JP2005167546A - 電気機械フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】差動増幅器に適したフィルタを提供する。
【解決手段】微小な電気機械フィルタを用いて、入力信号の供給される第１および第２の振動子１３，１４の両側に第１および第２の電極１１，１２を配置することで、位相が反転した２つの信号をとりだすことができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気機械フィルタに係り、特に微小な振動子を備えた小型の電気機械フィルタに関する。

小型化が要求される無線端末において、フィルタなどの受動素子は、そのサイズが無線信号の波長に依存するため、小型化が極めて困難であった。
その中で、次世代フィルタの候補として、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Syst-ems）、ＮＥＭＳ（Nano Electoro Mechanical Systems）技術により微小な電気機械フィルタが作製されている。

この電気機械フィルタは、従来の電気的共振ではなくメカニカルな共振を利用するため、共振周波数は共振する振動子の質量とバネ定数によって決まり、電気的共振を用いたフィルタよりもサイズを劇的に減少することができる。例えば、１ＧＨｚ帯で共振する共振子のサイズは、材質、形状、共振モードに依るが、数ミクロン以下の大きさとすることができる。

また製造方法についても従来の半導体プロセスを適用することが可能であるため、増幅器などの他の能動素子との親和性にも優れ、全てバッチプロセスで作成が可能となり、無線部の１チップ化に大きく貢献することが期待されている。
さらにフィルタの損失特性を表すＱ値も非常に高く、低損失が期待されるため、無線部の高性能化および低消費電力にも貢献できる。

従来の微小振動子を用いた電気機械フィルタとして、従来、非特許文献１に記載されたものが知られている。
このフィルタは、図１１に示すように、基板上に形成された、入力線路１０４、出力線路１０５と、その線路に対して僅かにギャップをもって配置された両端固定の２つの振動梁１０１、１０２（共振器）と、その２つの梁を結合する結合梁１０３とで構成されている。
入力線路１０４から入力した信号は、信号の周波数に応じた電界を発生させ共振器１０１に静電力を印加させる。このとき、入力信号の周波数が共振器の共振周波数と一致した場合、共振器は励振され振動する。このため共振周波数を有する信号のみが選択的に電気的信号から機械的振動に変換される。また出力側の共振器１０２と出力線路１０５間では、共振器１０２が振動するため、共振器１０２と出力線路間の共振周波数の角速度で容量が変化する。共振器１０２と出力線路間１０５間に電位が印加されていれば、共振周波数の信号が流れ、つまり共振周波数を有する信号のみが通過することができる。このとき共振周波数は、（数式１）のように示され、共振器の質量とばね定数の関数となる。

アイ・トリプルイー・ジャーナル・オブ・ソリッド−ステイト・サーキット、３５巻、エヌ４頁、２０００年（IEEE Journal of Solid-state Circuits,VOL35,N4,April 2000）

しかしながら、非特許文献１をはじめ既に発表されている微小振動子を用いた電気機械フィルタは、１入力１出力の構成となっている。本フィルタは例えば図１２のブロック図で示すような形態で使用される。この場合、アンテナ端１１０から入力した受信信号を送受切り替えスイッチ１１２で切り替え、バンドパスフィルタ１１３に入力し、不要な信号を除去したのち、低ノイズアンプ１１４に入力し増幅する。このとき、一般的に低ノイズアンプ１１４は雑音特性を良くするため差動増幅器になっているため、低ノイズアンプ１１４に対して差動入力することが要求される。このためバランＢなどを用いて、片相信号の入力信号を両相に変換する必要があり、バランＢの変換効率が悪ければ、バンドパスフィルタの低損失特性のメリットを活かすことができないという課題があった。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、バランなどの変換素子を用いることなくフィルタで片相-両相変換を行う電気機械フィルタを提供することを目的とする。

本発明の電気機械フィルタは、入力信号で励振される振動子と、前記振動子を挟むように、それぞれ所定の間隔を隔てて配設された２つの電極とを具備し、前記２つの電極は、前記振動子の振動方向と交差するように配置される。
この構成により、前記電極と前記振動子との間で、片相―両相変換を実現可能にする。

例えば、振動子の固有振動数と一致する入力信号が入力された際、振動子が大きく励振される。このためこれらの電極を出力電極としたとき出力電極側でも、振動子と２つの出力電極間での、共振周波数で容量変化が生じ、直流電位を印加すれば出力信号を取り出せることになり、振動子の固有振動数と一致する入力信号のみを選択的に取り出すことができる。さらに、出力電極は振動子を挟んで対向して２つ配設されているため、２つの出力電極で取り出せる信号は互いに位相が反転した信号となる。これにより、片相で入力した信号を周波数選択し、かつ両相に変換することが可能となる。
一方、２つの電極から逆相の信号を入力すると、共振周波数で振動子が振動し、この振動子と２つの電極間で容量変化が生じ、直流電位を印加することにより、振動子の固有振動数と一致する入力信号のみを片相信号として取り出すことができる。

また本発明の電気機械フィルタは、前記振動子には、入力信号が入力され、前記２つの電極は互いに逆相の出力信号を出力する。
この構成により、極めて簡単な構成で、入力電極に入力された信号を効率よく２つの逆相信号として取り出すことができる。振動子への入力信号の入力は直接入力端子に接続することによって実現することができる。また、固定電極への入力信号の供給によって、静電力により振動子を振動させることによって間接的に実現してもよい。

また本発明の電気機械フィルタは、互いに位相の反転した２つの入力信号が、前記電極にそれぞれ入力され、前記振動子から信号を出力する。
この構成により、逆相の信号を効率よくかつ振幅の大きな片相信号として取り出すことができる。

また本発明の電気機械フィルタは、前記振動子が互いに信号が伝搬可能な複数個の振動子で構成される。
異なる固有振動数を持つ振動子を複数個設けるようにすれば、フィルタの帯域を広げることができる。また同一の固有振動数を持つ振動子を複数個設けるようにすれば、大きな出力信号を得ることができる。

また本発明の電気機械フィルタは、前記振動子には入力信号が直接印加され、前記振動子に対して相対向するように、固定された２つの電極を配置し、前記電極から位相が反転した信号を出力可能にする。
この構成により、振動子の両側に２つの電極を配するのみで極めて容易に逆相の信号を取り出すことができる。

また本発明の電気機械フィルタは、逆相の入力信号に対して、振動子の励振方向、および強さが等しくなるように、前記固定電極が、前記振動子に対して並んで配置される。

また本発明の電気機械フィルタは、振動子が、結合梁によって接続された第１および第２の振動子を具備し、前記２つの電極は前記第２の振動子を挟んで対向して配置された第１および第２の電極であり、更に前記第１の振動子から所定の間隔を隔てて配置された第３の電極を有するものを含む。
この構成によれば、振動子の固有振動数と一致する入力信号が入力した際に、振動子が大きく励振される。このため第１および第２の電極を出力側とし、第３の電極を入力側としたとき、第３の電極に信号が入力されると、第１の振動子が振動し、この振動が第２の振動子に伝達され、この第２の振動子と、第１および第２の電極間の共振周波数で容量変化が生じ、直流電位を印加すれば出力信号を取り出せ、振動子の固有振動数と一致する入力信号のみを選択的に取り出すことができる。さらに、第１および第２の電極は振動子を挟んで対向して２つ配置しているため、２つの電極で取り出せる信号は互いに位相が反転した信号となる。これにより、片相で入力した信号を周波数選択し、かつ両相に変換することが可能となる。
一方、第１および第２の電極を入力側とし、第３の電極を出力側としたとき、同様に、、両相で入力した信号を周波数選択し、かつ片相に変換することが可能となる。

また本発明の電気機械フィルタは、無線受信装置を構成する。
この電気機械フィルタは互いに逆位相の信号を受信して、周波数選択し、かつ両相に変換することができるため、バラン等の変換素子が不要である上、無線受信装置の受信器として適用可能であり、シリコンなどの半導体基板を用いた加工技術で微細加工が可能であり、信頼性の高い無線受信装置を形成することが可能となる。
更にまた本発明の電気機械フィルタは、無線送信装置を構成する。
この電気機械フィルタでは、振動子と２つの出力電極間で、共振周波数において容量変化が生じ、直流電位を印加して出力信号を取り出すことにより、片相で入力した信号を周波数選択し、かつ両相に変換することが可能であるため、無線部送信装置の送信器として適用可能である。この場合もシリコンなどの半導体基板を用いた加工技術で微細加工が可能であり、信頼性の高い無線部送信装置を形成することが可能となる。

本発明の電気機械フィルタは、入力信号によって振動する共振部と、前記共振部の振動を互いに逆相信号として検出する２つの検出部とを具備している。
この構成により、極めて簡単な構成で、逆相の信号を取り出すことができる。
本発明の電気機械フィルタは、互いに逆相の２つの入力信号によって振動する共振部と、前記共振部の振動を片相信号として検出する検出部とを具備している。
この構成により、２つの逆相信号から大きな片相信号を取り出すことが可能である。

以上説明したように、本発明によれば、バランなどの変換素子を使用することなくフィルタ内で片相―両相変換を行うためにより低損失のバンドパスフィルタを得ることが可能となるため、より高性能でかつ低損失の電気機械フィルタを得ることが可能となる。

以下、本発明の各実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態１における電気機械フィルタの構成を示す斜視図であり、図２平面図、図３，４にそれぞれ断面A-A'とB-B'の断面図である。
この電気機械フィルタは、図１に示すように、基板１０表面に両持ち梁状をなすように形成された２つの振動子（第１の振動子１３，第２の振動子１４）と１つの入力電極となる第３の電極１６と、出力電極となる２つの（第１および第２の電極１１，１２）とで構成されており、第３の電極１６からの信号による第２の振動子１４の共振を、結合梁１５を介して接続された第１の振動子１３に伝え、この第１の振動子１３の振動によって誘起される誘起起電力を第１及び第２の電極１１，１２で出力するように構成されている。
ここで、入力電極である第３の電極１６は第２の振動子１４と僅かなギャップを介して配置されている。第１及び第２の振動子１３、１４は図３のB−B'面の断面図に示すようにポスト部１８、１９により基板に固定されている。また第１の振動子１３と第２の振動子１４は結合梁１５により機械的に結合している。また図４のA-A'面の断面図に示すように、第１の振動子１３の振動によって誘起される誘起起電力を出力できるように第１の振動子１３を挟んで第１および第２の電極１１，１２が僅かなギャップを介して対向して配置されている。

第１および第２の振動子１３、１４は同じ形状、同じ材料を用いて作成し、２つの振動子の共振周波数を一致させてもよく、また僅かに共振周波数をずらしてもよい。このときの共振周波数は、前記式１から求められ、材料定数（ヤング率と密度）、形状（長さ）で決まる。

以下、この電気機械フィルタの具体的な動作について説明する。
第１の回路２１から入力電極である第３の電極１６に入力された入力信号は、入力信号が有する静電力により第２の振動子１４を励振させる。このとき第２の振動子１４の固有振動数と入力信号の周波数が一致した場合、振動子１４は強く励振され、振動する。第２の振動子１４と第１の振動子１３は結合梁１５によって結合されているため、図５（ａ）および（ｂ）に示す２つのモードで振動する。このとき本構成では、水平方向に振動子が振動するモードが励起されるような振動子の形状にする。

第２の振動子１４には制御端子２０から直流電位が印加されているため、直流電位により第２の振動子１４と第３の電極１６のギャップが変化し、スプリングソフニング現象を起こすこともできる。

次にこの電気機械フィルタを用いて信号を出力する方法について説明する。
第２の振動子１４によって励起された第１の振動子１３は、水平方向に振動を行うため、振動子と出力電極間の容量が共振周波数の周波数で変化することになる。さらに第１および第２の電極１１と１２は、第１の振動子１３を挟んで対向して配置されているため、第１の振動子１３と第２の電極１２間の容量変化と、第１の振動子１３と第１の出力電極１１の容量変化は互いに位相が反転した状態となる。

第１の振動子１３には制御端子２０から直流電位が印加されているため、共振周波数で容量が変化することで、図６に示すように第１および第２の電極１１、１２からは互いに位相が反転した信号が出力端子２２、２３から出力される。実線は第１の電極１１から出力される出力端子２３の信号、破線は第２の電極１２から出力される出力端子２２の信号を示す。

すなわち、本実施の形態１によれば、バランなどを用いることなく、所望の周波数だけの互いに位相が反転した２つの信号をとりだすことができる。
なお第１および第２の振動子１３、１４は両持ち梁でなくてもよく、片持ち梁でもよい。
なお振動子の振動方向は水平方向である必要はなく、２つの出力電極に対して、位相が反転するような振動および出力電極の配置になっていればよい。

ここで、電気機械フィルタの製造方法について説明する。
シリコン基板を用いて電気機械フィルタを形成する工程の一例を図７の工程断面図を用いて説明する。
まず、高抵抗シリコン基板８１を熱酸化することで、この高抵抗シリコン基板８１上に３００ｎｍ程度の膜厚のシリコン酸化膜８２を形成する。次に、減圧ＣＶＤ法を用いて２００ｎｍの膜厚でシリコン窒化膜８３を堆積する。さらにこの上層に減圧ＣＶＤ法を用いてシリコン酸化膜８４を５０ｎｍの膜厚で堆積する（図７（ａ）参照）。

しかる後、シリコン酸化膜８４にフォトレジストからなる犠牲層を膜厚２μｍでスピンコート、露光、現像したのち、ホットプレートで１４０℃１０分のベークを行うことで犠牲層８５を形成する（図７（ｂ）参照）。
しかる後、図７（ｃ）に示すごとく、スパッタリング法により基板全面にＡｌ８６を２μｍの膜厚で堆積し、所定の領域にレジストが残るようにフォトレジストによるパターン８７の形成を行う。

次に、前記フォトレジストからなるパターンをマスクとしてＡｌのドライエッチングを行うことで、梁８８および固定電極８９を形成し、さらに酸素プラズマによりフォトレジストからなるパターン８７ならびに犠牲層８５を除去する。前記工程により、梁を振動子とした固定電極８９を有するフィルタが形成される（図７（ｄ）参照）。

なお本実施の形態では基板として、高抵抗シリコン基板を用いたが、他の回路素子と集積化する際には他の素子に必要とされる特性に応じて通常のシリコン基板、化合物半導体基板、絶縁材料基板を用いても良い。
また、高抵抗シリコン基板８１上に絶縁膜としてシリコン酸化膜８２、シリコン窒化膜８３、シリコン酸化膜８４を形成したが、基板の抵抗が十分高い場合これら絶縁性膜の形成を省略しても良い。

なお、本実施の形態では梁を形成する材料としてＡｌを用いたが、他の金属材料Ｍｏ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｃｕ、ならびに高濃度に不純物導入のなされた半導体材料例えばアモルファスシリコン、導電性を有する高分子材料などを用いても良い。さらに成膜方法としてスパッタリング法を用いたがＣＶＤ法、メッキ法などを用いて形成しても良い。

（実施の形態２）
図８は、本発明の実施の形態２における電気機械フィルタの構成を示す斜視図である。
基本的な構成は実施の形態１と同じであるが、実施の形態１では受信部のバンドパスフィルタに適用したのに対し、本実施の形態では送信部に適用した例について説明する。

この電気機械フィルタでは、パワーアンプ１１７から出力した差動信号４１、４３を第３および第１の電極１６，１１に入力させる。４１と４３は差動信号であるが、静電力の大きさは電位差の絶対値で決まるため、第１の振動子１３と第２の振動子１４は常に同じ向きに同じ大きさで励振される。一方第２の電極１２からは第１の振動子１３と出力電極１２との容量変化に応じて、片相の信号が出力される。
また、第１の振動子１３と第２の振動子１４の信号の結合を回避するために、結合梁１５のインピーダンスを入力信号に対して十分高くしてもよい。

（実施の形態３）
図９は、本発明の実施の形態３における電気機械フィルタの構成を示す斜視図である。
基板上に振動子５４が配置されており、この振動子の両側に僅かなギャップを介して第１および第２の５５、５６が配置されている。第１および第２の出力電極５５，５６はそれぞれ出力端子５１，５２に、振動子５４は入力端子５３に接続されている。

実施の形態１では入力電極が励振する振動子と、出力側で容量を検出する振動子を分けていたが、本実施の形態では直接振動子５４に信号を入力する。同様に信号の周波数が振動子の固有振動数と一致した場合、信号は振動子を強く励振させる。このとき振動子の振動モードを水平方向に振動するモードが励起されるようにしておけば、振動子５４と第１および第２の出力電極５５、５６間の容量が変化するため、振動周波数に応じて電流が出力される。
このとき、第１および第２の出力電極５５と５６は振動子を挟んで互いに対向しているため、出力信号は互いに位相が反転している。

前記各実施の形態における、微小な振動子を用いた電気機械フィルタにより、バランなどの変換素子などを用いることなく、片相と両相を変換する機能を有したフィルタを実現することができる。このため図１０に示すようにアンテナ端側には片相、アンプ側には両相で出力するフィルタＢＰＦ１１６、ＢＰＦ１１３を実現できるため、低損失でかつ簡便な無線部を容易に実現することができる。

また送信側では逆に両相入力、片相出力のフィルタが必要となるため、励振側に２つの電極を用い、検出側に１つの電極を用いる。

なお、本発明の電気機械フィルタは、片相-両相変換可能であって、小型かつ消費電力の少ない電気機械フィルタを提供することができるもので、ディスクリート素子として有効であることはいうまでもないが、他の回路素子とともに集積化可能であり、伝送損失が少なく小型で信頼性の高いフィルタを備えた半導体集積回路装置を提供することも可能である。

また、前記各実施の形態では基板表面に梁を形成し、可動電極を形成する例について説明したが、いずれにおいても、基板に所望の断面形状のトレンチを形成し、このトレンチ上に梁を残しこれを可動部とするなどの構成も可能である。このような構成は、シリコンの異方性エッチングを用いて形成するなどにより容易に実現可能である。
さらにまた、電気機械フィルタであるため、シリコン基板のみならず、ＧａＡｓなどの化合物半導体基板など、使用する基板に適合するように電極材料を選択すればよく、他の回路素子との集積化は極めて容易である。

本発明に係る電気機械フィルタは、バランなどの変換素子を用いることなく片相入力両相出力もしくは両相入力片相出力が可能なフィルタを提供するものであり、差動入力、差動出力に適した能動素子と、片相出力に適したアンテナ間に入れる電気機械フィルタとして有用である。

以上説明してきたように、本発明は、無線部のフロントエンド部のバンドパスフィルタに微小な電気機械フィルタを適用し、さらに、特別の変換素子を用いることなく、その微小な電気機械フィルタに接続される他の素子に最適な信号形態での信号の入出力を実現可能とするものである。

また本発明の電気機械フィルタでは、振動子がメカニカルに共振するため、共振する振動子が互いに対向する位置に検出側の電極を２つ設けておけば、互いに位相が反転した信号を取り出すことができる。つまり入力信号は片相信号で振動子を励振させ、振動の検出側には互いに対向した位置に２つ以上の電極を設けることで、片相入力―両相出力となるバンドパスフィルタが実現可能となる。

本発明に係る実施の形態１を示す概略構成図。 本発明の実施の形態１の平面図 本発明の実施の形態１のA-A’面における断面図 本発明の実施の形態１のB-B’面における断面図 本発明の実施の形態１における２つの共振モードを示す概念図 本発明の実施の形態１における位相が互いに反転した出力信号を示す図 本発明に係る実施の形態１における電気機械フィルタの製造工程を段階的に説明する断面図 本発明に係る実施の形態２における電気機械フィルタの構成を示す斜視図 本発明に係る実施の形態３における電気機械フィルタの構成を示す斜視図 本発明の実施の形態１，２，３を無線部に適用する際の無線部の構成概念図 従来例を示す概略構成図 従来例のフィルタを適用した際の無線部の構成概念図

符号の説明

１１：第１の電極
１２：第２の電極
１３：第１の振動子
１４：第２の振動子
１５：結合梁
１６：第３の電極
１８，１９：梁のポスト部
２０：制御端子
２１：入力端子
２２、２３：出力端子

Claims (11)

1. 入力信号で励振される振動子と、
   前記振動子を挟むように、それぞれ所定の間隔を隔てて配設された２つの電極とを備え、
   前記２つの電極は、前記振動子の振動方向と交差するように配置されている電気機械フィルタ。
2. 請求項１に記載の電気機械フィルタであって、
   前記振動子には、入力信号が入力され、
   前記２つの電極は、互いに逆相の出力信号を出力する電気機械フィルタ。
3. 請求項１に記載の電気機械フィルタであって、
   前記２つの電極に、互いに位相の反転してなる２つの入力信号が、それぞれ入力され、
   前記振動子から、出力信号を出力するようにした電気機械フィルタ。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の電気機械フィルタであって、
   前記振動子は互いに振動が伝搬可能な複数個の振動子で構成される電気機械フィルタ。
5. 請求項２に記載の電気機械フィルタであって、
   前記振動子には入力信号が直接印加され、前記振動子に対して相対向するように固定された２つの電極を配置し、前記電極から位相が反転した出力信号を出力可能にした電気機械フィルタ。
6. 請求項３に記載の電気機械フィルタであって、
   逆相の入力信号に対して、振動子の励振方向、および強さが等しくなるように、前記電極が、前記振動子に対して並んで配置された電気機械フィルタ。
7. 請求項１に記載の電気機械フィルタであって、
   前記振動子は結合梁によって接続された第１および第２の振動子を具備し、前記２つの電極は前記第２の振動子を挟んで対向して配置された第１および第２の電極であり、
   さらに前記第１の振動子から所定の間隔を隔てて配置された第３の電極を具備した電気機械フィルタ。
8. 請求項２記載の電気機械フィルタを備えた無線受信装置。
9. 請求項３記載の電気機械フィルタを備えた無線送信装置。
10. 入力信号によって振動する共振部と、前記共振部の振動を互いに逆相信号として検出する２つの検出部とを具備した電気機械フィルタ。
11. 互いに逆相の２つの入力信号によって振動する共振部と、前記共振部の振動を片相信号として検出する検出部とを具備した電気機械フィルタ。

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