[发明专利]具有集成的去耦电容器的电容性RF－MEMS器件

说明书

技术领域

本发明涉及电容性RF-MEMS器件。更具体地，本发明涉及不要求大面积并且具有减小的串联电感/阻抗的RF-MEMS器件和用于制造这种器件的方法。

背景技术

MEMS(微机电系统)技术的发展使得可以在单个器件中制造机电和微电子部件。通过利用微小(微)尺度的机电结构，RF-MEMS开关结合了传统的机电开关的优点(低插损、高隔离度、超高线性度)和固态开关的优点(低功耗、低质量、长寿命)。RF-MEMS开关还具有在多种衬底上低成本集成的可能性的优势，所述衬底包括承担有源半导体器件的衬底。

RF-MEMS开关本质上是由两个导电片构成的可调电容器，一个在硅芯片的表面上，而另一个悬挂在其上面数个微米左右。通过向下刻蚀芯片上特别设计的导电层来产生所述悬挂片。通过使用所施加的静电场的吸引力以物理地上下移动所述悬挂片来改变这两个片之间的间隔来调节它们之间的电容。

例如，可以将这些微尺度可调电容器用于将移动电话的RF功率放大器与其天线动态地匹配，提供其中将能量损耗保持最小的最优电学条件。将更多功率传输至天线，改进了电话的质量。几乎不会浪费能量，减小了电池上的泄漏，因此改进了电话的通话时间。在现有的移动电话中，不得不使用并非电学完美的并且占据大量空间的传统半导体器件来执行该匹配功能。针对这些类型的开关的其他应用是无线网络装置(PDA、膝上型计算机等)、汽车、卫星通信、计算机等。

图1是传统电容性RF-MEMS开关或MEMS可开关电容器中的机械和电学连接的示意性说明。将第一或底部电极1固定到衬底2上，并且第二或顶部电极3在弹性力的作用下相对于衬底2是可移动的。如图1中所示的通过具有弹性常数k的弹簧4悬挂于盖子8上。因此，应该注意到的是盖子8通常可以与衬底2相同，并且弹簧4通常可以是面内的弯曲梁(flexural beam)。在固定的电极1的顶部上设置了电介质层5，具有g_d的厚度和ε_d的介电常数。当弹簧4松弛时，在电介质层5的顶部和顶部电极3的底部之间存在具有距离g的空气隙6。

为了闭合开关DC，向顶部电极3施加DC电压Vdc，而将第一或底部电极1保持为接地电势(或者反之亦然，将底部电极1和顶部电极3彼此互换)。通过施加DC电压Vdc，顶部电极3和底部电极1之间的空气隙6变小，并且因此顶部电极3和底部电极1之间的距离变小。当电极1和3之间的距离g变小时，电容变大。

这种MEMS可开关或可调电容器可以用于射频(RF)信号电子电路。因为通常在RF电子器件中存在大DC电压不是所需的，需要设置DC去耦电容器C，这占据了相当可观的芯片面积。另一方面，为了防止RF电流通过dc驱动线泄漏，需要较大的电阻器R(或线圈L)。

因为去耦电容器C与MEMS电容器串联，这大大地增加了所需的总面积。例如，如果需要C_c＝10pF的闭合电容、MEMS电容密度是c_MEMS＝75pF/mm²、并且固定电容器的电容密度是c_fix＝150pF/mm²，那么可以示出通过MEMS电容器和去耦电容器C的串联组合实现的电容C_c的最小面积A_tot为：

A_tot＝A_MEMS+A_fix＝(c_fix/c_MEMS)^1/2A_fix+A_fix

＝((c_MEMS)^1/2+(c_fix)^1/2)²C_c/(c_MEMSc_fix)

＝((c_MEMS/c_fix)^1/2+1)²A_{tot，没有C}

对于给出的示例，总面积A_tot是0.39mm²。如果不需要去耦电容器C，只需要面积A_{tot，没有C}＝C_c/C_MEMS＝0.13mm²，因此增加了总使用面积2.9个因子，正好是去耦电容器所需要的面积。