(57)【要約】【課題】変化率が大きく、応答速度の速い可変容量素子を提供する。【解決手段】固定電極基板３００の表面に装荷された固定電極領域３１２、固定電極領域３１２から離間して固定電極領域３１２に対向して設けられた浮動電極領域１５８、および、浮動電極領域１５８に装着されて浮動電極領域１５８を固定電極領域３１２に対して接近および離間させるアクチュエータ領域１３０をそれぞれが有する複数の単位可変容量素子領域１４２、１４４と、複数の単位可変容量素子領域１４２、１４４の合成容量が所望の容量となるように、アクチュエータ領域１３０に駆動電力を供給して浮動電極領域１５８を変位させる浮動電極駆動部とを備える。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の表面に装荷された固定電極、前記固定電極から離間して前記固定電極に対向して設けられた浮動電極、および、前記浮動電極の外周部に当該浮動電極の面方向について外側に装着されて前記浮動電極を前記固定電極に対して接近および離間させるアクチュエータをそれぞれが有する複数の単位容量素子と、
前記複数の単位容量素子の合成容量が所望の容量となるように、前記アクチュエータに駆動電力を供給して前記浮動電極を変位させる浮動電極駆動部と
を備える可変容量素子。
【請求項２】
前記浮動電極駆動部は、前記複数の単位容量素子のうちの２つ以上に設けられた前記アクチュエータを同時に変位させる駆動電力を供給する請求項１に記載の可変容量素子。
【請求項３】
前記複数の単位容量素子の少なくともひとつの前記単位容量素子の前記浮動電極が、他の前記単位容量素子の前記浮動電極と異なる面積を有する請求項１に記載の可変容量素子。
【請求項４】
前記単位容量素子のうちの２つ以上の前記固定電極が、共通の単一の導体層により形成される請求項１に記載の可変容量素子。
【請求項５】
前記固定電極が、前記浮動電極に対向する表面上に形成された誘電体層を有する請求項１に記載の可変容量素子。
【請求項６】
前記浮動電極および前記アクチュエータの少なくとも一方が、シリコンウェハの表面に形成された導体層を含む請求項１に記載の可変容量素子。
【請求項７】
前記単位容量素子の各々が、前記浮動電極の重心に対して等間隔で結合された複数のアクチュエータを有する請求項１に記載の可変容量素子。
【請求項８】
前記アクチュエータが、印加電圧に応じて伸縮する圧電材料層を含む請求項１に記載の可変容量素子。
【請求項９】
前記アクチュエータが、
一端を前記基板に対して固定され、他端を前記浮動電極に結合され、前記圧電材料層を全面にわたって支持する支持層を有し、
前記圧電材料層の伸縮に応じて前記支持層が屈曲して前記浮動電極を変位させる請求項８に記載の可変容量素子。
【請求項１０】
請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の可変容量素子と、
前記可変容量素子に電気的に結合されて共振回路を形成するインダクタ素子と、
前記複数の単位容量素子の合成容量が、前記共振回路を所望の共振周波数で共振させる容量となるように、前記浮動電極駆動部を制御する共振制御部と
を備える共振器。
【請求項１１】
前記固定電極および前記インダクタ素子が、共通のシリコンウェハの表面に形成された導体層を含む請求項１０に記載の共振器。
【請求項１２】
請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の可変容量素子と、
前記容量素子に電気的に結合されて発振回路を形成するインダクタ素子と、
前記複数の単位容量素子の少なくともひとつが前記発振回路を所望の搬送波周波数で発振させる容量となるように前記浮動電極駆動部を制御する搬送波制御部と、
前記複数の単位容量素子の少なくとも他のひとつが外部から供給された変調信号に対応して前記発振回路の発振周波数を変化させる容量となるように、前記浮動電極駆動部を制御する変調制御部と
を備える変調器。
【請求項１３】
前記変調制御部の制御の下に動作する前記単位容量素子の前記浮動電極の面積が、前記搬送波制御部の制御の下に動作する前記単位容量素子の前記浮動電極の面積よりも小さい請求項１２に記載の変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は可変容量素子、共振器および変調器に関する。より詳細には、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）技術を用いた可変容量素子、共振器および変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
可変容量素子は、可変周波数発振器（ＶＦＯ）、同調増幅器、位相シフタ、インピーダンス整合回路等、多くの電気回路で用いられる。特に、近年は携帯機器への搭載が増えており、小型化、低価格化への要求が高い。また、高周波帯域での利用が増加している。これに対して、ＭＥＭＳ技術により作製された可変容量素子は、現在広く使用されているバラクタダイオード等に比べて、低損失、高Ｑ値が実現できることが期待されている。
【０００３】
下記特許文献１には、ＭＥＭＳ技術により作製され、静電アクチュエータを備えた可変キャパシタの構造が開示される。この可変キャパシタは、基板上に形成された固定アクチュエータ電極および固定キャパシタ電極と、各固定電極上に弾性的に支持された可動アクチュエータ電極および可動キャパシタ電極を備える。可動アクチュエータ電極および可動キャパシタ電極は一体に形成され、固定アクチュエータ電極および可動アクチュエータ電極の間で作用する静電力により可動アクチュエータ電極が変位した場合に、可動キャパシタ電極も変位する。従って、可動キャパシタ電極および固定キャパシタ電極の間隔が変化して、キャパシタとしての容量も変化する。
【０００４】
また、下記特許文献２には、ＭＥＭＳ技術により作製され、圧電材料を利用したアクチュエータを備える可変キャパシタの構造が開示される。この可変キャパシタは、それぞれがアクチュエータを有する一対の可動電極を備え、相互に接近または離間することにより可動電極間の間隔を変化させて容量を変化させる。
【特許文献１】特開２００４−１７２５０４号公報
【特許文献２】特開２００４−１２７９７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載された可変キャパシタは、静電アクチュエータを用いている。静電アクチュエータを有効に動作させるためにはアクチュエータ電極に十分な面積を与えなければならないので、アクチュエータを含む可変キャパシタ全体の実装面積が大きくなる。また、静電アクチュエータは電極間隔により駆動力が大きく変化するので可動電極にストロークがとれない。更に、静電アクチュエータを駆動するには１０Ｖ程度の比較的高い電圧が求められるので、電池を電力源とする回路では使用し難い。
【０００６】
一方、特許文献２に記載された可変キャパシタは、圧電アクチュエータを備えるので、比較的低電圧で駆動できる。また、静電アクチュエータに比較すれば応答速度も速い。しかしながら、この可変キャパシタの構造では、容量の大きさに比例して可動電極の寸法が大きくなる。このため、アクチュエータが変位させる対象となる可動電極の質量が大きくなり、動作が遅くなる。また、同じ応答速度を維持するにはアクチュエータを大型化する他ない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
そこで、上記課題を解決する目的で、本発明の第１の形態として、基板の表面に装荷された固定電極、固定電極から離間して固定電極に対向して設けられた浮動電極、および、浮動電極の外周部に当該浮動電極の面方向について外側に装着されて浮動電極を固定電極に対して接近および離間させるアクチュエータをそれぞれが有する複数の単位容量素子と、複数の単位容量素子の合成容量が所望の容量となるように、アクチュエータに駆動電力を供給して浮動電極を変位させる浮動電極駆動部とを備える可変容量素子が提供される。これにより、ＭＥＭＳ構造で、容量の変化率が大きな可変容量素子を供給できる。また、アクチュエータを浮動電極の外側に配置しているので、固定電極および浮動電極の間を誘電率の高い空気とすることができ、大きな容量を設定できる。更に、組み合わせる単位容量素子の数および大きさを選択することにより、所望の容量の可変容量素子を容易に供給できる。
【０００８】
また、ひとつの実施形態によると、上記可変容量素子において、浮動電極駆動部は、複数の単位容量素子のうちの２つ以上に設けられたアクチュエータを同時に変位させる。これにより、ひとつのアクチュエータにより変位される浮動電極の質量が小さくなるので、容量を変化させる場合の応答速度が向上される。
【０００９】
更に、他の実施形態によると、上記可変容量素子において、複数の単位容量素子の少なくともひとつの単位容量素子の浮動電極が、他の単位容量素子の浮動電極と異なる面積を有する。これにより、変化量の大きな単位容量素子と変化量の小さな単位容量素子とを組み合わせて動作させることができるので、容量を変化させる場合の高い応答速度と、容量の微小な変化による精密な容量調節とを両立させることができる。
【００１０】
また他の実施形態によると、上記可変容量素子において、単位容量素子のうち２つ以上の固定電極が、共通の単一の導体層により形成される。これにより、製造工程を簡素化して廉価な可変容量素子を効率よく製造できる。
【００１１】
また他の実施形態によると、上記可変容量素子において、固定電極が、浮動電極に対向する表面上に形成された誘電体層を有する。これにより、固定電極および浮動電極の短絡を防止して、安全な可変容量素子が供給される。
【００１２】
また他の実施形態によると、上記可変容量素子において、浮動電極およびアクチュエータの少なくとも一方が、シリコンウェハの表面に形成された導体層を含む。これにより、ウェハプロセスを利用して、仕様に忠実な可変容量素子を工業的に生産することができる。
【００１３】
また他の実施形態によると、上記可変容量素子において、単位容量素子の各々が、浮動電極の重心に対して等間隔で結合された複数のアクチュエータを有する。これにより、浮動電極を安定に効率よく変位させることができる。また、駆動電力の変化に対する応答速度も速くなる。
【００１４】
また他の実施形態によると、上記可変容量素子において、アクチュエータが、印加電圧に応じて伸縮する圧電材料層を含む。これにより、電磁界の影響を受けることなく、また、電磁輻射の生じないアクチュエータを備えた可変容量素子を廉価に製造できる。また、駆動電力の応答に対する応答速度も速い。
【００１５】
また他の実施形態によると、上記可変容量素子において、アクチュエータが、一端を基板に対して固定され、他端を浮動電極に結合され、圧電材料層を全面にわたって支持する支持層を有して、圧電材料層の伸縮に応じて支持層が屈曲して浮動電極を変位させる。これにより、基板上におけるスペースファクタに優れ、製造の容易なアクチュエータが供給される。
【００１６】
また、本発明の第２の形態として、上記の可変容量素子と、容量素子に電気的に結合されて共振回路を形成するインダクタ素子と、複数の単位容量素子の合成容量が、共振回路を所望の共振周波数で共振させる容量となるように、浮動電極駆動部を制御する共振制御部とを備える共振器が提供される。これにより、上記の効果を活かして、要求仕様に対して容易に対応でき、応答速度の速い可変共振器が供給できる。
【００１７】
更に、ひとつの実施形態によると、上記共振器において、固定電極およびインダクタ素子が、共通のシリコンウェハの表面に形成された導体層を含む。これにより、固定電極およびインダクタ素子を一括して形成することができ、可変容量素子と略同じ工数で可変共振器を製造できる。
【００１８】
また、本発明の第３の形態として、上記の可変容量素子と、容量素子に電気的に結合されて発振回路を形成するインダクタ素子と、複数の単位容量素子の少なくともひとつが発振回路を所望の搬送波周波数で発振させる容量となるように浮動電極駆動部を制御する搬送波制御部と、複数の単位容量素子の少なくとも他のひとつが外部から供給された変調信号に対応して発振回路の発振周波数を変化させる容量となるように、浮動電極駆動部を制御する変調制御部とを備える変調器が提供される。これにより、上記の効果を活かして、要求仕様に対して容易に対応でき、応答速度の速い変調器が供給できる。
【００１９】
更に、ひとつの実施形態によると、上記変調器において、変調制御部の制御の下に動作する単位容量素子の浮動電極の面積が、搬送波制御部の制御の下に動作する単位容量素子の浮動電極の面積よりも小さい。これにより、変調信号に対する応答速度の高い変調器が提供される。
【００２０】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となり得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態に示された特徴の組み合わせ全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００２２】
図１は、Ｓｉウェハを基材として浮動電極基板１００を製造する工程のひとつの段階を示す斜視図である。同図に示すように、まず、半導体基板１０２に複数のホールパターン１１０を形成する。ホールパターン１１０の各々はＬ字型で、それぞれ４つずつのホールパターン１１０が、半導体基板１０２の裏面まで貫通して形成される。これにより、半導体基板１０２には、略正方形の浮動電極領域１２０と、浮動電極領域１２０の各角部に連続して半導体基板１０２から浮動電極領域１２０を支持する４つのアクチュエータ領域１３０とをそれぞれが備えた一対の単位可変容量素子領域１４２、１４４が形成される。
【００２３】
なお、上記のような半導体基板１０２のパターニングは、例えば、フォトリソグラフィ技術を利用したエッチングにより実施できる。エッチングは、半導体基板１０２を熔解する薬品を用いたウェットエッチングの他、イオンミリング等のドライエッチングでも実施できる。更に、レーザあるいはマイクロドリルによる物理的な加工によってもホールパターン１１０を穿孔できる。また、上記の加工に供する半導体基板１０２は、加工対象となる領域の厚さを減じる薄化加工が施される。これにより、浮動電極領域１２０の質量が減じられると共に、アクチュエータ領域１３０が変形しやすくなる。
【００２４】
図２は、浮動電極基板１００を製造する工程の次の段階を示す斜視図である。同図に示すように、この段階では、ホールパターン１１０を有する半導体基板１０２上において、単位可変容量素子領域１４２、１４４の各々に、導体層１５０が形成される。導体層１５０は、浮動電極領域１２０を覆う浮動電極領域１５８を形成すると共に、一対の単位可変容量素子領域１４２、１４４を相互に結合する接続部１５６、この導体層１５０を半導体基板１０２の外部に接続する場合に用いる端子部１５４、端子部１５４を単位可変容量素子領域１４４に結合する接続部１５２、浮動電極領域１５８の外側を包囲する外周部１５１を含むパターンを有する。
【００２５】
導体層１５０の形成方法は、フォトリソグラフィ技術を利用したスパッタ法等の蒸着法を適宜選択できる。また、導体層１５０の材料としては、Ａｕ等の金属を用いることにより良好な電気的特性が得られる。更に、半導体基板１０２上にＡｕ薄膜を蒸着する場合は、まず、Ｃｒ薄膜等を形成した後にＡｕ薄膜を積層して形成することにより、良好な付着強度が得られる他、Ａｕの半導体基板１０２への拡散を防止できる。
【００２６】
図３は、浮動電極基板１００を製造する工程の更に次の段階を説明する斜視図である。同図に示すように、この段階では、半導体基板１０２のアクチュエータ領域１３０の各々に、圧電材料層１６０が形成される。圧電材料としては任意の材料を選択できるが、用途に鑑みて、ＰＺＴを好ましく例示できる。なお、圧電材料層１６０も、フォトリソグラフィ技術を利用した蒸着法等により形成できる。
【００２７】
図４は、浮動電極基板１００を製造する工程の次の段階を説明する斜視図である。同図に示すように、この段階では、圧電材料層１４０の形成された領域の両端に連続して、外側絶縁層１７２および内側絶縁層１７４を含む絶縁層１７０が形成される。また、外側絶縁層１７２は、導体層１５０の外周部を覆うと共に、導体層１５０の接続部１５２、１５６の上まで延在する。なお、絶縁層１７０の材料としては、各種の酸化物、窒化物等を適宜選択できる。また、フォトリソグラフィ技術を利用することにより、外側絶縁層１７２および内側絶縁層１７４は一括して形成できる。
【００２８】
図５は、浮動電極基板１００を製造する工程における更に次の段階を説明する斜視図である。同図に示すように、この段階では、図４に示した浮動電極基板１００に、もうひとつの導体層１８０を形成する。導体層１８０は、アクチュエータ領域１３０の上面を覆う駆動電極領域１８６を有して外周部１５１上を覆う。こうして、浮動電極基板１００が完成する。
【００２９】
ただし、導体層１８０は、一対の単位可変容量素子領域１４２、１４４を結合する接続部１５６の上には形成されない。従って、導体層１８０に関しては、単位可変容量素子領域１４２、１４４相互の間で分離される。また、導体層１８０は、絶縁層１７０または圧電材料層１６０の上に形成されるので、半導体基板１０２の直上に形成された導体層１５０とは相互に電気的に分離される。
【００３０】
換言すれば、導体層１５０、１８０に電位差を形成することにより、圧電材料層１６０に電圧を印加できる。また、上層の導体層１８０は、一対の単位可変容量素子領域１４２、１４４に対して個別に形成されるので、単位可変容量素子領域１４２、１４４の各々の圧電材料層１６０に対して個別に電圧を印加して、アクチュエータとして動作させることができる。更に、単位可変容量素子領域１４２、１４４の各々において、アクチュエータは浮動電極領域１５８の重心に対して等間隔で結合されて対称形に配置される。従って、浮動電極領域１５８を効率よく、全体に変位させることができる。
【００３１】
上記のような導体層１８０も、導体層１５０と同様に、フォトリソグラフィ技術を利用したスパッタ法等の蒸着法を適宜選択して形成できる。また、材料も、任意の導体材料を選択できるが、化学的にも安定で、電気的な特性にも優れるＡｕ、Ｐｔ等の貴金属を好ましく例示できる。
【００３２】
図６は、上記した浮動電極基板１００と、後述する固定電極基板３００との間に挟まれて、両者の間隔を維持するスペーサ基板２００を製造する工程におけるひとつの段階を説明する斜視図である。なお、この半導体基板２３０の奥行きＤ１は半導体基板１０２の奥行きＤ０よりも小さく、浮動電極基板１００に積層した場合には、導体層１５０、１８０の端子部１５４、１８４が外側に露出する。
【００３３】
スペーサ基板２００は、浮動電極基板１００と同様に、矩形の半導体基板２３０を加工して製造でき、同図に示すように、単位可変容量素子領域１４２、１４４に対応した位置に、単位可変容量素子領域１４２、１４４を内包する一対のホールパターン２３２を有する。ホールパターン２３２の形成は、フォトリソグラフィ技術を利用した各種エッチングの他、レーザ加工、機械加工によっても形成できる。
【００３４】
図７は、スペーサ基板２００を製造する工程の次の段階を説明する斜視図である。同図に示すように、この段階では、スペーサ基板２００の表面に固定電極側切欠き部２２２、２２４が、下面に浮動電極側切欠き部２１２、２１４、２１６がそれぞれ形成される。一部の浮動電極側切欠き部２１２、２１６および固定電極側切欠き部２２４は、いずれもホールパターン２３２の内外を連通させる。また、他の浮動電極側切欠き部２１４および固定電極側切欠き部２２２は、ホールパターン２３２を相互に連通させる。なお、浮動電極側切欠き部２１２、２１４、２１６および固定電極側切欠き部２２２、２２４も、フォトリソグラフィ技術を利用した各種エッチングの他、レーザ加工、機械加工によっても形成できる。
【００３５】
図８は、浮動電極基板１００およびスペーサ基板２００を積層した浮動電極組立体５０２を示す斜視図である。同図に示すように、スペーサ基板２００は、そのホールパターン２３２の内側に単位可変容量素子領域１４２、１４４がそれぞれ内包されるように位置決めして積層され、浮動電極基板１００に対して接着される。
【００３６】
ここで、浮動電極基板１００上の接続部１５２、１８２の各々は、スペーサ基板２００の下面の浮動電極側切欠き部２１２、２１６を通って、スペーサ基板２００の外側まで延びる。従って、導体層１５０の端子部１５４、１８４は、スペーサ基板２００の外側に露出する。また、導体層１５０の接続部１５６は、スペーサ基板２００の下面の浮動電極側切欠き部２１４を通じて、一対の単位可変容量素子領域１４２、１４４を結合する。
【００３７】
図９は、上記の浮動電極組立体５０２に積層する固定電極基板３００の製造工程を説明する斜視図である。同図に示すように、固定電極基板３００は、スペーサ基板２００と同じ寸法を有する矩形の半導体基板３０２に、導体層３１０を装荷して形成される。
【００３８】
導体層３１０は、一対の固定電極領域３１２と、固定電極領域３１２を相互に結合する接続部３１４と、これら固定電極領域３１２を外部に接続する端子部３１８と、端子部３１８を固定電極領域３１２に接続する接続部３１６とを有する。固定電極領域３１２は、それぞれ、単位可変容量素子領域１４２、１４４に対応している。
【００３９】
なお、上記のような導体層３１０のパターンは、任意の蒸着法による導体材料の被着と、フォトリソグラフィ技術を利用したパターニングにより形成できる。また、導体層３１０の材料は、任意の導体材料を選択できるが、化学的および電気的に優れた特性を有するＡｕ、Ｐｔ等の貴金属を好ましく例示できる。更に、導体層３１０の形成に先立って、半導体基板３０２の表面にＣｒ等の下地層を形成することにより、導体層３１０の材料の半導体基板３０２への拡散を防止すると共に、導体層３１０の付着強度を改善できる。
【００４０】
図１０は、上記のようにして作製した可変容量素子６０２の層構造を模式的に示す断面図である。同図に示すように、この可変容量素子６０２は、図８に示した浮動電極組立体５０２に、図９に示した固定電極基板３００を積層して形成される。ここで、固定電極基板３００は、図９中の一点鎖線Ａ１を軸として、図中の矢印Ｔ１に従って裏返した上で、浮動電極組立体５０２に積層される。従って、浮動電極基板１００における導体層１５０の浮動電極領域１５８は、固定電極基板３００における導体層３１０の固定電極領域３１２と対面する。
【００４１】
上記のような構造を有する可変容量素子６０２では、導体層１５０、１８０の間に電圧を印加することにより浮動電極領域１５８が変位して、固定電極領域３１２との間隔が変化する。従って、浮動電極領域１５８および固定電極領域３１２の間の容量が変化する。また、導体層１５０の接続部１５６および導体層３１０の接続部３１４により、一対の単位可変容量素子領域１４２、１４４は相互に並列に接続される。従って、導体層１５０の端子部１５４および導体層３１０の端子部３１８の間には、一対の単位可変容量素子領域１４２、１４４の合成容量が形成される。
【００４２】
更に、上記の可変容量素子６０２においては、アクチュエータ領域１３０が浮動電極領域１５８の外周部から外側に向かって延在する。従って、浮動電極領域１５８における導体層１５０と固定電極領域３１２における導体層３１０との間のほとんどは空気により満たされる。これにより、浮動電極領域１５８を大きなストロークで変位させることができると共に、単位可変容量素子領域１４２、１４４には大きな容量を設定できるので、変化率の大きな可変容量素子６０２を形成できる。
【００４３】
図１１は、可変容量素子６０２の電気的な機能を模式的に示す図である。同図に示すように、可変容量素子６０２は、一対の単位可変容量素子領域１４２、１４４を並列に接続した電気的構造を有する。また、単位可変容量素子領域１４２、１４４の各々のアクチュエータ領域１３０には、端子部１８４を介して個別に駆動電圧を印加できる。従って、電圧源として形成された浮動電極駆動部から圧電材料層１４０に駆動電圧を印加することにより、固定電極領域３１２に対して浮動電極領域１２０を接近または離間させることができる。これにより、単位可変容量素子領域１４２、１４４の各々の容量を個別に変化させることができる。
【００４４】
可変容量素子６０２全体の容量Ｃは、単位可変容量素子領域１４２、１４４の容量を合成した値となる。従って、駆動電圧Ｖｄ１、Ｖｄ２を適宜選択することにより、可変容量素子６０２の容量Ｃを変化させることができる。この場合、駆動電圧Ｖｄ１、Ｖｄ２は、個別に変化させても、同時に変化させてもよい。また、一方を固定して、他方を変化させてもよい。これにより、可変容量素子６０２の容量Ｃの変化率を大きくすることができると共に、微調整も容易になる。また、複数の単位可変容量素子領域１４２、１４４を組み合わせて形成されているので、全体の最大容量も大きくなる。
【００４５】
図１２は、固定電極基板３００の製造工程における他の形態を示す斜視図である。この形態では、固定電極領域３１２に重ねて誘電体層３２０が形成される。このような誘電体層３２０を備えた固定電極基板３００を用いて可変容量素子６０２を形成することにより、導体層３１０の固定電極領域３１２が、浮動電極基板１００の導体層１５０と短絡することを防止できる。なお、浮動電極領域１５８の表面に誘電体層３２０を設けることもできるが、変位しない固定電極領域３１２の方に誘電体層３２０を装荷することが、可変容量素子６０２としての応答速度を向上させるには有利になる。また、この誘電体層３２０も、任意の材料で、フォトリソグラフィ技術により形成できる。
【００４６】
図１３は、他の実施形態に係る可変容量素子７１０の構造を模式的に示す図である。同図に示すように、この可変容量素子７１０は、多数の単位可変容量素子１４１を含んで形成され、すべての単位可変容量素子１４１が共通の駆動電圧Ｖｄ３を受けて同時に駆動される。これにより、全体として非常に大きな容量Ｃを有して、容量Ｃの変化率も非常に大きい。また、各単位可変容量素子１４１が個別にアクチュエータ領域１３０を有するので、容量Ｃが大きいにもかかわらず、浮動電極領域１２０を変位させる場合の動作速度は、小容量の単位可変容量素子１４１と変わらない。従って、容量Ｃの増加にもかかわらず、駆動電圧Ｖｄ３の変化に対する応答速度も単位可変容量素子１４１と変わらない。
【００４７】
図１４は、更に他の実施形態に係る可変容量素子７２０の構造を模式的に示す図である。同図に示すように、この可変容量素子７２０は、ひとつの単位可変容量素子１４８に対して、より大きな寸法を有する大型単位可変容量素子１４６を組み合わせて形成される。これにより、駆動電圧Ｖｄ４により大型単位可変容量素子１４６の浮動電極を駆動して粗決めした容量Ｃを、更に、駆動電圧Ｖｄ５で単位可変容量素子１４８を単独で駆動することにより微調整することができる。これにより、可変容量素子７２０は、大きな容量Ｃと精密な容量調節機能とを兼ね備える。
【００４８】
図１５は、また他の実施形態に係る可変共振器６０４を形成する場合の固定電極基板４００を製造する工程におけるひとつの段階を説明する斜視図である。同図に示すように、この固定電極基板４００においては、固定電極を形成するパターンを含む導体層４１０に加えて、捲線部４２２を含むもうひとつの導体層４２０を有する。
【００４９】
導体層４１０は、一対の固定電極領域４１２と、固定電極領域４１２を外部に接続する端子部４１８と、固定電極領域４１２を相互に結合し、且つ、端子部４１８にも接続する接続部４１４とを有する。更に、後述する捲線部４２２に接続する場合に用いるもうひとつの端子部４１６も有する。なお、導体層４１０において、固定電極領域４１２は、それぞれ、単位可変容量素子領域１４２、１４４に対応している。
【００５０】
一方、導体層４２０は、一対の端子部４２４、４２８と、捲線部４２２と、端子部４２４、４２８および捲線部４２２を相互に結合する接続部４２６とを有する。なお、端子部４２８は、この可変共振器６０４を外部へ接続する場合に用いられる。また、端子部４２４は、後述するように、固定電極基板４００を浮動電極基板１００に接続する場合に使用される。
【００５１】
なお、上記のような導体層４１０のパターンは、任意の蒸着法による導体材料の被着と、フォトリソグラフィ技術を利用したパターニングにより形成できる。また、導体層４１０の材料は、任意の導体材料を選択できるが、化学的および電気的に優れた特性を有するＡｕ、Ｐｔ等の貴金属を好ましく例示できる。更に、導体層４１０の形成に先立って、半導体基板４０２の表面にＣｒ等の下地層を形成することにより、導体層４１０の材料の半導体基板４０２への拡散を防止すると共に、導体層３１０の付着強度を改善できる。
【００５２】
図１６は、固定電極基板４００を製造する工程の次の段階を説明する斜視図である。同図に示すように、この段階では、導体層４１０および導体層４２０の上の一部に絶縁層４３０が形成される。即ち、導体層４２０に重ねて形成される絶縁層４３０は、後述する導体層４４０により形成されるクロスオーバが、導体層４２０の捲線部４２２と短絡することを防止する。
【００５３】
なお、図示は省略したが、導体層４１０の上に、図１２において導体層３１０の上に形成した誘電体層３２０と同じ目的で絶縁層を形成してもよい。これにより、可変共振器６０４において、固定電極基板４００の導体層４１０が、浮動電極基板１００における導体層１５０と短絡することを防止できる。なお、浮動電極領域１５８の表面に絶縁層を設けることもできるが、変位しない固定電極領域４１２の方に絶縁層を装荷することが、可変共振器６０４としての応答速度を向上させるために有利になる。
【００５４】
図１７は、固定電極基板４００を製造する工程のまた次の段階を説明する斜視図である。同図に示すように、この段階では、導体層４２０の捲線部４２２に重ねて形成された絶縁層４３０の上に、更に，導体層４４０が形成される。導体層４４０は、一端を捲線部４２２の内側の端部に形成された端子部４２３に、他端を導体層４１０の端子部４１６に、それぞれ重複して形成される。これにより、捲線部４２２の一端と、導体層４１０の接続部４１４とを接続できる。
【００５５】
また、この段階において、半導体基板４０２の図上で左上側の部分に除去部４５０を形成する。この除去部４５０は、可変共振器６０４を組み立てた状態で、浮動電極基板１００上の端子部１８４への接続を容易する目的で成形される。
【００５６】
図１８は、図７に示したスペーサ基板２００とは異なる形状のスペーサ基板２０２を製造する工程のひとつの段階を示す斜視図である。なお、スペーサ基板２０２の形状がスペーサ基板２００と異なる点は、一方の面の固定電極側切欠き部２５２、２５４の配置なので、固定電極側切欠き部２５２、２５４を形成する前の段階までは、スペーサ基板２００と同じものを利用できる。即ち、このスペーサ基板２０２では下面に形成される固定電極側切欠き部２５２、２５４は、それぞれ、固定電極基板４００上の導体層４１０の接続部４１４を通過させる。
【００５７】
図１９は、浮動電極基板１００およびスペーサ基板２０２を接着して形成された固定電極組立体５０４を示す斜視図である。同図に示すように、スペーサ基板２０２は、そのホールパターン２３２の内側に単位可変容量素子領域１４２、１４４がそれぞれ内包されるように位置決めして積層され、固定電極基板４００に対して接着される。
【００５８】
ここで、固定電極基板４００上の接続部４１４は、スペーサ基板２０２の下面に形成された固定電極側切欠き部２５２、２５４を通る。また、導体層４２０の捲線部４２２は、スペーサ基板２０２の外側に位置する。また、この段階で、導体層４２０の端子部４２４には、ハンダボール２７０が装荷される。これにより、この固定電極組立体５０４に更に浮動電極基板１００を積層した場合に、導体層１５０の端子部１５４が、端子部４２４に接続される。このように形成された固定電極組立体５０４に対して、図５に示した浮動電極基板１００が積層され、可変共振器６０４が形成される。
【００５９】
図２０は、上記のようにして作製した可変共振器６０４の層構造を模式的に示す断面図である。同図に示すように、この可変共振器６０４は、図１９に示した固定電極組立体５０４に、図５に示した浮動電極基板１００を積層して形成される。ここで、浮動電極基板１００は、図５中の一点鎖線Ａ２を軸として、図中の矢印Ｔ２に従って裏返した上で、固定電極組立体５０４に積層される。従って、固定電極基板４００における導体層４１０の固定電極領域４１２は、浮動電極基板１００における導体層１５０の浮動電極領域１５８と対面する。
【００６０】
上記のような構造を有する可変共振器６０４では、導体層１５０、１８０の間に電圧を印加することにより浮動電極領域１５８が変位して、固定電極領域４１２との間隔が変化する。従って、浮動電極領域１５８および固定電極領域４１２の間の容量が変化する。また、導体層１５０の接続部１５６および導体層４１０の接続部４１４により、一対の単位可変容量素子領域１４２、１４４は相互に並列に接続される。従って、導体層１５０の端子部１５４および導体層４１０の端子部４１８の間には、一対の単位可変容量素子領域１４２、１４４の合成容量が形成される。
【００６１】
更に、上記の可変共振器６０４において、浮動電極基板１０２側では、既に述べた通り、アクチュエータ領域１３０が浮動電極領域１５８の外周部から外側に向かって延在する。従って、浮動電極領域１５８における導体層１５０と固定電極領域４１２における導体層４１０との間のほとんどは空気により満たされる。これにより、浮動電極領域１５８を大きなストロークで変位させることができると共に、単位可変容量素子領域１４２、１４４には大きな容量を設定できるので、変化率の大きな可変共振器６０４を形成できる。
【００６２】
図２１は、可変共振器６０４の電気的な機能を模式的に示す図である。同図に示すように、可変共振器６０４は、一対の単位可変容量素子領域１４２、１４４および捲線部４２２により形成されたインダクタ素子４６０を並列に接続した電気的構造を有する。従って、この回路は、単位可変容量素子領域１４２、１４４の合成容量およびインダクタ素子４６０のインダクタンスにより決定される特定の周波数に対して共振する。
【００６３】
また、単位可変容量素子領域１４２、１４４の各々のアクチュエータ領域１３０には、端子部１８４を介して個別に駆動電圧を印加できる。従って、電圧源として形成された浮動電極駆動部から圧電材料層１４０に駆動電圧を印加することにより、固定電極領域４１２に対して浮動電極領域１２０を接近または離間させることができる。これにより、単位可変容量素子領域１４２、１４４の各々の容量を個別に変化させることができる。従って、容量の変化に応じて、この可変共振器６０４の共振周波数を変化させることができる。
【００６４】
更に、この可変共振器６０４は、ＣＬ発振器として動作させたることができる。この場合、単位可変容量素子領域１４２、１４４に印加する駆動電圧Ｖｍ１、Ｖｍ２の一方を、発振周波数が搬送周波数となるように選択して、他方の駆動電圧を変調信号に応じて変化させることにより、簡潔な構成で動作する周波数変調器として動作させることができる。
【００６５】
図２２は、他の実施形態に係る可変共振器７３０の構造を模式的に示す図である。同図に示すように、この可変共振器７３０は、多数の単位可変容量素子１４１を含んで形成される。また、搬送周波数を決定すべく印加される駆動電圧と変調周波数を決定すべく入力される駆動電圧との２つの駆動電圧Ｖｍ１、Ｖｍ２は、それぞれ複数の単位可変容量素子１４１に印加される。これにより、大きな容量を用いて各周波数を決定でき、その変化率も大きい。また、単位可変容量素子１４１の各々が個別にアクチュエータ領域１３０を有するので、特に、変調周波数を決定する駆動電圧の変化に対する応答速度がはやい。
【００６６】
図２３は、可変共振器７４０の他の形態を模式的に示す図である。同図に示すように、この可変共振器７４０は、一方の単位可変容量素子１４８に対して、より大きな寸法を有する大型単位可変容量素子１４６を組み合わせて形成される。これにより、例えば、大型単位可変容量素子１４６を搬送周波数の決定に用い、単位可変容量素子１４８を変調周波数の決定に用いることにより、応答速度の高い周波数変調器が形成される。
【００６７】
以上詳細に説明したように、この可変容量素子並びにそれを用いた可変共振器および変調器は、導体損の少ない金属薄膜により形成することができるので導体損が小さく、高いＱ値が得られる。また、複数の単位可変容量素子を備え、それらを同時に、または個別に変化させることができるので、容量が大きくなっても応答速度が低下しない。更に、フォトリソグラフィ技術により製造できるので、精度よく、高い歩留りで工業的に生産できる。また更に、他の回路素子と共に集積化することもできる。従って、可変周波数発振器（ＶＦＯ）、同調増幅器、位相シフタ、インピーダンス整合回路等、多くの電気回路において利用できる。
【００６８】
また、実施の形態を参照して説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加え得ることは当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】浮動電極基板１００の製造工程を段階毎に示す斜視図である。
【図２】浮動電極基板１００の製造工程を段階毎に示す斜視図である。
【図３】浮動電極基板１００の製造工程を段階毎に示す斜視図である。
【図４】浮動電極基板１００の製造工程を段階毎に示す斜視図である。
【図５】浮動電極基板１００の製造工程を段階毎に示す斜視図である。
【図６】スペーサ基板２００の製造工程を段階毎に示す斜視図である。
【図７】スペーサ基板２００の製造工程を段階毎に示す斜視図である。
【図８】浮動電極組立体５０２を示す斜視図である。
【図９】固定電極基板３００の製造工程を段階毎に示す斜視図である。
【図１０】可変容量素子６０２の層構造を模式的に示す断面図である。
【図１１】可変容量素子６０２の電気的な機能を模式的に示す図である。
【図１２】固定電極基板３００の製造工程を段階毎に示す斜視図である。
【図１３】可変容量素子７１０の他の形態を示す模式図である。
【図１４】可変容量素子７２０のまた他の形態を示す模式図である。
【図１５】固定電極基板４００の製造工程におけるひとつの段階を示す斜視図である。
【図１６】固定電極基板４００の製造工程における他の段階示す斜視図である。
【図１７】固定電極基板４００の製造工程における更に他に段階を示す斜視図である。
【図１８】スペーサ基板２０２の製造工程におけるひとつの段階を示す斜視図である。
【図１９】固定電極組立体５０４の構造を示す斜視図である。
【図２０】可変共振器６０４の層構造を模式的に示す断面図である。
【図２１】可変共振器６０４の電気的な機能を模式的に示す図である。
【図２２】可変共振器７３０の他の形態を模式的に示す模式図である。
【図２３】可変共振器７４０の他の形態を模式的に示す模式図である。
【符号の説明】
【００７０】
１００  浮動電極基板、１０２、２３０、３０２、４０２  半導体基板、１１０、２３２  ホールパターン、１２０  浮動電極領域、１３０  アクチュエータ領域、１４０  圧電材料層、１４１、１４８  単位可変容量素子、１４２、１４４  単位可変容量素子領域、１４６  大型単位可変容量素子、１５０、１８０、３１０、４１０、４２０、４４０  導体層、１５２、１５６、１８２、３１４、３１６、４１４、４２６  接続部、１５４、１８４、３１８、４１６、４１８、４２３、４２４、４２８  端子部、１５８  浮動電極領域、１６０  圧電材料層、１７０、４３０  絶縁層、１７２  外側絶縁層、１７４  内側絶縁層、１８６  駆動電極領域、２００、２０２  スペーサ基板、２１２、２１４、２１６  浮動電極側切欠き部、２２２、２２４、２５２、２５４  固定電極側切欠き部、２７０  ハンダボール、３００、４００  固定電極基板、３１２、４１２  固定電極領域、３２０  誘電体層、４２２  捲線部、４５０  除去部、５０２  浮動電極組立体、５０４  固定電極組立体、６０２、７１０、７２０  可変容量素子、６０４、７３０、７４０  可変共振器
【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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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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