CN101317328A - 微小机电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种能够通过简单的元件构造来处理高频区域的电信号的微小机电装置。本发明的微小机电装置包括振动子元件，该振动子元件在衬底上具有多个电极和与该电极相对并通过静电驱动进行振动的梁，所述微小机电装置向多个电极和梁中的某一组合输入高频信号并从该组合输出高频信号。
Description
技术领域
本发明涉及一种包括静电驱动型微小电机机械元件(振动子元件)的微小机电装置。详细地说，涉及一种利用机械振动子的共振现象来处理模拟电信号、特别是高频(RF)区域的电信号并进行频率调制、滤波的微小机电装置。
背景技术
公知有使用微机械(MEMS：Micro Electro Mechanical Systems；微机电系统)技术制造的微小振动子，例如静电驱动型MEMS共振器。从以密歇根大学为首的研究期间开始提出了该MEMS共振器(参考非专利文献1)。另外，将静电驱动型MEMS共振器尝试使用于高频信号的频率调制也从以密歇根大学为首的研究期间开始被提出(参考非专利文献2、3)。提出的频率转换元件使用纵向或横向一次振动模式，由于输出低、形状复杂，因此在保持工业产品的均一性的同时来进行生产具有相当大的困难。
非专利文献1：C.T-Nguyen，Micromechanical components forminiaturized low-power communications(invitedplenary)，proceedings，1999IEEE MTT-S International Microwave SymposiumRF MEMS Workshop，June，18，1999，pp，48-77；
非专利文献2：A.-C.Wong，H.Ding，and C.T.-C.Nguyen，
Microwavemixer+filters Technical Digest，IEEE-IEDM，1998，PP47-474；
非专利文献3：Fang Chen，Jay Brotz，Umut Arslan，Chiung-ChengLo，Tamal Mukherjee，GaryK.Fedder，
CMOS-MEMS Resonat RF Mixer-Filters 
IEEE2005，PP24-27。
发明内容
从理论研究的立场出发提出的、例如由非专利文献2、3公开的元件的形状复杂，使用这样的设计难以低价生产具有均一特性的装置。例如，当使用一次振动子时，为了防止无用信号通过而需要使用通过绝缘的弹性体连结而成的振动子，此时需要准确地使连结而成的振动子的共振频率一致。可以预测到难以在使上述元件具有均一性能的同时大量地进行制造，可能会导致制造成本过高。这意味着需要一种适于工业生产的元件的构成方法。
另外，可以预测到从上述理论研究的立场出发提出的元件的输出低，因而需要一种通过某种方法来提高输出、降低在该元件的前后级接地的放大器的负荷的对策。如果对策适当，则可望提高应用产品的性能并降低制造成本。此外，希望研究出一种与应用该元件的电路匹配良好的元件构成的方案。
鉴于上述情况，本发明提供一种能够以简单的元件构造来处理高频区域的电信号的微小机电装置。
本发明的微小机电装置的特征在于，包括振动子元件，该振动子元件在衬底上具有多个电极和与该电极相对并通过静电驱动进行振动的梁，所述微小机电装置向多个电极和梁中的某一组合输入高频信号并从该组合输出高频信号。
通过本发明的微小机电装置，能够混合两个高频信号。尤其是具有频率转换和滤波的功能，即通过梁来混合两个高频信号，选择需要的频带的信号，并输出两个高频信号的差分的频率的信号。
根据本发明的微小机电装置，能够以简单的元件构造来处理高频区域的电信号。由此，能够简化电路结构并实现元件的小型化。通过使用成为本发明的微小机电装置的振动子元件，能够以小型且较简化的元件来构成进行频率转换和滤波的信号混频滤波器。
附图说明
图1A、图1B是表示本发明的微小机电装置的第一实施方式的简要构成图；
图2A、图2B是表示本发明的微小机电装置的第二实施方式的简要构成图；
图3A、图3B是表示本发明的微小机电装置的第三实施方式的简要构成图；
图4A、图4B是表示本发明的微小机电装置的第四实施方式的简要构成图；
图5A、图5B是表示本发明的微小机电装置的第五实施方式的简要构成图；
图6是表示本发明的微小机电装置的第六实施方式的简要构成图；
图7是表示本发明的微小机电装置的第七实施方式的简要构成图；
图8是表示本发明的微小机电装置的第八实施方式的简要构成图；
图9是第八实施方式的等价电路图；
图10是用于说明本发明的其他实施方式的说明图；
图11是表示本发明的其他实施方式的构成图；
图12是表示本发明的微小机电装置的振动子元件部分的制造方法的一个实施方式的制造工序图(一)；
图13是表示本发明的微小机电装置的振动子元件部分的制造方法的一个实施方式的制造工序图(二)；
图14是表示本发明的微小机电装置的振动子元件部分的制造方法的一个实施方式的制造工序图(三)；
图15是表示本发明的微小机电装置的振动子元件部分的制造方法的一个实施方式的制造工序图(四)；
图16是表示本发明的微小机电装置的振动子元件部分的制造方法的一个实施方式的制造工序图(五)；
图17是表示本发明的微小机电装置的振动子元件部分的制造方法的一个实施方式的制造工序图(六)；
图18是表示本发明的微小机电装置的振动子元件部分的制造方法的一个实施方式的制造工序图(七)；
图19是通常的滤波器的示意性说明图；
图20是混频滤波器的示意性说明图；
图21是用于说明通常的MEMS滤波器的工作原理的振动子元件的概念图；
图22是用于说明MEMS混频滤波器的工作原理的振动子元件的概念图；
图23是示出微小机电装置的输出频谱的一个示例的输出频谱图。
标号说明
1～8微小机电装置
11衬底
12、13下部电极
14空间
15梁
VDC DC偏置电压
16(16A、16B)支承部
21～23下部电极
25振动子元件
27柱
31、32、33振动子元件
41信号线路
42信号线路
43～46共振器
51硅衬底
52复合绝缘膜
53多晶硅薄膜
54、55下部电极
56(56A、56B)固定台
57、58牺牲层(氧化硅薄膜)
60(60A、60B)通孔
62梁
63(63A、63B)支承部
64空间
65振动子元件
71绝缘体
101梁
102输入电极
103输出电极
具体实施方式
本发明的实施方式的微小机电装置如下构成：包括静电型微小电机机械元件、即在与衬底面垂直的方向上具有振动面的微小振动子元件，在衬底上具有两个以上的多个电极、以及与该电极相对并通过静电驱动进行振动的梁(beam)，并且具有对多个电极和梁中的某一组合输入高频信号和从该组合输出高频信号的两个信号输入端子和一个信号输出端子。通过采用上述构成，能够混合两个高频信号。
本发明的其他实施方式的微小机电装置如下构成：设置有多个上述微小振动子元件，并且针对输入振动子元件的高频信号并联连接。通过采用上述构成，能够增大信号输出。
本发明的其他实施方式的微小机电装置如下构成：将上述并联连接的振动子元件的共振频率分散在需要的宽度的范围内。通过采用上述构成，能够在使用需要的参考信号对高频信号进行频率调制时不漏过包含在原高频载波信号的信号带域宽度内的、希望提取出的信号并作为输出信号而提取出来。
本发明的其他实施方式的微小机电装置如下构成：在上述振动子元件中包括两个以上的与梁相对并驱动梁的输入电极。通过采用上述构成，能够降低振动子元件的输入阻抗，容易与前级的放大器进行电路上的整合，增大信号输出。
本发明的其他实施方式的微小机电装置如下构成：在上述振动子元件中包括两个以上的与梁相对并提取出来自梁的输出的输出电极。通过采用上述构成，能够降低振动子元件的输入阻抗，容易与后级的放大器进行电路上的整合，增大信号输出。
本发明的其他实施方式的微小机电装置如下构成：在上述振动子元件中，通过绝缘体来形成梁的除了与电极相对的部分以及用于对梁施加直流电压和通过信号的配线以外的部分。通过采用上述构成，能够降低无用的噪声。
本发明的其他实施方式的微小机电装置如下构成：在振动子元件的输出侧增加了一个或多个第二静电驱动型振动子元件。即，增加了一个或多个将具有上述三个高频端子的微小的振动子元件的输出作为输入的静电驱动型的微小的振动子元件，作为构成部分而包括这两种微小的振动子元件。通过采用上述构成，能够降低无用的噪声。
本发明的其他实施方式的微小机电装置构成为信号混频滤波器。在构成为信号混频滤波器时，能够在将高频信号的载波频率转换为低频率的同时选择性地仅提取出需要的频带内的信号，大幅地简化高频信号电路。
上述信号混频滤波器通过在交流信号的输入输出端子与电极或梁之间设置电容而使信号通过，能够在静电驱动型装置中使需要的直流偏置与信号线路电分离，实现具有良好特性的元件。
上述混频滤波器处理平衡输入、平衡输出的信号。为此，栅格状地连接共振器(一组并行化的振动子元件)，处理平衡输入、平衡输出的信号。通过使用该滤波电路，能够实现频带透过特性中的对称性良好的频率依赖性。
本发明的实施方式的微小机电装置能够在包括用于处理高频信号的电路模块、例如静电驱动型微小机电元件(振动子元件)的SoC(系统级芯片)或SiP(系统级封装)等半导体装置中构成从载波信号中选择性地提取出期望的信号的电路部。通过采用上述构成，能够向客户提供具有良好性能并省电的小型半导体装置。作为该微小机电装置的一个示例，有包括上述处理平衡输入、平衡输出的信号的信号混频滤波器。
下面，参照附图来详细地说明本发明的实施方式。图1～图8表示了本发明的微小机电装置的实施方式的概念图。本发明的微小机电装置包括微尺度及纳米尺度的振动子元件。
在图1A、图1B中示出了本发明的第一实施方式。本实施方式的微小机电装置包括微小的振动子元件，该振动子元件如下构成：在衬底11上形成有两个电极12、13，并且配置有间隔空间14而与所述电极12、13相对并通过静电驱动进行振动的振动子、即梁15。梁15的两端经由支承部(锚(anchor)部)16(16A、16B)而支承在衬底11上。该振动子元件为二次振动模式的振动子元件。
并且，在第一实施方式中，通过端子t4对梁15施加直流偏置电压(以下称为DC偏置电压)VDC，并分别向下部电极中的电极12和梁15输入频率不同的高频信号，从下部电极中的电极13输出高频信号。即，向电极12和梁15中的某一者、在本例中通过第一输入端子t1向电极12输入作为信息的高频信号(RF)，通过第二输入端子t3向梁15输入高频信号、此时为参考频率信号(LO)，从与电极13连接的输出端子t2输出高频信号(RF)与参考频率信号(LO)的差分的频率的输出信号。
此外，在以下的其他实施方式中也同样地向下部电极中的一种电极和梁中的某一者输入作为信息的高频信号，向另一者输入参考频率信号。
如后所述，该微小机电装置1具有针对作为信息的输入信号选择期望的频带而进行频率转换并输出的功能，即具有进行频率调制和滤波的混频滤波器功能。
衬底11由在硅衬底等半导体衬底的表面上形成有绝缘膜的衬底或绝缘性衬底等形成。在本实施例中，由在高阻抗硅衬底的表面上形成有绝缘膜的衬底形成。作为下部电极的两个电极12、13例如由多晶硅层、金属层、其他的导电性层、衬底的在半导体衬底上形成的扩散层等形成。在本实施例中由多晶硅形成。梁15由导电性膜、在本实施例中由多晶硅膜形成。
如上所述，在第一实施方式的微小机电装置1中，对梁15施加DC偏置电压VDC。通过第一、第二输入端子t1、t3从下部电极中的电极12和梁15输入的高频信号(RF)和参考频率信号(LO)通过梁15而被混合，通过输出端子t2从下部电极中的电极13输出高频信号。即，向电极12输入高频信号(RF)，通过向梁15重叠施加参考频率信号(LO)和DC偏置电压VDC，梁15以高频信号(RF)与参考频率信号(LO)的差分的频率机械性地进行共振，所述差分频率的信号通过信号线路从下部电极中的电极13输出至输出端子t2。此外，使梁15的固有的共振频率与上述差分频率相一致。
本实施方式的微小机电装置1作为混频滤波器元件而发挥作用。这里，混频滤波器被定义为混合输入的两个不同频率的信号并输出其他频率的信号的元件，即从输入的信息信号中选择出期望的频率而进行频率转换(即同时进行频率的选择和转换)的元件。
下面，说明混频滤波器的原理。通常的滤波器是如图18所示意性示出的那样从输入信息中提取出期望的频带的信息而输出的元件。另一方面，混频滤波器是如图19所示意性示出的那样从输入信息中提取出期望的频带的信息、同时偏移频带的中心频率而输出的元件。即，输出期望的频率f(RF)与参考频率f(LO)的差分的频率f(IF)(f(IF)＝f(RF)-f(LO))的信号。
与MEMS滤波器相比较来进一步详细地说明MEMS混频滤波器。图20是二次谐波振动模式的MEMS滤波器的示意图，与梁101相对而设置有作为下部电极的输入电极102和输出电极103。当向梁101施加DC偏置电压VDC、向输入电极12输入高频信号(RF)时，在梁101上施加了F ∝(VDC+VRF)2的(静电)力F。
F∝…+|VDC|×|VRF|×cos(ωRF)t+…
当选择使梁101的共振频率与高频(RF)的频率相等时，梁101以高频信号(RF)的频率发生共振现象，从输出电极103输出该频率的高频信号(RF)。
另一方面，图21是二次谐波振动模式的MEMS混频滤波器的示意图。构造与上述图20相同，与梁101相对而设置有作为下部电极的输入电极102和输出电极103。向梁101施加DC偏置电压VDC。当向输入电极102和梁101输入了高频信号(RF)和参考低频信号(LO)时，在梁101上施加了F∝(VDC+VRF-VLO)2的(静电)力F。
(VDC+VRF-VLO)2＝…+|VRF|×|VLO|×cos(ωRF-ωLO)t+…
力F包括以高频信号(RF)与参考低频信号(LO)的差分频率施加的力。当选择使梁101的固有共振频率与差分频率相等时，梁101以差分信号频率发生共振，从下部电极103输出该差分频率信号(IF)。
在上述第一实施方式中，向电极12施加高频信号(RF)，向梁15施加参考频率信号(LO)，向梁15施加DC偏置电压。由于设计成梁15的二次模式共振频率与差分频率(RF-LO)相一致，因此通过下部电极13输出与梁15的振动相应的频率(上述差分频率)的信号(IF)。
根据第一实施方式的微小机电装置1、即振动子元件，能够混合两个高频信号，并且作为输出而提取出两个高频信号的差分的频率的信号。该振动子元件具有混频滤波器功能。在本实施方式中，能够实现在一个微小机电装置中具有混频滤波器功能的电路结构，大幅地简化高频电路。
图2A、图2B表示了本发明的第二实施方式。该实施方式的微小机电装置2包括并联连接多个图1的微小机电装置(振动子元件)1而并行化的振动子元件。即，该振动子元件2如下构成：按照各个梁15平行的方式在同一衬底11上排列多个振动子元件1，并将各个振动子元件1的相互对应的各电极12彼此之间、各电极13彼此之间分别共通地连接起来。各个梁15共通地连接而导出第二输入端子t3和DC偏置电压VDC的提供端子t4。从共通的电极12导出第一输入端子t1，从共通的电极13导出输出端子t2。所述微小机电装置2与上述相同也为二次振动模式的振动子元件。
与第一实施方式相同，在第二实施方式的微小机电装置2中，例如向下部电极中的电极12和梁15输入高频信号(RF)和参考频率信号(LO)，通过梁15对上述输入的高频信号(RF)和参考频率信号(LO)进行混合，从下部电极中的电极13输出高频信号(RF)与参考频率(LO)的差分频率的信号。
根据第二实施方式的微小机电装置2、即并行化的振动子元件，与上述相同，可以混合两个高频信号，并且作为输出而提取出两个高频信号的差分的频率的信号。该振动子元件具有混频滤波器功能。在本实施方式中，能够简化在一个微小机电装置中具有混频滤波器功能的电路结构，大幅地简化高频电路。并且，由于是使多个振动子元件并行化的构成，因此能够增大信号输出。
在上述第二实施方式中，可以使并联连接的多个振动子元件1的各个梁15的共振频率分布在需要的频率的范围内。即，如图10所示，在一个振动子元件1的共振波峰P1与逆共振波峰P2之间的宽度w的范围内使各个梁15的共振频率依次稍有差异。通过该构成，在以需要的参考频率信号对高频信号进行了频率调制时，不会漏过包含在原高频载波信号的信号频带宽度内的希望提取出的信号并作为输出信号而提取出来。
图3A、图3B示出了本发明的第三实施方式。本实施方式的微小机电装置3由三次振动模式的振动子元件构成。本实施方式的微小机电装置3包括并列连接多个振动子元件25而并行化的振动子元件，该振动子元件25在衬底11上作为下部电极而例如等间隔地形成有三个电极21、22、23，并且配置有间隔空间14而与三个电极21～23相对并通过静电驱动进行振动的梁15。即，该振动子元件3如下构成：按照各个梁15平行的方式在同一衬底11上排列有多个三次振动模式的振动子元件25，并将各个振动子元件25的相互对应的各电极21彼此之间、各电极22彼此之间、各电极23彼此之间分别共通地连接起来。各个梁15共通地连接而导出第二输入端子t3和DC偏置电压VDC的提供端子t4。共通地连接的各电极21与各电极23被共通地连接而导出第一输入端子t1。从共通地连接的各电极22导出输出端子t2。
在第三实施方式的微小机电装置3中，与上述相同，例如通过梁15对输入到下部电极的电极21和23的高频信号(RF)、以及从梁15输入的参考频率信号(LO)进行混合，从下部电极的电极22输出高频信号(RF)与参考频率信号(LO)的差分频率的信号。
根据第三实施方式的微小机电装置3、即并行化的振动子元件，与上述相同，可以混合两个高频信号，并且作为输出而提取出两个高频信号的差分的频率的信号。该振动子元件具有混频滤波器功能。在本实施方式中，能够简化在一个微小机电装置中具有混频滤波器功能的电路构成，大幅地简化高频电路。并且，由于是使多个振动子元件并行化的构成，因此能够增大信号输出。另外，由于作为与梁15相对并驱动振动子元件的输入侧电极而形成有两个电极21、23，因此能够降低振动子元件的输入阻抗，容易与前级的放大器进行电路上的整合，增大信号输出。
在图3的并行化的振动子元件构造中，也可以采用如下构成：将下部电极的电极22作为输入，将电极21、23作为输出，其他构成与图3相同。此时，由于输出电极由两个电极21、23构成，因此能够降低该振动子元件的输出阻抗，容易与后级的放大器进行电路上的整合，增大信号输出。除此之外则具有与图3相同的作用及效果。
图4A、图4B示出了本发明的第四实施方式。本实施方式的微小机电装置4如下构成：在图2的构成中进一步以共同的锚部27来连结与各个梁15的二次振动模式的节相当的部分(梁15的两端侧的部分)。其他构成与图2相同。
根据第四实施方式的微小机电装置4，通过以锚部27连结多个振动子元件的各个梁15，容易在各梁之间传递振动能量，从而能够将基于振动群的集体共振的效果作为输出而提取出来。除此之外则具有与图2相同的作用及效果。
在图5A、图5B中示出了本发明的第五实施方式。本实施方式的微小机电装置5如下构成：在图3的构成中，进一步以共同的柱部27(梁15的中央)和两端侧的部分来连结各梁15的三次振动模式的节的部分。其他构成与图3相同。
根据第五实施方式的微小机电装置5，由于以柱部27来连结多个振动子元件的梁，因此能够使各个梁15的振动趋于一致，容易产生整体性的共振。除此之外则具有与图3相同的作用及效果。另外，通过设置柱，能够抑制电极与梁在牺牲层的形成过程中发生粘连，因此容易制造长的梁。
虽未图示，但是作为本发明的其他实施方式的微小机电装置也可构成为四次以上的高次振动模式的微小机电装置。此时，可以根据各高次振动模式而包括两个以上的下部电极的输入电极。另外，可以包括两个以上的下部电极的输出电极。
如图11所示，作为本发明的其他实施方式的微小机电装置，通过绝缘体71来形成该振动子元件的梁15的除了与电极12、13相对的部分以及用于对梁15施加DC偏置电压和通过信号的配线以外的部分。在本实施例中，梁15的、与下部电极12和13之间的部分相对应的中央部分由绝缘体71形成。DC偏置电压VDC施加在被绝缘体71分离开的两个梁部分15a、15b上。通过采用该构成，实际上作为电容而工作的梁15是与下部电极12、13相对的部分的梁15a、15b。由于除此以外的梁的部分由绝缘体71形成，因此能够降低多余的寄生电容，降低无用的噪声，例如在应用于共振器时能够提高作为共振器的性能。另外，由于能够抑制输入高频信号、参考高频信号对输出电极的击穿，因此能够改善输出混频滤波器信号的信噪比。
图6示出了本发明的第六实施方式。本实施方式的微小机电装置6如下构成：两个二次振动模式的振动子元件31与32串联。第一振动子元件31如下构成：在衬底上形成有作为下部电极的两个电极12a、13b，并间隔空间而形成有与该两个电极12a、13a相对的梁15a。第二振动子元件32也采用相同的构成，在共同的衬底上形成有作为下部电极的两个电极12b、13b，并间隔空间而形成有与该两个电极12a、13a相对的梁15b。并且，两个振动子元件31、32的分别对应的电极13a、13b相互连接，构成作为微小机电装置6的振动子元件。
在第一振动子元件31中，电极12a为输入电极，从电极12a导出第一输入端子t1，从梁15导出第二输入端子t3。电极13a为输出电极。与上述相同，向第一输入端子t1和第二输入端子t3输入不同频率的高频信号。在第二振动子32中，电极12b为输出电极，从电极12b导出输出端子t2。与第一振动子元件31的输出电极13a连接的电极13b为输入电极。另外，第一及第二振动子元件31和32的梁15a、15b共通地连接而导出DC偏置电压VDC的提供端子t4。另外，使第一振动子元件31和第二振动子元件32的梁15a、15b的固有的共振频率与后述的差分频率相一致。
在第六实施方式的微小机电装置6中，在第一振动子元件31中，与上述相同，例如向下部电极的输入电极12a和梁15a输入高频信号(RF)和参考频率信号(LO)，通过梁15a对该输入的高频信号(RF)和参考频率信号(LO)进行混合，经梁15a的共振从下部电极的输出电极13a输出。该输出的信号被输入作为第二振动子元件32的下部电极的输入电极13b，经梁15b的共振，通过输出电极12b而输出。即，在第一振动子元件31中，梁15a从电极13b输出高频信号(RF)和参考频率信号(LO)的差分频率的信号，该输出信号被输入第二振动子元件32，梁15b发生共振，从电极13b输出上述差分频率的信号。
根据第六实施方式的微小机电装置6，由于具有混频滤波器功能的第一振动子元件31与具有滤波器功能的第二振动子元件32串联，因此能够降低无用的噪声。另外，由于能够抑制输入高频信号、参考高频信号对输出电极的击穿，因此能够改善输出混频滤波器信号的信噪比。除此之外则具有与图1的说明相同的作用及效果。此外，在图6中，在第一振动子元件31的后级增加了一个第二振动子元件32，但作为第二振动子元件32，也可以使多个振动子元件串联，即依次将前级的振动子元件的输出电极连接在后级的振动子元件的输入电极上，通过多级的振动子元件构成。
图7示出了本发明的第七实施方式。本实施方式的微小机电装置7如下构成：两种振动子元件、即使用二次模式振动的振动子元件31与使用一次模式振动的振动子元件33串联。第一振动子元件31如下构成：在衬底上形成有作为下部电极的两个电极12a、13a，并间隔空间而形成有与该两个电极12a、13a相对的梁15a。第二振动子元件33如下构成：在共同的衬底上形成有一个下部电极12c、以及间隔空间而与该下部电极12c相对的梁15c。并且，使振动子元件31的电极13a与振动子元件33的电极12c连接，构成作为微小机电装置7的振动子元件。
在第一振动子元件31中，电极12a为输入电极，从电极12a经由电容C1导出第一输入端子t1，从梁15a经由电容C3导出第二输入端子t3。电极13a为输出电极。与上述相同，向第一输入端子t1和第二输入端子t3输入不同频率的高频信号。在第二振动子元件33中，下部电极12c为输入电极，梁15c为输出电极，在梁15c与输出端子t2之间连接有电容C2。另外，第一及第二振动子元件31和33的梁15a、15c共通地连接而导出DC偏置电压VDC的提供端子t4、t4’。使第一振动子元件31和第二振动子元件33的梁15a、15c的固有的共振频率与后述的差分频率相一致。
在第七实施方式的微小机电装置7中，在第一振动子元件31中，与上述相同，例如向作为下部电极的电极12a和梁15a输入高频信号(RF)和参考频率信号(LO)，通过梁15a对该输入的高频信号(RF)和参考频率信号(LO)进行混合，经梁15a的共振从输出电极13a输出。该输出的信号被输入作为第二振动子元件33的下部电极的输入电极12c，经梁15的共振从梁15c输出。即，在第一振动子元件31中，梁15a从电极13a输出高频信号(RF)和参考频率信号(LO)的差分频率的信号，该输出信号被输入第二振动子元件33的下部电极12c，梁15c发生共振，从梁15c输出上述差分频率的信号。
根据第七实施方式的微小机电装置7，由于具有混频滤波器功能的第一振动子元件31与具有滤波器功能的第二振动子元件32串联，因此能够抑制输入高频信号、参考高频信号对输出电极的击穿，改善输出混频滤波器信号的信噪比。另外，电容C1、C3抑制了梁15a的共振频率区域的信号(噪音)，同时阻止了DC电流漏出到高频线路。电容C2阻止了DC电流向高频线路漏出，抑制了低频区域的信号(噪声)。这样，可以通过振动子元件的串联和在高频线路中插入电容来抑制无用的噪声。除此之外则具有与图1所述相同的作用及效果。此外，在图7中，在第一振动子元件31的后级增加了一个第二振动子元件33，但作为第二振动子元件33，也可以使多个振动子元件串联，即依次将前级的振动子元件的输出电极连接在后级的振动子元件的输入电极上，通过多级的振动子元件构成。
图8示出了本发明的第八实施方式。本实施方式的微小机电装置8是使用上述微小机电装置、即具有混频滤波器功能的振动子元件来构成滤波器的示例。本实施方式的混频滤波器8是处理平衡输入、平衡输出的信号的滤波器，其将由前述的振动子元件、优选一组并行化的振动子元件构成的共振器连接成栅格状，构成为处理平衡输入、平衡输出的信号的滤波器。
栅格状地连接了共振器的滤波器被称为格子型滤波器。格子型滤波器使用共振频率不同的两种共振器构成。如图9的等价电路所示，在格子型滤波器中，在两个信号线路41、42上分别连接有具有高共振频率的共振器43、44，在信号线路41侧的共振器43的输入侧与信号线路42的共振器44的输出侧之间、以及信号线路42侧的共振器44的输入侧与信号线路41侧的共振器43的输出侧之间，分别连接有具有相同的低共振频率的共振器45、46。分别向信号线路41的输入端和信号线路42的输入端输入相位相差180°的信号。
即，本实施方式的微小机电装置、即混频滤波器8如下构成：在共同的衬底上排列形成共振频率不同的两种振动子元件，例如由图6所示的振动子元件6构成的具有高共振频率的两个共振器43、44和同样由振动子元件6构成的具有低共振频率的两个共振器45、46。在本例中，在具有高共振频率的两个共振器43与44之间，沿其梁15的延长方向排列形成具有低共振频率的两个共振器45、46。
并且，构成共振器43的、并行化的振动子元件6的输入侧的下部电极12a和输出侧的下部电极12b与信号线路41连接。同样，共振器44的振动子元件6的输入侧的下部电极12a和输出侧的下部电极12b与信号线路42连接。另外，按照在信号线路41与42之间交叉的方式来连接共振器45的振动子元件6和共振器46的振动子元件6。
t11和t12是信号线路41侧的输入端子和输出端子，t13和t14是信号线路42侧的输入端子和输出端子，t15和t’15分别是信号线路41侧、42侧的参考高频信号用的输入端子，t16和t’16是DC偏置电压VDC的提供端子。
各个共振器43～46的梁15a彼此之间、梁15b彼此之间经由电阻R共通地连接以不漏出高频信号，并且分别被施加DC偏置电压VDC。从输入端子t15向共振器43～46中的用于进行混频的前级的振动子元件31的梁15a输入参考频率信号(LO)。另外，向与信号线路41连接的共振器43和与信号线路42连接的共振器44的输入侧的电极12a分别输入相位相差180°的高频信号(RF)。
这里，在参考频率信号(LO)的输入端t15与梁15a之间连接有电容C1，以使DC偏置电压VDC不会漏出到输入端t15侧。另外，在高频信号的输入端子t11、t13与输入侧的电极12a、12a之间连接有电容C2，该电容C2用于抑制频率与差分频率相同的信号(实际噪声)的输入，阻止DC电流向输入端子侧漏出。此外，在高频信号的输出端子t12、t14与输出侧的电极12b、12b之间连接有用于阻止DC电流向输出端子漏出的电容C3。为了阻止噪声，也可以连接由电感L和电容C构成的LC电路。
根据第八实施方式的微小机电装置8，由于构成为信号混频滤波器，因此能够在将高频信号(RF)的载波频率转换为低频率的同时仅提取出需要的频带内的信号，大幅地简化高频信号电路。该信号混频滤波器8通过在交流信号输入输出端子与电极12a、12b或梁15a之间设置电容C1、C3或C2而使信号通过，能够使静电驱动型装置所需要的DC偏置与信号线路电分离，实现具有良好特性的信号混频滤波器。作为信号混频滤波器，使用处理平衡输入、平衡输出的信号的格子型滤波器电路，由此能够实现频带透过特性中的对称性良好的频率依赖性。
在以上说明的图中未示出DC供电线路的详细内容，但是是设法使得在DC供电线路中选择性地流过DC电流的构成。
作为本发明的微小机电装置的其他实施方式，虽未图示，但优选对构成上述各个微小机电装置的振动子元件进行封装处理。例如，可以在包括对构成振动子元件的半导体晶片接合其他半导体晶片的一系列加工工序中对振动子元件进行封装处理。封装处理可以使用其他各种封装处理。另外，优选通过尽可能地除去了水分或极性分子的气氛来包围进行了封装处理后的振动子元件。
通过如上所述地进行封装处理，能够确保维持振动子元件性能所需的气氛，低成本地制造可靠性高的产品。另外，如果使包围振动子元件的气氛的气氛压力更低，则可以获得Q值更高的振动子元件。
下面，参考图12～图18来说明上述微小机电装置、尤其是一个振动子元件的部分的制造方法的一个实施方式。工序的方式与通常的CMOS制造过程所使用的方式相同。
首先，如图12所示，在高阻抗的硅衬底51的表面生成氧化硅薄膜(HDP膜：High Density Plasma氧化膜，高密度等离子氧化膜)与氮化硅膜的所需膜厚的复合绝缘膜52。在本例中，复合绝缘膜52的膜厚合计为200nm。接着，在复合绝缘膜52上生成所需膜厚的具有导电性的多晶硅薄膜(PDAS：Phosphorus doped amorphous silicon，掺磷非晶硅)53。在本例中，多晶硅薄膜53的膜厚为380nm。
然后，如图13所示，在多晶硅薄膜53上形成下部电极和作为配线层的、固定梁的呈台形状的抗蚀剂掩模(未图示)，通过干蚀刻法除去多晶硅薄膜53的无用部分，形成基于多晶硅薄膜的下部电极54、55和梁的固定台(兼用作配线层)56(56A、56B)。
然后，如图14所示，通过牺牲层(例如氧化硅薄膜(HDP膜))57来填塞下部电极54、55和梁的固定台56，通过化学机械研磨法(CMP：Chemical Mechanical Polishing，化学机械抛光)使牺牲层57平坦化，使下部电极54、55、固定台56的表面露出。
然后，如图15所示，在平坦化了的薄膜上形成厚度与电极54、55和后来形成的梁之间的间隔相对应的牺牲层58。牺牲层58例如可以由氧化硅薄膜(LP-TEOS：Low Pressure Tetraethoxy Silane，低压四乙氧基硅烷)58形成。在本例中，该牺牲层58的膜厚为50nm左右。
然后，如图16所示，例如通过干蚀刻法对氧化硅薄膜58形成连接梁和固定台56(56A、56B)的通孔60(60A、60B)。
然后，如图17所示，在通孔60内和氧化硅薄膜58上生成期望膜厚的多晶硅薄膜(PADS)61，然后例如通过干蚀刻法进行图案化并形成梁62。该梁62的两端经由支承部63(63A、63B)而固定在固定台56(56A、56B)上。
然后，虽然没有图示，但在衬底的其他部分的层积膜52上形成成为配线、焊盘(pad)的例如Al-Si薄膜，在该Al-Si薄膜上形成与配线、焊盘相对应的图案的抗蚀剂掩模。然后，作为刻蚀处理，例如使用氟化氢的溶液，选择性地除去无用的Al-Si薄膜和牺牲层57、58。由此，如图18所示，在下部电极54、55与梁62之间形成了期望的间隔，在本例中形成50nm左右的间隔的空间64，获得目标的微小振动子元件65。
作为一个具体示例，在图18示出了上述振动子元件65的大致尺寸。按照使二次谐波被激励时的共振频率大约为100MHz的方式来进行设计。试生产的振动子元件65的梁62的长度为13.2μm，下部电极54、55之间的间隔为2μm，沿梁的长度方向的电极54、55的宽度为4μm。
经过与上述相同的工序，与第二实施方式、图2相对应地制造了并联连接(配置为12行、30列)360个设计成共振频率为52.7Mz的振动子元件的微小机电装置。对该装置供电，并使用频谱分析仪评价了输出信号。图23示出了输出频谱的一个例子。在一个大气压的氮气氛中完成了测定。在本例中，施加到t1的RF信号使用了来自网络分析仪的正弦波。在120MHz-160MHz间周期性地扫描RF频率。信号强度为0dBm。施加到t3的参考信号LO使用了来自信号发生器的正弦波。参考信号的频率为90MHz、信号强度为+3dBm。向t4施加了DC偏置电压-4.5V。
结果是在输出端子t2中获得了波峰频率＝52.7MHz、峰值＝-50dBm、噪声水平＝-66dBm、峰宽(峰值为-3dBm时)＝0.4MHz(实际的Q值为125)的输出信号。其结果是，与上述峰值相对应(IF/RF透过S参数约为-50dB)。通过提高构成装置的振动子元件的Q值、DC偏置电压、参考RF信号功率，能够增大输出水平。进一步限制了输出信号的频带并改善了过滤形状的混频滤波器例如能够通过图8所示那样栅格状地连接振动子元件(格子型的连接)来实现。
当将上述微小机电装置应用于产品时，RF信号强度与来自外部的输入相对应，从该混频滤波器附设的信号发生器和电源提供LO信号和DC偏置电压。另外，使用CMOS集成电路对输出信号的强度进行放大。因此，当设计产品时，根据放大后的信号强度进行逆运算，确定微小机电装置的振动子元件的构造、其并联数、Q值(依赖于气氛压力)、偏置电压的值、LO信号强度、CMOS集成电路的放大程度。
上述实施方式的微小机电装置使用振动子元件，可以构成为信号混频、滤波器和包括它们的SoC(系统级芯片)装置模块或SiP(系统级封装)装置模块等半导体装置。
通过使用上述本发明的实施方式的微小机电装置，例如能够进行高频信号的混合。由于不需要电感、二极管等部件，因此能够简化电路，使元件小型化。由于能够仅通过向振动子元件的梁施加DC偏置电压(几乎不流过电流)来实现功能，因此与基于以往的电路结构的元件相比，降低了消耗功率。
通过使用使上述本发明的实施方式的振动子元件并行化的微小机电装置，能够提高静电驱动型振动子元件(即微小机电振动子)的输出。另外，与在微小机电装置的前后配置的放大器的阻抗整合变得更加容易，由此也可以进一步降低消耗功率。
通过将上述本发明的实施方式的微小机电装置作为信号混频滤波器来使用，能够在确保了足够的频带的情况下提取出包含在高频载波信号中的期望的信号。另外，通过使用上述本发明的实施方式的微小机电装置，容易进行工业生产。
Claims (19)
1.一种微小机电装置，其特征在于，包括振动子元件，该振动子元件在衬底上具有多个电极和与该电极相对并通过静电驱动进行振动的梁，所述微小机电装置向所述多个电极和所述梁中的某一组合输入高频信号并从该组合输出高频信号。
2.根据权利要求1所述的微小机电装置，其特征在于，配置有多个所述振动子元件，所述多个振动子元件针对输入所述振动子元件的高频信号而并联连接。
3.根据权利要求2所述的微小机电装置，其特征在于，所述并联连接的振动子元件的共振频率分布在需要的频率的范围内。
4.根据权利要求1所述的微小机电装置，其特征在于，包括两个以上的与所述梁相对并驱动梁的输入电极。
5.根据权利要求2所述的微小机电装置，其特征在于，包括两个以上的与所述梁相对并驱动梁的输入电极。
6.根据权利要求3所述的微小机电装置，其特征在于，包括两个以上的与所述梁相对并驱动梁的输入电极。
7.根据权利要求1所述的微小机电装置，其特征在于，包括两个以上的与所述梁相对并提取出来自梁的输出的输出电极。
8.根据权利要求2所述的微小机电装置，其特征在于，包括两个以上的与所述梁相对并提取出来自梁的输出的输出电极。
9.根据权利要求3所述的微小机电装置，其特征在于，包括两个以上的与所述梁相对并提取出来自梁的输出的输出电极。
10.根据权利要求1所述的微小机电装置，其特征在于，所述梁的除了与所述电极相对的部分以及用于对该梁施加直流电压和通过信号的配线以外的部分由绝缘体形成。
11.根据权利要求1所述的微小机电装置，其特征在于，在所述振动子元件的输出侧增加了一个或多个第二静电驱动型振动子元件。
12.根据权利要求1所述的微小机电装置，其特征在于，构成为信号混频滤波器。
13.根据权利要求11所述的微小机电装置，其特征在于，构成为信号混频滤波器。
14.根据权利要求12所述的微小机电装置，其特征在于，所述信号混频滤波器在交流信号输入输出端子与所述电极或所述梁之间配置有电容而使信号通过。
15.根据权利要求13所述的微小机电装置，其特征在于，所述信号混频滤波器在交流信号输入输出端子与所述电极或所述梁之间配置有电容而使信号通过。
16.根据权利要求12所述的微小机电装置，其特征在于，所述混频滤波器处理平衡输入、平衡输出的信号。
17.根据权利要求13所述的微小机电装置，其特征在于，所述信号混频滤波器处理平衡输入、平衡输出的信号。
18.根据权利要求12所述的微小机电装置，其特征在于，所述信号混频滤波器栅格状地连接共振器，处理平衡输入、平衡输出的信号。
19.根据权利要求13所述的微小机电装置，其特征在于，所述信号混频滤波器栅格状地连接共振器，处理平衡输入、平衡输出的信号。
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