KR101413067B1 - 어레이 타입의 가변 캐패시터 장치 - Google Patents

어레이 타입의 가변 캐패시터 장치 Download PDF

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Abstract

어레이 타입의 가변 캐패시터 장치가 개시된다. 라인부는 접지라인과, 하부전극으로 동작하는 신호라인을 포함하며, 복수의 플레이트는 어레이 타입으로 구비되어 상부전극으로 동작하며, 라인부와 연동하여 캐패시턴스를 발생하며, 서로 다른 강도(stiffness)를 갖는다.
가변 캐패시터, RF 시스템, stiffness, 강도

Description

어레이 타입의 가변 캐패시터 장치{Array variable capacitor apparatus}
본 발명은 어레이 타입의 가변 캐패시터 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 서로 다른 강도(stiffness)를 가지는 가변 캐패시터가 어레이 타입으로 배열되는 가변 캐패시터 장치에 관한 것이다.
RF 신호를 처리하는 RF 시스템에 있어서, 광대역(wide-band) 또는 멀티 대역(multi-band)을 이용하여 정보를 송수신하는 데 필요한 장치 중 하나가 매칭회로 또는 가변필터(Tunable filter)이다. 매칭회로 또는 가변필터는 복수의 캐패시터 어레이(Capacitor array)를 이용하여 구현되는 것이 일반적이다.
일 예로, 가변 필터는 버렉터(Varactor)를 이용한 가변 캐패시터를 사용할 수 있다. 그러나, 이러한 가변 캐패시터는 튜닝 범위가 제한적이므로 다양한 대역의 신호를 튜닝할 수 없으며, 가변 캐패시터의 품질계수(Q)가 변화하여 필터의 성능이 저하되며, 전력 손실이 커지는 문제점이 있다.
다른 예로, MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems) 기술을 이용하는 가변 필터 또는 매칭회로는 고정형 캐패시터 어레이(Fixed capacitor array) 또는 가변형 캐패시터 어레이(Variable capacitor array)를 사용함으로써 별도의 스위치를 필요로 한다. 따라서, 가변형 또는 고정형 캐패시터 어레이를 이용하여 가변필터 또는 매칭회로를 제작함으로써 가변 필터 또는 매칭회로의 크기 및 비용은 증가하며, 또한 스위치와 같은 부품의 증가에 의해 RF 신호의 Insertion Loss가 증가하게 된다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, RF 시스템에서 스위치와 같은 수동 소자를 사용하지 않고 광대역 또는 멀티 대역의 튜닝이 가능한 어레이 타입의 가변 캐패시터 장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 어레이 타입의 가변 캐패시터 장치는, 접지라인과, 하부전극으로 동작하는 신호라인을 포함하는 라인부; 및 어레이 타입으로 구비되어 상부전극으로 동작하며, 상기 라인부와 연동하여 캐패시턴스를 발생하는 강도(stiffness)가 서로 다른 복수의 플레이트;를 포함한다.
구동전압이 인가되면, 정전력에 의해 상기 복수의 플레이트는 상기 라인부 방향으로 이동하여 상기 캐패시턴스를 발생하며, 상기 하부전극과 상기 상부전극의 간극은 상기 강도에 따라 상이하게 변한다.
상기 각 플레이트의 강도와 상기 간극의 크기는 비례하며, 상기 각 플레이트의 강도와 상기 캐패시턴스는 반비례한다.
또한, 상기 각 플레이트의 강도는 상기 각 플레이트의 영스 모듈러스(Young's modulus), 상기 각 플레이트의 두께, 및 상기 각 플레이트와 상기 신호라인이 겹쳐지는 면적 중 하나 이상에 의해 조정된다.
상기 복수의 플레이트는 상기 라인부의 상부에 이격되어 어레이 형식으로 배열된다.
상기 복수의 플레이트가 상기 라인부로부터 이격되도록 하는 복수의 지지부;를 더 포함하며, 상기 복수의 지지부들의 강도는 상이하다.
상기 복수의 지지부는 상기 플레이트의 서로 마주보는 두 변에 브리지 형태로 구비되거나, 상기 플레이트의 각 모서리에 멤브레인 타입으로 구비된다.
인가되는 구동전압이 상기 복수의 플레이트 중 어느 하나의 Pull-in 전압에 도달하면, 상기 어느 하나의 플레이트와 상기 신호라인과의 간극은 최소화되어 최대 캐패시턴스가 발생한다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 보다 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 어레이 타입의 가변 캐패시터 장치를 도시한 도면, 도 2는 도 1의 등가회로를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 가변 캐패시터 장치(100)는 복수의 가변 캐패시터(VC#1, VC#2, …, VC#n)를 이 용하여 광대역 튜닝 또는 멀티 대역 튜닝이 가능하도록 하며, RF 프런트 엔드의 매칭회로 또는 가변 필터(Tunable Filter)에 응용가능하다. 도 2에 도시된 등가회로는 제1 내지 제n캐패시터(VC#1, VC#2, …, VC#n)가 가변 캐패시터로 동작하는 것을 보여준다.
매칭회로는 RF 프런트 엔드와 같은 RF 시스템의 임피던스 매칭을 위한 회로이다. 예를 들어, RF 시스템이 50옴 임피던스 매칭하도록 설계되는 경우, 안테나가 70옴이 되도록 제작되고, 안테나에 연결되는 소자가 100옴이 되도록 제작되면 매칭회로는 안테나와 안테나의 다음 소자 사이에 연결되어 서로의 임피던스가 50옴이 되도록 한다. 이 때, 매칭회로는 인덕터와 캐패시터의 조합으로 구성되며, RF 시스템이 멀티 밴드로 구현되는 경우, 매칭회로도 복수개 구비된다.
가변필터는 원하는 주파수만을 선택적으로 필터링하는 필터로서, 인덕터와 캐패시터를 포함하며, 원하는 주파수를 필터링하는 것은 캐패시턴스에 따라 결정된다.
도 1을 참조하면 가변 캐패시터 장치(100)는 라인부(10), 복수의 지지부(11, 21, …) 및 복수의 플레이트(12, 22, …)를 포함한다. 라인부(10)는 접지라인(GL)과, 하부전극으로 동작하며 신호를 전송하는 신호라인(SL)을 포함한다. 신호라인(SL)은 가변 캐패시터 장치(100)가 RF 시스템에 응용되는 경우, RF 신호를 전송한다. 라인부(10), 지지부(11) 및 하나의 플레이트(12)는 하나의 가변 캐패시터(VC#1)로 동작한다. 가변 캐패시터(VC#1, VC#2, …, VC#n)는 MEMS 기술에 의해 공정될 수 있으며, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
복수의 지지부(11, 21, …)는 복수의 플레이트(12, 22, …)가 라인부(10)로부터 일정 거리 이격되어 구비되도록 복수의 플레이트(12, 22, …)를 지지한다. 복수의 지지부(11, 21, …)의 강도(Stiffness)는 동일하거나 또는 서로 다를 수 있ㅇ으며, 플레이트(12, 22, …)의 서로 마주보는 두 변에 브리지 형태로 구비된다.
복수의 플레이트(12, 22, …)는 상부전극으로 동작하며, 라인부(10)와 연동하여 캐패시턴스를 발생하는 가변 캐패시터(VC#1, VC#2, …, VC#n)로 동작한다. 각 플레이트(12, 22, …)는 지지부(11, 21)에 의해 라인부(10)로부터 z축 방향으로 이격되어 구비된다. 각 플레이트(12, 22, …)는 강도(stiffness)가 서로 다르게 제작되어, 각 캐패시터(VC#1, VC#2, …, VC#n)의 정전용량(C1, C2, ..., Cn)에 영향을 미치며, 따라서, 가변 캐패시터 장치(100)가 광대역 튜닝 뿐만 아니라 멀티 대역 튜닝이 가능하도록 한다.
각 플레이트(12, 22, …)는 금속(metal)으로 제작될 수 있다. 각 플레이트(12, 22, …)의 강도는 매질의 종류, 각 플레이트의 영스 모듈러스(Young's modulus), 각 플레이트(12, 22, …)의 두께 등에 의해 조정가능하다. 영스 모듈러스는 물질의 단단함을 나타낸다.
구동전압이 인가되면, 정전력에 의해 복수의 플레이트(12, 22, …)는 라인부(10) 방향으로 이동하여 캐패시턴스가 발생하도록 하며, 캐패시턴스를 식으로 나타내면 다음과 같다.
Figure 112008005756768-pat00001
[수학식 1]에서, ε는 각 플레이트(12, 22, …)와 신호라인(SL) 사이의 유전체(즉, air gap)의 유전율, d는 각 플레이트(12, 22, …)와 신호라인(SL)의 간극, S는 각 플레이트(12, 22, …)와 신호라인(SL)이 겹쳐지는 면적을 의미한다.
[수학식 1]에 의하면, 각 캐패시터(VC#1, VC#2, …, VC#n)로부터 발생하는 캐패시턴스(C1, C2, ..., Cn)는 각 플레이트(12, 22, …)와 신호라인(SL)과의 직선거리인 간극(d) 및 각 플레이트(12, 22, …)와 신호라인이 겹쳐지는 면적(S)의 영향을 받으며, 따라서, 각 플레이트(12, 22, …)의 강도와 지지부(11, 21, …)의 강도의 영향을 받는 것을 알 수 있다. 또한, 각 플레이트(12, 22, …)가 신호라인(SL) 방향으로 이동하는 정도는 구동전압 및 각 캐패시터(VC#1, VC#2, …, VC#n)의 초기 캐패시턴스에 따라 다를 수 있다.
접지라인(GL)에는 (-) DC 구동전압이, 각 플레이트(12, 22, …)에는 (+) DC 구동전압이 인가되면, 정전력이 발생하여 접지라인(GL)은 플레이트(12, 22, …)를 끌어당기며, 이에 의해, 각 플레이트(12, 22, …)는 라인부(10) 방향, 즉, z 축 방향으로 이동한다. 따라서, 각 캐패시터(VC#1, VC#2, …, VC#n)는 z 축 방향으로 이동된 거리에 따라 서로 다른 캐패시턴스를 발생한다. 이 때, 각 플레이트(12, 22, …)가 라인부(10) 방향으로 이동되는 거리는 각 플레이트(12, 22, …)의 강도에 따라 상이할 수 있다.
예를 들어, 플레이트(12, 22, …)의 강도가 클수록 이동되는 거리는 작아지므로, 각 플레이트(12, 22, …)와 신호라인(SL)과의 간극(d)은 커지며, 따라서, 캐패시턴스는 작아진다. 즉, 각 플레이트(12, 22, …)의 강도와 이동되는 거리는 반비례하며, 플레이트(12, 22, …)의 강도와 캐패시턴스는 반비례한다. 이는 캐패시턴스는 각 플레이트(12, 22, …)와 신호라인(SL)과의 직선거리(d), 즉, 상부전극과 하부전극의 간극(d)에 반비례하기 때문이다.
한편, 각 캐패시터(VC#1, VC#2, …, VC#n)는 서로 다른 pull-in 전압을 가지도록 설계된다. 예를 들어, 제1캐패시터(VC#1)로부터 제n캐패시터(VC#n)로 증가할수록 더 큰 pull-in 전압을 가지도록 설계될 수 있다. pull-in 전압은 상부전극과 하부전극이 유전체를 사이에 두고 서로 유착되는 시점의 전압이다. 인가되는 구동전압이 복수의 플레이트(12, 22, …) 중 어느 하나의 pull-in 전압에 도달하면, 어느 하나의 플레이트와 신호라인(SL)과의 간극은 최소화되어 최대 캐패시턴스가 발생된다. 각 캐패시터(VC#1, VC#2, …, VC#n)의 pull-in 전압은 각 플레이트(12, 22, …)의 강도 또는 지지부(11, 21, …)의 강도의 영향을 받는다.
일 예로, 제1캐패시터(VC#1)는 제1캐패시터(VC#1)의 pull-in 전압인 제1pull-in 전압(VPI#1) 이전까지는 점차 증가하는 구동전압에 의해 간극이 점차 작아져 캐패시턴스(C1 )가 커지게 되며, 제1pull-in 전압(VPI#1)에서 제1캐패시터(VC#1)의 상부전극과 하부전극이 유전막을 사이에 두고 붙어 간극이 최소가 된다. 즉, 제1pull-in 전압(VPI#1)에서, 상부전극으로 적용된 제1플레이트(12)와 하부전극으로 적용된 신호라인(SL)이 에어갭을 사이에 두고 붙어 거리(d)는 최소가 되며, 캐패시턴스(C1)는 최대가 된다. 이 때, 다른 캐패시터들(VC#2, …, VC#n)의 pull-in 전압이 제1캐패시터(VC#1)보다 큰 경우, 구동전압이 증가함에 따라 캐패시턴스(C2, C3, ..., Cn)는 점진적으로 증가한다.
도 3은 인가되는 구동전압에 따라 각 캐패시터로부터 발생하는 캐패시턴스의 일 예를 설명하기 위한 그래프이다. 도 3을 참조하면, 제1캐패시터(VC#1)의 제1플레이트(12)가 초기 구동전압에 의해 움직이지 않으면 제1캐패시터(VC#1)의 초기 캐패시턴스(C1)는 변하지 않는다. 이는, 제1캐패시턴스(C1)의 초기값이 일정 구동전압 이하에서는 변하지 않도록 설계되었기 때문이다. 구동전압(V)이 증가하여 제1pull-in 전압(VPI#1)에 도달하면, 제1캐패시터(VC#1)의 캐패시턴스(C1)는 최대값이 된다. 이 때, 제2캐패시터(VC#2)의 초기 캐패시턴스(C2)는 제1캐패시터(VC#1)의 최대 캐패시턴스보다 더 큰 값을 가지므로, 제2캐패시터(VC#2)는 제1pull-in 전압(VPI#1) 이후부터 증가하기 시작하며, 제2pull-in 전압(VPI#2)에서 최대 캐패시턴스를 발생한다. 최대 캐패시턴스는 pull-in 전압에 의해 각 캐패시터가 발생하는 캐패시턴스이다.
결과적으로, 제1내지 제n캐패시터(VC#1, VC#2, …, VC#n)에 한 번에 동일한 구동전압을 인가하면 각 캐패시터(VC#1, VC#2, …, VC#n)의 강도가 서로 다르므로 구동전압에 따른 간극의 변화가 서로 다르며, 따라서 각 캐패시터(VC#1, VC#2, …, VC#n)로부터 발생되는 캐패시턴스(C1, C2, ..., Cn)는 서로 다르게 된다. 또한, 각 캐패시터(VC#1, VC#2, …, VC#n)의 pull-in 전압이 서로 다르므로 최대 캐패시턴스 (C1, C2, ..., Cn)가 발생되는 구동전압의 크기 및 최대 캐패시턴스(C1, C2, ..., Cn)의 크기가 상이할 수 있다.
따라서, 본 발명의 가변 캐패시터 장치(100)가 매칭회로나 가변필터에 적용되면 별도의 스위치를 구비하지 않고 임피던스 매칭을 수행하거나, 광대역의 주파수 또는 멀티 대역의 주파수를 필터링할 수 있게 된다. 특히, 캐패시터의 강도와 개수, 구동전압, 각 캐패시터(VC#1, VC#2, …, VC#n)의 pull-in 전압을 조절하여, 가변 캐패시터 장치(100)가 구비되는 RF 시스템 별로, 필요한 캐패시턴스의 광대역 튜닝 및 멀티 대역 튜닝이 가능하도록 설계할 수 있다.
예를 들어, 1피코 캐패시턴스에서 1GHz의 주파수가 필터링되고, 2피코 캐패시턴스에서 2GHz의 주파수가 필터링되는 경우, 제1캐패시터(VC#1)가 최대 캐패시턴스로서 0.5피코 캐패시턴스를 발생하고, 제2캐패시터(VC#2)가 최대 캐패시턴스로서 1.5피코 캐패시턴스를 발생하도록 설계되면, 제1캐패시터(VC#1)의 pull-in 전압과 제2캐패시터(VC#2)의 pull-in 전압을 가변 캐패시터 장치(100)에 인가함으로써 가변 캐패시터 장치(100)는 2피코 캐패시턴스를 발생하여 2GHz 대역의 신호를 필터링하게 된다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 어레이 타입의 가변 캐패시터 장치를 도시한 도면이다.
도 4a를 참조하면, 복수의 지지부(31, 41)는 각 플레이트(32, 42)의 모서리에 구비되며, 설명의 편의상 제1 및 제2캐패시터(30, 40)를 도시한다. 각 플레이트(32, 42)의 강도는 서로 다르며, 또한 복수의 지지부(31, 41)의 강도도 다르게 제작될 수 있다. 지지부(31, 41)는 도 4a에 도시된 바와 같이 각 플레이트(32, 42)의 모서리에 평판형(Membrane)으로도 제작될 수 있으며, 이는 지지부(31, 41)의 강도 뿐만 아니라, 플레이트(32, 42)의 강도에도 영향을 미친다. 지지부(31, 41)의 형태는 이에 한정되지 않고 다양하게 구현될 수 있다.
구동전압이 신호라인(SL)과 각 플레이트(32, 42)에 인가되면 제1캐패시터(30)와 제2캐패시터(40)의 간극은 점차 좁혀지며, 예를 들어 제1캐패시터(30)의 pull-in 전압에 먼저 도달하면 제1캐패시터(30)의 간극은 최소가 되어 제1캐패시턴스(C1)는 최대가 된다. 이 때, 제1캐패시터(30)의 지지부(31)들은 도 4a에 도시된 바와 같이 플레이트(32)가 신호라인(SL)과 붙게 되도록 기울어진다. 또한, 제2캐패시터(40)의 지지부(41)들은 플레이트(42)가 신호라인(SL)과 떨어지도록 기울어진다.
그 후, 인가되는 구동전압이 제2캐패시터(40)의 pull-in 전압에 도달하면 제2캐패시터(40)의 플레이트(42)와 신호라인(SL)도 도 4b에 도시된 바와 같이 유착되어 제2캐패시터(40)는 최대의 제2캐패시턴스(C2)를 발생한다.
따라서, 본 발명에 따른 가변 캐패시터 장치(100, 200)는 디지털 RF 시스템 또는 재구성(reconfigurable) RF 시스템에 구현 시 필수적인 가변 필터 또는 매칭 회로에 적용이 가능하며, 결과적으로 어레이 구조를 제어하기 위한 별도의 스위치를 구비하지 않음으로써 제품의 소형화 및 비용의 절감을 제공할 수 있게 된다. 특히, 강도의 변화 및 구동전압의 변화에 따라 캐패시턴스를 조절함으로써 광대역 튜닝 또는 멀티 대역의 튜닝이 가능한 고성능의 가변 캐패시터를 구현할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시예들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 어레이 타입의 가변 캐패시터 장치를 도시한 도면,
도 2는 도 1의 등가회로를 개략적으로 도시한 도면,
도 3은 인가되는 구동전압에 따라 각 캐패시터로부터 발생하는 캐패시턴스의 일 예를 설명하기 위한 그래프, 그리고,
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 어레이 타입의 가변 캐패시터 장치를 도시한 도면이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100, 200 : 가변 캐패시터 장치 10 : 라인부
11, 21, 31, 41 : 지지부 12, 22, 32, 42 : 플레이트
VC#1, VC#2, …, VC#n : 제1 내지 제n캐패시터

Claims (10)

  1. 접지라인과, 하부전극으로 동작하는 신호라인을 포함하는 라인부; 및
    어레이 타입으로 구비되어 상부전극으로 동작하며, 상기 라인부와 연동하여 캐패시턴스를 발생하는 강도(stiffness)가 서로 다른 복수의 플레이트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 어레이 타입의 가변 캐패시터 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    구동전압이 인가되면, 정전력에 의해 상기 복수의 플레이트는 상기 라인부 방향으로 이동하여 상기 캐패시턴스를 발생하며, 상기 하부전극과 상기 상부전극의 간극은 상기 강도에 따라 상이하게 변하는 것을 특징으로 하는 어레이 타입의 가변 캐패시터 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 각 플레이트의 강도와 상기 간극의 크기는 비례하며, 상기 각 플레이트의 강도와 상기 캐패시턴스는 반비례하는 것을 특징으로 하는 어레이 타입의 가변 캐패시터 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 각 플레이트의 강도는 상기 각 플레이트의 영스 모듈러스(Young's modulus), 상기 각 플레이트의 두께, 및 상기 각 플레이트와 상기 신호라인이 겹쳐지는 면적 중 하나 이상에 의해 조정되는 것을 특징으로 하는 어레이 타입의 가변 캐패시터 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 플레이트는 상기 라인부의 상부에 이격되어 어레이 형식으로 배열되는 것을 특징으로 하는 어레이 타입의 가변 캐패시터 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 복수의 플레이트가 상기 라인부로부터 이격되도록 하는 복수의 지지부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 어레이 타입의 가변 캐패시터 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 복수의 지지부들의 강도는 상이한 것을 특징으로 하는 어레이 타입의 가변 캐패시터 장치.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 복수의 지지부는 상기 플레이트의 서로 마주보는 두 변에 브리지 형태로 구비되는 것을 특징으로 하는 어레이 타입의 가변 캐패시터 장치.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 복수의 지지부는 상기 플레이트의 각 모서리에 멤브레인 타입으로 구비되는 것을 특징으로 하는 어레이 타입의 가변 캐패시터 장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    인가되는 구동전압이 상기 복수의 플레이트 중 어느 하나의 Pull-in 전압에 도달하면, 상기 어느 하나의 플레이트와 상기 신호라인과의 간극은 최소화되어 최대 캐패시턴스가 발생되는 것을 특징으로 하는 어레이 타입의 가변 캐패시터 장치.
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