JP2006319387A - Ｍｅｍｓレゾネータ - Google Patents

Abstract

【課題】 円盤形状の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。
【解決手段】 ＭＥＭＳレゾネータ１０は、円盤形状の振動体２０と、振動体２０の両側に当該振動体２０の外周部に対して空隙３５を有してそれぞれ対向配置される一対の加振電極３０と、振動体２０の側面両側から一対の加振電極の間に延在される一対の振動体支持梁２１と、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回路４０と、振動体２０と一対の加振電極３０との間の静電容量に対応した出力を得る出力回路５０と、を備え、振動体２０の外周部と一対の加振電極３０との接続部２４が、連続した滑らかな曲線で接続されている。
【選択図】 図１

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支持構造に関する。

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。

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。

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）。

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）。

さらには旧来の構造として、単純形状の梁を屈曲振動、または伸縮振動させて高周波帯の振動を得る梁構造（以降、単純梁構造と表す）が知られている（例えば、非特許文献２参照）。

米国特許第６６２８１７７号明細書 Ｍｏｈａｍｅｄ Ａ．Ａｂｅｄｅｌｍｏｎｅｕｍ，Ｊｉｎｇ Ｗａｎｇ，Ｍｕｓｔａｆａ Ｕ．Ｄｅｍｉｒｃｉ，Ｃｌａｒｋ Ｔ．Ｃ．Ｎｇｕｙｅｎ、"ＳＴＥＭＬＥＳＳ ＷＩＮＥ−ＧＬＡＳＳ−ＭＯＤＥ ＤＩＳＫ ＭＩＣＲＯＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＲＥＳＯＮＡＴＯＲＳ"、１６ｔｈ Ｉｎｔ．ＩＥＥＥ Ｍｉｃｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｃｏｎｆ．Ｋｙｏｔｏ，Ｊｐａｎ，Ｊａｎ．１９−２３，２００３、ｐｐ６９８−７０１ ｗｗｗ．ｆｙｓｌａｂ．ｈｕｔ．ｆｉ／ｋｕｒｓｓｉｔ／Ｔｆｙ−3．４８０／ Ｓｐｒｉｎｇ２００４／Ｆｅｂ０４ Ｍａｔｔｉｌａ／ｌｅｃｔｕｒｅ０４Ｆｅｂ２００４．ｐｄｆ

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のなかでは、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、製造しにくいという課題を有している。

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とされている。

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。

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。

本発明の目的は、前述の課題を解決することを要旨とし、円盤形状の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の幅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。

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、前記振動体の外周部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、前記振動体の外周部と前記一対の振動体支持梁との接続部が、連続した滑らかな曲線で接続されていることを特徴とする。

この発明によれば、円盤状の振動体の外周部と前記一対の振動体支持梁との接続部が、連続した滑らかな曲線で接続されているので、前記外周部と振動体支持梁とが直接接続される構造にくらべ、接続部近傍において、振動体の振動モードの変移点が発生しにくくなるため、従来の円盤−側面支持構造や、単純梁構造に比べ、高周波帯域の振動を得ることができる。さらには、詳しくは、実施形態の項で後述するが、接続部の曲線形状に対応して安定周波数領域が発現し、所望の高周波帯域の振動を得ることができる。

また、本発明の構造では、前記振動体の外周部と前記一対の振動体支持梁との接続部を連続する滑らかな曲線が、半径５μｍから１５μｍの範囲の円弧で形成されていることが好ましい。

本発明のような円盤−側面支持構造では、前述したように、接続部の曲線形状に対応して安定周波数領域が発現するが、この曲線を半径５μｍから１５μｍの範囲の円弧で形成することによって、従来の円盤−側面支持構造や、単純梁構造に比べ、高周波帯域の振動を得ることができる。

また、この範囲において、周波数のピークが発現し、このピークの前後、つまり周波数のピーク値を得る円弧の半径の前後において、周波数の変化が小さいため、最適な円弧の大きさを設定することで、所望の高周波数帯域の振動を得ることができる。このことによって、製造上における接続部の形状のばらつきの影響を抑えることができるという効果がある。

また、前述の構造では、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幅が、０．２μｍから５μｍの範囲、に設定されていることが好ましい。

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の範囲において、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。

さらに、これら振動体の直径と振動体支持梁の幅と前述した接続部の形状とを組み合わせることにより、所望の高周波帯域の振動を得ることができるほか、このことによって、製造上における接続部の形状のばらつきの影響を抑えることができる。

また、前記一対の電極の前記振動体支持梁側の端部が、前記振動体の外周部と前記接続部との接点よりも前記振動体支持梁の側面から離間して配設されていることが望ましい。

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り、静電容量は、振動体と対向する電極の距離の二乗に反比例し、対向面積に比例するため、振動体に連続して形成される接続部の曲線の範囲から離間した位置に一対の電極を配設することで、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、正確な検出値を得ることができる。

さらに、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好ましい。
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シリコン層、ポリシリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）等が採用される。

このようにすれば、シリコン基板上にシリコン層やシリコン化合物等で構成される振動体を設けることにより、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。

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６には、本発明の実施形態に係るＭＥＭＳレゾネータの構造及び計算結果のグラフを示す。図７には従来技術に係る円盤−中央支持構造の周波数の計算結果のグラフ、図８には、従来技術に係る単純梁構造の周波数の計算結果のグラフを示している。

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７は、従来技術のうちの円盤−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７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。

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（円盤）の直径と周波数の関係を算出した。

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。また、このグラフによれば、円盤の直径の大小で周波数が大きく変動していることを示し、円盤の直径のばらつきが周波数に大きく影響することを示している。

図８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である。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８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。ここでも、材料定数は、前述した円盤−中央支持構造と同様な条件に設定している。

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。
（実施形態）

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（Ｇは、振動体２０の重心）。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。

シリコン基板１１の表面には酸化シリコン（ＳｉＯ₂）からなる絶縁層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の外周部の側面両側からは一対の加振電極３０の間に一対の振動体支持梁２１が延在されている。振動体支持梁２１は、重心Ｇを通る直線上に重心Ｇに対して点対称である。

振動体２０の外周部と振動体支持梁２１とは、なだらかな接続部２４で連続されており、本実施形態においては、この接続部２４は半径ｒの一つの円弧で形成されている。この半径ｒの大きさが周波数特性に影響するが、詳しくは、図５，６を参照して後述する。

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。

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の振動体支持梁側端部との間の隙間３６（距離Ｌ２）は、加振電極３０の振動体支持梁２１の側面側の端部が、振動体２０の外周部と接続部２４との接点２５よりも振動体支持梁２１の側面から離間して配設されている。

本実施形態のＭＥＭＳレゾネータ１０は、振動体２０が半径方向に伸縮振動する際、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、距離Ｌ２を前述した条件に設定することにより、空隙３５に発生する静電容量は、空隙３６に発生する静電容量に比べ、はるかに小さくなり、出力に影響を与えない値に抑えることができる。

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。
このような構成であるため、本実施形態のＭＥＭＳレゾネータ１０は、振動体２０を含め、通常の半導体プロセスで製造することができる。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、接続部２４の半径ｒを０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。

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。

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である。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、接続部２４の半径ｒを０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。

このグラフで示すように、上記の形状及びこの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。

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である。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、接続部２４の半径ｒを０として計算した結果を示している（図１（ａ）に二点鎖線で表す）。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。

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。

続いて、周波数と接続部２４の半径との関係について図面を参照して説明する。
図５は、本実施形態による形状を基本として、周波数と接続部２４の半径ｒとの関係を示すグラフである。ここで、材料定数は、前述した条件と同じとし、振動体２０の厚みを２μｍ、振動体２０の直径を３０μｍ、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５において、横軸には接続部の半径（単位：μｍ）、縦軸には周波数（単位：ＭＨｚ）が示されている。

このグラフが示すように、周波数は、接続部２４の半径の大きさにより変化し、図示される半径の範囲においてピーク値を有している。図５では、周波数のピーク値８９．２ＭＨｚを示す接続部２４の半径は１７μｍである。また、１７μｍよりも小さくても、大きくても周波数は低下することを示している。

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５、図７，８、を比較参照する）。
（１）中央支持構造（図７、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い。また、中央の支持部位置のずれが振動モード（周波数変動）に影響することが知られている。また、円盤の直径の差で周波数が大きく変動し、円盤の直径のばらつきが周波数に大きく影響する。

（２）単純梁構造（図８、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。

（３）本実施形態の円盤−側面支持構造（図１〜図５、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と接続部２４の大きさに依存し、高周波帯域の実現が可能となる領域が存在し、また、接続部の半径の大きさも周波数に影響する。

これらのことから、振動体２０の直径と振動体支持梁２１の幅と接続部２４の半径ｒ（直径に置き換えられる）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ことが推察できる。そこで、振動体２０の直径と振動体支持梁２１の幅と接続部の半径ｒの最適値の組み合わせについて考察する。

図６は、本実施形態による周波数と、振動体支持梁２１の幅と接続部の半径ｒと、の関係を示すグラフである。図６において、横軸には、接続部２４の半径（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に近い３０μｍ、接続部２４の半径を０〜２５μｍの範囲で設定し、振動体支持梁２１の幅を１μｍ、５μｍ、１０μｍとしたときの、それぞれの周波数と接続部２４の半径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。

このグラフが示すように、振動体支持梁２１の幅が１０μｍのときには、周波数の接続部２４の半径に対する依存度は小さく、周波数のピークは接続部２４の半径１７μｍの位置にあり、前述した単順梁構造よりは高周波帯域にあるものの、最大周波数は９０ＭＨｚ以下である。

また、振動体支持梁２１の幅が５ミクロンのときにも、周波数の接続部２４の半径に対する依存度は大きくはなく、周波数のピークは接続部２４の半径１０μｍの位置にあり、最大周波数は９５ＭＨｚ程度である。

振動体支持梁２１の幅が１μｍのときは、接続部２４の半径の設定した全ての範囲において、前述した振動体支持梁の幅５μｍ、１０μｍに比べ、出現する周波数帯域は高くなるっている。また、接続部２４の半径が７μｍの位置で周波数のピークがあり、１１０ＭＨｚの高周波帯域を実現している。

また、接続部２４の半径が５μｍ〜１０μｍの範囲では、周波数の変動が小さく、１１０ＭＨｚ帯の領域範囲が広いことが分かる。この５μｍという寸法は、半導体プロセスにおいては、容易に管理できるものであり、このことから、このように振動体２０の直径、振動体支持梁２１の幅、接続部２４の半径を適宜組み合わせて設定することで、容易に所望の周波数帯の実現できることが推察できる。

さらに、前述の材料定数の条件において、振動体支持梁の幅を図４で示す最大周波数帯域を得る０．２μｍとし、図３で示すように振動体２０の直径を３２μｍ、接続部２４の半径を５μｍ〜１０μｍの範囲に設定すれば、なお、高周波帯域の振動が得られることが推察できる。

従って、前述した実施形態によれば、円盤形状の振動体２０の外周部と一対の加振電極３０との接続部２４が、連続した滑らかな曲線で接続されているので、外周部と振動体支持梁２１とが直接接続される構造にくらべ、接続部近傍において、振動体２０の振動モードの変移点が発生しにくくなるため、従来の円盤−側面支持構造や、単純梁構造に比べ、高周波帯域の振動を得ることができる。さらには、接続部２４の曲線形状に対応して変動が少ない周波数領域が発現し、所望の周波数の振動を実現することができる。

本発明のような円盤−側面支持構造では、前述したように、接続部２４の曲線形状に対応して安定周波数領域が発現するが、この接続部２４を半径５μｍから１５μｍの範囲の円弧で形成することによって、従来の円盤−側面支持構造や、単純梁構造に比べ、高周波帯域の振動を得ることができる。

また、接続部２４の半径５μｍから１５μｍの範囲において、周波数のピークが発現し、このピークの前後、つまり周波数のピーク値を得る円弧の半径の前後において、周波数の変化が小さいため、最適な円弧の大きさを設定することで、所望の周波数を得ることができる。このことによって、製造上における接続部２４の形状のばらつきの影響を抑えることができるという効果がある。

また、振動体２０の直径が２０μｍから４０μｍの範囲において、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。

さらに、これら振動体２０の直径と振動体支持梁２１の幅と前述した接続部２４の形状とを組み合わせることにより、所望の周波数を得ることができるほか、このことによって、製造上における接続部２４の形状のばらつきの影響を抑えることができる。

また、加振電極３０と振動体支持梁２１との隙間３６を、振動体２０と加振電極３０との空隙３５よりも大きく離間させることにより、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、正確な検出値を得ることができる。

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を半導体基板にすることで、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や出力を得るための出力回路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。

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、接続部２４の形状を一つの円弧で形成しているが、この形状は、一つの円弧に限らず複数の円弧を連続した形状に形成してもよく、振動体２０、振動体支持梁２１、材料定数に合わせて滑らかな曲線に形成するなど、適宜選択して形成することができる。

また、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２０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。

また、振動体支持梁２１は、振動体２０に対して、同一直線上に延在されているが、振動体支持梁２１の構成は、必ずしも直線上に限定されず、加振電極３０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。

さらに、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２０の直径が３２μｍの位置になるとは限らない。これらの条件を適宜組み合わせることにより、所望のピーク位置を設定することができる。

従って、前述の実施形態によれば、円盤形状の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。

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。

本発明の実施形態に係るＭＥＭＳレゾネータの構造の１例を示し、（ａ）は、平面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ｇ−Ａ断面図。 本発明の実施形態に係る振動体の厚みと周波数との関係を示すグラフ。 本発明の実施形態に係る振動体の直径と周波数との関係を示すグラフ。 本発明の実施形態に係る振動体支持梁の幅と周波数との関係を示すグラフ。 本発明の実施形態に係る周波数と接続部の半径との関係を示すグラフ。 本発明の実施形態に係る周波数と振動体支持梁の幅と接続部の半径ｒとの関係を示すグラフ。 従来技術の円盤−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。 従来技術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。

符号の説明

１０…ＭＥＭＳレゾネータ、２０…振動体、２１…振動体支持梁、２４…接続部、３０…一対の加振電極、４０…給電手段、５０…検出手段。

Claims (5)

1. 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、
   前記振動体の外周部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、
   前記振動体の外周部と前記一対の振動体支持梁との接続部が、連続した滑らかな曲線で接続されていることを特徴とするＭＥＭＳレゾネータ。
2. 請求項１に記載のＭＥＭＳレゾネータにおいて、
   前記振動体の外周部と前記一対の振動体支持梁との接続部を連続する滑らかな曲線が、半径５μｍから１５μｍの範囲の円弧で形成されていることを特徴とするＭＥＭＳレゾネータ。
3. 請求項１または請求項２に記載のＭＥＭＳレゾネータにおいて、
   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。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のＭＥＭＳレゾネータにおいて、
   前記一対の電極の前記振動体支持梁側の端部が、前記振動体の外周部と前記接続部との接点よりも前記振動体支持梁の側面から離間して配設されていることを特徴とするＭＥＭＳレゾネータ。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のＭＥＭＳレゾネータにおいて、
   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。
   

Images