JP2004312200A - 振動子及びマイクロレゾネータ - Google Patents
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Abstract
【課題】電極端子間の寄生容量を低減して、振動子としての特性を十分に生かすことのできる振動子、マイクロレゾネータを提供する。
【解決手段】基板50と、基板50上に形成されたバッファ層51と、バッファ層51上に設けられた可動部と、バッファ層51上に設けられた少なくとも2つの電極端子26、36とを備えた振動子であって、基板50に誘電体を用いたものである。このように基板50に誘電体を用いることにより、基板50と各電極端子26、36との間にコンデンサが形成されたような状態を回避することができ、電極端子26、36間の寄生容量を低減することができる。その結果、振動子としての特性を十分に生かすことのできる振動子、マイクロレゾネータが得られる。
【選択図】 図2
【解決手段】基板50と、基板50上に形成されたバッファ層51と、バッファ層51上に設けられた可動部と、バッファ層51上に設けられた少なくとも2つの電極端子26、36とを備えた振動子であって、基板50に誘電体を用いたものである。このように基板50に誘電体を用いることにより、基板50と各電極端子26、36との間にコンデンサが形成されたような状態を回避することができ、電極端子26、36間の寄生容量を低減することができる。その結果、振動子としての特性を十分に生かすことのできる振動子、マイクロレゾネータが得られる。
【選択図】 図2
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、家電機器、通信機器、電子応用機器等において、基準発振子、フィルタ、遅延回路などに使用される例えばマイクロレゾネータの如き振動子と、そのマイクロレゾネータに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、この種の振動子は、高性能、小型及び量産性などの優れた特徴を有することから、上述したような機器に多用されている。具体的には、これらの機器においてマイクロレゾネータ(共振子)やマイクロフィルタなどとして使用されている。振動子からなるマイクロレゾネータの構造は、特許文献1、2に開示されているように、シリコン基板上に酸化膜からなる絶縁膜が形成され、その絶縁膜の上に固定電極と可動電極の櫛歯同士が該基板面に平行に噛み合わされるように形成され、また、櫛歯部を有する可動電極がシリコン基板上に支持されたバネ性を有する梁部に結合されており、このような、互いに噛み合う櫛歯状固定電極と櫛歯状可動電極との組を中間の梁部の両側に1組ずつ配置する構成となっている。また、絶縁膜(酸化膜)上には、各固定電極にそれぞれ接続された2つの電極端子と、2つの電極端子に共通の接地電極としての電極端子とが設けられている。櫛歯状の固定電極、可動電極、および梁部並びに電極端子は、前記絶縁膜(酸化膜)上に形成したポリシリコン膜を利用して形成されている。
【0003】
【特許文献1】
米国特許第5025346号明細書(第3欄第37行−第6欄第2行、第6欄第55行−第7欄第52行、図1−図4)
【特許文献2】
米国特許第5537083号明細書(第4欄第43行−第10欄第33行、図4−図8)
【0004】
このようなマイクロレゾネータは、一方の櫛歯状の固定電極の電極端子Aと接地電極端子との間に交流電圧を印加することにより、その櫛歯状の固定電極と可動電極との間に静電引力を発生させ、この静電引力により櫛歯状の可動電極を櫛歯の噛み合い方向(櫛歯の長さ方向)に平面的に引き押しすることによって振動させる。この振動は可動電極と一体化されたバネ性を持つ梁部すなわち共振部に伝達され、他方の同様に噛み合い状態にある櫛歯状の可動電極を平面的に振動させる。
入力側である一方の櫛歯状の固定電極と可動電極間で発生した振動が、両側の可動電極を含む共振部(梁部)に伝わることにより、共振部は共振現象を生じ、この共振周波数が出力側である他方の櫛歯状固定電極の電極端子Bから取り出される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の振動子は、シリコン基板上に、絶縁膜を介して電極端子Aと電極端子Bとが設けられているため、絶縁膜が誘電体となって各電極端子それぞれとシリコン基板との間に絶縁膜固有の誘電率を持つ2つのコンデンサが形成された状態となる。すなわち、図6に示すような状態となる。なお、図6には、マイクロレゾネータを模式的に示した概略図が示されており、図中の101がシリコン基板、102が絶縁膜、103が櫛歯状固定電極と櫛歯状可動電極との組が2組形成された部分、104、105が各電極端子A、Bそれぞれとシリコン基板101との間に形成されたコンデンサを示している。
【0006】
図6の状態のマイクロレゾネータは、図7の等価回路で表される。マイクロレゾネータは、本来、抵抗R、コンデンサC、コイルLからなる振動子の特性を示す直列共振回路と、絶縁膜102上に設けられた電極端子Aと電極端子B間の容量C0 とを有するものであるが、コンデンサ104、105による寄生容量Cpも含まれるマイクロレゾネータとなってしまう。
【0007】
ここで、絶縁膜102の厚みが例えば100〜200μmのように十分な厚さを有する場合には、寄生容量Cpは小さく、マイクロレゾネータの動作に与える影響はさほど問題とならないが、例えば1〜2μmのように薄い場合には、寄生容量Cpが大きくなるため以下のような問題が発生する。すなわち、この寄生容量Cpが含まれると、マイクロレゾネータを共振子として用いた場合、振動させたい周波数(マイクロレゾネータ固有の周波数)でするどく共振するはずが、コンデンサ104、105側(寄生容量Cp側)に電気がくわれてしまうため、共振がにぶくなったり共振されなくなってしまって、共振子(例えば基準振動子)としての役目を果たすことができないという問題があった。また、マイクロレゾネータをフィルタとして用いた場合、通常結合係数C/(C0+C)で定義される周波数の共振幅(帯域幅)が通常の帯域幅よりも狭くなって帯域幅に制限を受けてしまい、フィルタとしての役目を果たすことができないという問題があった。このような電極端子間の寄生容量による問題は、電極端子Aと電極端子B間に限られず、電極端子Aと接地電極端子間や、電極端子Bと接地電極端子間などの寄生容量によっても同様に発生する問題である。
【0008】
本発明は、上記のような課題に鑑みなされたもので、電極端子間の寄生容量を低減して、振動子としての特性を十分に生かすことのできる振動子、マイクロレゾネータを提供することを目的としたものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る振動子は、基板と、基板上に形成されたバッファ層と、バッファ層上に設けられた可動部と、バッファ層上に設けられた少なくとも2つの電極端子とを備えた振動子であって、基板に誘電体を用いたものである。このように構成することにより、電極端子間の寄生容量を回避することができる。これにより、振動子としての特性を十分に生かすことができる。
【0010】
また、本発明に係る振動子は、上記可動部が、バッファ層上に設けられた2組の一対の櫛歯状電極を有するものである。このような構成の振動子において、電極端子間の寄生容量を回避でき、振動子としての特性を十分に生かすことのできる振動子を得ることができる。
【0011】
また、本発明に係る振動子は、上記可動部がシリコン膜で構成されてなるものである。このように、可動部にはシリコン膜を用いることができる。
【0012】
また、本発明に係る振動子は、基板と、基板に支持され、基板上の上下方向に設けられた一対の電極と、一対の電極間に設けられた圧電膜とを備えた振動子であって、基板に誘電体を用いたものである。このように構成することにより、電極間の寄生容量を回避することができる。これにより、振動子としての特性を十分に生かすことができる。
【0013】
また、本発明に係る振動子は、上記圧電膜が、ZnO、AIN、KNbO3、LiNbO3、LiTaO3の何れかの膜であるものである。このように、圧電膜には、ZnO、AIN、KNbO3、LiNbO3、LiTaO3の何れかを用いることができる。
【0014】
また、本発明に係る振動子は、上記誘電体が、石英、Si3N4、AINの何れかであるものである。このように、誘電体には、石英、Si3N4、AINの何れかを用いることができる。
【0015】
また、本発明に係るマイクロレゾネータは、上記の何れかに記載の振動子からなるものである。これにより、振動特性が阻害されず、マイクロレゾネータとしての特性を十分に生かすことのできるマイクロレゾネータを得ることができる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
図1は、本発明の一実施の形態によるマイクロレゾネータの平面図、図2は、図1のA−A断面図である。
このマイクロレゾネータ10は、トランスバーサル型のSAW(Surface Acoustic Wave:弾性表面波素子)フィルタと同様な働きをするフィルタとして構成されている。
本発明は、マイクロレゾネータ10が作成される基板50に、従来より用いられていたシリコン基板に代えて、誘電体基板を用いたことに特徴を有するものである。この誘電体としては、例えば石英、Si3N4、AINの何れかが用いられる。以下、本例のマイクロレゾネータ10の構成について詳細に説明する。
【0017】
マイクロレゾネータ10は、誘電体で構成された基板50の表面上に、窒化膜(Si3N4)で構成されるバッファ層51が形成され、その上において、送信側IDT(Interdigital Transducer)20と受信側IDT30が両側に配置され、両者の中間部に共振部40が配置された構成を有している。送信側IDT20、受信側IDT30および共振部40は、厚さ500μm程度の基板50上に形成された例えば2〜5μm程度の厚みのポリシリコン(p−SiO)膜を利用して形成される。
【0018】
送信側IDT20および受信側IDT30はいずれも、それぞれ櫛歯部を有する固定電極22、32と可動電極24、34とからなっている。送信側IDT20の固定電極22および受信側IDT30の固定電極32は、それぞれ複数の櫛歯からなる櫛歯部21、31を有し、リード部25、35を介して入力電極端子26、出力電極端子36に接続されている。なお、52は電極端子26、36に共通の接地電極に設定された電極端子である。
共振部40は、方形状のフレームからなる梁部42と、この梁部42の両側に櫛歯が外向きになるように一体的に形成され、固定電極22、32の櫛歯部21、31とそれぞれ噛み合うように設けられた櫛歯部23、33を有する可動電極24、34とから構成されている。
【0019】
固定電極の櫛歯部21、31と可動電極の櫛歯部23、33とは、それぞれ複数の櫛歯が所定の平面上の隙間(櫛歯ギャップ)でもって基板50の表面に平行に噛み合っている。
可動電極24、34が一体的に形成されたフレーム状の梁部42は、このフレームに結合された片持ち梁44を介して、支持部46が基板50上に固定される構造となっている。梁部42の外形形状は、特に方形状に限定されるものではなく、円形や長円形、紡錘形など適宜の形状に構成することができる。また、可動電極24、34同士は連結ビーム43で連結されている。
【0020】
そして、図2に示すように、梁部42は基板50のバッファ層51上より基板面に平行に浮き上がった状態で支持されており、したがって、櫛歯状の固定電極22、32と可動電極24、34も同様に基板面に平行に浮き上がった状態で噛み合っている。櫛歯状電極の浮上高さすなわち、基板のバッファ層51との電極ギャップは2〜3μm程度である。なお、図2において、ポリシリコンで形成された電極端子26、36、リード部25、35とバッファ層51との間の層53は、櫛歯状の固定電極22、32と可動電極24、34との櫛歯部を基板面に平行に浮き上がった構成に形成する際の製造工程において設けられた犠牲層である。
【0021】
ここで、2組の一対の櫛歯状電極(すなわち送信側IDT20、受信側IDT30)及び共振部40により可動部60が構成されており、以下に詳述するが、櫛歯状固定電極22の電極端子26と接地電極の電極端子52間に交流電圧を印加することにより、可動部60の共振部40が振動するようになっている。
【0022】
このように構成されたマイクロレゾネータ10を例えば共振子として使用する場合、櫛歯状固定電極22の電極端子26と、接地電極の電極端子52間に交流電圧を印加すると、櫛歯状固定電極22と可動電極24との櫛歯相互間に静電引力が発生し、これによって可動電極24が、櫛歯の噛み合い方向(櫛歯の長さ方向、すなわち図1の左右方向)にバネ性を持つ梁部42を介して引き押しされて振動する。この振動は可動電極24と一体化されたバネ性を持つ梁部42すなわち共振部40に伝達され、他方の同様に櫛歯状固定電極32と噛み合い状態にある可動部60の櫛歯状可動電極34を平面的に振動させる。
【0023】
入力側である一方の櫛歯状の固定電極22と可動電極24間で発生した振動が、共振部(梁部)40の固有振動数に達すると、共振部40は共振現象を生じ、他方の櫛歯状固定電極32の電極端子36から共振周波数を発振する。
共振周波数あるいは発振周波数は、可動電極24、34を含む共振部40の質量と梁部42のバネ定数で定まる変位に対する復元力(梁部42の弾性力)によって定まる。発振周波数は、例えば、16kHz、32kHz、72kHzなどが設計目標値としてあげられる。
【0024】
ここで、本例においては、基板50が誘電体で構成されているので、動作中のマイクロレゾネータ10において、電極端子26、36、52の下面と基板50との間にコンデンサは形成されず、各電極端子26、36、52間の寄生容量は低減され、コンデンサ側に電気がくわれることなく本来の回路側に電気が送られて、確実に共振される。
【0025】
図3は、マイクロレゾネータの電気特性を示す図である。図3において、70は本発明を適用したマイクロレゾネータ10の電気特性、80は従来のマイクロレゾネータの電気特性である。
両方の電気特性を比較すると、本発明のマイクロレゾネータ10の電気特性においては、従来のものと比較して、共振周波数f0 において十分なインピーダンス変化が得られている。このため、良好な発振が可能となる。
【0026】
また、マイクロレゾネータ10をフィルタとして用いる場合には、図4に示すように共振部(梁部)40の固有振動数を中心とした共振幅Wを通過帯域幅としたフィルタとして用いられる。その動作は、まず、櫛歯状固定電極22の電極端子26と、接地電極の電極端子52間に交流電圧が印加され、この印加された交流電圧の周波数が、帯域幅Wに該当する周波数であれば、可動部60の共振部40が上述したように静電力によって振動し、その周波数が電極端子36から出力される。一方、帯域幅Wに含まれない周波数の交流電圧が入力された場合には、共振が生じず、結果としてその周波数は除去される。このような動作によりマイクロレゾネータ10がフィルタとして用いられる。
【0027】
以上説明したように、本実施の形態によれば、コンデンサが形成されたような状態を回避することができ、電極端子26、36、52間の寄生容量を低減することができる。これにより、マイクロレゾネータ10の振動特性が阻害されず、マイクロレゾネータ10としての特性を十分生かすことができる。すなわち、共振子として使用する場合には、共振周波数での十分なインピーダンス変化により良好な発振が可能となる。また、寄生容量がなくなることにより振動の結合係数が大きくなるため、フィルタとして使用する場合には、十分な帯域幅をとることが可能となる。
【0028】
なお、本実施の形態では、振動子として、櫛歯型のマイクロレゾネータを例示して説明したが、次の図に示す平行平板型のマイクロレゾネータにおいても同様に本発明を適用することができる。
【0029】
図5は、平行平板型のマイクロレゾネータの一例としてのバルク振動子で、(a)はバルク振動子の平面図、(b)は(a)のB−B断面図である。
この平行平板型のマイクロレゾネータとしてのバルク振動子90は、基板91と、基板91に支持され、基板91上の上下方向に設けられた一対の電極92、93と、一対の電極92、93間に設けられた圧電膜94と、基板91上に設けられ、各電極92、93にそれぞれ接続された一対の電極端子95、96とを備えたものである。そして、本発明が適用されており、すなわち基板91に誘電体が用いられている。この構成により、上記とほぼ同じ作用及び効果が得られ、バルク振動子としての特性を十分生かすことができるようになっている。なお、圧電膜94には、例えばZnO、AIN、KNbO3、LiNbO3、LiTaO3の何れかが用いられる。なお、圧電膜94には、スパッタリングやCVD法などにより形成された薄膜によるものであっても、スクリーン印刷などの技術により形成された厚膜によるものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態によるマイクロレゾネータの平面図。
【図2】図1のA−A線断面図。
【図3】マイクロレゾネータの電気特性を示す図。
【図4】マイクロレゾネータの作用説明図。
【図5】平行平板型のマイクロレゾネータを示す図。
【図6】従来のマイクロレゾネータの作用説明図。
【図7】従来のマイクロレゾネータの作用を説明する等価回路図。
【符号の説明】
10 マイクロレゾネータ、22,32 櫛歯状固定電極、24,34 櫛歯状可動電極、26,36,52 電極端子、50,91 基板、51 バッファ層、60 可動部、90 バルク振動子、92,93 電極、94 圧電膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、家電機器、通信機器、電子応用機器等において、基準発振子、フィルタ、遅延回路などに使用される例えばマイクロレゾネータの如き振動子と、そのマイクロレゾネータに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、この種の振動子は、高性能、小型及び量産性などの優れた特徴を有することから、上述したような機器に多用されている。具体的には、これらの機器においてマイクロレゾネータ(共振子)やマイクロフィルタなどとして使用されている。振動子からなるマイクロレゾネータの構造は、特許文献1、2に開示されているように、シリコン基板上に酸化膜からなる絶縁膜が形成され、その絶縁膜の上に固定電極と可動電極の櫛歯同士が該基板面に平行に噛み合わされるように形成され、また、櫛歯部を有する可動電極がシリコン基板上に支持されたバネ性を有する梁部に結合されており、このような、互いに噛み合う櫛歯状固定電極と櫛歯状可動電極との組を中間の梁部の両側に1組ずつ配置する構成となっている。また、絶縁膜(酸化膜)上には、各固定電極にそれぞれ接続された2つの電極端子と、2つの電極端子に共通の接地電極としての電極端子とが設けられている。櫛歯状の固定電極、可動電極、および梁部並びに電極端子は、前記絶縁膜(酸化膜)上に形成したポリシリコン膜を利用して形成されている。
【0003】
【特許文献1】
米国特許第5025346号明細書(第3欄第37行−第6欄第2行、第6欄第55行−第7欄第52行、図1−図4)
【特許文献2】
米国特許第5537083号明細書(第4欄第43行−第10欄第33行、図4−図8)
【0004】
このようなマイクロレゾネータは、一方の櫛歯状の固定電極の電極端子Aと接地電極端子との間に交流電圧を印加することにより、その櫛歯状の固定電極と可動電極との間に静電引力を発生させ、この静電引力により櫛歯状の可動電極を櫛歯の噛み合い方向(櫛歯の長さ方向)に平面的に引き押しすることによって振動させる。この振動は可動電極と一体化されたバネ性を持つ梁部すなわち共振部に伝達され、他方の同様に噛み合い状態にある櫛歯状の可動電極を平面的に振動させる。
入力側である一方の櫛歯状の固定電極と可動電極間で発生した振動が、両側の可動電極を含む共振部(梁部)に伝わることにより、共振部は共振現象を生じ、この共振周波数が出力側である他方の櫛歯状固定電極の電極端子Bから取り出される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の振動子は、シリコン基板上に、絶縁膜を介して電極端子Aと電極端子Bとが設けられているため、絶縁膜が誘電体となって各電極端子それぞれとシリコン基板との間に絶縁膜固有の誘電率を持つ2つのコンデンサが形成された状態となる。すなわち、図6に示すような状態となる。なお、図6には、マイクロレゾネータを模式的に示した概略図が示されており、図中の101がシリコン基板、102が絶縁膜、103が櫛歯状固定電極と櫛歯状可動電極との組が2組形成された部分、104、105が各電極端子A、Bそれぞれとシリコン基板101との間に形成されたコンデンサを示している。
【0006】
図6の状態のマイクロレゾネータは、図7の等価回路で表される。マイクロレゾネータは、本来、抵抗R、コンデンサC、コイルLからなる振動子の特性を示す直列共振回路と、絶縁膜102上に設けられた電極端子Aと電極端子B間の容量C0 とを有するものであるが、コンデンサ104、105による寄生容量Cpも含まれるマイクロレゾネータとなってしまう。
【0007】
ここで、絶縁膜102の厚みが例えば100〜200μmのように十分な厚さを有する場合には、寄生容量Cpは小さく、マイクロレゾネータの動作に与える影響はさほど問題とならないが、例えば1〜2μmのように薄い場合には、寄生容量Cpが大きくなるため以下のような問題が発生する。すなわち、この寄生容量Cpが含まれると、マイクロレゾネータを共振子として用いた場合、振動させたい周波数(マイクロレゾネータ固有の周波数)でするどく共振するはずが、コンデンサ104、105側(寄生容量Cp側)に電気がくわれてしまうため、共振がにぶくなったり共振されなくなってしまって、共振子(例えば基準振動子)としての役目を果たすことができないという問題があった。また、マイクロレゾネータをフィルタとして用いた場合、通常結合係数C/(C0+C)で定義される周波数の共振幅(帯域幅)が通常の帯域幅よりも狭くなって帯域幅に制限を受けてしまい、フィルタとしての役目を果たすことができないという問題があった。このような電極端子間の寄生容量による問題は、電極端子Aと電極端子B間に限られず、電極端子Aと接地電極端子間や、電極端子Bと接地電極端子間などの寄生容量によっても同様に発生する問題である。
【0008】
本発明は、上記のような課題に鑑みなされたもので、電極端子間の寄生容量を低減して、振動子としての特性を十分に生かすことのできる振動子、マイクロレゾネータを提供することを目的としたものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る振動子は、基板と、基板上に形成されたバッファ層と、バッファ層上に設けられた可動部と、バッファ層上に設けられた少なくとも2つの電極端子とを備えた振動子であって、基板に誘電体を用いたものである。このように構成することにより、電極端子間の寄生容量を回避することができる。これにより、振動子としての特性を十分に生かすことができる。
【0010】
また、本発明に係る振動子は、上記可動部が、バッファ層上に設けられた2組の一対の櫛歯状電極を有するものである。このような構成の振動子において、電極端子間の寄生容量を回避でき、振動子としての特性を十分に生かすことのできる振動子を得ることができる。
【0011】
また、本発明に係る振動子は、上記可動部がシリコン膜で構成されてなるものである。このように、可動部にはシリコン膜を用いることができる。
【0012】
また、本発明に係る振動子は、基板と、基板に支持され、基板上の上下方向に設けられた一対の電極と、一対の電極間に設けられた圧電膜とを備えた振動子であって、基板に誘電体を用いたものである。このように構成することにより、電極間の寄生容量を回避することができる。これにより、振動子としての特性を十分に生かすことができる。
【0013】
また、本発明に係る振動子は、上記圧電膜が、ZnO、AIN、KNbO3、LiNbO3、LiTaO3の何れかの膜であるものである。このように、圧電膜には、ZnO、AIN、KNbO3、LiNbO3、LiTaO3の何れかを用いることができる。
【0014】
また、本発明に係る振動子は、上記誘電体が、石英、Si3N4、AINの何れかであるものである。このように、誘電体には、石英、Si3N4、AINの何れかを用いることができる。
【0015】
また、本発明に係るマイクロレゾネータは、上記の何れかに記載の振動子からなるものである。これにより、振動特性が阻害されず、マイクロレゾネータとしての特性を十分に生かすことのできるマイクロレゾネータを得ることができる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
図1は、本発明の一実施の形態によるマイクロレゾネータの平面図、図2は、図1のA−A断面図である。
このマイクロレゾネータ10は、トランスバーサル型のSAW(Surface Acoustic Wave:弾性表面波素子)フィルタと同様な働きをするフィルタとして構成されている。
本発明は、マイクロレゾネータ10が作成される基板50に、従来より用いられていたシリコン基板に代えて、誘電体基板を用いたことに特徴を有するものである。この誘電体としては、例えば石英、Si3N4、AINの何れかが用いられる。以下、本例のマイクロレゾネータ10の構成について詳細に説明する。
【0017】
マイクロレゾネータ10は、誘電体で構成された基板50の表面上に、窒化膜(Si3N4)で構成されるバッファ層51が形成され、その上において、送信側IDT(Interdigital Transducer)20と受信側IDT30が両側に配置され、両者の中間部に共振部40が配置された構成を有している。送信側IDT20、受信側IDT30および共振部40は、厚さ500μm程度の基板50上に形成された例えば2〜5μm程度の厚みのポリシリコン(p−SiO)膜を利用して形成される。
【0018】
送信側IDT20および受信側IDT30はいずれも、それぞれ櫛歯部を有する固定電極22、32と可動電極24、34とからなっている。送信側IDT20の固定電極22および受信側IDT30の固定電極32は、それぞれ複数の櫛歯からなる櫛歯部21、31を有し、リード部25、35を介して入力電極端子26、出力電極端子36に接続されている。なお、52は電極端子26、36に共通の接地電極に設定された電極端子である。
共振部40は、方形状のフレームからなる梁部42と、この梁部42の両側に櫛歯が外向きになるように一体的に形成され、固定電極22、32の櫛歯部21、31とそれぞれ噛み合うように設けられた櫛歯部23、33を有する可動電極24、34とから構成されている。
【0019】
固定電極の櫛歯部21、31と可動電極の櫛歯部23、33とは、それぞれ複数の櫛歯が所定の平面上の隙間(櫛歯ギャップ)でもって基板50の表面に平行に噛み合っている。
可動電極24、34が一体的に形成されたフレーム状の梁部42は、このフレームに結合された片持ち梁44を介して、支持部46が基板50上に固定される構造となっている。梁部42の外形形状は、特に方形状に限定されるものではなく、円形や長円形、紡錘形など適宜の形状に構成することができる。また、可動電極24、34同士は連結ビーム43で連結されている。
【0020】
そして、図2に示すように、梁部42は基板50のバッファ層51上より基板面に平行に浮き上がった状態で支持されており、したがって、櫛歯状の固定電極22、32と可動電極24、34も同様に基板面に平行に浮き上がった状態で噛み合っている。櫛歯状電極の浮上高さすなわち、基板のバッファ層51との電極ギャップは2〜3μm程度である。なお、図2において、ポリシリコンで形成された電極端子26、36、リード部25、35とバッファ層51との間の層53は、櫛歯状の固定電極22、32と可動電極24、34との櫛歯部を基板面に平行に浮き上がった構成に形成する際の製造工程において設けられた犠牲層である。
【0021】
ここで、2組の一対の櫛歯状電極(すなわち送信側IDT20、受信側IDT30)及び共振部40により可動部60が構成されており、以下に詳述するが、櫛歯状固定電極22の電極端子26と接地電極の電極端子52間に交流電圧を印加することにより、可動部60の共振部40が振動するようになっている。
【0022】
このように構成されたマイクロレゾネータ10を例えば共振子として使用する場合、櫛歯状固定電極22の電極端子26と、接地電極の電極端子52間に交流電圧を印加すると、櫛歯状固定電極22と可動電極24との櫛歯相互間に静電引力が発生し、これによって可動電極24が、櫛歯の噛み合い方向(櫛歯の長さ方向、すなわち図1の左右方向)にバネ性を持つ梁部42を介して引き押しされて振動する。この振動は可動電極24と一体化されたバネ性を持つ梁部42すなわち共振部40に伝達され、他方の同様に櫛歯状固定電極32と噛み合い状態にある可動部60の櫛歯状可動電極34を平面的に振動させる。
【0023】
入力側である一方の櫛歯状の固定電極22と可動電極24間で発生した振動が、共振部(梁部)40の固有振動数に達すると、共振部40は共振現象を生じ、他方の櫛歯状固定電極32の電極端子36から共振周波数を発振する。
共振周波数あるいは発振周波数は、可動電極24、34を含む共振部40の質量と梁部42のバネ定数で定まる変位に対する復元力(梁部42の弾性力)によって定まる。発振周波数は、例えば、16kHz、32kHz、72kHzなどが設計目標値としてあげられる。
【0024】
ここで、本例においては、基板50が誘電体で構成されているので、動作中のマイクロレゾネータ10において、電極端子26、36、52の下面と基板50との間にコンデンサは形成されず、各電極端子26、36、52間の寄生容量は低減され、コンデンサ側に電気がくわれることなく本来の回路側に電気が送られて、確実に共振される。
【0025】
図3は、マイクロレゾネータの電気特性を示す図である。図3において、70は本発明を適用したマイクロレゾネータ10の電気特性、80は従来のマイクロレゾネータの電気特性である。
両方の電気特性を比較すると、本発明のマイクロレゾネータ10の電気特性においては、従来のものと比較して、共振周波数f0 において十分なインピーダンス変化が得られている。このため、良好な発振が可能となる。
【0026】
また、マイクロレゾネータ10をフィルタとして用いる場合には、図4に示すように共振部(梁部)40の固有振動数を中心とした共振幅Wを通過帯域幅としたフィルタとして用いられる。その動作は、まず、櫛歯状固定電極22の電極端子26と、接地電極の電極端子52間に交流電圧が印加され、この印加された交流電圧の周波数が、帯域幅Wに該当する周波数であれば、可動部60の共振部40が上述したように静電力によって振動し、その周波数が電極端子36から出力される。一方、帯域幅Wに含まれない周波数の交流電圧が入力された場合には、共振が生じず、結果としてその周波数は除去される。このような動作によりマイクロレゾネータ10がフィルタとして用いられる。
【0027】
以上説明したように、本実施の形態によれば、コンデンサが形成されたような状態を回避することができ、電極端子26、36、52間の寄生容量を低減することができる。これにより、マイクロレゾネータ10の振動特性が阻害されず、マイクロレゾネータ10としての特性を十分生かすことができる。すなわち、共振子として使用する場合には、共振周波数での十分なインピーダンス変化により良好な発振が可能となる。また、寄生容量がなくなることにより振動の結合係数が大きくなるため、フィルタとして使用する場合には、十分な帯域幅をとることが可能となる。
【0028】
なお、本実施の形態では、振動子として、櫛歯型のマイクロレゾネータを例示して説明したが、次の図に示す平行平板型のマイクロレゾネータにおいても同様に本発明を適用することができる。
【0029】
図5は、平行平板型のマイクロレゾネータの一例としてのバルク振動子で、(a)はバルク振動子の平面図、(b)は(a)のB−B断面図である。
この平行平板型のマイクロレゾネータとしてのバルク振動子90は、基板91と、基板91に支持され、基板91上の上下方向に設けられた一対の電極92、93と、一対の電極92、93間に設けられた圧電膜94と、基板91上に設けられ、各電極92、93にそれぞれ接続された一対の電極端子95、96とを備えたものである。そして、本発明が適用されており、すなわち基板91に誘電体が用いられている。この構成により、上記とほぼ同じ作用及び効果が得られ、バルク振動子としての特性を十分生かすことができるようになっている。なお、圧電膜94には、例えばZnO、AIN、KNbO3、LiNbO3、LiTaO3の何れかが用いられる。なお、圧電膜94には、スパッタリングやCVD法などにより形成された薄膜によるものであっても、スクリーン印刷などの技術により形成された厚膜によるものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態によるマイクロレゾネータの平面図。
【図2】図1のA−A線断面図。
【図3】マイクロレゾネータの電気特性を示す図。
【図4】マイクロレゾネータの作用説明図。
【図5】平行平板型のマイクロレゾネータを示す図。
【図6】従来のマイクロレゾネータの作用説明図。
【図7】従来のマイクロレゾネータの作用を説明する等価回路図。
【符号の説明】
10 マイクロレゾネータ、22,32 櫛歯状固定電極、24,34 櫛歯状可動電極、26,36,52 電極端子、50,91 基板、51 バッファ層、60 可動部、90 バルク振動子、92,93 電極、94 圧電膜
Claims (7)
- 基板と、該基板上に形成されたバッファ層と、該バッファ層上に設けられた可動部と、前記バッファ層上に設けられた少なくとも2つの電極端子とを備えた振動子であって、
前記基板に誘電体を用いたことを特徴とする振動子。 - 前記可動部が、前記バッファ層上に設けられた2組の一対の櫛歯状電極を有することを特徴とする請求項1記載の振動子。
- 前記可動部がシリコン膜で構成されてなることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の振動子。
- 基板と、該基板に支持され、前記基板上の上下方向に設けられた一対の電極と、該一対の電極間に設けられた圧電膜とを備えた振動子であって、
前記基板に誘電体を用いたことを特徴とする振動子。 - 前記圧電膜が、ZnO、AIN、KNbO3、LiNbO3、LiTaO3の何れかの膜であることを特徴とする請求項4記載の振動子。
- 前記誘電体が、石英、Si3N4、AINの何れかであることを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れかに記載の振動子。
- 請求項1乃至請求項6の何れかに記載の振動子からなることを特徴とするマイクロレゾネータ。
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CN109586681A (zh) * | 2017-09-29 | 2019-04-05 | Qorvo美国公司 | 具有内部静电屏蔽的体声波(baw)滤波器结构 |
-
2003
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CN109586681A (zh) * | 2017-09-29 | 2019-04-05 | Qorvo美国公司 | 具有内部静电屏蔽的体声波(baw)滤波器结构 |
CN109586681B (zh) * | 2017-09-29 | 2023-04-28 | Qorvo美国公司 | 具有内部静电屏蔽的体声波(baw)滤波器结构 |
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