專利名稱：可變電容元件、可變電容設備和驅動可變電容元件的方法
技術領域：
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 (MEMS)技術制造的可變電容元件。
背景技術：
可變電容元件是例如變頻振蕩器、調諧放大器、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容二極管相比，使用MEMS技術所制造的可變 電容元件可以實現高Q值而能量損失小。因此，期望發展使用MEMS技術所制造的可變電容 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，可變電容元件構造成使得通過調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的結構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的電介質層14、用于支撐可動電極13的一對支撐層1 和1 等。在可 動電極13和電介質層14之間設置空隙。可以將驅動電壓V施加到固定電極12。可動電極 13通過支撐層1 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中驅動電壓V和電容C之間的關系(即，C-V特性) 的示例的視圖。參考圖2，當施加正驅動電壓V并且正驅動電壓V的值增大時，電容C開始表現出 與最小電容CS相比幾乎沒有變化，但是當驅動電壓V的值等于或接近VI1時電容C快速增 加，然后電容C表現出與最大電容CL相比幾乎沒有變化。之后，當驅動電壓V的值從當前 狀態減小時，電容C在一段時間內表現出與最大電容CL相比幾乎沒有變化，但是當驅動電 壓V的值等于或接近VOl時電容C快速降低，然后，電容C表現出與最小電容CS相比幾乎 沒有變化。同樣的，當施加負驅動電壓V并且負驅動電壓V的值減小時，電容C在一段時間 內表現出與最小電容CS相比幾乎沒有變化，但是當驅動電壓V的值等于或接近VI2時電容 C迅速增加，然后，電容C表現出與最大電容CL相比幾乎沒有變化。之后，當驅動電壓V的 值從當前狀態增大時，電容C在一段時間內表現出與最大電容CL相比幾乎沒有變化，但是 當驅動電壓的值接近或等于V02時電容C迅速降低，然后，電容C表現出與最小電容CS相 比幾乎沒有變化。只要電容C表現出與最大電容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(即，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。在使用數字可變電容元件10的情況下，控制驅動電壓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 動電壓V設置為電壓VOFF ( = 0)。如果電容C設置為最大電容CL，則驅動電壓V設置為電 Svom或電壓V0N2。在改變電容C的情況下，連續應用具有相同極性的驅動電壓V引起正電荷或負電 荷聚積在電介質層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中時驅動電壓V和電容C之 間的關系(即，C-V特性)的示例的視圖。當電荷在電介質層14中聚積時，由于電荷而產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層14中狀態。在此情況下，與沒有電 荷聚積的情況相比，C-V特性向正驅動電壓V偏移。在上述情況下，即使施加能將電容C內在指定為最小電容CS或最大電容CL的驅 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，即使將驅動電壓V設置成電壓VOFF ( = 0)，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動的驅動方法，其中以預定的時間間隔 將待施加的驅動電壓V的極性從一個極性轉換成另一極性，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動電壓是交流電壓，以抑制鏡像 偏移的發生(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動可變電容元件10的情況下驅動電壓V和電容 C的時間序列變化的示例的視圖。參考圖4，在雙極性驅動中，當施加驅動電壓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的方式施加驅動電壓V。在長時間施加具有一個極性的驅動電壓V的情況下，或者，在施加具有一個極性 的驅動電壓V的時間段和施加具有另一極性的驅動電壓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，在雙極性驅動的情況下，在將驅動電壓V的極性從一個極性轉換成另一極性時，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 驅動存在缺點。為此，只在電容變化不影響設備工作時將驅動電壓V的極性從一個極性轉 換成另一極性。這限制了以雙極性方式驅動可變電容元件10的情況。
發明內容
本發明旨在解決上面所指出的問題，因此，本發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，而不需要將驅動電壓從一個極性改變成另一極性，或 者不需要對將驅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。根據本發明的一個方面(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，其用于根據所述可動電極的電位將第一驅動電壓施加到所述第一固定電極；和第二 接線部分，其用于根據所述可動電極的電位將第二驅動電壓施加到所述第二固定電極，所 述第二驅動電壓具有與所述第一驅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構的示例的橫截面視圖；圖2是示出了驅動電壓和電容之間的關系(即，C-V特性)的示例的視圖；圖3A和:3B是示出了驅動電壓和電容之間的關系(即，C-V特性)的示例的視圖；圖4是示出了驅動電壓和電容的時間序列變化的示例的視圖；圖5是示出了根據實施例的可變電容設備的結構的示例的俯視圖；圖6是沿著圖5的線α 1-α 1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是示出了驅動電壓和電容的時間序列變化的示例的視圖；圖13Α和1 是示出了驅動電壓和電容之間的關系(S卩，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是示出了根據實施例的可變電容設備的結構的示例的視圖；和圖18是沿著圖17的線α l-α 1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明的優選實施例。
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。可變電容元件也可以用于其它應用。[第一實施例]圖5是示出了根據第一實施例的可變電容設備1的結構的示例的俯視圖；圖6-9 是圖5中所示的可變電容設備1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1的橫截面，而圖8示出了在可動電極沈 移動的情況下可變電容設備1的橫截面。參考圖5，可變電容設備1包括可變電容元件2、RF塊60a_60c、驅動電路61、驅動 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Ma_Mc、可動電極沈、支撐層 27a和27b等。此外，在基底20上形成第一固定電容層觀、第二固定電容層四、接地電極 30a-30d等。為了簡化，電介質層25a-25f未在圖5中示出。可動電極沈、第一固定電容層 觀、和第二固定電容層四中的每一個都以切除一部分的形式示出。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2 和矩形部分22b。梳狀部分 21a的齒的數量等于梳狀部分22a的齒的數量，其數量為一個或多個。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動電壓的驅動電 路。在本實施例中，第一引出電極21通過RF塊60a連接到驅動電路61。第二引出電極22 通過RF塊60b連接到驅動電路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。將在后面描述由驅動電路61和驅動電路62所施加的驅動電壓。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2 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2 和24b 形成于梳狀部分22a的齒的上表面上。第二固定電極2 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2 和24b所占據的區域有 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)之類的電介質材料制成的電介質層 25a-25c分別形成于第一固定電極23a_23c的上表面上。同樣的，同樣由諸如二氧化硅 (SiO2)或氧化鋁(Al2O3)之類的電介質材料制成的電介質層25d-25f分別形成于第二固定7電極24a-24c的上表面上。在下文中，電介質層2fe、2^、25d和2 所占據的區域有時被稱為電介質層中心 部分25C。再參考圖6和7，可動電極沈由導電材料制成，例如鋁(Al)或金(Au)。可動電極 26和固定電極中心部分234C的上表面相互面對，電介質中心部分25C置于兩者之間。可動 電極沈形成為具有橋型形狀，并且橫跨電介質中心部分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。可動電極沈由支撐層27a和 27b所支撐。在可動電極沈和電介質中心部分25C之間設置了空隙。如果在可動電極沈與第一固定電極23a和2 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2 之間所產生的靜電引力，可動電極沈受到朝向第一 固定電極23a和23b的吸引。同樣的，如果可動電極沈與第二固定電極2 和24b之間存 在電位差，則由于可動電極沈和第二固定電極2 和24b之間所產生的靜電引力，可動電 極26受到朝向第二固定電極Ma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，可動電極沈將通過電介質層中心部分25C與固定電極中心 部分234C接觸。因此，可動電極沈用作彈簧元件。通過改變可動電極沈的材料或尺寸、 或者通過改變支撐層27a和27b的材料或尺寸，可調整可動電極沈的彈性系數。可動電極沈可連接到驅動電路61、驅動電路62等的電源的接地端。可動電極沈 可通過支撐層27a和27b等接地。在本實施例中，可動電極沈通過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。可動電極沈形成為使得RF信號沿著橫跨方向從可動電極沈的一端傳到另一端。 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，第一固定電容層觀由導電材料制成，例如鋁(Al)或金(Au)。第 一固定電容層觀和第一固定電極23c的上表面相互面對，電介質層25c置于兩者之間。第 一固定電容層觀形成為具有橋型形狀，并且橫跨電介質層25c和第一固定電極23c。第二 固定電容層四也由導電材料制成，例如鋁(Al)或金(Au)。第二固定電容層四和第二固定 電極2 的上表面相互面對，電介質層25f置于兩者之間。第二固定電容層四形成為具有 橋型形狀，并且橫跨電介質層25f和第二固定電極Mc。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觀的兩端的下表面上。同樣的，同樣由諸如鋁 (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四的兩端的下表面上。與可動電極沈和電介質層中心部分25C 之間的空隙的情況不同，第一固定電容層觀和電介質層25c之間沒有間隙，第二固定電容 層四和電介質層25f之間也沒有間隙。第一固定電容層觀可通過接地電極30a和30b連接到RF信號的接地端。同樣的， 第二固定電容層四可通過接地電極30c和30d連接到RF信號的接地端。驅動電路61是用于將驅動電壓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2 與連接到電源接地端的可動電極沈之間產生了電位差，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觀之間產生了電位差。驅動電路62是用于將驅動電壓V2通過第二引出電極22施加到第二固定電極 24a-24c的電路。如果將驅動電壓V2施加到第二固定電極Ma_Mc，則在第二固定電極Ma 和24b與連接到電源接地端的可動電極沈之間產生了電位差，此外，在第一固定電極2 和連接到RF信號接地端的第二固定電容層四之間產生了電位差。如上所述，當可動電極沈和第一固定電極23a和2 之間的靜電引力與可動電極 沈和第二固定電極2 和24b之間的靜電引力的組合是一定值或更高時，可動電極沈將通 過電介質層中心部分25C與固定電極中心部分234C接觸。在如圖7所示可動電極沈距固定電極中心部分234C最遠的狀態下，可動電極沈 與第一固定電極23a和2 之間的電容變成最小值，可動電極沈和第二固定電極2 和 24b之間的電容也變成最小值。結果，整個可變電容元件2具有最小的電容。同時，在如圖 8所示可動電極沈通過電介質層中心部分25C與固定電極中心部分234C接觸的狀態下，可 動電極26與第一固定電極23a和2 之間的電容變成最大值，可動電極沈和第二固定電 極2 和24b之間的電容也變成最大值。結果，整個可變電容元件2具有最大的電容。換 句話說，根據由驅動電路61施加的驅動電壓Vl的變化和由驅動電路62施加的驅動電壓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1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，通過相互并聯的第一可變電容部分2A和第二可變電容部分2B實現 了可變電容元件2。通過相互串聯的第一可變電容元件2Aa和第一固定電容元件2Ab實現 了第一可變電容部分2A。通過相互串聯的第二可變電容元件2Ba和第二固定電容元件2 實現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、可動電極沈、設置在可動電 極沈與第一固定電極23a和2 之間的電介質層2 和25b。第一固定電容元件2Ab包括 第一固定電極23c、第一固定電容層觀、和設置在第一固定電極23c和第一固定電容層28 之間的電介質層25c。第二可變電容元件2Ba包括第二固定電極2 和Mb、可動電極26、 設置在可動電極26與第二固定電極2 和24b之間的電介質層25d和25e。第二固定電容 元件2 包括第二固定電極Mc、第二固定電容層四、和設置在第二固定電極2 和第二固 定電容層四之間的電介質層25f。
控制由驅動電路61所施加的驅動電壓Vl和由驅動電路62所施加的驅動電壓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。 根據可變電容元件2的用途，調整可變電容值(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，根據可變電容元件2的用途，還調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 動電路61所施加的驅動電壓Vl和由驅動電路62所施加的驅動電壓V2的三個示例的描述。[第一應用示例]圖12是示出了驅動電壓VI、驅動電壓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中聚積的情況下驅動電壓Vl和電容CAa 之間的關系(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值的驅動電壓Vl和驅動電壓V2分別施加到第一固定電極23a-23c 和第二固定電極Ma-Mc。具體來說，如圖12所示，驅動電壓Vl設置成常數正電壓V0N1， 驅動電壓V2設置成常數負電壓V0N2。或者，驅動電壓Vl設置成常數負電壓V0N2，驅動電 壓V2設置成常數正電壓VONl。正電壓VCMl和負電壓V0N2的值能使得正電壓VCMl和負電壓V0N2使可動電極沈 通過電介質層中心部分25V與固定電極中心部分234C接觸。或者，調整可變電極沈的彈 性系數，從而應用正電壓VONl和負電壓V0N2使得可動電極沈通過電介質層中心部分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。以此方式施加驅動電壓Vl和驅動電壓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。連續應用驅動電壓Vl和驅動電壓V2引起正電荷或負電荷聚積在電介質層 25a-25f中。將具有一個極性的驅動電壓和具有另一極性的驅動電壓分別施加到第一固 定電極23a_23c和第二固定電極Ma_Mc。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層25a-25c和電介質層25d-25f中。例如，正電荷聚積在電介質層 25a-25c中，而負電荷聚積在電介質層25d_25f中。或者，負電荷聚積在電介質層中，而正電荷聚積在電介質層25d-25f中。現在，討論可動電極沈與第一固定電極23a和2 之間的電容CAa。驅動電壓Vl 和電容CAa之間關系(即，C-V特性)表現出與沒有電荷聚積的狀態下不同的特性。例如， 如圖13A所示，在正電荷在電介質層2 和2 中聚積的狀態下，與沒有電荷在其中聚積的 狀態相比，C-V特性向負驅動電壓Vl偏移。此外，例如，如圖13B所示，在負電荷在電介質 層2 和25b中聚積的情況下，與沒有電荷在其中聚積的狀態相比，C-V特性向正驅動電壓 Vl偏移。當討論可動電極26和第二固定電極2 之間的電容CBa時，相同的情況可應用于 驅動電壓V2和電容CBa之間的關系。如上所述，具有一個極性的電荷聚積在電介質層中，具有另一極性的電 極聚積在電介質層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中沒有產生C-V特 性的偏移，或者，其中產生了微量的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層中心部分25C中，所述電介質層中心部分25C是電介質層25a、 2恥、25(1和2 所占據的區域。因此，可動電極沈的移動不受到由電荷所產生的靜電力的 影響，或者受到靜電力微小的影響。結果，不發生與電介質層25a-25f中的電荷聚積相關的 可變電容元件2的C-V特性的偏移，或者，發生了微量的偏移。因此，根據第一應用示例，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的長時間的穩定 運行。[第二應用示例]圖15是示出了驅動電壓VI、驅動電壓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 預定時間間隔轉換正極性和負極性的矩形波的驅動電壓Vl和驅動電壓V2分別施加到第一 固定電極23a-23c和第二固定電極Ma-Mc。注意，驅動電壓Vl的極性總是與驅動電壓V2 的極性不同。由此，以使得驅動電壓Vl和驅動電壓V2具有相互不同的極性的方式，同時改 變驅動電壓Vl和驅動電壓V2的極性。具體來說，如圖15所示，在驅動電壓V2從負電壓 V0N2改變成正電壓VONl的同時，驅動電壓Vl從正電壓VONl改變成負電壓V0N2。此外，在 驅動電壓V2從正電壓VONl改變成負電壓V0N2的同時，驅動電壓Vl從負電壓V0N2改變成 正電壓VONl。簡單來說，驅動電壓Vl和驅動電壓V2是交流電壓，其中以使得驅動電壓Vl 和驅動電壓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 極沈通過電介質層中心部分25C與固定電極中心部分234C接觸。或者，調整可變電極沈 的彈性系數，從而應用正電壓VONl和負電壓V0N2使得可動電極沈通過電介質層中心部分 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。基本上以預定時間間隔改變驅動電壓Vl和驅動電壓V2的極性；但是可以以隨機 時間間隔改變驅動電壓Vl和驅動電壓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沈移動所需的時間長的時間 段。如圖15所示，以此方式施加驅動電壓Vl和驅動電壓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，在改變驅動電壓Vl和驅動電壓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生噪聲。由此，在與極性的變化相關的電容C的容量變化和噪聲的產生不影響設備工作的 時候，改變驅動電壓Vl和驅動電壓V2的極性。因為在較短的時間間隔內電荷很難聚積在 電介質層25a-25f中，所以更短的用于改變極性時間間隔是優選的。即使電荷聚積在電介 質層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。11
因此，根據第二應用示例，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層2fe-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可變電容元件2更穩定的運行。[第三應用示例]圖16是示出了驅動電壓VI、驅動電壓V2和電容C的時間序列變化的示例的視圖。根據第二應用示例，電荷很難聚積在電介質層25a-25f中；但是，保留了在改變驅 動電壓的極性時產生電容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，以驅動電壓Vl和驅動電壓V2具有相互 不同的極性的方式改變驅動電壓Vl和驅動電壓V2的極性。注意，驅動電壓Vl的極性變化 的時間從驅動電壓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，驅動 電壓Vl從正驅動電壓VONl轉變成負驅動電壓V0N2，在預定時間量At過去之后，驅動電 壓V2從負驅動電壓V0N2轉變成正驅動電壓VONl。此外，驅動電壓Vl從負驅動電壓V0N2 轉變成正驅動電壓V0N1，在預定時間量At過去之后，驅動電壓V2從正驅動電壓VONl轉 變成負驅動電壓V0N2。例如，預定時間量是幾毫米。簡單來說，驅動電壓Vl和驅動電壓V2 是交流電壓，其中以驅動電壓Vl和驅動電壓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通過電介質層中心部分25C與固定電極中心部分234C接觸。或者，調整 可變電極26的彈性系數，從而應用正電壓VOm和負電壓V0N2中的至少一個使得可動電極 26通過電介質層中心部分25V與固定電極中心部分234C接觸。除了上述條件之外的驅動電壓Vl和驅動電壓V2的條件與第二應用示例的條件相 同。以此方式施加驅動電壓Vl和驅動電壓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動電壓Vl和驅動電壓V2的極性的時間間隔，則電荷 很有可能將聚積在電介質層25a-25f中。但是，即使電荷聚積在電介質層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層2fe-25f 中，并且在改變驅動電壓的極性時不會產生電容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可變電容元件2更穩定的運行。[第二實施例]圖17是示出了根據第二實施例的可變電容設備3的結構的俯視圖，圖18是沿著 圖17的線α l-α 1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1和可變電容設備3之間的差 別。有時省略了對與可變電容設備1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、驅動電路61、和 驅動電路62。可變電容元件4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4 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中未示出電介質層47a-47f。根據第一實施例的可變電容元件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Ma-Mc)和一個可動電極沈。另一方面，根據第二實施例的可變 電容元件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4 和4 與第二可 動電極46a和46b。組成可變電容元件4的分別的構件由與組成可變電容元件2的分別的相應構件的 材料相同的材料制成。此外，RF塊60a-60c、驅動電路61和驅動電路62的功能與可變電容 設備1的情況的功能相同。固定電極41可連接到驅動電路61和驅動電路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4 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動電壓的驅動電路。在本實施例中，第 一引出電極42通過RF塊60b連接到驅動電路61。此外，第二引出電極43通過RF塊60c 連接到驅動電路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4 和4 與第二可動電極 46a和46b相互結合。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所組成的構件有時 被稱作引出電極部分423。再參考圖18，第一可動電極4 和4 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4 和4 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4 和4 與第二可動電極46a和46b所占據的區域 有時被稱作可動電極部分456C。電介質層47a和47b分別形成于第一可動電極4 和4 的下表面上。同樣的， 電介質層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4 和4 之間存在電位差，則由于固定電極 41與第一可動電極4 和4 之間所產生的靜電引力，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，引 出電極部分423將通過電介質層中心部分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，可調整引出電極部分423的 彈性系數。電介質層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分別形成于電介質層47e和47f的下表面上。與電介質層中 心部分47C和固定電極41之間存在空隙的情況不同，在電介質層47e和接地電極50a之間 沒有空隙，在電介質層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，通過調整由驅動電路61所施加的驅動電壓Vl和 由驅動電路62所施加的驅動電壓V2，可變電容元件4的電容在兩個期望值之間變化。此 外，在可變電容元件4的電容C保持在最大值(最大電容CL)時，根據第一到第三應用示例 施加驅動電壓Vl和驅動電壓V2。這能夠使得以穩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，根據本發明的主題，可變電容設備1、可變電容元件2、可 變電容設備3和可變電容元件4的整體結構、其各種部件的結構、形狀、材料、及其應用等可 以根據需要改變。根據本發明的主題，驅動電壓Vl和驅動電壓V2的應用示例可以根據需 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的電容調節到期望的電容。但是，只要 可在沒有固定電容層的情況下將電容調節到期望的電容，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層被放置在可變電容元件2的固定 電極的一側上、或者可變電容元件4的可動電極的一側上。但是相反，電介質層可以放置在 可變電容元件2的可動電極一側上、或者放置在可變電容元件4的固定電極一側上。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明人 所提出的促進現有技術的發明和概念，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明的優勢和劣勢沒有關系。盡管詳細描述了本發明的 實施例，但是應當理解，在不脫離本發明的精神和范圍的情況下，可以對本發明進行各種變 化、替換和改變。1權利要求
1.一種可變電容元件，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，其用于根據所述可動電極的電位將第一驅動電壓施加到所述第一固定 電極；和第二接線部分，其用于根據所述可動電極的電位將第二驅動電壓施加到所述第二固定 電極，所述第二驅動電壓具有與所述第一驅動電壓的極性不同的極性。
2.—種可變電容元件，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極； 電介質層，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，其用于根據所述固定電極的電位將第一驅動電壓施加到所述第一可動 電極；和第二接線部分，其用于根據所述固定電極的電位將第二驅動電壓施加到所述第二可動 電極，所述第二驅動電壓具有與所述第一驅動電壓的極性不同的極性。
3.一種可變電容設備，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，其用于根據所述可動電極的電位將第一驅動電壓施加到所述第一固定 電極；和第二接線部分，其用于根據所述可動電極的電位將第二驅動電壓施加到所述第二固定 電極，所述第二驅動電壓具有與所述第一驅動電壓的極性不同的極性；第一驅動部分，其將所述第一驅動電壓經由所述第一接線部分施加到所述第一固定電 極；和第二驅動部分，其將所述第二驅動電壓經由所述第二接線部分施加到所述第二固定電極。
4.根據權利要求3所述的可變電容設備，其中，所述第一驅動電壓和所述第二驅動電 壓是具有矩形波的電壓，在所述矩形波中，以所述第一驅動電壓和所述第二驅動電壓具有 相互不同的極性的方式重復改變極性。
5.根據權利要求4所述的可變電容設備，其中，所述第一驅動電壓的極性變化的時間 與所述第二驅動電壓的極性變化的時間不同。
6.一種可變電容設備，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極； 電介質層，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，其用于根據所述固定電極的電位將第一驅動電壓施加到所述第一可動電極；和第二接線部分，其用于根據所述固定電極的電位將第二驅動電壓施加到所述第二可動 電極，所述第二驅動電壓具有與所述第一驅動電壓的極性不同的極性；第一驅動部分，其將所述第一驅動電壓經由所述第一接線部分施加到所述第一可動電 極；和第二驅動部分，其將所述第二驅動電壓經由所述第二接線部分施加到所述第二可動電極。
7.根據權利要求6所述的可變電容設備，其中，所述第一驅動電壓和所述第二驅動電 壓是具有矩形波的電壓，在所述矩形波中，以所述第一驅動電壓和所述第二驅動電壓具有 相互不同的極性的方式重復改變極性。
8.根據權利要求7所述的可變電容設備，其中，所述第一驅動電壓的極性變化的時間 與所述第二驅動電壓的極性變化的時間不同。
9.一種用于驅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所述可動電極的電位將第一驅動電壓施加到所述第一固定電極；和 根據所述可動電極的電位將第二驅動電壓施加到所述第二固定電極，所述第二驅動電 壓具有與所述第一驅動電壓的極性不同的極性。
10.根據權利要求9所述的方法，其中，所述第一驅動電壓和所述第二驅動電壓是具有 矩形波的電壓，在所述矩形波中，以所述第一驅動電壓和所述第二驅動電壓具有相互不同 的極性的方式重復改變極性。
11.根據權利要求10所述的方法，其中，所述第一驅動電壓的極性變化的時間與所述 第二驅動電壓的極性變化的時間不同。
12.一種用于驅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極；和電介質層，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所述固定電極的電位將第一驅動電壓施加到所述第一可動電極；和 根據所述固定電極的電位將第二驅動電壓施加到所述第二可動電極，所述第二驅動電 壓具有與所述第一驅動電壓的極性不同的極性。
13.根據權利要求12所述的方法，其中，所述第一驅動電壓和所述第二驅動電壓是具 有矩形波的電壓，在所述矩形波中，以所述第一驅動電壓和所述第二驅動電壓具有相互不 同的極性的方式重復改變極性。
14.根據權利要求13所述的方法，其中，所述第一驅動電壓的極性變化的時間與所述 第二驅動電壓的極性變化的時間不同。
全文摘要
本發明涉及可變電容元件、可變電容設備和驅動可變電容元件的方法。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，其用于根據所述可動電極的電位將第一驅動電壓施加到所述第一固定電極；和第二接線部分，其用于根據所述可動電極的電位將第二驅動電壓施加到所述第二固定電極，所述第二驅動電壓具有與所述第一驅動電壓的極性不同的極性。
文檔編號H01G5/16GK102054587SQ20101053205
公開日2011年5月11日 申請日期2010年10月27日 優先權日2009年10月27日
發明者上田知史, 今井雅彥, 島內岳明, 勝木隆史 申請人:富士通株式會社