(57)【要約】【課題】フィルタ特性を切り換え可能で、しかも小型、高効率の高周波信号フィルタ装置を提供すること。【解決手段】本発明は、基板上に設けられるマイクロ・ストリップラインの信号線１０上に設けられる第１の容量スイッチＳＷ１と、このマイクロ・ストリップラインの信号線１０と接地面２０との間に挿入される第２の容量スイッチＳＷ２とを備える高周波信号フィルタ装置１である。また、この高周波信号フィルタ装置１と、高周波信号フィルタ装置１の第１の容量スイッチＳＷ１および第２の容量スイッチＳＷ２の開閉を制御する制御手段とを備える電子機器である。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に設けられるマイクロ・ストリップラインの信号線上に設けられる第１の容量スイッチと、
前記マイクロ・ストリップラインの信号線と接地面との間に挿入される第２の容量スイッチと
を備えることを特徴とする高周波信号フィルタ装置。
【請求項２】
前記第１の容量スイッチおよび前記第２の容量スイッチは、直流電圧の印加による静電気力によって開閉動作を行うものから成る
ことを特徴とする請求項１記載の高周波信号フィルタ装置。
【請求項３】
前記マイクロ・ストリップラインの信号線が複数に分岐され、その分岐された各信号線に前記第１の容量スイッチが各々設けられて並列のスイッチとなっている
ことを特徴とする請求項１記載の高周波信号フィルタ装置。
【請求項４】
前記マイクロ・ストリップラインの信号線と接地面との間に前記第２の容量スイッチが複数設けられている
ことを特徴とする請求項１記載の高周波信号フィルタ装置。
【請求項５】
前記第１の容量スイッチおよび前記第２の容量スイッチを構成する誘電体は、（ＢａｘＳｒ１−ｘ）ＴｉＯ３（ｘ＝０〜０．７）を用いる
ことを特徴とする請求項１記載の高周波信号フィルタ装置。
【請求項６】
前記基板は、一部に低誘電率膜が被覆された半導体基板から成る
ことを特徴とする請求項１記載の高周波信号フィルタ装置。
【請求項７】
請求項１〜６のうちいずれか１項に記載の高周波信号フィルタ装置と、
前記高周波信号フィルタ装置の前記第１の容量スイッチおよび前記第２の容量スイッチの開閉を制御する制御手段と
を備えることを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、信号をフィルタリングする装置およびそれに関し、特に誘電体あるいはそれが被覆された半導体基板上に設けられた、誘電体共振器と導波装置（例えば平面型のマイクロ・ストリップライン）とを備えた高周波信号フィルタ装置および電子機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、マルチチャネル通信システムにおける信号発生器からアンテナへの送信信号のフィルタリング、アンテナから受信器への受信信号のフィルタリング、あるいは双方向のフィルタリングを行うためのフィルタとして、搬送波の中心周波数が１０ＧＨｚを超える高周波信号に適用され、所望の帯域を有する信号をフィルタリングする高周波信号フィルタ装置の開発が望まれている。
【０００３】
従来、電気−音響変換素子を用いた信号周波数１０ＧＨｚ近辺のフィルタの試作報告が成されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特表２０００−５０２２３１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような高周波信号フィルタ装置では、外部からの信号によりフィルタの通過特性の制御を行うことは不可能である。また、１０ＧＨｚ超える帯域でのフィルタ特性が外部から制御可能な平面型の交差指電極を用いたフィルタの試作例は数多く報告されているが、能率が悪く、十分に急峻な信号の通過特性が得られず、素子面積も大きい、という不都合が存在している。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明はこのような課題を解決するために成されたものである。すなわち、本発明は、基板上に設けられるマイクロ・ストリップラインの信号線上に設けられる第１の容量スイッチと、このマイクロ・ストリップラインの信号線と接地面との間に挿入される第２の容量スイッチとを備える高周波信号フィルタ装置である。また、この高周波信号フィルタ装置と、高周波信号フィルタ装置の第１の容量スイッチおよび第２の容量スイッチの開閉を制御する制御手段とを備える電子機器である。
【０００７】
このような本発明では、第１の容量スイッチがキャパシタとインダクタとによりハイ・パス・フィルタが構成されている。したがって、マイクロ・ストリップラインの信号線に第１の容量スイッチが直列に挿入されることで、この第１の容量スイッチを「閉」にすると、ある特定の信号帯域の信号を選択的に信号線に流すこととなる。
【０００８】
一方、第２の容量スイッチもキャパシタとインダクタとによりハイ・パス・フィルタが構成されている。この第２の容量スイッチがマイクロ・ストリップラインの信号線と接地面との間に挿入されることで、この第２の容量スイッチを「閉」にすると、ある特定の信号帯域の信号を接地側に短絡させることとなり、高周波側信号の減衰をもたらす。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づき説明する。図１は、本実施形態に係る高周波信号フィルタ装置を説明する模式平面図である。すなわち、この高周波信号フィルタ装置１は、平面型のマイクロ・ストリップラインを備えており、このマイクロ・ストリップラインの信号線１０上に設けられる第１の容量スイッチＳＷ１と、マイクロ・ストリップラインの信号線１０と基板裏面に設けられた接地面２０との間に挿入される第２の容量スイッチＳＷ２とを有する構成となっている。
【００１０】
第１の容量スイッチＳＷ１および第２の容量スイッチＳＷ２のいずれにおいても動作させない時は「開」の状態になっている。これは、信号線１０の途中に切れ目を設けることによって実現されている。
【００１１】
第１の容量スイッチＳＷ１は信号線１０上に直列に挿入されている。第１の容量スイッチＳＷ１はキャパシタ（容量）ＣとインダクタＬとにより構成されたハイ・パス・フィルタとなっており、この第１の容量スイッチＳＷ１を「閉」にすると、ある特定の信号帯域の信号を選択的に信号線へ流すことになる。
【００１２】
また、第２の容量スイッチＳＷ２もキャパシタＣとインダクタＬとにより構成されたハイ・パス・フィルタとなっており、この第２の容量スイッチＷＳ２を「閉」にすると、ある特定の信号帯域の信号を接地面２０側に短絡させることとなり、高周波側信号の減衰をもたらす。
【００１３】
したがって、第１の容量スイッチＳＷ１および第２の容量スイッチＳＷ２におけるキャパシタＣとインダクタンスＬを適切に調整した２種のスイッチ動作の組み合わせにより、バンド・パス・フィルタ、ハイ・パス・フィルタ、ノッチ・フィルタなど異なった種類のフィルタ動作を切り換え可能に実現できる。
【００１４】
キャパシタＣは、誘電体薄膜（例えば、（ＢａｘＳｒ１−ｘ）ＴｉＯ３（ｘ＝０〜０．７）（以下「ＢＳＴ薄膜」と言う。））と、基板上の信号線１０と、信号線１０の上方に配置されスイッチが閉となったとき信号線１０に接続されるキャパシタ電極（後述）とから構成される。
【００１５】
スイッチ駆動用の直流配線はインダクタとなる。図に示した配線例では、ＢＳＴ薄膜２１を誘電体として、信号線１０が下部電極、駆動用の配線１２が上部電極の役割をなす。したがって、駆動用の給電線路は、信号線１０と容量結合したインダクタンスとみなすことができる。適切に設計することにより駆動用の直流電源を高周波信号線路から絶縁することができる。
【００１６】
キャパシタＣは、ＢＳＴ薄膜と電極とから構成される。信号線１０および接地面２０は良好な導体であるＣｕ、Ａｕなどを用いて構成する。信号線１０を形成する基板は絶縁特性の良好なＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、高分子材料、高分子とＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３との複合材料などを用いる。なお、ＢＳＴ薄膜の品質を確保するために成膜の下地としてＰｔを用いてもよい。
【００１７】
図２は、本実施形態に係る高周波信号フィルタ装置の模式平面図である。この図では基板２の表面側の平面図となっており、基板２の裏面には接地面２０が設けられている。基板２の表面には信号線１０が設けられ、この信号線１０と直列に第１の容量スイッチＳＷ１が形成される。
【００１８】
また、信号線１０と接地面２０との間には第２の容量スイッチＳＷ２が形成される。第２の容量スイッチＳＷ２は信号線１０からの分岐線１０ａに直列に設けられており、この分岐線１０の端部が基板２を介して裏面の接地面２０と接続されている。なお、パッドＰは基板２の裏面の接地面２０と導通しており、接地面２０との導通を得たい場合には必要に応じてパッドＰと導通をとるようにする。
【００１９】
図３は、本実施形態に係る高周波信号フィルタ装置の等価回路を示す図で、（ａ）は全体図、（ｂ）は第１の容量スイッチの等価回路、（ｃ）は第２の容量スイッチの等価回路ある。
【００２０】
第１の容量スイッチＳＷ１および第２の容量スイッチＳＷ２とも、キャパシタは接地面との浮遊容量として構成され、インダクタはスイッチ駆動用の直流配線によって構成される。
【００２１】
図１に示す本実施形態の高周波信号フィルタ装置１は最小構成であり、例えば図４に示すような複数個の容量スイッチを用いて回路網を形成してもよい。つまり、信号線１０を分岐して各々に第１の容量スイッチＳＷ１１、ＳＷ１２、ＳＷ１３を設けて並列スイッチを構成し、信号線１０から接地面２０へ向かう信号線を複数設けて各々に第２の容量スイッチＳＷ２１、ＳＷ２２、ＳＷ２３を接続する。
【００２２】
このような構成によって、必要に応じて、ラダー型のフィルタ、あるいはデュプレクサなどの信号分岐素子を構成することができる。なお、複数個の容量スイッチを並列配置する場合、信号の遅延を考慮して各々のスイッチ群の線路長が同じとなるよう対称な線路構造にすることが望ましい。つまり、第１の容量スイッチＳＷ１１、ＳＷ１２、ＳＷ１３によるスイッチ群の分岐点ａから接続点ｂまでの各容量スイッチＳＷ１１、ＳＷ１２、ＳＷ１３の線路長が同じとなり、また、第２の容量スイッチＳＷ２１、ＳＷ２２、ＳＷ２３によるスイッチ群の分岐点ｃから接続点ｄまでの各容量スイッチＳＷ２１、ＳＷ２２、ＳＷ２３の線路長が同じとなるような構造とする。
【００２３】
図５は第１の容量スイッチＳＷ１の構造を説明する模式平面図、図６は図５におけるＡ−Ａ線矢視断面図である。第１の容量スイッチＳＷ１は、基板２の表面に設けられた信号線１０および基板２の裏面に設けられた接地面２０で構成されたマイクロ・ストリップラインの信号線１０上に設けられ、スイッチの駆動を行うための駆動用電極１１、１２を備えている。
【００２４】
駆動用電極１１は基板２上の信号線１０の両脇に設けられ、接地されている。一方、駆動用電極１２は駆動用電極１１に対向するよう基板２上の空隙を介して配置される。つまり、基板２の信号線１０上には支持部Ｓを介してＢＳＴ薄膜２１が形成され、この支持部Ｓの高さによって基板２とＢＳＴ薄膜２１との間に空隙が設けられている。
【００２５】
また、駆動用電極１２はこのＢＳＴ薄膜２１の上に形成されており、駆動用電極１２に直流電圧が印加されることで静電気力によって駆動用電極１２が駆動用電極１１側へ引き寄せられ、ＢＳＴ薄膜２１が可動片として作用する状態となる。図中破線はＢＳＴ薄膜２１が可動してスイッチ「閉」の状態を示している。
【００２６】
また、信号線１０の位置に対応したＢＳＴ薄膜２１の上にはキャパシタ電極１３が形成されている。したがって、ＢＳＴ薄膜２１が可動片として作用して図５に示す接点Ｐで信号線１０と接触することによりスイッチが「閉」状態となり、第１の容量スイッチＳＷ１によるハイ・パス・フィルタが構成されるようになる。
【００２７】
一方、駆動用電極１２への直流電圧印加を解除すれば、静電気力が働かなくなりＢＳＴ薄膜２１の弾性によってもとの空隙が形成され、スイッチが「開」状態となる。
【００２８】
図示しないが第２の容量スイッチＳＷ２も第１の容量スイッチＳＷ１と同様な構成である。この場合、第１の容量スイッチＳＷ１の説明で用いた信号線１０が、信号線１０から接地面２０へつながる分岐線となる。
【００２９】
本実施形態では、このような第１、第２の容量スイッチＳＷ１、ＳＷ２への直流電圧印加を制御手段（図示せず）によって制御することで、スイッチ動作の組み合わせにより、バンド・パス・フィルタ、ハイ・パス・フィルタ、ノッチ・フィルタなど異なった種類のフィルタ動作を切り換え可能な電子機器を構成できるようになる。
【００３０】
ここで、本実施形態に係る高周波信号フィルタ装置の線路設計の一例を説明する。
【００３１】
線路の特性インピーダンス（Ｚ）は、接地面と信号線路との間に設けられた誘電体膜の厚さ（ｈ）と比誘電率（εｒ）、信号線路幅（ｗ）により、以下の式にしたがって決定される。
【００３２】
Ｚ＝３７７／（ｗ／ｈ）（εｒ）１／２［１＋（１．７３５εｒ−０．０７２４）（ｗ／ｈ）−０．８３６］
【００３３】
例えば、５０Ωの線路において比誘電率９．８のＡｌ２Ｏ３を用いた場合、ｗ／ｈ＝０．９となり、例えば、基板２の厚さを０．５２５ｍｍとしたときには、信号線１０の幅（線路幅）ｗは０．４７３ｍｍとなる。
【００３４】
高周波線路には、線路幅を超えない上部電極（キャパシタ電極１３）の幅（第１、第２の容量スイッチＳＷ１、ＳＷ２に対応した各々キャパシタ電極１３の幅ｗ１、ｗ２、キャパシタ電極１３の長さＬ１、Ｌ２）、ＢＳＴ薄膜２１の比誘電率（εｒ）および膜厚ｈで決まる容量が直列に挿入される。
【００３５】
第１の容量スイッチＳＷ１は信号線１０の入力側と出力側との間に直列に挿入され、第２の容量スイッチＳＷ２は信号線１０と接地面２０との間に挿入され、各々のハイ・パス・フィルタとして機能し、両者の効果が合わされるとバンド・パス・フィルタを構成できる。
【００３６】
この場合、第１の容量スイッチＳＷ１とインダクタは低周波数側のカットオフ周波数を、第２の容量スイッチＳＷ２とインダクタは高周波側のカットオフ周波数を決める。各々のカットオフ周波数２πｆ０は、√（４／ＬＣ）で与えられる。したがって、容量とインダクタの値を適切に選択すれば、望みの特性を得ることができる。
【００３７】
例えば、２０ＧＨｚ程度のカットオフ周波数を得たいとして、インダクタクタンスを３０ｐＨに選ぶと、必要とされる容量の値は１０ｐＦ程度となる。ＢＳＴ薄膜２１の比誘電率は１２０程度が期待できる。図６に示すＢＳＴ薄膜２１の膜厚ｈが０．２μｍ、キャパシタ電極１３の幅（ｗ１、ｗ２）が０．３ｍｍ程度確保できるとすると、図５に示すキャパシタ電極１３の長さ（Ｌ１、Ｌ２）は０．７ｍｍ程度とすればよい。
【００３８】
また、帯域幅として２ＧＨｚ確保したいとすると、一方のカットオフ周波数は２２ＧＨｚである必要がある。ＢＳＴ薄膜２１の膜厚、キャパシタ電極１３の幅（ｗ１、ｗ２）は同様であるとすると、キャパシタ電極１３の長さ（Ｌ１、Ｌ２）は、０．５８ｍｍとなる。したがって、第１の容量スイッチＳＷ１のキャパシタ電極１３の長さ（Ｌ１）を０．７ｍｍ、第２の容量スイッチＳＷ２のキャパシタ電極１３の長さ（Ｌ２）を０．５８ｍｍ、に選べば、両方のスイッチが「閉」となったとき、透過中心周波数２１ＧＨｚ、透過帯域幅２ＧＨｚが得られることとなる。
【００３９】
図５の駆動用の電極、特に信号線路と交差する部分の面積は、原則的には容量スイッチの電極面積（ｗ１×Ｌ１）に等しく選ぶ。駆動用の電極の形状に適切な調整を施すことにより入力信号に対して実効的な意味で図３に示した等価回路が実現できる。したがって、交差位置は容量スイッチの上部電極に近接していることが望ましい。図５の場合、信号は線路を左から右に向かって伝播することを前提として構造の説明がなされている。
【００４０】
次に、本実施形態に係る高周波信号フィルタ装置の製造方法を説明する。図７〜図８は製造方法を順に説明する模式断面図（主として第１の容量スイッチの部分）である。先ず、適切な間隔で接続穴が設けられた絶縁体の基板２（例えばアルミナや一部に低誘電率膜が被覆された半導体基板）を洗浄し、鍍金法により、Ｎｉ／Ａｕ、あるいはＮｉ／Ａｕ／Ｐｔの順に成膜する。ミリング、ドライ・エッチングなどの方法を用い、切れ目のある、厚さ０．５μｍの平面型のマイクロ・ストリップラインを形成する。
【００４１】
図７（ａ）は基板２の裏面に接地面２０、表面に信号線１０を備えたマイクロ・ストリップラインが構成された状態を示している。基板２上における信号線１０の両脇には駆動用電極１１がパターニングされている。
【００４２】
第１の容量スイッチＳＷ１が設けられる信号線１０は、既に形成されている接続穴により裏面の接地面１０に短絡される。次に、線路パターンが形成された基板２の全面にＰＥＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により２．５μｍ厚のＳｉＯ２から成る絶縁膜３１を成膜する。
【００４３】
次に、図７（ｂ）に示すように、成膜した絶縁膜３１の一部（可動片の支持部となる部分３１ａ）に基板２まで届く穴を開け、０．２μｍのＳｉｘＮｙ薄膜３２および２μｍのＳｉ多結晶（図示せず）を成膜する。Ｓｉ多結晶は絶縁膜３１の一部に設けた穴を埋めつつ全面に被着される状態となる。
【００４４】
次いで、図８（ａ）に示すように、基板２の成膜上からＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法により、絶縁膜３１の膜厚が１．５μｍとなるまで平坦化し、基板２の洗浄を行う。
【００４５】
続いて、平坦化された基板上にＢＳＴ薄層２１をスパッタ法により全面に成膜し、容量の誘電体層の形状、信号線路上への接続穴をミリング、ドライ・エッチングなどの方法で形成した後、キャパシタ電極、駆動用電極、直流配線となるＡｕ（金）薄膜１２ａをスパッタ法、蒸着法などにより作製し、更にミリング、ドライ・エッチングなどの方法で信号線路上にキャパシタ電極１３、駆動用電極１２、直流線路（図示せず）を形成する（図８（ｂ）参照）。
【００４６】
その後、形成された線路パターンの全面に絶縁特性、耐環境特性の良好なＳｉｘＮｙ薄膜３３を成膜する。そして、スイッチの梁の形成、ＤＣ入力用のパッド、および、信号線路パッドの開孔を行った後にＨＦ（フッ酸）緩衝溶液を用いて、絶縁膜３１を除去する。この際、ＳｉｘＮｙ薄膜３２はエッチングされないため穴を埋めたＳｉ多結晶が残り、支持部Ｓが形成される。これにより、支持部ＳによってＢＳＴ薄膜２１が可動片となる可動スイッチが形成される。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば次のような効果がある。すなわち、本発明では、平面型のマイクロ・ストリップライン素子と、信号線上に設けられた第１の容量スイッチおよび信号線と接地面との間に挿入された第２の容量スイッチにより、フィルタ特性を切り換え可能な構造を実現できる。また、このような構成によって交差指型の電極をもちいた高周波フィルタと比較し、非常に小型化を図ることが可能となる。また、比較的簡単な制御手段をもちいた制御バイアス電圧の印加により、フィルタの透過特性、遮断特性の制御を実現することができ、必要に応じて、平面状に更に複雑な回路網を作ることも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る高周波信号フィルタ装置を説明する模式平面図である。
【図２】本実施形態に係る高周波信号フィルタ装置の模式平面図である。
【図３】本実施形態に係る高周波信号フィルタ装置の等価回路を示す図である。
【図４】複数個の容量スイッチを用い回路網の例を示す模式図である。
【図５】第１の容量スイッチＳＷ１の構造を説明する模式平面図である。
【図６】図５におけるＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図７】製造方法を順に説明する模式断面図（その１）である。
【図８】製造方法を順に説明する模式断面図（その２）である。
【符号の説明】
１…高周波信号フィルタ装置、２…基板、１０…信号線、２０…接地面、２１…ＢＳＴ薄膜、ＳＷ１…第１の容量スイッチ、ＳＷ２…第２の容量スイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2004363961.tif 000007
【図６】
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【図７】
2004363961.tif 000009
【図８】
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