(57)【要約】【課題】動作に対する信頼性の高い静電駆動素子を提供する。【解決手段】基板２の表面には固定導体パターン３ａ，３ｂを形成し、固定導体パターン３ａ，３ｂの上方側には可動部４を配置する。可動部４には可動導体パターン７を形成する。可動部４は、梁６ａ，６ｂによって、基板２に固設されている固定部５に支持固定された状態と成す。梁６ａ，６ｂには当該梁６ａ，６ｂとは異なる膨張係数を持つ材質部１８を形成して基板２に対して上に凸の形状の湾曲部分１７を形成する。湾曲部分１７の頂部は駆動用固定電極８に押圧状態で当接し湾曲部分１７は基板２側に弾性変形した状態となって可動部４を基板２側に押し付ける。可動部４と駆動用固定電極８との間に静電引力が発生すると、湾曲部分１７の頂部を支点として可動部４が駆動用固定電極８側に変位して、固定導体パターン３ａ，３ｂと可動導体パターン７間の間隔が広がる。【選択図】図１
2008210640.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
該基板の表面に形成されている固定導体パターンと、
前記基板の表面に固設されている固定部と、
該固定部に一端側が連接されている梁と、
該梁の他端側に連接され前記基板と向き合って配設されている可動部と、
該可動部の基板側の面に形成され前記固定導体パターンと対向する可動導体パターンと、
前記梁に形成され前記梁の形状を前記基板に対して上に凸の形状とするために前記梁とは異なる膨張係数を持つ材質部と、
前記梁の凸形状の頂部を押圧する駆動用固定電極と、
を有し、
前記駆動用固定電極と前記可動部間の電圧印加による静電引力発生によって、前記可動部が前記梁の凸形状の頂部を支点にして前記駆動用固定電極に近付く方向に変位して、前記可動導体パターンと前記固定導体パターンとの間の間隔が広くなる方向に変化することを特徴とする静電駆動素子。
【請求項２】
基板と、
該基板の表面に形成されている固定導体パターンと、
前記基板の表面に固設されている固定部と、
該固定部に一端側が連接されている梁と、
該梁の他端側に連接され前記基板と向き合って配設されている可動部と、
該可動部の基板側の面に形成され前記固定導体パターンと対向する可動導体パターンと、
前記梁に形成され前記梁の形状を前記基板に対して下に凸の形状とするために前記梁とは異なる膨張係数を持つ材質部と、
を有し、
前記梁の凸形状の頂部が押圧状態で前記基板に当接されている構成と成しており、
前記可動導体パターンと前記固定導体パターン間の電圧印加による静電引力発生によって、前記可動部が前記梁の凸形状の頂部を支点にして前記基板に近付く方向に変位して、前記可動導体パターンと前記固定導体パターンとの間の間隔が狭くなる方向に変化することを特徴とする静電駆動素子。
【請求項３】
可動導体パターンの表面には絶縁膜が形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の静電駆動素子。
【請求項４】
請求項１又は請求項３記載の静電駆動素子と、
静電駆動素子の駆動用固定電極と可動部との間に電圧を印加する電圧印加手段と、
を有し、
静電駆動素子の固定導体パターンは高周波信号が導通する線路パターンであり、該固定導体パターンと可動導体パターンとの間の静電容量の大小によって固定導体パターンの高周波信号の導通オン・オフが制御されることを特徴とする静電駆動デバイス。
【請求項５】
請求項２又は請求項３記載の静電駆動素子と、
静電駆動素子の可動導体パターンと固定導体パターンとの間に電圧を印加する電圧印加手段と、
を有し、
静電駆動素子の固定導体パターンは高周波信号が導通する線路パターンであり、該固定導体パターンと可動導体パターンとの間の静電容量の大小によって固定導体パターンの高周波信号の導通オン・オフが制御されることを特徴とする静電駆動デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電引力を利用して駆動する静電駆動素子およびそれを備えた静電駆動デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１２（ａ）には静電駆動素子の一つである可変容量素子の主要構成部分の一例が模式的な平面図により示され、図１２（ｂ）には図１２（ａ）のＡ−Ａ部分の可変容量素子の模式的な断面図が示されている。図１２（ａ）、（ｂ）に示される可変容量素子４０はガラス基板４１を有し、このガラス基板４１の表面には固定電極４２が形成され、当該固定電極４２の表面上には絶縁材料から成る保護膜４６が形成されている。また、ガラス基板４１の表面には、固定電極４２の形成領域を間隔を介して囲む形態で固定部４３が固設されている。固定電極４２の上方側には可動部４４が浮いた状態で配置されており、当該可動部４４は、梁４５Ａ，４５Ｂにより両持ち梁状の形態でもって固定部４３に支持固定されている。梁４５Ａ，４５Ｂは、図１２（ｂ）の上下方向に撓み変形可能であり、これにより、可動部４４が固定電極４２に対して遠近方向に変位可能となっている。
【０００３】
可変容量素子４０の例では、固定部４３と可動部４４と梁４５Ａ，４５Ｂは半導体基板（例えばシリコン基板）をエッチング加工して作製されている。可動部４４は、不純物をドープすることにより電気抵抗値が下げられており、可動電極として機能する。この可動部（可動電極）４４と、固定電極４２とは、コンデンサを構成している。
【０００４】
可変容量素子４０は上記のように構成されており、この可変容量素子４０には電圧印加手段４８が接続される。電圧印加手段４８は可動部４４と固定電極４２間に電圧を印加するものであり、電圧源４９とスイッチ手段５０を有して構成されている。そのスイッチ手段５０がオンすると、電圧源４９の電圧が可動部４４と固定電極４２との間に印加されて、可動部４４と固定電極４２間に静電引力Ｆが発生する。この静電引力Ｆによって、図１２（ｃ）の実線に示されるように、梁４５Ａ，４５Ｂの弾性変形（撓み変形）により可動部４４が固定電極４２側に変位する。これにより、可動部４４と固定電極４２との間の間隔が狭くなって、可動部（可動電極）４４と固定電極４２間の静電容量が大きくなる方向に変化する。
【０００５】
また、スイッチ手段５０がオフして可動部４４と固定電極４２間の電圧印加が停止すると、可動部４４と固定電極４２間の静電引力Ｆの発生が停止する。このため、梁４５Ａ，４５Ｂの弾性力によって図１２（ｃ）の鎖線に示されるように可動部４４が固定電極４２から離れる方向に変位する。これにより、可動部４４と固定電極４２間の間隔が広くなり、可動部（可動電極）４４と固定電極４２間の静電容量が小さくなる方向に変化する。このように、静電引力Ｆにより可動部４４を変位させることによって、可動部４４と固定電極４２間の間隔が広狭に変化して、可動部４４と固定電極４２から成るコンデンサの静電容量の大きさが変化する。
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−２７４８０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、可動部４４と固定電極４２間の静電引力（駆動力）Ｆと、梁４５Ａ，４５Ｂの弾性力とによって可動部４４を図１２（ｃ）の鎖線に示される位置と図１２（ｃ）の実線に示される位置との間で繰り返し変位させるためには、静電引力Ｆは、梁４５Ａ，４５Ｂの弾性力に関連付けられた次の数式（１）により求まる大きさであることが望ましい。
【０００８】
Ｆ＝ｋ・ｘ・・・・・（１）
【０００９】
ただし、ｋは梁４５Ａ，４５Ｂのばね定数であり、ｘは静電引力Ｆの発生と発生停止の変化による可動部４４の変位量（図１２（ｃ）参照）である。
【００１０】
静電引力Ｆが数式（１）により求まる大きさであれば、静電引力Ｆが小さくて力不足となり可動部４４を固定電極４２側に変位させることができないという問題を防止できる。また、静電引力Ｆが大きすぎて梁４５Ａ，４５Ｂが基板４１側に異常変形してしまい可動部４４が固定電極４２側に変位したままになって可動部４４が駆動しなくなるというスティッキング不良をも防止することができる。
【００１１】
しかしながら、可動部４４の変位量ｘは、可動部４４等を作製するための半導体基板のエッチング工程での精度に起因してばらつくので、可動部４４を駆動させるに適切な静電引力Ｆの大きさもばらつき、次に示すような問題が発生してしまう。つまり、適切な静電引力Ｆの大きさがばらつくにも拘わらず、実際には、予め設定された可動部４４の変位量ｘの設計値に基づいた静電引力Ｆでもって可動部４４が駆動されるので、静電引力Ｆが大きすぎて前記スティッキング不良が発生したり、静電引力Ｆが小さくて可動部４４を固定電極４２側の所定位置まで変位させることができないことがある。特に、近年は、可変容量素子４０の省電力化のために静電引力Ｆを小さくすべく可動部４４の変位量ｘを狭くする傾向にあり、これにより、可動部４４の変位量ｘのばらつきが大きくなってきている。このため、前記スティッキング不良発生の問題が発生し易くなる。また、そのスティッキング不良を防止するために静電引力Ｆを小さくすると、可動部４４を固定電極４２側の所定位置まで変位できない事態が発生し、これにより、可動部４４と固定電極４２間の静電容量の大きさが予め定められた設定値からずれて可変容量素子４０の性能に対する信頼性を低下させてしまう。
【００１２】
本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的は、可動部を安定的に設計通りに駆動させることができて性能に対する信頼性を高めることができる静電駆動素子およびそれを備えた静電駆動デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明は次に示す構成をもって前記課題を解決するための手段としている。すなわち、本発明の静電駆動素子は、
基板と、
該基板の表面に形成されている固定導体パターンと、
前記基板の表面に固設されている固定部と、
該固定部に一端側が連接されている梁と、
該梁の他端側に連接され前記基板と向き合って配設されている可動部と、
該可動部の基板側の面に形成され前記固定導体パターンと対向する可動導体パターンと、
前記梁に形成され前記梁の形状を前記基板に対して上に凸の形状とするために前記梁とは異なる膨張係数を持つ材質部と、
前記梁の凸形状の頂部を押圧する駆動用固定電極と、
を有し、
前記駆動用固定電極と前記可動部間の電圧印加による静電引力発生によって、前記可動部が前記梁の凸形状の頂部を支点にして前記駆動用固定電極に近付く方向に変位して、前記可動導体パターンと前記固定導体パターンとの間の間隔が広くなる方向に変化することを特徴としている。
【００１４】
また、本発明の静電駆動素子は、
基板と、
該基板の表面に形成されている固定導体パターンと、
前記基板の表面に固設されている固定部と、
該固定部に一端側が連接されている梁と、
該梁の他端側に連接され前記基板と向き合って配設されている可動部と、
該可動部の基板側の面に形成され前記固定導体パターンと対向する可動導体パターンと、
前記梁に形成され前記梁の形状を前記基板に対して下に凸の形状とするために前記梁とは異なる膨張係数を持つ材質部と、
を有し、
前記梁の凸形状の頂部が押圧状態で前記基板に当接されている構成と成しており、
前記可動導体パターンと前記固定導体パターン間の電圧印加による静電引力発生によって、前記可動部が前記梁の凸形状の頂部を支点にして前記基板に近付く方向に変位して、前記可動導体パターンと前記固定導体パターンとの間の間隔が狭くなる方向に変化することをも特徴としている。
【００１５】
さらに、本発明の静電駆動デバイスは、本発明における特有な構成を持つ静電駆動素子を有していることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、梁は基板に対して上あるいは下に凸の形状を有しており、当該梁は、その凸形状の頂部が押圧されて、可動部を変位させるための静電引力が発生しているときも発生していないときも、弾性変形している状態となっている。この構成の場合には、可動部を変位させるための静電引力（駆動力）の適切な大きさは、前記静電引力が発生していないときの弾性変形状態の梁の応力が主に関与して決定されるものである。このため、エッチング加工精度の問題等によって、梁の厚みや、駆動用固定電極と可動部間の間隔や、可動導体パターンと可動部間の間隔が設計値に対してばらついても、前記静電引力の適切な大きさが大きくばらつくことを防止することができる。これにより、静電引力が大きすぎることに因る問題発生や、静電引力不足に因る問題発生を抑制することができて、可動部を安定的に設計通りに駆動させることが容易となる。
【００１７】
梁が基板に対して上に凸の形状を有している構成では、可動部は、前記静電引力が発生していないときには、梁の弾性力によって基板側に押し付けられている状態となる。このため、前記静電引力が発生しているときはもちろんのこと、前記静電引力が発生していないときも可動部を予め設定された位置に安定的に配置することができて、可動導体パターンと固定導体パターン間の間隔をほぼ正確に予め定められた設定値にすることができる。この結果、静電駆動素子およびそれを備えた静電駆動デバイスにおける性能の信頼性を高めることができる。
【００１８】
また、梁が基板に対して下に凸の形状を有している構成の場合も、上記同様に、静電引力が発生していないときには梁の弾性力によって可動部の配置位置を安定化できて可動導体パターンと固定導体パターン間の間隔を設定値にできる。このため、静電駆動素子およびそれを備えた静電駆動デバイスにおける性能の信頼性を高めることができる。
【００１９】
さらに、この発明では、静電引力によって可動部が変位するときには、梁の凸形状の頂部を支点として可動部が変位する構成である。この構成を備えていることによって、可動部が梁と固定部との接合部分を支点として変位する構成のものに比べて、可動部と支点との距離が短くなるので、梁の弾性力を強くすることができる。このことも可動部を安定的に良好に駆動させることができる重要な要素である。
【００２０】
さらに、本発明では、梁は、当該梁とは異なる膨張係数を持つ材質部を設けることによって凸形状に変形している。このため、機械加工により梁を凸形状に変形する場合に比べて、確実にしかも歩止まり悪化を抑えながら梁を凸形状に変形させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に、この発明に係る実施形態例を図面に基づいて説明する。なお、以下に述べる実施形態例の説明で使用する図１〜図１１は、説明を分かり易くするためにデフォルメして描かれており、図１〜図１１に示される静電駆動素子の各構成部分の寸法比は、実際の寸法比とは異なっている。
【００２２】
図１（ａ）には第１実施形態例の静電駆動素子の一例である可変容量素子の主要構成部分が模式的な平面図により示され、図１（ｂ）には図１（ａ）の上方側から下方側に可変容量素子を投影したときの模式的な側面図が示され、図１（ｃ）には図１（ａ）のＡ−Ａ部分の可変容量素子の模式的な断面図が示されている。この第１実施形態例の可変容量素子１は、基板２と、固定導体パターン３ａ，３ｂと、可動部４と、固定部５と、梁６ａ，６ｂと、可動導体パターン７と、駆動用固定電極８とを有して構成されている。
【００２３】
すなわち、基板２はガラス基板を用いて形成され、その厚みは約１００μｍである。固定導体パターン３ａ，３ｂは、それぞれ、基板２の表面に銅（Ｃｕ）等の導体層によって形成されており、その厚みは約５μｍであり、高周波用電極として用いる。固定導体パター３ａ，３ｂが形成された基板２の表面全面には絶縁かつ保護膜としての機能を有するＳｉＯ2等から成る絶縁膜１１が形成されている。なお、基板２には、図１（ｃ）に示す底面から各固定導体パターン３ａ，３ｂにそれぞれ達する孔部１９ａ，１９ｂが形成され、当該孔部１９ａ，１９ｂの内部には導体材料が形成されている。孔部１９ａ，１９ｂの導体材料を介して、各固定導体パターン３ａ，３ｂは、それぞれ、外部と電気的に接続できる構成となっている。
【００２４】
可動部４は基板２の上方側に浮いた状態であり、固定導体パターン３ａ，３ｂの両方と向き合うように可動部４の大きさおよび配置位置が設定されている。当該可動部４は固定導体パターン３ａ，３ｂに対して遠近方向に変位可能となっている。この可動部４はＳｉにより構成されており、そのＳｉへのボロン等の不純物の注入により、電気抵抗値が例えば２００Ωｍであったものがそれよりも低抵抗化されて電極として機能できるようになっている。この可動部４の上面側には酸化層９が形成され、また、可動部４の下面側にも酸化層（図面簡略化のため図示せず）が形成されている。その上面側の酸化層９の厚みは５０ｎｍ以下というように非常に薄いものであり、また、下面側の酸化層の厚みは約２μｍである。
【００２５】
可動部４の下面側には可動導体パターン７が埋め込み形成されている。その可動導体パターン７は銅（Ｃｕ）等の導体層によって形成され、高周波用電極として用いる。可動導体パターン７の厚みは０．２μｍ程度であり、可動部４の下面側の酸化層よりも薄くて当該酸化層によって可動導体パターン７は可動部４と絶縁されている。この可動導体パターン７は、固体導体パターン３ａ，３ｂの両方に向き合う大きさを有し、それら固体導体パターン３ａ，３ｂと共に、図４に示される回路を構成する。つまり、固定導体パターン３ａと可動導体パターン７により可変コンデンサＣ１が形成され、また、固定導体パターン３ｂと可動導体パターン７により可変コンデンサＣ２が形成され、それら可変コンデンサＣ１，Ｃ２は直列抵抗成分Ｒc1，Ｒc2と共に直列接続回路を構成している。
【００２６】
可動導体パターン７の表面は可動部４の外部に露出しており、当該可動導体パターン７の表面上には絶縁膜１０が形成されている。ところで、可動導体パターン７の表面はフラットであることが好ましいが、Ｓｉから成る可動部４に、Ｓｉよりも膨張係数の大きい可動導体パターン７が形成されると、可動部４および可動導体パターン７が反ってしまう。このことから、絶縁膜１０は、その可動部４および可動導体パターン７の反りを矯正できるように、膨張係数を考慮した構成材料や膜厚でもって形成されており、当該絶縁膜１０によって可動導体パターン７の表面はフラットになっている。また、絶縁膜１０は可動部４が固定導体パターン３ａ，３ｂ側に変位したときの緩衝部材としても機能する。
【００２７】
固定部５は可動部４の配置領域を間隔を介して囲む枠状と成し、基板２に陽極接合手法によって固設されている。梁６ａ，６ｂは、それぞれ、その一端側が可動部４に連接され、他端側は固定部５に連接されており、２本の梁６ａ，６ｂは可動部４を両側から固定部５に支持固定している。この例では、梁６ａと可動部４の連接部分と、梁６ｂと可動部４の連接部分とは、互いに四角形状の可動部４の対角となる位置関係にある。また、梁６ａ，６ｂは、可動部４を間にして互いに平行状となる部位を有している。当該梁部６ａ，６ｂは、薄板状に、また、狭幅に形成されており、基板２に対して遠近方向に撓み変形可能になっている。
【００２８】
また、梁６ａ，６ｂはＳｉにより構成され、当該梁６ａ，６ｂのそれぞれにおけるＭ領域（図１（ａ）参照）の下面側には、銅（Ｃｕ）等の金属材料が埋め込まれて金属層（材質部）１８が形成されている。つまり、梁６ａ，６ｂのＭ領域は、Ｓｉよりも膨張係数の大きい金属層１８と、Ｓｉ層とが基板２側から上側に順に積層形成された積層構造となっている。このため、熱膨張係数の差違による金属層１８の応力によって、梁部６ａ，６ｂのＭ領域は基板２の表面に対して上に凸の形状（基板２から離れる方向に膨らんだ形状）の湾曲部分１７となっている。この湾曲部分１７の膨らみ変形量は、金属層１８の形成面積や厚みが大きくなるに従って大きくなるというように金属層１８によって調整できる。このことから、この第１実施形態例では、金属層１８は、各梁６ａ，６ｂの湾曲部分１７の膨らみ変形量ｘ1（図２の分解図を参照）が、梁６ａ，６ｂと駆動用固定電極８との間の間隔ｘ2よりも大きくなるように、金属層１８の構成材料の膨張係数を考慮した層の厚みや形成面積でもって形成されている。
【００２９】
なお、梁６ａ，６ｂは、可動部４と同様に、ボロン等の不純物拡散によって低電気抵抗化されて電流が通電し易くなっている。また、可変容量素子１には、梁６ａ（６ｂ）を介して可動部４を外部に電気的に接続させるための外部接続端子（図示せず）が設けられている。さらに、梁６ａ，６ｂの上下両面側には、可動部４と同様に、酸化層が形成され、下面側の酸化層の厚みは約２μｍであり、上側の酸化層の厚みは５０ｎｍ以下の非常に薄い層である。それら酸化層は金属層１８による梁６ａ，６ｂの湾曲変形を妨げるものではない。また、下面側の酸化層によって金属層１８と梁６ａ，６ｂとは絶縁されている。
【００３０】
駆動用固定電極８は可動部４と固定部５と梁６の上方側に共通に配置され絶縁層１３を介して固定部５と接合しており、基板２および固定部５と共に、可動部４を収容する閉空間を形成している。また、この駆動用固定電極８は、梁６ａ，６ｂとの間の間隔（絶縁層１３の厚み）ｘ2が梁６ａ，６ｂの湾曲部分１７の膨らみ変形量ｘ1よりも狭いため、梁６ａ，６ｂの湾曲部分１７の頂部を押圧し当該湾曲部分１７を基板２側に弾性変形させている。さらに、駆動用固定電極８はＳｉにより構成され、可動部４や梁６と同様に、不純物拡散処理によって低電気抵抗化されている。この駆動用固定電極８の基板２側の表面側にはＳｉＯ2等の絶縁層１６が形成されている。この絶縁層１６は、可動部４および梁６ａ，６ｂの上面側の酸化層と共に、可動部４および梁６ａ，６ｂと、駆動用固定電極８とを絶縁している。可変容量素子１には、駆動用固定電極８を外部に接続させるための外部接続端子（図示せず）が設けられている。
【００３１】
第１実施形態例の可変容量素子１は上記のように構成されている。この可変容量素子１は、図１（ｂ）や図３（ａ）、（ｂ）に示されるような電圧印加手段２０が接続された状態で１パッケージ化されることによって静電駆動デバイスを構成する。電圧印加手段２０は、可変容量素子１の可動部４と駆動用固定電極８との間に直流電圧（例えば３Ｖ）を印加するものであり、電圧源２１と、スイッチ手段２２とを有して構成されている。
【００３２】
電圧印加手段２０のスイッチ手段２２がオンして、電圧源２１に基づいた電圧が駆動用固定電極８と可動部４との間に印加されると、駆動用固定電極８と可動部４との間に静電引力が発生する。この静電引力によって可動部４が、梁６ａ，６ｂの湾曲部分１７の頂部と駆動用固定電極８との当接部分を支点として、図３（ａ）の状態から図３（ｂ）に示されるように駆動用固定電極８側に変位し、これにより、可動導体パターン７と固定導体パターン３ａ，３ｂとの間の間隔が広がる。このため、可動導体パターン７と固定導体パターン３ａ，３ｂから成る可変コンデンサＣ１，Ｃ２の静電容量は小さくなる。
【００３３】
また、電圧印加手段２０のスイッチ手段２２がオフすると、駆動用固定電極８と可動部４との間の電圧印加が無くなって駆動用固定電極８と可動部４間の静電引力が無くなる。このために、梁６ａ，６ｂの湾曲部分１７の弾性復帰方向の弾性力によって、可動部４は、湾曲部分１７の頂部と駆動用固定電極８との当接部分を支点として図３（ａ）に示されるように基板２側に変位し、絶縁層１０を介して固定導体パターン３ａ，３ｂに弾性押圧状態で係止する。これにより、可動導体パターン７と固定導体パターン３ａ，３ｂとの間の間隔が狭くなって、可変コンデンサＣ１，Ｃ２の静電容量が大きくなる。
【００３４】
この第１実施形態例では、可動部４と駆動用固定電極８間に静電引力が発生していないときにも梁６ａ，６ｂの湾曲部分１７は弾性変形した状態であり、当該湾曲部分１７の弾性力によって可動部４は基板２に係止している。この状態のときに可動部４が基板２を押圧している力Ｆoffは、梁６ａ，６ｂの湾曲部分１７の弾性力に基づいたものであり、Ｆoff＝ｋ・ｘ1の数式で表すことができる。ただし、その数式中の符号ｋは梁６ａ，６ｂの湾曲部分１７のばね定数であり、ｘ1は湾曲部分１７の膨らみ変形量（図２参照）である。
【００３５】
また、可動部４を駆動用固定電極８に引き寄せて図３（ｂ）に示されるような状態に変位させるために可動部４と駆動用固定電極８間に生じさせる静電引力Ｆsは、梁６ａ，６ｂの湾曲部分１７の弾性力に抗して絶縁層１３の厚みｘ2分（図２参照）だけ可動部４を変位させることと、静電引力Ｆsの過剰な大きさに因る梁６の異常変形を防止することとを考慮して、Ｆon＝ｋ・（ｘ1＋ｘ2）の数式により表される力Ｆonよりもやや強い力であることが好ましい。このことによって、可動部４と駆動用固定電極８間に生じさせる静電引力Ｆsは、力Ｆonに基づいた適切な大きさが設定される。
【００３６】
この第１実施形態例では、梁６ａ，６ｂの湾曲部分１７の膨らみ変形量ｘ1は可動部４の変位量ｘ2よりも大きいので、可動部４の変位量ｘ2が、力Ｆon（Ｆon＝ｋ・（ｘ1＋ｘ2））に基づいた静電引力Ｆsの適切な大きさに与える影響は小さい。このため、可動部４の変位量ｘ2がエッチングの加工精度等によってばらついても静電引力Ｆsの適切な大きさはほぼ同程度であり、静電引力Ｆsの適切な大きさの安定化を図ることができる。これにより、可動部４の変位量ｘ2のばらつきの悪影響を殆ど受けずに可動部４を安定的に駆動させることができることとなる。
【００３７】
次に、この第１実施形態例の可変容量素子１の製造工程の一例を図５〜図７のモデル図に基づいて説明する。なお、図５〜図７は、それぞれ、図１（ａ）に示す上方側から下方側に投影した模式的な側面の図である。
【００３８】
図５（ａ）に示されるようなＳＯＩ基板１５を用意する。ＳＯＩ基板１５は、支持層１２と絶縁層（ＢＯＸ層）１３と活性層１４が順に積層され一体化した基板であり、例えば、支持層１２はｎ型半導体であるｎ+Ｓｉにより構成され、その厚みは約４００μｍである。また、絶縁層１３はＳｉＯ2により構成され、その厚みは約０．３μｍである。さらに、活性層１４はｐ型Ｓｉにより構成され、その厚みは約５μｍである。
【００３９】
まず、ＳＯＩ基板１５の活性層１４にボロン等の不純物を熱拡散して活性層１４を低電気抵抗化する。また、ＳＯＩ基板１５の支持層１２も同様に低電気抵抗化する。次に、熱酸化処理により、活性層１４の表面側の全領域に渡って例えば約２μｍの厚みのＳｉＯ2の酸化層を形成する。その後、その活性層１４の表面側には、図５（ｂ）に示されるように可動導体パターン７を形成する部分に凹部２３ａを、また、各梁６ａ，６ｂの湾曲部分１７の金属層１８を形成する部分に凹部２３ｂを、それぞれ、エッチング加工によって形成する。それら各凹部２３ａ，２３ｂの深さは、それぞれ、可動導体パターン７や金属層１８の厚みに応じたものである。そして、凹部２３ａ，２３ｂの形成後には、活性層１４の表面全面に、図５（ｃ）に示されるように、可動導体パターン７および金属層１８を構成する導体材料（例えば銅）２４を例えばメッキにより形成する。その後、例えばＣＭＰ（Chemical-Mechanical-Plenarization）技術により活性層１４の表面平坦化処理を行って、図５（ｄ）に示されるように、凹部２３ａ，２３ｂ内の導体材料２４以外の導体材料２４を除去する。これにより、埋め込み型電極（埋め込み型導体パターン）の形態を持つ可動導体パターン７、および、金属層１８が形成される。然る後に、図５（ｅ）に示されるように、可動導体パターン７の表面上にＳｉＯ2の絶縁層１０を成膜する。
【００４０】
その後、可動部４と固定部５と梁６ａ，６ｂとなる部分以外の活性層１４の部分をエッチング加工（ＲＩＥ加工）により除去し、図１（ａ）に示されるような形状の可動部４と固定部５と梁６ａ，６ｂを形成する。そして、固定部５に接合している絶縁層１３の部位のみを残し、他の絶縁層１３の部位は例えばＨＦ水溶液を用いた犠牲層エッチングにより除去する。この絶縁層１３の除去によって、可動部４と梁６ａ，６ｂは薄い平板状に形成される。これにより、梁６ａ，６ｂは撓み変形し易くなる。また、図５（ｆ）に示されるように、梁６ａ，６ｂにおける金属層１８の形成部分は、梁６ａ，６ｂを形成しているＳｉよりも膨張係数の大きい金属層１８の応力によって上に凸の形状に湾曲変形して湾曲部分１７が形成される。また、可動部４は、可動導体パターン７の表面上の絶縁膜１０によって湾曲変形が回避されてフラットの状態が維持される。
【００４１】
絶縁層１３の犠牲層エッチング工程の後には、可動部４と梁６ａ，６ｂと駆動用固定電極８との表面を例えば酸および過酸化水素等から成る酸化剤を用いて酸化させてＳｉＯ2の酸化層１６，９を形成する。その後、シランカップリング剤を用いた疎水化処理により乾燥させる。
【００４２】
一方、別の工程で、図６（ａ）に示されるような例えば４００μｍの厚みを持つガラスの基板２の表面に固定導体パターン３ａ，３ｂを形成する。その固定導体パターン３ａ，３ｂは、可動導体パターン７等と同様に形成することができる。つまり、図６（ｂ）に示されるように、基板２の表面における固定導体パターン３ａ，３ｂとなるそれぞれの部分に凹部２５を例えばエッチングにより形成し、その後、図６（ｃ）に示されるように、基板２の表面全面に例えばメッキによって固定導体パターン３ａ，３ｂの構成材料である例えば銅等の導体材料２６を形成する。そして、図６（ｄ）に示されるように、基板２の表面を例えばＣＭＰ技術により表面平坦化処理して凹部２５内の導体材料２６以外の導体材料２６を除去する。このようにして、埋め込み型電極（埋め込み型導体パターン）の形態を持つ固定導体パターン３ａ，３ｂが形成される。
【００４３】
その後、図６（ｅ）に示されるように、基板２の表面の、固定部５と接合する部分と、固定導体パターン３が形成されている部分とを少なくとも残し、それ以外の基板２の表面部分をエッチングによって深さ１μｍ程度掘り下げて凹部２７を形成する。このエッチング工程の後に、基板２の表面全領域に、例えば厚みが１００ｎｍ程度のＳｉＯ2の絶縁膜１１をスパッタ手段等を用いて形成する。
【００４４】
然る後に、図５（ｆ）に示されている固定部５と、図６（ｅ）に示されている基板２とを図７（ａ）に示すように陽極接合手法により接合する。これにより、可動部４が絶縁層１０を介して固定導体パターン３ａ，３ｂに係止し、また、梁６ａ，６ｂの湾曲部分１７の頂部が駆動用固定電極８に当接し、駆動用固定電極８からの押圧力によって湾曲部分１７は基板２側に弾性変形した状態となる。その後、図７（ｂ）に示されるように、基板２の表面を研削、研磨加工して基板２を例えば１００μｍ程度に薄肉化する。然る後に、固定導体パターン３ａ，３ｂや可動導体パターン７等にそれぞれ対応した外部接続端子を構成する各孔部をそれぞれ例えばサンドブラスト加工等により形成し、当該各孔部の内部にそれぞれ導体材料を設ける。
【００４５】
上記のような製造工程を経て、第１実施形態例の可変容量素子１を製造することができる。
【００４６】
なお、この第１実施形態例では、可動部４は２本の梁６ａ，６ｂにより支持固定されていたが、例えば、図８の模式的な平面図に示されるように、可動部４は、４本の梁６ａ〜６ｄによって固定部５に支持固定されている構成としてもよい。このように、可動部を支持固定する梁は、基板に対して遠近方向に撓み変形可能で可動部を基板の表面の法線方向に変位させることができれば、その形成数や形状は限定されるものではない。ただし、梁には、当該梁の構成材料とは膨張係数の異なる材質部が設けられて基板に対して上に凸の形状の湾曲部分が形成され、当該梁の湾曲部分の頂部は梁の上側の駆動用固定電極に押圧状態で当接されて梁の湾曲部分が弾性変形した状態になる構成を有する。
【００４７】
以下に、第２実施形態例を説明する。なお、第２実施形態例の説明において、第１実施形態例と同一構成部分には同一符号を付し、その共通部分の重複説明は省略する。
【００４８】
図９（ａ）には第２実施形態例の静電駆動素子であるシャント型のスイッチ素子の主要構成部分が模式的な平面図により示され、図９（ｂ）には図９（ａ）のＡ−Ａ位置に対応するスイッチ素子の模式的な断面図が示されている。この第２実施形態例のスイッチ素子３０では、基板２の表面側には３本の固定導体パターン３ｓ，３g1，３g2が形成されている。それら固定導体パターン３ｓ，３g1，３g2はコプレーナー線路（ＣＰＷ線路）を構成しており、固定導体パターン３ｓが例えば５ＧHz以上の高周波の信号導通用の信号線（線路パターン）と成し、当該固定導体パターン３ｓを間隔を介して挟み込む形態で配置される固定導体パターン３g1，３g2はグランド線（線路パターン）と成している。
【００４９】
可動部４は、固定導体パターン３ｓ，３g1，３g2の上方側に配置され、当該可動部４の固定導体パターン３ｓ，３g1，３g2側の表面には可動導体パターン７が形成されている。当該可動導体パターン７は、３本の固定導体パターン３ｓ，３g1，３g2に共通に対向配置するように、その形成位置および大きさが設定されている。
【００５０】
この第２実施形態例のスイッチ素子３０の上記以外の構成は、第１実施形態例の静電駆動素子である容量可変素子１と同様であり、この第２実施形態例においても、第１実施形態例と同様に、各梁６ａ，６ｂには、それぞれ、金属層１８が形成され当該金属層１８によって基板２に対して上に凸の形状の湾曲部分１７が設けられている。この湾曲部分１７の凸形状の頂部は駆動用固定電極８に当接し湾曲部分１７は基板２側に弾性変形した状態で配設されている。
【００５１】
この第２実施形態例のスイッチ素子３０は、図９（ｂ）に示される電圧印加手段２０が接続され１パッケージ化されて静電駆動デバイスを構成する。図９（ｂ）に示されるように、電圧印加手段２０のスイッチ手段２２がオフ状態であり可動部４と駆動用固定電極８との間に静電引力が発生していないときには、梁６ａ，６ｂの湾曲部分１７の弾性力によって可動部４が基板２側に変位して固定導体パターン３ｓ，３g1，３g2と可動導体パターン７との間の間隔が非常に狭くなって固定導体パターン３ｓ，３g1，３g2と可動導体パターン７との間の静電容量が大きくなる。この状態では、信号線３ｓは可動導体パターン７を介してグランド線３g1，３g2に短絡している状態と等価になる。このために、信号線３ｓを導通している高周波信号は、可動導体パターン７に対向している信号線３ｓの位置で反射されて、信号線３ｓ（ＣＰＷ線路）の高周波信号の導通はオフとなる。また、スイッチ手段２２がオン状態となって可動部４と駆動用固定電極８との間に静電引力が発生したときには、可動部４が基板２側から離れる方向（駆動用固定電極８に近付く方向）に変位して固定導体パターン３ｓ，３g1，３g2と可動導体パターン７との間の間隔が広がって固定導体パターン３ｓ，３g1，３g2と可動導体パターン７との間の静電容量が小さくなる。この状態では、信号線３ｓから可動導体パターン７を介してグランド線３g1，３g2を見たときにオープンと等価になる。このため、信号線３ｓの高周波信号の導通がオンする。このように、可動部４の駆動（変位）による可動導体パターン７と固定導体パターン３ｓ，３g1，３g2との間の間隔の広狭による可動導体パターン７と固定導体パターン３ｓ，３g1，３g2との間の静電容量の大小よって信号線３ｓの高周波信号の導通オン・オフが制御される。
【００５２】
以下に、第３実施形態例を説明する。なお、この第３実施形態例の説明では、第１実施形態例と同一構成部分には同一符号を付し、その共通部分の重複説明は省略する。
【００５３】
図１０（ａ）には第３実施形態例の静電駆動素子であるコンタクト型のスイッチ素子の主要な構成部分が模式的な平面図により示され、図１０（ｂ）には図１０（ａ）のＡ−Ａ位置に対応するスイッチ素子の模式的な断面図が示されている。この第３実施形態例のスイッチ素子３１では、固定導体パターン３ａ，３ｂはマイクロストリップ線路を構成するものであり、片端側同士が間隔を介し向き合う状態で配置されている。また、この第３実施形態例では、第１実施形態例に示されている固定導体パターン３ａ，３ｂ上の絶縁膜１１が省略され、さらに、可動導体パターン７上の絶縁膜１０に代えて、可動導体パターン７上には緩衝部材として例えば金（Ａｕ）等の導体膜３２が形成されている。第３実施形態例のスイッチ素子３１の上記以外の構成は第１実施形態例の静電駆動素子である容量可変素子１の構成と同様であり、この第３実施形態例においても、各梁６ａ，６ｂには、金属層１８が形成され当該金属層１８によって基板２に対して上に凸形状に湾曲変形した湾曲部分１７を有する。その湾曲部分１７の頂部が駆動用固定電極８に当接し駆動用固定電極８からの押圧力によって湾曲部分１７が基板２側に弾性変形した状態で配設されている。
【００５４】
この第３実施形態例のスイッチ素子３１は、図１０（ｂ）に示される電圧印加手段２０が接続され１パッケージ化されて静電駆動デバイスを構成する。電圧印加手段２０のスイッチ手段２２がオフ状態であり可動部４と駆動用固定電極８間に静電引力が発生していないときには、梁６ａ，６ｂの湾曲部分１７の弾性力によって可動部４が基板２側に変位して、可動導体パターン７が導体膜３２を介して固定導体パターン３ａ，３ｂの両方に電気的に直接接続する（接触状態となる）。これにより、固定導体パターン３ａ，３ｂは可動導体パターン７を介して導通状態となる。また、スイッチ手段２２がオン状態となって可動部４と駆動用固定電極８間に静電引力が発生しているときには、その静電引力によって可動部４が基板２から離れる方向（駆動用固定電極８側）に変位し、可動導体パターン７が固定導体パターン３ａ，３ｂから離れる（非接触状態となる）。これにより、固定導体パターン３ａ，３ｂ間の信号導通はオフとなる。
【００５５】
このように、可動導体パターン７と固定導体パターン３ａ，３ｂとの間の間隔を広狭変化させる可動部４の駆動（変位）によって、可動導体パターン７と固定導体パターン３ａ，３ｂが接触状態又は非接触状態となって、固定導体パターン３ａ，３ｂ間の信号の導通オン・オフが制御される。
【００５６】
なお、この発明は第１〜第３の各実施形態例の形態に限定されるものではなく、様々な実施の形態を採り得る。例えば、第１〜第３の各実施形態例では、梁６ａ，６ｂのＭ領域の基板２側に、当該梁６ａ，６ｂの構成材料であるＳｉよりも膨張係数の大きい金属層１８を形成することによって、基板２に対して上に凸形状の湾曲部分１７を形成していたが、例えば、梁６ａ，６ｂのＭ領域の駆動用固定電極８側に、当該梁６ａ，６ｂの構成材料よりも膨張係数の小さい例えば酸化層を形成し、当該酸化層の応力によって、基板２に対して上に凸形状の湾曲部分１７を形成してもよい。
【００５７】
また、例えば、第１〜第３の各実施形態例では、梁６ａ，６ｂの湾曲部分１７は基板２に対して上に凸の形状であったが、例えば、図１１（ａ）に示されるように、湾曲部分１７は基板２に対して下に凸の形状（基板側に膨らみ変形した形状）であってもよく、その下に凸形状の湾曲部分１７の頂部を基板２に押圧当接させ湾曲部分１７を弾性変形させた状態で配設させてもよい。その下に凸形状の湾曲部分１７は、梁６ａ，６ｂの基板２側に、梁６ａ，６ｂの構成材料であるＳｉよりも膨張係数の小さい酸化層等の絶縁層（材質部）３３を形成し当該絶縁層３３の応力によって形成することができる。あるいは、下に凸形状の湾曲部分１７は、梁６ａ，６ｂの駆動用固定電極８側に、梁６ａ，６ｂの構成材料（Ｓｉ）よりも膨張係数の大きい金属層（材質部）を形成し当該金属層の応力によって形成することができる。
【００５８】
湾曲部分１７を基板２に対して下に凸の形状とする場合には、電圧印加手段２０によって固定導体パターン３ａ，３ｂと可動導体パターン７間に直流電圧を印加して可動部４を変位駆動させる。つまり、電圧印加手段２０のスイッチ手段２２がオフ状態のときには、固定導体パターン３ａ，３ｂと可動導体パターン７間に直流電圧は印加しておらず当該固定導体パターン３ａ，３ｂと可動導体パターン７間に静電引力は発生しない。このとき、可動部４は梁６ａ，６ｂの湾曲部分１７の弾性力によって駆動用固定電極８に押圧係止している状態である。スイッチ手段２２がオン状態になると、固定導体パターン３ａ，３ｂと可動導体パターン７との間に電圧源２１に基づいた直流電圧が印加して当該固定導体パターン３ａ，３ｂと可動導体パターン７間に静電引力が発生する。この静電引力によって、可動部４は、梁６ａ，６ｂの湾曲部分１７の頂部と基板２との当接部分を支点として基板２側に変位する。これにより、固定導体パターン３ａ，３ｂと可動導体パターン７との間の間隔が狭くなる。このように固定導体パターン３ａ，３ｂと可動導体パターン７との間の間隔が広狭変化して固定導体パターン３ａ，３ｂと可動導体パターン７との間の静電容量が大小に変化する。
【００５９】
また、第２と第３の各実施形態例のスイッチ素子３０，３１では、可動部４は２本の梁６ａ，６ｂによって固定部５に支持固定される構成であったが、第２と第３の各実施形態例に示したスイッチ素子３０，３１に関しても、図８に示されるように、可動部４は、４本の梁６ａ〜６ｄによって固定部５に支持固定される構成であってもよい。このように、梁の形成数や形状は図面に表した構成に限定されるものではない。
【００６０】
さらに、第１〜第３の各実施形態例の静電駆動素子は、可変容量素子又はスイッチ素子が一つだけ設けられているものであったが、例えば、第１〜第３の各実施形態例に示したような可変容量素子１又はスイッチ素子３０，３１が複数個、基板２を共通にして互いに間隔を介してアレイ状に設けられている構成を備えた静電駆動素子としてもよい。また、アレイ状の静電駆動素子を有する静電駆動デバイスを構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】第１実施形態例の静電駆動素子（可変容量素子）を説明するための図である。
【図２】図１に示される静電駆動素子の模式的な分解図である。
【図３】図１に示される静電駆動素子の動作例を説明するための図である。
【図４】図１に示される静電駆動素子が持つ等価回路の図である。
【図５】図１に示される静電駆動素子の製造工程の一例を説明するための図である。
【図６】図５に引き続いて、図１の静電駆動素子の製造工程の一例を説明するための図である。
【図７】さらに図６に引き続いて、図１の静電駆動素子の製造工程の一例を説明するための図である。
【図８】可動部を支持する梁のその他の形態例を説明するための図である。
【図９】第２実施形態例の静電駆動素子（スイッチ素子）を説明するための図である。
【図１０】第３実施形態例の静電駆動素子（スイッチ素子）を説明するための図である。
【図１１】その他の実施形態例を説明するための図である。
【図１２】静電駆動素子の一従来例を説明するための図である。
【符号の説明】
【００６２】
１  可変容量素子
２  基板
３  固定導体パターン
４  可動部
５  固定部
６  梁
７  可動導体パターン
８  駆動用固定電極
１０  絶縁膜
１７  湾曲部分
１８  金属層
３０，３１  スイッチ素子
３３  絶縁層
【図１】
2008210640.tif 000003
【図２】
2008210640.tif 000004
【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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