DE102013211482B4

DE102013211482B4 - Varaktor und Varaktorsystem

Info

Publication number: DE102013211482B4
Application number: DE102013211482.6A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Kahmen
Original assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Current assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Priority date: 2013-04-11
Filing date: 2013-06-19
Publication date: 2014-10-30
Anticipated expiration: 2033-06-20
Also published as: US20140307361A1; CN104103425A; DE102013211482A1; US9299499B2; CN104103425B

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Varaktor mit einem Aktuator, wobei eine erste Aktuatorfläche (2a) des Aktuators einem Substrat (1) ausgebildet ist und eine zweite Aktuatorfläche (2b) auf einer ersten beweglichen Membran (3a) ausgebildet ist. Dabei ist die erste bewegliche Membran (3a) oberhalb einer Oberseite (1a) des Substrats (1) angeordnet. Eine zweite bewegliche Membran (2b) ist unterhalb einer der Oberseite (1a) abgewandten Unterseite (1b) des Substrats (1) angeordnet. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Varaktorensystem aus zumindest zwei solchen Varaktoren.

Description

In der Hochfrequenztechnik werden Varaktoren als abstimmbare Kondensatoren verwendet, um die Eigenschaften von Schaltungen zu verändern. Dazu wird eine variable Gleichspannung an den Varaktor angelegt, wobei sich der Varaktor wie ein Kondensator mit von der Gleichspannung abhängiger Kapazität verhält.
Bislang werden Halbleiterdioden auf Silicium- oder Galliumarsenid-Basis als Varaktoren verwendet. Derartige Varaktoren werden auch Varicaps oder Kapazitätsdioden genannt.
Ein alternativer Ansatz zur Herstellung von Varaktoren ist die Realisierung in Mikrosystemtechnik, auch als Micro-Electro-Mechanical Systems, kurz MEMS bezeichnet. Bei einem MEMS-Bauteil handelt es sich um ein miniaturisiertes Bauteil, dessen Komponenten Abmessungen im Mikrometerbereich aufweisen. Die einzelnen Komponenten wirken als System zusammen.
Varaktoren auf MEMS-Basis weisen eine metallische Membran auf, die oberhalb einer Aktuatorelektrode beweglich gelagert ist. Wird zwischen Aktuatorelektrode und der metallischen Membran eine Gleichspannung angelegt, bewirken die elektrostatischen Kräfte des Aktuators ein Verschieben der Membran. Mit Verändern des Potenzials der Gleichspannung wird der Abstand zwischen Aktuatorelektrode und metallischer Membran verändert. Die Aktuatorelektrode und die metallische Membran stellen einen Plattenkondensator dar, an dem ein Kapazitätswert abgegriffen werden kann. Aufgrund des veränderbaren Abstands zwischen Membran und Aktuator ist der Kapazitätswert variabel. Derartige abstimmbare Kondensatoren werden beispielsweise in Voltage Controlled Oscillators VCO (Spannungsgesteuerten Oszillatoren) verwendet, um die Schwingfrequenz einzustellen.
In der WO 2004/038848 A2 ist ein solcher Varaktor beschrieben. Dabei wird eine bewegliche Membran zwischen zwei Substratschichten angeordnet. Durch die Ausgestaltung mit zwei Substratschichten ist ein Varaktor mit hoher Güte und großem Abstimmbereich herstellbar.
Varaktoren auf MEMS-Basis weisen eine hohe Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Vibrationen, Schwingungen und Beschleunigungen auf. Durch die mechanische Wirkungsweise beeinflussen Beschleunigungen auf den Varaktor den eingestellten Kapazitätswert. Aufgrund dieser Eigenschaft werden MEMS-Varaktoren auch als Beschleunigungssensoren verwendet.
Nachteilig ist diese Beschleunigungsempfindlichkeit, wenn der Varaktor einen einstellbaren, aber konstanten Kapazitätswert aufweisen soll, beispielsweise in Anwendungsgebieten der Nachrichtentechnik und Hochfrequenztechnik.
Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ist es daher einen Varaktor und ein Varaktorsystem bereitzustellen, der einen einstellbaren aber stabilen Kapazitätswert aufweist. Insbesondere ist der Varaktor gegen Einflüsse aufgrund einer Beschleunigung des Varaktors resistent auszugestalten.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Das Varaktorsystem ergibt sich aus Anspruch 18.
Die Aufgabe wird insbesondere durch einen Varaktor mit einem Aktuator gelöst, wobei eine erste Aktuatorfläche des Aktuators auf einem Substrat ausgebildet ist und eine zweite Aktuatorfläche auf einer ersten beweglichen Membran ausgebildet ist. Der Varaktor weist zusätzlich eine zweite bewegliche Membran auf. Die erste bewegliche Membran ist oberhalb einer Oberseite des Substrats angeordnet. Die zweite bewegliche Membran ist unterhalb einer der Oberseite abgewandten Unterseite des Substrats angeordnet.
Wird auf den erfindungsgemäßen Varaktor eine Beschleunigungskraft ausgeübt, bewegt sich sowohl die erste Membran als auch die zweite Membran in die gleiche Richtung. Somit wird der Abstand zwischen erster Membran und erster Aktuatorfläche größer, der Abstand zwischen zweiter Membran und erster Aktuatorfläche wird aber entsprechend kleiner. Somit erhöht sich zwar der Kapazitätswert zwischen der ersten beweglichen Membran und der ersten Aktuatorfläche. Entsprechend verkleinert sich aber der Kapazitätswert zwischen der zweiten beweglichen Membran und der ersten Aktuatorfläche.
Das Substrat ist dabei als ein steifes Element im Varaktor vorzusehen.
Wird der Kapazitätswert des erfindungsgemäßen Varaktors zwischen erster beweglicher Membran und zweiter beweglicher Membran abgegriffen, ist der abgegriffene Kapazitätswert des Varaktors aufgrund der gleichen Bewegungsrichtungen beweglichen Membranen konstant.
Alternativ wird ein erster Kapazitätswert des erfindungsgemäßen Varaktors abgegriffen, wobei sich der erste Kapazitätswert zwischen der ersten beweglichen Membran und der ersten Aktuatorfläche einstellt. Weiterhin wird ein zweiter Kapazitätswert des erfindungsgemäßen Varaktors abgegriffen, wobei sich der zweite Kapazitätswert zwischen der zweiten beweglichen Membran und der ersten Aktuatorfläche einstellt. Werden der erste Kapazitätswert und der zweite Kapazitätswert parallel geschaltet, ist der resultierende Gesamtkapazitätswert ebenfalls konstant.
Somit ist der Einfluss der Beschleunigungskraft, verursacht durch eine Beschleunigung des Varaktors oder mechanisches Vibrieren des Varaktors nahezu ohne Einfluss auf den Kapazitätswert des erfindungsgemäßen Varaktors.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die erste Aktuatorfläche eine elektrisch leitende Verbindung zu einem ersten Anschluss einer Gleichspannungsquelle auf, und die zweite Aktuatorfläche eine elektrisch leitende Verbindung zu einem zweiten Anschluss der Gleichspannungsquelle auf. An die Gleichspannungsquelle wird eine einstellbare Gleichspannung angelegt, die eingerichtet ist, eine elektrostatische Kraft auf die erste bewegliche Membran und auf die zweite bewegliche Membran auszubilden.
Dadurch wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass der gegenüber Beschleunigungen stabile Kapazitätswert des erfindungsgemäßen Varaktors mittels einer Gleichspannung einstellbar ist. Somit kann ein derartiger Varaktor als abstimmbare Kapazität verwendet werden.
Bevorzugt weist die erste bewegliche Membran eine erste Kondensatorfläche auf und die zweite bewegliche Membran eine zweite Kondensatorfläche auf. Damit ist ein variabler Kondensator erreicht, der insbesondere beschleunigungsfest ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die erste Aktuatorfläche auf dem Substrat auch eine dritte Kondensatorfläche. Dadurch kann das Substrat beispielsweise vollflächig aus einer Metallschicht bestehen und ist entsprechend kostengünstig herstellbar. Durch diese dritte Kondensatorfläche kann beim erfindungsgemäßen Varaktor ein erster Kapazitätswert, gebildet durch die dritte Kondensatorfläche auf dem Substrat und der ersten beweglichen Membran, abgegriffen werden. Weiterhin kann beim erfindungsgemäßen Varaktor ein zweiter Kapzitätswert, gebildet durch die dritte Kondensatorfläche und der zweiten beweglichen Membran, abgegriffen werden. Die dritte Kondensatorfläche bildet dann einen ersten Varaktoranschluss. Die erste Kondensatorfläche und die zweite Kondensatorfläche bilden gemeinsam einen zweiten Varaktoranschluss. Der erhaltene erfindungsgemäße Varaktor weist dann einen Gesamtkapazitätswert auf, der aus der Parallelschaltung des ersten Kapzaitätswerts mit dem zweiten Kapazitätswert erhalten ist. Dieser Gesamtkapazitätswert ist unempfindlich gegenüber einer einwirkenden Beschleunigung, da die Gesamtkapazität aus der Summe des ersten – größer werdenden – Kapazitätswerts und des zweiten – kleiner werdenden – Kapazitätswerts gebildet wird. Die Differenz aus den Änderungen der Kapazitätswerte durch Beschleunigung ist nahezu null, sodass der resultierende Gesamtkapzitätswert konstant bleibt.
Das Substrat weist bevorzugt einen dritten Varaktoranschluss auf, um eine Parallelschaltung des ersten Kapazitätswerts mit dem zweiten Kapazitätswerts zu erzielen.
Insbesondere sind die erste Membran und die zweite Membran aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildet. Durch diese Isolation ist eine Entkopplung zwischen den Kondensatorflächen und den Aktuatorflächen auf der beweglichen Membran erzielt. Insbesondere Störspannungen auf der Gleichspannung sind somit nicht auf die Kondensatorflächen der beweglichen Membranen koppelbar. Ein Schaltkreis, der an den erfindungsgemäßen Varaktor angeschlossen ist, ist somit von den Störspannungen der Gleichspannung entkoppelt. Der Varaktor ist somit störunempfindlicher.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Substrat eine dritte Kondensatorfläche beabstandet von der Aktuatorfläche auf. Das Substrat ist dabei ebenfalls aus einem elektrisch isolierenden Material beschaffen, um eine Entkopplung zwischen erster Aktuatorfläche und dritter Kondensatorfläche zu erzielen. Die dritte Kondensatorfläche ist dabei bevorzugt beidseitig auf dem Substrat ausgebildet, wobei die dritte Kondensatorfläche physisch aus zwei Flächen bestehen kann, elektrisch aber als eine gemeinsame Kondensatorfläche zu betrachten ist. Dazu ist das Substat bevorzugt mit einer Durchkontaktierung versehen, um die beidseitig ausgebildete dritte Kondensatorfläche elektrisch miteinander zu verbinden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind auf der jeweiligen Membran sowohl eine Kondensatorfläche als auch eine zweite Aktuatorfläche ausgebildet. Die Kondensatorfläche ist von der Aktuatorfläche beabstandet ausgebildet. Auf diese Weise ist ein Varaktor hergestellt, bei dem die Änderung der Gleichspannung größere oder kleinere Änderungen auf den resultierenden Kapazitätswert des erfindungsgemäßen Varaktors aufweisen. Dadurch ist entweder ein wesentlich größerer Abstimmbereich des Varaktors erhalten oder der Kapazitätswert des erfindungsgemäßen Varaktors ist wesentlich feiner einstellbar, was nachfolgend als geringere Abstimmsteilheit bezeichnet wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die erste Membran und die zweite Membran durch eine Fixierung am Ende der jeweiligen Membran eingespannt gelagert. Durch diese Ausgestaltung wirkt sich die Federkonstante der beweglichen Membran auf den Abstimmbereich und das Einstellverhalten des Varaktors in einem hohen Maß aus.
Insbesondere ist der Abstand zwischen der zweiten Aktuatorfläche und der Fixierung der jeweiligen Membran geringer als der Abstand zwischen der Kondensatorfläche und der Fixierung der Membran. Auf diese Weise ist eine Übersetzung zwischen der elektrostatischen Kraft an den Aktuatorflächen und dem resultierenden Kapazitätswert an den Kondensatorflächen erreicht. Der Varaktor kann dadurch in einem größeren Kapazitätsbereich abgestimmt werden.
Alternativ ist der Abstand zwischen der zweiten Aktuatorfläche und der Fixierung größer als der Abstand zwischen der Kondensatorfläche und der Fixierung. Durch diese Ausgestaltung wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass der Varaktor eine wesentlich geringere Abstimmsteilheit aufweist.
In einer alternativen Ausgestaltung sind die erste Membran und die zweite Membran durch eine Fixierung mittig der Membran eingespannt gelagert. Somit ist das Einwirken einer elektrostatischen Kraft auf die Aktuatorflächen, die sich bevorzugt auf einer Seite der Fixierung befinden, entgegengesetzt zu dem erhaltenen Kapazitätswert des Varaktors, der an den Kondensatorflächen abgegriffen wird, die sich auf einer von den Aktuatorflächen gegenüberliegenden Seite der Fixierung befinden. Auf diese Weise ist ein Varaktor erhalten, dessen Kapazitätswert reziprok kleiner wird zu einer entsprechenden Erhöhung des Potenzials der Gleichspannung.
In einer alternativen Ausgestaltung sind die erste Membran und die zweite Membran durch jeweils eine Fixierung an beiden Enden der jeweiligen Membran eingespannt gelagert. Durch die Fixierung beider Enden wird die Federkonstante der Membran erhöht, wodurch der Einfluss einer von außen wirkenden Beschleunigung auf die Membran verringert wird. Es wird eine größere Federkonstante der Membran erhalten. Ein derartiger Aufbau ist daher beschleunigungsresistent. Zur Erhöhung der Wirkung der elektrostatischen Kraft kann ein derartiger Varaktor an jeder Membran zumindest zwei Aktuatorflächen aufweisen. Die Anzahl der Aktuatorflächen ist ein Parameter zur Einstellung der Membranauslenkung.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die eingespannt gelagerten Membranen im Bereich ihrer Fixierung verjüngt. Die somit erhaltene verringerte Federkonstante der Membran führt zu einer größeren Auslenkung der Membran bei Anlegen einer Gleichspannung im Vergleich zu einer Membran ohne Verjüngung. Der Abstimmbereich des Varaktors ist damit erhöht.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Abstand zwischen der Kondensatorfläche zum Substrat geringer als der Abstand zwischen der zweiten Aktuatorfläche und dem Substrat. Dadurch ist ein größerer Abstimmbereich des Varaktors erhalten.
Alternativ ist der Abstand zwischen der Kondensatorfläche und dem Substrat größer als der Abstand zwischen der zweiten Aktuatorfläche und dem Substrat. Dadurch ist ein Varaktor erhalten, der mit einer größeren Genauigkeit abstimmbar ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Federkonstante der ersten beweglichen Membran unterschiedlich zur zweiten beweglichen Membran. Dies ist beispielsweise bei der Vollintegration des Varaktors denkbar, wenn die als bewegliche Membranen zu verwendenden Schichten aufgrund ihrer Struktur unterschiedliche Schichtdicken aufweisen. Dabei werden unterschiedliche Flächenträgheitsmomente erreicht, die durch verschieden große Gleichspannungen ausgeglichen werden können oder gezielt zur Verstimmung des Varaktors ausgenutzt werden.
Alternativ oder zusätzlich ist eine Breite der ersten beweglichen Membran verschieden von der Breite der zweiten beweglichen Membran. Somit können aufgrund der Struktur vorgegebene unterschiedliche Schichtdicken zwischen Substrat und jeweiliger Membran ausgeglichen werden oder eine bewusste Verstimmung durch die resultierende unterschiedliche Federkonstante erzielt werden, die zu unterschiedlichen Flächenträgheitsmomenten der jeweiligen Membran führen.
Der erfindungsgemäße Varaktor ist bevorzugt als diskretes Element auf einer Leiterplatine angeordnet. Dabei ist die Leiterplatine als das beschriebene Substrat anzusehen, sodass oberhalb und unterhalb des Substrats jeweils eine bewegliche Membran als diskretes Bauelement angeordnet ist und die resultierende Gesamtkapazität des Varaktors entweder ausschließlich von den Membranen abgegriffen wird oder alternativ durch Parallelschalten der einzelnen Kapazitätswerte zu der Gesamtkapazität erhalten wird.
Alternativ ist der erfindungsgemäße Varaktor als vollintegriertes Bauelement in einen integrierten Schaltkreis eingebracht. Dabei sind die beweglichen Membranen aus Aluminium, Bulk-Silizium, Siliziumdioxid und/oder einem alternativen Material der Halbleitertechnik ausgebildet.
Bevorzugt sind der Abstand zwischen der ersten beweglichen Membran und dem Substrat sowie der Abstand der zweiten beweglichen Membran und dem Substrat an einer Fixierung in einem Fertigungsschritt des erfindungsgemäßen Varaktors einstellbar. Somit kann eine von der Federkonstant der ersten Membran verschiedene Federkonstante der zweiten Membran einfach kompensiert werden. Die unterschiedlichen Federkonstanten entstehen beispielsweise bei Verwendung unterschiedlicher Materialien für die Membranen und/oder unterschiedlichen Membrandicken.
Alternativ ist der Abstand zwischen der ersten beweglichen Membran und dem Substrat verschieden vom Abstand der zweiten beweglichen Membran und dem Substrat. Der Unterschied kann durch eine Vorgabe der Leiterplattenstruktur oder des Aufbaus einer integrierten Halbleiterstruktur vorgegeben sein. Zur Kompensation der resultierenden Abstände werden erfindungsgemäß verschiedene Materialien der Membranen, Verjüngung/Verstärkung der Membranen und/oder verwenden unterschiedlicher Gleichspannungen für das Einstellen des jeweiligen Kapazitätswerts eingesetzt.
Im Erfindungsgrundgedanken ist ebenfalls ein Varaktorensystem mit zumindest zwei erfindungsgemäßen Varaktoren enthalten, wobei diese Varaktoren parallel geschaltet sind.
Fertigungstoleranzen sind bei der Herstellung der Varaktoren nicht auszuschließen, wodurch das Ausgestalten der beiden Membranen des Varaktors minimal unterschiedlich ausgestaltet sein kann. Damit wird der Einfluss einer Beschleunigung nicht vollständig kompensiert. Durch Parallelschalten einer Mehrzahl von Varaktoren mitteln sich Fertigungstoleranzen der Varaktoren heraus. Zusätzlich wird durch ein derartiges Varaktorensystem das Kapazitätsrauschen der einzelnen Varaktoren aufgrund der Brown‘schen Bewegung der Gasmoleküle verringert. Dabei wird erfindungsgemäß eine große Streuung des Kapazitätswerts durch Parallelschalten einer Vielzahl der erfindungsgemäßen Varaktoren kompensiert.
Alternativ wird die Parallelschaltung von erfindungsgemäßen Varaktoren vorgeschlagen, wobei die verwendeten Varaktoren nahezu identische Kapazitätswerte und somit geringe Fertigungstoleranzen aufweisen. Dabei kann der einstellbare Gesamtkapazitätswert des Varaktors gering sein. Damit wird eine Beschleunigungsresistenz bereits durch weniger Varaktoren erreicht.
Nachfolgend wird anhand von Figuren die Erfindung bzw. weitere Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung näher erläutert, wobei die Figuren lediglich Ausführungsbeispiele der Erfindung beschreiben. Gleiche Bestandteile in den Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren sind nicht als maßstabsgetreu anzusehen, es können einzelne Elemente der Figuren übertrieben groß bzw. übertrieben vereinfacht dargestellt sein.
Es zeigen:
1 einen Varaktor auf MEMS-Basis gemäß dem Stand der Technik,
2a–2c ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Varaktors,
3a–3b eine erste Weiterbildung des in 2 dargestellten erfindungsgemäßen Varaktors,
4 eine zu 3 alternative Ausführung eines erfindungsgemäßen Varaktors,
5a–5b eine zweite Weiterbildung des in 2 dargestellten erfindungsgemäßen Varaktors,
6a–6b eine dritte Weiterbildung des in 2 dargestellten erfindungsgemäßen Varaktors,
7a–7b eine vierte Weiterbildung des in 2 dargestellten erfindungsgemäßen Varaktors,
8a–8b eine fünfte Weiterbildung des in 2 dargestellten erfindungsgemäßen Varaktors,
9a–9b eine sechste Weiterbildung des in 2 dargestellten erfindungsgemäßen Varaktors,
10a–10b eine siebte Weiterbildung des in 2 dargestellten erfindungsgemäßen Varaktors,
11a–11c eine achte Weiterbildung des in 2 dargestellten erfindungsgemäßen Varaktors,
12a–12b eine neunte Weiterbildung des in 2 dargestellten erfindungsgemäßen Varaktors,
13 eine zehnte Weiterbildung des in 2 dargestellten erfindungsgemäßen Varaktors,
14 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Varaktorsystems.
1 zeigt einen Varaktor gemäß dem Stand der Technik. Der Varaktor ist in MEMS-Technik hergestellt. Der Varaktor weist ein Substrat 1 auf, auf dem zumindest eine erste Aktuatorfläche 2a ausgebildet ist. Oberhalb des Substrats 1 ist eine bewegliche Membran 3 angeordnet. Die Membran 3 ist elektrisch leitend ausgebildet.
Die Funktionsweise des Varaktors gemäß 1 wird nun beschrieben. Die Aktuatorfläche 2a auf dem Substrat 1 ist mit einem ersten Anschluss 4a einer Gleichspannungsquelle 4 elektrisch leitend verbunden. Die Membran 3 ist mit einem zweiten Anschluss 4b der Gleichspannungsquelle 4 elektrisch leitend verbunden. Somit ist die bewegliche Membran 3 eine zweite Aktuatorfläche 2b. Durch Anlegen einer Gleichspannung mittels der Gleichspannungsquelle 4 wird eine elektrostatische Kraft 20 zwischen der ersten Aktuatorfläche 2a und der zweiten Aktuatorfläche 2b ausgebildet. Aufgrund der Federkonstante des Materials der beweglichen Membran 3 wird die bewegliche Membran 3 in einem gewissen Abstand oberhalb des Substrats 1 durch die Gleichspannung positioniert. Es stellt sich ein Gleichgewicht zwischen elektrostatischer Kraft und entgegenwirkender Federkonstante ein. Da sowohl die Aktuatorfläche 2a und die Membran 3 elektrisch leitend ausgebildet sind, stellen die bewegliche Membran 3 und die erste Aktuatorfläche 2a jeweils eine Kondensatorfläche 5 dar. Durch die einstellbare Gleichspannungsquelle 4 ist somit ein Varaktor erhalten. Die Kondensatorflächen 5 werden elektrisch leitend mit einer elektrischen Schaltung 6 verbunden.
Wird nun eine von außen wirkende Kraft 7, beispielsweise durch Beschleunigung, auf den Varaktor ausgeübt, wirkt diese Kraft 7 entweder der elektrostatischen Kraft 20 entgegen oder verstärkt diese. Es wird damit das eingestellte Gleichgewicht von elektrostatischer Kraft durch die Gleichspannung 4 und der Federkonstante der beweglichen Membran 3 gestört. Als Resultat verändert sich der Abstand zwischen der elektrischen Membran 3 und der ersten Aktuatorfläche 2a unabhängig von der angelegten Gleichspannung aus der Gleichspannungsquelle 4. Es stellt sich während der Einwirkung der von außen wirkenden Kraft 7 ein temporäres neues Gleichgewicht ein, wobei die Auslenkung der beweglichen Membran 3 nunmehr von der Federkonstante der beweglichen Membran 3, der elektrostatischen Kraft der Gleichspannung 4 sowie der von außen wirkenden Kraft 7 abhängt. Wirkt die von außen wirkenden Kraft 7 nicht mehr auf den Varaktor, stellt sich wieder das ursprüngliche Gleichgewicht aus elektrostatischer Kraft und Federkonstante ein. Derartige äußere Krafteinwirkungen 7, die insbesondere durch eine Beschleunigung des Varaktors oder mechanische Vibrationen erzielt sind, verändern aufgrund der Änderung der Auslenkung der beweglichen Membran den Kapazitätswert des Varaktors. Dieser Einfluss der Beschleunigung auf einen Varaktor ist erfindungsgemäß unerwünscht.
Die folgenden 2 bis 13 zeigen Ausführungsbeispiele eines Varaktors, bei dem der unerwünschte Einfluss einer Beschleunigungskraft 7 auf den Varaktor kompensiert ist.
In 2a bis 2c ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Varaktors gezeigt, wobei die 2b und 2c unterschiedliche resultierenden Ersatzschaltbilder des in 2a dargestellten Varaktors zeigen. In 2a weist ein Substrat 1 eine erste Oberseite 1a und eine der Oberseite 1a abgewandten Unterseite 1b auf. Auf dem Substrat 1 ist eine erste Aktuatorfläche 2a ausgebildet. Die erste Aktuatorfläche 2a kann dabei sowohl auf der Oberseite 1a als auch der Unterseite 1b des Substrats ausgebildet sein. Alternativ kann die erste Aktuatorfläche 2a ein metallisierter Bereich des Substrats 1 sein, so wie in 2a gezeigt.
Oberhalb der Oberseite 1a des Substrats 1 ist eine erste bewegliche Membran 3a angeordnet. Unterhalb der Unterseite 1b des Substrats ist eine zweite bewegliche Membran 3b angeordnet. In 2a sind die erste bewegliche Membran 3a und die zweite bewegliche Membran 3b elektrisch leitend ausgebildet. Die erste bewegliche Membran 3a ist eine erste Kondensatorfläche 5a und eine zweite Aktuatorfläche 2b. Die zweite bewegliche Membran 3b ist eine zweite Kondensatorfläche 5b und eine zweite Aktuatorfläche 2b. Die erste Aktuatorfläche 2a wird mit einem ersten Anschluss 4a einer Gleichspannungsquelle 4 elektrisch leitend verbunden. Die zweite Aktuatorfläche 2b der ersten Membran 3a als auch der zweiten Membran 2b wird mit einem zweiten Anschlusses 4b der Gleichspannungsquelle 4 elektrisch leitend verbunden. Die erste bewegliche Membran 3a bildet eine erste Kondensatorfläche 5a. Die zweite bewegliche Membran 3b bildet eine zweite Kondensatorfläche 5b. Die erste Aktuatorfläche 2a ist hierbei eine dritte Kondensatorfläche 5c.
Die erste Kondensatorfläche 5a bildet mit der ersten Aktuatorfläche 2a bzw. der dritten Kondensatorfläche 5c einen ersten abstimmbaren Kondensator. Die zweite Kondensatorfläche 5b bildet mit der ersten Aktuatorfläche 2a bzw. der dritten Kondensatorfläche 5c einen zweiten abstimmbaren Kondensator. Die erste Kondensatorfläche 5a, die zweite Kondensatorfläche 5b und die dritte Kondensatorfläche 5c sind jeweils mit einer elektrischen Schaltung 6 verbunden. Der abgegriffene Varaktor ist somit entweder eine Parallelschaltung des ersten und des zweiten abstimmbaren Kondensators oder bei Nichtverwenden der dritten Kondensatorfläche 5c in der Schaltung 6 ein Varaktor gebildet durch die erste bewegliche Membran 3a und die zweite bewegliche Membran 3b.
Im Folgenden wird die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Varaktors gemäß 2a beschrieben. Durch Anlegen einer Gleichspannung mittels der Gleichspannungsquelle 4 wird oberhalb des Substrats 1 ein erster Aktuator erhalten, dessen elektrostatische Kraft 20 oberhalb des Substrats 1 wirkt. Weiterhin wird ein zweiter Aktuator erhalten, dessen elektrostatische Kraft 20 unterhalb des Substrats 1 wirkt. Die elektrostatische Kraft 20 auf der Oberseite 1a sowie auf der Unterseite 1b wird in diesem Ausführungsbeispiel als identisch angesehen. Die elektrostatische Kraft 20 kann über die Spannungshöhe der Gleichspannung 4 variiert werden.
Der an die Schaltung 6 anzulegende Varaktor ist ausschließlich über die bewegliche erste Membran 3a und die bewegliche zweite Membran 3b einstellbar. Das bedeutet, dass das Substrat 1 des Varaktors fest ist. Eine von außen auf den Varaktor einwirkende Kraft 7 hat zur Folge, dass sowohl der obere Aktuator als auch der untere Aktuator beeinflusst werden.
Sind die Federkonstanten der Membranen 3a und 3b gleich groß bewegen sich beide Membranen 3a und 3b bei Einwirken der Beschleunigungskraft 7 in die gleiche Richtung. Dieser Effekt wird nun in alternativer Weise ausgenutzt, was anhand der 2b und 2c verdeutlicht wird.
Gemäß 2b werden für die Schaltung 6 die erste Kondensatorfläche 5a, die zweite Kondensatorfläche 5b und auch die dritte Kondensatorfläche 5c verwendet. Dabei bildet die dritte Kondensatorfläche 5c einen ersten Varaktoranschluss. Die erste Kondensatorfläche 5a sowie die zweite Kondensatorfläche 5b bilden einen zweiten Varaktoranschluss des erfindungsgemäßen Varaktors. Somit wird aus den beiden Einzelkapazitäten eine Parallelschaltung gebildet. Die resultierende Gesamtkapazität des Varaktors für die Schaltung 6 ändert sich dementsprechend nicht, da der Kapazitätswert von parallelgeschalteten Kondensatoren stets die Summe der Einzelkondensatoren ist. Eine Vergrößerung des ersten Kapazitätswerts (oberer Aktuator) und gleichzeitige Verkleinerung des zweiten Kapazitätswerts (unterer Aktuator) führt zu einer beschleunigungsresistenten Summe beider Teilkapazitäten des Varaktors. Somit ist die von außen wirkende Kraft 7 ohne Einfluss auf die Varaktorkapazität. Die Einstellbarkeit des Varaktorkapazitätswerts durch die Gleichspannung 4 bleibt dennoch gegeben.
Gemäß 2c wird die Schaltung 6 alternativ angeschaltet. Die dritte Kondensatorfläche 5c wird dabei in der Schaltung 6 nicht verwendet. Stattdessen bildet die erste Kondensatorfläche 5a den ersten Varaktoranschluss und die zweite Kondensatorfläche 5b den zweiten Varaktoranschluss. Der einstellbare Kondensator ist somit durch die erste Kondensatorfläche 5a und die zweite Kondensatorfläche 5b gebildet. Dabei ist in einer Variante die gemeinsame dritte Kondensatorfläche der beiden Einzelkondensatoren zu sehen, wodurch eine Serienschaltung beider Einzelkondensatoren erhalten ist. Alternativ könnte das Substrat 1 auch als zusätzliches Dielektrikum wirken. Da sich sowohl die erste Kondensatorfläche 5a als auch die zweite Kondensatorfläche 5b bei Einwirken der Kraft 7 auf den Varaktor in die gleiche Richtung bewegen, ändert sich der resultierende Kondensator nicht, wodurch ebenfalls ein beschleunigungsresistenter Varaktor erhalten ist.
In den 3 bis 11 sind Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Varaktors gemäß 2 vereinfacht und zur Verdeutlichung des Prinzips dargestellt. Die 3 bis 12 weisen dabei jeweils zwei Darstellungsperspektiven auf, wobei die 3a, 4, 5a, 6a, 7a, 8a, 9a, 10a, 11a, 11c und 12a jeweils den Querschnitt des erfindungsgemäßen Varaktors darstellen und die 3b, 5b, 6b, 7b, 8b, 9b, 10b, 11b und 12b jeweils eine Draufsicht des erfindungsgemäßen Varaktors darstellen. Die in den 3b, 5b, 6b, 7b, 8b, 9b, 10b, 11b und 12b dargestellte Ausformung der ersten Membran 3a ist identisch mit der nicht dargestellten Ausformung der zweiten Membran 3b.
Die Anschlüsse 4a und 4b der Gleichspannungsquelle 4 sowie die Abgriffe für die elektrische Schaltung 6 entsprechen den zwei alternativen Ausführungen gemäß 2b und 2c. Die erste bewegliche Membran 3a und die zweite bewegliche Membran 3b der 3 bis 11 sind dabei entweder aus einem elektrisch isolierenden Material, um die Gleichspannung der Gleichspannungsquelle 4 von der elektrischen Schaltung 6 zu entkoppeln oder aus einem elektrisch leitenden Material, wobei eine Entkopplung zwischen der Gleichspannung von der elektrischen Schaltung 6 alternativ erfolgen sollte. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird nur auf die Unterschiede zwischen den einzelnen 2 bis 11 eingegangen.
In 3a ist die erste bewegliche Membran 3a an einem Ende mit einer Fixierung 30 ausgebildet. Respektive ist die zweite bewegliche Membran 3b mit der Fixierung 30 verbunden. Die der Fixierung 30 gegenüberliegenden Enden der beweglichen Membranen 3a und 3b sind frei schwingend. Jede der beweglichen Membranen 3a und 3b weisen eine zweite Aktuatorfläche 2b und eine Kondensatorfläche 5a bzw. 5b auf. Das Substrat 1 weist die erste Aktuatorfläche 2a auf. Die Ansteuerung des Varaktors erfolgt gemäß 2c, sodass die dritte Kondensatorfläche 5c nicht auf dem Substrat ausgebildet werden muss.
Aus 3b wird ersichtlich, dass die zweite Aktuatorfläche 2b in einem Abstand 13 von der Fixierung 30 angeordnet ist. Die Kondensatorfläche 5a ist im Abstand 12 von der Fixierung 30 auf der jeweiligen beweglichen Membran 3a oder 3b angeordnet. Gemäß 3a und 3b ist der Abstand 13 kürzer als der Abstand 12. Die zweite Aktuatorfläche 2b ist im Abstand 8 von der jeweiligen Kondensatorfläche 5a oder 5b beabstandet.
Durch den Aufbau gemäß 3a und 3b ist ein Übersetzungsverhältnis zwischen der elektrostatischen Kraft 20 des Aktuators und dem resultierenden Kapazitätswert des erfindungsgemäßen Varaktors erzielt. Somit ist bei Ansteuerung der Aktuatorflächen 2a, 2b mittels der Gleichspannung 4 ein größerer Abstimmbereich des Kapazitätswerts für den Varaktor erhalten als bei einer vergleichbaren Gleichspannungsansteuerung gemäß 2.
In 4 ist eine zu 3 alternative Ausführung des erfindungsgemäßen Varaktors beschrieben. Im einzigen Unterschied zur 3 weist das Substrat eine dritte Kondensatorfläche 5c auf. Die Ansteuerung des Varaktors erfolgt gemäß 2b, sodass eine Parallelschaltung der Einzelkondensatoren in der Schaltung 6 vorgenommen wird.
Die dritte Kondensatorfläche 5c ist dabei auf der Oberseite 1a sowie der Unterseite 1b auf dem Substrat ausgebildet und mittels einer Durchkontaktierung zur elektrischen Verknüpfung verbunden. Alternativ ist die dritte Kondensatorfläche 5c als einstückiges Element ähnlich zu 2 ausgebildet.
In der Weiterbildung gemäß der 5a und 5b sind im Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß der 3a und 3b die Aktuatorfläche 2b mit der Kondensatorfläche 5a vertauscht, sodass der Abstand 13 größer ist als der Abstand 12. Durch dieses Vertauschen ist ein Varaktor erhalten, der feiner abstimmbar ist, da eine Änderung der elektrostatischen Kraft 20 verursacht durch die Gleichspannung 4 einen geringeren Einfluss auf die beweglichen Membranen 3a und 3b hat, als eine vergleichbare Gleichspannung im Ausführungsbeispiel gemäß der 2 oder der 3a bzw. 3b.
Im Ausführungsbeispiel der 5a und 5b ist ein weiterer Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß 2 und der 3a bzw. 3b dargestellt. Der Abstand 10 zwischen der ersten Kondensatorfläche 5a und dem Substrat 1 ist geringer als der Abstand 11 zwischen der zweiten Aktuatorfläche 2b und dem Substrat 1. Respektive ist der Abstand 10 zwischen der zweiten Kondensatorfläche 5b und dem Substrat 1 geringer als der Abstand 11 zwischen der zweiten Aktuatorfläche 2b und dem Substrat 1. Dieser unterschiedliche Abstand führt zu einem höheren Abstimmbereich des resultierenden Varaktors im Vergleich zu einem Varaktor gemäß der 2 oder 3a bzw. 3b.
In der Weiterbildung gemäß der 6a und 6b sind im Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß 5a und 5b der Abstand der zweiten Aktuatorfläche 2b zur Fixierung 30 geringer als der Abstand 12 der jeweiligen Kondensatorfläche 5a und 5b zur Fixierung 30. Zusätzlich ist der Abstand 11 zwischen der zweiten Aktuatorfläche 2b und dem Substrat 1 geringer als der Abstand zwischen der jeweiligen Kondensatorfläche 5a, 5b und dem Substrat 1.
Durch die in 6a und 6b gezeigte Darstellung eines Varaktors kann die eingestellte Gleichspannung der Gleichspannungsquelle 4 zum Abstimmen und Einstellen der resultierenden Kapazität des Varaktors wesentlich verkleinert werden. Alternativ ist bei Anlegen einer zu der 2 vergleichbaren Gleichspannung ein feinerer Abstimmbereich des Varaktors erhalten.
Im Ausführungsbeispiel der 6a und 6b ist ein weiterer Unterschied zu den Ausführungsbeispielen gemäß 2 bis 5 dargestellt. In den 6a und 6b sind sowohl die erste bewegliche Membran 3a als auch die zweite bewegliche Membran 3b in einem Bereich 14 in der Nähe der Fixierung 30 verjüngt. Durch diese Verjüngung 14 ist die Federkonstante der Membranen 3a und 3b verkleinert, wodurch der Einfluss der Gleichspannung der Gleichspannungsquelle 4 wesentlich erhöht ist. Es kann somit entweder die Höhe der Gleichspannung stark verringert werden oder der Abstimmbereich des Varaktors stark erhöht werden. Alternativ kann auch eine Verstärkung sowohl der ersten beweglichen Membran 3a als auch der zweiten beweglichen Membran 3b erfolgen, um eine vergrößerte Federkonstante zu erhalten. Dadurch ist der Einfluss der Gleichspannung der Gleichspannungsquelle 4 wesentlich verringert. Es ist somit entweder die Höhe der Gleichspannung stark vergrößert werden oder der Abstimmbereich des Varaktors ist stark verringert.
Weiterhin sind sowohl auf der Oberseite 1a als auch auf der Unterseite 1b des Substrats 1 dritte Kondensatorflächen 5c ausgebildet. Die Ansteuerung des resultierenden Varaktors erfolgt gemäß 2b, sodass eine Parallelschaltung der Einzelkondensatoren in der Schaltung 6 vorgenommen wird.
Alternativ und nicht dargestellt werden die dritten Kondensatorflächen 5c auf dem Substrat 1 nicht ausgebildet, wodurch eine Ansteuerung des Varaktors gemäß Ausführungen zu 2c erfolgt.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 7a und 7b ist im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 6a und 6b die zweite Aktuatorfläche 2b mit der jeweiligen Kondensatorfläche 5a oder 5b auf der jeweiligen Membran 3a oder 3b vertauscht. Zusätzlich ist ebenfalls eine Verjüngung 14 der Membranen 3a und 3b im Bereich der Fixierung 30 vorgesehen, durch die die Abstimmspannung verkleinert werden kann. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 6a und 6b ist der resultierende Varaktor gemäß 7a und 7 büber einen größeren Ziehbereich einstellbar.
Weiterhin sind sowohl auf der Oberseite 1a als auch auf der Unterseite 1b des Substrats 1 dritte Kondensatorflächen 5c ausgebildet. Die Ansteuerung des resultierenden Varaktors erfolgt gemäß 2b, sodass eine Parallelschaltung der Einzelkondensatoren in der Schaltung 6 vorgenommen wird.
Alternativ und nicht dargestellt werden die dritten Kondensatorflächen 5c auf dem Substrat 1 nicht ausgebildet, wodurch eine Ansteuerung des Varaktors gemäß Ausführungen zu 2c erfolgt.
Die in den 5a, 6a und 7a unterschiedlichen Beabstandungen der einzelnen Flächen vom Substrat 1 sind insbesondere durch einen Abstandshalter 9 auf der jeweiligen Membran 3a oder 3b erhalten. Alternativ und hier nicht dargestellt wird der Abstandshalter 9 auf dem Substrat 1 ausgebildet.
In den 8a bis 10b ist eine zu den 3a bis 7b alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Varaktors beschrieben. Wesentlicher Unterschied ist die Fixierung 30 sowohl der ersten beweglichen Membran 3a als auch der zweiten beweglichen Membran 3b an beiden Enden der Membranen 3a und 3b. Die Einflüsse der Beschleunigung sind weiter reduziert, da aufgrund der beidseitigen Fixierung kein frei schwingendes Ende der Membranen 3a und 3b vorhanden ist und die Federkonstante der beweglichen Membranen 3a und 3b erhöht ist.
Im Ausführungsbeispiel gemäß der 8a und 8b ist gezeigt, dass an sowohl der ersten beweglichen Membran 3a als auch der zweiten beweglichen Membran 3b jeweils zwei zweite Aktuatorflächen 2b angeordnet sind. Somit werden die jeweiligen Membranen 3a und 3b bei Anlegen der Gleichspannung gewölbt. Die zwischen den beiden zweiten Aktuatorflächen 2b angeordnete erste Kondensatorfläche 5a bzw. zweite Kondensatorfläche 5b ist dann durch Anlegen der Gleichspannung entsprechend der Höhe der Gleichspannung von dem Substrat 1 entfernt.
Ebenfalls sind sowohl auf der Oberseite 1a als auch auf der Unterseite 1b des Substrats 1 dritte Kondensatorflächen 5c ausgebildet. Die Ansteuerung des resultierenden Varaktors erfolgt gemäß 2b, sodass eine Parallelschaltung der Einzelkondensatoren in der Schaltung 6 vorgenommen wird.
Alternativ und nicht dargestellt werden die dritten Kondensatorflächen 5c auf dem Substrat 1 nicht ausgebildet, wodurch eine Ansteuerung des Varaktors gemäß Ausführungen zu 2c erfolgt.
In den 9a und 9b ist ein zu den 5a und 7a vergleichbarer geringerer Abstand 10 zwischen der ersten Kondensatorfläche 5a und dem Substrat 1 als der Abstand 11 zwischen der zweiten Aktuatorfläche 2b und dem Substrat 1 dargestellt. Dadurch ist eine größere Abstimmbarkeit des resultierenden Varaktors erreicht.
Gemäß 9a werden keine dritten Kondensatorflächen 5c auf dem Substrat 1 ausgebildet, wodurch eine Ansteuerung des Varaktors gemäß Ausführungen zu 2c erfolgt.
Alternativ und nicht dargestellt werden sowohl auf der Oberseite 1a als auch auf der Unterseite 1b des Substrats 1 dritte Kondensatorflächen 5c ausgebildet. Die Ansteuerung des resultierenden Varaktors erfolgt dann gemäß 2b, sodass eine Parallelschaltung der Einzelkondensatoren in der Schaltung 6 vorgenommen wird.
In den 10a und 10b ist eine zu den 6b und 7b vergleichbare Verjüngung 14 der ersten beweglichen Membran 3a und der zweiten beweglichen Membran 3b dargestellt. Diese Verjüngung 14 verringert die Federkonstante der jeweiligen Membran 3a und 3b, wodurch ein höherer Ziehbereich des resultierenden Varaktors erreicht ist oder eine geringere Gleichspannung von der Gleichspannungsquelle 4 angelegt werden kann, um gleiche Auslenkungen der beweglichen Membranen 3a, 3b zu erhalten.
In den 11a, 11b und 11c ist eine zu den 3 bis 7 sowie zu den 8 bis 10 alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Varaktors gezeigt.
Dabei ist die Fixierung 30 bei den 11a bis 11c mittig an der jeweiligen Membran 3a, 3b angeordnet. Dabei ist gemäß 11b die Fixierung 30 zwischen der ersten Kondensatorfläche 5a und der zweiten Aktuatorfläche 2b auf der erste Membran 3a angeordnet. Respektive ist die Fixierung 30 zwischen der zweiten Kondensatorfläche 5b und der zweiten Aktuatorfläche 2b auf der zweiten Membran 3b angeordnet.
Der Abstand 12 zwischen der ersten Kondensatorfläche 5a und der Fixierung 30 ist dabei in einer ersten Alternative gleich dem Abstand 13 zwischen der zweiten Aktuatorfläche 2b und der Fixierung 30. Durch einen derartig ausgeformten Varaktor ist ein reziprokes Verhalten zwischen angelegter Abstimmspannung und Varaktorkapazität erzielt. Durch Veränderung der Abstände 12 und 13 in einer zweiten Alternative lassen sich Übersetzungsverhältnisse zwischen der elektrostatischen Kraft 20 und dem resultierenden Kapazitätswert des Varaktors einstellen.
In 11a sind keine dritten Kondensatorflächen 5c ausgebildet, wodurch eine Ansteuerung des resultierenden Varaktors gemäß 2c erfolgt.
Gemäß 11c sind im Unterschied zu 11a sowohl auf der Oberseite 1a als auch auf der Unterseite 1b des Substrats 1 dritte Kondensatorflächen 5c auf der Seite der ersten Kondensatorfläche 5a und der zweiten Kondensatorfläche 5b ausgebildet. Die Ansteuerung des resultierenden Varaktors erfolgt gemäß 2b, sodass eine Parallelschaltung der Einzelkondensatoren in der Schaltung 6 vorgenommen wird.
In 12a und 12b ist eine Weiterbildung der in 11a bis 11c dargestellten erfindungsgemäßen Varaktors gezeigt. Dabei ist in 12a ein Querschnitt und in 12b eine Draufsicht des erfindungsgemäßen Varaktors gezeigt. Entgegen der 11 ist die Fixierung 30 gemäß der 12 nicht zwischen dem Substrat 1 und der jeweiligen beweglichen Membran 3a, 3b ausgestaltet. Alternativ ist in 12 die Fixierung 30 auf einer Ebene mit der jeweiligen Membran 3a, 3b ausgebildet. Über Torsionsfedern 31 wird die jeweilige Membran 3a, 3b beweglich angeordnet. Durch die Ausgestaltung der Fixierung 30 auf der gleichen Ebene wie die Membran 3a, 3b kann eine vollflächige Ebene durch entsprechende Aussparungen und Metallisierungen verwendet werden ohne dass eine zusätzliche Fixierung 30 zwischen Substrat 1 und Membran 3 ausgebildet werden muss. Bei Anlegen einer Gleichspannung an die Aktuatorflächen 2a, 2b wirkt eine elektrostatische Kraft auf die Torsionsfeder 31, wodurch diese aufgrund der geringen Breite eine reziproke Auslenkung verursacht. Die Breite der Torsionsfeder 31 stellt dabei die resultierende Federkonstante ein, die der elektrostatischen Kraft entgegenwirkt. In 13 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Varaktors gezeigt. Im Unterschied zu den vorangegangenen Figuren ist der Abstand d1 zwischen Substrat 1 und erster beweglicher Membran 3a größer als der Abstand d2 zwischen Substrat 1 und zweiter beweglicher Membran 3b.
Dieser Abstandsunterschied basiert insbesondere auf einer vorgegebenen Schichtenfolge einer Leiterplatine oder einer vorgegebenen Anordnung von Schichten und deren Schichtdicken bei einer integrierten Halbleiterstruktur. Diese unterschiedlichen Abstände d1 und d2 sind zu kompensieren, damit der erste Kapazitätswert basierend auf dem Kondensator zwischen Substrat 1 und erster beweglicher Membran 3a gleich groß zum zweiten Kapazitätswert basierend auf dem Kondensator zwischen Substrat 1 und zweiter beweglicher Membran 3b ist.
Diese Kompensation des Abstandsunterschieds erfolgt insbesondere durch Verwendung unterschiedlicher Materialien oder verschiedener Dicken für die erste bewegliche Membran 3a und die zweite bewegliche Membran 3b. Die daraus resultierenden unterschiedlichen Federkonstanten der Membranen 3a und 3b erzeugen dann unterschiedliche Auslenkungen der Membran 3a im Vergleich zur Membran 3b bei Anlegen der Gleichspannungsquelle 4.
Die Kompensation des Abstandsunterschieds erfolgt alternativ durch Verjüngung 14 bzw. Verstärkung von der ersten beweglichen Membran 3a oder der zweiten bewegliche Membran 3b entsprechend des Ausführungsbeispiels gemäß 6 und 10. Die daraus resultierenden unterschiedlichen Federkonstanten der Membranen 3a und 3b erzeugen dann unterschiedliche Auslenkungen der Membran 3a im Vergleich zur Membran 3b bei Anlegen der Gleichspannungsquelle 4.
Die Kompensation des Abstandsunterschieds erfolgt alternativ durch Anlegen unterschiedlicher Gleichspannungspegel zwischen der ersten beweglichen Membran 3a und dem Substrat 1 beziehungsweise der zweiten bewegliche Membran 3b und dem Substrat 1. Die daraus resultierenden unterschiedlichen Auslenkungen der Membranen 3a und 3b erzeugen dann unterschiedliche Teil-Kapazitätswerte.
Umgekehrt kann die Verwendung von unterschiedlichen Materialien für die erste bewegliche Membran 3a und die zweite bewegliche Membran 3b dazu veranlassen, die Abstände d1 und d2 unterschiedlich auszugestalten. Im Erfindungsgrundgedanken ist daher ebenfalls die Einstellbarkeit der Abstände d1 und d2 enthalten, um eine unterschiedliche Beschaffenheit der Membranen 3a und 3b, beispielsweise durch Verwendung unterschiedlicher Materialien oder Ausbilden der Membranen mit unterschiedlichen Membrandicken auszugleichen.
Alternativ und nicht dargestellt, kann die erste Kondensatorfläche 5a zur zweiten Kondensatorfläche 5b unterschiedlich groß ausgebildet sein. Aufgrund der unterschiedlichen Flächen der resultierenden Plattenkondensatoren werden unterschiedliche Teilkapazitäten erhalten. Damit können verschiedene Federkonstanten der beweglichen Membran 3a, 3b ausgeglichen werden oder eine gezielte Verstimmung des erfindungsgemäßen Varaktors erzielt werden. Alternativ oder zusätzlich werden die Aktuatorflächen 2b auf der jeweiligen beweglichen Membran 3a oder 3b unterschiedlich groß ausgebildet.
Der erfindungsgemäße Varaktor nach 13 ist gemäß der 3 bis 7 mit lediglich einer Fixierung 30 am Rand ausgebildet. Im Erfindungsgrundgedanken ist ebenfalls ein Aufbau des Varaktors gemäß 8 bis 10 oder der 11 und 12 mit unterschiedlichen Abständen d1 und d2.
In 14 ist ein erfindungsgemäßes Varaktorsystem dargestellt. Dabei ist eine Mehrzahl von Varaktoren 16 der hier bereits beschriebenen Art auf einer Schaltungsplatine 15 angeordnet. Die Anordnung der Varaktoren 16 auf der Platine 15 ist beliebig. Insbesondere sind die Varaktoren 16 über die gesamte Fläche der Platine 16 willkürlich angeordnet. Alle Varaktoren 16 sind parallel geschaltet.
Durch Fertigungstoleranzen der erfindungsgemäßen Varaktoren 16 ist es mitunter schwierig, zwei identische bewegliche Membranen 3a und 3b in einen Varaktor 16 einzubringen. Somit ist die resultierende Mittelung der Fehlerkapazität bei Beschleunigung des Varaktors nicht vollständig kompensiert. Um den aufgrund der Fertigungstoleranzen eingeschleusten Fehler bei Beschleunigung des Varaktors weiter zu minimieren, werden zumindest zwei Varaktoren parallel geschaltet, um eine weitere Verringerung des Beschleunigungsfehlers zu erwirken. Die Fehlerverringerung wirkt sich insbesondere bei Parallelschalten einer Vielzahl von Varaktoren aus, da der Fehler der einzelnen Varaktoren 16 ausgemittelt wird.
Der Aufbau gemäß 14 verringert zusätzlich auch das Kapazitätsrauschen der Varaktoren 16. Varaktoren 16 werden zumeist in einer Gasumgebung betrieben. Die Gasteilchen führen je nach Druck, Gassorte und Temperatur Brown‘sche Molekular-Bewegungen aus. Für einen Varaktor 16 auf MEMS-Basis bedeutet dies, dass die Gasteilchen auf die Membran 3 des Varaktors 16 prallen und somit der Kapazität ein Rauschen hinzufügen. Durch das Parallelschalten mehrerer Varaktoren 16 prallen die Gasteilchen unkorreliert auf die einzelnen Membranen, sodass der Einfluss der Gasteilchen herausgemittelt ist.
Die Varaktoren können entweder diskret auf einer Platine 15 aufgebracht werden oder sie werden in eine Halbleiterschaltung integriert.
Die Varaktoren der hier beschriebenen Erfindung können insbesondere bei integrierten VCOs, abstimmbaren Frequenzfiltern, Phasenschiebern und der gleichen eingesetzt werden. Der VCO kann dabei von wenigen kHz bis zweistelligen GHz-Bereichen betreiben werden. Die Anfälligkeit gegenüber Mikrophonie ist durch den erfindungsgemäßen Varaktor stark verbessert. Die Gleichspannungsquelle 4 weist typischerweise einen Bereich von 0 bis 40 Volt auf.
Im Rahmen der Erfindung können alle beschriebenen und/oder gezeichneten und/oder beanspruchten Elemente beliebig miteinander kombiniert werden.

Claims

Varaktor mit einem Aktuator (2), wobei eine erste Aktuatorfläche (2a) des Aktuators (2) an einem Substrat (1) ausgebildet ist und eine zweite Aktuatorfläche (2b) auf einer ersten beweglichen Membran (3a) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet: – dass der Varaktor zusätzlich eine zweite bewegliche Membran (3b) aufweist; – dass die erste bewegliche Membran (3a) oberhalb einer Oberseite (1a) des Substrats (1) angeordnet ist; und – dass die zweite bewegliche Membran (3b) unterhalb einer der Oberseite (1a) abgewandten Unterseite (1b) des Substrats (1) angeordnet ist.
Varaktor nach Anspruch 1, wobei – die erste Aktuatorfläche (2a) eine elektrisch leitende Verbindung zu einem ersten Anschluss (4a) einer Gleichspannungsquelle (4) aufweist; – die zweite Aktuatorfläche (2b) eine elektrisch leitende Verbindung zu einem zweiten Anschluss (4b) der Gleichspannungsquelle (4) aufweist; und – eine an der Gleichspannungsquelle (4) eingestellte Gleichspannung zum Ausbilden einer elektrostatischen Kraft (20) auf die erste bewegliche Membran (3a) und auf die zweite bewegliche Membran (3b) eingerichtet ist.
Varaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste bewegliche Membran (3a) eine erste Kondensatorfläche (5a) aufweist und wobei die zweite bewegliche Membran (3b) eine zweite Kondensatorfläche (5b) aufweist.
Varaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste bewegliche Membran (3a) und die zweite bewegliche Membran (3b) aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildet sind.
Varaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste bewegliche Membran (3a) einen ersten Varaktoranschluss aufweist und wobei die zweite bewegliche Membran (3b) einen zweiten Varaktoranschluss aufweist.
Varaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat (1) eine dritte Kondensatorfläche (5c) aufweist und das Substrat (1) einen dritten Varaktoranschluss aufweist.
Varaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf der ersten beweglichen Membran (3a) und auf der zweiten beweglichen Membran(3b) jeweils eine Kondensatorfläche (3a, 3b) und eine zweite Aktuatorfläche (2b) ausgebildet sind und wobei die jeweilige Kondensatorfläche (3a, 3b) in einem Abstand (8) von der Aktuatorfläche (2b) angeordnet ist.
Varaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste bewegliche Membran (3a) und die zweite Membran (3b) durch eine Fixierung (30) an einem Ende der jeweiligen Membran (3a, 3b) beweglich gelagert sind.
Varaktor nach Anspruch 8, wobei der Abstand (13) zwischen der zweiten Aktuatorfläche (2b) und der Fixierung (30) der jeweiligen Membran (3a, 3b) kleiner ist als der Abstand (12) zwischen der jeweiligen Kondensatorfläche (5a, 5b) und der Fixierung (30) der Membran (3a, 3b).
Varaktor nach Anspruch 8, wobei der Abstand (13) zwischen der zweiten Aktuatorfläche (2b) und der Fixierung (30) der jeweiligen Membran (3a, 3b) größer ist als der Abstand (12) zwischen der jeweiligen Kondensatorfläche (5a, 5b) und der Fixierung (30) der Membran (3a, 3b).
Varaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste bewegliche Membran (3a) und die zweite bewegliche Membran (3b) durch eine Fixierung (30) mittig der jeweiligen Membran (3a, 3b) eingespannt gelagert sind.
Varaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste bewegliche Membran (3a) und die zweite bewegliche Membran (3b) durch eine Fixierung (30) an jeweils zwei Enden der Membran (3a, 3b) eingespannt gelagert sind.
Varaktor nach Anspruch 12, wobei die erste bewegliche Membran (3a) und die zweite bewegliche Membran (3b) jeweils zwei zweite Aktuatorflächen (2b) aufweisen, wobei zwischen den zwei zweiten Aktuatorflächen (2b) jeweils eine Kondensatorfläche (5a, 5b) angeordnet ist.
Varaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste bewegliche Membran (3a) und die zweite bewegliche Membran (3b) im Bereich einer Fixierung (30) eine Verjüngung (14) aufweist.
Varaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf der ersten beweglichen Membran (3a) und auf der zweiten beweglichen Membran (3b) jeweils eine Kondensatorfläche (5a, 5b) und eine zweite Aktuatorfläche (2b) ausgebildet sind und wobei der Abstand (10) zwischen der jeweiligen Kondensatorfläche (5a, 5b) und dem Substrat (1) kleiner ist als der Abstand (11) zwischen der zweiten Aktuatorfläche (2b) und dem Substrat (1).
Varaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf der ersten beweglichen Membran (3a) und auf der zweiten beweglichen Membran (3b) jeweils eine Kondensatorfläche (5a, 5b) und eine zweite Aktuatorfläche (2b) ausgebildet sind und wobei der Abstand (10) zwischen der jeweiligen Kondensatorfläche (5a, 5b) und dem Substrat (1) größer ist als der Abstand (11) zwischen der zweiten Aktuatorfläche (2b) und dem Substrat (1).
Varaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf auf der ersten beweglichen Membran (3a) und auf der zweiten beweglichen Membran (3b) jeweils eine Kondensatorfläche (5a, 5b) und eine zweite Aktuatorfläche (2b) ausgebildet sind und wobei die jeweilige Kondensatorfläche (5a, 5b) eine zur zweiten Aktuatorfläche (2b) verschiedene Größe aufweist.
Varaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf auf der ersten beweglichen Membran (3a) und auf der zweiten beweglichen Membran (3b) jeweils eine Kondensatorfläche (5a, 5b) in unterschiedlicher Größe ausgebildet ist.
Varaktorensystem mit zumindest zwei Varaktoren (16) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet: dass alle Varaktoren (16) parallel geschaltet sind.