[发明专利]用于可调MEMS电容器的控制器

说明书

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 Performance  Tunable RF MEMS Switch Using Barium Strontium Titanate(BST) Dielectrics for Reconfigurable Antennas and Phase Arrays”，IEEE  Antennas 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Ba_1-xSr_xTiO₃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ε_d，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)。