JP4415616B2 - Micro machine - Google Patents
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Description
本発明は、いわゆるマイクロマシン（超小型電気的・機械的複合体；Micro Electro-Mechanical Systems、以下「ＭＥＭＳ」という）に関するものである。 The present invention relates to a so-called micromachine (micro electro-mechanical system; hereinafter referred to as “MEMS”).
近年、基板上の微細化製造技術の進展に伴い、ＭＥＭＳやＭＥＭＳを組み込んだ小型機器等が注目されている。ＭＥＭＳは、可動構造体である振動子と、その振動子の駆動を制御する半導体集積回路等とを、電気的・機械的に結合させた素子である。そして、振動子が素子の一部に組み込まれており、その振動子の駆動を電極間のクーロン引力等を応用して電気的に行うようになっている。 In recent years, with the progress of miniaturization manufacturing technology on a substrate, attention has been focused on MEMS and small devices incorporating MEMS. The MEMS is an element obtained by electrically and mechanically coupling a vibrator that is a movable structure and a semiconductor integrated circuit that controls driving of the vibrator. A vibrator is incorporated in a part of the element, and the vibrator is electrically driven by applying a Coulomb attractive force between the electrodes.
このようなＭＥＭＳのうち、特に半導体プロセスを用いて形成されたものは、デバイスの占有面積が小さいこと、高いＱ値（振動系の共振の鋭さを表す量）を実現できること、他の半導体デバイスとのインテグレーション（統合）が可能であること等の特徴を有することから、無線通信用のＩＦフィルタ装置やＲＦフィルタ装置等としての利用が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。具体的には、例えば図６に示すように、可動構造体である振動子２１を備えるとともに、その振動子２１と相対する下部電極２２がそれぞれ入力、出力電極として機能するようになっており、振動子２１の振動を利用して特定周波数帯域の信号を透過または遮断する、といったフィルタ装置に適したＭＥＭＳ構造が提案されている。また、図６の構成例では、振動子２１が両持ち梁を用いたビーム型である場合を示しているが、その他にもディスク型の振動子を備えるＭＥＭＳ構造も提案されている（例えば、非特許文献２参照）。
Among such MEMS, those formed using a semiconductor process, in particular, have a small occupied area of the device, can realize a high Q value (an amount representing the sharpness of resonance of the vibration system), and other semiconductor devices. Therefore, it has been proposed to be used as an IF filter device or an RF filter device for wireless communication (for example, see Non-Patent Document 1). Specifically, for example, as shown in FIG. 6, a vibrator 21 which is a movable structure is provided, and a
ところで、これまでに提案され、検証されたＭＥＭＳ構造における微小振動子の共振周波数は、最高でもＧＨｚ領域を超えていない。つまり、従来の表面弾性波（ＳＡＷ）あるいは薄膜弾性波（ＦＢＡＲ）によるＧＨｚ領域のフィルタに対しては、微小振動子の特性である高いＱ値をＧＨz帯周波数領域で提供することができていない。 By the way, the resonance frequency of the micro-vibrator in the MEMS structure that has been proposed and verified so far does not exceed the GHz region at the maximum. That is, a high Q value, which is a characteristic of a micro-vibrator, cannot be provided in the GHz band frequency region for a conventional filter in the GHz region using surface acoustic waves (SAW) or thin film elastic waves (FBAR). .
一般に、ＧＨｚ領域のような高い周波数領域では出力信号としての共振ピークが小さくなる傾向にあることから、良好なフィルタ特性を得るためには、共振ピークのＳＮ比を向上する必要がある。
この点、例えば上述した非特許文献２に開示されたディスク型の振動子を備えるＭＥＭＳ構造の例によれば、出力信号のノイズ成分は入出力電極間に構成される寄生容量を直接透過する信号に依存することから、この信号を小さくするために直流電圧を印加した振動電極を入出力電極間に配置することで、ノイズ成分の低減が図れるとされている。つまり、ノイズ成分の低減を図ることで、出力信号の共振ピークが小さくなる傾向にあっても、共振ピークのＳＮ比の低下を極力抑制し得るようになる。
In general, the resonance peak as an output signal tends to be small in a high frequency region such as the GHz region. Therefore, in order to obtain good filter characteristics, it is necessary to improve the SN ratio of the resonance peak.
In this regard, for example, according to the example of the MEMS structure including the disk-type vibrator disclosed in Non-Patent Document 2 described above, the noise component of the output signal is a signal that directly passes through the parasitic capacitance formed between the input and output electrodes. Therefore, it is said that the noise component can be reduced by arranging a vibrating electrode to which a DC voltage is applied between the input and output electrodes in order to reduce this signal. That is, by reducing the noise component, even if the resonance peak of the output signal tends to be small, the decrease in the SN ratio of the resonance peak can be suppressed as much as possible.
その一方で、ディスク型の振動子を備えるＭＥＭＳ構造は高次のモードを用いており、十分な出力信号を得るには例えば３０Ｖを超える直流電圧の印加が必要である。そのために、実用的な構造としては、両持ち梁を用いたビーム型の振動子を備えたＭＥＭＳ構造が望ましい。
このことから、ビーム型の振動子を備えたＭＥＭＳ構造に、ディスク型の振動子の例のようなノイズ成分の低減手法を適用することを考えると、その一例として、図７に示すような電極配置のＭＥＭＳ構造が得られる。このＭＥＭＳ構造は、可動構造体であるビーム型の振動子２３とは別に、その振動子２３に振動を励起するための入力電極２４と、振動子２３に励起された振動を検出するための出力電極２５とをそれぞれ設け、振動子２３に直流バイアス電圧を印加する構造としたものである。つまり、上述した非特許文献１に開示されたＭＥＭＳ構造が振動子の一次モードを利用した信号透過方式であるのに対して、図７のＭＥＭＳ構造は、入力電極２４と出力電極２５とをそれぞれ個別に設けて、ビーム型の振動子の二次モードを利用した信号透過方式を実現するものである。
On the other hand, a MEMS structure including a disk-type vibrator uses a higher-order mode, and a DC voltage exceeding, for example, 30 V is required to obtain a sufficient output signal. Therefore, as a practical structure, a MEMS structure including a beam-type vibrator using a doubly supported beam is desirable.
Accordingly, when applying a noise component reduction technique such as the disk-type vibrator to a MEMS structure including a beam-type vibrator, an electrode as shown in FIG. An arrangement MEMS structure is obtained. In this MEMS structure, in addition to the beam-
しかしながら、図７のＭＥＭＳ構造の場合には、高次モード（例えば、二次モード）を用いているため、振動子の振幅が小さくなることで出力信号が減少してしまうのに加えて、入力電極２４と出力電極２５との間の空間に寄生容量（図７中におけるＡ参照）が存在したり、入力電極２４および出力電極２５の下地膜×を経由した寄生容量（図７中におけるＢ参照）が存在したりしてしまう。このような寄生容量は、ノイズ成分の低減を阻害する要因となり得る。
したがって、特にＧＨｚ領域のような高い周波数領域に対応する場合には、ＭＥＭＳ構造の全体が縮小化して電極間隔も狭まるために、上述した寄生容量の影響がより大きく作用してしまい、ＳＮ比の悪化を招く要因となり得るおそれがある。つまり、高い周波数領域に対応するためには、入力電極２４と出力電極２５との間の寄生容量を低減することが必要になるのである。
However, since the MEMS structure of FIG. 7 uses a higher-order mode (for example, a second-order mode), the output signal is reduced due to a decrease in the amplitude of the vibrator. Parasitic capacitance (see A in FIG. 7) exists in the space between the
Therefore, especially in the case of dealing with a high frequency region such as the GHz region, the entire MEMS structure is reduced and the electrode interval is also narrowed, so that the influence of the parasitic capacitance described above acts more greatly, and the SN ratio is increased. There is a possibility that it may cause deterioration. That is, in order to cope with a high frequency region, it is necessary to reduce the parasitic capacitance between the
そこで、本発明は、ビーム型の振動子の高次モードを利用した信号透過方式を採用する場合であっても、電極間の寄生容量を減らすことでＳＮ比の向上を図ることを可能とし、ＧＨｚ領域のような高い周波数領域にも対応することのできるＭＥＭＳ構造を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention makes it possible to improve the S / N ratio by reducing the parasitic capacitance between the electrodes even when the signal transmission method using the higher-order mode of the beam-type vibrator is employed. An object of the present invention is to provide a MEMS structure that can cope with a high frequency region such as the GHz region.
本発明は、上記目的を達成するために案出されたマイクロマシン（ＭＥＭＳ）で、直流電圧が印加される可動構造体であるビーム型の第一の振動子および第二の振動子と、前記第一の振動子および前記第二の振動子に振動を励起するための第一の入力電極および第二の入力電極と、前記第一の振動子および前記第二の振動子に励起された振動を検出するための出力電極とを備え、前記第一の入力電極と前記出力電極とが前記第一の振動子を挟んで積み重なるように配されているとともに、前記第二の入力電極と前記出力電極とが前記第二の振動子を挟んで積み重なるように配されて、前記第一の入力電極、前記第一の振動子、前記出力電極、前記第二の振動子および前記第二の入力電極が順に重なり合う階層構造を有しているマイクロマシンである。
また、本発明は、上記目的を達成するために案出されたマイクロマシンで、直流電圧が印加される可動構造体であるビーム型の第一の振動子および第二の振動子と、前記第一の振動子および前記第二の振動子に振動を励起するための入力電極と、前記第一の振動子および前記第二の振動子に励起された振動を検出するための第一の出力電極および第二の出力電極とを備え、前記入力電極と前記第一の出力電極とが前記第一の振動子を挟んで積み重なるように配されているとともに、前記入力電極と前記第二の出力電極とが前記第二の振動子を挟んで積み重なるように配されて、前記第一の出力電極、前記第一の振動子、前記入力電極、前記第二の振動子および前記第二の出力電極が順に重なり合う階層構造を有しているマイクロマシンである。
The present invention is a micromachine (MEMS) devised to achieve the above object, and includes a beam-type first vibrator and a second vibrator , which are movable structures to which a DC voltage is applied, and the first A first input electrode and a second input electrode for exciting vibrations in one vibrator and the second vibrator, and vibrations excited in the first vibrator and the second vibrator. An output electrode for detection , the first input electrode and the output electrode are arranged so as to be stacked with the first vibrator interposed therebetween, and the second input electrode and the output electrode Are arranged so as to be stacked with the second vibrator interposed therebetween, and the first input electrode, the first vibrator, the output electrode, the second vibrator, and the second input electrode are micromachine having a hierarchical structure overlapping in sequence A.
The present invention also provides a beam-type first vibrator and second vibrator, which are movable structures to which a direct-current voltage is applied, in a micromachine designed to achieve the above-described object, and the first An input electrode for exciting vibration to the second vibrator and the second vibrator; a first output electrode for detecting vibration excited by the first vibrator and the second vibrator; A second output electrode, wherein the input electrode and the first output electrode are arranged so as to be stacked with the first vibrator interposed therebetween, and the input electrode and the second output electrode, Are arranged so as to be stacked with the second vibrator interposed therebetween, and the first output electrode, the first vibrator, the input electrode, the second vibrator, and the second output electrode are sequentially arranged. It is a micromachine having an overlapping hierarchical structure
上記構成のマイクロマシン（ＭＥＭＳ）によれば、入力電極と出力電極とが振動子を挟んで積み重なるように配された階層構造を有していることから、入力電極と出力電極との間に振動子が位置することになる。したがって、振動子の存在により、入力電極と出力電極との間の寄生容量を低減でき、電極間を直接透過する信号によるノイズ成分を低減し得るようになる。 According to the micromachine (MEMS) having the above configuration, since the input electrode and the output electrode have a hierarchical structure arranged so as to be stacked with the vibrator interposed therebetween, the vibrator is provided between the input electrode and the output electrode. Will be located. Therefore, due to the presence of the vibrator, the parasitic capacitance between the input electrode and the output electrode can be reduced, and the noise component due to the signal that is directly transmitted between the electrodes can be reduced.
本発明のマイクロマシン（ＭＥＭＳ）によれば、電極間の寄生容量の低減によって当該電極間を直接透過する信号によるノイズ成分を低減し得るようになるので、出力信号のＳＮ比を向上することができる。したがって、例えばＧＨｚ領域のような高い周波数領域に対応する場合に、振動子の振幅が小さくなることで出力信号が減少してしまう傾向にあっても、出力信号のＳＮ比を向上させることで、十分な出力レベルを確保することが可能となる。つまり、従来のＭＥＭＳ構造に比べて高いＳＮ比を実現できるので、高周波での信号検出を容易にすることができるという効果を奏する。しかも、ビーム型の振動子であっても高いＳＮ比を実現できるので、高電圧の印加を必要とすることもなく、その実用性を十分に確保することができるという効果も奏する。 According to the micromachine (MEMS) of the present invention, it is possible to reduce the noise component due to the signal that is directly transmitted between the electrodes by reducing the parasitic capacitance between the electrodes, so that the SN ratio of the output signal can be improved. . Therefore, for example, when dealing with a high frequency region such as the GHz region, even if the output signal tends to decrease due to a decrease in the amplitude of the vibrator, by improving the SN ratio of the output signal, A sufficient output level can be secured. That is, since a high S / N ratio can be realized as compared with the conventional MEMS structure, there is an effect that signal detection at a high frequency can be facilitated. In addition, since a high S / N ratio can be realized even with a beam-type vibrator, there is an effect that the practicality can be sufficiently ensured without requiring application of a high voltage.
以下、図面に基づき本発明に係るマイクロマシン（ＭＥＭＳ）について説明する。 Hereinafter, a micromachine (MEMS) according to the present invention will be described with reference to the drawings.
〔第１の実施の形態〕
先ず、本発明の第１の実施の形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態におけるＭＥＭＳの概略構成例を示す説明図である。
[First Embodiment]
First, a first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration example of a MEMS according to the first embodiment of the present invention.
図１に示すように、ここで説明するＭＥＭＳ構造は、直流（ＤＣ）電圧が印加され、ビーム型の可動構造体部分を有する振動子１と、その振動子１に振動を励起するための入力電極２と、振動子１に励起された振動を検出するための出力電極３とを備えている。そして、入力電極２および出力電極３は振動子１の可動構造体部分との間に空間を介していることから、入力電極２に特定の周波数電圧が印加された場合に、例えばポリシリコン（Poly-Si）といった絶縁材料からなる振動子１の可動構造体部分が固有振動周波数で振動し、出力電極３と振動子１の可動構造体部分との間の空間で構成されるキャパシタの容量が変化し、これが出力電極３から出力されるようになっている。これにより、当該ＭＥＭＳ構造では、高いＱ値を実現することができるのである。
これらの振動子１、入力電極２および出力電極３は、いずれも、例えば単結晶シリコン（Ｓｉ）からなる半導体基板５上に二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）膜６および窒化ケイ素（ＳｉＮ）膜７が積層された、さらにその上方に形成されている。そして、振動子１および入力電極２の上方は、保護膜となるＳｉＮ膜８によって覆われている。つまり、これらを備えてなるＭＥＭＳ構造は、半導体基板５上に形成されるものであることから、他の半導体デバイスとのインテグレーションが可能である。
また、振動子１には、直流電圧が印加されることから、出力信号と寄生容量の相関を無くすことができ、ＳＮ比を十分に確保することが可能となる。
なお、振動子１は、必ずしも単独である必要はなく、複数が組み合わされてなるもの、すなわち振動子群を構成するものであってもよい。
As shown in FIG. 1, in the MEMS structure described here, a direct current (DC) voltage is applied, a vibrator 1 having a beam-type movable structure portion, and an input for exciting vibration to the vibrator 1. An electrode 2 and an
Each of the vibrator 1, the input electrode 2, and the
Further, since a DC voltage is applied to the vibrator 1, the correlation between the output signal and the parasitic capacitance can be eliminated, and a sufficient SN ratio can be ensured.
The vibrator 1 does not necessarily need to be a single element, and may be a combination of a plurality of vibrators, that is, a vibrator group.
さらに、ここで説明するＭＥＭＳ構造は、その特徴的な構成として、入力電極２と出力電極３とが振動子１の可動構造体部分を挟んで積み重なるように配された階層構造を有している。すなわち、入力電極２と出力電極３との間に、ＤＣ電極として機能する振動子１の可動構造体部分が配置されていることになる。
Furthermore, the MEMS structure described here has a hierarchical structure in which the input electrode 2 and the
このような階層構造では、振動子１と入力電極２との間に空間が介在するため、その振動子１の上部に位置する入力電極２が浮いてしまうことになり、その入力電極２を構造物で固定する必要があるが、ここでは当該階層構造の略全体をＳｉＮ膜８によって覆うことで入力電極２を固定している。このようなＳｉＮ膜８を設けることによって、そのＳｉＮ膜８は、入力電極２の固定構造物として機能するだけではなく、振動子１を外乱から防ぐパッケージ（保護膜）としての役割を果すこととなる。 In such a hierarchical structure, since a space is interposed between the vibrator 1 and the input electrode 2, the input electrode 2 located above the vibrator 1 is floated, and the input electrode 2 is structured. The input electrode 2 is fixed by covering substantially the entire hierarchical structure with the SiN film 8 here. By providing such a SiN film 8, the SiN film 8 not only functions as a fixed structure of the input electrode 2 but also serves as a package (protective film) that prevents the vibrator 1 from being disturbed. Become.
次に、以上のような構成のＭＥＭＳ構造を形成する具体的な手順について説明する。図２は、本発明の第１の実施の形態におけるＭＥＭＳ構造の形成手順の一例を示す説明図である。ここでは、振動子１、入力電極２および出力電極３の材質がPoly-Siであり、犠牲層がＳｉＯ2膜である場合を例に挙げて説明する。ただし、以下に説明する例は、あくまで実施の一具体例に過ぎず、本発明の実現手段を制限するものではない。
Next, a specific procedure for forming the MEMS structure having the above configuration will be described. FIG. 2 is an explanatory diagram showing an example of a procedure for forming the MEMS structure according to the first embodiment of the present invention. Here, the case where the material of the vibrator 1, the input electrode 2, and the
図１に示したＭＥＭＳ構造を形成するのにあたっては、先ず、図２（ａ）に示すように、Ｓｉからなる半導体基板５上、熱酸化によりＳｉＯ2膜６を形成する。熱酸化は、例えば、水蒸気雰囲気にて950℃、165分の条件で行う。ＳｉＯ2膜６の形成後は、減圧下にて、ＳｉＮ膜７をＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）により形成する。ＣＶＤは、例えば850℃、60分の条件で行う。さらに、ＳｉＮ膜７の形成後は、リン（Ｐ）をドーピングした第一Poly-Si膜１１をＣＶＤにより形成し、その第一Poly-Si膜１１に対して熱酸化処理およびアニール処理を行い、粒界部分に存在しているＰ不純物原子を粒界内部に拡散させ、活性化して抵抗値を低下させる。ＣＶＤは、例えばシランガス50sccmと亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）ガス1000sccmを反応ガスとしたホットウォールタイプのＣＶＤにより行う。また、Ｐをドープする原料としてはホスフィン（ＰＨ３）を使用し、熱酸化はＯ2雰囲気で1000℃、１２分の条件で行い、アニールは窒素（Ｎ2）雰囲気で1000℃、６分の条件で行う。そして、第一Poly-Si膜１１の形成後は、ドライエッチング装置にてパターニングを行い、出力電極３となる部分を形成する。
In forming the MEMS structure shown in FIG. 1, first, as shown in FIG. 2A, an SiO 2 film 6 is formed on a semiconductor substrate 5 made of Si by thermal oxidation. Thermal oxidation is performed, for example, in a steam atmosphere at 950 ° C. for 165 minutes. After the formation of the SiO 2 film 6, the SiN film 7 is formed by CVD (Chemical Vapor Deposition) under reduced pressure. CVD is performed, for example, under conditions of 850 ° C. and 60 minutes. Further, after the formation of the SiN film 7, the first Poly-
その後は、図２（ｂ）に示すように、ＳｉＯ2膜１２をＣＶＤにより形成する。ここでは、膜の緻密性やカバレッジ等を考慮して、ＨＴＯ（High Temperature Oxide）による膜を付けることが考えられる。そして、第一Poly-Si膜１１の場合と同様にして、そのＳｉＯ2膜１２上にＰをドーピングしたPoly-Si膜を第二Poly-Si膜１３として形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 2B, the SiO 2 film 12 is formed by CVD. Here, it is conceivable to apply a film made of HTO (High Temperature Oxide) in consideration of the film density and coverage. Then, similarly to the case of the first Poly-
第二Poly-Si膜１３の形成後は、図２（ｃ）に示すように、その第二Poly-Si膜１３上にリソグラフィ処理を行い、所定パターンで第二Poly-Si膜１３およびＳｉＯ2膜１２をエッチングする。このとき、下層膜である第一Poly-Si膜１１との選択性を持たせるために、エッチングは、それぞれ別のエッチング装置またはエッチング工程にて行うことが望ましい。また、ＳｉＯ2膜１２をエッチングする際には、第二Poly-Si膜１３をレジストとして用いてもよい。
After the formation of the second Poly-
そして、エッチング箇所を埋め、かつ、ＳｉＯ2膜１２の上層膜を形成するように、図２（ｄ）に示すように、第一Poly-Si膜１１または第二Poly-Si膜１３の場合と同様にして、ＰをドーピングしたPoly-Si膜を第三Poly-Si膜１４として形成し、さらにその第三Poly-Si膜１４上に対するリソグラフィ処理を行って、振動子１の可動構造体となる部分を形成すべくドライエッチングを行う。このとき、エッチング箇所の凹み部分がPoly-Si膜の成膜に与える悪影響を回避すべく、その凹み部分をPoly-Si膜で埋めた後、例えばＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing；化学的機械的研磨）を行って平坦化し、さらにその上に再びPoly-Si膜を成膜して、振動子１の可動構造体となる部分を得るようにすることも考えられる。
Then, as shown in FIG. 2 (d), the first Poly-
さらには、図２（ｅ）に示すように、ＳｉＯ2膜１２や第三Poly-Si膜１４の場合と同様に手法を用いて、第三Poly-Si膜１４上にＳｉＯ2膜１５および第四Poly-Si膜１６を成膜するとともに、これらに対するリソグラフィ処理およびドライエッチングを行い、入力電極２となる部分を形成する。
Further, as shown in FIG. 2E, the SiO 2 film 15 and the second poly-
その後は、図２（ｆ）に示すように、これらの全体を覆うＳｉＮ膜８を形成する。ＳｉＮ膜８は、減圧下にて、例えば850℃、60分の条件でＣＶＤを行うことによって形成すればよい。また、ここで犠牲層となるＳｉＯ2膜１２，１５の一部を露出させるための抜き孔（ただし不図示）の加工をも行う。 Thereafter, as shown in FIG. 2 (f), a SiN film 8 is formed so as to cover all of them. The SiN film 8 may be formed by performing CVD under reduced pressure, for example, at 850 ° C. for 60 minutes. In addition, a hole (not shown) for exposing a part of the SiO 2 films 12 and 15 serving as a sacrifice layer is also processed here.
そして、図２（ｇ）に示すように、その抜き孔を利用しつつ、例えばＢＨＦ溶液（弗酸系緩衝溶液）等を用いて、ＳｉＯ2膜１２，１５を選択的に除去することにより、いわゆる犠牲層エッチングを行い、出力電極３と振動子１の可動構造体部分との間および当該可動構造体部分と入力電極２との間に空間（ギャップ）を形成する。
Then, as shown in FIG. 2 (g), the SiO 2 films 12 and 15 are selectively removed using, for example, a BHF solution (hydrofluoric acid buffer solution) or the like while using the holes. So-called sacrificial layer etching is performed to form a space (gap) between the
以上のような手順を経て得られるＭＥＭＳ構造、すなわち図１に示した構成のＭＥＭＳ構造では、入力電極２と出力電極３とが振動子１の可動構造体部分を挟んで積み重なるように配された階層構造を有していることから、入力電極２と出力電極３との間に振動子１の可動構造体部分が位置することになる。つまり、振動子１の可動構造体部分を挟んで、その下方側に出力電極３が配置され、またその上方側に入力電極２が配置されている。
したがって、このようなＭＥＭＳ構造では、振動子１の存在により、入力電極２と出力電極３との間の寄生容量を低減でき、電極間を直接透過する信号によるノイズ成分を低減し得るようになるのである。具体的には、入力電極２と出力電極３との間にＤＣ電極として機能する振動子１の可動構造体部分が入り込むことから、入力電極２と出力電極３との間のキャパシタンスを減らすことが可能となり、例えば約二桁オーダーのキャパシタンスの改善効果を実現することも可能となる。
図３は、キャパシタンスの改善効果の一具体例を示す説明図である。図例のように、図１に示した構成のＭＥＭＳ構造によれば、従来構造に比べて、ＳＮ比を１００倍程度改善することも可能となる。
In the MEMS structure obtained through the above procedure, that is, the MEMS structure having the configuration shown in FIG. 1, the input electrode 2 and the
Therefore, in such a MEMS structure, due to the presence of the vibrator 1, the parasitic capacitance between the input electrode 2 and the
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a specific example of the effect of improving the capacitance. As shown in the example, according to the MEMS structure having the configuration shown in FIG. 1, the SN ratio can be improved by about 100 times compared to the conventional structure.
さらに、図１に示した構成のＭＥＭＳ構造では、下方から出力電極３、振動子１の可動構造体部分および入力電極２が順に重なり合う階層構造を有していることから、出力電極３と振動子１の可動構造体部分との間および当該可動構造体部分と入力電極２との間に空間（ギャップ）を、ＳｉＯ2膜１２，１５の成膜および犠牲層エッチングによって形成することができる。したがって、微細なギャップ間隔（例えば、nmオーダー）であっても、これを容易に実現することが可能となり、ＭＥＭＳ構造の小型化や高精度化等を実現する上で非常に好適なものとなる。
Further, the MEMS structure having the configuration shown in FIG. 1 has a hierarchical structure in which the
これらのことから、本実施形態で説明した構造のＭＥＭＳによれば、電極間の寄生容量の低減によって当該電極間を直接透過する信号によるノイズ成分を低減し得るようになるので、出力信号のＳＮ比を向上することができると言える。
したがって、本実施形態で説明したＭＥＭＳによれば、例えばＧＨｚ領域のような高い周波数領域に対応する場合に、振動子の振幅が小さくなることで出力信号が減少してしまう傾向にあっても、出力信号のＳＮ比を向上させることで、十分な出力レベルを確保することが可能となる。つまり、従来のＭＥＭＳ構造に比べて高いＳＮ比を実現できるので、高周波での信号検出を容易にすることができる。しかも、ビーム型の振動子１であっても高いＳＮ比を実現できるので、高電圧の印加を必要とすることもなく、その実用性を十分に確保することもできる。
For these reasons, according to the MEMS having the structure described in the present embodiment, the noise component due to the signal directly transmitted between the electrodes can be reduced by reducing the parasitic capacitance between the electrodes. It can be said that the ratio can be improved.
Therefore, according to the MEMS described in this embodiment, for example, in the case of corresponding to a high frequency region such as the GHz region, even if the output signal tends to decrease due to a decrease in the amplitude of the vibrator, By improving the S / N ratio of the output signal, a sufficient output level can be secured. That is, since a high S / N ratio can be realized as compared with the conventional MEMS structure, signal detection at a high frequency can be facilitated. In addition, since a high SN ratio can be realized even with the beam-type vibrator 1, application of a high voltage is not required, and its practicality can be sufficiently ensured.
〔第２の実施の形態〕
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図４は、本発明の第２の実施の形態におけるＭＥＭＳの概略構成例を示す説明図である。ただし、ここでは、上述した第１の実施の形態との相違点についてのみ説明するものとする。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 4 is an explanatory diagram showing a schematic configuration example of the MEMS according to the second embodiment of the present invention. However, only differences from the first embodiment described above will be described here.
図４に示すように、ここで説明するＭＥＭＳ構造は、第１の実施の形態で説明したような出力電極３、振動子１の可動構造体部分および入力電極２が順に重なり合う、いわゆる三段階の階層構造ではなく、下方から第一の入力電極２ａ、第一の振動子１ａの可動構造体部分、出力電極３、第二の振動子１ｂの可動構造体部分および第二の入力電極２ｂが順に重なり合う、いわゆる五段階の階層構造を有したものである。
As shown in FIG. 4, the MEMS structure described here has a so-called three-stage structure in which the
このような構成のＭＥＭＳ構造であっても、第一の入力電極２ａと出力電極３とが第一の振動子１ａの可動構造体部分を挟んで積み重なるように配されているとともに、第二の入力電極２ｂと出力電極３とが第二の振動子１ｂの可動構造体部分を挟んで積み重なるように配された階層構造を有していることから、入力電極２ａ，２ｂと出力電極３との間に振動子１ａ，１ｂの可動構造体部分が位置することになる。
したがって、このようなＭＥＭＳ構造においても、振動子１ａ，１ｂの存在により、入力電極２ａ，２ｂと出力電極３との間の寄生容量を低減でき、電極間を直接透過する信号によるノイズ成分を低減し得るようになるので、出力信号のＳＮ比を向上させることができるのである。そのために、第１の実施の形態の場合と同様、例えばＧＨｚ領域のような高い周波数領域に対応する場合であっても、従来のＭＥＭＳ構造に比べて高いＳＮ比を実現できるので、高周波での信号検出を容易にすることができる。しかも、ビーム型の振動子１ａ，１ｂであっても高いＳＮ比を実現できるので、高電圧の印加を必要とすることもなく、その実用性を十分に確保することもできる。
Even in the MEMS structure having such a configuration, the first input electrode 2a and the
Accordingly, even in such a MEMS structure, the presence of the vibrators 1a and 1b can reduce the parasitic capacitance between the input electrodes 2a and 2b and the
さらに、本実施形態で説明した構造のＭＥＭＳによれば、入力電極２ａ，２ｂのそれぞれに信号を入力すれば、出力電極３から合成された出力信号が得られるので、振動子１ａ，１ｂの可動構造体部分における固有振動数を適宜設定することで、信号の増幅効果も見込めるようになる。
なお、本実施形態と同様の五段階の階層構造であっても、本実施形態で説明した場合とは異なり、入力電極と出力電極とを逆に構成することも考えられる。この場合には、一つの入力電極に信号を入力すれば、第一および第二の出力電極のそれぞれから出力信号が得られるので、振動子の可動構造体部分における固有振動数を適宜設定することで、信号の分岐が行えるようにもなる。
Furthermore, according to the MEMS having the structure described in the present embodiment, if a signal is input to each of the input electrodes 2a and 2b, an output signal synthesized from the
Note that, even in the same five-stage hierarchical structure as in the present embodiment, unlike the case described in the present embodiment, the input electrode and the output electrode may be configured in reverse. In this case, if a signal is input to one input electrode, an output signal can be obtained from each of the first and second output electrodes. Therefore, the natural frequency in the movable structure portion of the vibrator should be set appropriately. Thus, the signal can be branched.
〔第３の実施の形態〕
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図５は、本発明の第３の実施の形態におけるＭＥＭＳの概略構成例を示す説明図である。ただし、ここでも、上述した第１または第２の実施の形態との相違点についてのみ説明するものとする。
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 5 is an explanatory diagram showing a schematic configuration example of a MEMS according to the third embodiment of the present invention. Here, however, only differences from the first or second embodiment described above will be described.
図５に示すように、ここで説明するＭＥＭＳ構造は、下方から出力電極３、振動子１の可動構造体部分および入力電極２が順に重なり合う、いわゆる三段階の階層構造を有したものである点で第１の実施の形態の場合と略同様であるが、入力電極２および出力電極３がそれぞれ複数並設されている点で第１の実施の形態の場合とは異なる。なお、入力電極２および出力電極３の設置数や設置間隔等は、ＭＥＭＳの大きさや対応する信号周波数等に応じて適宜設定すればよい。
As shown in FIG. 5, the MEMS structure described here has a so-called three-stage hierarchical structure in which the
このような構成のＭＥＭＳ構造であっても、入力電極２と出力電極３との間に振動子１の可動構造体部分が位置していることから、入力電極２と出力電極３との間の寄生容量を低減でき、電極間を直接透過する信号によるノイズ成分を低減し得るようになるので、出力信号のＳＮ比を向上させることができる。したがって、第１の実施の形態の場合と同様、例えばＧＨｚ領域のような高い周波数領域に対応する場合であっても、従来のＭＥＭＳ構造に比べて高いＳＮ比を実現できるので、高周波での信号検出を容易にすることができる。しかも、ビーム型の振動子１ａ，１ｂであっても高いＳＮ比を実現できるので、高電圧の印加を必要とすることもなく、その実用性を十分に確保することもできる。
Even in the MEMS structure having such a configuration, since the movable structure portion of the vibrator 1 is located between the input electrode 2 and the
さらに、本実施形態で説明した構造のＭＥＭＳによれば、入力電極２および出力電極３がそれぞれ複数並設されていることから、高次モード化が可能となり、電極数や電極面積を増加させたりその配置を適宜設定したりすることで、必要信号量の確保と高周波化を見込むことができる。つまり、高次モードの利用により、振動子１の可動構造体部分における振幅が減少し同一電極面積に対する出力信号は減るが、ニーズの高まっている高周波化への対応は容易に実現可能となる。この場合において、出力信号の減少は、電極数を増やしたり、振幅減少により動作時のスティッキングの恐れが少ないのを利用して電極−振動子間のギャップを狭めたりすることで、相殺することが考えられる。
Furthermore, according to the MEMS having the structure described in the present embodiment, since a plurality of input electrodes 2 and a plurality of
なお、当然のことではあるが、上述した第１〜第３の実施の形態は、本発明の好適な一実施具体例に過ぎず、本発明がこれに限定されるものでないことは勿論である。 Needless to say, the first to third embodiments described above are merely preferred specific examples of the present invention, and the present invention is of course not limited thereto. .
１…振動子、１ａ…第一の振動子、１ｂ…第二の振動子、２…入力電極、２ａ…第一の入力電極、２ｂ…第二の入力電極、３…出力電極、８…ＳｉＮ膜 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Vibrator, 1a ... 1st vibrator, 1b ... 2nd vibrator, 2 ... Input electrode, 2a ... 1st input electrode, 2b ... 2nd input electrode, 3 ... Output electrode, 8 ... SiN film
Claims (2)
前記第一の振動子および前記第二の振動子に振動を励起するための第一の入力電極および第二の入力電極と、
前記第一の振動子および前記第二の振動子に励起された振動を検出するための出力電極とを備え、
前記第一の入力電極と前記出力電極とが前記第一の振動子を挟んで積み重なるように配されているとともに、前記第二の入力電極と前記出力電極とが前記第二の振動子を挟んで積み重なるように配されて、前記第一の入力電極、前記第一の振動子、前記出力電極、前記第二の振動子および前記第二の入力電極が順に重なり合う階層構造を有している
マイクロマシン。 A beam-type first vibrator and a second vibrator that are movable structures to which a DC voltage is applied;
A first input electrode and a second input electrode for exciting vibrations in the first vibrator and the second vibrator ;
An output electrode for detecting vibration excited by the first vibrator and the second vibrator ;
The first input electrode and the output electrode are arranged so as to be stacked with the first vibrator interposed therebetween, and the second input electrode and the output electrode sandwich the second vibrator The first input electrode, the first vibrator, the output electrode, the second vibrator, and the second input electrode are sequentially stacked so as to be stacked in order .
Micro machine .
前記第一の振動子および前記第二の振動子に振動を励起するための入力電極と、
前記第一の振動子および前記第二の振動子に励起された振動を検出するための第一の出力電極および第二の出力電極とを備え、
前記入力電極と前記第一の出力電極とが前記第一の振動子を挟んで積み重なるように配されているとともに、前記入力電極と前記第二の出力電極とが前記第二の振動子を挟んで積み重なるように配されて、前記第一の出力電極、前記第一の振動子、前記入力電極、前記第二の振動子および前記第二の出力電極が順に重なり合う階層構造を有している
マイクロマシン。 A beam-type first vibrator and a second vibrator that are movable structures to which a DC voltage is applied;
An input electrode for exciting vibration in the first vibrator and the second vibrator;
A first output electrode and a second output electrode for detecting vibration excited by the first vibrator and the second vibrator;
The input electrode and the first output electrode are arranged so as to be stacked with the first vibrator interposed therebetween, and the input electrode and the second output electrode sandwich the second vibrator The first output electrode, the first vibrator, the input electrode, the second vibrator, and the second output electrode have a hierarchical structure that is stacked in order.
Micro machine .
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