JP4933016B2 - 可変容量キャパシタ - Google Patents

Description

【０００１】
（発明の技術分野）
本発明は、請求項１の前提部に記載の可変容量アセンブリに関し、また、このアセンブリを適用して予め判断しうる容量を設定する方法に関する。
【０００２】
本発明の適用分野は高周波技術の領域に属するものであり、特に、通信技術の適用範囲内である。この分野において、高い品質の高周波容量レベルが達成される要求が高まっている。現在まで、半導体部品、いわゆるバラクタ（varactors）は、この目的のために使用されているが、これらは最大２０〜４０のＱ係数レベルである。しかし、特に移動電話方式又は携帯電話において適用するためには、少なくとも１００のＱ係数が望ましい。現在、共振回路中のこれらの高いＱ係数は、マイクロメカニカルキャパシタ（micro-mechanical capacitors）を使用することによってのみ達成することができる。
【０００３】
（従来技術 ）
マイクロエンジニアリング手段によって製造されたキャパシタは、異なる容量レベルを設定するために２つのキャパシタ板の距離、あるいは重ね合わせ又は遮蔽の程度を変化させることができる機械的移動素子である。しかし、このような移動素子が使用される場合、外部の加速に対して部品の反応を完全に防止することはできない。０．８〜２ＧＨｚの周波数である高周波数範囲内において、特に意図された低い減衰レベルで携帯電話に採用される付加部のために、主に金属材料は移動素子の基礎材料として使用される。金属材料の特有の密度はシリコンの密度よりも明らかに高いため、例えば移動素子の質量はこれらの材料によって付加的に増加する。移動素子の低駆動電圧レベル及びそれにより得られる低駆動力に対して、数十μｍの望ましい位置決め距離と組み合わせて、比較的緩やかな懸垂システムが必要となる。
【０００４】
一方、移動機器に適用するための設定可能なキャパシタは、外部からの熱影響又は機械的影響が容量のドリフトを導かないように、可能な限り安定している必要がある。特に加速に対するこの抵抗は、既知のマイクロメカニカルアセンブリの上述の特徴では達成されることができない。
【０００５】
このため本発明は、外部からの影響の耐性に対して設定された各容量の高い安定性を確保する可変容量アセンブリ（assembly）及びこのアセンブリの動作方法を提供する課題に基づくものである。
【０００６】
（発明の開示 ）
課題は、本発明にかかる請求項１のアセンブリ及び請求項１８の方法によって解決される。アセンブリ及び方法の実施形態は、従属請求項の内容となっている。
【０００７】
本発明のアセンブリにおいて、容量(capacitance)を可変にすることは、少なくとも１つの第１の導電性領域と、１つの第２の導電性領域との領域間の有効範囲を可変にし、又は領域間の距離を可変にする構成によるものである。本特許出願の内容において「有効領域(coverage)」という用語は、アセンブリの基板表面に対してほぼ直交又は平行する視野方向において示される２つの領域の少なくとも部分的な相互の重ね合わせ又はかぶさりを意味する。
【０００８】
第１の導電性領域は基板上又は内部に形成され、一方、第２の導電性領域は第１のマイクロメカニカルアクチュエータの作動素子上又は内部に形成される。両領域は、平面層又は板状要素によって構成されることが好ましく、容量が設定される場合は互いにほぼ平行である。しかしながら、これはアセンブリの機能のために要求される絶対条件ではない。
【０００９】
第１のマイクロメカニカルアクチュエータは、第１の領域に対して異なる位置で第２の領域と共に基板表面に沿って作動素子を動かすことができるように、基板上に構成され、配置されており、その領域では、第２の領域が第１の領域に少なくとも部分的に重なり合う。第１の領域は、基板表面の内部又は下部に、基板表面の下部と平行に配置されるのが好ましいが、基板表面に直交する方向に別構造の形状で延出した構成でもよい。
【００１０】
このため、作動素子がとりうる異なる位置において、異なる距離及び／又は異なる重ね合わせ又は有効範囲の程度は、第１の領域及び第２の領域の間で効果的に実現され、異なる容量レベルを生じさせる。更に本発明に従って、保持手段は基板上に提供されており、この保持手段は、異なる位置において基板又は基板上のメカニカルストップの方向に作動素子を引く、又は押すことができ、その位置で作動素子を保持することができる。本発明のアセンブリのこの保持機能は、設定される各位置の変化と、そこで作用する外部からの影響が生じた場合に設定される容量レベルの変化とを防止する。
【００１１】
基板又は第１の領域に関する作動素子の固定は、それぞれ、静電保持力と、作動素子に純粋に機械的な作用を生じさせる更なる保持素子とによって確実に行なわれる。
【００１２】
ここで、静電保持機能を実現するための保持手段は、作動素子上又は内部、及び基板上又は内部に形成され、設定されるべき異なる位置において互いに対向する更なる導電性領域の構造によって、非常に簡単な方法で達成でき、これにより、作動素子は、更なる導電性領域間の差動電圧を印加することによって基板表面の方へ引かれる。実際には、絶縁層は作動素子又は基板上の付加的な導電性領域を覆って構成されなければならず、又は各領域はスペーサ又はストップによって、基板又は作動素子上で短絡を回避するために距離をおいて保持される。これは、可変容量を形成する第１の導電性領域及び第２の導電性領域にも適用される。またこれらの領域は、保持位置が実現される場合、互いに直接接続できない。
【００１３】
また保持手段は、サーモメカニカルマイクロアクチュエータによって実現されてもよい。このマイクロアクチュエータは、熱励起に応じて、基板表面上でほぼ直交する方向に撓み、第２の部分が撓んだ状態にある場合は、設定されるべき又は設定されることができる異なる位置において、第１のマイクロメカニカルアクチュエータの作動素子の第１の部分がサーモメカニカルマイクロアクチュエータの第２の部分の下方位置に到達するように、第１のマイクロメカニカルアクチュエータに対して構成され、配置される。サーモメカニカルマイクロアクチュエータがオフにされると、第１のサーモメカニカルマイクロアクチュエータの作動素子はサーモメカニカルマイクロアクチュエータの第１の部分と基板との間で締め付けられる。この締め付け効果によって保持機能を適切に実現することができ、これにより保持機能が作用している間のエネルギー供給が不要になる。この保持位置を解放するために、熱機械アクチュエータはそれぞれ拡張又は湾曲するように順番に加熱され、これにより第１のサーモメカニカルマイクロアクチュエータを再度解放する。
【００１４】
更に、互いに重なる２つのアクチュエータの各部分は、各保持位置において相互係合又は相互接合を可能とする構造であってもよい。これにより、特に安定した保持位置が確保される。
【００１５】
第１のマイクロメカニカルアクチュエータは、例えば静電アクチュエータ又はサーモメカニカルマイクロアクチュエータとして構成されてもよい。もちろん、他の駆動原理で動作するマイクロアクチュエータを同様に採用できることは妥当である。しかし、静電マイクロアクチュエータは、そのエネルギー消費が低いことにより、携帯電話のようなネットワーク依存の装置において適用するのに特に適している。更に、静電動作は１００μｍの範囲において高速切換えを実行できる。
【００１６】
適切なマイクロメカニカルアクチュエータの構造は当業者にとって一般的であり、本発明のアセンブリにおける適用に好適である。マイクロ構造技術の一般的な方法は、このようなマイクロアクチュエータ及び本発明のアセンブリの製造に適用できる。可変キャパシタの製造に関して、ポリシリコンに基づいて又は本来の機械部品を実現するための方法で動作するこれらの方法が特に問題となる。両製造技術は、表面マイクロメカニックスの分野の一部である。
【００１７】
本発明のアセンブリの動作中、第１のマイクロメカニカルアクチュエータは考慮された方法で撓み、望ましい位置又は容量がそれぞれ達成された場合、保持手段はこの位置を維持するように制御される。作動素子の実際の各位置は、基板上の好適な基準容量（すなわち、それぞれの微分容量）を測定することによって実現されるのが好ましい。この撓んだ状態における基準容量の測定により、非常に高い解像度又は非常に正確な可変容量の設定が可能となる。基準容量は、本来の可変容量（高周波容量）に隣接してもよい付加的な小型キャパシタによって構成することができる。これらの付加的キャパシタは、位置検出センサとして採用してもよい。しかし、少なくともアセンブリの好ましい実施形態において保持機能が第１の導電性領域と第２の導電性領域との間の距離を再度変化させるため、実際のターゲット容量は、保持機能が作用する場合にのみ到達される。このため、閉ループ構成における本発明のアセンブリの動作中、単数又は複数のそれぞれ付加的な基準キャパシタを統合することによって、アセンブリの望ましい容量を非常に正確に設定することができる。
【００１８】
適切な動作モードにおいて、第１のマイクロメカニカルアクチュエータは、その固有振動数で周期的に制御される。この制御は、特にこのアクチュエータが静電方式で駆動された場合に、簡単な方法で実現されることができる。望ましい容量値が維持されるように、第２の導電性領域は周期的に第１の導電性領域の上方を移動し、望ましい位置に到達すると、保持手段を制御することによって固定される。周期的な制御によって、作動素子の幅広い偏向が比較的低い駆動電圧によって達成される。更に、このアセンブリの動作モードの変形例において、上述の閉ループアセンブリは位置を判断するために採用されるのが好ましい。
【００１９】
本発明のアセンブリの動作範囲は、いくつかの付加的な切換え可能なキャパシタが基板上に配置されることを条件として拡張できる。これらの切換え可能な相補的キャパシタは、例えば、可変容量の好適な高周波スイッチを介して付加的に接続されることができる不変のキャパシタによって構成される。また付加的な切換え可能な別の容量素子は、一対の構成のキャパシタにおいて実現することができる。このようなキャパシタネットワークと本来の可変容量との組み合わせによって、幅広い容量レベルが設定できる。
【００２０】
他の実施形態において、本発明のアセンブリのうちのいくつかは、可変容量素子が平行に接続する基板上に配置される。
【００２１】
本発明のアセンブリ及びその方法は、以下、図面を参照して実施形態により再度例示的に説明されるが、一般的な発明の概念を制限するものではない。
【００２２】
（発明を実施するための形態 ）
図１は、本発明にかかるアセンブリの第１実施形態を示す図である。本実施形態において、静電動作するアクチュエータは容量を変化させ、保持機能を実現するために使用される。第１のマイクロメカニカルアクチュエータ２（以下、水平アクチュエータ）は、基板１の表面と平行な作動素子３のストロークを形成する。この水平アクチュエータ２によって、第１の導電性領域４と第２の導電性領域５との重ね合わせ又は領域間の有効範囲の設定が達成され、容量が形成される。ここで、第１の導電性領域４は、基板１の表面の絶縁層１２上に配置される。第２の導電性領域５は、作動素子３の下方に形成される。
【００２３】
保持機能は、基板１の表面又は作動素子３の下方でそれぞれ相互に対向する２つの導電性領域１０、１１によって形成される第２のマイクロメカニカルアクチュエータによって達成される。以下、垂直アクチュエータとして参照されるこの保持手段は、通常の位置に到達した後、作動素子３を基板１上に引き下ろし、第１の領域４に関して、作動素子３又は第２の領域５の位置をそれぞれ固定する。垂直アクチュエータ及び水平アクチュエータの移動方向は、図中の矢印によってその概略が示される。第１の作動素子３は、不図示である、基板上のストップ構造と対応して垂直アクチュエータ６によって基板１に引き付けられる。これらの絶縁支持部は、２つの導電性領域４、５によって形成された可変容量の電気的短絡を防止する。
【００２４】
図２は、図１に示されるような本発明にかかるアセンブリの３次元図を示す。図２においても、第１の導電性領域４を有する基板１が再度示され、この基板１上では好適な作動素子３を有する水平アクチュエータ２が配置される。ここで作動素子３は、第２の導電性領域として先端に設けられる板状要素５を搬送する梁状要素によって形成される。この第２の領域５と離間して、基板１上に位置する導電性領域１０と協働する導電性領域１１は提供され、垂直アクチュエータ６を構成する。第１のアクチュエータ２の水平静電駆動は、櫛形構成で配置される平行平板を有するキャパシタ８を介して実現される。それにより、２つの矢印で示されるｙ軸に沿った移動が達成される。静電駆動システムによって可能な最大の水平ストロークを達成するために、この例の作動素子３は、ほぼ５から６の係数によって達成できるストロークを増加させる機械的変換器を備える。この変換は、ｙ方向に沿った移動をｘ方向に沿った移動に変換する２つの曲げ継手９によって達成され、同時に増幅される。得られたｘ方向に沿った移動は、矢印によって同様に示される。この機械的変換により、１２Ｖより低い静電駆動電圧において、２０〜３０μｍのストロークが達成できる。
【００２５】
アクチュエータ２、６に導く、可変キャパシタ４、５のリード７は、それぞれ概略的に図示される。
【００２６】
図３は、本発明にかかるアセンブリの構成の第２実施形態を示す図である。この例において、アクチュエータは水平湾曲を実現するためだけでなく、保持機能を実行するためにも採用される。第１の導電性領域４を有する基板１は、図３において再度示される。更に、水平サーモメカニカルマイクロアクチュエータ２及び垂直サーモメカニカルマイクロアクチュエータ６は基板上に示される。第１のサーモメカニカルマイクロアクチュエータ２は、高周波キャパシタの上部の板５を基板１の上方で水平方向に移動させる。重なり合う２つのキャパシタ板４、５によって、異なる容量レベルを設定できる。ここで水平アクチュエータ２は、高さが幅よりも大きい曲げ素子３の配置を構成する。曲げ素子３の下部で一体化されたヒータによって加熱されると、アクチュエータ全体又は曲げ素子全体は基板表面と平行に移動する。板状の第２の導電性領域５は、移動方向に延出する更なる板状の片持ち型アーム１４の下部の作動素子３上に配置される。
【００２７】
垂直アクチュエータ５は、幅が厚さよりもかなり大きく、基板１の両端で締付けられる板状要素を構成する。この構成によって、板は加熱されると基板１の表面上で直交する方向に曲がる。加熱は、板に一体化された熱導体又は加熱層を介して流れる電流によって行なわれる。
【００２８】
規定されたオン／オフ切換え手順が２つのアクチュエータ２、６に対して実行される場合、垂直アクチュエータ６が低下する移動によって水平アクチュエータ２をその位置に保持することができる。それにより、２つのキャパシタ面４、５の有効領域の必要とされる程度が調整されるように、望ましい容量値を設定するために水平アクチュエータ２は励起され、規定された位置に配置される。この撓みにより、水平アクチュエータの片持ち型アーム１４は、垂直アクチュエータ６の片持ち型アーム１５の下部に位置するまで押される。垂直アクチュエータ６は、この時点まで同様に撓んだ状態の位置になければならない。垂直アクチュエータ６がオフにされると、水平アクチュエータ２の片持ち型アーム１４上まで下がり、基板又は基板上の好適な支持域１３上で締め付ける。支持域１３は、図３の拡大図の左上部分に示される。この機械的な締め付け作用を適用することにより、サーモメカニカルアクチュエータで高いエネルギーが要求されるという不利な点が解消される。このアセンブリにおいて、電気エネルギーは比較的短い切換え時にのみ供給されればよい。
【００２９】
一方、サーモメカニカルアクチュエータを使用することにより、比較的幅広い水平移動及び比較的幅広い容量設定範囲を達成できる特有の利点が提供される。また図は、水平アクチュエータ２の片持ち型アーム１４と垂直アクチュエータ６の片持ち型アーム１５との接合ができるように指示された構造を概略的に示す。
【００３０】
最後に図４は、アセンブリを保護するためにカバーチップ１６を基板１上に実装した本発明にかかるアセンブリの構成の他の実施形態を示す。水平アクチュエータ２を有する、作動素子３及びキャパシタ４、５のようなアセンブリは、図１及び図２のアセンブリに対応する。この例において、高周波キャパシタ４、５に導くフィードラインは、リード上で可能な最も低い減衰を達成するために、マイクロストリップ型（microstrip-type）ライン１７のように設計される。この目的のため、図の上部の底面図で再度示されるカバー１６の内部は、好適な金属層１９によって被覆される。この金属層１９は、例えば、銅、金又は銀で製造されてもよい。アセンブリの製造において、カバーはウェハレベル又はチップレベルに実装されてもよい。しかしながら、アセンブリの汚染を防止するために、どの場合においてもカバーはウェハが分離される前に実装されるべきである。この例において、金属層１９はソルダーガラスフレーム１８によって包囲される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 静電駆動手段を有する本発明にかかるアセンブリの構成の第１実施形態を示す図である。
【図２】 図１に示す例の３次元図である。
【図３】 サーモメカニカル駆動手段を有する本発明にかかるアセンブリの構成の第２実施形態を示す図である。
【図４】 本発明にかかるアセンブリの他の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
１ 基板
２ 第１のマイクロメカニカルアクチュエータ（水平アクチュエータ）
３ 作動素子
４ 第１の導電性領域
５ 第２の導電性領域
６ 第２のマイクロメカニカルアクチュエータ（垂直アクチュエータ）
７ リード
８ 平行平板を有するキャパシタ
９ 継手
１０ 導電性領域
１１ 導電性領域
１２ 絶縁層
１３ 支持域
１４ 水平アクチュエータの片持ち型アーム
１５ 垂直アクチュエータの片持ち型アーム
１６ カバーチップ
１７ マイクロストリップ型ライン
１８ ソルダーガラスフレーム
１９ 金属層

Claims (20)

1. 少なくとも１つの第１の導電性領域（４）と、１つの第２の導電性領域（５）とにおける領域間の有効範囲を可変にし、又は領域の距離を可変にすることでキャパシタを可変にするように構成され、前記第１の導電性領域（４）は基板（１）上またはその内部に形成されており、前記第２の導電性領域（５）は、該第１の領域（４）と少なくとも部分的に重なり、該第１の領域（４）に関して相対的に異なる位置で、前記基板（１）の表面に沿って、該第２の領域（５）と共に作動素子（３）が、第１の駆動システム手段により、移動できるように、該基板（１）に配置された第１のマイクロメカニカルアクチュエータ（２）の作動素子（３） 上又は内部に形成されている、可変容量キャパシタにおいて、
   異なる位置において、前記作動素子（３）を、前記第１の駆動システムから独立した第２の駆動システム手段により、前記基板（１）に引き付けられる方向に引き、又は押すことができ、そして前記作動素子（３）をこれらの位置に保持することができる付加的な保持手段（６、１０、１１）を備え、
   直接接続されないように前記第１の導電性領域（４）と前記第２の導電性領域（５）とは、絶縁層またはスペーサによって距離をおいて保持されることを特徴とする可変容量キャパシタ。
2. 前記保持手段（６、１０、１１）は、前記基板（１）上又は内部に形成される少なくとも１つの第３の導電性領域（１０）と、前記作動素子（３）上又は内部に形成される少なくとも１つの第４の導電性領域（１１）によって構成され、前記第４の導電性領域（１１）は前記作動素子（３）の異なる位置において、少なくとも部分的に前記第３の導電性領域（１０）と重なり合い、前記保持手段は前記第３及び第４の導電性領域間の差動電圧を印加することによって前記作動素子を前記基板の方向に引くことが可能であることを特徴とする請求項１に記載の可変容量キャパシタ。
3. 前記保持手段（６、１０、１１）は、第２のマイクロメカニカルアクチュエータ（６）によって構成されることを特徴とする請求項１に記載の可変容量キャパシタ。
4. 前記第２のマイクロアクチュエータ（６）は、熱励起に応じて前記基板（１）の表面に直交する方向に撓み、前記第１のマイクロメカニカルアクチュエータ（２）における作動素子（３）の第１の部分が、異なる位置において前記第２のマイクロメカニカルアクチュエータ（６）の第２の部分の下方域に撓んだ状態で到達するように、前記第１のマイクロメカニカルアクチュエータ（２）に対して構成され、配置されるサーモメカニカルアクチュエータであることを特徴とする請求項３に記載の可変容量キャパシタ。
5. 前記第２のマイクロメカニカルアクチュエータ（６）は、前記基板（１）の両側で締め付けられる１つ又はいくつかの梁状要素から構成されることを特徴とする請求項４に記載の可変容量キャパシタ。
6. 前記第１のマイクロメカニカルアクチュエータ（２）における前記作動素子（３）の前記第１の部分は、前記作動素子（３）の移動方向に沿って延出する板状の片持ち型アーム（１４）として構成されることを特徴とする請求項４または５に記載の可変容量キャパシタ。
7. 前記第２のマイクロメカニカルアクチュエータ（６）の前記第２の部分は、前記第１のマイクロメカニカルアクチュエータ（２）の前記作動素子（３）の移動方向とは反対の方向に延出する板状の片持ち型アーム（１５）として構成されることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載の可変容量キャパシタ。
8. 前記第１のマイクロメカニカルアクチュエータ（２）の前記作動素子（３）が異なる位置に存在する一方で、前記第２のマイクロメカニカルアクチュエータ（６）の熱励起が終了すると、前記第１の部分及び前記第２の部分は互いに係合するように構成されることを特徴とする請求項４乃至７のいずれか１項に記載の可変容量キャパシタ。
9. 前記第１のマイクロメカニカルアクチュエータ（２）は、静電マイクロアクチュエータとして構成されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の可変容量キャパシタ。
10. 前記第１のマイクロメカニカルアクチュエータ（２）は、櫛形構成の平行平板キャパシタ（８）を有する駆動システムを具備することを特徴とする請求項９に記載の可変容量キャパシタ。
11. 前記作動素子（３）は、前記アクチュエータ（２）によって達成される移動ストロークを拡大するための曲げ継手（９）を具備することを特徴とする請求項９または１０に記載の可変容量キャパシタ。
12. 前記第１のマイクロメカニカルアクチュエータ（２）は、サーモメカニカルマイクロアクチュエータとして構成されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の可変容量キャパシタ。
13. 前記第１のマイクロメカニカルアクチュエータ（２）は、前記基板（１）の両側で締め付けられる１つ又はいくつかの梁状要素から構成されることを特徴とする請求項１２記載の可変容量キャパシタ。
14. 前記第１の領域（４）及び前記第２の領域（５）は、板状要素として構成されることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の可変容量キャパシタ。
15. 前記第１の領域（４）及び前記第２の領域（５）に導く電気リード（７）はマイクロストリップ型ライン（１７）として構成され、前記基板（１）上の前記マイクロメカニカルアクチュエータ又は前記アクチュエータ（２、６）の保護カバー（１６）は内部表面に金属被覆（１９）を具備することを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の可変容量キャパシタ。
16. 前記第１の領域（４）及び前記第２の領域（５）によって形成された可変のキャパシタと平行な切換え素子を介して別個に切り替えられることに適応した付加的な不変のキャパシタは、前記基板（１）上に構成されることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の可変容量キャパシタ。
17. 請求項１から１６の１つ又はいくつかの組み合せから構成されており、その構成の可変キャパシタが平行に接続されていることを特徴とする可変容量キャパシタ。
18. 前記第１のマイクロメカニカルアクチュエータ（２）の前記作動素子（３）は、前記第２の導電性領域（５）が前記第１の導電性領域（４）と離間し、少なくとも部分的な領域間の有効範囲を提供する位置に移動し、
    前記第１の導電性領域（４）及び前記第２の導電性領域（５）は予め判断することが可能な容量に対応し、前記保持手段（６、１０、１１）はこの位置を保持するために制御されることを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の可変容量キャパシタにより予め判断可能な容量を設定する方法。
19. 前記作動素子（３）の実際の各位置は、前記作動素子（３）及び前記基板（１）上に形成される１つ又はいくつかの領域間の基準容量の測定によって検出されることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
20. 前記第１のマイクロメカニカルアクチュエータ（２）は、共振回路で動作することを特徴とする請求項１８または１９に記載の方法。

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