专利名称：采用mems技术制作的半导体器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及到采用微加工即MEMS(微型电气机械系统)技术制作的诸如可变电容器或开关之类的半导体器件。
背景技术：
相对于采用PIN二极管或FET制作的可变电容器或开关，采用MEMS技术制作的可变电容器或开关的优点在于例如损耗小(Q值大)和畸变小。这种器件因而可望被安装在下一代蜂窝电话中。
静电型方案、压电型方案、热力型方案、电磁型方案等被用作这些MEMS可变电容器和开关的驱动方案。在这些方案中，热力型方案和电磁型方案功耗大，因而不适合于被安装在便携式装置中。相反，静电型方案(见例如美国专利No.5578976)的功耗小，但存在着下列缺点i)驱动电压高。
ii)由于电荷被绝缘膜捕获而发生粘附。
在电极间距离约为1微米的MEMS可变电容器中，为了用静电吸引使电极彼此接触，需要大约20V的高电压。由于此电压高于蜂窝电话系统的电源电压，故需要产生高电压的元件或电路，导致成本上升。此外，由于产生高电压，功耗就增大。已知在静电型可变电容器或开关中，电荷由于此高电压而被捕获在电极之间的绝缘膜中。一次开关操作所捕获的电荷量不多，但由于开关操作被重复，大量的电荷就被储存，从而使拉出(pull-out)电压偏移。若此偏移量变大，则各电极保持彼此相接触而彼此不分离(粘附)。已知当开关操作被重复106次或以上时，就发生这种粘附。
相反，可以用5V或以下的低电压来驱动压电型可变电容器或开关，功耗因而低(见例如H.C.Lee et a1.，“Silicon Bulk MicromachinedRF MEMSS Switches with 3.5 Volts Operation by using PiezoelectricActuator”，MTT-S Digest，pp.585-588，2004)。但由于驱动力微弱，故接触力约为10微牛顿，这是静电型器件接触力的1/10。因而出现下列问题iii)在MEMS开关中，接触电阻大。
iv)在MEMS可变电容器中，电极之间的粘合很差(即使电极具有微小的凹陷或弯曲，强大的驱动力也能够使电极彼此紧密地接触。若驱动力微弱，则无法使电极彼此紧密接触，导致可变范围缩小。)如上所述，与热力型和电磁型器件相比，静电型和压电型可变电容器和开关适合于被安装在便携式装置中，但就与驱动电压、粘附性、接触电阻、电极之间的粘合等相关的特性和功能而言，同时具有优点和缺点。都不完善，都需要被改善。
发明内容
根据本发明的一种情况，提供了一种半导体器件，它包含弹性部件，此弹性部件具有通过固定器被固定在衬底上的一个末端，以便在此一个末端与衬底之间形成间隙并被形变以改变衬底与弹性部件另一末端之间的距离；第一电极，此第一电极被置于弹性部件的另一末端处；第二电极，此第二电极被置于衬底上，面对第一电极；压电致动器，此压电致动器被置于弹性部件中并被形变，以便使弹性部件的另一末端靠近衬底；以及静电致动器，此静电致动器包括位于弹性部件中的第三电极和位于衬底上以面对第三电极的第四电极，且被形变，以便使弹性部件的另一末端靠近衬底，其中，借助于驱动压电致动器和静电致动器，来改变第一电极与第二电极之间的距离。
根据本发明的另一种情况，提供了一种半导体器件，它包含弹性部件，此弹性部件具有通过第一固定器和第二固定器被固定在衬底上的二个末端，以便在中间部分形成间隙并被形变以改变中间部分与衬底之间的距离；第一电极，此第一电极被置于弹性部件的中间部分处；第二电极，此第二电极被置于衬底上，面对第一电极；第一压电致动器和第二压电致动器，此第一压电致动器和第二压电致动器被置于弹性部件中，以第一电极被置于其间，并使弹性部件的中间部分形变，以便使中间部分靠近衬底；以及静电致动器，此静电致动器包括位于弹性部件中的第三电极和第四电极，以第一电极被置于其间，此静电致动器还包括位于衬底上面对第三电极和第四电极的第五电极和第六电极，并使弹性部件的中间部分形变，以便使中间部分靠近衬底，其中，借助于驱动第一压电致动器和第二压电致动器以及第一静电致动器和第二静电致动器，来改变第一电极与第二电极之间的距离。
图1是可变电容器的平面图，用来解释根据本发明第一实施方案的半导体器件；图2是沿图1中II-II’线的剖面图，用来解释根据本发明第一实施方案的半导体器件；图3是沿图1中III-III’线的剖面图，用来解释根据本发明第一实施方案的半导体器件；图4是配备有全球数字广播接收功能的蜂窝电话的方框图，用来解释根据本发明第一实施方案的半导体器件的应用例子；图5是电路图，示出了图4所示电路中的驱动器的具体配置例子；图6是电路图，示出了图4所示电路中的驱动器的具体配置的另一例子；图7是电路图，示出了图4-6所示电路中的匹配电路的具体配置例子；
图8是平面图，示出了图7所示匹配电路的图形布局；图9是可变电容器的平面图，用来解释根据本发明第二实施方案的半导体器件；图10是沿图9中X-X’线的剖面图，用来解释根据本发明第二实施方案的半导体器件；图11是可变电容器的平面图，用来解释根据本发明第三实施方案的半导体器件；图12是可变电容器的平面图，用来解释根据本发明第四实施方案的半导体器件；图13是可变电容器的平面图，用来解释根据本发明第五实施方案的半导体器件；图14是沿图13中XIV-XIV’线的剖面图，用来解释根据本发明第五实施方案的半导体器件；图15是可变电容器的平面图，用来解释根据本发明第六实施方案的半导体器件；图16是沿图15中XVI-XVI’线的剖面图，用来解释根据本发明第六实施方案的半导体器件；图17是开关的平面图，用来解释根据本发明第七实施方案的半导体器件；图18是沿图17中XVIII-XVIII’线的剖面图，用来解释根据本发明第七实施方案的半导体器件；图19是示意图，用来解释根据本发明第二实施方案的半导体器件的第一驱动方法；图20是时序图，示出了当采用第一驱动方法时，施加到各个端子的电压与电容值之间的关系；图21是示意图，用来解释根据本发明第二实施方案的半导体器件的第二驱动方法；图22是时序图，示出了当采用第二驱动方法时，施加到各个端子的电压与电容值之间的关系；
图23是示意图，用来解释根据本发明第二实施方案的半导体器件的第三驱动方法；图24是时序图，示出了当采用第三驱动方法时，施加到各个端子的电压与电容值之间的关系；图25是示意图，用来解释根据本发明第二实施方案的半导体器件的第四驱动方法；图26是时序图，示出了当采用第四驱动方法时，施加到各个端子的电压与电容值之间的关系；图27是示意图，用来解释根据本发明第二实施方案的半导体器件的第五驱动方法；图28是时序图，示出了当采用第五驱动方法时，施加到各个端子的电压与电容值之间的关系；图29是电路图，示出了配备有MEMS可变电容器的VCO电路，用来解释根据本发明各实施方案的半导体器件的另一例子；而图30是电路图，示出了在其中采用多频带蜂窝电话的MEMS开关的情况下的一种配置的例子，仍然是用来解释根据本发明各实施方案的半导体器件的另一应用例子。
具体实施例方式图1-3用来解释根据本发明第一实施方案的半导体器件。图1是可变电容器的平面图。图2是沿图1中II-II’线的剖面图。图3是沿图1中III-III’线的剖面图。此半导体器件包含可变电容器单元11、静电致动器单元12-1和12-2、以及压电致动器单元13-1和13-2。压电致动器单元13-1、静电致动器单元12-1、可变电容器单元11、静电致动器单元12-2、以及压电致动器单元13-2，沿一个方向被直线安置。这些单元被形成在这样一种结构中，此结构被形成为弹性部件15的二个末端被固定器27-1和27-2固定在衬底(例如硅衬底)10上。空腔35被形成在弹性部件15与衬底10之间。当压电致动器单元13-1和13-2以及静电致动器单元12-1和12-2被驱动时，弹性部件15的中间部分(可变电容器单元11)就形变而移动靠近衬底10，弹性部件15与衬底10之间的距离于是改变。
可变电容器单元11包含形成在弹性部件15中的上电极21和形成在衬底10上的下电极22和23。上电极21是浮置电极。当此电极被致动器单元12-1、12-2、13-1、13-2驱动时，电极间的距离就改变。当可变电容器单元11的上电极21被致动器单元12-1、12-2、13-1、13-2降低时，上电极21就移动靠近下电极22和23。结果，下电极22和23被电容性彼此耦合。在上电极21位于上部的情况下，大约1.5微米的间隙就形成在上电极21与绝缘膜33之间。在此情况下，下电极22和23之间的电容小得可忽略。如上所述，上电极21的上下移动使得有可能形成其电容值以二进制方式改变的数字可变电容器。
接着来描述控制可变电容器单元11的电极间距离的混合型致动器。上述静电致动器单元12-1和12-2被配置在可变电容器单元11的二侧上，并分别由上电极25-1和25-2以及下电极26-1和26-2组成。压电致动器单元13-1和13-2分别被提供在二侧上的静电致动器单元12-1和12-2以及固定器27-1和27-2之间。压电致动器单元13-1和13-2包括压电膜28-1和28-2以及分别排列成将压电膜28-1和28-2夹在中间的上电极29-1和29-2以及下电极30-1和30-2。AlN和PZT等被用作压电膜28-1和28-2的材料。
绝缘膜31被形成在可变电容器单元11的上电极21、静电致动器单元12-1和12-2的上电极25-1和25-2、以及压电致动器单元13-1和13-2的上电极29-1和29-2上。绝缘膜32被形成在压电致动器单元13-1和13-2的下电极30-1和30-2下方。可变电容器单元11的下电极22和23以及静电致动器单元12-1和12-2的下电极26-1和26-2被形成在形成于衬底10上的绝缘膜34上。绝缘膜33被形成在下电极22、23、26-1、以及26-2上。
在上述配置中，当电位差被施加在压电致动器单元13-1和13-2的上电极29-1和29-2与下电极30-1和30-2之间时，压电膜28-1和28-2就被位移，弹性部件15的另一末端因而向下位移。单压电型致动器或双压电型致动器能够被用作压电致动器单元13-1和13-2。当上电极21、25-1、以及25-2由于第一电位差施加在压电致动器单元13-1和13-2的上电极29-1和29-2与下电极30-1和30-2之间而向下位移时，上电极25-1和25-2就移动靠近下电极26-1和26-2。在此情况下，第二电位差被施加在上电极25-1和25-2与下电极26-1和26-2之间。第二电位差可以等于第一电位差，或可以小于或大于第一电位差。这使可变电容器单元11的上电极21向下位移，上电极21与下电极22和23之间的距离因而减小。结果，电容值就以二进制方式改变。
在消除静电致动器单元12-1与12-2之间的电位差之后或同时，借助于消除压电致动器单元13-1与13-2之间的电位差，可变电容器单元11的上电极21能够被向上位移，从而恢复到初始状态。
在上述配置中，由于压电致动器单元13-1和13-2的位移量大，故即使第一电位差为5V或以下，此器件也能够工作。通常，为了驱动静电致动器单元12-1和12-2，需要20V或以上的高电位差。在本实施方案中，在片间距离(电极间距离)由于驱动压电致动器单元13-1和13-2而被缩短的情况下，静电致动器单元12-1和12-2被驱动。由于片之间的静电吸引力正比于片间距离倒数的平方，故即使电极之间的电位差等于或小于第一电位差，也能够得到足够强的静电吸引力。这使得有可能确保可变电容器单元11的上电极21与下电极22和23之间的强粘合。
在本实施方案的配置中，由于静电致动器单元12-1和12-2的各个片之间的电位差小，故在绝缘膜33中不容易发生电荷捕获。这使得与现有技术相比能够增大开关操作的次数。
此外，形成在图1中可变电容器单元11以及静电致动器单元12-1和12-2中的矩阵状窗口14，用来在形成空腔35的腐蚀步骤中使腐蚀均匀进行。这些窗口还有助于降低空气阻力，因而能够进行高速开关操作。显然，窗口14不是必不可少的，就是没有这些窗口，本发明的主要效果也不改变。
在本实施方案中，静电致动器单元12-1和12-2的下电极30-1和30-2被短路(连接)到静电致动器单元12-1和12-2的上电极25-1和25-2。但即使用于压电驱动的上电极29-1和29-2被短路到静电致动器单元12-1和12-2的上电极25-1和25-2，也能够得到基本上相同于上述配置的功能和效果。此外，静电致动器单元12-1和12-2的上电极25-1和25-2以及下电极30-1和30-2可以被独立地控制。
上述的本实施方案可变电容器适合于用作蜂窝电话例如能够接收全球数字广播的蜂窝电话的天线匹配电路。下面来描述这种应用例子。
图4是方框图，示出了配备有全球数字广播接收功能的蜂窝电话。图4中的后端系统41是用于常规蜂窝电话的系统。新增的用于全球数字广播接收的元件是前端系统46，它包含用于全球数字广播接收的天线42、匹配电路系统43、调谐器44、以及OFDM解调LSI 45。上述的匹配电路系统43用来防止带宽由于天线失配损耗而变窄，且包括驱动器47和匹配电路48。
下面来更详细地描述匹配电路系统43。
用470-770MHz(波长为63-39cm)的UHF波段电波，来播送全球数字广播。由于电波的波长很长，故当此全球数字广播要被偶极子天线接收时，天线的长度大约需要15cm。至于目前的蜂窝电话，设计是非常重要的，因而要求尽可能减小天线的长度，若有可能，天线最好被建造在蜂窝电话的机箱内。但若简单地减小天线的尺寸，则带宽变窄，导致无法接收470-770MHz中所有频率的信号。为了避免此问题，匹配电路48被提供来根据所需的节目而改变匹配频率。匹配电路48可以由例如可变电容器组成，并可以借助于改变此可变电容器的电容值来改变匹配频率。
减小天线尺寸过程中的另一问题是天线的效率退化。天线的效率决定于天线本身的辐射电阻和出现在天线与接收电路之间的损耗电阻，表示如下天线效率＝辐射电阻/(辐射电阻+损耗电阻)
随着天线尺寸减小，辐射电阻也减小。因此，除非损耗电阻减小，否则天线效率就退化。例如，若PIN二极管被用作匹配电路48的可变电容器，则天线效率由于损耗电阻大而退化。相反，MEMS器件具有小的损耗电阻，能够被抑制到1欧姆或以下。因此，若MEMS可变电容器被用于匹配电路48，则能够实现紧凑的天线，并能够将紧凑的天线建造到蜂窝电话的机箱内。
基于上述考虑，图4中匹配电路系统43内的匹配电路48包含图1-3所示的半导体器件(可变电容器)。从后端系统41的控制器49输出的通道选择信息，被输入到驱动器47、调谐器44、以及OFDM解调LSI 45。输入到驱动器47的通道选择信息，当被转换成电容值选择信号CSS时，被输入到匹配电路48。
图5是电路图，示出了图4所示电路中的驱动器47的具体配置例子。通道选择信息是二进制信号的形式，并通过例如I2C总线，被输入到驱动器47。此二进制信号被驱动器47中的译码器51译码。当从译码器51输出的译码过的信号Si(i＝1，…，n)被激活(例如被设定为“高”和“低”中的“高”)时，开关SWi被开通，以便输出第i熔丝数据fuse-i作为电容值选择信号CSS。此信号被输入到匹配电路48。以这种方式，匹配电路48的电容值根据通道选择信息而改变，天线从而能够与选择的广播站的频带相匹配。
熔丝数据fuse-i(i＝1，…，n)被用作电容值选择信号CSS，以便补偿MEMS可变电容器电容值的变化以及匹配电路48的寄生电容的作用。以下列方式在测试步骤中来确定熔丝数据fuse-i。首先，电容值选择信号CSS被输出到测试电路52，并被逐步改变，直至匹配电路48的电容值将其最小值改变到其最大值。在此情况下，匹配电路48的电容值由测试器来监视。然后，驱动器47中的熔丝数据fuse-i被确定，以便根据此监视的数值来实现对应于通道选择信号的电容值。用例如激光烧断方法来执行此熔丝数据fuse-i的确定。
注意，非易失存储器可以被用来代替熔丝。
此外，若MEMS可变电容器的电容值变化以及匹配电路48的寄生电容的作用足够小而无须补偿，则测试电路可省略，并可以用ROM(ROM-1，…，ROM-n)代替熔丝。
图7示出了图4-6所示电路中的匹配电路48的具体配置。参照图7，电容器A3-1，…，A3-4是MEMS可变电容器，其电容值能够以数字方式(二进制方式)被致动器改变。这些电容器A3-1，…，A3-4的一个电极端口1被连接到天线，另一电极端口2被连接到接地点。
例如，图8示出了匹配电路48的图形布局。各个电容器A3-j(j＝1，2，3，4)是能够实现电容值2j-1C或0的数字可变电容器。用这种方式以二进制方式分配电容值，使4个数字可变电容器能够将电容值各改变到4个不同的数值1C、2C、4C、8C，亦即总共16个不同的电容值。显然，这是一个例子，要使用的数字可变电容器的数目可以不是4。
利用图1-3所示的配置作为图7和8所示数字可变电容器(电容器A3-1，…，A3-4)的配置，使得有可能实现低电压和低功耗的匹配电路48。由于混合器件是利用压电型器件和静电型器件二者形成的，取得了二类器件的大多数优点并补偿了其缺点，故即使电容器单元的面积被增大了，也能够确保优异的粘合。因此，能够采用上述的二进制可变配置，并能够减小匹配电路48的总芯片面积。
图9和10用来解释根据本发明第二实施方案的半导体器件。图9是可变电容器的平面图。图10是沿图9中X-X’线的剖面图。沿图9中III-III’线的剖面图相同于图3中的剖面图。
此半导体器件包含可变电容器单元11、静电致动器单元12、以及压电致动器单元13。这些单元被形成在这样一种结构中，此结构被形成为弹性部件15的一个末端被固定器27固定在衬底(例如硅衬底)10上。空腔35’被形成在弹性部件15与衬底10之间。当压电致动器单元13和静电致动器单元12被驱动时，弹性部件15的另一末端(可变电容器单元11的上电极21)就形变而移动靠近衬底10(可变电容器单元11的下电极22)，弹性部件15与衬底10之间的距离于是改变。
相同于图1和2中的参考号表示图9和10中相同的部分，其详细描述从略。
亦即，根据第二实施方案，使弹性部件15伸出悬臂。而且，利用这种配置，器件以基本上相同于第一实施方案的方式工作，并能够得到基本上相同于第一实施方案的功能和效果。
图11用来解释根据本发明第三实施方案的半导体器件。图11是可变电容器的平面图。此半导体器件包含可变电容器单元11、静电致动器单元12-1和12-2、以及压电致动器单元13-1、13-2、13-3、13-4。在此第三实施方案中，可变电容器单元、静电致动器单元、以及压电致动器单元不被直线安置，而是压电致动器单元13-1、13-2、13-3、13-4被非直线安置。更具体地说，压电致动器单元13-1和13-3被安置在静电致动器单元12-1的相反的两侧上，且压电致动器单元13-2和13-4被安置在静电致动器单元12-2的相反的两侧上。
利用这种配置，器件以基本上相同于第一实施方案的方式工作，并能够得到基本上相同于第一实施方案的功能和效果。此外，与其中可变电容器单元、静电致动器单元、以及压电致动器单元被直线安置的情况相比，能够减小弹性部件15的张应力，并能够以小的力有效地改变电容值。
注意，如在第二实施方案中那样，可以使第三实施方案中的弹性部件15伸出悬臂。
图12用来解释根据本发明第四实施方案的半导体器件。图12是可变电容器的平面图。此半导体器件包含可变电容器单元11、静电致动器单元12-1和12-2、以及压电致动器单元13-1、13-2、13-3、13-4。在此第四实施方案中，压电致动器单元13-1、13-2、13-3、13-4被形成在平面上的弯曲图形中。
利用这种配置，器件以基本上相同于第一和第三实施方案的方式工作，并能够得到基本上相同于第一和第三实施方案的功能和效果。此外，由于压电致动器单元13-1、13-2、13-3、13-4的弯曲部分用作弹簧，故能够以小的力有效地改变电容值。
显然，如在第二实施方案中那样，可以使弹性部件15伸出悬臂。
图13和14用来解释根据本发明第五实施方案的半导体器件。图13是可变电容器的平面图。图14是沿图13中XIV-XIV’线的剖面图。沿图13中II-II’线的剖面图相同于图2中的剖面图。
在此半导体器件中，可变电容器单元11的上电极21不被浮置，而是被触点36固定。这使得有可能通过触点36将电位施加到上电极21。
利用这种配置，器件以基本上相同于第一实施方案的方式工作，并能够得到基本上相同于第一实施方案的功能和效果。此外，由于上电极21在电学上能够被固定，故能够增大可变电容器单元11的电容。由于提供可变电容器单元11的一个下电极就足够，故能够减小图形的占据面积。而且，预先将上电极21接地，能够防止在制造工艺中充电。
显然，如在第二实施方案中那样，可以使弹性部件15伸出悬臂。
图15和16用来解释根据本发明第六实施方案的半导体器件。图15是可变电容器的平面图。图16是沿图15中XVI-XVI’线的剖面图。沿图15中III-III’线的剖面图相同于图3中的剖面图。
在第六实施方案中，使压电致动器单元13-1和13-2的压电膜28-1和28-2、上电极29-1和29-2、以及下电极30-1和30-2延伸以致面对静电致动器单元12-1和12-2的下电极26-1和26-2。换言之，下电极30-1和30-2被用作静电致动器单元12-1和12-2的上电极。
利用这种配置，器件以基本上相同于第一实施方案的方式工作，并能够得到基本上相同于第一实施方案的功能和效果。
显然，如在第二实施方案中那样，可以使弹性部件15伸出悬臂。
图17和18用来解释根据本发明第七实施方案的半导体器件。图17是开关的平面图。图18是沿图17中XVIII-XVIII’线的剖面图。
此半导体器件包含开关单元16、静电致动器单元12-1和12-2以及压电致动器单元13-1和13-2。这些单元被形成在这样一种结构中，使弹性部件15的二个末端被固定器27-1和27-2固定在衬底(例如硅衬底)10上。空腔35被形成在弹性部件15与衬底10之间。当压电致动器单元13-1和13-2和静电致动器单元12-1和12-2被驱动时，弹性部件15的中间部分(开关单元16)就形变而移动靠近衬底10，从而开通/关断此开关。
相同于图1和2中的参考号表示图17和18中相同的部分，其详细描述从略。
亦即，图1和2中的可变电容器单元11被开关单元16代替。开关单元16包含上电极21以及下电极22和23。由于上电极21以及下电极22和23被暴露，故优选用金或铂作为这些电极，以便防止它们暴露于空气并被氧化时接触电阻增大或接触失效。上电极21是浮置电极，能够由静电致动器单元12-1和12-2以及压电致动器单元13-1和13-2上下移动。当开关单元16的上电极21被致动器12-1、12-2、13-1、13-2降低时，上电极21的突出部分21A就与待要电连接的下电极22和23相接触(开通)。
在上电极21位于上部位置的情况下，大约1.5微米的间隙被形成在上电极21与绝缘膜33之间(关断)。借助于以这种方式上下移动上电极21，开关能够被开通/关断。
注意，与第二实施方案中那样，可以使弹性部件15伸出悬臂。此外，可以如第三实施方案中那样来配置静电致动器单元12-1和12-2、压电致动器单元13-1和13-2、以及压电致动器单元13-3和13-4，或可以如第四实施方案那样来配置。而且显然，如第五实施方案中那样，上电极21可以被触点36固定。
作为例子，下面以可变电容器作为根据本发明第二实施方案的半导体器件来描述各种驱动方法。
(第一驱动方法)图19是示意图，用来解释根据本发明第二实施方案的半导体器件的第一驱动方法。图20示出了此驱动方法中施加到各个端子的电压与电容值之间的关系。当压电致动器单元13的上电极29被短路(端子N1)到静电致动器单元12的下电极26，且电压V0被施加到压电致动器13的下电极30(端子N2)时，电容值被稳定在预定状态。当可变电容器单元11的上电极21要被降低时，端子N1的电压从V0被提高到V1，而端子N2被保持在V0。例如，电压V0被设定为0V，而电压V1被设定为3V。
利用这一操作，可变电容器单元11的上电极21移动靠近下电极22和23，从而增大了电容值。
在图20的时序图中，端子N1和N2处的电压波形可以互换。在此情况下，压电膜28的极化方向以及用于压电驱动的上电极29和下电极30的厚度被调整，以便在施加电压时向下弯曲压电致动器单元13。
(第二驱动方法)图21是示意图，用来解释根据本发明第二实施方案的半导体器件的第二驱动方法。图22示出了此驱动方法中施加到各个端子的电压与电容值之间的关系。在驱动操作的这一例子中，其上施加电压V1的端子如N1→N2→N1→N2→…那样交替改变。利用这一操作，对于每个开关操作，施加到静电致动器单元12的绝缘膜33的电场的方向都改变。这使得电荷更不容易被捕获在绝缘膜33中。结果，能够将开关操作的次数提高到106以上。
在此情况下，PZT被用于压电膜28。PZT膜的厚度和组分被确定成极化在电压V1或更低下反转。这使得有可能即使电场的方向改变也总是使压电致动器单元13向下位移。
(第三驱动方法)图23是示意图，用来解释根据本发明第二实施方案的半导体器件的第三驱动方法。图24示出了此驱动方法中施加到各个端子的电压与电容值之间的关系。如图24所示，压电致动器单元13的上电极29和静电致动器单元12的下电极26被用作不同的端子N1和N3，且施加电压的时刻彼此偏移td。
这能够降低开关操作时的峰值电流并抑制电源电压的下降。例如，上述延迟时间被设定为100ns。参照图24，端子N1处的电位比端子N3处的电位提前td上升。但可以使端子N3处的电位比端子N1处的电位上升得更早。此外，施加到端子N1和N3的电压V1和V2可以是相同的或不同的。
(第四驱动方法)图25示意图，用来解释根据本发明第二实施方案的半导体器件的第四驱动方法。图26示出了此驱动方法中施加到各个端子的电压与电容值之间的关系。在驱动操作的这一例子中，高于电压V2的电压V3，仅仅在各个前沿的第一周期内被施加到端子N3。这使得有可能仅仅在第一周期内增大各个电极之间的静电吸引力并改善各个电极之间的粘合。一旦各个电极彼此牢固接触，电极间的距离就变小，静电吸引力就变强。这种状态因而能够在较低的电压(V2)下被保持。更具体地说，例如电压V2可以被设定为3V，电压V3可以被设定为5V，而第一周期被设定为1微秒。
(第五驱动方法)图27示意图，用来解释根据本发明第二实施方案的半导体器件的第五驱动方法。图28示出了此驱动方法中施加到各个端子的电压与电容值之间的关系。在驱动操作的这一例子中，压电致动器单元13的驱动电极被完全分隔于静电致动器单元12的驱动电极。如图28所示的驱动电压被施加到端子N1、N2、N3、N4。
利用这一操作，相对于静电致动器单元12的绝缘膜33可望得到相同于第二实施方案的效果。此外，由于静电致动器单元12的上电极25被分隔于压电致动器单元13的电极29和30，故不具有极化反转特性的AlN能够被用于压电膜28。
与采用PZT的情况相比，AlN的使用减少了极化反转所造成的疲劳失效，因而能够增大开关操作的次数。
注意，可以采用基于第一到第五驱动方法中的一些驱动方法的组合的驱动方法。虽然已经举例说明了第二实施方案的各种驱动方法，但显然本发明能够以同样的方式被应用于所有实施方案的可变电容器和开关。
根据本发明各实施方案的可变电容器能够被用于天线匹配电路之外的例如VCO的其它电路。图29是电路图，示出了一种配备有MEMS可变电容器的VCO电路。此电路包含电感器L1和L2、晶体管Tr1和Tr2、恒流源Iv、以及MEMS可变电容器Cv。借助于改变MEMS可变电容器Cv的电容值来改变此电路的振荡频率。
图30是电路图，示出了在根据本发明各实施方案的开关被用作为多频带蜂窝电话设计的MEMS开关的情况下的一种配置的例子。在图30所示的多频带蜂窝电话中，n输出系统Rx和n输入系统Tx被MEMS开关SP2nT转换。滤波器FI1-FIn被提供在各个输出系统Rx的输入级，且滤波器FO1-FOn被提供在各个输入系统Tx的输出级。
如上所述，根据本发明的一种情况，能够获得可用低的驱动电压得到大的接触力的半导体器件。
对于本技术领域的熟练人员，可容易地作出其它的优点和修正。因此，本发明在其更广阔的方面不局限于此处所述的具体细节和各代表性实施方案。因此，可以作出各种修正而不偏离所附权利要求及其等效物所定义的本发明的构思与范围。
权利要求
1.一种半导体器件，它包含弹性部件，此弹性部件具有通过固定器被固定在衬底上的一个末端，以便在所述一个末端与衬底之间形成间隙并被形变以改变衬底与弹性部件另一末端之间的距离；第一电极，此第一电极被置于弹性部件的所述另一末端处；第二电极，此第二电极被置于衬底上，面对第一电极；压电致动器，此压电致动器被置于弹性部件中并被形变，以便使弹性部件的所述另一末端靠近衬底；以及静电致动器，此静电致动器包括位于弹性部件中的第三电极和位于衬底上且面对第三电极的第四电极，所述静电致动器被形变，以便使弹性部件的所述另一末端靠近衬底，其中，借助于驱动压电致动器和静电致动器来改变第一电极与第二电极之间的距离。
2.根据权利要求1的器件，其中，压电致动器被置于固定器与第一电极之间，且第三电极被置于压电致动器与第一电极之间。
3.根据权利要求1的器件，其中，压电致动器的一个电极被连接到静电致动器的第三电极。
4.根据权利要求1的器件，其中，压电致动器包括用于压电驱动的上电极、压电膜、以及用于压电驱动的下电极，且用于压电驱动的上电极或用于压电驱动的下电极被电连接到第三电极。
5.根据权利要求4的器件，其中，压电膜包含AIN或PZT。
6.根据权利要求1的器件，还包含插入在第一电极与第二电极之间的绝缘膜。
7.根据权利要求1的器件，其中，当使弹性部件与衬底彼此靠近时，其面对间隙的表面被暴露的第一电极和第二电极被彼此电连接，而当使弹性部件与衬底彼此分离时，第一电极和第二电极在电学上被彼此分离。
8.根据权利要求1的器件，还包含将电位施加到第一电极的触点。
9.一种半导体器件，它包含弹性部件，此弹性部件具有通过第一固定器和第二固定器被固定在衬底上的二个末端，以便在中间部分形成间隙并被形变以改变中间部分与衬底之间的距离；第一电极，此第一电极被置于弹性部件的中间部分处；第二电极，此第二电极被置于衬底上，面对第一电极；第一压电致动器和第二压电致动器，此第一压电致动器和第二压电致动器被置于弹性部件中，第一电极沿水平方向被置于其间，并使弹性部件的中间部分形变，以便使中间部分靠近衬底；以及第一静电致动器和第二静电致动器，此静电致动器包括位于弹性部件中的第三电极和第四电极，第一电极沿水平方向被置于其间，此静电致动器还包括位于衬底上面对第三电极和第四电极的第五电极和第六电极，并使弹性部件的中间部分形变，以便使中间部分靠近衬底，其中，借助于驱动第一压电致动器和第二压电致动器以及第一静电致动器和第二静电致动器来改变第一电极与第二电极之间的距离。
10.根据权利要求9的器件，其中，第一压电致动器和第二压电致动器被安置在第一固定器与第二固定器之间，第三电极被置于第一压电致动器与第一电极之间，且第四电极被置于第二压电致动器与第一电极之间。
11.根据权利要求9的器件，其中，第一压电致动器的一个电极被连接到静电致动器的第三电极，且第二压电致动器的一个电极被连接到静电致动器的第四电极。
12.根据权利要求9的器件，其中，第一压电致动器包括用于压电驱动的第一上电极、第一压电膜、以及用于压电驱动的第一下电极，第一上电极或第一下电极被电连接到第三电极，且第二压电致动器包括用于压电驱动的第二上电极、第二压电膜、以及用于压电驱动的第二下电极，第二上电极或第二下电极被电连接到第四电极。
13.根据权利要求12的器件，其中，第一压电膜和第二压电膜包含AIN或PZT。
14.根据权利要求9的器件，还包含插入在第一电极与第二电极之间的绝缘膜。
15.根据权利要求9的器件，其中，当使弹性部件与衬底彼此靠近时，其面对间隙的表面被暴露的第一电极和第二电极被彼此电连接，而当使弹性部件与衬底彼此分离时，第一电极和第二电极在电学上被彼此分离。
16.根据权利要求9的器件，还包含将电位施加到第一电极的触点。
17.根据权利要求9的器件，还包含第三压电致动器，此第三压电致动器被提供在弹性部件第一固定器侧上，并使弹性部件的中间部分形变，以便使中间部分靠近衬底；以及第四压电致动器，此第四压电致动器被提供在弹性部件第二固定器侧上，并使弹性部件的中间部分形变，以便使中间部分靠近衬底，且其中，第一压电致动器和第三压电致动器被安置成隔着第一静电致动器彼此面对，而第二压电致动器和第四压电致动器被安置成隔着第二静电致动器彼此面对。
18.根据权利要求9的器件，其中，第一压电致动器和第二压电致动器分别具有用作弹簧的弯曲部分。
19.一种匹配电路系统，它包含驱动器，此驱动器将通道选择信息转换成电容值选择信号；以及匹配电路，此匹配电路从驱动器接收电容值选择信号，并根据通道选择信息被设定为电容值，此匹配电路包括并联连接的可变电容器，其中，各个可变电容器包括弹性部件，此弹性部件具有通过第一固定器和第二固定器被固定在衬底上以便在中间部分形成间隙的二个末端，所述弹性部件被形变，以便改变中间部分与衬底之间的距离；第一电极，此第一电极被置于弹性部件的中间部分处；第二电极，此第二电极被置于衬底上，面对第一电极；第一压电致动器和第二压电致动器，此第一压电致动器和第二压电致动器被置于弹性部件中，第一电极沿水平方向被置于其间，并使弹性部件的中间部分形变，以便使中间部分靠近衬底；以及第一静电致动器和第二静电致动器，此静电致动器包括位于弹性部件中的第三电极和第四电极，第一电极沿水平方向被置于其间，此静电致动器还包括位于衬底上面对第三电极和第四电极的第五电极和第六电极，并使弹性部件的中间部分形变，以便使中间部分靠近衬底，其中，借助于驱动第一压电致动器和第二压电致动器以及第一静电致动器和第二静电致动器来改变第一电极与第二电极之间的距离。
全文摘要
一种半导体器件，它包括弹性部件、第一和第二电极、压电致动器、以及静电致动器。弹性部件的一个末端通过固定器被固定在衬底上，以便在弹性部件与衬底之间形成间隙。第一和第二电极分别被安置成面对弹性部件的另一末端和衬底。此压电致动器使弹性部件的另一末端形变，以便使之靠近衬底。静电致动器包括位于弹性部件中的第三电极和位于衬底上面对第三电极的第四电极，并使弹性部件的另一末端形变，以便使之靠近衬底。借助于驱动压电致动器和静电致动器，来改变第一电极与第二电极之间的距离。
文档编号H01H59/00GK1848342SQ20061007471
公开日2006年10月18日 申请日期2006年4月11日 优先权日2005年4月11日
发明者池桥民雄 申请人:株式会社东芝