＺＴは、印加電界に応じて誘電率εが変化する強誘電体である。特開２００４−３２７８７７号公報（特許文献１）に開示されている、静電気力によって電極間の距離を変化させ所望の容量を得る方式（静電方式）の容量可変キャパシタは、その静電気を発生させるために数十〔Ｖ〕の駆動電圧を必要とするのに比べ、ＢＳＴを誘電体材料としたＢＳＴキャパシタまたはＰＺＴを誘電体材料としたＰＺＴキャパシタは、３〔Ｖ〕未満の駆動電圧で誘電率εを変化させ所望の容量を得ることができる。このため、３〔Ｖ〕程度の低い駆動電圧で作動することが求められる携帯端末装置にとって、ＢＳＴキャパシタまたはＰＺＴキャパシタを備える構成のチューナブルデバイスは実装に適したデバイスであると言える。本発明の実施の形態１のアンテナ装置のチューナブルデバイスは、ＢＳＴキャパシタまたはＰＺＴキャパシタを容量可変キャパシタとして備えているものとする。なお、連続容量可変比が１．６以上の強誘電体材料であれば、その強誘電体材料を用いた容量可変キャパシタにより、本発明のアンテナ装置のチューナブルデバイスを構成することができる。
【００４５】
また、本発明の実施の形態１のアンテナ装置のチューナブルデバイスＴＤは、二つの容量可変キャパシタが直列に接続された構成である。互いに直列に接続された二つのキャパシタを積層構造とすることが容易であるため、チューナブルデバイスの実装面積を抑えることができる。
【００４６】
また、チューナブルデバイスＴＤをＢＳＴキャパシタＣ１、Ｃ２及びスイッチＳＷによって形成するにあたって、ＢＳＴキャパシタＣ１、Ｃ２及びスイッチＳＷの等価直列抵抗Ｒｓを考慮する必要がある。図３に、放射効率と等価直列抵抗との関係を示す。図３では、板状ループアンテナ（外周４０〔ｍｍ〕×６〔ｍｍ〕、板形状の幅８〔ｍｍ〕）に接続されるチューナブルデバイス全体の等価直列抵抗Ｒｓが０から８００〔ｍΩ〕に変わる場合の、板状ループアンテナによる放射効率ηを表している。なお、板状ループアンテナの形状は、携帯端末装置に搭載されることを想定した大きさであり、このような形状の板状ループアンテナは、例えば、携帯端末装置の筐体の端部、携帯端末装置が二つの筐体で構成される場合にはその二つの筐体を接合した端部とは異なる端部、に配設される。
【００４７】
チューナブルデバイスＴＤに接続された板状ループアンテナは、地上デジタル放送に用いられる周波数帯域４７０〜７７０〔ＭＨｚ〕を確保した上で、放射効率ηの低下が１〔ｄＢ〕程度に抑えられることが好ましい。図３によると、等価直列抵抗Ｒｓが２００〔ｍΩ〕未満であれば、放射効率ηの低下を１〔ｄＢ〕未満に抑えられることがわかる。このため、チューナブルデバイス全体の等価直列抵抗Ｒｓが２００〔ｍΩ〕未満になるように、チューナブルデバイスに利用するＢＳＴキャパシタＣ１、Ｃ２及びスイッチＳＷを選択する必要がある。
【００４８】
例えば、これまでチューナブルデバイスに用いられることがあったバラクタダイオードやＰｉｎダイオードをスイッチＳＷとして選択する場合、これらのダイオードは、等価直列抵抗Ｒｓが５００〔ｍΩ〕以上と大きく、放射効率ηは、１〔ｄＢ〕以上低下してしまう。また、本発明の実施の形態１では、チューナブルデバイスを直列に接続したＢＳＴキャパシタによって形成するため、ＢＳＴキャパシタの等価直列抵抗が加算され、チューナブルデバイス全体の等価直列抵抗Ｒｓが大きくなり易い。また、従来利用されている抵抗値の小さいスイッチとして、電磁的な駆動手段と機械的接点を有するリレーがある。このリレーは、物理的に小型なアンテナ素子に比較して物理的な体積が大きいためアンテナの性能に影響を及ぼすと共に、配線部が長くなるためにインダクタンスが増加しアンテナ効率が劣化するという課題があり、小型アンテナ素子のスイッチとしては不適切である。
【００４９】
次にこの容量可変キャパシタ１１０ａ、１１０ｂ（Ｃ１、Ｃ２）と電気機械（ＭＥＭＳ）スイッチ１２０（ＳＷ）とで構成された可変容量デバイスの具体的構成について説明する。
この可変容量デバイスは同一のシリコン基板１００上に形成されており、第１層配線で形成された第１の容量電極１１１ａ、１１１ｂとこの上層に形成されたＢＳＴ（ＢａＳｒＴｉＯ３：バリウムストロンチウムタイタネート）からなる強誘電体層１１２ａ、１１２ｂと、この上層に形成された第２層配線で構成された第２の容量電極１１３ａ、１１３ｂとで構成され、第１および第２の容量電極１１１ａ、１１１ｂで強誘電体層１１２ａ、１１２ｂが挟まれた領域が第１及び第２の容量可変キャパシタ１１０ａ、１１０ｂを構成している。これら第２層配線において第１および第２の容量可変キャパシタの第２の容量電極１１３ａ、１１３ｂは配線１１３で相互接続されており、この接続部にスイッチＳＷを構成するＭＥＭＳスイッチ１２０の固定電極１２３が接続されている。なおこの強誘電体層１１２ａおよび１１２ｂは一体的に形成されているが、個別に分離形成されていてもよい。
【００５０】
また、ＭＥＭＳスイッチＳＷは、図６に示すように、上記シリコン基板１００上に形成された２酸化シリコン層などの絶縁体層で形成された片もち梁で構成されたＭＥＭＳスイッチ本体１２２と、前記ＭＥＭＳスイッチ本体１２２上に形成され、前記ＭＥＭＳスイッチ本体１２２を駆動電界に応じて変位させる圧電素子からなる駆動部１３０とを具備し、駆動電界に応じて、ＭＥＭＳスイッチ本体１２２の変位が生じ、回路の開閉（ＯＮ／ＯＦ）が実現されるものである。このＭＥＭＳスイッチでは、前記容量可変キャパシタのＭＥＭＳスイッチ本体１２２の下面には可動電極１２１が形成されており、この可動電極１２１に対向して固定電極１２３が配設されている。この固定電極１２３は第１及び第２の容量可変キャパシタＣ１、Ｃ２の第２の容量電極１１３ａ、１１３ｂの接続部の配線１１３に接続されている。また、この可動電極１２１は、ＭＥＭＳスイッチ本体１２２の下面に形成され、シリコン基板１００の表面に前記固定電極１２３と同一層で形成された導電体層からなる信号電極１２３ｂに接続され、この信号電極１２３ｂは第１の容量可変キャパシタ１１０の第２の容量電極１１３ａに接続されている。このＭＥＭＳスイッチのＯＮ／ＯＦＦにより、第１の容量可変キャパシタのＯＮ／ＯＦＦが制御される。
【００５１】
また駆動部１３０は、梁状のＭＥＭＳスイッチ本体１２２の上面に形成された下層電極１３１と、上層電極１３３とで、ＰＺＴなどからなる圧電薄膜１３２を挟んだもので、下層電極１３１と上層電極１３３との間の印加電界（駆動電界）によって形成された圧電素子で構成されており、下層電極１３１側と上層電極１３３間に電圧が印加されると、圧電薄膜が長さ方向に伸張し、この力がＭＥＭＳスイッチ本体１２２を変位させ、可動電極１２１の先端部に形成された突起部１２１Ｓが固定電極１２３に接触し、スイッチがＯＮ状態となるように形成されている。なお圧電薄膜１３２は、駆動効率を上げ、信頼性を向上するためにＭＥＭＳスイッチ本体１２２を構成する梁の先端と根元部１２２ｎとを避けて形成している。なおここで根元部ｎとは固定部と可動部であるＭＥＭＳスイッチ本体１２２との境界をさすものとする。
【００５２】
またこのシリコン基板表面には、図４（ａ）および（ｂ）に示すように、この可変容量デバイスへの入力信号が入力される入力端子１００Ｔと、ＭＥＭＳスイッチの、圧電素子からなる駆動部１３０の駆動信号を入力するスイッチ駆動端子１３０Ｔと、この可変容量デバイスの出力端子１１３Ｔと、第１及び第２の容量可変キャパシタの下層側の電極である第１の容量電極１１１ａおよび１１１ｂにそれぞれ接続される第１及び第２の容量制御端子１１１Ｔａおよび１１１Ｔｂが形成されている。
ここで入力端子１００Ｔから入力される入力信号は、出力端子１１３Ｔから出力される。ただし本実施の形態では、第１及び第２の容量制御端子１１１Ｔａおよび１１１Ｔｂへの印加電圧を共通にしているが、それぞれ個別にしてもよい。個別にすることにより、容量可変キャパシタＣ１、Ｃ２の個別容量値制御が可能である。
【００５３】
そして、この入力端子１００Ｔと出力端子１１３Ｔとを介して、この可変容量デバイスをアンテナ素子ＡＮＴの両端に接続する（図１）
【００５４】
次にこの可変容量デバイスの動作について説明する。
動作の説明に先立ち、この容量可変キャパシタを構成する誘電体の特性について説明する。
ＢＳＴは図７に電圧Ｖと比誘電率εとの関係を示すように、電界の印加によって比誘電率が約２００から約４００程度変化する。そこで、この比誘電率の変化によって、各容量可変キャパシタの比誘電率ε１、ε２も同様に約２００から約４００程度まで変化させることができる。
【００５５】
この可変容量デバイスの動作について詳細に説明する。
ＭＥＭＳスイッチ１２０の駆動部１３０を構成する圧電素子の下層電極１３１と、上層電極１３３との間に電界を印加すると、圧電薄膜１３２が変位し、基台としてのシリコン基板１００上に形成された片持ち梁であるＭＥＭＳスイッチ本体１２２の先端は矢印ａの方向に変位し、可動電極１２１の突起部１２１Ｓは固定電極１２３に接触し、可動電極１２１と固定電極１２３は短絡される。
一方、圧電素子の駆動電極である下層電極１３１と、上層電極１３３との間への電圧印加を停止すれば、片持ち梁を構成するＭＥＭＳスイッチの先端は矢印Ａの反対方向に移動し、初期状態に戻り、突起部１２１Ｓは固定電極１２３から離れ、固定電極と可動電極との接触は開放される。
【００５６】
このようにして、２つの容量可変キャパシタのキャパシタンスの和はＣ１・Ｃ２／（Ｃ１＋Ｃ２）であるから、Ｃ１・Ｃ２／（Ｃ１＋Ｃ２）からＣ２まで変化させることができることになる。このことから上述したように４７０〜７００の周波数帯域幅を得ることができる。またＯＦＦ時の消費電力も極めて小さく、信頼性の高い可変容量デバイスを形成することができる。従って小型で広帯域かつ高感度のアンテナ装置を得ることができる。
【００５７】
なお、前記実施の形態では、図６（ｂ）に示すように、圧電薄膜１３２を、ＭＥＭＳスイッチ本体１２２を構成する梁の先端と根元部１２２ｎとを避けて形成しており、これにより、高信頼性を向上でき、しかも小さな力で変位させることができる。
【００５８】
また、この可変容量デバイスは、１枚のシリコン基板１００上に容量可変キャパシタ及びＭＥＭＳスイッチを集積化して形成することができ、製造が容易でかつ信頼性の高いものとなっている。また２つの容量可変キャパシタ及びＭＥＭＳスイッチを集積化して形成しているため、伝送損失が少なくかつ極めて微細で実装作業性が高いものとなっている。
この可変容量デバイスを構成するシリコン基板（半導体チップ）アンテナ回路の形成された基板上に実装し、ハイブリッドアンテナ装置を形成することができる。
【００５９】
なお、前記実施の形態ではハイブリッドアンテナ装置を形成したが、シリコン基板上にループアンテナ素子を形成し、モノリシック構造のアンテナ装置を形成することも可能である。
さらにまた、スイッチのみをＭＥＭＳで構成し、アンテナ素子を形成した基板上に容量可変キャパシタチップを実装するとともにＭＥＭＳで実装するようにしてもよい。
【００６０】
なお、前記実施の形態では、圧電薄膜１３２を、ＭＥＭＳスイッチ本体１２２を構成する梁の先端と根元部１２２ｎとを避けて形成したが、ＭＥＭＳスイッチ本体１２２の全体に形成するようにしてもよく、材料によってはＭＥＭＳスイッチ本体１２２の変位を妨げないように形成することもでき、この場合はより大きな駆動力を生起することができる。
【００６１】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２として、本発明の可変容量デバイスに用いられるＭＥＭＳスイッチの変形例について説明する。
本発明の実施の形態２のアンテナ装置用の可変容量デバイスを構成するＭＥＭＳスイッチ１２０は、図９（ａ）乃至（ｃ）に示すように、両持ち梁構造のＭＥＭＳスイッチ本体１２２Ｄを配設し、これに可動電極１２１を配設したものである。ここで図９（ａ）は本実施の形態２で用いられるＭＥＭＳスイッチの上面図、図９（ｂ）は図９（ａ）のＡ−Ａ断面図、図９（ｃ）は図９（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
【００６２】
構成要素としては前記実施の形態１で示した可変容量デバイスと同様であるが、ＭＥＭＳスイッチ本体１２２Ｄが円形の枠体１３０で両端を支持され、直径方向に沿って張架された両持ち梁を構成する点で前記実施の形態のＭＥＭＳスイッチと異なるものである。
【００６３】
そして可動電極１２１は枠部からこの梁に沿って中心位置まで、ＭＥＭＳスイッチ本体１２２Ｄの裏面側に半径分だけ形成され、先端に突起部１２１Ｓを具備している。また、固定電極は前記突起部１２１Ｓに対向する位置から前記可動電極１２１と逆の方向に半径分だけ伸長している。
【００６４】
また駆動部１３０もＭＥＭＳスイッチ本体１２２Ｄ上に形成され、同様に詳細記載を省略するが、下層電極１３１、上層電極１３３とで圧電薄膜１３２を挟んだ構成となっている。
【００６５】
このＭＥＭＳスイッチにおいても、前記実施の形態１で用いたＭＥＭＳスイッチと同様、ＯＦＦ電流も小さく、従って小型で広帯域のアンテナ装置を得ることができる。
【００６６】
また、この構造のＭＥＭＳスイッチは、スイッチングデバイスチップとして、実装が容易である。接続に際しても方向を選ぶことなく形成することができるため、ハイブリッド構造でアンテナ装置を構成する際にもレイアウトが容易である。
【００６７】
なおここでは図示しないが、可変容量デバイスを構成する他の要素については前記実施の形態１と同様である。
【００６８】
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３として、可変容量デバイスに用いられるＭＥＭＳスイッチの変形例について説明する。
本発明の実施の形態３のアンテナ装置用の可変容量デバイスを構成するＭＥＭＳスイッチ１２０は、図１０（ａ）乃至（ｃ）に示すように両持ち梁を中心で固定して両持ち梁構造のＭＥＭＳスイッチ本体１２２Ｑを配設し、これに可動電極１２１を配設したものである。ここで図１０（ａ）は本実施の形態３で用いられるＭＥＭＳスイッチの上面図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＡ−Ａ断面図、図１０（ｃ）は図１０（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
【００６９】
構成要素としては前記実施の形態１および２で示した可変容量デバイスと同様であるが、ＭＥＭＳスイッチ本体１２２Ｑが円形の枠体１３０で両端を支持され、直径方向に沿って張架された両持ち梁を構成する点で前記実施の形態のＭＥＭＳスイッチと異なるものである。
【００７０】
そして可動電極１２１は枠部からこの梁に沿って中心位置まで、ＭＥＭＳスイッチ本体１２２Ｑの裏面側に２本、半径分だけ形成され、先端に突起部１２１Ｓを具備している。また、固定電極は前記突起部１２１Ｓに対向する位置から前記可動電極１２１と逆の方向に、２本半径分だけ伸長している。
【００７１】
また駆動部１３０もＭＥＭＳスイッチ本体１２２Ｑ上に形成され、同様に詳細記載を省略するが、下層電極１３１、上層電極１３３とで圧電薄膜１３２を挟んだ構成となっている。
【００７２】
このＭＥＭＳスイッチにおいても、前記実施の形態１で用いたＭＥＭＳスイッチと同様、ＯＦＦ電流も小さく、従って小型で広帯域のアンテナ装置を得ることができる。
【００７３】
また、この構造のＭＥＭＳスイッチは、スイッチングデバイスチップとして、実装が容易である。接続に際しても方向を選ぶことなく形成することができるため、ハイブリッド構造でアンテナ装置を構成する際にもレイアウトが容易である。
【００７４】
なおここでは図示しないが、可変容量デバイスを構成する他の要素については前記実施の形態１と同様である。
【００７５】
（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４として、アンテナ装置に用いられるＭＥＭＳスイッチの変形例について説明する。
本発明の実施の形態４のアンテナ装置用の可変容量デバイスを構成するＭＥＭＳスイッチ１２０は、図１１（ａ）および（ｂ）に示すように、実施の形態２と同様、両持ち梁構造のＭＥＭＳスイッチ本体１２２Ｄを配設し、これに可動電極１２１を配設したものであるが、本実施の形態では、梁の根元部１２２ｎにそれぞれ１つの孔１２５を形成し、固定部である枠部の弾性を高め、変位し易い構造を形成したことを特徴とするものである。ここで図１１（ａ）は本実施の形態４で用いられるＭＥＭＳスイッチの上面図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【００７６】
構成要素としては前記実施の形態２で示した可変容量デバイスと同様である。
この構成によれば、上記実施の形態２の効果に加えて、ＭＥＭＳスイッチ本体１２２Ｄを構成する梁の根元部１２２ｎにそれぞれ１つの孔１２５を形成しているため、固定部である枠部の弾性を高め、変位し易い状態にすることができる。
【００７７】
（実施の形態５）
次に、本発明の実施の形態５として、アンテナ装置に用いられるＭＥＭＳスイッチの変形例について説明する。
本発明の実施の形態５のアンテナ装置用の可変容量デバイスを構成するＭＥＭＳスイッチ１２０は、図１２（ａ）および（ｂ）に示すように、上記実施の形態１乃至４とは異なり、本実施の形態ではＭＥＭＳスイッチ本体１２６を、枠部１３０に連接された円盤状の板状体で構成したものである。そして、この板状体からなるＭＥＭＳスイッチ本体１２６を配設し、これに可動電極１２１を配設したものであるが、本実施の形態では、梁の根元部１２２ｎに円周方向に沿って複数個の孔１２５を形成し、固定部である枠部の弾性を高め、変位し易い構造を形成したことを特徴とするものである。ここで図１２（ａ）は本実施の形態５で用いられるＭＥＭＳスイッチの上面図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【００７８】
構成要素としては前記実施の形態１で示した可変容量デバイスと同様である。
この構成によれば、上記実施の形態１の効果に加えて、ＭＥＭＳスイッチ本体１２６が根元部１２２ｎにそれぞれ１つの孔１２５を形成しているため、固定部である枠部の弾性を高め、変位し易い状態にすることができる。
【００７９】
なお可動電極及び固定電極は前記実施の形態２と同様に半径方向に１つずつ相対向して配置されている。
この構成によれば、安定した変位を得ることができ、高精度で信頼性の高いＭＥＭＳスイッチを提供することが可能である。
【００８０】
（実施の形態６）
次に、本発明の実施の形態６として、アンテナ装置に用いられるＭＥＭＳスイッチの変形例について説明する。
本発明の実施の形態６のアンテナ装置用の可変容量デバイスを構成するＭＥＭＳスイッチ１２０は、図１３（ａ）および（ｂ）に示すように、上記実施の形態５と同様、本実施の形態ではＭＥＭＳスイッチ本体１２６を、枠部１３０に連接された円盤状の板状体で構成したものである。そして、この板状体からなるＭＥＭＳスイッチ本体１２６を配設し、これに可動電極１２１を配設したものであるが、本実施の形態では、梁の１２２ｎに円周方向に沿って帯状の溝１２７を形成し、固定部である枠部の弾性を高め、変位し易い構造を形成したことを特徴とするものである。ここで図１３（ａ）は本実施の形態６で用いられるＭＥＭＳスイッチの上面図、図１３（ｂ）は図１３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【００８１】
構成要素としては前記実施の形態５で示した可変容量デバイスと同様である。
この構成によれば、上記実施の形態１の効果に加えて、ＭＥＭＳスイッチ本体１２６が根元部１２２ｎに、円周方向に沿って帯状の溝１２７を形成しているため、固定部である枠部の弾性を高め、より変位し易い構造を提供することができる。
【００８２】
なおここでも可動電極及び固定電極は前記実施の形態２と同様に半径方向に１つずつ相対向して配置されている。
【００８３】
（実施の形態７）
次に、本発明の実施の形態７として、アンテナ装置に用いられる可変容量デバイスの容量可変キャパシタの変形例について説明する。
本発明の実施の形態７のアンテナ装置用の可変容量デバイスは、図１４（ａ）および（ｂ）に概念説明図を示すように、図１４（ａ）に示した従来例の可変容量デバイスの容量可変キャパシタＣ１を図１４（ｂ）に示すように５個の容量可変キャパシタＣ１１、Ｃ１２、Ｃ１３、Ｃ１４、Ｃ１５の直列接続体で構成し、連続容量可変比の大きい微細容量の容量可変キャパシタを提供することを特徴とするものである。
【００８４】
すなわち、ＢＳＴ、ＰＺＴ等の強誘電体は印加直流電圧により誘電率が変化する。従って、印加直流電圧で容量値を制御する容量可変キャパシタを構成することができるが、これらの強誘電体は誘電率が大きく、しかも容量値を制御する電圧値を小さくするために誘電体層の厚さを薄くしなければならないので、微細面積化が困難な場合には小さな容量値を得るのが困難となることがある。このような場合には、複数個の容量可変キャパシタを直列接続することで、小さな容量値を得ることができる。
【００８５】
例えば、ＢＳＴを誘電体層として用いた容量可変キャパシタＣ１が、５から１０ｐＦの範囲で可変であるとすると、例えば５分の１の容量値を得たいとすると電極面積を５分の１にする必要がある。しかしながら、フォトリソグラフィでそれ以上小さなパターン形成を行うのが困難な場合には、図１４（ｂ）に示すように、５個の容量可変キャパシタＣ１１、Ｃ１２、Ｃ１３、Ｃ１４、Ｃ１５の直列接続体で構成する。これにより、１から２ｐＦの微細容量で連続容量可変比２を得ることができる。
【００８６】
（実施の形態８）
次に、本発明の実施の形態８として、前記実施の形態７のアンテナ装置を構成する容量可変キャパシタの構造について説明する。
本発明の実施の形態８のアンテナ装置用の可変容量デバイスを構成する第１の容量可変キャパシタは、図１５に概念断面説明図を示すように、所定の間隔を隔てて形成された３つの第１の容量電極１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃと、この第１の容量電極１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ上に一体的に形成されたＢＳＴからなる誘電体層１１２と、前記第１の容量電極１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃと、所定幅ａづつ重なるようにずらして形成された第２の容量電極１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃとで構成され、第１の容量電極と第２の容量電極との重なる領域Ｒ１からＲ５で互いに直列接続された容量可変キャパシタＣ１１、Ｃ１２、Ｃ１３、Ｃ１４、Ｃ１５を構成するものである。
【００８７】
この構成によれば、容易に効率よく、微細容量の容量可変キャパシタを形成することができる。
製造に際しても、ＢＳＴの形成工程が１回ですむため極めて容易に信頼性の高いデバイスを形成することができる。
【００８８】
すなわち、ＢＳＴ、ＰＺＴ等の強誘電体は印加直流電圧により誘電率が変化する。従って、印加直流電圧で容量値を制御する容量可変キャパシタを構成することができるが、これらの強誘電体は誘電率が大きく、微細面積化が困難な場合には小さな容量値を得るのが困難となることがある。このような場合には、複数個の容量可変キャパシタを直列接続することで、微細容量を得ることができる。
【００８９】
例えば、ＢＳＴを誘電体層として用いた容量可変キャパシタＣ１が、５から１０ｐＦの範囲で可変であるとすると、例えば５分の１の容量値を得たいとすると電極面積を５分の１にする必要がある。しかしながら、フォトリソグラフィでそれ以上小さなパターン形成を行うのが困難な場合には、図１４（ｂ）に示すように、５個の容量可変キャパシタＣ１１、Ｃ１２、Ｃ１３、Ｃ１４、Ｃ１５の直列接続体で構成する。これにより、１から２ｐＦの微細容量で連続容量可変比２を得ることができる。
【００９０】
（実施の形態９）
次に、本発明の実施の形態９として、前記実施の形態７のアンテナ装置を構成する容量可変キャパシタの構造について説明する。
本発明の実施の形態９のアンテナ装置用の可変容量デバイスを構成する第１の容量可変キャパシタは、図１３に概念断面説明図を示すように、積層構造で５個の容量可変キャパシタを形成したものである。
すなわち、前記実施の形態８では、５個の容量可変キャパシタを並べて配列し直列接続体を形成したがこの構造では、５個の容量可変キャパシタを積層配列し直列接続体を形成したものである。
この構成によれば、占有面積を低減することができる。また隣接電極は共通化することができるため、コンパクトな構造を得ることができる。
【００９１】
前記実施の形態のすべてにおいて、誘電体層を構成する材料としては、ＢＳＴ、ＰＺＴなどが適用可能である。
また、駆動部を構成する圧電薄膜としては、ＰＺＴ、ＰＬＺＴ、ＡｌＮ、ＺｎＯなどが適用可能である。
また、基板表面を被覆する絶縁膜材料としてはＳｉＯ２、ＳｉＮなどが適用可能であり、ＭＥＭＳ工程でエッチング除去する犠牲層として用いる場合にはエッチング選択比を考慮して材料を選択する必要がある。
さらにまた基板としてはシリコン（Ｓｉ）を用いるのが望ましいがＧａＡＳなどの化合物半導体基板を用いてもよい。
【００９２】
また、前記実施の形態では、ＭＥＭＳスイッチにおける可動電極１２１と固定電極１２３との接続部は金属同士で行ったが、可動電極１２１と固定電極１２３のうちいずれかの表面に酸化シリコン膜あるいは窒化シリコン膜などの薄い絶縁膜を形成してもよい。
【００９３】
また、前記実施の形態では、ＭＥＭＳスイッチの駆動部は圧電素子で構成したが、静電力をもちいてもよい。
【００９４】
（実施の形態１０）
次に、本発明の実施の形態１０として、前記実施の形態１のアンテナ装置の変形例について説明する。前記実施の形態１では、第１および第２の容量可変キャパシタに接続する制御部を同一電位で制御したが、別途電圧生成回路を設け、第１及び第２の制御部で独立して制御するようにしてもよい。
【００９５】
なお、前記実施の形態では２個の容量可変キャパシタを用いた例について説明したが、例えばｎ個の容量可変キャパシタとｎ―１個のＭＥＭＳスイッチを用いるなど、３個以上の容量可変キャパシタを用いた場合にも適用可能である。
【００９６】
上記のように、ＭＥＭＳ技術を用いて製造するＢＳＴキャパシタＣ１、Ｃ２及びスイッチＳＷによって可変容量デバイスを形成した結果、板状ループアンテナによる放射効率ηは、周波数帯域４７０〜７７０〔ＭＨｚ〕において、図８に示す関係になる。図８は、放射効率と地上デジタル方法に用いる周波数帯域との関係を示す。板状ループアンテナによる放射効率ηは、６００〔ＭＨｚ〕において低下しているが、これは、可変容量デバイスにおけるスイッチＳＷを開放し、ＢＳＴキャパシタＣ１、Ｃ２を直列に接続したことによって、可変容量デバイス全体の等価直列抵抗Ｒｓが増加するためである。しかし、この放射効率ηの低下は、極めて小さいため、本発明の実施の形態のアンテナ装置による地上デジタル放送波の送受信に与える影響はない。
【００９７】
以上、本発明の実施の形態のアンテナ装置によれば、ＢＳＴキャパシタを直列に接続した構成の可変容量デバイスによって、帯域幅の広い周波数帯域における送受信を実現することができる。低い駆動電圧で周波数の整合を実現し、また、実装面積を抑えることができる本発明の実施の形態のアンテナ装置は、携帯端末装置に搭載されるアンテナ装置として要求される条件を満たしており、極めて有用である。
【００９８】
（実施の形態１１）
上記実施の形態１乃至１０ではＢＳＴキャパシタを直列に接続した構成の可変容量デバイスを用いたが、本実施の形態では、一方のＢＳＴキャパシタを、常誘電体薄膜を用いた容量固定キャパシタＣｓを用いるようにしたことを特徴とする。
次に、本発明の実施の形態１１のアンテナ装置の等価回路を図１５に示す。本実施の形態の可変容量デバイスでは、前記実施の形態１の容量絶縁膜として強誘電体薄膜を用いた容量可変キャパシタＣ１に代えて、常誘電体薄膜を用いた容量固定キャパシタＣｓを用いるようにしたことを特徴とする。すなわち、この容量固定キャパシタＣｓは、前記基板上に形成され、第１の電極と、第２の電極とで、常誘電体材料からなる誘電体薄膜を挟んだ薄膜素子であるものを含む。
【００９９】
このアンテナ装置は、図１５に示すように、互いに直列接続された固定容量キャパシタＣｓ及び容量可変キャパシタＣ２と、固定容量キャパシタＣｓに並列接続されたスイッチＳＷとを備えた可変容量部としての可変容量デバイスＴＤと、前記可変容量部に、両端を接続されたアンテナ素子ＡＮＴとを具備し、アンテナ素子の一方の端子は設置され、もう一方の端子は高周波集積処理回路ＲＦＩＣに接続されている。
【０１００】
４７０〜７７０〔ＭＨｚ〕程度の周波数帯域を確保するために、チューナブルデバイスＴＤの容量は、１．２６〜３．３９〔ｐＦ〕の範囲で変化する必要がある。このために、印加電圧Ｖｔを１〔Ｖ〕から２〔Ｖ〕へ変化させたときに、次の容量に固定された固定容量キャパシタＣｓ、及び次のように容量が変化する容量可変キャパシタＣ２を利用する。
【０１０１】
［固定容量キャパシタＣｓ］
固定容量キャパシタＣｓは、４．００〔ｐＦ〕に容量が固定されている。
［容量可変キャパシタＣ２：スイッチＳＷ短絡時］
１．８２〜３．３９〔ｐＦ〕に容量が変化する。なお、印加電圧Ｖｔが１〔Ｖ〕のときに容量可変キャパシタＣ２の容量が３．３９〔ｐＦ〕、印加電圧Ｖｔが２〔Ｖ〕のときに容量可変キャパシタＣ２の容量が１．８２〔ｐＦ〕になる。このとき、連続容量可変比は、３．３９／１．８２≒１．８６になる。
［固定容量キャパシタＣｓ、容量可変キャパシタＣ２の合成容量：スイッチＳＷ開放時］
１．２６〜１．８２〔ｐＦ〕に容量が変化する。なお、印加電圧Ｖｔが１〔Ｖ〕のときに合成容量が１．８２〔ｐＦ〕、印加電圧Ｖｔが２〔Ｖ〕のときに合成容量が１．２６〔ｐＦ〕になる。
【０１０２】
このため、容量可変キャパシタＣ２の連続容量可変比が１．８以上であれば、スイッチＳＷを短絡、または開放して、固定容量キャパシタＣｓ及び容量可変キャパシタＣ２、または容量可変キャパシタＣ２のみをループアンテナＡＮＴに接続することにより、容量可変キャパシタＣ２のみを接続したときは４７０〜６５０ＭＨｚの周波数帯域幅を、容量可変キャパシタＣ１及び容量可変キャパシタＣ２を接続したときは６５０〜７７０の周波数帯域幅を、それぞれ確保することができる。このようにして、広帯域のアンテナ装置を提供することができる。
【０１０３】
この構成によれば、製造が容易で、かつ小型化が可能となる。また、第１及び第２の電極は容量可変キャパシタと同一工程で形成することができ、誘電体薄膜のみを変更すればよいため、製造が容易で、かつ小型化が可能である。さらにまた強誘電体薄膜に比べて低抵抗であるため、寄生抵抗の低減をはかることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０４】
本発明の可変容量デバイスによれば、連続容量可変比が高く、微細で信頼性の高いものであるため、複数の周波数帯域または帯域幅の広い周波数帯域における送受信を実現することができ、広帯域化と高放射効率を実現することを目的とする無線端末などの情報通信機器におけるフィルタやアンテナ装置の分野において有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】本発明の実施の形態１の可変容量デバイスを用いたアンテナ装置を示す等価回路図
【図２】一つの容量可変キャパシタにより構成されるチューナブルデバイスの等価回路（参考例）
【図３】放射効率と等価直列抵抗との関係
【図４】同装置の可変容量デバイスを構成する半導体チップを示す図、（ａ）は上面図、（ｂ）は下面図
【図５】図４のＡ−Ａ断面図
【図６】図４の可変容量デバイスのＭＥＭＳスイッチを示す図、（ａ）は図４のＢ−Ｂ断面図、（ｂ）は上面図
【図７】同可変容量デバイスに用いられる容量可変キャパシタの誘電体層の比誘電率と印加電界との関係を示す図
【図８】放射効率と地上デジタル方法に用いる周波数帯域との関係
【図９】本発明の実施の形態２の可変容量デバイスのＭＥＭＳスイッチを示す図、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図
【図１０】本発明の実施の形態３の可変容量デバイスのＭＥＭＳスイッチを示す図、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図
【図１１】本発明の実施の形態４の可変容量デバイスのＭＥＭＳスイッチを示す図、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図
【図１２】本発明の実施の形態５の可変容量デバイスのＭＥＭＳスイッチを示す図、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図
【図１３】本発明の実施の形態６の可変容量デバイスのＭＥＭＳスイッチを示す図、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図
【図１４】本発明の実施の形態７の可変容量デバイスのＭＥＭＳスイッチを示す説明図、（ａ）は回路概要図、（ｂ）は（ａ）の要部詳細図
【図１５】本発明の実施の形態８の可変容量デバイスのＭＥＭＳスイッチを示す概念断面図
【図１６】本発明の実施の形態９の可変容量デバイスのＭＥＭＳスイッチを示す概念断面図
【図１７】本発明の実施の形態１１の可変容量デバイスを用いたアンテナ装置を示す等価回路図
【０１０６】
ＡＮＴ  ループアンテナ
Ｃ１、Ｃ２  容量可変キャパシタ
ＴＤ  可変容量デバイス
ＳＷ  ＭＥＭＳスイッチ
１００  シリコン基板
１１０ａ、１１０ｂ  容量可変キャパシタ
１１１ａ、１１１ｂ  第１の容量電極
１１２ａ、１１２ｂ  強誘電体層
１１３ａ、１１３ｂ  第２の容量電極
１２０  スイッチ
１２１  可動電極
１２１Ｓ  突起部（バンプ）
１２２  ＭＥＭＳスイッチ本体
１２２ｎ  根元部
１２３  固定電極
１３０  駆動部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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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４】
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【図６】
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