JP4938652B2 - 共振器及びこれを用いたフィルタ - Google Patents

Description

本発明は、共振器及びこれを用いたフィルタに係り、特にＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術を用いて形成した共振器、およびフィルタに関するものである。

現在では、携帯電話（ＧＳＭ／ＵＭＴＳ）あるいは携帯電話／無線ＬＡＮ（ＧＳＭ／ＷＬＡＮ）等のデュアルモード無線機が市販されているが、今後の対応システムとして、マルチバンド無線機を実現させるためのボトルネックとしては、ＲＦフィルタ部の小型化が注目されている。このシステムに向けては、超小型化以外に、高Ｑ、可変フィルタなどがキーとなるが、現状では実現困難である。そこで、近年では、集積化に際して、ＩＣとの親和性などの観点から、マルチバンド無線機用フィルタには、微小な電気機械共振器を用いたフィルタの適用が期待されている。

図１１に一例を示すように、従来の電気機械共振器は、主に共振周波数を選択する振動子１１０と、振動子１１０を基板から支える支持部１１８、振動子１１０を励振・検出する電極で構成されている。又、その電気機械共振器を多数並べ、連結部で機械的に結合する電気機械フィルタの構成も提案されている（非特許文献１）。

その例を図１２に示す。この場合、電気機械フィルタの構造としては、最低でも２つの振動子１１０，１１２が基板１１６から支えられている支持部１１８，１２０に対して１つの連結部１３４が存在する。さらに、多段フィルタを構成するのには、必要に応じて、振動子の数や連結部の数を増加させる必要がある。
この電気機械フィルタは、以下に示す原理を用いたものである。すなわち、まずＲＦ信号が励振電極１２２に入力されると、振動子１１０と励振電極１２２のギャップＧ間に静電力が発生する。この時、振動子の自己共振周波数と、入力したＲＦ信号の周波数とが一致した場合のみ、振動子１１０及びこの振動子１１０に連結部１３４を介して接続された振動子１１２は大きく振動する。振動子１１２が振動すれば振動子１１２と検出電極１２４間の容量が変化するため、電位（ＤＣ電圧）を印加しておけば、検出電極１２４から電流が出力される。このように、振動子の自己共振周波数とＲＦ信号の周波数が一致したときのみ、ＲＦ信号が出力されるため、周波数選択性デバイスすなわちフィルタとして利用できるように構成される。

Bannon, Clark, Nguyen "High Frequency Micromechanical IF Filters" Technical Digest, IEEE International Electron Device Meeting, San Francisco, California 1996 pp.773-776.

しかし従来の電気機械共振器、あるいは電気機械フィルタは、構造の各部分ごとに役割が異なり、例えば自己共振周波数を有する振動子、２つ以上の振動子を連結する連結部、振動子を基板に支持する支持部など各部分において、それぞれ１つのみの役割を果たしてきた。これによって、フィルタの小型化が限定されてしまい、いくら単体の共振器を小型化しても、それを多数並べると、全体の占有面積が拡大するという問題があった。
又、周波数依存する電気機械フィルタの電気的特性の劣化（Ｑ値）が実用化に向けての大きな課題となっており、現在市販されている携帯電話・無線ＬＡＮ等のデュアルモード無線機を始め、今後の対応システムとしてマルチバンド無線機などには、フィルタの小型化、高Ｑ値が必須となる。
本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、小型で高集積化の可能な共振器を提供することを目的とする。また、本発明は、小型でかつ高Ｑ値を有するフィルタを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、第１の励振電極と、前記第１の励振電極によって機械的振動を行う第１の振動子とを有した第１の共振器と、第２の励振電極と、前記第２の励振電極によって機械的振動を行う第２の振動子とを有した第２の共振器とを具備した共振器であって、前記第１の振動子を支持する支持部が、前記第２の振動子を構成する。
この構成により、振動子と支持部が１つで２つの役目を果たすため、小型化および高集積化が可能となる。また、第１および第２の振動子は相互に他方の支持部となるようにすれば、それぞれが１つ以上の役目を果たすため、さらなる小型化および高集積化が可能となる。

また本発明は、上記共振器において、前記第１の振動子の振動の節が、前記第１の振動子と前記第２の振動子との接続部に位置するものを含む。
この構成により、第１の振動子の振動の節が、前記第１の振動子と前記第２の振動子との接続部に位置しているため、第１の振動子の共振振動時にも、第１の振動子の節は理想的には不動の状態であるため、第２の振動子が振動されることを防ぐことができ、支持基板への振動エネルギー散逸を低減することでQ値を改善する。

また本発明は、上記共振器において、前記第１の振動子が、前記第２の振動子よりも共振周波数が低いものを含む。
この構成により、より波長の大きい第１の振動子の振動時における節が第２の振動子との接続部を構成しているため、より小さく、外的要因で影響を受け易い第２の振動子への影響を低減することが可能となる。

また本発明は、前記第１の振動子は片持ち梁であり、前記第２の振動子が振動しているとき、前記第１の振動子は固定電極に固定されてプルイン状態となるように構成されたものを含む。
この構成により、１つ以上の役目を果たすため、さらなる小型化および高集積化が可能となる上、第２の振動子が振動しているとき、第１の振動子が固定電極に固定されてプルイン状態となるように構成されているため、当該振動子の振動に他の振動子の振動が影響を与えるのを防ぐことができる。

また、本発明の共振器は、前記第１の振動子が前記プルイン状態となるとき、前記固定電極と前記第１の振動子とは、絶縁層を介して当接するように、前記固定電極と接触する前記第１の振動子の面の少なくとも１部に絶縁層が設けられているものを含む。
この構成により、電気的に絶縁された状態でプルイン状態となり、第１の振動子は固定電極に固定され、第２の振動子の支持部として作用するため、第２の振動子を別途支持部を用いて固定したのと同様の状態を得ることができる。

また本発明は、前記共振器において、前記第２の振動子の振動の節が、前記第２の振動子と前記第１の振動子との接続部に位置するものを含む。
この構成により、第２の振動子の振動の節が、前記第１の振動子と前記第２の振動子との接続部に位置しているため、第２の振動子の共振振動時にも、第１の振動子が理想的な固定電極に近い状態になるため、第２の振動子の振動に影響を与えるのを防ぐことができる。

また本発明は、前記共振器において、前記第２の振動子の振動はねじり振動であるものを含む。
この構成では、第２の振動子の両端が振動の節を有するため、前記第１の振動子の振動を防ぐことで前記第１の振動子が理想的な固定電極に近い状態となり、前記第２の振動子が両持ち梁で構成される他、支持基板への振動エネルギー散逸も同時に低減できるという効果がある。

また本発明は、前記共振器において、さらに、第３の励振電極と、前記第３の励振電極によって機械的振動を行う第３の振動子とを有した第３の共振器を有し、前記第２の振動子の他端で、前記第１の振動子を支持する支持部が、前記第３の振動子を構成するものを含む。

また本発明は、前記共振器において、さらに、前記第１及び第２の振動子の少なくとも１つの振動を検出する検出電極を有するものを含む。

また本発明は、前記共振器において、第１乃至第３の共振器は、それぞれ前記第１乃至第３の振動子の振動を検出する第１乃至第３の検出電極を有するものを含む。

また本発明のフィルタは、第１の励振電極と、前記第１の励振電極によって機械的振動を行うように、連結された一対の第１の振動子と、第２の励振電極と、前記第２の励振電極によって機械的振動を行うように、連結された一対の第２の振動子とを具備したフィルタであって、前記第１の振動子を支持する支持部が、前記第２の振動子を構成する。
フィルタの場合も前記共振器の場合と同様、振動子と支持部が１つで２つの役目を果たすため、小型化および高集積化が可能となる。また、第１および第２の振動子は相互に他方の支持部となるようにすれば、それぞれが１つ以上の役目を果たすため、さらなる小型化および高集積化が可能となる。

また本発明は、前記フィルタにおいて、前記第１の振動子の振動の節が、前記第１の振動子と前記第２の振動子との接続部に位置するものを含む。

また本発明は、前記フィルタにおいて、前記第１の振動子は、前記第２の振動子よりも共振周波数が低いものを含む。

また本発明は、前記フィルタにおいて、前記第１の振動子は片持ち梁であり、前記第２の振動子が振動しているとき、前記第１の振動子は固定電極に固定されてプルイン状態となるように構成されたものを含む。

また本発明は、前記フィルタにおいて、前記第１の振動子が前記プルイン状態となるとき、前記固定電極と前記第１の振動子とは、絶縁層を介して当接するように、前記固定電極と接触する前記第１の振動子の面の少なくとも１部に絶縁層が設けられているものを含む。

また本発明は、前記フィルタにおいて、前記第２の振動子の振動の節が、前記第２の振動子と前記第１の振動子との接続部に位置するものを含む。

また本発明は、前記フィルタにおいて、前記第２の振動子の振動はねじれ振動であるものを含む。

また本発明は、前記フィルタにおいて、さらに、第３の励振電極と、前記第３の励振電極によって機械的振動を行う第３の振動子とを有した第３のフィルタを有し、前記第２の振動子の他端で、前記第１の振動子を支持する支持部が、前記第３の振動子を構成するものを含む。

また本発明は、前記フィルタにおいて、前記第１乃至第３の振動子のうちの少なくとも一対の振動子は、連結部を介して連結されており、前記連結部が、振動子を構成したものであってもよい。
この構成により、連結部がそのまま振動子として作用するため、無駄のない構造となり、小型で信頼性の高い構造となる。

また本発明は、前記フィルタにおいて、さらに、第１及び第２のフィルタの少なくともひとつは、前記第１及び第２の振動子の少なくともひとつに対して所定の間隔を隔てて配設され、当該振動子のひとつの振動を検出する検出電極を有するものを含む。

また本発明は、前記フィルタにおいて、第１乃至第３のフィルタは、それぞれ前記第１乃至第３の振動子の振動を検出する第１乃至第３の検出電極を有するものを含む。

また、望ましくは、前記振動子は、三角断面梁構造及び台形断面構造を有する。
この構成により、台形断面構造が振動子の役目を果たす場合、前記振動子を基板から支持する支持部は三角断面構造であるため、支持部から散逸する振動エネルギーを低減することができ、高Ｑ値を図ることができる。

又、本発明のフィルタは前記共振器を連結部で連結する機械的結合方法と、連結部を使用しない電気的結合方法の二通りの方法で構成される。
この構成により、フィルタの連結部、支持部が共に振動子としても利用されるため、選択的に必要な励振、検出電極に信号が流れ、複数の周波数帯域を有するフィルタの実現が可能となり、小型化、および高集積化も可能となる。

本発明の共振器、及び電気機械フィルタによれば、従来、課題となっていた振動子、支持部、連結部が１つ以上の役目を果たすため、複数の周波数選択が可能なデュアルモードやマルチバンドシステムに適した電気機械フィルタの小型化を実現することができる。又、ある１つの周波数選択をもつ電気機械フィルタの共振器のサイズが、電気機械フィルタの支持部より比較的微小な三角断面梁を用いることで、支持部からの振動エネルギーの散逸を低減し、高Ｑ値化を図ることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１における電気機械共振器は、図１に斜視図を示すように、第１乃至第３の共振器Ｃ１〜Ｃ３からなる３つの共振器で構成されており、３つの共振器は、それぞれ入力Ｖｉｎ１乃至Ｖｉｎ３、出力Ｖｏｕｔ１乃至Ｖｏｕｔ３を有する。この構成では、第１の共振器Ｃ１の振動子（１０）を両端から支持する支持部（１６ａ、１６ｂ）がそれぞれ第２および第３の共振器Ｃ２、Ｃ３の振動子となっており、複数の周波数選択が可能でデュアルモードやマルチバンドシステムに適した電気機械共振器の小型化を実現するものである。すなわち、第１共振器Ｃ１の振動子は台形断面梁１０、支持部は三角断面梁１６ａ、１６ｂ、そして励振電極２２、検出電極２４、ギャップＧ１で構成される。又、第２共振器Ｃ２の振動子は三角断面梁１６ａ、支持部は固定電極２０と台形断面梁１０、そして励振電極２６、検出電極２８、ギャップＧ２で構成される。最後に第３共振器Ｃ３の振動子は三角断面梁１６ｂ、支持部は固定電極２１と台形断面梁１０、励振電極３０、検出電極３２、ギャップＧ３で構成される。

第１の振動子Ｃ１は台形断面梁のバルク振動、第２および第３の振動子Ｃ２，Ｃ３は三角断面梁を振動子とするねじり振動で作動するように、励振電極を配置している。各振動子は相互の節が連結部となるように結合されている。少なくとも第１共振器の節に支持部との連結部が来るように構成するのが望ましい。図２（a）は第１の共振器Ｃ１のバルク振動モードを表し、振動の節が構造の中心に存在する。図２（ｂ）は第２の共振器Ｃ２，第３の共振器Ｃ３の各振動子がねじり振動モードで共振した場合を表し、振動の節は構造の両端に現れることになる。

次にこの共振器Ｃの動作について説明する。
まず第１共振器Ｃ１を動作させるために、固定電極２０に電圧Ｖｐ１を印加し、振動子を構成する梁１０に電圧を加え、一方、励振電極２２にはＡＣ電圧ｖｉｎ１が印加される。これによって、ギャップＧ１を挟んで励振電極２２に対向する振動子（台形断面梁１０）に静電力が働き、振動子を構成する台形断面梁１０は、特定の振動モードをもって励振される。一方、検出電極２４にはギャップＧ１を介して容量の変化が生じ、容量の変化により発生する電流ｉｏｕｔ１が検出電極２４に出力される。又、同様に第２共振器Ｃ２、第３共振器Ｃ３にも、それぞれ励振電極２２，励振電極３０を介してＤＣバイアス電圧Ｖｐ２、ＤＣバイアス電圧Ｖｐ３を印加し、三角断面梁１６ａ、１６ｂを共振させることにより、第２及び第３の共振器Ｃ２、Ｃ３を動作させ、検出電極２８，３２にギャップＧ２，Ｇ３の変動で生じる容量変化を出力電流iｏｕｔ２，iｏｕｔ３として出力させる。

各共振器は、振動子がもつ固有振動数で動作するため、通常、ある入力信号がこの３つの共振器の励振電極に同時に入力される場合でも、入力信号の周波数と振動子の固有振動数が一致した共振器のみが動作するため、実施の形態１では３つの周波数選択効果を有する共振器が構成される。

本発明の実施の形態１によって、第１乃至第３の梁それぞれの共振周波数を持つ共振器すなわち複数の共振周波数を持つ共振器の構成が可能となり、小型で高Ｑ値の共振器を提供することが可能となる。

図３は本発明の実施の形態１の変形例を示す図であり、実施の形態１において第１の共振器を片持ち梁にした場合の構成を示す。この図では第１の振動子および第２の振動子を中心に主要部のみを示した。図３（ａ）で第２の共振器（三角断面梁）を励振させる場合、支持部となる片持ち台形断面梁の不要な振動を防止するために、固定電極２１に引きつけて固定するのが理想である。そこでこの発明では、台形断面梁を引きつける固定電極を設けて支持部を固定するようにしたことを特徴とするものである。そのプルイン状態を図３（ｂ）に示す。梁の側面の一箇所に絶縁層５０を配したことでプルイン電圧の印加中は第１の振動子１０が固定電極２１に固定された状態となり、又、電圧を切ると図３（ｃ）に示すように静止状態に戻るようになる。この場合、プルイン電圧を第２の共振器Ｃ２の制御電圧Vｐと同様に設定しておくことで１つの電圧源を利用して共振器の駆動と支持部の固定の両方の効果が同時に得られることになる。この絶縁層は酸化シリコン膜などで構成されＭＥＭＳ工程で容易に形成可能である。なおこの例では、固定電極と第1の振動子とが絶縁層を介して相対向しプルイン電圧の印加中は固定された状態になるように構成したが、励振電極と振動子との間が同様に絶縁層を介して当接するように構成してもよい。

次に、本発明の実施の形態１の共振器装置の製造工程について説明する。ここでは、図４（ａ）〜図４（ｆ）に、製造工程を示す。この製造方法を使用することで、実施の形態１で示す台形断面梁と三角断面梁との構造を、同一のプロセスフローで作製することが可能となる。
本発明の製造方法では、図４（ａ）に示すように、シリコン基板７０上に酸化シリコン膜７２を介して、シリコン層７４を貼着してなるＳＯＩ（silicon-on-insulator）基板を使用するが、シリコン層７４は共振器の厚さを決定するとともに、ＢＯＸ（buried oxide）層としての酸化シリコン膜７２は、実施の形態１の犠牲層や絶縁体の役目を果たすため、フィルタ設計に応じて基板の厚さ及び、各層の厚さを決定する必要がある。

そして、このＳＯＩ基板の両面に、ＣＶＤ法により窒化シリコン膜７６を形成する。この窒化シリコン膜は、単結晶シリコン層７４をウェットエッチングする時のマスクの役目となり、成膜後は表面側の窒化シリコン膜７６をフォトリソグラフィによりパターニングして形成する。

図４（ａ）に示すように、シリコン層７４を、異方性を持つようなエッチング条件でウェットエッチングを行い、梁状のパターン１０、１６ａ、１６ｂを形成する。この場合、異方性を持つように調製された水溶液を使用することで、単結晶シリコンの結晶に応じて形状が形成され、エッチング速度が一番低い結晶面で構成される。シリコンは、結晶方位によってエッチング速度が異なるため、図４（ａ）で示すＢＯＸ層などのエッチストップ層を設けた場合、エッチング速度が最小となる（１１１）結晶面を面としてもつ台形断面が構成される。

その後、台形断面梁を構成した後も、更に、結晶異方性エッチングを進行させると、（１１１）結晶面を残した形状が形成され、図４（ｂ）に示す三角断面が現れる。この製造方法により、同じフォトマスクを使用してパターンの幅のみを変更するだけで、図３の台形断面の梁１０と三角断面梁１６ａ、１６ｂの形成が可能となる。

次に、図４（ｃ）に示すように、梁を形成後、絶縁膜７６を除去し、形成した各梁の表面に犠牲層８０を堆積する。この犠牲層は、最終的に図１に示したギャップＧ１を形成する役目を果たす。
さらに、図４（ｄ）に示すように、多結晶シリコン層などの電極材料８２を堆積し、堆積した電極材料８２をエッチバックして、三角断面梁や台形断面梁の頂点８４を露出し、形成された電極２６，２８、３０、３２のパターニングを行う（図４（ｅ））。

最後の図４（ｆ）は、共振器構造を基板から開放する工程であるが、ここで同時に犠牲層のエッチングも行い、ギャップを形成する。
このようにして寸法精度の高い電気機械共振器を得る事が可能となる。

（実施の形態２）
次に本発明の実施の形態２として、電気機械フィルタについて説明する。前記実施の形態１で説明した共振器を２つ連結部５６で連結し電気機械フィルタを構成したものである。すなわち、本実施の形態のフィルタＦは、第１の励振電極と、前記第１の励振電極によって機械的振動を行うように、連結された一対の第１の振動子と、第２の励振電極と、前記第２の励振電極によって機械的振動を行うように、連結された一対の第２の振動子と、第３の励振電極と、前記第３の励振電極によって機械的振動を行うように、連結された一対の第３の振動子とを具備したフィルタであって、前記第１の振動子を支持する支持部が、前記第２の振動子及び第３の振動子を構成している。

図５は、本発明の実施の形態２における電気機械フィルタの斜視図を示す。図５では、第１乃至第３のフィルタＦ１〜Ｆ３からなる３つのフィルタで構成されており、それぞれ入力Ｖｉｎ１乃至Ｖｉｎ３、出力iｏｕｔ１乃至iｏｕｔ３を有する。まず第１のフィルタＦ１が、第１の振動子としての梁４０，４２、支持部４４a〜４４d、連結部４４e、第１の励振電極４６、第１の検出電極４８、４つの固定電極６０で構成され、ギャップＧ１１を含む構造を有する。この構造で、第１の振動子としての梁４０，４２を動作するために、固定電極６０にＤＣバイアス電圧Ｖｐ１が印加されて、第１の振動子を構成する梁４０、４２に電圧を加え、一方、第１の励振電極４６にはＡＣ入力信号Ｖｉｎ１が印加される。これによって、ギャップＧ１１に静電力が働き、第１の振動子を構成する梁４０は、前記実施の形態１の共振器と同様のバルク振動モードをもって、基板に平行に励振される。その時、連結部４４eは梁４０の振動が伝わり、同じ周期で縦振動モードで励振され、その結果、もうひとつの第１の振動子を構成する梁４２も励振される。梁４２にギャップＧ１１を介して第１の検出電極４８が設けられ、容量の変化による周波数特性をもつ電流iｏｕｔ１が出力されるようになっている。ここで第１のフィルタＦ１は連結部４４eを用いて２つの共振器を機械的結合してフィルタを構成した例であり、次に説明する第２および第３のフィルタＦ２，Ｆ３は、それぞれ２つの共振器を電気的結合したフィルタの構成例を示す。

本発明では第２のフィルタＦ２として、第１のフィルタＦ１の第１の振動子を構成する梁４０，４２と比較して、断面積、長さ共にサイズが微小な２つの支持部を構成する梁４４ａ、４４ｂを、第２のフィルタＦ２の振動子として使用することを特徴とする。第２のフィルタＦ２では、２つの振動子（第２の振動子）を構成する梁４４ａ、４４ｂの外側に、ギャップＧ２２を介して第２の励振電極５０と第２の検出電極５２とを設け、その励振電極５０、５２にＡＣ入力信号Ｖｉｎ２を印加する。ここで第２のフィルタＦ２は、第１のフィルタＦ１の構成とは異なり、連結部を構成する梁４４ｅを設けることなく、検出電極５４を各振動子４４ａ、４４ｂに対向した側面に沿って配置する。これにより、第１のフィルタでは、連結部を構成する梁４４ｅを伝って、機械的に共振器を結合していたところを、第２のフィルタＦ２では、各振動子を構成する梁４４ａ、４４ｂを結合梁としての（検出）電極５４を介して静電気力で電気的に結合して、フィルタを構成している。使用する振動モードとしては梁４４ａ、４４ｂの両端が節にあたるねじり振動が望ましい。

最後に、図５の第３のフィルタＦ３は、第１のフィルタＦ１の連結部を構成する梁４４ｅと、２本の支持部を構成する梁４４ｃ、４４ｄから構成するフィルタを有する。この第３のフィルタの構造では、第３の励振電極５６によって梁４４ｃ、４４ｄ、４４eが励振され、出力する所望の電流ｉｏｕｔ３は、固定電極６０から直接検出される。又、この第３のフィルタＦ３を駆動するためには、ＤＣバイアス電圧Ｖｐ３を固定電極６０に直接、印加する必要があるため、それぞれＬ、Ｃ（DCカット用）を固定電極６０に設置してｉｏｕｔ３を出力する。この固定電極６０は第３の検出電極として作用する。

この構成により、第１乃至第３のフィルタを具備したフィルタ装置が、各フィルタ間で、連結部あるいは各部分を相互に利用し、１つのフィルタで連結部や支持部として用いたものを、別のフィルタでは振動子として用いているため、フィルタ装置全体の小型化、軽量化が可能となり、高機能で微細なフィルタ装置を提供することが可能となる。

（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３としてねじり振動を行う電気機械共振器の斜視図を示す。この共振器は台形断面梁１０の振動子と２つの三角断面梁１６ａ、１６ｂの支持部とを、ともに同様のねじり振動を行うようにしたものである。

すなわち、本発明の実施の形態３の電気機械共振器は、図６に斜視図を示すように、前記実施の形態１の電気機械共振器と同様、第１乃至第３の共振器Ｃ１〜Ｃ３からなる３つの共振器で構成されており、３つの共振器は、それぞれ入力Ｖｉｎ１乃至Ｖｉｎ３、出力Ｖｏｕｔ１乃至Ｖｏｕｔ３を有する。この構成では、第１の共振器Ｃ１の振動子（１０）がねじり振動をするように中央部を両側から支持する支持部（１６ａ、１６ｂ）がそれぞれ第２および第３の共振器Ｃ２、Ｃ３の振動子となっており、複数の周波数選択が可能でデュアルモードやマルチバンドシステムに適した電気機械共振器の小型化を実現するものである。すなわち、第１の共振器Ｃ１の振動子は台形断面梁１０、支持部は三角断面梁１６ａ、１６ｂ、そして励振電極２２Ｓ、検出電極２４Ｓ、ギャップＧ１で構成される。又、第２の共振器Ｃ２の振動子は三角断面梁１６ａ、支持部は固定電極２０と台形断面梁１０、そして励振電極２６Ｓ、検出電極２８Ｓ、ギャップＧ２で構成される。最後に第３の共振器Ｃ３の振動子は三角断面梁１６ｂ、支持部は固定電極２１と台形断面梁１０、励振電極３０Ｓ、検出電極３２Ｓ、ギャップＧ３で構成される。

第１の共振器Ｃ１は台形断面梁の２次のねじり振動、第２及び第３の共振器Ｃ２，Ｃ３は三角断面梁を振動子とするねじり振動で作動するように、各励振電極を配置している。各振動子は相互の節が連結部となるように結合されている。少なくとも第１共振器の節に支持部との連結部が来るように構成するのが望ましい。駆動については実施の形態１と同様である。

この電気機械共振器では、台形断面梁が２次のねじり振動をとる場合、振動子の中心部が構造の節を有する。そこで台形断面梁の中心部の両側から三角断面梁の支持部１６ａ、１６ｂで支えることにより、振動の散逸を低減することができる。又、三角断面梁の支持部１６ａ、１６ｂを振動子として用いた場合も同様のねじり振動で共振させることにより、台形断面梁への振動の散逸を低減できる。これにより、１つの電気機械共振器からより効率よく複数の周波数選択を行うことが可能となる。
本実施の形態においても、各共振器は、振動子がもつ固有振動数で動作するため、通常、ある入力信号がこの３つの共振器の励振電極に同時に入力される場合でも、入力信号の周波数と振動子の固有振動数が一致した共振器のみが動作するため、実施の形態３では３つの周波数選択効果を有する共振器が構成される。

本発明の実施の形態３によれば、第１乃至第３の梁それぞれの共振周波数を持つ共振器すなわち複数の共振周波数を持つ共振器の構成が可能となり、小型で高Ｑ値の共振器を提供することが可能となる。

図７は、本発明の実施の形態３による構造を有限要素法によりシミュレーションした結果を表す。シミュレーション構造の梁の寸法は、台形断面梁の長さが２０μｍ、幅２μｍ、高さ０．５μｍで三角断面梁の長さが２μｍ、幅０．７μｍ、高さ０．５μｍを有する。図６では台形断面梁を振動子として用いた場合であり、２次のねじり振動で４７．６ＭＨｚの共振周波数で共振する。振動の節となる梁の中心部から三角断面梁を用いて固定基板に支持することにより、振動の散逸を低減でき、高いＱ値をもつ電気機械共振器が実現する。

図８は本発明の実施の形態３による構造で図６の三角断面梁１６ａ、１６ｂの支持部を振動子として用いた場合のシミュレーション結果を示す。ここでは台形断面梁１０が三角断面梁１６ａ、１６ｂの片側を支える支持部と見なされるため、三角断面梁１６ａ、１６ｂはいずれも両持ち梁として共振することになる。図８では２つの三角断面梁がいずれも１次のねじり振動で共振しており、共振周波数は１ＧＨｚ付近になる。

次に、実施の形態３の電気機械共振器の変形例について説明する。図９は本発明の実施の形態３の電気機械共振器の変形例に相当し、第１の共振器Ｃ１の第１の振動子である台形断面梁１０をねじり振動以外で励振する場合の構成を表す。例えば、たわみ振動を用いた場合、振動の節が変わるため、三角断面梁１６ａ、１６ｂの支持部の場所を変えるのが、望ましい。図９では台形断面梁１０がたわみ振動１次モードで共振した場合の支持部（三角断面梁１６ａ、１６ｂ）の配置場所を表す。なお、たわみ振動２次モードの場合は節が振動子(台形断面梁)の中心に存在するため、図９の支持構造で成立することになる。図１０（ａ）乃至（ｃ）は梁のたわみ振動において、基本モード（１次）と高次モード（２次、３次）の変位を表した図である。図１０（ａ）は基本モード、図１０（ｂ）は２次モード、図１０（ｃ）は３次モードを示す。
本発明の実施の形態３によれば、台形断面梁１０がＶＨＦ帯（４７．６ＭＨｚ）、三角断面梁１６ａ、１６ｂがＵＨＦ帯（１ＧＨｚ）でそれぞれ共振するため、２つの支持部と１つの振動子を含む共振器の構造から２つの周波数バンド選択が可能なＭＥＭＳ共振器が実現する。

なお前記実施の形態では、静電力で駆動される電気機械共振器および電気機械フィルタについて説明したが、これらに限定されることなく、圧電駆動、磁場駆動、光電変換を用いた共振器など、他の共振器にも適用可能であることはいうまでもない。

また前記実施の形態では、三角断面梁、台形断面梁を用いた例について説明したが、これらに限定されることなく適宜変更可能である。

本発明の共振器およびフィルタによれば、振動子、連結部、支持部が相互に他の役割をし、同じフィルタ構造で複数の周波数帯域を有する構成を実現し、モバイル端末の小型化と高Ｑ値化を実現させることから、デュアルモードやマルチバンド無線機のフィルタなど、種々の機器に適用可能である。

本発明の実施の形態１を示す電気機械共振器の斜視図 本発明の実施の形態１の電気機械共振器の動作図 本発明の実施の形態１の電気機械共振器の変形例を示す図 本発明の実施の形態１の電気機械共振器の製造工程を示す図 本発明の実施の形態２の電気機械フィルタの斜視図 本発明の実施の形態３の電気機械共振器の斜視図 本発明の実施の形態３の電気機械共振器の有限要素法シミュレーション図 本発明の実施の形態３の電気機械共振器の有限要素法シミュレーション図 本発明の実施の形態３の電気機械共振器の変形例を示す図 たわみ振動モードの変位を示す図 従来例の電気機械共振器を示す斜視図 従来例の電気機械共振器を機械的に２つ連結した電気機械フィルタを示す斜視図

符号の説明

１０ 梁（台形断面梁型の振動子）
１６ａ、ｂ 三角断面梁型の梁（支持部・振動子）
２０、２１ 固定電極
２２，２６、３０ 励振電極
２４，２８、３２ 検出電極
４０、４２ 台形断面梁型の梁（支持部、振動子）
４４ 三角断面梁型の梁（支持部、連結部、振動子）
４６、５０、５６ 励振電極
４８、５２ 検出電極
６０ 固定電極
７０ シリコン層
７２ ＢＯＸ層
７４ シリコン（ＳＯＩ）層
７６ 絶縁膜
７８ （１１１）結晶面
８０ 犠牲層
８２ 電極材料
８４ 頂点
Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３ ギャップ

Claims (20)

1. 第１の励振電極と、前記第１の励振電極によって機械的振動を行う第１の振動子とを有した第１の共振器と、
   第２の励振電極と、前記第２の励振電極によって機械的振動を行う第２の振動子とを有した第２の共振器とを具備した共振器であって、
   前記第１の振動子を支持する支持部が、前記第２の振動子を構成する共振器。
2. 請求項１に記載の共振器であって、
   前記第１の振動子の振動の節が、前記第１の振動子と前記第２の振動子との接続部に位置する共振器。
3. 請求項２に記載の共振器であって、
   前記第１の振動子は、前記第２の振動子よりも共振周波数が低い共振器。
4. 請求項１に記載の共振器であって、
   前記第１の振動子は片持ち梁であり、
   前記第２の振動子が振動しているとき、前記第１の振動子は固定電極に固定されてプルイン状態となるように構成された共振器。
5. 請求項４に記載の共振器であって、
   前記第１の振動子が前記プルイン状態となるとき、前記固定電極と前記第１の振動子とは、絶縁層を介して当接するように、前記固定電極と接触する前記第１の振動子の面の少なくとも１部に絶縁層が設けられている共振器。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の共振器であって、
   前記第２の振動子の振動の節が、前記第２の振動子と前記第１の振動子との接続部に位置する共振器。
7. 請求項６に記載の共振器であって、
   前記第２の振動子の振動はねじり振動である共振器。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の共振器であって、
   さらに、第３の励振電極と、前記第３の励振電極によって機械的振動を行う第３の振動子とを有した第３の共振器を有し、前記第２の振動子の他端で、前記第１の振動子を支持する支持部が、前記第３の振動子を構成する共振器。
9. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の共振器であって、
   さらに、前記第１及び第２の振動子の少なくとも１つの振動を検出する検出電極を有する共振器。
10. 請求項８に記載の共振器であって、
    第１乃至第３の共振器は、それぞれ前記第１乃至第３の振動子の振動を検出する第１乃至第３の検出電極を有する共振器。
11. 第１の励振電極と、前記第１の励振電極によって機械的振動を行うように、連結された一対の第１の振動子と、
    第２の励振電極と、前記第２の励振電極によって機械的振動を行うように、連結された一対の第２の振動子とを具備したフィルタであって、前記第１の振動子を支持する支持部が、前記第２の振動子を構成するフィルタ。
12. 請求項１１に記載のフィルタであって、
    前記第１の振動子の振動の節が、前記第１の振動子と前記第２の振動子との接続部に位置するフィルタ。
13. 請求項１２に記載のフィルタであって、
    前記第１の振動子は、前記第２の振動子よりも共振周波数が低いフィルタ。
14. 請求項１１に記載のフィルタであって、
    前記第１の振動子は片持ち梁であり、
    前記第２の振動子が振動しているとき、前記第１の振動子は固定電極に固定されてプルイン状態となるように構成されたフィルタ。
15. 請求項１４に記載のフィルタであって、
    前記第１の振動子が前記プルイン状態となるとき、前記固定電極と前記第１の振動子とは、絶縁層を介して当接するように、前記固定電極と接触する前記第１の振動子の面の少なくとも１部に絶縁層が設けられている共振器。
16. 請求項１１乃至１５のいずれか１項に記載のフィルタであって、
    前記第２の振動子の振動の節が、前記第２の振動子と前記第１の振動子との接続部に位置するフィルタ。
17. 請求項１６に記載のフィルタであって、
    前記第２の振動子の振動はねじれ振動であるフィルタ。
18. 請求項１１乃至１７のいずれか１項に記載のフィルタであって、
    さらに、第３の励振電極と、前記第３の励振電極によって機械的振動を行う第３の振動子とを有した第３のフィルタを有し、
    前記第２の振動子の他端で、前記第１の振動子を支持する支持部が、前記第３の振動子を構成するフィルタ。
19. 請求項１１乃至１７のいずれか１項に記載のフィルタであって、
    さらに、第１及び第２のフィルタの少なくともひとつは、前記第１及び第２の振動子の少なくともひとつに対して所定の間隔を隔てて配設され、当該振動子のひとつの振動を検出する検出電極を有するフィルタ。
20. 請求項１８に記載のフィルタであって、
    第１乃至第３のフィルタは、それぞれ前記第１乃至第３の振動子の振動を検出する第１乃至第３の検出電極を有するフィルタ。

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