JP4571127B2

JP4571127B2 - 可変キャパシタ

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Publication number: JP4571127B2
Application number: JP2006513792A
Authority: JP
Inventors: 岳明島内; 雅彦今井; 忠司中谷
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2004-05-31
Filing date: 2004-05-31
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2024-05-31
Also published as: CN1947209A; CN1947209B; JPWO2005117042A1; US20070025050A1; WO2005117042A1; TW200539204A; TWI258778B; DE112004002785B4; US7446994B2; DE112004002785T5

Description

本発明は、可変キャパシタに関し、特に、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System)技術を用いた対向する可動電極を有する可変キャパシタに関する。

可変キャパシタは、可変周波数発振器、同調増幅器、位相シフタ、インピーダンス整合回路などを含む電気回路において重要な部品であり、近年、携帯機器への搭載が増えてきている。現在主に使用されているバラクタダイオードに比べて、ＭＥＭＳ技術を用いて作製された可変キャパシタは、損失が小さくてＱ値を高くできるという利点があり、その開発が急がれている。

図１（ａ），（ｂ）は、従来の可変キャパシタの構成を示す断面図，平面図である（例えば、非特許文献１参照）。この可変キャパシタは、ユニモルフ型の圧電アクチュエータ１２及び可動電極１３を有する可動電極用基板１１と、固定電極１６を設置した固定電極用基板１５とを、可動電極１３及び固定電極１６が対向するように、ソルダーバンプ１４で接合させた構成をなしている。圧電アクチュエータ１２の駆動によって可動電極１３を移動させ、可動電極１３及び固定電極１６間の距離を変動させてキャパシタの容量を制御する。
ジャンワイ．パーク，他，「マイクロマシンドアールエフメムスチューナブルキャパシターズユージングピエゾエレクトリックアクチュエーターズ」，アイイーイーイーインターナショナルマイクロウェーブシンポジウム，2001（Jan Y. Park, et al., "MICROMACHINED RF MEMS TUNABLE CAPACITORS USING PIEZOELECTRIC ACTUATORS", IEEE International Microwave Symposium, 2001 ）

しかしながら、上述した従来の可変キャパシタには、以下のような問題がある。可動電極１３と固定電極１６とをソルダーバンプ１４で接合させているため、両電極間の距離がソルダーバンプ１４で制御されることになり、その距離を０に近い状態まで小さくすることができず、圧電アクチュエータ１２が初期状態であるときのキャパシタの静電容量は大きくなれない。

キャパシタの静電容量Ｃとキャパシタを構成する電極間の距離ｄとの間には、Ｃ＝ε₀ε_rＳ／ｄ（ε₀：真空中の誘電率、ε_r：比誘電率、Ｓ：電極の面積）の関係があり、静電容量Ｃ及び電極間距離ｄとの関係を図２に示す。図２では、縦軸及び横軸の目盛りを初期状態Ｃ及びｄで規格化している。圧電アクチュエータの変化量が一定である場合、両電極が離れた状態よりも、近づいた状態の方が静電容量の変化の割合が大きくなる。したがって、初期状態のときの静電容量が大きくなれない（小さい）ということは、静電容量の変化も大きくなれない（小さい）ことになる。

この従来例の可変キャパシタでは、図１（ｂ）に示すように、可動電極１３と圧電アクチュエータ１２とがトーションバー１７で接続されており、可動電極１３と圧電アクチュエータ１２用の駆動電極とは一体的に構成されて電気的に接続されている。キャパシタを構成する可動電極１３までの線路に、幅が狭いトーションバー１７が含まれているため、この部分が等価直列抵抗（ＥＳＲ：Equivalent Series Resistance) となって抵抗損失が発生し、しかも可変キャパシタに電気的に接続される信号線路と圧電アクチュエータ１２用の駆動電極とが兼用されているため、この信号線路は高誘電体である圧電素子と接触して誘電損失が発生し、Ｑ値が非常に小さくなるという問題がある。また可動電極１３までの線路はインピーダンス整合が行えずに入力されたエネルギの損失、つまり挿入損失も発生している。そこで、本発明者は、この問題を解決するための技術開発を推し進めている。

なお、本発明者は、対向する２つの電極を何れも圧電アクチュエータにて駆動可能な構成とした可変キャパシタを提案している（特開２００４−１２７９７３号公報）。このような２つの可動電極を対向させた構成をなす可変キャパシタでは、バンプが設けられていないため、両電極間の距離を容易に小さくできるので、小型の構成であっても大きな静電容量が得られると共に静電容量の変化を大きくできるという効果を奏する。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、小型の構成であっても静電容量を大きくできると共に静電容量の変化の割合を大きくでき、静電容量の微調整も可能であり、しかもＱ値が高い可変キャパシタを提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、外部から入力された信号のエネルギ損失（挿入損失）を防止できる可変キャパシタを提供することにある。

本発明の更に他の目的は、圧電アクチュエータの駆動電圧が小さくても大きな静電容量と静電容量の大きな変化とを得ることができる可変キャパシタを提供することにある。

本発明に係る可変キャパシタは、対向する電極が移動可能である可変キャパシタにおいて、基板と、接続電極部及びキャパシタ電極部を夫々が有する第１及び第２可動電極と、前記第１及び第２可動電極を夫々駆動する第１及び第２圧電アクチュエータとを備え、該第１及び第２圧電アクチュエータは、夫々、第１及び第２駆動電極と、前記第１及び第２駆動電極間に設けられた圧電素子とを含み、前記第１及び第２可動電極は、前記第１及び第２駆動電極と電気的に分離されていることを特徴とする。

本発明にあっては、可動電極と可動電極を駆動する圧電アクチュエータとを同一の基板に設けているため、小型の構成である。また、各可動電極を移動できるため、両可動電極間の距離を小さくできて、大きな静電容量と静電容量の大きな変化とを実現し、静電容量の微調整も容易である。また、キャパシタを構成するキャパシタ電極部までの線路（信号線）に相当する接続電極部と、圧電アクチュエータを駆動するための駆動電極とが電気的に分離しているため、接続電極部が圧電アクチュエータの圧電体（高誘電体）と接触せず、挿入損失を抑え、Ｑ値の向上を図れる。

また、可動電極は、接続電極部とキャパシタ電極部とを有しており、可動電極を上下に配置してある。よって、キャパシタを構成するキャパシタ電極部への線路に相当する接続電極部には、従来例のような幅が狭いトーションバーが含まれておらず、等価直列抵抗を小さくできるため、Ｑ値の向上を図れる。

本発明に係る可変キャパシタは、前記第１及び第２可動電極は、前記第１及び第２駆動電極と別体であり、前記第１及び第２可動電極の接続電極部は、夫々、前記第１及び第２駆動電極の何れかに、絶縁材を介して支持されていることを特徴とする。

本発明にあっては、キャパシタ用の可動電極と圧電アクチュエータ用の駆動電極とを別体で構成しているため、従来例のように線路部が圧電素子（高誘電体）に接触することが無くなり、Ｑ値の向上を図れる。

本発明に係る可変キャパシタは、前記第１及び第２可動電極の接続電極部の両側に前記第１及び第２圧電アクチュエータを設けており、前記接続電極部と前記第１及び第２圧電アクチュエータの第１及び第２駆動電極とによりＣＰＷ型線路を構成してあることを特徴とする。

本発明にあっては、ＣＰＷ型線路における接続電極部の幅と接続電極部及び圧電アクチュエータの駆動電極の間隔とを調整することによりインピーダンス整合を容易に行えるため、挿入損失が無くなり、Ｑ値の向上を図れる。

また、可動電極の対向するキャパシタ電極部間に誘電体層を設けてある。よって、キャパシタを構成するキャパシタ電極部間に誘電体層を設置しているため、静電容量及びその変化量の更なる増大を図れる。

また、可動電極の少なくとも一方が接地電極に接続されている。よって、一方の可動電極を接地電極に接続させることにより、浮遊容量を抑制する。

本発明に係る可変キャパシタは、前記第１及び第２可動電極の何れか一方の前記接続電極部と前記キャパシタ電極部との境界部近傍が電気的に分離されていることを特徴とする。

本発明にあっては、一方の可動電極が接続電極部とキャパシタ電極部との境界部近傍で電気的に分離されているため、一方の接続電極部に入力された信号がキャパシタ電極部を通りすぎて他方の接続電極部の端までたどり着き、そこで反射するようなことが無くなり、入力信号のエネルギ損失（挿入損失）を低減する。

このような可変キャパシタの製造方法は、電極が、圧電アクチュエータの駆動によって、移動可能である可変キャパシタを製造する方法において、基板に複数の前記圧電アクチュエータを形成する工程と、第１電極部及び第２電極部を有する可動電極を前記基板に形成する工程と、前記可動電極間に間隙を形成するための犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層を除去する除去工程と、前記複数の前記圧電アクチュエータの端部及び前記可動電極の第１電極部の端部を除く部分を前記基板から切り離す切離し工程とを有する。よって、同一の基板上に、一対の可動電極及びこれらを駆動する圧電アクチュエータを容易に形成する。

このような可変キャパシタの製造方法は、電極が、圧電アクチュエータの駆動によって、移動可能である可変キャパシタを製造する方法において、基板に複数の前記圧電アクチュエータを形成する工程と、第１電極部及び第２電極部を有する可動電極を前記基板に形成する工程と、前記可動電極間に誘電体層を形成する工程と、前記可動電極の何れか一方及び前記誘電体層間に間隙を形成するための犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層を除去する除去工程と、前記複数の前記圧電アクチュエータの端部及び前記可動電極の第１電極部の端部を除く部分を前記基板から切り離す切離し工程とを有する。よって、同一の基板上に、一対の可動電極、これらを駆動する圧電アクチュエータ及び一対の可動電極間の誘電体層を容易に形成する。

また、除去工程及び切離し工程を同時的に行う。よって、犠牲層の除去工程と端部を除いた可動電極及び圧電アクチュエータの基板からの切離し工程とを同時に行うことにより、作業効率が向上する。

本発明では、小型の構成であっても静電容量を大きくできると共に静電容量の変化の割合を大きくでき、静電容量の微調整も可能であり、耐衝撃性に優れた可変キャパシタを提供することができる。また、可動電極と圧電アクチュエータとを電気的に分離して、等価直列抵抗の原因となるトーションバーの構造を無くし、キャパシタ形成部（第２電極部）までに幅広い線路部（第１電極部）を確保したので、高いＱ値を得ることができる。

また、本発明では、キャパシタ形成部分及びその周囲部分を基板から宙に浮かせた状態としたので、基板などの誘電率の影響が無くなり、高いＱ値を得ることができる。

また、本発明では、第１電極部と第２電極部との境界部近傍で一方の可変電極を電気的に分離するようにしたので、外部から入力された信号のエネルギ損失（挿入損失）を防止することができる。

本発明をその実施の形態を示す図面を参照して具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。

（第１実施の形態）
図３は第１実施の形態に係る可変キャパシタの斜視図、図４は同じくその分解斜視図である。図中２１は、シリコン，化合物半導体などで形成される基板である。基板２１の中央部に十字状の開口４０が設けられ、基板２１の上面には絶縁層２３が設けられている。

図中、３５，３７は、何れもＡｌ（アルミニウム）からなる下部可動電極，上部可動電極である。下部可動電極３５は、第１電極部としての両端側の線路部３５ａ，３５ａと第２電極部としての中央のキャパシタ部３５ｂとから構成され、一方の線路部３５ａの端部は外部の高周波信号源（図示せず）から信号が入力される信号パッド４５に接続され、他方の線路部３５ａの端部は絶縁層２３上に接続されて接地電極４４とは電気的に分離されている。これらの端部にて下部可動電極３５は基板２１に支持され、これらの端部を除く下部可動電極３５の他の部分は開口４０上に位置している。また、上部可動電極３７は、第１電極部としての両端側の線路部３７ａ，３７ａと第２電極部としての中央のキャパシタ部３７ｂとから構成され、両方の線路部３７ａ，３７ａの端部は何れも接地電極４４に接続されている。これらの端部にて上部可動電極３７は基板２１に支持され、これらの端部を除く上部可動電極３７の他の部分は開口４０上に位置している。

これらの下部可動電極３５及び上部可動電極３７は、基板２１の開口４０に合わせて十字状に配置されており、下部可動電極３５のキャパシタ部３５ｂと上部可動電極３７のキャパシタ部３７ｂとが空気層を介して対向されている。この対向するキャパシタ部３５ｂ及びキャパシタ部３７ｂにてキャパシタとして機能する。なお、互いに電気的に分離された下部可動電極３５及び上部可動電極３７は、何れもグランドから浮かせた状態で使用しても良いが、浮遊容量を抑える目的から、上部可動電極３７を接地電極４４に接続している。

下部可動電極３５及び上部可動電極３７は、それぞれ４つの下部可動電極用アクチュエータ２７ａ，２７ｂ，２７ｃ，２７ｄ及び上部可動電極用アクチュエータ２９ａ，２９ｂ，２９ｃ，２９ｄで駆動される。これらの下部可動電極用アクチュエータ２７ａ〜２７ｄ及び上部可動電極用アクチュエータ２９ａ〜２９ｄは、基板２１の開口４０に面している。下部可動電極用アクチュエータ２７（代表して１つの下部可動電極用アクチュエータを説明する際には、単に参照符号２７を用いる）及び上部可動電極用アクチュエータ２９（代表して１つの上部可動電極用アクチュエータを説明する際には、単に参照符号２９を用いる）は、圧電アクチュエータであって、絶縁層２３とアクチュエータ用下部電極３１と圧電層３４とアクチュエータ用上部電極３３とがこの順に下方から積層されたユニモルフ型の構成をなしている。アクチュエータ用下部電極３１はＰｔ／Ｔｉ（白金／チタン）から形成され、アクチュエータ用上部電極３３はＰｔから形成されており、何れも下部可動電極３５，上部可動電極３７とは別体のものである。高周波信号源（図示せず）から信号パッド４５に入力された信号は、下部可動電極３５の線路部３５ａを通りキャパシタ部３５ｂから空気層を介して、キャパシタ部３５ｂに対向した上部可動電極３７のキャパシタ部３７ｂ、線路部３７ａを経て接地電極４４に流れ込む。下部可動電極用アクチュエータ２７及び上部可動電極用アクチュエータ２９それぞれの圧電層３４の分極方向を逆にすることにより、アクチュエータ駆動時の移動方向を相反するようにする。

下部可動電極用アクチュエータ２７のアクチュエータ用上部電極３３に下部可動電極駆動用電源（図示せず）から下部可動電極駆動パッド４９に電圧を加えることにより、下部可動電極３５は上部可動電極３７側へ、上部可動電極用アクチュエータ２９のアクチュエータ用上部電極３３に上部可動電極駆動用電源（図示せず）から上部可動電極駆動パッド４３に電圧を加えることにより、上部可動電極３７は下部可動電極３５側へ、それぞれ独立的に移動する。よって、下部可動電極用アクチュエータ２７及び／または上部可動電極用アクチュエータ２９を駆動することにより、上部可動電極３７（キャパシタ部３７ｂ）と下部可動電極３５（キャパシタ部３５ｂ）との距離を変化させることができ、所望の静電容量を得ることができる。

本発明では、高周波信号源からの信号が流れる線路部及びキャパシタ部と、アクチュエータを駆動するための駆動電極とが電気的に分離されている。そのため、線路部及びキャパシタ部がアクチュエータ中の圧電層（高誘電体）と接触することが無く、しかも周囲が空気であるために誘電損失が無くて、Ｑ値を高くできる。図５は、図３のＢ−Ｂ線及びＣ−Ｃ線での断面を示している。下部可動電極３５の線路部３５ａ及び上部可動電極３７の線路部３７ａは、接地電極４４に接続されたアクチュエータ用下部電極３１で挟まれるようになっている。即ち、これらの線路部３５ａ及び３７ａは、ＣＰＷ型の線路となり、アクチュエータ用下部電極３１及び線路部３５ａまたは３７ａの間隔ｗ１と、線路部３５ａまたは３７ａの幅ｗ２とを調節することにより、線路部３５ａまたは３７ａのインピーダンスを５０Ωにすることで、挿入損失を無くしている。

次に、図６及び図７を参照して、上記の構成を有する可変キャパシタの製造方法を説明する。なお、図６及び図７では、図３のＡ−Ａ線での断面を示している。

シリコンを材料とする基板２１上に、ＬＰＣＶＤ（Low Pressure Chemical Vapor Deposition）法により、低応力の窒化シリコン層２３ａを形成し、その後、Ｐｔ／Ｔｉ（例えば、厚さ０．５μｍ／５０ｎｍ）層３１ａと、ニオブ酸リチウム，チタン酸バリウム，チタン酸鉛，チタン酸ジルコン酸鉛，チタン酸ビスマスなどを材料とする圧電層３４ａ（例えば、厚さ０．５μｍ）とを順次形成する（図６（ａ））。

そして、フォトリソグラフィ技術のパターニング処理により、圧電層３４ａ，Ｐｔ／Ｔｉ層３１ａから所定形状の圧電層３４，アクチュエータ用下部電極３１を形成する（図６（ｂ），（ｃ））。この際のパターニング処理には、Ｃｌ₂／Ａｒ（塩素／アルゴン）系ガスを使用したＲＩＥ（Reactive Ion Etching）装置またはイオンミリング装置などを使用する。

フォトリソグラフィ技術により、圧電層３４の上にＰｔ製のアクチュエータ用上部電極３３を形成すると共に（図６（ｄ））、窒化シリコン層２３ａをパターニングして絶縁層２３を得る（図６（ｅ））。なお、絶縁層２３としては、窒化シリコン層以外に、スパッタリング法、熱酸化法、ＣＶＤ法により形成した酸化シリコン層を利用しても良い。

次いで、所定形状のＡｌからなる下部可動電極３５を基板２１上に形成した後（図７（ｆ））、レジスト材料からなる所定形状の犠牲層４１を形成し（図７（ｇ））、下部可動電極３５に対向する位置に所定形状のＡｌからなる上部可動電極３７を形成する（図７（ｈ））。

そして、下部可動電極３５と上部可動電極３７と下部可動電極用アクチュエータ２７と上部可動電極用アクチュエータ２９との周辺の基板２１を、その裏面からＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching)装置によりエッチングして、開口４０を形成する（図７（ｉ））。このエッチングにより、下部可動電極３５及び上部可動電極３７の各線路部３５ａ及び３７ａの端部と下部可動電極用アクチュエータ２７及び上部可動電極用アクチュエータ２９の各端部とを除く残りの部分が、基板２１から切り離される。なお、この処理でのエッチングガスは例えばＳＦ₆（六フッ化硫黄）を使用し、開口４０を形成するためのマスクはレジストである。

最後に、犠牲層４１をエッチング除去して、下部可動電極３５と上部可動電極３７との間に間隙４２を確保することにより、可変キャパシタを作製する（図７（ｊ））。

なお、上述した製造順序とは異なり、図７（ｈ）の工程後に、まず犠牲層４１を除去して下部可動電極３５と上部可動電極３７との間に間隙４２を確保してから、基板２１をエッチングして開口４０を形成するようにしても良い。また、犠牲層４１の材料としては、上記レジスト以外に、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）などの酸化物も利用でき、この場合のエッチャントには酢酸または硝酸を使用すれば良い。

図８は、可変キャパシタの製造方法の変形例を示している。この変形例における前半の製造工程は上述した例（図６（ａ）〜図７（ｆ））と同じである。基板２１と同一材料であるシリコンからなる所定形状の犠牲層４１を形成し（図８（ａ））、下部可動電極３５に対向する位置に所定形状のＡｌからなる上部可動電極３７を形成する（図８（ｂ））。

そして、基板２１の表面側から例えばＳＦ₆ガスを使用して、犠牲層４１と基板２１とを同時にエッチングして、キャビティ４７を形成する（図８（ｃ））。このエッチングにより、下部可動電極３５及び上部可動電極３７の各線路部３５ａ及び３７ａの端部と下部可動電極用アクチュエータ２７及び上部可動電極用アクチュエータ２９の各端部とを除く残りの部分が、基板２１から切り離されることは、上述した例と同様であるが、基板２１の表面側からエッチングするため、上述した例のように開口とならず、キャビティ４７が形成される。

この変形例によって作製された可変キャパシタの分解斜視図を図９に示す。基板２１の中央部に十字状のキャビティ４７が設けられている。なお、図９において、図３，図４と同一部分には同一符号を付してそれらの説明を省略する。

（第２実施の形態）
図１０は第２実施の形態に係る可変キャパシタの分解斜視図、図１１及び図１２はこの可変キャパシタの製造工程を示す断面図である。

第２実施の形態では、下部可動電極３５，上部可動電極３７，下部可動電極用アクチュエータ２７及び上部可動電極用アクチュエータ２９の周辺において、下部可動電極３５，上部可動電極３７及び絶縁層２３と基板２１との間に空間５０を有している。また、基板２１は、シリコン製ではなく、ガラス，サファイア，アルミナ，ガラスセラミックス，ガリウム砒素などの材料から形成されている。これら以外の構成は、第１実施の形態と同様であり、同一部分には同一符号を付している。

例えばガラスを材料とする基板２１上に、スパッタリング法によりシリコンからなる第２犠牲層５１を形成した後、第１実施の形態と同様に、窒化シリコン層２３ａ，Ｐｔ／Ｔｉ層３１ａ，圧電層３４ａを順次形成する（図１１（ａ））。そして、第１実施の形態と同様に、所定形状の圧電層３４，アクチュエータ用下部電極３１，アクチュエータ用上部電極３３及び絶縁層２３を得る（図１１（ｂ）〜（ｅ））。

次いで、所定形状のＡｌからなる下部可動電極３５を第２犠牲層５１上に形成した後（図１２（ｆ））、レジスト材料からなる犠牲層４１を全域に形成し（図１２（ｇ））、下部可動電極３５に対向する位置に所定形状のＡｌからなる上部可動電極３７を形成する（図１２（ｈ））。

そして、犠牲層４１をエッチング除去して、下部可動電極３５と上部可動電極３７との間に間隙４２を確保し（図１２（ｉ））、また、第２犠牲層５１をエッチング除去して、基板２１と下部可動電極３５及び絶縁層２３との間に空間５０を確保することにより、可変キャパシタを作製する（図１２（ｊ））。なお、犠牲層４１と第２犠牲層５１との材料を同じにして、この犠牲層４１のエッチング及び第２犠牲層５１のエッチングを同時に行っても良い。

第２実施の形態では、第２犠牲層５１のエッチングにより下部可動電極３５を基板２１から宙に浮かすことができるため、基板２１をエッチングする必要が無くなり、基板２１として使用できる材料の種類が増えることになる。例えば、誘電率が低く、エッチングが難しいガラスセラミックなどの材料も、基板２１として利用できるようになる。これにより、Ｑ値をより向上させることが可能となる。

（第３実施の形態）
図１３は第３実施の形態に係る可変キャパシタ（可動電極及び圧電アクチュエータのみ）の分解斜視図、図１４及び図１５はこの可変キャパシタの製造工程を示す断面図である。

第３実施の形態では、下部可動電極３５（キャパシタ部３５ｂ）と上部可動電極３７（キャパシタ部３７ｂ）との間に誘電体層４６を設けている。他の構成は、第１実施の形態と同様であり、同一部分には同一符号を付してそれらの説明を省略する。

この誘電体層４６は、図１３に示すように上部可動電極３７（キャパシタ部３７ｂ）側に設けても良いし、図示はしないが下部可動電極３５（キャパシタ部３５ｂ）側に設けても良い。誘電体層４６の設置によって可動部分の質量が増加して、共振周波数の低下または可動速度の低下などが若干起こるが、後述するように静電容量及びその変化率を大幅に増大することができる。

図１６は、誘電体層４６の効果を示す図である。図１６（ａ）に示すように、上部可動電極３７のキャパシタ部３７ｂ側に誘電体層４６を設ける場合について説明する。誘電体層４６の厚さをｄ1 、誘電体層４６と下部可動電極３５のキャパシタ部３５ｂとの間に形成される空気層の厚さをｄ2 とすると、キャパシタ部３７ｂとキャパシタ部３５ｂとの間の距離ｄは、ｄ＝ｄ1 ＋ｄ2 となる。

図１６（ｂ）は、キャパシタ部３５ｂ及び／またはキャパシタ部３７ｂを移動させて、空気層の厚さｄ2 を変化させた場合の静電容量Ｃの変化を示すグラフである。キャパシタ部３５ｂ及びキャパシタ部３７ｂは正方形（一辺：２３０μｍ）であり、初期状態の電極間距離ｄ及び空気層の厚さｄ2 をｄ＝０．７５μｍ及びｄ2 ＝０．３μｍ（ｄ2 ／ｄ＝０．４）とし、誘電体層４６は誘電損失が小さい材料であるＡｌ₂Ｏ₃（アルミナ）（誘電率ε＝１０）を用いた。また、このような誘電体層を設けない点のみを異ならせた比較例における静電容量Ｃの変化も図１６（ｂ）に併せて示す。

図１６（ｂ）に示すように、誘電体層４６を設けた本発明例の可変キャパシタにあっては、初期状態で約１．３６ｐＦ、キャパシタ部３５ｂが誘電体層４６に接した状態で約１０．４ｐＦの静電容量を有しており、その変化率は約７．６倍である。このように、誘電体層４６を設けることにより、静電容量及びその可変範囲を極めて大きくできる。

図１４は第３実施の形態の可変キャパシタの製造工程の一例（上部可動電極３７（キャパシタ部３７ｂ）側に誘電体層４６を設置）を示す断面図である。前半の工程は、前述した第１実施の形態の工程（図６（ａ）〜図７（ｇ））と同じである。

フォトリソグラフィ技術により、Ａｌ₂Ｏ₃を材料とする誘電体層４６を犠牲層４１上にパターン形成し（図１４（ａ））、下部可動電極３５に対向する位置に所定形状のＡｌからなる上部可動電極３７を形成する（図１４（ｂ））。そして、下部可動電極３５と上部可動電極３７と下部可動電極用アクチュエータ２７と上部可動電極用アクチュエータ２９との周辺の基板２１を、その裏面からＤＲＩＥ装置によりエッチングして、開口４０を形成し（図１４（ｃ））。最後に、犠牲層４１をエッチング除去して、下部可動電極３５と誘電体層４６との間に間隙４２を確保することにより、可変キャパシタを作製する（図１４（ｄ））。

図１５は第３実施の形態の可変キャパシタの製造工程の他の例（下部可動電極３５（キャパシタ部３５ｂ）側に誘電体層４６を設置）を示す断面図である。前半の工程は、前述した第１実施の形態の工程（図６（ａ）〜図７（ｆ））と同じである。

フォトリソグラフィ技術により、Ａｌ₂Ｏ₃を材料とする誘電体層４６を下部可動電極３５上にパターン形成する（図１５（ａ））。レジスト材料またはＭｇＯからなる犠牲層４１を所定形状に形成し（図１５（ｂ））、下部可動電極３５に対向する位置に所定形状のＡｌからなる上部可動電極３７を形成する（図１５（ｃ））。そして、下部可動電極３５と上部可動電極３７と下部可動電極用アクチュエータ２７と上部可動電極用アクチュエータ２９との周辺の基板２１を、その裏面からＤＲＩＥ装置によりエッチングして、開口４０を形成し（図１５（ｄ））。最後に、犠牲層４１をエッチング除去して、誘電体層４６と上部可動電極３７との間に間隙４２を確保することにより、可変キャパシタを作製する（図１５（ｅ））。

なお、上述した図１４，図１５の製造順序とは異なり、図１４（ｂ），図１５（ｃ）の工程後に、まず犠牲層４１を除去して間隙４２を確保してから、基板２１をエッチングして開口４０を形成するようにしても良い。また、この第３実施の形態にあっても、前述したように（図８参照）、犠牲層４１の材料を基板２１と同じにして、犠牲層４１と基板２１とを順番にまたは同時に基板２１の表面側からエッチングするようにしても良い。

（第４実施の形態）
図１７は第４実施の形態を示しており、図１７（ａ）は第４実施の形態に係る可変キャパシタの上面図、図１７（ｂ）は図１７（ａ）のＤ部における拡大図である。

第４実施の形態にあっては、一方の線路部３５ａが信号パッド４５に接続されている下部可動電極３５において、そのキャパシタ部３５ｂと他方の線路部３５ａとが、電気的に分離されている。つまり、信号パッド４５からみて下部可動電極３５が、下部可動電極３５と上部可動電極３７とが対向してキャパシタが構成されている部分（キャパシタ部３５ｂ及びキャパシタ部３７ｂの対向部分）を過ぎたところで、電気的に２つに分離されている。また、分離された線路部３５ａは、接地電極４４を接続してグランド電位としても良い。

第４実施の形態では、信号パッド４５から入った信号が、一方の線路部３５ａを通じてキャパシタ部３５ｂを通りすぎて他方の線路部３５ａの信号パッド４５と反対側の端にたどり着き、そこで反射されるようなことが無くなり、このような反射信号を除去できるため、入力信号のエネルギ損失を防ぐことができる。

（第５実施の形態）
図１８は第５実施の形態に係る可変キャパシタの上面図である。図１８にあって、信号パッド４５及び接地電極４４間に電源回路４８が設けられており、信号パッド４５（下部可動電極３５）と接地電極４４（上部可動電極３７）との間に電圧を印加できるようになっている。

第５実施の形態は、下部可動電極３５（キャパシタ部３５ｂ）と上部可動電極３７（キャパシタ部３７ｂ）との間隔を調整する方法に関する。下部可動電極用アクチュエータ２７及び／または上部可動電極用アクチュエータ２９を駆動して、キャパシタ部３５ｂとキャパシタ部３７ｂとの間隔を小さくした後に、電源回路４８により下部可動電極３５と上部可動電極３７との間に電圧を印加し、両電極間に発生する静電引力で両電極間の距離を更に小さくする。

このように第５実施の形態では、圧電アクチュエータ駆動と静電アクチュエータ（引力）駆動という２段階の距離制御を行うようにしており、両可動電極をより近付けることができ、より静電容量の大きな変化が得られるようになる。圧電アクチュエータにて両可動電極を接近させた状態で、静電引力を発生させるので、大きな静電容量と容量変化とが得られるという効果を奏する。また、圧電アクチュエータによって両可動電極が接近した状態で静電引力を発生させるため、小さな駆動電圧で大きな静電引力を発生できる。

なお、上述した例では、下部可動電極用アクチュエータ２７及び上部可動電極用アクチュエータ２９がユニモルフ型であったが、これに限定されることは無い。例えば、図１９（ａ）に示すパラレル接続型のバイモルフ、または、図１９（ｂ）に示すシリーズ接続型のバイモルフであっても良い。図１９（ａ），（ｂ）において、中間電極６３の上下に図示する矢印方向に分極された圧電素子５４ａ，５４ｂが設けられている。圧電素子５４ａには下部駆動電極５３が設けられ、圧電素子５４ｂには上部駆動電極５５が設けられている。そして、図示するように、直流電圧Ｖを印加することにより、バイモルフは変形する。下部可動電極用アクチュエータ２７及び上部可動電極用アクチュエータ２９をバイモルフ型とする場合には、上述した各実施の形態においてアクチュエータ用下部電極３１に接している絶縁層２３は不要となる。

本発明は、上述した各実施の形態または変形例に限定されるものではなく、他の種々の実施の形態または変形例を含む。例えば、上述した例では、両可動電極間の距離、または、可動電極と誘電体層との間の距離を小さくする（静電容量が大きくなる）ように圧電アクチュエータを駆動するようにしたが、これとは逆に、これらの距離を大きくする（静電容量が小さくなる）ように圧電アクチュエータを駆動するようにしても良い。この場合には、ユニモルフ型の圧電アクチュエータが変形する方向が逆になるようにすれば良い。また、上述した実施の形態または変形例での可変キャパシタをセラミック製のパッケージに収容しても良い。このような場合、パッケージに設けられた外部接続端子と基板２１に設けられた信号パッド４５などの各種パッドとを、ワイヤまたはバンプなどの接続部材で接続する。

従来の可変キャパシタの構成を示す断面図及び平面図である。キャパシタの静電容量と電極間距離との関係を示すグラフである。第１実施の形態に係る可変キャパシタの斜視図である。第１実施の形態に係る可変キャパシタの分解斜視図である。図３のＢ−Ｂ線及びＣ−Ｃ線での断面図である。第１実施の形態に係る可変キャパシタの製造工程を示す断面図である。第１実施の形態に係る可変キャパシタの製造工程を示す断面図である。第１実施の形態に係る可変キャパシタの製造工程の変形例を示す断面図である。第１実施の形態に係る可変キャパシタの変形例の分解斜視図である。第２実施の形態に係る可変キャパシタの分解斜視図である。第２実施の形態に係る可変キャパシタの製造工程を示す断面図である。第２実施の形態に係る可変キャパシタの製造工程を示す断面図である。第３実施の形態に係る可変キャパシタ（可動電極及び圧電アクチュエータのみ）の分解斜視図である。第３実施の形態に係る可変キャパシタの製造工程の一例を示す断面図である。第３実施の形態に係る可変キャパシタの製造工程の他の例を示す断面図である。第３実施の形態に係る可変キャパシタにおける誘電体層の効果を説明するための図である。第４実施の形態に係る可変キャパシタの上面図及び拡大図である。第５実施の形態に係る可変キャパシタの上面図である。バイモルフ型の圧電アクチュエータを説明するための図である。

符号の説明

２１基板
２３絶縁層
２７，２７ａ，２７ｂ，２７ｃ，２７ｄ下部可動電極用アクチュエータ
２９，２９ａ，２９ｂ，２９ｃ，２９ｄ上部可動電極用アクチュエータ
３１アクチュエータ用下部電極
３３アクチュエータ用上部電極
３４圧電層
３５下部可動電極
３７上部可動電極
３５ａ，３７ａ線路部（第１電極部）
３５ｂ，３７ｂキャパシタ部（第２電極部）
４０開口
４１犠牲層
４４接地電極
４５信号パッド
４６誘電体層
４７キャビティ
４８電源回路
５０空間
５１第２犠牲層

Claims

対向する電極が移動可能である可変キャパシタにおいて、
基板と、
接続電極部及びキャパシタ電極部を夫々が有する第１及び第２可動電極と、
前記第１及び第２可動電極を夫々駆動する第１及び第２圧電アクチュエータと
を備え、
該第１及び第２圧電アクチュエータは、夫々、第１及び第２駆動電極と、前記第１及び第２駆動電極間に設けられた圧電素子とを含み、
前記第１及び第２可動電極は、前記第１及び第２駆動電極と電気的に分離されていることを特徴とする可変キャパシタ。
前記第１及び第２可動電極は、前記第１及び第２駆動電極と別体であり、
前記第１及び第２可動電極の接続電極部は、夫々、前記第１及び第２駆動電極の何れかに、絶縁材を介して支持されていることを特徴とする請求項１記載の可変キャパシタ。
前記第１及び第２可動電極の接続電極部の両側に前記第１及び第２圧電アクチュエータを設けており、前記接続電極部と前記第１及び第２圧電アクチュエータの第１及び第２駆動電極とによりＣＰＷ型線路を構成してあることを特徴とする請求項２記載の可変キャパシタ。
前記第１及び第２可動電極の何れか一方の前記接続電極部と前記キャパシタ電極部との境界部近傍が電気的に分離されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の可変キャパシタ。