CN103680959A

CN103680959A - 具有线性c-v特性的低应力双杠杆结构mems变容器

Info

Publication number: CN103680959A
Application number: CN201310602515.4A
Authority: CN
Inventors: 刘泽文; 刘慧梁
Original assignee: SIMEMS MICRO/NANO SYSTEM Co Ltd
Current assignee: SIMEMS MICRO/NANO SYSTEM Co Ltd
Priority date: 2013-11-25
Filing date: 2013-11-25
Publication date: 2014-03-26

Abstract

本发明涉及具有线性C-V特性的低应力双杠杆结构MEMS变容器，下极板、驱动电极和锚点设置于介质衬底上，上极板的两端部通过扭转梁支撑固定于锚点上，上极板的中间部与下极板相对，上极板的端部与驱动电极相对；驱动电极上施加线性增加电压，上极板的端部向下运动，上极板的中间部向上运动，上极板与下极板之间的电容值减小，驱动电极上停止施加线性增加电压，上极板通过扭转梁的扭转弹力回复至初始水平状态。上极板外端部向下运动带动上极板向上运动，上下极板间间距增大，使电容值C随电压值V增加而线性减小；上极板中间部台阶结构使上下极板初始间距减小，初始电容值提高，增大电容变化范围，有助于释放上极板运动时形变产生的应力。

Description

具有线性C-V特性的低应力双杠杆结构MEMS变容器

技术领域

本发明涉及一种具有线性C-V特性的低应力双杠杆结构MEMS变容器，属于电子电路技术和微电子机械系统（MEMS）技术领域。

背景技术

利用微电子机械系统（MEMS）技术设计制作的射频（RF）可变电容器具有插入损耗低、Q值高、线性度高、调节范围宽等独特的优点。MEMS可变电容器是无线通讯等电子电路系统的基本元件之一，在无线通讯系统前端有广泛应用，以微型化、高线性、可调谐为技术发展方向，新一代信息技术正呼唤着新一代高性能元器件。与传统变容二极管相比，MEMS可变电容器具有低插损、高Q值、高线性度等优点。目前常见的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，典型的是利用插指状结构，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，这大大增加了电容控制电路的复杂度，且精度极易受到控制电路中噪声的影响。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种线性度高、变容范围大的具有线性C-V特性的低应力双杠杆结构MEMS变容器。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

具有线性C-V特性的低应力双杠杆结构MEMS变容器，包括扭转梁、下极板、上极板、锚点、驱动电极和介质衬底，下极板、驱动电极和锚点设置于介质衬底上，上极板的两端部通过扭转梁支撑固定于锚点上，上极板的中间部与下极板相对，上极板的端部与驱动电极相对；驱动电极上施加线性增加电压，上极板的端部向下运动，上极板的中间部向上运动，上极板与下极板之间的电容值减小，驱动电极上停止施加线性增加电压，上极板通过扭转梁的扭转弹力回复至初始水平状态。

进一步地，上述的具有线性C-V特性的低应力双杠杆结构MEMS变容器，所述上极板包含中间部和两端部，中间部与两端部呈下凹式台阶结构，中间部与下极板之间的空气层构成可变电容。

更进一步地，上述的具有线性C-V特性的低应力双杠杆结构MEMS变容器，所述锚点有四个，位于上极板的两侧，每侧各两个，每侧的锚点位于上极板中间部与端部的分界处，均通过扭转梁支撑固定上极板，锚点电气接地。

更进一步地，上述的具有线性C-V特性的低应力双杠杆结构MEMS变容器，所述驱动电极上覆有绝缘介质薄膜，作为驱动电极与上极板之间的电气隔离层。

再进一步地，上述的具有线性C-V特性的低应力双杠杆结构MEMS变容器，所述下极板上覆有绝缘介质薄膜，作为下极板与上极板之间的电气隔离层。

本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：

本发明设计独特、结构新颖，驱动电极施加电压时，上极板外端部向下运动，带动电容上极板向上运动，上下极板间间距增大，从而使电容值C随电压值V增加而线性减小。上极板中间部台阶结构使变容器上下极板初始间距减小，初始电容值提高，增大电容变化范围，同时有助于释放上极板运动时形变所产生的应力。电容随电压变化的线性度非常高，电容变化范围大。通过扭转梁材料及尺寸优化降低控制电压。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

图1：本发明的立体结构示意图；

图2：本发明初始状态示意图；

图3：本发明工作状态示意图；

图4：驱动电压与上下极板间间距的关系曲线图；

图5：上下极板间间距与电容的关系曲线图；

图6：驱动电压与电容的关系曲线图。

具体实施方式

如图1、图2所示，具有线性C-V特性的低应力双杠杆结构MEMS变容器，包括扭转梁1、下极板2、上极板3、锚点4、驱动电极5和介质衬底6，下极板2、驱动电极5和锚点4设置于介质衬底6上，上极板3的两端部通过扭转梁1支撑固定于锚点4上，上极板3的中间部与下极板2相对，上极板3的端部与驱动电极5相对。如图3所示，驱动电极5上施加线性增加电压，上极板3的端部向下运动，上极板3的外端与驱动电极5之间产生静电力，上极板外端受静电力作用向下运动，通过锚点的杠杆作用带动上极板3的中间部分向上运动，杠杆旋转与水平夹角设为a，上极板3与下极板2之间的电容值近似线性减小。驱动电极5上停止施加线性增加电压，上极板3通过扭转梁1的扭转弹力回复至初始水平状态。

上极板3包含中间部和两端部，中间部与两端部呈下凹式台阶结构，中间部与下极板2之间的空气层构成可变电容。两端部通过扭转梁1连接锚点4作为支撑点，其外端部被驱动电极5驱动时向下运动，带动中间部向上运动，中间部与下极板2及两者之间的空气层构成可变电容，上极板3的中间部和两端部之间的台阶结构，可使变容器上下极板初始间距减小，初始电容增大，同时可以减小上极板3运动时的形变量，释放形变所产生的部分应力，增加上极板3运动范围，从而增加变容器电容值的变化范围。

锚点4有四个，位于上极板3的两侧，每侧各两个，每侧的锚点位于上极板3中间部与端部的分界处，均通过扭转梁1支撑固定上极板3，起支撑和固定作用，为双杠杆结构的支点，锚点4电气接地，为直流零电位。

驱动电极5位于上极板3外端部的下方衬底上，其上覆有一层很薄的绝缘介质薄膜，作为上极板3与驱动电极5之间的电气隔离层，驱动电极5的厚度与上极板3的运动范围有关，厚度越小，上极板3的运动范围越大，在驱动电极5上施加正电压，可使驱动电极5与上极板3的外端部分之间产生静电力，驱动上电极3的外端部分产生下拉动作。

下极板2位于上极板3中间部分正下方的衬底上，其上覆有一层很薄的绝缘介质薄膜，作为上极板3与下极板2之间的电气隔离层。

上极板3台阶结构可释放其动作时形变产生的部分应力，使施加驱动加压后整体形变应力集中于扭转梁1上，所以，可通过调整扭转梁外形尺寸，以适应具体应用中系统控制电压的限制。同时，下极板2的尺寸、上电极3的尺寸、锚点4的高度和驱动电极5的厚度不唯一，可根据具体应用中初始电容值大小与电容调节范围大小进行设计，以获得具有高线性度C-V特性的MEMS变容器。

电容器的上下极板间间距、驱动电压与电容之间关系，设上极板外端与驱动电极的初始间距为g₀，上极板中间部与下极板之间的初始间距为g_0c，实际间距为g_c，扭转梁的扭转弹性系数为k，上极板与驱动电极的正对面积为A_e，则施加静电力形成的力矩为：

| M (a) | = \frac{ϵ_{0} V^{2} A_{e}}{2 a^{2} (l_{1} - l_{3})} [\frac{g_{0}}{g_{0} - l_{1} a} - \frac{g_{0}}{g_{0} - l_{3} a} + \ln (\frac{g_{0} - l_{1} a}{g_{0} - l_{3} a})]

其中旋转角度a为，

a = \arcsin \frac{g_{0} - g}{l_{1}}

由力矩平衡等式：|M(a)|=k·a

则施加在驱动电极上的电压V与上极板中间部和下极板之间距离g_c的关系为：

V = \sqrt{\frac{2 k (l_{1} - l_{3})}{ϵ_{0} A_{e}} {(\frac{g_{c} - g_{0 c}}{l_{2}})}^{3} (\frac{1}{\frac{g_{0}}{g_{0} - l_{1} \frac{g_{c} - g_{0 c}}{l_{2}}} - \frac{g_{0}}{g_{0} - l_{3} \frac{g_{c} - g_{0 c}}{l_{2}}} + \ln \frac{g_{0} - l_{1} \frac{g_{c} - g_{0 c}}{l_{2}}}{g_{0} - l_{3} \frac{g_{c} - g_{0 c}}{l_{2}}}})}

当下拉电压线性增加时，上极板外端向下运动的速率增大，因此上极板中间部向上运动的速率增大，即图4所示。

设下极板与上极板的正对面积为A，绝缘介质隔离层的厚度为t_x，则电容值C与上极板中间部与下极板之间距离g_c的关系为：

C = \frac{ϵ_{0} A}{g_{c} + \frac{t_{x}}{ϵ_{x}}}

当上极板中间部与下极板之间的距离g_c线性增加时，两者之间的电容值加速减小，即图5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，图6所示，通过优化结构参数，可使C-V曲线的线性度达到99.9%。

综上所述，本发明设计独特、结构新颖，驱动电极施加电压时，上极板外端部向下运动，带动电容上极板向上运动，上下极板间间距增大，从而使电容值C随电压值V增加而线性减小。上极板中间部台阶结构使变容器上下极板初始间距减小，初始电容值提高，增大电容变化范围，同时有助于释放上极板运动时形变所产生的应力。电容随电压变化的线性度非常高，电容变化范围大。通过扭转梁材料及尺寸优化降低控制电压。

需要理解到的是：以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.具有线性C-V特性的低应力双杠杆结构MEMS变容器，其特征在于：包括扭转梁、下极板、上极板、锚点、驱动电极和介质衬底，下极板、驱动电极和锚点设置于介质衬底上，上极板的两端部通过扭转梁支撑固定于锚点上，上极板的中间部与下极板相对，上极板的端部与驱动电极相对；驱动电极上施加线性增加电压，上极板的端部向下运动，上极板的中间部向上运动，上极板与下极板之间的电容值减小，驱动电极上停止施加线性增加电压，上极板通过扭转梁的扭转弹力回复至初始水平状态。

2.根据权利要求1所述的具有线性C-V特性的低应力双杠杆结构MEMS变容器，其特征在于：所述上极板包含中间部和两端部，中间部与两端部呈下凹式台阶结构，中间部与下极板之间的空气层构成可变电容。

3.根据权利要求1所述的具有线性C-V特性的低应力双杠杆结构MEMS变容器，其特征在于：所述锚点有四个，位于上极板的两侧，每侧各两个，每侧的锚点位于上极板中间部与端部的分界处，均通过扭转梁支撑固定上极板，锚点电气接地。

4.根据权利要求1所述的具有线性C-V特性的低应力双杠杆结构MEMS变容器，其特征在于：所述驱动电极上覆有绝缘介质薄膜，作为驱动电极与上极板之间的电气隔离层。

5.根据权利要求1所述的具有线性C-V特性的低应力双杠杆结构MEMS变容器，其特征在于：所述下极板上覆有绝缘介质薄膜，作为下极板与上极板之间的电气隔离层。