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》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、http://www.paper.edu.cn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@yahoo.com.cn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

2、；平行板电容器1引言微电子机械系统(MicroElectroMechanicalSystem)，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[1]科学领域。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RFMEMS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

3、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：2dW1εεAVr0F==+(1)e2dx2x在所有的电容器中，施加的电压

4、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。-1-http://www.paper.edu.cn这篇文章所介绍的可调电容器

5、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：AC=εε(2)r0x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

6、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V，当V=0时，两极板间的初始距离为x；DCDC0当V≠0时，两极板间的距离为x−x。DC0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

7、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。[2]有很多前人的经验和证明告诉我们，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2二（即hh<）。up3Pull-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（tWL≤≤）中得出-2-ht