可变电容元件、可变电容设备和驱动可变电容元件的方法

专利名称：可变电容元件、可变电容设备和驱动可变电容元件的方法
技术领域：
在此所讨论的实施例涉及可变电容元件，更具体的涉及通过使用微机电系统 (MEMS)技术制造的可变电容元件。
背景技术：
可变电容元件是例如变频振荡器、调谐放大器、移相器、和阻抗匹配电路之类的电 路中所用的组件。近年来，便携设备中安装了越来越多的可变电容元件。与目前主要用作可变电容元件的变容二极管相比，使用MEMS技术所制造的可变 电容元件可以实现高Q值而能量损失小。因此，期望发展使用MEMS技术所制造的可变电容 元件，并使其投入实际应用。在下文中，使用MEMS技术所制造的可变电容元件被简单称作“可变电容元件”。通常，可变电容元件构造成使得通过调整两个相对的电极之间的距离来改变电容。图IA和IB是示出了通常的可变电容元件10的结构的示例的横截面视图。参考图IA的可变电容元件10，在基底11上设置了固定电极12、可动电极13、用于 覆盖固定电极12的电介质层14、用于支撑可动电极13的一对支撑层1 和1 等。在可 动电极13和电介质层14之间设置空隙。可以将驱动电压V施加到固定电极12。可动电极 13通过支撑层1 和15b接地。在固定电极12和可动电极13之间没有施加电位差的情况下，可动电极13与固定 电极12分开(参见图1A)。在此情况下，如果将驱动电压V施加到固定电极12，以在固定 电极12和可动电极13之间施加电位差，则在两者之间所产生的静电引力吸引可动电极13 更靠近固定电极12，使得两者之间的距离缩短。如果电位差等于或大于预定值，则可动电极 13通过电介质层14与固定电极12接触(参见图1B)。图2是示出了可变电容元件10中驱动电压V和电容C之间的关系(即，C-V特性) 的示例的视图。参考图2，当施加正驱动电压V并且正驱动电压V的值增大时，电容C开始表现出 与最小电容CS相比几乎没有变化，但是当驱动电压V的值等于或接近VI1时电容C快速增 加，然后电容C表现出与最大电容CL相比几乎没有变化。之后，当驱动电压V的值从当前 状态减小时，电容C在一段时间内表现出与最大电容CL相比几乎没有变化，但是当驱动电 压V的值等于或接近VOl时电容C快速降低，然后，电容C表现出与最小电容CS相比几乎 没有变化。同样的，当施加负驱动电压V并且负驱动电压V的值减小时，电容C在一段时间 内表现出与最小电容CS相比几乎没有变化，但是当驱动电压V的值等于或接近VI2时电容 C迅速增加，然后，电容C表现出与最大电容CL相比几乎没有变化。之后，当驱动电压V的 值从当前状态增大时，电容C在一段时间内表现出与最大电容CL相比几乎没有变化，但是 当驱动电压的值接近或等于V02时电容C迅速降低，然后，电容C表现出与最小电容CS相 比几乎没有变化。只要电容C表现出与最大电容CL或最小电容CS相比几乎没有变化，则电容C被认为是在最小电容CS或最大电容CL的值保持恒定。在可动电极13距固定电极12最远的情况(即，图IA的情况)下，电容C变成最 小值(最小电容CS)。在可动电极13通过电介质层14与固定电极12接触的情况(S卩，图 IB的情况)下，电容C变成最大值(最大电容CL)。同时，在电容C增大的情况和电容C降低的情况之间，电容C相对于驱动电压V的 变化路径不同。简单来说，电压VIl不等于电压V01。相同的情况同样可应用于电压VI2和 电压V02。电容C对驱动电压V的变化显示出所谓的滞后是众所周知的。在使用数字可变电容元件10的情况下，控制驱动电压V，使得可变电容元件10的 电容C取最小电容CS或最大电容CL。参考图2，例如，如果电容C设置为最小电容CS，则驱 动电压V设置为电压VOFF ( = 0)。如果电容C设置为最大电容CL，则驱动电压V设置为电 Svom或电压V0N2。在改变电容C的情况下，连续应用具有相同极性的驱动电压V引起正电荷或负电 荷聚积在电介质层14中。电荷以此方式聚积是众所周知的。图3A和:3B是示出了当电荷聚积在可变电容元件10中时驱动电压V和电容C之 间的关系(即，C-V特性)的示例的视图。当电荷在电介质层14中聚积时，由于电荷而产生的静电力影响可动电极13的运 动。因此，可变电容元件10的C-V特性显示出与在电介质层14中没有聚积电荷的情况下 不同的特性。例如，图3A示出了正电荷聚积在电介质层14中状态。在此情况下，与没有电 荷聚积的情况相比，C-V特性向正驱动电压V偏移。在上述情况下，即使施加能将电容C内在指定为最小电容CS或最大电容CL的驱 动电压V，在某些情况下电容c的值也不会改变成最小电容CS或最大电容CL。在列举的图 3A和;3B的示例中，即使将驱动电压V设置成电压VOFF ( = 0)，电容C的值有时也不会改变 成预期的最小电容CS。因此，不可能以稳定的方式操作可变电容元件10，这是一个问题。为了防止电压特性由于绝缘膜中的电荷而变化，提出了改进绝缘膜的形状以控制 其中的电荷量的设备(日本早期公开专利申请No. 2003-136496)。但是，很难使用半导体制 造方法来形成具有日本早期公开专利申请No. 2003-136496中所公开的形状的绝缘膜。为了处理这个问题，提出了被称作双极驱动的驱动方法，其中以预定的时间间隔 将待施加的驱动电压V的极性从一个极性转换成另一极性，以抑制C-V特性的偏移。还提出了镜像控制设备，其中待施加到电极的驱动电压是交流电压，以抑制镜像 偏移的发生(日本早期公开专利申请No. 2008-052270)。图4是示出了在以双极性方式驱动可变电容元件10的情况下驱动电压V和电容 C的时间序列变化的示例的视图。参考图4，在双极性驱动中，当施加驱动电压V以保持电容C处于最大电容CL时， 以在相对短的时间间隔交替施加正电压VONl和负电压V0N2的方式施加驱动电压V。在长时间施加具有一个极性的驱动电压V的情况下，或者，在施加具有一个极性 的驱动电压V的时间段和施加具有另一极性的驱动电压V的时间段之间存在很大差异的情 况下，电荷更有可能聚积在绝缘层14中。因此，双极性驱动对于抑制C-V特性的偏移是有 效的。但是，如图4所示，在双极性驱动的情况下，在将驱动电压V的极性从一个极性转换成另一极性时，电容C变得小于最大电容CL。简单来说，由于电容C的容量变化，双极性 驱动存在缺点。为此，只在电容变化不影响设备工作时将驱动电压V的极性从一个极性转 换成另一极性。这限制了以双极性方式驱动可变电容元件10的情况。

发明内容
本发明旨在解决上面所指出的问题，因此，本发明的实施例的目的是提供可变电 容元件，其中抑制了 C-V特性的偏移，而不需要将驱动电压从一个极性改变成另一极性，或 者不需要对将驱动电压从一个极性改变成另一极性的时间(即，极性改变的时间间隔)加 以限制。根据本发明的一个方面(实施例)，可变电容元件包括第一固定电极和第二固定 电极，其相互绝缘；可动电极，其设置成面对所述第一固定电极和所述第二固定电极；电介 质层，其设置在所述可动电极与所述第一固定电极以及所述第二固定电极之间；第一接线 部分，其用于根据所述可动电极的电位将第一驱动电压施加到所述第一固定电极；和第二 接线部分，其用于根据所述可动电极的电位将第二驱动电压施加到所述第二固定电极，所 述第二驱动电压具有与所述第一驱动电压的极性不同的极性。


图IA和IB是示出了通常的可变电容元件的结构的示例的横截面视图；图2是示出了驱动电压和电容之间的关系(即，C-V特性)的示例的视图；图3A和:3B是示出了驱动电压和电容之间的关系(即，C-V特性)的示例的视图；图4是示出了驱动电压和电容的时间序列变化的示例的视图；图5是示出了根据实施例的可变电容设备的结构的示例的俯视图；图6是沿着图5的线α 1-α 1所取的可变电容设备的横截面视图；图7是沿着图5的线α 2-α 2所取的可变电容设备的横截面视图；图8是沿着图5的线α 2-α 2所取的可变电容设备的横截面视图；图9是沿着图5的线α 3-α 3所取的可变电容设备的横截面视图；图IOA和IOB是示出了图5中所示的可变电容设备的等效电路的视图；图11是示出了根据实施例的应用可变电容元件的示例的等效电路的视图；图12是示出了驱动电压和电容的时间序列变化的示例的视图；图13Α和1 是示出了驱动电压和电容之间的关系(S卩，C-V特性)的示例的视 图；图14是示出了电荷在其中聚积的可变电容元件的示例的视图；图15是示出了驱动电压和电容的时间序列变化的示例的视图；图16是示出了驱动电压和电容的时间序列变化的示例的视图；图17是示出了根据实施例的可变电容设备的结构的示例的视图；和图18是沿着图17的线α l-α 1所取的可变电容设备的横截面视图。
具体实施例方式将参考附图描述本发明的优选实施例。
在下面的实施例中，以可变电容元件用于射频(RF)信号处理电路的情况为例进 行描述。可变电容元件也可以用于其它应用。[第一实施例]图5是示出了根据第一实施例的可变电容设备1的结构的示例的俯视图；图6-9 是图5中所示的可变电容设备1的横截面视图。图7和8示出了相同的横截面。图7示出 了在可动电极26没有移动情况下可变电容设备1的横截面，而图8示出了在可动电极沈 移动的情况下可变电容设备1的横截面。参考图5，可变电容设备1包括可变电容元件2、RF块60a_60c、驱动电路61、驱动 电路62。可变电容元件2包括由玻璃或硅制成的基底20。在基底20上形成第一引出电极 21、第二引出电极22、第一固定电极23a-23c、第二固定电极Ma_Mc、可动电极沈、支撑层 27a和27b等。此外，在基底20上形成第一固定电容层观、第二固定电容层四、接地电极 30a-30d等。为了简化，电介质层25a-25f未在图5中示出。可动电极沈、第一固定电容层 观、和第二固定电容层四中的每一个都以切除一部分的形式示出。同样的，第一引出电极 21的梳状部分21a和第二引出电极22的梳状部分22a中的每一个都以切除一部分的形式 示出。第一引出电极21由导电材料制成，例如铝(Al)或金(Au)。第一引出电极21形成 为具有梳状部分21a和矩形部分21b。同样的，第二引出电极22也由导电材料制成，例如 铝(Al)或金(Au)。第二引出电极22形成为具有梳状部分2 和矩形部分22b。梳状部分 21a的齿的数量等于梳状部分22a的齿的数量，其数量为一个或多个。在本实施例中，梳状 部分21a和梳状部分22a中的每一个的齿的数量是两个。以梳状部分21a的分别的齿和梳 状部分22a的分别的齿以固定间隔交替的方式放置第一引出电极21和第二引出电极22。第一引出电极21和第二引出电极22分别可连接到用于施加驱动电压的驱动电 路。在本实施例中，第一引出电极21通过RF块60a连接到驱动电路61。第二引出电极22 通过RF块60b连接到驱动电路62。RF块60a和60b是用于中断RF信号的诸如电阻和电 感之类的元件。将在后面描述由驱动电路61和驱动电路62所施加的驱动电压。再参考图6，第一固定电极23a_23c由导电材料制成，例如铝(Al)或金(Au)，并且 分开形成于第一引出电极21的上表面上。具体来说，第一固定电极23a和2 形成于梳状 部分21a的齿的上表面上。第一固定电极23c在靠近矩形部分21b的一端的部分处形成于 矩形部分21b的上表面上。第二固定电极也由导电材料制成，例如铝(Al)或金 (Au)，并且分开形成于第二引出电极22的上表面上。具体来说，第二固定电极2 和24b 形成于梳状部分22a的齿的上表面上。第二固定电极2 在靠近矩形部分22b的一端的部 分处形成于矩形部分21b的上表面上。但是相反，第一固定电极23a-23c的一部分或整体 可以与第一引出电极21形成一体。同样的，第二固定电极的一部分或整体与第二 引出电极22形成一体。在下文中，第一固定电极23a和23b与第二固定电极2 和24b所占据的区域有 时被称为固定电极中心部分234C。由诸如二氧化硅(SiO2)或氧化铝(Al2O3)之类的电介质材料制成的电介质层 25a-25c分别形成于第一固定电极23a_23c的上表面上。同样的，同样由诸如二氧化硅 (SiO2)或氧化铝(Al2O3)之类的电介质材料制成的电介质层25d-25f分别形成于第二固定7电极24a-24c的上表面上。在下文中，电介质层2fe、2^、25d和2 所占据的区域有时被称为电介质层中心 部分25C。再参考图6和7，可动电极沈由导电材料制成，例如铝(Al)或金(Au)。可动电极 26和固定电极中心部分234C的上表面相互面对，电介质中心部分25C置于两者之间。可动 电极沈形成为具有桥型形状，并且横跨电介质中心部分25C和固定电极中心部分234C。由诸如铝(Al)或金(Au)之类的导电材料制成的一对支撑层27a和27b沿着与横 跨方向垂直的方向形成于可动电极26的两端的下表面上。可动电极沈由支撑层27a和 27b所支撑。在可动电极沈和电介质中心部分25C之间设置了空隙。如果在可动电极沈与第一固定电极23a和2 之间存在位(电位)差，则由于可 动电极26与第一固定电极23a和2 之间所产生的静电引力，可动电极沈受到朝向第一 固定电极23a和23b的吸引。同样的，如果可动电极沈与第二固定电极2 和24b之间存 在电位差，则由于可动电极沈和第二固定电极2 和24b之间所产生的静电引力，可动电 极26受到朝向第二固定电极Ma和24b的吸引。当前一静电引力和后一静电引力的组合是 一定值或更高时，如图8所示，可动电极沈将通过电介质层中心部分25C与固定电极中心 部分234C接触。因此，可动电极沈用作弹簧元件。通过改变可动电极沈的材料或尺寸、 或者通过改变支撑层27a和27b的材料或尺寸，可调整可动电极沈的弹性系数。可动电极沈可连接到驱动电路61、驱动电路62等的电源的接地端。可动电极沈 可通过支撑层27a和27b等接地。在本实施例中，可动电极沈通过RF块60C连接到电源 的接地端。RF块60C是用于中断RF信号的诸如电阻或电感之类的元件。可动电极沈形成为使得RF信号沿着横跨方向从可动电极沈的一端传到另一端。 换句话说，可动电极26用作可变电容元件2的电极板，并且还用作RF信号的信号线。再参考图6和9，第一固定电容层观由导电材料制成，例如铝(Al)或金(Au)。第 一固定电容层观和第一固定电极23c的上表面相互面对，电介质层25c置于两者之间。第 一固定电容层观形成为具有桥型形状，并且横跨电介质层25c和第一固定电极23c。第二 固定电容层四也由导电材料制成，例如铝(Al)或金(Au)。第二固定电容层四和第二固定 电极2 的上表面相互面对，电介质层25f置于两者之间。第二固定电容层四形成为具有 桥型形状，并且横跨电介质层25f和第二固定电极Mc。由诸如铝(Al)或金(Au)之类的导电材料制成的一对接地电极30a和30b沿着与 横跨方向垂直的方向形成于第一固定电容层观的两端的下表面上。同样的，同样由诸如铝 (Al)或金(Au)之类的导电材料制成的一对接地电极30c和30d沿着与横跨方向垂直的方 向形成于第二固定电容层四的两端的下表面上。与可动电极沈和电介质层中心部分25C 之间的空隙的情况不同，第一固定电容层观和电介质层25c之间没有间隙，第二固定电容 层四和电介质层25f之间也没有间隙。第一固定电容层观可通过接地电极30a和30b连接到RF信号的接地端。同样的， 第二固定电容层四可通过接地电极30c和30d连接到RF信号的接地端。驱动电路61是用于将驱动电压Vl通过第一引出电极21施加到第一固定电极 23a-23c的电路。如果将驱动电压Vl施加到第一固定电极23a_23c，则在第一固定电极23a 和2 与连接到电源接地端的可动电极沈之间产生了电位差，此外，在第一固定电极23c和连接到RF信号接地端的第一固定电容层观之间产生了电位差。驱动电路62是用于将驱动电压V2通过第二引出电极22施加到第二固定电极 24a-24c的电路。如果将驱动电压V2施加到第二固定电极Ma_Mc，则在第二固定电极Ma 和24b与连接到电源接地端的可动电极沈之间产生了电位差，此外，在第一固定电极2 和连接到RF信号接地端的第二固定电容层四之间产生了电位差。如上所述，当可动电极沈和第一固定电极23a和2 之间的静电引力与可动电极 沈和第二固定电极2 和24b之间的静电引力的组合是一定值或更高时，可动电极沈将通 过电介质层中心部分25C与固定电极中心部分234C接触。在如图7所示可动电极沈距固定电极中心部分234C最远的状态下，可动电极沈 与第一固定电极23a和2 之间的电容变成最小值，可动电极沈和第二固定电极2 和 24b之间的电容也变成最小值。结果，整个可变电容元件2具有最小的电容。同时，在如图 8所示可动电极沈通过电介质层中心部分25C与固定电极中心部分234C接触的状态下，可 动电极26与第一固定电极23a和2 之间的电容变成最大值，可动电极沈和第二固定电 极2 和24b之间的电容也变成最大值。结果，整个可变电容元件2具有最大的电容。换 句话说，根据由驱动电路61施加的驱动电压Vl的变化和由驱动电路62施加的驱动电压V2 的变化，整个可变电容元件2的电容在两个值之间变化，即，大值和小值。图IOA和IOB是示出了图5的可变电容设备1的等效电路的视图，图11是示出了 应用可变电容元件2的示例的等效电路的视图。参考图10A，通过相互并联的第一可变电容部分2A和第二可变电容部分2B实现 了可变电容元件2。通过相互串联的第一可变电容元件2Aa和第一固定电容元件2Ab实现 了第一可变电容部分2A。通过相互串联的第二可变电容元件2Ba和第二固定电容元件2 实现了第二可变电容部分2B。第一可变电容元件2Aa包括第一固定电极23a和23b、可动电极沈、设置在可动电 极沈与第一固定电极23a和2 之间的电介质层2 和25b。第一固定电容元件2Ab包括 第一固定电极23c、第一固定电容层观、和设置在第一固定电极23c和第一固定电容层28 之间的电介质层25c。第二可变电容元件2Ba包括第二固定电极2 和Mb、可动电极26、 设置在可动电极26与第二固定电极2 和24b之间的电介质层25d和25e。第二固定电容 元件2 包括第二固定电极Mc、第二固定电容层四、和设置在第二固定电极2 和第二固 定电容层四之间的电介质层25f。
控制由驱动电路61所施加的驱动电压Vl和由驱动电路62所施加的驱动电压V2， 使得第一可变电容元件2Aa的电容和第二可变电容元件2Ba的电容在两个值之间变化，即， 大值和小值。如上所述，可变电极26通常用于第一可变电容元件2Aa和第二可变电容元件 2Ba。因此，如果第一可变电容元件2Aa具有最小电容，则第二可变电容元件也具有最小电 容。如果第一可变电容元件2Aa具有最大电容，则第二可变电容元件也具有最大电容。简 单来说，第一可变电容元件2Aa的电容连同第二可变电容元件2Ba的电容一起变化。结果， 可变电容元件2的电容总体上在两个值之间变化。由此，能够用如图IOB所示的简单等效 电路代替图IOA的等效电路。 根据可变电容元件2的用途，调整可变电容值(即，第一可变电容元件2Aa和第二 可变电容元件2Ba的大电容值和小电容值)及其宽度等。此外，根据可变电容元件2的用途，还调整第一固定电容元件2Ab和第二固定电容元件2Bb的固定电容值。这使得可变电 容元件2的电容在两个期望值之间变化。如图11所示，例如，多个可变电容元件2组成电 容电路；从而根据多个值改变电容电路的电容值。下面是对在可变电容元件2的电容C保持在最大值(最大电容CL)的情况下由驱 动电路61所施加的驱动电压Vl和由驱动电路62所施加的驱动电压V2的三个示例的描述。[第一应用示例]图12是示出了驱动电压VI、驱动电压V2和电容C的时间序列变化的示例的视图； 图13A和13B是示出了在电荷在可变电容元件2中聚积的情况下驱动电压Vl和电容CAa 之间的关系(即，C-V特性)的示例视图；图14是示出了电荷在其中聚积的可变电容元件 2的示例的视图。在第一应用示例中，在可变电容元件2的电容C保持在最大电容CL时，将相互之 间极性不同并且为常数值的驱动电压Vl和驱动电压V2分别施加到第一固定电极23a-23c 和第二固定电极Ma-Mc。具体来说，如图12所示，驱动电压Vl设置成常数正电压V0N1， 驱动电压V2设置成常数负电压V0N2。或者，驱动电压Vl设置成常数负电压V0N2，驱动电 压V2设置成常数正电压VONl。正电压VCMl和负电压V0N2的值能使得正电压VCMl和负电压V0N2使可动电极沈 通过电介质层中心部分25V与固定电极中心部分234C接触。或者，调整可变电极沈的弹 性系数，从而应用正电压VONl和负电压V0N2使得可动电极沈通过电介质层中心部分25V 与固定电极中心部分234C接触。尽管正电压VONl和负电压V0N2基本具有相同的绝对值， 但是正电压VONl和负电压V0N2可以具有相互不同的绝对值。以此方式施加驱动电压Vl和驱动电压V2，从而如图12所示，可变电容元件2的电 容C保持在最大电容CL。连续应用驱动电压Vl和驱动电压V2引起正电荷或负电荷聚积在电介质层 25a-25f中。将具有一个极性的驱动电压和具有另一极性的驱动电压分别施加到第一固 定电极23a_23c和第二固定电极Ma_Mc。因此，具有一个极性的电荷和具有另一极性的 电荷分别聚积在电介质层25a-25c和电介质层25d-25f中。例如，正电荷聚积在电介质层 25a-25c中，而负电荷聚积在电介质层25d_25f中。或者，负电荷聚积在电介质层中，而正电荷聚积在电介质层25d-25f中。现在，讨论可动电极沈与第一固定电极23a和2 之间的电容CAa。驱动电压Vl 和电容CAa之间关系(即，C-V特性)表现出与没有电荷聚积的状态下不同的特性。例如， 如图13A所示，在正电荷在电介质层2 和2 中聚积的状态下，与没有电荷在其中聚积的 状态相比，C-V特性向负驱动电压Vl偏移。此外，例如，如图13B所示，在负电荷在电介质 层2 和25b中聚积的情况下，与没有电荷在其中聚积的状态相比，C-V特性向正驱动电压 Vl偏移。当讨论可动电极26和第二固定电极2 之间的电容CBa时，相同的情况可应用于 驱动电压V2和电容CBa之间的关系。如上所述，具有一个极性的电荷聚积在电介质层中，具有另一极性的电 极聚积在电介质层25d-25f中。因此，电容CAa的C-V特性的偏移方向与电容CBa的C-V 特性的偏移方向相反。因此，偏移相互抵消，使得在整个可变电容元件2中没有产生C-V特 性的偏移，或者，其中产生了微量的C-V特性的偏移。
无论如何，如图14所示，总体上，没有具有其中一个极性(即，只有正极性或负极 性)的电荷聚积在电介质层中心部分25C中，所述电介质层中心部分25C是电介质层25a、 2恥、25(1和2 所占据的区域。因此，可动电极沈的移动不受到由电荷所产生的静电力的 影响，或者受到静电力微小的影响。结果，不发生与电介质层25a-25f中的电荷聚积相关的 可变电容元件2的C-V特性的偏移，或者，发生了微量的偏移。因此，根据第一应用示例，可以抑制可变电容元件2的C-V特性的变化(偏移)，而 不需要将驱动电压的从一个极性改变成另一极性。这引起可变电容元件2的长时间的稳定 运行。[第二应用示例]图15是示出了驱动电压VI、驱动电压V2和电容C的时间序列变化的示例的视图。第一应用示例抑制了可变电容元件2的C-V特性的变化(偏移)；但是，仍然留下 了电荷聚积在电介质层25a-25f中的问题。提供了第二应用示例以改善上述问题。在第二应用示例中，当可变电容元件2的电容C保持在最大电容CL时，将具有以 预定时间间隔转换正极性和负极性的矩形波的驱动电压Vl和驱动电压V2分别施加到第一 固定电极23a-23c和第二固定电极Ma-Mc。注意，驱动电压Vl的极性总是与驱动电压V2 的极性不同。由此，以使得驱动电压Vl和驱动电压V2具有相互不同的极性的方式，同时改 变驱动电压Vl和驱动电压V2的极性。具体来说，如图15所示，在驱动电压V2从负电压 V0N2改变成正电压VONl的同时，驱动电压Vl从正电压VONl改变成负电压V0N2。此外，在 驱动电压V2从正电压VONl改变成负电压V0N2的同时，驱动电压Vl从负电压V0N2改变成 正电压VONl。简单来说，驱动电压Vl和驱动电压V2是交流电压，其中以使得驱动电压Vl 和驱动电压V2具有相互不同的极性的方式重复改变极性。正电压VONl和负电压V0N2的值能使得应用正电压VONl和负电压V0N2使可动电 极沈通过电介质层中心部分25C与固定电极中心部分234C接触。或者，调整可变电极沈 的弹性系数，从而应用正电压VONl和负电压V0N2使得可动电极沈通过电介质层中心部分 25V与固定电极中心部分234C接触。尽管正电压VONl和负电压V0N2基本具有相同的绝对 值，但是正电压VONl和负电压V0N2可以具有相互不同的绝对值。基本上以预定时间间隔改变驱动电压Vl和驱动电压V2的极性；但是可以以随机 时间间隔改变驱动电压Vl和驱动电压V2的极性。例如，预定时间间隔对应于最长几十小 时和最短几毫米。但是注意，预定时间间隔设置为比可动电极沈移动所需的时间长的时间 段。如图15所示，以此方式施加驱动电压Vl和驱动电压V2，使得可变电容元件2的电 容C保持处于或接近最大电容CL。但是，在改变驱动电压Vl和驱动电压V2的极性时，电容C变得略小于最大电容 CL。换句话说，在改变极性时电容C的容量变化。此外，在改变极性时有时产生噪声。由此，在与极性的变化相关的电容C的容量变化和噪声的产生不影响设备工作的 时候，改变驱动电压Vl和驱动电压V2的极性。因为在较短的时间间隔内电荷很难聚积在 电介质层25a-25f中，所以更短的用于改变极性时间间隔是优选的。即使电荷聚积在电介 质层25a-25f中，由于与第一应用示例相同的原因，所以也能可变电容元件2的C-V特性的 偏移。因此，不是必须以短时间间隔改变极性，可以以任意时间改变极性。11
因此，根据第二应用示例，可以抑制可变电容元件2的C-V特性的变化(偏移)，而 不需要对改变驱动电压的极性的时间加以限制。此外，电荷很难聚积在电介质层2fe-25f 中。与第一应用示例的情况相比，这引起在更长的时间段内可变电容元件2更稳定的运行。[第三应用示例]图16是示出了驱动电压VI、驱动电压V2和电容C的时间序列变化的示例的视图。根据第二应用示例，电荷很难聚积在电介质层25a-25f中；但是，保留了在改变驱 动电压的极性时产生电容C的容量变化的问题。提供第三应用示例以改善上述问题。与第二应用示例一样，在第二应用示例中，以驱动电压Vl和驱动电压V2具有相互 不同的极性的方式改变驱动电压Vl和驱动电压V2的极性。注意，驱动电压Vl的极性变化 的时间从驱动电压V2的极性变化的时间偏移了预定时间量。具体来说，如图16所示，驱动 电压Vl从正驱动电压VONl转变成负驱动电压V0N2，在预定时间量At过去之后，驱动电 压V2从负驱动电压V0N2转变成正驱动电压VONl。此外，驱动电压Vl从负驱动电压V0N2 转变成正驱动电压V0N1，在预定时间量At过去之后，驱动电压V2从正驱动电压VONl转 变成负驱动电压V0N2。例如，预定时间量是几毫米。简单来说，驱动电压Vl和驱动电压V2 是交流电压，其中以驱动电压Vl和驱动电压V2具有相互不同的极性的方式重复改变极性， 而且极性转变时间偏移了预定时间量。正电压VONl和负电压V0N2的值使得应用正电压VONl和负电压V0N2中的至少一 个使可动电极26通过电介质层中心部分25C与固定电极中心部分234C接触。或者，调整 可变电极26的弹性系数，从而应用正电压VOm和负电压V0N2中的至少一个使得可动电极 26通过电介质层中心部分25V与固定电极中心部分234C接触。除了上述条件之外的驱动电压Vl和驱动电压V2的条件与第二应用示例的条件相 同。以此方式施加驱动电压Vl和驱动电压V2，如图16所示，使得可变电容元件2的电 容C保持在最大电容CL而没有电容变化。如果考虑噪声而延长改变驱动电压Vl和驱动电压V2的极性的时间间隔，则电荷 很有可能将聚积在电介质层25a-25f中。但是，即使电荷聚积在电介质层25a-25f中，因为 与第一和第二应用示例中相同的理由，所以也抑制了可变电容元件2的C-V特性的偏移。因 此，不是必须以短时间间隔改变极性，可以以任意时间改变极性。因此，根据第三应用示例，可以抑制可变电容元件2的C-V特性的变化(偏移)，而 不需要对改变驱动电压的极性的时间加以限制。此外，电荷很难聚积在电介质层2fe-25f 中，并且在改变驱动电压的极性时不会产生电容C的容量变化。与第一和第二应用示例的 情况相比，这引起在更长的时间段内可变电容元件2更稳定的运行。[第二实施例]图17是示出了根据第二实施例的可变电容设备3的结构的俯视图，图18是沿着 图17的线α l-α 1所取的可变电容设备3的横截面视图。将在下面描述可变电容设备3，集中于可变电容设备1和可变电容设备3之间的差 别。有时省略了对与可变电容设备1中相同的部分的描述。参考图17，可变电容设备3包括可变电容元件4、RF块60a_60c、驱动电路61、和 驱动电路62。可变电容元件4包括由玻璃或硅制成的基底40。在基底40上形成固定电极41、第一引出电极42、第二引出电极43、连接层44、第一可动电极4 和45b、第二可动电极 46a和46b等。此外，在基底40上形成第一固定电容层48、第二固定电容层49、接地电极 50a和50b等。为了简化，在图17中未示出电介质层47a-47f。根据第一实施例的可变电容元件2包括两个固定电极(例如，第一固定电极 23a_23c和第二固定电极Ma-Mc)和一个可动电极沈。另一方面，根据第二实施例的可变 电容元件4包括一个固定电极41和两个可动电极，例如第一可动电极4 和4 与第二可 动电极46a和46b。组成可变电容元件4的分别的构件由与组成可变电容元件2的分别的相应构件的 材料相同的材料制成。此外，RF块60a-60c、驱动电路61和驱动电路62的功能与可变电容 设备1的情况的功能相同。固定电极41可连接到驱动电路61和驱动电路62等的电源的接地端。在本实施 例中，固定电极41通过RF块60a连接到电源的接地端。固定电极41形成为使得RF信号 从固定电极41的一端传送到另一端。换句话说，固定电极41用作可变电容元件4的电极 板，还用作RF信号的信号线。第一引出电极42具有与可变电容元件2的第一引出电极21相同的形状，并且形 成为具有梳状部分4 和矩形部分42b。同样的，第二引出电极43具有与可变电容元件2 的第二引出电极22相同的形状，并且形成为具有梳状部分43a和矩形部分43b。第一引出 电极42和第二引出电极43分别可连接到用于施加驱动电压的驱动电路。在本实施例中，第 一引出电极42通过RF块60b连接到驱动电路61。此外，第二引出电极43通过RF块60c 连接到驱动电路62。由诸如二氧化硅(SiO2)或氧化铝(Al2O3)之类的绝缘材料制成的连接层44形成 于第一引出电极42和第二引出电极43之间的间隙中。简单来说，连接层44将第一引出电 极42和第二引出电极43相互连接起来。从而，第一可动电极4 和4 与第二可动电极 46a和46b相互结合。在下文中，由相互连接的第一引出电极42和第二引出电极43所组成的构件有时 被称作引出电极部分423。再参考图18，第一可动电极4 和4 形成于梳状部分42a的齿的下表面上。第 二可动电极46a和46b形成于梳状部分43a的齿的下表面上。但是相反，第一可动电极4 和4 的一部分或整体可以与第一引出电极42形成一体。同样的，第二固定电极46a和 46b的一部分或整体可以与第二引出电极43形成一体。在下文中，由第一可动电极4 和4 与第二可动电极46a和46b所占据的区域 有时被称作可动电极部分456C。电介质层47a和47b分别形成于第一可动电极4 和4 的下表面上。同样的， 电介质层47c和47d分别形成于第二可动电极46a和46b的下表面上。以可动电极部分456C和固定电极41的中心部分的上表面相互面对并且电介质层 中心部分47C置于两者之间的方式，形成引出电极部分423。引出电极423形成为具有桥型 形状，并且横跨电介质层中心部分47C和固定电极41。第一固定电容层48沿着与横跨方向垂直的方向形成于引出电极部分423的一端 的下表面上。第二固定电容层49沿着与横跨方向垂直的方向形成于引出电极中心部分423的另一端的下表面上。引出电极423由第一固定电容层48和第二固定电容49所支撑。在 电介质层中心部分47C和固定电极41之间设置空隙。如果在固定电极41与第一可动电极4 和4 之间存在电位差，则由于固定电极 41与第一可动电极4 和4 之间所产生的静电引力，引出电极部分423受到朝向固定电 极41的吸引。同样的，如果在固定电极41与第二可动电极46a和46b之间存在电位差，则 由于固定电极41与第二可动电极46a和46b之间所产生的静电引力，引出电极部分423受 到朝向固定电极41的吸引。当前一静电引力和后一静电引力的组合是一定值或更高时，引 出电极部分423将通过电介质层中心部分47C等与固定电极41接触。因此，引出电极部分 423用作弹簧元件。通过改变组成引出电极部分423的分别的构件的材料或尺寸、或者通过 改变第一固定电容层48和第二固定电容层49的材料或尺寸，可调整引出电极部分423的 弹性系数。电介质层47e和47f分别形成于第一固定电容层48和第二固定电容层49的下表 面上。接地电极50a和50b分别形成于电介质层47e和47f的下表面上。与电介质层中 心部分47C和固定电极41之间存在空隙的情况不同，在电介质层47e和接地电极50a之间 没有空隙，在电介质层47f和接地电极50b之间也没有空隙。接地电极50a和50b可连接 到RF信号的接地端。与可变电容元件2的情况一样，通过调整由驱动电路61所施加的驱动电压Vl和 由驱动电路62所施加的驱动电压V2，可变电容元件4的电容在两个期望值之间变化。此 外，在可变电容元件4的电容C保持在最大值(最大电容CL)时，根据第一到第三应用示例 施加驱动电压Vl和驱动电压V2。这能够使得以稳定方式运行可变电容元件4。各个实施 例中的第一引出电极21和42、与第二引出电极22和43分别是第一接线部分和第二接线部 分。在上述的各个实施例中，根据本发明的主题，可变电容设备1、可变电容元件2、可 变电容设备3和可变电容元件4的整体结构、其各种部件的结构、形状、材料、及其应用等可 以根据需要改变。根据本发明的主题，驱动电压Vl和驱动电压V2的应用示例可以根据需 要改变。例如，在上述各实施例中，可变电容元件2和可变电容元件4中的每一个都有固定 电容层，以促进将可变电容元件2和可变电容元件4的电容调节到期望的电容。但是，只要 可在没有固定电容层的情况下将电容调节到期望的电容，则不是必须在可变电容元件2和 可变电容元件4中的每一个中提供固定电容层。此外，在上述各实施例中，用于防止由于固 定电极和可动电极之间的接触而造成的短路的电介质层被放置在可变电容元件2的固定 电极的一侧上、或者可变电容元件4的可动电极的一侧上。但是相反，电介质层可以放置在 可变电容元件2的可动电极一侧上、或者放置在可变电容元件4的固定电极一侧上。所有实例和在此所描述的条件语言旨在用于教导目的以帮助读者理解由发明人 所提出的促进现有技术的发明和概念，并且将被理解为并非限于具体描述的示例和条件， 说明书中的上述示例的组织与本发明的优势和劣势没有关系。尽管详细描述了本发明的 实施例，但是应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种变 化、替换和改变。1权利要求
1.一种可变电容元件，其包括第一固定电极和第二固定电极，其相互绝缘； 可动电极，其设置成面对所述第一固定电极和所述第二固定电极； 电介质层，其设置在所述可动电极与所述第一固定电极以及所述第二固定电极之间； 第一接线部分，其用于根据所述可动电极的电位将第一驱动电压施加到所述第一固定 电极；和第二接线部分，其用于根据所述可动电极的电位将第二驱动电压施加到所述第二固定 电极，所述第二驱动电压具有与所述第一驱动电压的极性不同的极性。
2.—种可变电容元件，其包括第一可动电极和第二可动电极，其相互绝缘并且相互结合； 固定电极，其设置成面对所述第一可动电极和所述第二可动电极； 电介质层，其设置在所述固定电极与所述第一可动电极以及所述第二可动电极之间； 第一接线部分，其用于根据所述固定电极的电位将第一驱动电压施加到所述第一可动 电极；和第二接线部分，其用于根据所述固定电极的电位将第二驱动电压施加到所述第二可动 电极，所述第二驱动电压具有与所述第一驱动电压的极性不同的极性。
3.一种可变电容设备，其包括 可变电容元件，其包括第一固定电极和第二固定电极，其相互绝缘； 可动电极，其设置成面对所述第一固定电极和所述第二固定电极； 电介质层，其设置在所述可动电极与所述第一固定电极以及所述第二固定电极之间； 第一接线部分，其用于根据所述可动电极的电位将第一驱动电压施加到所述第一固定 电极；和第二接线部分，其用于根据所述可动电极的电位将第二驱动电压施加到所述第二固定 电极，所述第二驱动电压具有与所述第一驱动电压的极性不同的极性；第一驱动部分，其将所述第一驱动电压经由所述第一接线部分施加到所述第一固定电 极；和第二驱动部分，其将所述第二驱动电压经由所述第二接线部分施加到所述第二固定电极。
4.根据权利要求3所述的可变电容设备，其中，所述第一驱动电压和所述第二驱动电 压是具有矩形波的电压，在所述矩形波中，以所述第一驱动电压和所述第二驱动电压具有 相互不同的极性的方式重复改变极性。
5.根据权利要求4所述的可变电容设备，其中，所述第一驱动电压的极性变化的时间 与所述第二驱动电压的极性变化的时间不同。
6.一种可变电容设备，其包括第一可动电极和第二可动电极，其相互绝缘并且相互结合； 固定电极，其设置成面对所述第一可动电极和所述第二可动电极； 电介质层，其设置在所述固定电极与所述第一可动电极以及所述第二可动电极之间； 第一接线部分，其用于根据所述固定电极的电位将第一驱动电压施加到所述第一可动电极；和第二接线部分，其用于根据所述固定电极的电位将第二驱动电压施加到所述第二可动 电极，所述第二驱动电压具有与所述第一驱动电压的极性不同的极性；第一驱动部分，其将所述第一驱动电压经由所述第一接线部分施加到所述第一可动电 极；和第二驱动部分，其将所述第二驱动电压经由所述第二接线部分施加到所述第二可动电极。
7.根据权利要求6所述的可变电容设备，其中，所述第一驱动电压和所述第二驱动电 压是具有矩形波的电压，在所述矩形波中，以所述第一驱动电压和所述第二驱动电压具有 相互不同的极性的方式重复改变极性。
8.根据权利要求7所述的可变电容设备，其中，所述第一驱动电压的极性变化的时间 与所述第二驱动电压的极性变化的时间不同。
9.一种用于驱动可变电容元件的方法，所述可变电容元件包括 第一固定电极和第二固定电极，其相互绝缘；可动电极，其设置成面对所述第一固定电极和所述第二固定电极；和电介质层，其设置在所述可动电极与所述第一固定电极以及所述第二固定电极之间；所述方法包括如下步骤根据所述可动电极的电位将第一驱动电压施加到所述第一固定电极；和 根据所述可动电极的电位将第二驱动电压施加到所述第二固定电极，所述第二驱动电 压具有与所述第一驱动电压的极性不同的极性。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一驱动电压和所述第二驱动电压是具有 矩形波的电压，在所述矩形波中，以所述第一驱动电压和所述第二驱动电压具有相互不同 的极性的方式重复改变极性。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第一驱动电压的极性变化的时间与所述 第二驱动电压的极性变化的时间不同。
12.一种用于驱动可变电容元件的方法，所述可变电容元件包括 第一可动电极和第二可动电极，其相互绝缘并且相互结合； 固定电极，其设置成面对所述第一可动电极和所述第二可动电极；和电介质层，其设置在所述固定电极与所述第一可动电极以及所述第二可动电极之间； 所述方法包括如下步骤根据所述固定电极的电位将第一驱动电压施加到所述第一可动电极；和 根据所述固定电极的电位将第二驱动电压施加到所述第二可动电极，所述第二驱动电 压具有与所述第一驱动电压的极性不同的极性。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一驱动电压和所述第二驱动电压是具 有矩形波的电压，在所述矩形波中，以所述第一驱动电压和所述第二驱动电压具有相互不 同的极性的方式重复改变极性。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第一驱动电压的极性变化的时间与所述 第二驱动电压的极性变化的时间不同。
全文摘要
本发明涉及可变电容元件、可变电容设备和驱动可变电容元件的方法。可变电容元件包括第一固定电极和第二固定电极，其相互绝缘；可动电极，其设置成面对所述第一固定电极和所述第二固定电极；电介质层，其设置在所述可动电极与所述第一固定电极以及所述第二固定电极之间；第一接线部分，其用于根据所述可动电极的电位将第一驱动电压施加到所述第一固定电极；和第二接线部分，其用于根据所述可动电极的电位将第二驱动电压施加到所述第二固定电极，所述第二驱动电压具有与所述第一驱动电压的极性不同的极性。
文档编号H01G5/16GK102054587SQ20101053205
公开日2011年5月11日 申请日期2010年10月27日 优先权日2009年10月27日
发明者上田知史, 今井雅彦, 岛内岳明, 胜木隆史 申请人:富士通株式会社