JP2008526079A

JP2008526079A - 電荷バイアス方式のｍｅｍ共振器

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Publication number: JP2008526079A
Application number: JP2007547775A
Authority: JP
Inventors: シュテネケンペーター; トマスマルティヌスファンベークヨゼフ
Original assignee: NXP BV
Current assignee: NXP BV
Priority date: 2004-12-22
Filing date: 2005-12-21
Publication date: 2008-07-17
Also published as: US20090057792A1; EP1831996A1; US8183946B2; CN101088216A; EP1831996B1; KR20070087213A; CN101088216B; WO2006067757A1; TW200640129A

Abstract

共振器は、振動素子（１０）と、少なくとも第１（２０）及び第２（３０）電極とを有し、電極の少なくとも一方は、装置に電荷をバイアスするために電荷を蓄積する。電荷調整器（Ｃ）は、蓄積される電荷を増減する。電荷調整器を、漏れを減少するためのコンデンサ又はスイッチによって結合された電源とすることができる。電荷調整器は、摩擦の問題を減少し、電力消費を減少し、非線形性を減少し、動作前に電荷レベルを調整することができる。第２のスイッチを用いて振動素子をグランドレベルにすることができる。

Description

本発明は、ＭＥＭ共振器、そのような共振器を組み込む装置及びそのような共振器を動作させる方法に関する。

微小電気機械（ＭＥＭ又はＭＥＭＳ）共振器が知られており、無線周波数における高いオンチップＱ値が注目されている。ＭＥＭ共振器は、電気信号をほとんど損失なく振動素子の機械的な振動に変換し、振動を電気信号に戻す。ＭＥＭ共振器は、入力信号が移動可能素子の共振周波数に近い場合のみ出力を生じる。ＭＥＭ共振器を、発振器、例えばＶＣＯに組み込むことができる狭帯域フィルタとして用いることができる。これまで、そのような機能を果たすために、しばしばＳＡＷフィルタや水晶共振器のような素子を用いていた。水晶共振器は、発振回路（例えば、コルピッツ発振器、ピアース発振器）の周波数選択素子として用いられてきた。しかしながら、水晶共振器は、最近のＩＣプロセスに適合する製造技術を用いて容易に集積することができない高価で大きい個別の素子である。したがって、ＭＥＭ共振器は、パッケージング／アッセンブリコスト及び素子数、インピーダンス整合の課題、及びＲＦアプリケーションのパフォーマンスに著しく悪影響を及ぼしうる寄生を減少することに関心がある。これによって、ＲＦ／アナログ／デジタル素子の全てを、通常RF system-on-a-chip(SoC)と称される単一の無線イネーブルチップに統合することができる。これは、例えばＮ型又はＰ型の単結晶半導体ウェファで最近のＣＭＯＳプロセスを用いることができる。振動素子及び電極として種々の共振器幾何学配置が知られており、それは、クランプされたビームの形態の振動素子、カンチレバー及びディスク、並びに複数の振動素子を有する配置を含む。

少なくとも二つの振動部材を具え、これらの振動部材が、振動周波数に関する波長に対して互いに近接するとともに位相の振動周期が互いに半波長ずれて振動し、すなわち、互いの動作を反映するように駆動されるＭＥＭ共振器が、米国特許出願第２００３／００５２７４２号から知られている。上記のように振動部材を駆動することによって、振動部材からダイへの音響エネルギーの漏れを抑制するとともに共振器のＱ値が向上する破壊的な妨害の影響が生じる。振動可能なプレートの形態の振動可能な部材は、ＣＭＯＳに基づくメモリの集積されたコンデンサを形成するのに用いられるのと同様なプロセスを用いてダイに一つ以上のトレンチを深堀り異方性エッチングすることによって形成される。

１００＋ＭＨｚ範囲で動作する高いＱ値の機械的な共振器が所定の制約を有することが国際公開第０３／０２３９５７号から知られている。また、これら高いＱ値の共振器の周波数の上限は、所定のアプリケーションの使用を制約するよう低くなっている。さらに、これら高いＱ値の共振器は、製造が困難であり、比較的容積が大きい。したがって、この文献は、共振器が、電荷蓄積部材、少なくとも一つの入力電極、少なくとも一つの出力電極及び少なくとも一つの共通電極を有することを示唆している。入力電極及び出力電極は、互いに離間し、部材の共通電極側とは反対の側に存在する。部材、入力電極及び出力電極のうちの少なくとも一つは、互いに移動可能である。製造中、蓄積される電荷を入れるために電子銃を用いて電子を部材に注入することができるが、電子注入を行うのに十分な電気的なバイアスを部材にかけたり、衝撃による注入(ballistic injection)や、分極や、高電界の注入のような電荷を部材に蓄積する他の技術を用いることもできる。誘電体で形成され又は荷電フローティング導体として形成された部材に電荷を蓄積するのに同一の技術を用いることができる。

向上した装置がいまだに必要とされている。

本発明の目的は、向上したＭＥＭ共振器、そのような共振器を組み込む装置並びにそのような共振器を形成し及び動作させる方法を提供することである。

第１の態様によれば、本発明は、
振動素子及び電極を具え、前記振動素子を入力信号に従って振動させ、前記振動にしたがって出力信号を発生し、前記電極と前記振動素子のうちの少なくとも一方が、使用の際に電荷を蓄積し、これによって、前記電極と前記振動素子のうちの少なくとも一方が、蓄積される電荷を増減する電荷調整器を具える共振器を提供することである。

共振器は、入力電極及び出力電極を有することができる。さらに、本発明は、共通電極を必要としない。

振動素子を接地導体とすることができ、入力電極をフローティング荷電導体とすることができる。入力電極を、適切なとき、例えば、製造中にニードルによってプリチャージするときに電荷を蓄積することができる。

上記配置によって、電荷の漏れに対して電荷の量を維持できるようにするのを助けることができる。また、基板に対する制止力が減少し、したがって摩擦の問題が減少するように電荷の量を減少することもできる。装置にバイアスをかけるために電源ではなく電荷の蓄積を用いることの利点は、消費電力を減少でき、高電圧の電源を必要とせず、振動素子の偏移に対する出力電流の線形性が更に向上することである。そのような非線形性の影響を減少することによって、Ｑ値が更に高くなり、更に狭帯域のフィルタリング特性となる。これは、電気的な非線形性が機械的な非線形性を上回る所定の動作条件で特に当てはまる。

本発明の他の態様によれば、前記電荷調整器が、電荷が蓄積される電極又は電荷が蓄積される振動素子に結合された蓄電部を具える。これは、漏れに対して電荷を維持する非常に簡単な方法である。蓄電部が、電極のみの場合に比べて著しく多くの電荷を蓄積できるので、ある程度の漏れは、蓄電部及び電極に残される電荷量にほとんど影響を及ぼさない。

他の態様によれば、前記電荷調整器が、電荷が蓄積される電極又は電荷が蓄積される振動素子に第１のスイッチにより結合された電源を具える。これを、蓄電部とともに又は蓄電部の代わりに用いることができる。いずれの場合でも、動作前に電荷レベルを調整することができる。

他の態様によれば、電荷が蓄積される電極又は電荷が蓄積される振動素子を入力又は出力電極とする。これによって、共通電極を有する場合又は振動素子に電荷を蓄積する場合とは逆に、電荷が蓄積された電極の利点の一部を引き出すことができ、消費電力を減少でき、高電圧の電源を必要とせず、振動素子の偏移に対する出力電流の線形性が更に向上し、同時に、電荷が蓄積された場合における振動素子の制止力の欠点を減少する。

他の態様によれば、電荷が蓄積された電極又は電荷が蓄積された素子を、振動素子の両側に配置する。これによって、装置特性の線形性を向上することができる。両側の電極は本発明に必須ではない。

他の態様によれば、前記蓄電部が、入力若しくは出力経路の又は電極からの減結合コンデンサを具える。

従属項の他の態様によれば、振動素子をアースに結合する。これによって、例えば、振動素子を、二つの電極の一つのギャップ配置の出力電極として用いることができ、又は一方若しくは両方の側の電荷が蓄積された電極とともに用いることができる。

本発明の他の態様によれば、振動素子をスイッチ通じてアースに結合する。これによって、振動素子の電荷を動作前又は常に減少することができる。スイッチを用いる他の利点は、スイッチによって漏れを小さくできることである。また、スイッチのない代案が更に簡単になるとしても、出力が幾分非線形的になる。

他の態様によれば、前記振動素子を、電荷が蓄積される電極又は電荷が蓄積される振動素子に組み入れる。これによって、一つのギャップを有する二つの電極が可能になる。

他の態様によれば、第２の電荷が蓄積される電極を有する。

他の態様によれば、前記第２の電荷が蓄積される電極が、逆の極性の電荷が蓄積される。これによって、振動素子の直列インピーダンスを減少することができる。

他の態様によれば、前記共振器をプリチャージするために前記第１及び／又は第２のスイッチを閉にするとともに動作中に前記第１及び／又は第２のスイッチを開にするように制御するコントローラを有する。動作中に第１のスイッチ及び／又は第２のスイッチを閉にするよう制御するコントローラも可能であり、これによって、装置は電圧バイアス方式の装置として動作することができる。

他の態様によれば、第１及び／又は第２のスイッチがＭＥＭスイッチを具える。

本発明の他の態様は、共振器を動作させる方法及び共振器を具える集積回路を含む。

他の態様を組み合わせることができる。状来技術に対する他の利点は当業者に明らかである。種々の変更及び変形は、特許請求の範囲を逸脱することなく可能である。したがって、本発明の形態は図示的であり、特許請求の範囲を限定するものではない。

本発明を、添付図面を参照しながら例示して説明する。

本発明を、特定の実施の形態について所定の図面を参照して説明するが、本発明は、それに限定されるものではなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。図面は線形的であり、制限を課すものではない。図面中、図示のために素子の一部のサイズを誇張し、寸法通りに描かない。用語「具え」を本明細書及び特許請求の範囲で用いる場合、他の素子又はステップを除外しない。特定され又は特定されない物品を用いる場合、特に説明しない限り複数も含む。

特許請求の範囲で用いられる用語「具え」を、後に挙げる手段を限定するものと解釈してはならず、それは他の素子又はステップを除外するものではない。したがって、表現「手段Ａ及び手段Ｂを具える装置」は、構成要素Ａ及び構成要素Ｂのみからなる装置に限定されるものではない。それは、本発明に関連すれば装置の関連の構成要素がＡ及びＢであることを意味する。

また、明細書及び特許請求の範囲の用語「第１」、「第２」、「第３」等は、同様の素子を区別するために用いられ、連続する又は時系列の順序を表す必要はない。そのように用いられる用語は適切な状況下で置き換えることができ、ここで説明する本発明の実施の形態は、ここで説明する順序以外の順序で動作を行うことができる。

さらに、明細書及び特許請求の範囲の用語「上」、「下」等は、表記的に用いられており、相対位置を記載する必要はない。そのように用いられる用語は適切な状況下で置き換えることができ、ここで説明する本発明の実施の形態は、ここで記載し又は図示する配置以外の配置で動作することができる。

図１は、従来の電圧バイアス方式のＭＥＭＳ共振器を示す。振動素子１０は二つの電極２０，３０間に挟まれる。正方形３，５は、振動素子が例えば基板に固定されるアンカーを表す。共振器は、基板に取り付けられ又は基板の一部となる。

共振器は、ギャップ９に高電界を加えるために電極２０，３０に高い直流電圧を印加する高圧電源８を必要とする。交流電源Ｖｉｎを入力７として示し、出力４は、振動素子１０によって生じた電量Ｉｏｕｔ（６）に関して測定される。

図２は、本発明による電荷バイアス方式の共振器の第１の実施の形態を線形的に示す。共振器は、半導体基板のような基板に取り付けられ又は基板の一部となる。既に説明したように、正方形３，５は、振動素子が例えば基板に固定されるアンカーを表す。既に説明したように、明らかに、振動素子及びそのアンカーに対して他の幾何学配置が考えられ、本発明を特定の幾何学配置に限定することを意図しない。図１と比較すると、この配置は、一定電圧ではなく一定の電荷によって共振器にバイアスをかける点で異なる。したがって、ビーム１０は、使用中に直流電源に接続されない。この方法の利点は、共振器が個別の直流高圧電源８を必要とせず、例えば製造中に一度バイアスがかけられると、バイアス、したがって、共振器の周波数が動作中に直流電源のレベルの振動の影響を受けないことである。これによって、共振周波数のチューニングを更に正確に行うことができる。

同一のバイアス電圧が用いられる場合、電荷バイアス方式の共振器の直列抵抗は、少なくとも電圧バイアス方式の共振器にほぼ等しくなる。共振器ビーム１０と左側の電極との間のギャップ９はｇ＋ｘとなり、共振器ビーム１０と右側の電極との間のギャップ９’はｇ−ｘとなる（ｘを釣合からの偏移とする。）。スイッチが閉になると電荷Ｑｄｃ＝Ｖｄｃ２Ａε_０／ｇとなる。バイアス電荷が加えられると交流電圧Ｖｉｎ＝０となる。他の実施の形態では、以前では蓄積電荷が例えば電子銃によって製造中にのみ注入されるのに対して、この場合には、蓄積電荷を増減する電荷調整器を、スイッチ１１により結合された電源８の形態で設ける。スイッチ１１が設けられているので、プリチャージを繰り返すことができる。動作前に、共振器がプリチャージされ、例えば、スイッチ１１が閉になり、Ｖｉｎ＝０Ｖとなる。動作中、スイッチ１１が開になる。理想的には電荷の漏れがないが、実際には幾分漏れがある。したがって、電荷をリフレッシュするためにスイッチ１１を一時的に閉にすることができる。これを、スイッチオンやシステムの初期化のように外部で行うことができ、場合によっては、メンテナンスを行うときや誤りが検出されたときに行うことができる。

図２に示すように振動素子１０に電荷を加えることによって共振器に電荷のバイアスをかけることは、一つの不都合を有する。多量の電荷が自由なビーム１０に蓄積されると、力が基板と自由なビーム１０との間に及ぼされる。この影響によって歪みが生じ、最終的には共振器が引き下ろされて摩擦が生じる。したがって、他の実施の形態において、振動素子１０はグランド電位に保持される。図３の実施の形態において、素子１０の両側の電極をそれぞれ入力電極２０及び出力電極３０とし、これらの電極は、電荷を蓄積するとともに共振器に電荷のバイアスをかけるのに用いられる。第１のスイッチ１１；１１’によって結合される電源８；８’の形態の電荷調整器を、各電極２０，３０に対して個別に設ける。例えば入力及び出力における回路の他の部分に高い充電電圧が及ぶのを防止するために減結合コンデンサＣが設けられる。減結合コンデンサＣはそれぞれ蓄電部として作用することができるが、このために他のコンデンサを設けることもできる。

振動素子１０の電位は、第２のスイッチ１５を通じて（グランド電位と仮定される）基板又はグランド電極に結合することによって低く保たれる。動作前に、共振器はプリチャージされ、全てのスイッチ８，８’；１５が閉になる。動作中、全てのスイッチ８，８’；１５が開になる。図３の共振器の動作は、二つの直列の減結合キャパシタＣの効果を除いて図２と同一であるとみることができる。Ｃの容量が無限であるという条件の下では、両方のチャージバイアス方式の共振器は同一の直列インピーダンスを有するが、図３の共振器は、基板に向かう制止力の悪影響が及ぼされない。

蓄電部を用いる他の利点は、小さいリーク電流の影響を減少するバッファとして蓄電部を用いることができることである。キャパシタＣが（Ａε_０／ｇの容量しか有しない）共振器それ自体に比べて著しく多くの電荷を蓄積できるので、減結合コンデンサに蓄積される電荷の量を著しく大きくすることができる。したがって、リーク電流は、図３の共振器に対する影響に比べて図１又は２の共振器に対する影響が大きくなる。

図２及び３の配置の注目すべき利点は、機械的な原因で幾分非線形性を有するとしても電気的な部分の線形的な応答である。電荷バイアス方式の共振器は、電圧バイアス方式の装置よりも更に線形的である。とくに、電圧バイアス方式の場合には三つの非線形のソースが存在する。駆動力は（Ｖｄｃ＋Ｖｉｎ）の２乗に比例する。第２に、力は（ｇ＋ｘ）の２乗に反比例する。第３の出力電流は偏移に対して線形的でない。それに対して、電荷バイアス方式の装置では、Ｉｏｕｔ＝ｃ（ω）＊Ｖｉｎであり、この場合、ｃはＶｉｎに依存しない。したがって、機械的な非線形性だけが残る。蓄電部を有する電荷バイアスの他の実現も可能であるが、これらの一部は線形性の同一の利点を有しない。図４〜７に例を示す。図４及び６の共振器は、一つのギャップしか必要とせず、これによって、更に簡単かつコンパクトな構成にすることができる。

図４は、一つのギャップ９を有する電荷バイアス方式の共振器を示す。図３と比較すると、出力電極３０が取り除かれ、振動素子１０が出力電極として用いられる。振動素子１０は、減結合コンデンサＣを通じて出力部に結合される。振動素子１０の電位は、既に説明したようにスイッチ１５を用いてグランド電位に予め設定される。

図５は、第２のスイッチ１５を必要とすることなくグランド電位に固定された振動素子１０を有する電荷バイアス方式の共振器を示す。これは、図３の実施の形態に類似するが、幾分単純になっている。この形態は、図３に比べて幾分非線形性を示す。それにもかかわらず、プリチャージ後には直流電源を必要としない。

図６は、ギャップ９を有する電荷バイアス方式の共振器の実施の形態を示す。これは、図４の実施の形態に類似するが、振動素子１０をグランドに予め設定する第２のスイッチ１５が存在しない。したがって、出力側に減結合キャパシタＣも必要としない。

図７は、一つのギャップ９を有する図４の実施の形態と同様な実施の形態を示すが、この場合、出力電極として用いられる振動素子１０は、スイッチ１１’を通じて結合された電源８’を用いてプリチャージされる。振動素子１０は、電源８及びスイッチ１１によりギャップ９の他方の側の他方の電極２０のチャージングと逆の極性にチャージされる。図７の共振器の直列インピーダンスは、（ｇ＞＞ｘ及びＶｄｃ＞＞Ｖｉｎの場合には同一の直列インピーダンスを有する）図１〜６の共振器の直列インピーダンスの１／４となる。このような減少は、（全てのスイッチが閉である）電圧バイアス方式の共振器に対しても生じる。図７の形態の不都合は、基板と共振器との間に制止力が広がることである（共振器は高電位になる。）。

電荷バイアス方式の共振器に電荷を加えるために切替方式の電源を用いる代わりに、製造中にニードル又はプローブを用いて共振器又は蓄電部に電荷を加える。ニードルを取り除くことができ、電荷の漏れが十分小さい場合、電荷は蓄電部に留まる。電荷の漏れが非常に大きい場合、代案として、電荷を蓄積するために時々共振器又は蓄電部を電源に接続するスイッチを用いることができる。ＭＥＭＳ技術を用いたスイッチの例を図８及び９に示す。図８において、黒い領域は導電電極である。これらの図は、電気的なＭＥＭＳスイッチの二つの線形図及びスイッチを振動素子又は共振器の電極に接続する方法を示す。図８は、スイッチが二つの駆動電極１８，１９を有することを示し、付勢ばね力ｋを克服するために、駆動電圧を印加することによりこれらの電極に対して互いに力を加えることができる。これによって、１対のスイッチコンタクト１３；１４，１５が閉になる。一方のスイッチコンタクト１４をＶｄｃ電源に結合することができ、他方のスイッチコンタクト１３を、共振器又は充電部Ｒ、例えば、上記配置により所望に応じた振動素子又は電極に結合することができる。電極１３，１８は、絶縁担体Ｃに装着される。スイッチが閉になると、充電電圧及び共振器／蓄電部との間に電気的な接続が形成される。図９は、スイッチのあり得る構造の３次元的な図を示し、この場合、ＧＣを電気コンタクトとし、Ｒを共振器とし、ＨＶＤｃを、充電用の高電圧接続部とする。他の幾何学的配置も可能である。ＭＥＭＳスイッチは、典型的には設計に応じて２〜３００Ｖの間で電圧の切替を行う。典型的な値は４０Ｖである。ＭＥＭＳスイッチが非常に小さいリーク電流を有するので、ＭＥＭＳスイッチは、共振器を充電するのに非常に適している。

通常のＦＥＴやＤＭＯＳトランジスタのようなトランジスタをスイッチに用いることができるが、多くのアプリケーションに対して、リーク電流が非常に大きくなる。他の例を、共振器をフローティングゲート電極に接続するフラッシュ、ＯＴＰ又はＥＰＲＯＭの不揮発性メモリトランジスタとする。ＣＨＥＩ（チャネルホットエレクトロン注入）又はFowler Nordheim型トンネル現象（ＦＮ）によって電子の注入を行うことができる。図１０は、典型的な不揮発性メモリトランジスタの線形図を示す。このトランジスタは、基板２７、ソース２３、ドレイン２５、誘電層２２、フローティングゲート２４及び制御ゲート２１を有する。典型的な値がソース＝０Ｖ、ドレイン＝５Ｖ及び制御ゲート＝１０Ｖである電圧を引火することによって電荷をフローティングゲート２４に注入することができる。基板とフローティングゲートとの間の誘電体の典型的な厚さは１０ｎｍである。フローティングゲートの典型的な電荷の保持時間は非常に長くなることがある。例えば、４Ｖの電位を有する１０ｎｍのＳｉＯ_２ゲート酸化膜は、電荷の１０％が漏れるまで１０^２０年を要する（G. Iannaccone and S. Gennai, Proc. 7^th Int. Workshop on Computational electronics, Glasgow 200, p. 153, ISBN/ISSn 0-85261-704-6参照）。不揮発性トランジスタの一般的な情報については、
http://www-ee.eng.hawaii.edu/~msmith/ASICs/HTML/Book2/CH04/CH04.3htm参照。

他の可能性は、真空管、例えばＭＥＭＳ３極管である。ＭＥＭＳ真空３極管の例としては、Applied Physics Letters-May 20, 2002-Volume 80, Issue 20, pp. 3820-3822参照。共振器又は蓄電部を３極管のアノードに接続することができる。他の可能性は、電荷を加えた後にヒューズを溶融することによる（ＭＥＭＳ）ヒューズの使用である。この方法によって、電荷を後にリフレッシュすることができない。最後に、他の代案は、例えばエレクトレットが充電されるのと同様なコロナ放電を用いることである。

共振器構造の製造方法の一例を、図１２を参照して簡潔に説明する。

図１２Ａにおいて、ＳＯＩウェファは、Ｐドープシリコン層（ｐＳｉ）、絶縁性のシリコン酸化膜（ＳＤ）及びシリコン基板（Ｓｉ）を具え、アルミニウム金属層（ＭＥＴ）がウェファ上にスパッタリングにより堆積される。この層は、３μΩ．ｃｍの低効率を有することができる。金属層は、通常のリソグラフィック技術によりパターニングされる。図１２Ｂに示すように、リソグラフィックレジストマスク（ＴＲＥ）が設けられ、例えばエッチストップとしてのＳｉＯ_２層に到達するまで上側シリコン層への二つ以上のディープトレンチのエッチングに従ってパターニングされる。図１２Ｃに示すように、レジストが除去される。図１２Ｄに示すように、ＳｉＯ_２は、例えばバッファオキサイドエッチャント(
buffered oxide etchant: BOE)を用いて、トレンチへのアクセスを通じたエッチングを選択的に行う。これによって、シリコンに固定されるとともに電極として作用することができるシリコン半導体の二つのエッジ面間で吊るされた共振器ビームを取り除く。

共振器構造の実現例は、従来のＭＥＭ共振器構造を用いることができ、一例を、”Sensor and Actuators”, A 97-98(2002),pp.497-502からのＳＥＭ画像を示す１１に図示する。これは、両端が固定されたビーム共振器Ｒの形態の振動素子を示す。電極Ｅ，Ｆは各側を示す。本例では、電極のアンカーサポート及び外側部分がメタライズされる。寸法を設定することによって、１４ＭＨｚ周辺での動作に適するようになる。電荷バイアス方式の共振器として装置を動作させるために、装置を、既に説明したように種々の方法で接続する必要がある。１ギャップの共振器の実現例に対して、IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, VOL.25, NO.4, APRIL 2004, p.173及び“Sensors and Actuators”, A 101(2002), pp.1-9の共振器を参照。３０Ｖの充電電圧を用いるとともにリークを防止するために特別な予防措置を用いない典型的な実現例において、電荷は、数時間共振器に存在する傾向にある。振動素子を導電性にすることができ、又は振動素子を絶縁体とすることができる。振動素子を、帯電した絶縁体とするとき、（マイクロホンとして用いられるような）３極管を有するといえる。

電荷が漏れないような対策をとる場合、（非常に高い電圧を発生する）チャージポンプ／ＤＣ−ＤＣコンバータを取り除くことができ、回路が非常に簡単／廉価になる。電荷を、例えば（電子銃／プローブニードル等を用いて）製造中に振動素子に加えることができる。これは、本発明の一実施の形態である。電荷が漏れる場合、電荷ポンプ／ＤＣ−ＤＣコンバータを時々アクティブにすればよい状況が存在し、これは、省電力のためにも有効である。これは、本発明の他の実施の形態である。他の蓄電キャパシタが種々の状況で可能である。既に説明したように、電荷が振動素子又は電極から漏れるとき、これらキャパシタからの電荷が、漏れた電荷を充填（したがって補償）する。基本的には、三つの主要なオプション：１）電極に結合された追加のキャパシタ２）振動素子に結合された追加のキャパシタ３）電極及び振動素子に結合された追加のキャパシタが存在する。

電荷の漏れは、共振器を真空パッケージにパッケージングすることによって防止／減少することができる。これは、十分高いＱ値を許容する利点を有する。

これらＭＥＭＳ共振器の用途及び使用は、（周波数基準信号用の）発振器、又は、ＳＡＷ／ＢＡＷフィルタのあらゆる用途を含む集積回路のフィルタを含む。

要約すると、電荷バイアス方式の共振器の主な利点の一つは、動作中に直流電源が不要であることである。したがって、共振器は、動作前にプリチャージするだけでよい。電荷漏れを防止できる場合、共振周波数を同時に正確な値に調整できるよう製造中にプリチャージするだけでよい。直流電源が存在しない場合、共振器のエネルギー消費が零になる。したがって、電荷バイアス方式の共振器を、（水晶振動子のような）純粋な受動素子と考えることができる。

電荷のバイアスは、他の利点、すなわち、条件Ｖｄｃ＞＞Ｖｉｎ及びｇ＞＞ｘを満足しない場合でも共振器が全てのイベントで線形になるという利点を有する。したがって、電気的な非線形性が除外され、機械的な非線形性だけが残る。これによって、設計を簡単にし又はＱ値を増大する。特に、バイアスを振動素子それ自体で実行する必要がなく、外部の蓄電部を用いて電極に対してバイアスを行うことができることは、明らかである。一部の利点は以下の通りである。
（零電位の）基板と共振器との間に力が作用せず、したがって、摩擦が生じる可能性を減少する。
蓄電部が電荷バッファとしての役割を果たし、これによって、共振器の動作へのリーク電流の影響が大幅に減少し、したがって、共振器の機能寿命が大幅に増大する。
漏れのない装置を簡単に実現することができる。

実現の一部を、（全てのスイッチを閉に保持することによって）電圧バイアス方式の共振器として操作することもできる。

従来の共振器を示す。本発明の実施の形態による共振器を示す。本発明の実施の形態による共振器を示す。本発明の実施の形態による共振器を示す。本発明の実施の形態による共振器を示す。本発明の実施の形態による共振器を示す。本発明の実施の形態による共振器を示す。実施の形態で用いられるＭＥＭＳスイッチの例を示す。実施の形態で用いられるＭＥＭＳスイッチの例を示す。スイッチとして用いられるフローティングゲート装置の例を示す。実施の形態で用いられる共振器構造の例を示す。

Claims

振動素子及び電極を具え、前記振動素子を入力信号に従って振動させ、前記振動にしたがって出力信号を発生し、前記電極と前記振動素子のうちの少なくとも一方が、使用の際に電荷を蓄積し、これによって、前記電極と前記振動素子のうちの少なくとも一方が、蓄積される電荷を増減する電荷調整器を具える共振器。
請求項１記載の共振器において、前記電荷調整器が、電荷が蓄積される電極又は電荷が蓄積される振動素子に結合された蓄電部を具えることを特徴とする共振器。
請求項１又は２記載の共振器において、前記電荷調整器が、電荷が蓄積される電極又は電荷が蓄積される振動素子に第１のスイッチにより結合された電源を具えることを特徴とする共振器。
請求項１から３のうちのいずれか１項に記載の共振器において、電荷が蓄積される電極又は電荷が蓄積される振動素子を入力又は出力電極としたことを特徴とする共振器。
請求項２に従属する請求項３又は４記載の共振器において、前記蓄電部が、入力若しくは出力経路の又は電極からの減結合コンデンサを具えることを特徴とする共振器。
請求項１から５のうちのいずれか１項に記載の共振器において、前記振動素子を、基板又はグランド電極に電気的に結合したことを特徴とする共振器。
請求項６記載の共振器において、前記振動素子を、第２のスイッチを通じて基板又はグランドに結合したことを特徴とする共振器。
請求項１から７のうちのいずれか１項に記載の共振器において、前記振動素子を、電荷が蓄積される電極又は電荷が蓄積される振動素子に組み入れることを特徴とする共振器。
請求項１から８のうちのいずれか１項に記載の共振器において、第２の電荷が蓄積される電極を有することを特徴とする共振器。
請求項１から９のうちのいずれか１項に記載の共振器において、前記振動素子の両側に配置される電荷が蓄積される電極を有することを特徴とする共振器。
請求項９又は１０記載の共振器において、前記第２の電荷が蓄積される電極が、逆の極性の電荷が蓄積されることを特徴とする共振器。
請求項３に従属する請求項４から１１のうちのいずれか１項に記載の共振器において、前記共振器をプリチャージするために前記第１のスイッチを閉にするとともに動作中に前記第１のスイッチを開にするように制御するコントローラを有することを特徴とする共振器。
請求項７に従属する請求項８から１２のうちのいずれか１項に記載の共振器において、前記共振器をプリチャージするために前記第１のスイッチを閉にするとともに動作中に前記第１のスイッチを開にするように制御するコントローラを有することを特徴とする共振器。
請求項３に従属する請求項４から１３のうちのいずれか１項に記載の共振器において、動作中に前記第１及び／又は第２のスイッチを閉にするように制御するコントローラを有することを特徴とする共振器。
請求項３に従属する請求項４から１４のうちのいずれか１項に記載の共振器において、前記第１のスイッチがＭＥＭスイッチを具えることを特徴とする共振器。
請求項７に従属する請求項８から１５のうちのいずれか１項に記載の共振器において、前記第２のスイッチがＭＥＭスイッチを具えることを特徴とする共振器。
請求項１から１６のうちのいずれか１項に記載の共振器を具える集積回路。
請求項３に従属する請求項４から１６のうちのいずれか１項に記載の共振器を作動させる方法であって、前記電荷が蓄積される電極をプリチャージするよう前記第１のスイッチを制御するステップを有することを特徴とする方法。
請求項３に従属する請求項４から１６のうちのいずれか１項に記載の共振器を作動させる方法であって、前記共振器が電圧バイアス方式の装置として動作するよう前記第１のスイッチを制御するステップを有することを特徴とする方法。