可调谐电抗装置以及制造和使用该装置的方法与流程
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年7月15日提交的美国临时专利申请no.62/192，969的权益，其以引用的方式并入本文，如同在本文中完全阐述一样。
本发明总体涉及微机电系统(mems)装置和具有可调谐电感和/或电容的装置的领域。更具体地说，本发明的实施例涉及一种新颖的可调谐电抗装置、包括该可调谐电抗装置的集成电路和系统、以及制造和使用该可调谐电抗装置的方法。
背景技术：
诸如蜂窝电话之类的无线装置使用一定范围的频率进行操作，并且需要在整个频率范围内维持信号的完整性。越来越需要诸如蜂窝电话之类的无线装置中的可调谐天线来维持一定频率范围内的信号完整性、降低功耗并适应不断变化的环境和用户条件。诸如蜂窝电话的无线装置已经采用用于数字可调谐天线应用的cmos和mems可调谐电容器，但迄今为止，还没有广泛采用mems可调谐电容器，该可调谐电容器具有接触表面并且可能存在元件粘合在一起、介电充电和重复使用后阻抗和恢复力的变化。在现有技术中已经描述了可调谐mems电感器的各种实施方式，其使用接触表面，但是由于改变的阻抗值、改变的恢复力和接触表面的静摩擦而使性能劣化。因此，需要在具有低损耗和高品质因数的电路中提供可调谐电抗，该可调谐电抗避免接触表面的可靠性问题。
在可调谐天线应用中，期望将电路调谐到谐振，以增加信号增益。在串联的rlc电路中，谐振频率由下式给出：
ωo＝1/sqrt(lc)
其中l是电路中的电感，c是电路中的电容。因此，希望能够调谐可调谐天线电路的电感l和电容c，以提供更宽的调谐范围并且允许更多设计的灵活性。
交流电路中元件的阻抗z由下式给出：
z＝r+jx
其中阻抗的实部r是元件的电阻，j是负1的平方根，并且阻抗的虚部x是由于电容和电感引起的元件的电抗。元件的感抗是ωl，元件的容抗是1/ωc，其中ω是振荡的角频率。对于可调谐天线应用，需要快速开关、可重复的可调谐电感器和电容器。
这个“背景技术”部分仅提供背景信息。这个“背景技术”中的陈述不是承认在这个“背景技术”部分中公开的主题构成本公开的现有技术，并且这个“背景技术”部分的任何部分都不是用作承认包括这个“背景技术”部分的本申请的任何部分，且都构成了本公开的现有技术。
技术实现要素：
本发明涉及可调谐电抗装置、包括该装置的集成电路和系统、以及制造和使用该装置的方法。更具体地说，本发明涉及一种可调谐的mems装置，其可以调谐电路内的电感、电容或电感和电容两者，并且更总体地称为可调谐电抗装置。在一个方面中，本发明涉及一种可调谐电抗装置，其包括基板、支撑在基板上并包括导电材料的微机电(mem)结构以及配置成在施加静电力时相对于基板移动mem结构的驱动器。mem结构与基板之间存在间隙，驱动器在移动mem结构时保持间隙(可能具有不同的大小)。可调谐电抗装置具有：(i)当静电力施加到驱动器时的第一电抗和第一电磁场拓扑，以及(ii)当不同的静电力施加到驱动器时不同的电抗和不同的电磁场拓扑。
在本发明的各种实施例中，可调谐电抗装置可以被配置为可调谐电感器、可调谐电容器或两者均可调谐。在其他实施例中，可调谐电抗装置包括多个微机电(mem)结构。在一些实施方案中，mem结构包括蛇纹石结构。或者，mem结构可以包括一系列可移动的梁。
在另外的实施例中，驱动器可以包括梳状驱动器或者连接到mem结构的相对端的多个杠杆臂。在进一步的实施例中，可调谐电抗装置包括多个驱动器，该驱动器可以连接到同一个mem结构或不同的mem结构的相对端。
本发明的另一个方面涉及一种制造可调谐电抗装置的方法，该方法包括：在机械基板中和在支撑基板上方形成mem结构；在机械基板中形成驱动器，该驱动器被配置为在对驱动器施加静电力时相对于支撑基板移动mem结构；并用导体涂覆mem结构。
在各种实施例中，支撑基板可以包括掺杂或未掺杂的硅、二氧化硅或绝缘体上硅(soi)晶片，并且机械基板可以包括硅、砷化镓、碳化硅或硅锗。此外，该方法还包括在形成mem结构之前将机械基板连接到支撑基板，在机械基板中形成多个mem结构，并用导体涂覆多个mem结构，和/或将保护盖附接到mem结构并且在该保护盖外部形成多个导电总线，所述多个导电总线电连接到所述mem结构和/或电路中，该电路被配置为控制mem结构的移动。
在一些实施例中，形成mem结构的方式可包括图案化和蚀刻机械基板，并且涂覆mem结构的方式可包括通过化学气相沉积、原子层沉积或溅射来沉积导体。
根据以下各个实施例的详细描述，本发明的优点将变得显而易见。
附图说明
图1是根据本发明的一个或多个实施例的示例性可调谐电容装置的俯视图。
图2是图1的示例性可调谐电容装置的截面图。
图3是处于根据本发明的一个或多个实施例的低电容活动状态下的图1和图2的示例性可调谐电容器元件的截面图。
图4是回到高电容状态的图1和图2的示例性可调谐电容器元件的截面图。
图5a是图1和图2的可调谐电容元件的等效电路。
图5b是根据本发明的一个或多个实施例的涉及多个可调谐电容元件的实施方式的示意图。
图6a是根据本发明的一个或多个实施例的沿电容器的长度具有交叉指状件的示例性可调谐电容器的俯视图。
图6b-c是在不同的状态下的图6a的可调谐电容器的端视图。
图7是根据本发明进一步的实施例的图6a-c的可调谐电容元件的等效电路。
图8a-b是根据本发明的一个或多个实施例的示例性可调谐电感元件的俯视图和截面图。
图9是根据本发明的一个或多个实施例的示例性可调谐串联电感器元件的俯视图。
图10是显示处于激活状态的图9的示例性串联电感器元件的截面图。
图11是更详细地显示图9-10的示例性电感器的中心的截面图。
图12是显示回到非活动状态的图9-10的示例性可调谐电感器元件的截面图。
图13是根据本发明的一个或多个实施例的示例性可调谐电抗装置的示意图。
图14是显示根据本发明的一个或多个实施例的包括组合在相同基板上的可调谐电容器和电感元器件的示例性可调谐电抗装置的俯视图。
图15是显示根据本发明的一个或多个实施例的示例性封装的可调谐电抗装置的截面图。
图16-17是包括根据本发明实施例的本可调谐电抗装置的示例性集成电路的示意图。
图18显示了根据本发明的一个或多个实施例的被配置为可调谐电感器的可调谐电抗装置的俯视图。
图19a-b是显示根据本发明的一个或多个实施例的另一个示例性可调谐电抗装置的基本结构的俯视图和截面图。
图20a-b是显示根据本发明的一个或多个实施例的制造可调谐电抗装置的示例性方法中在第一层中创建的具有附加金属的示例性蛇纹石机械结构的俯视图和截面图。
图21a-b是显示在第一层上方具有附加的金属层在第一层和第二层之间具有间隙的图20a-b的蛇纹石机械结构的俯视图和剖视图。
图22a-b是显示图22a-b的蛇纹石机械结构的俯视图和剖视图，所述蛇纹石机械结构具有通过除了蛇纹石之外的通孔从第一蛇纹石层到第二蛇纹石层的电连接。图22c显示了通过使电流流过图22a-b的蛇纹石机械结构而产生的磁场。磁场通过蛇纹石元件面向相反的方向，导致低的净磁通量和低的电感状态。
图23是根据本发明的一个或多个实施例的设置在一个或多个层中的示例性蛇纹石机械结构和梳状驱动器的俯视图。
图24是图23的蛇纹石结构和梳状结构的俯视图。静电力被施加到其上，以便相对于另一个蛇纹石曲线移动一个蜿蜒半节距的距离。
图25a-b是显示图25a-b的蛇纹石机械结构的俯视图和截面图，该蛇纹石机械结构上施加有静电力，显示由于电流朝向相同方向而产生的磁场，导致更高的净磁通量和更高的电感。
图26a-b是显示延伸到多个层的图26a-b的可调谐电抗元件的截面图，导致每单位面积更高的电感变化。图26a显示具有低净磁通量的低电感状态，图26b显示具有通过多个蛇纹石层组合的高净磁通量的高电感状态。
图27是根据本发明的一个或多个实施例的替代蛇纹石结构的俯视图。
图28是根据本发明的一个或多个实施例的可以在二维中移动和调谐的另一个替代蛇纹石mems元件的俯视图。
图29是根据本发明的一个或多个实施例的甚至进一步替代的蛇纹石mems元件的俯视图，其中通过提供几乎闭合的环路可以增加相邻层之间的耦合。
图30是根据本发明的一个或多个实施例的通用于高电感状态下的顺时针和逆时针电流回路的二维棋盘阵列的又一替代蛇纹石结构的俯视图。
图31是根据本发明的一个或多个实施例的被配置为可调谐电容器的可调谐电抗装置的俯视图
图32a-b显示了根据本发明的一个或多个实施例的用于可调谐电容器的基本结构的俯视图和截面图。
图33a-b显示了根据本发明的一个或多个实施例的用于处于第一高电容位置的可调谐电容器的多层结构的俯视图和截面图。
图34是根据本发明的一个或多个实施例的在一个或多个层中提供的示例性机械结构和梳状驱动器(用于向机械结构提供静电力)的俯视图。
图35a-b显示了根据本发明的一个或多个实施例处于第二低电容位置的图33a-b的可调谐电容器的俯视图和截面图。。
图36是图33a-35b的可调谐电容器的等效电路。
图37a-b显示了根据本发明的可调谐电抗装置的示例性电路实施例。
图38a-r显示了根据本发明的一个或多个实施例的制造可调谐电抗装置的示例性方法。
图39a-b是显示根据本发明的一个或多个实施例的用于可调谐电感装置的示例性蛇纹石结构的俯视图和截面图。
图40显示了通过根据本发明的一个或多个实施例的支柱支撑在基板上方的图39a-b的示例性垂直蛇纹石机械结构。
图41显示了根据本发明的一个或多个实施例用于沿着侧向移动图39a-b和40的垂直蛇纹石机械结构的示例性装置。
图42a-b是包括根据本发明的一个或多个实施例的多个蛇纹石结构的示例性可调谐电感装置的俯视图和立体图。
图43是根据本发明的一个或多个实施例的在示例性可调谐电感装置中通过柔性弹簧(未显示)和金属布线端对端电连接的相邻垂直蛇纹石结构的俯视图。
图44是图43的构造中的垂直蛇纹石的侧视图，其中来自装置中的电流的磁场面向相反的方向。
图45a-b是图43-44的可调谐电感装置的俯视图和侧视图，其中根据本发明的一个或多个实施例交替的垂直蛇纹石结构沿着横向移动半个节距。
图46是根据本发明的一个或多个实施例的替代的可调谐电感装置的侧视图，其中相邻层之间的耦合可以通过提供几乎闭合的环来增加。
图47是图43-45b的示例性可调谐电感器的侧视图，其显示了根据本发明实施例的导致亚稳态高电感状态的力。
图48是描绘了根据本发明的一个或多个实施例的示例性可调谐电感器的机械弹簧和电磁势能的曲线图。
图49是显示根据本发明的一个或多个实施例的示例性可调谐电感器中的机械弹簧力fmech、梳状驱动器静电力fcomb和电磁力fem之间的关系的俯视图。
图50是根据本发明的一个或多个实施例的包括多个可调谐电感器元件的示例性复合可调谐电感器的俯视图，所述多个可调谐电感器元件可用于创建较大电感器的片段。
图51是显示根据本发明的一个或多个实施例的如何在包括多个可调谐电感器元件的复合可调谐电感器中可减小寄生电感的示意图。
图52a-52b是显示根据本发明的一个或多个实施例的在基板上方并通过弹簧锚固的可移动mems机械结构层的侧视图和俯视图。
图53是显示根据本发明的一个或多个实施例的包括垂直机械手指结构的示例性可调谐电抗装置的俯视图，所述垂直机械手指结构通过(部分)固定梳状驱动器侧向移动，同时通过柔性弹簧连接到基板。
图54a-54b是图5a和5b的可调谐电抗装置的不同状态的侧视图。52a-b和53。
图55a-b是显示存储能量和施加到根据本发明的一个或多个实施例的示例性可调谐电抗装置的电压的曲线图。
图56a-t显示了通过根据本发明实施例的示例性方法制造的可调谐电抗装置的横截面。
图57a-b是包括根据本发明的一个或多个实施例的多个蛇纹石结构的示例性可调谐电感变压器的俯视图和立体图。
图58a-b显示了低电感或“关闭”状态下的可调谐电感变压器的俯视图和侧视图。
图59a-b显示了高电感或“打开”状态下的可调谐电感变压器的俯视图和侧视图。
图60显示了图57-59所示的可调谐电感变压器的等效电路。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的各种实施例，其示例在附图中显示。虽然将结合以下实施例来描述本发明，但是将理解的是，描述并不旨在使本发明受到这些实施例的限制。相反，本发明旨在覆盖可能包括在本发明的精神和范围内的替代、修改和等同物。此外，在下面的详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。在其他情况下，众所周知的方法、程序、部件和材料没有被详细描述，以免不必要地模糊本发明的方面。
因此，结合以下实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行全面、清楚地描述。应该理解，这些描述并不意图将本发明限制于这些实施例。基于本发明所描述的实施例，所有其他实施例可本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下获得且都在本发明法律保护的范围内。
此外，除了相互排斥的特征和/或过程之外，本文中所公开的所有特征、措施或过程均可以以任何方式和以任何可能的组合进行组合。除非另有说明，否则本说明书、权利要求、摘要和附图中公开的任何特征均可以用具有相似目标、目的和/或功能的其他等同特征或特性来代替。每个特征通常只是本文所公开的本发明的一个实施例。
示例性可调谐电抗装置
该可调谐电抗装置通过在其中的一个或多个结构中使用小的机械位移来改变装置中的电场和/或磁场的拓扑结构来实现电抗(a/c阻抗)的显著变化。可以使用平衡静电力来实现位移，而不会使位移的结构接触装置中的基板或另一结构。该可调谐电抗装置可以被配置为数字电容器和/或电感器，或者被配置为模拟电容器和/或电感器，其中电抗值由施加到装置的信号的电压电平来控制。
调谐电容和电感电抗的装置可以用相同的工艺在相同的基板上制造。例如包括显示从基板开始的垂直位移的装置和显示沿基板的横向位移的装置。在显示垂直位移的实施例中，所述装置通过来自基板的一个或多个mems装置的小垂直位移通过改变电场和磁场的形貌来调谐电抗。在显示横向位移的实施例中，所述装置通过沿着基板的一个或多个mems装置的小横向位移通过改变电场和磁场的形貌来调谐电抗。小的位移可以用一个或多个静电的、压电的、电磁的或热的致动器来实现。
可以用在相同基板上使用相同制造工艺的装置来调谐感抗(例如，其中xl＝ωl)和容抗(例如，其中xc＝1/ωc)两者。由于串联rlc电路中的谐振由ωo＝1/sqrt(lc)给出，所以通过调谐同一管芯中和/或在同一基板中的电感(l)和电容(c)两者可以实现更大范围的共振频率的调谐。因此，该可调谐电抗装置可以用于可调lc电池箱或lc匹配网络、压控振荡器(例如，用于包括可调lc电池箱或lc匹配网络的频率生成)、用于调谐无线能量传送的阻抗的装置、可调谐天线中的或者其中性能由一个或多个传感器(其可以依次提供经由控制回路和/或控制电路反馈以调整可调谐电抗装置以优化例如ac信号的阻抗，功率水平，频率，振幅或相位等特定性能参数)监控的可调匹配网络的部件(例如，用于被配置成发送和接收无线信号的rf电路)等。
图1-2分别显示了示例性电容器元件100的俯视图和截面图。电容器元件100可以是可调谐电抗装置的元件，其单独或与一个或多个其他元件组合。
图2显示了可调谐电容器元件100的更多细节。可调谐电容器元件100建立在诸如硅、二氧化硅、硅锗、砷化镓、碳化硅、玻璃或绝缘体上硅(soi)晶片之类的基板115上。可调谐电容器元件100包括导电总线101，在一个实施例中，导电总线101是rf信号路径。可调谐电容器元件100还包括优选在rf信号路径外部的控制电极102，103，104和105。可调装置100包括支撑柱106a-f，其中的一些支撑柱可移动梁元件108a-d。可移动梁元件108a-d跨越没有固体结构的间隙107a-e。可移动的梁元件108a-d支撑单独的导电电极109，110，111，112和113。梁元件108a-d通过柔性机械弹簧114a-j连接，柔性机械弹簧114a-j允许梁元件108a-d的端部朝向并远离基板115成角度移动。可移动梁元件108a-d，柔性弹簧114a-j和支撑柱106a-f可由诸如单晶硅、非晶硅、砷化镓、碳化硅、硅锗或其他常用半导体材料等材料制造，而导电电极109，110，111，112和113可以由如铜、铝、铝铜、铝硅、金、银、铂、钨、钽、石墨烯、钛或其他高导电率材料等高导电材料制造。
图1和图2所示的可调谐电容装置100用作可调谐电容器。该可调谐电容器元件在图1和2中以其高电容或非激活状态显示。图3显示处于其低电容或有效状态的可调谐电容器元件100。在电极102和110之间施加电压差，同时在电极103和111之间施加相似的电压差，从两侧通过杠杆机构使电极110和111朝向基板115和使电极109提升。电极104，105，112和113优选地设定在相同的电压(例如，等于电极104，105，112和113中其它电极上的电压)，并且对图4中的梁的移动没有贡献。电极109和101之间的中心间隙107c随着这两个电极之间的电容而增加。电极109优选地保持在一个固定的电压处，例如在地面。图3中的垂直箭头指示了当可调谐电容器元件100从高电容状态切换到低电容状态时梁元件108e-g和附接电极109，110和111的移动方向。可移动梁元件108e-g、柔性弹簧114a-j和支撑柱106a-f可以由诸如单晶硅、非晶硅、碳化硅、砷化镓、硅锗或其他常见半导体材料的材料制成，而导电电极可以由诸如铜、铝、铝铜、铝硅、金、银、铂、钨、钽、石墨烯、钛或其他高导电率材料的高导电材料制造电极109，101，111，112和113。
图4显示了返回到高电容状态的可调谐电容元件100。通过施加电极104和112之间的电压差以及电极105和113之间的类似电压差，同时消除电极102和110之间以及电极103和111之间的电压差，使得梁元件108上的电极109相对于信号电极101而迅速返回到高电容状态。通过关闭之前使电极109移离基板115的杠杆臂致动并且通过拉下电极112和113来抵消杆臂致动，中心电极109可以更快地返回其初始高电容状态。电极101可以相对于基板115与电极102，103，104和105处于相同的高度，或者其相对于如图4所示的基板115可以处于比电极102，103，104和105更高的高度，以提供较高的初始电容状态，同时允许梁元件和电极110，111，112和113充分移动。在任何情况下，电极101位于可移动梁108和电极109的下面或与其重叠。例如，与可移动梁108和电极101两者正交且沿至少可移动梁108的长轴定向的一平面可以穿过可移动梁108和电极101。可移动梁元件108a-f、柔性弹簧114a-j和支撑柱106a-f可由诸如单晶硅、非晶硅、碳化硅、砷化镓、硅锗或其他常见半导体材料的材料制成，同时传导电极109，110，111，112和113可以由诸如铜、铝、铝铜、铝硅、金、银、铂、钨、钽、石墨烯、钛或其他高导电率材料等高导电材料制造。
上述可调谐电容器元件100提供快速切换、可重复且可变的电容，而不在表面之间进行任何物理接触或与信号路径进行物理或直接电连接。用于上述可调谐电容元件100的等效电路示意图200在图5a中显示，包括具有耦合到rf信号线220的第一电极和耦合到地面230的第二电极的可变电容器210。可调谐电容器的各种实施方式可以包括以各种组合设置的多个可调谐电容元件的阵列，例如串联和平行配置，如图5b所示，图5b是可变电容器阵列250的示意图，其具有在rf信号线272与地面280之间彼此并联的三个电容器260，262和264以及在相同节点(即，rf信号线272和地280)之间的串联电容器266和268(即串联电容器)。
图1至图5b显示了本发明所设想的可调谐电抗装置的一个方面。类似于图1至图5b所示的可调谐电抗装置可以通过与类似装置的组合来配置，以充当可调谐电感器和/或可调谐电容器。如图1所示，本发明的各种实现可以包括以各种组合(例如串联和并联配置)设置的多个可调和固定的电容元件和/或可调和固定的电感元件的阵列，如图5b所示。
图6a是分别沿着电容器电极319，329和339的长度具有交叉的指状件340a-h，350a-h和360a-h的示例性可调谐电容器300的俯视图，以提供额外的电容(例如，更宽范围的电容)和/或允许根据本发明的一个或多个实施例的更大的电容调谐范围。可调谐电容器导体329与接地导体319和339交叉部分增加了可调谐电容器元件300的电容。
可调谐电容器300包括分别接收地面电压、调谐(例如，rf)信号和地面电压的三个mems装置310，320和330。类似于图1-4的可调谐电容器100，mems装置310，320和330包括优选在rf信号路径外部的控制电极311-313和316，321-323和326以及331-333和336、在没有固体结构的控制电极下面的间隙之间支撑可移动梁元件(未显示)的支撑柱(未显示)、以及支撑控制电极的可移动梁元件318a-d，328a-d和338a-d。mems装置310，320和330的功能与图1-4的可调谐电容器100相同或基本相似。
图6b-c是在不同的状态下的图6的可调谐电容器的端视图。图6b显示了处于高电容状态的具有交叉指状件(电极320上的指状件350a和350e被显示)的可调谐电容器300a。图6c显示具有处于低电容状态的交叉指状件的可调谐电容器300b。
以与图1-4的可调谐电容器100相同的方式选择不同的状态。mems装置310和330的状态可以被单独地选择以提供进一步的可选电容。图7是图6a-c的可调谐电容器300的等效电路400的示意图。等效电路400包括可变电容器410，412和414，每个可变电容器具有耦合到rf信号线420的第一电极和耦合到地面电位的第二电极。
图8a-b显示了可调谐电感元件500的俯视图和侧视图，该可调谐电感元件500类似于图1-5所示的可调谐电容元件100，除了在基板上没有中心电极之外。
图8b显示了可调谐电感器元件500的更多细节。可调谐电感器元件500建立在诸如硅、二氧化硅或绝缘体上硅(soi)晶片之类的基板515上。可调谐电感器元件500包括优选在任何rf信号路径外部的控制电极502，503，504和505。可调谐装置包括支撑可移动梁元件508a-e的支撑柱506b-e。可移动梁元件508a-e与没有固体结构的间隙507a-e相邻。梁元件508a-e支撑单独的导电电极509，510，511，512和513。梁元件508a-e通过柔性机械弹簧514a-j连接，该柔性机械弹簧514a-j允许梁508b-e朝向并且远离基板515移动。可移动梁元件508a-f，柔性弹簧514a-j和支撑柱506a-f可以由诸如单晶硅、非晶硅、碳化硅、砷化镓、硅锗或其他常用半导体材料的材料制造，而导电电极509，510，511，512和513可由诸如铜、铝、铝铜、铝硅、金、银、铂、钨、钽、石墨烯或钛等的高导电率材料的高导电材料制造。
图9显示了通过传导总线604，605和606并传导锚固点(例如，链路)619a-b，618a-b和607a而串联连接的一系列电感器元件601，602和603。导电总线优选在基板上方的相同高度处，并且由与中心元件601，602和603顶部上的导电电极相同的工艺由相同的材料制成。导电总线604，605和606将电感元件的一端连接到另一个电感元件的另一端，如图9所示。导电总线604，605和606优选地在锚固点607a，619a-b和618a-b处连接到可调谐电感器元件601，602和603。图9中的水平箭头指示在所连接的一系列元件内的给定时间内的电流的一个方向。但是，电流也可以反向流动。注意，电感器元件601，602和603中的电流沿着与导电总线604，605和606中的电流相反的方向流动。导电总线604，605和606以及电感器元件601，602，603上的电极可由诸如铜、铝、铝铜、铝硅、金、银、铂、钨、钽、石墨烯或钛或其他高导电率材料等高导电率材料制成。在优选实施例中，导电总线604，605，606由与电感器元件601，602和603上的电极相同的高导电率材料制成。虽然可调谐电感器600包括串联连接的三个可调谐元件601，602和603，但是在本发明的范围内，可以有更多的配置。
图10显示处于激活状态的可调谐电感元件600。在电极622和610之间施加电压差，而在电极623和611之间施加相似的电压差，使电极610和611朝向基板615和从两侧通过杠杆机构提升电极609。电极624，625，612和613优选地设置在相同的电压下，并且不参与图10中的梁移动。电极609与基板之间的中央间隙627增加，并且电极609升高到相邻的导电总线605和606的水平以上(未见)。图10中的垂直箭头指示当可调谐电感元件从非激活状态切换到激活状态时，梁元件608b-d和附接电极609，610和611的移动方向。可移动梁元件608、柔性弹簧614和支撑柱626a-f(也参见图11-12)可以由诸如单晶硅、非晶硅、碳化硅、砷化镓、硅锗或其他常见半导体材料的材料制造，而导电电极609，610，611，612和613可由诸如铜、铝、铝铜、铝硅、金、银、铂、钨、钽、石墨烯、钛或其他高导电率等高导电材料制造。
图11显示了关于图10的可调谐电感器元件600的中心部分的附加细节。可调谐电感元件600的中心部分包括支撑覆盖导体609并通过柔性机械弹簧614e-f附接到杠杆臂608b和608d的可移动梁元件608c。可移动梁元件608b-d、柔性弹簧614d-g和支撑柱626c-d可以由诸如单晶硅、非晶硅、碳化硅、砷化镓、硅锗或其它常见半导体材料的材料制成，而导电电极609，610，611，612和613可由诸如铜、铝、铝铜、铝硅、金、银、铂、钨、钽、石墨烯、钛或其他高导电率材料的高导电材料制成。当电感元件600被激活时，电极609升高到相邻导电总线606和605的高度之上，并且电极609与基板615之间的间隙617也增加。
由于图9中所示的布线配置，因此导电电极609内的任何电流将以与相邻导电总线605和606中的电流相反的方向移动。图11中的水平箭头指示可调谐电感器系列内的给定时间内的电流的一个方向(虽然相反的方向也是可能的)，并且显示可移动电极609中的电流与相邻的固定导电总线605和606的方向相反。在电极中流动的电流按照右手规则产生围绕电极的磁场。采用如图11所示的电流方向，由于电极609和605中的电流引起的磁场在页面中是相同的方向，如电极609和605之间的区域中的“x”标记627所示。来自电极609和605的磁场在电极609和605之间的区域中结合在一起，在该区域中产生与线圈电感器的核心区域相似的更大的净磁通量。注意，来自电极609和605中的电流的磁场取向在电极609和605之间的区域之外的区域中处于相反的方向。如图11所示的和如图9中连接的激活的电感器元件600因此与具有进出页面的主轴线的螺线管电感器类似，并具有电感值，所述电感值与电极609和605之间的横截面面积以及串联连接的可调谐电感器元件的总数成正比。图9显示了串联连接的3个可调谐电感元件，但是在本发明的范围内可以有更多的配置。被激活的可调谐电感器600将电磁能量存储在对齐的电流线圈的磁场中，并且这样做提供了抵消弹簧元件614d-g的机械恢复力的一些向上和向外的力。图11中的对齐的磁场提供反抗所产生的磁场变化的电磁力。
当可调谐电感元件600被去激活并且返回到图12中所显示的其初始的低电感状态时，电极609与相邻的导电总线605和606在基板上方基本上在相同的平面和相同的高度处，并且在横截面示意图中实际上没有电感器的重叠或“芯”区域。所连接的一系列电感元件的电感以及所存储的电磁能量处于图12的配置中的元件的最小值处，因为没有磁场的有效回路来显著地组合和/或影响其他回路。当弹簧614a-j处于松弛平衡状态时，机械势能也是最小的。
图12显示了返回到非激活状态的可调谐电感元件600。可移动梁元件608a-e、柔性弹簧614a-j和支撑柱626a-f可以由诸如单晶硅、非晶硅、碳化硅、砷化镓、硅锗或其他常见半导体材料等的材料制成，而导电电极609，610，611，612和613可由诸如铜、铝、铝铜、铝硅、金、银、铂、钨、钽、石墨烯、钛或其他高导电率材料等的高导电材料制成。通过施加电极624和612之间的电压差以及电极625和613之间的类似电压差，同时消除了622和610之间以及623和611之间的电压差，使得梁元件608c上的电极609迅速回到非激活状态。通过关闭之前使电极609移离基板615的杠杆臂致动并且通过拉下电极612和613来抵消杠杆臂致动，中心电极609可以更快地返回至其非激活状态。上述可调谐电感元件改变了电容以及连接的电极的电感，因此被称为可调谐电抗装置。上述可调谐电抗装置提供快速切换、可重复且可变的电感和电容，而不在表面之间进行任何物理接触。
本文所描述的可调谐电抗装置650的电路示意图在图13中显示。可调谐电抗装置650包括可变电容器660和可变电感器670。可变电容器660具有耦合到rf信号线680的一个电极和耦合到地面电位的另一个电极。可变电感器670具有耦合到rf信号线680的一个端子和耦合到地面电位的另一个端子。本发明的各种实施方式可以包括以各种组合设置的多个可调谐电抗装置的阵列，例如串联和并联配置。
可调谐电抗装置，例如图1-4和6a-c中所示的可调谐电容器，以及图8所示的可调谐电感器和电容器装置，可以使用相同的制造工艺在相同的基板上制造，并可被结合到装置的各个组合中，如图14所示的示例性可调谐电感器和电容器装置700的俯视图所示的那样。具有基础rf信号总线701的可调谐电容器元件710被制造成在相同装置内的相同基板上与可调谐电感器和电容器串联元件720相邻。可调谐电容器元件710包括优选地在rf信号路径外部的控制电极711-714、在没有固体结构的控制电极之下的间隙之间支撑可移动梁元件708的支撑柱(未显示)、以及支撑控制电极的可移动梁元件708。可调谐电容器元件710的功能与图1-4的可调谐电容器100相同或基本类似。可调谐电感器和电容器元件720包括导电总线704，705和706以及传导锚固点(例如，链路)719a-b和718a-b。导电总线优选地由与中心元件729a-b的顶部上的导电电极相同的工艺由相同的材料制成。导电总线705将电感器元件729a的一端连接到电感器元件729b的相对端。导电总线704，705和706优选地在锚固点719a-b和718a-b处连接到可调谐电感器元件729a-b。可调谐电容器和电感器的各种组合可以在相同的装置和基板上使用相同的工艺来制造。例如，导电总线704可以电连接到信号总线701，由此提供了调谐同一信号节点上的容抗和感抗的机制，并且允许更大范围的谐振频率调谐(例如由等式ω0＝1/sqrt(lc)提供)。
图15显示了用与基板815连接的保护盖820封闭的可调谐电抗装置800。保护盖820可以由硅、碳化硅、聚酰亚胺或半导体晶片制造中使用的其它常见材料制成。在一个实施例中，保护盖820可以是通过共晶结合、熔融结合或热压结合结合到基板815的cmos电路晶片。保护盖820可以通过共晶或热压粘合形成的电触点(未显示)电接合到可调谐电抗装置810。可调谐电抗装置800包括用于可调谐电容和/或电感装置810的保护盖820外部的电极821a-b，以根据需要或期望通过引线接合、球接合或其他电线连接机制与外部装置电接合。
图16显示了实现该可调谐电抗装置并制造在单个管芯上的集成电路900的示意图。rf天线940连接到管芯的rf输入端口945。包括可调谐电容器和电感器的各种可调谐电抗装置910被排列并且耦合或连接到rf天线总线905。数字控制信号通过控制端口925输入到管芯，并且连同电源和接地电源通过电源端口935和937输入到控制电路块920。数字控制信号和控制电路选择可调谐lc阵列910中的可调谐电抗装置的数量和类型或尺寸以在给定时间激活，并且可以动态地改变以适应操作需要。电荷泵930也被提供在管芯上，以将输入电源电压vdd增加到激活可调谐电抗装置910中的mems杆臂或其他致动器可能所需的较高电压(例如20v)。管芯还提供用于使调谐的天线信号通过管芯的rf输出端口915。在本发明的范围内，可以对该电路进行各种实施和修改。
图17显示实施该可调谐电抗装置且在单一管芯上制造的另一集成电路950的示意图。rf天线940连接到管芯的rf输入端口945。包括可调谐电容器和电感器的各种可调谐电抗装置910被排列并耦合或连接到rf天线总线905。由电容器960表示的信号传感器测量(例如，rf信号的)输入功率电平。信号传感器也可以对输入信号的电流进行滤波或者限制，并且可以对输入信号的频率进行滤波或者传输。传感器可以包括超出电容器960的附加电路元件和/或器件，并且在一些实施例中，可以进一步包括可调谐电抗装置910中的一些或全部。来自传感器的模拟信号被输入到模数转换器(adc)970。adc970转换来自诸如功率电平、频率和相位的模拟传感器的信息，并将它们输入到数字控制块920。数字控制信号通过控制端口925输入到管芯以及电源和接地电源通过电源端口935和937输入到控制电路块920。数字控制信号和控制电路选择阵列中的可调谐电抗装置的数量和类型或尺寸以在给定时间激活，并且可以动态改变以适合操作需求。电荷泵930也被提供在管芯上，以将输入电源电压vdd增加到要激活可调谐电抗装置910中的mems杆臂或其他致动器可能所需的较高电压(例如20v)。管芯还提供用于使调谐的天线信号通过管芯的rf输出端口915。在本发明的范围内，可以对该电路进行各种实施和修改。
具有横向位移的示例性可调谐电抗装置
图18显示了被配置为可调谐电感器的可调谐电抗装置的俯视图。可移动的mems梁1000连接到弹簧1060和1062，弹簧1060和1062由连接到基板(未显示)的锚固件1042和1046支撑。蛇纹石结构可以通过通孔1044和1048连接到上层或下层。弹簧1060和1062比蛇纹石结构1000软得多，并且在弹簧1060和1062移动期间经历变形。可调谐电抗装置包括固定电极1054和1056，所述固定电极1054和1056作为梳状驱动器1050和1052的一部分固定在基板上，这些驱动器通过静电力致动梁的移动。水平箭头指示结构的移动方向，除锚固件1042和1046以及固定电极1050和1052之外，该结构不受限于基板。通过可移动mems梁1000通过可移动梁上的金属涂层提供电连接。梳状驱动器1050和1052优选不被金属化。在该实施例中，可调谐电抗装置的可移动mems梁1000包括平行于基板的蛇纹石或锯齿形结构。可调谐电抗装置还包括穿过锚固件1042和1046的通孔1044和1048，以提供到装置的第二层的电连接。
图19a-b显示了图20所示的蛇纹石结构1000的基本单元1000'的细节。基本单元1000'(以及蛇纹石结构1000)可以包括具有附加的金属(例如表面1002和1004)的硅或其他机械材料(例如，1006，1008)。图19a是在第一层中形成的由金属围绕的蛇纹石机械结构1000'的俯视图。图19b中显示图19a中蛇纹石结构1000'的截面图。蛇纹石结构1000'包括或由诸如硅的机械材料1006，1008与诸如铜的金属涂层1002，1004(其可以被电镀或通过cvd沉积)组成。金属涂层1002和1004优选围绕机械层1006和1008，但是也可以是主要沉积在机械层1006和1008的顶表面(例如，图19b中的1002和1004的上部)上的金属层。
图20a-b分别显示了蛇纹石结构1000的俯视图和侧视图，其通过弹簧和锚(图20a-b中未显示，但类似于图1-4，6a，8a-12和14中所示和所述的那些)支撑在基板1020上方。)，在基板1020和蛇纹石结构1000之间具有间隙1025。
图21a-b是显示图20a-b的蛇纹石机械结构的俯视图和剖视图，在第一层1010上方具有附加的金属层1030，在第一层和第二层之间具有一间隙。在图21中，第二蛇纹石mems层1030设置有与第一蛇纹石mems层1010相同的形状和足印。第二蛇纹石mems层1030由锚固件(未显示)支撑并使用如同在第一蛇纹石mems层中一样的一个或更多通孔(参见图22b)电连接到第一蛇纹石mems层1010。第二蛇纹石mems层1030被第一蛇纹石层1010上方的弹簧(未显示)机械支撑，两个蛇纹石层之间具有间隙。
图22a-b是显示图22a-b的蛇纹石机械结构的俯视图和剖视图，该蛇纹石机械结构具有从第一蛇纹石层1010通过除了蛇纹石之外的基板提供到第二蛇纹石层1030的电连接1040。电连接包括从第一蛇纹石元件1016到第二蛇纹石元件1036在锚固件1044中的通孔1042。第一蛇纹石层1010和第二蛇纹石层1030中的蛇纹石导体横跨电负载连接，从而允许电流流过蛇纹石。无论负载如何，第一蛇纹石层1010中的电流都以与第二层1030中的电流相反的方向流动。图22c显示了由在第一和第二蛇纹石层1010和1030中的电流产生的磁场通过蛇纹石面向相反的方向，导致低净磁通量和低电感。一个圆圈的“x”表示进入页面平面的磁场，圆圈点(“●”)代表页面平面外的磁场。
在图22a-c中，第一mems蛇纹石结构1010的一端处的电负载连接到第二mems蛇纹石结构1030的一端，使得电流流过第一mems蛇纹石结构1010、通孔1040和第二mems蛇纹石结构1030。第一层中的第一mems蛇纹石结构1010中的电流以与第二mems蛇纹石结构1030中的电流相反的方向流动。由通过蛇纹石结构1010和1030电流产生的磁场1045a-b如圆圈中的符号所示沿着z轴面对相反的方向。图22c指示进入和离开页面的等量的磁场。由于磁场1045a-b朝向相反的方向，因此通过蛇纹石1010和1030的z方向的净磁通量很小，系统的电感相对较低。
图23是根据本发明的一个或多个实施例的用于提供静电力1055的示例性至少一个结构(例如梳状驱动器1050)的俯视图，该静电力1055可以移动相应的蛇纹石结构1000。虽然梳状驱动器1050被显示为连接到第一层1010中的蛇纹石结构1000，但是梳状驱动器1050可以连接到第二层中的蛇纹石结构1030，或者在第一层和第二层中的每个层中的梳状驱动器分别连接到相应的蛇纹石结构。
图23显示了连接到梳状驱动器1050的一端的可移动的mems蛇纹石结构1000。梳状驱动器1050提供了吸引静电力以移动mems蛇纹石结构1000。在一个优选实施例中，存在平衡梳状驱动器1050和1052，其可在相反的方向上移动mems蛇纹石结构1000，如图18所示。梳状驱动器1050和1052具有锚固到基板(例如，图20b中的基板1020)的一端部。在一个优选实施例中，蛇纹石1000上的金属化层不覆盖梳状驱动器1050和/或1052，而是围绕梳状驱动器1050和/或1052从可移动mems蛇纹石结构1000的一个通孔1044到相对端的通孔1048提供的低电阻路径，如图18所示的那样。
在图24中，将静电力施加到一个或多个蛇纹石层，以相对于另一个蛇纹石移动一个蛇纹石半节距距离。蛇纹石的原始位置(1000)用虚线表示。在图24中，梳状驱动器1050处的静电力沿负x方向施加，导致可移动的mems蛇纹石元件移位半节距至1000-a位置。图24指示蛇纹石管沿x轴从原始位置(1000)的相对位移。沿着y轴没有位移。
图25a-b是显示图25a-b的蛇纹石机械结构的俯视图和截面图，其中由在蛇纹石结构1010和1030中的电流产生的磁场1045a'-b'面朝相似的方向，导致更高的净磁通量和更高的电感。圆圈中的“x”表示页面中的磁场1045b'。圆圈中的点表示页面外的磁场1045a'。
图25a-b指示当两个蛇纹石元件1010和1030中的一个相对于另一个蛇纹石元件沿x轴移位半个节距时由通过可调谐电感器元件1000的电流产生的磁场1045a'-b'方向。沿着z轴的磁场1045a'-b'指向相同的方向，相互加强并且有助于可调谐电感元件1000的磁通量和电感的增加。磁场1045a'-b'经历来自图22c中的配置拓扑变化，其中z方向上的磁场针对于图25a中的配置彼此抵消，其中磁场1045a'-b'在z方向上彼此增强，随着蛇纹石的随后匝而交替-z方向和+z方向。层1010和1030之间的磁耦合取决于间隙间隔，相对于蛇纹石结构1010和1030的厚度，间隙间隔优选地较小。更多的电磁能量在图25a-b所示的偏转状态下而不是在图25a-c所示的未偏转状态下存储在磁场1045a'-b'中。就电磁能而言，图25a-b的配置是优选的，并且可以是亚稳态。除了机械力之外，可移动mems蛇纹石结构1010和/或1030将经历电磁力以将磁场朝向彼此拉动并且沿相同的方向对准。图25a-b的配置由于驱动蛇纹石结构1010和1030朝向磁场1045a'-b'的对齐的电磁力而可以对于小的扰动稳定。
图26a-b是显示图26a-b的设计的截面图，该截面图延伸到多个层1010，1030，1070和1080，导致每单位面积更高的电感变化。图26a显示了最低的电感状态。图26b显示了最高的电感状态。在进一步的实施例中，不同层(例如，单独的1010，单独的1030，单独的1070，一起的1010和1080等)可以相对于其他蛇纹石结构偏移或移动半节距距离。图26a-b中的配置可类似于多个并联的垂直螺线管电感器结构。通过可移动的mems蛇纹石梁1010，1030，1070和/或1080的致动，类螺线管电感可以以数字或多位方式打开或关闭。
图27显示了另一个实施例，其中蛇纹石1010'和1030'的相邻匝之间的间隔(以及因此磁场重叠区域1013a-c)比之前的图中的大。在一个这样的实施例中，蛇纹石1010'和1030'的相邻匝之间的间隔大于蛇纹石1030'的位移，允许对电感进行模拟精确调谐(例如，通过向可以在预定范围内变化的梳状驱动器1050施加电位)。在该配置中，电感的调谐与重叠区域1013a-c(其增加电感)与重叠区域1017a-c(其减小电感)的比率成比例。蛇纹石1030'在一层中，蛇纹石1010'在另一层中，并且蛇纹石1010'和1030'通过锚结构(未显示)中的至少一个通孔电连接。在本发明中，如图27所示的模拟电感调谐元件可以以各种串联和并联组合方式连接到类似于图22-25中所示出的数字电感调谐元件，从而在相同的基板上用相同的装置提供感抗的粗略的数字调谐和精确的模拟调谐。
图28显示了可以在两个(正交)维度上移动和调谐的蛇纹石mems元件1030，导致使用相同组的蛇纹石进行数字粗略调谐和模拟精确调谐。例如，数字调谐可以通过相对于另一个蛇纹石1010移动蛇纹石1030一半节距而沿着一个维度(例如在x方向上)进行，以便对电感进行粗略调谐。然后可以通过在预定义的节距范围内移动蛇纹石1030来在另一维度(例如，y方向)执行模拟调谐，以改变重叠区域1013'以用于电感的精确调谐。在这样的实施例中，梳状驱动器1050和1054的指状件可以彼此间隔开，或者可以具有锯齿状轮廓或形状，以允许在两个正交方向上的自由移动。正交运动也可以通过将梳状结构1050和1057附接到不同的同心支撑框架(未显示)来提供，每个支撑框架优选地沿着单个轴线移动。
图29显示了实施例1100，其中通过提供几乎闭合的环路可以增加相邻层之间的耦合。可移动蛇纹石梁1110和1120被成形为近似闭环，以改善蛇纹石元件1110和1120之间的磁耦合。几乎闭合的环也有助于沿z轴限制磁场1125a和1125b。圆圈中的“x”表示进入页面的磁场。圆圈中的点表示离开页面的磁场。
图30显示了另一个实施例1150，其中蛇纹石结构可以概括为处于高电感状态的顺时针(cw)和逆时针(ccw)电流回路的二维棋盘阵列。具有相反电流方向(由沿着蛇纹石1170的箭头表示)的相同覆盖图案在低电感状态下导致很少或没有净磁场。一个蛇纹石1170的机械偏转是横向的并且在页面的平面中。相同或基本相同形状的梁1160和1170形成紧密堆积的连续电流路径，其中至少一个梁是可移动的。梁1170中的电流以与梁1160中的电流相反的方向移动。图30中的配置提供了高密度的可调谐电感元件，因为电流路径的每个部分都对可调谐电感有贡献。图30中的配置可以提供电感的高调谐比和高q(或品质因数)，这是存储在电感器中的能量与电感器中的电阻和其他损耗的比率的量度。圆圈中的“x”表示进入页面的磁场。圆圈中的点表示离开页面的磁场。
该可调谐电感器的优点包括以相对小的位移提供电感的大变化的能力，实现具有电感器的高调谐比率(例如，由于磁场可以在一端被有效地消除或在另一端与高耦合组合)，并最小化或消除调谐期间的电阻变化(例如，与使用mosfet开关或mems接触开关的其他技术相比)。由于较低的电阻损耗，涉及该可调谐电感器的实施例可以为信号调谐提供较高品质因数(或q)，实现更精确的频率调谐范围。由于没有可逆的接触表面，因此本发明还提供比使用接触开关的可变电容器和/或电感器更高的装置可靠性。该可调谐电容器和电感器最小化或消除了由于电介质充电引起的劣化，正如在包括mems电容装置的接触开关中有时看到的那样。与具有类似电感的螺线管相比，该可调谐电感器产生具有相似幅度在相反方向的磁场，导致净磁场的值较小，并且减少了与周围电路的电磁干扰。包括空芯的该可调谐电感器的实施例能够实现高频操作。
具有横向位移的示例性可调谐电容器
除了图18-30所示的提供用于调谐感抗的装置的结构之外，用于调谐容抗的装置可以在相同的基板上以相同的制造工艺来提供。图31显示了被配置为可调谐电容器的可调谐电抗装置1200的实施例，类似于图18中的可调谐电感器。可移动的mems梁1220连接到弹簧1240和1242，弹簧1240和1242由连接到基板(未显示)的锚固件1250和1254支撑。可调谐电抗装置1200包括也锚固到基板的固定电极1230和1232，其通过静电力致动梁1220的移动。图31中的箭头指示结构1220的移动方向，除了锚固件1250和1254以及固定电极1230和1232之外，结构1220是不受限制的。通过可移动mems梁1200通过可移动梁上的金属涂层提供电连接。在该实施例中，可调谐电抗装置1200的可移动梁1220包括平行于基板且平行于电容器板1210和1212的电容器指状件1222。电容器板1210和1212优选地固定(例如，基板或上覆结构)并且与基板的距离不同于电容器指状件1222。电容器板1210和1212连接到不同于可移动梁1220的电节点，并且优选地接地。可调谐电抗装置1200包括穿过锚固件1250和1254的通孔1252和1256，以提供到装置的第二层的电连接。弹簧1240和1242比电容器元件1220软得多，并在移动期间经历变形。
图32a-b显示了根据本发明的一个或多个实施例的用于可调谐电容器的基本结构的俯视图和截面图，其包括主电极1302和电容指状件1304a-b。如图32b所示，主电极1302和电容指状件1304a-b(横截面未按比例绘制)可以包括硅或另外的具有附加金属例如电镀铜的机械刚性材料。图32a-b中所示的可调谐电容装置的基本部件类似于图19a-b所示的用于可调谐电感器的蛇纹石元件的基本单元。
图33a-b显示了根据图32a-b的实施例的用于可调谐电抗装置(可调谐电容器1300)的多层结构的俯视图和截面图。可调谐电容器1300包括在基板1320上方的两个机械结构层1330和1340(例如，具有附加金属的硅)，在这些层之间具有间隙。图35a-b显示了当可调谐电容器1300处于具有较低电容的二进制/数字位置时电容器电极位置和电场方向。例如，电场线由信号电极1304a-b到基板1320以及电容器电极1314a-b的箭头表示。由于信号线1302和电极1314a-b之间的电势差，信号电极1304a-b经受电磁力，但是由于来自支撑弹簧(例如图31所示的弹簧1240和1242)的恢复力而被设计为处于图35a-b的二进制/数字位置的机电平衡。在图35a-b中，可调谐电容器1300也具有较低的电能，并处于机械松弛状态，其中主电极1302处于机械弹簧(例如，图31中的1240和1242)平衡的未偏转位置。ac或dc电信号沿着可移动梁1302传输，而基板1320和电容器电极1314a-b(通过主电极1312)优选地接地。信号电极1302与基板1320、主电极1312和电容器电极1304a-b相隔较远。
图34显示了用于向诸如梳状驱动器1310的可调谐电容器电极提供静电力1315的结构。梳状驱动器1310可以设置在第一层1310和/或第二层1330(图33)中。通过一个或多个静电梳状驱动器1310将静电力1315施加到可移动电容器梁1302。在另一实施例中，在可移动梁1302的任一端或两端上存在两个或更多个平衡梳状驱动器，这允许梁1302在沿着x轴(以及可选地沿着y轴的一个或两个方向)的任一方向上拉动，同时在梁与梳状驱动器之间保持恒定的电容值。
图33a-b显示了图31的可调谐电容器的俯视图和截面图。图33a-b显示处于第二二进制/数字位置的可调谐电容器，其中一个或多个梳状驱动器(例如图34中的1310)已经将电极1314a-b与基板1320之间的可移动梁1302拉出，并且电容器机械地偏转。在图33a-b所示的状态下，可调谐电容器具有比图35a-b更高的电容、更高的电能状态。图33a显示了俯视图，图33b显示悬置在基板1320上方的可移动梁1302的截面图，其间具有间隙。可调谐电容器结构1302由连接到锚固件(图31中的1250和1254)的弹簧(图31中的1240和1242)悬挂。图35b显示了设置在可移动梁1302上方的电容器结构的第二层1314a-b，其间具有间隙。可调谐电容器元件包括诸如硅的机械材料，在其上(例如，在其所有暴露表面上)具有金属层或涂层，例如电镀铜。优选的是间隙具有相同的高度或间隔。较高的电容状态(图33a-b)优选为机械偏转状态，因为在高电容状态下具有较高的能量，并且电磁力可使其亚稳定。支撑弹簧如图31中的1240和1242在高电容状态下机械地偏转，并且根据初始偏转在负x方向或正x方向上提供恢复力。除了机械恢复力之外，可移动梁1302经受来自基板1320和电容器电极1314a-b的电磁力，基板1320和电容器电极1314a-b倾向于将其保持在图33a-b中所示的第二位置。图33a-b所示的第二位置可是亚稳状态，该状态对于小的电磁或机械扰动是稳定的。可移动梁1302可以通过第二梳状驱动器(例如图31中的梳状驱动器1230)返回到第一位置(图35a-b)，该第二梳状驱动器将可移动梁1302沿负x方向拉到机电平衡位置。
图36描绘了表示图33a-35b的可调谐电容器的等效电路的电路示意图。可调谐电容器向图33a-35b中的基板1320和电容器电极1314a-b提供可调谐电容。串联和并联可调谐和固定电容的其他配置可以使用图31-35b中所示的结构来配置。本申请中描述的可调谐电容器和可调谐电感器可以使用相同的工艺在相同的基板上制造。
可调谐电容器和可调谐电感器可以根据需要以各种组合方式连接，例如与阻抗匹配网络、可调谐滤波器、压控振荡器或相位延迟电路一起使用。例如，图37a-b显示了串联和/或并联连接的可调谐电感器和可调谐电容器的两个简单示例性组合。在本发明的范围内可以根据需要配置各种组合。
一种制造可调谐电抗装置的示例性方法
图38a-r显示根据本发明的一个或多个实施例的如本文所述的可调谐电抗装置的示例性制造方法。从图38a开始，氧化物层1510生长或沉积在硅基板1500上。氧化物层1510可以具有大约1μm的厚度。使用图38b中的光刻和蚀刻来图案化氧化物层1510，以形成具有一系列柱1514和在其间的间隙1516a-c的图案化氧化物1512。图38c显示了结合到图案化的氧化物1512和柱1514的第二硅晶片1520。第二硅晶片1520使用熔融键合(例如，存在氧化物)或阳极键合(例如，用于硅与硅的键合)而结合。在图38d，将第一晶片研磨并抛光至所需厚度，以形成薄硅机械层1505。可选地，第二硅晶片1520也可被研磨并抛光至期望的厚度。
在图38e中，使用光刻和蚀刻，优选使用深反应离子蚀刻(drie)来图案化一个硅晶片(在这种情况下为第二晶片1520)，以形成开口1522。或者，薄硅机械层1505而不是第二晶片1520可以被类似地图案化并且蚀刻。在图38f中，在图案化和蚀刻的第二晶片1520上生长或沉积氧化物层。
图38g显示第三硅晶片1530，其经图案化及蚀刻以在晶片1530中产生一腔1532。在图38h中，将第三晶片1530熔接到键合的晶片1505和1520的叠层上。图38i显示了通过晶片1520图案化并蚀刻到下面的晶片1505中的通孔1502和1504。在图38j中，通孔1502和1504填充有导电材料1540和1542，优选金属例如铜。图38k显示使用drie对晶片1520和1505进行图案化和蚀刻，以形成用于可调谐电感装置的可调谐电感器和电容器元件的机械支撑结构1506a-b和1526a-b。使用现有的氧化物(例如，柱1514)作为掩模来执行drie。图38l显示了去除氧化物柱1514和一些图案化的氧化物1512(例如通过湿法蚀刻)，以将第一晶片1505与第二晶片1520分开，并分离诸如用于可调谐电感器和电容器的机械支撑结构的小器件。
在图38m中，光致抗蚀剂1550被沉积、图案化和显影，以暴露要被金属化(例如涂覆有金属)的可调谐电抗装置的区域。请注意，第三晶片1530中的腔1532涂覆有光致抗蚀剂1550。图38n显示使用原子层沉积(ald)和/或化学气相沉积(cvd)来沉积阻挡金属和籽晶层1560。阻挡金属可以是抑制或防止随后的金属层迁移到下面的硅结构中的导电材料(例如，tin)，并且籽晶层可以是或包括导电元素金属，例如ti，ta，pd等，其上随后的散装金属舱被电镀或以其他方式沉积。图38o显示了金属层1565，例如在具有阻挡层和籽晶层金属化1560的装置区域中电镀(或无电镀)的铜，从而形成可调谐电感器和电容器元件1508a-b和1528a-b。在图38p中，(例如通过剥离工艺)除去剩余的光致抗蚀剂(及其上不需要的金属)。
图38q显示结合到晶片堆叠1520，1505和1530以将其电连接到晶片堆叠中的可调谐电抗装置的第四晶片1570。第四晶片1570可以是机械盖晶片、mems盖晶片或cmos电路晶片。在第四晶片1570内蚀刻腔1572，并且可以在第四晶片1570的顶部(实际上在下侧，如图所示)上对金属迹线(未显示)进行图案化和蚀刻，以将可调谐电抗装置电连接到外部装置和/或第四晶片1570上的电路(例如，形成在腔1572中)。使用热压结合或共晶结合将第四晶片1570结合到晶片1520(更具体地，其中的通孔1540和1542)。在图38r中，第四晶片1570被减薄(例如，通过研磨和抛光)至期望的厚度。可选地，第三晶片1530也可以被减薄到期望的厚度。最后，晶片1575可以被蚀刻并且填充有导电硅通孔(tsv)，以形成用于焊球的连接，焊球可以如图56t所示被连接。
一种示例性可调谐电感装置
图39a-b是显示根据本发明的一个或多个实施例的用于可调谐电感装置的示例性基本单元1600的俯视图和截面图。在第一层中创建垂直蛇纹石机械结构1600，例如具有附加金属的硅。或者，垂直蛇纹石管1600也可以是单独的金属。
图40显示了通过柱1612和1614支撑在基板1610上方的竖直蛇纹石机械结构1600。图41显示了可调谐电抗装置1650，其中竖直蛇纹石机械结构1600通过固定的梳状驱动器1620和1622横向移动，同时通过柔性弹簧1630和1632连接到基板1610。弹簧1630和1632比蛇纹石结构1600更软得多。
图42a-b是根据本发明的一个或多个实施例的包括多个蛇纹石结构1710，1720和1730的可调谐电感装置1700中的示例性单元的俯视图和立体图。可替代的垂直蛇纹石结构1710，1720和1730可以横向移位半个节距(例如，相对于与可移动垂直蛇纹石结构1710，1720和1730相邻的附加垂直蛇纹石结构1740和1750[图42a])。直接邻近可移动垂直蛇纹石结构1710，1720和1730的结构1740和1750可以是固定的或可移动的。
图43显示了垂直蛇纹石结构1760，1762，1764，1766和1768的俯视图。相邻的垂直蛇纹石通过柔性弹簧(未显示)和金属布线1761，1763，1765和1767端对端地电连接。电负载(例如rf信号)1770被施加在所连接的蛇纹石的两端。电流1775通过一系列垂直蛇纹石结构，如图43所示处于低电感状态。蛇纹石结构1760，1762，1764，1766和1768中存储的磁能较低，磁能um相对较小。很少或没有静电力施加到结构上。
图44显示了图43的竖直蛇纹石结构的侧视图(只有蛇纹石1760可见)。采用这种配置的垂直蛇纹石，相邻蛇纹石内的电流的磁场面向相反方向，电感最小。圆圈中的“x”表示进入页面的磁场。圆圈中的点表示页面外的磁场。
图45a-b是图43-44的垂直蛇纹石结构的俯视图和侧视图，其中交替的垂直蛇纹石(例如蛇纹石1760，1764和1768或者蛇纹石1762和1766)横向移动一个半间距。这种配置处在高电感状态。在这种结构中，相邻蛇纹石中电流的磁场面向同一方向，磁场相加，通过蛇纹石的磁通量增加，电感明显增加，并与具有对齐的磁场的蛇纹石数量成正比。在高电感状态下，电感器的磁场中存储的能量较高，如um＝0.5*l*i2，其中l是总电感，i是通过电感器的电流。如本文所述，施加静电力以偏转交替的蛇纹石。在图45b中，圆圈中的“x”表示进入页面的磁场，圆圈中的点表示离开页面的磁场。
图46是包括几乎封闭的环的蛇纹石1800和1810的侧视图。相邻的蛇纹石1800和1810之间的磁耦合可以通过将环的端部靠近在一起而增加。圆圈中的“x”表示进入页面的磁场。圆圈中的点表示离开页面的磁场。
图47是近似高电感状态下的可调谐电感器蛇纹石1760和1762的侧视图，类似于图45b所示。高电感状态对小扰动是亚稳定的，因为从相邻垂直蛇纹石移入磁场中的载流导体(例如1760)将经受与
图48是描绘根据本发明的一个或多个实施例的用于描述示例性可调谐电感器的机械和电磁力的机械弹簧势能1910和电磁势能1920的曲线图1900。在本文描述的可调谐电感器中，由于在最大电感点1925处被最大化的边界条件，电磁力实际上是磁能的正梯度，但是为了说明的目的在这里被配置为势阱。基于弹簧的机械恢复力(例如，图41中的1630和1632)以及由于电感器中的能量引起的电磁力，可调谐电感器被设计为具有两个亚稳态1915和1925。来自梳状驱动器(例如，图41中的1620和1622)的静电力被设计成克服两个亚稳态之间的势能势垒(例如，曲线1910和1910交叉的点1930之间的势能差，和亚稳状态1915和/或1925)。总的力给定为电磁力、机械恢复力和静电梳状驱动器力之和(即，ftot＝fem+fmech+fcomb)。
图49是显示包括垂直蛇纹石结构2010，2012和2014的可调谐电抗装置2000中的机械弹簧力fmech、梳状驱动器静电力fcomb和电磁力fem的起始和相互作用的俯视图。顶部和底部蛇纹石结构2010和2014可以是固定的或可调的。梳状结构2020和2022是可调的。弹簧2030和弹簧2032明显比蛇纹石结构软。
图41-49的可调谐电抗装置的优点包括与基板平行的电磁场的生成，最小化或避免了基板中的涡流和/或损耗。该设计可以扩展到多个垂直蛇纹石结构，并且与可以增加的垂直蛇纹石结构的数量一致。由于相反方向的磁场，净磁场很低，因此对相邻电路的干扰较小。
可选的可调谐电抗装置
图50显示了包括多个可调谐元件2000a-c的复合可调谐电感器2050，其可以用于创建诸如螺旋电感器的较大电感器的一部分。可调谐元件2000a-c可以电连接或彼此耦合，如图50所示。
图51显示了根据本发明的一个或多个实施例的用于增加复合可调谐电感器装置中的耦合电感和/或降低其寄生电感的模型2100。例如，由连接的蛇纹石结构2110，2112，2114和2116形成的寄生电感可以通过提供连接电路拓扑的两层垂直的蛇纹石结构来减少，如图51所示。降低寄生电感改善可调谐电感的调谐范围。
图52a-b分别显示了在基板(未显示)上方形成并通过弹簧(未显示)锚固的可移动mems机械结构层2140，2150，2160和2170的侧视图和俯视图，指状件2152a-d，2162a-d和2172a-b交替朝上和朝下。在图52b中，指状件2152a-b和2172a-b指向上(朝向页面的平面之外)，并且从主电极2140和2160延伸的指状件指向下(进入页面的平面)。这种可移动的mems机械结构层在类似于图31中的可调谐电容装置1200的可调谐电容装置中是有用的，但是其中梳状驱动器被配置为水平移动至少交替的机械结构层，并且剩余的机械结构层是固定的或可移动的。在进一步的实施例中，每个可移动mems机械结构层在该层的每个相对端处具有至少一个梳状驱动器。
图53是显示包括类似于图52a-b所示的可移动mems机械结构(电极)2210，2220，2230和2240的可调谐电容装置2200的俯视图。垂直机械指状件结构(例如，指状件2242a-c)通过固定的梳状驱动器2250和2252横向移动，同时通过柔性弹簧2260和2262连接到基板(未显示)。弹簧2260和2262显著比垂直指状件结构或mems机械结构2210，2220，2230和2240更软。
图54a-54b显示了图52a-b的可调谐电容装置的不同状态的侧视图。图54a显示了较低的电容、机械非偏转状态。图54b显示了较高的电容、机械偏转状态。优选地，零偏转松弛状态是低电容状态，而机械偏转状态是高电容状态。由于电容指状件2152a-d和2162a-d之间的电磁力，机械偏转的高电容状态可以是亚稳态的。
返回参考图17，存储在可调谐lc阵列中的可调谐电抗装置的电磁场中的能量的量取决于端口945处和/或总线905上的输入信号的大小。因此，可以过滤和/或限制具有电感和电容电抗的输入rf电路的电流，该电感和电容电抗也可用作传感器960以测量端口945处的输入信号相对于其他信号的幅度、频率和/或相位。传感器电路960可以通过adc970输入到控制电路920，以将梳状驱动器信号的振幅、频率和/或相位调整到可调lc阵列910中的可调谐电抗装置，以使可调谐电抗装置偏转。
图55a-b是分别显示根据本发明的一个或多个实施例的示例性可调谐电抗装置的存储能量和所提出的梳状驱动器电压的曲线图。图55a显示了电磁场中存储的能量vs时间的曲线2300。图55b显示梳状驱动器上的电压vs时间的曲线2350。对于接收到的交流信号，存储在电磁场中的能量的量随着交流信号的频率而变化，如曲线2300所示。因此，可以调整对应于可调谐电抗装置内的电磁能量的变化的梳状驱动器力。将ac信号2350与dc电压偏置2360组合或定时梳状力以便以零电磁能(例如，在ac信号2350中)最大限度地拉动可有助于更高效地将可调谐电抗装置从较高电感或电容(电抗)状态偏转成较低的电抗状态。
一种制造可调谐电抗装置的示例性方法
在图56a-t中显示了根据本发明的一个或多个实施例的制造可调谐电抗装置的示例性方法。图56a-t的方法在许多方面与图38a-r所示的相似，因此本文省略了两种方法共同的步骤的细节描述。
图56a显示了硅晶片2400上的氧化物层2410(例如大约1μm厚)。在图56b中，氧化物层2410被图案化并被蚀刻以形成氧化物掩模2415。图56c显示了硅晶片2400的部分蚀刻以形成沟槽2402a-c。在图56d中，去除了氧化物掩模2415。图56e显示了沉积和抛光(例如，通过化学机械抛光[cmp])的新的氧化物层2420。
图56f显示了已经被图案化并且被部分蚀刻的第二硅晶片2500。在图56g中，第二硅晶片2500熔接到氧化物层2420。在图56h中，第一晶片2400被研磨、抛光和/或湿法蚀刻，以减小其厚度。图56i显示了其中第一晶片2400的背面被图案化并蚀刻以形成锚固的可调谐电抗机械结构2430的晶片叠层。在图56j中，氧化物层2420的暴露部分被去除(例如通过湿法蚀刻)。
在图56k中，光致抗蚀剂2440(包括在第二晶片2500中的沟槽或狭槽2510中)被沉积并被图案化，以暴露第一晶片2400(包括可调谐电抗机械结构2430)上待镀有金属的区域。图56l显示了待镀金属的可调谐电抗装置的暴露区域以及用光致抗蚀剂2440覆盖的可调谐电抗装置的区域的俯视图。垂直电抗元件(例如包括指状件结构)2430、支柱2450-2452和弹簧2460-2462被暴露。在图56m中，使用cvd和/或ald沉积阻挡层和/或籽晶层2470(其可以包括阻挡金属或导电材料)。图56n显示了在阻挡层和/或籽晶层2470上电镀的诸如铜的块状金属2480。
图56o显示了图56m的替代方案，其中阻挡层和/或籽晶层2475被定向溅射在可调谐电抗机械结构2430的顶部上以及第二晶片2500中的沟槽2510中。图56p显示了在电镀金属(例如铜)层2485之后的替代实施例，类似于图56n。在图56q中，光致抗蚀剂2440和不需要的金属被去除(例如，通过剥离工艺)。
图56r显示可以包括具有硅通孔(tsv)2610和2612的cmos电路(未显示)以及优选地围绕其中的中央沟槽或凹陷2630的铜密封环2620的mems盖晶片或cmos电路晶片2600。图56s显示使用热压或共晶接合键合到可调谐电抗装置晶片2400的cmos或mems盖晶片2600。图56t显示了沉积在tsv键合焊盘上的凸块下金属化(ubm)2640，2642以及ubm2640，2642上的焊料球2650和2652，以形成包括根据本发明实施例的可调谐电抗装置的晶片级芯片尺寸封装。
图57a-b是根据本发明的一个或多个实施例的包括多个蛇纹石结构2710-2750的示例性可调谐电感变压器2700的俯视图和立体图。垂直蛇纹石元件2730是单独的电节点，所述电节点仅感应地耦合到相邻的可调谐电感器元件2720和2740。单独的电负载(未显示)连接到蛇纹石元件2730的相对端。
图58a-b显示了处于低电感或“关闭”状态的图57a-b的可调谐电感变压器的俯视图和侧视图。
来自相邻蛇纹石结构2720和2740的磁场在单独的电节点2730处面朝相反的方向，导致通过单独的蛇纹石2730的低净磁通量以及信号或功率的低传递。另外，来自蛇纹石2740和2750的磁场面向相反的方向，并且来自蛇纹石2710和2720的磁场面向相反的方向，导致通过电路的净磁通量较低，而与负载2770的大小无关。
图59a-b显示了处于高电感或“打开”状态的图57a-b的可调谐电感变压器的俯视图和侧视图。垂直蛇纹石元件2720和2750横向移动一半间距，导致通过蛇纹石2710-2750的磁场对齐，如图59a所示。垂直蛇纹石元件2720和2740具有对准的磁场，所述磁场建设性地耦合到单独的电节点2730，将电力和信号传递到节点2730。另外，垂直蛇纹石2740和2750具有对准的磁场，垂直蛇纹石2710和2720具有对准的磁场，进一步增加净磁通量和到单独的节点2730的功率传递。
图60显示了图57-59中所示的可调谐电感变压器的等效电路2800。57-59。可调谐电感器元件2810改变其与无源电感器元件2820之间的电感耦合量，并且用作可调谐电感变压器或a/c信号开关。
结论/总结
已经出于示例和描述的目的给出了本发明的特定实施例的前述描述。其并不是详尽的或将本发明限制于所公开的确切形式，显然地，根据上述教导可以进行许多修改和变化。选择和描述实施例是为了最好地解释本发明的原理及其实际应用。意图的是本发明的范围由所附权利要求及其等同物所限定。
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