JP4487512B2

JP4487512B2 - 電気機械共振器およびその動作方法

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Publication number: JP4487512B2
Application number: JP2003291004A
Authority: JP
Inventors: 康治難波田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2003-08-11
Filing date: 2003-08-11
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2023-08-11
Also published as: JP2005059128A

Description

本発明は、温度変化による共振周波数の補正が容易な電気機械共振器およびその動作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４によって説明する。

図４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、電源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５に示すような電極配置となる。

図５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。

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、振動子と電極との間に印加する直流（ＤＣ）電圧を調整することにより、共振器の温度特性を補正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電気機械共振器において、前記電気機械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振動子に印加する直流電圧を前記電源に指示する制御部とを備えたことを最も主要な特徴とする。

本発明の電気機械共振器の動作方法は、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電気機械共振器の動作方法であって、前記電気機械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振動子に印加する直流電圧を前記電源に指示する制御部とを備え、前記温度センサで前記電気機械共振器もしくはその周囲の温度を測定し、前記電気機械共振器の共振周波数が所望の周波数になるように前記測定した温度に対応した直流電圧を前記制御部より前記電源に指示して、前記指示された直流電圧を前記電源より前記振動子に印加することを最も主要な特徴とする。

本発明の電気機械共振器（以下、ＭＥＭＳ共振器という）およびその動作方法は、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振動子に印加する直流電圧を調整指示する制御部とを備えたため、ＭＥＭＳ共振器の温度もしくはＭＥＭＳ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振動子に印加できるので、周辺温度により共振周波数が変化しないＭＥＭＳ共振器が可能となるという利点がある。すなわち、本発明のＭＥＭＳ共振器およびその動作方法は、温度変化による共振周波数のズレを防止することを可能とする。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、温度変化に対応させて振動子に印加する直流電圧を設定するように、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振動子に印加する直流電圧を調整指示する制御部とを設けることで実現した。

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を挟むように振動子の電極（図示せず）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、かつ振動子の電極に接続するように振動子１３が形成されている。上記入力電極１１と出力電極１２と振動子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、上記振動子１３には直流電圧が印加される電源４１が接続されている。この電流１は、電圧を所望の値に可変して供給できる電源からなる。

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に印加する直流電圧を調整指示する制御部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、振動子１３に印加する電圧を決定し、電源４１にその電圧を指示するものである。

上記電源４１は、上記制御部６１によって指示された電圧に印加電圧を調整して、振動子１３に指示された電圧を印加するものである。

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振動子１３に印加する電圧を決定する。この電圧は以下のように決定する。

例えば、予め、ＭＥＭＳ共振器１の周囲温度とＭＥＭＳ共振器１の共振周波数との関係および振動子１３に印加する電圧とＭＥＭＳ共振器１の共振周波数との関係を調べておく。そして、例えば、共振周波数をパラメータとして、ＭＥＭＳ共振器１の周囲温度に対する印加電圧の関係を求めておく。これを以下、温度−電圧の関係という。この温度−電圧の関係に基づいて、所望の共振周波数を得る電圧を決定する。そして、制御部６１により、決定された電圧が電源４１に指示され、電源４１より支持された電圧が振動子１３に印加される。これにより、ＭＥＭＳ共振器１は、所望の共振周波数を得る。

次に、本発明のＭＥＭＳ共振器１に係る製造方法の一例を、図２および図３の製造工程断面図によって説明する。

図２（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２（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で後に形成される振動子の電極３４も形成しておく。

次いで、図２（３）に示すように、上記入力電極１１、出力電極１２および振動子の電極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２（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３（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３（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。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３（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振動子１３を形成する。この振動子１３は、上記開口部３６を通して電極３４に接続されている。

次いで、図３（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。

本発明の電気機械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。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、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電気機械共振器において、
前記電気機械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振動子に印加する直流電圧を前記電源に指示する制御部と
を備えた電気機械共振器。
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
を備えた電気機械共振器の動作方法であって、
前記電気機械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振動子に印加する直流電圧を前記電源に指示する制御部とを備え、
前記温度センサで前記電気機械共振器もしくはその周囲の温度を測定し、前記電気機械共振器の共振周波数が所望の周波数になるように前記測定した温度に対応した直流電圧を前記制御部より前記電源に指示して、前記指示された直流電圧を前記電源より前記振動子に印加する
電気機械共振器の動作方法。
基板上の電極と、
前記基板上の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
を備えた電気機械共振器において、
前記電気機械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振動子に印加する直流電圧を前記電源に指示する制御部と
を備えた電気機械共振器。