JP2008536308A

JP2008536308A - 可変フィルタ用のインターデジット型駆動電極を有するコラプシングジッパー型バラクタ

Info

Publication number: JP2008536308A
Application number: JP2008504233A
Authority: JP
Inventors: チョウ，ツン−クアン
Original assignee: インテルコーポレイション
Priority date: 2005-03-29
Filing date: 2006-03-24
Publication date: 2008-09-04
Anticipated expiration: 2026-03-24
Also published as: US20060226501A1; TW200703389A; WO2006105031A1; JP4885209B2; US7319580B2; TWI301990B; EP1864307A1

Abstract

微小電気機械（ＭＥＭＳ）スイッチが開示される。このＭＥＭＳスイッチは、基板（205）、基板上に備えられた複数の駆動電極（230）、基板上に備えられた複数の底部電極（210）、２つ以上の底部電極（210）に備えられた部分成分群を有するキャパシタ（C1、C2、C3）、及び基板上に備えられた屈曲可能な頂部電極（215）を含んでいる。頂部電極（215）は、駆動電極（230）の１つ以上に第１の電圧が印加されたとき、駆動電極（230）側に第１の大きさだけつぶれ、駆動電極（230）に第２の電圧が印加されたとき、駆動電極（230）側に第２の大きさだけつぶれる。

Description

本発明は、概して微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）に関し、より具体的にはＭＥＭＳバラクタに関する。

微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスは多様な用途を有しており、市販製品として広く普及している。ＭＥＭＳデバイスの１つの種類はＭＥＭＳバラクタ（可変キャパシタ）である。ＭＥＭＳのＲＦバラクタは、無線システムの能力を高めるにＲＦフィルタの周波数同調に使用され得る。可変ＲＦフィルタは、フィルタ回路内に配置された１つ又は複数のＭＥＭＳバラクタを含んでいる。ＭＥＭＳバラクタは、その低電力特性と無線周波数帯域で動作できることとにより、無線デバイスに理想的である。ＭＥＭＳのＲＦバラクタは、携帯電話、無線コンピュータネットワーク、通信システム、及びレーダーシステムでの利用が期待されている。無線デバイスにおいては、ＭＥＭＳのＲＦバラクタは可変アンテナ、可変フィルタバンク等に使用され得る。

ＭＥＭＳバラクタは、例えば可変フィルタ等のＲＦ用途のための容量調整を実現する解法を提供するように実装されてもよい。大抵のバラクタは単一のギャップ（隙間）を含んでおり、それがチューニング率（ratio）を制限している。故に、ギャップはキャパシタと作動領域との双方で同一である。このような構造は製造が容易であるという利点を有する。しかしながら、頂部電極を空隙のおよそ１／３まで下方に動かすと“引き込み（pull-in）”が起こる。引き込みは急激な容量増加を引き起こすので、連続的なチューニング用途ではこの点を超えて用いることができない。

本発明は、インターデジット型駆動電極を有するコラプシングジッパー型バラクタを提供することを目的とする。

本発明の一態様に従った微小電気機械（ＭＥＭＳ）バラクタは：
基板；
前記基板上に備えられた複数の駆動電極；
前記基板上に備えられた複数の底部電極；
２つ以上の前記底部電極に備えられた部分成分群を有するキャパシタ；及び
前記基板上に備えられた屈曲可能な頂部電極であり、前記駆動電極の１つ以上に第１の電圧が印加されたとき、前記駆動電極側に第１の大きさだけつぶれ、前記駆動電極に第２の電圧が印加されたとき、前記駆動電極側に第２の大きさだけつぶれる頂部電極；
を有する。

本発明の他の一態様に従った方法は：
微小電気機械（ＭＥＭＳ）バラクタの１つ以上の駆動電極に第１の電圧を印加する段階；
前記第１の電圧が印加されたことに応答して、屈曲可能な頂部電極が前記駆動電極側に第１の大きさだけ屈曲する段階；
前記第１の電圧を増大させることにより、前記１つ以上の駆動電極に第２の電圧を印加する段階；及び
前記第２の電圧が印加されたことに応答して、前記頂部電極が前記駆動電極側に第２の大きさだけ屈曲する段階；
を有する。

本発明の他の一態様に従った無線通信用可変フィルタシステムは：
１つ以上のインダクタ；並びに
前記インダクタに結合された微小電気機械（ＭＥＭＳ）バラクタであり：
基板；
前記基板上に備えられた複数の駆動電極；
部分成分群を有するキャパシタ；及び
前記基板上に備えられた屈曲可能な頂部電極であり、前記駆動電極の１つ以上に第１の電圧が印加されたとき、前記駆動電極側に第１の大きさだけつぶれ、前記駆動電極に第２の電圧が印加されたとき、前記駆動電極側に第２の大きさだけつぶれる頂部電極；
を有するバラクタ；
を有する。

本発明は、以下の詳細な説明と、本発明の様々な実施形態を示す添付の図面とから、より完全に理解される。しかしながら、図面は説明及び理解のためだけのものであり、本発明を特定の実施形態に限定するものと解されるべきではない。

ＭＥＭＳスイッチ用のジッパー型バラクタについて説明する。この明細書における“一実施形態”又は“ある実施形態”への言及は、その実施形態に関連して述べられる特定の特徴、構造又は特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。故に、この明細書の様々な箇所で“一実施形態において”又は“ある実施形態において”という言いまわしが現れることは、必ずしも、全てが同一の実施形態について言及しているわけではない。

以下の説明においては、多数の具体的詳細事項が説明される。しかしながら、当業者に明らかであるように、本発明はこれら具体的詳細事項を用いずに実施されてもよい。また、周知の構造やデバイスは、本発明を不明瞭にしないよう、ブロック図の形態で示し詳細には示さないこととする。

図１は一実施形態に係る無線システム100を示している。システム100はＲＦフィルタ150を含んでいる。一実施形態において、ＲＦフィルタ150は幾つかの特定のインダクタ及びキャパシタで構築されており、所望の周波数帯域で特有のＲＦフィルタリング特性を示す。無線用途の場合、システム100の性能及び機能を高めるために、様々な周波数帯域を有する幾つかのフィルタが実装される。可変フィルタとして示されているが、ＲＦフィルタはその他の種類のフィルタ（例えば、固定帯域フィルタ）として実装されてもよい。

一実施形態によれば、ＭＥＭＳバラクタはキャパシタを提供するようにフィルタ150内に含まれている。この一実施形態においては、バラクタの静電容量は、フィルタ150を別の周波数帯域に同調するような所望値群に調整される。ＭＥＭＳバラクタには電圧源制御器120が電気的に接続されている。

一実施形態において、電圧源制御器120は、スイッチ150を選択的に作動させるようにフィルタ150内の駆動電極（図示せず）に電圧を選択的に供給するためのロジックを含んでいる。受信器130は、アンテナ110を介してシステム100にて受信された信号を処理する。送信器140は、システム100から送信される信号を生成する。

図２Ａは一実施形態に係るＲＦのＭＥＭＳバラクタ200を示しており、図２Ｂは一実施形態に係るバラクタ200の回路図を示している。バラクタ200は基板／誘電体205、基板205上に積層された底部電極210、及び基板205に取り付けられた頂部電極215を含んでいる。電極215は受信される信号、又は150から送信されるＲＦ信号（“Vs”）を携えている。一実施形態によれば、電極215は厚い金属（例えば、金）を含む屈曲可能／可動な導電性ビーム（梁）である。

駆動電極230も含まれている。駆動電極230は基板205に取り付けられており、充電された（駆動された）ときに信号が電極215から伝わることを可能にする。一実施形態において、駆動電極230は相互に噛み合わされたインターデジット型駆動電極であり、アナログの印加電圧に同時に接続されて駆動されるか、個々のデジタルの印加電圧により別々に駆動されるかし得る。さらに、バラクタ200がつぶれた状態（collapsed state）にあるときに電極215と電極230との間に所定のギャップを維持するよう、ストッパ220が含まれている。

更なる一実施形態においては、駆動電極230は電極215の下で幾つかの指状部（digit）を用いて配分されている。各電極230は異なる大きさを有していてもよい。駆動領域は物理的なストッパ220を用いて構築されており、作動中につぶれてジッパーを閉めるような動作を可能にする。このような方法では絶縁体が使用されないので、直流（ＤＣ）駆動充電が回避される。

屈曲可能電極215のつぶれる（コラプシング）動作は、駆動電極230への印加電圧に依存する。上述のように、インターデジット型駆動電極230は、アナログ電圧によって同時に接続・駆動されるか、個々のデジタル電圧によって完全に分離されるかの何れでもよい。様々な実施形態において、アナログ駆動電圧はシステム構成の問題により利用できない。故に、複数の指状部を有する電極は分離された一定のデジタル電圧を用いて多段動作を可能にする。

バラクタ200には、その上面図である図３に示されるように、複数の駆動電極の間で配分された幾つかの部分キャパシタを並列に含む１つのキャパシタが含まれている。部分キャパシタ（この実施形態においてはＣ１、Ｃ２及びＣ３）は相異なる大きさを有している。Ｃ１キャパシタは最小サイズを有しており、電極215の最小のバネ定数（k1）に対応するように配置されている。何故なら、最小のキャパシタは最小の自己駆動力を有しており、ＲＦ信号により作り出されるこの力に耐えるのには小さいk1定数で十分だからである。

更なる一実施形態においては、Ｃ３キャパシタは最大であり、この大きいキャパシタによる一層大きい自己駆動力にバネの力が耐え得るように、電極215の最大のバネ定数（k3）に対応するように配置されている。このような構成により、ＲＦ信号により誘起されるキャパシタ領域の不所望の自己駆動が抑制される。

図４は、他の一実施形態に係るＲＦのＭＥＭＳバラクタ200の断面図を示している。この実施形態においては、誘電体層330が各電極210上に堆積されており、総静電容量を増大させるようにキャパシタに結合されている。

図５は、コラプシングジッパー型バラクタの駆動中におけるバラクタ200の一形態を示している。図５に示されるように、電極215は駆動され、先端が第１の駆動電極230(A)上でつぶれている。その結果、頂部の板状電極215の屈曲に伴って空隙が狭くされたことにより、Ｃ１及びＣ２の双方（Ｃ３についても僅かに）の静電容量は増大されている。

一実施形態によれば、全ての電極230が単一のアナログ駆動電圧（Va）に接続されている場合（すなわち、V1=V2=V3=Vaである場合）、静電容量の変化は連続的である。図５の実施形態は、例えばV1=Vb、V2=0、V3=0等の、選択的なデジタル駆動法によって実現されてもよい。V1=Vbにより、ビーム電極215は図５に示されるように梁の先端でつぶされる。

図６は、コラプシングジッパー型バラクタの駆動中におけるバラクタ200の他の一形態を示している。全ての駆動電極230が接続されている場合（例えば、V1=V2=V3=Vaである場合）、駆動電圧の増大によって、図６に示されるように、梁の固定部方向へのジッパー締め動作を伴う頂部ビーム電極215の更なるつぶれがもたらされる。Ｃ１キャパシタはその最大値に到達しており、総静電容量の増加にこれ以上は寄与しない。

静電容量の増大はキャパシタＣ２及びＣ３により続けられる。梁215のバネ定数はジッパー締め動作が続くにつれて増大するが、Ｃ２キャパシタは大きさ的に大きいので総静電容量は依然として線形に増大し得る。図６に示された現象はまたデジタル駆動法において、例えばV1=V2=Vb、V3=0のように、図５に対して駆動電極230(B)にも電圧印加することによって実現されてもよい。なお、例示されたバラクタの静電容量は物理的なストッパ220から定められる空隙によって決定される。ストッパ220の高さが低くされる場合、総静電容量は増大される。

図７は、コラプシングジッパー型バラクタの駆動中におけるバラクタ200の更に他の一形態を示している。全ての駆動電極230が接続されている場合（例えば、V1=V2=V3=Vaである場合）、駆動電圧が増大し続けるにつれて、図７に示されるように頂部ビーム電極215は更につぶれ、最大の部分キャパシタＣ３が静電容量の更なる増大に大きく寄与する。デジタル駆動法の場合、図７に示された現象は、例えばV1=V2=V3=Vbのように、全ての電極が電圧印加されるときに実現される。

図８は、コラプシングジッパー型バラクタのシミュレーション結果の一例を例示するグラフである。図８に示されるように、静電容量は約0.28pFから約0.84pFまでの範囲である。チューニング比は約3であり、同様の製造容易性を有する伝統的な単一ギャップ型バラクタのそれより遙かに大きい。なお、このシミュレーションにおいてはストッパ220の高さとして0.1μmを用いた。ストッパ220の高さの低減に伴い、総静電容量は1pFを上回り得る。最適化はされていないが、このシミュレーション結果は印加電圧に対する静電容量の高い線形性をも示している。

図９は、ＲＦのＭＥＭＳバラクタ200の他の一実施形態の断面図を示しており、この実施形態においては、超低電圧（＜3V）駆動を実現するために頂部ビーム電極215は低い応力勾配のポリシリコンで形成される。この実施形態においては、低電圧駆動のために頂部ビーム215の主作動要素が低応力勾配のポリシリコンから成っている。

また、駆動電極230の上方ではない電極215の部分は（例えば、低抵抗率のために）金属950から成っており、静電容量の高い品質係数を有するように依然として使用される。なお、この場合の電極215（ポリシリコン）はもはや、ＲＦ信号経路の部分としては使用されない。電極215はバラクタ200の担持構造であり且つ作動電極である。駆動機構は先述の金属ビームスイッチと同一である。図９Ｂは、図９Ａに示されたバラクタ200の回路図の一例を示しており、図１０は、ポリシリコンから成る頂部ビーム電極215を有するバラクタ150の上面図を例示している。

図１１は、ＲＦのＭＥＭＳバラクタ200の更に他の一実施形態の断面図を示している。この実施形態においては、頂部電極215が両側で固定された両持ち（clamp-clamp）梁式コラプシングジッパー型バラクタが提供されている。このような実施形態においては、コラプシングジッパー締め動作は、上述の実施形態に関連して説明された片持ち梁（cantilever）式バラクタでは頂部ビーム215の端部から起こっていたのと対照的に、頂部ビームの中央部から起こる。

図１２は、ＲＦのＭＥＭＳバラクタ200の更に他の一実施形態の断面図を示しており、図９Ａ、９Ｂ及び１０にて説明されたポリシリコンの頂部ビーム電極215を有する両持ち梁式コラプシングジッパー型バラクタが提供されている。

上述のバラクタは、高いチューニング比を実現するために、頂部の屈曲可能プレートとインターデジット型駆動電極とを有する並列キャパシタを具備している。頂部の可動／屈曲可能プレートは駆動電極により駆動され、ジッパー締め動作を伴って底部電極側につぶれる。静電容量の変化量は、全ての駆動電極への電圧を同時に変化させること、又は分離された（インターデジット型）駆動電極にデジタル的に一定電圧を印加することの何れかにより達成される。

コラプシングジッパー締め動作により、静電容量の調整はつぶれる領域の増大と共に連続的に増大する。インターデジット型駆動電極構成により、各電極は必要な駆動電圧を低減するように個々に大きさを最適化されることができる。さらに、キャパシタは頂部プレートの位置に応じて様々な大きさを有する複数のプレートに分割されている。別個のキャパシタの大きさは、静電容量を線形に増大させるため、また、キャパシタを横切るＲＦ信号による自己駆動を抑制するため、最適化されることが可能である。

以上の説明を読むことによって当業者には本発明の数多くの代替例及び変形例が明らかになるであろう。しかしながら、例として説明された如何なる特定の実施形態も限定的に解されるものでは決してないことは理解されるべきである。故に、様々な実施形態の詳細事項への言及は、本発明であると見なされる特徴のみを列挙する特許請求の範囲を限定するものではない。

無線通信システムの一実施形態を例示する図である。ＭＥＭＳバラクタの一実施形態を例示する断面図である。ＲＦのＭＥＭＳバラクタの一実施形態を例示する回路図である。ＲＦのＭＥＭＳバラクタの一実施形態を例示する上面図である。ＲＦのＭＥＭＳバラクタの他の一実施形態を例示する断面図である。ＲＦのＭＥＭＳバラクタの他の一実施形態を例示する断面図である。ＲＦのＭＥＭＳバラクタの他の一実施形態を例示する断面図である。ＲＦのＭＥＭＳバラクタの他の一実施形態を例示する断面図である。シミュレーション結果の一例を示すグラフである。ＲＦのＭＥＭＳバラクタの他の一実施形態を例示する断面図である。ＲＦのＭＥＭＳバラクタの他の一実施形態を例示する回路図である。ＲＦのＭＥＭＳバラクタの一実施形態を例示する上面図である。ＲＦのＭＥＭＳバラクタの他の一実施形態を例示する断面図である。ＲＦのＭＥＭＳバラクタの他の一実施形態を例示する断面図である。

Claims

基板；
前記基板上に備えられた複数の駆動電極；
前記基板上に備えられた複数の底部電極；
２つ以上の前記底部電極に備えられた部分成分群を有するキャパシタ；及び
前記基板上に備えられた屈曲可能な頂部電極であり、前記駆動電極の１つ以上に第１の電圧が印加されたとき、前記駆動電極側に第１の大きさだけつぶれ、前記駆動電極に第２の電圧が印加されたとき、前記駆動電極側に第２の大きさだけつぶれる頂部電極；
を有する微小電気機械（ＭＥＭＳ）バラクタ。
前記キャパシタの静電容量を増大させるように、前記複数の底部電極上に堆積された誘電体層を更に有する請求項１に記載のバラクタ。
前記頂部電極と前記駆動電極との間に所定のギャップを維持するように、前記頂部プレートに備えられたストッパを更に有する請求項２に記載のバラクタ。
前記頂部電極は前記第１の電圧が印加されたとき、第１の駆動電極の位置で作動させられ、第２の駆動電極の位置で作動させられない、請求項１に記載のバラクタ。
前記頂部電極は前記第２の電圧が印加されたとき、前記第１の駆動電極及び前記第２の駆動電極の位置で作動させられる、請求項４に記載のバラクタ。
前記駆動電極はインターデジット型駆動電極である、請求項１に記載のバラクタ。
前記駆動電極の各指状部に同時に電圧が印加される、請求項６に記載のバラクタ。
前記駆動電極の各指状部に別々に電圧が印加される、請求項６に記載のバラクタ。
前記頂部ビームは金属から成る、請求項１に記載のバラクタ。
前記頂部ビームはポリシリコンと金属とから成る、請求項１に記載のバラクタ。
前記頂部ビームは両持ち梁である、請求項１に記載のバラクタ。
前記キャパシタの各部分成分は異なる静電容量値を有する、請求項１に記載のバラクタ。
微小電気機械（ＭＥＭＳ）バラクタの１つ以上の駆動電極に第１の電圧を印加する段階；
前記第１の電圧が印加されたことに応答して、屈曲可能な頂部電極が前記駆動電極側に第１の大きさだけ屈曲する段階；
前記第１の電圧を増大させることにより、前記１つ以上の駆動電極に第２の電圧を印加する段階；及び
前記第２の電圧が印加されたことに応答して、前記頂部電極が前記駆動電極側に第２の大きさだけ屈曲する段階；
を有する方法。
前記第２の電圧を増大させることにより、前記１つ以上の駆動電極に第３の電圧を印加する段階；
前記第３の電圧が印加されたことに応答して、前記頂部電極が前記駆動電極側に第３の大きさだけ屈曲する段階；
を更に有する請求項１３に記載の方法。
前記頂部電極が第１の大きさだけ屈曲する前記段階は、前記頂部電極が第１の駆動電極の位置で作動させられ、第２の駆動電極の位置で作動させられないことを有する、請求項１３に記載の方法。
前記頂部電極が第２の大きさだけ屈曲する前記段階は、前記頂部電極が前記第１の駆動電極及び前記第２の駆動電極の位置で作動させられることを有する、請求項１５に記載の方法。
１つ以上のインダクタ；並びに
前記インダクタに結合された微小電気機械（ＭＥＭＳ）バラクタであり：
基板；
前記基板上に備えられた複数の駆動電極；
部分成分群を有するキャパシタ；及び
前記基板上に備えられた屈曲可能な頂部電極であり、前記駆動電極の１つ以上に第１の電圧が印加されたとき、前記駆動電極側に第１の大きさだけつぶれ、前記駆動電極に第２の電圧が印加されたとき、前記駆動電極側に第２の大きさだけつぶれる頂部電極；
を有するバラクタ；
を有する無線通信用可変フィルタシステム。
前記駆動電極はインターデジット型駆動電極である、請求項１７に記載のシステム。
前記駆動電極の各指状部に同時に電圧が印加される、請求項１８に記載のシステム。
前記駆動電極の各指状部に別々に電圧が印加される、請求項１８に記載のシステム。