JP2006516836A - 変換器および電子装置 - Google Patents
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Abstract
変換器(1)は、縦方向に長さ(l)で延びる導電性共振器要素(20)を含む。共振器要素(20)は、弾性変形が長さの変化分(dl)を含むように、導電性アクチェータ(30)によって弾性的に変形することができる。共振器要素(20)は、電気的に第1のコンタクト領域(25)および第2のコンタクト領域(26)に接続され、それによって回路が構成される。この回路では、共振器要素(20)が、長さ(l+dl)の関数であるオーミック抵抗値(R)を有する抵抗を構成する。変換器(1)は、抵抗値(R)の関数である電気信号を供給するために、回路に電気的に接続された測定ポイント(28)をさらに含む。
Description
本発明は、
電気入力信号を電気出力信号に変換するための電気機械式変換器であって、基板と、前記基板に取り付けられ、縦方向に長さlを有して延びる導電性共振器要素と、弾性的に前記共振器要素を変形するために、前記共振器要素を基準にした電気作動電位差を受け取ることができる導電性アクチュエータと、を備え、前記作動電位差が、前記入力信号の関数であり、前記弾性変形が、前記長さの変化分dlを含み、前記共振器要素が、この長さlの変化分dlの関数である出力信号を提供することができる回路の一部分である、変換器に関する。
さらに、本発明は、クロック信号で動作する信号プロセッサを備える電子装置と、そのクロック信号を供給するための本発明による変換器とに関する。
電気入力信号を電気出力信号に変換するための電気機械式変換器であって、基板と、前記基板に取り付けられ、縦方向に長さlを有して延びる導電性共振器要素と、弾性的に前記共振器要素を変形するために、前記共振器要素を基準にした電気作動電位差を受け取ることができる導電性アクチュエータと、を備え、前記作動電位差が、前記入力信号の関数であり、前記弾性変形が、前記長さの変化分dlを含み、前記共振器要素が、この長さlの変化分dlの関数である出力信号を提供することができる回路の一部分である、変換器に関する。
さらに、本発明は、クロック信号で動作する信号プロセッサを備える電子装置と、そのクロック信号を供給するための本発明による変換器とに関する。
電気機械式変換器が、T. Mattila他著によるSensors and Actuators A, Volume 101, page 1-9, 2002に記載の「12MHzマイクロメカニカル・バルク音響モード発振器(A 12 MHz micromechanical bulk acoustic mode oscillator)」と題する記事に、開示されている。
このような変換器は、電気入力信号を電気出力信号に変換することができる。変換器は、μmの寸法の長さlを有して縦方向に延びるビームである共振器要素を含む。このビームは、その中央部分で基板に固定され、この中央部分を除き基板に対して自由に動く、すなわちビームは、たとえば縦方向に変形させることができる。ビームがその平衡位置から離れて動く運動は、弾性力によって反作用を受ける。この弾性力および共振器要素の質量によって、共振器要素の固有周波数が決まる。
既知の変換器は、共振器要素の弾性変形を誘導するための導電性アクチュエータを備える。このアクチュエータは、その外側末端部において縦方向でビームと対面する表面を有する2つの電極を有する。入力信号の関数である共振器要素を基準とした電気作動電位差を、このアクチュエータへ供給することができる。既知の変換器では、この作動電位差は、入力信号であるAC成分と、DC成分とを含む。
電極の表面および共振器要素の外側末端部は、コンデンサを構成する。したがって、作動電位差が加えられたとき、それらは、互いに静電力を働かせ、ビームを弾性的に変形させる。この弾性変形は、長さlの変化分dlを含む。コンデンサを構成する電極とビームの外側末端部との間との間隔が、ギャップgとしばしば呼ばれ、この弾性変形によって変化させられ、それによって追加の電荷が、ビームの外側末端部上で誘導される。
共振器要素は、これらの誘導された電荷を測定し、長さlの変化分dlの関数である電気出力信号を発生するための回路の一部分である。誘導された電荷の量及びそれによる出力信号の振幅は、ギャップのサイズgに依存し、したがってビームの変形に依存する。ギャップがより狭いと、信号は、より大きくなる。したがって、出力信号を使用して容量的に長さlの変化分dlを測定することができる。
周期的に電気作動電位差を変化させることによって、ビームが、周期的に変形することになる。実質的にビームの固有周波数に一致する周波数によって電気作動電位差を変化させたとき、ビームは、機械的共振状態にされ、それによって変形が比較的大きくなり、それに応じて出力信号が大きくなる。
既知の変換器の欠点は、出力信号が比較的小さいことである。
既知の変換器の欠点は、出力信号が比較的小さいことである。
本発明の目的は、比較的大きい出力信号を供給することができる変換器を提供することである。
本発明は、独立請求項によって規定される。従属請求項は、有利な実施の態様を規定する。
本発明によれば、共振器要素が、長さlの変化分dlの関数であるオーミック抵抗値Rを有する抵抗を構成し、出力信号がその抵抗値Rの関数になるので、その目的を達成することができる。
本発明による変換器は、抵抗を構成する共振器要素を含む回路を有する。この抵抗は、弾性変形dlの関数である抵抗値Rを有する。この変換器は、たとえば、どんな種類の圧電抵抗性材料も含むことができる。この回路は、抵抗値R、したがって長さlの変化分dlの関数である出力信号を供給することができる。この出力信号は、たとえば抵抗値Rを測定することによって得ることができる。抵抗値Rは、当業者に知られた様々な技法によって測定することができる。実施の一態様では、電気的に回路に接続された測定領域と基準領域との間の電位差をモニタすることによって、抵抗の両端間での電圧低下Vを測定する。測定領域と基準領域の位置は、それらの相互間の電位差が、抵抗の両端間での電圧低下によって少なくとも部分的に測定できるかぎり、クリティカルでない。他の実施の態様では、回路に一定電圧を供給し、抵抗を流れる電流Iを測定する。
本発明による変換器では、共振器要素は、既知の変換器と同様に、アクチュエータに共振器要素を容量的に結合することによって、変形させることができる。既知の変換器とは違い、本発明による変換器は、変形を測定するために、圧電抵抗効果を利用する。この容量性励磁/抵抗性検出方式は、殊に固有周波数が比較的高い変換器の場合、既知の容量性励磁/容量性検出方式より敏感である。本発明による変換器と既知の変換器との両方の変換器が、同じ寸法であり、既知の変換器と同じ作動電位差を与えられるものとすると、本発明による変換器の出力信号が、既知の変換器の出力信号より100倍を越えて大きいことを示すことができる。
固有周波数がより高い変換器を設計するとき、共振器要素は、より小さくより剛性でなければならない。この場合、既知の変換器の出力信号は、より小さくなる。というのは、出力信号は、共振器要素の幅と高さに応じて線形に増減するからである。これとは違い、本発明によるオーミック抵抗値の相対変化dR/R、したがって変換器の出力信号は、共振器要素の形状、すなわち長さ対厚さの比および長さ対幅の比が保たれているかぎり、共振器寸法に無関係である。本発明による変換器の、この特徴は、重要な追加の利点となり、これは、この特徴によって、比較的大きな信号を発生することができる比較的高周波数の変換器の製造が可能になるからである。
さらに、本発明による変換器は、出力信号がギャップのサイズgにより依存せず、すなわち、既知の変換器の出力信号は、1/g4に応じて増減するが、本発明による変換器の出力信号は、1/g2に応じて増減するという利点がある。したがって、本発明による変換器では、より大きいギャップをしばしば使用することができる。
本発明は、以下で説明する実施例によって示されるように、ビーム状に形作られた共振器要素に限定されるものでないことに留意されたい。共振器要素が基板の中央部に取り付けられることもまた不可欠ではない。本発明による変換器の共振器要素に対する要件は、共振器要素が、縦方向に長さlで延びており、その弾性変形が長さlの変化分dlを含むこと、また、共振器要素が回路の一部分であり、その中で、共振器要素が長さlの変化分dlの関数であるオーミック抵抗値Rを有する抵抗を構成することだけである。
本発明は、共振器要素が縦方向に長さlで延びており、その弾性変形が長さの変化分を含み、オーミック抵抗値Rが長さlの変化分dlの関数であるとき、抵抗性検出方式では、出力信号が殊に大きいという洞察によるものである。この場合、弾性変形は、共振器要素のバルク・モードを含む。オーミック抵抗値は、第1次で長さの変化分、したがって弾性変形の線形関数である。これによって、比較的大きい出力信号が得られる。
これとは違って、いわゆる曲げモードで動作する共振器要素の場合、出力信号は、比較的小さい。この場合、この共振器要素は、たとえば一方の外側末端部で、他方の外側末端部は自由な状態で、基板に取り付けることができる。その共振器要素が曲がったとき、共振器の長さは、第1次で変化せず、したがってその信号は、比較的小さい。あるいは、共振器要素は、2点で、たとえばその外側末端部の両方で基板に取り付けることができる。この場合、その長さは、弾性変形によって変化するが、横伸びxが、静電力Fに線形に比例しない。この力Fは、F=k1・x+k3・x3を介して横伸びxと関連付けられることを示すことができ、ここで、k1は、片持ち梁ビームと同様に、オーミック抵抗の変化に寄与しない曲げを示し、k3は、共振器要素の抵抗値を実際に変化させる長さの変化を示す。これによって、曲げモードで動作する両側固定の共振器要素は、非線形領域中において、すなわち出力信号がx3に応じて増減するところだけで、抵抗性検出方式によって、読み出すことができることが示される。非線形動作の結果、出力信号は、比較的小さく、つまりエネルギー損失が比較的高くなり、Qファクタが、比較的小さいという結果になる。共振器要素の固有周波数がどれほど明確に規定されるのかを決定するので、Qファクタは、重要なパラメータである。つまり、Qファクタがより大きい、すなわちエネルギー損失がますます低くなると、固有周波数がより明確になる。Qファクタは、周期的変形の振幅も決定する。すなわち、Qファクタがより大きいと、変形がますます大きくなる。したがって、Qファクタが比較的大きいと、比較的明確な周波数で比較的大きい出力信号が得られる。
D. Lange他著、Proceedings of the SPIE conference on smart electronics and MEMS, vol. 3328, p. 233-243, 1998に記載の論文「共振片持ち梁ビームに基づくCMOS化学マイクロセンサ(CMOS chemical microsensors based on resonant cantilever beams)」によると、化学センサ中の片持ち梁の曲げから生じる変形を測定するために、圧電抵抗効果を活用することが知られている。化学センサの片持ち梁は、弾性変形を引き起こすために曲げられる、すなわち弾性変形は、曲げモードを含む。第1次では片持ち梁の長さが曲げ中に変化せず、抵抗率の比較的小さな変化と、それに対応する比較的小さな信号とが得られるだけとなる。
変換器の実施の一態様では、共振器要素が、縦方向に第1の長さを有する第1の部分と、縦方向に第2の長さを有する第2の部分とによって構成され、その弾性変形が、第1の弾性力が対抗する第1の長さの変化と、第2の弾性力が対抗する第2の長さの変化とを含み、第1の弾性力および第2の弾性力は、実質的に共振器要素の無変形部分中で互いに打ち消し合い、共振器要素は、この無変形部分中に含まれる支持領域で基板に取り付けられる。
このような変換器では、支持領域を介して共振器要素から基板中に伝達される機械的エネルギー量、すなわちエネルギー損失が、比較的低い。というのは、共振器要素は、実質的に無変形である支持領域で基板に取り付けられるからである。したがって、この変換器は、Qファクタが比較的大きく、それに応じて出力信号が、比較的明確な周波数で比較的大きい。
共振器要素が、縦方向に垂直な架空の平面に対して実質的に鏡面対称であり、無変形部分中に含まれていれば、しばしば有利である。この場合、鏡面対称アクチュエータを使用して、第1の弾性力および第2の弾性力が、実質的に無変形部分中で互いに打ち消し合うように、変形を引き起こすことが可能である。
共振器要素が、縦方向に垂直な幅方向に幅を有し、長さが、その幅より長ければ、それも有利でもある。第1の共振器要素が、縦方向と幅方向とに垂直な高さ方向に高さを有し、長さが、その高さより長ければ、さらに有利である。長さが、幅および高さに対してより長くなると、共振器要素中で、第1の長さおよび第2の長さは変化するが、他の寸法が変化しなくなるので、共振器要素の固有モードは、ますます明確に規定される。したがって、この固有モードでは、同時に共振器要素の他のパラメータを変化させることになる他の固有モードを励起せずに、共振器要素を励起することが比較的容易である。
上記に述べた実施の態様の変形態様では、支持領域が、第1の共振器コンタクトと、共振器要素中に含まれる導電性経路によって、電気的に第1の共振器コンタクトに接続された第2の共振器コンタクトとを含み、導電性経路は、無変形部分の外側にあるポイントを含む。
このような変換器では、抵抗を構成する共振器要素に都合よく接触することができる。というのは、次に、長さの変化分の関数である抵抗値を得るために、無変形部分の外側にある領域中の共振器要素に電気的に接続する必要がないからである。これによって、比較的簡単な変換器がもたらされる。
この共振器要素が、縦方向に外側末端部を有し、ポイントが外側末端部にあれば、殊に有利である。その変換器では、導電性経路が、縦方向に、第1の長さ、または第2の長さとそれぞれ実質的に等しい、またはそれより長いことさえある構成要素を有する。したがって、第1の長さまたは第2の長さの変化が、それぞれ導電性経路の長さの比較的大きな変化をもたらし、したがって比較的大きな信号をもたらすことになる。共振器要素が縦方向に追加の外側末端部を有し、導電性経路がポイントと、追加の外側末端部にある追加のポイントとをこの順で含んでいれば、有利である。この変換器では、第1の長さおよび第2の長さの変化が、導電性経路の長さのより大きな変化さえもたらし、したがってより大きな信号さえもたらすことになる。
実施の一態様では、共振器要素が、導電性経路を構成する第1の導電率を有する第1の材料と、第1の導電率より低い第2の導電率を有する第2の材料とを含み、第1の共振器コンタクトからポイントとは無関係な第2の共振器コンタクトへの各経路が、第2の材料を含む。
共振器要素の抵抗値は、第1の共振器コンタクトを第2の共振器コンタクトに接続するための経路すべてから生じる。他のすべての経路の抵抗値に関連する特定の経路の抵抗値によって、この特定の経路が、全抵抗値に対してどれだけ寄与しているのかが決定され、抵抗値が比較的小さい経路は、比較的大きな程度で全抵抗値に寄与し、一方抵抗値が比較的大きい経路は、比較的小さな程度で全抵抗値に寄与する。導電率が比較的低い第2の材料を使用することによって、ポイントを含まない経路の抵抗値が、増加して、全抵抗値への寄与が比較的小さくなる。ポイントを含まないこれらの経路は、特に、完全に無変形部分中に取り囲まれ、したがって抵抗値が変形の関数にはならないことになる経路を含む。第2の材料を使用することによって、後者の経路の寄与分が減少され、変換器の感度を高くする。
第2の材料の導電率が、より低くなると、無変形部分の外側にあるポイントを含まない経路の寄与分が、ますます小さくなる。したがって、第2の材料が誘電性材料を含めば、殊に有利である。好ましいのは、第2の材料が、たとえばシリコン酸化物、または半導体デバイス製造上で使用される他のすべての誘電体などの誘電性材料を含むことである。代替的に、第2の材料は、気体または真空を含むことができる。このような材料は、良好な絶縁特性を有し、共振器要素中に容易に含むことができる。
第1の材料は、その変形に依存する導電率を有するどんな材料でもよい。第1の材料は、たとえば銅、アルミニウムまたはタングステンなどすべての種類の金属を含むことができる。都合の良い結果が、シリコンおよび他の半導体材料を用いて得られ、これは、これらの材料が、長さの変化の関数として比較的激しく変化する抵抗率を有するからである。
別の実施の態様では、共振器要素は、ホイートストン・タイプの電気回路中に含まれる。この回路は、第1の接続部および第1の接続部に平行に配置された第2の接続部によって、電気的に第1のコンタクト領域を第2のコンタクト領域に接続し、第1の接続部は、第2の抵抗と直列に接続された共振器要素を含み、第2の接続部は、第4の抵抗と直列に接続された第3の抵抗を含み、共振器要素および第2の抵抗は、測定領域を含む第1の電気的コネクタによって接続され、第3の抵抗および第4の抵抗は、基準領域を含む第2の電気的コネクタによって接続される。
このような電子装置は、4つの抵抗のうちの1つが共振器要素を含むホイートストン・ブリッジと類似である。ホイートストン・ブリッジによって、共振器要素の両端間での電圧低下を敏感に測定することが可能になる。好ましいのは、4つの抵抗の抵抗値が、類似していることである。というのは、出力信号が、比較的小さいDC成分および直接変形を表す比較的大きいAC成分を含むからである。理想的には、電気作動電位差のAC成分がゼロであるとき、4つの抵抗値が、実質的に同一であることである。
ホイートストン・タイプの電気回路が、第1のコンタクト領域および第2のコンタクト領域を含み、第1のコンタクト領域が、第1の接続部および第1の接続部に平行に配置された第2の接続部によって、電気的に第2のコンタクト領域に接続され、第1の接続部が、第2の共振器要素と直列な共振器要素を含み、第2の接続部が、第4の共振器要素と直列な第3の共振器要素を含み、共振器要素および第2の共振器要素が、測定領域を含む第1の電気コネクタによって互いに接続され、第3の共振器要素および第4の共振器要素が、基準領域を含む第2の電気コネクタによって互いに接続され、第2の共振器要素、第3の共振器要素および第4の共振器要素が、それぞれ実質的に共振器要素と同一であれば、有利である。
この実施の態様では、第2の抵抗は、第2の共振器要素を含み、第3の抵抗は、第3の共振器要素を含み、第4の抵抗は、第4の共振器要素を含み、共振器要素、第2の共振器要素、第3の共振器要素および第4の共振器要素は、実質的に同一である。
変換器の出力信号は、4つの抵抗のいずれにも、たとえば温度変動によって引き起こされる抵抗値のドリフトを被る恐れがある。4つの抵抗が、すべて実質的に同一の共振器要素を含むとき、各抵抗のこの部分が、変動によって同じように変化させられ、したがって出力信号の変動は、比較的小さい。好ましいのは、4つの抵抗が、それぞれ実質的に同一の共振器要素を含むことである。というのは、それらは、実質的に同じように変動する実質的に同一の抵抗値を有するからである。したがって、信号の差が、上記に述べた変動と無関係になる。
実施の一態様では、共振器要素は、第1のコンタクト領域と第2の共振器要素との間に位置付けされ、第3の共振器要素は、第2のコンタクト領域と第4の共振器要素との間に位置付けされ、第2の導電性アクチュエータは、弾性的に第3の共振器要素を変形するために存在する。第2のアクチュエータは、第3の共振器要素を基準にした第2の電気作動電位差を受け取ることができる。それによって、第2のアクチュエータは、上記で述べたように共振器要素とアクチュエータとの間の結合と同様に、容量的に第3のアクチュエータと結合することができる。
この実施の態様では、第2の電気作動電位差および電気作動電位差が、共通のAC成分を有するとき、出力信号は、増加する。したがって、共振器要素および第3の共振器要素の変形は、同相である。共振器要素の変形によって、測定領域の電位が変調され、一方第3の共振器要素の変形によって、基準領域の電位が変調される。共振器要素は、第1のコンタクト領域と第2の共振器要素との間に位置付けされ、第3の共振器要素は、第2のコンタクト領域と第4の共振器要素との間に位置付けされているので、測定領域の電位の変調および基準領域の電位の変調は、逆相になり、それによってより大きい出力信号がもたらされる。好ましくは、アクチュエータおよび第2のアクチュエータが、実質的に同一であり、同じ作動電位差が与えられることである。この場合、その出力信号は、2倍に増加する。
この実施の態様の変形態様では、第3の導電性アクチュエータが、弾性的に第2の共振器要素を変形するために存在し、第4の導電性アクチュエータが、弾性的に第4の共振器要素を変形するために存在する。第3のアクチュエータおよび第4のアクチュエータは、それぞれ第2の共振器要素を基準にした第3の電気作動電位差および第4の共振器要素を基準にした第4の電気作動電位差を受け取ることができる。
この実施の態様では、出力信号の振幅は、さらに大きくなる。好ましくは、アクチュエータ、第2のアクチュエータ、第3のアクチュエータおよび第4のアクチュエータが、実質的に互いに同一であることである。好ましくは、アクチュエータおよび第2のアクチュエータが、実質的に同じ作動電位差を与えられ、一方第3のアクチュエータおよび第4のアクチュエータが、その電気作動電位差と同一であるが、位相が90°ずれた追加の作動電位差を与えられることである。この場合、出力信号は、さらに2倍増加する。この実施態様では、比較的高い周波数と比較的大きい出力信号を組み合わせたものが提供される。
この実施の態様には、動作中、共振器要素が加熱されることによって、温度変動が平均化されるという追加の利点がある。一般に、共振器要素が機械的に変形するので、共振器要素は、動作中加熱される。これによって、共振器要素の抵抗値が変化し、出力信号が制御されずに変化することになる恐れがある。この実施の態様では、4つの共振器要素がすべて同じように変形するので、この加熱による影響が打ち消され、出力信号の制御されない変化は、減少する。
実施の一態様では、正帰還ループが、変換器に設けられる。次いで、動作時、電気出力信号が、共振器要素の固有周波数にロックされる。この変換器は、共振器要素の固有周波数の電気信号を生成することができる発振器デバイスとして使用することができる。変換器のこの実施の態様は、水晶振動子などのバルク音響波(BAW)発生器、または表面音響波(SAW)発生器の置き換えに適している。発振器として使用される本発明による変換器には、既知の発振器より非常に小さく、集積回路中に集積することができると言う利点がある。デバイスのサイズが小さいことが重要な用途、たとえば携帯電話および腕時計用の用途、あるいは発振器が、たとえばテレビまたはラジオ中の集積回路中に集積されることになる用途のすべてに殊に適している。
他の実施の態様では、共振器要素は、第1の共振器要素と、結合要素によって機械的に第1の共振器要素に結合される第2の共振器要素とを含む。アクチュエータは、作動電位差を受け取り、弾性的に第1の共振器要素を変形することができる。機械的に結合されているので、動作時、第2の共振器要素も弾性的に変形させられる。第2の共振器要素は、出力信号を生成することができる回路の一部分である。出力信号は、第2の共振器要素の長さlの変化分dlの関数である。第2の共振器要素は、第2の共振器要素の長さlの変化分dlの関数であるオーミック抵抗値Rを有する抵抗を構成する。出力信号は、抵抗値Rの関数である。
第1の共振器要素および第2の共振器要素は、結合要素によって結合されているので、この変換器は、2つの極を有する共振モードを有し、共振がより広くなる。いくつかの共振器要素を直列に結合し、最後の共振器要素の弾性変形を検出することによって、かなり広い共振を得ることができる。その変換器は、帯域通過フィルタに適する。
クロック信号を用いて動作する信号プロセッサを含む電子装置中で、本発明による変換器を使用するのは、有利である。この変換器は、クロック信号を供給するのに適し、そのため、クロック信号を供給するためのBAW発生器およびSAW発生器など既存のデバイスを置き換えることが可能になり、それによって発振器のサイズを縮小して集積回路中に発振器を集積することが可能になる。そのような電子装置には、たとえば携帯電話、無線電話、携帯電話の基地局、たとえばテレビ信号またはラジオ信号を含む電磁信号を受信するための受信機、およびたとえばテレビまたはモニタなどのブラウン管を含む表示装置があり得る。これらの電子装置は、すべてクロック周波数によって動作する信号プロセッサを含む。
本発明による変換器のこれらおよび他の態様について、図面を参照してさらに説明し述べる。
これらの図面は、尺度に合わせて描かれていない。一般に、同一構成要素は、同一参照番号によって示されている。
図1に示す電気機械式変換器1は、シリコン・ウェハである基板10を含む。代替的に、基板10は、ガリウム砒素のウェハでよく、または他のどんな半導体、金属または誘電性の材料を含むことができる。10MHzより高い周波数で動作するように設計された変換器1の場合、たとえばガラスなどの誘電体を含む基板10を使用するのは、有利であり、これは、これによって、基板中で消散される電磁エネルギーの損失が減少されるからである。
変換器1は、長さがlで縦方向に延びた導電性共振器要素20をさらに含む。共振器要素20は、固定要素23および24にそれぞれ接続された支持要素21および22によって、基板10に取り付けられる。固定要素23および24は、図2Cに示すように、基板10に添付される。共振器要素20および支持要素21および22は、固定要素23および24を介した接続部を除き、基板10から自由である。
この変換器は、たとえばマイクロ電気機械システム(MEMS)の分野においてよく知られた技法を使用して、製造することができる。簡単に言うと、まず、図2Aに示すように、シリコン層12をその上に堆積した酸化物層11を基板10に設ける。この図には示していないが、シリコン層12を、たとえばリソグラフィによってパターン形成される感光性レジストで覆う。次に、パターン形成されたレジストを現像し、図1に示した共振器要素20、支持要素21および22、固定要素23および24、ならびにアクチュエータ30の、レジストで覆われた表面領域を生成し、一方、表面の残り部分にはレジストがない。次に、レジストが部分的に覆った表面にエッチングを施し、それによってレジストが覆っていないシリコン層12の部分が、選択されて除去される。図2Bに、エッチングされた結果を示す。その後、前のエッチングによって露出された酸化物層11が、第2のエッチング工程でエッチングされる。このエッチング工程は、酸化物層11の露出された部分をすべて除去し、さらに露出された部分に隣接する酸化物をいくらか除去する。第2のエッチング工程の結果、図2Cのシリコン層12の中央部分が、基板から自由になる。これらは、共振器要素20を形成する。同じエッチング工程で、支持要素21および22の下の酸化物層11も除去され、したがって共振器要素20は、固定要素23および24によってだけで、基板10に取り付けられる。
共振器要素20には、2つの外側末端部が、縦方向にある。各外側末端部は、導電性アクチュエータ30の電極とそれぞれ対面する。アクチュエータ30は、弾性的に共振器要素20を変形するために、共振器要素20を基準にした作動電位差VINを受け取ることができる。この作動電位差は、変換器1に加えられた入力信号の関数である。この入力信号に加えて、作動電位差は、さらに、たとえばDC成分を含むことがある。この弾性変形は、図1に示すように、長さlの変化分である量dlを含む。
共振器要素20は、共振器要素20中に電流を流すことができる回路の一部分である。共振器要素20は、補助抵抗27、固定要素24および支持要素22を介して、DC電圧源VDCの正極または負極に電気的に接続される。さらに、共振器要素20は、支持要素21および固定要素23を介して、グラウンドに接続される。したがって、共振器要素20は、電流Iを流すことができる。共振器要素20は、共振器要素20が電流Iを流したとき、電圧低下Vを引き起こすオーミック抵抗値Rを有する抵抗を構成する。
共振器要素20は空間を有する中央部分19を含むので、共振器要素20は、長さlの変化分dlの関数であるオーミック抵抗値Rを有する抵抗を構成する。共振器要素20は、2つの互いに平行なビームを含み、各ビームは、それぞれ支持要素21および22に添付される。この2つのビームは、2つの外側末端部で要素205によって互いに接続される。中央部分19は、上記に述べたリソグラフィ工程およびエッチング工程中に生成される。それによって、電流が、まっすぐ支持要素22から支持要素21に流れないようにされる。この電流は、共振器要素20が形成する導電性経路をたどらなくてはならない。この導電性経路は、縦方向に延びる。
回路は、長さlの変化分dlの関数であり、抵抗値Rの関数である出力信号を生成することができる。この目的のため、回路は、電気的に回路に接続された測定ポイント28を含む。この測定ポイント28は、補助抵抗27と固定要素24との間に位置し、動作時、測定ポイント28とグラウンドに接続された基準ポイント29との間の電位差VOUTである電気出力信号を生成する。
代替の実施形態では、この図に示していないが、補助抵抗27は、共振器要素20と同一である。この補助抵抗27は、共振器要素20と同じように、固定要素および支持要素によって、基板10に取り付けられる。補助抵抗27は、アクチェータ30と類似のアクチュエータによって、作動電位差を与えられる。このアクチュエータによって供給される補助抵抗27の、共振器要素を基準としたこの作動電位差は、アクチュエータ30によって供給される、共振器要素20を基準としたその作動電位差と実質的に同一であるが、位相が180°だけずれている。この実施形態では、補助抵抗27と固定要素24との間に位置した測定ポイント28は、2倍増加した出力信号を供給する。
他の代替の実施形態では、この図に示していないが、補助抵抗27は、電圧源と固定要素24との間ではなく、そのかわり固定要素23とグラウンドとの間に位置する。この場合、測定ポイント28は、補助抵抗27と固定要素23との間に位置する。
他の実施形態では、やはりこの図に示していないが、DC電圧源VDCおよび補助抵抗27が、削除される。固定要素24が、電流源の正極に接続され、固定要素23が、電流源の負極に接続される。測定ポイント28は、電流源の正極と固定要素24との間に位置し、基準ポイント29は、固定要素23と電流源の負極との間に位置する。これらの実施形態では、当業者が理解するように、出力信号は、やはり長さlの変化分dlの関数である。
共振器要素20は、縦方向に第1の長さを有する第1の部分201と、縦方向に第2の長さを有する第2の部分202とから構成される。図1に示す実施形態では、第1の長さは、第2の長さに等しく、長さlの1/2だけになる。他の実施形態では、この図に示していないが、第1の長さは、第2の長さとは異なる。第1の長さは、たとえば、長さlの1/4であってもよい。他の実施形態では、この図にやはり示していないが、第2の部分202が削除される。弾性変形は、第1の弾性力F1が対抗する第1の長さの変化と、第2の弾性力F2が対抗する第2の長さの変化とを含む。アクチェータ30は、2つの実質的に同一の電極を含み、各電極が、共振器要素20の外側末端部から実質的に同じギャップだけ隔置されるので、第1の弾性力F1および第2の弾性力F2は、共振器要素20の中央部に位置する無変形部分203において、実質的に互いに打ち消し合うからである。共振器要素20は、無変形部分203中に配置された支持領域204中の支持要素21および22によって、基板10に取り付けられる。このようにして、機械的エネルギーの流れが制限され、Qファクタが比較的高く、それによって信号が比較的大きくなる。
支持領域204は、第1の共振器コンタクト250と、共振器要素20中に含まれる導電性経路によって、電気的に第1の共振器コンタクト250に接続された第2の共振器コンタクト260とを有する。この導電性経路は、無変形部分203の外側で要素205の内にポイントPを有する。共振器要素20は、縦方向に外側末端部を有し、このポイントPは、外側末端部にある。
図1に示す共振器要素20は、導電性経路を構成する、第1の導電率を有する第1の材料と、第1の導電率より小さい第2の導電率を有する第2の材料とを含む。この実施形態では、第1の材料は、シリコンであり、第2の材料は、空気である誘電性材料を含む。このシリコンは、結晶方向が[110]、[111]または[100]である結晶シリコンを含むことができる。
代替的に、変換器1は、第2の材料が、1Paより低い圧力の低圧気体を含むように密閉することができ、それによって中央部分19が、普通なら不要な電気的短絡をもたらす恐れがある、どんな汚染からも実質的に免れるという利点が得られる。以下で述べる他の実施形態では、第2の材料は、固体である誘電体を含む。中央部分19があるので、ポイントPとは関係しない第1の共振器コンタクト250から第2の共振器コンタクト260までの各経路は、第2の材料を含む。
長さが、l=360μm、幅が、b=8μm、図1に示す厚さtが、t=2.67μm、および高さが、h=10μmである共振器要素20の場合、ビームの固有周波数は、約12MHzである。入力信号によって正規化された出力信号、すなわち図3に示す本発明による変換器1の透過率は、やはり図3に示す既知の変換器の透過率より100倍を超えるだけ大きい。両方の透過率は、ギャップが、g=1μmであり、作動電位のDC成分が100Vである変換器に適用される。
図4に示す変換器1の実施形態では、共振器要素20aが、図1の共振器要素20と同一であり、ホイートストン・タイプの電気回路中に含まれる。このホイートストン・タイプの電気回路は、第1のコンタクト領域25と、第2のコンタクト領域26とを含む。第1のコンタクト領域25は、第1の接続部および第1の接続部と平行に配置された第2の接続部によって、電気的に第2のコンタクト領域26に接続される。
第1の接続部は、第2の共振器要素20bから構成された第2の抵抗に直列に接続された、支持要素21aおよび22aと、共振器要素20aとを含む。第2の接続部は、第4の共振器要素20dから構成された第4の抵抗に直列に接続された第3の共振器要素20cから構成された第3の抵抗を含む。
共振器要素20a、20b、20cおよび20dは、固定要素27aおよび27b、ならびにそれぞれの支持要素21a、21b、21cおよび21d、およびそれぞれの支持要素22a、22b、22cおよび22dによって、基板10に取り付けられる。
共振器要素20aおよび第2の共振器要素20bは、支持要素21aおよび21b、ならびに固定要素27aによって形成される第1の電気コネクタによって、接続される。第1の電気コネクタは、測定ポイント28を含む。第3の共振器要素20cおよび第4の共振器要素20dは、支持要素21cおよび22d、ならびに固定要素27bによって形成される第2の電気コネクタによって、接続される。第2の電気コネクタは、基準ポイント29を含む。第2の共振器要素20b、第3の共振器要素20cおよび第4の共振器要素20dは、それぞれ実質的に共振器要素20aと同一である。理想的には、支持要素21a、21b、21cおよび21dは、実質的に同一であり、支持要素22a、22b、22cおよび22dも、実質的に同一であることである。
共振器要素20aは、第1のコンタクト領域25と第2の共振器要素20bとの間に位置する。第3の共振器要素20cは、第2のコンタクト領域26と第4の共振器要素20dとの間に位置する。第2の導電性アクチュエータ30cは、実質的にアクチュエータ30aに同一であり、弾性的に第3の共振器要素20cを変形するために存在する。アクチュエータ30aおよび30cは、それぞれ弾性的に共振器要素20aおよび20cを変形するために、共振器要素20aおよび20cを基準にした、実質的に同じ作動電位差を受け取ることができる。
変換器1は、弾性的に第3の共振器要素20bを変形するために、第2の導電性アクチュエータ30bをさらに含み、弾性的に第4の共振器要素20dを変形するために、第4の導電性アクチュエータ30dをさらに含む。第3のアクチュエータ30bとアクチュエータ30aとの間は、ならびに第4のアクチュエータ30dと第3のアクチュエータ30cとの間は、共振器要素20aの固有周波数に実質的に同一である周波数のAC信号に約90°の遅れを生じさせるように設計されたコネクタ31によって、互いに接続される。
他の実施形態では、この図に示していないが、第3のアクチュエータ30bおよび第4のアクチュエータ30dが、削除される。他の実施形態では、やはりこの図に示していないが、第2のアクチュエータ30cも、削除される。後者の実施形態の変形形態では、共振器要素20b、20cおよび20dは、オーミック抵抗によって置き換えられ、各抵抗は、実質的に共振器要素20aのオーミック抵抗値Rと同一である抵抗値を有することが好ましい。
図5Aおよび5Bに示す他の実施形態では、共振器要素20が、支持要素21および22によって基板10の主表面に垂直な方向で、基板10に取り付けられる。これらの実施形態では、共振器要素20の中央部分19が、たとえばシリコン酸化物またはシリコン窒化物などの誘電体で充填される。μm以下程度の寸法の比較的小さい中央部分19の場合、エッチング剤の残渣がその後に残ること、またはエッチング剤を除去したとき、共振器要素20を形成する2つの平行なビーム間で接触が生じること、そのどちらも起こさせないように、エッチングによって空間19を生成することは、しばしば困難である。以下に述べる製造プロセス中、中央部分19を誘電体で充填しておくことによって、これらの困難さを避けることができる。
図5Aに示す実施形態では、共振器要素20は、半径rの円形であり、環状ギャップgを構成し、アクチェータ30によって半径方向が囲繞される。アクチェータ30は、弾性的に共振器要素20を半径方向に、すなわち輪郭モード(contour mode)で変形するために、共振器要素20を基準にした電気作動電位差を受け取ることができる。このタイプの共振器要素20は、縦方向に長さlで延びており、縦方向は、どの半径方向でよく、この方向の長さlは、半径rと同一であることにも留意されたい。この弾性変形は、長さの変化分dlを含み、その変化分は、半径の変化分drと同一である。その共振器要素は、比較的高周波数、たとえば10MHzを超える、または150MHzさえ超える高周波数に殊に適する。共振器要素は、7000またはそれよりさらに大きい値を超えることがある比較的高いQファクタを有する。
共振器要素20は、外側末端部が、環状要素205によって互いに電気的に接続された円形の互いに平行なプレート18aおよび18bから構成される。円形要素18aおよび18b、ならびに環状要素205によって密封されるのは、共振器要素20の中央部分19を構成する円形誘電性領域である。上側円形プレート18aおよび下側円形プレート18bは、支持要素21および22によって、それぞれ電気的に導電体17aおよび17bに接続される。このようにして、共振器要素20は、長さl+dlに対応する実際の半径r+drの関数である抵抗値Rを有するオーミック抵抗を構成する。
図5Bに示す代替の実施形態では、共振器要素20が、放射状である。共振器要素20は、縦方向にある外側末端部が、長方形要素205aによって接続された長方形の互いに平行なプレート18cおよび18dから構成される。長方形プレート18cおよび18dの部分は、長方形要素205aから自由であり、シリコン窒化物を含む中央部分19によって隔てられている。図5Aに示す実施形態とは異なり、中央部分19は、この場合完全には密封されない。図5Aに示す実施形態と同様に、変換器1は、共振器要素20と接触し、抵抗を構成するための、導電体17aおよび17b、ならびに支持要素21および22をさらに含む。変換器1は、図1に示すアクチェータと類似のアクチェータ30をさらに含む。
図5Aおよび5Bに示す変換器1は、以下に示す方法によって製造することができる。図6Aから6Hに、その製造プロセスの様々な段階における図5Aおよび5BのVI−VIに沿った変換器1を示す。最初に、たとえばシリコン窒化物を含むことができる誘電層11によって、基板10を被覆する。誘電層11の上に、たとえば多結晶シリコンの層を堆積し、リソグラフィおよびエッチングによってパターン形成することによって、導電体17bを形成する。図6Aに、これらの工程による結果を示す。
その後、たとえば二酸化ケイ素の追加の誘電層102を堆積し、図6Bに示す開口部103aをその層中に生成して導電体17bの一部分を露出する。次に、多結晶シリコンの被膜104を堆積して誘電層102を覆い、それによって開口部103aを充填し、支持要素21を生成する。被膜104の上に、追加の誘電層を堆積し、図6Cに示す中央部分19を、たとえばリソグラフィおよびエッチングを使用して形成する。この構造の上に、図6Dに示す多結晶シリコンの追加の被膜106を堆積する。
次の工程では、共振器要素20およびアクチェータ30とは無関係な領域中において、層104および106、ならびに中央部分19から多結晶シリコンをすべてエッチングして除去することによって、共振器要素20およびアクチェータ30を形成し、それによって図6Eに示すギャップgが規定される。この構造の上に、二酸化ケイ素を含む次の誘電層107を堆積し、図6Fに示す開口部103bをその層中に形成し、共振器要素20の一部である層106の一部分を露出する。次に、たとえばアルミニウム、タングステン、銅または多結晶シリコンの導電性被膜を堆積して誘電層104を被覆し、それによって開口部103bを充填し、支持要素22を生成する。次に、この金属から図6Gに示す被膜導電体17aを、リソグラフィおよびエッチングによって形成する。最後に、大部分の誘電層102および107をエッチングして除去し、図5Aおよび5Bに示す変換器1をそれぞれ製作する。中央部分19が誘電性材料で充填された図5Bに示す変換器1を製造するとき、この誘電性材料が、誘電層102および107の誘電性材料とは異なり、後者の層が、中央部分19の誘電性材料に対して選択的にエッチングできることが不可欠である。その理由のため、中央部分19がシリコン窒化物から生成され、一方層102および107は、二酸化ケイ素を含む。
図7に概略的に示す変換器1は、本発明による変換器の測定ポイント28に電気的に接続された入力端子41を有する、増幅器40を含む。この増幅器40は、測定ポイント29から供給された電気信号のAC成分を増幅し、増幅した信号をアクチェータ30に供給することができる。増幅器40には、増幅した信号がアクチェータ30において共振器要素20の変形と同相になるように、増幅した信号の位相をシフトできる移相器が設けられる。したがってこの実施形態では、変換器1には、正帰還ループが設けられる。したがって動作時、電気出力信号が、共振器要素20の固有周波数にロックされる。この変換器1は、共振器要素20の固有周波数を有する電気信号を生成することができる、発振器デバイスとして使用することができる。
図7に示す変換器1は、共振器要素20の固有周波数に等しい所定の周波数を有する電気信号を供給するために、使用することができる。代替的に、図1または図5Aまたは図5Bに示す変換器1は、測定ポイント28に接続された帰還回路を介して周波数が調節される調節可能な周波数を有する信号VINを発生することができる電圧源から、アクチェータ30に作動電位差を供給する実施形態で、使用することができる。
図8に概略的に示す変換器1は、第1の共振器要素20eおよび第2の共振器要素20fを含む。共振器要素20eおよび20fは、それぞれ実質的に互いに同一であり、図1に示す共振器要素20と同じ方法で基板10に取り付けられる。第1の共振器要素20eおよび第2の共振器要素20fは、これら2つの要素に取り付けられ、基板から自由な結合要素16によって、互いに機械的に結合される。アクチェータ30は、第1の共振器要素20eの弾性変形を生じさせることができるように配置される。第1の共振器要素20eが、アクチェータ30によって共振状態にさせられたとき、結合要素16によって結合されているので、第2の共振器要素20fの共振運動が引き起こされる。この第2の共振器要素20fの共振運動は、上記で述べた抵抗性検出方式を使用して、検出することができる。この目的のため、第2の共振器要素20eは、出力信号を供給することができる図8に示す回路の一部分にする。出力信号は、第2の共振器要素20fの長さl’の変化分dl’の関数である。第2の共振器要素20fは、図1に示す変換器と同様に、第2の共振器要素20fの長さl’の変化分dl’の関数である、オーミック抵抗値R’を有する抵抗を構成する。この出力信号は、抵抗値R’の関数である。第1の共振器要素20eおよび第2の共振器要素20fが、結合要素16によって結合されているので、変換器1は、共振状態が、比較的急勾配の縁部を有してより広い。いくつかの共振器要素20を直列に結合し、最後の共振器要素の弾性変形を検出することによって、かなり広い共振状態を得ることができる。その変換器は、フィルタに適している。その変換器に、作動電位差として電気入力信号VINを供給したとき、変換器は、それら入力信号が変換器1の共振範囲にある周波数を有している場合だけ、電気出力信号を生成し、測定ポイント28で検出可能になる。電気出力信号を生成するために、変換器1は、図1に示す変換器1と同様な補助抵抗27を含む。
図9に示す電子装置50は、クロック信号によって動作する信号プロセッサ51を含む。クロック信号は、図1に示す変換器1から供給される。
要約すると、変換器1は、長さlで縦方向に延びる導電性共振器要素20を含む。共振器要素20は、弾性変形が長さの変化分dlを含むように、導電性アクチェータ30によって弾性的に変形することができる。共振器要素20は、電気的に第1のコンタクト領域25および第2のコンタクト領域26に接続され、それによって回路が構成される。この回路では、共振器要素20は、長さl+dlの関数であるオーミック抵抗値Rを有する、抵抗を構成する。変換器1は、抵抗値Rの関数である電気信号を供給するための回路に電気的に接続された、測定ポイント28をさらに含む。
上記に言及した実施形態は、本発明を限定するものでなく例示するものであり、当業者は、添付の特許請求の範囲を逸脱せずに、多数の代替の実施形態を設計することができるようになることに留意されたい。請求項では、丸括弧間に記載されたすべての引用符号は、請求項を限定すると解釈しないものとする。動詞「備える」とその「活用形」は、請求項中に列挙された要素またはステップに含まれない、他の要素またはステップの存在を排除するものではない。要素に先行する語「不定冠詞(aまたはan)」は、その要素が複数である場合を排除しない。
Claims (11)
- 電気入力信号を電気出力信号に変換するための電気機械式変換器であって、
基板と、
前記基板に取り付けられ、縦方向に長さを有して延びる導電性共振器要素と、
前記共振器要素を弾性的に変形するために、前記共振器要素を基準にした電気作動電位差を受け取ることができる導電性アクチュエータと、を備え、
前記作動電位差が、前記入力信号の関数であり、
前記弾性変形が、前記長さの変化分を含み、
前記共振器要素が、前記長さの前記変化分の関数であるオーミック抵抗値を有する抵抗を含み、
前記出力信号が、前記抵抗値の関数である、変換器。 - 前記共振器要素が、縦方向に第1の長さを有する第1の部分と、縦方向に第2の長さを有する第2の部分とを含み、
前記弾性変形が、第1の弾性力が対抗する前記第1の長さの変化分と、第2の弾性力が対抗する前記第2の長さの変化分とを含み、
前記第1の弾性力および前記第2の弾性力が、実質的に前記共振器要素の無変形部分中で互いに打ち消し合い、
前記共振器要素が、前記無変形部分中に含まれた支持領域で前記基板に取り付けられた、請求項1に記載の変換器。 - 前記支持領域が、第1の共振器コンタクトと、前記共振器要素中に含まれた導電性経路によって前記第1の共振器コンタクトに電気的に接続された第2の共振器コンタクトとを含み、
前記導電性経路が、前記無変形部分の外側でポイントを含む、請求項2に記載の変換器。 - 前記共振器要素が、縦方向に外側末端部を有し、
前記ポイントが、前記外側末端部にある、請求項3に記載の変換器。 - 前記共振器要素が、前記導電性経路を構成するための、第1の導電率を有する第1の材料と、前記第1の導電率より低い第2の導電率を有する第2の材料とを含み、
前記第1の共振器コンタクトから前記ポイントには無関係である前記第2の共振器コンタクトへの前記経路のいずれもが、前記第2の材料を含む、請求項3に記載の変換器。 - 前記第2の材料が、誘電材料を含む、請求項5に記載の変換器。
- 前記共振器要素が、ホイートストン・タイプの電気回路中に含まれ、
前記ホイートストン・タイプの電気回路が、第1のコンタクト領域と、第2のコンタクト領域とを含み、
前記第1のコンタクト領域が、第1の接続部と、前記第1の接続部に平行に配置された第2の接続部とを介して、前記第2のコンタクト領域に電気的に接続され、
前記第1の接続部が、第2の共振器要素と直列に接続された前記共振器要素を含み、
前記第2の接続部が、第4の共振器要素と直列に接続された第3の共振器要素を含み、
前記共振器要素および前記第2の共振器要素が、測定ポイントを含む第1の電気コネクタによって互いに接続され、
前記第3の共振器要素および前記第4の共振器要素が、基準ポイントを含む第2の電気コネクタによって接続され、
前記出力信号が、前記測定ポイントと前記基準ポイントとの間の電気作動電位差を含み、
前記第2の共振器要素、前記第3の共振器要素および前記第4の共振器要素が、それぞれ実質的に前記共振器要素と同一である、請求項1に記載の変換器。 - 前記共振器要素が、前記第1のコンタクト領域と前記第2の共振器要素との間に位置し、
前記第3の共振器要素が、前記第2のコンタクト領域と前記第4の共振器要素との間に位置し、
前記第3の共振器要素を弾性的に変形するための第2の導電性アクチェータが存在する、請求項7に記載の変換器。 - 前記第2の共振器要素を弾性的に変形するための第3の導電性アクチェータが存在し、
前記第4の共振器要素を弾性的に変形するための第4の導電性アクチェータが存在する、請求項8に記載の変換器。 - 前記共振器要素が、第1の共振器要素と、第2の共振器要素とを含み、
前記第1の共振器要素および前記第2の共振器要素が、結合要素によって機械的に結合され、
前記アクチェータが、前記第1の共振器要素の弾性変形を引き起こすことができ、
前記第2の共振器要素が、前記第2の共振器要素の前記長さの前記変化分の関数であるオーミック抵抗値を有する抵抗を構成し、
前記出力信号が、前記第2の共振器要素の前記抵抗値の関数である、請求項1に記載の変換器。 - クロック信号によって動作する信号プロセッサと、
前記クロック信号を供給するための、請求項1に記載の変換器と、
を備える、電子装置。
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