[发明专利]具有改良RF热切换性能及可靠性的微机械数字电容器

说明书

技术领域

本发明的实施例一般涉及微机械可变电容器的领域，特别是涉及在存在残余RF电压时释放数字电容器的行为。在此描述的发明可适用于任何微机械结构，其中需要最小化闭锁电压和启动电压之间的差。通过本发明，在制造出的装置中，由于电容接点上的下降电压，悬臂的弹簧系数可以设计成大于下落接点上的静电吸引，而打开装置所需要的电压不变。

背景技术

微机械致动器是基于在外力存在时会偏转或移动的简单原理。这些致动器的偏转通常遵循力和偏转度之间的线性关系。这种关系的坡度通过所使用的材料、开关和/或支腿的几何形状以及如何锚固开关和/或支腿来限定(普遍意义上为胡克定律)。

弹力＝F_弹簧＝K*X(1)

其中，K是弹簧系数，X是位移。

外力通常不遵循外力大小和开关的位置之间的线性关系。因为在静电的情形下，力将随相对于控制电极的位置的平方增加。这种情形在达到临界位移时引起“迅速移动”现象。静电力F_E由下式给出：

FE=ϵ0A2(Z-X)2V2---(2)]]>

其中，A是下拉电极与微机电系统(MEMS)装置之间的重叠面积，Z是开始位置，ε₀是自由空间的介电常数，V是所应用的控制电压。力平衡是在所有力的总和为零时限定的，这种情形产生了对静电MEMS的典型迅速移动行为。一旦接触悬臂，悬臂与拉入电极之间的间隔就大幅减小，根据等式2，静电力大大增加。为了允许分离悬臂，必须大幅减小控制电压。

图1A展示具有线性弹簧的静电驱动的MEMS装置的作用于MEMS装置的力与位移。注意，为了更好的展示图表上的各个点，图中的纵坐标具有对数刻度。标记为F_弹簧的曲线展示了随着位移线性变化的弹簧的机械力与位移。标记为FV1、FV2、FV3的曲线是在不同外加电压V1、V2、V3下作用于MEMS装置的静电力，其中V3＞V2＞V1。

通过获得机械力曲线与静电力曲线的交点而获得在各个外加电压下的MEMS位移。例如，当施加电压V1时，MEMS装置位移到点p1。当外加电压增加到V2时，MEMS装置位移到点p2，当电压增加到V3时，MEMS装置位移到点p3。此时，当电压再增加时，因静电力总是大于机械力，所以静电力曲线与机械力曲线不再有交点。因此，装置迅速移动并且位移到点p4。

当电压接着从V3降低到V2时，在位移的位置p4处的静电力FV2仍大于机械力F_弹簧，以致装置保持在点p4处位移。一旦电压降低到V1，位移的位置p4处的静电力FV1就与机械力F_弹簧一样大。电压的任何进一步的降低将导致在点p1处与机械力曲线仅有一个交点，而且装置将从点p4迅速返回到点p1。

图1B展示具有线性弹簧的MEMS装置的MEMS位移与外加电压。此图中所展示的是与图1A中所展示的点相同的点。在外加电压的向上扫频期间，位移遵循标记为“拉入”的曲线。在5V的外加电压下，MEMS装置位移到点p1。然后随着电压增加到15V，装置位移到点p2。当电压增加到25V时，MEMS装置位移到点p3。电压的任何进一步的增加将导致装置迅速移动至完全位移且最后在点p4上。接着降低电压，并且位移遵循标记为“释放”的曲线。当电压降低到5V时，位移保持于间隙的100％处(点p4’)。任何进一步的降低使装置迅速向下返回到点p1。因此，拉入电压是25V，并且释放电压是5V。图1B展示释放电压(装置在此电压下从位置p4’迅速移动到位置p1)与下落电压(装置在此电压下从位置p3迅速移动到位置p4)之间的大差异。