JP2005533400A - 極超短波ｍｅｍ共振器のための中心質量の減少したマイクロブリッジ構造 - Google Patents

Abstract

【課題】基板と、基板に接続されるマイクロブリッジ・ビーム構造と、ビームの振動を引き起こすためにマイクロブリッジ・ビーム構造へ近接して配置される少なくとも１つの電極とを備えるマイクロ電子機械（ＭＥＭ）共振器が記載される。
【解決手段】マイクロブリッジ・ビーム構造は、複数の支持部と、複数の支持部の間に形成されるビームを備える。ビームの中心領域の質量は、複数の支持部に隣接しているビームの領域の質量よりも少ない。

Description

本発明は、広義にはマイクロ電子機械（ＭＥＭ）構造に関し、より詳細には、ＭＥＭ共振器に関する。

一般に、通信システムにおいては、電磁気周波数スペクトルの分割が必要である。従って、通信トランシーバ・デバイスは、高い周波数選択性、即ち、与えられた周波数帯を選択し、他の周波数を全てブロックすることが可能でなければならない。従って、フィルタ、オシレータおよびミキサのような周波数分離デバイスは、トランシーバ内の最も重要な構成要素のうちの幾つかであり、また一般に、これらのデバイスの品質によって該トランシーバ全体の構成が規定される。

通常、無線通信デバイス（例えば無線周波数（ＲＦ）デバイスおよびセル方式通信装置）において、信号のフィルタリングと生成のために共振器が使用される。現在、共振器を製作するために、分離結晶がしばしば使用される。通常、このようなオフチップ共振器は基板レベルで実施され、従って、携帯用トランシーバの究極的な小型化の妨げとなる。

携帯用トランシーバを小型化するために、例えば、マイクロ電子機械（ＭＥＭ）共振器が、帯域フィルタおよび参照オシレータでの使用に供するために考案された。しかしながら、従来のＭＥＭ共振器は、無線通信アプリケーションに十分高い適切な共振周波数を提供し得ない。

本発明の特徴、態様および効果は、以下の詳細な説明、添付の特許請求の範囲および添付の図面からより完全に明らかになる。

以下の説明において、具体的な詳細は本発明の完全な理解を提供するために記載される。しかしながら、本発明がこれらの具体的な詳細なしで実施され得る事は、当業者にとって明らかである。また、周知の回路、構成および技術は、本発明を不明瞭にすることを避けるために示されなかった。

マイクロ電子機械（ＭＥＭ）共振器が記載される。一実施形態において、共振器は、複数の支持部を有するマイクロブリッジ・ビーム構造と、その間に形成される水平のビームとを備える。ビームの中心領域の質量は、複数の支持部に隣接するビームの複数の領域の質量よりも少ない。ビームの中心領域の質量が少ないことによって、より高い共振周波数が、共振器のサイズ（例えばビーム構造の長さおよび厚さ）を縮小せずに達成することが出来る。

図１ａおよび１ｂは、長方形のマイクロブリッジ・ビーム部１０２を備えるＭＥＭ共振器１００を示す。ＭＥＭ共振器は、水平ビーム部１０２を含むマイクロブリッジ・ビーム構造と、共振器が形成される基板に固着される複数の支持部１１２および１１４とを備える。共振器１００の振動は、長手方向にギャップを有する容量型変換器（周波数励振）によって引き起こされる。容量型変換器は、電極１０４を水平ビーム部１０２と隣接して、かつこの場合は電極とビームとの間にギャップを設けて配置する事によって形成される。図示された実施形態において、搭載される基板１０６に対して共振器を垂直に振動させるために、電極１０４は水平ビーム部１０２の真下に配置される。

基本的に、ＭＥＭ共振器は、電極およびビームにそれぞれ対応する２つの端子を有する２端子装置であり、これらの間のインピーダンスが、共振周波数以外のすべての周波数において非常に高くなる。共振周波数において、２端子間の抵抗は非常に低くなる。フィルタ内における使用の例において、共振周波数において入力信号を通過させて良い。

共振器１００のような共振器の１つの期待される性能は、共振器が振動して機械的な信号を生成する共振周波数が複数存在する事を制限する事である、と言う事が認識される。例えば、クロック回路の一部として供されるオシレータの場合には、共振器ベースのオシレータが目標のクロック周波数で振動することが重要である。フィルタの場合には、共振器は、目標周波数において振動して入力信号を通過させ、他の周波数においては振動せずに入力信号をブロックする事が望まれ得る。

長方形のビームを備えたＭＥＭ共振器の共振周波数は、水平ビーム部の長さおよびその他の関数である。長方形のビームを備えた共振器の共振周波数（Ｆ）は、以下のように近似され得る。

ここで、ｔはマイクロブリッジ・ビームの厚さを表わし、Ｌはマイクロブリッジ・ビームの長さを表わし、Ｅはビーム材料のヤング率を表わし、ρはビーム材料の密度を表わす。

或る適用において、例えば無線通信デバイスで使用するために、超短波（ＶＨＦ）あるいは極超短波（ＵＨＦ）で振動するＭＥＭ共振器が所望され得る。数１は、共振周波数がマイクロブリッジ・ビームの長さの２乗に反比例することを示す。従って、ビーム長さＬを短くすることは、高速振動を達成するのに有効で有り得る。しかしながら、極超短波（例えば２００ＭＨｚ以上）を達成するために、共振器のサイズは非常に小さく製作される必要がある。例えば、１ＧＨｚの共振周波数を有する極超短波共振器の水平ビーム部の長さは、３ミクロン（μ）のオーダーより短い。５ＧＨｚを生成するために、ＭＥＭ共振器の水平ビーム部の長さは、約０．２ミクロン（μ）のオーダーであり得る。

これらの共振器をどのように小型に製作し得るかについての１つの限界は、既存のリソグラフィー技術によって決定される。例えば、約０．２μ（つまりマイクロブリッジ・ビームの長さ）が、現在の技術において最小の達成可能サイズで有り得る。これらの共振器をどのように小型に製作し得るかについての他の限界は、出力容量の要件によって決定される。共振器の出力容量は、マイクロブリッジ・ビームの長さに比例する。垂直に振動する構成においては、出力容量は、水平ビーム部と、水平ビーム部の真下に位置する電極との間のオーバーラップする面積に比例する。

従って、周波数をさらに増加させるために例えばマイクロブリッジ・ビームの長さを短くする事によって共振器を継続的に小型化する事は、ＭＥＭ共振器の出力容量に悪影響を及ぼすので望まれないかもしれない。少なくとも既存のＭＥＭ共振器のうちの幾つかにおいて、ビームの長さがさらに短くなる場合、共振器は意図した適用に際して適切な出力を供給し得ない。

オンチップ共振器については、マイクロブリッジ・ビームの長さを縮小せずに、共振周波数を増加させることが望まれ得る。マイクロブリッジ・ビーム構造のスチフネス対質量比の増加によって、ＭＥＭ共振器の共振周波数が増加することが知られている。マイクロブリッジ・ビームの中心部分の質量が慣性に対して最も貢献し、複数の支持構造に隣接する質量が有効ばね定数に対して最も貢献すると言う事も知られている。従って、長方形ビームＭＥＭ共振器のスチフネス対質量比は、マイクロブリッジの中心セクションの質量を低減させることにより有効に増加させられ得る。これは、中心部分の質量を低減させる事によって、マイクロブリッジ・ビームの長さを短くする事無く、より高い共振周波数が達成され得る事を意味する。また、有効ばね定数を増加させることにより、より高い共振周波数が達成され得る。マイクロブリッジ・ビーム構造の有効ばね定数を増加させ得る１つの方法として、複数の支持部に隣接するビームの領域をより広くする事が挙げられる。

一実施形態の一様態において、マイクロブリッジ・ビーム構造の中心部分の質量を低減させる事によって、あるいは複数の支持部に隣接する質量を増加させることにより、あるいはその両方によって、出力容量について妥協する事無く共振周波数を増加させる事が出来る。

図２ａおよび図２ｂは、本発明の第１実施形態におけるＭＥＭ共振器２００を示す。ＭＥＭ共振器２００は、基板２０６の一部の上部に形成されるマイクロブリッジ・ビーム構造を備える。例えば、基板２０６は、ＭＥＭＳに適用するための基板構造として好適である半導体（例えばシリコン）基板である。ガラス（シリコン・オン・インシュレーターを含む）およびセラミックの基板の様な、他の基板も好適であり得る。基板２０６は、デバイス構造（例えば電極）が形成され得る表面上に、複数の接点（パッド、端子）を備えて良い。複数の接点を相互に接続するために、または複数の接点を他の基板と接続するために、伝導性のトレースが基板の本体全体にわたって配置されて良い。基板２０６は、相互接続レベルを含む、基板上に形成される１つ以上のデバイスレベルを有して良い。

本実施形態において、マイクロブリッジ・ビーム２０２は、マイクロブリッジ・ビーム２０２が形成される基板２０６に対して垂直に振動するように構成される。マイクロブリッジ・ビーム２０２の振動は、長手方向にギャップを有する容量型変換器（周波数励振）によって励起され得る。一実施形態において、容量型変換器は、駆動電極２０４をマイクロブリッジ・ビームと隣接して、かつこの場合は駆動電極とビームとの間にギャップを設けて配置する事によって形成される。

図２ａおよび図２ｂを参照して、マイクロブリッジ・ビーム構造は、電極上に配置された水平ビーム部２０２と統合して形成される複数の支持部２１２、２１４を備える。一実施形態において、マイクロブリッジ・ビーム構造は、一連の蒸着、エッチング、パタニングおよびリリース・プロセスによって形成される。マイクロブリッジ・ビーム構造は多結晶シリコンから製作されて良い。しかしながら、他の適切な材料が使用されても良い。ビーム構造の形成に関し、例えば、ビーム構造の材料は犠牲材料上に形成され、続いて犠牲材料が除去されても良い。

図示された実施形態において、マイクロブリッジ・ビーム２０２の中心セクションを狭くすることによって、高い共振周波数が達成される。基本の垂直の振動モード（上下）に関して、ブリッジの中心部分を狭くすることによってスチフネス対質量比を増加させることが出来る。中心部分の質量が慣性に対して最も貢献し、支持部に隣接する断面積が有効ばね定数に最も貢献すると言う事が知られている。従って、ビームの中心部分を狭くし、および（または）複数の支持部に隣接する質量を増加させることによって、マイクロブリッジ・ビーム構造のスチフネス対質量比が増加し得る。従って、中心部分の質量が減少したビームは、ビームが長方形の構成において製作された場合よりも高い共振周波数を有する。

上述されたように、構造を垂直に振動させる際に、出力容量は、水平ビーム部と、真下に位置すると電極との間のオーバーラップする面積に関連する。従って、ビームの中心の近くの幅が縮小される時、ビームと電極との間のオーバーラップする面積も縮小される。しかしながら、出力容量が犠牲とならないように、オーバーラップするエリアの縮小は、支持部に隣接するビームの幅を増加させることにより補償され得る。

図７ａ〜図７ｄは、共振周波数に対する中心部分の幅の影響を示す。本計算は、厚さ０．２５ミクロン（ｍｍ）、および長さ１ミクロンのマイクロブリッジ・ビーム構造のために行なわれる。図７ａ〜図７ｄに示されるように、中心幅（Ｗ）が例えば１ミクロン（図７ｄ）から０．２５ミクロン（図７ａ）まで減少するにつれて、共振周波数は１．２２ＧＨｚから１．９５ＧＨｚまで増加する。マイクロブリッジ・ビーム構造の中心質量の減少量は、共振器の共振周波数増加量に比例する。従って、一定長さの共振器を仮定した場合、より高い共振周波数は、ビーム構造の中心近傍の幅を適切に狭くすることにより達成することが出来る。

更に、上述されたように、共振器の長さを縮小することによって共振周波数を増加させることが出来る。しかしながら、長さを縮小することによって、出力容量に悪影響を及ぼされるであろう。支持部に隣接するビーム構造の幅を増加させつつマイクロブリッジ・ビーム構造の中心部分の質量を減少させることによって、出力容量に悪影響を及ぼす事無く、より高い共振周波数を達成するために共振器を形成することができる。

図３ａおよび図３ｂは、第２実施形態におけるＭＥＭ共振器３００を示す。図示された本実施形態において、マイクロブリッジ・ビーム構造の中心の質量は、ビーム３０２の中心部分において１つ以上のスロット３１６、３１８を形成することによって低減される。図示された実施形態においては、２つのスロットが示される。しかしながら、１つ、２つ、３つ等の、任意の数のスロットが使用されて良い。さらに、スロットの形は長方形であることに制限されない。スロットは、エッチングによるパターニング・プロセスの間の任意の適切なリソグラフィー技術によって水平ビーム部３０２中に形成される。

図４ａおよび図４ｂは、マイクロブリッジ・ビーム４０２の中心近傍の質量を低減する他の方法を示す。本実施形態において、中心の質量は、ビームの中心部分または中心近傍において１つ以上の穴４１６を形成することにより低減される。一実施形態において、中心部分において穴の密度がより高くなる。

図５ａおよび図５ｂは第４実施形態におけるＭＥＭ共振器５００を示す。図示された本実施形態において、水平ビーム部５０２は水平に、即ち、水平ビーム部５０２が形成される基板と平行に振動する。ビーム部分５０２の水平の振動は、長手方向にギャップを有する容量型変換器によって励起される。容量型変換器は、１対の電極５０４Ａおよび５０４Ｂを、ビーム部分５０２と隣接して、かつ１対の電極とマイクロブリッジ・ビームの間にギャップを設けて配置する事によって形成される。１つの適用例において、１対の電極は、１８０度の位相差で交互にビームを誘引する。この構成の１つの利点は、１つの電極ではなくて２つの電極によってビームが励起し、従って機械的な振動を引き起こすための電圧が下げられると言う事である。

図示された本実施形態において、マイクロブリッジ・ビーム構造のスチフネス対質量比はマイクロブリッジ・ビームの中心部分を狭くすることによって増加される。さらに、マイクロブリッジ・ビーム構造の中心の質量を低減することによって、水平に振動する共振器中の共振周波数を増加させるのに有効であることが明らかになっている。

図５ｂに示されるように、複数の電極５０４Ａおよび５０４Ｂは、複数の電極５０４とマイクロブリッジ・ビーム５０２の長手方向の２側面との間に一定のギャップをそれぞれ設けるように形作られる。水平にＭＥＭ共振器を振動させる場合、出力容量は、ビームと複数の電極との間の複数のギャップの長さに比例する。図５ｂを参照して見られるように、複数のギャップの長さは、ビームの中心部分を狭くし、複数の電極の端部と相対させる事により実際に増加する。このようにした際、共振器の出力容量を如何様にも犠牲にする事無く、より高い共振周波数を有利に達成する事が出来る。実際、共振器の出力容量は、複数の電極とビームとの間の適切な面積が実際に増加したという事実により、少々増加し得る。

図５ａおよび図５ｂに示されるＭＥＭ共振器５００は、様々な適用を有する。例えば、該共振器は、後述の方法で作動するバンドパス・マイクロメカニクス・フィルタ内で使用されてもよい。電極入力信号が入力電極に印加され、電気機械変換器（例えば電界から入力応力への変換）によって入力応力に変換される。電気機械変換器は、水平の方角へ水平ビーム部５０２の機械的振動を引き起こす。機械的振動は機械的信号を含む。共振器５００の振動が通過帯域内である場合、この機械的信号は通過する。入力共振器の振動がフィルタの通過帯域外である場合、この機械的信号はブロックされる。通過した共振器の機械的信号は例えば後続のトランシーバ・ステージによって処理するために、出力電極の出力トランスデューサで電気エネルギーに再変換される。

本実施形態の一様態において、複数の電極の端部とマイクロブリッジ・ビーム５０２の端部を相対させる事によって、複数の一定のギャップがビーム５０２間と複数の電極５０４Ａおよび５０４Ｂとの間で形成される。この複数の一定のギャップは、任意の適切な技術も使用して形成されて良い。ビームと複数の電極との間に一定のギャップを形成する典型的な方法が、「ＭＥＭＳ製品に複数のギャップを形成する犠牲層技術」と名称を付されたキン・マ（Ｑｉｎｇ Ｍａ）等による２００１年６月２７日に出願された出願中の米国特許出願番号第０９／８９４３３４号に記載されている。

図６ａおよび図６ｂは、第５実施形態におけるＭＥＭ共振器６００を示す。図示された本実施形態において、水平に振動する構造のビーム部６０２の中心質量を低減する他の方法を示す。図示された本実施形態において、より高い共振周波数を達成するべくマイクロブリッジ・ビーム構造のスチフネス対質量比を増加させるために、１つ以上のスロット６１６が、マイクロブリッジ・ビーム６０２の中心部分に、またはそれに隣接して形成される。図６ｂから明らかなように、複数の電極６０４Ａと６０４Ｂおよびビーム６０２との間の関連する面積は変化しないので、本共振器６００の出力容量はスロットによって著しく影響されない。以上に言及したように、共振器６００の扱う事の出来る出力は、複数の電極６０４Ａおよび６０４Ｂとマイクロブリッジは６０２との間の複数のギャップの長さ、およびビームの厚さに関連する。

図示され、および本願明細書に記載された複数の実施形態は、出力容量に著しく影響を与える事無く共振周波数を増加させるために、マイクロブリッジ・ビーム構造の中心質量を低減させ得る様々な方法を示す。しかしながら、複数の支持部に隣接する幅を縮小する事無く、ビーム構造の中心近傍の質量を低減させる他の適切な方法が使用されても良く、この様な物は本発明の範囲および意図の範疇にある。

前述の複数の実施形態が記載・図示される一方、提案され、かつ本発明の精神と範囲内の他の変更・修正が発生し得る事が、当業者に理解される。従って、本発明の範囲は、特許請求の範囲に記載する如くに画定されるであろう。

長方形のマイクロブリッジ・ビームを備えるＭＥＭ共振器の側面断面図である。 図１ａのＭＥＭ共振器の平面図である。 本発明の第１実施形態におけるＭＥＭ共振器の側面断面図である。 図２ａのＭＥＭ共振器の平面図である。 本発明の第２実施形態におけるＭＥＭ共振器の側面断面図である。 図３ａのＭＥＭ共振器の平面図である。 本発明の第３実施形態におけるＭＥＭ共振器の側面断面図である。 図４ａのＭＥＭ共振器の平面図である。 本発明の第４実施形態におけるＭＥＭ共振器の側面断面図である。 図５ａのＭＥＭ共振器の平面図である。 本発明の第５実施形態におけるＭＥＭ共振器の側面断面図である。 図５ａのＭＥＭ共振器の平面図である。 共振周波数に対する中心部分の幅の影響を示す。

Claims (22)

1. マイクロ電子機械の共振器であって、
   基板と、
   複数の支持部と、前記複数の支持部の間に形成されるビームとを有し、前記基板に接続されるマイクロブリッジ・ビーム構造と、
   前記ビームの振動を引き起こすために、前記マイクロブリッジ・ビーム構造に隣接して配置される少なくとも１つの電極と
   を備え、
   前記ビームの中心領域の質量が、前記ビームの前記複数の支持部に隣接する複数の領域の質量よりも少ない、
   共振器。
2. 前記中心質量の減少したビームが、前記ビームが長方形の構造に形成された場合と比べて、より高いスチフネス対質量比を有する、請求項１に記載の共振器。
3. 前記中心質量の減少したビームが、前記ビームが長方形の構造に形成された場合と比べて、より高い共振周波数を供する、請求項１に記載の共振器。
4. 前記ビームの前記中心領域が、前記複数の支持部に隣接する前記複数の領域より狭い、請求項１に記載の共振器。
5. 前記マイクロブリッジ・ビームの前記中心領域が、前記中心領域に形成される少なくとも１つのスロットを備える、請求項１に記載の共振器。
6. 前記マイクロブリッジ・ビームの前記中心領域が、エッチングされた少なくとも１つの穴を前記中心領域に備える、請求項１に記載の共振器。
7. 前記ビームの垂直の振動を引き起こすために、前記少なくとも１つの電極が前記ビームの真下に配置される、請求項１に記載の共振器。
8. 前記ビームの垂直の振動を引き起こすために、前記少なくとも１つの電極が前記ビームに隣接して配置される１対の電極を備え、
   前記ビームと前記複数の電極が、一定のギャップが各電極と前記ビームとの間で形成されるように配置される、
   請求項１に記載の共振器。
9. 前記マイクロブリッジ・ビームのスチフネス対質量比を増加させることによって、基板上の少なくとも１つの支持部に接続される共振するマイクロブリッジ・ビームの共振周波数を増加させるステップを備える、方法。
10. 前記マイクロブリッジ・ビームの前記スチフネス対質量比を増加させるステップが、前記マイクロブリッジ・ビームの中心部分の質量を低減させるステップを備える、請求項９に記載の方法。
11. 前記マイクロブリッジ・ビームの前記スチフネス対質量比を増加させるステップが、前記マイクロブリッジ・ビームの有効ばね定数を増加させるステップを備える、請求項９に記載の方法。
12. 前記マイクロブリッジ・ビームの前記スチフネス対質量比を増加させるステップが、前記マイクロブリッジ・ビームの中心部分を狭くするステップを備える、請求項９に記載の方法。
13. 前記マイクロブリッジ・ビームの前記スチフネス対質量比を増加させるステップが、前記マイクロブリッジ・ビームの中心領域に少なくとも１つのスロットを形成するステップを備える、請求項９に記載の方法。
14. 前記マイクロブリッジ・ビームの前記スチフネス対質量比を増加させるステップが、前記マイクロブリッジ・ビームの中心領域において少なくとも１つの穴をエッチングするステップを備える、請求項９に記載の方法。
15. 少なくとも１つの支持構造物と、
    前記少なくとも１つの支持構造物に接続され、前記支持構造物を設置する基板に対して軸方向に可動であるマイクロブリッジ・ビームと
    を備え、
    長方形の構造に形成された場合よりも高いスチフネス対質量比を有する中心質量の減少したビームを形成するために、前記のビームの中心領域の質量が、前記少なくとも１つの支持構造物に隣接する領域の質量よりも比較的少ない、
    装置。
16. 前記中心質量の減少したビームが、前記ビームが長方形の構造に形成された場合よりも高い共振周波数を供する、請求項１５に記載の装置。
17. 前記ビームが、前記少なくとも１つの支持構造物と統合して形成される、請求項１５に記載の装置。
18. 前記マイクロブリッジ・ビームの前記中心領域が、前記少なくとも１つの支持構造物に隣接する前記領域よりも狭い、請求項１５に記載の装置。
19. 前記マイクロブリッジ・ビームの前記中心領域が、前記中心領域に形成される少なくとも１つのスロットを備える、請求項１５に記載の装置。
20. 前記マイクロブリッジ・ビームの前記中心領域が、エッチングされた少なくとも１つの穴を前記中心領域に備える、請求項１５に記載の装置。
21. 前記マイクロブリッジ・ビームが、前記基板に対して垂直に移動するように形成される、請求項１５に記載の装置。
22. 前記マイクロブリッジ・ビームが、前記基板に対して水平に移動するように形成される、請求項１５に記載の装置。

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