JP2005184496A - 振動子及びマイクロレゾネータ - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な構造により、駆動部に印加する駆動用バイアス直流電圧に制限されずに、静電容量検出用バイアス直流電圧を自由に設定することができる振動子及びマイクロレゾネータを提供する。
【解決手段】 振動子１０が、基板１５と、基板１５上に形成された積層部と、積層部上に設けられた支持部４６及び複数の固定電極２２，３２と、固定電極２２，３２と対向する可動電極２４，３４を有する第１共振部４０及び第２共振部５０と、支持部４６と第１共振部４０とを連結する第１弾性連結部４４と、第１共振部４０と第２共振部５０とを連結する第２弾性連結部５４とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、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。

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る。
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。
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） 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）

上記のような従来の振動子では、振動子を駆動する駆動部（入力部）と静電容量検出する検出部（出力部）とが同一の共振部に形成され、所謂１自由度振動系を構成するため、駆動部に印加する駆動用バイアス直流電圧と、静電容量検出用バイアス直流電圧を同じ値に設定しなければならないという制限があった。このため、得られる静電容量検出用バイアス直流電圧を自由に設定することができないという問題があった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、簡単な構造により、駆動部に印加する駆動用バイアス直流電圧に制限されずに、静電容量検出用バイアス直流電圧を自由に設定することができる振動子及びマイクロレゾネータを提供することを目的とする。

本発明に係る振動子及びマイクロレゾネータでは、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
第１の発明は、振動子が、基板と、基板上に形成された積層部と、積層部上に設けられた支持部及び複数の固定電極と、固定電極と対向する可動電極を有する第１共振部及び第２共振部と、支持部と第１共振部とを連結する第１弾性連結部と、第１共振部と第２共振部とを連結する第２弾性連結部とを備えるようにした。この発明によれば、第１共振部の印加電圧に関わらず、第２共振部から大きな検出電圧を得ることができる。

また、第１共振部における可動電極と固定電極との間に交流電圧を印加することによって、第１共振部が振動し、それに伴い第２共振部が振動するものであって、交流電圧の周波数が第１共振部と第２共振部とが共振する２自由度振動系の共振周波数のうち低いものとほぼ等しくなるように設定されたものでは、第１共振部の振幅を抑制しつつ、第２共振部の振幅を大きくすることができる。
例えば、固定電極と第１共振部における可動電極との間に生じる静電気力によって、第１共振部を駆動させることができる。
また、第１弾性連結部のばね定数をｋ_１、第２弾性連結部のばね定数をｋ_２としたとき、ｋ_１とｋ_２とが、ｋ_１＞ｋ_２の関係を満足するものでは、第１共振部の振幅を抑制しつつ、第２共振部の振幅をより大きくすることができる。
また、第共振部の質量をｍ_１、前記第２共振部の質量をｍ_２としたとき、ｍ_１とｍ_２とが、ｍ_１≦ｍ_２の関係を満足するものでは、第１共振部の振幅を抑制しつつ、第２共振部の振幅をより大きくすることができる。
また、更に第１共振部と第１弾性連結部と第２弾性連結部を備え、第２共振部が、第２弾性連結部と第１共振部と第１弾性連結部を介して両持ち支持されるものでは、振動子の第１共振部及び第２共振部が両持ち構造となるので、片持ち構造の振動子に比べて安定した構造体となり、安定した振動を得ることができる。

第２の発明は、マイクロレゾネータが第１の発明の振動子からなるようにした。
この発明によれば、振動子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。

以下、本発明の振動子及びマイクロレゾネータの第１実施形態について図を参照して説明する。図１は、本発明のマイクロレゾネータの一実施形態を示す平面図、図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。
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おり、シリコン基板１５の表面に形成された酸化膜からなる絶縁膜１６上において、両側に送信側ＩＤＴ（Inter digital Transducer）２０を配置した駆動部６０と、両側に受信側ＩＤＴ３０を配置した検出部７０とが、第１共振部４０、第２共振部５０を介して連結、固定されるように配置される。
なお、送信側ＩＤＴ２０、受信側ＩＤＴ３０および第１共振部４０、第２共振部５０は、シリコン基板１５上に形成されたポリシリコン（ｐ−ＳｉＯ）膜を利用して形成される。

駆動部６０は、２組の一対の櫛歯状電極（送信側ＩＤＴ２０）及び第１共振部４０により構成される。
駆動部６０の両側に形成される２つの送信側ＩＤＴ２０はいずれも、それぞれ櫛歯部を有する固定電極２２と可動電極２４とから構成される。送信側ＩＤＴ２０の固定電極２２は、複数の櫛歯からなる櫛歯部２１を有し、リード部２５を介して入力電極端子２６に接続される。
そして、駆動部本体６１は、連結ビーム４３と、この連結ビーム４３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の櫛歯部２１とそれぞれ噛み合うように設けられた櫛歯部２３を有する可動電極２４とから構成される。なお、固定電極２２の櫛歯部２１と可動電極２４の櫛歯部２３とは、それぞれ複数の櫛歯が所定の平面上の隙間でもってシリコン基板１５の表面に平行に噛み合っている。
また、第１共振部４０は、駆動部本体６１と、駆動部本体６１の連結ビーム４３に結合された梁４４とから構成される。そして、駆動部本体６１は梁４４を介して支持部４６に連結され、この支持部４６がシリコン基板１５上に固定される構造となっている。

検出部７０は、駆動部６０と略同一の構成を備える。
すなわち、検出部７０は、２組の一対の櫛歯状電極（受信側ＩＤＴ３０）及び第２共振部５０により構成される。
検出部７０は、の両側に形成される２つの受信側ＩＤＴ３０はいずれも、それぞれ櫛歯部を有する固定電極３２と可動電極３４とから構成される。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３１を有し、リード部３５を介して出力電極端子３６に接続される。
そして、検出部本体７１は、連結ビーム５３と、この連結ビーム５３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３２の櫛歯部３１とそれぞれ噛み合うように設けられた櫛歯部３３を有する可動電極３４とから構成される。なお、固定電極３２の櫛歯部３１と可動電極３４の櫛歯部３３とは、それぞれ複数の櫛歯が、所定の平面上の隙間でもってシリコン基板１５の表面に平行に噛み合っている。
また、第２共振部５０は、検出部本体７１と、検出部本体７１の連結ビーム５３に結合された梁５４とから構成される。そして、検出部本体７１は梁５４を介して第１共振部４０の連結ビーム４３に連結される構造となっている。
なお、電極端子１８は出力電極端子３６及び入力電極端子２６に対して共通の接地電極に設定された電極端子である。

そして、図２に示すように、駆動部６０及び検出部７０はシリコン基板１５の絶縁膜（酸化膜）１６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、すなわち基板の絶縁膜１６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入力電極端子２６，３６、リード部２５，３５と絶縁膜１６との間の層１７は、固定電極２２，３２と可動電極２４，３４との櫛歯部２１，２３，３１，３３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。

そして、以下に詳述するが、２つの入力電極端子２６と接地電極の電極端子１８との間に交流電圧を印加することにより、駆動部６０の第１共振部４０が振動し、更に第１共振部４０の振動に伴って検出部７０の第２共振部５０が振動するようになっている。すなわち、所謂２自由度振動系が形成される。

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には、２つの固定電極２２の入力電極端子２６と接地電極の電極端子１８との間に交流電圧を印加する。（なお、図１の上側と下側の固定電極２２に印加する交流電圧は、位相が反転するように調整される。）
これにより、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、駆動部６０の第１共振部４０が、櫛歯の噛み合い方向（櫛歯の長さ方向、すなわち図１の上下方向）に引き押しされて振動する。
この振動は、梁５４を介して検出部７０の伝達され、第２共振部５０を櫛歯の噛み合い方向に振動させる。

入力側である櫛歯状の固定電極２２と可動電極２４との間に入力した電圧が第１共振部４０の固有振動数に達すると、第１共振部４０は共振現象を生じ、第２共振部５０の固定電極３２の出力電極端子３６から共振周波数の電圧が出力される。
同様に、入力側である櫛歯状の固定電極２２と可動電極２４との間に入力した電圧が第２共振部５０の固有振動数に達すると、第２共振部５０は共振現象を生じ、第２共振部５０の固定電極３２の出力電極端子３６から共振周波数の電圧が出力される。
共振周波数あるいは発振周波数は、可動電極２４，３４を含む第１共振部４０，第２共振部５０の質量と梁４４，５４のバネ定数で定まる変位に対する復元力（梁４４，５４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。

このような２自由度振動系のマイクロレゾネータ１０では、第１共振部４０及び第２共振部５０の振幅と、印加する交流電圧の周波数との間に、図３に示すような周波数特性が存在する。
すなわち、第１共振部４０と第２共振部５０とからなる２自由度振動系は、第１共振部４０及び第２共振部５０の振幅が共に大きくなる２つの共振周波数ｆｍ_１［ｋＨｚ］、ｆｍ_３［ｋＨｚ］（ただし、ｆｍ_１＜ｆｍ_３）と、第１共振部４０の振幅がほぼ０となる、１つの反共振周波数ｆｍ_２［ｋＨｚ］とを有する。

そして、マイクロレゾネータ１０においては、駆動部６０の固定電極２２と電極端子１８との間に印加する交流電圧の周波数Ｆが、２つの共振周波数のうち低いもの、すなわちｆｍ_１とほぼ等しくなるように設定する。
これにより、印加する交流電圧の周波数Ｆ［ｋＨｚ］をｆｍ_１［ｋＨｚ］とほぼ等しいものに設定することにより、第１共振部４０の振幅を抑制しつつ、第２共振部５０の振幅を大きくすることができる。
なお、Ｆ［ｋＨｚ］とｆｍ_１［ｋＨｚ］とがほぼ等しいとは、（ｆｍ_１−１）≦Ｆ≦（ｆｍ_１＋１）の条件を満足することを意味する。

ところで、第１共振部４０の固有振動数ω_１は、第１共振部４０の質量（すなわち駆動部本体６１の質量）をｍ_１、梁４４のばね定数をｋ_１としたとき、ω_１＝（ｋ_１／ｍ_１）^１／２によって与えられ、また第２共振部５０の固有振動数ω_２は、第２共振部５０の質量（すなわち検出部本体７１の質量）をｍ_２、梁５４のばね定数をｋ_２としたとき、ω_２＝（ｋ_２／ｍ_２）^１／２によって与えられる。
したがって、上記のようにして求められる第１共振部４０の固有振動数ω_１と第２共振部５０の固有振動数ω_２とは、ω_１＞ω_２の関係を満足するように設定する必要がある。これにより、第１共振部４０の振幅を抑制しつつ、第２共振部５０の振幅をより大きくすることができる。

例えば、梁４４のばね定数をｋ_１、梁５４のばね定数をｋ_２としたとき、ｋ_１とｋ_２とが、ｋ_１＞ｋ_２の関係を満足させることが望ましい。これにより、上述したω_１＞ω_２の関係を満足するので、第１共振部４０の振幅を抑制しつつ、第２共振部５０の振幅をより大きくすることができる。

また、第１共振部４０の質量ｍ_１、第２共振部の質量ｍ_２とが、ｍ_１≦ｍ_２の関係を満足させることが望ましい。これにより、上述したω_１＞ω_２の関係を満足するので、第１共振部４０の振幅を抑制しつつ、第２共振部５０の振幅をより大きくすることができる。

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、第２共振部５０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、固定電極２２の入力電極端子２６と、接地電極の電極端子１８との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、検出部７０の第２共振部５０が上述したように静電力によって振動し、その周波数が出力電極端子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。

以上説明したように、第１実施形態のマイクロレゾネータ１０によれば、駆動部６０への印加電圧に関わらず、検出部７０から大きな検出電圧を得ることができる。すなわち、第１共振部４０の振幅を抑制しつつ、第２共振部５０の振幅を大きくすることができる。これにより、検出部７０から得られる静電容量検出用バイアス直流電圧を、駆動部６０に印加する駆動用バイアス直流電圧に関わらず、自由に設定すること可能となる。

なお、第１実施形態では、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、図５から図７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。なお、図５から図７において、本実施形態１のマイクロレゾネータ１０と同一の構成要素については、図を省略或いは同一の符号を付し、説明を省略する。

図５は、マイクロレゾネータの第２実施形態を示す平面図である。マイクロレゾネータ１１０は、図５に示すように、櫛歯形の固定電極及び可動電極に替えて、平行平板形の固定電極１２２及び可動電極１２４と第１共振部１４０とを有する駆動部１６０、平行平板形の固定電極１３２及び可動電極１３４と第２共振部１５０とを有する検出部１７０を備える。
マイクロレゾネータ１１０では、駆動部１６０の固定電極１２２と可動電極１２４との隙間Ｄ_１を小さくすることができる。これにより、小さな電圧でも大きな静電引力を発生できる。すなわち、得られる静電引力は、Ｆ＝εＳ（Ｖ／Ｄ_１）^２／２によって与えられるので、例えば、距離が半分になると４倍の静電引力を得ることができる。なお、εは誘電率、Ｓは電極面積、Ｖは電圧を示す。
一方、検出部１７０の固定電極１３２と可動電極１３４との隙間Ｄ_２を大きくすることができる。これにより、検出部１７０の第２共振部１５０を大きく振幅させるスペースを確保できるので、第２共振部１５０を大きく振幅させて、大きな出力電圧を得ることができる。なお、検出部の共振部を大きくするためには、梁５４のバネ係数ｋ_２を小さくすればよい（振幅はバネ係数ｋ_２に比例）。
このように、マイクロレゾネータ１１０によれば、駆動部１６０及び検出部１７０毎に、その特性に合わせて、固定電極１２２，１３２と可動電極１２４，１３４との隙間Ｄ１，Ｄ２を設定することが可能となる。これにより、駆動部１６０への印加電圧に関わらず、検出部１７０から大きな検出電圧を得ることができる。

図６は、マイクロレゾネータの第３実施形態を示す平面図である。マイクロレゾネータ２１０は、図６に示すように、２つの駆動部１６０（第１共振部１４０）と１つの検出部１７０（第２共振部１５０）を備える。そして、検出部２７０の両側にそれぞれ梁５４を介して駆動部１６０が連結され、更に２つの駆動部１６０が梁４４を介してそれぞれ支持部４６に連結される、所謂両持ち型となっている。
このように、マイクロレゾネータ２１０を両持ち型に形成することにより、構造的に安定したマイクロレゾネータを得ることができる。また、駆動部１６０及び検出部１７０における電極の隙間を第１実施形態と同様に調整することにより、駆動部１６０への印加電圧に関わらず、検出部１７０から大きな検出電圧を得ることができる。

図７は、マイクロレゾネータの第４実施形態を示す断面図である。マイクロレゾネータ３１０は、図７に示すように、片側にのみ固定電極３２２，３３２及び可動電極３２４，３３４が配置された駆動部３６０、検出部３７０から構成される。そして、駆動部３６０、検出部３７０は、梁３４４，３５４を介して支持部４６に連結される。
このように、片側にのみ電極を配置した場合であっても、駆動部３６０、検出部３７０の共振部３４０，３５０を振動させることが可能である。図７に示すように、基板１５に対して、共振部３４０，３５０を垂直方向に振動させることも可能となる。また、駆動部３６０及び検出部３７０における電極の隙間を第１実施形態と同様に調整することにより、駆動部３６０への印加電圧に関わらず、検出部３７０から大きな検出電圧を得ることができる。
なお、マイクロレゾネータ３１０は片側に電極を配置したものであればよく、所謂片持ち型に限らず、両持ち型であってもよい。また、電極は平行平板形に限らず、櫛歯形の電極であってもよい。

以上説明したように、第２から第４実施形態のマイクロレゾネータ１１０，２１０，３１０においても、第１実施形態のマイクロレゾネータ１０と同様に、駆動部への印加電圧に関わらず、検出部から大きな検出電圧を得ることができる。これにより、検出部から得られる静電容量検出用バイアス直流電圧を、駆動部に印加する駆動用バイアス直流電圧に関わらず、自由に設定すること可能となる。

マイクロレゾネータの第１実施形態を示す平面図 図１におけるＡ−Ａ断面図 マイクロレゾネータの周波数特性図 マイクロレゾネータの作用説明図 マイクロレゾネータの第２実施形態を示す平面図 マイクロレゾネータの第３実施形態を示す平面図 マイクロレゾネータの第４実施形態を示す断面図

符号の説明

１０，１１０，２１０，３１０…マイクロレゾネータ（振動子）、 １５…シリコン基板（基板）、 １６…絶縁膜（積層部）、 ２２，１２２，３２２…固定電極、 ２４，１２４，３２４…可動電極、 ３２，１３２，３３２…固定電極、 ３４，１３４，３３４…可動電極、 ４０，１４０，３４０…第１共振部、 ４４，３４４…梁（第１弾性連結部）、 ４６…支持部、 ５０，１５０，３５０…第２共振部、 ５４，３５４…梁（第２弾性連結部）、 ６０，１６０，３６０…駆動部、 ７０，１７０，３７０…検出部

Claims (7)

1. 基板と、前記基板上に形成された積層部と、
   前記積層部上に設けられた支持部及び複数の固定電極と、
   前記固定電極と対向する可動電極を有する第１共振部及び第２共振部と、
   前記支持部と前記第１共振部とを連結する第１弾性連結部と、
   前記第１共振部と前記第２共振部とを連結する第２弾性連結部と、
   を備えることを特徴とする振動子。
2. 前記第１共振部における前記可動電極と前記固定電極との間に交流電圧を印加することによって、前記第１共振部が振動し、それに伴い前記第２共振部が振動するものであって、
   前記交流電圧の周波数が、前記第１共振部と前記第２共振部とが共振する２自由度振動系の共振周波数のうち低いものとほぼ等しくなるように設定されたことを特徴とする請求項１に記載の振動子。
3. 前記固定電極と前記第１共振部における前記可動電極との間に生じる静電気力によって、前記第１共振部が駆動することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の振動子。
4. 前記第１弾性連結部のばね定数をｋ_１、前記第２弾性連結部のばね定数をｋ_２としたとき、ｋ_１とｋ_２とが、ｋ_１＞ｋ_２の関係を満足することを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載の振動子。
5. 前記第１共振部の質量をｍ_１、前記第２共振部の質量をｍ_２としたとき、ｍ_１とｍ_２とが、ｍ_１≦ｍ_２の関係を満足することを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか一項に記載の振動子。
6. 更に前記第１共振部と前記第１弾性連結部と前記第２弾性連結部を備え、
   前記第２共振部は、前記第２弾性連結部と前記第１共振部と前記第１弾性連結部を介して両持ち支持されることを特徴とする請求項１から請求項５のうちいずれか一項に記載の振動子。
7. 請求項１から請求項６のうちいずれか一項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。
   
   
   

Images