台灣師範大學機電科技學系 -1-
微致動器原理與應用技術 微致動器原理與應用技術
Principle of Microactoator and its Applications
楊 啟 榮 博士
教 授
國立台灣師範大學 機電科技學系
Department of Mechatronic Technology National Taiwan Normal University
Tel: 02-23583221 ext. 14 E-mail:[email protected]
C. R. Yang, NTNU MT
綱 綱 要 要
z微致動器的定義與發展演進
z微致動器原理與應用
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感測與致動原理 感測與致動原理
感測器 感測器
致動器 致動器
將一物理量(力、位移、角度、振動、音波、流量、溫度)或化學量(
化學成份、pH值、濃度、鹽度、黏度、密度、比重)的變化轉換成 電性輸出,如將力、位移或角度的變化轉變成電壓、電容或電阻的 變化量。
與感測器相反,將某一種能源作為輸入,產生物理量的變化,如引 擎、馬達。
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致動器的角色 致動器的角色
例:電風扇 例:電風扇
例:冷氣例:冷氣
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致動器 actuators
致動器 actuators
感測器陣列 sensors array
感測器陣列 sensors array
微處理器 microprocessor
微處理器 microprocessor
輸入/輸出 input/output
輸入/輸出 input/output
內部匯流排 internal bus
外部匯流排 external bus
微系統應用晶片模組
感測訊號
物理 Physical 化學 Chemical 生化 Biochemical
能源 Energy
熱能 Thermal 機械 Mechanical 流體 Fluidic 光學 Optical 電能 Electrical
情報資料
電氣 Electrical 光學 Optical 聲學 Acoustic
致動訊號
消費性電子 生化醫療 自動化 半導體 化工 通訊與資訊 環保與安全 紡織
微機電系統之訊號傳輸與致動控制架構圖 微機電系統之訊號傳輸與致動控制架構圖
運動 能量
訊息 其他
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整合感測器、致動器及電子電路的微機電元件 整合感測器、致動器及電子電路的微機電元件
感測器 sensors
致動器 actuators
電子電路 circuits
微結構 microstructure 致動器
actuators
驅動迴路 driver
力感測器 force sensor
電子電路 circuits
雷射偵測器 laser detector
訊息控制迴路 communication
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Micro actuators in nature Micro actuators in nature
Eagle
Honey bee
Waterspider Ciliate
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微致動器的定義與發展演進 微致動器的定義與發展演進
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1. 1947 年電晶體的發明,使固態元件取代了所謂的機械開關,也就是由半導
體元件將原來會造成可靠度或反應速度緩慢的機械動件(moving part)(傳統 機械元件的缺點),取而代之。
2. 隨著微機電領域逐漸成熟,製造與量測技術不斷改良下,許多機械元件的 性能大幅度地提升。
z 微米尺寸的機械元件可具有高達MHz 的動態特性,而在奈米技術的協助下
,機械元件甚至可進一步達到GHz 的動態特性。
z 利用半導體製程技術製造的薄膜,具有抗疲勞的優越特性,提高可靠度。
3. 當初發展電晶體和半導體加工技術的科學家可能萬萬沒想到,原來被用來 取代機械動件的技術,卻在數十年後,被大量用來製造機械動件,也為科 技發展史譜下一段有趣的插曲。
固態開關 固態開關 vs. 機械開關 vs. 機械開關
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機械微小化或薄膜化所提升的性能 機械微小化或薄膜化所提升的性能
(1) 微小化後結構撓性提升
由於桿件的彎曲剛性與厚度的三次方成正比,因此當桿件薄至微米等級時,其 可以達到的撓度是非常可觀的。舉例而言,玻璃製成的餐具相當容易破裂,但 是玻璃光纖卻可以彎曲,又例如要將鋁箔折斷是相當困難的。換句話說,微米 尺寸的機械結構其撓性極大,所以當結構以小幅度的往復運動時,其承受的應 力是非常小的。
(2) 薄膜材料的特性
構成微結構的薄膜材料,不是由塊材(bulk material) 所採用的傳統冶金方式所 提煉,而是利用在潔淨室中進行的半導體製程,以物理或化學的方式,將原子 一層層堆疊而成,因此和塊材相比,薄膜材料在製備的過程中具有較少的缺陷
。另外,由於薄膜材料原子堆疊的層數遠小於塊材,又再次減少薄膜材料內部 缺陷的數目。由於薄膜材料可顯著地降低內部存在的缺陷數目,使得微結構承 受交變應力後,不至於因為這些少量的缺陷遷移至表面而導致破裂,使得微機 械結構不易觀察到疲勞破壞的現象。
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微機械結構具有相當優越的使用壽命,一則是因為微小化後的力學行為,一則 是因為薄膜的材料性質,在經過適當的設計法則驗證過後,應能如同固態元件 般具有卓越的可靠度。此外,微機械動件比固態元件有更佳的性能,例如:光 的方向變換、電磁波傳遞有較小的插入損耗(insertion loss)、可傳遞力和位移等 機械動作。因此,由微機電技術所提供的機械動件,在某些特定的應用上將扮 演一個重要的、不可取代的角色。
微機械元件性能優於固態元件之處 微機械元件性能優於固態元件之處
德州儀器DMD 產品測試報告:
1. 一組包含30 多萬個微面鏡的DMD,以50 kHz 的操作頻率對微面鏡進行驅動(正 常操作頻率5 kHz )。
2. 在經過19000小時的測試後,每面微面鏡的操作週期皆達到1012 以上。
3. 30 多萬個微面鏡中,僅有一微面鏡因黏著現象而無法繼續操作,並沒有任何微 面鏡因扭轉軸產生破壞。
4. DMD 在正常操作下具有二十年以上的壽命,並且經過妥善的包裝後,該元件 也能通過包含摔落的嚴格環境測試。
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Digital Mirror Display
Digital Mirror Display (DMD) (DMD) / Digital Light Processing / Digital Light Processing (DLP)(DLP)
Texas Instruments 15 μm
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何謂微致動器 何謂微致動器? ?
z驅動元件能達到微米(μm) 之運動精度精度
z驅動元件之尺寸在微米級 (1-1000 μm)
微致動器為MEMS中驅動力的來源,亦是MEMS由靜態電子系統 或感測系統,轉化為動態機電系統的樞紐。因此在整個MEMS發 展的過程中,佔有主導及關鍵的地位。
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(a) Feynman viewing the the first micro motor built by William McLellan (left).
(b) The motor, 3.81 mm wide, photographed under an optical microscope.
(Picture credit: Caltech Archives)
Feynman
Feynman’ ’s Challenge s Challenge
大頭針
微致動器
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zTransistor by Bell Lab 1947
zIntegrated circuit by Kilby 1958
zMini motorby McLellan 1960
zSilicon pressure sensor 1962
zResonant gate transistor 1965
zSilicon membrane 1966
z1st commercial RAM (Intel, 256 bit) 1969
z1st Micro processor (Intel, 2300 transistors ; 1971
7.5M transistors for Pentium II at 1997)
zSilicon pressure transducer 1973
zMicro mirror 1975
MEMS發展歷史的演進 MEMS 發展歷史的演進
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zGas chromatography 1975
zInk jet nozzle 1977
zMicro-relay 1978
zMicromachining named by Petersen 1982
zLIGA by Becker et al 1982
zSacrificial layer 1983 zSilicon mass flow sensor 1984 zMEMS named after three work shops 1987
zElectrostatic micro-motor 1988 zComb drive(1st linear microactuator) 1989 zMicromachined accelerometer by Analog Device 1991
zElectromagnetic micro-motor 1992 zDigitial Mirror Devicecommercialized by TI 1996
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微致動器運動的方式 微致動器運動的方式
(a) 同平面式(in-plane)微致動器:運動的方向平行於矽晶片的表面,微致 動器和矽晶片表面的間隙不會改變。
(b) 出平面式(out-of-plane)微致動器:運動的方向接近或遠離矽晶片的表 面,微致動器和矽晶片表面的間隙會隨運動而改變。
(a) (b)
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間距近接式直線運動靜電致動器 間距近接式直線運動靜電致動器
面積A、氣隙間距d 、電位差V 、空氣的介電常數ε 、彈簧剛性ky、等效質量m
靜電力 位移量 自然頻率
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間距近接式扭轉運動靜電致動器 間距近接式扭轉運動靜電致動器
自然頻率 ,I為等效慣性矩(moment of inertia)
如果驅動的簡諧波Vcosω t 的頻率ω 和致動器彈簧與質量塊系統的自然頻率fn 或者ft 一致時,該致動器將產生一個相當大的輸出,此即所謂的共振現象,此 時致動器將扮演一個機械共振器(resonator) 的角色。
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致動基本原理 致動基本原理
微 致 動 器 技 術
電磁式 靜電式
壓電式
電歪式(結構類似壓電材料)
橡膠製致動器
熱能式 磁歪式
微梳狀致動器(micro comb actuator)
可變電容微馬達(variable capacitance micromotor, VCM) 類靜電感應微馬達(electrostatic induction micromotor, EIM) 諧振馬達(wobble motor, harmonic motor)
微隔膜泵浦(micro membrane pump) 靜電開關(electrostatic switch)
熱膨膠利用型—雙金屬式、流體熱膨脹式 熱氣力致動器(thermopneumatic) 金屬氧化物(metal hydrides) 熱動力引擎(stirling engine) 形狀記憶合金
伸縮型— 加壓收縮、伸長 彎曲型— 一維及多維自由度 積層式電動器(stacking) 雙形致動器(bimorph)
超音波馬達—直線式、旋轉式馬達 衝擊驅動機構(impact drive mechanism)
micro gripper micro manipulator skeleton muscle type (骨骼) mollusk(軟組織)
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致動基本原理 致動基本原理 (續 ( 續 ) )
微 致 動 器 技 術
磁性流體
電氣黏性流體
光能型
機械化學式(mechanochemical)
電化學效應
流體壓力致動器(fluid pressure actuation) 人工筋肉
人工纖毛 光-熱-力型
光-熱-流體壓力變換型 光-起電壓-力變換型 光-微引擎-氣體動力變換型
流量控制閥 磁性流體人工肌肉
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流體能
z壓電式(piezoelectric)
z電磁式(electromagnetic)
z靜電式(electrostatic)
z熱伸長式(thermal expansion)
z記憶合金(shape memory alloy)
z化學式(chemical reaction)
z氣液壓式(pneumatic and hydraulic) 電能
熱能
化學能
致動基本原理 致動基本原理 (續 ( 續) )
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R. S. Muller, Berkeley
Functional passive:
Mirror Engine:
Comb actuator
Transmission
Micro optical scanner Micro optical scanner
微動態系統亦可粗略地區分為驅動元件、動力 傳輸機構,以及被動元件。
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Functional passive:
Mirror
Engine:
Comb actuator
Transmitting mechanism:
Linkage, gear Sandia National Lab.
Micro optical scanner Micro optical scanner
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微致動器原理與應用 微致動器原理與應用
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利用電荷間的吸力和斥力作用順序驅動電極,產生平移或旋轉。
致動原理 致動原理 -靜電式 - 靜電式
缺點:
z間隙尺寸及精度要求高
z常需高深寬比垂直壁面
z位移量小
z需高電壓 優點:
z間隙越小,出力越大
z製造容易、材料選擇多
z採電壓輸入、控制性佳
z可靠度佳(不似以電流源操作的電 磁及電熱式致動器有熱破壞問題)
z與IC製程相合
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Parallel
Parallel- -Plate Capacitor Plate Capacitor
A
d E
1. Charge +Q,-Q 2. Apply Gauss’s law
Assumption :
A E Q EA Q
S Q d
sE
0 0
0
ε ε
ε
=
⇒
=
⇒
=
∫
v⋅ v3.
4.
Ad Ed Q l d E V d
0 ⋅ = =ε0
=
Δ
∫
v vd A V
C Q =
ε
0≡ Δ
A d <<
2 2 12 0
0
10 854 . 8
vacuum in the
ty permittivi :
m N
C
× ⋅
= −
ε ε
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Atom View of the Dielectric Atom View of the Dielectric
E v E′ v
↑
∴
↓
∝ Δ =
≡
↓
′ ∴
−
=
C E E
Ed Q V
C Q
E E
E E
total total total
1
Q v v v
v Q v
From
: r
ty permittivi
Relative ε
0
= ≥ 1
=
= ε ε
rε ε
r initial; where ε
rfinal
C
d A d
C A
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致動原理 致動原理 -靜電式 - 靜電式
C
d C = ε LW
C:電容值 L:板長 W:板寬 d:兩板間距
垂直作動
) ( d
d d d
C LW Δ
Δ
− +
=
Δ ε
水平作動
) ( L C L C = Δ Δ
兩帶電平行板
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(電容串聯)
台灣師範大學機電科技學系 -33-
Source: Shinsuke Takimoto, ”International Symposium on Micromechatronic and Human Science ”, 1999,pp.221-226
Electrostatic force formula Electrostatic force formula
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Electrostatic force Electrostatic force
V(battery)
Populate charges
-Q +Q Q=CV
Conductor
UB
V C
2
2 1CV Uc =
Capacitance:
2
2 1CV U
d C A
c =
=εo
電位能 A電極板面積 d電極板間距
台灣師範大學機電科技學系 -35-
Electrostatic force Electrostatic force
2 2
2 . 1 .
2 1 2 ] [ 1
)]
2 ( [1
2 ) (1
2 1 2 1
CV const
U const
V Q V Q U
V Q Q
V Q Q Q
V Q Q
V Q V Q
V Q CV
U U U
C C O
C O
C O C
B C
B C
B B C
−
=
−
=
−
=
−
=
− +
=
+
=
+
=
+
= +
=
C O B
B C
t B t
C O
Q Q Q
Q Q
Q Q
Q
−
= +
=
+
= (=0) (=0)
*
B: battery (Q=CV)
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Electrostatic force Electrostatic force
2
2 . 1 .
2 1
CV const
U const
V Q V
Q U
C C O
−
=
−
=
−
=
1. Comb-drive actuation:
2. Gap Closing:
V
x
z h
z U z
F U
x U x
F U
C z
C x
∂
= ∂
∂
− ∂
=
∂
= ∂
∂
− ∂
=
台灣師範大學機電科技學系 -37-
Comb- Comb -drive actuation drive actuation
Comb-drive actuation: move at x-direction
• positive
• independent of x
• F ∝ V2
• force generates from fringe field at finger tip
) 2 )(
(1 2 ) (1
2 ) (1
2 2
2
z V h
z V hx x x CV
x U x F U
o o
C x
⋅
=
∂
= ∂
∂
= ∂
∂
= ∂
∂
− ∂
=
ε ε
aspect ratio
basic force unit
× (finger No.) x z : cancel out
: add up
Moved Fixed
C. R. Yang, NTNU MT
Driving force and displacement Driving force and displacement
) 2 )(
(1 2
z V W Fx = εo ⋅
aspect ratio basic force unit
× (finger No.) 在面型微加工製程下,並不太符合
Laterally driven Laterally driven
台灣師範大學機電科技學系 -39- Laterally Driven Resonant Microstructures, W. C. Tang et al., Sensors & Actuators, 20 (1989) 25
Comb-driver zParallel force
致動原理- 致動原理 -靜電式 靜電式
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-40-
Linear comb drive actuator Linear comb drive actuator
zParallel force
台灣師範大學機電科技學系 -41-
W. Tang et.al., 1989
Angular comb
Angular comb- -drive actuator drive actuator
MCNC, USA Gyroscope
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Comb- Comb -drive actuation drive actuation
Comb-drive actuation: move at z-direction
• positive
• dependent of x
• F ∝ V2 ) )(
2 )(
(1 ) 2 )(
(1 2 ) (1
2 ) (1
2 2
2 2
2
z x z V h z
V hx z V hx z z CV
z U z
F U
o o
o C z
⋅
⋅
=
∂
= ∂
∂
= ∂
∂
= ∂
∂
− ∂
=
ε ε
ε
﹦ × (finger No.)
x z
Moved
Fixed
台灣師範大學機電科技學系 -43-
gap-gap-closing driveclosing drive
Driving force and displacement Driving force and displacement
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-44-
Source: Kevin A. Shaw, “Transducers” ,1993, pp.210-216 zVertical force
致動原理- 致動原理 -靜電式 靜電式
台灣師範大學機電科技學系 -45-
(a) 體型微加工技術、(b) 面型微加 工技術製造之微扭轉式致動器
1. 驅動電壓和活動空間二者 相互牽制的問題。
2. 靜電力和間距是非線性的 關係,衍生靜電吸附(pull- in) 問題。
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由於靜電力與兩電極間距離之平方成反比,而結構的彈性回復力則隨兩 電極間距離之減少而線性增加,亦即當兩電極受靜電力相互吸引而拉近 時,其靜電力是隨距離減少的平方增加,而彈性回復力則隨距離減少的 一次方增加,因此靜電力的增加率較彈性回復力的增加率大許多。當施 加在兩電極上的電壓差增加,便會使兩電極之間距減少,當電壓增加至 一極限值時,結構本身的彈性回復力便無法與靜電力抗衡,造成兩電極 彼此吸引至接觸。而此一極限電壓就稱為吸附電壓VPI。以靜電力驅動 的元件,受靜電吸附的影響很大,例如在作為致動器時,若操作電壓大 於吸附電壓,結構會瞬間被吸附至固定電極,因此限制了致動器的操作 範圍。
台灣師範大學機電科技學系 -47-
Pull- Pull -in effect in effect
Pull-in occur at 0
3 2 g gPI =
g0: the gap at zero volts and zero spring extension
A VPI kg
ε 27 8 03
=
Pull-in voltage
Stephen D. Senturia, "Microsystem Design", 2001
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-48-
High-High-Power and HighPower and High--Efficiency Electrostatic AcEfficiency Electrostatic Actuatorstuators
(Niino, Egawa, and Higuchi, 1993)
台灣師範大學機電科技學系 -49-
C. R. Yang, NTNU MT
台灣師範大學機電科技學系 -51-
Source: G. Engelmann, ″J. Micromech. Mmicroeng. ″, 1994, pp.152-154
致動原理- 致動原理 -靜電式 靜電式
zElectrostatic Micromotor
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-52-
靜電式馬達驅動原理
靜電式馬達驅動原理
台灣師範大學機電科技學系 -53-
z梳狀致動器應用( I )
Juan and Pang, J. MEMS, 1998
致動原理 致動原理 –靜電式 – 靜電式
Cornel Marxer and Nicolaas F. de Rooij J. of Lightwave Technology, 17(1), 2-6, 1999
C. R. Yang, NTNU MT
z梳狀致動器應用(II) Micro scanner
致動原理– 致動原理 –靜電式 靜電式
Electrostatic Combdrive-Actuated Micromirrors for Laser-Beam Scanning and Positioning Vertical Scan Horizontal Scan
台灣師範大學機電科技學系 -55-
Sandia National Lab.
致動原理 致動原理 – – 靜電式 靜電式
z梳狀致動器應用–Gear train
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-56-
致動原理 致動原理 – – 靜電式 靜電式
z梳狀致動器應用–Vibromotor
Lee, Ljung, and Pisano, 1992
台灣師範大學機電科技學系 -57-
Droplet Generator by Electrostatic Actuation Droplet Generator by Electrostatic Actuation
C. R. Yang, NTNU MT
靜電式垂直致動型出平面致動器 靜電式垂直致動型出平面致動器
謝哲偉, 清華動機博士論文, 2002
台灣師範大學機電科技學系 -59-
靜電平板槓桿放大致動器 靜電平板槓桿放大致動器
H.
H.--Y. Lin, H. Y. Lin, H. HuHu, and W. Fang, , and W. Fang, TransducersTransducers’’0101, Munich Germany, 2001, Munich Germany, 2001
台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU MT
-60-
H.
H.--Y. Lin and W. Fang, the Y. Lin and W. Fang, the ASME IMECE, ASME IMECE, Orlando, FL, 2000Orlando, FL, 2000
台灣師範大學機電科技學系 -61-
Scratch Drive Actuator (SDA) Scratch Drive Actuator (SDA)
C. R. Yang, NTNU MT
T. Akiyama, Sophia Univ.,1992
台灣師範大學機電科技學系 -63-
Capacitive Sensing Capacitive Sensing
ε2
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-64-
A : area of the electrode d : gap of the electrode
d C = ε A
ε : permittivity of the dielectric
1. MEMS Gap-tuningCapacitors (1) Electrostatic tuning
(2) Electro-thermal tuning (3) Piezoelectric-actuator tuning 2. MEMS Area-tuningCapacitor
3. MEMS DielectricTunable Capacitor
Capacitive sensing using MEMS device
Capacitive sensing using MEMS device
台灣師範大學機電科技學系 -65-
Quality factor Quality factor
Definition :
loss/sec.
energy
stored energe average ω
= Q
Q is a measure of the lossof a microwave circuit.
1
s s
Z R j L ω C
ω
⎛ ⎞
= + ⎜⎝ − ⎟⎠ C Ls Rs
A discrete capacitor series model:
Assumption :
Impedance:
( )( ) s
s
R L C Z
Q Z ω ω1
Re
Im −
=
=
CR
sQ ω
≅ 1
∴
Ls C
ω <<ω1
Gabriel M. Rebeiz, "RF MEMS", 2003
C. R. Yang, NTNU MT
Top view 2 × 2 capacitor array
1. Electrostatic Tuning 1. Electrostatic Tuning- -(1) (1)
d C V
Spring k
Fixed plate Suspended
plate
台灣師範大學機電科技學系 -67-
Electrostatic Tuning Electrostatic Tuning- -(2) (2)
Aleksander Dec et al.
台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU MT
-68-
Electrostatic Tuning Electrostatic Tuning- -(3) (3)
Maher Bakri-Kassem et al.
台灣師範大學機電科技學系 -69- Kevin F. Harsh, et al, Sensor and Actuators A, 2000
Electro
Electro- -Thermal Tuning Thermal Tuning- -(4) (4)
C. R. Yang, NTNU MT
Piezoelectric
Piezoelectric- -Actuator Tuning Actuator Tuning- -(5) (5)
PZT beam Using flip-chip bonded piezoelectric actuator SixNy
PZT
Gold
台灣師範大學機電科技學系 -71-
2. MEMS Area
2. MEMS Area- -Tuning Capacitors Tuning Capacitors- - (1) (1)
J. Jason Yao, et al, Solid-State Sensor and Actuator Workshop, 1998
台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU MT
-72-
tuning ratio 31:1
MEMS Area
MEMS Area- -Tuning Capacitors Tuning Capacitors- - (2) (2)
H. D. Nguyen, et al. [14]
台灣師範大學機電科技學系 -73-
3. MEMS Dielectric Tunable Capacitor 3. MEMS Dielectric Tunable Capacitor
Jun-Bo Yoon, et al, IEEE, 2000
zQ-factor = 290
zDielectric layer: Si3N4
permittivity: 6-9
C. R. Yang, NTNU MT
good high
large μmachined
tunable capacitor
bad low
small Solid state varactor
Linearity Q factor
Tuning range Tunable capacitor
lowest -
lowest Gap-tuning
(electrostatic)
- highest highest
Movable dielectric
highest -
- Area-tuning
Cost Q factor
Complexity Tuning types