TỤ BIẾN DUNG HỆ THỐNG TẤM MEMS SONG SONG VỚI ĐỘ TUYẾN TÍNH CAO VÀ TỶ LỆ ĐIỀU CHỈNH RỘNG SỬ DỤNG CẤU TRÚC ĐÒN BẨY (LEVERING)

TỤ BIẾN DUNG HỆ THỐNG TẤM MEMS SONG SONG
VỚI ĐỘ TUYẾN TÍNH CAO VÀ TỶ LỆ ĐIỀU CHỈNH
RỘNG SỬ DỤNG CẤU TRÚC ĐÒN BẨY (LEVERING)
Học viên: 1. Đào Thị Mơ (MS: 10021187)
2. Nguyễn Thị Nga (MS: 10021188)
3. Vũ Thị Phương (MS: 09021240)
Tóm tắt: - Một phương pháp đơn giản và sáng tạo được đề xuất để đạt được đáp
ứng siêu tuyến tính của điện dung so với điện áp và để có được một độ điều chỉnh
điện dung lớn trong tụ biến dung với hệ thống tấm MEMs song song bằng cách di
chuyển các tấm theo hướng tăng khoảng cách. Bằng việc áp dụng một cấu trúc đòn
bẩy (cấu trúc nâng), phương pháp phổ biến là di chuyển với khoảng cách cố định
của các thiết bị điện tử tĩnh được chuyển thành một chuyển động tăng dần khoảng
cách để giảm điện dung khi điện áp đặt vào thiết bị truyền động được tăng lên. Đạt
được độ tuyến tính cao bằng cách cân bằng tỷ lệ : tấm di chuyển cao lên khi điện áp
đặt vào thiết bị truyền động tăng lên và tỷ lệ: điện dung giảm khi tấm di chuyển lên.
Tụ điện biến dung MEMS đề xuất, được chế tạo thông qua vi máy móc (vi gia công
micromachining) bề mặt kim loại, cho thấy hệ số tuyến tính tuyệt vời (linearity
factor (LF)) là 99,5% cho đáp ứng C – V, và một tỉ lệ điều chỉnh điện dung đạt được
là 134% trong phạm vi thực tế (10-45V) ở một tần số thấp. Khi nó hoạt động ở 1
GHz, thiết bị được đề xuất đã chứng minh hệ số LF 99,5% và tỉ lệ điều chỉnh điện
dung 125% [2011 - 0021]
Danh mục thuật ngữ: Tỷ lệ điều chỉnh điện dung , đáp ứng điện dung so với điện áp
(đáp ứng C – V ), phát động (thiết bị truyền động) nâng, tuyến tính, hệ thống
MEMS, tụ biến dung.
I. Giới thiệu
Trong ứng dụng RF, tụ biến dung với hệ thống tấm MEMS song song được nghiên
cứu rộng rãi để sử dụng trong tầng LC do cấu trúc đơn giản của nó, mất tín hiệu thấp, và
các hệ số chất lượng tương đối cao so với các loại tụ biến dung MEMS khác và điốt điện
dung trạng thái rắn. Theo đó, các tụ biến dung với tấm MEMS song song thường được sử
dụng trong các dao động điều khiển bằng điện áp. (VCOs) và mạch vòng khóa pha (PLL:
Phase – locked loop) để đạt được nhiễu pha thấp. Ngoài ra, khi tụ điện biến dung MEMS

điều khiển giá trị điện dung sử dụng chuyển động cơ học, cấu trúc quán tính đã ngăn ngừa
một tín hiệu nhiễu với một tần số vượt quá tần số cộng hưởng cơ học của thiết bị. Do các
bộ dẫn động tĩnh điện, sự phân cực của bộ dẫn động điện áp là không quan trọng, cái này
ngăn cản bất kỳ một vấn đề nào của phân cực thuận mà có thể là kết quả quan trọng trong
đi - ốt biến dung (varactor) tiếp giáp p-n
Mặc dù có nhiều lợi thế, các tụ biến dung với tấm MEMS song song phổ biến cho thấy
đáp ứng C-V không tuyến tính nhất là điều chế điện dung xảy ra gần khu vực điện áp điều
khiển cao nhất. Điều này là do tốc độ là tấm di chuyển xuống khi điện áp dẫn động cung
cấp tăng cung cấp một hiệu ứng gia tốc cho tốc độ làm điện dung tăng khi tấm di chuyển
xuống. Đã có một số báo cáo minh họa cái phi tuyến vốn có này như là một yếu tố bản
chất trong thế hệ của nhiễu pha phi hằng số trong phạm vi điều chỉnh tần số của VCOs và
sự thay đổi băng thông lặp lại trong LC – VCO dựa trên PLLs. Ngoài ra, bất kỳ sự thay
đổi biên độ nào trên nút đầu ra VCO do phi tuyến dẫn động đều được biết đến như một
nguồn đáng kể mà làm tăng mức độ nhiễu pha VCO.
Gần đây, một số tụ biến dung tấm MEMS song song đã cho thấy hệ số tuyến tính cao
(LFs) (98,5%-99,6%) và tỷ lệ điều chỉnh điện dung lớn hơn đáng kể so với các thiết bị
thông thường. Tuy nhiên, sẽ khó khăn để thiết kế một giá trị điện dung và một phạm vi
điện áp điều khiển bằng cách tiếp cận cũ là tăng hằng số đàn hồi cơ học sử dụng một cấu
trúc lò xo bổ sung hoặc độ cong của đầu tấm bilayer khi tăng điện áp hiệu dụng đặt vào.
Vì vậy, một số thử nghiệm đã được yêu cầu để tối ưu hóa.
Từ quan điểm này, một phương pháp rất đơn giản và hiệu quả được đề xuất để đạt
được độ tuyến tính cao và tỷ lệ điều chỉnh điện dung lớn là sử dụng cấu trúc tấm song
song thông thường. Điều này nghiên cứu tập trung vào hướng chuyển động của tấm.
Ngược lại với hướng điều khiển khoảng cách cố định thông thường, nó đã được tìm ra là,
bằng cách di chuyển các tấm theo hướng với khoảng cách tăng dần với một dịch chuyển
lớn, tuyến tính tuyệt vời của đáp ứng C-V và đồng thời cũng đã đạt được tỷ lệ điều chỉnh
điện dung lớn. Trong bài báo này, cung cấp mô tả cấu trúc chi tiết, mô hình hóa, thiết kế,
chế tạo và kết quả thử nghiệm của các thiết bị đề xuất. Ngoài ra, trình bày so sánh các kết
quả đo của đáp ứng C – V với kết quả tính toán và mô phỏng.
II . Khái niệm của tụ biến dung MEMS tuyến tính

Hình 1 so sánh các nguyên tắc của tụ biến dung MEMS giữa một thiết bị thông
thường và thiết bị đề xuất.
Như hình 1(a), các tụ biến dung MEMS song song thông thường làm tăng điện dung của
nó bằng cách thu hẹp khoảng cách giữa 2 tấm song song khi điện áp dẫn động đặt vào 2
tấm này.
Hình 1 Các sơ đồ khái niệm (a)tụ điện biến dung MEMS thông thường, (b) thiết bị nâng
cao tỉ lệ điều khiển điện dung, và (c) thiết bị mới được đề xuất với độ tuyến tính cao và tỷ
lệ điều chỉnh điện dung lớn
Khi điện áp tăng, tốc độ của tấm di chuyển cũng tăng. Nhưng, khi dịch chuyển tăng, tỷ lệ
tăng diện dung cũng tăng. Do đó, khi tăng điện áp, tốc độ tăng điện dung cũng tăng nhưng
hơi dốc, kết quả là phi tuyến nghiêm trọng ở phần cuối đáp ứng C-V. Ngoài ra, bởi vì
hiện tượng kéo xảy ra khi tấm dịch chuyển đạt 1/3 khoảng cách ban đầu, tỷ lệ điều chỉnh
điện dung tối đa đạt được là 50%. Nếu phạm vi chuyển động có thể được tăng cường
thông qua một phương pháp khác, C-V phi tuyến nặng hơn, có thể nhìn thấy trong hình
1(b).
Khi coi dịch chuyển các tấm với một khoảng cách theo hướng ngày càng tăng với sự
chuyển hướng nâng cao, sự khác biệt phát sinh từ mối quan hệ điện dung – sự dịch
chuyển, được biểu diễn trong hình 1(c). Tốc độ dịch chuyển của tấm tấm tăng lên khi điện
áp tăng. Tuy nhiên, tỷ lệ của sự thay đổi điện dung giảm khi tăng độ dịch chuyển. Sự phụ
thuộc tốc độ đối lập có thể cân bằng tỷ lệ thay đổi từ điện áp dẫn động đặt vào tấm dịch
chuyển và thế là từ chuyển động tấm đó đến điện dung để tạo ra đáp ứng C-V tuyến tính.
Ngoài ra, một tỷ lệ điều chỉnh điện dung rộng có thể có được do khoảng chuyển động mở
rộng của nó.
III. Thiết kế
A. Tụ biến dung MEMS đề xuất.
Để nhận ra các khái niệm được đề xuất hình 1(c), một thiết bị truyền động có thể
nâng tấm bên trên theo hướng tăng khoảng cách khi tăng điện áp dẫn động được yêu cầu .
Phương pháp đơn giản nhất là đặt một tấm khác trên tấm đầu. Tuy nhiên, trong trường
hợp này, mức độ chế tạo phức tạp tăng, điều rất quan trọng là cần thiết một khoảng cách
lớn giữa tấm di chuyển được và tấm đầu để đạt được khoảng cách dịch chuyển đủ, dẫn

đến không thể chấp nhận được điện áp hoạt động cao.
Một phương pháp khác để nâng tấm ở đầu là đưa vào một điện áp hiệu dụng tăng để
tạo một lực đẩy phát sinh từ một trường điện không đối xứng. Sử dụng phương pháp này,
chuyển động theo hướng tăng khoảng cách cũng có thể đạt được với sự dịch chuyển rộng.
Tuy nhiên, hành vi dịch chuyển tấm với việc coi trọng đẩy truyền dẫn động khác nhiều so
với phương pháp thu hút truyền dẫn động đã nói ở trên là rất quan trọng để nhận ra đáp
ứng C-V tuyến tính, như mô tả trong hình 1(c).
Vì vậy trong cách làm này, một thiết bị truyền động với một cấu trúc đòn bẩy được
phát minh, như hình 2(a). Nó bao gồm một phần là truyền động và một phần là tụ điện.
Khi một điện áp được đưa vào giữa điện cực truyền động và tấm truyền động treo lơ lửng
trong phần truyền động. nó tạo lên một lực hút liên tục. Tuy nhiên, do đòn bẩy, một lực
nâng được tạo ra thông qua đòn cân bằng truyền động để biến đổi di chuyển xuống của
tấm thiết bị truyền động thành chuyển động đi lên của tấm tụ. Bằng cách này, tấm tụ được
nâng lên bởi các thiết bị truyền động thu hút tĩnh điện thường xuyên. Một cách tương tự
của cấu trúc đòn bẩy được sử dụng trước đó cho một công tắc RF để làm tăng các đặc tính
cách ly. Với cấu trúc đòn bẩy, sự dịch chuyển thiết bị truyền dẫn động có thể dễ dàng
được khuếch đại thông qua thiết kế phù hợp với tỷ lệ l
2
/l
1
, nghĩa là tỷ lệ l
2
/l
1
càng lớn thì
tỷ lệ điều chỉnh điện dung của phần tụ càng rộng. Hình 2(b) và (c) biểu diễn thiết kế đầy
đủ là thông qua cơ cấu truyền động nâng ở tất cả 4 góc của tấm tụ bên trên, cung cấp một
dịch chuyển song song và ổn định trong phần tụ điện, diễn tả một vị trí ban đầu và một vị
trí động, tương ứng.Khi phần truyền động và phần tụ điện được tách rời ra, chúng có thể
được thiết kế một cách riêng biệt, như được mô tả trong một phần mô hình cấu trúc sau

đây.
Một ưu điểm khác của thiết bị truyền động đề xuất là thiết bị được đề xuất là có thể
được sử dụng cho tín hiệu RF công suất lớn. Khi một tín hiệu RF được đưa đến phần tụ
điện, tấm bên trên có xu hướng tiến gần với điện cực phía dưới thậm chí là không cần
điện áp truyền động bởi vì thành phần DC trong tín hiệu RF (lưu ý rằng các lực tĩnh điện
bỏ qua các tín hiệu phân cực) tạo nên một lực hấp dẫn giữa các tấm bản tụ điện. Các lực
hấp dẫn tăng lên khi công suất của tín hiệu RF tăng lên. Tụ điện có bản tụ song song
thông thường không thể điều khiển hoặc bù hiện tượng này vì nó chỉ có thể tạo ra lực hấp
dẫn bằng cách đưa vào điện áp dẫn động . Tuy nhiên, trong cấu trúc đề xuất, một lực nâng
lên có thể được tạo ra trong phần tụ điện một cách dễ dàng bằng cách đưa một điện áp vào
phần truyền động thông qua kết cấu cơ khí đòn bẩy. Khi công suất của tín hiệu RF đưa tới
được đo , khoảng cách giữa các tấm tụ điện có thể được duy trì như mong muốn để giữ
điện dung mong muốn bằng cách điều khiển điện áp dẫn động làm cho lớn hơn hoặc nhỏ
hơn trong cách phản hồi theo các phép đo công suất.
B. Mô hình cấu trúc
Để thực hiện thiết bị đã đề xuất, độ lớn của điện áp yêu cầu trong điện cực truyền
động để di chuyên tấm tụ điện đến một mức nhất định để có được một điện dung nhất
định phải được biết đến. Do đó, yêu cầu đặt ra là phải có một mô hình cho cấu trúc được
đề xuất.
Đầu tiên, một mô hình cho phần thiết bị truyền động được xem xét. Trong mô hình
thiết bị truyền động, phải thu được những điều sau: mối quan hệ θ-Va, điện áp kéo- trong
Va, là V
a,

kéo – trong
nếu có, và góc kéo – trong θ
pull−in
đạt được tại V
a, kéo – trong
.

Khi thu được mối quan hệ θ-Va, một mô hình cho phần tụ điện có thể thu được dễ
dàng, cho phép thu được mối quan hệ C so với Va trong một cấu trúc phương trình chuỗi
Taylor mở rộng. Từ mục tiêu của nghiên cứu là để đạt được một mối quan hệ C – Va là
phải tuyến tính ở mức có thể, tối ưu hóa các thông số làm cho hệ số thứ 2 trong chuỗi
taylor bằng 0 sẽ được tìm ra.
1)Mô hình thiết bị truyền động: Khi Va được đưa vào điện cực các thiết bị truyền
động, nó tác động một mô men xoắn tĩnh điện Te, và sau đó sẽ đặt đến một trạng thái cân
bằng khi Te bằng mô men xoắn phục hồi Tm được tạo ra bởi các lò xo cơ khí.
Te =Tm
=Kmθ (1)
Trong đó Km là hằng số lò xo xoắn bao gồm kết cấu đòn bẩy và lò xo nối, và θ là góc
quay
Hệ số lò xo K
m
được tính bởi công thức:
K
l
và K
j
là hệ số xoắn lò xo của đòn bẩy và lo xo liên kết. G là modul cắt của 2 lò xo (đối
với đồng là 44.7GPa), những tham số khác được chỉ ra ở hình 3:
Mô men xoắn T
e
được tính bởi công thức:
Trong đóε là hằng số điện môi trong không khí, γ là tỉ số của l
0
/l
1
, θ
max

là θ lớn nhất, nó
bằng g
0
/l
1
( khi θ rất nhỏ) và các thông số khác diễn tả trong hình 3.
Tương tự truyền động tấm song song, thiết bị truyền động xoắn cũng có một góc
kéo θ
pull-in
bản

truyền động của nó kết nối với điện cực truyền động ở dưới. Góc kéo này
quan trọng vì nó quyết định giá trị điện dung lớn nhất, góc kéo θ
pull-in
được

tính dựa vào
phương trình:
Cũng như vậy, điện áp kéo có thể được tính bằng cách sử dụng góc kéo thu được từ (4),
tính bởi (5)[21], chỉ ra ở cuối trang, khi mà θ
n,pull-in
là góc kéo bình thường là θ
pull-in
/θ
max
.
Hình 4:
Hình 4 chỉ ra tỉ lệ dịch chuyển lớn nhất của bản chuyển động, là
d
1,pull-in

/g0 khi d
1,pull-in
(≈θ
pull-in
∗
l
1
) là khoảng dịch lớn nhất của bản truyền động trong phạm
vi của góc kéo. Khi γ giảm, tức là khi vùng mà điện cực truyền động bên dưới gần như
bao trùm vùng của tấm truyền động, tỉ lệ dịch chuyển càng lớn, nhờ đó tỉ lệ điều chỉnh
điện dung càng cao. Hơn nữa, hình 4 cũng chỉ ra điện áp kéo tăng như thế nào khi độ
chông của các điện cực truyền động giảm (γ tăng).
Theo đó, γ càng nhỏ, hiệu năng truyền động diễn tả ở tỉ số dịch chuyển và điện áp
kéo càng tốt. Tuy nhiên khi chế tạo người ta lấy các thông số như sau: γ=0.125, l
0
=10µm,
l
1
=80µm. Tại điểm này, độ dịch chuyển cực đại đạt 44% so với khoảng cách đầu, lúc đó
điện áp thu được là V
a,pull-in
có thể là nhỏ nhất.
Khi ta thế công thức (2), (3) vào công thức (1) ta sẽ tìm được θ, thay vào (6) tìm
được V
a
. Hình 5 chỉ ra sự thay đổi của θ, V
a
khi ta thay đổi n trong công thức (3) trong 2
trường hợp: n (0÷2) và n (0÷10).
2) Mô hình tụ điện:

Khi thông số θ có được từ phần trước, sự dịch chuyển theo chiều thẳng đứng của tấm bản
tụ được biểu diễn trong phép toán sau, giả thiết rằng θ nhỏ :
d
2
=
θ
*l
2
(7)
Khi đó điện dung được tính theo công thức:
Trong đó A là diện tích bề mặt tụ, ε là hằng số điện môi của không khí.
Khi đó C-V có quan hệ tuyến tính với nhau thể hiện trong công thức (6) và (8), C được
khai triển theo chuỗi Taylor:
Trong công thức này C diễn tả dường như là tuyến tính lớn nhất tại 1/2V
a,pull-in
, đó là
điểm đặc trưng của phạm vi điện áp điều chỉnh. Ở khoảng 1/3 (từ phần 0 đến phần thứ 2)
có ưu thế hơn trong tổng thể đáp ứng C-V, ở phần thứ 2 là quan trọng nhất góp phần vào
đặc tính phi tuyến. Do đó,trong trường hợp để đạt được mối quan hệ C-V tuyến tính thì hệ
số thứ hai C
2
phải được đặt bằng 0.
Sử dụng γ=0.125 tính được phía trên , C
2
được xác định bằng công thức:

Hình 6 chỉ ra rằng ở phần thứ 2 khi C tính toán và tổng C trong phần đó với hệ số nâng lệ
l
0

/l
1
ta sẽ có thông số sử dụng trong hình 6 được liệt kê ở bảng 1. Tỉ lệ nâng tối ưu để lực
C
2
bằng 0 có thể tính bằng công thức (12) dưới:
Hình 8: Kết quả mô phỏng CoventorWare ở 0V (hình a) và 53V ở (hình b) và áp lực von
Mises (c) các đòn bẩy và (d) lò xo nối
Hình 9. Quá trình chế tạo các tụ điện biến dung MEMS đề xuất.
(a) đáy khuôn mẫu Ti / Au. (b) khuôn mẫu Si3 N4. (c) lớp Cr / Al / Cr hy sinh của
lớp. (d) Cu mạ điện đầu tiên. (e) Cu mạ điện thứ hai. (F) Khắc ướt lớp hy sinh và
phát hành toàn bộ thiết bị sử dụng CPD.
Hình 10. Các bức ảnh SEM của các tụ điện biến dung MEMS được chế tạo (a) Top view
nhìn từ phía trên xuống, (b) hình thật (thấy rõ chiều cao, sâu theo luật gần xa), (c) hình
phóng to của đòn bẩy, và (d) các lò xo nối
Như có thể thấy trong hình. 6, đáp ứng C-V tuyến tính nhất có thể thu được khi tỷ lệ
nâng l
2
/l
1
được thiết kế là bằng 7, theo tính toán trong công thức(12).
Bây giờ, các thông số cần thiết để đạt được đáp ứng C-V tuyến tính nhất đã được phát
hiện. Kết quả là, giá trị sau được thiết lập: l
0
= 10 micron, l
1
= 80 micron (γ = 0,125),và l
2
= 560 micromet (l

2
/l
1
là khoảng xấp xỉ bằng 7).
Trong khi đó, γ là được thiết lập đến 0,125, dịch chuyển tối đa tại các bản tụ điện là:
Từ đó, tỷ lệ điều chỉnh điện dung tối đa sẽ là
C0 là điện dung ban đầu ở phần còn lại, đó là điện dung tối đa đạt được, và Cpull –in là
điện dung tại V
0,pull-in
. Hình 7 cho thấy tỷ lệ đòn bẩy l
2
/l
1
đối với γ, trong đó điện cực C2
bằng không để đạt được tuyến tính tối đa, và đáp ứng với tỉ lệ điều chỉnh điện dung tối
đa, được tính toán với n = 0 ~ 10 trong (3) với độ chính xác.
Hơn nữa, γ nhỏ hơn là có lợi bởi vì nó cung cấp tổng chiều dài của đòn bẩy truyền dẫn
(l
1
+ l
2
) nhỏ hơn cũng như điện áp kéo thấp hơn mặc dù tỷ lệ điều chỉnh điện dung tối đa
là giảm nhẹ.
Hình 11. Tính toán, mô phỏng, và kết quả đo của các đáp ứng điện dung, so với điện áp của tụ
điện MEMS được đề xuất biến.
C. Mô phỏng
Sự thúc đẩy của đề xuất các tụ điện biến dung MEMS được thực hiện sử dụng
CoventorWare bằng cách sử dụng các thông số kích thước thể hiện trong bảng I. Các mối
quan hệ giữa các l
0

, l
1
, l
2
được thiết lập theo các kết quả trong các mô hình trước đó. Các
bản tụ có diện tích là 400 × 400 μm2. Hình 8 diễn tả chuyển động thẳng đứng của các tụ
điện biến dung MEMS đề xuất khi tăng điện áp bộ dẫn động [Hình. 8 (a) và (b) và ứng
suất (nhấn) von Mises trong đòn bẩy và lò xo nối tại điện áp kéo [Hình. 8 (c) và (d)].
Hiện tượng kéo (pull-in) xảy ra ngay lập tức sau khi một điện áp kích khởi là 53 V. Tại
điểm này,điểm xa nhất của tấm truyền động di chuyển xuống được là 0.5, và tấm tụ điện
di chuyển lên được là 3,4 micron, cả hai được tính từ từ vị trí mặt phẳng ban đầu, điều đó
là phù hợp với tính toán sử dụng mô hình phát triển với một tỷ lệ đòn bẩy l
2
/l
1
là7. Các
góc quay là 0,348
0
. Điều này là không bất thường trong cấu trúc, chẳng hạn như chiều
cao chứa đòn bẩy hoặc lò xo nối, biến dạng cấu trúc không phẳng trong tấm tụ điện, hoặc
chuyển động không song song của tấm tụ điện, quan sát trong mô phỏng, như diễn tả
trong hình. 8 (c) và (d) (đòn bẩy và lò xo nối là bộ phận duy nhất nhận được kéo dãn khi
nó hoạt động). Thông qua mô phỏng này, chúng tôi xác nhận rằng thiết bị đề xuất có các
thông số được thiết kế theo cấu trúc quá trình mô hình phù hợp với dự kiến.
Bảng I I
KẾT QUẢ CỦA LF và TỈ LỆ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN DUNG CỦA TỤ BIẾN DUNG MEMS ĐỀ XUẤT
IV. CHẾ TẠO
Hình 9 cho thấy quá trình chế tạo tụ biến dung MEMS đề xuất với hình ảnh mặt cắt
ngang. Quá trình sử dụng chất nền thủy tinh để giảm sự mất mát tín hiệu RF qua
đế. Nhiệt bốc hơi Ti (200 Å) / Au (1000 Å)được sử dụng cho các điện cực phía dưới, như

hình. 9 (a). Nitride Sili-con đã được đặt lên trên các điện cực phía dưới Ti / Au sử dụng
PECVD và được tạo khuôn mẫu bằng cách sử dụng khắc axít plasma. Khi hiện tượng
kéo (pull-in) xảy ra giữa các tấm thiết bị truyền động và điện cực di chuyển, ngay lập tức
tấm thiết bị truyền động chạm vào điện cực truyền động .Vì vậy, vật liệu thụ động không
dẫn điện (Si3 N4) trên các điện cực actuation là cần thiết để ngăn chặn tiếp xúc điện trực
tiếp.
Cr (1500 Å), Al (4000 Å), và Cr (6500 Å) sau đó được phát xạ liên tục để tạo thành một
lớp hy sinh (sacrificial), như được hiển thị trong hình. 9 (c). Lớp Al được kẹp bởi các lớp
Cr để tránh bất kỳ hợp kim Al được tạo ra với Cu. Các lớp Cr và lớp Al được khuôn mẫu
và khắc bởi khắc ướt để tạo ra một lỗ thông qua các phần thiết bị truyền động. Tiếp theo,
toàn bộ bề mặt được đặt bởi Cu dày 2000-Åu để sử dụng như là một lớp hạt giống cho
việc mạ điện Cu sau.Một trở quang AZ4330 (PR) đã quay tráng và khuôn mẫu để tạo
thành khuôn PR đầu tiên. Cu với độ dày 6-micron mạ điện để hình thành đòn bẩy và lò
xo nối [Hình. 9(d)]. PR đã được gỡ bỏ bằng cách sử dụng một dung môi (cạo bỏ lớp mạ
sơn) AZ400T PR,và sau đó, AZ9260 PR là quay tráng và khuôn mẫu để tạo thành
PR thứ hai để xác định đòn truyền động và đầu tấm tụ . Sau khi Cu dày 25 micromet đã
được mạ điện, lớp PR (AZ9260) thứ hai này được gỡ bỏ, và sau khi loại bỏ các hạt giống
lớp Cu bởi lớp APS-100 Cu trong một thời gian ngắn, lớp hy sinh (sacrificial) Cr / Al /
Cr ướt khắc bằng cách sử dụng K
3
(FeCN)
6
. Cuối cùng, cấu trúc đã được hoàn thành bằng
cách sử dụng một máy sấy điểm quan trọng (CPD) để ngăn ngừa lực ma sát nghỉ giữa
các cấu trúc lơ lửng bên trên và lớp dưới cùng như diễn tả trong hình 9(f).
Hình 12. Kết quả đo của đáp ứng C-V tại 1GHz.
V. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Hình 10 cho thấy các hình ảnh qua các kính hiển vi điện tử quét (SEM) của các tụ điện
biến dung MEMS được chế tạo. Tất cả bốn thiết bị nâng truyền động được chế tạo thành
công mà không có uốn cong,cái mà ảnh hưởng nghiêm trọng đến đáp ứng C-V, do đó,

ảnh hưởng đến tuyến tính của nó. Mạ điện Cu được thực hiện rất chậm (52 nm / phút) để
tránh các ép hoặc các ép dốc, kết quả là một cấu trúc rất bằng phẳng và gọn gàng, như
diễn tả trong hình. 10.
Hình 11 cho thấy kết quả của tính toán mô phỏng, và đo đáp ứng C-V ở một tần số thấp
(1 kHz). Các LF, điện áp kéo, và tỷ lệ điện dung điều chỉnh được tổng hợp trong bảng
II. LF sử dụng trong bài báo này được xác định bởi phương trình hệ số tương quan, như
mô tả như sau [22]
Trong đó, Vi và Ci là điện áp và điện dung các dữ liệu tương ứng điểm thứ i, và n là
tổng số các điểm dữ liệu. Giá trị LF cho thấy đường cong gần giống với một đường thẳng
như thế nào. Như vậy, giá trị LF là 100% mô tả khi đường cong như là một đường
thẳng. Giá trị LF là độc lập với số lượng các điểm dữ liệu.
Tính toán đáp ứng C-V , được tính bằng cách sử dụng n = 0 ~ 10 (3) để tăng độ chính
xác với các thông số hình học cho thấy LF là 99,3% trong toàn bộ dải điện áp (0-53V).
Tuy nhiên, khi có điện dung thay đổi rất nhỏ trong vùng điện áp đầu tiên (0-10V), thiết bị
có thể được sử dụng trong vùng từ 10V đến điện áp trước điểm kéo, đó là vùng sử dụng
thực tế. Trong vùng sử dụng thực tế, LF trở thành 99,9%, và tỉ lệ điều chỉnh điện dung là
271%. Hình 11 cũng cho thấy điện dung chiết xuất từ mô phỏng CoventorWare. Khi mô
phỏng không bao gồm các tần số tín hiệu sự cố khi tính toán điện dung, nó là thích hợp
để xác minh phương pháp mô hình của chúng tôi khi không xem xét các tần số hoạt
động. Như hình. 11,kết quả mô phỏng cho thấy khoảng 0,1 pF cao hơn giá trị tính toán
tại mỗi điểm. Điều này có thể là một kết quả của điện dung ký sinh gây ra từ các thiết bị
nâng truyền động.
Tuy nhiên, hai đáp ứng C-V cho thấy kết quả gần như giống hệt nhau về LF và tỷ lệ
điều chỉnh điện dung.
Tụ điện biến dung MEMS chế tạo được đo sử dụng một bộ đo LCR tại 1 kHz, như
hình. 11. Trong khu vực sử dụng thực tế (10-45 V), LF là 99,5%. Đây là một giá trị cải
thiện đáng kể so tụ biến dung MEMS có tấm song song khoảng cách cố định thông
thường với LF thường là gần 85%. Tỷ lệ điều chỉnh điện dung là 134% trong cùng khu
vực (10-45 V). Đây cũng là giá trị cao hơn nhiều so với các thiết bị thông thường, có tỷ
lệ điều chỉnh điện dung tối đa là 50%.

Trong hầu hết các phạm vi điện áp, kết quả đo được phù hợp với kết quả tính toán và
mô phỏng. Tuy nhiên, trong vùng điện áp đầu tiên, điện dung không giảm chính xác như
mong đợi bởi vì nó được cho là khó khăn cho tất cả bốn thiết bị nâng truyền động để
được đồng bộ khi chúng bắt đầu di chuyển. Vấn đề đồng bộ hóa kém này cũng dẫn đến
giảm điện áp kéo (45 V trong Bảng II) so với thiết kế (53 V trong Bảng II) bởi vì nếu
một hoặc hai thiết bị đòn bẩy truyền động bước vào trạng thái kéo (pull-in), các đòn bẩy
khác sẽ làm theo những đòn này thông qua kết nối cơ khí của chúng. Vấn đề đồng bộ hóa
cũng dẫn đến tỷ lệ điều chỉnh điện dung thấp hơn dự kiến, có thể nhìn thấy trong
BảngII. Sự khác biệt của tỉ lệ điều chỉnh điện dung giữa giá trị đo và tính toán hoặc mô
phỏng có thể được xem xét là có rất nhiều khả năng để cải thiện như một số sửa đổi thiết
kế, chẳng hạn như bằng cách sử dụng một thiết bị nâng truyền động đơn thay vì bốn thiết
bị đòn bẩy truyền động .Điện dung là hơi thấp hơn so với các kết quả mô phỏng bởi vì,
khi điện dung được đo trong thiết bị chế tạo, một đầu thăm dò điện được gắn liền với bộ
chấp hành các điện cực để vận hành thiết bị. Do đó, nó tạo ra một số lượng nhỏ tín hiệu
ac mất mát thông qua các đầu thăm dò. Hiện tượng trở nên nổi bật hơn khi nó được đo tại
1 GHz.
Hình 12 cho thấy kết quả đo của tụ biến dung MEMS được chế tạo bằng cách sử dụng
một máy phân tích mạng vector tại 1 GHz. LF là 99,5%, và tỷ lệ điều chỉnh điện dung là
125% trong khu vực sử dụng thực tế (10-45 V).
Tụ biến dung MEMS chế tạo chứng minh tự cộng hưởng tần số (SRFs) 3,4 GHz tại 0 V
và 5 GHz tại 45 V, và hệ số Q-được đo giữa 7.3 và 13,5 tại 1 GHz, như hình. 13. So sánh
với tụ điện biến MEMS tấm song song thông thường, các giá trị này tương đối thấp tại
thời điểm này bởi vì các tín hiệu RF đi qua
thông qua các thiết bị đòn bẩy truyền động dài, có vai trò như là 1 thiết bị dẫn, và các cấu
trúc lò xo xoắn hẹp (lò xo nối và đòn bẩy) trong đó đóng góp đáng kể vào điện trở của
đường dẫn tín hiệu. Ngoài ra, quá trình oxy hóa bề mặt tự nhiên của đồng, giảm dẫn điện
của vật liệu, có thể là một lý do có thể cho hệ số Q thấp-
một cách để tăng ohmic mất đi của tín hiệu RF bởi vì tín hiệu RF đi qua bề mặt ngoài của
vật liệu theo hiệu ứng chiều sâu bề mặt.
Tuy nhiên, hai vấn đề này có thể được giải quyết bằng cách thay đổi đường dẫn tín hiệu

ac để nó không đi qua thiết bị nâng truyền động, bằng việc áp dụng một cấu trúc phân
chia tấm phía dưới đã được báo cáo trước đây [23]. Ngoài ra,đóng gói thích hợp nên
được xem xét để ngăn chặn đồng không bị oxy hóa.
VI. KẾT LUẬN
Trong bài báo này, một tụ điện biến dung MEMS mới với một đáp ứng C-V tuyến tính
cao và tỷ lệ điều chỉnh điện dung lớn đạt được bằng cách thay đổi hướng chuyển động
của tấm đã được đề xuất và phát triển thành công để chứng minh việc thực thi nó với các
kết quả mô hình hóa và thử nghiệm. Các cấu trúc đòn bẩy đã được đưa ra để thay thế các
bộ chấp hành cố đinh, để tăng khoảng cách trong phần thiết bị truyền động và để khuếch
đại sự chuyển động của tấm bản cực tụ điện bằng kết cấu cơ khí đòn bẩy. Các thiết bị chế
tạo cho thấy LF tuyệt vời là hơn 99% trong các đáp ứng C-V và một tỉ lệ điều chỉnh điện
dung là hơn 100% mà không có bất kỳ thay đổi điện dung đột ngột trong phạm vi điện
áp điều khiển từ 10 V đến 45 V. Tụ điện biến dung MEMS đề xuất được dự kiến sẽ có
các ứng dụng các VCOs, mạch PLL, và mạch điện khác nhau để đạt được nhiễu pha thấp
và tỉ lệ điều chỉnh điện dung lớn, cũng như một khả năng mạnh mẽ hơn để quản lý tín
hiệu RF công suất cao