WO2012164974A1 - 可変容量コンデンサ - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a variable capacitor in which a facing distance between a fixed electrode and a movable electrode is changed by voltage application.
- a variable capacitor incorporated in an oscillation circuit or a modulation circuit of a mobile phone can change the capacitance so that the circuit can obtain a desired output, and has recently been realized using MEMS technology.
- the MEMS variable capacitor includes a fixed electrode, a movable electrode disposed at a predetermined distance from the fixed electrode, and a beam portion that supports the movable electrode so as to be displaceable with respect to the fixed electrode.
- a driving electrode for applying a driving voltage between the fixed electrode and the movable electrode, and a force generated between the fixed electrode and the movable electrode when the driving voltage is applied (for example, electrostatic force, magnetic force, piezoelectric power, etc.) ),
- the movable electrode is displaced, and the capacitance between the fixed electrode and the movable electrode is changed to change the capacitance.
- a conventional variable capacitor is a DC drive type in which a DC drive voltage is applied between a fixed electrode and a movable electrode, as described in Patent Document 1, for example. For this reason, to obtain a large capacitance change of the variable capacitor, a high drive voltage is required, which increases power consumption, and requires a booster circuit for generating this high voltage, which increases the size of the device. It was inevitable. In a portable device that is always required to be small and thin, it is disadvantageous to incorporate a variable capacitor in order to reduce the size and thickness.
- an object of the present invention is to provide a variable capacitor that can be driven at a low voltage and can suppress ripples and obtain a stable capacitance.
- low voltage driving and prevention of sticking of the fixed electrode and the movable electrode can be achieved by using an AC driving voltage, and each variable capacitance can be achieved by driving a plurality of parallel-connected variable capacitance elements with a predetermined phase difference. It was completed by paying attention to the fact that the capacitance of the element is combined to suppress ripples and obtain a stable capacitance output.
- the fixed electrode and the movable electrode arranged opposite to each other, the beam portion that supports the movable electrode so as to be displaceable, and the drive electrode to which a drive voltage for changing the facing interval between the fixed electrode and the movable electrode is applied
- a plurality of variable capacitance elements connected in parallel to each other, and drive control means for sequentially applying an alternating drive voltage to the drive electrodes of the plurality of variable capacitance elements with a predetermined phase difference for each element.
- the total output capacitance of a plurality of variable capacitance elements is used as a capacitance output.
- the drive control means generates an electrostatic force between the fixed electrode and the movable electrode by applying a voltage to the drive electrode to change the facing distance between the fixed electrode and the movable electrode.
- the plurality of variable capacitance elements include a dielectric layer formed on at least one of the fixed electrode and the movable electrode. Even when a dielectric is provided, if an alternating drive voltage is used, there is a moment when the charge of the dielectric is reset (becomes zero), and sticking of the movable electrode and the fixed electrode can be prevented.
- the frequency of the drive voltage applied by the drive control means to the drive electrodes of the plurality of variable capacitance elements is a frequency within which the resonance frequency of the movable electrode determined by the beam portion or a difference from the resonance frequency is within a predetermined range. According to this aspect, due to the doubling effect due to the resonance of the movable electrode, a large displacement amount of the movable electrode can be obtained even with low voltage driving, and a large variable ratio can be secured.
- the drive control means sets the phase difference for each variable capacitance element to 360 ° / number of elements.
- variable capacitor that can be driven at a low voltage and that can suppress ripples and obtain a stable capacitance.
- FIG. 5 is a sectional view taken along line VI-VI in FIG. 4.
- FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating manufacturing steps (a) to (f) of the upper substrate in FIG. 6. It is sectional drawing explaining the manufacturing process (a) (b) of the lower board
- 10 is a graph showing a change in the phase of capacitance of a variable capacitor that is driven and controlled by the timing chart of FIG. 9.
- It is a schematic diagram which shows schematic structure of 2nd Embodiment of a variable capacitance element.
- It is a schematic diagram which shows schematic structure of 3rd Embodiment of a variable capacitance element.
- It is a graph which shows the phase change of the electrostatic capacitance of the variable capacitance element of FIG.
- FIG. 1 is a schematic block diagram showing the overall configuration of the variable capacitor of the present invention.
- Variable capacitor 100 includes a plurality of variable capacitance elements X which are connected in parallel with each other; includes a (X 1 ⁇ X n n is an integer), and a multi-division phase shifter Y.
- the multi-division phase shifter Y is a drive control means for the plurality of variable capacitance elements X 1 to X n , and supplies the AC drive voltage supplied from the external AC power source E to the variable capacitance element X 1 , and then drives the same.
- a plurality of phase shifters Y 1 to Y n-1 are provided which delay the voltage by a predetermined phase difference ⁇ and apply the voltage to the corresponding variable capacitance elements X 2 to X n .
- FIG. 2A is a schematic diagram showing a schematic configuration of the variable capacitance element X n
- FIG. 2B is a circuit diagram of the variable capacitance element X n
- FIG. 2C is an equivalent circuit diagram of FIG. is there.
- the variable capacitance element X n of the first embodiment has a movable electrode (capacitance forming electrode) 12 disposed between a pair of fixed electrodes 11A and 11B, and is connected to the multi-division phase shifter Y on the movable electrode 12 side.
- the drive electrode 13 is provided.
- the movable electrode 12 and the drive electrode 13 are electrically insulated via a dielectric film 14 made of, for example, SiO 2 .
- variable capacitance element X n when no voltage is applied to the drive electrode 13, the movable electrode 12 becomes a pair of fixed electrodes by the spring force of the beam portion 10 b 2 (FIGS. 5 to 7) that supports the movable electrode 12 so as to be displaceable.
- 11A and 11B are held at intermediate positions, and the facing distance between one fixed electrode 11A and the movable electrode 12 and the facing distance between the other fixed electrode 11B and the movable electrode 12 are kept equal. That is, a first capacitance Ca n occurring between the one of the fixed electrode 11A and the movable electrode 12, is equal to the second capacitance Cb n occurring between the other fixed electrode 11B and the movable electrode 12.
- FIG. 2A shows a state where no voltage is applied.
- an alternating drive voltage is applied to the drive electrode 13 via the multi-division phase shifter Y
- an electrostatic force is generated between the movable electrode 12 and the other fixed electrode 11B, and the movable force is moved by the action of this electrostatic force.
- the electrode 12 is displaced.
- the electrostatic force generated here is not constant and fluctuates corresponding to the magnitude of the applied AC voltage. For this reason, the movable electrode 12 vibrates in the vertical direction in the figure, and with this vibration, the facing distance between the one fixed electrode 11A and the movable electrode 12 and the facing distance between the other fixed electrode 11B and the movable electrode 12 change. also varies the electrostatic capacitance Ca n and second electrostatic capacitance Cb n.
- the facing distance between the movable electrode 12 and the other fixed electrode 11B becomes narrower and the second capacitance Cb n. increases, the first capacitance Ca n spread the opposing distance of one of the fixed electrode 11A and the movable electrode 12 is reduced.
- the movable electrode 12 is displaced in the direction away from the other fixed electrode 11B (upward direction in the figure), the facing distance between the movable electrode 12 and the other fixed electrode 11B increases, and the second capacitance Cb n decreases.
- the first capacitance Ca n and the second capacitance Cb n are in an electrically parallel relationship, and the first capacitance Ca
- FIG. 3 is a graph showing the phase change of the capacitance C n of the variable capacitance element X n .
- the change in the first capacitance Cb n and the change in the second capacitance C n have a phase difference of 180 °, and the capacitance of the variable capacitance element X n serving as a combined capacitance thereof.
- the capacity C n has a peak value twice in one period (360 °).
- variable capacitance elements X 1 to X 8 are two-dimensionally arranged as shown in FIG. 4, and are constituted by the upper substrate 10 and the lower substrate 50 in FIG.
- the upper substrate 10 is made of an SOI (silicon insulator) substrate, and includes a first Si substrate 10a and a second Si substrate 10b that are stacked with an SiO 2 film 10c interposed therebetween.
- the first Si substrate 10a functions as one fixed electrode 11A and is grounded.
- a dielectric film 14 made of SiO 2 is formed on the second Si substrate 10b, and a movable electrode 12 and a drive electrode 13 are formed on the dielectric film 14 as a thin film.
- the dielectric film made of SiO 2 may be laminated on the surface of the first Si substrate 10a facing the second Si substrate 10b.
- the movable electrode 12 is formed in a flat rectangular shape smaller than the central portion 10b1 in the central portion 10b1 forming the flat rectangular shape of the second Si substrate 10b. 100 output units are connected.
- the drive electrode 13 is formed in the central portion 10b1 of the second Si substrate 10b along the periphery of the central portion 10b1 and the movable electrode 12, and is connected to the multi-division phase shifter Y through the wiring portion 13a.
- the second Si substrate 10b is flexible with a thickness of about 10 ⁇ m, and is formed with a linear beam portion 10b2 extending outward from each side of the central portion 10b1. Joined to the first Si substrate 10a and the lower substrate 50 at the end of the beam portion 10b2. That is, the central portion 10b1 is supported so as to be displaceable via the beam portion 10b2.
- the wiring portion 12a of the movable electrode 12 and the wiring portion 13a of the drive electrode 13 are disposed on two different beam portions 10b2 out of the four beam portions 10b2, and are drawn outward.
- SiO 2 film 10c is removed except for the bonding portion of the first substrate 10a and the beam portion 10b2, the removed portion forms a gap of the first Si substrate 10a and the second Si substrate 10b .
- This gap interval corresponds to the film thickness of the SiO 2 film 10c, and is 2 ⁇ m in the illustrated embodiment.
- the first Si substrate 10a has a thickness of about 100 ⁇ m and is sufficiently thicker than the second Si substrate 10b. Even if the second Si substrate 10b is bent, the first Si substrate 10a does not follow the bending.
- FIG. 7 shows manufacturing steps (a) to (f) of the upper substrate 10.
- the SOI substrate 10 ′ composed of the first Si substrate 10a and the second Si substrate 10b stacked with the SiO 2 film 10c interposed therebetween is cleaned.
- a dielectric film 14 made of SiO 2 is formed to a thickness of about 1 ⁇ m on the second Si substrate 10b.
- the movable electrode 12 and the drive electrode 13 are simultaneously formed on the dielectric film 14 by a resist patterning method.
- a Ti / Au film can be used for the movable electrode 12 and the drive electrode 13, and the Ti film thickness is about 1000 mm, and the Au film thickness is about 1 ⁇ m.
- the upper surfaces of the movable electrode 12 and the drive electrode 13 are covered with a resist R.
- a region where the beam portion 10b2 (not shown) is to be formed is also covered with the resist R.
- etching is performed until the SiO 2 film 10c is exposed as shown in FIG. 7D, and the resist R is peeled off as shown in FIG.
- the dielectric film 14 and the second Si substrate 10b not covered with the resist R are removed, and the remaining second Si substrate 10b has a planar rectangular shape on which the movable electrode 12 and the drive electrode 13 are formed.
- Center portion 10b1 and a beam portion 10b2 elongated from each side of the center portion 10b1 are formed. Further, as shown in FIG. 7 (f), when the SiO 2 film 10c is removed except for the joint portion between the first Si substrate 10a and the second Si substrate 10b (the end of the beam portion 10b2), the top of FIG. A substrate 10 is obtained.
- the lower substrate 50 is made of an Si substrate having a thickness of about 100 ⁇ m and grounded, and functions as the other fixed electrode 11B.
- FIG. 8 shows a manufacturing process of the lower substrate 50. After the substrate is cleaned, the lower substrate 50 is formed by forming a SiO 2 film 51 with a film thickness of about 1 ⁇ m on the lower substrate 50 as shown in FIG. 8A, and as shown in FIG. 10 is obtained by forming a conductor pattern 52 ′ in the joint area with the substrate 10.
- the conductor pattern 52 ′ serves as a joint 52 between the upper substrate 10 and the lower substrate 50, and the joint 52 is formed along the periphery of the lower substrate 50 as shown in FIG.
- a Ti / Au film can be used as the conductor pattern 52 ′.
- the Ti film thickness is about 1000 mm
- the Au film thickness is about 2 ⁇ m.
- variable capacitance element Xn of FIG. 4 is obtained.
- the facing distance between the other fixed electrode 11B and the movable electrode 12 when no drive voltage is applied is 2 ⁇ m, and matches the thickness of the joint portion 52.
- the capacitance (capacitance output) C of the variable capacitor 100 is the sum of the capacitances C 1 to C n of the plurality of variable capacitance elements X 1 to X n .
- FIG. 9 is a timing chart when the multi-division phase shifter Y controls driving of the eight variable capacitance elements X 1 to X 8 .
- the state of the drive voltage signal “1” means that an alternating drive voltage is applied to the variable capacitance elements X 1 to X 8
- the state of the drive voltage signal “0” indicates the variable capacitance elements X 1 to X 8 .
- the eight variable capacitance elements X 1 to X 8 The capacitance output C of the variable capacitor 100 obtained as the combined capacitance is smoothed, and the ripple is reduced.
- FIG. 10 is a graph showing the phase change of the capacitance C of the variable capacitor 100 that is driven and controlled by the timing chart of FIG.
- the electrostatic capacitance C of the variable capacitor 100 is almost constant with ripples suppressed within ⁇ 0.3%.
- Frequency of the drive voltage of the AC applied to the plurality of variable capacitance elements X 1 ⁇ X n can be set appropriately in the range of 1 ⁇ 100kHz, in the present embodiment is set to the vicinity of the resonance frequency of the movable electrode 12.
- the resonance frequency of the movable electrode 12 is determined by the shape, spring constant, weight, etc. of the beam portion 10b2.
- the capacitance C of the variable capacitance element 100 can be arbitrarily set according to the magnitude of the drive voltage applied to the plurality of variable capacitance elements X 1 to X n .
- FIG. 11 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the second embodiment of the variable capacitance element Xn .
- a movable electrode (capacitance forming electrode) 12 is disposed between a pair of fixed electrodes 11A and 11B, and connected to the multi-division phase shifter Y on the other fixed electrode 11B side.
- the drive electrode 13 is provided.
- the other fixed electrode 11B and drive electrode 13 are electrically insulated via a dielectric film 14 made of, for example, SiO 2 .
- the configuration is the same as that of the first embodiment except for the arrangement position of the drive electrode 13.
- FIG. 12 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the third embodiment of the variable capacitance element Xn .
- a movable electrode (capacitance forming electrode) 12 is disposed between a pair of fixed electrodes 11A and 11B, and a drive electrode 13 ( 13A, 13B).
- One fixed electrode 11A and the drive electrode 13A is formed through the same Si dielectric film 14A made on the substrate 10A, for example, from SiO 2, are electrically insulated by the dielectric film 14A.
- the other fixed electrode 11B and drive electrode 13B are formed on the same Si substrate 10B via a dielectric film 14B made of, for example, SiO 2, and are electrically insulated by this dielectric film 14B.
- the drive electrodes 13A and 13B are connected to the multi-division phase shifters YA and YB, respectively.
- One multi-division phase shifter YA and the other multi-division phase shifter YB invert the phase of the AC drive voltage supplied from the AC drive power supply E by 180 ° to the one drive electrode 13A and the other drive electrode 13B. Applied.
- the configuration except that the drive electrode 13 and the multi-division phase shifter Y are provided in a pair is the same as that of the first embodiment.
- FIG. 13 and 14 show a fourth embodiment of the variable capacitance element Xn .
- Figure 13 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a variable capacitance element X n.
- the variable capacitance element Xn of the fourth embodiment is a one-side electrode type in which the fixed electrode 11 and the movable electrode (capacitance forming electrode) 12 are opposed to each other, and the drive electrode 13 (13A, 13B) is provided on the movable electrode 12 side. It is.
- the movable electrode 12 and the drive electrode 13 are electrically insulated via a dielectric film 14 made of, for example, SiO 2 .
- FIG. 14 is a graph showing the phase change of the capacitance C n of the variable capacitance element X n .
- a timing chart in the case where the multi-division phase shifter Y controls driving of the eight variable capacitance elements X 1 to X 8 is the same as that in the first embodiment and is shown in FIG.
- the first to third embodiments in which .about.C n takes two peak values are more advantageous.
- a plurality of variable capacitance elements X 1 to X n are connected in parallel, and an AC drive voltage is applied to the plurality of variable capacitance elements X 1 to X n with a predetermined phase difference ⁇ .
- capacity output C of the variable capacitor 100 obtained as the sum of the capacitance of the plurality of variable capacitance elements X 1 ⁇ X n is smoothed, ripple is reduced.
- a stable capacitance output C can be obtained even when an AC drive voltage is used, and it becomes easy to handle as a circuit component.
- alternating drive voltage By using an alternating drive voltage, low voltage drive can be realized, which can contribute to lower power consumption, size reduction, and thickness reduction on the side of the device incorporating the variable capacitor. Furthermore, if the frequency of the drive voltage is set in the vicinity of the resonance frequency of the movable electrode, a large amount of displacement of the movable electrode can be secured even with a low drive voltage, and the variable capacitance ratio can be increased. In addition, since the moment when the charging of the dielectric film is reset (becomes zero) by using the AC driving voltage, the charging of the dielectric film can be suppressed compared to the case of using the DC driving voltage, The movable electrode and the fixed electrode can be prevented from sticking.
- the present invention has been described in the embodiment in which an electrostatic force is generated between the fixed electrode and the movable electrode by applying a driving voltage, and the facing distance is changed by the action of the electrostatic force.
- the present invention can also be applied to an embodiment in which a magnetic force or a piezoelectric force is generated between the electrode and the movable electrode to change the facing distance.
- variable capacitor of the present invention can be applied to all portable devices that require low power consumption, miniaturization, and thinning.
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Abstract
低電圧で駆動でき、リップルを抑えて安定した静電容量が得られる可変容量コンデンサを提供する。 対向配置した固定電極と可動電極、この可動電極を変位自在に支持する梁部及び固定電極と可動電極の対向間隔を変化させるための駆動電圧が与えられる駆動電極を有し、互いに並列接続された複数の可変容量素子と、この複数の可変容量素子の駆動電極に、該素子毎に所定の位相差をもって、交流の駆動電圧を順に印加する駆動制御手段とを備えた可変容量コンデンサであって、複数の可変容量素子の静電容量の総和を容量出力とする。
Description
本発明は、電圧印加により固定電極と可動電極の対向間隔が変化する可変容量コンデンサに関する。
例えば携帯電話の発振回路や変調回路などに組み込まれる可変容量コンデンサは、該回路が所望の出力を得られるように静電容量を変化させることができ、近年ではMEMS技術を利用して実現されている。MEMS可変容量コンデンサは、具体的には、固定電極と、この固定電極と所定の対向間隔をあけて配設した可動電極と、この可動電極を固定電極に対して変位自在に支持する梁部と、固定電極と可動電極の間に駆動電圧を印加するための駆動電極とを備え、駆動電圧が印加されたときに固定電極と可動電極の間に生じる力(例えば静電力、磁力、圧電力など)の作用で可動電極が変位し、固定電極と可動電極の対向間隔が変化して静電容量が変化するように構成されている。
従来の可変容量コンデンサは、例えば特許文献1に記載されているように、固定電極と可動電極の間に直流の駆動電圧を印加するDC駆動タイプであった。このため、可変容量コンデンサの大きな容量変化を得ようとすると高い駆動電圧が必要になり、消費電力が大きくなるほか、この高電圧を発生させるための昇圧回路が必要となって装置の大型化を避けられなかった。常に小型化及び薄型化が要求される携帯機器では、可変容量コンデンサを組み込むことが小型化・薄型化を狙う上で不利になってしまう。また、固定電極または可動電極の上または下に積層形成された誘電体膜を備えるタイプでは、固定電極と可動電極の間に高電圧を印加し続けると誘電体膜が帯電して固定電極と可動電極が固着し、可変容量素子として機能しなくなるという課題もあった。
上記DC駆動による課題を解消するには、直流の駆動電圧に替えて交流の駆動電圧を用いることが考えられる。しかし、交流の駆動電圧を用いると、固定電極と可動電極の間に印加する駆動電圧自体が変動することから、可動電極が固定電極に対して近づく方向と離れる方向とに振動する。このため、可変容量コンデンサの静電容量にリップルが生じて回路部品として扱いづらかった。
本発明は、上記課題を鑑み、低電圧で駆動でき、リップルを抑えて安定した静電容量が得られる可変容量コンデンサを提供することを目的とする。
本発明は、交流の駆動電圧を用いれば低電圧駆動及び固定電極と可動電極の固着防止を図れること、及び、並列接続した複数の可変容量素子を所定の位相差で駆動すれば、各可変容量素子の静電容量が合成されてリップルが抑えられ、安定した容量出力を得られることに着目して完成されたものである。
すなわち、本発明によれば、対向配置した固定電極と可動電極、この可動電極を変位自在に支持する梁部及び固定電極と可動電極の対向間隔を変化させるための駆動電圧が与えられる駆動電極を有し、互いに並列接続された複数の可変容量素子と、この複数の可変容量素子の駆動電極に、該素子毎に所定の位相差をもって、交流の駆動電圧を順に印加する駆動制御手段とを備え、複数の可変容量素子の静電容量の総和を容量出力とすることを特徴としている。
駆動制御手段は、具体的には、駆動電極への電圧印加により固定電極と可動電極の間に静電力を生じさせて該固定電極と可動電極の対向間隔を変化させることが好ましい。
複数の可変容量素子は、固定電極または可動電極の上下少なくとも一方に積層形成された誘電体を備えていることが好ましい。誘電体を備えている場合でも、交流の駆動電圧を用いれば、誘電体の帯電がリセットされる(ゼロになる)瞬間があり、可動電極と固定電極の固着を防止することができる。
駆動制御手段が複数の可変容量素子の駆動電極に印加する駆動電圧の周波数は、梁部により決定される可動電極の共振周波数または該共振周波数との差が所定以内の周波数であることが好ましい。この態様によれば、可動電極の共振による倍増効果で、低電圧駆動であっても、可動電極の大きな変位量が得られ、可変比を大きく確保できる。
駆動制御手段は、可変容量素子毎の位相差を360°/素子数に設定することが実際的である。
本発明によれば、低電圧で駆動でき、リップルを抑えて安定した静電容量が得られる可変容量コンデンサを提供することができる。
図1は、本発明の可変容量コンデンサの全体構成を示す模式ブロック図である。可変容量コンデンサ100は、互いに並列接続された複数の可変容量素子X(X1~Xn;nは整数)と、多分割位相シフターYとを備えている。多分割位相シフターYは、複数の可変容量素子X1~Xnの駆動制御手段であって、外部交流電源Eから供給された交流の駆動電圧を可変容量素子X1に与え、その後、同駆動電圧を、所定の位相差αずつ遅らせて、対応する可変容量素子X2~Xnに与える複数の位相器Y1~Yn-1を備えている。
図2~図9は、可変容量素子Xnの第1実施形態を示している。図2(a)は可変容量素子Xnの概略構成を示す模式図であり、図2(b)は可変容量素子Xnの回路図、図2(c)は(b)の等価回路図である。第1実施形態の可変容量素子Xnは、一対の固定電極11A、11Bの間に可動電極(容量形成電極)12を配設し、この可動電極12側に、多分割位相シフターYに接続された駆動電極13を設けている。可動電極12と駆動電極13は、例えばSiO2からなる誘電体膜14を介して電気的に絶縁されている。
この可変容量素子Xnにおいて、駆動電極13に電圧印加がない状態では、可動電極12を変位自在に支持する梁部10b2(図5~図7)のばね力によって可動電極12が一対の固定電極11A、11Bの中間位置に保持され、一方の固定電極11Aと可動電極12の対向間隔と他方の固定電極11Bと可動電極12の対向間隔は等しく保持されている。すなわち、一方の固定電極11Aと可動電極12の間に生じる第1の静電容量Canと、他方の固定電極11Bと可動電極12の間に生じる第2の静電容量Cbnは等しい。図2(a)は、この電圧印加がない状態を示している。そして、多分割位相シフターYを介して駆動電極13に交流の駆動電圧が印加されると、可動電極12と他方の固定電極11Bとの間に静電力が発生し、この静電力の作用により可動電極12が変位する。ここで生じる静電力は、一定ではなく、該印加された交流電圧の大きさに対応して変動する。このため、可動電極12は図示上下方向に振動し、この振動に伴って一方の固定電極11Aと可動電極12の対向間隔及び他方の固定電極11Bと可動電極12の対向間隔が変化し、第1の静電容量Can及び第2の静電容量Cbnも変化する。具体的には、可動電極12が他方の固定電極11Bに近づく方向(図示下方向)に変位すると、可動電極12と他方の固定電極11Bの対向間隔は狭くなって第2の静電容量Cbnが大きくなり、可動電極12と一方の固定電極11Aの対向間隔は拡がって第1の静電容量Canが小さくなる。逆に、可動電極12が他方の固定電極11Bから離れる方向(図示上方向)に変位すると、可動電極12と他方の固定電極11Bの対向間隔は拡がって第2の静電容量Cbnが小さくなり、可動電極12と一方の固定電極11Aの対向間隔は狭くなって第1の静電容量Canが大きくなる。駆動電極13への電圧印加が停止されると、梁部10b2(図5~図7)のばね力によって、可動電極12は一対の固定電極11A、11Bの中間位置に復帰する。
図2(b)及び図2(c)に示すように、第1の静電容量Canと第2の静電容量Cbnは電気的に並列な関係であり、第1の静電容量Canと第2の静電容量Cbnの合成容量が可変容量素子Xnの静電容量Cnとなる(Cn=Can+Cbn)。
図3は、可変容量素子Xnの静電容量Cnの位相変化を示すグラフである。図3に示すように、第1の静電容量Cbnの変化と第2の静電容量Canの変化は180°の位相差をもち、その合成容量となる可変容量素子Xnの静電容量Cnは、1周期(360°)の間に、2回のピーク値を有している。
図4~図8を参照し、可変容量素子Xnのより具体的な構成例を説明する。図4は8個の可変容量素子X1~X8(n=8)を備えた可変容量コンデンサを示す平面図であり、図5は図4の部分拡大図であり、図6は図4のVI-VI線に沿う断面図である。図7及び図8は、図5及び図6の可変容量素子Xnの製造工程を示す断面図である。
8個の可変容量素子X1~X8は、図4に示すように二次元的に配置され、図6の上基板10及び下基板50により構成されている。
上基板10は、SOI(シリコンインシュレーター)基板からなり、SiO2膜10cを挟んで積層した第1のSi基板10a及び第2のSi基板10bを有している。第1のSi基板10aは、一方の固定電極11Aとして機能し、グランド接地されている。第2のSi基板10b上にはSiO2からなる誘電体膜14が形成されており、この誘電体膜14上に、可動電極12と駆動電極13が薄膜形成されている。SiO2からなる誘電体膜は、第1のSi基板10aの第2のSi基板10bと対向する面にも積層形成されていてもよい。
図5に示すように、可動電極12は、第2のSi基板10bの平面矩形状をなす中央部10b1に該中央部10b1より小さな平面矩形状で形成され、配線部12aを介して可変容量素子100の出力部に接続されている。駆動電極13は、第2のSi基板10bの中央部10b1に該中央部10b1及び可動電極12の周縁に沿って形成され、配線部13aを介して多分割位相シフターYに接続されている。
第2のSi基板10bは、その厚さが10μm程度で可撓性を有しており、中央部10b1の各辺から外方に延出形成した線条体の梁部10b2が形成され、各梁部10b2の終端で第1のSi基板10a及び下基板50に接合されている。すなわち、梁部10b2を介して中央部10b1が変位自在に支持されている。可動電極12の配線部12a及び駆動電極13の配線部13aは、4本の梁部10b2のうち異なる2本の梁部10b2上に配設され外方へ引き出されている。SiO2膜10cは、第1の基板10aと梁部10b2の接合部分を除いて除去されており、その除去部分が第1のSi基板10aと第2のSi基板10bのギャップを形成している。このギャップ間隔は、SiO2膜10cの膜厚に対応し、図示実施形態では2μmである。第1のSi基板10aは、その厚さが100μm程度で第2のSi基板10bに比べて十分厚く、第2のSi基板10bが撓んでもその撓みに追随しない。
図7は、上基板10の製造工程(a)~(f)を示している。まず、SiO2膜10cを挟んで積層した第1のSi基板10a及び第2のSi基板10bからなるSOI基板10'を洗浄する。次に、図7(a)に示すように第2のSi基板10b上にSiO2からなる誘電体膜14を1μm程度の膜厚で形成する。続いて、図7(b)に示すように、レジストパターニング法により、誘電体膜14上に、可動電極12と駆動電極13を同時に形成する。この可動電極12と駆動電極13には、例えばTi/Au膜を用いることができ、そのTi膜厚は1000Å程度とし、Au膜厚は1μm程度とする。続いて、図7(c)に示すように、可動電極12と駆動電極13の上面をレジストRで覆う。この工程では、不図示である梁部10b2を形成すべき領域もレジストRで覆っておく。そして、図7(d)に示すようにSiO2膜10cが露出するまでエッチング処理し、図7(e)に示すようにレジストRを剥離する。これにより、レジストRで覆われていない誘電体膜14と第2のSi基板10bが除去され、残された第2のSi基板10bは、可動電極12と駆動電極13が形成された平面矩形状の中央部10b1と、この中央部10b1の各辺から細長く延出した梁部10b2とが形成される。さらに、図7(f)に示すように、第1のSi基板10aと第2のSi基板10bの接合部(梁部10b2の終端)を除いてSiO2膜10cを除去すると、図6の上基板10が得られる。
下基板50は、グランド接地された厚さ100μm程度のSi基板からなり、他方の固定電極11Bとして機能する。図8は下基板50の製造工程を示している。この下基板50は、基板洗浄後、図8(a)に示すように下基板50上にSiO2膜51を1μm程度の膜厚で形成し、図8(b)に示すように、上基板10との接合領域に、導体パターン52'を形成することで得られる。導体パターン52'は、上基板10と下基板50の接合部52となるもので、この接合部52は、図4に示されるように下基板50の基板周縁に沿って形成されている。導体パターン52'は、例えばTi/Au膜を用いることができ、そのTi膜厚は1000Å程度とし、Au膜厚は2μm程度とする。
上基板10の可動電極12及び駆動電極13と下基板50のSiO2膜51を対向させ、高温高圧環境下(例えば350℃、10気圧)で上基板10と下基板50を気密に接合すると、図4の可変容量素子Xnが得られる。駆動電圧の印加がない状態での他方の固定電極11Bと可動電極12の対向間隔は、図示実施形態では2μmであり、接合部52の厚さに一致している。
次に、図9及び図10を参照し、多分割位相シフターYによる複数の可変容量素子X1~Xnの駆動制御について説明する。可変容量コンデンサ100の静電容量(容量出力)Cは、複数の可変容量素子X1~Xnの静電容量C1~Cnの総和である。多分割位相シフターYの各位相器Y1~Yn-1の位相差αは、α=360°/(可変容量素子数n)により決定する。図9は、多分割位相シフターYが8個の可変容量素子X1~X8の駆動制御する場合のタイミングチャートである。図9において、駆動電圧信号「1」の状態は可変容量素子X1~X8に交流の駆動電圧が印加されることを意味し、駆動電圧信号「0」の状態は可変容量素子X1~X8への駆動電圧が印加されていないことを意味している。多分割位相シフターYは、基準パルス信号に基づいて動作し、7個の位相器Y1~Y7が位相差α=45°で8個の可変容量素子X1~X8に交流駆動電源Eからの駆動電圧を順番に印加していく。基準パルス信号の1パルス分のパルス間隔は各位相器Y1~Y7の位相差α=45°に対応している。図9のように位相差α=45°で8個の可変容量素子Xn(X1~X8)をn=1から順に駆動させると、これら8個の可変容量素子X1~X8の合成容量として得られる可変容量コンデンサ100の容量出力Cが平滑化され、リップルが低減する。図10は、図9のタイミングチャートで駆動制御された可変容量コンデンサ100の静電容量Cの位相変化を示すグラフである。この図9から明らかなように、可変容量コンデンサ100の静電容量Cは、リップルが±0.3%以内に抑えられ、ほぼ一定となった。
上記複数の可変容量素子X1~Xnに与える交流の駆動電圧の周波数は、1~100kHzの範囲で適宜設定でき、本実施形態では可動電極12の共振周波数付近に設定してある。この共振周波数付近の駆動電圧を用いると、可動電極12の共振による増倍効果で大きな変位量が得られ、低電圧駆動の実現に有利である。可動電極12の共振周波数は、梁部10b2の形状、ばね定数、重さ等により決定される。また、可変容量素子100の静電容量Cは、複数の可変容量素子X1~Xnに印加する駆動電圧の大きさにより任意に設定可能である。
図11は、可変容量素子Xnの第2実施形態の概略構成を示す模式図である。第2実施形態の可変容量素子Xnは、一対の固定電極11A、11Bの間に可動電極(容量形成電極)12を配設し、他方の固定電極11B側に、多分割位相シフターYに接続された駆動電極13を設けている。他方の固定電極11Bと駆動電極13は、例えばSiO2からなる誘電体膜14を介して電気的に絶縁されている。この駆動電極13の配設位置以外は、第1実施形態と同一の構成である。
図12は、可変容量素子Xnの第3実施形態の概略構成を示す模式図である。第3実施形態の可変容量素子Xnは、一対の固定電極11A、11Bの間に可動電極(容量形成電極)12を配設し、一対の固定電極11A、11Bの両方に、駆動電極13(13A、13B)を設けたタイプである。一方の固定電極11Aと駆動電極13Aは、同一のSi基板10A上に例えばSiO2からなる誘電体膜14Aを介して形成され、この誘電体膜14Aで電気的に絶縁されている。同様に、他方の固定電極11Bと駆動電極13Bは、同一のSi基板10B上に例えばSiO2からなる誘電体膜14Bを介して形成され、この誘電体膜14Bで電気的に絶縁されている。駆動電極13A、13Bは、多分割位相シフターYA、YBにそれぞれ接続されている。一方の多分割位相シフターYAと他方の多分割位相シフターYBは、交流駆動電源Eから供給された交流の駆動電圧を180°位相を反転させて、一方の駆動電極13Aと他方の駆動電極13Bに印加している。この駆動電極13及び多分割位相シフターYを一対で備える以外の構成は、第1実施形態と同一の構成である。
図13及び図14は、可変容量素子Xnの第4実施形態を示している。図13は可変容量素子Xnの概略構成を示す模式図である。第4実施形態の可変容量素子Xnは、固定電極11と可動電極(容量形成電極)12を対向対置して、可動電極12側に、駆動電極13(13A、13B)を設けた片側電極タイプである。可動電極12と駆動電極13は、例えばSiO2からなる誘電体膜14を介して電気的に絶縁されている。図14は、可変容量素子Xnの静電容量Cnの位相変化を示すグラフである。多分割位相シフターYの各位相器Y1~Yn-1の位相差αは、α=360°/(可変容量素子数n)により決定する。多分割位相シフターYが8個の可変容量素子X1~X8の駆動制御する場合のタイミングチャートは、第1実施形態と同様であり、図9に示されている。
上記第1~第4実施形態において、より少ない可変容量素子数nで可変容量コンデンサ100の容量出力を平滑化するという観点では、1周期(360°)の中に各可変容量素子X1~Xnの静電容量C1~Cnが1回のピーク値をとる第4実施形態に比べて、1周期(360°)の中に各可変容量素子X1~Xnの静電容量C1~Cnが2回のピーク値をとる第1~第3実施形態のほうが有利である。
以上の各実施形態によれば、複数の可変容量素子X1~Xnを並列接続し、これら複数の可変容量素子X1~Xnを所定の位相差αで交流の駆動電圧を印加して駆動制御するので、複数の可変容量素子X1~Xnの静電容量の総和として得られる可変容量コンデンサ100の容量出力Cが平滑化され、リップルは低減される。これにより、交流の駆動電圧を用いても安定した容量出力Cが得られ、回路部品として扱いやすくなった。
そして、交流の駆動電圧を用いたことにより低電圧駆動を実現でき、本可変容量コンデンサを組み込む装置側の低消費電力化、小型化及び薄型化に貢献できる。さらに、駆動電圧の周波数を可動電極の共振周波数付近に設定すれば、低い駆動電圧であっても可動電極の変位量を大きく確保でき、可変容量比を大きくすることが可能である。また、交流の駆動電圧を用いたことにより誘電体膜の帯電がリセットされる(ゼロになる)瞬間が生じるので、直流の駆動電圧を用いた場合に比べて誘電体膜の帯電を抑制でき、可動電極と固定電極の固着を防止することができる。
そして、交流の駆動電圧を用いたことにより低電圧駆動を実現でき、本可変容量コンデンサを組み込む装置側の低消費電力化、小型化及び薄型化に貢献できる。さらに、駆動電圧の周波数を可動電極の共振周波数付近に設定すれば、低い駆動電圧であっても可動電極の変位量を大きく確保でき、可変容量比を大きくすることが可能である。また、交流の駆動電圧を用いたことにより誘電体膜の帯電がリセットされる(ゼロになる)瞬間が生じるので、直流の駆動電圧を用いた場合に比べて誘電体膜の帯電を抑制でき、可動電極と固定電極の固着を防止することができる。
以上では、駆動電圧の印加により固定電極と可動電極の間に静電力を発生させ、該静電力の作用によりその対向間隔を変化させる実施形態で本発明を説明したが、駆動電圧の印加により固定電極と可動電極の間に磁力または圧電力を生じさせてその対向間隔を変化させる態様にも、本発明は適用可能である。
本発明の可変容量コンデンサは、低消費電力化、小型化及び薄型化が要求される携帯機器全般に適用可能である。
10 上基板
10a 第1のSi基板
10b 第2のSi基板
10b1 中央部
10b2 梁部
11A、11B 固定電極
12 可動電極
13 駆動電極
14 誘電体膜
E 外部交流電源
X(X1~Xn) 可変容量素子
Y 多分割位相シフター
Y1~Yn-1 位相器
10a 第1のSi基板
10b 第2のSi基板
10b1 中央部
10b2 梁部
11A、11B 固定電極
12 可動電極
13 駆動電極
14 誘電体膜
E 外部交流電源
X(X1~Xn) 可変容量素子
Y 多分割位相シフター
Y1~Yn-1 位相器
Claims (5)
- 対向配置した固定電極と可動電極、この可動電極を変位自在に支持する梁部及び前記固定電極と可動電極の対向間隔を変化させるための駆動電圧が与えられる駆動電極を有し、互いに並列接続された複数の可変容量素子と、
この複数の可変容量素子の駆動電極に、該素子毎に所定の位相差をもって、交流の駆動電圧を順に印加する駆動制御手段とを備え、
前記複数の可変容量素子の静電容量の総和を容量出力とすることを特徴とする可変容量コンデンサ。 - 請求の範囲第1項に記載の可変容量コンデンサにおいて、前記駆動制御手段は、前記駆動電極への電圧印加により前記固定電極と前記可動電極の間に静電力を生じさせて該固定電極と可動電極の対向間隔を変化させる可変容量コンデンサ。
- 請求の範囲第1項または第2項に記載の可変容量コンデンサにおいて、前記複数の可変容量素子は、前記固定電極または前記可動電極の上下少なくとも一方に積層形成された誘電体を備えている可変容量コンデンサ。
- 請求の範囲第1項ないし第3項のいずれか一項に記載の可変容量コンデンサにおいて、前記駆動制御手段が前記複数の可変容量素子の駆動電極に印加する駆動電圧の周波数は、前記梁部により決定される前記可動電極の共振周波数または該共振周波数との差が所定以内の周波数である可変容量コンデンサ。
- 請求の範囲第1項ないし第4項のいずれか一項に記載の可変容量コンデンサにおいて、前記駆動制御手段は、前記可変容量素子毎の位相差を360°/素子数に設定する可変容量コンデンサ。
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