具有線性c-v特性的低應(yīng)力雙杠桿結(jié)構(gòu)mems變?nèi)萜鞯闹圃旆椒?br> 【專利摘要】本實用新型涉及具有線性C-V特性的低應(yīng)力雙杠桿結(jié)構(gòu)MEMS變?nèi)萜?，下極板、驅(qū)動電極和錨點設(shè)置于介質(zhì)襯底上，上極板的兩端部通過扭轉(zhuǎn)梁支撐固定于錨點上，上極板的中間部與下極板相對，上極板的端部與驅(qū)動電極相對；驅(qū)動電極上施加線性增加電壓，上極板的端部向下運(yùn)動，上極板的中間部向上運(yùn)動，上極板與下極板之間的電容值減小，驅(qū)動電極上停止施加線性增加電壓，上極板通過扭轉(zhuǎn)梁的扭轉(zhuǎn)彈力回復(fù)至初始水平狀態(tài)。上極板外端部向下運(yùn)動帶動上極板向上運(yùn)動，上下極板間間距增大，使電容值C隨電壓值V增加而線性減?。簧蠘O板中間部臺階結(jié)構(gòu)使上下極板初始間距減小，初始電容值提高，增大電容變化范圍，有助于釋放上極板運(yùn)動時形變產(chǎn)生的應(yīng)力。
【專利說明】具有線性C-V特性的低應(yīng)力雙杠桿結(jié)構(gòu)MEMS變?nèi)萜?br> 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種具有線性C-V特性的低應(yīng)力雙杠桿結(jié)構(gòu)MEMS變?nèi)萜?，屬于電子電路技術(shù)和微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]利用微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)設(shè)計制作的射頻(RF)可變電容器具有插入損耗低、Q值高、線性度高、調(diào)節(jié)范圍寬等獨特的優(yōu)點。MEMS可變電容器是無線通訊等電子電路系統(tǒng)的基本元件之一，在無線通訊系統(tǒng)前端有廣泛應(yīng)用，以微型化、高線性、可調(diào)諧為技術(shù)發(fā)展方向，新一代信息技術(shù)正呼喚著新一代高性能元器件。與傳統(tǒng)變?nèi)荻O管相比，MEMS可變電容器具有低插損、高Q值、高線性度等優(yōu)點。目前常見的MEMS可調(diào)電容有兩種基本形式，一種是調(diào)節(jié)上下電容極板間的間距來改變電容值，這種可調(diào)電容反應(yīng)靈敏、Q值高、尺寸小，然而卻有間距調(diào)節(jié)范圍的限制，其上極板運(yùn)動范圍不能大于上下極板初始間距的三分之一，否則電容上極板會被迅速下拉，因此可調(diào)范圍較?。涣硪环N是調(diào)節(jié)電容的正對面積來改變電容值，典型的是利用插指狀結(jié)構(gòu)，通過改變指間正對面積來改變電容值，這種結(jié)構(gòu)制作工藝復(fù)雜，電容值有限，電容的控制精度差。通常情況下，可變電容隨控制電壓的變化都呈現(xiàn)非線性，這大大增加了電容控制電路的復(fù)雜度，且精度極易受到控制電路中噪聲的影響。
實用新型內(nèi)容
[0003]本實用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種線性度高、變?nèi)莘秶蟮木哂芯€性C-V特性的低應(yīng)力雙杠桿結(jié)構(gòu)MEMS變?nèi)萜鳌?br> [0004]本實用新型的目的通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0005]具有線性C-V特性的低應(yīng)力雙杠桿結(jié)構(gòu)MEMS變?nèi)萜?，包括扭轉(zhuǎn)梁、下極板、上極板、錨點、驅(qū)動電極和介質(zhì)襯底，下極板、驅(qū)動電極和錨點設(shè)置于介質(zhì)襯底上，上極板的兩端部通過扭轉(zhuǎn)梁支撐固定于錨點上，上極板的中間部與下極板相對，上極板的端部與驅(qū)動電極相對；驅(qū)動電極上施加線性增加電壓，上極板的端部向下運(yùn)動，上極板的中間部向上運(yùn)動，上極板與下極板之間的電容值減小，驅(qū)動電極上停止施加線性增加電壓，上極板通過扭轉(zhuǎn)梁的扭轉(zhuǎn)彈力回復(fù)至初始水平狀態(tài)。
[0006]進(jìn)一步地，上述的具有線性C-V特性的低應(yīng)力雙杠桿結(jié)構(gòu)MEMS變?nèi)萜?，所述上極板包含中間部和兩端部，中間部與兩端部呈下凹式臺階結(jié)構(gòu)，中間部與下極板之間的空氣層構(gòu)成可變電容。
[0007]更進(jìn)一步地，上述的具有線性C-V特性的低應(yīng)力雙杠桿結(jié)構(gòu)MEMS變?nèi)萜?，所述錨點有四個，位于上極板的兩側(cè)，每側(cè)各兩個，每側(cè)的錨點位于上極板中間部與端部的分界處，均通過扭轉(zhuǎn)梁支撐固定上極板，錨點電氣接地。
[0008]更進(jìn)一步地，上述的具有線性C-V特性的低應(yīng)力雙杠桿結(jié)構(gòu)MEMS變?nèi)萜?，所述?qū)動電極上覆有絕緣介質(zhì)薄膜，作為驅(qū)動電極與上極板之間的電氣隔離層。[0009]再進(jìn)一步地，上述的具有線性C-V特性的低應(yīng)力雙杠桿結(jié)構(gòu)MEMS變?nèi)萜?，所述下極板上覆有絕緣介質(zhì)薄膜，作為下極板與上極板之間的電氣隔離層。
[0010]本實用新型技術(shù)方案突出的實質(zhì)性特點和顯著的進(jìn)步主要體現(xiàn)在:
[0011]本實用新型設(shè)計獨特、結(jié)構(gòu)新穎，驅(qū)動電極施加電壓時，上極板外端部向下運(yùn)動，帶動電容上極板向上運(yùn)動，上下極板間間距增大，從而使電容值C隨電壓值V增加而線性減小。上極板中間部臺階結(jié)構(gòu)使變?nèi)萜魃舷聵O板初始間距減小，初始電容值提高，增大電容變化范圍，同時有助于釋放上極板運(yùn)動時形變所產(chǎn)生的應(yīng)力。電容隨電壓變化的線性度非常高，電容變化范圍大。通過扭轉(zhuǎn)梁材料及尺寸優(yōu)化降低控制電壓。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]下面結(jié)合附圖對本實用新型技術(shù)方案作進(jìn)一步說明:
[0013]圖1:本實用新型的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖2:本實用新型初始狀態(tài)示意圖；
[0015]圖3:本實用新型工作狀態(tài)示意圖；
[0016]圖4:驅(qū)動電壓與上下極板間間距的關(guān)系曲線圖；
[0017]圖5:上下極板間間距與電容的關(guān)系曲線圖；
[0018]圖6:驅(qū)動電壓與電容的關(guān)系曲線圖。
【具體實施方式】
[0019]如圖1、圖2所示，具有線性C-V特性的低應(yīng)力雙杠桿結(jié)構(gòu)MEMS變?nèi)萜?，包括扭轉(zhuǎn)梁1、下極板2、上極板3、錨點4、驅(qū)動電極5和介質(zhì)襯底6，下極板2、驅(qū)動電極5和錨點4設(shè)置于介質(zhì)襯底6上，上極板3的兩端部通過扭轉(zhuǎn)梁I支撐固定于錨點4上，上極板3的中間部與下極板2相對，上極板3的端部與驅(qū)動電極5相對。如圖3所示，驅(qū)動電極5上施加線性增加電壓，上極板3的端部向下運(yùn)動，上極板3的外端與驅(qū)動電極5之間產(chǎn)生靜電力，上極板外端受靜電力作用向下運(yùn)動，通過錨點的杠桿作用帶動上極板3的中間部分向上運(yùn)動，杠桿旋轉(zhuǎn)與水平夾角設(shè)為a，上極板3與下極板2之間的電容值近似線性減小。驅(qū)動電極5上停止施加線性增加電壓，上極板3通過扭轉(zhuǎn)梁I的扭轉(zhuǎn)彈力回復(fù)至初始水平狀態(tài)。
[0020]上極板3包含中間部和兩端部，中間部與兩端部呈下凹式臺階結(jié)構(gòu)，中間部與下極板2之間的空氣層構(gòu)成可變電容。兩端部通過扭轉(zhuǎn)梁I連接錨點4作為支撐點，其外端部被驅(qū)動電極5驅(qū)動時向下運(yùn)動，帶動中間部向上運(yùn)動，中間部與下極板2及兩者之間的空氣層構(gòu)成可變電容，上極板3的中間部和兩端部之間的臺階結(jié)構(gòu)，可使變?nèi)萜魃舷聵O板初始間距減小，初始電容增大，同時可以減小上極板3運(yùn)動時的形變量，釋放形變所產(chǎn)生的部分應(yīng)力,增加上極板3運(yùn)動范圍,從而增加變?nèi)萜麟娙葜档淖兓秶?br> [0021]錨點4有四個，位于上極板3的兩側(cè)，每側(cè)各兩個，每側(cè)的錨點位于上極板3中間部與端部的分界處，均通過扭轉(zhuǎn)梁I支撐固定上極板3，起支撐和固定作用，為雙杠桿結(jié)構(gòu)的支點，錨點4電氣接地，為直流零電位。
[0022]驅(qū)動電極5位于上極板3外端部的下方襯底上，其上覆有一層很薄的絕緣介質(zhì)薄膜，作為上極板3與驅(qū)動電極5之間的電氣隔離層，驅(qū)動電極5的厚度與上極板3的運(yùn)動范圍有關(guān)，厚度越小，上極板3的運(yùn)動范圍越大，在驅(qū)動電極5上施加正電壓，可使驅(qū)動電極5與上極板3的外端部分之間產(chǎn)生靜電力，驅(qū)動上電極3的外端部分產(chǎn)生下拉動作。
[0023]下極板2位于上極板3中間部分正下方的襯底上，其上覆有一層很薄的絕緣介質(zhì)薄膜，作為上極板3與下極板2之間的電氣隔離層。
[0024]上極板3臺階結(jié)構(gòu)可釋放其動作時形變產(chǎn)生的部分應(yīng)力，使施加驅(qū)動加壓后整體形變應(yīng)力集中于扭轉(zhuǎn)梁I上，所以，可通過調(diào)整扭轉(zhuǎn)梁外形尺寸，以適應(yīng)具體應(yīng)用中系統(tǒng)控制電壓的限制。同時，下極板2的尺寸、上電極3的尺寸、錨點4的高度和驅(qū)動電極5的厚度不唯一，可根據(jù)具體應(yīng)用中初始電容值大小與電容調(diào)節(jié)范圍大小進(jìn)行設(shè)計，以獲得具有高線性度C-V特性的MEMS變?nèi)萜鳌?br> [0025]電容器的上下極板間間距、驅(qū)動電壓與電容之間關(guān)系，設(shè)上極板外端與驅(qū)動電極的初始間距為go，上極板中間部與下極板之間的初始間距為go。，實際間距為g。，扭轉(zhuǎn)梁的扭轉(zhuǎn)彈性系數(shù)為k，上極板與驅(qū)動電極的正對面積為Ae，則施加靜電力形成的力矩為:.、{/2 4
【權(quán)利要求】
1.具有線性C-V特性的低應(yīng)力雙杠桿結(jié)構(gòu)MEMS變?nèi)萜?，其特征在?包括扭轉(zhuǎn)梁、下極板、上極板、錨點、驅(qū)動電極和介質(zhì)襯底，下極板、驅(qū)動電極和錨點設(shè)置于介質(zhì)襯底上，上極板的兩端部通過扭轉(zhuǎn)梁支撐固定于錨點上，上極板的中間部與下極板相對，上極板的端部與驅(qū)動電極相對；驅(qū)動電極上施加線性增加電壓，上極板的端部向下運(yùn)動，上極板的中間部向上運(yùn)動，上極板與下極板之間的電容值減小，驅(qū)動電極上停止施加線性增加電壓，上極板通過扭轉(zhuǎn)梁的扭轉(zhuǎn)彈力回復(fù)至初始水平狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有線性C-V特性的低應(yīng)力雙杠桿結(jié)構(gòu)MEMS變?nèi)萜鳎涮卣髟谟?所述上極板包含中間部和兩端部，中間部與兩端部呈下凹式臺階結(jié)構(gòu)，中間部與下極板之間的空氣層構(gòu)成可變電容。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有線性C-V特性的低應(yīng)力雙杠桿結(jié)構(gòu)MEMS變?nèi)萜?，其特征在?所述錨點有四個，位于上極板的兩側(cè)，每側(cè)各兩個，每側(cè)的錨點位于上極板中間部與端部的分界處，均通過扭轉(zhuǎn)梁支撐固定上極板，錨點電氣接地。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有線性C-V特性的低應(yīng)力雙杠桿結(jié)構(gòu)MEMS變?nèi)萜?，其特征在?所述驅(qū)動電極上覆有絕緣介質(zhì)薄膜，作為驅(qū)動電極與上極板之間的電氣隔離層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有線性C-V特性的低應(yīng)力雙杠桿結(jié)構(gòu)MEMS變?nèi)萜鳎涮卣髟谟?所述下極板上覆有絕緣介質(zhì)薄膜，作為下極板與上極板之間的電氣隔離層。
【文檔編號】H01G5/16GK203706887SQ201320750881
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2013年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月25日
【發(fā)明者】劉澤文, 劉慧梁 申請人:蘇州希美微納系統(tǒng)有限公司