JP5028646B2 - Small oscillator - Google Patents

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Description

本発明は、通信機器、携帯機器、時計等に使用する小型発振子及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a small oscillator used for a communication device, a portable device, a timepiece and the like and a method for manufacturing the same.

多くの通信機器、携帯機器では、発振器として水晶振動子を用いている。MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)は、要素部品を1つのシリコン基板上に集約化したデバイスである。携帯機器では、より容積を小さくするため、MEMS技術を用いたシリコン系の発振子が注目を集めている。MEMSの発振子は、水晶に匹敵する安定度と精度を持ち、小型化されている。例として、Sitimeがある。
また、通信機などで用いられる位相同期回路(PLL,Phase-Locked-Loop)の主要な要素として、電圧で発振周波数を変化させることができる電圧制御発振器(VCO,Voltage-Controlled Oscillator)がある。携帯電話や無線LANの普及により、PLLは多く使用され、VCOの需要は大きくなっている。
単に、発振子だけを小さくするのではなく、VCO全体を小さくできれば、発振器の小型化が可能である。
Many communication devices and portable devices use a crystal resonator as an oscillator. MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) is a device in which component parts are integrated on a single silicon substrate. In portable devices, silicon-based oscillators using MEMS technology are attracting attention in order to reduce the volume. MEMS resonators have stability and accuracy comparable to quartz and are miniaturized. An example is Sitime.
Further, as a main element of a phase-locked loop (PLL) used in a communication device or the like, there is a voltage-controlled oscillator (VCO, Voltage-Controlled Oscillator) capable of changing an oscillation frequency with a voltage. With the widespread use of mobile phones and wireless LANs, PLLs are frequently used, and the demand for VCOs is increasing.
If the entire VCO can be reduced rather than merely reducing the oscillator, the oscillator can be reduced in size.

水晶発振子もMEMSを用いた発振子も自励発振ではないため、フィードバック回路の中でフィルターとして働く。そのため、発振を持続させるため、外部にフィードバック回路が必要である。
MEMS技術を用いたVCOもあるが、外部にコイルやコンデンサが必要となる。MEMS技術を用いない従来のVCOでも容量変化ダイオード等が必要である。
しかし、コイルは小型化が困難なので、コイルを使用すると、全体に大きなデバイスになってしまう。外部にコンデンサやコイルを必要としないVCOを実現できれば、劇的に小さいVCOを実現することができる。
Since neither a crystal oscillator nor an oscillator using MEMS is self-oscillating, it functions as a filter in the feedback circuit. Therefore, an external feedback circuit is necessary to maintain oscillation.
Some VCOs use MEMS technology but require an external coil or capacitor. Even in a conventional VCO that does not use MEMS technology, a capacitance change diode or the like is required.
However, since it is difficult to reduce the size of the coil, the use of the coil results in a large device as a whole. If a VCO that does not require an external capacitor or coil can be realized, a dramatically smaller VCO can be realized.

特許文献1は、発振器に使用できる受動素子を開示する。特許文献1の受動素子は、静電駆動するものであるが、自励発振するものではない。また、印加電圧を変えても発振周波数は変化しない。   Patent Document 1 discloses a passive element that can be used for an oscillator. The passive element of Patent Document 1 is electrostatically driven but does not self-oscillate. Further, the oscillation frequency does not change even when the applied voltage is changed.

そのため、更に小型の小型発振子の開発が望まれている。また、このような小型発振子を安価に製造する方法が望まれている。また、発振周波数を変化させることのできる小型発振子が求められている。   Therefore, it is desired to develop a further small oscillator. Also, a method for manufacturing such a small oscillator at low cost is desired. There is also a need for a small oscillator that can change the oscillation frequency.

特開2006−253493号JP 2006-253493 A

本発明の目的は、外部にコンデンサやコイルを必要としない極めて小型の小型発振子を提供することである。
本発明の他の目的は、マイクロマシニング技術を使用して、このような小型発振子の製造方法を提供することである。
本発明の他の目的は、発振周波数を変化させることのできる小型発振子を提供することである。
An object of the present invention is to provide an extremely small and small oscillator that does not require an external capacitor or coil.
Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing such a small oscillator using micromachining technology.
Another object of the present invention is to provide a small oscillator capable of changing an oscillation frequency.

本発明者らは、外部にコンデンサやコイルを必要とせず、直流電圧を印加するだけで、自励発振する発振子を開発した。この発振子は、印加電圧を変化させることにより、発振周波数を変化させることができる。
本発明の小型発振子は、シリコン酸化膜を介して2枚のシリコン基板を接合した絶縁体上シリコン基板を用いて、半導体製造技術を使用して、基板上に振動部材と駆動電極を形成したものである。この発振子は、駆動電極に直流電圧を印加すると、振動部材は静電引力により駆動電極に引き付けられ、駆動電極に接触すると放電して元の位置に戻る。これを繰り返し、直流電圧を印加していると、自励発振する。
本発明では、極めて小型の小型発振子を得ることができる。
The present inventors have developed an oscillator that self-oscillates by simply applying a DC voltage without requiring an external capacitor or coil. This oscillator can change the oscillation frequency by changing the applied voltage.
In the small oscillator according to the present invention, a vibrating member and a drive electrode are formed on a substrate using a semiconductor manufacturing technique using a silicon substrate on an insulator in which two silicon substrates are bonded via a silicon oxide film. Is. When a DC voltage is applied to the drive electrode, the vibrating member is attracted to the drive electrode by electrostatic attraction, and when the oscillator contacts the drive electrode, it discharges and returns to its original position. When this is repeated and a DC voltage is applied, self-oscillation occurs.
In the present invention, an extremely small small oscillator can be obtained.

本発明の1態様は、小型発振子である。この小型発振子は、基板と、
前記基板上に形成されたアンカーと、
前記アンカーに一端部が固定されて、前記アンカーから延び、前記基板から浮いた状態の細長い振動部材と、
前記振動部材を静電引力により引き付けるため、前記振動部材に沿って設けられた駆動電極と、
前記電源と前記駆動電極の間の抵抗と、を備え、
前記駆動電極に電源から電圧を印加すると、
前記振動部材は静電引力により前記駆動電極に引き付けられ、前記振動部材が前記駆動電極に接触すると電荷を放電し、前記振動部材は前記駆動電極から離れることを繰り返し、前記カンチレバーが自励発振する。
One embodiment of the present invention is a small oscillator. This small oscillator has a substrate,
An anchor formed on the substrate;
An elongated vibration member having one end fixed to the anchor, extending from the anchor, and floating from the substrate;
A drive electrode provided along the vibration member for attracting the vibration member by electrostatic attraction;
A resistance between the power source and the drive electrode,
When a voltage is applied from the power source to the drive electrode,
The vibration member is attracted to the drive electrode by electrostatic attraction, and when the vibration member comes into contact with the drive electrode, the electric charge is discharged, and the vibration member repeatedly leaves the drive electrode, and the cantilever self-oscillates. .

本発明の発振子は、外部にコンデンサやコイルを必要としないので、発振子全体を小さくすることができる。   Since the resonator according to the present invention does not require an external capacitor or coil, the entire resonator can be made small.

前記振動部材が前記駆動電極に引き付けられて接触する電圧以上の電圧を前記駆動電極に印加することが好ましい。
前記駆動電極への充電時間は、前記振動部材の共振周期より長いことが好ましい。
こうすると、振動部材が駆動電極に接触して放電し、振動部材は復元力により元の静止位置に戻る。
前記振動部材と前記駆動電極の間には静電容量が形成され、前記駆動電極に電圧をかけるとき、前記振動部材と前記駆動電極の間の電圧は時間経過に従って大きくなることが好ましい。
その結果、前記駆動電極にかける電圧を変えると、前記振動部材が前記駆動電極に接触するまでの時間が変化し、前記振動部材の発振周波数が変化する。
前記アンカーは絶縁膜を介して前記基板上に固定され、前記基板と前記アンカーの間には静電容量が形成されていることが好ましい。
It is preferable that a voltage equal to or higher than a voltage at which the vibrating member is attracted to and contacts the driving electrode is applied to the driving electrode.
The charging time for the drive electrode is preferably longer than the resonance period of the vibrating member.
If it carries out like this, a vibrating member will contact a drive electrode and will discharge, and a vibrating member will return to an original rest position with a restoring force.
It is preferable that a capacitance is formed between the vibration member and the drive electrode, and when a voltage is applied to the drive electrode, the voltage between the vibration member and the drive electrode increases with time.
As a result, when the voltage applied to the drive electrode is changed, the time until the vibrating member comes into contact with the drive electrode changes, and the oscillation frequency of the vibrating member changes.
Preferably, the anchor is fixed on the substrate via an insulating film, and a capacitance is formed between the substrate and the anchor.

小型発振子は、絶縁体上シリコン基板を用いて作成されることが好ましい。
これにより、きわめて小型の小型発振子を得ることができる。
前記振動部材は前記アンカーに一端部が固定されたカンチレバーであることが好ましい。
前記振動部材への前記駆動電極以外の電荷の影響を無くすため、前記振動部材に沿ってシールドを備えることが好ましい。
The small oscillator is preferably made using a silicon substrate on an insulator.
Thereby, an extremely small and small oscillator can be obtained.
The vibration member is preferably a cantilever having one end fixed to the anchor.
In order to eliminate the influence of charges other than the drive electrode on the vibration member, it is preferable to provide a shield along the vibration member.

本発明の別の態様は、シリコン酸化膜を介して2枚のシリコン基板を接合した絶縁体上シリコン基板から、アンカーと、振動部材と、駆動電極とを備える小型発振子を一体に形成する製造方法である。この製造方法は、
(a)前記絶縁体上シリコン基板の上面にマスク層を堆積してパターニングし、
(b)上面よりエッチングを行い、前記マスク層でマスクされた部分以外をエッチングして、上層に前記駆動電極と、前記振動部材と、前記駆動電極とを形成し、
(c)前記絶縁体上シリコン基板のシリコン酸化膜を犠牲層エッチングにより除去し、前記振動部材が下層から浮いた構造とする、工程を備える。
According to another aspect of the present invention, a small oscillator including an anchor, a vibration member, and a drive electrode is integrally formed from a silicon substrate on an insulator in which two silicon substrates are bonded via a silicon oxide film. Is the method. This manufacturing method is
(a) depositing and patterning a mask layer on the upper surface of the silicon substrate on the insulator;
(b) Etching from the upper surface, etching other than the portion masked by the mask layer, forming the drive electrode, the vibration member, and the drive electrode on the upper layer,
(c) a step of removing the silicon oxide film of the silicon substrate on the insulator by sacrificial layer etching to form a structure in which the vibrating member is lifted from a lower layer.

前記マスク層は、アルミニウム層、又はシリコン酸化膜層であっても良い。
前記(b)のエッチング工程は、深堀りリアクティブイオンエッチングで行うことが好ましい。
The mask layer may be an aluminum layer or a silicon oxide film layer.
The etching step (b) is preferably performed by deep reactive ion etching.

本発明方法によれば、絶縁体上シリコン基板を用い、マイクロマシニング技術を使用して、小型発振子の構成要素を単一の基板上に同時に作成することができるので、小型の小型発振子を簡単な方法で得ることができる。   According to the method of the present invention, since a component of a small oscillator can be simultaneously formed on a single substrate using a silicon substrate on an insulator and using micromachining technology, a small small resonator can be manufactured. It can be obtained in a simple way.

本発明によれば、小型軽量の小型発振子を得ることができる。特に、外部にコンデンサやコイルを必要としないので、極めて小型の発振子を得ることができる。
また、印加電圧を変化させると、発振周波数を変化させることができる。
また、製造方法が簡単なので、このような小型発振子を安価に製造することができる。
According to the present invention, a small and lightweight small oscillator can be obtained. In particular, since an external capacitor or coil is not required, an extremely small oscillator can be obtained.
Further, when the applied voltage is changed, the oscillation frequency can be changed.
Moreover, since the manufacturing method is simple, such a small oscillator can be manufactured at low cost.

(構造)
以下、本発明の実施形態を説明する。図1は、本発明の実施形態による小型発振子10の構造を表す図である。小型発振子10は、SOI(Silicon-on-insulator)基板から作成される。小型発振子10は基板20を備え、基板20の上に、アンカー13と、振動部材としてのカンチレバー11と、駆動電極12とを備える。カンチレバー11を固定するためのアンカー13が設けられる。アンカー13の一端部から、細長いカンチレバー11が延びる。カンチレバー11は、一端部がアンカー13に固定され、長さに沿って基板20から浮いた状態である。カンチレバー11は、該一端部でアンカー13に固定されているので、先端部11aは図1の上下方向に移動可能である。基板20上にカンチレバー11に沿って、カンチレバー11を引き付けるための駆動電極12が設けられる。駆動電極12のカンチレバー11の先端部11aと対向する部分は、凸状の接触点12aとなっている。駆動電極12に電圧をかけてカンチレバー11を駆動電極12にひきつけたとき、カンチレバー11の先端部11aは、駆動電極12の接触点12aと接触して停止するようになっている。
本実施形態では、カンチレバー11を用いたが、振動部材として片持ちではなく、両端部が固定され中央部が振動する両持ちとすることもできる。
(Construction)
Embodiments of the present invention will be described below. FIG. 1 is a diagram showing the structure of a small oscillator 10 according to an embodiment of the present invention. The small oscillator 10 is made from an SOI (Silicon-on-insulator) substrate. The small oscillator 10 includes a substrate 20, and includes an anchor 13, a cantilever 11 as a vibration member, and a drive electrode 12 on the substrate 20. An anchor 13 for fixing the cantilever 11 is provided. An elongated cantilever 11 extends from one end of the anchor 13. One end of the cantilever 11 is fixed to the anchor 13 and is lifted from the substrate 20 along its length. Since the cantilever 11 is fixed to the anchor 13 at one end thereof, the tip end portion 11a is movable in the vertical direction in FIG. A drive electrode 12 for attracting the cantilever 11 is provided on the substrate 20 along the cantilever 11. A portion of the drive electrode 12 facing the tip 11a of the cantilever 11 is a convex contact point 12a. When a voltage is applied to the drive electrode 12 to attract the cantilever 11 to the drive electrode 12, the tip end portion 11a of the cantilever 11 comes into contact with the contact point 12a of the drive electrode 12 and stops.
In the present embodiment, the cantilever 11 is used. However, the vibrating member is not cantilevered, but can be a both-end supported in which both ends are fixed and the center vibrates.

基板20と駆動電極12の間に、駆動電極12に電圧を印加するための電源15が設けられる。駆動電極12と電源15の間に抵抗14が設けられる。抵抗14は同一の基板20上に設けることができる。抵抗14の長さを変えることにより抵抗値を調節することができる。そのため、別に外部に抵抗を設ける必要はない。該抵抗14は駆動電極12に流れる電流を制御する。抵抗14の抵抗値の大きさにより、駆動電極12に充電するときの時定数が決まる。
アンカー13は、シリコン酸化膜上に成形されているので、基板20との間には、静電容量Ceができる。
駆動電極12以外の周囲の電界がカンチレバー11に影響するのを防止するため、カンチレバー11に沿って、駆動電極12と反対側にシールド16が設けられる。シールド16はアンカー13に接続されていて、同一の基板20上に設けられる。
A power supply 15 for applying a voltage to the drive electrode 12 is provided between the substrate 20 and the drive electrode 12. A resistor 14 is provided between the drive electrode 12 and the power source 15. The resistor 14 can be provided on the same substrate 20. The resistance value can be adjusted by changing the length of the resistor 14. Therefore, it is not necessary to provide a resistor outside. The resistor 14 controls the current flowing through the drive electrode 12. The time constant for charging the drive electrode 12 is determined by the magnitude of the resistance value of the resistor 14.
Since the anchor 13 is formed on the silicon oxide film, a capacitance Ce is formed between the anchor 13 and the substrate 20.
In order to prevent the surrounding electric field other than the drive electrode 12 from affecting the cantilever 11, a shield 16 is provided along the cantilever 11 on the side opposite to the drive electrode 12. The shield 16 is connected to the anchor 13 and is provided on the same substrate 20.

図2は、小型発振子10の図1の2−2線に沿った断面図であり、小型発振子10に静電容量ができていることを表す。図2においてシールド16は図示していない。カンチレバー11(アンカー13)は、基板20上に絶縁膜を介して形成されているので、カンチレバー11(アンカー13)と基板20との間に静電容量Ceができる。即ち、外部にキャパシターを設ける必要はない。カンチレバー11と駆動電極12との間には、空間があるので静電容量Caができる。   FIG. 2 is a cross-sectional view of the small resonator 10 taken along the line 2-2 in FIG. 1 and shows that the small resonator 10 has a capacitance. In FIG. 2, the shield 16 is not shown. Since the cantilever 11 (anchor 13) is formed on the substrate 20 via an insulating film, a capacitance Ce is formed between the cantilever 11 (anchor 13) and the substrate 20. That is, it is not necessary to provide a capacitor outside. Since there is a space between the cantilever 11 and the drive electrode 12, a capacitance Ca is generated.

(動作原理)
図3は、カンチレバー11が自励発振をする原理を表す図である。図3においてシールド16は図示していない。(a)電源15により駆動電極12と基板20の間に直流電圧を印加すると、駆動電極12とカンチレバー11に電荷が充電され、駆動電極12とカンチレバー11の間に電位差が生じる。この電位差により、静電引力が発生し、静止位置にあったカンチレバー11は駆動電極12に引き付けられていく。
(b)カンチレバー11と駆動電極12の間の電位差が、カンチレバー11の先端部11aが駆動電極12の接触点12aまで引き付けられる電圧、即ちプルイン電圧より高くなると、カンチレバー11の先端部11aは駆動電極12の接触点12aに接触する。カンチレバー11の先端部11aが駆動電極12の接触点12aに接触すると、カンチレバー11と駆動電極12の間で電荷が移動し、カンチレバー11と駆動電極12の間の電位差がなくなる。
(Operating principle)
FIG. 3 is a diagram showing the principle that the cantilever 11 performs self-excited oscillation. In FIG. 3, the shield 16 is not shown. (a) When a DC voltage is applied between the drive electrode 12 and the substrate 20 by the power supply 15, the drive electrode 12 and the cantilever 11 are charged, and a potential difference is generated between the drive electrode 12 and the cantilever 11. Due to this potential difference, an electrostatic attractive force is generated, and the cantilever 11 in the stationary position is attracted to the drive electrode 12.
(b) When the potential difference between the cantilever 11 and the drive electrode 12 becomes higher than the voltage at which the tip 11a of the cantilever 11 is attracted to the contact point 12a of the drive electrode 12, that is, the pull-in voltage, the tip 11a of the cantilever 11 Contact 12 contact points 12a. When the tip 11a of the cantilever 11 comes into contact with the contact point 12a of the drive electrode 12, the charge moves between the cantilever 11 and the drive electrode 12, and the potential difference between the cantilever 11 and the drive electrode 12 disappears.

(c)このとき、カンチレバー11と駆動電極12への充電時間が、カンチレバー11の共振周期より長ければ、カンチレバー11と駆動電極12の間に静電引力が働かなくなって、カンチレバー11は、その復元力により、駆動電極12から離れ、元の静止位置に戻る。
次に(a)に戻る。電源15により駆動電極12と基板20の間に直流電圧を印加されている。再度、駆動電極12に電荷が充電され、カンチレバー11は駆動電極12に引き付けられる。カンチレバー11と駆動電極12の間の電位差が、プルイン電圧より高くなると、再度カンチレバー11は駆動電極12に接触する。
このように、小型発振子10は、駆動電極12に直流電圧を印加していると、(a)〜(c)を繰返し、自励発振する。
(c) At this time, if the charging time for the cantilever 11 and the drive electrode 12 is longer than the resonance period of the cantilever 11, electrostatic attraction does not work between the cantilever 11 and the drive electrode 12, and the cantilever 11 is restored. The force leaves the drive electrode 12 to return to the original rest position.
Then return to (a). A DC voltage is applied between the drive electrode 12 and the substrate 20 by the power supply 15. The drive electrode 12 is charged again, and the cantilever 11 is attracted to the drive electrode 12. When the potential difference between the cantilever 11 and the drive electrode 12 becomes higher than the pull-in voltage, the cantilever 11 comes into contact with the drive electrode 12 again.
As described above, when a DC voltage is applied to the drive electrode 12, the small oscillator 10 repeats (a) to (c) and self-oscillates.

(発振周波数が変化する原理)
図4は、駆動電極に印加する電圧を変化させると、発振周波数が変化する原理を示す図である。図4(a)は、小型発振子10の等価回路を示す図である。
図4(a)中、アンカーの位置を13、駆動電極の位置を12で示す。Caはカンチレバー11と駆動電極12の間の静電容量を表す。Vaはカンチレバー11と駆動電極12の間にかかる電圧である。Ceはアンカー13と基板20の間に発生する静電容量である。Vcはアンカー13と基板20の間にかかる電圧である。
(Principle of oscillation frequency change)
FIG. 4 is a diagram showing the principle that the oscillation frequency changes when the voltage applied to the drive electrode is changed. FIG. 4A is a diagram showing an equivalent circuit of the small oscillator 10.
In FIG. 4A, the position of the anchor is indicated by 13 and the position of the drive electrode is indicated by 12. Ca represents the capacitance between the cantilever 11 and the drive electrode 12. Va is a voltage applied between the cantilever 11 and the drive electrode 12. Ce is a capacitance generated between the anchor 13 and the substrate 20. Vc is a voltage applied between the anchor 13 and the substrate 20.

図4(b)を参照する。駆動電極12にステップ状の電圧Vnを加えると、駆動電極12とカンチレバー11との電位差Va(t)は、次式に従って、過渡応答する。
(1)
Va(t)が、次第に大きくなるとカンチレバー11は駆動電極12に引き付けられ、Va(t)カンチレバー11のプルイン電圧Vpを越えると、カンチレバー11は駆動電極12に接触する。
Reference is made to FIG. When a stepped voltage Vn is applied to the drive electrode 12, the potential difference Va (t) between the drive electrode 12 and the cantilever 11 responds transiently according to the following equation.
(1)
When Va (t) gradually increases, the cantilever 11 is attracted to the drive electrode 12, and when the pull-in voltage Vp of Va (t) cantilever 11 is exceeded, the cantilever 11 contacts the drive electrode 12.

カンチレバー11の共振周期がこの過渡応答の時定数CaRより小さければ、カンチレバー11は駆動電極12に接触するまでの時間Tnは、駆動電極12とカンチレバー11との電位差Va(t)がプルイン電圧Vpに達するまでの時間に等しくなる。
カンチレバー11が駆動電極12に接触するまでの時間Tnは、印加電圧Vnに依存し、次式で表すことができる。
(2)
If the resonance period of the cantilever 11 is smaller than the time constant CaR of this transient response, the potential difference Va (t) between the drive electrode 12 and the cantilever 11 becomes the pull-in voltage Vp for the time Tn until the cantilever 11 contacts the drive electrode 12. Equals the time to reach.
The time Tn until the cantilever 11 contacts the drive electrode 12 depends on the applied voltage Vn and can be expressed by the following equation.
(2)

図4(b)は、駆動電極12に色々の印加電圧Vn(V1、V2、V3)をかけたとき、駆動電極12とカンチレバー11との電位差Va(t)が、(1)式に従って時間により変化することを示す。図に示すように、駆動電極12に駆動電圧V1を印加すると、Va(t)は(1)式に従って、図の実線で示す過渡応答を示し、プルイン電圧Vpに到達するまでの到達時間はt1となる。駆動電圧V2を印加すると、図の点線で示す過渡応答を示し、到達時間はt2となる。駆動電圧V3を印加すると、図の一点鎖線で示す過渡応答を示し、到達時間はt3となる。このように、駆動電極12に印加する電圧Vnを変化させると、プルイン電圧Vpに到達するまでの到達時間が変化し、従って、カンチレバー11が駆動電極12に接触するまでの時間Tnが変化する。そのため、発振器10のカンチレバー11の発振周波数が変化する。   FIG. 4B shows that when various applied voltages Vn (V1, V2, V3) are applied to the drive electrode 12, the potential difference Va (t) between the drive electrode 12 and the cantilever 11 depends on time according to the equation (1). Indicates that it will change. As shown in the figure, when the drive voltage V1 is applied to the drive electrode 12, Va (t) shows the transient response shown by the solid line in the figure according to the equation (1), and the arrival time until the pull-in voltage Vp is reached is t1. It becomes. When the drive voltage V2 is applied, a transient response indicated by a dotted line in the figure is shown, and the arrival time is t2. When the drive voltage V3 is applied, a transient response indicated by a one-dot chain line in the figure is shown, and the arrival time is t3. In this way, when the voltage Vn applied to the drive electrode 12 is changed, the arrival time until the pull-in voltage Vp is reached changes, and accordingly, the time Tn until the cantilever 11 contacts the drive electrode 12 changes. Therefore, the oscillation frequency of the cantilever 11 of the oscillator 10 changes.

(製造工程)
図5に、本発明の実施の形態による小型発振子10の作成方法を示す。図5は、小型発振子10の断面図である。まず、絶縁体上シリコン(SOI(Silicon on Insulator))基板を準備する。このSOI基板は、シリコン酸化膜21の上面にシリコン層22、下面にシリコン層23が形成されたものである。
(a)SOI基板の上面にアルミニウム層26を堆積し、フォトリソグラフィー技術を使用して、小型発振子10の上層にカンチレバー11、駆動電極12、シールド16の構造を形成するため、所望の形状にパターニングする。
(Manufacturing process)
FIG. 5 shows a method of creating the small oscillator 10 according to the embodiment of the present invention. FIG. 5 is a cross-sectional view of the small oscillator 10. First, a silicon on insulator (SOI (Silicon on Insulator)) substrate is prepared. This SOI substrate has a silicon layer 22 formed on the upper surface of a silicon oxide film 21 and a silicon layer 23 formed on the lower surface.
(a) An aluminum layer 26 is deposited on the upper surface of the SOI substrate, and the structure of the cantilever 11, the drive electrode 12 and the shield 16 is formed on the upper layer of the small resonator 10 by using a photolithography technique. Pattern.

(b)上面より深堀りRIEを行い、アルミニウム層26でマスクされた部分以外をエッチングし、カンチレバー11、駆動電極12、アンカー13(図5には示さない)、シールド16を形成する。このとき、シリコン酸化膜21がエッチングストップ層となるので、その下のシリコン層23はエッチングされない。   (b) Deep RIE is performed from the upper surface, and portions other than the portion masked by the aluminum layer 26 are etched to form the cantilever 11, the drive electrode 12, the anchor 13 (not shown in FIG. 5), and the shield 16. At this time, since the silicon oxide film 21 becomes an etching stop layer, the underlying silicon layer 23 is not etched.

(c)SOI基板のシリコン酸化膜21をフッ化水素酸により除去する。カンチレバー11の部分は細長いため、その下のシリコン酸化膜21が除去されて、カンチレバー11は下面のシリコン層23から浮いた状態となる。駆動電極12、アンカー13、シールド16の下のシリコン酸化膜21は除去されない。そのため、カンチレバー11は一端がアンカー13に固定され、他端部は移動可能な状態となる。   (c) The silicon oxide film 21 on the SOI substrate is removed with hydrofluoric acid. Since the cantilever 11 is elongated, the silicon oxide film 21 under the cantilever 11 is removed, and the cantilever 11 is lifted from the silicon layer 23 on the lower surface. The silicon oxide film 21 under the drive electrode 12, the anchor 13, and the shield 16 is not removed. Therefore, one end of the cantilever 11 is fixed to the anchor 13 and the other end is movable.

本発明の方法によれば、非常に簡単な工程でカンチレバー11、駆動電極12、アンカー13、シールド16を備える小型発振器10を成形することができる。   According to the method of the present invention, the small oscillator 10 including the cantilever 11, the drive electrode 12, the anchor 13, and the shield 16 can be formed by a very simple process.

(実施例)
図6に本発明の実施例による小型発振子の電子顕微鏡写真を示す。図6(a)は小型発振子の主要部の写真である。(b)は(a)の右下部分のカンチレバー11と駆動電極12の接触点付近の拡大写真である。カンチレバー11は、電圧をかけていない静止位置にある。カンチレバーの幅は5μm、長さは300μm、高さ20μmであった。駆動電極12に電圧をかけない静止位置で、カンチレバー11の先端部11aと駆動電極12の接触点12aと間のギャップは、10μmであった。プルイン電圧は40Vであった。このプルイン電圧は、更に低く設定することもできる。
(Example)
FIG. 6 shows an electron micrograph of a small oscillator according to an embodiment of the present invention. FIG. 6A is a photograph of the main part of the small oscillator. (b) is an enlarged photograph of the vicinity of the contact point between the cantilever 11 and the drive electrode 12 in the lower right part of (a). The cantilever 11 is in a stationary position where no voltage is applied. The width of the cantilever was 5 μm, the length was 300 μm, and the height was 20 μm. The gap between the tip 11a of the cantilever 11 and the contact point 12a of the drive electrode 12 was 10 μm at a stationary position where no voltage was applied to the drive electrode 12. The pull-in voltage was 40V. This pull-in voltage can also be set lower.

(動作結果)
本発明の実施例による小型発振子について、駆動電極12に電圧を印加してカンチレバー11を発振させる実験を行った。図7に、レーザ変位計を用いて、カンチレバー11の変位を測定した結果を示す。(a)は、駆動電極12に駆動電圧Vnとして39.0Vをかけた場合の時間とカンチレバー11の変位の関係を示す。駆動電極12にかかる電圧Va(t)は、(1)式に従って変化する。図中、A点は、カンチレバー11が駆動電極12に引き付けられて接触したことを示す。B点は、カンチレバー11が放電し、力のかかっていない静止位置にもどったことを示す。B点から更に時間が経過すると、カンチレバー11は次第に駆動電極12に引き付けられて移動し、再度プルイン電圧に達すると、駆動電極12に接触する。発振周期は620msであった。
(Operation result)
With respect to the small oscillator according to the embodiment of the present invention, an experiment was performed in which voltage is applied to the drive electrode 12 to oscillate the cantilever 11. FIG. 7 shows the result of measuring the displacement of the cantilever 11 using a laser displacement meter. (a) shows the relationship between the time when the drive electrode 12 is applied with 39.0 V as the drive voltage Vn and the displacement of the cantilever 11. The voltage Va (t) applied to the drive electrode 12 changes according to the equation (1). In the figure, point A indicates that the cantilever 11 is attracted to and contacted the drive electrode 12. Point B indicates that the cantilever 11 has discharged and returned to a rest position where no force is applied. As time further elapses from point B, the cantilever 11 is gradually attracted to the drive electrode 12 and moves. When the pull-in voltage is reached again, the cantilever 11 contacts the drive electrode 12. The oscillation period was 620 ms.

(b)は、駆動電極12に駆動電圧Vnとして40.7Vをかけた場合の時間とカンチレバー11の変位の関係を示す。発振周期は100msであった。駆動電極12にかける電圧を39.0Vから40.7Vに変えると、発振周期が620msから100msに変化したことがわかる。このように、駆動電極に印加する電圧を変化させると、発振周波数が変化する。
本発明の実施例では、発振周期が比較的遅かったが、その理由は、外部に取り付けた抵抗の値が大きかったため、充電時の時定数が大きくなったためと考えられる。
(b) shows the relationship between the time when 40.7 V is applied as the drive voltage Vn to the drive electrode 12 and the displacement of the cantilever 11. The oscillation period was 100 ms. When the voltage applied to the drive electrode 12 is changed from 39.0 V to 40.7 V, it can be seen that the oscillation period has changed from 620 ms to 100 ms. As described above, when the voltage applied to the drive electrode is changed, the oscillation frequency changes.
In the embodiment of the present invention, the oscillation period was relatively slow. This is probably because the value of the externally attached resistor was large and the time constant during charging was large.

本発明の実施の形態では、SOI基板を用いて小型発振子を作成したが、シリコン以外のGaAs等の半導体、金属材料を使用することができる。金属材料を使用すれば、接触抵抗を低くすることができる。
また、本発明の小型発振子は、集積回路作成プロセスと同一のプロセスで作成することができるので、IC等の集積回路上に作りこむこともできる。小型発振子をICと同一のチップ上に作成することにより、小型発振子を大幅に小型化することができる。
In the embodiment of the present invention, a small oscillator is formed using an SOI substrate, but a semiconductor such as GaAs other than silicon, or a metal material can be used. If a metal material is used, the contact resistance can be lowered.
In addition, since the small resonator according to the present invention can be produced by the same process as the integrated circuit production process, it can be produced on an integrated circuit such as an IC. By creating the small oscillator on the same chip as the IC, the small oscillator can be greatly reduced in size.

本発明の小型発振子は、携帯電話やゲーム機、無線LAN等の携帯機器に使用するのに適している。
本発明の小型発振子は、電圧を変化させることにより、周波数を変化させることができるので、PLLに使用するVCOを大幅に小型化することができ、通信機等の通信機器に多くの用途がある。
The small resonator of the present invention is suitable for use in portable devices such as a mobile phone, a game machine, and a wireless LAN.
Since the small oscillator of the present invention can change the frequency by changing the voltage, the VCO used in the PLL can be greatly reduced in size, and has many uses for communication devices such as a communication device. is there.

本発明の小型発振子の原理を表す図。The figure showing the principle of the small oscillator of this invention. 本発明の実施形態による小型発振子の断面図。Sectional drawing of the small oscillator by embodiment of this invention. 本発明の小型発振子が振動する原理を示す図。The figure which shows the principle which the small oscillator of this invention vibrates. (a)は本発明の小型発振子の等価回路を示す図、(b)は駆動電圧の過渡応答を示す図。(a) is a figure which shows the equivalent circuit of the small resonator of this invention, (b) is a figure which shows the transient response of a drive voltage. 本発明の小型発振子の製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the small oscillator of this invention. 本発明の実施例による小型発振子の上面の電子顕微鏡写真。The electron micrograph of the upper surface of the small oscillator by the Example of this invention. カンチレバーを振動させて変位を測定した結果を示す図。The figure which shows the result of having measured the displacement by vibrating a cantilever.

符号の説明Explanation of symbols

10 小型発振子
11 カンチレバー
12 駆動電極
13 アンカー
14 抵抗
15 電源
16 シールド
20 支持基板
21 シリコン酸化層
22 シリコン層
23 シリコン層
26 アルミニウム層
10 Small oscillator
11 Cantilever
12 Driving electrode
13 Anchor
14 Resistance
15 Power supply
16 Shield
20 Support substrate
21 Silicon oxide layer
22 Silicon layer
23 Silicon layer
26 Aluminum layer

Claims (8)

基板と、
前記基板上に形成されたアンカーと、
前記アンカーに端部が固定されて、前記アンカーから延び、前記基板から浮いた状態の細長い振動部材と、
前記振動部材を静電引力により引き付けるため、前記振動部材に沿って設けられた駆動電極と、
前記駆動電極に接続された抵抗と、を備え、
前記駆動電極に電源から電圧を印加すると、前記振動部材は、静電引力により前記駆動電極に引き付けられ、前記振動部材は前記駆動電極に接触すると電荷を放電し、前記駆動電極から離れることを繰り返し、前記振動部材が自励発振することを特徴とする小型発振子。
A substrate,
An anchor formed on the substrate;
An elongated vibration member having an end fixed to the anchor, extending from the anchor, and floating from the substrate;
A drive electrode provided along the vibration member for attracting the vibration member by electrostatic attraction;
A resistor connected to the drive electrode,
When a voltage is applied to the driving electrode from a power source, the vibrating member is attracted to the driving electrode by electrostatic attraction, and when the vibrating member comes into contact with the driving electrode, the electric charge is discharged and the driving member is repeatedly separated from the driving electrode. A small oscillator in which the vibration member self-oscillates.
前記振動部材が前記駆動電極に引き付けられて接触する電圧以上の電圧を前記駆動電極に印加し、
前記駆動電極への充電時間は、前記振動部材の共振周期より長い請求項1に記載の小型発振子。
A voltage equal to or higher than a voltage at which the vibrating member is attracted to and contacts the drive electrode;
The small oscillator according to claim 1, wherein a charging time for the driving electrode is longer than a resonance period of the vibrating member.
前記振動部材と前記駆動電極の間には静電容量が形成され、前記駆動電極に電圧をかけるとき、前記振動部材と前記駆動電極の間の電圧は時間経過に従って大きくなり、
前記駆動電極にかける電圧を変えると、前記振動部材が前記駆動電極に接触するまでの時間が変化し、前記振動部材の発振周波数が変化する請求項2に記載の小型発振子。
A capacitance is formed between the vibration member and the drive electrode, and when a voltage is applied to the drive electrode, the voltage between the vibration member and the drive electrode increases with time,
The small oscillator according to claim 2, wherein when the voltage applied to the drive electrode is changed, the time until the vibrating member comes into contact with the drive electrode changes, and the oscillation frequency of the vibrating member changes.
前記アンカーは絶縁膜を介して前記基板上に固定され、前記基板と前記アンカーの間には静電容量が形成されている請求項1に記載の小型発振子。   The small oscillator according to claim 1, wherein the anchor is fixed on the substrate via an insulating film, and a capacitance is formed between the substrate and the anchor. 絶縁体上シリコン基板を用いて作成され、前記振動部材は前記アンカーに一端部が固定されたカンチレバーである請求項1に記載の小型発振子。   2. The small oscillator according to claim 1, wherein the oscillator is made of a silicon substrate on an insulator, and the vibration member is a cantilever having one end fixed to the anchor. 前記振動部材への前記駆動電極以外の電荷の影響を無くすため、前記振動部材に沿ってシールドを備える請求項1に記載の小型発振子。   The small oscillator according to claim 1, further comprising a shield along the vibration member in order to eliminate the influence of charges other than the drive electrode on the vibration member. 請求項1に記載の小型発振子を一体に形成する製造方法であって、
(a)前記絶縁体上シリコン基板の上面にマスク層を堆積してパターニングし、
(b)上面よりエッチングを行い、前記マスク層でマスクされた部分以外をエッチングして、上層に前記駆動電極と、前記振動部材と、前記駆動電極とを形成し、
(c)前記絶縁体上シリコン基板のシリコン酸化膜を犠牲層エッチングにより除去し、前記振動部材が下層から浮いた構造とする、
工程を備えることを特徴とする製造方法。
A manufacturing method for integrally forming the small oscillator according to claim 1 ,
(a) depositing and patterning a mask layer on the upper surface of the silicon substrate on the insulator;
(b) Etching from the upper surface, etching other than the portion masked by the mask layer, forming the drive electrode, the vibration member, and the drive electrode on the upper layer,
(c) The silicon oxide film of the silicon substrate on the insulator is removed by sacrificial layer etching, and the vibration member is lifted from the lower layer.
A manufacturing method comprising a process.
前記(b)のエッチング工程は、深堀りリアクティブイオンエッチングで行う請求項7に記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 7, wherein the etching step (b) is performed by deep reactive ion etching.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5339755B2 (en) * 2008-03-25 2013-11-13 ラピスセミコンダクタ株式会社 MEMS vibrator, semiconductor package
US7990604B2 (en) * 2009-06-15 2011-08-02 Qualcomm Mems Technologies, Inc. Analog interferometric modulator
JP7268696B2 (en) * 2021-04-27 2023-05-08 株式会社豊田中央研究所 Physical quantity sensor device
CN114367319B (en) * 2021-12-30 2023-10-10 江苏大学 Particle control device and method based on low-frequency vibration probe

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1514110A4 (en) * 2002-05-07 2009-05-13 California Inst Of Techn An apparatus and method for two-dimensional electron gas actuation and transduction for gaas nems
JP2005079981A (en) * 2003-09-01 2005-03-24 Sony Corp Receiver
JP4086023B2 (en) * 2003-12-04 2008-05-14 セイコーエプソン株式会社 Micromechanical electrostatic vibrator
JP4638711B2 (en) * 2004-10-27 2011-02-23 株式会社エヌ・ティ・ティ・ドコモ Resonator

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