專利名稱：可變電容元件、可變電容設備和驅(qū)動可變電容元件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
在此所討論的實施例涉及可變電容元件，更具體的涉及通過使用微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)制造的可變電容元件。
背景技術(shù)：
可變電容元件是例如變頻振蕩器、調(diào)諧放大器、移相器、和阻抗匹配電路之類的電路中所用的組件。近年來，便攜設備中安裝了越來越多的可變電容元件。與目前主要用作可變電容元件的變?nèi)荻O管相比，使用MEMS技術(shù)所制造的可變電容元件可以實現(xiàn)高Q值而能量損失小。因此，期望發(fā)展使用MEMS技術(shù)所制造的可變電容元件，并使其投入實際應用。在下文中，使用MEMS技術(shù)所制造的可變電容元件被簡單稱作“可變電容元件”。通常，可變電容元件構(gòu)造成使得通過調(diào)整兩個相對的電極之間的距離來改變電容。圖IA和IB是示出了通常的可變電容元件10的結(jié)構(gòu)的示例的橫截面視圖。參考圖IA的可變電容元件10，在基底11上設置了固定電極12、可動電極13、用于覆蓋固定電極12的電介質(zhì)層14、用于支撐可動電極13的一對支撐層15a和15b等。在可動電極13和電介質(zhì)層14之間設置空隙。可以將驅(qū)動電壓V施加到固定電極12?？蓜与姌O13通過支撐層15a和15b接地。在固定電極12和可動電極13之間沒有施加電位差的情況下，可動電極13與固定電極12分開(參見圖1A)。在此情況下，如果將驅(qū)動電壓V施加到固定電極12，以在固定電極12和可動電極13之間施加電位差，則在兩者之間所產(chǎn)生的靜電引力吸引可動電極13更靠近固定電極12，使得兩者之間的距離縮短。如果電位差等于或大于預定值，則可動電極13通過電介質(zhì)層14與固定電極12接觸(參見圖1B)。圖2是示出了可變電容元件10中驅(qū)動電壓V和電容C之間的關(guān)系(即，C-V特性)的示例的視圖。參考圖2，當施加正驅(qū)動電壓V并且正驅(qū)動電壓V的值增大時，電容C開始表現(xiàn)出與最小電容CS相比幾乎沒有變化，但是當驅(qū)動電壓V的值等于或接近VIl時電容C快速增力口，然后電容C表現(xiàn)出與最大電容CL相比幾乎沒有變化。之后，當驅(qū)動電壓V的值從當前狀態(tài)減小時，電容C在一段時間內(nèi)表現(xiàn)出與最大電容CL相比幾乎沒有變化，但是當驅(qū)動電壓V的值等于或接近VOl時電容C快速降低，然后，電容C表現(xiàn)出與最小電容CS相比幾乎沒有變化。同樣的，當施加負驅(qū)動電壓V并且負驅(qū)動電壓V的值減小時，電容C在一段時間內(nèi)表現(xiàn)出與最小電容CS相比幾乎沒有變化，但是當驅(qū)動電壓V的值等于或接近VI2時電容C迅速增加，然后，電容C表現(xiàn)出與最大電容CL相比幾乎沒有變化。之后，當驅(qū)動電壓V的值從當前狀態(tài)增大時，電容C在一段時間內(nèi)表現(xiàn)出與最大電容CL相比幾乎沒有變化，但是當驅(qū)動電壓的值接近或等于V02時電容C迅速降低，然后，電容C表現(xiàn)出與最小電容CS相比幾乎沒有變化。只要電容C表現(xiàn)出與最大電容CL或最小電容CS相比幾乎沒有變化，則電容C被認為是在最小電容CS或最大電容CL的值保持恒定。在可動電極13距固定電極12最遠的情況(S卩，圖IA的情況)下，電容C變成最小值(最小電容CS)。在可動電極13通過電介質(zhì)層14與固定電極12接觸的情況(S卩，圖IB的情況)下，電容C變成最大值(最大電容CL)。同時，在電容C增大的情況和電容C降低的情況之間，電容C相對于驅(qū)動電壓V的變化路徑不同。簡單來說，電壓VIl不等于電壓V01。相同的情況同樣可應用于電壓VI2和電壓V02。電容C對驅(qū)動電壓V的變化顯示出所謂的滯后是眾所周知的。在使用數(shù)字可變電容元件10的情況下，控制驅(qū)動電壓V，使得可變電容元件10的 電容C取最小電容CS或最大電容CL。參考圖2，例如，如果電容C設置為最小電容CS，則驅(qū)動電壓V設置為電壓VOFF ( = O)。如果電容C設置為最大電容CL，則驅(qū)動電壓V設置為電壓VONl或電壓V0N2。在改變電容C的情況下，連續(xù)應用具有相同極性的驅(qū)動電壓V引起正電荷或負電荷聚積在電介質(zhì)層14中。電荷以此方式聚積是眾所周知的。圖3A和3B是示出了當電荷聚積在可變電容元件10中時驅(qū)動電壓V和電容C之間的關(guān)系(即，C-V特性)的示例的視圖。當電荷在電介質(zhì)層14中聚積時，由于電荷而產(chǎn)生的靜電力影響可動電極13的運動。因此，可變電容元件10的C-V特性顯示出與在電介質(zhì)層14中沒有聚積電荷的情況下不同的特性。例如，圖3A示出了正電荷聚積在電介質(zhì)層14中狀態(tài)。在此情況下，與沒有電荷聚積的情況相比，C-V特性向正驅(qū)動電壓V偏移。在上述情況下，即使施加能將電容C內(nèi)在指定為最小電容CS或最大電容CL的驅(qū)動電壓V，在某些情況下電容C的值也不會改變成最小電容CS或最大電容CL。在列舉的圖3A和3B的示例中，即使將驅(qū)動電壓V設置成電壓VOFF ( = O)，電容C的值有時也不會改變成預期的最小電容CS。因此，不可能以穩(wěn)定的方式操作可變電容元件10，這是一個問題。為了防止電壓特性由于絕緣膜中的電荷而變化，提出了改進絕緣膜的形狀以控制其中的電荷量的設備(日本早期公開專利申請No. 2003-136496)。但是，很難使用半導體制造方法來形成具有日本早期公開專利申請No. 2003-136496中所公開的形狀的絕緣膜。為了處理這個問題，提出了被稱作雙極驅(qū)動的驅(qū)動方法，其中以預定的時間間隔將待施加的驅(qū)動電壓V的極性從一個極性轉(zhuǎn)換成另一極性，以抑制C-V特性的偏移。還提出了鏡像控制設備，其中待施加到電極的驅(qū)動電壓是交流電壓，以抑制鏡像偏移的發(fā)生(日本早期公開專利申請No. 2008-052270)。圖4是示出了在以雙極性方式驅(qū)動可變電容元件10的情況下驅(qū)動電壓V和電容C的時間序列變化的示例的視圖。參考圖4，在雙極性驅(qū)動中，當施加驅(qū)動電壓V以保持電容C處于最大電容CL時，以在相對短的時間間隔交替施加正電壓VONl和負電壓V0N2的方式施加驅(qū)動電壓V。在長時間施加具有一個極性的驅(qū)動電壓V的情況下，或者，在施加具有一個極性的驅(qū)動電壓V的時間段和施加具有另一極性的驅(qū)動電壓V的時間段之間存在很大差異的情況下，電荷更有可能聚積在絕緣層14中。因此，雙極性驅(qū)動對于抑制C-V特性的偏移是有效的。但是，如圖4所示，在雙極性驅(qū)動的情況下，在將驅(qū)動電壓V的極性從一個極性轉(zhuǎn)換成另一極性時，電容C變得小于最大電容CL。簡單來說，由于電容C的容量變化，雙極性驅(qū)動存在缺點。為此，只在電容變化不影響設備工作時將驅(qū)動電壓V的極性從一個極性轉(zhuǎn)換成另一極性。這限制了以雙極性方式驅(qū)動可變電容元件10的情況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在解決上面所指出的問題，因此，本發(fā)明的實施例的目的是提供可變電容元件，其中抑制了 C-V特性的偏移，而不需要將驅(qū)動電壓從一個極性改變成另一極性，或者不需要對將驅(qū)動電壓從一個極性改變成另一極性的時間(即，極性改變的時間間隔)加以限制。根據(jù)本發(fā)明的一個方面(實施例)，可變電容元件包括第一固定電極和第二固定電極，其相互絕緣；可動電極，其設置成面對所述第一固定電極和所述第二固定電極；電介質(zhì)層，其設置在所述可動電極與所述第一固定電極以及所述第二固定電極之間；第一接線部分，其用于根據(jù)所述可動電極的電位將第一驅(qū)動電壓施加到所述第一固定電極；和第二接線部分，其用于根據(jù)所述可動電極的電位將第二驅(qū)動電壓施加到所述第二固定電極，所述第二驅(qū)動電壓具有與所述第一驅(qū)動電壓的極性不同的極性。


圖IA和IB是示出了通常的可變電容元件的結(jié)構(gòu)的示例的橫截面視圖；圖2是示出了驅(qū)動電壓和電容之間的關(guān)系(即，C-V特性)的示例的視圖；圖3A和3B是示出了驅(qū)動電壓和電容之間的關(guān)系(即，C-V特性)的示例的視圖；圖4是示出了驅(qū)動電壓和電容的時間序列變化的示例的視圖；圖5是示出了根據(jù)實施例的可變電容設備的結(jié)構(gòu)的示例的俯視圖；圖6是沿著圖5的線α 1-α I所取的可變電容設備的橫截面視圖；圖7是沿著圖5的線α 2-α 2所取的可變電容設備的橫截面視圖；圖8是沿著圖5的線α 2-α 2所取的可變電容設備的橫截面視圖；圖9是沿著圖5的線α 3-α 3所取的可變電容設備的橫截面視圖；圖IOA和IOB是示出了圖5中所示的可變電容設備的等效電路的視圖；圖11是示出了根據(jù)實施例的應用可變電容元件的示例的等效電路的視圖；圖12是示出了驅(qū)動電壓和電容的時間序列變化的示例的視圖；圖13Α和13Β是示出了驅(qū)動電壓和電容之間的關(guān)系(即，C-V特性)的示例的視圖；圖14是示出了電荷在其中聚積的可變電容元件的示例的視圖；圖15是示出了驅(qū)動電壓和電容的時間序列變化的示例的視圖；圖16是示出了驅(qū)動電壓和電容的時間序列變化的示例的視圖；圖17是示出了根據(jù)實施例的可變電容設備的結(jié)構(gòu)的示例的視圖；和
圖18是沿著圖17的線α 1-α I所取的可變電容設備的橫截面視圖。
具體實施例方式將參考附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例。在下面的實施例中，以可變電容元件用于射頻(RF)信號處理電路的情況為例進行描述?？勺冸娙菰部梢杂糜谄渌鼞?。[第一實施例]圖5是示出了根據(jù)第一實施例的可變電容設備I的結(jié)構(gòu)的示例的俯視圖；圖6-9 是圖5中所示的可變電容設備I的橫截面視圖。圖7和8示出了相同的橫截面。圖7示出了在可動電極26沒有移動情況下可變電容設備I的橫截面，而圖8示出了在可動電極26移動的情況下可變電容設備I的橫截面。參考圖5，可變電容設備I包括可變電容元件2、RF塊60a_60c、驅(qū)動電路61、驅(qū)動電路62。可變電容元件2包括由玻璃或硅制成的基底20。在基底20上形成第一引出電極21、第二引出電極22、第一固定電極23a-23c、第二固定電極24a_24c、可動電極26、支撐層27a和27b等。此外，在基底20上形成第一固定電容層28、第二固定電容層29、接地電極30a-30d等。為了簡化，電介質(zhì)層25a-25f未在圖5中示出?？蓜与姌O26、第一固定電容層28、和第二固定電容層29中的每一個都以切除一部分的形式不出。同樣的，第一引出電極21的梳狀部分21a和第二引出電極22的梳狀部分22a中的每一個都以切除一部分的形式示出。第一引出電極21由導電材料制成，例如鋁(Al)或金(Au)。第一引出電極21形成為具有梳狀部分21a和矩形部分21b。同樣的，第二引出電極22也由導電材料制成，例如鋁(Al)或金(Au)。第二引出電極22形成為具有梳狀部分22a和矩形部分22b。梳狀部分21a的齒的數(shù)量等于梳狀部分22a的齒的數(shù)量，其數(shù)量為一個或多個。在本實施例中，梳狀部分21a和梳狀部分22a中的每一個的齒的數(shù)量是兩個。以梳狀部分21a的分別的齒和梳狀部分22a的分別的齒以固定間隔交替的方式放置第一引出電極21和第二引出電極22。第一引出電極21和第二引出電極22分別可連接到用于施加驅(qū)動電壓的驅(qū)動電路。在本實施例中，第一引出電極21通過RF塊60a連接到驅(qū)動電路61。第二引出電極22通過RF塊60b連接到驅(qū)動電路62。RF塊60a和60b是用于中斷RF信號的諸如電阻和電感之類的元件。將在后面描述由驅(qū)動電路61和驅(qū)動電路62所施加的驅(qū)動電壓。再參考圖6，第一固定電極23a_23c由導電材料制成，例如鋁(Al)或金(Au)，并且分開形成于第一引出電極21的上表面上。具體來說，第一固定電極23a和23b形成于梳狀部分21a的齒的上表面上。第一固定電極23c在靠近矩形部分21b的一端的部分處形成于矩形部分21b的上表面上。第二固定電極24a-24c也由導電材料制成，例如鋁(Al)或金(Au)，并且分開形成于第二引出電極22的上表面上。具體來說，第二固定電極24a和24b形成于梳狀部分22a的齒的上表面上。第二固定電極24c在靠近矩形部分22b的一端的部分處形成于矩形部分21b的上表面上。但是相反，第一固定電極23a-23c的一部分或整體可以與第一引出電極21形成一體。同樣的，第二固定電極24a-24c的一部分或整體與第二引出電極22形成一體。在下文中，第一固定電極23a和23b與第二固定電極24a和24b所占據(jù)的區(qū)域有時被稱為固定電極中心部分234C。由諸如二氧化硅(SiO2)或氧化鋁(Al2O3)之類的電介質(zhì)材料制成的電介質(zhì)層25a-25c分別形成于第一固定電極23a_23c的上表面上。同樣的，同樣由諸如二氧化娃(SiO2)或氧化鋁(Al2O3)之類的電介質(zhì)材料制成的電介質(zhì)層25d-25f分別形成于第二固定電極24a-24c的上表面上。在下文中，電介質(zhì)層25a、25b、25d和25e所占據(jù)的區(qū)域有時被稱為電介質(zhì)層中心部分25C。再參考圖6和7，可動電極26由導電材料制成，例如鋁(Al)或金(Au)?？蓜与姌O26和固定電極中心部分234C的上表面相互面對，電介質(zhì)中心部分25C置于兩者之間?？蓜与姌O26形成為具有橋型形狀，并且橫跨電介質(zhì)中心部分25C和固定電極中心部分234C。由諸如鋁(Al)或金(Au)之類的導電材料制成的一對支撐層27a和27b沿著與橫 跨方向垂直的方向形成于可動電極26的兩端的下表面上?？蓜与姌O26由支撐層27a和27b所支撐。在可動電極26和電介質(zhì)中心部分25C之間設置了空隙。如果在可動電極26與第一固定電極23a和23b之間存在位(電位)差，則由于可動電極26與第一固定電極23a和23b之間所產(chǎn)生的靜電引力，可動電極26受到朝向第一固定電極23a和23b的吸引。同樣的，如果可動電極26與第二固定電極24a和24b之間存在電位差，則由于可動電極26和第二固定電極24a和24b之間所產(chǎn)生的靜電引力，可動電極26受到朝向第二固定電極24a和24b的吸引。當前一靜電引力和后一靜電引力的組合是一定值或更高時，如圖8所示，可動電極26將通過電介質(zhì)層中心部分25C與固定電極中心部分234C接觸。因此，可動電極26用作彈簧元件。通過改變可動電極26的材料或尺寸、或者通過改變支撐層27a和27b的材料或尺寸，可調(diào)整可動電極26的彈性系數(shù)。可動電極26可連接到驅(qū)動電路61、驅(qū)動電路62等的電源的接地端?？蓜与姌O26可通過支撐層27a和27b等接地。在本實施例中，可動電極26通過RF塊60C連接到電源的接地端。RF塊60C是用于中斷RF信號的諸如電阻或電感之類的元件?？蓜与姌O26形成為使得RF信號沿著橫跨方向從可動電極26的一端傳到另一端。換句話說，可動電極26用作可變電容元件2的電極板，并且還用作RF信號的信號線。再參考圖6和9,第一固定電容層28由導電材料制成,例如招(Al)或金(Au)。第一固定電容層28和第一固定電極23c的上表面相互面對，電介質(zhì)層25c置于兩者之間。第一固定電容層28形成為具有橋型形狀，并且橫跨電介質(zhì)層25c和第一固定電極23c。第二固定電容層29也由導電材料制成，例如鋁(Al)或金(Au)。第二固定電容層29和第二固定電極24c的上表面相互面對，電介質(zhì)層25f置于兩者之間。第二固定電容層29形成為具有橋型形狀，并且橫跨電介質(zhì)層25f和第二固定電極24c。由諸如鋁(Al)或金(Au)之類的導電材料制成的一對接地電極30a和30b沿著與橫跨方向垂直的方向形成于第一固定電容層28的兩端的下表面上。同樣的，同樣由諸如招(Al)或金(Au)之類的導電材料制成的一對接地電極30c和30d沿著與橫跨方向垂直的方向形成于第二固定電容層29的兩端的下表面上。與可動電極26和電介質(zhì)層中心部分25C之間的空隙的情況不同，第一固定電容層28和電介質(zhì)層25c之間沒有間隙，第二固定電容層29和電介質(zhì)層25f之間也沒有間隙。第一固定電容層28可通過接地電極30a和30b連接到RF信號的接地端。同樣的，第二固定電容層29可通過接地電極30c和30d連接到RF信號的接地端。驅(qū)動電路61是用于將驅(qū)動電壓Vl通過第一引出電極21施加到第一固定電極23a-23c的電路。如果將驅(qū)動電壓Vl施加到第一固定電極23a_23c，則在第一固定電極23a和23b與連接到電源接地端的可動電極26之間產(chǎn)生了電位差，此外，在第一固定電極23c和連接到RF信號接地端的第一固定電容層28之間產(chǎn)生了電位差。驅(qū)動電路62是用于將驅(qū)動電壓V2通過第二引出電極22施加到第二固定電極24a-24c的電路。如果將驅(qū)動電壓V2施加到第二固定電極24a_24c，則在第二固定電極24a和24b與連接到電源接地端的可動電極26之間產(chǎn)生了電位差，此外，在第一固定電極24c和連接到RF信號接地端的第二固定電容層29之間產(chǎn)生了電位差。如上所述，當可動電極26和第一固定電極23a和23b之間的靜電引力與可動電極 26和第二固定電極24a和24b之間的靜電引力的組合是一定值或更高時，可動電極26將通過電介質(zhì)層中心部分25C與固定電極中心部分234C接觸。在如圖7所示可動電極26距固定電極中心部分234C最遠的狀態(tài)下，可動電極26與第一固定電極23a和23b之間的電容變成最小值,可動電極26和第二固定電極24a和24b之間的電容也變成最小值。結(jié)果，整個可變電容元件2具有最小的電容。同時，在如圖8所示可動電極26通過電介質(zhì)層中心部分25C與固定電極中心部分234C接觸的狀態(tài)下，可動電極26與第一固定電極23a和23b之間的電容變成最大值,可動電極26和第二固定電極24a和24b之間的電容也變成最大值。結(jié)果，整個可變電容元件2具有最大的電容。換句話說，根據(jù)由驅(qū)動電路61施加的驅(qū)動電壓Vl的變化和由驅(qū)動電路62施加的驅(qū)動電壓V2的變化，整個可變電容元件2的電容在兩個值之間變化，即，大值和小值。圖IOA和IOB是示出了圖5的可變電容設備I的等效電路的視圖，圖11是示出了應用可變電容元件2的示例的等效電路的視圖。參考圖10A，通過相互并聯(lián)的第一可變電容部分2A和第二可變電容部分2B實現(xiàn)了可變電容元件2。通過相互串聯(lián)的第一可變電容元件2Aa和第一固定電容元件2Ab實現(xiàn)了第一可變電容部分2A。通過相互串聯(lián)的第二可變電容元件2Ba和第二固定電容元件2Bb實現(xiàn)了第二可變電容部分2B。第一可變電容元件2Aa包括第一固定電極23a和23b、可動電極26、設置在可動電極26與第一固定電極23a和23b之間的電介質(zhì)層25a和25b。第一固定電容兀件2Ab包括第一固定電極23c、第一固定電容層28、和設置在第一固定電極23c和第一固定電容層28之間的電介質(zhì)層25c。第二可變電容兀件2Ba包括第二固定電極24a和24b、可動電極26、設置在可動電極26與第二固定電極24a和24b之間的電介質(zhì)層25d和25e。第二固定電容元件2Bb包括第二固定電極24c、第二固定電容層29、和設置在第二固定電極24c和第二固定電容層29之間的電介質(zhì)層25f?？刂朴沈?qū)動電路61所施加的驅(qū)動電壓Vl和由驅(qū)動電路62所施加的驅(qū)動電壓V2，使得第一可變電容元件2Aa的電容和第二可變電容元件2Ba的電容在兩個值之間變化，即，大值和小值。如上所述，可變電極26通常用于第一可變電容元件2Aa和第二可變電容元件2Ba。因此，如果第一可變電容元件2Aa具有最小電容，則第二可變電容元件也具有最小電容。如果第一可變電容元件2Aa具有最大電容，則第二可變電容元件也具有最大電容。簡單來說，第一可變電容元件2Aa的電容連同第二可變電容元件2Ba的電容一起變化。結(jié)果，可變電容元件2的電容總體上在兩個值之間變化。由此，能夠用如圖IOB所示的簡單等效電路代替圖IOA的等效電路。根據(jù)可變電容元件2的用途，調(diào)整可變電容值(即，第一可變電容元件2Aa和第二可變電容元件2Ba的大電容值和小電容值)及其寬度等。此外，根據(jù)可變電容元件2的用途，還調(diào)整第一固定電容元件2Ab和第二固定電容元件2Bb的固定電容值。這使得可變電容元件2的電容在兩個期望值之間變化。如圖11所示，例如，多個可變電容元件2組成電容電路；從而根據(jù)多個值改變電容電路的電容值。下面是對在可變電容元件2的電容C保持在最大值(最大電容CL)的情況下由驅(qū)動電路61所施加的驅(qū)動電壓Vl和由驅(qū)動電路62所施加的驅(qū)動電壓V2的三個示例的描述。[第一應用示例]圖12是示出了驅(qū)動電壓VI、驅(qū)動電壓V2和電容C的時間序列變化的示例的視圖；圖13A和13B是示出了在電荷在可變電容元件2中聚積的情況下驅(qū)動電壓Vl和電容CAa之間的關(guān)系(即，C-V特性)的示例視圖；圖14是示出了電荷在其中聚積的可變電容元件2的示例的視圖。在第一應用示例中，在可變電容元件2的電容C保持在最大電容CL時，將相互之間極性不同并且為常數(shù)值的驅(qū)動電壓Vl和驅(qū)動電壓V2分別施加到第一固定電極23a-23c和第二固定電極24a-24c。具體來說，如圖12所示，驅(qū)動電壓Vl設置成常數(shù)正電壓V0N1，驅(qū)動電壓V2設置成常數(shù)負電壓V0N2?；蛘撸?qū)動電壓Vl設置成常數(shù)負電壓V0N2，驅(qū)動電壓V2設置成常數(shù)正電壓VONl。正電壓VONl和負電壓V0N2的值能使得正電壓VONl和負電壓V0N2使可動電極26通過電介質(zhì)層中心部分25V與固定電極中心部分234C接觸?；蛘?，調(diào)整可變電極26的彈性系數(shù)，從而應用正電壓VONl和負電壓V0N2使得可動電極26通過電介質(zhì)層中心部分25V與固定電極中心部分234C接觸。盡管正電壓VONl和負電壓V0N2基本具有相同的絕對值，但是正電壓VONl和負電壓V0N2可以具有相互不同的絕對值。以此方式施加驅(qū)動電壓Vl和驅(qū)動電壓V2，從而如圖12所示，可變電容元件2的電容C保持在最大電容CL。連續(xù)應用驅(qū)動電壓Vl和驅(qū)動電壓V2引起正電荷或負電荷聚積在電介質(zhì)層25a-25f中。將具有一個極性的驅(qū)動電壓和具有另一極性的驅(qū)動電壓分別施加到第一固定電極23a-23c和第二固定電極24a_24c。因此，具有一個極性的電荷和具有另一極性的電荷分別聚積在電介質(zhì)層25a-25c和電介質(zhì)層25d-25f中。例如，正電荷聚積在電介質(zhì)層25a-25c中，而負電荷聚積在電介質(zhì)層25d_25f中?；蛘?，負電荷聚積在電介質(zhì)層25a_25c中，而正電荷聚積在電介質(zhì)層25d-25f中?，F(xiàn)在，討論可動電極26與第一固定電極23a和23b之間的電容CAa。驅(qū)動電壓Vl和電容CAa之間關(guān)系(即，C-V特性)表現(xiàn)出與沒有電荷聚積的狀態(tài)下不同的特性。例如，如圖13A所示，在正電荷在電介質(zhì)層25a和25b中聚積的狀態(tài)下，與沒有電荷在其中聚積的狀態(tài)相比，C-V特性向負驅(qū)動電壓Vl偏移。此外，例如，如圖13B所示，在負電荷在電介質(zhì)層25a和25b中聚積的情況下，與沒有電荷在其中聚積的狀態(tài)相比，C-V特性向正驅(qū)動電壓Vl偏移。當討論可動電極26和第二固定電極24a之間的電容CBa時，相同的情況可應用于驅(qū)動電壓V2和電容CBa之間的關(guān)系。
如上所述，具有一個極性的電荷聚積在電介質(zhì)層25a_25c中，具有另一極性的電極聚積在電介質(zhì)層25d-25f中。因此，電容CAa的C-V特性的偏移方向與電容CBa的C-V特性的偏移方向相反。因此，偏移相互抵消，使得在整個可變電容元件2中沒有產(chǎn)生C-V特性的偏移，或者，其中產(chǎn)生了微量的C-V特性的偏移。無論如何，如圖14所示，總體上，沒有具有其中一個極性(即，只有正極性或負極性)的電荷聚積在電介質(zhì)層中心部分25C中,所述電介質(zhì)層中心部分25C是電介質(zhì)層25a、25b、25d和25e所占據(jù)的區(qū)域。因此，可動電極26的移動不受到由電荷所產(chǎn)生的靜電力的影響，或者受到靜電力微小的影響。結(jié)果，不發(fā)生與電介質(zhì)層25a-25f中的電荷聚積相關(guān)的可變電容元件2的C-V特性的偏移，或者，發(fā)生了微量的偏移。因此，根據(jù)第一應用示例，可以抑制可變電容元件2的C-V特性的變化(偏移)，而不需要將驅(qū)動電壓的從一個極性改變成另一極性。這引起可變電容元件2的長時間的穩(wěn)定運行。[第二應用示例]圖15是示出了驅(qū)動電壓VI、驅(qū)動電壓V2和電容C的時間序列變化的示例的視圖。第一應用示例抑制了可變電容元件2的C-V特性的變化(偏移)；但是，仍然留下了電荷聚積在電介質(zhì)層25a-25f中的問題。提供了第二應用示例以改善上述問題。在第二應用示例中，當可變電容元件2的電容C保持在最大電容CL時，將具有以預定時間間隔轉(zhuǎn)換正極性和負極性的矩形波的驅(qū)動電壓Vl和驅(qū)動電壓V2分別施加到第一固定電極23a-23c和第二固定電極24a-24c。注意，驅(qū)動電壓Vl的極性總是與驅(qū)動電壓V2的極性不同。由此，以使得驅(qū)動電壓Vl和驅(qū)動電壓V2具有相互不同的極性的方式，同時改變驅(qū)動電壓Vl和驅(qū)動電壓V2的極性。具體來說，如圖15所示，在驅(qū)動電壓V2從負電壓V0N2改變成正電壓VONl的同時，驅(qū)動電壓Vl從正電壓VONl改變成負電壓V0N2。此外，在驅(qū)動電壓V2從正電壓VONl改變成負電壓V0N2的同時，驅(qū)動電壓Vl從負電壓V0N2改變成正電壓VONl。簡單來說，驅(qū)動電壓Vl和驅(qū)動電壓V2是交流電壓，其中以使得驅(qū)動電壓Vl和驅(qū)動電壓V2具有相互不同的極性的方式重復改變極性。正電壓VONl和負電壓V0N2的值能使得應用正電壓VONl和負電壓V0N2使可動電極26通過電介質(zhì)層中心部分25C與固定電極中心部分234C接觸。或者，調(diào)整可變電極26的彈性系數(shù),從而應用正電壓VONl和負電壓V0N2使得可動電極26通過電介質(zhì)層中心部分25V與固定電極中心部分234C接觸。盡管正電壓VONl和負電壓V0N2基本具有相同的絕對值，但是正電壓VONl和負電壓V0N2可以具有相互不同的絕對值?；旧弦灶A定時間間隔改變驅(qū)動電壓Vl和驅(qū)動電壓V2的極性；但是可以以隨機時間間隔改變驅(qū)動電壓Vl和驅(qū)動電壓V2的極性。例如，預定時間間隔對應于最長幾十小時和最短幾毫米。但是注意，預定時間間隔設置為比可動電極26移動所需的時間長的時間段。如圖15所示，以此方式施加驅(qū)動電壓Vl和驅(qū)動電壓V2，使得可變電容元件2的電容C保持處于或接近最大電容CL。但是，在改變驅(qū)動電壓Vl和驅(qū)動電壓V2的極性時，電容C變得略小于最大電容CL。換句話說，在改變極性時電容C的容量變化。此外，在改變極性時有時產(chǎn)生噪聲。由此，在與極性的變化相關(guān)的電容C的容量變化和噪聲的產(chǎn)生不影響設備工作的、時候，改變驅(qū)動電壓Vl和驅(qū)動電壓V2的極性。因為在較短的時間間隔內(nèi)電荷很難聚積在電介質(zhì)層25a-25f中，所以更短的用于改變極性時間間隔是優(yōu)選的。即使電荷聚積在電介質(zhì)層25a-25f中，由于與第一應用示例相同的原因，所以也能可變電容元件2的C-V特性的偏移。因此，不是必須以短時間間隔改變極性，可以以任意時間改變極性。因此，根據(jù)第二應用示例，可以抑制可變電容元件2的C-V特性的變化(偏移)，而不需要對改變驅(qū)動電壓的極性的時間加以限制。此外，電荷很難聚積在電介質(zhì)層25a-25f中。與第一應用示例的情況相比，這引起在更長的時間段內(nèi)可變電容元件2更穩(wěn)定的運行。[第三應用示例]圖16是示出了驅(qū)動電壓VI、驅(qū)動電壓V2和電容C的時間序列變化的示例的視圖。根據(jù)第二應用示例，電荷很難聚積在電介質(zhì)層25a_25f中；但是，保留了在改變驅(qū)動電壓的極性時產(chǎn)生電容C的容量變化的問題。提供第三應用示例以改善上述問題。與第二應用示例一樣，在第二應用示例中，以驅(qū)動電壓Vl和驅(qū)動電壓V2具有相互不同的極性的方式改變驅(qū)動電壓Vl和驅(qū)動電壓V2的極性。注意，驅(qū)動電壓Vl的極性變化的時間從驅(qū)動電壓V2的極性變化的時間偏移了預定時間量。具體來說，如圖16所示，驅(qū)動電壓Vl從正驅(qū)動電壓VONl轉(zhuǎn)變成負驅(qū)動電壓V0N2，在預定時間量Λ t過去之后，驅(qū)動電壓V2從負驅(qū)動電壓V0N2轉(zhuǎn)變成正驅(qū)動電壓VONl。此外，驅(qū)動電壓Vl從負驅(qū)動電壓V0N2轉(zhuǎn)變成正驅(qū)動電壓VONl，在預定時間量Λ t過去之后，驅(qū)動電壓V2從正驅(qū)動電壓VONl轉(zhuǎn)變成負驅(qū)動電壓V0N2。例如，預定時間量是幾毫米。簡單來說，驅(qū)動電壓Vl和驅(qū)動電壓V2是交流電壓，其中以驅(qū)動電壓Vl和驅(qū)動電壓V2具有相互不同的極性的方式重復改變極性，而且極性轉(zhuǎn)變時間偏移了預定時間量。正電壓VONl和負電壓V0N2的值使得應用正電壓VONl和負電壓V0N2中的至少一個使可動電極26通過電介質(zhì)層中心部分25C與固定電極中心部分234C接觸?；蛘撸{(diào)整可變電極26的彈性系數(shù)，從而應用正電壓VONl和負電壓V0N2中的至少一個使得可動電極26通過電介質(zhì)層中心部分25V與固定電極中心部分234C接觸。除了上述條件之外的驅(qū)動電壓Vl和驅(qū)動電壓V2的條件與第二應用示例的條件相同。以此方式施加驅(qū)動電壓Vl和驅(qū)動電壓V2，如圖16所示，使得可變電容元件2的電容C保持在最大電容CL而沒有電容變化。如果考慮噪聲而延長改變驅(qū)動電壓Vl和驅(qū)動電壓V2的極性的時間間隔，則電荷很有可能將聚積在電介質(zhì)層25a-25f中。但是，即使電荷聚積在電介質(zhì)層25a-25f中，因為與第一和第二應用示例中相同的理由，所以也抑制了可變電容元件2的C-V特性的偏移。因此，不是必須以短時間間隔改變極性，可以以任意時間改變極性。因此，根據(jù)第三應用示例，可以抑制可變電容元件2的C-V特性的變化(偏移)，而不需要對改變驅(qū)動電壓的極性的時間加以限制。此外，電荷很難聚積在電介質(zhì)層25a-25f中，并且在改變驅(qū)動電壓的極性時不會產(chǎn)生電容C的容量變化。與第一和第二應用示例的情況相比，這引起在更長的時間段內(nèi)可變電容元件2更穩(wěn)定的運行。[第二實施例]
圖17是示出了根據(jù)第二實施例的可變電容設備3的結(jié)構(gòu)的俯視圖，圖18是沿著圖17的線α 1-α I所取的可變電容設備3的橫截面視圖。
將在下面描述可變電容設備3，集中于可變電容設備I和可變電容設備3之間的差另IJ。有時省略了對與可變電容設備I中相同的部分的描述。參考圖17，可變電容設備3包括可變電容元件4、RF塊60a_60c、驅(qū)動電路61、和驅(qū)動電路62?？勺冸娙菰?包括由玻璃或硅制成的基底40。在基底40上形成固定電極41、第一引出電極42、第二引出電極43、連接層44、第一可動電極45a和45b、第二可動電極46a和46b等。此外，在基底40上形成第一固定電容層48、第二固定電容層49、接地電極50a和50b等。為了簡化，在圖17中未示出電介質(zhì)層47a-47f。根據(jù)第一實施例的可變電容兀件2包括兩個固定電極(例如，第一固定電極23a-23c和第二固定電極24a-24c)和一個可動電極26。另一方面,根據(jù)第二實施例的可變電容兀件4包括一個固定電極41和兩個可動電極,例如第一可動電極45a和45b與第二可動電極46a和46b。組成可變電容元件4的分別的構(gòu)件由與組成可變電容元件2的分別的相應構(gòu)件的材料相同的材料制成。此外，1^塊60&-60(、驅(qū)動電路61和驅(qū)動電路62的功能與可變電容 設備I的情況的功能相同。固定電極41可連接到驅(qū)動電路61和驅(qū)動電路62等的電源的接地端。在本實施例中，固定電極41通過RF塊60a連接到電源的接地端。固定電極41形成為使得RF信號從固定電極41的一端傳送到另一端。換句話說，固定電極41用作可變電容元件4的電極板，還用作RF信號的信號線。第一引出電極42具有與可變電容元件2的第一引出電極21相同的形狀，并且形成為具有梳狀部分42a和矩形部分42b。同樣的，第二引出電極43具有與可變電容元件2的第二引出電極22相同的形狀，并且形成為具有梳狀部分43a和矩形部分43b。第一引出電極42和第二引出電極43分別可連接到用于施加驅(qū)動電壓的驅(qū)動電路。在本實施例中，第一引出電極42通過RF塊60b連接到驅(qū)動電路61。此外，第二引出電極43通過RF塊60c連接到驅(qū)動電路62。由諸如二氧化硅(SiO2)或氧化鋁(Al2O3)之類的絕緣材料制成的連接層44形成于第一引出電極42和第二引出電極43之間的間隙中。簡單來說，連接層44將第一引出電極42和第二引出電極43相互連接起來。從而，第一可動電極45a和45b與第二可動電極46a和46b相互結(jié)合。在下文中，由相互連接的第一引出電極42和第二引出電極43所組成的構(gòu)件有時被稱作引出電極部分423。再參考圖18，第一可動電極45a和45b形成于梳狀部分42a的齒的下表面上。第二可動電極46a和46b形成于梳狀部分43a的齒的下表面上。但是相反，第一可動電極45a 和45b的一部分或整體可以與第一引出電極42形成一體。同樣的，第二固定電極46a和46b的一部分或整體可以與第二引出電極43形成一體。在下文中，由第一可動電極45a和45b與第二可動電極46a和46b所占據(jù)的區(qū)域有時被稱作可動電極部分456C。電介質(zhì)層47a和47b分別形成于第一可動電極45a和45b的下表面上。同樣的，電介質(zhì)層47c和47d分別形成于第二可動電極46a和46b的下表面上。以可動電極部分456C和固定電極41的中心部分的上表面相互面對并且電介質(zhì)層中心部分47C置于兩者之間的方式，形成引出電極部分423。引出電極423形成為具有橋型形狀，并且橫跨電介質(zhì)層中心部分47C和固定電極41。第一固定電容層48沿著與橫跨方向垂直的方向形成于引出電極部分423的一端的下表面上。第二固定電容層49沿著與橫跨方向垂直的方向形成于引出電極中心部分423的另一端的下表面上。引出電極423由第一固定電容層48和第二固定電容49所支撐。在電介質(zhì)層中心部分47C和固定電極41之間設置空隙。如果在固定電極41與第一可動電極45a和45b之間存在電位差,貝U由于固定電極41與第一可動電極45a和45b之間所產(chǎn)生的靜電引力，引出電極部分423受到朝向固定電極41的吸引。同樣的，如果在固定電極41與第二可動電極46a和46b之間存在電位差，則由于固定電極41與第二可動電極46a和46b之間所產(chǎn)生的靜電引力，引出電極部分423受到朝向固定電極41的吸引。當前一靜電引力和后一靜電引力的組合是一定值或更高時，弓丨出電極部分423將通過電介質(zhì)層中心部分47C等與固定電極41接觸。因此，引出電極部分423用作彈簧元件。通過改變組成引出電極部分423的分別的構(gòu)件的材料或尺寸、或者通過 改變第一固定電容層48和第二固定電容層49的材料或尺寸，可調(diào)整引出電極部分423的彈性系數(shù)。電介質(zhì)層47e和47f分別形成于第一固定電容層48和第二固定電容層49的下表面上。接地電極50a和50b分別形成于電介質(zhì)層47e和47f的下表面上。與電介質(zhì)層中心部分47C和固定電極41之間存在空隙的情況不同，在電介質(zhì)層47e和接地電極50a之間沒有空隙，在電介質(zhì)層47f和接地電極50b之間也沒有空隙。接地電極50a和50b可連接到RF信號的接地端。與可變電容元件2的情況一樣，通過調(diào)整由驅(qū)動電路61所施加的驅(qū)動電壓Vl和由驅(qū)動電路62所施加的驅(qū)動電壓V2，可變電容元件4的電容在兩個期望值之間變化。此夕卜，在可變電容元件4的電容C保持在最大值(最大電容CL)時，根據(jù)第一到第三應用示例施加驅(qū)動電壓Vl和驅(qū)動電壓V2。這能夠使得以穩(wěn)定方式運行可變電容元件4。各個實施例中的第一引出電極21和42、與第二引出電極22和43分別是第一接線部分和第二接線部分。在上述的各個實施例中，根據(jù)本發(fā)明的主題，可變電容設備I、可變電容元件2、可變電容設備3和可變電容元件4的整體結(jié)構(gòu)、其各種部件的結(jié)構(gòu)、形狀、材料、及其應用等可以根據(jù)需要改變。根據(jù)本發(fā)明的主題，驅(qū)動電壓Vl和驅(qū)動電壓V2的應用示例可以根據(jù)需要改變。例如，在上述各實施例中，可變電容元件2和可變電容元件4中的每一個都有固定電容層，以促進將可變電容元件2和可變電容元件4的電容調(diào)節(jié)到期望的電容。但是，只要可在沒有固定電容層的情況下將電容調(diào)節(jié)到期望的電容，則不是必須在可變電容元件2和可變電容元件4中的每一個中提供固定電容層。此外，在上述各實施例中，用于防止由于固定電極和可動電極之間的接觸而造成的短路的電介質(zhì)層被放置在可變電容元件2的固定電極的一側(cè)上、或者可變電容元件4的可動電極的一側(cè)上。但是相反，電介質(zhì)層可以放置在可變電容元件2的可動電極一側(cè)上、或者放置在可變電容元件4的固定電極一側(cè)上。所有實例和在此所描述的條件語言旨在用于教導目的以幫助讀者理解由發(fā)明人所提出的促進現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)明和概念，并且將被理解為并非限于具體描述的示例和條件，說明書中的上述示例的組織與本發(fā)明的優(yōu)勢和劣勢沒有關(guān)系。盡管詳細描述了本發(fā)明的實施例，但是應當理解，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對本發(fā)明進行各種變化、替換和改 變。
權(quán)利要求
1.ー種可變電容設備，其包括 可變電容元件，其包括 第一固定電極和第二固定電極，其相互絕緣； 可動電極，其設置成面對所述第一固定電極和所述第二固定電極； 電介質(zhì)層，其設置在所述可動電極與所述第一固定電極以及所述第二固定電極之間；第一接線部分，其用于根據(jù)所述可動電極的電位將第一驅(qū)動電壓施加到所述第一固定電極；和 第二接線部分，其用于根據(jù)所述可動電極的電位將第二驅(qū)動電壓施加到所述第二固定電極； 第一驅(qū)動部分，其將所述第一驅(qū)動電壓經(jīng)由所述第一接線部分施加到所述第一固定電極；和 第二驅(qū)動部分，其將所述第二驅(qū)動電壓經(jīng)由所述第二接線部分施加到所述第二固定電極； 所述第一驅(qū)動電壓和所述第二驅(qū)動電壓是具有矩形波的電壓，在所述矩形波中，以所述第一驅(qū)動電壓和所述第二驅(qū)動電壓具有相互不同的極性的方式重復改變極性； 其中，所述第一驅(qū)動電壓的極性變化的時間與所述第二驅(qū)動電壓的極性變化的時間不同。
2.—種可變電容設備，其包括 第一可動電極和第二可動電極，其相互絕緣并且相互結(jié)合； 固定電極，其設置成面對所述第一可動電極和所述第二可動電扱； 電介質(zhì)層，其設置在所述固定電極與所述第一可動電極以及所述第二可動電極之間；第一接線部分，其用于根據(jù)所述固定電極的電位將第一驅(qū)動電壓施加到所述第一可動電極；和 第二接線部分，其用于根據(jù)所述固定電極的電位將第二驅(qū)動電壓施加到所述第二可動電極； 第一驅(qū)動部分，其將所述第一驅(qū)動電壓經(jīng)由所述第一接線部分施加到所述第一可動電極；和 第二驅(qū)動部分，其將所述第二驅(qū)動電壓經(jīng)由所述第二接線部分施加到所述第二可動電極； 其中，所述第一驅(qū)動電壓和所述第二驅(qū)動電壓是具有矩形波的電壓，在所述矩形波中，以所述第一驅(qū)動電壓和所述第二驅(qū)動電壓具有相互不同的極性的方式重復改變極性； 其中，所述第一驅(qū)動電壓的極性變化的時間與所述第二驅(qū)動電壓的極性變化的時間不同。
3.一種用于驅(qū)動可變電容元件的方法，所述可變電容元件包括 第一固定電極和第二固定電極，其相互絕緣； 可動電極，其設置成面對所述第一固定電極和所述第二固定電極；和 電介質(zhì)層，其設置在所述可動電極與所述第一固定電極以及所述第二固定電極之間； 所述方法包括如下步驟 根據(jù)所述可動電極的電位將第一驅(qū)動電壓施加到所述第一固定電極；和根據(jù)所述可動電極的電位將第二驅(qū)動電壓施加到所述第二固定電極； 其中，所述第一驅(qū)動電壓和所述第二驅(qū)動電壓是具有矩形波的電壓，在所述矩形波中，以所述第一驅(qū)動電壓和所述第二驅(qū)動電壓具有相互不同的極性的方式重復改變極性； 其中，所述第一驅(qū)動電壓的極性變化的時間與所述第二驅(qū)動電壓的極性變化的時間不同。
4.一種用于驅(qū)動可變電容元件的方法，所述可變電容元件包括 第一可動電極和第二可動電極，其相互絕緣并且相互結(jié)合； 固定電極，其設置成面對所述第一可動電極和所述第二可動電扱；和 電介質(zhì)層，其設置在所述固定電極與所述第一可動電極以及所述第二可動電極之間； 所述方法包括如下步驟 根據(jù)所述固定電極的電位將第一驅(qū)動電壓施加到所述第一可動電扱；和 根據(jù)所述固定電極的電位將第二驅(qū)動電壓施加到所述第二可動電扱； 所述第一驅(qū)動電壓和所述第二驅(qū)動電壓是具有矩形波的電壓，在所述矩形波中，以所述第一驅(qū)動電壓和所述第二驅(qū)動電壓具有相互不同的極性的方式重復改變極性； 其中，所述第一驅(qū)動電壓的極性變化的時間與所述第二驅(qū)動電壓的極性變化的時間不同。
全文摘要
本發(fā)明涉及可變電容元件、可變電容設備和驅(qū)動可變電容元件的方法?？勺冸娙菰ǖ谝还潭姌O和第二固定電極，其相互絕緣；可動電極，其設置成面對所述第一固定電極和所述第二固定電極；電介質(zhì)層，其設置在所述可動電極與所述第一固定電極以及所述第二固定電極之間；第一接線部分，其用于根據(jù)所述可動電極的電位將第一驅(qū)動電壓施加到所述第一固定電極；和第二接線部分，其用于根據(jù)所述可動電極的電位將第二驅(qū)動電壓施加到所述第二固定電極，所述第二驅(qū)動電壓具有與所述第一驅(qū)動電壓的極性不同的極性。
文檔編號H01G5/16GK102664102SQ20121010885
公開日2012年9月12日 申請日期2010年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月27日
發(fā)明者上田知史, 今井雅彥, 島內(nèi)岳明, 勝木隆史 申請人:富士通株式會社