JP2009213068A - マイクロメカニカル共振器 - Google Patents

Abstract

【課題】軽量なねじり振動体を有するマイクロメカニカル共振器を提供する。
【解決手段】マイクロメカニカル共振器１は、基板２と、一方端が基板２に固定されたねじり振動体１１とを備えている。ねじり振動体１１には、空隙部が設けられている。空隙部は、たとえば、ねじり振動軸Ａと平行な方向に延び、ねじり振動体１１を貫通する孔３０として構成することができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、マイクロメカニカル共振器に関し、特に、ねじり振動体を用いて形成されるマイクロメカニカル共振器に関する。

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ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術が開発されており、フィルタや共振器への応用が検討されている。

なかでもこのようなＭＥＭＳ技術で作成されたマイクロメカニカル共振器は、リモートキーレスエントリシステム、スペクトラム拡散通信等のＲＦ無線に好適に使用される。このようなＭＥＭＳ技術で作成されたマイクロメカニカル共振器を利用したＭＥＭＳフィルタの一例が特開２００６−４１９１１号公報（特許文献１）に開示されている。

また、半導体プロセスと親和性が高いシリコンプロセスを用いたＲＦ−ＭＥＭＳフィルタが、橋村 昭範ら、「ねじり振動を用いたＲＦ−ＭＥＭＳフィルタの開発」，信学技報，社団法人電子情報通信学会発行，ＩＥＩＣＥ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｐｏｒｔ ＮＷ２００５−１８５（２００６−３）（非特許文献１）で提案されている。この文献では、小型化と高Ｑ値化の両立にねじり振動モードを利用した共振器が有効であることが紹介されている。
特開２００６−４１９１１号公報 橋村 昭範ら、「ねじり振動を用いたＲＦ−ＭＥＭＳフィルタの開発」，信学技報，社団法人電子情報通信学会発行，ＩＥＩＣＥ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｐｏｒｔ ＮＷ２００５−１８５（２００６−３）

しかしながら、ねじり振動を発生させるための加振力を与える方法や構造、高Ｑ値化を達成するための構造、製造しやすい構造等の点で、上記文献で開示されたＭＥＭＳフィルタは種々の改良の余地がある。特にねじり振動体を軽量化することが考えられる。

この発明の目的は、より軽量なねじり振動体を有するマイクロメカニカル共振器を提供することである。

この発明に基づいたマイクロメカニカル共振器に従えば、基板と、一方端が上記基板に固定され、ねじり振動軸を中心にねじり振動するねじり振動体とを備え、上記ねじり振動体には、空隙部が設けられている。

上記マイクロメカニカル共振器において、上記ねじり振動体は、上記ねじり振動軸から所定距離だけ離れた位置に設けられた加振力が作用する加振部を有し、上記マイクロメカニカル共振器は、上記基板上に設けられ上記加振部に対して静電気力を及ぼすための対向部を有する電極をさらに備えてもよい。

上記マイクロメカニカル共振器において、上記空隙部は、上記ねじり振動軸と平行な方向に延び、前記ねじり振動体を貫通する孔としてもよい。

上記マイクロメカニカル共振器において、上記空隙部は円孔としてもよい。
上記マイクロメカニカル共振器において、上記空隙部は、複数個設けられており、上記複数の空隙部は、上記ねじり振動軸を中心とする円上に配置してもよい。

上記マイクロメカニカル共振器において、上記空隙部は、相互に等間隔に配置してもよい。

上記マイクロメカニカル共振器において、上記空隙部は、上記ねじり振動軸を中心とする二以上の同心円上に配置してもよい。

本発明によれば、軽量なねじり振動体を有するマイクロメカニカル共振器を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下において、同一または相当要素には同一符号を付してその説明は繰返さない。

［実施の形態１］
図１は、実施の形態１に係るＭＥＭＳ共振器の構造を示す斜視図である。

図２は、実施の形態１に係るＭＥＭＳ共振器の構造を示す平面図である。
図３は、実施の形態１に係るＭＥＭＳ共振器の構造を示す側面図である。

図１〜図３を参照して、本実施の形態のマイクロメカニカル共振器１は、高誘電体基板２と、一方端が高誘電体基板２に固定された固定端であり、他方端が自由端であるねじり振動体１１とを備える。

図１〜図３に示した例では、ねじり振動体１１は、略円板状（高さの低い略円柱状）の形状であり下面が基板２に固定される固定端であり、上面が固定されていない自由端である。後に略図を使用して説明するが固定端端面の円中心と自由端端面の円中心とを結ぶ軸（ねじり振動軸Ａ）を中心としてねじり振動をする。

ねじり振動体１１は、空隙部を有している。より詳細には、ねじり振動体１１は、ねじり振動軸Ａと平行な方向に延びる複数の孔部３０を有している。ここでは、孔部３０は、円孔としており、ねじり振動軸Ａを中心として、略等間隔に１２個設けられている。孔部３０は、ねじり振動体１１の自由端（図３における上面）から基板２に達するように、ねじり振動体１１を貫通している。

ねじり振動体１１は、固定端から自由端に向かう向きに延伸するねじり振動軸（すなわち略円形の端面の中心）から所定距離ｄ１だけ離れた位置に設けられた加振力を作用させる加振部１４，１６，１８，２０を有する。

所定距離ｄ１は、ねじり振動体端面の外縁から中心までの距離より小さい所定の距離である。中心からずれた位置に、ねじり振動軸Ａと交差しない方向の成分を含む加振力を繰り返し加えることにより、ねじり振動体にねじり振動を発生させることができる。マイクロメカニカル共振器１は、高誘電体基板２上に設けられ加振部１４，１６，１８，２０に対して静電気力を作用させるための対向部を有する電極４，６，８，１０をさらに備える。

ねじり振動体１１に設けられた加振部１４，１６，１８，２０は、自由端端面に形成された加振力を与えるための突起である。

さらに好ましくは、ねじり振動体１１は、ねじり振動体本体１２と突起（加振部１４，１６，１８，２０）とを含んで構成される。ねじり振動体本体１２は、第１の材料（たとえば単結晶シリコン）で形成される。ねじり振動体本体の自由端端面に形成された突起は、第２の材料（金メッキ）で形成される。

電極４は、高誘電体基板２上に固定され、第１の材料（たとえば単結晶シリコン）で形成された脚部３と、脚部３に接続され加振部１４，１６，１８，２０と対向し、第２の材料（金メッキ）で形成された対向部５とを含む。

なお、高誘電体基板２は、たとえばガラス基板が好適に用いられるが、他の高誘電体であっても良い。たとえば、ガリウム砒素基板、セラミック基板等を用いることも可能である。

電極４の脚部３は、高誘電体基板２に固定された面からねじり振動体本体１２の上端面と同じ高さまでの部分であり、ねじり振動体本体１２と同じ材料で形成される。また電極４の対向部５はねじり振動体本体１２の上端面と同じ高さから上の部分であり、先端の側面が、加振部１４に対向している。

図１〜図３では、電極や加振部の突起を説明するためにこれらの部分が拡大された図となっているが、実際の寸法は、たとえば、平面図で略円状の振動体本体１２の直径が１００μｍに対して加振部は５μｍ×３μｍであり、電極は１０μｍ×３μｍである。また加振部と電極との間のギャップは１μｍである。また側面図において、高誘電体基板２の厚さは５００μｍ、振動体本体１２の厚さは１０μｍ、振動体本体１２の幅は１００μｍ、電極４の外側から電極８の外側までの距離は１１０μｍである。

図４は、実施の形態１のマイクロメカニカル共振器の製造方法を示したフローチャートである。

図５は、図４の工程Ｓ１の処理直後の基板の断面図である。
図４、図５を参照して、まず工程Ｓ１において、基板１０２に金属クロム膜を蒸着で５００オングストロームの膜厚で形成する。近年電気・電子機器の高性能化や小型携帯化が進むにつれて、従来の半導体デバイス材料であるバルクウェーハよりも高速、かつ低消費電力が期待できる新技術のウェーハ、すなわちＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウェーハが入手しやすくなってきている。

基板１０２は、ＳＯＩウェーハであり、第１、第２の単結晶シリコン層１０４，１０８の間に絶縁層１０６が形成されたものである。ＳＯＩウェーハは、大きくＳＩＭＯＸ法で製造されるものと、はり合わせ法で製造されるものがあるが、いずれの方法によるウェーハでもよい。

はり合わせ法で得られるＳＯＩウェーハは、２枚のシリコンウェーハの一方、あるいは、両方を熱酸化により表面に所望の厚みの酸化膜を形成した後にはり合わせ、熱処理によりはり合わせ強度を上げた後、片側から研削と研磨などにより薄膜化を行って、所望の厚みの第２の単結晶シリコン層１０８を残すものである。

以下、第２の単結晶シリコン層１０８を活性層とも呼ぶ。はり合わせ法は、活性層（第２の単結晶シリコン層１０８）、絶縁層１０６の膜厚の自由度が高いという点で、より好ましい。

第１、第２の単結晶シリコン層１０４，１０８、絶縁層１０６の厚さは、たとえば、それぞれ３５０μｍ、１０μｍ、１μｍである。

続いて、工程Ｓ２においてクロム層のパターニングが行なわれる。
図６は、クロム層のパターニング後のＳＯＩ基板の平面図である。

図７は、図６のＶＩＩ−ＶＩＩでの断面図である。
図６、図７を参照して、単結晶シリコン層１０８上に、クロム層が５００オングストロームの膜厚で形成された後、レジストを用いたフォトリソグラフィによってクロムパターン１１０Ａ〜１１０Ｅが形成される。

このフォトリソグラフィ工程には、レジストコート、プリベーク、ガラスマスク等を用いた露光、現像・リンス、ポストベーク、エッチングによるパターン成形の各工程が含まれる。クロムパターン１１０Ａは、図１のねじり振動体本体に対応する領域に形成され、クロムパターン１１０Ｂ〜１１０Ｅは、図１の電極４，６，８，１０の脚部にそれぞれ対応する領域に形成されている。

ねじり振動体本体に対応するクロムパターン１１０Ａには、等間隔に円形の孔が１２個設けられている。この孔はねじり振動体本体に形成される孔部３０に対応する。

再び図４を参照して、工程Ｓ２のクロム層のパターニングの後には、工程Ｓ３においてクロム層をマスクとして、シリコン深掘エッチングが行なわれる。

図８は、工程Ｓ３のシリコン深掘エッチング工程後の平面図である。
図９は、工程Ｓ３のシリコン深掘エッチング工程後の断面図である。

図８、図９を参照して、クロムパターンが存在していない部分では、単結晶シリコン層１０８が絶縁層１０６に到達するまで、たとえば、誘導結合型反応性イオンエッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ：Inductive Coupled Plasma-Reactive Ion Etching）等による異方性ドライエッチングによって深掘される。エッチング深さは、活性層の厚さに等しく、たとえば１０μｍである。図８に示すように、クロムパターン以外の部分は絶縁層１０６が露出した状態となる。

その後図４の工程Ｓ４においてマスクとして使用していたクロムパターンを除去する。そして、工程Ｓ５において活性層の表面にガラス基板等の高誘電体基板１１４を接合する。

図１０は、工程Ｓ５のガラス基板接合処理後の状態を示した断面図である。
図１０においては、図５、図７，図９とは上下が逆転して示されている。高誘電体基板１１４は、ガラス基板が好適に用いられるが、他の高誘電体であっても良い。たとえば、ガリウム砒素基板、セラミック基板等を用いることも可能である。

高誘電体基板１１４の表面は平坦であるので、図１１においてエッチングされて残った活性層の凸部のみが高誘電体基板１１４と接合される。接合は、たとえば、ガラスとシリコンとを加熱して高電圧を印加する陽極接合等を用いることができる。

さらに、図５の工程Ｓ６のシリコンバックエッチングおよび工程Ｓ７の酸化膜エッチングによって、単結晶シリコン層１０４と絶縁層１０６とが除去される。

図１１は、工程Ｓ６のシリコンバックエッチングおよび工程Ｓ７の酸化膜エッチング後の状態を示した平面図である。

図１２は、工程Ｓ６のシリコンバックエッチングおよび工程Ｓ７の酸化膜エッチング後の状態を示した断面図である。

図１１、図１２に示すように、工程Ｓ６のシリコンバックエッチングおよび工程Ｓ７の酸化膜エッチング後では、単結晶シリコン層１０８Ａ〜１０８Ｅが高誘電体基板上に接合された状態として残る。単結晶シリコン層１０８Ａは、図１のねじり振動体本体１２に相当する部分である。単結晶シリコン層１０８Ａには、孔部３０に相当する１２個の孔が形成されている。単結晶シリコン層１０８Ｂ〜１０８Ｅは、図１の電極の脚部３に相当する部分である。

続いて、図４の工程Ｓ８のＣｒ・Ａｕシード層形成処理が行われる。
図１３は、工程Ｓ８のＣｒ・Ａｕシード層形成処理後の状態を示した平面図である。

図１４は、工程Ｓ８のＣｒ・Ａｕシード層形成処理後の状態を示した断面図である。
図１３、図１４を参照して、高誘電体基板１１４の露出部と単結晶シリコン層１０８Ａ〜１０８Ｅの表面には、クロム層と金メッキのシード層となるＡｕシード層が順次形成（以下単にＣｒ・Ａｕシード層と略す）され、その上に電解メッキにより金メッキ層が形成される。

その後、図４の工程Ｓ９のフォトリソグラフィパターニングが２段階に分けて行われる。

図１５は、工程Ｓ９のフォトリソグラフィパターニング処理後の状態を示した平面図である。

図１６は、工程Ｓ９のフォトリソグラフィパターニング処理後の状態を示した断面図である。

図１５、図１６を参照して、まず、レジスト層１１８が塗布されパターニングされる。レジスト層１１８は、フォトリソグラフィ工程によって、電極の脚部（図１の脚部３など）とねじり振動体の加振部（図１の加振部１４など）に相当する部分が除去される。その上にレジスト層１２０が塗布され、電極の対向部（図１の対向部５など）とねじり振動体の加振部（図１の加振部１４など）に相当する部分が除去される。

その後、図４の工程Ｓ１０の金メッキが行われる。
図１７は、工程Ｓ１０の金メッキ処理後の状態を示した平面図である。

図１８は、工程Ｓ１０の金メッキ処理後の状態を示した断面図である。
図１７、図１８を参照して、金メッキ層１２２がレジスト層１２０の上面までの厚み分形成される。図１８を見ると、単結晶シリコン層１０８Ａ（ねじり振動体本体部分）と金メッキ層１２２との間には、Ｃｒ・Ａｕシード層１１６とレジスト層１１８とが介在している。これらの層が犠牲層となって、ねじり振動体本体から電極の対向部が浮いた状態が工程Ｓ１１，Ｓ１２によって形成される。たとえば、電解メッキにより金メッキ層の厚みを２μｍとすることができる。

図１９は、工程Ｓ１１のレジスト除去および工程Ｓ１２のＣｒ・Ａｕシード層除去後の状態を示した平面図である。

図２０は、工程Ｓ１１のレジスト除去および工程Ｓ１２のＣｒ・Ａｕシード層除去後の状態を示した断面図である。

図１９、図２０において、高誘電体基板１１４上に単結晶シリコンおよび金メッキで形成された共振器が完成した状態が示される。図１のねじり振動体１１について説明すると、単結晶シリコン層１０８Ａ上には、加振部１４，１６，１８，２０である金メッキ層１２２が一体化されている。また、図１の電極４について説明すると、単結晶シリコン層１０８Ｂの上にはシード層１１６が介在するが、やはり対向部５である金メッキ層１２２が一体化されている。他の電極６，８，１０についても同様に脚部である単結晶シリコン層上に対向部である金メッキ層が一体化されている。単結晶シリコン層１０８Ａには、複数の孔が形成されている。

図２１は、本実施の形態のＭＥＭＳ共振器の動作を説明するための図である。
図２１を参照して、４つの電極の対向部１５２には高周波電源から交流電圧ＶＩが印加される。ねじり振動体１５４にはコイルＬを介して主電圧電源から主電圧ＶＰが印加される。すると、ねじり振動体の加振部と電極対向部１５２との間に交番静電気力が発生し、その静電気力によってねじり振動体が高誘電体基板に直交するねじり振動軸の周りにねじり振動する。このねじり振動体のねじり振動により、ねじり振動体と電極との間の静電容量が変化し、キャパシタＣを経由して、一方端が接地された抵抗Ｒの他方端からその静電容量の変化が高周波信号ＶＯとして出力される。

本実施の形態においては、孔部３０がねじり振動体１１に設けられている場合について説明しているが、まず、図２２から図２４を参照して、孔部３０が設けられていないねじり振動体の振動について説明する。

図２２は、ねじり振動体の振動の様子を説明するための図である。
図２２を参照して、本願発明者が行った振動シミュレーションでは、共振周波数１３３ＭＨｚにおいて共振が確認された。そして共振状態では、ある瞬間ねじれ共振体本体が矢印Ａ１に示す向きにねじれているときは、加振部１４，１６，１８，２０は、矢印Ａ１と逆向きの矢印Ａ２に示す向きに変形することがコンピュータを使用したモード解析によって判明した。

図２３は、典型的な片端固定のねじり振動について説明するための図である。
図２４は、ねじり振動における基板からの高さとねじれによる表面変位の関係を示した図である。

図２３、図２４を参照して、固定端端面が基板に固定された状態で自由端端面に加振力を加えると、自由端端面付近で側面の表面変位（振動の最大振幅に相当する）が最大となる。そして、高さ位置がゼロに近づくにつれて変位は減少する。

ここで、ねじり振動体を、図２３に示した細長棒状ではなく、図２，図３に示したように幅に比べて高さを低くした円柱（円板状）とすることで、Ｑ値を高くし、高周波用途に好適な共振器を得ることができる。

表１に、孔部が設けられていないねじり振動体の厚みを変化させたときの共振周波数の変化を示す。

表１においてねじり振動体の厚みは、振動体を固定する基板からの高さに相当する。コンピュータシミュレーションによると、厚みが５μｍであるとき、共振周波数は２７２ＭＨｚであり、厚みが１０μｍであるとき、共振周波数は１３６ＭＨｚであり、厚みが２０μｍであるとき、共振周波数は６８ＭＨｚであった。このように厚さを変えることによって、共振周波数を選択することができる。一方、このような円板形状のねじり振動では、円板の直径は多少変化しても共振周波数は同じであることも判明した。

ここで、この厚みはＳＯＩウェーハの場合、活性層である単結晶シリコンの厚さで決定される。したがって、厚みは精度よく決めることが可能である。一方、円板の直径は、半導体プロセスにおけるエッチングの精度で決定される。したがって厚みほどは精度よく決定するのは難しく、また、精度を上げるには高額な設備が必要となりプロセスコストが増大する。

一般に、共振ビームをビームと直角方向に振動させる片持ち梁または両持ち梁の形のＭＥＭＳ共振器は、高い共振周波数を得るには微細構造にすればするほど有利となる。したがって、エッチングの精度が問題となる。また、ねじり振動を利用するものであってもねじり軸がシリコンウェーハの面と平行な方向に延びるものでは、やはり共振周波数を正確に定めるにはエッチングの精度が問題となる。エッチングの精度を高めるには、高額なフォトマスク、露光装置、エッチング装置などの設備投資が必要である。

これらに比べ、本実施の形態で図１等で例示した円板型のねじり共振体では、エッチングの精度があまり必要でないので、同程度の周波数精度を達成するのにプロセスコストが安くて済むという利点がある。

本実施の形態においては、図１などに示すように、１２個の孔部３０を、ねじり振動体本体１２の外周部に沿って設けている。発明者らは、ねじり振動体本体１２に孔部３０を設けた場合に、どのような振動が生じるかについて、コンピュータシミュレーションを行なって検証した。

コンピュータシミュレーションにおいては、厚さ１０μｍで直径１００μｍの円板形状のねじり振動体に、ねじり振動軸Ａを中心とする円上に等間隔の円孔を設けたモデルを用いた。円孔は、ねじり振動体の上面（自由端）から、ねじり振動体の下端（固定端）まで、ねじり振動体を貫通するように設けている。

図２５から２８は、コンピュータシミュレーションのモデルを示す図である。
円孔の大きさおよび配置を変更することで、図２５から図２８に示す７種類のモデルを作成した。図２５は、モデル１から４を示す。モデル１から４においては、円孔を等間隔に４個配置している。円孔の直径は、モデル１では３μｍ、モデル２では６μｍ、モデル３では９μｍ、モデル４では１２μｍである。ねじり振動体の外周から円孔の中心までの距離は１０μｍである。

図２６は、モデル５を示す。モデル５においては、円孔を等間隔に８個配置している。円孔の直径は６μｍ、ねじり振動体の外周から円孔の中心までの距離は１０μｍである。

図２７は、モデル６を示す。モデル６においては、円孔を等間隔に１２個配置している。円孔の直径は６μｍ、ねじり振動体の外周から円孔の中心までの距離は１０μｍである。

図２８は、モデル７を示す。モデル７においては、円孔を直径の異なる二つの同心円上にそれぞれ１２個ずつ、合計２４個配置している。円孔の直径は６μｍである。ねじり振動体の外周から、外側の同心円上の円孔の中心までの距離は１０μｍである。ねじり振動体の外周から、内側の同心円上の円孔の中心までの距離は２０μｍである。

モデル１から７を用いてコンピュータシミュレーションを行なった結果を表２に示す。

表２に示すように、モデル１から７の全てにおいて、ねじり振動モードが出現した。また、ねじり振動モードの共振周波数は、モデル１および２では１３５ＭＨｚ、モデル３、５および６では１３４ＭＨｚ、モデル４および７では１３２ＭＨｚであった。

表１で示したように、空隙部を設けない場合の共振周波数が１３６ＭＨｚであった。モデル１から７のような円孔からなる空隙部をねじり振動体に設けて軽量化を図った場合でも、空隙部を設けない場合と大きく異ならない共振周波数でねじり振動することが分かった。すなわち、少なくとも、上記のような空隙部を設けてもそれが悪影響を及ぼすことなく、空隙部を設けない場合と略同等の高い共振周波数のねじり振動を発生させられることが確認された。

一般に、１自由度振動系において共振周波数ｆは、（１／２π）・（ｋ／ｍ）^1/2で表される。ここで、ｋはバネ定数、ｍは重りの質量である。この式に従うと、高い共振周波数を得るためには、重りの質量ｍを小さくすることが効果的である。本願発明に係るねじり振動体においても、バネ定数ｋの低下が最小限となるようにねじり振動体に空隙部を設けると共に、空隙部により質量ｍを小さくすることで、より高い共振周波数が得られる可能性がある。

本実施の形態においては、孔部として円孔を設けたが、孔部の断面形状は必ずしも円形でなくてもよい。たとえば、６角形や、８角形などの多角形でもよい。また、孔部をねじり振動体の内部に均等に分布するように設けても良い。たとえば、ねじり振動体の内部をハニカム構造としてもよい。本実施の形態においては空隙部をねじり振動体を貫通する孔部として構成したが、空隙部をねじり振動体の中間部にのみ設けて、空隙部がねじり振動体を貫通しないように設けることも可能である。

図２９は、フィルタ回路にＭＥＭＳ共振器を用いる例を示す回路図である。
図２９を参照して、このフィルタ回路は、入力端子ＴＩと出力端子ＴＯとの間に直列に接続されたコンデンサ１６２，１６４，１６６と、コンデンサ１６２，１６４の接続ノードと接地ノードとの間に接続されたＭＥＭＳ共振器１６８と、コンデンサ１６４，１６６の接続ノードと接地ノードとの間に接続されたＭＥＭＳ共振器１７０とを含む。このようなフィルタ回路のＭＥＭＳ共振器１６８，１７０に本実施の形態のマイクロメカニカル共振器を使用することができる。

図３０は、発振回路にＭＥＭＳ共振器を用いる例を示す回路図である。
図３０を参照して、この発振回路は、電源ノードＶＤＤから電源電位の供給を受けるインバータＩＮＶ１とインバータＩＮＶ１の出力を入力に受けるインバータＩＮＶ２とを含む。インバータＩＮＶ２の出力からは、この発振回路の出力信号が出力される。

この発振回路は、さらに、一方端が接地され他方端がインバータＩＮＶ１の入力に接続されたコンデンサＣ１と、コンデンサＣ１と並列接続される可変容量コンデンサＣＬ１と、負極が接地された直流電圧源Ｖｐと、直流電圧源Ｖｐの正極に一方端が接続された抵抗Ｒｐと、抵抗Ｒｐの他方端とインバータＩＮＶ１の入力との間に接続されたコンデンサＣｐと、インバータＩＮＶ１の出力と接地との間に直列に接続された抵抗ＲｄおよびコンデンサＣＬ２と、抵抗ＲｄおよびコンデンサＣＬ２の接続ノードと抵抗Ｒｐの他方端との間に接続されたＭＥＭＳ共振器１７２とを含む。

この発振回路は、さらに、インバータＩＮＶ１の入力と出力とを接続する帰還抵抗Ｒｆを含む。

インバータＩＮＶ１の出力がＭＥＭＳ共振器１７２を含んで構成されるフィルタによって入力に帰還され、特定の共振周波数の成分が増幅され回路が発振する。

このような発振回路のＭＥＭＳ共振器１７２に本実施の形態のマイクロメカニカル共振器を使用することができる。

実施の形態１で説明した、空隙部を有するねじり振動体を用いたＭＥＭＳ共振器は、実施の形態２および３に示すような、異なる構造のＭＥＭＳ共振器に適用することも可能である。

［実施の形態２］
実施の形態１では、ねじり振動体の自由端端面に加振部を形成した例を紹介した。実施の形態２においては、ねじり振動体の側面に加振部を形成する例を説明する。

図３１は、実施の形態２に係るＭＥＭＳ共振器の構造を示す斜視図である。
図３１に示す、マイクロメカニカル共振器１３０は、高誘電体基板１３２と、一方端が高誘電体基板１３２に固定された固定端であり、他方端が自由端であるねじり振動体１４１とを備える。

本実施の形態に示した例では、ねじり振動体１４１は、略円板状（高さの低い略円柱）の形状であり下面が基板１３２に固定される固定端であり、上面が固定されていない自由端である。図２３、図２４を使用して説明したように、ねじり振動体１４１は、固定端端面の円中心と自由端端面の円中心とを結ぶ軸（ねじり振動軸Ａ）を中心としてねじり振動をする。

ねじり振動体１４１は、固定端から自由端に向かう向きに延伸するねじり振動軸Ａ（すなわち端面の中心）から所定距離ｄ２だけ離れた位置に設けられた加振力を作用させる加振部１４４，１４６，１４８，１５０を有する。所定距離ｄ２は、ねじり振動体の本体である略円柱の外縁から中心までの距離以下の所定の距離である。マイクロメカニカル共振器１３０は、高誘電体基板１３２上に設けられ加振部１４４，１４６，１４８，１５０に対してそれぞれ静電気力を及ぼすための対向部を有する電極１３４，１３６，１３８，１４０をさらに備える。

ねじり振動体１４１に設けられた加振部１４４，１４６，１４８，１５０は、円板状（高さの低い円柱）のねじり振動体本体１４２の側面に形成された加振力を与えるための突起である。言い換えると、ねじり振動体１４１に設けられた加振部１４４，１４６，１４８，１５０は、自由端と固定端の間の部分の側面部に形成された加振力を与えるための突起である。なお本実施の形態の各図においても、実施の形態１と同様に、加振部１４４，１４６，１４８，１５０および電極１３４，１３６，１３８，１４０を実際の大きさよりも拡大して描いている。

ねじり振動体１４１には、実施の形態１のねじり振動体と同様に、ねじり振動体のねじり振動軸Ａを中心とする円上に１２個の孔部３０が等間隔に設けられている。本実施の形態の空隙部を設けたＭＥＭＳ共振器においても、電極１３４，１３６，１３８，１４０により加振部１４４，１４６，１４８，１５０に繰り返し静電気力を加えることで、ねじり振動体にねじり振動を発生させることができる。

図３２は、実施の形態２の第１の変形例に係るＭＥＭＳ共振器の構造を示す斜視図である。

本実施の形態のように、加振部１４４，１４６，１４８，１５０をねじり振動体１４１の側面に設けた場合には、本変形例のようにねじり振動体１４１の上面に、錘部１６０を設けてもよい。ここで好ましくは、錘部１６０は、固定端から自由端に向かう向きに延伸するねじり振動軸に沿う単位長あたりの質量がねじり振動体本体１４２よりも大きい。

先端部に錘部１６０を形成することで、ねじり振動体の共振周波数を高くすることができる。したがって、高周波用途により一層好適な共振器を得ることができる。

図３３は、実施の形態２の第２の変形例に係るＭＥＭＳ共振器の構造を示す斜視図である。

本変形例においては、ねじり振動体１４１の上端に基板１８０を固定し、ねじり振動体１４１の上端を固定端としている。ねじり振動体１４１の先端部に基板１８０を固定して固定端とすることで、共振周波数を高くすることができる。したがって、高周波用途により一層好適な共振器を得ることができる。

なお、本実施の形態においては、１２個の孔部３０を等間隔に設ける場合を代表的に示したが、実施の形態１で説明したような異なる大きさ、形状、配置の空隙部を、本実施の形態に適用してもよい。

［実施の形態３］
実施の形態２では、ねじり振動体の側面に加振部を形成した例を紹介した。実施の形態３においては、ねじり振動体の側面に加振部を形成する他の例を説明する。

図３４は、実施の形態３に係るＭＥＭＳ共振器の構造を示す斜視図である。
本実施の形態の、マイクロメカニカル共振器２００は、高誘電体基板２０２と、一方端が高誘電体基板２０２に固定された固定端であり、他方端が自由端であるねじり振動体２１１とを備える。

ねじり振動体２１１は、略円板状の形状であり下面が基板２０２に固定される固定端であり、上面が固定されていない自由端である。図２３、図２４を使用して説明したように、ねじり振動体２１１は、略円形の固定端端面の円中心と自由端端面の円中心とを結ぶ軸（ねじり振動軸Ａ）を中心としてねじり振動をする。

ねじり振動体２１１は、固定端から自由端に向かう向きに延伸するねじり振動軸Ａ（すなわち略円形端面の中心）から所定距離ｄ３だけ離れた位置に設けられた加振力を作用させる加振部２１４，２１６，２１８，２２０を有する。所定距離ｄ３は、ねじり振動体が略円柱であるときは、その円柱の外縁から中心までの距離より小さい所定の距離である。マイクロメカニカル共振器２００は、高誘電体基板２０２上に設けられ加振部２１４，２１６，２１８，２２０に対して静電気力を及ぼすための対向部を有する電極２０４，２０６，２０８，２１０をさらに備える。

ねじり振動体２１１には、空隙部が設けられている。より詳細には、ねじり振動体２１１には、４個の孔部３０がねじり振動軸Ａを中心とする円上に等間隔に設けられている。

ねじり振動体２１１に設けられた加振部２１４，２１６，２１８，２２０は、自由端と固定端の間の部分の側面部に形成された加振力を与えるための凹部である。言い換えると、ねじり振動体２１１に設けられた加振部２１４，２１６，２１８，２２０は、自由端と固定端の間の部分の側面部に凹んで形成された加振力を与えるための凹部である。

さらに好ましくは、電極２０４，２０６，２０８，２１０は、高誘電体基板２０２上に固定され凹部に少なくとも一部分が挿入され凹部の内面に対向する。なお本実施の形態の各図においても、実施の形態１と同様に、加振部２１４，２１６，２１８，２２０および電極２０４，２０６，２０８，２１０を実際の大きさよりも拡大して描いている。

本実施の形態の空隙部を有するＭＥＭＳ共振器においても、電極２０４，２０６，２０８，２１０により加振部２１４，２１６，２１８，２２０に繰り返し静電気力を加えることで、ねじり振動体２１１にねじり振動を発生させることができる。

図３５は、実施の形態３の第１の変形例に係るＭＥＭＳ共振器の構造を示す斜視図である。

本実施の形態のように、加振部２１４，２１６，２１８，２２０をねじり振動体１４１の側面に設けた場合には、本変形例のようにねじり振動体２１１の上面（自由端）に、錘部２３０を設けてもよい。ここで好ましくは、錘部２３０は、固定端から自由端に向かう向きに延伸するねじり振動軸に沿う単位長あたりの質量がねじり振動体本体２１２よりも大きい。

先端部に錘部２３０を形成することで、共振周波数を高くすることができる。したがって、高周波用途により一層好適な共振器を得ることができる。

図３６は、実施の形態３の第２の変形例に係るＭＥＭＳ共振器の構造を示す斜視図である。

本変形例においては、ねじり振動体２１１の上端に基板１８０を固定し、ねじり振動体２１１の上端を固定端としている。ねじり振動体２１１の先端部に基板１８０を固定して固定端とすることで、共振周波数を高くすることができる。したがって、高周波用途により一層好適な共振器を得ることができる。

なお、本実施の形態においては、４個の孔部３０を等間隔に設ける場合を代表的に示したが、実施の形態１で説明したような異なる大きさ、形状、配置の空隙部を、本実施の形態に適用してもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

実施の形態１に係るＭＥＭＳ共振器の構造を示す斜視図である。 実施の形態１に係るＭＥＭＳ共振器の構造を示す平面図である。 実施の形態１に係るＭＥＭＳ共振器の構造を示す側面図である。 実施の形態１のマイクロメカニカル共振器の製造方法を示したフローチャートである。 図４の工程Ｓ１の処理直後のＳＯＩ基板の断面図である。 クロム層のパターニング後のＳＯＩ基板の平面図である。 図６のＶＩＩ−ＶＩＩでの断面図である。 工程Ｓ３のシリコン深掘エッチング工程後の平面図である。 工程Ｓ３のシリコン深掘エッチング工程後の断面図である。 工程Ｓ５のガラス基板接合処理後の状態を示した断面図である。 工程Ｓ６のシリコンバックエッチングおよび工程Ｓ７の酸化膜エッチング後の状態を示した平面図である。 工程Ｓ６のシリコンバックエッチングおよび工程Ｓ７の酸化膜エッチング後の状態を示した断面図である。 工程Ｓ８のＣｒ・Ａｕシード層形成処理後の状態を示した平面図である。 工程Ｓ８のＣｒ・Ａｕシード層形成処理後の状態を示した断面図である。 工程Ｓ９のフォトリソグラフィパターニング処理後の状態を示した平面図である。 工程Ｓ９のフォトリソグラフィパターニング処理後の状態を示した断面図である。 工程Ｓ１０の金メッキ処理後の状態を示した平面図である。 工程Ｓ１０の金メッキ処理後の状態を示した断面図である。 工程Ｓ１１のレジスト除去および工程Ｓ１２のＣｒ・Ａｕシード層除去後の状態を示した平面図である。 工程Ｓ１１のレジスト除去および工程Ｓ１２のＣｒ・Ａｕシード層除去後の状態を示した断面図である。 本実施の形態のＭＥＭＳ共振器の動作を説明するための図である。 ねじり振動体の振動の様子を説明するための図である。 典型的な片端固定のねじり振動について説明するための図である。 ねじり振動における基板からの高さとねじれによる表面変位の関係を示した図である。 コンピュータシミュレーションのモデル１から４を示す図である。 コンピュータシミュレーションのモデル５を示す図である。 コンピュータシミュレーションのモデル６を示す図である。 コンピュータシミュレーションのモデル７を示す図である。 フィルタ回路にＭＥＭＳ共振器を用いる例を示す回路図である。 発振回路にＭＥＭＳ共振器を用いる例を示す回路図である。 実施の形態２に係るＭＥＭＳ共振器の構造を示す斜視図である。 実施の形態２の第１の変形例に係るＭＥＭＳ共振器の構造を示す斜視図である。 実施の形態２の第２の変形例に係るＭＥＭＳ共振器の構造を示す斜視図である。 実施の形態３に係るＭＥＭＳ共振器の構造を示す斜視図である。 実施の形態３の第１の変形例に係るＭＥＭＳ共振器の構造を示す斜視図である。 実施の形態３の第２の変形例に係るＭＥＭＳ共振器の構造を示す斜視図である。

符号の説明

１，１３０，２００ マイクロメカニカル共振器、２，１０２，１１４，１３２，１８０，２０２ 基板、３ 脚部、４，６，８，１０，２０４，２０６，２０８，２１０ 電極、５，１５２ 対向部、１１，１４１，１５４，２１１ 振動体、１２，１４２，２１２ 振動体本体、１４，１６，１８，２０，１４４，１４６，１４８，１５０，２１４，２１６，２１８，２２０ 加振部、３０ 孔部、１０４，１０８，１０８Ａ，１０８Ｂ 単結晶シリコン層、１０６ 絶縁層、１１０Ａ，１１０Ｂ クロムパターン、１１６ シード層、１１８，１２０ レジスト層、１２２ 金メッキ層、１３４，１３６，１３８，１４０ 電極、１６０，２３０ 錘部、１６２，１６４，１６６ コンデンサ、１６８，１７０，１７２ ＭＥＭＳ共振器、Ａ ねじり振動軸。

Claims (7)

1. 基板と、
   一方端が前記基板に固定され、ねじり振動軸を中心にねじり振動するねじり振動体とを備え、
   前記ねじり振動体には、空隙部が設けられている、マイクロメカニカル共振器。
2. 前記ねじり振動体は、
   前記ねじり振動軸から所定距離だけ離れた位置に設けられた加振力が作用する加振部を有し、
   前記マイクロメカニカル共振器は、
   前記基板上に設けられ前記加振部に対して静電気力を作用させるための対向部を有する電極をさらに備える、請求項１に記載のマイクロメカニカル共振器。
3. 前記空隙部は、前記ねじり振動軸と平行な方向に延び、前記ねじり振動体を貫通する孔である、請求項１または２に記載のマイクロメカニカル共振器。
4. 前記空隙部は円孔である、請求項３に記載のマイクロメカニカル共振器。
5. 前記空隙部は、複数個設けられており、
   前記複数の空隙部は、前記ねじり振動軸を中心とする円上に配置されている、請求項１から４のいずれかに記載のマイクロメカニカル共振器。
6. 前記空隙部は、相互に等間隔に配置されている、請求項５に記載のマイクロメカニカル共振器。
7. 前記空隙部は、前記ねじり振動軸を中心とする二以上の同心円上に配置されている、請求項５または６に記載のマイクロメカニカル共振器。

Images