JP2007281715A - 振動子 - Google Patents

Abstract

【課題】静電駆動型の振動子における実効バイアス電圧の変化に伴う素子特性の変動を抑制する。
【解決手段】静電駆動型の振動子素子２２を有し、振動子素子２２の直流電圧給電線路２６と接地２５との間に抵抗素子２７が接続されて成る。
【選択図】図１

Description

本発明は、静電駆動型の振動子に関する。

マイクロマシン（ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて作製された振動子、例えば静電駆動型の振動子が知られている。この振動子は、ミシガン大学を始めとする研究機関から提案されている（非特許文献１参照）。

図１８に、高周波フィルタを構成する上述の静電駆動型の振動子の概略を示す。この振動子１は、半導体基板２上に絶縁膜３を形成してなる基板４上に例えば多結晶シリコン膜による下部電極となる出力電極５と配線層６〔６Ａ，６Ｂ〕が形成され、この出力電極５に空間9を介して対向する振動部となる例えば多結晶シリコン膜による上部電極、いわゆるビーム（梁）７が形成されて成る。ビーム７は、両端が支持部（アンカー部）８〔８Ａ，８Ｂ〕を介して配線層６〔６Ａ，６Ｂ〕に接続され、両持ち梁構造に形成される。ビーム７は入力電極となる。入力側の配線層６Ａより入力端子ｔ１が導出され、出力電極５より出力端子ｔ２が導出される。

この振動子１は、ビーム７と接地間に直流バイアス電圧（以下、ＤＣバイアス電圧という）が印加された状態で、入力端子ｔ１からビーム７に特定の周波数信号（高周波信号）が入力されると、ビーム７が固有振動周波数で共振し、出力電極５とビーム７との間の空間６で形成されるキャパシタの容量が変化し、出力電極５から特定の周波数信号が出力される。

C.T-Nguyen, Micromechanical components for miniaturized low-power communications(invited plenary)，proceedings，1999 IEEE MTT-S International Microwave Symposium RF MEMS Workshop，June,18,1999，ｐp,48-77，

ところで、静電駆動型の振動子には常に帯電の問題が存在している。電荷を全く蓄積しない理想的な構造物の作製は原理的に不可能であり、かつ上記振動子の動作には、電圧の印加が不可欠であるからである。例えば、静電駆動型の振動子を長時間ＤＣバイアス電圧印加の下で、何らの対策を施すことなく動作させると、いわゆる「チャージング」と呼び慣わされている、ＤＣバイアス電圧のオフセット現象が発生する。すなわち、電源を通して同じＤＣバイアス電圧を印加しているにもかかわらず、印加電圧が変えられたかのように動作する、現象が発生する。

このような特性の動作時間に伴う変動は、静電駆動型の振動子を電子部品として商品に応用する場合には、回避をすることができない重要な課題である。しかしながら、この課題に対する対策は殆ど成されていない。このような現象を最小限度に抑制することが、商品の信頼性確保の立場から強く要請されている。

本発明は、上述の点に鑑み、静電駆動型の振動子における実効バイアス電圧の変化に伴って発生する素子特性の変動を最小限度に抑えた、振動子を提供するものである。

本発明に係る振動子は、静電駆動型の振動子素子を有し、振動子素子の直流電圧給電線路と接地との間に抵抗素子が接続されていることを特徴とする。

本発明の振動子では、直流電圧給電線路と接地との間に抵抗素子が接続されるので、直流電圧の印加に起因して振動子素子に電荷が帯電しても、その電荷は抵抗素子を通して接地側に放電される。

本発明に係る振動子は、静電駆動型の振動子素子と、この振動子素子の直流電圧給電線路を有し、直流電圧給電線路が接地側と直流給電回路側へ分岐されていることを特徴とする。

本発明の振動子では、直流電圧給電線路が分岐されて一方が接地側に接続されるので、直流電圧の印加に起因して振動子素子に電荷が帯電しても、その電荷は接地側に放電される。

本発明に係る振動子は、静電駆動型の振動子素子と、振動子素子を駆動するための電源回路を有し、電源回路から接地電位が出力されるようにしたことを特徴とする。

本発明の振動子では、電源回路から接地電位を振動子素子に印加することにより、直流電圧の印加に起因して振動子素子に電荷が帯電しても、その電荷は放電される。

本発明に係る振動子によれば、直流電圧の印加で振動子素子に誘起された電荷が固着される前に放電されることにより、帯電により引き起こされる動作特性の変動を最小限度に抑制することができる。この振動子の長期間の動作・保存に伴う動作特性の経時変動を最小限度に抑制できることから、振動子の信頼性を向上することができる。

本発明の実施の形態に係る振動子は、静電駆動型の振動子素子を有して構成されるもので、この振動子素子を含んでなるＳｏＣ（システム・オン・チップ）あるいはＳｉＰ（システム・イン・パッケージ）等の半導体デバイスに適用される。すなわち、本実施の形態に係わる振動子は、通常の半導体集積回路と組み合わされて信頼性の高い微小電気機械デバイスとして顧客に提供することができる。

本実施の形態の振動子の一例としては、静電駆動型の振動子素子を有し、この振動子素子の直流電圧給電線路、すなわち振動部となるビーム（梁）または下部電極に接続される直流電圧給電線路と、接地との間に抵抗素子を接続して構成する。この構成では直流バイアス電圧が印加されるビームまたは下部電極の部分と、接地例えば基板上の接地面とが抵抗素子を通して短絡される。この抵抗素子が、下部電極とビームで構成される振動子素子のインピーダンスに比較して十分に大きな抵抗であれば、振動子の動作中も高周波信号（ＲＦ）の接地面への漏洩を十分に少なく保つことができる。また、直流電源としては定電圧発生回路が望ましい。直流電源として定電圧発生回路を用いれば、挿入した抵抗素子に拘わらずに所望の直流バイアス電圧を振動子素子に印加することができる。

本実施の形態の振動子の他の例としては、静電駆動型の振動子素子と、この振動子素子に接続される直流電圧給電線路を有し、直流電圧給電線路が接地側と直流給電回路側へ分岐されるように構成する。この場合、接地側の分岐配線の抵抗成分を上記抵抗素子として利用できる。さらに、この分岐点に、振動子素子の動作状況に応じて直流電圧給電線路の接続を直流電源回路または接地側に変更する機能を持つ電気回路あるいは切換手段を設けて構成することができる。また、分岐は、例えば、ビームなど振動子の構成部分を用いて成すこともできる。

本実施の形態の振動子の他の例としては、静電駆動型の振動子素子を有し、その振動子素子に接続される直流電源を、接地電位（０Ｖ）と接地電位ではない所望の電圧（いわゆる直流バイアス電圧（駆動電圧））との少なくとも２種の電圧を発生する電源回路、望ましくは定電圧電源回路により構成する。この電源回路は、振動子素子の動作状況に応じて所望の電圧または接地電位（０Ｖ）を直流電圧給電線路に出力する。この電源回路は、必要に応じてタイマー回路が付与されて、振動子素子を機能させないある時間はその出力端子に０Ｖが出力されるように成すこともできる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳述する。本実施の形態で対象とする振動子は、マイクロメータスケール、ナノメータスケールの素子である。

図１に、本発明に係る振動子の第１実施の形態の概略構成を示す。本実施の形態に係る振動子２１は、静電駆動型の振動子素子２２と、この振動子素子２２に接続された信号入力線路２３及び信号出力線路２４と、グランド線路２５、いわゆる接地面（同図では具体的な形状は示されていない）を有し、振動子素子２２の直流電圧給電線路（以下、ＤＣ給電線路という）２６とグランド線路２５との間に抵抗素子２７を接続して構成される。

振動子素子２２は、図１及び図２（断面構造）で示すように、基板３１上に本例では下部電極となる入力電極３２と配線層３６［３６Ａ，３６Ｂ］が形成され、この入力電極３２に空間３３を介して対向する２つの振動部となるビーム（梁）３４〔３４１、３４２〕とを有して形成される。２つのビーム３４１、３４２は上部電極となるもので所要の間隔を置いて平行に配列される。各ビーム３４１及び３４２は、両端が支持部（アンカー部）３５〔３５１、３５２〕を介して配線層３６［３６Ａ，３６Ｂ］に接続され、両持ち梁構造に形成される。入力電極３２は信号入力線路２３に接続される。２つのビーム３４１及び３４２は共通に接続されて一方の接続端に信号出力線路２４が接続される。ビーム３４１及び３４２の他方の接続端には、ビーム３４〔３４１、３４２〕に直流バイアス電圧を供給するためのＤＣ給電線路２６が接続される。ＤＣ給電線路２６は分岐され、分岐された一方が抵抗素子２７を介してグランド線路２５に接続され、分岐された他方が直流バイアス給電回路、いわゆる直流電源回路（以下、ＤＣ電源回路という）２８に接続される。下部電極３２、ビーム３４は、例えば多結晶シリコン膜で形成することができる。

振動子２１の消費電力の抑制、ＤＣ給電線路２６の全体の釣り合いのためには、接続される抵抗素子２６は、１ＭΩ〜１０ＭΩ程度に十分大きいことが望ましい。抵抗素子２７をこのような十分に大きい抵抗とすることにより、振動子素子の動作中に所要の周波数信号、例えば高周波（ＲＦ）信号の接地面への漏洩を十分に小さく抑えることができる。ＤＣ電源回路２８は定電圧発生回路であることが望ましい。ＤＣ電源として定電圧発生回路を用いることにより、挿入した抵抗素子２７に拘らず所望のＤＣバイアス電圧を振動子素子に印加することができる。信号出力線路２４には、容量２９が直列に接続され、ＤＣ電流を阻止し、所要周波数信号、例えば高周波信号のみが出力される。

抵抗素子２７は、振動子素子が形成される同一基板上に形成することができる。この基板の表面または裏面に接地面を形成することができる。従って、接地面とＤＣ給電回路とを例えば多結晶シリコンの細線で結ぶことによりＤＣ給電線路２６を接地面に短絡させることができる。最も簡略には、ＤＣ導入パッドと接地面との間に多結晶シリコン細線の抵抗を用いて接続することで実現できる。すなわち、この多結晶シリコン細線の抵抗が抵抗素子となる。

抵抗素子２７として用いる導電層、例えば多結晶シリコン細線（配線層）の形状を工夫することにより、すなわち、例えば２層の配線層を用いることでビアを介してコイル状に形成するか、あるいはミアンダ配線を形成することにより、抵抗素子２７にはインダクタンスの性質を持たせることができる。これにより、高周波信号の漏洩をより少なくできる。

基板３１は、例えば半導体基板上に絶縁膜を形成した基板、石英基板やガラス基板のような絶縁性基板を用いることができる。本例では単結晶シリコンからなる半導体基板上に絶縁膜を形成した基板を用いる。

図３及び図４に、図１の具体的一例を示す。同一基板３１上に振動子素子２２と、その下部電極の入力電極３２に接続された信号入力線路２３と、ビーム３４に接続された信号出力線路２４と、容量２９とが形成され、さらに基板の同じ表面に接地電位が印加される接地面、いわゆるグランド線路２５が形成される。そして、この基板の表面において、ビーム３４に接続されたＤＣ給電線路２６は分岐され、その分岐点にＤＣ導入パッド３０が形成される。この分岐された一方においてＤＣ導入パッド３０とグランド線路２５との間に抵抗素子２７が挿入され、分岐された他方においてＤＣ導入パッド３０に外部のＤＣ電源回路２８が接続される。なお、接地面２５は基板３１の裏面に形成することもできる。

本実施の形態の振動子２１の動作を説明する。駆動時には、振動子素子２２のビーム３４〔３４１、３４２〕にＤＣ電源回路２８からＤＣ給電線路２６を通して所要のＤＣバイアス電圧が印加される。下部電極である入力電極３２に信号入力線路２３を通じて特定の周波数信号（例えばＲＦ信号）が印加されると、ビーム３４が固有振動周波数で共振し、入力電極３２とビーム３４との間の空間３３で形成されるキャパシタの容量が変化し、ビーム３４に接続された信号出力線路２４を通じて特定の周波数信号が出力される。この振動子素子２２は、１次振動モードで振動する。

一方、ＤＣバイアス電圧の印加によりビーム３４に電荷が誘起されるが、この電荷は固着される前に抵抗２７を通して放電される。すなわち、ビーム３４〔３４１、３４２〕にＤＣバイアス電圧が印加されない非駆動時には（すなわち、振動子として機能させないときは）、ビーム３４に誘起された電荷が抵抗素子２７を通して接地面２５に放電される。これにより、ビーム３４への帯電により引き起こされる動作特性の変動は最小限度に抑制される。

上述の第１実施の形態に係る振動子２１によれば、ＤＣバイアス電圧をビーム３４に印加したことで誘起された電荷が固着される前に抵抗２７を通じて放電されるので、振動子素子２２の帯電により引き起こされる動作特性の変動を最小限度に抑制することができる。従って、振動子２１の長期間の動作・保存に伴う動作特性の経時変動を最小限度に抑制することができる。これにより、振動子の信頼性を向上することができる。

図１において、例えばＲＦ信号の入出力線路２３及び２４は、入れ替えてもよい。すなわち、下部電極３２を出力電極としてこれに信号出力線路を接続し、ビーム２４に信号入力線路を接続するようにしてもよい。また、振動子素子２２を多数設置し並列振動子とすることもできる。

図５に、本発明に係る振動子の第２実施の形態の概略構成を示す。本実施の形態に係る振動子４１は、静電駆動型の振動子素子４２と、この振動子素子４２の下部電極となる入力電極３２に接続された信号入力線路２３と、ビーム３４〔３４１、３４２〕に接続された信号出力線路２４と、グランド線路２５、いわゆる接地面を有し、振動子素子４２の入力電極３２（換言すれば入力電極３２に接続されたＤＣ給電線路２６）とグランド線路２５との間に抵抗素子２７を接続して構成される。

すなわち前述と同様に、ＤＣ給電線路２６は分岐されて、分岐された一方が抵抗素子２７を介してグランド線路２５に接続され、分岐された他方がＤＣ電源回路２８に接続される。ＤＣ電源回路２８は、定電圧発生回路であることが望ましい。また、信号入力線路２３には容量２９が直列に接続され、入力線路側へのＤＣ電流の流出は阻止され、所要周波数信号、例えばＲＦ信号が入力される。

振動子素子４２、抵抗素子２７等のその他の構成は図１〜図４で説明したと同様であるので、重複説明を省略する。

本実施の形態の振動子４１の動作を説明する。駆動時には、下部電圧である入力電極３２にＤＣ電源回路２８からＤＣ給電線路２６を通して所要のＤＣバイアス電圧が印加される。入力電極３２に信号入力線路２３を通じて特定の周波数信号（例えばＲＦ信号）が印加されると、ビーム３４が固有振動周波数で共振し、入力電極３２とビーム３４との間の空間３３で形成されるキャパシタの容量が変化し、ビーム３４に接続された信号出力線路２４を通じて特定の周波数信号が出力される。この振動子素子４２は、１次振動モードで振動する。

一方、ＤＣバイアス電圧の印加により。下部電極である入力電極３２に電荷が誘起されるが、この電荷は固着される前に抵抗２７を通して放電される。すなわち、入力電極３２にＤＣバイアス電圧が印加されない非駆動時には（すなわち、振動子として機能させないときは）、入力電極３２に誘起された電荷が抵抗素子２７を通して接地面２５に放電される。これにより、下部電極の入力電極３２への帯電により引き起こされる動作特性の変動は最小限度に抑制される。

第２実施の形態に係る振動子４１によれば、ＤＣバイアス電圧を下部電極である入力電極３２に印加したことで誘起された電荷が固着される前に抵抗２７を通じて放電されるので、振動子素子４２の帯電により引き起こされる動作特性の変動を最小限度に抑制することができる。従って、振動子２１の長期間の動作・保存に伴う動作特性の経時変動を最小限度に抑制することができる。これにより、振動子の信頼性を向上することができる。

図５において、例えばＲＦ信号の入出力線路２３及び２４は入れ替えてもよい。すなわち、下部電極３２を出力電極としてこれに信号出力線路を接続し、ビーム２４に信号入力線路を接続するようにしてもよい。また、振動子素子２２を多数設置し並列振動子とすることもできる。

図６に、本発明に係る振動子の第３実施の形態の概略構成を示す。本実施の形態に係る振動子４３は、静電駆動型の振動子素子４４と、２つのビーム３４〔３４１、３４２〕のうち、一方のビーム３４１に接続された信号入力線路２３と、他方のビーム３４２に接続された信号出力線路２４と、下部電極３２に接続されたＤＣ給電線路２６と、グランド線路２５、いわゆる接地面を有し、下部電極３２（換言すればＤＣ給電線路２６）とグランド線路２５との間に抵抗素子２７を接続して構成される。すなわち前述と同様に、ＤＣ給電線２６は分岐され、分岐された一方が抵抗素子２７を介してグランド線路２５に接続され、分岐された他方がＤＣ電源回路２８に接続される。

下部電極３２は各ビーム３４１、３４２の下部に形成したそれぞれの電極を接続するか、もしくは共通の電極で形成することができる。本例では下部電極３２を２つのビーム３４１、３４２に対して共通の電極で形成される。２つのビーム３４１、３４２は同じ固有振動周波数を持つ。ＤＣ電源回路２８は、定電圧発生回路であることが望ましい。

振動子素子４４、抵抗素子２７等のその他の構成は第１実施の形態で説明したと同様であるので、重複説明を省略する。

本実施の形態の振動子４３の動作を説明する。駆動時には、下部電極３２にＤＣ電源回路２８からＤＣ給電線路２６を通して所要のＤＣバイアス電圧が印加される。信号入力線路２３を通してビーム３４１に特定の周波数信号（例えばＲＦ信号）が印加されると、ビーム３４１が固有振動周波数で共振し、下部電極２３が共通であるため他方のビーム３４２が同じ固有振動周波数で共振し、下部電極３２とビーム３４２間の空間で形成されるキャパシタの容量が変化し、ビームに接続された信号出力線路２４を通じて特定の周波数信号が出力される。この振動子素子４４は、１次振動モードで振動する。

一方、ＤＣバイアス電圧の印加により下部電極３２に電荷が誘起されるが、この電荷は固着される前に抵抗素子２７を通して放電される。すなわち、下部電極３２にＤＣバイアス電圧が印加されない非動作時には（すなわち、振動子として機能させないときは）、下部電圧３２に誘起された電荷が抵抗素子２７を通して接地面２５に放電される。これにより、帯電により引き起こされる動作特性の変動は最小限度に抑制される。

上述の第３実施の形態に係る振動子４３によれば、ＤＣバイアス電圧を下部電極３２に印加したことで誘起された電荷が固着される前に抵抗素子２７を通じて放電されるので、振動子素子４４の帯電により引き起こされる動作特性の変動を最小限度に抑制することができる。従って、振動子４３の長期間の動作・保存に伴う動作特性の経時変動を最小限度に抑制することができる。これにより、振動子の信頼性を向上することができる。

図６において、例えばＲＦ信号の入出力線路２３及び２４は入れ替えてもよい。また、振動子素子４４を多数設置し並列振動子とすることもできる。

図７に、本発明に係る振動子の第４実施の形態の概略構成を示す。本実施の形態の振動子４６は、２次振動モードで振動する振動子素子を用いて構成したもので、抵抗素子２７、ＤＣ電源回路２８の接続関係は図１と同様である。

本実施の形態に係る振動子４６は、静電駆動型の２次振動モードで振動する振動子素子４７と、振動子素子４７に接続された信号入力線路２３及び信号出力線路２４とグランド線路２５、いわゆる接地面を有し、振動子素子４７のＤＣ給電線路２６とグランド線路２５との間に抵抗素子２７を接続して構成される。

振動子素子４７は、図７及び図８（断面構造）で示すように、基板３１上に下部電極となる入力電極３２１及び出力電極３２２と配線層３６［３６Ａ，３６Ｂ］を形成し、この入出力電極３２１、３２２に空間３３を介して対向する振動部となるビーム（梁）３４を配置して形成される。ビーム３４は、両端が支持部（アンカー部）３５〔３５１、３５２〕を介して配線層３６［３６Ａ，３６Ｂ］に接続され、両持ち梁構造に形成される。そして、入力電極３２１に信号入力線路２３が接続され、出力電極３２２に信号出力線路２４が接続される。また、ビーム３４には直流バイアス電圧を供給するためのＤＣ給電線路２６が接続される。ＤＣ給電線路２６は前述と同様に分岐され、分岐された一方が抵抗素子２７を介してグランド線路２５に接続され、分岐した他方がＤＣ電源回路２８に接続される。

抵抗素子２７等のその他の構成は、第１実施の形態で説明したと同様であるので、重複説明を省略する。

図９に、図７の具体的一例を示す。この振動子４６は、同一基板３１上に２次振動モードの静電駆動型の振動子素子４７と、振動子素子４７のビーム３４に接続されたＤＣ給電線路２６と、ＤＣ給電線路２６の分岐点の位置にＤＣ導入パッド３０が形成され、さらにＤＣ導入パッド３０とグランド線路２５となる接地面（導電膜）との間に挿入された抵抗素子２７が形成されて成る。下部電圧である入力電極３２１及び出力電極３２２にそれぞれ接続された信号入力線路２３及び信号出力線路２４も同一基板３１上に形成される。ＤＣ導入パッド３０には外部のＤＣ電源回路２８が接続される。接地面は、基板３１の振動子素子４７が形成される表面あるいは裏面に形成することができる。裏面に接地面を形成するときは、裏面の接地面に基板３１に形成した埋め込み導電層を通して抵抗素子２７に接続されるようになされる。

本実施の形態の振動子４６の動作を説明する。動作時には、ビーム３４にＤＣ電源回路２８からＤＣ給電線路２６を通して所要の直流バイアス電圧が印加される。下部電極である入力電極３２１に信号入力線路２３を通じて特定の周波数信号（例えばＲＦ信号）が印加されると、ビーム３４が固有振動周波数で共振し、出力電極３２２とビーム３４との間の空間３３で形成されるキャパシタの容量が変化し、出力電極３２２に接続された信号出力線路２４を通じて特定の周波数信号が出力される。この振動子素子４７は、２次振動モードで振動する。

一方、ＤＣバイアス電圧の印加によりビーム３４に電荷が誘起されるが、この電荷は固着される前に抵抗２７を通して放電される。すなわち、ビーム３４にＤＣバイアス電圧が印加されない非駆動時には（すなわち、振動子として機能させないときは）、ビーム３４に誘起された電荷が抵抗素子２７を通して接地面２５に放電される。これにより、ビーム３４への帯電により引き起こされる動作特性の変動は最小限度に抑制される。

上述の第４実施の形態に係る振動子４６によれば、第１実施の形態と同様に、ＤＣバイアス電圧の印加に起因する動作特性の経時変動を最小限度に抑制することができ、振動子の信頼性の向上を図ることができる。

第４実施の形態では、直流電流の漏洩を阻止する目的での容量の信号線路への挿入は必要としない。本実施の形態の場合も振動子素子４７を並列化した構成とすることができる。

図１０に、本発明に係る振動子の第５実施の形態の概略構成を示す。本実施の形態に係る振動子４８は、前述の図７の振動子４６の変形例に相当する。
本実施の形態に係る振動子４８は、同一基板３１上に２次振動モードの静電駆動型の振動子素子４７と、振動子素子４７のビーム３４に接続されたＤＣ給電線路２６と、ＤＣ給電線路２６の分岐点となる部分に形成した片持ち梁構造のＭＥＭＳスイッチＳＷｘと、抵抗素子２７と、グランド線路２５となる接地面とを形成して構成される。さらに、振動子素子４７の下部電極とである入力電極３２１及び出力電極３２２に接続された信号入力線路２３及び信号出力線路２４も同一基板３１上に形成される。

ＭＥＭＳスイッチＳＷｘは、下部電極６１と片持ち梁構造のビーム６２を有して形成される。外部のＤＣ電源回路２８はＭＥＭＳスイッチＳＷｘのビーム６２に接続されるようになされる。ＤＣ給電線路２６はＭＥＭＳスイッチＳＷｘのビーム６２に接続され、抵抗素子２７はＭＥＭＳスイッチＳＷｘの下部電極６１に接続される。ここで、ＭＥＭＳスイッチＳＷｘは、そのビーム６２が振動子素子４７のビーム３４に比べて低いＤＣバイアス電圧の印加で下部電極６１に接触されるように構成される。このＭＥＭＳスイッチＳＷｘは振動子素子４７と同じ作製工程を用いて形成することができる。

振動子素子４７、抵抗素子２７等のその他の構成は、図７〜図８で説明したと同様であるので、重複説明を省略する。

本実施の形態の振動子４８の動作を説明する。駆動時には、ビーム３４に電源回路２８からＭＥＭＳスイッチＳＷｘのビーム６２及びＤＣ給電線路２６を通して所要のＤＣバイアス電圧が印加される。下部電極である入力電極３２１に信号入力線路２３を通じて特定の周波数信号（例えばＲＦ信号）が印加されると、ビーム３４が固有振動周波数で共振し、出力電極３２２とビーム３４との間の空間３３で形成されるキャパシタの容量が変化し、出力電極３２２に接続された信号出力線路２４を通じて特定の周波数信号が出力される。この振動子素子４７は、２次振動モードで振動する。

この駆動時、ＭＥＭＳスイッチＳＷｘのビーム６２にもＤＣバイアス電圧が印加されることによりビーム６２は下部電極６１に接触し、ＭＥＭＳスイッチＳＷｘとしてはオン状態となる。

一方、駆動時におけるＤＣバイアス電圧の印加によりビーム３４に電荷が誘起されるが、この電荷は固着される前にＭＥＭＳスイッチＳＷｘ及び抵抗２７を通して放電される。すなわち、ビーム３４にＤＣバイアス電圧が印加されない非駆動時には、振動子素子４７のビーム３４及びＭＥＭＳスイッチＳＷｘのビーム６２に誘起された電荷がオン状態のＭＥＭＳスイッチＳＷｘから抵抗素子２７を通して接地面２５に放電される。これにより、振動子素子４７のビーム３４への帯電により引き起こされる動作特性の変動は最小限度に抑制される。

上述の第５実施の形態に係る振動子４８によれば、図７の第４実施の形態と同様に、ＤＣバイアス電圧の印加に起因する動作特性の経時変動を最小限度に抑制することができ、振動子の信頼性の向上を図ることができる。また、駆動時に、例えばＤＣ電源回路２８にサージ電圧が流れ過大電圧が振動子素子４７に印加されようとしても、サージ電圧はオン状態のＭＥＭＳスイッチＳＷｘを通して接地面２５に放電されるので、振動子素子４７を保護することができる。

誘起された電荷が全て放電されれば、ＭＥＭＳスイッチＳＷｘのビーム６２は下部電極６１から離れて元に復帰し、ＭＥＭＳスイッチＳＷｘはオフ状態になる。

図１１に、本発明に係る振動子の第６実施の形態の概略構成を示す。本実施の形態に係る振動子４９は、第４実施の形態の構成において、振動子素子４７のビーム３４に接続されたＤＣ給電線路２６を分岐し、一方をグランド線路２５となる接地面に接続し、他方をＤＣ電源回路２８に接続するようになすと共に、この分岐点に切換手段、すなわち切換スイッチＳＷ１を設けて構成される。切換スイッチＳＷ１の切換により、ビーム３４はＤＣ電源回路２８に接続され、または接地面２５に接続される。この構成において、切換スイッチＳＷ１と接地面２５との間の抵抗６７は０Ω（短絡状態）である必要はない。

振動子素子４７等のその他の構成は図７、図８と同様であるので、重複説明を省略する。

本実施の形態の振動子４９の動作を説明する。駆動時には、切換スイッチＳＷ１がＤＣ電源回路２８側に切り換わり、ビーム３４にＤＣ電源回路２８からＤＣ給電線路２６を通して所要のＤＣバイアス電圧が印加される。この状態で信号入力線路２３を通して入力電極３２１に特定の周波数信号（例えばＲＦ信号）が入力されると、第４実施の形態で説明した同様に、ビーム３４が固有振動周波数で共振し、出力電極３２２から信号出力線路２４へ特定の周波数信号が出力される。

一方、ビーム３４にＤＣバイアス電圧を印加させない非駆動時には（すなわち、振動子として機能させないときは）、切換スイッチＳＷ１が接地面２５側に切り換わり、ビーム３４に接続されているＤＣ給電線路２６をＤＣ電源回路２８から切り離す。これにより、ビーム３４に誘起した電荷は抵抗６７を通して接地面２５に放電される。

第６実施の形態に係る振動子４９によれば、振動子として機能させないときには、切換スイッチによりビーム３４に接続されているＤＣ給電線路２６からＤＣ電源回路２８を切り離すと共に、ＤＣ給電線路２６を接地面２５に接続することにより、ビーム３４に誘起された電荷が放電される。従って、ＤＣバイアス電圧の印加に起因する動作特性の経時変動を最小限度に抑制することができ、振動子の信頼性の向上を図ることができる。

第６実施の形態のＤＣ給電線路の分岐点に切換スイッチＳＷ１を設ける構成は、前述した１次振動モードの振動子にも適用できる。

図１２に、本発明に係る振動子の第７実施の形態の概略構成を示す。本実施の形態に係る振動子５１は、第４実施の形態（図７）と同様の２次振動モードの静電駆動型の振動子素子４７を有し、そのビーム３４にＤＣ給電線路２６を介して電源回路５２を接続して構成される。この電源回路５２は、所要の電圧、すなわち駆動電位であるＤＣバイアス電圧を給電する第１電源５３と、接地電位（０Ｖ）を給電する第２電源５４とを含む定電圧電源回路で構成される。そして、この電源回路５２は、切換手段、すなわち切換スイッチＳＷ２を設け、この切換スイッチＳＷ２により、選択的にＤＣ給電線路２６に接地電位またはＤＣバイアス電圧が給電できるように構成される。

上記の電源回路５２は、ＳｉＰあるいはＳｏＣにより１つの機能モジュールとして構成されることが望ましい。

本実施の形態の振動子５１の動作を説明する。駆動時には、切換スイッチＳＷ２を第１電源５３側に切り換えてビーム３４にＤＣバイアス電圧を印加する。この状態で信号入力線路２３を通して入力電極３２１に特定の周波数信号（例えばＲＦ信号）が入力されると、第４実施の形態で説明した同様に、ビーム３４が固有振動周波数で共振し、出力電極３２２から信号出力線路２４へ特定の周波数信号が出力される。

一方、ＤＣバイアス電圧を印加しない非駆動時、すなわち振動子として機能させないときは、切換スイッチＳＷ２を第２電源５４側に切り換えて、ビーム３４の電位を接地面と同電位の０Ｖにする。これにより、ビーム３４に誘起した電荷は接地面２５に放電される。

第７実施の形態に係る振動子５１によれば、振動子として機能させないときには、切換スイッチＳＷ２を切り換えて第２電源５４から０Ｖを給電することにより、ビーム３４に誘起された電荷が放電される。従って、第１実施の形態と同様に、ＤＣバイアス電圧の印加に起因する動作特性の経時変動を最小限度に抑制することができ、振動子の信頼性の向上を図ることができる。

本発明に係る振動子の第８実施の形態は、図示しないが、例えば図１あるいは図７に示す振動子素子と、この振動子素子に接続されたＤＣ給電線路を有し、ＤＣ給電線路にグランド線路である接地面側とＤＣ給電回路側への分岐を設けて構成する。配線は抵抗成分を有する。したがって、本実施の形態では、接地面側の分岐配線を１ＭΩから１０ＭΩの配線抵抗が得られるように形成して、この配線抵抗を図１及び図７で示す抵抗素子として用いるように構成する。

この第８実施の形態においても、この接地面側の分岐配線の抵抗成分を利用することにより、図１及び図７で説明したと同様に、ＤＣバイアス電圧の印加に起因する動作特性の経時変動を最小限度に抑制することができ、振動子の信頼性の向上を図ることができる。

図１３及び図１４に本実施の形態に係る振動子の効果、すなわちチャージ（帯電）による共振特性のＤＣバイアス・ショートの効果を例示する。

図１３の例示（１）を説明する。波形ａ１は、ＤＣバイアス給電線路を接地電位にショートする手段を有しない従来の振動子の共振特性を示す。チャージング（帯電効果）によりＤＣバイアス電圧＝０Ｖでも共振ピーク６５が観測される。すなわち、ＤＣバイアスが０Ｖであっても振動子には共振が起き、出力端子へ周波数に依存する出力がなされている。波形ｂ１は、本実施の形態の共振特性、すなわち、ＤＣバイアス給電線路を電源回路から接地面へ１００ｋΩの抵抗を通して繋ぎ替え、その状態に２２分間保持した振動子のＤＣバイアス電圧＝０Ｖでの共振特性である（振動子は図１１の例）。波形ｂ１では、振動子の共振によるピークは観測されない。振動子にはＤＣバイアス電圧が印加されていないこと、つまり、ＤＣバイアス給電線路を接地面に短絡させることがチャージング（帯電効果）を除去する効果を持つことを示している。

この例示における振動子のビームには、Ｆ∝Ｖ１（ＤＣバイアス）×Ｖ２（ＲＦ信号）の力が働く（正確には、Ｆはここに記述した以外の複数の項を含むが、ＲＦ信号と同じ振動数を有する項はこの項のみである）。ビームの機械振動の共振周波数はビームの物理的構造（縦、横、高さ、保持方法、材料、設置環境など）によって決まる。この振動子は、共振周波数がおよそ５９ＭＨｚとなるように設計されている。図１３の横軸は入力ＲＦ信号の周波数である。縦軸は振動子のＳパラメータ、Ｓ２１であり、振動子の電力透過特性である。ピークが出ることで周波数に対する信号の選択特性が実現できる。波形ａ１のピーク周波数は振動子の共振周波数に一致している。原理上ＤＣバイアス電圧が印加されない場合には振動子に共振を起こさせる力は働かず、従って共振ピークは観測できない。波形ａ１のピーク６５は外部印加ＤＣ電圧が０Ｖであるにもかかわらず、帯電のために上記の式中のＶ１（ＤＣバイアス）に当たる電圧が実効的に印加されていることを示している。

図１４の例示（２）を説明する。ここでは下部電極に対してビームを３０個並列配置して並列化した振動子の例である。波形ａ２は、ＤＣバイアス給電線路を接地電位にショートする手段を有しない従来の振動子の共振特性を示す。チャージング（帯電効果）によりＤＣバイアス電圧＝０Ｖでも共振ピーク６６が観測される。すなわち、ＤＣバイアスが０Ｖであっても振動子には共振が起き、出力端子へ周波数に依存する出力がなされている。波形ｂ２は、本実施の形態の共振特性、すなわち、ＤＣバイアス給電線路を電源回路から接地面へ１００ｋΩの抵抗を通して繋ぎ替え、その状態に６分間保持した振動子のＤＣバイアス電圧＝０Ｖでの共振特性である。波形ｂ２では、振動子の共振によるピークは観測されない。振動子にはＤＣバイアス電圧が印加されていないこと、つまり、ＤＣバイアス給電線路を接地面に短絡させることがチャージング（帯電効果）を除去する効果を持つことを示している。結果の解釈は、図１３の場合と同様である。

振動子素子の部分は、例えば図１５〜図１６に示す製法で形成することができる。この例の製法は、図７などで示す２次振動モードの振動子素子の形成に適用しているが、図１などで示す１次振動モードの振動子素子の形成にも適用できる。

先ず、図１５Ａに示すように、シリコンウェハー（基板）１０１の上面に絶縁膜となる酸化シリコン薄膜（ＨＤＰ膜：High Density Plasma酸化膜）１０２と窒化シリコン膜１０３との複合膜１０４を成膜し、続けて導電性のある多結晶シリコン薄膜（ＰＤＡＳ：Phosphorus doped amorphous silicon）１０５を成膜する。

次に、図１５Ｂに示すように、多結晶シリコン薄膜１０５上にレジストマスクを形成し、このレジストマスクを介して例えばドライエッチング法により多結晶シリコン薄膜１０５を選択的にエッチング除去し、下部電極である例えば入力電極１０７及び出力電極１０８と、ビーム（梁）の固定部を兼ねる配線層１０９〔１０９Ａ，１０９Ｂ〕を形成する。

次に、図１５Ｃに示すように、形成された入力電極１０７、出力電極１０８、配線層１０９〔１０９Ａ，１０９Ｂ〕及び抵抗素子（図示せず）を例えば酸化シリコン薄膜（ＤＨＰ膜）１１１で埋め戻し、化学機械研磨法（ＣＭＰ）により平坦化し、入力電極１０７、出力電極１０８及び配線層１０９〔１０９Ａ，１０９Ｂ〕および抵抗素子の表面を露出させる。

次に、図１５Ｄに示すように、平坦化した薄膜上に下部電極である入力電極１０７及び出力電極１０８とビームとの間隔に応じた膜厚の犠牲層１１２、例えば５０ｎｍ程度の厚さの酸化シリコン薄膜（ＬＰ−ＴＥＯＳ）を形成する。

次に、図１６Ｅに示すように、犠牲層１１２を例えばドライエッチング法により選択的にエッチング除去して両配線層１０９〔１０９Ａ，１０９Ｂ〕に達する貫通孔１１３〔１１３Ａ及び１１３Ｂ〕を形成する。この貫通孔１１３は後工程でビームと配線層１０９とを繋ぐための貫通孔である。

次に、図１６Ｆに示すように、貫通孔１１３〔１１３Ａ，１１３Ｂ〕内を含む犠牲層１１２上に多結晶シリコン薄膜（ＰＤＡＳ）１１４を成膜する。続いて例えばドライエッチング法により多結晶シリコン薄膜１１４をパターニングして、両端が配線層１１３Ａ、１１３に接続されたビーム（梁）１１５を形成する。この場合、ビーム１１５の両端から延長して配線層１０９Ａ，１０９Ｂに接続する部分、すなわち貫通孔１１３Ａ，１１３Ｂ内の部分がビーム１１５の支持部（アンカー部）１１６〔１１６Ａ，１１６Ｂ〕となる。

次に、図１６Ｇに示すように、犠牲層１１２である酸化シリコン薄膜を例えばフッ酸を含むエッチング液を用いて選択的にエッチング除去し、入力電極１０７及び出力電極１０８とビーム１１５との間に空間１１７を有する振動子素子１１８を形成する。必要に応じて導電性の配線を、例えばリフトオフにより形成する。

この振動子素子１１８の製造工程において、前述した基板上の接地面、ＤＣバイアス給電線路、信号入力線路、信号出力線路等は、下部電極の形成と同時に形成することができる。また、抵抗素子は抵抗材料による厚膜で形成することができる。

一方、図１０及び図１２に示した電源回路部分は、通常のシリコン半導体素子作製工程を用いて作製することができる。当然であるが、個別の半導体から構成することも可能である。電源回路は、前述したように、振動子素子と同一の基板上に集積化してＳｏＣ（システム・オン・チップ）として構成することができる。あるいは別の工程を用いて電源回路を作製した後、配線手段（配線基板）を用いてモジュールとして、振動子素子、配線手段及び電源回路を基板上に集積化してＳｉＰ（システム・イン・パッケージ）として構成することもできる。

上述した実施の形態の静電駆動型の振動子は、微小電気機械デバイスの構成要素として用いることができる。この静電駆動型の振動子を有する微小電気機械デバイスは、機械振動子の共振現象を利用してアナログ電気信号、とりわけ高周波（ＲＦ）領域の電気信号を加工する、変調、フィルタリング、あるいは信号の移送を変化させる微小電気機械デバイス、あるいは高周波信号分岐を成すための微小電気機械デバイスとして構成することができる。

微小電気機械デバイスは、実施の形態の振動子を用いて信号フィルタ、ミキサー、共振器、及びそれらが含まれるＳｏＣデバイスモジュール、ＳｉＰデバイスモジュール等の半導体デバイスとして構成することができる。すなわち、上述した実施の形態の静電駆動型の振動子と他の半導体デバイスと統合して成る半導体デバイスを構成することができる。

上述した実施の形態の振動子によれば、ＤＣバイアス印加に起因する動作特性の経時劣化を最小限度に抑制することができる。これにより、振動子を電子部品とする商品の信頼性を向上することができる。従って、顧客の満足を得ることができ、商品の長寿命化を通して資源の浪費を防ぐことができる。

上述した実施の形態の振動子は、高周波（ＲＦ）フィルタ、中間周波数（ＩＦ）フィルタなどの帯域フィルタとして用いるのに適する。
また、本発明の他の実施の形態として、このような振動子によるフィルタを用いた通信装置を提供できる。すなわち、上述の実施の形態に係る振動子によるフィルタを用いて構成される携帯電話、無線ＬＡＮ機器、無線トランシーバ、テレビチューナ、ラジオチューナ等の電磁波を利用して通信する通信装置を提供することもできる。

次に、実施の形態の振動子をフィルタとして適用した通信装置の構成例を図１７を参照して説明する。
まず送信系の構成について説明すると、Ｉチャンネルの送信データとＱチャンネルの送信データを、それぞれデジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）２０１Ｉ及び２０１Ｑに供給してアナログ信号に変換する。変換された各チャンネルの信号は、バンド・パス・フィルタ２０２Ｉ及び２０２Ｑに供給して、送信信号の帯域以外の信号成分を除去し、バンド・パス・フィルタ２０２Ｉ及び２０２Ｑの出力を、変調器２１０に供給する。

変調器２１０では、各チャンネルごとにバッファアンプ２１１Ｉ及び２１１Ｑを介してミキサ２１２Ｉ及び２１２Ｑに供給して、送信用のＰＬＬ（phase-locked loop）回路２０３から供給される送信周波数に対応した周波数信号を混合して変調し、両混合信号を加算器２１４で加算して１系統の送信信号とする。この場合、ミキサ２１２Ｉに供給する周波数信号は、移相器２１３で信号位相を９０°シフトさせてあり、Ｉチャンネルの信号とＱチャンネルの信号とが直交変調されるようにしてある。

加算器２１４の出力は、バッファアンプ２１５を介して電力増幅器２０４に供給し、所定の送信電力となるように増幅する。電力増幅器２０４で増幅された信号は、送受信切換器２０５と高周波フィルタ２０６を介してアンテナ２０７に供給し、アンテナ２０７から無線送信させる。高周波フィルタ２０６は、この通信装置で送信及び受信する周波数帯域以外の信号成分を除去するバンド・パス・フィルタである。

受信系の構成としては、アンテナ２０７で受信した信号を、高周波フィルタ２０６及び送受信切換器２０５を介して高周波部２２０に供給する。高周波部２２０では、受信信号を低ノイズアンプ（ＬＮＡ）２２１で増幅した後、バンド・パス・フィルタ２２２に供給して、受信周波数帯域以外の信号成分を除去し、選択された信号をバッファアンプ２２３を介してミキサ２２４に供給する。そして、チャンネル選択用ＰＬＬ回路２５１から供給される周波数信号を混合して、所定の送信チャンネルの信号を中間周波信号とし、その中間周波信号をバッファアンプ２２５を介して中間周波回路２３０に供給する。

中間周波回路２３０では、供給される中間周波信号をバッファアンプ２３１を介してバンド・パス・フィルタ２３２に供給して、中間周波信号の帯域以外の信号成分を除去し、除去された信号を自動ゲイン調整回路（ＡＧＣ回路）２３３に供給して、ほぼ一定のゲインの信号とする。自動ゲイン調整回路２３３でゲイン調整された中間周波信号は、バッファアンプ２３４を介して復調器２４０に供給する。

復調器２４０では、供給される中間周波信号をバッファアンプ２４１を介してミキサ２４２Ｉ及び２４２Ｑに供給して、中間周波用ＰＬＬ回路２５２から供給される周波数信号を混合して、受信したＩチャンネルの信号成分とＱチャンネルの信号成分を復調する。この場合、Ｉ信号用のミキサ２４２Ｉには、移相器２４３で信号位相を９０°シフトさせた周波数信号を供給するようにしてあり、直交変調されたＩチャンネルの信号成分とＱチャンネルの信号成分を復調する。

復調されたＩチャンネルとＱチャンネルの信号は、それぞれバッファアンプ２４４Ｉ及び２４４Ｑを介してバンド・パス・フィルタ２５３Ｉ及び２５３Ｑに供給して、Ｉチャンネル及びＱチャンネルの信号以外の信号成分を除去し、選択された信号をアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）２５４Ｉ及び２５４Ｑに供給してサンプリングしてデジタルデータ化し、Ｉチャンネルの受信データ及びＱチャンネルの受信データを得る。

ここまで説明した構成において、各バンド・パス・フィルタ２０２Ｉ，２０２Ｑ，２０６，２２２，２３２，２５３Ｉ，２５３Ｑの一部又は全てとして、本例の振動子を用いて構成したフィルタを適用して帯域制限することが可能である。図１７の例では、各フィルタをバンド・パス・フィルタとして構成したが、所定の周波数よりも下の周波数帯域だけを通過させるロー・パス・フィルタや、所定の周波数よりも上の周波数帯域だけを通過させるハイ・パス・フィルタとして構成して、それらのフィルタに本例の振動子を用いて構成したフィルタを適用してもよい。また、図１７の例では、無線送信及び無線受信を行う通信装置としたが、有線の伝送路を介して送信及び受信を行う通信装置が備えるフィルタに適用してもよく、さらに送信処理だけを行う通信装置や受信処理だけを行う通信装置が備えるフィルタに、本例の構成のフィルタを適用してもよい。

本発明に係る静電駆動型の振動子の第１実施の形態を示す概略構成図である。 図１の振動子素子の一例を示す断面図である。 第１実施の形態の静電駆動型の振動子の具体的一例を示す概略平面図である。 第１実施の形態の静電駆動型の振動子の具体的一例を示す概略構成図である。 本発明に係る静電駆動型の振動子の第２実施の形態を示す概略構成図である。 本発明に係る静電駆動型の振動子の第３実施の形態を示す概略構成図である。 本発明に係る静電駆動型の振動子の第４実施の形態を示す概略構成図である。 図４の振動子素子の一例を示す断面図である。 第４実施の形態の静電駆動型の振動子の具体的一例を示す概略構成図である。 本発明に係る静電駆動型の振動子の第５実施の形態を示す概略構成図である。 本発明に係る静電駆動型の振動子の第６実施の形態を示す概略構成図である。 本発明に係る静電駆動型の振動子の第７実施の形態を示す概略構成図である。 本発明と従来の静電駆動型の振動子の共振特性を比較して示す特性図（１）である。 本発明と従来の静電駆動型の振動子の共振特性を比較して示す特性図（２）である。 Ａ〜Ｄ 本発明に適用される振動子素子の製造方法の一例を示す製造工程図（その１）である。 Ｅ〜Ｇ 本発明に適用される振動子素子の製造方法の一例を示す製造工程図（その２）である。 本発明の静電駆動型の振動子をフィルタに用いた通信装置の回路図である。 従来の静電駆動型の振動子の例を示す概略図である。

符号の説明

２１、４１、４３、４６、４８、４９、５１・・振動子、２２・・振動子素子、２３・・信号入力線路、２４・・信号出力線路、２５・・グランド線路（接地面）、２６・・ＤＣ給電線路、２７・・抵抗素子、２８・・ＤＣ電源回路、２９・・容量、３０・・ＤＣ導入パッド、３１・・基板、３２・・下部電極（入力電極）、３４〔３４１、３４２〕・・ビーム（梁）、３２１・・下部電極（入力電極）、３２２・・下部電極（出力電極）、４４、４７・・振動子素子、ＳＷｘ・・ＭＥＭＳスイッチ、６１・・下部電極、６２・・ビーム（梁）、ＳＷ１，ＳＷ２・・切換スイッチ、５２・・電源回路、５３・・第１電源、５４・・第２電源、６７・・抵抗

Claims (6)

1. 静電駆動型の振動子素子を有し、
   前記振動子素子の直流電圧給電線路と接地との間に抵抗素子が接続されている
   ことを特徴とする振動子。
2. 前記直流電圧給電線路は定電圧発生回路に接続されている
   ことを特徴とする請求項１記載の振動子。
3. 静電駆動型の振動子素子と、
   前記振動子素子に接続された直流電圧給電線路を有し、
   前記直流電圧給電線路は、接地側と直流給電回路側へ分岐されている
   ことを特徴とする振動子。
4. 分岐点には切換手段が設けられている
   ことを特徴とする請求項３記載の振動子。
5. 静電駆動型の振動子素子と、
   前記振動子素子を駆動するための電源回路を有し、
   前記電源回路から接地電位が出力される
   ことを特徴とする振動子。
6. 前記電源回路には、前記振動子素子に前記接地電位を出力するための切換手段が設けられている
   ことを特徴とする請求項５記載の振動子。

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