DE10161668A1 - Dreidimensionaler Resonator und Filter - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen dreidimensionalen Resonator mit einer Ausnehmung 1 im Substrat. Auf der Oberseite des Substrates 2 sind Zuleitungen für das HF-Signal zur Einkopplung in die Ausnehmung 1 und Ableitungen 4 für die Auskopplung des HF-Signals aus der Ausnehmung 1 vorgesehen. Die Ausnehmung 1 ist mit einem Dielektrikum gefüllt. Sie ist durch eine metallische Abschirmung umschlossen. Diese metallische Abschirmung wird durch eine flächige Metallisierung 5 im Bereich der Ausnehmung 1 auf der Unterseite des Substrates 2, eine metallische Anordnung 6 aus mehreren einzelnen metallischen Elementen 7 im Substrat um die Ausnehmung 1 herum sowie durch flächige Leiterbahnen auf der Oberseite des Substrates 2 gebildet. Die flächigen metallischen Leiterbahnen werden gebildet durch die Zuleitung 3, die Ableitung 4 sowie durch einen geerdeten Rahmen 10, der mit den metallischen Elementen 7 elektrisch verbunden ist und diese erdet. Die Einkopplung des HF-Signals kann über Patches oder über kurzschließende Signaldurchkontaktierungen erfolgen. Der Resonator zeigt eine besonders gute Güte bei geringen Kosten und Abmessungen. DOLLAR A Die Erfindung betrifft einen HF-Filter, der unter Verwendung des erfindungsgemäßen dreidimensionalen Resonators geschaffen ist.

Description

• Die Erfindung betrifft einen dreidimensionalen Resonator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und einen unter Verwendung dieses Resonators hergestellten Filters.
• Ein derartiger dreidimensionaler Resonator ist aus der deutschen Patentanmeldung DE 199 35 666 A1 bekannt. Bei diesem Resonator ist eine luftgefüllte Ausnehmung in einem Substrat vorgesehen. Auf der Oberseite des Substrats sind Zuleitungen bzw. Ableitungen für das HF-Signal vorgesehen, wobei die Zu- bzw. Ableitung sich über die Ausnehmung erstreckt und das HF- Signal in die Ausnehmung einkoppelt bzw. aus dieser auskoppelt. Dabei bestimmen die Abmessungen der Ausnehmung im wesentlichen die Resonatoreigenschaften respektive die Filtereigenschaften. Die Filter- respektive Resonatoreigenschaften, insbesondere Bandbreite und Mittenfrequenz lassen sich bei dem bekannten Resonator durch eine in der Ausnehmung verschieblich angeordnete, durch mikromechanischen Antrieb angetriebene Wand verändern.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen dreidimensionalen Resonator bzw. Filter anzugeben, die kostengünstig hergestellt werden können und von hoher Güte sind.
• Diese Aufgabe wird durch einen dreidimensionalen Resonator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Hochfrequenzfilter mit Anspruch 12 gelöst.
• Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Der erfindungsgemäße dreidimensionale Resonator zeigt eine Ausnehmung in dem Substrat, welche mit einem Dielektrikum gefüllt ist. Auf der Oberseite des Substrats sind mindestens eine Zuleitung zur Einkopplung des HF-Signals in die Ausnehmung und mindestens eine Ableitung zur Auskopplung des HF-Signals aus der Ausnehmung vorgesehen. Dabei sind die Resonatoreigenschaften im wesentlichen durch die Abmessungen und die Eigenschaften des Dielektriukums bestimmt. Auf der Unterseite des Substrats ist eine flächige Metallisierung im Bereich der Ausnehmung vorgesehen, die im Zusammenwirken mit den Zuleitungen auf der Oberseite des Substrats und durch die die Ausnehmung umgebende metallische Anordnung in dem Substrat eine sehr wirksame Abschirmung der Ausnehmung mit dem Dielektrikum bewirkt. Damit ist ein unerwünschtes Einkoppeln störender HF-Signale, respektive ein unerwünschtes Auskoppeln der gewünschten HF-Signale, und damit eine Verschlechterung der Resonatoreigenschaften, respektive der Filtereigenschaften, verhindert. Damit zeigt der dreidimensionale Resonator bzw. der unter Verwendung dieses Resonators gebildete Filter sehr gute Eigenschaften, die sich insbesondere in einer besonders ausgeprägten Güte niederschlagen.
• Dabei ist vorzugsweise eine fast vollständige Bedeckung der Oberfläche des Substrates im Bereich der Ausnehmung bzw. im Bereich der metallischen Anordnung gegeben, wodurch eine besonders gute Abschirmwirkung erreicht wird.
• Es hat sich besonders bewährt, die metallische Anordnung im Substrat so auszubilden, daß sie die Ausnehmung im Substrat vollständig umschließt. Dadurch ist in Verbindung mit der flächigen Metallisierung auf der Unterseite und der metallischen Leitungen, die vorzugsweise die Oberseite des Substrates im Bereich der Ausnehmung weitgehend bedecken, eine vollständig oder weitgehend geschlossene metallische Umhüllung der Ausnehmung geschaffen. Durch diese metallische Umhüllung, welche die Funktion einer Abschirmung hat, sind die besonderen Eigenschaften, insbesondere die besonders gute Güte des Resonators bzw. Filters gegeben.
• Es hat sich besonders bewährt, die metallische Anordnung im Substrat durch eingebrachte metallische Streifen auszubilden. Dabei können diese metallischen Streifen dadurch erzeugt werden, daß grabenförmige Ausnehmungen um die mit einem Dielektrikum gefüllte Ausnehmung gebildet werden, die dann in späteren Herstellungsschritten metallisiert werden. Dadurch ist eine sehr wirksame und geschlossene metallische Anordnung im Bereich der Ausnehmung geschaffen. Dabei wird die metallische Anordnung vorzugsweise aus vier derartigen metallischen Streifen gebildet, die jeweils eine Seite der Ausnehmung abschirmen. Daneben erweist sich auch eine metallische Anordnung aus einem durchgängigen die Anordnung schließenden Streifen als besonders vorteilhaft, da sie eine optimale Abschirmung im Substrat gewährleisten.
• Daneben hat sich besonders bewährt, die metallische Anordnung aus mehreren in das Substrat eingebrachte von einander beabstandete metallische Elemente auszubilden. In besonderem Maße hat sich bewährt, die metallischen Elemente in Form einer Kette nebeneinander anzuordnen. Durch geeignete Wahl der Abstände der einzelnen metallischen Elemente voneinander und der Abmessungen der metallischen Elemente gelingt es, in Verbindung mit der flächigen Metallisierung auf der Unterseite des Substrates und mit den Leitungen auf der Oberfläche des Substrates eine Art Faraday'ischer Käfig auszubilden. Diese Anordnung zeigt eine hervorragende Abschirmwirkung. Zudem ist sie günstig herzustellen. Sie erweist sich in ihrer positiven Wirkung auf die Qualität des Resonators respektive des Filters, wie auch im Hinblick auf die günstigen Kosten als sehr vorteilhaft.
• Dabei sind die metallischen Elemente bevorzugt quaderförmig ausgebildet. Jedoch lassen sich die Abstände zwischen den metallischen Elemente und die Abmessungen der metallischen Elemente besonders einfach variieren und sicher für die Herstellung gestalten. Bevorzugt werden dabei die metallischen insbesondere quaderförmigen Elementen identisch ausgebildet. Sie unterscheiden sich im wesentlichen nur durch die andere räumliche Position im Substrat. Als besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, die metallischen Elemente durch Metallisieren von Durchkontaktierungen zu bilden. Diese werden auch als Via-Holes bezeichnet. Durch diese Art der Ausbildung der metallischen Anordnung ist eine Art "Zaun" in dem Substrat um die mit einem Dielektrikum gefüllte Ausnehmung gebildet, wobei der Zaun aus voneinander beabstandeten insbesonders quaderförmigen metallischen Via-Holes gebildet wird.
• Durch die vollständige oder teilweisen Erdung der metallischen Anordnung bzw. der metallischen Elemente gelingt es, die abschirmende positive Wirkung der Anordnung in besonderem Maße sicherzustellen, und die vorteilhaften Eigenschaften des Resonators respektive des Filters insbesondere die besondere Güte sicherzustellen.
• Nach einer bevorzugten Ausführungsform des Resonators sind die Zu- bzw. Ableitungen für das HF-Signal als CPW-Leitungen ausgebildet. Diese Leitungen ermöglichen die Einspeisung des HF-Signals im Coplanar-Waveguide-Mode. Die Leitungsenden sind dabei als metallische Flächen, sogenannte Patches, ausgebildet. Diese Patches samt der Zuleitung und eines fakultativen, die Patches und Zuleitung umgebenen, geerdeten Rahmens bedecken die Oberfläche des Substrates im Bereich der Ausnehmung fast vollständig. Die Patches und der Rahmen sind dabei voneinander durch schmale Schlitze getrennt.
• Vorzugsweise ist der Patch für die Zuleitung von dem Patch für die Ableitung durch eine sogenannte Brücke, die mit dem geerdeten Rahmen verbunden ist, voneinander getrennt. Dabei ist die Brücke von den Patches nur durch schmale Schlitze voneinander getrennt. Durch diese geerdete Brücke ist ein Übersprechverhalten zwischen dem einen Patch zum anderen Patch nahezu ausgeschlossen. Dies führt zu einem weiter verbesserten Resonatorverhalten. Bei dieser Ausbildung der Zuleitung bzw. Ableitung mittels Patch koppelt das durch den Patch erzeugte elektrische Feld in den Resonator respektive in die mit Dielektrikum gefüllte Ausnehmung ein bzw. aus dieser heraus.
• Nach einer weiteren bevorzugten Ausbildung des Resonators werden die Zuleitungen und Ableitungen als CPW-Leitungen ausgebildet, welche über kurzschließende Signaldurchkontaktierungen, auch short-circuited-via-hole genannt, ein- bzw. auskoppeln. Diese kurzschließenden Signaldurchkontaktierungen sind durch metallisierte Bereiche in der Ausnehmung gebildet. Diese kurzschließenden Signaldurchkontaktierungen koppeln das HF-Signal über eine Magnetfeldkopplung in den Resonator bzw. aus diesem heraus. Wesentliches frequenbestimmendes Element ist hierbei die Länge der Ausnehmung des Resonators.
• Die beiden beispielhaften alternativen besonderen Ausbildungen des dreidimensionalen, erfindungsgemäßen Resonators zeigen eine sehr wirkungsvolle Einkopplung bei kleinen Abmessungen, hoher Güte und geringen Kosten. Dies um so mehr, wenn man berücksichtigt, daß durch geeignete Wahl des Dielektrizitätsmaterials eine erhebliche Verkleinerung der Abmessungen des dreidimensionalen Resonators gegenüber eines Hohlraumresonators mit Luftfüllung gegeben ist. Damit lassen sich wesentlich mehr Resonatoren auf einem Wafer erzeugen, wobei zudem noch hinzutritt, daß die Kosten und Aufwendungen für die Erzeugung der metallischen Anordnung, die die Ausnehmung umgibt, wesentlich geringer sind als bei einem entsprechenden luftgefüllten Resonator.
• Die Erfindung umfaßt nicht nur einen dreidimensionalen Resonator mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sondern einen auch einen HF-Filter, der zumindest einen erfindungsgemäßen Resonator aufweist. Unter Verwendung der erfindungsgemäßen Resonatoren lassen sich sehr kostengünstige und sehr wirkungsvolle Filter, insbesondere Bandpaßfilter, realisieren. Diese sind gerade für Hochfreqenzanwendungen, insbesondere für AD-Wandler für Signale im GHz-Bereich oder für Millimeterwellenempfänger von besonderem Interesse.
• Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Zeichnungen erläutert.
• Es zeigen:
• Fig. 1 in einer schematischen Darstellung einen beispielhaften Resonator mit Patch-Einkopplung und
• Fig. 2 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Resonators mit einer Einkopplung über kurzgeschlossene Signaldurchkontaktierungen und
• Fig. 3 in einer schematischen Aufsicht Resonatoren aus Fig. 1 und Fig. 2.
• In Fig. 1 ist ein beispielhafter dreidimensionaler Resonator dargestellt. In der oberen Hälfte der Fig. 1 ist das Substrat 2 zu erkennen, auf dessen Unterseite eine flächige Metallisierung 5 angeordnet ist. Auf der Oberseite des Substrates 2 sind flächige metallische Leiterbahnen angeordnet. Neben der Zuleitung 3 für ein HF-Signal, welche in einem Patch 8 endet, ist eine entsprechende Ableitung 4 für ein HF-Signal, welche ein entsprechendes Patch 8 aufweist, zu erkennen. Diese Leitungen 3, 4 und Patches 8 sind von einem geerdeten Rahmen 10 und einer mit dem Rahmen 10 verbundenen Brücke 9 umgeben. Dabei sind die Zuleitung 3, die Ableitung 4 und die Patches von dem Rahmen 10 und der Brücke 9 durch eine kleine Spalte elektrisch wirksam voneinander getrennt. Damit bedecken sie nahezu geschlossen einen Bereich auf der Oberfläche des Substrates 2. Darunter befindet sich im Substrat 2 eine Ausnehmung 1, die quaderförmig ausgebildet ist. Sie zeigt eine Länge a und Breite b. In Fig. 1 ist zur besseren Verständlichkeit das Substrat 2 bzw. das Dielektrikum der Ausnehmung 1 in der oberen Hälfte dargestellt, während sie in der unteren Hälfte der Fig. 1 nicht dargestellt sind.
• Die Ausnehmung 1 ist auf der Oberseite bzw. auf der Unterseite durch vollständige oder nahezu vollständig geschlossene metallische Flächen bedeckt. Seitlich innerhalb des Substrates 2 ist die Ausnehmung 1 durch eine Reihe von metallischen Elementen 7, die würfelförmig ausgebildet sind, umgeben. Die metallischen Elemente 7 sind Bestandteil einer metallischen Anordnung 6, die die Ausnehmung vollständig umschließt. Die metallischen Elemente 7 bilden eine Kette in der Art eines Lattenzauns um die Ausnehmung 1. Dabei sind die Abstände zwischen den metallischen Elementen 7 deutlich geringer gehalten als ihre äußeren Abmessungen. Die metallischen Elemente 7 stehen in Kontakt mit dem geerdeten Rahmen 10 auf der Oberseite des Substrates 2, wodurch eine wirksame Erdung der metallischen Elemente 7 gegeben ist. Mittels dieser Anordnung ist eine sehr effiziente Abschirmung der Ausnehmung 1 vor dem Einkoppeln unerwünschter äußerer Störsignale bzw. vor dem unerwünschten Auskoppeln und damit mit dem Verlust von Energie aus dem Resonator respektive der resonatorwirksamen Ausnehmung 1 gegeben. Mithin ergibt sich durch diesen erfindungsgemäßen Aufbau des dreidimensionalen Resonator ein Resonator mit sehr guten Resonatoreigenschaften. Insbesondere zeigt er eine besondere Güte neben seiner geringen Kosten, dem geringen Stromverbrauch und der kleinen Größe. Diese kleinen Abmessungen stehen im direkten Zusammenhang mit der Wahl des Dielektrikums.
• Über die Zuleitung 3 und die Ableitung 4 werden die HF-Signale in die Ausnehmung 1 unter Verwendung des Coplanar-waveguidemodes (CPW-mode) eingespeist. In Verbindung mit dem Aufbau der Ausnehmung 1 und der metallischen Anordnung 6 in Verbindung mit der Metallisierung 5 und der Metallisierung der Oberseite des Substrats durch die Leitungen im Bereich der Ausnehmung 1 gelingt es, die Güte des Resonators zu erhöhen.
• Der in Fig. 1 beschriebene erfindungsgemäße Resonator zeigt eine Dicke des Substrates 2 von 250 Mikrometer. Das Substrat 2 besteht aus Silizium mit einer Dielektrizitätskonstante von ∈_r von 11,7. Die Länge der Ausnehmung 1 beträgt 2.300 Mikrometer und die Breite b beträgt 1.100 Mikrometer. Die metallischen Elemente, die entsprechend einer metallisierten Durchkontaktierung hergestellt wurden, zeigen Abmessungen von 250 Mikrometer. Die flächige Metallisierung bzw. die Leitungen zeigen eine Materialstärke von wenigen Mikrometern. Dies führt zu Resonanzfrequenzen des erfindungsgemäßen Resonators im Bereich von 19,1, 39,9 bzw. 44,2 GHz. Die erreichte Güte hat einen Wert von 70, wobei dies durch bessere Prozeßführung auch um ein Vielfaches gesteigert werden können.
• In Fig. 2 ist in einer entsprechenden Darstellung ein erfindungsgemäßer Resonator dargestellt, der mit Hilfe von kurzschließenden Signaldurchkontaktierungen 9 die zugeführten HF- Signale in die Ausnehmung 1 einkoppelt bzw. aus dieser herauskoppelt.
• Der grundsätzliche Aufbau entspricht demjenigen der Fig. 1. Allein die Zuleitung 3 endet in einem kurzschließenden Signaldurchkontaktierung 9, entsprechendes gilt für die Ableitung 4. Darüber hinaus ist die Gestalt des Rahmens 10 sowie die Abmessungen der Brücke 9 sowie die Abmessungen der Ausnehmung 1 unterschiedlich. Der HF-Signalstrom durch die kurzschließenden Signaldurchkontaktierungen 9 regt ein elektromagnetisches Feld im Resonatorraum an. Die Länge der Ausnehmung ist bei dieser Art der Singaleinkopplung bzw. Auskopplung das wesentliche frequenzbestimmende Element des Resonators. Die kurzschließenden Durchkontaktierungen 9 erstrecken sich im wesentlichen über die ganze Dicke des Substrats.
• Bei einer Dimensionierung der Ausnehmung 1 mit einer Länge a von 2.300 Mikrometer und einer Breite b von 1.500 Mikrometer sowie einer Siliziumsubstratdicke von 250 Mikrometer und Abmessungen der Signaldurchkontaktierungen 9 von 250 Mikrometer entsprechend der Fig. 2 ergeben sich Resonanzfrequenzen im Bereich von 9,1, 29,2 und 34,9 GHz. Die durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Resonators gemäß Fig. 2 mit den beschriebenen Abmessungen, insbesondere mit der besonderen Ausbildung der Abschirmung durch die metallische Anordnung 6, die flächige Metallisierung 5 und die Anordnung der metallischen Leitungen 3, 4, 9 und 10 auf der Oberseite des Substrates 2, gelingt es, eine Güte von 50 zu erreichen, wobei diese auch um ein Vielfaches gesteigert werden können.
• In Fig. 3 ist eine skizzenhafte Auf- bzw. Durchsicht auf die Resonatoren der Fig. 1 und 2 dargestellt. Es sind die Zuleitungen 3 und Ableitungen 4 zu erkennen. Diese sind durch den Rahmen 10 und die Brücke 9, die geerdet sind, umgeben. Die Zuleitungen 3, welche im CPW-Mode betrieben werden, enden in einem Patch 8 bzw. in einer kurzschließenden Signaldurchkontaktierung 9. Die Ableitungen 4 beginnen mit einem entsprechenden Patch 8 bzw. in einer kurzschließenden Signaldurchkontaktierung 9. Im Randbereich des Rahmens 10 sind unterhalb des Rahmens verbunden mit diesem im Substrat 2 eine Mehrzahl von metallischen Elementen 7 angeordnet. Diese sind zu einer Kette aufgereiht und umschließen die hier nicht dargestellte Ausnehmung 1, die mit einem Dielektrikum ausgefüllt ist. In diese Ausnehmung 1 koppeln die zugeleiteten HF-Signale ein bzw. aus dieser aus.

Claims (12)

1. Dreidimensionaler Resonator mit einer Ausnehmung (1) im Substrat (2),
mit einer auf der Oberseite des Substrats (2) angeordneten Zuleitung (3) für ein HF-Signal zur Einkopplung in die Ausnehmung (1) und
mit einer auf der Oberseite des Substrats (2) angeordneten Ableitung (4) für ein HF-Signal zur Auskopplung aus der Ausnehmung (1),
wobei die Resonatoreigenschaften mittels der Abmessungen der Ausnehmung (1) wesentlich festlegt sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ausnehmung (1) mit einem Dielektrikum gefüllt ist, daß eine flächige Metallisierung (5) in dem Bereich der Ausnehmung (1) auf der Unterseite des Substrat (2) s vorgesehen ist und daß die Ausnehmung (1) von einer metallischen Anordnung (6) im Substrat (2) umgeben ist.

2. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Anordnung (6) die Ausnehmung (1) im Substrat (2) vollständig umschließt.

3. Resonator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Anordnung (6) aus einem in das Substrat (2) eingebrachten metallischen Streifen besteht.

4. Resonator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Anordnung (6) mehrere in das Substrat (2) eingebrachte, voneinander beanstandete, metallische Elemente (7) aufweist.

5. Resonator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Elemente (7) in Form einer Kette angeordnet sind.

6. Resonator nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Elemente (7) quaderförmig ausgebildet sind.

7. Resonator nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Elemente (7) durch Metallisieren von Durchkontaktierungen gebildet sind.

8. Resonator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Anordnung (6) bzw. die metallischen Elemente (7) geerdet sind.

8. Resonator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung (3) und die Ableitung (4) als CPW-Leitungen ausgebildet sind, welche über Patches (8) das HF- Signal ein- bzw. auskoppeln.

10. Resonator nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Patches (8) eine geerdete Brücke (9) vorgesehen ist, die mit der geerdeten metallischen Anordnung (6) bzw. den geerdeten metallischen Elemente (7) verbunden ist.

11. Resonator nach einem der vorstehenden Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung (3) und die Ableitung (4) als CPW-Leitungen ausgebildet sind, welche über kurzschließende Signaldurchkontaktierungen (9) das HF-Signal ein- bzw. auskoppeln.

12. HF-Filter unter Verwendung eines oder mehrerer Resonatoren nach einem der vorstehenden Ansprüche.