CN103440985B - 一种多电极线性可调节的mems电容器 - Google Patents

Abstract

一种多电极线性可调节的MEMS电容器，包括介质衬底、电容上极板、电容下极板、第一锚点、第二锚点以及多组控制电极，电容下极板位于第一锚点和第二锚点间，电容上极板位于第一锚点和第二锚点上，第一锚点和第二锚点的高度不同，电容上极板呈倾斜状态，沿电容上极板倾斜下端向上端方向，对多组控制电极逐次加电压，每组控制电极上的电压均由低到高变化，使电容上极板与电容下极板之间的电容值呈近似线性的变化。

Description

一种多电极线性可调节的MEMS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，与传统固态器件相比，拥有显著的优势，例如功率耗散低、插入损耗小、可靠性高、品质因数高等。基于MEMS的开关和电容是射频应用中极为重要的元件，他们的机械结构能够对控制电路和信号电路进行隔离，并且防止射频信号对电容值产生调制作用，因此线性度很高。

电容元件广泛的应用于基于MEMS的器件中，例如可调滤波器、谐振器、传感器、可调天线等。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。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种电容值线性可调节的MEMS电 容器，具有线性度高、变容范围大、可程控调节的特点。

为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种多电极线性可调节的MEMS电容器，包括：

介质衬底100；

设置于介质衬底100上的电容下极板300、第一锚点401、第二锚点402和多组控制电极，电容下极板300位于第一锚点401和第二锚点402之间，且相互分离，每组控制电极由对称分布于电容下极板300两侧的结构相同的a部分和b部分组成，a部分和b部分之间电气连接；

以及，

位于第一锚点401和第二锚点402上的电容上极板200。

所述第一锚点401和第二锚点402的高度不同，电容上极板200呈倾斜状态，沿电容上极板200倾斜下端向上端方向，对多组控制电极逐次加电压，每组控制电极上的电压均由低到高变化，使电容上极板200与电容下极板300之间的电容值呈近似线性的变化。在控制电极上施加控制电压时，电容上极板200在静电力作用下向电容下极板方向移动。

所述相邻组的控制电极之间间距相等或者不相等。

所述控制电极为N组，N为正整数，控制电极上覆盖一层介质层，以实现与电容上极板200之间的电隔离。例如，所述N为10。

所述电容下极板300设置于电容上极板200的正下方中间位置，比电容上极板200小，电容下极板300上覆盖一层介质层，以实现与电容上极板200之间的电隔离。

所述第一锚点401和第二锚点402的高度相同，电容上极板200呈水 平状态，沿电容上极板200中间向两端方向，对多组控制电极逐次加电压，每组控制电极上的电压均由低到高变化，使电容上极板200与电容下极板300之间的电容值呈近似线性的变化。

位于电容下极板300的中心部位有一组控制电极，其余各组控制电极沿该中心部位的控制电极对称，且相对称的两组控制电极之间电气连接。

本发明的优点是：电容上极板200呈倾斜状态，在控制电极上逐次加由小变大的电压时，电容上极板200由底端向高端逐渐下拉，可保证每一驱动电极在驱动时电容上极板200与驱动电极之间的初始间距均较小，以此保证每个控制电极上的下拉电压均处于一个较小的水平，减小了电荷注入发生的可能性，提高了器件可靠性，并且使电容器在将达到最大电容值时仍保持较好的线性度，扩大了可变电容的线性范围和变容比。

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为本发明部分电极上施加下拉电压后的侧视图。

图4为本发明的工艺流程图。

图5为本发明结构的一个变形结构的三维结构图。

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100、电容上极板200、电容下极板300、第一锚点401、第二锚点402、第一控制电极501、第二控制电极502、第三控制电极503、第四控制电极504、第五控制电极505、第六控 制电极506、第七控制电极507、第八控制电极508、第九控制电极509和第十控制电极5010，每组控制电极由对称分布于电容下极板300两侧的结构相同的a部分和b部分组成，a部分和b部分之间电气连接。即，第一控制电极501由第一控制电极a部分501a和第一控制电极b部分501b组成，第二控制电极502由第二控制电极a部分502a和第二控制电极b部分502b组成，第三控制电极503由第三控制电极a部分503a和第三控制电极b部分503b组成，第四控制电极504由第四控制电极a部分504a和第四控制电极b部分504b组成，第五控制电极505由第五控制电极a部分505a和第五控制电极b部分505b组成，第六控制电极506由第六控制电极a部分506a和第六控制电极b部分506b组成，第七控制电极507由第七控制电极a部分507a和第七控制电极b部分507b组成，第八控制电极508由第八控制电极a部分508a和第八控制电极b部分508b组成，第九控制电极509由第九控制电极a部分509a和第九控制电极b部分509b组成，第十控制电极5010由第十控制电极a部分5010a和第十控制电极b部分5010b组成。

电容下极板300、第一锚点401、第二锚点402、第一控制电极501至第十控制电极5010都设置在介质衬底100上，第一锚点401的高度低于第二锚点402，电容上极板200设置在第一锚点401和第二锚点402上，呈倾斜状态，由第一控制电极501向第十控制电极5010逐次加电压，每组控制电极上的电压均由低到高变化，可使电容上极板200与电容下极板300之间的电容值呈近似线性的变化。假设在第一控制电极501上施加电压V_pull-in时，电容上极板200左端会发生下拉，则向第一控制电极501上施加从0到V_pull-in逐渐上升的电压，使电容上电极200的最左端逐渐下拉，第一控制电极501上维持 V_pull-in的电压不变，在第2控制电极502上施加从0到V_pull-in逐渐上升的电压，最后维持在V_pull-in不变，以此类推，从第一控制电极501向第十控制电极5010方向逐次加由0到V_pull-in变化的电压，每个控制电极上的电压达到V_pull-in后均维持在V_pull-in不变，这样分阶段的控制电容上极板200的下拉，实现了对电容值线性可调的控制，并且由于最大电容值可用，因此线性变容的范围得到扩大。

参见图3，其结构为在部分控制电极上施加下拉电压后的侧视图，第一控制电极501、第二控制电极502、第三控制电极503上的电压均维持在V_pull-in，电容上电极200的左半部分已经发生下拉，可继续在后续控制电极上逐个施加从0到V_pull-in变化的电压。

参见图4，为本发明的工艺流程图，首先制作电容下极板300及各控制电极，可用Al等金属作为电极材料；接着制作牺牲层并刻蚀出锚点通孔；使用数字曝光技术并显影，使牺牲层形成斜坡状；溅射或电镀形成电容上极板200，可用Al、Au等金属作为上极板材料；刻蚀牺牲层，释放器件结构。

作为本发明结构的一个变形和改进，第一锚点401和第二锚点402的高度相同，电容上极板200呈水平状态，沿电容上极板200中间向两端方向，对多组控制电极逐次加电压，每组控制电极上的电压均由低到高变化，使电容上极板200与电容下极板300之间的电容值呈近似线性的变化。位于电容下极板300的中心部位有一组控制电极，其余各组控制电极沿该中心部位的控制电极对称，且相对称的两组控制电极之间电气连接。

该结构的详细结构可参见图5，具体可包括结构二衬底110，结构二电容上极板210，结构二电容下极板310，结构二第一锚点411，结构二第二锚 点412和八组结构二控制电极。

其中，第一组结构二控制电极为中间控制电极，位于结构二电容下极板310的中间位置，由电气互连的结构二第一控制电极a部分511a和结构二第一控制电极b部分511b组成；第二组结构二控制电极由电气互连的结构二第二控制电极a部分512a、结构二第二控制电极b部分512b、结构二第二控制电极c部分512c和结构二第二控制电极d部分512d组成，结构二第二控制电极a部分512a和结构二第二控制电极b部分512b位于中间控制电极的一侧，结构二第二控制电极c部分512c和结构二第二控制电极d部分512d位于中间控制电极的另一侧；第三组结构二控制电极由电气互连的结构二第三控制电极a部分513a、结构二第三控制电极b部分513b、结构二第三控制电极c部分513c和结构二第三控制电极d部分513d组成，结构二第三控制电极a部分513a和结构二第三控制电极b部分513b位于中间控制电极的一侧，结构二第三控制电极c部分513c和结构二第三控制电极d部分513d位于中间控制电极的另一侧；依次地，第四组结构二控制电极由电气互连的结构二第四控制电极a部分514a、结构二第四控制电极b部分514b、结构二第四控制电极c部分514c和结构二第四控制电极d部分514d组成；第五组结构二控制电极由电气互连的结构二第五控制电极a部分515a、结构二第五控制电极b部分515b、结构二第五控制电极c部分515c和结构二第五控制电极d部分515d组成；第六组结构二控制电极由电气互连的结构二第六控制电极a部分516a、结构二第六控制电极b部分516b、结构二第六控制电极c部分516c和结构二第六控制电极d部分516d组成；第七组结构二控制电极由电气互连的结构二第七控制电极a部分517a、结构二第七控制电极b部分517b、结构二 第七控制电极c部分517c和结构二第七控制电极d部分517d组成；第八组结构二控制电极由电气互连的结构二第八控制电极a部分518a、结构二第八控制电极b部分518b、结构二第八控制电极c部分518c和结构二第八控制电极d部分518d组成。

本结构中，结构二电容上极板210由于自身应力作用或其他外力作用在中间位置发生下塌，使结构呈现出对称的两个部分，每一部分与上述多电极线性可调节的MEMS电容器结构相同，结构二第一控制电极a部分511a和结构二第一控制电极b部分511b上被施以同样的控制电压，其他控制电极均包括a、b、c、d四个部分，四部分在电气上相连接，被施以同样的控制电压，从中间控制电极向两边控制电极逐个施加从0到V_pull-in变化的电压，可使该结构电容器电容值实现线性可调节，该结构制作工艺较简单，不用使用数字曝光技术，可先制作与结构二电容下极板310平行的结构二电容上极板210，利用其自身应力作用或其他外力作用实现在中间部位的下塌。

Claims (6)

1.一种多电极线性可调节的MEMS电容器，包括：

介质衬底(100)；

设置于介质衬底(100)上的电容下极板(300)、第一锚点(401)、第二锚点(402)和多组控制电极，电容下极板(300)位于第一锚点(401)和第二锚点(402)之间，每组控制电极由对称分布于电容下极板(300)两侧的结构相同的a部分和b部分组成，a部分和b部分之间电气连接；

以及，

位于第一锚点(401)和第二锚点(402)上的电容上极板(200)；

其中：

所述第一锚点(401)和第二锚点(402)的高度不同，电容上极板(200)呈倾斜状态，沿电容上极板(200)倾斜下端向上端方向，对多组控制电极逐次加电压，每组控制电极上的电压均由低到高变化，使电容上极板(200)与电容下极板(300)之间的电容值呈近似线性的变化；或者，

所述第一锚点(401)和第二锚点(402)的高度相同，电容上极板(200)呈水平状态，沿电容上极板(200)中间向两端方向，对多组控制电极逐次加电压，每组控制电极上的电压均由低到高变化，使电容上极板(200)与电容下极板(300)之间的电容值呈近似线性的变化。

2.如权利要求1所述的多电极线性可调节的MEMS电容器，其特征在于，相邻组的控制电极之间间距相等或者不相等。

3.如权利要求1所述的多电极线性可调节的MEMS电容器，其特征在于，所述控制电极为N组，N为正整数，控制电极上覆盖一层介质层，以实现与电容上极板(200)之间的电隔离。

4.如权利要求3所述的多电极线性可调节的MEMS电容器，其特征在于，所述N为10。

5.如权利要求1所述的多电极线性可调节的MEMS电容器，其特征在于，所述电容下极板(300)设置于电容上极板(200)的正下方中间位置，比电容上极板(200)小，电容下极板(300)上覆盖一层介质层，以实现与电容上极板(200)之间的电隔离。

6.如权利要求1所述的多电极线性可调节的MEMS电容器，其特征在于，位于电容下极板(300)的中心部位有一组控制电极，其余各组控制电极沿该中心部位的控制电极对称，且相对称的两组控制电极之间电气连接。