JP5338615B2 - 可変容量デバイスおよび可変容量素子の駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、可変容量素子に関し、例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を用いて製作される可変容量素子に関する。

可変容量素子は、可変周波数発振器、同調増幅器、位相シフタ、またはインピーダンス整合回路などの電気回路を構成する上で重要な部品であり、近年携帯機器などへ搭載されることが多くなってきている。

ＭＥＭＳ技術を用いて製作された可変容量素子は、現在可変容量素子として主に用いられているバラクダダイオードと比べて、エネルギー損失が小さくＱ値が高いなどの利点がある。よって、その開発および実用化が急がれている。

以下、ＭＥＭＳ技術を用いて製作された可変容量素子を、単に可変容量素子と呼称する。

可変容量素子は、一般的に、対向する２つの電極間の距離を変化させてその容量を変化させられるように構成される。

図１は、従来の一般的な可変容量素子１０の構成の例を示す断面図である。

図１（ａ）において、可変容量素子１０は、基板１１上に、固定電極１２、可動電極１３、固定電極１２を覆う誘電体層１４、および可動電極１３を支持する一対の支持層１５ａ、１５ｂなどが形成されて構成されている。可動電極１３と誘電体層１４との間には空隙が設けられている。固定電極１２には駆動電圧Ｖを印加可能となっている。可動電極１３は、支持層１５ａ、１５ｂを介してグランドに接続されている。

固定電極１２と可動電極１３との間に電位差を与えないとき、可動電極１３は固定電極１２から離れた状態である（図１（ａ））。この状態から、固定電極１２に駆動電圧Ｖを印加して可動電極１３との間に電位差を与えると、電極間に生じる静電引力によって可動電極１３が固定電極１２の側へ引き寄せられて、電極間の距離が狭まる。電位差がある値以上になると、可動電極１３が誘電体層１４を介して固定電極１２に接触した状態となる（図１（ｂ））。

図２は、可変容量素子１０についての、駆動電圧Ｖと静電容量Ｃとの関係（Ｃ−Ｖ特性）の例を示す図である。

図２に示すように、正の駆動電圧Ｖを与えてその値を大きくしていくと、静電容量Ｃは、しばらくは最小静電容量ＣＳからほとんど変化せず、電圧ＶＩ１付近で急激に増加した後、最大静電容量ＣＬからほとんど変化しなくなる。その後に、駆動電圧Ｖの値を小さくしていくと、しばらくは最大静電容量ＣＬからほとんど変化せず、電圧ＶＯ１付近で急激に減少した後、最小静電容量ＣＳからほとんど変化しなくなる。負の駆動電圧Ｖを与えた場合も同様に、駆動電圧Ｖの値を小さくしていくと、静電容量Ｃは、しばらくは最小静電容量ＣＳからほとんど変化せず、電圧ＶＩ２付近で急激に増加した後、最大静電容量ＣＬからほとんど変化しなくなる。その後に、駆動電圧Ｖの値を大きくしていくと、しばらくは最大静電容量ＣＬからほとんど変化せず、電圧ＶＯ２付近で急激に減少した後、最小静電容量ＣＳからほとんど変化しなくなる。なお、静電容量Ｃは、最小静電容量ＣＳまたは最大静電容量ＣＬからほとんど変化しない間は、それらの値で一定とみなせる。

静電容量Ｃが最小（最小静電容量ＣＳ）となるのは、可動電極１３が固定電極１２から最も離れた状態（図１（ａ））にあるときである。また、静電容量Ｃが最大（最大静電容量ＣＬ）となるのは、可動電極１３が誘電体層１４を介して固定電極１２に接触した状態（図１（ｂ））にあるときである。

ところで、駆動電圧Ｖに対する静電容量Ｃの変化は、上昇時と下降時とで異なる経路をたどる。つまり、電圧ＶＩ１と電圧ＶＯ１とは一致しない。電圧ＶＩ２と電圧ＶＯ２とについても同様である。このような、いわゆるヒステリシス現象が生じることは公知である。

さて、可変容量素子１０をいわゆるデジタル的に用いる場合、駆動電圧Ｖを制御してその静電容量Ｃを最小静電容量ＣＳまたは最大静電容量ＣＬのいずれかの値にして使用する。例えば、図２において、静電容量Ｃを最小静電容量ＣＳとする場合は、駆動電圧Ｖを電圧ＶＯＦＦ（＝０）とする。また、静電容量Ｃを最大静電容量ＣＬとする場合は、駆動電圧Ｖを電圧ＶＯＮ１または電圧ＶＯＮ２とする。

静電容量Ｃを変化させる際に、同一の極性の駆動電圧Ｖを印加することを続けていると、やがて誘電体層１４中に正または負の電荷がチャージされてくる。このような、電荷がチャージされる現象が生じることは公知である。

図３は、可変容量素子１０についての、電荷がチャージされた状態での駆動電圧Ｖと静電容量Ｃとの関係（Ｃ−Ｖ特性）の例を示す図である。

誘電体層１４中に電荷がチャージされた状態になると、可動電極１３の動きはその電荷による静電力の影響を受ける。そのため、可変容量素子１０のＣ−Ｖ特性は、電荷がチャージされていない状態とは異なる特性を示す。例えば、誘電体層１４中に正の電荷がチャージされた状態では、図３（ａ）に示すように、電荷がチャージされていない状態と比べて、Ｃ−Ｖ特性が負の駆動電圧Ｖ側へシフトする。また、誘電体層１４中に負の電荷がチャージされた状態では、図３（ｂ）に示すように、電荷がチャージされていない状態と比べて、Ｃ−Ｖ特性が正の駆動電圧Ｖ側へシフトする。

そうすると、本来最小静電容量ＣＳまたは最大静電容量ＣＬとなるはずの駆動電圧Ｖを印加しても、静電容量Ｃがそれらの値に変化しない場合が生じる。例えば、図３（ａ）および図３（ｂ）において、駆動電圧Ｖを電圧ＶＯＦＦ（＝０）としても、静電容量Ｃは、意図する最小静電容量ＣＳとならないことがある。よって、可変容量素子１０を安定して動作させることができず、問題である。

絶縁膜が帯電することにより電圧特性の変動が発生することを防止するために、絶縁膜の形状を工夫してその帯電量を制御することが提案されている（特許文献１）。しかし、半導体製造工程を利用して、開示されたような形状に絶縁膜を成形することは非常に困難である。

そこで、Ｃ−Ｖ特性のシフトを抑制するため、印加する駆動電圧Ｖの極性を所定の周期で切り替えるバイポーラ駆動と呼ばれる駆動方法が提案されている。

また、ミラーのドリフトの発生を抑制するため、電極に印加する駆動電圧を交流電圧とするミラー制御装置が提案されている（特許文献２）。

特開２００３−１３６４９６ 特開２００８−５２２７０

図４は、可変容量素子１０をバイポーラ駆動した場合の、駆動電圧Ｖおよび静電容量Ｃの時系列変化の例を示す図である。

図４に示すように、バイポーラ駆動では、静電容量Ｃを最大静電容量ＣＬに保持するために駆動電圧Ｖを印加する際、比較的短い周期で正の電圧ＶＯＮ１と負の電圧ＶＯＮ２とに交互に切り替えて印加する。

一方の極性の駆動電圧Ｖを印加した時間が長い場合に、また、一方の極性の駆動電圧Ｖを印加した時間と他方の極性の駆動電圧Ｖを印加した時間との開きが大きい場合などに、誘電体層１４中により電荷がチャージされやすい。よって、バイポーラ駆動はＣ−Ｖ特性のシフトの抑制には有効である。

しかしながら、図４に示すように、バイポーラ駆動では、駆動電圧Ｖの極性の切替え時に静電容量Ｃが最大静電容量ＣＬより落ちてしまう。つまり、静電容量Ｃの容量変動が起こる欠点がある。そのため、容量変動が機器の動作に影響を及ぼさないタイミングでしか駆動電圧Ｖの極性の切替えを行うことができず、可変容量素子１０をバイポーラ駆動できる用途は限られる。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、駆動電圧の極性を切り替えなくとも、または切替えのタイミング（周期）を限定しなくとも、Ｃ−Ｖ特性のシフトが抑制される可変容量デバイスを提供することを目的とする。

本発明に係る可変容量デバイスは、互いに絶縁された第１の固定電極および第２の固定電極と、前記第１の固定電極および前記第２の固定電極に対向する可動電極と、前記第１の固定電極および前記第２の固定電極と前記可動電極との間に設けられる誘電体層と、前記第１の固定電極に前記可動電極を基準とする第１の駆動電圧を印加するための第１の配線部と、前記第２の固定電極に前記可動電極を基準としかつ前記第１の駆動電圧とは極性が異なる第２の駆動電圧を印加するための第２の配線部と、を有する可変容量素子、および、前記第１の配線部を介して前記第１の固定電極に前記第１の駆動電圧を印加するための第１の駆動部、並びに、前記第２の配線部を介して前記第２の固定電極に前記第２の駆動電圧を印加するための第２の駆動部、を有し、前記第１の駆動電圧および前記第２の駆動電圧は、互いに異なる極性に反転することを繰り返す矩形波状の電圧であり、かつ、前記第１の駆動電圧の極性が反転するタイミングと前記第２の駆動電圧の極性が反転するタイミングとがずれている。

または、互いに絶縁され一体化された第１の可動電極および第２の可動電極と、前記第１の可動電極および前記第２の可動電極に対向する固定電極と、前記第１の可動電極および前記第２の可動電極と前記固定電極との間に設けられる誘電体層と、前記第１の可動電極に前記固定電極を基準とする第１の駆動電圧を印加するための第１の配線部と、前記第２の可動電極に前記固定電極を基準としかつ前記第１の駆動電圧とは極性が異なる第２の駆動電圧を印加するための第２の配線部と、を有する可変容量素子、および、前記第１の配線部を介して前記第１の可動電極に前記第１の駆動電圧を印加するための第１の駆動部、並びに、前記第２の配線部を介して前記第２の可動電極に前記第２の駆動電圧を印加するための第２の駆動部、を有し、前記第１の駆動電圧および前記第２の駆動電圧は、互いに異なる極性に反転することを繰り返す矩形波状の電圧であり、かつ、前記第１の駆動電圧の極性が反転するタイミングと前記第２の駆動電圧の極性が反転するタイミングとがずれている。

本発明によれば、駆動電圧の極性を切り替えなくとも、または切替えのタイミング（周期）を限定しなくとも、Ｃ−Ｖ特性のシフトが抑制される可変容量デバイスを提供することができる。

従来の一般的な可変容量素子の構成の例を示す断面図である 駆動電圧と静電容量との関係（Ｃ−Ｖ特性）の例を示す図である。 駆動電圧と静電容量との関係（Ｃ−Ｖ特性）の例を示す図である。 駆動電圧および静電容量の時系列変化の例を示す図である。 本実施形態の可変容量デバイスの構成の例を示す平面図である。 図５のα１ーα１断面図である。 図５のα２ーα２断面図である。 図５のα２ーα２断面図である。 図５のα３ーα３断面図である。 図５の等価回路図である。 本実施形態の可変容量素子の適用の例を示す等価回路図である。 駆動電圧および静電容量の時系列変化の例を示す図である。 駆動電圧と静電容量との関係（Ｃ−Ｖ特性）の例を示す図である。 電荷がチャージされた状態の例を示す図である。 駆動電圧および静電容量の時系列変化の例を示す図である。 駆動電圧および静電容量の時系列変化の例を示す図である。 本実施形態の可変容量デバイスの構成の例を示す平面図である。 図１７のα１ーα１断面図である。

以下の実施形態では、可変容量素子をＲＦ（Radio Frequency）信号の処理回路に適用する場合を想定して説明する。もちろん、可変容量素子を他の用途に適用することも可能である。
〔第一の実施形態〕
図５は本発明の第一の実施形態における可変容量デバイス１の構成の例を示す平面図、図６〜図９はその断面図である。なお、図７および図８は同じ断面を示しており、図７は可動電極２６が変位していない状態の断面を示しており、図８は可動電極２６が変位した状態の断面を示している。

図５に示すように、可変容量デバイス１は、可変容量素子２のほかに、ＲＦブロック６０ａ〜６０ｃ、駆動回路６１、および駆動回路６２などによって構成されている。可変容量素子２は、ガラスまたはシリコンなどからなる基板２０上に、第一引出電極２１、第二引出電極２２、第一固定電極２３ａ〜２３ｃ、第二固定電極２４ａ〜２４ｃ、可動電極２６、および支持層２７ａ、２７ｂなどが形成されて構成されている。さらに、第一固定容量層２８、第二固定容量層２９、およびグランド電極３０ａ〜３０ｄなどが形成されて構成されている。なお、誘電体層２５ａ〜２５ｆについては、図が煩雑になるのを避けるため、図５には図示していない。また、可動電極２６、第一固定容量層２８、および第二固定容量層２９については、その一部を破断して示している。同様に、第一引出電極２１の櫛形状部２１ａ、および第二引出電極２２の櫛形状部２２ａについても、その一部を破断して示している。

第一引出電極２１は、アルミニウム（Ａｌ）または金（Ａｕ）などの導電性材料からなり、櫛形状部２１ａと矩形状部２１ｂとを備えるように形成されている。また、第二引出電極２２は、同様の導電性材料からなり、櫛形状部２２ａと矩形状部２２ｂとを備えるように形成されている。櫛形状部２１ａ、２２ａのそれぞれの櫛歯の本数は同数本であり、１本または複数本である。本実施形態では、２本となっている。第一引出電極２１および第二引出電極２２は、両者の櫛形状部２１ａ、２２ａの各櫛歯が所定の距離を隔てて互い違いに入り込むように配置されている。

第一引出電極２１および第二引出電極２２は、それぞれ駆動電圧を印加するための駆動回路に接続可能となっている。本実施形態では、第一引出電極２１は、ＲＦブロック６０ａを介して駆動回路６１に接続されている。また、第二引出電極２２は、ＲＦブロック６０ｂを介して駆動回路６２に接続されている。ＲＦブロック６０ａ、６０ｂは、ＲＦ信号を遮断するための抵抗またはインダクタなどの素子である。駆動回路６１および駆動回路６２によって印加する駆動電圧については後述する。

図６をも参照して、第一固定電極２３ａ〜２３ｃは、アルミニウム（Ａｌ）または金（Ａｕ）などの導電性材料からなり、第一引出電極２１の上面に分散して形成されている。具体的には、第一固定電極２３ａ、２３ｂは、櫛形状部２１ａの各櫛歯部分の上面に形成されている。また、第一固定電極２３ｃは、矩形状部２１ｂの端部寄りの上面に形成されている。第二固定電極２４ａ〜２４ｃは、同様の導電性材料からなり、第二引出電極２２の上面に分散して形成されている。具体的には、第二固定電極２４ａ、２４ｂは、櫛形状部２２ａの各櫛歯部分の上面に形成されている。また、第二固定電極２４ｃは、矩形状部２２ｂの端部寄りの上面に形成されている。ただし、第一固定電極２３ａ〜２３ｃの全部または一部が、第一引出電極２１と一体的に形成されていてもよい。同様に、第二固定電極２４ａ〜２４ｃの全部または一部が、第二引出電極２２と一体的に形成されていてもよい。

以下、第一固定電極２３ａ、２３ｂ、および第二固定電極２４ａ、２４ｂが占める領域を固定電極中央部２３４Ｃと呼称することがある。

第一固定電極２３ａ、２３ｂ、２３ｃの上面には、それぞれ酸化シリコン（ＳｉＯ２）またはアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）などの誘電性材料からなる誘電体層２５ａ、２５ｂ、２５ｃが形成されている。また、第二固定電極２４ａ、２４ｂ、２４ｃの上面にも、それぞれ同様の誘電性材料からなる誘電体層２５ｄ、２５ｅ、２５ｆが形成されている。

以下、誘電体層２５ａ、２５ｂ、２５ｄ、２５ｅが占める領域を誘電体層中央部２５Ｃと呼称することがある。

図６および図７をも参照して、可動電極２６は、アルミニウム（Ａｌ）または金（Ａｕ）などの導電性材料からなり、誘電体層中央部２５Ｃを挟んで、固定電極中央部２３４Ｃの上面と対向してそれに架橋するようにブリッジ状に形成されている。

可動電極２６の架橋方向の両端部の下面には、アルミニウム（Ａｌ）または金（Ａｕ）などの導電性材料からなる一対の支持層２７ａ、２７ｂが形成されている。可動電極２６は支持層２７ａ、２７ｂによって支持されており、可動電極２６と誘電体層中央部２５Ｃとの間には空隙が設けられている。

可動電極２６と第一固定電極２３ａ、２３ｂとの間に電位差が生じると、両電極間に生じる静電引力によって可動電極２６が第一固定電極２３ａ、２３ｂの側へ引き寄せられる。同様に、可動電極２６と第二固定電極２４ａ、２４ｂとの間に電位差が生じると、静電引力によって可動電極２６が第二固定電極２４ａ、２４ｂの側へ引き寄せられる。双方を合わせた静電引力がある値以上になると、図８に示すように、可動電極２６が誘電体層中央部２５Ｃを介して固定電極中央部２３４Ｃに接触した状態となる。このように、可動電極２６は、ばね部材としても作用する。可動電極２６のばね定数は、可動電極２６の材質または寸法を変更したり、支持層２７ａ、２７ｂの材質または寸法を変更したりすることにより、調整可能となっている。

可動電極２６は、駆動回路６１および駆動回路６２などの電源のグランドに接続可能となっている。ただし、支持層２７ａ、２７ｂなどを介して接続可能となっていてもよい。本実施形態では、可動電極２６は、ＲＦブロック６０ｃを介して電源のグランドに接続されている。ＲＦブロック６０ｃは、ＲＦ信号を遮断するための抵抗またはインダクタなどの素子である。

可動電極２６の架橋方向の一方の端部から他方の端部にかけては、ＲＦ信号を通過させられるようになっている。つまり、可動電極２６は、可変容量素子２の電極板として機能するほかに、ＲＦ信号の信号線路としても機能する。

図６および図９をも参照して、第一固定容量層２８は、アルミニウム（Ａｌ）または金（Ａｕ）などの導電性材料からなり、誘電体層２５ｃを挟んで、第一固定電極２３ｃの上面と対向してそれに架橋するようにブリッジ状に形成されている。また、第二固定容量層２９は、同様の導電性材料からなり、誘電体層２５ｆを挟んで、第二固定電極２４ｃの上面に対向してそれに架橋するようにブリッジ状に形成されている。

第一固定容量層２８の架橋方向の両端部の下面には、アルミニウム（Ａｌ）または金（Ａｕ）などの導電性材料からなる一対のグランド電極３０ａ、３０ｂが形成されている。また、第二固定容量層２９の架橋方向の両端部の下面にも、同様の導電性材料からなる一対のグランド電極３０ｃ、３０ｄが形成されている。可動電極２６と誘電体層中央部２５Ｃとの間の場合と異なり、第一固定容量層２８と誘電体層２５ｃとの間、および第二固定容量層２９と誘電体層２５ｆとの間に空隙は設けられていない。

第一固定容量層２８は、グランド電極３０ａ、３０ｂを介してＲＦ信号のグランドに接続可能となっている。同様に、第二固定容量層２９も、グランド電極３０ｃ、３０ｄを介してＲＦ信号のグランドに接続可能となっている。

駆動回路６１は、第一引出電極２１を介して第一固定電極２３ａ〜２３ｃに駆動電圧Ｖ１を印加するための回路である。第一固定電極２３ａ〜２３ｃに駆動電圧Ｖ１が印加されると、第一固定電極２３ａ、２３ｂと、電源のグランドに接続されている可動電極２６との間に電位差が生じる。また、第一固定電極２３ｃと、ＲＦ信号のグランドに接続されている第一固定容量層２８との間にも電位差が生じる。

駆動回路６２は、第二引出電極２２を介して第二固定電極２４ａ〜２４ｃに駆動電圧Ｖ２を印加するための回路である。第二固定電極２４ａ〜２４ｃに駆動電圧Ｖ２が印加されると、第二固定電極２４ａ、２４ｂと、電源のグランドに接続されている可動電極２６との間に電位差が生じる。また、第二固定電極２４ｃと、ＲＦ信号のグランドに接続されている第二固定容量層２９との間にも電位差が生じる。

上述の通り、可動電極２６と第一固定電極２３ａ、２３ｂとの間の静電引力、および可動電極２６と第二固定電極２４ａ、２４ｂとの間の静電引力を合わせた静電引力がある値以上になると、可動電極２６が誘電体層中央部２５Ｃを介して固定電極中央部２３４Ｃに接触した状態となる。

可動電極２６が固定電極中央部２３４Ｃから最も離れた状態（図７）にあるとき、可動電極２６と第一固定電極２３ａ、２３ｂとの間の静電容量、および可動電極２６と第二固定電極２４ａ、２４ｂとの間の静電容量は、それぞれ最小となる。その結果、可変容量素子２全体の静電容量が最小となる。一方、可動電極２６が誘電体層中央部２５Ｃを介して固定電極中央部２３４Ｃに接触した状態（図８）にあるとき、可動電極２６と第一固定電極２３ａ、２３ｂとの間の静電容量、および可動電極２６と第二固定電極２４ａ、２４ｂとの間の静電容量は、それぞれ最大となる。その結果、可変容量素子２全体の静電容量は最大となる。つまり、駆動回路６１によって印加する駆動電圧Ｖ１および駆動回路６２によって印加する駆動電圧Ｖ２の変化に対応して、可変容量素子２全体の静電容量が大小２つの値で変化する。

図１０は図５の等価回路図、図１１は可変容量素子２の適用の例を示す等価回路図である。

図１０（ａ）に示すように、可変容量素子２は、第一可変容量部２Ａと第二可変容量部２Ｂとが並列接続された構成として表現可能である。そして、第一可変容量部２Ａは、第一可変容量素子２Ａａと第一固定容量素子２Ａｂとが直列接続された構成として表現可能である。また、第二可変容量部２Ｂは、第二可変容量素子２Ｂａと第二固定容量素子２Ｂｂとが直列接続された構成として表現可能である。

第一可変容量素子２Ａａは、第一固定電極２３ａ、２３ｂ、可動電極２６、およびその間の誘電体層２５ａ、２５ｂなどによって実現されている。第一固定容量素子２Ａｂは、第一固定電極２３ｃ、第一固定容量層２８、およびその間の誘電体層２５ｃなどによって実現されている。第二可変容量素子２Ｂａは、第二固定電極２４ａ、２４ｂ、可動電極２６、およびその間の誘電体層２５ｄ、２５ｅなどによって実現されている。第二固定容量素子２Ｂｂは、第二固定電極２４ｃ、第二固定容量層２９、およびその間の誘電体層２５ｆなどによって実現されている。

駆動回路６１によって印加する駆動電圧Ｖ１および駆動回路６２によって印加する駆動電圧Ｖ２を調整することで、第一可変容量素子２Ａａの静電容量および第二可変容量素子２Ｂａの静電容量を大小２つの値で変化させられる。ただし、上述の通り、第一可変容量素子２Ａａおよび第二可変容量素子２Ｂａの可動電極２６は共通である。そのため、第一可変容量素子２Ａａの静電容量が最小となるときは第二可変容量素子２Ｂａの静電容量も最小となり、第一可変容量素子２Ａａの静電容量が最大となるときは第二可変容量素子２Ｂａの静電容量も最大となる。つまり、第一可変容量素子２Ａａの静電容量と第二可変容量素子２Ｂａの静電容量とは連動して変化する。その結果、可変容量素子２の静電容量は全体として２つの値で変化する。そこで、図１０に示される等価回路を、図１０（ｂ）に示されるような、シンプルな等価回路に置き換えることも可能である。

第一可変容量素子２Ａａおよび第二可変容量素子２Ｂａの可変（大小２つ）の静電容量値およびその幅などは、可変容量素子２の使用の目的に応じて調整される。さらに、第一固定容量素子２Ａｂおよび第二固定容量素子２Ｂｂの固定の静電容量値も、可変容量素子２の使用の目的に応じて調整される。そうすることで、可変容量素子２の静電容量を所望の２つの値で変化させられる。そして、例えば、図１１に示すように、可変容量素子２を複数個用いた容量回路を構成することで、容量回路の静電容量を幾通りかの値で変化させられる。

次に、可変容量素子２の静電容量Ｃを最大値（最大静電容量ＣＬ）に保持する間、駆動回路６１によって印加する駆動電圧Ｖ１、および駆動回路６２によって印加する駆動電圧Ｖ２の例について、３パターン説明する。
〔第一の印加例〕
図１２は、駆動電圧Ｖ１、駆動電圧Ｖ２、および静電容量Ｃの時系列変化の例を示す図、図１３は電荷がチャージされた状態での駆動電圧Ｖ１と静電容量ＣＡａとの関係（Ｃ−Ｖ特性）の例を示す図、図１４は電荷がチャージされた状態の例を示す図である。

第一の印加例では、可変容量素子２の静電容量Ｃを最大静電容量ＣＬに保持する間、互いに極性の異なる一定の駆動電圧Ｖ１と駆動電圧Ｖ２とを、それぞれ第一固定電極２３ａ〜２３ｃ、第二固定電極２４ａ〜２４ｃに印加する。すなわち、図１２に示すように、駆動電圧Ｖ１を一定の正電圧ＶＯＮ１とし、駆動電圧Ｖ２を一定の負電圧ＶＯＮ２とする。または、駆動電圧Ｖ１を一定の負電圧ＶＯＮ２とし、駆動電圧Ｖ２を一定の正電圧ＶＯＮ１とする。

正電圧ＶＯＮ１および負電圧ＶＯＮ２は、双方を印加することにより可動電極２６が誘電体層中央部２５Ｃを介して固定電極中央部２３４Ｃに接触した状態となる値である。または、双方を印加することにより可動電極２６が誘電体層中央部２５Ｃを介して固定電極中央部２３４Ｃに接触した状態となるように、可動電極２６のばね定数を調整する。正電圧ＶＯＮ１および負電圧ＶＯＮ２は、基本的には互いに絶対値が同一の値であるが、絶対値が異なる値であってもよい。

このようにして駆動電圧Ｖ１および駆動電圧Ｖ２を印加することで、図１２に示すように、可変容量素子２の静電容量Ｃは最大静電容量ＣＬで一定に保持される。

駆動電圧Ｖ１および駆動電圧Ｖ２を印加することを続けていると、やがて誘電体層２５ａ〜２５ｆ中に正または負の電荷がチャージされてくる。第一固定電極２３ａ〜２３ｃと第二固定電極２４ａ〜２４ｃとには、それぞれ互いに極性の異なる駆動電圧が印加されている。そのため、誘電体層２５ａ〜２５ｃ中と誘電体層２５ｄ〜２５ｆ中とには、それぞれ互いに極性の異なる電荷がチャージされる。例えば、誘電体層２５ａ〜２５ｃ中に正の電荷がチャージされ、誘電体層２５ｄ〜２５ｆ中に負の電荷がチャージされることがある。逆に、誘電体層２５ａ〜２５ｃ中に負の電荷がチャージされ、誘電体層２５ｄ〜２５ｆ中に正の電荷がチャージされることもある。

ここで、可動電極２６と第一固定電極２３ａ、２３ｂとの間の静電容量ＣＡａに着目した場合、駆動電圧Ｖ１と静電容量ＣＡａとの関係（Ｃ−Ｖ特性）は、電荷がチャージされていない状態とは異なる特性を示す。例えば、誘電体層２５ａ、２５ｂ中に正の電荷がチャージされた状態では、図１３（ａ）に示すように、電荷がチャージされていない状態と比べて、Ｃ−Ｖ特性が負の駆動電圧Ｖ１側へシフトする。また、誘電体層２５ａ、２５ｂ中に負の電荷がチャージされた状態では、図１３（ｂ）に示すように、電荷がチャージされていない状態と比べて、Ｃ−Ｖ特性が正の駆動電圧Ｖ１側へシフトする。可動電極２６と第二固定電極２４ａ、２４ｂとの間の静電容量ＣＢａに着目した場合の、駆動電圧Ｖ２と静電容量ＣＢａとの関係についても同様である。

ところが、誘電体層２５ａ〜２５ｃ中と誘電体層２５ｄ〜２５ｆ中とには、それぞれ互いに極性の異なる電荷がチャージされることから、静電容量ＣＡａについてのＣ−Ｖ特性のシフト方向と、静電容量ＣＢａについてのＣ−Ｖ特性のシフト方向とは、互いに逆方向となる。その結果、それらのシフトが互いに相殺し合うことにより、可変容量素子２全体では、Ｃ−Ｖ特性のシフトは起こらないか起こってもごくわずかである。

いずれにせよ、図１４に示すように、誘電体層２５ａ、２５ｂ、２５ｄ、２５ｅが占める領域である誘電体層中央部２５Ｃにチャージされる電荷は、正または負の一方の極性に全体として偏ることがない。そのため、可動電極２６の動きに影響を与えることがないか与えてもごくわずかである。その結果、誘電体層２５ａ〜２５ｆ中に電荷がチャージされることに伴う可変容量素子２のＣ−Ｖ特性のシフトは起こらないか起こってもごくわずかである。

よって、第一の印加例によれば、駆動電圧の極性を切り替えることなく、可変容量素子２のＣ−Ｖ特性の変化（シフト）を抑制することができる。その結果、可変容量素子２を長期間安定して動作させることができる。
〔第二の印加例〕
図１５は、駆動電圧Ｖ１、駆動電圧Ｖ２、および静電容量Ｃの時系列変化の例を示す図である。

第一の印加例によれば、可変容量素子２のＣ−Ｖ特性の変化（シフト）は抑制されるが、誘電体層２５ａ〜２５ｆ中に電荷がチャージされる問題が残る。第二の印加例は、その点を改善した例である。

第二の印加例では、可変容量素子２の静電容量Ｃを最大静電容量ＣＬに保持する間、極性が所定の周期で反転する矩形波状の駆動電圧Ｖ１と駆動電圧Ｖ２とを、それぞれ第一固定電極２３ａ〜２３ｃ、第二固定電極２４ａ〜２４ｃに印加する。ただし、駆動電圧Ｖ１の極性と駆動電圧Ｖ２の極性とは、常時互いに異なるようにする。そのため、駆動電圧Ｖ１および駆動電圧Ｖ２の極性の切替えは、同時にかつ互いに異なる極性に切り替える。すなわち、図１５に示すように、駆動電圧Ｖ１を正電圧ＶＯＮ１から負電圧ＶＯＮ２に切り替えると同時に、駆動電圧Ｖ２を負電圧ＶＯＮ２から正電圧ＶＯＮ１に切り替える。また、駆動電圧Ｖ１を負電圧ＶＯＮ２から正電圧ＶＯＮ１に切り替えると同時に、駆動電圧Ｖ２を正電圧ＶＯＮ１から負電圧ＶＯＮ２に切り替える。つまり、駆動電圧Ｖ１および駆動電圧Ｖ２は、それぞれ、互いに異なる極性に反転することを繰り返す交流電圧となる。

正電圧ＶＯＮ１および負電圧ＶＯＮ２は、双方を印加することにより可動電極２６が誘電体層中央部２５Ｃを介して固定電極中央部２３４Ｃに接触した状態となる値である。または、双方を印加することにより可動電極２６が誘電体層中央部２５Ｃを介して固定電極中央部２３４Ｃに接触した状態となるように、可動電極２６のばね定数を調整する。正電圧ＶＯＮ１および負電圧ＶＯＮ２は、基本的には互いに絶対値が同一の値であるが、絶対値が異なる値であってもよい。

駆動電圧Ｖ１および駆動電圧Ｖ２の極性の切替えは、基本的には所定の周期で行うが、ランダムなタイミングで行ってもよい。所定の周期は、例えば、長い場合で数十時間、短い場合で数ミリ秒である。ただし、可動電極２６が変位するのに要する時間より長く設定される。

このようにして駆動電圧Ｖ１および駆動電圧Ｖ２を印加することで、図１５に示すように、可変容量素子２の静電容量Ｃは、最大静電容量ＣＬでほぼ一定に保持される。

しかしながら、駆動電圧Ｖ１および駆動電圧Ｖ２の極性の切替え時に静電容量Ｃが最大静電容量ＣＬより若干落ちてしまう。つまり、極性の切替え時に静電容量Ｃの容量変動が起こる。また、極性の切替え時にノイズが発生することがある。

そこで、駆動電圧Ｖ１および駆動電圧Ｖ２の極性の切替えは、それに伴う静電容量Ｃの容量変動またはノイズの発生などが機器の動作に影響を及ぼさないタイミングに合わせて行う。極性の切替えの周期が短いほど、誘電体層２５ａ〜２５ｆ中に電荷がチャージされにくくなる点で好ましい。ただし、たとえ電荷がチャージされたとしても、第一の印加例の場合と同様の理由から、可変容量素子２のＣ−Ｖ特性のシフトは抑制される。そのため、必ずしも短い周期で切り替えなければならないというわけではなく、任意のタイミングで切り替えればよい。

よって、第二の印加例によれば、駆動電圧の極性を切り替えるタイミングを限定されることなく、可変容量素子２のＣ−Ｖ特性の変化（シフト）を抑制することができる。しかも、誘電体層２５ａ〜２５ｆ中に電荷がチャージされにくい。その結果、第一の印加例の場合よりもさらに、可変容量素子２を長期間安定して動作させることができる。
〔第三の印加例〕
図１６は、駆動電圧Ｖ１、駆動電圧Ｖ２、および静電容量Ｃの時系列変化の例を示す図である。

第二の印加例によれば、誘電体層２５ａ〜２５ｆ中に電荷がチャージされにくくなるが、駆動電圧の極性の切替え時に静電容量Ｃの容量変動が起こる問題が残る。第三の印加例は、その点を改善した例である。

第三の印加例では、第二の印加例の場合と同様に、駆動電圧Ｖ１および駆動電圧Ｖ２について、それぞれ互いに異なる極性に切り替える。ただし、駆動電圧Ｖ１および駆動電圧Ｖ２の極性の切替えは、所定の時間ずらして行う。すなわち、図１６に示すように、駆動電圧Ｖ１を正電圧ＶＯＮ１から負電圧ＶＯＮ２に切り替えてから所定の時間Δｔ経過後に、駆動電圧Ｖ２を負電圧ＶＯＮ２から正電圧ＶＯＮ１に切り替える。また、駆動電圧Ｖ１を負電圧ＶＯＮ２から正電圧ＶＯＮ１に切り替えてから所定の時間Δｔ経過後に、駆動電圧Ｖ２を正電圧ＶＯＮ１から負電圧ＶＯＮ２に切り替える。所定の時間は、例えば、数ミリ秒である。つまり、駆動電圧Ｖ１および駆動電圧Ｖ２は、それぞれ、所定の時間ずれたタイミングで互いに異なる極性に反転することを繰り返す交流電圧となる。

正電圧ＶＯＮ１および負電圧ＶＯＮ２は、どちらか一方でも印加することにより、可動電極２６が誘電体層中央部２５Ｃを介して固定電極中央部２３４Ｃに接触した状態となる値である。または、どちらか一方でも印加することにより、可動電極２６が誘電体層中央部２５Ｃを介して固定電極中央部２３４Ｃに接触した状態となるように、可動電極２６のばね定数を調整する。

駆動電圧Ｖ１および駆動電圧Ｖ２についてのそのほかの条件については、第二の印加例の場合と同様である。

このようにして駆動電圧Ｖ１および駆動電圧Ｖ２を印加することで、図１６に示すように、可変容量素子２の静電容量Ｃは、容量変動が起こることなく、最大静電容量ＣＬで一定に保持される。

ノイズの発生などを考慮して駆動電圧Ｖ１および駆動電圧Ｖ２の極性の切替えの周期を長くすると、誘電体層２５ａ〜２５ｆ中に電荷がチャージされやすくなるが、たとえ電荷がチャージされたとしても、第一の印加例および第二の印加例の場合と同様の理由から、可変容量素子２のＣ−Ｖ特性のシフトは抑制される。そのため、必ずしも短い周期で切り替えなければならないというわけではなく、任意のタイミングで切り替えればよい。

よって、第三の印加例によれば、駆動電圧の極性を切り替えるタイミングを限定されることなく、可変容量素子２のＣ−Ｖ特性の変化（シフト）を抑制することができる。しかも、誘電体層２５ａ〜２５ｆ中に電荷がチャージされにくく、かつ、駆動電圧の極性の切替え時に静電容量Ｃの容量変動が起こることもない。その結果、第一の印加例および第二の印加例の場合よりもさらに、可変容量素子２を長期間安定して動作させることができる。
〔第二の実施形態〕
図１７は本発明の第二の実施形態における可変容量デバイス３の構成の例を示す平面図、図１８はその断面図である。

以下、可変容量デバイス３について、可変容量デバイス１と相違する点を中心に説明する。可変容量デバイス１と重複する点については、説明を省略する場合がある。

図１７に示すように、可変容量デバイス３は、可変容量素子４のほかに、ＲＦブロック６０ａ〜６０ｃ、駆動回路６１、および駆動回路６２などによって構成されている。可変容量素子４は、ガラスまたはシリコンなどからなる基板４０上に、固定電極４１、第一引出電極４２、第二引出電極４３、接続層４４、第一可動電極４５ａ、４５ｂ、および第二可動電極４６ａ、４６ｂなどが形成されて構成されている。さらに、第一固定容量層４８、第二固定容量層４９、およびグランド電極５０ａ、５０ｂなどが形成されて構成されている。なお、誘電体層４７ａ〜４７ｆについては、図が煩雑になるのを避けるため、図１７には図示していない。

第一の実施形態における可変容量素子２には、第一固定電極２３ａ〜２３ｃおよび第二固定電極２４ａ〜２４ｃの２つの固定電極と、１つの可動電極２６とが設けられていた。第二の実施形態における可変容量素子４には、１つの固定電極４１と、第一可動電極４５ａ、４５ｂおよび第二可動電極４６ａ、４６ｂの２つの可動電極とが設けられている。

可変容量素子４を構成する各部材は、対応する可変容量素子２を構成する各部材の材料と同様の材料からなる。また、ＲＦブロック６０ａ〜６０ｃ、駆動回路６１、および駆動回路６２の機能は、可変容量デバイス１の場合と同様である。

固定電極４１は、駆動回路６１および駆動回路６２などの電源のグランドに接続可能となっている。本実施形態では、ＲＦブロック６０ａを介して電源のグランドに接続されている。固定電極４１の一方の端部から他方の端部にかけては、ＲＦ信号を通過させられるようになっている。つまり、固定電極４１は、可変容量素子４の電極板として機能するほかに、ＲＦ信号の信号線路としても機能する。

第一引出電極４２は、可変容量素子２を構成する第一引出電極２１と同様の形状からなり、櫛形状部４２ａと矩形状部４２ｂとを備えるように形成されている。また、第二引出電極４３は、可変容量素子２を構成する第二引出電極２２と同様の形状からなり、櫛形状部４３ａと矩形状部４３ｂとを備えるように形成されている。第一引出電極４２および第二引出電極４３は、それぞれ駆動電圧を印加するための駆動回路に接続可能となっている。本実施形態では、第一引出電極４２は、ＲＦブロック６０ｂを介して駆動回路６１に接続されている。また、第二引出電極４３は、ＲＦブロック６０ｃを介して駆動回路６２に接続されている。

第一引出電極４２と第二引出電極４３との隙間には、酸化シリコン（ＳｉＯ２）またはアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）などの絶縁性材料からなる接続層４４が形成されている。つまり、接続層４４によって、第一引出電極４２と第二引出電極４３とは一体化する。

以下、第一引出電極４２と第二引出電極４３とが一体化してなる部材を引出電極部４２３と呼称することがある。

図１８をも参照して、第一可動電極４５ａ、４５ｂは、櫛形状部４２ａの各櫛歯部分の下面に形成されている。また、第二可動電極４６ａ、４６ｂは、櫛形状部４３ａの各櫛歯部分の下面に形成されている。ただし、第一可動電極４５ａ、４５ｂの全部または一部が、第一引出電極４２と一体的に形成されていてもよい。同様に、第二可動電極４６ａ、４６ｂの全部または一部が、第二引出電極４３と一体的に形成されていてもよい。

以下、第一可動電極４５ａ、４５ｂ、および第二可動電極４６ａ、４６ｂが占める領域を可動電極部４５６Ｃと呼称することがある。

第一可動電極４５ａ、４５ｂの下面には、それぞれ誘電体層４７ａ、４７ｂが形成されている。また、第二可動電極４６ａ、４６ｂの下面にも、それぞれ誘電体層４７ｃ、４７ｄが形成されている。

以下、誘電体層４７ａ〜４７ｄが占める領域を誘電体層中央部４７Ｃと呼称することがある。

引出電極部４２３は、可動電極部４５６Ｃが、誘電体層中央部４７Ｃを挟んで、固定電極４１の中央部の上面と対向してそれに架橋するようにブリッジ状に形成されている。

引出電極部４２３の架橋方向の一方の端部の下面には、第一固定容量層４８が形成されている。また、他方の端部の下面には、第二固定容量層４９が形成されている。引出電極部４２３は第一固定容量層４８および第二固定容量層４９によって支持されており、誘電体層中央部４７Ｃと固定電極４１との間には空隙が設けられている。

第一可動電極４５ａ、４５ｂと固定電極４１との間に電位差が生じると、両電極間に生じる静電引力によって引出電極部４２３が固定電極４１の側へ引き寄せられる。同様に、第二可動電極４６ａ、４６ｂと固定電極４１との間に電位差が生じると、静電引力によって引出電極部４２３が固定電極４１の側へ引き寄せられる。双方を合わせた静電引力がある値以上になると、引出電極部４２３が誘電体層中央部４７Ｃなどを介して固定電極４１の中央部に接触した状態となる。このように、引出電極部４２３は、ばね部材としても作用する。引出電極部４２３のばね定数は、引出電極部４２３を構成する各部材の材質または寸法を変更したり、第一固定容量層４８および第二固定容量層４９の材質または寸法を変更したりすることにより、調整可能となっている。

第一固定容量層４８および第二固定容量層４９の下面には、それぞれ誘電体層４７ｅ、４７ｆが形成されている。

誘電体層４７ｅ、４７ｆの下面には、それぞれグランド電極５０ａ、５０ｂが形成されている。誘電体層中央部４７Ｃと固定電極４１との間の場合と異なり、誘電体層４７ｅとグランド電極５０ａとの間、および誘電体層４７ｆとグランド電極５０ｂとの間に空隙は設けられていない。グランド電極５０ａ、５０ｂは、ＲＦ信号のグランドに接続可能となっている。

可変容量素子４についても可変容量素子２の場合と同様に、駆動回路６１によって印加する駆動電圧Ｖ１および駆動回路６２によって印加する駆動電圧Ｖ２を調整することで、その静電容量を所望の２つの値で変化させられる。また、可変容量素子４の静電容量Ｃを最大値（最大静電容量ＣＬ）に保持する間、第一〜第三の印加例に基づいて駆動電圧Ｖ１および駆動電圧Ｖ２を印加することで、可変容量素子４を安定して動作させることができる。

上述の実施形態において、可変容量デバイス１、可変容量素子２、可変容量デバイス３、および可変容量素子４の全体または一部の構造、形状、材料、および適用などは、本発明の主旨に沿って適宜変更可能である。駆動電圧Ｖ１および駆動電圧Ｖ２の印加例についても、本発明の主旨に沿って適宜変更可能である。例えば、上述の実施形態では、可変容量素子２および可変容量素子４の静電容量を所望の容量に調整しやすくするために、それらに固定容量層が設けられていたが、固定容量層を設けなくても所望の容量に調整可能であれば、必ずしも設ける必要はない。また、上述の実施形態では、固定電極と可動電極との接触による短絡を防止するための誘電体層が、可変容量素子２については固定電極側に、可変容量素子４については可変電極側に設けられていたが、それぞれ逆側に設けられていてもよい。

１ 可変容量デバイス
２ 可変容量素子
３ 可変容量デバイス
４ 可変容量素子
２１ 第一引出電極（第１の配線部）
２２ 第二引出電極（第２の配線部）
２３ａ、２３ｂ 第一固定電極（第１の固定電極）
２４ａ、２４ｂ 第二固定電極（第２の固定電極）
２５ａ、２５ｂ、２５ｄ、２５ｅ 誘電体層
２６ 可動電極
４１ 固定電極
４２ 第一引出電極（第１の配線部）
４３ 第二引出電極（第２の配線部）
４５ａ、４５ｂ 第一可動電極（第１の可動電極）
４６ａ、４６ｂ 第二可動電極（第２の可動電極）
４７ａ、４７ｂ、４７ｃ、４７ｄ 誘電体層
６１ 駆動回路（第１の駆動部）
６２ 駆動回路（第２の駆動部）
Ｖ１ 駆動電圧（第１の駆動電圧）
Ｖ２ 駆動電圧（第２の駆動電圧）

Claims (4)

1. 互いに絶縁された第１の固定電極および第２の固定電極と、
   前記第１の固定電極および前記第２の固定電極に対向する可動電極と、
   前記第１の固定電極および前記第２の固定電極と前記可動電極との間に設けられる誘電体層と、
   前記第１の固定電極に前記可動電極を基準とする第１の駆動電圧を印加するための第１の配線部と、
   前記第２の固定電極に前記可動電極を基準としかつ前記第１の駆動電圧とは極性が異なる第２の駆動電圧を印加するための第２の配線部と、
   を有する可変容量素子、および、
   前記第１の配線部を介して前記第１の固定電極に前記第１の駆動電圧を印加するための第１の駆動部、並びに、
   前記第２の配線部を介して前記第２の固定電極に前記第２の駆動電圧を印加するための第２の駆動部、を有し、
   前記第１の駆動電圧および前記第２の駆動電圧は、互いに異なる極性に反転することを繰り返す矩形波状の電圧であり、かつ、前記第１の駆動電圧の極性が反転するタイミングと前記第２の駆動電圧の極性が反転するタイミングとがずれている、
   可変容量デバイス。
2. 互いに絶縁され一体化された第１の可動電極および第２の可動電極と、
   前記第１の可動電極および前記第２の可動電極に対向する固定電極と、
   前記第１の可動電極および前記第２の可動電極と前記固定電極との間に設けられる誘電体層と、
   前記第１の可動電極に前記固定電極を基準とする第１の駆動電圧を印加するための第１の配線部と、
   前記第２の可動電極に前記固定電極を基準としかつ前記第１の駆動電圧とは極性が異なる第２の駆動電圧を印加するための第２の配線部と、
   を有する可変容量素子、および、
   前記第１の配線部を介して前記第１の可動電極に前記第１の駆動電圧を印加するための第１の駆動部、並びに、
   前記第２の配線部を介して前記第２の可動電極に前記第２の駆動電圧を印加するための第２の駆動部、を有し、
   前記第１の駆動電圧および前記第２の駆動電圧は、互いに異なる極性に反転することを繰り返す矩形波状の電圧であり、かつ、前記第１の駆動電圧の極性が反転するタイミングと前記第２の駆動電圧の極性が反転するタイミングとがずれている、
   可変容量デバイス。
3. 互いに絶縁された第１の固定電極および第２の固定電極と、当該第１の固定電極および当該第２の固定電極に対向する可動電極と、当該第１の固定電極および当該第２の固定電極と当該可動電極との間に設けられる誘電体層とを有する可変容量素子の駆動方法であって、
   前記第１の固定電極に前記可動電極を基準とする第１の駆動電圧を印加し、
   前記第２の固定電極に前記可動電極を基準としかつ前記第１の駆動電圧とは極性が異なる第２の駆動電圧を印加し、
   前記第１の駆動電圧および前記第２の駆動電圧として、互いに異なる極性に反転することを繰り返す矩形波状の電圧を印加し、かつ、前記第１の駆動電圧の極性が反転するタイミングと前記第２の駆動電圧の極性が反転するタイミングとをずらす、
   可変容量素子の駆動方法。
4. 互いに絶縁され一体化された第１の可動電極および第２の可動電極と、当該第１の可動電極および当該第２の可動電極に対向する固定電極と、当該第１の可動電極および当該第２の可動電極と当該固定電極との間に設けられる誘電体層とを有する可変容量素子の駆動方法であって、
   前記第１の可動電極に前記固定電極を基準とする第１の駆動電圧を印加し、
   前記第２の可動電極に前記固定電極を基準としかつ前記第１の駆動電圧とは極性が異なる第２の駆動電圧を印加し、
   前記第１の駆動電圧および前記第２の駆動電圧として、互いに異なる極性に反転することを繰り返す矩形波状の電圧を印加し、かつ、前記第１の駆動電圧の極性が反転するタイミングと前記第２の駆動電圧の極性が反転するタイミングとをずらす、
   可変容量素子の駆動方法。

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