CMOS相容之高變化率接觸式可變電容及可變電感

CMOS Compatible Highly Tunable Contact Mode Capacitor and Inductor

指導教授 : 黃榮堂、陳正光   研究生 : 李承曄  機電整合研究所 92年


摘要

  本篇論文旨在利用標準CMOS製程配合微機電(MEMS)的幾項後製程來製作接觸式可變電容及接觸式可變電感。接觸式可變電容及可變電感包括控制用的可動與固定兩平行電極,以及一固定電極,如電容極板或螺旋電感。控制用的可動電極為一懸臂結構,受控制用固定電極的靜電壓作用,懸臂漸次變形,設於懸臂靠端點的可動電極即使在接觸電容極板或螺旋電感後,仍可繼續變形,直至可動電極板完全與電容極板或螺旋電感接觸後停止其電容變化。本接觸式可變電容及可變電感可達高線性變化率,體積小,製作容易,且可與CMOS製程相容,另外接觸式可變電容Q值可達60以上。用CMOS製程的插銷層(Via)、金屬層(Metal)、多晶矽層(Poly)等來實現,一貫完成可成為積體電路元件的高變化率接觸式可變電容及可變電感之技術。

另外本論文亦針對懸臂式微致動器,如開關、可變電容、可變電感等,推導其在不同狀態下的動態數學模型。由於目前相關的微機電模擬軟體在模擬時效上過長,因此藉由數學模型的建立可在設計前預估大致的性能,如驅動電壓、接觸面積、懸臂結構的位移變化等,避免模擬時間的浪費。

關鍵詞:標準CMOS製程、微機電製程、可變電容、可變電感、懸臂結構

 

ABSTRACT

  This thesis presents a highly tunable capacitor and inductor by using CMOS processes and extra post-process techniques of MEMS. Contact mode capacitor and inductor consists voltage-control actuator and stationary electrode, such as capacitor or inductor. The voltage-control actuator is cantilever beam and the diaphragm will deform in response to applied electrostatic voltage and change the gap between the two actuator-electrodes. Even after the movable electrode begin to touch the stationary electrode of capacitor or inductor the actuator can still increase its voltage until the movable electrode fully touch the stationary electrode of capacitor or inductor. The contact mode capacitor and inductor can achieve large operating voltage range, reduce area, and ultra-wide tuning range of capacitance and inductance.

This thesis also presents a dynamic mathematic model of tunable RF passive components. The dynamic model can reduce the simulation time and predict microstructure performance, such as driving voltage, contact area, and cantilever’s displacement…etc.

Keywords:CMOS、MEMS、Tunable Capacitor、Tunable Inductor、Cantilever