JP6881532B2

JP6881532B2 - Ｍｅｍｓ周波数チューニングばね

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Publication number: JP6881532B2
Application number: JP2019166227A
Authority: JP
Inventors: マッティ・リウック
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2018-09-26
Filing date: 2019-09-12
Publication date: 2021-06-02
Anticipated expiration: 2039-09-12
Also published as: EP3636588B1; US20200099357A1; EP3636588A1; JP2020059118A; US11296671B2

Description

本開示は、加速度センサ、ジャイロスコープ、共振器および走査マイクロミラーなどの微小電気機械（ＭＥＭＳ）システム、より詳細には、複数の要素を共振させる際の周波数制御に関する。

共振振動中のマス要素を備えるＭＥＭＳ部品は、典型的には、一定の共振周波数を維持するべきである。同じデバイス構造を備えた構成要素はすべて同じ共振周波数で動作し、また、この周波数が構成要素の使用寿命にわたって一定のままであることが、通常好ましい。この目的を実現することは、振動素子の機械的特性が、ゼロでない製造工程公差により理想的な設計値と異なったり、温度変化などの外的ストレス因子にＭＥＭＳ部品がさらされる場合に変化したりする可能性があるため、困難であり得る。

これらの課題を解決し、一定の共振周波数を維持するために（または、いずれの共振周波数もある特定の範囲内に正確に調整するために）、周波数チューニングユニットを各構成要素に組み込んでもよい。周波数チューニングユニットは、典型的には、共振マス要素に隣接するチューニング電極に周波数チューニング電圧を印加する電気信号によって制御される。周波数チューニング電圧を調整することによって、製造工程が理想的でなくても、または構成要素が経年劣化を受けても、マス要素の共振周波数を所望値に維持する（または、ある特定の範囲内に調整する）ことができる。

周波数チューニングユニットは、共振マス要素上の１つのチューニング電極と、隣接する固定構造体上の別のチューニング電極とを含んでもよい。そのようなチューニング電極を実装する１つの方法は、それらが平行板コンデンサを形成するように配列することである。平行板チューニング電極間の電圧バイアスによって、チューニング電極間のギャップが減少するにつれて増加する静電力が生成される。これにより、振動モードに関連付けられた有効ばね定数が減少し、それによって、共振周波数が減少する。米国特許第７９９９６３５号明細書は、平行板周波数チューニング電極を備えたＭＥＭＳ要素を開示している。

しかしながら、いずれのチューニングが実現されても周波数チューニング電極間のギャップが狭くなければならないため、実用的なチューニング範囲は、平行板構成において極めて限定される。平行板周波数チューニングは、振動振幅が大きい用途において有用に実施するのが難しい。

振動素子上および固定構造体上のチューニング電極はまた、垂直平行櫛フィンガとして構成されてもよい。チューニング電極によって、振動周波数を増加させることが可能になる。米国特許第９８６９８５８号明細書は、櫛フィンガ周波数チューニング電極を備えたＭＥＭＳ要素を開示している。しかしながら、振動振幅が大きい用途では、櫛フィンガによる周波数チューニングは典型的に、振動サイクルのごく一部においてのみ有効である。可動要素上に配列されたチューニング電極は、サイクルのほとんどにおいて、固定チューニング電極から離れる。したがって、周波数チューニングは、振動振幅が大きい場合、櫛フィンガで有効に実施するのが難しい。

本開示の目的は、上記の課題を克服するための装置を提供することである。本開示の目的は、独立クレームに記載することを特徴とする構成および方法によって実現される。本開示の好ましい実施形態を従属クレームに開示する。

本開示は、部分可動マス要素を固定構造体から懸架する懸架ばねに周波数チューニング電極を組み込む考えに基づく。クレームに記載する構成および方法の利点は、懸架ばねが、振動マス要素の動きに対してそのフル振動振幅に沿って追従し、その結果、振動サイクル全体中に周波数チューニング力を生成させ得ることである。

以下では、添付図面を参照して、本開示を好ましい実施形態によってより詳細に説明する。
図１ａは、デバイス面内の振動を受けるように構成されたマス要素と、第１ばねおよび第２ばねとを示す。図１ｂは、デバイス面内の振動を受けるように構成されたマス要素と、第１ばねおよび第２ばねとを示す。図１ｃは、第１ばねおよび第２ばねの絶縁を示す。図２は、共振周波数をチューニングするための方法を示す。図３は、４つの第１ばねおよび４つの第２ばねを示す。図４ａは、２つの第１ばねおよび１つの第２ばねを含む懸架ユニットを示す。図４ｂは、２つの第１ばねおよび１つの第２ばねを含む懸架ユニットを示す。図５は、面内振動を示す。図６は、面外回転振動を示す。図７は、デバイス面外の振動を受けるように構成されたマス要素と、第１ばねおよび第２ばねとを示す。図８は、第１ばねおよび第２ばねの絶縁を示す。図９は、面外振動を示す。図１０は、面外回転振動を示す。

本開示は、固定支持部と、１以上の懸架ユニットによって固定支持部から懸架される少なくとも１つの部分可動マス要素と、部分可動マス要素を共振周波数で共振振動させるように構成される少なくとも１つの駆動変換器とを備える微小電気機械システムについて説明する。各懸架ユニットは、固定支持部から部分可動マス要素まで延在する１以上の第１ばねを含む。各懸架ユニットはまた、１以上の第２ばねを含み、各第２ばねは、固定支持部から部分可動マス要素まで、１つの第１ばねに実質的に平行に、かつ隣接して延在する。１以上の第１ばねは、１以上の第２ばねから電気的に絶縁され、微小電気機械システムはさらに、１以上の第１ばねと１以上の第２ばねとの間に周波数チューニング電圧を印加するように構成された電圧源を備える。

微小電気機械システムにおいて共振周波数をチューニングするための対応する方法は、微小電気機械システムから共振周波数を繰り返して読み出すステップと、その共振周波数を所定の目標値と比較するステップと、共振周波数が所定の目標値と異なる場合、共振周波数が所定の目標値と等しくなる値に周波数チューニング電圧を調整するステップとを含む。微小電気機械システムは、この方法で説明するステップを行う制御ユニットを備えてもよい。

図１ａは、部分可動マス要素１３と、固定支持部の一部を形成するアンカ点１４とを備えた微小電気機械システムを示す。本開示において、「固定」支持部とは、ＭＥＭＳジャイロスコープ構造体、例えばデバイスウェハよりはるかに大きい物体を意味する。あるいは、固定支持部とは、そのようなより大きな構造体に対して、動くことができないように確実に取り付けられる物体を意味し得る。「アンカ点」という用語は、懸架部などの部分的に可動性を有する物体が固定支持部に取り付けられている固定支持部の部位を指す。アンカ点は、理想的には、マス要素が振動する際に懸架部によって固定支持部に伝達される反力に影響を受けない。言いかえれば、アンカ点は、理想的には、マス要素が振動しても、デバイスウェハにおいて静止したままであるべきである。

可撓性を有する懸架部は、典型的には、一端部がアンカ点に固定され、他端部は、部分可動マス要素に取り付けられてもよい。マス要素は、例えば容量性または圧電性作動によって作動させてもよい。容量性アクチュエータは、例えば、電極として機能する相互嵌合した櫛フィンガを含んでもよい。ロータ電極は、マス要素または懸架部などの可動構造体に配置されてもよく、ステータ電極は、プルーフマスを取り囲み、固定支持部の一部を形成するフレームなどの静止構造体に配置されてもよい。圧電アクチュエータは、例えば、懸架部に電極層および１以上の圧電層を堆積させることによって形成されてもよい。

デバイスウェハは、シリコンウェハであってもよく、微小電気機械構造体は、例えばエッチングによってデバイスウェハに形成されてもよい。微小電気機械システムは、マス要素およびばねを取り囲み、本開示の図においてｘｙ平面として示すデバイス面を画定するフレームを備えてもよい。あるいは、フレームが存在しなくても、マス要素は、（例えば、図１ａのｘ軸に沿った）縦方向の長さおよび（例えば、ｙ軸に沿った）横方向の幅を示してもよい。長さおよび幅は、ｘｙ平面として示すデバイス面を画定してもよい。デバイス面は、典型的には、デバイスウェハの主面と平行である。

部分的に可動性を有する要素は、本明細書では「マス要素」と呼ぶが、プルーフマスまたは慣性マスと呼んでもよく、可撓性を有する懸架部で固定支持部に取り付けられている物体である。細長い懸架部は、適切に寸法付けることによって、ある特定の種類の曲げまたはねじれの動きに対して可撓性を有するように構成することができ、その結果、それら細長い懸架部により、部分可動マス要素が、デバイス面内の並進運動、デバイス面外の並進運動および／またはデバイス面外の回転運動で振動することができる。少なくとも１つの駆動変換器は、同じ面内および／または面外振動モードを引き起こすように構成されてもよい。可撓性を有する懸架部は、取り付けられている慣性マスの動きによって、および／またはマスを作動させるアクチュエータによって曲がるのに十分な可撓性を有してもよい。

本開示では、「懸架部」という用語は、部分可動マス要素を固定支持部に取り付ける梁の一般用語として用いる。懸架部はまた、ばねと呼ばれてもよく、それらの寸法は、典型的には、振動子の機械ばね定数に大きな影響を及ぼす。ばねは、弾性特性が梁全体にわたって変わらない均質かつ単一の梁であってもよい。そのようなばねは、ばねの２つの端部に作用する力によって影響を受けると、ばねの全長にわたって一様な曲率で曲がる。

本開示では、可撓性を有するように寸法付けられた懸架部に焦点を当てているが、用途によってはまた、可撓性を有しない懸架部を備えてもよい。本開示では、「懸架ユニット」という用語は、隣接するばね群を指し、それらのうちのいくつかを、異なる電位に設定することができる。簡単にするために、本開示において示す実施形態では、マス要素は１つの懸架ユニットからのみ懸架される。しかしながら、マス要素は、懸架ユニットと、懸架ユニットの一部を形成しない追加の懸架部との両方から懸架することが可能である。これらの追加の懸架部は、ある特定の方向へのマス要素の望ましくない動きを防ぐために、例えば、その方向に剛性を有してもよい。あるいは、マス要素はまた、例えば、１つの懸架ユニットがマスの一方側に、そして、別の懸架ユニットがマスの他方側に配置されるように、複数の懸架ユニットから懸架することができる。いずれの場合も、各懸架ユニットは、以下に示す実施形態で説明する方法で動作するように構成することができる。

図１ａは、本開示で面内振動と呼ぶ、デバイス面内の並進振動を受けるように構成されるマス要素１３を示す。

図１ａに示す微小電気機械システムは、アンカ点１４からマス要素１３まで延在する第１ばね１１１および１１２と、第２ばね１２１および１２２とを備える。図で見られるように、各第２ばねは、１つの第１ばねに実質的に平行に、かつ隣接してマス要素１３まで延在する。第１ばね１１１および１１２と、第２ばね１２１および１２２とは共に、懸架ユニットを形成する。

第１ばね１１１〜１１２および第２ばね１２１〜１２２は、同様の寸法、または実質的に同じ寸法を有してもよい。第１ばね１１１〜１１２の曲げばね定数は、第２ばね１２１〜１２２のばね定数と同様、または実質的に同じであってもよい。そして、第１ばねおよび第２ばねの両方は、マス要素１３の振動に対してほぼ同じように応答する。その後、第１ばねおよび第２ばねはまた、以下に説明するように、周波数チューニング電圧によって、典型的には、真ん中で互いに向かってわずかに曲がるが、振動サイクル全体にわたってほぼ平行のままである。

本開示の図に示すように、固定構造体１４とマス要素１３との間で任意の第１ばねを任意の第２ばねに連結する構造体がないように、第１ばねおよび第２ばねは、あるギャップだけ互いに離れていてもよい。言いかえれば、各第１ばねおよび各第２ばねの第１端部はアンカ点１４に固定されてもよく、各第１ばねおよび各第２ばねの第２端部はマス要素１３に固定されてもよく、ばねは、アンカ点１４とマス要素１３との間で任意の第１ばねを任意の第２ばねに連結する任意の介在体を用いずに構成されてもよい。

マス要素、アンカ点および懸架ユニットは、例えば、図１ａおよび図１ｂに示す水平ｘｙ平面にあるデバイスウェハが、少なくとも垂直ｚ方向にエッチングされるエッチング工程で製造されてもよい。

第１ばね１１１および１１２は、両方とも第１電位に設定することができるように電気的に相互接続される。第２ばね１２１および１２２も、第２電位に設定することができるように電気的に相互接続される。第１電位と第２電位との電位差を、本開示では周波数チューニング電圧Ｖ_１２と呼ぶ。

図１ａは、Ｖ_１２が０であり、第１のばね１１１および１１２と、第２ばね１２１および１２２とが平行である状況を示す。図１ｂは、ゼロでない周波数チューニング電圧Ｖ_１２が、第１ばねと第２ばねとの間に印加される状況を示す。平行板コンデンサの場合ように、第１ばねと第２ばねとの間の周波数チューニング電圧によって、静電引力が生成される。この力により、図１ｂに示すように、第１ばねおよび第２ばねは互いに向かって曲がる。第１ばねおよび第２ばねは、曲がっている間も実質的に平行のままである。

調和振動子の共振周波数ｆは、電気ばね定数に比例する。
その関係は、

と記載することができ、
ここで、ｋ_ｍは機械ばね定数、ｋ_ｅは電気ばね定数、および、ｍは質量である。調和振動子の共振周波数は、機械ばね定数ｋ_ｍまたは電気ばね定数ｋ_ｅのいずれかの変更により、変更することができる。

ＭＥＭＳコンデンサの位置エネルギーＥは、

として記載することができ、
ここで、ｋ_ｍは機械ばね定数、ｘは初期コンデンサ位置からの変位、Ｃは静電容量、Ｖはコンデンサに印加された電圧である。

コンデンサに印加される電圧が一定に保たれる場合、コンデンサに作用する電気力Ｆ_ｅは、

によって得られる。

次いで、電気ばね定数ｋ_ｅは、

から得ることができる。

周波数チューニング電圧を変更することにより、懸架ユニットのばね定数を２つの異なる方法で変更することができる。まず、第１ばねと第２ばねとの間の距離が共振振動運動中に変化するため、第１ばねと第２ばねとの間の静電容量も変化する。懸架部は、ギャップ可変平行板コンデンサのように有効に作用する。式４から、周波数チューニング電圧が増加するにつれ、電気ばね定数が大きくなることが分かる。

一方、第１ばねおよび第２ばねが互いに向かって曲がる場合、懸架ユニットの機械ばね定数は、第１ばねおよび第２ばねの幾何学的変化により増加する。したがって、懸架ユニットの構造細部に応じて、周波数チューニング電圧を印加することによって、懸架ユニットのばね定数を減少させる（静電ばね定数が支配的である場合）、または、懸架ユニットのばね定数を増加させる（ばね定数の張力依存の増加が支配的である場合）ことができる。

本開示では、「実質的に平行」という表現は主に、マスが作動力またはチューニング電圧のかからない休止位置にある時の懸架部の向きを指す。これは、図１ａに示す状況である。しかしながら、本開示で説明する構成の１つの利点は、第１ばねおよび第２ばねが互いに完全に平行でない場合でも、周波数チューニングをもたらす力が振動サイクル全体にわたって生成されることである。これは、第１ばねおよび第２ばねが曲がっている図１ｂに示す状況を含む。したがって、本開示のために、図１ｂのばねも実質的に平行であると考えることができる。

さらに、第１ばねおよび第２ばねが、周波数チューニングのための力を生成するために、それらの休止状態において必ずしも正確に平行である必要はないことは、当業者にとって明らかである。第１ばねおよび第２ばねは、休止状態において互いにほぼ平行にのみ位置してもよいし、それらの長さの一部においてのみ平行であってもよい。振動サイクル中に互いに十分に隣接している任意の第１ばねおよび第２ばねを、原則的に周波数チューニングに使用することができる。

第１ばねおよび第２ばねは、それらの間に周波数チューニング電圧が印加される場合、互いに電気的に絶縁されなければならない。図１ｃは、絶縁構成の一例を示す。マス要素１３およびアンカ点が、シリコンなどの電気を通す材料からなる場合、第１ばねおよび第２ばねは、両端部で電気的に分離されなければならない。

図１ｃでは、アンカ点１４は、３つの別個のエリア１４１〜１４３に分割されている。第１ばね１１１が取り付けられているエリア１４１は、第１絶縁領域１６１によって中央エリア１４２から電気的に分離されている。第１ばね１１２が取り付けられているエリア１４３は、第２絶縁領域１６２によって中央エリア１４２から分離されている。図示するデバイスが、ｚ方向にデバイスウェハがエッチングされるエッチング工程で製造される場合、第１絶縁領域１６１および第２絶縁領域１６２は、例えば、図示する領域のデバイスウェハ全体にわたって溝をエッチングし、そして、その溝（または、その溝の側壁）を二酸化ケイ素などの電気絶縁材料で充填することによって準備されてもよい。

図１ｃでは、各第１ばね１１１および１１２は、マス要素内の対応する絶縁領域１５１および１５２によって、マス要素から電気的に分離される。図示するデバイスが、ｚ方向にデバイスウェハがエッチングされるエッチング工程で製造される場合、絶縁領域１５１および１５２は、絶縁領域１６１および１６２と同様にマス要素内に準備されてもよい。あるいは、絶縁領域は、マス要素１３に最も近いばね１１１および１１２の端部の近くに製造することができるであろうが、その場合、絶縁領域は、曲げおよび／またはねじれの動きにも耐えるべきである。

第１電位は、エリア１４１および１４２を介して第１ばね１１１および１１２に接続されてもよく、一方、第２電位は、エリア１４３を介して第２ばね１２１および１２２に接続されてもよい。さらにマス要素１３を介した周波数チューニング電圧の短絡を防ぐため、第２ばね１２１および１２２の取付点の周りに絶縁領域１５１および１５２を同様にうまく配置することができるであろう。用途によっては、マス要素をある特定の電位に設定することが有利になり得る。絶縁領域を適切に配置することによって、マス要素を第１電位または第２電位のいずれかに設定することができる。マス要素を第１電位または第２電位に設定しないことが好ましい場合、絶縁領域は、第１ばね１１１および１１２と、第２ばね１２１および１２２との両方の取付点の周りに配置することもできるであろう。

図２は、共振周波数をチューニングするための対応する方法を示す。微小電気機械システムは、マス要素の共振周波数を感知するための感知手段を備えてもよい。微小電気機械システムはまた、少なくとも、感知手段から測定信号を読み出し、周波数チューニング電圧を設定するように構成される制御ユニットを備えてもよい。制御ユニットは、記憶ユニットを含んでもよい。

図２に示すように、制御ユニットは、感知手段から共振周波数値を読み出し、それを、記憶ユニットに格納されている目標値と比較してもよい。共振周波数が目標値と異ならない場合、制御ユニットは、第１ステップに戻り、所定の時間間隔後に新たな共振周波数値を読み出すように構成されてもよい。測定された共振周波数が目標値と異なる場合、制御ユニットは、周波数チューニング電圧Ｖ_１２を調整するように構成されてもよい。測定された共振が目標値と等しくなるまで、新たな調節を行うことができる。

制御ユニットは、測定された共振周波数値が目標値を超える場合は、ある方向の周波数チューニング電圧を調整し、目標値が測定された共振周波数値を超える場合は、別の方向の周波数チューニング電圧を調整するように構成されてもよい。

図１ａ〜図１ｃは、懸架ユニットが２つの第１ばねおよび２つの第２ばねを含む実施形態を示す。この幾何学的配置は、次の方法で一般化することができる。各懸架ユニットは、２Ｎ個の第１ばねおよび２Ｎ個の第２ばねを備えたばね列を含んでもよく、ここで、Ｎは整数である。２つの第１ばねまたは２つの第２ばねは、列の両端に位置してもよく、他の第１ばねおよび第２ばねはすべて、隣接する第１ばねと隣接する第２ばねとの間に位置してもよい。

図１ａ〜図１ｃは、Ｎ＝１の場合を示す。Ｎ＝２の場合を図３に示すが、ばね列のみを示している（マス要素およびアンカ点は示していない）。図３は、４つの第１ばね３１１〜３１４および４つの第２ばね３２１〜３２４を示す。２つの第１ばね３１１および３１４が列の端に位置し、他の第１ばね３１２〜３１３および第２ばね３２１〜３２４はすべて、第１ばね３１１と３１４との間に対で配置される。

この構成により、周波数チューニング電圧が投入されると、各第１ばねおよび各第２ばねは、確実に、片側のみからの電気力によって影響を受ける。図３で見られるように、第１ばね３１２〜３１３および第２ばね３２１〜３２４はすべて、隣接する第１ばねと隣接する第２ばねとの間に位置する。例えば、第１ばね３１２は、第２ばね３２２と第１のばね３１３との間に位置する。すべての第１ばねが同じ電位に設定されるため、第１ばね３１２は、第２ばね３２２によって生成された力によってのみ影響を受ける。

Ｎ＞２の場合、２つの第１ばねまたは２つの第２ばねを列の両端に配置し、次いで、残りのばねをそれらの端部ばねの間に対で配置することによって、同じ構成を作ることができる。第１ばねおよび第２ばねは、Ｎ＞１の場合も図１ｃと同様に、互いに絶縁されてもよい。

図４ａ〜図４ｂは、懸架ユニットが、２つの第１ばね４１１および４１２と、１つの第２ばね４２とを含み、第２ばね４２は、２つの第１ばね４１１と４１２との間に位置する別の実施形態を示す。この場合、周波数チューニング電圧Ｖ１２の印加により、図４ｂに示すように、第１ばね４１１および４１２の両方が第２ばね４２の方に曲がってもよい。あるいは、懸架ユニットは、１つのみの第１ばねと、１つのみの第２ばねとを含んでもよい。この代替方法は、面内振動については別個に示していない。周波数チューニング電圧が印加されると、第１ばねおよび第２ばねは、例えば、図１ｂのばね１１１および１２１と同様に曲がる。上に示す各場合において、ばね同士は、図１ｃと同様に、互いに分離されてもよい。

図１ａ〜図１ｃ、図３および図４ａ〜図４ｂに示す実施形態はすべて、駆動変換器が、マス要素をデバイス面内で並進振動させるように構成される場合に実施することができる。この面内振動モードの例を図５に示すが、マス要素５３は、その休止位置対称軸Ａからそれるように動き、第１ばね５１１〜５１２および第２ばね５２１〜５２２は、細長い文字Ｓの形に曲がった。あるいは、第１ばねおよび第２ばねは、湾曲のサインが変わらないように、それらの全長にわたって同じ方向に曲がってもよい。

言いかえれば、部分可動マス要素は、デバイス面内に休止位置を有してもよく、少なくとも１つの駆動変換器は、部分可動マス要素をデバイス面内で並進共振振動させるように構成されてもよい。

第１ばねおよび第２ばねは、それらを適切に寸法付けることによって、面内振動を可能にするように構成することができる。例えば、先の図すべてにおいて、第１ばねおよび第２ばねはｘ方向に狭いことから、曲げが容易となる。第１ばねおよび第２ばねは、この場合、マス要素の重量を支持するために、ｚ方向に比較的厚くてもよい。

図６は、対称軸Ａを中心として回転することによってデバイス面外で回転振動するマス要素６３を示す。マス要素は、１つの第１ばね６１および１つの第２ばね６２によってアンカ点６４から懸架される。第１ばね６１および第２ばね６２は、ｘ方向の幅が狭いために、マス要素６３または駆動アクチュエータ（図示せず）のどちらかからばねに伝達される力によって、それらの縦軸に巻き付けることができる。両方の図に示す振動振幅は、微小電気機械システムの他の寸法と比較して過度に大きい。

言いかえれば、部分可動マス要素は、デバイス面内に休止位置を有してもよく、少なくとも１つの駆動変換器は、部分可動マス要素をデバイス面外で回転共振振動させるように構成されてもよい。

１つの第１ばねおよび１つの第２ばねを備えた懸架ユニットは、ｘ方向に第１ばねおよび第２ばねを互いに十分近くに配置することによって、図６に示す回転振動に対して可撓性を有するようにすることができる。デバイス面内の２つを超える平行ばねを備えた懸架ユニットはまた、中心軸Ａと、列の端にあるばねとの距離が増加するにつれて懸架ユニットが徐々にねじれに対してより剛性を有するようになっても、面外回転に対していくらかの可撓性を示し得る。

最初に説明した動作原理は、これらの場合のすべてに当てはまる。周波数チューニング電圧は、静電ばね定数と、そのばね定数の張力依存変化との両方を引き起こし得る。これらのうちのどちらか一方が、ばねおよびマス要素の寸法、ならびに、周波数チューニング電圧の大きさに応じて支配的であってもよい。その結果、周波数チューニングによって、共振周波数が減少または増加してもよい。

図７は、デバイス面外の振動を受けるように構成されるマス要素を示す。このモードでは、マス要素７３は、振動サイクルにおいてｘｙ平面外に出る。懸架ユニットは、１つの第１ばね７１および１つの第２ばね７２を含む。図の上部は、周波数チューニング電圧が印加されない場合のばねの位置を示し、図の下部は、周波数チューニング電圧が印加された場合の状況を示す。効果および動作原理は、上で説明したものと同じである。

第１ばねおよび第２ばねに周波数チューニング電圧を印加しても、マス要素はそれほど動かない。マス要素１３は、図５では、駆動変換器（図示せず）の作用により、ほぼｘ軸に沿って面内振動を受け、図６では、ｙ軸を中心として回転し、図７では、ほぼｚ軸に沿って動く。各場合において、周波数チューニング電圧によって、駆動変換器と同じ方向には力が生成されない。周波数チューニング電圧は、振動システムのばね定数を変更するのみである。

ｙ方向に沿った小さな動きは、図５および図７に示すばね曲げから生じ得るが、これは、典型的には、駆動変換器によって駆動される振動に対していかなる効果もない。言いかえれば、周波数チューニング電圧によって、本開示に示すマス要素１３または他の実施形態で述べるマス要素において、いかなる動きも作動しない。

面外振動を可能にするように構成された懸架ユニットはまた、複数の第１ばねおよび／または複数の第２ばねと共に構成することができ、これらのばねは、例えば、図１ａ〜図１ｂ、図３または図４ａ〜図４ｂに（水平に）示す方法で垂直に構成されてもよい。

ばねは、図８に示す方法で互いに分離されてもよい。図８では、第１ばね８１は、マス要素８３の絶縁領域８５およびアンカ点８４１／８４２の絶縁領域８６によって、第２ばね８２から電気的に分離されている。これらの絶縁領域によって、マス要素およびアンカ点は、それぞれ２つの電気的に分離された領域に分割される。あるいは、図１ｃに示す配列を使用して、第１ばね８１を第２ばね８２から電気的に分離することができるであろう。絶縁領域８６および８５は、例えば、デバイスウェハとしてダブル・シリコン・オン・インシュレータ・ウェハを使用することによって準備されてもよい。

第１電位は、アンカ点の領域８４１を介して第１ばね８１に接続されてもよく、一方、第２電位は、アンカ点の領域８４２を介して第２ばね８２に接続されてもよい。アンカ点の領域８４１および８４２は、絶縁領域８６によって互いに分離されてもよい。

駆動変換器が、マス要素をデバイス面外で並進振動させるように構成される場合、図７および図８に示す実施形態を実施することができる。図９には、この面外振動モードの例を示し、参照番号９１〜９４が、図７の参照番号７１〜７４および図８の８１〜８４１／８４２に対応する。マス要素９３は、その水平休止位置対称軸Ａから下方に動いた。

第１ばね９１および第２ばね９２は、それらを適切に寸法付けることによって、面内振動を可能にするように構成することができる。図７および図８では、第１ばねおよび第２ばねはｚ方向に薄いことから、面外曲げが容易となる。第１ばねおよび第２ばねは、この場合、マス要素の重量を支持するために、ｚ方向に比較的広くてもよい。

言いかえれば、部分可動マス要素は、デバイス面内に休止位置を有してもよく、少なくとも１つの駆動変換器は、部分可動マス要素をデバイス面外で並進共振振動させるように構成されてもよい。

図１０は、対称軸Ａを中心として回転することによってデバイス面外で回転振動するマス要素１０３を示す。参照番号１０１〜１０４は、図９の参照番号９１〜９４に対応する。マス要素は、１つの第１ばね１０１および１つの第２ばね１０２によってアンカ点１０４から懸架される。第１ばね１０１および第２ばね１０２は、ｚ方向に薄いために、マス要素１０３または駆動アクチュエータ（図示せず）のどちらかからばねに伝達される力によって、それらの縦軸に巻き付けることができる。図９および図１０の両方に示す振動振幅は、微小電気機械システムの他の寸法と比較して過度に大きい。

微小機械システムは、面内振動の共振周波数をチューニングするために使用することができる１以上の懸架ユニットと、面外振動の共振周波数をチューニングするために使用することができる１以上の懸架ユニットとを備えてもよい。面内懸架ユニットおよび面外懸架ユニットは、同じマス要素に連結されてもよい。

Claims

固定支持部と、１以上の懸架ユニットによって前記固定支持部から懸架される少なくとも１つの部分可動マス要素と、前記部分可動マス要素を共振周波数で共振振動させるように構成される少なくとも１つの駆動変換器とを備え、各懸架ユニットは、前記固定支持部から前記部分可動マス要素まで延在する１以上の第１ばねを含む、微小電気機械システムであって、
各懸架ユニットはまた、１以上の第２ばねを含み、各第２ばねは、前記固定支持部から前記部分可動マス要素まで、１つの第１ばねに実質的に平行に、かつ隣接して延在し、
前記１以上の第１ばねは、前記１以上の第２ばねから電気的に絶縁され、前記微小電気機械システムはさらに、前記１以上の第１ばねと前記１以上の第２ばねとの間に周波数チューニング電圧を印加するように構成された電圧源を備える
微小電気機械システム。
各懸架ユニットは、１つの第１ばねおよび１つの第２ばねを含む
請求項１に記載の微小電気機械システム。
各懸架ユニットは、２つの第１ばねおよび１つの第２ばねを含み、前記第２ばねは、前記２つの第１ばねの間に位置する
請求項１に記載の微小電気機械システム。
各懸架ユニットは、２Ｎ個の第１ばねおよび２Ｎ個の第２ばねを備えたばね列を含み、ここで、Ｎは整数であり、２つの第１ばねまたは２つの第２ばねは、前記列の両端に位置し、他の第１ばねおよび第２ばねはすべて、隣接する第１ばねと隣接する第２ばねとの間に位置する
請求項１に記載の微小電気機械システム。
前記部分可動マス要素は、前記１以上の第１ばねおよび前記１以上の第２ばねが延在する面であるデバイス面に休止位置を有し、前記少なくとも１つの駆動変換器は、前記部分可動マス要素を前記デバイス面内で並進共振振動させるように構成される
請求項１〜４のいずれか１項に記載の微小電気機械システム。
前記部分可動マス要素は、前記１以上の第１ばねおよび前記１以上の第２ばねが延在する面であるデバイス面に休止位置を有し、前記少なくとも１つの駆動変換器は、前記部分可動マス要素を前記デバイス面外で並進共振振動させるように構成される
請求項１〜４のいずれか１項に記載の微小電気機械システム。
前記部分可動マス要素は、前記１以上の第１ばねおよび前記１以上の第２ばねが延在する面であるデバイス面に休止位置を有し、前記少なくとも１つの駆動変換器は、前記部分可動マス要素を前記デバイス面外で回転共振振動させるように構成される
請求項１〜４のいずれか１項に記載の微小電気機械システム。
固定支持部と、１以上の懸架ユニットによって前記固定支持部から懸架される少なくとも１つの部分可動マス要素と、前記部分可動マス要素を共振周波数で共振振動させるように構成される少なくとも１つの駆動変換器とを備え、各懸架ユニットは、前記固定支持部から前記部分可動マス要素まで延在する１以上の第１ばねを含む、微小電気機械システムであって、各懸架ユニットはまた、１以上の第２ばねを含み、各第２ばねは、前記固定支持部から前記部分可動マス要素まで、１つの第１ばねに実質的に平行に、かつ隣接して延在し、前記１以上の第１ばねは、前記１以上の第２ばねから電気的に絶縁され、前記微小電気機械システムはさらに、前記１以上の第１ばねと前記１以上の第２ばねとの間に周波数チューニング電圧を印加するように構成された電圧源を備える微小電気機械システムの共振周波数をチューニングするための方法であって、
前記微小電気機械システムから前記共振周波数を繰り返して読み出すステップと、前記共振周波数を所定の目標値と比較するステップと、前記共振周波数が前記所定の目標値と異なる場合、前記共振周波数が前記所定の目標値と等しくなる値に前記周波数チューニング電圧を調整するステップとを含む
方法。