CN1874146A - 微小谐振器、带通滤波器、半导体装置及通信装置 - Google Patents
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Abstract
一种微小谐振器，其并非使微小谐振子的结构不同，而是制成谐振频率不同的微小谐振子，并且Q值低。具有施加直流电压的并联配置的多个梁型振子元件，以使上述振子元件间的直流电压不同地构成微小谐振器。
Description
技术领域
本发明涉及一种由静电驱动的梁型振子构成的微小谐振器、使用该微小谐振器的带通滤波器、具有该微小谐振器的半导体装置以及使用由该微小谐振器制成的带通滤波器的通信装置。
背景技术
近年来，利用微型机器(MEMS：Micro Electro MechanicalSystems(微型电子机器系统))技术制作的微小振子(微小谐振子)是众所周知的。利用半导体工艺制成的微小谐振子，由于器件占有面积小、能实现高Q值、能和其它半导体器件集成的这些特长，所以由以密歇根州大学为首的研究机构提出了即使在无线通信设备中也作为高频滤波器进行利用的方案(参照非专利文献1)。
并且，众所周知并联配置多个微小谐振子构成微小谐振器，而且作为高频滤波器。大家也都知道相互连接具有不同谐振频率的微小谐振器，而扩展滤波器的带通。
可是，在相互连接有不同谐振频率的微小谐振器时，在微小谐振器之间会发生脉动电压，若微小谐振器的Q值很高，就会产生该脉动电压变大的问题。大家都知道，为了降低脉动电压，只要降低微小谐振器的Q值就行。
因此，众所周知，组合谐振频率不同的微小谐振子来构成微小谐振器，可使微小谐振器的Q值降低。
【非专利文献1】C.T.-Nguyen，Micromechanical components forminiaturized low-power communication(invited plenary)，procedings，1999IEEEMTT-S International Microwave Symposium RF MRMSWorksh′op，June，18，1999，pp，48-77
作为现有技术，众所周知：在并联排列的多个微小谐振子中，通过使梁的长度或梁的厚度等微小谐振子的结构不同，而使微小谐振子的谐振频率不同，并且降低微小谐振器的Q值。
但是，在这种情况下，在制造微小谐振器的工序中，因为有必要使微小谐振子的梁长度或梁厚度正确地不同，所以在制造加工中的蚀刻技术等有难以控制等的问题。
发明内容
本发明考虑到上述问题，提供一种微小谐振器，该微小谐振器并非使微小谐振子的结构不同，而是制作谐振频率不同，并且Q值低。
并且，本发明是提供用该微小谐振器的带通滤波器、半导体装置及通信装置。
本发明的微小谐振器具有施加直流电压的并联配置的多个梁型振子元件，并使上述振子元件间的直流电压不同。
优选的是，在振子元件间设置着电阻是适当的。
本发明的带通滤波器是由微小谐振器构成，该微小谐振器具有施加直流电压的并联配置的多个梁型振子元件，并使该振子元件间的直流电压不同。
本发明的半导体装置是由微小谐振器构成，该微小谐振器具有施加直流电压的并联配置的多个梁型振子元件，并使该振子元件间的直流电压不同。
本发明的通信装置具有进行发送信号和/或接收信号频带限制的滤波器，其中，作为滤波器是使用由上述任一种微小谐振器构成的滤波器。
若使用本发明的微小谐振器，由于能把Q值控制得低，所以能使带通宽。
若使用本发明的带通滤波器，则能提供降低了脉动电压的有宽带通的带通滤波器。
若使用本发明的半导体装置，则能提供具有带通宽优良特性的滤波器的半导体装置。
若使用本发明的通信装置，则能提供带通宽的有优良特性的通信装置。
附图说明
图1是表示把本发明的微小谐振器适应用于梯型(ラダ一)滤波器的实施形态的概略构成图；
图2是梯型滤波器的等效电路图；
图3是图1实施形态的详细图；
图4是表示微小谐振器其它实施形态的详细概略图；
图5是本发明的微小谐振器中使用的微小谐振子概略图；
图6是图3的实施形态的重要部分概略图；
图7是表示给现有的微小谐振器施加DC电压时的Q值曲线图；
图8是表示给本发明的微小谐振器施加DC电压时的Q值曲线图；
图9的A～C是表示图6的微小谐振器的制造方法例的制造工序图(其中之1)；
图10的D～E是表示图6的微小谐振器的制造方法例的制造工序图(其中之2)；
图11的F～G是表示图6的微小谐振器的制造方法例的制造工序图(其中之3)；
图12是表示本发明的通信装置的实施形态的电路图。
具体实施方式
以下，参照附图，说明本发明的实施形态。
图1表示把本发明的微小谐振器适应于梯型滤波器的实施形态。在本实施形态中，作为对象的微小谐振器是微米量级、纳米量级的元件。在以下的实施形态中也是同样。
如图2的等效电路所示，梯型滤波器21构成为，用微带线路构成高频信号电路22，在该信号线路23的输入端子IN及输出端子OUT之间连接串联并且被并联化的多个微小谐振子(振子群)构成的谐振频率f1的微小谐振器25，在该微小谐振器25的输出侧和接地(GND)线路24之间连接同样被并联化的多个微小谐振子(振子群)构成的谐振频率f2的微小谐振器26。
如图3所示，对构成微小谐振器25和微小谐振器26的微小谐振子31进行排列，以使梁37的长度(梁长)朝向纵方向。开且，在并联配置的微小谐振子31和微小谐振子31之间，即，在施加DC偏压的梁37和梁37之间设置电阻40。
并联配置的多个微小谐振子的形态，也可以如图4所示那样进行排列，以使梁长朝向横向。
图5表示微小谐振器25、26中所用的微小谐振子31的一例。
该振子31，其例如在半导体衬底12上介由绝缘膜13形成输入电极14及输出电极15，形成与该输入电极14及输出电极15相对并隔着空间16而使振动片成为电极即形成梁37而构成。梁37用固定部(支撑部)19(19A，19B)整体支撑两端，以像桥状跨过输入输出电极14、15并与配置在输入输出电极14、15的外侧的配线层18连接。从输入电极14引出输入端子t1，通过输入端子t1输入高频信号S1，从输出电极15引出输出端子t2。给梁37施加所需的DC偏压V1。
在该振子31中，给输入电极14输入高频信号S1时，则利用在施加了DC偏压V1的梁37和输入电极14之间产生的静电力，使梁37谐振，从输出电极15输出目的频率的高频信号。
因此，加到梁37上的DC偏压V1增大时，则在与输出电极14之间产生的静电力增大，产生称为梁37向输入电极14侧增大弯曲的所谓软化(ソフトニング)现象。一般由于谐振频率高的微小谐振子31的梁长度小，谐振频率低的微小谐振子31的梁长度大，给梁37施加的DC偏压值变大时，由于梁37的弯曲，梁长度在表观上变长，所以微小谐振子31的谐振频率变低。并且，向梁37施加的DC偏压值变小时，由于梁不弯曲，梁长度在表观上变短，所以微小谐振子31的谐振频率变高。即，由于向梁37施加的DC偏压值不同，即使是有相同结构的微小谐振子31，也能使谐振频率的大小不同。
图6表示本实施形态的微小谐振器25的重要部分。
与DC电源连接的微小谐振子31-1、微小谐振子31-2、微小谐振子31-3被并联配置，在微小谐振子31-1的梁37和31-2的梁37之间设置着电阻40-1，在微小谐振子31-2的梁37和31-3的梁37之间设置着电阻40-2。形成微小谐振子31-1、微小谐振子31-2、微小谐振子31-3，以使其包括梁37的长度或厚度等并且成为相同的结构。
在用DC电源给微小谐振子31-1的梁37施加规定偏压时，因电阻40-1产生电压降，给微小谐振子31-2的梁37施加的偏压比给微小谐振子31-1的梁37施加的偏压还低。同样，因电阻40-2产生电压降，给微小谐振子31-3的梁37施加的偏压比给微小谐振子31-2的梁37施加的偏压还低。即，由于给微小谐振子31-1、31-2、31-3施加的偏压值各自不同，使梁37的弯曲量变化，微小谐振子31-1、31-2、31-3的谐振频率的大小也会各自不同。
施加的DC电压值在并联配置的多个微小谐振子31之间可以不同。并且，也能把本实施形态的谐振器适用于晶格型滤波器。
图7所示的曲线表示在微小谐振子31之间不设置电阻而构成的微小谐振器中，使施加的DC偏压值在24～34V的范围变化时的微小谐振器的Q值变化。图8所示的曲线表示在微小谐振子31之间设置电阻而构成的微小谐振器中，施加了规定的DC偏压时的微小谐振器的Q值变化。从这些曲线可知，在微小谐振子31之间设置电阻时的微小谐振器的Q值比不设置电阻时的Q值还小。
接着，用图9～图11说明适用于图6的微小谐振子31-1、31-2制造的一实施形态的制造方法。
首先，如图9A所示，用减压CVD法在硅半导体衬底32上使氧化硅膜(SiO2)331及氮化硅膜(SiN)332成膜，形成绝缘膜33。
接着，如图9B所示，在绝缘膜33上形成例如含有磷(P)的多晶硅膜后，用光刻技术和干法蚀刻技术使多晶硅膜形成图案，形成成为微小谐振子31下部电极的输入电极341、342、输出电极351、352及共同布线层38、两侧的布线层38。
接着，如图9C所示，用减压CVD法在包含下部电极的输入电极341、342、输出电极351、352、布线层38的表面上形成牺牲层71、例如氧化硅膜(SiO2)。牺牲层71是在下部电极的输入电极341、342、输出电极351、352、布线层38的表面上形成希望的厚度。
接着，如图10D所示，再次在全部表面上用减压CVD法形成牺牲层71，例如硅氧化膜(SiO2)。然后，用光刻技术和干法蚀刻技术在各自的谐振子元件侧形成达到布线层38的接触孔72。
接着，如图10E所示，例如，用减压CVD法形成多晶硅膜，用光刻技术和干法蚀刻技术使多晶硅膜图案形成，形成分别通过梁371、372及接触孔72与配线层38连接的固定部。
接着，如图11F所示，用DHF溶液等的蚀刻溶液，有选择地除去牺牲层71的氧化硅膜，在梁371及372和下部电极的输入输出电极341、351及342、352之间形成空间来形成微小谐振子31-1、31-2。
最后，如图11G所示，用离子注入法等导入与布线层38中含有的导电型杂质不同的导电型杂质，形成低杂质浓度的布线层部79，并形成电阻40。也可以用缩小布线层部79的幅度或高度的方法，代替降低布线层部79的杂质浓度的方法形成电阻40。
也可以用溅射法形成导电性低的膜，代替低杂质浓度的布线层部79来形成电阻40。并且，也可以预先用CVD法形成低导电性的膜，代替低杂质浓度的布线层部79来形成电阻40。
也可以用低杂质浓度的多晶硅形成微小谐振子31-1、31-2的两个梁371、372，在梁部分产生电压降。
若使用本实施形态的微小谐振器，由于并非使微小谐振器的结构不同，而能改变各微小谐振子的谐振频率的值及Q值，所以能降低由多个微小谐振子构成的微小谐振器的整体Q值。
在本发明的其它实施形态中，以相互连接有不同谐振频率的微小谐振器，就能构成有所需带宽的信号通过特性的带通滤波器。
若使用本实施形态的带通滤波器，由于把微小谐振器的Q值控制得低，所以能够控制脉动电压的发生，并且能提供带通宽的带通滤波器。
在本发明的其它实施形态中，使用上述的梯型滤波器21、微小谐振器等，能构成信号滤波器、混频器、谐振器及包括这些器件的SiP(system in package：系统封装)器件模块、SoC(system on chip：系统片)器件模块等半导体装置。
若使用本实施形态的半导体装置，就能提供带通宽有优良特性的半导体装置。
本发明能提供使用由上述实施形态的微小谐振器的滤波器构成的携带电话机、无线LAN设备、无线电收发两用机、电视调谐器、无线电调谐器等利用电磁波通信的通信装置。
接着，参照图12，说明应用上述本发明实施形态的滤波器的通信装置的构成例。
首先，说明发送系统的构成，把I信道的发送数据和Q信道的发送数据分别提供给数字/模拟转换器(DAC)201I及201Q，并转换成模拟信号。转换的各信道信号提供给带通滤波器202I及202Q，除去发送信号频带以外的信号成分，把带通滤波器202I及202Q的输出提供给调制器210。
在调制器210中，每个信道信号通过缓冲放大器211I及211Q供给混频器212I及212Q，并与从发送用的PLL(phase-locked loop)电路203供给的发送频率对应的频率信号混合并加以调制，用加法器214使两个混合信号相加，成为1系统的发送信号。这时，供给混频器212I的频率信号要用移相器213使信号相位移动90°，正交调制I信道的信号和Q信道的信号。
加法器214的输出通过缓冲放大器215提供给功率放大器204，放大到成为规定的发送功率。用功率放大器204放大后的信号通过发送接收信号转换器205和高频滤波器206提供给天线207，从天线207进行无线发送。高频滤波器206是除去用该通信装置发送及接收的频带以外的信号成分的带通滤波器。
作为接收系统的构成，把由天线207接收到的信号通过高频滤波器206及发送接收信号转换器205提供给高频率部220。在高频率部220中，用低噪声放大器(LNA)221放大接收信号后提供给带通滤波器222，除去接收频带以外的信号成分，把除去过的信号通过缓冲放大器223提供给混频器224。而且，混合从信道选择用PLL电路251供给的频率信号，把规定发送信道的信号作为中频信号，通过缓冲放大器225把该中间频率信号提供给中频电路230。
在中频电路230中，通过缓冲放大器231把供给的中频信号提供给带通滤波器232，除去中频信号的频带以外的信号成分，把除去过的信号提供给自动增益调整电路(AGC电路)233，大致成为一定增益的信号。用自动增益调整电路233增益调整的中频信号通过缓冲放大器234提供给解调器240。
在解调器240中，通过缓冲放大器241把所供给的中频信号提供给混频器242I及242Q，混合从中频用PLL电路252供给的频率信号，解调接收到的I信道信号成分和Q信道信号成分。这时，要把用移相器243使信号相位移动90°的频率信号提供给I信道信号用的混频器242I，解调正交调制过的I信道信号成分和Q信道信号成分。
解调过的I信道和Q信道的信号分别通过缓冲放大器244I及244Q提供给带通滤波器253I及253Q，除去I信道和Q信道的信号以外的信号成分，把除去过的信号提供给模拟/数字转换器(ADC)254I及254Q并进行取样，进行数字数据化，得到I信道的接收数据及Q信道的接收数据。
在到这里为止已说明的构成中，作为各带通滤波器202I、202Q、206、222、232、253I、253Q的一部分或全部，都能适用于上述的实施形态构成的滤波器，进行频带限制。
若使用本发明的通信装置，就能提供带通宽有优良性能的通信装置。
在图12的例中，虽然作为进行无线发送及无线接收的通信装置，但是也可以适用于具有通过有线传输线路进行发送及接收的通信装置的滤波器，而且，在具有仅进行发送处理的通信装置和仅进行接收处理的通信装置的滤波器中，也可以适用于上述的实施形态构成的滤波器。
Claims (6)
1.一种微小谐振器，其特征在于，
具有被施加直流电压的并联配置的多个梁型振子元件，并使上述振子元件间的直流电压不同。
2.如权利要求1所述的微小谐振器，其特征在于，
在上述振子元件间设置电阻。
3.如权利要求2所述的微小谐振器，其特征在于，
上述多个梁型振子元件是由相同结构形成。
4.一种带通滤波器，其特征在于，
具有被施加直流电压的并联配置的多个梁型振子元件，并使上述振子元件间的直流电压不同。
5.一种半导体装置，其特征在于，具有微小谐振器，
该微小谐振器由被施加直流电压的并联配置的多个梁型振子元件构成，并使上述振子元件间的直流电压不同。
6.一种通信装置，其具有进行发送信号和/或接收信号的频带限制的滤波器，其特征在于，
作为上述滤波器，其使用由微小谐振器构成的滤波器构成的滤波器，所述微小谐振器具有被施加直流电压的并联配置的多个梁型振子元件，并使上述振子元件间的直流电压不同。
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