JP2005311567A - フィルタ装置及び送受信機 - Google Patents

Abstract

【課題】２つの微小共振器のビーム電極同士を機械的に接続することなく、バンドパスフィルタと同等のフィルタ機能を発揮するフィルタ装置を実現する。
【解決手段】フィルタ装置の構成として、入力電極１０１、出力電力１０２及びビーム電極１０３を有する微小共振器１００と、入力電極２０１、出力電力２０２及びビーム電極２０３を有する微小共振器２００とを、入力端１１と出力端１２との間に直列に接続するとともに、入力電極３０１、出力電力３０２及びビーム電極３０３を有する微小共振器３００を、入力端１１と出力端１２との間に並列に接続することにより、３つの微小共振器１００，２００，３００をラダー型に電気的に接続する。
【選択図】図５

Description

本発明は、微小共振器を用いて構成されるフィルタ装置とこれを備える送受信機に関する。

近年、ＩＴ(Information Technology)の発展に伴って、ネットワークを利用するデバイスの数が飛躍的に増加している。そうした中で、特に、使い勝手などの面から、無線ネットワーク技術の需要が高まっている。無線通信で用いられるＲＦフロントエンドモジュールには、半導体チップのほかに、ＲＦフィルタ（高周波数フィルタ）やＩＦフィルタ（中間周波数フィルタ）用にＳＡＷ(Surface Acoustic Wave)フィルタや誘電体フィルタなど、比較的サイズの大きい部品が組み込まれており、これらの部品の存在がＲＦフロントエンドモジュールの小型化や低コスト化を阻害する要因になっている。そこで、これらのフィルタ機能を半導体チップの中に取り込むことで、ＲＦフロントエンドモジュールの小型化や低コスト化を実現しようとする試みが行われている。具体的には、微小電気機械システム(MEMS;Micro-Electro-Mechanical system)素子等を共振器として用いる技術が知られている。

微小電気機械システム素子を用いた共振器（以下、微小共振器とも記す）は、半導体チップ上に半導体プロセスを用いて形成されるもので、共振器として機能させるためのビーム構造を有している。この微小共振器は、デバイスの占有面積が小さいこと、高いＱ値（エネルギー／損失の比）を実現できること、他の半導体デバイスとのインテグレーションが可能であること、などの特長をもっている。そこで、無線通信デバイスの中でも、周波数フィルタ（ＲＦフィルタ、ＩＦフィルタ）としての利用が提案されている。

微小共振器は、ビーム電極と入出力電極とを微小なギャップを介して対向状態に配置し、ある周波数の信号を入力することにより、ビーム電極と入力電極との間に静電引力と静電反発力を交互に発生させてビーム電極を共振させ、これに伴うビーム電極と出力電極との間の微小なギャップ変化を電気信号として取り出す仕組みになっている。その際、微小共振器の出力電極からは、ビーム電極の共振周波数に対応した周波数帯域の信号が出力される。

このような微小共振器を用いたフィルタ装置（周波数フィルタ）として、下記特許文献１に記載されたものが知られている。この特許文献１に記載されたフィルタ装置においては、２つの微小共振器のビーム電極同士を棒状の弾性片で機械的に接続（連結）することにより、ある周波数帯域の信号を選択的に通す、いわゆるバンドパスフィルタとしての機能を実現している。

「IEEE Journal of Solid-state Circuits」，(米国)，2000年４月，第35巻，第4号，p.512-526

しかしながら、上述のように２つの微小共振器のビーム電極同士を機械的に接続する場合はフィルタ構造が複雑になるとともに、製造プロセスに高い加工精度が要求される。そのため、フィルタ装置としての信頼性の低下や高コスト化を招いてしまう。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、２つの微小共振器のビーム電極同士を機械的に接続することなく、バンドパスフィルタと同等のフィルタ機能を発揮するフィルタ装置を実現することにある。

本発明に係るフィルタ装置は、ビーム構造を有する複数の微小共振器をラダー型に電気的に接続した構成となっている。また、本発明に係る送受信機は、上記構成のフィルタ装置を備えたものとなっている。

本発明に係るフィルタ装置とこれを備える送受信機においては、ビーム構造を有する複数の微小共振器をラダー型に電気的に接続することにより、バンドパスフィルタと同等のフィルタ機能を実現することが可能となる。

本発明によれば、ビーム構造を有する複数の微小共振器をラダー型に電気的に接続することにより、バンドパスフィルタと同等のフィルタ機能を発揮するフィルタ装置を実現することができる。このフィルタ装置においては、微小共振器相互の接続が電気的に行われるため、２つの微小共振器のビーム電極同士を機械的に接続する場合に比較して、フィルタ構造が簡単になるとともに、フィルタ装置の製造が容易になる。したがって、フィルタ装置の小型化、低コスト化並びに信頼性の向上を図ることができる。

以下、本発明の具体的な実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、本発明の実施の形態においては、マイクロマシンの１つであるＭＥＭＳ素子等の微小素子を用いて構成された、ビーム構造を有する共振器を微小共振器と記述する。

図１は本発明に用いられる微小共振器の構成例を示すもので、図中（Ａ）は微小共振器の平面図、（Ｂ）は微小共振器の側断面図である。図１においては、ベースとなる半導体基板１上に絶縁膜２が形成されている。半導体基板１は例えばシリコン基板によって構成されるもので、絶縁膜２は例えば窒化シリコン膜によって構成されるものである。

絶縁膜２上には入力電極３と出力電極４が形成されている。また、入力電極３及び出力電極４の上方には、当該２つの電極３，４に対向する状態でビーム電極５が形成されている。ビーム電極５の両端部は一対の支持部６によって固定状態に支持されている。また、ビーム電極５は、入力電極３及び出力電極４の各電極面との間に微小なギャップを介して、当該入力電極３及び出力電極４を跨ぐ状態に形成されている。また、入力電極３と出力電極４は、ビーム電極５の長さ方向（図１の左右方向）の中心から等距離の位置に配置されている。

図２及び図３は本発明に用いられる微小共振器の製造プロセスの一例を示すフロー図である。まず、微小共振器を製造するにあたっては、図２（Ａ）に示すように、シリコン基板等の半導体基板１上に絶縁膜２として、例えば窒化シリコン膜を１μｍの厚みで蒸着する。次に、図２（Ｂ）に示すように、先ほど形成した絶縁膜２上に、例えば厚さ０．５μｍの多結晶シリコン層からなる下部電極層７を蒸着により形成した後、この下部電極層７をフォトリソグラフィ技術によってパターニングすることにより、図２（Ｃ）に示すように、上記入力電極３、出力電極４及び一対の支持部６を形成する。

次いで、図２（Ｄ）に示すように、半導体基板１の絶縁膜２上に、上記入力電極３、出力電極４及び支持部６を覆う状態で犠牲層８を形成する。この犠牲層８は、例えば二酸化シリコンを０．５μｍの厚さで蒸着することにより形成される。次に、図２（Ｅ）に示すように、犠牲層８の表面（上面）をＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing；化学的機械研磨)法によって平坦化する。

続いて、図３（Ａ）に示すように、一対の支持部６上で犠牲層８に開口部（コンタクトホール）９を形成した後、図３（Ｂ）に示すように、上記開口部９を埋め込む状態で犠牲層８上に、例えば厚さ０．５μｍの多結晶シリコン層からなる上部電極層１０を形成する。次いで、図３（Ｃ）に示すように、上部電極層１０をフォトリソグラフィ技術によってパターニングすることによりビーム電極５を形成する。その後、図３（Ｄ）に示すように、フッ酸等の溶剤を用いて犠牲層８を除去することにより、上記図１に示す微小共振器が得られる。

このような製造プロセスによって得られる微小共振器において、例えば、入力電極３に直流電圧（ＤＣ）を印加しつつ周波数信号（ＲＦ信号、ＩＦ信号等）を入力すると、ビーム電極５と入力電極３との対向部分にクーロン力と総称される静電引力と静電反発力が繰り返し発生する。このうち、静電引力が発生したときはビーム電極５が入力電極３に接近する方向で微小変位し、静電反発力が発生したときはビーム電極５が入力電極３から離間する方向で微小変位する。この繰り返しによりビーム電極５は自身の固有振動数にしたがって共振（振動）し、これに応じてビーム電極５と出力電極４との対向距離も変化する。そのため、出力電極４からは、ビーム電極５の共振周波数に対応した周波数帯域の信号が出力される。

図４は本発明の実施形態に係るフィルタ装置の構成を示す概略図である。図４においては、信号の入力端(IN)１１と出力端(OUT)１２との間に２つの微小共振器１００，２００が直列に接続されている。また、入力端１１と出力端１２との間には１つの微小共振器３００が並列に接続されている。入力端１１は、本発明に係るフィルタ装置でフィルタリングの対象とされる周波数信号を入力するための信号端子であり、出力端１２は、本発明に係るフィルタ装置でフィルタリングされた周波数信号を出力するための信号端子である。

また、各々の微小共振器１００，２００，３００は、いずれも上記製造プロセスによって得られる微小共振器（図１参照）と同様のビーム構造を有するものである。また、直列接続の微小共振器１００，２００は本発明における第１の微小共振器に相当し、並列接続の微小共振器３００は本発明における第２の微小共振器に相当するものとなる。これら３つの微小共振器１００，２００，３００は、入出力端１１，１２間の信号ラインＬ１とグランド（ＧＮＤ）に接地されたグランドラインＬ２、さらにはこれらのラインＬ１，Ｌ２を電気的に接続する中継ラインＬ３によってラダー型（梯子型）に電気的に接続されている。

図５は本発明の実施形態に係るフィルタ装置の構成を示す詳細図である。図５において、微小共振器１００は入力電極１０１と出力電極１０２とビーム電極１０３とを有している。同様に、微小共振器２００は入力電極２０１と出力電極２０２とビーム電極２０３とを有し、微小共振器３００は入力電極３０１と出力電極３０２とビーム電極３０３とを有している。このうち、入力電極１０１，２０１，３０１は上記図１に示す微小共振器の入力電極３に対応し、出力電極１０２，２０２，３０２は上記図１に示す微小共振器の出力電極４に対応する。また、ビーム電極１０３，２０３，３０３は上記図１に示す微小共振器のビーム電極５に対応する。

微小共振器１００の入力電極１０１は配線ラインＬ１１を介して入力端１１に電気的に接続されている。微小共振器２００の出力電極２０２は配線ラインＬ１２を介して出力端１２に電気的に接続されている。また、微小共振器１００の出力電極１０２は配線ラインＬ１３を介して微小共振器２００の入力電極２０１に電気的に接続されている。配線ラインＬ１１，Ｌ１２，Ｌ１３は、上記信号ラインＬ１を形成するものである。

一方、微小共振器３００の入力電極３０１は配線ラインＬ１４を介して上記配線ラインＬ１３に電気的に接続されている。また、微小共振器３００の出力電極３０２は配線ラインＬ１５を介してグランドラインＬ２に接続されている。配線ラインＬ１４，Ｌ１５は、上記中継ラインＬ３を形成するものである。

上記構成からなるフィルタ装置において、入力端１１に直流電圧を印加しつつ周波数信号（ＲＦ信号、ＩＦ信号等）を入力すると、この入力信号が微小共振器１００の入力電極１０１に与えられる。そうすると、微小共振器１００では、入力電極１０１とビーム電極１０３との対向部分に働くクーロン力によりビーム電極１０３が共振し、この共振周波数に対応した周波数信号が出力電極１０２から出力される。

こうして微小共振器１００の出力電極１０２から出力される周波数信号は、並列接続をなす微小共振器３００の入力電極３０１に与えられる。そうすると、微小共振器３００では、入力電極３０１とビーム電極３０３との対向部分に働くクーロン力によりビーム電極３０３が共振し、この共振周波数に対応した周波数信号が出力電極３０２から出力される。

このとき、微小共振器１００のビーム電極１０３と微小共振器３００のビーム電極３０３とが、ほぼ同じ周波数で共振するものとすると、各々の微小共振器１００，３００の周波数特性を示す波形は、互いに共振−***振の振幅波形を反転した形となる。すなわち、縦軸にＳパラメータ（Ｓ２１）、横軸に周波数をとって各々の微小共振器１００，３００の周波数特性を表すと、微小共振器１００の周波数特性は図６（Ａ）のように表され、微小共振器３００の周波数特性は図６（Ｂ）のように表される。

そうした場合、微小共振器２００の入力電極２０１には、各々の微小共振器１００，３００の周波数特性（図６（Ａ），（Ｂ）に示す周波数特性）を合成したかたちの周波数信号が与えられる。これにより、微小共振器２００では、入力電極２０１とビーム電極２０３との対向部分に働くクーロン力によりビーム電極２０３が共振し、この共振周波数に対応した周波数信号が出力電極２０２から出力される。したがって、微小共振器２００の周波数特性は、図６（Ｃ）のように表される。

その結果、入力端１１に入力された周波数信号は、上記３つの共振器１００，２００，３００による個々の共振作用により伝搬され、ある周波数帯域の信号だけが選択的に出力端１２から取り出される。したがって、上記３つの微小共振器１００，２００，３００を電気的にラダー型に接続してフィルタ装置を構成することにより、このフィルタ装置をバンドパスフィルタとして機能させることができる。また、各々の微小共振器１００，２００，３００をインピーダンス要素として考えることにより、個々の微小共振器１００，２００，３００を電気回路の１つの部品と捉えることができる。そのため、電気回路のシミュレーション技術を用いて回路設計を行うことが可能となる。

さらに、フィルタ装置を構成する微小共振器の個数や接続形態を変えることにより、種々のフィルタ特性を実現することができる。具体的には、例えば、図７（Ａ）に示すように、入出力端(IN/OUT)間に直列に接続された３つの微小共振器４０１，４０２，４０３と入出力端間に並列に接続された２つの微小共振器４０４，４０５による組み合わせや、図７（Ｂ）に示すように、入出力端間に直列に接続された１の微小共振器５０１と入出力端間に並列に接続された２つの微小共振器５０２，５０２による組み合わせなどが考えられる。また、図７（Ｃ）に示すように、入出力端間に直列に接続された１つの微小共振器６０１と入出力端間に並列に接続された１つの微小共振器６０２による組み合わせや、図７（Ｄ）に示すように、入出力端間に直列に接続された４つの微小共振器７０１，７０２，７０３，７０４と入出力端間に並列に接続された２つの微小共振器７０５，７０６による組み合わせなども考えられる。

また、本発明は、微小共振器を用いたフィルタ装置だけに限らず、このフィルタ装置を用いて構成される携帯電話機、無線ＬＡＮ機器、テレビチューナー、ラジオチューナーなどの、電磁波を利用して通信する送受信機として提供することも可能である。

本発明に用いられる微小共振器の構成例を示す図である。 本発明に用いられる微小共振器の製造プロセスの一例を示すフロー図である（その１）。 本発明に用いられる微小共振器の製造プロセスの一例を示すフロー図である（その２）。 本発明の実施形態に係るフィルタ装置の構成を示す概略図である。 本発明の実施形態に係るフィルタ装置の構成を示す詳細図である。 本発明の実施形態に係るフィルタ装置の周波数特性を示す図である。 本発明のフィルタ装置を構成する微小共振器の組み合わせ例を示す図である。

符号の説明

１１…入力端、１２…出力端、１００，２００，３００…微小共振器、１０１，２０１，３０１…入力電極、１０２，２０２，３０２…出力電極、１０３，２０３，３０３…ビーム電極

Claims (3)

1. ビーム構造を有する複数の微小共振器をラダー型に電気的に接続してなる
   ことを特徴とするフィルタ装置。
2. 前記複数の微小共振器は、信号の入出力端間に直列に接続された第１の微小共振器と、前記入出力端間に並列に接続された第２の微小共振器とを含む
   ことを特徴とする請求項１記載のフィルタ装置。
3. ビーム構造を有する複数の微小共振器をラダー型に電気的に接続してなるフィルタ装置を備える
   ことを特徴とする送受信機。
   
   
   
   

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