DE10309155B3

DE10309155B3 - Durchstimmbarer elektromagnetischer Resonator

Info

Publication number: DE10309155B3
Application number: DE2003109155
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr.-Ing. Schauwecker
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-02-28
Filing date: 2003-02-28
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2023-03-01

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Resonator mit einer Signalzuleitung (4) und einer Signalableitung (11), der eine dreidimensionale Ausnehmung (10) in einem Substrat (6) aufweist, wobei die elektromagnetischen Eigenschaften des Resonators durch mindestens ein sich in die Ausnehmung (10) erstreckendes bewegliches Element (1) variabel sind. Dabei ist mindestens eine Signalzuleitung (4) bzw. Signalableitung (11) fest mit dem beweglichen Element (1) verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft einen mechanisch durchstimmbaren elektromagnetischen Resonator.

Ein derartiger Resonator ist beispielsweise aus dem US-Patent US 5 175 521 bekannt. In der genannten Schrift ist eine Anordnung beschrieben, bei der die geometrischen Eigenschaften und damit die elektromagnetische Resonanzfrequenz eines Ringresonators elektromechanisch verändert werden.

Ferner ist in der internationalen Patentanmeldung WO 01/10033 A2 ein als Filter verwendeter dreidimensionaler Resonator beschrieben, der mit Hilfe eines mikromechanischen Antriebs in seinen Filtereigenschaften veränderlich ausgebildet ist. Der Resonator ist als Ausnehmung von ausgeprägter lateraler Ausdehnung und nicht unerheblicher Tiefe in einem Substrat realisiert. Dabei sind die Filtereigenschaften wie Mittenfrequenz, Bandbreite B oder Güte Q mittels einer in der Ausnehmung verschieblichen Wand veränderbar.

Diese komplexe Struktur ist schwierig herzustellen und mechanisch anfällig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromagnetischen Resonator anzugeben, dessen Eigenschaften auf einfache Weise verändert werden können, der einfach aufgebaut und somit möglichst kostengünstig herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird durch einen elektromagnetischen Resonator mit den im Patentanspruch 1 beschriebenen Merkmalen gelöst. Die Anordnungen mit den in den Unteransprüchen beschriebenen Merkmalen stellen weitere vorteilhafte Realisationen der Erfindung dar.

Der erfindungsgemäße elektromagnetische Resonator weist eine Signalzuleitung und eine Signalableitung sowie eine im wesentlichen als Resonatorraum wirkende dreidimensionale Ausnehmung in einem Substrat auf. Dabei sind die Signalzuleitung und die Signalableitung vorzugsweise an gegenüberliegenden Seiten der Ausnehmung angeordnet. Die elektromagnetischen Eigenschaften des Resonators wie beispielsweise die Bandbreite, Mittenfrequenz oder Güte sind durch mindestens ein sich in die Ausnehmung erstreckendes bewegliches Element variabel.

Hierbei ist mindestens eine Signalzuleitung bzw. Signalableitung fest mit dem beweglichen Element verbunden bzw. als Teil des beweglichen Elementes realisiert.

Durch die feste Verbindung der Signalzuleitung bzw. Signalableitung mit dem beweglichen Element wird es möglich, dass sich der Einkoppelpunkt der elektromagnetischen Wellen in die, Ausnehmung mit der Bewegung des beweglichen Elementes verschiebt.

Das bewegliche Element nimmt somit eine Doppelfunktion wahr – zum einen gestattet es durch seine Beweglichkeit die Einstellung der elektromagnetischen Eigenschaften des Resonators, zum anderen dient es als Träger einer Signalzuleitung bzw. Signalableitung. Damit ist der Aufbau des erfindungsgemäßen Resonators gegenüber konventionellen durchstimmbaren Resonatoren wesentlich vereinfacht, was sich in einer vereinfachten Herstellung sowie einer erhöhten Robustheit und Kompaktheit auswirkt.

Darüber hinaus gestattet die Erfindung die Realisation von mikromechanischen Filtern für elektromagnetische Wellen in kleinsten Bauformen und somit die Herstellung einer großen Anzahl dieser Bauelemente auf einem einzigen Wafer.

Die Verwendung von zwei beweglichen Elementen an gegenüberliegenden Seiten der Ausnehmung führt zu einer weiteren vorteilhaften Bauform des erfindungsgemäßen Resonators. Durch das Bewegen beider Elemente wird erreicht, dass zu einer Verschiebung der Mittenfrequenz des Resonators durch Bewegen beider Elemente jeweils nur eine Bewegung um die halbe Weglänge nötig ist, die für eine entsprechende Verschiebung der Mittenfrequenz mit nur einem beweglichen Element erforderlich wäre. Darüber hinaus gestattet die Verwendung zweier beweglicher Elemente die Realisation eines Resonators mit einem erhöhten durchstimmbaren Bereich; es hat sich hierbei bewährt, eines der beweglichen Elemente über einen größeren Bereich bewegbar zu konzipieren und das andere bewegliche Element für eine exakte Bewegung um definierte kleine Weglängen auszulegen. Durch diese Maßnahme ergibt sich ein auch bei großen Durchstimmbereichen exakt und schnell durchstimmbarer Resonator.

Es hat sich hierbei besonders bewährt, eines der beweglichen Elemente mit einem in der Ausnehmung verschieblichen flächigen Element, insbesondere einer Wand, zu versehen. Damit kann der für die Filtereigenschaften relevante Teil der Ausnehmung auf besonders wirksame Weise verändert werden und somit Filtereigenschaften wie Mittenfrequenz, Güte oder Bandbreite effizient an die jeweils erforderlichen Gegebenheiten angepasst werden.

Typischerweise wird das bewegliche Element von einem mikromechanischen Antrieb bewegt. Vorteilhaft ist hierbei eine räumliche Trennung des mit dem Antrieb verbundenen Teiles des beweglichen Elementes von dem Teil, der die Signalzuleitung bzw. die Signalableitung aufweist. Diese Trennung kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass das bewegliche Element auf seiner der Ausnehmung abgewandten Seite eine Verzweigung aufweist, deren erster Teil mit der Signalzuleitung oder Signalableitung verbunden ist und deren zweiter Teil mit dem mikromechanischen Antrieb verbunden ist. Durch diese be wusste Trennung der mechanisch wirksamen und der elektromagnetisch wirksamen Teile des beweglichen Elementes wird erreicht, dass sich die Bauform des jeweiligen Teiles weitgehend auf die elektromagnetische bzw. mechanische Funktionalität hin optimieren lässt.

Als geeigneter Antrieb zur Verschiebung der beweglichen Elemente hat sich ein elektrostatischer Antrieb bewährt.

Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, dass zwischen den Platten eines geladenen Kondensators Kräfte wirken, die abhängig vom Plattenabstand bzw. der anliegenden Spannung sind. Mit den Mitteln der Mikrosystemtechnik lassen sich Mikrokondensatoren auf einfache Weise realisieren; als raumsparende und effiziente Bauelemente zeigen hier insbesondere Interdigitalkondensatoren ein erhebliches Potenzial.

Durch die Auslegung des Antriebs als elektrostatischer Antrieb wird somit die Möglichkeit geschaffen, mechanische und elektrische Komponenten auf einfache Weise auf einem Substrat zu integrieren.

Ein weiterer für die Anwendung in einem durchstimmbaren Resonator wesentlicher Vorteil der Verwendung eines elektrostatischen Antriebes besteht in der damit erreichbaren hohen Verschiebungs- und damit Durchstimmgeschwindigkeit.

Die Wahl des elektrostatischen Antriebs gestattet darüber hinaus die Verschiebung des beweglichen Elementes im Mikrometer- bzw. Nanometerbereich. Hierdurch wird eine besonders feine Abstimmung des erfindungsgemäßen Resonators erreicht. Eine mit heute verfügbaren elektrostatischen Antrieben leicht erreichbare Verschiebung des beweglichen Elementes um 100nm entspricht bspw. bei einer Resonanzfrequenz des Resonators von 5GHz einer Frequenzverschiebung von ca. 17kHz. Somit wird eine hohe Genauigkeit der eingestellten Resonanzfrequenz gewährleistet.

Auch weitere mikromechanische Antriebe wie bspw. ein piezoelektrischer oder elektrodynamischer Antrieb sind zur Bewe gung des beweglichen Elementes in vorteilhafter Weise verwendbar.

Es hat sich hierbei bewährt, die Abmessungen der Ausnehmung so zu wählen, dass die Resonanzfrequenz des Resonators zwischen 1GHz und 1000Hz liegt. Die sich hieraus ergebenden Dimensionen des Resonators ermöglichen dessen einfache Realisation. Darüber hinaus ist der genannte Frequenzbereich besonders für Telekommunikationsanwendungen bzw. für Mobilfunk relevant. In den genannten Anwendungsfeldern besteht ständig ein Bedarf an miniaturisierten, durch- bzw. nachstimmbaren Resonatoren insbesondere für Multiplexanwendungen.

Als Substratmaterial hat sich hierbei Silizium besonders bewährt. Die gute Mikrostrukturierbarkeit dieses Materials lässt sich besonders vorteilhaft zur Erzeugung der Resonatorstrukturen ausnutzen. Silizium ist aufgrund der umfangreichen Erfahrungen aus der konventionellen Halbleitertechnologie technologisch gut beherrscht, preiswert und unkritisch in der Handhabung.

Zur weiteren Miniaturisierung des Resonators hat es sich bewährt, die Ausnehmung teilweise mit einem Dielektrikum zu füllen. Durch die so erreichte Verkürzung der Wellenlänge der elektromagnetischen Wellen in der Ausnehmung wird eine Verkleinerung der Ausnehmung gegenüber einer luftgefüllten Ausnehmung bei gleicher Resonanzfrequenz möglich. Damit lassen sich die Abmessungen des gesamten Resonators weiter verkleinern. Vorzugsweise sind hierzu Materialien mit einer hohen Dielektrizitätskonstante zu wählen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Signalzuleitungen bzw. Signalableitungen mindestens teilweise als CPW-(Coplanar Waveguide)Leitungen ausgebildet. CPW-Leitungen sind flächige metallische Leiter. Derartige Strukturen lassen sich in einfacher Weise auf der Oberfläche von Substraten oder Bauelementen erzeugen. Durch diese Wahl der Signalzuleitungen bzw. Signalableitungen wird sichergestellt, dass der erfindungsgemäße Resonator einfach und kostengünstig mit den Methoden der Mikrostrukturtechnik hergestellt werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den 1 und 2 dargestellten beispielhaften Anordnung erläutert.
1 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Resonator.
Ein bewegliches Element 1 besteht im wesentlichen aus Silizium von einer Stärke von ca. 20μm und zeigt in der dargestellten Ausführungsform eine T-förmige Grundstruktur. Dabei weist ein sich in eine Ausnehmung 10 erstreckende erster Teil des Elementes 1 eine in der Ausnehmung 10 bewegliche Wand 2 auf. Auf der gegenüberliegenden Seite der Ausnehmung 10 ist eine Signalableitung 11 angeordnet. Ein zweiter Teil der T-förmigen Grundstruktur zeigt eine elektromagnetische Koppelstelle 3, über die die elektromagnetischen Wellen eingekoppelt werden. Die Leitung der elektromagnetischen Wellen von der elektromagnetischen Koppelstelle 3 zur Wand 2 in der Ausnehmung erfolgt über eine CPW-Leitung 4. Durch die Integration der CPW-Leitungen 4 in die T-förmige Grundstruktur des beweglichen Elementes 1 erübrigt sich die Verwendung von Bonddrähten, die sich auf die Güte des Resonators nachteilig auswirken würde.
Die Bewegung des Elementes erfolgt über eine mit dem dritten Teil der T-förmigen Grundstruktur verbundene elektrostatische Antriebsstruktur 5.
2 zeigt einen schematischen Schnitt entlang einer Linie durch die in 1 eingezeichneten Punkte A und A'. Aus der 2 geht hervor, dass das bewegliche Element 1 mit dem Siliziumsubstrat 6 durch eine lokale Verbindung 7 verbunden ist. Die Verbindung 7 hält das bewegliche Element 1 auf dem Substrat 6 und übt durch ihre mechanischen Eigenschaften zu sätzlich auf das bewegliche Element 1 eine Rückstellkraft aus, die der von der elektrostatischen Antriebsstruktur 5 ausgeübten Kraft entgegenwirkt. In der 2 ist die Verbindung 7 als feste, flächige Verbindung des Substrats 6 mit dem beweglichen Element 1 dargestellt, die bspw. durch geeignete Prozessierung aus Silizium erzeugt werden kann. Auch andere Verbindungen wie bspw. ein mikrosystemtechnisch hergestelltes Gelenk sind denkbar.
Die CPW-Leitung 4 ist als Goldschicht mit einer Dicke von ca. 3μm realisiert. Dies gewährleistet ihre mechanische Flexibilität und damit ihre Robustheit gegenüber bei der Bewegung des beweglichen Elements 1 auftretenden Biegungen.
Die dargestellte Bauform stellt nur eine ausgewählte Möglichkeit der Realisation eines erfindungsgemäßen Resonators dar. Insbesondere sind auch Bauformen denkbar, bei denen zusätzlich oder ausschließlich die Signalableitung auf einem beweglichen Element realisiert ist bzw. die elektromagnetischen Wellen mittels einer starren, nichtbeweglichen Signalzuleitung in die Ausnehmung eingekoppelt werden und die Auskopplung der elektromagnetischen Wellen aus der Ausnehmung über ein bewegliches Element erfolgt.

Claims

Elektromagnetischer Resonator mit einer Signalzuleitung (4) und einer Signalableitung (11), der eine dreidimensionale Ausnehmung (10) in einem Substrat (6) aufweist, wobei die elektromagnetischen Eigenschaften des Resonators durch mindestens ein sich in die Ausnehmung erstreckendes bewegliches Element (1) variabel sind dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Signalzuleitung (4) bzw. Signalableitung (11) fest mit dem beweglichen Element (1) verbunden ist.
Elektromagnetischer Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er zwei bewegliche Elemente (1) aufweist.
Elektromagnetischer Resonator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der beweglichen Elemente (1) eine in der Ausnehmung verschiebliche Wand (2) aufweist.
Elektromagnetischer Resonator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eines der beweglichen Elemente (1) auf seiner der Ausnehmung (10) abgewandten Seite eine Verzweigung aufweist, deren erster Zweig mit der Signalzuleitung (4) oder Signalableitung (4) verbunden ist und deren zweiter Zweig mit einem mechanischen Antrieb (5) verbunden ist.
Elektromagnetischer Resonator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verschiebung der beweglichen Elemente (1) ein elektrostatischer Antrieb vorgesehen ist.
Elektromagnetischer Resonator nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 – 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verschiebung der beweglichen Elemente (1) ein elektrodynamischer Antrieb vorgesehen ist.
Elektromagnetischer Resonator nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 – 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verschiebung der beweglichen Elemente (1) ein piezoelektrischer Antrieb vorgesehen ist.
Elektromagnetischer Resonator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beweglichen Elemente (1) im nm bis μm Bereich verschiebbar sind.
Elektromagnetischer Resonator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen der Ausnehmung (10) so gewählt sind, dass die Resonanzfrequenz des Resonators zwischen 1GHz und 1000Hz liegt.
Elektromagnetischer Resonator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Substrat (6) um ein Siliziumsubstrat handelt.
Elektromagnetischer Resonator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (10) mindestens teilweise mit einem Dielektrikum gefüllt ist.
Elektromagnetischer Resonator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalzuleitungen (4) und die Signalableitungen (11) mindestens teilweise als koplanare Wellenleiter realisiert sind.