TWI410992B

TWI410992B - 基於微機電系統之可調諧濾波器

Info

Publication number: TWI410992B
Application number: TW099137498A
Authority: TW
Inventors: John E Rogers
Original assignee: Harris Corp
Priority date: 2009-11-02
Filing date: 2010-11-01
Publication date: 2013-10-01
Also published as: WO2011053888A1; US8436698B2; KR101327080B1; EP2497189A1; KR20120064734A; CA2778831C; JP2013509139A; CA2778831A1; EP2497189B1; TW201140629A; US20110102105A1

Description

基於微機電系統之可調諧濾波器

本發明係關於可調諧濾波器及其形成方法，且更特定言之，係關於微機電系統(MEMS)可調諧濾波器。

較大頻率範圍之信號之濾波通常係藉由提供一濾波器組而完成。用於射頻(RF)通信之習知濾波器組之一些類型係藉由使用表面黏著技術及/或通孔技術來組合離散電感器及電容器而形成。然而，此等離散元件之使用一般要求很多元件涵蓋一較大頻率範圍。因此，使用離散元件之一多頻帶濾波器所需之表面區域通常係較大。其他類型濾波器組係使用若干小型濾波器或微型濾波器而形成。雖然此等濾波器之一組可涵蓋一較廣頻率範圍，但是該等濾波器一般消耗大量功率(每個濾波器>1 W)。另外，此等濾波器具有通常大於1英寸之一總線性長度(即，寬度+長度+高度)。因此，使用此等濾波器建構之濾波器組亦係相對較大，從而限制它們對於可擕式及其他較小型器件之應用。

本發明之實施例提供製造微機電系統(MEMS)可調諧濾波器器件之方法及其器件。在本發明之一第一實施例中，提供一濾波器器件，該濾波器器件包含一基板及放置於該基板之一第一表面上之複數個水平間隙閉合致動器(GCA)器件。該複數個GCA器件包含一或多個GCA變容器，其中該複數個水平GCA器件之各者包含至少一驅動梳狀結構、至少一輸入/輸出(I/O)梳狀結構及叉合該等驅動梳狀結構及該等I/O梳狀結構之至少一桁架梳狀結構。在該器件中，該桁架梳狀結構經組態以基於施加於該桁架梳狀結構與該驅動梳狀結構之間之一偏壓電壓而沿介於至少一第一叉合位置與一第二叉合位置之間之一運動軸移動。

在本發明之一第二實施例中，提供一濾波器組，該濾波器組包含一基板及耦合至一共同輸入節點及一共同輸出節點之一或多個濾波器元件。在該濾波器組中，該等濾波器元件之各者包含放置於該基板之一第一表面上之複數個水平間隙閉合致動器(GCA)器件，其中該複數個GCA器件包含一或多個GCA變容器。該複數個水平GCA器件之各者包含至少一驅動梳狀結構、至少一輸入/輸出(I/O)梳狀結構及叉合該等驅動梳狀結構及該等I/O梳狀結構之至少一桁架梳狀結構。在該濾波器組中，該桁架梳狀結構經組態以基於施加於該桁架梳狀結構與該驅動梳狀結構之間之一偏壓電壓而沿介於至少一第一叉合位置與一第二叉合位置之間之一運動軸移動。

在本發明之一第三實施例中，提供一種製造一濾波器器件之方法。該方法包含以下步驟：提供一基板，該基板包含若干層之一堆疊，該堆疊包含至少一基層、於該基層上之至少一釋放層及於該釋放層上之至少一結構層。該方法亦包含以下步驟：沈積至少一導電層於該結構層上。該方法進一步包含以下步驟：形成複數個空隙於該導電層、該結構層及該釋放層中。在該方法中，該複數個空隙界定複數個圖案化區，該複數個圖案化區界定包含一或多個GCA變容器之複數個水平間隙閉合致動器(GCA)器件，其中該複數個GCA器件之各者包含至少一驅動梳狀結構、至少一輸入/輸出(I/O)梳狀結構及叉合該等驅動梳狀結構及該等I/O梳狀結構之至少一桁架梳狀結構。在該方法中，該釋放層中之該複數個空隙在該桁架梳狀結構之下延伸以容許該桁架梳狀結構沿介於至少一第一叉合位置與一第二叉合位置之間之一運動軸移動。

本發明係參考隨附圖式而描述，其中在該等圖式中使用相同參考數字以指定類似或等效元件。該等圖式並不係按比例繪製且它們僅提供用於說明本發明。以下參考用於說明之實例應用而描述本發明之若干態樣。應瞭解，闡述許多特定細節、關係及方法以使本發明被完全理解。然而，一般技術者將容易認識到，本發明可在無該等特定細節之一或多者的情況下或利用其他方法而實踐。在其他情況下，未詳細展示眾所周知之結構或操作以避免混淆本發明。本發明並不限於所說明之動作或事件之次序，因為一些動作可以不同次序發生及/或與其他動作或事件同時發生。此外，並不需要所說明之動作或事件之全部來實施根據本發明之一方法。

如上所述，習知濾波器組之主要限制關注大小及功率。為了減少大小及功率要求，已提出使用積體電路(IC)或微機電系統(MEMS)技術製造之濾波器組。然而，此等方法一般導致相對複雜之器件。舉例而言，在基於積體電路之濾波器組的情況下，電容器元件係通常使用形成於積體電路中且具有一固定電容之離散電容器元件而提供。因此，為了在較廣頻率範圍上可選擇地濾波，需要較大數目之此等電容器，且亦需要一開關系統以在該等電容器之間作選擇。因此，基於積體電路之濾波器組具有相對複雜之設計。在習知基於MEMS之濾波器組之情況下，MEMS電容器可用於提供具有一可調整電容之電容器，從而限制所需電容器之數目。然而，此等器件通常在製造上係複雜的。舉例而言，一基本基於MEMS之濾波器組將需要至少三個器件級：(1)MEMS級，其等用於形成可調整電容器，(2)厚金屬級，其等用於形成任何所必需之電感器，及(3)積體電路器件級，其等用於提供互連件及開關以引導信號。在一些情況下，可於MEMS級處提供MEMS型開關以消除積體電路器件級。然而，習知基於MEMS之開關及習知基於MEMS之電容器一般具有明顯不同之幾何形狀，需要更複雜程序及設計以將兩種器件都成功形成於相同基板上。此通常導致具有較小製程裕度之製造技術，從而增加總的開發及製造成本。

本發明之實施例提供用於提供使用具有共同幾何形狀之MEMS元件之濾波器組以減少濾波器組器件之總複雜性及成本的系統及方法。尤其是，本發明之各種實施例利用具有共同幾何形狀之MEMS水平間隙閉合致動器(GCA)器件來形成一濾波器組之開關及可調整電容器。此等MEMS器件可在具有一厚金屬電感器級或無一厚金屬電感器級的情況下用於形成各種濾波器類型，該等類型包含低通、高通、帶通及帶阻濾波器。

如本文中關於MEMS器件所使用，術語「水平GCA器件」是指一GCA MEMS器件，其中該MEMS器件中之元件之致動及互動係限於與支撐基板平行之方向。即，該水平GCA器件之致動導致一大體上橫向運動。因此，一濾波器或濾波器組之水平MEMS器件可利用一或兩個遮罩而不是習知積體電路或MEMS濾波器器件通常所需之多個遮罩(>2)而製造。此減少設計及製造濾波器組之總複雜性。此外，根據本發明之各種實施例之水平MEMS GCA器件可在不顯著影響此等器件之操作或製造的情況下經容易修改以提供各種類型器件，諸如開關及可調整電容器(即，變容器)。此等水平GCA器件之操作及製造在下文中係關於圖1、圖2及3A至圖3C而描述。

圖1展示根據本發明之一實施例之一MEMS水平GCA器件之一驅動部分100。驅動部分100包含一驅動梳狀結構102，該驅動梳狀結構102具有一固定位置且沿一縱軸103延伸。驅動部分100亦包含一桁架梳狀結構104，該桁架梳狀結構104與軸103大體上平行延伸且沿與驅動梳狀結構102之軸103大體上平行之一運動軸105而沿X方向彈性移動。舉例而言，如圖1中所示，桁架梳狀結構104可包含連接至一固定端112之至少一恢復或彈性元件110或附接至該至少一恢復或彈性元件110。當不施加外力時，該彈性元件110恢復桁架梳狀結構104之一位置。該驅動梳狀結構102可具有自該驅動梳狀結構102向桁架梳狀結構104延伸之一或多個驅動指狀物106。該桁架梳狀結構104可類似地包含自該桁架梳狀結構104向驅動梳狀結構102延伸之一或多個桁架指狀物108。

如圖1中所示，該驅動梳狀結構102及該桁架梳狀結構104可經定位以為叉合。如本文中關於梳狀結構所使用，術語「叉合(interdigitating)」是指配置梳狀結構使得自此等梳狀結構延伸之指狀物至少部分重疊且係大體上平行。

在圖1中所示之實施例中，指狀物106及108各自分別具有一寬度a及一高度b以及重疊1。雖然具有多組指狀物之梳狀結構可經組態以具有相同尺寸關係(寬度、高度及重疊)，但是在此方面上本發明並不受限，且甚至在一單一GCA器件中，尺寸關係可改變。此外，圖1中所示之部分及圖1中所示之尺寸關係僅係驅動部分100之導電部分。如一般技術者應認識到，梳狀結構可進一步包含在Z方向上延伸之包含非導電性或半導電性材料之若干結構部分，以為圖1中所示之導電部分提供結構支撐。此等結構在下文中係關於圖3而更全面描述。

圖1中所示之驅動部分100根據介於相鄰叉合指狀物之間之靜電吸引的原則而操作。即，該桁架梳狀結構104之運動可藉由形成介於該驅動梳狀結構102與該桁架梳狀結構104之間之一電壓差而產生。在器件100之情況下，在梳狀結構102及104處施加之電壓亦可分別在指狀物106及108處看到。所得電壓差產生介於指狀物106及108之間之一引力。若介於指狀物106及指狀物108之間所產生之靜電力係足夠大以克服桁架梳狀結構104上操作之其他力(諸如，彈性元件110之一彈簧常數)，則該靜電力將引起該桁架梳狀結構104在運動軸105之間介於一第一叉合位置(在一零電壓差處之靜止位置)與一第二叉合位置(在一非零電壓差處之位置)之間運動。一旦電壓差減少至零，彈性元件110就恢復桁架梳狀結構104之位置至該第一叉合位置。

如圖1中所示，桁架梳狀結構104中之各指狀物108可放置於驅動梳狀結構102之兩個指狀物106之間。因此，當介於梳狀結構102及104之間形成一電壓差時，在指狀物108之兩側上產生一靜電力。因此，為了確保桁架梳狀結構104僅在回應於一電壓差之一方向上移動，指狀物108係相對於指狀物106而定位，使得在沿X軸之該一第一方向上之靜電力係大於該X軸中之一相反方向上之靜電力。此係藉由當該電壓差為零時將在沿X軸之該第一方向上之指狀物間隔(x₀ )(即，介於叉合梳狀結構之指狀物之間之間隔)及沿X軸之該相反方向上之指狀物間隔(y₀ )組態為不同而完成。因為靜電力大小係與介於指狀物之間之距離成反比例，所以桁架梳狀結構之運動將係於與x₀ 及y₀ 之較小者相關聯之方向上。在以下所述本發明之示例性實施例中，x₀ 將用於識別x₀ 及y₀ 之較小者。

圖1中所繪示之驅動部分提供一控制機構以用於一MEMS器件之水平致動，該水平致動可藉由調整介於該等驅動及桁架梳狀結構之間之電壓差而精確控制。此容許介於兩個位置之間切換(藉由在一第一及第二電壓差之間交替)及連續在一叉合位置範圍上調整(藉由連續在一電壓範圍上調整電壓)兩者都使用相同一般組態。因此，圖1中之驅動部分可係用於雙態觸發器件或用於操作可調整器件。

雖然上述驅動部分可耦合至各種器件，但是為各種器件使用此一驅動部分將僅部分改良製造堅固性及器件可靠性。一般而言，用於製造MEMS及其他類型器件之積體電路製造技術之堅固性係藉由減少特徵類型之種類及各層中之尺寸變動而增加。本發明之各種實施例利用此特性。尤其是，本發明之另一態樣係使用該梳狀結構驅動部分結合一基於梳狀結構之反應部分以提供一濾波器之器件功能。因此，在本發明之各種實施例中，一結構可用於提供以下圖2中所示之各種器件。

圖2展示可經調適用作根據本發明之一實施例之一濾波器組中之一或多種器件之一示例性MEMS梳狀器件200之一俯視圖。如圖2中所示，器件200包含類似於以上關於圖1所述之驅動部分100之一驅動部分201。即，驅動部分201包含一驅動梳狀結構202a及202b(統稱為202)、一桁架梳狀結構204、驅動指狀物206及桁架指狀物208。

桁架梳狀結構204亦包含若干具有固定端212a及212b(統稱為212)之彈性部分210。在圖2中所示之示例性實施例中，彈性部分210包括機械地將桁架梳狀結構204耦合至固定端212之若干彈性或可撓性簧片結構211。因此，一彈簧片結構有效形成於桁架梳狀結構之該兩端上。在操作中，當一力施加於桁架梳狀結構204上時(藉由介於指狀物206及208之間產生一電壓差)，該簧片結構211變形以容許桁架梳狀結構沿運動軸205而自一第一叉合位置移動至至少一第二叉合位置。一旦該力不再施加，該簧片結構211就施加一恢復力以恢復該桁架梳狀結構204之位置至一第一叉合位置。組件202-212之操作及組態係大體上類似於圖1中組件102-112之操作及組態。因此圖1中之討論係足以描述圖2中組件202-210之操作及組態。

如上所述，除了該驅動部分201，根據本發明之各種實施例之MEMS水平GCA器件亦提供一反應部分214，如圖2中所示。該反應部分214包含具有一固定位置之輸入/輸出梳狀結構216a及216b(統稱為216)。該等輸入/輸出梳狀結構216亦可具有自該等輸入/輸出梳狀結構216延伸之一或多個感測指狀物218。為了與反應部分214互動，該桁架梳狀結構204可另外包含自該桁架梳狀結構204延伸且叉合感測指狀物218之一或多個額外桁架指狀物220。因此，該桁架梳狀結構204叉合(經由指狀物208及指狀物220)該等驅動指狀物206及該等感測指狀物218兩者。因此，該桁架梳狀結構204耦合該驅動部分201及該反應部分214且係該驅動部分201及該反應部分214之一部分。

在本發明之各種實施例中，桁架梳狀結構204沿運動軸205之運動將導致介於指狀物206及208之間及介於指狀物218及220之間之間隔一起改變。因此，使用一偏壓電壓之介於指狀物206及208之間之間隔之調整可用於控制介於指狀物218及220之間之間隔。

在圖2中所示之實施例中，指狀物206、208、218及220係展示為尺寸類似且具有一相同重疊大小。雖然器件200可經組態以包含具有多組指狀物之若干梳狀結構，該多組指狀物在該等驅動部分及該等反應部分中具有相同尺寸關係，但是在此方面上本發明並不受限，且尺寸關係在該等驅動部分及反應部分中可係不同。此外，尺寸關係亦可在該反應部分內變化。另外，如上文關於圖1所述，該等梳狀結構202、204及216可進一步包含包括非導電或半導電材料之若干導電部分及結構部分以為該等導電部分提供結構支撐。此等部分之間之關係將在下文中關於圖3更詳細描述。

如上所述，桁架梳狀結構204沿運動軸205之運動係藉由形成一電壓差於驅動部分201中而產生。尤其是，藉由介於跨指狀物206及208之間形成一電壓差，跨驅動梳狀結構202及桁架梳狀結構204施加一電壓。該電壓差引起介於指狀物206及208之間之指狀物間隔(x_{0_DRV} )變化，其被轉換為桁架梳狀結構204沿運動軸205之運動。桁架梳狀結構204之此運動之結果係指狀物220相對於指狀物218之運動。因此，基於介於驅動梳狀結構202及桁架梳狀結構204之間之電壓差，介於指狀物218及220之間之指狀物間隔(x_{0_REACT} )可變化。在本發明之一些實施例中，一阻擋體207可用於限制桁架梳狀結構204之運動大小且防止x_{0_REACT} 及/或x_{0_DRV} 變為零。

圖2中所示之結構可使用各種積體電路及/或MEMS製造技術而製造。此係繪示於圖3A至圖3C中。圖3A至圖3C展示在根據本發明之各種實施例之一製造程序之各種步驟期間藉由圖2中之剖切線3-3之器件200之若干部分橫截面。

器件200之製造係以用於形成圖2中之結構之各種層之形成開始。如圖3A中所示，此包含至少一基層302、形成於基層302上之至少一釋放層304、形成於釋放層304上之至少一結構層306、形成於結構層306上之一下導電層308及一上導電層309。該上導電層309可係一或多個金屬層。該下導電層308可包括一或多個黏合層以改良介於上導電層309及結構層306之間之黏合性。然而，在一些實施例中，可省略下導電層308。取決於正形成中之層之類型及組成，層304-309之材料可係以各種方式形成於基層302上，該各種方式包含熱氧化、物理/化學沈積、濺鍍及/或電鍍程序。

在本發明之各種實施例中，結構層306之組成經選擇使得它係非導電的。此外，釋放層304之組成經選擇使得它可使用至少一移除程序而相對於基層302、結構層306及導電層308、309選擇性移除。舉例而言，在本發明之一些實施例中，層302-306係使用一絕緣層上覆矽(SOI)基板而提供。在此一基板中，夾於兩個矽層之間之含氧化矽層提供介於含矽基層302及結構層306之間之釋放層304。一般技術者應認識，各種蝕刻程序可容易用於在大體上不移除含矽材料的情況下移除含氧化矽材料。然而，本發明並不限於SOI基板。在本發明之其他實施例中，該釋放層304及結構層306係形成於一矽基板上，該矽基板提供基層302。在其他實施例中，不含矽材料係用於形成層302-306。

一旦形成層302-309，可開始器件200之結構之形成。一般而言，圖3B中所示器件200之結構係藉由產生空隙於導電層308、309、結構層306及釋放層304中而形成。此步驟可係以各種方式執行。舉例而言，如圖3B中所示，一遮蔽層310可形成於層309上，該遮蔽層310具有根據器件200中之結構之一遮罩圖案。舉例而言，圖3B中所示遮蔽層310之部分展示簧片結構211、固定端212a、指狀物218及指狀物220之部分之遮罩圖案。一旦該遮罩圖案形成於遮蔽層310中，各種乾式及/或濕式蝕刻程序就用於將該遮罩圖案轉印至導電層308、309及結構層306。

雖然圖3B中所示之示例性遮罩圖案提供待轉印至導電層308、309及結構層306兩者之相同圖案，但是在此方面上本發明之各種實施例並不受限。在本發明之一些實施例中，執行兩個遮蔽步驟。舉例而言，一第一遮罩圖案可係提供用於蝕刻導電層308。之後，一第二遮罩圖案可係提供用於蝕刻結構層306。此等不同圖案之使用在下文中將關於圖5及6而描述。

一旦該遮蔽圖案已轉印至結構層306，就移除釋放層304之若干部分以「釋放」桁架梳狀結構204之至少一些部分。此可藉由提供一各向同性選擇移除程序至器件200而完成。一各向同性程序不僅移除釋放層304之暴露部分，而且亦將移除在結構層306中之開口附近(即，底切此等結構)之結構層306之下之釋放層304之部分(即，產生空隙)。若結構層306中之特徵之橫向尺寸係足夠小(諸如，在圖3A至圖3C中所示之簧片結構211、指狀物218及指狀物220之下)，則將移除在此等特徵之下之該釋放層304之所有部分。此程序因此保留此等特徵為獨立或「釋放」的。此等特徵接著將經其他層中之連接僅維持連接至器件200之其他部分。舉例而言，如圖3C中所示，移除在與簧片結構211、指狀物218及指狀物220相關聯之結構層306之部分之下之釋放層304之部分。另外，此等特徵係經由結構層306及/或導電層308之其他部分而附接至器件200，如圖2中所示。在一示例性組態中，此等結構可藉由利用一SOI基板及一基於氫氟(HF)酸蝕刻而實現。首先，一蝕刻程序係用於形成圖3B中所示之空隙。之後，一基於HF酸蝕刻程序係用於選擇性移除及底切含氧化矽層之若干部分，從而在器件200之所選擇特徵底下形成空隙以形成圖3C中所示之結構。

本發明之各種實施例並不限於上述示例性製造程序。舉例而言，在本發明之一些實施例中，原子層磊晶(ALE)程序係用於在結構層306之蝕刻及釋放層304之移除之後形成導電層308、309。在此等實施例中，ALE程序之使用容許導電層之放置及厚度之精確控制。因此，可改良器件控制，這是因為該水平GCA器件之活動部分之尺寸可藉由更高精確度而構建。

在一些實施例中，上述MEMS器件係與諸如電感器結構或接地平面層之其他結構組合以提供各種濾波器結構。然而，此等結構可需要一些額外處理步驟。此等額外程序步驟在概念上係關於圖4及5而描述。

圖4展示根據本發明之一實施例之一濾波器器件400之一橫截面。如圖3中之器件200一樣，器件400亦包含至少一基層302、形成於基層302上之至少一釋放層304、形成於釋放層304上之至少一結構層306及形成於結構306上之導電層308、309。因此，為了描述層302-309及所得器件400之總操作之目的，以上關於圖2及3之器件200之操作及製造之描述係足夠的。

如下文中所述，一些濾波器組態可要求器件200中之結構之一或多個(諸如，固定端212)耦合至接地或一些其他參考電壓。雖然額外佈線可形成於該等導電層308中，但是額外佈線可需要額外表面區域，從而增加器件200之總大小。因此，在本發明之一些實施例中，通孔可係用於將此等特徵耦合至於該器件之一相對側上之一接地平面層。舉例而言，如圖4中所示，一通孔412係用於將導電層308、309耦合至於基層302之一相對側上之導電層414、415。

在此等實施例中，在導電層308、309形成之前，蝕刻一開口穿過基層302、釋放層304及結構層306。接著利用一導電材料至少部分填充該開口以提供連接結構層306之一上表面及基層302之下表面之一導電通道。各種程序可用於形成此等通孔。舉例而言，在SOI基板的情形下，矽穿孔程序可用於形成通孔412。接著形成導電層308、309且繼續形成器件400，如圖3A至圖3C中器件200之先前所述。之後，該等通孔可藉由形成導電層414、415於基層302之底部之上及於通孔412之上而耦合至一共同接地平面。該等導電層414、415可包括直接形成於基層302之底部上之一或多個黏合層414及一或多個金屬層415。然而，在一些實施例中，可省略黏合層414。

圖4中組態亦可用於形成包含電感元件之濾波器。舉例而言，在一些實施例中，該等導電層308、309及/或該等導電層414、415可經圖案化以結合一通孔412而形成短路截線電感器元件。如本文中所使用，一「短路截線(shorted stub)電感器」是指一細長導電截線特徵或元件，其具有連接至一信號路徑之一第一端及連接至接地平面之一第二端，其中電感係基於其長度而判定之導電元件之固有電感。在此等實施例中，該截線特徵可使用該等導電層308、309及/或該等導電層414而形成。該截線特徵接著可使用通孔412而短路至接地。

然而，本發明之各種實施例並不單純地限於短路截線電感器元件之使用。在本發明之其他實施例中，亦可使用一或多個額外層形成離散電感器元件，如圖5中所繪示。

圖5展示根據本發明之另一實施例之一濾波器器件500之一橫截面。類似於器件200及400，器件500包含至少一基層302、形成於基層302上之至少一釋放層304、形成於釋放層304上之至少一結構層306及形成於結構層306上之導電層308、309。

濾波器器件500包含MEMS器件部分550，該MEMS器件部分550包含大體上類似於器件200之一或多個器件之結構，如上所述。因此，為了描述圖5中之層302-309及器件部分550中之器件之操作及製造之目的，以上關於圖2及3A至圖3C之器件200之操作及製造之描述係足夠的。

在本發明之一些實施例中，器件500亦可包含使用導電層414、415形成且使用通孔412耦合之一接地平面層，如上文關於圖4所述。然而，並不提供短路截線電感器元件，而是可使用形成於層302-309之上之一或多個額外層提供離散電感器元件。此等離散元件可例如在形成器件部分550之前形成。在此等實施例中，在形成層302-309(及層414、415及通孔412，若存在)之後，額外器件層係沈積於導電層309上且係用於形成該等離散電感器器件。

在一示例性程序中，至少一非導電層516係首先形成於導電層309上以提供介於該等離散電感器元件與導電層308之間之電隔離。其次，為了提供電耦合至該器件部分550，一或多個通孔518形成於非導電層516中。該等通孔518可使用任何習知遮蔽及蝕刻技術而形成。之後，導電層520及521可形成於非導電層516上及於通孔518之上。該等導電層520可包括一或多個黏合層，及導電層512包括一或多個金屬層521。然而，在一些實施例中可省略該等黏合層520。該等導電層可接著使用習知遮蔽、蝕刻及/或平面化技術而圖案化，以形成該等離散電感器之元件。在一些實施例中，該等離散電感器可為平面電感器，諸如螺旋形或蜿蜒/蛇形電感器。然而，在此方面上本發明之各種實施例並不受限。在其他實施例中，可提供額外導電及非導電材料層以形成非平面電感元件，諸如線圈型電感元件。一旦此等離散電感器形成，就可鈍化導電層520、521之任何暴露部分。之後，可移除在器件部分550之上之非導電層516之若干部分且可形成器件部分550，如先前所述。

如上所述，器件200可經容易修改以提供各種器件。具體而言，藉由相對於x_{0_DRV} 變化x_{0_REACT} 。舉例而言，取決於介於x_{0_REACT} 及x_{0_DRV} 之間之差，器件200可操作為一開關或一可調整電容器，分別如圖6及7中所示。

圖6展示經調適用作根據本發明之一實施例之一濾波器組之水平GCA開關器件之一示例性MEMS梳狀器件600之一俯視圖。類似於器件200，器件600包含一驅動部分601、一反應部分614及類似於圖2中之器件200之其他元件。因此，元件201-220之以上描述係足以描述圖6中元件601-620之一般操作。

如上所述，在不顯著改變設計、製造及操作原則的情況下，器件600經組態以操作為一開關。即，桁架梳狀結構604經組態以將一第一輸入/輸出梳狀結構616a電耦合至一第二輸入/輸出梳狀結構616b。此可藉由提供介於指狀物618及620之間之指狀物間隔之一組態而完成，使得當介於指狀物606及608之間之指狀物間隔減少時，指狀物618及620互相接觸以閉合該開關且容許電流在輸入梳狀物616a及輸出梳狀物616b之間流動。換言之，當x_{0_REACT} x_{0_DRV} 時，提供一開關。因此，當桁架梳狀結構604歸因於相對於驅動梳狀結構602之一電壓差而移動至少一最小量時，介於指狀物620及618之間之間隙閉合。

除了尺寸化該驅動梳狀結構601及該輸入/輸出梳狀結構616以容許指狀物618及620之接觸，可需要圖2中之器件200之額外修改以操作器件600為一開關。舉例而言，如圖6中所示，輸入信號可係藉由一電壓源(V_SOURCE )提供之一電壓，因此需要用於該信號及參考(例如，接地)之兩個輸入埠。在器件600中，此係藉由將該參考連接至桁架梳狀結構604之固定端612a及將該輸入信號連接至輸入梳狀物616a而提供。該開關之輸出電壓(V_SWITCH )可接著藉由量測介於輸出梳狀物616b與固定端612a之間之電壓差而量測。

如上所述，上述MEMS結構包括若干藉由非導電層支撐之導電層。因此，對於適當操作為一開關之器件600而言，由於若干原因，可需要導電層中之一些間斷點。首先，若介於指狀物618及620之間形成一電壓差，則該桁架梳狀結構604亦將受制於歸因於指狀物618及620之間所產生之靜電力之運動。其次，當指狀物618及620接觸時，在輸入/輸出梳狀物616a處之信號需要在不短路至接地或某個其他參考點(諸如固定端612a)的情況下到達輸入/輸出梳狀物616b。最後，當指狀物618及620接觸時，在輸入/輸出梳狀物616a處之信號、在輸入/輸出梳狀物616b處之信號應不干擾驅動部分601之操作。具體而言，介於指狀物606及608之間之電壓差應僅藉由針對指狀物606及608施加之一電壓差而控制，且不受在該等輸入/輸出梳狀物616處之電壓影響。

因此，為了避免器件600之此等問題，在桁架梳狀結構604上或在桁架梳狀結構604中之導電層可經組態以具有諸如間斷點622及624之間斷點。該等間斷點622及624電隔離桁架梳狀結構604中之固定端612a、指狀物620及指狀物608。因此，未產生介於指狀物618及620之間之靜電力，這是因為指狀物620處之電壓在指狀物620及618接觸之前一直保留浮動。此外，甚至在指狀物620及618接觸之後，保持介於輸入/輸出梳狀結構616之間之電壓差。另外，指狀物620處之電壓將不會影響指狀物608處之電壓，且因此不干擾驅動部分601之操作。

器件600如下操作。在輸入梳狀物616a與固定端612a之間施加一輸入信號(諸如V_SOURCE )。為了閉合該開關，介於指狀物606及608之間形成一電壓差。舉例而言，介於驅動梳狀結構602(其等電耦合至指狀物606)與固定端612b(其電耦合至指狀物608)之間施加一電壓V_BIAS 。V_BIAS 大小經選擇以引起桁架梳狀結構604沿運動軸605之運動，該V_BIAS 大小係足以移動指狀物620至接觸指狀物618，因此閉合該開關。舉例而言，V_BIAS 經選擇以產生比簧片結構611之恢復力更大之一靜電力。之後，為了斷開該開關，減少V_BIAS 使得該靜電力係小於藉由簧片結構611施加之恢復力。該恢復力接著作用於桁架梳狀結構604以將指狀物620與指狀物618分開且斷開該開關。

如上所述，該器件200亦可經組態以在亦不顯著改變設計、製造及操作原則的情況下提供另一種器件功能，諸如一可調整電容器或變容器。此係在下文中關於圖7而說明。圖7展示經調適用作根據本發明之一實施例之一濾波器組之水平GCA變容器器件之一示例性MEMS梳狀器件700之一俯視圖。如上所述，器件700包含一驅動部分701、一反應部分714及類似於圖2中元件之其他元件。因此，元件201-220之以上描述係足以描述圖7中元件701-720之一般操作。

如上所述，器件700經組態以操作為一變容器。具體而言，基於介於藉由指狀物718所提供之一第一電容器板與藉由指狀物720所提供之一第二電容器板之間之間隙之調整，桁架梳狀結構704經組態以提供一可調整電容器。因此，器件700形成介於梳狀結構716a與桁架梳狀結構704之間具有一電容C_OUT1 之一第一電容器及介於梳狀結構716b與桁架梳狀結構704之間具有一電容C_OUT2 之一第二電容器。

如上所述，在不顯著改變設計、製造及操作原則的情況下，器件700經組態以操作為一變容器。即，該桁架梳狀結構704經組態以當介於指狀物706及708之間之指狀物間隔減少時調整介於指狀物718及720之間之指狀物間隔。然而，為了保持該變容器之適當操作，該等指狀物718及720不應接觸以容許電流在梳狀結構716a及梳狀結構716b之間流動。因此，在本發明之各種實施例中，一變容器器件中x_{0_REACT} x_{0_DRV} 確保即使指狀物706及708接觸，介於指狀物720及718之間亦保持一間隙。

在本發明之各種實施例中，此等第一及第二電容器可以各種方式連接以提供串聯或並聯電容。舉例而言，為了提供一串聯電容，該電容可係介於梳狀結構716a及梳狀結構716b之間量測。反之，為了提供一並聯電容，該電容可係介於梳狀結構716a、716b及固定端712a(若電耦合至指狀物720)之間量測。

在本發明之一些實施例中，提供一間斷點724以將指狀物720與指狀物708隔離。如上所述，可提供該間斷點724以減少介於反應部分714與驅動部分701之間之任何干擾。舉例而言，為了防止儲存於指狀物718與720之間之電荷影響介於指狀物706及708之間之一電壓差，且反之亦然。然而，若固定端712a及712b都耦合至接地，則在不需要此間中斷點724的情況下保持介於驅動部分701與反應部分714之間之隔離。

器件700如下操作。一電路(未展示)耦合至梳狀結構716a、716b及固定端712a(若有必要，如上所述)。為了增加電容大小，在指狀物706及708之間形成一電壓差(V_BIAS )以產生介於此等指狀物之間之靜電吸引。舉例而言，跨驅動梳狀結構702及固定端712b(其電耦合至指狀物708)施加V_BIAS 以引起介於指狀物706及708之間足夠之靜電吸引以誘導桁架梳狀結構704之運動，及因此誘導指狀物720朝向指狀物718之運動。V_BIAS 之量值經選擇以提供與介於指狀物718及720之間之一間隔相關聯之一間隙，及因此提供電容值。舉例而言，為了增加電容，V_BIAS 經選擇以產生至少大於簧片結構711之恢復力之一靜電力以引起桁架梳狀結構704沿運動軸705之運動。之後，為了降低該電容，減少V_BIAS 使得該靜電力係小於藉由簧片結構711施加之該恢復力。該恢復力接著作用於桁架梳狀結構704以增加介於指狀物720與指狀物718之間之間隙，及因此降低該電容。

在本發明之各種實施例中，圖6中之開關組態及圖7中之電容器組態可用於製造可操作於較廣頻率範圍上之濾波器組，相較於習知濾波器組，該等濾波器組可利用較少數目之元件而製造。舉例而言，此等元件可用於產生n階T形濾波器、n階π形濾波器、電容耦合之串聯濾波器及在一較廣頻率範圍上可調諧之各種其他濾波器。一示例性濾波器及結果係展示於圖8至圖9中。

圖8係一3階π形帶通濾波器800之一示意圖，該帶通濾波器800包含開關SWT及並聯壓控電容器C₁ 、C₂ 及C₃ 及各種電感元件(L1-L5)。一般而言，濾波器800之頻率回應(即，中心頻率f _C )係取決於壓控電容器C₁ 、C₂ 及C₃ 之值，該等值係基於偏壓電壓V_{BIAS_1} 、V_{BIAS_2} 及V_{BIAS_3} 。在本發明之一些實施例中，V_{BIAS_1} 、V_{BIAS_2} 及V_{BIAS_3} 係分開控制。然而，在本發明之其他實施例中，偏壓電壓V_{BIAS_1} 、V_{BIAS_2} 及V_{BIAS_3} 係使用一相同信號而控制。此一組態允許所需元件數目之減少。在任一情形下，基於偏壓電壓V_{BIAS_1} 、V_{BIAS_2} 及V_{BIAS_3} 及電容器C₁ 、C₂ 及C₃ 之值，該濾波器800經可選擇性調整以提供可於一頻率範圍上操作之一帶通濾波器。

雖然存在利用此一電容器設計構建濾波器之若干方法，但是本發明之各種實施例提供一種相對較簡單且更可靠之提供濾波器之方法，諸如圖8中所示之濾波器。舉例而言，圖8中之濾波器可使用一水平GCA開關器件(諸如圖6中之器件600)、三個水平GCA電容器器件(諸如圖7中之器件700)而實現。濾波器800之電感元件可使用短路截線電感器或離散電感器而提供，分別如圖4及5中所述。

在本發明之一些實施例中，用於實現濾波器800之該等水平GCA電容器器件係經相同地組態。即，該器件可具有在該反應部分中之相同指狀物間隔以提供並聯耦合之若干相同電容器。然而，在此方面上本發明並不受限。在本發明之其他實施例中，提供該反應部分中之指狀物之不同指狀物間隔。可選擇該等水平GCA電容器之各者之間隔以提供一適當頻率回應。

圖9係模擬插損(IL)及回損(RL)隨根據圖8所組態之一濾波器之V_BIAS 而變之一x-y對數座標圖900。為了模擬之目的，該等水平GCA電容器係經相同地組態。具體而言，該等水平GCA電容器係設計成具有x_o =10微米及y_o =25微米。該結構之彈簧常數(k)係選擇為103.125 N/m。該等電感器值係選擇為L1=L2=28 nH及L3=L4=L5=14 nH。

在該模擬中，施加V_BIAS 值0V、46V、57V及61V。在V_BIAS =0V處，產生IL曲線902及RL曲線904。在V_BIAS =46V處，產生一運動1微米，從而形成IL曲線906及RL曲線908。在V_BIAS =57V處，產生一運動2微米，從而形成IL曲線910及RL曲線912。在V_BIAS =61V處，產生一運動3微米，從而形成IL曲線914及RL曲線916。

在本發明之各種實施例中，一濾波器之通帶可具有接近1dB之IL值及最大化之RL值。舉例而言，在圖9中所示之模擬資料中，IL係大約2.5dB及RL係大約14dB。因此，若調整一帶通濾波器之一通帶，則將移位與最小IL值及最大RL值相關聯之頻率。此種頻率回應係藉由本發明之各種實施例而提供，如圖9中所繪示。圖9展示當V_BIAS 增加時，最小IL值及最大RL值在頻率上移位。具體而言，該等頻率向下移位，如藉由IL曲線906、910及914相比於IL曲線902以及RL曲線908、912及916相比於RL曲線904之同時移位所示。因此，圖9中之中心頻率係移位大約70 MHz。

在一些情形下，<100 MHz之一移位對於某些應用而言係不足的。然而，一較大運動範圍(即，一較大電容範圍)係有效受限於咬接效應(snap-in effect)。即，在一臨限偏壓電壓位準之後，該驅動部分中之靜電吸引增加至迫使該驅動梳狀物及該桁架梳狀物中之指狀物在一起(即「咬接」)的一程度。因此，進一步控制該水平GCA電容器以獲得更高電容(即，更小x值)係可能的。一般而言，一水平GCA電容器將咬接於比一兩板、平行板理想GCA電容器之位置更小之一位置處。此位置可係2/3x_o 或更大。然而，在本發明之一些實施例中，此限制可藉由在一驅動梳狀物與供應V_BIAS 之電壓源之間串聯增加一電容器而克服。此組態係展示於圖10中。

圖10展示根據本發明之一替代性實施例而操作之一水平GCA電容器1000之一部分。圖10中所示之組態係類似於圖7中所示之組態。如圖10中所示，一固定電容器(Cs)係與V_BIAS 源串聯而提供。在圖10之組態中，Cs及C_MEMS (在VBIAS=0處水平GCA電容器之驅動部分之電容)之值可藉由Cs=C_MEMS /K而相關，其中K>0。由於此組態，可獲得小於2/3x_o 之一咬接位置。此係展示於圖11中。

圖11係模擬正規化間隙值(x/x_o )曲線隨具有Cs及無Cs之水平GCA電容器之V_BIAS 而變之一x-y座標圖1100。對於圖11中之模擬而言，x_o 係10微米，y_o 係25微米，及彈簧常數或剛度(k)係103.125 N/m。在圖11中，曲線1110，無電容器Cs之一水平GCA電容器之輸出展示咬接位置(與一曲線之一峰值VBIAS相關聯之正規化間隙)出現於大約2/3x_o 之一正規化間隙值處，如上所述。然而，Cs之添加增加咬接位置。舉例而言，如曲線1120、1130、1140、1150中所示，其中K分別等於0.5、1、1.5及2，該咬接位置係藉由Cs之添加而減少。此外，當K增加時，該咬接位置進一步減少。舉例而言，在曲線1150(K=2)中，該咬接位置係與小於0.4x_o 之一正規化間隙值相關聯。相反，在曲線1120中，該咬接位置係與大約0.6x_o 之一正規化間隙值相關聯。

如圖11中所示，提供一電容器Cs之一結果係需要較高V_BIAS 值以致動該水平GCA電容器。因此，在本發明之一些實施例中，可減少該等簧片結構之剛度(k)以補償該等較高V_BIAS 值。然而，此可使得該等水平GCA電容器更易受外部加速度力之影響。因此，在本發明之一些實施例中，K及k之值可經選擇以最小化問題及增強一特定應用之效能。

圖12係模擬插損(IL)及回損(RL)隨根據圖8及10所組態之一濾波器之V_BIAS 而變之一x-y對數座標圖1200。為了模擬目的，該等水平GCA電容器係經相同地組態。具體而言，該等水平GCA電容器係設計成具有x_o =10微米及y_o =25微米。該結構之彈簧常數(k)係選擇為103.125 N/m。該等電感器值係選擇為L1=L2=28 nH及L3=L4=L5=14 nH。K係選擇為等於6(即，6*Cs=C_MEMS )。在該模擬中，施加介於0 V與93 V之間之V_BIAS 值。如圖12中所示，當V_BIAS 增加時，中心頻率係自1.04 GHz移位至580 MHz，提供中心頻率之一460 MHz移位。因此，在不顯著降級在該等中心頻率處之RL或IL值的情況下，該濾波器之頻率範圍困3個固定電容器之添加而得到顯著增加。

使用此等濾波器設計，可利用一減少數目之元件設計及製造一濾波器組，且該濾波器組相比於習知濾波器組在設計及製造複雜性上係更簡單。舉例而言，圖13係可使用本發明之各種實施例實現之一濾波器組1300之一示意圖。濾波器組1300包含經組態以濾波一輸入信號(V_IN )且產生一輸出信號(V_OUT )之濾波器1302、1304及1306。濾波器1302、1304及1306之各者如以上關於圖8所述而實現。即，各濾波器包含一水平GCA開關器件(諸如圖6中之器件600)及一或多個水平GCA電容器器件(諸如圖7中之器件700)。濾波器1302-1306之電感元件可使用短路截線電感器或離散電感器而提供，分別如圖4及5中所述。在用於實現濾波器1300之該等水平GCA電容器器件之各者中，該反應部分中之指狀物之不同指狀物間隔可經選擇以提供各水平GCA電容器器件之一不同電容範圍。

雖然一較廣頻率範圍可使用一單一濾波器而濾波，但是多個濾波器之一組容許更多控制及/或具有較佳IL及RL特性之一較廣頻率範圍。在本發明之一些實施例中，為了提供介於使用根據本發明之一實施例之GCA器件之一濾波器組之不同部分之間之切換，一控制邏輯與控制信號一起使用以選擇該等濾波器之一者，或各濾波器具有一分開控制信號。在本發明之其他實施例中，該濾波器組可在無此一控制系統的情況下操作。舉例而言，類似於提供不同電容範圍，開關SWT_1到SWT_3亦可經選擇以具有該反應部分中之不同指狀物間隔。因此，開關SWT_1到SWT_3之啟動可使用一單一信號V_P 而控制，其中該啟動係基於V_P 之一量值。在本發明之各種實施例中，此一組態可藉由提供電互連件以將該等開關之驅動梳狀結構耦合於一起而實現。

雖然此組態意味著開關SWT_1到SWT_3之一個以上可在任何時候閉合，但是電容C1-C9可經選擇使得總頻率回應不受此多個開關致動影響。舉例而言，即使V_P 之量值係足以啟動SWT_1及SWT_2兩者，但是藉由選擇電容C4-C6之量值為大體上大於C1-C3之量值(例如，大了約幾個量值)，C4-C6及C1-C3之並聯組合導致一總電容，該總電容係由C4-C6支配。因此，濾波器組1300之頻率回應將因存在C1-C3而保持基本上不受影響。因此，濾波器組1300可利用一大體上較少之控制信號而操作。原則上，此等信號包含用於啟動SWT_1到SWT_3之一單一V_P 及用於調整電容C1-C9以調整該濾波器之中心頻率之一單一V_BIAS 。

雖然上文已描述本發明之各種實施例，但是應瞭解，它們係僅以舉例方式而呈現而非限制。在不偏離本發明之精神或範圍的情況下，可根據本文中之揭示內容對所揭示實施例作出許多改變。因此，本發明之寬度及範圍不應藉由上述實施例之任意者而限制。相反，本發明之範圍應根據以下申請專利範圍及其等效物而界定。

雖然本發明已關於一或多個實施而說明及描述，但是熟習此項技術者在閱讀及理解本說明書及隨附圖式之後將可作出若干等效變化及修飾。另外，雖然本發明之一特定特徵可能已關於若干實施之僅一者而揭示，但是此特徵可與可能對於任何給定或特定應用所需及有利之其他實施例之一或多個其他特徵組合。

100．．．驅動部分

102．．．驅動梳狀結構

103．．．縱軸

104．．．桁架梳狀結構

105．．．運動軸

106．．．指狀物

108．．．指狀物

110．．．彈性元件

112．．．固定端

200．．．MEMS梳狀器件

201．．．驅動部分

202a．．．驅動梳狀結構

202b．．．驅動梳狀結構

204．．．桁架梳狀結構

205．．．運動軸

206．．．驅動指狀物

207．．．阻擋體

208．．．桁架指狀物

210．．．彈性部分

211．．．簧片結構

212a．．．固定端

212b．．．固定端

214．．．反應部分

216a．．．輸入/輸出梳狀結構

216b．．．輸入/輸出梳狀結構

218．．．感測指狀物

220．．．桁架指狀物

302．．．基層

304．．．釋放層

306．．．結構層

308．．．下導電層

309．．．上導電層

310．．．遮蔽層

400．．．濾波器器件

412．．．通孔

414．．．導電層

415．．．導電層

500．．．濾波器器件

516．．．非導電層

518．．．通孔

520．．．導電層

521．．．導電層

550．．．MEMS器件部分

600．．．MEMS梳狀器件

601．．．驅動部分

602a．．．驅動梳狀結構

602b．．．驅動梳狀結構

604．．．桁架梳狀結構

605．．．運動軸

606．．．驅動指狀物

608．．．桁架指狀物

610．．．彈性部分

611．．．簧片結構

616a．．．輸入/輸出梳狀結構

616b．．．輸入/輸出梳狀結構

618．．．指狀物

620．．．指狀物

622．．．間斷點

624．．．間斷點

700．．．MEMS梳狀器件

701．．．驅動部分

702a．．．驅動梳狀結構

702b．．．驅動梳狀結構

704．．．桁架梳狀結構

705．．．運動軸

706．．．驅動指狀物

708．．．桁架指狀物

710．．．彈性部分

711．．．簧片結構

714．．．反應部分

716a．．．輸入/輸出梳狀結構

716b．．．輸入/輸出梳狀結構

718．．．指狀物

720．．．指狀物

724．．．間斷點

800．．．3階π形帶通濾波器

900．．．座標圖

902．．．IL曲線

904．．．RL曲線

906．．．IL曲線

908．．．RL曲線

910．．．IL曲線

912．．．RL曲線

914．．．IL曲線

916．．．RL曲線

1000．．．水平GCA電容器

1100．．．座標圖

1110．．．曲線

1120．．．曲線

1130．．．曲線

1140．．．曲線

1150．．．曲線

1200．．．座標圖

1300．．．濾波器組

1302．．．濾波器

1304．．．濾波器

1306．．．濾波器

圖1展示根據本發明之一實施例之一MEMS水平器件之一驅動部分；

圖2展示可經調適用作根據本發明之一實施例之一濾波器組中之一或多種器件之一示例性MEMS梳狀器件之一俯視圖；

圖3A至圖3C展示在根據本發明之各種實施例之一製造程序之各種步驟期間藉由圖2中之剖切線3-3之該器件之若干部分橫截面；

圖4展示根據本發明之一實施例之一濾波器器件之一橫截面；

圖5展示根據本發明之另一實施例之另一濾波器器件之一橫截面；

圖6展示經調適用作根據本發明之一實施例之一濾波器組中之水平GCA開關器件之一示例性MEMS梳狀器件之一俯視圖；

圖7展示經調適用作根據本發明之一實施例之一濾波器組中之水平GCA變容器器件之一示例性MEMS梳狀器件之一俯視圖；

圖8係可使用本發明之各種實施例實現之一3階π形帶通濾波器之一示意圖；

圖9係模擬插損(IL)及回損(RL)隨根據圖8所組態之一濾波器之V_BIAS 而變之一x-y對數座標圖；

圖10展示根據本發明之一替代性實施例而操作之一水平GCA電容器之一部分；

圖11係模擬正規化間隙值(x/x_o )曲線隨根據本發明之一實施例具有一串聯電容及無一串聯電容之水平GCA電容器之V_BIAS 而變之一x-y座標圖1100；

圖12係模擬插損(IL)及回損(RL)隨根據圖8及10所組態之一濾波器之V_BIAS 而變之一x-y對數座標圖；及

圖13係可使用本發明之各種實施例實現之一濾波器組之一示意圖。