DE112006003394T5

DE112006003394T5 - Abstimmbare Elektronikbauelemente und Elektronikanordnungen, solche abstimmbaren Bauelemente umfassend

Info

Publication number: DE112006003394T5
Application number: DE112006003394T
Authority: DE
Inventors: Achim Redhill Hilgers
Original assignee: NXP BV
Current assignee: Qualcomm Technologies Inc
Priority date: 2005-12-22
Filing date: 2006-12-18
Publication date: 2008-10-30
Also published as: US20090009925A1; WO2007072404A2; WO2007072404A3; JP2009521125A; US7750419B2

Abstract

Abstimmbare Elektronikanordnung mit zwei oder mehr abstimmbaren Bauelementen, wobei jedes der abstimmbaren Bauelemente ein bewegliches Element (40, 60) aufweist, das bezüglich eines Referenzelements bewegt werden kann, wobei die zwei oder mehr abstimmbaren Bauelemente durch eine mikroelektromechanische Struktur (30) mechanisch-operativ verbunden sind, wobei eine Reaktion jedes abstimmbaren Bauelements von der Position des beweglichen Elements bezüglich des Referenzelements abhängt, wobei die mikroelektromechanische Struktur (30) ausgelegt ist zum Bewegen des beweglichen Elements eines abstimmbaren Bauelements, um dadurch die Reaktion dieses abstimmbaren Bauelements gemäß einem Abstimmsignal zu variieren, wobei eine Kopplungsschaltung dafür ausgelegt ist, die abstimmbaren Bauelemente miteinander zu koppeln, um eine kombinierte Reaktion der abstimmbaren Bauelemente bereitzustellen, und die Kopplungsschaltung rekonfigurierbar ist, um die kombinierte Reaktion der abstimmbaren Anordnung auf Änderungen beim Abstimmsignal hin abzuändern.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft abstimmbare Elektronikanordnungen, die abstimmbare Bauelemente umfassen, wie etwa Impedanzen, zum Beispiel Kondensatoren, Widerstände, Induktoren oder Sensoren, MEMS-Bauelemente, integrierte Schaltungen und eine Vorrichtung, die solche MEMS-Bauelemente enthält, und entsprechende Verfahren.
Der Ausdruck „MEMS" (mikroelektromechanisches System oder Struktur oder Schalter) kann verschiedene Bauelemente umfassen. Eine gewöhnliche Anordnung eines MEMS-Bauelements umfasst einen freistehenden Balken mit einer einer zweiten Elektrode gegenüberliegenden ersten Elektrode. Die erste und die zweite Elektrode sind durch einen Luftspalt voneinander getrennt. Die erste Elektrode kann durch Anlegen einer Betätigungsspannung zum Bereitstellen einer elektrostatischen Kraft (prinzipiell könnten andere Kräfte verwendet werden, wie etwa eine induktive Kraft oder eine Wärmeausdehnungskraft oder eine piezoelektrische Kraft) zu der zweiten Elektrode hin oder von dieser wegbewegt werden. Somit soll der Ausdruck MEMS piezomikroelektromechanisch (PMEM) umfassen.
Einige gewöhnliche Anwendungen sind:

– Verwendung als Mikrofon oder Lautsprecher; (Verwendung einer spezifischen Art von Membran)
– Verwendung als Sensor, insbesondere als ein Luftdrucksensor
– Verwendung als ein Resonator
– Verwendung als Pixelschalter in einem Display oder Ansteuern eines Spiegels für einen optischen Schalter,
– Verwendung in HF-Anwendungen, insbesondere als ein Schalter oder als eine variable Kapazität. Eine der kommerziell wichtigen Anwendungen ist die Verwendung für variable Impedanzanpassung mit integriertem Bandschalten in der Eingangsstufe eines mobilen drahtlosen Geräts wie etwa eines Telefons oder Computers.

Für solche Anwendungen besteht eine Nachfrage nach elektrisch abstimmbaren Komponenten und Schaltungen. Durch Bereitstellen eines entsprechenden Steuersignals (z. B. die Amplitude eines Gleichstroms) kann die Charakteristik einer Komponente (z. B. die Kapazität eines Kondensators) derart variiert werden, dass für eine beliebige Frequenz ein anderer Kapazitätswert als Reaktion auf das Steuersignal bereitgestellt wird. Typische Komponenten mit solchen Charakteristiken sind z. B. Varaktordioden, PIN-Dioden (schaltbar), Feldplatten, Fotowiderstände usw. Insbesondere werden PIN- und Varaktordioden in modernen Hochfrequenzmodulen verwendet. In der Regel jedoch besitzen die Komponenten gewisse Nachteile, wie etwa einen relativ hohen Verlust, und sie erfordern hohe Amplituden des Steuersignals.
Es hat sich herausgestellt, dass MEMS-Schalter und Schalter neben dem Schalten auch für das Abstimmen verwendet werden können. Der bewegliche Teil eines entsprechend ausgelegten MEMS-Bauelements kann über kontinuierlich variable Strecken bewegt werden, so dass eine Trennung von Platten oder Elektroden eines Kondensators variiert wird, was sich wiederum auf seine Kapazität auswirkt. Im Vergleich zu anderen Halbleiterkomponenten (wie etwa zum Beispiel der Varaktordiode) besitzen MEMS den Vorteil, dass ihr Verlust signifikant niedriger ist, was für die Anwendung bei Hochfrequenzschaltungen und anderen von Interesse ist.
MEMS besitzen jedoch auch gewisse Nachteile. Der Abstimmbereich ist relativ klein. Zudem ist es auch mit traditionellen Designs von MEMS schwierig, lineare Flanken in Charakteristiken der Kapazität zu erzeugen.
Ein Beispiel für einen variablen Kondensator unter Verwendung eines MEMS-Bauelements ist in WO 2004/000717 gezeigt. Hier wird erläutert, dass die Kapazität mit abnehmendem Spalt zwischen den Elektroden zunimmt. Die Bewegung wird durch eine mechanische Federkraft beschränkt, die zu der von der beweglichen Elektrode zurückgelegten Strecke direkt proportional ist. Die elektrostatische Anziehungskraft besitzt jedoch eine nichtlineare Beziehung mit Änderungen im Spalt, wenn sich die bewegliche Elektrode bewegt. Es gibt somit einen Punkt, wenn die Anziehungskraft die Federkraft überwindet und die Elektroden zusammenfallen. Die Steuerspannung, bei der dies eintritt, wird als die „Anzugsspannung" V_PI bezeichnet. Dieses Dokument erläutert auch, dass dies das Kapazitätsabstimmverhältnis auf 1,5 zu 1 begrenzt, was für viele Anwendungen inadäquat ist. Zur Vergrößerung dieses Verhältnisses werden bekannterweise getrennte Elektroden für den Kondensator und für die elektrostatische Kraft bereitgestellt, mit einem kleineren Spalt für die Kondensatorelektroden. Wenn der Spalt zwischen den Elektroden auf ein Drittel seiner Anfangsgröße reduziert wird, dann kann es zu einem Anzug kommen und die Elektroden schließen zusammen. Die Betätigungsspannung muss weiter abgesenkt werden, um ein Lösen zu ermöglichen.
Einer der Hauptausfallmechanismen von MEMS-Schaltern ist das Haften, bei dem sich der Balken oder die Membran nicht von der Gegenelektrode löst, wenn die Betätigungsspannung abgeschaltet wird. Ein derartiges Haften tritt hauptsächlich dort auf, wenn sich zwischen der beweglichen Betätigungsstufe und dem Substrat Feuchtigkeit oder Fremdkörper befinden. Zum Haften kann es bei der Verwendung oder während eines Herstellungsprozesses kommen. Es ist bekannt, das Haften unter Verwendung von Beschichtungen oder Oberflächenrauheit wie etwa Dimpling auf den Kontaktoberflächen zu lösen. Ein Stopper kann verwendet werden, um einen plötzlichen steilen Anstieg bei der Abstoßungskraft der Biegungselemente zu verursachen, wenn sich der Spalt schließt, um eine nichtlineare Rückstell kraft zu liefern, die effektiv verhindern kann, dass ein bewegliches Element haftet.
Insbesondere für kleine MEMS-Kondensatoren ist eine kleine Fläche erforderlich, weshalb die Betätigungskraft kleiner sein wird und sehr nachgiebige Federn mit einem sehr niedrigen Steifheitswert k erforderlich sind. Weil diese Federn sehr lang sein müssen, um das niedrige k zu erzielen, belegen sie mehr Fläche, was nicht kosteneffizient ist. Lange Federn erhöhen stark den Reihenwiderstand und die Reiheninduktivität des Kondensators, was insbesondere dann unerwünscht ist, wenn die Federn ein HF-Signal führen. Zudem ist ein Bauelement mit Federn mit einer kleinen Federkonstante viel empfindlicher gegenüber Ausfall aufgrund von Haften des Bauelements in dem geschlossenen Zustand. Zu einem Haften kommt es, wenn die Kraft größer ist als die Federkräfte: Fstiction > Fspring = kg
Physikalische Ursprünge für Haftkräfte sind im Dielektrikum gefangene Ladungen, van-der-Waals-Kräfte zwischen den Oberflächen oder Kapillarkräfte bei Anwesenheit von Feuchtigkeit zwischen den Elektroden.
Aus US 6,040,611 ist bekannt, ein MEMS-Bauelement mit Elektroden auf einem auslenkbaren Balken auf einer Seite des Ankers bereitzustellen. Da die Position des Balkens durch Anlegen von Betätigungsspannungen auf beiden Seiten des Ankers gesteuert wird, wird die Schaltfrequenz durch jene Spannungen gesteuert. Somit kann die Schaltfrequenz, da sie von der Steifheit des freitragenden Balkens unabhängig ist, signifikant zunehmen.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung verbesserter abstimmbarer Bauelemente wie etwa Kondensatoren, Widerstände, Induktoren und Sensoren und im Bereitstellen von MEMS-Bauelementen, integrierten Schaltungen und Vorrichtun gen, die solche MEMS-Bauelemente enthalten, und in der Bereitstellung entsprechender Verfahren.
Gemäß einem ersten Aspekt stellt die Erfindung Folgendes bereit: eine abstimmbare Elektronikanordnung mit zwei oder mehr abstimmbaren Bauelementen, wobei jedes der abstimmbaren Bauelemente ein bewegliches Element aufweist, das bezüglich eines Referenzelements bewegt werden kann, wobei die zwei oder mehr abstimmbaren Bauelemente durch eine mikroelektromechanische Struktur mechanisch-operativ verbunden sind, wobei eine Reaktion jedes abstimmbaren Bauelements von der Position des beweglichen Elements bezüglich des Referenzelements abhängt, wobei die mikroelektromechanische Struktur ausgelegt ist zum Bewegen des beweglichen Elements eines abstimmbaren Bauelements, um dadurch die Reaktion dieses abstimmbaren Bauelements gemäß einem Abstimmsignal zu variieren, wobei eine Kopplungsschaltung dafür ausgelegt ist, die abstimmbaren Bauelemente miteinander zu koppeln, um eine kombinierte Reaktion der abstimmbaren Bauelemente bereitzustellen, und die Kopplungsschaltung rekonfigurierbar ist, um die kombinierte Reaktion der abstimmbaren Anordnung auf Änderungen beim Abstimmsignal abzuändern.
Das abstimmbare Bauelement kann eine variable Impedanz wie etwa ein Kondensator, Widerstand, Induktivität usw. oder kann ein Sensor sein. Die rekonfigurierbare Schaltung trägt dazu bei, mindestens einen der Mängel herkömmlicher abstimmbarer MEMS-Bauelemente zu überwinden, zum Beispiel kann sie dazu beitragen, Federlänge und somit Reihenwiderstand und Reiheninduktanz, Haften zu reduzieren und einen breiteren Bereich von Anwendungen, Herstellungskostenreduktionen und mehr Flexibilität beim Design zu ermöglichen.
Ein zusätzliches Merkmal einiger Ausführungsformen ist die Kopplungsschaltung, die ausgelegt ist, zwischen einer beliebigen der Folgenden zu schalten: einer Reihenkopplung der abstimmbaren Bauelemente, zum Beispiel variablen Impedanzen, einer Parallelkopplung der abstimmbaren Bauelemente, zum Beispiel variablen Impedanzen, einer Kombination aus Reihen- und Parallelkopplung und einer Kopplung der abstimmbaren Bauelemente, zum Beispiel variablen Impedanzen, mit Reaktionen mit entgegengesetzten Vorzeichen. Dies sind einige zweckmäßige Möglichkeiten, um zu ermöglichen, dass der Anstieg der Reaktion angepasst wird.
Ein weiteres derartiges zusätzliches Merkmal sind die zwei abstimmbaren Bauelemente, zum Beispiel variable Impedanzen, die hinsichtlich eines oder mehrerer der folgenden Punkte unähnlich sind: einem Trennabstand wie etwa einer Trennung zwischen den beweglichen und Referenzelementen, einer Größe, wie etwa einer Größe der beweglichen und Referenzelemente, einer Beziehung eines Trennabstands zwischen den beweglichen und Referenzelementen zu einem Abstimmsignal und bei der Herstellung der Anordnung verwendete Materialparameter. Dies trägt dazu bei, eine größere Steuerung der Charakteristik der kombinierten Reaktionscharakteristik zu ermöglichen, zum Beispiel der kombinierten Impedanz.
Ein zusätzliches Merkmal einiger Ausführungsformen ist die abstimmbare Anordnung, zum Beispiel eine variable Impedanz wie etwa ein Kondensator, die für die Verwendung mit einem HF-Signal ausgelegt ist und eine Verbindung aufweist, die für das Koppeln des HF-Signals an die in Reihe gekoppelten abstimmbaren Bauelemente, zum Beispiel variable Impedanzen wie etwa Kondensatoren, geeignet ist. Dies ist ein besonders wertvolles Anwendungsgebiet.
Ein zusätzliches Merkmal einiger Ausführungsformen ist, dass das Abstimmsignal mindestens einiger der abstimmbaren Bauelemente, zum Beispiel variabler Impedanzen wie etwa Kondensatoren, an ein oder beide bewegliche und Referenzelemente des gegebenen abstimmbaren Bauelements, zum Beispiel der variablen Impedanz wie etwa des Kondensators, gekoppelt ist, um die beweglichen und Referenzelemente als Betätigungselektroden zu verwenden. Dies kann zusätzlich zu der Verwendung der beweglichen und Referenzelemente als Reaktionselektroden sein, zum Beispiel Elektroden einer Impedanz wie etwa Kondensatorelektroden. Dies ermöglicht eine bessere Nutzung des begrenzten Raums.
Ein zusätzliches Merkmal einiger Ausführungsformen ist eine für zwei oder mehr der beweglichen Elemente bereitgestellte gemeinsam genutzte mikroelektromechanische Struktur. Dies ermöglicht, die Struktur kleiner herzustellen, da weniger Stützen benötigt werden, dass eine Federkonstante reduziert wird, da die doppelte Betätigungskraft vorliegt, so dass jede Stütze kleiner sein kann, und die elektrischen Reihenwiderstände der Stützen werden deshalb kleiner sein.
Ein zusätzliches Merkmal einiger Ausführungsformen ist die gemeinsam genutzte Struktur, die einen auslenkbaren Balken und bewegliche Elemente auf beiden Seiten des Drehpunkts umfasst. Dies bedeutet, die Länge kann kürzer sein als freitragende Anordnungen, die nur auf dem Biegen eines Balkens basieren. Dies kann Platz sparen und andere Probleme wie etwa langsame Schaltgeschwingkeit reduzieren.
Ein weiteres solches zusätzliches Merkmal sind entsprechende Referenzelemente, zum Beispiel feste Elektroden, die so angeordnet sind, dass beide abstimmbaren Bauelemente, zum Beispiel Impedanzen wie etwa Kondensatoren, mit dem gleichen Vorzeichen auf eine gegebene Bewegung des Balkens reagieren. Dies ermöglicht eine steilere Steigung in der Reaktion des kombinierten Ausgangs der abstimmbaren Anordnung, zum Beispiel der kombinierten Impedanz wie etwa kombinierten Kapazität.
Ein weiterer Aspekt stellt eine integrierte HF-Schaltung mit einer oder mehreren der abstimmbaren Anordnungen vom obigen Typ bereit.
Ein weiterer Aspekt stellt ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen integrierten Schaltung bereit.
Ein weiterer Aspekt stellt ein Verfahren zum Abstimmen unter Verwendung einer derartigen integrierten Schaltung bereit.
Ein weiterer Aspekt stellt eine mikroelektromechanische Struktur mit einem auslenkbaren Balken bereit, der durch ein Steuersignal betätigt werden kann, wobei der Balken Elektroden auf beiden Seiten des Drehpunkts aufweist, und entsprechenden festen Elektroden, die den Elektroden an dem Balken zugewandt sind, um zwei oder mehr variable Bauelemente wie etwa Schalter oder variable Impedanzen, zum Beispiel Kondensatoren, Widerstände, Induktoren oder Sensoren, bereitzustellen, die derart angeordnet sind, dass ein gegebenes Moment des Balkens eine Elektrodentrennung in der gleichen Richtung verursacht.
Die Tatsache, dass die Variation der Trennung in der gleichen Richtung anstatt in entgegengesetzten Richtungen ist, trägt dazu bei, eine steilere Reaktion für ein abstimmbares Bauelement, zum Beispiel eine variable Impedanz wie etwa einen Kondensator, oder eine Doppelpol-Schaltaktion für einen Schalter zu ermöglichen. Das gemeinsame Nutzen eines Balkens für zwei oder mehr Bauelemente ermöglicht, dass die Struktur kleiner hergestellt wird, da weniger Stützen benötigt werden, eine Federkonstante reduziert werden kann, da die doppelte Betätigungskraft vorliegt, so dass jede Stütze kleiner sein kann, und die elektrischen Reihenwiderstände der Stützen werden deshalb kleiner sein. Der auslenkbare Balken bedeutet, dass die Länge kürzer sein kann als freitragende Anordnungen, die nur auf dem Biegen eines Balkens basieren. Dies kann Platz sparen und andere Probleme wie etwa langsame Schaltgeschwindigkeit reduzieren.
Alle der zusätzlichen Merkmale können miteinander und mit einem beliebigen Aspekt der Erfindung kombiniert werden. Weite re Vorteile ergeben sich dem Fachmann, insbesondere im Vergleich zum anderen Stand der Technik. Zahlreiche Variationen und Modifikationen können vorgenommen werden, ohne von dem Schutzbereich der Ansprüche der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Deshalb ist klar zu verstehen, dass die Form der vorliegenden Erfindung nur veranschaulichend ist und den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung nicht beschränken soll. Wie die vorliegende Erfindung umgesetzt werden kann, wird nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen beschrieben.
Die Merkmale der Erfindung lassen sich durch Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, die bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung veranschaulichen, besser verstehen. Es zeigen:
1 eine bekannte Anordnung,
2 bis 4 Ausführungsformen der Erfindung,
5 einen Graphen einer kombinierten Kapazität, der Charakteristiken mit unterschiedlichen Steigungen zeigt,
6 bis 10 Ausführungsformen der Erfindung und
11 eine bekannte MEMS-Struktur.
Die vorliegende Erfindung wird bezüglich bestimmter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf bestimmte Zeichnungen beschrieben, doch ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern nur durch die Ansprüche. Etwaige Bezugszeichen in den Ansprüchen sollen nicht ausgelegt werden, dass sie den Schutzbereich beschränken. Die beschriebenen Zeichnungen sind nur schematisch und sind nicht beschränkend. In den Zeichnungen kann die Größe einiger der Elemente übertrieben sein und zu veranschaulichenden Zwecken nicht maßstabsgetreu gezeichnet sein. Wenn der Ausdruck „umfassend" in der vorliegenden Beschreibung und den vorliegenden Ansprüchen verwendet wird, schließt er andere Elemente oder Schritte nicht aus. Wenn ein unbestimmter oder bestimmter Artikel verwendet wird, wenn auf ein Nomen in der Einzahl Bezug genommen wird, zum Beispiel „ein" oder „der" beinhaltet dies einen Plural dieses Nomens, sofern nicht spezifisch etwas anderes festgelegt ist.
Weiterhin werden die Ausdrücke erster, zweiter, dritter und dergleichen in der Beschreibung und in den Ansprüchen dazu verwendet, zwischen ähnlichen Elementen zu unterscheiden, und nicht notwendigerweise zum Beschreiben einer sequentiellen oder chronologischen Reihenfolge. Es versteht sich, dass die so verwendeten Ausdrücke unter entsprechenden Umständen austauschbar sind und dass die Ausführungsformen der Erfindung, hierin beschrieben, in anderen Sequenzen als hierin beschrieben oder dargestellt betätigt werden können.
Mindestens einige der Ausführungsformen basieren auf einer Erkenntnis, dass es für einige Anwendungen nützlich wäre, wenn bei einer abstimmbaren Anordnung wie etwa einer variablen Impedanz, zum Beispiel einer abstimmbaren Kondensatoranordnung, die Ausgangsreaktionscharakteristik der Anordnung, zum Beispiel ihre Kapazität, als Funktion eines Steuersignals steiler oder weniger steil sein könnte und auch bevorzugt justierbar sein könnte. Somit zeigen diese Ausführungsformen eine Konfiguration von abstimmbaren Komponenten auf der Basis von MEMS-Technologie, die in der Lage ist, die umrissenen Nachteile zu adressieren oder zu kompensieren. Die neue Anordnung ermöglicht, dass die Abstimmcharakteristik in ihrem Abstimmbereich und in ihrer Steigung wie erforderlich angepasst wird, um den Umständen zu entsprechen. Zudem kann die Länge des beweglichen Teils des MEMS signifikant reduziert werden, mit der Konsequenz, dass zum Erreichen einer gegebenen Auslenkung kleinere Spannungen verwendet werden können.
Die vorliegende Erfindung wird hauptsächlich unter Bezugnahme auf eine variable Kondensatoranordnung beschrieben, doch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung auf andere abstimmbare Bauelemente wie etwa variable Impedanzen allgemein oder auf Sensoren angewendet werden.
Als Einleitung ist eine bekannte MEMS-Struktur in 1 schematisch gezeigt. Die Verbindungen des Steuersignals sind weggelassen worden, um die Prinzipien deutlicher darzustellen. Als Reaktion auf ein entsprechendes Steuersignal (zum Beispiel einen Gleichstrom mit einer vordefinierten Amplitude) wird der bewegliche Teil des MEMS in eine vordefinierte Position gebracht, indem eine Auslenkung des Arms bewirkt wird. Dabei wird über den beweglichen Teil selbst sowie über einen weiteren Elektronikkontakt eine elektrisch leitende Verbindung hergestellt.
Zum Erzeugen abstimmbarer Komponenten werden die Charakteristiken der Bewegung und somit die Änderung bei der Kapazität modifiziert, indem der Abstand zwischen einer Elektrode 20 auf dem beweglichen Teil (Arm) und einer festen Elektrode 10 kontinuierlich variiert wird. Dies führt zu einer Variation der Kapazität zwischen den beiden leitenden Kontakten als Funktion des Abstands. Sehr einfach ausgedrückt kann die Kapazität einer Konfiguration nach 1 gemäß der einfachen Formel für einen Plattenkondensator berechnet werden:
wobei

ε₀: die Dielektrizitätskonstante von Vakuum ε₀ = 8,85 × 10^–15 As/Vm darstellt,
ε_r: die relative Dielektrizitätskonstante des Mediums zwischen den beiden Schaltkontakten darstellt,
A: den Flächeninhalt der Schaltkontakte darstellt und
d: den Abstand zwischen den beiden Schaltkontakten darstellt.

11 zeigt ein Schemadiagramm von mechanischen und elektrischen Verbindungen in einem herkömmlichen kapazitiven HF-MEMS-Kondensator. Elektrode e1 ist an dem Substrat befestigt und Elektrode e2 kann bezüglich des Substrats bewegt werden und ist durch Federn mit einer Gesamtfederkonstante k aufgehängt. Die Federn sind leitend und liefern eine elektrische Verbindung zu einer HF-Quelle, die die Schaltung darstellt, mit der das Bauelement verbunden ist, und einer Gleichstromquelle zum Betätigen des MEMS-Bauelements. Auf der festen Elektrode e1 befindet sich eine dielektrische Schicht der Dicke g_d mit einer Dielektrizitätskonstante c_d. Wenn die Feder entspannt wird, besteht ein Luftspalt mit einem Abstand g zwischen der Oberseite der dielektrischen Schicht und der Unterseite der oberen Elektrode e2.
Zwei übliche Konstruktionen, die als Basis für die vorliegende Erfindung verwendet werden können und in denen neuartige Merkmale der vorliegenden Erfindung enthalten sind, sind wie folgt:

1. Eine MEMS-Struktur in einem Substrat eines Halbleitermaterials wie etwa Silizium. In diesem Fall sind die Elektroden senkrecht zu der Substratoberfläche orientiert. Diese Konstruktion wird in der Regel für Sensor- und für Resonatoranwendungen verwendet (andere Anwendungen sind nicht ausgeschlossen).
2. Eine MEMS-Struktur als ein Dünnfilmelement. Der Balken ist hier im Wesentlichen parallel zu dem Substrat orientiert. Diese Art von MEMS-Struktur wird in der Regel für HF-MEMS verwendet. Es gibt mindestens zwei Konstruktionen für den Balken: – einen doppelt geklemmten Balken (einen Balken, der an zwei oder mehr Seiten mit der Substratoberfläche verbunden ist, so dass die Auslenkung zu dem Substrat in der Mitte des Balkens eintritt) – einen einfach geklemmten Balken (wobei dann die Auslenkung zu dem Substrat am Ende des Balkens eintritt).

Der Balken ist im Allgemeinen mit Löchern versehen, wodurch für das Ätzen der Opferschicht zwischen dem Balken und dem Substrat gesorgt wird, um den Luftspalt zu erzeugen. Diese Löcher tragen auch dazu bei, die Luftdämpfung zu reduzieren, indem ein Fließen von Luft in den Hohlraum zwischen Balken und Substrat hinein und aus diesem heraus gestattet wird, während der Balken geöffnet oder geschlossen wird. Es gibt jedoch Herstellungstechniken, bei denen der Balken an dem Substrat montiert wird, so dass keine Löcher für das Ätzen benötigt werden. Es ist auch möglich, einen Balken zu verwenden, der eine Zwischenschicht zwischen einer oberen Elektrode und einer unteren Elektrode ist.
Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine abstimmbare Elektronikanordnung mit einer MEMS-Struktur, die mindestens einen weiteren beweglichen Arm umfasst, wie in 2 gezeigt. Der zusätzliche Arm (in der FIG. auf der linken Seite gezeigt) ist bevorzugt mechanisch und operativ mit dem ersten Arm verbunden. Beispielsweise kann der zusätzliche Arm an dem ersten Arm (auf der rechten Seite) fixiert sein, um einen auslenkbaren Balken 30 zu erzielen. Dies bedeutet, dass die Bewegung des zweiten (linken) Arms eintritt, sobald der ursprüngliche (rechte) Arm (durch ein entsprechendes Steuersignal) bewegt wird. Somit sind die beiden Arme durch eine MEMS-Struktur mechanisch und operativ verbunden. Zudem ist eine alternative Konstruktion vorstellbar, die zwei separate und unabhängig steuerbare bewegliche Arme anstelle eines Drehpunkts aufweist. Das oben beschriebene, in 11 gezeigte Beispiel kann als eine Alternative auf dem angelenkten Balken angewendet werden.
Die beiden Arme bilden einen von einem Drehpunkt gestützten Balken (und werden derart gesteuert), dass die Bewegungsrichtung jener Arme komplementär ist. Wenn mit anderen Worten der rechte Arm nach unten gedreht wird, wird der linke Arm nach oben gedreht (und umgekehrt). Die Arme besitzen Elektroden 40, 60, die so ausgelegt sind, dass sie den festen Elektroden 50, 70 zugewandt sind, um variable Bauelemente wie etwa einen Schalter oder ein abstimmbares Bauelement, zum Beispiel eine variable Impedanz wie etwa einen Kondensator, zu bilden. Die variablen Bauelemente, zum Beispiel Kondensatoren auf beiden Seiten des Drehpunkts, sind so ausgelegt, dass beide Kapazitäten für eine gegebene Bewegung des Balkens sich in der gleichen Richtung ändern, so dass ihre Kapazitätscharakteristiken Steigungen mit dem gleichen Vorzeichen aufweisen.
Wenn zum Beispiel der Abstand d₁ reduziert wird, wird auch der Abstand d₂ reduziert; wenn der Abstand d₁ vergrößert wird, wird auch d₂ vergrößert. Diese Anordnung kann nun verwendet werden, um eine kombinierte Kapazitätscharakteristik der beiden Kondensatoren der abstimmenden Komponente auf entsprechende Weise zu modifizieren. Zusätzlich dazu, dass die variablen Bauelemente mechanisch und operativ verbunden sind, sind sie auch elektrisch verbunden, um eine kombinierte Ausgangsreaktion bereitzustellen. Die beiden Ausgangscharakteristiken können auf unterschiedliche Weisen kombiniert werden, zum Beispiel durch elektrische Schalter ausgewählt werden. Zwei verschiedene Arten von Verbindungskombinationen, z. B. Schaltkombinationen, sind in 3 und 4 gezeigt. 3 zeigt eine Serienschaltung, 4 eine Parallelschaltung der beiden Kondensatoren.
Diese beiden Arten von Verbindungskombinationen führen zu zwei verschiedenen Werten oder Charakteristiken für die Gesamtausgangsreaktion, z. B. Kapazität, einer derartigen Komponente. Bei der vereinfachten Annahme eines idealen symmetrischen Designs gilt folgendes: d = d₁ = d₂, A = A₁ = A₂ sowie ε_r = ε_r1 = ε_r2 (zudem: ε = ε₀ ε_rx).
In diesem Fall kann die Gesamtkapazität der Kondensatorschaltungen wie folgt berechnet werden: 1. Reihenschaltung
2. Parallelschaltung
Im Vergleich dazu lautet die vereinfachte Formel für den einfachen Kondensator wie in 1:
Wie aus den Formeln für das Berechnen der Gesamtkapazität zu sehen ist, differieren die Formeln im Vergleich zur Berechnung eines einzelnen Kondensators in bestimmten Koeffizienten a₀ (a₀ = ½ und/oder a₀ = 2). Dieser Koeffizient definiert im Grunde die Steigung der Variation der Kapazität als Funktion des Abstandes d der Platten.
Hinsichtlich der Trennung der Elektroden als ein variabler Parameter, kommt es zu einer Abhängigkeit der Kapazität des einfachen Kondensators, die proportional zu 1/d ist. Die Konfiguration gemäß den Ausführungsformen von 3 und 4 zeigt jedoch eine Abhängigkeit der Kapazität gemäß ½ 1/d im Fall einer Reihenschaltung und/oder von 2 1/d in dem Fall der Parallelschaltung oder im allgemeinen a₀·1/d. 5 zeigt einen Graphen der verschiedenen Variationen bei der Kapazität als Funktion des Abstands d der Elektroden und der Parameter a₀.
Aufgrund der neuen Konfiguration kann die Variation der kombinierten Ausgangsreaktion, zum Beispiel Kapazität, als Funktion des Abstands d modifiziert werden, indem die Verbindungen der beiden variablen Bauelemente, zum Beispiel Kondensatoren, umgeschaltet werden, um in der Charakteristik der kombinierten Ausgangsreaktion, zum Beispiel Kapazität, eine steilere (a₀ = 2) oder eine weniger steile (a₀ = ½) Steigung zu erzielen.
Weitere Ausführungsformen werden in Betracht gezogen, wobei eine Vielzahl von Kombinationen von variablen Bauelementen, zum Beispiel Kapazitäten, in einer abstimmbaren Elektronikanordnung verwendet wird. Der Faktor a₀ kann, abgesehen von den beiden Werten ½ und/oder 2, die als Beispiel angegeben sind, jeden beliebigen anderen Wert annehmen. Zu diesem Zweck bieten sich die folgenden Möglichkeiten an, die in Kombination angewendet werden können:

1. Unterschiedliche Plattenabstände d_x
2. Unterschiedliche Plattengrößen A_x
3. Unterschiedliche Längen der beweglichen Arme (Hebelarme) l_x zum Abändern der Beziehung aus Abstand und Abstimmsignal
4. Unterschiedliche Materialparameter ε_r,x

Weitere Ausführungsformen werden in Betracht gezogen durch Kombinieren (miteinander Verbinden) von mehr als zwei der variablen Bauelemente, zum Beispiel Kapazitäten (beispielsweise auf einem Halbleitersubstrat oder einer PCB-Ebene), so dass der Faktor a₀ weiter variiert werden kann:

Im Falle einer n-fachen Serienschaltung, wie in 6 gezeigt: a₀ = 1/n·½
Im Falle einer n-fachen Parallelschaltung wie in 7 gezeigt: a₀ = n·2 (wobei n eine ganze positive Zahl darstellt).

Außerdem kann eine Reihenschaltung mit einer Parallelschaltung kombiniert werden (wie in 8 gezeigt), was im Fall eines vollständig symmetrischen Designs zu einer identischen Änderung der Ausgangsreaktion führt, z. B. Kapazität (1/2·2 = 1), wie im Fall der einfacheren Ausführungsform, kann aber dazu beitragen, andere Vorteile wie etwa eine Ver schiebung einer Resonanzfrequenz zu erzielen. Im Fall eines unsymmetrischen Designs kann im Prinzip jeder willkürliche Wert von a₀ realisiert werden.
Eine weitere Kombination im Prinzip mit der Parallel- oder der Reihenschaltung (oder mit der gemischten Kombination) besteht darin, ein variables Bauelement oder Bauelemente hinzuzufügen, z. B. einen oder mehrere Kondensatoren, mit einer entgegengesetzt steigenden Charakteristik für die Ausgangscharakteristik. Dies kann erreicht werden, indem Elektroden auf beiden Seiten des Balkens platziert werden, so dass der Abstand d₁ zunimmt (Reduktion des Kondensators C1), der Abstand d₂ abnimmt (Vergrößerung des Kondensators C2) und umgekehrt.
Durch solche Kombinationen kann die Variation der kombinierten Ausgangsreaktion, z. B. Kapazität, als Funktion der Abstände der Elektroden weiter modifiziert werden. Insbesondere ermöglichen einige Kombinationen Abstimmungskomponenten, was sehr kleine Variationen der kombinierten Ausgangsreaktion, z. B. Kapazität, zur feineren Abstimmung gestattet.
Eine weitere Ausführungsform einer abstimmbaren Elektronikanordnung ist in 9 gezeigt. In diesem Fall können die Elektroden wie gezeigt als ein Schalter oder ein Kondensator verwendet werden. Wenn die Variationen der Kapazität als Funktion des Abstands der Elektroden ignoriert werden und wenn nur die beiden letzten Zustände des festen Kontakts zwischen den Kontaktplatten (MEMS-Schalter) berücksichtigt werden, kann die Konstruktion auch als ein Doppelpolschalter betrieben werden (9). Wenn alternativ die entsprechenden Schaltkontakte des Doppelschalters umgangen und somit gleichzeitig benutzt werden, kann die maximale Stromlastkapazität verdoppelt werden. Diese Anordnung ist für Hochleistungsanwendungen nützlich, wenn hohe Ströme durch den Schalter fließen (z. B. Leistungsverstärker). Auf diese Weise kann auch ein Doppelkondensator und/oder eine Doppelabstimmfunktion realisiert werden.
Unter der Annahme, dass die verbindenden Bereiche des Schalters wie in 10 gezeigt angeordnet sind, kann auch eine Anwendung als ein Umschalter realisiert werden. Mehrere Kombinationen analog zu den Schaltungen von variablen Bauelementen, wie etwa Kondensatoren, Induktoren oder Widerständen oder Sensoren oder zu den Kombinationen von Schaltern, aus der allgemeinen Schaltungstechnologie bekannt, können ebenfalls realisiert werden. 10 liefert zwei Schalter S1 und S2, deren eine Pole an dem Balken angebracht sind. Eine Betätigung des Balkens erzeugt eine „Doppelschalt"-Funktionalität.
Zum Ausbilden der mikromechanischen Strukturen können herkömmliche Prozesse verwendet werden. Weitere Details einer möglichen Implementierung eines Drehpunkts sind in US 6,040,611 beschrieben. Wenngleich im Hinblick auf Elemente beschrieben, die senkrecht zu einem Substrat bewegt werden können, kann die Bewegung im Prinzip parallel verlaufen oder eine Komponente parallel aufweisen.
Bauelemente der vorliegenden Erfindung können für Anwendungen wie etwa Antennenanpassung, Bandumschaltung und andere Verwendung in adaptiven Antennen für Mobiltelefone verwendet werden, besonders dort, wo es wichtig ist, hohe HF-Spannungen ohne Anzug zu verarbeiten. Zu weiteren Anwendungen zählen beliebige HF-Signalelektronik- oder Hochleistungs-HF-Systeme oder andere Mobiltelefonschaltungsanordnungen oder drahtlose mobile Recheneinrichtungen, als Beispiel. MEMS-Kondensatorbauelemente können hergestellt werden, die zur Entwicklung verschiedener programmierbarer Einrichtungen verwendet werden können, sowohl linear als auch nichtlinear, Hochfrequenzschaltungen (LNA, Mischstufen, VCO, PA, Filter usw.), z. B. in rekonfigurierbaren Funksystemen.
Es versteht sich, dass, obwohl bevorzugte Ausführungsformen, spezifische Konstruktionen und Konfigurationen sowie Materialien hierin für Bauelemente gemäß der vorliegenden Erfindung erörtert worden sind, verschiedene Änderungen oder Modifikationen hinsichtlich Form und Detail vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzbereich und Gedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise enthält die vorliegende Erfindung einen abstimmbaren Induktor, z. B. unter Verwendung z. B. eines Ferritmaterials hergestellt, der auf einer Seite eines MEMS-Balkens platziert wird, und eine Spiral- oder meanderartig geformte leitende Induktorstruktur wird auf ein darunter liegendes Substrat gegenüber dem Balken aufgebracht, z. B. aufgedruckt. Die Steuerschaltung kann dafür ausgelegt sein, den Abstand zwischen dem Ferrit und der leitenden Struktur zu variieren, um einen variablen Induktor bereitzustellen, variabel als Funktion des Abstands, der den Ferrit und das leitende Element trennt. Beispielsweise enthält die vorliegende Erfindung einen abstimmbaren Widerstand, z. B. unter Verwendung von z. B. einem magnetischen Material hergestellt, das auf einer Seite eines MEMS-Balkens platziert ist, und eine magnetoresistive leitende Struktur wird auf einem darunterliegenden Substrat gegenüber dem Balken aufgebracht. Die Steuerschaltung kann dafür ausgelegt sein, den Abstand zwischen dem Magneten und den leitenden Strukturen zu variieren, um einen variablen Widerstand bereitzustellen, variabel als Funktion des Abstands, der den Magneten und das leitende Element trennt. Die vorliegende Erfindung beinhaltet auch das Platzieren eines Sensors, z. B. eines Hall-Sensors gegenüber einem magnetischen Material auf einer beweglichen MEMS-Struktur. Das Bewegen des magnetischen Materials zu den Hall-Sensoren hin und von diesen weg wird wie oben erläutert ihr kombiniertes Ausgangssignal abändern.
Zusammenfassung
Abstimmbare Elektronikbauelemente und Elektronikanordnungen, solche abstimmbaren Bauelemente umfassend
Eine abstimmbare HF-MEMS-Anordnung, z. B. ein variabler Kondensator, mit zwei oder mehr abstimmbaren Bauelementen, z. B. variablen Kapazitäten, einer Koppelschaltung, die ausgelegt ist, die abstimmbaren Bauelemente miteinander zu koppeln, um ein kombiniertes Ausgangssignal bereitzustellen, z. B. eine kombinierte Kapazität, die gemäß einem Abstimmsignal variabel ist. Die Koppelschaltung kann rekonfiguriert werden, um eine Reaktion der Anordnung auf Änderungen in dem Abstimmsignal abzuändern, um einen breiteren Bereich von Anwendungen, Herstellungskostenreduktionen und mehr Flexibilität im Design zu ermöglichen. Das Bauelement kann einen angelenkten Balken 30, durch ein Steuersignal betätigbar, aufweisen, wobei der Balken Elektroden 40, 60 auf beiden Seiten des Drehpunkts aufweist, und entsprechende feste Elektroden 50, 70, die den Elektroden auf dem Balken zugewandt sind, um zwei oder mehr variable Bauelemente wie etwa Schalter oder variable Kondensatoren bereitzustellen, die derart ausgelegt sind, dass eine gegebene Bewegung des Balkens eine Elektrodentrennung in der gleichen Richtung für die zwei oder mehr Schalter oder Kondensatoren verursacht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 2004/000717 [0007]
- US 6040611 [0011, 0059]

Claims

Abstimmbare Elektronikanordnung mit zwei oder mehr abstimmbaren Bauelementen, wobei jedes der abstimmbaren Bauelemente ein bewegliches Element (40, 60) aufweist, das bezüglich eines Referenzelements bewegt werden kann, wobei die zwei oder mehr abstimmbaren Bauelemente durch eine mikroelektromechanische Struktur (30) mechanisch-operativ verbunden sind, wobei eine Reaktion jedes abstimmbaren Bauelements von der Position des beweglichen Elements bezüglich des Referenzelements abhängt, wobei die mikroelektromechanische Struktur (30) ausgelegt ist zum Bewegen des beweglichen Elements eines abstimmbaren Bauelements, um dadurch die Reaktion dieses abstimmbaren Bauelements gemäß einem Abstimmsignal zu variieren, wobei eine Kopplungsschaltung dafür ausgelegt ist, die abstimmbaren Bauelemente miteinander zu koppeln, um eine kombinierte Reaktion der abstimmbaren Bauelemente bereitzustellen, und die Kopplungsschaltung rekonfigurierbar ist, um die kombinierte Reaktion der abstimmbaren Anordnung auf Änderungen beim Abstimmsignal hin abzuändern.
Abstimmbare Elektronikanordnung nach Anspruch 1, wobei die Kopplungsschaltung so ausgelegt ist, dass sie zwischen einer beliebigen der Folgenden umschaltet: einer Reihenkopplung der abstimmbaren Bauelemente, einer Parallelkopplung der abstimmbaren Bauelemente, einer Kombination aus Reihen- und Parallelkopplung und einer Kopplung der abstimmbaren Bauelemente, die Reaktionen mit entgegengesetzten Vorzeichen aufweisen.
Abstimmbare Elektronikanordnung nach Anspruch 1, wobei die zwei oder mehr abstimmbaren Bauelemente in einem oder mehreren der folgenden Punkte unähn lich sind: einem Abstand des beweglichen und Referenzelements, einer Größe des Referenz- oder beweglichen Elements, einer Beziehung eines Abstands des beweglichen und Referenzelements in Abhängigkeit von einem Abstimmsignal und Materialparametern.
Abstimmbare Elektronikanordnung nach Anspruch 2, die zur Verwendung mit einem HF-Signal ausgelegt ist und eine Verbindung aufweist, die sich für das Koppeln des HF-Signals an in Reihe gekoppelte abstimmbare Bauelemente eignet.
Abstimmbare Elektronikanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei mindestens einigen der abstimmbaren Bauelemente das Abstimmsignal an eines oder beide der beweglichen und Referenzelemente des gegebenen abstimmbaren Bauelements gekoppelt ist, um dadurch die Elemente als Betätigungselemente zu verwenden sowie eine Reaktion bereitzustellen.
Abstimmbare Elektronikanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mit einer gemeinsam genutzten mikroelektromechanischen Struktur, die für zwei oder mehr der beweglichen Elemente bereitgestellt ist.
Abstimmbare Elektronikanordnung nach Anspruch 6, wobei die gemeinsam genutzte mikroelektromechanische Struktur einen auslenkbaren Balken umfasst und die beweglichen Elemente auf beiden Seiten des Drehpunkts angeordnet sind.
Abstimmbare Elektronikanordnung nach Anspruch 7 mit entsprechenden Referenzelementen, die so angeordnet sind, dass die abstimmbaren Bauelemente mit dem gleichen Vorzeichen auf eine gegebene Bewegung des Balkens reagieren.
Abstimmbare Elektronikanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die abstimmbaren Bauelemente variable Impedanzen oder Sensoren sind.
Abstimmbare Elektronikanordnung nach Anspruch 9, wobei die variablen Impedanzen variable Widerstände, Kondensatoren oder Induktoren sind.
Integrierte HF-Schaltung mit einer oder mehreren der abstimmbaren Elektronikanordnungen nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Herstellen der integrierten HF-Schaltung nach Anspruch 11 mit den folgenden Schritten: Ausbilden der zwei oder mehr abstimmbaren Bauelemente und Ausbilden der Kopplungsschaltung, dass sie rekonfiguriert werden kann, um eine Reaktion der kombinierten Reaktion auf Änderungen in dem Abstimmsignal hin abzuändern.
Verfahren zum Rekonfigurieren einer abstimmbaren Elektronikanordnung mit zwei oder mehr abstimmbaren Bauelementen und einer Kopplungsschaltung, die ausgelegt ist, die abstimmbaren Bauelemente miteinander zu koppeln, um eine kombinierte Reaktion der abstimmbaren Bauelemente bereitzustellen, wobei jedes der abstimmbaren Bauelemente ein bewegliches Element (40, 60) und ein Referenzelement aufweist und die zwei oder mehr abstimmbaren Bauelemente durch eine mikroelektromechanische Struktur (30) operativ verbunden sind zum Bewegen des beweglichen Elements bezüglich des Referenzelements, um dadurch die Reaktion dieses abstimmbaren Bauelements gemäß einem Abstimmsignal zu variieren, wobei das Verfahren den Schritt des Rekonfigurierens der Kopplungsschaltung zum Abändern einer kombinierten Reaktion der abstimmbaren Elektronikanordnung auf Änderungen in dem Abstimmsignal aufweist.
Mikroelektromechanische Struktur mit einem auslenkbaren Balken (30), durch ein Steuersignal betätigbar, wobei der Balken bewegliche Elemente auf beiden Seiten des Drehpunkts aufweist, die sich mit dem Balken bewegen, und entsprechende Referenzelemente (50, 70), die den beweglichen Elementen an dem Balken zugewandt sind, um zwei oder mehr variable Bauelemente bereitzustellen, die derart ausgelegt sind, dass eine gegebene Bewegung des Balkens eine Elektrodentrennung in der gleichen Richtung für die zwei oder mehr variablen Bauelelemente verursacht.
Mikroelektromechanische Struktur nach Anspruch 14, wobei die variablen Bauelemente Schalter oder Impedanzen sind.