JP2009124203A - 発振子、発振子の製造方法及び発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】 振動子に外力などを加えて振動子自体の共振周波数を変化させることなく、ひとつの振動子から異なる周波数を持つ複数の周波数信号を同時に出力することができ、各共振周波数を容易に設計できる発振子及び発振子の製造方法ならびに該発振子を備えた発振器を提供することを課題とする。
【解決手段】 複数の側面を持つ振動子と、該振動子の一端または両端に接続されて該振動子を揺動自在に保持するアンカーと、前記振動子の側面に所定の間隔をあけて対向する複数の駆動電極と、前記振動子の側面に所定の間隔をあけて対向し、該振動子を挟んで前記駆動電極と反対側に配置された複数の検出電極と、を備えた発振子とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数の共振周波数を発振することのできる構造を備えた発振子および該発振子の製造方法並びに該発振子を備えた発振器に関する。

デジタル機器のクロックパルス発生や、無線機器などにおいては、従来水晶発振子を用いた水晶発振器が利用されてきたが、より量産性が高く周波数の設計も容易なシリコンを採用したシリコン発振子を用いて発振器を製造しようという試みがなされている。

シリコン発振子は、揺動自在に保持された片持ち梁または両持ち梁の共振モードを利用するものである。共振周波数は梁の断面サイズや長さによって規定されるため設計が容易である。また、大口径のシリコン基板上に一括して素子を形成できるため、量産性が高く、従来のＣＭＯＳ ＩＣの製造ラインを流用して製造することも可能である。

シリコン発振子は、特許文献１に示すように、シリコンからなる振動子を圧電素子や対向電極と振動子との間の静電引力によって所定の１方向に振動させ、その振動を対向電極との間の静電容量の変化や、ピエゾ抵抗の抵抗の変化などによって検出するものが提案されている。

しかし、この方法では振動子を１方向にしか振動させることができず、１種類の周波数の信号しか出力することができない。複数の周波数の信号を必要とするようなデバイスでは各周波数に応じた振動子や駆動回路を備えた発振器を搭載する必要があり、大型化やコストの増加につながるという欠点があった。

そこで、上記のような欠点を解決するために、特許文献２に示すように、ダイヤフラム状の振動子に気体による圧力を印加して周波数を変調する発振子３０が提案されている。

この発振子３０は、図１７に示すように、ダイヤフラム状の振動子３１を備えている。振動子３１は上部気密室３２及び下部気密室３３を隔てるように配置されている。上部気密室３２には、外部と連通するガス管３４が接続され、バルブ３５を介して上部気密室３２内の圧力を変動させることができる。上部気密室３２にガスを導入すると、上部気密室３２と下部気密室３３の圧力差により、振動子３１の内部応力が変化するので、共振周波数を変化させることができる。

また一般的には、気体による圧力に限らず、振動子に静電引力などの外力を印加することにより、共振周波数を変化させる方法も知られている。
特開２００７−１７５５７７ 特開２００７−２３５７５４

しかしながら、上記構成の発振器３０では、次のような欠点があった。すなわち、これら外力を振動子に印加して共振周波数を変化させる方法では、異なる周波数を持つ複数の周波数信号を同時に出力することができなかった。また、外力を振動子に印加するための構造が必要であり、構造が複雑になった。さらに、共振周波数を大きく変化させるためには外力を大きくしなければならず、共振周波数の変化量に限界があった。

本発明は上記のような事情に考慮してなされたもので、その目的は、振動子に外力などを加えて振動子自体の共振周波数を変化させることなく、ひとつの振動子から異なる周波数を持つ複数の周波数信号を同時に出力することができ、各共振周波数を容易に設計できる発振子及び発振子の製造方法ならびに該発振子を備えた発振器を提供することである。

本発明は上記課題を解決するために、以下の手段を提供する。

本発明の発振子は、複数の側面を持つ振動子と、該振動子の一端または両端に接続されて該振動子を揺動自在に保持するアンカーと、前記振動子の側面に所定の間隔をあけて対向する複数の駆動電極と、前記振動子の側面に所定の間隔をあけて対向し、該振動子を挟んで前記駆動電極と反対側に配置された複数の検出電極と、を備えたことを特徴とするものである。

本発明に係る発振子においては、前記駆動電極のそれぞれに所定の波形の駆動電圧を印加すると、前記振動子は静電引力によって該駆動電極に引き寄せられて振動する。前記振動子の各駆動電極に引き寄せられる方向への共振周波数が異なるように振動子を形成すると、前記各検出電極からそれぞれの方向の共振周波数と略一致する周波数信号を同時に出力させることができる。

また、本発明の発振子は、上記本発明の発振子であって、前記振動子の短手方向の断面は長方形であり、前記駆動電極を２つ備え、前記検出電極を２つ備えていることを特徴とするものである。

本発明に係る発振子においては、前記振動子の短手方向の断面が長方形であるため、該振動子の断面の長辺と短辺の長さを適宜設定することにより、それぞれ長辺に平行な方向への共振周波数と短辺に平行な方向への共振周波数とを所定の周波数に容易に設計することができる。

また、本発明の発振子は、上記本発明の発振子であって、前記振動子の短手方向の断面は正方形であり、前記駆動電極を２つ備え、前記検出電極を２つ備えていることを特徴とするものである。

本発明に係る発振子においては、前記振動子の断面が正方形であるため、発振子から出力される二つの周波数信号を略一致させることができる。また、周波数信号の位相は一致させることも異なる位相にすることもできる。

また、本発明の発振子は、上記本発明の発振子であって、前記振動子、前記アンカー、前記駆動電極のうち第一の駆動電極、及び、前記検出電極のうち振動子を挟んで前記第一の駆動電極と反対側に配置された第一の検出電極はＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板の活性層からなり、前記駆動電極のうち第二の駆動電極または前記検出電極のうち第二の検出電極のうちいずれか一方はＳＯＩ基板の支持層からなり、該第二の駆動電極または該第二の検出電極の他方は前記活性層に接合された絶縁物からなるリッド基板上に形成された導電性薄膜からなり、前記リッド基板に前記駆動電極及び前記検出電極に連通する貫通孔が設けられ、該貫通孔の少なくとも内周面を導電性の材料で覆った貫通電極を備えていることを特徴とするものである。

本発明に係る発振子においては、前記振動子と前記駆動電極及び前記検出電極との間隔を容易に精度良く形成することができ、効率よく駆動させ、精度の良い周波数信号を出力することができるとともに、工数を削減して信頼性の高い発振子とすることができる。

また、本発明の発振子は、上記本発明の発振子であって、前記振動子及び前記駆動電極ならびに前記検出電極はＳＯＩ基板の活性層からなり、前記アンカーは前記ＳＯＩ基板の支持層からなり、前記振動子の長手方向が前記活性層の厚さの方向に一致するように配置されていることを特徴とするものである。

本発明に係る発振子においては、前記ＳＯＩ基板のみで発振子を形成することができるので、容易に精度良く発振子を形成することができる。また、リッド基板が不要であるため、デバイスを小型化し、工数を削減することができる。

また、本発明の発振子の製造方法は、上記本発明の発振子の製造方法であって、ＳＯＩ基板の活性層の所定の領域を選択的に除去して振動子、アンカー、第一の駆動電極及び第一の検出電極を形成し、該ＳＯＩ基板の埋込酸化膜層の所定の領域を選択的に除去して前記振動子を揺動自在な状態にする振動子工程と、絶縁物からなるリッド基板の所定の領域を選択的に除去して貫通孔を形成し、該リッド基板の前記振動子に対向する位置にギャップを形成し、該リッド基板の前記振動子に対向する位置に導電性の薄膜からなる第二の駆動電極または第二の検出電極のいずれかを形成するリッド基板工程と、前記貫通孔が前記駆動電極及び前記検出電極に連通するように前記振動子工程及び前記リッド基板工程を行った前記ＳＯＩ基板及び前記リッド基板を接合し、前記貫通孔の少なくとも内周面を導電性の材料で覆って貫通電極を形成する接合工程と、を備えたことを特徴とするものである。

本発明に係る発振子の製造方法においては、ＳＯＩ基板の活性層を用いて振動子を形成するため、精度の良い共振周波数を持つ振動子を形成することができる。また、リッド基板に駆動電極または検出電極を形成し、振動子を形成したＳＯＩ基板に接合するため、振動子の周囲に容易に駆動電極または検出電極を配置することができ、工数を削減することができる。

また、本発明の発振器は、上記本発明の発振子と、前記発振子に備えられた振動子の共振周波数に略一致する駆動電圧を前記駆動電極に印加する前記駆動電極と同数の駆動回路と、を備えたことを特徴とするものである。

本発明に係る発振器においては、複数の駆動電極にそれぞれ異なる周波数の駆動電圧を印加することができるため、複数の異なる周波数信号を同時に出力することができる。

また、本発明の発振器は、上記本発明の発振器であって、前記発振子から出力された周波数信号のうち１つが入力され、該周波数信号の所定の周波数からのずれを検出して周波数補正信号を出力する周波数シフト検出回路と、前記周波数信号の他方及び前記周波数補正信号が入力され、該周波数補正信号に従って入力された該周波数信号を所定の周波数に補正して外部に出力する周波数補正回路と、を備えたことを特徴とするものである。

本発明に係る発振器においては、前記発振子の温度の変化や外力の印加などによって振動子の共振周波数が変化しても、その変化を補正して周波数信号を出力することができる。発振子の外部に温度センサなどを配置するのと異なり、振動子の共振特性の変化そのものを検出して補正するため、より精度が高く、共振特性の変化の原因に寄らずに補正を行うことができる。

また、本発明の発振器は、上記本発明の発振器であって、前記発振子は請求項４に記載の発振子であり、前記駆動回路及び前記周波数シフト検出回路ならびに前記周波数補正回路が前記発振子のリッド基板に形成されていることを特徴とするものである。

本発明の発振器においては、前記駆動回路や前記周波数シフト検出回路、前記周波数補正回路が前記発振子のリッド基板に形成されているため、発振子は１チップの発振器となり、デバイスを小型化することができる。また、発振子と駆動回路の間の距離が短いため、不要な寄生容量や抵抗が小さく、効率よく信号を駆動回路から発振子に伝送することができる。

本発明にかかる発振子及び発振子の製造方法並びに発振器によれば、振動子に外力などを加えて振動子自体の共振周波数を変化させることなく、ひとつの振動子から異なる周波数を持つ複数の周波数信号を同時に出力することができ、また各共振周波数を容易に設計できる。さらに、各周波数信号のひとつをもちいて温度や外力の印加などによる振動子の共振周波数の変化を検出し、効率よく補正して周波数信号を出力することができる。

（第１実施形態）
以下、本発明に係る第１実施形態を、図１及び図２を参照して説明する。図１は、第１実施形態の発振子１を示す斜視図であり、図２は図１をｚ方向より見た断面図である。

発振子１は、長方形の断面をもつ柱状の振動子２と、振動子２の一端または両端に接続されて振動子２を揺動自在に保持するアンカー３と、振動子２の所定の隣接する２つの側面２Ａ及び２Ｂのそれぞれに対して所定の間隔を空けてそれぞれ対向して配置される２つの駆動電極４Ａ及び４Ｂと、振動子２の所定の隣接する２つの側面２Ｃ及び２Ｄのそれぞれに対して所定の間隔を空けてそれぞれ対向して配置される２つの検出電極５Ａ及び５Ｂと、を備えており、駆動電極４Ａと検出電極５Ａ、駆動電極４Ｂと検出電極５Ｂはそれぞれ振動子２をはさむように配置されている。ここで、振動子２の断面が長方形であるため、駆動電極４Ａが対向する側面２Ａと検出電極５Ａが対向する側面２Ｃとは、振動子２の中心軸を挟んで互いに反対側に位置して略平行となり、また、駆動電極４Ｂが対向する側面２Ｂと検出電極５Ｂが対向する側面２Ｄとは、振動子２の中心軸を挟んで互いに反対側に位置して略平行となっている。さらに、側面２Ａ及び２Ｃと側面２Ｂ及び２Ｄとは、互いに略直交する位置関係を有している。

本実施例においては、図１及び図２中に示すように、振動子２の長手方向をｚ方向とし、駆動電極４Ａ及び検出電極５Ａが対向する側面２Ａ及び２Ｃに略直交する方向をｘ方向とし、駆動電極４Ｂ及び検出電極５Ｂが対向する側面２Ｂ及び２Ｄに略直交する方向をｙ方向とする。

このように構成された発振子１において、駆動電極４Ａに所定の波形の駆動電圧を印加すると、振動子２と駆動電極４Ａとの間に静電引力が作用し、駆動電圧の波形に従って振動子２が駆動電極４Ａに引き寄せられる。駆動電圧の周波数が振動子２のｘ方向の共振周波数と略一致すると、振動子２は共振し、振幅が大きくなる。

振動子２のｘ方向の共振周波数ｆ１は、式１で与えられる。

ここで、ｍは振動子２の支持方法などによって決定される係数、Ｅは振動子２のヤング率、ρは振動子２の密度、Ｌは振動子２の長さ、Ｗ１は駆動電極４Ａに対して直角をなす振動子２の幅である。

振動子２がｘ方向に振動すると、振動子２と検出電極５Ａの間隔が変動するため、振動子２と検出電極５Ａの間の静電容量が変化する。これを電気信号として外部に出力する。

また、駆動電極４Ｂに所定の波形の駆動電圧を印加すると、振動子２と駆動電極４Ｂとの間に静電引力が作用し、振動子２はｙ方向に振動する。駆動電圧の周波数が振動子２のｙ方向の共振周波数と略一致すると、振動子２は共振し、振幅が大きくなる。

振動子２のｙ方向の共振周波数ｆ２は式２で与えられる。

ｍ、Ｅ、ρ、Ｌは式１と共通である。Ｗ２は駆動電極４Ｂに対して直角をなす振動子２の幅である。

振動子２がｙ方向に振動すると、振動子２と検出電極５Ｂの間隔が変動するため、振動子２と検出電極５Ｂの間の静電容量が変化する。これを電気信号として外部に出力する。

駆動電極４Ａ及び４Ｂに、それぞれｆ１及びｆ２に対応する駆動電圧を入力すると、振動子２の振動はｘ方向成分及びｙ方向成分を持ち、その軌道はリサージュ図形を描く。例として、図３にｆ１：ｆ２＝１：１．２の場合の振動子２の軌道を示す。

式１及び式２から分かるように、Ｗ１及びＷ２の値を適宜設定することにより、振動子２のｘ方向の共振周波数とｙ方向の共振周波数を独立に決定することができる。そのため、１つの発振子１から同時に２種類の異なる周波数信号を出力することができ、デバイスを小型化することができる。

また、振動子２の断面を正方形としても良い。この場合にはｘ方向の共振周波数とｙ方向の共振周波数が等しくなるため、例えば同一の周波数で位相が異なる二つの周波数信号を必要とするようなデバイスに適合する。
（第２実施形態）
次に、本発明に係る第２実施形態を、図４及び図５を参照して説明する。図４は第２実施形態の発振子１を示す斜視図であり、図５は図４をｚ方向より見た断面図である。

本実施形態の発振子１は、六角形の断面を持つ柱状の振動子２と、振動子２の一端または両端に接続されて振動子２を揺動自在に保持するアンカー３と、振動子２の所定の３つの側面２Ａ及び２Ｅ並びに２Ｃのそれぞれに対して所定の間隔を空けてそれぞれ対向して配置される駆動電極４Ａ及び４Ｂ並びに４Ｃと、振動子２の所定の３つの側面２Ｄ及び２Ｂ並びに２Ｆのそれぞれに対して所定の間隔を空けてそれぞれ対向して配置される検出電極５Ａ及び５Ｂ並びに５Ｃと、を備えており、駆動電極４Ａと検出電極５Ａ、駆動電極４Ｂと検出電極５Ｂ、駆動電極４Ｃと検出電極５Ｃはそれぞれ振動子２をはさむように配置されている。ここで、振動子２の断面が六角形であるため、駆動電極４Ａが対向する側面２Ａと検出電極５Ａが対向する側面２Ｄとは、振動子２の中心軸を挟んで互いに反対側に位置して略平行となり、駆動電極４Ｂが対向する側面２Ｅと検出電極５Ｂが対向する側面２Ｂとは、振動子２の中心軸を挟んで互いに反対側に位置して略平行となり、また、駆動電極４Ｃが対向する側面２Ｃと検出電極５Ｃが対向する側面２Ｆとは、振動子２の中心軸を挟んで互いに反対側に位置して略平行となっている。

本実施例においては、図４及び図５中に示すように、振動子２の長手方向をｚ方向とし、駆動電極４Ａ及び検出電極５Ａが対向する側面２Ａ及び２Ｄに略直交する方向をｘ１方向とし、駆動電極４Ｂ及び検出電極５Ｂが対向する側面２Ｅ及び２Ｂに略直交する方向をｘ２方向とし、駆動電極４Ｃ及び検出電極５Ｃが対向する側面２Ｃ及び２Ｆに略直交する方向をｘ３方向とする。

このように構成された発振子１において、駆動電極４Ａに所定の波形の駆動電圧を印加すると、振動子２と駆動電極４Ａとの間に静電引力が作用し、駆動電圧の波形に従って振動子２が駆動電極４Ａに引き寄せられる。駆動電圧の周波数が振動子２のｘ１方向の共振周波数ｆ１と略一致すると、振動子２は共振し、振幅が大きくなる。

同様に、駆動電極４Ｂに振動子２のｘ２方向の共振周波数ｆ２と略一致する周波数の駆動電圧を印加すると、振動子２はｘ２方向に共振する。また、駆動電極４Ｃに振動子２のｘ３方向の共振周波数ｆ３と略一致する周波数の駆動電圧を印加すると、振動子２はｘ３方向に共振する。

振動子２の各方向の共振周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３は、振動子の側面の長さＷ１、Ｗ２、Ｗ３に複雑に依存するため、第１実施形態のように各方向の共振周波数を独立に決定することはできないが、Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３の大きさを適宜設定することにより、ｆ１、ｆ２、ｆ３を決定することができる。

振動子２が振動すると、振動子２と検出電極５Ａ及び５Ｂ並びに５Ｃとの間の静電容量が変化するので、これを電気信号として外部に出力する。

なお、第１実施形態及び第２実施形態においては、長方形及び六角形の断面を持つ振動子を備えた発振子を例に挙げて説明したが、本発明を発振子に適用する場合には、２Ｎ角形（Ｎは２以上の適当な自然数）の断面を持つ振動子及び該振動子の各面に対向するように設けられたＮ個の駆動電極並びにＮ個の検出電極を持つような発振子としても良い。この場合、Ｎ種類の周波数信号を出力することができ、デバイスを小型化することができる。
（第３実施形態）
次に、本発明に係る第３実施形態を、図６から図８を参照して説明する。図６は第３実施形態の発振子１の平面図、図７は図６のＡＡ’線における発振子１の断面図、図８は図
６のＢＢ’線における発振子１の断面図である。それぞれ図６から図８に示すようにｘ方
向、ｙ方向、ｚ方向を定める。また、図６では簡単のためにリッド基板１４を省略して示している。

本実施形態の発振子１は、長方形の断面を持つ柱状の振動子２と、振動子２の一端または両端に接続されて振動子２を揺動自在に保持するアンカー３と、振動子２の所定の側面２Ａ及び２Ｂに対して所定の間隔を空けて対向して配置される駆動電極４Ａ及び４Ｂと、振動子２の所定の側面２Ｃ及び２Ｄに対して所定の間隔を空けて対向して配置される検出電極５Ａ及び５Ｂと、を備えており、駆動電極４Ａと検出電極５Ａ、駆動電極４Ｂと検出電極５Ｂはそれぞれ振動子２をはさむように配置されている。振動子２、アンカー３、駆動電極４Ａ及び検出電極５ＡはＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板１０のシリコンからなる活性層１１から形成される。駆動電極４ＢはＳＯＩ基板のシリコンからなる支持層１２からなる。また、活性層１１及び支持層１２は二酸化シリコンからなる埋込酸化膜層１３をはさんで配置されている。また、検出電極５Ｂは絶縁物からなるリッド基板１４上に形成されており、リッド基板１４はアンカー３に接続されている。リッド基板１４には駆動電極４Ａ、検出電極５Ａ、駆動電極４Ｂ、検出電極５Ｂ、アンカー３にそれぞれ連通して導通する貫通電極６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ、６Ｅが設けられている。

このように構成された発振子１において、貫通電極６Ａを介して駆動電極４Ａに所定の波形の駆動電圧を印加すると、振動子２と駆動電極４Ａとの間に静電引力が作用し、振動子２が駆動電極４Ａに引き寄せられる。駆動電圧の周波数が振動子２のｘ方向の共振周波数と略一致すると、振動子２は共振し、振幅が大きくなる。

また、貫通電極６Ｃを介して駆動電極４Ｂに所定の波形の駆動電圧を印加すると、振動子２と駆動電極４Ｂとの間に静電引力が作用し、振動子２が駆動電極４Ｂに引き寄せられる。駆動電圧の周波数が振動子２のｙ方向の共振周波数と略一致すると、振動子２は共振し、振幅が大きくなる。

振動子２が振動すると、振動子２と検出電極５Ａ及び５Ｂの間の静電容量が変化するので、これを貫通電極６Ｂ及び６Ｄを介して電気信号として外部に出力する。

振動子２の断面を長方形とすると、第１実施形態の場合と同様にｘ方向の共振周波数とｙ方向の共振周波数を独立に決定することができる。

また、振動子２の断面を正方形としても良い。この場合にはｘ方向の共振周波数とｙ方向の共振周波数が等しくなる。

また、リッド基板１４として、発振子１を駆動するための回路や発振子１から出力される周波数信号を変調したりする回路を形成した集積回路基板の能動面上に酸化シリコンなどの絶縁膜を成膜したものを用いても良い。この場合、発振子１は１チップの発振器となり、デバイスを小型化することができる。また、発振子と駆動回路の間の距離が短いため、不要な寄生容量や抵抗が小さく、効率よく信号を駆動回路から発振子に伝送することができる。

次に、このように構成された発振子１の製造方法について、図９から図１１を参照しながら説明する。なお、図９から図１１は、図６のＡＡ’線の断面図に対応している。また
、通常は発振子１を多数並べて配置し、一括して製造するが、説明を簡略化するために、一つの発振子１を製造するものとして説明する。

まず、振動子工程を行う。

図９（ａ）に示すように、シリコンからなる活性層１１及び支持層１２及び二酸化シリコンからなり活性層１１及び支持層１２にはさまれて配置された埋込酸化膜層１３とからなるＳＯＩ基板１０を準備する。発振子１を形成する材料としてはＳＯＩ基板に限らず例えばシリコン基板のような半導体基板や金属基板でも良いが、ＳＯＩ基板を用いると、後述するように振動子２を形成する際に埋込酸化膜層１３をエッチングストップとして利用することができるため、振動子２の厚さを容易に制御することができる。

次に、図９（ｂ）に示すように、活性層１１の所定の位置を除去して振動子２、アンカー３、駆動電極４Ａ、検出電極５Ａ、アイランド７を形成する。活性層１１の所定の位置を選択的に除去する方法としては種々の方法を選択することができるが、例えばリソグラフィ技術を用いて活性層１１の表面にマスクを形成し、ＴＭＡＨ（Ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌ Ａｍｍｏｎｉｕｍ Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）水溶液や水酸化カリウム水溶液などの強アルカリ性のエッチャントによるウェットエッチングや、ＳＦ６のプラズマによるＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）を用いたドライエッチングなどの方法を選択して所定の領域を選択的に除去する。

次に、図９（ｃ）に示すように、埋込酸化膜層１３の所定の位置を除去して振動子２を揺動自在な状態とする。埋込酸化膜層１３の所定の位置を選択的に除去する方法としては、種々の方法を選択することができるが、例えばフッ化水素水溶液やフッ化水素ガスなどを用いてエッチングすることができる。このとき、振動子２の幅がアンカー３や駆動電極４Ａ、検出電極５Ａなどと比べて十分小さいと、アンカー３や駆動電極４Ａ、検出電極５Ａの下部の埋込酸化膜層１３が完全に除去される前に振動子２の下部の埋込酸化膜層１３が除去されるので、振動子２のみを揺動自在な状態とすることができる。

次に、リッド基板工程を行う。

リッド基板工程においては、まず図１０（ａ）に示すように絶縁性のリッド基板１４を準備する。リッド基板１４の材料としては、例えばガラスや石英などのような絶縁性の材料を用いることができる。また、表面に二酸化シリコンなどの絶縁性の薄膜を成膜したシリコン基板を用いることもできる。

次に、図１０（ｂ）に示すように、リッド基板１４の表面の所定の位置を選択的に除去し、後述する接合工程において振動子２と対向するようなキャビティギャップ８を形成する。リッド基板１４の表面の所定の位置を選択的に除去する方法としては、リソグラフィ技術を用いてマスクを形成し、フッ化水素水溶液によるウェットエッチングやＣＦ４、Ｃ２Ｆ６などのプラズマを用いたＲＩＥによるドライエッチングなどの方法を選択することができる。

キャビティギャップ８の深さは、振動子２が接触せず揺動自在な状態を保つ程度であれば良く、例えば０．５マイクロメートル程度あればよい。また、キャビティギャップ８が深すぎると、振動子２と検出電極５Ｂの間の静電容量が小さくなって感度が悪くなるため、キャビティギャップ８の深さは例えば５マイクロメートル程度以下にするのが望ましい。

次に、図１０（ｃ）に示すようにキャビティギャップ８の表面に導電性の薄膜を成膜し、振動子２に対向するように所定の位置を選択的に除去して検出電極５Ｂを形成する。検出電極５Ｂの材料としては、例えばアルミニウムや金、銅などを選択すると容易に形成することができる。

次に、図１０（ｄ）に示すように後述する貫通電極６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ、６Ｅを形成するためのスルーホール９を形成する。スルーホール９を形成する技術としては、サンドブラストやレーザー照射による加工などを選択することができる。また、リッド基板１４の材料としてシリコン基板を選択すると、ボッシュプロセスを用いたＤｅｅｐ ＲＩＥ技術を用いて高アスペクト比で側壁の角度を垂直に近い状態に保ってエッチングを行うことができるため、発振子２を小型化することができる。

次に、接合工程を行う。

まず、図１１（ａ）に示すように、振動子工程を終えたＳＯＩ基板１０とリッド基板工程を終えたリッド基板１４とを、振動子２と検出電極５Ｂとが所定の間隔を隔てて対向し、スルーホール９はそれぞれアンカー３、駆動電極４Ａ、検出電極５Ａ、アイランド７に連通するように接合する。ＳＯＩ基板１０とリッド基板１４とを接合する方法としては、種々の方法を選択することができるが、例えばリッド基板１４の材料としてホウ珪酸ガラスのようなアルカリ金属イオンを含有するガラスを用い、２００℃以上に加熱してＳＯＩ基板１０とリッド基板１４とを接触させ、ＳＯＩ基板１０を陽極として電圧を印加することにより接合を行う陽極接合法や、ＳＯＩ基板１０またはリッド基板１４の少なくともいずれか一方にポリイミドなどの樹脂膜を塗布して接合する樹脂接合法、ＳＯＩ基板１０またはリッド基板１４の少なくともいずれか一方にはんだやＡｕＳｎ合金などを成膜し、その共晶点以上の温度に加熱して接合する共晶接合法などを選択することができる。また、ＳＯＩ基板１０またはリッド基板１４の少なくともいずれか一方にイオンビームやプラズマを照射して表面を活性化させ、室温または加熱して接合する表面活性化接合法を選択することもできる。

次に、図１１（ｂ）に示すように、スルーホール９の少なくとも内周面に導電性の材料を成膜して、駆動電極４Ａ、４Ｂ、検出電極５Ａ、５Ｂと電気的に接続された貫通電極６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ、６Ｅを形成する。

以上に述べたように、本発明に係る第３実施形態においては、駆動電極４Ａ及び４Ｂにそれぞれ振動子２のｘ方向及びｙ方向への共振周波数に近い波形の駆動電圧を印加することにより、検出電極５Ａ及び５Ｂから振動子２のｘ方向及びｙ方向に対応する周波数信号を同時に出力することができる。
（第４実施形態）
次に、本発明に係る第４実施形態を、図１２及び図１３を参照して説明する。図１２は第４実施形態の発振子１の平面図、図１３は図１２のＣＣ’線における発振子１の断面図
である。また、図１２に示すようにｘ方向及びｙ方向を定める。

発振子１は、長方形の断面をもつ柱状の振動子２と、振動子２の一端または両端に接続されて振動子２を揺動自在に保持するアンカー３と、振動子２の所定の側面２Ａ及び２Ｂに対して所定の間隔を空けて対向して配置される駆動電極４Ａ及び４Ｂと、振動子２の所定の側面２Ｃ及び２Ｄに対して所定の間隔を空けて対向して配置される検出電極５Ａ及び５Ｂと、を備えており、駆動電極４Ａと検出電極５Ａ、駆動電極４Ｂと検出電極５Ｂはそれぞれ振動子２をはさむように配置されている。

振動子２及び各駆動電極４ならびに各検出電極５はそれぞれＳＯＩ基板１０の活性層１１から形成される。

このように構成された発振子１において、駆動電極４Ａに所定の波形の駆動電圧を印加すると、振動子２と駆動電極４Ａとの間に静電引力が作用し、駆動電圧の波形に従って振動子２が駆動電極４Ａに引き寄せられる。駆動電圧の周波数が振動子２のｘ方向の共振周波数と略一致すると、振動子２は共振し、振幅が大きくなる。

振動子２がｘ方向に振動すると、振動子２と検出電極５Ａの間隔が変動するため、振動子２と検出電極５Ａの間の静電容量が変化する。これを電気信号として外部に出力する。

また、駆動電極４Ｂに所定の波形の駆動電圧を印加すると、振動子２と駆動電極４Ｂとの間に静電引力が作用し、振動子２はｙ方向に振動する。駆動電圧の周波数が振動子２のｙ方向の共振周波数と略一致すると、振動子２は共振し、振幅が大きくなる。

振動子２がｙ方向に振動すると、振動子２と検出電極５Ｂの間隔が変動するため、振動子２と検出電極５Ｂの間の静電容量が変化する。これを電気信号として外部に出力する。

振動子２の断面を長方形とすると、第１実施形態の場合と同様にｘ方向の共振周波数とｙ方向の共振周波数を独立に決定することができる。

また、第２実施形態の場合と同様に、２Ｎ角形（Ｎは２以上の適当な自然数）の断面を持つ振動子及び該振動子の各面に対向するように設けられたＮ個の駆動電極並びにＮ個の検出電極を持つような発振子としても良い。この場合、Ｎ種類の周波数信号を出力することができる。例えばＮ＝３として六角形の断面を持つ振動子２と３個の駆動電極４Ａ、４Ｂ、４Ｃ並びに３個の検出電極５Ａ、５Ｂ、５Ｃを持つような発振子１の例を図１４に示す。

第３実施形態ではＳＯＩ基板１０とリッド基板１４の２枚の基板を必要とするのに対し、第４実施形態に従えば発振子１はＳＯＩ基板１０のみからなるため、厚さを薄くすることができ、デバイスを小型化することができる。また、振動子２と各駆動電極４及び各検出電極５は全てＳＯＩ基板１０の活性層１１から形成することができるため、活性層１１の不要な部分を選択的に除去するだけで発振子１を製造することができる。
（第５実施形態）
次に、本発明に係る第５実施形態を、図１５を参照して説明する。

図１５は、本発明に係る発振子１を備えた発振器２０のブロック図である。

本実施形態の発振器２０は、第１実施形態から第４実施形態に示した発振子１と、発振子１が出力する周波数信号の種類と同じ数の駆動回路２１及び検出回路（図示略）とを備えている。本実施形態では、一例として発振子１が２種類の周波数信号を出力するものとする。

駆動回路２１Ａは、発振子１の駆動電極４Ａに、発振子１の第１の共振周波数ｆ１と略一致する周波数の駆動電圧を印加する。駆動電圧によって振動子２は第１の共振周波数ｆ１で共振し、その変位により振動子２と検出電極５Ａとの間の静電容量が変動する。これを周波数信号として出力する。なお、図１５に示すように、出力された周波数信号の一部を駆動回路２１Ａに帰還させ、その位相と一致した駆動電圧のみを増幅して駆動電極４Ａに印加すると、自己励振を行い、発振子１を安定して発振させることができる。

また、駆動回路２１Ｂは、発振子１の駆動電極４Ｂに、発振子１の第２の共振周波数ｆ２と略一致する周波数の駆動電圧を印加する。駆動電圧によって振動子２は第２の共振周波数ｆ２で共振し、その変位により振動子２と検出電極５Ｂとの間の静電容量が変動する。これを周波数信号として出力する。周波数信号の一部を駆動回路２１Ｂに帰還させると、上述したように発振子１を安定して発振させることができる。

このように構成された発振器２０では、１つの発振子１から２種類の異なる周波数信号を外部に出力することができるため、デバイスを小型化、省電力化することができる。
（第６実施形態）
次に、本発明に係る第６実施形態を、図１６を参照して説明する。

図１６は、本発明に係る発振子１を備えた発振器２０のブロック図である。

本実施形態の発振器２０は、第１実施形態から第４実施形態に示した発振子１と、発振子１が出力する周波数信号の種類と同じ数の駆動回路２１と、周波数シフト検出回路２２と、周波数補正回路２３と、を備えている。本実施形態では、一例として発振子１が２種類の周波数信号を出力するものとする。

本実施形態においては、第５実施形態の場合と同様に、駆動回路２１Ａ及び２１Ｂによって、発振子１から周波数ｆ１の第１の周波数信号と周波数ｆ２の第２の周波数信号を出力する。第２の周波数信号は周波数シフト検出回路２２に入力される。

ここで、振動子２の温度が変化すると、ヤング率などの物性値が変化するため、発振子１から出力される周波数信号の周波数が温度によって変化する。第２の周波数信号の周波数の変化を周波数シフト検出回路２２で検出し、補正量を周波数補正回路２３に出力する。第１の周波数信号は周波数補正回路２３に入力され、適正に補正されて発振器２０から出力される。

周波数信号が温度によって変化すると、周波数信号を利用する他のデバイスに悪影響を及ぼす恐れがあるため、周波数の変化を補正する手段が必要となる。また、外力が振動子２に印加されることによっても周波数が変動する。温度特性を補正する手段としては、発振器２０に隣接させてＭＯＳトランジスタや熱電対などからなる温度センサを配置し、発振器２０の温度を測定して周波数信号の周波数を補正するのが一般的である。しかし、この方法では振動子２の温度を直接測定することができないため誤差が生じてしまう。また、外力など温度以外の原因による周波数の変動を補正することができない。しかし、本実施形態の発振器２０を採用すれば、振動子２そのものの温度を第２の周波数信号の周波数の変動を用いて測定することができるので、精度良く周波数信号の変化を補正することができる。また、外力など温度以外の原因で共振周波数が変化しても補正を行うことができる。さらに、別途温度センサを設ける必要がなく、デバイスを小型化することができる。

振動子２の断面を正方形としても良い。この場合にはｘ方向の共振周波数とｙ方向の共振周波数が等しくなるため、より効率的に温度補正を行うことができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

第１実施形態の発振子１を示す斜視図である。 図１をｚ方向より見た断面図である。 第１実施形態の発振子１における振動子２の軌道の一例である。 第２実施形態の発振子１を示す斜視図である。 図４をｚ方向より見た断面図である。 第３実施形態の発振子１の平面図である。 図６のＡＡ’線における発振子１の断面図である。 図６のＢＢ’線における発振子１の断面図である。 第３実施形態の製造方法において振動子工程を示す断面図である。 第３実施形態の製造方法においてリッド基板工程を示す断面図である。 第３実施形態の製造方法において接合工程を示す断面図である。 第４実施形態の発振子１の平面図である。 図１２のＣＣ’線における発振子１の断面図である。 第４実施形態において、３種類の周波数信号を出力することができる発振子１の平面図である。 第５実施形態の発振器２０のブロック図である。 第６実施形態の発振器２０のブロック図である。 従来の発振子３０の断面図である。

符号の説明

１ 発振子
２ 振動子
３ アンカー
４Ａ、４Ｂ、４Ｃ 駆動電極
５Ａ、５Ｂ、５Ｃ 検出電極
６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ、６Ｅ 貫通電極
７ アイランド
８ キャビティギャップ
９ スルーホール
１０ ＳＯＩ基板
１１ 活性層
１２ 支持層
１３ 埋込酸化膜層
１４ リッド基板
２０ 発振器
２１Ａ、２１Ｂ 駆動回路
２２ 周波数シフト検出回路
２３ 周波数補正回路
３０ 従来の発振子
３１ 振動子
３２ 上部気密室
３３ 下部気密室
３４ ガス管
３５ バルブ

Claims (9)

1. 複数の側面を持つ振動子と、
   該振動子の一端または両端に接続されて該振動子を揺動自在に保持するアンカーと、
   前記振動子の側面に所定の間隔をあけて対向する複数の駆動電極と、
   前記振動子の側面に所定の間隔をあけて対向し、該振動子を挟んで前記駆動電極と反対側に配置された複数の検出電極と、を備えたことを特徴とする発振子。
2. 請求項１に記載の発振子であって、
   前記振動子の短手方向の断面は長方形であり、
   前記駆動電極を２つ備え、
   前記検出電極を２つ備えていることを特徴とする発振子。
3. 請求項１に記載の発振子であって、
   前記振動子の短手方向の断面は正方形であり、
   前記駆動電極を２つ備え、
   前記検出電極を２つ備えていることを特徴とする発振子。
4. 請求項２または３に記載の発振子であって、
   前記振動子、前記アンカー、前記駆動電極のうち第一の駆動電極、及び、前記検出電極のうち振動子を挟んで前記第一の駆動電極と反対側に配置された第一の検出電極はＳＯＩ基板の活性層からなり、
   前記駆動電極のうち第二の駆動電極または前記検出電極のうち第二の検出電極のうちいずれか一方はＳＯＩ基板の支持層からなり、
   該第二の駆動電極または該第二の検出電極の他方は前記活性層に接合された絶縁物からなるリッド基板上に形成された導電性薄膜からなり、
   前記リッド基板に前記駆動電極及び前記検出電極に連通する貫通孔が設けられ、該貫通孔の少なくとも内周面を導電性の材料で覆った貫通電極を備えていることを特徴とする発振子。
5. 請求項１から３のいずれか１項に記載の発振子であって、
   前記振動子及び前記駆動電極ならびに前記検出電極はＳＯＩ基板の活性層からなり、
   前記アンカーは前記ＳＯＩ基板の支持層からなり、
   前記振動子の長手方向が前記活性層の厚さの方向に一致するように配置されていることを特徴とする発振子。
6. 請求項４に記載の発振子の製造方法であって、
   ＳＯＩ基板の活性層の所定の領域を選択的に除去して振動子、アンカー、第一の駆動電極及び第一の検出電極を形成し、該ＳＯＩ基板の埋込酸化膜層の所定の領域を選択的に除去して前記振動子を揺動自在な状態にする振動子工程と、
   絶縁物からなるリッド基板の所定の領域を選択的に除去して貫通孔を形成し、該リッド基板の前記振動子に対向する位置にギャップを形成し、該リッド基板の前記振動子に対向する位置に導電性の薄膜からなる第二の駆動電極または第二の検出電極のいずれかを形成するリッド基板工程と、
   前記貫通孔が前記駆動電極及び前記検出電極に連通するように前記振動子工程及び前記リッド基板工程を行った前記ＳＯＩ基板及び前記リッド基板を接合し、前記貫通孔の少なくとも内周面を導電性の材料で覆って貫通電極を形成する接合工程と、を備えたことを特徴とする発振子の製造方法。
7. 請求項１から５のいずれか１項に記載の発振子と、
   前記発振子に備えられた振動子の共振周波数に略一致する駆動電圧を前記駆動電極に印加する前記駆動電極と同数の駆動回路と、を備えたことを特徴とする発振器。
8. 請求項７に記載の発振器であって、
   前記発振子から出力された周波数信号のうち１つが入力され、該周波数信号の所定の周波数からのずれを検出して周波数補正信号を出力する周波数シフト検出回路と、
   前記周波数信号の他方及び前記周波数補正信号が入力され、該周波数補正信号に従って入力された該周波数信号を所定の周波数に補正して外部に出力する周波数補正回路と、を備えたことを特徴とする発振器。
9. 請求項７または８に記載の発振器であって、
   前記発振子は請求項４に記載の発振子であり、
   前記駆動回路及び前記周波数シフト検出回路ならびに前記周波数補正回路が前記発振子のリッド基板に形成されていることを特徴とする発振器。

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