CN1206156C - 集成电路的封装微电子机械系统带通滤波器 - Google Patents

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Abstract

一种使用封装的微电子机械系统(MEMS)器件的通信信号混频和滤波系统和方法。而且，公开了一种制造简单的整体构成的微电子机械系统(MEMS)器件的方法，它把信号混频和滤波的步骤组合起来，它比目前技术中采用的器件更小、更便宜、并在构造和操作上更可靠。

Description

集成电路的封装微电子机械系统带通滤波器
技术领域
本发明涉及到使用封装的微电子机械系统(MEMS)器件的通信信号混频和滤波系统和方法。而且，本发明的目的是一种简单的、整体构成的微电子机械系统(MEMS)器件的制造方法，它把信号混频和滤波的步骤组合起来，它比目前技术中采用的器件更小、更便宜并在结构和操作方面更可靠。
背景技术
微电子机械系统(MEMS)技术已经被建议用在频率在200MHz以下的多种通信电路的窄带通滤波器(高-Q滤波器)的制造中。一般地说，为了能够以非常精确的频率传输信号，这些滤波器采用微谐振器的固有振动频率，而当与其它频率相遇时则同时衰减信号和噪声。
基本上，对于诸如通道选择、信号分离之类的过程，射频(RF)通信载波信号一般被转换为中频(IF)。这种特殊的转换通常是由通过把载波信号和非线性器件中的振荡器的正弦输出进行混频而实现，使之产生要么是两个输入信号的和要么是差的输出信号。然后为了选择要处理的预期转换的中频(IF)载波信号，采用一个带通滤波器。此后，为了去掉中频载波和抽取最终的通信信息，例如声频信息，可以实施第二次转换。这两个同样的转换步骤也可以在传输中以相反的顺序完成，即实施从声频信号到中频(IF)载波，然后到最终通信射频(RF)载波频率的过程。
基本上，超外差通信收发设备依靠一般中频信号处理的精确电滤波和载波信号混频。一般地说，这些电路有三个操作阶段。在第一阶段，使用带通滤波器分离射频(RF)输入信号然后放大。在第二阶段，此信号按照中频振荡器信号起振以便降低或增加它的信号处理频率。在第三阶段，在处理之后，用另外一个振荡器信号进一步调制信号以得到通信可听的频率。在把声音频率转换成(RF)载波传输中，这些同样的阶段也可以以相反的顺序进行。
本发明独特地使用上面提到的操作的第一和第二阶段，其中改变载波频率以便在信号上执行多种功能。
上面提到的转换和滤波步骤可以通过纯电路的中间步骤实施；然而，得到的中间载波一般被认为其频率范围对于精确处理来说是太宽了。目前，射频(RF)滤波器由外置晶体的激励制作，通常用传输模。中频(IF)通常用外置表面声波(SAW)滤波器进行滤波而得。这两种元件通常被提供在用于信号放大和处理的集成电路外部，它们的使用增加了系统的复杂性和制造成本。
典型地说，MEMS谐振滤波器器件通过标准集成电路掩蔽/淀积/腐蚀工艺的中间步骤制造。例如，关于MEMS带通滤波器的制造和结构的具体细节，可容易地在下面的出版物中找到：
1)“无线通信用微机械器件”，C.T.-C.Nguyen，L.P.B.Katechiand G.M.Rebeiz，Proc.IEEE，86，1756-1768.
2)“微电子机械系统的表面微机械加工”，J.M.Bustillo，R.T.Howe and R.S.Muller，Proc.IEEE，86，1552-1574(1998).
3)“通信用高-Q微机械振荡器和滤波器”，C.T.-C.Nguyen，IEEEIntl. Symp.Circ.Sys.，2825-2828(1997).
4)A.-C.Wong，H.Ding，C.T.-C Nguyen，“微机械混频器+滤波器”，Tech.Dig.of I.E.E.E./I.E.D.M.，San Francisco，CA，Dec.198，pp471-474.
返回到前面的出版物，参考文献(1到3)主要面向使用多种MEMS器件的一般领域，这些MEMS器件适合于取代通信元件。这些出版物面向多种导体、滤波器等等的描述，这些器件使用微光刻法和集成电路工艺制作，并且基本上在作为有创造性概念的代表性技术背景材料时只有有限的意义。
参考文献4)中公开了一种面向解决载波信号混频和滤波间题的解决方案，这种混频和滤波采用微电子机械系统(MEMS)器件，该器件涉及到特征载波信号混频和滤波。这个器件包含两个平行的两端夹住的梁式谐振器(悬臂)，它们用绝缘的机械桥耦合在一起。二个谐振器都被制造成有一个固有频率IF。输入信号(RF)被电容性耦合到一个谐振器，该谐振器又被电连接到一个正弦本机振荡器(LO)。谐振器的固有振动频率是RF-LO。由于谐振器的非线性，谐振器使输入RF信号与LO信号混频，并把它转换成机械运动。用桥把此运动机械地耦合到第二个谐振器，该谐振器又被电连接到一个DC偏压。然后谐振器中感应的机械运动通过电容被探测为输出信号。制造的器件在谐振频率27MHz下工作。由于在两个导电的谐振器之间需要一个绝缘的耦合梁，故器件由多晶硅制造，然后用离子注入对梁进行掺杂。这明显地增大了梁的电阻，使之高于金属元件的电阻，因此也增加了在电路中使用时元件的插入损耗。而且，器件的尺寸是20μm×20μm，这使得难以进行在进一步IC处理中起保护作用的封装。除了前面的出版物，以下描述一些涉及电子混频器-滤波器的现有专利器件，但它们未能提供以与本发明所考虑的方法类似的方式使用通信信号混频和滤波的本发明MEMS器件的系统和方法。
例如，Fraise的美国专利4516271“带有和频恢复的微波混频器”，涉及到使用一种波导腔来混频和滤波RF信号。该器件的功能类似于本概念；然而，与这里使用机械谐振器相反，它使用电磁波反射来处理信号。
Sakamoto的美国专利5083139“脉冲雷达及其元件”，也用电磁波的干涉来混频和滤波RF信号。
Scheinberg的美国专利5563545“低成本单片GaAs升频芯片”，使用一种标准的“储能电路”来实现RF信号的混频和滤波，该储能电路包含电感、电容器和可变电阻器。
Kennan的美国专利5649312“用于直接广播卫星低噪声块降频器的MMIC降频器”，也使用标准电路元件来混频和滤波。
Abe等人的美国专利5918168“双超级调谐电路”，使用介电层来滤波，以及其他9个使用类似的技术的美国专利。
最后，Berenz等人的美国专利5528769“高电子迁移率晶体管单片集成电路接收机”，使用一种“鼠环形”电路来产生输入到它的本机振荡器的RF信号的混频，这种技术也是使用标准电路元件来完成RF混频器-滤波器步骤的一种方法。
前面的专利都没有建议对这个过程使用机械振动，因此不适用于本发明的概念。
发明内容
因此，为了克服在建立和制造多种现有技术MEMS系统器件中遇到的限制和缺点，本发明把通信载波信号混频和滤波组合成单一和简单地制造的微电子机械系统(MEMS)器件。MEMS系统器件能够进行频率上升和频率下降转换，且通过单一单元的中间步骤，它能与其并入集成电路芯片兼容，包含很多现在分开使用以实现同一功能的电子元件，同时又能够显著地减少尺寸、复杂性和极大地简化制造，从而使MEMS器件在保证本发明的商业利益及其功能方面高度可靠。
因此，本发明的目的是提供一种组合通信载波信号混频和滤波步骤的新颖的微电子机械系统(MEMS)器件。
本发明的另一个目的在于提供一种简单的、整体制造的微电子机械系统(MEMS)器件，它把通信载波信号混频和滤波步骤组合起来，能够进行频率上升和频率下降转换。
本发明的进一步目的是提供一种简单的微电子机械系统(MEMS)器件，它适合于并入集成电路芯片，它包含器件内的多个电子元件，这些电子元件在以前是被分离提供的。
此外，本发明的目的在于提供一种制造此处所述的微电子机械系统(MEMS)器件的方法，该器件把通信载波信号混频和滤波组合起来。
根据本发明，提供一种构造为一体的通信信号混频和滤波器件。包含：
a)细长的能振动的机械谐振元件，它有相对的被夹住的末端，所述谐振元件由电绝缘材料组成，所述谐振元件在它的一个表面上有第一导电层，在它的第二相对表面上放置第二导电层；
b)供应振荡器信号LO给所述的第一导电涂层的装置；
c)供应电源给所述的第二导电层的装置；
d)第一导体元件，它具有提供给它的输入信号(IS)，并被放置在与所述的第一导电层近距离地间隔开的地方；和
第二导体元件，它被放置在与所述的第二导电层近距离地间隔开的地方，所述的谐振元件从而振动响应于由输入信号IS和振荡器信号LO电相互作用产生的组合力，以便产生由输入信号IS和振荡器信号LO与所述谐振元件固有振动频率的混频所确定的输出信号IF。
根据本发明，提供一种构造为一体的通信信号混频和滤波器件，包含：
a)细长的能振动的机械谐振元件，它具有相对的被夹住的末端，所述的谐振元件由电绝缘材料组成，所述的谐振元在它的一个表面上有第一导电层，在它的第二相对表面上放置第二导电层，所述的第一和第二导电层被连接到电源以便偏置；
b)与所述的谐振元件的第二导电层近距离地间隔开并有输入信号IS提供给它的第一电极；
c)与所述的第二导电层近距离地间隔开放置的第二和第三电极，所述的第二和第三电极分别被放置在所述的第一电极的正反两面，并且把振荡器信号LO共同施加给第二和第三电极；
d)与所述谐振元件邻近放置的输出电极，所述的谐振元件从而振动响应由输入信号IS和振荡器信号LO的电相互作用产生的组合力，以便产生由输入信号IS和振荡器信号LO的混频IF-LO，IF+LO导出的混频终端滤波频率所确定的输出信号IF，并且以所述谐振元件的固有振动频率选择所述的混频频率，以便感生所述的混频和滤波信号IF到所述的输出电极。
附图说明
现在可以参考依照本发明的微电子机械系统(MEMS)器件的范例实施方案的下面详细描述，它们通常在附图中以图表的形式代表；其中：
图1显示了依照本发明的用来进行载波信号混频和滤波的MEMS器件的第一实施方案；
图2和3分别显示了依照本发明的MEMS混频和滤波器件的第二实施方案的顶部平面和侧视图；和
图4-10分别显示了依照本发明制造典型的MEMS器件和在真空环境中封装得到的混频器-滤波器的相继步骤。
具体实施方式
如一般以图表表示的附图中的图1所描述的，显示了用来进行载波信号混频和滤波的微电子机械系统(MEMS)器件10的侧视图。MEMS 10器件包含两端14、16都被夹住的中央条12，如图表显示的块18和20所示。中央条12基本上由正反两面镀导电层22和24的绝缘核心组成。如这个实施方案所述，一个固定板26放置在中央条的上面，它由导电材料组成，并被连接到输入信号IS的源28。中央条12上面的上导电镀层22被连接到本机振荡器信号LO的源30。中央条12响应于通常来自于输入信号IS和振荡器LO信号的电相互作用的组合力，因此产生振动。因为中央条12的两端被夹具即块18、20夹住，故它非线性地响应，并以频率(IS+LO)和(IS-LO)产生共振力，假设IS的信号频率比LO信号的更高。中央条12被构造成以这些合成的频率之一共振；例如以(IS-LO)。在中央条12的底部，下面的导电层24通过连接到电源32而被偏置。与这个导电层面对的是一个固定的捡拾板34。在它上面通过由中央条12振动所引起的电容变化而被感应电荷。因为中央条有窄的固有振动频率，这种机械特性就可以作为滤波器以便只隔离那些接近其机械固有频率的混频信号。输出信号由附图中参考号IF指明；基本上，中间频率是把输入信号IS和振荡信号LO混频，然后再利用振动中央条12的机械特性将其滤波的结果。
现在回到微电子机械系统(MEMS)器件40的进一步实施方案，如附图中图2和3所显示的，如在图2中顶视图所示，MEMS混频器和滤波器器件40提供了连接到引入即输入信号IS的中央电极，该电极在它的两侧有连接到本机振荡器信号LO的两个进一步的电极44、46。这些电极42和44、46的每个都面对着器件40的绝缘振动条48，如图2中的虚线50、52所示。还公开了两个外面的DC-偏置电极54、56，它们可以用来调谐MEMS器件40。如图3的侧视图所示，显示了器件的三层，为了清晰起见，所示侧视图相对于图2旋转90°。底部是输入电极42、44、46和可选DC调谐触点54、56；而中央是绝缘振动条48，它的两端被合适的夹具60、62夹住，条48的两面有导电的镀层即层64、66。导电层即镀层64、66被连接到电源，以便能够被偏置。引入即输入信号IS和振荡器信号LO以与附图图1的实施方案类似的方式驱动振动条48，而条48的固有机械频率选择为所需的组合混频频率；例如(IS-LO)。中央振动条48正反面上的导电镀层即层64、66，在固定输出电极70上产生这个经过混频和滤波的信号(IF)，该固定电极显示在附图中图3的顶部。
前面MEMS器件40的结构除了本质上稍许更加先进和适用于在图1中的简单MEMS器件不能实现的更加复杂的混频和滤波应用之外，基本上类似于图1中MEMS器件10的结构。
尤其是，现在回到制造本发明的混频器-滤波器器件，实际上，就是组合混频和滤波方面的微电子机械系统(MEMS)器件，它适合于被封装在真空环境中，现在可以参考附图的图4-10中所表示的相继制造步骤。
如图4-10所述，MEMS器件的建立使得易于使用标准的集成电路工艺，最后制造的MEMS器件凹陷在半导体芯片表面的下面，并且被封装在真空氛围或环境条件中。所阐述的表象显示了与垂直于附图平面的谐振器相横截的最终谐振器或MEMS器件结构。
特别返回到图4，假设MEMS器件建造在标准的硅晶片80上。
最初，在晶片表面82上涂敷光致抗蚀剂，并形成窗口84，它的长度相应于所希望的谐振器长度。窗口的宽度不是本发明的重要方面，因为它在MEMS器件的混频器和滤波器特性上没有意义。然而，窗口的宽度通常可以和窗口84的长度有同样的尺寸。在光致抗蚀剂中形成窗口84之后，使用反应离子刻蚀(RIE)，在硅晶片表面82中刻出沟槽86。沟槽86的深度88被设计成足够容纳MEMS器件的所有后续层，总厚度一般约为1微米。
回到附图的图5，在沟槽86的底部92上淀积一薄层低温玻璃90；例如，可以由溅射方法淀积的硼硅玻璃。淀积在晶片上的光致抗蚀剂，象附图中图4所描述的那样被去掉，把除了沟槽里面之外的淀积玻璃从各处去掉。然后，对硅晶片80进行加热，以便例如在300℃下熔化玻璃，这样产生覆盖在构槽86底部92的光滑玻璃表面94。
如附图图6所阐述的，再次涂敷光致抗蚀剂，采用与在图4中解释的同样的窗口。其后，在玻璃层90上按照向上的顺序淀积混频器-滤波器MEMS器件的连续各层。例如，较下的层96可以由钨组成，较下的释放层98可以是类金刚石的碳(DLC)，下一个较下的谐振器导电层100可以是Si2Co，谐振器(振动板)102可以是Si3N4，较上的谐振器导电层104可以是Si2Co，较上的释放层106可以是DLC即类金刚石碳，较上的谐振器导电层108可以是有表面钯单层的铬。紧跟着所有已经淀积的层，如附图图6显示的，去掉光致抗蚀剂，使这些层只保留在沟槽里面；事实上，在芯片或晶片的表面82以下。
参考下面的制造步骤，如附图中图7所示，在上表面82上涂敷光致抗蚀剂，在沟槽86的上面形成两个窗口110、112。然后对晶片进行RIE刻蚀，以产生向下延伸进入附图中显示的各层的两条沟槽114、116。尽管某些层可能不适合于RIE刻蚀，诸如薄Si2Co层，但能够中断RIE，以便可以对它们进行湿法刻蚀；例如，使用缓冲的氢氟酸。图7中所示的最终结构产生向下延伸到沟槽86底部上的玻璃层90的表面94的两个阱。
如附图中图8所阐述的，晶片80现在被进行铜120的无电镀。这种金属被优先淀积在位于较上导电层108上的钯籽晶层122上。该淀积将展宽和加厚器件的最上层，如图8所示。其后，如图9所示，器件被置于反应离子等离子体中；例如一种氧等离子体中，它与DLC(类金刚石碳)反应，把碳转换成会升华的CO2。这在机械谐振器结构102的两个面上都产生间隙126、128。
最后，如附图中图10所阐述的，在那上面淀积绝缘材料130，以便封装器件。该淀积需要定向；例如，通过从远距离的源蒸发，使在图8所阐述的前面的制造步骤中被展宽的较上的导电层108遮掩谐振器102使其避开淀积材料。采用这种方法使淀积的封装剂130不接触谐振器102，从而防止其机械或振动运动。
前述的真空环境中的混频器-滤波器或MEMS器件的密封，使器件制造易于完成。为了清晰起见，各种导电层到外部引线的连接并没有表示出来。基本上，通过施加原始的引入信号IS给上面的导层108，施加本机振荡器信号LO给上面的谐振器导体104，来操作MEMS器件。确定谐振器的尺寸(长和厚)，使梁102有固有的振动频率RF-LO。下面的谐振器导体100有施加于其上的DC偏置，使被梁102的固有机械谐振滤波过的混频RF-LO信号在下面的导体96上被感生。
尽管前述的解释阐述了本发明的优选实施方案，但MEMS器件并不局限于此。因此，例如，可以颠倒电信号的顺序而不改变信号的最终转换。这意味着引入IS信号可以施加到层96，LO信号施加到层100，DC偏置施加到层104，而在层108读出输出。类似地，被传输到层100和104的信号可以颠倒而不改变微电子机械系统(MEMS)器件操作的基本本质，这使得在单个MEMS单元中容易组合通信信号混频和滤波。
从前述可以看出，相当清晰的是，本发明的目的是一种简单的整体构成的MEMS器件，它在尺寸上高度紧凑，比本技术领域中目前知道和采用的具有更低的制造成本。
尽管这里公开的发明显然是经仔细计算以完成上述的目标，但应该了解，那些本领域中的技术人员能够设计更多的修正和实施方案，并认为所附权利要求覆盖了归入本发明范围真实构思内的所有这些修正和实施方案。

Claims (26)

1.一种构造为一体的通信信号混频和滤波器件包含：
a)细长的能振动的机械谐振元件，它有相对的被夹住的末端，所述谐振元件由电绝缘材料组成，所述谐振元件在它的一个表面上有第一导电层，在它的第二相对表面上放置第二导电层；
b)供应振荡器信号LO给所述的第一导电涂层的装置；
c)供应电源给所述的第二导电层的装置；
d)第一导体元件，它具有提供给它的输入信号IS，并被放置在与所述的第一导电层近距离地间隔开的地方；和
e)第二导体元件，它被放置在与所述的第二导电层近距离地间隔开的地方，所述的谐振元件从而振动响应于由输入信号IS和振荡器信号LO电相互作用产生的组合力，以便产生由输入信号IS和振荡器信号LO与所述谐振元件固有振动频率的混频所确定的输出信号IF。
2.权利要求1的器件，其特征在于所述器件是一个微电子机械系统器件。
3.权利要求1的器件，其特征在于，所述器件是一个封装的带通滤波器。
4.权利要求3的器件，其特征在于，其中所述的器件被制作在集成电路芯片或晶片上。
5.权利要求1的器件，其特征在于，其中所述的谐振元件包含对所述的组合力非线性响应的条状核心。
6.权利要求5的器件，其特征在于，其中所述的谐振组合力在IS频率比LO信号频率高或低时，以选择频率IS+LO和IS-LO产生，所述的条状核心以所述选择频率IS+LO和IS-LO之一谐振。
7.权利要求1的器件，其特征在于，其中将所述的第二导电层用于为使所述器件在预定频率下工作而对所述器件进行调谐。
8.权利要求1的器件，其特征在于，其中所述的器件被埋置在集成电路芯片或晶片内。
9.权利要求8的器件，其特征在于，其中所述的被埋置的器件是封装的微电子机械系统带通滤波器，它凹陷在所述的芯片或晶片上表面的下面。
10.权利要求8的器件，其特征在于，其中所述器件的厚度为1微米。
11.权利要求1的器件，其特征在于，其中所述的谐振元件由Si3N4组成，且所述的放置在所述的谐振元件的相对面上的第一和第二导电层各由Si2Co组成。
12.权利要求1的器件，其特征在于，其中所述的第一导体元件由有表面钯单层的铬组成。
13.权利要求12的器件，其特征在于，其中所述的第二导体元件由钨组成。
14.一种构造为一体的通信信号混频和滤波器件，包含：
a)细长的能振动的机械谐振元件，它具有相对的被夹住的末端，所述的谐振元件由电绝缘材料组成，所述的谐振元在它的一个表面上有第一导电层，在它的第二相对表面上放置第二导电层，所述的第一和第二导电层被连接到电源以便偏置；
b)与所述的谐振元件的第二导电层近距离地间隔开并有输入信号IS提供给它的第一电极；
c)与所述的第二导电层近距离地间隔开放置的第二和第三电极，所述的第二和第三电极分别被放置在所述的第一电极的正反两面，并且把振荡器信号LO共同施加给第二和第三电极；
d)与所述谐振元件邻近放置的输出电极，所述的谐振元件从而振动响应由输入信号IS和振荡器信号LO的电相互作用产生的组合力，以便产生由输入信号IS和振荡器信号LO的混频IF-LO，IF+LO导出的混频终端滤波频率所确定的输出信号IF，并且以所述谐振元件的固有振动频率选择所述的混频频率，以便感生所述的混频和滤波信号IF到所述的输出电极。
15.权利要求14的器件，其特征在于所述器件是一个微电子机械系统MEMS器件。
16.权利要求14的器件，其特征在于，所述器件是一个封装的带通滤波器。
17.权利要求16的器件，其特征在于，其中所述的器件被制作在集成电路芯片或晶片上。
18.权利要求14的器件，其特征在于，其中所述的谐振元件包含对所述的组合力非线性响应的条状核心。
19.权利要求18的器件，其特征在于，其中所述的谐振组合力当IS的频率比LO信号高或低时以选择频率IS+LO和IS-LO产生，所述的条状核心以所述的选择频率IS+LO和IS-LO之一谐振。
20.权利要求14的器件，其特征在于，其中还有另外的电极与所述的第二和第三电极邻近放置，所述的另外的电极被连接到DC-电流源，以便提供用于对所述的器件选择性地调谐的DC-偏置触点。
21.权利要求14的器件，其特征在于，其中所述的器件被埋置在集成电路芯片或晶片内。
22.权利要求21的器件，其特征在于，其中所述的被埋置的器件是封装的微电子机械系统带通滤波器，它凹陷在所述的芯片或晶片上表面的下面。
23.权利要求21的器件，其特征在于，其中所述的器件的厚度为1微米。
24.权利要求14的器件，其特征在于，其中所述的谐振元件由Si3N4组成，且所述的放置在所述谐振元件的表面上的第一和第二导电层各由Si2Co组成。
25.权利要求14的器件，其特征在于，其中所述的第一电极由有表面钯单层的铬组成。
26.权利要求25的器件，其特征在于，其中所述的输出电极由钨组成。
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