JPWO2006013741A1 - 捩り共振器およびこれを用いたフィルタ - Google Patents
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Abstract
捩り共振器において、不要なたわみ振動を抑制し、共振特性の優れた共振器を提供する。 振動体は梁構造、または梁構造上にパドル状の突起構造を付加したものであり、電極と振動体間の電位差により生ずる静電力が、振動体の梁の軸を中心軸としたモーメントは加えるが、梁にたわみ振動を生ずる力は加えないようにする。その１つの方法として、振動体の捩り振動に伴い、振動体との距離が遠ざかる電極と、振動体との距離が近づく電極の電極対には、同一交流信号と、極性の異なる直流バイアス電圧が加えられる構成とすることで、捩り振動のみを励振することができる。
Description
本発明は、捩り共振器およびこれを用いたフィルタに係り、特に高密度に集積化された電気回路内において、捩り共振を用いて高性能のフィルタ回路を実現するものに関する。
従来の機械共振器について図１８を参照して説明する。図１８は非特許文献１に紹介されている「たわみ振動を用いた機械振動フィルタ」の構成を簡略化して示した図である。
このフィルタは、シリコン基板上に薄膜プロセスを用いてパターン形成を行うことで形成され、入力線路１０４と、出力線路１０５と、それぞれの線路に対して１ミクロン以下の空隙をもって配置された両持ち梁１０１、１０２と、その２つの梁を結合する結合梁１０３とで構成されている。入力線路１０４から入力した信号は、梁１０１と容量的に結合し、梁１０１に静電力を発生させる。信号の周波数が、梁１０１、１０２および結合梁１０３からなる弾性構造体の共振周波数近傍と一致したときのみ、機械振動が励振され、この機械振動をさらに出力線路１０５と梁１０２との間の静電容量の変化として検出することで、入力信号のフィルタリング出力を取り出すようにしたものである。
このフィルタは、シリコン基板上に薄膜プロセスを用いてパターン形成を行うことで形成され、入力線路１０４と、出力線路１０５と、それぞれの線路に対して１ミクロン以下の空隙をもって配置された両持ち梁１０１、１０２と、その２つの梁を結合する結合梁１０３とで構成されている。入力線路１０４から入力した信号は、梁１０１と容量的に結合し、梁１０１に静電力を発生させる。信号の周波数が、梁１０１、１０２および結合梁１０３からなる弾性構造体の共振周波数近傍と一致したときのみ、機械振動が励振され、この機械振動をさらに出力線路１０５と梁１０２との間の静電容量の変化として検出することで、入力信号のフィルタリング出力を取り出すようにしたものである。
矩形断面の両持ち梁の場合、弾性率Ｅ、密度ρ、厚みｈ、長さＬとすると、たわみ振動の共振周波数ｆは、次式となる。
材料をポリシリコンとするとＥ＝１６０ＧＰａ、ρ＝２．２×１０３ｋｇ／ｍ３、また寸法をＬ＝４０μｍ、ｈ＝１．５μｍとするとｆ＝８．２ＭＨｚとなり、約８ＭＨｚ帯のフィルタを構成することが可能である。コンデンサやコイルなどの受動回路で構成したフィルタに比べて、機械共振を用いることで、Ｑ値の高い急峻な周波数選択特性を得ることができる。
しかしながら、上記構成では、さらに高周波帯のフィルタを構成するには、以下のような制約がある。すなわち、（数１）から明らかなように、第１に材料を変更してＥ／ρを大きくすることが望ましいことがわかるが、Ｅを大きくすると、梁をたわませる力が同じであっても梁の変位量は小さくなってしまい、梁の変位を検知することが難しくなる。また、梁の曲がりやすさをあらわす指標を、両持ち梁の梁表面に静荷重を加えたときの梁中心部のたわみ量ｄと梁の長さＬの比ｄ／Ｌとすると、ｄ／Ｌは、次式の比例関係で表される。
これらから、ｄ／Ｌの値を保ちながら共振周波数を上げるには、少なくともＥは変更できず、密度ρの低い材料を求める必要があるが、ポリシリコンと同等のヤング率で密度が低い材料としてはＣＦＲＰ（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）等の複合材料を用いる必要がある。この場合、半導体プロセスで微小機械振動フィルタを構成することは難しくなる。
そこで、このような複合材料を用いない第２の方法としては、（数１）において梁の寸法を変更して、ｈ・Ｌ−２を大きくすることがある。しかし、梁の厚みｈを大きくすることと、梁の長さＬを小さくすることは、たわみやすさの指標である（数２）のｄ／Ｌを小さくしてしまい、梁のたわみを検出することが困難となる。
（数１）および（数２）について、ｌｏｇ（Ｌ）とｌｏｇ（ｈ）の関係を図１９に示すと、直線１９１は（数１）から求まる関係であり、直線１９２は（数２）から求まる関係である。この図１９において、現寸法Ａ点を起点に傾き「２」の直線より上の範囲（領域Ａ）のＬとｈを選ぶとｆは大きくなり、傾き「１」の直線より下の範囲（領域Ｂ）のＬとｈを選ぶとｄ／Ｌは大きくなる。従って、図中のハッチング部分（領域Ｃ）が梁のたわみ量も確保しつつ、共振周波数を上げることができるＬとｈの範囲である。
図１９より明らかなことは、機械振動フィルタの高周波化には、梁の長さＬおよび梁の厚みｈ双方の寸法の微小化が必要条件であり、Ｌおよびｈを同じスケーリングで小型化すること、すなわち傾き１の直線に乗りながらＬとｈを小さくすることは、図１９のハッチング部分の十分条件である。
このように、従来の機械共振器では機械振動体の寸法を小型化することで、共振周波数は高周波化される。しかし、概して寸法を小型化することで、たわみ振動の機械的Ｑ値が低下するという課題を有していた。この現象については例えば非特許文献２において、単結晶シリコン片持ち梁を用いて、梁の長さ、厚みおよびたわみ共振のＱ値の関係を測定した結果が示されている。この非特許文献２では、梁の長さを短く、かつ梁の厚さを薄くすることでＱ値は低下していることが示されている。従って、従来のたわみ振動を用いた共振器を小型化してフィルタに適用すると、望ましい周波数選択特性を得るために必要なＱ値が得られない場合も生じるという課題を有していた。
そこで、Ｑ値のすぐれた共振器として捩り振動子を利用した捩り共振器が考えられる。例えば図２１に示すように、この捩り共振器は、両持ち梁中央部にパドル２０２を有する振動子２０１を用いて、入力線路２０４とパドル２０２との間の静電力で振動子を励振し、出力線路２０５とパドル２０２間の静電容量の変化を電気信号に変換する。この捩り共振器においては、パドルと入力線路間電圧Ｖｉ、パドル２０２と出力線路２０５間電圧Ｖｏ各々の大きさや位相差によって励起されるモードが異なる。今、｜Ｖｉ｜＞｜Ｖｏ｜とし、Ｖｏによる静電力の梁の振動への関与が極めて少ないとすると、振動子にはたわみ振動と捩り振動が励起される。
このように、捩り振動子を利用した捩り共振器には捩り振動以外、すなわち捩り振動を励起する電極でたわみ振動も励起してしまうことになり、このような捩り共振器をフィルタに応用した場合は、通過帯域以外にも意図しない通過帯域を有することになる。
また、特定の振動モードを選択的に励起する方法として、特許文献１に記載された作動シグナリングがある。これは、複数個の腹を有する高次のたわみ振動に対する励振方法であり、交流信号ｖと１８０度位相の異なる−ｖの信号のうち、一方を腹に近づく電極に印加し、他方を腹と遠ざかる電極に印加する。交流信号ｖから交流信号−ｖを作製するには、ｖを分波して１８０度移相器に通すのが一般的である。
Ｆｒａｎｋ Ｄ．Ｂａｎｎｏｎ ＩＩＩ，Ｊｏｈｎ Ｒ．Ｃｌａｒｋ，ａｎｄ Ｃｌａｒｋ Ｔ．−Ｃ．Ｎｇｕｙｅｎ，″Ｈｉｇｈ−ＱＨＦ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｆｉｌｔｅｒｓ，″ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ＳｏｌｉｄＳｔａｔｅ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ，Ｖｏｌ．３５，Ｎｏ．４，ｐｐ．５１２−５２６，Ａｐｒｉｌ ２０００．
Ｋ．Ｙ．Ｙａｓｕｍｕｒａ ｅｔ ａｌ．，″Ｑｕａｌｉｔｙ Ｆａｃｔｏｒｓ ｉｎ Ｍｉｃｒｏｎ−ａｎｄ Ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ−ＴｈｉｃｋＣａｎｔｉｌｅｖｅｒｓ″，ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｖｏｌ．９，Ｎｏ．１，Ｍａｒｃｈ ２０００．
特表２００２−５３５８６５号公報（第２０−２１頁、図８）
しかしながら、特許文献１の方法では、移相器には通常、波長オーダの線路長が必要となるためフィルタの小型化の妨げとなる。また、１８０度の位相を精度良く作るための調整が必要となる。さらに目的とする周波数１点以外では目的とする移相量からのずれが生じるため、この交流信号を用いて適応的に共振周波数が可変な共振器を励振しようとすると、ある共振周波数ではｖと−ｖで励振できても、異なる共振周波数に切り替えた場合は、−ｖの信号を確保するのが困難となる。
本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、簡易な方法で捩り共振器の捩り振動以外の振動モードを極力抑制することができ、高周波での使用が可能な捩り共振器を提供することを目的とする。
特に、本発明は、適応的に共振周波数が切替可能な共振器に対しても、簡易な方法で捩り振動以外の振動モードを極力抑制できる共振器を提供することも目的とする。
本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、簡易な方法で捩り共振器の捩り振動以外の振動モードを極力抑制することができ、高周波での使用が可能な捩り共振器を提供することを目的とする。
特に、本発明は、適応的に共振周波数が切替可能な共振器に対しても、簡易な方法で捩り振動以外の振動モードを極力抑制できる共振器を提供することも目的とする。
前記課題を解決するため、本発明の捩り共振器は、振動体が梁構造、または梁構造上にパドル状の突起構造を付加したものであり、電極と振動体間の電位差により生ずる静電力が、振動体の梁の軸を中心軸としたモーメントを加えるもので、かつ梁にたわみを生ずる力を加えないものであることを特徴とする。
本構成によって、簡易な方法で捩り共振器の捩り振動以外の振動モードを極力抑制することが可能となる。
本構成によって、簡易な方法で捩り共振器の捩り振動以外の振動モードを極力抑制することが可能となる。
すなわち、本発明の捩り共振器は、機械的振動を行う振動体と、前記振動体に近接して位置する電極とを有し、前記振動体と前記電極との間の電圧変化を、前記振動体の振動に変換する電気機械変換機能を有する捩り共振器であり、前記振動体は梁構造体で構成されており、前記電極と前記振動体との間の電位差により生ずる静電力が、前記梁構造体の軸を中心軸としたモーメントを生起するように構成されるとともに、前記振動体の捩り振動に伴い、前記振動体との距離が遠ざかる電極と、振動体との距離が近づく電極との電極対には、同一交流信号と、極性の異なる直流バイアス電圧を印加するように構成された駆動手段を具備したことを特徴とする。
上記構成によれば、簡単な構成で捩り振動を生起することができ、望ましいＱ値をもつ共振特性を得ることができる。また、この構成によれば、簡単な構成で、捩り振動のみを生起することができる。
上記構成によれば、簡単な構成で捩り振動を生起することができ、望ましいＱ値をもつ共振特性を得ることができる。また、この構成によれば、簡単な構成で、捩り振動のみを生起することができる。
また、本発明の捩り共振器は、前記梁構造体が、軸対称となる位置に突出部を具備した梁を備えたものを含む。
この構成によれば、電極と梁構造体との間で静電力を生起しやすく、効率よく捩り振動を生起することができる。またこの梁は両持ち梁であれば、より安定であるが、片持ち梁であってもよい。
この構成によれば、電極と梁構造体との間で静電力を生起しやすく、効率よく捩り振動を生起することができる。またこの梁は両持ち梁であれば、より安定であるが、片持ち梁であってもよい。
また、本発明の捩り共振器は、前記梁構造体が、パドル状の突出部を具備したものを含む。
また、本発明の捩り共振器は、２対以上の電極対を有し、前記駆動手段は、前記電極対の少なくとも一部の電極に印加される直流バイアス電圧の極性を切り替えることで、捩り共振の低次モードと高次モードとを切り替えるようにしたものを含む。
また、本発明の捩り共振器は、前記電極が、前記振動体の捩り振動に伴い、前記振動体との距離が等しくなるように、前記振動体に対し捩れの方向に配置されて電極対を構成しており、前記駆動手段は、前記振動体の捩り振動に伴い、前記電極対には、同一交流信号と、同一の直流バイアス電圧を印加するように構成されたことを特徴とする。
この構成によれば、各電極に同一電圧を印加すればよいため、駆動手段を簡略化することができる。
この構成によれば、各電極に同一電圧を印加すればよいため、駆動手段を簡略化することができる。
また、本発明の捩り共振器は、異なる捩り共振周波数を有する前記複数の捩り共振器と、前記捩り共振器の少なくとも１つを選択するスイッチ素子とを備えたものを含む。
また、本発明の捩り共振器は、電気的に並列に配置された複数個捩り共振器を備えたものを含む。
また、本発明の捩り共振器は、前記捩り共振器が、雰囲気を真空に封止したケース内に収納されたものを含む。
また、本発明のフィルタは、上記捩り共振器を用いたものを含む。
また、本発明のフィルタは、上記捩り共振器を用いたものを含む。
本発明の捩り共振器の構成によれば、Ｑ値が高く、数百ＭＨｚ〜数ＧＨｚ帯で使用可能なフィルタを提供することができる。
１ 振動子
２ 基板
３ パドル
４ 電極
１１ 分配器
１２ａ、１２ｂ コンデンサ
１３ａ、１３ｂ インダクタンス
１４ 捩り共振器
１５ 電流−電圧変換回路
３１ 酸化シリコン層
３２ 単結晶シリコン層
Ｒ レジスト
１０１、１０２ 両持ち梁型振動子
１０３ 結合梁
１０４ 入力線路
１０５ 出力線路
１９１ 同一周波数を有する長さＬと厚さｈの関係を示す直線
１９２ 同じたわみやすさの指標を有する長さＬと厚さｈの関係を示す直線
２０１ 振動子
２０２ パドル
２０４ 入力線路
２０５ 出力線路
２ 基板
３ パドル
４ 電極
１１ 分配器
１２ａ、１２ｂ コンデンサ
１３ａ、１３ｂ インダクタンス
１４ 捩り共振器
１５ 電流−電圧変換回路
３１ 酸化シリコン層
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１０１、１０２ 両持ち梁型振動子
１０３ 結合梁
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１９１ 同一周波数を有する長さＬと厚さｈの関係を示す直線
１９２ 同じたわみやすさの指標を有する長さＬと厚さｈの関係を示す直線
２０１ 振動子
２０２ パドル
２０４ 入力線路
２０５ 出力線路
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）
図１は、本発明の実施の形態１における捩り共振器の斜視図である。本実施の形態１の捩り共振器は、軸対称位置にパドル状突起３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄを有する機械的振動を行う振動体１と、各パドル状突起３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄに近接して配置された電極４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄとを有し、各パドル状突起３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄとこれらにそれぞれ対応する電極４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄとの間の電圧変化を、前記振動体の振動に変換する電気機械変換機能を有する電気機械共振器であり、前記電極４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄと前記振動体との間の電位差により生ずる静電力が、前記振動体１の梁構造体の軸を中心軸としたモーメントを生起するように構成された駆動手段とを具備したことを特徴とする。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における捩り共振器の斜視図である。本実施の形態１の捩り共振器は、軸対称位置にパドル状突起３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄを有する機械的振動を行う振動体１と、各パドル状突起３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄに近接して配置された電極４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄとを有し、各パドル状突起３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄとこれらにそれぞれ対応する電極４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄとの間の電圧変化を、前記振動体の振動に変換する電気機械変換機能を有する電気機械共振器であり、前記電極４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄと前記振動体との間の電位差により生ずる静電力が、前記振動体１の梁構造体の軸を中心軸としたモーメントを生起するように構成された駆動手段とを具備したことを特徴とする。
ここで、振動体１は両端を固定された両持ち梁である。振動体１には、４つのパドル３ａ〜３ｄが配置されている。各パドル３に対向して基板２上には電極４ａ〜４ｄがギャップｇを介して配置されている。梁の材料はヤング率約１６０ＧＰａの単結晶シリコンであり、長さＬは１．０μｍ、厚さｔは１００ｎｍ、幅Ｗは１００ｎｍ、パドル長Ｌｐは１００ｎｍとした。
振動体１は電気的に接地されており、駆動手段１０は、電極４ａ乃至４ｄへの通電を以下のように制御している。すなわち電極４ａと４ｄにはバイアス電圧Ｖｐが印加されており、電極４ｂと４ｃにはバイアス電圧−Ｖｐが印加され、各電極４ａ〜４ｄには交流信号が印加された状態を形成している。交流電圧の電位のピークにおいては、パドル３ａと３ｄには最大の静電力が基板方向に向かって印加されている。また、そのときパドル３ｂと３ｃには、最小の静電力が基板方向に向かって印加されている。これは、動作点（交流電圧の電位が０のとき）からみると、パドル３ａと３ｄには基板方向へ向かう力が、パドル３ｂと３ｃには基板２の上方へ向かう力が作用していることと等価となる。この結果、振動体１は軸まわりのモーメントを受けることになり、ねじり振動が励起される。図１の状態で、振動体１への励振を行った時のパドル先端の変位量を、周波数軸上で示した結果が図２である。図３に示したような共振波形を有する１．８ＧＨｚの捩り２次共振に、スペクトルのピークを持つ共振器が実現されている。ここで、共振波形とは、「振動子の軸がねじれている形」を意味し、軸がねじれることによってパドルは変位するが、パドル自身の変形するものではない。」
なお、図４に示すように、対角線上にある電極４ａと４ｄのみに、バイアス電圧Ｖｐと交流信号を印加したときの変位量のスペクトルは図５のようになり、１．８ＧＨｚのねじり２次共振以外にも０．７０ＧＨｚのたわみ１次共振（基板垂直方向）、２．９ＧＨｚのたわみ３次共振（基板垂直方向）も励起されてしまい、本捩り共振器をフィルタ回路に適用する場合には、目的以外の周波数帯域にも通過域を持ってしまうことになり好ましくない。
さらに、図６に示すたように、１つの電極４ａのみに、バイアス電圧Ｖｐと交流信号を印加したときの変位量のスペクトルは図７となり、さらに１．２ＧＨｚのねじり共振１次と１．５ＧＨｚのたわみ２次共振（基板垂直方向）も励起されてしまう。
以上、図２を図５、７と比較して明らかなように、図１の構成による各パドル３ａ乃至３ｄに対応する電極４ａ乃至４ｄにそれぞれ電力供給し、互いにねじれ方向の力を各パドルに生起する静電力を印加するようにした励振により、最も優れたフィルタ特性を提供できるものであることがわかる。
なお、図１の励振に用いる駆動手段１０を構成する駆動回路は例えば図８のように、交流信号を分配する分配器１１と、分配器１１の出力を、コンデンサ１２ａ、１２ｂで直流カットしたあとに、インダクタンス１３ａ、１３ｂを介して一方をバイアス電圧Ｖｐでプルアップしたもの、もう一方をバイアス電圧−Ｖｐでプルアップしたものを、それぞれ図１の捩り共振器の電極４ａ、４ｄと、４ｂ、４ｃに供給することで実現できる。
電気的に位相を変える一般的な移相器は、波長オーダの線路長が必要となり共振器の励振回路の小型化に難があり、また正確に１８０度の移相調整が必要となるが、本実施例のように極性の異なるバイアス電圧とインダクタで同一交流信号をプルアップすることで、位相が正確に１８０度異なる梁への励振力を得ることができる。
電気的に位相を変える一般的な移相器は、波長オーダの線路長が必要となり共振器の励振回路の小型化に難があり、また正確に１８０度の移相調整が必要となるが、本実施例のように極性の異なるバイアス電圧とインダクタで同一交流信号をプルアップすることで、位相が正確に１８０度異なる梁への励振力を得ることができる。
また、図１の捩り共振器は、振動体１の共振点付近で電気的インピーダンスが最小になり、最も大きな電流が捩り共振器に流れ込む。例えば図９に示したように、バイアス電圧Ｖｐでプルアップした側の端子電極の一方である、例えば電極４ｄに電流−電圧変換回路１５を設け、この電流−電圧変換回路１５の出力を出力端子とすることで、入出力電圧端子を備えたフィルタを構成することができる。
なお、図９に示したフィルタの電流−電圧変換回路は、図１０のようなトランジスタ回路で構成できる。ここでは、極性の異なるバイアス電圧Ｖｐと−Ｖｐとが印加された２つの交流信号ラインに、それぞれ相補的なトランジスタ対を設けて、ベース共通型の増幅器を構成している。捩り共振器は、ベースと接地間に挿入した。各トランジスタのコレクタからは、位相の異なる２系統のフィルタ出力が得られる。
次に本発明の実施の形態１における捩り共振器の製造方法について説明する。図１１（ａ）乃至（ｃ）は、梁の一部分を拡大したものであり、その製造工程を示している。
この工程では、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いている。この場合、ＳＯＩ基板の上部の単結晶シリコン層が梁構造となる。
この図では、ベース層としてのシリコン基板を省略しているが、シリコン基板表面に酸化シリコン膜からなる酸化膜３１を介して、デバイス形成層としての所望のキャリア濃度の単結晶シリコン層３２を貼着したＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いる。
この工程では、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いている。この場合、ＳＯＩ基板の上部の単結晶シリコン層が梁構造となる。
この図では、ベース層としてのシリコン基板を省略しているが、シリコン基板表面に酸化シリコン膜からなる酸化膜３１を介して、デバイス形成層としての所望のキャリア濃度の単結晶シリコン層３２を貼着したＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いる。
まず単結晶シリコン層３２上にレジストを塗布してパターニングする（図１１（ａ））。このレジストをマスクとして、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いてシリコンを垂直方向に加工する（図１１（ｂ））。単結晶シリコン層３２の壁面には（１００）面が露出している。次にＫＯＨで単結晶シリコン層３２の異方性エッチングを行い、マスクのパターン幅よりも細いシリコンの構造体を形成する（図１１（ｃ））。
上記構成によれば、たわみ振動を含む共振器に比べて、Ｑ値が高い捩り共振器を提供することができる。
本発明者らは、たわみ振動と捩り振動のＱ値の差異を実証するために、厚さ約２μｍ、長さ約１０、２０、３０μｍのアルミニウムスパッタ薄膜を用いて構成された両持ち梁を励振し、Ｑ値の値を測定した。図２０の横軸は真空度、縦軸はＱ値である。長さ約３０μｍのたわみ共振３次、長さ約２０μｍのたわみ共振２次、長さ約１０μｍのたわみ共振１次のＱ値が２００〜４００であるのに対して、長さ２０μｍの捩り共振１次のＱ値は２０００であり、Ｑ値に関して、捩り振動は、たわみ振動に対して優位性を持つことを示している。
本発明者らは、たわみ振動と捩り振動のＱ値の差異を実証するために、厚さ約２μｍ、長さ約１０、２０、３０μｍのアルミニウムスパッタ薄膜を用いて構成された両持ち梁を励振し、Ｑ値の値を測定した。図２０の横軸は真空度、縦軸はＱ値である。長さ約３０μｍのたわみ共振３次、長さ約２０μｍのたわみ共振２次、長さ約１０μｍのたわみ共振１次のＱ値が２００〜４００であるのに対して、長さ２０μｍの捩り共振１次のＱ値は２０００であり、Ｑ値に関して、捩り振動は、たわみ振動に対して優位性を持つことを示している。
このように、共振器を小型化して共振の高周波化を図る上で、捩り振動を用いた共振器を用いることで、たわみ振動に比べてＱ値の高い共振器を構成することが可能と考えられる。
なお、非特許文献３においては、両持ち梁を静電力で励振し、同一共振器のたわみ共振と捩り共振を観察している。非特許文献３によれば、たわみ共振スペクトルと捩り共振スペクトルが示されており、たわみ共振ではスペクトルから非線形性が見られる。これは励振する静電力の大きさによって顕著であり、フィルタ回路に利用するには好ましくない特性である。しかし、捩り共振スペクトルからは非線形性は観察されず、フィルタ回路に捩り共振器を利用することにより良好な特性を得ることができることがわかる。
Ｓ．Ｅｖｏｙ ｅｔ ａｌ．，″Ｎａｎｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆｓｉｎｇｌｅ−ｃｒｙｓｔａｌ ｓｉｌｉｃｏｎ ｐａｄｄｌｅ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ″，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．８６，Ｎｏ．１１，１ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ １９９９，ｐｐ．６０７２−６０７７．
次に、シリコンの異方性エッチングを用いた別の方法として、非特許文献４に紹介されている量子細線の生成方法も利用できる。図１２はその基本的なプロセス図である。
まず、単結晶シリコン基板３０をベース層とし、酸化シリコン層３１を介してシリコン層３２貼着したＳＯＩ基板上に窒化シリコン膜３３を形成して、これをパターニングする（図１２（ａ））。このパターンのエッジがシリコン層３２の（１１０）に沿うように形成する。
まず、単結晶シリコン基板３０をベース層とし、酸化シリコン層３１を介してシリコン層３２貼着したＳＯＩ基板上に窒化シリコン膜３３を形成して、これをパターニングする（図１２（ａ））。このパターンのエッジがシリコン層３２の（１１０）に沿うように形成する。
次にＫＯＨを用いて、シリコン層３２の異方性エッチングを行う。（１１１）面のエッチング速度は他の面よりも極めて遅いため、結果として図１２（ｂ）に示すように、（１１１）面が露出するようにエッチングが進行する。
そして、上面を、この窒化シリコン膜３３で覆われた状態で酸化を行い、この（１１１）面を局所的に酸化シリコン膜３５で保護し、マスクとした窒化シリコン膜３３を再度パターニングする。
そして、再びＫＯＨを用いてシリコン層３２の異方性エッチングを行うことで、図１２（ｃ）に示すように、三角形断面のシリコン梁構造体を得ることができる。この構造体は、局所的なＳｉＯ２保護膜とＳＯＩ基板の中間層の酸化シリコン層３１とをフッ酸で除去することで、可動体となる。
最終的に捩り共振器の振動子は図１２（ｄ）に示すように、軸対称構造の振動子を構成するように形状加工がなされる。
Ｇ．Ｈａｓｈｉｇｕｃｈｉ ａｎｄ Ｈ．Ｍｉｍｕｒａ，"Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｉｒｅｓ Ｕｓｉｎｇ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｂｙ Ｉｍｐｌａｎｔｅｄ Ｏｘｙｇｅｎ Ｗａｆｅｒ"，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３３（１９９４），ｐｐ．Ｌ１６４９−１６５０．
これら図１１、１２のプロセスは、半導体プロセスにおけるパターニング幅の限界を越えた細さの構造物を形成できるので、数百ＭＨｚ〜数ＧＨｚの微細な共振器を作製するのに有用なプロセスである。
（実施の形態２）
次に本発明の実施の形態２について説明する。
図１３は、本発明の実施の形態２における捩り共振器を励振する回路のブロック図である。振動子および電極の配置は、実施の形態１で示した図１と同様であるが、入力信号は分配器１１で４つの信号に分配され、電極４ａ〜４ｄに加えられる、それぞれのバイアス電圧が−ＶｐからＶｐまで設定可能であることを特徴とする。電極４ａと４ｄにバイアス電圧Ｖｐを、電極４ｂと４ｃにバイアス電圧−Ｖｐを印加した時の振動子の振幅スペクトルは、図２に示したように、捩り２次共振のみを持つ。しかし、電極４ａと４ｃのバイアス電圧をＶｐに、４ｂ、４ｄのバイアス電圧を−Ｖｐに切り替えることで、振動子１の振幅スペクトルは、図１４に示すように、捩り１次共振のみを持つものに変更することができる。すなわち、バイアス電圧を切り替えることで、異なる捩り共振周波数を有する捩り共振器を形成することができる。
次に本発明の実施の形態２について説明する。
図１３は、本発明の実施の形態２における捩り共振器を励振する回路のブロック図である。振動子および電極の配置は、実施の形態１で示した図１と同様であるが、入力信号は分配器１１で４つの信号に分配され、電極４ａ〜４ｄに加えられる、それぞれのバイアス電圧が−ＶｐからＶｐまで設定可能であることを特徴とする。電極４ａと４ｄにバイアス電圧Ｖｐを、電極４ｂと４ｃにバイアス電圧−Ｖｐを印加した時の振動子の振幅スペクトルは、図２に示したように、捩り２次共振のみを持つ。しかし、電極４ａと４ｃのバイアス電圧をＶｐに、４ｂ、４ｄのバイアス電圧を−Ｖｐに切り替えることで、振動子１の振幅スペクトルは、図１４に示すように、捩り１次共振のみを持つものに変更することができる。すなわち、バイアス電圧を切り替えることで、異なる捩り共振周波数を有する捩り共振器を形成することができる。
図１５（ａ）は本実施の形態２のそれぞれ異なる捩り共振周波数を有する捩り共振器をＮ個並列に並べて、そのうちの１つをスイッチ素子３０にて選択するものとした構成である。バイアス電圧の切替えと、スイッチの選択により、２×Ｎ通りの異なる共振周波数を有する捩り共振器２４を構成することができる。ｉ番目の共振器の捩り共振周波数を、ｆｉ１、ｆｉ２の２通りに切り替えられるものとすると、スペクトルを図１５（ｂ）のように周波数軸上に等間隔に２Ｎ個並べることができ、周波数選択型のフィルタとして利用可能となる。
電気的に位相を変える一般的な移相器では、ある特定の周波数一点での移相量を設定できるが、その他の帯域では移相量が異なってくる。しかし、本実施例のように極性の異なるバイアス電圧とインダクタで同一交流信号をプルアップすることで、共振器の励振モードの高次と低次を適応的に切り替えても、切り替え可能な周波数帯域内でインダクタが十分高インピーダンスとみなすことができれば、位相が正確に１８０度異なる梁への励振力を得ることができる。
電気的に位相を変える一般的な移相器では、ある特定の周波数一点での移相量を設定できるが、その他の帯域では移相量が異なってくる。しかし、本実施例のように極性の異なるバイアス電圧とインダクタで同一交流信号をプルアップすることで、共振器の励振モードの高次と低次を適応的に切り替えても、切り替え可能な周波数帯域内でインダクタが十分高インピーダンスとみなすことができれば、位相が正確に１８０度異なる梁への励振力を得ることができる。
かかる構成によれば、電極と振動体間の電位差により生ずる静電力が、振動体の梁の軸を中心軸としたモーメントを加えるもので、かつ梁にたわみ振動を生ずる力を加えないので、簡易な方法で捩り共振器の捩り振動以外の振動モードを極力抑制することが可能となり、本捩り共振器を用いたＱ値の高い、数百ＭＨｚ〜数ＧＨｚ帯で使用可能なフィルタを提供することができる。
なお、本発明の実施の形態１、２において、バイアス電圧として正の電圧Ｖｐと負の電圧−Ｖｐの２系統を用いたが、０ＶとＶｐの２系統を用いても良い。このとき図１中の振動子１には、Ｖｐ／２のバイアス電位を加えておけばよい。
（実施の形態３）
次に本発明の実施の形態３について説明する。
前記実施の形態１乃至２では、各電極に印加する電圧の位相をずらすように分配器を用いて調整したが、本実施の形態では、図１６（ａ）および（ｂ）に示すように、各電極４ａ乃至４ｄに印加する直流バイアス電圧の大きさは同一とし、梁１に対して軸対称方向に電極を配置し、振動体である梁１の捩れ方向に静電力が印加されるように構成したことを特徴とするものである。すなわち、これら電極は、振動体である梁１の捩り振動に伴い、振動体との距離が等しくなるように、振動体に対し、捩れの方向に配置されて電極対を構成している。そして、駆動手段は、振動体の捩り振動に伴い、電極対には、同一交流信号と、同一の直流バイアス電圧を印加するように構成される。他は前記実施の形態１と同様である。なお、同一部位には同一符号を付した。
次に本発明の実施の形態３について説明する。
前記実施の形態１乃至２では、各電極に印加する電圧の位相をずらすように分配器を用いて調整したが、本実施の形態では、図１６（ａ）および（ｂ）に示すように、各電極４ａ乃至４ｄに印加する直流バイアス電圧の大きさは同一とし、梁１に対して軸対称方向に電極を配置し、振動体である梁１の捩れ方向に静電力が印加されるように構成したことを特徴とするものである。すなわち、これら電極は、振動体である梁１の捩り振動に伴い、振動体との距離が等しくなるように、振動体に対し、捩れの方向に配置されて電極対を構成している。そして、駆動手段は、振動体の捩り振動に伴い、電極対には、同一交流信号と、同一の直流バイアス電圧を印加するように構成される。他は前記実施の形態１と同様である。なお、同一部位には同一符号を付した。
また本実施の形態では梁１はパドル状ではなく、断面長方形の棒状体で構成した。図１６（ｂ）は、図１６（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
本実施の形態の共振器によれば、突出部がないため、振動子に付加される質量が低減され、共振周波数の高周波数化が可能となる。また同一位相交流信号と同一の直流バイアス電圧を各電極に印加すればよいため、駆動手段を構成する駆動回路が極めて簡略化される。
本実施の形態の共振器によれば、突出部がないため、振動子に付加される質量が低減され、共振周波数の高周波数化が可能となる。また同一位相交流信号と同一の直流バイアス電圧を各電極に印加すればよいため、駆動手段を構成する駆動回路が極めて簡略化される。
（実施の形態４）
次に本発明の実施の形態４について説明する。
前記実施の形態３では、梁１は棒状体としたが、本実施の形態では、図１７（ａ）に示すように、各電極４ａ乃至４ｄに対向する部分に、切り欠き１Ｓを形成したものである。本実施の形態においても実施の形態３と同様に、印加する交流信号の位相および直流バイアス電圧の大きさは同一とし、梁１に対して軸対称方向に電極を配置し、梁の捩れ方向に静電力が印加されるように構成すればよい。他は前記実施の形態１と同様である。なお、同一部位には同一符号を付した。
形状加工は若干複雑となるが、ＭＥＭＳ技術を用いて容易に形成可能である。
また図１７（ｂ）に変形例を示すように電極４ａ乃至４ｄと振動体とは相対向していればよい。
次に本発明の実施の形態４について説明する。
前記実施の形態３では、梁１は棒状体としたが、本実施の形態では、図１７（ａ）に示すように、各電極４ａ乃至４ｄに対向する部分に、切り欠き１Ｓを形成したものである。本実施の形態においても実施の形態３と同様に、印加する交流信号の位相および直流バイアス電圧の大きさは同一とし、梁１に対して軸対称方向に電極を配置し、梁の捩れ方向に静電力が印加されるように構成すればよい。他は前記実施の形態１と同様である。なお、同一部位には同一符号を付した。
形状加工は若干複雑となるが、ＭＥＭＳ技術を用いて容易に形成可能である。
また図１７（ｂ）に変形例を示すように電極４ａ乃至４ｄと振動体とは相対向していればよい。
なお、本発明の実施の形態における共振器を真空封止することで、振動子の振動が空気の粘性の影響を受けない高いＱ値の共振器を得ることができる。
また、実施の形態では両持ち梁を捩り振動子に用いているが、両持ち梁に限定するものではなく、片持ち梁を使用してもよい。
また、本発明の実施の形態で示した共振器は容量性の高インピーダンスを有するので、適宜複数個の共振器を電気的に並列接続し、インピーダンスを下げ、入力電気エネルギーを効率よく共振器に伝達させるように構成してもよい。
また、本発明の実施の形態で示した共振器は容量性の高インピーダンスを有するので、適宜複数個の共振器を電気的に並列接続し、インピーダンスを下げ、入力電気エネルギーを効率よく共振器に伝達させるように構成してもよい。
本発明にかかる捩り共振器は、半導体プロセスで作製可能な極めて微細な構造体が主に静電力で励振されるようにしたものであって、Ｑ値が高い捩り共振を利用し、かつ捩り以外のたわみ振動が励振されない共振周波数の単一性を実現するものであるため、携帯型無線端末に積載される高密度に集積化された高周波フィルタ回路等として有用である。また、音声帯域や超音波帯域におけるスペクトル解析や、機械共振による質量分析等の医療用や環境分野等の用途にも適用できる。
本発明は、捩り共振器およびこれを用いたフィルタに係り、特に高密度に集積化された電気回路内において、捩り共振を用いて高性能のフィルタ回路を実現するものに関する。
従来の機械共振器について図１８を参照して説明する。図１８は非特許文献１に紹介されている「たわみ振動を用いた機械振動フィルタ」の構成を簡略化して示した図である。
このフィルタは、シリコン基板上に薄膜プロセスを用いてパターン形成を行うことで形成され、入力線路１０４と、出力線路１０５と、それぞれの線路に対して１ミクロン以下の空隙をもって配置された両持ち梁１０１、１０２と、その２つの梁を結合する結合梁１０３とで構成されている。入力線路１０４から入力した信号は、梁１０１と容量的に結合し、梁１０１に静電力を発生させる。信号の周波数が、梁１０１、１０２および結合梁１０３からなる弾性構造体の共振周波数近傍と一致したときのみ、機械振動が励振され、この機械振動をさらに出力線路１０５と梁１０２との間の静電容量の変化として検出することで、入力信号のフィルタリング出力を取り出すようにしたものである。
このフィルタは、シリコン基板上に薄膜プロセスを用いてパターン形成を行うことで形成され、入力線路１０４と、出力線路１０５と、それぞれの線路に対して１ミクロン以下の空隙をもって配置された両持ち梁１０１、１０２と、その２つの梁を結合する結合梁１０３とで構成されている。入力線路１０４から入力した信号は、梁１０１と容量的に結合し、梁１０１に静電力を発生させる。信号の周波数が、梁１０１、１０２および結合梁１０３からなる弾性構造体の共振周波数近傍と一致したときのみ、機械振動が励振され、この機械振動をさらに出力線路１０５と梁１０２との間の静電容量の変化として検出することで、入力信号のフィルタリング出力を取り出すようにしたものである。
矩形断面の両持ち梁の場合、弾性率Ｅ、密度ρ、厚みｈ、長さＬとすると、たわみ振動の共振周波数ｆは、次式となる。
材料をポリシリコンとするとＥ＝１６０ＧＰａ、ρ＝２．２×１０3ｋｇ／ｍ3、また寸法をＬ＝４０μｍ、ｈ＝１．５μｍとするとｆ＝８．２ＭＨｚとなり、約８ＭＨｚ帯のフィルタを構成することが可能である。コンデンサやコイルなどの受動回路で構成したフィルタに比べて、機械共振を用いることで、Ｑ値の高い急峻な周波数選択特性を得ることができる。
しかしながら、上記構成では、さらに高周波帯のフィルタを構成するには、以下のような制約がある。すなわち、（数１）から明らかなように、第１に材料を変更してＥ／ρを大きくすることが望ましいことがわかるが、Ｅを大きくすると、梁をたわませる力が同じであっても梁の変位量は小さくなってしまい、梁の変位を検知することが難しくなる。また、梁の曲がりやすさをあらわす指標を、両持ち梁の梁表面に静荷重を加えたときの梁中心部のたわみ量ｄと梁の長さＬの比ｄ／Ｌとすると、ｄ／Ｌは、次式の比例関係で表される。
これらから、ｄ／Ｌの値を保ちながら共振周波数を上げるには、少なくともＥは変更できず、密度ρの低い材料を求める必要があるが、ポリシリコンと同等のヤング率で密度が低い材料としてはＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）等の複合材料を用いる必要がある。この場合、半導体プロセスで微小機械振動フィルタを構成することは難しくなる。
そこで、このような複合材料を用いない第２の方法としては、（数１）において梁の寸法を変更して、ｈ・Ｌ-2を大きくすることがある。しかし、梁の厚みｈを大きくすることと、梁の長さＬを小さくすることは、たわみやすさの指標である（数２）のｄ／Ｌを小さくしてしまい、梁のたわみを検出することが困難となる。
（数１）および（数２）について、ｌｏｇ（Ｌ）とｌｏｇ（ｈ）の関係を図１９に示すと、直線１９１は（数１）から求まる関係であり、直線１９２は（数２）から求まる関係である。この図１９において、現寸法Ａ点を起点に傾き「２」の直線より上の範囲（領域Ａ）のＬとｈを選ぶとｆは大きくなり、傾き「１」の直線より下の範囲（領域Ｂ）のＬとｈを選ぶとｄ／Ｌは大きくなる。従って、図中のハッチング部分（領域Ｃ）が梁のたわみ量も確保しつつ、共振周波数を上げることができるＬとｈの範囲である。
図１９より明らかなことは、機械振動フィルタの高周波化には、梁の長さＬおよび梁の厚みｈ双方の寸法の微小化が必要条件であり、Ｌおよびｈを同じスケーリングで小型化すること、すなわち傾き１の直線に乗りながらＬとｈを小さくすることは、図１９のハッチング部分の十分条件である。
このように、従来の機械共振器では機械振動体の寸法を小型化することで、共振周波数は高周波化される。しかし、概して寸法を小型化することで、たわみ振動の機械的Ｑ値が低下するという課題を有していた。この現象については例えば非特許文献２において、単結晶シリコン片持ち梁を用いて、梁の長さ、厚みおよびたわみ共振のＱ値の関係を測定した結果が示されている。この非特許文献２では、梁の長さを短く、かつ梁の厚さを薄くすることでＱ値は低下していることが示されている。従って、従来のたわみ振動を用いた共振器を小型化してフィルタに適用すると、望ましい周波数選択特性を得るために必要なＱ値が得られない場合も生じるという課題を有していた。
そこで、Ｑ値のすぐれた共振器として捩り振動子を利用した捩り共振器が考えられる。例えば図２１に示すように、この捩り共振器は、両持ち梁中央部にパドル２０２を有する振動子２０１を用いて、入力線路２０４とパドル２０２との間の静電力で振動子を励振し、出力線路２０５とパドル２０２間の静電容量の変化を電気信号に変換する。この捩り共振器においては、パドルと入力線路間電圧Ｖｉ、パドル２０２と出力線路２０５間電圧Ｖｏ各々の大きさや位相差によって励起されるモードが異なる。今、｜Ｖｉ｜＞｜Ｖｏ｜とし、Ｖｏによる静電力の梁の振動への関与が極めて少ないとすると、振動子にはたわみ振動と捩り振動が励起される。
このように、捩り振動子を利用した捩り共振器には捩り振動以外、すなわち捩り振動を励起する電極でたわみ振動も励起してしまうことになり、このような捩り共振器をフィルタに応用した場合は、通過帯域以外にも意図しない通過帯域を有することになる。
また、特定の振動モードを選択的に励起する方法として、特許文献１に記載された作動シグナリングがある。これは、複数個の腹を有する高次のたわみ振動に対する励振方法であり、交流信号ｖと１８０度位相の異なる−ｖの信号のうち、一方を腹に近づく電極に印加し、他方を腹と遠ざかる電極に印加する。交流信号ｖから交流信号−ｖを作製するには、ｖを分波して１８０度移相器に通すのが一般的である。
Frank D.Bannon III, John R.Clark, and Clark T.-C.Nguyen, "High-Q HF Microelectromechanical Filters," IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 35, No.4, pp.512-526, April 2000.
K. Y. Yasumura et al., "Quality Factors in Micron-and Submicron-Thick Cantilevers", IEEE Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 9, No.1, March 2000.
特表２００２−５３５８６５号公報（第２０−２１頁、図８）
しかしながら、特許文献１の方法では、移相器には通常、波長オーダの線路長が必要となるためフィルタの小型化の妨げとなる。また、１８０度の位相を精度良く作るための調整が必要となる。さらに目的とする周波数１点以外では目的とする移相量からのずれが生じるため、この交流信号を用いて適応的に共振周波数が可変な共振器を励振しようとすると、ある共振周波数ではｖと−ｖで励振できても、異なる共振周波数に切り替えた場合は、−ｖの信号を確保するのが困難となる。
本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、簡易な方法で捩り共振器の捩り振動以外の振動モードを極力抑制することができ、高周波での使用が可能な捩り共振器を提供することを目的とする。
特に、本発明は、適応的に共振周波数が切替可能な共振器に対しても、簡易な方法で捩り振動以外の振動モードを極力抑制できる共振器を提供することも目的とする。
本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、簡易な方法で捩り共振器の捩り振動以外の振動モードを極力抑制することができ、高周波での使用が可能な捩り共振器を提供することを目的とする。
特に、本発明は、適応的に共振周波数が切替可能な共振器に対しても、簡易な方法で捩り振動以外の振動モードを極力抑制できる共振器を提供することも目的とする。
前記課題を解決するため、本発明の捩り共振器は、振動体が梁構造、または梁構造上にパドル状の突起構造を付加したものであり、電極と振動体間の電位差により生ずる静電力が、振動体の梁の軸を中心軸としたモーメントを加えるもので、かつ梁にたわみを生ずる力を加えないものであることを特徴とする。
本構成によって、簡易な方法で捩り共振器の捩り振動以外の振動モードを極力抑制することが可能となる。
本構成によって、簡易な方法で捩り共振器の捩り振動以外の振動モードを極力抑制することが可能となる。
すなわち、本発明の捩り共振器は、機械的振動を行う振動体と、前記振動体に近接して位置する電極とを有し、前記振動体と前記電極との間の電圧変化を、前記振動体の振動に変換する電気機械変換機能を有する捩り共振器であり、前記振動体は梁構造体で構成されており、前記電極と前記振動体との間の電位差により生ずる静電力が、前記梁構造体の軸を中心軸としたモーメントを生起するように構成されるとともに、前記振動体の捩り振動に伴い、前記振動体との距離が遠ざかる電極と、振動体との距離が近づく電極との電極対には、同一交流信号と、極性の異なる直流バイアス電圧を印加するように構成された駆動手段を具備したことを特徴とする。
上記構成によれば、簡単な構成で捩り振動を生起することができ、望ましいＱ値をもつ共振特性を得ることができる。また、この構成によれば、簡単な構成で、捩り振動のみを生起することができる。
上記構成によれば、簡単な構成で捩り振動を生起することができ、望ましいＱ値をもつ共振特性を得ることができる。また、この構成によれば、簡単な構成で、捩り振動のみを生起することができる。
また、本発明の捩り共振器は、前記梁構造体が、軸対称となる位置に突出部を具備した梁を備えたものを含む。
この構成によれば、電極と梁構造体との間で静電力を生起しやすく、効率よく捩り振動を生起することができる。またこの梁は両持ち梁であれば、より安定であるが、片持ち梁であってもよい。
この構成によれば、電極と梁構造体との間で静電力を生起しやすく、効率よく捩り振動を生起することができる。またこの梁は両持ち梁であれば、より安定であるが、片持ち梁であってもよい。
また、本発明の捩り共振器は、前記梁構造体が、パドル状の突出部を具備したものを含む。
また、本発明の捩り共振器は、２対以上の電極対を有し、前記駆動手段は、前記電極対の少なくとも一部の電極に印加される直流バイアス電圧の極性を切り替えることで、捩り共振の低次モードと高次モードとを切り替えるようにしたものを含む。
また、本発明の捩り共振器は、前記電極が、前記振動体の捩り振動に伴い、前記振動体との距離が等しくなるように、前記振動体に対し捩れの方向に配置されて電極対を構成しており、前記駆動手段は、前記振動体の捩り振動に伴い、前記電極対には、同一交流信号と、同一の直流バイアス電圧を印加するように構成されたことを特徴とする。
この構成によれば、各電極に同一電圧を印加すればよいため、駆動手段を簡略化することができる。
この構成によれば、各電極に同一電圧を印加すればよいため、駆動手段を簡略化することができる。
また、本発明の捩り共振器は、異なる捩り共振周波数を有する前記複数の捩り共振器と、前記捩り共振器の少なくとも１つを選択するスイッチ素子とを備えたものを含む。
また、本発明の捩り共振器は、電気的に並列に配置された複数個捩り共振器を備えたものを含む。
また、本発明の捩り共振器は、前記捩り共振器が、雰囲気を真空に封止したケース内に収納されたものを含む。
また、本発明のフィルタは、上記捩り共振器を用いたものを含む。
また、本発明のフィルタは、上記捩り共振器を用いたものを含む。
本発明の捩り共振器の構成によれば、Ｑ値が高く、数百ＭＨｚ〜数ＧＨｚ帯で使用可能なフィルタを提供することができる。
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）
図１は、本発明の実施の形態１における捩り共振器の斜視図である。本実施の形態１の捩り共振器は、軸対称位置にパドル状突起３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄを有する機械的振動を行う振動体１と、各パドル状突起３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄに近接して配置された電極４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄとを有し、各パドル状突起３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄとこれらにそれぞれ対応する電極４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄとの間の電圧変化を、前記振動体の振動に変換する電気機械変換機能を有する電気機械共振器であり、前記電極４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄと前記振動体との間の電位差により生ずる静電力が、前記振動体１の梁構造体の軸を中心軸としたモーメントを生起するように構成された駆動手段とを具備したことを特徴とする。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における捩り共振器の斜視図である。本実施の形態１の捩り共振器は、軸対称位置にパドル状突起３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄを有する機械的振動を行う振動体１と、各パドル状突起３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄに近接して配置された電極４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄとを有し、各パドル状突起３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄとこれらにそれぞれ対応する電極４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄとの間の電圧変化を、前記振動体の振動に変換する電気機械変換機能を有する電気機械共振器であり、前記電極４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄと前記振動体との間の電位差により生ずる静電力が、前記振動体１の梁構造体の軸を中心軸としたモーメントを生起するように構成された駆動手段とを具備したことを特徴とする。
ここで、振動体１は両端を固定された両持ち梁である。振動体１には、４つのパドル３ａ〜３ｄが配置されている。各パドル３に対向して基板２上には電極４ａ〜４ｄがギャップｇを介して配置されている。梁の材料はヤング率約１６０ＧＰａの単結晶シリコンであり、長さＬは１．０μｍ、厚さｔは１００ｎｍ、幅Ｗは１００ｎｍ、パドル長Ｌｐは１００ｎｍとした。
振動体１は電気的に接地されており、駆動手段１０は、電極４ａ乃至４ｄへの通電を以下のように制御している。すなわち電極４ａと４ｄにはバイアス電圧Ｖｐが印加されており、電極４ｂと４ｃにはバイアス電圧−Ｖｐが印加され、各電極４ａ〜４ｄには交流信号が印加された状態を形成している。交流電圧の電位のピークにおいては、パドル３ａと３ｄには最大の静電力が基板方向に向かって印加されている。また、そのときパドル３ｂと３ｃには、最小の静電力が基板方向に向かって印加されている。これは、動作点（交流電圧の電位が０のとき）からみると、パドル３ａと３ｄには基板方向へ向かう力が、パドル３ｂと３ｃには基板２の上方へ向かう力が作用していることと等価となる。この結果、振動体１は軸まわりのモーメントを受けることになり、ねじり振動が励起される。図１の状態で、振動体１への励振を行った時のパドル先端の変位量を、周波数軸上で示した結果が図２である。図３に示したような共振波形を有する１．８ＧＨｚの捩り２次共振に、スペクトルのピークを持つ共振器が実現されている。ここで、共振波形とは、「振動子の軸がねじれている形」を意味し、軸がねじれることによってパドルは変位するが、パドル自身の変形するものではない。」
なお、図４に示すように、対角線上にある電極４ａと４ｄのみに、バイアス電圧Ｖｐと交流信号を印加したときの変位量のスペクトルは図５のようになり、１．８ＧＨｚのねじり２次共振以外にも０．７０ＧＨｚのたわみ１次共振（基板垂直方向）、２．９ＧＨｚのたわみ３次共振（基板垂直方向）も励起されてしまい、本捩り共振器をフィルタ回路に適用する場合には、目的以外の周波数帯域にも通過域を持ってしまうことになり好ましくない。
さらに、図６に示すたように、１つの電極４ａのみに、バイアス電圧Ｖｐと交流信号を印加したときの変位量のスペクトルは図７となり、さらに１．２ＧＨｚのねじり共振１次と１．５ＧＨｚのたわみ２次共振（基板垂直方向）も励起されてしまう。
以上、図２を図５、７と比較して明らかなように、図１の構成による各パドル３ａ乃至３ｄに対応する電極４ａ乃至４ｄにそれぞれ電力供給し、互いにねじれ方向の力を各パドルに生起する静電力を印加するようにした励振により、最も優れたフィルタ特性を提供できるものであることがわかる。
なお、図１の励振に用いる駆動手段１０を構成する駆動回路は例えば図８のように、交流信号を分配する分配器１１と、分配器１１の出力を、コンデンサ１２ａ、１２ｂで直流カットしたあとに、インダクタンス１３ａ、１３ｂを介して一方をバイアス電圧Ｖｐでプルアップしたもの、もう一方をバイアス電圧−Ｖｐでプルアップしたものを、それぞれ図１の捩り共振器の電極４ａ、４ｄと、４ｂ、４ｃに供給することで実現できる。
電気的に位相を変える一般的な移相器は、波長オーダの線路長が必要となり共振器の励振回路の小型化に難があり、また正確に１８０度の移相調整が必要となるが、本実施例のように極性の異なるバイアス電圧とインダクタで同一交流信号をプルアップすることで、位相が正確に１８０度異なる梁への励振力を得ることができる。
電気的に位相を変える一般的な移相器は、波長オーダの線路長が必要となり共振器の励振回路の小型化に難があり、また正確に１８０度の移相調整が必要となるが、本実施例のように極性の異なるバイアス電圧とインダクタで同一交流信号をプルアップすることで、位相が正確に１８０度異なる梁への励振力を得ることができる。
また、図１の捩り共振器は、振動体１の共振点付近で電気的インピーダンスが最小になり、最も大きな電流が捩り共振器に流れ込む。例えば図９に示したように、バイアス電圧Ｖｐでプルアップした側の端子電極の一方である、例えば電極４ｄに電流−電圧変換回路１５を設け、この電流−電圧変換回路１５の出力を出力端子とすることで、入出力電圧端子を備えたフィルタを構成することができる。
なお、図９に示したフィルタの電流−電圧変換回路は、図１０のようなトランジスタ回路で構成できる。ここでは、極性の異なるバイアス電圧Ｖｐと−Ｖｐとが印加された２つの交流信号ラインに、それぞれ相補的なトランジスタ対を設けて、ベース共通型の増幅器を構成している。捩り共振器は、ベースと接地間に挿入した。各トランジスタのコレクタからは、位相の異なる２系統のフィルタ出力が得られる。
次に本発明の実施の形態１における捩り共振器の製造方法について説明する。図１１（ａ）乃至（ｃ）は、梁の一部分を拡大したものであり、その製造工程を示している。
この工程では、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ ）基板を用いている。この場合、ＳＯＩ基板の上部の単結晶シリコン層が梁構造となる。
この図では、ベース層としてのシリコン基板を省略しているが、シリコン基板表面に酸化シリコン膜からなる酸化膜３１を介して、デバイス形成層としての所望のキャリア濃度の単結晶シリコン層３２を貼着したＳＯＩ(Silicon-On-Insulator)基板を用いる。
この工程では、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ ）基板を用いている。この場合、ＳＯＩ基板の上部の単結晶シリコン層が梁構造となる。
この図では、ベース層としてのシリコン基板を省略しているが、シリコン基板表面に酸化シリコン膜からなる酸化膜３１を介して、デバイス形成層としての所望のキャリア濃度の単結晶シリコン層３２を貼着したＳＯＩ(Silicon-On-Insulator)基板を用いる。
まず単結晶シリコン層３２上にレジストを塗布してパターニングする（図１１（ａ））。このレジストをマスクとして、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いてシリコンを垂直方向に加工する（図１１（ｂ））。単結晶シリコン層３２の壁面には（１００）面が露出している。次にＫＯＨで単結晶シリコン層３２の異方性エッチングを行い、マスクのパターン幅よりも細いシリコンの構造体を形成する（図１１（ｃ））。
上記構成によれば、たわみ振動を含む共振器に比べて、Ｑ値が高い捩り共振器を提供することができる。
本発明者らは、たわみ振動と捩り振動のＱ値の差異を実証するために、厚さ約２μｍ、長さ約１０、２０、３０μｍのアルミニウムスパッタ薄膜を用いて構成された両持ち梁を励振し、Ｑ値の値を測定した。図２０の横軸は真空度、縦軸はＱ値である。長さ約３０μｍのたわみ共振３次、長さ約２０μｍのたわみ共振２次、長さ約１０μｍのたわみ共振１次のＱ値が２００〜４００であるのに対して、長さ２０μｍの捩り共振１次のＱ値は２０００であり、Ｑ値に関して、捩り振動は、たわみ振動に対して優位性を持つことを示している。
本発明者らは、たわみ振動と捩り振動のＱ値の差異を実証するために、厚さ約２μｍ、長さ約１０、２０、３０μｍのアルミニウムスパッタ薄膜を用いて構成された両持ち梁を励振し、Ｑ値の値を測定した。図２０の横軸は真空度、縦軸はＱ値である。長さ約３０μｍのたわみ共振３次、長さ約２０μｍのたわみ共振２次、長さ約１０μｍのたわみ共振１次のＱ値が２００〜４００であるのに対して、長さ２０μｍの捩り共振１次のＱ値は２０００であり、Ｑ値に関して、捩り振動は、たわみ振動に対して優位性を持つことを示している。
このように、共振器を小型化して共振の高周波化を図る上で、捩り振動を用いた共振器を用いることで、たわみ振動に比べてＱ値の高い共振器を構成することが可能と考えられる。
なお、非特許文献３においては、両持ち梁を静電力で励振し、同一共振器のたわみ共振と捩り共振を観察している。非特許文献３によれば、たわみ共振スペクトルと捩り共振スペクトルが示されており、たわみ共振ではスペクトルから非線形性が見られる。これは励振する静電力の大きさによって顕著であり、フィルタ回路に利用するには好ましくない特性である。しかし、捩り共振スペクトルからは非線形性は観察されず、フィルタ回路に捩り共振器を利用することにより良好な特性を得ることができることがわかる。
S. Evoy et al., "Nanofabrication and electrostatic operation of single-crystal silicon paddle oscillators", Journal of Applied Physics, Vol. 86, No.11, 1 December 1999, pp.6072-6077.
次に、シリコンの異方性エッチングを用いた別の方法として、非特許文献４に紹介されている量子細線の生成方法も利用できる。図１２はその基本的なプロセス図である。
まず、単結晶シリコン基板３０をベース層とし、酸化シリコン層３１を介してシリコン層３２貼着したＳＯＩ基板上に窒化シリコン膜３３を形成して、これをパターニングする（図１２（ａ））。このパターンのエッジがシリコン層３２の（１１０）に沿うように形成する。
まず、単結晶シリコン基板３０をベース層とし、酸化シリコン層３１を介してシリコン層３２貼着したＳＯＩ基板上に窒化シリコン膜３３を形成して、これをパターニングする（図１２（ａ））。このパターンのエッジがシリコン層３２の（１１０）に沿うように形成する。
次にＫＯＨを用いて、シリコン層３２の異方性エッチングを行う。（１１１）面のエッチング速度は他の面よりも極めて遅いため、結果として図１２（ｂ）に示すように、（１１１）面が露出するようにエッチングが進行する。
そして、上面を、この窒化シリコン膜３３で覆われた状態で酸化を行い、この（１１１）面を局所的に酸化シリコン膜３５で保護し、マスクとした窒化シリコン膜３３を再度パターニングする。
そして、再びＫＯＨを用いてシリコン層３２の異方性エッチングを行うことで、図１２（ｃ）に示すように、三角形断面のシリコン梁構造体を得ることができる。この構造体は、局所的なＳｉＯ２保護膜とＳＯＩ基板の中間層の酸化シリコン層３１とをフッ酸で除去することで、可動体となる。
最終的に捩り共振器の振動子は図１２（ｄ）に示すように、軸対称構造の振動子を構成するように形状加工がなされる。
G. Hashiguchi and H. Mimura, "Fabrication of Silicon Quantum Wires Using Separation by Implanted Oxygen Wafer", Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 33(1994), pp. L1649-1650.
これら図１１、１２のプロセスは、半導体プロセスにおけるパターニング幅の限界を越えた細さの構造物を形成できるので、数百ＭＨｚ〜数ＧＨｚの微細な共振器を作製するのに有用なプロセスである。
（実施の形態２）
次に本発明の実施の形態２について説明する。
図１３は、本発明の実施の形態２における捩り共振器を励振する回路のブロック図である。振動子および電極の配置は、実施の形態１で示した図１と同様であるが、入力信号は分配器１１で４つの信号に分配され、電極４ａ〜４ｄに加えられる、それぞれのバイアス電圧が−ＶｐからＶｐまで設定可能であることを特徴とする。電極４ａと４ｄにバイアス電圧Ｖｐを、電極４ｂと４ｃにバイアス電圧−Ｖｐを印加した時の振動子の振幅スペクトルは、図２に示したように、捩り２次共振のみを持つ。しかし、電極４ａと４ｃのバイアス電圧をＶｐに、４ｂ、４ｄのバイアス電圧を−Ｖｐに切り替えることで、振動子１の振幅スペクトルは、図１４に示すように、捩り１次共振のみを持つものに変更することができる。すなわち、バイアス電圧を切り替えることで、異なる捩り共振周波数を有する捩り共振器を形成することができる。
次に本発明の実施の形態２について説明する。
図１３は、本発明の実施の形態２における捩り共振器を励振する回路のブロック図である。振動子および電極の配置は、実施の形態１で示した図１と同様であるが、入力信号は分配器１１で４つの信号に分配され、電極４ａ〜４ｄに加えられる、それぞれのバイアス電圧が−ＶｐからＶｐまで設定可能であることを特徴とする。電極４ａと４ｄにバイアス電圧Ｖｐを、電極４ｂと４ｃにバイアス電圧−Ｖｐを印加した時の振動子の振幅スペクトルは、図２に示したように、捩り２次共振のみを持つ。しかし、電極４ａと４ｃのバイアス電圧をＶｐに、４ｂ、４ｄのバイアス電圧を−Ｖｐに切り替えることで、振動子１の振幅スペクトルは、図１４に示すように、捩り１次共振のみを持つものに変更することができる。すなわち、バイアス電圧を切り替えることで、異なる捩り共振周波数を有する捩り共振器を形成することができる。
図１５（ａ）は本実施の形態２のそれぞれ異なる捩り共振周波数を有する捩り共振器をＮ個並列に並べて、そのうちの１つをスイッチ素子３０にて選択するものとした構成である。バイアス電圧の切替えと、スイッチの選択により、２×Ｎ通りの異なる共振周波数を有する捩り共振器２４を構成することができる。ｉ番目の共振器の捩り共振周波数を、ｆｉ１、ｆｉ２の２通りに切り替えられるものとすると、スペクトルを図１５（ｂ）のように周波数軸上に等間隔に２Ｎ個並べることができ、周波数選択型のフィルタとして利用可能となる。
電気的に位相を変える一般的な移相器では、ある特定の周波数一点での移相量を設定できるが、その他の帯域では移相量が異なってくる。しかし、本実施例のように極性の異なるバイアス電圧とインダクタで同一交流信号をプルアップすることで、共振器の励振モードの高次と低次を適応的に切り替えても、切り替え可能な周波数帯域内でインダクタが十分高インピーダンスとみなすことができれば、位相が正確に１８０度異なる梁への励振力を得ることができる。
電気的に位相を変える一般的な移相器では、ある特定の周波数一点での移相量を設定できるが、その他の帯域では移相量が異なってくる。しかし、本実施例のように極性の異なるバイアス電圧とインダクタで同一交流信号をプルアップすることで、共振器の励振モードの高次と低次を適応的に切り替えても、切り替え可能な周波数帯域内でインダクタが十分高インピーダンスとみなすことができれば、位相が正確に１８０度異なる梁への励振力を得ることができる。
かかる構成によれば、電極と振動体間の電位差により生ずる静電力が、振動体の梁の軸を中心軸としたモーメントを加えるもので、かつ梁にたわみ振動を生ずる力を加えないので、簡易な方法で捩り共振器の捩り振動以外の振動モードを極力抑制することが可能となり、本捩り共振器を用いたＱ値の高い、数百ＭＨｚ〜数ＧＨｚ帯で使用可能なフィルタを提供することができる。
なお、本発明の実施の形態１、２において、バイアス電圧として正の電圧Ｖｐと負の電圧−Ｖｐの２系統を用いたが、０ＶとＶｐの２系統を用いても良い。このとき図１中の振動子１には、Ｖｐ／２のバイアス電位を加えておけばよい。
（実施の形態３）
次に本発明の実施の形態３について説明する。
前記実施の形態１乃至２では、各電極に印加する電圧の位相をずらすように分配器を用いて調整したが、本実施の形態では、図１６（ａ）および（ｂ）に示すように、各電極４ａ乃至４ｄに印加する直流バイアス電圧の大きさは同一とし、梁１に対して軸対称方向に電極を配置し、振動体である梁１の捩れ方向に静電力が印加されるように構成したことを特徴とするものである。すなわち、これら電極は、振動体である梁１の捩り振動に伴い、振動体との距離が等しくなるように、振動体に対し、捩れの方向に配置されて電極対を構成している。そして、駆動手段は、振動体の捩り振動に伴い、電極対には、同一交流信号と、同一の直流バイアス電圧を印加するように構成される。他は前記実施の形態１と同様である。なお、同一部位には同一符号を付した。
次に本発明の実施の形態３について説明する。
前記実施の形態１乃至２では、各電極に印加する電圧の位相をずらすように分配器を用いて調整したが、本実施の形態では、図１６（ａ）および（ｂ）に示すように、各電極４ａ乃至４ｄに印加する直流バイアス電圧の大きさは同一とし、梁１に対して軸対称方向に電極を配置し、振動体である梁１の捩れ方向に静電力が印加されるように構成したことを特徴とするものである。すなわち、これら電極は、振動体である梁１の捩り振動に伴い、振動体との距離が等しくなるように、振動体に対し、捩れの方向に配置されて電極対を構成している。そして、駆動手段は、振動体の捩り振動に伴い、電極対には、同一交流信号と、同一の直流バイアス電圧を印加するように構成される。他は前記実施の形態１と同様である。なお、同一部位には同一符号を付した。
また本実施の形態では梁１はパドル状ではなく、断面長方形の棒状体で構成した。図１６（ｂ）は、図１６（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
本実施の形態の共振器によれば、突出部がないため、振動子に付加される質量が低減され、共振周波数の高周波数化が可能となる。また同一位相交流信号と同一の直流バイアス電圧を各電極に印加すればよいため、駆動手段を構成する駆動回路が極めて簡略化される。
本実施の形態の共振器によれば、突出部がないため、振動子に付加される質量が低減され、共振周波数の高周波数化が可能となる。また同一位相交流信号と同一の直流バイアス電圧を各電極に印加すればよいため、駆動手段を構成する駆動回路が極めて簡略化される。
（実施の形態４）
次に本発明の実施の形態４について説明する。
前記実施の形態３では、梁１は棒状体としたが、本実施の形態では、図１７（ａ）に示すように、各電極４ａ乃至４ｄに対向する部分に、切り欠き１Ｓを形成したものである。本実施の形態においても実施の形態３と同様に、印加する交流信号の位相および直流バイアス電圧の大きさは同一とし、梁１に対して軸対称方向に電極を配置し、梁の捩れ方向に静電力が印加されるように構成すればよい。他は前記実施の形態１と同様である。なお、同一部位には同一符号を付した。
形状加工は若干複雑となるが、ＭＥＭＳ技術を用いて容易に形成可能である。
また図１７（ｂ）に変形例を示すように電極４ａ乃至４ｄと振動体とは相対向していればよい。
次に本発明の実施の形態４について説明する。
前記実施の形態３では、梁１は棒状体としたが、本実施の形態では、図１７（ａ）に示すように、各電極４ａ乃至４ｄに対向する部分に、切り欠き１Ｓを形成したものである。本実施の形態においても実施の形態３と同様に、印加する交流信号の位相および直流バイアス電圧の大きさは同一とし、梁１に対して軸対称方向に電極を配置し、梁の捩れ方向に静電力が印加されるように構成すればよい。他は前記実施の形態１と同様である。なお、同一部位には同一符号を付した。
形状加工は若干複雑となるが、ＭＥＭＳ技術を用いて容易に形成可能である。
また図１７（ｂ）に変形例を示すように電極４ａ乃至４ｄと振動体とは相対向していればよい。
なお、本発明の実施の形態における共振器を真空封止することで、振動子の振動が空気の粘性の影響を受けない高いＱ値の共振器を得ることができる。
また、実施の形態では両持ち梁を捩り振動子に用いているが、両持ち梁に限定するものではなく、片持ち梁を使用してもよい。
また、本発明の実施の形態で示した共振器は容量性の高インピーダンスを有するので、適宜複数個の共振器を電気的に並列接続し、インピーダンスを下げ、入力電気エネルギーを効率よく共振器に伝達させるように構成してもよい。
また、本発明の実施の形態で示した共振器は容量性の高インピーダンスを有するので、適宜複数個の共振器を電気的に並列接続し、インピーダンスを下げ、入力電気エネルギーを効率よく共振器に伝達させるように構成してもよい。
本発明にかかる捩り共振器は、半導体プロセスで作製可能な極めて微細な構造体が主に静電力で励振されるようにしたものであって、Ｑ値が高い捩り共振を利用し、かつ捩り以外のたわみ振動が励振されない共振周波数の単一性を実現するものであるため、携帯型無線端末に積載される高密度に集積化された高周波フィルタ回路等として有用である。また、音声帯域や超音波帯域におけるスペクトル解析や、機械共振による質量分析等の医療用や環境分野等の用途にも適用できる。
１ 振動子
２ 基板
３ パドル
４ 電極
１１ 分配器
１２ａ、１２ｂ コンデンサ
１３ａ、１３ｂ インダクタンス
１４ 捩り共振器
１５ 電流−電圧変換回路
３１ 酸化シリコン層
３２ 単結晶シリコン層
Ｒ レジスト
１０１、１０２ 両持ち梁型振動子
１０３ 結合梁
１０４ 入力線路
１０５ 出力線路
１９１ 同一周波数を有する長さＬと厚さｈの関係を示す直線
１９２ 同じたわみやすさの指標を有する長さＬと厚さｈの関係を示す直線
２０１ 振動子
２０２ パドル
２０４ 入力線路
２０５ 出力線路
２ 基板
３ パドル
４ 電極
１１ 分配器
１２ａ、１２ｂ コンデンサ
１３ａ、１３ｂ インダクタンス
１４ 捩り共振器
１５ 電流−電圧変換回路
３１ 酸化シリコン層
３２ 単結晶シリコン層
Ｒ レジスト
１０１、１０２ 両持ち梁型振動子
１０３ 結合梁
１０４ 入力線路
１０５ 出力線路
１９１ 同一周波数を有する長さＬと厚さｈの関係を示す直線
１９２ 同じたわみやすさの指標を有する長さＬと厚さｈの関係を示す直線
２０１ 振動子
２０２ パドル
２０４ 入力線路
２０５ 出力線路
Claims (9)
- 機械的振動を行う振動体と、前記振動体に近接して位置する電極とを有し、前記振動体と前記電極との間の電圧変化を、前記振動体の振動に変換する電気機械変換機能を有する捩り共振器であり、
前記振動体は梁構造体で構成されており、
前記電極と前記振動体との間の電位差により生ずる静電力が、前記梁構造体の軸を中心軸としたモーメントを生起するように構成され、
前記振動体の捩り振動に伴い、前記振動体との距離が遠ざかる電極と、振動体との距離が近づく電極との電極対には、同一交流信号で、極性の異なる直流バイアス電圧を印加するように構成された駆動手段を具備した捩り共振器。 - 請求項１に記載の捩り共振器であって、
前記梁構造体は、軸対称となる位置に突出部を具備した梁を備えた捩り共振器。 - 請求項１または２に記載の捩り共振器であって、
前記梁構造体は、パドル状の突出部を具備した捩り共振器。 - 請求項１乃至３のいずれかに記載の捩り共振器であって、
２対以上の電極対を有し、
前記駆動手段は、前記電極対の少なくとも一部の電極に印加される直流バイアス電圧の極性を切り替えることで、捩り共振の低次モードと高次モードとを切り替えるようにした捩り共振器。 - 請求項１乃至３のいずれかに記載の捩り共振器であって、
前記電極は、前記振動体の捩り振動に伴い、前記振動体との距離が等しくなるように、前記振動体に対し捩れの方向に配置されて電極対を構成した捩り共振器。 - 請求項１乃至５のいずれかに記載の捩り共振器であって、
異なる捩り共振周波数を有する前記複数の捩り共振器と、前記捩り共振器の少なくとも１つを選択するスイッチ素子とを備えた捩り共振器。 - 請求項１乃至６のいずれかに記載の捩り共振器であって、
電気的に並列に配置された複数個捩り共振器を備えた捩り共振器。 - 請求項１乃至７のいずれかに記載の捩り共振器であって、
前記捩り共振器が、雰囲気を真空に封止したケース内に収納された捩り共振器。 - 請求項１乃至８のいずれかに記載の捩り共振器を用いたフィルタ。
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