CN101154505A

CN101154505A - 抗环境振动影响的旋转式微机械可变电容的结构

Info

Publication number: CN101154505A
Application number: CNA2007100454574A
Authority: CN
Inventors: 李昕欣; 顾磊
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2007-08-31
Filing date: 2007-08-31
Publication date: 2008-04-02

Abstract

本发明涉及一种旋转式悬浮微机械可变电容及制作方法，其特征在于旋转式可变电容结构能够抵抗环境冲击或加速度的影响，可变电容的驱动电极沿着中心轴旋转方向运动，旋转角度为0－10度，可变电容的可动电极通过周围的连接梁支撑，在器件的周围和中心处有连接支撑梁的固定端，下图中实心为固定电极，空心为可动电极，驱动部分和敏感电容部分均采用梳齿或夹板结构，本发明给出的旋转式结构适合于各种CMOS(互补金属氧化物半导体)、微机械类型加工。且制作的微机械可变电容抗环境振动和环境加速度的影响。

Description

抗环境振动影响的旋转式微机械可变电容的结构

技术领域

本发明涉及的是一种抗环境振动影响的旋转式悬浮可变电容的结构，所述的这种结构能有效抑止环境加速度对器件性能的影响。属于射频元件和电路技术应用领域。

背景技术

随着射频技术的应用越来越广泛，对于高性能可变电容的要求，使得这方面的研究越来越多。硅微机械加工技术具有一些标准CMOS制造技术所没有的特点，它扩展了器件设计的能力，从传统的两维器件扩展到三维器件。随着无线通讯领域，对信号灵敏度以及器件的功耗的要求越来越高，特别需要一些高性能的射频器件，如手机、卫星通讯、射频识别以及各种无线网络。

可变电容是通讯电路中应用较为广泛的一种无源器件，或称为变抗器。它用在低噪声放大器、谐波发生器以及频率控制中。传统的可变电容利用pn结或者schottky-barrier(肖特势垒)结构制造在硅或者砷化镓(GaAs)衬底上，随着MEMS的优势逐渐明显，越来越多的研究者从事微机械可变电容的研究，使这些微机械可变电容通过调节器件物理尺寸来改变它们的电容值，电容的介质一般为空气，能够构消除主要的介质损耗。在MEMS可变电容的发展过程中，梳齿驱动变面积可变电容比较常见，这种电容结构一般采用梳齿电极作为静电执行器驱动和电容检测极板，通过改变梳齿电极交叠面积改变电容值大小。这种结构在低电压下具有较高的可变比。Larson等人在1991年第一次报道利用表面微机械加工技术实现的变面积可变电容[L.E.Larson，R.H.Hackett，M.A.Melendes and R.F.Lohr，“Micromachined microwaveactuator(MIMAC)technology-a new tuning approach for microwave integratedcircuits”IEEE Microwave and Millimeter-Wave Monolithic circuits Symp，1991：27-30.]，该器件为梳齿驱动，由于梳齿间的边缘电容非常小，所以施加的电压需提高到80一200V。电容从35fF变化到100fF，梳齿交叠间距从150微米变化到375微米。梳齿驱动检测的变面积可变电容能够不受任何理论上可变比的限制，线性度较好，射频功率承受能力不受电容变化的影响。J.J.Yao等人在1998年报道了一种悬浮式梳齿驱动检测的变面积可变电容[J.J.Yao，S.Park and J.DeNatale，“High tuning-ratio MEMS-based tunable capacitors forRF communications applications”Solid State Sensor and Actuator Workshop，1998：124-127.]，它利用深刻蚀单晶硅在SOI硅片上制作完成，最后为了降低串联电阻提高可变电容的Q值，又在梳齿表面覆盖一薄层金属来减小串联电阻。不像间隙可变电容，这种结构的电容可变比没有理论上的限制，报道的器件可变比为3.18∶1，也就是电容值变化了218％，最高的可以达到8.4∶1。但目前所能见到的微机械梳齿可变电容结构都沿水平或垂直方向直线运动。他们面临这样一个矛盾，低驱动电压下要想获得大的可变比就需要低的支撑梁弹性系数，但低的弹性系数又容易受到环境冲击或加速度的影响，外界环境加速度一般都沿水平或垂直方向，这与可变电容的运动方向一致，将会导致可变电容值发生改变，从而引起电路或设备的误操作。能否给出一种结构既保持了低驱动电压下和高的可变比又能抵抗环境加速度的影响已成为本领域技术人员渴望解决的技术难点，从而也引导出本发明的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抗环境振动影响的旋转式悬浮微机械可变电容。所述的旋转式悬浮微机械可变电容结构能够抵抗外界环境加速度以及振动对器件性能的影响。所述的悬浮的可变电容的可动电极沿中心轴旋转方向运动，可动电极结构通过两部分梁连接支撑，即一部分连接到外框的固定端，另一部分连接到中心处固定端。

由本发明所提供的旋转式悬浮可变电容的结构如图1所示。悬浮的可变电容的可动电极沿中心轴旋转方向运动，1为驱动部分，2为敏感电容部分。整个可动电极通过支撑梁连接到外框与中心处的固定端，在可变电容底部的硅被移除后，可变电容结构悬浮在硅片表面。

综上所述，本发明提供的-种新型旋转式悬浮可变电容，能够有效抑止环境加速度的影响。

本发明提供的旋转式悬浮可变电容结构是：

1、悬浮的可变电容的结构整体布局为圆形或椭圆形；

2、可变电容的可动电极沿中心轴旋转方向运动；

3、可动电极通过两部分梁支撑，一部分连接到外框上，一部分连接到中心处固定端处。

4、驱动部分和敏感电容部分均采用梳齿或夹板结构；

本发明提供的旋转式悬浮可变电容的制作特征是：

(a)选用N型或P型(100)硅片经清洗后在硅片上形成氧化硅薄膜作为器件支撑层，光刻出各向异性腐蚀区域，并去除该区域内氧化层；

(b)在硅片上溅射金属种子层，旋转涂胶，光刻出可变电容结构形状；

(c)电镀金属层，以形成器件结构层，并电镀一层防止金属氧化的薄层，然后去除种子层；

(d)利用XeF₂气体进行硅的各向同性腐蚀，电容周围区域的硅全部被清除，使可变电容悬浮于硅片衬底。

所述的硅片的电阻率为3-8Ω·cm，厚400-500μm，硅片切边的角度误差＜1％；

所述的氧化硅薄膜的厚度为1-3微米；

所述旋转涂胶，光刻胶厚度8-15微米；

所述的器件结构层的厚度为1-100微米；结构层材料为硅、铜、镍、多或银，厚度为5-10微米，薄层金的厚度为0.3-0.8微米，器件结构层厚度即为固定电极与可动电极的厚度；

所述的悬浮的可变电容与底部硅衬底的间隙为5-70微米。

综上所述，本发明提供的一种新型旋转式悬浮可变电容的结构及制作方法具有以下七个特点。

1、悬浮的可变电容的可动电极的工作方向为沿中心轴旋转，能够避免外界环境加速度的影响；

2、悬浮的可变电容的可动电极沿中心轴旋转角度为0-10度；

3、驱动部分与敏感电容部分的功能可以互换，亦即图1的左边为驱动部分，右边为敏感电容部分；反之依然，左边为敏感电容部分，则右边为驱动部分；

4、该结构适应于CMOS、表面微机械、体微机械、LIGA(电镀成形)和准LIGA加工方式中的任意一种；

5、用作器件结构层的材料可以为硅、铜、镍、金和银中任意一种；

6、器件的结构层厚度，即可动电极与敏感电极的厚度为5-100微米；

7、可变电容的结构悬浮于硅片衬底的高度为5～70微米，即XeF₂气体腐蚀硅材料后留下的空隙高度。

附图说明

图1：本发明提供的旋转式悬浮可变电容结构布局图，实心为固定电极，空心的为可动电极。

图2：图1所示的旋转式悬浮可变电容按AA’剖面的视图。

图3：本发明所提供的旋转式悬浮可变电容制作方法和制作出的器件。

(1)表示AA’剖面所示的工艺流程

(a)表示定义出XeF₂气体干法腐蚀的区域

(b)表示旋涂光刻胶及光刻显影后结构

(c)表示电镀与去除种子层

(d)表示XeF₂气体各向同性腐蚀悬空可变电容器件

(2)制作出的旋转式悬浮可变电容SEM照片

图4：旋转式悬浮可变电容的测试结果。

(1)变化电容值与电压的关系

(2)可变的电容的Q值与频率曲线

图5：利用ANSYS软件分析旋转式悬浮可变电容在10g环境加速度下X方向的形变。

图中：

1、驱动部分，2、敏感电容部分，3、薄层金，4、镍金属，5、钛钨铜种子层，6、氧化硅层和氮化硅层，7、硅衬底，8、XeF₂气体腐蚀移除部分，9、固定电极，10、可动电极

具体实施方式

实施例一种抗环境振动影响的旋转式微机械可变电容

图1和2为本发明提供一种抗环境振动影响的旋转式可变电容示意图，一种可能的制作实施方式以和实际制作的器件如图3所示，其中(1)表示AA’视角制作过程。本器件的实施不仅限于此工艺流程。结合附图说明如下：

1、所选用的材料：4英寸N型或P型(100)硅片，电阻率3～8·cm，硅片厚450±10μm，硅片切边的角度误差＜1％；经常规清洗后采用离子体增强化学气相沉积(PECVD)的方法在硅片表面形成氧化硅薄膜，作为整个器件结构释放后的支撑层，厚度为(1～3微米)；光刻出各向异性腐蚀的区域，去除该区域内的氧化层，如图3(1).a所示；

2、在硅片上溅射金属种子层(钛钨/铜)，旋转涂胶，光刻胶厚度为9～10微米，光刻出可变电容结构形状，如图3(1).b所示；

3、电镀金属镍和一层防止镍被氧化的薄层金作为可变电容的结构，金属镍的厚度为7～9微米，薄层金厚度为0.5微米，然后去除种子层，如图3(1).c所示；

4、利用XeF₂气体进行硅的各向同性腐蚀，电容周围区域的硅全部被移除，悬浮于硅片衬底的高度为30～50微米，整个电容结构由步骤1中形成的氧化硅薄膜在两边支撑，如图3(1).d所示。

所制作抗环境振动影响的旋转式微机械可变电容结构如图3(2)所示。本发明制作出的可变电容在12V的电压下变化比为2∶1，2GHz下的Q值为35.2，自谐振频率为9.5GHz(如图4(1)和(2)所示)。在10g环境加速度下最大形变仅为0.12微米，如图5所示，本发明实施例1提供的旋转式微机械可变电容，比相同条件下的传统微机械梳齿可变电容形变值低两个量级。

Claims

1.一种旋转式悬浮微机械可变电容，其特征在于悬浮的可变电容的可动电极沿中心轴旋转方向运动；悬浮的可动电极结构通过两部分梁支撑，一部分连接到固定的器件外框，另一部分连接到固定的器件中心处；驱动部分和敏感电容部分均采用梳齿结构或夹板结构。

2.按权利要求1所述的旋转式悬浮微机械可变电容，其特征在于所述的可变电容的结构的整体布局为圆形或椭圆形。

3.按权利要求1所述的旋转式悬浮微机械可变电容，其特征在于器件工作时，悬浮的可变电容的可动电极沿中心轴旋转的角度为0-10度。

4.按权利要求1所述的旋转式悬浮微机械可变电容，其特征在于驱动部分与敏感电容部分的功能可以互换。

5.按权利要求1或2所述的旋转式悬浮可变电容的结构，其特征在于悬浮的可变电容的可动电极与底部硅衬底的间隙为5～70微米。

6.制作如权利要求1所述的旋转式悬浮微机械可变电容的方法，其特征在于：

7.按权利要求6所述的旋转式悬浮可变电容的制作方法，其特征在于用作器件结构层的材料为硅、铜、镍、金或银，厚度为5-10微米；薄层金的厚度为0.3-0.8微米。

8.按权利要求6所述的旋转式悬浮可变电容的制作方法，其特征在于器件的结构层厚度为5-100微米。

9.按权利要求6所述的旋转式悬浮可变电容的制作方法，其特征在于：

(1)旋转涂胶的光刻胶厚度为8-15微米；

(2)所述氧化硅薄膜厚度为1-3微米。

10.按权利要求6所述的旋转式悬浮可变电容的制作方法，其特征在于该结构适应于CMOS、表面微机械、体微机械、电镀成形或准LIGA加工方式。