专利名称：可以电子方式变化的电容器阵列的制作方法
可以电子方式变化的电容器阵列相关申请的交叉引用:本申请要求2005年3月5日递交、标题为"An Electronically Variable Discreet Capacitor Array (可以电子方式变化的分立电容器阵列)"的美国临时申 请No. 60/659,007和2005年6月17日递交、标题为"An Electronically Variable Integrated Capacitor Array (可以电子方式变化的集成电容器阵列)"的美国临时申请No. 60/691,500 的优先权，每一篇上述美国临时申请通过引用被整体包括在本文中。背景1、 技术领域所公开的实施方案总地涉及用于向电子电路提供可变电容的方法和系统2、 背景出于各种原因，开关电容器组(switched capacitor bank)被用于微电子系统中。例如， 可以使用开关电容器组来调节可调谐振器的谐振，以改变滤波器的传递函数或改变用于调 谐滤波器的传递函数，或者匹配放大器的负载阻抗。在美国专利No. 5,880,921中描述了使用微机电系统(MEMS)技术的单片集成 (monolithicallyintegrated)开关电容器组。所述电容器组包括多个在电源线和地线之间并 联的开关电容器对。每个开关电容器对包括与电容器串联的MEMS开关。在该专利中还 描述了采用机械继电器和场效应晶体管替代MEMS开关的类似设备。其中电介媒质位于两个电极之间的平行板系统的电容由以下公式确定<formula>formula see original document page 4</formula>,其中， 等于自由空间电容率(即8.85418Xl(T"F/cm) ，s,等于所述电介媒质的相对电容率(即介电常数)，v4等于顶电极和底电极之间的重叠面积，而c/等于所述两个电极之间 的电介媒质的厚度。基于上述公式，如果电容器阵列中的多个电容器并行电连接，则这导致电极重叠面积 的增加，因此与所连接的电容器相关联的电容可以基本上等于与每个电容器相关联的分别 的电容之和。因此，如果电容器阵列中的电容器可以以可控制和可分离的方式连接，则可
以产生可变电容器。所需要的是用于提供可以电子方式可变的电容器阵列以供应可变电容的方法和系统。 本公开旨在解决上述列举的问题。 发明内容在描述本发明的方法、系统和材料之前，应该理解本公开并不限于所描述的特定方法、 系统和材料，因为这些可能改变。还应该理解，说明书中所使用的术语仅用于描述特定形 式或实施方案的目的，而并不打算限制范围。还注意到，如本文中和所附权利要求书中所使用的，除非上下文中明确地另外指明， 否则单数形式的"一"("a" 、 "an")和"所述"("the")包括复数指代。因此， 例如，对"电容器"的指代是指代一个或更多个电容器及本领域技术人员已知的其等同物 等等。除非另外定义，否则本文中所使用的所有技术和科学术语具有与本领域普通技术人 员所普遍理解的涵义相同。尽管在实践和测试实施方案时可以使用任何与本文中描述的实 施方案类似或等同的方法、材料和设备，但是现在描述优选的方法、材料和设备。本文中 所提及的所有公开内容均通过引用被包括。因此本文中的任何内容均不被解读为承认本文 所描述的实施方案不具有由于在先发明而比这些公开内容要早的日期。在实施方案中， 一种电容器阵列可以包括底电极，多个顶电极，至少一种第一电介媒 质，以及多个开关装置(switching mechanism)。每个开关装置可以可分离地以电子方式 连接两个或更多个顶电极。在实施方案中， 一种电容器阵列可以包括底电极，多个顶电极，多个分立电容器，以 及多个开关装置，其中每个分立电容器与所述底电极以及和所述分立电容器相应的顶电极 相接触。每个开关装置可以可分离地以电子方式连接两个或更多个顶电极。在实施方案中， 一种电容器阵列可以包括底电极，多个顶电极，与所述底电极和每个 顶电极接触的电介媒质，以及多个开关装置。每个开关装置可以可分离地以电子方式连接 两个或更多个顶电极。
参照下面的描述、所附权利要求书及附图将清楚本文中所描述的实施方案的方面、特 征、益处和优点，其中图1A根据实施方案描绘示例性可以电子方式变化的分立电容器阵列的展开视图。 图1B根据实施方案描绘示例性可以电子方式变化的分立电容器阵列。图2A-C根据实施方案描绘示例性微机电(MEM)开关的视图。 图3根据实施方案描绘示例性分立电容器阵列及其互连。图4根据实施方案描绘示例性分立电容器阵列的电容相对于连接在一起的电极数量 的图表。图5根据实施方案描绘示例性可以电子方式变化的集成电容器阵列。 图6根据实施方案描绘示例性集成电容器阵列及其互连。图7根据实施方案描绘示例性集成电容器阵列的电容相对于连接在一起的电极数量 的图表。图8A和8B根据实施方案描绘连接可以电子方式变化的电容器阵列的多个电极的示例 性顺序。详细描述图1A根据实施方案描绘示例性可以电子方式变化的分立电容器阵列的展开视图。如 图1A中示出的，可以电子方式变化的分立电容器阵列可以包括底电极105、多个外部顶 电极IIO、多个内部顶电极115、多个分立电容器120，以及在所述顶电极之间的多个开关 装置125。在实施方案中，底电极105可以包括内部金属化层。在实施方案中，底电极105可以 置于第一电介层130之上。第一电介层130可以由电介媒质制成。在实施方案中，第一电 介层130可以包括例如A1203、 A1N、 BeO和/或任何本领域普通技术人员已知的其他电介 媒质。在实施方案中，底电极105可以进一步包括外部金属化层(未示出)，所述外部金 属化层位于第一电介层130的与所述内部金属化层相反的一侧上。在实施方案中，内部和 外部金属化层中的一个或更多个可以包括例如直接敷铜(DBC)、铝、金和/或任何本领 域普通技术人员目前或今后已知的其他传导性金属。在实施方案中，内部和外部金属化层 中的一个或更多个可以被丝网印刷或沉积到第一电介层130上。在实施方案中，顶电极110可以包括一个或更多个金属化层和/或第二电介层135。在 实施方案中，每个顶电极110的一个或更多个金属化层的每一层可以包括例如DBC、铝、 金和/或任何本领域普通技术人员目前或今后已知的其他传导性金属。外部金属化层可以 被图形化在第二电介层135的第一侧上，从而所述外部金属层形成单独的外部顶电极110。 内部金属化层可以类似地被图形化在第二电介层135的第二侧上，从而所述内部金属层形 成单独的内部顶电极115。在实施方案中，每个外部顶电极110可以与一内部顶电极115 对应以形成电极对。所述电极对可以使用通过所述第二电介层135的金属化通路(via)(未 示出)互相电连接。这样，任何连接到电极对中一个电极的电连接可以导致到所述电极对 中另一电极的电连接。因此，此后每个电极对将被简称为顶电极。如图1A中所示出的，每个分立电容器120的第一电极可以电连接到底电极105的内 部金属化层。这样，底电极105可以形成用于电容器阵列100中所有分立电容器120的公
共电极。在可替换的实施方案中，底电极105的多个部分中的每个部分可以形成用于一个 或更多个分立电容器120的公共电极，其中每个部分不电连接到任何其他部分。每个分立 电容器120的第二电极可以电连接到相应的内部顶电极115。在实施方案中，所述一个或 更多个分立电容器可以包括陶瓷。图1A中示出的顶电极110的数量和排布是任意的。在实施方案中，可以使用更多个 或更少个顶电极UO。在实施方案中，顶电极110可以被排布为具有任意宽度和长度的二 维阵列。在实施方案中，顶电极110可以被排布为这样的二维阵列，即在电极之间具有一 个或更多个不同大小的间隙。在实施方案中，每个顶电极110的宽度和长度可以随顶电极 不同而变化，并且可以不是如图1A中示出的具有统一的宽度和长度。图1B根据实施方案描绘示例性可以电子方式变化的分立电容器阵列。如图1B中所 示，组装的、可以电子方式变化的分立电容器阵列100可以包括多个分立电容器120，所 述多个分立电容器120在一侧电连接到一个公共电极105，而在另一侧电连接到分别的顶 电极IIO。在实施方案中，可以使用一个或更多个开关装置125可分离地以电子方式连接 邻近的顶电极IIO。每个开关装置125可以包括微机电(MEM)开关、PiN二极管开关、 固态继电器、场效应晶体管和/或任何本领域普通技术人员已知的其他开关装置中的一种 或更多种。尽管下面描述的实施方案包括MEM开关，但是本领域普通技术人员将清楚， 可以以包括上面描述的那些开关装置的其他开关装置来执行等同的操作。在实施方案中， 一个或更多个开关装置125可以以任何取向(orientation)置于多个 顶电极110之间。例如，开关装置125可以被置于其以可分离方式电连接的顶电极110之 上，与所述顶电极110置于同一平面上，和/或被置于所述顶电极110之下。图2A-C根据实施方案描绘示例性MEM开关。如图2A中所示，MEM开关140可以 包括电连接到第一顶电极的悬臂205和电连接到第二顶电极的接收器(receiver)210。MEM 开关140可以进一步包括电连接到电压源的致动器(actuator) 215。如图2B中所描绘的， 当向致动器215提供OFF电压电平时，可以导致在MEM开关140的悬臂205和接收器 210之间的开路连接。相反地，如图2C中所描绘的，当向致动器215提供ON电压电平 时，可以导致在MEM开关140的悬臂205和接收器210之间的闭合连接。图3根据实施方案描绘示例性分立电容器阵列及其互连。如图3中所示，四个顶电极 305a-d可以具有在邻近电极之间的互连310a-d。在本发明的范围内，可以在顶电极305a-d 之间建立更少或更多条连接。此外，可以通过例如到顶电极305a的连接315和到例如底 电极105的连接320来建立到其他电路的电连接。在实施方案中，每条互连310a-d可以 包括一个或更多个MEM幵关和控制装置(未示出)，所述控制装置控制供给所述MEM 开关的致动器的电压。在实施方案中，如果用于与互连310a相关联的MEM开关的致动电压(actuation
voltage)转向ON，则所述MEM开关可以形成闭合连接，由此使顶电极305a和305b电 连接。结果，连接在连接315和连接320之间的电容器的总表面积可以增大，因为该表面 积包括顶电极305a和顶电极305b两者。相应地，在连接315和连接320之间的电容可以 同样地增大。类似地，如果用于与互连310b相关联的MEM开关的驱动电压(activation voltage) 转向ON，则顶电极305a和305c可以被电连接。同样地，用于与互连310c或310d相关 联的MEM开关的驱动电压转向ON，则顶电极305b和305d或者305c和305d分别可以 被电连接。相应地，通过驱动和/或去驱动(deactivating) —个或更多个互连310a-d，在连 接315和连接320之间的电容可以变化。在实施方案中，诸如310a-d的一个或更多个互连可以以任何取向置于其所连接的顶 电极305a-d之间。例如，互连310a可以被置于其以可分离方式电连接的顶电极305a禾口/ 或305b中的一个或更多个之上，与所述顶电极305a和/或305b中的一个或更多个置于同 一平面上，和/或被置于所述顶电极305a和/或305b中的一个或更多个之下。图4根据实施方案描绘示例性分立电容器阵列的电容相对于连接在一起的电极数量 的图表。如图4中所示的，第一电容器(即其顶电极连接到外部电路的电容器)可以具有 100pF的电容，并且其余电容器每一个可以具有10pF的电容。在本公开的范围内，还可 以针对所述电容器中的一个或更多个使用其他值。在实施方案中，包括100个分立电容器 的电容器阵列的大小可以为约12.5cm乘约7.5cm。其他大小是可能的。在本公开的范围内， 可以使用包括更多或更少分立电容器和/或具有不同物理尺寸的电容器阵列。图5根据实施方案描绘示例性可以电子方式变化的集成电容器阵列。如图5中所示的， 可替换的实施方案可以包括这样的可以电子方式变化的集成电容器阵列，所述集成电容器 阵列包括底电极505、电介层510、多个顶电极515和多个开关装置520。底电极505可以包括例如金属化层和/或电绝缘材料。在实施方案中，底电极505的 金属化层可以包括例如铜、铝、金和/或任何本领域普通技术人员已知的其他传导性金属。 在实施方案中，所述金属化层可以使用任何己知的半导体制造工艺被沉积到所述电绝缘材 料上。在实施方案中，电绝缘材料可以包括Si02。电介层510可以包括为该电容器阵列提供适当介电常数的电介媒质。例如，电介层510 可以包括例如Si02、有机和无机电介质，和/或任何本领域普通技术人员已知的其他半导 体电介媒质。在实施方案中，电介层510可以被沉积在底电极的一侧。多个顶电极515可以被沉积和/或生长在电介层510之上。多个顶电极515可以作为 多个分别的顶电极被图形化。在实施方案中，每个顶电极515可以包括例如铜、铝、金和 /或任何本领域普通技术人员已知的其他传导性金属。
在实施方案中，可以使用半导体制作工艺来在邻近顶电极515之间构建开关装置520。 每个开关装置可以包括MEM开关、PiN二极管、固态继电器、场效应晶体管和/或任何本 领域普通技术人员已知的其他开关装置中的一种或更多种。如图5中所示出的，在电学上 来说，组装的可以电子方式变化的集成电容器阵列可以等同于在一侧连接到公共电极505, 而在另一侧以在邻近的分别电容器之间具有电开关装置520的方式连接到分别的电极515 的多个电容器。在实施方案中， 一个或更多个开关装置520可以以任何取向被置于顶电丰及 515之间。例如，开关装置520可以被置于其以可分离方式电连接的顶电极515之上，与 所述顶电极515置于同一平面上，和/或被置于所述顶电极515之下。图6根据实施方案描绘示例性集成电容器阵列及其互连。如图6中所示的，四个顶电 极605a-d可以具有在邻近电极之间的互连610a-d。此外，可以通过例如到顶电极605a的 连接615和到例如底电极505的连接620来建立到其他电路的电连接。在实施方案中，每 条互连610a-d可以包括一个或更多个MEM开关、PiN二极管、固态继电器、场效应晶体 管和/或任何本领域普通技术人员已知的其他开关装置，以及控制用于驱动所述一个或更 多个开关装置的电压的控制装置(未示出)。在实施方案中，如果用于与互连610a相关联的开关装置的致动电压转向ON电平， 则所述开关装置可以形成闭合连接，由此使顶电极605a和605b电连接。结果，连接在连 接615和连接620之间的电容器的总表面积可以增大，因为该表面积包括顶电极605a和 顶电极605b两者。相应地，在连接615和连接620之间的电容可以同样地增大。类似地，如果与互连610b相关联驱动电压转向0N，则顶电极605a和605c可以被电 连接。同样地，用于与互连610c或610d相关联的MEM开关的驱动电压转向ON,则顶 电极605b和605d或者605c和605d分别可以被电连接。相应地，通过驱动和/或去驱动一 个或更多个互连610a-d，在连接615和连接620之间的电容可以变化。在实施方案中，诸如610a-d的一个或更多个互连可以以任何取向置于其所连接的顶 电极(例如605a-d)之间。例如，互连610a可以被置于其以可分离方式电连接的顶电极 605a和/或605b中的一个或更多个之上，与所述顶电极605a和/或605b中的一个或更多个 置于同一平面上，和/或被置于所述顶电极605a和/或605b中的一个或更多个之下。图7根据实施方案描绘示例性集成电容器阵列的电容相对于连接在一起的电极数量 的图表。图7的图表可以基于以厚度约为20//m的Si02 (电介层)和尺寸为约1.5mm乘约1.5mm的顶电极形成的分别的电容器。在实施方案中，包括100个电容器的这种电容 器阵列的总大小可以为约2.5cm乘约2.5cm。其他大小是可能的。图8A和8B根据实施方案描绘连接可以电子方式变化的电容器阵列的多个电极的示 例性顺序。图8A描绘将分立和/或集成电容器阵列中的开关装置转向ON的第一示例性顺
序。如图8A中所示的，具有到外部电连接顶电极的最短距离的顶电极可以先于其他顶电 极被直接或间接地电连接到所述外部电连接顶电极。图8B描绘将分立或集成电容器阵列中的开关装置转向ON的第二示例性顺序。如图 8B中所示的，电容器阵列的第一列中离外部电连接顶电极最近的顶电极可以被首先电连 接到所述外部电连接顶电极。当第一列中的所有顶电极被直接或间接连接到外部电连接顶 电极时，邻近列中的顶电极可以随后被顺序地以直接或间接方式连接到所述外部电连接顶 电极，依此类推。在本公开的范围内，并且本领域普通技术人员将清楚，可以实现其他用于将开关装置 转向ON的顺序。在实施方案中，可以使可以电子方式变化的电容器阵列与外部电路并联和/或串联。 在实施方案中，可以电子方式变化的电容器阵列可以被用于各种应用中，例如被用于例如 电子调谐电路、电子匹配网络和/或电子优化电路中。在本公开的范围内，并且本领域普 通技术人员将清楚，可替换和/或可附加的电路也可以使用可以电子方式变化的电容器阵 列。应该意识到，上面公开的各种特征和功能，以及其他特征和功能或者其替换，可以以 期望的方式组合到很多其他不同的方法、系统或应用中。还应该意识到，本领域技术人员 之后可以做出本发明的各种当前不可预见或不可预料的替换、修改、变体或改进，所述替 换、修改、变体或改进也要被包括在所附权利要求书中。
权利要求
1.一种电容器阵列，包括底电极；多个顶电极；至少一种第一电介媒质；以及多个开关装置，其中每个开关装置可分离地以电子方式连接两个或更多个顶电极。
2. 如权利要求l所述的电容器阵列，其中所述至少一种第一电介媒质包括多个分立 电容器，其中每个分立电容器与所述底电极以及相应的顶电极相接触。
3. 如权利要求l所述的电容器阵列，其中所述至少一种第一电介媒质包括与所述底 电极和每个顶电极接触的电介媒质。
4. 如权利要求l所述的电容器阵列，其中所述底电极包括第一金属化层。
5. 如权利要求4所述的电容器阵列，其中所述底电极还包括第二电介媒质。
6. 如权利要求5所述的电容器阵列，其中所述第二电介媒质包括Al203， AlN和BeO 中的一个和更多个。
7. 如权利要求5所述的电容器阵列，其中所述底电极还包括第二金属化层，其中所 述第一金属化层通过所述电介层被电连接到所述第二金属化层。
8. 如权利要求l所述的电容器阵列，其中至少一个顶电极包括第一金属化层和第二 金属化层，其中所述第一金属化层通过第二电介层被电连接到所述第二金属化层。
9. 如权利要求l所述的电容器阵列，其中所述多个开关装置包括下列中的一个或更 多个微机电开关； PiN二极管； 固态继电器；以及 场效应晶体管。
10. 如权利要求1所述的电容器阵列，其中顶电极和所述底电极被电连接到外部电路。
11. 一种电容器阵列，包括:底电极；多个顶电极； 多个分立电容器，其中每个分立电容器与所述底电极以及和所述分立电容器相应的顶 电极相接触；以及多个开关装置，其中每个开关装置可分离地以电子方式连接两个或更多个顶电极。
12. 如权利要求ll所述的电容器阵列，还包括 第一电介媒质，其中所述底电极位于所述第一电介媒质上；以及 第二电介媒质，其中所述多个顶电极位于所述第二电解媒质上。
13. 如权利要求12所述的电容器阵列，其中所述第一电介媒质包括Al203， A1N和 BeO中的一个和更多个。
14. 如权利要求ll所述的电容器阵列，其中，当置于第一顶电极和第二顶电极之间 的开关装置收到ON信号时，所述第一顶电极被电连接到所述第二顶电极。
15. 如权利要求ll所述的电容器阵列，其中第一顶电极和所述底电极每个被电连接 到外部电路。
16. —种电容器阵列，包括 底电极；多个顶电极；与所述底电极和每个顶电极接触的电介媒质；以及多个开关装置，其中每个开关装置可分离地以电子方式连接两个或更多个顶电极。
17. 如权利要求16所述的电容器阵列，其中所述电介媒质包括Si02，有机电介质和 无机电介质中的一种或更多种。
18. 如权利要求16所述的电容器阵列，其中，当置于第一顶电极和第二顶电极之间 的开关装置收到ON信号时，所述第一顶电极被电连接到所述第二顶电极。
19. 如权利要求16所述的电容器阵列，其中第一顶电极和所述底电极每个被电连接 到外部电路。
全文摘要
一种电容器阵列可以包括底电极，多个顶电极，至少一种第一电介媒质以及多个开关装置。其中每个开关装置可分离地以电子方式连接两个或更多个顶电极。所述至少一种第一电介媒质可以包括多个分立电容器，每个分立电容器与顶电极和所述底电极相接触。
文档编号H01G5/00GK101151690SQ200680007192
公开日2008年3月26日 申请日期2006年3月6日 优先权日2005年3月5日
发明者I·A·布塔 申请人:亿诺维新工程股份有限公司