CN1516909A - 微机械振动滤波器 - Google Patents

Abstract

提供一种适应于高频波段的小型、高性能的机械振动式滤波器。通过选取使机械振子微小化的微圆柱梁5，使机械共振频率高频化，并将多个微圆柱梁5排列成阵列状，在各微圆柱梁5的周围以预定的间隙配置共用检测电极6来抑制输出信号下降。另外，通过限制一部分机械振子的振动，能够观测并消除从输入信号到输出信号的伴随直接电磁耦合的噪声成分。

Description

微机械振动滤波器

技术领域

本发明涉及搭载在无线装置等中的电气电路或传输线中的滤波器，特别涉及在高密度集成化、处理MHz～GHz频带信号的电路内，通过利用微机械振动而具有小型、陡峭选择特性的微机械振动滤波器。

背景技术

图1简单地表示传统的机械振动滤波器的结构(例如参照IEEEJournal of Solid-state Circuits，Vol.35，No.4，pp.512-526，April 2000)。此滤波器通过薄膜形成方法在硅基板上形成，它由输入线路104及输出线路105、对于各自的线路配置有1微米以下空隙的两端固定梁型共振器101、102以及将这两个梁耦合的耦合梁103构成。从输入线路104输入的信号在电容上和共振器101耦合，使共振器101上产生静电力。由于信号的频率仅在与由共振器101、102、耦合梁103组成的弹性结构体的共振频率附近一致时，机械振动才被激励，因此这种机械振动通过输出线路105和共振器102之间的静电电容变化被检测出，从而能够将经滤波的输入信号作为输出信号取出。

在矩形截面的双支承梁的情况下，如果弹性模量为E、密度为ρ、厚度为t、长度为L，则共振频率f由公式1决定：

〔公式1〕

$f=1.03\frac{t}{L^2}\sqrt{\frac{E}{\mathrm{\ρ}}}......\left(1\right)$

如果材料为多晶硅，取E＝160GPa，ρ＝2.2×10³kg/m³，尺寸L＝40μm，t＝1.5μm，则f＝8.2MHz，则能够构成约8MHZ频带的滤波器。与由电容器及线圈等无源电路构成的滤波器相比，通过采用机械振动，能够获得Q值高、陡峭的频率选择特性。

另外，从公式1可知：在构成高频带的滤波器中第一个方法是变更材料，增大E/ρ。但是，如果E增大，则使梁弯曲的力即使相同，梁的变位量也变小，难以探测到梁的变位量。如果将表示梁易弯曲的指标取为在双支承梁的梁表面上施加静负荷时梁中心部的弯曲量d和梁的长度L之比d/L，则d/L可按以下公式2的比例关系表示。

〔公式2〕

$\frac{d}{L}\∝\frac{L^3}{t^3}\·\frac{1}{E}......\left(2\right)$

因此，为了保持d/L值而提高共振频率，必须得到至少不能增大E而密度ρ小的材料，但作为与多晶硅有相同杨氏模量、密度低的材料，必须采用CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics：碳纤维增强塑料)等复合材料。在这种情况下，难以通过半导体工艺构成微机械振动滤波器。

不采用这种复合材料的第二种方法是在公式1中变更梁的尺寸而增大t·L^-2。但是增大t和减小L，作为公式2中易弯曲度指标的d/L减小，梁的弯曲变得难以检测。

下面说明公式1及公式2中logL和logt的关系。图2是表示普通机械振动滤波器的尺寸与高频化关系的特性图。图2中斜率2的直线表示公式1中logL和logt的关系，而斜率1的直线表示公式2中logL和logt的关系。在图2中如果以现尺寸A作为起点，选择斜率2的直线以上范围的L和t，则f增大，如果选择斜率1的直线以下范围的L和t，则d/L增大。所以图中的阴影线部分就是能够确保梁的弯曲量、同时能够提高共振频率的L和t范围。另外，由图2可知：在机械振动滤波器高频化中L及t两者尺寸的微小化是必要条件，以相同的比例使L及t小型化，即在斜率1的直线上使L和t减小，这是图2的阴影线部分的充分条件。

总之，通过采用使机械振子尺寸小型化的微机械振子，虽然可使共振频率高频化，但是例如在图1的机械振动滤波器结构中，输入输出线路彼此之间必然更相互接近，由于在输出线路上与输入线路的电磁场直接耦合，会产生不需要频带的信号泄漏而作为噪声叠加的问题。另外，由于梁的振动振幅变小，检出的振动信号也变得微弱，易于受到干扰。

发明内容

本发明的目的在于解决这一传统问题，提供一种小型、高品质的微机械振动滤波器。

为了实现上述目的，本发明通过使机械振子微小化以实现共振频率的高频化，并且将多个微小化的微机械振子排列成阵列状，从而能够防止微机械振动的检测信号的微弱化。另外，通过推测不经滤波而直接泄漏到检测电路中的输入信号成分，消除该成分，能够只把微机械振予的振动产生的输出信号成分抽出。

本发明的微机械振动滤波器中设有：以阵列状配置在电磁波导上或其附近电磁场中的梁状或线圈状的多个微机械振子，以及对于上述多个微机械振子受到与电磁场的相互作用而按照固有共振频率振动时的信号进行检测的检测电路；通过使机械振子微小化而实现共振频率的高频化，且将多个微小化的微机械振子并列成阵列状，从而能够防止微机械振动的检测信号的微弱化。

另外，本发明的微机械振动滤波器的特征在于上述微机械振子是导电体梁，通过与电磁波中电场的相互作用而振动；从而可以使用导电体梁作为微机械振子。

另外，本发明的微机械振动滤波器的特征在于上述微机械振子是介电体梁，通过与电磁波中电场的相互作用而振动；从而可以使用介电体梁作为微机械振子。

另外，本发明的微机械振动滤波器的特征在于上述微机械振子是磁性体梁，通过与电磁波中磁场的相互作用而振动；从而可以使用磁性体梁作为微机械振子。

另外，本发明的微机械振动滤波器的特征在于上述微机械振子是导电体线圈，通过与上述导电体线圈产生的磁场之间的相互作用而振动；从而可以使用导电体线圈作为微机械振子。

另外，本发明的微机械振动滤波器的特征在于将上述导电体线圈串联而配置，使其连接部中上述导电体线圈内部的磁通量泄漏；从而能够通过电磁波在导电体线圈内流过电流时，使导电体线圈振动。

另外，本发明的微机械振动滤波器的特征在于对上述导电体线圈的振动产生的阻抗变化进行检测，从而能够通过阻抗变化检测导电体线圈的振动。

另外，本发明的微机械振动滤波器的特征在于上述微机械振子是导电体，上述检测电路是与上述微机械振子相向的电极，将上述微机械振子的振动作为上述微机械振子和上述电极间的静电电容的变化来获取；从而微机械振子的振动能够作为静电电容的变化而检出。

另外，本发明的微机械振动滤波器的特征在于在上述电极的表面上设有孔，上述微机械振子的一部分配置在上述孔中，而且配置在与上述孔的中心位置偏心的位置上；从而通过因偏心而最接近的电极和微机械振子之间的静电力，能够激励微机械振子。

另外，本发明的微机械振动滤波器的特征在于上述检测电路在光学上对上述微机械振子的振动进行检测，从而微机械振子的振动能够作为受光量的变化而检出。

另外，本发明的微机械振动滤波器的特征在于包含多个上述检测电路，将上述多个检测电路的输出信号进行加法运算；从而能够提高输出信号的强度。

另外，本发明的微机械振动滤波器的特征在于上述检测电路中设有：取出可能振动的微机械振子信号的第一部件，取出经限制振动的微机械振子信号的第二部件，以及取出上述第一部件的输出信号和上述第二部件的输出信号之差分的第三部件。依据这种结构，通过推测不经滤波而直接泄漏在检测电路中的输入信号成分而消除此成分，能够只将微机械振子的振动所产生的输出信号成分抽出。

另外，本发明的微机械振动滤波器的特征在于含有共振频率不同的多个上述微机械振子，对上述检测电路的输出信号进行选择；从而通过选择检测电路的输出信号，能够选择电磁波的频率。

另外，本发明的微机械振动滤波器的特征在于上述微机械振子的尺寸不同，从而其共振频率不同，从而能够容易获得共振频率不同的微机械振子。

另外，本发明的微机械振动滤波器的特征在于上述微机械振子的弹性模量不同，因此其共振频率不同；从而能够容易地获得共振频率不同的微机械振子。

另外，本发明的微机械振动滤波器的特征在于上述微机械振子的应力不同，因此其共振频率不同；从而能够容易地获得共振频率不同的微机械振子。

另外，本发明的微机械振动滤波器的特征在于通过在上述波导中传播的信号上施加直流偏置电压，在微机械振子上产生一定的应力；从而能够容易地获得共振频率不同的微机械振子。

另外，本发明的微机械振动滤波器的上述微机械振子是直径1微米～几十微米的碳线圈，能够应用现有的技术制造微机械振子。

另外，本发明的微机械振动滤波器的上述微机械振子是直径1nm～几十nm的极细硅丝，能够应用现有的技术制造微机械振子。

另外，本发明的微机械振动滤波器的上述微机械振子的材料是直径1nm～几十nm的碳纳米管，能够应用现有的技术制造微机械振子。

总之，依据本发明，通过使机械振子微小化，能够构成对应于MHz～GHz频带的具有小型、陡峭特性的滤波器。另外，通过以阵列状排列机械振子，能够抑制滤波器输出信号强度的下降。

另外，通过限制一部分微机械振子的振动，使输入信号在电磁上与输出信号直接干涉，能够观测所产生的噪声成分，能够将这种噪声成分除去。从而能够提供小型、高品质的机械振动滤波器。

另外，微机械振子由导电体线圈构成，通过导电体线圈产生的磁场之间的相互作用而振动，能够将导电体线圈的振动作为阻抗变化而检测。另外，在微机械振子检测中采用光，能够实现检测电路不直接受到来自输入电磁波的电磁干涉的结构。

总之，依据本发明，通过使机械振子微小化，能够构成具有对应于MHz～GHz频带的小型、陡峭特性的滤波器，同时通过以阵列状排列机械振子，能够抑制滤波器输出信号强度下降。另外，通过限制一部分微机械振子的振动，使输入信号在电磁上与输出信号直接干涉，能够观测所产生的噪声成分，由于能够除去这种噪声成分，从而能够提供小型、高品质的机械振动滤波器。另外，微机械振子由导电体线圈构成，通过导电体线圈产生的磁场之间的相互作用而振动，能够将导电体线圈的振动作为阻抗变化而检测。另外，在微机械振子检测中采用光，所以能够实现检测电路不直接受到来自输入电磁波的电磁干涉的结构。

附图说明

图1是传统的机械振动滤波器的简略透视图。

图2是表示普通机械振动滤波器中尺寸与高频化关系的特性图。

图3是本发明实施例1中微机械振动滤波器的简略透视图。

图4是本发明实施例1中滤波器部分的侧剖面图。

图5是本发明实施例1中滤波器部分的局部放大剖面图。

图6是本发明实施例1中滤波器部的局部放大俯视图。

图7是表示本发明实施例1中滤波器部构成方法的示图。

图8是本发明实施例2中微机械振动滤波器的滤波器部的局部侧剖面图。

图9是本发明实施例2中滤波器部的局部俯视图。

图10是本发明实施例3中微机械振动滤波器的滤波器部分的局部俯视图。

图11是本发明实施例3中滤波器部的局部侧面图。

图12是本发明实施例4中微机械振动滤波器的滤波器部的局部侧剖面图。

实施例

以下采用图3～图12说明本发明的实施例。

(实施例1)

图3是本发明实施例1的微机械振动滤波器的简图。波导为微带线型，带状导体1及接地导体2间隔介电体基板3而设置，在带状导体1的一部分上构成滤波器部4，信号源e连接在带状导体1和接地导体2之间。

图4是滤波器部4的侧剖面图。在带状导体1上阵列状林立着由多个导体组成的微圆柱型单支承微圆柱梁5。另外，如图5的局部放大侧剖面图及图6的局部放大俯视图所示，在微圆柱梁5的前端周围隔着空隙g₁、g₂设有检测电极6。在本实施例1中检测电极6是由贯通孔8包围微圆柱梁5的平板，所有的微圆柱梁5的振动共同地转换为电信号，通过检测电路7的比较器7a取出检测信号。

如图5及图6所示，如果通过使贯通孔8的中心和微圆柱梁5的中心错开(g₁＜g₂)，在检测电极6和微圆柱梁5之间产生电位差，则在两者间隙小的一侧，即在间隙g₁缩小的方向上微细圆柱梁因静电力而弯曲。所以在波导电位的频率信号成分中，微细圆柱梁5固有的共振频率附近的成分，作为微圆柱梁5和检测电极6的距离变化而产生的两者之间的静电电容的变化而被转换为电流信号，通过图4的检测电路7输出。虽然每个微圆柱梁5的振动产生的检测信号较小，但通过检测电极6取各个信号的总和，就能够抑制输出信号电平下降。

采用组合氧化硅薄膜的RIE加工、X线深蚀刻(deep lithography)技术和电镀技术的LIGA工艺等方法，能够使微圆柱梁5阵列化而构成极微细的振动梁。图7表示一例构成图5结构的方法。在图7(a)中金属微圆柱梁5采用LIGA工艺在带状导体1上形成。微圆柱梁5及采用LIGA工艺的光刻胶21的高度通过表面研磨可达到一致。接着使光刻胶21灰化，如同图(b)所示，仅使光刻胶21的高度降低。然后如同图(c)所示，通过溅射，叠层成为SiO₂等牺牲层22的膜。此时如箭头所示，通过从斜上方进行照射，使形成在微圆柱梁5圆周上的牺牲层上产生膜厚分布。接着如同图(d)所示，采用LPCVD(减压化学气相生长)工艺，叠层多晶硅等导电体膜23，如同图(e)所示，进行表面研磨，使高度一致。最后使光刻胶21灰化来将之除去，牺牲层22的SiO₂用氟酸加以除去，如同图(f)所示，能够形成图5中的在微圆柱梁5的前端周围通过贯通孔8而配置检测电极6的结构。特别地通过在图7(c)中使牺牲层22上形成膜厚分布，如图5、图6所示，相对于检测电极6的贯通孔8，微圆柱梁5配置在偏心的位置上，通过因偏心而最接近的检测电极6和微圆柱梁5之间的静电力，能够激励微圆柱梁5。

直径为d、长度为L的单支承微圆柱梁的共振频率由以下的公式3表示。如果采用E＝70GPa、ρ＝2.2×10³kg/m³的氧化硅，构成高宽比L/d＝10的微圆柱梁，则直径d＝9.9nm时，f＝800MHz，直径d＝5.3nm时，f＝1.5GHz。通过采用这种纳米尺寸的微圆柱梁，能够构成适应于携带电话上采用的数GHz频带附近的频带范围的滤波器。作为纳米尺寸的振动梁，利用H.Kohno，S.Takeda等人在Journal ofElectron Microscopy 49(2000)，pp.275-280中介绍的直径为1nm～几十nm的极细硅丝，能够实现高频化。

〔公式3〕

$f=0.140\frac{d}{L^2}\sqrt{\frac{E}{\mathrm{\ρ}}}......\left(3\right)$

另外，如果振动梁不是圆柱梁而是圆筒梁，则圆筒外径为D₂、内径为D₁时，共振频率由以下的公式4表示；另外，因前端集中负荷所产生的梁的弯曲d和梁的长度L之比由以下的公式5表示，所以作为易弯曲度指标的公式5显示：能够保持圆筒的薄壁化即D₁接近D₂，且同时能实现高频化。因此，通过采用作为碳纤维这种轻质材料微小化的极限的直径为1nm～几十nm的碳纳米管，能够进一步实现高频化。

〔公式4〕

$f=0.140\frac{\sqrt{{D_2}^2+{D_1}^2}}{L^2}\sqrt{\frac{E}{\mathrm{\ρ}}}......\left(4\right)$

〔公式5〕

$\frac{d}{L}\∝\frac{L^2}{{D_2}^4-{D_1}^4}\·\frac{1}{E}......\left(5\right)$

总之，依据本实施例1，将多个作为振子的微圆柱梁5排列成阵列状，能够实现共振频率的高频化，同时通过在各微圆柱梁5的周围配置共用的检测电极6，通过检测电极6取各个信号的总和，能够防止检测信号微弱化，提供小型、高品质的微机械振动滤波器。

(实施例2)

图8与本发明的实施例2有关，其整体结构与图3所示的实施例1相同，但在本实施例2中将一对与微圆柱梁5相向的微圆柱5a、5b并列排列成阵列状，一个微圆柱梁5a分别与共用的检测电极6a形成电容器，另一个微圆柱梁5b的前端通过固定材9分别固定在共用的检测电极6b上。图9为其俯视图，微圆柱梁5a、5b分别与检测电极6a，6b相向配置，间隙为g，各检测电极6a，6b以间隔A相向配置。检测电极6a连接在检测电路7的第一比较器7b上，检测电极6b连接在检测电路7的第二比较器7c上。

通过来自流经带状导体1的信号源e的信号，微圆柱梁5a振动，振动所产生的电流ia从检测电极6a流出，但其中叠加了由带状导体1不通过微圆柱梁5a的振动而在电磁上与检测电极6a直接耦合而流出的不需要的成分。将固定材9的介电常数取为与周围空气的介电常数相同，由于在检测电极6b上也只叠加相同的不需要成分，所以在检测电路7中由第一比较器7b取出来自检测电极6a的信号，由第二比较器7c取出来自检测电极6b的信号，由加法器7d从比较器7b的输出减去比较器7c的输出，所以能够仅将微细圆柱梁5a的振动所产生的信号成分作为检测信号取出。

总之，依据本实施例2，通过约束与排列成阵列状的微圆柱梁5相向的一个微圆柱梁5b的振动，从可振动的另一个微圆柱梁5a的检测信号减去受约束的微圆柱梁5b的检测信号，能够抑制因电磁波直接耦合在检测电路上激励的不需要信号成分，而只将起因于微圆柱梁5振动的信号成分作为检测信号取出，所以能够提供小型、高品质的机械振动滤波器。另外，也能够利用实施例1图7中所示的结构方法来实现本实施例2中图8所示结构。在本实施例2中采用的固定材9，能够通过在图7(f)所示状态的表面上对硅氮化膜进行图案加工而形成。

(实施例3)

图10及图11是本发明的实施例3的微机械振动滤波器的俯视图及侧面图。微带线型的带状导体1上的一部分置换为多个成为微机械振子的线圈弹簧10的阵列状的并列连接。但是，如图10所示，线圈弹簧10的两端与传输路方向成角度θ而安装，由于线圈弹簧10在其中心部稍有弯曲而形成开口部11，如果有电流流过线圈弹簧10，则内部的磁通量成为从开口部11泄漏的状态。但是由于使线圈弹簧10内部的磁能成为最大的力作用在线圈弹簧上，因此线圈弹簧10要使开口部11闭合而成为直线状态。由于该力的作用，线圈弹簧10以固有的共振频率振动。通过连接在线圈弹簧10两端的带状导体1的检测电路7A，这种机械振动作为线圈弹簧的自感变化被检测，检测信号成为经滤波的输出信号。

再有，线圈弹簧10采用S.Motojima等人在″Three-dimensionalvapor growth mechanism of carbon microcoils″，J.Mater.Res.，Vol4，No.11，pp.4329-4336(1999)中报告的化学气相析出法而精制的直径为1微米～几十微米的微细的碳线圈，能够提高共振频率。

(实施例4)

图12是本发明的实施例4的微机械振动滤波器的侧剖面图。共面线路型的带状导体1及接地导体2并行地设置在介电体基板3上，在介电体基板3上设置介电体膜12，将带状导体1和接地导体2覆盖。另外，在介电体膜12上阵列状林立着由介电体材料组成的、在长度方向上极化的微圆柱梁5。检测电路由激光光源13和受光元件14构成。

如果有信号流经带状导体1，则电场E的分布取图中所示的方向，电场E的大部分与微圆柱梁5斜交。此时由于受到其方向与电场E的方向一致的作用力，极化的微圆柱梁5在微圆柱梁5上以自己的共振频率振动。如果在微圆柱梁5的接触角最大之处上通过激光光源13照射激光，由受光元件14检测一次衍射光，则因微圆柱梁5的接触，衍射光结合的部位发生变化，所以能够通过受光量的变化检测微圆柱梁5的振动。

总之，依据本实施例4，通过在微圆柱梁5的检测中采用光，能够得到检测电路不直接受到来自输入电磁波的电磁干涉的结构，能够提供小型、高性能的微机械振动式滤波器。

另外，采用长度方向上磁化的磁性体作为微梁，采用通过与磁场的相互作用而使微梁振动的结构，也能够获得同样的效果。

本发明基于附图所示的令人满意的实施例进行了说明，但很明显，如果是本行业者，只要不脱离本发明的思想，很容易进行各种变更、改变。本发明也包括这样的变更例。

Claims (20)

1.一种微机械振动滤波器，其中设有：阵列状配置在电磁波导上或其附近的电磁场中的梁状或线圈状的多个微机械振子，以及对于所述多个微机械振子受到与电磁场的相互作用而按照固有共振频率振动时的信号进行检测的检测电路。

2.如权利要求1所述的微机械振动滤波器，其特征在于：所述微机械振子是导电体梁，通过与电磁波中的电场的相互作用而振动。

3.如权利要求1所述的微机械振动滤波器，其特征在于：所述微机械振子是介电体梁，通过与电磁波中的电场的相互作用而振动。

4.如权利要求1所述的微机械振动滤波器，其特征在于：所述微机械振子是磁性体梁，通过与电磁波中的磁场的相互作用而振动。

5.如权利要求1所述的微机械振动滤波器，其特征在于：所述微机械振子是导电体线圈，通过与所述导电体线圈产生的磁场之间的相互作用而振动。

6.如权利要求5所述的微机械振动滤波器，其特征在于：将所述导电体线圈串联地配置，所述导电体线圈内部的磁通量在其连接部有泄漏。

7.如权利要求6所述的微机械振动滤波器，其特征在于：对伴随所述导电体线圈的振动的阻抗变化进行检测。

8.如权利要求1所述的微机械振动滤波器，其特征在于：所述微机械振子是导电体，所述检测电路是与所述微机械振子相向配置的电极，利用所述微机械振子和所述电极间的静电容量的变化探测到所述微机械振子的振动。

9.如权利要求8所述的微机械振动滤波器，其特征在于：在所述电极的表面上设有孔，所述微机械振子的一部分配置在所述孔中，而且配置在相对所述孔的中心位置偏心的位置上。

10.如权利要求1所述的微机械振动滤波器，其特征在于：所述检测电路以光学方式检测所述微机械振子的振动。

11.如权利要求1所述的微机械振动滤波器，其特征在于：设有多个所述检测电路，并将所述多个检测电路的输出信号相加。

12.如权利要求1所述的微机械振动滤波器，其特征在于：所述检测电路设有取出可能振动的微机械振子信号的第一部件，取出振动受约束的微机械振子信号的第二部件，以及取得所述第一部件的输出信号和所述第二部件的输出信号之差分的第三部件。

13.如权利要求1所述的微机械振动滤波器，其特征在于：设有共振频率不同的多个所述微机械振子，通过对所述检测电路的输出信号进行选择，进行电磁波的频率选择。

14.如权利要求13所述的微机械振动滤波器，其特征在于：所述微机械振子的尺寸不同，从而其共振频率不同。

15.如权利要求13所述的微机械振动滤波器，其特征在于：所述微机械振子的弹性模量不同，从而其共振频率不同。

16.如权利要求13所述的微机械振动滤波器，其特征在于：所述微机械振子的应力不同，从而其共振频率不同。

17.如权利要求16所述的微机械振动滤波器，其特征在于：通过在所述波导中传输的信号上施加直流偏置电压，使微机械振子上产生一定的应力。

18.如权利要求1所述的微机械振动滤波器，其特征在于：所述微机械振子是直径1微米～几十微米的碳线圈。

19.如权利要求1所述的微机械振动滤波器，其特征在于：所述微机械振子是直径1nm～几十nm的极细硅丝。

20.如权利要求1所述的微机械振动滤波器，其特征在于：所述微机械振子的材料是直径1nm～几十nm的碳纳米管。

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