FI116378B - Mikromekaaninen yhdistelmäkomponentti ja suuritaajuinen suodatin - Google Patents

Description

. 116378

Mikromekaaninen yhdistelmäkomponentti ja suuritaajuinen suodatin

Keksinnön ala

Keksintö liittyy mikromekaanisiin komponentteihin ja erityisesti mik-5 romekaanisen yhdistelmäkomponentin toteuttamiseen.

Keksinnön tausta

Mikromekaanisia komponentteja sisältävät mikrosysteemit ovat yleistyneet ja kehittyneet nopeasti viime vuosina. Erilaisia mikrotekniikoita voi-10 daan kutsua yleisesti mikrosysteemitekniikaksi (MST), joka voidaan määritellä esimerkiksi tekniikaksi, jolla valmistetaan ja kootaan erilaisia miniatyyrisia mekaanisia, elektronisia, optisia ja muita komponentteja toimivaksi kokonaisuudeksi. Mikrosysteemi käsittää tyypillisesti ainakin yhden osan, jonka dimensiot ovat mikrometriluokkaa, sekä komponentin, jonka valmistuksessa käytetään 15 mikromekaniikkaa. Mikrosysteemit voidaan jakaa esimerkiksi mikroelektromekaanisiin järjestelmiin (MEMS), mikro-optoelektromekaanisiin järjestelmiin (MOEMS) ja mikrofluidistiikkaan.

Mikroelektromekaaniset järjestelmät perustuvat tyypillisesti ohutkal-vopohjaiseen pintamikromekaniikkaan. Yleensä piikiekon päälle kasvatetaan 20 fysikaalisilla ja kemiallisilla pinnoitusmenetelmillä amorfisia tai monikiteisiä ohutkalvoja, joihin sitten muodostetaan mikromekaaniset rakenteet käyttämällä . .·. tyypillisesti integroitujen piirien valmistukseen käytettyjä etsaustekniikoita. Mik- . v. romekaanisten komponenttien liikkuvat kalvot tehdään tyypillisesti joko yksi- tai monikiteisestä piistä. Kalvosta saadaan liikkuva siten, että kalvon alla on tyypil-25 lisesti ohut eristekerros (oksidikerros), joka voidaan syövyttää pois piikalvossa

• · I

olevien aukkojen läpi.

Tällä hetkellä yleisimmin käytetty pintamikromekaniikan tekniikka on ns. SOI-mikromekaniikka (Silicon-on-lnsulator), jossa alustana toimivan piikie-\ kon pintaan on valmistettu ohut yksikiteinen piikerros siten, että näiden väliin 30 jää hyvin ohut eristävä oksidikerros. Tällöin esimerkiksi piialustan paksuus voi olla noin 50 - 500 pm, oksidikerroksen paksuus noin 50 - 200 nm ja päällim-mäisen piikerroksen paksuus noin 50 - 200 nm. Tällainen piikiekkorakenne • · *:·’ sopii tyypillisesti erittäin hyvin erilaisten mikromekaanisten komponenttien raa- ka-aineeksi, koska siihen on tehty valmiiksi edellä kuvattu syövytettävä oksidi-35 kerros, jonka päällä on yksikiteinen piikerros, jonka mekaaniset ominaisuudet ovat laadukkaampia kuin monikiteisellä piillä.

116378 2

Eräs tärkeä mikromekaniikan sovelluskohde ovat langattomat tietoliikennelaitteet ja -järjestelmät, kuten matkaviestimet ja laajakaistaverkot. Erityisesti langattomassa tietoliikenteessä on tarvetta erilaisille laadukkaille kalvo-värähtelijöille eli resonaattoreille ja vahvistimille, joilla voidaan toteuttaa uuden-5 laisia lähetin-vastaanotin-arkkitehtuureja. Mikromekaaniset komponentit ovat pinta-alaltaan pieniä, ja niiden avulla kannettavien tietoliikennelaitteiden teho-kulutusta voidaan merkittävästi pienentää. Lisäksi mikromekaanisten komponenttien parantaessa laitteen suorituskykyä, perinteisiltä komponenteilta ei vaadita yhtä paljon suorituskykyä kuin aiemmin. Tämän kautta päästään kus-10 tannusrakenteeltaan oleellisesti edullisempaan laitteeseen. Mikromekaanisten komponenttien avulla myös radiolaitteen suorituskykyä, esimerkiksi häiriöherkkyyttä ja toimintasädettä voidaan oleellisesti parantaa.

Nykyisen tekniikan mukaisissa mikromekaanisissa kaivovärähtelijä-, transistorivahvistin- ja kytkinkomponenteissa on kuitenkin useita ongelmia.

15 Mainitut komponentit on tyypillisesti nähty rakenteeltaan erillisinä ja niiden suorituskykyä on yleisesti kehitetty erillään.

Nykyisissä mikromekaanisissa yhdistelmäkomponenteissa on yleisesti ollut mekaaninen kaivovärähtelijä sijoitettuna keskelle ja komponentin kaksi sähkömagneettista porttia ovat olleet identtisiä keskenään. Tällöin yhdis-20 telmäkomponentin impedanssitaso on suhteellisen korkea ja tehonkulutus si-. . ten suurta. Erillisten komponenttien ongelmana on ollut se, että niille on määri- * · ·: teltävä jokin yhteinen standardi liitosrajapinnaksi. Yleisesti käytetty 50 Ω impe- :,;.: danssitaso on tyypillisesti kaukana komponenttien luonnollisesta impedanssi s- ta, joten sen saavuttamiseksi joudutaan käyttämään ylimääräisiä sovituskom-25 ponentteja. Sovituskomponentit vaikuttavat komponenttien sähköisiin ominai-: suuksiin monella tavalla, muunmuassa rajoittamalla komponenttien optimointia ‘| tietynlaiseen käyttöön.

Erilaisten komponenttien yhdistäminen mikromekaanisiksi yhdistel- mäkomponenteiksi on ollut valmistusteknisesti hankalaa, sillä komponenteilla :. ‘ i 30 on suuri kokoero. Kaivovärähtelijä on tyypillisesti ollut kooltaan moninkertainen transistoriin verrattuna. Komponenttien erillinen valmistaminen on siten ollut . *.t helpompaa. Erillinen valmistaminen on lisäksi ollut valmistusprosessin hyöty- suhteen vuoksi kannattavampaa, sillä erilliskomponentit valmistetaan edellä ‘kuvatun kaltaisista piikiekoista ja saanto on ollut erilliskomponenteille parempi 35 kuin yhdistelmäkomponenteille. Erilliskomponentit tulee kuitenkin liittää joko .·. ns. kääntöliitoksella (flip-chip) mikropiirin tai erilliseen alustaan mikropiirin * · 116378 3 kanssa. Tämä kytketty ratkaisu liitetään edelleen laitteen muuhun elektroniikkaan, mikä tekee toteutuksesta monimutkaisen ja epävarman johtuen useista liitoksista. Lisäksi liitoksissa käytetään nastaliitäntöjä, mikä tyypillisesti nostaa tarvittavaa käyttöjännitettä liian suureksi (jopa 20-30 volttiin), jotta tällaista 5 MEMS-komponenttia voitaisiin hyödyntää langattomissa tietoliikennelaitteissa.

Erillisiä kalvovärähtelijöitä ja transistoreita käytettäessä tarvitaan suhteellisen paljon pinta-alaa, joka on komponenttien yhteensä vaatiman pinta-alan, komponenttien välisen johdotuksen pinta-alan ja komponenttien väliin valmistusteknisesti jätettävän pinta-alan summa. Tämän kokonaispinta-alan 10 minimoiminen on yleisesti hankalaa ja siitä voi seurata vakavia toiminnallisia ongelmia komponenteille.

Erillisiä kalvovärähtelijöitä ja transistoreja käytettäessä ongelmana on lisäksi se, että niiden sähköinen toiminta tapahtuu aikajärjestyksessä eli komponenttien järjestyksellä signaalitiessä on suuri merkitys. Tällöin niillä ei 15 voi olla samalla ajan hetkellä tapahtuvia toisistaan riippuvia toimintoja, mikä puolestaan rajoittaa uudenlaisten toimintojen kehittämistä. Aikajärjestyksestä johtuen erillisiä komponentteja käytettäessä mukaan tulee ylimääräisiä viivete-kijöitä, jotka ovat ei-toivottuja ominaisuuksia nopeassa tietoliikenteessä.

Erillisillä kalvovärähtelijöillä ja transistoreilla toteutetun invertterin 20 ongelmana on ollut se, että invertteri on yleisesti käsittänyt ohjaukseltaan erimerkkiset transistorit vastakkaisvaiheisen toiminnan aikaansaamiseksi. Koska li’ pnp-transistori on toiminnaltaan yleisesti paljon hitaampi kuin npn-transistori, ! f: on niiden yhdessä muodostama invertteri hidas pnp-transistorin takia.

Keksinnön lyhyt selostus ;·*, 25 Keksinnön tavoitteena on siten kehittää mikromekaaninen yhdistel- '* '! mäkomponentti siten, että yllä mainittujen ongelmien haittoja voidaan vähen- tää. Keksinnön tavoitteet saavutetaan mikromekaanisella yhdistelmäkompo- nentilla ja suodattimena, jolle on tunnusomaista se, mitä sanotaan itsenäisissä ; ‘ · j patenttivaatimuksissa. Keksinnön edulliset suoritusmuodot ovat epäitsenäisten ,···, 30 patenttivaatimusten kohteena.

»

Keksintö perustuu siihen, että mikromekaaninen yhdistelmäkompo-:,i ί nentti käsittää samassa puolijohdekerroksessa ainakin osittain päällekkäin ;’": mekaanisen kalvovärähtelijän ja transistorin. Kalvovärähtelijä on järjestetty vä- rähtelemään tietyllä taajuudella vasteena kalvovärähtelijälle syötettyyn vaihto-\’’ 35 jännitteeseen. Transistori on järjestetty toimimaan mainitun kalvovärähtelijän ohjaamana. Kalvovärähtelijän liike aikaansaa varauksen muutoksen mainitun 116378 4 kanavan, kaivon tai puolijohdeliitoksen alueella, mikä aiheuttaa transistorin läpi kulkevan virran muutoksen.

Keksinnön mukainen suuritaajuinen suodatin käsittää yhden tai useampia mikromekaanisia yhdistelmäkomponentteja, jotka on kytketty säh-5 köisesti yhteen.

Keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaisesti varauksen muutos transistorin kanavan, kaivon tai puolijohdeliitoksen alueella aiheuttaa muutoksen transistorin läpi kulkevassa virrassa. Keksinnön erään toisen edullisen suoritusmuodon mukaisesti puolijohdekerroksen pinta-ala käsittää melo kaanisesti värähtelevän ja värähtelemättömän alueen. Osa värähtelevästä alueesta aiheuttaa värähtelyn ja toinen osa käsittää transistorin kanavan, kalvon tai puolijohdeliitoksen. Lisäksi keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaisesti mekaanisen värähtelyn aiheuttava alue on seostettua puolijohdetta tai pinnoitettu johdinkerroksella, ja transistorin kanava, kaivo tai puolijohdeliitos 15 ovat myös seostettua puolijohdetta.

Keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaisesti kalvoväräh-telijän kanssa ainakin osittain päällekkäisesti muodostettu transistori on MOS-FET-tyyppinen. Edelleen erään edullisen suoritusmuodon mukaisesti MOS-FET-transistorin DC-toimintapiste voidaan asettaa kanavan päälle muodoste-20 tun kanavasta sähköisesti eristetyn portin avulla. Lisäksi keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaisesti komponentti käsittää ainakin kaksi ohjauksel-taan samanmerkkistä transistoria invertterin muodostamiseksi.

: Keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaisesti muodoste- '.'. taan substraatin, eristävän oksidikerroksen ja päällimmäisen puolijohdekerrok- ,·*, 25 sen käsittävään SOI-rakenteeseen mikromekaaninen yhdistelmäkomponentti . ja komponentin päällä oleva johdinkerros. Erään edullisen suoritusmuodon ‘/ mukaisesti yhdistelmäkomponentin puolijohdekerros on seostamatonta, yksiki- teistä piitä, piigermaniumia tai jotain muuta ohutkalvotransistoreissa käytettävää puolijohdetta. Edelleen keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukai-30 sesti mainittu puolijohdekerros on paksuudeltaan oleellisesti 50 - 200 nm ja edullisimmin 70 - 100 nm.

* ’·’ Keksinnön mukaisen mikromekaanisen yhdistelmäkomponentin i eräänä etuna on se, että komponentissa sähköisen ulostuloportin muodostaa • ,,ί transistori, jonka impedanssi on luonnostaan pieni. Komponentin tehonkulutus ;·' 35 vähenee, kun ulostuloimpedanssi pienenee. Etuna on myös se, että mikrome- ’.,. kaanisen komponentin pinta-ala on erittäin pieni, sillä mekaaninen kalvoväräh- 1 1 6378 5 telijä ja transistori ovat ainakin osittain sijoitettu päällekkäin ja ne valmistetaan samaan puolijohdekerrokseen kuin SOI-mikropiirit. Valmistusprosessin hyötysuhdetta pystytään siten nostamaan, ja liitoksista muihin komponentteihin nähden tulee luotettavampia. Eräs etu on myös se, että transistorille voidaan 5 määrittää ominaistaajuudeksi kapea taajuuskaista, jolloin ei tarvita erillisiä taa-juussuodattimia. Edelleen etuna on se, että transistorin ja kalvovärähtelijän toiminta tapahtuu samalla ajan hetkellä eikä peräkkäisesti. Tällöin taajuus-pyyhkäisyssä halutun signaalikaistan ja ei-toivotun signaalikaistan siirtymäalue on kapeampi. Lisäksi etuna on myös se, että keksinnön mukainen yhdistelmä-10 komponentti, joka käsittää ainakin kaksi samanmerkkistä transistoria, voi toimia invertterinä. Etuna on myös se, että syötettävän signaalin ja ulostulevan signaalin välinen sähköinen eristys on aikaisempaa parempi, sillä transistori-osan eristys parantaa koko komponentin sähköistä eristystä. Eristyksen vuoksi haitallinen kohina ei vahvistu. Lisäksi etuna on vielä se, että aikaisemmin erilli-15 sinä komponentteina toimineet kalvovärähtelijät ja transistorit voidaan hallita yhtenä komponenttina.

Kuvioiden lyhyt selostus

Keksintöä selostetaan nyt lähemmin edullisten suoritusmuotojen yhteydessä viitaten oheisiin kuvioihin, joista: 20 Kuviot 1a ja 1b esittävät keksinnön mukaisen mikromekaanisen *-!· komponentin rakennetta; t t r * . . Kuvio 2 esittää transistoreiden ja kalvovärähtelijän poikkileikkausku- v. vaa.

I * *

Kuvio 3 esittää keksinnön mukaisen mikromekaanisen komponentin

• I

25 rakennetta vaihtoehtoisella kalvovärähtelijäratkaisulla;

Kuvio 4 esittää keksinnön mukaisen mikromekaanisen yhdistelmä- • t f 4· komponentin rakennetta vaihtoehtoisella transistoriratkaisuila;

Kuviot 5a, 5b, 5c ja 5d esittävät erilaisia keksinnön mukaisten yhdis-. *. : telmäkomponenttien muodostamia suodatinrakenteita.

\: 30 Keksinnön yksityiskohtainen selostus i Viitaten kuvioihin 1a ja 1b selostetaan seuraavassa keksinnön mu- , kaisen mikromekaanisen yhdistelmäkomponentin rakennetta. Kuviossa 1a on ’ ’' esitetty kaavamaisesti komponentin poikkileikkauskuvio, ja kuviossa 1 b on esi- ; '·· tetty komponentti kaavamaisesti päältäpäin. Kuvioissa 1a ja 1b käytetään yh- : 35 teistä viitenumerointia. Kuvioissa 1a ja 1b esitettyjen rakenteiden mittasuhteet 6 1 1 6378 on esitetty siten, että keksintö voidaan edullisesti havainnollistaa, joten mittasuhteet eivät vastaa keksinnön mukaisen komponentin todellisia mittasuhteita.

Mikromekaanisen yhdistelmäkomponentin valmistusmateriaalina käytetään edullisesti piikiekkoa, joka käsittää substraatin 100, oksidikerroksen 5 102, syövytetyn osan 103, mistä oksidikerros on poistettu, ja päällimmäisen ohuen piikerroksen eli ns. SOI-kerroksen 104. Substraatin 100 paksuus on edullisesti luokkaa 50 - 500 pm, oksidikerroksen 102 paksuus noin 50 - 200 nm ja SOI-kerroksen 104 paksuus myös noin 50 - 200 nm, mikä vastaa olennaisesti mikropiirien ohutkalvotransistoreissa yleisesti käytettävän päällimmäi-10 sen kerroksen paksuutta. Keksinnön mukaisessa komponentissa mekaaninen kalvovärähtelijä ja transistori ovat ainakin osittain sijoitettu päällekkäin samaan puolijohdekerrokseen SOI-mikropiirien kanssa. Siten yhdistelmäkomponenttien pinta-ala on erittäin pieni. Kalvovärähtelijän dimensiot määräävät yhdistelmä-komponentin pinta-alan. Kalvovärähtelijän dimensiot ovat yleisesti muutaman 15 sadan nanometrin suuruusluokkaa, joten yhdistelmäkomponentin pinta-ala voi edullisesti olla esimerkiksi muutamia neliömikrometrejä. Tämän vuoksi valmistusprosessin hyötysuhde on hyvä ja liitokset muihin komponentteihin verrattuna ovat luotettavampia.

SOI-kerroksen 104 materiaalina käytetään itseispuolijohdetta, edul-20 lisemmin seostamatonta, yksikiteistä piitä. SOI-kerroksen 104 materiaalina voidaan käyttää myös esimerkiksi piigermaniumia (SixGey) tai jotain muuta ’’!* ohutkalvopuolijohdetta, jolloin mikromekaaninen komponentti on helpompi in- : tegroida osaksi tunnettujen mikropiirien valmistusta. Koska SOI-kerroksen 104 materiaalina voidaan käyttää muitakin puolijohteita kuin piitä, voidaan termi I.* 25 SOI laajentaa merkitykseen ”Semiconductor-On-lnsulator”. Oksidikerroksen 102 paksuus korreloi eksponentiaalisesti komponentin käyttämiseksi tarvitta- 3 « i van jännitetason suhteen, joten käyttöjännitetason minimoimiseksi tulee oksi-:dikerros pitää edullisesti mahdollisimman ohuena. Näin saadaan aikaan edullisesti matalajännitteinen mikromekaaninen komponentti, jonka käyttöjännittee-j 30 nä voidaan käyttää tyypillistä mikropiirin käyttöjännitettä. Substraatti 100 on ,··*, edullisesti seostettu siten, että sen johtavuus on olennaisen suuri, tyypillisesti luokkaa 0,01 - 0,1 (Qcm)'1, jolloin mikromekaanisen komponentin t * j.j j sisäänmenojännitteen vastetta vaimentava RC-aikavakio pysyy edullisesti f": pienenä. SOI-kerroksen 104 päälle voidaan järjestää kontaktimetalloinnit 106, 35 jotka voidaan valmistaa joko suoraan piikalvon päälle tai kontaktimetalloinnin * ‘ alle voidaan valmistaa eristealueet 108.

i

t I

116378 7 Päältä katsottuna mikromekaanisen komponentin SOI-kerros 104 voidaan jakaa resonanssimielessä kahteen alueeseen: mekaanisesti värähtelevään eli resonoivaan alueeseen 110 sekä tätä ympäröivään värähtelemättö-mään alueeseen 112. Värähtely on mahdollista, sillä valmistusvaiheessa yksi-5 kiteisen piikerroksen alta on syövytetty oksidikerros, joten piikalvo on itsekan-tava kalvo. Värähtelevän ja värähtelemättömän alueen välissä on rajapinta 114, joka kiinnittää mainitut alueet mekaanisesti toisiinsa. Mikromekaanisen komponentin ohjaamiseksi eli jännitteen syöttämistä varten on muodostettu alue 116, joka on joko piikalvon pintaan metalloitu alue tai piikalvoon vahvasti 10 seostettu alue. Piikalvoon on muodostettu myös seostetut alueet 118 transistorin nielun ja lähteen muodostamiseksi siten, että niiden väliin jäävä alue toimii transistorin kanavana ja edullisesti sijaitsee värähtelevällä alueella 110. Tämän kanava-alueen kohdalla edullisesti sijaitsee kanavasta eristetty hilaelektrodi 120, jolla voidaan oleellisesti säätää transistorin sähköistä toimintapistettä eli 15 ns. DC-toimintapistettä.

Luonnostaan pieni-impedanssinen transistori muodostaa komponentin sähköisen ulostuloportin. Koska ulostuioimpedanssi on suoraan verrannollinen tehonkulutukseen, koko yhdistelmäkomponentin tehonkulutus on vä-häisempää transistorin ansiosta. Pienen pinta-alan ja vähäisen tehonkulutuk-20 sen lisäksi keksinnön mukaisen komponentin etuna on lisäksi transistorin ja Y: kalvovärähtelijän samanaikainen toiminta, jolloin vältytään ei-toivotuilta viiveil- ,*··. tä. Siten komponentin toiminta on nopeaa. Lisäksi transistoriosan eristys pa- rantaa koko komponentin eristystä, jolloin kaistan ulkopuolinen signaali eli ko-hina ei vahvistu kuten yleisesti transistoreissa. Keksinnön mukaisen kompo-'*·* 25 nentin hallinta on yksinkertaisempaa, sillä kahden erilliskomponentin sijaan pi tää hallita vain yhtä komponenttia. Edulliset ominaisuudet tekevät komponen-;\i tista helposti sovellettavan muun muassa matkaviestimiin, joissa nykyään tär- • keimpinä kriteereinä pidetään juuri komponenttien pientä pinta-alaa, vähäistä tehonkulutusta, nopeutta sekä luotettavuutta.

: ·: : 30 Keksinnön mukaisen kalvovärähtelijän värähtelyominaisuuksiin vai- kutiaa olennaisilta osin toisaalta SOI-kalvon paksuus, toisaalta värähtelevän :·’ alueen 110 pituus. Koska keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukai- * » · sesti mikromekaaninen komponentti voidaan valmistaa samaan puolijohdeker-'···* rokseen muun mikropiirin kanssa, ja koska SOI-kalvon paksuus vaikuttaa 35 muun mikropiirin toimintaan, pyritään värähtelyominaisuuksiin vaikuttamaan lähinnä värähtelevän alueen pituutta säätämällä.

116378 8

Mikromekaanisen komponentin toiminta perustuu edullisimmin siihen, että ohjauselektrodille 116 johdetaan sekä vaihtojännite (AC-jännite) että tasajännite (DC-jännite). Käytettävien jännitteiden suuruusluokka voi olla tyypillisesti DC-jännitteen osalta 0,5 -100 V ja AC-jännitteen osalta 0 - 30 V. Käytet-5 tävän AC-jännitteen taajuus riippuu mikromekaanisen komponentin halutusta värähtelytaajuudesta, jolloin se voi olla tyypillisesti noin 2 GHz, mutta se voi edullisesti vaihdella esimerkiksi välillä 1 - 15 GHz. Transistorin DC-toimintapisteen säätämiseen käytetään tyypillisesti -10 - +10 V suuruista bia-soi nt ij ä n n itettä.

10 DC-jännitteen lisäksi ohjauselektrodille 116 tuodaan myös AC- komponentti, jolloin kyseiseen kalvovärähtelijään vaikuttaa jännitteiden sum-majännite kaavan 1. mukaisesti.

U = DC + ACsin(S)t (1.) 15

Kalvovärähtelijään kohdistuva voima F actuator. joka aiheuttaa jännitteestä riippuvan kalvon taipuman, lasketaan kaavan 2. mukaisesti.

.»;* FM,r=\u\ir 4 (2.) . 2 x 20 * · missä U = jännite

Sair = ilman dielektrisyysvakio, joka sisältää εο:η (tyhjiön permittiivisyyden) :' ”; A = kalvon pinta-ala 25 x = kalvon etäisyys substraatista ' · / Harmoninen voima puolestaan kuvaa sitä voimaa, jolla pyritään ve tämään kalvoa takaisin kohti tasapainoasemaan. Tämän vuoksi harmoninen : voima merkitään miinusmerkkiseksi. Harmoninen voima voidaan laskea kaa- 30 van 3. mukaisesti.

j '·· (3·) 9 116378 missä k = jousivakio d = kalvon taivutettu etäisyys tasapainoasemasta eli kohdasta, jossa taivuttavan jännitteen arvo on nolla 5

Tietyssä kohdassa kalvovärähtelijään kohdistuva jännitteen aiheuttaman voiman ja harmonisen voiman itseisarvot ovat yhtä suuret. Kun kalvoa taivutetaan lisää, ja kun kalvon liikeradan suuruus eli ns. huipusta-huippuun-arvo on noin 1/3 oksidikerroksen paksuudesta, niin sen jälkeen kalvovärähteli-10 jään kohdistuva jännitteen aiheuttavan voiman itseisarvo on suurempi kuin jousivoiman itseisarvo. Tätä pistettä kutsutaan ns. tartuntapisteeksi (pull-in point), jolloin substraatti vetää kalvon itseensä kiinni, ja komponentista tulee toimintakyvytön.

Kalvon taipuman maksimaalisen liikeradan suuruus on yleisesti noin 15 33% oksidikerroksen paksuudesta. Edullisimmin taipuman amplitudin suuruus on noin 15% oksidikerroksen paksuudesta, sillä silloin kalvon dynaaminen alue eli kalvon liikeradan suuruus on 30% oksidikerroksen paksuudesta, mikä on lähellä, mutta kuitenkin vielä tarpeeksi kaukana tartuntapisteestä.

Taipuman suuruus vastaa samansuuruista muutosta sähkökentän 20 voimakkuudessa substraatin ja SOI-kerroksen välillä. Sähkökentän voimakkuus on suoraan verrannollinen vastaavaan biasjännitemuutokseen transisto-• · · rin hilalla.

. Mikromekaaniseen komponenttiin vaikuttava sähköinen voima eli . v. värähtelyteho on verrannollinen DC- ja AC-summajännitteen neliöön kaavan 4.

• · · .···, 25 mukaisesti.

• · _ U2 DC2 + 2DC* ACsmcot+AC2 sm2 aA O f = --R- (4->

Kuvio 2 esittää yhdistelmäkomponenttia, joka koostuu kahdesta n-30 kanavaisesta eli npn-tyypin MOSFET:sta sekä kalvovärähtelijästä. Kuviossa 2 esitettyjen rakenteiden mittasuhteet on esitetty siten, että keksintö voidaan • · » edullisesti havainnollistaa, joten mittasuhteet eivät vastaa keksinnön mukaisen * · - * komponentin todellisia mittasuhteita.

Kuvion 2 komponentti on vuorovaikutteinen kahden vastakkaisvai-:*·,[ 35 heisen npn-transistorin takia, joten komponentti toimii invertteripiirinä. Kuvion

• I

mukaisesti negatiivisen AC-puoliaallon aikana värähtelevä alue liikkuu esijänni- 116378 10 tettyyn tasoon nähden ylöspäin 212, jolloin hilan ja substraatin välinen kapasitanssi pienenee, jolloin ensimmäinen npn-transistori on poiskytkettynä eli off-tilassa. Positiivisen AC-puoliaallon aikana värähtelevä alue liikkuu vastaavasti alaspäin 214, jolloin kapasitanssi kasvaa, jolloin toinen npn-transistori on kyt-5 kettynä päälle eli on-tilaan. Kanavan ja substraatin välisen etäisyyden muuttuessa muuttuu samalla myös kanavan ja substraatin välinen sähköinen kapasitanssi. Edelleen tämän vuoksi kanavan sisäinen sähkökentän voimakkuus muuttuu ja kanavan varauksenkuljettajien määrä muuttuu. Keksinnön mukaisen komponentin toteuttama invertteri on huomattavasti nopeampi kuin nyky-10 tekniikalla toteutetut invertterit. Tämä johtuu siitä, että nykytekniikalla toteutetut invertterit käsittävät yleisesti ohjaukseltaan, esimerkiksi ohjausjännitteeltään, erimerkkiset transistorit, kuten pnp- ja npn-tyyppiset transistorit, joista pnp-transistori on huomattavasti npn-transistoria hitaampi. Keksinnön mukaisella komponentilla toteutettu invertteri voi koostua esimerkiksi pelkästään npn-15 transistoreista, jolloin invertteri on nopea.

Mikäli syötettävän AC-jännitteen taajuus poikkeaa värähtelevän alueen mekaanisesta värähtelytaajuudesta, mekaaninen värähtely vaimenee. Yh-distelmäkomponentti ei vaadi erillistä taajuussuodatinta, koska transistorille ...: voidaan määrittää ominaistaajuudeksi kapea taajuuskaista.

!,·.·* 20 Viitaten edelleen kuvioon 1, mikromekaanisen yhdistelmäkompo- nentin nielu ja lähde 118 sekä hila 120 on biasoitu DC-jännitteellä edullisesti .···. siten, että mekaaninen värähtely aikaansaa muutoksen kanavan läpi kulkevas- sa virrassa. Mikromekaaninen komponentti voi toimia yleisesti tunnetun MOS-FET-transistorin tapaan useanlaisella toimintapisteellä ja toimintalogiikalla tai '···' 25 MOSFET-osan paikalla voi olla bipolaaritransistori (BJT) tai jonkin muun tyypin transistori.

Viitaten kuvioihin 3 ja 4 selostetaan seuraavassa keksinnön mukai-sen komponentin eräiden suoritusmuotojen rakennetta. Kuviossa esitettyjen

I * I

. ·. rakenteiden mittasuhteet on esitetty siten, että suoritusmuotoja voidaan edulli- * * · : : : 30 sesti havainnollistaa, joten mittasuhteet eivät vastaa todellisten suoritusmuoto- jen mittasuhteita.

Kuviossa 3 on kuvattu mikromekaaninen komponentti kaavamaises- • · > ti päältäkatsottuna vaihtoehtoisella kalvovärähtelijäratkaisulla. Kuviossa 4 on esitetty mikromekaaninen transistori kaavamaisesti päältäkatsottuna vaihtoeh-35 toisella transistoriosaratkaisulla. Kuvioissa 3 ja 4 halutaan kiinnittää huomiota 116378 11 keksinnön kohtiin, joissa kuvioiden esittämät rakenteet poikkeavat kuvion 1b esittämästä rakenteesta.

Keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukainen komponentti voidaan valmistaa esimerkiksi kuvion 3 mukaisen nelikulmaisen kalvovärähtel-5 jän päälle, jolloin komponentin kiinteän rungon muodostaa SOI-kalvo 300. Siitä on erotettu palkki 302, joka yhtyy runkoon kiinteästi päistään 304. Komponentin sisääntuloportti on muodostettu alueelle 306 ja transistoriosan kaivot on muodostettu alueille 308. Komponentin DC-toimintapiste määrätään elektrodille 310 tuodulla jännitteellä. Kuvion 3 mukaisesti komponentin toteutusmuodot 10 eivät ole riippuvaisia värähtelijän fyysisistä muodoista, vaan värähtelijä voi olla muodoltaan pyöreä, nelikulmio tai jokin muu geometrinen rakenne, mutta edullisimmin värähtelijä on pyöreänmuotoinen valmistusteknisistä syistä.

Keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukainen komponentti voidaan valmistaa myös esimerkiksi kuvion 4 mukaisella tavalla, jossa kalvovä-15 rähtelijän geometrinen muoto on sama kuin kuviossa 1b. Kuvion 4 rakenteessa on oleellista se, että transistoriosa on toteutettu bipolaaritransistoriteknologial-la. Kuviossa 4 esitetään transistorin kanta-alue 400, joka sijaitsee mekaanisesti värähtelevällä alueella. Transistorin puolijohdeliitokset 402 sijaitsevat me-kaanisesti värähtelevän alueen reunoilla. Kuvion 4 rakenteessa osoitetaan, et-·',·. 20 tä keksinnön mukaisen komponentin toteutusmuodot eivät ole riippuvaisia .transistoriosan toteutusteknologiasta, vaan toteutusmuoto voi olla mikä tahan-. * · *. sa puolijohdealueilla toteutettu transistoritoimintaa toteuttava alue.

Keksinnön mukainen komponentti voidaan valmistaa myös esimer-kiksi kuvion 3 mukaisella tavalla, kuitenkin siten, että värähtelijäosan mekaani-'·· 25 nen värähtelysuunta on koordinaatiston x-akselin suuntainen. Edullisesti mik romekaanisen komponentin mekaaninen värähtely on kohtisuorassa tasoa xy vastaan. Keksinnön mukainen komponentti voidaan toteuttaa missä tahansa • ’'': värähtelysuunnassa ja se voi vaihdella patenttivaatimusten puitteissa.

. ·. Keksinnön mukainen komponentti on hyödynnettävissä esimerkiksi : 30 suuritaajuisissa langattomissa päätelaitteissa, kuten matkaviestimissä. Erityi- sesti mikromekaanista komponenttia voidaan hyödyntää signaalin vastaan-;·, otossa ja vahvistuksessa kaistanpäästösuodattimena. Seuraavassa esitellään ’... t eräinä esimerkkeinä erilaisia kaistanpäästösuodattimen toteutusmuotoja.

Keksinnön mukainen komponentti toimii luonnostaan kaistanpääs-35 tösuodattimena, jonka taajuuden määrittelee kalvon mekaaninen värähtelytaajuus. Erilaisia suodatinrakenteita voidaan muodostaa esimerkiksi kytkemällä 116578 12 useita kalvovärähtelijöitä yhteen. Kuviot 5a, 5b, 5c ja 5d esittävät esimerkkejä erilaisista suodatinrakenteista. Kuvioissa 5a - 5d käytetään yhteistä viitenume-rointia. Kuvioissa 5a - 5d esitettyjen rakenteiden mittasuhteet on esitetty siten, että keksinnön sovelluksia voidaan edullisesti havainnollistaa, joten mittasuh-5 teet eivät vastaa todellisten sovellusten mittasuhteita.

Kuvio 5a on eräs esimerkki suodattimesta, joka käsittää kaksi kal-vovärähtelijää 500 yhdistettynä toisiinsa rinnakkain ja ainakin osittain niiden päällä olevan transistorin 502. Kalvovärähtelijät on mekaanisesti kytketty toisiinsa ja sähköisesti eristetty toisistaan seostamattomilla kannaksilla. Sisään-10 menosignaali Sin syötetään kalvovärähtelijälle ja ulostuleva signaali Sout saadaan transistorilta. Vastaavasti kuvio 5b on eräs esimerkki suodattimesta, joka käsittää kolme kalvovärähtelijää 500 yhdistettynä toisiinsa rinnakkain ja kaksi ainakin osittain niiden päällä olevaa transistoria 502. Transistorit voidaan sijoittaa kalvovärähtelijöiden päälle monin eri tavoin, kuten esimerkiksi kuvioiden 5c 15 ja 5d esittämillä tavoilla. Alan ammattimiehelle on selvää, että edellä esitetyt suodatinrakenteet ovat vain eräitä esimerkkejä siitä, miten kalvovärähtelijöitä voidaan yhdistellä halutun suodatinrakenteen aikaansaamiseksi.

Keksinnön mukaiset komponenttirakenteet ovat erityisesti hyödyn-;:· nettävissä erilaisissa langattomissa tietoliikennelaitteissa, kuten esimerkiksi 20 GSM/GPRS- ja UMTS-matkaviestimissä sekä tulevissa laajakaistaverkoissa. Muita hyödynnettäviä järjestelmä ovat mm. Bluetooth, WLAN IEEE 802.11 ja L! HIPERLAN (High Performance Radio Local Area Network) sekä erityisesti näi tä kehittyneemmät järjestelmät, joissa on otettu huomioon tämän keksinnön ’·’ mahdollistamat kanavasuodatusmahdollisuudet. Kehittyneissä järjestelmissä 25 keksintö mahdollistaa ns. SW-radion valmistamisen, mikä tarkoittaa ohjelmallisesti ohjattavaa monistandardista lähetin -vastaanotinta. Näissä järjestelmissä • : toimivat päätelaitteet käyttävät taajuuksia, jotka vaihtelevat n. 900 MHz - 5,8 .··, GHz välillä.

Alan ammattilaiselle on ilmeistä, että tekniikan kehittyessä keksin- •j 30 nön perusajatus voidaan toteuttaa monin eri tavoin. Keksintö ja sen suoritus-:' ’ *: muodot eivät siten rajoitu yllä kuvattuihin esimerkkeihin vaan ne voivat vaihdel- .. ‘ la patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (11)

116378

1. Mikromekaaninen yhdistelmäkomponentti, tunnettu siitä, että se käsittää samassa puolijohdekerroksessa (104) ainakin osittain päällekkäin mekaanisen kalvovärähtelijän (110) ja transistorin, joka kalvovärähtelijä (110) 5 on järjestetty värähtelemään tietyllä taajuudella vasteena kalvovärähtelijälle (110) syötettyyn vaihtojännitteeseen, ja joka transistori on järjestetty toimimaan mainitun kalvovärähtelijän (110) ohjaamana.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen komponentti, tunnettu siitä, että mainitun puolijohdekerroksen (104) pinta-ala käsittää olennaisesti mekaa- 10 nisesti värähtelevän (110) ja värähtelemättömän (112) alueen, jonka värähtelevän (110) alueen pinta-ala käsittää ensimmäisen alueen, joka käsittää mekaanisen värähtelyn aiheuttavan alueen (116), ja toisen alueen, joka käsittää transistorin kanavan, kaivon tai puolijohdeliitoksen.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen komponentti, tunnettu siitä, 15 että mainitun transistorin läpi kulkeva virta muuttuu vasteena varauksen muutokselle mainitun kanavan, kaivon tai puolijohdeliitoksen alueella.

4. Patenttivaatimuksen 2 mukainen komponentti, tunnettu siitä, että mainittu mekaanisen värähtelyn aiheuttava alue (116) on seostettua 20 puolijohdetta tai pinnoitettu johdinkerroksella, ja . mainittu transistorin kanava, kaivo tai puolijohdeliitos on seostettu i I I • ·; mainitulle toiselle alueelle.

'·*·’ 5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen komponentti, ::: tunnettu siitä, että kalvovärähtelijän (110) päälle muodostettu transistori on

25 MOSFET-tyyppinen.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen komponentti, tunnettu siitä, : ’ ‘ ‘; että mainitun transistorin DC-toimintapiste on asetettu kanavan päälle muodos tetun kanavasta sähköisesti eristetyn portin avulla.

7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen komponentti, .’···, 30 tunnettu siitä, että mainittu komponentti käsittää ainakin kaksi ohjaukseltaan samanmerkkistä transistoria, joka komponentti toimii invertterinä vasteena :\: transistoreiden vastakkaisvaiheiselle toiminnalle.

8. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen komponentti, .·!: tunnettu siitä, että komponentti on valmistettu SOI-rakenteeseen, joka kä- • * I 7, · 35 sittää substraatin (100), eristävän oksidikerroksen (102) ja päällimmäisen puo- • I 1 1 6 6 7 8 lijohdekerroksen (104), johon mainittu mikromekaaninen yhdistelmäkompo-nentti ja komponentin päällä sijaitseva johdinkerros on muodostettu.

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen komponentti, tunnettu siitä, että mainittu puolijohdekerros (104) on seostamatonta, yksikiteistä piitä, pii- 5 germaniumia tai jotain muuta ohutkalvotransistoreissa käytettävää puolijohdetta.

10. Patenttivaatimuksen 8 tai 9 mukainen komponentti, tunnettu siitä, että mainittu puolijohdekerros (104) on paksuudeltaan olennaisesti 50 -200 nm, edullisimmin 70-100 nm.

11. Suuritaajuinen suodatin, tunnettu siitä, että se käsittää yh den tai useampia patenttivaatimuksen 1 mukaisia mikromekaanisia yhdistel-mäkomponentteja, jotka on kytketty sähköisesti yhteen. I · » I I I • 1 • · • 1 · • I * · I • · 1 • » « · • I • » » • » I » I t » • t 1 » • I 116378