JP5136134B2 - バンドパスフィルタ装置、その製造方法、テレビジョンチューナおよびテレビジョン受信機 - Google Patents
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Description
高品位地上波TV受信機のチューナのように、幅広い周波数領域から所望のチャンネル(特に一律のバンド幅の場合、広範囲な周波数帯域で比帯域(%)が大きく変動)を選択する方法として、現在、最も広く利用されているのが、外部の部品のコイル(L)とコンデンサ(C)の可変による周波数選択フィルタ(filter)方式である。
このようにTV受信機やラジオ受信機などのチューナの周波数選択フィルタは、コイルとコンデンサを接続した共振回路で構成されている。
共振回路は、コイル(L)とコンデンサ(C)が並列接続された回路であり、その共振周波数は、f=1/(2π√(LC))という式で与えられる。(ただし、Lの単位はH(ヘンリー)、Cの単位はF(ファラッド)である)。
特にTV受信機の場合、VHF帯からUHF帯と幅広い周波数領域においてチャンネルを選択することになる。このため、周波数領域ごとに最適なコイル(インダクタンス)の選択が必要となり、多数の外部コイルを採用することが多い。これは、同一コイルを用いて幅広い周波数領域の全てで共振回路を構成すると、周波数領域ごとにチャネルフィルタの通過帯域幅が大きく変動するためである。
上記の様なコイル、コンデンサ等の外部部品を一切使用せず、優れた特性の実現が有望視されている技術がある。その技術に、半導体製造プロセスによるウエハ上で製造可能な「マイクロ電気機械システム(MEMS:Micro Electro Mechanical Systems)共振子」もしくは「薄膜圧電共振子」を利用したバンドパスフィルタがあげられる。これらのチップ上に形成された共振子を用いて、現在のチューナのチューナブルシステムに代わりに、全てのチャンネルをチップ上に配列し、スイッチ選択する方式の開発が進んでいる。
ただし、共振子を複数積層するため、ウエハ上に一括して形成する技術ではない。そのため、工程数が増加し複雑になるので、製造コストの増加が懸念されるため、実用的ではない。
しかしながら、共振周波数の変動幅は極めて限られており(数%程度)、実際のTVチャンネルの周波数域(VHF帯(174〜240MHz)からUHF帯(470〜862MHz))の全域に対応できる技術ではない。
外部部品(例えば、外付けコイル)を利用したフィルタ方式の問題点は、受信性能の要求からは所望のチャネルのみを選択するフィルタ特性が望まれている。
しかしながら、コイルとコンデンサを接続した共振回路によるフィルタの原理的な周波数選択性の特性には限界があり、隣接チャンネルのノイズ信号の影響により高画質の受信の制約を受けている。
また一方で、前述のごとく、コイルとコンデンサの共振回路によるフィルタ方式では、周波数領域ごとにコイルの値が最適化されていないと、以下のような問題が発生する。例えば、チャンネルフィルタの通過帯域幅が大きく変動するため、多数のコイル部品を使用するようになり、製造コストの低減化に大きな障害となる。
このため、横方向の共振モード(マスクの寸法で共振周波数を設計する方式で、代表的に面積振動/すべり振動/伸び振動)を採用することが極めて実用的であることは明らかである(図29参照)。
圧電材料を採用しないMEMS共振子では、電気機械結合係数(k^2)は0.5%程度が限界とされている。
またそれらの横方向の共振モードによるフィルタで比帯域幅1.70%も達成できていない(例えば、非特許文献1乃至16を参照。)。
TVチャンネル向けのフィルタを半導体製造プロセスによって、ウエハ上の圧電共振子により形成するバンドパスフィルタで実現するためには、下記の問題点が存在する。
幅広い周波数領域(VHF帯〜UHF帯)へ対応することができていない。および、一定のバンド幅固定のチャンネル選択ができるバンドパスフィルタでは、周波数領域の変動とともに変化する広い比帯域の全域を対象とする共振子素子を、ウエハ上の1チップに一括同時形成するような実用的な方法が提案されず実現できていない。
このバンドパスフィルタでは、周波数領域の変動とともに変化する比帯域幅(%)は、例えば全世界の地上波デジタル放送では、11.1%〜0.74%である。それらの幅広い比帯域の全域対象を実現するには、共振子素子の電気機械結合係数が9.09%〜0.60%が必要である。
しかしながら、そのような共振子素子をウエハ上の1チップに一括同時形成するような実用的な方法は実現できていない。ただし、特定の比帯域幅のみを実現することは可能となっている。
一般にこれまでの多くのウエハ上に形成される共振子による電気的な結合によるフィルタ構成では、フィルタを構成している1共振素子を1振動子で全て構成している。これは振動子の設計が共振素子の設計と一致するため、極めてフィルタ設計が簡素化でき、かつ容易であるためである。しかしながら、一方で、インピーダンスの整合(50Ω〜150Ω)が極めて困難な問題を抱えており、その結果としてフィルタの通過領域の大きな損失を招いている。
また、この圧電膜111の下面に接する第1電極112と、圧電膜111の上面に接し、上記第1電極112と重なる部分を有する第2電極113とを有している。上記第1電極112、第2電極113は、例えばモリブデン膜で形成されている。
上記圧電膜111は、複数に分割されていてもよい。各分割された圧電膜111の部分が、それぞれマイクロ共振子27となる。
これらの第1電極112および第2電極113を含む上記圧電膜111の傾斜面を有する領域には上記下部空間121に通じる第1貫通孔114が形成されている。また上記圧電膜111の上面側傾斜面には、上部空間122を形成するもので、上部空間122に通じる第2貫通孔116が形成された上部空間形成膜115が形成されている。
さらに、上記第1貫通孔114を塞ぐように第1封止層117が形成され、上記第2貫通孔116を塞ぐように第2封止層118が形成されている。この第1封止層117は、その一部が上記第1貫通孔114を通じて下地の基板110に接触するように形成されている。また、この第2封止層118は、その一部が上記第2貫通孔116を通じて下地の圧電膜111に接触するように形成されている。
さらに上記配線135〜137を被覆する絶縁膜138、139が形成されている。この絶縁膜138、139には、上記コンタクト133、134に接続する配線135、136に通じる接続孔140、141が形成されている。
例えば、圧電共振器21、22、23は共振モードの長さが例えばfr=477.30MHzで、窒化アルミニウムからなる圧電膜長L=8.736μm、容量面積(=マイクロ共振子27の総面積)SC=89772.9μm2、窒化アルミニウムからなる圧電膜111の厚さta=1000nm、圧電膜上部のモリブデンからなる第1電極112の膜厚t1=334nm、圧電膜下部のモリブデンからなる第2電極113の膜厚t2=334nmのように設計される。
また、圧電共振器24、25、26は共振モードの長さが例えばfr=471.8MHzで、窒化アルミニウムからなる圧電膜長L=8.864μm、容量面積(=マイクロ共振子27の総面積)SC=126958.1μm2、窒化アルミニウムからなる圧電膜の厚さta=1000nm、圧電膜上部のモリブデンからなる第1電極112の膜厚t1=334nm、圧電膜下部のモリブデンからなる第2電極113の膜厚t2=334nmのように設計される。
図9はフィルタを構成する長さモードの共振子の共振特性を示し、それらにより回路構成されたフィルタ帯域通過特性を図10に示し、さらに図11に隣接チャンネル(Channel)の減衰特性を示す。また図10、図11に示すように、隣接した周波数の周波数特性は、さらに広域の周波数であっても、同様な周波数特性を示す。すなわち、バンド幅だけずらした状態で同様な波形を得る。
上記周波数特性は、中心周波数fo=476MHz,バンド幅=6MHz、リップル=1.6dB、挿入損=5.2dB、隣接チャンネルの減衰量(各チャンネルの中央位置)=20dB、fo=±100MHz減衰>60dBとして求めている。
上記マイクロ共振子27の2次元方向の長さを変えることで、共振モードを変化させることができる。例えば図面の矢印方向に、例えば所定のマイクロ共振子27の面積を変えることで、圧電共振器21(22〜26)の共振モードを変化させることができる。
例えば、圧電共振器21、22、23は、マイクロ共振子27の窒化アルミニウムからなる圧電膜長L=27315nm、容量面積(=マイクロ共振子27の総面積)SC1=239970.9μm2、窒化アルミニウムからなる圧電膜111の厚さta=1000nm、圧電膜上部のモリブデンからなる第1電極112の膜厚t1=334nm、圧電膜下部のモリブデンからなる第2電極113の膜厚t2=334nmのように設計される。
また、圧電共振器24、25、26は、マイクロ共振子27の窒化アルミニウムからなる圧電膜長L=28350nm、容量面積(=マイクロ共振子27の総面積)SC2=558303.3μm2、窒化アルミニウムからなる圧電膜111の厚さta=1000nm、圧電膜上部のモリブデンからなる第1電極112の膜厚t1=334nm、圧電膜下部のモリブデンからなる第2電極113の膜厚t2=334nmのように設計される。
図15はフィルタを構成する面積モードの共振子の共振特性を示し、それらにより回路構成されたフィルタ帯域通過特性を図16に示し、さらに図17に隣接チャンネル(Channel)の減衰特性を示す。また図16、図17に示すように、隣接した周波数の周波数特性は、さらに広域の周波数であっても、同様な周波数特性を示す。すなわち、バンド幅だけずらした状態で同様な波形を得る。
上記周波数特性は、中心周波数fo=174MHz,バンド幅=7MHz、リップル=1.6dB、挿入損=5.0dB、隣接チャンネルの減衰量(各チャンネルの中央位置)=18dB、fo=±100MHz減衰>60dBとして求めている。
複数のバンドパスフィルタ素子20で構成される第2バンドパスフィルタ素子群20−2はUHF帯に対応する共振モードを有する。
また、欧州の地上波デジタル放送向けのUHF帯の低周波帯のチャンネルフィルタの通過特性は、例えば図21、図22に示したようになる。また高周波側のチャンネルフィルタの通過特性は、例えば前記図19、図20に示したようになる。
上記のような相反ストレス圧電膜構造(同一膜構造において圧縮応力膜と引張応力膜を相互に積層し膜全体として双方の応力を均衡させる構造)により、現在のところ不可能な横方向電気機械結合係数(keff)を実現することが可能になる。
上記マイクロ共振子27の数Nは、マイクロ共振子27の容量をCo、バンドパスフィルタ素子の中心周波数をfo、バンドパスフィルタの整合インピーダンスをZとして、N=1/(2π×fo×Co×Z)である。上記Nが整数である。
前記Nが小数点以下を有する数の場合、小数点以下に相当する容量領域の共振子の振動を変化させてNを整数にする。例えば、圧電共振器が長さ振動をする場合は、圧電共振器の共振子の長さを短くして振動を抑制する構造にする。圧電共振器が面積振動をする場合は、圧電共振器の共振子の面積を小さくする。例えば、圧電共振器の共振子の周部にスリットを形成することにより、共振子の外周を分離し、その分離した外周部分によって振動を抑制する。
このように、チャンネルバンドフィルタをスイッチで切り替え、さらに、チャンネルバンド幅の1/2に相当する周波数域を電圧で変動させることで、連続して並ぶバンドパスフィルタ素子20のいずれかで所望のチャンネルが選択される。
また、従来のコイルとコンデンサによる共振回路によるフィルタ特性にくらべ、薄膜圧電共振子によるフィルタ構成によって、1チャンネルの通過帯外の隣接チャネルを含む素子周波数領域を極めて急峻に減衰できる優れたフィルタ特性を実現でき、受信チャンネルのノイズを大幅に低減でき高品質の受信が可能となる。
さらに、従来から提案されている、ウエハ上に配列されたフィルタ群を単にスイッチで選択するだけのシステムでなく、周波数軸に連続して配列したチャネルフィルタ構成において、そのフィルタを構成する薄膜圧電共振子に直流電圧制御による共振周波数の変動をチャネルバンドの±1/2変化させることで、特定のチャネル周波数向けに製造されたチップが、スイッチと電圧制御を組み合わせることで、全世界の全てのチャネル周波数を選択可能となり、国別の煩雑な個別の設計が不要となり低コストの実現可能となる。
チューナブル選択フィルタの代わりにフィルタバンクシステム方式を採用し、全チャンネルをチップ上に配列しスイッチで選択する構成とすることで、現在主流の外部部品(コイル)を削減することができる。かつLCフィルタでは原理的に実現できないフィルタ特性(6〜8MHzのチャンネルバンド(Channel Band)のみを限定して選択)を実現することができる。
これにより、チャネルの選択をスイッチとDCバイアスで行えるようになり、世界のテレビ仕様全てに対応する。
チャンネルバンドフィルタ(Channel Band filter)をスイッチで切り替え、チャンネルバンド(Channel Band)幅の1/2に相当する周波数域を電圧で変動させ、連続して並ぶフィルタのいずれかで所望のチャンネル(Channel)を選択することができる。
これにより製造ばらつきによる周波数のシフトによる歩留まり低減の改善による低コスト化と、1つのチャンネルバンドフィルタ(Channel Band filter)仕様で世界中の地上波デジタルTVの周波数チャネル全ての選局が電気的な操作により可能となる。よって、製造コストの低減が、実現可能となる。
多くのMEMSデバイスと同様にチャンネルバンドフィルタバンクシステムでは、共振子をウエハ上に形成する構成のため、中構造のパッケージがこれまで必要でこの中空構造のパッケージの採用が製造コストの増大を招いていた。そこで、半導体の製造プロセスによりチップ自身の内部に中空構造を形成し、通常の安価なパッケージを採用可能にするインラインパッケージにて、低コストのパッケージを実現することができる。
具体的には、各スイッチ320に対応してバンドパスフィルタ装置10のバンドパスフィルタ素子20が所定の抵抗素子330を介して接続されている。当然、バンドパスフィルタ素子20の入力側がアンテナ310側に説明され、バンドパスフィルタ素子20で特定に周波数帯域のテレビジョン信号が選局され、バンドパスフィルタ素子20の出力側より出力される。
上記各バンドパスフィルタ装置20は、前記図1〜図17等によって説明した本発明のバンドパスフィルタ装置10が用いられる。
Claims (16)
- 基板の主面上に複数のバンドパスフィルタ素子を有し、
前記各バンドパスフィルタ素子のそれぞれが、周波数領域で分割された複数のチャンネルのそれぞれに対応し、かつ複数の圧電共振器を有し、
前記各圧電共振器は、
前記基板に周囲を支持された圧電膜と、
前記圧電膜の下面に形成された第1電極と、
前記圧電膜の上面に形成され、前記圧電膜を挟んで前記第1電極の少なくとも一部とオーバラップする状態に形成された第2電極と、
前記基板と前記圧電膜との間に形成された下部空間と、
前記圧電膜上に形成された上部空間を有する
バンドパスフィルタ装置。 - 前記各バンドパスフィルタ素子は、複数のバンドパスフィルタ素子群を有し、
前記複数のバンドパスフィルタ素子群の一つの個々のバンドパスフィルタ素子は複数の圧電共振器を有していて、各圧電共振器の圧電膜は前記基板の主面に対して平行な1次元方向に長さが変えられていることで異なる共振周波数の共振モードを有し、
前記複数のバンドパスフィルタ素子群の別の一つの個々のバンドパスフィルタ素子は複数の圧電共振器を有していて、各圧電共振器の圧電膜は前記基板の主面に対して平行な2次元方向に長さが変えられていることで異なる共振周波数の共振モードを有する
請求項1記載のバンドパスフィルタ装置。 - 前記複数のバンドパスフィルタ素子群の一つの個々のバンドパスフィルタ素子は複数の圧電共振器を有していて、各圧電共振器の前記第1電極と前記第2電極とで挟まれた前記圧電膜の幅が異なって形成されていて、
前記複数のバンドパスフィルタ素子群の別の一つの個々のバンドパスフィルタ素子は複数の圧電共振器を有していて、各圧電共振器の前記第1電極と前記第2電極とで挟まれた前記圧電膜の面積が異なって形成されている
請求項2記載のバンドパスフィルタ装置。 - 前記複数のバンドパスフィルタ素子群の一つの第1バンドパスフィルタ素子群はUHF帯に対応する共振モードを有し、
前記複数のバンドパスフィルタ素子群の別の一つの第2バンドパスフィルタ素子群はVHF帯に対応する共振モードを有する
請求項2記載のバンドパスフィルタ装置。 - 前記圧電共振器の圧電膜は、引張応力膜と圧縮応力膜が積層された積層膜からなり、
異なる共振モードの前記各バンドパスフィルタ素子は、それぞれの共振モードに固有の電気機械結合係数の大きい順に、チャンネル周波数の低周波側から高周波側へ、かつチャンネルの比帯域幅の大きい領域から小さい領域へ順次配列されている
請求項1記載のバンドパスフィルタ装置。 - 前記各バンドパスフィルタ素子は、受信する側から順次、ラダー型回路とラティス型回路が縦続接続されている
請求項1記載のバンドパスフィルタ装置。 - 前記チャンネルの周波数に応じて連続して前記チャンネルの比帯域幅が変動し、
前記チャンネルの周波数が低周波側から高周波側へ変動するに従い、前記ラダー型回路と前記ラティス型回路のシリーズ共振子の反共振周波数とシャント共振子の共振周波数の周波数差が大きくなる
請求項6記載のバンドパスフィルタ装置。 - 前記バンドパスフィルタ素子を構成する圧電共振器の共振子容量は、
前記ラティス型回路の圧電共振子のシリーズ容量とシャント容量の比を1に固定し、
前記ラダー型回路のシリーズ容量とシャント容量の比を変動させる
請求項6記載のバンドパスフィルタ装置。 - 前記バンドパスフィルタ素子を構成する圧電共振器の共振子は複数のマイクロ共振子の集合体からなる
請求項1記載のバンドパスフィルタ装置。 - 前記マイクロ共振子の数Nは、
前記マイクロ共振子の容量をCo、前記バンドパスフィルタ素子の中心周波数をfo、前記バンドパスフィルタの整合インピーダンスをZとして、
N=1/(2π×fo×Co×Z)である
請求項9記載のバンドパスフィルタ装置。 - 前記Nが整数である
請求項10記載のバンドパスフィルタ装置。 - 前記複数のバンドパスフィルタ素子の周波数帯域が連続して設定されていて、
前記各バンドパスフィルタ素子のうちからチャンネル選択されたバンドパスフィルタ素子に、該バンドパスフィルタ素子の周波数帯域がチャンネルバンド幅の±1/2に相当する周波数域で変動する電圧を印加する電圧印加源を有する
請求項1記載のバンドパスフィルタ装置。 - 前記電圧印加源は、前記第1電極もしくは前記第2電極に接続され、前記圧電膜への電気的な直列電圧により印加電圧を制御する。
請求項12記載のバンドパスフィルタ装置。 - 基板の主面上に複数の圧電共振器を形成してバンドパスフィルタ素子を形成し、かつ該バンドパスフィルタ素子を複数形成する工程を有し、
前記各圧電共振器を形成する工程は、
前記基板上に第1犠牲層を形成する工程と、
前記第1犠牲層の一部分を覆うように第1電極を形成する工程と、
前記第1電極および前記第1犠牲層を覆う圧電膜を形成する工程と、
前記圧電膜の一部分を覆うように前記第1電極と前記圧電膜を挟んで重なる部分を有する第2電極を形成する工程とを備え、
前記圧電膜を形成した後もしくは前記第2電極を形成した後に、前記基板と前記圧電膜との間に形成された第1犠牲膜に通じる第1貫通孔を形成する工程と、
前記第1貫通孔を形成した後、前記圧電膜上に前記第2電極を覆う第2犠牲層を形成する工程と、
前記第2犠牲層を覆う上部空間形成膜を形成する工程と、
前記上部空間形成膜を形成した後、前記圧電膜と前記上部空間形成膜との間に形成された第2犠牲膜に通じる第2貫通孔を形成する工程と、
前記第1貫通孔を通して前記第1犠牲層を除去するとともに、前記第2貫通孔を通して前記第2犠牲層を除去する工程とを有する
バンドパスフィルタの製造方法。 - アンテナによって受信したテレビジョン信号を選局する複数のスイッチと、
前記各スイッチに対応して設けられたバンドパスフィルタ装置を有し、
前記各バンドパスフィルタ装置は、
基板の主面上に複数のバンドパスフィルタ素子を有し、
前記各バンドパスフィルタ素子のそれぞれが、周波数領域で分割された複数のチャンネルのそれぞれに対応し、かつ複数の圧電共振器を有し、
前記各圧電共振器は、
前記基板に周囲を支持された圧電膜と、
前記圧電膜の下面に形成された第1電極と、
前記圧電膜の上面に形成され、前記圧電膜を挟んで前記第1電極の少なくとも一部とオーバラップする状態に形成された第2電極と、
前記基板と前記圧電膜との間に形成された下部空間と、
前記圧電膜上に形成された上部空間を有する
テレビジョンチューナ。 - アンテナによって受信したテレビジョン信号を選局する複数のスイッチと、
前記各スイッチに対応して設けられたバンドパスフィルタ装置を有するテレビジョンチューナを有し、
前記各バンドパスフィルタ装置は、
基板の主面上に複数のバンドパスフィルタ素子を有し、
前記各バンドパスフィルタ素子のそれぞれが、周波数領域で分割された複数のチャンネルのそれぞれに対応し、かつ複数の圧電共振器を有し、
前記各圧電共振器は、
前記基板に周囲を支持された圧電膜と、
前記圧電膜の下面に形成された第1電極と、
前記圧電膜の上面に形成され、前記圧電膜を挟んで前記第1電極の少なくとも一部とオーバラップする状態に形成された第2電極と、
前記基板と前記圧電膜との間に形成された下部空間と、
前記圧電膜上に形成された上部空間を有する
テレビジョン受信機。
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