JP2004312200A

JP2004312200A - 振動子及びマイクロレゾネータ

Info

Publication number: JP2004312200A
Application number: JP2003100986A
Authority: JP
Inventors: Yukihiro Hashi; 幸弘橋; Takuya Nakajima; 卓哉中島
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2003-04-04
Filing date: 2003-04-04
Publication date: 2004-11-04

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

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Ｃ_０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、ＫＮｂＯ_３、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３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、ＫＮｂＯ_３、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３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、Ｓｉ_３Ｎ_４、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、Ｓｉ_３Ｎ_４、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（ＳｕｒｆａｃｅＡｃｏｕｓｔｉｃＷａｖｅ：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、Ｓｉ_３Ｎ_４、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（Ｓｉ_３Ｎ_４）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（ＩｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌＴｒａｎｓｄｕｃｅｒ）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ｆ_０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、ＫＮｂＯ_３、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３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

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、ＫＮｂＯ_３、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３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、Ｓｉ_３Ｎ_４、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。