JP2008263542A

JP2008263542A - マイクロメカニカル共振器

Info

Publication number: JP2008263542A
Application number: JP2007106346A
Authority: JP
Inventors: Akimasa Tamano; 晃正玉野; Hironori Nagasaki; 寛範長崎
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2007-04-13
Filing date: 2007-04-13
Publication date: 2008-10-30

Abstract

【課題】従来のマイクロメカニカル共振器よりも高い周波数帯域の共振周波数を利用することが可能なマイクロメカニカル共振器を提供する。
【解決手段】本発明に係るマイクロメカニカル共振器は、基板７上に、基板７と平行な１つの平面内で互いに平行に伸びる２辺を有する平面形状を有する共振子２と、共振子２の前記２辺のそれぞれに対向して配置された２つの電極30とを具えている。共振子２は、基板７と平行な１つの平面内で共振子２の平面形状の２辺が互いに逆方向へずれるすべり振動が可能に支持され、２つの電極30は、共振子２との対向面が、共振子２の平面形状の２辺に沿って互いに逆方向にずれて、食い違い位置の２つのギャップ部を形成している。共振子２に主電圧を印加すると共に、２つの電極30へ高周波信号を入力することにより、共振子２と電極30との間に交番静電気力を発生させて共振子２に振動を与え、共振子２と２つの電極30との間の静電容量の変化を高周波信号として出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、入力された高周波信号を機械的な信号に変換した後に再び高周波信号に変換して出力する共振器に関し、特に、半導体分野における微細加工技術を利用して作製されるマイクロメカニカル共振器に関するものである。

近年、半導体分野における微細加工技術を利用して、微細な機械構造を電子回路と一体化して形成する、所謂マイクロエレクトロメカニカルシステム(ＭＥＭＳ)技術が開発されており、周波数フィルターや共振器への応用が検討されている。

図４は、ＭＥＭＳ技術を用いた従来の音叉型マイクロメカニカル共振器を表わしている。該マイクロメカニカル共振器(100)は枠体状の共振子(110)を具え、基板(106)と平行な面内で平行に並ぶ２本の角柱状の共振部(101)(101)と該共振部(101)(101)と直交して支持する支持部(102)(102)とを具えている。該共振子(110)において、角柱状の支持ビーム(103)(103)が、該支持部(102)の中点にそれぞれ突設されている。

更に支持ビーム(103)(103)の先端部は基板(106)上に突設されたアンカー(104)(104)に接続されている。共振子(110)は、支持ビーム(103)とアンカー(104)によって、自由振動可能に２点支持されている。２つのアンカー(104)(104)の内、一方のアンカー(104)には、主電圧電源(109)が接続され、他方のアンカー(104)には出力回路(107)が接続されている。

又、共振子(110)の共振部(102)に対向する位置に、高周波信号の入力電極(105)が配置されている。そして、共振部(102)と入力電極(105)との間には所定のギャップ部が形成されている。入力電極(106)には高周波電源(108)が接続されている。

アンカー(104)を介して共振子(110)に直流電圧Ｖｐを印加した状態で、入力電極(105)に高周波信号Ｖｉを入力すると、共振子(110)の共振部(101)と入力電極(105)との間に交番静電気力が発生し、該静電気力によって共振部(101)が基板(106)の表面に平行な面内で振動する。共振部(101)の振動により、共振部(101)と入力電極(105)との間の静電容量が変化する。そして、アンカー(104)を介して出力回路(107)から該静電容量の変化が高周波信号Ｉｏとして出力される。

又、図５は従来の他のマイクロメカニカル共振器を表わしている(非特許文献１、特許文献１)。該マイクロメカニカル共振器(220)は、基板(207)上に平板状の共振子(200)を具え、該共振子(200)は、両端部と中央部の３ヶ所に支持部(203)を有すると共に隣接する２つの支持部(203)(203)間に共振ビーム(202)を有している。各支持部(203)には支持ビーム(201)が突設され、各支持ビーム(201)の基端部はそれぞれアンカー(204)によって基板(207)に固定されている。これによって、共振子(200)は、基板(207)の表面から僅かに浮上した位置に保持されている。

又、基板(207)上には、共振子(200)の２つの共振ビーム(202)(202)との間に、入力電極(206)と出力電極(205)が配備され、一方の共振ビーム(202)と入力電極(206)の間、並びに他方の共振ビーム(202)と出力電極(205)との間に、所定のギャップ部Ｇが形成されている。そして、入力電極(206)には高周波電源(208)が接続されると共に、１つのアンカー(204)には主電圧電源(209)が接続されている。

アンカー(204)を介して共振子(200)に直流電圧Ｖｐを印加した状態で、入力電極(206)に高周波信号Ｖｉを入力すると、入力電極(206)と共振ビーム(202)との間に交番静電気力が発生し、該静電気力によって共振子(200)が基板(207)の表面と垂直な方向に振動する。この共振子(200)の振動により、共振子(200)と両電極(205)(206)との間に形成される静電容量が変化し、該静電容量の変化が出力電極(205)から高周波信号Ｉｏとして出力される。
M.U.Demirci and C.T.-C.Nguyen, "Higher-Mode Free-Free Beam Micromechanical Resonators," Proceedings, 2003 IEEE Int. Frequency Control Symposium, Tampa, Florida, May5-8, 2003, pp.810-818. 特許第３７９０１０４号

上述の如き従来のマイクロメカニカル共振器においては、１次の共振モードの他、２次の共振モード及び３次の共振モードなどの高次の共振モードが混在して発生する。ＧＨｚ帯域の動作する高周波無線通信機器など、高い周波数領域にてマイクロメカニカル共振器を応用する場合、高次の共振モードでの共振周波数を利用すればよい。

しかし、従来のマイクロメカニカル共振器では、高次の共振モードで得られる共振周波数の振幅が、１次、２次などの低次の共振モードで得られる共振周波数の振幅に比べて非常に低かった。そのため、従来のマイクロメカニカル共振器では高次の共振モードで得られる共振周波数を利用することは非常に困難であった。

本発明の目的は、従来のマイクロメカニカル共振器よりも高い周波数帯域の共振周波数を利用することが可能なマイクロメカニカル共振器を提供することである。

本発明に係るマイクロメカニカル共振器は、基板(７)上に、基板(７)と平行な１つの平面内で互いに平行に伸びる２辺を有する平面形状の共振子(２)と、該共振子(２)の前記２辺のそれぞれに対向して配置された２つの電極(30)(30)とを具えている。

又、該共振子(２)は、前記平面内で前記平面形状の２辺が互いに逆方向へずれるすべり振動が可能に支持されている。前記２つの電極(30)(30)は、前記共振子(２)との対向面が、前記共振子(２)の平面形状の２辺に沿って互いに逆方向にずれて、食い違い位置の２つのギャップ部を形成している。

ここで、共振子(２)に主電圧が印加されると共に、前記２つの電極(30)(30)へ高周波信号が入力されることにより、該共振子(２)と該２つの電極(30)(30)との間に形成される２つの該ギャップ部に交番静電気力を発生させて共振子(２)に振動を与える。これによって、該共振子(２)と前記２つの電極(30)(30)との間の静電容量の変化が高周波信号として出力される。

２つの電極(30)(30)に高周波信号が入力されることによって、主電圧が印加された共振子(２)と電極(30)との間に交番静電気力が発生し、該共振子(２)に、該共振子(２)の平面形状の２辺が互いに逆方向へずれる、所謂すべり振動が発生する。

この際、共振子(２)のすべり振動により、共振子(２)の側面と電極(30)との対向面の面積が、該共振子(２)と該電極(30)(30)との間に発生する交番静電気力に応じて変化する。共振子(２)の側面と電極(30)との対向面の面積の変化は共振子(２)と電極(30)との間の静電容量に応じて変化するため、該静電容量は該共振子(２)と該電極(30)(30)との間の交番静電気力に応じて変化する。

共振子(２)のすべり振動は本発明のマイクロメカニカル共振器の共振子(２)に特有の共振モードであり、その共振周波数は従来のマイクロメカニカル共振器に比べてより高い周波数帯域に属する。

具体的構成において、前記共振子(２)の平面形状は平行四辺形であって、前記２つの電極(30)(30)は、該平面形状の互いに平行な２辺の略全長に亘って伸びている。

前記２つの電極(30)(30)が、該平面形状の互いに平行な２辺の略全長に亘って伸びていることによって、共振子(２)と電極(30)との対向面の面積が大きくなるため、共振子(２)のすべり振動による静電容量の変化、即ち出力される高周波信号がより正確になる。

他の具体的構成において、前記２つの電極(30)(30)が高周波信号入力回路に接続されると共に、前記共振子(２)が高周波信号出力回路に接続されている。

更に他の具体的構成において、前記共振子(２)はシリコン或いは高ヤング率の導電性材料により形成されており、従来の水晶の共振子よりも高周波数領域の共振周波数を発生することが可能となっている。

本発明に係るマイクロメカニカル共振器によれば、従来のマイクロメカニカル共振器よりも高い周波数帯域の共振周波数を利用することが可能である。

以下、本発明の実施の形態につき、図面に沿って具体的に説明する。
＜実施例１＞
図１を用いて、本発明のマイクロメカニカル共振器(10)の実施の第１形態について説明する。
該マイクロメカニカル共振器(10)は、基板(７)上に、共振子(２)、支持ビーム(５)、アンカー(４)及び２つの電極(30)(30)を具えている。

共振子(２)は平行四辺形の平面形状を有し、例えば、該平面形状の厚さが１μｍであり、該平面形状が有する対向する２辺のうち、短辺の長さは４μｍ、長辺の長さは９μｍであり、且つ短辺と長辺とが交差する角は５５°である。又、該共振子(２)の材料には、例えばシリコン、アルミニウムなどの導電材料が用いられる。又、基板(７)の材料には、例えばシリコン或いはガラスが用いられる。

支持ビーム(５)は、共振子(２)の側面から突設されており、基板(７)と平行な平面内で、該支持ビーム(５)は該共振子(２)が前記平面形状の２辺が互いに逆方向へずれるすべり振動を可能に該共振子(２)を支持している。該支持ビーム(５)の材料には、例えばシリコン、アルミニウムなどの導電材料が用いられる。

２つのアンカー(４)(４)が基板(７)上に突設され、支持ビーム(５)の先端部が該アンカー(４)に接続されている。アンカー(４)は、共振子(２)及び支持ビーム(５)を基板(７)から僅かに浮上した位置に保持している。２つのアンカー(４)(４)の内の一方のアンカー(４)には主電圧電源(61)が接続され、直流電圧Ｖｐが印加される。他方のアンカー(４)には出力回路(62)が接続される。アンカー(４)の材料には、例えばシリコン、アルミニウムなどの導電材料が用いられる。

２つの電極(30)(30)は、共振子(２)の基板と平行な１つの平面内で互いに平行に伸びる２辺のそれぞれに対向して配置されている。又、該共振子(２)との対向面が該共振子(２)の平面形状の２辺に沿って互いに逆方向にずれて、食い違う位置に２つの所定のギャップ部(例えば０.５〜１μｍ)を形成している。該２つの電極(30)(30)の材料には、例えばシリコン、アルミニウムなどの導電材料が用いられる。該２つの電極(30)(30)には高周波信号入力回路(62)が接続される。

高周波信号入力回路(62)に設けられている高周波電源(60)は、所定の高周波信号である高周波電圧Ｖｉを、２つの電極(30)(30)に印加する。この際、２つの電極(30)(30)と共振子(２)との間に、該高周波信号の位相に応じた交番静電気力による引張力或いは圧縮力が生じる。

ここで、該２つの電極(30)(30)は基板(７)上に固定されているため、該交番静電気力によって、最大振幅発生時の共振子(２)の形状が図１中の二点鎖線のようになるすべり振動が発生する。該すべり振動では、共振子(２)の平面形状において、２つの電極(30)(30)と対向する２辺が互いに逆方向にずれる。

尚、２つの電極(30)(30)による引張力或いは圧縮力によって、共振子(２)には電極間方向での伸び縮みが生じるが、動作説明の簡略化のため、図ではこの伸び縮みは省略している。

共振子(２)のすべり振動によって、共振子(２)と電極(30)との対向面の面積は、該すべり振動の位相に応じて変化する。共振子(２)と電極(30)との間の静電容量は、共振子(２)と電極(30)との対向面の面積に比例するので、該静電容量は共振子(２)と電極(30)との対向面の面積の変化、即ち、該共振子(２)のすべり振動の共振周波数に応じて変化する。従って、該すべり振動の共振周波数は、アンカー(４)を介して、高周波成分を有する電流Ｉｏとして高周波信号出力回路(63)から外部に出力される。

＜第２実施例＞
図２を用いて、本発明の実施の第２形態を説明する。第２形態においては、２つの電極(31)(31)の長さが２つの電極(31)(31)と対向する共振子(２)の平面形状の互いに平行な２辺よりも短いこと以外は実施の第１形態と同一になっている。この場合においても、該共振子(２)のすべり振動によって、該共振子(２)は二点鎖線で示すように振動する。

該２つの電極(31)(31)の位置は、振動していない時に、対向する該平面形状の互いに平行な２辺での端部と２つの電極(31)(31)の端部とが、電極(31)の軸方向と垂直な方向から見てほぼ対向位置にあればよい。又、電極(31)の長さは、共振子(２)のすべり振動が可能な長さであればよい。

図２のマイクロメカニカル共振器(11)によっても、従来のマイクロメカニカル共振器よりも高い周波数帯域の共振周波数を利用することが可能となっている。

図３に本発明のマイクロメカニカル共振器が出力する高周波信号の周波数特性を示す。本発明のマイクロメカニカル共振器における共振子(２)のすべり振動による共振周波数はおよそ７８０ＭＨｚに現れている。共振子(２)のすべり振動による共振周波数は、その振幅が十分に大きいので、高周波数帯域の共振周波数として利用が可能となっている。

本発明のマイクロメカニカル共振器は、従来のマイクロメカニカル共振器よりも高い周波数帯域の共振周波数を利用することが可能である。本発明のマイクロメカニカル共振器は、例えばリモートキーレスエントリーシステムやスペクトラム拡散通信やソフトウェア無線などのＲＦ無線装置に有効である。

尚、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。例えば、共振子(２)の材料として、ヤング率の高い材料、例えばダイヤモンドなどを用いることによって、更に高い発振周波数を実現することも可能である。

又、本実施の形態では平行四辺形状の平板構造を具える共振子(２)を用いたが、共振子(２)の平面形状が基板と平行な１つの平面内で互いに平行に伸びる２辺を有する形状であればよい。例えば、該共振子(２)の平面形状において、２つの電極(30)(30)と対向しない２辺が、曲線或いは折れ線であってもよい。

第１実施例のマイクロメカニカル共振器の平面図である。第２実施例のマイクロメカニカル共振器の平面図である。本発明のマイクロメカニカル共振器が出力する高周波信号の周波数特性を表すグラフである。従来のマイクロメカニカル共振器の斜視図である。従来の他のマイクロメカニカル共振器の斜視図である。

符号の説明

(10)(11) マイクロメカニカル共振器
(２) 共振子
(30)(31) 電極
(４) アンカー
(５) 支持ビーム
(60) 高周波電源
(61) 主電圧電源
(62) 高周波信号入力回路
(63) 高周波信号出力回路
(７) 基板

Claims

基板(７)上に、基板(７)と平行な１つの平面内で互いに平行に伸びる２辺を有する平面形状の共振子(２)と、該共振子(２)の前記２辺のそれぞれに対向して配置された２つの電極(30)(30)とを具え、該共振子(２)は、前記平面内で前記平面形状の２辺が互いに逆方向へずれるすべり振動が可能に支持され、前記２つの電極(30)(30)は、前記共振子(２)との対向面が、前記共振子(２)の平面形状の２辺に沿って互いに逆方向にずれて、食い違い位置の２つのギャップ部を形成しており、該共振子(２)に主電圧を印加すると共に、前記２つの電極(30)(30)に高周波信号を入力することによって、該共振子(２)と該２つの電極(30)(30)との間に交番静電気力を発生させて共振子(２)に振動を与え、該共振子(２)と前記２つの電極(30)(30)との間の静電容量の変化を高周波信号として出力するマイクロメカニカル共振器。
前記共振子(２)の平面形状は平行四辺形であって、前記２つの電極(30)(30)は、該平面形状の互いに平行な２辺の略全長に亘って伸びている請求項１に記載のマイクロメカニカル共振器。
前記２つの電極(30)(30)が高周波信号入力回路(62)に接続されると共に、前記共振子(２)が高周波信号出力回路(63)に接続されている請求項１又は請求項２に記載のマイクロメカニカル共振器。