一种静电驱动可调电容器的设计

一种静电驱动可调电容器的设计李飞北京邮电大学，北京（100876）E-mail ：lifei.bupt@摘 要：本文主要是介绍一种新的可调电容器的设计。

这种可调电容器采用静电驱动金属膜的原理工作，与一般的只有单极板可动的可调电容器相比，这种结构的不同之处在于采用一些复杂的制作工艺，制作出电容两块极板均可动的可调电容器。

这种结构包括两层可动金属板，下层金属板上覆盖一层薄的绝缘层，防止两层金属膜发生接触粘连。

上下两层可动板之间留有一定厚度的空气隙，金属板在这个区域内可以活动。

关键字：微电子机械系统；可调电容器；平行板电容器1 引言微电子机械系统(Micro Electro Mechanical System)，简称MEMS ，是在微电子技术基础上发展起来的集微型机械、微传感器、微执行器、信号处理、智能控制于一体的一项新兴的科学领域[1]。

MEMS 的特点和优点是体积小、重量轻、性能稳定，通过IC 等工艺可批量生产，成本低，一致性好，功耗低等。

最近几年，MEMS 技术开始应用于无线通信系统，在RF MEMS 技术的很多研究领域，像微型电容式开关、可调电容、电感和滤波器这些MEMS 器件都适合在RF 系统中应用。

到目前为止，在所有MEMS 可调电容中，用静电力驱动的平行板结构是最常用的结构。

而且平行板可调电容用表面微机械工艺很容易制造。

但是由于对于这种电容结构，电压超过pull-in 阈值电压时，会发生失稳效应，这种可调电容器的理论可调率限制在50%以下。

而且因为寄生电容的存在，实际可达到的可调率远远低于理论值。

2 可调电容器的原理2.1 静电驱动原理静电力驱动是MEMS 器件中最简单、最常用的驱动方式，基本工作原理是两个带异性电荷的电极板之间具有吸引力，在结构上采用两块分开一定距离的极板。

当施加电压时，极板在极板间吸引力的作用下发生变形。

垂直于平板相应的静电力（沿d 的方向）可以通过上式中的电势能导出：20212r e AV dW F dx xεε==+ (1) 在所有的电容器中，施加的电压均会挤压极板间的电介质，从该式可以很清楚地看出力与距离、力与电压的关系是非线性的。

但是在某些情况下可通过闭环控制来线性化。

理论上这种执行器的力-电压特性为非线性的，但是它们的耗能小并且易于制造，所以到目前为止静电力驱动是最常用的驱动方式。

使用静电力驱动的器件具有耐用性好，器件制造相对简单，而且反应速度相对比较快，受环境改变的影响比较小等优点。

在原理上，静电力驱动几乎不消耗能量，只在保持某种状态的时候需要消耗一些能量。

由于制造两个具有微小间隙的导电极板相对简单，所以它们被广泛应用于微机械器件中。

这篇文章所介绍的可调电容器就是采用静电驱动金属膜的工作原理来工作的。

2.2 静电驱动金属膜工作原理和Pull-in 效应对于平行板电容器，电容器的电容值和平行极板间的距离有关系：0r A C xεε= (2) 改变平行板电容器极板间的距离就可以改变电容器的电容值，根据这一原理可以制作可变电容器。

静电驱动金属膜类型的可变电容器，采用静电驱动方式，静电间的引力引起两极板的吸引，静电力带动极板运动，产生机械形变，改变电容器极板间的距离，使电容器电容值发生变化。

金属极板间所加偏置电压不同，电容器极板的形变不同，得到的电容值也不同，通过控制金属极板间所加电压的大小，可以调节可调电容器的电容值。

图1. 简单的可调平行板电容器常见的像图1结构的平行板可调电容器包括一个可动金属极板和一个固定在基底上的金属极板构成。

在两块极板间加直流偏置电压DC V ，当0DC V =时，两极板间的初始距离为0x ；当0DC V ≠时，两极板间的距离为0x x −。

对于静电力驱动的平行板来说，pull-in 效应是最常见的情况，也是设计类似结构时必须要考虑的情况之一。

Pull-in 效应即失稳现象。

对于如下桥结构，下极板固定，当平行板间加电压时，极板间静电力使上下两块极板相互吸引，上极板向下弯曲。

当所加电压比较小时，上极板弯曲较小，极板间静电力等于上极板的机械弹力，上极板保持稳定的弯曲。

随着极板间电势差的增大，图2. pull-in 效应的发生上极板继续弯曲，极板间静电力增大。

当两极板间的最小距离小到一定程度的时候，静电力大于极板的机械弹力，上极板的弯曲开始不稳定，会发生突然向下极板运动的现象。

这种突然发生的不稳定弯曲就称为pull-in 效应，即失稳现象。

有很多前人的经验和证明[2]告诉我们，pull-in 效应发生条件是极板间的静电吸引力等于上极板的弹性力，或者带电极板间的距离小于初始状态（即未加静电力时的状态）的三分之二（即23up h h <）。

Pull-in 现象发生时所满足的失稳电压（失稳现象发生时的极板间电势差）条件可以从下边的简单公式（t W L ≤≤）中得出Vs ≅= (3)[3]K 是有效弹性系数，up h 是初始状态时电极间的距离，0ε是电容的介电常数，E 是梁或者桥的杨氏模量，A 是电极面积，L 是梁或者桥的长度，W 宽度，t 是厚度。

2.3 单极板可动电容值可调电容器设计及缺陷当两块金属极板间所加的偏置电压DC V 达到发生失稳效应的临界电压pi V 时，上层金属极板的运动距离x 达到013x ，静电力和金属极板的机械弹力相等。

继续加大金属极板偏置电压DC V ，超过失稳临界电压pi V ，x 超过013x 时，因为上层金属极板不能提供足够大的机械弹力，平行板电容器发生失稳现象（即pull-in 效应），突然迅速变形和下金属板贴在一起。

由于失稳效应的发生，可调电容器的可控制的电容值最大只能达到起始值的150%。

所以理论上，静电驱动金属膜式单极板可动的电容值可调电容器的最大可控制调节范围为50%[4][5]。

3 双极板可动电容值可调电容器结构设计3.1 双极板可动电容值可调电容器截面结构设计为了改进静电驱动金属膜式单极板可调电容器的可调范围，又能够保留静电驱动金属膜式平行板可调电容器易制作、驱动速度快等优点，从单极板可调电容器的结构我们很容易想到在大尺寸条件下很容易想到的办法，即将单极板可动电容器改成双极板可动式电容器，使电容器上下两个金属极板都具有可动范围，弥补单极板可动电容器可调范围过小的不足，这篇论文介绍的这种新的可调电容器的结构就是从这种思想中发展并设计实现的。

这种改进型的平行板电容器有两层结构层、三层牺牲层和两层氮化物隔离层，如图3：图3. 双极板可动的电容值可调电容器基本结构图它的上下两层极板均可移动，与单极板可动电容器相比，金属极板间的距离变化范围更大，因此可调电容器的电容值变化范围也就更大。

它的详细结构如下：a) 最下层为硅基底；b) 硅基底上覆盖一层氮化物隔离层（未画出）；c) 氮化物隔离层上是0.5μm 高的空气隙；d) 中间一层为下层可动金属膜，这层金属膜由一层厚0.5μm 的金膜构成；e) 在下层可动金属膜（金膜）上覆盖一层的厚0.35μm 氮化物薄膜构成；f) 最上层为一层厚0.5μm 的金膜；下层金金属膜与上层金金属膜之间的空间高2μm 。

结构中，两层金金属膜分别构成上下层可动电容极板，下层金金属膜膜上的氮化物膜作为上下两层金材料电容极板之间的物理隔离层，阻止两层极板间的物理接触，有效的防止两层极板相互接触时发生粘连。

在上下两层金金属材料电容极板上加载直流偏置电压，在静电力的作用下，上下两块电容器极板相互吸引，向对方移动，可调电容器极板间的空气隙厚度发生变化，导致可调电容器的电容值变化。

通过控制可调电容器两块金属板间的偏置电压可以得到不同的电容器电容值。

图4. 加载电压后的可调电容器上下两层金金属材料电容极板发生变形当两块金金属材料电容极板间所加的偏置电压DC V 达到发生失稳效应的临界电压pi V 时，两块金金属材料电容极板间的距离h 达到023h ，发生pull-in 效应（即失稳现象），两块金金属材料电容极板迅速接触到一起。

图5. pull-in 效应发生后，两块金金属材料电容极板迅速接触到一起3.2 双极板可动电容值可调电容器可动极板俯视面结构设计根据上边的论述可知，静电驱动方式有所需驱动电压太大的缺点，因此在设计适合通信中应用的可调电容器时，想办法降低可调电容器的工作电压就是一个非常重要的问题。

在对单极板可动电容值可调电容器的论述中，我们已经知道02()m e k x k x x =−，也就是说，产生同样的形变所需的静电力与金属极板的有效机械弹性系数成正比例关系，机械弹性系数越大，所需静电力就越大，因此所需要的工作电压也就越大；机械弹性系数越小，所需静电力也就越小，所需的工作电压也就越小。

因此要想降低静电驱动的可调电容器的工作电压，最主要的办法就是降低金属可动极板的机械弹性系数，而要想降低金属可动极板的机械弹性系数有很多办法。

金属可动极板的机械弹性系数与很多量有关系，主要是金属极板长、宽、厚度的结构比例，金属的杨氏模量以及金属极板的结构等等参数有关。

简单的金属膜桥式结构设计：图6. 金属膜桥式结构下图设计了一种带弯曲悬臂的金属膜桥式结构：图7. 带弯曲型悬臂的正方形桥结构图8. 画出刻蚀洞的正方形桥结构中心电容极板的设计尺寸为300m μ×300m μ。

实际上，在制作器件的过程中，需要在金属极板上先均匀刻蚀出间隔为10m μ的2m μ×2m μ的小洞，主要目的是通过这些小洞使化学腐蚀剂能够接触到金属极板下的牺牲层，以去除牺牲层，形成所需的空气隙。

根据[6] ] Adrian M.Ionescu, “A Novel RF MEMS Technological Platform”,IEEE 2002中的论述，采用带弯曲型悬臂的桥式结构，与不带这种悬臂的桥式结构相比，能够有效的降低pull-in 效应发生时的临界电压（即失稳电压），也就有效的降低了采用这种结构的器件的工作电压。

4 结论本文介绍了一种从简单的单极板可动的电容值可调平行板电容器改进发展之后得到的一种双层极板都可动的电容值可调平行板电容器，这种可调电容器采用常用的静电驱动金属膜的方式工作，采用静电驱动金属膜 这种工作方式的优点在于制作简单、易于和其他RF器件以及IC电路集成、反应速度快、受环境改变的影响比较小、消耗能量少、器件寿命比较高等。

但由于客观条件的限制，无法加工实现并验证。

参考文献[1]雷戈里T.A.科瓦奇、张文栋，《微传感器与微执行器全书》，科学出版社 2003[2]缪旻、金玉丰、武国英，《RF MEMS器件的研究》，2001[3]S. Lucyszyn, “Review of radio frequency microelectromechanical systems technology”, IEE, 2004[4]R.R. Mansour, M. Bakri-Kassem, M. Daneshmand and N. Messiha, “RF MEMS DEVICES”, The 2003International Conference on MEMS, NANO, and Smart Systems July 20-23, 2003 in Banff, Alberta – Canada[5]J. De Coster’, R. Puers”, H.A.C. Tilmans’, J.T.M. vanBeekc, Th.G.S.M. Rijksc, K.U. Leuven, “V ARIABLERF MEMS CAPACITORS WITH EXTENDED TUNING RANGE”, IEEE, 2003[6]Adrian M.Ionescu, “A Novel RF MEMS Technological Platform”,IEEE 2002Design of a new electrostatically actuated tunable capacitorLi FeiBeijing University of Posts and Telecommunications，Beijing (100876)AbstractThe design of a new tunable capacitor which is fabricated using MEMS technology is presented in this paper. The electrostatically actuated membrane is used in this kind of tunable capacitor. Both of two parallel-plate of the new tunable capacitor can deflect when subject to parallel-plate electrostatic actuation, this is different with the novel parallel-plate tunable capacitor which is only one of the two parallel-plate can deflect. There is a dielectric film between the two parallel-plate of the tunable capacitor. The dielectric film severs to prevent contact between them. The device consists two air gaps, one of them is between the two parallel-plats and the other one is under the below plate. Keywords：RF MEMS；tunable capacitor；parallel-plate capacitor。