本发明涉及一种MEMS器件和包括该MEMS器件的便携式通信终端。 背景技术
预计利用了半导体工艺的MEMS (微机电系统）会应用于各种领域中。 例如，在高频电路领域中，极有可能将MEMS器件用作RF开关和可变电 容器。
用于高频波的MEMS开关被粗略分成DC接触MEMS开关类和电容性 开关类，其中DC接触MEMS开关可用于DC和高频波，并且每个都具有 互相欧姆接触的两个触点，电容性开关仅可用在10GHz或更高的高频，并 且每个都具有两个经由薄电介质膜而彼此接触的接触点。由于消费型便携 式无线装置通常使用500MHz到5GHz的频带，因此DC接触MEMS开关 使用的越来越多。
作为DC接触MEMS开关的相关驱动机构，大多数采用静电驱动机构。 这是因为静电驱动机构材料和结构简单，而且用静电驱动机构易于进行处 理。静电驱动机构的典型结构具有形成于衬底上且被电介质膜覆盖的固定 电极。用于欧姆接触的接触电极也形成于衬底上，并设置导电活动梁 (movable beam),该导电活动梁利用弱弹簧桥接固定电极的上部和接触电 极。在固定电极和活动梁之间施加电压以产生静电力。接触电极和活动梁 的活动电极通过静电力彼此吸引，并使它们彼此欧姆接触。通过这种方式 打开和闭合开关。
图14示意性地示出了活动梁的弹性力、静电力以及二力之和。为了保持MEMS开关的隔离，必须将活动梁移动2um到3um。不过，静电驱动 力与接触电极和活动电极之间的距离的平方成反比迅速减小。因此，弹簧 常数变得较小， 一直需要20V或更大的高电压作为静电驱动电压。在使接 触电极和活动梁的活动电极彼此接触时，产生了强接触压力。不过，分离 过程仅取决于弹性力，这导致了如下问题：分离力（separation force)非常 微弱，接触点是固定的且可靠性低。总地来说，静电驱动的MEMS开关具 有接触压力大的优点，但具有驱动电压高且分离力弱的缺点。
同时，已经提出用压电驱动系统作为MEMS驱动机构。压电驱动系统 具有活动梁中的电极膜之间插置的压电膜，作为压电驱动机构。在活动梁 上设置活动电极，在衬底上设置固定电极。活动梁的弹性力是活动电极和 固定电极之间的距离的线性函数。图15示意性地示出了活动梁的弹性力、 压电驱动力以及二力之和。压电驱动力总是与电压成正比，较低的电压可 以导致压电驱动力的很大变化。不过，驱动力弱，并且接触压力和分离力 也相应地较小。总地来说，压电驱动的MEMS开关具有驱动电压低的优点， 但有接触压力和分离力弱的缺点。
为了解决这个问题，已经提出了同时采用静电力和压电力的混合驱动 机构，结合了静电驱动和压电驱动的优点（参见JP-A 8-506690 (特开））。 JP-A 8-506690 (特开）的图4示出了驱动梁的弹性力、静电驱动力、压电 驱动力以及三力之和。如JP-A 8-506690 (特开）的图4所示，当活动梁远 离固定电极时，主要靠压电力进行驱动。当活动梁靠近固定电极时，主要 由静电力进行驱动。因此，可以采用弹簧常数比仅使用两种力之一的情形 中所用的弹簧常数更大的驱动梁。不过，仍然有分离力弱的问题。总地来 说，同时采用静电和压电力的混合驱动MEMS开关具有驱动电压低且接触 压力大的优点，但有分离力较弱的缺点。

考虑到这些情况做出了本发明，其目的在于提供一种工作电压低、接 触压力大且分离力大的MEMS器件以及包括该MEMS器件的便携式通信终
^山顺。
根据本发明的第一方面的MEMS器件包括：衬底；支撑单元，其设置在所述衬底上；固定电极，其设置在所述衬底上；致动器，其包括第一电 极、形成在所述第一电极上的第一压电膜以及形成在所述第一压电膜上的 第二电极，利用所述支撑单元将所述致动器的一端固定到所述衬底上，所 述致动器在连接所述支撑单元和所述固定电极的方向上延伸，所述第一 电 极被设置成面对所述固定电极；以及止动器单元，其设置在连接所述支撑 单元和所述固定电极的直线上，并且设置在所述衬底上，以面对所述第一 电极。
根据本发明的第二方面的MEMS器件包括：衬底；第一和第二支撑单 元，其设置在所述衬底上，彼此相隔一定距离；第一固定电极，其设置在 所述衬底上的所述第一支撑单元和所述第二支撑单元之间；第二固定电极， 其设置在所述衬底上的所述第一固定电极和所述第二支撑单元之间；第一 接触电极，其设置在所述第一固定电极和所述第二固定电极之间；第一止 动器单元，其设置在连接所述第一支撑单元和所述第二支撑单元的直线上，
并且设置在所述衬底上的所述第一固定电极的与所述第一固定电极相反的 一侧上；第二止动器单元，其设置在连接所述第一支撑单元和所述第二支 撑单元的直线上，并且设置在所述衬底上的所述第二固定电极的与所述第 一接触电极相反的一侧上；致动器，其包括第一电极、形成在所述第一电 极上的第一压电膜、以及形成在所述第一压电膜上的第二电极，所述致动 器具有通过所述第一和第二支撑单元固定到所述衬底上的两个端部；以及 第二接触电极，其设置在所述致动器上，以面对所述第一接触电极。
根据本发明的第三方面的MEMS器件包括：衬底；第一和第二支撑单 元，其设置在所述衬底上，彼此相隔一定距离；固定电极，其设置在所述 衬底上的所述第一支撑单元和所述第二支撑单元之间；第一止动器单元， 其设置在连接所述第一支撑单元和所述第二支撑单元的直线上，并且设置 在所述衬底上的所述固定电极和所述第一支撑单元之间；第二止动器单元， 其设置在连接所述第一支撑单元和所述第二支撑单元的所述直线上，并且 设置在所述衬底上的所述固定电极和所述第二支撑单元之间；以及致动器， 其包括第一电极、形成在所述第一电极上的第一压电膜、以及形成在所述 第一压电膜上的第二电极，所述致动器具有通过所述第一和第二支撑单元 固定到所述衬底上的两个端部。根据本发明的第四方面的MEMS器件包括：衬底；支撑单元，其设置 在所述衬底上；固定电极，其设置在所述衬底上；致动器，其包括第一电 极、形成在所述第一电极上的第一压电膜以及形成在所述第一压电膜上的 第二电极，利用所述支撑单元将所述致动器的一端固定到所述衬底上，所 述致动器在连接所述支撑单元和所述固定电极的方向上延伸，所述第一电 极被设置成面对所述固定电极；以及止动器单元，其设置在连接所述支撑 单元和所述固定电极的直线上，并且设置在所述致动器上，以面对所述衬 底。
根据本发明的第五方面的便携式通信终端包括：根据第一到第三方面
中的任一个所述的MEMS器件，所述MEMS器件作为RF开关或可变电容 器。
附图说明
图1为根据本发明第一实施例的MEMS器件的平面图；
图2为根据第一实施例的MEMS器件的截面图；
图3示出了根据第一实施例的MEMS器件的工作；
图4A到5B为示出了制造根据第一实施例的MEMS器件的流程的截面
图；
图6为根据第一实施例的第一变型的MEMS器件的截面图；
图7为根据第一实施例的第二变型的MEMS器件的截面图；
图8为根据第一实施例的第三变型的MEMS器件的截面图；
图9为根据第二实施例的MEMS器件的截面图；
图10为根据第三实施例的MEMS器件的截面图；
图11为根据第四实施例的MEMS器件的截面图；
图12为根据第四实施例的变型的MEMS器件的截面图；
图13为根据第五实施例的便携式通信终端的方框图；
图14示出了常规静电驱动的致动器的工作；
图15示出了常规压电驱动的致动器的工作；
图16示出了作为对比例的静电和压电驱动的混合致动器的工作； 图17为根据第一实施例的第四变型的MEMS器件的平面图；以及图18为根据第一实施例的第五变型的MEMS器件的截面图。

以下为参考附图对本发明的实施例的描述。 (第一实施例）
图1为根据本发明第一实施例的MEMS器件的平面图。图2为沿图1 的线A-A截取的MEMS器件的截面图。
该实施例的MEMS器件为MEMS开关。在该MEMS开关中，将固定 器（anchor) 2、止动器（stopper) 9、固定电极10和一组RF线12固定在 衬底1上。该组RF线12位于离固定器2最远的距离处。止动器9位于固 定器2和该组RF线12之间。固定电极10位于止动器9和该组RF线12 之间。固定电极10被固定在衬底1上并具有由电介质膜11覆盖的表面。
还设置了一端固定到固定器2的活动梁3。活动梁3为下部电极4、压 电膜5、上部电极6和支撑膜7形成的堆叠结构。被固定到固定器2的一端 的相对一侧上的顶端为动作端。在动作端设置了一组接触电极13，以面对 设置在衬底1上的该组RF线12。当使接触电极13与RF线12接触时产生 导电状态。
活动梁3形成一个压电致动器。当在下部电极4和上部电极6之间施 加压电驱动电压时，压电膜5膨胀或收縮，而活动梁3向上或向下弯曲。 活动梁3还可以充当静电致动器。当在固定电极10和活动梁3的下部电极 4之间施加静电驱动电压时，活动梁3被吸引向衬底1。
在该实施例中，从固定器2到止动器9的距离、或从固定器2的末端 到止动器9的中心的距离k！大于从止动器9到固定电极10的距离、或从止 动器9的中心到固定电极10的中心的距离k2。距离k,也大于从固定电极 10到RF线12的距离，或从固定电极10的中心到RF线12的中心的距离 k3。距离k,还大于从止动器9到RF线12的距离，或从止动器9的中心到 RF线12的中心的距离k4。
现在参考图3，详细描述该实施例的MEMS器件的工作或活动梁的动 作。图3示出了根据RF线12和接触电极13之间的距离而产生的弹性力、 压电力和静电力以及这些力之和。在未施加静电驱动电压和压电驱动电压的初始状态下，RF线12和接触电极13之间的距离为3nm。然后施加预 定电压作为静电或压电驱动电压。在RF线12和接触电极13之间的距离大 的情况下，主要靠压电力使活动梁3向下弯曲，并使之与形成于衬底1上 的止动器9接触。此时，在活动梁3和覆盖固定电极10的电介质膜11之 间以及在RF线12和接触电极13之间形成了小的间隔（在图3所示的情形 下为0.5um)。在活动梁3与止动器9接触之前，弹簧常数小，可以主要靠 压电力，以固定器2作为支点进行致动，因为从活动梁3到用作作用点的 接触电极13有长的距离。在该实施例中，当活动梁3向下弯曲时，止动器 9首先与活动梁3接触。
在与止动器9接触之后，活动梁3与充当新支点的止动器9相互作用。 因此，从止动器9到作为作用点的接触电极13之间的距离变得短于从固定 器2到接触点13的距离，并且弹簧常数变得更大。不过，在这种状态下， 在固定电极10和活动梁3的下部电极之间仅有小的间隔，电介质膜11插 置在其间。因此，产生了强大的静电引力，以便将接触电极13压到RF线 12上。
在撤除静电或压电驱动电压时，在接触电极13和RF线12之间产生具 有大的弹簧常数的强的分离力，可以确定地使接触电极13和RF线12彼此 分开。
作为对比例，制造了另一个MEMS器件。该MEMS器件与该实施例具 有同样的结构，只是去除了止动器9。图16示出了对比例的MEMS器件的 活动梁的动作。更具体而言，在该对比例中，当活动梁远离固定电极时， 主要靠压电力驱动该MEMS器件。在活动梁靠近固定电极时，该MEMS 器件主要由静电力驱动。因此，可以采用弹簧常数为使用两种力之一的情 形中获得的弹簧常数的两倍大的驱动梁。不过，该对比例仍然具有分离力 不是非常强的问题。总地来说，采用静电和压电力的混合驱动型MEMS开 关具有驱动电压低且接触压力大的优点，但却有分离力较弱的缺点。
如上所述，在根据该实施例的MEMS器件中，在固定器2和固定电极 10之间设置止动器9，从而可以执行两阶段操作，在活动梁3与止动器9 接触之前致动器具有小的弹簧常数，在接触之后致动器具有大的弹簧常数。 因此，能够实现工作电压低、接触压力大且分离力大的MEMS器件。于是，能够实现接触电阻低且可靠性高的静电驱动DC接触型MEMS开关。优选 止动器9的位置相对于固定器2来说更靠近固定电极10。而且，优选从衬 底1突出的止动器9的高度大于固定电极lO和电介质膜ll的总厚度。现在参考图4A到图5B，描述制造根据该实施例的MEMS器件的方法。首先，如图4A所示，在具有绝缘表面的衬底1上形成固定器2、止动 器9、覆盖有电介质膜11的固定电极IO和RF线12。固定器2、止动器9 和电介质膜11的优选材料包括诸如硅的氮化物或氧化物膜等的电介质膜。 可以通过公知的技术，例如光刻技术或反应离子蚀刻（RIE)技术来形成固 定器2、止动器9和电介质膜11。可以由诸如Al等的布线材料或诸如Au 等的贵金属来制造固定电极10和RF线12。如果采用Al，可以由RIE形成 固定电极10和RF线12。如果采用诸如Au的贵金属，可以通过公知的剥 离工艺等来形成固定电极10和RF线12。如图4B所示，然后在衬底1的表面上形成牺牲层21，并通过公知的 CMP (化学机械抛光）技术进行表面抛光和平坦化，直到暴露出固定器2。 牺牲层21可以由能在其上针对另一种膜材料进行选择性蚀刻的无机材料、 金属材料或有机材料制成。在该实施例中，牺牲层21为多晶硅层。如图4C所示，在牺牲层21的位于RF线12上方的一个区域中形成沟 槽，并在沟槽中形成接触电极13。这里，通过使用用于剥离工艺的抗蚀剂， 能够以连续的方式执行如下流程：通过RIE形成沟槽的流程以及通过剥离 对接触电极13进行构图的流程。或者，可以通过独立的光刻和蚀刻工艺进 行图案化，以形成沟槽和接触电极13。接触电极13的优选材料包括诸如 Au等的贵金属。如图5A所示，在固定器2和牺牲层21上逐个地形成活动梁3的下部 电极4、压电膜5、上部电极6和支撑膜7。用200nm厚的Al膜形成下部 电极4。压电膜5为膜厚度为500nm的AlN膜，该AlN为c轴取向。用膜 厚度为200nm的Au膜形成上部电极6。用膜厚度为600nm的氧化硅层形 成支撑膜7。通过溅射技术加工Al、 A1N和Au，通过CVD (化学气相淀积） 加工氧化硅。然后通过光刻和蚀刻工艺在Al、 A1N、 Au和氧化硅上进行构 图。如图5B所示，然后利用XeF2气体作为蚀刻气体通过选择性蚀刻除去牺牲层21，形成混合驱动机构3。通过这种方式，制成该实施例的MEMS 器件。(第一变型）图6为根据该实施例的第一变型的MEMS器件的截面图。该变型的混 合致动器是和第一实施例的MEMS开关相同的MEMS开关，只是使止动器 9和RF线12的位置互换。更具体而言，RF线12位于固定器2和固定电 极10之间。止动器9位于固定电极10的与固定器2相反的一侧。将固定 器2、 RF线12、固定电极10和止动器9按照该顺序设置。在该变型中， 将接触电极13定位成与RF线12相对。像第一实施例那样，该变型可以提供工作电压低、接触压力大且分离 力大的MEMS器件。于是，能够实现接触电阻低且可靠性高的静电驱动 DC接触型MEMS开关。(第二变型）图7为根据该实施例的第二变型的MEMS器件的截面图。该变型的混 合致动器是和第一实施例的MEMS开关相同的MEMS开关，只是使固定电 极10和RF线12的位置互换。更具体而言，RF线12位于止动器9和固定 电极10之间。将固定器2、止动器9、 RF线12和固定电极IO按照该顺序 设置。在该变型中，将接触电极13定位成与RF线12相对。像第一实施例那样，该变型能够提供工作电压低、接触压力大且分离 力大的MEMS器件。于是，能够实现接触电阻低且可靠性高的静电驱动 DC接触型MEMS开关。(第三变型）图8为根据该实施例的第三变型的MEMS器件的截面图。该变型的混 合致动器是和第一变型的MEMS开关相同的MEMS开关，只是使固定电极 10和RF线12的位置互换。更具体而言，RF线12位于止动器9和固定电 极10之间。将固定器2、固定电极IO、 RF线12和止动器9按照该顺序设 置。在该变型中，将接触电极13设置成与RF线12相对。像第一变型那样，该变型能够提供工作电压低、接触压力大且分离力大的MEMS器件。于是，能够实现接触电阻低且可靠性高的静电驱动DC 接触型MEMS开关。作为图17中所示的该实施例的第四变型，可以提供多个止动器9。作 为图18中所示的该实施例的第五变型，可以在活动梁3上设置止动器9， 使之面对衬底。在第五变型中，当活动梁3向下弯曲时，止动器9首先与 衬底1接触。(第二实施例）图9为根据本发明第二实施例的MEMS器件的截面图。第一实施例的 MEMS器件为MEMS开关，活动梁3为悬臂梁。另一方面，在该实施例的 MEMS器件中，活动梁3的两端都得到支撑。因此，在衬底l上设置彼此 隔开的一对固定器2a和2b，并在衬底1上的固定器2a和固定器2b之间设 置一组RF线12。在衬底1上的固定器2a和RF线12之间设置止动器9a。 在衬底1上的止动器9a和RF线12之间设置固定电极10a，固定电极10a 具有用电介质膜lla覆盖的表面。此外，在衬底1上的固定器2b和RF线 12之间设置止动器9b，并在衬底1上的止动器9b和RF线12之间设置固 定电极10b，固定电极10b具有用电介质膜llb覆盖的表面。像第一实施例的活动梁3那样，该实施例的活动梁3具有由下部电极 4、压电膜5、上部电极6和支撑膜7形成的堆叠结构。活动梁3的两端由 固定器2a和2b支撑。还在活动梁3的中心设置接触电极13，作为作用点， 使之面对RF线12。如在第一实施例中那样，在该实施例中，从固定器2a到止动器9a的距 离大于从止动器9a到固定电极10a的距离、从固定电极10a到RF线12的 距离、以及从止动器9a到RF线12的距离。同样地，在该实施例中，从固 定器2b到止动器9b的距离大于从止动器9b到固定电极10b的距离、从固 定电极10b到RF线12的距离以及从止动器9b到RF线12的距离。像第一实施例那样，具有以上结构的该实施例能够提供工作电压低、 接触压力大且分离力大的MEMS器件。于是，能够实现接触电阻低且可靠 性高的静电驱动DC接触型MEMS开关。如在第一实施例的每个变型中那样，在实施例中止动器、固定电极和14RF线的位置可以互换。在该实施例中，可以像第一实施例的第四变型那样设置多个止动器9。 可以像第一实施例的第五变型那样在活动梁3上设置止动器9，使之面对衬 底。在这种情况下，当活动梁3向下弯曲时，止动器9首先与衬底1接触。(第三实施例）图10为根据本发明第三实施例的MEMS器件的截面图。该实施例的 MEMS器件是与第一实施例的MEMS开关相同的MEMS开关，只是用具 有双压电晶片结构的活动梁3A代替第一实施例中具有单晶物(monomorph) 结构的活动梁3。该活动梁3A具有由下部电极4、第一压电膜5a、中间电 极8、第二压电膜5b和上部电极6形成的堆叠结构。当向下部电极4、中 间电极8和上部电极6施加压电驱动电压时，压电膜5a和5b膨胀和收縮， 活动梁3A向上和向下弯曲。活动梁3A还充当静电致动器。当在固定电极 10和活动梁3A的下部电极4之间施加静电驱动电压时，活动梁3A被吸引 向衬底1。像第一实施例那样，具有以上结构的该实施例能够提供工作电压低、 接触压力大且分离力大的MEMS器件。于是，能够实现接触电阻低且可靠 性高的静电驱动DC接触型MEMS开关。还可以将该实施例的具有双压电晶片结构的活动梁用于第二实施例的 MEMS器件和后面描述的第四实施例的MEMS器件中。如在第一实施例的每个变型中那样，在该实施例中可以互换止动器、 固定电极和RF线的位置。在该实施例中，可以像第一实施例的第四变型那样设置多个止动器9。 可以像第一实施例的第五变型那样在活动梁3上设置止动器9，使之面对衬 底。在这种情况下，当活动梁3向下弯曲时止动器9首先与衬底1接触。(第四实施例）图11为根据本发明第四实施例的MEMS器件的截面图。该实施例的 MEMS器件是可变电容器，与第一实施例的MEMS器件相同，只是省去了 RF线12和接触电极13。因此，如在第一实施例中那样，在该实施例中，从固定器2到止动器9的距离大于从止动器9到固定电极10的距离。如在第一实施例中那样，在该实施例的可变电容器中，在固定器2和 固定电极10之间设置止动器9，从而可以执行致动器的两阶段操作，在活 动梁3与止动器9接触之前致动器具有小的弹簧常数，而在接触之后致动 器具有大的弹簧常数。因此，能够实现工作电压低、接触压力大且分离力 大的MEMS器件。于是，能够实现接触容量大且可靠性高的可变电容器。 在该实施例中，可以将止动器9和固定电极IO的位置彼此互换。虽然在该实施例中活动梁是悬臂梁型的，活动梁可以两端都得到支撑。 在这种情况下，在固定器2a和2b之间的中点处设置表面覆盖有电介质膜 11的固定电极10，并在固定电极10的两侧设置止动器9a和9b，如图12 所示。在该实施例中，可以像第一实施例的第四变型那样设置多个止动器9。 可以像第一实施例的第五变型那样在活动梁3上设置止动器9，使之面对衬 底。在这种情况下，当活动梁3向下弯曲时止动器9首先与衬底1接触。(第五实施例）图13为根据本发明第五实施例的便携式通信终端的方框图。该实施例 的便携式通信终端包括可变天线（variable antenna) 100、天线开关105、滤 波器列110、可变低噪声放大器120、滤波器列130、正交解调器140、基 带电路150、正交调制器160、激励放大器170、滤波器列180和可变功率 放大器190。可变低噪声放大器120、滤波器列130和正交解调器140形成 接收电路。正交调制器160、激励放大器170、滤波器列180和可变功率放 大器190形成发射电路。可变低噪声放大器120具有两个可变匹配箱和低 噪声放大器，而可变功率放大器具有两个可变匹配箱和功率放大器。将第一到第三实施例之一的混合致动器用作天线开关105和滤波器列 110和130的每个中的RF开关。将第四实施例的可变电容器用于可变天线 100、可变低噪声放大器120和可变功率放大器190。如上所述，在该实施例中采用了高可靠性的RF开关和可变电容器。因 此，能够获得高可靠性的便携式通信终端。如前所述，本发明的每个实施例都可以提供工作电压低、接触压力大且分离力大的MEMS器件。因此，可以提供工作电压低且接触电阻低的 DC接触型高可靠性的MEMS开关和工作电压低且容量变化率大的高可靠 性的可变电容器。接触电极13可以是具有接触线或接触面的电极。RF线12并非必须是 直线型的，而是可以是焊盘型（padtype)的等。在以上实施例中，每组RF 线由两条RF线形成。不过，每组RF线可以由单条RF线或超过两条RF 线形成。而且，RF线12并非必须是RF线，而可以是DC线。本领域的技术人员将很容易想到其他优点和变型。因此，本发明在其 更宽方面不限于这里所示出和所描述的具体细节和代表性实施例。因此， 可以不脱离如所附权利要求及其等同物所限定的总的发明思想的精神和范 围做出各种变型。