机电滤波器.pdf

一种机电滤波器，其能够实现尺寸减小与更高的集成以执行高灵敏度信号感测。机电滤波器使用量子器件作为感测单元以实施微小的高灵敏度的感测。该机电滤波器包括与输入信号谐振的微振子(101)以及布置成与该微振子距离预定间距的感测电极(103)，从而通过感测该微振子与该感测电极之间的静电电容的变化，可以实现在现有技术中难以实现的高灵敏度感测机制。

1.  一种机电滤波器，包括：
微振子，其与输入信号谐振；以及
感测电极，其布置成与该微振子距离预定间距，
其中提供了量子器件，该量子器件感测该微振子与该感测电极之间的静电电容的变化，从而输出该变化作为该微振子的电信号。

2.  根据权利要求1的机电滤波器，其中该感测电极包括形成于衬底上的绝缘层上的电荷激励电极、形成于与该微振子相对的该电荷激励电极的面上的突出结构、以及通过该绝缘层形成于该电荷激励电极上并连接到该突出结构的电势感测电极。

3.  根据权利要求1的机电滤波器，其中该微振子具有布置成与该微振子距离预定间距的驱动电极，且该微振子由产生于该微振子与该驱动电极之间的静电力激励。

4.  根据权利要求3的机电滤波器，其中输入信号被输入到该驱动电极。

5.  根据权利要求1的机电滤波器，其中该微振子布置于磁场内并由该磁场产生的洛仑兹力激励。

6.  根据权利要求5的机电滤波器，其中输入信号被输入到该微振子的一端。

7.  根据权利要求1至6的任一的机电滤波器，其中该量子器件为金属氧化物场效应晶体管。

8.  根据权利要求7的机电滤波器，其中该感测电极用做该量子器件的栅电极。

9.  根据权利要求1至6任一的机电滤波器，其中该量子器件为单电子晶体管。

10.  根据权利要求9的机电滤波器，其中该感测电极用做该量子器件的导电岛。

11.  根据权利要求1至10的任一的机电滤波器，其中该微振子和该量子器件形成于同一个衬底上。

12.  根据权利要求1至11的任一的机电滤波器，其中该微振子以及该量子器件的感测电极由相同材料形成。

13.  根据权利要求1至12的任一的机电滤波器，其中该量子器件的感测电极由半导体材料形成。

14.  根据权利要求1的机电滤波器，还包括设于信号输出端口侧的信号放大单元。

15.  根据权利要求1的机电滤波器，还包括电压调整单元，其调整施加于该微振子的电压以获得预期的信号放大因子。

16.  根据权利要求1的机电滤波器，还包括电压调整单元，其调整该量子器件的栅电压以获得预期的信号放大因子。

17.  根据权利要求1的机电滤波器，还包括：
电路，其通过升频转换被降频转换至信号输出端口侧的信号而恢复该信号；以及
调整单元，其调整该量子器件的源-漏电压以优化混合信号，
其中该量子器件可用做混频器。

18.  根据权利要求1的机电滤波器，其中多个该微振子被机械耦合。

机电滤波器
技术领域
本发明涉及包括微振子作为谐振器的机电滤波器、用于激励该微振子的机制、以及用于感测信号的量子器件。
背景技术
随着诸如射频终端等的信息通信设备的普及，通信中使用的频率在从用于蜂窝电话等的几百MHz到用于无线LAN等的几GHz的宽频带上日益扩展。在现有情形中，对应于各种通信系统的终端被分别独立地使用。将来，期望实施能够单独地适应各种通信系统的射频终端。
此外，紧随着射频终端的尺寸缩小，需要诸如滤波器等内置于射频终端内的无源部分的微型化。现在存在难于微型化滤波器的问题，特别地，利用由经常在射频通信中使用的LC谐振电路等引起的电学谐振的滤波器的微型化是困难的，因为其谐振器尺寸取决于电学长度。现在该滤波器寻求新的信号选择原理。
在这种情形中，通过MEMS(微机电系统)技术制作的RF-MEMS滤波器的发展进展迅速。该RF-MEMS滤波器是一种使用微振子的机械振动的机电滤波器。在该滤波器中，高频信号的电学振荡可以被转化成微振子的机械振动，随后该机械振动再次被转化成电学振荡而输出输出信号。因此，作为这种滤波器的优点，可以认为其谐振器尺寸并不取决于电学长度，且因此可以获得滤波器尺寸减小。此外，这种滤波器可以内置于RF-IC中，因为这种滤波器可以通过对RF-IC具有良好亲和力的工艺制造。因此，该RF-MEMS滤波器被期望成为有助于大幅减小射频部分的尺寸的技术。
由于该机电滤波器使用GHz频带的微振子，所以已经提出使用硅衬底的滤波器(例如非专利文献1)。在该非专利文献1中，圆盘型微振子被构造于硅衬底上，随后中心频率为1.14GHz的带通滤波器通过利用该微振子的机械谐振而获得。信号过滤机制为，通过从信号输入端口输入到驱动电极的高频信号，在驱动电极和微振子之间产生静电力，且在该高频信号的频率下激励该微振子。当输入具有该微振子的机械自谐振频率的信号时，该微振子被大幅激励，且由微振子与感测电极之间距离的变化导致静电电容的变化。然后，微振子的机械振动被感测电极拾取作为电学振荡，因为电压V_P被施加于该微振子，且信号从感测电极被输出到信号输出端口。也就是说，只有由微振子自谐振频率设定的频率的信号被选择性输出。
目前，适应性频率的增大以及Q值(品质因子)的增大正在小尺寸GHz频带的机电滤波器中被尝试。为了获得更高的适应性频率，微振子的自谐振频率必须进一步提高。为此目的，考虑了减小微振子的尺寸的方法、使用微振子的更高模式的方法等。对于微振子的尺寸被减小的情形，当微型化从微米量级进行到纳米量级时，振动幅度减小到埃量级并接近量子振动或热振动的噪声水平。因此，需要实施一种超高灵敏度的感测方法，其使得可以测量量子极限的振动位移的。
专利文献1：JP-T-10-512046
非专利文献1：J.Wang等，IEEE RFIC Symp.，8-10 June，pp.335-338，2003。
发明内容
本发明所要解决的问题
然而，当尝试增大微振子的自谐振频率时，微振子的振动幅度目前减小。由于这个原因，存在的问题为，难以感测由该振动幅度产生的作为电信号输出的静电电容极小的变化。为了以更高灵敏度感测微振子的极小振动，必须减小微振子和感测电极之间的距离，或者必须增大施加于微振子的电压V_P。例如，在非专利文献1中所述的机电滤波器中，当使用半径为20μm厚度为2μm的圆盘型微振子时，微振子与感测电极之间的距离为100nm，且该微振子通过具有大纵横比的蚀刻形成，其中深度设置为3μm。当从现在开始尝试获得微振子与感测电极之间更小的距离时，这种情况是可以预见的，即微振子达到制造方法的极限。此外还存在的问题为，施加于微振子的电压V_P为从12.9V至30.54V，该电压在射频终端的应用中太高。另外还存在噪声系数通过使用高电压V_P而被提高。
为了获得更高的机电滤波器适应性频率，需要这样的方法，即，在可生产的微振子和感测电极之间的距离内，感测微振子在施加于该微振子的且适用于射频终端的电压V_P下的极小振动。为了该目的，需要一种感测微振子和感测电极之间受激励的微小电荷变化并将其输出成电信号的方法。在专利文献1中，披露了通过使用MOSFET感测振动的方法。该专利文献中配置的问题在于与微振子相对的振动感测表面的结构。在该平坦结构中，在振动感测表面上散射了非常少量的激励电荷，且因此不输出足以控制MOSFET的电势。
本发明是鉴于上述情形而完成，本发明的目标是提供精细和高灵敏度的机电滤波器。
解决问题的手段
因此，本发明的机电滤波器旨在通过使用量子器件作为感测部分而实施精细和高灵敏度感测，并包括：与输入信号谐振的微振子；以及布置成与微振子存在预定间隔的感测电极；其中提供了一量子器件，该量子器件感测微振子与感测电极之间的静电电容的变化以输出该微振子的变化作为电信号。
根据这个配置，由于该量子器件被用做感测部分，所以可以感测微量的电荷且可以实施高灵敏度的感测。这里的“量子器件”是指构造成感测微量电荷的器件，并表示包括诸如MOSFET、SET等的半导体器件。在将电荷注入SET的导电岛的本发明方法中，可以降低在常规机电滤波器中需要高电压的电压V_P，因为SET可以通过微量电荷得到控制。此外，由于V_P的减小，噪声系数NF可以降低。
此外，在本发明的机电滤波器中，感测电极包括形成于衬底上的绝缘层上的电荷激励电极、形成于与该电荷激励电极的微振子相对的面上的突出结构、以及经由该绝缘层形成于电荷激励电极上并连接到该突出结构的电势感测电极。
根据该配置，电荷可以被收集到突出结构中，可以输出在与微振子相对的微小区域内产生的放大电势，且该电势可以经由电势感测电极被供给到MOSFET的栅极。此外，非常少量的电荷可以被有效地供给到SET的导电岛。
此外，在本发明的机电滤波器中，微振子具有布置成与微振子存在预定间隔的驱动电极，且该微振子通过该微振子与驱动电极之间产生的静电力被激励。
根据该配置，微振子通过使用内侧横梁(inboard beam)作为信号线的方法等可以容易地被移位。
此外，在本发明的机电滤波器中，输入信号被输入到驱动电极。
根据该配置，通过调整施加于驱动电极的电势可以容易地调整谐振频率，并因此可以构造出可调谐的机电滤波器。
此外，在本发明的机电滤波器中，该微振子布置在磁场中，并被该磁场产生的洛仑兹力激励。
根据该配置，穿过微振子的磁场可以被洛仑兹力改变，因此振动的方向可以容易地被改变。因此，可以提高感测电极布局的设计灵活性。
此外，在本发明的机电滤波器中，输入信号被输入到微振子的一端。
根据该配置，现有技术中独立地提供的驱动电极可以被忽略。因此，该结构可以被大幅度地简化并减小尺寸。
此外，在本发明的机电滤波器中，该量子器件为MOSFET。
根据该配置，微小电荷可以容易地被感测。
此外，在本发明的机电滤波器中，感测电极用做该量子器件的栅电极。
根据该配置，可以实现该器件的微型化，而且可以减小电荷的移动距离以使操作加速。
此外，在本发明的机电滤波器中，该量子器件为SET。
根据该配置，可以容易地感测微小电荷。
此外，在本发明的机电滤波器中，感测电极用做该量子器件的导电岛。
根据该配置，可以实现该器件的微型化，而且可以减小电荷的移动距离以使操作加速。
此外，在本发明的机电滤波器中，微振子和量子器件形成于相同衬底上。
根据该配置，可以更大幅度地获得尺寸的缩小。
此外，在本发明的机电滤波器中，该微振子和量子器件的感测电极由相同材料形成。
根据该配置，可以获得容易制造且可靠性高的滤波器。
此外，在本发明的机电滤波器中，量子器件的感测电极由半导体材料形成。
根据该配置，该量子器件可由和该半导体、导电岛等相同的步骤形成。因此，通过使用诸如掺杂硅等的半导体材料，可以实现工艺的简化以及可靠性的改善。
此外，本发明的机电滤波器包括设于信号输出端口侧的信号放大单元。
此外，本发明的机电滤波器还包括电压调整单元，用于调整施加于微振子的电压以获得期望的信号放大因子。
此外，本发明的机电滤波器还包括电压调整单元，用于调整量子器件的栅电压以获得期望的信号放大因子。
此外，本发明的机电滤波器还包括用于恢复信号的电路，将被降频转换的信号升频转换至信号输出端口侧，以及用于调整量子器件的源-漏电压以优化混合信号的调整单元，其中该量子器件可用做混频器。
此外，在本发明的机电滤波器中，多个微振子被机械耦合。
根据该配置，可控制微振子谐振频率的带宽(频带宽度)以及振动的Q因子，使得是可控制该机电滤波器的通频带、截止频带、以及Q因子。
按照这个方式，本发明的机电滤波器具有微振子，并具有感测该微振子的振动并作为电信号输出该振动的量子器件。因此，可以获得在现有技术中难以实现的高灵敏度感测机构。
根据该配置，可以实现具有信号过滤功能的高灵敏度机电滤波器。
本发明的优点
如前所述，根据本发明，使用量子器件可以感测该微振子的极小振动。因此可以实施仅选择预定频率的信号以输出该信号的带通滤波器以及仅选择预定频率的信号以阻止该信号的带阻滤波器。
附图说明
图1为示出了本发明实施方案1的机电滤波器的视图，其中(a)为示出了该机电滤波器的配置的透视图，(b)为示出了该机电滤波器的配置的电路图。
图2为示出了本发明实施方案1的变形的机电滤波器的视图，其中(a)为示出了该机电滤波器的配置的透视图，(b)为示出了该机电滤波器的配置的电路图。
图3为本发明实施方案1的变形的机电滤波器的能带图，其中(a)为MOS结的能带图(采用了(P型)半导体)，(b)为MOS结的能带图(采用了(N型)半导体)。
图4为示出了本发明实施方案1至4中的机电滤波器的滤波特性，其中(a)为示出了带通滤波器特性的视图，(b)为示出了带阻滤波器特性的视图。
图5为逐步解释本发明实施方案1中机电滤波器的制造步骤的剖面视图。
图6为逐步解释本发明实施方案1中机电滤波器的制造步骤的剖面视图。
图7为示出了本发明实施方案2的机电滤波器的视图，其中(a)为示出了该机电滤波器的配置的透视图，(b)为示出了该机电滤波器的配置的电路图。
图8为示出了本发明实施方案2的变形的机电滤波器的视图，其中(a)为示出了该机电滤波器的配置的透视图，(b)为示出了该机电滤波器的配置的电路图。
图9为实施方案2和4中的机电滤波器的SET能带图。
图10为示出了本发明实施方案3的机电滤波器的视图，其中(a)为示出了该机电滤波器的配置的透视图，(b)为示出了该机电滤波器的配置的电路图。
图11为示出了本发明实施方案4的机电滤波器的视图，其中(a)为示出了该机电滤波器的配置的透视图，(b)为示出了该机电滤波器的配置的电路图。
图12为示出了本发明实施方案5的感测电极的视图，其中(a)为示出了该感测电极的配置的顶视图，(b)为示出了该感测电极的配置的剖面视图。
参考数字和符号的指定
100、200、300、400、500、600：机电滤波器
101：微振子
102：驱动电极
103、、103b：感测电极
1031：电荷激励电极
1032：电势感测电极
1033：突出结构
104：源电极
105：漏电极
106：半导体
107：(栅)绝缘膜
108、111、1034：绝缘层
109：支柱
110：间隙壁
112：衬底
113：光致抗蚀剂
114：导电岛
115：栅电极
116：电荷
具体实施方式
在下文中将参考图示详细地解释本发明的各个实施方案。
实施方案1
本发明实施方案1的机电滤波器如图1所示。
图1(a)为示意性示出了本发明实施方案1的机电滤波器的配置的透视图，图1(b)为该机电滤波器的等效电路图。
在机电滤波器100中，支柱109、桥接于支柱109之间的微振子101、间隙壁110、以及设于间隙壁110上的驱动电极102被布置在衬底112上，在衬底112的表面上形成有绝缘层111。用于输入信号的信号输入端口IN连接到驱动电极102。当输入高频信号时，电势差产生于驱动电极102和微振子101之间，且随后静电力以与该高频信号相同的频率施加于该微振子101。微振子101的电势受施加于微振子101的电压V_P控制。
用于感测可移动电极101的移位并将其作为静电电容的变化的感测电极103设于该可移动电极101的附近。感测电极103构成MOSFET(金属氧化物场效应晶体管)的栅电极，该MOSFET由均设于绝缘层108上的源电极104、漏电极105、半导体106、以及栅绝缘膜107组成。接着，用于将信号输出到外部的信号输出端口OUT连接到漏电极105。用做栅电极的感测电极103通过栅绝缘膜107形成于半导体106(由非晶硅层形成)的一个侧面上。
接着，将在下文解释感测微振子的振动的方法以及该机电滤波器100内的信号过滤机制。
图1(b)为示出了本发明实施方案1的机电滤波器的配置的电路图。从信号输入端口IN输入的信号传输到驱动电极102，并以该高频信号的频率激励微振子101。只有当输入频率为微振子101的自谐振频率的信号时，微振子101才被大振幅地激励，且该微振子101与感测电极103之间的距离被改变以导致静电电容C_R的变化。微振子101的振动方向用V表示。此时，微振子101和感测电极103之间产生的电荷变化量由ΔQ＝V_PΔC_R给出，其中ΔC_R为静电电容C_R的变化量。
微小的微振子101的振动幅度越小，电荷量变化ΔQ越小。因此，直接感测电荷变化量ΔQ的传统机电滤波器中的振动感测方法难以拾取该信号。因此，在本发明的机电滤波器100中，引入了一种新的系统，用于将由感测电极103感测的非常小的电荷变化量ΔQ输入到MOSFET的栅电势，并感测该电荷变化ΔQ作为漏电流变化从而输出该信号。
感测电极103作为该MOSFET的栅电极。由感测电极103感测的非常小的电荷变化量ΔQ激励位于介于栅绝缘膜107和感测电极103之间的边界上的电荷。MOS结的能带图如图3所示。当P型半导体用做构成设于源电极104和漏电极105之间的沟道的半导体106时(图3(a))，耗尽层形成于栅绝缘膜107和半导体106之间的边界上。这种情况下，通过在介于感测电极103和栅绝缘膜107之间的边界上激励形成的电荷，具有相反极性的载流子(空穴)被诱导形成于半导体106侧上，因此该耗尽层减小。此外，当N型半导体用做半导体106时(图3(b))，由于在介于感测电极103和栅绝缘膜107之间的边界上激励形成的电荷，感测电极103的电势从半导体106相对地降低，因此半导体106的能带结构变形被拉向与栅绝缘膜107的边界上的低能侧。根据这个现象，导带E_C与半导体106的费米能级E_F部分重叠，且介于栅绝缘膜107和半导体106之间的边界上的耗尽层减小。当半导体106的耗尽层的减小按照这种方式发生时，通过施加于源电极104和漏电极105之间的源-漏电压V_SD，源-漏电流流动，且随后该信号被输出到漏电极105。在由用做栅电极的感测电极103感测到的电荷变化量ΔQ发生变化的频率下产生该信号的转换(switching)，且该频率等于微振子101的自谐振频率。换而言之，只有当频率等于微振子101自谐振频率的信号从信号输入端口IN输入时，相同频率的信号才被输出到信号输出端口OUT。
图4(a)为示出了本发明实施方案1的机电滤波器的信号过滤特性的图示。该机电滤波器可具有中心频率为fc的带通滤波器特性。
按照这个方式，根据机电滤波器100，可以容易地实现尺寸减小，而且只有预定频率的信号可以被选择性输出。
接着，将在下文中解释本发明实施方案1的变形。图2(a)为示意性示出图1所示机电滤波器的变形的透视图。该变形与实施方案1的差异在于，在图2(a)所示的机电滤波器200中圆盘被用做微振子101，与机电滤波器100中使用的内侧横梁相反。图2(b)为示出了图1内的机电滤波器的电路图。可由与机电滤波器100相似的配置执行该信号过滤。
在图2(a)的机电滤波器200中，使用相同名称和相同符号表示与图1(a)所示机电滤波器100相似的部分，并在此省略了对其的描述。
按照这个方式，除了上述之外还可以使用悬臂、方板等作为微振子101。
如图4(b)所示，本发明实施方案1的机电滤波器可形成为具有中心频率为fc的带阻滤波器特性。通过将分别具有图4(a)所示中心频率为fc的带通滤波器特性的机电滤波器串联，可以提供显示出中心频率为fc的带阻滤波器特性的滤波器。
此外，用于放大输出信号功率的功率放大器等可设于信号输出端口OUT侧。
此外，可以调整施加于微振子101的电压V_P，以获得最大的信号放大因子。
此外，通过机械地耦合多件微振子，可控制信号通频带。
此外，可以构造多级滤波器配置，其中本发明的机电滤波器被并联或者串联。
接着，将在下文中解释制造机电滤波器100的方法。
这种情况下，图1和图2为分别示意性示出了机电滤波器的透视图，其中栅绝缘膜107和感测电极103仅形成于半导体106的侧壁侧上。在后续工艺中，栅绝缘膜107和感测电极103形成以与半导体106略微交叠，使得通过预留裕量以防止短路或短路。
图5(a)至5(d)以及图6(e)至6(i)为逐步解释本发明实施方案1中机电滤波器的制造步骤的剖面视图。
首先，如图5(a)所示，采用热氧化沉积膜厚20nm的氧化硅膜，表面绝缘层111形成于衬底112上。接着，通过CVD(化学气相沉积)方法，形成用做绝缘层108、支柱109、以及间隙壁110的膜厚200nm的氧化硅膜。接着，通过CVD方法在其上沉积用做微振子101和半导体106的膜厚80nm的非晶硅膜。这里，掺杂被运用，从而调整半导体的导电性以及载流子浓度。例如，在硅膜形成之后，作为P型杂质的硼或作为N型杂质的磷通过离子注入方法等被掺入，这样可以形成掺杂的非晶硅膜。此外，该掺杂具有降低微振子阻抗的效果。这种情况下，在膜形成过程中掺杂杂质的同时可形成该掺杂的非晶硅膜。此外，首先可以形成非晶硅膜，随后通过退火该非晶硅以获得多晶而形成多晶硅。这里，衬底112不限于硅衬底，可以采用由砷化镓(GaAs)等形成的化合物半导体衬底。此外，由热氧化形成的氧化硅膜制成的绝缘层111可以通过CVD方法或溅射制成，而且诸如氮化硅膜等的其他绝缘膜也可以被采用。
接着形成微振子101以及半导体106。
如图5(b)所示，光致抗蚀剂图案R1形成于随后用做微振子101和半导体106的掺杂硅层上。接着，该光致抗蚀剂图案R1通过电子束光刻(electron beam lithography)、光学光刻(photolithography)等被图案化。接着，从光致抗蚀剂图案被暴露的非晶硅层通过干法蚀刻被图案化。这样就形成作为MOSFET的沟道的微振子101和半导体106。
然后形成绝缘膜107。
如图5(c)所示，光致抗蚀剂R1通过灰化被除去，随后通过溅射或CVD方法沉积用做MOSFET的栅绝缘膜107的氧化硅。随后，光致抗蚀剂再次涂覆在绝缘膜107上，随后采用电子束光刻、光学光刻等通过图案化该光致抗蚀剂而形成光致抗蚀剂图案R2。如图5(d)所示，绝缘膜107通过干法蚀刻图案化。除了氧化硅膜之外，氮化硅膜、由氧化硅膜和氮化硅膜组成的叠层膜的NO膜或ONO膜、由钛酸钡(BaTiO₃)、钛酸锶(SrTiO₃)等形成的铁电膜也可以被采用作为绝缘膜107。
此外，通过使用铁电膜作为该栅绝缘膜，可以提供存储器功能。
接着，光致抗蚀剂R2通过灰化被除去，随后形成驱动电极102、感测电极103、源电极104以及漏电极105。这种情况下，如果在光致抗蚀剂R2除去之后采用各向异性蚀刻，绝缘膜107仅残留在半导体106的侧壁上，则栅极宽度可设置在半导体106的整个膜厚上。
如图6(e)所示，通过溅射方法沉积诸如铝等的金属材料，随后在该金属材料上涂覆光致抗蚀剂R3，且随后通过电子束光刻等图案化光致抗蚀剂R3。
随后，如图6(f)所示，通过干法蚀刻该金属材料，形成驱动电极102、感测电极103、源电极104和漏电极105。随后，光致抗蚀剂R3通过灰化被除去。
这里，驱动电极102、感测电极103、源电极104和漏电极105可以通过剥离方法形成。此外，该金属材料不限于铝，也可以采用诸如金、铜等其他材料。
随后形成微振子101。
为了不使除被蚀刻部分以外的部分被用于形成微振子101中空结构的蚀刻所损伤，提供了一保护层。例如，如图6(g)所示，涂覆光致抗蚀剂，随后通过电子束光刻、光学光刻等图案化，并因此形成光致抗蚀剂图案R4。
接着，如图6(h)所示，在对构成微振子101的硅具有选择性的条件下除去该绝缘材料，使得微振子101释放于空气中。HF等被用做蚀刻剂。
最后，光致抗蚀剂R4通过灰化被除去。因此，如图6(i)所示，形成了具有中空结构的可移动电极101部分。
这种情况下，当可以确保该高频信号不受由于衬底112的损耗影响时，可以省略绝缘层111的形成。
此外，除了非晶硅之外，诸如单晶硅、多晶硅、砷化镓等的半导体、诸如铝、金、铜等的金属、超导体等可用做微振子101的材料。此外，微振子101通过与构成MOSFET沟道的半导体106相同的步骤形成，但这些步骤可以被改变。例如，微振子101可由与源-漏电极等相同的步骤形成。这种情况下，通过分别在后续步骤掺入杂质，可以获得期望的杂质浓度。
在上述实施方案1中，作为栅电极的感测电极103被形成为覆盖半导体106的侧表面和上表面。这种情况下，如图1的示意性视图所示，作为栅电极的感测电极103可通过栅绝缘膜107而仅布置在半导体106的一个侧表面上。
制造过程中，氧化工艺被应用于半导体106的周围，该半导体106整合地形成处于与源-漏电极接触的状态，而且随后感测电极103可容易地形成为通过栅绝缘膜107覆盖侧表面和上表面。
此外，在上述实施方案1中，在图案化栅绝缘膜107之后，如图6(d)所示，栅绝缘膜107通过各向异性蚀刻以留下侧壁。这种情况下，半导体106(优选地该半导体应该与用做源电极104和漏电极105的区域整合地形成)且微振子101在图5(b)的步骤中被图案化，随后该绝缘膜通过表面氧化的沉积而形成为栅绝缘膜107。随后，感测电极103形成为栅电极并被图案化；接着使用感测电极103为掩模，栅绝缘膜107被图案化；接着，通过离子扩散或离子注入形成源电极104和漏电极105。因此，可以省略用于图案化栅绝缘膜的光刻。
采用这种布置，对准步骤的数目减少了一步，而且该工艺也可以简化。
实施方案2
图7(a)为示出了本发明实施方案2的机电滤波器配置的透视图。
在图7(a)所示的机电滤波器300中，与实施方案1类似地形成微振子101，且微振子101具有SET(单电子晶体管)被用做感测元件以替代MOSFET的特点。其余部分的形成方法与实施方案1相似。更具体而言，桥接于支柱109之间的微振子101以及设于间隙壁110上的驱动电极102被提供于衬底112上，在该衬底112的表面上形成有绝缘层111。信号输入端口IN连接到驱动电极102。当输入高频信号时，电势差产生于驱动电极102和微振子101之间，静电力以与该高频信号相同的频率作用于该微振子。微振子101的电势受施加于微振子101的电压V_P控制。
感测电极103设于微振子101附近作为可移动电极。感测电极103连接到该SET(单电子晶体管)的导电岛114，该SET包括源电极104、漏电极105、绝缘膜107、导电岛114以及栅电极115。用于将信号输出到外部的信号输出端口OUT连接到漏电极105。
接着，在下文中将解释感测微振子的振动的方法以及机电滤波器300内的信号过滤机制。
图7(b)为示出本发明实施方案2的机电滤波器的配置的电路图。从信号输入端口IN输入的信号传输到驱动电极102，并以该高频信号的频率激励该微振子101。只有当输入频率为微振子101自谐振频率的信号时，微振子101才被大振幅地激励，且改变了微振子101和感测电极103之间的距离而导致静电电容C_R的变化。微振子101的振动方向用V表示。此时，微振子101和感测电极103之间产生的电荷变化量由ΔQ＝V_PΔC_R给出，其中ΔC_R为静电电容C_R的变化量。
微振子101的振动幅度越小，电荷变化量ΔQ越小。因此，直接感测电荷变化量ΔQ的传统机电滤波器中的振动感测方法难以拾取该信号。因此，在本发明的机电滤波器300中，引入了一种新的系统，用于使用SET感测由感测电极103感测的非常小的电荷变化量ΔQ从而输出该信号。
导电岛114被栅极静电电容C_G与高阻隧道结电学隔离，其中该静电电容作为低静电电容，通过间隙形成于栅电极和导电岛114之间，该高阻隧道结通过绝缘膜107形成于源电极104和漏电极105之间。源电极104和漏电极105之间的电流流动可通过导电岛114内被激励的以单电子电荷e为单位的电荷而得到控制。该SET的能带图如图9所示。该SET为高灵敏度的静电计。
由通过电容性耦合而连接到微振子101的感测电极103感测微振子101的振动，微振子101的振动在SET的导电岛114内激励出ΔQ的电荷变化量。电荷变化量ΔQ是极小的。当与SET导电岛114内单电子的电荷e相对比，可数的少量电荷被激励产生时，改变了导电岛114的电子状态。因此，在导电岛114的量子化的离散电子能带结构中，电子受导带阻挡或不受导带阻挡。这种现象受Pauli不相容原理支配。该原理指明只有两个电子可以占据与费米子相同的能级。在该SET中，通过施加于源电极104和漏电极105之间的源-漏电压V_SD将该信号输出到漏电极105。这种情况下，在源电极104和漏电极105之间流动的源-漏电流根据由微振子101振动所致的SET导电岛114电子状态的改变而变化。在由连接到导电岛114的感测电极103感测到的电荷变化量ΔQ发生变化的频率下产生该信号的转换，且该频率等于微振子101的自谐振频率。换而言之，只有当频率等于微振子101自谐振频率的信号从信号输入端口IN输入时，相同频率的信号才被输出到信号输出端口OUT。
与实施方案1类似，本发明实施方案2中的机电滤波器300可获得图4(a)所示的信号过滤特性，并具有中心频率为fc的带通滤波器特性。
按照这个方式，根据机电滤波器300，只有可以选择和输出预定频率的信号。此外，在将电荷注入到本发明的SET的导电岛内的方法中，可以降低在传统机电滤波器中需要高电压的电压V_P，因为该SET可由少量的电压控制。此外，由于V_P的减小，可以降低噪声系数NF。
此外，在本发明实施方案2中，如实施方案1的变形的图2(a)和(b)所示，微振子101可由圆盘形成，类似于图8(a)和(b)的变形。
图8(a)为示出了图1内机电滤波器的变形的透视图。在机电滤波器300内，内侧横梁被用做微振子101，而在图8(a)所示的机电滤波器400中使用了圆盘。图8(b)为示出了图1的机电滤波器的变形的电路图。可由与机电滤波器100相似的配置执行该信号过滤。
在图8(a)的机电滤波器400中，使用相同名称和相同符号表示与图7(a)所示机电滤波器100相似的部分，并在此省略了对其的解释。
按照这个方式，除了上述之外还可以使用悬臂、方板等作为微振子101。
如图4(b)所示，本发明实施方案2的机电滤波器可形成为具有图4(a)所示的中心频率为fc的带阻滤波器特性。
此外，用于放大输出信号功率的功率放大器等可设于信号输出端口OUT侧。
此外，可以调整施加于微振子101的电压V_P，以获得最大的信号放大因子。
此外，通过机械地耦合多件微振子，可控制信号通频带。
此外，可以构造多级滤波器配置，其中本发明的机电滤波器被并联或者串联。
此外，可以调整栅电压V_G，以获得最大的信号放大因子。
此外，当SET构造成使用例如1kHz以下的低频时，这种SET可用做混频器。这种情况下，以频率f_LO从栅电极115输入局部振荡器的电压，其中频率f_LO与感测信号的频率(微振子101的自谐振频率)偏离了1kHz以下的中间频率，且该中间频率的信号f_IF＝|f_LO-f|从漏电极105输出到信号输出端口OUT。当微振子101的振动按照这个方式被感测时，信号输出端口侧上就需要用于恢复输出信号同时将频率从f_IF升频转换至f的电路。此外，期望应调整源-漏电压V_SD以优化混合信号。
实施方案3
接着，将在下文中解释本发明的实施方案3。
在实施方案1中，信号输入端口IN由驱动电极102构成。而在本发明中，输入端口IN直接连接到微振子，随后该微振子被洛仑兹力而非静电力激励。图10(a)为示出了本发明实施方案3的机电滤波器配置的透视图。
在实施方案1的机电滤波器100、200内，微振子101被静电力激励。而在图10(a)所示的机电滤波器500中，激励方法不同，微振子101由洛仑兹力激励。其余部分形成方法类似于实施方案1。
接着，在下文中将解释激励机电滤波器500内微振子的方法。
外部磁场H施加于微振子101，使得洛仑兹力沿产生振动的方向施加于微振子101。微振子101的振动方向用V表示，但在这种情况下外部磁场H的向量方向垂直于衬底。当从信号输入端口IN输入高频信号且该高频信号导致交变电流流过微振子101时，通过该交变电流以及外部磁场H形成的洛仑兹力施加于微振子101。洛仑兹力的方向基于该交变电流的方向而交替地切换，但该频率对应于该高频信号的频率。按照这个方式，洛仑兹力通过该高频信号施加于微振子101，并由此激励微振子101。
接着，在下文中将解释该微振子的振动的感测方法以及机电滤波器500内的信号过滤机制。
图10(b)为本发明实施方案3的机电滤波器的配置的电路图。从信号输入端口IN输入的信号传输到微振子101，随后以该高频信号的频率激励该微振子101。只有当频率为微振子101的自谐振频率的信号被输入时，微振子101才被大振幅地激励，且改变了微振子101与感测电极103之间的距离，且因此导致静电电容C_R的变化。后续的解释类似于实施方案1。
实施方案4
图11(a)为示出本发明实施方案4的机电滤波器的配置的透视图。
在实施方案2中，信号输入端口IN由驱动电极102构成。在本实施方案中，输入端口IN直接连接到微振子，该微振子由洛仑兹力而非静电力激励。其余配置的形成类似于实施方案2。
更具体而言，在图11(a)所示的机电滤波器600中，置于支柱109之间的微振子101被提供于衬底112上，在衬底112表面有形成了绝缘层111。用于输入信号的信号输入端口IN连接到微振子101。微振子101的电势由施加于微振子101的电压V_P控制。
感测电极103设于可移动电极101附近。感测电极103连接到SET(单电子晶体管)的导电岛114，该SET由设于绝缘膜108上的源电极104、漏电极105、绝缘膜107、导电岛114以及栅电极115组成。用于将信号输出到外部的信号输出端口OUT连接到漏电极105。
图11(b)为示出本发明实施方案4的机电滤波器的配置的电路图。
由于信号输入部分类似于实施方案3且感测部分的配置类似于实施方案2，这里将省略对其的解释。
实施方案5
图12(a)为示出本发明实施方案5的机电滤波器的感测电极的配置的俯视图。
图12(a)所示感测电极103b由电荷激励电极1031以及电势感测电极1032组成。电势感测电极1032在中间分支成两个部分，通过绝缘层1034形成于电荷激励电极1031上并连接到与微振子101对立的突出结构1033。电势感测电极1032连接到MOSFET的栅极或者SET的导电岛114。
电荷具有聚集在微小区域并具有稳定能量状态的性能。因此，由微振子101的振动在电荷激励电极1031上激励的电荷116聚集在突出结构1033内。由于突出结构1033与微振子101之间彼此对立的区域非常小，即使是电荷数量相同，放大的电势可以被输出到MOSFET的栅极。
此外，根据该配置，非常小数量的电荷可以有效地被供给到SET的导电岛114。
当微振子101为宽度120nm、厚度75nm且长度1μm的1GHz频带振动器时，微振子101与电荷激励电极1031之间的间隙为100nm，微振子101谐振时的振动振幅为1埃，激励电荷的数量为10e(e为基本电子电荷)，且与微振子101对立的感测电极103的宽度为500nm时，感测的电势为0.5V。而在本发明实施方案5的感测电极103b中，当电荷激励电极的宽度设为500nm且电势感测电极的宽度设为50nm时，该电势可以被放大10倍至5V。
这里，可以提供单个或多个突出结构1033，且该突出结构1033可设于一距离，其中在该距离内电荷116可聚集于突出结构1033内，即几十nm至几百nm的间距。由于电荷具有聚集于微小区域而非宽阔区域的性能，该突出结构1033可成形成在外围区域以具有微小区域。这种情况下，具有尖锐顶端部分例如三角形的结构对于在微小区域中收集电荷是优选的。
图12(b)为示出了本发明实施方案5的机电滤波器的感测电极的配置的剖面视图。
绝缘层1034形成于电荷激励电极1031和电势感测电极1032之间以提供这两个电极之间的电学绝缘。该结构的制造方法类似于实施方案1和实施方案2，并采用了沉积与图案化材料的步骤。在形成突出结构1033时，通过改变掩模图案同时采用和电势感测电极1032相同的材料以及相同掩模，突出结构1033的形状可以被改变。
工业应用性
根据本发明的机电滤波器通过使用量子器件可以感测微振子的极小的振动，并适用于配备了高灵敏度感测机制的具有高频信号过滤功能的机电滤波器。