KR101104461B1 - 멤즈 가변 캐패시터 - Google Patents

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KR101104461B1
KR101104461B1 KR1020100051958A KR20100051958A KR101104461B1 KR 101104461 B1 KR101104461 B1 KR 101104461B1 KR 1020100051958 A KR1020100051958 A KR 1020100051958A KR 20100051958 A KR20100051958 A KR 20100051958A KR 101104461 B1 KR101104461 B1 KR 101104461B1
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김창욱
조성배
송주영
양현호
한창훈
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한국과학기술원
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    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G7/00—Capacitors in which the capacitance is varied by non-mechanical means; Processes of their manufacture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G5/00—Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture
    • H01G5/16—Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture using variation of distance between electrodes

Abstract

본 발명은 멤즈 가변 캐패시터에 관한 것이다.
즉, 본 발명의 멤즈 가변 캐패시터는 제 1 전극과; 상기 제 1 전극 상부에 플로팅되어 있는 제 2 전극과; 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이의 간격을 조절하여, 캐패시턴스값을 가변시킬 수 있으며, 고정되어 있는 제 3 전극을 포함한다.

Description

멤즈 가변 캐패시터 { MEMS variable capacitor }
본 발명은 멤즈 가변 캐패시터에 관한 것이다.
이동통신시스템에 있어서 RF(Radio Frequency) 블럭은 여러 주파수대역을 지원하도록 설계되며, 특히 주파수 대역과 직접적으로 관련된 필터에 사용되는 캐패시터는 각 주파수 대역에 대해 서로 다른 캐패시턴스값을 갖는 가변 캐패시터를 사용해야 한다.
또한, RF 블럭의 구성요소 중 전압제어발진기(Voltage Controlled Oscillators:VCO)는 가변 캐패시터에 가해지는 전압을 조정하여 캐패시턴스의 변화를 얻고, 이를 통해 공진주파수를 바꿀 수 있게 한다.
이와 같이 가변 캐패시터는 RF 블럭의 튜너블 필터나 전압제어발진기에 있어서 매우 중요한 소자이다.
본 발명은 인가전압에 따라 정전용량 변화율이 선형적인 특성을 가지고 있어, 일관성있는 위상 잡음 특성을 얻을 수 있는 과제를 해결하는 것이다.
본 발명은,
제 1 전극과;
상기 제 1 전극 상부에 플로팅되어 있는 제 2 전극과;
상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이의 간격을 조절하여, 캐패시턴스값을 가변시킬 수 있으며, 고정되어 있는 제 3 전극을 포함하는 멤즈 가변 캐패시터가 제공된다.
그리고, 상기 제 2 전극은 스프링 구조물에 의해 상기 제 1 전극 상부로부터 플로팅되어 있다.
또, 상기 제 1 전극에서 상기 제 2 전극으로 RF 신호가 인가된다.
본 발명은,
제 1 전극과;
상기 제 1 전극에 이격되어 있는 제 2 전극과;
상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 상부에 플로팅되어 있는 제 3 전극과;
상기 제 3 전극에 스프링 구조물로 연결되어 있는 제 4 전극들과;
상기 제 4 전극들에 대향되어 있고, 상기 제 4 전극들로 전압이 인가되어 상기 제 1과 제 2 전극과 상기 제 3 전극 사이의 간격을 조절하여, 캐패시턴스값을 가변시킬 수 있으며, 고정되어 있는 제 5 전극들을 포함하는 멤즈 가변 캐패시터가 제공된다.
상기 스프링 구조물의 일부 영역을 고정시키는 지지 구조물을 더 포함한다.
그리고, 상기 스프링 구조물, 상기 지지 구조물, 상기 제 4 전극들 및 상기 제 5 전극들 각각은 한 쌍이고, 상기 한 쌍의 스프링 구조물 각각은 상기 제 3 전극 양측면 끝단 및 상기 한 쌍의 제 4 전극들 각각에 연결되어 있고 상기 한 쌍의 스프링 구조물 각각의 일부 영역은 상기 한 쌍의 지지 구조물 각각에 의해 고정되어 있으며, 상기 제 5 전극들 각각은 상기 제 4 전극들 각각에 대향되어 있다.
또한, 상기 제 5 전극들에서 상기 제 4 전극들로 전압이 인가되면, 상기 한 쌍의 지지 구조물에 의해 시소(Seesaw) 구동에 의하여, 상기 제 3 전극은 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 상부로 상승하는 변위를 갖는다.
더불어, 상기 제 1 전극, 상기 제 2 전극 및 상기 제 5 전극은 기판에 고정되어 있다.
본 발명의 멤즈 가변 캐패시터는 RF 신호가 인가되지 않은 별도의 전극에서 전압이 인가되어 캐패시턴스를 조절할 수 있는 효과가 있다.
그리고, 본 발명의 멤즈 가변 캐패시터는 제 1 전극에서 제 3 전극으로 RF 신호를 인가하고, RF 신호를 제 3 전극에서 제 2 전극으로 전달되는 구조로, 플로팅된 제 3 전극을 지지하는 기계적인 스프링 구조물로는 RF 신호가 흐르지 않아, 높은 Q값을 얻을 수 있는 효과가 있다.
또, 본 발명의 멤즈 가변 캐패시터는 인가전압에 따라 정전용량 변화율이 선형적인 특성을 가지고 있어, 일관성있는 위상 잡음 특성을 얻을 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 가변 캐패시터를 설명하기 위한 개략적인 개념도
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 MEMS 가변 캐패시터를 설명하기 위한 개략적인 개념도
도 3은 본 발명의 비교예의 가변 캐패시터를 설명하기 위한 개략적인 개념도
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 비교예의 가변 캐패시터의 특성을 설명하기 위한 그래프
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 MEMS 가변 캐패시터를 설명하기 위한 개략적인 개념도
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 MEMS 캐패시터의 특성을 설명하기 위한 그래프
도 7은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 MEMS 가변 캐패시터의 일례를 개략적으로 도시한 사시도
도 8은 도 7의 MEMS 가변 캐패시터에서 캐패시턴스가 가변되는 것을 설명하기 위한 사시도
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 가변 캐패시터를 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
본 발명의 제 1 실시예의 멤즈 가변 캐패시터는 제 1 전극(101) 상부에 제 2 전극(102)을 플로팅(Floating)시키고, 고정되어 있는 제 3 전극(103)에 전압을 인가하여 상기 제 1 전극(101)과 상기 제 2 전극(102) 사이의 간격을 조절하여, 캐패시턴스값을 가변시킬 수 있는 구조를 갖는다.
즉, 본 발명의 제 1 실시예의 멤즈 가변 캐패시터는 제 1 전극(101)과; 상기 제 1 전극(101) 상부에 플로팅되어 있는 제 2 전극(102)과; 상기 제 1 전극(101)과 상기 제 2 전극(102) 사이의 간격을 조절하여, 캐패시턴스값을 가변시킬 수 있으며, 고정되어 있는 제 3 전극(103)을 포함하여 구성된다.
상기 제 2 전극(102)은 스프링 구조물(105a,105b)에 의해 상기 제 1 전극(101) 상부로부터 플로팅되어 있다.
그리고, 상기 제 1 전극(101)에서 상기 제 2 전극(102)으로 RF 신호가 인가된다.
그러므로, 이 실시예의 멤즈 가변 캐패시터는 상기 제 3 전극(103)에서 전압을 인가하여, 상기 제 2 전극(102)을 상기 제 3 전극(103) 방향으로 이동시킴으로써, 상기 제 1 전극(101)과 상기 제 2 전극(102) 사이의 간격을 조절하게 된다.
이때, 상기 제 2 전극(102)이 상기 제 3 전극(103)에 점점 가까워지면, 상기 제 2 전극(102)은 상기 제 1 전극(101)으로부터 점점 멀어지게 된다.
따라서, 상기 제 3 전극(103)에 인가된 전압이 커지게 되면, 상기 제 2 전극(102)은 상기 제 3 전극(103)에 점점 가까워지게 되고, 상기 제 2 전극(102)은 상기 제 1 전극(101)으로부터 점점 멀어지게 되어, 캐패시턴스값은 점점 작아지게 된다.
결국, 본 발명의 제 1 실시예의 멤즈 가변 캐패시터는 RF 신호가 인가되지 않은 별도의 전극에서 전압이 인가되어 캐패시턴스를 조절할 수 있는 장점이 있다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 MEMS 가변 캐패시터를 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 MEMS 가변 캐패시터는 제 1 전극(201)과 제 2 전극(202)을 고정시키고, 상기 제 1 전극(201)과 상기 제 2 전극(202) 상부에 제 3 전극(203)을 플로팅시키며, 고정되어 있는 제 5 전극(211,212)에 전압을 인가하여 상기 제 1과 제 2 전극(201,202)과 상기 제 3 전극(203) 사이의 간격을 조절하여, 캐패시턴스값을 가변시킬 수 있는 구조를 갖는다.
즉, 제 2 실시예에 따른 MEMS 가변 캐패시터는 제 1 전극(201)과; 상기 제 1 전극(101)에 이격되어 있는 제 2 전극(202)과; 상기 제 1 전극(201)과 상기 제 2 전극(202) 상부에 플로팅되어 있는 제 3 전극(203)과; 상기 제 3 전극(203)에 스프링 구조물(204,206)로 연결되어 있는 제 4 전극들(205,207)과; 상기 제 4 전극들(205,207)에 대향되어 있고, 상기 제 4 전극들(205,207)로 전압이 인가되어 상기 제 1과 제 2 전극(201,202)과 상기 제 3 전극(203) 사이의 간격을 조절하여, 캐패시턴스값을 가변시킬 수 있으며, 고정되어 있는 제 5 전극들(211,212)을 포함하여 구성된다.
그러므로, 상기 제 5 전극들(211,212)에서 상기 제 4 전극들(205,207)로 전압을 인가하면, 상기 제 4 전극들(205,207)이 상기 제 5 전극들(211,212)로 이동되어, 상기 제 3 전극(203)은 상기 제 1과 제 2 전극(201,202)으로부터 멀어지게 된다.
결국, 이 실시예도, RF 신호가 인가되지 않은 별도의 전극인 제 5 전극들(211,212)에서 전압이 인가되어, 상기 제 1과 제 2 전극(201,202)과 상기 제 3 전극(203) 사이의 간격을 조절하여, 캐패시턴스값을 가변시킬 수 있는 것이다.
또한, 제 2 실시예에 따른 MEMS 가변 캐패시터는 상기 제 1 전극(201)에서 상기 제 3 전극(203)으로 RF 신호를 인가하고, 상기 RF 신호를 상기 제 3 전극(203)에서 상기 제 2 전극(202)으로 전달되는 구조로, 플로팅된 제 3 전극(203)을 지지하는 기계적인 스프링 구조물(204,206)로는 RF 신호가 흐르지 않아, 높은 Q값을 얻을 수 있는 장점이 있다.
도 3은 본 발명의 비교예의 가변 캐패시터를 설명하기 위한 개략적인 개념도이고, 도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 비교예의 가변 캐패시터의 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
일반적인 가변 캐패시터인 본 발명의 비교예는 제 1과 제 2 전극(10,20)이 서로 마주보고 있는 형태로, 고정된 제 1 전극(10)에 전압을 인가하면, 기계적인 스프링들(30,40)에 의해 플로팅된 제 2 전극(20)이 하부로 당겨지면서, 상기 제 1과 제 2 전극(10,20)의 사이 간격이 조절되어 캐패시턴스값이 변하게 된다.
그러므로, 본 발명의 비교예는 도 4a에 도시된 그래프와 같이, 인가 전압이 일정하게 증가될수록 유동 전극인 제 2 전극(20)의 변위가 급속도로 증가되고, 도 4의 그래프와 같이, 유동 전극의 변위가 일정하게 증가될수록 정전용량 변화율도 급속도로 증가되어, 도 4c의 그래프에 도시된 바와 같이, 인가 전압이 일정하게 증가될수록 정전용량의 변화율은 급속도로 증가하게 된다.
결과적으로, 비교예의 가변 캐패시터는 인가전압에 따라 정전용량 변화율이 선형적이지 못해 일관성있는 위상 잡음 특성을 얻지 못하게 되고, 인가전압의 최대치 부근에서 급격한 정전용량의 변화를 컨트롤하기 어렵다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 MEMS 가변 캐패시터를 설명하기 위한 개략적인 개념도이고, 도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 MEMS 캐패시터의 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
먼저, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 MEMS 가변 캐패시터는 시소(Seesaw) 구조로 플로팅되어 있는 유동 전극을 움직여서, 상기 유동 전극과 고정 전극 사이의 간격을 조절함으로써, 캐패시턴스값을 가변시킬 수 있는 구조를 갖는다.
즉, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 MEMS 가변 캐패시터는 제 1 전극(301)과; 상기 제 1 전극(301)에 이격되어 있는 제 2 전극(302)과; 상기 제 1 전극(301)과 상기 제 2 전극(302) 상부에 플로팅되어 있는 제 3 전극(320)과; 상기 제 3 전극(320)에 스프링 구조물(323a,323b)로 연결되어 있는 제 4 전극들(321,322)과; 상기 제 4 전극들(321,322)에 대향되어 있고, 상기 제 4 전극들(321,322)로 전압이 인가되어 상기 제 1과 제 2 전극(301,302)과 상기 제 3 전극(320) 사이의 간격을 조절하여, 캐패시턴스값을 가변시킬 수 있으며, 고정되어 있는 제 5 전극들(311,312)과; 상기 스프링 구조물(323a,323b)의 일부 영역을 고정시키는 지지 구조물(미도시)을 포함하여 구성된다.
이런 제 3 실시예의 가변 캐패시터는 도 5a의 상태에서 상기 제 5 전극들(311,312)에서 상기 제 4 전극들(321,322)로 전압을 인가하면, 도 5b에 도시된 상태와 같이 상기 제 4 전극들(321,322)이 상기 제 5 전극들(311,312) 방향으로 이동된다.
이때, 상기 제 3 전극(320)과 상기 제 4 전극들(321,322)을 연결하는 스프링 구조물(323a,323b)의 일부 영역은 상기 지지 구조물에 의해 고정되어 있으므로, 상기 고정된 스프링 구조물(323a,323b)의 일부 영역을 기준으로 상기 제 4 전극들(321,322) 영역은 상기 제 5 전극들(311,312)로 접근하여 가까워지고, 상기 제 3 전극(320) 영역은 상기 제 1과 제 2 전극(301,302)으로부터 멀어지게 된다.
즉, 상기 제 1 및 제 2 전극(301,302)과 상기 제 3 전극(320) 사이의 간격은 전압이 인가되기 전(前)(도 5a)에 'd2'에서 전압이 인가된 후(後)(도 5b)에 'd4'로 커지게 된다.
그리고, 상기 제 4 전극들(321,322)과 상기 제 5 전극들(311,312)의 간격은 전압이 인가되기 전(도 5a)에 'd1'에서 전압이 인가된 후(도 5b)에 'd3'로 좁아지게 된다.
그러므로, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 MEMS 가변 캐패시터는 상기 제 5 전극들(311,312)에서 상기 제 4 전극들(321,322)로 인가되는 전압 크기로, 상기 제 1 및 제 2 전극(301,302)과 상기 제 3 전극(320) 사이의 간격을 조절하여, 캐패시턴스값을 가변시킬 수 있는 것이다.
또, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 MEMS 가변 캐패시터도 상기 제 1 전극(301)에서 상기 제 3 전극(320)으로 RF 신호를 인가되고, 상기 제 3 전극(320)에서 상기 제 2 전극(302)으로 전달되는 구조로, 기계적인 스프링 구조물(323a,323b)로는 신호가 흐르지 않아, 높은 Q값을 얻을 수 있는 장점이 있다.
그리고, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 MEMS 가변 캐패시터도 RF 신호가 인가되지 않은 별도의 전극인 제 5 전극들(311,312)에서 전압이 인가되어, 상기 제 1과 제 2 전극(301,302)과 상기 제 3 전극(320) 사이의 간격을 조절하여, 캐패시턴스값을 가변시킬 수 있는 장점이 있다.
한편, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 MEMS 가변 캐패시터는 도 6a와 같이 인가 전압이 일정하게 증가될수록 유동 전극인 제 3 전극(320)의 변위가 급속도로 증가되지만, 도 6b와 같이 상기 유동 전극의 변위가 일정하게 증가될수록 정전용량 변화율도 급속도로 감소된다.
그러므로, 도 6c의 그래프에 도시된 바와 같이, 인가 전압이 일정하게 증가될수록 정전용량의 변화율이 선형적으로 감소되는 특성을 얻을 수 있다.
따라서, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 MEMS 가변 캐패시터는 비교예의 가변 캐패시터와 대비하여, 인가전압에 따라 정전용량 변화율이 선형적인 특성을 가지고 있어, 일관성있는 위상 잡음 특성을 얻을 수 있는 장점이 있다.
도 7은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 MEMS 가변 캐패시터의 일례를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 8은 도 7의 MEMS 가변 캐패시터에서 캐패시턴스가 가변되는 것을 설명하기 위한 사시도이다.
본 발명의 제 3 실시예에 따른 MEMS 가변 캐패시터의 일례는 도 7에 도시된 바와 같이, 제 3 전극(520)이 사각형 형상이고, 상기 제 3 전극(520) 양측면 끝단에 대칭적으로 한 쌍의 스프링 구조물(523a,523b)이 연결되어 있다.
그리고, 상기 한 쌍의 스프링 구조물(523a,523b) 각각에는 제 4 전극들(521,522) 각각이 연결되어 있으며, 상기 한 쌍의 스프링 구조물(523a,523b) 각각의 일부 영역은 지지 구조물(525a,525b)에 의해 고정되어 있다.
여기서, 상기 한 쌍의 스프링 구조물(523a,523b) 각각의 일부 영역이 상기 지지 구조물(525a,525b)에 의해 고정되어 있으므로, 상기 제 3 전극(520), 상기 한 쌍의 스프링 구조물(523a,523b) 및 상기 제 4 전극들(521,522)은 플로팅(Floating)되어 있게 된다.
또, 상기 제 4 전극들(521,522) 각각과 대향되어 이격된 제 5 전극들(511,512)은 고정되어 있고, 상기 제 3 전극(520) 하부에는 도 8에 도시된 바와 같이, 제 1 전극(501)과 제 2 전극(502)이 배치되어 고정되어 있다.
한편, 전술된 '고정'은 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 기술로 가변 캐패시터를 구현하기 위한 기판(미도시)에 고정되어 있는 것을 포함한다.
여기서, 상기 제 1 전극(501), 상기 제 2 전극(502) 및 상기 제 5 전극(511,512)은 기판에 고정되어 있다.
따라서, 상기 제 5 전극들(511,512)에서 상기 제 4 전극들(521,522)로 전압이 인가되면, 도 7의 상태에서 도 8의 상태와 같이, 시소 구동에 의하여 상기 제 3 전극(520)은 상기 제 1 전극(501)과 제 2 전극(502) 상부로 상승하는 변위를 가지게 되어, 상기 제 1 및 제 2 전극(501,502)과 상기 제 3 전극(520) 사이 간격은 커지게 되는 것이다.
본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (8)

  1. 제 1 전극과;
    상기 제 1 전극 상부에 플로팅되어 있는 제 2 전극과;
    상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이의 간격을 조절하여, 캐패시턴스값을 가변시킬 수 있으며, 고정되어 있는 제 3 전극을 포함하며,
    상기 제 1 전극에서 상기 제 2 전극으로 RF 신호가 인가되는 멤즈 가변 캐패시터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 2 전극은,
    스프링 구조물에 의해 상기 제 1 전극 상부로부터 플로팅되어 있는 멤즈 가변 캐패시터.
  3. 삭제
  4. 제 1 전극과;
    상기 제 1 전극에 이격되어 있는 제 2 전극과;
    상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 상부에 플로팅되어 있는 제 3 전극과;
    상기 제 3 전극에 스프링 구조물로 연결되어 있는 제 4 전극들과;
    상기 제 4 전극들에 대향되어 있고, 상기 제 4 전극들로 전압이 인가되어 상기 제 1과 제 2 전극과 상기 제 3 전극 사이의 간격을 조절하여, 캐패시턴스값을 가변시킬 수 있으며, 고정되어 있는 제 5 전극들과;
    상기 스프링 구조물의 일부 영역을 고정시키는 지지 구조물을 포함하는 멤즈 가변 캐패시터.
  5. 삭제
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 스프링 구조물, 상기 지지 구조물, 상기 제 4 전극들 및 상기 제 5 전극들 각각은 한 쌍이고,
    상기 한 쌍의 스프링 구조물 각각은 상기 제 3 전극 양측면 끝단 및 상기 한 쌍의 제 4 전극들 각각에 연결되어 있고 상기 한 쌍의 스프링 구조물 각각의 일부 영역은 상기 한 쌍의 지지 구조물 각각에 의해 고정되어 있으며,
    상기 제 5 전극들 각각은 상기 제 4 전극들 각각에 대향되어 있는 멤즈 가변 캐패시터.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제 5 전극들에서 상기 제 4 전극들로 전압이 인가되면, 상기 한 쌍의 지지 구조물에 의해 시소(Seesaw) 구동에 의하여, 상기 제 3 전극은 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 상부로 상승하는 변위를 갖는 멤즈 가변 캐패시터.
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 제 1 전극, 상기 제 2 전극 및 상기 제 5 전극은,
    기판에 고정되어 있는 멤즈 가변 캐패시터.





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