JP5064155B2

JP5064155B2 - 発振器

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Publication number: JP5064155B2
Application number: JP2007233867A
Authority: JP
Inventors: 陽子篠原; 文雄木村
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2007-09-10
Filing date: 2007-09-10
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2027-09-10
Also published as: JP2009065601A

Description

本発明は発振器の構造に係り、特に、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）と呼ばれる半導体製造技術を用いて作製された微小な素子を構成する場合に好適な振動子を用いた発振器の構造に関する。

振動子デバイスは、振動子の振動特性によって基準信号を生成する発振器や所望帯域の電気信号を排除するためのフィルタ（例えば、バンドパスフィルタやローパスフィルタなど）等に、一般的に利用されている。

近年、これまで主に使用されてきた水晶振動子や圧電セラミックス等の誘電体を使用した振動子・共振子とは異なる新たな種類の振動子が種々提案されるようになってきた。そのうちの一つに、半導体製造技術を応用したＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）技術を利用して形成した小型のＭＥＭＳ振動子があげられる。

ＭＥＭＳ振動子は、半導体製造技術を応用して微細加工したシリコンにより構成される。その製造方法としては、三層から構成されるＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板の表層である活性層をエッチング等で加工することによって形成する方法、シリコン基板上に酸化膜や多結晶シリコンなどの薄膜を形成し、この薄膜をエッチング加工することによって形成する方法等が一般的である。このようにして形成されたＭＥＭＳ振動子は、ＭＥＭＳアクチュエータと同様の電気機械的な原理、例えば、静電駆動、電磁駆動、熱駆動などによって駆動される。

従来のＭＥＭＳ振動子の代表例としては、基板面方向に振動する櫛歯型（Ｃｏｍｂ型）振動子と、基板厚さ方向もしくは基板面方向に振動するビーム型（梁型）振動子とがある。ビーム型振動子としては、基板上に下部電極を形成し、この下部電極の上方に間隔を有して配置され、下部電極を跨ぐように両端が固定された帯状の上部電極を有するものが以下の特許文献１などに開示されている。また、基板上に設けられた固定電極に対向する可動電極を設け、可動電極のうち固定電極と対向する被動部の左右を支持梁部で支持した構成が非特許文献１等に開示されている。

上記のビーム型振動子の駆動方法は、可動状態で支持された可動電極と、この可動電極に対向配置された固定電極との間に電位差を与えることにより電界を形成し、これによって発生する静電吸引力によって駆動する静電駆動方式が多い。すなわち、可動電極と固定電極の間に駆動信号（交流電圧）を与えることによって生ずる静電吸引力の変化によって可動電極を振動させるようにしている。この場合、可動電極の材質、形状・寸法、支持構造などによって所定の固有振動数（共振周波数）を決定できる。
特開平７−３３３０７７号公報 K.Wang, A.C.Wong, and Clark T.C.Nguyen "VHF Free-Free Beam High-Q Micromechanical Resonators" Journal of Microelectromechanical Systems, Vol.9, No.3, September 2000

しかしながら、ＭＥＭＳ振動子の周辺温度が変化すると、熱膨張により振動子の寸法が変化し、また振動子の密度、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変化を生じる。ＭＥＭＳ振動子は発振器等への応用を目的としており、数十ｐｐｍ／°Ｃ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、上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、振動子周辺の温度変化があっても、振動子の共振周波数が変動せず、出力信号の周波数が一定となる発振器を提供することである。

本発明に係る発振器は、機械的に振動するように設けられた振動子と、前記振動子の近傍に配置され、前記振動子との間で電界を介して相互に作用する励振用電極と、前記振動子を挟んで前記励振用電極と反対側に設置され、前記振動子との電界の変化を出力する検出用電極と、前記振動子に直流電圧を印加する直流電圧印加部と、前記励振用電極に電気的に接続され、前記振動子の共振周波数で発振して発振信号を出力する発振回路とを備えた振動子デバイスを含む発振器であって、前記振動子デバイスは、第一の振動子を有する第一の振動子デバイスと、第二の振動子を有する第二の振動子デバイスとからなり、該発振器が、前記第一の振動子デバイスの出力信号と前記第二の振動子デバイスの出力信号とを演算する演算処理回路を有することを特徴とする。

上記の構成によれば、周囲の温度で変動すると、第一の振動子デバイスからの出力信号の周波数が変動し、第二の振動子デバイスからの出力信号の周波数も変動する。二つの出力信号を演算処理することにより、一定の周波数を得ることができる。

また、本発明に係る発振器は、前記演算処理回路が、ミキサーとローパスフィルタとからなることを特徴とする。

上記の構成によれば、プログラム回路等の複雑な演算処理が不要なため、発振器を簡易に構成することができる。

また、本発明に係る発振器は、前記第一の振動子及び前記第二の振動子がともに、該振動子の中心軸が第一の材質で構成され、第一の材質の周囲を第二の材質で覆う構成にしたことを特徴とする。

上記の構成によれば、振動子は二種類の材質によって構成されるため、各々の材質の熱膨張が異なり、周囲の温度によって振動子内部に応力が発生する。この応力は振動子の共振周波数を変化させるため、周囲の温度によって変化するはずの振動子の共振周波数を一定にすることができる。

また、本発明に係る発振器は、前記振動子の第一の材質がシリコンであり、第二の材質がポリシリコンもしくはケイ素化合物であることを特徴とする。

上記の構成によれば、ＭＥＭＳ技術を用いて、シリコンの表面にポリシリコンやケイ素化合物を生成できる。特別に接合・接着する工程が不要であるため、容易に振動子を構成できる。

また、本発明に係る発振器は、前記第一の振動子及び前記第二の振動子が両端支持梁構造であることを特徴とする。

上記の構成によれば、第一及び第二の振動子は両端支持梁構造であるため、振動子内部に発生する残留応力が大きく得られ、温度による振動子の共振周波数を制御しやすくなる。

本発明によれば、二つの振動子の出力信号を演算処理することで、振動子周囲の温度によりそれぞれの振動子の共振周波数が変化しても、出力信号の周波数が一定となる発振器を提供できる。

本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る発振器１０００の構成を説明するブロック図である。発振器１０００は、振動子ブロック１００、直流バイアス電圧印加回路１０１、出力用発振回路１０２、１０３、および演算処理回路１０４から構成される。

振動子ブロック１００には、振動子２０１、２０２が設けられており、それぞれ直流バイアス電圧印加回路１０１に接続される。さらに、振動子２０１、２０２はそれぞれ、出力用発振回路１０２、１０３に接続される。さらに、出力用発振回路１０２、１０３は演算処理回路１０４に接続される。なお、振動子２０１と出力用発振回路１０２とで振動子デバイス９０１を、振動子２０２と出力用発振回路１０３とで振動子デバイス９０２を構成する。

次に、発振器１０００の動作を説明する。

まず、直流バイアス電圧印加回路１０１は、振動子２０１、２０２に直流バイアス電圧を印加して静電力により駆動できる状態にする。次に、出力用発振回路１０２、１０３は、振動子２０１、２０２の共振周波数でそれぞれ発振して発振信号を出力する。それぞれの発振信号は演算処理回路１０４に入力され、演算処理回路１０４から一定の周波数の出力信号を出力する。

上記の様に本発振器１０００は、一定の周波数の出力信号を出力するものである。

次に、振動子ブロック１００の構成を説明する。図２（ａ）は、振動子ブロック１００の構成図、図２（ｂ）は図２（ａ）中の切断線Ａ−Ａ’での断面図である。

図２（ａ）に示すように、振動子ブロック１００は、振動子２０１、２０２、直流バイアス用振動子電極パッド２０３〜２０６、励振用電極パッド２０７、２０８、励振用電極２０９、２１０、検出用電極パッド２１１、２１２、検出用電極２１３、２１４、支持層２１５、絶縁層２１６〜２２１、固定部２２２〜２２５から構成される。

振動子２０１、２０２は、支持層２１５の上面に絶縁層２１６〜２２１を介して固定された固定部２２２〜２２５に固定されている。

振動子２０１、２０２は固定部２２２〜２２５と同じ高さに設けられており、振動子２０１、２０２と支持層２１５の間には絶縁層が存在せず空隙となっている。これにより、振動子２０１、２０２は、機械的に振動し得る。さらに、振動子２０１は、図２（ｂ）に示すように、絶縁層２１６、２１７に支持された梁中心軸２３０と、この梁中心軸２３０を覆う被覆材２３１から形成されている。なお、図示しないが、振動子２０２も同様の構成となっている。

また、直流バイアス用振動子電極パッド２０３〜２０６は、それぞれ固定部２２２〜２２５の上に設けられており、梁中心軸２３０とそれぞれ電気的に接続されている。

また、励振用電極２０９、２１０は、支持層２１５の上面に絶縁層２２０、２２１を介して固定されている。励振用電極パッド２０７、２０８は、励振用電極２０９、２１０の上に設けられており、励振用電極２０９、２１０に電気的に接続されている。

また、検出用電極２１３、２１４は、支持層２１５の上面に絶縁層を介して固定されている。検出用電極パッド２１１、２１２は、検出用電極２１３、２１４の上に設けられており、検出用電極２１３、２１４に電気的に接続されている。

次に、図４を用いて、振動子ブロック１００の製造方法について説明する。図４は、この実施の形態の振動子デバイスの各製造工程を、図２（ａ）における切断線Ａ−Ａ’での断面図に基づいて示している。

まず、図４（ａ）に示すように、所定の外形をなすＳＯＩ基板を準備する。ここで、使用されるＳＯＩ基板は、支持層２１５、ＢＯＸ層４０２、活性層４０１から構成される。ここで、各層の厚さは、例えば、支持層２１０が５００μｍ、ＢＯＸ層４０２が１０μｍ、活性層が１０μｍ程度である。

次に、図４（ｂ）に示すように、振動子の原型を形成する。すなわち、エッチングによって、ＳＯＩ基板の上面から振動子の中央部分を除く振動子となる領域（図中、振動子原型２３０’）を残して、活性層４０１を取り除く。なお、エッチング方法としては、精度良く所定の深さに形成可能なドライエッチングが好ましい。

次に、図４（ｃ）に示すように、振動子原型２３０’下部のギャップを形成する。すなわち、エッチングによって、振動子原型２３０’下部のうち、絶縁層２１６、２１７を残してＢＯＸ層４０２を取り除く。これにより、振動子原型２３０’は両端支持梁構造となる。

次に図４（ｄ）に示すように、振動子２０１を形成する。すなわち、振動子原型２３０’の表面に被覆材２３１を形成する。ここでは、熱酸化工程によって被覆材２３１として酸化ケイ素膜を形成する。例えば、酸化ケイ素の厚さは０．４〜１μｍ、振動子２０１の幅と厚さは４〜１０μｍ、振動子の長さは８０〜２００μｍ程度である。なお、ここで熱酸化工程を説明したが、窒化工程やＣＶＤ工程により、振動子原型２２０、２２１表面に窒化ケイ素膜もしくはポリシリコン膜を形成することも可能である。

次に、図４（ｅ）に示すように、電極を形成するために、被覆材２３１にスルーホールを形成する。すなわち、エッチングによって、絶縁層２１６、２１７上部の固定部２２２、２２３上面に形成された被覆材２３１を除去する。

次に、図４（ｆ）に示すように、電極２０３、２０４を形成する。すなわち、図４（ｅ）で形成したスルーホール内に金属膜を成膜する。具体的には、スパッタリングや蒸着などが選択され、パターニングを行うことで形成される。

そして、図示しないワイヤボンディングなどを用いてそれぞれのパッドが外部回路に電気的に接続される。

なお、絶縁層２１６、２１７が、支持層２１５と梁中心軸２３０とをそれぞれ電気的に絶縁すると共に振動子２０１を構造的に固定している。このような構成により、振動子２０１は固定部２２２、２２３を支点として振動する事が可能となる。

また、支持層２１５は半導体（シリコン）基板であり、振動子２０１を機械的に固定すると共に接地電極としても機能する。

なお、図示しないが、振動子２０２も同様の工程で同時に作製することができる。

以上のような製造工程を経ることで、振動子ブロック１００を製造することができる。

次に、図３を用いて振動子デバイス９０１の動作原理を説明する。

図３に示すように、振動子２０１は空隙を有する電極間の静電容量素子を含んでいる。同図において、３０１はバネ、３０２は錘、２０９は励振用電極、２１３は検出用電極、３０５はインバータ、３０６は直流電源である。振動子２０１は振動に応じて、励振用電極２０９と振動子２０１、検出用電極２１３と振動子２０１の間に交流の静電気が発生する。その際、励振用電極２０９と検出用電極２１３にかかる電位は逆位相であるので、この各々の電極から出力される信号をインバータに接続し反転増幅すると、発信し、出力信号を取り出すことができる。また、振動子２０１の振動による交流信号に加えて、振動子２０１に直流バイアス電圧を印加することで水晶振動子と同じ電気的特性をとるので、水晶発振器と同様の構成で発振器の振動子として用いる事が可能である。

なお、このときの出力信号の周波数は、振動子の振動周波数と同一であり、取り出せる出力信号の周波数は、振動子２０１の振動振幅が最も大きく得られる一次共振周波数となる。振動子の一次共振周波数は、振動子の形状、ヤング率及び密度から決定される。また、図示しないが、振動子２０２も同様の構成で、同様に機能する。

次に、振動子ブロック１００全体の温度が変化した場合について説明する。振動子の温度が変化すると、振動子が熱膨張し、振動子の形状、密度、ヤング率が変化し、共振周波数も変化する。例えば振動子がシリコン単体で構成されている場合、温度に対する共振周波数の変化は、−３０ｐｐｍ／°Ｃ程度である。つまり、振動子の温度が上がると、共振周波数は下がることになる。

本実施の形態の振動子の場合、振動子２０１、２０２の中心部である梁中心軸２３０はシリコン、梁中心軸２３０の表面には被覆材２３１を形成した構造となっている。被覆材２３１は酸化ケイ素、窒化ケイ素等のケイ素化合物もしくはポリシリコンを用い、被覆材２３１を形成する際には、数百度〜千°Ｃ近くまで加熱して形成する。実際に振動子として用いる室温近傍まで冷却した際に、振動子２０１、２０２は収縮するが、材質によって収縮する長さは変化する。ここでは梁中心軸２３０であるシリコンの収縮率は、被覆材２３１の収縮率より大きいため、梁中心軸２３０および被覆材２３１に残留応力が発生する。各々の材質での残留応力を図５に示す。＋が引っ張り方向、−が圧縮方向の応力を示している。つまり、梁中心軸２３０には引っ張り方向の応力が、被覆材２３１には圧縮方向の応力が発生する。

ここで、両端固定の振動子に張力を加えた場合、振動子の共振周波数が変化する。その変化は、次式で示される。

なお、ｆｎは張力がかからない場合の共振周波数、ｆは張力がかかって変化した後の共振周波数、Ｓは振動にかかる張力、Ｅは振動子のヤング率、Ｉは振動子の断面二次モーメント、Ｌは振動子の長さを示す。（機械工学便覧基礎編Ａ３力学・機械力学第７章線形系の振動表２０、日本機械学会編、参照）
つまり、振動子にかかる張力が大きいほど、共振周波数が大きくなる。

これを利用すると、本実施の形態の振動子の梁中心軸２３０には引っ張る方向での応力（張力）が働くため、共振周波数を大きくする方向に働く。発生する張力は、被覆材２３１形成時の温度と共振周波数測定時の温度との差に比例するため、共振周波数測定時の温度が高くなるほど、共振周波数の上昇は小さくなる。しかし、温度が高くなるほど、梁中心軸２３０のシリコンは、被覆材２３１の影響で密度がほとんど変化しないまま、ヤング率が大きくなる。そのため、温度が高くなるほど、共振周波数は大きくなる。この２つの現象をあわせると、もともとシリコン単体で振動子を構成した場合の共振周波数の温度変化を制御することができる。

なお、このときの被覆材２３１と梁中心軸２３０のシリコンとの寸法によって、発生する張力を制御することが可能であり、設計自由度を高くすることができる。

次に、２つの振動子デバイスの出力から、発振器の出力信号を得る構成について図６に示す。

図６に示すように、振動子デバイス９０１、９０２は、それぞれミキサー６０１に接続され、さらにミキサー６０１はローパスフィルタ６０２接続されている。ミキサー６０１とローパスフィルタ６０２とで演算処理回路１０４を構成している。

振動子デバイス９０１の出力信号と振動子デバイス９０２の出力信号は、ミキサー６０１に入力され、一つの信号に混合される。この混合された信号は、ローパスフィルタ６０２に入力される。ローパスフィルタ６０２からの出力信号の周波数は、振動子デバイス９０１の出力信号の周波数と振動子デバイス９０２の出力信号の周波数との差として出力される。

このとき、周囲の温度変化によって、振動子デバイス９０１、９０２の出力信号の周波数ｆ９０１、ｆ９０２は変化するため、次式で表される。

ｆ９０１（Ｔ）＝ｆ９０１（Ｔ０）＋α９０１（Ｔ−Ｔ０）
ｆ９０２（Ｔ）＝ｆ９０２（Ｔ０）＋α９０２（Ｔ−Ｔ０）
なお、Ｔは振動子デバイス周囲の温度、Ｔ０は初期温度、α９０１、α９０２はそれぞれ振動子デバイス９０１、９０２の温度に対する共振周波数の変化率（温度係数）を示している。

そして、ミキサー６０１とローパスフィルタ６０２を経て出力された信号の周波数ｆｏｕｔは次式で表される。

ｆｏｕｔ（Ｔ）＝｛ｆ９０１（Ｔ０）−ｆ９０２（Ｔ０）｝＋（α９０１−α９０２）×（Ｔ−Ｔ０）
この式によると、振動子デバイス９０１、９０２の周囲の温度がＴからＴ０に変化したとき、ローパスフィルタ６０２の出力信号の周波数の変化は、振動子デバイス９０１、９０２それぞれの温度係数で決定されることになる。つまり、温度係数α９０１と温度係数α９０２が等しければ、ローパスフィルタ６０２の出力信号の周波数は温度によらず一定にすることができる。この温度係数α９０１、α９０２は、前述の振動子の残留応力によって制御することができる。

以上により、二つの振動子の出力信号を演算処理することで、振動子周囲の温度によりそれぞれの振動子の共振周波数が変化しても、出力信号の周波数が一定となる小型のＭＥＭＳ振動子を利用した発振器を提供できる。

以上、本発明の実施形態を詳述してきたが、具体的な構成は本実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

本発明の実施形態に係る発振器のブロック図である。本発明の実施形態に係る振動子ブロックの構成例を示す説明図である。本発明の実施形態に係る振動子デバイスを表す原理図である。本発明の実施形態に係る振動子ブロックの製造方法を示す説明図である。本発明の実施形態に係る振動子に発生する残留応力の分布を示す説明図である。本発明の実施形態に係る発振器の出力信号を生成する構成を示す説明図である。

符号の説明

１０００発振器
１００振動子ブロック
１０１直流バイアス電圧印加回路
１０２、１０３出力用発振回路
１０４演算処理回路
２０１、２０２振動子
２０３〜２０６直流バイアス用振動子電極パッド
２０７、２０８励振用電極パッド
２０９、２１０励振用電極
２１１、２１２検出用電極パッド
２１３、２１４検出用電極
２１５支持層
２１６〜２２１絶縁層
２２２〜２２５固定部
２３０梁中心軸
２３０’ 振動子原型
２３１被覆材
３０１バネ
３０２錘
３０５インバータ
３０６直流電源
４０１活性層
４０２ＢＯＸ層
６０１ミキサー
６０２ローパスフィルタ
９０１、９０２振動子デバイス

Claims

機械的に振動するように設けられた振動子と、
前記振動子の近傍に配置され、前記振動子との間で電界を介して相互に作用する励振用電極と、
前記振動子を挟んで前記励振用電極と反対側に設置され、前記振動子との電界の変化を出力する検出用電極と、
前記振動子に直流電圧を印加する直流電圧印加部と、
前記励振用電極に電気的に接続され、前記振動子の共振周波数で発振して発振信号を出力する発振回路とを備えた振動子デバイスを含む発振器であって、
前記振動子デバイスは、第一の振動子を有する第一の振動子デバイスと、第二の振動子を有する第二の振動子デバイスとからなり、
該発振器が、前記第一の振動子デバイスの出力信号と前記第二の振動子デバイスの出力信号とを演算する演算処理回路を有し、
前記第一の振動子及び前記第二の振動子がともに、第一の材質と第二の材質との二種類の材質で構成されることを特徴とする発振器。
前記第一の振動子及び前記第二の振動子がともに、該振動子の中心軸が前記第一の材質で構成され、前記第一の材質の周囲を前記第二の材質で覆う構成にしたことを特徴とする請求項１に記載の発振器。
前記演算処理回路が、ミキサーとローパスフィルタとからなることを特徴とする請求項１又は２に記載の発振器。
前記振動子の第一の材質がシリコンであり、第二の材質がポリシリコンもしくはケイ素
化合物であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の発振器。
前記第一の振動子及び前記第二の振動子が両端支持の梁構造であることを特徴とした請求項２から４の何れか一項に記載の発振器。