专利名称：滤波器和发射机－接收机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种通过使用微谐振器配置的滤波器装置，和配备其的发射机-接收机。
背景技术：
随着最近IT(信息技术)的发展，使用网络的装置的数量显示出巨大的增长。在该情形，尤其就使用性而言，存在对于无线网络技术的日益增加的需求。除了半导体芯片以外，用于无线电通讯的RF前端模块具有相对大尺寸的元件，比如引入其中用于RF滤波器(高频滤波器)和IF滤波器(中频滤波器)的SAW(表面声波)滤波器和介电滤波器，从而这些元件的存在是妨碍RF前端模块的微型化和成本减小的原因。因此，已经通过将这些滤波器功能结合到半导体芯片中，努力去实现RF前端模块的微型化和成本减小。更具体而言，已知一种使用MEMS(微机电系统)元件作为谐振器的技术，MEMS是一种微机械。
使用MEMS元件的谐振器(其后被称为微谐振器)利用半导体工艺形成于半导体芯片上，且具有允许器件用作谐振器的梁结构。微谐振器具有的优点在于器件仅需小的占据空间，可以实现高Q值(能量/损耗的比例)，且可以与其他半导体器件集成。因此，提出了使用其作为无线电通讯器件，特别作为频率滤波器(RF滤波器、IF滤波器)(例如，请参见High-Q HFMicroelectromechanical Filters，“IEEE Journal of Solid-state Circuits”，(USA)，April 2000，Vol.35，No.4，p512-526)。
然而，上述高QHF微机电滤波器中披露的微谐振器具有极大的Q值，而在滤波器器件通过用柱状弹性条机械连接(耦合)两个微谐振器的梁电极来配置的情形所获得的特定带宽仅为1％或更小(根据该文件中的描述为0.23％)。与之相反，大多数滤波器所需的特定带宽为2％以上，从而存在为了满足该需求而扩展特定带宽的需求。
为了解决上述的问题构思了本发明，且其目的在于实现使用微谐振器配置的滤波器器件的特定带宽的扩展。
发明内容
根据本发明的滤波器器件具有在用于平衡输入的两个输入端和用于平衡输出的两个输出端之间以形成格状方式电连接的多个梁结构微谐振器，该多个微谐振器均由包括谐振频率不同的多个谐振器的谐振器组构成。本发明的发射机-接收机配备有如上配置的滤波器器件。
在根据本发明的滤波器器件和配备有其的发射机-接收机中，通过在两个输入端和两个输出端之间以形成格状方式电连接多个梁结构微谐振器，从而可以实现与带通滤波器等效的滤波器功能。通过使得多个微谐振器每个均由包括谐振频率不同的多个谐振器的谐振器组构成，从而可以保证宽的滤波器的特定带宽。
根据本发明，通过使用多个微谐振器，可以实现具有宽的特定带宽的滤波器器件。
图1A和1B是显示用于本发明的微谐振器的示范性配置的图。
图2A到2E是显示用于本发明的微谐振器的示范性制造工艺的流程的图(系列1)。
图3A到3D是显示用于本发明的微谐振器的示范性制造工艺的流程的图(系列2)。
图4是显示根据本发明的实施例的滤波器器件的配置的示意图。
图5是显示本发明的实施例中采用的微谐振器的内部结构的示意平面图。
图6A到6C是显示滤波器器件的微谐振器的谐振特性和信号传输特性的图。
具体实施例方式
现将参考附图在以下描述本发明的具体实施例。在本发明的实施例中，通过使用MEMS元件(一种微机械)配置的梁结构谐振器将被称为微谐振器。
图1A和1B显示了用于本发明的微谐振器的示范性配置，其中图1A是微谐振器的平面图，且图1B是微谐振器的剖面侧视图。在图1A和1B中，绝缘膜2形成于用作基底的半导体衬底1上。半导体衬底1例如由硅衬底构成，且绝缘膜2例如由氮化硅膜构成。
在绝缘膜2上形成了输入电极3和输出电极4。在输入电极3和输出电极4上方，梁电极5形成以与这两个电极3和4相对。梁电极5的两端由一对支撑部分6支撑并固定于其上。梁电极5以桥状方式形成，以跨过输入电极3和输出电极4，同时在其自身和输入电极3和输出电极4各自的电极表面之间保持微间隙。输入电极3和输出电极4分别设置而且与梁电极5的纵向方向(图1A和1B的横向方向)的中心保持离开相同的距离。
图2A到2E以及图3A到3D是显示用于本发明的微谐振器的示范性制造工艺的流程。首先，如图2A所示，在制造微谐振器中，绝缘膜2形成于比如硅衬底的半导体衬底1上。绝缘膜2通过气相沉积形成例如厚度为1μm的氮化硅膜。接下来，如图2B所示，在先前形成的绝缘膜2上通过气相沉积形成下电极层7，下电极层7例如由0.5μm厚的多晶硅层构成，然后如图2C所示，通过光刻技术构图电极层7，由此形成上述的输入电极3、输出电极4和成对的支撑部分6。
接下来，如图2D所示，在半导体衬底1上的绝缘膜2上形成牺牲层8以覆盖前述的输入电极3、输出电极4和支撑部分6。牺牲层8由氧化硅的气相沉积形成为例如0.5μm厚。接下来，如图2E所示，牺牲层8的表面(顶表面)通过化学机械抛光(CMP)工艺来平面化。
随后，如图3A所示，在成对的支撑部分6上的牺牲层8中形成开口(接触孔)9，且然后如图3B所示，在牺牲层8上形成例如由0.5μm厚的多晶硅构成的上电极层10以填充上述开口9。接下来，如图3C所示，使用光刻技术构图上电极层10，由此形成梁电极5。其后，如图3D所示，使用比如氢氟酸的溶液去除牺牲层8，由此获得如图1A和图1B所示的梁结构微谐振器。
在由上述的制造工艺获得的微谐振器中，例如，对输入电极3输入频率信号(RF信号、IF信号等)的同时施加DC电压(DC)导致在梁电极5和输入电极3彼此相对的区域中反复产生静电吸引力和静电排斥力，静电吸引力和降低排斥力通常被称为库仑力。当产生静电吸引力时，梁电极5导致了接近输入电极3的方向上的微位移，且当产生静电排斥力时，梁电极5导致了远离输入电极3的方向上的微位移。通过反复该过程，梁电极5根据其自身的特征频率谐振(振动)，从而在相对的梁电极5和输出电极4之间的距离也相应地变化。因此，在对应于梁电极5的谐振频率的频带中的信号从输出电极4输出。现可以说明的是上述的DC电压可以被施加到梁电极5。
图4是显示根据本发明的实施例的滤波器器件的配置的示意图。在图4中，多个微谐振器15、16、17、18在用于平衡输入的两个输入端11、12和用于平衡输出的两个输出端13、14之间以形成格状方式电连接。微谐振器15、16、17、18每个均是由上述的制造工艺获得的具有梁结构的微谐振器。将具有彼此相反的相位的频率信号反复输入到输入端11、12，且将具有彼此相反的相位的频率信号反复从输出端13、14输出。
在上述的多个微谐振器15、16、17、18中，微谐振器15在一个输入端11和对应的输出端13之间串联连接，微谐振器16在另一个输入端12和对应的另一输出端14之间串联连接。另外，微谐振器17在上述的输入端11和上述的输出端14之间串联连接，微谐振器18在上述的输入端12和上述的输出端13之间串联连接。
更具体而言，微谐振器15的输入电极通过互连线L11电连接到输入端11，微谐振器16的输入电极通过互连线L12电连接到输入端12。微谐振器17的输入电极通过互连线L13、L11电连接到输入端11，微谐振器18的输入电极通过互连线L14、L12电连接到输入端12。
另一方面，微谐振器15的输出电极通过互连线L15电连接到输入端13，微谐振器16的输出电极通过互连线L16电连接到输入端14。微谐振器17的输出电极通过互连线L17、L16电连接到输入端14，微谐振器18的输出电极通过互连线L18、L15电连接到输入端13。
现可以说明的是对于多个微谐振器15、16、17、18与分别连接到其上的互连线L11到L18一起形成于同一衬底上的情形，需要在该衬底上交叉互连线L17、L18或互连线L13、L14。在该情形，例如，在互连线17、18的交叉点处，通过将互连线L18的互连层配置为具有双层结构，且通过接触孔电连接这些层，以非导电的方式交叉互连线L17、L18。
上述的多个微谐振器15、16、17、18每个都由包括谐振频率不同的多个谐振器的谐振器组构成。将参考基于图5的微谐振器15，在以下解释谐振器组的特定示范性配置。在示出的微谐振器15的配置中，引到输入端11的输入电极151和引到输出端13的输出电极152分别形成以分出两支(151A、151B、152A、152B)。在这些中，输入电极151A和输出电极152A彼此平行并排设置以形成一对，输入电极151B和输出电极152B也彼此平行并排设置以形成一对。
微谐振器15具有多个(在该示例中为14个)的梁电极153A到153N。在这些中，一半梁电极153A到153G(7个)以桥状方式单独地形成，从而跨过输入电极151A和输出电极152A，剩余的一半梁电极153H到153N以桥状方式单独地形成，从而跨过输入电极151B和输出电极152B。输入电极、输出电极和梁电极之间的基本位置关系与图1A和图1B中所示情形相同。这样，单个的谐振器由输入电极151A、输出电极152A和梁电极153A构成。输入电极151A、输出电极152A和七个梁电极153A到153G的组合构成了七个谐振器，且输入电极151B、输出电极152B和七个梁电极153H到153N的组合也构成了七个谐振器。因此，微谐振器15由总共具有14个谐振器的谐振器组构成。由微谐振器15拥有的十四个谐振器使用共同的输入电极151(151A、151B)和输出电极152(152A、152B)分别并联电连接。
在上述的14个谐振器中，现将使用梁电极153A、153B配置的两个谐振器的谐振频率分别指示为“f1”，将使用梁电极153C、153D、153E配置的三个谐振器的谐振频率分别指示为“f2”，将使用梁电极153F、153G、153H、153I配置的四个谐振器的谐振频率分别指示为“f3”，将使用梁电极153J、153K、153L配置的三个谐振器的谐振频率分别指示为“f4”，将使用梁电极153M、153N配置的两个谐振器的谐振频率分别指示为“f5”，这些谐振频率被设定为彼此不同的值。
例如，现假设微谐振器15的谐振频率由f3代表，设定单独的谐振器的谐振频率以满足f1＜f2＜f3＜f4＜f5的条件同时将f3放置在中心。作为特定值的示例，将使用梁电极153A、153B的两个谐振器的谐振频率被设定为f1＝99.6MHz，将使用梁电极153C、153D和153E的三个谐振器的谐振频率被设定为f2＝99.8MHz，将使用梁电极153F、153G、153H和153I的四个谐振器的谐振频率被设定为f3＝100MHz，将使用梁电极153J、153K、153L的三个谐振器的谐振频率被设定为f4＝100.2MHz，将使用梁电极153M、153N配置的两个谐振器的谐振频率被设定为f5＝100.4MHz。
可以使用梁电极的长度或质量作为参数调节(改变)单独的谐振器的谐振频率。换言之，梁电极的较大的长度L(见图1A和图1B)相应地减小了谐振器的谐振频率，而梁电极的较小的长度L则相应地提高了谐振器的谐振频率。另一方面，梁电极的较小的质量相应地减小了谐振器的谐振频率，而梁电极的较大的质量则相应地提高了谐振器的谐振频率。
因此，对于微谐振器15中的单独的谐振器的谐振频率被设定以满足上述的条件而且使用梁电极的长度(梁长度)作为参数的情形，梁电极153A、153B的长度“L1”、梁电极153C、153D和153E的长度“L2”、梁电极153F、153G、153H和153I的长度“L3”、梁电极153J、153K、153L的长度“L4”、梁电极153M、153N的长度“L5”被设定为L1＞L2＞L3＞L4＞L5。
另一方面，对于微谐振器15中的单独的谐振器的谐振频率被设定以满足上述的条件而且使用梁电极的质量作为参数的情形，梁电极153A、153B的质量“M1”、梁电极153C、153D和153E的质量“M2”、梁电极153F、153G、153H和153I的质量“M3”、梁电极153J、153K、153M的质量“M4”、梁电极153M、153N的质量“M5”被设定为M1＜M2＜M3＜M4＜M5。
现可以说明的是，梁电极的长度在微谐振器的设计阶段可以被任意调整。另外，通过电极膜形成工艺中的厚度控制，或通过激光修剪来切除部分的梁电极，梁电极的质量在谐振器的设计阶段可以被调整。
在以上的图5中，具有相同的谐振频率的谐振器被彼此相邻排列，但是谐振器的排列的顺序可以被任意地改变。然而，就谐振器组中的频率分布而言，优选地使得谐振频率逐步从参考频率(上述示例中的f3)几乎均匀(以等量的间距)分布，且将那些在基准频率谐振的谐振器的数量设定为最多，同时随着谐振频率从基准频率的偏移越大逐步地减小谐振器的数量，该参考频率设定在位于频率分布的中心的谐振频率。
现假设一种其中构成微谐振器15的谐振器组中所有的谐振器的谐振频率(f1到f5)被设定为同一值(例如100Hz)的假设情形，微谐振器15的谐振特性将如图6A给出。与此不同，对于其中构成微谐振器15的谐振器组中单独的谐振器的谐振频率(f1到f5)根据上述的条件(f1＝99.6MHz，f2＝99.8MHz，f3＝100MHz，f4＝100.2MHz，f5＝100.4MHz)来设定的情形，如图6B所示，依据单独的谐振器的谐振频率分布，在f1-f5的频带中同时出现了多个谐振点。为此，谐振点被给出通常围在谐振频率的最小值f1和最大值f5之间的频带中。通过在这里根据上述的关系设定谐振器的谐振频率分布和谐振器的数量，可以将出现的谐振点围在从f1到f5的频率范围内，而且最小化其变形。
微谐振器15的配置以相同的方式也适用于其他的微谐振器16、17、18。在输入端11和输出端13之间串联连接的微谐振器15，和在输入端12和输出端14之间串联连接的微谐振器16被设定具有相同的谐振频率。而且，在输入端11和输出端14之间串联连接的微谐振器17，和在输入端12和输出端13之间串联连接的微谐振器18被设定具有相同的谐振频率。然而，注意到微谐振器15、16的谐振频率和微谐振器的17、18的谐振频率被设定为彼此不同的频率。例如，现假设微谐振器15、16的谐振频率被指示为“F1”，微谐振器17、18的谐振频率被指示为“F2”，它们被设定为满足关系F1＞F2(例如F1＝100MHz，F2＝98MHz)。
因此，在构成谐振器16的谐振器组中的单独的谐振器的谐振频率(f1到f5)相似地设定为微谐振器15中的那些，但是在构成谐振器17的谐振器组中的单独的谐振器的谐振频率(f1到f5)和在构成谐振器18的谐振器组中的单独的谐振器的谐振频率(f1到f5)例如设定为f1＝97.6MHz，f2＝97.8MHz，f3＝98MHz，f4＝98.2MHz，f5＝98.4MHz，而且满足f1＜f2＜f3＜f4＜f5的上述的关系。
在如此配置的滤波器器件被允许操作而且将DC电压(DC)施加到上述的两个输入端11、12(或上述多个微谐振器15、16、17、18的单独的梁电极)的情形，具有彼此相反相位的频率信号(RF信号、IF信号等)分别被输入到输入端11、12。然后通过输入端11的频率信号输入被赋予微谐振器15、17的单独的输入电极，通过输入端12的频率信号输入被赋予微谐振器16、18的单独的输入电极。因此，在单独的微谐振器15、16、17、18中，对应于它们每一个的梁电极依据它们自身的特性频率谐振，且通过它们对应的输出电极提取对应于谐振频率的频率信号。通过微谐振器15、18的单独的输出电极提取的频率信号从输出端13输出，通过微谐振器16、17的单独的输出电极提取的频率信号从输出端14输出。
以该方法，使得从两个输出端13、14输出的频率信号的频带对应于这两个微谐振器15、16的谐振频率F1和这两个微谐振器17、18的谐振频率F2。单独的微谐振器15、16、17、18的谐振特性被给出如图6B所示，且以形成格状方式组合(电连接)的这些微谐振器15、16、17、18的滤波器特性被给出如图6C所示，具有对应于单独的微谐振器15、16、17、18的谐振频率(中心频率)F1、F2的宽且平的信号传输带Fw。因此，使得滤波器器件的信号传输特性可以确保更宽的特定频带。因此，具有2％或更多的特定频带的滤波器器件可以通过组合多个微谐振器实现。
而且，仅通过电连接微谐振器而无需机械连接微谐振器的梁电极，就可以实现具有等效于带通滤波器的滤波器功能的滤波器器件。因此可以实现滤波器器件的微型化、降低的成本和更高的可靠性。
本发明不限于使用微谐振器的滤波器器件，而可以被提供为通过使用滤波器器件配置的发射机-接收机，用于使用电磁波的通讯，比如移动电话、无线LAN器件，电视机调谐器、无线电调谐器等。
权利要求
1.一种滤波器器件，其特征在于，具有在用于平衡输入的两个输入端和用于平衡输出的两个输出端之间以形成格状方式电连接的多个梁结构微谐振器，所述多个微谐振器每个均由包括谐振频率不同的多个谐振器的谐振器组构成。
2.根据权利要求1所述的滤波器器件，其特征在于所述谐振器组具有多个梁长度不同的梁电极。
3.根据权利要求1所述的滤波器器件，其特征在于所述谐振器组具有多个梁质量不同的梁电极。
4.一种发射机-接收机，其特征在于，配备有滤波器器件，所述滤波器器件具有在用于平衡输入的两个输入端和用于平衡输出的两个输出端之间以形成格状方式电连接的多个梁结构微谐振器，所述多个微谐振器中每个均由包括谐振频率不同的多个谐振器的谐振器组构成。
全文摘要
由多个微谐振器构成的具有宽的特定带宽的滤波器。在用于平衡输入的两个输入端(11、12)和用于平衡输出的两个输出端(13、14)之间，以格状电连接具有梁结构的多个微谐振器(15、16、17、18)。多个微谐振器(15、16、17、18)均包括谐振器组，该谐振器组包括具有不同的谐振频率的多个谐振器。
文档编号H03H9/52GK1977453SQ20058002169
公开日2007年6月6日 申请日期2005年3月25日 优先权日2004年4月28日
发明者难波田康治, 御手洗俊, 田中均洋, 多田正裕 申请人:索尼株式会社