DE60312476T2

DE60312476T2 - Mikro-elektromechanische vorrichtung

Info

Publication number: DE60312476T2
Application number: DE60312476T
Authority: DE
Inventors: Yoshito Machida-shi NAKANISHI; Yoshito Kawasaki-shi SHIMIZU; Hiroyuki Kawasaki-shi YABUKI
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2002-01-16
Filing date: 2003-01-16
Publication date: 2007-06-28
Anticipated expiration: 2023-01-17
Also published as: WO2003059805A2; EP1465832B1; US20040149558A1; CN1288068C; WO2003059805A3; US7138893B2; DE60312476D1; EP1465832A2; AU2003202803A1; CA2450451A1; CN1543431A; KR20040080333A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mikrovorrichtung, die in der elektrischer Schaltungstechnik verwendet wird.
Eine von bekannten herkömmlichen Techniken ist in "Introduction to Microelectromechanical Microwave Systems", P122, Artech House Publishers, beschrieben.
Die Details werden unter Bezugnahme auf 1 und 2 beschrieben. 1 ist eine Querschnittsansicht eines Schalters mit einer Membranstruktur, die sich aus Membranen zusammensetzt. Wenn ein Signal unterbrochen wird, wie in 2 gezeigt, wird statische Elektrizität angelegt, um eine Membran mit einer Elektrode in Kontakt zu bringen, wogegen sie beim Weiterleiten eines Signals nicht angelegt wird.
Da jedoch in der herkömmlichen Vorrichtung ein Schalter zum Dämpfen von Signalen kurzgeschlossen wird, wird auf der kurzgeschlossenen Fläche eine spiegelbildliche Welle erzeugt, wodurch überschüssige Energie zu einem Verstärker zurückgeschickt wird, der vor dem Schalter angeordnet ist, und den Verstärker zerstört. Ferner besteht ein weiteres Problem darin, dass, da eine Membran und eine Elektrode elektrisch gekoppelt werden, wenn sie nicht angemessen voneinander beabstandet sind, ein Durchleitungsverlust auftritt, wenn der Schalter auf EIN geschaltet ist. Wenn ein Abstand zwischen der Membran und der Elektrode groß ist, wird des Weiteren die erforderliche elektrostatische Kraft zu groß und eine angelegte Spannung wird zu hoch, was zu einem weiteren Problem führt.
JP-09 251834 A beschreibt ein elektrostatisches Relais, das eine bewegliche Kontaktelektrode und eine feststehende Elektrode umfasst. Zwischen einem Teil der beweglichen Elektrode und einem Teil der feststehenden Elektrode wird eine Spannung angelegt, so dass eine elektrostatische Abstoßungskraft entsteht. Wenn diese elektrostatische Abstoßungskraft erzeugt wird, tritt ein Wanderkontakt mit der Fläche der ortsfesten Kontakte in Berührung. In einem elektrostatischen Relais, das zwei bewegliche Kontaktelektroden umfasst, werden die jeweiligen beweglichen Elektrodenteile von elektrostati scher Elektrizität an die jeweiligen feststehenden Elektrodenteile angezogen, so dass zwei Wanderkontakte in wechselseitigen Kontakt treten.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Mikrovorrichtung bereitzustellen, die in der Lage ist, eine höhere Isolierung mit einer niedrigen Spannung sicherzustellen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des selbstständigen Anspruchs 1 erfüllt.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
1 ist eine Querschnittsansicht eines Schalters mit einer Membranstruktur, die sich aus Membranen zusammensetzt;
2 ist eine weitere Querschnittsansicht des Schalters mit der Membranstruktur, die sich aus Membranen zusammensetzt;
3 ist eine grafische Darstellung, die eine Konfiguration einer Mikrovorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
4 ist eine grafische Darstellung, die den Betrieb der Mikrovorrichtung gemäß der vorgenannten Ausführungsform veranschaulicht;
5 ist eine weitere grafische Darstellung, die den Betrieb der Mikrovorrichtung gemäß der vorgenannten Ausführungsform veranschaulicht;
6 ist eine weitere grafische Darstellung, die den Betrieb der Mikrovorrichtung gemäß der vorgenannten Ausführungsform veranschaulicht;
7 ist eine weitere grafische Darstellung, die den Betrieb der Mikrovorrichtung gemäß der vorgenannten Ausführungsform veranschaulicht;
8 ist eine weitere grafische Darstellung, die den Betrieb der Mikrovorrichtung gemäß der vorgenannten Ausführungsform veranschaulicht;
9 ist eine weitere grafische Darstellung, die den Betrieb der Mikrovorrichtung gemäß der vorgenannten Ausführungsform veranschaulicht;
10 ist eine grafische Darstellung, die ein Beispiel der Frequenzkenndaten (frequency characteristics) der Mikrovorrichtung gemäß der vorgenannten Ausführungsform veranschaulicht;
11 ist eine Querschnittsansicht in Prozessen zur Herstellung der Mikrovorrichtung gemäß der vorgenannten Ausführungsform;
12 ist eine weitere Querschnittsansicht in Prozessen zur Herstellung der Mikrovorrichtung gemäß der vorgenannten Ausführungsform;
13 ist eine weitere Querschnittsansicht in Prozessen zur Herstellung der Mikrovorrichtung gemäß der vorgenannten Ausführungsform;
14 ist eine weitere Querschnittsansicht in Prozessen zur Herstellung der Mikrovorrichtung gemäß der vorgenannten Ausführungsform;
15 ist eine weitere Querschnittsansicht in Prozessen zur Herstellung der Mikrovorrichtung gemäß der vorgenannten Ausführungsform;
16 ist eine weitere Querschnittsansicht in Prozessen zur Herstellung der Mikrovorrichtung gemäß der vorgenannten Ausführungsform;
17 ist eine grafische Darstellung, die eine schematische Konfiguration eines Schalters veranschaulicht;
18 ist eine grafische Darstellung, die ein Elektrodenmuster auf einem Substrat des Schalters veranschaulicht;
19 ist eine grafische Darstellung, die einen Querschnitt des Schalters veranschaulicht;
20 ist eine grafische Darstellung, die eine schematische Konfiguration eines Schalters veranschaulicht;
21 ist eine grafische Darstellung, die ein Vorkommen eines feststehenden Endes mit einem freitragenden Träger in dem Schalter veranschaulicht; und
22 ist eine grafische Darstellung, die den Betrieb des Schalters veranschaulicht.
Eine Mikrovorrichtung der vorliegenden Erfindung weist eine Vielzahl von Feinstruktur-Resonatoren auf, die durch Anziehung auf Grund statischer Elektrizität miteinander in Kontakt gebracht werden, eine Vielzahl von ersten Elektroden, die auf Grund der statischen Elektrizität eine Anziehung mit den Resonatoren erzeugen, um die Resonatoren zu trennen, und einen ersten Anlegeabschnitt, der eine Spannung an die Vielzahl von ersten Elektroden anlegt, wobei ein Signal durch die Resonatoren hindurchgeleitet wird, wenn sich die Resonatoren miteinander in Kontakt befinden, wogegen das durch die Resonatoren hindurchgeleitete Signal unterbrochen wird, wenn die Resonatoren getrennt werden.
Da jeder der Resonatoren gemäß dieser Konfiguration in die Richtung bewegt wird, in der die Resonatoren voneinander beabstandet sind, ist es möglich, eine doppelt so große Entfernung wie diejenige zu erhalten, die einer angelegten Spannung entspricht, und eine höhere Isolierung mit einer niedrigen Spannung sicherzustellen.
In der Mikrovorrichtung der vorliegenden Erfindung können die Resonatoren leitende Flächen aufweisen, die miteinander in Kontakt stehen sollen und ein Gleichsignal leiten sollen, wenn sie sich miteinander in Kontakt befinden.
Gemäß dieser Konfiguration arbeitet die Mikrovorrichtung als ein Schalter zum Leiten von Gleichsignalen.
In der Mikrovorrichtung der vorliegenden Erfindung können die Resonatoren isolierende Flächen aufweisen, die miteinander in Kontakt stehen sollen und ein Wechselsignal leiten sollen, wenn sie sich miteinander in Kontakt befinden.
Gemäß dieser Konfiguration arbeitet die Mikrovorrichtung als ein Schalter zum Leiten von Wechselsignalen.
In der Mikrovorrichtung der vorliegenden Erfindung können die ersten Elektroden über einen Widerstand mit charakteristischer Impedanz, die einer Frequenz des durch die Resonatoren hindurchgeleiteten Wechselsignals entspricht, mit einer Masse oder einer Energieversorgung verbunden werden.
Gemäß dieser Konfiguration ist es möglich, eine Spieglung des Signals beim Unterbrechen des Signals zu verhindern.
Die Mikrovorrichtung der vorliegenden Efindung weist des Weiteren eine zweite Elektrode auf, die Anziehung mit den Resonatoren in Richtungen mit Ausnahme einer Richtung erzeugt, in der Anziehung zwischen den Resonatoren erzeugt wird, und einer Richtung, in der Anziehung zwischen den Resonatoren und den ersten Elektrode erzeugt wird, und einen zweiten Anlegeabschnitt, der ein Gleichsignal zwischen der zweiten Elektrode und den Resonatoren anlegt.
Da es gemäß dieser Konfiguration möglich ist, die Resonatoren so zu steuern, dass sie sich als Schalter verbinden oder unabhängig als ein Filter schwingen, weist die Mikrovorrichtung einen Schaltbetrieb mit Filterfunktion auf.
Die Mikrovorrichtung der vorliegenden Erfindung kann des Weiteren eine gleiche Anzahl von zweiten Elektroden wie die Anzahl der Resonatoren aufweisen, wobei die zweiten Elektroden so in Positionen angeordnet sind, dass die Richtung zwischen den Resonatoren und den ersten Elektroden senkrecht zu der Richtung zwischen den Resonatoren und den zweiten Elektroden ist, und der zweite Anlegeabschnitt Wechselsignale mit verschiedenen Frequenzen für jede der zweiten Elektroden anlegt.
Gemäß dieser Konfiguration ist es möglich, ein Frequenzband zu verbreitern, mit dem Signale durch den Filter hindurchgeleitet werden.
Die Mikrovorrichtung der vorliegenden Erfindung kann verursachen, dass Signale zwischen den zweiten Elektroden und den Resonatoren hindurchgeleitet werden.
Gemäß dieser Konfiguration ist es möglich, ein Signal für jede Frequenzkomponente zu trennen.
Die Mikrovorrichtung der vorliegenden Erfindung kann des Weiteren einen Dichtungsabschnitt aufweisen, der die Resonatoren vakuumabdichtet.
Gemäß dieser Konfiguration ist es möglich, zwischen Leitung und Unterbrechung eines Signals mit hoher Geschwindigkeit umzuschalten.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf begleitende Zeichnungen beschrieben.
3 ist eine grafische Darstellung, die eine Konfiguration der Mikrovorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Die Mikrovorrichtung in 3 setzt sich primär aus Substrat 1, Eingangs-/Ausgangs-Ports 2 und 3, Resonatoren 4 und 5, Elektroden 6 bis 9 und Gleichstromquellen 14 und 15 zusammen, und jedes von "11" bis "14" bezeichnet ein Steuersignal. Die Resonatoren 4 und 5 und Elektroden 6 bis 9 sind auf dem Substrat 1 integriert. Das Substrat 1 ist vorzugsweise ein Nichtleiter oder ein Halbleiter.
Die Eingangs-/Ausgangs-Ports 2 und 3 sind Anschlüsse für den Eingang/Ausgang eines Signals in einen bzw. aus einem Schalter. Der Eingangs-/Ausgangs-Port 2 ist elektrisch mit dem Resonator 5 verbunden. Desgleichen ist der Eingangs-/Ausgangs-Port 3 elektrisch mit dem Resonator 4 verbunden. Die Mikrovorrichtung ermöglicht, dass Signale vom Eingangs-/Ausgangs-Port 2 durch die Resonatoren 5 und 4 zum Eingangs-/Ausgangs-Port geleitet werden. Des Weiteren können Signale vom Eingangs-/Ausgangs-Port 3 zum Eingangs-/Ausgangs-Port 2 geleitet werden.
Die Resonatoren 4 und 5 können horizontal und vertikal zum Substrat 1 schwingen. Der Resonator 4 setzt sich primär aus einem stützenden Teil in ortsfestem Kontakt mit dem Substrat 1, einem beweglichen Teil mit einer Kontaktfläche, die einen Kontakt mit dem Resonator 5 herstellt, und einer Kontaktfläche, die einen Kontakt mit der Elektrode 7 herstellt, und einem Kreuzungsteil, der den stützenden Teil und beweglichen Teil kop pelt, zusammen. Zum Beispiel können die Resonatoren 4 und 5 implementiert werden, indem sie in eine Struktur aus freitragendem Träger und Tragebalken ausgebildet werden. Über einen Induktor wird an die Resonatoren 4 und 5 Gleichpotenzial (direct potential) angelegt. Die Elektroden 6 bis 9 werden verwendet, um statische Elektrizität an die Resonatoren anzulegen.
Die Elektrode 6 ist vorzugsweise in der Richtung angeordnet, in welcher der Resonator 5 vom Resonator 4 beabstandet ist. Mit anderen Worten, es wird bevorzugt, dass der Resonator 5 sich zwischen dem Resonator 4 und der Elektrode 6 befindet, dass Anziehung, die zwischen den Resonatoren 4 und 5 wirkt, in der gleichen Achse der Anziehung zwischen dem Resonator 5 und der Elektrode 6 vorhanden ist, und dass die Elektrode 6 in der umgekehrten Seite angeordnet ist. In ähnlicher Weise wie die Elektrode 6 ist die Elektrode 7 vorzugsweise in der Richtung angeordnet, in welcher der Resonator 4 vom Resonator 5 beabstandet ist.
Die Elektrode 9 ist in einer Position angeordnet, die verursacht, dass der Resonator 5 die elektrostatische Kraft in einer Richtung erzeugt, die sich von der Richtung beider Anziehungskräfte unterscheidet, die zwischen den Resonatoren 4 und 5 und zwischen dem Resonator 5 und der Elektrode 6 wirken. Zum Beispiel wird eine solche Position bevorzugt, die verursacht, dass der Resonator 5 die elektrostatische Kraft in der Richtung erzeugt, die zur Richtung beider Anziehungskräfte senkrecht ist, die zwischen den Resonatoren 4 und 5 und zwischen dem Resonator 5 und der Elektrode 6 wirken.
Mit anderen Worten, es wird bevorzugt, dass eine der Elektrode 9 gegenüberliegende Fläche des Resonators 5 in der Richtung liegt, die zu den Kontaktflächen zwischen den Resonatoren 4 und 5 und zwischen dem Resonator 5 und der Elektrode 6 senkrecht ist. Desgleichen ist die Elektrode 8 in einer Position angeordnet, die verursacht, dass der Resonator 4 die elektrostatische Kraft in einer Richtung erzeugt, die sich von der Richtung beider Anziehungskräfte unterscheidet, die zwischen den Resonatoren 4 und 5 und zwischen dem Resonator 5 und der Elektrode 6 wirken.
Das Steuersignal 10 ist ein Signal zur Verwendung beim Anlegen einer Spannung an die Elektrode 6. Desgleichen ist das Steuersignal 13 ein Signal zur Verwendung beim Anlegen einer Spannung an die Elektrode 7. Das Steuersignal 11 ist ein Signal zur Ver wendung beim Anlegen einer Wechselspannung an die Elektrode 9. Desgleichen ist das Steuersignal 12 ein Signal zur Verwendung beim Anlegen einer Wechselspannung an die Elektrode 8.
Die Gleichstrom-Elektrode 14 legt eine Gleichspannung an den Resonator 5 an. Desgleichen legt die Gleichstrom-Elektrode 15 eine Gleichspannung an den Resonator 4 an.
Ein Verfahren zum Betreiben des Schalters wird im Folgenden beschrieben. 4 bis 7 sind grafische Darstellungen, die den Betrieb des Schalters dieser Ausführungsform veranschaulichen. 4 zeigt eine Draufsicht des Schalters, wenn er auf AUS geschaltet ist, 5 zeigt eine Querschnittsansicht des Schalters, wenn er auf AUS geschaltet ist, 6 zeigt eine Draufsicht des Schalters, wenn er auf EIN geschaltet ist, und 7 zeigt eine Querschnittsansicht des Schalters, wenn er auf EIN geschaltet ist. Um den Schalter auf AUS zu schalten, wird zum Beispiel eine Direktspannung Vc an die Gleichstrom-Elektroden 14 und 15 angelegt. Wenn eine Spannung von –Vc an die Elektroden 6 und 7 angelegt wird, wird die elektrostatische Kraft erzeugt, der Resonator 4 wird zur Elektrode 7 angezogen, der Resonator 5 wird zur Elektrode 6 angezogen, und somit werden die Elektroden elektrisch mit den jeweiligen Resonatoren gekoppelt. An diesem Punkt weisen die Elektroden 6 und 7 einen solchen Widerstand auf, dass er der charakteristischen Impedanz entspricht, wenn der Schalter von den Eingangs-/Ausgangs-Anschlüssen aus gesehen wird. Wenn der Resonator 4 mit der Elektrode 6 in Kontakt gebracht wird, wird auf Grund des Widerstands keine widergespiegelte Welle erzeugt. Des Weiteren, da die zwei Resonatoren 4 und 5 so bewegt werden, dass sie voneinander getrennt werden, ist es möglich, einen Abstand zu erhalten, der doppelt so groß wie derjenige ist, welcher der angelegten Spannung entspricht, und eine höhere Isolierung sicherzustellen.
Wenn der Schalter das nächste Mal auf EIN geschaltet wird, zum Beispiel wird –Vc an die Gleichstrom-Elektrode 14 angelegt, wird +Vc an die Gleichstrom-Elektrode 15 angelegt, +Vc wird an die Elektrode 6 angelegt und –Vc wird an die Elektrode 7 angelegt. Die Resonatoren 4 und 5 ziehen sich an und werden elektrisch gekoppelt.
An diesem Punkt, wenn sie miteinander physikalisch in Kontakt stehen, sind die Resonatoren 4 und 5 mit dielektrischen Filmen auf der Kontaktfläche kapazitätsgekoppelt, während sie ohne dielektrischen Film auf der Kontaktfläche widerstandsgekoppelt sind. Im Fall der Kapazitätskopplung arbeitet die Vorrichtung als ein Schalter mit Frequenzkenndaten. Im Fall der Widerstandskopplung, wenn ein Gleichstromsignal von der Gleichstrom-Elektrode 14 zur Gleichstrom-Elektrode 15 geleitet wird und somit einen Kurzschluss verursacht, ist es erforderlich, einen Widerstand als Ersatz für einen Induktor oder in Reihenschaltung mit dem Induktor bereitzustellen.
Jeder der Resonatoren 4 und 5 erfordert von der Form her nur eine Größe, die ihren Kontakt und ihre Trennung durch elektrostatische Kraft in einer vorgegebenen Zeit ermöglicht. Zum Beispiel weisen die Resonatoren 4 und 5 jeweils die Form eine Würfels mit einer Länge von 500 µm, einer Dicke von 2 µm und einer Breite von 2 µm auf und sind so angeordnet, dass ein Spalt zwischen den Resonatoren 4 und 5 0,6 µm, ein Spalt zwischen dem Resonator 4 und der Elektrode 7 0,6 µm und ein Spalt zwischen dem Resonator 5 und der Elektrode 6 0,6 µm beträgt. Wenn eine Dicke des isolierenden Materials 10 nm beträgt, ermöglicht das Anlegen von 7 V, dass die Resonatoren in 5 µs oder weniger ansprechen. Ein Durchleitungsverlust (passage loss) von SW wird 0,5 dB oder weniger.
Im Folgenden wird die Funktion als Filter beschrieben. 8 und 9 sind grafische Darstellungen, die den Betrieb der Mikrovorrichtung der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. Wie in 8 veranschaulicht, werden die Resonatoren 4 und 5 angesteuert und schwingen mit einer Frequenz, die dem Steuersignal entspricht, wenn die Resonatoren 4 und 5 miteinander in Kontakt stehen, um den Schalter auf EIN zu schalten, und ein elektrisches Wechselfeld mit einer gewünschten Frequenz und Amplitude von den Elektroden 8 und 9 jeweils an die Resonatoren 4 und 5 angelegt wird.
Als Ergebnis dessen verändert sich die Kapazität zwischen dem Resonator 4 und der Elektrode 8. Die Impedanz verändert sich mit der Frequenz entsprechend dem Zyklus der Kapazitätsschwankung, wobei es möglich ist, ein Signal mit der Frequenz zu wählen. Der Resonator 5 und die Elektrode 9 weisen das gleiche vorgenannte Verhalten auf.
An diesem Punkt, wenn die elektrischen Wechselfelder im Eingang in die Elektroden 8 und 9 phasengleich sind, wie in 9 gezeigt, schwingen die Resonatoren 4 und 5 in sich drehender Richtung.
Wenn die elektrischen Wechselfelder im Eingang in die Elektroden 8 und 9 gegenphasig sind, da die Kräfte, die zwischen dem Resonator 4 und der Elektrode 8 und dem Resonator 5 und der Elektrode 9 wirken, Anziehung oder Abstoßung sind, wie in 8 gezeigt, tendieren die Resonatoren 4 und 5 dazu, im vertikalen Modus zu schwingen. Indem die Formen der Resonatoren 4 und 5 und der Elektroden 8 und 9 und die Abstände zwischen dem Resonator 4 und der Elektrode 8 und zwischen dem Resonator 5 und der Elektrode 9 so ausgelegt werden, dass eine Resonanzfrequenz jedes Modus ein gewünschter Wert zum Steuern von Schwingungsmodi wird, ist es möglich, die Resonanzfrequenz des Filters problemlos zu verändern.
In der obigen Beschreibung werden Wechselsignale an die Elektroden 8 und 9 angelegt, um zu verursachen, dass die Resonatoren 4 und 5 schwingen, wodurch in Bezug auf die Signale, die durch die Resonatoren 4 und 5 hindurchgeleitet werden, Signale mit einer Frequenz, die hindurchgeleitet wird, und Signale mit einer Frequenz, die nicht hindurchgeleitet wird, erzeugt werden, und damit dient die Vorrichtung als ein Filter. Als Verfahren zum Verursachen, dass die Resonatoren 4 und 5 schwingen, sind jedoch andere Verfahren anwendbar.
Mit anderen Worten, es ist nicht immer erforderlich, ein elektrisches Wechselfeld von außen anzulegen, und die Resonatoren 4 und 5 können von der elektrostatischen Kraft angesteuert werden, die Hochfrequenzsignale haben, die den Resonatoren zugeführt werden.
Einige Konfigurationen werden in solchen Fällen als der Filterbetrieb betrachtet. Zum Beispiel können die Steuersignale 11 und 12 in 1 durch Lasten ersetzt werden, um die Filterung zu implementieren. Einige Figuren zeigen schematische Konfigurationen der Ausführungsform. Wenn zum Beispiel ein Steuersignal nicht von außen zugeführt wird, werden die Resonatoren 4 und 5 von der elektrostatischen Kraft angesteuert, die durch die Resonatoren 4 und 5 hindurchgeleitete Signale aufweisen.
Wenn die Signale, die durch die Resonatoren 4 und 5 hindurchgeleitet werden, Signale mit einer natürlichen Frequenz enthalten, die erhalten wird, wenn die Resonatoren 4 und 5 gekoppelt werden, schwingen die Resonatoren 4 und 5 stark. An diesem Punkt, wenn zum Beispiel der Schwingungsmodus auf einen vertikalen Schwingungsmodus eingestellt ist, schwingen die Resonatoren 4 und 5 stark vertikal zum Substrat, und ein Spalt zwischen den Resonatoren 4 und 5 und den Elektroden 8 und 9 verändert sich, was zu einer elektrischen Kopplung führt.
Das heißt, da die Resonatoren 4 und 5 mit der natürlichen Frequenz schwingen, werden Signale mit der natürlichen Frequenz selektiv mit den Elektroden 8 und 9 gekoppelt und werden nicht zu Eingangs-/Ausgangs-Ports geführt, wodurch sie einen so genannten Kerbfiltereffekt aufweisen. Wenn die Elektroden 8 und 9 in diesem Zustand mit Anschlüssen verbunden sind und die natürliche Frequenz der Resonatoren 4 und 5 auf einen gewünschten Wert ausgelegt ist, kann die Vorrichtung als Sende-Empfangs-Schalter (duplexer) verwendet werden.
Ferner wird beim Zuführen von Signalen von außen das Steuersignal 11 oder Steuersignal 12 zugeführt, damit die Resonatoren 4 und 5 schwingen. Das Signal mit der natürlichen Frequenz verursacht, das die Resonatoren 4 und 5 stark schwingen, und ist in der Lage, nur das Signal mit der in der Schwingung verwendeten Frequenz selektiv aufzuheben.
Ferner ist es nicht immer erforderlich, dass das Steuersignal die natürliche Frequenz aufweist, und es muss nur die elektrostatische Kraft aufweisen, die fähig ist, die Resonatoren 4 und 5 in Schwingung zu versetzen.
Wenn den Elektroden 8 und 9 zum Beispiel keine Steuersignale als ihre Eingänge zugeführt werden und Ausgangsanschlüsse angeschlossen sind, versetzen Signale, die von den Eingangsanschlüssen zugeführt werden, die Resonatoren 4 und 5 in Schwingung, und nur Signale mit Frequenzen um die natürliche Frequenz werden von den Ausgangsanschlüssen selektiv ausgegeben.
Wenn von einem einzelnen Resonator ausgegangen wird, da der Q-Wert des Resonators hoch ist, ist die Resonanzfrequenz steil, und es ist nicht möglich, Signale selektiv aufzunehmen, ausgenommen nur das Signal mit der natürlichen Frequenz. Da in der Mikrovorrichtung der vorliegenden Erfindung jedoch zwei gleiche Resonatoren zum Schwingen gekoppelt sind, ist es möglich, Schwingungen getrennt in zwei Modi zu verursachen, zwischen welchen die natürliche Frequenz eines einzelnen Resonators ist. Mit anderen Worten, es treten zwei Modi auf, wo zwei Resonatoren in der gleichen Richtung oder in Gegenphase schwingen, und die Vorrichtung arbeitet als ein Filter mit einem Band von Δf.
10 ist eine grafische Darstellung, die ein Beispiel von Frequenzkenndaten der Mikrovorrichtung in dieser Ausführungsform veranschaulicht. In 10 gibt das durch eine gepunktete Linie gezeigte Spektrum die natürliche Frequenz eines einzelnen Resonators an. Das in 10 durch eine durchgezogene Linie gezeigte Spektrum gibt eine an, die durch zwei gekoppelte Resonatoren erhalten wird. Ein gewünschtes Band ändert sich abhängig von dem angewendeten System zum Anwenden der Vorrichtung auf einen Filter, wobei ein Verändern des Grads der Kopplung der Resonatoren das Band verändert.
Da die gekoppelten Resonatoren 4 und 5 so betrachtet werden, dass sie eine doppelt gestützte Balkenstruktur (doubly-supported-beam structure) ausbilden, wird die natürliche Frequenz mit Gleichung (1) angegeben:
wobei t eine Dicke des Balkens ist, L eine Länge des Balkens ist, E der Young-Modulus eines Materials ist, aus dem der Balken besteht, und ρ eine Dichte angibt. Um eine gewünschte Frequenz zu erhalten, ist es durch Steuern einer Form eines Balkens möglich, eine gewünschte Frequenz einzustellen.
Somit ist die Mikrovorrichtung dieser Ausführungsform in der Lage, als eine Vorrichtung mit zwei Funktionen zu arbeiten, d.h. als ein Schalter unter Verwendung von Schwingung in einer horizontalen Richtung wie in der ersten Ausführung, und als ein Filter, der Signale mit einer gewünschten Frequenz unter Verwendung von Schwingung in vertikaler Richtung problemlos aufheben oder auswählen kann.
Beispiele von Prozessen zum Ausbilden des oben genannten Schalters werden im Folgenden beschrieben. 11 bis 16 sind Querschnittsansichten in Prozessen zum Herstellen der Mikrovorrichtung gemäß dieser Ausführungsform. Wie in 11 veranschaulicht, wird ein Siliziumoxidfilm 22 mit einer Dicke von ungefähr 300 nm auf einem hochohmigen Siliziumsubstrat 21 ausgebildet, indem das hochohmige Siliziumsubstrat 21 einer thermischen Oxidation unterzogen wird. Dann wird ein Siliziumnitridfilm 23 mit einer Dicke von 20nm unter Verwendung des druckreduzierenden CDV-Verfahrens aufgebracht.
Anschließend, wie in 12 gezeigt, wird eine Opferschicht mit einer Dicke von 2 µm, die sich aus einer Fotolack-Beschichtung zusammensetzt, auf dem Siliziumoxidfilm 24 mit Spin-Coat-Verfahren aufgebracht, belichtet und entwickelt und zehn Minuten lang bei 140 °C mit einer Heizplatte gehärtet, um die Opferschicht 25 auszubilden.
Dann, wie in 13 gezeigt, wird Al 26 mit einer Dicke von 2 mm auf der gesamten Fläche des Substrats aufgebracht, und es werden Schablonen 27 auf der Fotolack-Beschichtung ausgebildet, so dass Fotolack in einem vorgegebenen Bereich verbleibt.
Als Nächstes, wie in 14 gezeigt, wird das Trockenätzen mit Al unter Verwendung der aus der Fotolack-Beschichtung bestehenden Schablonen als Masken durchgeführt, wodurch die Balken 28 ausgebildet werden, und dann werden die Schablonen 27 und die Opferschicht 25, die aus Fotolack bestehen, mit O₂-Plasma entfernt. Die vorgenannten Prozesse bilden die Balken 28 mit dem Spalt 29 mit der Oberfläche des Substrats aus.
Des Weiteren, wie in 15 gezeigt, wird der Siliziumnitridfilm 30 mit einer Dicke von 50 nm über die gesamte Fläche durch Plasma-CDV aufgebracht, wobei der Siliziumnitridfilm auf dem Siliziumoxidfilm 24 und um die Balken 28 auf der Fläche des Substrats ausgebildet wird.
Schließlich, wie in 16 gezeigt, wird ein Rückätzen auf dem Siliziumnitridfilm durchgeführt unter der Voraussetzung, dass ein selektives Verhältnis für den Siliziumoxidfilm bereitgestellt wird, zum Beispiel mit einer Dicke von 100 nm oder mehr, die größer als die aufgebracht Filmdicke unter Verwendung des Trockenätzverfahrens mit Anisotropie ist, wodurch das Ätzen so durchgeführt wird, dass der Balken keinen Siliziumnitridfilm auf seiner oberen Fläche aufweist, der Siliziumnitridfilm aber auf seiner Seitenfläche 31 verbleibt.
Während in dieser Ausführungsform ein hochohmiges Siliziumsubstrat verwendet wird, ist außerdem ein Isolator oder Halbleiter anwendbar. Zum Beispiel sind allgemeine Siliziumsubstrate, chemische Halbleiter und isolierende Substrate anwendbar.
Während der Siliziumoxidfilm 22, der Siliziumnitridfilm 23 und der Siliziumoxidfilm 24 auf dem hochohmigen Siliziumsubstrat 21 als isolierende Filme ausgebildet werden, kann ferner das Ausbilden der isolierenden Filme weggelassen werden, wenn der Widerstand des Substrats angemessen hoch ist. Des Weiteren wird ein isolierender Drei-Schichten-Film, d.h. der Siliziumoxidfilm 22, der Siliziumnitridfilm 23 und der Siliziumoxidfilm 24, auf dem Siliziumsubstrat ausgebildet. Wenn die Dicke des Siliziumnitridfilms 23 jedoch genügend dicker als diejenige des auf dem Balken aufgebrachten Siliziumnitridfilms ist, d.h. wenn die Dicke selbst nach dem so genannten Rückätzprozess nicht entfernt ist, kann der Prozess zum Ausbilden des Siliziumoxidfilms 24 weggelassen werden.
Während diese Ausführungsform Al als Material zum Ausbilden des Balkens verwendet, ist es außerdem möglich, andere Metall-Materialien, wie beispielsweise Mo, Ti, Au und Cu, Halbleiter-Materialien mit darin enthaltenen Störstellen in hoher Konzentration, wie zum Beispiel amorphes Silizium, und leitende Polyester-Materialien zu verwenden. Während Sputtern als ein Verfahren zum Ausbilden von Film verwendet wird, können ferner andere Verfahren, wie beispielsweise CVD und Plattierung verwendet werden.
17 ist eine grafische Darstellung, die eine schematische Konfiguration einer Mikrovorrichtung gemäß einem anderen System veranschaulicht, das hinsichtlich des Verständnisses der vorliegenden Erfindung von Nutzen ist. Ein Signaleingang vom Eingangs-/Ausgangs-Anschluss 33 wird über die Signalleitung 35 elektrisch mit dem Flachbett-Resonator 36 gekoppelt, wobei der Flachbett-Resonator 36 des Weiteren elektrisch mit der Signalleitung 34 gekoppelt ist, und damit wird das Signal vom Eingangs-/Ausgangs-Anschluss 32 ausgegeben. Somit wird das gekoppelte Signal selektiv mit einem Signal mit der Frequenz gekoppelt, mit welcher der Flachbett-Resonator 36 schwingt, und dadurch dient die Vorrichtung als Filter.
Der spezifische Inhalt wird im Folgenden beschrieben. Eine Vielzahl von Elektroden 50 wird auf einer Substratseite des Flachbett-Resonators 36 bereitgestellt, eine Vielzahl von Elektroden 30 wird auf dem Substrat bereitgestellt, und es ist möglich, mit einem vom Steuersignal-Erzeugungsmechanismus 49 erzeugten Steuersignal eine Spannung unabhängig an jede Elektrode anzulegen, wodurch eine frei wählbare elektrostatische Kraft ermöglicht wird, die zwischen dem Flachbett-Resonator 36 und dem Substrat 30 erzeugt werden soll. Daher ist es möglich, die elektrostatische Kraft in der durch frei wählbare Kraft frei wählbaren Richtung an den Flachbett-Resonator 36 anzulegen. Durch Verändern der Frequenz, Amplitude und Position des so angelegten Steuersignals ist es möglich, die Schwingfrequenz und den Schwingungsmodus des Flachbett-Resonators zu steuern.
Zum Beispiel angenommen, die Elektrode 38 besteht aus den fächerförmigen Elektroden 51 bis 54. Wenn Gleichspannung –Vc gleichmäßig an alte Flachbett-Resonator-Elektroden 50 angelegt wird, und das durch –Vc × sin(fbt) angegebene Steuersignal an alle Elektroden (51 bis 54) auf dem Substrat angelegt wird, wird der Flachbett-Resonator gezwungen, mit einer Frequenz fb des Steuersignals zu schwingen. Wenn des Weiteren ein Steuersignal spontan an einen Teil der Elektroden angelegt wird, wird der Flachbett-Resonator angesteuert und schwingt mit der natürlichen Frequenz. Die natürliche Frequenz wird in Gleichung (2) angegeben, wobei m und k jeweils Masse und Federkonstante angeben:
Wenn Gleichspannung –V1 gleichmäßig an die Elektroden 50 des Flachbett-Resonators angelegt wird, und wenn Gleichspannung +V2 an die Elektroden 51 und 53 auf dem Substrat angelegt wird, wird ein durch –V1 × sin(fct) angegebenes Steuersignal an die Elektroden 52 und 54 auf dem Substrat angelegt, um den Flachbett-Resonator in Schwingung zu versetzen. An diesem Punkt, wie in 19 gezeigt, biegt sich der Flachbett-Resonator 36 auf Grund der elektrostatischen Kraft, die von den Elektroden 51 und 53 angelegt wird, und damit verändert sich die Federkonstante des Flachbett-Resonators. Daher ist es gemäß Gleichung (1) möglich, die natürliche Frequenz des Flachbett-Resonators zu verändern. Da es somit möglich ist, die Frequenz und den Modus, mit welchen der Flachbett-Resonator schwingt, frei wählbar zu steuern, ist es möglich, die Mittenfrequenz des Durchlassbereichs des Filters zu verändern.
20 veranschaulicht eine schematische Konfiguration eines anderen Systems, das für das Verständnis der vorliegenden Erfindung von Nutzen und dem in 17 bis 19 beschriebenen System ähnlich ist, mit Ausnahme dessen, dass der freitragende Träger 61 auf dem Flachbett-Resonator 66 bereitgestellt ist. Der freitragende Träger 61 weist einen (nicht gezeigten) Dreiachsen-Steuermechanismus auf, der in der horizontalen Richtung und vertikalen Richtung beweglich ist, um mit dem Flachbett-Resonator 66 in einer frei wählbaren Position in Kontakt zu kommen. In dem in 17 bis 19 beschriebenen System wird die elektrostatische Kraft zum Steuern des Modus und der Resonanzfrequenz, mit welcher der Flachbett-Resonator schwingt, von außen angelegt, um den Modus und die Frequenz wunschgemäß zu steuern. In diesem System wird der freitragende Träger 61 physikalisch mit dem Resonator in Kontakt gebracht, und dadurch wird in dem Resonator ein frei wählbares feststehendes Ende bereitgestellt, wodurch der Schwingmodus und die Resonanzfrequenz des Flachbett-Resonators gesteuert werden. 21 und 22 veranschaulichen ein Beispiel. Wenn der freitragende Träger, wie in 21 gezeigt, nicht in Kontakt ist, schwingt der Flachbett-Resonator 71 im Grundmodus (mit der Resonanzfrequenz von f0). Wenn, wie in 22 gezeigt, der Resonator durch den freitragenden Träger 61 erzwungen fixiert wird, wird der Flachbett-Resonator in einige Resonatoren unterteilt und schwingt mit einer Vielzahl von Frequenzen (Resonanz-Frequenzen f0, f1 und f2).
Des Weiteren kann ein von der Signalleitung 65 zugeführter Signaleingang dem Resonator 66 direkt zugeführt werden, wie in 22 gezeigt. Da die Schwingfrequenz sich mit der Position verändert, in der die Signalleitung abgegriffen wird, ist es in diesem Fall möglich, Signale mit einer Vielzahl von Frequenzen abzurufen.
Wie aus dem Vorgenannten ersichtlich ist, ist es gemäß der Mikrovorrichtung der vorliegenden Erfindung möglich, einen Abstand zu erhalten, der doppelt so groß ist wie derjenige, welcher der angelegten Spannung entspricht, und eine höhere Isolierung mit einer niedrigen Spannung sicherzustellen, indem unabhängig eine Vielzahl von Resonatoren in Kontakt gebracht oder voneinander getrennt wird, um elektrische Signale mit elektrostatischer Elektrizität zuzuführen oder zu unterbrechen.
Des Weiteren ist es gemäß der Mikrovorrichtung der vorliegenden Erfindung möglich, da der Schwingmodus und die Frequenz, mit welcher der Resonator schwingt, frei wählbar verändert werden können, die Leistung und Frequenz eines Signals, das durch die Vorrichtung geleitet wird, frei wählbar einzustellen.
Die vorliegende Erfindung ist für den Einsatz in Mikrovorrichtungen geeignet, die in der elektrischen Schaltungstechnik verwendet werden.

Claims

Mikrovorrichtung, umfassend: zwei Feinstruktur-Resonatoren (4, 5), die so eingerichtet sind, dass sie durch Anziehung aufgrund statischer Elektrizität in Kontakt miteinander gebracht werden; eine Vielzahl erster Elektroden (6, 7), die dazu geeignet sind, eine Spannung (10, 13) an sie anzulegen, und eine zweite Elektrode (8, 9), die dazu geeignet ist, Anziehung mit einem entsprechenden der Resonatoren (4, 5) in Richtungen zu erzeugen mit Ausnahme einer Richtung, in der Anziehung zwischen den Resonatoren (4, 5) erzeugt wird, sowie einer Richtung, in der Anziehung zwischen jedem der Resonatoren (4, 5) und einer entsprechenden der Vielzahl erster Elektroden (6, 7) erzeugt wird, wobei die Mikrovorrichtung so eingerichtet ist, dass sie es ermöglicht, ein Signal durch die Resonatoren (4, 5) hindurch zuleiten, wenn die Resonatoren (4, 5) in Kontakt miteinander sind, während das durch die Resonatoren (4, 5) hindurchgeleitete Signal unterbrochen wird, wenn die Resonatoren (4, 5) getrennt sind, wobei die Vielzahl erster Elektroden (6, 7) so angeordnet und die Polaritäten der angelegten Spannung so eingerichtet sind, dass die Vielzahl erster Elektroden Anziehung mit den Resonatoren (4, 5) aufgrund statischer Elektrizität erzeugen, um die Resonatoren (4, 5) zu trennen; und die Mikrovorrichtung so eingerichtet ist, dass sie die Kapazität zwischen der zweiten Elektrode (8, 9) und dem entsprechenden der Resonatoren (4, 5) mit einer Ansteuerfrequenz verändert, wobei die Vorrichtung Frequenzselektivität aufweist.
Mikrovorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatoren (4, 5) leitende Flächen zum Kontakt miteinander haben, die ein Gleich-Signal leiten, wenn sie in Kontakt miteinander sind.
Mikrovorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatoren (4, 5) isolierende Flächen zum Kontakt miteinander haben, die ein Wechsel-Signal leiten, wenn sie in Kontakt miteinander sind.
Mikrovorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrovorrichtung eine Impedanz, die einer Frequenz eines Eingangssignals entspricht, zwischen einem Eingangsanschluss (2, 3) jedes der Resonatoren (4, 5) und einem Eingangsanschluss der entsprechenden der ersten Elektroden (6, 7) hat, wenn jeder der Resonatoren (4, 5) und eine entsprechende der ersten Elektroden (6, 7) in Kontakt gebracht werden.
Mikrovorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie des Weiteren eine Last umfasst, die mit der zweiten Elektrode (8, 9) verbunden ist, und dass die Mikrovorrichtung so eingerichtet ist, dass sie Signale zwischen der zweiten Elektrode (8, 9) und dem entsprechenden der Resonatoren (4, 5) bereitstellt.
Mikrovorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (8, 9) dazu geeignet ist, ein Wechsel-Signal (11, 12) an sie anzulegen, die Resonatoren (4, 5) dazu geeignet sind, eine Gleichspannung (14, 15) an sie anzulegen, und die Mikrovorrichtung so eingerichtet ist, dass sie eine Kapazität zwischen der zweiten Elektrode (8, 9) und dem entsprechenden der Resonatoren (4, 5) verändert.
Mikrovorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie des Weiteren zwei zweite Elektroden (8, 9) umfasst, und dass jede der zweiten Elektroden (8, 9) so eingerichtet ist, dass sie Anziehung mit einem entsprechenden der Resonatoren (4, 5) in Richtungen erzeugt, mit Ausnahme einer Richtung, in der Anziehung zwischen den Resonatoren (4, 5) erzeugt wird, sowie einer Richtung, in der Anziehung zwischen jedem der Resonatoren (4, 5) und einer entsprechenden der ersten Elektroden (6, 7) erzeugt wird, wobei die zweiten Elektroden (8, 9) dazu geeignet sind, wechselnde Signale (11, 12) an sie anzulegen, und die wechselnden Signale (11, 12) verschiedene Frequenzen für jede der zweiten Elektroden (8, 9) haben, die Resonatoren (4, 5) dazu geeignet sind, eine Gleichspannung (14, 15) an sie anzulegen, und die zweiten Elektroden (8, 9) an Positionen so angeordnet sind, dass die Richtung zwischen den Resonatoren (4, 5) und den ersten Elektroden (6, 7) senkrecht zu der Richtung zwischen den Resonatoren (4, 5) und den zweiten Elektroden (8, 9) ist.
Mikrovorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie des Weiteren einen Dichtungsabschnitt umfasst, der eine Vakuum-Dichtung der Resonatoren (4, 5) bewirkt.