JP2006042011A - Electromechanical resonator and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は電気機械共振器およびその製造方法に係り、特に高密度に集積化された電気回路内において、狭ギャップ化をはかり、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 a method of manufacturing the same, and more particularly to an electromechanical resonator capable of realizing a high-performance filter circuit by narrowing a gap 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10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10(a)は平面図を、図10(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. 10 shows the principle of the conventional mechanical resonator described in Non-Patent Document 1, FIG. 10 (a) is a plan view, and FIG. 10 (b) is a cross-sectional view taken along line AA ′. Show.
図10(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10(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。
10A and 10B,
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.
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10(a)の領域Bについて、その製造方法の概略を図11に示す。図11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11(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.10 (a) which shows the said structure, the outline of the manufacturing method is shown in FIG. In FIG. 11, the edge of the
図11に示した前記製造工程では、第1乃至第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。
このように、狭いギャップgを精度よく形成するのは極めて困難であった。
また、このギャップgの大きさにより、特性は大きく変化するため、ギャップgの大きさを微細化することおよび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。
In the manufacturing process shown in FIG. 11, a large number of masks are used to repeatedly form and pattern the first to third sacrificial layers S1 to S3, the vibrating
Thus, it was very difficult to form the narrow gap g with high accuracy.
Further, since the characteristics greatly change depending on the size of the gap g, it is extremely important to make the size of the gap g fine and to set it with high accuracy.
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形成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 forming 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、形状加工後に、前記振動体または前記電極の位置を変化させ、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ギャップの狭小化をはかるようにしたことを特徴とする。 In order to solve the above 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, and after the shape processing, the vibrating body Alternatively, the gap is narrowed by changing the position of the electrode and adjusting the relative position between the vibrating body and the electrode.
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初期位置が、加工後に変位せしめられたものであることを特徴とする。
この構成により、加工後に振動体と電極との間の相対的位置を変化させ、狭ギャップ化をはか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、ギャップの大きさを調整することが可能である。
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 electromechanical conversion, wherein an initial position of the vibrator or the electrode is displaced after processing.
With this configuration, it is possible to change the relative position between the vibrating body and the electrode after processing, thereby narrowing the gap. Therefore, it is not dependent only on processing accuracy, but beyond the processing limit, It is possible to adjust the thickness.
また本発明の電気機械共振器は、前記振動体または前記電極の初期位置が、位置決め機構によって、前記振動体と前記電極間の相対位置がより狭ギャップとなるように変位されて決定されるものを含む。
この構成により、位置決め機構によって振動体と電極との間の相対的位置を調整し、狭ギャップ化をはか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、ギャップの大きさを調整することが可能である。
In the electromechanical resonator of the invention, the initial position of the vibrating body or the electrode is determined by a positioning mechanism so that the relative position between the vibrating body and the electrode becomes a narrower gap. including.
With this configuration, the relative position between the vibrating body and the electrode can be adjusted by the positioning mechanism and the gap can be narrowed.Therefore, not depending only on the machining accuracy but exceeding the machining limit, It is possible to adjust the size.
また、本発明の電気機械共振器は、前記位置決め機構は梁構造であり、駆動源は梁の製造時に梁内部に蓄積された応力であり、応力緩和による梁の撓みを利用し、振動体と電極間の相対位置を調整するようにしたものを含む。
引っ張り性の内部応力、あるいは圧縮性の内部応力を持つように形状加工し、加工後の応力緩和を利用して、狭ギャップ化をはかることにより、加工限界を超えて、容易に狭ギャップ構造を得ることができる。
In the electromechanical resonator of the present invention, the positioning mechanism has a beam structure, and the drive source is stress accumulated in the beam during the manufacture of the beam. Includes a device that adjusts the relative position between electrodes.
Shape processing to have tensile internal stress or compressive internal stress, and use the stress relaxation after processing to narrow the gap, making it easy to create a narrow gap structure beyond the processing limit. Obtainable.
また、本発明の電気機械共振器は、前記位置決め機構は前記振動体または前記電極の位置を変位させるための移動力を発生する駆動源とを備えたものを含む。
この構成により、駆動源を用いることで、前記振動体と前記電極間の相対位置を、容易に調整することができる。
In the electromechanical resonator of the invention, the positioning mechanism includes a driving source that generates a moving force for displacing the position of the vibrating body or the electrode.
With this configuration, the relative position between the vibrating body and the electrode can be easily adjusted by using a drive source.
また、本発明の電気機械共振器は、前記駆動源は、静電気力を生起させる電極を具備したものを含む。 In the electromechanical resonator of the invention, the drive source includes an electrode that generates an electrostatic force.
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、前記位置決め機構および駆動源が、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 positioning mechanism and the drive 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、前記位置決め機構が、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、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、振動体へ励振力は、g/g’の2乗とすることができ、振幅の増大をはかることができる。
In the electromechanical resonator according to the aspect of the invention, the positioning mechanism may include a beam structure, and the vibrator or the electrode may be formed by displacing at least one beam of the beam structure by a predetermined amount by the driving source. In which the distance between the vibrating body and the electrode is finely adjusted from g to g ′.
With this configuration, when the distance between the vibrating body and the electrode immediately after processing is g, adjustment from g to g ′ is possible, and the excitation force to the vibrating body can be the square of g / g ′. The amplitude can be increased.
また、本発明の電気機械共振器は、前記位置決め機構が、振動体と電極の間に印加される電圧に応じて、振動体と電極の初期位置を所定量だけ変位するようにしたものを含む。
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複数段に決定することができ、高精度の調整が容易に可能となる。
The electromechanical resonator of the invention includes the electromechanical resonator in which the positioning mechanism displaces an initial position of the vibrating body and the electrode by a predetermined amount in accordance with a voltage applied between the vibrating body and the electrode. .
According to this configuration, the initial positions of the vibrating body and the electrode can be determined in a plurality of stages depending on the voltage, and high-precision adjustment can be easily performed.
また、本発明の電気機械共振器は、前記位置決め機構が、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、大電圧の励振信号が投入されて一段目のギャップがゼロ、すなわち接触状態に陥っても、次段の振動体を励振させるようにすることができる。
In the electromechanical resonator of the invention, the positioning mechanism includes a plurality of the beam structures.
According to this configuration, by connecting and using a plurality of beam structures, even when a large-voltage excitation signal is input and the first-stage gap is zero, that is, when a contact state occurs, the next-stage vibration body is excited. You can make it.
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したものを含む。
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。また、振動体の振動は空気の粘性抵抗を受けない。
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. Further, the vibration of the vibrating body is not subjected to the viscous resistance of air.
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.
また、本発明の電気機械共振器の製造方法は、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の製造方法であって、基板上に、前記振動体および前記電極を含む梁構造体を形状加工する工程と、前記振動体と前記電極との間隔が所望の値となるように、前記前記振動体または前記電極を変位させる工程とを含む。
この方法によれば、加工後に、振動体と電極との間の相対的位置を調整し、狭ギャップ化をはか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、あるいは加工後に変位させることによりギャップの大きさを調整することが可能である。
The method of manufacturing an electromechanical resonator of the present invention includes a vibrating body that performs mechanical vibration and an electrode disposed at a predetermined interval with respect to the vibrating body, and the vibrating body is a machine. A method of manufacturing an electromechanical resonator configured to generate an electromechanical vibration and enabling electromechanical conversion, comprising: forming a beam structure including the vibrator and the electrode on a substrate; And displacing the vibrating body or the electrode so that a distance between the vibrating body and the electrode becomes a desired value.
According to this method, after processing, the relative position between the vibrating body and the electrode can be adjusted and the gap can be narrowed, so it does not depend only on processing accuracy but exceeds the processing limit, Or it is possible to adjust the magnitude | size of a gap by displacing after a process.
本発明の電気機械共振器の構成によれば、極めて簡単なプロセスで、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。
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 by an extremely simple process.
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.
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の電気機械共振器の平面図である。図1(a)は加工直後の状態を示す図、図1(b)は、加工後内部応力の緩和によりギャップが変化した状態を示す図である。図1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。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、両持ち梁構造で基板201(図1では省略、図2(d)参照)に張架せしめられ、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の機械的振動と、前記機械的振動に伴う前記振動体202と電極203との間の相対的位置変化による電気的変化との間で電気−機械変換を実現するもので、MEMS工程により振動体202および電極203を加工後、振動体と電極とのギャップgを狭小化することにより、加工限界を超えて微細なギャップを効率よく形成するようにしたことを特徴とするものである。ここでギャップgは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)に一旦加工され、加工後に狭小化される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a plan view of an electromechanical resonator according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1A is a diagram showing a state immediately after processing, and FIG. 1B is a diagram showing a state in which the gap is changed due to relaxation of internal stress after processing. In FIG. 1, the hatched part is a fixed part fixed on the substrate, and the other part is a movable part. This electromechanical resonator is formed from a single silicon substrate by a MEMS process, and is stretched around a substrate 201 (omitted in FIG. 1; see FIG. 2D) with a double-supported beam structure. A
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。ここで電極203は引っ張り性の内部応力をもつ位置決め用梁211に支持されており、加工直後に図1(a)に示すように形成したギャップgを、位置決め用梁211の引張り性の内部応力によって、図1(b)に示すようにギャップgを狭めて安定化させたものである。
Here, the vibrating
電極203は位置決め用梁X211の中心部に配され、位置決め用梁X211の両端は2本の位置決め用梁Y212に連結され、位置決め用梁Y212の他方の端点は基板に固定されている。振動体202と電極203の間にはギャップgが形成されている。
The
そしてこの位置決め用梁X211およびY212はともに半導体製造技術を用いて形成した薄膜パターンで構成されており、基板平面方向の残留内部応力が引張り応力となるように製造される。 The positioning beams X211 and Y212 are both formed of a thin film pattern formed by using a semiconductor manufacturing technique, and are manufactured so that the residual internal stress in the substrate plane direction becomes a tensile stress.
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2(a)乃至(d)は図1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. 2 (a) to 2 (d) are manufacturing process diagrams showing the manufacturing method by enlarging the vicinity of the vibrating
まず図2(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. 2A, 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2(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2(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2(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1に示したすべてのアルミニウム薄膜を用いたアルミニウム構造体のパターニング用の2枚マスクで図1(a)に示した電気機械共振器を実現することができる。
By using this manufacturing method, the electromechanical resonator shown in FIG. 1A with two masks for patterning the
このようにして、図2(d)に示した犠牲層の除去工程を終えると、位置決め用梁X211内の残留応力が緩和され、すなわち位置決め用梁X211はその長さ方向に縮もうとし、位置決め用梁Y212は応力を緩和しようとする位置決め用梁X211に引張られ、最終的に図1(b)のように撓んだ状態で静止する。その結果、振動体202と電極203の間のギャップgはg’に変化し、初期のギャップgの値よりも小さくなる。
When the sacrificial layer removal step shown in FIG. 2D is completed in this way, the residual stress in the positioning beam X211 is alleviated, that is, the positioning beam X211 tries to shrink in the length direction, and the positioning beam X211 is positioned. The beam Y212 is pulled by the positioning beam X211 to relieve stress, and finally stops in a bent state as shown in FIG. As a result, the gap g between the vibrating
すなわち、本実施の形態においては、位置決め機構は位置決め用梁X211および位置決め用梁Y212のみで構成されていることになる。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。 That is, in the present embodiment, the positioning mechanism is configured only by the positioning beam X211 and the positioning beam Y212. As a result, it is possible to form a narrow gap that is not limited to the minimum gap g that can be produced by the semiconductor manufacturing technique used.
かかる構成によれば、駆動源を梁の内部応力とし、内部応力の緩和による梁の撓みを利用して、振動体と電極との間のギャップを、加工限界を超えて狭ギャップとすることができ、十分に大きな振幅を持つ高感度の電気機械共振器を実現することが可能となる。従ってこの電気機械共振器を用いることにより、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。 According to such a configuration, the drive source is the internal stress of the beam, and the deflection between the beam due to the relaxation of the internal stress is used to make the gap between the vibrating body and the electrode a narrow gap beyond the processing limit. Therefore, it is possible to realize a highly sensitive electromechanical resonator having a sufficiently large amplitude. Therefore, by using this electromechanical resonator, a filter having excellent electro-mechanical and mechanical-electrical conversion efficiency can be provided.
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。
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、図2(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。 Note that a silicon nitride film may be deposited by plasma CVD on the entire surface of the structure formed of an aluminum thin film in the state of FIG.
なお、上記実施の形態において、振動体202の共振周波数に比べて、位置決め用梁211、212、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決め用梁211、212、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。
In the above embodiment, the resonance frequency of the structure including all of the positioning beams 211 and 212 and the
(実施の形態2)
前記実施の形態1では、アルミニウム薄膜からなる電極203を担持する位置決め用梁X211内の残留応力の緩和による、長さ方向の縮みによって振動体202と電極203との間のギャップを加工限界を超えて小さくなるように構成したが、本実施の形態では、圧縮性の内部応力を持った状態で加工された梁の伸びようとする力を回転方向の力に変換し、連結梁204を回転させることによりギャップgを狭めるようにしたことを特徴とするものである。
(Embodiment 2)
In the first embodiment, the gap between the vibrating
ここで図3は、本発明の実施の形態2の電気機械共振器の平面図である。図3(a)は加工直後の状態を示す図、図3(b)は、加工後内部応力の緩和によりギャップが変化した状態を示す図である。図3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。 FIG. 3 is a plan view of the electromechanical resonator according to the second embodiment of the present invention. FIG. 3A is a diagram showing a state immediately after processing, and FIG. 3B is a diagram showing a state in which the gap is changed due to relaxation of internal stress after processing. In FIG. 3, the hatched part is a fixed part fixed on the substrate, and the other part is a movable part.
製造工程としては、前記実施の形態1と同様にMEMS工程を用いて実現されるがこの、加工直後は図3(a)に示すように、すなわち、図示しない支持台としての基板に対し、回転中心となる支点Oで支持された片持ち梁構造の連結梁204の先端部に電極203を形成したもので、この電極203にギャップgを隔てて振動体202が形成されている。ここで、支点O近傍には点対称位置に第1および第2の圧縮性梁211R1,211R2が連設されている。
The manufacturing process is realized by using the MEMS process in the same manner as in the first embodiment, but immediately after the processing, as shown in FIG. 3A, that is, the substrate is rotated with respect to a substrate as a support base (not shown). An
そして所定時間経過すると、図3(b)に示すように、第1および第2の圧縮性梁211R1,211R2は伸びようとして応力F1,F2を連結梁204に印加することになり、電極203が振動体202に近づく方向に変位する。これにより、ギャップgからg’となり、狭小化される。
When a predetermined time elapses, as shown in FIG. 3B, the first and second compressible beams 211R1, 211R2 apply stresses F1, F2 to the connecting
このようにして加工限界を超えた微細なギャップが形成される。
あらかじめ、このギャップの寸法差をシミュレートして演算しておくようにし、形成後、設計値となるようにしてもよい。
ここで、振動体202は自身の圧縮応力により座屈しないよう、片持ち梁としたが、振動体202と電極203とを別材料で構成することにより、前記実施の形態1と同様、両持ち梁構造としてもよい。
In this way, a fine gap exceeding the processing limit is formed.
The gap dimensional difference may be simulated and calculated in advance, and the design value may be obtained after formation.
Here, the vibrating
(実施の形態3)
なお前記実施の形態1,2では、梁をあらかじめ内部応力をもつように形成しておき、その後で、応力緩和によりギャップgを狭小化するようにしたが、本実施の形態では、図4(a)に示すように、連結梁205の自由端205Sを係止する係止部221を、あらかじめMEMS工程で一体形成するように加工しておき、加工後に図4(b)に示すように、外力Fをかけ、この自由端205Sを係止部221に係止させ、梁を所定位置まで変位させるようにしたものである。これに伴い電極203を振動体202に近接させることができギャップgをg’まで狭小化したことを特徴とするものである。
すなわち、前記実施の形態1,2の場合と同様にMEMS工程により、梁構造体を形状加工し、AFM(Atomic Force Microscopy)プローブ等、鋭利な先端をもつプローブをマニピュレートして梁205を押し、係止部221を用いた保持機構で保持する。これによりギャップgは狭められ、あらかじめ設計された間隔g’を得ることができる。
(Embodiment 3)
In the first and second embodiments, the beam is formed in advance so as to have an internal stress, and thereafter, the gap g is narrowed by stress relaxation. However, in the present embodiment, FIG. As shown in a), the locking
That is, the beam structure is shaped by the MEMS process as in the first and second embodiments, the probe having a sharp tip such as an AFM (Atomic Force Microscopy) probe is manipulated, and the
(実施の形態4)
また、前記実施の形態3では、外力を印加してプローブをマニピュレートして連結梁205を押し、保持するようにしたが、図5に示すようにこの外力として駆動用電源209を用いて連結梁205を変位させ、係止部221を有する保持機構に保持させるようにしてもよい。
(Embodiment 4)
In the third embodiment, the probe is manipulated by applying an external force and the connecting
なお前記実施の形態では、連結梁205上に電極203を1個配置したが、本実施の形態では振動体202a、202bと電極203a、203bを配設し、振動体電極の対を2個配置している。
In the above embodiment, one
加工後、駆動用電源209に所望の電圧Vdriveを印加し、静電力により電極203a、203bを変位させ、先端部205Sが係止部221に係止されるまで連結梁205を変位させる。
そして保持させた後は、この駆動用電源209をオフにする。またこの駆動用電源209を交流信号viに重畳するDCバイアス電源として用いるようにしてもよい。
After processing, a desired voltage V drive is applied to the driving
After the holding, the driving
(実施の形態5)
前記実施の形態1または2では、加工後に、内部応力の緩和によってギャップを狭小化する例について説明したが、本実施の形態では、図6(a)乃至(c)に示すように、その圧縮応力のため座屈して電極203が基板と接触した状態で、ピエゾ素子を用いて電極を振動体に近付けるようにしたものである。図6(a)は加工後、圧縮応力の緩和により電極が基板に向けて変位した状態を示す上面図、図6(b)は図6(a)のA−A’断面図、図6(c)は図6(b)をピエゾ素子の振動により電極を振動体に近付けるように変位させた状態を示すものである。
(Embodiment 5)
In the first or second embodiment, the example in which the gap is narrowed by the relaxation of the internal stress after the processing has been described. However, in the present embodiment, the compression is performed as shown in FIGS. In the state where the
本実施の形態では、基板201の裏面にせん断ピエゾ素子300を貼り付け、X方向にピエゾ素子を振動させる。
このピエゾ素子は、PZTなどの圧電体301の両端に電極302、303を形成したものでこれらの電極302、303の間に電源304によって電圧を印加し、ギャップgを狭小化するものである。
In the present embodiment, the shear
In this piezoelectric element,
このとき図6(b)に示したようにのこぎり波状の電圧を印加することで、基板201は+X方向にゆっくりと移動し、−X方向に急速に移動する。基板201が+X方向にゆっくり移動する際には基板201と電極203は接触したまま移動するが、基板203が−X方向に急速に戻ろうとするときには電極はその慣性力のために急速には戻れない。その結果、基板と電極は接触しながらも電極のみが+X方向に移動していく。最終的に図6(c)に示すように、充分にギャップgが狭小化したところでせん断ピエゾ素子300をはずす。
このようにして、狭ギャップの電気機械共振器が完成する。
At this time, by applying a sawtooth voltage as shown in FIG. 6B, the
In this way, a narrow gap electromechanical resonator is completed.
このとき、振動体と電極はZ方向の高さが異なるため、振動体と電極両者間の静電力は振動体側面の下部の方に集中する。従って振動体の捩り回転中心を軸としたモーメントが働くため、捩り共振器に適した構造となる。 At this time, since the vibrating body and the electrode have different heights in the Z direction, the electrostatic force between both the vibrating body and the electrode is concentrated toward the lower part of the side surface of the vibrating body. Therefore, since a moment about the torsional rotation center of the vibrating body acts, the structure is suitable for a torsional resonator.
かかる構成によれば、電極の一部を基板に接触させることにより、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。 According to such a configuration, it is possible to realize a narrow gap between the vibrating body and the electrode by a simple method by bringing a part of the electrode into contact with the substrate, and excellent electrical-mechanical and mechanical-electrical conversion efficiency. Filters can be provided.
(実施の形態6)
前記実施の形態1または2では、加工後に、内部応力の緩和によってギャップを狭小化する例について説明したが、本実施の形態では、図7および図8に示すように、初期のギャップはゼロとなるように加工し、SAM(Self-assembled monolayer)と呼ばれる薄い層を剥離材として用いて加工し、加工後にこのSAMを剥離することによって狭ギャップを形成する。図7は加工中の状態を示す図、図8はギャップ形成後の状態を示す図、図9は本実施の形態の原理を示す説明図である。図7(b)は図7(a)のA−A’断面図、図8(b)は図8(a)のA−A’断面図である。
(Embodiment 6)
In the first or second embodiment, the example in which the gap is narrowed by relaxation of internal stress after processing has been described. However, in this embodiment, the initial gap is zero as shown in FIGS. Then, a thin layer called SAM (Self-assembled monolayer) is processed as a release material, and after processing, the SAM is peeled to form a narrow gap. 7 is a diagram showing a state during processing, FIG. 8 is a diagram showing a state after gap formation, and FIG. 9 is an explanatory diagram showing the principle of the present embodiment. 7B is a cross-sectional view taken along the line AA ′ in FIG. 7A, and FIG. 8B is a cross-sectional view taken along the line AA ′ in FIG.
図7(a)および(b)に示すように、スペ−サSを構成する金属膜を形成しこれをパターニングし、凹部に犠牲層としてのレジストRを充填し、その上層に振動体202となるポリシリコン層を形成しさらにこれをパターニングし、この後電極203となる金薄膜を形成し、このパターンのない領域を埋める。
As shown in FIGS. 7A and 7B, a metal film constituting the spacer S is formed and patterned, and a recess R is filled with a resist R as a sacrificial layer. A polysilicon layer to be formed is formed and further patterned, and thereafter a gold thin film to be the
そして図8(a)および(b)に示すように、犠牲層としてのレジストRを除去する。これにより、金薄膜からなる電極203のパターンが形成されるとともに、振動体202および電極203の一部が基板201からリリースされた状態となる。このようにし、振動体202および電極203の一部が基板201からリリースされた状態を作り出すと、電極203は基板面に平行な方向すなわち水平方向に縮もうとして振動体202との接触界面から剥離し、狭ギャップgを作り出すことができる。
Then, as shown in FIGS. 8A and 8B, the resist R as a sacrificial layer is removed. Thereby, the pattern of the
この構成を用いることで、半導体製造技術などによるギャップ加工精度の限界を超えた百ナノメートル以下の狭ギャップを形成することができる。 By using this configuration, it is possible to form a narrow gap of 100 nanometers or less exceeding the limit of gap processing accuracy by semiconductor manufacturing technology or the like.
なお、この剥離をより容易にするには、図9に示すように、振動体202の周囲に電極と203との剥離を容易にする離型剤層210を形成しておけばよい。例えば厚み数ナノメートルの離型剤としてSAM(Self-assembled monolayer)を用いることができる。例えば振動体202は表面を酸化させておくのが望ましい。電極203は金属、SAMとしてDTS(dodecyltrichlorosilane)膜を使うことによりこの離型は実現可能である。
このSAMの形成に際しては、SAM溶液をつけたペンで基板上をなぞっていくとなぞった領域にSAMが形成されるディップペンリソグラフィ法あるいは、インクジェット法などの直接描画法が用いられる。
In order to make this peeling easier, as shown in FIG. 9, a
In forming this SAM, a dip pen lithography method in which the SAM is formed in a region traced on the substrate with a pen with a SAM solution or a direct drawing method such as an ink jet method is used.
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できる。 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 The present invention can also 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 位置決め機構
201 基板
202 振動体
203 電極
204 連結梁
205 位置決め用梁
206 位置決め用電極
207 犠牲層
208 アルミニウム
210 離型剤層
211 位置決め用梁X
212 位置決め用梁Y
221 保持機構
DESCRIPTION OF
212 Beam Y for positioning
221 holding mechanism
Claims (14)
前記振動体または前記電極の初期位置が、加工後に変位せしめられたものである電気機械共振器。 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 in which an initial position of the vibrating body or the electrode is displaced after processing.
前記振動体または前記電極の初期位置は、
位置決め機構によって、前記振動体と前記電極間の相対位置がより狭ギャップとなるように変位されて決定されることを特徴とする電気機械共振器。 The electromechanical resonator according to claim 1,
The initial position of the vibrating body or the electrode is
An electromechanical resonator characterized in that a relative position between the vibrating body and the electrode is displaced by a positioning mechanism so as to form a narrower gap.
前記位置決め機構は梁構造であり、駆動源は梁の製造時に梁内部に蓄積された応力であり、応力緩和による梁の撓みを利用し、振動体と電極間の相対位置を調整することを特徴とする電気機械共振器。 The electromechanical resonator according to claim 2,
The positioning mechanism has a beam structure, and the driving source is stress accumulated in the beam at the time of manufacturing the beam, and the relative position between the vibrating body and the electrode is adjusted using the deflection of the beam due to stress relaxation. Electromechanical resonator.
前記位置決め機構は前記振動体または前記電極の位置を変位させるための移動力を発生する駆動源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 2,
The electromechanical resonator according to claim 1, wherein the positioning mechanism includes a driving source that generates a moving force for displacing the position of the vibrating body or the electrode.
前記駆動源は、静電気力を生起させる電極を具備したことを特徴とする電気機械共振器。 The electromechanical resonator according to claim 4,
The electromechanical resonator according to claim 1, wherein the driving source includes an electrode for generating an electrostatic force.
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。 An electromechanical resonator according to any one of claims 1 to 5,
A mechanical resonator in which the vibrating body and the electrode are manufactured on the same substrate using a semiconductor manufacturing technique.
前記位置決め機構および駆動源は、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 any one of claims 2 to 6,
The positioning mechanism and the drive source are electromechanical resonators manufactured on the substrate using a semiconductor manufacturing technique.
前記位置調整機構は、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。 The electromechanical resonator according to any one of claims 2 to 7,
The position adjusting mechanism 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.
前記位置決め機構手段は、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, wherein the positioning mechanism 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.
基板上に、前記振動体および前記電極を含む梁構造体を形状加工する工程と、
前記振動体と前記電極との間隔が所望の値となるように、前記前記振動体または前記電極を変位させる工程とを含む電気機械共振器の製造方法。 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. A method of manufacturing an electromechanical resonator that enables
Forming a beam structure including the vibrating body and the electrode on a substrate; and
And a step of displacing the vibrating body or the electrode so that a distance between the vibrating body and the electrode becomes a desired value.
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-
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