CN102656649A - 两端子可变电容微机电系统装置 - Google Patents
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Abstract
本发明描述一种两端子可变电容装置，其是通过并联连接具有不同致动或“吸合”电压的多个MEMS装置而建构。
Description
相关申请资料
本申请案主张2009年12月18日申请的第12/642,421号美国专利申请案“两端子可变电容微机电系统装置(TWO-TERMINAL VARIABLE CAPACITANCE MEMSDEVICE)”(代理人案号：QUALP017/082609)的优先权，所述申请案的全部揭示内容出于所有目的以引用的方式并入本文中。
技术领域
背景技术
本发明涉及可变电容装置，且具体来说，涉及基于微机电系统(MEMS)装置的可变电容装置。
常规MEMS可变电抗器(也称为电容式切换器或切换式电容器)通常具有非常小的调谐电压范围，即，可在最小电容与最大电容之间以模拟方式可靠控制装置电容的电压范围。
二进制状态MEMS装置(例如，干涉调制器(IMOD))的特征为具有两个不同电容的两个稳定状态。因此，此类装置可用作可变电容装置，但具有有限的效用，因为通常仅表示两个稳定电容值，即，一者对应于装置的松弛状态(即，“可用状态”电容)，且一者对应于装置的致动状态(即，“停机状态”电容)。
已进行各种尝试以提出具有更大范围电容值的具有不同成功度的装置。然而，大多数此类装置需要非所需额外开销，例如，独立的装置控制信号及电路、额外切换电路、两个以上的端子等等。加宽及/或稳定化此类装置的调谐范围将使其适合于更广泛范围的应用。
发明内容
根据本发明，提供可变电容装置。
根据特定实施例，可变电容装置包含多个并联连接的MEMS装置。MEMS装置的特征为使MEMS装置中的若干对应MEMS装置在松弛状态与致动状态之间转变的多个不同致动电压。多个MEMS装置是使用MEMS装置之间的指定装置变化而配置，使得所述可变电容装置的特征为包含多个施加电压范围的电容对电压特征，其中可变电容装置的对应电容变化速率大体上小于由可变电容装置的最小电容值与最大电容值之间的电容对电压特征所表示的平均电容变化速率。
根据特定实施例，可变电容装置包含多个并联连接的MEMS装置。每一MEMS装置包含第一电极及第二电极。所述可变电容装置的第一端子是通过MEMS装置的第一电极之间的第一电连接而形成。所述可变电容装置的第二端子是通过MEMS装置的第二电极之间的第二电连接而形成。所述多个MEMS装置是使用MEMS装置之间的指定装置变化而配置，使得MEMS装置的特征为使MEMS装置中的若干对应MEMS装置在最小电容与最大电容之间转变的多个不同调谐电压范围。
对本发明的本质及优点的进一步理解可通过参考说明书的剩余部分及图式而实现。
附图说明
图1为展示两个干涉调制器的实例的等角视图，其中第一干涉调制器的可移动反射层处于松弛位置，且第二干涉调制器的可移动反射层处于致动位置。
图2为干涉调制器的一个例示性实施方案的可移动层位置对施加电压的图式。
图3A到图3E为干涉调制器的各种替代实施方案的横截面图。
图4为根据本发明的特定实施例而实施的MEMS装置的实例的简化表示。
图5为干涉调制器的替代实施方案的另一横截面图。
图6为说明特定干涉调制器实施方案的吸合电压相对于柱锚重叠的变化的图表。
图7A到图7C为说明常规MEMS可变电抗器与根据本发明的特定实施例而实施的可变电容MEMS装置相比的电容对电压特征的图表。
具体实施方式
现将详细参考包含用于实施本发明的由发明者所预期的最佳模式的本发明的特定实施例。在附图中说明这些特定实施例的实例。虽然本发明是结合这些特定实施例而描述，但是将理解，并不希望将本发明限于所描述的实施例。相反，希望涵盖如可包含在如由所附权利要求书所界定的本发明的精神及范畴内的替代、修改及等效物。在以下描述中，陈述特定细节以提供对本发明的透彻理解。在没有这些特定细节中的一些或所有的情况下，可实践本发明。此外，可不详细描述众所周知的特性以避免不必要地使本发明不清楚。
微机电系统(MEMS)包含微机械元件、致动器及电子设备。微机械元件可使用沉积、蚀刻及/或蚀除衬底及/或所沉积材料层的若干部分或添加若干层以形成电子及机电装置的其它微机械工艺而产生。一种类型的MEMS装置称为干涉调制器(IMOD)。如本文所使用，术语干涉调制器或干涉光调制器是指使用光学干涉的原理选择性吸收及/或反射光的装置。在某些实施例中，干涉调制器可包括一对导电板或层，其中的一者或两者可为全部或部分透明及/或反射性的，且可在施加适当电信号后即刻进行相对运动。在一特定实施例中，一个板可包括沉积在衬底上的静止层，且另一板可包括通过空气间隙而与所述静止层分离的金属隔膜。一个板相对于另一板的位置可改变入射在干涉调制器的光的光学干涉。此外，此类装置的电容取决于这些板之间的关系。此类装置具有较宽的应用范围，且在此项技术中利用及/或修改这些类型装置的特征将是有利的，使得可运用它们的特性以改善现有产品且产生尚未开发的新产品。
根据本发明的各种实施例，两端子可变电容装置通过并联连接具有不同致动或“吸合”电压的多个MEMS装置而实现。根据实施例的特定种类，MEMS装置为干涉调制器(IMOD)。有关可用于本发明的此类实施例的IMOD的一些背景将为说明性的。然而，应注意，且所属领域的技术人员将了解，由本发明所实现的可变电容装置可由包含(例如)各种各样的MEMS可变电抗器的更广泛范围的MEMS装置而建构。
在图1中说明一对干涉调制器。这些装置处于反射状态或非反射状态中的任一者。在反射(“松弛”或“开通”)状态中，所述装置反射入射可视光的大部分。当在非反射(“致动”或“关闭”)状态中时，所述装置反射少量入射可视光。取决于实施方案，可颠倒“开”及“关”状态的光反射性质。此类MEMS装置还可经配置以除了黑色与白色外还主要反射选定色彩。应注意，基于本发明的实施例的IMOD或其它MEMS装置的光学性质中的至少一些可与此类实施例的功能性不相关。
图1为描绘两个邻近MEMS干涉调制器12a及12b的等角视图。每一干涉调制器包含定位在距离彼此可变及可控制距离处以形成具有至少一个可变尺寸的谐振光学间隙的一对反射层。所述反射层中的一者可在两个位置之间移动。在第一位置(在本文中被称为松弛位置)中，所述可移动反射层定位在距离固定部分反射层相对大距离处。在第二位置(在本文中被称为致动位置)中，所述可移动反射层更紧密邻近于所述部分反射层而定位。从所述两个层反射的入射光取决于所述可移动反射层的位置而建设性干涉或破坏性干涉，从而针对每一装置产生整体反射或非反射状态。
在左边的干涉调制器12a中，在距离光学堆栈16a预定距离处，以松弛位置说明可移动反射层14a，所述光学堆栈16a包含部分反射层。在右边的干涉调制器12b中，以邻近于光学堆栈16b的致动位置说明可移动反射层14b。光学堆栈16a与16b(统称为光学堆栈16)(如本文所参考)，通常包括若干融合层，所述融合层可包含电极层(例如，氧化铟锡(ITO))、部分反射层(例如，铬)及透明电介质。因此，光学堆栈16为导电、部分透明且部分反射的，且可(例如)通过在透明衬底20上沉积上述层中的一者或一者以上而制造。所述部分反射层可由部分反射性的各种材料(例如，各种金属、半导体及电介质)而形成。所述部分反射层可由一层或一层以上材料形成，且所述层中的每一者可由单一材料或材料的组合形成。
在一些实施方案中，光学堆栈16的若干层可经图案化以形成此类装置的阵列的连接电极。可移动反射层14a、14b可形成为沉积在柱18的顶部上的一个或一个以上沉积金属层及沉积在柱18之间的介入牺牲材料。当蚀除所述牺牲材料时，可移动反射层14a、14b通过经界定的间隙19而与光学堆栈16a、16b分离。高导电及反射材料(例如，铝)可用于反射层14，且还可形成此类装置的阵列中的连接电极。注意，图1可能并非按比例绘制。在一些实施方案中，柱18之间的间隔可在大约0.5微米到1.0微米，而间隙19可在大约0.2微米到0.4微米。
如通过图1的干涉调制器12a所说明，在没有施加电压的情况下，间隙19保持在可移动反射层14a与光学堆栈16a之间，可移动反射层14a处于机械松弛状态中。然而，当横跨干涉调制器的电极施加电位(电压)差时，由所述干涉调制器所形成的电容器被充电，且静电力将电极拉在一起。如果所述电压足够高，那么可移动反射层14变形，且被迫抵靠光学堆栈16。如通过图1的右边的经致动的干涉调制器12b所说明，在光学堆栈16内的电介质层(此图中未说明)可防止短路且控制层14与16之间的分离距离。不管所施加的电位差的极性是什么，所述行为都是相同的。
图2为干涉调制器的一个例示性实施方案的可移动层位置对施加电压的图式。对于MEMS干涉调制器来说，致动协议可利用如图2所说明的此类装置的滞后性质。干涉调制器可能需要(例如)10伏特电位差以引起可移动层从松弛状态变形到致动状态。然而，当所述电压从所述值减少时，在电压降回10伏特以下时所述可移动层维持其状态。在图2的例示性实施方案中，所述可移动层直到所述电压降到2伏特以下才完全松弛。因此，在图2所说明的实例中，具有大约3V到7V的电压范围，其中存在施加电压的窗，在所述窗内所述装置在松弛状态或致动状态中稳定。在本文中此被称为“滞后窗”或“稳定窗”。这使得图1中所说明的干涉调制器设计在相同施加电压条件下稳定于预先存在的致动或松弛状态中。由于不管在致动或松弛状态中的每一干涉调制器实质上是通过固定及移动反射层而形成的电容器，所以此稳定状态可在几乎没有电力耗散的情况下在滞后窗内的电压下得以保持。如果所述施加电位为固定，则实质上无电流流入所述干涉调制器中。
根据上文所提出的原理而操作的干涉调制器的结构的细节可大幅改变。例如，图3A到3E说明可移动反射层14及其支撑结构的五个不同实施方案。图3A为图1的IMOD的横截面图，其中金属材料14的条带沉积在正交延伸的支撑件18上。在图3B中，每一干涉调制器的可移动反射层14为正方形或矩形，且仅在角隅处在系链32上附接到支撑件。在图3C中，可移动反射层14为正方形或矩形且从可变形层34悬吊，可变形层34可包括柔性金属。可变形层34可在可变形层34的外围四周直接或间接连接到衬底20。这些连接在本文中被称为支撑柱。图3D所示的装置具有支撑柱插塞42，可变形层34架在支撑柱插塞42上。如在图3A到3C中，可移动反射层14保持悬吊在所述间隙上，但是可变形层34未通过填充可变形层34与光学堆栈16之间的孔而形成支撑柱。相反，所述支撑柱由平面化材料形成，其用于形成支撑柱插塞42。图3E所说明的装置是基于图3D所示的实施方案，但是还可适于与图3A到3C所说明的任何装置以及图中未展示的额外实施方案一起起作用。在图3E所示的装置中，金属或其它导电材料的额外层已用于形成总线结构44。此允许沿着干涉调制器的背部的信号路由，从而消除原本可能必须在衬底20上形成的许多电极。
在例如图3A到3E所示的实施方案的实施方案中，反射层14光学屏蔽在与衬底20相对的反射层侧上的所述干涉调制器的部分，包含可变形层34。此屏蔽允许(例如)图3E中的总线结构44，其提供将所述调制器的光学性质与所述调制器的机电性质分离的能力。此可分离调制器架构允许用于所述调制器的机电方面及光学方面的结构设计及材料经选择且独立于彼此而运作。而且，图3C到3E所示的实施方案可具有衍生自切断反射层14的光学性质与其机械性质联系的额外益处，所述机械性质通过可变形层34实施。此允许用于反射层14的结构设计及材料相对于光学性质得以优化，且用于可变形层34的结构设计及材料相对于所需机械性质得以优化。
如上文所提及，且尽管有IMOD的前文描述，预期基于各种各样MEMS装置的本发明的实施例。即，本发明包含基于任何类型的MEMS装置的实施例，所述MEMS装置的特征为可随着控制电压的施加而在最小值与最大值之间改变的电容。图4提供表示本发明的实施例的一个种类的说明。在所示的实例中，四个MEMS装置1到4并联连接以形成根据本发明的特定实施例的可变电容MEMS装置400。MEMS装置1到4共享对应于装置400的一个端子的共同底部电极406。装置400的第二端子是通过装置1到4的顶部电极(401到404)的电连接而形成。所属领域的技术人员可以多种方式中的任一者制成此电连接，且此电连接可取决于所使用的MEMS装置的类型。而且，应理解，所示装置的数量仅以实例方式展示。
图4还包含展示与四个MEMS装置1到4相关联的不同吸合电压(Va1、Va2、Va3及Va4)的绘图，及展示装置400的电容作为施加DC电压的函数的绘图(C1对应于MEMS装置1的“停机状态”电容，等等)。
如图中所指示，MEMS装置400为射频(RF)MEMS装置。RF信号输入与装置DC控制电压两者都施加到装置400的第二端子。所述图中的显而易见的分离信号线仅意在表达隔离的RF信号路径与DC信号路径。考虑到将两个信号施加到相同端子，可使用常规组件(例如MEMS装置端子与RF源(图中未展示)之间的DC阻断电容器408，及/或所述端子与DC源(图中未展示)之间的RF扼流电路410(例如，RF线圈))提供RF域与DC域之间的隔离。如所属领域的技术人员将理解，可使用这些组件中的任一者或两者，以及在此类系统中用于提供隔离的多种其它适合机构或组件的任一者。
图4的实例图解说明可经操纵以达成不同装置的不同吸合电压(例如，相应装置电极之间的不同空气间隙距离)的MEMS装置的特定物理特征的实例。然而，应理解，这仅为可根据本发明的特定实施例而改变以导致并联装置的不同吸合电压或致动电压的装置特征的一个实例。可操纵的其它装置特征包含(例如)锚间隔、每一个别电容的组件的硬度，等等。可在相同类型的并联MEMS装置(例如，IMOD、各种类型的MEMS可变电抗器)中改变此类特征。然而，可预期其中并联MEMS装置可为不同类型的实施例。
图5展示可与本发明的特定实施例一起使用的装置500的另一横截面图。可参考此图理解用以达成不同吸合电压的某些物理装置特征的变化。根据一些实施例，所述装置锚(即，柱氧化物502)可以多种方式操纵以达成此效应。例如，可增加或减少(相对于所述装置的中心)这些锚重叠底部电极(金属1M1 504)的程度，如从所述图将理解，其将具有增加或减少顶部电极(机械层TM 508)与底部电极504之间的空气间隙506的效应。如所属领域的技术人员将理解，所述空气间隙越大，所述吸合电压越高。图6中的图表说明有关特定实施方案的吸合或致动电压相对于锚重叠的效应。
增加或减少此重叠还可具有窄化或加宽柱氧化物锚之间的顶部电极的宽度的效应，因此减少或增加顶部电极的机械硬度，从而影响装置的吸合电压。类似地，改变锚间隔或对顶部电极使用不同材料及/或厚度可具有所需效应。用于控制所述空气间隙的大小的另一机制可以是通过牺牲层的变化。如将理解，这些仅为许多不同装置变化的一些实例，所述变化可被引入以达成用于构造根据本发明的实施例的可变电容装置的MEMS装置的不同吸合电压。
根据本发明的特定实施例，图5的装置的工艺架构类似于IMOD显示面板工艺架构。如上文所讨论，金属1(M1)用于电容器底部电极，且机械层TM用于电容器顶部电极。为减少MEMS电容器的电阻性损失，可使用厚且低电阻的金属。根据特定实施方案，底部电极(M1)首先喷镀沉积在衬底(例如，玻璃、硅、砷化镓等等)上，且接着通过光刻及蚀刻工艺(例如，干式蚀刻或湿式蚀刻)而图案化。接着，薄膜电介质沉积(例如，使用CVD、ALD或PVD)在底部电极上作为绝缘体。此电介质层界定停机状态的电容。在薄电介质层沉积之后，牺牲层(图中未展示)经沉积以形成空气间隙(在释出工艺后)。所述牺牲层的厚度确定空气间隙高度，且界定可用状态的电容。在图案化牺牲层(例如，使用SA)后，厚电介质层(即，柱氧化物)沉积在所述牺牲层上作为机械结构层(例如，机械梁或隔膜)。在所述机械层图案化之后，所述牺牲层通过基于适当气体或溶液的化学处理而释出以形成具有如所示的空气间隙或腔结构的MEMS装置结构。
不管MEMS装置类型或经操纵以达成不同吸合电压的装置特征怎样，此方法的结果都可参考图7A到7C而理解，图7A到7C展示常规MEMS装置与根据本发明的特定实施例而建构的两个MEMS装置相比的电容对电压特征。图7A的常规特征展示最小电容值与最大电容值之间的急剧且不中断的转变。相比之下，根据本发明的实施例而建构的MEMS装置的特征(图7B与7C)包含多个阶梯式转变；每一阶梯的较水平部分表示相对稳定的电容值；每一阶梯的垂直部分表示致动或松弛所述装置中的一者或一者以上到下一个相对稳定电容值。如从所述两个特征将理解，这些阶梯式转变的数量及间隔可通过改变并联连接的MEMS装置的数量及/或与每一者相关联的致动电压来加以控制。即，相比于图7B的特征，图7C的特征为具有较多并联连接的MEMS装置的装置特征。
根据本发明的各种实施例而实施的可变电容MEMS装置可适于可调谐装置适合的较宽范围的应用。此类应用包含(例如)RF可调谐滤波器、可调谐谐振器、可调谐天线等等。
虽然已参考本发明的特定实施例特定地展示且描述本发明，但是所属领域的技术人员将理解，可在不脱离本发明的精神或范围的情况下对所揭示实施例的形式与细节作出改变。此外，虽然在本文中已参考各种实施例讨论本发明的各种优点、方面及目标，但是将理解，本发明的范围不应通过参考此类优点、方面及目标而被限制。相反，应参考所附权利要求书来确定本发明的范围。
Claims (16)
1.一种可变电容装置，其包括多个并联连接的MEMS装置，所述MEMS装置的特征为使所述MEMS装置中的若干对应MEMS装置在松弛状态与致动状态之间转变的多个不同致动电压，其中所述多个MEMS装置是使用在所述MEMS装置之间的指定装置变化而配置，使得所述可变电容装置的特征为包含多个施加电压范围的电容对电压特征，其中所述可变电容装置的对应电容变化速率大体上小于由所述可变电容装置的最小电容值与最大电容值之间的所述电容对电压特征所表示的平均电容变化速率。
2.根据权利要求1所述的可变电容装置，其中所述MEMS装置包括干涉调制器或MEMS可变电抗器中的一者或一者以上。
3.根据权利要求1所述的可变电容装置，其中所述MEMS装置包括干涉调制器IMOD，且其中所述指定装置变化包括锚柱间隔、锚柱重叠、锚柱高度、空气间隙间隔、可移动电极厚度或可移动电极材料中的一者或一者以上。
4.根据权利要求1所述的可变电容装置，其中所述MEMS装置包括干涉调制器IMOD，每一IMOD包括定位在距离彼此可变距离处且使用多个锚柱而紧固在适当位置的第一层与第二层，且其中所述IMOD之间的所述指定装置变化包括所述锚柱的间隔。
5.根据权利要求1所述的可变电容装置，其中所述MEMS装置包括干涉调制器IMOD，每一IMOD包括定位在距离彼此可变距离处且使用多个锚柱而紧固在适当位置的第一层与第二层，且其中所述IMOD之间的所述指定装置变化包括所述锚柱相对于与每一IMOD相关联的电极的重叠。
6.根据权利要求1所述的可变电容装置，其中所述MEMS装置包括干涉调制器IMOD，每一IMOD包括定位在距离彼此可变距离处且使用多个锚柱而紧固在适当位置的第一层与第二层，且其中所述IMOD之间的所述指定装置变化包括所述锚柱的间隔及所述锚柱相对于与每一IMOD相关联的电极的重叠两者。
7.根据权利要求1到6中任一权利要求所述的可变电容装置，其中所述可变电容装置是配置为可调谐滤波器、可调谐谐振器或可调谐天线中的一者。
8.根据权利要求1到7中任一权利要求所述的可变电容装置，其中所述MEMS装置经配置以用于射频RF操作，且其中所述可变电容装置的第一端子经配置以接收来自RF源的RF信号及来自DC源的DC信号两者，所述可变电容装置进一步包括用于提供所述RF源或所述DC源中的一者或两者的隔离的一个或一个以上隔离组件。
9.一种可变电容装置，其包括多个并联连接的MEMS装置，每一MEMS装置包括第一电极及第二电极，所述可变电容装置的第一端子是通过所述MEMS装置的所述第一电极之间的第一电连接而形成，所述可变电容装置的第二端子是通过所述MEMS装置的所述第二电极之间的第二电连接而形成，其中所述多个MEMS装置是使用所述MEMS装置之间的指定装置变化而配置，使得所述MEMS装置的特征为使所述MEMS装置中的若干对应MEMS装置在最小电容与最大电容之间转变的多个不同调谐电压范围。
10.根据权利要求9所述的可变电容装置，其中所述MEMS装置包括干涉调制器或MEMS可变电抗器中的一者或一者以上。
11.根据权利要求9所述的可变电容装置，其中所述MEMS装置包括干涉调制器IMOD，且其中所述指定装置变化包括锚柱间隔、锚柱重叠、锚柱高度、空气间隙间隔、可移动电极厚度或可移动电极材料中的一者或一者以上。
12.根据权利要求9所述的可变电容装置，其中所述MEMS装置包括干涉调制器IMOD，每一IMOD包括定位在距离彼此可变距离处且使用多个锚柱而紧固在适当位置的第一层与第二层，且其中所述IMOD之间的所述指定装置变化包括所述锚柱的间隔。
13.根据权利要求9所述的可变电容装置，其中所述MEMS装置包括干涉调制器IMOD，每一IMOD包括定位在距离彼此可变距离处且使用多个锚柱而紧固在适当位置的第一层与第二层，且其中所述IMOD之间的所述指定装置变化包括所述锚柱相对于每一IMOD的所述电极中的一者的重叠。
14.根据权利要求9所述的可变电容装置，其中所述MEMS装置包括干涉调制器IMOD，每一IMOD包括定位在距离彼此可变距离处且使用多个锚柱而紧固在适当位置的第一层与第二层，且其中所述IMOD之间的所述指定装置变化包括所述锚柱的间隔及所述锚柱相对于每一IMOD的所述电极中的一者的重叠两者。
15.根据权利要求9到14中任一权利要求所述的可变电容装置，其中所述可变电容装置是配置为可调谐滤波器、可调谐谐振器或可调谐天线中的一者。
16.根据权利要求9到15中任一权利要求所述的可变电容装置，其中所述MEMS装置经配置以用于射频RF操作，且其中所述可变电容装置的第一端子经配置以接收来自RF源的RF信号与来自DC源的DC信号两者，所述可变电容装置进一步包括用于提供所述RF源或所述DC源中的一者或两者的隔离的一个或一个以上隔离组件。
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