CN103413681A - 一种对称杠杆结构的mems线性可变电容器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种对称杠杆结构的MEMS线性可变电容器，包括介质衬底、上极板、下驱动电极、电容下极板及4个对上极板起支撑和固定作用的锚点，上极板的两端部分与下驱动电极相应，中间部分与电容下极板相应，两端部分在下驱动电极的作用下加速向下运动，带动中间部分向上运动，使上极板和电容下极板之间的电容线性减小，电容下极板较厚，下驱动电极较薄，可使可调电容器的初始电容值大、电容变化范围大。

Description

一种对称杠杆结构的MEMS线性可变电容器

技术领域

本发明属于射频微机电系统（RF MEMS）领域，具体涉及一种电容值线性可调节的MEMS电容器。

背景技术

射频微机电系统（RF MEMS）是用微加工工艺制作的，集微结构、微传感器、微执行器、信号处理和控制电路为一体的射频器件或系统，应用MEMS技术制作的可变电容具有高Q值、低损耗、低噪声、宽调节范围等优点。

常见的MEMS可调电容有两种基本形式，一种是调节上下电容极板间的间距来改变电容值，这种可调电容反应灵敏、Q值高、尺寸小，然而却有间距调节范围的限制，其上极板运动范围不能大于上下极板初始间距的三分之一，否则电容上极板会被迅速下拉，因此可调范围较小；另一种是调节电容的正对面积来改变电容值，典型的是应用插指状结构，通过改变指间正对面积来改变电容值，这种结构制作工艺复杂，电容值有限，电容的控制精度差。通常情况下，可变电容随控制电压的变化都呈现非线性，这增加了电容控制电路的复杂度。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种对称杠杆结构的MEMS线性可变电容器，具有线性度高、变容范围大的特点。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种对称杠杆结构的MEMS线性可变电容器，包括：

介质衬底1；

设置在介质衬底1上的下驱动电极3、电容下极板4和锚点5；以及，

设置在锚点5上的上极板2，锚点5对上极板2起支撑和固定作用，上极板2分为中间部分和两端部分，中间部分与电容下极板4对应，做上下运动，两端部分分别与一个下驱动电极3对应，以锚点5为支点做杠杆运动。

在下驱动电极3上施加线性增加的电压，使上极板2的外端加速向下运动，同时带动上极板2的中间部分向上运动，使上极板2与电容下极板4之间的电容值近似线性减小。

所述的上极板2的两端部分被下驱动电极3驱动时向下运动，带动中间部分向上运动，中间部分和电容下极板4及两者之间的空气层构成电容值可变的电容。

所述的锚点5共有4个，设置在上极板2的两侧，每侧各两个，分别位于上极板2中间部分和两端部分的两个分界处，为对称杠杆结构的支点，锚点5电气接地，为直流零电位。

所述的下驱动电极3上覆有一层Si₃N₄薄膜，作为上极板2与下驱动电极3之间的电气隔离层，下驱动电极3的厚度与上极板2的运动范围相关，厚度越小，上极板2的运动范围越大，在下驱动电极3上施加正电压，可使下驱动电极3与上极板2的外端部分之间产生静电力，驱使上电极2的外端部分发生下拉动作。

所述的电容下极板4上覆有一层Si₃N₄薄膜，作为上极板2与电容下极板4之间的电气隔离层，电容下极板4的厚度大于下驱动电极3，在锚点5高度固定的情况下，电容下极板4越厚，与上极板2之间的距离就越小，可变电容的初始电容值就越大。

所述的可变电容的初始电容值、电容变化范围以及电容随电压变化的线性度均与下驱动电极3厚度成反比，与电容下极板4厚度成正比。即：下驱动电极3越薄、电容下极板4越厚，则初始电容值越大，电容变化范围越大，电容随电压变化的线性度越高。

本发明的优点是：电容随电压变化的线性度非常高，电容变化范围大。

附图说明

图1为本发明的三维结构图。

图2为本发明的侧视图。

图3为本发明下驱动电极上施加下拉电压后的侧视图。

图4为本发明电容器的上电极和电容下极板之间的距离、驱动电压和电容的关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。

参见图1和图2，其结构主要包括介质衬底1、上极板2、下驱动电极3、电容下极板4和锚点5，下驱动电极3、电容下极板4及锚点5都设置在介质衬底1上，上极板2设置在锚点5上，锚点5对上极板起支撑和固定作用，上级板2的厚度设为t，上极板2可分为3个部分，即中间部分和两端部分，中间部分与电容下极板4对应，主要做上下运动，用作电容的上极板2，两端部分分别与一个下驱动电极3对应，以锚点5为支点做杠杆运动，位于下驱动电极3正上方的一段在驱动电压作用下向下运动，其长度设为l₁，另一段靠内侧，由于杠杆作用，在电压驱动时向上运动，其长度设为l₂，在下驱动电极3上施加线性增加的电压时，上极板2的最外端加速向下运动，同时带动上极板2的中间部分向上运动。

参见图3，其结构为在下驱动电极3上施加下拉电压后的侧视图，此时上极板2的外端和下驱动电极3之间产生静电力，上极板2外端受静电力作用向下运动，通过锚点5的杠杆作用带动上电极中间部分向上运动，。

参见图4，为本发明电容器的上电极和电容下极板4之间的距离、驱动电压和电容的关系曲线，设上极板2外端与下驱动电极3的初始间距为g₀，上极板2中间部分与电容下极板4之间的初始间距为g_0c，实际间距为g_c，外端杠杆的弹性系数为k，上极板2与下驱动电极3的正对面积为A_e，则施加在下驱动电极3上的电压V与上电极中间部分和电容下极板4之间距离g_c的关系为：

$V=\sqrt{\frac{2k}{{\mathrm{\ϵ}}_0{A}_e}{[g_0-\frac{(g_c-g_{0c})l_1}{l_2}]}^2\·\frac{(g_c-g_{0c})l_1}{l_2}}$

当下拉电压线性增加时，上极板2外端向下运动的速率增大，因此上极板2中间部分向上运动的速率增大，即图4（a）所示。

设电容下极板4与上极板2的正对面积为A，Si₃N₄隔离层的厚度为t_Si3N4，则电容值C与上极板2中间部分和电容下极板4之间距离g_c的关系为：

$C=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}{g_c+\frac{t_{{\mathrm{Si}}_3{N}_4}}{{\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{Si}}_3{N}_4}}}$

当上极板2中间部分与电容下极板4之间的距离g_c线性增加时，两者之间的电容值加速减小，即图4（b）所示，因此在驱动电压线性变化时，这两个增大和减小的速率可相互平衡，得到电容值随电压线性变化的关系，选取合适的结构参数，可使电容-电压曲线的线性度达到99.9%。

Claims (6)

1.一种对称杠杆结构的MEMS线性可变电容器，包括：

介质衬底（1）；

设置在介质衬底（1）上的下驱动电极（3）、电容下极板（4）和锚点（5）；以及，

设置在锚点（5）上的上极板（2），锚点（5）对上极板（2）起支撑和固定作用，上极板（2）分为中间部分和两端部分，中间部分与电容下极板（4）对应，做上下运动，两端部分分别与一个下驱动电极（3）对应，以锚点（5）为支点做杠杆运动。

2.如权利要求1所述的对称杠杆结构的MEMS线性可变电容器，其特征在于，所述的上极板（2）的两端部分被下驱动电极（3）驱动时向下运动，带动中间部分向上运动，中间部分和电容下极板（4）及两者之间的空气层构成电容值可变的电容。

3.如权利要求1所述的对称杠杆结构的MEMS线性可变电容器，其特征在于，所述的锚点（5）共有4个，设置在上极板（2）的两侧，每侧各两个，分别位于上极板（2）中间部分和两端部分的两个分界处，为对称杠杆结构的支点，锚点（5）电气接地，为直流零电位。

4.如权利要求1所述的对称杠杆结构的MEMS线性可变电容器，其特征在于，下驱动电极（3）上覆有一层Si₃N₄薄膜，作为上极板（2）与下驱动电极（3）之间的电气隔离层，下驱动电极（3）的厚度与上极板（2）的运动范围相关，厚度越小，上极板（2）的运动范围越大，在下驱动电极（3）上施加正电压，可使下驱动电极（3）与上极板（2）的外端部分之间产生静电力，驱使上电极（2）的外端部分发生下拉动作。

5.如权利要求1或4所述的对称杠杆结构的MEMS线性可变电容器，其特征在于，所述电容下极板（4）上覆有一层Si₃N₄薄膜，作为上极板（2）与电容下极板（4）之间的电气隔离层，电容下极板（4）的厚度大于下驱动电极（3），在锚点（5）高度固定的情况下，电容下极板（4）越厚，与上极板（2）之间的距离就越小，可变电容的初始电容值就越大。

6.如权利要求1所述的对称杠杆结构的MEMS线性可变电容器，其特征在于，可变电容的初始电容值、电容变化范围以及电容随电压变化的线性度均与下驱动电极（3）厚度成反比，与电容下极板（4）厚度成正比。

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