(57)【要約】【課題】梁部による押しつけ力を温度によらず一定とし、可動電極の動作時の温度依存性を抑制する。【解決手段】固定電極５と可動電極７とを互いに電極面を対向させて配置する。梁部６の一端を第２の基板２に固定して設け、この固定部から他端側に至る部位は基板２の面から浮いた状態として、浮いている梁部６の位置に可動電極７を設ける。可動電極７を梁部６によって固定電極５側に付勢してストッパ１０を介して固定電極５側に押しつけ、第２の基板２から浮いた状態で基板２と間隔を介して配置する。駆動電極９への電圧印加によって可動電極７を固定電極５側から第２の基板２側に変位させて電極５，７間の容量を変化させる。梁部６の表面に、該梁部６に対して第２の基板２からの浮き上がり方向の引っ張り応力を付与する応力付与部８を形成する。応力付与部８は梁部６と同一材料で形成し、応力付与部８には梁部６を引っ張り上げる残留応力を付与する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定部に固定された固定電極と、絶縁性の基板上に梁部を介して設けられた可動電極とが互いに電極面を対向させて配置され、前記梁部は一端が基板に固定されて当該固定部から他端側に至る部位は基板面から浮いた状態と成していて、前記可動電極は基板から浮いている梁部の位置に設けられて、前記可動電極は前記梁部によって前記固定電極側に付勢されて絶縁体を介して固定電極側に押しつけられ、前記基板から浮いた状態で配置されており、前記可動電極と前記固定電極の少なくとも一方には相手側電極との対向面に絶縁体が設けられており、前記可動電極を前記基板側に引き寄せて移動させる駆動電極への電圧印加によって、前記可動電極が前記固電極側から前記基板側に変位することにより前記固定電極と前記可動電極との間の容量が変化する構成を備えている可変容量素子において、
前記梁部の表面には該梁部に対して前記基板からの浮き上がり方向の引っ張り応力を付与する応力付与部が形成されており、該応力付与部は前記梁部と同一材料で形成されて、前記応力付与部には前記梁部を引っ張り上げる残留応力が付与されていることを特徴とする可変容量素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば各種の電気回路に適用される、静電容量の可変が可能な可変容量素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
可変容量素子は、固定電極と可動電極とを、互いに間隔を介して電極面を対向させて配置し、可動電極と固定電極との間隔を変化させることにより、固定電極と可動電極との間の容量を変化させる構成を備えている。例えば、基板上に固定配置された固定電極と間隔を介して可動電極を配置し、電圧印加により可動電極を固定電極側に引き寄せて移動させる構成を備えた、様々な可変容量素子が提案されている（例えば、特許文献１、参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１４３５９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記のように、電圧印加時に可動電極を固定電極側に近づける構成を備えた可変容量素子の場合、例えば、固定電極が配置されている基板上の信号ラインに信号を入力したときに、この信号によって静電力が発生し、それにより、可動電極が基板側に引き寄せられ、電圧印加による可動電極の固定電極側への引き寄せ動作を行わないにもかかわらず、可動電極が固定電極側に引き寄せられてしまうという、セルフアクチュエーションの発生が問題となっていた。
【０００５】
そこで、本発明者は、図１に示すように、絶縁性の第１の基板１に固定電極５を固定し、絶縁性の第２の基板２上に梁部６を介して可動電極７を設けて、該可動電極７と前記固定電極５とを互いに電極面を対向させて配置し、電圧印加時に、可動電極７を第２の基板２側に引き寄せて移動させて、可動電極７を前記固電極５側から第２の基板２側に変位させる構成の可変容量素子を考えた（なお、この構成の可変容量素子についての発明は、未だ公開になっていない）。
【０００６】
図１に示す構成の可変容量素子は、電圧が印加されていないときには、固定電極５と可動電極７との間隔が狭く、電圧印加時には、その間隔が広くなる構成であり、前記特許文献１に提案されている可変容量素子等とは、電圧印加の有無に伴う固定電極と可動電極との間隔の変化方向が反対となる。なお、図１において、固定電極５と可動電極７および梁部６は、銅により形成され、前記第１の基板１の貫通孔３に充填された銅１３と、前記第２の基板２の貫通孔４に充填された銅１４と、前記梁部６と可動電極７と固定電極５とを有して、信号導通経路が形成されている。
【０００７】
図１に示す構成においては、たとえ、前記信号導通経路への電圧印加に伴い、固定電極５と可動電極７との間に、互いに引き合う方向に静電力が発生しても、この静電力の方向と、電圧印加時の可動電極７の変位方向とが逆であるので、前記セルフアクチュエーションが生じることを防止できる。
【０００８】
なお、図１において、前記梁部６は、一端が第２の基板２に固定されて、当該固定部から他端側に至る部位は、第２の基板２の基板面（対向基板面１２）から浮いた状態と成しており、前記可動電極７は第２の基板２から浮いている梁部６の位置に設けられている。そして、可動電極７は梁部６によって固定電極５側に付勢されてストッパ１０を介して固定電極５側に押しつけられている。梁部６の表面には該梁部６に対して第２の基板２からの浮き上がり方向の引っ張り応力を付与する応力付与部８が形成されており、この応力付与部８は、例えば白金により形成される。
【０００９】
しかしながら、本発明者が検討を進めていくうちに、前記梁部６によって可動電極７を固定電極５側に押しつける力が、温度によって異なることが分かった。これは、前記応力付与部８と梁部６との線膨張係数の差によると考えられる。そして、前記押しつける力が温度によって異なると、可動電極７を第２の基板２側に引き寄せるために駆動電極に印加する電圧を温度によって可変しなければならないといった問題が生じることが分かった。
【００１０】
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、可動電極を対向する固定電極側に梁部によって押しつける構成を備えた可変容量素子において、梁部による押しつけ力を温度によらず一定とし、可動電極の動作時の温度依存性を抑制して印加電圧の温度特性を小さくできるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するためにこの発明は次に示すような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、本発明は、固定部に固定された固定電極と、絶縁性の基板上に梁部を介して設けられた可動電極とが互いに電極面を対向させて配置され、前記梁部は一端が基板に固定されて当該固定部から他端側に至る部位は基板面から浮いた状態と成していて、前記可動電極は基板から浮いている梁部の位置に設けられて、前記可動電極は前記梁部によって前記固定電極側に付勢されて絶縁体を介して固定電極側に押しつけられ、前記基板から浮いた状態で配置されており、前記可動電極と前記固定電極の少なくとも一方には相手側電極との対向面に絶縁体が設けられており、前記可動電極を前記基板側に引き寄せて移動させる駆動電極への電圧印加によって、前記可動電極が前記固電極側から前記基板側に変位することにより前記固定電極と前記可動電極との間の容量が変化する構成を備えている可変容量素子において、
前記梁部の表面には該梁部に対して前記基板からの浮き上がり方向の引っ張り応力を付与する応力付与部が形成されており、該応力付与部は前記梁部と同一材料で形成されて、前記応力付与部には前記梁部を引っ張り上げる残留応力が付与されている構成をもって課題を解決する手段としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明において、梁部の表面には、該梁部に対して基板からの浮き上がり方向の引っ張り応力を付与する応力付与部が形成されており、前記応力付与部には前記梁部を引っ張り上げる残留応力が付与されているが、前記応力付与部は前記梁部と同一材料で形成されているので、温度変化が発生した場合でも、梁部によって可動電極を固定電極側に付勢する力を一定にすることができる。そのため、固定電極と可動電極との容量の温度依存性を低減でき、また、駆動電極に電圧を印加して固定電極と可動電極との間隔を広くするための印加電圧の温度特性を小さくでき、可変容量素子によって広い温度範囲で同様の動作を行う場合の印加電圧を小さくできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、本発明に係る実施形態例を図面に基づき説明する。なお、これまでの説明との重複説明は、省略または簡略化する。
【００１４】
本発明に係る可変容量素子の第１実施形態例は、図２の斜視図に示す外観構成を有し、図１に示した断面構成を有している。なお、図１は、図２のＡ−Ａ断面図を、外部電極２１，２２，２３を省略して示したものである。
【００１５】
図１に示すように、前記第１の基板１と前記第２の基板２とは、互いに間隔を介し、互いに基板面１１，１２を対向させて配置されており、第１の基板１の基板面（対向基板面）１１が固定電極５の固定部と成している。第１と第２の基板１，２は、いずれもガラス基板である。前記第１の基板１に形成された第１の貫通孔３は、第１の基板１の厚み方向に貫通するヴィアホール（ＶＨ）であり、第１の基板１に１つ形成されている。この第１の貫通孔３の形成位置は、外部電極２１側に設けられた信号出力部３３（図２、参照）に対応する位置と成している。
【００１６】
また、前記第２の基板２に形成された第２の貫通孔４は、第２の基板２の厚み方向に貫通するヴィアホールであり、第２の基板２に４つ形成されている。なお、図１には、これら第２の貫通孔４のうち、２つのみが示されているが、紙面の奥側に、同様に、２つの第２の貫通孔４が形成されており、これらの形成位置は、信号導入部３４（図２、参照）に対応する位置と成している。
【００１７】
前記固定電極５は厚さ５μｍに形成されており、固定電極５は、前記第１の貫通孔３に充填された銅１３と導通する。固定電極５の表面側（この図では下面側）に形成されたストッパ１０は、絶縁体としての酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜により形成されており、このストッパ１０を介して、固定電極５の電極面が前記可動電極７と対向し、容量部（コンデンサ）を形成する。
【００１８】
前記可動電極７は、前記第２の貫通孔４に充填された銅１４に、梁部６を介して導通する。梁部６、可動電極７、前記固定電極５は、いずれも約１０μｍの厚みに形成されている。梁部６の表面には、厚さ１μｍの応力付与部８が形成されており、本実施形態例の特徴的なことは、該応力付与部８が、前記梁部６と同一材料である銅の高温成膜により形成されていることである。そして、前記応力付与部８には前記梁部６を引っ張り上げる残留応力が付与されている。
【００１９】
なお、図３には、可動電極７と梁部６の模式的な斜視図が示されており、図１の断面図に示されている可動電極７と梁部６は、図３のＢ−Ｂ断面を示す。可動電極７には、ダンピングホールとして機能する貫通孔２７が複数形成されている。
【００２０】
本実施形態例において、第２の基板２の対向基板面１２には、可動電極７を第２の基板２側に引き寄せて移動させる駆動電極９が、白金（Ｐｔ）により形成されており、その表面には酸化シリコンの絶縁膜１９が形成されている。また、第２の基板２の対向基板面１２には、その外周側に、可動電極７とほぼ同じ高さの封止枠１６が形成されている。封止枠１６の先端側には、封止用の金膜１８が約０．５μｍの厚みで形成されており、この金膜１８と前記金膜１７とが接合している。金膜１７，１８および封止枠１５，１６の外周側には、駆動電極９の駆動用の外部電極２３（図２、参照）が形成されている。また、前記第１の基板１の対向基板面１１には、その外周側に、固定電極５とほぼ同じ高さ（厚み）の封止枠１５が形成されており、封止枠１５の先端側には、封止用の金膜１７が、約０．５μｍの厚みで形成されている。なお、図１に示す、符号２９は、クロム膜から成る密着層であり、ガラスから成る第２の基板２と銅から成る封止枠１６とを密着させるためのものである。
【００２１】
図２に示したように、基板面１２と反対側の面には、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）の信号出力用の外部電極２２が形成され、第１の基板１の前記対向基板面１１と反対側の面には、ＲＦの信号出力用の外部電極２１が形成されており、外部電極２１の信号導出部３３が第１の貫通孔３内の銅１３に接続され、外部電極２２の信号導入部３４が第２の貫通孔４内の銅１４に接続されている。
【００２２】
本実施形態例において、前記駆動電極９に電圧を印加していないときには、図１に示すように、前記可動電極７が前記ストッパ１０を介して前記固定電極５に押しつけられて、固定電極５と可動電極７との間隔が狭く、ストッパ１０の膜厚と成して、該固定電極５と可動電極との容量が大と成している。そして、前記駆動電極９に電圧を印加したときには、前記可動電極７が前記第２の基板２側に移動して前記固定電極５から離れる方向に移動することにより、前記固定電極５と前記可動電極７との間隔が、金膜１７，１８の厚み程に広くなり、固定電極５と可動電極７との間の容量が小さくなる方向に変化する構成と成している。
【００２３】
このように、本実施形態例では、駆動電極９の電圧をオンオフすることにより、固定電極５と可動電極７との間の容量が変化する。
【００２４】
また、本実施形態例は、図４に示すような工程により形成される。つまり、第１の基板１側は、図４（ａ）’において、第１の貫通孔３を形成して該第１の貫通孔３に銅１３を充填し、図４（ｂ）’において、第１の基板１の対向基板面１１に、銅の選択メッキによって固定電極５と封止枠１５を形成し、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）によって表面研磨を行う。その後、図４（ｃ）’において、固定電極５の表面（この図では下面）側に、ストッパ１０を形成し、封止枠１５の先端側（この図では、下側）に金膜１７を形成する。なお、図４（ｂ）’において、符号３０は、選択メッキ用レジストを示しており、この選択メッキ用レジスト３０は、図４（ｃ）’において除去される。
【００２５】
一方、第２の基板２側は、図４（ａ）において、第２の貫通孔４を形成して、それぞれの第２の貫通孔４に銅１４を充填し、図４（ｂ）において、第２の基板２の対向基板面１２に、駆動電極９と、密着層２９と、駆動部ショート防止用の絶縁膜１９を形成する。次に、図４（ｃ）に示す犠牲層２４を形成し、該犠牲層２４の上側に、銅の選択メッキによって可動電極７と梁部６と封止枠１６とを形成する。なお、図４（ｃ）の符号３１は、選択メッキ用レジストを示している。
【００２６】
そして、図４（ｄ）に示すように、選択メッキ用レジスト３１の除去と、封止枠１６の先端側（この図では、上側）への金膜１８の形成を行い、また、梁部６の表面には、応力付与部８を形成する。この応力付与部８は、梁部６と同一材料で形成する。この場合、図４（ｃ）における銅メッキによる可動電極７等の形成の後、応力付与部８としての銅膜を、梁部６の表面に高温（例えば８０℃）で成膜して形成する。
【００２７】
なお、この銅膜の高温成膜時に、第２の基板２上の銅膜（梁部６や可動電極７等の形成用の銅膜）も同じ温度に高められることにより熱膨張しようとするが、第２の基板２上の銅膜は、ガラス基板である第２の基板２と一体となっているために、膨張することができないのに対し、高温成膜される銅膜は、この成膜温度に対応して低温時よりも熱膨張した状態で成膜される。そのため、高温成膜された応力付与部用の膜は、成膜後に温度が下がったときに熱収縮し、犠牲層２４が除去されると、応力付与部８が梁部６に引っ張り応力を付与する態様となり、可動電極７を浮き上がらせる方向に応力を付与できる残留応力が付与されている。なお、本発明者の実験によれば、例えば、１０μｍの梁部６に対し、１μｍの銅製の応力付与部８を設けて、可動電極７を８μｍ程度浮き上がらせることができた。
【００２８】
次に、図４（ｅ）に示すように、犠牲層２４をエッチングにより除去し、応力付与部８によって、梁部６を持ち上げるようにして浮かせ、可動電極７を第２の基板２から浮かせた状態とする。そして、図４（ｆ）に示すように、前記第１の基板１と第２の基板２とを対向させ、金膜１７と金膜１８とを接合することにより、第１の基板１と第２の基板２とに挟まれた空間に、固定電極５、可動電極７、梁部６、駆動電極９を封止し、かつ、可動電極７を梁部６によって固定電極５側に押しつける態様とする。その後、外部電極２１，２２，２３を形成し、ダイシングによりカットして、可変容量素子を形成する。
【００２９】
本実施形態例は、以上のようにして製造されるものであり、前記のように、応力付与部８を、梁部６と同じ材料である銅により形成することにより、以下の効果を奏することができる。
【００３０】
つまり、梁部６を形成する銅と異なる材料である金や白金等によって応力付与部８を形成すると、梁部６と応力付与部８との線膨張係数の違いによって、温度変化に応じて梁部６の反りが、図５（ａ）、（ｂ）の破線に示すように変化して、梁部６の先端側に設けられる可動電極７が図５（ｂ）の矢印に示すように上下してしまい、梁部６によって可動電極７を固定電極５側に押しつける力が温度によって変化してしまう。
【００３１】
それに対し、梁部６を形成する銅と同一材料で応力付与部８を形成する本実施形態例によれば、図５（ｃ）に示すように、梁部６と応力付与部８との線膨張係数が等しいため、温度変化に応じて梁部６が上下してしまうことがなく、梁部６によって可動電極７を固定電極５側に押しつける力を温度によらず一定にできるメリットがあり、固定電極５と可動電極７との容量の温度依存性を低減でき、可変容量素子によって広い温度範囲で同様の動作を行う場合の印加電圧を小さくできる。
【００３２】
また、本実施形態例の可変容量素子は、第１と第２の基板１，２の貫通孔３，４に充填した銅１３，１４を有して信号導通路を形成することにより、これらの厚みを大きくできるため、配線ロスを低減でき、高Ｑ化が可能であり、また、前記の如く、駆動電極９への電圧印加による可動電極７の変位方向と、高周波信号の信号導通路に電圧を印加したときに発生する静電力の方向とが逆であるので、セルフアクチュエーションが生じることを防止できる。
【００３３】
さらに、本実施形態例によれば、固定電極５の形成時および駆動電極７と梁部６の形成時に、封止枠１５，１６を形成でき、この封止枠１５，１６と第１および第２の基板１，２とにより挟まれた空間内に、固定電極５、可動電極７、駆動電極９を封止できるので、パッケージ形成工程が不要であり、パッケージ形成部でロスを防止し、可変容量素子を安価に形成できる。
【００３４】
次に、本発明に係る可変容量素子の第２実施形態例について説明する。なお、第２実施形態例の説明において、第１実施形態例と同一名称部分には同一符号を伏し、その重複説明は省略または簡略化する。
【００３５】
図６には、第２実施形態例の可変容量素子が模式的な断面図により示されている。同図に示すように、第２実施形態例では、第１の基板１に、基板の厚み方向に貫通する第１の貫通孔３と第２の貫通孔４とを形成しており、これら第１と第２の貫通孔３，４にはそれぞれ銅１３，１４を充填している。
【００３６】
図７に示すように、第１の基板１の前記対向基板面１１と反対側の面には、ＲＦ信号出力用の外部電極２２とＲＦ信号入力用の外部電極２１とが、互いに間隔を介して設けられ、信号導入部３４と信号導出部３３とが設けられている。また、封止枠１５，１６の外周側には、前記第１実施形態例と同様に、駆動電極９の駆動用の外部電極２３が設けられている（図示せず）。なお、この外部電極２３を、図７の破線に示すように設けて、駆動電極９を図６の破線に示すように、第１の基板１側から外部電極２３に導通させることもできる。
【００３７】
前記第１の貫通孔３に充填された銅１３が前記信号導入部３３に導通し、前記第２の貫通孔４に充填された銅１４が前記信号導出部３４に導通する。また、第１の基板１の対向基板面１１には前記第１の貫通孔３に充填された銅１３に導通する第１の固定電極５（５ａ）と、前記第２の貫通孔４に充填された銅１４に導通する第２の固定電極５（５ｂ）とが形成され、前記第２の基板２の対向基板面１２には梁部６を介して可動電極７が形成されている。
【００３８】
第２実施形態例において、駆動電極９に電圧を印加していないときには、可動電極７がストッパ１０を介して前記第１と第２の固定電極５ａ，５ｂに押しつけられ、前記駆動電極９に電圧を印加したときには、可動電極７が第２の基板側２に移動して、前記第１と第２の固定電極５ａ，５ｂから離れる方向に移動することにより、前記固定電極５と可動電極７との間の容量が変化する構成と成している。
【００３９】
また、第２実施形態例においては、前記第１の貫通孔３に充填された銅１３と、可動電極７と第１の固定電極５ａの間の容量部と、可動電極７と第２の固定電極５ｂの間の容量部と、前記第２の貫通孔４に充填された銅１４とを通る経路によって、信号導通経路が形成されており、第２の実施形態例においては、可動電極７と第１の固定電極５ａの間の容量部（コンデンサ）と、可動電極７と第２の固定電極５ｂの間の容量部が直列に接続された構成と成している。
【００４０】
第２実施形態例の前記以外の構成は、前記第１実施形態例と同様に構成されており、第１と第２の貫通孔３，４の形成および、これらの貫通孔３，４に充填される銅１３，１４と接続させて、第１と第２の固定電極５ａ，５ｂを形成する以外は、前記第１実施形態例と同様に製造される。また、第２実施形態例は、前記の如く、第１実施形態例とほぼ同様に動作し、梁部６を形成する銅と同一材料で応力付与部８を形成することにより、第１実施形態例と同様の効果を奏することができる。
【００４１】
なお、本発明は前記各実施形態例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、可動電極７、梁部６等の形成パターンは、図３に示したパターンに限定されることはなく、適宜設定されるものである。
【００４２】
また、可動電極７、梁部６をいずれも銅により形成し、第１と第２の貫通孔３，４にも銅を充填したが、これらは必ずしも銅とするとは限らず、銅以外の銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）等の導電体を適宜適用できるものである。また、駆動電極９も適宜の導電体により形成されるものである。なお、この場合でも、応力付与部８を梁部６と同一材料により形成し、応力付与部８に、梁部６を引っ張り上げる残留応力を付与することにより、前記各実施形態例と同様の効果を奏することができる。
【００４３】
さらに、前記各実施形態例では、第１と第２の基板１，２は、いずれもガラス基板としたが、これらの基板１，２は、セラミック、アルミナ、シリコン、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）等の他の絶縁性材料を用いて成る絶縁性の基板としてもよい。また、導電性を有する材料の表面を絶縁性材料で被膜して成る絶縁性の基板としてもよい。さらに、第１の基板１や第２の基板２に貫通孔３，４を形成せずに、第１の基板１と第２の基板２の少なくとも一方に、適宜の信号伝送経路を形成してもよい。
【００４４】
さらに、前記各実施形態例では、絶縁体であるストッパ１０を固定電極５の表面側に設けたが、絶縁体は、可動電極７の表面側（固定電極との対向面）に設けてもよいし、固定電極５と可動電極７の両方において、相手側電極との対向面に設けてもよい。
【００４５】
さらに、前記各実施形態例では、固定電極５を第１の基板１に設け、可動電極７を第２の基板２に設けたが、固定電極５は、必ずしも基板に固定するとは限らす、基板以外の固定部に固定してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明に係る可変容量素子の第１実施形態例の要部構成を示す断面説明図である。
【図２】第１実施形態例の外観構成を示す斜視説明図である。
【図３】第１実施形態例の可変容量素子の可動部を示す模式的な斜視図である。
【図４】第１実施形態例の可変容量素子の製造工程の模式的な断面説明図である。
【図５】第１実施形態例の可変容量素子の効果を説明するための模式図である。
【図６】本発明に係る可変容量素子の第２実施形態例の要部構成を示す断面説明図である。
【図７】第２実施形態例の外部電極を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４７】
１    第１の基板
２    第２の基板
３    第１の貫通孔
４    第２の貫通孔
５    固定電極
６    梁部
７    可動電極
８    応力付与部
９    駆動電極
１０  ストッパ
１３，１４  銅
１５，１６  封止枠
１７，１８  金膜
２１，２２，２３  外部電極
【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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