JP2006042005A - Electromechanical resonator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は電気機械共振器に係り、特に高密度に集積化された電気回路内において、感度調整が可能でかつ、高性能のフィルタ回路を実現可能な電気機械共振器に関する。 The present invention relates to an electromechanical resonator, and more particularly to an electromechanical resonator capable of adjusting sensitivity and realizing a high-performance filter circuit in an electric circuit integrated with high density.
近年、電気機械共振器を利用したフィルタとしては、静電力で振動体を励振し、振動を再び電気信号に変換するものが提案されている(例えば、非特許文献1参照)。図14は、前記非特許文献1に記載された従来の機械共振器の原理を示すもので、図14(a)は平面図を、図14(b)はA−A’の横断面図をあらわす。 In recent years, as a filter using an electromechanical resonator, a filter that excites a vibrating body with an electrostatic force and converts the vibration into an electric signal again has been proposed (for example, see Non-Patent Document 1). FIG. 14 shows the principle of the conventional mechanical resonator described in Non-Patent Document 1, FIG. 14 (a) is a plan view, and FIG. 14 (b) is a cross-sectional view taken along line AA ′. Show.
図14(a)および(b)において、101はディスク型の振動体であり、ディスク中心に位置するアンカー102を介して基板103に固定されている。104はギャップgを介してディスク半周上に配された励振電極、105はギャップgを介して他方の半周上に配された検出電極である。この共振器では、振動体101が半径方向に伸縮する共振モード(ディスクコンターモード)を利用している。図14(c)に示すように、励振電極104と振動体101の間に交流信号viを印加すると、振動体101には静電力が印加されて振動が励起され、共振周波数近傍で振動振幅は最大となる。この振動は振動体101と検出電極105間の静電容量変化に伴う電流iの発生として検出され、その結果入力ポートinと出力ポートoutの間では共振周波数近傍に通過帯域を持つバンドバスフィルタが構成される。
14A and 14B,
ディスク半径をr、励振電極104と振動体101の間の静電容量をC、検出電極105と振動体101の間の静電容量をCとすると、振動体に作用する静電力Fは(数1)で、振動体の振動により発生する電流iは(数2)であらわされる。
When the disk radius is r, the capacitance between the
(数1)(数2)より、ΔC/Δrが大きいほど振動体への励振力は増大し、また検出される電流値も大きくなるのでエネルギー変換効率のよいフィルタを構成することができる。ΔC/Δrは(数3)に示されるようにギャップgの値が小さいほど大きな値をとるので、gの値は可能な限り小さいことが望ましい。 From (Equation 1) and (Equation 2), as ΔC / Δr increases, the excitation force to the vibrating body increases and the detected current value also increases, so that a filter with high energy conversion efficiency can be configured. Since ΔC / Δr takes a larger value as the value of the gap g is smaller as shown in (Equation 3), it is desirable that the value of g is as small as possible.
非特許文献1に示された電気機械共振器では、ディスク直径20μmに対して、ギャップgの値は100nmである。 In the electromechanical resonator disclosed in Non-Patent Document 1, the value of the gap g is 100 nm with respect to a disk diameter of 20 μm.
一方、ギャップが小さすぎて感度が大きく、交流信号による静電力で振動体の振動が電極に引き込まれ、両者が接触してしまう場合もあり、このような場合にはギャップを大きくし、感度を下げて用いる必要がある場合もある。 On the other hand, there is a case where the gap is too small and the sensitivity is large, and the vibration of the vibrating body is attracted to the electrode by the electrostatic force due to the AC signal, and both of them come into contact with each other. It may be necessary to use it lower.
しかしながら、上記構成では、ギャップgを形成するためには複雑な製造工程を必要とする。上記構成を示す図14(a)の領域Bについて、その製造方法の概略を図15に示す。図15では、加工上の問題で検出電極105の端縁が振動体103の上方に張り出しているが、十分に離間しているため影響はない。図15(a)に示すように、半導体製造技術により、シリコン基板103上に第1の犠牲層(シリコン酸化膜)S1、振動体(ポリシリコン)101、第2の犠牲層(シリコン酸化膜)S2、第3の犠牲層(シリコン酸化膜)S3、電極(ポリシリコン)105を順次積層する。犠牲層は最終的にフッ酸により除去されて振動体は振動可能となり、振動体101と電極105との間には第3の犠牲層S3の膜厚で決定されるギャップgが形成される(同図(b))。
However, in the above configuration, a complicated manufacturing process is required to form the gap g. About the area | region B of Fig.14 (a) which shows the said structure, the outline of the manufacturing method is shown in FIG. In FIG. 15, the edge of the
図15に示した前記製造工程では、第1〜第3の犠牲層S1〜S3、振動体101および電極(104、)105それぞれの層についての成膜とパターニングを繰り返し行うために数多くのマスクが必要となり、製造コストがかかるという課題を有していた。また、より狭いギャップgの形成を目指すほど、エッチャントの回り込みが遅く、第3の犠牲層S3のエッチングの進行速度が著しく低下するという問題があった。
また、このギャップの大きさにより、特性は大きく変化するため、ギャップの大きさを高精度に設定することは極めて重要な課題となっている。
また、ギャップの大きさはこの加工工程で決定されてしまうため、実際には調整の必要がある場合もある。
In the manufacturing process shown in FIG. 15, a large number of masks are used to repeatedly form and pattern the first to third sacrificial layers S1 to S3, the vibrating
In addition, since the characteristics greatly change depending on the size of the gap, it is extremely important to set the size of the gap with high accuracy.
In addition, since the size of the gap is determined by this processing step, it may be necessary to actually adjust the gap.
本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、簡易な方法で振動体と電極間の狭ギャップを高精度に調整することの可能な電気機械共振器を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide an electromechanical resonator capable of adjusting a narrow gap between a vibrating body and an electrode with high accuracy by a simple method.
上記課題を解決するために、本発明の電気機械共振器は、機械的振動を行う振動体と、前記振動体に近接して位置する電極とを有してなり、前記振動体または前記電極の位置の移動と保持を行う位置調整手段を有し、前記振動体と前記電極間の相対位置を調整する。 In order to solve the above-described problems, an electromechanical resonator of the present invention includes a vibrating body that performs mechanical vibration and an electrode that is positioned in proximity to the vibrating body. Position adjustment means for moving and holding the position is provided, and the relative position between the vibrating body and the electrode is adjusted.
すなわち本発明の電気機械共振器は、機械的振動を行う振動体と、前記振動体に対して所定の間隔を隔てて配設された電極とを有し、前記振動体が機械的振動を生起しうるように構成され、電気機械変換を可能にする電気機械共振器であって、前記振動体または前記電極の位置の調整を行う位置調整手段を具備したことを特徴とする。
この構成により、位置調整手段によって振動体と電極との間の相対的位置を調整することができるため、加工精度のみに依存するのではなく、加工限界を超えて、あるいは加工後に位置調整手段による変位によりギャップの大きさを調整することが可能である。またこのようにギャップの大きさを調整することにより、振動体の振幅を増幅したり、減衰したりすることも可能である。この電気機械共振器は、振動体と電極との間の電圧変化を、前記振動体の振動に変換する電気機械変換機能と、前記振動体の振動に伴う振動体と電極との間の距離変化を振動体と電極間の静電容量変化に変換する機械電気変換機能とを具備している。
That is, the electromechanical resonator of the present invention includes a vibrating body that performs mechanical vibration and an electrode that is disposed at a predetermined interval with respect to the vibrating body, and the vibrating body generates mechanical vibration. An electromechanical resonator configured to be capable of performing electromechanical conversion, characterized by comprising position adjusting means for adjusting the position of the vibrating body or the electrode.
With this configuration, since the relative position between the vibrating body and the electrode can be adjusted by the position adjusting unit, the position adjusting unit does not depend only on the processing accuracy but exceeds the processing limit or after processing. It is possible to adjust the size of the gap by the displacement. In addition, by adjusting the size of the gap in this way, the amplitude of the vibrating body can be amplified or attenuated. This electromechanical resonator has an electromechanical conversion function for converting a voltage change between a vibrating body and an electrode into vibration of the vibrating body, and a change in distance between the vibrating body and the electrode accompanying the vibration of the vibrating body. Is converted into a capacitance change between the vibrating body and the electrode.
また、本発明の電気機械共振器は、前記位置調整手段が、前記振動対または前記電極の位置を移動するための移動力を発生する駆動源とを備え、前記振動体と前記電極間の相対位置を調整するようにしたものを含む。
この構成により、駆動源により、動的に前記振動体と前記電極間の相対位置を調整することにより、より大きな範囲でギャップの大きさの調整が可能となる。
In the electromechanical resonator of the present invention, the position adjusting unit may include a drive source that generates a moving force for moving the position of the vibration pair or the electrode, and the relative position between the vibrating body and the electrode may be Includes ones whose position has been adjusted.
With this configuration, the size of the gap can be adjusted in a larger range by dynamically adjusting the relative position between the vibrating body and the electrode by the drive source.
また、本発明の電気機械共振器は、前記振動体と前記電極は同一の基板上に半導体製造技術を用いて作製されたものを含む。
この構成により、簡単な半導体製造技術を用いて高精度で信頼性の高い電気機械共振器を得ることができる。
In the electromechanical resonator of the present invention, the vibrator and the electrode are manufactured on the same substrate by using a semiconductor manufacturing technique.
With this configuration, an electromechanical resonator with high accuracy and high reliability can be obtained using a simple semiconductor manufacturing technique.
また、本発明の電気機械共振器は、前記位置調整手段および駆動源が、前記基板上に半導体製造技術を用いて作製されたものを含む。
この構成により、大幅な小型化をはかることができる。ここで駆動源は、電源を除く駆動回路が、同一基板上に形成されていればよく、電源は別途接続するものも含む。
The electromechanical resonator according to the invention includes one in which the position adjusting means and the driving source are manufactured on the substrate by using a semiconductor manufacturing technique.
With this configuration, significant downsizing can be achieved. Here, the drive source is not limited as long as the drive circuit excluding the power supply is formed on the same substrate, and includes a power supply connected separately.
また、本発明の電気機械共振器は、前記駆動源が静電アクチュエータであるものを含む。 Moreover, the electromechanical resonator of the present invention includes one in which the drive source is an electrostatic actuator.
また、本発明の電気機械共振器は、前記位置調整手段が、梁構造体を備え、前記駆動源により前記梁構造体の少なくとも1つの梁を所定量だけ変位させることにより、前記振動体と前記電極との距離をgからg’への微調整を実現するように構成されたものを含む。
この構成により、加工直後の振動体と電極との間隔がgである場合、gからg’への調整が可能となり、振動体の励振力は、g/g’の2乗とすることができる。
In the electromechanical resonator according to the aspect of the invention, the position adjusting unit may include a beam structure, and the driving source may displace at least one beam of the beam structure by a predetermined amount, thereby Including those configured to realize fine adjustment of the distance from the electrode from g to g ′.
With this configuration, when the distance between the vibrator and the electrode immediately after processing is g, adjustment from g to g ′ is possible, and the excitation force of the vibrator can be set to the square of g / g ′. .
また、本発明の電気機械共振器は、前記梁構造体が、櫛本体と前記櫛本体に対し直交すると共に、互いに平行に配設された櫛歯とを備え、前記櫛歯同士が相対向するように配置された一対の櫛歯電極と、前記櫛歯電極の一方の櫛本体に接続され、前記櫛本体の変位に連動して変位する梁とを備えたものを含む。
この構成によれば、振動体または電極に連設された櫛本体は、これに対向する櫛歯の静電力により変位せしめられるが、この櫛本体の変位にともなう、櫛歯の変位は、櫛歯のかみ合い深さ方向であるため、櫛歯同士が接触するいわゆるプルイン現象がおこらない。このため、ギャップの制御範囲を大きくとることができる。
In the electromechanical resonator of the invention, the beam structure includes a comb body and comb teeth that are orthogonal to the comb body and are arranged in parallel to each other, and the comb teeth face each other. A pair of comb-teeth electrodes arranged in this manner, and a beam connected to one comb body of the comb-teeth electrode and displaced in conjunction with the displacement of the comb body.
According to this configuration, the comb body connected to the vibrating body or the electrode is displaced by the electrostatic force of the comb teeth that oppose the vibrator body or electrode. The so-called pull-in phenomenon in which the comb teeth come into contact with each other does not occur because of the meshing depth direction. For this reason, the control range of a gap can be taken large.
また、本発明の電気機械共振器は、前記位置調整手段が、振動体と電極の間にかかる交流信号の電圧に応じて、振動体と電極の初期位置を可変としたものを含む。
この構成によれば、電圧によって振動体と電極の初期位置を調整することができ、高精度の調整が容易に可能となる。
The electromechanical resonator according to the invention includes the electromechanical resonator in which the position adjusting unit makes the initial positions of the vibrating body and the electrode variable according to the voltage of the AC signal applied between the vibrating body and the electrode.
According to this configuration, the initial positions of the vibrating body and the electrode can be adjusted by the voltage, and high-precision adjustment can be easily performed.
また、本発明の電気機械共振器は、前記位置調整手段が、複数の前記梁構造体を備えたものを含む。
この構成によれば、複数の梁構造体を接続して用いることにより、上述したような振幅を大幅に増大することができる。
In the electromechanical resonator of the invention, the position adjusting means includes a plurality of the beam structures.
According to this configuration, the amplitude as described above can be greatly increased by connecting and using a plurality of beam structures.
また、本発明の電気機械共振器は、電気的に並列に配置された複数個の電気機械共振器を含むものを含む。
この構成によれば、1つの駆動源で複数段の振動体・電極間の間隔を調整可能であるという効果がある。
Moreover, the electromechanical resonator of the present invention includes one including a plurality of electromechanical resonators arranged in parallel electrically.
According to this configuration, there is an effect that it is possible to adjust the intervals between the plurality of stages of vibrating bodies and electrodes with one driving source.
また、本発明の電気機械共振器は、前記電気機械共振器が、真空雰囲気となるように封止されたケース内に収納されたものを含む。
この構成によれば、長寿命でかつノイズの少ない電気機械共振器を形成することができる。
The electromechanical resonator of the present invention includes the electromechanical resonator housed in a case sealed so as to be in a vacuum atmosphere.
According to this configuration, it is possible to form an electromechanical resonator having a long life and low noise.
また、本発明のフィルタは、上記電気機械共振器を用いて形成される。
この構成によれば、高感度かつ高精度で信頼性の高いフィルタを得ることができる。
The filter of the present invention is formed using the above electromechanical resonator.
According to this configuration, a highly sensitive, highly accurate and reliable filter can be obtained.
また、本発明の電気回路は、上記電気機械共振器を用いて形成される。 The electric circuit of the present invention is formed using the above electromechanical resonator.
本発明の電気機械共振器の構成によれば、電気・機械および機械・電気の変換効率の優れた電気機械共振器を容易に形成することができる。
本構成によれば、簡易な方法で通常の解像限界を超えて振動体と電極間の狭ギャップを形成することができる。また、ギャップの大きさを高精度に調整可能である。さらにまた、ギャップを制御することにより、交流電力自身による静電力で振動体に電極が引き込まれて接触して動作不能となるのを回避することができる。
According to the configuration of the electromechanical resonator of the present invention, it is possible to easily form an electromechanical resonator having excellent electrical / mechanical and mechanical / electrical conversion efficiency.
According to this configuration, it is possible to form a narrow gap between the vibrator and the electrode by exceeding a normal resolution limit by a simple method. In addition, the size of the gap can be adjusted with high accuracy. Furthermore, by controlling the gap, it is possible to prevent the electrode from being drawn into and contacted with the vibrating body by the electrostatic force generated by the AC power itself, thereby making it impossible to operate.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における電気機械共振器の斜視図である。この電気機械共振器は、MEMS工程によって1枚のシリコン基板から形成されるもので、機械的振動を行う振動体202と、この振動体202に対して所定の間隔を隔てて配設された電極203とを有し、この振動体202または電極203の位置の調整を行う位置調整手段200を具備したことを特徴とするものである。
ここで、振動体202は両端を基板201上に固定された両持ち梁であり、203は振動体202に近接して配され、振動体を励振、または振動体の振動を検出するための電極である。206は基板201上に固定された位置調整用電極、205は両端を基板201上に固定された両持ち梁構造の位置調整用梁であり、位置調整用電極206と位置調整用梁205とで静電アクチュエータを構成している。204は静電アクチュエータの駆動に伴う変位を電極203に伝える連結梁である。すなわち、位置調整用電極206、位置調整用梁205および連結梁204と、駆動源 (駆動用電源209(図2(b)参照))とにより位置調整手段が構成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a perspective view of an electromechanical resonator according to Embodiment 1 of the present invention. The electromechanical resonator is formed from a single silicon substrate by a MEMS process, and includes a vibrating
Here, the vibrating
図2は図1の電気機械共振器を基板上方からみた平面図であり、図2を用いて実施の形態1における電気機械共振器の動作を説明する。図2において、ハッチング部分は基板上に固定された固定部分、他の部分は可動部分である。振動体202の基板水平方向への撓み振動の共振周波数fは(数4)に示すように長さLの2乗に反比例することから、例えば高周波無線伝送に用いられるような数十MHzから数GHzの高い周波数の機械共振を得るにはLを短くしなければならない。
FIG. 2 is a plan view of the electromechanical resonator of FIG. 1 as viewed from above the substrate. The operation of the electromechanical resonator according to the first embodiment will be described with reference to FIG. In FIG. 2, the hatched part is a fixed part fixed on the substrate, and the other part is a movable part. Since the resonance frequency f of the flexural vibration of the vibrating
一方、振動に伴う撓み量を確保するには振動体202の幅Wも細くする必要があり、半導体製造技術を用いて作製可能な最小線幅(数百nm〜数μm)とほぼ等しくなる。従って図2に示した例では、振動体202の幅Wは半導体製造技術で作製可能な最小線幅であり、電極203との間のギャップの値も半導体製造技術で作製可能な最小間隙であり、ほぼW=gに設定されている。同様にして位置調整用電極206と位置調整用梁205の間のギャップの値もgとなっている。
On the other hand, the width W of the vibrating
図2(a)では位置調整用電極206と位置調整用梁205の間には電位差が与えられておらず、振動体202と電極203の間のギャップの値はgである。図2(b)には位置調整用電極206と位置調整用梁205の間に電位差Vdriveが印加され、静電力により位置調整用梁205が位置調整用電極206側に引き込まれて接触し、保持された状態が示されている。振動体202と電極203の間のギャップの値はこのときg’となり、初期のgの値よりも小さくなっている。従って使用する半導体製造技術で作製可能な最小間隙gに制限されない狭ギャップを形成することができる。
In FIG. 2A, no potential difference is applied between the
このように、通常の半導体製造技術では作製不可能であった狭ギャップg’を得ることができたことによって、例えば図2(b)に示したように振動体202に励振信号viが印加されると、図2(a)の状態でviを加える場合に比べて振動体202にはg/g’の2乗倍の励振力が作用し、より大きな振動振幅を得ることができる。
As described above, since the narrow gap g ′ that cannot be produced by the normal semiconductor manufacturing technology can be obtained, the excitation signal vi is applied to the vibrating
なお、振動体202の共振周波数に比べて、位置調整用梁205、連結梁204、電極203すべてを包含した構造体の共振周波数は周波数軸上で充分に離れているため、本来振動体202が振動すべき共振周波数で位置調整用梁205、連結梁204、電極203が振動するのを抑制することはできるが、本発明の実施の形態1における電気機械共振器をフィルタに確実に実現する際には、振動体202以外の構造体の共振周波数を周波数帯域にもたないフィルタ入力信号を用いるか、または、フィルタの出力信号から、振動体202以外の構造体の共振により発生した周波数成分を電気回路素子で構成されたフィルタで抑圧すればよい。
Note that the resonance frequency of the structure including all of the
次に、本発明の実施の形態1における電気機械共振器の製造方法について説明する。図3(a)乃至(d)は図2に示した電気機械共振器の構造中で、特に振動体202と電極203付近を拡大してその製造方法を示した製造工程図である。振動体202および電極203は基板201上に形成される。例えば基板201は、表面に熱酸化による酸化シリコン膜および減圧CVD法による窒化シリコン膜が堆積された高抵抗シリコン基板である。
Next, a method for manufacturing the electromechanical resonator according to the first embodiment of the present invention will be described. FIGS. 3A to 3D are manufacturing process diagrams illustrating a method of manufacturing the electromechanical resonator shown in FIG. 2 by enlarging particularly the vicinity of the
まず図3(a)に示すように、シリコン基板201にフォトレジストからなる犠牲層をスピンコートし、フォトリソグラフィにより、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207を形成する。
First, as shown in FIG. 3A, a sacrificial layer made of a photoresist is spin-coated on a
次に、基板全面にスパッタリング法によりアルミニウム薄膜208を堆積する(図3(b))。
次にアルミニウム薄膜208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202および電極203を形成する(図3(c))。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207を除去する。これにより、振動体202は、振動可能な両持ち梁となり、電極203との間でコンデンサを形成する(図3(d))。
Next, an aluminum
Next, a photoresist is formed on the aluminum
この製造方法を用いることで、犠牲層207のパターニング用ならびに図2に示したすべてのアルミニウム構造体のパターニング用の2枚マスクで本発明の実施の形態1における電気機械共振器を実現することができる。
なお本実施の形態では高抵抗の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、高抵抗のシリコン基板201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。
By using this manufacturing method, the electromechanical resonator according to the first embodiment of the present invention can be realized with the two masks for patterning the
Although a high-resistance silicon substrate is used in this embodiment mode, a normal silicon substrate, a compound semiconductor substrate, or an insulating material substrate may be used.
Further, although a silicon oxide film and a silicon nitride film are formed as insulating films on the high
なお、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のなされた半導体材料例えばアモルファスシリコン、ポリシリコン、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。 In this embodiment, aluminum is used as a material for forming the vibrator and the electrode. However, other metal materials Mo, Ti, Au, Cu, and semiconductor materials into which impurities are introduced at a high concentration, such as amorphous silicon, poly Silicon, a conductive polymer material, or the like may be used. Further, although sputtering is used as a film forming method, it may be formed using a CVD method, a plating method, or the like.
なお、構造材料として用いたアルミニウムの表面には自然酸化膜が形成されるため、図2(b)の状態で位置調整用電極206および位置調整用梁205が接触しても静電力は保持される。さらに接触面の絶縁性を向上させるためには、図3(d)の状態でアルミニウム薄膜で構成された構造体全面にプラズマCVDによりシリコン窒化膜を堆積してもよい。
Since a natural oxide film is formed on the surface of aluminum used as the structural material, the electrostatic force is maintained even when the
かかる構成によれば、機械的振動を行う振動体と、前記振動体に近接して位置する電極と、を有し、前記振動体または前記電極の位置の移動と保持を行う位置調整機構により、前記振動体と前記電極間の相対位置を調整することにより、極めて容易に振動体と電極間の狭ギャップを実現することが可能となり、電気機械および機械電気間の変換効率の優れたフィルタを提供することができる。
また使用中に、調整が必要となった場合は、駆動電圧を調整することにより、ギャップの大きさを調整することも可能である。
According to such a configuration, the vibration adjusting body that performs mechanical vibration and the electrode that is positioned in proximity to the vibrating body, and the position adjustment mechanism that moves and holds the position of the vibrating body or the electrode, By adjusting the relative position between the vibrating body and the electrode, a narrow gap between the vibrating body and the electrode can be realized very easily, and a filter having excellent conversion efficiency between the electric machine and the machine electricity is provided. can do.
If adjustment is required during use, the size of the gap can be adjusted by adjusting the drive voltage.
また、図4は直流電圧Vdriveとギャップgとの関係を示す。一度VdirveをVpi(プルイン電圧)以上に電圧をあげると、位置調整用電極に位置調整用梁が引き込まれて接触する。したがって図4に示すようなヒステリシス特性をもつが、領域Bの間で電圧Vdirveを可変とすることでgを制御することができる。ここで可能な限りgは小さいほうが望ましいが、小さすぎると振動体に注入された交流電力が大きい場合には交流信号自身の静電力で振動体に電極が引き込まれて接触し、動作不能となることがある。交流電力が大きい場合はVdriveの値を下げてgを大きくし、接触を回避することができる。 FIG. 4 shows the relationship between the DC voltage V drive and the gap g. Once the voltage V raise is increased to V pi (pull-in voltage) or more, the position adjusting beam is drawn into contact with the position adjusting electrode. Therefore, although it has a hysteresis characteristic as shown in FIG. 4, g can be controlled by making the voltage V direction variable between the regions B. Here, it is desirable that g is as small as possible. However, if the AC power injected into the vibrating body is too small, the electrode is drawn into contact with the vibrating body by the electrostatic force of the AC signal itself and becomes inoperable. Sometimes. When the AC power is large, the value of V drive can be lowered to increase g, thereby avoiding contact.
以上のように、本実施の形態において、電位差Vdriveを変化させることで、図2(b)における位置調整用電極206と位置調整用梁205の接触領域Dも変化するので、ギャップg’の値を調整することが可能である。大電圧の入力信号viが投入される場合には振動体202の振動が大きくなり、振動体202が電極203に引き込まれて接触してしまうが、電圧Vdriveを低くして適宜ギャップg’の値をやや大きめに調整することで接触を回避することが可能である。
As described above, in the present embodiment, by changing the potential difference V drive , the contact region D between the
このように、本発明によれば、加工限界を超えて小さなギャップを形成することが容易となる。またギャップの大きさを印加する直流電圧Vdriveの大きさによって調整することができ、微調整が容易となる。また、使用条件に応じてギャップを大きくする方向に調整することも可能である。この場合は位置調整用電極206を位置調整用梁205に対して相対向する側に配置することにより、容易にギャップの大きさを増減両方向に調整可能である。
Thus, according to the present invention, it is easy to form a small gap beyond the processing limit. Further, the size of the gap can be adjusted according to the size of the DC voltage V drive to which the gap is applied, and fine adjustment is facilitated. It is also possible to adjust the gap in the direction of increasing according to the use conditions. In this case, by arranging the
なお、本実施の形態において、位置調整用梁205は静電力により位置調整用電極206に引き込まれて接触しているが、引き込み(プルイン)を起こす電位差以下のVdriveの値で位置調整用梁205を撓ませるようにしてもよい。または、図5に示したように、位置調整用梁205および位置調整用電極206の双方に設けた櫛歯電極により位置調整用梁205を駆動してもよい。
In the present embodiment, the
この構成では、櫛のかみ合い深さ方向に位置調整用梁205が動く。このときの直流電圧Vdriveとギャップgとの関係を図6に示す。この関係曲線から明らかなように、プルイン現象は起こらない。このように位置調整用梁として櫛型電極を用いることにより、プルインが起こらないためギャップgの制御範囲を大きくとることができる。
In this configuration, the
なお、本実施の形態では、電極203の位置調整を行う例について説明したが、振動体202側に位置調整機構と駆動源である駆動用電源209をつなげてもよい。
Note that although an example in which the position of the
また、このようにして形成された狭ギャップをもつ梁構造体は、共振構造体として電気機械フィルタのみならず、種々のデバイスに適用可能である。
またこの電気機械共振器は、微細な素子であるため汚染防止および空気の粘性抵抗を低減するため真空ケース内に収納して用いるのが、望ましい。また、前記実施の形態では基板表面に突出するように形成したが、MEMSによって容易に形成可能であるため、基板内に凹部を形成し、この凹部に張架するように振動子を構成してもよい。
Further, the beam structure having a narrow gap formed in this way can be applied not only to an electromechanical filter but also to various devices as a resonance structure.
Further, since this electromechanical resonator is a fine element, it is desirable to use it in a vacuum case in order to prevent contamination and reduce the viscous resistance of air. Further, in the above-described embodiment, it is formed so as to protrude from the substrate surface. However, since it can be easily formed by MEMS, a recess is formed in the substrate, and the vibrator is configured to extend over the recess. Also good.
(実施の形態2)
前記実施の形態1においては、振動体に撓み振動を起こす例について説明したが、本発明の実施の形態2として、振動体にねじり振動を起こすための構成について説明する。
(Embodiment 2)
In the first embodiment, the example in which the vibrating body is caused to bend is described. However, as the second embodiment of the present invention, a configuration for causing torsional vibration in the vibrating body will be described.
本実施の形態1では、振動体202と電極203は同一プロセスで同一平面に生成された薄膜で形成されているため、それぞれの厚みおよび基板201からの距離は等しい。従って両者間に交流信号による静電力を加えても振動体202に励起されるのは基板水平方向のたわみ振動のみである。
In the first embodiment, since the vibrating
そこで、本実施の形態では、図7に示すように、ねじり振動を生起せしむべく、電極203の下面に対向するように基板201上に形成された第2の位置調整用電極210を設けたことを特徴とするものである。実施の形態1と同様、前記実施の形態1と同様第1の駆動用電源Vdrive1を制御して電極を振動体に接近させ、gを小さくしたところで、第2の位置調整用電極210と電極203間に第2の駆動用電源Vdirve2によって直流電位を印加し、電極203を基板上の第2の位置調整用電極210に接触させる。このとき、第2の位置調整用電極210表面には薄い絶縁膜を形成しているので接触後も静電力により接触状態は維持される。
Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 7, the second
図8のa−a’断面を図9に示す。振動体に対して電極位置は−z方向にずれているので、振動体に印加された交流信号による静電力は、振動体側壁の下部に集中する。これによりねじり振動を励起することができる。 FIG. 9 shows a cross section taken along the line a-a ′ of FIG. Since the electrode position is shifted in the −z direction with respect to the vibrating body, the electrostatic force due to the AC signal applied to the vibrating body is concentrated at the lower part of the side wall of the vibrating body. Thereby, torsional vibration can be excited.
(実施の形態3)
前記実施の形態1および2では両持ち梁構造の位置調整手段について説明したが、本実施の形態では、片持ち梁構造の位置調整手段を用いるようにしたことを特徴とする。
本実施の形態においても、前記実施の形態1と同様、図10(a)および(b)に示すように、位置調整用梁205と位置調整用電極206との間に駆動用電源209を用いて電圧を印加する。ここでは直流電位差Vdriveにより両者をプルインさせる。プルイン以後はVdriveを可変とすることでg2を制御することができる。
(Embodiment 3)
In the first and second embodiments, the position adjusting means of the cantilever beam structure has been described. However, the present embodiment is characterized in that the position adjusting means of the cantilever beam structure is used.
Also in the present embodiment, as in the first embodiment, as shown in FIGS. 10A and 10B, a driving power source 209 is used between the
この構成では、電極に注入された交流信号が突然大電力となり、この交流信号自身による静電力により振動体202に電極が引き込まれる力F2が働いても、その力を打ち消すように、この交流信号自身による静電力F1が位置調整用電極206との間にも作用する。これにより電力変化に強い共振器を構成することができる。
In this configuration, even if the AC signal injected into the electrode suddenly becomes high power, and the force F2 for pulling the electrode into the vibrating
図10(a)および(b)は、本発明の実施の形態3の電気機械共振器の平面図である。図10(a)および(b)において、ハッチング部分は基板上に固定された固定部分、他の部分は可動部分である。電極203は位置調整用梁205に連結され、位置調整用梁205の一端は基板に固定され、もう一方の終端近くには電極203が設けられている。そしてこの電極203にギャップgを隔てて振動体202が設けられている。
FIGS. 10A and 10B are plan views of the electromechanical resonator according to the third embodiment of the present invention. 10A and 10B, the hatched part is a fixed part fixed on the substrate, and the other part is a movable part. The
図10(b)に示すように、駆動用電源209により位置調整用梁205と位置調整用電極206との間に直流電位差Vdrive印加して両者をプルインさせる。このとき、振動体202と電極203の間のギャップg2はg2’に変化し、初期のg2の値よりも小さくなる。このようにして、使用する半導体製造技術で作製可能な最小間隙gに制限されない狭ギャップを形成することができる。
As shown in FIG. 10B, a DC potential difference V drive is applied between the
なお、本実施の形態において、位置調整用梁205上に電極203を1個配置したが、図11(a)に示すように、振動体202と電極203の対を複数個配置してもよい。図11(b)は位置調整用梁205と位置調整用電極206間に静電力を与えて接触させた状態を示している。このとき各振動体と電極間のギャップの値はg1’<g2’となり、大電圧の励振信号viが投入されてg1’がゼロ、すなわち接触状態に陥っても、g2’で振動体202bを励振することが可能である。
In the present embodiment, one
(実施の形態4)
図12は、本発明の実施の形態4の電気機械共振器の平面図である。図12において、ハッチング部分は基板上に固定された固定部分、他の部分は可動部分である。電極203は位置調整機構(図示せず)および駆動源(図示せず)に接続されている。
(Embodiment 4)
FIG. 12 is a plan view of the electromechanical resonator according to the fourth embodiment of the present invention. In FIG. 12, the hatched part is a fixed part fixed on the substrate, and the other part is a movable part. The
本実施の形態では、X、Y方向に電極を位置制御するようにしたことを特徴とする.この構成により、狭ギャップ化が可能で、かつ注入交流信号自身による静電力によって電極と振動体の固着が起こらないようにギャップgの制御を行なうことが可能で、かつ共振周波数の調整も可能となる。 The present embodiment is characterized in that the position of the electrode is controlled in the X and Y directions. With this configuration, the gap can be narrowed, the gap g can be controlled so that the electrode and the vibrator are not fixed by the electrostatic force generated by the injected AC signal itself, and the resonance frequency can be adjusted. Become.
図12(a)において電極203をY方向に移動させて振動体202に接触させ、さらに押し込むことで、図12(b)のように初期のギャップgの値よりも小さいギャップg’を形成する。これにより使用する半導体製造技術で作製可能な最小間隙gに制限されない狭ギャップを形成することができる。
In FIG. 12A, the
また、電極203に接続された移動機構にX方向への自由度も付与し、図12(b)に示した支点Aの位置を変えることで、共振周波数を変化させることができる。振動体202をヤング率165GPaのポリシリコン、長さLを1μm、幅Wを100nm、押し込み量dを10nmとした場合、支点Aの位置L’を0.6L、0.7L、0.8Lと変化させると振動体202の共振周波数は図13に示すように変化する。約0.6GHz〜0.9GHzまで共振周波数を可変とすることができる。
Further, the degree of freedom in the X direction is also given to the moving mechanism connected to the
かかる構成によれば、振動体の一部と電極の一部を接触させることにより、従来例に比べて簡易な方法で振動体と電極間の狭ギャップを実現することが可能となり、電気−機械および機械−電気の変換効率の優れたフィルタを提供することができる。また、接触点の位置を変えることで共振周波数を変化させることができるので、共振周波数の微調整や、適応的に通過帯域を変化させることができる適応型フィルタ等への利用が可能となる。 According to such a configuration, it is possible to realize a narrow gap between the vibrating body and the electrode by a simpler method than the conventional example by bringing a part of the vibrating body and a part of the electrode into contact with each other. In addition, a filter having excellent mechanical-electrical conversion efficiency can be provided. In addition, since the resonance frequency can be changed by changing the position of the contact point, it can be used for fine adjustment of the resonance frequency, an adaptive filter or the like that can adaptively change the passband.
なお前記実施の形態では、電極の変位を行なう例について説明したが、振動体の変位を行なうようにしてもよい。 In the above-described embodiment, the example in which the electrode is displaced has been described. However, the vibrating body may be displaced.
本発明にかかる電気機械共振器は、製造工程が簡略化され、かつ電気−機械および機械−電気の変換効率の優れたフィルタが提供できる効果を有し、携帯型無線端末に積載される高密度に集積化された高周波フィルタ回路等として有用である。また、音声帯域や超音波帯域におけるスペクトル解析や、機械共振による質量分析等の医用や環境分野等の用途にも適用可能である。 The electromechanical resonator according to the present invention has an effect of simplifying the manufacturing process and providing a filter having excellent electro-mechanical and mechanical-electrical conversion efficiency, and is mounted on a portable wireless terminal. It is useful as a high frequency filter circuit integrated in Further, the present invention can be applied to medical and environmental applications such as spectrum analysis in the voice band and ultrasonic band, and mass analysis by mechanical resonance.
101 振動体
102 アンカー
103 基板
104 励振電極
105 検出電極
200 位置調整手段
201 基板
202 振動体
203 電極
204 連結梁
205 位置調整用梁
206 位置調整用電極
207 犠牲層
208 アルミニウム
210 第2の位置調整用電極
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記振動体または前記電極の位置の調整を行う位置調整手段を具備したことを特徴とする電気機械共振器。 An electromechanical conversion comprising: a vibrating body that performs mechanical vibration; and an electrode disposed at a predetermined interval with respect to the vibrating body, wherein the vibrating body is capable of causing mechanical vibration. An electromechanical resonator that enables
An electromechanical resonator comprising position adjusting means for adjusting the position of the vibrating body or the electrode.
前記位置調整手段は、前記振動体または前記電極の位置を移動するための移動力を発生する駆動源とを備え、前記振動体と前記電極間の相対位置を調整するようにしたことを特徴とする電気機械共振器。 The electromechanical resonator according to claim 1,
The position adjusting means includes a drive source that generates a moving force for moving the position of the vibrating body or the electrode, and adjusts the relative position between the vibrating body and the electrode. An electromechanical resonator.
前記振動体と前記電極は同一の基板上に半導体製造技術を用いて作製されたものである機械共振器。 The electromechanical resonator according to claim 1 or 2,
A mechanical resonator in which the vibrating body and the electrode are manufactured on the same substrate using a semiconductor manufacturing technique.
前記位置調整手段および駆動源は、前記基板上に半導体製造技術を用いて作製されたものである電気機械共振器。 The electromechanical resonator according to claim 3,
The position adjusting means and the drive source are electromechanical resonators manufactured on the substrate using a semiconductor manufacturing technique.
前記駆動源は静電アクチュエータである電気機械共振器。 The electromechanical resonator according to claim 2,
An electromechanical resonator in which the driving source is an electrostatic actuator.
前記位置調整手段は、梁構造体を備え、前記駆動源により前記梁構造体の少なくとも1つの梁を所定量だけ変位させることにより、前記振動体または前記電極を前記所定量よりも小さな量だけ変位させ、微調整を実現するように構成されたことを特徴とする電気機械共振器。 An electromechanical resonator according to any one of claims 1 to 5,
The position adjusting means includes a beam structure and displaces the vibrating body or the electrode by an amount smaller than the predetermined amount by displacing at least one beam of the beam structure by a predetermined amount by the driving source. And an electromechanical resonator configured to realize fine adjustment.
前記梁構造体は、櫛本体と前記櫛本体に対し直交するとともに互いに平行に配設された櫛歯とを備え、前記櫛歯同士が相対向するように配置された一対の櫛歯電極と、前記櫛歯電極の一方の櫛本体に接続され、前記櫛本体の変位に連動して変位する梁とを備えたことを特徴とする電気機械共振器。 The electromechanical resonator according to claim 6,
The beam structure includes a comb body and comb teeth orthogonal to the comb body and arranged in parallel with each other, and a pair of comb electrodes arranged so that the comb teeth face each other; An electromechanical resonator comprising a beam connected to one comb body of the comb electrode and displaced in conjunction with displacement of the comb body.
前記位置調整手段は、振動体と電極の間にかかる交流信号の電圧に応じて、振動体と電極の初期位置を可変とした電気機械共振器。 The electromechanical resonator according to any one of claims 1 to 7,
The position adjusting means is an electromechanical resonator in which the initial positions of the vibrating body and the electrode are variable according to the voltage of the AC signal applied between the vibrating body and the electrode.
前記位置調整手段は、複数の前記梁構造体を備えたことを特徴とする電気機械共振器。 The electromechanical resonator according to any one of claims 6 to 8,
The electromechanical resonator characterized in that the position adjusting means includes a plurality of the beam structures.
電気的に並列に配置された複数個の電気機械共振器を含むことを特徴とする機械共振器。 The electromechanical resonator according to any one of claims 1 to 9,
A mechanical resonator comprising a plurality of electromechanical resonators arranged in parallel electrically.
前記電気機械共振器が、真空雰囲気となるように封止されたケース内に収納したことを特徴とする電気機械共振器。 The electromechanical resonator according to any one of claims 1 to 10,
The electromechanical resonator is housed in a case sealed so as to be in a vacuum atmosphere.
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