JP2004312710A - 機械共振器 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、機械振動式フィルタ等に用いる小型高性能の機械共振器を提供することを目的とする。
【解決手段】機械的共振振動を行う振動体１と、振動体１に近接して位置する電極２とを有し、電極２の表面形状が振動体１の共振モードで変形したときの形状となるように機械共振器を構成することで、単位振動変位量あたりの静電容量変化を大きくし、効率よく電気→機械変換または機械→電気変換を行う機械共振器を実現することができる。
【選択図】図１
【解決手段】機械的共振振動を行う振動体１と、振動体１に近接して位置する電極２とを有し、電極２の表面形状が振動体１の共振モードで変形したときの形状となるように機械共振器を構成することで、単位振動変位量あたりの静電容量変化を大きくし、効率よく電気→機械変換または機械→電気変換を行う機械共振器を実現することができる。
【選択図】図１
Description
本発明は機械式の共振器に関し、特に高密度に集積化された電気回路内において、小型で高性能のフィルタ回路やスイッチ回路を実現するものに関する。
従来の機械共振器について図２２を参照して説明する。図２２は非特許文献１に紹介されている機械振動フィルタの構成を簡略化して示した図である。
このフィルタは、シリコン基板上に薄膜形成を行うことで形成されている。入力線路１０４と、出力線路１０５と、それぞれの線路に対して１ミクロン以下の空隙をもって配置された両持ち梁１０１、１０２と、その２つの梁を結合する結合梁１０３とで構成されている。入力線路１０４から入力した信号は、梁１０１と容量的に結合し、梁１０１に静電力を発生させる。信号の周波数が、梁１０１、１０２および結合梁１０３からなる弾性構造体の共振周波数近傍と一致したときのみ機械振動が励振されるので、この機械振動をさらに出力線路１０５と梁１０２との間の静電容量の変化として検出することで、入力信号のフィルタリング出力を取り出すことができる。
矩形断面の両持ち梁の場合、弾性率Ｅ、密度ρ、厚みｈ、長さＬとすると、共振周波数ｆは、次式となる。
材料をポリシリコンとするとＥ＝１６０ＧＰａ、ρ＝２．２×１０3ｋｇ／ｍ3、また寸法をＬ＝４０μｍ、ｈ＝１．５μｍとするとｆ＝８．２ＭＨｚとなり、約８ＭＨｚ帯のフィルタを構成することが可能である。コンデンサやコイルなどの受動回路で構成したフィルタに比べて機械共振を用いることでＱ値の高い急峻な周波数選択特性を得ることができる。
Frank D.Bannon III, John R.Clark, and Clark T.-C.Nguyen, "High-Q HF Microelectromechanical Filters," IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 35, No.4, pp.512-526, April 2000
Frank D.Bannon III, John R.Clark, and Clark T.-C.Nguyen, "High-Q HF Microelectromechanical Filters," IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 35, No.4, pp.512-526, April 2000
しかしながら、上記従来の構成では、さらに高周波帯のフィルタを構成するには、以下のような制約がある。すなわち、（数１）から明らかなことは、第１に材料を変更してＥ／ρを大きくすることである。ただし、Ｅを大きくすると梁をたわませる力が同じであっても梁の変位量は小さくなってしまい、梁の変位を検知することが難しくなる。また、梁の曲がりやすさをあらわす指標を、両持ち梁の梁表面に静荷重を加えたときの梁中心部のたわみ量ｄと梁の長さＬの比ｄ／Ｌとすると、ｄ／Ｌは、次式の比例関係で表される。
これらから、ｄ／Ｌの値を保ちながら共振周波数を上げるには、少なくともＥは変更できず、密度ρの低い材料を求める必要があるが、ポリシリコンと同等のヤング率で密度が低い材料としてはＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）等の複合材料を用いる必要がある。この場合、半導体プロセスで微小機械振動フィルタを構成することは難しくなる。
このような複合材料を用いない第２の方法は、（数１）において梁の寸法を変更してｈ・Ｌ-2を大きくすることである。しかし、ｈを大きくすることとＬを小さくすることはたわみやすさの指標である（数２）のｄ／Ｌを小さくしてしまい、梁のたわみを検出することが難しくなる。
（数１）および（数２）についてｌｏｇ（Ｌ）とｌｏｇ（ｈ）の関係を図２３に示すと、直線１９１は（式１）から求まる関係であり、直線１９２は（式２）から求まる関係である。この図２３において、現寸法Ａ点を起点に傾き「２」の直線より上の範囲（領域Ａ）のＬとｈを選ぶとｆは大きくなり、傾き「１」の直線より下の範囲（領域Ｂ）のＬとｈを選ぶとｄ／Ｌは大きくなる。従って、図中のハッチング部分（領域Ｃ）が梁のたわみ量も確保しつつ共振周波数を上げることができるＬとｈの範囲である。
図２３より明らかなことは、機械振動フィルタの高周波化には、Ｌおよびｈ双方の寸法の微小化が必要条件であり、Ｌおよびｈを同じスケーリングで小型化すること、すなわち傾き１の直線に乗りながらＬとｈを小さくすることは、図１９のハッチング部分の十分条件である。
このように、従来の機械共振器では機械振動体の寸法を小型化することで、共振周波数は高周波化されるが、それでも梁の振動は小さくなるので振動を検出する信号が微弱になることは避けられず、外乱の影響を受けやすくなるという課題を有していた。
本発明は、フィルタ等の回路部品の高性能化を実現する微小な機械共振器を提供することを目的とする。
この課題を解決するために本発明は、電極表面形状を振動体の共振モードで変形したときの形状にすることにより、共振振動を行う振動体の単位変位量あたりの容量変化を大きくし、電気信号を効率よく機械振動に変換する構造、または機械振動を効率よく電気信号に変換する構造を実現した。
本発明の第１の態様にかかる機械共振器は、機械的共振振動を行う振動体と、この振動体が共振振動時に近接し、かつ共振振動の振幅方向に湾曲して配置された電極とを有している。これによって、共振振動を行う振動体の単位変位量あたりの容量変化を大きくし、電気信号を効率よく機械振動に変換する構造、または機械振動を効率よく電気信号に変換することができる。
また、本発明の第２の態様にかかる機械共振器は、第１の態様の湾曲した電極の表面形
状と、振動体が共振モードで変形したときの形状とが同一であることを特徴とするものである。これにより、この振動体に対する静電容量を最大限まで増やすことができるので、共振振動を行う振動体の単位変位量あたりの容量変化を大きくし、電気信号を効率よく機械振動に変換する構造、または機械振動を効率よく電気信号に変換することができる。
状と、振動体が共振モードで変形したときの形状とが同一であることを特徴とするものである。これにより、この振動体に対する静電容量を最大限まで増やすことができるので、共振振動を行う振動体の単位変位量あたりの容量変化を大きくし、電気信号を効率よく機械振動に変換する構造、または機械振動を効率よく電気信号に変換することができる。
また、本発明の第３の態様にかかる機械共振器は、本発明の第１あるいは第２の態様の振動体と対向する電極の表面積が、振動体の表面積よりも小さいことを特徴とするものである。これにより、振動体と電極との容量結合における過剰な電荷発生を抑制することができるので、不要な漏洩する交流電流を削減することが可能になる。特に、共振時に振幅が最大になる振動体の部分およびその近傍と対向する位置には電極を配しないようにすることにより、電圧と力、変位と電流間の関係がより線形に近づき、制御を容易にすることができる。あるいは、振動体の端部に対向する位置には電極を配しないようにすることにより、簡単な構造で過剰な電荷発生を抑制することができる。
また、本発明の第４の態様にかかる機械共振器は、機械的共振振動を行う振動体と、振動体と近接し、同じ共振周波数の共振モードで振動する電極とを有している。これにより、振動していないときには、静電容量を平行平板構造なみに小さくし、共振周波数で振動しているときは、この振動子に対しては静電容量が最大となるので、｜ΔＣ/Δｙ｜の値を大きくすることができる。その結果、不要な交流電流が低減され、かつ電気信号を効率よく機械振動に変換したり、機械振動を効率よく電気信号に変換できる。
また、本発明の第５の態様にかかる機械共振器は、本発明の第１乃至第４の態様の振動体と電極とに接続され、それらの間に静電界を発生するバイアス電源をさらに有し、振動体と電極との間に共振周波数の電圧変化を受けたときに、振動体が共振振動するものである。これにより、電気信号を効率よく機械振動に変換できる。
また、本発明の第６の態様にかかる機械共振器は、本発明の第１乃至第４の態様の電極と振動体との間の電圧変化から信号を検出する検出部をさらに有し、振動体が振動したときの振動体と電極との間の静電容量変化により、検出部が振動から電気信号に変換された信号を検出することを特徴としている。これにより、機械振動を効率よく電気信号に変換できる。
また、本発明の第７の態様にかかる機械共振器は、本発明の第１乃至第４の態様において、電極と振動体の対向面の少なくとも一方に絶縁層を設けたことを特徴とする。これにより、振動体と電極との電気的短絡を回避することができる。特に、絶縁層は、絶縁性及び潤滑性を有する高分子粒子であることを特徴としている。これにより、絶縁層厚が一定になり、かつフッ素樹脂の潤滑性があるので、振動体がフッ素樹脂粒子５に接触してもｓｔｉｃｔｉｏｎと呼ばれる制御不能な吸着力を減少させることができる。
また、本発明の第８の態様にかかる機械共振器は、本発明の第１乃至第４の態様において、電極と対向する振動体の表面に振動体から絶縁して配置された第１接点電極と、この第１接点電極と嵌合するように電極から絶縁して配置された第２電極とをさらに有している。これにより、静電力による振動体の動的な変位量が静的な変位量に比べＱ値倍にもなるので、小さな電圧で接点電極を接触させることができる。
特に、前記振動体と前記電極とに接続され、それらの間に静電界を発生するバイアス電源をさらに有し、振動体と電極との間に電圧変化を受けたとき、振動体が共振振動し、第１接点電極が第２接点電極に接近した時点でバイアス電源の電圧により静電吸着することを特徴としている。これにより、振動体の共振振動の変位量が電極に衝突する程度にまで制御され、再接近した瞬間に前記振動体と前記電極との間の静電力の引き込みにより前記
振動体が前記電極に吸い付くことで第１接点電極と第２接点電極とが接触固定されることができるので、これを利用したスイッチング機能を実現できるものである。
振動体が前記電極に吸い付くことで第１接点電極と第２接点電極とが接触固定されることができるので、これを利用したスイッチング機能を実現できるものである。
また、本発明の第９の態様にかかる機械共振器は、本発明の第１〜第４の態様の機械共振器を、複数個、電気的に並列または直列に配置したことを特徴とするものであり、電極が、振動体と同じ共振周波数の共振モードで振動することを特徴としてもよい。
このように、適宜フィルタの個数を調整することにより、特に、高周波回路で問題となるインピーダンス不整合による反射信号を減少させ、効率よく電気信号を機械振動に変換し、かつ機械振動を再び電気信号として取り出すことができる。
また、本発明の第１０の態様にかかる機械共振器は、本発明の第１〜第９の態様にかかる機械共振器を、雰囲気を真空に封止したケース内に収納したことを特徴とするものである。これにより、空気の粘性による振動体への減衰効果を排除できるので、Ｑ値をあげることが可能になる。
また、本発明の第１１の態様にかかるフィルタは、本発明の第１〜第７の態様にかかる機械共振器を用いたことを特徴とするものである。
また、本発明の第１２の態様にかかるスイッチは、本発明の第８の態様にかかる機械共振器を用いたことを特徴とするものである。
また、本発明の第１３の態様にかかる電気回路は、本発明の第１〜第１２の態様にかかる機械共振器を用いたものである。
以上のように本発明によれば、電気信号を効率よく機械振動に変換する構造、および機械振動を効率よく電気信号に変換する構造を実現できる。また、本発明の機械共振器を用いて、高密度に集積化された電気回路内において、小型で高性能のフィルタ回路やスイッチ回路を実現することも可能である。
以下、本発明の実施の形態について、図１から図２１を用いて説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１にかかる機械共振器の概要図である。
図１は、本発明の実施の形態１にかかる機械共振器の概要図である。
図１において、振動体１はその両端を固定された固定端７とした両持ち梁であり、厚みｈ、幅Ｗ、長さＬである。電極２は振動体１に近接して設けられている。両者の接触による電気的短絡を避けるために電極２表面には厚さｄ、比誘電率εｒの絶縁層３が設けられている。このとき、両持ち梁である振動体１の横振動一次共振モードを利用するとすると、振動体１の共振モードでの形状は図中のｘｙ座標を用いて、次式で表される。
なお、その最大値ｙｍａｘ（ｘ＝２／Ｌのとき）は振動体にかかる励振力の大きさや、振動体内部の熱損失、周辺の空気の粘性などにより決定される。
また、電極２および絶縁層３の表面も（数３）の形状を有するなだらかな凹形状をしており、その深さδｍａｘは振動体１の振動振幅ｙｍａｘよりも大きめにとっている。具体的には電極２の表面形状は、次式のように設定してある。
なお、過度の励振力等による振動体と電極との接触を想定しなければ絶縁層３を設ける必要はない。
図２は図１の機械共振器を電気→機械変換に用いた場合であり、振動体１と電極２との間にバイアス電圧Ｖｂおよび交流信号ｖｉ（ｖｉ＜＜Ｖｂ）が印加されている。この振動体１の弾性振動を等価質量ｍなるバネ質点系におきかえて考えると、この質点には、次式で表される静電力がかかる。
但し、Ｆは静電力であり、Ｃは振動体と電極間の静電容量である。また、右辺第一項はバイアス電圧Ｖｂによるバイアス力をあらわす。
（数５）より交流信号電圧の励振力への変換は、振動体の単位変位量あたりの容量変化である｜ΔＣ／Δｙ｜が大きいほど効率がよい。ここで、（数４）であらわされる電極形状を用いた図２の構造では、図３のような従来の平行平板型の電極構造に比べてより大きな｜ΔＣ／Δｙ｜が得られることを次に示す。
図２においてｄ＝０．１μｍ、εｒ＝１、δｍａｘ＝１μｍ、Ｌ＝４０μｍ、Ｗ＝２０μｍとしたときの振動体中央部の変位量ｙと静電容量Ｃとの関係を図４に示す。なお、同じｄ、εｒ、δｍａｘ、Ｌ、Ｗの値での図３の構造におけるｙとＣの関係も図４に併せて示した。すなわち、図４において、特性曲線４０１が図２の構造をした機械共振器での変化を示し、特性曲線４０２が図３の構造をした機械共振器での変化を示している。
ｙ＝０近傍では、図３の構造では｜ΔＣ/Δｙ｜＝３．１×１０-9［Ｆ／ｍ］であるが、図２の構造では｜ΔＣ/Δｙ｜＝９．８×１０-9［Ｆ／ｍ］まで改善されている。すなわち、同じ交流信号ｖｉでも図２の構造をとることで、より大きな共振振動を得ることができる。なお、例えば振動体の共振振幅が±０．１μｍの範囲内で振動し、それ以上の振幅は電気回路的にまたは機械的に抑制されることが保証されていれば、δｍａｘの値はより小さく設定することができる。たとえば、δｍａｘ＝０．３μｍとすると、ｙとＣの特性は図５に示す特性曲線５０１、および特性曲線５０２のようになり、図２の構造で｜Δ
Ｃ/Δｙ｜＝４．７×１０-8［Ｆ／ｍ］までさらに改善された。
Ｃ/Δｙ｜＝４．７×１０-8［Ｆ／ｍ］までさらに改善された。
なお、図４においてｙとＣとの関係が線形とみなせる領域ではΔＣ/Δｙは一定値となり、（数５）から、交流電圧と励振力との関係は線形として取り扱うことができる。
次に、図１に示した本実施の形態にかかる機械共振器の製作工程を図１８（ａ）乃至（ｄ）に示す。
振動体および電極は基板１０上に形成される。例えば基板１０は表面に熱酸化によるシリコン酸化膜および減圧ＣＶＤ法によるシリコン窒化膜が堆積された高抵抗シリコン基板である。
はじめに、基板１０にフォトレジストからなる犠牲層をスピンコート、露光、現像したのち、ホットプレートでベークを行い、犠牲層１１を形成する（図１８（ａ））。
次に、基板全面にアルミニウム１２をスパッタにより堆積する（図１８（ｂ））。
次に、アルミニウム上にフォトレジストを形成し、フォトリソグラフィによりパターニングを行い、前記フォトレジストからなるパターンをマスクとしてアルミニウムのドライエッチングを行うことで、振動体１３および電極１４を形成する（図１８（ｃ））。このとき、電極１４が振動体１３に対向する面の形状は（数４）で表現される曲線とする。これはフォトリソグラフィに用いるマスク上のパターンを（数４）で表現される曲線とすることで実現される。
さらに、酸素プラズマによりフォトレジストからなるパターンならびに犠牲層１１を除去する。これにより振動体１３は振動が可能な両持ち梁となり、また電極１４との間でコンデンサを形成する（図１８（ｄ））。振動体１３の振動は振動体１３と電極１４の間の静電力により発生させることができる。この場合、振動体１３の振動方向は基板に対して水平方向となる。
なお、本実施の形態では高抵抗シリコン基板を用いたが、通常のシリコン基板、化合物半導体基板、絶縁材料基板を用いても良い。
また、高抵抗シリコン基板１０上に絶縁膜としてシリコン酸化膜およびシリコン窒化膜を形成したが、基板の抵抗が十分高い場合これら絶縁性膜の形成を省略しても良い。
また、本実施の形態では振動体および電極を形成する材料としてアルミニウムを用いたが、他の金属材料Ｍｏ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｃｕ、ならびに高濃度に不純物導入された半導体材料例えばアモルファスシリコン、導電性を有する高分子材料などを用いても良い。さらに、成膜方法としてスパッタを用いたがＣＶＤ法、メッキ法などを用いて形成しても良い。
なお、本実施の形態における振動体は両持ち梁としたが、片持ち梁についても電極の表面形状を片持ち梁のモード形状と同じにすることにより、同様に｜ΔＣ／Δｙ｜を大きくする効果を得ることができる。
次に、振動体を片持ち梁とした場合の機械共振器について説明する。
図１９は振動体を片持ち梁とした場合の機械共振器の概要図である。振動体２１は片方の単面を固定された片持ち梁であり、厚みｈ、幅Ｗ、長さＬである。電極２２は振動体２１に近接して設けられており、表面に厚さｄの絶縁層２３が設けられている。片持ち梁を
１次の共振モードで励振する場合、電極２２の表面形状は次式のように設定する。
１次の共振モードで励振する場合、電極２２の表面形状は次式のように設定する。
なお、本発明の実施の形態における両持ち梁または片持ち梁の振動モードは横振動の１次モードとしたが、２次以上の高次のモードに対しても電極の表面形状を振動体の共振モード波形とすることで｜ΔＣ／Δｙ｜を大きくする効果を得ることができる。
図２０（ａ）のｘｙ平面上に描かれた実線の曲線は、片持ち梁の横振動２次モード波形をあらわしている。すなわち、長さLの片持ち梁は固定端から０．７７４Lの箇所に１つの節を持つ。このとき、長さLの全長にわたって電極の表面形状を共振モードでの波形とすると、節から自由端部の梁の共振が電極により阻害されてしまうので、図２０（ｂ）に示すように電極を固定端から節までの長さにとどめている。
また、この他に図２０（ｃ）のように電極を節から自由端までの長さの位置に配しても同様の効果が得られる。あるいは、図２０（ｄ）のように、図２０（ｂ）や、図２０（ｃ）の電極２２をそれぞれ振動体をはさんで配置し、例えば、電極２２ａは振動体２１の励振用に、電極２２ｂは振動体２１の振動の検出用に用いることもできる。
以上のように本実施の形態によれば、電極表面形状を振動体の共振モードでの形状とすることで、共振振動を行う振動体の単位変位量あたりの容量変化が最大になるので、電気信号を効率よく機械振動に変換したり、機械振動を効率よく電気信号に変換したりすることができる。なお、電極表面形状は振動体の共振モードの形状と完全に一致することは必須ではなく、その形状に近いほど効果が高く得られる。
また、上記したように片持ち梁に励振用と検出用の電極を取り付けることにより、変換効率の優れた、小型化した機械振動フィルタを実現できる。
（実施の形態２）
図６は図１の構造の機械共振器を機械→電気変換器に利用した例である。
図６は図１の構造の機械共振器を機械→電気変換器に利用した例である。
図６において、ｙ軸方向に横振動を行う振動体１の変位は電極２との間の容量Ｃの変化として検出される。流れる電流ｉは、次式のようになり、振動速度とΔＣ/Δｙの積であらわされる。
ΔＣ/Δｙがほぼ一定値とみなせる変位領域を用いると、梁の変位信号は電流信号を積分器６０１に通すことで再生され、このとき｜ΔＣ/Δｙ｜が大きいほど大きな電流信号
が得られる。図２と同様にｄ＝０．１μｍ、εｒ＝１、δｍａｘ＝１μｍ、Ｌ＝４０μｍ、Ｗ＝２０μｍとすると、図４ですでに示したとおり本発明の構造を採用した方が図３に示した従来の平行平板構造よりも大きな｜ΔＣ/Δｙ｜が得られる。これより、本実施の形態の機械→電気変換器は微弱な振動を効率よく電気信号に変換することができる。
が得られる。図２と同様にｄ＝０．１μｍ、εｒ＝１、δｍａｘ＝１μｍ、Ｌ＝４０μｍ、Ｗ＝２０μｍとすると、図４ですでに示したとおり本発明の構造を採用した方が図３に示した従来の平行平板構造よりも大きな｜ΔＣ/Δｙ｜が得られる。これより、本実施の形態の機械→電気変換器は微弱な振動を効率よく電気信号に変換することができる。
（実施の形態３）
図７は本実施の形態に係る機械共振器を用いた機械振動フィルタの構造図である。
図７は本実施の形態に係る機械共振器を用いた機械振動フィルタの構造図である。
図７において、機械振動フィルタは図２２に示したフィルタ構造の電気→機械変換部である入力線路１０４と両持ち梁１０１との容量結合部分、および機械→電気変換部である出力線路１０５と両持ち梁１０２との容量結合部分の双方に、本発明の実施の形態１および２として図１に示した共振モードでの形状を有する電極を適用している。さらに、この機械振動フィルタは一組の電気→機械変換部および機械→電気変換部からなるフィルタを、複数個並列に配置し、入力電圧を分岐して各フィルタに入力し、かつ、各フィルタの出力電流信号をまとめて取り出した構造をしている。このように適宜フィルタの個数を調整することにより、特に高周波回路で問題となるインピーダンス不整合による反射信号を減少させ、効率よく電気信号を機械振動に変換し、かつ機械振動を再び電気信号として取り出すことができる。
次に複数のフィルタを直列に配した例を示す。
図８は梁構造の上面図であり、梁側面ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２、ｃ１、ｃ２部の６箇所が固定面として固定された構造である。この構成により長さＬ、幅Ｗの２つの両持ち梁を直列に構成したこととほぼ等価となる。これはどちらか一方の両持ち梁の振動が固定面ｂ１、ｂ２の間を介して他方の両持ち梁に伝わるからであり、この固定面ｂ１、ｂ２の間が結合梁の役割を果たしている。
図９は上記の梁構造の機械共振器を用いた機械振動フィルタの構造図である。
図９において、図８に示した梁構造の一方の両持ち梁１０１と、図１に示した本発明の電極構造を有する入力線路１０４とは容量結合し、もう一方の両持ち梁１０２と図１の電極構造を有する出力線路１０５とは容量結合している。また、さらにこの梁構造をした機械振動フィルタはフィルタを複数個直列に配した構造となる。このように、図８の梁構造をとることで容易に直列接続によるインピーダンス整合をとることができる。またさらに、図１８の結合梁１０３のような極細の衝撃に弱い構造体を設ける必要がないので、強度も高まり、製作にかかる歩留まりも改善される。
（実施の形態４）
図１０は、電気→機械変換器と機械→電気変換器とを個別に有する図１８のフィルタ構造とは異なり、１つの振動体で両方の機能を実現させる機械共振器構造を有する機械振動フィルタである。具体的には、本実施の形態は実施の形態１の図２に示した電気→機械変換器と、実施の形態２の図６に示した機械→電気変換器との双方に共通する構造を共有している。この構造は構成が簡易であることを特長とするが、入力信号ｖｉにより励振された振動体１の変位に伴う容量変化に起因して発生する交流電流以外にも、定常的なコンデンサ容量を介して漏洩する不要交流電流が発生する。すなわち、図４において交流動作点を例えばｙ＝０とした場合、ｙ＝０における容量が大きいと、励振に起因しない不要交流電流も流れてしまい、フィルタの機能は低下する。従って、｜ΔＣ/Δｙ｜は大きいことが望ましいことは実施の形態１、２で述べてきた通りであるが、可能な限りＣの値は低減する必要がある。
図１０は、電気→機械変換器と機械→電気変換器とを個別に有する図１８のフィルタ構造とは異なり、１つの振動体で両方の機能を実現させる機械共振器構造を有する機械振動フィルタである。具体的には、本実施の形態は実施の形態１の図２に示した電気→機械変換器と、実施の形態２の図６に示した機械→電気変換器との双方に共通する構造を共有している。この構造は構成が簡易であることを特長とするが、入力信号ｖｉにより励振された振動体１の変位に伴う容量変化に起因して発生する交流電流以外にも、定常的なコンデンサ容量を介して漏洩する不要交流電流が発生する。すなわち、図４において交流動作点を例えばｙ＝０とした場合、ｙ＝０における容量が大きいと、励振に起因しない不要交流電流も流れてしまい、フィルタの機能は低下する。従って、｜ΔＣ/Δｙ｜は大きいことが望ましいことは実施の形態１、２で述べてきた通りであるが、可能な限りＣの値は低減する必要がある。
そこで本実施の形態では図１１（ａ）に示すように、機械共振器は振動体１に対向する電極２も振動体１と同じ共振周波数の共振モードで振動する構造体とし、モード定在波波長の１／２だけ相対位置をずらして配している。ここでは一次共振モードを使うので梁の長さＬの１／２だけ電極２をｘ方向にずらしている。
この機械共振器は実施の形態３に示した並列構造をした機械振動フィルタであり、図１１（ａ）にはｘ方向への繰り返し構造の一部分のみが図示されている。また、振動体１と電極２の振動の状態を図１１（ｂ）に示す。ここで、図４の４０３に振動変位ｙと長さＬあたりのコンデンサ容量Ｃとの関係を示す。図１１（ａ）の状態、すなわち振動変位ｙ＝０のときには、容量Ｃは図３の平行平板構造と同じ程度に小さな値をとることができる。また、共振状態を示す図１１（ｂ）では容量はきわめて近接する導電体間の容量、すなわち本発明の実施の形態１および実施の形態２で述べた図２、および図６の構造における容量まで近づく。その結果、ｙ＝０において｜ΔＣ/Δｙ｜＝６．３×１０-9［Ｆ／ｍ］となり、図３に示した従来の平行平板構造の値よりも大きく、図２や、図６の構造の値に近づく。従って、図１１の構造を図１０の機械振動フィルタに適用することで不要な交流電流が低減され、かつ｜ΔＣ/Δｙ｜の値の大きい高効率のフィルタを構成することができる。
図５の５０３はδｍａｘ＝０．３μｍとした場合のｙ−Ｃ特性である。図５において、ｙ＝０のときの図１１の構造を有する機械共振器の静電容量Ｃは図３に示した従来の平行平板構造なみに小さく、一方で、｜ΔＣ/Δｙ｜は図２、図６の構造と同等にまで大きくすることができることが示されている。
これらにより、本実施の形態に係る機械共振器は、簡単な構成で、振動体の変位が小さいときの静電容量を小さくし、振動体が共振モードで変位が大きいときの静電容量を大きくすることができる。そのため、不要な交流電流が低減され、かつ電気信号を効率よく機械振動に変換したり、機械振動を効率よく電気信号に変換したりすることができる。また、この機械共振器を用いた機械振動フィルタは、両持ち梁に励振用と検出用の電極を取り付けることにより、変換効率の優れた、小型化した機械振動フィルタを実現できる。
図２１（ａ）乃至（ｄ）は、図１１に示した、本実施の形態に係る機械共振器の製作工程を示す図である。
図２１（ａ）乃至（ｄ）において、振動体は基板１０上に形成される。例えば基板１０は表面に熱酸化によるシリコン酸化膜、および減圧ＣＶＤ法によるシリコン窒化膜が堆積された高抵抗シリコン基板である。
初めに、基板１０にフォトレジストからなる層をスピンコート、露光、現像したのち、ホットプレートでベークを行い、犠牲層１１を形成する（図２１（ａ））。このとき、犠牲層１１には一定ピッチでならんだ微細穴１５ａ、および１５ｂを形成する。微細穴１５ａ、１５ｂは図示したように互いに１／２ピッチずれた位置に形成する。
次に、基板全面にアルミニウム１２をスパッタにより堆積する（図２１（ｂ））。このとき、微細穴１５にもアルミニウム１２が埋め込まれる。
次に、アルミニウム上にフォトレジストを形成し、フォトリソグラフィによりパターニングを行う。そして、前記フォトレジストからなるパターンをマスクとして、アルミニウムのドライエッチングを行うことより、振動体１３ａおよび振動体１３ｂを形成する（図２１（ｃ））。このとき、振動体１３ａは微細穴１５ａ上に、振動体１３ｂは微細穴１５ｂ上に形成する。
さらに、酸素プラズマにより、フォトレジストからなるパターンならびに犠牲層１１を除去する。これにより、振動体１３は振動が可能な梁となる。また、振動体１３は微細穴１５に埋め込まれたアルミニウムによるアンカー１６により基板１０上に固定されるので、アンカー１６を固定端とした両持ち梁が連続して構成されることになる。これにより、図１１の機械共振器構造を実現することができる。ただし、この場合、振動体１３の振動方向は基板に対して水平方向となる。
なお、本実施の形態では高抵抗シリコン基板を用いたが、通常のシリコン基板や、化合物半導体基板や、絶縁材料基板を用いても良い。
また、高抵抗シリコン基板１０上に絶縁膜としてシリコン酸化膜およびシリコン窒化膜を形成したが、基板の抵抗が十分高い場合、これら絶縁性膜の形成を省略しても良い。
また、高抵抗シリコン基板１０上に絶縁膜としてシリコン酸化膜およびシリコン窒化膜を形成したが、基板の抵抗が十分高い場合、これら絶縁性膜の形成を省略しても良い。
なお、本実施の形態では、梁を形成する材料としてアルミニウムを用いたが、他の金属材料Ｍｏ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｃｕ、ならびに高濃度に不純物導入された半導体材料、例えばアモルファスシリコン、導電性を有する高分子材料などを用いても良い。さらに成膜方法としてスパッタを用いたが、ＣＶＤ法、メッキ法などを用いて形成しても良い。
（実施の形態５）
本実施の形態は、実施の形態４と同じ目的で、不要に発生する交流電流を抑制するために機械共振器のコンデンサ容量の低減を図る方法に関する。図１２は本実施の形態に係る機械共振器の構造図である。
本実施の形態は、実施の形態４と同じ目的で、不要に発生する交流電流を抑制するために機械共振器のコンデンサ容量の低減を図る方法に関する。図１２は本実施の形態に係る機械共振器の構造図である。
図１２において、電極２の両端からΔＬの長さ分１２１の導電体を絶縁体に置き換えた点が図１の構造と異なる。
図１３は、ΔＬ／Ｌをパラメータとした場合の振動変位ｙと静電容量Ｃとの関係をあらわした特性図である。ただし、ｄ＝０．１μｍ、εｒ＝１、δｍａｘ＝１μｍ、Ｌ＝４０μｍ、Ｗ＝２０μｍとした。
電極の両端の絶縁部を多くするほど、すなわち、ΔＬ／Ｌをを大きくするほど、静電容量Ｃを低減することができる。ただし、このとき｜ΔＣ/Δｙ｜も低下し、同図に参照として示した図３に示した従来の平行平板構造の｜ΔＣ/Δｙ｜の値まで次第に近づいてくる。静電容量Ｃの低減と｜ΔＣ/Δｙ｜の増加はトレードオフの関係にあり、その中で使用条件に合わせて最適なｙ−Ｃ特性を選択することができる。
以上のような、電極の両端を絶縁体に置き換えることで得られた効果を換言すると、従来の平行平板型の構造にした場合よりも、｜ΔＣ／Δｙ｜を大きくするためには、必ずしも全長Ｌにわたって表面形状が共振モードでの波形状である電極を配する必要はなく、全長のうちの一部が共振モードでの波形状であっても同様の効果が得られると言える。
また、これらにより、本実施の形態に係る機械共振器は、簡単な構造で、振動体の変位が小さいときの静電容量を小さくし、振動体が共振モードで変位が大きいときの静電容量を大きくすることができるので、不要な交流電流が低減され、かつ電気信号を効率よく機械振動に変換したり、機械振動を効率よく電気信号に変換したりすることができる。
（実施の形態６）
本実施の形態は、振動体の振動変位ｙと静電容量Ｃの関係の非線形性を改善する方法に関する。すなわち、図４に示したｙとＣの関係を見ると、図３に示した従来の平行平板構造に比べて、図２や図６の共振モードでの波形状を有する電極を用いることで、機械・電
気変換効率の指標である｜ΔＣ/Δｙ｜は改善されたが、振動体のマイナス側変位、すなわち振動体が電極側に近接したときの非線形性が顕著になる。従って（数５）、（数６）の中でΔＣ/Δｙを定数と考えることが難しくなり、電圧と力、変位と電流間の関係は非線形の複雑な挙動をとる。
本実施の形態は、振動体の振動変位ｙと静電容量Ｃの関係の非線形性を改善する方法に関する。すなわち、図４に示したｙとＣの関係を見ると、図３に示した従来の平行平板構造に比べて、図２や図６の共振モードでの波形状を有する電極を用いることで、機械・電
気変換効率の指標である｜ΔＣ/Δｙ｜は改善されたが、振動体のマイナス側変位、すなわち振動体が電極側に近接したときの非線形性が顕著になる。従って（数５）、（数６）の中でΔＣ/Δｙを定数と考えることが難しくなり、電圧と力、変位と電流間の関係は非線形の複雑な挙動をとる。
図１４は本実施の形態に係る機械共振器の構造図である。図１４において、電極２の中心部からｘ方向の両側にΔＬの長さ分の導電体を絶縁体に置き換えた点が図１の構造と異なる。
図１５は、ΔＬ／Ｌをパラメータとした場合の振動変位ｙと静電容量Ｃとの関係をあらわした特性図である。ただし、ｄ＝０．１μｍ、εｒ＝１、δｍａｘ＝１μｍ、Ｌ＝４０μｍ、Ｗ＝２０μｍとした。
電極の中心からΔＬの絶縁体の部分１４１を多くするほど、すなわち、ΔＬ／Ｌを大きくするほど、振動体１が電極２に近づいたときの非線形性を抑制することができる。ただし、このとき｜ΔＣ/Δｙ｜は低下するため、両者のトレードオフで、使用条件に合わせた最適なｙ−Ｃ特性を得ることができる。
以上のような、電極中心部を絶縁体に置き換えることで得られた効果を換言すると、従来の平行平板型の構造にした場合よりも、｜ΔＣ／Δｙ｜を大きくするためには、必ずしも全長Ｌにわたって表面形状が共振モードでの波形状である電極を配する必要はなく、全長のうちの一部が共振モードでの波形状であっても同様の効果が得られると言える。
また、これらにより、本実施の形態に係る機械共振器は、簡単な構造で、振動体の変位が小さいときの静電容量を小さくし、振動体が共振モードで変位が大きいときの静電容量を大きくすることができるので、不要な交流電流が低減され、かつ電気信号を効率よく機械振動に変換したり、機械振動を効率よく電気信号に変換したりすることができる。さらに、本実施の形態に係る機械共振器は電圧と力、変位と電流間の関係がより線形に近づき、制御しやすくすることができる。
（実施の形態７）
本実施の形態は、電極表面形状を共振モードでの波形とすることにより、入力電圧が低電圧でも振動体の大きな振幅が得られることを利用したスイッチ構造に関する。
本実施の形態は、電極表面形状を共振モードでの波形とすることにより、入力電圧が低電圧でも振動体の大きな振幅が得られることを利用したスイッチ構造に関する。
図１６は本実施の形態に係るスイッチの構造図である。
図１６において、電極２の中心部付近の絶縁層３ａ中に第１接点電極として接点４ａを形成し、その表面を絶縁層３ａ上に露出させている。また、振動体１の下面中央部にも絶縁層３ｂを介し第２接点電極として接点４ｂを形成し、振動体１と電極２の間に直流バイアス電圧Ｖｂと交流電圧ｖｉを印加している。これら接点４ａ、４ｂを有している点が、実施の形態６に係る機械共振器の構造と異なる。
通常のスイッチは、交流電圧ｖｉを用いずに直流電圧Ｖｂのみを印加して振動体１に静電力を加える。Ｖｂがプルイン電圧を越えるともはや振動体１のバネ復元力よりも静電力が勝って急激に振動体１は電極方向に吸い寄せられ、接点４ａ、４ｂが閉じる。しかしプルイン電圧は通常でも数十〜数百ボルトの高電圧となるため、高圧発生回路が必要となる。
これに対し、本実施の形態に係るスイッチでは、振動体１の共振周波数と同じ周波数の交流電圧ｖｉで振動体１を励振する。このときの振動体の振動変位量は、同等の静的な静
電力を加えた場合のＱ値倍にも及ぶため、振動体１は容易に絶縁層３ａ近傍まで到達し、その後はバイアス電圧Ｖｂにより振動体１は電極２へ静電吸着される。なお、本実施の形態では、Ｑ値をあげる目的で、ケース内に収納して雰囲気を真空に封止し、空気の粘性による振動体への減衰効果を極力排除した。
電力を加えた場合のＱ値倍にも及ぶため、振動体１は容易に絶縁層３ａ近傍まで到達し、その後はバイアス電圧Ｖｂにより振動体１は電極２へ静電吸着される。なお、本実施の形態では、Ｑ値をあげる目的で、ケース内に収納して雰囲気を真空に封止し、空気の粘性による振動体への減衰効果を極力排除した。
以上のように、本発明に係る構造にすることにより、電気信号から機械信号への変換効率が向上し、大きな共振振動が得られるので、共振状態の振動体を電極へ接触させ、静電力で保持するスイッチ機構を実現できる。
（実施の形態８）
図１７は、本発明に係るスイッチの電極２上の絶縁層３の詳細図であり、粒径１μｍのフッ素樹脂粒子５を無電解メッキ膜６とともに単層で電極上に形成させた状態を示している。このように粒径の揃った樹脂粒子を単層で形成することにより、絶縁層厚を一定に保ち、かつフッ素樹脂の潤滑性により振動体がフッ素樹脂粒子５に接触してもｓｔｉｃｔｉｏｎと呼ばれる制御不能な吸着力を減少させることができる。
図１７は、本発明に係るスイッチの電極２上の絶縁層３の詳細図であり、粒径１μｍのフッ素樹脂粒子５を無電解メッキ膜６とともに単層で電極上に形成させた状態を示している。このように粒径の揃った樹脂粒子を単層で形成することにより、絶縁層厚を一定に保ち、かつフッ素樹脂の潤滑性により振動体がフッ素樹脂粒子５に接触してもｓｔｉｃｔｉｏｎと呼ばれる制御不能な吸着力を減少させることができる。
以上のように本発明は、機械共振器を用いた機械振動フィルタやスイッチに有用であり、装置の小型化や高性能化に適している。
１ 両持ち梁型振動体
２ 電極
３、３ａ、３ｂ 絶縁層
４ａ、４ｂ 接点
５ フッ素樹脂粒子
６ 無電解メッキ膜
７ 固定端
１０ 基板
１１ 犠牲層
１２ アルミニウム
１３、１３ａ、１３ｂ 振動体
１４ 電極
２１ 片持ち梁型振動体
２２、２２ａ、２２ｂ 電極
２３ 絶縁層
１５ 微細穴
１６ アンカー
１０１、１０２ 両持ち梁型振動体
１０３ 結合梁
１０４ 入力線路
１０５ 出力線路
１２１ 電極の両端からΔＬの長さ部分
１４１ 電極の中心からΔＬの絶縁体の部分
２ 電極
３、３ａ、３ｂ 絶縁層
４ａ、４ｂ 接点
５ フッ素樹脂粒子
６ 無電解メッキ膜
７ 固定端
１０ 基板
１１ 犠牲層
１２ アルミニウム
１３、１３ａ、１３ｂ 振動体
１４ 電極
２１ 片持ち梁型振動体
２２、２２ａ、２２ｂ 電極
２３ 絶縁層
１５ 微細穴
１６ アンカー
１０１、１０２ 両持ち梁型振動体
１０３ 結合梁
１０４ 入力線路
１０５ 出力線路
１２１ 電極の両端からΔＬの長さ部分
１４１ 電極の中心からΔＬの絶縁体の部分
Claims (18)
- 機械的共振振動を行う振動体と、
前記振動体が共振振動時に近接し、かつ前記共振振動の振幅方向に湾曲して配置された電極と、
を有する機械共振器。 - 前記湾曲した電極の表面形状と、前記振動体が共振モードで変形したときの形状とが同一であることを特徴とする請求項１に記載の機械共振器。
- 前記振動体と対向する前記電極の表面積は前記振動体の表面積よりも小さいことを特徴とする請求項１あるいは２に記載の機械共振器。
- 共振時に振幅が最大になる前記振動体の部分およびその近傍と対向する位置には前記電極を配しないことを特徴とする請求項３に記載の機械共振器。
- 前記振動体の端部に対向する位置には前記電極を配しないことを特徴とする請求項３に記載の機械共振器。
- 機械的共振振動を行う振動体と、
前記振動体と近接し、同じ共振周波数の共振モードで振動する電極と、
を有する機械共振器。 - 前記振動体と前記電極とに接続され、それらの間に静電界を発生する
バイアス電源をさらに有し、
前記振動体と前記電極との間に共振周波数の電圧変化を受けたときに、前記振動体が共振振動する請求項１乃至６のいずれかに記載の機械共振器。 - 前記電極と前記振動体との間の電圧変化から信号を検出する検出部をさらに有し、
前記振動体が振動したときの前記振動体と前記電極との間の静電容量変化により、前記検出部が振動から電気信号に変換された信号を検出することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の機械共振器。 - 前記電極と前記振動体の対向面の少なくとも一方に絶縁層を設けたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の機械共振器。
- 前記絶縁層は、絶縁性及び潤滑性を有する高分子粒子であることを特徴とする請求項９記載の機械共振器。
- 前記電極と対向する前記振動体の表面に前記振動体から絶縁して配置された第１接点電極と、
前記第１接点電極と嵌合するように前記電極から絶縁して配置された第２電極と、
をさらに有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の機械共振器。 - 前記振動体と前記電極とに接続され、それらの間に静電界を発生するバイアス電源をさらに有し、
前記振動体と前記電極との間に電圧変化を受けたとき、前記振動体が共振振動し、前記第１接点電極が前記第２接点電極に接近した時点で前記バイアス電源の電圧により静電吸着することを特徴とする請求項１１に記載の機械共振器。 - 請求項７あるいは８に記載の機械共振器を、複数個、電気的に並列に配置したことを特徴とする機械共振器。
- 請求項７あるいは８に記載の機械共振器を、複数個、電気的に直列に配置したことを特徴とする機械共振器。
- 請求項１乃至１４のいずれかに記載の機械共振器を、雰囲気を真空に封止したケース内に収納したことを特徴とする機械共振器。
- 請求項１乃至１０のいずれかに記載の機械共振器を用いたことを特徴とするフィルタ。
- 請求項１１あるいは１２に記載の機械共振器を用いたことを特徴とするスイッチ。
- 請求項１乃至１５のいずれかに記載の機械共振器を用いた電気回路。
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