TWI419186B - 可變電容元件、可變電容裝置及用於驅動可變電容元件之方法 - Google Patents
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Description
本文所討論之實施例與一可變電容元件有關，且較特別地與藉由使用微電子機械系統(MEMS)技術而產生的一可變電容元件有關。
一可變電容元件是諸如一可變頻率振盪器、一調諧放大器、一移相器及一阻抗匹配電路的一電路中所使用的一組件。近些年，越來越多的可變電容元件已被安裝在一可攜裝置中。
藉由使用MEMS技術而生產的一可變電容元件相較於目前主要用作一可變電容元件的一可變電容二極體可在小能量損耗下實現一高Q值。因此，藉由使用MEMS技術而產生的可變電容元件預期會被開發並實際投入使用。
在下文中，藉由使用MEMS技術而產生的一可變電容元件簡稱為一「可變電容元件」。
總的來說，一可變電容元件被構造成使得電容藉由調整二相對電極之間之距離而變化。
第1A及1B圖為繪示一習知的一般可變電容元件10之一結構之一範例的截面圖。
參照第1A圖之可變電容元件10，一固定電極12、一活動電極13、用以覆蓋固定電極12的一介電層14、用以支撐活動電極13的一對支撐層15a及15b等等被提供在一基板11上。一空隙被提供在活動電極13與介電層14之間。一驅動電壓V可被應用於固定電極12。活動電極13透過支撐層15a及15b連接至地線。
在無電位差施加於固定電極12與活動電極13之間的情況下，活動電極13與固定電極12分離(參見第1A圖)。在此狀態下，若一驅動電壓V被應用於固定電極12以施加一電位差於固定電極12與活動電極13之間，則一產生於其間的靜電吸引力吸引活動電極13更加靠近固定電極12，使得其間距離縮短。若該電位差等於或大於一預定值，則活動電極13透過介電層14與固定電極12接觸(參見第1B圖)。
第2圖為一繪示可變電容元件10中的一驅動電壓V與一電容C之間之一關係即一C-V特性之一範例之圖式。
參照第2圖，當一正驅動電壓V被應用且其值被增加時，電容C對開始時的表現與最小電容CS幾無變化，但是在驅動電壓V之值為V1或接近此值時快速增加，且接著，電容C展現出對最大電容CL幾無變化。此後，當驅動電壓V之值從此狀態減小時，電容C暫時表現對最大電容CL幾無變化，但是在驅動電壓V之值為VO1或接近於此值時快速降低，且接著，電容C表現對最小電容CS幾無變化。同樣，當一負驅動電壓V被應用且其值被降低時，電容C暫時表現對最小電容CS幾無變化，但是在驅動電壓V之值為VI2或接近於此值時快速增加，且接著，電容C表現對最大電容CL幾無變化。此後，當驅動電壓V之值從此狀態增加時，電容C暫時表現對最大電容CL幾無變化，但是在驅動電壓值為VO2或接近於此值時快速降低，且接著，電容C表現對最小電容CS幾無麽變化。只要電容C表現對最小電容CS或最大電容CL幾無變化，電容C就被視為在最小電容CS或最大電容CL值上是恆定的。
在活動電極13離固定電極12最遠的情況即第1A圖之情況下，電容C變為最小值(最小電容CS)。在活動電極13透過介電層14與固定電極12接觸的情況即第1B圖之情況下，電容C變為最大值(最大電容CL)。
同時，電容C相對於驅動電壓V之變化路徑在電容C增加與電容C降低的情況下是不同的。簡言之，電壓VI1不等於電壓VO1。此一情形同樣適用於電壓VI2及電壓VO2。眾所周知，電容C對驅動電壓V之變化展現出了所謂的遲滯。
在可變電容元件10被數位使用的情況下，驅動電壓V受控使得可變電容元件10之電容C呈現出最小電容CS或最大電容CL。參照第2圖，例如，若電容C被設定在最小電容CS，則驅動電壓V被設定在一電壓VOFF(=零)。若電容C被設定在最大電容CL，則驅動電壓V被設定在一電壓VON1或一電壓VON2。
對改變電容C而言，連續施加具有同一極性的驅動電壓V使正或負電荷聚積在介電層14中。眾所周知，電荷以此方式聚積。
第3A及3B圖為繪示當電荷聚積在可變電容元件10中時一驅動電壓V與一電容C之一關係即一C-V特性之一範例的圖式。
當電荷聚積在介電層14中時，活動電極13之移動受到因電荷所致之靜電力的影響。因此，可變電容元件10之C-V特性展現出一不同於處於無電荷聚積在介電層14中的狀態下之特性。例如，第3A圖繪示正電荷聚積在介電層14中的一狀態。在此情況下，較之無電荷聚積的狀態，C-V特性向負驅動電壓V偏移。而且，第3B圖繪示負電荷聚積在介電層14中的一狀態。在此情況下，較之無電荷聚積的狀態，C-V特性向正驅動電壓V偏移。
在此類情況下，即使一可固有地指定電容C為最小電容CS或最大電容CL的驅動電壓V被應用，在某些情況下，電容C之值也不會改變成最小電容CS或最大電容CL。在第3A及3B圖之所繪示範例中，即使驅動電壓V被設定於電壓VOFF(=零)，電容C之值有時也不會改變成一預期的最小電容CS。因此，不可能以一穩定方式來操作可變電容元件10，這是一個問題。
為了防止一電壓特性由於一絕緣薄膜變化而變化，提出一其中絕緣薄膜之形狀經改良成控制其中電荷之數量的裝置(日本專利特許公開申請案第2003-136496號案)。然而，難以使用一半導體生產方法來形成一具有日本專利特許公開申請案第2003-136496號案中所揭露之形狀的絕緣薄膜。
為了處理此問題，一稱為雙極驅動的驅動方法被提出，其中一將被應用的驅動電壓V以預定時間間隔從一極性轉變為另一極性以抑制C-V特性之偏移。
還提出一鏡式控制裝置，其中一將被應用於一電極的驅動電壓V為一交流電壓以便抑制一鏡式漂移的出現(日本專利特許公開申請案第2008-052270號案)。
第4圖是一繪示在可變電容元件10以一雙極方式被驅動之情況下一驅動電壓V及一電容C之一時間序列變化之一範例的圖式。
參照第4圖，在雙極驅動中，當驅動電壓V被應用以保持電容C位於最大電容CL時，驅動電壓V以一正電壓VON1及一負電壓VON2以相對較短的時間間隔交替施加的一方式被應用。
在一具有一極性的驅動電壓V在一長時段上被應用的情況下，或另一情形，一具有一極性的驅動電壓V被應用的一時段與一具有另一極性的驅動電壓V被應用的一時段之間存有一大差異的情況下，電荷更可能聚積在絕緣層14中。因此，雙極驅動有效地抑制了C-V特性之偏移。
然而，如第4圖中所繪示者，在雙極驅動的情況下，電容C在驅動電壓V從一極性轉變為另一極性的一時刻變得低於最大電容CL。簡言之，雙極驅動之缺點在於電容C之容量變化。由於此原因，驅動電壓V僅在容量變化不影響裝置運作的一時刻從一極性變為另一極性。這限制了可變電容元件10以一雙極方式被驅動的情況。
本揭露針對解決上文所指出之問題，且因此，本發明之一實施例之一目的在於提供一可變電容元件，其中C-V特性之偏移在無需將一驅動電壓從一極性改變為另一極性下、或無需對驅動電壓從一極性變為另一極性之時間，即，極性改變之時間間隔設限下被抑制。
依據本發明(實施例)之一層面，一可變電容元件包括彼此絕緣的一第一固定電極及一第二固定電極、一被配置成朝向該第一固定電極及該第二固定電極的活動電極、一被提供於該活動電極與該第一固定電極以及該第二固定電極之間的介電層、一用以參照該活動電極之一電位向該第一固定電極施加一第一驅動電壓的第一線路部件，及一用以參照該活動電極之該電位向該第二固定電極施加一第二驅動電壓的第二線路部件，該第二驅動電壓具有一不同於該第一驅動電壓之極性的極性。
第1A及1B圖為繪示一習知的一般可變電容元件之一結構之一範例的截面圖；第2圖為一繪示一驅動電壓與一電容之一關係即一C-V特性之一範例之圖式；第3A及3B圖為繪示一驅動電壓與一電容之一關係即一C-V特性之一範例的圖式；第4圖為一繪示一驅動電壓及一電容之一時間序列變化之一範例的圖式；第5圖為繪示依據一實施例，一可變電容裝置之一結構之一範例的一平面圖；第6圖為沿著第5圖之線α1-α1截取的可變電容裝置之一截面圖；第7圖為沿著第5圖之線α2-α2截取的可變電容裝置之一截面圖；第8圖為沿著第5圖之線α2-α2截取的可變電容裝置之一截面圖；第9圖為沿著第5圖之線α3-α3截取的可變電容裝置之一截面圖；第10A及10B圖為繪示第5圖中所繪示之可變電容裝置之等效電路的圖式；第11圖為繪示依據一實施例，一可變電容元件之應用之一範例之一等效電路的一圖式；第12圖為一繪示一驅動電壓及一電容之一時間序列變化之一範例的圖式；第13A及13B圖為繪示一驅動電壓與一電容之一關係即一C-V特性之一範例的圖式；第14圖為一繪示一其中聚積有電荷的可變電容元件之一範例的圖式；第15圖為一繪示一驅動電壓及一電容之一時間序列變化之一範例的圖式；第16圖為一繪示一驅動電壓及一電容之一時間序列變化之一範例的圖式；第17圖為繪示依據一實施例，一可變電容裝置之一結構之一範例的一平面圖；以及第18圖為沿著第17圖之線α1-α1截取的可變電容裝置之一截面圖。
本發明之較佳實施例將參照所附圖式加以解釋。
在以下實施例中，說明之舉例為一可變電容元件被利用於一射頻(RF)信號處理電路中的情況。可變電容元件也可用於另一應用中。
第5圖為依據第一實施例，繪示一可變電容裝置1之一結構之一範例的一平面圖；第6-9圖為第5圖中所繪示之可變電容裝置1之截面圖。第7及8圖繪示同一截面。第7圖繪示其中一活動電極26未移位的可變電容裝置1之截面，而第8圖繪示其中一活動電極26已移位的可變電容裝置1之截面。
參照第5圖，可變電容裝置1包括一可變電容元件2、RF區塊60a-60c、一驅動電路61及一驅動電路62。可變電容元件2包括一由玻璃或矽製成的基板20。一第一沖壓電極21、一第二沖壓電極22、第一固定電極23a-23c、第二固定電極24a-24c、活動電極26、支撐層27a及27b等等形成於基板20上。而且，一第一固定電容層28、一第二固定電容層29、接地電極30a-30d等等形成於基板20上。為了簡化，介電層25a-25f未在第5圖中繪示出來。活動電極26、第一固定電容層28及第二固定電容層29中的每一者被繪示成一部分被截除。同樣地，第一沖壓電極21之一梳形部件21a與第二沖壓電極22之一梳形部件22a中每一者被繪示成一部分被截除。
第一沖壓電極21由一諸如鋁(Al)或金(Au)的導電材料製成。第一沖壓電極21被形成以具有梳形部件21a及一矩形部件21b。同樣，第二沖壓電極22亦由一諸如鋁(Al)或金(Au)的導電材料製成。第二沖壓電極22被形成以具有梳形部件22a及一矩形部件22b。梳形部件21a之齒數等於梳形部件22a之齒數，且其數目為一或更多個。在此實施例中，梳形部件21a及梳形部件22a中每一者之齒數為兩個。第一沖壓電極21及第二沖壓電極22被配置成梳形部件21a之個別齒與梳形部件22a之個別齒以規律間隔交錯的方式。
第一沖壓電極21與第二沖壓電極22可分別連接至用以施加驅動電壓的驅動電路。在此實施例中，第一沖壓電極21透過RF區塊60a連接至驅動電路61。第二沖壓電極22透過RF區塊60b連接至驅動電路62。RF區塊60a及60b為諸如用以中斷RF信號的電阻器或電感器的元件。由驅動電路61及驅動電路62所施加的驅動電壓稍後被加以描述。
另外也參照第6圖，第一固定電極23a-23c由一諸如鋁(Al)或金(Au)的導電材料製成，且分離地形成於第一沖壓電極21之上表面上。具體來說，第一固定電極23a及23b形成於梳形部件21a之齒之上表面上。第一固定電極23c在接近矩形部件21b之一端的一部分處被形成於矩形部件21b之上表面上。第二固定電極24a-24c亦由一諸如鋁(Al)或金(Au)的導電材料製成，且分離地形成於第二沖壓電極22之上表面上。具體來說，第二固定電極24a及24b被形成於梳形部件22a之齒之上表面上。第二固定電極24c在接近矩形部件22b之一端的一部分處被形成於矩形部件22b之上表面上。然而，第一固定電極23a-23c之一部分或全部可改為與第一沖壓電極21一體成型。同樣，第二固定電極24a-24c之一部分或全部可與第二沖壓電極22一體成型。
在下文中，由第一固定電極23a與23b及第二固定電極24a與24b所佔用的一區域有時被稱為一固定電極中心部件234C。
由一諸如氧化矽(SiO2
)或氧化鋁(Al2
O3
)的介電材料製成的介電層25a-25c分別形成於第一固定電極23a-23c之上表面上。同樣，亦由諸如氧化矽(SiO2
)或氧化鋁(Al2
O3
)的一介電材料製成的介電層25d-25f分別形成於第二固定電極24a-24c之上表面上。
在下文中，由介電層25a、25b、25d及25e所佔用的一區域有時被稱為一介電層中心部件25C。
另外也參照第6及7圖，活動電極26由一諸如鋁(Al)或金(Au)的導電材料製成。活動電極26及固定電極中心部件234C之上表面彼此相對，介電層中心部件25C介於其間。活動電極26被形成具有一橋形且橫跨在介電層中心部件25C及固定電極中心部件234C上。
一對由一諸如鋁(Al)或金(Au)的導電材料製成的支撐層27a及27b沿著垂直於橫跨方向之方向被形成於活動電極26兩端之下表面上。活動電極26由支撐層27a及27b支撐。一空隙被提供在活動電極26與介電層中心部件25C之間。
若一電位(電位)差存在於活動電極26與第一固定電極23a及23b之間，則由於活動電極26與第一固定電極23a及23b之間所產生的靜電吸引力，活動電極26被吸向第一固定電極23a及23b。同樣，若一電位差存在於活動電極26與第二固定電極24a及24b之間，則由於活動電極26與第二固定電極24a及24b之間所產生的靜電吸引力，活動電極26被吸向第二固定電極24a及24b。當前者的靜電吸引力與後者的靜電吸引力之組合為某一值或更大時，活動電極26透過介電層中心部件25C與固定電極中心部件234C接觸，如第8圖中所繪示者。因此，活動電極26作用為一彈簧構件。活動電極26之一彈簧常數可藉由改變活動電極26之材料或大小，或改變支撐層27a及27b之材料或大小來調整。
活動電極26可連接至驅動電路61、驅動電路62等等之電源地線。活動電極26可透過支撐層27a及27b或類似者連接至此。在此實施例中，活動電極26透過RF區塊60c連接至電源地線。RF區塊60c為諸如用以中斷RF信號的一電阻器或一電感器的一元件。
活動電極26被形成使得RF信號沿橫跨方向從活動電極26之一端傳遞至另一端。換句話說，活動電極26作用為可變電容元件2之一電極板且亦作用為RF信號的一信號線。
另外也參照第6及9圖，第一固定電容層28由一諸如鋁(Al)或金(Au)的導電材料製成。第一固定電容層28及第一固定電極23c之上表面彼此相對，介電層25c介於其間。第一固定電容層28被形成具有一橋形且橫跨在介電層25c及第一固定電極23c上。第二固定電容層29亦由一諸如鋁(Al)或金(Au)的導電材料製成。第二固定電容層29及第二固定電極24c之上表面彼此相對，介電層25f介於其間。第二固定電容層29被形成具有一橋形且橫跨在介電層25f及第二固定電極24c上。
一對由一諸如鋁(Al)或金(Au)的導電材料製成的接地電極30a及30b沿著垂直於橫跨方向之方向被形成於第一固定電容層28之兩端之下表面上。同樣，一對亦由一諸如鋁(Al)或金(Au)的導電材料製成的接地電極30c及30d沿著垂直於橫跨方向之方向被形成於第二固定電容層29之兩端之下表面上。不同於活動電極26與介電層中心部件25C之間有空隙的情況，第一固定電容層28與介電層25c之間無空隙，且第二固定電容層29與介電層25f之間無空隙。
第一固定電容層28可透過接地電極30a及30b連接至RF信號的地線。同樣，第二固定電容層29可透過接地電極30c及30d連接至RF信號的地線。
驅動電路61為一用以透過第一沖壓電極21向第一固定電極23a-23c施加一驅動電壓V1的電路。若驅動電壓V1被應用於第一固定電極23a-23c，則一電位差產生於第一固定電極23a及23b與連接至電源地線的活動電極26之間，且進一步，一電位差產生於第一固定電極23c與連接至RF信號之地線的第一固定電容層28之間。
驅動電路62為一用以透過第二沖壓電極22向第二固定電極24a-24c施加一驅動電壓V2的電路。若驅動電壓V2被應用於第二固定電極24a-24c，則一電位差產生於第二固定電極24a及24b與連接至電源地線的活動電極26之間，且進一步，一電位差產生於第二固定電極24c與連接至RF信號之地線的第二固定電容層29之間。
如上所述者，當活動電極26與第一固定電極23a及23b之間之靜電吸引力與活動電極26與第二固定電極24a及24b之間之靜電吸引力之組合為某一值或更大時，活動電極26透過介電層中心部件25C與固定電極中心部件234C接觸。
在第7圖中所繪示的活動電極26離固定電極中心部件234C最遠的一狀態下，活動電極26與第一固定電極23a及23b之間之電容變為最小值，且活動電極26與第二固定電極24a及24b之間電容亦變成最小值。因此，整個可變電容元件2具有一最小電容。同時，在第8圖中所繪示的活動電極26透過介電層中心部件25C而與固定電極中心部件234C接觸的一狀態下，活動電極26與第一固定電極23a及23b之間之電容變為最大值，且活動電極26與第二固定電極24a及24b之間之電容亦變為最大值。因此，整個可變電容元件2具有一最大電容。換句話說，整個可變電容元件2之電容依由驅動電路61所施加的驅動電壓V1之變化與由驅動電路62所施加的驅動電壓V2之變化而定而在二值即一大值與一小值之間變化。
第10A及10B圖為繪示第5圖之可變電容裝置1之等效電路的圖式，且第11圖為繪示可變電容元件2之應用之一範例之一等效電路的圖式。
參照第10A圖，可變電容元件2由彼此並聯的一第一可變電容部件2A及一第二可變電容部件2B實現。第一可變電容部件2A由彼此串聯的一第一可變電容元件2Aa及一第一固定電容元件2Ab實現。第二可變電容部件2B由彼此串聯的一第二可變電容元件2Ba及一第二固定電容元件2Bb實現。
第一可變電容元件2Aa包括第一固定電極23a及23b、活動電極26、被提供在活動電極26與第一固定電極23a及23b之間的介電層25a及25b。第一固定電容元件2Ab包括第一固定電極23c、第一固定電容層28及被提供在第一固定電極23c與第一固定電容層28之間的介電層25c。第二可變電容元件2Ba包括第二固定電極24a及24b、活動電極26及被提供在活動電極26與第二固定電極24a及24b之間的介電層25d及25e。第二固定電容元件2Bb包括第二固定電極24c、第二固定電容層29及被提供在第二固定電極24c與第二固定電容層29之間的介電層25f。
由驅動電路61所施加的驅動電壓V1及由驅動電路62所施加的驅動電壓V2被控制，使得第一可變電容元件2Aa之電容及第二可變電容元件2Ba之電容在二值即一大值與一小值之間變化。如上所述者，活動電極26在第一可變電容元件2Aa及第二可變電容元件2Ba中共用。因此，若第一可變電容元件2Aa具有一最小電容，則第二可變電容元件2Ba亦具有一最小電容。若第一可變電容元件2Aa具有一最大電容，則第二可變電容元件2Ba亦具有一最大電容。簡言之，第一可變電容元件2Aa之電容連同第二可變電容元件2Ba之電容而變化。因此，總的來說，可變電容元件2之電容在二值之間變化。鑒於此，可以以第10B圖中所繪示之一簡單等效電路來取代第10A圖之等效電路。
可變電容值，即第一可變電容元件2Aa及第二可變電容元件2Ba之大與小電容值、其寬度等等依可變電容元件2之用途而被調整。而且，第一固定電容元件2Ab及第二固定電容元件2Bb之固定電容值亦依可變電容元件2之用途而定而被調整。這使可變電容元件2之電容在二期望值之間變化。如第11圖中所繪示者，例如，多個可變電容元件2構成一電容電路；從而以多個值來改變電容電路之電容值。
下文為當可變電容元件2之電容C保持在最大值(最大電容CL)時由驅動電路61所施加的驅動電壓V1及由驅動電路62所施加的驅動電壓V2之三範例的一說明。
第12圖為一繪示驅動電壓V1、驅動電壓V2及電容C之一時間序列變化之一範例的圖式；第13A及13B圖為繪示在電荷聚積在可變電容元件2中的狀態下驅動電壓V1與電容CAa之一關係即一C-V特性之一範例的圖式；且第14圖為一繪示一其中聚積有電荷的可變電容元件2之一範例的圖式。
在第一應用範例中，當可變電容元件2之電容C保持在最大電容CL時，彼此具有不同極性且具有一恆定值的驅動電壓V1及驅動電壓V2被分別施加於第一固定電極23a-23c及第二固定電極24a-24c。具體來說，如第12圖中所繪示者，驅動電壓V1被設定於一恆定的正電壓VON1且驅動電壓V2被設定於一恒定的負電壓VON2。可選擇地，驅動電壓V1被設定於一恆定的負電壓VON2且驅動電壓V2被設定於一恆定的正電壓VON1。
正電壓VON1及負電壓VON2的值為正電壓VON1及負電壓VON2二者之應用使活動電極26透過介電層中心部件25C與固定電極中心部件234C接觸的值。可選擇地，活動電極26之一彈簧常數被調整使得正電壓VON1及負電壓VON2二者之施加使活動電極26透過介電層中心部件25C與固定電極中心部件234C接觸。儘管正電壓VON1與負電壓VON2二者基本具有同一絕對值，正電壓VON1與負電壓VON2可能具有彼此不同之絕對值。
驅動電壓V1及驅動電壓V2以此方式被應用，使得可變電容元件2之電容C保持在最大電容CL，如第12圖中所繪示者。
連續施加驅動電壓V1及驅動電壓V2使正或負電荷聚積在介電層25a-25f中。具有一極性的驅動電壓及具有另一極性的驅動電壓被分別施加於第一固定電極23a-23c及第二固定電極24a-24c。因此，具有一極性的電荷及具有另一極性的電荷分別聚積在介電層25a-25c及介電層25d-25f中。例如，正電荷聚積在介電層25a-25c中，而負電荷聚積在介電層25d-25f中。可選擇地，負電荷聚積在介電層25a-25c中，而正電荷聚積在介電層25d-25f中。
現在，活動電極26與第一固定電極23a及23b之間之電容CAa被討論。驅動電壓V1與電容CAa之關係即一C-V特性，展現出一不同於處於一無電荷聚積狀態下的特性。在正電荷聚積在介電層25a及25b中的一狀態下，例如，如第13A圖中所繪示者，較之無電荷在其中聚積的狀態，C-V特性向負驅動電壓V1偏移。而且，在負電荷聚積在介電層25a及25b中的一狀態下，例如，如第13B圖中所繪示者，較之無電荷在其中聚積的狀態，C-V特性向正驅動電壓V1偏移。當活動電極26與第二固定電極24a及24b之間之電容CBa被討論時，同一情況類似適用於驅動電壓V2與電容CBa之關係。
如上所述者，具有一極性的電荷聚積在介電層25a-25c中，且具有另一極性的電荷聚積在介電層25d-25f中。因此，電容CAa之C-V特性偏移之方向與電容CBa之C-V特性偏移之方向相反。因而，偏移彼此抵消，使得無C-V特性偏移發生在整個可變電容元件2中，或者，C-V特性發生略微偏移。
無論如何，如第14圖中所繪示者，整體而言並無僅具有二極性中之一，即僅為正或負極性的電荷被積聚在由介電層25a、25b、25d及25e所佔用的介電層中心部件25C。因此，活動電極26之移動不受因電荷所致之靜電力的影響，或略微受靜電力之影響。因此，涉及介電層25a-25f之電荷聚積的可變電容元件2之C-V特性偏移未發生，或僅發生一略微偏移。
因此，依據第一應用範例，可變電容元件2之C-V特性之變化(偏移)可在無需使驅動電壓從一極性變為另一極性下被抑制。這導致可變電容元件2在一長時段上之穩定運作。
第15圖為一繪示驅動電壓V1、驅動電壓V2及電容C之一時間序列變化之一範例的圖式。
第一應用範例抑制了可變電容元件2之C-V特性之變化(偏移)；然而，仍遺留有電荷聚積在介電層25a-25f中的一問題。第二應用範例被提供以改善該問題。
在第二應用範例中，當可變電容元件2之電容C保持在最大電容CL時，各具有其中正及負極性以預定時間間隔反轉的一矩形波形的驅動電壓V1及驅動電壓V2被分別施加於第一固定電極23a-23c及第二固定電極24a-24c。請注意驅動電壓V1之極性始終不同於驅動電壓V2之極性。鑒於此，驅動電壓V1及驅動電壓V2之極性以驅動電壓V1及驅動電壓V2彼此極性不同之一方式同時改變。具體來說，如第15圖中所繪示者，在驅動電壓V2從負電壓VON2變為正電壓VON1的同時，驅動電壓V1從正電壓VON1變為負電壓VON2。而且，在驅動電壓V2從正電壓VON1變為負電壓VON2的同時，驅動電壓V1從負電壓VON2變為正電壓VON1。簡言之，驅動電壓V1及驅動電壓V2為交流電壓，其極性以驅動電壓V1及驅動電壓V2具有彼此不同之極性的一方式重覆反轉。
正電壓VON1及負電壓VON2為正電壓VON1及負電壓VON2二者之應用使活動電極26透過介電層中心部件25C與固定電極中心部件234C接觸的值。可選擇地，活動電極26之一彈簧常數被調整使得正電壓VON1及負電壓VON2二者之施加使活動電極26透過介電層中心部件25C與固定電極中心部件234C接觸。儘管正電壓VON1與負電壓VON2二者基本具有同一絕對值，正電壓VON1與負電壓VON2可能具有彼此不同之絕對值。
驅動電壓V1及驅動電壓V2之極性基本上以預定時間間隔來變化；然而，驅動電壓V1及驅動電壓V2之極性可以隨機時間間隔來變化。預定時間間隔對應於，例如，最長數十小時，且最短幾微秒。然而，請注意，預定時間間隔被設定在一長於活動電極26移位所需時間的時段。
驅動電壓V1及驅動電壓V2以此方式被應用，使得可變電容元件2之電容C保持在最大電容CL或接近於此，如第15圖中所繪示者。
然而，在驅動電壓V1及驅動電壓V2之極性改變的時刻，電容C變得略微低於最大電容CL。換句話說，電容C之電容在一極性改變的時刻變化。而且，一雜訊有時出現在一極性改變的時刻。
鑒於此，驅動電壓V1及驅動電壓V2之極性在極性改變所涉及的電容C之電容變化或雜訊出現不影響裝置之運作的時刻改變。一改變極性的較短時間間隔為較佳的，因為電荷難以在較短時間間隔期間聚積在介電層25a-25f中。即使電荷聚積在了介電層25a-25f中，可變電容元件2之C-V特性之偏移也會由於第一應用範例之同一原因而被抑制。因此，不一定以短時間間隔來改變極性，且極性可以一任意時序來改變。
因此，依據第二應用範例，可變電容元件2之C-V特性之變化(偏移)可在不對驅動電壓之極性之變化時序加以限制下被抑制。而且，電荷難以聚積在介電層25a-25f中。這導致可變電容元件2較之第一應用範例之情況在一更長時段上有更加穩定的運作。
第16圖為一繪示驅動電壓V1、驅動電壓V2及電容C之一時間序列變化之一範例的圖式。
依據第二應用範例，電荷難以聚積在介電層25a-25f中；然而，一個仍然存在的問題是在驅動電壓之極性變化的時刻發生電容C之電容變化。第三應用範例被提供以改善該問題。
正如第二應用範例之情況，在第二應用範例中，驅動電壓V1及驅動電壓V2之極性以驅動電壓V1及驅動電壓V2具有彼此不同之極性的一方式改變。請注意，驅動電壓V1之極性改變的時刻相對驅動電壓V2之極性改變的時刻偏移了一預定量的時間。具體來說，如第16圖中所繪示者，驅動電壓V1從正電壓VON1轉變成負電壓VON2，且，在一預定量的時間Δt
流逝之後，驅動電壓V2從負電壓VON2轉變成正電壓VON1。而且，驅動電壓V1從負電壓VON2轉變成正電壓VON1，且，在一預定量的時間Δt
流逝之後，驅動電壓V2從正電壓VON1轉變成負電壓VON2。該預定量的時間為，例如，幾微秒。簡言之，驅動電壓V1及驅動電壓V2為交流電壓，其中極性是以一驅動電壓V1與驅動電壓V2的極性彼此不同的方式，以偏移一預定時間量的極性反轉時間重覆反轉。
正電壓VON1及負電壓VON2為正電壓VON1及負電壓VON2之值為至少其中一者之應用使得活動電極26透過介電層中心部件25C與固定電極中心部件234C接觸的值。或者，活動電極26之一彈簧常數被調整而使得正電壓VON1及負電壓VON2中至少其中之一之應用使活動電極26透過介電層中心部件25C與固定電極中心部件234C接觸。
除了上文針對驅動電壓V1及驅動電壓V2所描述的那些條件之外，其他條件與第二應用範例之那些條件相同。
驅動電壓V1及驅動電壓V2以此方式被應用，使得可變電容元件2之電容C保持在最大電容CL而無如第16圖中所繪示的電容變化。
若一用以改變驅動電壓V1及驅動電壓V2之極性的時間間隔計入雜訊的出現而被延長，則電荷可能聚積在介電層25a-25f中。然而，即使電荷聚積在了介電層25a-25f中，可變電容元件2之C-V特性之偏移也會由於第一及第二應用範例之同一原因而被抑制。因此，不一定以短時間間隔來改變極性，且極性可以一任意時序來改變。
因此，依據第三應用範例，可變電容元件2之C-V特性之變化(偏移)可在不對驅動電壓之極性之變化時序加以限制下被抑制。而且，電荷難以聚積在介電層25a-25f中，且電容C之電容變化未發生在驅動電壓之極性改變的一時刻。這導致可變電容元件2在較之第一及第二應用範例之情況的一更長時段上之更加穩定的運作。
第17圖為依據第二實施例，繪示一可變電容裝置3之一結構之一範例的一平面圖，且第18圖為沿著第17圖之線α1-α1截取的可變電容裝置3的一截面圖。
可變電容裝置3將在下文中被加以描述，注意集中在可變電容裝置1與可變電容裝置3之差異。與可變電容裝置1之部分相同的部分之說明有時被省略。
參照第17圖，可變電容裝置3包括一可變電容元件4、RF區塊60a-60c、一驅動電路61及一驅動電路62。可變電容元件4包括一由玻璃或矽製成的基板40。一固定電極41、一第一沖壓電極42、一第二沖壓電極43、一連接層44、第一活動電極45a及45b、第二活動電極46a及46b等等形成於基板40上。而且，一第一固定電容層48、一第二固定電容層49、接地電極50a及50b等等形成於基板40上。為了簡化，介電層47a-47f未在第17圖中繪示。
依據第一實施例的可變電容元件2包括諸如第一固定電極23a-23c及第二固定電極24a-24c的二固定電極，及一活動電極26。另一方面，依據第二實施例的可變電容元件4包括一固定電極41及二活動電極，諸如，第一活動電極45a及45b，及第二活動電極46a及46b。
構成可變電容元件4的個別構件由與構成可變電容元件2的個別對應構件之材料相同的材料製成。而且，RF區塊60a-60c、驅動電路61及驅動電路62之功能與可變電容裝置1之RF區塊60a-60c、驅動電路61及驅動電路62之功能相同。
固定電極41可連接至驅動電路61、驅動電路62或類似者之電源地線。在此實施例中，固定電極41透過RF區塊60a連接至電源地線。固定電極41被形成使得RF信號從固定電極41之一端傳遞至另一端。換句話說，固定電極41作用為可變電容元件4之一電極板且還作用為一RF信號的信號線。
第一沖壓電極42具有與可變電容元件2之第一沖壓電極21之形狀相同的形狀，且被形成以具有一梳形部件42a及一矩形部件42b。同樣，第二沖壓電極43具有與可變電容元件2之第二沖壓電極22之形狀相同的形狀，且被形成以具有一梳形部件43a及一矩形部件43b。第一沖壓電極42及第二沖壓電極43可分別連接至用以施加驅動電壓的驅動電路。在此實施例中，第一沖壓電極42透過RF區塊60b連接至驅動電路61。而且，第二沖壓電極43透過RF區塊60c連接至驅動電路62。
由一諸如氧化矽(SiO2
)或氧化鋁(Al2
O3
)的絕緣材料製成的連接層44形成於一介於第一沖壓電極42與第二沖壓電極43之間的間隙中。簡言之，連接層44使第一沖壓電極42與第二沖壓電極43彼此連接。從而，第一活動電極45a及45b與第二活動電極46a及46b相互組合。
在下文中，一由彼此連接的第一沖壓電極42與第二沖壓電極43構成的構件有時稱為一沖壓電極部件423。
此外參照第18圖，第一活動電極45a及45b形成於梳形部件42a之齒之下表面上。第二活動電極46a及46b形成於梳形部件43a之齒之下表面上。然而，第一活動電極45a及45b之一部分或全部可改為與第一沖壓電極42一體成型。同樣地，第二活動電極46a及46b之一部分或全部可與第二沖壓電極43一體成型。
在下文中，由第一活動電極45a與45b及第二活動電極46a與46b所佔用的一區域有時稱為一活動電極部件456C。
介電層47a及47b分別形成於第一活動電極45a及45b之下表面上。同樣，介電層47c及47d分別形成於第二活動電極46a及46b之下表面上。
在下文中，由介電層47a-47d所佔用的一區域有時稱為一介電層中心部件47C。
沖壓電極部件423以活動電極部件456C及固定電極41之中心部分之上表面彼此相對，介電層中心部件47C介於其間的一方式形成。沖壓電極部件423被形成具有一橋形且橫跨在介電層中心部件47C及固定電極41上。
第一固定電容層48沿與橫跨方向垂直之方向形成於沖壓電極部件423之一端之下表面上。第二固定電容層49沿垂直於橫跨方向之方向被形成於沖壓電極部件423之另一端之下表面上。沖壓電極部件423由第一固定電容層48及第二固定電容層49支撐。一空隙被提供在介電層中心部件47C與固定電極41之間。
若一電位差存在於固定電極41與第一活動電極45a及45b之間，則由於固定電極41與第一活動電極45a及45b之間所產生的靜電吸引力的緣故，沖壓電極部件423被吸向固定電極41。同樣，若一電位差存在於固定電極41與第二活動電極46a及46b之間，則由於固定電極41與第二活動電極46a及46b之間所產生的靜電吸引力的緣故，沖壓電極部件423被吸向固定電極41。當前者的靜電吸引力與後者的靜電吸引力之組合為某一值或更大時，沖壓電極部件423透過介電層中心部件47C等等者與固定電極41之中心部分接觸。因此，沖壓電極部件423作用為一彈簧構件。沖壓電極部件423之一彈簧常數可藉由改變構成沖壓電極部件423之個別構件之材料或大小，或改變第一固定電容層48及第二固定電容層49之材料或大小來調整。
介電層47e及47f分別形成於第一固定電容層48及第二固定電容層49之下表面上。
接地電極50a及50b分別形成於介電層47e及47f之下表面上。不同於介電層中心部件47C與固定電極41之間有空隙之情況，介電層47e與接地電極50a之間無空隙，且介電層47f與接地電極50b之間無空隙。接地電極50a及50b可連接至RF信號的地線。
正如可變電容元件2之情況，可變電容元件4之電容藉由調整由驅動電路61所施加的驅動電壓V1及由驅動電路62所施加的驅動電壓V2而在二期望值之間變化。而且，當可變電容元件4之電容C保持在最大值(最大電容CL)時，驅動電壓V1及驅動電壓V2基於第一至第三應用範例而被應用。這使以一穩定方式操作可變電容元件4成為可能。實施例中的第一沖壓電極21與42及第二沖壓電極22與43分別為一第一線路部件及一第二線路部件之範例。
在上文所討論之實施例中，可變電容裝置1、可變電容元件2、可變電容裝置3及可變電容元件4之總組態、其各種不同部件之組態、其形狀、材料、應用等等可依據本發明標的根據需要而改變。驅動電壓V1及驅動電壓V2之應用範例可依據本發明標的根據需要而改變。例如，在上文所討論之實施例中，可變電容元件2及可變電容元件4中每一者被提供一固定電容層以便於可變電容元件2及可變電容元件4之電容調整成一期望電容。然而，只要電容可在無固定電容層下被調整成一期望電容，就不一定需要在每一可變電容元件2及可變電容元件4中提供固定電容層。而且，在上文所討論之實施例中，一用以防止因一固定電極與一活動電極接觸而致短路的介電層被配置在可變電容元件2之固定電極之一端上，或被配置在可變電容元件4之活動電極之一端上。然而，介電層可改為配置在可變電容元件2之活動電極端上，或被配置在可變電容元件4之固定電極端上。
本文所列出的所有範例及條件語言係供作教學目的，幫助讀者理解本發明及發明人所提出之促進技術發展的構想，且欲被解讀為不受限於此類具體詳述的範例及條件，說明書中此諸範例之結構也與展現發明的優勢及劣勢無關。儘管本發明之實施例已被詳細地加以描述，應理解的是可在不背離本發明之精神及範圍下對其做出各種不同的變化、替換及修改。
1、3．．．可變電容裝置
2、4．．．可變電容元件
2A．．．第一可變電容部件
2Aa．．．第一可變電容元件
2Ab．．．第一固定電容元件
2B．．．第二可變電容部件
2Ba．．．第二可變電容元件
2Bb．．．第二固定電容元件
10．．．習知的一般可變電容元件/可變電容元件
11、20、40．．．基板
12、41．．．固定電極
13、26．．．活動電極
14．．．介電層/絕緣層
15a、15b、27a、27b．．．支撐層
20．．．基板
21、42．．．第一沖壓電極
21a、22a、42a、43a．．．梳形部件
21b、22b、42b、43b．．．矩形部件
22、43．．．第二沖壓電極
23a-23c．．．第一固定電極
24a-24c．．．第二固定電極
25a-25f、47a-47f．．．介電層
25C、47C．．．介電層中心部件
26．．．活動電極
28、48．．．第一固定電容層
29、49．．．第二固定電容層
30a-30d、50a-50b．．．接地電極
44．．．連接層
45a、45b．．．第一活動電極
46a、46b．．．第二活動電極
60a-60c．．．RF區塊
61、62．．．驅動電路
234C．．．固定電極中心部件
423．．．沖壓電極部件
456C．．．活動電極部件
第1A及1B圖為繪示一習知的一般可變電容元件之一結構之一範例的截面圖；
第2圖為一繪示一驅動電壓與一電容之一關係即一C-V特性之一範例之圖式；
第3A及3B圖為繪示一驅動電壓與一電容之一關係即一C-V特性之一範例的圖式；
第4圖為一繪示一驅動電壓及一電容之一時間序列變化之一範例的圖式；
第5圖為繪示依據一實施例，一可變電容裝置之一結構之一範例的一平面圖；
第6圖為沿著第5圖之線α1-α1截取的可變電容裝置之一截面圖；
第7圖為沿著第5圖之線α2-α2截取的可變電容裝置之一截面圖；
第8圖為沿著第5圖之線α2-α2截取的可變電容裝置之一截面圖；
第9圖為沿著第5圖之線α3-α3截取的可變電容裝置之一截面圖；
第10A及10B圖為繪示第5圖中所繪示之可變電容裝置之等效電路的圖式；
第11圖為繪示依據一實施例，一可變電容元件之應用之一範例之一等效電路的一圖式；
第12圖為一繪示一驅動電壓及一電容之一時間序列變化之一範例的圖式；
第13A及13B圖為繪示一驅動電壓與一電容之一關係即一C-V特性之一範例的圖式；
第14圖為一繪示一其中聚積有電荷的可變電容元件之一範例的圖式；
第15圖為一繪示一驅動電壓及一電容之一時間序列變化之一範例的圖式；
第16圖為一繪示一驅動電壓及一電容之一時間序列變化之一範例的圖式；
第17圖為繪示依據一實施例，一可變電容裝置之一結構之一範例的一平面圖；以及
第18圖為沿著第17圖之線α1-α1截取的可變電容裝置之一截面圖。
1．．．可變電容裝置
2．．．可變電容元件
20．．．基板
21．．．第一沖壓電極
21a、22a．．．梳形部件
21b、22b．．．矩形部件
22．．．第二沖壓電極
23a-23c．．．第一固定電極
24a-24c．．．第二固定電極
234C．．．固定電極中心部件
25C．．．介電層中心部件
26．．．活動電極
27a、27b．．．支撐層
28．．．第一固定電容層
29．．．第二固定電容層
30a-30d．．．接地電極
60a-60c．．．RF區塊
61、62．．．驅動電路
Claims (4)
- 一種可變電容裝置，其包含：一可變電容元件，其包括：彼此絕緣的一第一固定電極及一第二固定電極，一活動電極，其被配置成朝向該第一固定電極及該第二固定電極，一介電層，其被提供在該活動電極與該第一固定電極以及該第二固定電極之間，一第一線路部件，其係用以參照該活動電極之一電位向該第一固定電極施加一第一驅動電壓，及一第二線路部件，其係用以參照該活動電極之該電位向該第二固定電極施加一第二驅動電壓，該第二驅動電壓具有一不同於該第一驅動電壓之極性的極性；一第一驅動部件，其經由該第一線路部件向該第一固定電極施加該第一驅動電壓；及一第二驅動部件，其經由該第二線路部件向該第二固定電極施加該第二驅動電壓；其中該第一驅動電壓及該第二驅動電壓為具有一矩形波形的電壓，整體而言，其等極性是以該第一驅動電壓與該第二驅動電壓具有彼此不同之極性的一方式來重覆地反轉，且該第一驅動電壓之極性反轉之時刻，係不同於該第二驅動電壓之極性反轉之時刻。
- 一種可變電容裝置，其包含： 一可變電容元件，其包括：彼此絕緣且彼此組合的一第一活動電極及一第二活動電極，一固定電極，其被配置成朝向該第一活動電極及該第二活動電極，一介電層，其被提供在該固定電極與該第一活動電極以及該第二活動電極之間，一第一線路部件，其係用以參照該固定電極之一電位向該第一活動電極施加一第一驅動電壓，及一第二線路部件，其係用以參照該固定電極之該電位向該第二活動電極施加一第二驅動電壓，該第二驅動電壓具有一不同於該第一驅動電壓之極性的極性；一第一驅動部件，其經由該第一線路部件向該第一活動電極施加該第一驅動電壓；及一第二驅動部件，其經由該第二線路部件向該第二活動電極施加該第二驅動電壓；其中該第一驅動電壓及該第二驅動電壓為具有一矩形波形的電壓，整體而言，其等極性是以該第一驅動電壓與該第二驅動電壓具有彼此不同之極性的一方式來重覆地反轉，且該第一驅動電壓之極性反轉之時刻，係不同於該第二驅動電壓之極性反轉之時刻。
- 一種用於驅動一可變電容元件的方法，該可變電容元件 包括：彼此絕緣的一第一固定電極及一第二固定電極，一活動電極，其被配置成朝向該第一固定電極及該第二固定電極，一介電層，其被提供在該活動電極與該第一固定電極以及該第二固定電極之間，該方法包含以下步驟：參照該活動電極之一電位向該第一固定電極施加一第一驅動電壓；及參照該活動電極之該電位向該第二固定電極施加一第二驅動電壓，該第二驅動電壓具有一不同於該第一驅動電壓之極性的極性；其中該第一驅動電壓及該第二驅動電壓為具有一矩形波形的電壓，整體而言，其等極性是以該第一驅動電壓與該第二驅動電壓具有彼此不同之極性的一方式來重覆地反轉，且該第一驅動電壓之極性反轉之時刻，係不同於該第二驅動電壓之極性反轉之時刻。
- 一種用於驅動一可變電容元件的方法，該可變電容元件包括：彼此絕緣且彼此組合的一第一活動電極及一第二活動電極，一固定電極，其被配置成朝向該第一活動電極及該第二活動電極，及 一介電層，其被提供在該固定電極與該第一活動電極以及該第二活動電極之間，該方法包含以下步驟：參照該固定電極之一電位向該第一活動電極施加一第一驅動電壓；及參照該固定電極之該電位向該第二活動電極施加一第二驅動電壓，該第二驅動電壓具有一不同於該第一驅動電壓之極性的極性；其中該第一驅動電壓及該第二驅動電壓為具有一矩形波形的電壓，整體而言，其等極性是以該第一驅動電壓與該第二驅動電壓具有彼此不同之極性的一方式來重覆地反轉，且該第一驅動電壓之極性反轉之時刻，係不同於該第二驅動電壓之極性反轉之時刻。
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