JP4053958B2 - 電圧制御発振器 - Google Patents
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Description
本発明は、携帯電話等の移動無線通信技術等に用いられる薄膜圧電共振子を備えた電圧制御発振器に関する。
従来の電圧制御発振器においては、コイルないしはストリップラインを使用したインダクタと、電圧により容量値が変化するバラクタ・ダイオードを使用したバリキャップ素子（可変容量素子）からなるタンク回路を有している。１０％以上の広い周波数可変範囲がとれるという特長を有する。反面、インダクタの大きさが大きい、インダクタやバラクタのＱ値（機械的品質係数）が低いため位相雑音が大きい、などの短所を有している。
最近、薄膜圧電共振子を使用した電圧制御発振器が注目されている。薄膜圧電共振子（ＦＢＡＲ、あるいはFilm Bulk Acoustic Wave Resonatorなどとも呼ばれる）は、基板上に空洞を介して下部電極、圧電膜、上部電極を順次形成した素子である。
この薄膜圧電共振子とバラクタ・ダイオードからなるタンク回路を使用した電圧制御発振器が考案されており、例えばA.P.S. Khanna, E. Gane and T. Chong著の"A 2GHz voltage tunable FBAR oscillator" 2003 IEEE MTT-S Digest, pp.717-20, 2003に開示されている（非特許文献１）。この電圧制御発振器の周波数可変幅は、薄膜圧電共振子の電気機械結合定数（ｋ２）と、バラクタ・ダイオードの容量変化率で決定される。一例として、ＡｌＮを圧電膜として使用した薄膜圧電共振子と、バラクタ・ダイオードの組合せでは、定数ｋ２が６％程度、容量変化率が最大で４倍程度であるので、周波数可変範囲は２〜３％程度と小さく、多くの移動無線システムに使用する電圧制御発振器としては周波数可変範囲が小さすぎるという問題点を有する。
またバラクタ・ダイオードのＱ値は薄膜圧電共振子のＱ値よりはるかに小さいので、発振器のＱ値が低下してしまい、位相雑音が大きくなるという問題がある。
A.P.S. Khanna, E. Gane and T. Chong, "A 2GHz voltage tunable FBAR oscillator", 2003 IEEE MTT-S Digest, pp.717-20, 2003
A.P.S. Khanna, E. Gane and T. Chong, "A 2GHz voltage tunable FBAR oscillator", 2003 IEEE MTT-S Digest, pp.717-20, 2003
上述したように、薄膜圧電共振子とバラクタ・ダイオードを用いた電圧制御発振器の場合、周波数数可変範囲が小さい、位相雑音が多いという問題があった。
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、位相雑音にすぐれ広い周波数可変範囲を持つ電圧制御発振器を提供することにある。
この発明によれば、
同一基板上の第１及び第２領域に薄膜圧電共振子及びバリキャップ素子が薄膜形成プロセスで形成されている電圧制御発振器において、
前記薄膜圧電共振子は、
前記基板上の第１領域に絶縁膜で形成され、第１の中空部を設けるように配置された第１の支持部と、
当該第１の支持部に固定支持されている積層構造であって、前記基板に前記第１の中空部を介して対向配置される下部電極、前記下部電極上に形成された第１の圧電体及び前記第１の圧電体上に形成され、前記下部電極に対向して共振部を形成する上部電極から構成される積層構造と、
を備え、
前記バリキャップ素子は、
前記基板上の第２領域に形成された固定電極及びこの固定電極上に形成された誘電膜と、
当該誘電膜に第２の空洞部を介して対向され、前記薄膜圧電共振子の前記下部電極及び上部電極のいずれか一方と電気的に接続される可動電極と、
当該可動電極が前記固定電極に対向しながら可動するように前記可動電極を支持する薄膜圧電アクチュエータであって、第１の電極、前記第１の電極上に形成された第２の圧電体及び前記第２の圧電体上に形成された第２の電極から構成される薄膜圧電アクチュエータと、
前記基板上の第２領域に絶縁膜で形成され、前記アクチュエータの一端を可動として前記アクチュエータの他端を固定支持する第２の支持部と、
を備えることを特徴とする電圧制御発振器が提供される。
同一基板上の第１及び第２領域に薄膜圧電共振子及びバリキャップ素子が薄膜形成プロセスで形成されている電圧制御発振器において、
前記薄膜圧電共振子は、
前記基板上の第１領域に絶縁膜で形成され、第１の中空部を設けるように配置された第１の支持部と、
当該第１の支持部に固定支持されている積層構造であって、前記基板に前記第１の中空部を介して対向配置される下部電極、前記下部電極上に形成された第１の圧電体及び前記第１の圧電体上に形成され、前記下部電極に対向して共振部を形成する上部電極から構成される積層構造と、
を備え、
前記バリキャップ素子は、
前記基板上の第２領域に形成された固定電極及びこの固定電極上に形成された誘電膜と、
当該誘電膜に第２の空洞部を介して対向され、前記薄膜圧電共振子の前記下部電極及び上部電極のいずれか一方と電気的に接続される可動電極と、
当該可動電極が前記固定電極に対向しながら可動するように前記可動電極を支持する薄膜圧電アクチュエータであって、第１の電極、前記第１の電極上に形成された第２の圧電体及び前記第２の圧電体上に形成された第２の電極から構成される薄膜圧電アクチュエータと、
前記基板上の第２領域に絶縁膜で形成され、前記アクチュエータの一端を可動として前記アクチュエータの他端を固定支持する第２の支持部と、
を備えることを特徴とする電圧制御発振器が提供される。
本発明によれば、位相雑音にすぐれ広い周波数可変範囲を持つ電圧制御発振器が提供される。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係る電圧制御発振器１の全体構成を示す回路図である。図１の電圧制御発振器１は、非平衡出力のコルピッツ型の発振回路であり、その等価回路が図１に示されている。
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係る電圧制御発振器１の全体構成を示す回路図である。図１の電圧制御発振器１は、非平衡出力のコルピッツ型の発振回路であり、その等価回路が図１に示されている。
図１に示すように、制御電圧Ｖｔｕｎｅの入力端子にタンク回路１３が接続されている。タンク回路１３は、薄膜圧電共振子（ＦＢＡＲ：Film Bulk Acoustic Wave Resonator）２０および薄膜圧電アクチュエータ３２を使用したバリキャップ素子３０からなる。薄膜圧電共振子２０は第１及び第２の２つの極板（電極）を持っており、このうちの第１の極板には制御電圧Ｖｔｕｎｅが印加され、第２の極板は出力側回路に接続されている。バリキャップ素子３０はバイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ３２とバリキャップ４０からなる。バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ３２の一端には制御電圧Ｖｔｕｎｅが印加され、かつバリキャップ４０に接続され、その他端は接地されている。バリキャップ４０は、バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ３２に接続される端子は薄膜圧電共振子２０に接続され、その他端は接地されている。
出力側回路は、バッファ用トランジスタ７と発振ループの増幅用トランジスタ１０とを有する。発振ループの増幅用トランジスタ１０のベースは薄膜圧電共振子２０の第２の極板、抵抗３及びキャパシタ４に接続されている。抵抗３はバッファ用トランジスタ７のベース、抵抗２及びキャパシタ９に接続されている。キャパシタ４、キャパシタ９及び発振ループの増幅用トランジスタ１０のエミッタ、抵抗１１はともに接地されている。抵抗１１にはインダクタンス１２が直列接続されており、このインダクタンス１２の一端は接地されている。バッファ用トランジスタ７のエミッタと発振ループの増幅用トランジスタ１０のコレクタは短絡され、かつ各々にキャパシタ８の一端が接続されている。キャパシタ８の他端は接地されている。電源電圧Ｖｃｃには、抵抗２及びインダクタンス５の一端が接続されている。インダクタンス５の他端はバッファ用トランジスタ７のコレクタ及びキャパシタ６の一端が接続され、このキャパシタ６の他端から出力信号が取り出される。
図２は薄膜圧電共振子２０の構成の一例を示す断面図である。図２に示すように、Ｓｉ基板２１には選択的にアンカー部２２が形成されている。このアンカー部２２上には下部電極２４、圧電膜２５及び上部電極２６が順次積層して形成され、アンカー部２２に固定支持されている。アンカー部２２が形成されていないＳｉ基板２１上には、下部電極２４との間に中空部分２３が設けられる。これにより、下部電極２４及び上部電極２６ともに、空気あるいは真空層に接した状態に保持される。
圧電膜２５は上下から下部電極２４及び上部電極２６に挟まれているが、図２に示すように、下部電極２４は圧電膜２５の全部ではなく一部に接して形成されるようにして、その他の圧電膜２５の部分には延在しないように構成されてもよい。同様に、上部電極２６は、圧電膜２５の全部ではなく一部に接して形成されるようにして、その他の圧電膜２５の部分には延在しないように構成されてもよい。これにより、例えば図２に示すように、中空部分２３上では圧電膜２５が下部電極２４及び上部電極２６に挟まれ、アンカー部２２上では圧電膜２５が下部電極２４のみに接し、あるいは別のアンカー部２２上では圧電膜２５が上部電極２６のみに接するように構成することができる。
圧電膜２５はｃ軸方向に配向成長したＡｌＮ膜が用いられ、下部電極２４及び上部電極２６はともにＡｌが用いられる。また、図２の破線で囲まれた部分で示されるように、下部電極２４及び上部電極２６に挟まれた圧電膜２５からなる共振部２７はアンカー部２２を通してＳｉ基板２１に固定されており、その圧電膜２５の膜厚の１／２になる条件の周波数で共振を生じる。例えば１ＧＨｚ〜５ＧＨｚの周波数では０．５μｍ〜３μｍ程度の膜厚に対応し、この共振部２７は特に１ＧＨｚ以上の高周波領域の共振に有効である。また、薄膜圧電共振子２０の大きさは１００μｍ角程度であり、非常に小型であるという利点を有する。
上部電極２４及び下部電極２６の間に交流電圧を印加すると、圧電逆効果により交番応力が発生し、厚み縦モードの弾性波の共振が励起されるようになっている。共振周波数を２ＧＨｚとするために、例えば圧電体２５の膜厚が１１００ｎｍ、下部電極２４の膜厚が１００ｎｍ、上部電極２６の膜厚が１５０ｎｍで形成される。
圧電膜２５の材料や作成方法にもよるが、Ｑ値の高い薄膜圧電共振子２０を作成することも可能である。窒化アルミニウムＡｌＮを圧電膜２５として使用したものの場合、数百以上の非常に高いＱ値が実現可能である。また、これらの圧電膜２５や上下電極２４及び２６はスパッタ法などの成膜手段により形成することができるので、Ｓｉ基板２１上に集積して微細化する上で有利である。
また、周囲の電磁界との相互作用を容易に生じるＬＣ共振器と異なり、薄膜圧電共振子２０における共振現象は弾性共振であり、共振部２７の部分に弾性エネルギが閉じ込められている。したがって、複数の共振周波数の異なる薄膜圧電共振子２０を近接して設置しても何の問題もなく、特に複数の電圧制御発振器１を用いて同時に複数の発振周波数を得る場合に有利である。
図３〜図５は薄膜圧電アクチュエータ３２を使用したバリキャップ素子３０の構成の一例を示す図である。図３は上面図、図４は図３のＡ−Ａ’断面図、図５は図３のＢ−Ｂ’断面図である。このバリキャップ素子３０は、通常バイモルフ型などの薄膜圧電アクチュエータ３２が用いられ、相対する２枚の電極間の距離を可変にすることで得られる容量可変型のキャパシタである。本実施形態のバリキャップ素子３０は、以下で説明する通りバイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ３２の一電極とバリキャップ４０の一電極を共通の電極で構成しているが、別の電極を電気的に接続する構成としてもよいし、電気的に接続しなくてもよい。
図３に示すように、バリキャップ素子３０は矩形のＳｉ基板２１上に形成されている。この矩形のＳｉ基板３１の４辺にはバイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ３２を４個備えている。また、これら４辺に配置されたバイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ３２に囲まれた中央部分には、バリキャップ４０が形成されている。
バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ３２は、Ａｌからなる第１電極３３と、この第１電極３３上に形成された第１圧電膜３４と、この第１圧電膜３４上に形成されたＡｌからなる第２電極３５と、この第２電極３５上に形成された第２圧電膜３６と、この第２圧電膜３６上に形成されたＡｌからなる第３電極３７の積層構造からなる。第１圧電膜３４及び第２圧電膜３６は、ｃ軸配向したＡｌＮ圧電膜からなる。
このバイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ３２はカンチレバービーム構造をなす。Ｂ−Ｂ’断面を示す図５を参照すると、カンチレバービーム構造の一端、すなわち図５の右端はＳｉ基板３１にアンカー部３８を介して固定され、他端、すなわち右端から左方向に向かった部分は、中空部分３９を介してＳｉ基板３１から浮いた構造をなす。また、カンチレバービーム構造の一端から途中まではバイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ３２が延在し、その途中から先端（以下、ネック部４３と呼ぶ）までは第１電極３３のみが延在する。このカンチレバービーム構造のネック部４３の第１電極３３は、図５のＢ−Ｂ’断面から図４のＡ−Ａ’にかけて延在し、図４のバリキャップ４０の可動電極４１に機械的に（物理的に）接続されている。この第１電極３３と可動電極４１は、電気的に接続される例として示しているが、これに限定されず、第１電極３３を含むバイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ３２の物理的な移動に伴い可動電極４１が移動するように機械的に接続される構成であれば、第１電極３３と可動電極４１が別個の電極として形成されていてもよい。
バリキャップ４０の詳細は図４に示す通りである。すなわち、Ｓｉ基板３１上に、Ａｌからなる固定電極４２が形成されている。また、固定電極３２表面にはＳｉＯ２からなる短絡保護用の誘電膜４４が形成されている。
そして、これら固定電極４２及び誘電膜４４と対向して、中空部分４５を挟んでＡｌからなる可動電極４１が形成されている。この可動電極４１は、ネック部４３を通して第１電極３３と接続され、かつこの第１電極３３はアンカー部３８を介してＳｉ基板３１に支持されているため、誘電膜４４と接することなく、所定の距離を挟んで対向配置されている。
薄膜圧電アクチュエータ３２に電圧を印加してカンチレバーを曲げる。これは、具体的には第１電極３３と第２電極３５の間と、第２電極３５と第３電極３７との間に、互いに逆向きの電圧を印加することによりバイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ３２を変位させることによりなされる。本実施形態の場合、例えば第１電極３３及び第３電極３７を接地し、第２電極３５に制御電圧Ｖｔｕｎｅを印加する。バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ３２の変位とともに、カンチレバーの先端、すなわちネック部４３が変位し、これにともない可動電極４１が変位する。これにより、バリキャップ４０の可動電極４１と固定電極間４２との距離が印加電圧に比例して変化する。そして、その電極間距離に反比例して容量が変化する。
可動電極４１と誘電膜４４が接触したときに最大の容量が得られ、可動電極４１と誘電膜４４が最も離れたときに最小の容量が得られる。また、同時に薄膜圧電共振子２０の下部電極２４又は上部電極２６のいずれか一方に制御電圧（Ｖtune）の入力端子を接続し、他方をバッファ用トランジスタのベースに接続する。すなわち、可動電極４１と下部電極２４又は上部電極２６のいずれか一方は電気的に接続される。これにより、タンク回路１３を用いた電圧制御発振器１を動作させることができる。
バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ３２の第１〜第３電極３３，３５及び３７、バリキャップ４０の可動電極４１や固定電極４２の厚さは、抵抗値などを勘案して例えば１０ｎｍから１μｍ程度から選ぶことができるが、本実施形態では全て５０ｎｍとする。また、バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ３２の第１及び第２圧電膜３４及び３６の厚さは変位量を勘案して例えば１０ｎｍから１μｍ程度から選択することができるが、本実施形態では全て５００ｎｍとする。誘電膜４４の厚さは５０ｎｍとする。バリキャップの等価面積は６４００μｍとする。
バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ３２への制御電圧（Ｖtune）を０〜３Ｖに設定してバリキャップ４０の容量を測定したところ、最小３４ｐＦ、最大２８６ｐＦとなり、８.４倍と大きな可変容量幅が得られた。
このコルピッツ型の電圧制御発振器１を使用して発振特性を測定したところ、０〜３Ｖの制御電圧印加により発振周波数は２．８５ＧＨｚ〜３．０８ＧＨｚと８．１％もの大きな可変周波数範囲が得られるとともに、位相雑音も１ＭＨｚ離調時に−１５３ｄＢｃ／Ｈｚと非常に小さく、優れた発振特性を持つ電圧制御発振器１が得られていることが確かめられた。
バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ３２の厚さや長さなどを適当に設計することにより、バリキャップ４０の電極間を大きく変位させることができ、大きな容量比が可能となる。またバリキャップ４０の各電極４１及び４４を充分厚くすることにより小さな寄生抵抗（等価直列抵抗）や大きなＱ値が併せて達成できる。
すなわち、薄膜圧電共振子２０と薄膜圧電アクチュエータ３２を使用したバリキャップ素子３０とを組合せたタンク回路１３を使用することにより、大きな周波数可変幅と小さな位相雑音特性を併せ持つ理想的な電圧制御発振器を作成することが可能になる。
なお、本実施形態では薄膜圧電共振子２０と薄膜圧電アクチュエータ３２を使用したバリキャップ素子３０とを別個に説明したが、図２と図３〜図５とを比較して分かるように、これらは一般的に圧電ＭＥＭＳ(piezoelectric Micro ElectroMechanical System)と呼ばれる、非常に良く似た構造を持っている。そこで、図６に示すように同一基板上にこれら薄膜圧電共振子２０とバリキャップ素子３０とを形成してタンク回路１３を構成してもよい。この場合、作成プロセスの共通化が図れるとともに、一緒に中空封止することができるという利点を有する。
図６（ａ）は図３のＡ−Ａ’断面を含むタンク回路１３を、図６（ｂ）はＢ−Ｂ’断面を含むタンク回路１３を示している。図１〜図５と同一構成には同一符号を付し詳細な説明は省略する。図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板２１上に薄膜圧電共振子２０とバリキャップ素子３０が形成されている。そして、Ｓｉ基板２１上にまず電極用材料と誘電体材料を積層形成し、パターニングしてバリキャップ４０の形成領域に固定電極４２及び誘電膜４４を形成する。次に、Ｓｉ基板２１上にさらに絶縁膜を形成する。この絶縁膜は後にパターニングされて薄膜圧電共振子２０のアンカー部２２と、バリキャップ素子３０のアンカー部３８になる。そして、この絶縁膜の上に第１の電極用材料を形成する。プロセス共通化のため、薄膜圧電共振子２０に使用される下部電極２４と薄膜圧電アクチュエータ３２に使用される第１電極３３が同じ材料であることが望ましく、第１の電極用材料としては、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）などの低抵抗の金属であることが望ましい。この第１の電極用材料が後にパターニングされて薄膜圧電共振子２０の下部電極２４と、薄膜圧電アクチュエータ３２の第１電極３３となる。この第１の電極用材料の上には、第１の圧電膜材料が形成される。プロセス共通化のため、薄膜圧電共振子２０の圧電膜２５と薄膜圧電アクチュエータ３２の第１圧電膜３４が同じ材料であることが望ましく、この圧電膜材料としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、およびチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）やジルコン酸チタン酸鉛（（Ｐｂ,Ｚｒ）ＴｉＯ３）などのペロブスカイト構造を持つ強誘電体の材料であることが望ましい。
同様に、この第１の圧電膜材料の上には、第２の電極用材料が形成される。この第２の電極用材料は第１の電極用材料と同じでもよく、後にパターニングされて上部電極２６と第２電極３５となる。第２の電極用材料の上には、第２の圧電膜材料が形成される。この第２の圧電膜材料は第１の圧電膜材料と同じでもよく、後にパターニングされてバリキャップ素子３０側のみの第１の圧電膜材料が残存し第２圧電膜３６となる。この第２の圧電膜材料の上には、第３の電極用材料が形成される。この第３の電極用材料は第１及び第２の電極用材料と同じでもよく、後にパターニングされてバリキャップ素子３０側のみの第３の電極用材料が残存し第３電極３７となる。
以上のように、Ｓｉ基板２１上に絶縁膜、第１の電極用材料、第１の圧電膜材料、第２の電極用材料、第２の圧電膜材料、第３の電極用材料が順次積層形成された後、パターニングしてバイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ３２あるいはバリキャップ４０が形成される領域以外の領域を選択的に除去してＳｉ基板２１を露出させる。
次に、ネック部４３及びバリキャップ４０の形成領域、薄膜圧電共振子２０の形成領域における第２の圧電膜材料及び第３の電極用材料を選択的に除去する。
そして、ネック部４３及びバリキャップ４０の形成領域における第１の圧電膜材料、第２の電極用材料を選択的に除去してこれら領域を第１電極３３あるいは可動電極４１のみ残存させ、さらにＳｉ基板２が露出した領域からウェットエッチングにより第１電極用材料下に形成されている絶縁膜を一部除去して中空部分３９を形成する。なお、ウェットエッチングを行った後に第１の圧電膜材料、第２の電極用材料の選択的除去を行ってもよい。
以上により、図６（ａ）及び（ｂ）に示すようなタンク回路１３を同一基板上に形成することができる。なお、図６の例では特に示されていないが、薄膜圧電共振子２０とバリキャップ素子３０の間は層間絶縁膜などにより分離されている。
なお、図６では薄膜圧電共振子２０とバリキャップ素子３０を同一基板上に共通プロセスで形成する例を示したが、これに限定されない。別個のプロセスで形成し、各電極用材料や圧電膜材料を異なる材料で構成してもよい。
このように本実施形態によれば、周波数安定度が高く、位相雑音にすぐれ、経時変化の少ない広い周波数可変範囲を持つ電圧制御発振器が提供される。特に、電源電圧からの外乱の影響や、電源電圧への雑音放射の少ない電圧制御発振器が提供される。
周波数可変幅を広げる目的として、コイルなどのＱ値の著しく低いリアクタ素子を直列ないしは並列に使用する必要がないため、リアクタ素子により発振器のＱ値がさらに低下したり、位相雑音がさらに大きくなるという問題が生じず、経時変化の少なく安定度の高い超小型の電圧制御発振器が提供される。
（第２実施形態）
図７は本発明の第２実施形態に係る電圧制御発振器５０の全体構成を示す回路図である。図７の電圧制御発振器５０は、平衡出力の発振回路であり、その等価回路が図７に示されている。
図７は本発明の第２実施形態に係る電圧制御発振器５０の全体構成を示す回路図である。図７の電圧制御発振器５０は、平衡出力の発振回路であり、その等価回路が図７に示されている。
図７に示すように、制御電圧Ｖｔｕｎｅにタンク回路８０ａ及び８０ｂを対称に配置する。タンク回路８０ａは、薄膜圧電共振子６０ａとこの薄膜圧電共振子６０ａに並列接続されたバリキャップ素子７０ａからなる。バリキャップ素子７０ａは、非対称バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ７２ａとバリキャップ９０ａからなる。非対称バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ７２ａの第１の極板（電極）に制御電圧Ｖｔｕｎｅが印加される。非対称バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ７２ａの第１の極板と対向する第２の極板（電極）は接地されている。非対称バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ７２ａの第１の極板は、バリキャップ９０ａの第１の極板（電極）に機械的に接続されている。バリキャップ９０ａの第１の極板と対向する第２の極板は薄膜圧電共振子６０ａの第２の極板（電極）に電気的に接続され、かつバッファアンプ５４ａを介して出力電圧Ｖｏｕｔ１として取り出される。
バッファアンプ５４ａの入力端子はキャパシタ５６ａを介してトランジスタ５７ｂのゲートに接続されるとともに、トランジスタ５７ａのドレインに接続される。さらに、バッファアンプ５４ａの入力端子はキャパシタ５５ａを介して増幅用トランジスタ５３ｂのゲートに接続されるとともに、増幅用トランジスタ５３ａのドレインに接続される。
タンク回路８０ｂは、薄膜圧電共振子６０ｂとこの薄膜圧電共振子６０ｂに並列接続されたバリキャップ素子７０ｂからなる。バリキャップ素子７０ｂは、非対称バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ７２ｂとバリキャップ９０ｂからなる。薄膜圧電共振子６０ｂの第１の極板（電極）は薄膜圧電共振子６０ａの第１の極板（電極）と電気的に接続されている。非対称バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ７２ｂの第１の極板（電極）に制御電圧Ｖｔｕｎｅが印加される。非対称バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ７２ｂの第１の極板と対向する第２の極板（電極）は接地されている。非対称バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ７２ｂの第１の極板は、バリキャップ９０ｂの第１の極板（電極）に機械的に接続されている。バリキャップ９０ｂの第１の極板はバリキャップ９０ａの第１の極板と電気的に接続されている。バリキャップ９０ｂの第１の極板と対向する第２の極板は薄膜圧電共振子６０ｂの第２の極板（電極）に電気的に接続され、かつバッファアンプ５４ｂを介して出力電圧Ｖｏｕｔ２として取り出される。
バッファアンプ５４ｂの入力端子はキャパシタ５６ｂを介してトランジスタ５７ａのゲートに接続されるとともに、トランジスタ５７ｂのドレインに接続される。さらに、バッファアンプ５４ｂの入力端子はキャパシタ５５ｂを介して増幅用トランジスタ５３ａのゲートに接続されるとともに、増幅用トランジスタ５３ｂのドレインに接続される。
トランジスタ５７ａと５７ｂのソースには電源電圧Ｖｃｃが印加され、増幅用トランジスタ５３ａと５３ｂのソースは接地される。
薄膜圧電共振子６０ａ及び６０ｂの構成は図２と共通するので詳細な説明は省略する。ただし、薄膜圧電共振子６０ａ及び６０ｂの場合、薄膜圧電共振子２０における圧電膜２５としてｃ軸方向に配向成長したＺｎＯ膜１４を使用した。
図８及び図９は本実施形態のバリキャップ素子７０ａの詳細な構成を示す図であり、図８は平面図を、図９は図８のＡ−Ａ’断面図である。バリキャップ素子７０ｂもバリキャップ素子７０ｂと構成は共通するので説明は省略する。
本実施形態のバリキャップ素子７０は、以下で説明する通り非対称バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ７２の一電極とバリキャップ９０の一電極を共通の電極で構成しているが、別の電極を電気的に接続する構成としてもよいし、電気的に接続しなくてもよい。
図８に示すように、Ｓｉ基板７１上に、バリキャップ９０を挟んで一対の非対称バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ７２が形成されている。各非対称バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ７２の一端はアンカー部７７を通してＳｉ基板７１に支持されており、他端はネック部８５を通してＡｌからなるバリキャップ９０の可動電極８１に機械的に（物理的に）接続されている。可動電極８１の上には補強用に圧電膜８３が形成されている。
また、Ｓｉ基板７１上にはＡｌからなる固定電極８２とその表面に形成された短絡防止用のＳｉＯ２からなる誘電膜８４が順次積層形成されている。これら固定電極８２と誘電膜７４は、可動電極８１と中空部分８６を介して対向配置されている。
非対称バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ７２は、Ａｌからなる第１電極７３、第１電極７３上に形成されｃ軸配向したＺｎＯからなる圧電膜７４、圧電膜７４上に形成された第２電極７５とを備え、さらに第２電極７５上には、非対称バイモルフを構成するためのＳｉＯ２からなる支持膜７６が形成されている。
第１電極７３と可動電極８１は、電気的に接続される例として示しているが、これに限定されず、第１電極７３を含む非対称バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ７２の物理的な移動に伴い可動電極８１が移動するように機械的に接続される構成であれば、第１電極７３と可動電極８１が別個の電極として形成されていてもよい。
第１電極７３と第２電極７５間に制御電圧Ｖｔｕｎｅを印加することにより、バイモルフ動作が生じて非対称バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ７２が変位し、可動電極８１と誘電膜８４が接触したときに最大の容量が得られ、可動電極８１が誘電膜８４から最も離れたときに最小の容量が得られる。
非対称バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ７２の第１電極７３と第２電極７５、バリキャップ９０の可動電極８１や固定電極８２の厚さは、抵抗値などを勘案して例えば１０ｎｍから１μｍ程度から選択することができるが、本実施形態では全て５０ｎｍとする。また、非対称バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ７２の圧電膜７４の厚さは変位量を勘案して例えば１０ｎｍから１μｍ程度から選択することができるが、本実施形態では４００ｎｍとする。誘電膜８４の厚さは３０ｎｍとする。バリキャップ９０の等価面積は６４００μｍとする。
非対称バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ７２への制御電圧（Ｖtune）を０〜３Ｖ加えてバリキャップ９０の容量を測定したところ、最小５６ｐＦ、最大３５６ｐＦで８.２倍と大きな可変幅が得られた。なお、薄膜圧電共振子６０ａ及び６０ｂの動作は第１実施形態の薄膜圧電共振子２０の動作と共通する。
この平衡型の電圧制御発振器５０を使用して発振特性を測定したところ、０〜３Ｖの制御電圧印加により発振周波数は２．５７ＧＨｚ〜２．８４ＧＨｚと１０．５％もの大きな可変周波数範囲が得られるとともに、位相雑音も１ＭＨｚ離調時に−１４９ｄＢｃ／Ｈｚと非常に小さく、優れた発振特性を持つ電圧制御発振器が得られていることが確かめられた。
なお、本実施形態では薄膜圧電共振子６０ａ及び６０ｂとバリキャップ素子７０ａ及び７０ｂとを別個に説明したが、図２と図８及び９とを比較して分かるように類似した構造を持っており、第１実施形態の場合と同様に同一基板上にこれらを形成してタンク回路８０ａ及び８０ｂを構成してもよい。この場合、作成プロセスの共通化が図れるとともに、一緒に中空封止することができる。
図１０は同一基板上に薄膜圧電共振子６０ａとバリキャップ素子７０ａが形成されたタンク回路８０ａを示している。図２、図８及び図９と同一構成には同一符号を付し詳細な説明は省略する。その製造方法はパターニング形状が異なる以外は第１実施形態の図６の場合と共通するため詳細な説明は省略する。なお、図１０の例では特に示されていないが、薄膜圧電共振子６０ａとバリキャップ素子７０ａの間は層間絶縁膜などにより分離されている。
すなわち、作成に当たっては、同一のＳｉ基板２１上に薄膜圧電共振子６０ａとバリキャップ素子７０ａを同時に作成し、薄膜圧電共振子６０ａのアンカー部２２とバリキャップ素子７０ａのアンカー部７７とを同時に形成し、薄膜圧電共振子６０ａの下部電極２４とバリキャップ素子７０ａの可動電極８１及び第１電極７３とを同時に形成し、薄膜圧電共振子６０ａの圧電膜２５とバリキャップ素子７０ａの圧電膜７４と可動電極補強膜８３とを同時に形成することでプロセスを簡略化することが可能となる。
なお、図１０では薄膜圧電共振子６０ａとバリキャップ素子７０ａの同時形成について述べたが、これに限定される趣旨ではなく、例えば薄膜圧電共振子６０ｂとバリキャップ素子７０ｂも含めて同時形成してもよい。
このように本実施形態によれば、周波数安定度が高く、位相雑音にすぐれ、経時変化の少ない広い周波数可変範囲を持つ超小型の電圧制御発振器が提供される。特に、電源電圧からの外乱の影響や、電源電圧への雑音放射の少ない電圧制御発振器が提供される。また、周波数可変幅を広げる目的としてリアクタ素子を使用する必要がないため、リアクタ素子により発振器のＱ値がさらに低下したり、位相雑音がさらに大きくなるという問題が生じず、経時変化の少なく安定度の高い電圧制御発振器が提供される。
本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態で示された膜厚や各膜の材料はほんの一例にすぎず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更できることはいうまでもない。
以上説明したようにこの発明は、移動無線通信技術による携帯電話などに用いられる電圧制御発振器の技術分野に有効である。
１，５０…電圧制御発振器、７…バッファ用トランジスタ、１０…増幅用トランジスタ、１３…タンク回路、２０…薄膜圧電共振子、２１…Ｓｉ基板、２２…アンカー部、２３…中空部分、２４…下部電極、２５…圧電膜、２６…上部電極、３０…バリキャップ素子、３１…Ｓｉ基板、３２…バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ、３３…第１電極、３４…第１圧電膜、３５…第２電極、３６…第２圧電膜、３７…第３電極、３８…アンカー部、４１…可動電極、４２…固定電極、４３…ネック部、４４…誘電膜、４５…中空部分、６０ａ，６０ｂ…薄膜圧電共振子、７０ａ．７０ｂ…バリキャップ素子、７１…Ｓｉ基板、７２…非対称バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ、７３…第１電極、７４…圧電膜、７５…第２電極、７６…支持膜、８１…可動電極、８２…固定電極、８３…圧電膜、８４…誘電膜
Claims (6)
- 同一基板上の第１及び第２領域に薄膜圧電共振子及びバリキャップ素子が薄膜形成プロセスで形成されている電圧制御発振器において、
前記薄膜圧電共振子は、
前記基板上の第１領域に絶縁膜で形成され、第１の中空部を設けるように配置された第１の支持部と、
当該第１の支持部に固定支持されている積層構造であって、前記基板に前記第１の中空部を介して対向配置される下部電極、前記下部電極上に形成された第１の圧電体及び前記第１の圧電体上に形成され、前記下部電極に対向して共振部を形成する上部電極から構成される積層構造と、
を備え、
前記バリキャップ素子は、
前記基板上の第２領域に形成された固定電極及びこの固定電極上に形成された誘電膜と、
当該誘電膜に第２の空洞部を介して対向され、前記薄膜圧電共振子の前記下部電極及び上部電極のいずれか一方と電気的に接続される可動電極と、
当該可動電極が前記固定電極に対向しながら可動するように前記可動電極を支持する薄膜圧電アクチュエータであって、第１の電極、前記第１の電極上に形成された第２の圧電体及び前記第２の圧電体上に形成された第２の電極から構成される薄膜圧電アクチュエータと、
前記基板上の第２領域に絶縁膜で形成され、前記アクチュエータの一端を可動として前記アクチュエータの他端を固定支持する第２の支持部と、
を備えることを特徴とする電圧制御発振器。 - 前記薄膜圧電アクチュエータは、前記第２電極上に第３の圧電体が形成され、当該第３の圧電体上に第３の電極が形成されているバイモルフ型薄膜圧電アクチュエータであることを特徴とする請求項１に記載の電圧制御発振器。
- 前記薄膜圧電アクチュエータは、前記第２電極上に第３の圧電体が形成されている非対称バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータであることを特徴とする請求項１に記載の電圧制御発振器。
- 前記第１の圧電体が０．５μｍ〜３μｍの膜厚を有し、前記薄膜圧電共振子が１ＧＨｚ〜５ＧＨｚの共振周波数を有することを特徴とする請求項１に記載の電圧制御発振器。
- 前記第１及び第２の圧電体は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ペロブスカイト構造を持つ強誘電体のいずれか１つからなることを特徴とする請求項１又は請求項４に記載の電圧制御発振器。
- 前記下部電極、可動電極、上部電極、第１の電極及び第２の電極は、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）のいずれか１つからなることを特徴とする請求項１に記載の電圧制御発振器。
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