CN100565724C - 可变感应器 - Google Patents
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Abstract
一种可变感应器,包括通电部和导电构件。所述通电部包括线圈和一对与所述线圈电连接的端子。所述导电构件能移动靠近和远离所述线圈。所述端子之间的电感随着所述线圈和所述导电构件之间的距离变小而变小。相反地,所述端子之间的电感随着所述线圈和所述导电构件之间的距离变大而变大。
Description
技术领域
本发明涉及一种可变感应器,该可变感应器例如用于无线电通信设备。
背景技术
在无线电通信设备例如手机的技术领域中,由于为了获得高性能而增加所述设备中的部件数量,因此对较小的高频电路或者RF电路的需求渐增。为了满足这一需求,利用所谓MEMS(微机电系统)的技术使构建所述电路所需的各种部件微型化成为焦点。感应器就是一类这样的部件。感应器是电路或者电子电路中用来提供电感的电子部件,并且有时候需要电感能够变化。
图30和图31示出了电感可变的传统可变感应器X4的主要构造。图30是该感应器X4的俯视图,而图31为沿图30中的XXXI-XXXI线所得到的剖视图。
感应器X4包括衬底91、通电部92以及铁氧体磁芯(ferrite core)93。利用薄膜成形图案化技术(thin-film formation and patterning technology)形成于衬底91上的通电部92具有导电线圈92a以及一对端子92b。铁氧体磁芯93具有高导磁率并且面向线圈92a。另外,铁氧体磁芯93可以在预定的移动范围内移动接近和远离所述衬底91或者线圈92a。例如专利文献1:JP-A-H08-204139中就公开了这样的可变感应器。
在感应器X4中,要增大感应器X4中所述一对端子92b之间的电感(自感),则使铁氧体磁芯93接近线圈92a。当铁氧体磁芯93移动远离线圈92a时,电感减小。公知的是:线圈的自感与放置线圈处的导磁率成比例。铁氧体磁芯93和线圈92a之间的距离越近,则线圈92a周围的净导磁率越高(因而当电流流经线圈92a时线圈92a周围产生的净磁通密度越高),因此电感越高。
然而,在通过使高导磁构件(铁氧体磁芯93)移近/远离线圈92a而改变电感的感应器X4中,电感仅能在相对较小的范围内变化,如专利文献1所提及的,约为10%。因此,有时候感应器X4的电感变化不能如需要般大。
发明内容
鉴于上述问题提出了本发明,因此本发明的目的是提供一种适于使电感大范围变化的可变感应器。
本发明提供的一种可变感应器包括:通电部,所述通电部包括线圈和一对与所述线圈电连接的端子;以及导电构件,所述导电构件能移动靠近和远离所述线圈。所述端子之间的电感随着所述线圈和所述导电构件之间的距离变小而变小,并且所述端子之间的电感随着所述线圈和所述导电构件之间的距离变大而变大。该可变感应器中待改变的电感为该可变感应器的自感,这种变化的电感是包括所述通电部和所述导电构件的可变感应器中的通电部端子之间的电感。从电学角度而言,线圈位于所述端子之间,并且与各端子串联。此外,线圈和导电构件彼此间隔适当的距离。有关导电构件能移动接近及远离线圈的叙述是指位于预定位置的导电构件能够相对地逼近所述线圈,并且位于该特定位置的导电构件还能够相对远离所述线圈。
在该可变感应器中,当通过端子向所述通电部施加电流时,该电流使得所述线圈周围产生磁场(第一磁场)。该第一磁场使得导电构件中流动有感应电流,而该感应电流使得该导电构件周围产生磁场(第二磁场)。该第二磁场的形成扰乱了第一磁场,即削弱了第一磁场。对于如线圈和导电构件之间的这种电磁干扰,有下述事实:线圈和导电构件之间的距离越小,则导电构件中的感应电流越大,第二磁场越大,因此线圈周围形成的净磁场越小(换句话说,线圈和导电构件之间的距离越大,则导电构件中的感应电流越小,第二磁场越小,因此线圈周围形成的净磁场越大)。发明人发现:线圈周围形成的净磁场越小,则端子之间的电感越小:而线圈周围形成的净磁场越大,则端子之间的电感越大;并且,这种电感变化的变化率倾向于比例如通过使高导磁率元件靠近/远离线圈而改变电感的感应器X4要大。电感变化率大的该可变感应器适于在大的范围内改变电感。
优选地,所述线圈由游丝形线圈构成;所述导电构件由导电膜或者导电板构成,所述导电膜或者所述导电板沿所述游丝形线圈的厚度方向与所述游丝形线圈存在间隔,且面向所述游丝形线圈。上述这种设置适于当向该可变感应器加电时,在线圈和导电构件之间有效地产生电磁干扰。
优选地,所述导电构件沿所述游丝形线圈的面内方向延伸,并且超出所述游丝形线圈。上述这种设置适于在导电构件中适当地产生感应电流,从而获得大的电感变化率。
根据本发明的一个优选实施例,所述游丝形线圈包括中央开口;所述导电构件包括位于与所述中央开口相对应的位置处的开口。至于这种设置,优选地,在所述游丝形线圈的面内方向,所述导电构件中的所述开口位于所述游丝形线圈的所述中央开口内。上述这种设置适于在导电构件中面向游丝形线圈的位置处密集地产生感应电流,从而获得大的电感变化率。
根据本发明的另一个优选实施例,所述游丝形线圈包括中央开口,且所述导电构件包括与所述中央开口对应并且设有凸部的区域。至于这种设置,优选地,所述凸部由导电材料或者介电材料制成。
优选地,所述导电构件的厚度比所述导电构件在其所用频率范围的最低频率时产生的感应电流的趋肤深度厚。上述这种设置适于在导电构件中适当地产生感应电流,从而获得大的电感变化率。
优选地,所述线圈由Au、Cu、Al或Ni制成。上述这种设置适用于获得大的电感变化率。
附图说明
图1为根据本发明第一实施例的可变感应器的俯视图。
图2为沿图1中的线II-II所得剖视图;
图3为图1中的可变感应器的第一固定结构的俯视图。
图4为图1中的可变感应器的该第一固定结构的仰视图。
图5为图1中的可变感应器的第二固定结构的仰视图。
图6为图1中的可变感应器的可动结构的俯视图。
图7为图1中的可变感应器的该可动结构的仰视图,以虚线画出了该第一固定结构的线圈。
图8示出了制造该第一固定结构的方法。
图9示出了制造该第二固定结构的方法。
图10示出了制造该可动结构的方法。
图11示出了将该第一固定结构、该第二固定结构和该可动结构结合的步骤。
图12是根据本发明第二实施例的可变感应器的剖视图;可以将该图与示出根据第一实施例的可变感应器的剖视图的图2进行比较。
图13示出了根据该第二实施例的可动结构的仰视图。
图14是根据本发明第三实施例的可变感应器的剖视图;可以将该图与示出根据第一实施例的可变感应器的剖视图的图2进行比较。
图15示出了根据该第三实施例的第一固定结构的俯视图。
图16示出了根据该第三实施例的该可动结构的仰视图。
图17是示出了实例1的可变感应器的电感Ls如何变化的曲线图。
图18是示出了实例1的可变感应器的电感变化率ΔLs如何变化的曲线图。
图19是示出了实例2的可变感应器的电感Ls如何变化的曲线图。
图20是示出了实例2的可变感应器的电感变化率ΔLs如何变化的曲线图。
图21是示出了实例3的可变感应器的电感Ls如何变化的曲线图。
图22是示出了实例3的可变感应器的电感变化率ΔLs如何变化的曲线图。
图23是示出了从实例4至实例13,在不同频率下电感变化率ΔLs随导电膜厚度变化的曲线图。
图24是示出了实例14的可变感应器的电感变化率ΔLs如何变化的曲线图。
图25是示出了实例15的可变感应器的电感变化率ΔLs如何变化的曲线图。
图26是示出了实例16的可变感应器的电感变化率ΔLs如何变化的曲线图。
图27是示出了实例17的可变感应器的电感变化率ΔLs如何变化的曲线图。
图28是示出了实例18的可变感应器的电感变化率ΔLs如何变化的曲线图。
图29是示出了实例19的可变感应器的电感变化率ΔLs如何变化的曲线图。
图30为一传统可变感应器的俯视图。
图31为沿图30中XXXI-XXXI线所得的剖视图。
具体实施方式
图1和图2示出了根据本发明第一实施例的可变感应器X1。图1是该可变感应器X1的俯视图,而图2是沿图1中线II-II得到的剖视图。
可变感应器X1具有层状结构,该层状结构包括第一固定结构10、第二固定结构20以及位于两者之间的可动结构30。
如图2至图4所示,第一固定结构10包括基板11和通电部12。基板11由预定的绝缘材料制成。通电部12具有:线圈12a,其具有开口12a’;端子12b、12c;以及导电插塞(plug)12d。线圈12a是所谓的游丝形线圈(flat spiral coil)。如图3所示,线圈12a与端子12b形成于(be patterned on)基板11的一个表面上,并且彼此电连接。尺寸方面,线圈12a的导线宽度为例如5至15μm,导线厚度为例如1至10μm,导线与导线之间的距离为例如5至15μm,圈数为例如3至5,图3中所示的长度L1(最外部正方形的边长)为100至3000μm,而长度L2(正方形开口12a’的边长)为例如10至200μm。端子12c如图4所示形成在基板11的另一表面上,并且通过如图2所示穿过基板11的导电插塞12d与线圈12a电连接。从电学角度而言,线圈12a位于端子12b、12c之间,并且与端子12b、12c均串联。端子12b、12c通过预定的布线(未图示)与预定的电路连接。上述的通电部12由预定的导电材料制成。在本实施例中,至少通电部12中的线圈12a是由Au、Cu、Al或Ni制成。
如图1、图2和图5所示,第二固定结构20包括一对接合端部21A和21B、固定梁部22、驱动电极23、端子24以及导电插塞25。如图2和图5所示,接合端部21具有退避部21a。如图2所示,固定梁部22跨接接合端部21A和21B,并且比接合端部21A和21B薄。如图5所示,驱动电极23形成于固定梁部22的一个表面上。端子24如图1所示形成于固定梁部22的另一表面上;并且通过穿过固定梁部22的导电插塞25与驱动电极23连接,如图2所示。接合端部21A、21B和固定梁部22由预定的绝缘材料制成。驱动电极23、端子24以及导电插塞25均由预定的导电材料制成。
如图2、图6和图7所示,可动结构30包括一对接合端部31A和31B、可动梁部32、导电膜33、驱动电极34以及端子35。如图2所示,接合端部31A、31B比第二固定结构20的接合端部21A、21B宽。可动梁部32跨接接合端部31A、31B,并且如图2所示,比接合端部31A、31B薄。如图7所示,导电膜33形成在可动梁部32的一表面上,并且如图2所示面向第一固定结构10的线圈12a。导电膜33沿线圈12a的面内方向(in-plane direction)延伸,并超出线圈12a之外。如图2和图7所示,在线圈12a的面内方向上,导电膜33的最外缘与线圈12a的最外缘之间的距离L3例如为0至200μm。线圈12a与导电膜33距离为d1,当可动梁部32处于自然状态时(即未运行时),距离d1例如为0.2至2μm。上述的导电膜33的厚度例如为1至10μm。驱动电极34如图6所示形成于可动梁部32的另一表面上,并且面向形成于第二固定结构20上的驱动电极23。驱动电极23、34彼此间隔距离d2;在可动梁部32处于自然状态时距离d2例如为20至60μm。如图6所示端子35与驱动电极34位于同一侧且形成在可动梁部32及接合端部31A上,并且端子35与驱动电极34电连接。如图2所示,端子35延伸通过第二固定结构20的接合端部21A的退避部21a。上述端子35通过预定的布线(未图示)电接地。接合端部31A、31B和可动梁部32由预定的绝缘材料制成。导电膜33由例如Al、Cu、Au及Ni制成。驱动电极34和端子35均由预定的导电材料制成。
对于上述的可变感应器X1,当通过端子24以及导电插塞25向驱动电极23施加预定的电势时,在驱动电极23、34之间产生静电引力。该引力使得可动梁部32弹性变形靠近固定梁部22,从而增大线圈12a与导电膜33之间的距离d1。通过调整施加至驱动电极23上的电势,可以控制驱动电极23、34之间的静电引力,从而控制可动梁部32的位移量,并因此控制线圈12a和导电膜33之间的距离d1。
在该可变感应器X1中,当通过端子12b、12c向通电部12施加电流时,该电流使得线圈12a周围产生磁场(第一磁场)。该第一磁场使得导电膜33中流动有感应电流,而该感应电流使得该导电膜33周围产生磁场(第二磁场)。该第二磁场的形成扰乱了第一磁场,即削弱了第一磁场。对于如线圈12a和导电膜33之间的这种电磁干扰,有下述事实:线圈12a和导电膜33之间的距离d1越小,则导电膜33中的感应电流越大,第二磁场越大,因此线圈12a周围形成的净磁场(net magnetic field)越小(换句话说,距离d1越大,则导电膜33中的感应电流越小,第二磁场越小,因此线圈12a周围形成的净磁场越大)。线圈12a周围形成的净磁场越小(即距离d1越小),则端子12b、12c之间的电感越小;线圈12a周围形成的净磁场越大(即距离d1越大),则端子12b、12c之间的电感越大。这种电感变化的变化率倾向于比例如通过使高导磁率元件靠近/远离线圈而改变电感的感应器X4要大(可变感应器X1的电感可以通过调整距离d1来调整)。电感变化率大的可变感应器X1适于在大的范围内改变电感。
在该可变感应器X1中,如前所述,导电膜33沿线圈12a的面内方向延伸,并且超出线圈12a。这种设置使得能够在导电膜33中与线圈12a相对的位置处适当地产生上述的感应电流。因此,这样的设置适于获得大的电感变化率。
优选地,导电膜33的厚度应该不小于该可变感应器X1在其所使用频率范围中的最低频率时导电膜33中产生的感应电流的趋肤深度(skin depth)。这样的设置适于在导电膜33中适当地产生感应电流,并且适于获得大的电感变化率。当向通电部12施加交变电流时,在导电膜33中生成的感应电流(AC)的趋肤深度δ[m]由下述式(1)表示。对于可变感应器X1的导电膜33的情况,式(1)中的ρ代表导电膜33的电阻率[Ω·m],μ代表导电膜33的导磁率[H/m],而ω代表感应电流(AC)的角频率,其等于2πf(f:感应电流频率[Hz])。为了在导电膜33中适当地产生感应电流,导电膜33的厚度应该不小于感应电流的趋肤深度δ,以避免抑制感应电流。
图8至图11示出了制造可变感应器X1的方法。图8示出了制造第一固定结构10的方法,图9示出了制造第二固定结构20的方法,图10示出了制造可动结构30的方法,图11示出了第一固定结构10、第二固定结构20以及可动结构30的结合步骤。
在制造第一固定结构10时,首先如图8中(a)图所示,在衬底S1上形成通孔H1,该通孔用于形成导电插塞12d。具体地,利用由衬底S1上形成的预定抗蚀图(resist pattern)(未图示)所提供的掩模,对衬底S1进行各向异性蚀刻处理,从而在衬底S1中形成通孔H1。衬底S1由例如单晶硅制成,并且将用作基板11。该各向异性蚀刻处理可由DRIE(深反应离子蚀刻)提供。在DRIE中,通过蚀刻和侧壁防护彼此交替的博施处理(Boschprocess)可以获得良好的各向异性蚀刻。
接下来如图8中(b)图所示,在通孔H1中充填预定的导电材料以形成导电插塞12d。可以通过溅射方法或者CVD方法将该导电材料供应至通孔H1内部。在完成该步骤之后将形成通孔H1时用作掩模的抗蚀图除去。
然后,如图8中(c)图所示,通过使用例如溅射方法,在衬底S1上形成由预定的导电材料制成的膜,从而形成导电膜82、83。然后,如图8中(d)图所示,由导电膜82、83形成通电部12的一部分。具体地,利用由导电膜82、83上形成的预定抗蚀图(未图示)所提供的掩模,对导电膜82、83进行蚀刻处理,从而在衬底S1上形成包括线圈12a及端子12b、12c的通电部12的一部分。该蚀刻过程可通过湿蚀刻进行。通过上述步骤,可以制造出包括基板11和通电部12的第一固定结构10。
在制造第二固定结构20时,首先,如图9中(a)图所示,在衬底S2上形成接合端部21A、21B以及固定梁部22。具体地,利用由衬底S2上形成的预定抗蚀图(未图示)所提供的掩模,对衬底S2进行各向异性蚀刻直至达到预定深度,从而在衬底S2上形成接合端部21A、21B以及固定梁部22。衬底S2由例如单晶硅制成。该各向异性蚀刻处理可由DRIE提供。
接下来,如图9中(b)图所示,在固定梁部22上形成驱动电极23。具体地,在衬底S2上形成预定的导电膜,然后利用由该导电膜上形成的预定抗蚀图(未图示)所提供的掩模,对该导电膜进行蚀刻处理,从而形成驱动电极23。
然后,如图9中(c)图所示,在固定梁部22中形成通孔H2,该通孔用于形成导电插塞25。具体地,利用由衬底S2上形成的预定抗蚀图(未图示)所提供的掩模,对衬底S2进行各向异性蚀刻处理,从而在衬底S2的固定梁部22上形成通孔H2。该各向异性蚀刻处理可由DRIE提供。
接下来,如图9中(d)图所示,在通孔H2中充填预定的导电材料以形成导电插塞25。可以通过溅射方法或者CVD方法将该导电材料供应至通孔H2内部。在完成该步骤之后,将形成通孔H2时用作掩模的抗蚀图除去。
然后,如图9中(e)图所示,在固定梁部22和接合端部21A上形成端子24。具体地,在固定梁部22和接合端部21A上形成预定的导电膜。然后,利用由该导电膜上形成的预定抗蚀图(未图示)所提供的掩模,对该导电膜进行蚀刻处理,从而形成端子24。通过上述步骤,可以制造出包括一对接合端部21A和21B、固定梁部22、驱动电极23、端子24以及导电插塞25的第二固定结构20。
在制造可动结构30时,首先,如图10中(a)图所示,在衬底S3上形成凹部H3。具体地,利用由衬底S3上形成的预定抗蚀图(未图示)所提供的掩模,对衬底S3进行各向异性蚀刻直至达到预定深度,从而在衬底S3上形成凹部H3。衬底S3是所谓的SOI(绝缘体硅片)衬底,其具有层状结构,该层状结构包括硅层84、85以及位于所述硅层之间的二氧化硅层86。在该步骤中所使用的各向异性蚀刻处理可以是DRIE。
然后,如图10中(b)图所示,在凹部H3的底部上形成导电膜33。具体地,在凹部H3的底部上形成预定的导电材料。然后,利用由该导电膜上形成的预定抗蚀图(未图示)所提供的掩模进行蚀刻处理,从而形成导电膜33。
然后,如图10中(c)图所示形成抗蚀图87。之后,利用该抗蚀图87作为掩模,对硅层84进行各向异性蚀刻处理直至达到二氧化硅层86,从而形成如图10中(d)图所示的凹部H4。
接下来,除去抗蚀图87;然后如图10中(e)图所示,在硅层85上形成氧化膜88。氧化膜88可以通过例如硅层85表面上的热氧化处理而形成。
然后,如图10中(f)图所示,在氧化膜88上形成驱动电极34和端子35。具体地,在氧化膜88上形成预定的导电膜。然后,利用由该导电膜上形成的预定抗蚀图(未图示)所提供的掩模,对导电膜进行蚀刻处理,从而形成驱动电极34以及端子35。通过上述步骤,制造出包括一对接合端部31A和31B、可动梁部32、导电膜33、驱动电极34以及端子35的可动结构30。
在制造可变感应器X1时,将如上制造的第一固定结构10、第二固定结构20以及可动结构30如图11所示接合到一起。具体地,首先在固定结构10的基板11与可动结构30的接合端部31A、31B之间进行接合,同时,在可动结构30的接合端部31A、31B和固定结构20的接合端部21A、21B之间也进行接合。可利用的接合方式的例子包括直接接合、共晶接合、聚合物粘结、利用玻璃胶粘剂、环氧粘合剂或其他粘合剂进行接合。在进行完所述步骤之后,可以得到包括第一固定结构10、第二固定结构20以及可动结构30的可变感应器X1。
图12为根据本发明第二实施例的可变感应器X2的剖视图。可以将该图与图2中的可变感应器X1的剖视图进行比较。可变感应器X2具有层状结构,层状结构包括第一固定结构10、第二固定结构20以及位于两者之间的可动结构40。可变感应器X2与可变感应器X1的不同之处在于,可变感应器X2包括取代了可动结构30的可动结构40。
如图12和图13所示,可动结构40包括:一对接合端部41A、41B;可动梁部42;具有开口43a的导电膜43;驱动电极44;以及端子45。接合端部41A、41B比第二固定结构20的接合端部21A、21B宽。可动梁部42跨接接合端部41A、41B,并且比接合端部41A、41B薄。导电膜43形成于可动梁部42的一表面上,并且面向第一固定结构10的线圈12a。导电膜43沿线圈12a的面内方向延伸并超出线圈12a。如图12和图13所示,在线圈12a的面内方向上,导电膜43的最外缘与线圈12a的最外缘之间的距离L4例如为0至200μm。导电膜43具有开口43a;在线圈12a的面内方向上,开口43a位于线圈12a的开口12a’内。沿线圈12a的面内方向,如图13所示,导电膜43的最内缘与线圈12a的最内缘之间的距离L5例如为0至90μm。当可动梁部42处于自然状态时(即未运行时),线圈12a和导电膜43之间的距离d3例如为0.2至2μm。上述的导电膜43的厚度例如为1至10μm。驱动电极44形成于可动梁部42的另一表面上,并且面向第二固定结构20的驱动电极23。当可动梁部42处于自然状态时,驱动电极23、44之间的距离d4例如为20至60μm。端子45与驱动电极44位于同一侧且形成在可动梁部42及接合端部41A上,并且端子45与驱动电极44电连接。端子45延伸通过第二固定结构20的接合端部21A的退避部21a。上述端子45通过预定的布线(未图示)电接地。接合端部41A、41B和可动梁部42由预定的绝缘材料制成。导电膜43例如由Al、Cu、Au或Ni制成。驱动电极44和端子45均由预定的导电材料制成。
对于上述的可变感应器X2,当通过端子24以及导电插塞25向驱动电极23施加预定的电势时,在驱动电极23、44之间产生静电引力。该引力使得可动梁部42弹性变形靠近固定梁部22,从而增大线圈12a与导电膜43之间的距离d3。通过调整施加至驱动电极23上的电势,可以控制驱动电极23、44之间的静电引力,从而控制可动梁部42的位移量,并因此控制线圈12a和导电膜43之间的距离d3。
在该可变感应器X2中,当通过端子12b、12c向通电部12施加电流时,该电流使得线圈12a周围产生磁场(第一磁场)。该第一磁场使得导电膜43中流动有感应电流,而该感应电流使得该导电膜43周围产生磁场(第二磁场)。该第二磁场的形成扰乱了第一磁场,即削弱了第一磁场。对于如线圈12a和导电膜43之间的这种电磁干扰,有下述事实:线圈12a和导电膜43之间的距离d3越小,则导电膜43中的感应电流越大,第二磁场越大,因此线圈12a周围形成的净磁场越小(换句话说,距离d3越大,则导电膜43中的感应电流越小,第二磁场越小,因此线圈12a周围形成的净磁场越大)。线圈12a周围形成的净磁场越小(即距离d3越小),则端子12b、12c之间的电感越小;线圈12a周围形成的净磁场越大(即距离d3越大),则端子12b、12c之间的电感越大。这种电感变化的变化率倾向于大于例如通过使高导磁率元件靠近/远离线圈而改变电感的感应器X4(可变感应器X2的电感可以通过调整距离d3来调整)。电感变化率大的可变感应器X2适于在大的范围内改变电感。
在该可变感应器X2中,如前所述,导电膜43沿线圈12a的面内方向延伸,并且超出线圈12a。这种设置使得能够在导电膜43中与线圈12a面对的位置处适当地产生上述的感应电流。因此,这样的设置适于获得大的电感变化率。
在该可变感应器X2中,如前所述,在线圈12a的面内方向上,导电膜43的开口43a位于线圈12a的开口12a’内。这种设置适于在导电膜43中与线圈12a面对的位置处密集地产生上述的感应电流。因此,这样的设置适于获得大的电感变化率。
在该可变感应器X2中,优选地,导电膜43的厚度应该不小于该可变感应器X2在其所使用频率范围中的最低频率时导电膜43中产生的感应电流的趋肤深度。这样的设置适于在导电膜43中适当地产生感应电流,并且适于获得大的电感变化率。
图14为根据本发明第三实施例的可变感应器X3的剖视图。可以将该图与图2中的可变感应器X1的剖视图进行比较。可变感应器X3具有层状结构,该层状结构包括第一固定结构50、第二固定结构20以及位于两者之间的可动结构60。可变感应器X3与可变感应器X1的不同之处在于,可变感应器X3包括取代了第一固定结构10和可动结构30的第一固定结构50和可动结构60。
如图14和图15所示,第一固定结构50包括基板51和通电部52。基板51由预定的绝缘材料制成。通电部52具有:线圈52a,其具有开口52a’;端子52b、52c;以及导电插塞52d。线圈52a是所谓的游丝形线圈。线圈52a与端子52b形成于基板51的一个表面上,并且彼此电连接。尺寸方面,线圈52a的导线宽度例如为5至15μm,导线厚度例如为1至10μm,导线与导线之间的距离例如为5至15μm,圈数例如为3至5,图15中所示的长度L6(最外部正方形的边长)例如为100至3000μm。上述的线圈52a具有开口52a’,其与基板51上形成的凹部51a相面对。如图15所示,凹部51a的长度L7例如为10至200μm。端子52c形成在基板51的另一表面上,并且通过穿过基板51的导电插塞52d与线圈52a电连接。从电学角度而言,线圈52a位于端子52b、52c之间,并且与端子52b、52c均串联。端子52b、52c通过预定的布线(未图示)与预定的电路连接。上述通电部52由预定的导电材料制成。至少感应器52的线圈52a由Au、Cu、Al或Ni制成。
如图14和图16所示,可动结构60包括一对接合端部61A和61B、可动梁部62、导电膜63、驱动电极64、端子65以及凸部66。接合端部61A、61B比第二固定结构20的接合端部21A、21B宽。可动梁部62跨接接合端部61A、61B,并且比接合端部61A、61B薄。导电膜63形成于可动梁部62的一表面上,并且面向第一固定结构50的线圈52a。导电膜63沿线圈52a的面内方向延伸并超出线圈52a。如图14和图16所示,在线圈52a的面内方向上,导电膜63的最外缘与线圈52a的最外缘之间的距离L8例如为0至200μm。当可动梁部62处于自然状态时(即未运行时),线圈52a和导电膜63之间的距离d5例如为0.2至2μm。上述的导电膜63的厚度例如为1至10μm。驱动电极64形成于可动梁部62的另一表面上,并且面向驱动电极23。当可动梁部62处于自然状态时,驱动电极23、64之间的距离d6例如为20至60μm。端子65与驱动电极64位于同一侧且形成在可动梁部62及接合端部61A上,并且端子65与驱动电极64电连接。端子65延伸通过第二固定结构20中的接合端部21A的退避部21a。上述端子65通过预定的布线(未图示)电接地。凸部66位于导电膜63上,面向线圈52a的开口52a’,并且当可动梁部62处于自然状态时凸部66的一部分位于第一固定结构50上的基板51的凹部51a中。凸部66的长度L9如图16所示,比长度L7短,例如为8至180μm。接合端部61A、61B和可动梁部62由预定的绝缘材料制成。导电膜63由例如Al、Cu、Au或Ni制成。驱动电极64和端子65均由预定的导电材料制成。凸部66由导电材料或者介电材料制成。
对于上述的可变感应器X3,当通过端子24以及导电插塞25向驱动电极23施加预定的电势时,在驱动电极23、64之间产生静电引力。该引力使得可动梁部62弹性变形靠近固定梁部22,从而增大线圈52a与导电膜63之间的距离d5。通过调整施加至驱动电极23上的电势,可以控制驱动电极23、64之间的静电引力,从而控制可动梁部62的位移量,并因此控制线圈52a和导电膜63之间的距离d5。
在该可变感应器X3中,当通过端子52b、52c向通电部52施加电流时,该电流使得线圈52a周围产生磁场(第一磁场)。该第一磁场使得导电膜63中流动有感应电流,而该感应电流使得该导电膜63周围产生磁场(第二磁场)。该第二磁场的形成扰乱了第一磁场,即削弱了第一磁场。对于如线圈52a和导电膜63之间的这种电磁干扰,有下述事实:线圈52a和导电膜63之间的距离d5越小,则导电膜63中的感应电流越大,第二磁场越大,因此线圈52a周围形成的净磁场越小(换句话说,距离d5越大,则导电膜63中的感应电流越小,第二磁场越小,因此线圈52a周围形成的净磁场越大)。线圈52a周围形成的净磁场越小(即距离d5越小),则端子52b、52c之间的电感越小;线圈52a周围形成的净磁场越大(即距离d5越大),则端子52b、52c之间的电感越大。这种电感变化的变化率倾向于比例如通过使高导磁率元件靠近/远离线圈而改变电感的感应器X4要大(可变感应器X3的电感可以通过调整距离d5来调整)。电感变化率大的可变感应器X3适于在大的范围内改变电感。
在该可变感应器X3中,如前所述,导电膜63沿线圈52a的面内方向延伸,并且超出线圈52a。这种设置使得能够在导电膜63中与线圈52a面对的位置处适当地产生上述的感应电流。因此,这样的设置适于获得大的电感变化率。
在该可变感应器X3中,由导电材料或者介电材料制成的凸部66设置在导电膜63上线圈52a所在的这侧。通过选择凸部的形状和材料,可以调整电感变化率。
在该可变感应器X3中,优选地,导电膜63的厚度应该不小于该可变感应器X3在其所使用频率范围中的最低频率时导电膜63中产生的感应电流的趋肤深度。这样的设置适于在导电膜63中适当地产生感应电流,并且适于获得大的电感变化率。
<实例1>
可变感应器的构造:
根据该实例的该可变感应器是具有如下构成的可变感应器X1:线圈12a由Cu制造,导线宽度为10μm,导线厚度为5μm,导线与导线的距离为10μm,圈数为3+(3/4)。图3中所示的长度L1为240μm,图3中所示的长度L2为100μm。导电膜33由Al制成,厚度为5μm,并且形成为边长为2500μm的正方形。线圈12a面向导电膜33的中心。当可动梁部32处于自然状态时(未运行时),线圈12a与导电膜33之间的距离d1为1μm。
电感:
根据该实例的可变感应器经受如下测量:具体地,向线圈12a施加预定频率(1.0GHz、1.8GHz、3.2GHz、5.6GHz和10GHz)的交变电流,改变距离d1以观察电感Ls[nH]的变化。结果如图17中曲线图所示。此外,图18是示出电感Ls的变化率ΔLs[%]的曲线图(变化率ΔLs[%]为当距离最小时电感变化量相对于电感的百分比)。在图17中,曲线图的水平轴线代表距离d1,而竖直轴线代表电感Ls(后面描述的图19和图21也是如此)。另外,在图17中,曲线随1.0GHz、1.8GHz、3.2GHz、5.6GHz和10GHz的频率变化,分别利用符号○、×、△、口和●表示(后面描述的图19和图21也是如此)。另一方面,图18中的图表使用水平轴线代表距离d1,而使用竖直轴线代表电感变化率ΔLs(后面描述的图20和图22也是如此)。
<实例2>
可变感应器的构造:
根据该实例的可变感应器与根据实例1的可变感应器的不同之处在于,导电膜33厚度为1μm而不是5μm。除此之外,实例2中的可变感应器与实例1的可变感应器X1相同。
电感:
根据该实例的可变感应器经受如下测量:具体地,向线圈12a施加预定频率(1.0GHz,1.8GHz,3.2GHz,5.6GHz,10GHz)的交变电流,改变距离d1以观察电感Ls[nH]的变化。结果如图19中的曲线图所示。此外,图20是示出电感Ls的变化率ΔLs[%]的曲线图。
<实例3>
可变感应器的构造:
根据该实例的可变感应器与根据实例1的可变感应器的不同之处在于,导电膜33厚度为0.2μm而不是5μm。除此之外,实例3中的可变感应器与实例1的可变感应器X1相同。
电感:
根据该实例的可变感应器经受如下测量:具体地,向线圈12a施加预定频率(1.0GHz,1.8GHz,3.2GHz,5.6GHz,10GHz)的交变电流,改变距离d1以观察电感Ls[nH]的变化。结果如图21中的曲线图所示。此外,图22是示出电感Ls的变化率ΔLs[%]的曲线图。
<实例4>
可变感应器的构造:
根据该实例的该可变感应器是具有如下构成的可变感应器X1:线圈12a由Cu制造,导线宽度为10μm,导线厚度为5μm,导线与导线的距离为10μm,圈数为3+(3/4)。图3中所示的长度L1为240μm,图3中所示的长度L2为100μm。导电膜33由Cu制成,厚度为0.2μm,并且形成为边长为2500μm的正方形。线圈12a面向导电膜33的中心。当可动梁部32处于自然状态时(未运行时),线圈12a与导电膜33之间的距离d1为0.2μm。
电感:
根据该实例的可变感应器经受如下测量:具体地,向线圈12a施加预定频率(1.0GHz、1.6GHz、2.5GHz、4.0GHz、6.3GHz以及10GHz)的交变电流,改变距离d1以观察电感Ls[nH]的变化。图23示出了距离d1为50μm时的电感Ls相对于距离d1为0.2μm时的电感Ls的电感变化率ΔLs[%]的曲线图。在图23中的曲线图中,水平轴线代表导电膜厚度[μm],而竖直轴线代表变化率ΔLs。另外,在图23中,曲线以1.0GHz、1.6GHz、2.5GHz、4.0GHz、6.3GHz以及10GHz的频率变化,分别利用符号○、×、△、◆、口和●表示。在该实例中,水平轴线上的绘图间距(plotting interval)为0.2。此外,图23中的曲线图以虚线(每条虚线均表示水平轴线上的一个点)示出了在各个频率(1.0GHz、1.6GHz、2.5GHz、4.0GHz、6.3GHz以及10GHz)下Cu膜(导电膜33)中产生的感应电流的趋肤深度(理论计算值)。最左侧的虚线对应1.0GHz,左起第二条虚线对应1.6GHz,左起第三条虚线对应2.5GHz,左起第四条虚线对应4.0GHz,右起第二条虚线对应6.3GHz,而最右侧虚线对应10GHz。
<实例5至13>
可变感应器的构成:
根据实例5至13的可变感应器与根据实例4的可变感应器X1的不同之处在于,导电膜33的厚度由5μm变成0.4μm(实例5)、0.6μm(实例6)0.8μm(实例7)、1.0μm(实例8)、1.2μm(实例9)、1.4μm(实例10)、1.6μm(实例11)、1.8μm(实例12)、2.0μm(实例13)。除此之外,所述可变感应器与实例4中的可变感应器X1相同。
电感:
根据实例5至13的可变感应器经受如下测量:具体地,向线圈12a施加预定频率(1.0GHz,1.6GHz,2.5GHz,4.0GHz,6.3GHz和10GHz)的交变电流,改变距离d1以观察电感Ls[nH]的变化。图23示出了距离d1为50μm时的电感Ls相对于距离d1为0.2μm时的电感Ls的电感变化率ΔLs[%]的曲线图。水平轴线上的绘图间距在实例5中例如为0.4,而在实例10中例如为1.4。
<实例14>
可变感应器的构造:
根据该实例的可变感应器是具有如下构成的可变感应器X2:线圈12a由Cu制造,导线宽度为10μm,导线厚度为5μm,导线与导线的距离为10μm,圈数为3+(3/4)。长度L1(如与第一实施例相关的图3中所示)为240μm,长度L2(如与第一实施例相关的图3中所示)为100μm。导电膜43由Al制成,厚度为0.8μm,并且形成为边长为2500μm的正方形。线圈12a面向导电膜43的中心。如图12和图13中所示的、导电膜43的最外缘与线圈12a的最外缘之间沿线圈12a的面内方向的距离L4为1130μm。如图13所示的、导电膜43的最内缘与所述线圈12a的最内缘之间沿线圈12a的面内方向的距离为10μm。当可动梁部42处于自然状态时(未运行时),线圈12a与导电膜43之间的距离d3为1μm。
电感:
根据该实例的可变感应器经受如下测量:具体地,向线圈12a施加预定频率(1.0GHz,2.2GHz,4.6GHz和10GHz)的交变电流,改变距离d3以观察电感Ls[nH]的变化。图24为示出电感Ls的变化率ΔLs[%]的曲线图。在图24中,曲线图的水平轴线代表距离d3,而竖直轴线代表变化率ΔLs(后面描述的图25至图32也是如此)。另外,在图24中,曲线以1.0GHz、2.2GHz、4.6GHz和10GHz的频率变化,分别利用符号●、口、△和×表示(后面描述的图25至图29也是如此)。
<实例15>
可变感应器的构造:
根据该实例的可变感应器是具有如下构成的可变感应器X2:线圈12a由Cu制造,导线宽度为10μm,导线厚度为5μm,导线与导线的距离为10μm,圈数为3+(3/4)。长度L1(如与第一实施例相关的图3中所示)为240μm。长度L2(如与第一实施例相关的图3中所示)为100μm。导电膜43由Al制成,厚度为5μm,并且形成为边长为260μm的正方形。线圈12a面向导电膜43的中心。如图12和图13中所示的、导电膜43的最外缘与线圈12a的最外缘之间沿线圈12a的面内方向的距离L4为10μm。如图13所示的、导电膜43的最内缘与所述线圈12a的最内缘之间沿线圈12a的面内方向的距离L5为10μm。当可动梁部42处于自然状态时(未运行时),线圈12a与导电膜43之间的距离d3为1μm。
电感:
根据该实例的可变感应器经受如下测量:具体地,向线圈12a施加预定频率(1.0GHz,2.2GHz,4.6GHz,10GHz)的交变电流,改变距离d3以观察电感Ls[nH]的变化。图25为示出电感Ls的变化率ΔLs[%]的曲线图。
<实例16>
可变感应器的构造:
根据该实例可变感应器与根据实例15的可变感应器X2的不同之处在于,图12和图13中所示的距离L4从10μm变为0μm。除此之外,实例16中的可变感应器与实例15中的可变感应器X2相同。
电感:
根据该实例的可变感应器经受如下测量:具体地,向线圈12a施加预定频率(1.0GHz,2.2GHz,4.6GHz和10GHz)的交变电流,改变距离d3以观察电感Ls[nH]的变化。图26为示出电感Ls的变化率ΔLs[%]的曲线图。
<实例17>
可变感应器的构造:
根据该实例可变感应器与基于可变感应器X2的实例15的可变感应器的不同之处在于,图12和图13中所示的距离L4从10μm变为-10μm。另外,在该可变感应器中,线圈的部分最外缘并不面向导电膜。
电感:
根据该实例的可变感应器经受如下测量:具体地,向线圈12a施加预定频率(1.0GHz,2.2GHz,4.6GHz和10GHz)的交变电流,改变距离d3以观察电感Ls[nH]的变化。图27为示出电感Ls的变化率ΔLs[%]的曲线图。
<实例18>
可变感应器的构造:
根据该实例可变感应器与根据实例15的可变感应器X2的不同之处仅在于,图13中所示的距离L5从10μm变为0μm。
电感:
根据该实例的可变感应器经受如下测量:具体地,向线圈12a施加预定频率(1.0GHz,2.2GHz,4.6GHz和10GHz)的交变电流,改变距离d3以观察电感Ls[nH]的变化。图28为示出电感Ls的变化率ΔLs[%]的曲线图。
<实例19>
可变感应器的构造:
根据该实例可变感应器与基于可变感应器X2的实例15的可变感应器的不同之处在于,图13中所示的距离L5从10μm变为-10μm。另外,在该可变感应器中,线圈的最内缘部分并不面向导电膜。
电感:
根据该实例的可变感应器经受如下测量:具体地,向线圈12a施加预定频率(1.0GHz,2.2GHz,4.6GHz和10GHz)的交变电流,改变距离d3以观察电感Ls[nH]的变化。图29为示出电感Ls的变化率ΔLs[%]的曲线图。
<评估>
由图17、图19以及图21中的曲线图(实例1至实例3)可以看到,很明显电感Ls随着距离d3变大而变大。由图18、图20以及图22中的曲线图(实例1至实例3)可以看到,很明显电感的变化率ΔLs随着流经线圈12a的交变电流的频率变大而变大。例如,当频率为10GHz时,变化率ΔLs可以高达400%。另外,图20的曲线图(实例2)与图22的曲线图(实例3)之间的比较表明,实例2中可变感应器的导电膜33厚度比实例3中可变感应器的导电膜33厚度大,实例2中可变感应器倾向于具有较大的变化率ΔLs,尤其是在低频区。这可能是因为实例2中的导电膜33(Al膜)具有足够的厚度——与低频范围下感应电流的趋肤深度等深或者更深;而实例3中的导电膜33(Al膜)没有足够的厚度。
如图23的曲线图所示,如果导电膜33的厚度不薄于各频率下的趋肤深度,则电感的变化率ΔLs基本饱和。趋肤深度随着频率的增大而变大。因此,在根据本发明的可变感应器中,面向线圈的导电膜的厚度优选不薄于该感应器所用频率范围内的最低频率所对应的趋肤深度,从而可以在导电膜中适当地产生感应电流,用于获得大的电感变化率或者大的电感。
图18中的曲线图(实例1)和图24中的曲线图(实例14)的对比表明,根据实例14的、导电膜43具有开口43a的可变感应器倾向于比根据实例1的、导电膜33不具有开口的可变感应器具有更大的变化率ΔLs,尤其是在高频区。这可能是因为:与实例1的导电膜33相比,在实例14的导电膜43中与线圈12a相对的位置处能更密集且有效地产生感应电流。
图25至图27中的曲线图(实例15、16和17)之间的比较表明,根据实例15和16的、导电膜43沿线圈12a的面内方向延伸超出线圈12a的可变感应器表现出比根据实例17的、导电膜没有延伸超出线圈的可变感应器更大的电感变化率ΔLs,尤其是在低频区。
图25、图28和图29中的曲线图(实例15、18和19)之间的比较表明,根据实例15和18的、导电膜43具有沿线圈12a的面内方向位于线圈12a的开口12a’内的开口43a的可变感应器表现出比根据实例19的、导电膜开口未位于线圈开口内的可变感应器更大的电感变化率ΔLs,尤其是在高频区。
Claims (9)
1.一种可变感应器,包括:
通电部,所述通电部包括线圈和一对与所述线圈电连接的端子;以及
导电构件,所述导电构件能移动靠近和远离所述线圈;
其中,所述端子之间的电感随着所述线圈和所述导电构件之间的距离变小而变小;并且所述端子之间的电感随着所述线圈和所述导电构件之间的距离变大而变大。
2.如权利要求1所述的可变感应器,其中,所述线圈由游丝形线圈构成;所述导电构件由导电膜或者导电板构成,所述导电膜或者所述导电板沿所述游丝形线圈的厚度方向与所述游丝形线圈存在间隔,但是设置成面向所述游丝形线圈。
3.如权利要求2所述的可变感应器,其中,所述导电构件沿所述游丝形线圈的面内方向延伸,并且超出所述游丝形线圈。
4.如权利要求2所述的可变感应器,其中,所述游丝形线圈包括中央开口;所述导电构件包括位于与所述中央开口相对应的位置处的开口。
5.如权利要求4所述的可变感应器,其中,当沿所述游丝形线圈的面内方向看时,所述导电构件中的所述开口位于所述游丝形线圈的所述中央开口内。
6.如权利要求2或3所述的可变感应器,其中,所述游丝形线圈包括中央开口;所述导电构件包括与所述中央开口对应并且设有凸部的区域。
7.如权利要求6所述的可变感应器,其中,所述凸部由导电材料或者介电材料制成。
8.如权利要求1所述的可变感应器,其中,所述导电构件的厚度比所述导电构件在其所用频率范围内的最低频率时产生的感应电流的趋肤深度厚。
9.如权利要求1所述的可变感应器,其中,所述线圈由Au、Cu、Al和Ni中任一制成。
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