JPH11513193A - 静電的に動作するマイクロメカニカル・コンデンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 静電的に制御されマイクロマシニングされた、調節可能かつ広範囲な同調範囲を有するマイクロメカニカル・コンデンサである。このマイクロコンデンサの１つの構成は、互いに隣接した回転可能な極板（１４）の組合せからなる。もう１つの構成は、１つまたは複数の共通の極板と隣接する様々なサイズの梁または極板の組合せである。極板の対が互いに回転または直線移動して、調節可能なキャパシタンスを提供する。極板の回転または移動は、ＤＣまたは低周波数電圧を各極板に印加することにより静電的に生じる。これらのマイクロメカニカル・コンデンサで処理される信号は、通常はメガヘルツかそれより高い範囲となる。マイクロメカニカル・コンデンサをマイクロマシニングする工程は、集積回路を製作する際に利用する工程と同様である。

Description

【発明の詳細な説明】 静電的に動作するマイクロメカニカル・コンデンサ 背景 本発明は、マイクロマシニングした装置、具体的には基板上のマイクロメカニ カル・コンデンサに関する。さらに詳細には、本発明は調節可能なキャパシタン スを有するこのようなコンデンサに関する。 発明の概要 本発明は、静電的に制御され、マイクロマシニングされた、調節可能な幅広い 同調範囲を有するマイクロコンデンサである。この装置には、軸上の極板が互い に平行に移動するコンデンサなどの従来技術のコンデンサのようなすべり接点が 存在しない。マイクロメカニカル機構、すなわちコンデンサを作成するマイクロ 機械加工の工程は、基本的に一般的な集積回路の場合の工程と同様である。ただ し、マイクロマシニングの場合の応力は、集積回路技術の場合よりも有意かつ重 大になる。これらのコンデンサは、集積回路自体を製作するために使用するのと 同様の工程によって、集積回路中で製作することができる。 本発明には、少なくとも２つの構成が存在する。１つは互いに隣接した回転可 能な極板の組合せであり、この場合、極板を互いに回転させることによってそれ らの重複部分を増大または減少させ、それによりキャパシタンスを増大または減 少させる。もう１つの構成は、共通の極板に隣接して配置された様々な幅の梁ま たは極板の組合せを有する、デジタル同調式コンデンサである。極板は、選択的 かつ静電的に回転するか、または組み合わさって共通の極板に対して前後に直線 移動し、調節可能な所望のキャパシタンスを実現する。 本発明は、同調可能な無線周波数回路およびマイクロ波回路に適用される。本 発明は、インピーダンス整合集積回路用として、様々な周波数で動作する外部回 路に使用される装置にも適用される。本発明は、増幅器で使用して調節可能な帯 域幅を提供し、特定の周波数で最大利得を求めて信号を増幅する、またはその他 の電子特性を調節することができる。例えば、同調可能な発振器で使用すること ができる。 図面の簡単な説明 第１図は、回転同調式のマイクロメカニカル・コンデンサを示す図である。 第２ａ図ないし第２ｃ図は、様々な電極の接続を有する第１図のコンデンサの 断面図である。 第３ａ図は、デジタル同調式のマイクロメカニカル・コンデンサを示す図であ る。 第３ｂ図は、第３ａ図のコンデンサの概略図である。 第４ａ図ないし第４ｉ図は、回転同調式およびデジタル同調式のマイクロメカ ニカル・コンデンサを作成する一連の工程段階を示す図である。 実施形態の説明 第１図および第２ａ図ないし第２ｃ図は、幅広い同調範囲を有する静電的に動 作するマイクロメカニカル・コンデンサ１０を示す図である。コンデンサ１０は 、重複または交互配置されたコンデンサの極板１２および１４を有する可変コン デンサの幅広い同調範囲を実現したマイクロメカニカル・バラクタ設計である。 その同調は、金属または誘電体の渦巻きアームである時計状ばね１６の再現可能 な動作で行う。固定した中央ポスト１８は、ばね１６を介して回転可能なコンデ ンサの極板１４を支持する。ポスト１８およびコンデンサの極板１４は基板２０ 上に形成され、これによって支持される。静止した状態では、極板１４は２対の 極板１２の間に対称的に回転可能に配置されている。極板が重複しているとき、 各極板１４は１対の極板１２の間に挟まれる。 第２ａ図の構成によれば、極板１４は可変コンデンサ１０の１つの電極となり 、１対の極板１２はコンデンサ１０のもう１つの電極となる。極板１２および１ ４に信号が印加されない場合、各極板１４は回転可能に位置し、それぞれの極板 １２の対の間に対称的に位置する。これは、極板１４の極板１２に対する釣り合 い位置である。その釣り合いはばね１６によって行われる。極板１２および１４ に電圧を印加すると、極板１２に対する極板１４の回転位置を変化させ、その結 果コンデンサ１０の値を変化させる静電トルクが生じる。外力または静電力がな い場合には、極板１２に対する極板１４の釣合い位置で、コンデンサ１０のキャ パ シタンスは最小値となる。 極板１２に対する極板１４の調節またはトリミング動作を引き起こすために使 用される静電力は、（極板のキャパシタンスが影響を及ぼす可能性のある信号の 周波数と比べて）低い周波数を有する電気信号によって、または直流電流（ＤＣ ）によって生じる。コンデンサ１０へのこのコンデンサ極板位置制御信号（すな わちキャパシタンスのトリミングまたは調節信号）は、コンデンサ１０が処理す るまたは影響を及ぼす信号に重ね合わせることができる。他方で、この処理され るまたは影響を受ける信号は、キャパシタンス制御ＤＣ、またはさらに低周波数 （例えば１キロヘルツ）の信号に重ね合わせることができる。処理すべき信号は メガヘルツからギガヘルツの範囲にすることができる。これらの信号の電圧はマ イクロボルトから数十ボルトの範囲にすることができる。 誘電体または金属の渦巻きアーム１６で中央極板１４を支持することによって 、この構造を回転させるのに必要なトルクは最小限になり、極板１２および１４ 上に存在する低周波数信号またはＤＣ信号の静電力で容易に達成される。ばね１ ６は通常は極板１４と同じ金属で作成する。極板１２および１４は、金を塗布し たニッケルや金を塗布した銅などの金属から作成する。極板１２および１４は２ ００から４００ミクロンの直径を有することができる。極板１２と隣接する極板 １４の間の間隔は１から２ミクロンである。ばね１６は、極板１４に使用するの と同じ層にあるので、極板と同じ厚さを有する。ばね１６の幅は約０．５ミクロ ンであり、厚さは１から２ミクロンである。 コンデンサ１０のＱは数百単位である。コンデンサの切り換えまたは調節速度 はミリ秒またはそれ未満の範囲であり、これはこのコンデンサのほぼ全ての応用 について十分である。 極板１２と１４の組合せの間のキャパシタンスは、ピコファラドの範囲である 。キャパシタンスをさらに大きくし、かつ／またはキャパシタンスをさらに大き く調節するために、コンデンサ１０を互いに並列に接続してアレイにすることが できる。 コンデンサ１０については、第２ａ図ないし第２ｃ図に示すようにいくつかの 構成が可能である。上記で述べた第２ａ図の第１の構造の場合、金属製の渦巻き アーム１６を利用し、中央支持ポスト１８はコンデンサの片側として接続され、 その他の構成のそれよりも大きなキャパシタンス値を与える。極板１２が１つの 電極となり、極板１４がコンデンサ１０のもう１つの電極となる。電極接続は配 線１３で示す。第２ｂ図に示す第２の構成の場合、誘電体製の渦巻きアーム１６ を使用し、両側の極板１４は半径方向の金属製リング３８を介して互いに接続さ れ、外部接続されない。極板１２の各対がコンデンサ１０の電極となる。電極接 続は配線１５で示す。互いに直列に接続した２つの可変コンデンサでは、全体の キャパシタンスは第１の構成のそれよりも小さくなる。しかし、ばね１６の渦巻 きを通る導電経路が除去されるので、この直列のインダクタンスは第１の構成の それよりも小さくなる。第３の構成を第２ｃ図に示す。並置している極板１２の 対の各極板は、絶縁体１９により互いに絶縁される。向かい側に配置された極板 １４は、それぞれ互いに接続される。１つの電極は上側の極板１２であり、もう １つの電極は下側の極板１２である。電極接続は配線１７で示す。第２ｃ図のコ ンデンサの電気的特徴は、第２ｂ図のコンデンサのそれと同様である。 第３ａ図は、様々な幅３９の梁２１、２２、および２３を有するデジタル同調 可能コンデンサ１１を示す図である。コンデンサ１１は２進数同調可能なコンデ ンサにすることができる。各梁は誘電体２５の表面から数ミクロン離れて正常に 配置される部分２４を有する。梁２１、２２、および２３はばね状であり、部分 ３７で誘電体に固定される。電極２７と梁２１の端部２８、梁２２の端部２９、 または梁２３の端部３０との間に電圧を印加すると、部分２４が移動して誘電体 ２５の表面と接触し、第３ｂ図の容量性スイッチ３１を事実上閉じ、電極すなわ ち端子２６と２７の間でそれぞれキャパシタンス３２、３３、または３４を接続 する。各梁の部分３５は端子２８、２９、または３０と容量性スイッチ３１の間 に直列に接続された抵抗器３５である。梁２１、２２、および２３の部分３６が 梁と電極２６の間の容量性接続となる、または部分３６と電極２６の間の誘電体 中に金属などの導電性材料を有するバイアが存在してもよい。他方で、端部２８ 、２９、または３０は、それぞれコンデンサ３２、３３、または３４の接続２６ の代わりに電極として働くことができるが、直列の抵抗器３５によってコンデン サのＱが減少する。このような構成のＱは、抵抗器３５を金属など導電性の高い 材 料と交換することにより増大させることができる。どちらの接続構成の場合でも 、制御信号および容量的に処理される信号はコンデンサ１０の場合と同様に結合 される。接続２６が電極である場合には、部分３６と電極２６の間のキャパシタ ンスは事実上キャパシタンス３２、３３、または３４と直列になる。後者の接続 構成では、上記で述べた前者の接続構成よりキャパシタンスが小さくなる。 リード２８、２９、または３０への制御信号を低周波数（例えば１ＫＨｚ）ま たはＤＣ電圧論理信号（５から２０ボルトの振幅を有する）にし、各梁２８、２ ９、または３０の部分２４を誘電体２５に向かって引き寄せ、部分２４と誘電体 ２５の間に実質的に存在する容量性スイッチに接近させることができる。 梁２１、２２、または２３の幅は１から２００ミクロンにすることができる。 部分２４の長さは１００から５００ミクロンに、部分３６の長さは５００から１ ０００ミクロンに、抵抗器３５の長さは１０から１００ミクロンにすることがで きる。梁２１、２２、または２３の部分２４の厚さは、１から２ミクロンにする ことができる。デジタル同調可能コンデンサの隣接する梁は、２分の１または２ 倍となる相対的な幅３９を有することができる。例えば、２進数コンデンサ１１ で、梁２２の幅３９は梁２１の幅３９のサイズの２分の１となり、梁２３の幅３ ９は梁２２の幅３９のサイズの２分の１となる、など。２７と、２８、２９、お よび／または３０などの両端間に印加された論理電圧信号によって所望のキャパ シタンスを選択することができる。梁が６本あるコンデンサでは、最大の梁２１ が端子２６と２７の両端間（第３ａ図および第３ｂ図）に１単位の「オン」キャ パシタンス値を有するものと想定すると、コンデンサ１１は、印加された６ビッ ト論理信号の最下位ビット値の変化に応じて１／３２サイズの増分単位で変化で きる、０、１ないし３１／３２単位から選択した値をとることができる。 デジタル同調可能コンデンサ１１は、固体コンデンサより損失が少ない。いく つかの固体コンデンサの損失は、その空乏幅が変化してキャパシタンスを変化さ せる、固体コンデンサとして働く逆バイアス・ダイオードなどの素子内の信号の 振幅の変化によって生じる非線形性によるものである。１０／１のキャパシタン ス変化の比を有する固体素子のＱは、１から３など、非常に小さくなる可能性が ある。しかし、さらに小さいキャパシタンス変化比を有する固体コンデンサでは 、 Ｑを２０程度の大きさにすることができる。固体コンデンサは１マイクロ秒以内 に選択したキャパシタンス値に同調することができるが、これはほとんどの適用 分野で通常は必要とされない速度である。本デジタル同調可能コンデンサは数百 マイクロ秒以内に選択したキャパシタンス値に同調することができる。これはほ ぼ全ての適用分野で十分な速度である。さらに、デジタル同調可能コンデンサ、 例えば２進数同調可能コンデンサは、１００を超えるＱの値および１００を超え るキャパシタンス変化比を両方とも有することができる。 デジタル同調可能コンデンサ１１を製作する工程では、回転同調可能コンデン サ１０の場合と同様の基板上で、これと同様かつ同時の工程を使用することがで きる。第４ａ図に示すＧａＡｓ、サファイア、石英、または半絶縁シリコンであ る基板４０から開始する。基板４０の厚さは約６２５ミクロンにすることができ る。二酸化ケイ素、窒化ケイ素、またはその他の誘電体材料からなる厚さ１から ２ミクロンの誘電体組成の層４１を、第４ｂ図で基板４０上に形成する。その後 層４１をフォト・レジストでマスクし、金属層にさらし、フォト・レジストを除 去する。フォト・レジスト材料は一般的な市販の材料である。別法として、最初 に金属を付着させ、その金属層をマスクし、金属のマスクされていない部分を除 去またはエッチングし、その後フォト・レジストを除去することもできる。金属 層は５００から４０００オングストロームの厚さに形成することができる。この 金属はニッケル、ニクロム、金／銅、またはニッケル／銅にすることができる。 どちらの工程でも、第４ｃ図の金属アイランド４２が生じる。この工程を繰り返 し、第４ｃ図の抵抗器アイランド４３を作成する。抵抗器アイランド４３は、ニ クロム、窒化タンタル、クロム／シリコン、またはその他の同様の組成にするこ とができる。抵抗器４３の厚さは約２０００オングストロームである。抵抗器４ ３およびいくつかの金属アイランド４２の一部をマスクした後で、約２０００オ ングストロームの厚さの誘電体層を付着させる。あるいは第４ｃ図の全ての露出 表面上に誘電体を付着させ、その後抵抗器４３およびアイランド４２の一部を除 くその領域の大部分をマスクし、マスクされていない領域にエッチングを実行す る。マスキングが除去され、第４ｄ図に示すように残りの誘電体層４４が生じる 。 次に、抵抗器４３の一部、および１つの誘電体領域４４の一部を除く全ての誘 電体領域またはアイランド４４にフォト・レジストを塗布する。フォト・レジス ト層で覆われているか否かに関わらず、全体に２から３ミクロンの犠牲層を付着 させる。犠牲層は、バイアス・スパッタした石英（ＳｉＯ₂）やポリイミドなど 、エッチングが容易な材料から構成される。フォト・レジスト上に形成された犠 牲層とともにフォト・レジストを除去する。あるいは犠牲層を塗布し、犠牲層を マスクし、その後犠牲層の一部をエッチングにより取り去ってからフォト・レジ ストを除去する。この結果、第４ｅ図に示すように、抵抗器４３の一部、および 誘電体アイランドまたは領域４４の大部分の上に犠牲材料のアイランド４５が生 じる。フォト・レジストを、犠牲層領域またはアイランド４５のある特定の部分 にのみ塗布する。フォト・レジストで覆われているか否かに関わらず全体にめっ き素地を塗布する。めっき素地は、約６００オングストロームの厚さがあり、金 、チタン／金、またはチタンである。めっき素地は以下の金属めっきのための接 着層である。金属めっきはめっき素地層上に約１から２ミクロンの厚さで付着さ せる。めっきの金属はニッケル、金、銅、ニッケル／銅にすることができる。フ ォト・レジスト上のめっき素地および金属めっきとともにフォト・レジストを除 去すると、領域またはアイランド４６が生じる。フォト・レジストの除去により 、第４ｆ図の右側にある２番目に大きなアイランドの領域５１にはね状の渦巻き も生じる。第４ｆ図の左から１番目および３番目の小型の２つのアイランド４６ にフォト・レジストを塗布する。その後２から３ミクロンの第２犠牲層を塗布す る。フォト・レジストを除去すると、第４ｇ図の比較的大きなアイランド４８が 生じる。左側のアイランド４８の全体と、第４ｇ図の右側のアイランド４８の中 央部分のみとにフォト・レジスト４９を塗布する。めっき素地を塗布した後で、 そのめっき素地の上に第３金属層をめっきする。めっき素地および金属は上記と 同様である。フォト・レジスト上の金属めっきおよびめっき素地とともにフォト ・レジストを除去すると、第４ｈ図の金属アイランド５０が残る。最後に、緩衝 ＨＦや犠牲材料除去用の市販物質などの溶剤を使用して、犠牲層４９、４８、お よび４５を除去する、またはエッチングにより取り去る。その結果、デジタル同 調式コンデンサ１１および回転同調式コンデンサ１０が生じる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．基板表面上に形成された第１極板と、 前記第１極板の中央に位置し、基板表面に対して垂直であり、前記第１極板か ら電気的に絶縁された、基板表面上に形成されたポストと、 前記ポストの周囲に形成され、前記ポストおよび前記第１極板から物理的に分 離された第２極板と、 前記ポストおよび前記第２極板に接続され、基板表面と平行な角度で前記第２ 極板を回転可能に支持し、前記第２極板がばね張力下で前記ポストに対して回転 できるようにする支持ばねの組合せと、 前記第２極板を覆って位置するように形成され、前記第１極板と位置合わせさ れ、前記第２極板から物理的に分離した第３極板と を含むマイクロメカニカル・コンデンサ。 ２．集積回路を製作する技術を利用して基板上にマイクロマシニングされた請求 項１に記載のコンデンサ。 ３．前記第１および第３極板が電気的に接続されてコンデンサの第１電極を形成 し、および 前記第２極板が前記コンデンサの第２電極を形成することを特徴とする請求項 １に記載のコンデンサ。 ４．前記コンデンサの第１および第２電極に電圧を印加することにより、前記第 ２極板が回転して前記第１および第３極板と位置合わせされる位置に接近し、そ れにより第１および第２電極の両端間のキャパシタンスが生じ、ならびに この電圧の大きさがキャパシタンスの大きさを決定することを特徴とする請求 項３に記載のコンデンサ。 ５．前記第１極板が前記コンデンサの第１電極を形成し、および 前記第３極板が前記コンデンサの第２電極を形成することを特徴とする請求項 １に記載のコンデンサ。 ６．基板の第１部分に形成された縦方向極板と、 前記縦方向極板および基板の第２部分の上に形成された誘電体層と、 前記誘電体層の上に形成され、その第１部分が基板の第２部分の上に形成され た前記誘電体層と接触し、その第２部分が前記縦方向極板の上に形成された前記 誘電体層を覆うように位置する横方向極板とを含み、 前記縦方向極板および横方向極板が前記コンデンサの電極となり、ならびに 前記横方向極板の第２部分が前記誘電体層から間隔を開けていることを特徴と するマイクロメカニカル・コンデンサ。 ７．集積回路を製作する技術を利用して基板上にマイクロマシニングされた請求 項６に記載のコンデンサ。 ８．前記の縦方向および横方向極板の両端間に電圧を印加することにより、前記 横方向極板が移動して前記誘電体層と接触し、それにより前記コンデンサのキャ パシタンスを無視できる値から有意な値に変化させることを特徴とする請求項６ に記載のコンデンサ。 ９．基板の第１部分に形成された縦方向極板と、 前記縦方向極板および基板の第２部分の上に形成された誘電体層と、 前記誘電体層の上に形成され、その各極板の第１部分が基板の第２部分の上に 位置する前記誘電体層と接触し、その各極板の第２部分が前記縦方向極板の上に 形成された前記誘電体層を覆うように位置決めされる複数の横方向極板とを含み 、 前記縦方向極板および前記の複数の横方向極板の各極板が前記マイクロメカニ カル・コンデンサの電極となり、ならびに 前記の複数の横方向極板の各極板の第２部分が前記誘電体層から間隔を開けて いることを特徴とするマイクロメカニカル・コンデンサ。 １０．前記縦方向極板と前記の複数の横方向極板の１つまたは複数の極板との両 端間に電圧を印加することにより、前記複数の横方向極板の１つまたは複数の極 板がそれぞれに移動して前記誘電体層と接触し、それにより前記コンデンサのキ ャパシタンスを無視できる値から選択した有意な値に変化させることを特徴とす る請求項９に記載のコンデンサ。 １１．基板と、 前記基板上に形成された第１縦方向極板と、 前記基板上に形成された第２縦方向極板と、 前記の第１および第２縦方向極板の上に形成された誘電体層と、 前記誘電体層の上に形成された第１部分、および第２部分を有する、少なくと も１つの横方向極板とを含み、 前記の少なくとも１つの横方向極板の第１部分が前記第１の縦方向極板上に形 成された前記誘電体層と接触し、および 前記の少なくとも１つの横方向極板の第２部分が前記第２縦方向極板上に形成 された前記誘電体層から間隔を開けて位置することを特徴とするマイクロメカニ カル・コンデンサ。 １２．前記第２縦方向極板および前記の少なくとも１つの横方向極板に接続され た電源から電圧を印加することにより、前記の少なくとも１つの横方向極板の第 ２部分が移動して前記第２縦方向極板の上に形成された前記誘電体層と接触し、 それにより前記第１および第２縦方向極板の両端間のキャパシタンスを、無視で きる値から選択した有意な値に変化させることを特徴とする請求項１１に記載の コンデンサ。