CN102971814B - 微机电系统可变电容器 - Google Patents
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Abstract
公开了一种MEMS可变电容器，所述电容器包括：第一电极；第二电极，该第二电极悬置于所述第一电极的上表面上；以及第三电极，该第三电极能够通过调节所述第一电极和所述第二电极之间的间隙来可变地调节电容值。
Description
技术领域
本发明涉及一种微机电系统（micro-electromechanicalsystem，MEMS）可变电容器。
背景技术
在移动通信系统中，射频（radiofrequency，RF）模块被设计用来支持许多频带宽度。特别地，对于每个频带具有不同电容的可变电容器应被用作滤波器中所使用的与频带宽度直接相关的电容器。此外，作为RF模块中的一个元件的压控振荡器（voltagecontrolledoscillator，VCO）调节施加到可变电容器上的电压以改变其电容，并从而改变谐振频率。因此，对于可调滤波器或用于RF模块的VCO，可变电容器是非常重要的装置。
发明内容
技术问题
本发明涉及一种解决方案，该解决方案基于电容变化率具有响应于所施加的电压的线性特征的事实能够获取稳定的相位噪声特性。
本发明要解决的技术问题不限于上述说明，并且本领域的技术人员将从下文的描述中清楚地知晓目前尚未提及的任何其他技术问题。
技术方案
为了全面或部分地实现至少上述的目标，并根据本公开的目的，如所实现的并广泛描述的，在本发明的一个总的方面中提供了一种MEMS（微机电系统）可变电容器，该电容器特征在于：第一电极；第二电极，该第二电极悬置于所述第一电极之上；以及固定的第三电极，该第三电极能够通过调节所述第一电极和所述第二电极之间的间隙来可变地调节电容值，其中所述第二电极通过弹簧结构而相对于所述第一电极悬置，且RF信号从所述第一电极施加到所述第二电极。
在本发明的第二个总的方面中，提供了一种MEMS（微机电系统）可变电容器，该电容器特征在于：第一电极；第二电极，该第二电极与第一电极相分离；第三电极，该第三电极悬置于所述第一电极和所述第二电极之上；第四电极，所述第四电极通过弹簧结构连接至所述第三电极；以及第五电极，所述第五电极形成为与所述第四电极相对，用于通过向所述第四电极施加电压来调节所述第一/第二电极与第三电极之间的间隙，从而调节电容值。
在本发明的一些示例性实施例中，MEMS可变电容器还可包括用来支撑所述弹簧结构的部分区域的支撑结构。
在本发明的一些示例性实施例中，所述弹簧结构、所述支撑结构、所述多个第四电极和所述多个第五电极可分别成对地提供，一对弹簧结构中的各弹簧结构连接至所述第三电极的两个侧面的末端，并连接至一对第四电极，其中一对弹簧结构的每个部分区域由每对支撑结构支撑，并且所述第五电极中的每一个与所述第四电极中的每一个相对。
在本发明的一些示例性实施例中，如果从所述第五电极向所述第四电极施加到电压，则通过该对支撑结构的上下摆动的驱动，所述第三电极可具有向所述第一电极和所述第二电极升起的位移。
在本发明的一些示例性实施例中，所述第一电极、所述第二电极和所述第五电极可被固定到衬底。
所以，由于电压是由未施以RF信号的分离的电极施加以实现电容调节的，因此根据本发明的MEMS可变电容器是有效的。
由于RF信号从所述第一电极施加到所述第三电极，并且所述RF信号从所述第三电极传送到所述第二电极，其中RF信号没有流向支撑着悬置的第三电极的机械弹簧结构，从而获得高的Q值，因此根据本发明的MEMS可变电容器是有效的。
根据本发明的MEMS可变电容器的有效性还在于电容变化具有线性特性，从而能够获得稳定的相位噪声特性。
本发明的有益效果
根据本发明的MEMS可变电容器的一个有益的效果在于，从未施以RF信号的分离的电极施加电压，以实现电容调节。
根据本发明的MEMS可变电容器的另一个有益效果在于，RF信号从第一电极施加到第三电极，并且所述RF信号从第三电极传送到第二电极，其中RF信号没有流向支撑着悬置的第三电极的机械弹簧结构，从而获得高Q值。
根据本发明的MEMS可变电容器的又一有益效果在于，电容变化具有线性特性，从而能够获得稳定的相位噪声特性。
附图说明
将参考附图对本发明的非限制的示例性实施例进行详细描述。在对附图中几个视图的描述中，同样的附图标记指代同样的零件或部分，在附图中：
图1为示出了根据本发明的第一示例性实施例的MEMS可变电容器的示意性原理图。
图2为示出了根据本发明的第二示例性实施例的MEMS可变电容器的示意性原理图。
图3为示出了根据本发明的比较例的MEMS可变电容器的示意性原理图。
图4a、4b和4c为示出了根据本发明的比较例的可变电容器特性的图。
图5a和5b为示出了根据本发明的第三示例性实施例的MEMS可变电容器的示意性原理图。
图6a、6b和6c为示出了根据本发明的第三示例性实施例的MEMS可变电容器的特性的图。
图7为示出了根据本发明的第三示例性实施例的MEMS可变电容器的示例的示意性透视图。
图8为示出了在图7的MEMS可变电容器中电容正在变化的示意性透视图。
具体实施方式
根据附图和下文的示例性实施例，实现前述的优点、特征和方法将变得明显。
下面仅通过示例来描述本发明的实施例。这些示例代表了申请人目前所知道的将本发明付诸实践的最佳方式，但不是能够实现本发明的唯一方式。
本发明可以用各种形式实现，且不应被解释为限于本文所提出的实施例。相反，提供这些实施例是为了使本公开全面且完整，并向本领域的技术人员完全地传达本发明的范围。
图1为示出了根据本发明的第一示例性实施例的MEMS可变电容器的示意性原理图。
根据本发明的第一示例性实施例的MEMS可变电容器的结构以如下方式来构造：第二电极（102）浮置于第一电极（101）的上表面上，且电压施加给固定的第三电极（102），以调节第一电极和第二电极（101、102）之间的间隙并改变电容值。
即，根据本发明的第一示例性实施例的MEMS可变电容器可包括：第一电极（101）；第二电极（102），该第二电极（102）悬置于第一电极（101）的上表面之上；以及固定的第三电极（103），该第三电极（103）能通过调节第一电极（101）和第二电极（102）之间的间隙来可变地调节电容，其中第二电极（102）通过弹簧结构（105a、105b）悬置于第一电极（101）的上表面上，且RF信号从第一电极（101）施加到第二电极（102）。
因此，本发明的第一示例性实施例中的第一电极（101）和第二电极（102）之间的间隙调节是通过向第三电极（103）施加电压并将第二电极（102）向第三电极（103）移动来实现的。
此时，随着第二电极（102）接近第三电极（103），第二电极（102）逐渐远离第一电极（101）。因此，在向第三电极（103）施加的电压升高的情况下，第二电极（102）逐渐接近第三电极（103），且第二电极（102）逐渐远离第一电极（101），以逐渐降低电容值。简言之，因为电压是从未施以RF信号的分离的电极施加来调节电容值，所以根据本发明的第一示例性实施例的MEMS可变电容器是有益的。
图2为示出了根据本发明的第二示例性实施例的MEMS可变电容器的示意性原理图。
根据本发明的第二示例性实施例的MEMS可变电容器的结构以如下方式来构造：第一电极（201）和第二电极（202）是固定的，第三电极（203）浮置于第一和第二电极的上表面上，电压施加到固定的第五电极（211、212）以调节第一/第二电极（201、202）和第三电极（203）之间的间隙，从而改变电容值。
换言之，根据本发明的第二示例性实施例的MEMS可变电容器可包括：第一电极（201）；第二电极（202），该第二电极（202）与第一电极（201）分离；第三电极（203），该第三电极（203）悬浮于第一电极的上表面和第二电极的上表面；第四电极（205、207），该第四电极（205、207）通过弹簧结构（204、206）连接至第三电极（203）；以及第五电极（211、212），该第五电极（211、212）与第四电极（205、207）相对地形成，用于通过向第四电极（205、207）施加电压来调节第一/第二电极（201、202）和第三电极（203）之间的间隙，从而调节电容值。
因此，在电压从第五电极（211、212）施加到第四电极（205、207）的情况下，第四电极（205、207）向第五电极（211、212）移动，其中第三电极（203）远离第一/第二电极（201、202）。
简言之，在第二实施例中，电压是从未施以RF信号的分离的第五电极（211、212）施加的，并且调节第一/第二电极（201、202）和第三电极（203）之间的间隙以改变电容值。
此外，根据本发明的第二示例性实施例的MEMS可变电容器被以如下方式有利地构造：RF信号从第一电极（201）施加到第三电极（203）RF信号，并且该RF信号从第三电极（203）向第二电极（202）传送，使得RF信号不流向支撑着第三电极（203）的机械弹簧结构（204、206），从而获得高Q值。
图3为示出了根据本发明的比较例的可变电容器示意性概念图，并且图4a、4b和4c为示出了根据本发明的比较例的可变电容器特性的图。
根据本发明的比较例的传统的可变电容器为如下：第一和第二电极（10、20）互相面对，在向第一电极（10）施加电压的情况下，通过机械弹簧（30、40）而悬置的第二电极（20）被下拉，以调节第一和第二电极（10、20）之间的间隙，从而改变电容值。
因此，如示出了根据本发明的比较例的图4a中的图所示，随着施加的电压以恒定水平升高，作为悬浮态电极（fluidizedelectrode）的第二电极（20）的位移快速地增加；且如图4b的图中所示，随着悬浮态电极的位移以恒定的水平增加，电容的变化快速增大；且如图4c的图中所示，随着施加的电压以恒定水平升高，电容的变化快速增大。
因此，由于响应于所施加的电压的非线性的电容变化，比较例中的可变电容器无法获得稳定的相位噪声特性，并且其难于控制在接近所施加的电压最大值处的急剧的电容变化。
图5a和5b为示出了根据本发明的第三示例性实施例的MEMS可变电容器的示意性原理图，以及图6a、6b和6c为示出了根据本发明的第三示例性实施例的MEMS可变电容器特性的图。
首先，根据本发明的第三示例性实施例的MEMS可变电容器为如下：移动悬置的上下摆动结构（seesawstructure）的悬浮态电极，以调节悬浮态电极和静态电极之间的间隙，从而改变电容值。
即，根据本发明的第三示例性实施例的MEMS可变电容器可包括：第一电极（301）；第二电极（302），该第二电极（302）与第一电极（301）分离；第三电极（320），该第三电极（320）悬浮于第一电极（301）的上表面和第二电极（302）的上表面；第四电极（321、322），该第四电极（321，322）通过弹簧结构（323a、323b）连接至第三电极（320）；第五电极（311、312），该第五电极（311、312）形成为与第四电极（321、322）相对，通过向第四电极（321，322）施加电压来调节第一/第二电极（301、302）和第三电极（320）之间的间隙，从而调节的电容值；以及使弹簧结构（323a、323b）的部分区域固定的支撑结构（未示出）。
根据本发明的第三示例性实施例的MEMS可变电容器为如下：如图5a中所示，在电压从第五电极（311、312）施加到第四电极（321、322）的情况下，如图5b中所示，第四电极（321、322）向第五电极（311、312）的方向移动。
此时，将第三电极（320）连接至第四电极（321、322）的弹簧结构（323a、323b）的部分区域被固定到支撑结构，使得第四电极的区域（321、322）围绕固定的弹簧结构（323a、323b）的部分区域逐渐接近第五电极（311、312），同时第三电极（320）逐渐远离第一和第二电极（301、302）。
即，第一/第二电极（301、302）和第三电极（320）之间的间隙从施加电压之前的“d2”（图5a）增至施加电压之后的“d4”（图5b）。
此外，第四电极（321、322）和第五电极（311、312）之间的间隙从施加电压前的“d1”（图5a）减少至施加电压后的“d3”（图5b）。
因此，根据本发明的第三示例性实施例的MEMS可变电容器为如下：可通过从第五电极（311、312）施加到第四电极（321、322）的电压的大小来调节第一/第二电极（301、302）与第三电极（320）之间的间隙，从而实现电容变化。
此外，根据本发明的第三示例性实施例的MEMS可变电容器还以如下的方式有利地构造：RF信号从第一电极（301）施加到第三电极（320），且该RF信号从第三电极（320）向第二电极（302）传送，使得该RF信号不流向机械弹簧结构（323a、323b），从而获取高Q值。
此外，根据本发明的第三示例性实施例的MEMS可变电容器还以如下方式有利地构造：电压从作为未施以RF信号的分离的第五电极（311、312）处施加，并且调节第一/第二电极（301、302）与第三电极（320）之间的间隙，以改变电容值。
同时，如图6a所示，根据本发明的第三示例性实施例的MEMS可变电容器为如下：随着施加的电压以恒定水平升高，作为悬浮态电极的第三电极（320）的位移快速地增加；但如图6b所示，随着悬浮态电极的位移以恒定的水平增加，电容变化快速减小。因此，如图6c中所示，根据本发明的第三示例性实施例的MEMS可变电容器可获得电容变化随所施加电压以恒定水平升高而线性减小的特性。
所以，与比较例中的可变电容相比，根据本发明的第三示例性实施例的MEMS可变电容器的有利之处在于，电容变化具有根据所施加电压的线性特性，使得能够获得稳定的相位噪声特性。
本发明的模式
图7为示出了根据本发明的第三示例性实施例的MEMS可变电容器的一个例子的示意性透视图，以及图8为是出了在图7的MEMS可变电容器中的电容正在变化的示意性透视图。
根据本发明的第三示例性实施例的MEMS可变电容器以如下方式构造：第三电极（520）是正方形的，弹簧结构对（523a、523b）对称地连接至第三电极（520）两侧的末端。
弹簧结构对（523a、523b）中的每个弹簧结构被连接至第四电极（521、522），且弹簧结构对（523a、523b）中的每个弹簧结构的部分区域由支撑结构（525a、525b）支撑着。
由于弹簧结构对（523a、523b）的每个弹簧结构的部分区域由支承结构（525a、525b）支撑着，因此第三电极（520）、弹簧结构对（523a、523b）和第四电极（521、522）处于悬浮状态。
与每个第四电极（521、522）对称地形成的每个第五电极（511、512）是固定的，且第三电极（520）被固定地布置，在其下有第一电极（501）和第二电极（502），其中这里的词语“固定的或固定地（fixedorfixedly）”定义元件被固定于实现MEMS（微机电系统）中的可变电容器的衬底（未示出）。
第一电极（501）、第二电极（502）和第五电极被固定到衬底。因此，在电压从第五电极（511、512）施加到第四电极（521、522）的情况下，通过上下摆动的驱动（seesawdriving），第三电极（520）具有从第一电极的上表面（501）和第二电极（502）的上表面升起的位移，从而增加第一/第二电极和第三电极（520）之间的间隙。
工业适用性
根据本发明的MEMS可变电容器的一个工业适用性在于电压从未施以RF信号的分离的电极处施加，以支持电容调节。
根据本发明的MEMS可变电容器又一工业适用性在于，RF信号从第一电极施加到第三电极，并且该RF信号从第三电极向第二电极传送，其中RF信号没有流向支撑着浮置的第三电极的机械弹簧结构，从而获得高Q值。
根据本发明的MEMS可变电容器还具有再一个工业适用性在于，电容变化具有线性特性，使得能够获得稳定的相位噪声特性
虽然已参考本发明的示例性实施例具体地示出并描述了本发明，但总的发明的概念不限于上述实施例。本领域的普通技术人员将了解：在不脱离由所附权利要求所定义的本发明的精神和范围的条件下，可进行各种形式和细节的改变和变型。
Claims (5)
1.一种微机电系统可变电容器，所述电容器特征在于：
第一电极；
第二电极，所述第二电极与所述第一电极相分离；
第三电极，所述第三电极悬置于所述第一电极和第二电极之上；
第四电极，所述第四电极通过弹簧结构连接至所述第三电极；
第五电极，所述第五电极形成为与第四电极相对，并且被配置成可变地调节所述微机电系统可变电容器的电容值，
其中，当电压被施加到没有施以射频信号的所述第五电极时，所述第三电极与所述第一电极/所述第二电极之间的距离响应于所施加的电压而增大，以及
其中，所述第三电极在竖直方向上布置在所述第一电极、所述第二电极以及所述第四电极的集合与所述第五电极之间。
2.如权利要求1所述的微机电系统可变电容器，还包括支撑所述弹簧结构的部分区域的支撑结构。
3.如权利要求1所述的微机电系统可变电容器，其中所述弹簧结构、支撑结构、所述第四电极和所述第五电极被分别成对地提供，一对弹簧结构中的各弹簧结构被连接至所述第三电极的两个侧面的末端，并连接至一对第四电极，其中所述的一对弹簧结构的每个部分区域由每一对支撑结构支撑，且所述第五电极中的每一个与所述第四电极中的每一个相对。
4.如权利要求3所述的微机电系统可变电容器，其中如果从所述第五电极向所述第四电极施加电压，则通过该对支撑结构的上下摆动的驱动，所述第三电极具有从所述第一电极和所述第二电极升起的位移。
5.如权利要求1所述的微机电系统可变电容器，其中所述第一电极、所述第二电极和所述第五电极被固定于衬底。
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