JP2004507921A - マイクロメカニカル共振装置及びそれを使用するマイクロメカニカル装置 - Google Patents
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Abstract
半径方向又は横方向に振動するディスク構造体をベースとしそしてＧＨｚレンジを充分に越える周波数で振動できるマイクロメカニカル共振器及びそれを使用したマイクロメカニカル装置を開示する。ディスクの中心は、節点であり、従って、ディスク型共振器がその中心で支持されたときは、基体へのアンカー消散が最小にされ、この設計は、高い周波数で高いＱを保持することができる。更に、この設計は、高い周波数において高いスチフネスを保持し、従って、ダイナミックレンジを最大にする。更に、このディスク型共振器の側壁表面積は、従来の撓みモード共振器設計で得られるものよりしばしば大きく、このディスク設計は、所与の周波数において容量性（又は静電気）変換を使用するときはその対応部分より小さな直列運動抵抗を達成することができる。この設計では、容量性検出が必要とされず、そして圧電、磁気歪等の検出も可能である。この共振器で達成できる周波数及びダイナミックレンジは、種々様々な通信システムにおける高ＱのＲＦフィルタ及び発振器用途に共振器を適用できるようにする。又、そのサイズにより、共振器は、ポータブル、ワイヤレス用途に特に適したものとなり、そしてこの共振器は、もし多数が使用された場合には、消費電力を著しく下げ、頑丈さを高め、そして高性能ワイヤレストランシーバの適用範囲を拡張する。
Description
【０００１】
【連邦後援調査又は開発に関するステートメント】
本発明は、ＤＡＲＰＡ契約第Ｆ３０６０２−９７−２−０１０１号のもとでの政府支援によりなされたものである。政府は、本発明において幾つかの権利を有する。
【技術分野】
本発明は、マイクロメカニカル共振装置及びそれを使用するマイクロメカニカル装置に係る。
【０００２】
【背景技術】
振動するメカニカルタンク部品、例えば、結晶やＳＡＷ共振器は、クオリティファクタが高く（数万程度のＱ）そして熱変動やエージングに対して著しく安定しているので、通信サブシステムにおいて周波数を選択するのに広く使用されている。より詳細には、ヘテロダイン通信トランシーバの大部分は、それらのＲＦ及びＩＦフィルタ段において充分な周波数選択を達成しそしてそれらの局部発振器において必要な低位相ノイズ及び安定性を実現するために、高ＱのＳＡＷ及びバルク音響メカニカル共振器に大きく依存している。更に、前端のセンス増幅器及び電力増幅器を適切に同調して接続すると共に、広範囲に同調可能な電圧制御型発振器を実施するために、個別インダクタ及び可変キャパシタが使用されている。現在、上述した共振器や個別素子は、オフチップ部品であり、従って、ボードレベルで集積電子回路とインターフェイスしなければならず、全サブシステム面積の相当の部分をしばしば消費する。この点について、これらの装置は、ワイヤレストランシーバの最終的な小型化及び携帯性に対して重大なボトルネックを課する。このため、多くの調査研究は、これら部品を小型化するか又はその必要性を完全に排除する戦略に焦点を合わせている。
【０００３】
面積寸法が３０μｍｘ２０μｍ程度のマイクロスケールの高Ｑ発振器及びメカニカルバンドパスフィルタの最近のデモンストレーションは、上記戦略を現実に近いものとした初めてのものである。このような装置は、ＩＣ適合の表面マイクロ加工製造技術を使用して多結晶シリコンで作られた高Ｑオンチップマイクロメカニカル（「μメカニカル」と省略される）共振器であって、真空のもとで８００００以上のＱと、−１０ｐｐｍ／℃のレンジ（ナル技術では数分の１）の中心周波数温度係数とを有する共振器を使用している。今日、自由に支持された振動するプリズム式ビームをベースとする共振器は、９２ＭＨｚまでの周波数を達成している。しかしながら、多くのポータブル通信機器に使用するためには、もっと高い周波数を達成しなければならず、従って、この技術の成功が重要となっている。
【０００４】
トランジスタの場合と同様に、一般的に、μメカニカル共振器の周波数を延ばすと、共振器の寸法の拡張を伴う。クランプ−クランプ境界条件での以前のＶＨＦデモンストレーションの幾つかは、Ｑを制限するアンカーロスを回避するためにサブミクロン寸法を実際に使用していた、不都合なことに、小さなサイズは、小さな電力の取り扱いにしばしば一致し、そして汚染や熱的変動等の環境作用に対する感受性を高める。最近デモンストレーションされた自由−自由ビームのμメカニカル共振器は、米国特許第６，２４９，０７３号に開示されたように、サブミクロン寸法を回避しながら、約８０００のＱで９２ＭＨｚまでの周波数を達成することができるが、それらがＵＨＦ周波数においてそのサイズ及びＱを維持できるかどうかはまだ分からない。
【０００５】
【発明の開示】
本発明の目的は、マイクロメカニカルディスク型共振器及びそれを使用したマイクロメカニカル装置を提供することである。
本発明の上記目的及び他の目的の達成において、少なくとも１つのモード形状を有するマイクロメカニカル共振装置が提供される。この装置は、基体と、該基体上に配置されそして少なくとも１つの節点を有するディスク形状の共振器とを備えている。
【０００６】
上記装置は、基体上の少なくとも１つの節点に共振器を支持するように基体に固定された支持構造体を備えている。上記共振器及び支持構造体の両方は、共振器がその振動中に実質的に分離されるような大きさにされ且つそのように互いに配置される。上記基体へのエネルギーロスは実質的に排除され、そして上記共振装置は、高Ｑの共振装置である。
上記少なくとも１つのモード形状は、半径方向輪郭のモード形状及び／又は撓みモード形状を含む。
【０００７】
上記装置は、好ましくは、共振器が少なくとも１つのモード形状で駆動されるように共振器の静電励起を許す位置において上記基体上に形成された駆動電極構造体を更に備え、そして上記共振器及び駆動電極構造体は、それらの間に容量性ギャップを画成する。
上記駆動電極構造体は、共振器の周囲に配置され、そして上記少なくとも１つのモード形状は、半径方向輪郭モード形状を含む。
上記容量性ギャップは、サブミクロンの横方向容量性ギャップであるのが好ましい。
上記駆動電極構造体は、複数の分割電極を含む。
【０００８】
上記装置は、共振器の静電励起を許すだけでなく、共振器の運動に基づく出力電流を感知するための単一電極を有する。従って、上記装置は、２つの端子を有し、その一方は、電極上にあり、もう一方は、共振器上にあり、そしてその両方は、駆動及び感知に使用される。
上記少なくとも１つの節点は、共振器の中心に対応し、そして上記支持構造体は、共振器の中心に配置された単一アンカーである。
上記装置は、更に、共振器の運動に基づく出力電流を感知するための位置において基体上に形成された感知電極構造体を備えている。
【０００９】
上記駆動電極構造体は、複数の別々の入力駆動電極を含み、そして上記感知電極構造体は、複数の別々の出力感知電極を含む。
上記駆動電極構造体は、共振器の下に配置され、そして上記少なくとも１つのモード形状は、撓みモード形状を含む。
上記装置は、ダイヤモンドをベースとするか、又はシリコンをベースとする。
【００１０】
更に、本発明の上記目的及び他の目的の達成において、マイクロメカニカル装置が提供される。この装置は、基体と、この基体上に配置されそして少なくとも１つの節点を有するディスク形状の入力共振器と、上記基体上に配置され、上記入力共振器に接続されそして少なくとも１つの節点を有するディスク形状の出力共振器とを備えている。
【００１１】
又、上記装置は、入力及び出力共振器を基体上でそれらの各節点に支持するように基体に固定された支持構造体も含む。
上記マイクロメカニカル装置は、バンドパスフィルタ又は一体化可能なフィルタのようなフィルタである。
上記共振器は、機械的に一緒に接続されるか又は電気的に一緒に接続される。
上記装置は、更に、共振器を一緒に機械的に結合するための結合スプリングを備えている。この結合スプリングは、拡張モードスプリングである。更に、このスプリングは、撓みモードでもよいし、或いは２つの異なる形式のモード（例えば、撓み又はねじれ）を組み合わせてもよい。
【００１２】
上記装置は、更に、入力共振器の静電励起を許す位置において基体上に形成された駆動電極構造体と、出力共振器の運動に基づく出力電流を感知するための位置において基体上に形成された感知電極構造体とを備えている。
ここに開示するマイクロメカニカルディスク型共振器は、マイクロメカニカル装置の周波数をＧＨｚレンジへと良好に拡張する潜在性を有し、ＲＦ前端からＩＦフィルタリング及びミクシングまでのワイヤレスシステム（セルラー電話を含む）の全段においてそれらを役立つようにすると共に、完全に一体化された単一チップトランシーバを形成できるようにする。
【００１３】
本発明のディスク型共振器は、従来のＨＦ設計に使用された自由支持及びクランプ−クランプ固定ビームに勝る効果を有し、即ち少数のモード形状を使用してＵＨＦ周波数に到達する能力を含み、典型的に、Ｑの改善を招くという効果を有する。更に、所与の周波数においてそれらのサイズが大きいことは、その電力取り扱い容量を改善し、動的レンジが重要なパラメータであるＲＦ前端に対してそれらをより適したものにする。又、このサイズは、大きな電気機械的結合面積も招き、静電駆動装置の直列抵抗を改善する。又、この大きなサイズは、これらの装置を容易に繰り返し製造できるようにする（即ち繰り返し可能な周波数等で）。又、大きなサイズは、ディスク型共振器が、汚染や熱的変動のような「スケーリングで誘起」される劣化メカニズムの影響をあまり受けないようにする。
【００１４】
この作用は、マイクロメカニカルディスク構造体の半径方向輪郭モード又は面積膨張に基づく別の、おそらくより優れた設計であって、比較的大きな寸法を維持しながら非常に高い周波数を達成できる設計をもたらす。このディスク設計を使用すると、９４００を越えるＱと、従来の自由−自由ビーム共振器で単に９２ＭＨｚを得るのに必要であった１１．３μｍより実質的に大きい３４μｍの直径で、１５６ＭＨｚの周波数が達成された。
【００１５】
【発明を実施するための最良の形態】
本発明の上記目的、他の目的、特徴及び効果は、本発明を実施するための最良の態様について添付図面を参照して以下に述べた詳細な説明から容易に明らかとなろう。
図１ａ及び１ｂは、本発明のマイクロメカニカル共振装置の好ましい実施形態を１０で一般的に示している。図１ａの斜視図は、好ましい実施形態の主要な特徴を示している。共振装置１０は、グランドプレーン１４の上に支持されたディスク１２を備え、このディスクは、その中心１８における単一のアンカーポスト１６により支持される。２０で一般的に示された駆動電極構造体は、ディスク１２の周囲を取り巻き、それらは、狭いエアギャップ２２で分離される。電極構造体２０は、２つの入力電極２１を形成するように半分に分割され、グランドプレーン１４へのルートを許すと共に対称性を維持する。この構成においては、共振器のディスク１２は、共振時にその半径に沿って膨張及び収縮して、純粋な半径方向モードで運動し、理想的には、分離及び不活性化層２３及び２５を有する基体２４に垂直な運動や、アンカー点即ち中心１８の回りでの回転を伴わないように設計される。このモードでは、ディスク１２の中心１８が節点であり、理想的には、共振時に全く運動がない。この設計の非常に重要な部分である自然の節に固定することは、基体１２へのアンカー消散を最小にし、Ｑを著しく高める。
【００１６】
しかしながら、ディスクは、基体の上に電気的又は磁気的に浮揚することもでき、この場合は、物理的又は機械的な支持が必要でないことを理解されたい。
装置１０を動作するために、ＤＣバイアス電圧Ｖｐが構造体に印加され、一方、ＡＣ入力信号Ｖｉが電極２１に印加され、その結果、経時変化静電力がディスク１２に半径方向に作用する。入力信号、ひいては、力が装置１０の共振周波数において作用するときには、その力に対する応答が共振装置１０のＱファクタで乗算され、ディスク１２の半径に沿って膨張及び収縮を発生する。この運動は、次いで、経時変化するＤＣバイアスキャパシタを形成し、構造体に取り付けられた感知又は出力電極又は構造体２６を経て測定できる出力電流を発生する。
【００１７】
装置１０の断面が図１ｂに示されており、これは、容量性ギャップ２２と、グランドプレーン１４上の間隔と、アンカー１６を明確に示している。好ましくは、ディスク１２の構造材料はポリシリコンであるが、この構造材料は、結晶シリコン、ポリダイアモンド、炭化シリコン及び金属を含んでもよい。
駆動電極構造体２０の現在材料は、メッキされた金属であるが、本発明は、他の電極材料も包含する。
【００１８】
ギャップ２２は、サブミクロンで、高い横縦比の横方向電極対共振器ギャップであるのが好ましい。従来、ｅ−ビームリソグラフィーを使用するμメカニカル構造体では１０００Åの横方向ギャップが達成されたが、この解決策は、時間とコストの両方がかかることが分かった。更に、５０Ω程度のインピーダンスが望まれる場合には、１０００Åのギャップでは不充分であり、実際には、３００Å程度の更に小さいギャップが望まれる。リソグラフィー及び乾式エッチングの制限を回避するために、図１０ａ−１０ｅを参照して以下に詳細に述べる製造技術は、表面のマイクロ加工、金属の電気メッキ及び犠牲的側壁スペーサ技術を組み合わせて、金属電極と、サブミクロンの横方向電極対共振器ギャップとを伴う横方向ポリシリコンディスク共振器を達成し、これらは全て積極的なリソグラフィック又はエッチング能力を必要としない。
【００１９】
一般的に、最初のプロセスステップは、ディスク構造体を形成するようにパターン化された２μｍ厚みの構造ポリシリコン層が５０００Åの第１犠牲的酸化物層により一時的に支持された断面を得るために従来のポリシリコン表面マイクロ加工プロセスに使用されたものと同一である。例えば、図１０ａを参照すれば、プロセスは、シリコン基体１１２に熱的に成長された２μｍ厚みの酸化物フィルム１１０（即ちＳｉＯ２）と、窒化物の３０００Å厚みのフィルム１１４とでスタートし、これらは一緒に分離層として働く。３０００Å厚みのポリシリコン層１１６がＬＰＣＶＤを経て付着され、インプランテーション又は拡散を経てドープされ、そして反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を経てパターン化された後に、犠牲的酸化物（即ちＳｉＯ２）の５０００Å厚みの層１１８がＬＰＣＶＤにより付着される。
【００２０】
ＲＩＥにより犠牲的酸化物層１１８への経路がパターン化され、その下に横たわるポリシリコン層１１６を特定領域において露出させ、後でディスク１２のためのアンカー１６として働くようにする。次いで、低ストレスポリシリコンの２μｍ厚みの構造層１２０をＬＰＣＶＤにより付着して、インプランテーション又は拡散を経てドープし、そしてＲＩＥを経てパターン化して、まっすぐな側壁をもつディスク１２を形成する。この構造体の上に酸化物マスクを形成し、エッチング中にハードマスクとして使用する。
【００２１】
従来の表面マイクロ加工プロセスでなされたようにこの時点で構造体を解放するのではなく、１０００ÅのＬＰＣＶＤ酸化物の適合付着でこのプロセスを続けて、構造体の側壁をカバーし、そしてギャップを定義する犠牲層１２２として働くようにする。次いで、犠牲的酸化物及びその下の酸化物をエッチング（ＲＩＥ及び湿式エッチング）して、アンカーを不活性化層へ開くと共に、薄い金属種層１２４（即ちＣｒ２００Å／Ａｕ３００Å／Ｃｒ２００Å）をウェハに蒸着し、そして構造体の上面及び側面から除去し（即ち湿式エッチングにより）、これらの領域におけるメッキを防止する。ＰＲエッチバックを使用して、エッチングされるべき金属の輪郭を描く。種層の除去を容易にするために、Ｎｉメッキステップも行われる。
【００２２】
次いで、厚いホトレジスト（ＰＲ）型１２６を、図１０ｂに示すようにリソグラフィーにより付着しそしてパターン化して、電極２１を画成する。これに続いて、ＰＲを型の一部分として使用しそして構造体の側壁をその他部分として使用して、電極２１をメッキし、図１０ｃに示すように、犠牲層１２２に対して直接的にメッキする。次いで、ＰＲ１２６及び種層１２４を、図１０ｃ及び１０ｄに示すように剥離し、そして構造体を、図１０ｅに示すように、ＨＦにおいて解放する。
その結果、ディスク１２が、中央の単一アンカー１６により基体２４上に懸架され、そして犠牲層により画成された細いエアギャップ２２により、メッキされた電極２１から分離される。このプロセスにおける最小ギャップ厚みは、適合配置された酸化物フィルムの厚みを制御する能力のみによって制限され、リソグラフィー及びエッチングとは独立している。
【００２３】
図７及び８は、ディスク形状の共振器７０及びその下の支持体７２が１つのマスクで同時に作られて、ポスト７２及びその周りの共振器７０を形成するような別の実施形態を示す。ポスト７２は、それにポリシリコンのような材料を充填することにより作られ、この材料は、共振器７０と同じ材料であってもよいし、そうでなくてもよい。それにより形成された構造体は、自己整列されたディスク型共振器７０が基体７４及びグランドプレーン７６の上に支持されたものである。
【００２４】
ディスク型共振装置１０の周波数は、ディスク１２の材料特性及びその半径により決定される。ある高次の作用を無視すると、ディスク１２の共振周波数は、次の式で表わされる。
【数１】
但し、αは、材料のポアソン比に基づく定数（ポリシリコンの場合０．３４２）であり、Ｅは、材料のヤング率であり、ρは、密度であり、そしてＲは、ディスク１２の半径である。
【００２５】
式（１）の更に複雑な形態が次の式で与えられる。
【数２】
式（２）ないし（４）は、上位モード及び他のモード、例えば、「ワイン・グラス」モードを決定することができる。
【００２６】
次のテーブルは、種々の周波数及びモードに対するディスクの半径を与える。
【００２７】
図２のグラフは、第１モード共振に対してディスク１２の構造材料としてポリシリコン及びポリダイアモンドの両方を使用した場合に予想共振周波数を半径の関数として示す。二次作用だけであるが、構造材料の厚みは、高い厚み対半径比（＞１）においてのみ、周波数にも影響する。
メッキされた金の電極をもつシリコンのディスク型共振装置が製造されてテストされた。それらの共振器は、約６０ＭＨｚないし５００ＭＨｚの設計周波数を有するものであった。図３のグラフは、１５７ＭＨｚ共振器の測定されたスペクトルであり、装置がこの構成で実際に共振することを示している。
【００２８】
好ましい実施形態は、中心に固定された半径方向輪郭モード（ディスクの平面内でしか運動しない）、即ち１ポート設計を使用するが、他の実施形態も考えられる。電極構造体２０を、ディスク１２の周りに対称的に配置された偶数の小さな電極に分割することにより、好ましい実施形態の２ポート変形が得られる。次いで、交互の電極が入力及び出力ポートに対して一緒に接続される。換言すれば、電極が周囲にわたって連続的に番号付けされる場合には、偶数番号の全ての電極が入力駆動電極構造体を形成するように接続され、一方、奇数番号の全ての電極が出力感知電極構造体を形成するように接続される。次いで、共振器の本体は、Ｖｐに直接接続される。
【００２９】
又、一般化された電極構成で多数の他の形式のモード（例えば、ワイン・グラスモード）を励起することもできる。どのモードが励起されるかは、励起の周波数に適度に依存する。
更に、他のモード形状、例えば、より多くの節点や節直径を追加する他の輪郭モードも考えられる。各々の異なる構成は、正しいモード形状の駆動を確保するための異なる電極配置や、高いＱを促進するための節点における異なるアンカー位置に適している。
【００３０】
例えば、図５は、節５０と、高次のディスク５３のほとんどの運動が発生する反節部分５２とを示している。図６は、ディスク５３の外側リムにおける運動を感知するために基体５６に設けられた電極５４を示している。内側及び外側電極５８及び６０の各々は、ディスク５３の反節部分５２から上方に突出するフィン６２の運動を感知するように配置される（説明上、図５に示したものよりディスク５２のリムに接近配置されて示されている）。電極５８、６０ではなく、機械的なリンクを使用して、反節部分から出力を得ることもできる。図６は、機械的な支持体を必要とせずに、基体５６の上に浮揚されたディスク５３を示している。このような浮揚は、上述したように電気的又は磁気的に得ることができる。
【００３１】
図１１ａ−１１ｃのグラフは、ディスク型共振器の第１、第２及び第３モードに対して反節（即ち最大変位の領域）が生じる半径がその最大値及び最小値で示されている。
構造体の側部ではなく構造体の下に配置された電極を必要とする撓みモードでディスクを使用することもできる。本発明は、ディスクの横方向輪郭モードだけでなく、撓みモード及び他のモードも包含する。
【００３２】
ディスク型共振器の１つの使用目的は、マイクロメカニカルフィルタの構成である。図４ａは、機械的に結合された２共振器のバンドパスフィルタ装置を３０で一般的に示している。この装置３０は、３２及び３４で一般的に示された２つの機械的に結合されたディスク型共振器を備えている。両共振器３２及び３４の本体即ちディスク３６及び３８は、拡張モード結合スプリング即ちビーム４０によって一緒に接続されると共に、バイアスＶｐに直接接続される。４２で一般的に示された入力電極を経て第１共振器３２に入力信号Ｖｉが印加されると、第１共振器３２が振動し始める。長手方向に膨張及び収縮するように動作する拡張モードスプリング４０は、その運動を第２即ち出力共振器３４へ接続して、これを運動させる。出力共振器３４の運動は、４４で一般的に示された出力電極に電流を誘起し、これは、ＲＬにおいて感知することができる。
【００３３】
図４ｂは、図４ａのビーム４０に置き換わることのできる「Ｕ」字型の結合スプリング４０’を示す。このような結合スプリングは、米国特許第５，８３９，０６２号に参照番号１０４で示されている。
それにより得られる周波数スペクトル（ｖ０／ｖｉ）は、単一共振器により誘起される単一のピークではなく、２つのピークをその応答に有し、これは、適切な終端処理（ソース抵抗駆動ｖｉ及び負荷抵抗ＲＬの調整）によりバンドパスフィルタスペクトルへと平坦化することができる。共振器の数が多いほど、理想に近いバンドパスフィルタとなり、この構造を拡張して、ディスクの長いチェーンを同様に結合することによりｎ個の共振器がスペクトルにｎ個のピークを発生するようにすることができる。拡張モードスプリング４０は最も容易な設計であるが、他の複雑なスプリング設計も可能である。
【００３４】
ディスク型共振器を使用して「ブリッジ型」フィルタを便利に形成することができる。ブリッジ型フィルタは、隣接共振器を接続したときだけでなく、非隣接共振器を接続したときにも得られる。図９に示すように、図９のブリッジ型フィルタは、入力ディスク共振器８０と、出力ディスク共振器８２と、中間共振器８４とを備えている。これらの共振器８０、８２及び８４に対して各々電極８６、８８及び９０が設けられる。隣接カプラー９２及び９４は、共振器８０と８４、及び８４と８２を各々相互接続する。非隣接カプラー９６は、共振器８０と８２を相互接続する。
【００３５】
本発明により得られる利益は、多数ある。例えば、本発明の主たる効果及び貢献は、次のものを含む。
（ｉ）ディスク型共振器は、５０ＭＨｚ未満からＧＨｚレンジへの周波数範囲を達成し、ＲＦサブシステムにおける個別部品に対して役立つものとすることができ；
（ｉｉ）他のマイクロメカニカル装置に比して装置のサイズが大きいことにより、静電気的に駆動される装置における電気機械的な結合係数を大きくし、既存のシステムへ容易に一体化できるようにし；
（ｉｉｉ）大きな有効質量及びスチフネスは、ディスク型共振器が他のマイクロメカニカル装置より高い電力を取り扱いできるようにし、ダイナミックレンジを増加すると共に、歪を減少できるようにし；
（ｉｖ）ディスク型共振器は、拡張モードスプリング或いは他の機械的スプリング形式を使用して機械的に結合されて、一体化マイクロメカニカルフィルタを形成することができ；
（ｖ）ディスク型共振器の対称性は、非隣接共振器結合のような柔軟性のある結合構成を許すものであり；
（ｖｉ）ディスク型共振器は、一体化可能なフィルタを形成するように電気的に接続することもでき、
（ｖｉｉ）マイクロメカニカル共振器のサイズが小さいために、多数の装置を並列に使用して、電力の取り扱いを更に改善することができ；
（ｖｉｉｉ）サイズが小さいことは、又、多数の小型の高Ｑ部品を使用して、トランシーバにおける電力消費を低くし、頑丈さを向上すると共に、改善された能力（例えば、マルチバンド再構成能力）をもつ新規なアーキテクチャーを可能にし；そして
（ｉｘ）一体化された共振器は、多数のオフチップ部品の必要性を排除し、回路板の面積や、オフチップＲＦルートの量を減少することにより、長期にわたり製造コストを下げる潜在性を有する。
【００３６】
ディスク形状の半径方向輪郭モードのマイクロメカニカル共振器は、高いＱ、高いダイナミックレンジ、高い電力取り扱い能力、並びに入力／出力ポートを非常に柔軟に（電気的および機械的に）位置設定する能力と共に、ＧＨｚを充分に越える周波数に到達することができる。この共振器は、印加電圧により（その電圧従属の電気的スプリングスチフネスにより）周波数同調することができ、従って、高Ｑの電圧制御発振器の用途に有用にされる。
【００３７】
図４のフィルタのようなフィルタは、ディスクを機械的又は電気的に結合することにより形成することもできる。
以上、本発明の実施形態を図示して説明したが、これらの実施形態は、本発明を単に例示するもので、その全ての考えられる形態を示すものではない。本明細書に使用した語は、何らこれに限定されるものではなく、本発明の精神及び範囲から逸脱せずに種々の変更がなされ得ることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】本発明により構成されたディスク型共振器の好ましい実施形態を示す斜視図兼電気回路図である。
【図１ｂ】図１ａの１ｂ−１ｂ線に沿った図１ａのディスク型共振器の断面図である。
【図２】ポリシリコン及びポリダイアモンドの両方における半径方向モードディスク型共振器の予想共振周波数対半径のグラフである。
【図３】１５７ＭＨｚディスク型共振器の測定周波数スペクトルを示すグラフである。
【図４ａ】本発明による機械的に結合された２共振器のバンドパスフィルタを示す斜視図兼電気回路図である。
【図４ｂ】ディスク形状の共振器を一緒に結合するための撓みモード「Ｕ」カプラーを示す部分破断上面図である。
【図５】ディスク形状の共振器の上面図で、その節及び反節部分を示す図である。
【図６】外部リム及び反節部分において共振器の出力を感知するための多数の電極と、フィンとを含むディスク形状の共振器の部分破断側面断面図である。
【図７】共振装置の別の実施形態を示す上面図である。
【図８】図７の８−８線に沿った断面図で、ディスク形状の共振器とその支持体が異なる材料で同時に形成される装置を示す図である。
【図９】本発明のブリッジ型フィルタの上面図である。
【図１０ａ】マイクロメカニカルディスク型共振器の製造を示す側面断面図である。
【図１０ｂ】マイクロメカニカルディスク型共振器の製造を示す側面断面図である。
【図１０ｃ】マイクロメカニカルディスク型共振器の製造を示す側面断面図である。
【図１０ｄ】マイクロメカニカルディスク型共振器の製造を示す側面断面図である。
【図１０ｅ】マイクロメカニカルディスク型共振器の製造を示す側面断面図である。
【図１１ａ】本発明のディスク型共振器の第１モードに対する変位対半径方向座標のグラフである。
【図１１ｂ】本発明のディスク型共振器の第２モードに対する変位対半径方向座標のグラフである。
【図１１ｃ】本発明のディスク型共振器の第３モードに対する変位対半径方向座標のグラフである。
【連邦後援調査又は開発に関するステートメント】
本発明は、ＤＡＲＰＡ契約第Ｆ３０６０２−９７−２−０１０１号のもとでの政府支援によりなされたものである。政府は、本発明において幾つかの権利を有する。
【技術分野】
本発明は、マイクロメカニカル共振装置及びそれを使用するマイクロメカニカル装置に係る。
【０００２】
【背景技術】
振動するメカニカルタンク部品、例えば、結晶やＳＡＷ共振器は、クオリティファクタが高く（数万程度のＱ）そして熱変動やエージングに対して著しく安定しているので、通信サブシステムにおいて周波数を選択するのに広く使用されている。より詳細には、ヘテロダイン通信トランシーバの大部分は、それらのＲＦ及びＩＦフィルタ段において充分な周波数選択を達成しそしてそれらの局部発振器において必要な低位相ノイズ及び安定性を実現するために、高ＱのＳＡＷ及びバルク音響メカニカル共振器に大きく依存している。更に、前端のセンス増幅器及び電力増幅器を適切に同調して接続すると共に、広範囲に同調可能な電圧制御型発振器を実施するために、個別インダクタ及び可変キャパシタが使用されている。現在、上述した共振器や個別素子は、オフチップ部品であり、従って、ボードレベルで集積電子回路とインターフェイスしなければならず、全サブシステム面積の相当の部分をしばしば消費する。この点について、これらの装置は、ワイヤレストランシーバの最終的な小型化及び携帯性に対して重大なボトルネックを課する。このため、多くの調査研究は、これら部品を小型化するか又はその必要性を完全に排除する戦略に焦点を合わせている。
【０００３】
面積寸法が３０μｍｘ２０μｍ程度のマイクロスケールの高Ｑ発振器及びメカニカルバンドパスフィルタの最近のデモンストレーションは、上記戦略を現実に近いものとした初めてのものである。このような装置は、ＩＣ適合の表面マイクロ加工製造技術を使用して多結晶シリコンで作られた高Ｑオンチップマイクロメカニカル（「μメカニカル」と省略される）共振器であって、真空のもとで８００００以上のＱと、−１０ｐｐｍ／℃のレンジ（ナル技術では数分の１）の中心周波数温度係数とを有する共振器を使用している。今日、自由に支持された振動するプリズム式ビームをベースとする共振器は、９２ＭＨｚまでの周波数を達成している。しかしながら、多くのポータブル通信機器に使用するためには、もっと高い周波数を達成しなければならず、従って、この技術の成功が重要となっている。
【０００４】
トランジスタの場合と同様に、一般的に、μメカニカル共振器の周波数を延ばすと、共振器の寸法の拡張を伴う。クランプ−クランプ境界条件での以前のＶＨＦデモンストレーションの幾つかは、Ｑを制限するアンカーロスを回避するためにサブミクロン寸法を実際に使用していた、不都合なことに、小さなサイズは、小さな電力の取り扱いにしばしば一致し、そして汚染や熱的変動等の環境作用に対する感受性を高める。最近デモンストレーションされた自由−自由ビームのμメカニカル共振器は、米国特許第６，２４９，０７３号に開示されたように、サブミクロン寸法を回避しながら、約８０００のＱで９２ＭＨｚまでの周波数を達成することができるが、それらがＵＨＦ周波数においてそのサイズ及びＱを維持できるかどうかはまだ分からない。
【０００５】
【発明の開示】
本発明の目的は、マイクロメカニカルディスク型共振器及びそれを使用したマイクロメカニカル装置を提供することである。
本発明の上記目的及び他の目的の達成において、少なくとも１つのモード形状を有するマイクロメカニカル共振装置が提供される。この装置は、基体と、該基体上に配置されそして少なくとも１つの節点を有するディスク形状の共振器とを備えている。
【０００６】
上記装置は、基体上の少なくとも１つの節点に共振器を支持するように基体に固定された支持構造体を備えている。上記共振器及び支持構造体の両方は、共振器がその振動中に実質的に分離されるような大きさにされ且つそのように互いに配置される。上記基体へのエネルギーロスは実質的に排除され、そして上記共振装置は、高Ｑの共振装置である。
上記少なくとも１つのモード形状は、半径方向輪郭のモード形状及び／又は撓みモード形状を含む。
【０００７】
上記装置は、好ましくは、共振器が少なくとも１つのモード形状で駆動されるように共振器の静電励起を許す位置において上記基体上に形成された駆動電極構造体を更に備え、そして上記共振器及び駆動電極構造体は、それらの間に容量性ギャップを画成する。
上記駆動電極構造体は、共振器の周囲に配置され、そして上記少なくとも１つのモード形状は、半径方向輪郭モード形状を含む。
上記容量性ギャップは、サブミクロンの横方向容量性ギャップであるのが好ましい。
上記駆動電極構造体は、複数の分割電極を含む。
【０００８】
上記装置は、共振器の静電励起を許すだけでなく、共振器の運動に基づく出力電流を感知するための単一電極を有する。従って、上記装置は、２つの端子を有し、その一方は、電極上にあり、もう一方は、共振器上にあり、そしてその両方は、駆動及び感知に使用される。
上記少なくとも１つの節点は、共振器の中心に対応し、そして上記支持構造体は、共振器の中心に配置された単一アンカーである。
上記装置は、更に、共振器の運動に基づく出力電流を感知するための位置において基体上に形成された感知電極構造体を備えている。
【０００９】
上記駆動電極構造体は、複数の別々の入力駆動電極を含み、そして上記感知電極構造体は、複数の別々の出力感知電極を含む。
上記駆動電極構造体は、共振器の下に配置され、そして上記少なくとも１つのモード形状は、撓みモード形状を含む。
上記装置は、ダイヤモンドをベースとするか、又はシリコンをベースとする。
【００１０】
更に、本発明の上記目的及び他の目的の達成において、マイクロメカニカル装置が提供される。この装置は、基体と、この基体上に配置されそして少なくとも１つの節点を有するディスク形状の入力共振器と、上記基体上に配置され、上記入力共振器に接続されそして少なくとも１つの節点を有するディスク形状の出力共振器とを備えている。
【００１１】
又、上記装置は、入力及び出力共振器を基体上でそれらの各節点に支持するように基体に固定された支持構造体も含む。
上記マイクロメカニカル装置は、バンドパスフィルタ又は一体化可能なフィルタのようなフィルタである。
上記共振器は、機械的に一緒に接続されるか又は電気的に一緒に接続される。
上記装置は、更に、共振器を一緒に機械的に結合するための結合スプリングを備えている。この結合スプリングは、拡張モードスプリングである。更に、このスプリングは、撓みモードでもよいし、或いは２つの異なる形式のモード（例えば、撓み又はねじれ）を組み合わせてもよい。
【００１２】
上記装置は、更に、入力共振器の静電励起を許す位置において基体上に形成された駆動電極構造体と、出力共振器の運動に基づく出力電流を感知するための位置において基体上に形成された感知電極構造体とを備えている。
ここに開示するマイクロメカニカルディスク型共振器は、マイクロメカニカル装置の周波数をＧＨｚレンジへと良好に拡張する潜在性を有し、ＲＦ前端からＩＦフィルタリング及びミクシングまでのワイヤレスシステム（セルラー電話を含む）の全段においてそれらを役立つようにすると共に、完全に一体化された単一チップトランシーバを形成できるようにする。
【００１３】
本発明のディスク型共振器は、従来のＨＦ設計に使用された自由支持及びクランプ−クランプ固定ビームに勝る効果を有し、即ち少数のモード形状を使用してＵＨＦ周波数に到達する能力を含み、典型的に、Ｑの改善を招くという効果を有する。更に、所与の周波数においてそれらのサイズが大きいことは、その電力取り扱い容量を改善し、動的レンジが重要なパラメータであるＲＦ前端に対してそれらをより適したものにする。又、このサイズは、大きな電気機械的結合面積も招き、静電駆動装置の直列抵抗を改善する。又、この大きなサイズは、これらの装置を容易に繰り返し製造できるようにする（即ち繰り返し可能な周波数等で）。又、大きなサイズは、ディスク型共振器が、汚染や熱的変動のような「スケーリングで誘起」される劣化メカニズムの影響をあまり受けないようにする。
【００１４】
この作用は、マイクロメカニカルディスク構造体の半径方向輪郭モード又は面積膨張に基づく別の、おそらくより優れた設計であって、比較的大きな寸法を維持しながら非常に高い周波数を達成できる設計をもたらす。このディスク設計を使用すると、９４００を越えるＱと、従来の自由−自由ビーム共振器で単に９２ＭＨｚを得るのに必要であった１１．３μｍより実質的に大きい３４μｍの直径で、１５６ＭＨｚの周波数が達成された。
【００１５】
【発明を実施するための最良の形態】
本発明の上記目的、他の目的、特徴及び効果は、本発明を実施するための最良の態様について添付図面を参照して以下に述べた詳細な説明から容易に明らかとなろう。
図１ａ及び１ｂは、本発明のマイクロメカニカル共振装置の好ましい実施形態を１０で一般的に示している。図１ａの斜視図は、好ましい実施形態の主要な特徴を示している。共振装置１０は、グランドプレーン１４の上に支持されたディスク１２を備え、このディスクは、その中心１８における単一のアンカーポスト１６により支持される。２０で一般的に示された駆動電極構造体は、ディスク１２の周囲を取り巻き、それらは、狭いエアギャップ２２で分離される。電極構造体２０は、２つの入力電極２１を形成するように半分に分割され、グランドプレーン１４へのルートを許すと共に対称性を維持する。この構成においては、共振器のディスク１２は、共振時にその半径に沿って膨張及び収縮して、純粋な半径方向モードで運動し、理想的には、分離及び不活性化層２３及び２５を有する基体２４に垂直な運動や、アンカー点即ち中心１８の回りでの回転を伴わないように設計される。このモードでは、ディスク１２の中心１８が節点であり、理想的には、共振時に全く運動がない。この設計の非常に重要な部分である自然の節に固定することは、基体１２へのアンカー消散を最小にし、Ｑを著しく高める。
【００１６】
しかしながら、ディスクは、基体の上に電気的又は磁気的に浮揚することもでき、この場合は、物理的又は機械的な支持が必要でないことを理解されたい。
装置１０を動作するために、ＤＣバイアス電圧Ｖｐが構造体に印加され、一方、ＡＣ入力信号Ｖｉが電極２１に印加され、その結果、経時変化静電力がディスク１２に半径方向に作用する。入力信号、ひいては、力が装置１０の共振周波数において作用するときには、その力に対する応答が共振装置１０のＱファクタで乗算され、ディスク１２の半径に沿って膨張及び収縮を発生する。この運動は、次いで、経時変化するＤＣバイアスキャパシタを形成し、構造体に取り付けられた感知又は出力電極又は構造体２６を経て測定できる出力電流を発生する。
【００１７】
装置１０の断面が図１ｂに示されており、これは、容量性ギャップ２２と、グランドプレーン１４上の間隔と、アンカー１６を明確に示している。好ましくは、ディスク１２の構造材料はポリシリコンであるが、この構造材料は、結晶シリコン、ポリダイアモンド、炭化シリコン及び金属を含んでもよい。
駆動電極構造体２０の現在材料は、メッキされた金属であるが、本発明は、他の電極材料も包含する。
【００１８】
ギャップ２２は、サブミクロンで、高い横縦比の横方向電極対共振器ギャップであるのが好ましい。従来、ｅ−ビームリソグラフィーを使用するμメカニカル構造体では１０００Åの横方向ギャップが達成されたが、この解決策は、時間とコストの両方がかかることが分かった。更に、５０Ω程度のインピーダンスが望まれる場合には、１０００Åのギャップでは不充分であり、実際には、３００Å程度の更に小さいギャップが望まれる。リソグラフィー及び乾式エッチングの制限を回避するために、図１０ａ−１０ｅを参照して以下に詳細に述べる製造技術は、表面のマイクロ加工、金属の電気メッキ及び犠牲的側壁スペーサ技術を組み合わせて、金属電極と、サブミクロンの横方向電極対共振器ギャップとを伴う横方向ポリシリコンディスク共振器を達成し、これらは全て積極的なリソグラフィック又はエッチング能力を必要としない。
【００１９】
一般的に、最初のプロセスステップは、ディスク構造体を形成するようにパターン化された２μｍ厚みの構造ポリシリコン層が５０００Åの第１犠牲的酸化物層により一時的に支持された断面を得るために従来のポリシリコン表面マイクロ加工プロセスに使用されたものと同一である。例えば、図１０ａを参照すれば、プロセスは、シリコン基体１１２に熱的に成長された２μｍ厚みの酸化物フィルム１１０（即ちＳｉＯ２）と、窒化物の３０００Å厚みのフィルム１１４とでスタートし、これらは一緒に分離層として働く。３０００Å厚みのポリシリコン層１１６がＬＰＣＶＤを経て付着され、インプランテーション又は拡散を経てドープされ、そして反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を経てパターン化された後に、犠牲的酸化物（即ちＳｉＯ２）の５０００Å厚みの層１１８がＬＰＣＶＤにより付着される。
【００２０】
ＲＩＥにより犠牲的酸化物層１１８への経路がパターン化され、その下に横たわるポリシリコン層１１６を特定領域において露出させ、後でディスク１２のためのアンカー１６として働くようにする。次いで、低ストレスポリシリコンの２μｍ厚みの構造層１２０をＬＰＣＶＤにより付着して、インプランテーション又は拡散を経てドープし、そしてＲＩＥを経てパターン化して、まっすぐな側壁をもつディスク１２を形成する。この構造体の上に酸化物マスクを形成し、エッチング中にハードマスクとして使用する。
【００２１】
従来の表面マイクロ加工プロセスでなされたようにこの時点で構造体を解放するのではなく、１０００ÅのＬＰＣＶＤ酸化物の適合付着でこのプロセスを続けて、構造体の側壁をカバーし、そしてギャップを定義する犠牲層１２２として働くようにする。次いで、犠牲的酸化物及びその下の酸化物をエッチング（ＲＩＥ及び湿式エッチング）して、アンカーを不活性化層へ開くと共に、薄い金属種層１２４（即ちＣｒ２００Å／Ａｕ３００Å／Ｃｒ２００Å）をウェハに蒸着し、そして構造体の上面及び側面から除去し（即ち湿式エッチングにより）、これらの領域におけるメッキを防止する。ＰＲエッチバックを使用して、エッチングされるべき金属の輪郭を描く。種層の除去を容易にするために、Ｎｉメッキステップも行われる。
【００２２】
次いで、厚いホトレジスト（ＰＲ）型１２６を、図１０ｂに示すようにリソグラフィーにより付着しそしてパターン化して、電極２１を画成する。これに続いて、ＰＲを型の一部分として使用しそして構造体の側壁をその他部分として使用して、電極２１をメッキし、図１０ｃに示すように、犠牲層１２２に対して直接的にメッキする。次いで、ＰＲ１２６及び種層１２４を、図１０ｃ及び１０ｄに示すように剥離し、そして構造体を、図１０ｅに示すように、ＨＦにおいて解放する。
その結果、ディスク１２が、中央の単一アンカー１６により基体２４上に懸架され、そして犠牲層により画成された細いエアギャップ２２により、メッキされた電極２１から分離される。このプロセスにおける最小ギャップ厚みは、適合配置された酸化物フィルムの厚みを制御する能力のみによって制限され、リソグラフィー及びエッチングとは独立している。
【００２３】
図７及び８は、ディスク形状の共振器７０及びその下の支持体７２が１つのマスクで同時に作られて、ポスト７２及びその周りの共振器７０を形成するような別の実施形態を示す。ポスト７２は、それにポリシリコンのような材料を充填することにより作られ、この材料は、共振器７０と同じ材料であってもよいし、そうでなくてもよい。それにより形成された構造体は、自己整列されたディスク型共振器７０が基体７４及びグランドプレーン７６の上に支持されたものである。
【００２４】
ディスク型共振装置１０の周波数は、ディスク１２の材料特性及びその半径により決定される。ある高次の作用を無視すると、ディスク１２の共振周波数は、次の式で表わされる。
【数１】
【００２５】
式（１）の更に複雑な形態が次の式で与えられる。
【数２】
【００２６】
次のテーブルは、種々の周波数及びモードに対するディスクの半径を与える。
図２のグラフは、第１モード共振に対してディスク１２の構造材料としてポリシリコン及びポリダイアモンドの両方を使用した場合に予想共振周波数を半径の関数として示す。二次作用だけであるが、構造材料の厚みは、高い厚み対半径比（＞１）においてのみ、周波数にも影響する。
メッキされた金の電極をもつシリコンのディスク型共振装置が製造されてテストされた。それらの共振器は、約６０ＭＨｚないし５００ＭＨｚの設計周波数を有するものであった。図３のグラフは、１５７ＭＨｚ共振器の測定されたスペクトルであり、装置がこの構成で実際に共振することを示している。
【００２８】
好ましい実施形態は、中心に固定された半径方向輪郭モード（ディスクの平面内でしか運動しない）、即ち１ポート設計を使用するが、他の実施形態も考えられる。電極構造体２０を、ディスク１２の周りに対称的に配置された偶数の小さな電極に分割することにより、好ましい実施形態の２ポート変形が得られる。次いで、交互の電極が入力及び出力ポートに対して一緒に接続される。換言すれば、電極が周囲にわたって連続的に番号付けされる場合には、偶数番号の全ての電極が入力駆動電極構造体を形成するように接続され、一方、奇数番号の全ての電極が出力感知電極構造体を形成するように接続される。次いで、共振器の本体は、Ｖｐに直接接続される。
【００２９】
又、一般化された電極構成で多数の他の形式のモード（例えば、ワイン・グラスモード）を励起することもできる。どのモードが励起されるかは、励起の周波数に適度に依存する。
更に、他のモード形状、例えば、より多くの節点や節直径を追加する他の輪郭モードも考えられる。各々の異なる構成は、正しいモード形状の駆動を確保するための異なる電極配置や、高いＱを促進するための節点における異なるアンカー位置に適している。
【００３０】
例えば、図５は、節５０と、高次のディスク５３のほとんどの運動が発生する反節部分５２とを示している。図６は、ディスク５３の外側リムにおける運動を感知するために基体５６に設けられた電極５４を示している。内側及び外側電極５８及び６０の各々は、ディスク５３の反節部分５２から上方に突出するフィン６２の運動を感知するように配置される（説明上、図５に示したものよりディスク５２のリムに接近配置されて示されている）。電極５８、６０ではなく、機械的なリンクを使用して、反節部分から出力を得ることもできる。図６は、機械的な支持体を必要とせずに、基体５６の上に浮揚されたディスク５３を示している。このような浮揚は、上述したように電気的又は磁気的に得ることができる。
【００３１】
図１１ａ−１１ｃのグラフは、ディスク型共振器の第１、第２及び第３モードに対して反節（即ち最大変位の領域）が生じる半径がその最大値及び最小値で示されている。
構造体の側部ではなく構造体の下に配置された電極を必要とする撓みモードでディスクを使用することもできる。本発明は、ディスクの横方向輪郭モードだけでなく、撓みモード及び他のモードも包含する。
【００３２】
ディスク型共振器の１つの使用目的は、マイクロメカニカルフィルタの構成である。図４ａは、機械的に結合された２共振器のバンドパスフィルタ装置を３０で一般的に示している。この装置３０は、３２及び３４で一般的に示された２つの機械的に結合されたディスク型共振器を備えている。両共振器３２及び３４の本体即ちディスク３６及び３８は、拡張モード結合スプリング即ちビーム４０によって一緒に接続されると共に、バイアスＶｐに直接接続される。４２で一般的に示された入力電極を経て第１共振器３２に入力信号Ｖｉが印加されると、第１共振器３２が振動し始める。長手方向に膨張及び収縮するように動作する拡張モードスプリング４０は、その運動を第２即ち出力共振器３４へ接続して、これを運動させる。出力共振器３４の運動は、４４で一般的に示された出力電極に電流を誘起し、これは、ＲＬにおいて感知することができる。
【００３３】
図４ｂは、図４ａのビーム４０に置き換わることのできる「Ｕ」字型の結合スプリング４０’を示す。このような結合スプリングは、米国特許第５，８３９，０６２号に参照番号１０４で示されている。
それにより得られる周波数スペクトル（ｖ０／ｖｉ）は、単一共振器により誘起される単一のピークではなく、２つのピークをその応答に有し、これは、適切な終端処理（ソース抵抗駆動ｖｉ及び負荷抵抗ＲＬの調整）によりバンドパスフィルタスペクトルへと平坦化することができる。共振器の数が多いほど、理想に近いバンドパスフィルタとなり、この構造を拡張して、ディスクの長いチェーンを同様に結合することによりｎ個の共振器がスペクトルにｎ個のピークを発生するようにすることができる。拡張モードスプリング４０は最も容易な設計であるが、他の複雑なスプリング設計も可能である。
【００３４】
ディスク型共振器を使用して「ブリッジ型」フィルタを便利に形成することができる。ブリッジ型フィルタは、隣接共振器を接続したときだけでなく、非隣接共振器を接続したときにも得られる。図９に示すように、図９のブリッジ型フィルタは、入力ディスク共振器８０と、出力ディスク共振器８２と、中間共振器８４とを備えている。これらの共振器８０、８２及び８４に対して各々電極８６、８８及び９０が設けられる。隣接カプラー９２及び９４は、共振器８０と８４、及び８４と８２を各々相互接続する。非隣接カプラー９６は、共振器８０と８２を相互接続する。
【００３５】
本発明により得られる利益は、多数ある。例えば、本発明の主たる効果及び貢献は、次のものを含む。
（ｉ）ディスク型共振器は、５０ＭＨｚ未満からＧＨｚレンジへの周波数範囲を達成し、ＲＦサブシステムにおける個別部品に対して役立つものとすることができ；
（ｉｉ）他のマイクロメカニカル装置に比して装置のサイズが大きいことにより、静電気的に駆動される装置における電気機械的な結合係数を大きくし、既存のシステムへ容易に一体化できるようにし；
（ｉｉｉ）大きな有効質量及びスチフネスは、ディスク型共振器が他のマイクロメカニカル装置より高い電力を取り扱いできるようにし、ダイナミックレンジを増加すると共に、歪を減少できるようにし；
（ｉｖ）ディスク型共振器は、拡張モードスプリング或いは他の機械的スプリング形式を使用して機械的に結合されて、一体化マイクロメカニカルフィルタを形成することができ；
（ｖ）ディスク型共振器の対称性は、非隣接共振器結合のような柔軟性のある結合構成を許すものであり；
（ｖｉ）ディスク型共振器は、一体化可能なフィルタを形成するように電気的に接続することもでき、
（ｖｉｉ）マイクロメカニカル共振器のサイズが小さいために、多数の装置を並列に使用して、電力の取り扱いを更に改善することができ；
（ｖｉｉｉ）サイズが小さいことは、又、多数の小型の高Ｑ部品を使用して、トランシーバにおける電力消費を低くし、頑丈さを向上すると共に、改善された能力（例えば、マルチバンド再構成能力）をもつ新規なアーキテクチャーを可能にし；そして
（ｉｘ）一体化された共振器は、多数のオフチップ部品の必要性を排除し、回路板の面積や、オフチップＲＦルートの量を減少することにより、長期にわたり製造コストを下げる潜在性を有する。
【００３６】
ディスク形状の半径方向輪郭モードのマイクロメカニカル共振器は、高いＱ、高いダイナミックレンジ、高い電力取り扱い能力、並びに入力／出力ポートを非常に柔軟に（電気的および機械的に）位置設定する能力と共に、ＧＨｚを充分に越える周波数に到達することができる。この共振器は、印加電圧により（その電圧従属の電気的スプリングスチフネスにより）周波数同調することができ、従って、高Ｑの電圧制御発振器の用途に有用にされる。
【００３７】
図４のフィルタのようなフィルタは、ディスクを機械的又は電気的に結合することにより形成することもできる。
以上、本発明の実施形態を図示して説明したが、これらの実施形態は、本発明を単に例示するもので、その全ての考えられる形態を示すものではない。本明細書に使用した語は、何らこれに限定されるものではなく、本発明の精神及び範囲から逸脱せずに種々の変更がなされ得ることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】本発明により構成されたディスク型共振器の好ましい実施形態を示す斜視図兼電気回路図である。
【図１ｂ】図１ａの１ｂ−１ｂ線に沿った図１ａのディスク型共振器の断面図である。
【図２】ポリシリコン及びポリダイアモンドの両方における半径方向モードディスク型共振器の予想共振周波数対半径のグラフである。
【図３】１５７ＭＨｚディスク型共振器の測定周波数スペクトルを示すグラフである。
【図４ａ】本発明による機械的に結合された２共振器のバンドパスフィルタを示す斜視図兼電気回路図である。
【図４ｂ】ディスク形状の共振器を一緒に結合するための撓みモード「Ｕ」カプラーを示す部分破断上面図である。
【図５】ディスク形状の共振器の上面図で、その節及び反節部分を示す図である。
【図６】外部リム及び反節部分において共振器の出力を感知するための多数の電極と、フィンとを含むディスク形状の共振器の部分破断側面断面図である。
【図７】共振装置の別の実施形態を示す上面図である。
【図８】図７の８−８線に沿った断面図で、ディスク形状の共振器とその支持体が異なる材料で同時に形成される装置を示す図である。
【図９】本発明のブリッジ型フィルタの上面図である。
【図１０ａ】マイクロメカニカルディスク型共振器の製造を示す側面断面図である。
【図１０ｂ】マイクロメカニカルディスク型共振器の製造を示す側面断面図である。
【図１０ｃ】マイクロメカニカルディスク型共振器の製造を示す側面断面図である。
【図１０ｄ】マイクロメカニカルディスク型共振器の製造を示す側面断面図である。
【図１０ｅ】マイクロメカニカルディスク型共振器の製造を示す側面断面図である。
【図１１ａ】本発明のディスク型共振器の第１モードに対する変位対半径方向座標のグラフである。
【図１１ｂ】本発明のディスク型共振器の第２モードに対する変位対半径方向座標のグラフである。
【図１１ｃ】本発明のディスク型共振器の第３モードに対する変位対半径方向座標のグラフである。
Claims (32)
- 少なくとも１つのモード形状を有するマイクロメカニカル共振装置において、
基体と、この基体上に配置されそして少なくとも１つの節点を有するディスク形状の共振器とを備えた装置。 - 上記基体上の上記少なくとも１つの節点に共振器を支持するように上記基体に固定された支持構造体を更に備え、上記共振器及び支持構造体の両方は、共振器がその振動中に実質的に分離されるような大きさにされ且つそのように互いに配置され、上記基体へのエネルギーロスは、実質的に排除され、そして上記共振装置は、高Ｑの共振装置である請求項１に記載の装置。
- 上記少なくとも１つのモード形状は、半径方向輪郭のモード形状を含む請求項１に記載の装置。
- 上記少なくとも１つのモード形状は、撓みモード形状を含む請求項１に記載の装置。
- 上記共振器が少なくとも１つのモード形状で駆動されるように上記共振器の静電励起を許す位置において上記基体上に形成された駆動電極構造体を更に備え、そして上記共振器及び駆動電極構造体は、それらの間に容量性ギャップを画成する請求項１に記載の装置。
- 上記駆動電極構造体は、上記共振器の周囲に配置され、そして上記少なくとも１つのモード形状は、半径方向輪郭モード形状を含む請求項５に記載の装置。
- 上記容量性ギャップは、サブミクロンの横方向容量性ギャップである請求項５に記載の装置。
- 上記駆動電極構造体は、複数の分割電極を含む請求項６に記載の装置。
- 上記少なくとも１つの節点は、上記共振器の中心に対応する請求項１に記載の装置。
- 上記支持構造体は、上記共振器の中心に配置された単一アンカーである請求項９に記載の装置。
- 上記共振器の運動に基づく出力電流を感知するための位置において上記基体上に形成された感知電極構造体を更に備えた請求項５に記載の装置。
- 上記駆動電極構造体は、複数の別々の入力駆動電極を含み、そして上記感知電極構造体は、複数の別々の出力感知電極を含む請求項１１に記載の装置。
- 上記駆動電極構造体は、上記共振器の下に配置され、そして上記少なくとも１つのモード形状は、撓みモード形状を含む請求項５に記載の装置。
- 上記装置は、ダイヤモンドをベースとする請求項１に記載の装置。
- 上記装置は、シリコンをベースとする請求項１に記載の装置。
- 基体と、
上記基体上に配置され、そして少なくとも１つの節点を有するディスク形状の入力共振器と、
上記基体上に配置され、上記入力共振器に接続され、そして少なくとも１つの節点を有するディスク形状の出力共振器と、
を備えたマイクロメカニカル装置。 - 上記入力及び出力共振器を上記基体上でそれらの各節点に支持するように上記基体に固定された支持構造体を更に備えた請求項１６に記載の装置。
- 上記基体上に配置されて、上記入力及び出力共振器に接続され、そして少なくとも１つの節点を有する中間共振器を更に備えた請求項１６に記載の装置。
- 上記マイクロメカニカル装置はフィルタである請求項１６に記載の装置。
- 上記共振器は、一緒に機械的に結合される請求項１６に記載の装置。
- 上記装置は、バンドパスフィルタである請求項２０に記載の装置。
- 上記共振器は、一緒に電気的に結合される請求項１６に記載の装置。
- 上記装置は、一体化可能なフィルタである請求項２２に記載の装置。
- 上記共振器を一緒に機械的に結合するための結合スプリングを更に備えた請求項２０に記載の装置。
- 上記入力共振器の静電励起を許す位置において上記基体上に形成された駆動電極構造体と、上記出力共振器の運動に基づく出力電流を感知するための位置において上記基体上に形成された感知電極構造体とを更に備えた請求項１６に記載の装置。
- 上記入力共振器の静電励起を許す位置において上記基体上に形成された駆動電極構造体と、上記出力共振器の運動に基づく出力電流を感知するための位置において上記基体上に形成された感知電極構造体と、上記装置の応答にアクセスし易い位置において上記基体上に形成された中間電極構造体とを更に備えた請求項１８に記載の装置。
- 上記入力共振器を出力共振器に機械的に結合するための非隣接カプラーを更に備え、上記装置はブリッジ型フィルタである請求項１８に記載の装置。
- 上記装置は、ミクサである請求項１６に記載の装置。
- 上記共振器は、それが駆動時に最大変位を経験する少なくとも１つの反節部分を有し、そして上記装置は、更に、上記反節部分の運動を感知するための感知手段を備えた請求項１に記載の装置。
- 上記感知手段は、上記反節部分から突出してそれと一緒に運動する少なくとも１つの突起と、該少なくとも１つの突起に接続されて上記反節部分の運動を表わす出力を与える手段とを備えた請求項２９に記載の装置。
- 上記手段は、少なくとも１つの電極構造体を含む請求項３０に記載の装置。
- 上記共振器の静電励起を許と共に上記共振器の運動に基づく出力電流を感知するための位置において上記基体上に形成された単一電極構造体を更に備えた請求項１に記載の装置。
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