濾波器和發射機－接收機的製作方法

2023-09-20 03:10:30 1

專利名稱：濾波器和發射機－接收機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種通過使用微諧振器配置的濾波器裝置，和配備其的發射機-接收機。
背景技術：
隨著最近IT(信息技術)的發展，使用網絡的裝置的數量顯示出巨大的增長。在該情形，尤其就使用性而言，存在對於無線網絡技術的日益增加的需求。除了半導體晶片以外，用於無線電通訊的RF前端模塊具有相對大尺寸的元件，比如引入其中用於RF濾波器(高頻濾波器)和IF濾波器(中頻濾波器)的SAW(表面聲波)濾波器和介電濾波器，從而這些元件的存在是妨礙RF前端模塊的微型化和成本減小的原因。因此，已經通過將這些濾波器功能結合到半導體晶片中，努力去實現RF前端模塊的微型化和成本減小。更具體而言，已知一種使用MEMS(微機電系統)元件作為諧振器的技術，MEMS是一種微機械。
使用MEMS元件的諧振器(其後被稱為微諧振器)利用半導體工藝形成於半導體晶片上，且具有允許器件用作諧振器的梁結構。微諧振器具有的優點在於器件僅需小的佔據空間，可以實現高Q值(能量/損耗的比例)，且可以與其他半導體器件集成。因此，提出了使用其作為無線電通訊器件，特別作為頻率濾波器(RF濾波器、IF濾波器)(例如，請參見High-Q HFMicroelectromechanical Filters，「IEEE Journal of Solid-state Circuits」，(USA)，April 2000，Vol.35，No.4，p512-526)。
然而，上述高QHF微機電濾波器中披露的微諧振器具有極大的Q值，而在濾波器器件通過用柱狀彈性條機械連接(耦合)兩個微諧振器的梁電極來配置的情形所獲得的特定帶寬僅為1％或更小(根據該文件中的描述為0.23％)。與之相反，大多數濾波器所需的特定帶寬為2％以上，從而存在為了滿足該需求而擴展特定帶寬的需求。
為了解決上述的問題構思了本發明，且其目的在於實現使用微諧振器配置的濾波器器件的特定帶寬的擴展。

發明內容
根據本發明的濾波器器件具有在用於平衡輸入的兩個輸入端和用於平衡輸出的兩個輸出端之間以形成格狀方式電連接的多個梁結構微諧振器，該多個微諧振器均由包括諧振頻率不同的多個諧振器的諧振器組構成。本發明的發射機-接收機配備有如上配置的濾波器器件。
在根據本發明的濾波器器件和配備有其的發射機-接收機中，通過在兩個輸入端和兩個輸出端之間以形成格狀方式電連接多個梁結構微諧振器，從而可以實現與帶通濾波器等效的濾波器功能。通過使得多個微諧振器每個均由包括諧振頻率不同的多個諧振器的諧振器組構成，從而可以保證寬的濾波器的特定帶寬。
根據本發明，通過使用多個微諧振器，可以實現具有寬的特定帶寬的濾波器器件。


圖1A和1B是顯示用於本發明的微諧振器的示範性配置的圖。
圖2A到2E是顯示用於本發明的微諧振器的示範性製造工藝的流程的圖(系列1)。
圖3A到3D是顯示用於本發明的微諧振器的示範性製造工藝的流程的圖(系列2)。
圖4是顯示根據本發明的實施例的濾波器器件的配置的示意圖。
圖5是顯示本發明的實施例中採用的微諧振器的內部結構的示意平面圖。
圖6A到6C是顯示濾波器器件的微諧振器的諧振特性和信號傳輸特性的圖。
具體實施例方式
現將參考附圖在以下描述本發明的具體實施例。在本發明的實施例中，通過使用MEMS元件(一種微機械)配置的梁結構諧振器將被稱為微諧振器。
圖1A和1B顯示了用於本發明的微諧振器的示範性配置，其中圖1A是微諧振器的平面圖，且圖1B是微諧振器的剖面側視圖。在圖1A和1B中，絕緣膜2形成於用作基底的半導體襯底1上。半導體襯底1例如由矽襯底構成，且絕緣膜2例如由氮化矽膜構成。
在絕緣膜2上形成了輸入電極3和輸出電極4。在輸入電極3和輸出電極4上方，梁電極5形成以與這兩個電極3和4相對。梁電極5的兩端由一對支撐部分6支撐並固定於其上。梁電極5以橋狀方式形成，以跨過輸入電極3和輸出電極4，同時在其自身和輸入電極3和輸出電極4各自的電極表面之間保持微間隙。輸入電極3和輸出電極4分別設置而且與梁電極5的縱向方向(圖1A和1B的橫向方向)的中心保持離開相同的距離。
圖2A到2E以及圖3A到3D是顯示用於本發明的微諧振器的示範性製造工藝的流程。首先，如圖2A所示，在製造微諧振器中，絕緣膜2形成於比如矽襯底的半導體襯底1上。絕緣膜2通過氣相沉積形成例如厚度為1μm的氮化矽膜。接下來，如圖2B所示，在先前形成的絕緣膜2上通過氣相沉積形成下電極層7，下電極層7例如由0.5μm厚的多晶矽層構成，然後如圖2C所示，通過光刻技術構圖電極層7，由此形成上述的輸入電極3、輸出電極4和成對的支撐部分6。
接下來，如圖2D所示，在半導體襯底1上的絕緣膜2上形成犧牲層8以覆蓋前述的輸入電極3、輸出電極4和支撐部分6。犧牲層8由氧化矽的氣相沉積形成為例如0.5μm厚。接下來，如圖2E所示，犧牲層8的表面(頂表面)通過化學機械拋光(CMP)工藝來平面化。
隨後，如圖3A所示，在成對的支撐部分6上的犧牲層8中形成開口(接觸孔)9，且然後如圖3B所示，在犧牲層8上形成例如由0.5μm厚的多晶矽構成的上電極層10以填充上述開口9。接下來，如圖3C所示，使用光刻技術構圖上電極層10，由此形成梁電極5。其後，如圖3D所示，使用比如氫氟酸的溶液去除犧牲層8，由此獲得如圖1A和圖1B所示的梁結構微諧振器。
在由上述的製造工藝獲得的微諧振器中，例如，對輸入電極3輸入頻率信號(RF信號、IF信號等)的同時施加DC電壓(DC)導致在梁電極5和輸入電極3彼此相對的區域中反覆產生靜電吸引力和靜電排斥力，靜電吸引力和降低排斥力通常被稱為庫侖力。當產生靜電吸引力時，梁電極5導致了接近輸入電極3的方向上的微位移，且當產生靜電排斥力時，梁電極5導致了遠離輸入電極3的方向上的微位移。通過反覆該過程，梁電極5根據其自身的特徵頻率諧振(振動)，從而在相對的梁電極5和輸出電極4之間的距離也相應地變化。因此，在對應於梁電極5的諧振頻率的頻帶中的信號從輸出電極4輸出。現可以說明的是上述的DC電壓可以被施加到梁電極5。
圖4是顯示根據本發明的實施例的濾波器器件的配置的示意圖。在圖4中，多個微諧振器15、16、17、18在用於平衡輸入的兩個輸入端11、12和用於平衡輸出的兩個輸出端13、14之間以形成格狀方式電連接。微諧振器15、16、17、18每個均是由上述的製造工藝獲得的具有梁結構的微諧振器。將具有彼此相反的相位的頻率信號反覆輸入到輸入端11、12，且將具有彼此相反的相位的頻率信號反覆從輸出端13、14輸出。
在上述的多個微諧振器15、16、17、18中，微諧振器15在一個輸入端11和對應的輸出端13之間串聯連接，微諧振器16在另一個輸入端12和對應的另一輸出端14之間串聯連接。另外，微諧振器17在上述的輸入端11和上述的輸出端14之間串聯連接，微諧振器18在上述的輸入端12和上述的輸出端13之間串聯連接。
更具體而言，微諧振器15的輸入電極通過互連線L11電連接到輸入端11，微諧振器16的輸入電極通過互連線L12電連接到輸入端12。微諧振器17的輸入電極通過互連線L13、L11電連接到輸入端11，微諧振器18的輸入電極通過互連線L14、L12電連接到輸入端12。
另一方面，微諧振器15的輸出電極通過互連線L15電連接到輸入端13，微諧振器16的輸出電極通過互連線L16電連接到輸入端14。微諧振器17的輸出電極通過互連線L17、L16電連接到輸入端14，微諧振器18的輸出電極通過互連線L18、L15電連接到輸入端13。
現可以說明的是對於多個微諧振器15、16、17、18與分別連接到其上的互連線L11到L18一起形成於同一襯底上的情形，需要在該襯底上交叉互連線L17、L18或互連線L13、L14。在該情形，例如，在互連線17、18的交叉點處，通過將互連線L18的互連層配置為具有雙層結構，且通過接觸孔電連接這些層，以非導電的方式交叉互連線L17、L18。
上述的多個微諧振器15、16、17、18每個都由包括諧振頻率不同的多個諧振器的諧振器組構成。將參考基於圖5的微諧振器15，在以下解釋諧振器組的特定示範性配置。在示出的微諧振器15的配置中，引到輸入端11的輸入電極151和引到輸出端13的輸出電極152分別形成以分出兩支(151A、151B、152A、152B)。在這些中，輸入電極151A和輸出電極152A彼此平行並排設置以形成一對，輸入電極151B和輸出電極152B也彼此平行並排設置以形成一對。
微諧振器15具有多個(在該示例中為14個)的梁電極153A到153N。在這些中，一半梁電極153A到153G(7個)以橋狀方式單獨地形成，從而跨過輸入電極151A和輸出電極152A，剩餘的一半梁電極153H到153N以橋狀方式單獨地形成，從而跨過輸入電極151B和輸出電極152B。輸入電極、輸出電極和梁電極之間的基本位置關係與圖1A和圖1B中所示情形相同。這樣，單個的諧振器由輸入電極151A、輸出電極152A和梁電極153A構成。輸入電極151A、輸出電極152A和七個梁電極153A到153G的組合構成了七個諧振器，且輸入電極151B、輸出電極152B和七個梁電極153H到153N的組合也構成了七個諧振器。因此，微諧振器15由總共具有14個諧振器的諧振器組構成。由微諧振器15擁有的十四個諧振器使用共同的輸入電極151(151A、151B)和輸出電極152(152A、152B)分別並聯電連接。
在上述的14個諧振器中，現將使用梁電極153A、153B配置的兩個諧振器的諧振頻率分別指示為「f1」，將使用梁電極153C、153D、153E配置的三個諧振器的諧振頻率分別指示為「f2」，將使用梁電極153F、153G、153H、153I配置的四個諧振器的諧振頻率分別指示為「f3」，將使用梁電極153J、153K、153L配置的三個諧振器的諧振頻率分別指示為「f4」，將使用梁電極153M、153N配置的兩個諧振器的諧振頻率分別指示為「f5」，這些諧振頻率被設定為彼此不同的值。
例如，現假設微諧振器15的諧振頻率由f3代表，設定單獨的諧振器的諧振頻率以滿足f1＜f2＜f3＜f4＜f5的條件同時將f3放置在中心。作為特定值的示例，將使用梁電極153A、153B的兩個諧振器的諧振頻率被設定為f1＝99.6MHz，將使用梁電極153C、153D和153E的三個諧振器的諧振頻率被設定為f2＝99.8MHz，將使用梁電極153F、153G、153H和153I的四個諧振器的諧振頻率被設定為f3＝100MHz，將使用梁電極153J、153K、153L的三個諧振器的諧振頻率被設定為f4＝100.2MHz，將使用梁電極153M、153N配置的兩個諧振器的諧振頻率被設定為f5＝100.4MHz。
可以使用梁電極的長度或質量作為參數調節(改變)單獨的諧振器的諧振頻率。換言之，梁電極的較大的長度L(見圖1A和圖1B)相應地減小了諧振器的諧振頻率，而梁電極的較小的長度L則相應地提高了諧振器的諧振頻率。另一方面，梁電極的較小的質量相應地減小了諧振器的諧振頻率，而梁電極的較大的質量則相應地提高了諧振器的諧振頻率。
因此，對於微諧振器15中的單獨的諧振器的諧振頻率被設定以滿足上述的條件而且使用梁電極的長度(梁長度)作為參數的情形，梁電極153A、153B的長度「L1」、梁電極153C、153D和153E的長度「L2」、梁電極153F、153G、153H和153I的長度「L3」、梁電極153J、153K、153L的長度「L4」、梁電極153M、153N的長度「L5」被設定為L1＞L2＞L3＞L4＞L5。
另一方面，對於微諧振器15中的單獨的諧振器的諧振頻率被設定以滿足上述的條件而且使用梁電極的質量作為參數的情形，梁電極153A、153B的質量「M1」、梁電極153C、153D和153E的質量「M2」、梁電極153F、153G、153H和153I的質量「M3」、梁電極153J、153K、153M的質量「M4」、梁電極153M、153N的質量「M5」被設定為M1＜M2＜M3＜M4＜M5。
現可以說明的是，梁電極的長度在微諧振器的設計階段可以被任意調整。另外，通過電極膜形成工藝中的厚度控制，或通過雷射修剪來切除部分的梁電極，梁電極的質量在諧振器的設計階段可以被調整。
在以上的圖5中，具有相同的諧振頻率的諧振器被彼此相鄰排列，但是諧振器的排列的順序可以被任意地改變。然而，就諧振器組中的頻率分布而言，優選地使得諧振頻率逐步從參考頻率(上述示例中的f3)幾乎均勻(以等量的間距)分布，且將那些在基準頻率諧振的諧振器的數量設定為最多，同時隨著諧振頻率從基準頻率的偏移越大逐步地減小諧振器的數量，該參考頻率設定在位於頻率分布的中心的諧振頻率。
現假設一種其中構成微諧振器15的諧振器組中所有的諧振器的諧振頻率(f1到f5)被設定為同一值(例如100Hz)的假設情形，微諧振器15的諧振特性將如圖6A給出。與此不同，對於其中構成微諧振器15的諧振器組中單獨的諧振器的諧振頻率(f1到f5)根據上述的條件(f1＝99.6MHz，f2＝99.8MHz，f3＝100MHz，f4＝100.2MHz，f5＝100.4MHz)來設定的情形，如圖6B所示，依據單獨的諧振器的諧振頻率分布，在f1-f5的頻帶中同時出現了多個諧振點。為此，諧振點被給出通常圍在諧振頻率的最小值f1和最大值f5之間的頻帶中。通過在這裡根據上述的關係設定諧振器的諧振頻率分布和諧振器的數量，可以將出現的諧振點圍在從f1到f5的頻率範圍內，而且最小化其變形。
微諧振器15的配置以相同的方式也適用於其他的微諧振器16、17、18。在輸入端11和輸出端13之間串聯連接的微諧振器15，和在輸入端12和輸出端14之間串聯連接的微諧振器16被設定具有相同的諧振頻率。而且，在輸入端11和輸出端14之間串聯連接的微諧振器17，和在輸入端12和輸出端13之間串聯連接的微諧振器18被設定具有相同的諧振頻率。然而，注意到微諧振器15、16的諧振頻率和微諧振器的17、18的諧振頻率被設定為彼此不同的頻率。例如，現假設微諧振器15、16的諧振頻率被指示為「F1」，微諧振器17、18的諧振頻率被指示為「F2」，它們被設定為滿足關係F1＞F2(例如F1＝100MHz，F2＝98MHz)。
因此，在構成諧振器16的諧振器組中的單獨的諧振器的諧振頻率(f1到f5)相似地設定為微諧振器15中的那些，但是在構成諧振器17的諧振器組中的單獨的諧振器的諧振頻率(f1到f5)和在構成諧振器18的諧振器組中的單獨的諧振器的諧振頻率(f1到f5)例如設定為f1＝97.6MHz，f2＝97.8MHz，f3＝98MHz，f4＝98.2MHz，f5＝98.4MHz，而且滿足f1＜f2＜f3＜f4＜f5的上述的關係。
在如此配置的濾波器器件被允許操作而且將DC電壓(DC)施加到上述的兩個輸入端11、12(或上述多個微諧振器15、16、17、18的單獨的梁電極)的情形，具有彼此相反相位的頻率信號(RF信號、IF信號等)分別被輸入到輸入端11、12。然後通過輸入端11的頻率信號輸入被賦予微諧振器15、17的單獨的輸入電極，通過輸入端12的頻率信號輸入被賦予微諧振器16、18的單獨的輸入電極。因此，在單獨的微諧振器15、16、17、18中，對應於它們每一個的梁電極依據它們自身的特性頻率諧振，且通過它們對應的輸出電極提取對應於諧振頻率的頻率信號。通過微諧振器15、18的單獨的輸出電極提取的頻率信號從輸出端13輸出，通過微諧振器16、17的單獨的輸出電極提取的頻率信號從輸出端14輸出。
以該方法，使得從兩個輸出端13、14輸出的頻率信號的頻帶對應於這兩個微諧振器15、16的諧振頻率F1和這兩個微諧振器17、18的諧振頻率F2。單獨的微諧振器15、16、17、18的諧振特性被給出如圖6B所示，且以形成格狀方式組合(電連接)的這些微諧振器15、16、17、18的濾波器特性被給出如圖6C所示，具有對應於單獨的微諧振器15、16、17、18的諧振頻率(中心頻率)F1、F2的寬且平的信號傳輸帶Fw。因此，使得濾波器器件的信號傳輸特性可以確保更寬的特定頻帶。因此，具有2％或更多的特定頻帶的濾波器器件可以通過組合多個微諧振器實現。
而且，僅通過電連接微諧振器而無需機械連接微諧振器的梁電極，就可以實現具有等效於帶通濾波器的濾波器功能的濾波器器件。因此可以實現濾波器器件的微型化、降低的成本和更高的可靠性。
本發明不限於使用微諧振器的濾波器器件，而可以被提供為通過使用濾波器器件配置的發射機-接收機，用於使用電磁波的通訊，比如行動電話、無線LAN器件，電視機調諧器、無線電調諧器等。
權利要求
1.一種濾波器器件，其特徵在於，具有在用於平衡輸入的兩個輸入端和用於平衡輸出的兩個輸出端之間以形成格狀方式電連接的多個梁結構微諧振器，所述多個微諧振器每個均由包括諧振頻率不同的多個諧振器的諧振器組構成。
2.根據權利要求1所述的濾波器器件，其特徵在於所述諧振器組具有多個梁長度不同的梁電極。
3.根據權利要求1所述的濾波器器件，其特徵在於所述諧振器組具有多個梁質量不同的梁電極。
4.一種發射機-接收機，其特徵在於，配備有濾波器器件，所述濾波器器件具有在用於平衡輸入的兩個輸入端和用於平衡輸出的兩個輸出端之間以形成格狀方式電連接的多個梁結構微諧振器，所述多個微諧振器中每個均由包括諧振頻率不同的多個諧振器的諧振器組構成。
全文摘要
由多個微諧振器構成的具有寬的特定帶寬的濾波器。在用於平衡輸入的兩個輸入端(11、12)和用於平衡輸出的兩個輸出端(13、14)之間，以格狀電連接具有梁結構的多個微諧振器(15、16、17、18)。多個微諧振器(15、16、17、18)均包括諧振器組，該諧振器組包括具有不同的諧振頻率的多個諧振器。
文檔編號H03H9/52GK1977453SQ20058002169
公開日2007年6月6日 申請日期2005年3月25日 優先權日2004年4月28日
發明者難波田康治, 御手洗俊, 田中均洋, 多田正裕 申請人:索尼株式會社