DE69223682T2

DE69223682T2 - Miniaturisierte, dynamisch abstimmbare Mikrowellen- und Millimeterwellen-Vorrichtung

Info

Publication number: DE69223682T2
Application number: DE69223682T
Authority: DE
Inventors: Lawrence Larson
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: AT&T MVPD Group LLC
Priority date: 1991-05-31
Filing date: 1992-05-29
Publication date: 1998-07-02
Anticipated expiration: 2012-05-30
Also published as: EP0516166B1; IL102042A; JPH07105652B2; EP0516166A3; IL102042A0; JPH05259712A; US5175521A; EP0516166A2; DE69223682D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich ganz allgemein auf abstimmbare Elektronik, insbesondere auf dynamische, abstimmbare Miniaturanordnungen, die auf Substraten für integrierte Schaltkreise hergestellt werden können.

2. Beschreibung des Standes der Technik

In der Technologie der integrierten Schaltkreise sind Größe und Raum wesentliche Einschränkungen für Schaltungsentwickler. So werden bspw. sehr klein dimensionierte Dünnschicht- Übertragungsleitungen und Schaltkreiselemente direkt auf der Oberfläche eines dielektrischen Substrats hergestellt. Sehr häufig haben diese Schaltungselemente andere charakteristische Impedanzen als die Schaltungselemente, mit denen sie gekoppelt werden. Es ist immer schwierig gewesen, abstimmbare Schaltungselemente zur Impedanzanpassung zu verwenden, und zwar wegen der dabei auftretenden geringen Abmessungen sowie der Dichte der Schaltungselemente. Aus diesen Gründen sind Schaltungselemente dieser Art üblicherweise auf eine feste Impedanzanpassung abgestimmt worden.
Unglücklicherweise ändern sich die Impedanzen von Schaltungsanordnungen mit den üblichen Veränderungen an dem bearbeiteten integrierten Schaltkreis. Folglich kann die Impedanzanpassung verloren gehen. Als Ergebnis der Tatsache, daß typische Schaltungselemente fest sind, werden die sich ergebende Flexibilität im Betrieb sowie die Leistungsfähigkeit des integrierten Schaltkreises in unerwünschter Weise beeinträchtigt.
Diese Herausforderungen ist man häufig durch die Verwendung von aktiven Halbleiterbauelementen zum Abstimmen von Schaltungen begegnet. Die Verwendung von aktiven Halbleiterbauelementen für eine derartige Abstimmung ist in dem Buch von I. Bahl und P. Bhartia "Microwave Solid-State Circuit Design", John Wiley & Sons (1988), Seiten 373 bis 422, beschrieben. Obwohl diese Arten von Bauelementen durch ihre geringen Abmessungen gekennzeichnet sind, stellen sie doch andere Herausforderungen an den Schaltkreisentwickler. Sie bringen typischerweise erhebliche Verluste mit sich und haben nur begrenzte Eigenschaften hinsichtlich ihres Bereiches und der Verarbeitung von Leistungen.
Mit dem Auftreten der Mikromechanik ist gezeigt worden, daß es möglich ist, mechanische und elektromechanische Bauelemente mittels einer Dünnschichttechnologie für integrierte Schaltkreise herzustellen. Einige spezielle Beispiele sind Hebel, Getriebe, Gleitstücke und Federn, wie sie im US-Patent Nr. 4,740,410 beschrieben sind, das am 26. April 1988 an R.S. Muller et al. ausgegeben wurde und das die Bezeichnung "Micro Mechanical Elements and Methods for Their Fabrication" trägt. Darüber hinaus sind elektromechanische Anordnungen wie Rotationsmotoren und Linearmotoren im US-Patent Nr. 4,754,185 beschrieben, das am 28. Juni 1988 an K.J. Gabriel et al. ausgegeben wurde und die Bezeichnung "Micro-Electrostatic Motor" trägt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Um den oben erwähnten Herausforderungen zu begegnen, verkörpert sich die vorliegende Erfindung in mikromechanischen, elektrostatisch betätigten, dynamisch abstimmbaren Schaltungselementen, die auf einem dielektrischen Substrat eines integrierten Schaltkreischips hergestellt sind, und zwar durch Verwendung einer Bearbeitungstechnologie für integrierte Schaltkreise. Insbesondere schließen die abstimmbaren Schaltkreise ein festes Schaltkreisglied ein, das auf der Oberfläche des Substrats hergestellt ist. Zusätzlich wird ein bewegbares Schaltkreisglied auf dem Substrat hergestellt, derart, daß es elektromechanisch relativ zum festen Schaltkreisglied bewegt werden kann. Die Relativbewegung zwischen diesen Gliedern beeinflußt die Impedanz des abstimmbaren Schaltkreises und stimmt es auf diese Weise auf die zugehörigen Schaltkreiselement ab, an die es gekoppelt ist. Verschiedene Ausführungsbeispiele schließen bspw. einen variablen Kondensator sowie einen abstimmbaren Ringresonator ein.
Es gibt zahlreiche Vorteile, die mit diesen dynamisch abstimmbaren Anordnungen verbunden sind. Dazu gehört, daß sie als Batch auf einem integrierten Schaltkreischip hergestellt werden können, und zwar unter Verwendung derselben Bearbeitungstechniken für integrierte Schaltkreise, mit denen die zugehörigen integrierten Schaltkreise hergestellt werden. Demzufolge können zu derselben Zeit, in der integrierte Schaltkreise hergestellt werden, dynamisch abstimmbare Miniaturanordnungen hergestellt werden, die nur einen sehr geringen Platz auf dem Wafer einnehmen, sehr wenig Gewicht hinzufügen und die auf einfache Weise vervielfältigt werden können. Darüber hinaus können die abstimmbaren Anordnungen näher an ihren zugehörigen Schaltkreiselementen positioniert werden, als dies der Fall wäre, wenn die abstimmbaren Anordnungen außerhalb des Wafers angeordnet wären, so daß auf diese Weise Effekte vermieden werden, wie sie bei großen Leitungslängen auftreten. Darüber hinaus haben die abstimmbaren Anordnungen einen großen dynamischen Bereich im Mikrowellen- und Millimeterwellenbereich und zeigen einen sehr kleinen Leistungsverlust, wenn die Abstimmung durchgeführt wird. Darüber hinaus können die abstimmbaren Anordnungen dynamisch und elektromechanisch auf dem Wafer abgestimmt werden, wobei Steuersignale von nur sehr geringer Leistung erforderlich sind. Die abstimmbaren Anordnungen sind auch strahlungsgehärtet.
Dadurch, daß derartige dynamisch abstimmbare Anordnungen an Ort und Stelle auf dem integrierten Schaltkreis hergestellt werden, die Schaltung nach ihrer Herstellung abzustimmen, so daß die Ausbeute an guten Schaltkreisen erhöht wird und dadurch die Herstellkosten vermindert werden. Darüber hinaus wird angenommen, daß die beschriebenen Anordnungen einen breiteren dynamischen Bereich und niedrigere Eingangsverluste im Betrieb im Mikrowellen- und Millmeterwellenband haben, verglichen mit anderen bekannten abstimmbaren Anordnungen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 ist eine Draufsicht auf einen interdigitalen variablen Kondensator mit einem festen Glied und einem beweglichen zugehörigen Glied, das im Betrieb entlang eines linearen Pfades mittels elektrostatischer Kräfte verschoben werden kann, um die Kapazität des Kondensators zu verändern;
Fig. 2 ist in vergrößertem Maßstab eine Querschnittsdarstellung des variablen Kondensators von Fig. 1 entlang der Ebene 2-2, zur Darstellung der Beziehung zwischen einem Ankervorsprung auf dem bewegbaren Glied und einem Steuer-Stator;
Fig. 3 ist in vergrößertem Maßstab eine Querschnittsdarstellung des variablen Kondensators gemäß Fig. 1 entlang der Ebene 3-3, zur Darstellung der Beziehung zwischen dem bewegbaren Glied, dem Substrat und einem Rückhalteglied.
Fig. 4 ist eine Draufsicht auf einen variablen Ringresonator mit einem festen, auf dem Substrat ausgebildeten Ringabschnitt und einem bewegbaren Ringabschnitt, der im Betrieb linear verschoben wird, um die effektive Länge des Ringresonators zu verändern und ihn auf diese Weise auf ein gewünschtes Frequenzband abzustimmen;
Fig. 5 ist in vergrößertem Maßstab eine Querschnittsdarstellung des Ringresonators gemäß Fig. 4 entlang der Ebene 5-5, zur Darstellung der Beziehung zwischen dem bewegbaren Schaltkreisglied, dem festen Schaltkreisglied und einem Rückhalteglied; und
Fig. 6 ist in vergrößertem Maßstab eine Querschnittsdarstellung des Ringresonators gemäß Fig. 4 entlang der Ebene 6-6, zur Darstellung der Beziehung zwischen dem bewegbaren Glied, einer Ausgangsleitung und Steuerelektroden.

BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS

Betrachtet man nun die Zeichnungen in weiteren Einzelheiten, so wie in der Draufsicht (nicht maßstäblich) von Fig. 1 dargestellt, so wird ein dynamisch abstimmbares, variables Impedanzelement als variabler Kondensator 10 auf der Oberfläche eines Substrats 12 hergestellt, indem bspw. Herstellungstechniken von integrierten Dünnschichtschaltkreisen verwendet werden, z.B. Photowiderstände, Masken, Abscheidung, Plattieren, selektives Ätzen und chemisches Fräsen, Verfahren, die im US-Patent, Anmelde-Aktenzeichen Nr. 07/608,139 beschrieben sind, die am 1. November 1991 durch Lawrence E. Larson eingereicht wurde und die Bezeichnung "Micro-Machined Switch & Method of Fabrication" trägt. Selbstverständlich können auch andere Techniken verwendet werden, um die abstimmbare Anordnung herzustellen.
Wenn im folgenden der Begriff "Dünnfilm" verwendet wird, ist er so zu verstehen, daß er sich auf Schichten bezieht, die typischerweise abgeschieden werden durch Plattieren, Sputtern, Verdampfen oder Dampfabscheidung und die eine typische Dicke von bspw. (nicht einschränkend) weniger als ungefähr 10 Micron aufweisen.
Das Substrat 10 besteht aus einem Dielektrikum und hat eine glatte, flache Oberfläche 14. Typischerweise besteht das Substrat 10 aus Galliumarsenid, weil dies ein ausgezeichnetes Dielektrikum für Anwendungen im Mikrowellen- und Millimeterwellenbereich ist, und weil Halbleiterschaltkreise und passive Schaltkreiselemente auf ihm hergestellt werden können. Es wird angenommen, daß andere Werkstoffe, bspw. Silizium, Saphir oder Indiumphosphid ebenfalls für gewisse Anwendungen geeignet sind.
Ein elektrischer Leiter 16 wird auf der Oberfläche 14 des Substrats 12 hergestellt, und zwar mittels Photowiderständen, Maskieren, selektivem Ätzen und Verfahren der Dünnfilmmetallisierung.
Zusätzlich wird ein festes Kondensatorglied 20 mit einer Vielzahl von zueinander beabstandeten Fingern 22 auf der Oberfläche 14 in elektrischer Verbindung mit dem Leiter 16 hergestellt. Diese Finger 22 sind an einem ihrer Enden durch ein Trägerelement miteinander verbunden, das seinerseits mit dem Leiter 16 verbunden ist. Wie man am besten auf Fig. 2 erkennt, sind die Finger 22 gerade, wobei die Seitenwände 26 der Finger 22 im wesentlichen eben und parallel zueinander angeordnet sind sowie senkrecht auf der Ebene der Oberfläche 14 stehen.
Strukturell werden der Leiter 16 und das feste Kondensatorglied 20 aus einer ersten dünnen Lage 28 aus Titan von ungefähr 500 Angström Dicke und Gold von ungefähr 4.500 Angström Dicke hergestellt, die auf der Oberfläche 14 abgeschieden sind. Titan wird verwendet, weil es sich sehr gut mit dem Galliumarsenid verbindet. Eine dickere Lage 30 von Gold wird bspw. oben auf die Lage 28 plattiert. Diese dickere Lage kann bspw. 2 bis 3 Micron dick sein und wird vorzugsweise mittels Elektroplattieren abgeschieden. Die Breite des Leiters 16 kann bspw. 100 Micron (100 µm) betragen, die Breite der Finger 22 kann 50 Micron (50 µm) betragen und die Länge der Finger 22 kann von 300 bis 500 Micron (300 bis 500 µm) betragen.
Ein bewegbares Kondensatorglied 30 hat eine Vielzahl von zueinander beabstandeten Fingern 32, die auf der Oberfläche 14 des Substrats 12 ausgebildet sind, und zwar wiederum unter Verwendung von Photowiderständen, gemusterten Masken, selektivem Ätzen und Dünnfilm-Metallisierungsverfahren. Das bewegbare Element 30 ist so ausgeführt, daß es nicht mit dem Substrat 12 oder einem der anderen Schaltkreiselemente verbunden ist, wenn der Photowiderstand entfernt ist, sondern daß es sich frei relativ zum festen Kondensatorglied 20 bewegen kann.
Die voneinander beabstandeten Finger 32 sind an einem ihrer Enden miteinander durch ein Trägerelement 34 ve?bunden, das seinerseits mit einem Anker 36 verbunden ist. Die Finger 32 sind im wesentlichen geradlinig, haben ebene Seitenwände 38, die zueinander parallel sind und erstrecken sich senkrecht zur Ebene der Oberfläche 14. Die unteren Oberflächen der Finger 32, die benachbart zur Oberfläche 14 angeordnet sind, umfassen stegartige Lager 40, die auf der Oberfläche 14 mit geringer Reibung reiten. Die Lager 40 werden zusammen mit den Fingern 32 als Teil des zuvor angegebenen Dünnschichtprozesses hergestellt. Der Satz von Fingern 32 wird im wesentlichen in gleicher Weise dimensioniert, wie der Satz von Fingern 32 des festen Kondensatorgliedes 20. Sie sind in genügendem Abstand voneinander angeordnet, so daß die beiden Sätze von Fingern 22, 32 in interdigitaler Verbindung ineinander fassen können, wobei zwischen ihnen ein Luftspalt verbleibt. Der Luftspalt kann bspw. ungefähr 0,5 bis 1,0 Micron (0,5 bis 1,0 µm) breit sein.
Es versteht sich, daß, obwohl für die Finger 22 und 32 beispielhafte Abmessungen angegeben wurden, es auch möglich ist, die maximale Kapazität des variablen Kondensators 10 zu erhöhen, indem man die Länge der Finger 22 und 32 vergrößert oder die Dicke der Finger 22, 32 vergrößert oder die Anzahl der Finger 22, 32 vergrößert oder die Breite des Luftspalts zwischen den Fingern 22, 32 vermindert.
Der Anker 16, der auch als Leiter wirkt, steht von dem Trägerelement 34 entlang einer Bewegungsachse vor, die sich parallel zu den Ebenen der Finger 22 und 32 erstreckt. Auf der unteren Oberfläche des Ankers 36 sind ferner zwei voneinander beabstandete Lager 40 angeordnet, die auf der Oberfläche 14 des Substrats 12 mit geringem Reibungskontakt reiten. Die Lager 40 sind mit ausreichendem Abstand voneinander beabstandet und sind ausreichend hoch, um zu ermöglichen, daß ein auf der Oberfläche 14 angeordneter Leiter dazwischen verlaufen kann, und zwar in geringem Reibungskontakt mit dem Anker 36.
Der Leiter 42 wird auf dem Substrat 12 in derselben Weise wie der elektrische Leiter 16 hergestellt, d.h. mit denselben Verfahren der Dünnschichtverarbeitung.
Um das bewegbare Kondensatorglied 30 auf der Oberseite des Substrats 12 zu halten und seine lineare Bewegung unter niedriger Reibung entlang der glatten Oberfläche 14 zu ermöglichen, sind Halteclips 48 entlang dem äußeren Rand des bewegbaren Kondensatorgliedes 30 angeordnet. Wie man am besten aus Fig. 3 erkennt, umfassen die Clips 48 eine Basis 50, die auf der Oberfläche 14 hergestellt ist, und zwar mit den bereits vorstehend erwähnten Dünnschichtverfahren. Strukturell umfaßt die Basis 50 eine dünne Lage 28 aus Titan und Gold und eine dicke Lage aus Gold, die auf der Oberfläche 14 befestigt ist. Eine Zunge 52, ebenfalls aus Gold, ist als Lage auf der Basis 50 aufgebracht und erstreckt sich freikragend von dieser, derart, daß sie sich über den äußeren Rand des bewegbaren Kondensatorgliedes 30 erstreckt. Zwischen den Oberflächen der Halteclips 48 und des bewegbaren Kondensatorgliedes 30 ist ein Luftspalt ausgebildet. Im Ergebnis kann das bewegbare Kondensatorglied 30 linear und unter niedriger Reibung entlang der Oberfläche 14 verfahren werden.
Eine lineare Bewegung des Kondensatorgliedes 30 wird durch Ankervorsprünge 60 und 62 begrenzt, die am äußeren Rand des bewegbaren Kondensatorgliedes 30 angeordnet sind. Strukturell sind die Vorsprünge 60, 62 im wesentlichen geradlinig und haben ebene Ankeroberflächen 64 auf ihren äußersten Oberflächen und ebenen Seitenwänden 66, 68. Die Vorsprünge 60 und 62 sind so positioniert, daß die Seitenwände 66 an ein Paar von Clipsen 48 angrenzen, wenn der variable Kondensator 10 in seiner Konfiguration mit maximaler Kapazität ist, wie in Fig. 1 dargestellt. Umgekehrt, wenn der variable Kondensator 10 in Fig. 1 nach rechts zu einer Konfiguration mit minimaler Kapazität bewegt wird, dann begrenzt das am weitesten rechts angeordnete Paar von Halteclips 48 die Linearbewegung des bewegbaren Kondensatorgliedes 30, wenn die Seitenwände 68 der Ankervorsprünge 60 und 62 daran anstoßen.
Wenn das bewegbare Kondensatorglied 30 im Betrieb linear relativ zum festen Glied 20 bewegt wird, verändert sich die Kapazität zwischen dem Leiter 16 und dem Leiter 42 in Abhängigkeit von der Überlappung zwischen den Fingern 22 und 32. Bei einem variablen Kondensator, der mit sieben Fingern ausgeführt wurde, veränderte sich die Kapazität zwischen 0,05 und 0,2 Picofarad (0,05 - 0,2 pF).
Eine Linearbewegung des bewegbaren Kondensatorgliedes 30 wird durch elektrostatische Kräfte bewirkt, die auf die Ankervorsprünge 60 und 62 durch zwei Reihen von Stator-Steuerelektroden 70a-70d und 72a-72d ausgeübt werden, und die jeweils entlang des äußeren Randes des Ankers 36 angeordnet sind.
Die zwei Reihen von Stator-Steuerelektroden 70a-70d und 72a-72d sind entlang einander gegenüberstehender Ränder des Ankers 36 angeordnet, und zwar derart, daß die Stirnwand-Polfläche 74 der Stator-Steuerelektroden 70a-70d und 72a-72d seitlich um denselben Abstand von den Flächen 64 der Ankervorsprünge 60 und 62 entfernt werden, so daß die Polflächen 74 und 76 sich beide in denselben beiden Parallelebenen befinden. Die Breite und Höhe der Polflächen 74 und 76 sind etwa jeweils gleich groß wie die Breite und Höhe der Ankervorsprung-Fläche 64, und der Abstand zwischen nebeneinander liegenden Steuerelektroden 70a-70d und 72a-72d kann bspw. genauso groß sein wie die Breite der Vorsprünge 60 und 62. Steuerleitungen verbinden die Steuerelektroden 70a-70d und 72a-72d mit einer Steuersignalquelle (nicht dargestellt).
Die Steuerelektroden 70a-70d sind entlang separater Achsen aufgereiht, die sich unter einem rechten Winkel zur Bewegungsachse des Ankers 36 erstrecken, so daß sie sich in axialer Ausrichtung mit einer zugehörigen Steuerelektroden 72a-72d auf der gegenüberliegenden Seite der Übertragungsleitung befinden, so daß sie folglich als ein Paar mit dieser anderen Steuerelektrode 72a-72d angesehen werden können. So können bspw. die Steuerelektroden 70a und 72a als ein derartiges Paar betrachtet werden. Wie noch in weiteren Einzelheiten mit Bezug auf die Wirkungsweise des variablen Kondensators 10 erläutert werden wird, erzeugt jedes Steuerelektrodenpaar 70a/72a, 70b/72b ein elektrostatisches Feld, wenn Steuersignale +A1 und -A1 ff. von unterschiedlichen Signalamplituden an sie angelegt werden.
Wie man am besten aus Fig. 2 erkennt, sind die Steuerelektroden, bspw. 70a, mit einer dünnen Lage 28 aus Titan und Gold hergestellt sowie der dickeren Lage aus Gold, aus der der Leiter 16 hergestellt ist. Die Höhe der Steuerelektroden 70a-70d und 72a-72d oberhalb der Oberfläche 14 ist ungefähr genauso groß wie die Dicke des bewegbaren Gliedes 30 und des Leiters 42 zusammen. Ein Flanschbereich 78 steht von der Oberfläche 14 des Substrats 12 vor und hält die Steuerelektrode 70a in einer "Schwanenhals-Konfiguration", so daß die Polflächen 74 oder 76 der Stator-Steuerelektroden 70a-70d und 72a-72d oberhalb der Oberfläche 14 in einem Abstand bewegt werden, der ungef 4hr gleich dem Abstand ist, in dem das bewegbare Kondensatorglied 30 oberhalb der Oberfläche 14 angeordnet ist. Folglich sind die Polflächen 74 und 76 der Steuerelektroden 70a-70d und 72a-72d kongruent mit den Endflächen 64 der Vorsprünge 60 und 62, wenn die Vorsprünge 60 und 62 sich in axialer Ausrichtung mit einem Paar von Steuerelektroden befinden, bspw. 70a/72a.
Im Betrieb wird ein Paar von Steuersignalen: +A1 und -A1; +A2 und -A2; und +A3 und -A3 nacheinander an die Paare von Steuerelektroden 70a/72a, 70b/72b, 70c/72c und 70d/72d angelegt. In der Praxis haben die Steuersignale +A ein höheres Spannungspotential als die Steuersignale -A. Die Steuersignale A erzeugen ein elektrostatisches Feld an den Steuerelektroden 70a-70d und 72a-72d, das eine elektrostatische Spiegelladung umgekehrter Polarität relativ zueinander an den Enden der Vorsprünge 60 und 62 erzeugt. Die elektrostatische Anziehung zwischen den Feldern der Steuerelektroden 70a-70d und 72a-72d und die Ladungen an den Enden der Vorsprünge 60 und 62 bewegen das bewegbare Glied 30 effektiv entlang einer Bewegungsachse. Um das Kondensatorglied 30 von links nach rechts in Fig. 1 zu bewegen, wird die Folge von Steuersignalpaaren mit A1, A2, A3 und A1 eingestellt.
In Fig. 1 befinden sich bspw. die Vorsprünge 60 und 62 in Flucht mit dem Steuerelektrodenpaar 70a und 72a. Folglich werden mit einer Folge von Steuersignalpaaren A1, A2, A3 die Ankervorsprünge 60 und 62 effektiv schrittweise nach rechts bewegt, und zwar in eine Position, in der ihre Achse sich in Flucht mit dem Paar 70c/72c der Steuerelektroden befindet. Wenn jedoch das bewegbare Kondensatorglied 30 von rechts außen nach links schrittweise bewegt werden soll, wird die Folge von Paaren von Steuersignalen, die an die Stator-Steuerelektroden 70a- 70d und 72a-72d angelegt werden, umgekehrt werden, und zwar zu A1, A3, A2, A1. Als Ergebnis der elektrostatischen Felder und Anziehungskräfte bewegt sich das bewegbare Kondensatorelement von rechts nach links, bis die Vorsprünge 60 und 62 anhalten, sobald sie sich in Flucht mit dem Paar 70a/72a der Steuerelektroden befinden, wie in Fig. 1 dargestellt.
Eine feinere Abstimmung des bewegbaren Kondensatorgliedes 30 kann auf eine Vielzahl von Arten und Weisen bewirkt werden. So kann z.B. ein Vernier-Effekt eingestellt werden, bei dem die Vorsprünge 60 und 62 in eine Position auf halbem Wege zwischen benachbarten Paaren von Steuerelektroden 70a-70d, 72a-72d bewegt werden. Dies wird bewirkt, indem gleichzeitig zwei Paare von Steuersignalen, bspw. +A2 und -A2 an die Elektroden 70b und 72b angelegt werden und ferner Steuersignale +A3 und -A3 an die Elektroden 70c und 72c. Der Gleichgewichtspunkt der elektrostatischen Anziehung zwischen den Steuerelektroden 70a-70d und 72a-72d sowie den Vorsprüngen 60 und 62 befindet sich dann zwischen benachbarten Steuerelektrodenpaaren 70b/72b, 70c/72c; folglich kommen die Vorsprünge 60 und 62 auf halbem Wege zwischen diesen benachbarten Steuerlektroden 70b/72b, 70c/72c zum Stillstand.
Eine noch feinere Abstimmung des bewegbaren Kondensatorgliedes 30 kann erreicht werden, indem selektiv Steuersignale +A und -A unterschiedlicher Amplitude an benachbarte Paare der Steuerelektroden angelegt werden. Im Ergebnis ergibt sich ein Gleichgewichtspunkt des elektrostatischen Feldes näher bei einem der benachbarten Paare von Steuerelektroden als zum benachbarten Paar. Wenn z.B. die Steuersignale +A3 und -A3 eine größere Amplitude als die Steuersignale +A2 und -A2 haben, liegt der Gleichgewichtspunkt näher an den Steuerelektroden, an die die Steuersignale +A3 und -A3 höherer Amplitude angelegt sind.
Eine weitere abstimmbare Impedanzanordnung, das die oben beschriebenen Eigenschaften aufweist, ist der abstimmbare Ringresonator 100 gemäß Fig. 4. Strukturell wird der Ringresonator 100 auf einem Substrat 102 hergestellt, das eine glatte, flache Oberfläche 104 aufweist, wobei die oben angegebenen Herstellverfahren für integrierte Schaltkreise eingesetzt werden. Im einzelnen wird ein festes Ringabschnitt-Glied 106 in U-förmiger Konfiguration auf der Oberfläche 104 mittels dünner Schichten aus elektrisch leitfähigem Material hergestellt. Das feste Glied 106 ist in der allgemeinen Konfiguration Teil eines Ovals, wobei das geschlossene bogenförmige Ende an einen Leiter 108 angeschlossen ist. Das offene Ende läuft in zwei gespaltene, gabelartige Enden 110 und 112 aus und die Segmente des festen Ringgliedes 106, die zu den Enden 110 und 112 führen, sind gerade.
Wie in der Querschnittsdarstellung von Fig. 5 illustriert, haben die geraden Segmente eine rechteckförmige Konfiguration mit einer glatten, ebenen oberen Oberfläche 114. Das feste Ringabschnitt-Glied 106 wird aus einer ersten Dünnschichtlage 116 aus Titan von ungefähr 500 Angström (0,05 µm) Dicke und Gold mit ungefähr 4.500 Angström (0,45 µm) Dicke hergestellt, die unmittelbar auf der Oberfläche 102 abgeschieden werden. Dann wird eine dicke Lage aus elektrisch leitfähigem Material, bspw. Gold, von ungefähr 2 bis 3 Micron (2 - 3 ;1m) Dicke auf der Lage 116 abgeschieden. Die Breite des festen Ringabschnitt-Gliedes 106 beträgt bspw. 100 Micron (100 µm).
Ein bewegbarer Ringabschnitt 130 in U-förmiger Konfiguration ist ebenfalls auf der Oberfläche 104 hergestellt, und zwar unter Verwendung der oben angegebenen Verfahren mit Photowiderstand, Mustermasken, selektivem Ätzen und Dünnschichtmetallisierung. Ein Anker 132, der ferner als elektrischer Leiter fungiert, steht vom geschlossenen Ende des bewegbaren Ringabschnitts 30 vor. Das offene Ende des Ringabschnitts 130 läuft in zwei gespaltene, gabelförmige Enden 134 und 136 aus, und die Segmente des Ringes, die zu den Enden 134 und 136 führen, sind gerade. Sowohl das feste Ringabschnitt-Glied 106 als auch der bewegbare Ringabschnitt 130 sind in gleicher Weise dimensioniert und konfiguriert, so daß die geraden Längen des bewegbaren Ringabschnitts 130 im Betrieb sich oberhalb der geraden Längen des festen Ringabschnitt-Gliedes 106 befinden. Im Betrieb reitet die glatte, untere Oberfläche 138 des Ringabschnitts 130 auf der glatten, unteren Oberfläche 114 des festen Ringabschnitt-Gliedes 106 unter geringem Reibungskontakt und schließt auf diese Weise den Ring.
Wie in Fig. 5 dargestellt, hat der bewegbare Ringabschnitt 130 einen rechteckförmigen Querschnitt und ist aus einer dünnen Lage 140 aus Titan und Gold sowie einer dünnen Lage 142 aus Gold hergestellt, wobei die Gesamtdicke ungefähr 2 bis 3 Micron (2 - 3 µm) beträgt.
Der Anker 132 steht entlang der Bewegungsachse des bewegbaren Ringabschnitts 130 vor und reitet im Betrieb auf der oberen Oberfläche eines Leiters 144, der auf der Oberfläche 104 des Substrats 102 hergestellt ist. Der Leiter 144 ist ähnlich hergestellt wie das feste Ringabschnitt-Glied 106 und der Leiter 108 und ist auch ähnlich dimensioniert. Der Leiter 144 hat ebenfalls einen rechteckförmigen Querschnitt und eine glatte, flache obere Oberfläche 146. Im Ergebnis reitet der vorstehende Anker 132 des bewegbaren Ringabschnitts 130 auf der Oberfläche 146 mit geringem Reibungskontakt.
Um den Abstand zwischen dem bewegbaren Ringabschnitt 130 oberhalb der Oberfläche 104 des Substrats aufrechtzuerhalten, und um eine Bewegung mit geringer Reibung zu ermöglichen, sind, wie man am besten aus Fig. 6 erkennt, stegartige Lager 150 und 152 in voneinander beabstandeter Anordnung auf der unteren Oberfläche des bewegbaren Ringabschnitts 130 in der Nähe der Oberfläche 104 angeordnet. Die Lager 150, 152 sind einstückig mit dem bewegbaren Ringabschnitt 130 und werden zusammen mit diesem hergestellt. Ein Paar der Lager 152 ist so angeordnet, daß es den Ausgangsleiter 144 überspannt und eine seitliche Bewegung des bewegbaren Ringabschnitts 130 relativ zur Bewegungsachse begrenzt, während andererseits ein geringer Reibungskontakt mit dem Leiter 144 ermöglicht wird.
Um darüber hinaus die Bewegung des bewegbaren Ringabschnitts 130 auf einen linearen Pfad zu begrenzen und den bewegbaren Ringabschnitt 130 oberhalb des Substrats 102 zu halten, sind drei Paare Clips 154 und 156 auf dem Substrat 102 am äußeren Rand des bewegbaren Ringabschnitts 130 bzw. des Leiters 144 hergestellt. Wie in Fig. 5 dargestellt, umfassen die Clips 154, 156 eine Basis, die auf der Substratoberfläche 104 mittels der weiter oben angegebenen Dünnschichtverfahren hergestellt ist. Ein Flansch 158, vorzugsweise aus Gold, steht von der Basis ab und trägt ein Ende einer Zunge 160, die ihrerseits frei auskragt und sich über den äußeren Rand des bewegbaren Ringabschnitts 130 hinweg erstreckt. Ein Luftspalt ist zwischen den Oberflächen der Clips 154, 156 und dem bewegbaren Ringabschnitt 130 ausgebildet, um eine Bewegung ohne Haftung und mit niedriger Reibung zu ermöglichen.
Die gesamte Länge der Linearbewegung wird ferner durch die Seitenwände der Ankervorsprünge 162 begrenzt, die an dem äußeren Rand des Ankers 132 angeordnet sind. Strukturell sind die Vorsprünge 162 im wesentlichen geradlinig und haben eine ebene Ankerfläche 164 auf ihrer äußersten Oberfläche. Die Vorsprünge 162 sind so positioniert, daß ihre Seitenwände an das am weitesten links angeordnete Paar von Clipsen 156 angrenzen, wenn sich der Ringresonator 100 in seiner Konfiguration mit der kürzesten Pfadlänge des Schaltkreises befindet, wie in Fig. 4 dargestellt, während sie an das andere, am weitesten rechts befindliche Paar von Clipsen 156 angrenzen, wenn der bewegbare Ringabschnitt 130 linear nach rechts in Fig. 4 bewegt wird, und zwar in eine Konfiguration mit maximaler Pfadlänge. Ein Beispiel für die Begrenzung der Bewegung des Ankers 144 ist 300 Micron (300 µm). Darüber hinaus kann die Länge des Resonatorrings vom Eingangsleiter 108 zu der Stelle, an der der Ring den Anker 132 kontaktiert, von 300 bis 600 Micron (300 bis 600 µm) verändert werden. Selbstverständlich versteht sich, daß es sich hierbei nur um beispielhafte Größen handelt.
Da die allgemeine elektromechanische Betriebsweise des abstimmbaren Ringresonators 100 der Fig. 4 - 6 ähnlich der Betriebsweise des variablen Kondensators 10 gemäß Fig. 1 -3 ist, sind dieselben strukturellen Elemente mit denselben Bezugszeichen in beiden Figurensätze versehen. Folglich kann die Betriebsweise des Verkürzens und Verlängerns des Resonatorrings 106, 130 verstanden werden, indem man sich auf den vorhergehenden Abschnitt dieser Detailbeschreibung bezieht.
Im allgemeinen werden jedoch Paare von Steuersignalen +A1, -A1 bis +A3, -A3 selektiv an die Steuerelektroden 70a-70d und 72a- 72d angelegt, um den bewegbaren Ringabschnitt 130 zu selektiven Positionen relativ zum festen Ringabschnitt-Glied 106 zu bewegen und auf diese Weise den geschlossenen Schaltkreispfad des Ringresonators 100 zu verlängern und zu verkürzen, so daß auf diese Weise wiederum der Ringresonator-Schaltkreis abgestimmt wird.
Eine lineare Bewegung des bewegbaren Ringabschnitts 130 wird durch elektrostatische Kräfte bewirkt, die von den Ankervorsprüngen 162 durch zwei Reihen von Stator-Steuerelektroden 70a- 70d und 72a-72d bewirkt werden, die auf beiden Seiten des Ankers 132 angeordnet sind. Der Betrieb der Stator Steuerelektroden 70a-70d und 72a-72d ist im wesentlichen derselbe wie der der Stator-Steuerelektroden 70a-70d und 72a-72d der Fig. 1 - 3, so daß dieselben Bezugszeichen verwendet wurden. Folglich kann man eine detaillierte Erläuterung aus dem vorderen Teil dieser Beschreibung entnehmen.
Wie bereits festgestellt wurde, werden alle hier beschriebenen Ausführungsbeispiele mittels Verfahren für die Herstellung integrierter Schaltkreise hergestellt, indem dieselben beschriebenen Werkstoffe eingesetzt werden. So werden bspw. alle Leiter, das abstimmbare Schaltkreiselement, die Steuerelektroden und die Tragstruktur vorzugsweise aus elektrisch leitfähigen Materialien hergestellt, bspw. einer dünnen Lage aus Titan und Gold und dickeren Lagen aus Gold, die jeweils auf dem Substrat als Muster hergestellt werden, und zwar unter Verwendung von Lagen von Photowiderstand, der durch Maskieren, Belichtung, selektivem Ätzen und Metallisierung in Mustern hergestellt wurden.
Ferner, obwohl Gold das bevorzugte Material für die strukturellen Elemente ist, können auch andere elektrisch leitfähige Materialien verwendet werden. Folglich sollte es bspw. (nicht einschränkend zu verstehen) auch möglich sein, rostfreien Stahl, dotiertes Silizium und Rhodium zu verwenden. Ferner sollte es wiederum möglich sein, andere Werkstoffe als Galliumarsenid für das Substrat einzusetzen.

Claims

1. Miniaturisierter, abstimmbarer Schaltkreis, mit:

- einem Substrat (12; 102), auf dessen einer Oberfläche (14; 104) ein erstes Schaltkreis-Glied (20; 106) angeordnet ist; und

- einem zweiten Schaltkreis-Glied (30; 130), das oberhalb des Substrates (12; 102) angeordnet ist, wobei das zweite Schaltkreis-Glied (30; 130) relativ zum ersten Schaltkreis-Glied (20; 106) beweglich ist,

gekennzeichnet durch:

- ein Steuermittel, das auf dem Substrat (12; 102) ausgebildet und so betreibbar ist, daß Steuersignale selektiv empfangbar sind, um elektrostatische Felder zu erzeugen, die mit dem zweiten Schaltkreis-Glied (30; 130) gekoppelt werden, wobei die elektrostatischen Felder so einstellbar sind, daß sie das zweite Schaltkreis-Glied (30; 130) selektiv und relativ zum ersten Schaltkreis-Glied (20; 106) bewegen und auf diese Weise den abstimmbaren Schaltkreis (10; 100) funktionell abstimmen.

2. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuermittel mit einem Luftspalt angeordnet ist, der ausreichend schmal ist, so daß das Steuermittel eine Spiegelladung auf dem zweiten Schaltkreis-Glied (30; 130) induziert, um die elektrostatische Anziehung zu erhöhen.

3. Schaltkreis nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuermittel eine Mehrzahl von separaten Steuerelektroden (70a - 72d) umfaßt, die mindestens auf einer Seite des zweiten Schaltkreis-Gliedes (30; 130) verteilt angeordnet sind.

4. Schaltkreis nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die separaten Steuerelektroden (70a - 72d) entlang einer Seite des zweiten Schaltkreis-Gliedes (30; 130) verteilt angeordnet und so betreibbar sind, daß das zweite Schaltkreis-Glied (30; 130) linear bewegt wird, um den abstimmbaren Schaltkreis (10; 100) funktionell abzustimmen.

5. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Schaltkreis- Glied (20, 30) eine Mehrzahl von zueinander beabstandeten Finger-Gliedern (22, 32) umfassen, wobei die Finger- Glieder (22) des ersten Schaltkreis-Gliedes (20) interdigital zu den Finger-Gliedern (32) des zweiten Schaltkreis-Gliedes (30) passen, um den Kapazitätswert des abstimmbaren Schaltkreises zu beeinflussen.

6. Schaltkreis nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Finger-Glieder (22, 32) zueinander parallel sind und ebene seitliche Wände aufweisen.

7. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Schaltkreis-Glied ein erstes Segment (106) eines Ringes und ein zweites Schaltkreis- Glied ein zweites Segment (130) eines Ringes einschließt, das komplementär zum ersten Segment (106) ist, und daß das zweite Segment (130) so betreibbar ist, daß es entlang einer Oberfläche (114) des ersten Segments (106) eines Ringes gleitet, um einen geschlossenen Ring zu bilden, der als Ringresonator (100) betreibbar ist.

8. Schaltkreis nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Segment (106, 130) des Ringes individuelle lineare Teile (110, 112, 134, 136) aufweisen, die miteinander in Gleitkontakt stehen.

9. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Schaltkreis-Glied (30; 130) mindestens einen Vorsprung (60, 62; 162) einschließt, der aus einer seiner seitlichen Wände vorsteht, und daß der Vorsprung (60, 62; 162) funktionell elektrostatisch durch das von dem Steuermittel erzeugte elektrostatische Feld angezogen wird.

10. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Schaltkreis- Glied (20, 30; 106, 130) einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen.

11. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Schaltkreis- Glied (20, 30; 106, 130) aus Dünnfilmen hergestellt sind, in denen das erste und das zweite Schaltkreis-Glied (20, 30; 106, 130) und das Steuermittel unter Verwendung von Werkstoffen und Prozeßtechnologien für integrierte Schaltkreise hergestellt sind.