２端子可変静電容量ＭＥＭＳデバイス
異なる作動電圧または「プルイン」電圧を有する複数のＭＥＭＳデバイスを並列に接続することによって形成された２端子可変静電容量デバイスが、説明されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変静電容量デバイスであり、特に、微小電気機械システム（ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ，ＭＥＭＳ）デバイスに基づく可変静電容量デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
本願は２００９年１２月１８日出願の米国特許出願公開第１２／６４２４２１号明細書「２端子可変静電容量ＭＥＭＳデバイス」（代理人番号Ｎｏ．ＱＵＡＬＰ０１７／０８２６０９）に対して、全ての目的について参照することにより本明細書に含まれるすべての開示について優先権を主張する。
【０００３】
従来のＭＥＭＳバラクタ（静電容量スイッチまたはスイッチキャパシタとしても知られる）は、典型的には非常に小さな調整電圧範囲、つまり、デバイスの静電容量がアナログな方法で静電容量の最小値と最大値の間を信頼性良く制御されうる範囲にわたる電圧範囲を有する。
【０００４】
例えば干渉変調器（ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ， ＩＭＯＤ）のような２状態安定ＭＥＭＳデバイスは、二つの異なる静電容量を有する二つの安定な状態によって特徴づけられる。そのため、そのようなデバイスは可変静電容量デバイスとして用いることができるが、典型的には単に２つの安定な静電容量値のみ、つまり、デバイスの緩和状態（すなわち「アップ状態」静電容量）に対応する値、及びデバイスの作動状態（すなわち「ダウン状態」静電容量）に対応する値のみが表されるような利用に限られていた。
【０００５】
さまざまな成功度で、より広い静電容量値の範囲を有するデバイスを実現するための種々の試みがなされている。しかしながら、そのようなデバイスのほとんどは、例えば、独立したデバイス制御信号及び電子回路、付加的なスイッチング回路、２つより多い端子、など望ましくない余計な要素を必要とする。そのようなデバイスの調整領域を拡張及び／または安定させることにより、それらのデバイスの応用領域を非常に広げるのに適したものにする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明によれば、可変静電容量デバイスが提供される。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
具体的な実施形態に従えば、可変静電容量デバイスは、並列接続された複数のＭＥＭＳデバイスを含む。ＭＥＭＳデバイスは緩和状態と作動状態の間のＭＥＭＳデバイスの遷移のそれぞれに対応する電圧における、複数の異なる作動電圧によって特徴づけられる。複数のＭＥＭＳデバイスは、特定のデバイスの変更を用いるように構成され、前記変更は、前記可変静電容量デバイスが静電容量対電圧特性によって特徴づけられ、前記静電容量対電圧特性は、複数の印加電圧範囲を含み、前記印加電圧範囲に対応する前記可変静電容量デバイスの静電容量の変化率は、実質的に前記可変静電容量デバイスに対する静電容量の最小値と最大値との間の静電容量対電圧特性によって表される静電容量の平均変化率よりも小さい。
【０００８】
具体的な実施形態に従えば、可変静電容量デバイスは、並列接続された複数のＭＥＭＳデバイスを含む。それぞれのＭＥＭＳデバイスは、第一および第二の電極を含む。可変静電容量デバイスの第一の端子は、ＭＥＭＳデバイスの第一の電極間の第一の電気的接続によって形成される。可変静電容量デバイスの第二の端子は、ＭＥＭＳデバイスの第二の電極間の第二の電気的接続によって形成される。複数のＭＥＭＳデバイスは、前記ＭＥＭＳデバイス間の特定のデバイスの変更を用いるように構成され、前記ＭＥＭＳデバイスは、複数の異なる調整電圧範囲によって特徴づけられ、前記調整電圧範囲は、静電容量の最小値と最大値の間の前記ＭＥＭＳデバイスの遷移のそれぞれに対応する。
【０００９】
明細書の残りの部分及び図面を参照することにより、本発明の本質及び利点がさらに理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第一の干渉変調器の可動反射層が緩和位置にあり、第二の干渉変調器の可動反射層が作動位置にある、２つの干渉変調器の例を示す等角図である。
【図２】干渉変調器の例示的な一実施例に関する可動層の位置と印加電圧の関係を示す図である。
【図３Ａ】干渉変調器の様々な代替的な実施例の断面図である。
【図３Ｂ】干渉変調器の様々な代替的な実施例の断面図である。
【図３Ｃ】干渉変調器の様々な代替的な実施例の断面図である。
【図３Ｄ】干渉変調器の様々な代替的な実施例の断面図である。
【図３Ｅ】干渉変調器の様々な代替的な実施例の断面図である。
【図４】本発明の具体的な一実施形態に従って実施されたＭＥＭＳデバイスの一例の簡略図である。
【図５】干渉変調器の代替的な一実施例の他の断面図である。
【図６】特定の干渉変調器の実施例について、柱状アンカーの重なりに対するプルイン電圧の変化を示すグラフである。
【図７Ａ】本発明の具体的な実施形態に従って実施された可変静電容量ＭＥＭＳデバイスと比較した従来のＭＥＭＳバラクタに関する、静電容量対電圧特性の関係を示すグラフである。
【図７Ｂ】本発明の具体的な実施形態に従って実施された可変静電容量ＭＥＭＳデバイスと比較した従来のＭＥＭＳバラクタに関する、静電容量対電圧特性の関係を示すグラフである。
【図７Ｃ】本発明の具体的な実施形態に従って実施された可変静電容量ＭＥＭＳデバイスと比較した従来のＭＥＭＳバラクタに関する、静電容量対電圧特性の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
発明を実施するうえで発明者が意図する最良の形態を含む本発明の具体的な実施形態を詳細に参照する。これらの具体的な実施形態の例は、添付した図に示される。本発明はこれらの具体的な実施形態とともに説明されるが、本発明を説明された実施形態に限定する意図はないことは理解されるであろう。反対に、特許請求の範囲によって定義された本発明の思想及び範囲に含まれうるように、代替、改良及び等価物を包含するように意図される。以下の説明において、本発明の徹底的な理解を提供できるように、具体的な詳細が記載される。本発明は、これらの具体的な詳細のいくつかまたはすべてを含まないで実施されうる。加えて、本発明を不要に不明瞭にすることを避けるために、公知の特徴は、詳細に説明されないこともある。
【００１２】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）は、微小機械素子、アクチュエータ及び電子部品を含む。微小機械素子は、電気及び電気機械デバイスを形成するために、成膜、エッチング及び／または、基板及び／または成膜された材料層から部品を除去しまたは層を付加するその他のマイクロマシニングプロセスを用いて形成されうる。あるタイプのＭＥＭＳ装置は、干渉変調器（ＩＭＯＤ）と呼ばれる。本明細書で用いられるように、干渉変調器または干渉光変調器という語句は、光学的な干渉の原理を用いて光を選択的に吸収及び／または反射するデバイスを指し示す。特定の実施形態において、干渉変調器は一対の導電性平板または層を備えてもよく、そのうち一方または両方は全体または一部が透明及び／または反射性であり適切な電気信号の印加によって相対的に動作することができるものでありうる。ある特定の実施形態において、一つの平板は基板上に成膜された固定された層からなってもよく、他方の平板は、空隙によって固定された層から離隔された、金属からなるメンブレンを備えうる。一方の平板のもう一方に対する位置関係は、干渉変調器に入射する光の光学的な干渉を変化させることができる。加えて、そのようなデバイスの静電容量は、これらの平板の間の関係に依存する。そのようなデバイスは幅広い領域で応用することができ、既存の製品を改良し、これまで開発されていない新しい製品の創出にその特徴が利用できるように、これらのタイプのデバイスの特性を利用可能とし及び／または改良することは、当技術分野にとって有益であろう。
【００１３】
本発明の様々な実施形態に従えば、２端子可変静電容量デバイスは、異なる作動電圧または「プルイン」電圧を有する複数のＭＥＭＳデバイスを並列接続することにより可能となる。実施形態の特定の種類に従えば、ＭＥＭＳデバイスは干渉変調器（ＩＭＯＤ）である。本発明のそのような実施形態に採用されうるＩＭＯＤの背景について説明する。しかしながら、本発明によって可能となる可変静電容量デバイスは、例えば、幅広い様々なＭＥＭＳバラクタを含むＭＥＭＳデバイスのより広い領域から構成されうるということを、当業者であれば理解できることに注意すべきである。
【００１４】
図１には一対の干渉変調器が示されている。これらのデバイスは、反射性又は非反射性のいずれかの状態にある。反射（「緩和」または「開」）状態においては、デバイスは入射可視光の大部分を反射する。非反射（「作動」または「閉」）状態にあるときは、デバイスは入射可視光をほとんど反射しない。実施例に依存して、「オン」及び「オフ」状態の光の反射特性は反対でありうる。そのようなＭＥＭＳデバイスはまた黒及び白に加えて選択された色を主に反射するようにも構成されうる。本発明の実施形態が基づくＩＭＯＤまたはその他のＭＥＭＳデバイスの光学特性の少なくともいくつかはこのような実施形態の機能に関係がないものでありうることに注意すべきである。
【００１５】
図１は二つの隣接したＭＥＭＳ干渉変調器１２ａ、１２ｂを示す等角図である。それぞれの干渉変調器は、少なくとも一つの可変な大きさを有する光学共振ギャップを形成するようにたがいに対して可変かつ制御可能な距離に位置させられる一対の反射層を含む。反射層のうち一つは二つの位置の間を動くものでありうる。本明細書では緩和位置として称される第一の位置において、可動反射層は固定された部分的に反射性の層から相対的に大きな距離を取って位置させられる。本明細書では作動位置として称される第二の位置において、可動反射層は部分的に反射性の層とより近接して位置される。二つの層から反射された入射光は可動反射層の位置によって強めあいまたは弱めあって干渉し、それぞれのデバイスに対して全反射または非反射のいずれかの状態となる。
【００１６】
左側に位置する干渉変調器１２ａでは、可動反射層１４ａが部分的に反射性の層を含む光学積層体１６ａから所定の距離で緩和位置にある状態が示されている。右側に位置する干渉変調器１２ｂでは、可動反射層１４ｂが光学積層体１６ｂに対して近接した作動位置にある状態が示されている。光学積層体１６ａ、１６ｂ（まとめて光学積層体１６と称する）は、本明細書に示すように、典型的にはいくつかの融合した層を備え、融合した層はインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）のような電極層と、クロムのような部分的に反射性の層と、透明の誘電体と、を含んでもよい。従って光学積層体１６は導電性であり、部分的に透明かつ部分的に反射性である。また光学積層体１６は例えば、透明な基板２０上に上述の層の一つまたは複数を成膜することにより形成されうる。部分的に反射性の層は、様々な金属や半導体や誘電体のような部分的に反射性である様々な材料から形成することができる。部分的に反射性の層は、一つまたは複数の材料の層から形成することができ、層のそれぞれは単一の材料または複数の材料の組み合わせで形成されてもよい。
【００１７】
ある実施例において、光学積層体１６の層は、そのようなデバイスのアレイに対して接続電極を形成するようにパターニングされうる。可動反射層１４ａ、１４ｂは成膜された金属の単一または複数の層として形成され、ポスト１８の頂部及びポスト１８の間に成膜された中間犠牲材料の上に成膜されて形成されうる。犠牲材料が除去されると、可動反射層１４ａ、１４ｂは光学積層体１６ａ、１６ｂから所定の空隙１９だけ離隔される。アルミニウムのような導電性及び反射性の高い材料が反射層１４として用いられてもよく、そのようなデバイスのアレイの接続電極も形成しうる。図１は必ずしも正しいスケールではなくてもよいことに注意しなければならない。ある実施例において、ポスト１８の間の間隔は約０．５〜１．０μｍのオーダーであってよく、一方空隙１９は約０．２〜０．４μｍのオーダーでありうる。
【００１８】
電圧が印加されていない状態では、図１の干渉変調器１２ａに示されるように、空隙１９は可動反射層１４ａ及び光学積層体１６ａの間に存在し、可動反射層１４ａは機械的に緩和状態にある。しかしながら、電位差（電圧）が干渉変調器の電極に印加されると、干渉変調器によって形成されるキャパシタは充電され、静電引力が電極を互いに引き付ける。電圧が十分高いと、可動反射層１４は変形し、光学積層体１６に押し付けられる。図１の右側に位置する作動した干渉変調器１２ｂによって示されるように、光学積層体１６に含まれる誘電体層（この図には図示されない）は、層１４と１６の間のショートを防ぎ、層の間の距離を制御しうる。印加された電位差の極性に係わらず、動作は同一である。
【００１９】
図２は、干渉変調器の例示的な一実施例において、印加される電圧に対する可動層の位置の図である。ＭＥＭＳ干渉変調器において、作動プロトコルは、図２に示すようなデバイスのヒステリシス特性を利用しうる。干渉変調器は例えば、可動層を緩和状態から作動状態に変形させるために１０ボルトの電位差を必要としうる。しかしながら、その値から電圧を下げると、電圧が１０ボルト以下に落ちても可動層はその状態を保つ。図２の例示的な実施例においては、可動層は電圧が２ボルト以下に下がるまで完全には緩和しない。従って図２に示された例においては約３Ｖから７Ｖの電圧範囲があり、そこではデバイスが緩和状態または作動状態のいずれかで安定であるような印加電圧のウィンドウが存在する。これを本明細書では、「ヒステリシスウィンドウ」または「安定ウィンドウ」と呼ぶ。この特徴により、図１に示す干渉変調器の設計を、作動または緩和の既存状態のいずれかの状態で、同一の印加電圧状態で安定であるようにすることができる。干渉変調器のそれぞれは、作動状態であれ緩和状態であれ、本質的には固定反射層及び可動反射層によって形成されるキャパシタなので、この安定な状態はほとんど電力を散逸することなく、ヒステリシスウィンドウの範囲内の電圧において保持することができる。印加された電位が固定されていれば、本質的に干渉変調器へ電流が流入することはない。
【００２０】
上述した原理に従って動作する干渉変調器の構造の詳細は、幅広く変形しうる。例えば、図３Ａから図３Ｅは、可動反射層１４及びその支持構造の５つの異なる実施例を示す。図３Ａは図１のＩＭＯＤの断面図であり、帯状の金属材料１４は支持部１８の延長線と直交して成膜される。図３Ｂにおいて、干渉変調器それぞれの可動反射層１４は正方形または長方形であり、頂点の部分のみで、テザー３２で支持されて取り付けられる。図３Ｃにおいて、可動反射層１４は正方形または長方形であり、柔軟な金属からなりうるような変形層３４から吊り下げられる。変形層３４はその辺縁部において基板２０と直接または間接に接続する。これらの接続は本明細書では支持ポストとして参照される。図３Ｄに示されたデバイスは、支持ポストプラグ４２を有し、その上に変形層３４が載せられる。可動反射層１４は図３Ａから図３Ｃに示すようにギャップ上に吊り下げられて保持されるが、変形層３４は、変形層３４と光学積層体１６の間の穴を埋めることによって支持ポストを形成することはない。むしろ、支持ポストは支持ポストプラグ４２を形成するのに用いられる平面状の材料から形成される。図３Ｅに示されるデバイスは、図３Ｄに示される実施例に基づいているが、図示されない追加的な実施例と同様に図３Ａから図３Ｃに示されたデバイスのどれとも協働するように適用しうる。図３Ｅに示されたデバイスにおいて、金属またはその他の導電性材料からなる追加的な層が、バス構造４４を形成するのに用いられている。これにより、信号は干渉変調器の背後に沿って引き回され、そうでなければ基板２０上に形成されなければならなかったような電極の数を低減することができる。
【００２１】
図３Ａから３Ｅに示されるような実施例において、反射層１４は、変形層３４を含む基板２０と反対の反射層の側において干渉変調器の一部を光学的に遮蔽する。例えば、このような遮蔽により図３Ｅに示すようなバス構造４４が可能となり、変調器の電気機械的な特性から変調器の光学特性を分離することができるようになる。この変調器の構成の分離により、変調器の電気機械的側面と光学側面のために用いられる構造設計及び材料を互いに独立して選択し、機能させることができるようになる。さらには、図３Ｃから図３Ｅに示される実施例は、変形層３４によってもたらされる機械的な特性から反射層１４の光学的な特性を切り離すことにより引き出すことのできる追加的な利点を有しうる。このことにより、反射層１４に用いられる構造設計及び材料を光学的な特性に関して最適化し、変形層３４に用いられる構造設計及び材料を所望の機械的な特性に関して最適化することができるようになる。
【００２２】
上述のように、そしてＩＭＯＤの前述の説明に関わらず、幅広い様々なＭＥＭＳデバイスに基づいた本発明の実施形態が企図される。つまり、本発明は、制御電圧の印加とともに最小値と最大値の間で変化しうる静電容量によって特徴づけられるどのような型のＭＥＭＳデバイスに基づく実施形態も含む。図４は、本発明の実施形態の一つの種類を示す。この例に示されるように、４つのＭＥＭＳデバイス１から４が並列に接続されて、本発明の具体的な実施形態に従う可変静電容量ＭＥＭＳデバイス４００を形成する。ＭＥＭＳデバイス１から４は、デバイス４００の第１の端子に対応する共通の底部電極４０６を共有する。デバイス４００の第二の端子は、デバイス１から４の上部電極（４０１から４０４）の電気的な接続によって形成される。この電気的な接続は、当技術分野における幅広い様々などのような方法によっても形成されることができ、用いられるＭＥＭＳデバイスの種類に依存しうる。さらに、示されたデバイスの数は単に例示的なものであることは理解されるであろう。
【００２３】
図４は、４つのＭＥＭＳデバイス１から４に関連する異なるプルイン電圧（Ｖａ１、Ｖａ２、Ｖａ３及びＶａ４）を示すプロットと、印加されるＤＣ電圧の関数としてのデバイス４００の静電容量（Ｃ１はＭＥＭＳデバイス１の「ダウン状態」の静電容量に対応するなど）を示すプロットとを含む。
【００２４】
図に示されるように、ＭＥＭＳデバイス４００は高周波（ＲＦ）ＭＥＭＳデバイスである。ＲＦ信号の入力とデバイスＤＣ制御電圧は、共にデバイス４００の第二の端子に印加される。図において外見上分離された信号線は、単に分離されたＲＦ信号とＤＣ信号の経路を伝えることを意図している。両信号が同じ端子に印加される場合、ＲＦ領域とＤＣ領域の間の分離は、例えば、ＭＥＭＳデバイスの端子とＲＦ信号源（図示されない）の間のＤＣブロッキングキャパシタ４０８及び／または端子とＤＣ信号源（図示されない）の間のＲＦチョーク回路４１０（例えば、ＲＦコイル）のような従来からある部品を用いて提供されうる。当業者が理解するように、このようなシステムにおいて分離を提供するための様々なほかの適しているあらゆるメカニズムや部品と同様に、これらの部品のどちらかまたは両方が用いられうる。
【００２５】
図４の例は、例えば各デバイスの電極間の異なる空隙間隔のような、様々なデバイスに対して異なるプルイン電圧を得るように操作されうるＭＥＭＳデバイスの特定の物理的な特徴の一例を視覚的に示すものである。しかしながら、これは、本発明の具体的な実施形態に従って変化してもよく、その結果並列のデバイスに対してプルインまたは作動電圧が異なりうるデバイス特性の単に一例に過ぎないことは理解すべきである。操作されうる他のデバイス特性は、例えば、アンカーの間隔、それぞれ独立したキャパシタの部品の剛性などを含む。このような特性は、同一の型の並列なＭＥＭＳデバイス、例えばＩＭＯＤや様々な種類のＭＥＭＳバラクタにおいて変化しうる。しかしながら、実施形態は、様々なタイプの並列ＭＥＭＳデバイスでありうることを意図している。
【００２６】
図５は、本発明の具体的な実施形態とともに用いられうるデバイス５００の他の断面図を示す。様々なプルイン電圧を得るための特定の物理的なデバイス特性の変化は、この図を参照して理解されうる。いくつかの実施形態によれば、デバイスアンカー、つまり、柱状酸化物５０２は、この効果を得るために様々に操作されうる。例えば、これらのアンカーが底部電極（金属１、Ｍ１ ５０４）と重なる大きさは、（デバイスの中心に対して相対的に）増大または減少されてもよく、図から理解できるように、このことは上部電極（機械的な層ＴＭ ５０８）と底部電極５０４の間の空隙５０６を増加させまたは減少させる効果を有する。当業者に理解されるように、空隙が大きくなると、プルイン電圧はより高くなる。図６のグラフは、特定の実施例に関して、アンカーの重なりに対するプルインまたは作動電圧の効果を示している。
【００２７】
この重なりを増大または減少させることはまた、柱状酸化物アンカー間の上部電極の幅を狭めまたは広げ、そのため上部電極の機械的な剛性が減少または増大し、それゆえデバイスのプルイン電圧に影響を与えるという効果も有しうる。同様に、アンカーの間隔を変更することや上部電極について異なる材料及び／または厚さを用いることで、所望の効果を得ることができる。空隙の大きさを制御する他の一メカニズムは、犠牲層の変更を介するものでありうる。理解されるように、これらは単に、本発明の実施形態に従う可変静電容量デバイスの形成に関して、ＭＥＭＳデバイスについて様々なプルイン電圧を得るために導入することができる多数の様々なデバイスの変形のいくつかの例に過ぎない。
【００２８】
本発明の具体的な実施形態に従えば、図５のデバイスに関するプロセスの構成は、ＩＭＯＤディスプレイパネルのプロセス構成に類似している。上述のように、金属１（Ｍ１）はキャパシタの底部電極として用いられ、機械的な層ＴＭはキャパシタの上部電極として用いられる。ＭＥＭＳキャパシタの抵抗損失を減少させるために、厚く低抵抗な金属が用いられうる。具体的な実施例に従えば、底部電極（Ｍ１）は、初めに、基板（例えば、ガラス、シリコン、ＧａＡｓなど）上にスパッタリングによって成膜され、次いで、フォトリソグラフィ及びエッチングプロセス（例えばドライエッチまたはウェットエッチ）を用いてパターニングされる。次いで、薄い誘電体薄膜が絶縁体として底部電極上に（例えば、ＣＶＤ、ＡＬＤまたはＰＶＤを用いて）成膜される。この誘電体層は、ダウン状態の静電容量を規定する。薄い誘電体層の成膜に続けて、犠牲層（図示されない）が（リリースプロセス後に）空隙を形成するために成膜される。犠牲層の厚さは、空隙の高さを決定し、アップ状態の静電容量を規定する。犠牲層が（例えばＳＡを用いて）パターニングされた後、厚い誘電体層（つまり、柱状酸化物）が機械的な構造層（例えば、機械的な梁またはメンブレン）として、犠牲層上に成膜される。機械層のパターニングに続けて、犠牲層が、適切なガスや化学的な溶液によってリリースされて、図示されるような空隙またはキャビティ構造を有するＭＥＭＳデバイス構造が形成される。
【００２９】
ＭＥＭＳデバイスの種類または様々なプルイン電圧を得るために操作されるデバイス特性に関わらず、この方法の結果は、従来のＭＥＭＳデバイスの静電容量対電圧特性と、本発明の具体的な実施形態に従って形成された二つのＭＥＭＳデバイスの静電容量対電圧特性との比較を示す図７Ａから図７Ｃを参照して理解されうる。図７Ａの従来の特性は、静電容量の最小値と最大値の間の急峻で連続的な遷移を示す。対照的に、本発明の実施形態に従って形成されたＭＥＭＳデバイスの特性（図７Ｂ及び図７Ｃ）は、複数の階段状の遷移を含み、それぞれの段階のより水平な部分は相対的に安定な静電容量値を示し、それぞれの段階の垂直な部分は次の相対的に安定な静電容量値への一つまたは複数のデバイスの作動または緩和を示す。２つの特性から理解されるように、これらの階段状の遷移の数および間隔は、並列接続されたＭＥＭＳデバイスの数及び／またはそれぞれに対応した作動電圧を共に変更することによって制御されうる。つまり、図７Ｃの特性は、図７Ｂの特性よりも多い並列接続のＭＥＭＳデバイスを有するデバイスの特性である。
【００３０】
本発明の様々な実施形態に従って実施された可変静電容量ＭＥＭＳデバイスは、チューナブルデバイスが適しているような幅広い応用領域に適合しうる。そのような応用は、例えば、ＲＦチューナブルフィルタ、チューナブル共振器、チューナブルアンテナなどを含む。
【００３１】
本発明が、それらの特定の実施形態を参照して具体的に示され、説明されたが、当業者であれば、開示された実施形態の形態及び詳細の変更が、本発明の技術的思想または本発明の範囲から逸脱しない範囲でなされうることが理解されるであろう。加えて、本発明の様々な利点、側面及び目的が本明細書において様々な実施形態を参照して説明されたが、発明の範囲はそのような利点、側面および目的の参照によって限定されるべきではないことは理解されるであろう。むしろ、発明の範囲は、特許請求の範囲を参照して決定されるべきである。
【符号の説明】
【００３２】
１，２，３，４ ＭＥＭＳデバイス
１２ａ，１２ｂ ＭＥＭＳ干渉変調器
１４ａ，１４ｂ 可動反射層
１６ａ，１６ｂ 光学積層体
１８ ポスト
１９ 空隙
２０ 基板
３２ テザー
３４ 変形層
４２ 支持ポストプラグ
４４ バス構造
４００ ＭＥＭＳデバイス
４０１，４０２，４０３，４０４ 可変静電容量ＭＥＭＳデバイス
４０６ 底部電極
４０８ ＤＣブロッキングキャパシタ
４１０ ＲＦチョーク回路
５００ ＭＥＭＳデバイス
５０２ 柱状酸化物
５０４ 底部電極
５０６ 空隙
５０８ 上部電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変静電容量デバイスであり、特に、微小電気機械システム（ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ，ＭＥＭＳ）デバイスに基づく可変静電容量デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
本願は２００９年１２月１８日出願の米国特許出願公開第１２／６４２４２１号明細書「２端子可変静電容量ＭＥＭＳデバイス」（代理人番号Ｎｏ．ＱＵＡＬＰ０１７／０８２６０９）に対して、全ての目的について参照することにより本明細書に含まれるすべての開示について優先権を主張する。
【０００３】
従来のＭＥＭＳバラクタ（静電容量スイッチまたはスイッチキャパシタとしても知られる）は、典型的には非常に小さな調整電圧範囲、つまり、デバイスの静電容量がアナログな方法で静電容量の最小値と最大値の間を信頼性良く制御されうる範囲にわたる電圧範囲を有する。
【０００４】
例えば干渉変調器（ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ， ＩＭＯＤ）のような２状態安定ＭＥＭＳデバイスは、二つの異なる静電容量を有する二つの安定な状態によって特徴づけられる。そのため、そのようなデバイスは可変静電容量デバイスとして用いることができるが、典型的には単に２つの安定な静電容量値のみ、つまり、デバイスの緩和状態（すなわち「アップ状態」静電容量）に対応する値、及びデバイスの作動状態（すなわち「ダウン状態」静電容量）に対応する値のみが表されるような利用に限られていた。
【０００５】
さまざまな成功度で、より広い静電容量値の範囲を有するデバイスを実現するための種々の試みがなされている。しかしながら、そのようなデバイスのほとんどは、例えば、独立したデバイス制御信号及び電子回路、付加的なスイッチング回路、２つより多い端子、など望ましくない余計な要素を必要とする。そのようなデバイスの調整領域を拡張及び／または安定させることにより、それらのデバイスの応用領域を非常に広げるのに適したものにする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明によれば、可変静電容量デバイスが提供される。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
具体的な実施形態に従えば、可変静電容量デバイスは、並列接続された複数のＭＥＭＳデバイスを含む。ＭＥＭＳデバイスは緩和状態と作動状態の間のＭＥＭＳデバイスの遷移のそれぞれに対応する電圧における、複数の異なる作動電圧によって特徴づけられる。複数のＭＥＭＳデバイスは、特定のデバイスの変更を用いるように構成され、前記変更は、前記可変静電容量デバイスが静電容量対電圧特性によって特徴づけられ、前記静電容量対電圧特性は、複数の印加電圧範囲を含み、前記印加電圧範囲に対応する前記可変静電容量デバイスの静電容量の変化率は、実質的に前記可変静電容量デバイスに対する静電容量の最小値と最大値との間の静電容量対電圧特性によって表される静電容量の平均変化率よりも小さい。
【０００８】
具体的な実施形態に従えば、可変静電容量デバイスは、並列接続された複数のＭＥＭＳデバイスを含む。それぞれのＭＥＭＳデバイスは、第一および第二の電極を含む。可変静電容量デバイスの第一の端子は、ＭＥＭＳデバイスの第一の電極間の第一の電気的接続によって形成される。可変静電容量デバイスの第二の端子は、ＭＥＭＳデバイスの第二の電極間の第二の電気的接続によって形成される。複数のＭＥＭＳデバイスは、前記ＭＥＭＳデバイス間の特定のデバイスの変更を用いるように構成され、前記ＭＥＭＳデバイスは、複数の異なる調整電圧範囲によって特徴づけられ、前記調整電圧範囲は、静電容量の最小値と最大値の間の前記ＭＥＭＳデバイスの遷移のそれぞれに対応する。
【０００９】
明細書の残りの部分及び図面を参照することにより、本発明の本質及び利点がさらに理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第一の干渉変調器の可動反射層が緩和位置にあり、第二の干渉変調器の可動反射層が作動位置にある、２つの干渉変調器の例を示す等角図である。
【図２】干渉変調器の例示的な一実施例に関する可動層の位置と印加電圧の関係を示す図である。
【図３Ａ】干渉変調器の様々な代替的な実施例の断面図である。
【図３Ｂ】干渉変調器の様々な代替的な実施例の断面図である。
【図３Ｃ】干渉変調器の様々な代替的な実施例の断面図である。
【図３Ｄ】干渉変調器の様々な代替的な実施例の断面図である。
【図３Ｅ】干渉変調器の様々な代替的な実施例の断面図である。
【図４】本発明の具体的な一実施形態に従って実施されたＭＥＭＳデバイスの一例の簡略図である。
【図５】干渉変調器の代替的な一実施例の他の断面図である。
【図６】特定の干渉変調器の実施例について、柱状アンカーの重なりに対するプルイン電圧の変化を示すグラフである。
【図７Ａ】本発明の具体的な実施形態に従って実施された可変静電容量ＭＥＭＳデバイスと比較した従来のＭＥＭＳバラクタに関する、静電容量対電圧特性の関係を示すグラフである。
【図７Ｂ】本発明の具体的な実施形態に従って実施された可変静電容量ＭＥＭＳデバイスと比較した従来のＭＥＭＳバラクタに関する、静電容量対電圧特性の関係を示すグラフである。
【図７Ｃ】本発明の具体的な実施形態に従って実施された可変静電容量ＭＥＭＳデバイスと比較した従来のＭＥＭＳバラクタに関する、静電容量対電圧特性の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
発明を実施するうえで発明者が意図する最良の形態を含む本発明の具体的な実施形態を詳細に参照する。これらの具体的な実施形態の例は、添付した図に示される。本発明はこれらの具体的な実施形態とともに説明されるが、本発明を説明された実施形態に限定する意図はないことは理解されるであろう。反対に、特許請求の範囲によって定義された本発明の思想及び範囲に含まれうるように、代替、改良及び等価物を包含するように意図される。以下の説明において、本発明の徹底的な理解を提供できるように、具体的な詳細が記載される。本発明は、これらの具体的な詳細のいくつかまたはすべてを含まないで実施されうる。加えて、本発明を不要に不明瞭にすることを避けるために、公知の特徴は、詳細に説明されないこともある。
【００１２】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）は、微小機械素子、アクチュエータ及び電子部品を含む。微小機械素子は、電気及び電気機械デバイスを形成するために、成膜、エッチング及び／または、基板及び／または成膜された材料層から部品を除去しまたは層を付加するその他のマイクロマシニングプロセスを用いて形成されうる。あるタイプのＭＥＭＳ装置は、干渉変調器（ＩＭＯＤ）と呼ばれる。本明細書で用いられるように、干渉変調器または干渉光変調器という語句は、光学的な干渉の原理を用いて光を選択的に吸収及び／または反射するデバイスを指し示す。特定の実施形態において、干渉変調器は一対の導電性平板または層を備えてもよく、そのうち一方または両方は全体または一部が透明及び／または反射性であり適切な電気信号の印加によって相対的に動作することができるものでありうる。ある特定の実施形態において、一つの平板は基板上に成膜された固定された層からなってもよく、他方の平板は、空隙によって固定された層から離隔された、金属からなるメンブレンを備えうる。一方の平板のもう一方に対する位置関係は、干渉変調器に入射する光の光学的な干渉を変化させることができる。加えて、そのようなデバイスの静電容量は、これらの平板の間の関係に依存する。そのようなデバイスは幅広い領域で応用することができ、既存の製品を改良し、これまで開発されていない新しい製品の創出にその特徴が利用できるように、これらのタイプのデバイスの特性を利用可能とし及び／または改良することは、当技術分野にとって有益であろう。
【００１３】
本発明の様々な実施形態に従えば、２端子可変静電容量デバイスは、異なる作動電圧または「プルイン」電圧を有する複数のＭＥＭＳデバイスを並列接続することにより可能となる。実施形態の特定の種類に従えば、ＭＥＭＳデバイスは干渉変調器（ＩＭＯＤ）である。本発明のそのような実施形態に採用されうるＩＭＯＤの背景について説明する。しかしながら、本発明によって可能となる可変静電容量デバイスは、例えば、幅広い様々なＭＥＭＳバラクタを含むＭＥＭＳデバイスのより広い領域から構成されうるということを、当業者であれば理解できることに注意すべきである。
【００１４】
図１には一対の干渉変調器が示されている。これらのデバイスは、反射性又は非反射性のいずれかの状態にある。反射（「緩和」または「開」）状態においては、デバイスは入射可視光の大部分を反射する。非反射（「作動」または「閉」）状態にあるときは、デバイスは入射可視光をほとんど反射しない。実施例に依存して、「オン」及び「オフ」状態の光の反射特性は反対でありうる。そのようなＭＥＭＳデバイスはまた黒及び白に加えて選択された色を主に反射するようにも構成されうる。本発明の実施形態が基づくＩＭＯＤまたはその他のＭＥＭＳデバイスの光学特性の少なくともいくつかはこのような実施形態の機能に関係がないものでありうることに注意すべきである。
【００１５】
図１は二つの隣接したＭＥＭＳ干渉変調器１２ａ、１２ｂを示す等角図である。それぞれの干渉変調器は、少なくとも一つの可変な大きさを有する光学共振ギャップを形成するようにたがいに対して可変かつ制御可能な距離に位置させられる一対の反射層を含む。反射層のうち一つは二つの位置の間を動くものでありうる。本明細書では緩和位置として称される第一の位置において、可動反射層は固定された部分的に反射性の層から相対的に大きな距離を取って位置させられる。本明細書では作動位置として称される第二の位置において、可動反射層は部分的に反射性の層とより近接して位置される。二つの層から反射された入射光は可動反射層の位置によって強めあいまたは弱めあって干渉し、それぞれのデバイスに対して全反射または非反射のいずれかの状態となる。
【００１６】
左側に位置する干渉変調器１２ａでは、可動反射層１４ａが部分的に反射性の層を含む光学積層体１６ａから所定の距離で緩和位置にある状態が示されている。右側に位置する干渉変調器１２ｂでは、可動反射層１４ｂが光学積層体１６ｂに対して近接した作動位置にある状態が示されている。光学積層体１６ａ、１６ｂ（まとめて光学積層体１６と称する）は、本明細書に示すように、典型的にはいくつかの融合した層を備え、融合した層はインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）のような電極層と、クロムのような部分的に反射性の層と、透明の誘電体と、を含んでもよい。従って光学積層体１６は導電性であり、部分的に透明かつ部分的に反射性である。また光学積層体１６は例えば、透明な基板２０上に上述の層の一つまたは複数を成膜することにより形成されうる。部分的に反射性の層は、様々な金属や半導体や誘電体のような部分的に反射性である様々な材料から形成することができる。部分的に反射性の層は、一つまたは複数の材料の層から形成することができ、層のそれぞれは単一の材料または複数の材料の組み合わせで形成されてもよい。
【００１７】
ある実施例において、光学積層体１６の層は、そのようなデバイスのアレイに対して接続電極を形成するようにパターニングされうる。可動反射層１４ａ、１４ｂは成膜された金属の単一または複数の層として形成され、ポスト１８の頂部及びポスト１８の間に成膜された中間犠牲材料の上に成膜されて形成されうる。犠牲材料が除去されると、可動反射層１４ａ、１４ｂは光学積層体１６ａ、１６ｂから所定の空隙１９だけ離隔される。アルミニウムのような導電性及び反射性の高い材料が反射層１４として用いられてもよく、そのようなデバイスのアレイの接続電極も形成しうる。図１は必ずしも正しいスケールではなくてもよいことに注意しなければならない。ある実施例において、ポスト１８の間の間隔は約０．５〜１．０μｍのオーダーであってよく、一方空隙１９は約０．２〜０．４μｍのオーダーでありうる。
【００１８】
電圧が印加されていない状態では、図１の干渉変調器１２ａに示されるように、空隙１９は可動反射層１４ａ及び光学積層体１６ａの間に存在し、可動反射層１４ａは機械的に緩和状態にある。しかしながら、電位差（電圧）が干渉変調器の電極に印加されると、干渉変調器によって形成されるキャパシタは充電され、静電引力が電極を互いに引き付ける。電圧が十分高いと、可動反射層１４は変形し、光学積層体１６に押し付けられる。図１の右側に位置する作動した干渉変調器１２ｂによって示されるように、光学積層体１６に含まれる誘電体層（この図には図示されない）は、層１４と１６の間のショートを防ぎ、層の間の距離を制御しうる。印加された電位差の極性に係わらず、動作は同一である。
【００１９】
図２は、干渉変調器の例示的な一実施例において、印加される電圧に対する可動層の位置の図である。ＭＥＭＳ干渉変調器において、作動プロトコルは、図２に示すようなデバイスのヒステリシス特性を利用しうる。干渉変調器は例えば、可動層を緩和状態から作動状態に変形させるために１０ボルトの電位差を必要としうる。しかしながら、その値から電圧を下げると、電圧が１０ボルト以下に落ちても可動層はその状態を保つ。図２の例示的な実施例においては、可動層は電圧が２ボルト以下に下がるまで完全には緩和しない。従って図２に示された例においては約３Ｖから７Ｖの電圧範囲があり、そこではデバイスが緩和状態または作動状態のいずれかで安定であるような印加電圧のウィンドウが存在する。これを本明細書では、「ヒステリシスウィンドウ」または「安定ウィンドウ」と呼ぶ。この特徴により、図１に示す干渉変調器の設計を、作動または緩和の既存状態のいずれかの状態で、同一の印加電圧状態で安定であるようにすることができる。干渉変調器のそれぞれは、作動状態であれ緩和状態であれ、本質的には固定反射層及び可動反射層によって形成されるキャパシタなので、この安定な状態はほとんど電力を散逸することなく、ヒステリシスウィンドウの範囲内の電圧において保持することができる。印加された電位が固定されていれば、本質的に干渉変調器へ電流が流入することはない。
【００２０】
上述した原理に従って動作する干渉変調器の構造の詳細は、幅広く変形しうる。例えば、図３Ａから図３Ｅは、可動反射層１４及びその支持構造の５つの異なる実施例を示す。図３Ａは図１のＩＭＯＤの断面図であり、帯状の金属材料１４は支持部１８の延長線と直交して成膜される。図３Ｂにおいて、干渉変調器それぞれの可動反射層１４は正方形または長方形であり、頂点の部分のみで、テザー３２で支持されて取り付けられる。図３Ｃにおいて、可動反射層１４は正方形または長方形であり、柔軟な金属からなりうるような変形層３４から吊り下げられる。変形層３４はその辺縁部において基板２０と直接または間接に接続する。これらの接続は本明細書では支持ポストとして参照される。図３Ｄに示されたデバイスは、支持ポストプラグ４２を有し、その上に変形層３４が載せられる。可動反射層１４は図３Ａから図３Ｃに示すようにギャップ上に吊り下げられて保持されるが、変形層３４は、変形層３４と光学積層体１６の間の穴を埋めることによって支持ポストを形成することはない。むしろ、支持ポストは支持ポストプラグ４２を形成するのに用いられる平面状の材料から形成される。図３Ｅに示されるデバイスは、図３Ｄに示される実施例に基づいているが、図示されない追加的な実施例と同様に図３Ａから図３Ｃに示されたデバイスのどれとも協働するように適用しうる。図３Ｅに示されたデバイスにおいて、金属またはその他の導電性材料からなる追加的な層が、バス構造４４を形成するのに用いられている。これにより、信号は干渉変調器の背後に沿って引き回され、そうでなければ基板２０上に形成されなければならなかったような電極の数を低減することができる。
【００２１】
図３Ａから３Ｅに示されるような実施例において、反射層１４は、変形層３４を含む基板２０と反対の反射層の側において干渉変調器の一部を光学的に遮蔽する。例えば、このような遮蔽により図３Ｅに示すようなバス構造４４が可能となり、変調器の電気機械的な特性から変調器の光学特性を分離することができるようになる。この変調器の構成の分離により、変調器の電気機械的側面と光学側面のために用いられる構造設計及び材料を互いに独立して選択し、機能させることができるようになる。さらには、図３Ｃから図３Ｅに示される実施例は、変形層３４によってもたらされる機械的な特性から反射層１４の光学的な特性を切り離すことにより引き出すことのできる追加的な利点を有しうる。このことにより、反射層１４に用いられる構造設計及び材料を光学的な特性に関して最適化し、変形層３４に用いられる構造設計及び材料を所望の機械的な特性に関して最適化することができるようになる。
【００２２】
上述のように、そしてＩＭＯＤの前述の説明に関わらず、幅広い様々なＭＥＭＳデバイスに基づいた本発明の実施形態が企図される。つまり、本発明は、制御電圧の印加とともに最小値と最大値の間で変化しうる静電容量によって特徴づけられるどのような型のＭＥＭＳデバイスに基づく実施形態も含む。図４は、本発明の実施形態の一つの種類を示す。この例に示されるように、４つのＭＥＭＳデバイス１から４が並列に接続されて、本発明の具体的な実施形態に従う可変静電容量ＭＥＭＳデバイス４００を形成する。ＭＥＭＳデバイス１から４は、デバイス４００の第１の端子に対応する共通の底部電極４０６を共有する。デバイス４００の第二の端子は、デバイス１から４の上部電極（４０１から４０４）の電気的な接続によって形成される。この電気的な接続は、当技術分野における幅広い様々などのような方法によっても形成されることができ、用いられるＭＥＭＳデバイスの種類に依存しうる。さらに、示されたデバイスの数は単に例示的なものであることは理解されるであろう。
【００２３】
図４は、４つのＭＥＭＳデバイス１から４に関連する異なるプルイン電圧（Ｖａ１、Ｖａ２、Ｖａ３及びＶａ４）を示すプロットと、印加されるＤＣ電圧の関数としてのデバイス４００の静電容量（Ｃ１はＭＥＭＳデバイス１の「ダウン状態」の静電容量に対応するなど）を示すプロットとを含む。
【００２４】
図に示されるように、ＭＥＭＳデバイス４００は高周波（ＲＦ）ＭＥＭＳデバイスである。ＲＦ信号の入力とデバイスＤＣ制御電圧は、共にデバイス４００の第二の端子に印加される。図において外見上分離された信号線は、単に分離されたＲＦ信号とＤＣ信号の経路を伝えることを意図している。両信号が同じ端子に印加される場合、ＲＦ領域とＤＣ領域の間の分離は、例えば、ＭＥＭＳデバイスの端子とＲＦ信号源（図示されない）の間のＤＣブロッキングキャパシタ４０８及び／または端子とＤＣ信号源（図示されない）の間のＲＦチョーク回路４１０（例えば、ＲＦコイル）のような従来からある部品を用いて提供されうる。当業者が理解するように、このようなシステムにおいて分離を提供するための様々なほかの適しているあらゆるメカニズムや部品と同様に、これらの部品のどちらかまたは両方が用いられうる。
【００２５】
図４の例は、例えば各デバイスの電極間の異なる空隙間隔のような、様々なデバイスに対して異なるプルイン電圧を得るように操作されうるＭＥＭＳデバイスの特定の物理的な特徴の一例を視覚的に示すものである。しかしながら、これは、本発明の具体的な実施形態に従って変化してもよく、その結果並列のデバイスに対してプルインまたは作動電圧が異なりうるデバイス特性の単に一例に過ぎないことは理解すべきである。操作されうる他のデバイス特性は、例えば、アンカーの間隔、それぞれ独立したキャパシタの部品の剛性などを含む。このような特性は、同一の型の並列なＭＥＭＳデバイス、例えばＩＭＯＤや様々な種類のＭＥＭＳバラクタにおいて変化しうる。しかしながら、実施形態は、様々なタイプの並列ＭＥＭＳデバイスでありうることを意図している。
【００２６】
図５は、本発明の具体的な実施形態とともに用いられうるデバイス５００の他の断面図を示す。様々なプルイン電圧を得るための特定の物理的なデバイス特性の変化は、この図を参照して理解されうる。いくつかの実施形態によれば、デバイスアンカー、つまり、柱状酸化物５０２は、この効果を得るために様々に操作されうる。例えば、これらのアンカーが底部電極（金属１、Ｍ１ ５０４）と重なる大きさは、（デバイスの中心に対して相対的に）増大または減少されてもよく、図から理解できるように、このことは上部電極（機械的な層ＴＭ ５０８）と底部電極５０４の間の空隙５０６を増加させまたは減少させる効果を有する。当業者に理解されるように、空隙が大きくなると、プルイン電圧はより高くなる。図６のグラフは、特定の実施例に関して、アンカーの重なりに対するプルインまたは作動電圧の効果を示している。
【００２７】
この重なりを増大または減少させることはまた、柱状酸化物アンカー間の上部電極の幅を狭めまたは広げ、そのため上部電極の機械的な剛性が減少または増大し、それゆえデバイスのプルイン電圧に影響を与えるという効果も有しうる。同様に、アンカーの間隔を変更することや上部電極について異なる材料及び／または厚さを用いることで、所望の効果を得ることができる。空隙の大きさを制御する他の一メカニズムは、犠牲層の変更を介するものでありうる。理解されるように、これらは単に、本発明の実施形態に従う可変静電容量デバイスの形成に関して、ＭＥＭＳデバイスについて様々なプルイン電圧を得るために導入することができる多数の様々なデバイスの変形のいくつかの例に過ぎない。
【００２８】
本発明の具体的な実施形態に従えば、図５のデバイスに関するプロセスの構成は、ＩＭＯＤディスプレイパネルのプロセス構成に類似している。上述のように、金属１（Ｍ１）はキャパシタの底部電極として用いられ、機械的な層ＴＭはキャパシタの上部電極として用いられる。ＭＥＭＳキャパシタの抵抗損失を減少させるために、厚く低抵抗な金属が用いられうる。具体的な実施例に従えば、底部電極（Ｍ１）は、初めに、基板（例えば、ガラス、シリコン、ＧａＡｓなど）上にスパッタリングによって成膜され、次いで、フォトリソグラフィ及びエッチングプロセス（例えばドライエッチまたはウェットエッチ）を用いてパターニングされる。次いで、薄い誘電体薄膜が絶縁体として底部電極上に（例えば、ＣＶＤ、ＡＬＤまたはＰＶＤを用いて）成膜される。この誘電体層は、ダウン状態の静電容量を規定する。薄い誘電体層の成膜に続けて、犠牲層（図示されない）が（リリースプロセス後に）空隙を形成するために成膜される。犠牲層の厚さは、空隙の高さを決定し、アップ状態の静電容量を規定する。犠牲層が（例えばＳＡを用いて）パターニングされた後、厚い誘電体層（つまり、柱状酸化物）が機械的な構造層（例えば、機械的な梁またはメンブレン）として、犠牲層上に成膜される。機械層のパターニングに続けて、犠牲層が、適切なガスや化学的な溶液によってリリースされて、図示されるような空隙またはキャビティ構造を有するＭＥＭＳデバイス構造が形成される。
【００２９】
ＭＥＭＳデバイスの種類または様々なプルイン電圧を得るために操作されるデバイス特性に関わらず、この方法の結果は、従来のＭＥＭＳデバイスの静電容量対電圧特性と、本発明の具体的な実施形態に従って形成された二つのＭＥＭＳデバイスの静電容量対電圧特性との比較を示す図７Ａから図７Ｃを参照して理解されうる。図７Ａの従来の特性は、静電容量の最小値と最大値の間の急峻で連続的な遷移を示す。対照的に、本発明の実施形態に従って形成されたＭＥＭＳデバイスの特性（図７Ｂ及び図７Ｃ）は、複数の階段状の遷移を含み、それぞれの段階のより水平な部分は相対的に安定な静電容量値を示し、それぞれの段階の垂直な部分は次の相対的に安定な静電容量値への一つまたは複数のデバイスの作動または緩和を示す。２つの特性から理解されるように、これらの階段状の遷移の数および間隔は、並列接続されたＭＥＭＳデバイスの数及び／またはそれぞれに対応した作動電圧を共に変更することによって制御されうる。つまり、図７Ｃの特性は、図７Ｂの特性よりも多い並列接続のＭＥＭＳデバイスを有するデバイスの特性である。
【００３０】
本発明の様々な実施形態に従って実施された可変静電容量ＭＥＭＳデバイスは、チューナブルデバイスが適しているような幅広い応用領域に適合しうる。そのような応用は、例えば、ＲＦチューナブルフィルタ、チューナブル共振器、チューナブルアンテナなどを含む。
【００３１】
本発明が、それらの特定の実施形態を参照して具体的に示され、説明されたが、当業者であれば、開示された実施形態の形態及び詳細の変更が、本発明の技術的思想または本発明の範囲から逸脱しない範囲でなされうることが理解されるであろう。加えて、本発明の様々な利点、側面及び目的が本明細書において様々な実施形態を参照して説明されたが、発明の範囲はそのような利点、側面および目的の参照によって限定されるべきではないことは理解されるであろう。むしろ、発明の範囲は、特許請求の範囲を参照して決定されるべきである。
【符号の説明】
【００３２】
１，２，３，４ ＭＥＭＳデバイス
１２ａ，１２ｂ ＭＥＭＳ干渉変調器
１４ａ，１４ｂ 可動反射層
１６ａ，１６ｂ 光学積層体
１８ ポスト
１９ 空隙
２０ 基板
３２ テザー
３４ 変形層
４２ 支持ポストプラグ
４４ バス構造
４００ ＭＥＭＳデバイス
４０１，４０２，４０３，４０４ 可変静電容量ＭＥＭＳデバイス
４０６ 底部電極
４０８ ＤＣブロッキングキャパシタ
４１０ ＲＦチョーク回路
５００ ＭＥＭＳデバイス
５０２ 柱状酸化物
５０４ 底部電極
５０６ 空隙
５０８ 上部電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変静電容量デバイスであって、
並列接続された複数のＭＥＭＳデバイスを備え、
前記ＭＥＭＳデバイスが、緩和状態と作動状態との間の前記ＭＥＭＳデバイスの遷移のそれぞれに対応する複数の異なる動作電圧によって特徴づけられ、
複数の前記ＭＥＭＳデバイスが、特定のデバイスの変更を用いるように構成され、
前記変更が、前記可変静電容量デバイスが静電容量対電圧特性によって特徴づけられ、
前記静電容量対電圧特性が、複数の印加電圧範囲を含み、
前記印加電圧範囲に対応する前記可変静電容量デバイスの静電容量の変化率が、実質的に前記可変静電容量デバイスに対する静電容量の最小値と最大値との間の静電容量対電圧特性によって表される静電容量の平均変化率よりも小さい、可変静電容量デバイス。
【請求項２】
前記ＭＥＭＳデバイスが、一つまたは複数の干渉変調器またはＭＥＭＳバラクタを備える、請求項１に記載の可変静電容量デバイス。
【請求項３】
前記ＭＥＭＳデバイスが、干渉変調器（ＩＭＯＤ）を備え、前記特定のデバイスの変更が、柱状アンカーの間隔、柱状アンカーの重なり、柱状アンカーの高さ、空隙の間隔、可動電極の厚さ、または可動電極の材料の一つまたは複数を備える、請求項１に記載の可変静電容量デバイス。
【請求項４】
前記ＭＥＭＳデバイスが干渉変調器（ＩＭＯＤ）を備え、それぞれの前記ＩＭＯＤが、互いに可変の距離に配置され複数の柱状アンカーを用いて所定の位置に固定された第一および第二の層を備え、前記ＩＭＯＤ間の前記特定のデバイスの変更が、柱状アンカーの間隔を備える、請求項１に記載の可変静電容量デバイス。
【請求項５】
前記ＭＥＭＳデバイスが干渉変調器（ＩＭＯＤ）を備え、それぞれの前記ＩＭＯＤが、互いに可変の距離に配置され複数の柱状アンカーを用いて所定の位置に固定された第一および第二の層を備え、前記ＩＭＯＤ間の前記特定のデバイスの変更が、それぞれの前記ＩＭＯＤに対応する電極に対する柱状アンカーの重なりを備える、請求項１に記載の可変静電容量デバイス。
【請求項６】
前記ＭＥＭＳデバイスが干渉変調器（ＩＭＯＤ）を備え、それぞれの前記ＩＭＯＤが、互いに可変の距離に配置され複数の柱状アンカーを用いて所定の位置に固定された第一および第二の層を備え、前記ＩＭＯＤの前記特定のデバイスの変更が、柱状アンカー間の間隔と、それぞれの前記ＩＭＯＤに対応する電極に対する柱状アンカーの重なりと、を共に備える、請求項１に記載の可変静電容量デバイス。
【請求項７】
前記可変静電容量デバイスが、チューナブルフィルタ、チューナブル共振器、またはチューナブルアンテナのうちの一つとして構成される、請求項１から６のいずれか一項に記載の可変静電容量デバイス。
【請求項８】
前記ＭＥＭＳデバイスが、高周波（ＲＦ）で動作するように構成され、前記可変静電容量デバイスの第一の端子が、ＲＦ信号源からのＲＦ信号及びＤＣ信号源からのＤＣ信号を共に受信するように構成され、前記可変静電容量デバイスが、さらにＲＦ信号源またはＤＣ信号源の一方または両方に対して分離を提供するための一つまたは複数の分離部品を備える、請求項１から７のいずれか一項に記載の可変静電容量デバイス。
【請求項９】
可変静電容量デバイスであって、
並列接続された複数のＭＥＭＳデバイスを備え、
それぞれの前記ＭＥＭＳデバイスが、第一および第二の電極を備え、
前記可変静電容量デバイスの第一の端子が、前記ＭＥＭＳデバイスの前記第一の電極間の第一の電気的接続によって形成され、
前記可変静電容量デバイスの第二の端子が、前記ＭＥＭＳデバイスの前記第二の電極間の第二の電気的接続によって形成され、
複数の前記ＭＥＭＳデバイスが、前記ＭＥＭＳデバイス間の特定のデバイスの変更を用いるように構成され、
前記ＭＥＭＳデバイスが、複数の異なる調整電圧範囲によって特徴づけられ、
前記調整電圧範囲が、静電容量の最小値と最大値の間の前記ＭＥＭＳデバイスの遷移のそれぞれに対応する、可変静電容量デバイス。
【請求項１０】
前記ＭＥＭＳデバイスが、一つまたは複数の干渉変調器またはＭＥＭＳバラクタを備える、請求項９に記載の可変静電容量デバイス。
【請求項１１】
前記ＭＥＭＳデバイスが干渉変調器（ＩＭＯＤ）を備え、前記特定のデバイスの変更が、柱状アンカーの間隔、柱状アンカーの重なり、柱状アンカーの高さ、空隙の間隔、可動電極の厚さ、または可動電極の材料の一つまたは複数を含む、請求項９に記載の可変静電容量デバイス。
【請求項１２】
前記ＭＥＭＳデバイスが干渉変調器（ＩＭＯＤ）を備え、それぞれの前記ＩＭＯＤが、互いに可変の距離に配置され複数の柱状アンカーを用いて所定の位置に固定された第一および第二の層を備え、前記ＩＭＯＤ間の前記特定のデバイスの変更が、柱状アンカーの間隔を備える、請求項９に記載の可変静電容量デバイス。
【請求項１３】
前記ＭＥＭＳデバイスが干渉変調器（ＩＭＯＤ）を備え、それぞれの前記ＩＭＯＤが、互いに可変の距離に配置され複数の柱状アンカーを用いて所定の位置に固定された第一および第二の層を備え、前記ＩＭＯＤ間の前記特定のデバイスの変更が、それぞれの前記ＩＭＯＤの電極の一つに対する柱状アンカーの重なりを備える、請求項９に記載の可変静電容量デバイス。
【請求項１４】
前記ＭＥＭＳデバイスが干渉変調器（ＩＭＯＤ）を備え、それぞれの前記ＩＭＯＤが、互いに可変の距離に配置され複数の柱状アンカーを用いて所定の位置に固定された第一および第二の層を備え、前記ＩＭＯＤ間の前記特定のデバイスの変更が、柱状アンカー間の間隔と、それぞれの前記干渉変調器の電極の一つに対する柱状アンカーの重なりと、を共に備える、請求項９に記載の可変静電容量デバイス。
【請求項１５】
前記可変静電容量デバイスが、チューナブルフィルタ、チューナブル共振器、またはチューナブルアンテナのうちの一つとして構成される、請求項９から１４のいずれか一項に記載の可変静電容量デバイス。
【請求項１６】
前記ＭＥＭＳデバイスが、高周波（ＲＦ）で動作するように構成され、前記可変静電容量デバイスの第一の端子が、ＲＦ信号源からのＲＦ信号及びＤＣ信号源からのＤＣ信号を共に受信するように構成され、前記可変静電容量デバイスが、さらにＲＦ信号源またはＤＣ信号源の一方または両方に対して分離を提供するための一つまたは複数の分離部品を備える、請求項９から１５のいずれか一項に記載の可変静電容量デバイス。
【請求項１】
可変静電容量デバイスであって、
並列接続された複数のＭＥＭＳデバイスを備え、
前記ＭＥＭＳデバイスが、緩和状態と作動状態との間の前記ＭＥＭＳデバイスの遷移のそれぞれに対応する複数の異なる動作電圧によって特徴づけられ、
複数の前記ＭＥＭＳデバイスが、特定のデバイスの変更を用いるように構成され、
前記変更が、前記可変静電容量デバイスが静電容量対電圧特性によって特徴づけられ、
前記静電容量対電圧特性が、複数の印加電圧範囲を含み、
前記印加電圧範囲に対応する前記可変静電容量デバイスの静電容量の変化率が、実質的に前記可変静電容量デバイスに対する静電容量の最小値と最大値との間の静電容量対電圧特性によって表される静電容量の平均変化率よりも小さい、可変静電容量デバイス。
【請求項２】
前記ＭＥＭＳデバイスが、一つまたは複数の干渉変調器またはＭＥＭＳバラクタを備える、請求項１に記載の可変静電容量デバイス。
【請求項３】
前記ＭＥＭＳデバイスが、干渉変調器（ＩＭＯＤ）を備え、前記特定のデバイスの変更が、柱状アンカーの間隔、柱状アンカーの重なり、柱状アンカーの高さ、空隙の間隔、可動電極の厚さ、または可動電極の材料の一つまたは複数を備える、請求項１に記載の可変静電容量デバイス。
【請求項４】
前記ＭＥＭＳデバイスが干渉変調器（ＩＭＯＤ）を備え、それぞれの前記ＩＭＯＤが、互いに可変の距離に配置され複数の柱状アンカーを用いて所定の位置に固定された第一および第二の層を備え、前記ＩＭＯＤ間の前記特定のデバイスの変更が、柱状アンカーの間隔を備える、請求項１に記載の可変静電容量デバイス。
【請求項５】
前記ＭＥＭＳデバイスが干渉変調器（ＩＭＯＤ）を備え、それぞれの前記ＩＭＯＤが、互いに可変の距離に配置され複数の柱状アンカーを用いて所定の位置に固定された第一および第二の層を備え、前記ＩＭＯＤ間の前記特定のデバイスの変更が、それぞれの前記ＩＭＯＤに対応する電極に対する柱状アンカーの重なりを備える、請求項１に記載の可変静電容量デバイス。
【請求項６】
前記ＭＥＭＳデバイスが干渉変調器（ＩＭＯＤ）を備え、それぞれの前記ＩＭＯＤが、互いに可変の距離に配置され複数の柱状アンカーを用いて所定の位置に固定された第一および第二の層を備え、前記ＩＭＯＤの前記特定のデバイスの変更が、柱状アンカー間の間隔と、それぞれの前記ＩＭＯＤに対応する電極に対する柱状アンカーの重なりと、を共に備える、請求項１に記載の可変静電容量デバイス。
【請求項７】
前記可変静電容量デバイスが、チューナブルフィルタ、チューナブル共振器、またはチューナブルアンテナのうちの一つとして構成される、請求項１から６のいずれか一項に記載の可変静電容量デバイス。
【請求項８】
前記ＭＥＭＳデバイスが、高周波（ＲＦ）で動作するように構成され、前記可変静電容量デバイスの第一の端子が、ＲＦ信号源からのＲＦ信号及びＤＣ信号源からのＤＣ信号を共に受信するように構成され、前記可変静電容量デバイスが、さらにＲＦ信号源またはＤＣ信号源の一方または両方に対して分離を提供するための一つまたは複数の分離部品を備える、請求項１から７のいずれか一項に記載の可変静電容量デバイス。
【請求項９】
可変静電容量デバイスであって、
並列接続された複数のＭＥＭＳデバイスを備え、
それぞれの前記ＭＥＭＳデバイスが、第一および第二の電極を備え、
前記可変静電容量デバイスの第一の端子が、前記ＭＥＭＳデバイスの前記第一の電極間の第一の電気的接続によって形成され、
前記可変静電容量デバイスの第二の端子が、前記ＭＥＭＳデバイスの前記第二の電極間の第二の電気的接続によって形成され、
複数の前記ＭＥＭＳデバイスが、前記ＭＥＭＳデバイス間の特定のデバイスの変更を用いるように構成され、
前記ＭＥＭＳデバイスが、複数の異なる調整電圧範囲によって特徴づけられ、
前記調整電圧範囲が、静電容量の最小値と最大値の間の前記ＭＥＭＳデバイスの遷移のそれぞれに対応する、可変静電容量デバイス。
【請求項１０】
前記ＭＥＭＳデバイスが、一つまたは複数の干渉変調器またはＭＥＭＳバラクタを備える、請求項９に記載の可変静電容量デバイス。
【請求項１１】
前記ＭＥＭＳデバイスが干渉変調器（ＩＭＯＤ）を備え、前記特定のデバイスの変更が、柱状アンカーの間隔、柱状アンカーの重なり、柱状アンカーの高さ、空隙の間隔、可動電極の厚さ、または可動電極の材料の一つまたは複数を含む、請求項９に記載の可変静電容量デバイス。
【請求項１２】
前記ＭＥＭＳデバイスが干渉変調器（ＩＭＯＤ）を備え、それぞれの前記ＩＭＯＤが、互いに可変の距離に配置され複数の柱状アンカーを用いて所定の位置に固定された第一および第二の層を備え、前記ＩＭＯＤ間の前記特定のデバイスの変更が、柱状アンカーの間隔を備える、請求項９に記載の可変静電容量デバイス。
【請求項１３】
前記ＭＥＭＳデバイスが干渉変調器（ＩＭＯＤ）を備え、それぞれの前記ＩＭＯＤが、互いに可変の距離に配置され複数の柱状アンカーを用いて所定の位置に固定された第一および第二の層を備え、前記ＩＭＯＤ間の前記特定のデバイスの変更が、それぞれの前記ＩＭＯＤの電極の一つに対する柱状アンカーの重なりを備える、請求項９に記載の可変静電容量デバイス。
【請求項１４】
前記ＭＥＭＳデバイスが干渉変調器（ＩＭＯＤ）を備え、それぞれの前記ＩＭＯＤが、互いに可変の距離に配置され複数の柱状アンカーを用いて所定の位置に固定された第一および第二の層を備え、前記ＩＭＯＤ間の前記特定のデバイスの変更が、柱状アンカー間の間隔と、それぞれの前記干渉変調器の電極の一つに対する柱状アンカーの重なりと、を共に備える、請求項９に記載の可変静電容量デバイス。
【請求項１５】
前記可変静電容量デバイスが、チューナブルフィルタ、チューナブル共振器、またはチューナブルアンテナのうちの一つとして構成される、請求項９から１４のいずれか一項に記載の可変静電容量デバイス。
【請求項１６】
前記ＭＥＭＳデバイスが、高周波（ＲＦ）で動作するように構成され、前記可変静電容量デバイスの第一の端子が、ＲＦ信号源からのＲＦ信号及びＤＣ信号源からのＤＣ信号を共に受信するように構成され、前記可変静電容量デバイスが、さらにＲＦ信号源またはＤＣ信号源の一方または両方に対して分離を提供するための一つまたは複数の分離部品を備える、請求項９から１５のいずれか一項に記載の可変静電容量デバイス。
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図３Ｅ】
【図１】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図３Ｅ】
【図１】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【公表番号】特表２０１３−５１９１０４（Ｐ２０１３−５１９１０４Ａ）
【公表日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５４４６２７（Ｐ２０１２−５４４６２７）
【出願日】平成２２年１２月８日（２０１０．１２．８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０５９５１２
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０７５３６６
【国際公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【出願人】（５０８０９５３３７）クォルコム・メムズ・テクノロジーズ・インコーポレーテッド (133)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月８日（２０１０．１２．８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０５９５１２
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０７５３６６
【国際公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【出願人】（５０８０９５３３７）クォルコム・メムズ・テクノロジーズ・インコーポレーテッド (133)
【Ｆターム（参考）】
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