JP4442158B2

JP4442158B2 - マイクロ電気機械システムの共振器およびその駆動方法

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Publication number: JP4442158B2
Application number: JP2003297275A
Authority: JP
Inventors: 康治難波田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2003-08-21
Filing date: 2003-08-21
Publication date: 2010-03-31
Anticipated expiration: 2023-08-21
Also published as: JP2005072757A

Description

本発明は、温度変化による共振周波数の補正が容易なマイクロ電気機械システムの共振器およびその駆動方法に関するものである。

半導体プロセス技術を用いて形成された微小振動子は、デバイスの占有面積が小さいこと、高いＱ値を実現できること、他の半導体デバイスとの集積が可能であること等の特徴により、無線通信デバイスの中でもＩＦ（中間周波）フィルタ、ＲＦ（ラジオ周波）フィルタとしての利用がミシガン大学を始めとする研究機関から提案されている。その構造の代表例を図６によって説明する。

図６に示すように、微小振動子１０1は以下のような構成となっている。基板１１１上に設けられた出力電極１１２の上方に、空間１２１を介して振動子電極１１３が配置されているものである。上記振動子電極１１３には、電極１１４を介して入力電極１１５が接続されている。

次に、上記微小振動子の動作を以下に説明する。上記入力電極１１５に特定の周波数電圧が印加された場合、出力電極１１２上に空間１２１を介して設けられた振動子電極１１３のビーム（振動部）が固有振動周波数で振動し、出力電極１１２とビーム（振動部）との間の空間１２１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１１２から電圧として出力される（例えば、非特許文献１参照）。

しかし、これまでに提案され、検証された微小振動子の共振周波数は最高でも２００ＭＨｚを超えず、従来の表面弾性波（ＳＡＷ）あるいは薄膜弾性波（ＦＢＡＲ）によるＧＨｚ（ギガヘルツ）領域のフィルタに対して、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は困難となっている。

現在のところ、一般に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があり、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。ミシガン大学の文献（Ｄｉｓｋ型の例）（例えば、非特許文献１参照）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よっており、この信号を小さくするために、直流（ＤＣ）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。

一方でＤｉｓｋ型の振動子で、十分な出力信号を得るには、３０Ｖを超えるＤＣ電圧が必要であるために、実用的な構造としては両持ち梁を用いたビーム型の構造が望ましい。上記のノイズ成分の低減方法をビーム型の構造に対して適用した場合、一例として図７に示すような電極配置となる。

図７に示すように、シリコン基板上に酸化シリコン膜および窒化シリコン膜の積層膜を形成した基板２１１上に、離間した状態で入力電極２１２と出力電極２１３とが平行して配設され、その上空に微小な空間を介して上記入力電極２１２および上記出力電極２１３を横切るようにビーム型振動子２１４が配設されているものである。この場合、入力電極２１２と出力電極２１３との間の空間や下地膜を経由した寄生容量が存在する。

フランクＤボノン３世（Frank D.Bonnon III）他著「High-Q HF Microelectromechanical Filters」ＩＥＥＥ（The Institute of Electrical and Electronics Engineers） JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS,VOL.35,NO.4,APRIL ２０００年ｐ．５１２−５２６

解決しようとする問題点は、共振器周辺の温度変化により共振周波数が変動する点である。すなわち、共振器の周辺温度が変化すると、熱膨張により振動子の長さが変化し、また振動子のヤング率も変動する。これらの変化は振動子の共振周波数に影響を与えるため、共振器の共振特性にも変化が生じる点である。共振器はフィルタや発振器への応用を目的としており、３０ｐｐｍ／℃以上の温度特性では実用上不都合が生じることになる。本発明では、複数の共振器を切り替えて使用することにより、共振器の温度特性を補償して一定の共振周波数を得ることを課題としている。

本発明の電気機械共振器は、信号を入力する入力電極と、信号を出力する出力電極と、
前記入力電極および前記出力電極に対して空間を介して対向する振動子と、前記振動子に直流電圧を印加する電源とを備えたマイクロ電気機械システムの共振器において、前記マイクロ電気機械システムの共振器は、複数の異なる温度範囲において共振周波数の温度による変化が同一周波数領域に収まるようにそれぞれの温度範囲ごとに長さが異なる振動子を有する複数の共振器からなり、前記マイクロ電気機械システムの共振器もしくはその周囲の温度を測定する温度センサと、前記温度センサにより測定された温度に基づいて前記複数の共振器の振動子から所望の共振周波数を得る振動子を選択し、前記電源から前記選択した振動子に直流電圧を印加させる制御部とを備えたことを最も主要な特徴とする。

本発明のマイクロ電気機械システムの共振器の駆動方法は、信号を入力する入力電極と、信号を出力する出力電極と、前記入力電極および前記出力電極に対して空間を介して対向するもので長さが異なる複数の振動子と、前記各振動子に直流電圧を印加する電源と、当該マイクロ電気機械システムの共振器もしくはその周辺の温度を測定する温度センサと、前記温度センサにより測定された温度に基づいて前記複数の振動子のうちの一つを選択して、選択した振動子に直流電圧を印加する制御部とを備えたマイクロ電気機械システムの共振器の駆動方法であって、前記温度センサで当該マイクロ電気機械システムの共振器もしくはその周囲の温度を測定し、前記制御部によって当該マイクロ電気機械システムの共振器の共振周波数が所望の周波数範囲となるように前記測定した温度に対応した振動子を選択し、前記選択した振動子に前記電源より直流電圧を印加することを最も主要な特徴とする。

本発明のマイクロ電気機械システムの共振器（以下、ＭＥＭＳ共振器という）およびその駆動方法は、ＭＥＭＳ共振器もしくはその周囲の温度を測定する温度センサと、温度センサにより測定された温度に基づいて複数の振動子から一つの振動子を選択して、選択した振動子に直流電圧を印加する制御部とを備えたため、ＭＥＭＳ共振器の温度もしくは共振器の周囲温度を測定してその温度変化に対応した直流電圧を所望の共振周波数を発振する振動子に印加できるので、周辺温度により共振周波数が所望の範囲から外れないＭＥＭＳ共振器が可能となるという利点がある。従来の、ＳＡＷフィルタ、ＦＢＡＲフィルタは３０ｐｐｍ／℃程度の温度特性を持っており、低温や高温な環境での周波数シフトが問題となっていたが、本発明は、このような問題のないＭＥＭＳ共振器を使った周波数フィルタや発振器の提供を可能とする。

共振周波数が温度変化に依存しないようにするという目的を、振動子の長さが異なる複数の共振器を用意し、温度センサでＭＥＭＳ共振器もしくはその周囲の温度を測定し、その測定された温度に基づいて長さの異なる振動子を選択し、その選択した振動子に直流電圧を印加することで実現した。

本発明のＭＥＭＳ共振器に係る実施例１を、図１の概略構成図によって説明する。

図１に示すように、表面に絶縁膜（図示せず）が形成された基板１０上には、信号を入力する入力電極１１と、信号を出力する出力電極１２とが並行に形成されている。また、上記入力電極１１および上記出力電極１２を挟むように複数の振動子の電極３４が形成されている。上記入力電極１１および上記出力電極１２上には、空間２１を介して対向するように、かつ電極３４に接続するように、長さの異なる複数の振動子１３（図面では４個の振動子１３１、１３２、１３３、１３４）が形成されている。すなわち、長さの異なる個々の振動子１３を有する共振器が複数形成されているのと同等になる。

ここで、ＭＥＭＳ共振器１の周囲温度と振動子１３の長さとの関係の一例を、以下に説明する。例えば、振動子１３を１μｍの膜厚のポリシリコンで形成し、共振周波数を例えば１００ＭＨｚとすると、０℃〜２０℃用の振動子１３（１３１）の長さｄ１は１３．２５μｍとなり、２０℃〜４０℃用の振動子１３（１３２）の長さｄ２は１３．２０μｍとなり、４０℃〜６０℃用の振動子１３（１３３）の長さｄ３は１３．１５μｍとなり、６０℃〜８０℃用の振動子１３（１３４）の長さｄ４は１３．１０μｍとなる。すなわち、上記温度範囲において、上記温度範囲に適した長さの振動子１３を用いることで、１００ＭＨｚの共振周波数を得ることができる。

上記入力電極１１と出力電極１２と各振動子１３との間の空間２１は、例えば０．１μｍ程度の距離に形成されている。また、上記各振動子１３には各スイッチ１５（１５１、１５２、１５３、１５４）を介して直流電圧が印加される電源４１が接続されている。すなわち、一つの電源４１に、スイッチ１５１を介して振動子１３１が接続され、スイッチ１５２を介して振動子１３２が接続され、スイッチ１５３を介して振動子１３３が接続され、スイッチ１５４を介して振動子１３４が接続されている。

上記ＭＥＭＳ共振器１近傍には、ＭＥＭＳ共振器１の周囲温度を測定する温度センサ５１が設置されている。この温度センサ５１はＭＥＭＳ共振器１に直接設置されていてもよい。この場合には、振動子１３以外の構成部品に設置される。上記温度センサ５１は、ＭＥＭＳ共振器１の周囲温度もしくはＭＥＭＳ共振器１自体の温度を測定することができるものであればよく、例えば熱電対式温度センサを用いることができる。

また、上記温度センサ５１により測定された温度に基づいて上記振動子１３を選択、指示する制御部６１が備えられている。この制御部６１は、上記温度センサ５１により測定された温度に基づいて、ＭＥＭＳ共振器１が所定に周波数で振動するように、スイッチ１５を動作して適切なる長さの振動子１３を選択し、選択した振動子１３に電源４１より直流電圧を印加させるものである。

次に、上記ＭＥＭＳ共振器１の動作を説明する。まず、温度センサ５１によりＭＥＭＳ共振器１の周囲温度を測定する。上記説明したように、温度センサ５１を直接ＭＥＭＳ共振器１に設置している場合には、ＭＥＭＳ共振器１の温度を測定することになる。以下、ＭＥＭＳ共振器１の周囲温度を測定することで説明する。そして、上記制御部６１によって、温度センサ５１で測定した温度に基づいて選択する振動子１３を決定する。

例えば、予め、各振動子１３におけるＭＥＭＳ共振器１の周囲温度と共振周波数との関係を調べておく。そして、制御部６１により、測定された温度において所望の共振周波数を得る振動子１３を選択して決定する。

一般に、ＭＥＭＳ共振器は、周辺温度が高ければ共振周波数が低下し、温度が低ければ周波数が上昇する。また、振動子長が長ければ共振周波数は低く、振動子長が短ければ共振周波数は高い。この原理を組み合わせ、温度が高いときは振動子長の短い共振器を使用し、温度が低いときは振動子長の長い共振器を使用する。これにより、周辺温度の変化による共振周波数の変化が打ち消され、共振周波数の温度による変化は一定の値に収まる。

上記決定に基づいてスイッチ１５を動作させ、決定した振動子に電圧を供給するスイッチ１５のみをＯＮ状態とし、その他のスイッチ１５をＯＦＦ状態とする。これにより、電源４１より所望の共振周波数が得られる振動子１３にのみ電圧が印加されるので、ＭＥＭＳ共振器１は、所望の共振周波数を得る。

一例として、０℃から８０℃までの制御例を示す。０℃から２０℃までは振動子１３１を有する共振器１Ａ、２０℃〜４０℃までは振動子１３２を有する共振器１Ｂ、４０℃から６０℃までは振動子１３３を有する共振器１Ｃ、６０℃から８０℃は振動子１３４を有する共振器１Ｄを用いる。これにより、図２の共振周波数と温度との関係図に示すように、０℃から８０℃まで温度が変化しても共振周波数の変化は小さくなる。一方、従来技術のＭＥＭＳ共振器のように、一つの振動子からなる共振器では、図３の共振周波数と温度との関係図に示すように、０℃から８０℃まで温度が変化した場合、本発明のＭＥＭＳ共振器よりも４倍も広い共振周波数を出力することになる。このように、本発明のＭＥＭＳ共振器１は、従来のＭＥＭＳ共振器と比べて温度特性が改善される。

次に、本発明のＭＥＭＳ共振器１に係る製造方法の一例を、図４および図５の製造工程断面図によって説明する。

図４（１）に示すように、半導体基板３１に絶縁膜３２を形成する。半導体基板３１には、例えばシリコン基板を用い、絶縁膜３２には、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）膜を用いる。この窒化シリコン膜は、例えば１μｍの厚さに形成する。なお、窒化シリコン膜の代わりに酸化シリコン膜と窒化シリコン膜との積層膜を用いてもよい。このように基板１０は、一例としてシリコン基板３１上に絶縁膜３２が形成されたものからなる。さらに、絶縁膜３２上に電極形成膜３３を形成する。この電極形成膜３３は、例えばポリシリコン膜で形成され、例えば０．５μｍの厚さに形成される。

次いで、図４（２）に示すように、レジスト塗布、リソグラフィー技術により入力電極と出力電極形状に上記電極形成膜３３を加工してレジストマスクを形成した後、このレジストマスクを用いてエッチング加工により、上記電極形成膜３３で入力電極１１と出力電極１２とを形成する。同時に、上記電極形成膜３３で後に形成される複数の振動子の電極３４も形成しておく。

次いで、図４（３）に示すように、上記基板１０上に、上記入力電極１１、出力電極１２および各振動子の電極３４を被覆する様にかつ上記入力電極１１および出力電極１２よりも厚く犠牲層３５を形成する。この犠牲層３５は、例えば酸化シリコン膜で形成され、その厚さは例えば０．５μｍとする。この犠牲層３５は、上記絶縁膜３２、各電極に対して選択的にエッチングされる材料であればよい。

次いで、図４（４）に示すように、化学的機械研磨を用いて、上記犠牲層３５の表面を平坦化する。このとき、入力電極１１上および出力電極１２上に、犠牲層３５が薄く残るようにする。この残す厚さは、その後に形成される振動子と入力電極１１および出力電極１２との間隔を決定することになるので、その間隔分だけ残す。例えば、入力電極１１上および出力電極１２上に犠牲層３５が０．１μｍの厚さだけ残るようにする。

次いで、図５（５）に示すように、通常のレジスト塗布、リソグラフィー技術によるエッチングマスクの形成およびそのエッチングマスクを用いたエッチングにより、犠牲層３５の一部をエッチング加工して上記電極３４の一部を露出させる開口部３６を形成する。

次いで、図５（６）に示すように、犠牲膜３５が形成されている側の全面に振動子形成膜３７を形成する。したがって、振動子形成膜３７は開口部３６内を埋め込むように形成される。この振動子形成膜３７は、例えばポリシリコン膜で形成し、例えば０．５μｍの厚さに形成する。

次いで、図５（７）に示すように、通常のレジスト塗布、リソグラフィー技術によるエッチングマスクの形成およびそのエッチングマスクを用いたエッチング加工により、振動子形成膜３７をエッチング加工してビーム状の長さの異なる複数の振動子１３（１３１、１３２、１３３、１３４）を形成する。その際、各振動子１３は、上記開口部３６を通して電極３４に接続されている。ここでは、４個の振動子１３を形成したが、振動子１３の長さ、個数は温度保証範囲によって適宜決定することができる。

例えば、振動子１３を１μｍの膜厚のポリシリコンで形成し、共振周波数を例えば１００ＭＨｚとすると、０℃〜２０℃用の振動子１３（１３１）の長さは１３．２５μｍとなり、２０℃〜４０℃用の振動子１３（１３２）の長さは１３．２０μｍとなり、４０℃〜６０℃用の振動子１３（１３３）の長さは１３．１５μｍとなり、６０℃〜８０℃用の振動子１３（１３４）の長さは１３．１０μｍとなる。すなわち、上記温度範囲において、上記温度範囲に適した長さの振動子１３を用いることで、１００ＭＨｚの共振周波数を得ることができる。

次いで、図５（８）に示すように、ウエットエッチングによって、犠牲層３５〔前記図４（７）参照〕をエッチング除去する。ここでは、犠牲層３５を酸化シリコンで形成しているので、フッ酸を用いた。この結果、入力電極１１、出力電極１２の各両側、および入力電極１１、出力電極１２と各振動子１３との各間に空間２１が形成される。この空間２１は、入力電極１１、出力電極１２と各振動子１３との各間の距離が０．１μｍ程度となっている。

上記製造方法において成膜される各膜の成膜方法は、ＣＶＤ法、スパッタリング法、蒸着法等を採用することができる。また、上記した各膜厚は適宜設計されるものである。また、上記絶縁膜３２の最表面を酸化シリコンで形成し、各電極をポリシリコンで形成した場合には、上記犠牲膜３５は窒化シリコンで形成することができる。この場合の犠牲膜３５のウエットエッチングは熱リン酸を用いればよい。

その後、図示はしないが、ＭＥＭＳ共振器１の周囲温度を測定する温度センサ５１をＭＥＭＳ共振器１の周囲もしくはＭＥＭＳ共振器１に取り付ければよい。ＭＥＭＳ共振器１自体にとり付ける場合には、例えば共振周波数に影響を及ぼし難い基板１０に設置することが好ましい。

上記各実施例では、入力電極１１、出力電極１２、電極３４等の各電極はポリシリコン以外に金属を用いることができる。この金属としては、例えばアルミニウム、金、銅、タングステン等の半導体装置に金属配線として用いる材料を用いることができる。

本発明のマイクロ電気機械システムの共振器およびその動作方法は、周波数フィルタ（ＲＦフィルタ、ＩＦフィルタ等）、発振器等の用途に適用できる。

本発明のＭＥＭＳ共振器に係る実施例１を示す概略構成図である。実施例１のＭＥＭＳ共振器の共振周波数と温度との関係図である。従来のＭＥＭＳ共振器の共振周波数と温度との関係図である。本発明のＭＥＭＳ共振器の製造方法に係る一例を示す製造工程断面図である。本発明のＭＥＭＳ共振器の製造方法に係る一例を示す製造工程断面図である。従来のＭＥＭＳ共振器の概略構成断面図である。従来のＭＥＭＳ共振器の概略構成断面図である。

符号の説明

１…ＭＥＭＳ共振器、１１…入力電極、１２…出力電極、１３…振動子、２１…空間、４１電源、５１…温度センサ、６１…制御部

Claims

信号を入力する入力電極と、
信号を出力する出力電極と、
前記入力電極および前記出力電極に対して空間を介して対向する振動子と、
前記振動子に直流電圧を印加する電源と
を備えたマイクロ電気機械システムの共振器において、
前記マイクロ電気機械システムの共振器は、複数の異なる温度範囲において共振周波数の温度による変化が同一周波数領域に収まるようにそれぞれの温度範囲ごとに長さが異なる振動子を有する複数の共振器からなり、
前記マイクロ電気機械システムの共振器もしくはその周囲の温度を測定する温度センサと、
前記温度センサにより測定された温度に基づいて前記複数の共振器の振動子から所望の共振周波数を得る振動子を選択し、前記電源から前記選択した振動子に直流電圧を印加させる制御部と
を備えたマイクロ電気機械システムの共振器。
前記複数の共振器は、
前記入力電極と前記出力電極とは共通であり、
個々の前記振動子の長さが互いに異なる
請求項１に記載のマイクロ電気機械システムの共振器。
信号を入力する入力電極と、
信号を出力する出力電極と、
前記入力電極および前記出力電極に対して空間を介して対向するもので長さが異なる複数の振動子と、
前記各振動子に直流電圧を印加する電源と、
当該マイクロ電気機械システムの共振器もしくはその周辺の温度を測定する温度センサと、
前記温度センサにより測定された温度に基づいて前記複数の振動子のうちの一つを選択して、選択した振動子に直流電圧を印加する制御部と
を備えたマイクロ電気機械システムの共振器の駆動方法であって、
前記温度センサで当該マイクロ電気機械システムの共振器もしくはその周囲の温度を測定し、前記制御部によって当該マイクロ電気機械システムの共振器の共振周波数が所望の周波数範囲となるように前記測定した温度に対応した振動子を選択し、前記選択した振動子に前記電源より直流電圧を印加する
マイクロ電気機械システムの共振器の駆動方法。