CN1815646A - 可变电容器及制造可变电容器的方法 - Google Patents

可变电容器及制造可变电容器的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及可变电容器及制造可变电容器的方法。第一可动电极是平坦的，但第二可动电极变形为凸形。在第二可动电极的相对面上设置电介质层。通过调节施加在第一可动电极和第二可动电极之间的电压，通过在所述两个电极之间产生的静电吸引力来在所述两个电极之间形成任意距离，从而获得所需的静电电容。当缩短两个电极之间的距离时，首先，在中心，第一可动电极的一部分和第二可动电极的一部分相互接触，其间夹有电介质层。然后，第一可动电极和电介质层(第二可动电极)从所述接触部分向***依次相互接触，接触面积逐渐增加。

Description

可变电容器及制造可变电容器的方法
技术领域
本发明涉及可变电容器及其制造方法，更具体地，涉及使用MEMS(微电机***)技术的可变电容器及其制造方法。
背景技术
可变电容器是包括变频振荡器、可调放大器、移相器、阻抗匹配电路等的电路的重要部件。近年来，越来越多的便携式设备包括了可变电容器。与现今主要使用的变容二极管相比，使用MEMS技术制造的可变电容器的优势在于能增加Q值，同时损耗较小。因此，对于可变电容器的开发存在一种迫切的需要(例如见日本专利申请公开说明书No.2003-188049以及No.09-162074)。
一般，可变电容器包括两个相对的电极，其中一个电极或者两个电极是可移动的电极，用致动器驱动所述可移动的电极来改变所述两个相对的电极之间的距离，从而改变电容。
图1是传统的典型可变电容器的结构示意图。一个固定电极41安装在一个基底44上，一个可移动电极42由基底44弹性支承，面对所述固定电极41。在图1中，功能性地图示了弹簧51，以表示该弹性支承。通过调节要施加在固定电极41和可移动电极42之间的电压，控制在两个电极41、42之间参数的静电吸引力和弹簧51的力之间的平衡，从而在两个电极41和42之间保持任意的距离d。另外，通过改变距离d，获得所需的静电电容。
图1所示的传统可变电容器具有以下问题。当两个电极41和42之间的距离d下降到初始值的2/3或者更低时，会出现一种牵引现象(pull-in phenomenon)，可移动电极42突然被吸引而接触固定电极41，从而在两个电极41和42之间发生短路。为此，在具有这样的结构的可变电容器中，由于两个电极41和42之间的距离d能够被降到初始值的2/3以上，电容只能被改变到1.5倍的初始值。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题。本发明的一个目的是提供一种能够获得较大的电容以及较大的电容改变量、即使具有小尺寸的结构也能细调电容的可变电容器，并提供这种可变电容器的制造方法。
本发明的第一方面的可变电容器是这样一种可变电容器：通过改变两个相对电极之间的距离来改变其电容，其包括在所述两个电极之间的电介质层，被构造为：当两个电极之间的距离缩短时，两个电极的一部分相互接触但是其间夹有所述电介质层，接触面积从作为起点的接触部分增加。在该第一方面的可变电容器中，当两个相对电极之间的距离缩短时，首先，两个电极的一部分相互接触，其间夹有所述电介质层，然后，从作为起点的接触部分开始，接触面积逐渐增加。在这种结构中，可以获得较大的电容和较大的电容变化，而不受牵引现象的影响。
本发明的第二方面的可变电容器是这样一种可变电容器：通过改变两个相对电极之间的距离来改变其电容，并包括在所述两个电极之间的电介质层，其中，所述两个电极中的一个或者两个具有凸起部分和/或凹下部分。在第二方面的可变电容器中，由于所述两个电极的至少一个具有凸起部分和/或凹下部分，可以容易地获得这样一种结构：当缩短所述两个电极之间的距离时，所述两个电极的一部分相互接触，其间夹有所述电介质层。
本发明第三方面的可变电容器是这样一种可变电容器：通过改变两个相对电极之间的距离改变其电容，并包括所述两个电极之间的电介质层，其中，一个电极相对于另一个电极倾斜。在第三方面的可变电容器中，由于一个电极相对于另一个电极倾斜，可以容易地获得这样一种结构：当缩短两个电极之间的距离时，所述两个电极的一部分相互接触，其间夹有所述电介质层。
根据本发明第四方面的可变电容器，在第一到第三方面的任何一个中，所述电介质层被置于所述两个电极中的一个或者两个的相对面上。在第四方面的可变电容器中，由于要夹在两个相对电极之间的电介质层被至少放置在一个电极的相对的面上，能够稳定地提供用于防止所述电极之间的短路的电介质层。
根据本发明第五方面的可变电容器，在第一到第四方面的任何一个中，对电极的相对表面和/或电介质层的相对表面进行疏水处理。在第五方面的可变电容器中，由于对两个相对电极的相对表面和/或电介质层的相对表面进行了疏水处理，减少了两个电极之间发生粘连现象的情况。
根据本发明第六方面的可变电容器，在第二方面中，当改变两个电极之间的距离时，所述凸起部分和/或凹下部分用作弹簧。在第六方面的可变电容器中，由于在改变两个相对电极之间的距离时将所述凸起部分和/或凹下部分用作弹簧，可以容易地从作为起始点的所述凸起部分和/或凹下部分开始增加接触。
根据本发明第七方面的可变电容器，在第二方面中，使用材料之间内应力或者热膨胀系数的差，来形成所述凸起部分和/或凹下部分。在第七方面的可变电容器中，由于使用材料之间内应力或者热膨胀系数的差来形成两个相对电极的所述凸起部分和/或凹下部分，容易形成所述凸起部分和/或凹下部分。
本发明第八方面的制造可变电容器的方法是制造通过改变两个相对电极之间的距离而改变电容的可变电容器的方法，包括将要作为电极的电极膜堆叠到与该电极膜具有不同的应力或者热膨胀系数的电介质膜上的步骤。在第八方面的制造可变电容器的方法中，例如，通过在具有压应力的电极膜上堆叠具有张应力的电介质膜，容易制造具有凹入中心的结构。由于将具有相反应力方向的电极膜和电介质膜堆叠起来，能够容易地制造具有凸起或者凹下中心的电极。
本发明第九方面的制造可变电容器的方法是制造通过改变两个相对电极之间的距离而改变电容的可变电容器的方法，包括下述步骤：在基底上形成一个牺牲层；在该牺牲层上形成一个凸形的抗蚀剂图案；在该牺牲层和抗蚀剂图案上形成要作为电极的电极膜；去除所述牺牲层和抗蚀剂图案。在第九方面的制造可变电容器的方法中，在基底上形成牺牲层，在牺牲层上形成凸形的抗蚀剂图案，形成覆盖所述牺牲层和抗蚀剂图案的电极膜，然后去除所述牺牲层和抗蚀剂图案。因此，容易制造具有部分凸起形状的电极。
从下面结合附图进行的详细说明可以更加清楚本发明的上述以及其它目的和特征。
附图说明
图1是传统的典型可变电容器的结构示意图；
图2是本发明的可变电容器的平面图；
图3是本发明的可变电容器的分解透视图；
图4A到4C是根据第一实施例的可变电容器的主要部分的结构示意图；
图5是根据第二实施例的可变电容器的主要部分的结构示意图；
图6是根据第三实施例的可变电容器的主要部分的结构示意图；
图7是根据第四实施例的可变电容器的主要部分的结构示意图；
图8是根据第五实施例的可变电容器的主要部分的结构示意图；
图9是根据第六实施例的可变电容器的主要部分的结构示意图；
图10是根据第七实施例的可变电容器的主要部分的结构示意图；
图11是表示制造可动电极的方法的剖面图；
图12是表示制造可动电极的方法的剖面图；
图13A到13D的剖面图图示了制造可动电极的工艺的一个例子；
图14A到14C是根据第八实施例的可变电容器的主要部分的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图具体描述本发明。图2是本发明的可变电容器的平面图。图3是同一个可变电容器的分解透视图。
在图2和图3中，附图标记4表示由硅、玻璃、化合物半导体等形成的基底。在该基底4的中心形成一个十字形开口31，在该基底4的上表面设置绝缘层32。在图2和图3中，附图标记1和2分别表示下部可动电极和上部可动电极，它们都是由例如铝制成的。
可动电极1在两侧有板条部分1a、1a，在中心有电容器部分1b，一个板条部分1a的一端连接到一个信号焊盘33，另一个板条部分1a的一端连接到绝缘层32，与接地电极34电隔离。所述可动电极1由所述基底4在所述端部支撑，所述可动电极1的除了所述端部之外的其它部分位于所述开口31上方。另一方面，可动电极2在两侧有板条部分2a、2a，在中心有电容器部分2b，两个板条部分2a的端部均连接到接地电极34。所述可动电极2由所述基底4在所述端部支撑，所述可动电极2的除了所述端部之外的其它部分位于所述开口31上方。
根据所述基底4的所述开口31，这些可动电极1和2布置为十字形状。所述可动电极1的电容器部分1b和所述可动电极2的所述电容器部分2b相互面对，其间夹有空气层。这些相对的电容器部分1b和2b用作电容器。注意，相互电分离的可动电极1和可动电极2可以在相对于地浮动的状态下使用，但是，为了降低浮动电容，可动电极2连接到接地电极34。
在信号焊盘33和接地电极34之间设置电压电路35，以在信号焊盘33(可动电极1)和接地电极34(可动电极2)之间施加一个电压。通过用电源电路35在可动电极1和可动电极2之间施加一个电压，所述两个电极1和2之间的距离受到在所述两个电极1和2之间产生的静电吸引力的控制。另外，通过调节所述两个电极1和2之间的距离，获得所需的静电电容。
(第一实施例)
图4A到4C是根据第一实施例的可变电容器的主要部分的结构示意图。如图4A所示，可动电极1和可动电极2由基底4弹性支承，使它们的电容器部分1b和2b相互面对。上可动电极2是平坦的，但是下可动电极1被变形为凸形。在可动电极1的在面对可动电极2的一侧的相对表面上，设置例如由铝制成的电介质层3。注意，可动电极1的板条部分1a、1a以及可动电极2的板条部分2a、2a用作弹簧部件。在图4A到图4C中，功能性地图解了弹簧11和12，来表示所述弹性支承。
通过调节要在可动电极1和可动电极2之间施加的电压，可以通过在所述两个电极1和2之间产生的静电吸引力而在两个电极1和2之间形成任意的距离，通过改变该距离来获得所需的静电电容。
当通过在两个电极1和2之间施加电压而缩短可动电极1和可动电极2之间的距离时，由于可动电极1具有凸形，首先，在中央，可动电极1的一部分和可动电极2的一部分相互接触(中间夹有电介质层3)(图4B)。然后，可动电极2和电介质层3(可动电极1)从所述接触部分向周边依次接触，接触面积逐渐增加(图4C)。
支承可动电极1或者可动电极2的弹簧11和12的弹簧常数被设置为小于可动电极1(电容器部分1b)或者可动电极2(电容器部分2b)的弹簧常数。因此，当在可动电极1和可动电极2之间施加电压时，如图4B所示，由于支承各电极1和2的弹簧11和12的弹簧常数和两个电极1和2之间的静电吸引力之间的平衡，可以获得电容的变化，直到可动电极1和可动电极2相互接触。另外，当在所述两个电极1和2之间施加电压时，如图4C所示，由于可动电极1或者可动电极2的弹簧常数和所述两个电极1和2之间的静电吸引力之间的平衡，可以获得电容的变化。
起减小相对的平行板之间的间隔的作用的静电吸引力F由下面的等式(1)表示。电极间的距离d越小，所产生的静电吸引力F越大，因此，如果电极间的距离小，则需要施加较小的电压以获得相同大小的静电吸引力F。
F = S ϵ 0 ϵ r V 2 / 2 d 2 . . . ( 1 )
其中，S是电极面积，d是电极间的距离，ε0是真空介电常数，εr是电极间的相对介电常数，V是施加的电压。
图示于图4B或者图4C中的两个电极1和2之间的距离在两个电极1和2相互接触的部分是0，在该部分周围该距离非常接近于0，从而，在这些部分中，可以用非常小的外加电压来使所述两个电极1和2相互接触。由于静电电容C由下面的等式(2)表示，电极间的距离d越小，静电电容C越大，在电极间距离d小的区域中电极间的距离的变化表现为大的电容变化。
C＝ε0εrS/d         …(2)
由于上述原因，本发明的可变电容器可以使用小的驱动电压实现大的静电电容和大的静电电容变化。另外，在确保相同的静电电容的前提下，与传统的可变电容器相比，本发明可以减小尺寸。
由于构成所述可变电容器的可动电极1和2本身具有弹性，减少了两个电极之间发生粘连现象的情况。对于粘连现象，如果通过对接触部分涂覆疏水剂(hydrophobic agent)比如二甲基二氯硅烷(dimethyl dichlorosilane)和十八烷基三氯硅烷(octadecyltrichlorosilane)来对所述表面进行疏水处理，则可以阻挡电容器部分1b和2b的环境氛围中潮气的影响，从而能够进一步减少粘连现象。可以使用来自含氯氟烃(chlorofluorocarbon)***气体的等离子体对所述表面进行疏水处理。
(第二实施例)
图5是第二实施例的可变电容器的主要部分的结构示意图。在图5中，与图4A到4C中相同的部分用相同的附图标记表示。在图5所示的第二实施例中，上可动电极2是平坦的，但是下可动电极1被变形为凹形。在此例子中，所述两个电极1和2首先在***相互接触，然后接触面积向中央增加。第二实施例也产生与第一实施例相同的效果。
(第三实施例)
图6是根据第三实施例的可变电容器的主要部分的结构示意图。在图6中，与图4A到4C中相同的部分用相同的附图标记表示。在图6所示的第三实施例中，上可动电极2和下可动电极1都被变形为凸形。在此例子中，类似于第一实施例，所述两个电极1和2首先在中央相互接触，然后接触面积向周围增加。第三实施例也产生与第一实施例相同的效果。
(第四实施例)
图7是根据第四实施例的可变电容器的主要部分的结构示意图。在图7中，与图4A到4C中相同的部分用相同的附图标记表示。在图7所示的第四实施例中，上可动电极2和下可动电极1都被变形为凹形。在此例子中，类似于第二实施例，所述两个电极1和2首先在***相互接触，然后接触面积向周围增加。第四实施例也产生与第一实施例相同的效果。
(第五实施例)
图8是根据第五实施例的可变电容器的主要部分的结构示意图。在图8中，与图4A到4C中相同的部分用相同的附图标记表示。在图8所示的第五实施例中，下可动电极1被变形为凸形，上可动电极2被变形为凹形。第五实施例也产生与第一实施例相同的效果。在第五实施例中，可动电极1的凸形和可动电极2的凹形最好在形状上是不同的，也就是，它们的曲率最好相互不同，以防止所述两个电极1和2同时在整个区域相互接触。
(第六实施例)
图9是根据第六实施例的可变电容器的主要部分的结构示意图。在图9中，与图4A到4C中相同的部分用相同的附图标记表示。在上述第一到第五实施例中，可动电极整体上具有凸形或者凹形，而在图9所示的第六实施例中，上可动电极2整体上是平坦的，但是下可动电极是由部分变形为凸形的平坦电极形成的。在此例子中，所述两个电极1和2首先在凸起部分相互接触，然后接触区域向***扩展。该第六实施例产生与第一实施例相同的效果。
(第七实施例)
图10是根据第七实施例的可变电容器的主要部分的结构示意图。在图10中，与图4A到4C中相同的部分用相同的附图标记表示。在图10所示的第七实施例中，上可动电极2整体上是平坦的，但是下可动电极是交替地具有凸形部分和凹形部分的波浪形。在此例子中，所述两个电极1和2首先在凸起部分相互接触，然后接触区域向***扩展。该第七实施例产生与第一实施例相同的效果。
下面叙述产生这样的凸形和凹形的方法。如果可动电极由单层构成，也就是，如果在表面上未设置电介质层，则可以通过控制形成电极的膜淀积技术和退火温度等来产生凸形或者凹形。
在可动电极的表面上设置了电介质层的情况下，通过利用使用的材料之间的内应力差或者热膨胀系数差，可以产生凸形或者凹形。例如，使用具有压应力的材料作为可动电极1的材料，使用具有张应力的材料作为电介质层3的材料来形成这些材料的电极膜13和电介质膜14，如图11所示，则能够产生如第二和第四实施例所描述的具有凹形中心的结构。
此外，如图12所示，也可以通过部分地改变可动电极1和/或电介质层3的膜厚而产生部分凸形或者部分凹形。
图13A到13D的剖视图图示了制造可动电极的工艺的一个例子。例如，在由硅支承的基底21上形成一个牺牲层22，在该牺牲层22上形成抗蚀剂23的图案(图13A)。在将抗蚀剂23的图案通过热处理变形为凸形之后(图13B)，形成例如由铝制成的电极膜24来覆盖所述牺牲层22和抗蚀剂23(图13C)。最后，通过去除所述牺牲层22和抗蚀剂23，获得具有部分凸形的可动电极(图13D)。
(第八实施例)
图14A到14C是根据第八实施例的可变电容器的主要部分的结构示意图。在图14A到14C中，与图4A到4C中相同的部分用相同的附图标记表示。与上述第一到第七实施例(其中，在可动电极1和/或可动电极2中形成凸形或者凹形)不同，在第八实施例中，可动电极1和可动电极2都是板状电极。
如图14A所示，可动电极1和可动电极2由基底4弹性支承，使得它们的电容器部分1b和2b相互面对。所述可动电极1和可动电极2不平行，所述两个电极1和2被布置为使得可动电极1相对于可动电极2倾斜。
当通过在所述两个电极1和2之间施加电压而缩短可动电极1和可动电极2之间的距离时，可动电极1的一部分和可动电极2的一部分(图14B中的左端)首先相互接触(其间夹有电介质层3)，因为可动电极1相对于可动电极2倾斜。然后，可动电极2和电介质层3(可动电极1)从所述接触部分依次接触，接合面积逐渐增加(图14C)。第八实施例也产生与第一实施例相同的效果。
注意，在上述每一个实施例中，尽管在下可动电极1上设置电介质层3，但是电介质层3也可以设置在上可动电极2的在面对所述可动电极1的一侧的表面上。或者，也可以在可动电极1和可动电极2的相对表面上都设置电介质层3。注意，在上述每一个实施例中，尽管电介质层3是设置在电极1和/或2的整个表面上，但是电介质层3也可以设置在电极1和/或2的部分表面上。结果，电介质层3的形状并不要紧，只要能够防止电极1和2之间的短路即可。在可动电极1和/或可动电极2上设置电介质层3并不是必不可少的，可以采用任意方法来设置电介质层3，只要但电极1和电极2相互接触时电介质层3存在于可动电极1和可动电极2之间即可。
尽管上述每一个实施例所说明的情况中两个相对电极都是可动电极，但是本发明也可应用于一个电极是固定电极、另一个电极是可动电极的结构。
此外，尽管上面说明的是使用静电致动器来改变两个相对电极之间的距离的结构，但是，当然也可以使用其它驱动装置，比如压电致动器、热致动器以及电磁致动器。
尽管上面每一个例子所说明的可变电容器利用了两个相对电极相互接触之前的电容变化和当接触面积从作为起始点的接触部分开始增加时的变化，但是，所述可变电容器可以只利用当接触面积增加时的电容变化。
在本发明的可变电容器中，当两个相对电极之间的距离缩短时，首先，两个电极的一部分相互接触，其间夹有所述电介质层，然后，从作为起点的接触部分开始，接触面积逐渐增加。在这种结构中，可以获得较大的电容和较大的电容变化，而不受牵引现象的影响。
在本发明的可变电容器中，由于所述两个电极中的一个或者两个具有凸起部分和/或凹下部分，可以容易地获得这样一种结构：当缩短所述两个电极之间的距离时，所述两个电极的一部分相互接触，其间夹有所述电介质层。
在本发明的可变电容器中，由于一个电极相对于另一个电极倾斜，可以容易地获得这样一种结构：当缩短两个电极之间的距离时，所述两个电极的一部分相互接触，其间夹有所述电介质层。
在本发明的可变电容器中，由于要夹在两个相对电极之间的电介质层被至少放置在一个电极的相对的面上，能够稳定地提供用于防止所述电极之间的短路的电介质层。
在本发明的可变电容器中，由于对两个相对电极的相对表面和/或电介质层的相对表面进行了疏水处理，减少了两个电极之间发生粘连现象的情况。
在本发明的可变电容器中，由于在改变两个相对电极之间的距离时将所述凸起部分和/或凹下部分用作弹簧，可以容易地从作为起始点的所述凸起部分和/或凹下部分开始增加接触。
在本发明的可变电容器中，由于使用材料之间内应力或者热膨胀系数的差来形成两个相对电极的所述凸起部分和/或凹下部分，容易形成所述凸起部分和/或凹下部分。
在本发明的制造可变电容器的方法中，由于将具有相反应力方向的电极膜和电介质膜堆叠起来，能够容易地制造具有凸起或者凹下中心的电极。
在本发明的制造可变电容器的方法中，在基底上形成牺牲层，在牺牲层上形成凸形的抗蚀剂图案，形成覆盖所述牺牲层和抗蚀剂图案的电极膜，然后去除所述牺牲层和抗蚀剂图案。因此，容易制造具有部分凸起形状的电极。

Claims (9)

1.一种通过改变两个相对电极之间的距离来改变电容的可变电容器，包括：
设置在所述两个电极之间的电介质层；
其中，当所述两个电极之间的距离缩短时，两个电极的一部分相互接触，其间夹有所述电介质层，从作为起点的所述接触部分开始，接触面积逐渐增加。
2.一种通过改变两个相对电极之间的距离来改变电容的可变电容器，包括：
设置在所述两个电极之间的电介质层；
其中，所述两个电极中的一个或者两个具有凸起部分和/或凹下部分。
3.一种通过改变两个相对电极之间的距离来改变电容的可变电容器，包括：
设置在所述两个电极之间的电介质层；
其中，一个电极相对于另一个电极倾斜。
4.如权利要求1到3之一所述的可变电容器，其中，所述电介质层被置于所述两个电极中的一个或者两个的相对面上。
5.如权利要求1到3之一所述的可变电容器，其中，对电极的相对表面和/或电介质层的相对表面进行疏水处理。
6.如权利要求2所述的可变电容器，其中，当改变两个电极之间的距离时，所述凸起部分和/或凹下部分用作弹簧。
7.如权利要求2所述的可变电容器，其中，使用材料之间内应力或者热膨胀系数的差，来形成所述凸起部分和/或凹下部分。
8.一种制造通过改变两个相对电极之间的距离而改变电容的可变电容器的方法，包括堆叠将要作为电极的电极膜和与该电极膜具有不同的应力或者热膨胀系数的电介质膜的步骤。
9.一种制造通过改变两个相对电极之间的距离而改变电容的可变电容器的方法，包括下述步骤：
在基底上形成一个牺牲层；
在该牺牲层上形成一个凸形的抗蚀剂图案；
在该牺牲层和抗蚀剂图案上形成要作为电极的电极膜；
去除所述牺牲层和抗蚀剂图案。
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