JP2006303558A - Mems resonator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、MEMSレゾネータに関し、詳しくは、MEMSレゾネータの円盤形状の振動体の振動体支持構造に関する。 The present invention relates to a MEMS resonator, and more particularly to a vibrating body support structure for a disk-shaped vibrating body of a MEMS resonator.
近年、世界的な高度情報化社会の到来により、パーソナルユースの携帯電話の普及やインターネットを媒体とした新しいビジネスの誕生など通信、マルチメディア市場は飛躍的な発展を遂げている。そこで、MEMS(Micro Electro Mechanical System)が注目されている分野として通信分野、特に携帯電話が上げられる。Blue toothや無線LANを利用するマルチバンド化が進むことによりアンテナの切り替えスイッチ、バンド切り替えスイッチなどの受動部品が増加する。小型化、低消費電力化を進めるためには、これらの部品を1チップ化し、配線距離を短くしたりすることが有効であり、また、MEMS素子はメカニカルに動作することから信号ノイズの影響が少なくなり性能向上が見込まれる。 In recent years, with the advent of the world's advanced information society, the communication and multimedia markets have undergone tremendous development, such as the spread of personal use mobile phones and the birth of new businesses using the Internet. Therefore, a communication field, particularly a mobile phone, is a field in which MEMS (Micro Electro Mechanical System) is attracting attention. Passive components such as an antenna changeover switch and a band changeover switch increase due to the progress of multiband use using Bluetooth and wireless LAN. In order to promote downsizing and low power consumption, it is effective to make these components into one chip and shorten the wiring distance. Also, since the MEMS element operates mechanically, it is affected by signal noise. Performance is expected to decrease.
従来、MEMS技術を用いた高周波素子には、交流電力に基く静電力により振動体の機械的振動を励起し、この振動体の機械的振動に起因する静電容量の変化を検出するMEMSレゾネータがある。しかし、前述したような用途では、高周波化が要求される。MEMSレゾネータの高周波化においては、従来から採用されている屈曲振動(梁形状等)から伸縮振動を利用する構造が採用されるようになってきている。 Conventionally, a high-frequency element using MEMS technology has a MEMS resonator that excites mechanical vibration of a vibrating body by electrostatic force based on AC power and detects a change in capacitance caused by the mechanical vibration of the vibrating body. is there. However, high frequency is required for the applications as described above. In order to increase the frequency of a MEMS resonator, a structure using expansion / contraction vibration from a conventionally employed bending vibration (beam shape or the like) has been adopted.
伸縮振動を利用する構造の一つとして、円盤形状の振動体の中央部に支持部が形成され、振動体が半径方向に伸縮することで高周波帯の振動を実現する円盤−中央支持構造が知られている(例えば、特許文献1参照)。 As one of the structures that use expansion and contraction vibration, a disk-center support structure is known in which a support part is formed at the center of a disk-shaped vibration body and the vibration body expands and contracts in the radial direction to realize high-frequency band vibration. (For example, refer to Patent Document 1).
また、伸縮振動を利用する構造の他の例として、円盤形状の振動体の両側側面に振動体支持梁を形成し、やはり振動体が半径方向に伸縮することで高周波帯の振動を実現する円盤−側面支持構造が知られている(例えば、非特許文献1参照)。 As another example of a structure using expansion and contraction vibration, a disk that realizes vibration in a high frequency band by forming vibration body support beams on both side surfaces of a disk-shaped vibration body and expanding and contracting the vibration body in the radial direction. -Side support structure is known (for example, refer nonpatent literature 1).
さらには旧来の構造として、梁を屈曲振動、または伸縮振動させて高周波帯の振動を得る単純梁構造が知られている(例えば、非特許文献2参照)。 Further, as a conventional structure, a simple beam structure is known in which a beam is bent or stretched and contracted to obtain a high frequency band vibration (see, for example, Non-Patent Document 2).
このような特許文献1の円盤−中央支持構造では、円盤形状の振動体の中央部に支持部を形成し、振動体を伸縮させて振動させるもので、提案されている従前の構造では、最も高い高周波帯域を得ることができるが、中央の支持部のアライメント精度の僅かなずれでも、所定の周波数が得られなくなるということが知られており、製造しにくいとう課題を有している。 In such a disk-center support structure of Patent Document 1, a support part is formed at the center part of a disk-shaped vibrating body, and the vibrating body is expanded and contracted to vibrate. In the proposed conventional structure, Although it is possible to obtain a high frequency band, it is known that a predetermined frequency cannot be obtained even with a slight shift in the alignment accuracy of the central support portion, and there is a problem that it is difficult to manufacture.
また、非特許文献1の円盤−側面支持構造によれば、MEMSレゾネータの特性を等価回路成分に置き換えた場合の抵抗成分が低いことからインピーダンスマッチングが容易である、振動体支持部を最適化することでQ値を高くすることができる、DCバイアス電圧を低く抑えることができる、というような長所を有することから一般的に中央支持構造よりも有用であるとされている。 In addition, according to the disk-side support structure of Non-Patent Document 1, since the resistance component when the characteristic of the MEMS resonator is replaced with an equivalent circuit component is low, the impedance support is easy and the vibrating body support portion is optimized. Therefore, it is generally considered more useful than the central support structure because it has the advantages that the Q value can be increased and the DC bias voltage can be suppressed low.
また、非特許文献2による旧来の単純梁構造では、構造が簡単なことから設計が容易であるという長所を有しているが、前述の特許文献1または非特許文献1による構造に比べ、周波数が低い、電極交差面積が小さいことから、出力が小さいなどの課題を有している。
In addition, the conventional simple beam structure according to Non-Patent
上記の特許文献及び非特許文献からいずれの構造も梁の径、または長さが小さい(短い)ほど周波数が高くなることが記されている。しかし、これらは振動部(円盤または梁)が支持部に対して非常に大きい場合に支持部の影響がないと仮定したときにのみに適用するものであり、周波数が高くなると振動部の径もしくは長さが非常に短くなり、その結果、支持部と振動部との接続部の影響が無視できなくなることが予想される。 From the above-mentioned patent documents and non-patent documents, it is described that the frequency becomes higher as the diameter or length of the beam is smaller (shorter) in any structure. However, these are applied only when it is assumed that there is no influence of the support part when the vibration part (disk or beam) is very large with respect to the support part. It is expected that the length becomes very short, and as a result, the influence of the connecting portion between the support portion and the vibrating portion cannot be ignored.
本発明の目的は、前述の課題を解決することを要旨とし、振動体の両側側面に振動体支持梁を形成する構造において、振動体の径と振動体支持梁とそれらの接続部の形状を最適設計することにより、高周波帯の振動を実現するMEMSレゾネータを提供することである。 The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and in the structure in which the vibrating body supporting beams are formed on both side surfaces of the vibrating body, the diameter of the vibrating body, the shape of the vibrating body supporting beam and their connecting portions are set. An optimum design is to provide a MEMS resonator that realizes vibrations in a high frequency band.
本発明のMEMSレゾネータは、円盤形状の振動体と、前記振動体の両側に当該振動体の外周部に対して空隙を有してそれぞれ対向配置される一対の電極と、前記振動体の側面両側から前記一対の電極の間に延在される一対の振動体支持梁と、前記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と、前記振動体と前記一対の電極との間の静電容量に対応した出力を得る検出手段と、を備え、前記帯振動体の直径と前記振動体支持梁の幅とを選択的に設定して所望の周波数を得ることを特徴とする。 The MEMS resonator of the present invention includes a disk-shaped vibrating body, a pair of electrodes disposed on both sides of the vibrating body so as to face each other with a gap with respect to an outer peripheral portion of the vibrating body, and both side surfaces of the vibrating body. A pair of vibrating body support beams extending between the pair of electrodes, a power feeding means for applying in-phase AC power to the pair of electrodes, and between the vibrating body and the pair of electrodes Detecting means for obtaining an output corresponding to the capacitance, and selectively setting the diameter of the band vibrator and the width of the vibrator support beam to obtain a desired frequency.
この発明によれば、振動体の直径と振動体支持梁の幅を適切な範囲に調整することで、簡単な構造で、一般の半導体製造プロセスを用いて、従来の円盤−側面支持構造では得られにくい高周波帯域の振動を得ることができる。 According to the present invention, the conventional disk-side support structure can be obtained by using a general semiconductor manufacturing process with a simple structure by adjusting the diameter of the vibrator and the width of the vibrator support beam to an appropriate range. It is possible to obtain vibration in a high frequency band that is difficult to be obtained.
また、本発明の構造では、前記一対の電極と前記振動体支持梁との間の距離が、前記振動体と前記一対の電極との空隙よりも大きく設定されていることが好ましい。 In the structure of the present invention, it is preferable that a distance between the pair of electrodes and the vibrating body support beam is set larger than a gap between the vibrating body and the pair of electrodes.
本発明のMEMSレゾネータは、振動体と前記一対の電極との空隙の静電容量の変化を検出する構造であるため、振動体支持梁と振動体との距離を前述の空隙よりも大きくすることで、振動体支持梁を設けることによる静電容量変化への影響を排除し、安定した検出値を得ることができる。 Since the MEMS resonator of the present invention has a structure for detecting a change in capacitance of the gap between the vibrating body and the pair of electrodes, the distance between the vibrating body support beam and the vibrating body should be larger than the gap. Thus, it is possible to eliminate the influence on the capacitance change due to the provision of the vibrating body support beam, and to obtain a stable detection value.
また、前述の構造によれば、前記振動体の直径が20μmから40μmの範囲、前記振動体支持梁の前記振動体との接続部の幅が、0.2μmから5μmの範囲、に設定されていることが望ましい。 Further, according to the above-described structure, the diameter of the vibrating body is set in the range of 20 μm to 40 μm, and the width of the connecting portion of the vibrating body support beam to the vibrating body is set in the range of 0.2 μm to 5 μm. It is desirable.
詳しくは、後述する実施形態で説明するが、円盤形状の振動体の直径が20μmから40μmの範囲で得られる周波数帯域が最大になる領域を有し、また、そのとき、振動体支持梁の幅が小さくなるほど高い周波数が得られることから、振動体支持梁の構造的強度を加味して0.2μmから5μmの範囲で、この形式のMEMSレゾネータとしては最も高い高周波領域の振動を得ることができる。 Specifically, as will be described later in the embodiment, the disk-shaped vibrating body has a region where the frequency band obtained in the range of 20 μm to 40 μm is maximized, and the width of the vibrating body supporting beam is then Since the higher the frequency, the higher the frequency, the higher the vibration in the range of 0.2 μm to 5 μm in consideration of the structural strength of the vibrating body support beam. .
また、前記振動体が、シリコン基板上に構成されたシリコン層またはシリコン化合物から構成されていることが望ましい。
ここで、シリコン基板としては、例えば、半導体基板であり、また、シリコン化合物としては、例えば、半導体プロセスで用いられるポリシリコン(Poly−Si)、窒化シリコン(SiN)等が採用される。
Moreover, it is desirable that the vibrating body is made of a silicon layer or a silicon compound formed on a silicon substrate.
Here, the silicon substrate is, for example, a semiconductor substrate, and the silicon compound is, for example, polysilicon (Poly-Si) or silicon nitride (SiN) used in a semiconductor process.
このようにすれば、シリコン基板上にシリコン層で構成される振動体を有することにより、通常のシリコン半導体の製造プロセスにより容易に振動体を形成することができる。
また、シリコン基板を半導体基板にすることで、振動体を駆動するための交流電力を印加する給電手段や出力を得るための検出手段を内蔵し、1チップ化することが可能となり、小型化及び配線距離を短くすることで消費電力の低減ができるというような効果がある。
In this way, by having the vibrating body composed of the silicon layer on the silicon substrate, the vibrating body can be easily formed by a normal silicon semiconductor manufacturing process.
In addition, by using a silicon substrate as a semiconductor substrate, a power feeding means for applying AC power for driving the vibrating body and a detection means for obtaining an output can be built in, and it can be made into one chip. There is an effect that power consumption can be reduced by shortening the wiring distance.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1〜図5は、本発明の実施形態に係るMEMSレゾネータの構造及び振動体の形状と周波数の関係を示すグラフ、図6は、従来技術に係る中央支持構造による円盤の直径と周波数の関係を示すグラフ、図7は、従来技術に係る単純梁構造による梁の長さと周波数の関係を示すグラフである。
(実施形態)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 to 5 are graphs showing the relationship between the structure of a MEMS resonator according to an embodiment of the present invention and the shape and frequency of a vibrator, and FIG. 6 is the relationship between the diameter and frequency of a disk by a central support structure according to the prior art. FIG. 7 is a graph showing the relationship between the beam length and the frequency of the simple beam structure according to the prior art.
(Embodiment)
まず、本発明のMEMSレゾネータの特性を明確にするために、前述した従来技術による周波数特性について図面を参照して説明する。
図6は、従来技術のうちの中央支持構造による振動体の直径と周波数の関係を示すグラフである。この構造は、円盤形状の振動体の中央部を支持部で連結した構造である。図6において、横軸には、振動体(円盤と表すことがある)の直径(単位:μm)が示され、縦軸には、周波数(単位:MHz)が示されている。
First, in order to clarify the characteristics of the MEMS resonator of the present invention, the frequency characteristics according to the above-described prior art will be described with reference to the drawings.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the diameter and the frequency of the vibrating body according to the central support structure in the prior art. This structure is a structure in which the central part of the disk-shaped vibrating body is connected by a support part. In FIG. 6, the horizontal axis indicates the diameter (unit: μm) of the vibrating body (sometimes referred to as a disk), and the vertical axis indicates the frequency (unit: MHz).
計算の条件としては、材料定数を、ヤング率:169GPa、ポアソン比:0.3、密度:2500kg/m3とし、中央支持部の直径を1μm、振動体の厚みを2μmとし、振動体の直径と周波数の関係を算出した。 As calculation conditions, the material constant is Young's modulus: 169 GPa, Poisson's ratio: 0.3, density: 2500 kg / m 3 , the diameter of the central support is 1 μm, the thickness of the vibrator is 2 μm, and the diameter of the vibrator is And the frequency relationship was calculated.
このグラフが示すように、円盤−中央支持構造では、円盤の直径が小さくなるに従い周波数は高くなる。また、このグラフ上では周波数のピーク領域が存在せず、所望の周波数が得られる円盤の直径は1ポイントのみである。 As this graph shows, in the disc-center support structure, the frequency increases as the disc diameter decreases. In addition, there is no frequency peak region on this graph, and the diameter of the disk from which the desired frequency can be obtained is only one point.
図7には、従来技術のうちの単純梁構造による梁の長さと周波数との関係を示すグラフが示されている。このグラフは、梁幅10μm、厚み2μm、支持梁幅20μmの状態で梁の長さを変化させたときの各周波数を示している。図7において、横軸には、梁の長さ(単位:μm)、縦軸には、周波数(単位:MHz)が示されている。材料定数は、前述した円盤−中央支持構造と同じ定数である。 FIG. 7 shows a graph showing the relationship between the beam length and the frequency by the simple beam structure in the prior art. This graph shows each frequency when the length of the beam is changed in a state where the beam width is 10 μm, the thickness is 2 μm, and the support beam width is 20 μm. In FIG. 7, the horizontal axis indicates the length of the beam (unit: μm), and the vertical axis indicates the frequency (unit: MHz). The material constant is the same constant as the disk-center support structure described above.
このグラフが示すように、上記の条件では、梁の長さが短くなるに従い周波数が高くなるが、20μm以下になっても周波数は高くはならないことが推察され、周波数の最大値は84MHzに達しない。 As shown in this graph, under the above conditions, the frequency increases as the length of the beam decreases, but it is assumed that the frequency does not increase even when the beam length is 20 μm or less, and the maximum frequency reaches 84 MHz. do not do.
続いて、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。
図1には、本実施形態に係るMEMSレゾネータ10の構造の1例が示され、図1(a)は、平面図、図1(b)は、図1(a)のA−G−A断面図である。図1(a)、(b)において、本実施形態に係るMEMSレゾネータ10は、基本構成として、シリコン基板11の表面上に形成される円盤形状の振動体20(円盤部20と表すことがある)と、振動体20の周囲を取り囲み、振動体20の外周部とは空隙35を有して、振動体20を挟んで形成される一対の電極としての加振電極30と、から構成されている。
Subsequently, an embodiment according to the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows an example of the structure of the
シリコン基板11の表面には絶縁層12が形成され、その上面に振動体20と加振電極30とが形成されている。振動体20はシリコン層、あるいはポリシリコン等のシリコン化合物からなり、振動体20の側面両側から一対の振動体支持梁21が延在されている。
An insulating
この振動体支持梁21の端部にはシリコン基板11と接続する支持部22が形成され、振動体20の下部には、シリコン基板11との間に空隙が設けられ、半径方向に伸縮振動を行える形状である。また、この振動体20と振動体支持梁21の下面には電極層23が形成されており、出力線51を介して検出手段としての出力回路50に接続されている。
A
また、加振電極30は、振動体20とは平面方向に一定の距離L1を有する空隙35を設けて一対形成され、それぞれの形状は、振動体20を挟んで対称形である。また、延在された振動体支持梁21と加振電極30との間の空隙36の距離L2は、空隙35より大きく設定されており、本実施形態では、L2>3×L1に設定されることが好ましい。
The
本実施形態のMEMSレゾネータ10は、振動体20が伸縮振動する際、振動体20と加振電極30との間に発生する静電容量の変化を検出して出力する構造であり、静電容量は、対向する振動体20と加振電極30との距離の二乗に反比例し、対向面積に比例するために、L2>3×L1とすることにより、空隙36に発生する静電容量は、空隙35に発生する静電容量に比べ、1桁以上小さくなり、出力に影響を与えない値に抑えることができる。
The
加振電極30の下面にも電極層31が形成されている。MEMSレゾネータ10には、一対の加振電極30に同相の交流電力を印加するための給電手段としての給電回路40が設けられている。この給電回路40には、交流電源41と、この交流電源41と加振電極30に形成される電極層31とを接続する供給線42とが設けられている。
An
なお、本実施形態では、この給電回路40は、シリコン基板11の内部にモノシリックに構成されるが、シリコン基板11と別に構成してもよく、または外部から交流電力を供給するための配線構造のみを形成してもよい。
In the present embodiment, the
さらに、本実施形態には、振動体支持梁21が出力電極であり、振動体20の伸縮振動に応じた出力信号(検出信号)を出力するための検出手段としての出力回路50が設けられている。
Further, in the present embodiment, the vibrating
この出力回路50は、電源電位53と出力線51の出力電位との間に接続されたインダクタンス52と、上記出力電位と接地電位との間に接続された負荷抵抗54とから構成され、その先に出力端子55が設けられている。
The
本実施形態では、円盤形状の振動体20が、一対の加振電極30の間で、平面的に半径方向に伸縮する態様の振動を生じ、この伸縮振動に応じて空隙35の距離L1が変化することにより、振動体20と加振電極30との間の静電容量が増減する。この静電容量の増減は、出力回路50に生ずる出力電流ioとして表れるので、この出力電流ioと負荷抵抗54に生じた出力電位Voが出力端子55に出力される。この出力電位Voは、振動体20の固有振動周波数に対応する振動波形を備えたものとなる。
In the present embodiment, the disk-shaped vibrating
振動体20の伸縮振動は、円盤形状の振動体20の平面形状の輪郭(外周部)の形状変化を伴う径方向の振動であり、振動体20と一対の加振電極30との間の静電力に起因するものである。この振動モードにおいて、振動体20は、その平面形状、厚み、及び、構成素材の密度や弾性特性(例えば、ヤング率やポアソン比など)によって定まる固有振動周波数を有する。
The expansion and contraction vibration of the vibrating
続いて、本実施形態によるMEMSレゾネータ10の振動体20及び振動体支持梁21の形状に起因する振動体20の固有振動周波数の関係について図面を参照して説明する。
なお、振動体20の構成素材をポリシリコンとし、図1で示した基本の形状において、固有値解析を実施した。この計算に用いた振動体20の材料定数は、ヤング率:169GPa、ポアソン比:0.3、密度:2500kg/m3とした。
Next, the relationship between the natural vibration frequencies of the vibrating
Note that eigenvalue analysis was performed on the basic shape shown in FIG. The material constants of the
図2は、振動体20の円盤形状部の厚みと周波数との関係を示すグラフである。ここで、振動体20の直径を30μm、振動体支持梁21の幅を10μmとしている。図2において、横軸には振動体20の円盤部の厚み(単位:μm)、縦軸には周波数の計算値(単位:MHz)が示されている。
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the thickness of the disk-shaped portion of the vibrating
このグラフが示すように、振動体20の厚みが0.5μm〜3.0μmの範囲において、周波数は、ほぼ88MHzで一定となっており、この厚み範囲では、厚みは周波数に影響しないことを示している。振動体20の厚みは、図示されていない0.5μm以下、3.0μm以上の範囲においても、周波数には大きく影響しないことが推察される。
As shown in this graph, in the range where the thickness of the vibrating
次に、振動体20の直径と周波数の関係について図面を参照して説明する。
図3には、本実施形態による形状を基本として、振動体20の直径と周波数との関係を示すグラフが示されている。ここで、材料定数は、前述した条件と同じであり、振動体20の厚みを2μm、振動体支持梁21の幅を10μmとして計算した結果を示している。図3において、横軸には振動体20の直径(単位:μm)、縦軸には周波数(単位:MHz)が示されている。
Next, the relationship between the diameter of the vibrating
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the diameter and the frequency of the vibrating
このグラフで示すように、上記の形状及び材料定数においては、周波数のピークが、円盤部の直径が32μmの位置にあり、これより直径を小さくしても、大きくしても周波数が低下する。周波数の最大値は、88MHzである。図3で示される計算結果は、前述の計算条件の時の結果であり、これら計算条件によっては、最大周波数の値及びピーク値を表す円盤部の直径の大きさも変化するが、周波数と振動体の直径とは図示されたグラフと同じような傾向を示すことが推察される。 As shown in this graph, in the above-mentioned shape and material constant, the peak of the frequency is at the position where the diameter of the disk portion is 32 μm, and the frequency decreases even if the diameter is made smaller or larger than this. The maximum value of the frequency is 88 MHz. The calculation results shown in FIG. 3 are the results under the above-mentioned calculation conditions. Depending on these calculation conditions, the maximum frequency value and the diameter of the disk portion representing the peak value also change. It can be inferred that the diameter of the curve shows the same tendency as in the illustrated graph.
続いて、振動体支持梁21の幅と周波数の関係について図面を参照して説明する。
図4には、本実施形態による形状を基本として、振動体支持梁21の幅と周波数との関係を示すグラフが示されている。ここで、材料定数は、前述した条件と同じであり、振動体20の厚みを2μm、振動体20の直径を30μmとして計算した結果を示している。図4において、横軸には振動体支持梁の幅(単位:μm)、縦軸には周波数(単位:MHz)が示されている。
Next, the relationship between the width of the vibrating
FIG. 4 shows a graph showing the relationship between the width and the frequency of the vibrating
このグラフが示すように、周波数は、振動体支持梁21の幅が小さいほど高くなる。また、振動体支持梁21の幅が図示される範囲において、周波数が110MHz以上となることを示し、5μm以上では、周波数の変化が小さくなっていくことを示している。従って、本発明の目的である円盤−側面支持構造において高周波帯域の周波数を得るための振動体支持梁21の幅は、0.2μm〜5μmの範囲に設定されることが好適である。
As shown in this graph, the frequency increases as the width of the vibrating
ここで、従来技術と本実施形態による、周波数と振動体の形状依存に関して整理してみる(図1〜図4、図6,7、を比較参照する)。
(1)中央支持構造(図6、参照)によれば、円盤部の直径を小さくすることで100MHz以上の高周波帯域の振動を得ることができるが、前述したように、周波数のピーク領域がなく、また、中央の支持部位置のずれが振動モード(周波数変動)に影響し、且つ、そのことから製造しにくいという課題がある。
Here, the frequency and the shape dependence of the vibrating body according to the prior art and the present embodiment will be summarized (refer to FIGS. 1 to 4 and FIGS. 6 and 7 for comparison).
(1) According to the central support structure (see FIG. 6), it is possible to obtain vibrations in a high frequency band of 100 MHz or more by reducing the diameter of the disk portion, but there is no frequency peak region as described above. In addition, there is a problem that the shift of the center support portion position affects the vibration mode (frequency fluctuation) and is difficult to manufacture.
(2)単純梁構造(図7、参照)によれば、構造が簡単で製造しやすいという長所があるが、高周波化は困難であるという課題がある。 (2) The simple beam structure (see FIG. 7) has the advantage that the structure is simple and easy to manufacture, but there is a problem that high frequency is difficult.
(3)本実施形態の円盤−側面支持構造(図1〜図4、参照)によれば、周波数は、振動体の直径と振動体支持梁の幅に依存し、高周波帯域の実現が可能となる。
これらのことから、振動体20の直径と振動体支持梁21の幅を最適設計することで、所望の高周波領域を実現する緒元を見出すことができる。そこで、振動体20の直径と振動体支持梁21の幅の最適値の組み合わせについて考察する。
(3) According to the disk-side support structure of this embodiment (see FIGS. 1 to 4), the frequency depends on the diameter of the vibrating body and the width of the vibrating body support beam, and a high frequency band can be realized. Become.
From these facts, by designing the diameter of the vibrating
図5には、本実施形態による周波数と振動体20の直径と振動体支持梁21の幅との関係を示すグラフが示されている。図5において、横軸には、振動体支持梁21の幅(単位:μm)、縦軸には、周波数(単位:MHz)が示され、振動体20の直径を周波数のピークを示した32μmを中心に、20μm〜40μmの範囲に設定し、それぞれの周波数と振動体支持梁21の幅との関係を表している。なお、振動体20の厚みは2μmに設定されている。
FIG. 5 shows a graph showing the relationship among the frequency, the diameter of the vibrating
このグラフが示すように、振動体20の直径が20μm〜40μmの範囲において、振動体支持梁21の幅が小さいほど周波数は高くなる。また、振動体支持梁21の幅が小さいほど、振動体20の直径に起因する周波数の発現範囲が広くなり、1μm幅においては、円盤の直径が32μmの場合と40μmの場合とではおよそ10MHzの差が出ることを示している。
As shown in this graph, in the range where the diameter of the vibrating
また、振動体支持梁21の幅が狭いほど振動体20との連結面積が狭くなり、その結果、シリコン基板11への振動漏れも軽減されQ値が高いことが推測される。
Further, it is presumed that the smaller the width of the vibrating
これら前述したことから、振動体20の直径を20μm〜40μmの範囲、振動体支持梁の幅を0.2μmから5μmの範囲で、適宜、組み合わせを選択すれば、簡単な構造で、単純梁構造よりも高周波帯域の振動を得ることが可能である。
From these, the simple structure of the simple structure can be obtained by selecting the appropriate combination of the diameter of the
従って、前述した実施形態によれば、振動体20の直径と振動体支持梁21の幅を適切な範囲に調整することで、簡単な構造で、一般の半導体製造プロセスを用いて、従来の円盤−側面支持構造では得られにくい高周波帯域の振動を得ることができる。
Therefore, according to the above-described embodiment, by adjusting the diameter of the vibrating
また、本発明のMEMSレゾネータ10は、振動体20と一対の加振電極30との空隙35の静電容量の変化を検出する構造であるため、振動体支持梁21と振動体20との空隙36の距離L2を前述の空隙35の距離L1よりも大きくすることで、振動体支持梁21を設けることによる静電容量変化への影響を排除し、安定した検出の出力を得ることができる。
Further, since the
また、振動体20の直径が20μmから40μmの範囲で得られる周波数帯域が最大になる領域を有し、また、そのとき、振動体支持梁21の幅が小さくなるほど高い周波数が得られることから、振動体支持梁21の構造的強度を加味して0.2μmから5μmの範囲で、この形式のMEMSレゾネータとしては最も高い高周波領域の振動を得ることができる。
In addition, since the frequency band obtained in the range of 20 μm to 40 μm in the diameter of the vibrating
さらに、シリコン基板11上にポリシリコンで構成される振動体20を形成することにより、通常のシリコン半導体の製造プロセスにより容易に振動体20を形成することができる。また、シリコン基板11を半導体基板とすることで、振動体20を駆動するための交流電力を印加する給電回路40や検出信号を出力する出力回路50を内蔵し、1チップ化することが可能となり、小型化及び配線距離を短くすることで消費電力の低減ができるというような効果がある。
Furthermore, by forming the vibrating
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前述の実施形態では、給電回路40や出力回路50を別々の回路構成としているが、振動体の態様に応じて、給電回路40と出力回路50とを共通の回路手段で実現するなど、種々の構成を採用することができる。
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and modifications, improvements, and the like within the scope that can achieve the object of the present invention are included in the present invention.
For example, in the above-described embodiment, the
また、前述の実施形態では、振動体支持梁21は、振動体20に対して、同一直線状に延在されているが、振動体支持梁21の構成は、必ずしも直線状に形成することはなく、加振電極との相対的な関係を対称形にする(振動モードが対称形になることを意味する)ことで自在に設定することができる。
In the above-described embodiment, the vibrating
また、本実施形態では、振動体20の材質をポリシリコンとして例示し、材料定数をヤング率:169GPa、ポアソン比:0.3、密度:2500kg/m3で計算しているが、これらと異なる材質を選択することができ、材料定数を変えることで、さらに高周波化をはかることが可能である。この際、周波数のピークが、振動体の直径が32μmの位置になるとは限らない。
In this embodiment, the material of the vibrating
従って、前述の実施形態によれば、振動体の両側側面に振動体支持梁を形成する構造において、簡単な構造で、且つ、高周波帯の振動を実現するMEMSレゾネータを提供することができる。 Therefore, according to the above-described embodiment, it is possible to provide a MEMS resonator that realizes vibration in a high frequency band with a simple structure in the structure in which the vibrating body support beams are formed on both side surfaces of the vibrating body.
本発明によるMEMSレゾネータは、振動子の他に、共振器やフィルターとして採用することができる。また、高周波で駆動するアクチュエータとしても用いることができる。 The MEMS resonator according to the present invention can be employed as a resonator or a filter in addition to a vibrator. It can also be used as an actuator driven at high frequency.
10…MEMSレゾネータ、20…振動体、21…振動体支持梁、30…加振電極、35…空隙、40…給電回路、50…出力回路。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記振動体の側面両側から前記一対の電極の間に延在される一対の振動体支持梁と、
前記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と、
前記振動体と前記一対の電極との間の静電容量に対応した出力を得る検出手段と、
を備え、
前記振動体の直径と前記振動体支持梁の幅とを選択的に設定して所望の周波数を得ることを特徴とするMEMSレゾネータ。 A disk-shaped vibrating body, and a pair of electrodes disposed opposite to each other with a gap with respect to the outer periphery of the vibrating body on both sides of the vibrating body;
A pair of vibrating body support beams extending between the pair of electrodes from both sides of the vibrating body;
Power supply means for applying in-phase AC power to the pair of electrodes;
Detection means for obtaining an output corresponding to a capacitance between the vibrating body and the pair of electrodes;
With
A MEMS resonator, wherein a desired frequency is obtained by selectively setting a diameter of the vibrator and a width of the vibrator support beam.
前記一対の電極と前記振動体支持梁との間の距離が、前記振動体と前記一対の電極との空隙よりも大きく設定されていることを特徴とするMEMSレゾネータ。 The MEMS resonator according to claim 1,
A MEMS resonator, wherein a distance between the pair of electrodes and the vibrating body support beam is set to be larger than a gap between the vibrating body and the pair of electrodes.
前記振動体の直径が20μmから40μmの範囲、前記振動体支持梁の前記振動体との接続部の幅が、0.2μmから5μmの範囲、に設定されていることを特徴とするMEMSレゾネータ。 The MEMS resonator according to claim 1 or 2,
A MEMS resonator, wherein a diameter of the vibrating body is set in a range of 20 μm to 40 μm, and a width of a connecting portion of the vibrating body support beam to the vibrating body is set in a range of 0.2 μm to 5 μm.
前記振動体が、シリコン基板上に構成されたシリコン層またはシリコン化合物から構成されていることを特徴とするMEMSレゾネータ。
The MEMS resonator according to any one of claims 1 to 3,
2. The MEMS resonator according to claim 1, wherein the vibrator is made of a silicon layer or a silicon compound formed on a silicon substrate.
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