In this work, a MEMS variable capacitor with a new actuation principle was proposed and demonstrated. Recently, MEMS variable capacitors have been actively researched for achieving higher $\mathcal{Q}$ -factor, tuning ratio and self-resonant frequency than those of the semiconductor on-chip varactors. Based upon a simple two-plate capacitance equation, known actuation principles to date can be classified into three categories: changing the dielectric constant (ε) in between two plates; tuning the gap (d) between two plates; and varying the overlap area (A) between two comb structures. Among them, the tunable-dielectric method showed higher $\mathcal{Q}$ than the others so far thanks to reducing series resistance by the elimination of mechanical spring in the RF signal path. The propose a new MEMS variable capacitor that resembles the tunable-gap one at first glance, but provides much better $\mathcal{Q}$ by eliminating the inevitable spring resistance in the RF signal path using a new actuation method of moving electrically floating plate.
In the proposed variable capacitor, the DC bias and RF signal between two fixed bottom plates are applied in the proposed method. The E-field is confined between the top electrically-floating plate and two bottom plates, and then the E-field generates a net downward force because the system naturally tends to move toward increasing the capacitance of the system. In this way, better $\mathcal{Q}$ can be achieved by eliminating the mechanical spring in the RF signal path.
Based on this concept, fundamental characteristics of proposed variable capacitor was measured and compared. First, the Crab-leg spring design shows the maximum tuning ratio of 41%, $\mathcal{Q}$ of 27.1 at 5GHz when the tuning bias was 0V (0.3 pF), and $\mathcal{Q}$ of 26.7 at 5GHz when the tuning bias was 5V (0.37 pF). Regardless of the applied biases, Q was almost the same at around 5GHz. Second, the T-type spring design shows maximum tuning ratio of 14%, $\mathcal{Q}$ of 24.6 at 5GHz when the tuning bias was 0V (0.6 pF), and Q of 7.0 at 5GHz when the tuning bias was 5V (0.9 pF). It exhibits inferior performance than that of the Crab-leg spring design due to bending of the floating plate in the T-type spring design. Comparing with conventional type, the proposed variable capacitor (Crab-leg spring) showed 131% increment in $\mathcal{Q}$ at 5GHz. In order to estimate reliability of the proposed variable capacitors, devices were continuously actuated using pulse generator excluding pull-in. After $10^6$ cycles of repeated actuation, the capacitance changes of the proposed variable capacitors were below 6%.
Consequently, this work shows that proposed variable capacitor can be applied for the capacitor of the LC-resonator in the voltage controlled oscillators (VCOs), and when combined with on-chip high- $\mathcal{Q}$ inductors these capacitors expected to be useful for high performance RF tunable devices.
본 논문은 새로운 동작 방식을 이용한 마이크로 전자기계 시스템(MEMS) 가변 커패시터의 제작과 측정을 통한 성능향상에 대한 연구이다.
최근 기존의 온 칩 가변커패시터 보다 높은 품질계수(Q-factor), 최대 정전 용량 변화율, 높은 자기 공진 주파수를 얻기 위하여 마이크로 전자기계 시스템(MEMS) 가변 커패시터가 활발하게 연구 되고 있다. 간단하게 두 개의 평행 평판을 가정하였을 때 가변 커패시터는 그것의 가변 지수에 의해 세가지로 구분 될 수 있다. 즉, 두 평행 평판 사이의 유전 상수를 변화 시키는 것, 두 평행 평판 사이의 간격을 조절하는 것, 빗살 모양의 구조에서 겹쳐지는 넓이를 변화시키는 것으로 나눌 수 있다. 이들 중 유전 상수를 가변시키는 커패시터의 경우 두 개의 평행평판을 두껍게 만들어서 저항성분을 획기적으로 줄일수 있으므로 높은 품질계수를 가질 수 있음을 알 수 있다.
이 논문에서는 기존의 마이크로 전자기계 시스템(MEMS) 가변시터의 경우와 비슷하게 두 평행평판 사이의 간격을 조절하여 정전용량을 변화시키지만, 전기적으로 절연된 평판을 움직이는 새로운 동작 방식을 적용함으로써 스프링에 의한 저항성분을 줄일 수 있고 이를 통하여 기존의 경우에 대비해서 더욱더 높은 품질계수를 가질 수 있음을 증명하였다. 즉, 기판에 고정된 두 개의 바닥 전극에 직류 전압과 RF 신호를 인가하면 전기적으로 절연된 평판과 두 개의 바닥전극 사이에 전기장이 집중된다. 그리고 시스템은 자연적으로 계의 정전 용량이 커지는 방향움직이는 특성에 의해 아래쪽으로 향하는 힘을 발생시킨다. 이러한 방식에 의해 RF 신호가 기계적으로 형성된 스프링으로 전달되지 않게 되고 궁극적으로 높은 품질계수를 얻을 수 있게 된다.
상기 설명한 방식을 이용하여 두 가지 스프링 모양을 가지는 가변 커패시터를 제작하고 측정하였다. 첫번째로 개 다리 모양을 가지는 스프링의 경우 41%의 최대 정전용량 변화율을 가지고, 5GHz에서 0V를 인가한 경우 27.1, 5V를 인가하였을 경우 26.7의 품질계수를 가진 다는 것을 확인 하였다. 여기서 품질계수는 5GHz 근처에서 인가하여 주는 전압이 변화하더라도 비슷한 정도의 특성을 가진다는 결과도 확인 할 수 있었다. 두번째로 T자 모양의 스프링을 가지는 경우 14%의 최대 정전 용량 변화율을 가지고, 5GHz에서 0V를 인가한 경우 24.6, 9V를 인가한 경우 7.0의 품질계수를 가진 다는 것을 확인 하였다. 특히, 기존의 평행평판 커패시터의 경우와 비교하여 5GHz에서 131%가 증가된 품질계수를 가진 다는 것을 확인 함으로써 획기적으로 Q를 향상 시킬 수 있다는 것을 실험적으로 증명 하였다. 또한 $10^6$번의 동작이후에도 최초의 정전용량에 대비하여 6%이내의 값을 가진 다는 것을 확인 함으로써 신뢰성역시 우수하다는 것을 확인 하였다.
결과적으로 이 논문에서 제안된 가변 커패시터를 전압 제어 발진기에 사용되는 LC-발진기의 커패시터로 이용 할 수 있다는 것을 실험을 통하여 밝혀 내었다. 앞으로 높은 품질계수를 가지는 인덕터와 본 논문에서 제안된 커패시터가 결합되어 사용될 경우, 기존의 성능을 획기적으로 향상 시킬 수 있는 고성능 RF 가변 소자를 제작 할 수 있을 것이다.
