JP2005271191A - マイクロメカニカル静電振動子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 本発明のマイクロメカニカル振動子100は、板状の振動体105と、振動体の両側に振動体の外周部に対し空隙106を介してそれぞれ対向配置される一対の電極107,107と、一対の電極に同相の交流電力を印加するための給電手段110と、振動体と電極との間の静電容量の変化に対応した出力を得るための検出手段103,120とを有し、振動体の平面形状を、くびれを備えた曲線状の輪郭を有する形状としたことを特徴とする。
【選択図】 図1
Description
WILLIAM C.TANG、他三名 "Laterally Driven Resonant Microstructures" Sensors and Actuators,20(1989)P.25−32 W. -T. Hsu、他二名 "Q-optimized lateral free-free beam micromechanical resonators," Digest of Technical Papers, the 11th Int. Conf. on Solid-State Sensors & Actuators (Transducers'01), Munich, Germany, June 10-14, 2001, pp.1110-1113. J. R. Clark、他二名 "High-Q VHF micromechanical contour-mode disk resonators," Technical Digest, IEEE Int. Electron Devices Meeting, San Francisco, California, Dec. 11-13, 2000, pp. 399-402.
この静電容量は、配線抵抗の増大や導電接続処理の要請から微細化することが困難であるので、マイクロメカニカル静電振動子の電極構造が微細化されればされるほど、相対的に大きくなる。
このように、本発明では、振動体の変位量が増大するとともに振動体と加振電極との間の静電容量自体も大きくすることができるため、入力電圧に対する出力電圧の比を高めることができる。しかも、伸縮モードで振動するため、高周波化も容易である。
次に、添付図面を参照して本発明の第1実施形態について詳細に説明する。図1は、本発明に係る第1実施形態のマイクロメカニカル静電振動子100の構造を回路構成とともに示す概略平面図(a)及び縦断面図(b)である。
この結果、比較例の固有振動周波数は約385MHzであったのに対して、本実施形態の固有振動周波数は約441MHzとなった。また、図2(b)に示すように、本実施形態の振動体105における、円弧部105a,105b間の幅とくびれ部105c,105d間の幅とが同相で伸縮する振動モードの固有振動周波数は983MHzとなった。このように、本実施形態のマイクロメカニカル振動子は、従来構造の比較例に対して高周波化を図ることができることが確認された。
次に、図3を参照して、本発明に係る第2実施形態のマイクロメカニカル静電振動子200について説明する。この振動子200は、上記第1実施形態の振動体とほぼ同様の平面形状を有する振動体205を有するが、この振動体205は、一対のくびれ部の中央部が梁状の支持部204に接続されることによって支持されている点で上記第1実施形態とは異なる。この支持部204は、振動体205を両側から梁状に支持し、ほぼ水平に(すなわち基板201の表面と平行に)伸びるように構成されている。また、支持部204の反対側は出力電極203に接続されている。
図4は、上記振動体の代わりに用いることのできる異なる平面形状を有する振動体の平面図である。図4(a)に示す振動体305の平面形状は、中心の周りに3つの円弧部305a,305b,305cが設けられ、これらの円弧部間にそれぞれくびれ部305d,305e,305fが連結された輪郭を有する。また、図4(b)に示す振動体405の平面形状は、4つの円弧部405a,405b,405c,405dが設けられ、これらの円弧部間にそれぞれくびれ部405e,405f,405g,405hが連結された輪郭を有する。
図5及び図6には、上記第1実施形態のマイクロメカニカル静電振動子100を製造するプロセス例を示す工程断面図を示す。このプロセスでは、最初に、図5(a)に示すように、シリコン基板などで構成される基板101上にSiO2で構成される絶縁層102Aと、Si3N4で構成される絶縁層102Bとを形成する。絶縁層102Aは熱酸化法などで形成でき、また、絶縁層102BはプラズマCVD法などで形成できる。絶縁層102Aと絶縁層102Bは、上記の絶縁膜102を構成する。
そして、フォトリソグラフィ法などでパターニングを行うことにより、図5(d)に示すように、出力電極103と、入力電極107pを形成する。
その後、図6(g)に示すように、ポリシリコンなどで導電層105Sを成膜する。このとき、開口108x内には支持部104が同時に形成される。さらに、図6(h)に示すように、レジストなどでマスク109を形成し、このマスク109を介して導電層105Sをパターニングすることで、図6(i)に示すように、振動体105、空隙106、及び、電極107を形成する。
ここで、一対の加振電極に対して対称な形状とは、例えば、一対の加振電極の中心部を結ぶ線分の垂直二等分線を対称軸としたときの線対称形状であることを意味する。この場合にはさらに、一対の電極の中心部を結ぶ線分を対称軸とした線対称形状でもあることが望ましい。例えば、上記第1及び第2実施形態の振動体105,205や図4(b)に示す振動体405は、このような高い対称性を実現しうる形状である。
図7は、本発明に係る第3実施形態のマイクロメカニカル静電振動子300の構造を示す概略縦断面図(a)、概略平面図(b)及び振動体305の形状を示す拡大斜視図(c)である。この静電振動子300は、基板301上に絶縁層302を形成し、この絶縁層302上に、振動子構造体を形成したものである。基板301としては、シリコン単結晶、GaAsやInP等の化合物半導体などの半導体基板であることが好ましいが、ガラス、石英、セラミックス、合成樹脂などの他の素材で構成されたものであっても構わない。
また、絶縁層302は、基板301が絶縁体である場合には不要であるが、基板301が半導体や導体である場合、或いは、基板301は絶縁体であるがその表面上に導体パターンなどの導電体が存在している場合には必要となる。
次に、図8を参照して、本発明に係る第4実施形態の静電振動子300′について説明する。この実施形態において、上記第3実施形態と同一部分には同一符号を付し、それらの説明は省略する。
次に、上記第3実施形態の実施例と、第3実施形態の振動体305に代えて支持部305aから外縁305bまで同一の厚さを有する平行板状の振動体を用いた比較例とを対比した結果について説明する。なお、実施例と比較例とは、振動体の重量及び平均厚さが同一である。したがって、実施例の振動体は、比較例の中央側の部分の肉を一定量取り去り、その一定量の肉を外縁側に付加した形状となっている。
図12は、上記とは異なる振動体405の形状を示す概略斜視図である。この振動体405は上記第3及び第4実施形態の振動体の代わりに用いることができるものである。振動体405は、中心の支持部405aから外縁405bまでの間の複数箇所(図示例では2箇所)に段差面405c、405dが設けられている。このようにすると、重量分布はさらに外縁405b側に偏ることになるため、振動時の変位量をさらに高めることができる。
図18は、本発明に係る第5実施形態のマイクロメカニカル静電振動子800の構造を示す概略縦断面図(a)及び概略平面図(b)である。このマイクロメカニカル静電振動子800は、基板801上に絶縁層802を形成し、この絶縁層802上に、振動子構造体を形成したものである。基板801としては、シリコン単結晶、GaAsやInP等の化合物半導体などの半導体基板であることが好ましいが、ガラス、石英、セラミックス、合成樹脂などの他の素材で構成されたものであっても構わない。また、絶縁層802は、基板801が絶縁体である場合には不要であるが、基板801が半導体や導体である場合、或いは、基板801は絶縁体であるがその表面上に導体パターンなどの導電体が存在している場合には必要となる。
次に、図20を参照して、本発明に係る第6実施形態の静電振動子900について説明する。この実施形態において、振動体905及び駆動電極906以外の構成は、上記第5実施形態と同一に構成することができるため、それらの説明は省略する。
次に、上記第5及び第6実施形態の捩れ振動を用いた振動子と、屈曲振動を用いた振動子と、伸縮振動(縦振動)を用いた振動子との関係について説明する。
fb=(Bn/2L)(G/ρ)1/2 …(1)
で表される。ここで、Bnは振動体の棒端の条件と、振動次数によって定まる係数であり、両端固定の場合、Bn=n=1,2,3,・・・となり、一端固定、他端自由の場合、Bn=n−1/2=1/2,3/2,5/2,・・・である。また、GはG=E/{2・(1+σ)}(Eはヤング率、σはポアソン比)であり、ρは密度である。
fa=(An/L2)(EI/m)1/2 …(2)
で表される。ここで、Anは振動体の棒端の条件と、振動次数によって定まる係数であり、両端固定の場合、A1=4.730、A2=7.853、A3=10.996,・・・(1−coshA・cosA=0の解)となり、一端固定、他端自由の場合、A1=1.875、A2=4.694、A3=7.855,・・・(1+coshA・cosA=0の解)である。また、Eはヤング率、Iは振動体の断面2次モーメントであり、例えば、断面が円の場合にはI=πd4/64(dは直径)である。mは振動体の断面積Sと密度ρの積である。
fs=(Bn/2L)(E/ρ)1/2 …(3)
で表される。ここで、Bnは振動体の棒端の条件と、振動次数によって定まる係数であり、両端固定の場合、Bn=n=1,2,3,・・・となり、一端固定、他端自由の場合、Bn=n−1/2=1/2,3/2,5/2,・・・である。また、Eはヤング率、ρは密度である。
図22は、本発明に係る第7実施形態のマイクロメカニカル静電振動子1000のを示す概略縦断面図、すなわち(b)に示すA−A線に沿った断面を示す概略断面図(a)、概略平面図(b)、及び、上記(a)と直交する断面、すなわち(b)のC−C線に沿った断面を示す概略断面図(c)である。
絶縁層1002は、基板1001が導電体基板である場合や半導体基板であるときに、基板と、その上層の導電体との間を絶縁するためのものである。
なお、このマイクロメカニカル静電振動子1000は、図示例のようにパッケージ1011,1012に収容するのではなく、表面実装デバイス(SMD)などのように回路基板などに直接実装して用いることも可能である。
次に、図25を参照して上記第7実施形態の製造方法について説明する。最初に、図25(a)に示すように、基板1001の表面上に絶縁層1002を形成する。絶縁層1002は、CVD法などで直接成膜してもよく、或いは、液状やペースト状の基材をスピンコーティング法、ロールコーティング法、印刷法などによって塗布し、加熱処理などによって硬化させてもよい。
図27は、上記実施形態のマイクロメカニカル静電振動子の等価回路図である。マイクロメカニカル静電振動子1000の等価回路には、接続端子1005SPと1005MPとの間に静電容量Ca,インダクタンスLa,抵抗Raの直列回路と、この直列回路と並列に接続される並列容量(short Capacitance)Csとが存在する。ここで、上記直列回路部分は静電振動子の入出力特性をもたらす部分であり、並列容量Csは電極1004Saと1004Maとの間の静電容量の定常成分に相当するものである。
図24は、本発明に係る第8実施形態のマイクロメカニカル静電振動子1100を示す概略縦断面図である。この実施形態では、基板1101、絶縁層1102、電極層1104S,1104M、電極1104Sa,1104Ma、配線部2005SL,2005ML、接続端子2005SP,2005MPはそれぞれ上記第1実施形態と同様であるので、それらの説明は省略する。
図29は、本発明に係る第9実施形態のマイクロメカニカル静電振動子の縦断面図である。このマイクロメカニカル静電振動子1200は、ガラス、石英、セラミックスなどの絶縁体で構成された基板1201上に、出力電極1203と、この出力電極1203に導電接続された支持部1204と、支持部1204に導電接続されて支持される振動体1205と、この振動体1205の両側において振動体1205の外縁に対向するように配置される一対の加振電極1207,1207とを備えた振動子構造体を有している。なお、この実施形態では、基板1201上に構成された振動子構造体が上記第1実施形態と同様に構成されているので、上記振動子構造体の詳細については説明を省略する。
図30は、本発明に係る第10実施形態のマイクロメカニカル静電振動子の縦断面図である。このマイクロメカニカル静電振動子1300は、ガラス、石英、セラミックスなどの絶縁体で構成された基板1301上に、基準電極1303と、この基準電極1303に導電接続された支持部1304と、支持部1304に導電接続されて支持される振動体1305と、この振動体1305の両側において振動体1305の外縁に対向するように配置される一対の加振電極1307,1307とを備えた振動子構造体を有している。なお、この実施形態では、基板1301上に構成された振動子構造体が上記第3実施形態と同様に構成されているので、上記振動子構造体の詳細については説明を省略する。
図31及び図32は、本発明に係る第11実施形態のマイクロメカニカル静電振動子の製造方法を示す工程図である。ここで、本実施形態は、上記第9実施形態のマイクロメカニカル静電振動子1200を製造する場合を例示するものであり、図31及び図32において、図29に示した部分と同一部分には同一の符号を付してある。また、以下の説明においてはSOI(Silicon On Insulator)基板1260を用いてマイクロメカニカル静電振動子1200を製造する場合を例に挙げて説明するが、シリコン基板1261上に絶縁膜及びポリシリコン(p−SiO)膜を形成することで、SOI基板1260を用いる場合とほぼ同様の工程で製造することもできる。
次に、本発明に係る第12実施形態のマイクロメカニカル静電振動子の製造方法について説明する。図33は、本実施形態のマイクロメカニカル静電振動子の製造方法の一部を示す工程図である。尚、図33において、図29に示した部分に対応する部分には同一の符号に′を付して示してある。この第12実施形態についても、上記の第11実施形態と同様に、上記の第9実施形態のマイクロメカニカル静電振動子1200に相当するものを製造する例を示したものである。したがって、上記第11実施形態と同様に他の実施形態のマイクロメカニカル静電振動子を製造する場合にも適用できる。また、上記の第11実施形態と同様に、以下の説明においてはSOI基板1260′を用いて製造する場合を例に挙げて説明するが、シリコン基板1261′上に絶縁膜及びポリシリコン(p−SiO)膜を形成することで、SOI基板1260′を用いる場合とほぼ同様の工程で製造することもできる。
Claims (27)
- 板状の振動体と、該振動体の両側に前記振動体の外周部に対し空隙を介してそれぞれ対向配置される一対の加振電極と、該一対の加振電極に同相の交流電力を印加するための給電手段と、前記振動体と前記加振電極との間の静電容量の変化に対応した出力を得るための検出手段とを有するマイクロメカニカル静電振動子において、前記振動体の平面形状を、くびれを備えた曲線状の輪郭を有する形状としたことを特徴とするマイクロメカニカル静電振動子。
- 前記振動体の平面形状の輪郭は、円弧部と、該円弧部に両端が滑らかに連結されたくびれ部とからなることを特徴とする請求項1に記載のマイクロメカニカル静電振動子。
- 前記振動体は、基板上に形成された支持部により支持され、前記支持部の周囲に広がる形状に構成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載のマイクロメカニカル静電振動子。
- 前記振動体は、前記基板であるシリコン基板上に構成されたシリコン層若しくはシリコン化合物層で構成されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載のマイクロメカニカル静電振動子。
- 支持部にて支持された振動体と、該振動体の外縁と対向配置される加振電極と、前記振動体の振動変位に対応する信号を出力可能に構成され、前記振動体と前記加振電極との間に生ずる静電力により前記振動体が伸縮モードで振動するマイクロメカニカル静電振動子において、
前記振動体は、前記支持部から前記外縁に向けて厚さが増大する形状を有することを特徴とするマイクロメカニカル静電振動子。 - 前記振動体は前記外縁とは反対側に向いた段差面を有し、該段差面に対向する第2の加振電極を有することを特徴とする請求項5に記載のマイクロメカニカル静電振動子。
- 前記振動体は、その中央部が支持された板状体であることを特徴とする請求項5又は6に記載のマイクロメカニカル静電振動子。
- 前記振動体を挟んで両側に一対の前記加振電極が配置されていることを特徴とする請求項7に記載のマイクロメカニカル静電振動子。
- 前記支持部は基板上に形成されていることを特徴とする請求項5乃至8のいずれか一項に記載のマイクロメカニカル静電振動子。
- 振動体と、該振動体に隣接配置される加振電極とを有するマイクロメカニカル静電振動子において、
前記振動体は、一端が固定された支持部と、該支持部の他端に接続され、前記支持部よりも拡大された範囲に広がる従動部とを有し、
前記従動部は、前記支持部を中心とする回転方向に見て変化する形状を備え、
前記加振電極は、前記従動部のうち前記支持部を中心とする回転方向の成分を有する方向を向いた表面に対向配置された電極面を備え、
前記振動体は、前記駆動電極との間に生ずる静電力に基づいて捩れ振動することを特徴とするマイクロメカニカル静電振動子。 - 前記従動部の外縁は非円形であり、前記加振電極の前記電極面は前記従動部の前記外縁に対向配置されていることを特徴とする請求項10に記載のマイクロメカニカル静電振動子。
- 前記従動部は前記軸線を中心とする回転方向と直交する方向に貫通する開口部を有し、前記加振電極の前記電極面は、前記開口部の開口縁部に対向配置されていることを特徴とする請求項10又は11に記載のマイクロメカニカル静電振動子。
- 前記支持部は、前記従動部の重心位置に接続されていることを特徴とする請求項10乃至13のいずれか一項に記載のマイクロメカニカル静電振動子。
- 前記支持部の周囲に複数の前記加振電極が配置されていることを特徴とする請求項10乃至13のいずれか一項に記載のマイクロメカニカル静電振動子。
- 前記支持部は基板上に設けられていることを特徴とする請求項10乃至14のいずれか一項に記載のマイクロメカニカル静電振動子。
- 前記振動体又は前記加振電極に導電接続された配線層を有し、該配線層と前記基板の距離が前記振動体又は前記加振電極と前記基板の距離よりも大きいことを特徴とする請求項3、4、9又は15に記載のマイクロメカニカル静電振動子。
- 前記配線層は、前記振動体又は前記加振電極の形成表面よりも前記基板から離れた表面を備えた絶縁層上に形成されていることを特徴とする請求項16に記載のマイクロメカニカル静電振動子。
- 前記振動体又は前記加振電極は前記基板上に形成された絶縁体の表面上に構成され、前記絶縁層は前記絶縁体よりも低い誘電率を有することを特徴とする請求項17に記載のマイクロメカニカル静電振動子。
- 基板と、該基板上に配置された少なくとも一つが可動に構成された複数の電極とを有するマイクロメカニカル静電振動子において、
前記電極に導電接続された配線層を有し、該配線層と前記基板との間に設けられた絶縁層により構成される段差に基づいて、前記配線層と前記基板との距離が前記電極と前記基板の距離よりも大きく構成されていることを特徴とするマイクロメカニカル静電振動子。 - 前記絶縁層は多孔質膜であることを特徴とする請求項17乃至19に記載のマイクロメカニカル静電振動子。
- 前記配線層と前記基板との間には空間が設けられていることを特徴とする請求項16乃至20のいずれか一項に記載のマイクロメカニカル静電振動子。
- 前記基板は絶縁体からなる基板であることを特徴とする請求項3、4、9又は15に記載のマイクロメカニカル静電振動子。
- 前記基板は、ガラスからなることを特徴とする請求項22に記載のマイクロメカニカル静電振動子。
- 基板と、前記基板上に設けられた振動体と、前記振動体に対向配置された加振電極とを備えるマイクロメカニカル静電振動子の製造方法であって、
絶縁体からなる第1基板と、表面に活性層を有する第2基板の少なくともいずれか一方の表面に凹部を形成する凹部形成工程と、
前記第1基板の表面と前記第2基板の表面とを向かい合わせて接合する基板接合工程と、
前記第2基板に対して前記活性層の少なくとも一部を残す所定の加工を行って前記第1基板上に前記振動体及び前記加振電極を形成する振動子形成工程と、
を含むことを特徴とするマイクロメカニカル静電振動子の製造方法。 - 前記第1基板はガラスからなることを特徴とする請求項24に記載のマイクロメカニカル静電振動子の製造方法。
- 前記振動子形成工程は、前記第1基板に接合された前記第2基板を所定の厚みまで薄板化する薄板化工程と、薄板化された前記第2基板を前記活性層の少なくとも一部を残す態様で所定形状にエッチングするエッチング工程と、を含むことを特徴とする請求項24又は25に記載のマイクロメカニカル静電振動子の製造方法。
- 前記第2基板は、シリコン基板と、当該シリコン基板上に形成された絶縁膜と、当該絶縁膜上に形成された前記活性層とを有しており、
前記薄板化工程は、前記第2基板に含まれる前記シリコン基板に対して研磨処理及びエッチング処理の少なくとも一方を行って前記シリコン基板を除去する工程であることを特徴とする請求項26に記載のマイクロメカニカル静電振動子の製造方法。
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