CN109559869B - 一种mems可调悬空螺旋电感 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种MEMS可调悬空螺旋电感，属于微机电器件和通信技术领域。本发明在两段悬空螺旋电感之间设置上电极，通过控制上电极和下电极之间的驱动信号，调节上电极和下电极之间的间距，改变左侧悬空螺旋电感和右侧悬空螺旋电感中各个金属线圈之间的横向间距和纵向间距，以及两个悬空螺旋电感与信号传输线之间的纵向间距，从而改变磁通线分布，调节电感值，获得所需电感量。采用本发明的可调悬空螺旋电感，可以与其他MEMS器件兼容制作，应用在可调谐智能天线等通信领域。与现有可调电感相比，本发明能够节约结构面积，减小寄生效应，简化工艺流程，实现连续可调电感值。

Description

一种MEMS可调悬空螺旋电感
技术领域
本发明涉及一种MEMS可调悬空螺旋电感，属于微机电器件和通信技术领域。
背景技术
电感是实现滤波、调谐、放大、阻抗耦合和频率耦合的基础器件。高品质因数的片上可集成电感能够提高射频滤波器、功率放大器、低噪声放大器、锁相环和天线等射频单元的性能，进而提高通信系统的性能，缩小系统体积。进一步地，在支持多工作频段、多制式的通信系统中，可调电感能够根据系统所需的不同工作频率，通过改变电感的结构、形状、长度等方式，获得不同的电感值，与电容、电阻等其他无源器件构成阻抗匹配网络，应用在天线调谐等单元中。
采用传统标准集成电路工艺和表面微加工工艺在衬底表面制作的平面电感，衬底的漏电损耗以及电感线圈与衬底之间的涡流损耗等损耗均会随着频率的增加而增大，难以在高频段实现较高的品质因数。采用固有损耗低的衬底材料、将衬底腐蚀成多孔硅以及使用地屏蔽等方法优化的平面电感，虽然能够减小衬底耦合效应和寄生效应，但工艺复杂度提高。
基于MEMS(微机电)技术加工制作的悬空螺旋电感，可以通过牺牲层工艺实现电感线圈与衬底的完全隔离，采用电镀工艺实现电感中心引出线的制作，进一步减少了衬底引入的损耗，能够获得更高的集成度和更好的射频性能。同时，MEMS电感与传统集成电路工艺兼容，满足通信系统集成化、小型化的应用需求。
在此基础上，可采用多种方式实现的MEMS可调悬空电感。2008年，Mina Rais-Zadeh等人在MEMS Switched Tunable Inductors一文中，采用MEMS开关阵列选通不同电感，从而获得不同电感值，但结构复杂且所得电感值离散不连续。2015年，F.Khan等人在MEMS-based tunable meander inductor一问中，采用连接热驱动结构的方式，通过拉伸线圈改变线圈间距，从而调节电感，但需要进行温度控制，较难在实际中应用。
发明内容
本发明的目的是提出一种MEMS可调悬空螺旋电感，改变已有的可调悬空螺旋电感的结构，使电感线圈与衬底隔离，不再引入其他的驱动结构，与MEMS器件和IC元件集成制作，以满足可调电感对高品质因数、连续可调和集成化的应用需求。
本发明提出的MEMS可调悬空螺旋电感，包括衬底、衬底隔离层、地线、信号传输线、左侧螺旋电感、右侧螺旋电感、上电极、下电极和空气桥，所述的衬底隔离层置于衬底上，所述的上电极和下电极置于衬底隔离层上，上电极和下电极之间设有电极隔离层；所述的信号传输线有两根，两根信号传输线分别置于下电极左右两侧的衬底隔离层上；所述的左侧螺旋电感和右侧螺旋电感分别位于左右两侧的两根信号传输线的上方，左侧螺旋电感和右侧螺旋电感的一端分别通过锚点柱与下方的左右两根信号传输线相连，左侧螺旋电感和右侧螺旋电感的另一端分别与衬底隔离层上的上电极相连；所述的地线有两根，两根地线分别对称置于左右两根信号传输线两侧的衬底隔离层上，其中的一根地线在中间断开；所述的空气桥通过锚点柱架在地线中间断开处的上方；所述的下电极引出线置于衬底隔离层上，下电极引出线的一端与下电极相连接，与下电极相连接后的下电极引出线从空气桥下方穿出。
上述可调悬空螺旋电感中，所述的左侧螺旋电感和右侧螺旋电感使用相同的螺旋形状或不同的螺旋形状。螺旋形状可以为正方形、圆形或多边形。
上述可调悬空螺旋电感中，所述的电极隔离层的材料为氮化硅或氧化硅介质材料。
本发明提出的MEMS可调悬空螺旋电感，其特点和优点是：
1、本发明基于MEMS悬空螺旋电感结构，在两段悬空螺旋电感之间连接金属上电极，在上电极下方的衬底上设置下电极，通过静电驱动控制上电极和下电极的间距，改变悬空电感线圈的间距以及电感与衬底上微波传输线的间距，形成不同的磁通线分布，从而获得不同电感量，实现可调电感。
2、本发明的可调悬空螺旋电感，与实现不可调MEMS悬空电感相比，仅加入了溅射获得下电极及下电极引出线，以及沉积获得电极隔离层的加工步骤，这两步工艺均为成熟可控的标准表面微加工技术，因此本发明的可调悬空螺旋电感，相比于已有的采用其他驱动方式和驱动结构，本发明大幅降低了MEMS可调电感的工艺复杂度。同时，采用上述原理，上述工艺步骤均先于电感结构加工制作，对后续获得高品质因数的悬空螺旋电感的工艺步骤几乎没有影响。
3、本发明的可调悬空螺旋电感，通过控制上电极和下电极之间的驱动信号，调节上电极和下电极之间的间距，改变左侧悬空螺旋电感和右侧悬空螺旋电感中各个金属线圈之间的横向间距和纵向间距，以及两个悬空螺旋电感与信号传输线之间的纵向间距，从而改变磁通线分布，调节电感值，获得所需电感量。采用上述结构的可调电感可以与其他MEMS器件兼容制作，应用在可调谐智能天线等通信领域。与现有可调电感相比，本发明能够节约结构面积，减小寄生效应，简化工艺流程，实现连续可调电感值。
附图说明
图1为本发明的MEMS可调悬空螺旋电感示意图。
图2为图1所示的可调悬空螺旋电感的A-A剖视图。
图3为图1所示的可调悬空螺旋电感的B-B剖视图。
图4为本发明的MEMS可调悬空螺旋电感的工作状态图。
图1-图4中，1是衬底，2是衬底隔离层，3是地线，4是信号传输线，5是左侧螺旋电感，6是右侧螺旋电感，7是上电极，8是电极隔离层，9是锚点柱，10是空气桥，11是下电极，12是下电极引出线。
具体实施方式
本发明提出的MEMS可调悬空螺旋电感，其结构如图1所示，包括衬底1(如图2中所示)、衬底隔离层2、地线3、信号传输线4、左侧螺旋电感5、右侧螺旋电感6、上电极7、下电极11和空气桥10。衬底隔离层2置于衬底1上，上电极7和下电极11置于衬底隔离层2上，上电极7和下电极11之间设有电极隔离层8。信号传输线4有两根，两根信号传输线分别置于下电极11左右两侧的衬底隔离层2上。左侧螺旋电感5和右侧螺旋电感6分别位于左右两侧的两根信号传输线4的上方。如图2中所示，左侧螺旋电感5和右侧螺旋电感6的一端分别通过锚点柱9与下方的左右两根信号传输线4相连，左侧螺旋电感5和右侧螺旋电感6的另一端分别与衬底隔离层上的上电极7相连。地线3有两根，两根地线3分别对称置于左右两根信号传输线4两侧的衬底隔离层2上，其中的一根地线在中间断开，如图3所示。空气桥10通过锚点柱9架在地线3中间断开处的上方，下电极引出线12置于衬底隔离层2上，下电极引出线12的一端与下电极11相连接，与下电极相连接后的下电极引出线12从空气桥10下方穿出。
本发明的可调悬空螺旋电感，其中的左侧螺旋电感和右侧螺旋电感，可以使用相同的螺旋形状，也可以使用不同的螺旋形状。螺旋形状可以为正方形，如图1中所示，也可以是圆形或多边形。螺旋结构中，单圈线圈的宽度、长度、相邻线圈的间距以及线圈的圈数，可以因电感值的范围取值而不同。
本发明的可调悬空螺旋电感，其中的电极隔离层使用的材料，可以为氮化硅或氧化硅介质材料。
本发明的可调悬空螺旋电感，其中衬底的材料可以是具有高频低损耗特性的高阻硅或者其他材料。其中的隔离层的材料可以是氧化硅或者其他材料。信号传输线和地线的材料可以是具有低损耗特性的金材料或者其他金属材料。信号传输线的宽度以及信号传输线与地线之间的间距等，可以因电感的电感值范围和工作频率范围而不同。因电感的电感值范围和工作频率范围而不同。其中的锚点柱的厚度，决定了悬空螺旋电感和信号传输线之间的纵向间距，它的材料可以是金或者其他材料。空气桥、左侧螺旋电感、右侧螺旋电感、上电极片和锚点柱等使用的材料相同，可以是金、铜或者其他导电材料。空气桥、左侧螺旋电感、右侧螺旋电感和上电极的厚度相同，在电感的制作中同步加工完成。
以下结合附图，详细介绍本发明可调悬空螺旋电感的工作原理和工作过程：
如图2所示，信号传输线4、电锚点柱9、左侧螺旋电感5、上电极7和右侧螺旋电感6共同组成了电感中的信号通路。上电极7、下电极11和电极隔离层8共同组成了电感的控制驱动部分。当在上电极7和下电极11之间施加驱动电压时，上电极7受到静电力而靠近下电极11，同时带动左侧螺旋电感5和右侧螺旋电感6发生形变，如图4所示，使左侧螺旋电感5和右侧螺旋电感6中的各线圈之间的横向间距和纵向间距发生变化，同时是两个螺旋电感与信号传输线4之间的纵向间距也发生变化，从而使整个电感的电感值发生变化，实现了电感调节。
本发明可调悬空螺旋电感的高品质因数且连续可调电感的原理是：螺旋电感5和6与衬底1和衬底隔离层2并不直接接触，减小了衬底引入的高频损耗，提高了电感的品质因数。同时，通过调节电感的形状和电感与信号传输线的间距，改变了电感磁通线的分布情况，从而实现了电感值的连续可调。

Claims (1)

1.一种MEMS可调悬空螺旋电感，其特征在于包括衬底、衬底隔离层、地线、信号传输线、左侧螺旋电感、右侧螺旋电感、上电极、下电极和空气桥，所述的衬底隔离层置于衬底上，所述的上电极和下电极置于衬底隔离层上，上电极和下电极之间设有电极隔离层；所述的信号传输线有两根，两根信号传输线分别置于下电极左右两侧的衬底隔离层上；所述的左侧螺旋电感和右侧螺旋电感分别位于左右两侧的两根信号传输线的上方，左侧螺旋电感和右侧螺旋电感的一端分别通过锚点柱与下方的左右两根信号传输线相连，左侧螺旋电感和右侧螺旋电感的另一端分别与衬底隔离层中心位置上的上电极相连；所述的地线有两根，两根地线分别对称置于左右两根信号传输线两侧的衬底隔离层上，其中的一根地线在中间断开；所述的空气桥通过锚点柱架在地线中间断开处的上方；所述的下电极引出线置于衬底隔离层上，下电极引出线的一端与下电极相连接，与下电极相连接后的下电极引出线从空气桥下方穿出，其中所述的左侧螺旋电感和右侧螺旋电感的螺旋形状相同或不同，螺旋形状为正方形、圆形或多边形；所述的电极隔离层的材料为氮化硅或氧化硅介质材料。
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