本篇論文旨在利用標準CMOS製程配合微機電(MEMS)的幾項後製程來製作接觸式可變電容及接觸式可變電感。接觸式可變電容及可變電感包括控制用的可動與固定兩平行電極，以及一固定電極，如電容極板或螺旋電感。控制用的可動電極為一懸臂結構，受控制用固定電極的靜電壓作用，懸臂漸次變形，設於懸臂靠端點的可動電極即使在接觸電容極板或螺旋電感後，仍可繼續變形，直至可動電極板完全與電容極板或螺旋電感接觸後停止其電容變化。本接觸式可變電容及可變電感可達高線性變化率，體積小，製作容易，且可與CMOS製程相容，另外接觸式可變電容Q值可達60以上。用CMOS製程的插銷層(Via)、金屬層(Metal)、多晶矽層(Poly)等來實現，一貫完成可成為積體電路元件的高變化率接觸式可變電容及可變電感之技術。
另外本論文亦針對懸臂式微致動器，如開關、可變電容、可變電感等，推導其在不同狀態下的動態數學模型。由於目前相關的微機電模擬軟體在模擬時效上過長，因此藉由數學模型的建立可在設計前預估大致的性能，如驅動電壓、接觸面積、懸臂結構的位移變化等，避免模擬時間的浪費。

This thesis presents a highly tunable capacitor and inductor by using CMOS processes and extra post-process techniques of MEMS. Contact mode capacitor and inductor consists voltage-control actuator and stationary electrode, such as capacitor or inductor. The voltage-control actuator is cantilever beam and the diaphragm will deform in response to applied electrostatic voltage and change the gap between the two actuator-electrodes. Even after the movable electrode begin to touch the stationary electrode of capacitor or inductor the actuator can still increase its voltage until the movable electrode fully touch the stationary electrode of capacitor or inductor. The contact mode capacitor and inductor can achieve large operating voltage range, reduce area, and ultra-wide tuning range of capacitance and inductance.
This thesis also presents a dynamic mathematic model. The dynamic model can reduce the simulation time and predict microstructure performance, such as driving voltage, contact area, and cantilever’s displacement…etc.

中文摘要 i
英文摘要 ii
誌謝 iii
目錄 iv
表目錄 vi
圖目錄 vii
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機與目的 1
1.3 文獻回顧 2
1.4 各章摘要 7
第二章 原理與設計考量 8
2.1 基本特性 8
2.1.1 電容設計考量 8
2.1.2 螺旋電感設計考量 9
2.1.3 品質因素定義 12
2.1.4 散射參數 13
2.1.5 吸附效應 15
2.2 運作方式與操作原理 18
第三章 可變電容與可變電感製程設計 20
3.1 標準CMOS製程 20
3.2 微機電(MEMS)製程 22
3.3 設計流程 26
3.3.1 構想 27
3.3.2 接觸式可變電容製程設計 27
3.3.3 接觸式可變電感製程設計 30
3.4 晶片佈局 33
3.4.1 接觸式可變電容晶片佈局 33
3.4.2 接觸式可變電感晶片佈局 34
第四章 數學模型與模擬分析 36
4.1 懸臂樑做動的四個行程 36
4.1.1 正常區域 39
4.1.2 轉換區域 41
4.1.3 接觸區域 46
4.1.4 飽和區域 48
4.2 數學模型與模擬結果之比較 49
4.3 重力對懸臂樑之影響 50
4.4 介電材料對吸附電壓之影響 52
4.5 介電層電荷累增對驅動電壓之影響 53
4.6 RF voltage對懸臂樑之影響 56
4.7 CMOS 1P5M接觸式可變電容的模擬 60
4.8 CMOS 1P5M接觸式可變電感的模擬 63
4.8.1 懸臂樑耦合量之影響 66
4.8.2 殘餘短路線圈之影響 69
4.9 可變電容與可變電感於相移器之應用 71
第五章 後製程實驗與量測結果 77
5.1 CMOS-MEMS 接觸式可變電容後製程實驗 77
5.2 CMOS-MEMS 接觸式可變電感後製程實驗 81
5.3 量測方法 83
5.4 CMOS-MEMS 接觸式可變電容量測結果 84
5.5 CMOS-MEMS 接觸式可變電感量測結果 87
5.6 製程修正 88
第六章 結論 92
6.1 結論與建議 92
6.2 未來展望 95
參考文獻 99
附錄
A 吸附效應對平行極板式微致動器的影響 101
B 吸附效應對懸臂式微致動器的影響 104
C 接觸式可變電容的動態響應模擬 107
D 電容值變化對自我共振頻率的影響 110

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