JP2009055683A

JP2009055683A - 圧電駆動型ｍｅｍｓ装置および携帯端末

Info

Publication number: JP2009055683A
Application number: JP2007218642A
Authority: JP
Inventors: Takashi Kawakubo; 隆川久保; Toshihiko Nagano; 野利彦長; Michihiko Nishigaki; 垣亨彦西
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2007-08-24
Filing date: 2007-08-24
Publication date: 2009-03-12
Also published as: KR101021336B1; CN101373811B; KR20090021088A; CN101373811A; US20090051251A1; US7816841B2

Abstract

【課題】作用部と固定電極との接触面積を可及的に大きくすることを可能にする。
【解決手段】基板１と、基板上に設けられた支持部２と、基板上に設けられた固定電極１１と、第１の電極４と、第１の電極上に形成された圧電膜５と、圧電膜上に形成された第２の電極６とを有し、一端が支持部を介して基板上に固定され、他端が固定電極に対向するように配置されて作用部１０となるアクチュエータ３と、を備え、作用部は、第１の電極、圧電膜、および第２の電極を貫通する複数のスリットによって複数の電極部に分割され、各電極部は少なくとも一部が隣接する電極部の一部に連結され、各電極部は個別に曲げ変形を生じることが可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電駆動機構を有する圧電駆動型ＭＥＭＳ装置およびこのＭＥＭＳ装置を有する携帯端末に関する。

可変キャパシタ素子としては、従来からＰ／Ｎ接合の空乏層厚さ変化を利用したバリキャップ・ダイオードが使用されている。しかしながらバリキャップ・ダイオードは、容量変化幅が高々５倍程度しか取れないこと、損失の小ささを表すＱ値が２０〜３０程度と小さいことから、用途が限られているのが現状である。

一方、最近注目を集めているのがＭＥＭＳ(Micro-electro-mechanical System)技術で作成する可変キャパシタである。すなわち、基板上の空中に支持された梁に可変キャパシタの可動電極（作用部）を、対向する基板上に可変キャパシタの固定電極を作成し、梁を静電力、熱応力、電磁力、圧電力などで駆動して、作用部と固定電極との間の距離を変化させることによって可変キャパシタを構成するものである。

このうち、特に可動梁の駆動力として圧電逆作用を使用したものは、作用部と固定電極の間隔を連続的に大きく変化できるので、容量変化率を大きくとることができ、また誘電体として空気あるいはガスを使用しているので非常に大きいＱ値が得られるなど多くの利点がある。

また、これらの可変キャパシタ構造をそのまま使用して、作用部と固定電極とを極めて薄い誘電膜を隔てて接触させることにより、高周波（ＲＦ）領域においてキャパシティブ型スイッチとして機能させることも可能である。このようなＭＥＭＳ技術で作成したスイッチは、半導体スイッチに比較して、低いオン抵抗と、オフ時の高い絶縁分離特性とを兼ね備えているため、やはり非常に注目されている。

しかしながら、圧電駆動機構を使用したＭＥＭＳ可変キャパシタは、空中に支持され、上下電極に挟まれた圧電層を含む長く薄い梁構造や、広い電極構造を有する。このため、梁や作用部を構成する材料の僅かな残留応力の有無で上下に反るという問題が深刻である。この問題に対処するため、折返し構造を持つ圧電駆動型ＭＥＭＳ装置が本発明者等よって提案されている（例えば、特許文献１、および非特許文献１参照）。この折返し構造を有する圧電駆動型ＭＥＭＳ装置においては、一端が基板に固定され、他端が接続端となり、一対の電極膜に挟まれた圧電膜を有する第１の梁と、一端が接続端とし、この接続端から第１の梁と逆方向に延伸し、他端が作用部となる第１の梁と基本的に同一の構造および寸法を持つ第２の梁と、上記作用部に対向して基板上に設置された固定電極を持っている。すなわち、同一構造・形状の２本の梁を平行に設置して端部同士を接続した折返し構造にすることにより、成膜時の残留歪により梁に反りが生じた場合でも２本の梁が同様に反るためにキャンセルすることが可能になる。したがって圧電駆動型ＭＥＭＳ装置の作用端と基板に固定された固定端の距離がほぼ一定に保たれ、安定な動作が可能になると期待される。
特開２００６−８７２３１号公報 Kawakubo et al.,"RF-MEMS Tunable Capacitor With 3V Operation Using Folded Beam Piezoelectric Bimorph Actuator", Journal of Microelectromechanical systems, Vol.15, No.6, December 2006, pp.1759-1765

しかしながら、作用端と基板に固定された固定端がほぼ一定に保たれた場合においても、作用端先端に接続された作用部がやはり放物面状に反ることにより、平面状の固定電極と接触したときに接触する面積が小さいこと、固定電極に圧着されても放物面状であることから変形しにくいため、最大容量値が小さいという問題が生じる。このことが、ＭＥＭＳ可変キャパシタの工学的な応用を妨げている最大の問題点の一つである。

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、作用部と固定電極との接触面積を可及的に大きくすることのできる圧電駆動型ＭＥＭＳ装置およびこの圧電駆動型ＭＥＭＳ装置を有する携帯端末を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様による圧電駆動型ＭＥＭＳ装置は、基板と、前記基板上に設けられた支持部と、前記基板上に設けられた固定電極と、第１の電極と、前記第１の電極上に形成された圧電膜と、前記圧電膜上に形成された第２の電極とを有し、一端が前記支持部を介して前記基板上に固定され、他端が前記固定電極に対向するように配置されて作用部となるアクチュエータと、を備え、前記作用部は、前記第１の電極、前記圧電膜、および前記第２の電極を貫通する複数のスリットによって複数の電極部に分割され、各電極部は少なくとも一部が隣接する電極部の一部に連結され、各電極部は個別に曲げ変形を生じることが可能であることを特徴とする。

また、本発明の第２の態様による圧電駆動型ＭＥＭＳ装置は、基板と、前記基板上に設けられた第１の支持部と、前記基板上に設けられた第２の支持部と、第１の電極と、前記第１の電極上に形成された圧電膜と、前記圧電膜上に形成された第２の電極とを有し、一端が前記第１の支持部を介して前記基板上に固定され、他端が前記第２の支持部を介して前記基板上に固定され、中央部が作用部となるアクチュエータと、前記作用部の前記第１の電極に対向するように前記基板上に設けられた固定電極と、を備え、前記作用部は、前記第１の電極、前記圧電膜、および前記第２の電極を貫通する複数のスリットによって複数の電極部に分割され、各電極部は少なくとも一部が隣接する電極部の一部に連結され、各電極部は個別に曲げ変形を生じることが可能であることを特徴とする
また、本発明の第３の態様による携帯端末は、第１乃至第２の態様のいずれかに記載の圧電駆動型ＭＥＭＳ装置を可変キャパシタまたはＲＦスイッチとして備えていることを特徴とする。

本発明によれば、作用部と固定電極との接触面積を可及的に大きくすることができる。

本発明の実施形態を以下に図面を参照して詳細に説明する。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による圧電駆動型ＭＥＭＳ装置を図１および図２に示す。図１は本実施形態の圧電駆動型ＭＥＭＳ装置の平面図、図２は図１に示す切断線Ａ−Ａで切断した断面図である。

本実施形態の圧電駆動型ＭＥＭＳ装置は可変キャパシタであって、基板１上に設けられたアンカー（支持部）２と、このアンカー２に一端が固定された可動梁（以下、アクチュエータとも云う）３と、この可動梁３の他端に対向するように基板１上に設けられた固定電極１１と、固定電極１１の表面を覆うように設けられた誘電体膜１２と、を備えている。可動梁３は下部電極４、圧電膜５、支持膜を兼用した上部電極６の積層構造を有している。可動梁３のアンカー２に固定された固定端と反対側の端部が固定電極１１に対向する作用部（可動電極）１０となっている。この作用部１０は、半円形状のスリットと直線形状のスリットとを組み合わせた、上部電極６から下部電極４に貫通する３本のスリット１３が設けられている。そして、このスリット１３により、作用部１０は４個の電極部１０ａ〜１０ｄに分割されている。各電極部１０ａ〜１０ｄはそれぞれ、端部が可動梁３の作用端以外の部分を介して接続されているので、可動梁３の作用端以外の部分によって支持された片持ち梁とみなすことができ、「個別に曲げ変形を生じる」ことが可能となる。以下、本明細書中では、「個別に曲げ変形を生じる」とは、各電極部が、他の電極部が拘束されていて変形ができない場合も曲げ変形可能となり、対向する固定電極に誘電体膜を介して接触するかまたは直接接触する（誘電体膜が形成されていない場合）ことが可能となることを意味する。

このように構成された本実施形態の圧電駆動型ＭＥＭＳ装置において、下部電極４と上部電極６との間に圧電駆動電圧が印可されていないときは、すなわち作用部１０が空中に保持されている場合は、作用部１０の可動梁３が延在する方向と直交する方向の断面は、図３の破線に示すように、基板側に凸となるように全体として放物線状の反りを生じている。これは、可動梁３の作用部１０と反対側の端部がアンカー２に固定されているので下部電極４の下面は拘束面となり、これに対して上部電極６の上面が自由面となるので、梁の残留応力により、基板側に凸となるような反りが生じる。このときの作用部１０と、固定電極１１との間で生じる容量をＣ_０とする。そして、下部電極４と上部電極６との間に圧電駆動電圧を印可すると、圧電膜５が伸縮し、可動梁３が上下に屈曲する。このため、作用部１０と、固定電極１１との間で生じる容量は図４に示すように、Ｃ_０から増加する。そして圧電駆動電圧がＶ_１になると、作用部１０の中央の電極部１０ａが誘電体膜１２を介して固定電極１１と接触する。このときの作用部１０と固定電極１１との間で生じる容量は、図４に示すように、Ｃ_１となる。この状態で、更に圧電駆動電圧を上げてＶ_２にすると、作用部１０の電極部１０ｂも誘電体膜１２を介して固定電極１１に接触する。このときの作用部１０と固定電極１１との間で生じる容量は、図４に示すように、Ｃ_２となる。この状態で、更に圧電駆動電圧を上げてＶ_３にすると、作用部１０の電極部１０ｃも誘電体膜１２を介して固定電極１１に接触する。このときの作用部１０と固定電極１１との間で生じる容量は、図４に示すように、Ｃ_３となる。この状態で、更に圧電駆動電圧を上げてＶ_４にすると、作用部１０の電極小１０ｄも誘電体膜１２を介して固定電極１１に接触する。このときの作用部１０の可動梁３が延在する方向と直交する方向の断面は図３の実線に示すようになり、作用部１０と固定電極１１との間で生じる容量は、図４に示すように、Ｃ_４となる。このときの作用部１０の各電極部が固定電極１１から受ける圧力は中央の電極部１０ａが最も大きく、電極部１０ｂ、電極部１０ｃ、電極部１０ｄの順に小さくなっている。この状態を図５に示す。図５では、受ける圧力の大きさに比例して濃くなるようにグラデーションが付けられている。なお、図３は図５に示す切断線Ｂ−Ｂで切断した断面図を示している。

（比較例）
次に、本実施形態の比較例による圧電駆動型ＭＥＭＳ装置を図６および図７に示す。図６はこの比較例の圧電駆動型ＭＥＭＳ装置の平面図、図７は図６に示す切断線Ａ−Ａで切断した断面図である。

この比較例のＭＥＭＳ装置は、第１実施形態において、作用部１０を、スリット１３を設けない構造の作用部５０に置き換えた構成となっている。この比較例のＭＥＭＳ装置においては、下部電極４と上部電極６との間に圧電駆動電圧が印可されていないときは、第１実施形態と同様に、図８の破線に示すように、作用部５０は、上向きの反りが生じている。作用部５０が可動梁４０により固定電極１１に誘電体膜１２を介して圧着された場合は、第１実施形態と異なり、作用部５０における放物面状の反りがいわゆるシェル構造であるために変形が殆ど生じず、図８の実線に示すように、作用部５０の中心付近しか固定電極１１に接触しない。したがって、作用部５０の上下電極間に印可される圧電駆動電圧と、作用部５０と固定電極１１との間の容量との関係は図９に示すようになる。

このため、比較例においては、１００μｍ角の作用部と固定電極を持ち、誘電体膜１２として厚さ２０ｎｍで比誘電率が１０のＡｌＮ膜を使用した場合でも、最大で１８５ｆＦの容量しか得ることができなかった。

これに対して、第１実施形態においては、作用部１０が可動梁３により固定電極１１に誘電体膜１２を介して圧着された場合は、まず中心にある電極部１０ａから固定電極１１に誘電体膜１２を介して接触して変形を生じ、順に電極部１０ｂ、１０ｃ、１０ｄが誘電体膜１２を介して接触していくので、比較例に比べて作用部全体ではるかに多くの面積が固定電極１１に誘電体膜１２を介して接触することが可能になる。比較例と全体が同一寸法となるように作製した第１実施形態の圧電駆動型ＭＥＭＳ装置においては、最大で３２０ｆＦの容量を得ることができた。

以上説明したように、本実施形態においては、可動梁３の延在する方向に沿った複数組の直線形状のスリットと、各組の直線形状のスリットに接続される半円形状のスリットとが組み合わされたスリット１３によって、作用部１０が複数の電極部１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄに分割され、これらの電極部１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄのそれぞれは他の電極部が拘束されていて変形ができない場合も変形可能となる。このため、可動梁３が残留応力により反っていても、上下電極４、６間に印加する電圧を大きくしていくにつれ電極部１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄが全て対向電極に誘電体膜１２を介して接触することが可能となる。すなわち、本実施形態においては、電極部はそれぞれ「個別に曲げ変形を生じる」ことが可能となるので、作用部と固定電極との誘電体膜１２を介した接触面積を可及的に大きくすることのでき、容量値を可及的に大きくすることが可能となる。

（製造方法）
次に、本実施形態の圧電駆動型ＭＥＭＳ装置の製造方法を図１０（ａ）乃至図１０（ｄ）を参照して説明する。

まず、図１０（ａ）に示すように、表面が絶縁性の基板１に、アンカー２と、誘電体膜１２に覆われた固定電極１１とを形成した。アンカー２や誘電体膜１２は材料としてシリコン窒化膜や酸化膜などの絶縁膜が好適であり、リソグラフィーと反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などの公知の方法を使用して形成することが可能である。

次に、図１０（ｂ）に示すように、基板１上にアンカー２および固定電極１１を覆うように犠牲層２１を形成し、周知のＣＭＰ技術によりアンカー２が露出するまで犠牲層２１の表面を研磨し平坦化を行った。犠牲層２１としては、他の膜材料に対して選択エッチングが可能な、無機材料、金属材料、有機材料を使用することが可能であるが、本実施形態では多結晶シリコンを使用した。

次に、図１０（ｃ）に示すように、アンカー２および犠牲層２１の上に、可動梁の下部電極４、圧電膜５、上部電極６を順に形成した。下部電極４として厚さ２００ｎｍのＡｌ、圧電膜５としてｃ軸配向した膜厚５００ｎｍのＡｌＮ、上部電極６として膜厚６００ｎｍのＡｌを使用した。ＡｌおよびＡｌＮはスパッタにより作製し、リソグラフィーおよびエッチングによりパターニングした。

次に、図１０（ｄ）に示すように、可動梁の一部をリソグラフィーおよびＲＩＥにより一括してパターニングし、電極部分割用のスリット１３を形成した。その後、ＸｅＦ_２をエッチングガスとして使用した選択エッチングにより犠牲層２１を除去し、可動梁３を作成した。

このようにして、電極部に分割された作用部を持つ圧電駆動型ＭＥＭＳ装置を作成することができた。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による圧電駆動型ＭＥＭＳ装置の作用部の平面図を図１１に示す。本実施形態の圧電駆動型ＭＥＭＳ装置は、第１実施形態において、作用部１０のスリット１３の形状を変えた構成となっている。スリット１３は作用部１０のほぼ中心から放射線状に延びるように形成され、これらのスリット１３によって作用部１０は８個の三角形の電極部１０ａに分割されている。各電極部１０ａは、それぞれの外周部分が、隣接する電極部の外周部と接続されている。このため、各電極部１０ａは、それぞれの外周部分が支持された片持ち梁とみなすことができ、「個別に曲げ変形を生じる」ことが可能となる。

本実施形態においては、図１２に示すように、作用部１０が空中に保持されている場合（破線で示す）は全体として放物線状に反りを生じている。これに対して、作用部１０が可動梁３により固定電極１１に圧着された場合は、それぞれの電極部１０ａが固定電極に誘電体膜１２を介して接触して変形を生じ、広い面積で接触する。このため、図１２の実線で示すように、作用部全体で遙かに多くの面積が固定電極１１に誘電体膜１２を介して接触することが可能になる。なお、図１２は、図１１に示す切断線Ａ−Ａで切断した断面図である。また、図１１には、作用部１０が固定電極１１に接触しているとき固定電極１１から受ける圧力を、受ける圧力の大きさに比例して濃くなるようにグラデーションを付けて示している。

本実施形態は、第１実施形態で説明した比較例と全体がスリット１３を除いて同一寸法とした場合は、最大で２８５ｆＦの容量を得ることが可能であった。ちなみに比較例は、最大で１８５ｆＦの容量しか得ることができなかった。

以上説明したように、本実施形態によれば、作用部１０のほぼ中心から放射線状に延びるように形成されたスリット１３によって、作用部１０が複数個の三角形の電極部１０ａに分割され、各電極部１０ａは、「個別に曲げ変形を生じる」ことが可能となっているので、作用部と固定電極との誘電体膜１２を介した接触面積を可及的に大きくすることのでき、容量値を可及的に大きくすることが可能となる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態による圧電駆動型ＭＥＭＳ装置の作用部の平面図を図１３に示す。本実施形態の圧電駆動型ＭＥＭＳ装置は、第１実施形態において、作用部１０のスリット１３の形状を変えた構成となっている。スリット１３は、作用部１０の端部に向かって可動梁３の延在する方向に沿って直線状に４個設けられている。これらのスリット１３により、作用部１０は、５個の矩形の電極部１０ａに分割されている。各電極部１０ａは、それぞれの端部が可動梁３によって支持された片持ち梁とみなすことができ、「個別に曲げ変形を生じる」ことができる。

図１４に示すように、作用部１０が空中に保持されている場合（破線で示す）は全体として放物面状に反りを生じている。これに対して、可動梁３によって作用部１０が固定電極１１に誘電体膜１２を介して圧着された場合は、それぞれの電極部１０ａが固定電極１１に誘電体膜１２を介して接触して変形を生じ、誘電体膜１２を介して広い面積で接触している。このため、図１４に実線で示すように、作用部全体が遙かに多くの面積で誘電体膜１２を介して固定電極１１に接触することが可能になった。なお、図１４は、図１３に示す切断線Ａ−Ａで切断した断面図である。また、図１３には、作用部１０が固定電極１１に誘電体膜１２を介して接触しているとき固定電極１１から受ける圧力を、受ける圧力の大きさに比例して濃くなるようにグラデーションを付けて示している。

本実施形態は、第１実施形態で説明した比較例と、全体がスリット１３を除いて同一寸法とした場合は、最大で３１０ｆＦの容量を得ることが可能であった。ちなみに比較例は、最大で１８５ｆＦの容量しか得ることができなかった。

以上説明したように、本実施形態によれば、作用部１０の端部に向かって可動梁３の延在する方向に沿って直線状に設けられた複数個のスリット１３により、作用部１０が複数個の矩形の電極部１０ａに分割され、各電極部１０ａは、「個別に曲げ変形を生じる」ことが可能となる。これにより、作用部と固定電極との誘電体膜１２を介した接触面積を可及的に大きくすることができ、容量値を可及的に大きくすることが可能となる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態による圧電駆動型ＭＥＭＳ装置の作用部の平面図を図１５に示す。本実施形態の圧電駆動型ＭＥＭＳ装置は、第１実施形態において、作用部１０のスリット１３の形状を変えた構成となっている。スリット１３は、作用部１０の横方向および縦方向に縫い目状にそれぞれ複数列設けられている。すなわち、スリット１３は、作用部１０の中央では十字状になり、周辺ではＩ字状またはＴ字状になっている。これらのスリット１３により、作用部１０は、８個の矩形の電極部１０ａに分割されている。各電極部１０ａは、周囲の少なくとも一部のみが隣接する電極部に接続されており、各電極部の周囲長に占める接続部の割合は、最大で２５％であった。このため、各電極部は、接続部を中心に「個別に曲げ変形を生じる」ことができる。

図１６に示すように、作用部１０が空中に保持されている場合（破線で示す）は全体として放物面状に反りを生じている。これに対して、可動梁３によって作用部１０が固定電極１１に誘電体膜１２を介して圧着された場合は、それぞれの電極部１０ａが固定電極１１に誘電体膜１２を介して接触して変形を生じ、広い面積で接触している。このため、図１６に実線で示すように、作用部全体が遙かに多くの面積で誘電体膜１２を介して固定電極１１に接触することが可能になった。なお、図１６は、図１５に示す切断線Ａ−Ａで切断した断面図である。

本実施形態は、第１実施形態で説明した比較例と、全体がスリット１３を除いて同一寸法とした場合は、最大で３５５ｆＦの容量を得ることが可能であった。ちなみに比較例は、最大で１８５ｆＦの容量しか得ることができなかった。

以上説明したように、本実施形態によれば、Ｉ字状またはＴ字状のスリット１３により、作用部１０が複数個の矩形の電極部１０ａに分割され、各電極部１０ａは、「個別に曲げ変形を生じる」ことが可能となる。これにより、作用部と固定電極との誘電体膜１２を介した接触面積を可及的に大きくすることのでき、容量値を可及的に大きくすることが可能となる。

（第１変形例）
本実施形態の第１変形例による圧電駆動型ＭＥＭＳ装置の作用部の平面図を図１７に示す。本変形例の圧電駆動型ＭＥＭＳ装置は、第４実施形態において、各電極部１０ａに上部電極から下部電極に通じるホール１４ａが少なくとも１個設けられている。また、作用部１０を支持する可動梁３にもホール１４ａが複数個設けられ、更に、可動梁３の延在する方向に短くて細いスリット１４ｂが複数個設けられるとともに太くて長いスリット１４ｃが可動梁３の中央に可動梁３の延在する方向に沿って設けられた構成となっている。そして、これらのホール１４ａ、およびスリット１４ｂ、１４ｃは、ＭＥＭＳ装置の作製時に、犠牲層を除去する際の抜き穴として使用することができる。

本変形例のＭＥＭＳ装置（可変キャパシタ）の圧電駆動電圧に対する容量の測定関係を図１８に示す。作用部１０が固定電極と誘電体膜１２を介して接触してからも、接触面積が増えているので、容量も増加している。

本変形例も第４実施形態と同様に、作用部と固定電極との誘電体膜１２を介した接触面積を可及的に大きくすることのでき、容量値を可及的に大きくすることが可能となる。

（第２変形例）
次に、本実施形態の第２変形例による圧電駆動型ＭＥＭＳ装置の作用部の平面図を図１９に示す。本変形例の圧電駆動型ＭＥＭＳ装置は、作用部１０の周辺領域を除く領域にスリット１３によって８個に分割された電極部１０ａが形成されている。各電極部１０ａは、周囲の少なくとも一部のみが隣接する電極部に接続されており、各電極部の周囲長に占める接続部の割合は、最大で２５％であった。このため、各電極部は、接続部を中心に個別に曲げ変形を生じることができる。

また、各電極部１０ａに上部電極から下部電極に通じるホール１４ａが少なくとも１個設けられている。また、作用部１０を支持する可動梁３にもホール１４ａが複数個設けられ、更に、可動梁３の延在する方向に短くて細いスリット１４ｂが複数個設けられるとともに太くて長いスリット１４ｃが可動梁３の中央に可動梁３の延在する方向に沿って設けられた構成となっている。そして、これらのホール１４ａ、およびスリット１４ｂ、１４ｃは、ＭＥＭＳ装置の作製時に、犠牲層を除去する際の抜き穴として使用することができる。

（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態による圧電駆動型ＭＥＭＳ装置の作用部の平面図を図２０に示す。本実施形態の圧電駆動型ＭＥＭＳ装置は、作用部１０が、３個のｃ字形状のスリット１３ａ、１３ｂ、１３ｃによって小、中、大の２組の電極部１０ａ、１０ｂ、１０ｃに分割されている。作用部１０の端部側から順に大きな電極部１０ｃ、中位の電極部１０ｂ、小さな電極部１０ａが形成されている。大きな電極部１０ｃと中くらいの電極１０ｂとはスリット１３ｃによって分離され、中くらいの電極部１０ｂと小さな電極部１０ａとはスリット１３ｂによって分離されている。小、中、大の電極部１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、作用部１０の中央に、可動梁３の延在する方向に沿って設けられたスリット１３ｄによってそれぞれ２組に分割されている。また、スリット１３ｃは中くらいの電極部１０ｂの３方を囲むように配置され、スリット１３ｂは小さな電極部１０ａの３方を囲むように配置されている。なお、スリット１３ａは小さな電極部１０ａの残りの一方に配置されている。各電極部１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、周囲の少なくとも一部のみが接続部を介して隣接する電極部に接続されており、各電極部の周囲長に占める接続部の割合は、最大で２５％であった。このため、各電極部は、「個別に曲げ変形を生じる」ことができる。

また、各電極部１０ａ、１０ｂ、１０ｃに上部電極から下部電極に通じるホール１４ａが少なくとも１個設けられている。

また、作用部１０を支持する可動梁３にもホール１４ａが複数個設けられ、更に、可動梁３の延在する方向に短くて細いスリット１４ｂが複数個設けられるとともに太くて長いスリット１４ｃが可動梁３の中央に可動梁３の延在する方向に沿って設けられた構成となっている。そして、これらのホール１４ａ、およびスリット１４ｂ、１４ｃは、ＭＥＭＳ装置の作製時に、犠牲層を除去する際の抜き穴として使用することができる。

本実施形態も、スリットにより分割された電極部は「個別に曲げ変形を生じる」ことが可能となる。これにより、作用部と固定電極との誘電体膜１２を介した接触面積を可及的に大きくすることのでき、容量値を可及的に大きくすることが可能となる。

（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態による圧電駆動型ＭＥＭＳ装置の作用部の平面図を図２１に示す。本実施形態の圧電駆動型ＭＥＭＳ装置は、作用部１０が、３種類のスリット１３ａ、１３ｂ、１３ｃによって８個の電極部１０ａに分割されている。スリット１３ａは可動梁３の延在する方向と直交する方向に平行に４個設けられ、スリット１３ｂは、作用部１０の中央に、可動梁３の延在する方向に沿って設けられ、スリット１３ｃは作用部１０の両側に可動梁３の延在する方向に沿って縫い目状に設けられている。各電極部１０ａは、周囲の少なくとも一部のみが接続部を介して隣接する電極部に接続されており、各電極部の周囲長に占める接続部の割合は、最大で２５％であった。このため、各電極部は、個別に曲げ変形を生じることができる。

（第７実施形態）
次に、本発明の第７実施形態の圧電駆動型ＭＥＭＳ装置の平面図を図２２に示す。本実施形態の圧電駆動型ＭＥＭＳ装置は、可変キャパシタであって、単純な折り返し構造の可動梁３_１、３_２、３_３を有している。第１可動梁３_１は、一端が基板上に設けられたアンカー２に固定されている。第２可動梁３_２は、一端が作用端となり、作用部となっている。第１可動梁３_１の他端と、第２可動梁３_２の他端とが第３可動梁３_３によって接続されている。すなわち第３可動梁３_３は第１可動梁３_１と第２可動梁３_２とを接続する接続部となっている。第１乃至第３可動梁３_１、３_２、３_３はそれぞれ、第１実施形態の可動梁３と同様に、下部電極、圧電膜、支持膜を兼ねた上部電極が積層された構造を有している。そして、本実施形態においては、第２可動梁３_２の作用端となる作用部１０には第２実施形態と同様に、作用部１０の中央から放射状に延びたスリット１３が設けられている。このため、これらのスリット１３によって、作用部１０は複数の電極部に分割されている。また、作用部１０に対向するように、基板１上に固定電極１１が設けられ、この固定電極１１は、第１実施形態と同様に、誘電体膜１２によって覆われている。

したがって、本実施形態も第２実施形態と同様に、作用部と固定電極との誘電体膜１２を介した接触面積を可及的に大きくすることのでき、容量値を可及的に大きくすることが可能となる。

なお、第７実施形態においては、アクチュエータは、単純な折り返し構造であったが、梁の長手方向に極性を反転させて梁を３個以上平行に並べそれらを接続部によって接続した折り返し構造であってもよい。これらの折り返し構造の場合、屈曲率を大きくかつヘッド部に加わる曲げ応力を減少させることが可能となる。

また、本実施形態においては、作用部１０に設けられたスリットは第２実施形態と同じスリットであったが、第１実施形態、第３実施形態、第４実施形態、第４実施形態の変形例、第５実施形態、および第６実施形態のいずれかのスリットと同じスリットであっても同じ効果を奏することができる。

（第８実施形態）
次に、本発明の第８実施形態の圧電駆動型ＭＥＭＳ装置の平面図を図２３に示す。本実施形態の圧電駆動型ＭＥＭＳ装置は、可変キャパシタであって、可動梁３の両端がアンカー２_１、２_２を介して基板１に固定され、可動梁３の中央部が作用部１０となっている。可動梁３は第１実施形態の可動梁と同じ構造、すなわち下部電極／圧電膜／上部電極の積層構造を有している。そして、作用部１０には第２実施形態と同様に作用部１０の中央から放射状に延びたスリット１３が設けられている。このため、これらのスリット１３によって、作用部１０は複数の電極部に分割されている。また、作用部１０に対向するように、基板１上に固定電極１１が設けられ、この固定電極１１は、第１実施形態と同様に、誘電体膜１２によって覆われている。

なお、上記第１乃至第８実施形態においては、各電極部は「個別に曲げ変形を生じる」ことが可能となるために、一方向から支持された片持ち梁構造や、少なくとも二方向から支持されている梁構造であることが望ましい。また、各電極部の周囲長の５０％以上の部分がスリットなどにより自由端面として形成されていることが望ましい。

また、上記第１乃至第８実施形態においては、ＭＥＭＳ装置は可変キャパシタであったが、固定電極１１を覆う誘電体膜１２を非常に薄く形成して、誘電体膜１２の抵抗を小さくするか、または誘電体膜１２を形成しなければ、ＭＥＭＳ装置はＲＦスイッチとして使用することができる。この場合、オン−オフ比の大きなキャパシティブ型ＲＦスイッチとなる。

なお、上記第１乃至第８実施形態において、作用部の下部電極と固定電極との間に静電力を作用させるために作用部の下部電極と固定電極との間に電圧を印可する電圧印可部を更に設けて、静電力でも同時に駆動するようにしたハイブリッド駆動であってもよい。この場合、各電極部が固定電極と更に密着するような力が働き、望ましいＭＥＭＳ装置となる。

また、上記第１乃至第８実施形態において、上部電極は支持膜を兼ねていたが、上部電極と支持膜をそれぞれ別々に設けてもよい。この場合、アクチュエータは、下部電極／圧電膜／上部電極／支持膜の積層構造となる。

また、上記第１乃至第８実施形態においては、アクチュエータとしては、下部電極／圧電膜／上部電極が積層されたユニモルフ構造であったが、下部電極／圧電膜／中間電極／圧電膜／上部電極がこの順序で積層されたバイモルフ構造であってもよい。

アクチュエータに使用する圧電体として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）などのウルツ鉱型の結晶が安定で好ましく、またチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸バリウム（ＢＴＯ）などのペロブスカイト系強誘電体も使用することができる。

また、可動梁および固定電極の電極材料として、比抵抗値および薄膜としての作りやすさから、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）などの低抵抗の金属であることが望ましい。

（第９実施形態）
本発明の第９実施形態による携帯端末を、図２４を参照して説明する。図２４は、本実施形態の携帯端末に用いられるチューナブルアンテナ１００の模式図である。このチューナブルアンテナ１００は、逆Ｆ型と呼ばれる。チューナブルアンテナ１００は、メアンダ状に形成されたアンテナエレメント１０１と、配線基板（ＰＣＢ）１０２とを有している。配線基板１０２は放射エレメントとしての役割も担っている。

アンテナエレメント１０１と配線基板１０２とに接続された給電点１０３には高周波回路が接続され、送受信信号が印加される。また、アンテナエレメント１０１と配線基板１０２の間には、第１乃至第７実施形態のいずれかに係る可変キャパシタ１０４が接続されている。アンテナエレメント１０１の寸法は横５０ｍｍ縦３０ｍｍ、配線基板は横５０ｍｍ縦９０ｍｍである。可変キャパシタ１０４は、駆動電圧−３Ｖで０．０５６ｐＦ、１．５Ｖで０．３５０ｐＦ、３Ｖで０．８６０ｐＦの非常に大きな容量可変特性を有していた。

電波暗室の中で本実施形態のチューナブルアンテナ１００の効率を測定した所、−３ｄＢ以上の効率を持つ周波数範囲が、３Ｖ印加で３９０〜４９０ＭＨｚ、１．５Ｖ印加で４８０〜６６０ＭＨｚ、−３Ｖ印加で６１０〜７８０ＭＨｚと非常に広い可変周波数範囲を持つことが確認された。

なお、本実施形態においては、第１乃至第８実施形態のいずれかに係る可変キャパシタを有するチューナブルアンテナであったが、第１乃至第８実施形態のいずれかに係る可変キャパシタは、低電圧動作で大きな容量可変比を得ることが可能であるので、チューナブルアンテナに限らず、携帯電話を始めとする移動無線端末の高周波回路部品として好適に応用することができる。一例を挙げれば、Ｑが大きく広い周波数可変範囲を持つ局部発振器、広い周波数範囲を持つ可変インピーダンス整合回路などである。

以上詳述したように、本発明の各実施形態によれば、ＭＥＭＳ可変キャパシタ構造を使用することにより、可変キャパシタの最大容量値が著しく増大し、可変比の大きな可変キャパシタや、オン−オフ比の大きなキャパシティブ型ＲＦスイッチを提供することが可能になる。

第１実施形態の圧電駆動型ＭＥＭＳ装置の平面図図１に示す切断線Ａ−Ａで切断した第１実施形態の断面図。第１実施形態のＭＥＭＳ装置の動作を説明する断面図。第１実施形態のＭＥＭＳ装置の駆動電圧と容量との関係を示す特性図。第１実施形態のＭＥＭＳ装置の作用部を示す平面図。比較例による圧電駆動型ＭＥＭＳ装置の平面図。図６に示す切断線Ａ−Ａで切断した比較例の断面図比較例の動作を説明する断面図。比較例の駆動電圧と容量との関係を示す特性図。第１実施形態のＭＥＭＳ装置の製造方法を示す断面図。第２実施形態によるＭＥＭＳ装置の作用部を示す平面図。第２実施形態の動作を説明する断面図。第３実施形態によるＭＥＭＳ装置の作用部を示す平面図。第３実施形態の動作を説明する断面図。第４実施形態によるＭＥＭＳ装置の作用部を示す平面図。第４実施形態の動作を説明する断面図。第４実施形態の第１変形例によるＭＥＭＳ装置の作用部を示す平面図。第１変形例の駆動電圧と容量との関係を示す特性図。第４実施形態の第２変形例によるＭＥＭＳ装置の作用部を示す平面図。第５実施形態によるＭＥＭＳ装置の作用部を示す平面図。第６実施形態によるＭＥＭＳ装置の作用部を示す平面図。第７実施形態によるＭＥＭＳ装置の作用部を示す平面図。第８実施形態によるＭＥＭＳ装置の平面図。第９実施形態に係るチューナブルアンテナを示す模式図。

符号の説明

１基板
２アンカー
３可動梁
４下部電極
５圧電膜
６支持膜を兼ねた上部電極
１０作用部
１０ａ電極部
１０ｂ電極部
１０ｃ電極部
１１固定電極
１２誘電体膜
１３スリット
２１犠牲層

Claims

基板と、
前記基板上に設けられた支持部と、
前記基板上に設けられた固定電極と、
第１の電極と、前記第１の電極上に形成された圧電膜と、前記圧電膜上に形成された第２の電極とを有し、一端が前記支持部を介して前記基板上に固定され、他端が前記固定電極に対向するように配置されて作用部となるアクチュエータと、
を備え、
前記作用部は、前記第１の電極、前記圧電膜、および前記第２の電極を貫通する複数のスリットによって複数の電極部に分割され、各電極部は少なくとも一部が隣接する電極部の一部に連結され、各電極部は個別に曲げ変形を生じることが可能であることを特徴とする圧電駆動型ＭＥＭＳ装置。
基板と、
前記基板上に設けられた第１の支持部と、
前記基板上に設けられた第２の支持部と、
第１の電極と、前記第１の電極上に形成された圧電膜と、前記圧電膜上に形成された第２の電極とを有し、一端が前記第１の支持部を介して前記基板上に固定され、他端が前記第２の支持部を介して前記基板上に固定され、中央部が作用部となるアクチュエータと、
前記作用部の前記第１の電極に対向するように前記基板上に設けられた固定電極と、
を備え、
前記作用部は、前記第１の電極、前記圧電膜、および前記第２の電極を貫通する複数のスリットによって複数の電極部に分割され、各電極部は少なくとも一部が隣接する電極部の一部に連結され、各電極部は個別に曲げ変形を生じることが可能であることを特徴とする圧電駆動型ＭＥＭＳ装置。
前記スリットのそれぞれは、前記アクチュエータの延在する方向に形成された直線形状の一組の第１スリット部と、この第１スリット部に端部が接続された半円形上の第２のスリット部とからなることを特徴とする請求項１記載の圧電駆動型ＭＥＭＳ装置。
前記スリットのそれぞれは、前記作用部のほぼ中心から放射状に延びたスリットであることを特徴とする請求項１または２記載の圧電駆動型ＭＥＭＳ装置。
前記スリットのそれぞれは、前記アクチュエータの前記他端に向かって前記アクチュエータの延在する方向に沿った直線形状のスリットであることを特徴とする請求項１記載の圧電駆動型ＭＥＭＳ装置。
前記スリットは、十字形状のスリットを含むことを特徴とする請求項１または２記載の圧電駆動型ＭＥＭＳ装置。
前記スリットは、Ｃ字形状のスリットを含むことを特徴とする請求項１または２記載の圧電駆動型ＭＥＭＳ装置。
前記電極部の周囲長の５０％以上の部分が自由端面として形成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の圧電駆動型ＭＥＭＳ装置。
前記第１の電極と前記固定電極との間に電圧を印可し静電力を作用させる静電力印可部を更に備えたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の圧電駆動型ＭＥＭＳ装置。
前記アクチュエータは、折り返し構造を有する可動梁であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の圧電駆動型ＭＥＭＳ装置。
前記アクチュエータは、バイモルフ構造を有していることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の圧電駆動型ＭＥＭＳ装置。
請求項１乃至１１のいずれかに記載の圧電駆動型ＭＥＭＳ装置を可変キャパシタおよびＲＦスイッチの少なくとも一方として備えていることを特徴とする携帯端末。