JP2005311567A - Filter device and transceiver - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、微小共振器を用いて構成されるフィルタ装置とこれを備える送受信機に関する。 The present invention relates to a filter device configured using a microresonator and a transceiver including the filter device.
近年、IT(Information Technology)の発展に伴って、ネットワークを利用するデバイスの数が飛躍的に増加している。そうした中で、特に、使い勝手などの面から、無線ネットワーク技術の需要が高まっている。無線通信で用いられるRFフロントエンドモジュールには、半導体チップのほかに、RFフィルタ(高周波数フィルタ)やIFフィルタ(中間周波数フィルタ)用にSAW(Surface Acoustic Wave)フィルタや誘電体フィルタなど、比較的サイズの大きい部品が組み込まれており、これらの部品の存在がRFフロントエンドモジュールの小型化や低コスト化を阻害する要因になっている。そこで、これらのフィルタ機能を半導体チップの中に取り込むことで、RFフロントエンドモジュールの小型化や低コスト化を実現しようとする試みが行われている。具体的には、微小電気機械システム(MEMS;Micro-Electro-Mechanical system)素子等を共振器として用いる技術が知られている。 In recent years, with the development of IT (Information Technology), the number of devices using a network has increased dramatically. Under such circumstances, the demand for wireless network technology is increasing especially from the viewpoint of usability. RF front-end modules used in wireless communication include semiconductor chips as well as SAW (Surface Acoustic Wave) filters and dielectric filters for RF filters (high frequency filters) and IF filters (intermediate frequency filters). Large-sized parts are incorporated, and the presence of these parts is a factor that hinders downsizing and cost reduction of the RF front-end module. Therefore, attempts have been made to realize a reduction in size and cost of the RF front-end module by incorporating these filter functions into a semiconductor chip. Specifically, a technique using a micro-electro-mechanical system (MEMS) element or the like as a resonator is known.
微小電気機械システム素子を用いた共振器(以下、微小共振器とも記す)は、半導体チップ上に半導体プロセスを用いて形成されるもので、共振器として機能させるためのビーム構造を有している。この微小共振器は、デバイスの占有面積が小さいこと、高いQ値(エネルギー/損失の比)を実現できること、他の半導体デバイスとのインテグレーションが可能であること、などの特長をもっている。そこで、無線通信デバイスの中でも、周波数フィルタ(RFフィルタ、IFフィルタ)としての利用が提案されている。 A resonator using a microelectromechanical system element (hereinafter also referred to as a microresonator) is formed on a semiconductor chip using a semiconductor process, and has a beam structure for functioning as a resonator. . The microresonator has features such as a small device occupation area, a high Q value (energy / loss ratio), and integration with other semiconductor devices. Therefore, use as a frequency filter (RF filter, IF filter) has been proposed among wireless communication devices.
微小共振器は、ビーム電極と入出力電極とを微小なギャップを介して対向状態に配置し、ある周波数の信号を入力することにより、ビーム電極と入力電極との間に静電引力と静電反発力を交互に発生させてビーム電極を共振させ、これに伴うビーム電極と出力電極との間の微小なギャップ変化を電気信号として取り出す仕組みになっている。その際、微小共振器の出力電極からは、ビーム電極の共振周波数に対応した周波数帯域の信号が出力される。 In a microresonator, a beam electrode and an input / output electrode are arranged to face each other through a minute gap, and a signal of a certain frequency is input, whereby electrostatic attraction and electrostatic force are generated between the beam electrode and the input electrode. The beam electrode is resonated by generating repulsive force alternately, and a minute gap change between the beam electrode and the output electrode is extracted as an electric signal. At that time, a signal in a frequency band corresponding to the resonance frequency of the beam electrode is output from the output electrode of the microresonator.
このような微小共振器を用いたフィルタ装置(周波数フィルタ)として、下記特許文献1に記載されたものが知られている。この特許文献1に記載されたフィルタ装置においては、2つの微小共振器のビーム電極同士を棒状の弾性片で機械的に接続(連結)することにより、ある周波数帯域の信号を選択的に通す、いわゆるバンドパスフィルタとしての機能を実現している。
As a filter device (frequency filter) using such a microresonator, one described in
しかしながら、上述のように2つの微小共振器のビーム電極同士を機械的に接続する場合はフィルタ構造が複雑になるとともに、製造プロセスに高い加工精度が要求される。そのため、フィルタ装置としての信頼性の低下や高コスト化を招いてしまう。 However, when the beam electrodes of the two microresonators are mechanically connected as described above, the filter structure is complicated and high processing accuracy is required for the manufacturing process. Therefore, the reliability as the filter device is reduced and the cost is increased.
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、2つの微小共振器のビーム電極同士を機械的に接続することなく、バンドパスフィルタと同等のフィルタ機能を発揮するフィルタ装置を実現することにある。 The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and its object is to provide a filter function equivalent to that of a band-pass filter without mechanically connecting the beam electrodes of two microresonators. It is to realize a filter device that exhibits.
本発明に係るフィルタ装置は、ビーム構造を有する複数の微小共振器をラダー型に電気的に接続した構成となっている。また、本発明に係る送受信機は、上記構成のフィルタ装置を備えたものとなっている。 The filter device according to the present invention has a configuration in which a plurality of microresonators having a beam structure are electrically connected in a ladder shape. The transceiver according to the present invention includes the filter device having the above-described configuration.
本発明に係るフィルタ装置とこれを備える送受信機においては、ビーム構造を有する複数の微小共振器をラダー型に電気的に接続することにより、バンドパスフィルタと同等のフィルタ機能を実現することが可能となる。 In the filter device according to the present invention and a transceiver including the same, it is possible to realize a filter function equivalent to that of a band-pass filter by electrically connecting a plurality of microresonators having a beam structure to a ladder type. It becomes.
本発明によれば、ビーム構造を有する複数の微小共振器をラダー型に電気的に接続することにより、バンドパスフィルタと同等のフィルタ機能を発揮するフィルタ装置を実現することができる。このフィルタ装置においては、微小共振器相互の接続が電気的に行われるため、2つの微小共振器のビーム電極同士を機械的に接続する場合に比較して、フィルタ構造が簡単になるとともに、フィルタ装置の製造が容易になる。したがって、フィルタ装置の小型化、低コスト化並びに信頼性の向上を図ることができる。 According to the present invention, a filter device that exhibits a filter function equivalent to that of a bandpass filter can be realized by electrically connecting a plurality of microresonators having a beam structure in a ladder shape. In this filter device, since the microresonators are electrically connected to each other, the filter structure is simplified and the filter structure is simplified as compared with the case where the beam electrodes of two microresonators are mechanically connected to each other. The device can be manufactured easily. Therefore, the filter device can be reduced in size, cost, and reliability.
以下、本発明の具体的な実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、本発明の実施の形態においては、マイクロマシンの1つであるMEMS素子等の微小素子を用いて構成された、ビーム構造を有する共振器を微小共振器と記述する。 Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that in the embodiment of the present invention, a resonator having a beam structure formed using a microelement such as a MEMS element which is one of micromachines is described as a microresonator.
図1は本発明に用いられる微小共振器の構成例を示すもので、図中(A)は微小共振器の平面図、(B)は微小共振器の側断面図である。図1においては、ベースとなる半導体基板1上に絶縁膜2が形成されている。半導体基板1は例えばシリコン基板によって構成されるもので、絶縁膜2は例えば窒化シリコン膜によって構成されるものである。
FIG. 1 shows a configuration example of a microresonator used in the present invention, in which (A) is a plan view of the microresonator and (B) is a side sectional view of the microresonator. In FIG. 1, an
絶縁膜2上には入力電極3と出力電極4が形成されている。また、入力電極3及び出力電極4の上方には、当該2つの電極3,4に対向する状態でビーム電極5が形成されている。ビーム電極5の両端部は一対の支持部6によって固定状態に支持されている。また、ビーム電極5は、入力電極3及び出力電極4の各電極面との間に微小なギャップを介して、当該入力電極3及び出力電極4を跨ぐ状態に形成されている。また、入力電極3と出力電極4は、ビーム電極5の長さ方向(図1の左右方向)の中心から等距離の位置に配置されている。
An
図2及び図3は本発明に用いられる微小共振器の製造プロセスの一例を示すフロー図である。まず、微小共振器を製造するにあたっては、図2(A)に示すように、シリコン基板等の半導体基板1上に絶縁膜2として、例えば窒化シリコン膜を1μmの厚みで蒸着する。次に、図2(B)に示すように、先ほど形成した絶縁膜2上に、例えば厚さ0.5μmの多結晶シリコン層からなる下部電極層7を蒸着により形成した後、この下部電極層7をフォトリソグラフィ技術によってパターニングすることにより、図2(C)に示すように、上記入力電極3、出力電極4及び一対の支持部6を形成する。
2 and 3 are flowcharts showing an example of a manufacturing process of the microresonator used in the present invention. First, in manufacturing the microresonator, as shown in FIG. 2A, a silicon nitride film, for example, is deposited to a thickness of 1 μm as an
次いで、図2(D)に示すように、半導体基板1の絶縁膜2上に、上記入力電極3、出力電極4及び支持部6を覆う状態で犠牲層8を形成する。この犠牲層8は、例えば二酸化シリコンを0.5μmの厚さで蒸着することにより形成される。次に、図2(E)に示すように、犠牲層8の表面(上面)をCMP(Chemical Mechanical Polishing;化学的機械研磨)法によって平坦化する。
Next, as shown in FIG. 2D, a
続いて、図3(A)に示すように、一対の支持部6上で犠牲層8に開口部(コンタクトホール)9を形成した後、図3(B)に示すように、上記開口部9を埋め込む状態で犠牲層8上に、例えば厚さ0.5μmの多結晶シリコン層からなる上部電極層10を形成する。次いで、図3(C)に示すように、上部電極層10をフォトリソグラフィ技術によってパターニングすることによりビーム電極5を形成する。その後、図3(D)に示すように、フッ酸等の溶剤を用いて犠牲層8を除去することにより、上記図1に示す微小共振器が得られる。
Subsequently, as shown in FIG. 3A, after an opening (contact hole) 9 is formed in the
このような製造プロセスによって得られる微小共振器において、例えば、入力電極3に直流電圧(DC)を印加しつつ周波数信号(RF信号、IF信号等)を入力すると、ビーム電極5と入力電極3との対向部分にクーロン力と総称される静電引力と静電反発力が繰り返し発生する。このうち、静電引力が発生したときはビーム電極5が入力電極3に接近する方向で微小変位し、静電反発力が発生したときはビーム電極5が入力電極3から離間する方向で微小変位する。この繰り返しによりビーム電極5は自身の固有振動数にしたがって共振(振動)し、これに応じてビーム電極5と出力電極4との対向距離も変化する。そのため、出力電極4からは、ビーム電極5の共振周波数に対応した周波数帯域の信号が出力される。
In a microresonator obtained by such a manufacturing process, for example, when a frequency signal (RF signal, IF signal, etc.) is input while applying a direct-current voltage (DC) to the
図4は本発明の実施形態に係るフィルタ装置の構成を示す概略図である。図4においては、信号の入力端(IN)11と出力端(OUT)12との間に2つの微小共振器100,200が直列に接続されている。また、入力端11と出力端12との間には1つの微小共振器300が並列に接続されている。入力端11は、本発明に係るフィルタ装置でフィルタリングの対象とされる周波数信号を入力するための信号端子であり、出力端12は、本発明に係るフィルタ装置でフィルタリングされた周波数信号を出力するための信号端子である。
FIG. 4 is a schematic view showing the configuration of the filter device according to the embodiment of the present invention. In FIG. 4, two
また、各々の微小共振器100,200,300は、いずれも上記製造プロセスによって得られる微小共振器(図1参照)と同様のビーム構造を有するものである。また、直列接続の微小共振器100,200は本発明における第1の微小共振器に相当し、並列接続の微小共振器300は本発明における第2の微小共振器に相当するものとなる。これら3つの微小共振器100,200,300は、入出力端11,12間の信号ラインL1とグランド(GND)に接地されたグランドラインL2、さらにはこれらのラインL1,L2を電気的に接続する中継ラインL3によってラダー型(梯子型)に電気的に接続されている。
Each of the
図5は本発明の実施形態に係るフィルタ装置の構成を示す詳細図である。図5において、微小共振器100は入力電極101と出力電極102とビーム電極103とを有している。同様に、微小共振器200は入力電極201と出力電極202とビーム電極203とを有し、微小共振器300は入力電極301と出力電極302とビーム電極303とを有している。このうち、入力電極101,201,301は上記図1に示す微小共振器の入力電極3に対応し、出力電極102,202,302は上記図1に示す微小共振器の出力電極4に対応する。また、ビーム電極103,203,303は上記図1に示す微小共振器のビーム電極5に対応する。
FIG. 5 is a detailed view showing the configuration of the filter device according to the embodiment of the present invention. In FIG. 5, the
微小共振器100の入力電極101は配線ラインL11を介して入力端11に電気的に接続されている。微小共振器200の出力電極202は配線ラインL12を介して出力端12に電気的に接続されている。また、微小共振器100の出力電極102は配線ラインL13を介して微小共振器200の入力電極201に電気的に接続されている。配線ラインL11,L12,L13は、上記信号ラインL1を形成するものである。
The
一方、微小共振器300の入力電極301は配線ラインL14を介して上記配線ラインL13に電気的に接続されている。また、微小共振器300の出力電極302は配線ラインL15を介してグランドラインL2に接続されている。配線ラインL14,L15は、上記中継ラインL3を形成するものである。
On the other hand, the
上記構成からなるフィルタ装置において、入力端11に直流電圧を印加しつつ周波数信号(RF信号、IF信号等)を入力すると、この入力信号が微小共振器100の入力電極101に与えられる。そうすると、微小共振器100では、入力電極101とビーム電極103との対向部分に働くクーロン力によりビーム電極103が共振し、この共振周波数に対応した周波数信号が出力電極102から出力される。
In the filter device configured as described above, when a DC signal is applied to the
こうして微小共振器100の出力電極102から出力される周波数信号は、並列接続をなす微小共振器300の入力電極301に与えられる。そうすると、微小共振器300では、入力電極301とビーム電極303との対向部分に働くクーロン力によりビーム電極303が共振し、この共振周波数に対応した周波数信号が出力電極302から出力される。
Thus, the frequency signal output from the
このとき、微小共振器100のビーム電極103と微小共振器300のビーム電極303とが、ほぼ同じ周波数で共振するものとすると、各々の微小共振器100,300の周波数特性を示す波形は、互いに共振−反共振の振幅波形を反転した形となる。すなわち、縦軸にSパラメータ(S21)、横軸に周波数をとって各々の微小共振器100,300の周波数特性を表すと、微小共振器100の周波数特性は図6(A)のように表され、微小共振器300の周波数特性は図6(B)のように表される。
At this time, assuming that the
そうした場合、微小共振器200の入力電極201には、各々の微小共振器100,300の周波数特性(図6(A),(B)に示す周波数特性)を合成したかたちの周波数信号が与えられる。これにより、微小共振器200では、入力電極201とビーム電極203との対向部分に働くクーロン力によりビーム電極203が共振し、この共振周波数に対応した周波数信号が出力電極202から出力される。したがって、微小共振器200の周波数特性は、図6(C)のように表される。
In such a case, the
その結果、入力端11に入力された周波数信号は、上記3つの共振器100,200,300による個々の共振作用により伝搬され、ある周波数帯域の信号だけが選択的に出力端12から取り出される。したがって、上記3つの微小共振器100,200,300を電気的にラダー型に接続してフィルタ装置を構成することにより、このフィルタ装置をバンドパスフィルタとして機能させることができる。また、各々の微小共振器100,200,300をインピーダンス要素として考えることにより、個々の微小共振器100,200,300を電気回路の1つの部品と捉えることができる。そのため、電気回路のシミュレーション技術を用いて回路設計を行うことが可能となる。
As a result, the frequency signal input to the
さらに、フィルタ装置を構成する微小共振器の個数や接続形態を変えることにより、種々のフィルタ特性を実現することができる。具体的には、例えば、図7(A)に示すように、入出力端(IN/OUT)間に直列に接続された3つの微小共振器401,402,403と入出力端間に並列に接続された2つの微小共振器404,405による組み合わせや、図7(B)に示すように、入出力端間に直列に接続された1の微小共振器501と入出力端間に並列に接続された2つの微小共振器502,502による組み合わせなどが考えられる。また、図7(C)に示すように、入出力端間に直列に接続された1つの微小共振器601と入出力端間に並列に接続された1つの微小共振器602による組み合わせや、図7(D)に示すように、入出力端間に直列に接続された4つの微小共振器701,702,703,704と入出力端間に並列に接続された2つの微小共振器705,706による組み合わせなども考えられる。
Furthermore, various filter characteristics can be realized by changing the number of microresonators constituting the filter device and the connection form. Specifically, as shown in FIG. 7A, for example, three
また、本発明は、微小共振器を用いたフィルタ装置だけに限らず、このフィルタ装置を用いて構成される携帯電話機、無線LAN機器、テレビチューナー、ラジオチューナーなどの、電磁波を利用して通信する送受信機として提供することも可能である。 The present invention is not limited to a filter device using a microresonator, but communicates using electromagnetic waves such as a mobile phone, a wireless LAN device, a TV tuner, and a radio tuner configured using the filter device. It can also be provided as a transceiver.
11…入力端、12…出力端、100,200,300…微小共振器、101,201,301…入力電極、102,202,302…出力電極、103,203,303…ビーム電極
DESCRIPTION OF
Claims (3)
ことを特徴とするフィルタ装置。 A filter device comprising a plurality of microresonators having a beam structure electrically connected in a ladder shape.
ことを特徴とする請求項1記載のフィルタ装置。 The plurality of microresonators include a first microresonator connected in series between input and output ends of a signal, and a second microresonator connected in parallel between the input and output ends. The filter device according to claim 1, characterized in that:
ことを特徴とする送受信機。
A transceiver comprising a filter device in which a plurality of microresonators having a beam structure are electrically connected in a ladder shape.
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