KR20010039374A - 마이크로 가변 커패시터 - Google Patents

Abstract

마이크로 가변 커패시터에 관한 것으로, 구동전압이 종래보다 낮고 기판의 기생용량을 줄인 가변 커패시터를 마이크로 머시닝 기술로 제조하는 방법과 그러한 방법으로 제조된 가변 커패시터를 제공하는 데에 그 목적이 있으며, 중심부에 이루어진 빈 영역을 에워싸도록 형성된 테 형상의 기판과, 기판 위에 형성된 후막절연층과, 후막절연층에서 기판에 의해 에워싸여진 빈 영역을 향해 분기하도록 형성된 액튜에이터 지지층과, 지지층의 끝단에 연결되어 기판에 의해 에워싸여진 빈 영역에 형성된 하부절연층과, 하부절연층 위에 형성된 하부전극, 지지층위와 후막절연층 위에 걸쳐 형성되어 외부에서 인가되는 전압에 따라 지지층에 연결된 하부절연층의 변위를 발생시키는 압전 액튜에이터층과, 후막절연층 위에 고정되어 하부전극에 소정의 간격을 유지하도록 하부전극과 압전 액튜에이터층을 덮는 상부기판, 그리고 하부전극에 대향하도록 상부기판의 배면에 형성된 상부전극을 포함하여 구성된 것이 특징으로서, 종래의 것에 비하여 구동전압을 수 볼트 이하의 저전압으로 구동시킬 수 있고, 소모전력을 줄일 수 있으며, 승압회로 등의 추가적인 회로가 필요없게 되는 효과가 있다.

Description

마이크로 가변 커패시터{Micro variable capacitor}

본 발명은 초소형 커패시터에 관한 것으로, 특히 정전용량 조절이 가능한 초소형 가변 커패시터에 관한 것이다.

정보통신 기술이 발달할수록 정보통신 기기들은 화상정보와 음성정보 및 인터넷 검색정보 등을 포함한 각종 데이터들을 실시간으로 처리하기 위하여 더욱 더 많은 용량의 데이터를 더욱 빠르게 처리해야 한다. 이에 따라 필연적으로 반송파는 고주파 대역으로 변조되어야 한다.

그러나, 반송파가 고주파 대역으로 변조될수록 서로 다른 채널의 신호는 주파수 대역이 인접하게 되므로, 정확한 변조기술과 검파기술이 수반되지 않으면, 고주파 통신은 올바르게 이루어지지 않는다. 따라서, 대용량 정보처리기기는 정확한 변조회로와 검파회로를 갖추어야 한다. 특히, 고주파 대역을 사용하는 대부분의 이동통신 기기들은 더욱 더 그러하다.

이 때, 고주파 회로는 그 회로를 구성하고 있는 각 소자들의 성능도 중요하지만, 소자 간의 혹은, 기판에서 발생하는 기생저항과 기생용량 같은 성분의 영향도 회로의 성능에 매우 큰 영향을 미친다. 그러므로, 이러한 기생성분의 영향을 억제할 수 있도록 각 소자들이 구성되어야 한다. 특히, 각각의 소자 자체의 구조가 이러한 영향에 무관하도록 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 아무리 뛰어난 성능을 가진 새로운 방식의 통신장비가 개발되더라도 기존에 사용하던 통신장비와 호환성이 전혀 없다면, 그 새로운 방식의 통신장비는 초기에 시장성을 확보할 수 없게 된다. 따라서, 새로운 방식의 통신장비는 되도록 기존의 통신장비와 호환성을 유지할 수 있어야 한다. 이 경우, 다중 대역폭의 신호를 정확하게 처리할 수 있는 고주파 회로가 필요하게 된다. 즉, 서로 상이한 대역폭의 신호를 사용자의 필요에 따라 한꺼번에 처리할 수 있는 하나의 고주파 회로가 필요하게 된 것이다.

결국, 하나의 고주파 회로가 여러 대역폭의 신호를 처리하려면, 그 고주파 회로에는 각각의 대역폭의 신호를 선택적으로 여파할 수 있는 가변여파기(variable filter)가 설치되어야 한다. 이러한 가변여파기는 각 대역의 주파수에 적합한 정전용량을 조절할 수 있는 가변 커패시터(variable capacitor)와 각 대역의 신호에 대응하여 동작하는 고주파 스위치를 필요로 한다.

이러한 고주파 스위치와 가변 커패시터는 표면 마이크로머시닝 공정(surface micro machining)에 의해 제조된다. 표면 마이크로머시닝 공정에 의해 제조되는 고주파 스위치와 가변 커패시터는 다결정 실리콘의 미세 구조물이나, 도금 등의 방법으로 형성되는 금속의 미세구조물이며, 이들은 공통적으로 정전력(electrostatic force)를 이용한 구동방식을 채택하고 있다.

그러나, 정전력에 의해 구동되는 종래의 가변 커패시터는 소모전류에 비하여 너무 높은 구동전압에서 동작한다. 따라서, 이동통신기기 혹은, 정보통신 기기에 장착된 가변 커패시터는 오버로드(overload)될 수 있는 문제점을 가지고 있다. 그 이유는 정전방식으로 구동하는 가변 커패시터는 전류를 매우 적게 소모하지만, 소모전류에 비하여 너무 높은 구동전압에서 동작하기 때문이다. 뿐만 아니라, 가변 커패시터가 형성되는 실리콘 기판은 매우 높은 유전상수(dielectric constant or permittivity)를 가지고 있으므로, 아무런 조치없이 이러한 실리콘 기판 위에 형성된 전극은 상당히 큰 기생용량을 가진 기생 커패시터(parasitic capacitor)의 전극으로서 동작하게 된다. 그 결과, 상기 실리콘 기판을 이용하여 형성된 고주파 회로는 기생 커패시터로 인하여 동작하는 데에 매우 큰 장애를 받는 문제점이 있다. 결국, 종래의 가변 커패시터는 다중 대역의 고주파를 처리할 수 있는 이동통신 단말기에 적용될 수 없는 것이다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 구동전압이 종래보다 낮고 기판의 기생용량을 줄인 가변 커패시터를 마이크로 머시닝 기술로 제조하는 방법과 그러한 방법으로 제조된 가변 커패시터를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 마이크로 가변 커패시터를 도시한 사시도.

도 2a는 본 발명의 마이크로 가변 커패시터를 도시한 평면도.

도 2b는 본 발명의 마이크로 가변 커패시터를 도시한 단면도.

도 3a와 도 3b는 압전 액튜에이터의 동작원리를 도시한 단면도.

도 4a와 도 4b는 본 발명의 마이크로 가변 커패시터의 동작을 도시한 단면도.

도 5는 하부전극 위에 보호절연층이 형성된 마이크로 가변 커패시터의 일부를 도시한 단면도.

도 6은 상부전극과 하부전극 사이의 간격이 변화하는 것을 유한요소법(finite element method : FEM)으로 계산한 결과를 도시한 그래프

도 7은 압전 액튜에이터 소자의 구동에 따른 하부전극의 변위로 인하여 발생하는 정전용량의 변화를 도시한 그래프

도면의 주요부분에 대한 기호설명

1 : 하부기판 2 : 후막절연층

3 : 하부절연층 4 : 하부전극

5 : 압전 액튜에이터 소자 6 : 액튜에이터 지지대(서스펜션)

7 : 힌지(hinge) 8 : 커패시터의 유전층(자유공간)

9 : 보호절연층 11 : 상부기판

12 : 상부전극 13 : 스페이서

본 발명에 의한 초소형 가변 커패시터는 전압인가 여부에 따라 변위가 변화되는 압전 소자로 커패시터 전극 간격을 조절함으로써, 커패시터의 용량을 제어하는 것이 특징이다.

본 발명의 마이크로 가변 커패시터는 중심부에 빈 영역을 이루는 테 형상의 기판과, 기판 위에 형성된 후막절연층과, 후막절연층에서 기판의 중심부를 향해 분기하도록 형성된 액튜에이터 지지층과, 지지층의 끝단에 연결되도록 형성된 하부절연층과, 하부절연층 위에 형성된 하부전극과, 지지층과 후막절연층에 걸쳐 형성된 압전 액튜에이터층과, 후막절연층 위에 고정되어 압전 액튜에이터층과 하부전극을 덮는 상부기판, 그리고 상부기판의 배면에 형성되어 하부전극에 대향하는 상부전극을 포함하여 구성되어 있다. 도 1은 본 발명의 마이크로 가변 커패시터를 도시한 사시도이고, 도 2a는 평면도이며, 도 2b는 도 1에 도시된 A-B 의 단면도이다.

하부기판(1)은 테 형상으로 이루어져 중심부의 빈 영역을 에워싸는 형태를 가지고 있다. 하부기판(1)은 본 발명의 가변 커패시터가 형성될 일종의 지지대이다. 또한, 하부기판(1)은 실리콘 웨이퍼 혹은, 석영 웨이퍼 등의 물질로서 사각형 테 형상으로 이루어지는 것이 바람직하다.

후막절연층(2)은 하부기판(1) 위에 형성되어 있고, 특히 하부기판(1)의 전면에 형성되는 것이 바람직하다. 이 때, 후막절연층(2)은 필요에 따라 하부기판(1)의 측면과 배면에도 형성될 수 있다.

액튜에이터(actuator) 지지층은 후막절연층(2)에서 분기하여 형성되어 있다. 액튜에이터 지지층이 분기하는 방향은 후막절연층(2)의 가장자리부터 하부기판(1)에 의해 에워싸여진 빈 영역을 지향하는 방향이다. 이 때, 액튜에이터 지지층과 후막절연층(2)은 실리콘 질화막 등의 물질을 이용하여 일체로 형성되는 것이 바람직하다. 그리고, 액튜에이터 지지층은 후막절연층(2)의 여러 지점에서 하부기판(1)의 중심부를 향해 분기하는 여러 개의 액튜에이터 지지대(6, 7)로 구성되는 것이 바람직하다. 즉, 액튜에이터 지지층은 여러 개의 지지대(6, 7)로 구성되는 것이다. 그 이유는 하부전극(4)이 여러 방향에서 지지되어 움직이는 것이 안정적이기 때문이다.

이러한 각각의 액튜에이터 지지대(6, 7)는 후막절연층(2)에서 분기된 서스펜션부(6)와, 서스펜션의 끝단과 하부절연층(3) 사이에 연결된 힌지부(7)를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다. 서스펜션부(6)는 약간의 탄성을 가지고 있어 도 3에 도시된 것과 같이 압전 액튜에이터 소자(5)의 움직임에 따라 휘어지고, 힌지부(7)는 서스펜션부(6)의 휘어짐에 의해 하부절연층(3)을 움직여 도 4에 도시된 것과 같이 하부전극(4)과 상부전극(12) 간의 간격, 즉 커패시터의 유전층(8)을 조절할 수 있도록 한다.

하부절연층(3)은 액튜에이터 지지층에 연결되어 있고, 하부기판(1)에 의해 에워싸여진 빈 영역에 형성되어 있다. 이 때, 하부절연층(3)과 액튜에이터 지지층은 실리콘 질화막 등의 물질을 이용하여 일체로 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 하부절연층(3)과 액튜에이터 지지층, 그리고 후막절연층(2)은 모두 일체로 이루어질 수 있다. 따라서, 하부절연층(3)과 액튜에이터 지지층 및, 후막절연층(2)은 동일한 마이크로 머시닝 공정에 의해 동시에 형성될 수 있는 것이다.

하부전극(4)은 하부절연층(3) 위에 형성되고, 압전 액튜에이터층의 움직임에 따라 위치가 이동된다. 이 때, 하부전극(4) 위에는 도 5에 도시된 것과 같이 상부전극(12)과의 단락을 방지하는 별도의 보호절연층(9)이 형성될 수도 있다. 결국, 본 발명의 커패시터를 이루는 하부전극(4)은 단지 하부절연층(3)에 의해서 지지되므로, 종래의 것과 달리 하부기판(1)의 기생용량에 무관하게 된다.

압전 액튜에이터층(piezo electric actuator)은 지지층과 후막절연층(2)에 걸쳐 형성되어 있고, 외부에서 인가되는 전압에 따라 액튜에이터 지지층 끝단의 변위를 이동시킨다. 이러한 압전 액튜에이터층의 동작에 따라 액튜에이터 지지층 끝단이 움직이고, 액튜에이터 지지층 끝단의 움직임에 의해 하부절연층(3)의 변위가 달라져 하부전극(4)의 위치가 이동되는 것이다. 따라서, 본 발명의 커패시터는 이러한 압전 액튜에이터층에 인가된 전압에 따라 하부전극(4)과 상부전극(12) 간의 간격이 변하므로, 다양한 정전용량을 가질 수 있게 된다. 결국, 본 발명의 커패시터는 다양한 대역폭의 신호를 여파할 수 있는 가변 여파기(variable filter)에 응용될 수 있는 것이다.

압전 액튜에이터층은 액튜에이터 지지대(6, 7)마다 하나씩 형성된 복수개의 압전 액튜에이터 소자(5)로 구성된다. 각각의 압전 액튜에이터 소자(5)는 후막절연층(2) 위에 형성되어 위치가 고정된 일단과, 지지층 위에 형성되어 외부로부터 인가되는 전압에 따라 위치가 변동되는 타단을 포함하여 구성되어 있다. 압전 액튜에이터 소자(5)는 도면에는 생략되었으나, 상부전도체와 압전 절연체, 그리고 하부전도체가 3중으로 접착된 샌드위치(sandwich) 구조로 되어 있어 상부전도체와 하부전도체에 전압이 인가되면, 압전 절연체가 수축하면서 일방향으로 휘게 된다. 본 발명의 압전 액튜에이터층은 압전 절연체의 일단이 후막절연층(2)에 의해 고정되어 있으므로, 후막절연층(2)에 고정되지 않은 타단이 일방향으로 휘는 것이다.

상부기판(11)은 후막절연층(2) 위에 고정되어 하부전극(4)과 압전 액튜에이터층을 덮도록 형성되어 있다. 그리고, 상부기판(11)의 배면, 즉 하부전극(4)과 압전 액튜에이터층을 덮는 상부기판(11)의 안쪽면에는 상부전극(12)이 하부전극(4)에 대향하도록 형성되어 있다. 이러한 상부기판(11)은 파이렉스(Pyrex) 유리 등의 유리덮개 부품으로 이루어진다. 유리는 유전율이 실리콘 기판보다 낮으므로, 본 발명의 커패시터에 설치된 상부전극(12)의 기생용량을 종래의 커패시터의 것보다 더 줄일 수 있다.

이 때, 상부기판(11)과 후막절연층(2) 사이에는 하부전극(4)과 상부전극(12) 간의 간격을 유지시키는 별도의 스페이서(13)(spacer)가 부가적으로 더 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 스페이서(13)의 크기에 따라 본 발명의 커패시터가 가질 수 있는 정전용량의 초기값이 결정된다.

이하, 본 발명의 커패시터가 동작하는 원리는 다음과 같다.

먼저, 스페이서(13)의 크기를 확정지어 하부전극(4)과 상부전극(12) 간의 간격(d)이 설정되고, 커패시터의 면적(A)이 결정되면, 본 발명의 커패시터가 가지는 초기 정전용량(C_off)이 결정된다. 이러한 초기 정전용량은 다음의 수학식 1과 같다.

상기 수학식 1에서는 자유공간의 유전율이며, A는 커패시터의 면적이다.

각각의 압전 액튜에이터 소자(5)에 전압이 인가되면, 압전 액튜에이터 소자(5)는 일방향으로 휘게 된다. 그런데, 압전 액튜에이터 소자(5)의 일단은 후막절연층(2)에 의해 고정되어 있으므로, 고정되지 않은 타단이 휘면서 소정의 변위(h)를 발생시킨다. 이러한 변위(h)는 힌지부(7)에 의해 하부절연층(3)으로 전달되어 하부전극(4)의 위치를 변동시킨다. 그 결과, 초기에 설정된 상부전극(12)과 하부전극(4) 사이의 간격(d)이 변동되어 커패시터의 정전용량이 조절된다. 압전 액튜에이터 소자(5)에 의해 변동된 커패시터의 정전용량(C_on)은 다음의 수학식 2와 같다.

따라서, 압전 액튜에이터 소자(5)에 의해 변동되는 정전용량의 변화율(β)은 다음의 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.

상부전극(12)과 하부전극(4)의 간격은 일반적인 마이크로 머시닝 기술을 이용하여 설정될 수 있으며, 압전 액튜에이터 소자(5)는 수 볼트 정도의 낮은 전압으로도 구동된다. 따라서, 본 발명을 제조하는 데에는 부가적으로 실시되는 공정이 필요없고, 본 발명의 마이크로 가변 커패시터는 낮은 전압에서도 구동된다.

또한, 본 발명의 마이크로 가변 커패시터는 도 5에 도시된 바와 같이 하부전극(4) 위에 별도의 절연층을 더 포함할 수도 있으나, 이러한 절연층을 포함하지 않음으로써, 마이크로 스위칭소자로 전용될 수 있는 여지도 있다. 뿐만 아니라, 본 발명은 하부전극(4) 위에 고유전율을 갖는 절연층을 포함함으로써, 정전용량의 변화율을 증가시킬 수도 있다.

도 6은 PZT를 압전 액튜에이터 소자(5)로 채택하고 전압을 PZT에 인가한 경우에 상부전극(12)과 하부전극(4) 사이의 간격이 변화하는 것을 유한요소법(finite element method : FEM)으로 계산한 결과를 도시한 그래프이고, 도 7은 압전 액튜에이터 소자(5)의 구동에 따른 하부전극(4)의 변위로 인하여 발생하는 정전용량의 변화를 도시한 그래프이다. 이 때, 액튜에이터 지지층은 2 마이크로 미터(㎛)의 두께와 300 마이크로 미터(㎛)의 길이 및, 50 마이크로 미터(㎛)의 폭을 갖는 저응력 실리콘 질화막(SiNx)으로 채용하였다. 그리고, PZT의 두께는 0.4 마이크로 미터(㎛)로 설정하였고, 힌지는 10 마이크로 미터(㎛)의 폭과 2 마이크로 미터(㎛)의 두께를 갖는 저응력 실리콘 질화막으로 채택하였으며, 하부절연층(3)은 2 마이크로 미터(㎛)의 두께와 250000 평방 마이크로 미터(㎛²)(500 ×500 ㎛²)의 면적을 갖는 저응력 실리콘 질화막으로 채택하였다. 도 6과 도 7은 5 볼트(volt) 이하의 저전압을 이용하여 구동하더라도 정전용량을 대략 80 배 이상으로 변화시킬 수 있음을 나타내고 있다.

본 발명의 마이크로 가변 커패시터는 종래의 것에 비하여 구동전압을 수 볼트 이하의 저전압에서 구동될 수 있다. 따라서, 본 발명의 마이크로 가변 커패시터가 채용된 고주파 회로의 소모전력을 줄일 수 있고, 승압회로 등의 추가적인 회로가 필요없게 되는 효과가 있다. 또, 저전압에서도 정전용량을 조절할 수 있는 범위가 종래보다 더 넓고, 커패시터 전극과 실리콘 기판 간에 발생하던 기생용량이 제거되는 효과가 있다. 뿐만 아니라, 본 발명은 기존의 마이크로 머시닝 공정에 의해서도 제조될 수 있고, 가변 대역폭을 요구하는 다양한 회로의 가변 수동소자로 이용될 수 있어 신 기술의 이동통신 단말기 등의 통신장비에 용이하게 응용될 수 있는 효과가 있다.

Claims (9)

1. 중심부에 이루어진 빈 영역을 에워싸도록 형성된 테 형상의 기판,

   상기 기판 위에 형성된 후막절연층,

   상기 후막절연층에서 상기 기판에 의해 에워싸여진 빈 영역을 향해 분기하도록 형성된 액튜에이터 지지층,

   상기 지지층의 끝단에 연결되어 상기 기판에 의해 에워싸여진 빈 영역에 형성된 하부절연층,

   상기 하부절연층 위에 형성된 하부전극,

   상기 지지층위와 상기 후막절연층 위에 걸쳐 형성되어 외부에서 인가되는 전압에 따라 상기 지지층에 연결된 하부절연층의 변위를 발생시키는 압전 액튜에이터층,

   상기 후막절연층 위에 고정되어 상기 하부전극에 소정의 간격을 유지하도록 상기 하부전극과 압전 액튜에이터층을 덮는 상부기판, 그리고

   상기 하부전극에 대향하도록 상기 상부기판의 배면에 형성된 상부전극을 포함하여 구성된 마이크로 가변 커패시터.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 후막절연층과 지지층은 일체로 이루어진 것을 특징으로 하는 마이크로 가변 커패시터.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 지지층과 하부절연층은 일체로 이루어진 것을 특징으로 하는 마이크로 가변 커패시터.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 하부전극의 전면에 걸쳐 상기 상부전극과의 단락을 방지하는 보호절연층이 부가적으로 더 포함된 것을 특징으로 하는 마이크로 가변 커패시터.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 액튜에이터 지지층은

   상기 후막절연층의 서로 다른 지점에서 상기 기판의 중심부에 이루어진 빈 영역을 향해 분기하도록 형성된 복수개의 액튜에이터 지지대로 구성된 것을 특징으로 하는 마이크로 가변 커패시터.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 압전 액튜에이터층은

   상기 각각의 액튜에이터 지지대 위마다 하나씩 형성된 복수개의 압전 액튜에이터로 구성된 것을 특징으로 하는 마이크로 가변 커패시터.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 각각의 압전 액튜에이터는

   상기 후막절연층 위에 형성되어 위치가 고정된 일단측,

   상기 지지층 위에 형성되어 외부로부터 인가되는 전압에 따라 위치가 변동되는 타단측을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 마이크로 가변 커패시터.
8. 제 5 항에 있어서, 상기 각각의 액튜에이터 지지대는

   상기 후막절연층에서 분기된 서스펜션부,

   상기 서스펜션의 끝단과 상기 하부절연층 사이에 연결된 힌지부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 마이크로 가변 커패시터.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 상부기판과 상기 후막절연층 사이에 상기 하부전극과 상부전극 간의 간격을 유지시키는 스페이서가 부가적으로 더 형성된 것을 특징으로 하는 마이크로 가변 커패시터.