JP2020109940A - 共振器及びその製造方法と、共振器を含むストレインセンサー及びセンサーアレイ - Google Patents

共振器及びその製造方法と、共振器を含むストレインセンサー及びセンサーアレイ Download PDF

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Choongho Rhee
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Abstract

【課題】共振器及びその製造方法と、共振器を含むストレインセンサー及びセンサーアレイを提供する。【解決手段】支持部から長手方向に延設されるものであり、単結晶材質を含み、前記単結晶材質の結晶方向のうち、要求されるヤング率及びポアソン比のうち少なくとも１つを満足する結晶方向に延設される共振器である。【選択図】図５

Description

本発明は、共振器及びその製造方法と、共振器を含むストレインセンサー及びセンサーアレイに関する。
共振器は、特定周波数帯域で振動する装置を言う。かような共振器は、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）工程を用いてシリコン基板のような半導体基板に微細振動型構造を形成することで製作される。かような共振器は、例えば、機械的フィルター（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｆｉｌｔｅｒ）、音響センサーのような振動型センサーにも適用される。振動型センサーは、例えば、携帯電話、生活家電製品、映像ディスプレイ装置、仮想現実装置、増強現実装置、人工知能スピーカーなどに装着されて、外部応力、外部圧力、外力のような外部入力によって発生する振動を認識することができるセンサーに活用される。
本発明が解決しようとする課題は、共振器及びその製造方法と、共振器を含むストレインセンサー及びセンサーアレイを提供する。
一側面において、
支持部から長手方向に延設されるものであり、
単結晶材質を含み、
前記単結晶材質の結晶方向のうち、要求されるヤング率（Ｙｏｕｎｇ’ｓ ｍｏｄｕｌｕｓ）及びポアソン比（Ｐｏｉｓｓｏｎ’ｓ ｒａｔｉｏ）のうち、少なくとも１つを満足する結晶方向（ｃｒｙｓｔａｌ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）に延設される共振器が提供される。
前記共振器は、前記ヤング率の最も小さな結晶方向に延設される。
前記共振器は、前記ポアソン比の最も大きな結晶方向に延設される。
前記共振器は、前記長手方向に延びたビーム状を有してもよい。
前記共振器は、一端が前記支持部に固設される。または、前記共振器は、両端が前記支持部に固設される。前記支持部は、前記単結晶材質を含んでもよい。
他の側面において、
支持部から長手方向に延設されるものであり、
（１００）結晶面（ｃｒｙｓｔａｌ ｐｌａｎｅ）を有する単結晶シリコンを含み、
前記単結晶シリコンの結晶方向のうち、要求されるヤング率及びポアソン比のうち少なくとも１つを満足する結晶方向に延設される共振器が提供される。
前記共振器は、前記ヤング率が最も小さく、前記ポアソン比の最も大きな結晶方向に延設される。前記共振器は、前記単結晶シリコンの＜１００＞結晶方向に延設される。
前記共振器は、前記単結晶シリコンの＜１００＞結晶方向と＜１１０＞結晶方向との間の結晶方向に延設される。
前記共振器は、前記長手方向に延びたビーム状を有してもよい。
前記共振器は、一端が前記支持部に固設されるか、または両端が前記支持部に固設される。前記支持部は、前記単結晶シリコンを含んでもよい。
さらに他の側面において、
単結晶材質を含む基板をパターニングして共振器を製造する方法において、
前記基板の一部が前記単結晶材質の結晶方向のうち、要求されるヤング率及びポアソン比のうち少なくとも１つを満足する結晶方向に延びるように前記基板をパターニングする共振器の製造方法が提供される。
前記基板の一部が、前記ヤング率が最も小さな結晶方向に延びるように前記基板をパターニングしてもよい。
前記基板の一部が前記ポアソン比の最も大きな結晶方向に延びるように前記基板をパターニングしてもよい。
前記基板は、（１００）結晶面を有する単結晶シリコンを含み、
前記基板の一部が前記単結晶シリコンの＜１００＞結晶方向に延びるように前記基板をパターニングしてもよい。
さらに他の側面において、
支持部から長手方向に延設される共振器と、
前記共振器のストレインを測定するためのセンシング素子と、を含み、
前記共振器は、単結晶材質を含み、前記単結晶材質の結晶方向のうち、要求されるヤング率及びポアソン比のうち少なくとも１つを満足する結晶方向に延設されるストレインセンサーが提供される。
前記共振器は、前記ヤング率の最も小さな結晶方向に延設される。
前記共振器は、前記ポアソン比の最も大きな結晶方向に延設される。
前記共振器は、（１００）結晶面を有する単結晶シリコンを含んでもよい。前記共振器は、前記単結晶シリコンの＜１００＞結晶方向に延設される。前記共振器は、前記単結晶シリコンの＜１００＞結晶方向と＜１１０＞結晶方向との間の結晶方向に延設される。
前記共振器は、一端が前記支持部に固設されるか、または両端が前記支持部に固設される。
前記センシング素子は、圧電素子（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｌｅｍｅｎｔ）、圧電抵抗素子（ｐｉｅｚｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｅｌｅｍｅｎｔ）または容量素子（静電容量 ｅｌｅｍｅｎｔ）を含んでもよい。前記センシング素子は、前記共振器から反射される光の角度変化を測定する光学素子を含んでもよい。
さらに他の側面において、
支持部から長手方向に延設され、互いに異なる共振周波数を有する複数の共振器と、
前記共振器のストレインを測定する複数のセンシング素子と、を含み、
前記共振器それぞれは、単結晶材質を含み、前記単結晶材質の結晶方向のうち、要求されるヤング率及びポアソン比のうち少なくとも１つを満足する結晶方向に延設されるセンサーアレイが提供される。
前記共振器それぞれは、前記ヤング率の最も小さな結晶方向に延設される。
前記共振器それぞれは、前記ポアソン比の最も大きな結晶方向に延設される。
前記共振器それぞれは、（１００）結晶面を有する単結晶シリコンを含んでもよい。前記共振器それぞれは、前記単結晶シリコンの＜１００＞結晶方向に延設される。前記共振器それぞれは、前記単結晶シリコンの＜１００＞結晶方向と＜１１０＞結晶方向との間の結晶方向に延設される。
前記共振器それぞれは、一端が前記支持部に固設されるか、または両端が前記支持部に固設される。前記支持部は、前記単結晶材質を含んでもよい。
本発明の実施態様によれば、単結晶材質の結晶方向によって異なるヤング率及びポアソン比を用いて共振器を製作することで、所望の共振特性を満足するセンサーを具現することができる。（１００）結晶面を有する単結晶シリコンウェーハを用いて共振器を製作する場合、ウェーハを＜１００＞結晶方向に延びるようにパターニングすることで、高い出力が得られる共振器を具現することができる。また、該共振器は、狭い共振周波数帯域を有するので、周波数選択度及びＱ−ｆａｃｔｏｒを向上させうる。したがって、かような共振器を利用すれば、高い敏感度及び分解能を有するセンサーを具現することができる。
（１００）結晶面を有する単結晶シリコンの結晶方向によるヤング率を示す図面である。 （１００）結晶面を有する単結晶シリコンの結晶方向によるポアソン比を示す図面である。 （１００）結晶面を有する単結晶シリコンウェーハをパターニングして製作された一般的な共振器を示す図面である。 一般的な共振器を示す平面図である。 一般的な共振器を示す断面図である。 図３Ａ及び図３Ｂに示された共振器を用いたストレインセンサーを示す図面である。 （１００）結晶面を有する単結晶シリコンウェーハをパターニングして製作された例示的な実施例による共振器を示す図面である。 例示的な実施例による共振器を示す平面図である。 例示的な実施例による共振器を示す断面図である。 例示的な実施例による共振器を用いたストレインセンサーを示す図面である。 図７に示されたストレインセンサーに適用されるセンシング素子の例示を示す図面である。 図７に示されたストレインセンサーに適用されるセンシング素子の例示を示す図面である。 図７に示されたストレインセンサーに適用されるセンシング素子の例示を示す図面である。 図７に示されたストレインセンサーに適用されるセンシング素子の例示を示す図面である。 一般的な共振器を用いたストレインセンサーの端部が外部入力によって上向き変位された状態を示す図面である。 例示的な実施例による共振器を用いたストレインセンサーの端部が外部入力によって上向き変位された状態を示す図面である。 一般的な共振器を用いたストレインセンサーの端部が下向き変位された状態を示す図面である。 図１３ＡのＩ−Ｉ’線に沿って見た断面図である。 例示的な実施例による共振器を用いたストレインセンサーの端部が下向き変位された状態を示す図面である。 図１４ＡのＩ−Ｉ’線に沿って見た断面図である。 一般的な共振器を用いたストレインセンサーの端部が上向き変位された状態を示す図面である。 図１５ＡのＩＩ−ＩＩ’線に沿って見た断面図である。 例示的な実施例による共振器を用いたストレインセンサーの端部が上向き変位された状態を示す図面である。 図１６ＡのＩＩ−ＩＩ’線に沿って見た断面図である。 （１００）結晶面を有する単結晶シリコンウェーハを結晶方向によってパターニングして製作した共振器を示す図面である。 図１７Ａに示された共振器の結晶方向による共振特性を示す図面である。 他の例示的な実施例によるマイクロホンを示す図面である。 一般的な共振器を用いたマイクロホンの共振特性を示す図面である。 例示的な実施例による共振器を用いたマイクロホンの共振特性を示す図面である。 さらに他の例示的な実施例による共振器を示す図面である。
以下、添付された図面を参照して例示的な実施例について詳細に説明する。以下の図面において同じ参照符号は、同じ構成要素を指し、図面上で、各構成要素の大きさは、説明の明瞭性及び便宜上、誇張されて示されてもいる。一方、以下に説明される実施例は、ただ例示的なものに過ぎず、かような実施例から多様な変形が可能である。
以下において、「上部」や「上」という記載は、接触して直上にあるものだけではなく、非接触で上にあるものを含んでもよい。単数の表現は、文脈上明白に異なって表現されていない限り、複数の表現を含む。また、ある部分がある構成要素を「含む」とするとき、これは、特に反対となる記載がない限り、他の構成要素を除外するのではなく、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。
「前記」の用語及びそれと類似した指示用語の使用は、単数及び複数いずれも該当する。方法を構成する段階について明白に順序を記載するか、それに反する記載がなければ、前記段階は、適当な順序で行われる。必ずしも前記段階の記載順序に限定されるものではない。全ての例または例示的な用語の使用は、単に技術的思想を詳細に説明するためのものであって、請求範囲によって限定されない以上、前記例、または例示的な用語によって範囲が限定されるものではない。
単結晶シリコンの結晶構造は、ダイヤモンド構造であって、図１Ａ及び図１Ｂに示されたように単結晶シリコンの結晶方向によってヤング率及びポアソン比が異なる。ここで、ヤング率は、材料が外部圧力に対して抵抗する程度を意味する。そして、ポアソン比は、材料に垂直応力が作用するとき、横変形率（ｌａｔｅｒａｌ ｓｔｒａｉｎ）と縦変形率（ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｓｔｒａｉｎ）の比を意味する。
図１Ａは、（１００）結晶面を有する単結晶シリコンの結晶方向によるヤング率を示す図面である。そして、図１Ｂは、（１００）結晶面を有する単結晶シリコンの結晶方向によるポアソン比を示す図面である。ここで、（１００）は、結晶面を表示するミラー指数（Ｍｉｌｌｅｒ ｉｎｄｅｘ）を示す。
図１Ａを参照すれば、（１００）結晶面を有する単結晶シリコンで＜１１０＞結晶方向のヤング率が最も大きく、＜１００＞結晶方向のヤング率が最も小さい。ここで、＜１１０＞、＜１００＞は、結晶方向を表示するミラー指数を示す。
そして、図１Ｂを参照すれば、（１００）結晶面を有する単結晶シリコンで＜１１０＞結晶方向のポアソン比が最も小さく、＜１００＞結晶方向のポアソン比が最も大きい。
有効ヤング率は、ヤング率及びポアソン比を用いて次のような数式１で表現される。
ここで、Ｅｅｆｆは、有効ヤング率、Ｅは、ヤング率、νは、ポアソン比を示す。
数式１によれば、有効ヤング率は、ヤング率に比例し、ポアソン比に反比例する。したがって、（１００）結晶面を有する単結晶シリコンでは、＜１１０＞結晶方向の有効ヤング率が最も大きく、＜１００＞結晶方向の有効ヤング率が最も小さい。したがって、（１００）結晶面を有する単結晶シリコンでは、＜１１０＞結晶方向で最も硬直された（ｓｔｉｆｆ）構造が具現され、＜１００＞結晶方向で最も柔軟な（ｆｌｅｘｉｂｌｅ）構造が具現される。
図２は、（１００）結晶面を有する単結晶シリコンウェーハをパターニングして製作された一般的な共振器を示す図面である。
図２を参照すれば、（１００）単結晶シリコンウェーハＷの一側には、ウェーハＷ加工時に基準線となる領域であるフラットゾーン（ＦｌａｔＺｏｎｅ、ＦＺ）が設けられている。かようなフラットゾーンＦＺは、一般的に＜１１０＞結晶方向と平行な方向に形成され、その場合、フラットゾーンＦＺと垂直方向も＜１１０＞結晶方向となる。
図２には、（１００）結晶面を有する単結晶シリコンウェーハＷをパターニングして製作された４種の一般的な共振器２２１、２２２、２２３、２２４が示されている。ここで、第１及び第２共振器２２１、２２２は、その一端が支持部２１０に固定されているカンチレバー型（ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ｔｙｐｅ）構造で製作され、第３及び第４共振器２２３、２２４は、その両端が支持部２１０に固定されているブリッジ型（ｂｒｉｄｇｅ ｔｙｐｅ）構造で製作された。ここで、支持部２１０は、ウェーハＷと同じ物質である（１００）結晶面を有するシリコン単結晶からなる。
第１及び第３共振器２２１、２２３は、支持部２１０からフラットゾーンＦＺと垂直方向である＜１１０＞結晶方向に延設されている。そして、第２及び第４共振器２２２、２２４は、支持部２１０からフラットゾーンＦＺと平行な方向である＜１１０＞結晶方向に延設されている。かように、一般的な共振器２２１、２２２、２２３、２２４は、（１００）結晶面を有する単結晶シリコンの＜１１０＞結晶方向に延設されている。
図３Ａ及び図３Ｂは、図２に示された一般的な共振器のうち、１つを例示的に示す図面である。具体的に、図３Ａは、一般的な共振器の平面図であり、図３Ｂは、一般的な共振器の断面図である。
図３Ａ及び図３Ｂを参照すれば、共振器２２０は、支持部２１０からフラットゾーンＦＺと平行または垂直方向である＜１１０＞結晶方向に延設されている。かような共振器２２０は、ビーム状に製作される。共振器２２０の一端は、支持部２１０に固定されており、共振器２２０の他端は、例えば、外部応力、外部圧力、外力のような外部入力によって上下動自在に設けられている。
図４は、図３Ａ及び図３Ｂに示された共振器を用いたストレインセンサー（ｓｔｒａｉｎ ｓｅｎｓｏｒ）を示す図面である。
図４を参照すれば、ストレインセンサー２９０は、共振器２２０と該共振器２２０に設けられたセンシング素子２３０を含む。前述したように、共振器２２０は、（１００）結晶面を有する単結晶シリコンからなり、支持部２１０で＜１１０＞結晶方向に延設されている。センシング素子２３０は、共振器２２０の上面に設けられる。ここで、センシング素子２３０は、外部入力Ｐによって発生する共振器２２０のストレインを測定することができる。
このように、（１００）結晶面を有する単結晶シリコンを用いて製作された一般的な共振器２２０は、支持部２１０からフラットゾーンＦＺと平行または垂直方向である＜１１０＞結晶方向に延設されている。
（１００）結晶面を有する単結晶シリコンでは、前述したように、ヤング率Ｅは＜１１０＞結晶方向で最も大きく、＜１１０＞結晶方向におけるポアソン比νを考慮しても、有効ヤング率Ｅｅｆｆは、前述した数式１によって＜１１０＞結晶方向で最大値を有する。したがって、＜１１０＞結晶方向に延設された一般的な共振器２２０は、他の結晶方向に比べて相対的に小さな変位を発生させる硬直された特性を有する。したがって、一般的な共振器２２０を用いてストレインセンサー２９０を製作すれば、センシング効率が落ちる。
図５は、（１００）結晶面を有する単結晶シリコンウェーハをパターニングして製作された例示的な実施例による共振器を示す図面である。
図５を参照すれば、（１００）単結晶シリコンウェーハＷの一側には、ウェーハＷ加工時に基準線となる領域であるフラットゾーンＦＺが設けられている。かようなフラットゾーンＦＺは、＜１１０＞結晶方向と平行に形成され、その場合、フラットゾーンＦＺと垂直な方向も＜１１０＞結晶方向となる。
図５には、（１００）結晶面を有する単結晶シリコンウェーハＷをパターニングして製作された４種の例示的な実施例による共振器３２１、３２２、３２３、３２４が示されている。ここで、第１及び第２共振器３２１、３２２は、その一端が支持部３１０に固定されているカンチレバー型構造として製作され、第３及び第４共振器３２３、３２４は、その両端が支持部３１０に固定されているブリッジ型構造として製作された。ここで、支持部３１０は、ウェーハＷと同じ物質である（１００）結晶面を有するシリコン単結晶からなってもよい。
第１及び第３共振器３２１、３２３は、支持部３１０で＜１１０＞結晶方向（すなわち、フラットゾーンＦＺと平行な方向）と４５°傾いている＜１００＞結晶方向に延設されている。そして、第２及び第４共振器３２２、３２４は、支持部３１０から＜１１０＞結晶方向と１３５°傾いている＜１００＞結晶方向に延設されている。このように、例示的な実施例による共振器３２１、３２２、３２３、３２４は、（１００）結晶面を有する単結晶シリコンの＜１００＞結晶方向に延設されている。
図６Ａ及び図６Ｂは、図５に示された例示的な実施例による共振器のうち、１つを例示的に示す図面である。具体的に、図６Ａは、例示的な実施例による共振器の平面図であり、図６Ｂは、例示的な実施例による共振器の断面図である。
図６Ａ及び図６Ｂを参照すれば、共振器３２０は、支持部３１０で＜１００＞結晶方向に延設されている。かような共振器３２０は、ビーム状に製作される。共振器３２０の一端は、支持部３１０に固定されており、共振器３２０の他端は、例えば、外部応力、外部圧力、外力のような外部入力によって上下動自在に設けられている。
図７は、図６Ａ及び図６Ｂに示された共振器を用いたストレインセンサーを示す図面である。
図７を参照すれば、ストレインセンサー３９０は、共振器３２０と該共振器３２０に設けられたセンシング素子３３０を含む。前述したように、共振器３２０は、（１００）結晶面を有する単結晶シリコンからなり、支持部３１０で＜１００＞結晶方向に延設されている。センシング素子３３０は、共振器３２０の上面に設けられる。ここで、センシング素子３３０は、外部入力Ｐによって発生する共振器３２０のストレインを測定することができる。
図８ないし図１１には、図７に示されたストレインセンサー３９０に適用されるセンシング素子の例示が示されている。
図８は、センシング素子が、圧電素子（ｐｉｅｚｏ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｅｖｉｃｅ）である場合を示す図面である。図８を参照すれば、圧電素子３４０は加えられる圧力によって電圧が変化する圧電層３４３と該圧電層３４３の両面に設けられる第１及び第２電極３４１、３４２を含んでもよい。圧電素子３４０は、共振器３２０の上面に設けられて共振器３２０の変位によって圧電層３４３に発生する電圧変化を測定することで、共振器３２０のストレインを測定することができる。
図９は、センシング素子が圧電抵抗素子（ｐｉｅｚｏ ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｄｅｖｉｃｅ）である場合を示す図面である。図９を参照すれば、圧電抵抗素子３５０は、加えられる圧力によって抵抗が変化する圧電抵抗層３５３と、該圧電抵抗層３５３の上面に設けられる第１及び第２電極３５１、３５２を含んでもよい。圧電抵抗素子３５０は、共振器３２０の上面に設けられて共振器３２０の変位によって圧電抵抗層３５３に発生する抵抗変化を測定することで、共振器３２０のストレインを測定することができる。
図１０は、センシング素子が容量素子（静電容量 ｄｅｖｉｃｅ）である場合を示す図面である。図１０を参照すれば、容量素子３６０は、共振器３２０端部の上面に設けられる第１導体３６１と、この第１導体３６１の上部に第１導体３６１と離隔して設けられる第２導体３６２を含んでもよい。ここで、第１導体３６１は、共振器３２０の端部と共に、動けるように設けられ、第２導体３６２は、固設されている。容量素子３６０は、共振器３２０の変位によって発生する第１及び第２導体３６１、３６２の静電容量変化を測定することで、共振器３２０のストレインを測定することができる。
図１１は、センシング素子が光学素子である場合を示す図面である。図１１を参照すれば、光学素子３７０は、共振器３２０の上部に設けられる光源３７１と、該光源３７１から出射されて共振器３２０で反射される光を受光する受光部３７２を含んでもよい。光学素子３７０は、共振器３２０の変位によって発生する光の反射角α変化を測定することで、共振器３２０のストレインを測定することができる。
一方、前述したセンシング素子は、単に例示的なものであって、それ以外にも、共振器３２０のストレインを測定することができる他の多様な素子が図７に示されたストレインセンサー３９０によって適用される。
前述したように、（１００）結晶面を有する単結晶シリコンを用いて製作された共振器３２０は、＜１００＞結晶方向に延設されている。前述したように、（１００）結晶面を有する単結晶シリコンにおいて、ヤング率Ｅは、＜１００＞結晶方向で最も小さく、ポアソン比νを考慮しても、有効ヤング率Ｅｅｆｆは＜１００＞結晶方向で最小値を有する。したがって、＜１００＞結晶方向に延設された例示的な実施例による共振器３２０は、他の結晶方向に比べて、相対的に大きい変位を発生させる柔軟な（ｆｌｅｘｉｂｌｅ）特性を有してもよい。
かような例示的な実施例による共振器３２０を用いてストレインセンサー３９０を具現すれば、高い信号出力及びＱ−ｆａｃｔｏｒが得られ、これにより、外部入力信号に対する測定敏感度及び周波数帯域選択度を向上させうる。
図１２Ａは、一般的な共振器４２０を用いたストレインセンサー４９０の端部が外部入力によって上向き変位された状態を示す図面である。ここで、一般的な共振器４２０は、（１００）結晶面を有する単結晶シリコンを含み、支持部で＜１１０＞方向に延設されている。そして、該共振器４２０の上面には、例えば、圧電素子のようなセンシング素子４３０が設けられている。
図１２Ｂは、例示的な実施例による共振器５２０を用いたストレインセンサー５９０の端部が外部入力によって上向き変位された状態を示す図面である。ここで、例示的な実施例による共振器５２０は、（１００）結晶面を有する単結晶シリコンを含み、支持部で＜１００＞方向に延設されており、該共振器５２０の上面にセンシング素子５３０が設けられている。
図１２Ａに示されたストレインセンサー４９０及び図１２Ｂに示されたストレインセンサー５９０には、同じサイズの外部入力Ｐが印加された。その場合、図１２Ａに示された一般的な共振器４２０の端部は、Ｄ１だけ変位され、図１２Ｂに示された例示的な実施例による共振器５２０の端部は、Ｄ２だけ変位された。
ストレインは、応力（ｓｔｒｅｓｓ）及び有効ヤング率Ｅｅｆｆを用いて次のような数式２で表現される。
ここで、εは、ストレイン、σは、応力を示す。
数式２によれば、ストレイン（ε）は、応力（σ）に比例し、有効ヤング率Ｅｅｆｆには、反比例することが分かる。したがって、応力（σ）が一定している場合、ストレイン（ε）は、有効ヤング率Ｅｅｆｆに反比例する。
前述したように、（１００）結晶面を有する単結晶シリコンでは、＜１１０＞結晶方向の有効ヤング率が最も大きく、＜１００＞結晶方向の有効ヤング率が最も小さい。したがって、同じサイズの外部入力に対して図１２Ｂに示された＜１００＞結晶方向に延びた共振器５２０は、図１２Ａに示された＜１１０＞結晶方向に延びた共振器４２０に比べて相対的に大きい変位が得られる。
このように、外部入力Ｐの大きさが同一である場合、図１２Ｂに示された＜１００＞結晶方向に延びた共振器５２０の変位Ｄ２が、図１２Ａに示された＜１１０＞結晶方向に延びた共振器４２０の変位Ｄ１よりも大きいので、図１２Ｂに示されたストレインセンサー５９０は、図１２Ａに示されたストレインセンサー４９０に比べて向上した出力信号が得られる。
図１３Ａは、一般的な共振器４２０を用いたストレインセンサー４９０の端部が下向き変位された状態を示し、図１３Ｂは、図１３ＡのＩ−Ｉ’線に沿って見た断面図である。図１３Ｂにおいて点線は、ストレインセンサー４９０が変位される前の状態を示し、ν１は、一般的な共振器４２０のポアソン比を示す。
図１４Ａは、例示的な実施例による共振器５２０を用いたストレインセンサー５９０の端部が下向き変位された状態を示し、図１４Ｂは、図１４ＡのＩ−Ｉ’線に沿って見た断面図である。図１４Ｂにおいて点線は、ストレインセンサー５９０が変位される前の状態を示し、ν２は、例示的な実施例による共振器５２０のポアソン比を示す。
図１３Ａ及び図１３Ｂに示されたストレインセンサー４９０と、図１４Ａ及び図１４Ｂに示されたストレインセンサー５９０は、外部入力によって同じサイズＤ１ほど下向き変位された。図１３Ｂ及び図１４Ｂを参照すれば、共振器４２０、５２０が下向き変位すれば、共振器４２０、５２０に設けられたセンシング素子４３０、５３０は、横方向（ｌａｔｅｒａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）に圧縮（ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ）せん断ストレイン（ｓｈｅａｒ ｓｔｒａｉｎ）が発生する。図１３Ｂ及び図１４Ｂに示された矢印の大きさは、センシング素子４３０、５３０内に発生するせん断ストレインの大きさを示す。
（１００）結晶面を有する単結晶シリコンでは、＜１１０＞結晶方向のポアソン比が最も小さく、＜１００＞結晶方向のポアソン比が最も大きいので、図１４Ａ及び図１４Ｂに示された共振器５２０のポアソン比ν２は、図１３Ａ及び図１３Ｂに示された共振器４２０のポアソン比ν１よりも大きい。したがって、図１４Ａ及び図１４Ｂに示された共振器５２０に設けられたセンシング素子５３０では、図１３Ａ及び図１３Ｂに示された共振器４２０に設けられたセンシング素子４３０に比べて大きい、せん断ストレインが誘発され、これにより、出力信号が向上する。
図１５Ａは、一般的な共振器４２０を用いたストレインセンサー４９０の端部が上向き変位された状態を示し、図１５Ｂは、図１５ＡのＩＩ−ＩＩ’線に沿って見た断面図である。図１５Ｂで点線は、ストレインセンサー４９０が変位される前の状態を示し、ν１は、一般的な共振器４２０のポアソン比を示す。
図１６Ａは、例示的な実施例による共振器５２０を用いたストレインセンサー５９０の端部が上向き変位された状態を示し、図１６Ｂは、図１６ＡのＩＩ−ＩＩ’線に沿って見た断面図である。図１６Ｂにおいて点線は、ストレインセンサー５９０が変位される前の状態を示し、ν２は、例示的な実施例による共振器５２０のポアソン比を示す。
図１５Ａ及び図１５Ｂに示されたストレインセンサー４９０と、図１６Ａ及び図１６Ｂに示されたストレインセンサー５９０は、外部入力によって同じサイズＤ２ほど上向き変位された。図１５Ｂ及び図１６Ｂを参照すれば、共振器４２０、５２０が上向き変位すれば、共振器４２０、５２０に設けられたセンシング素子４３０、５３０は、横方向に引っ張り（ｔｅｎｓｉｌｅ）せん断ストレインが発生する。図１５Ｂ及び図１６Ｂに示された矢印の大きさは、発生するせん断ストレインの大きさを示す。
前述したように、図１６Ａ及び図１６Ｂに示された共振器５２０のポアソン比ν２は、図１５Ａ及び図１５Ｂに示された共振器４２０のポアソン比ν１よりも大きいので、図１６Ａ及び図１６Ｂに示された共振器５２０に設けられたセンシング素子５３０では、図１５Ａ及び図１５Ｂに示された共振器４２０に設けられたセンシング素子４３０に比べて大きいせん断ストレインが誘発され、これにより、出力信号が向上する。
図１７Ａは、（１００）結晶面を有する単結晶シリコンウェーハＷを結晶方向によってパターニングして製作した共振器１１００を示す図面である。
図１７Ａを参照すれば、（１００）結晶面を有する単結晶シリコンウェーハＷで互いに異なる結晶方向にパターニングされた１６個の共振器１１００が放射状に配列されている。
図１７Ｂは、図１７Ａに示された共振器１１００の結晶方向による共振特性を示す図面である。図１７Ｂには、図１７Ａに示された共振器１１００のうち、３個の共振器１１００、すなわち、フラットゾーンＦＺの方向である＜１１０＞結晶方向にパターニングされた共振器１１００、＜１１０＞結晶方向に対して４５°傾いた＜１００＞結晶方向にパターニングされた共振器１１００及び＜１１０＞結晶方向と＜１００＞結晶方向との間の結晶方向（具体的に、＜１１０＞結晶方向に対して２２．３°傾いた結晶方向）にパターニングされた共振器１１００に同じ外部入力を加えたとき、周波数による変位を測定した結果が示されている。
図１７Ｂを参照すれば、３個の共振器１１００のうち、＜１００＞結晶方向にパターニングされた共振器１１００が最も大きな変位及び最も狭い共振周波数帯域幅を有しており、＜１１０＞結晶方向にパターニングされた共振器１１００は、最も小さい変位及び最も広い共振周波数帯域幅を有していることが分かる。そして、＜１１０＞結晶方向と＜１００＞結晶方向との間の結晶方向にパターニングされた共振器１１００は、変位及び共振周波数帯域幅が＜１００＞結晶方向にパターニングされた共振器１１００と＜１１０＞結晶方向にパターニングされた共振器１１００との間の値を有していることが分かる。
このように、フラットゾーンＦＺの方向である＜１１０＞結晶方向に対して４５°傾いた＜１００＞結晶方向にパターニングされた共振器１１００は、変位が最大となることにより、最も高い出力を有しており、共振周波数帯域幅が最も狭くなることにより、最も高い周波数選択度及びＱ−ｆａｃｔｏｒを有していることが分かる。したがって、＜１００＞結晶方向にパターニングされた共振器１１００を用いてセンサーを製作すれば、高い効率を具現する。
一方、以上では、（１００）結晶面を有する単結晶シリコンのヤング率及びポアソン比をいずれも用いて＜１００＞結晶方向に延設された共振器を具現する場合が説明された。しかし、必ずしもその限りではなく、ヤング率及びポアソン比のうち、いずれか１つのみ用いた結晶方向を共振器の延長方向に定義することも可能である。例えば、ヤング率が最も小さな結晶方向またはポアソン比が最も大きな結晶方向を共振器の延長方向に定義することもできる。
以上で説明された例示的な実施例による共振器は、例えば、機械的フィルター、音響センサーのような振動型センサーに多様に適用される。
図１８は、他の例示的な実施例によるマイクロホンを示す図面である。図１８では、前述した例示的な実施例による共振器を用いて製作された音響センサーの一種であるマイクロホンが示されている。
図１８を参照すれば．マイクロホン６００は、キャビティ６１５が形成された基板６１０と、基板６１０のキャビティ６１５上に設けられるセンサーアレイ６９０を含む。センサーアレイ６９０は、複数の共振器及び該共振器のストレインを測定する複数のセンシング素子を含んでもよい。
複数の共振器は、互いに異なる帯域の音響周波数を感知するように互いに異なる共振周波数を有してもよい。そのために、共振器は、互いに異なる寸法（ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）を有するように設けられる。例えば、共振器は、互いに異なる長さ、幅または厚さを有するように設けられる。キャビティ６１５上に設けられる共振器の個数は、設計条件によって多様に変形される。
図１８には、互いに異なる長さを有する共振器がキャビティ６１５の両側縁部に沿って２列に互いに並んで配置される場合が例示的に示されている。しかし、これは、単に例示的なものであって、その他にも共振器は、多様な形態に配列される。例えば、共振器は、１列に配置されてもよい。
共振器は、基板６１０の支持部から長手方向に延設される。前述したように、複数の共振器は、（１００）結晶面を有する単結晶シリコンを含み、該単結晶シリコンの＜１００＞結晶方向に延設されている。
図１８に示されたマイクロホン６００は、音響入力部、共振器及び音響出力部が一方向に整列されることにより、指向性（ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｉｔｙ）を有する。具体的に、マイクロホン６９９は、両方向性（ｂｉ−ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｉｔｙ）、例えば、＋ｚ軸方向への方向性とｚ軸方向への方向性を有してもよい。
図１８に示されたマイクロホン６００では、センサーアレイ６９０を構成する共振器が（１００）結晶面を有する単結晶シリコンを含み、基板６１０の支持部から＜１００＞結晶方向に延設されることで、向上した出力及び敏感度（ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）が得られる。また、共振器が狭い共振周波数帯域を有しているので、周波数選択度及びＱ−ｆａｃｔｏｒが向上し、これにより、高い分解能が具現される。
図１９Ａは、一般的な共振器を用いたマイクロホンの共振特性を示す図面である。ここで、一般的な共振器は、（１００）結晶面を有する単結晶シリコンを含み＜１１０＞結晶方向に延びた構造を有している。そして、図１９Ｂは、例示的な実施例による共振器を用いたマイクロホンの共振特性を示す図面である。ここで、例示的な実施例による共振器は、（１００）結晶面を有する単結晶シリコンを含み、＜１００＞結晶方向に延びた構造を有している。
図１９Ａ及び図１９Ｂを参照すれば、＜１００＞結晶方向に延びた構造を有する例示的な実施例による共振器は、＜１１０＞結晶方向に延びた構造を有する一般的な共振器に比べて狭い共振周波数帯域を有している。これにより、同じ入力周波数範囲ΔＨ内に＜１００＞結晶方向に延びた構造を有する共振器が＜１１０＞結晶方向に延びた構造を有する共振器に比べてさらに多く配置されるので、さらに高い分解能を具現することができる。
図２０は、さらに他の例示的な実施例による共振器を示す図面である。
図２０を参照すれば、共振器７２０は、（１００）結晶面を有する単結晶シリコンからなり、支持部７１０で＜ｈｋｌ＞結晶方向に延設されている。ここで、＜ｈｋｌ＞結晶方向は、＜１１０＞結晶方向と＜１００＞結晶方向との間の結晶方向になる。すなわち、＜ｈｋｌ＞結晶方向は、フラットゾーンＦＺの方向である＜１１０＞結晶方向に対して０°〜４５°の角度で傾いた方向になりうる。
前述したように、＜１１０＞結晶方向と＜１００＞結晶方向との間の結晶方向に延設された共振器７２０は、変位及び共振周波数帯域幅が＜１１０＞結晶方向にパターニングされた共振器２２０と＜１００＞結晶方向にパターニングされた共振器３２０との間の値を有している。
図２０に示された共振器７２０の延長方向は、応用分野の要求条件によって多様に製作される。例えば、所望の共振特性に必要なヤング率及び／またはポアソン比を満足するように＜１１０＞結晶方向と＜１００＞結晶方向との間の任意の結晶方向に延びる共振器７２０が製作される。
以上では、（１００）結晶面を有する単結晶シリコンを用いて共振器を製作する場合が説明された。しかし、その限りではなく、（１００）結晶面以外の結晶面を有する単結晶シリコンを用いて共振器を製作することも可能である。
また、単結晶シリコン以外の単結晶材質を用いて共振器を製作することもできる。その場合、共振器は、支持部で単結晶材質の結晶方向のうち、ヤング率及びポアソン比のうち少なくとも１つを満足する結晶方向に延設される。例えば、共振器はヤング率の最も小さな結晶方向に延設されるか、またはポアソン比の最も大きな結晶方向に延設される。しかし、これに限定されるものではない。
以上、実施例が説明されたが、これは、例示的なものに過ぎず、当該分野で通常の知識を有する者であれば、それより多様な変形が可能である。
２２０、３２０、３２１、３２２、３２３、３２４、４２０、５２０ 共振器
２１０、３１０ 支持部
２３０、３３０、４３０、５３０ センシング素子
２９０、３９０、４９０、５９０ ストレインセンサー
３４０ 圧電素子
３４３ 圧電層
３４１、３４２、３５１、３５２ 第１及び第２電極
３５０ 圧電抵抗素子
３５３ 圧電抵抗層
３６０ 容量素子
３６１ 第１導体
３６２ 第２導体
３７０ 光学素子
３７１ 光源
３７２ 受光部

Claims (19)

  1. 支持部から長手方向に延設されるものであり、
    単結晶材質を含み、
    前記単結晶材質の結晶方向のうち、要求されるヤング率（Ｙｏｕｎｇ’ｓ ｍｏｄｕｌｕｓ）及びポアソン比（Ｐｏｉｓｓｏｎ’ｓ ｒａｔｉｏ）のうち、少なくとも１つを満足する結晶方向（ｃｒｙｓｔａｌ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）に延設される共振器。
  2. 前記共振器は、前記ヤング率の最も小さな結晶方向に延設されることを特徴とする請求項１に記載の共振器。
  3. 前記共振器は、前記ポアソン比の最も大きな結晶方向に延設されることを特徴とする請求項１に記載の共振器。
  4. 支持部から長手方向に延設されるものであり、
    （１００）結晶面（ｃｒｙｓｔａｌ ｐｌａｎｅ）を有する単結晶シリコンを含み、
    前記単結晶シリコンの結晶方向のうち、要求されるヤング率及びポアソン比のうち少なくとも１つを満足する結晶方向に延設される共振器。
  5. 前記共振器は、前記ヤング率が最も小さく、前記ポアソン比の最も大きな結晶方向に延設されることを特徴とする請求項４に記載の共振器。
  6. 前記共振器は、前記単結晶シリコンの＜１００＞結晶方向に延設されることを特徴とする請求項４または５に記載の共振器。
  7. 前記共振器は、前記単結晶シリコンの＜１００＞結晶方向と＜１１０＞結晶方向との間の結晶方向に延設されることを特徴とする請求項４に記載の共振器。
  8. 前記共振器は、前記長手方向に延びたビーム状を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の共振器。
  9. 前記共振器は、一端が前記支持部に固設されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の共振器。
  10. 前記共振器は、両端が前記支持部に固設されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の共振器。
  11. 前記支持部は、単結晶シリコンを含むことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一つに記載の共振器。
  12. 単結晶材質を含む基板をパターニングして共振器を製造する方法において、
    前記基板の一部が前記単結晶材質の結晶方向のうち、要求されるヤング率及びポアソン比のうち少なくとも１つを満足する結晶方向に延びるように前記基板をパターニングする共振器の製造方法。
  13. 前記基板の一部が前記ヤング率が最も小さな結晶方向に延びるように前記基板をパターニングすることを特徴とする請求項１２に記載の共振器の製造方法。
  14. 前記基板の一部が前記ポアソン比の最も大きな結晶方向に延びるように前記基板をパターニングすることを特徴とする請求項１２に記載の共振器の製造方法。
  15. 前記基板は、（１００）結晶面を有する単結晶シリコンを含み、
    前記基板の一部が前記単結晶シリコンの＜１００＞結晶方向に延びるように前記基板をパターニングすることを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか一つに記載の共振器の製造方法。
  16. 請求項１〜１０のいずれか一つに記載の共振器と、
    前記共振器のストレイン（ｓｔｒａｉｎ）を測定するためのセンシング素子と、を含む、ストレインセンサー。
  17. 前記センシング素子は、圧電素子（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｌｅｍｅｎｔ）、圧電抵抗素子（ｐｉｅｚｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｅｌｅｍｅｎｔ）、または容量素子（静電容量 ｅｌｅｍｅｎｔ）を含むことを特徴とする請求項１６に記載のストレインセンサー。
  18. 前記センシング素子は、前記共振器から反射される光の角度変化を測定する光学素子を含むことを特徴とする請求項１６に記載のストレインセンサー。
  19. 複数の、請求項１〜１０のいずれか一つに記載の共振器と、
    前記共振器のストレインを測定する複数のセンシング素子と、を含む、
    センサーアレイ。
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