TWI291451B - Filter and transceiver - Google Patents

Description

1291451 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於使用微小的共振器所構成之濾波裝置、及 具備該裝置的收發訊機。 【先前技術】 近年來隨著IT(Inf〇rmati〇n Technol〇gy，資訊科技）的發 展，利用網路的裝置數目急遽增加。其中，由於使用上= 方便性，使得無線網路技術的需求日益提升。無線通訊所 • 使用之RF設計中，除了半導體晶片以外，還包含了用於 RF濾波器（高頻濾波器）或IF濾波器（高頻濾波器）之 SAW(SUrface Acoustic Wave Filter)濾波器或介電濾波器 等，尺寸較大的零件，這些零件的存在，成為妨礙RF前端 模組實現小型化或低成本化的主要原因。為此，本發明嚐 试將每些濾波器功能置入半導體晶片中，藉以實現濾波器 RF岫端模組實現小型化或低成本化。具體而言，一般知道 有使用微小機器之一的 MEMS(Micr〇-Electr〇_Mechanieal • system，微小電子機械系統）元件作為共振器之技術。 使用MEMS元件之共振器（以下稱微小共振器），係在半 導體晶片上使用半導體製程形成者，因此具有使其發揮共 振器功能之樑構造。微小共振器具有以下特長：對裝置的 佔有面積小、可實現高的Q値（能量/損失之比）、及可實現 矛/、他半冷體之集成等。因此，本發明提出也可於無線通 ^裝置中’將之利用為頻率濾波器（RF濾波器、IF濾波 裔）（例如，請參照 High_Q HF MiCroelectromechaniCal 99530.doc 1291451

Filters,「IEEE Journal of Solid-state Circuits」（美國）， 2000年 4月，第 35卷，第 4號，P.512-526)。 然而’上述High_Q HF Microelectromechanical Filters 中 所揭示的微小共振器Q値相當高，兩個微小共振器之樑電 極以棒狀彈性片進行機械性連接、構成濾波裝置時的相對 頻寬在1%以下（記載於文獻中的數值為〇·23%)，相當的 低。然而相對於此，濾波裝置所要求的相對頻寬大多在 2%以上，因此必須因應此要求、擴大相對頻寬。 參 本發明乃為了解決上述課題而研發，因此其目的在於， 在使用微小共振器構成的濾波裝置中，擴大相對頻寬。 【發明内容】 本發明係關m皮裝置，其係在平衡輸人用的兩個 輸入端子與平衡輸出用的兩個輸出端子之間，將具有樑構 造之多個微小共振器以格子型作電連接，同時這些微小共 振器係各自由包含不同共振頻率之多個共振器的共振器群 所構成。此外本發明係關於一種收發訊機，其係m述 馨構成之遽波裝置。 本發明之相關濾波裝置及具備該濾波裝置的收發訊機 :’兩個輸入端子與輸出端子之間’將具有樑構造之多個 微小共振器以格子型作電連接’可以藉此實現與 器同等之遽波器功能。另外，由於多個微小共振器係= 由包含不同共振頻率之多個共振器的共振器群所構成 確保濾波器有寬廣的相對頻寬。 根據本發明，可實現使用多個微小共振器且相對頻寬寬 99530.doc 1291451 廣之濾波裝置。 【實施方式】 乂下將“、、圖面$細說明本發明之具體實施形態。另， 本發明之實施形態中，使用微小機械之-的MEMS元件所 構成、且有樑構造之共振器記為微小共振器。 圖1A至圖1B係表示本發明所使用之微小共振器的構成 :’因此圖1A為微小共振器之平面圖、圖1B為微小共振 裔之側剖面圖。在圖1A5 EJ 1 13 -J- 口 A至圖1B中，絕緣膜2形成於作為基 底的半導體基板1上。丰鐾騁丨， ^ ^ 午¥體基板1例如乃為矽基板所構 成、而絕緣膜2例如乃氮化矽膜所構成。

輸入電極3及輸出電極4形成於絕緣膜2上。另外，襟電 極5形成於輸入電極3及輸出電極4的上方，與該兩電極3、 4形〜成相對㈣。㈣極5的兩端由成對之支㈣6支揮為 口疋狀悲。另外，樑電極5藉著輸入電極3及輸出電極4各 電極之間微小的間隙’形成跨越輸入電極3及輸出電極斗的 橋狀。另外，輸入電極3及輸出電極4配置於樑電極5的長 度方向（即圖1A至圖1B之左右方向）之中心起等距離之位 置。 圖2A至圖2E、及圖3A至圖3D，係表示本發明所使用之 微小共振器的製作過程之一例的流程圖。首先，在製造微 小共振器時，如圖2A所示，絕緣膜2會形成於矽基板等半 導體基板1上。該絕緣膜2例如乃以蒸鍍方法形成厚之 氮化矽膜。其次，如圖2B所示，剛才形成的絕緣膜2上， 例如乃以蒸鍍方法形成厚〇 5# m由多結晶矽層所構成之下 99530.doc 1291451 部電極層7後，以曝光顯影技術進行該下部電極層7之圖案 備製，則如圖2C所示，形成上述輸入電極3、輸出電極4及 成對之支持部6。 接下來’如圖2D所示，在半導體基板丨之絕緣膜2上，覆 盍著上述輸入電極3、輸出電極4及成對之支持部6的狀態 下，形成犧牲層8 ^該犧牲層8例如乃以蒸鍍方法形成厚 0.5 # m之二氧化矽。其次，如圖2E所示，以 CMP(Chemical Mechanical p〇Ushing;化學性機械研磨） 法’使犧牲層8表面（上面）平坦化。 接著，如圖3A所示，成對之支持部6上形成犧牲層8的開 口部（接觸孔）9後’如圖3B所示’以填埋上述開口部9的狀 態，在犧牲層8上形成例如乃由多結晶矽層所構成之厚〇5 ”之上部電極層1()β接下來如圖％所示，以曝光顯影技 術進行該上部電極層10之圖案備製，形成樑電極5。其 後’如圖3D所示’使用氫氟酸等溶劑，除去犧牲層8，由 此得到具有上述圖1Α至圖1Β所示之樑構造的微小共振 在由以上之製造過程所得之微小共振器中，例如， 對輸入電極3施加直流電壓（DC)—邊輸人頻率訊號⑽訊 號、IF訊號)’則樑電極5和輸入電極3之相對部分將合反 覆發生總稱為庫倫力的靜電引力和抗靜電力。之後，：生 料引力Ί電極5將會往接近輸人電極3的方向發錢 :广’而當發生抗靜電力0夺’樑電極5將會往遠離輸入 的方向發生微小變位。經由這種反覆的過程，樑電 99530.doc 1291451 極5依照本身的既有振動數產生共振（振動），據此，樑電極 5和輸出電極4相對之距離亦產生變化。因此，從輸出電極 4會輸出對應樑電極5之共振頻率的頻寬訊號。除此之外， 上述直流電壓也有可能施加電壓於樑電極5。 圖4係表示與本發明之實施型態相關之濾波裝置的構成 考又略圖。在圖4中，平衡輸入用的兩個輸入端子11、12與 平衡輪出用的兩個輸出端子13、14之間，多個微小共振器 15、Μ、17、18以格子型作電連接。各個微小共振器15、 16 17、18皆為具有可經上述製造過程得到之樑構造的微 小共振器。輸入端子11、12彼此輸入逆相位的頻率訊號， 由輸出*^子13、14彼此輸出逆相位的頻率訊號。 上述之多個微小共振器15、16、17、18中，微小共振器 15以串聯方式連接一端之輸入端子u及與其對應的一端之 矜出^子13,从小共振器μ以串聯方式連接另一端之輸入 端子12及與其對應的另一端之輸出端子14。另外，微小共 振器17以串聯方式連接上述一端之輸入端子丨丨及上述另一 端之輸出端子14;微小共振器18以串聯方式連接上述另一 ‘之輪入端子12及上述一端之輸出端子η。 再進一步詳細說明，微小共振器15的輸入電極藉由配線 LU電連接於輸入端子11，微小共振器16的輸入電極藉由 配線U2電連接於輸入端子12。另外，微小共振器17的輸 入電極藉由配線L13、LU電連接於輸入端子u，微小共振 器18的輸入電極藉由配線L14、L12電連接於輸入端子12。 另一方面，微小共振器15的輸出電極藉由配線L15電連 99530.doc -10- 1291451 - 接於輸出端子13，微小共振器16的輸出電極藉由配線L16 電連接於輸出端子14。另外，微小共振器17的輸出電極藉 由配線L17、L16電連接於輸出端子14，微小共振器18的輸 出電極藉由L18、L15電連接於輸入端子13。 另外，多個微小共振器15、16、17、18如和其連接之配 線L11〜L1 8形成於同一基板上時，必須使該基板上的配線 L17、L18或配線L13、L14交又。在此情形下，例如，在 配線L17、L18的交又部分，令其中一端的配線L18之配線 | 層為雙層結構，在其各層之間於接觸孔電連接，藉此可使 兩配線L17、L1 8之間非導電地交叉。 另外，上述微小共振器15、16、17、18，各自皆由包含 不同共振頻率的頻多個共振器的共振器群所構成。在此試 舉微小共振器15為例，依據圖5說明共振器群之具體構造 例。在圖示微小共振器15之構成中，與輸入端子丨丨相連的 輸入電極151及與輸出端子13相連的輸出電極152，其形成 時各自分為兩個（15 1A，15 IB、152A，152B)。其中，輸 _ 入電極15 1A和輸出電極152 A配置為相互成對且平行相鄰 之狀態，輸入電極151B和輸出電極152B亦配置為相互成 對且平行杻鄰之狀態。 另外，被小共振器1 5有多個（在圖例中為14個）樑電極 153八〜153>^。其中一半（7)的樑電極153八〜153(}，各自形成 跨越上述輸入電極151A及輸出電極152 A的橋狀，剩餘半 數的樑電極153Η〜153Ν，各自形成跨越上述輸入電極151 B及輸出電極152B的橋狀。這些輸入電極、輸出電極以及 99530.doc -11 - 1291451 樑電極之基本位置關係，與上述圖1A至圖1B相同。藉 此，由輸入電極151Α、輸出電極152Α以及樑電極ΐ53Α之 組合’構成-個共振器。另外，由輸入電極15lA、輸出電 極152Α以及7個樑電極153八〜153(}之組合，構成七個共振 器；輸入電極151 Β、輸出電極152丑以及7個樑電極 153Η〜153Ν之組合，也構成七個共振器。因此，微小共振 器15為由共計14個共振器組成之共振器群所構成。另外’ 微小共振器15所具備的14個共振器，各自經由共通之輸入 . 電極 151(151Α，151Β)及輸出電極 152(152Α，152Β)，由電 流並聯連接。 在此，將上述14個共振器中，由樑電極153Α、153Β所 構成的兩個共振器之共振頻率各自定義為「fl」，由樑電 極153C' 153D、153E所構成的三個共振器之共振頻率各 自疋義為「f2」’由標電極153F、153G、153H、1531所構 成的四個共振器之共振頻率各自定義為「f 3」，由樑電極 153J、153K、153L所構成的三個共振器之共振頻率各自定 _ 義為「f4」，由樑電極153M、153N所構成的兩個共振器之 共振頻率各自定義為「f5」，則這些共振頻率各自被設定 為不同的數值。 例如’以f 3代表微小共振器15之共振頻率，則以此f 3 為中心，以f 1 < f2 < f3 < f4 < f5為條件，設定各個共振器 之共振頻率。試列舉具體數值為例，由樑電極1 53A、 153B所構成的兩個共振器之共振頻率設定為fl=99.6 MHz ’由樑電極153C、153D、153E所構成的三個共振器 99530.doc -12- 1291451 /、、頻率》又定為f2=99 8 MHz，由樑電極、 531所構成的四個共振器之共振頻率設定為f3 = l 00 黯，由樑電極⑽、153K、153L所構成的三個共振器之 ”、項率》又定為f4=100 2 MHz ’由樑電極、mN所 構成的兩個共振器之共振頻率設定為心⑽.4顧z。 關於各個共振器之共振頻率，樑電極的長度或質量可作 為參數調整1 ’如加長樑電極的長度l(請參照圖以至圖 1Β) ’共振器的共振頻率便會隨之降低，如減短樑電極的 長度L，共振盗的共振頻率便會隨之提高。另外，如減少 卞電和的貝里，共振器的共振頻率便會隨之降低，如增加 樑電極的質量’共振頻率便會隨之增加。 ^此以紅電極的長度（樑長度）為參數，以上述條件設 疋Μ〗振器15之各共振器的共振頻率時，樑電極153α、 153Β之長度「L1」，樑電極153〇 i53D、153£之長度 「L2」，樑電極 153F、153(}、153Η、ΐ53ΐ之長度「^」， 才木私極153J、153K、153L之長度「L4」，及樑電極153M、 153N之長度「L5」，其間的關係設定為L1>L2>L3>L4> L5 ° 另外，以樑電極的質量為參數，以上述條件設定微小共 振器15之各共振器的共振頻率時，樑電極ι53Α、之 質ΐ「Ml」，樑電極153c、153D、153£之質量「M2」，樑 電極153F、153G、153H、1531之f量「M3」，樑電極 153J、153K、153L之質量「M4」，樑電極 153M、153Ni 貝I M5」，其間的關係設定為Ml < M2 < M3 < M4 < 99530.doc -13- 1291451 M5。 關於樑電極的長度，可以在微小共振器的設計階段自由 調整。另外，樑電極的質量可在微小共振器的設計階段或 電極成膜過程的膜厚控制、或以厚膜雷射修整削除部份樑 電極，藉此調整。 另外，在上述圖5中，雖將具有同樣共振頻率的共振器 配置於相鄰位置，但共振器的排列順序可自由變更。但， 在共振器群中共振頻率的分布，宜設定為以頻率分布中心 之共振頻率（在上述示例中為f3)為基準，幾乎均等地（以相 同間隔）自該基準頻率分布共振頻率，同時將以基準共振 頻率共振之共振器數目言史定為冑多，ρ遺著頻率不同於該基 準共振頻率，共振器的個數亦隨之階段性地減少。 在此，假設將構成微小共振器15的共振器群之各個共振 器的共振頻率（fl〜f5)全部設定為相同數值（例如1〇〇 MHz) ’則該微小共振器15之共振特性即如圖6八所示。相 對於此，以上述條件（f卜99·6 MHz，f2=99 8 MHz，m㈧ MHz’fW 00·2 MHz，f5 = 1 〇〇·4 MHz)設定構成微小共振器 b的共振器群之各個共振器的共振頻率（fl〜f5)時，如圖 所不，因應各共振器之共振頻率分布，多個共振點同時出 現在〜f5之頻寬上。因此，共振點在共振頻率之最小㈣ 和最大值f5之間的頻寬中整體呈現圓弧形。此時，藉由以 上述關係設定共振頻率之分布及共振器之個數，可^力以 出現於fW5頻寬的共振點整理為不歪㈣圓^大。將 諸如上述之微小共振器15的構成，同樣適用於其他微小 99530.doc •14- 1291451 共振器16、17、18中。而私 τ而輸人端子U和輸出端子13之間串 聯連接之微小共振^15’以及輸人料12和輸出端子14之 間串聯連接之微小共振器16,互相設定相同之共振頻率。 另外’輸人端子U和輸出端子14之間串聯連接之微小丘振 器π ’以及輸人端子12和㈣料13之㈣料接之心 共振器18’也互相設定相同之共振頻率。自，微小共振器 15、16之共振頻率和微小共振器17、此共振頻率設定'為 不同的頻率。例如，微小共振器15、16之共振頻率各自設 為「F1」，微小共振器17、18之共振頻率各自設為μ」， 則將設定F1>F2之關係（例如，F1 = 1〇〇 ΜΗζ，η:% MHz) 因此’構成微小共振器16的共振料之各個共振器的丘 振頻率（fW5)，歧為和微小共振器15時相同，但構成微 小共振器17的共振器群之各個共振器的共振頻率⑺〜⑺或 構成微小共振器18的共振器群之各個共振器的共振頻率 (Π 〜f5)，例如，依上述£1<£2<〇<£4<£5 為㈣7.6廳、㈣.8 MHz、㈣ MHz、f5=98.4 MHz 〇 欲令由上述構成形成之濾波裝置動作時，於上述之兩個 輸入端子11、12(或上述之多個微小共振器15、i6、17、 18之各樑電極）施加直流電壓之狀態下，對兩個輸入端子 11、12互相輸入逆相位的頻率訊號（RF訊號、卩訊號）。如 此，由輸入端子11輸入之頻率訊號將賦予微小共振器15、 17之各輸人電極’同時’由輸人端子12輸人之頻率訊號將 賦予微小共㈣16、18之各輸人電極。藉此，在各個微小 99530.doc -15- 1291451 共振器15、16、17、18φ，甘為 Ύ其各自之對應樑電極將依照本 。无有’、振頻率產生共振，對應該共振頻率之頻率气 號’由各自對應之輸出電極取出。此時，從微小共振琴 18之各輸出電極取出之頻率訊號，經由輸出端子13輸 攸微J、共振益16、17之各輸出電極取出之頻率訊號， 經由輸出端子14輸出。 ，如此’纟兩個輸出端子13、14所輸出的頻率訊號之頻 寬，為對應著上述兩個微小共振器15、16之頻率訊號fi， 以及上述兩個微小共振器17、18之頻率訊號？2者。另外， ^個微小共振器15、16、17、18之共振特性如_所示， 這些微小共振器15、16、17、18組合為格子結構（經電連 接的濾波器特性，為對應各個微小共振器ΐ5、Μ、 17、18之共振頻率（中心頻率）F1、F2，且如圖此般具有寬 廣平坦之訊號通頻帶Fw。目此，可確 <呆寬廣的相對頻寬為 滤波裝置之訊號通過特性。其結果，藉由多個微小共振器 之組合，可實現相對頻寬在2%以上之濾波裝置。 另外，不須機械性地連接兩個微小共振器之樑電極，僅 藉由微小共振器相互之間的電流連接，就可實現具有和帶 通濾波器具有同等濾波器功能的濾波裝置。因此，可達到 濾波裝置的小型化、低成本化，以及高穩定度。 另外，本發明不僅限於使用微小共振器之渡波裝置，亦 可提供使用該濾波裝置所構成之行動電話機、無線LAN裝 置、電視调頻器、廣播調頻器等等，使用電磁波進行通訊 的收發訊機。 99530.doc -16 - 1291451 [圖式簡單說明】 圖1A至圖1B係表示本發明所使用之微小共振器的構成 例之圖。 圖2A至圖2E係表示本發明所使用之微小共振器的製造 過程之一例的流程圖（其1)。 圖3A至圖3D係表示本發明所使用之微小共振器的製造 過程之一例的流程圖（其2)。 圖4係表示與本發明之實施形態相關之濾波裝置的構成 之概略圖。 圖5係表不本發明之實施形態所採用之微小共振器的内 部構造之概略平面圖。 圖6A至圖6C係表示微小共㈣之共振特性、及滤波裝 - 置之訊巧虎通過特性之圖。 【主要元件符號說明】 1 半導體基板 2 絕緣膜 3 輪入電極 4 輸出電極 5 樑電極 6 支持部 7 下部電極層 8 犧牲層 9 開口部（接觸 10 上部電極層 99530.doc -17- 1291451

11 12 13 14 15 16 17 18 151A， 151B 152A， 152B 153A 〜153N fl 〜f5 輸入端子 輸入端子 輸出端子 輸出端子 微小共振器 微小共振器 微小共振器 微小共振器 輸入電極 輸出電極 標電極 共振頻率 -18- 99530.doc

Claims (1)

1291451 十、申請專利範園： 1· 一種濾波裝置，其特徵為在 丁何顆!/入用的兩個輪 和平衡輸出用的兩個輸出端+ 别%子之間，格子型 樑構造之多個微小共振器， ’、 4 T 上述之多個微々、J£ 器，係各自由包含不同共振頻幻〇振 群所構成。 頻革之夕個共振器的共振器 2. 如申請專利範圍第 日慮波裝置，其令上述共振器群 〃有樑長不同的多個樑電極。 ° 3. 如申請專利範圍第 且右奸p 貝^慮波裝置，其十上述共振器群 4. ”有軲質1不同#多個樑電極。 一種收發訊機，其特 在平衡輪入用沾該濾波裝置係 ^ 、兩個輸入端子和平衡輸出用的兩個輪出 二 之間’格子型電連接具有標構造之多個微小共： 共振頻率之^^個微小共振器，係各自由包含不同 夕個共振器的共振器群所構成。 99530.doc