JP2009065602A - 振動子デバイス及び発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】 周囲の温度が変化しても共振周波数が変化しない振動子デバイスを提供する。
【解決手段】 振動子デバイス９０１の振動子２０１が二種類の材質からなる両端支持梁構造であり、一方の材質で互いに対向する二本の片持ち梁２２０，２２１を形成し、他方の材質で二本の片持ち梁２２０，２２１の自由端同士を連結することにより、一本の両端支持梁構造とした。
【選択図】 図２

Description

本発明は振動子デバイスの構造に係り、特に、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）と呼ばれる半導体製造技術を用いて作製された微小な素子を構成する場合に好適な振動子デバイスの構造に関する。

振動子デバイスは、振動子の振動特性によって基準信号を生成する発振器や所望帯域の電気信号を排除するためのフィルタ（例えば、バンドパスフィルタやローパスフィルタなど）等に、一般的に利用されている。

近年、これまで主に使用されてきた水晶振動子や圧電セラミックス等の誘電体を使用した振動子・共振子とは異なる新たな種類の振動子が種々提案されるようになってきた。そのうちの一つに、半導体製造技術を応用したＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）技術を利用して形成した小型のＭＥＭＳ振動子があげられる。

ＭＥＭＳ振動子は、半導体製造技術を応用して微細加工したシリコンにより構成される。その製法としては、三層から構成されるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板の表層である活性層をエッチング等で加工することによって形成する方法、シリコン基板上に酸化膜や多結晶シリコンなどの薄膜を形成し、この薄膜をエッチング加工することによって形成する方法等が一般的である。このようにして形成されたＭＥＭＳ振動子は、ＭＥＭＳアクチュエータと同様の電気機械的な原理、例えば、静電駆動、電磁駆動、熱駆動などによって駆動される。

従来のＭＥＭＳ振動子の代表例としては、基板面方向に振動する櫛歯型（Ｃｏｍｂ型）振動子と、基板厚さ方向もしくは基板面方向に振動するビーム型（梁型）振動子とがある。ビーム型振動子としては、基板上に下部電極を形成し、この下部電極の上方に間隔を有して配置され、下部電極を跨ぐように両端が固定された帯状の上部電極を有するものが以下の特許文献１などに開示されている。また、基板上に設けられた固定電極に対向する可動電極を設け、可動電極のうち固定電極と対向する被動部の左右を支持梁部で支持した構成が非特許文献１等に開示されている。

上記のビーム型振動子の駆動方法は、可動状態で支持された可動電極と、この可動電極に対向配置された固定電極との間に電位差を与えることにより電界を形成し、これによって発生する静電吸引力によって駆動する静電駆動方式が多い。すなわち、可動電極と固定電極の間に駆動信号（交流電圧）を与えることによって生ずる静電吸引力の変化によって可動電極を振動させるようにしている。この場合、可動電極の材質、形状・寸法、支持構造などによって所定の固有振動数（共振周波数）を決定できる。
特開平７−３３３０７７号公報 K.Wang, A.C.Wong, and Clark T.C.Nguyen "VHF Free-Free Beam High-Q Micromechanical Resonators" Journal of Microelectromechanical Systems, Vol.9, No.3, September 2000

しかしながら、ＭＥＭＳ振動子の周辺温度が変化すると、熱膨張により振動子の寸法が変化し、また振動子の密度やヤング率も変動する。これらの変化は振動子の共振周波数に変化を生じる。ＭＥＭＳ振動子は発振器等への応用を目的としており、数十ｐｐｍ／°Ｃの温度特性では実用上不都合が生じることになる。

本発明では、上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、振動子周辺の温度変化があっても、振動子の共振周波数が変動しない振動子デバイスを提供することである。

本発明に係る振動子デバイスは、機械的に振動するように設けられた振動子と、前記振動子の近傍に配置され、前記振動子との間で電界を介して相互に作用する励振用電極と、前記振動子を挟んで前記励振用電極と反対側に設置され、前記振動子との電界の変化を出力する検出用電極と、前記励振用電極に電気的に接続され、前記振動子の共振周波数で発振して発振信号を出力する発振回路とを備えた振動子デバイスであって、前記振動子が二種類の材質からなる両端支持梁構造であり、前記振動子の一方の材質で互いに対向する二本の一端支持他端自由の梁を形成し、他方の材質で前記二本の一端支持他端自由の梁の自由端同士を連結し、一本の両端支持梁構造としたことを特徴とする。

上記の構成によれば、振動子は二種類の材質によって構成されるため、各々の材質の熱膨張が異なり、周囲の温度によって振動子内部に応力が発生する。この応力は振動子の共振周波数に変化させるため、周囲の温度によって変化するはずの振動子の共振周波数を一定にすることができる。また、一方の材質からなる二本の一端支持他端自由の梁の自由端同士を他方の材質で連結して一本の両端支持梁構造としたことにより、振動子の長手方向に対し、発生する応力分布を制御できるため、容易に振動子の共振周波数を一定に制御することができる。

また、本発明に係る振動子デバイスは、前記振動子の一方の材質がシリコンであり、他方の材質がポリシリコンもしくはケイ素化合物であることを特徴とする。

上記の構成によれば、ＭＥＭＳ技術を用いて、シリコンの表面にポリシリコンやケイ素化合物を生成できる。別の材質の構造を接合・接着する工程が不要であるため、容易に振動子を構成できる。

また、本発明に係る発振器は、本発明の振動子デバイスと、前記振動子に直流電圧を印加する直流電圧印加部とを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、各々異なる残留応力を与えた二種類の材質で振動子を構成し、残留応力及びヤング率の変化による共振周波数の変化で、振動子周囲の温度による共振周波数の変化を抑制する振動子デバイスを提供できる。

本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る発振器１０００の構成を説明するブロック図である。発振器１０００は、振動子ブロック１００、直流バイアス電圧印加回路１０１、出力用発振回路１０２から構成される。

振動子ブロック１００は、直流バイアス電圧印加回路１０１に接続される。また、振動子ブロック１００は出力用発振回路１０２に接続される。なお、振動子ブロック１００と出力用発振回路１０２とで振動子デバイス９０１を構成する。

次に、発振器１０００の動作を説明する。

まず、直流バイアス電圧印加回路１０１は、振動子ブロック１００に直流バイアス電圧を印加して静電力により駆動できる状態にする。次に、出力用発振回路１０２は、振動子ブロック１００の共振周波数で発振して出力用発振信号を出力する。

上記の様に本発振器１０００は、振動子ブロック１００の共振周波数と同じ周波数の信号を発振信号として出力するものである。

次に、振動子ブロック１００の構成を説明する。図２（ａ）は、振動子ブロック１００の構成図、図２（ｂ）は図２（ａ）中の切断線Ａ−Ａ’での断面図である。

図２（ａ）に示すように、振動子ブロック１００は、振動子２０１、直流バイアス用振動子電極パッド２０２、２０３、励振用電極パッド２０４、励振用電極２０５、検出用電極パッド２０６、検出用電極２０７、支持層２１０、絶縁層２１１〜２１４、固定部２１５、２１６から構成される。

振動子２０１は、支持層２１０の上面に絶縁層２１１、２１２を介して固定された固定部２１５、２１６に固定されている。

振動子２０１は固定部２１５、２１６と同じ高さに設けられており、振動子２０１と支持層２１０の間には絶縁層が存在せず空隙となっている。これにより、振動子２０１は、機械的に振動し得る。さらに、振動子２０１は、図２（ｂ）に示すように、絶縁層２１１、２１２に支持された片持ち梁２２０、２２１と、この片持ち梁２２０、２２１を覆い、これらを連結する被覆材２２２から形成されている。つまり、片持ち梁２２０、２２１は互いに対向する二本の一端支持他端自由の梁を形成しており、これら片持ち梁２２０、２２１の自由端同士が被覆材２２２で連結されている。これにより、一本の両端支持梁構造の振動子２０１が構成されている。

また、直流バイアス用振動子電極パッド２０２、２０３は、それぞれ固定部２１５、２１６の上に設けられており、片持ち梁２２０、２２１とそれぞれ電気的に接続されている。

また、励振用電極２０５は、支持層２１０の上面に絶縁層２１３を介して固定されている。励振用電極パッド２０４は、励振用電極２０５の上に設けられており、励振用電極２０５に電気的に接続されている。

また、検出用電極２０７は、支持層２１０の上面に絶縁層２１４を介して固定されている。検出用電極パッド２０６は、検出用電極２０７の上に設けられており、検出用電極２０７に電気的に接続されている。

次に、図４を用いて、振動子ブロック１００の製造方法について説明する。図４は、この実施の形態の振動子デバイスの各製造工程を、図２における切断線Ａ−Ａ’での断面図に基づいて示している。

まず、図４（ａ）に示すように、所定の外形をなすＳＯＩ基板を準備する。ここで、使用されるＳＯＩ基板は、支持層２１０、ＢＯＸ層４０２、活性層４０１から構成される。ここで、各層の厚さは、例えば、支持層２１０が５００μｍ、ＢＯＸ層４０２が１０μｍ、活性層が１０μｍ程度である。

次に、図４（ｂ）に示すように、振動子の原型を形成する。すなわち、エッチングによって、ＳＯＩ基板の上面から振動子の中央部分を除く振動子となる領域（図中、振動子原型２２０’と２２１’）を残して、活性層４０１を取り除く。なお、エッチング方法としては、精度良く所定の深さに形成可能なドライエッチングが好ましい。

次に、図４（ｃ）に示すように、振動子原型２２０’、２２１’下部のギャップを形成する。すなわち、エッチングによって、振動子原型２２０’、２２１’下部のうち、絶縁層２１１、２１２を残してＢＯＸ層４０２を取り除く。これにより、振動子原型２２０’、２２１’は片持ち梁構造となる。

次に図４（ｄ）に示すように、振動子２０１を形成する。すなわち、熱酸化によって、振動子原型２２０’、２２１’の表面に酸化膜を形成する。このとき、振動子原型２２０’、２２１’の空隙は酸化ケイ素膜の成長により結合して、１本の振動子２０１となる。ここで、例えば、酸化ケイ素の厚さは０．４〜１μｍ、振動子２０１の幅と厚さは４〜１０μｍ、振動子の長さは８０〜２００μｍ程度である。なお、ここで熱酸化工程を説明したが、窒化工程やＣＶＤ工程により、振動子原型２２０、２２１表面に窒化ケイ素膜もしくはポリシリコン膜を形成することも可能である。

次に、図４（ｅ）に示すように、電極を形成するために、酸化ケイ素膜にスルーホールを形成する。すなわち、エッチングによって、絶縁層２１１、２１２上部の固定部２１５、２１６上面に形成された酸化ケイ素膜を除去する。

次に、図４（ｆ）に示すように、電極２０２、２０３を形成する。すなわち、図４（ｅ）で形成したスルーホール内に金属膜を成膜する。具体的には、スパッタリングや蒸着などが選択され、パターニングを行うことで形成される。

そして、図示しないワイヤボンディングなどを用いてそれぞれのパッドが外部回路に電気的に接続される。

なお、絶縁層２１１、２１２が、支持層２１０と片持ち梁２２０、２２１とをそれぞれ電気的に絶縁すると共に振動子２０１を構造的に固定している。このような構成により、振動子２０１は固定部２１５，２１６を支点として振動する事が可能となる。

また、支持層２１０は半導体（シリコン）基板であり、振動子２０１を機械的に固定すると共に接地電極としても機能する。

以上のような製造工程を経ることで、振動子ブロック１００を製造することができる。

次に、図３を用いて振動子ブロック１００の動作原理を説明する。

図３に示すように、振動子２０１は空隙を有する電極間の静電容量素子を含んでいる。同図において、３０１はバネ、３０２は錘、２０５は励振用電極、２０７は検出用電極、３０５はインバータ、３０６は直流電源である。振動子２０１は振動に応じて、励振用電極２０５と振動子２０１、検出用電極２０７と振動子２０１の間に交流の静電気が発生する。その際、励振用電極２０５と検出用電極２０７にかかる電位は逆位相であるので、この各々の電極から出力される信号をインバータに接続し反転増幅すると、発信し、出力信号を取り出すことができる。また、振動子の振動による交流信号に加えて、振動子に直流バイアス電圧を印加することで水晶振動子と同じ電気的特性をとるので、水晶発振器と同様の構成で発振器の振動子として用いる事が可能である。

なお、このときの出力信号の周波数は、振動子の振動周波数と同一であり、取り出せる出力信号の周波数は、振動子の振動振幅が最も大きく得られる一次共振周波数となる。振動子の一次共振周波数は、振動子の形状、ヤング率及び密度から決定される。

次に、振動子ブロック１００全体の温度が変化した場合について説明する。振動子の温度が変化すると、振動子が熱膨張し、振動子の形状、密度、ヤング率が変化し、共振周波数も変化する。例えば振動子がシリコン単体で構成されている場合、温度に対する共振周波数の変化率は、−３０ｐｐｍ／°Ｃ程度である。つまり、振動子の温度が上がると、共振周波数は下がることになる。

本実施の形態の振動子の場合、振動子２０１の中心部はシリコン、振動子２０１の長手中央部及び表面には被覆材２２２を形成した構造となっている。被覆材２２２は酸化ケイ素、窒化ケイ素等のケイ素化合物もしくはポリシリコンを用い、被覆材２２２を形成する際には、数百度〜千°Ｃ近くまで加熱して形成する。実際に振動子として用いる室温近傍まで冷却した際に、振動子２０１は収縮するが、材質によって収縮する長さは変化する。ここではシリコンの収縮率は、被覆材２２２の収縮率より大きいため、シリコンおよび被覆材２２２に残留応力が発生する。各々の材質での残留応力を図５に示す。＋が引っ張り方向、−が圧縮方向の応力を示している。つまり、シリコンには引っ張り方向の応力が、被覆材２２２には圧縮方向の応力が発生する。

ここで、両端固定の振動子に張力を加えた場合、振動子の共振周波数が変化する。その変化は、次式で示される。

なお、ｆｎは張力がかからない場合の共振周波数、ｆは張力がかかって変化した後の共振周波数、Ｓは振動にかかる張力、Ｅは振動子のヤング率、Ｉは振動子の断面二次モーメント、Ｌは振動子の長さを示す。（機械工学便覧 基礎編Ａ３力学・機械力学 第７章線形系の振動 表２０、日本機械学会編、参照）
つまり、振動子にかかる張力が大きいほど、共振周波数が大きくなる。

これを利用すると、本実施の形態の振動子の中心部のシリコンには引っ張る方向での応力（張力）が働くため、共振周波数を大きくする方向に働く。発生する張力は、被覆材２２２形成時の温度と共振周波数測定時の温度との差に比例するため、共振周波数測定時の温度が高くなるほど、共振周波数の上昇は小さくなる。しかし、温度が高くなるほど、梁中心部のシリコンは、被覆材の影響で密度がほとんど変化しないまま、ヤング率が大きくなる。そのため、温度が高くなるほど、共振周波数は大きくなる。この２つの現象をあわせると、もともとシリコン単体で振動子を構成した場合の共振周波数の温度変化をキャンセルすることができる。

また、このときの被覆材２２２とシリコンとの寸法によって、発生する張力を制御することが可能であり、設計自由度を高くすることができる。

以上により、振動子周囲の温度が変化しても、残留応力が変化するため、振動子の共振周波数が変動しない小型のＭＥＭＳ振動子を利用した振動子デバイスを提供できる。

以上、本発明の実施形態を詳述してきたが、具体的な構成は本実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

本発明の実施形態に係る振動子デバイスのブロック図である。 本発明の実施形態に係る振動子ブロックの構成例を示す説明図である。 本発明の実施形態に係る振動子デバイスを表す原理図である。 本発明の実施形態に係る振動子ブロックの製造方法を示す説明図である。 本発明の実施形態に係る振動子に発生する残留応力の分布を示す説明図である。

符号の説明

１０００ 発振器
１００ 振動子ブロック
１０１ 直流バイアス電圧印加回路
１０２ 出力用発振回路
２０１ 振動子
２０２、２０３ 直流バイアス用振動子電極パッド
２０４ 励振用電極パッド
２０５ 励振用電極
２０６ 検出用電極パッド
２０７ 検出用電極
２１０ 支持層
２１１、２１２、２１３、２１４ 絶縁層
２１５、２１６ 固定部
２２０、２２１ 片持ち梁
２２０’、２２１’ 振動子原型
２２２ 被覆材
３０１ バネ
３０２ 錘
３０５ インバータ
３０６ 直流電源
４０１ 活性層
４０２ ＢＯＸ層
９０１ 振動子デバイス

Claims (3)

1. 機械的に振動するように設けられた振動子と、
   前記振動子の近傍に配置され、前記振動子との間で電界を介して相互に作用する励振用電極と、
   前記振動子を挟んで前記励振用電極と反対側に設置され、前記振動子との電界の変化を出力する検出用電極と、
   前記励振用電極に電気的に接続され、前記振動子の共振周波数で発振して発振信号を出力する発振回路とを備えた振動子デバイスであって、
   前記振動子が二種類の材質からなる両端支持梁構造であり、
   前記振動子の一方の材質で互いに対向する二本の一端支持他端自由の梁を形成し、他方の材質で前記二本の一端支持他端自由の梁の自由端同士を連結し、一本の両端支持梁構造としたことを特徴とする振動子デバイス。
2. 前記振動子の一方の材質がシリコンであり、他方の材質がポリシリコンもしくはケイ素化合物であることを特徴とする請求項１に記載の振動子デバイス。
3. 請求項１もしくは２に記載の振動子デバイスと、
   前記振動子に直流電圧を印加する直流電圧印加部とを備えた発振器

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