JP5350715B2 - MEMS vibrator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、MEMS振動子に関する。 The present invention relates to a MEMS vibrator.
MEMS振動子は、MEMS(Micro Electro Mechanical System)技術を用いて作成された、通信回路における基準周波数発振源等に用いることが可能な振動素子である。
従来のMEMS振動子は、一つ以上の保持手段によって基板から僅かに浮上した位置に保持された振動体と、振動体の振動方向に僅かな間隙を隔て配置された駆動電極と、駆動電極から振動体を挟んで対向した位置に僅かな間隙を隔て配置された検出電極と、を有し、駆動電極に接続された駆動回路から直流電圧でバイアスされた駆動交流電圧を駆動電極へ印加することで振動体を振動させ、その振動を検出電極で電気信号として検出する。駆動交流電圧がある特定の周波数のとき、振動体は強く振動し、検出電極で検出される信号も、強く、安定した信号となる。その特定の周波数を共振周波数と呼ぶ。
The MEMS vibrator is a vibration element that can be used for a reference frequency oscillation source or the like in a communication circuit, which is created using a MEMS (Micro Electro Mechanical System) technique.
A conventional MEMS vibrator includes a vibrating body held at a position slightly lifted from a substrate by one or more holding means, a driving electrode arranged with a slight gap in the vibration direction of the vibrating body, and a driving electrode. A detection electrode disposed at a position facing the vibration member with a slight gap, and applying a driving AC voltage biased with a DC voltage to the driving electrode from a driving circuit connected to the driving electrode. The vibration body is vibrated by and the vibration is detected as an electric signal by the detection electrode. When the drive AC voltage has a certain frequency, the vibrating body vibrates strongly, and the signal detected by the detection electrode is also a strong and stable signal. The specific frequency is called a resonance frequency.
図4は、従来のMEMS振動子の基本構成を示す斜視図である。図において、振動体621は、固定部631,632により基板611から僅かに浮上した位置に保持されている。x軸方向に振動体621から間隙d1を隔て駆動電極641が、振動体621を挟んで駆動電極641と対向した位置に振動体621から間隙d2を隔て検出電極651が、それぞれ配置され、基板611に固定されている。直流電圧Vpでバイアスされた交流電圧を駆動電圧とし、その駆動電圧を、駆動電極641に接続された図示しない駆動回路から間隙d1へ印加することで、振動体621がx軸方向に振動する。その振動を電気信号として検出電極651に接続された図示しない検出回路により検出する。駆動電圧の交流成分の周波数がfのときに、振動体621が強く振動し、検出電極651で検出される信号も、強く、安定した信号であるとする。その場合、周波数fを共振周波数と呼ぶ。
図4の構成を持つ従来のMEMS振動子において、直流電圧Vp、または間隙d1を変化させることで共振周波数fを微調整できることが知られている(特許文献1)。
In the conventional MEMS vibrator having the configuration shown in FIG. 4, it is known that the resonance frequency f can be finely adjusted by changing the DC voltage Vp or the gap d1 (Patent Document 1).
上述の通り従来のMEMS振動子は、直流電圧Vpを変化させることで共振周波数fを微調整できた。その調整により、デバイスの加工作製時の寸法誤差に起因する共振周波数の目標値からのズレの補正等が可能であった。直流電圧Vpを高くすると共振周波数の変化量も大きくなるため、従来のMEMS振動子においても、直流電圧Vpを広い範囲で可変にすれば共振周波数の可変範囲を広くすることができた。
しかし、直流電圧Vpを高くし過ぎると、振動体と駆動電極との間に作用する静電力により、振動体が駆動電極に張り付き、ショートする。また、一般に、直流電圧Vpを高くした場合は駆動回路における消費電力が高くなる。そのため、直流電圧Vpは低い方が望ましい。
しかしながら、直流電圧Vpの可変範囲を低い範囲に限定すると、共振周波数の可変範囲が狭まる。そして、共振周波数の可変範囲が狭いとデバイスの加工作製時における寸法誤差の許容範囲が狭いため、その調整によって所望の共振周波数を得られるようにするには高い加工精度が要求される。直流電圧Vpの可変範囲が低い範囲に限定されている場合、加工精度が高くなければ、共振周波数の調整が困難になる。
したがって、従来のMEMS振動子は、作製時における加工の容易さと、消費電力の低さと、共振周波数の調整の容易さと、を同時に達成することが困難であった。そのため、加工が容易で、かつ、消費電力を低減でき、共振周波数を容易に調整可能なMEMS振動子が望まれていた。
As described above, the conventional MEMS vibrator can finely adjust the resonance frequency f by changing the DC voltage Vp. By the adjustment, it was possible to correct a deviation from the target value of the resonance frequency caused by a dimensional error during device fabrication. When the DC voltage Vp is increased, the amount of change in the resonance frequency also increases. Therefore, even in the conventional MEMS vibrator, the variable range of the resonance frequency can be widened by making the DC voltage Vp variable over a wide range.
However, if the DC voltage Vp is excessively increased, the vibrating body sticks to the driving electrode and short-circuits due to the electrostatic force acting between the vibrating body and the driving electrode. In general, when the DC voltage Vp is increased, power consumption in the drive circuit is increased. Therefore, it is desirable that the DC voltage Vp is low.
However, if the variable range of the DC voltage Vp is limited to a low range, the variable range of the resonance frequency is narrowed. If the variable range of the resonance frequency is narrow, the allowable range of dimensional error during device fabrication is narrow, and high processing accuracy is required to obtain a desired resonance frequency by adjustment. When the variable range of the DC voltage Vp is limited to a low range, the resonance frequency is difficult to adjust unless the processing accuracy is high.
Therefore, it has been difficult for the conventional MEMS vibrator to achieve at the same time the ease of processing at the time of fabrication, low power consumption, and easy adjustment of the resonance frequency. Therefore, there has been a demand for a MEMS vibrator that can be easily processed, can reduce power consumption, and can easily adjust the resonance frequency.
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、基板上に1或いは複数の点で固定され、表面に櫛歯状の突起が形成された振動体と、前記振動体の前記櫛歯状の突起との間で櫛歯型キャパシタを構成する、表面に櫛歯状の突起が形成された静電電極と、駆動電極と、検出電極と、を備え、前記振動体が、前記駆動電極からの駆動電圧によって振動する振動部と、前記振動部に結合する1或いは複数の振動制限部と、前記振動部の端部を固定する固定部と、により構成され、前記静電電極に直流電圧を印加するための入力部を有し、前記振動制限部は、前記振動部による振動の節において当該振動部と結合され、前記櫛歯状の突起は、前記固定部と前記振動制限部との間に形成されることを特徴とするMEMS振動子である。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and includes a vibrating body fixed on one or more points on a substrate and having comb-like protrusions formed on a surface thereof, and the comb of the vibrating body. An electrostatic electrode having a comb-like protrusion formed on a surface thereof, a drive electrode, and a detection electrode that constitute a comb-shaped capacitor with the tooth-like protrusion, and the vibrating body includes the drive A vibrating part that vibrates by a driving voltage from the electrode, one or a plurality of vibration limiting parts that are coupled to the vibrating part, and a fixing part that fixes an end of the vibrating part. An input unit for applying a voltage; and the vibration limiting unit is coupled to the vibration unit at a node of vibration by the vibration unit, and the comb-shaped protrusion includes the fixing unit and the vibration limiting unit. a MEMS vibrator you being formed between the.
本発明に係るMEMS振動子によれば、加工が容易で、かつ、消費電力を低減でき、従来に比べその共振周波数を容易に調整できる。 According to the MEMS vibrator according to the present invention, processing is easy, power consumption can be reduced, and the resonance frequency can be easily adjusted as compared with the related art.
以下、図面を参照し、本発明の実施形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施形態によるMEMS振動子の構造を示す平面図である。図1において、振動体721は、基板111に接続した固定部131・132により保持された振動部722(網掛けされた部分)と、基板111に接続した固定部733により保持された振動制限部723と、で構成され、振動部722と振動制限部723とが節781において結合した複合梁である。そのx軸方向に振動部722から間隙を隔て駆動電極141が、振動部722を挟んで駆動電極141と対向した位置に振動部722から間隙を隔て検出電極151が、それぞれ配置され、基板111に固定されている。直流電圧Vpでバイアスされた交流電圧を駆動電圧とし、その駆動電圧を、駆動電極141に接続された図示しない駆動回路から振動部722と駆動電極141との間隙へ印加することで、振動部722がx軸方向に振動する。上記振動は、節781を振動の節とした振動である。上記振動を電気信号として検出電極151に接続された図示しない検出回路により検出する。振動部722は、駆動電圧の交流成分の周波数が共振周波数fのときに強く振動する。
FIG. 1 is a plan view showing a structure of a MEMS vibrator according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, the vibrating
振動部722の、固定部131との接続部付近の基板に垂直な両側面には、櫛歯171・172が形成されており、固定部132との接続部付近の基板に垂直な両側面には、櫛歯173・174が形成されている。図2は、振動部722と固定部131との接続部を拡大した平面図である。櫛歯171に対向する位置に櫛歯175を持った静電電極161が、櫛歯172に対向する位置に櫛歯176を持った静電電極162が、それぞれ配置され、基板111に固定されている。図2に示した側とは逆の、振動部722と固定部132との接続部付近には、櫛歯173に対向する位置に櫛歯177を持った静電電極163が、櫛歯174に対向する位置に櫛歯178を持った静電電極164が、それぞれ配置され、基板111に固定されている。櫛歯171を構成する各突起は、櫛歯175を構成する各突起と交互に間隙を隔て配置されている。他の櫛歯の対も同様に、それぞれを構成する各突起が交互に間隙を隔て配置されている。櫛歯171と櫛歯175との各間隙と、櫛歯172と櫛歯176との各間隙とは、櫛歯171・172を構成する各突起からy軸方向負の向きにある方がy軸方向正の向きにある方よりも狭い。他方、櫛歯173と櫛歯177との各間隙と、櫛歯174と櫛歯178との各間隙とは、櫛歯173・174を構成する各突起からy軸方向正の向きにある方がy軸方向負の向きにある方よりも狭い。以上の構造により、向かい合った櫛歯の対が、それぞれ櫛歯型キャパシタを構成している。
図示しない電圧供給回路より、各櫛歯型キャパシタに直流電圧Vqを印加すると、各キャパシタ間にy軸方向の静電力が生じる。このとき、図1および図2の構造によると、振動部722の、固定部131からそれに近い方の節781までの範囲は、y軸方向負の向きに引っ張られ、固定部132からそれに近い方の節781までの範囲は、y軸方向正の向きに引っ張られる。また、固定部131に近い方の節781は、y軸方向負の向きに、固定部132に近い方の節781は、y軸方向正の向きにそれぞれ引っ張られることから、振動部722の、一方の節781から他方の節781までの範囲には、y軸方向の引っ張り応力が作用する。
When a DC voltage Vq is applied to each comb-shaped capacitor from a voltage supply circuit (not shown), an electrostatic force in the y-axis direction is generated between the capacitors. At this time, according to the structure of FIGS. 1 and 2, the range of the
振動部722の、一方の節781から他方の節781までの範囲に対して、y軸方向の引っ張り応力が作用すると、共振周波数fが高まる。すなわち、Vqを印加することで共振周波数fを高めることができる。図3は、VpとVqの変化により共振周波数fが変化する様子を示すグラフであり、Vpを大きくすることで共振周波数fが低下する様子と、Vqを大きくすることで共振周波数fが高まる様子と、を示している。Vqを印加しない場合の共振周波数fの可変範囲がaからbの範囲であったとする。共振周波数fはVqを印加することで高められ、その最大値をcとすると、印加するVqを変化させることで共振周波数fの可変範囲をaからcの範囲に拡げることができる。また、振動部722の、一方の節781から他方の節781までの範囲に対して、y軸方向の圧縮応力が作用するように各櫛歯型キャパシタを構成することも可能である。そのように各櫛歯型キャパシタを構成すると、印加するVqを大きくすることで共振周波数fを低下させることができる。この場合も、Vqを印加しない場合に比べ共振周波数fの可変範囲が拡がる。
When a tensile stress in the y-axis direction acts on the range from one
以下、直流電圧Vpを一定とし、各櫛歯型キャパシタに直流電圧Vqを印加しないときの共振周波数fを基準共振周波数f0と定義して用いる。振動体上の所望の位置が振動の節になるように振動体を構成できない従来の構造(以下、従来の構造)によれば、振動体のy軸方向の長さが異なれば、その他の寸法および材料が等しい構造だとしても、基準共振周波数f0が異なる。しかし、本実施形態に係る構造によれば、振動部722のy軸方向の長さが異なっても、一方の節781から他方の節781までの長さが等しく、その他の寸法および材料が等しい構造であれば、基準共振周波数f0が等しい。そのため、基準共振周波数f0を一定に保ったまま、振動部722をy軸方向に長くすることができる。振動部722がy軸方向に長くなると、各櫛歯型キャパシタの櫛歯を構成する突起の数を増やすことができ、各櫛歯型キャパシタの静電容量を大きくすることができる。したがって、従来の構造に比べ、各櫛歯型キャパシタに直流電圧Vqを印加したときの静電力を大きくすることができ、振動部722の、一方の節781から他方の節781までの範囲に作用する応力の大きさを大きくすることできる。それにより、基準共振周波数f0からの共振周波数fの変化量を大きくすることができる。すなわち、本実施形態に係る構造によれば、従来の構造に比べ、共振周波数fの可変範囲を拡げることができる。
Hereinafter, the resonance frequency f when the DC voltage Vp is constant and the DC voltage Vq is not applied to each comb-shaped capacitor is defined and used as the reference resonance frequency f0. According to the conventional structure in which the vibration body cannot be configured so that the desired position on the vibration body becomes a node of vibration (hereinafter referred to as the conventional structure), if the length of the vibration body in the y-axis direction is different, other dimensions Even if the materials are of the same structure, the reference resonance frequency f0 is different. However, according to the structure according to the present embodiment, even if the length of the vibrating
共振周波数fの可変範囲が拡がれば、デバイスの加工作製時における寸法誤差の許容範囲も拡がる。櫛歯構造は少々複雑に見えるが、向かい合う櫛歯から交互に配置された各突起の間隙を、振動部722と検出電極141、または駆動電極151との間隙と同程度の寸法にとれば、求められる加工精度に変わりはない。よって、本実施形態に係る構造によれば、従来の構造に比べ寸法誤差の許容範囲が拡がった分だけ加工が容易な構造となる。
If the variable range of the resonance frequency f is expanded, the allowable range of dimensional errors at the time of device fabrication is also increased. The comb-tooth structure looks a little complicated, but if the gap between the protrusions alternately arranged from the comb teeth facing each other is taken to be the same size as the gap between the
また、一般に櫛歯型キャパシタは、通常の同サイズの平行板キャパシタに比べ静電容量を大きくすることができ、低い直流電圧Vqの印加でより大きな静電力を得ることができる。櫛歯型キャパシタ間の静電力を大きくすると、共振周波数fの可変範囲を維持したまま、駆動電圧の直流成分Vpを低くすることができ、駆動回路における消費電力を低減できる。直流電圧Vqを印加する電圧供給回路においても電力は消費されるが、櫛歯の突起を多くすることで静電力を維持したままVqを低くすることができ、それによって電圧供給回路における消費電力を抑えることができる。結果、駆動回路による消費電力と各櫛歯型キャパシタの電圧供給回路による消費電力とを合わせても、従来の駆動回路における消費電力よりも低くすることができる。よって、本実施形態に係るMEMS振動子によれば、従来にくらべ消費電力を低減できる。 In general, a comb-type capacitor can have a larger capacitance than a normal parallel plate capacitor of the same size, and a larger electrostatic force can be obtained by applying a low DC voltage Vq. When the electrostatic force between the comb-shaped capacitors is increased, the DC component Vp of the drive voltage can be lowered while maintaining the variable range of the resonance frequency f, and the power consumption in the drive circuit can be reduced. Even in the voltage supply circuit that applies the DC voltage Vq, power is consumed, but by increasing the comb-shaped protrusions, Vq can be lowered while maintaining the electrostatic force, thereby reducing the power consumption in the voltage supply circuit. Can be suppressed. As a result, even if the power consumption by the drive circuit and the power consumption by the voltage supply circuit of each comb-shaped capacitor are combined, the power consumption in the conventional drive circuit can be reduced. Therefore, according to the MEMS vibrator according to the present embodiment, the power consumption can be reduced as compared with the related art.
また、各櫛歯型キャパシタの櫛歯を構成する突起の数を増やすことで、従来と比較して作製時における加工の容易さを維持したまま、消費電力の低減と共振周波数fの容易な調整とが可能になる。 Further, by increasing the number of protrusions constituting the comb teeth of each comb-shaped capacitor, the power consumption is reduced and the resonance frequency f can be easily adjusted while maintaining the ease of processing at the time of manufacture as compared with the conventional case. And become possible.
以上から、本実施形態に係るMEMS振動子によれば、作製時における加工が容易なまま、消費電力を低減でき、従来に比べその共振周波数を容易に調整できる。 As described above, according to the MEMS vibrator according to the present embodiment, the power consumption can be reduced while the processing at the time of manufacture is easy, and the resonance frequency can be easily adjusted as compared with the conventional case.
111、611 基板
121、621、721 振動体
722 振動部
723 振動制限部
131、132、631、632、733 固定部
141、641 駆動電極
151、651 検出電極
161、162、163、164 静電電極
171、172、173、174、175、176、177、178 櫛歯
781 節
d1、d2 間隙
Vp 駆動電圧中の直流電圧
Vq 櫛歯間に印加する直流電圧
f 共振周波数
f0 基準共振周波数
111, 611
Claims (3)
前記静電電極に直流電圧を印加するための入力部を有し、
前記振動制限部は、前記振動部による振動の節において当該振動部と結合され、
前記櫛歯状の突起は、前記固定部と前記振動制限部との間に形成されることを特徴とするMEMS振動子。 A surface constituting a comb-shaped capacitor between a vibrating body fixed at one or a plurality of points on a substrate and having comb-like protrusions formed on the surface, and the comb-like protrusions of the vibrating body. An electrostatic electrode having a comb-like projection formed on the electrode, a drive electrode, and a detection electrode, and the vibrating body is coupled to the vibrating portion and vibrates in response to a driving voltage from the driving electrode. A plurality of vibration limiting portions, and a fixing portion that fixes an end portion of the vibration portion,
An input unit for applying a DC voltage to the electrostatic electrode;
The vibration limiting unit is coupled to the vibration unit at a vibration node by the vibration unit ,
The comb-like projections, MEMS resonator you being formed between said fixed portion and the vibrating limiting unit.
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