專利名稱：共振器及使用其的濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及共振器及使用其的濾波器，具體涉及使用MEMS(微機(jī)電系 統(tǒng))技術(shù)形成的共振器以及濾波器。
背景技術(shù)：
現(xiàn)在，諸如移動(dòng)電話(GSM/UMTS)或者移動(dòng)電話/無(wú)線LAN (GSM/WLAN)的雙模無(wú)線電裝置市場(chǎng)有售；人們將注意力集中于作為實(shí) 現(xiàn)未來(lái)兼容系統(tǒng)的多頻帶無(wú)線電裝置的瓶頸的RF濾波器部的微型化。對(duì)于 這種系統(tǒng)，除了超小型化之外，高Q、可變?yōu)V波器等變?yōu)殛P(guān)鍵，但是現(xiàn)狀下 這些難以實(shí)現(xiàn)。于是近年來(lái)，在集成中，從IC等親和性的角度出發(fā)，使用 微小機(jī)電共振器的濾波器的應(yīng)用被期待。圖11示出一例子，現(xiàn)有技術(shù)中的機(jī)電共振器主要由用于選擇共振頻率 的振動(dòng)器110、用于從基板支持振動(dòng)器110的支持部118、以及用于激勵(lì)和 探測(cè)振動(dòng)器110的電極。還提出了一種機(jī)電濾波器的配置，其具有布置并機(jī) 械結(jié)合于連結(jié)部(jointpart)的多個(gè)機(jī)電共振器(非專利文獻(xiàn)l)。圖12示出機(jī)電濾波器的例子。該情形中，對(duì)于該機(jī)電濾波器的結(jié)構(gòu)， 從基板116支持至少兩個(gè)振動(dòng)器110和112的支持部118和120存在一個(gè)連 結(jié)部134。此外，為了構(gòu)成多級(jí)濾波器，振動(dòng)器數(shù)目和連結(jié)部數(shù)目根據(jù)需要 增力口。機(jī)電濾波器利用下述原理。首先，當(dāng)RF信號(hào)輸入至激勵(lì)電極122時(shí)， 靜電力形成于振動(dòng)器IIO和激勵(lì)電極122之間的間隙G。此時(shí)，只有振動(dòng)器 的自共振頻率和輸入RF信號(hào)的頻率相等時(shí)，振動(dòng)器IIO以及通過(guò)連結(jié)部134 連接到振動(dòng)器110的振動(dòng)器112才大幅振動(dòng)。如果振動(dòng)器112振動(dòng)，振動(dòng)器 112和探測(cè)電極124之間的電容改變，因此如果施加電勢(shì)(直流電壓)，則電 流從探測(cè)電極124輸出。因此，只有當(dāng)振動(dòng)器的自共振頻率等于RF信號(hào)的 頻率時(shí)，該RF信號(hào)才輸出，使得該裝置可以用做頻率選擇裝置，即濾波器。非專利文獻(xiàn)1: Bannon, Clark, Nguyen "High Frequency MicromechanicalIF Filters" Technical Digest, IEEE International Electron Device Meeting, San Francisco, California 1996 pp. 773-776.發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明解決的問(wèn)題然而，在現(xiàn)有技術(shù)的機(jī)電共振器或者機(jī)電濾波器中，結(jié)構(gòu)各部分之間的 作用相異；例如，具有自共振頻率振動(dòng)器的每個(gè)部分，連接兩個(gè)以上振動(dòng)器 的連結(jié)部，在基板上支持該振動(dòng)器的支持部等等僅起到一個(gè)作用。因此，濾 波器的微型化受到限制，且即使單個(gè)共振器被微型化，如果布置許多共振器， 則總的占據(jù)面積擴(kuò)大，這是問(wèn)題所在。頻率依賴的機(jī)電濾波器的電學(xué)特性(Q值)的劣化是實(shí)用化中的重大難 題；作為包括諸如目前市售的移動(dòng)電話和無(wú)線LAN的雙模無(wú)線電裝置的未 來(lái)兼容系統(tǒng)，濾波器的微型化和高Q值對(duì)于多頻帶無(wú)線電裝置等而言是不可 或缺的。因此本發(fā)明的目的是提供可以高度集成的小尺寸共振器。本發(fā)明的另外 目的是提供具有高Q值的小尺寸濾波器。 解決問(wèn)題的手段為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種共振器，包括第一共振器，其具 有第 一激勵(lì)電極和通過(guò)該第 一激勵(lì)電極來(lái)機(jī)械振動(dòng)的第 一振動(dòng)器；第二共振 器，其具有第二激勵(lì)電極和通過(guò)該第二激勵(lì)電極來(lái)機(jī)械振動(dòng)的第二振動(dòng)器， 其中用于支持該第一振動(dòng)器的支持部形成該第二振動(dòng)器。根據(jù)該配置，該振動(dòng)器和該支持部起到兩個(gè)作用，使得微型化和高度集 成變得可能。如果第一和第二振動(dòng)器相互形成為另一方的支持部，分別起到 一個(gè)以上的作用，使得進(jìn)一步微型化和高度集成變得可能。本發(fā)明包括上述共振器，其中第 一振動(dòng)器的振動(dòng)節(jié)點(diǎn)置于第 一振動(dòng)器和 第二振動(dòng)器的接合部(connection part )。根據(jù)該配置，第 一振動(dòng)器的振動(dòng)節(jié)點(diǎn)置于第 一振動(dòng)器和第二振動(dòng)器的接 合部，使得即使在第一振動(dòng)器的共振振動(dòng)時(shí)間，第一振動(dòng)器的節(jié)點(diǎn)理想上處 于固定狀態(tài)，因此第二振動(dòng)器可以避免振動(dòng)且振動(dòng)能量散逸到支持基板可以 減小以改善Q值。本發(fā)明包含上述共振器，其中該第 一振動(dòng)器具有低于該第二振動(dòng)器的共振頻率。根據(jù)該配置，在具有較長(zhǎng)波長(zhǎng)的該第一振動(dòng)器的振動(dòng)時(shí)間，該節(jié)點(diǎn)與該 第二振動(dòng)器形成該接合部，使得可以減小對(duì)較小的且容易由于外部因素而受 影響的第二振動(dòng)器的影響。本發(fā)明包含上述共振器，其中當(dāng)該第一振動(dòng)器和該第二振動(dòng)器之一振動(dòng)時(shí)，另一個(gè)置于吸合(pull-in)狀態(tài)。根據(jù)該配置，每個(gè)振動(dòng)器起到一個(gè)以上作用，使得進(jìn)一步微型化和高度 集成變得可能，且另外，共振器配置成使得當(dāng)一個(gè)共振器振動(dòng)時(shí)，另一個(gè)共 振器置于吸合狀態(tài)，使得可以避免一個(gè)振動(dòng)器的振動(dòng)影響到另 一個(gè)振動(dòng)器的 振動(dòng)。本發(fā)明包含上述共振器，其中絕緣層至少設(shè)于與該第 一激勵(lì)電極接觸的 第一振動(dòng)器面的一部分內(nèi)，使得在進(jìn)入吸合狀態(tài)時(shí)，該第一激勵(lì)電極和該第 一振動(dòng)器通過(guò)該絕緣層毗鄰。根據(jù)該配置，該吸合狀態(tài)進(jìn)入電絕緣狀態(tài)，且該第一振動(dòng)器固定到該第 一激勵(lì)電極并作為該第二振動(dòng)器的支持部，使得與該第二振動(dòng)器使用附加支 持部來(lái)固定類似的狀態(tài)可以被獲得。本發(fā)明包含上述共振器，其中第二振動(dòng)器的振動(dòng)節(jié)點(diǎn)置于該第二振動(dòng)器 和該第一振動(dòng)器的接合部。根據(jù)該配置，該第二振動(dòng)器的振動(dòng)節(jié)點(diǎn)置于該第一振動(dòng)器和該第二振動(dòng) 器的接合部，因此即使在該第二振動(dòng)器的共振振動(dòng)時(shí)間，該第一振動(dòng)器變?yōu)?接近理想固定電極的狀態(tài)，使得該第二振動(dòng)器的振動(dòng)可以避免受影響。本發(fā)明包含上述共振器，其中該第二振動(dòng)器的振動(dòng)為扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。在該配置中，該第二振動(dòng)器具有位于兩端的振動(dòng)節(jié)點(diǎn)，因此第一振動(dòng)器 的振動(dòng)得以避免，由此該第一振動(dòng)器變?yōu)榻咏硐牍潭姌O的狀態(tài)，該第二 振動(dòng)器形成為雙節(jié)臂(twinlever),且另外，振動(dòng)能量散逸到該支持基板可以 同時(shí)降低。本發(fā)明包含上述共振器，其進(jìn)一步包含具有第三激勵(lì)電極和通過(guò)該第三 激勵(lì)電極來(lái)機(jī)械振動(dòng)的第三振動(dòng)器的第三共振器，其中在該第二振動(dòng)器的對(duì) 立端部，用于支持該第一振動(dòng)器的支持部形成該第三振動(dòng)器。本發(fā)明包含上述共振器，其進(jìn)一步包含用于探測(cè)至少一個(gè)該第一至第三 振動(dòng)器的振動(dòng)的探測(cè)電極。本發(fā)明包含上述共振器，其中該第一至第三共振器具有分別用于探測(cè)該 第一至第三振動(dòng)器的振動(dòng)的第一至第三探測(cè)電極。本發(fā)明的濾波器包括第一激勵(lì)電極和結(jié)合成通過(guò)該第一激勵(lì)電極來(lái)機(jī) 械振動(dòng)的一對(duì)第 一振動(dòng)器；以及第二激勵(lì)電極和結(jié)合成通過(guò)該第二激勵(lì)電極 來(lái)機(jī)械振動(dòng)的 一對(duì)第二振動(dòng)器，其中用于支持該第 一振動(dòng)器的支持部形成該 第二振動(dòng)器。在該濾波器中，如在上述共振器中，該振動(dòng)器和該支持部起到兩個(gè)作用， 使得微型化和高度集成變得可能。如果第一和第二振動(dòng)器相互形成為另一方 的支持部，分別起到一個(gè)以上的作用，使得進(jìn)一步微型化和高度集成變得可 能。本發(fā)明包括上述濾波器，其中該第 一振動(dòng)器的振動(dòng)節(jié)點(diǎn)置于該第 一振動(dòng) 器和該第二振動(dòng)器的接合部。本發(fā)明包含上述濾波器，其中該第一振動(dòng)器具有低于該第二振動(dòng)器的共 振頻率。本發(fā)明包含上述濾波器，其中當(dāng)該第 一振動(dòng)器和該第二振動(dòng)器之一振動(dòng) 時(shí)，另一個(gè)置于吸合狀態(tài)。本發(fā)明包含上述濾波器，其中絕緣層至少設(shè)于與該第一激勵(lì)電極接觸的 第一振動(dòng)器面的一部分內(nèi)，使得在進(jìn)入吸合狀態(tài)時(shí)，該第一激勵(lì)電極和該第 一振動(dòng)器通過(guò)該絕緣層毗鄰。本發(fā)明包含上述濾波器，其中該第二振動(dòng)器的振動(dòng)節(jié)點(diǎn)置于該第二振動(dòng) 器和該第 一振動(dòng)器的接合部。本發(fā)明包含上述濾波器，其中該第二振動(dòng)器的振動(dòng)為扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。本發(fā)明包含上述濾波器，其進(jìn)一步包含具有第三激勵(lì)電極和通過(guò)該第三 激勵(lì)電極來(lái)機(jī)械振動(dòng)的第三振動(dòng)器的第三濾波器，其中在該第二振動(dòng)器的對(duì) 立端部，用于支持該第一振動(dòng)器的支持部形成該第三振動(dòng)器。本發(fā)明包含上述濾波器，其中至少一對(duì)該第一至第三振動(dòng)器通過(guò)一連結(jié) 部來(lái)結(jié)合，且其中該連結(jié)部形成該振動(dòng)器。根據(jù)該配置，該連結(jié)部在這種狀態(tài)下也起到振動(dòng)器的作用，使得結(jié)構(gòu)沒(méi) 有多余的部分并且是小尺寸和高度可靠的。本發(fā)明包含上述濾波器，其中至少一個(gè)該第一至第三濾波器具有置為與 至少一個(gè)該第一至第三濾波器相距預(yù)定間隔的用于探測(cè)該振動(dòng)器的振動(dòng)的探測(cè)電才及。本發(fā)明包含上述濾波器，其中該第一至第三濾波器具有分別用于探測(cè)該第一至第三振動(dòng)器的振動(dòng)的第一至第三探測(cè)電極。優(yōu)選地，該探測(cè)器具有三角形截面梁結(jié)構(gòu)和梯形截面結(jié)構(gòu)。 根據(jù)該配置，如果該梯形截面結(jié)構(gòu)用做該振動(dòng)器，從基板支持該振動(dòng)器的支持部為三角形截面結(jié)構(gòu)，且因此從該支持部散逸的振動(dòng)能量可以降低以提供高Q值。不使用連結(jié)部的電學(xué)結(jié)合方法這兩種方法形成的。根據(jù)該配置，該濾波器的連結(jié)部和支持部也用做共振器，使得信號(hào)流入 選擇性需要激勵(lì)的探測(cè)電極，使得可以實(shí)施具有多個(gè)頻帶的濾波器且微型化 和高集成度也變得可能。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)根據(jù)本發(fā)明的共振器和機(jī)電濾波器，每個(gè)在現(xiàn)有技術(shù)中引發(fā)問(wèn)題的振動(dòng) 器、支持部和連結(jié)部起到一個(gè)以上的作用，使得可以實(shí)現(xiàn)適合于能夠選擇多 個(gè)頻率的雙模和多頻帶系統(tǒng)的機(jī)電濾波器的微型化。對(duì)于具有一個(gè)頻率選擇 的該機(jī)電濾波器的共振器，與該機(jī)電濾波器的支持部相比的微小三角形截面 梁被使用，使得可以減小從支持部的振動(dòng)能量散逸以提供更高的Q值。


圖1為示出本發(fā)明第一實(shí)施例的機(jī)電共振器的透視圖。圖2為本發(fā)明第一實(shí)施例的機(jī)電共振器的工作圖。圖3為示出本發(fā)明第一實(shí)施例的機(jī)電共振器的改進(jìn)例的圖示。圖4為示出本發(fā)明第一實(shí)施例的機(jī)電共振器的制造工藝的圖示。圖5為本發(fā)明第二實(shí)施例的機(jī)電濾波器的透視圖。圖6為本發(fā)明第三實(shí)施例的機(jī)電濾波器的透視圖。圖7為本發(fā)明第三實(shí)施例的機(jī)電共振器的有限元方法模擬的圖示。圖8為本發(fā)明第三實(shí)施例的機(jī)電共振器的有限元方法模擬的圖示。圖9為示出本發(fā)明第三實(shí)施例的機(jī)電共振器的改進(jìn)例的圖示。圖IO為示出彎曲(flexural)振動(dòng)模式的位移的圖示。圖11為示出現(xiàn)有技術(shù)例子中機(jī)電共振器的透視圖。圖12為示出現(xiàn)有技術(shù)例子中通過(guò)機(jī)械結(jié)合兩個(gè)機(jī)電共振器而形成的機(jī) 電濾波器的透^L圖。 附圖標(biāo)記i兌明10:梁(梯形截面梁類型的振動(dòng)器)16a， 16b:三角形截面梁類型的梁(支持部、振動(dòng)器)20, 21:固定電極 22, 26， 30:激勵(lì)電極24， 28， 32: 4笨測(cè)電極40， 42:梯形截面梁類型的梁(支持部、振動(dòng)器)44:三角形截面梁類型的梁(支持部、連結(jié)部、振動(dòng)器)46，50, 56:激勵(lì)電極48,52: 4罙測(cè)電極60:固定電極70:硅層72:BOX層74:硅(SOI)層76:絕緣膜78:(111 )晶面80:犧牲層82:電極材料84:頂點(diǎn)Gl,G2, G3:間隙具體實(shí)施方式
參考附圖詳細(xì)地討論本發(fā)明的實(shí)施例。 第一實(shí)施例本發(fā)明第一實(shí)施例中的機(jī)電共振器是由第一至第三共振器Cl至C3這 三個(gè)共振器構(gòu)成，且該三個(gè)共振器具有輸入Vinl至Vin3和輸出V。utl至V。ut3, 如圖1的透視圖所示。在該配置中，從兩端支持第一共振器C1的振動(dòng)器(IO) 的支持部(16a和16b)成為第二共振器C2和第三共振器C3的振動(dòng)器，且 可以實(shí)現(xiàn)適合于能夠選擇多個(gè)頻率的雙模和多頻帶系統(tǒng)的機(jī)電濾波器的微 型化。也就是說(shuō)，第一共振器C1的振動(dòng)器是由梯形截面梁10、作為支持部 的三角形截面梁16a和16b、激勵(lì)電極22、探測(cè)電極24、以及間隙Gl組成。 第二共振器C2的振動(dòng)器是由三角形截面梁16a、作為支持部的固定電極20 和梯形截面梁10、激勵(lì)電極26、探測(cè)電極28、以及間隙G2組成。最后， 第三共振器C3的振動(dòng)器是由三角形截面梁16b、作為支持部的固定電極21 和梯形截面梁IO、激勵(lì)電極30、探測(cè)電極32、以及間隙G3組成。激勵(lì)電極按下述方式布置第一振動(dòng)器Cl按作為振動(dòng)器的梯形截面梁的體振動(dòng)工作，第二振動(dòng)器C2和第三振動(dòng)器C3按作為振動(dòng)器的三角形截 面梁的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)工作。振動(dòng)器結(jié)合使得相互節(jié)點(diǎn)成為連結(jié)部。期望連同該支 持部的該連結(jié)部至少靠近(come in)該第一共振器的節(jié)點(diǎn)。圖2a表示第一 共振器C1的體振動(dòng)模式，且振動(dòng)節(jié)點(diǎn)位于該結(jié)構(gòu)的中心。圖2b表示每個(gè)第 二共振器C2和第三共振器C3的振動(dòng)器在扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模式下共振的情形，且 振動(dòng)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)在該結(jié)構(gòu)的兩端。接下來(lái)，共振器C的工作如下。首先，為了使第一共振器C1工作，將電壓Vp,施加到固定電極20并將 電壓添加到形成該振動(dòng)器的梁10,且另一方面，將交流電壓V^施加到激勵(lì) 電極22。因此，靜電力作用于與激勵(lì)電極22相對(duì)且間隙Gl介于其間的振 動(dòng)器(梯形截面梁IO)上，且形成該振動(dòng)器的梯形截面梁IO在特定振動(dòng)模 式下被激勵(lì)。另一方面，通過(guò)間隙Gl在探測(cè)電極24內(nèi)發(fā)生電容變化，且由 于該電容變化而產(chǎn)生的電流i。ut,被輸出到探測(cè)電極24。類似地，直流偏置電 壓Vp2和直流偏置電壓Vp3通過(guò)激勵(lì)電極22和激勵(lì)電極30 4皮施加到第二共 振器C2和第三共振器C3以使三角形截面梁16a和16b共振，由此使第二共 振器C2和第三共振器C3工作，且探測(cè)電極28和32將由間隙G2和G3變 動(dòng)而產(chǎn)生的電容變化輸出為輸出電由于每個(gè)共振器工作于振動(dòng)器的固有頻率，通常如果一個(gè)輸入信號(hào)被同 時(shí)輸入到這三個(gè)共振器的激勵(lì)電極，則只有輸入信號(hào)的頻率與振動(dòng)器的固有 頻率匹配的共振器工作，使得在第一實(shí)施例中配置形成具有三個(gè)頻率的選擇 效應(yīng)的共振器。本發(fā)明的第一實(shí)施例使得可以配置具有第一至第三梁的共振頻率的共振器，即，該共振器具有多個(gè)共振頻率；并且使得可以提供小尺寸和高Q值的共振器。圖3為示出本發(fā)明第一實(shí)施例的改進(jìn)例的圖示；該圖示出第一實(shí)施例中 的第一共振器為懸臂(cantilever)的配置。該圖僅示出中心在第一共振器和 第二共振器上的主要部分。為了激勵(lì)圖3a中的第二共振器(三角形截面梁), 理想地將作為支持部的該懸臂梯形截面梁吸引至固定電極21并固定該梁以 防止該懸臂梯形截面梁的不需要的振動(dòng)。于是，本發(fā)明的特征在于，用于吸 引該梯形截面梁的固定電極被提供用于固定該支持部。圖3b示出其吸合狀 態(tài)。絕緣層50布置于該梁的一側(cè)的一個(gè)位置，由此第一振動(dòng)器10當(dāng)施加電壓時(shí)被固定到固定電極21，且當(dāng)電壓切斷時(shí)如圖3c所示恢復(fù)到靜止?fàn)顟B(tài)。 這種情況下，吸合電壓設(shè)置為與第二共振器C2的控制電壓Vp相同，使得一 個(gè)電壓源可以用于得到同時(shí)驅(qū)動(dòng)共振器以及固定支持部的兩個(gè)效果。絕緣層 由氧化硅膜等制成，且可以在MEMS工藝中容易形成。在本示例中，固定 電極和第一共振器通過(guò)該絕緣層而相互面對(duì)且在施加吸合電壓時(shí)被置于固 定狀態(tài)，但是激勵(lì)電極和共振器按照類似方式通過(guò)該絕緣層而相互鄰接。接下來(lái)討論本發(fā)明第一實(shí)施例的共振器單元的制作工藝。圖4a至4f示 出該制作工藝。該制造方法使得可以在同一工藝流程中制造第一實(shí)施例所示 的梯形截面梁和三角形截面梁的結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的制造方法中，使用如圖4a所示的SOI (絕緣體上硅)基板， 其中硅層74通過(guò)氧化硅膜72而置于硅基板70上；硅層74決定共振器的厚 度，作為BOX (掩埋氧化物)層的氧化硅膜72在第一實(shí)施例中起著犧牲層 和絕緣體的作用，因此基板的厚度和每層的厚度需依據(jù)濾波器設(shè)計(jì)來(lái)確定。氮化硅膜76通過(guò)CVD方法形成于SOI基板的兩面上。在單晶硅層74 被濕法蝕刻時(shí)該氮化硅膜作為掩模，且在膜形成之后，位于表面?zhèn)壬系牡?硅膜76通過(guò)光刻被圖案化并形成。如圖4a所示，硅層74在具有各向異性的蝕刻條件下被濕法蝕刻，且梁 狀圖案10、 16a和16b形成。這種情況下，制備成具有各向異性的水溶液被 使用，由此形成與單晶硅晶體的具有最低蝕刻速率的晶面相對(duì)應(yīng)的形狀。由 于硅的蝕刻速率視晶向而不同，如果提供圖4a所示的BOX層作為蝕刻停止 層，則形成具有(111)晶面的梯形截面，其中該(111)晶面是蝕刻速率最 小的晶面。隨后，如果在該梯形截面梁形狀之后，晶體各向異性蝕刻進(jìn)一步進(jìn)行， 則梯形截面的(111)晶面殘留的形狀形成，且如圖4b所示的三角形截面出 現(xiàn)。該制造方法使得可以簡(jiǎn)單地使用同一光掩模并僅改變圖案寬度來(lái)形成圖 3所示的梯形截面梁IO和三角形截面梁16a和16b。接下來(lái)，在梁形成之后，絕緣膜76移除且犧牲層80沉積在所形成的梁 的表面上，如圖4c所示。犧牲層的作用為最終形成圖1所示的間隙Gl。此外，如圖4d所示，沉積多晶硅層等的電極材料82并回蝕刻所沉積的 電極材料82,露出三角形截面梁和梯形截面梁的頂點(diǎn)84，且圖案化所形成 的電才及26、 28、 30和32(圖4e)。最后，圖4f為從基板釋放該共振器結(jié)構(gòu)的步驟，且同時(shí)，犧牲層也4皮 蝕刻且間隙形成。因此可以提供具有高的尺寸精度的機(jī)電共振器。 第二實(shí)施例接下來(lái)討論本發(fā)明第二實(shí)施例的機(jī)電濾波器。在第一實(shí)施例中所描述的 兩個(gè)共振器通過(guò)連結(jié)部56結(jié)合以形成機(jī)電濾波器。也就是說(shuō)，本實(shí)施例的 濾波器F包括第一激勵(lì)電極； 一對(duì)第一振動(dòng)器，結(jié)合成通過(guò)該第一激勵(lì)電 極來(lái)機(jī)械振動(dòng)；第二激勵(lì)電極； 一對(duì)第二振動(dòng)器，結(jié)合成通過(guò)該第二激勵(lì)電 極來(lái)機(jī)械振動(dòng)；第三激勵(lì)電極；以及一對(duì)第三振動(dòng)器，結(jié)合成通過(guò)該第三激 勵(lì)電極來(lái)機(jī)械振動(dòng)，且用于支持第 一振動(dòng)器的支持部形成該第二振動(dòng)器和第 三振動(dòng)器。圖5為本發(fā)明第二實(shí)施例的機(jī)電濾波器的透視圖。在圖5中，該濾波器 是由第一至第三濾波器Fl至F3這三個(gè)濾波器構(gòu)成，該第一至第三濾波器 Fl至F3分別具有輸入Vinl至Vin3和輸出i。utl至i。ut3。首先，第一濾波器Fl 具有由作為第一振動(dòng)器的'梁40和42、支持部44a至44d、連結(jié)部44e、第一 激勵(lì)電極46、第一探測(cè)電極48以及四個(gè)固定電極60構(gòu)成并包含間隙Gll 的結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)中，為了使作為第一振動(dòng)器的梁40和42工作，直流偏置 電壓Vpl施加到固定電極60且電壓增加到形成第一振動(dòng)器的梁40和42，且 另一方面，交流輸入信號(hào)V^施加到第一激勵(lì)電極46。因此，靜電力作用于 間隙Gll,且形成第一振動(dòng)器的梁40與第一實(shí)施例的共振器相同地在體振 動(dòng)模式下與基板平行地被激勵(lì)。此時(shí)，梁40的振動(dòng)傳遞到連結(jié)部44e,連結(jié) 部44e隨后以相同周期以縱向振動(dòng)模式被激勵(lì)，且因此形成另一第一振動(dòng)器 的梁42也被激勵(lì)。通過(guò)間隙Gll為梁42提供第一探測(cè)電極48，且具有基 于電容變化的頻率特性的電流i。^被輸出。第一濾波器F1為使用連結(jié)部44e 來(lái)機(jī)械結(jié)合兩個(gè)共振器以形成濾波器的示例，且下文描述的第二濾波器F2本發(fā)明的特征在于，與形成第一濾波器Fl的第一振動(dòng)器的梁40和42 相比，均具有微小截面積和長(zhǎng)度的形成兩個(gè)支持部的梁44a和44b被用做第 二濾波器F2的振動(dòng)器。在第二濾波器F2中，第二激勵(lì)電極50和第二探測(cè) 電極52通過(guò)間隙G22設(shè)于形成兩個(gè)振動(dòng)器(第二振動(dòng)器)的梁44a和44b 的外部，且交流輸入信號(hào)Vin2施加到激勵(lì)電極50、 52。在第二濾波器F2中，與第一濾波器F1不同，形成連結(jié)部的梁44e未被提供，且探測(cè)電極54沿與 振動(dòng)器44a、 44b相對(duì)的側(cè)布置。因此，盡管在第一實(shí)施例中共振器沿形成 連結(jié)部的梁44e被機(jī)械結(jié)合，而在第二實(shí)施例中，形成振動(dòng)器的梁44a和44b 藉由通過(guò)作為結(jié)合梁的(探測(cè))電極54的靜電力來(lái)電學(xué)結(jié)合以形成濾波器。 期望使用梁44a、 44b兩端撞擊一節(jié)點(diǎn)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)作為振動(dòng)模式。最后，圖5的第三濾波器F3為由形成第一濾波器F1的連結(jié)部的梁44e 以及形成兩個(gè)支持部的梁44c和44d構(gòu)成的濾波器。在第三濾波器的結(jié)構(gòu)中， 梁44c、 44d和44e通過(guò)第三激勵(lì)電極56被激勵(lì)，且待輸出的期望電流i。ut3 從固定電極60直接被探測(cè)。為了驅(qū)動(dòng)第三濾波器F3,直流偏置電壓Vp需 要直接施加到固定電極60，且因此L和C(用于切割直流)安裝在固定電極 60內(nèi)用于輸出i。ut3。固定電極60作為第三探測(cè)電極。根據(jù)該配置，在包含第一至第三濾波器的該濾波器單元中，連結(jié)部或每 個(gè)部件在這些濾波器之間相互被使用且在一個(gè)濾波器中用做連結(jié)部和支持 部的部件在另一個(gè)濾波器中被用做振動(dòng)器，使得可以減小整個(gè)濾波器單元的 微型化和重量且可以提供高功能和微小的濾波器單元。第三實(shí)施例接下來(lái)，示出本發(fā)明第三實(shí)施例的用于扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的機(jī)電共振器的透視 圖。該共振器具有梯形截面梁10的共振器以及用于按類似方式扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的 兩個(gè)三角形截面梁16a、 16b的支持部。也就是說(shuō)，與上述第一實(shí)施例的機(jī)電共振器類似，本發(fā)明第三實(shí)施例的 機(jī)電共振器是由第一至第三共振器Cl至C3這三個(gè)共振器構(gòu)成，且該三個(gè) 共振器分別具有輸入Vinl至Vin3和輸出V。utl至V。ut3,如圖6的透視圖所示。 在該配置中，從兩側(cè)支持中央部而使得第一共振器Cl的振動(dòng)器(10)扭轉(zhuǎn) 振動(dòng)的支持部(16a和16b)為第二共振器C2和第三共振器C3的振動(dòng)器， 且可以實(shí)現(xiàn)適合于能夠選擇多個(gè)頻率的雙模和多頻帶系統(tǒng)的機(jī)電濾波器的 微型化。也就是說(shuō)，第一共振器C1的振動(dòng)器是由梯形截面梁IO、作為支持 部的三角形截面梁16a和16b、激勵(lì)電極22S、探測(cè)電極24S、以及間隙G1 組成。第二共振器C2的振動(dòng)器是由三角形截面梁16a、作為支持部的固定 電極20和梯形截面梁10、激勵(lì)電極26S、探測(cè)電極28S、以及間隙G2組成。 最后，第三共振器C3的振動(dòng)器是由三角形截面梁16b、作為支持部的固定 電極21和梯形截面梁10、激勵(lì)電極30S、探測(cè)電極32S、以及間隙G3組成。激勵(lì)電極按下述方式布置第一共振器Cl按作為振動(dòng)器的梯形截面梁 的二階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)工作，第二共振器C2和第三共振器C3按作為振動(dòng)器的三 角形截面梁的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)工作。振動(dòng)器結(jié)合使得相互節(jié)點(diǎn)成為連結(jié)部。期望連 同該支持部的該連結(jié)部至少靠近(comein)該第一共振器的節(jié)點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)與第 一實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)類似。在該機(jī)電共振器中，當(dāng)梯形截面梁采用二階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)器的中心 具有該結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)。于是，通過(guò)從梯形截面梁中心的兩側(cè)支持于三角形截面 梁的支持部16a和16b上，可以減小振動(dòng)的散逸。為了使用三角形截面梁的 支持部16a和16b作為振動(dòng)器，通過(guò)按類似扭轉(zhuǎn)振動(dòng)來(lái)共振，也可以減小振 動(dòng)散逸至該梯形截面梁。因此，可以從一個(gè)機(jī)電共振器有效地選擇多個(gè)頻率。此外，在本實(shí)施例中，由于每個(gè)共振器工作于振動(dòng)器的固有頻率，通常 如果一個(gè)輸入信號(hào)被同時(shí)輸入到這三個(gè)共振器的激勵(lì)電極，則只有輸入信號(hào) 的頻率與振動(dòng)器的固有頻率匹配的共振器工作，使得在第三實(shí)施例中配置形成具有三個(gè)頻率的選擇效應(yīng)的共振器。本發(fā)明的第三實(shí)施例使得可以配置具有第一至第三梁的共振頻率的共 振器，即，該共振器具有多個(gè)共振頻率；并且使得可以提供小尺寸和高Q值 的共振器。圖7示出使用有限元方法模擬根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的結(jié)構(gòu)的結(jié)杲。模 擬結(jié)構(gòu)的梁的尺寸如下。梯形截面梁長(zhǎng)度為20pm,寬度為2pm且高度為 0.5^m。，三角形截面梁長(zhǎng)度為2pm,寬度為0.7|_im且高度為0.5)im。在圖6 中，梯形截面梁被用做振動(dòng)器且以二階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)共振于47.6MHz的共振頻 率。通過(guò)從作為振動(dòng)節(jié)點(diǎn)的梁中心支持在使用三角形截面梁的固定基板上， 可以減小振動(dòng)的散逸，且實(shí)現(xiàn)了具有高Q值的機(jī)電共振器。圖8示出本發(fā)明第三實(shí)施例的結(jié)構(gòu)中三角形截面梁16a和16b的支持部 作為振動(dòng)器的情形下的模擬結(jié)果。這里，假設(shè)梯形截面梁IO為用于支持三 角形截面梁16a和16b之一的支持部，因此三角形截面梁16a和16b共振成 為雙節(jié)臂(twinlever)。在圖8中，兩個(gè)三角形截面梁按一階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)來(lái)共振， 且共振頻率在lGHz附近。接下來(lái)討論第三實(shí)施例的機(jī)電共振器的改進(jìn)例。圖9表示這樣的配置， 其中第一共振器C1的第一振動(dòng)器的梯形截面梁IO被激勵(lì)為非扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，對(duì) 應(yīng)于本發(fā)明第三實(shí)施例的機(jī)電共振器的改進(jìn)例。例如，為了使用彎曲振動(dòng)，振動(dòng)節(jié)點(diǎn)改變且因此期望三角形截面梁16a和16b的支持部的位置應(yīng)改變。 圖9示出如果梯形截面梁IO共振于彎曲振動(dòng)一階模式，支持部(三角形截 面梁16a和16b)的布置位置。在彎曲振動(dòng)二階模式中，節(jié)點(diǎn)存在于振動(dòng)器 (梯形截面梁)的中心，且因此其固持于圖9的支持結(jié)構(gòu)內(nèi)。圖10a至10c 為示出梁的彎曲振動(dòng)中基模(一階)和高階模(二階和三階)的位移。圖10a 示出基模，圖10b示出二階模，以及圖10c示出三階模。根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例，梯形截面梁IO共振于VHF頻帶(47.6MHz) 且三角形截面梁16a和16b共振于UHF頻帶(lGHz),由此實(shí)現(xiàn)能夠從包 含兩個(gè)支持部和一個(gè)振動(dòng)器的共振器的結(jié)構(gòu)中選擇兩個(gè)頻帶的MEMS共振 器。在這些實(shí)施例中，已經(jīng)描述了通過(guò)靜電力驅(qū)動(dòng)的機(jī)電共振器和機(jī)電濾波 器，但是無(wú)需說(shuō)，本發(fā)明不限于這些實(shí)施例且可以應(yīng)用于其他共振器，例如 使用壓電驅(qū)動(dòng)、磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)以及光電轉(zhuǎn)換的共振器。在這些實(shí)施例中，已經(jīng)描述了使用三角形截面梁和梯形截面梁的示例， 但是本發(fā)明不限于此且可以恰當(dāng)?shù)馗淖儭９I(yè)適用性根據(jù)本發(fā)明的共振器和濾波器，實(shí)現(xiàn)了這樣的配置，其中共振器、連結(jié) 部和支持部相互起著其他作用，而且同一濾波器結(jié)構(gòu)中包含多個(gè)頻帶；并實(shí) 現(xiàn)了移動(dòng)端子的微型化和更高Q值，使得本發(fā)明可以應(yīng)用于例如雙模和多頻 段無(wú)線電裝置的濾波器的各種機(jī)器。
權(quán)利要求
1.一種共振器，包括第一共振器，其包括第一激勵(lì)電極和通過(guò)所述第一激勵(lì)電極來(lái)機(jī)械振動(dòng)的第一振動(dòng)器；以及第二共振器，其包括第二激勵(lì)電極和通過(guò)所述第二激勵(lì)電極來(lái)機(jī)械振動(dòng)的第二振動(dòng)器，其中用于支持所述第一振動(dòng)器的支持部形成所述第二振動(dòng)器。
2. 如權(quán)利要求1所述的共振器，其中所述第一振動(dòng)器的振動(dòng)節(jié)點(diǎn)置于 所述第 一振動(dòng)器和所述第二振動(dòng)器的接合部。
3. 如權(quán)利要求2所述的共振器，其中所述第一振動(dòng)器具有低于所述第 二振動(dòng)器的共振頻率。
4. 如權(quán)利要求2所述的共振器，其中當(dāng)所述第一振動(dòng)器和所述第二振 動(dòng)器之一振動(dòng)時(shí)，另一個(gè)置于吸合狀態(tài)。
5. 如權(quán)利要求1至4任意一項(xiàng)所述的共振器，其中絕緣層至少設(shè)于與 所述第一激勵(lì)電極接觸的第一振動(dòng)器面的一部分內(nèi)，使得在進(jìn)入吸合狀態(tài) 時(shí)，所述第 一激勵(lì)電極和所述第 一振動(dòng)器通過(guò)所述絕緣層毗鄰。
6. 如權(quán)利要求1至5任意一項(xiàng)所述的共振器，其中所述第二振動(dòng)器的 振動(dòng)節(jié)點(diǎn)置于所述第二振動(dòng)器和所述第 一振動(dòng)器的接合部。
7. 如權(quán)利要求6所述的共振器，其中所述第二振動(dòng)器的振動(dòng)為扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。
8. 如權(quán)利要求1至7任意一項(xiàng)所述的共振器，還包括包含第三激勵(lì)電 極和通過(guò)所述第三激勵(lì)電極來(lái)機(jī)械振動(dòng)的第三振動(dòng)器的第三共振器，其中在所述第二振動(dòng)器的另 一端，用于支持所述第 一振動(dòng)器的支持部形 成所述第三振動(dòng)器。
9. 如權(quán)利要求1至8任意一項(xiàng)所述的共振器，還包括用于探測(cè)至少一 個(gè)所述第一至第三振動(dòng)器的振動(dòng)的探測(cè)電極。
10. 如權(quán)利要求9所述的共振器，其中所述第一至第三共振器包括分別 用于探測(cè)所述第一至第三振動(dòng)器的振動(dòng)的第一至第三探測(cè)電極。
11. 一種濾波器，包括第一激勵(lì)電極和結(jié)合成通過(guò)所述第一激勵(lì)電極來(lái)機(jī)械振動(dòng)的一對(duì)第一振動(dòng)器；以及第二激勵(lì)電極和結(jié)合成通過(guò)所述第二激勵(lì)電極來(lái)機(jī)械振動(dòng)的一對(duì)第二 振動(dòng)器，其中用于支持所述第 一振動(dòng)器的支持部形成所述第二振動(dòng)器。
12. 如權(quán)利要求11所述的濾波器，其中所述第一振動(dòng)器的振動(dòng)節(jié)點(diǎn)置 于所述第一振動(dòng)器和所述第二振動(dòng)器的接合部。
13. 如權(quán)利要求12所述的濾波器，其中所述第一振動(dòng)器具有低于所述 第二振動(dòng)器的共振頻率。
14. 如權(quán)利要求12所述的濾波器，其中當(dāng)所述第一振動(dòng)器和所述第二 振動(dòng)器之一振動(dòng)時(shí)，另一個(gè)置于吸合狀態(tài)。
15. 如權(quán)利要求11至14任意一項(xiàng)所述的濾波器，其中絕緣層至少設(shè)于 與所述第一激勵(lì)電極接觸的第一振動(dòng)器面的一部分內(nèi)，使得在進(jìn)入吸合狀態(tài) 時(shí)，所述第一激勵(lì)電極和所述第一振動(dòng)器通過(guò)所述絕緣層毗鄰。
16. 如權(quán)利要求11至15任意一項(xiàng)所述的濾波器，其中所述第二振動(dòng)器 的振動(dòng)節(jié)點(diǎn)置于所述第二振動(dòng)器和所述第 一振動(dòng)器的接合部。
17. 如權(quán)利要求16所述的濾波器，其中所述第二振動(dòng)器的振動(dòng)為扭轉(zhuǎn) 振動(dòng)。
18. 如權(quán)利要求11至17任意一項(xiàng)所述的濾波器，還包括包含第三激勵(lì) 電極和通過(guò)所述第三激勵(lì)電極來(lái)機(jī)械振動(dòng)的第三振動(dòng)器的第三濾波器，其中在所述第二振動(dòng)器的另 一端，用于支持所述第 一振動(dòng)器的支持部形 成所述第三振動(dòng)器。
19. 如權(quán)利要求11至18任意一項(xiàng)所述的濾波器，其中所述第一至第三 振動(dòng)器的至少一對(duì)振動(dòng)器通過(guò)一連結(jié)部來(lái)結(jié)合，且其中所述連結(jié)部形成所述 振動(dòng)器。
20. 如權(quán)利要求11至19任意一項(xiàng)所述的濾波器，其中至少一個(gè)所述第 一至第三濾波器包括置為與至少一個(gè)所述第一至第三濾波器相距預(yù)定間隔 的用于探測(cè)所述振動(dòng)器的振動(dòng)的探測(cè)電極。
21. 如權(quán)利要求20所述的濾波器，其中所述第一至第三共振器包括分 別用于探測(cè)所述第一至第三振動(dòng)器的振動(dòng)的第一至第三探測(cè)電極。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種微型化且高度集成的共振器和濾波器。在共振器中，每個(gè)共振器、支持部和連結(jié)部的一部分相互共用。這種相互構(gòu)造根據(jù)需要而選擇性改變，且本發(fā)明提供了一種可以由同一濾波器器件選擇多個(gè)頻率的結(jié)構(gòu)。通過(guò)組合具有不同尺寸和形狀的振動(dòng)器、支持部和連結(jié)部來(lái)提供這種可以選擇多個(gè)頻率的濾波器器件。
文檔編號(hào)H03H9/24GK101223692SQ20068002629
公開(kāi)日2008年7月16日 申請(qǐng)日期2006年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月27日
發(fā)明者橋村昭范 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社