CN1543431A

CN1543431A - 微型器件

Info

Publication number: CN1543431A
Application number: CNA038006839A
Authority: CN
Inventors: 中西淑人; 清水克人; 矢吹博幸
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-01-16
Filing date: 2003-01-16
Publication date: 2004-11-03
Anticipated expiration: 2023-01-16
Also published as: WO2003059805A2; EP1465832B1; US20040149558A1; CN1288068C; WO2003059805A3; US7138893B2; DE60312476D1; EP1465832A2; AU2003202803A1; CA2450451A1; DE60312476T2; KR20040080333A

Abstract

谐振器4和5能够相对于基底1水平和垂直地振荡。谐振器4主要由固定地与基底1接触的支撑部件、包括与谐振器5接触的接触表面和与电极7接触的接触表面的可动部件、以及耦合支撑部件与可动部件的衔接部件构成。电极6置于谐振器5和谐振器4相间隔开的方向上。电极7置于谐振器4和谐振器5相间隔开的方向上。电极9被置于这样的位置，使谐振器5产生静电力，其方向与在谐振器4和5之间以及在谐振器5和电极6之间作用的吸引力的方向均不同。

Description

微型器件

技术领域

本发明涉及一种用于电路系统中的微型器件。

背景技术

书名为“Introduction to Microelectromechanical Microwave Systems”一书(Artech House出版社出版)的第122页中曾描述了一种著名的传统技术。

下面将参照图1和2来描述其细节。图1是一开关的剖面图，该开关具有由膜片构成的膜片结构。如图2所示，当中断信号时，施加一静电力使薄膜与电极接触，而在信号导通时则不施加静电力。

但是，在传统器件中，由于开关被短路从而衰减信号，并且在被短路的表面上产生反射波，因此过量的功率将回送给设置于开关之前的放大器并毁坏放大器。而且还有一个问题是，由于当膜片和电极没有恰当间隔时它们会电耦合，因此当开关接通时会产生传递损失。另外，当膜片和电极之间的间距很大时，需要的静电力会变得非常大，而且施加电压也会变得非常高，这就导致了另一个问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够在较低电压的条件下保证具有较高的绝缘性能的微型器件。

该目的是这样在微型器件中实现的：通过使多个谐振器独立地相接触或分开从而靠静电供给或断开电信号，由此获得与相应于所施加电压的距离的两倍的距离并保证在较低电压的的条件下具有较高的绝缘性能。

附图说明

图1是具有由膜片构成的薄膜结构的开关的剖面图；

图2是具有由膜片构成的薄膜结构的开关的另一剖面图；

图3是显示根据本发明第一实施例的微型器件的构造的视图；

图4是显示根据上述实施例的微型器件的操作的视图；

图5是显示根据上述实施例的微型器件的操作的另一视图；

图6是显示根据上述实施例的微型器件的操作的另一视图；

图7是显示根据上述实施例的微型器件的操作的另一视图；

图8是显示根据上述实施例的微型器件的操作的另一视图；

图9是显示根据上述实施例的微型器件的操作的另一视图；

图10是显示根据上述实施例的微型器件的频率特性的实例的视图；

图11是在制造根据上述实施例的微型器件的过程中的剖面图；

图12是在制造根据上述实施例的微型器件的过程中的另一剖面图；

图13是在制造根据上述实施例的微型器件的过程中的另一剖面图；

图14是在制造根据上述实施例的微型器件的过程中的另一剖面图；

图15是在制造根据上述实施例的微型器件的过程中的另一剖面图；

图16是在制造根据上述实施例的微型器件的过程中的另一剖面图；

图17是显示根据本发明第二实施例的开关的示意性构造的视图；

图18是显示位于根据上述实施例的开关的基底上的电极样式的视图；

图19是显示根据上述实施例的开关的剖面图的视图；

图20是显示根据本发明第三实施例的开关的示意性构造的视图；

图21是显示根据上述实施例的开关中出现带有悬臂的固定端的视图；

图22是显示根据上述实施例的开关的操作的视图。

具体实施方式

本发明的微型器件具有多个通过静电吸引可相互接触的精密结构的谐振器、多个由于静电可产生对谐振器的吸引力从而分开谐振器的第一电极、以及将电压施加于多个第一电极的第一施加部件，其中当谐振器彼此接触时信号通过谐振器，而当谐振器分开时穿过谐振器的信号断开。

根据这种构造，由于每个谐振器沿谐振器彼此相隔离开的方向移动，因此可以获得相应于所施加电压的距离的两倍的距离并保证在低电压的条件下具有较高的绝缘性能。

在本发明的微型器件中，谐振器具有能彼此接触的传导表面并当彼此相接触时传导直流信号。

根据这种构造，微型器件的功能为传导直流信号的开关。

在本发明的微型器件中，谐振器具有能彼此接触的绝缘表面并当彼此相接触时传导交流信号。

根据这种构造，微型器件的功能为传导交流信号的开关。

在本发明的微型器件中，第一电极通过电阻与地或电源相连，该电阻具有与穿过谐振器的交流信号的频率相应的特性阻抗。

按照这种构造，可以防止在断开信号时对信号的反射。

本发明的微型器件还具有第二电极和第二施加部件，第二电极在除在谐振器之间产生吸引力的方向以及在谐振器和第一电极之间产生吸引力的方向之外的各个方向上产生对谐振器的吸引力，第二施加部件在第二电极和谐振器之间施加直流信号。

按照这种构造，由于可以控制谐振器独立地作为开关连接或作为滤波器振荡，因此该微型部件可进行带有滤波功能的转换操作。

本发明的微型器件进一步具有数量与谐振器的数量相等的多个第二电极，其中这些第二电极被设置在若干位置上，使得谐振器与第一电极之间的方向和谐振器与第二电极之间的方向垂直；以及对每个第二电极施加具有不同频率的交流信号第二施加部件。

按照这种构造，可以拓宽信号穿过滤波器的频带。

本发明的微型器件能使信号在第二电极和谐振器之间传递。

按照这种结构，可以为每个频率成分分离出信号。

本发明的微型器件进一步具有将谐振器真空密封的密封部件。

按照这种构造，可以高速地在信号导通和断开之间切换。

下面将参照附图对本发明的实施例进行说明。

(第一实施例)

图3是显示根据本发明第一实施例的微型器件的构造的示图。图3中的微型器件主要包括基底1、输入/输出端口2和3、谐振器4和5、电极6至9以及直流电源14和15，“11”至“14”的每一个都表示控制信号。在基底1上集成有谐振器4和5以及电极6至9。基底1最好为绝缘体或半导体。

输入/输出端口2和3是输入信号至开关/从开关输出信号的端子。输入/输出端口2电连接到谐振器5。同样的，输入/输出端口3电连接到谐振器4。微型器件能使信号通过谐振器5和4从输入/输出端口2传递到输入/输出端口3。此外，信号也可以从输入/输出端口3被传递到输入/输出端口2。

谐振器4和5能够相对于基底1水平和垂直地振荡。谐振器4主要包括固定地与基底1接触的支撑部件；包括与谐振器5接触的接触表面和与电极7接触的接触表面的可移动部件；以及连接支撑部件与可移动部件的跨接部件(crossing portion)。例如可以通过形成挑梁结构(cantilever-beamstructure)来实现谐振器4和5。直流电势通过电感施加到谐振器4和5上。电极6至9用来向谐振器施加静电。

电极6最好设置在谐振器5与谐振器4相间隔开的方向上。换句话说，谐振器5最好在谐振器4和电极6之间，作用于谐振器4和5之间的吸引力最好是在与谐振器5和电极6之间的吸引力的相同的轴线上，并且电极6最好置于相反的一侧。与电极6类似，电极7最好置于谐振器4和谐振器5相间隔开的方向上。

电极9被置于这样的一个位置上，该位置使谐振器5产生静电力，其方向与作用在谐振器4和5之间以及作用在谐振器5和电极6之间的两个吸引力的方向均不同。例如，该位置最好能使谐振器5产生静电力，其方向与作用在谐振器4和5之间以及作用在谐振器5和电极6之间的两个吸引力的方向相垂直。

换句话说，最好使谐振器5与电极9相反的一面处在与谐振器4和5之间以及谐振器5和电极6之间的接触表面相垂直的方向上。同样地，电极8被置于这样的一个位置上，该位置使谐振器4产生静电力，其方向与作用在谐振器4和5之间以及作用在谐振器4和电极7之间的两个吸引力的方向均不同。

控制信号10是用于向电极6施加电压的信号。同样地，控制信号13是用于向电极7施加电压的信号。控制信号11是用于向电极9施加交流电压的信号。同样地，控制信号12是用于向电极8施加交流电压的信号。

DC电极14向谐振器5施加直流电压。同样地，DC电极15向谐振器4施加直流电压。

下面将说明操作该开关的方法。图4至7是显示该实施例的开关的操作的示图。图4显示为关断时的开关的顶视图，图5显示为关断时的开关的剖面图，图6显示为接通时的开关的顶视图，以及图7显示为接通时的开关的剖面图。例如在使开关关断时，直流电压Vc被施加于DC电极14和15上。当将一个-Vc的电压施加于电极6和7上时，产生静电力，谐振器4被朝向电极7吸引，谐振器5被朝向电极6吸引，因此电极与各自相应的谐振器电耦合。此时，电极6和7具有相当于从输入/输出端子看该开关时的特性阻抗的电阻。当谐振器4与电极6相接触时，由于电阻因此不会产生任何反射波。而且，由于两个谐振器4和5被移动彼此相分离开，所以可以获得两倍于与所施加电压对应的距离并保证较高的绝缘。

然后例如当开关接通时，将-Vc施加于DC电极14上，将+Vc施加于DC电极15上，将+Vc施加于电极6上，并且将-Vc施加于电极7上。谐振器4和5彼此吸引并电耦合。

此时，当谐振器4和5彼此物理接触时，它们通过接触表面上的介电薄膜电容耦合，而当接触表面上无介电薄膜时它们电阻耦合。在电容耦合的情况下，该器件的功能是作为一个具有频率特性的开关。在电阻耦合的情况下，DC信号从DC电极14传到DC电极15并因此导致短路，从而需要提供电阻来替代电感或与电感串连。

谐振器4和5每个都仅在外形上需要能够在预定时间通过静电力使它们彼此接触或分开的尺寸。例如，谐振器4和5每个都是500μm长、2μm厚和2μm宽的立方体形状，并设置得使得谐振器4和5之间的间隙为0.6μm，谐振器4和电极7之间的间隙为0.6μm，且谐振器5和电极6之间的间隙为0.6μm。当绝缘材料的厚度为10nm时，施加7v能使谐振器在5μs或更短的时间内做出反应。而且，SW的传递损失为0.5dB或更小。

下面将说明作为滤波器的功能。图8和9是显示本发明的微型器件的操作的示图。如图8所示，当谐振器4和5彼此接触从而使开关接通并且具有所要求的频率和振幅的交变电场分别从电极8和9施加到谐振器4和5时，谐振器4和5被驱动并以与控制信号相应的频率振荡。

结果，谐振器4和电极8之间的电容变化。阻抗随着与电容变化的周期相应的频率而变化，从而可以选择具有该频率的信号。谐振器5和电极9在特性上与以上所述相同。

此时，当输入电极8和9的交变电场是同相时，如图9所示，谐振器4和5就在扭曲的方向振荡。

当输入电极8和9的交变电场是反相时，因为在谐振器4和电极8之间以及在谐振器5和电极9之间的作用力是引力或斥力，如图8所示，所以谐振器4和5倾向于以垂直模式振荡。通过设计谐振器4和5以及电极8和9的形状，并设置谐振器4和电极8之间以及谐振器5和电极9之间的距离，使得每种模式的谐振频率变为所要求的值，以控制振动模式，从而可以容易地改变滤波器的谐振频率。

在上述说明中，交流信号被施加于电极8和9以使谐振器4和5振荡，因此对应于穿过谐振器4和5的信号，将产生具有穿过时频率的信号和未穿过时频率的信号，从而该器件用作滤波器。但是，作为使谐振器4和5振荡的方法，也可利用其他方法。

换句话说，不需要总是从外部施加交变电场，而是谐振器4和5可以由被输入这些谐振器的高频信号所具有的静电力驱动。

在这种情况下某些线路接法(configuration)可认为是滤波操作。例如，图1中的控制信号11和12可以由负荷来代替以实现该滤波。一些图显示了该实施例的示意性构造。(例如，)当没有从外部输入控制信号时，谐振器4和5由通过谐振器4和5的信号所具有的静电力驱动。

当穿过谐振器4和5的信号含有当谐振器4和5耦合时所获得的具有固有频率的信号时，谐振器4和5振荡剧烈。此时，例如，当振荡模式设置为垂直振荡模式时，谐振器4和5剧烈地垂直于基底地振荡，并且谐振器4和5以及电极8和9之间的间隙变化，从而造成电耦合。

也就是说，由于谐振器4和5以固有频率振荡，因此具有固有频率的信号可选择地耦合到电极8和9上而不传送到输入/输出端口，从而具有所谓的陷波滤波器(notch filter)效果。在该状态下，当电极8和9与端子相连并且谐振器4和5的固有频率设置为期待值时，该器件可用作双工器。

此外，在从外部输入信号时，输入控制信号11或控制信号12以使谐振器4和5振荡。具有固有频率的信号使谐振器4和5强烈地振荡并能够选择性地仅取消具有振荡所用的频率的信号。

而且，不是总要求控制信号具有固有频率而是仅要求具有能够使谐振器4和5振荡的静电力。

例如，当电极8和9由于输入和输出端子连接而未获得控制信号时，从输入端子输入的信号使谐振器4和5振荡，而从输出端子可选择地输出仅具有固有频率附近的频率的信号。

当假定只有一个谐振器时，由于谐振器的Q值很高，谐振频率很陡，所以不可能选择性地引出(fetch)信号，仅具有固有频率的信号除外。但是，在本发明的微型器件中，由于两个相同的谐振器耦合从而振荡，因此可以使振荡按照两种模式分开地进行，单独一个谐振器的固有频率就在这两种模式之间。换句话说，当两个谐振器以相同方向或以反相振荡时会出现两种模式，而且该器件作为一个具有Δf的带宽的滤波器工作。

图10是显示该实施例中的微型器件的频率特性的实例的视图。在图10中，由虚线显示的频谱表示单一谐振器的固有频率。在图10中，由实线显示的频谱表示由耦合的两个谐振器所获得的谐振频率。所要求的带宽随着应用系统的变化而变化，以便将该器件用于滤波器，该滤波器随着谐振器改变带宽而改变耦合的程度。

由于耦合的谐振器4和5被认为形成了双支撑梁结构，所以固有频率由等式(1)表示：

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

其中t为梁的厚度，L为梁的长度，E为构成梁的材料的杨氏模量，而ρ表示密度。为了获得所要求的频率，控制梁的形状能够设置所要求的频率。

因此，该实施例的微型器件能够用作具有两种功能的器件，即作为第一实施例中的应用水平方向上的振荡的开关以及通过应用在垂直方向上的振荡从而能够容易地取消和选择具有所要求的频率的信号的滤波器。

下面将说明形成上述开关的过程的实例。图11至16是用于制造根据该实施例的微型器件的工艺过程的剖面图。如图11所示，通过使高电阻硅基底21进行热氧化，在高电阻硅基底21上形成厚度大约为300nm的氧化硅膜22。然后，利用减压CDV方法沉积具有20nm厚度的氮化硅膜23。此外，还利用减压CDV方法沉积具有50nm厚度的氧化硅膜24。

随后，如图12所示，在氧化硅膜24上旋涂2μm厚的由光致抗蚀剂涂层构成的涂层，将该涂层曝光和显影，并使用一个烤盘在140℃下烘烤十分钟从而形成牺牲层25。

然后，如图13所示，在基底的整个表面上沉积2μm厚的Al 26，并且通过涂覆光致抗蚀剂剂，使得在预定区域中留下光致抗蚀剂，形成图案27。

接下来，如图14所示，利用由光致抗蚀剂涂层构成的图案作为掩模来进行对Al的干刻蚀，从而形成梁28，然后用O₂等离子体除去由光致抗蚀剂涂层构成的图案27和牺牲层25。前述过程形成了与基底表面有间隙29的梁28。

进一步，如图15所示，用等离子体CDV在整个表面上沉积厚度为50nm的氮化硅膜30，从而在氧化硅膜24上和基底表面上的梁28周围形成氮化硅膜。

最后，如图16所示，使用各向异性干蚀刻法，在对氧化硅膜提供选择比率的情况下，在氮化硅膜上进行深腐蚀，例如，蚀刻厚度为100nm或更大，该厚度大于沉积膜厚度，从而，进行刻蚀，使得梁的上表面上没有氮化硅膜，而在其侧面31保留有氮化硅膜。

此外，虽然在该实施例中使用的是高电阻硅基底，但也可使用绝缘体或半导体。例如，可使用一般硅基底、化学半导体以及绝缘基底。

进一步，虽然在高电阻硅基底21上形成氮化硅膜23和氧化硅膜24作为绝缘膜，但当基底电阻足够高时可以省去形成绝缘膜。而且，在硅基底上形成三层绝缘膜，即氧化硅膜22、氮化硅膜23和氧化硅膜24。但是，当氮化硅膜23的厚度足够厚以至超过沉积在梁上的氮化硅膜的厚度时，即当即使在所谓的深腐蚀处理之后也不除去该厚度时，可以省去形成氧化硅膜24的过程。

此外，虽然该实施例利用Al作为构成梁的材料，但还可以利用其他金属材料例如Mo、Ti、Au和Cu，含有高浓度杂质的半导体材料，如非晶硅和导电聚合材料。而且，虽然利用溅射法作为薄膜形成方法，但还可以利用其他方法例如CVD和电镀。

(第二实施例)

下面将参照图17至19说明本发明的第二实施例。图17是显示本发明第二实施例的微型器件的示意性构造的示图。从输入/输出端子33输入的信号通过信号线35与平台谐振器36电耦合，平台谐振器36还与信号线34电耦合，从而从输入/输出端子32输出信号。因此被耦合信号可选择地与具有平台谐振器36的振荡频率的信号相耦合，从而该器件用作滤波器。

下面将描述具体内容。在平台谐振器36的基底侧上设置多个电极50，在该基底上设置多个电极30，并可以通过由控制信号产生机构49产生的控制信号将电压独立地施加给每个电极，从而能在平台谐振器36和基底30之间产生任意的静电力。因此，可以通过任意力以任意方向将静电力施加到平台谐振器36。通过改变由此施加的控制信号的频率、振幅和位置，可以控制平台谐振器的振荡频率和振荡模式。

例如，假定电极38包括扇形电极51至54。当直流电压-Vc均匀地施加到全部平台谐振器电极50上并且由-Vc x Sin(fbt)表示的控制信号施加到基底上的全部电极(51至54)上时，强迫平台谐振器以与控制信号的频率fb相应的频率振荡。进一步，当控制信号以脉冲的形式施加于部分电极上时，平台谐振器受驱动而以固有频率振荡。固有频率由等式(2)表示，其中m和k分别表示质量和弹簧常数：

fc = \frac{1}{2 π} \sqrt{\frac{k_{1}}{m}} . . . (2)

在将直流电压-V1均匀地施加到平台谐振器的电极50上并将直流电压+V2施加到基底上的电极51和53上的情况下，将由-V1 x Sin(fct)表示的控制信号施加到基底上的电极52和54上，使平台谐振器振荡。此时，如图19所示，平台谐振器36由于电极51和53所施加的静电力而弯曲，并因此平台谐振器的弹簧常数改变。因此，按照等式(1)，可以改变平台谐振器的固有频率。因为这样就可以任意控制平台谐振器振荡的频率和模式，所以可以改变滤波器的通道频带(passage band)的中心频率。

(第三实施例)

下面将参照图20至22说明本发明的第三实施例。图20显示为本发明第三实施例的示意性构造，除了悬臂61设置在平台谐振器66上之外都与第二实施例类似。悬臂61具有可在水平方向和垂直方向上移动的三轴控制机构(未示出)，从而可在任意位置与平台谐振器66相接触。在第二实施例中，为了控制平台谐振器振荡的模式和谐振频率，从外部施加静电力，以控制振荡的模式和频率达到所要求的模式和频率。在该实施例中，悬臂66与谐振器物理接触，从而将一个固定端任意地设置在谐振器上，从而控制平台谐振器的振荡模式和谐振频率。图21和22显示了一个实例。如图21所示，当悬臂未接触时，平台谐振器71以基本模式(谐振频率为f0)振荡。相反，如图22所示，当谐振器由悬臂61强制固定时，平台谐振器分成一些谐振器并以多个频率振荡(谐振频率f0、f1和f2)。

进一步，从信号线65输入的输入信号可以直接输入谐振器66，如图22所示。在这种情况下，由于振荡频率随着信号线引出的位置而变化，因而可以引出具有多个频率的信号。

从上述说明可以明显看出，根据本发明的微型器件，通过使用静电力使多个谐振器独立地相接触或分开以馈入或断开电信号，可以获得与所施加电压对应的两倍的距离并保证在低电压的条件下的较高绝缘。

而且，根据本发明的微型器件，由于可以任意改变振荡器的振荡模式和频率，因此可以任意设置通过器件传递的的信号的功率和频率。

本申请是基于2002年1月16日提交的日本专利申请No.2002-006908以及2002年12月16日提交的日本专利申请No.2002-364322，在此作为参考引用这两个文献的全部内容。

工业实用性

本发明适用于电路系统中所使用的微型器件。

Claims

1.一种微型器件，包括：

多个精密结构的谐振器，所述的多个精密结构的谐振器通过由于静电产生的吸引而相互接触；

多个第一电极，所述的多个第一电极由于静电而产生对所述的谐振器的吸引从而使所述的谐振器分离开；以及

一第一施加部件，所述的第一施加部件将电压施加于所述的多个第一电极，

其中当所述的谐振器彼此接触时信号通过所述的谐振器，而当所述的谐振器分离开时通过谐振器的所述的信号被断开。

2.根据权利要求1所述的微型器件，其中所述的谐振器具有能彼此接触的传导表面，当彼此相接触时传导直流信号。

3.根据权利要求1所述的微型器件，其中所述的谐振器具有能彼此接触的绝缘表面，当彼此相接触时传导交流信号。

4.根据权利要求1所述的微型器件，其中当所述的谐振器的每一个与所述的第一电极中的对应的一个相接触时，所述的器件具有阻抗，所述的阻抗与所述的谐振器的每一个的输入端子和所述的第一电极的相应的一个的输入端子之间的输入信号的频率相对应。

5.根据权利要求1所述的微型器件，进一步包括：

一第二电极，所述的第二电极在除在所述的谐振器之间产生吸引力的方向以及在所述的谐振器的每一个和对应的第一电极之间产生吸引的方向之外的各个方向上产生对所述的谐振器的相应的一个的吸引，

其中所述的器件随着所述的第二电极和所述的谐振器的对应的一个之间的驱动频率而改变电容，并且所述的器件具有频率选择性。

6.根据权利要求5所述的微型器件，进一步包括：

一与所述的第二电极相连的负荷，

其中所述的器件在所述的第二电极和所述的谐振器的对应的一个之间提供信号。

7.根据权利要求5所述的微型器件，进一步包括：

一第二施加部件，在所述的第二电极和所述的谐振器的对应的一个之间施加DC信号，

其中所述的第二施加部件改变所述的第二电极和所述的谐振器的对应的一个之间的电容。

8.根据权利要求1所述的微型器件，其中进一步包括：

数量与所述的谐振器的数量相等的多个第二电极，所述的第二电极的每一个在除在所述的谐振器之间产生吸引的方向以及在所述的谐振器的每个和所述的第一电极的对应的一个之间产生吸引的方向之外的各个方向上产生对所述的谐振器的相应的一个的吸引力；以及

一第二施加部件，在所述的第二电极的每一个和所述的谐振器的对应的一个之间施加DC信号，

其中所述的第二电极设置在一些位置，使得所述的谐振器与和所述的第一电极之间的方向和所述的谐振器与所述的第二电极之间的方向垂直，并且所述的第二施加部件对所述的第二电极的每一个施加具有不同频率的交变信号。

9.根据权利要求1所述的微型器件，其中进一步包括：

一真空密封所述的谐振器的密封部件。