In this thesis, an innovative and simple method to achieve ultra-linear behavior in a capacitance vs. voltage response and a large capacitance tuning ratio in a parallel-plate MEMS variable capacitor by moving the plate to an increasing-gap direction is proposed. By adopting a levering structure, the common closing-gap motion of an electrostatic actuator was transformed to the increasing-gap movement so as to decrease the capacitance as we increase the actuation voltage. By balancing out the rate that the plate moves up as we increase the actuation voltage and the rate that the capacitance decreases as the plate moves up, we could achieve the high linearity. The proposed MEMS variable capacitor, which was made by metal surface micromachining, showed an excellent linearity factor of 99.5% in the C-V response and the capacitance tuning ratio of 134% was achieved in actual usage range (10 ~ 45V) at low frequency. When it was operated at 1GHz, the proposed device showed the linearity factor of 99.5%, and the capacitance tuning ratio of 125%.
1. 서론
MEMS(Micro Electro Mechanical System)기술을 이용한 평행 판 구조의 가변 커패시터는 간단한 구조로 인한 공정의 편리성과 잡음 특성의 우수함으로 인해 많은 연구가 이루어져왔다. 하지만 이러한 커패시터는 크게 두 가지의 문제점을 가지고 있는데, 첫 번째로 두 평행 판이 초기 떨어진 거리의 2/3지점에서 풀인(pull-in) 현상이 발생하기 때문에 정전용량의 변화율이 최대 50% 밖에 되지 않는다는 점과, 두 번째로 정전용량의 변화가 인가전압이 가장 높은 영역에서 대부분 이루어지는 특성을 보이게 된다는 점이다. 특히 이러한 인가전압 대비 정전용량 변화의 비선형성은 실제 활용 가능한 정전용량의 사용 영역을 제한하게 되고, VCO등의 회로에 사용될 경우 주파수 변화에 대한 위상잡음의 불 균일을 초래하는 등의 단점을 가지고 있다. 따라서 본 논문에서는 기존 평행 판 구조의 MEMS 가변 커패시터의 구동 방식을 바꾸어, 간단하게 선형성과 정전용량 변화율을 동시에 향상시키는 방법을 제안하고 실제 제작을 통해 검증하였다.
2. 본론
2.1 선형 성과 정전용량 변화율의 향상을 위한 방안
기존의 일반적인 평행 판 구조의 MEMS 가변 커패시터는 두 평행 판 사이에 전압을 인가하여 두 극 판의 간격을 줄이는 방식으로 정전용량을 증가시켜왔다. 하지만 이런 방식은 정전기력의 특성상 인가 전압의 증가에 대한 극판의 변위 증가 량이 점점 커지게 되고, 또한 두 극 판이 가까워짐에 따라 정전용량의 증가 량 또한 커지기 때문에 결과적으로 인가전압 대비 정전용량의 변화가 심각한 비선형성을 가지게 된다.
이러한 원리를 고려하여 기존 구조와는 반대로 인가전압이 증가할수록 두 극 판의 거리가 멀어지도록 설계 함으로서, 극 판 변위의 증가 량은 인가전압에 따라 여전히 점점 커지지만 그에 반해 정전용량의 변화 량은 극 판의 움직임에 대해 오히려 점점 작아지도록 하여 결과적으로 인가전압 대비 정전용량의 변화가 선형 성을 보이도록 하였다.
2.2 시뮬레이션을 통한 C-V 그래프의 선형 성 및 정전용량 변화율 검증
지렛대의 원리를 이용한 구동 부를 사용 함으로서 커패시터 극 판의 변위를 반대방향으로 큰 변위를 가지면서 움직일 수 있게 된다. 제안된 구조를 사용한 시뮬레이션 결과로서 인가전압 대비 정전용량 변화의 선형 성을 보면, 기존 평행 판 구조의 MEMS 가변 커패시터가 약 85%의 LF값을 가지는 것을 고려했을 때, 수식을 통한 계산결과와 CoventorWare simulation의 결과 모두 실제 사용영역으로 예상되는 10~53V 범위에서 99.9% 를 보임으로서 완전한 직선과 가까운 높은 선형 성을 가지는 것을 확인 할 수 있다. 더불어 정전용량의 변화율도 계산결과 271%, 시뮬레이션 결과 230% 로서 기존 소자의 50% 변화율에 비해 월등히 향상된 수치를 보이고 있다.
2.3 제작된 소자 및 측정결과
제작된 커패시터의 SEM 촬영 사진으로부터 4개의 구동부가 휘어짐 현상 없이 반듯하게 제작된 것을 알 수 있다. 제작된 소자를 통해 1kHz와 1GHz에서 측정한 인가전압 대비 정전용량의 결과 모두 실제 사용영역 (10~45V)에서 99.5%의 선형 성을 보였고, 각각 134% (1KHz)와 125% (1GHz)의 정전용량 변화율을 보이고 있어 제안된 방법을 통해 선형성과 정전용량 변화율의 향상을 동시에 얻을 수 있음을 검증 하였다.
3. 결론
본 논문에서는 기존 평행 판 구조의 MEMS 가변 커패시터의 인가전압 대비 정전용량 변화의 비선형성과 정전용량 변화율의 한계를 개선하기 위한 방법을 제안하였고 실제 제작된 소자를 통해 이를 검증하였다. 제안된 소자가 RF필터나 VCO등에 활용될 경우 주파수 가변을 위한 전압 조절의 용의 성 또는 위상잡음 특성에 있어서 장점을 가질 것으로 기대된다.
