TW201401314A - 可變電容器裝置及其驅動方法 - Google Patents
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Abstract
根據一實施例，一可變電容器裝置包含一第一MEMS可變電容器元件(10a)，及一包含一端串聯至該第一MEMS可變電容器元件(10a)的一端之第二MEMS可變電容器元件(10b)。在下狀態，該第一MEMS可變電容器元件(10a)的第一電容值(C1)不同於該第二MEMS可變電容器元件(10b)的第二電容值(C2)。
Description
本發明之實施例是有關一包含MEMS(微機電系統)可變電容器元件及其驅動方法。
一種裝置(以下稱為MEMS可變電容器裝置)，其中，MEMS作為可變電容器元件可以實現低損耗，高隔離度和高線性度，故可期望實現多波段，多模配置的關鍵設備作為下一代的攜帶式終端機。
當MEMS可變電容器裝置應用於如GSM®(全球移動通信系統)無線系統，MEMS可變電容器裝置須在當施加RF(射頻)功率約為35dBm時，進行切換。
亦即，當施加高射頻功率時，該MEMS可變電容器裝置必須從一狀態(下狀態)，其中形成該MEMS可變電容器裝置之上電極被拉下至下電極，回到一狀態(上狀態)，其中該上電極從下電極被拉起。該施加射頻功率之切換操作稱為熱切換。
在MEMS可變電容器裝置之熱切換操作中，藉由該
MEMS可變電容器裝置的設計以改善其耐功率性，以致當施加高射頻功率時，其電容值可被改變。
10a‧‧‧MEMS可變電容器元件
10b‧‧‧MEMS可變電容器元件
C‧‧‧電容值
C1，C2‧‧‧電容值
100‧‧‧MEMS可變電容器裝置
1‧‧‧基板
11a‧‧‧下電極
13‧‧‧上電極
11b‧‧‧下電極
12a‧‧‧絕緣膜
12b‧‧‧絕緣膜
14‧‧‧偏壓線路
16‧‧‧彈簧結構部分
15‧‧‧固定部
17‧‧‧固定部
N1‧‧‧終端
N2‧‧‧終端
13a‧‧‧上電極
13b‧‧‧上電極
19‧‧‧接線
18‧‧‧接觸
10c‧‧‧可變電容器元件
10d‧‧‧可變電容器元件
20a‧‧‧固定電容器元件
20b‧‧‧固定電容器元件
30‧‧‧偏壓電路
31b‧‧‧電阻器元件
31c‧‧‧電阻器元件
31a‧‧‧電阻器元件
200‧‧‧電容器組
40‧‧‧驅動電極
圖1是顯示根據第一實施例之一MEMS可變電容器裝置之等效電路圖。
圖2A是顯示根據第一實施例之MEMS可變電容器裝置之平面圖。
圖2B是顯示根據第一實施例之MEMS可變電容器裝置之剖視圖。
圖3是根據第一實施例說明MEMS可變電容器元件的之拉進和拉出之圖示。
圖4是根據第一實施例說明MEMS可變電容器元件之電容值和電壓差之間的關係之圖示。
圖5A是顯示根據第一實施例之MEMS可變電容器裝置的驅動狀態之平面圖。
圖5B是顯示根據第一實施例之MEMS可變電容器裝置的驅動狀態之剖視圖。
圖6是顯示根據第一實施例在MEMS可變電容器元件中，上電極和下電極之間的距離g，和電壓差△V1和△V2之間的關係之曲線圖。
圖7A是顯示根據第二實施例之MEMS可變電容器裝置之平面圖。
圖7B是顯示根據第二實施例之該MEMS可變電容器
裝置之剖視圖。
圖8是根據第二實施例說明MEMS可變電容器裝置驅動方法之時序表。
圖9是顯示根據第三實施例之MEMS可變電容器裝置之等效電路圖。
圖10是顯示根據第三實施例之MEMS可變電容器裝置的範例1結構之示意剖視圖。
圖11是顯示根據第三實施例之MEMS可變電容器裝置的範例2結構之示意剖視圖。
圖12是顯示根據第四實施例之MEMS可變電容器裝置之等效電路圖。
圖13是顯示根據第四實施例之另一MEMS可變電容器裝置之等效電路圖。
圖14是顯示根據第五實施例之MEMS可變電容器裝置之等效電路圖。
圖15是根據第五實施例之MEMS可變電容器裝置顯示偏壓方法1之時序表。
圖16是根據第五實施例之MEMS可變電容器裝置顯示偏壓方法2之時序表。
圖17是顯示根據第六實施例之具有多個的MEMS可變電容器裝置之電容器組之等效電路圖。
圖18A是顯示根據第七實施例之MEMS可變電容器裝置之平面圖。
圖18B是顯示根據第七實施例之MEMS可變電容器
裝置之剖視圖。
一般來說，根據一實施例，一可變電容器裝置包含一第一MEMS可變電容器元件，及一具有一端串聯至該第一MEMS可變電容器元件之一端的第二MEMS可變電容器元件。在下狀態，該第一MEMS可變電容器元件的第一電容值不同於該第二MEMS可變電容器元件的第二電容值。
參照圖示說明實施例。在下文中，圖示中相同的標號表示相同的部件。
參照圖1說明根據第一實施例之MEMS可變電容器裝置的概述。
如圖1所示，根據第一實施例之MEMS可變電容器裝置100包含二個MEMS可變電容器元件10a和10b。該第一可變電容器元件10a和第二可變電容器元件10b互相串聯。當第一和第二可變電容器元件10a和10b於下狀態，該第一可變電容器元件10a的電容值C1與該第二可變電容器元件10b的電容值C2彼此不同。
當該MEMS可變電容器裝置100的終端N1和N2之間的電壓差為△V，施加到該第一可變電容器元件10a之
電壓差為△V1(CV/C1)，且施加到該第二可變電容器元件10b之電壓差為△V2(CV/C2)。C是終端N1和N2之間電容值C1和C2的組合電容值。
在第一實施例中，第一可變電容器元件10a的電容值C1設定大於第二可變電容器元件10b的電容值C2。當電壓差△V施加到終端N1和N2之間，施加到第一可變電容器元件10a之電壓差△V1變為低於施加到第二可變電容器元件10b之電壓差△V2。因此，當驅動第一與第二可變電容器元件10a和10b兩者從下狀態到上狀態時，該第一可變電容器元件10a拉出至該第二可變電容器元件10b前。
參照圖2A和2B說明根據本發明之第一實施例之MEMS可變電容器裝置的結構。圖2B是圖2A中沿著IIB-IIB線之剖視圖。
如圖2A和2B中所示，根據實施例之MEMS可變電容器裝置100包含二個可變電容器元件10a和10b其串聯於基板1上。該第一可變電容器元件10a包含一下電極11a和上電極13。該第二可變電容器元件10b包含一下電極11b和上電極13。
當第一和第二可變電容器元件10a和10b在下狀態時，該第一可變電容器元件10a的電容值C1設定大於第二可變電容器元件10b的電容值C2。亦即，上電極13和
下電極11a之間的重疊區域大於上電極13和下電極11b之間的區域。注意，使電容值C1和C2不一致的方法並不限於在上電極13和下電極11a和11b之間設定不同重疊區域之方法。例如，絕緣膜12a和12b的厚度，或者第一和第二可變電容器元件10a和10b的介電常數可以是不同的。
基板1係為，例如，玻璃或類似的絕緣基板，或在矽基板上形成層間介電質薄膜。當該基板1是在矽基板上之層間介電質薄膜時，如電晶體之元件可被配置在該矽基板的表面上。這些元件形成邏輯電路和儲存電路。該層間介電質薄膜形成於矽基板上以覆蓋這些電路。該MEMS可變電容器裝置100是被配置於該矽基板的電路之上。
不要配置一作為如震盪器的雜訊產生來源之電路於該MEMS可變電容器裝置100之下。藉由在層間介電質薄膜配置一遮蔽金屬，可抑制從較低電到MEMS可變電容器裝置100噪音的傳播。矽基板上的層間介電質薄膜理想上可由低介電材料所形成，以減少寄生電容。例如，使用TEOS(四乙氧基矽烷)作為層間介電質薄膜。此外，層間介電質薄膜理想上是厚的，以減少寄生電容。
下電極11a和11b配置於基板1上以彼此電絕緣。下電極11a和11b是四邊形的平面結構。例如，下電極11a作為信號電極的功能，而下電極11b作為接地電極的功能。
在下電極11a和11b上分別形成絕緣膜12a和12b。
絕緣膜12a和12b可以是具有相同或不同的膜厚度。
上電極13配置於下電極11a和11b的上方且相面對。上電極13是具有四邊形的平面形狀，且在X方向上延伸。該上電極13是可移動的，相對於基板1的表面向上和向下移動(垂直方向)。更具體來說，上電極13和下電極11a和11b之間的距離改變。隨著這改變，該可變電容器元件10a和10b的電容值C1和C2亦改變。須要注意的是，上電極13可具有一開口(通孔)從其上表面至下表面延伸通過上電極13。上電極13和下電極11a和11b之平面形狀可以改變成如圓形或橢圓形的各種形狀。
偏壓線路14的一端連接至上電極13的一側。偏壓線路14的一終端配置於上電極13上。偏壓線路14和上電極13之間的接合點為堆疊結構。該偏壓線路14具有如蜿蜒平坦的形狀。須注意偏壓線路14可整合於上電極13。
每個四個彈簧結構部分16的一端連接至相對應之上電極13四邊形的四個角之一。每個彈簧結構部分16的一端配置於上電極13上。彈簧結構部分16和上電極13的接合點為堆疊結構。彈簧結構部分16具有如蜿蜒平坦的形狀。
偏壓線路14的另一端連接至固定部15，且每一個彈簧結構部分16的另一端連接至相對應之固定部17。固定部15和17是配置於基板1上，且形成在如上電極13之相同佈線層。
上電極13經由偏壓線路14和固定部15接收到電位
(電壓)。彈簧結構部分16和固定部17支持該上電極13浮動。亦即，空氣間隙(孔穴)形成於下電極11a與11b和該上電極13之間。
下電極11a和11b是與上電極13電氣上相連接以驅動電路(圖未顯示)。該驅動電路施加電壓通過偏壓線路14到上電極13。注意，可經由電阻元件(圖未顯示)，施加驅動電壓到上電極13和下電極11a和11b。這可避免射頻(RF)信號洩漏至偏壓線路14的線路上。
下電極11a和11b，和上電極13是由如鋁(Al)、銅(Cu)、金(Au)，或鉑(Pt)，或含有這些金屬之一的合金之材料所形成。
偏壓線路14是由如導電材料所作成的。偏壓線路14可以使用與上電極13或下電極11a和11b相同的材料。
彈簧結構部分16可由絕緣材料、半導體材料、或導電材料所製成。例如氧化矽和氮化矽之絕緣材料。例如多晶矽(poly-Si)、矽(Si)、矽鍺(SiGe)之半導體材料。例如鎢(W)、鉬(Mo)、鋁鈦(AlTi)合金之導電材料。該彈簧結構部分16可由不同於偏壓線路14之材料所形成。
固定部15和17是由如導電材料所形成。固定部15和17可由與下電極11a和11b、上電極13、偏壓線路14、和彈簧結構部分16其中之一相同的材料所作成，或者與其不同的材料所作成。固定部15和17可以是由相同的材材或是各為不同之材料所製成。
須要注意的是使用於彈簧結構部分16的材料理想上是脆性材料，而使用於偏壓線路14的材料理想上是延性材料。然而，脆性材料以外的材料也可使用於彈簧結構部分16，或者也可使用與偏壓線路14相同的材料。
該脆性材料為一種材料，由此材料形成之構件，當施加應力破壞時，在產生巨大塑性變形(延伸)後才可破壞。由此材料形成之構件，當施加應力破壞時，幾乎無塑性變形(形變)就可破壞。一般來說，破壞使用該脆性材料之構件所需能量(應力)低於使用該延性材料之構件。即使用該脆性材料之構件比使用該延性材料之構件較易破壞。
藉由適當的設定，例如，線寬、膜厚、和彈簧結構部分16的彎曲，使用脆性材料之彈簧結構部分16的彈簧常數k2大於使用延性材料之偏壓線路14的彈簧常數k1。
在本實施例中，當由延性材料所作成之偏壓線路14和由脆性材料所作成之彈簧結構部分16，連接至上電極13時，上電極13和下電極11a和11b之空間在一狀態(上狀態)，其中上電極向上拉，實際上決定於使用脆性材料之彈簧結構部分16之彈簧常數k2。
如上所述，使用脆性材料之彈簧結構部分16不易造成潛變(creep)遍現象。因此，即使該MEMS可變電容器裝置100驅動重複多次，上電極13與下電極11a和11b的間距在上狀態下幾乎不變動。注意該潛變現象為一種現象，其中，老化破壞增加或當應力施加至該構件時，
該構建的破壞(形變)增加。
使用延性材料之偏壓線路14在驅動重複多次時，有時造成潛變現象。然而，偏壓線路14的彈簧常數k1設定小於使用脆性材料之彈簧結構部分16的彈簧常數k2。從而，使用延性材料之偏壓線路14變形(彎曲)，於上電極13與下電極11a和11b的間距在上狀態不具大的影響。
以這種方式，使用延性材料的彈簧結構(偏壓線路14)和使用脆性材料的彈簧結構(彈簧結構部分16)應用到該MEMS可變電容器裝置100。這可提供一種MEMS可變電容器裝置100，其中潛遍現象的特性劣化小，同時保持低損耗的優點。
根據本實施例之MEMS可變電容器裝置100中，可驅動上電極13形成一個靜電致動器。在MEMS可變電容器裝置100中，藉由給予上電極13與下電極11a和11b間電壓差，而產生靜電吸引。產生於上電極13與下電極11a和11b間的靜電吸引使上電極13往垂直於該基板1表面的方向(垂直方向)移動，因此，上電極13與下電極11a和11b間距離變動形成電容元件10a和10b。距離的波動改變MEMS可變電容器裝置100的電容值(靜電容值)C1和C2。
在本實施例之MEMS可變電容器裝置100中，具有可變靜電電容(電容耦合)之可變電容器元件10a和10b，在下電極11a和11b(終端N1和N2)之間串聯。
該串聯之靜電電容(結合電容)C1和C2，提供MEMS可變電容器裝置100之可變電容。
根據本發明之第一實施例之MEMS可變電容器裝置(靜電致動器的操作)之驅動原理，將參考圖3說明之。
如圖3所示，當下電極11和上電極13間的電壓差△V變成等於或高於吸附電壓Vpi時，上電極13下降到下電極11且被拉入。相反地，當下電極11和上電極13間的電壓差△V變成等於或低於吸附電壓Vpo時，上電極13從下電極11分離且被拉出。
以下將說明當MEMS可變電容器裝置100從下狀態轉移至上狀態時之熱切換操作。假設施加有效電壓Veff之射頻功率至MEMS可變電容器裝置100，在下狀態下由電壓Veff產生靜電吸引。如果該彈簧結構部分16支撐上電極13是弱的(彈簧係數是小的)，其無法抑制靜電吸引，且上電極13無法轉換到上狀態(無法拉出)，即使停止該驅動電壓。更具體地，當Veff>Vpo，上電極13無法被拉出。換句話說，藉由加強彈簧結構部分16(增加彈簧係數)，增加拉出電壓Vpo，則上電極13可容易地被拉出。然而，轉換到下狀態須要高的驅動電壓，導致切換時間長和大電流消耗。
參考圖4來說明當n電容器元件被串聯且電壓差V被施加於終端N1和N2之間，施加電壓差△Vi到各個電容
器元件。n電容器元件的總電容值C是由公式(1)算出
代表公式(2)中，當各電容器元件的電容值Ci變大時，施加到各電容器元件的電壓差△Vi變低
在第一實施例中，第一可變電容器元件10a的電容值C1大於第二可變電容器元件10b的電容值C2。當施加電壓差V到終端N1和N2之間，施加到第一可變電容器元件10a的電壓差△V1變成低於施加到第二可變電容器元件10b的電壓差△V2。當C1>C2，△V1<△V2，則第一可變電容器元件10a被拉出至第二可變電容器元件10b前。
參考圖5A、5B、和圖6敍述根據第一實施例之MEMS可變電容器裝置之操作。圖5B是在圖5A中沿著VB-VB線之剖視圖。
在第一實施例中，當第一和第二可變電容器元件10a和10b滿足如上所述C1>C2，△V1<△V2之關係成立。於是，第一可變電容器元件10a被拉出至第二可變電容器元件10b前。
更具體地，如圖5B所示，在第一可變電容器元件10a那一側之上電極13的一端，從下電極11a(絕緣膜12a)浮動且分離距離g。此時，在第二可變電容器元件
10b那一側之上電極13的一端與下電極11b(絕緣膜12b)保持接觸。
上電極13的大小將被定義如下，如圖5A所示。當上電極13的X寬度為2L且使用參數a時，上電極13和下電極11a彼此重疊的寬度為(1+a)L，且上電極13和下電極11b彼此重疊的寬度為(1-a)L。在這個例子中，該電容值C1和C2是根據公式(3)和(4)以涵數g來計算；
Z=g/(t/ε0)
圖6是基於公式(3)和(4)關於施加電壓差△V1和△V2到可變電容器元件10a和10b之圖示。在圖6中，假設下電極11a和11b上之絕緣膜12a和12b的厚度td為100nm，相對介電常數ε r為7，a為0.3，N1和N2之間的電壓差V為30V，且拉出電壓VPO為12V。
明顯地如圖6所示，假設當第一可變電容器元件10a邊的上電極13一端與下電極11a(g=0)一端之間沒空間下，該電壓V=30V施加於N1和N2間時，電壓差△V1=10.5V施加到第一可變電容器元件10a而電壓差△V2=19.5V施加到第二可變電容器元件10b。由於電壓差△V1
(10.5V)低於拉出電壓VPO(12V)，位於第一可變電容器元件10a一側之上電極13的一端浮動且被拉出。隨後，當g變成等於或大於100nm，施加到第二可變電容器元件10b的電壓差△V2變成低於拉出電壓VPO(12V)，且位於第二可變電容器元件10b一側之上電極13的一端也被拉出。結果，整個上電極13變成上狀態。
當第一可變電容器元件10a一側之上電極13的一端以g=140nm浮動，隨著該電容值C1減少而△V1增加。然而，△V1此時比吸附電壓Vpi低很多，所以位於第一可變電容器元件10a一側之上電極13的一端未再次下來(即，不是拉入)。
根據第一實施例，二個可變電容器元件10a和10b是相互串聯的，且在下狀態，設定第一可變電容器元件10a的電容值C1大於第二可變電容器元件10b的電容值C2。當驅動MEMS可變電容器裝置100從下狀態到上狀態時，施加到具有較大電容值C1之第一可變電容器元件10a的電壓△V1，變成低於施加到具有較小電容值C2之第二可變電容器元件10b的電壓△V2。從而，第一可變電容器元件10a被拉出至第二可變電容器元件10b前。以這種方式，根據這實施例，此二個可變電容器元件10a和10b藉由設定時間差，非同時而是依序被拉出的。為此，當施加高射頻功率時，MEMS可變電容器裝置100的電容
值可被改變。亦即，熱切換現象變為可能，而提高抗功率性和該MEMS可變電容器裝置100的崩潰電壓。
舉例來說，參照圖5A、5B、和圖6所述使用參數a(a>0)，相較於電容值C1和C2為均勻的(a=0)的情形，該實施例能增加崩潰電壓(1+a)倍。
雖然電容值C1和C2之合併電容C(=C1C2/(C1+C2))乘(1-a2)且減低，合併電容C的減低速率低於崩潰電壓的增加速率。最終，該實施例是有益的。例如，當a=0.1時，崩潰電壓增加10%，且電容值減少僅1%。
在第二實施例中，二個可變電容器元件10a和10b的上電極13a和13b是獨立移動的。下以將敍述第二實施例與第一實施例的不同。
參照圖7A和7B說明根據第二實施例之MEMS可變電容器裝置的結構。圖7B是在圖7A中沿著VIIB-VIIB線的剖視圖。
如圖7A和7B所示，第二實施例與第一實施例不同處為二個可變電容器元件10a和10b之上電極13a和13b是獨立移動的。在第一實施例中，二個可變電容器元件10a和10b分享可移動式上電極13。在第二實施例中，可移動式上電極13a和13b是彼此電性絕緣，且分別配置在
二個可變電容器元件10a和10b。再者，在第一實施例中，下電極11a和11b是分別配置在二個可變電容器元件10a和10b。在第二實施例中，二個可變電容器元件10a和10b分享一個下電極11。
在第二實施例中，舉例來說，上電極13a的區域被製作成大於上電極13b的區域，是為了設定第一可變電容器元件10a的電容值C1大於第二可變電容器元件10b的電容值C2。
各個上電極13a和13b連接到多個彈簧結構部分16和偏壓線路14。每個彈簧結構部分16連接至相應的固定部17。偏壓線路14是連接至一個固定部15。固定部15是經由接觸18連接至一接線19。接線19是形成於基板1上，且配置於與下電極11相同之平面。
參照圖8說明一例其第一和第二可變電容器元件10a和10b二者由下狀態移至上狀態。在此，△V1是施加到第一可變電容器元件10a的電壓差，且△V2是施加到第二可變電容器元件10b的電壓差。
如第8圖所示，首先，具有低電壓差△V1之第一可變電容器元件10a在時序t1拉出。當第一可變電容器元件10a變成上狀態，電容值C1減少且變成小於在下狀態第二可變電容器元件10b之電容值C2。此時，△V2變低，且第二可變電容器元件10b在時序t2拉出。
在這種方式下，第一和第二可變電容器元件10a和10b(上電極13a和13b)是獨立移動的，且具有較大電容值的可變電容器元件先拉出。
第二實施例可以取得與第一實施例相同的效果。
在第二實施例中，第一和第二可變電容器元件10a和10b藉由配置上電極13a和13b彼此電性隔離而可以獨立移動。
第一和第二實施例中描述了一種情況，其中具有二個可變電容器元件10a和10b。不同地，第三實施例將說明一種情況，其中具有三個或更多的可變電容器元件。說明第三實施例與第第一和第二實施例主要的不同。
參照圖9說明根據第三實施例之MEMS可變電容器裝置的示意示結構。
如圖9所示，根據第三實施例，在MEMS可變電容器裝置100中，n個可變電容器元件10a,10b...,10n是串聯的。
在第三實施例中，當拉出n個可變電容器元件10a,10b...,10n時，在n個可變電容器元件10a,10b...,10n
之電容值C1,C2,...,Cn之中，最先拉出具有最大電容值的一個可變電容器元件。
只有部份的n個可變電容器元件的電容值足以為不一致。例如，當C1=...=C3=Ca，C4=Cb，C5=...=C8=Ca，C9=Cc，且C10=...=C15=Ca，其足以滿足Cb>Cc的關係。在此情況，具有電容值C4之可變電容器元件10d最先拉出。
具有最大電容值之可變電容器元件可被配置在例如一端或終端N1和N2中央之任意位置。當射頻信號從終端N1輸入，可變電容器元件可被配置，使得靠近終端N1具有較大的電容值，且靠近終端N1的可變電容器元件可最先拉出。此外，可變電容器元件串聯的總數可以是奇數或偶數。
參照圖10說明根據第三實施例之MEMS可變電容器裝置之範例一結構。
如圖10所示，在範例一結構中，MEMS可變電容器裝置100包含四個可變電容器元件10a、10b、10c和10d。
第一可變電容元件10a是由一個下電極11a和上電極13a所形成，且具有電容值C1。第二可變電容器元件10b是由一個下電極11b和上電極13a所形成的，且具有電容值C2。第三可變電容器元件10c是由下電極11b和上電
極13b所形成的，且具有電容值C3。第四可變電容器元件10d是由一下電極11c和上電極13b所形成的，且具有電容值C4。亦即，第一和第二可變電容器元件10a和10b分享上電極13a，第三和第四可變電容器元件10c和10d分享上電極13b，且第二和第三可變電容器元件10b和10c用共下電極11b。此四個可變電容器元件10a、10b、10c和10d是串聯的。
此四個可變電容器元件10a、10b、10c和10d的電容值C1、C2、C3和C4在下狀態可設定為C1=C2=Ca，且C3=C4=Cb，其Ca>Cb，在此例中，第一和第二可變電容器元件10a和10b在第三和第四可變電容器元件10c和10d之前拉出。
參考圖11說明根據第三實施例之該MEMS可變電容器裝置之範例二結構。
如圖11所示，範例二結構中之該MEMS可變電容器裝置100包含三可變電容器元件10a，10b，和10c。
第一可變電容器元件10a從下電極11a和上電極13a而形成，且具有電容值C1。第二可變電容器元件10b從下電極11b和上電極13a而形成，且具有電容值C2。第三可變電容器元件10c從下電極11b和上電極13b而形成，且具有電容值C3。也就是說，第一和第二可變電容器元件10a和10b分享上電極13a，且第二和第三可變電
容器元件10b和10c分享下電極11b。三個可變電容器元件10a,10b，和10c串聯的。上電極13b經由接觸18連結於基板1之接線19。
在下狀態，三個可變電容器元件10a，10b，和10c之電容值C1，C2，和C3可設為C1=C2=Ca，C3=Cb，其中Ca>Cb。在此事例中，第一與第二可變電容器元件10a,10b被拉出至第三可變電容器元件10c前。
即使MEMS可變電容器裝置100包含三個或更多個可變電容器元件，第三實施例可得到與第一與第二實施例相同之效應。
在第三實施例中，當驅動MEMS可變電容器裝置100時，藉由增加可變電容器之數目，可降低施加至每個可變電容器元件之電壓，因此進一步增加其耐功率性。
在第四實施例中，固定電容器元件進一步加入串聯可變電容器元件之兩端。第四實施例和第一至第三實施例之不同處將主要的被描述。
參考圖12和圖13說明根據第四實施例之MEMS可變電容器裝置的結構。
第四實施例中，如圖12和圖13所示，固定電容器元件20a和20b配置在串聯可變電容器元件之兩端。兩個可變電容器元件10a、10b可插入於固定電容器元件20a和20b間，或者，也可插入三個或更多個可變電容器元件10a、10b(圖13)。
固定電容器元件20a和20b之電容值CM可相等或不等於一任一可變電容器元件。固定電容器元件20a和20b不限定於配置在串聯可變電容器元件之兩端，配置僅於一端亦可。
第四實施例可得到與第一至第三實施例相同之效應。
在第四實施例中，固定電容器元件20a和20b配置在串聯可變電容器元件之兩端。當驅動該MEMS可變電容器裝置100時，施加於分別的電容器元件(可變電容器元件或固定電容器元件)之電壓可降低，因此進一步增加其耐功率性。而且，固定電容器元件20a和20b能抑制射頻信號洩漏至外界。
第五實施例，描述例如圖12中，實施MEMS可變電容器裝置100之驅動時的偏壓電路。注意該第五實施例的偏壓電路不限至於施加至圖12之MEMS可變電容器裝置100，也可施加於例如獨立配置來驅動上電極之MEMS可
變電容器裝置。第五實施例和第一至第四實施例之不同處將主要加以描述。
參考圖14說明根據第五實施例之MEMS可變電容器裝置的結構。
如圖14所示，根據第五實施例之MEMS可變電容器裝置100包含一偏壓電路30。該偏壓電路30施加電壓至電阻值為R1，R2，和R3之電阻器元件31a，31b，和31c(終端NB1、NB2，和NB3)之一端。電阻器元件31a之兩端分別連接於終端NC1和該終端NB1。該電阻器元件31b之兩端分別連接於終端NC2和終端NB2。電阻器元件31c之兩端分別連接於終端NC3和終端NB3。終端NC1連接於一第一可變電容器元件10a之一電極和一第一固定電容器元件20a之一電極。終端NC2連接於第一可變電容器元件10a之另一電極和一第二可變電容器元件10b之一電極。該終端NC3連接於第二可變電容器元件10b之另一電極和一第二固定電容器元件20b之一電極。該終端NB1，NB2，和NB3連接偏壓電路30。
該注意的是固定電容器元件20a和20b最好配置介於終端N1和終端N2間之兩端。如此可避免RF信號之洩漏。
參考圖15說明根據第五實施例之MEMS可變電容器裝置的偏壓方法1。偏壓方法1中，電阻器元件31a、31b，和31c之所有電阻值R1、R2，和R3相等(R1=R2=R3)。VA為維持該下狀態之驅動電壓。當一電壓變成低於VA時，產生上拉。
如圖15所示，該電壓VA從時序t=0到時序t=1施加至終端NB1和NB3。接著，當施加至該終端NB3之施加電壓從時序t1到時序t2維持VA時，施加至終端NB1之施加電壓設為0。之後，在時序t2時，施加至終端NB3之施加電壓設為0。在這樣偏壓操作中，該加至該終端NB2之施加電壓一直為0。
偏壓方法1中，時序t1時，施加至終端NB1之施加電壓設為0，且時序t2時，施加至終端NB3之施加電壓設為0。也就是說，在不同時序，不同電壓加至第一和第二可變電容器元件10a與10b。因此，第一可變電容器元件10a首先在時序t1時，變為上狀態，且第二可變電容器元件10b首先在時序t2時，變為上狀態。
偏壓方法1中，電阻器元件31b的電阻值R2不須永遠等於電阻器元件31a和31c之電阻值R1和R3，且可高於或低於電阻值R1和R3。
參考圖16說明根據第五實施例之MEMS可變電容器裝置的偏壓方法2。偏壓方法2中，電阻器元件31a的電
阻值R1低於電阻器元件31c的電阻值R3(R1<R3)。該注意的是，電阻器元件31b的電阻值R2可等於或不同於電阻器元件31a和31c之電阻值R1和R3中之任一個。
如圖16所示，電壓VA從時序t=0到時序t=1施加至終端NB1和NB3。接著，在時序t1，施加至終端NB1與終端NB3兩者之施加電壓設為0，既然電阻值R1低於電阻值R3，終端NC1的電位比終端NC3的電位先下降。因此，時序t1和時序t2間，終端NC1的電位變為0，且大約在時序2，終端NC3的電位變為0。
偏壓方法2中，在時序t1，施至終端NB1與終端NB3兩者之施加電壓設為0，且在相同時序，不同電壓加至第一和第二可變電容器元件10a與10b。然而，該電阻器元件31a和31c之電阻值R1和R3不同於彼此。既然維持R1<R3的關係即使不同電壓同時加至該終端NB1與終端NB3，偏壓方法2產生一電路延遲，且因此產生該MEMS可變電容器裝置100中該終端NC1與終端NC3間電壓位移的時間不同。因此，第一可變電容器元件10a首先在時序t1和時序t2間，變為上狀態，且接著第二可變電容器元件10b在時序t2時，變為上狀態。
在第五實施例，偏壓電路30經由電阻器元件31a、31b，和31c連接於可變電容器元件10a、10b，和10c。藉由使用偏壓電路30，在不同時序，不同電壓施加至第
一和第二可變電容器元件10a與10b。這樣可使第一和第二可變電容器元件10a與10b的拉升時序不同。第五實施例能得到和第一至第四實施例相同的效應。
第五實施例藉由配置電阻器元件31a、31b，和31c能抑制射頻信號洩漏至終端NB1、NB2，與終端NB3。
第六實施例將以一包含多個MEMS可變電容器裝置之電容器組為例子。主要描述第六實施例和第一至第五實施例的不同。
參考圖17說明根據第六實施例之電容器組的結構。
如圖17所示，第六實施例中，一電容器組200使用多個MEMS可變電容器裝置1001，1002，...，100m所配置。每個MEMS可變電容器裝置1001，1002，...，100m由第一至第五實施例所述之每個MEMS可變電容器裝置100所形成。MEMS可變電容器裝置1001，1002，...，100m可有相同或不同的配置。該MEMS可變電容器裝置1001，1002，...，100m可包含相同或不同數量之可變電容器元件n1，n2，...，nm串聯而成。
該MEMS可變電容器裝置1001，1002，...，100m能被控制採用兩種狀態，即分別為上狀態和下狀態。
第六實施例能得到如第一至第五實施例相同的效應。
第七實施例進一步採取一驅動電極來驅動一可變電容器元件的上電極。第七實施例和第一實施例之不同處將主要的被描述。
參考圖18A和18B說明根據該第七實施例之MEMS可變電容器裝置的結構。圖18B為圖18A沿著線XVIIIB-XVIIIB所示之剖視圖。
如圖18A和18B所示，第七實施例不同於第一實施例在於進一步配置驅動上電極13的驅動電極40。第一實施例中，整合上電極13和驅動電極。不同的，該第七實施例中，分開上電極13和驅動電極40。
驅動電極40形成在一基板1上且配置在與下電極11a與11b同平面。
第七實施例可得到與第一實施例相同之效應。
在第七實施例中，驅動電極40配置和上電極13分開。既然驅動電極40能配置為和射頻電極(上電極13和下電極11a與11b)分開，可省略一低通濾波器。
根據第二實施例至第六實施例，第七實施例也可應用於MEMS可變電容器裝置。
雖然以描述某些實施例，這些實施例僅以例子方式做陳述，且不代表限制本發明之範圍。甚至，於此描述之該新實施例可以不同其他方式實施；而且，於此所述實施例形式之不同的簡略、取代，和改變在不偏離本發明精神下可改變。該附加的宣稱和其相等物來包含如此形式或修改也包含在本發明之範圍和精神內。
10a‧‧‧MEMS可變電容器元件
10b‧‧‧MEMS可變電容器元件
100‧‧‧MEMS可變電容器裝置
C‧‧‧電容值
C1，C2‧‧‧電容值
N1‧‧‧終端
N2‧‧‧終端
△V、△V1、△V2‧‧‧電壓差
Claims (15)
- 一種可變電容器裝置，包含：一第一MEMS可變電容器元件；及一第二MEMS可變電容器元件，具有一端串聯至該第一MEMS可變電容器元件之一端，其中，在下狀態，該第一MEMS可變電容器元件的第一電容值不同於該第二MEMS可變電容器元件的第二電容值。
- 根據申請專利範圍第1項之裝置，進一步包含：一第一固定電容器元件，配置串聯至該第一MEMS可變電容器元件的另一端；一第二固定電容器元件，配置串聯至該第二MEMS可變電容器元件的另一端；一第一電阻元件，包含一端連接至該第一MEMS可變電容器元件的另一端；一第二電阻元件，包含一端連接至該第一MEMS可變電容器元件的一端和該第二MEMS可變電容器元件的一端；一第三電阻元件，包含一端連接至該第二MEMS可變電容器元件的另一端；及一偏壓電路，配置為供給電壓至該第一電阻元件的另一端，該第二電阻元件的另一端，和該第三電阻元件的另一端。
- 根據申請專利範圍第1項之裝置，其中，若射頻信 號從該第一MEMS可變電容器元件的另一端輸入，則該第一電容值大於該第二電容值。
- 根據申請專利範圍第1項之裝置，其中，一形成該第一MEMS可變電容器元件之第一上電極和一形成該第二MEMS可變電容器元件之第二上電極，彼此電氣隔離且各自獨立驅動。
- 根據申請專利範圍第1項之裝置，更進一步包含：一第一固定電容器元件，配置被串聯至該第一MEMS可變電容器元件的另一端；及一第二固定電容器元件，配置被串聯至該第二MEMS可變電容器元件的另一端。
- 根據申請專利範圍第1項之裝置，更進一步包含一驅動電極，配置來驅動由該第一MEMS可變電容器元件和該第二MEMS可變電容器元件共享之上電極。
- 一種驅動可變電容器裝置之方法，該可變電容器裝置包含：一第一MEMS可變電容器元件；和一第二MEMS可變電容器元件，配置被串聯至該第一MEMS可變電容器元件，其方法包含：當該第一MEMS可變電容器元件和該第二MEMS可變電容器元件兩者從下狀態驅動至上狀態時，拉出該第二MEMS可變電容器元件前的第一MEMS可變電容器元件。
- 根據申請專利範圍第7項之方法，其中該可變電容 器裝置進一步包含：一第一固定電容器元件，配置被串聯至該第一MEMS可變電容器元件的另一端，一第二固定電容器元件，配置被串聯至該第二MEMS可變電容器元件的另一端，一第一電阻元件，包含一端連接至該第一MEMS可變電容器元件的另一端，一第二電阻元件，包含一端連接至該第一MEMS可變電容器元件的一端和該第二MEMS可變電容器元件的一端，一第三電阻元件，包含一端連接至該第二MEMS可變電容器元件的另一端；及一偏壓電路，被配置為供給電壓至該第一電阻元件的另一端，該第二電阻元件的另一端，和該第三電阻元件的另一端。
- 根據申請專利範圍第8項之方法，其中，電壓差在不同時序被供應至該第一可變電容器元件和該第二可變電容器元件。
- 根據申請專利範圍第9項之方法，其中，從初始狀態到第一時序，該偏壓電路施加電壓到該第一電阻元件的另一端和該第三電阻元件的另一端，當由第一時序到第二時序持續施加電壓到該第三電阻元件的另一端時，停止施加電壓到該第一電阻元件的另一端， 在第二時序，停止施加電壓到該第三電阻元件的另一端，且在從該初始狀態到該第二時序的期間，不要施加電壓到該第二電阻元件的另一端。
- 根據申請專利範圍第8項之方法，其中在同一時序，電壓差被供應至該第一可變電容器元件和該第二可變電容器，且該第一電阻元件的電阻值低於該第三電阻元件的電阻值。
- 根據申請專利範圍第11項之方法，其中，從初始狀態到第一時序，該偏壓電路施加電壓到該第一電阻元件的另一端和該第三電阻元件的另一端。 在第一時序，停止施加電壓到該第一電阻元件的另一端和該第三電阻元件的另一端，且在從初始狀態到第一時序的期間，不要施加電壓到該第二電阻元件的另一端。
- 根據申請專利範圍第7項之方法，其中，該第一MEMS可變電容器元件的第一電容值大於該第二MEMS可變電容器元件的第二電容值。
- 根據申請專利範圍第13項之方法，其中，射頻信號從該第一MEMS可變電容器元件的另一端輸入。
- 根據申請專利範圍第7項之方法，其中，形成該第一MEMS可變電容器元件的一第一上電極和形成該第二MEMS可變電容器元件的一第二上電極彼此電氣隔離且各自獨立驅動。
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