CN101682315B - 用于可调mems电容器的控制器 - Google Patents

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Abstract

一种MEMS可调电容器，包括第一和第二相对的电容器电极(10、12)，其中，MEMS开关可移动所述第二电容器电极(12)，以改变电容器电介质间隔，从而调节电容。可调电介质材料(14)和不可调电介质材料串联在第一和第二电极之间。可调电介质材料占据电极间隔的尺寸gd，不可调电介质材料占据电极间隔的尺寸g。面向可移动的第二电极(12)的第三电极(20)用于电控制可调电介质材料。控制器适于改变电容器电介质间隔，以获得MEMS电容器的电容调整的第一连续范围，并调节电介质材料(14)，以获得MEMS电容器的电容调整的第二连续范围，从而提供包括第一范围和第二范围的连续的模拟调整范围。这种布置提供了MEMS功能和电介质调节功能的独立控制，并提供了连续的可调性。

Description

用于可调MEMS电容器的控制器
技术领域
本发明涉及可调电容器，具体地，基于电容性MEMS结构。
背景技术
可调电容器可用于各种电路中，如可调滤波器、可调移相器和可调天线。日益引起兴趣的一项应用是在RF和微波通信系统中，例如用在低成本可重配置/可调天线中。
制造可调或可切换RF电容器的两项最有希望的技术是向电容器间隔提供机械改动的RF MEMS开关和继电器，以及具有电可调电介质的电容器。
RF MEMS开关具有更大的电容切换率的优势，而可调电介质具有更好的连续电容可调性的优势。
已经提出了：通过结合铁电体可调电介质(如钛酸钡锶(BST))使用MEMS开关，提供电介质间隔的控制，来结合这些效果。MEMS开关所提供的离散控制与介电性能的模拟电控制的结合提供了电容器的连续可调性。在Guong Wang等人的文章“A High PerformanceTunable RF MEMS Switch Using Barium Strontium Titanate(BST)Dielectrics for Reconfigurable Antennas and Phase Arrays”，IEEEAntennas and Wireless Propagation Letters Vol.4，2005pp217-220中，描述了该方法。
将图1用于解释怎样将电可调电介质与MEMS控制的电介质间隔相结合。
可以将可调电介质、铁电体材料或压电材料(如Ba1-xSrxTiO3或PZT)用作电介质层14。通过将MEMS电容器与可调电介质结合，将大电容切换范围或RF MEMS开关的优势增加到可调电介质的连续调节能力优势上。此外，利用了铁电体的有益的高介电常数，该介电常数是常规电介质(如氮化硅)的介电常数的10-200倍。这极大地减小了器件尺寸并增加了连续调节范围。
该器件包括相对的电容器极板10(e1)和12(e2)。基于施加到极板12的电压，弹簧k所表示的MEMS开关控制间隙g。将来自dc电压源18的dc电压Vdc_switch用来提供这种MEMS开关功能。RF ac电压源16表示操作期间流经MEMS器件的RF信号。可调电介质具有可调电介质值εd，而剩余的电介质间隔是电介质值为ε0的空气或真空。电压Vdc_tune控制可调电介质，以使得施加到电极12上的单电压控制MEMS的切换和电介质的调节。电容器C和电阻器R是可选的去耦部件。
图2示出了可调电介质的特性曲线。如果可调电介质两端的电压(Ubias)是零伏，出现最大介电常数。在图1的配置中，因为在0V之前将释放MEMS开关，永远不可能到达该最大值。
发明内容
根据本发明，提供了MEMS可调电容器，包括：
第一和第二相对的电容器电极，其中，MEMS开关可移动第二电容器电极以改变电容器电介质间隔，从而调节电容。
可调电介质材料和不可调电介质材料串联在第一电极和第二电极之间，其中，可调电介质材料占据电极间隔的第一尺寸，不可调电介质材料占据电极间隔的第二尺寸。
面向可移动的第二电极的第三电极，用于电控制可调电介质材料；以及
控制器，
其中，控制器适于改变电容器电介质间隔，以获得MEMS电容器的电容调整的第一连续范围，并调节电介质材料，以获得MEMS电容器的电容调整的第二连续范围，从而提供包括第一范围和第二范围的连续的模拟调整范围。
因而，本发明对于电容器提供了一种继电器类型的布置，该电容器受到第三电极的控制，独立控制介电性能。该器件具有电容的连续可调性。
优选地，当可移动电极处于与最大电极间隔对应的位置时，不可调电介质尺寸小于总的有效激励电极间隔的三分之一。
通过电容器调节期间防止可移动电极的内拉(pull-in)，这种间隙设计提供了电容的连续可调性。
优选地，可调电介质材料是固体，且不可调电介质材料是气体。因此，第二电极的移动移走了气体电介质(如，空气或真空)。
当电极间隔具有尺寸gd时，即，在第一电极和第二电极之间只夹有可调电介质时，可移动电极可以处于与最小电极间隔对应的位置。
优选地，可调电介质材料包括铁电体，如BST。
通过向使用该电容器的电路中的RF信号增加dc分量的方式，可将ac RF电压源用来控制可调电介质材料。可将dc电压源用来控制MEMS切换功能。
可在静态基底上提供第一和第三电极，并且第二电极包括悬挂在静态基底之上的悬臂结构。在一种布置中，仅第一电极为可调电介质材料所覆盖，或在另一种布置中，第一和第三电极为可调电介质材料所覆盖。在后者的情况下，可仅在第一电极上方在可调电介质上提供第四电极。
第一和第二电极可以是平坦的，然而，可代之使可移动的第二电极的形状使得在第一和第二电极之间以及第二和第三电极之间提供不同的间隙。因而，MEMS切换功能和电介质调节功能每一个都得以优化。
本发明还提供了可调天线，包括天线装置、用于发送信道的包括本发明的电容器的第一可调电路以及用于接收信道的包括本发明的电容器的第二可调电路。
还可将本发明的电容器用在可调电容器网络中，该可调电容器网络包括并联的多个可调电容器或者并联的多个静态电容器和至少一个可调电容器。
附图说明
现将参照附图详细地说明本发明的示例，其中：
图1用于解释怎样将电可调电介质与MEMS控制电介质间隔相结合；
图2示出了图1的布置的可调介电特性曲线；
图3示出了具有对MEMS开关和电介质的独立控制的第一可能布置；
图4示出了依照本发明，对图3的设计的改进；
图5是图1的配置的电容-电压(C-V)特性草图；
图6示出了针对图3的配置的电容特性；
图7示出了图4的布置所提供的改进的电容特性；
图8示出了依照本发明的第一备选实现；
图9示出了依照本发明的第二备选实现；
图10示出了依照本发明的第三备选实现；
图11示出了依照本发明的第四备选实现；
图12用于示出依照本发明，间隙关系的更一般的关系；
图13示出了可调天线中使用的本发明的电容性MEMS开关；
图14示出了并联以扩展可调范围的本发明的可调电容器；
图15示出了图14所示开关的并联组合的连续调节；
图16示出了实现可移动电极的第一方式；以及
图17示出了实现可移动电极的第二方式。
具体实施方式
本发明提供了具有可调电介质的MEMS继电器器件，可调电介质例如铁电体或其它可调电介质材料，如Ba1_xSrxTiO3或PZT。
在图中，仅示意性地示出了器件的结构。具体地，没有示出形成顶部电极的方式及顶部电极移动的方式。在一个已知的示例中，可以将顶部电极形成为在一侧端连接到较低基底的悬挂的梁。对于MEMS器件领域的技术人员来说，详细的实现是常规手段。
图3示出了第一可能布置。通过将电极20(e3)(接收产生静电力的高电压，该高电压移动MEMS电容器的电极)与形成RF电容器(e1和e2)的电极10、12电分离，完成电容性继电器的实现。当MEMS开关在Vdc_switch的控制下闭合时，可通过将DC电压Vdc_tune施加在电极e1和e2之间来调节介电常数εd。这导致连续可调电容器。因为存在开关(即，电介质间隔)的独立控制和介电性能的独立控制，可以与调节电压无关地保持开关闭合。分离的继电器电极20激励(actuate)MEMS开关，并因此控制电极12(e2)的移动。
例如，电压vdc_tune的范围可以是0-5V，vdc_tune的范围可以是0-50V。
图4示出了对该基本设计的改进并提供了增加的连续调节范围，同时仅要求一个调节电压控制。
该布置包括与图3相同的部件，然而，选择可调电介质占据用于电介质调节的电容器电极之间的大部分空间，具体地，使得剩余的间隙g小于总间隙的三分之一。再次地，电阻器R2和电容器C是可选的。
在图4的示例中，仅在电极10上提供可调电介质14。
由于器件中存在可调电介质和MEMS开关，便有两个相关的调节范围。首先，如果单纯将该器件用作MEMS器件，有如下的MEMS电容切换率或调节率：αMEMS＝COn/COff。第二，存在可调电介质电容器的调节率αTD＝Cmax/Cmin＝εd(Emax)/εd(0)
在图1的开关实现中，由于在没有释放MEMS器件的情况下不能使电介质两端的电压到达零，闭合状态下器件的有用调节范围小于αTD＝Cmax/Cmin。图5中指示了图1的基本开关的有用调节范围。
图5是图1的配置的电容-电压(C-V)特性草图。在闭合开关后(即，高的V值在如52所示的电平之上)，可在小于可调电介质的最大可调范围的范围内连续地调节器件的电容。当V降到特定值(如54所示)之下时，MEMS器件进行切换，以使得不能够达到最大电容(区域50)。值V与图1中的Vdc_switch+Vdc_tune相对应，并且C是图1中电极e1和e2之间的RF电容。
图6示出图3的配置的电容对Vdc_tune以及电容对Vdc_switch的关系。更大的连续调节范围是可获得。图6中的左图示出了当控制MEMS开关时的电容特性。在Vdc_switch＝Vpi处，MEMS开关闭合，并因而电容中有阶跃变化。该器件具有滞后现象，使得其在较低的电压处切换回到断开。在断开状态(Vdc_switch＜Vpi)中，还可以调节超过30％的电容。图6中的右图示出了当在开关闭合(Vdc_switch＞Vpi)的情况下控制电介质时的电容特性。没有如图5中50的禁止区域。
在图4的实现中，如上所述，满足等式(1)中的条件：
g＜(g+gd)/3        等式(1)
当MEMS电容器行进到用于MEMS开关激励的间隙(即，电极12和电极20之间的间隙)的三分之一时，MEMS电容器将显示出内拉。以在内拉出现之前将顶部的极板触碰到电介质的方式，本发明的设计考虑到这一点。因此，在图4的几何布置中，可以达到完全连续的调节。以这种方式，机械阻挡电极12移动到内拉发生的点上。如图4所示，通过使电介质14变厚可以做到这一点，然而，从下面的示例将变得显而易见的是，通过使用分开的阻挡桩(stub)也可以达到这一点。也可将这些方法相结合，使用桩防止电极12弯曲，并且在阻挡位置与电介质14的接触绘出最高的电容值。
因而，本发明提供了以MEMS开关和可调电介质电容器都显示出连续调节的方式相结合的MEMS开关和可调电介质电容器。代替数字调节和模拟调节的结合，完全的模拟调节成为可能。
图7示出了本发明提供的改进的性能并示出了与图6对应的图。在该布置中，实现全电容范围内的连续调节。此外，Vdc_tune图的斜率小于允许更精确调节的斜率。此外，当呈现出大的RF功率时，更有利的是使用Vdc_tune而不是Vdc_switch调节电容值，以减小非线性。
因此，对于图4的电容性MEMS继电器，两种调节电容的方法是可能的。使用Vdc_switch，第一连续调节是可能的。其可在大的电容范围内进行调节，然而具有两个劣势：
-C-V曲线的大斜率使得精确调节很困难。
-电极10和12之间的高RF电压将导致附加的力，该附加的力改变C-Vdc_switch曲线并使得电容的精确控制很困难。此外，这产生了非线性。
可调电介质没有这些问题。因而，为了覆盖全范围可调节性，应将Vdc_switch用于调节小的C值，并且针对大于最小值的电容值，应在Vdc_switch＞Vpi的情况下使用Vdc_tune(图7的右图)。
与可调电介质的大介电常数相结合，这可以允许系数为500的电容连续调节。
使用控制器驱动电容器，并因而设置所想要的电容。依照本发明，控制器适用于改变电容器的电介质间隔，以获得MEMS电容器的电容调整的第一连续范围，并调节电介质材料，以获得MEMS电容器的电容调整的第二连续范围。
Vdc_switch控制该第一范围，直到MEMS开关闭合，Vdc_tune控制该第二范围。
将这两个范围相结合以提供完整的连续可调范围，例如，比率大于100、200、300或甚至大于500。
图8示出了可调电介质覆盖整个固定极板电极的备选实现。与电极10相比，电极20上可使用不同的电介质，因为电极20上所需要的电介质的性能是不同的。
图9示出了两个电容器极板提供有分开的电极用于电介质调节和用于MEMS切换的修改。因而，每一个电容器极板包括MEMS开关电极20和92，并且这些电极彼此面对，每一个电容器极板具有电介质调节电极10和94的集合，再次地，这些电极彼此面对。如示意性地示出的，可移动电极具有绝缘基底90，以使得可以向可移动极板上的两组电极92、94提供独立电压。
图10示出了另一实现，该实现中，在可调电介质层的顶部提供另外的电极100(e4)以使得当MEMS开关闭合时，闭合状态下可移动电极12(e2)和附加电极100之间的电流接触将降低电极粗糙度对电容密度的影响。
图11示出了进一步的备选实现，在该备选实现中，该移动极板不是平坦的，而是具有凸起部分110，该凸起部分110减小具有可调电介质的区域中电容器间隙。这再次通过减少空气间隙防止了崩溃。
该成形的剖面产生并维持了间隙变化和弹簧常数变化。对于与MEMS器件中的成形的可移动电极相关的进一步讨论，参考WO2006/046193和WO2006/046192。
图12用于示出依照本发明，间隙关系的更一般的关系。
可移动极板示出为对于该结构的不同部分具有不同的厚度。此外，在MEMS切换电极和电介质调节电极上，电介质厚度是不同的。
MEMS开关闭合的允许的间隙g的关系给出为：
g＜(g2+gd2/εd2)/3        等式(2)
由于有效激励间隙尺寸被减小到三分之一，这与等式(1)相对应。有效间隙为g2+gd2/εd2。注意到如果在激励路径中没有电介质层，那么εd2＝1，并将等式(2)简化为等式(1)，即，g2+gd2＝g+gd。
如上所述，MEMS电容器和可调电介质的一个主要应用是RF通信设备(如移动电话)前端中的可调滤波器。因为MEMS电容器大比率地切换电容，其可有效地作为开关。可将可调电介质用于将滤波器的频率精细调节到想要的值。例如，对于实现图13所示的移动电话的移动前端中的可调滤波器和发送/接收开关，这是有用的。
图13示出了两个具有可调电介质(由开关和可调电容器表示)的电容性MEMS开关130、132，以在天线134的路径中的发送(Tx)信道和接收(Rx)信道中提供可调滤波器。开关提供了Rx信道和Tx信道间的隔离。
通过并联若干开关和可调电介质，可以显著地扩展连续调节范围。可以假定，MEMS开关的切换率远大于可调电介质的调节率(这是通常的情况)。如果可调电介质的连续调节率为2，通过如图14和15所示并联若干所提出的器件，可以增大该调节率。
图14示出了并联的三个具有电容C0、2C0和6C0的器件。
假定可调电介质的连续调节系数为2。已经选择电容值以最大化连续调节范围，从C0-18C0。因此，连续调节范围是系数18。
假定MEMS开关的断开电容与最小并联电容C0相比可忽略不计。图14中的电路可以是单个器件，或可以使用分开的MEMS开关和可调电容器组成(虽然这可能需要更大的空间)。
还可以使用一个可调电介质(C0-2C0)与4个电容值为C0、2C0、4C0和8C0的可切换MEMS电容器并联的一个器件，获得系数为17的调节范围。这可能需要5个器件而不是3个，然而仅需要一个可调电介质器件。
图15示出了图14中示出的开关的并联组合的连续调节。连续调节范围扩展为从C0到C18。不同的曲线与使用MEMS激励电压的MEMS开关的不同设置相对应
因此，本发明使得电容性MEMS继电器大切换率和调节率的优势与可调电介质材料所提供的高功率电平下的大连续调节的优势相结合。因此，在更好的功率处理和线性度的情况下，可以获得更大的连续调节范围。PZT或BST高k电介质还允许闭合状态下更大的电容密度，并因此减小了器件尺寸。
该尺寸的减小还减小了寄生电容和电感量。
可使用分开的电压对切换和调节功能进行组合和控制。
上面已经详细地描述了可移动梁的结构。具有多于一个弹簧/悬挂的布置可以是有利的。
图16示出了具有固定在点160处的4个弹簧的布置的顶视图。图17示出了具有8个弹簧的布置的顶视图。
对本领域技术人员来说，不同的修改是显而易见的。

Claims (22)

1.一种MEMS可调电容器，包括
电容器的相对的第一和第二电极(10、12)，其中，MEMS开关可移动所述第二电极(12)以改变电容器电介质间隔，从而调节电容；
可调电介质材料(14)和不可调电介质材料串联在所述第一电极和所述第二电极之间，其中，所述可调电介质材料占据电极间隔的第一尺寸(gd)，不可调电介质材料占据电极间隔的第二尺寸(g)；
面向可移动的第二电极(12)的第三电极(20)，用于电控制可调电介质材料；以及
控制器，
其中，所述控制器适于改变所述电容器电介质间隔，以获得MEMS可调电容器的电容调整的连续的第一范围，并调节所述可调电介质材料(14)，以获得MEMS可调电容器的电容调整的连续的第二范围，从而提供包括所述第一范围和所述第二范围的连续的模拟调整范围。
2.根据权利要求1所述的MEMS可调电容器，其中，当所述可移动的第二电极(12)处于与最大电极间隔对应的位置时，所述电极间隔的第二尺寸(g)小于总的有效激励电极间隔(g+gd)的三分之一，其中所述总的有效激励电极间隔(g+gd)是所述电极间隔的第二尺寸(g)和所述电极间隔的第一尺寸(gd)之和。
3.根据权利要求1或2所述的MEMS可调电容器，其中，所述可调电介质材料(14)是固体，所述不可调电介质材料是气体。
4.根据权利要求1或2所述的MEMS可调电容器，其中，所述可调电介质材料(14)包括铁电体材料。
5.根据权利要求4所述的MEMS可调电容器，其中，所述可调电介质材料(14)包括钛酸钡锶。
6.根据权利要求1或2所述的MEMS可调电容器，还包括ac RF电压源(16)，所述ac RF电压源(16)包括用于控制所述可调电介质材料的dc部件。
7.根据权利要求1或2所述的MEMS可调电容器，还包括用于控制MEMS开关的切换功能的dc电压源(18)。
8.根据权利要求1或2所述的MEMS可调电容器，其中，在静态基底上提供所述第一电极(10)和第三电极(20)，并且所述第二电极(12)包括悬挂在所述静态基底之上的弹性结构。
9.根据权利要求8所述的MEMS可调电容器，其中，仅所述第一电极(10)被所述可调电介质材料所覆盖。
10.根据权利要求8所述的MEMS可调电容器，其中，所述第一电极(10)和第三电极(20)被所述可调电介质材料所覆盖。
11.根据权利要求8所述的MEMS可调电容器，其中，所述第一电极(10)被所述可调电介质材料所覆盖，所述第三电极(20)被电介质材料所覆盖。
12.根据权利要求11所述的MEMS可调电容器，其中，所述电极间隔的第二尺寸(g)满足：g＜(g2+gd2/εd2)/3
其中，g2是所述第二电极(12)和第三电极(20)之间的非电介质间隔，gd2是覆盖所述第三电极(20)的电介质材料的电介质厚度，εd2是覆盖所述第三电极(20)的电介质材料的介电常数。
13.根据权利要求10所述的MEMS可调电容器，还包括仅在所述第一电极(10)上方在可调电介质上提供的第四电极(100)。
14.根据权利要求11所述的MEMS可调电容器，还包括仅在所述第一电极(10)上方在可调电介质上提供的第四电极(100)。
15.根据权利要求12所述的MEMS可调电容器，还包括仅在所述第一电极(10)上方在可调电介质上提供的第四电极(100)。
16.根据权利要求1或2所述的MEMS可调电容器，其中，所述第二电极包括面对所述第一电极(10)的第一ac电极部分(94)和面对所述第三电极(20)的第二dc电极部分(92)。
17.根据权利要求1或2所述的MEMS可调电容器，其中，所述可移动的第二电极(12)的形状使得在所述第一电极(10)和第二电极(12)之间以及所述第二电极(12)和第三电极(20)之间提供不同的间隔。
18.根据权利要求17所述的MEMS可调电容器，其中，所述第一和第二电极(10、12)之间的间隔(g+gd)小于所述第二和第三电极(12、20)之间的间隔。
19.根据权利要求1或2所述的MEMS可调电容器，其中，所述第二电极被在电极周边间隔开的多个弹簧部分(160)悬挂。
20.一种可调天线，包括天线装置(134)、用于发送信道的包括前述权利要求中任一项所述的MEMS可调电容器的第一可调电路(130)以及用于接收信道的包括前述权利要求中任一项所述的MEMS可调电容器的第二可调电路(132)。
21.一种可调电容器网络，包括并联的多个根据权利要求1至19中任一项所述的MEMS可调电容器。
22.一种可调电容器网络，包括并联的多个静态电容器和至少一个根据权利要求1至19中任一项所述的MEMS可调电容器。
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