JP2021513243A - 結合ｍｅｍｓ共振器 - Google Patents

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Abstract

本発明は、支持構造と、前記支持構造に懸架された共振器要素と、前記共振器要素を共振モードで励起するアクチュエータとを備える微小電子機械共振器に関する。本発明によると、前記共振器要素は複数の隣接する部分要素を備え、各部分要素は長さと、幅と、１より大きい長さ対幅アスペクト比を有し、長さ伸張共振モード、ねじり共振モード、または屈曲共振モードで共振するように構成される。さらに、前記共振器要素を集団共振モードで励起するために、各部分要素は、前記部分要素の前記長さ伸張共振モード、前記ねじり共振モード、および前記屈曲共振モードの非節点に結合された１つ以上の接続要素によって少なくとも１つの他の部分要素に結合される。
【選択図】図１１

Description

本発明は微小電子機械（Microelectromechanical System：ＭＥＭＳ）共振器に関する。具体的には、本発明は長さ伸張モード共振器、ねじりモード共振器、または屈曲モード共振器に関する。
発明の背景
等価直列抵抗（Equivalent Series Resistance：ＥＳＲ）としても知られる電気機械抵抗は、共振器の重要な性能パラメータである。従来の水晶結晶と比べると、ＥＳＲは圧電駆動されるビーム（梁型）共振器、例えば長さ伸張（Length-Extensional：ＬＥ）共振器において特に高くなりがちである。これは長さ対幅アスペクト比が１より大きい場合のみ、すなわち幅より長さのほうが大きいビームにおいて、ビーム共振器に基本ＬＥモードが存在することができ、長さ対幅アスペクト比がＮより大きいビーム共振器においてＮ次オーバートーンＬＥモードが存在することができるからである。ＬＥモードのＥＳＲは、ビームの幅が大きくなると低減されるため、ＥＳＲをより低くするためにはより幅の広いビームが好ましいであろう。しかしながら、ＬＥモードの存在をアスペクト比によって制限すると、ＥＳＲの下限値が設定される。
ＭＥＭＳ共振器設計におけるさらなる課題は、共振器の周波数が温度変化に影響されないようにすること、すなわち温度補償である。単結晶シリコンで製作されたビーム共振器は、一般的に、シリコン結晶に十分に強いドーピングを施し、下層のシリコン結晶の結晶方向に対して適切にビームを形成および配向し、共振モードを適切に選択することによって温度補償することができる。ドーピングによる温度補償は、国際出願公開公報第２０１２／１１０７０８号においてより詳しく説明されている。
ビームは、例えば長さ伸張（ＬＥ）共振モードで振動することができる。このモードでは、主にビームの長さ方向に動きが生じる。共振器ビームが［１００］結晶方向に向けられ、ｎ型ドーパントを十分に高いドーピング濃度でドープされた場合、ＬＥモードは、ゼロまたは正の１次周波数温度係数（Temperature Coefficient of Frequency：ＴＣＦ）という望ましい特性を有する。シリコンが正のＴＣＦを有すると、負のＴＣＦを有する材料をさらに用いることができ（これは例えば圧電駆動目的で必要とされる場合がある）、複合ＬＥモード共振器の全体的なＴＣＦをゼロにすることができる。
ビーム共振器は、ＬＥモードの代わりに屈曲モードまたはねじりモードで励起することができる。しかしながら、これらのモードでも、ＥＳＲおよび温度補償に関連する同様の問題がある。
低いＥＳＲと低い温度依存性を同時に得ようとする場合に、特に問題が生じる。長さ対幅アスペクト比が１より小さい、すなわち比較的幅の広いビームを有する圧電駆動式共振器の一部は、同じ周波数の水晶結晶と同等の、比較的ＥＳＲレベルが低い共振モードに対応できる。例えば、Ho et al, 「HIGH-ORDER COMPOSITE BULK ACOUSTIC RESONATORS（高次複合バルク音響共振器）」, MEMS 2007, Kobe, Japan, 21-25 January 2007、およびKuypers J., 「High Frequency Oscillators for Mobile Devices（モバイルデバイス用高周波発振器）」, in H. Bhugra, G. Piazza (eds.), Piezoelectric MEMS Resonators, Microsystems and Nanosystems, DOI 10.1007/978-3-319-28688-4_15, pp 335-385には、下層のシリコン結晶の［１１０］方向にビームを配向した場合、ＥＳＲの低いそのような共振器設計が可能であることが示されている。ただしそのような共振モードは、例えばＬＥモードよりも温度依存性が高いため、圧電駆動式共振器における利用可能性が低い。
ＭＥＭＳ共振器設計に関するさらなる課題には、共振器の品質係数を可能な限り高く維持すると共に、製造コストを削減するために共振器の設置面積を可能な限り小さくすることがある。
したがって、ビームの有利な特性を有し、かつＥＳＲの低い改善された共振器、そして特に、さらに温度補償の可能な共振器が必要とされている。
本発明の目的は、前述の課題を克服することである。具体的には、電気機械抵抗を低く保つことができるビーム状共振器を提供することである。
別の目的は、周波数の温度依存性が低い共振器を実現することである。
さらなる目的は、品質係数（Ｑ値）が高いおよび／または設置面積が小さい、低ＥＳＲ共振器を提供することである。
本発明は、ビーム形状の複数の部分要素を、その非節点に結合された１つ以上の接続要素を用いて互いに結合し、それらの部分要素が集団モードで共振できるようにすることに基づく。したがって、共振器全体を単一の共振器として励起することができ、部分要素への分割により、形状および向きの制限が緩和される。
具体的には、本発明は、独立請求項に記載する特徴を有する。
一態様によると、支持構造と、前記支持構造に懸架された共振器要素と、前記共振器要素を共振モードで励起するアクチュエータとを備える微小電子機械共振器が提供される。前記共振器要素は複数の隣接する部分要素を備え、各部分要素は長さと、幅と、１より大きい長さ対幅アスペクト比を有する（すなわち、ビーム要素である）。前記部分要素は、長さ伸張共振モード、ねじり共振モード、または屈曲共振モードで、それらの同じまた２つ以上の異なるオーバートーンで、共振するように構成される。さらに、前記共振器要素を集団共振モードで励起するために、各部分要素は、前記部分要素の前記長さ伸張共振モード、前記ねじり共振モード、および前記屈曲共振モードの非節点に結合された１つ以上の接続要素によって少なくとも１つの他の部分要素に結合される。
本発明は大きな利点をもたらす。まず、指定されたモードの１つで共振可能な部分要素を結合して共振器要素を形成することで、共振器要素の面積、具体的には幅を広げてＥＳＲを低減すると同時に、これらのモードの利点を維持することができる。前述の方法における部分要素の結合は十分に強固であるため、すべての部分要素が集団共振モードで共振することが分かっている。したがって、周波数スプリッティングおよび複数の共振モードの発生が回避される。
重要なことに、本発明はドーピングベースの（固有の）温度補償に対応している。つまり、共振器要素をシリコンウェハ上で、その結晶方向に適切に配向することで、当該共振器要素における周波数の温度依存性、すなわちＴＣＦの絶対値が低減される。
前述の利点は、圧電駆動の場合に特に重要である。圧電駆動を用いる場合、一般的にＥＳＲを低減する必要がある。さらに、共振器要素のシリコン体上に配置された圧電アクチュエータ材料層はＴＣＦに影響を及ぼす。この場合、シリコン体のＴＣＦの過補償が有益である。
本発明のさらなる利点には、異なる固定方式（具体的には、損失を最小限にする中央固定）および／または電気的相互接続方式（具体的には、共振器構成要素の面積を最小限にする方式）のための空間を設けるために、共振器の外装形状を変更できることが挙げられる。これらの方式については後半で詳細に説明する。
したがって本発明は、実践的な手法で従来技術の制限を克服し、新しいタイプの共振器を実現できる。
従属請求項は、本発明の選択された実施形態に対するものである。
一般的に、本発明の実施形態では、低ＥＳＲと、任意で同時に温度補償を有する、矩形と非矩形両方の共振器形状、および中空の共振器形状が可能である。非矩形および／または中空の形状により、例えば、品質係数の高い固定と、構成要素全体の設置面積の最適化が可能になる。
一般的な実施形態において、要素全体の形状に関わらず、前記部分要素は矩形形状を有し、それらの幅および／または長さ方向に互いに離れて配置され、前記接続要素によって離間される。
いくつかの実施形態において、前記部分要素の少なくとも２つは、２より大きい長さ対幅アスペクト比を有し、次数が２以上のオーバートーン共振モードで共振するように構成される。いくつかの実施形態において、前記アスペクト比は３より大きく、例えば５より大きく、前記次数は３以上であり、例えば５以上である。
いくつかの実施形態において、前記部分要素の少なくとも２つは、それらの幅方向に互いに結合され、前記接続要素は、前記部分要素の間にあり当該部分要素の長さ方向に延在する細長いトレンチに接する、少なくとも２つの基本的に剛性の接続要素を含む。いくつかの実施形態において、少なくともいくつかの部分要素の間に、前記長さ方向で前記接続要素によって画定される複数のトレンチが設けられる。前記トレンチの数は、前記部分要素が共振するように構成されたオーバートーンモードの次数に対応する。
共振器要素内のトレンチにより、要素全体のアスペクト比が小さい場合も、長手方向の伸び縮みに加えて横手方向にも要素が伸び縮みできるようになる。そのような部分要素は、アスペクト比が小さすぎると例えばＬＥモードに対応できないが、本手法では、要素全体が集団ＬＥモードに対応できる。これは、接続要素によって、共振器要素が単一の要素、すなわち有効アスペクト比の小さいビームのように動作するようになるためであり、これによって共振器のＥＳＲが低減される。
いくつかの実施形態において、前記部分要素の少なくとも２つは、それらの長さ方向に互いに結合され、前記接続要素は、前記部分要素間の隙間にまたがる少なくとも１つの可撓性接続要素を含む。前記可撓性接続要素は、例えば、Ｃ形状、Ｓ形状、Ｔ形状、傾斜したＩ形状、または蛇行した形状であってもよい。
いくつかの実施形態において、各部分要素は長さ伸張共振モードで共振するように構成される。あるいは、前記共振モードはねじり共振モードまたは屈曲共振モード、例えば面内屈曲共振モードであってもよい。
いくつかの実施形態において、各部分要素は面内長さ伸張共振モードで共振するように構成される。
一般的な実施形態において、前記接続要素は、前記部分要素と共に、単一のシリコン結晶体、好ましくはドープされたシリコン結晶体で形成された受動素子である。つまり、前記接続要素は、既知の一部の配列共振器におけるようにアクチュエータとして動作せず、前記部分要素同士が同じ周波数および基本モード形状を有するようにして、集団モードに寄与する受動結合器として機能する。
いくつかの実施形態において、前記アクチュエータは、前記共振器要素の上に配置された、好ましくは前記共振器要素のすべての部分要素上に分散された、圧電薄膜アクチュエータである。
いくつかの実施形態において、前記共振器要素は、前記接続要素によって側部同士、端部同士、またはその両方で結合された、少なくとも３つ、例えば３から５０、一般的には５から２４の部分要素を備える。
いくつかの実施形態において、前記部分要素の少なくともいくつかは、１より大きい長さ対幅アスペクト比を有し、幅寸法に垂直な長さ寸法に沿って互いに接している、１つ以上の基本要素により形成され、前記基本要素はそれぞれ基本共振モードに対応し、前記基本共振モードは合わさって前記部分要素の集団共振モードとなり、さらに前記共振器要素全体の集団共振モードとなる。前記基本要素は矩形配列構成で配置され、各基本要素が単一の配列位置を使用する。いくつかの実施形態において、前記配列構成の少なくとも１つの配列位置は前記基本要素に使用されていない。別の実施形態において、各配列位置は１つの基本要素のみが使用する。
したがって、共振する基本要素すべてによって、各部分要素における集団共振モードが定まり、前記部分要素の結合により、共振器要素全体の集団共振モードが確実になる。前記配列構成により、１つ以上の隣接する基本要素にそれぞれ対応する１つ以上の部分を取り除いても、集団共振は消失しない。したがって、新しい設計が利用可能になっても、前記共振器の所望の特性が維持される。
いくつかの実施形態において、前記共振器要素は、［１００］結晶方向が前記共振器要素の長さ方向に沿って配向されているか、前記長さ方向から２５度未満、具体的には１５度未満ずれている、ドープされたシリコン結晶体を含む。これにより、前記要素の温度補償と、前記共振器要素の幅の拡張によるＥＳＲの低減が得られる。いくつかの実施形態において、前記シリコン体は、少なくとも２×１０１９ｃｍ−３、例えば少なくとも１０２０ｃｍ−３の平均不純物濃度でドープされる。
いくつかの実施形態において、前記部分要素はそれぞれＮ以上の長さ対幅アスペクト比を有し、Ｎは前記部分要素の共振モードの次数である。
いくつかの実施形態において、前記共振器要素全体は、２未満、具体的には１未満の有効長さ対幅アスペクト比を有する
いくつかの実施形態において、前記共振器要素のすべての部分要素は、実質的に同じ幅を有する。さらに、いくつかの実施形態において、前記部分要素は実質的に同じ長さを有する。一方、いくつかの実施形態において、前記部分要素の少なくともいくつかは異なる長さを有し、異なっているが相互に集団をなすオーバートーン共振モードで共振するように構成される。したがって、前記部分要素は、単一の基本モードの異なる集団オーバートーンに対応する。これにより、後述するように、前記共振器の外装形状を様々な目的に対して形成することができる。
いくつかの実施形態において、前記共振器要素は、基本モードの少なくとも３次、例えば少なくとも５次オーバートーンモードに対応するように構成された複数の隣接する部分要素を備える。これにより、高周波数と低ＥＳＲが可能になる。
いくつかの実施形態において、前記共振器要素は、前記共振器要素の幅方向における両側面において、前記部分要素の前記共振モードの節点から前記支持構造に懸架される。あるいは、または加えて、前記共振器要素は、２つの部分要素間の前記支持構造に、節点から、好ましくは前記共振器要素の幅方向と長さ方向の両方において対称に懸架されてもよい。前記２つの部分要素は、隣接する部分要素でなくてもよく、一般的に隣接する要素ではなく、１つ以上の部分要素（および介在するトレンチ）の幅に相当する距離で離間される。
次に、本発明の実施形態、およびそれらの利点を、添付の図面を参照してより詳細に説明する。
基本要素で形成された、すべて使用されている共振器配列構成の上面図を示している。 基本要素で形成された、すべて使用されている共振器配列構成の上面図を示している。 基本要素で形成された、すべて使用されている共振器配列構成の上面図を示している。 基本要素で形成された、すべて使用されている共振器配列構成の上面図を示している。 基本要素で形成された、すべて使用されている共振器配列構成の上面図を示している。 支持構造に懸架された共振器要素の上面図を示している。 図７Ａは単一のビーム共振器、図７Ｂは従来の手法で幅方向に拡張されたビーム、および図７Ｃは本発明による共振器要素を示している。 図８Ａは、２次ＬＥモード用に設計された、ある共振器構成の上面図を示している。図８Ｂは、図８Ａに示す共振器要素の一部分のモード形状図を示している。 図９Ａは、基本（１次）ＬＥモード用に設計された、ある共振器構成の上面図を示している。図９Ｂは、図９Ａに示す共振器要素の一部分のモード形状図を示している。 複数のモード次数に対する、ビームアスペクト比（幅対長さ）の関数としてのモード周波数のグラフを示している。 例示的な高次（９次オーバートーン）モードの共振器要素構成の上面図を示している。 中空であり中央で固定された、図１１に示す構成の変形の上面図を示している。 非矩形の、図１１に示す構成の変形を示している。 図１４Ａから図１４Ｄは、中央で固定された中空の共振器要素、分割された共振器要素、および非矩形の共振器要素の例をさらに示している。 図１５Ａは、図８Ａに示す圧電結合式２次オーバートーンモード共振器において測定された広域周波数範囲のアドミタンスのグラフを示している。 図１５Ｂは、図１５Ａに示す主共振のアドミタンスのグラフの詳細を示している。 図１５Ｃは、図８Ａに示す共振器において測定された周波数対温度曲線を示している。 複数分岐、幅結合の共振器プレートの上面図を示している。 長手方向に結合された共振器プレートの上面図を示している。 図１７Ａから図１７Ｅは、長手方向に結合された部分要素間において可能な、様々な可撓性接続要素の形状を示している。 図１８Ａから図１８Ｃは、様々な長手方向結合位置の例を示している。 図１９Ａから図１９Ｄは、長手方向結合用の可撓性接続要素のさらなる例を示している。
実施形態の詳細説明
〔定義〕
「節点」とは、本明細書において、振動モード形状における一点であり、その点における振動の平均振幅が当該振動モード形状の最大振幅の２０％未満である。
「非節点」（すなわち「節点から外れている点」）とは、振動モード形状における一点であり、その点における振動の平均振幅が当該振動モード形状の最大振幅の２０％以上である。
「長さ」および「長手方向」という用語は、本明細書において、ＬＥモードの主な伸び方向、ねじりモードのねじり軸、または屈曲モードの主な屈曲変位に垂直な軸に平行な面内方向を指すために特に用いられる。「幅」および「横手方向」は、前述の面内方向に直交する面内方向を指す。
アスペクト比は、要素または部分要素の面内寸法の比率を指す。「有効アスペクト比」とは、共振器要素の個々の部分要素（ビーム）のアスペクト比に対し、複数の部分要素を含む共振器要素全体のアスペクト比を指す。
「トレンチ」とは、共振器要素内の空間であって、隣接する部分要素が互いに移動できるようにして、部分要素において所望のモードを発生させるための空間である。「細長い」トレンチとは、要素が対応するように構成されているモードに応じて、アスペクト比が３以上、例えば５以上、さらに１０以上であるトレンチである。
「接続要素」とは、互いに離間した２つの部分要素を互いに機械的に接続する任意の部材である。接続要素は、部分要素を幅方向に結合してもよく、共振器要素内のトレンチあるいは空隙または窪みを、その長手方向端部で制限する。この場合、接続要素は通常、基本的に剛性の要素である。あるいは、部分要素を長さ方向に結合してもよい。この場合は通常、接続要素は可撓性の要素であり、例えば共振中に弾性変形可能なＣ形状またはＳ形状の要素である。一般的に、接続要素は共振器要素の単結晶構造の一部であり、共振器要素の外形とその中のトレンチを、既知のＭＥＭＳ微細加工方法によってパターニングすることで作成される。
「基本（共振）モード」とは、１次共振モード（「１次オーバートーン」ともいう）を指す。より高次のオーバートーンモードは、いくつかの基本モードから成る。
「基本要素」とは、基本共振モードを有する共振器の矩形面内部分である。基本要素は、端部結合構成で長手方向に連続的に接続することも（すなわち、そこで励起されるモードの形状によって定まるビームの「仮想」要素）、隙間で離間して可撓性の接続要素によって接続することもできる。次数がＮであるより高次のオーバートーンモードは、長手方向に端部結合されたＮ個の基本要素で生じる複数の基本モードと見なすことができる。
「集団共振モード」とは、関連する特定の実体におけるすべての基本要素が同じ基本共振モードで共振し、基本的に同じ周波数と、同じまたは１８０度ずれた位相とを有する複合共振モードを指す。共振器要素全体の集団共振モードでは、共振器要素を構成する各部分要素が、１次の長さ伸張共振モード、ねじり共振モード、もしくは屈曲共振モード、またはそのより高次のオーバートーンモードを有する。この場合、共振器要素は、同じ基本モードに対応する、一般的に同じサイズの基本要素に分割可能である。
典型的な実施形態では、共振器のすべての基本要素が矩形配列構成で配置される。「使用されている」配列位置には基本要素が存在する。「空いている」配列位置には共振材料が存在しない。
「中空の」共振器要素形状とは、共振器要素内の少なくとも１つの配列位置が空いている形状を意味する。空隙は、固定領域および／または電気接点領域として用いてもよい。部分要素間にある所望の共振モードを可能にする隙間（トレンチ）は、本文脈においては空隙と見なさない。
矩形共振器要素は、外周のすべての基本要素配列位置が使用されている要素である。非矩形要素は、少なくとも１つの外周配列位置が空いている。
「整数分数」（部分要素の長さが関連する場合）は、分数Ｎ／Ｍを意味する。ここでＮとＭは両方とも正の整数であり、Ｎ＜Ｍである。例えば、本発明の実施形態における３次オーバートーン部分要素の長さは、５次オーバートーン部分要素の整数分数３／５である。
ビーム要素における様々な次数の長さ伸張（ＬＥ）バルク音波モードが従来技術において知られてる。そのようなモードでは、要素（部分要素）は、主に１つの軸に沿って伸び縮みする。この軸上には１つ以上の節点がある。対称形の要素において、および要素の長手方向両端が自由端である（支持構造に固定されていない）一般的なケースにおいて、節点は要素の長さに沿って対称に位置する。同様に、ねじりモード形状、面内屈曲モード形状、および面外屈曲モード形状が従来技術において知られている。
「温度補償された」要素は、本明細書において、要素に構成されている機械的動作に適切な当該要素の弾性特性における温度への依存性が、現在のドーピングレベルで、少なくともいくつかの温度範囲においてそのようなドーピングなしの場合よりも低いことを意味する。一般的に、温度補償は、材料特性、幾何学的特性、結晶方位関連の特性、およびモード形状の選択によって達成される。ドーピング濃度は、２×１０１９ｃｍ−３以上、例えば１０２０ｃｍ−３以上にすることができる。ドープ剤は、リンやホウ素などの、ｎ型ドープ剤であってもｐ型ドープ剤であってもよい。温度補償は、本明細書において、いわゆる「過補償」も網羅する。すなわち、圧電変換器層、および／または他の何らかの層が要素と結合されたときに、共振器の合計ＴＣＦがドーピングなしの場合よりも小さくなるように、そのような要素のＴＣＦを正にすることである。
〔選択された実施形態の説明〕
一般的に、本明細書において説明する共振器要素は、アスペクト比が１より大きい、特にＮより大きい複数の部分要素を含んでもよい。ここでＮは、当該要素において励起される集団モードのオーバートーン次数（すなわち、モード次数）である。
共振器要素における部分要素の数は、共振器要素の幅方向に２以上、例えば２から５０にすることができ、長さ方向に１以上、一般的に１から８、例えば２から８にすることができる。
長さ方向における基本要素の数は、部分要素において励起されるモード次数に対応し、１から２０、例えば２から１２にすることができる。
低ＥＳＲを達成するための、共振器要素の長さ対幅アスペクト比は、一般的に２未満である。いくつかの実施形態において、アスペクト比は１未満である。
以下に、主に長さ伸張モードに言及して本発明の詳細な実施形態を記載し、本発明の実現可能性および利点を説明するために実験データも提示するが、同じ原理をねじりモードおよび屈曲モードにも適用できる。
本発明のいくつかの実施形態において、長さ伸張モード共振器が提供される。該共振器は、支持構造と、シリコン共振器要素とを備え、前記シリコン共振器要素は、その節点において前記支持構造に懸架され、長さおよび幅を有する。該共振器要素は、中間ゾーンによって部分的に互いに離間された少なくとも２つの部分要素を備え、各中間ゾーンは、少なくとも１つの細長いトレンチと、前記トレンチに接し、当該部分要素の非節点において前記部分要素を互いに機械的に結合する少なくとも２つの接続要素とを備える。これにより、部分要素が強力に結合されるため、明確な共振モードおよび共振周波数における単一要素としての要素全体の動作が確実になる。アクチュエータは、少なくとも１つの細長いトレンチの長手方向と平行に、共振器要素を長さ伸張共振モードで励起するように構成される。
いくつかの実施形態において、共振器要素はドープされたシリコン体を備える。また、シリコン体の［１００］結晶方向を共振器要素の長さ伸張方向に沿って配向するか、前記方向から２５度未満、具体的には１５度未満ずらすことができる。加えて、共振器のシリコン体を少なくとも２×１０１９ｃｍ−３、例えば少なくとも１０２０ｃｍ−３の平均不純物濃度にドープすることにより、低ＥＳＲを達成すると同時に共振器の温度補償が可能になる。
いくつかの実施形態において、共振器要素は、幅方向に併設された３つ以上の部分要素に分割される。これにより、共振器のＥＳＲを低く保つと同時に、ＬＥモードに対応する能力と、効率的な温度補償の可能性を維持することができる。
いくつかの実施形態において、少なくとも１つの中間ゾーン、好ましくはすべての中間ゾーンに、少なくとも２つのトレンチおよび３つの接続要素がある。これは、例えば、特定の高次のＬＥオーバートーン専用の共振器要素を作成する際に用いることができる。
部分要素のアスペクト比は、部分要素の数を比較的少なくし、トレンチが使用する相対面積を小さくし、本発明の利点を最大限にするために、一般的に２：１から１０：１の範囲となるように選択される。しかしながら、本発明はより大きいアスペクト比の部分要素でも有効である。
図１は、１次以上のＬＥモード（オーバートーン）における発振に対応する共振器要素を示している。この要素は、幅方向に沿って並設された３つの部分要素１１Ａ、１１Ｂ、および１１Ｃを備える。隣接する部分要素１１Ａ／１１Ｂ、１１Ｂ／１１Ｃは、当該部分要素間で、当該部分要素の長手方向端部に、または端部近くに配置された２つの接続要素１２ＡＢ／１４ＡＢ、１２ＢＣ／１４ＢＣによってそれぞれ結合されている。接続要素１２ＡＢと１４ＡＢの間にはトレンチ１３ＡＢ、および接続要素１２ＢＣと１４ＢＣの間にはトレンチ１３ＢＣがある。これらのトレンチによって、部分要素１１Ａ、１１Ｂ、および１１ＣはＬＥモード振動中に幅方向に伸びることができる。直線的に並ぶ接続要素１２ＡＢ、１４ＡＢ、およびトレンチ１３ＡＢによって第１中間ゾーンが画定され、接続要素１２ＢＣ、１４ＢＣ、およびトレンチ１３ＢＣの並びによって第２中間ゾーンが画定される。
図１の各部分要素が１次モード、すなわち基本モードで駆動される場合、共振器要素は、すべて使用されている矩形３×１基本モード配列を形成する。
接続要素１２ＡＢ／１４ＡＢ、１２ＢＣ／１４ＢＣは、ＬＥ振動モードの節点には配置されず、部分要素の振動端の、または振動端近くの非節点に配置される。これにより、要素全体が、集団ＬＥモードで共振できる一式の強く結合された共振器となることに注目されたい。
この要素は、固定具１９Ａ、１９Ｂを用いて、当該要素の長手方向外縁の中間点から懸架される。固定具の数は３以上であってもよい。一般的な構成では、固定具は要素の横手方向中央軸に、または当該軸対称に配置される。
図２は、２次ＬＥモード振動に適切な実施形態を示している。ここでは、部分要素２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃの間にそれぞれ３つの接続要素２２ＡＢ／２４ＡＢ／２６ＡＢ、２２ＢＣ／２４ＢＣ／２６ＢＣと、２つのトレンチ２３ＡＢ／２５ＡＢ、２３ＢＣ／２５ＢＣがある。この構成により、部分要素が２次ＬＥモードおよびより高次の他のモードにおいて幅方向に伸びることができる。図２の共振器要素は、矩形３×２基本モード配列を形成している。
各部分要素は幅Ｗおよび長さＬを有する。これらの幅と長さは、異なる要素間で同じであってもよいが、同じである必要はない。接続要素は各部分要素ペア間で同じ位置に配置する必要はなく、および／または部分要素および／またはトレンチは完全な矩形である必要はなく、それらの一部または全部は、例えば先細り形状であってもよいことにも注目されたい。これらの変形により、例えば共振器要素のＴＣＦを調整することができる。これは、個々のビームのアスペクト比は個々のビームのＴＣＦ、ひいては共振器要素全体のＴＣＦに影響を及ぼすからである。また、ビームの寸法と形状、および接続要素の場所、寸法、数を調整することにより、さらに自由度が増す。これは、寄生モードの周波数を、その悪影響を最小限にできる最適な周波数に設定するために用いることができる。
図３は、類似していない中間ゾーンによって離間された４つの部分要素３１Ａから３１Ｄを含む例を示している。外側の２つの部分要素３１Ａ／３１Ｂ、３１Ｃ／３１Ｄそれぞれの間には、２つのトレンチ３３ＡＢ／３５ＡＢ、３３ＣＤ／３５ＣＤと、３つの接続要素３２ＡＢ／３４ＡＢ／３６ＡＢ、３２ＣＤ／３４ＣＤ／３６ＣＤがあり、中央の部分要素３１Ｂ／３１Ｃの間には、１つのトレンチ３３ＢＣと２つの接続要素３２ＢＣ／３４ＢＣがある。他の構成ももちろん可能である。図３の共振器要素は、（変形）矩形４×２基本モード配列を形成している。
図４は、中間ゾーン４８ＡＢ、４８ＢＣが介在する３つの部分要素４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃを備える実施形態を示している。各中間ゾーンには４つの接続要素と３つのトレンチが、部分要素の長さに沿って対称に配置されている。図４の共振器要素は、矩形３×３基本モード配列を形成している。
図５は、図２を参照して説明したものと同様の、中間ゾーン５８ＡＢから５８ＤＥによって離間された５つの部分要素５１Ａから５１Ｅを備える変形を示している。要素の合計幅Ｗｔは、この例では要素の長さより大きく、要素の長さは部分要素の長さＬと等しい。図５の共振器要素は、矩形５×２基本モード配列を形成している。
一般的な実装において、部分要素の各ペアの間にある少なくとも１つのトレンチは、ＬＥモードの節点を中心として配置される。
要素がＬＥモードに対応できるようにするために、部分要素間の各中間ゾーンにおけるトレンチの合計長さは、要素の合計長さＬの大部分を占めるようにするべきである。いくつかの実施形態において、この部分は５０％以上、例えば７５％以上である。いくつかの実施形態において、この部分は９０％以上である。
一般的な構成において、トレンチ幅は１０μｍ以下、好ましくは、製作方法において可能な限り狭くして、トレンチの面積を最小にする。
いくつかの実施形態において、トレンチおよび接続要素は、周波数スプリッティングや複数の同時共振モードの発生を回避するような寸法および配置にされる。この場合、A. Jaakkola, et al, 「Experimental study of the effects of size variations on piezoelectrically transduced MEMS resonators（圧電変換式ＭＥＭＳ共振器のサイズバリエーションの影響に関する実証研究）」, Proc. IEEE International Frequency Control Symposium, 2010, pp. 410-414, http://dx.doi.org/10.1109/FREQ.2010.5556299の原理に従うことができる。
いくつかの例において、共振モードは基本モードであり、アスペクト比は２から４である。例えば２．６から３．４であってもよい。いくつかの例において、共振モードは２次モード以上であり、アスペクト比は３から１０である。例えば２次モードで４．０から８．０であってもよい。
図６は、懸架された共振器要素を示している。支持構造６０は、外側の部分要素の長手方向の外側側面における節点にある固定具６９を除いたすべての位置にある隙間によって、共振器要素６１から離間されている。これによって、共振器要素６１は、前述のようにＬＥモードで自由に振動できる。
前述の各実施形態において、各部分要素について少なくとも１つ、一般的には２つ以上の接続要素が、要素が共振するように構成される共振モードの非節点に配置される。これにより、複数の部分要素が確実に結合され、連なって振動する。
最後に、図７Ａから図７Ｃは、従来の共振器に対する本共振器の違いを示している。図７Ａは、２つの自由端を有する高アスペクト比の単一ビームを示している。図７Ｂは、幅方向に拡張され、事実上の矩形プレートになっているビームを示している。そのような共振器はより低いＥＳＲを有し、［１１０］方向で用いることができるが、［１００］結晶方向に配向するとＬＥモードで機能しないため、温度補償することができない。図７Ｃは、本発明の一実施形態による共振器要素を示している。この手法は、要素の側面が［１００］結晶方向に配向されても機能し、図７Ｂにおける［１１０］方向のプレートと同様の低ＥＳＲを有する。
図８Ａは、２次ＬＥオーバートーン共振モードに対応できる共振器を示している。この共振器の共振器要素は、複数（ここでは１１）の部分要素で形成されている。各部分要素は、連なって配置された２つの細長いトレンチによって隣接する部分要素から離間され、３つの接続要素によって隣接する部分要素と接続されている。図示する共振器プレートの寸法が３２６μｍ×１８０μｍである場合、共振周波数はほぼ４０ＭＨｚである。図８Ａの共振器要素は、矩形１１×２基本モード配列を形成している。
図８Ｂは、ＦＥＭソフトウェアによってシミュレーションされた、図８Ａの形状のＬＥモード共振モード形状を示している。対称であるため、共振器全体の半分のみを示している。灰色の影付き部分は、各位置における合計変位を示している。図示されるように、各部分要素は同じ集団モードで共振する。２次（および他の偶数次の共振）において、モード形状は対称ではなく、部分要素の一端が縮み、他端が伸びる。
図９Ａは、基本ＬＥ共振モードに対応できる別の共振器を示している。共振器プレートの寸法が３００μｍ×１８０μｍである場合、共振周波数はほぼ２０ＭＨｚである。図９Ａの共振器要素は、矩形５×１基本モード配列を形成している。
図９Ｂは、ＦＥＭソフトウェアによってシミュレーションされた、図９Ａの形状における東南の対称な４分の１部分におけるＬＥモード共振モード形状を示している。
図１０は、幅対長さアスペクト比をほぼゼロ（極めて薄いビーム）から１まで変化させたビーム（ここでは部分要素に相当する）のモード周波数のグラフを示している。点線は、基本ＬＥモード（ＬＥ１）およびオーバートーンモードＬＥ２からＬＥ４を示している。ＬＥｘモード分枝に沿って、パラメータＬによって定められた方向のＬＥｘモードが、点線領域のみに存在する。
図１１は、複数（１９）の部分要素１１１Ａを備える高次（９次）オーバートーン長さ伸張共振器要素の例を示している。これらの部分要素は幅方向に積層され、長手方向の両側面における節点から固定要素１１９によって固定されている。例えば、約１２０ＭＨｚで振動する共振器を形成するには、要素の寸法を２２５μｍ×１７０μｍに設定することができる。
図１２は、図１１に類似した構成であるが、共振器の中央に空隙１１８を設けることによって、すなわち、部分要素の中央の基本要素のいくつか（この場合、５×３の基本要素）を「取り除く」ことにより、共振器の中央で固定要素１２９を用いて固定されている。したがって、得られる構造は、異なる長さを有する２タイプの部分要素１２１Ａ、１２１Ｂを備える。短いほうの部分要素１２１Ｂの長さは、長いほうの要素１２１Ａの長さの整数分数である。外装形状が変更されてもプレートの集団共振モード特性は維持されることが分かっている。
一般的に、本共振器の設計では、複合共振器の所望の（集団）モード特性を失うことなく、所望の基本要素を（好ましくは対称に）取り除くことができる。この場合、中央に空隙があってもＬＥ共振モード特性が維持されるため、有利である。中央における固定に関しては、共振器要素に影響を及ぼす可能性のあるパッケージ応力を最小にする観点から、有益である。中央における固定は、低音響損失の観点からも有益である。これにより、共振器のＱ値が向上する。本発明による構造の高い対称性により、損失が低減される。
図１３は、共振器プレートの角の基本要素が取り除かれた、非矩形形状の例を示している。この場合も、得られる構造は、異なる長さを有する２タイプの部分要素１３１Ａ、１３１Ｂを備える。この場合も、外装形状が変更されてもプレートの集団共振モード特性は維持される。空きになったゾーン１１３は、例えば、構成要素の電気的相互接続および／またはビアに用いることができる。
したがって、一般的なダイシング加工では複数の構成要素を含むウェハがそれぞれ単一の構成要素を含む矩形部分に切断されることを考慮すると、図１２および図１３で例示したような中空および／または非矩形共振器要素は、共振器構成要素の設置面積を最小にすることができるため有益である。共振器領域が占めない領域は、固定または内部接続もしくは外部接続の目的に用いることができる（これらは単に可能性のある用途を挙げたのみである）。図１２および図１３の実施形態を組み合わせて、中空かつ非矩形の共振器要素を設けることもできる。
図１１から図１３の共振器要素は、矩形１９×１１基本モード配列を形成している。図１１の各配列位置はすべて使用されているが、図１２および図１３には空いている配列位置がある。
図１４Ａは図１２に類似しているが、より低い周波数（オーバートーン３）用に構成された実施形態を示している。この実施形態における空隙１４８Ａは、１つの部分要素におけるすべての基本要素を「取り除き」、空隙１４８Ａの長手方向端部で長い接続要素１４７Ａを用いることにより設ける。固定要素１４９Ａによる中央固定が施される。
図１４Ｂはさらなる変形を示しており、図１４Ａの長い接続要素１４７Ａが省略され、共振器が事実上、２要素の共振器となり、１つの要素がそれぞれ現在説明しているような種類の要素である。図１４Ａの設計のように、周囲の基板への固定に、裏側または上のウェハへの構造的な接触が不要であるため、加工が単純な形状である。共振器の２つの要素間で集団モードが存在するようにするには、それらの要素の相互の結合が弱すぎないように固定を行う必要がある（弱すぎると、製造過程の欠陥により、２つの異なるピークが生じる可能性がある）。
図１４Ｃおよび図１４Ｄは、図１４Ａと図１４Ｂの利点を組み合わせた実施形態を示しており、中央の固定と、アクチュエータへの容易な電気的アクセスの両方を設け、弱い結合という潜在的な問題を克服している。図１４Ｃの構成では、１つの複合モードが存在するように、１つの長い接続要素１４７Ｃと、中央固定ゾーンに延在する支持構造１４８Ｃと、要素の対辺の固定要素１４９Ｃとを用いて左側と右側を結合している。図１４Ｄの実施形態は図１４Ｃの実施形態と同様であるが、ここでは、部分要素１４１Ｄを含み、長さが他の部分要素１４１Ｃの整数分数である１つの完全な基本要素によって、十分な結合が達成され、確実にされている。
図１４Ａから図１４Ｄの共振器要素は、矩形１１×３基本モード配列を形成しており、図１４Ａから図１４Ｃでは空いている配列位置が３つあり、図１４Ｄでは空いている配列位置が２つある。（結合強さによっては、図１４Ｂの実施形態は２つの５×１配列と見なすこともできる）。
全般的に、いくつかの実施形態において、図１２、図１３、図１４Ｄのように、少なくとも２つの異なるタイプの部分要素がある。第１タイプは第１の長さを有し、第２タイプは第１の長さの整数分数である第２の長さを有する。これは、異なるタイプの部分要素を、集団基本共振モードの異なるオーバートーンモードで励起するためである。
いくつかの例において、図１２および図１４Ｄのように、第２（短い）タイプである少なくとも１つの部分要素は、第１（長い）タイプである２つの部分要素の間に配置される。これによって、中央固定のための空間が確保される。例えばこの場合、共振器要素は、第２タイプの部分要素の両側にある第１タイプの２つの部分要素から支持構造に懸架される。
いくつかの例において、図１２の例のように、共振器要素は、２つ以上の第２タイプの部分要素と２つの第１タイプの部分要素とによって画定される空隙を有する。支持構造はこの空隙内に少なくとも部分的に配置され、共振器要素はこの空隙内で支持構造に懸架される。したがって、共振器要素は中央で固定され、横面で固定位置を取り囲む。
いくつかの実施形態において、図１４Ｄに示す実施形態のように、共振器要素は、１つ以上の第２タイプの部分要素と２つの第１タイプの部分要素とによって画定される窪み（すなわち、横方向の凹部）を有する。支持構造はこの窪み内に延在するように少なくとも部分的に配置され、共振器要素はこの窪み内で支持構造に懸架される。
空隙構成と窪み構成の両方によって、中央の固定を達成することができる。これは共振器の損失を最小にするために用いることができる。空隙構成は完全に対称な共振器を達成できるという利点を有する。一方、窪み構成では、一般的に圧電駆動層を含む共振器表面への電気的アクセスがより容易になる。窪み構成により、ウェハ内のシリコン貫通ビアを完全に回避することができる。空隙構成では、空隙の領域にウェハ内のシリコン貫通ビアを配置することがきる。
図１５Ａは、図８Ａの共振器に相当する、圧電結合された２次オーバートーンモード共振器において測定された広域周波数範囲のアドミタンスのグラフを示している。この共振器は、ウェハ上にＳｉ／ＡｌＮ／Ｍｏ材料をそれぞれ２８／１／０．３μｍの厚さで積層して作成されている。４２ＭＨｚの主要モードが正確に励起されることが推定できる。すなわち、わずかな寄生共振モード（例えば１８ＭＨｚ）しか存在せず、これらは主要モードよりもかなり弱く結合されている。
図１５Ｂは、図１５Ａの設計（「１１ビーム」と表示）における主共振のアドミタンスのグラフと、図１５Ａと同様であるが結合されたビーム要素数が少ない共振器（「７ビーム」および「３ビーム」と表示）における主共振のグラフの詳細を示している。測定結果へのフィッティングによって得られた共振器品質係数Ｑ、並列容量Ｃ０、および等価直列抵抗Ｒ１（＝ＥＳＲ）が、３つのケースすべてに対して示されている。これらの数値は、結合されたビーム要素の数に比例して共振器幅が増加した場合、ＥＳＲがいかに減少するかを示している。
図１５Ｃは、図１５Ａの共振器（「積層ＬＥビームオーバートーン２」と表示）において測定された周波数対温度曲線と、国際出願公開公報第２０１８／００２４３９号に記述されているものに類似の複合ＷＥ−ラーメ（WE-Lame）モード共振器の同じ特性を示している。いずれの共振器も、７×１０１９ｃｍ−３のｎ型ドーピングを施した同様のウェハ上に作成されている。前者の共振器の線形温度係数ＴＣＦ１は、後者の共振器の同じパラメータより約４単位高いことが分かる。したがって、より高い過補償が得られる。これには、例えば、圧電駆動の目的でより厚いＡｌＮ層を用いて、温度補償設計を達成することができるという利点がある。
図１６Ａは、側部同士で結合された短い部分要素からなる４つの分岐を有し、各分岐は中央の支持要素に節点で固定される共振器要素構成を示している。各分岐要素は６×１基本モード配列共振器要素であり、部分要素間に非節点内部結合部を有している。
図１６Ａのある変形（詳細は図示しない）において、分岐間の集団共振を確実にするために、中央要素を共振部分要素とし、中央部分要素への分岐の結合部を非節点としてもよい。これにより、１３×２基本モード配列が形成される。
図１６Ｂは、１１列の基本モード部分要素を３行備える、長手方向に結合された共振器プレートの上面図を示している。各行は、可撓性の長手方向接続要素を用いて、その両端で他の行に結合されている。各行は、前述のように、剛性の接続要素を用いて内部で結合されている。１１×３基本要素配列が形成されている。
図１７Ａから図１７Ｅは、長手方向に結合された部分要素間において可能な、様々な可撓性接続要素の形状を示している。図１６Ｂの構成にも用いられた、側面接続可能である形状の「Ｃ」形状が図１７Ａに示されている。端部接続可能な形状が、図１７Ｂから図１７Ｅに示されている。これらは、端部接続可能な、図１７ＢのＣ形状、図１７Ｃと図１７ＤのＳ形状、および図１７Ｅの傾斜Ｉ形状を示している。図示したもの以外の他の可撓性形状や変形が可能であることは理解されるであろう。
図１８Ａから１８Ｃは、共振器プレートレベルにおける様々な長手方向結合の選択肢の例を模式的に示している。図示されるように、長手方向結合部は、任意の構成、好ましくは対称構成で、例えば図１７Ｂから図１７Ｅの要素（図１８Ａから図１８Ｃには詳細に図示されない接続要素）を用いて、長手方向要素間に直接配置することができる。
前述の例に示したように、同じ列内の部分要素を端部間接続する代わりに、またはそれに加えて、列境界を越えて幅方向に延在する長い要素を用いて、異なる列の部分要素を接続することができる（図示しない）。
図１９Ａから図１９Ｄは、それぞれ少なくとも１つのＴ型分岐を有する可撓性接続要素のさらなる例を示している。
国際出願公開公報第２０１２／１１０７０８号 国際出願公開公報第２０１８／００２４３９号
Ho et al, 「HIGH-ORDER COMPOSITE BULK ACOUSTIC RESONATORS（高次複合バルク音響共振器）」, MEMS 2007, Kobe, Japan, 21-25 January 2007 Kuypers J., 「High Frequency Oscillators for Mobile Devices（モバイルデバイス用高周波発振器）」, in H. Bhugra, G. Piazza (eds.), Piezoelectric MEMS Resonators, Microsystems and Nanosystems, DOI 10.1007/978-3-319-28688-4_15, pp 335-385 A. Jaakkola, et al, 「Experimental study of the effects of size variations on piezoelectrically transduced MEMS resonators（圧電変換式ＭＥＭＳ共振器のサイズバリエーションの影響に関する実証研究）」, Proc.IEEE International Frequency Control Symposium, 2010, pp. 410-414, http://dx.doi.org/10.1109/FREQ.2010.5556299

Claims (24)

  1. ・ 支持構造と、
    ・ 前記支持構造に懸架された共振器要素と、
    ・ 前記振器要素を共振モードで励起するアクチュエータと、を備え、
    ・ 前記共振器要素は複数の隣接する部分要素を備え、各部分要素は、長さと、幅と、１より大きい長さ対幅アスペクト比を有し、長さ伸張共振モード、ねじり共振モード、または屈曲共振モードで共振するように構成され、
    ・ 前記共振器要素を集団共振モードで励起するために、各部分要素は、前記部分要素の前記長さ伸張共振モード、前記ねじり共振モード、および前記屈曲共振モードの非節点に結合された１つ以上の接続要素によって少なくとも１つの他の部分要素に結合される、
    微小電子機械共振器。
  2. 前記部分要素の少なくとも２つは、当該部分要素の幅方向に互いに結合され、
    前記接続要素は、前記部分要素の間にあり当該部分要素の長さ方向に延在する細長いトレンチに接する、少なくとも２つの基本的に剛性の接続要素を含む、請求項１に記載の共振器。
  3. 前記部分要素の少なくとも２つは、２より大きい長さ対幅アスペクト比を有し、次数が２以上のオーバートーン共振モードで共振するように構成される、請求項１または２に記載の共振器。
  4. 次数が２以上のオーバートーン共振モードで共振するように構成された前記部分要素は、長さ方向で前記接続要素によって画定される複数の細長いトレンチによって、当該部分要素の幅方向に離間され、前記トレンチの数は、前記部分要素が共振するように構成されたオーバートーンモードの次数と同じまたはそれより大きい、請求項３に記載の共振器。
  5. 前記部分要素の少なくとも２つは、前記部分要素間の隙間にまたがる可撓性接続要素によって、当該部分要素の長さ方向に互いに結合される、請求項１から４のいずれかに記載の共振器。
  6. 各部分要素は、面内長さ伸張共振モードで共振するように構成される、請求項１から５のいずれかに記載の共振器。
  7. 各部分要素は、ねじり共振モードまたは屈曲共振モード、例えば面内屈曲共振モードで共振するように構成される、請求項１から５のいずれかに記載の共振器。
  8. 各部分要素は矩形形状を有し、前記部分要素はそれらの幅および／または長さ方向に互いに離れて配置され、前記接続要素によって離間される、請求項１から７のいずれかに記載の共振器。
  9. 前記接続要素は、前記部分要素と共に、単一のドープされたシリコン結晶体で形成された受動素子である、請求項１から８のいずれかに記載の共振器。
  10. 前記アクチュエータは、前記共振器要素の上に配置され、好ましくは前記共振器要素のすべての部分要素の上に分散された圧電アクチュエータである、請求項１から９のいずれかに記載の共振器。
  11. 少なくとも３、例えば３から５０の前記部分要素を備える、請求項１から１０のいずれかに記載の共振器。
  12. 幅方向に結合された少なくとも２つの部分要素と、長さ方向に結合された少なくとも２つの部分要素とを備える、請求項１から１１のいずれかに記載の共振器。
  13. 前記部分要素はそれぞれＮ以上の長さ対幅アスペクト比を有し、Ｎは前記部分要素の共振モードの次数である、請求項１から１２のいずれかに記載の共振器。
  14. 共振器要素全体は、１未満の有効長さ対幅アスペクト比を有する、請求項１から１３のいずれかに記載の共振器。
  15. 前記共振器要素のすべての部分要素は、実質的に同じ幅および／または実質的に同じ長さを有する、請求項１から１４のいずれかに記載の共振器。
  16. 前記部分要素の少なくともいくつかは異なる長さを有し、異なるオーバートーン共振モードで集団で共振するように構成される、請求項１から１５のいずれかに記載の共振器。
  17. 前記部分要素の少なくとも２つは、３より大きい、具体的には５より大きい長さ対幅アスペクト比を有し、次数が３以上、具体的には５以上のオーバートーン共振モードで共振するように構成される、請求項１から１６のいずれかに記載の共振器。
  18. 前記共振器要素は、少なくとも２×１０１９ｃｍ−３、例えば少なくとも１０２０ｃｍ−３の平均不純物濃度でドープされたシリコン体を備える、請求項１から１７のいずれかに記載の共振器。
  19. 前記共振器要素は、［１００］結晶方向が前記共振器要素の長さ方向に沿って配向されているか、前記長さ方向から２５度未満、具体的には１５度未満ずれているシリコン結晶体を含む、請求項１から１８のいずれかに記載の共振器。
  20. 前記共振器要素は、前記共振器要素の幅方向における両側面において、前記部分要素の前記共振モードの節点から前記支持構造に懸架される、請求項１から１９のいずれかに記載の共振器。
  21. 前記共振器要素は、２つの部分要素間の前記支持構造に、前記部分要素の前記共振モードの節点から、好ましくは前記共振器要素の幅方向と長さ方向の両方において対称に懸架される、請求項１から２０のいずれかに記載の共振器。
  22. ・ 前記部分要素の少なくともいくつかは、１より大きい長さ対幅アスペクト比を有し、幅寸法に垂直な長さ寸法に沿って互いに接している、１つ以上の基本要素により形成され、前記基本要素はそれぞれ基本共振モードに対応し、前記基本共振モードは合わさって前記部分要素の集団共振モードとなり、さらに前記共振器要素全体の集団共振モードとなり、
    ・ 前記基本要素は矩形配列構成で配置され、各基本要素が単一の配列位置を使用する、
    請求項１から２１のいずれかに記載の共振器。
  23. 前記配列構成の少なくとも１つの配列位置が前記基本要素に使用されていない、請求項２２に記載の共振器。
  24. 各配列位置は１つの基本要素が使用する、請求項２２に記載の共振器。
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FI128436B (en) * 2018-02-08 2020-05-15 Tikitin Oy MEMS resonator
FI20195302A1 (en) 2019-04-12 2020-10-13 Tikitin Oy MEMS RESONATOR
WO2023102349A1 (en) * 2021-11-30 2023-06-08 The University Of Chicago Inter-frequency parametric coupling and energy transfer of mechanical motion
FI130337B (en) * 2021-12-23 2023-06-27 Kyocera Tikitin Oy MEMS RESONATOR
US20230264946A1 (en) * 2022-02-21 2023-08-24 Stathera Ip Holdings Inc. Ultra-High Frequency MEMS Resonators with First and Second Order Temperature-Induced Frequency Drift Compensation

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008103777A (ja) * 2006-10-17 2008-05-01 Ritsumeikan マイクロメカニカル共振器
JP2008545333A (ja) * 2005-06-30 2008-12-11 ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツング Ｍｅｍｓ共振器アレイ構造ならびにその動作および使用方法
JP2009005325A (ja) * 2006-10-03 2009-01-08 Sony Corp 共振器、発振器及び通信装置
US20100060111A1 (en) * 2008-09-10 2010-03-11 Farrokh Ayazi Thin-Film Piezoelectric-on-Insulator Resonators Having Perforated Resonator Bodies Therein
US8450913B1 (en) * 2011-03-31 2013-05-28 Georgia Tech Research Corporation Tunable Piezoelectric MEMS Resonators suitable for real-time clock applications
JP2014507096A (ja) * 2011-02-17 2014-03-20 テクノロジアン テュトキムスケスクス ヴェーテーテー 新規な微小機械デバイス
JP2017537500A (ja) * 2014-10-22 2017-12-14 マイクロチップ・テクノロジー・インコーポレーテッド 発振器およびリアルタイムクロック用途のための複合バネｍｅｍｓ共振器

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7091451B2 (en) 2003-06-20 2006-08-15 Northrop Grumman Corporation Heating element induction of time-varying thermal gradient in elongated beam to cause one or more elongated beam oscillations
US10199556B2 (en) * 2003-06-30 2019-02-05 Piedek Technical Laboratory Unit, oscillator and electronic apparatus
FR2910742B1 (fr) 2006-12-22 2009-05-01 Commissariat Energie Atomique Oscillateur mecanique forme d'un reseau d'oscillateurs elementaires
US7750759B1 (en) 2007-04-30 2010-07-06 Rf Micro Devices, Inc. Multi-mode MEMS resonator array
WO2009048468A1 (en) 2007-10-11 2009-04-16 Sand 9, Inc. Signal amplification by hierarchal resonating structures
JP4690436B2 (ja) 2008-05-01 2011-06-01 株式会社半導体理工学研究センター Ｍｅｍｓ共振器、ｍｅｍｓ発振回路及びｍｅｍｓデバイス
FI124453B (fi) 2010-08-13 2014-09-15 Valtion Teknillinen Mikromekaaninen resonaattorijärjestelmä ja menetelmä sen valmistamiseksi
FR2966306B1 (fr) 2010-10-15 2013-06-14 Commissariat Energie Atomique Filtre baw a couplage lateral utilisant des cristaux phononiques
EP2515436A1 (en) 2011-04-18 2012-10-24 Nxp B.V. MEMS resonator and method of controlling the same
WO2015012914A2 (en) * 2013-04-22 2015-01-29 Northeastern University Nano- and micro-electromechanical resonators
EP3140869B1 (en) * 2014-05-09 2019-06-05 Chirp Microsystems, Inc. Micromachined ultrasound transducer using multiple piezoelectric materials
WO2015178657A1 (en) 2014-05-22 2015-11-26 Samsung Electronics Co., Ltd. Washing machine
US11158783B2 (en) 2015-10-13 2021-10-26 Northeastern University Piezoelectric cross-sectional Lamé mode transformer
JP2017092097A (ja) * 2015-11-04 2017-05-25 セイコーエプソン株式会社 圧電素子、超音波プローブ、超音波測定装置及び圧電素子の製造方法
FI127787B (en) 2016-07-01 2019-02-28 Teknologian Tutkimuskeskus Vtt Oy Micromechanical resonator

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008545333A (ja) * 2005-06-30 2008-12-11 ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツング Ｍｅｍｓ共振器アレイ構造ならびにその動作および使用方法
JP2009005325A (ja) * 2006-10-03 2009-01-08 Sony Corp 共振器、発振器及び通信装置
JP2008103777A (ja) * 2006-10-17 2008-05-01 Ritsumeikan マイクロメカニカル共振器
US20100060111A1 (en) * 2008-09-10 2010-03-11 Farrokh Ayazi Thin-Film Piezoelectric-on-Insulator Resonators Having Perforated Resonator Bodies Therein
JP2014507096A (ja) * 2011-02-17 2014-03-20 テクノロジアン テュトキムスケスクス ヴェーテーテー 新規な微小機械デバイス
US8450913B1 (en) * 2011-03-31 2013-05-28 Georgia Tech Research Corporation Tunable Piezoelectric MEMS Resonators suitable for real-time clock applications
JP2017537500A (ja) * 2014-10-22 2017-12-14 マイクロチップ・テクノロジー・インコーポレーテッド 発振器およびリアルタイムクロック用途のための複合バネｍｅｍｓ共振器

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