JP2005318217A - フィルタ装置及び送受信機 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の微小共振器を用いて比帯域幅の広いフィルタ装置を実現する。
【解決手段】平衡入力用の２つの入力端子１１，１２と平衡出力用の２つの出力端子１３，１４との間に、ビーム構造を有する複数の微小共振器１５，１６，１７，１８を電気的にラティス型に接続するとともに、それら複数の微小共振器１５，１６，１７，１８の各々を、共振周波数の異なる複数の共振器を含む共振器群によって構成する。
【選択図】図４

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。

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、マイクロマシンの１つであるＭＥＭＳ(Micro-Electro-Mechanical system;微小電気機械システム)素子を共振器として用いる技術が知られている。

ＭＥＭＳ素子を用いた共振器（以下、微小共振器と記す）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。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（例えば、下記非特許文献１参照）。

High-Q HF Microelectromechanical Filters,「IEEE Journal of Solid-state Circuits」，(米国)，2000年4月，第35巻，第4号，p.512-526

しかしながら、上記非特許文献１に開示されている微小共振器は、Ｑ値が非常に高く、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）してフィルタ装置を構成した場合の比帯域幅が１％以下（文献に記載の数値は０．２３％）と低くなっている。これに対して、フィルタ装置に求められる比帯域幅の多くは２％以上であるため、この要求に応えるには比帯域幅を拡大する必要があった。

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、微小共振器を用いて構成されるフィルタ装置において、比帯域幅の拡大を実現することにある。

本発明に係るフィルタ装置は、平衡入力用の２つの入力端子と平衡出力用の２つの出力端子との間に、ビーム構造を有する複数の微小共振器を電気的にラティス型に接続するとともに、それら複数の微小共振器の各々を、共振周波数の異なる複数の共振器を含む共振器群によって構成したものである。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。

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、２つの入力端子と２つの出力端子との間に、ビーム構造を有する複数の微小共振器をラティス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。また、複数の微小共振器の各々を、共振周波数の異なる複数の共振器を含む共振器群によって構成することにより、フィルタの比帯域幅を広く確保することが可能となる。

本発明によれば、複数の微小共振器を用いて比帯域幅の広いフィルタ装置を実現することができる。

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。

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。

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を跨ぐ状態でブリッジ状に形成されている。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。

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を形成する。この絶縁膜２は、例えば窒化シリコン膜を１μｍの厚みで蒸着することにより形成される。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。

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。

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に示すようなビーム構造を有する微小共振器が得られる。

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。ちなみに、上記直流電流はビーム電極５に印加される場合もある。

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、平衡入力用の２つの入力端子１１，１２と平衡出力用の２つの出力端子１３，１４との間に、複数の微小共振器１５，１６，１７，１８が電気的にラティス型に接続されている。各々の微小共振器１５，１６，１７，１８は、いずれも上記製造プロセスによって得られるビーム構造を有する微小共振器である。入力端子１１，１２には互いに逆位相の周波数信号が入力され、出力端子１３，１４からは互いに逆位相の周波数信号が出力される。

上記複数の微小共振器１５，１６，１７，１８のうち、微小共振器１５は、一方の入力端子１１とこれに対応する一方の出力端子１３との間に直列に接続され、微小共振器１６は、他方の入力端子１２とこれに対応する他方の出力端子１４との間に直列に接続されている。また、微小共振器１７は、上記一方の入力端子１１と上記他方の出力端子１４との間に直列に接続され、微小共振器１８は、上記他方の入力端子１２と上記一方の出力端子１３との間に直列に接続されている。

さらに詳述すると、微小共振器１５の入力電極は配線ラインＬ１１を介して入力端子１１に電気的に接続され、微小共振器１６の入力電極は配線ラインＬ１２を介して入力端子１２に電気的に接続されている。また、微小共振器１７の入力電極は配線ラインＬ１３，Ｌ１１を介して入力端子１１に電気的に接続され、微小共振器１８の入力電極は配線ラインＬ１４，Ｌ１２を介して入力端子１２に電気的に接続されている。

一方、微小共振器１５の出力電極は配線ラインＬ１５を介して出力端子１３に電気的に接続され、微小共振器１６の出力電極は配線ラインＬ１６を介して出力端子１４に電気的に接続されている。また、微小共振器１７の出力電極は配線ラインＬ１７，Ｌ１６を介して入力端子１４に電気的に接続され、微小共振器１８の出力電極は配線ラインＬ１８，Ｌ１５を介して入力端子１３に電気的に接続されている。

ちなみに、複数の微小共振器１５，１６，１７，１８を、それぞれにつながる配線ラインＬ１１〜Ｌ１８とともに同一基板上に形成する場合は、この基板上で配線ラインＬ１７，Ｌ１８又は配線ラインＬ１３，Ｌ１４を交差させる必要がある。そうした場合、例えば、配線ラインＬ１７，Ｌ１８の交差部では、一方の配線ラインＬ１８の配線層を２層構造として、それらの層間をコンタクトホールで電気的に接続することにより、配線ラインＬ１７，Ｌ１８同士を非導通に交差させる。

また、上記複数の微小共振器１５，１６，１７，１８の各々は、共振周波数の異なる複数の共振器を含む共振器群によって構成されている。ここでは、微小共振器１５を例に挙げて共振器群の具体的な構造例を図５に基づいて説明する。図示した微小共振器１５の構成においては、入力端子１１につながる入力電極１５１と出力端子１３につながる出力電極１５２が、それぞれ２つに分岐（１５１Ａ，１５１Ｂ、１５２Ａ，１５２Ｂ）して形成されている。このうち、入力電極１５１Ａと出力電極１５２Ａは互いに対をなして平行に隣り合わせた状態で配置され、入力電極１５１Ｂと出力電極１５２Ｂも互いに対をなして平行に隣り合わせた状態で配置されている。

また、微小共振器１５は、複数（図例では１４個）のビーム電極１５３Ａ〜１５３Ｎを有している。このうち、半数（７個）のビーム電極１５３Ａ〜１５３Ｇは、それぞれ上記入力電極１５１Ａと出力電極１５２Ａを跨ぐ状態でブリッジ状に形成され、残り半数のビーム電極１５３Ｈ〜１５３Ｎは、それぞれ上記入力電極１５１Ｂと出力電極１５２Ｂを跨ぐ状態でブリッジ状に形成されている。これらの入力電極、出力電極及びビーム電極の基本的な位置関係は上記図１の場合と同様である。これにより、入力電極１５１Ａ、出力電極１５２Ａ及びビーム電極１５３Ａの組み合わせで１つの共振器が構成されている。また、入力電極１５１Ａ、出力電極１５２Ａ及び７個のビーム電極１５３Ａ〜１５３Ｇの組み合わせでは７個の共振器が構成され、入力電極１５１Ｂ、出力電極１５２Ｂ及び７個のビーム電極１５３Ｈ〜１５３Ｎの組み合わせでも７個の共振器が構成されている。したがって、微小共振器１５は、合計１４個の共振器からなる共振器群によって構成されている。また、微小共振器１５が備える１４個の共振器は、それぞれ共通の入力電極１５１（１５１Ａ，１５１Ｂ）と出力電極１５２（１５２Ａ，１５２Ｂ）を用いて電気的に並列に接続されている。

ここで、上記１４個の共振器のうち、ビーム電極１５３Ａ，１５３Ｂを用いて構成される２つの共振器の共振周波数をそれぞれ「ｆ１」とし、ビーム電極１５３Ｃ，１５３Ｄ，１５３Ｅを用いて構成される３つの共振器の共振周波数をそれぞれ「ｆ２」とし、ビーム電極１５３Ｆ，１５２Ｇ，１５３Ｈ，１５３Ｉを用いて構成される４つの共振器の共振周波数をそれぞれ「ｆ３」とし、ビーム電極１５３Ｊ，１５３Ｋ，１５３Ｌを用いて構成される３つの共振器の共振周波数をそれぞれ「ｆ４」とし、ビーム電極１５３Ｍ，１５３Ｎを用いて構成される２つの共振器の共振周波数をそれぞれ「ｆ５」とすると、これらの共振周波数は互いに異なる値に設定されている。

例えば、微小共振器１５の共振周波数をｆ３で代表するものとすると、このｆ３を中心として各々の共振器の共振周波数をｆ１＜ｆ２＜ｆ３＜ｆ４＜ｆ５の条件で設定する。具体的な数値を例示すると、ビーム電極１５３Ａ，１５３Ｂを用いた２つの共振器の共振周波数をｆ１＝９９．６ＭＨｚ、ビーム電極１５３Ｃ，１５３Ｄ，１５３Ｅを用いた３つの共振器の共振周波数をｆ２＝９９．８ＭＨｚ、ビーム電極１５３Ｆ，１５２Ｇ，１５３Ｈ，１５３Ｉを用いた４つの共振器の共振周波数をｆ３＝１００ＭＨｚ、ビーム電極１５３Ｊ，１５３Ｋ，１５３Ｌを用いた３つの共振器の共振周波数をｆ４＝１００．２ＭＨｚ、ビーム電極１５３Ｍ，１５３Ｎを用いた２つの共振器の共振周波数をｆ５＝１００．４ＭＨｚに設定する。

各々の共振器の共振周波数については、ビーム電極の長さ又は質量をパラメータとして調整（可変）することができる。すなわち、ビーム電極の長さＬ（図１参照）を長くすると、それにつれて共振器の共振周波数が低くなり、ビーム電極の長さＬを短くすると、それにつれて共振周波数が高くなる。また、ビーム電極の質量を小さくすると、それにつれて共振器の共振周波数が低くなり、ビーム電極の質量を大きくすると、それにつれて共振周波数が高くなる。

したがって、ビーム電極の長さ（ビーム長）をパラメータとして、微小共振器１５の各共振器の共振周波数を上記条件で設定する場合は、ビーム電極１５３Ａ，１５３Ｂの長さ「Ｌ１」と、ビーム電極１５３Ｃ，１５３Ｄ，１５３Ｅの長さ「Ｌ２」と、ビーム電極１５３Ｆ，１５２Ｇ，１５３Ｈ，１５３Ｉの長さ「Ｌ３」と、ビーム電極１５３Ｊ，１５３Ｋ，１５３Ｌの長さ「Ｌ４」と、ビーム電極１５３Ｍ，１５３Ｎの長さ「Ｌ５」の関係を、Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ３＞Ｌ４＞Ｌ５のように設定する。

また、ビーム電極の質量をパラメータとして、微小共振器１５の各共振器の共振周波数を上記条件で設定する場合は、ビーム電極１５３Ａ，１５３Ｂの質量「Ｍ１」と、ビーム電極１５３Ｃ，１５３Ｄ，１５３Ｅの質量「Ｍ２」と、ビーム電極１５３Ｆ，１５２Ｇ，１５３Ｈ，１５３Ｉの質量「Ｍ３」と、ビーム電極１５３Ｊ，１５３Ｋ，１５３Ｌの質量「Ｍ４」と、ビーム電極１５３Ｍ，１５３Ｎの質量「Ｍ５」の関係を、Ｍ１＜Ｍ２＜Ｍ３＜Ｍ４＜Ｍ５のように設定する。

ちなみに、ビーム電極の長さは、微小共振器の設計段階で任意に調整可能である。また、ビーム電極の質量は、微小共振器の設計段階や電極成膜プロセスの膜厚制御、或いはレーザトリミングでビーム電極の一部を削り落とすことで調整可能である。

また、上記図５においては、同じ共振周波数をもつ共振器同士を隣り合わせに配置しているが、共振器の配列順序は任意に変更可能である。ただし、共振器群における共振周波数の分布としては、周波数分布の中心となる共振周波数（上記の例ではｆ３）を基準として、当該基準周波数からほぼ均等に（等しい間隔で）共振周波数を分布させるとともに、基準周波数で共振する共振器の個数を最も多く設定し、その基準周波数から共振周波数がずれるにしたがって共振器の個数が段階的に少なくなるように設定することが望ましい。

ここで、微小共振器１５を構成する共振器群の各共振器の共振周波数（ｆ１〜ｆ５）を仮に全て同じ値（例えば、１００ＭＨｚ）に設定したとすると、この微小共振器１５の共振特性は図６（Ａ）のようになる。これに対して、微小共振器１５を構成する共振器群の各共振器の共振周波数（ｆ１〜ｆ５）を上記条件（ｆ１＝９９．６ＭＨｚ、ｆ２＝９９．８ＭＨｚ、ｆ３＝１００ＭＨｚ、ｆ４＝１００．２ＭＨｚ、ｆ５＝１００．４ＭＨｚ）で設定した場合は、図６（Ｂ）に示すように、各共振器の共振周波数の分布に応じて複数の共振点がｆ１〜ｆ５の周波数帯域に同時に現れる。そのため、共振周波数の最小値ｆ１と最大値ｆ５の間の周波数帯域で共振点が全体的に丸められたかたちとなる。このとき、共振周波数の分布と共振器の個数を上述の関係で設定することにより、ｆ１〜ｆ５の周波数帯域に現れる共振点を極力歪ませずに円弧形状に丸めることができる。

このような微小共振器１５の構成は、他の微小共振器１６，１７，１８にも同様に適用される。そして、入力端子１１と出力端子１３との間に直列接続される微小共振器１５と、入力端子１２と出力端子１４との間に直列接続される微小共振器１６は、互いに同じ共振周波数に設定される。また、入力端子１１と出力端子１４との間に直列接続される微小共振器１７と、入力端子１２と出力端子１３との間に直列接続される微小共振器１８も、互いに同じ共振周波数に設定される。ただし、微小共振器１５，１６の共振周波数と微小共振器１７，１８の共振周波数は互いに異なる周波数に設定される。例えば、微小共振器１５，１６の共振周波数をそれぞれ「Ｆ１」とし、微小共振器１７，１８の共振周波数をそれぞれ「Ｆ２」とすると、Ｆ１＞Ｆ２の関係（例えば、Ｆ１＝１００ＭＨｚ、Ｆ２＝９８ＭＨｚ）に設定される。

したがって、微小共振器１６を構成する共振器群の各共振器の共振周波数（ｆ１〜ｆ５）は微小共振器１５の場合と同様に設定されるものの、微小共振器１７を構成する共振器群の各共振器の共振周波数（ｆ１〜ｆ５）や微小共振器１８を構成する共振器群の各共振器の共振周波数（ｆ１〜ｆ５）は、例えば、上記ｆ１＜ｆ２＜ｆ３＜ｆ４＜ｆ５の条件にしたがって、ｆ１＝９７．６ＭＨｚ、ｆ２＝９７．８ＭＨｚ、ｆ３＝９８ＭＨｚ、ｆ４＝９８．２ＭＨｚ、ｆ５＝９８．４ＭＨｚに設定される。

上記構成からなるフィルタ装置を動作させる場合は、上記２つの入力端子１１，１２（又は上記複数の微小共振器１５，１６，１７，１８の各ビーム電極）に直流電圧を印加した状態で、２つの入力端子１１，１２に互いに逆位相の周波数信号（ＲＦ信号、ＩＦ信号等）を入力する。そうすると、入力端子１１から入力された周波数信号が微小共振器１５，１７の各入力電極に与えられるとともに、入力端子１２から入力された周波数信号が微小共振器１６，１８の各入力電極に与えられる。これにより、各々の微小共振器１５，１６，１７，１８では、それぞれに対応するビーム電極が自身の固有振動数にしたがって共振し、この共振周波数に対応した周波数信号が、それぞれに対応する出力電極から取り出される。このとき、微小共振器１５，１８の各出力電極から取り出される周波数信号は出力端子１３から出力され、微小共振器１６，１７の各出力電極から取り出される周波数信号は出力端子１４から出力される。

こうして２つの出力端子１３，１４から出力される周波数信号の周波数帯域は、上記２つの微小共振器１５，１６の共振周波数Ｆ１と、上記２つの微小共振器１７，１８の共振周波数Ｆ２とに対応したものとなる。また、各々の微小共振器１５，１６，１７，１８の共振特性は図６（Ｂ）のようになり、これらの微小共振器１５，１６，１７，１８をラティス型に組み合わせた（電気的に接続した）場合のフィルタ特性は、各々の微小共振器１５，１６，１７，１８の共振周波数（中心周波数）Ｆ１，Ｆ２に対応して図６（Ｃ）のように広く平坦な信号透過帯域Ｆｗを有するものとなる。そのため、フィルタ装置の信号透過特性として比帯域幅を広く確保することができる。その結果、複数の微小共振器の組み合わせにより、比帯域幅が２％以上のフィルタ装置を実現することが可能となる。

また、２つの微小共振器のビーム電極同士を機械的に接続せずに、微小共振器相互の電気的な接続だけで、バンドパスフィルタと同等のフィルタ機能をもつフィルタ装置を実現することができる。したがって、フィルタ装置の小型化、低コスト化及び高信頼化を図ることができる。

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装置、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。

本発明に用いられる微小共振器の構成例を示す図である。 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（その１）である。 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（その２）である。 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。 本発明の実施形態で採用した微小共振器の内部構造を示す概略平面図である。 微小共振器の共振特性とフィルタ装置の信号透過特性を示す図である。

符号の説明

１１，１２…入力端子、１３，１４…出力端子、１５，１６，１７，１８…微小共振器、１５１（１５１Ａ，１５１Ｂ）…入力電極、１５２（１５２Ａ，１５２Ｂ）…出力電極、１５３Ａ〜１５３Ｎ…ビーム電極

Claims (4)

1. 平衡入力用の２つの入力端子と平衡出力用の２つの出力端子との間に、ビーム構造を有する複数の微小共振器を電気的にラティス型に接続するとともに、
   前記複数の微小共振器の各々を、共振周波数の異なる複数の共振器を含む共振器群によって構成してなる
   ことを特徴とするフィルタ装置。
2. 前記共振器群は、ビーム長が異なる複数のビーム電極を有する
   ことを特徴とする請求項１記載のフィルタ装置。
3. 前記共振器群は、ビーム質量が異なる複数のビーム電極を有する
   ことを特徴とする請求項１記載のフィルタ装置。
4. 平衡入力用の２つの入力端子と平衡出力用の２つの出力端子との間に、ビーム構造を有する複数の微小共振器を電気的にラティス型に接続するとともに、
   前記複数の微小共振器の各々を、共振周波数の異なる複数の共振器を含む共振器群によって構成してなるフィルタ装置を備える
   ことを特徴とする送受信機。
   

Images