JPWO2007037150A1 - 共振器及びこれを用いたフィルタ - Google Patents
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Abstract
Description
この電気機械フィルタは、以下に示す原理を用いたものである。すなわち、まずRF信号が励振電極122に入力されると、振動子110と励振電極122のギャップG間に静電力が発生する。この時、振動子の自己共振周波数と、入力したRF信号の周波数とが一致した場合のみ、振動子110及びこの振動子110に連結部134を介して接続された振動子112は大きく振動する。振動子112が振動すれば振動子112と検出電極124間の容量が変化するため、電位(DC電圧)を印加しておけば、検出電極124から電流が出力される。このように、振動子の自己共振周波数とRF信号の周波数が一致したときのみ、RF信号が出力されるため、周波数選択性デバイスすなわちフィルタとして利用できるように構成される。
又、周波数依存する電気機械フィルタの電気的特性の劣化(Q値)が実用化に向けての大きな課題となっており、現在市販されている携帯電話・無線LAN等のデュアルモード無線機を始め、今後の対応システムとしてマルチバンド無線機などには、フィルタの小型化、高Q値が必須となる。
本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、小型で高集積化の可能な共振器を提供することを目的とする。また、本発明は、小型でかつ高Q値を有するフィルタを提供することを目的とする。
この構成により、振動子と支持部が1つで2つの役目を果たすため、小型化および高集積化が可能となる。また、第1および第2の振動子は相互に他方の支持部となるようにすれば、それぞれが1つ以上の役目を果たすため、さらなる小型化および高集積化が可能となる。
この構成により、第1の振動子の振動の節が、前記第1の振動子と前記第2の振動子との接続部に位置しているため、第1の振動子の共振振動時にも、第1の振動子の節は理想的には不動の状態であるため、第2の振動子が振動されることを防ぐことができ、支持基板への振動エネルギー散逸を低減することでQ値を改善する。
この構成により、より波長の大きい第1の振動子の振動時における節が第2の振動子との接続部を構成しているため、より小さく、外的要因で影響を受け易い第2の振動子への影響を低減することが可能となる。
この構成により、1つ以上の役目を果たすため、さらなる小型化および高集積化が可能となる上、一方が振動しているとき、他方がプルイン状態となるように構成されているため、当該振動子の振動に他の振動子の振動が影響を与えるのを防ぐことができる。
この構成により、電気的に絶縁された状態でプルイン状態となり、第1の振動子は第1の励振電極に固定され、第2の振動子の支持部として作用するため、第2の振動子を別途支持部を用いて固定したのと同様の状態を得ることができる。
この構成により、第2の振動子の振動の節が、前記第1の振動子と前記第2の振動子との接続部に位置しているため、第2の振動子の共振振動時にも、第1の振動子が理想的な固定電極に近い状態になるため、第2の振動子の振動に影響を与えるのを防ぐことができる。
この構成では、第2の振動子の両端が振動の節を有するため、前記第1の振動子の振動を防ぐことで前記第1の振動子が理想的な固定電極に近い状態となり、前記第2の振動子が両持ち梁で構成される他、支持基板への振動エネルギー散逸も同時に低減できるという効果がある。
フィルタの場合も前記共振器の場合と同様、振動子と支持部が1つで2つの役目を果たすため、小型化および高集積化が可能となる。また、第1および第2の振動子は相互に他方の支持部となるようにすれば、それぞれが1つ以上の役目を果たすため、さらなる小型化および高集積化が可能となる。
この構成により、連結部がそのまま振動子として作用するため、無駄のない構造となり、小型で信頼性の高い構造となる。
この構成により、台形断面構造が振動子の役目を果たす場合、前記振動子を基板から支持する支持部は三角断面構造であるため、支持部から散逸する振動エネルギーを低減することができ、高Q値を図ることができる。
この構成により、フィルタの連結部、支持部が共に振動子としても利用されるため、選択的に必要な励振、検出電極に信号が流れ、複数の周波数帯域を有するフィルタの実現が可能となり、小型化、および高集積化も可能となる。
16a、b 三角断面梁型の梁(支持部・振動子)
20、21 固定電極
22,26、30 励振電極
24,28、32 検出電極
40、42 台形断面梁型の梁(支持部、振動子)
44 三角断面梁型の梁(支持部、連結部、振動子)
46、50、56 励振電極
48、52 検出電極
60 固定電極
70 シリコン層
72 BOX層
74 シリコン(SOI)層
76 絶縁膜
78 (111)結晶面
80 犠牲層
82 電極材料
84 頂点
G1、G2、G3 ギャップ
(実施の形態1)
本発明の実施の形態1における電気機械共振器は、図1に斜視図を示すように、第1乃至第3の共振器C1〜C3からなる3つの共振器で構成されており、3つの共振器は、それぞれ入力Vin1乃至Vin3、出力Vout1乃至Vout3を有する。この構成では、第1の共振器C1の振動子(10)を両端から支持する支持部(16a、16b)がそれぞれ第2および第3の共振器C2、C3の振動子となっており、複数の周波数選択が可能でデュアルモードやマルチバンドシステムに適した電気機械共振器の小型化を実現するものである。すなわち、第1共振器C1の振動子は台形断面梁10、支持部は三角断面梁16a、16b、そして励振電極22、検出電極24、ギャップG1で構成される。又、第2共振器C2の振動子は三角断面梁16a、支持部は固定電極20と台形断面梁10、そして励振電極26、検出電極28、ギャップG2で構成される。最後に第3共振器C3の振動子は三角断面梁16b、支持部は固定電極21と台形断面梁10、励振電極30、検出電極32、ギャップG3で構成される。
まず第1共振器C1を動作させるために、固定電極20に電圧Vp1を印加し、振動子を構成する梁10に電圧を加え、一方、励振電極22にはAC電圧vin1が印加される。これによって、ギャップG1を挟んで励振電極22に対向する振動子(台形断面梁10)に静電力が働き、振動子を構成する台形断面梁10は、特定の振動モードをもって励振される。一方、検出電極24にはギャップG1を介して容量の変化が生じ、容量の変化により発生する電流iout1が検出電極24に出力される。又、同様に第2共振器C2、第3共振器C3にも、それぞれ励振電極22,励振電極30を介してDCバイアス電圧Vp2、DCバイアス電圧Vp3を印加し、三角断面梁16a、16bを共振させることにより、第2及び第3の共振器C2、C3を動作させ、検出電極28,32にギャップG2,G3の変動で生じる容量変化を出力電流iout2,iout3として出力させる。
本発明の製造方法では、図4(a)に示すように、シリコン基板70上に酸化シリコン膜72を介して、シリコン層74を貼着してなるSOI(silicon−on−insulator)基板を使用するが、シリコン層74は共振器の厚さを決定するとともに、BOX(buried oxide)層としての酸化シリコン膜72は、実施の形態1の犠牲層や絶縁体の役目を果たすため、フィルタ設計に応じて基板の厚さ及び、各層の厚さを決定する必要がある。
さらに、図4(d)に示すように、多結晶シリコン層などの電極材料82を堆積し、堆積した電極材料82をエッチバックして、三角断面梁や台形断面梁の頂点84を露出し、形成された電極26,28、30、32のパターニングを行う(図4(e))。
このようにして寸法精度の高い電気機械共振器を得る事が可能となる。
次に本発明の実施の形態2として、電気機械フィルタについて説明する。前記実施の形態1で説明した共振器を2つ連結部56で連結し電気機械フィルタを構成したものである。すなわち、本実施の形態のフィルタFは、第1の励振電極と、前記第1の励振電極によって機械的振動を行うように、連結された一対の第1の振動子と、第2の励振電極と、前記第2の励振電極によって機械的振動を行うように、連結された一対の第2の振動子と、第3の励振電極と、前記第3の励振電極によって機械的振動を行うように、連結された一対の第3の振動子とを具備したフィルタであって、前記第1の振動子を支持する支持部が、前記第2の振動子及び第3の振動子を構成している。
次に、本発明の実施の形態3としてねじり振動を行う電気機械共振器の斜視図を示す。この共振器は台形断面梁10の振動子と2つの三角断面梁16a、16bの支持部とを、ともに同様のねじり振動を行うようにしたものである。
本実施の形態においても、各共振器は、振動子がもつ固有振動数で動作するため、通常、ある入力信号がこの3つの共振器の励振電極に同時に入力される場合でも、入力信号の周波数と振動子の固有振動数が一致した共振器のみが動作するため、実施の形態3では3つの周波数選択効果を有する共振器が構成される。
本発明の実施の形態3によれば、台形断面梁10がVHF帯(47.6MHz)、三角断面梁16a、16bがUHF帯(1GHz)でそれぞれ共振するため、2つの支持部と1つの振動子を含む共振器の構造から2つの周波数バンド選択が可能なMEMS共振器が実現する。
この電気機械フィルタは、以下に示す原理を用いたものである。すなわち、まずRF信号が励振電極122に入力されると、振動子110と励振電極122のギャップG間に静電力が発生する。この時、振動子の自己共振周波数と、入力したRF信号の周波数とが一致した場合のみ、振動子110及びこの振動子110に連結部134を介して接続された振動子112は大きく振動する。振動子112が振動すれば振動子112と検出電極124間の容量が変化するため、電位(DC電圧)を印加しておけば、検出電極124から電流が出力される。このように、振動子の自己共振周波数とRF信号の周波数が一致したときのみ、RF信号が出力されるため、周波数選択性デバイスすなわちフィルタとして利用できるように構成される。
又、周波数依存する電気機械フィルタの電気的特性の劣化(Q値)が実用化に向けての大きな課題となっており、現在市販されている携帯電話・無線LAN等のデュアルモード無線機を始め、今後の対応システムとしてマルチバンド無線機などには、フィルタの小型化、高Q値が必須となる。
本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、小型で高集積化の可能な共振器を提供することを目的とする。また、本発明は、小型でかつ高Q値を有するフィルタを提供することを目的とする。
この構成により、振動子と支持部が1つで2つの役目を果たすため、小型化および高集積化が可能となる。また、第1および第2の振動子は相互に他方の支持部となるようにすれば、それぞれが1つ以上の役目を果たすため、さらなる小型化および高集積化が可能となる。
この構成により、第1の振動子の振動の節が、前記第1の振動子と前記第2の振動子との接続部に位置しているため、第1の振動子の共振振動時にも、第1の振動子の節は理想的には不動の状態であるため、第2の振動子が振動されることを防ぐことができ、支持基板への振動エネルギー散逸を低減することでQ値を改善する。
この構成により、より波長の大きい第1の振動子の振動時における節が第2の振動子との接続部を構成しているため、より小さく、外的要因で影響を受け易い第2の振動子への影響を低減することが可能となる。
この構成により、1つ以上の役目を果たすため、さらなる小型化および高集積化が可能となる上、一方が振動しているとき、他方がプルイン状態となるように構成されているため、当該振動子の振動に他の振動子の振動が影響を与えるのを防ぐことができる。
この構成により、電気的に絶縁された状態でプルイン状態となり、第1の振動子は第1の励振電極に固定され、第2の振動子の支持部として作用するため、第2の振動子を別途支持部を用いて固定したのと同様の状態を得ることができる。
この構成により、第2の振動子の振動の節が、前記第1の振動子と前記第2の振動子との接続部に位置しているため、第2の振動子の共振振動時にも、第1の振動子が理想的な固定電極に近い状態になるため、第2の振動子の振動に影響を与えるのを防ぐことができる。
この構成では、第2の振動子の両端が振動の節を有するため、前記第1の振動子の振動を防ぐことで前記第1の振動子が理想的な固定電極に近い状態となり、前記第2の振動子が両持ち梁で構成される他、支持基板への振動エネルギー散逸も同時に低減できるという効果がある。
フィルタの場合も前記共振器の場合と同様、振動子と支持部が1つで2つの役目を果たすため、小型化および高集積化が可能となる。また、第1および第2の振動子は相互に他方の支持部となるようにすれば、それぞれが1つ以上の役目を果たすため、さらなる小型化および高集積化が可能となる。
この構成により、連結部がそのまま振動子として作用するため、無駄のない構造となり、小型で信頼性の高い構造となる。
この構成により、台形断面構造が振動子の役目を果たす場合、前記振動子を基板から支持する支持部は三角断面構造であるため、支持部から散逸する振動エネルギーを低減することができ、高Q値を図ることができる。
この構成により、フィルタの連結部、支持部が共に振動子としても利用されるため、選択的に必要な励振、検出電極に信号が流れ、複数の周波数帯域を有するフィルタの実現が可能となり、小型化、および高集積化も可能となる。
(実施の形態1)
本発明の実施の形態1における電気機械共振器は、図1に斜視図を示すように、第1乃至第3の共振器C1〜C3からなる3つの共振器で構成されており、3つの共振器は、それぞれ入力Vin1乃至Vin3、出力Vout1乃至Vout3を有する。この構成では、第1の共振器C1の振動子(10)を両端から支持する支持部(16a、16b)がそれぞれ第2および第3の共振器C2、C3の振動子となっており、複数の周波数選択が可能でデュアルモードやマルチバンドシステムに適した電気機械共振器の小型化を実現するものである。すなわち、第1共振器C1の振動子は台形断面梁10、支持部は三角断面梁16a、16b、そして励振電極22、検出電極24、ギャップG1で構成される。又、第2共振器C2の振動子は三角断面梁16a、支持部は固定電極20と台形断面梁10、そして励振電極26、検出電極28、ギャップG2で構成される。最後に第3共振器C3の振動子は三角断面梁16b、支持部は固定電極21と台形断面梁10、励振電極30、検出電極32、ギャップG3で構成される。
まず第1共振器C1を動作させるために、固定電極20に電圧Vp1を印加し、振動子を構成する梁10に電圧を加え、一方、励振電極22にはAC電圧vin1が印加される。これによって、ギャップG1を挟んで励振電極22に対向する振動子(台形断面梁10)に静電力が働き、振動子を構成する台形断面梁10は、特定の振動モードをもって励振される。一方、検出電極24にはギャップG1を介して容量の変化が生じ、容量の変化により発生する電流iout1が検出電極24に出力される。又、同様に第2共振器C2、第3共振器C3にも、それぞれ励振電極22,励振電極30を介してDCバイアス電圧Vp2、DCバイアス電圧Vp3を印加し、三角断面梁16a、16bを共振させることにより、第2及び第3の共振器C2、C3を動作させ、検出電極28,32にギャップG2,G3の変動で生じる容量変化を出力電流iout2,iout3として出力させる。
本発明の製造方法では、図4(a)に示すように、シリコン基板70上に酸化シリコン膜72を介して、シリコン層74を貼着してなるSOI(silicon-on-insulator)基板を使用するが、シリコン層74は共振器の厚さを決定するとともに、BOX(buried oxide)層としての酸化シリコン膜72は、実施の形態1の犠牲層や絶縁体の役目を果たすため、フィルタ設計に応じて基板の厚さ及び、各層の厚さを決定する必要がある。
さらに、図4(d)に示すように、多結晶シリコン層などの電極材料82を堆積し、堆積した電極材料82をエッチバックして、三角断面梁や台形断面梁の頂点84を露出し、形成された電極26,28、30、32のパターニングを行う(図4(e))。
このようにして寸法精度の高い電気機械共振器を得る事が可能となる。
次に本発明の実施の形態2として、電気機械フィルタについて説明する。前記実施の形態1で説明した共振器を2つ連結部56で連結し電気機械フィルタを構成したものである。すなわち、本実施の形態のフィルタFは、第1の励振電極と、前記第1の励振電極によって機械的振動を行うように、連結された一対の第1の振動子と、第2の励振電極と、前記第2の励振電極によって機械的振動を行うように、連結された一対の第2の振動子と、第3の励振電極と、前記第3の励振電極によって機械的振動を行うように、連結された一対の第3の振動子とを具備したフィルタであって、前記第1の振動子を支持する支持部が、前記第2の振動子及び第3の振動子を構成している。
次に、本発明の実施の形態3としてねじり振動を行う電気機械共振器の斜視図を示す。この共振器は台形断面梁10の振動子と2つの三角断面梁16a、16bの支持部とを、ともに同様のねじり振動を行うようにしたものである。
本実施の形態においても、各共振器は、振動子がもつ固有振動数で動作するため、通常、ある入力信号がこの3つの共振器の励振電極に同時に入力される場合でも、入力信号の周波数と振動子の固有振動数が一致した共振器のみが動作するため、実施の形態3では3つの周波数選択効果を有する共振器が構成される。
本発明の実施の形態3によれば、台形断面梁10がVHF帯(47.6MHz)、三角断面梁16a、16bがUHF帯(1GHz)でそれぞれ共振するため、2つの支持部と1つの振動子を含む共振器の構造から2つの周波数バンド選択が可能なMEMS共振器が実現する。
16a、b 三角断面梁型の梁(支持部・振動子)
20、21 固定電極
22,26、30 励振電極
24,28、32 検出電極
40、42 台形断面梁型の梁(支持部、振動子)
44 三角断面梁型の梁(支持部、連結部、振動子)
46、50、56 励振電極
48、52 検出電極
60 固定電極
70 シリコン層
72 BOX層
74 シリコン(SOI)層
76 絶縁膜
78 (111)結晶面
80 犠牲層
82 電極材料
84 頂点
G1、G2、G3 ギャップ
Claims (21)
- 第1の励振電極と、前記第1の励振電極によって機械的振動を行う第1の振動子とを有した第1の共振器と、
第2の励振電極と、前記第2の励振電極によって機械的振動を行う第2の振動子とを有した第2の共振器とを具備した共振器であって、
前記第1の振動子を支持する支持部が、前記第2の振動子を構成する共振器。 - 請求項1に記載の共振器であって、
前記第1の振動子の振動の節が、前記第1の振動子と前記第2の振動子との接続部に位置する共振器。 - 請求項2に記載の共振器であって、
前記第1の振動子は、前記第2の振動子よりも共振周波数が低い共振器。 - 請求項1に記載の共振器であって、
前記第1および第2の振動子は、一方が振動しているとき、他方がプルイン状態となる共振器。 - 請求項1乃至4のいずれかに記載の共振器であって、
プルイン状態となるとき、前記第1の励振電極と前記第1の振動子とは、絶縁層を介して当接するように、前記第1の励振電極と接触する前記第1の振動子の面の少なくとも1部に絶縁層が設けられている共振器。 - 請求項1乃至5のいずれかに記載の共振器であって、
前記第2の振動子の振動の節が、前記第2の振動子と前記第1の振動子との接続部に位置する共振器。 - 請求項6に記載の共振器であって、
前記第2の振動子の振動はねじり振動である共振器。 - 請求項1乃至7のいずれかに記載の共振器であって、
さらに、第3の励振電極と、前記第3の励振電極によって機械的振動を行う第3の振動子とを有した第3の共振器を有し、
前記第2の振動子の他端で、前記第1の振動子を支持する支持部が、前記第3の振動子を構成する共振器。 - 請求項1乃至8のいずれかに記載の共振器であって、
さらに、前記第1乃至第3の振動子の少なくとも1つの振動を検出する検出電極を有する共振器。 - 請求項9に記載の共振器であって、
第1乃至第3の共振器は、それぞれ前記第1乃至第3の振動子の振動を検出する第1乃至第3の検出電極を有する共振器。 - 第1の励振電極と、前記第1の励振電極によって機械的振動を行うように、連結された一対の第1の振動子と、
第2の励振電極と、前記第2の励振電極によって機械的振動を行うように、連結された一対の第2の振動子とを具備したフィルタであって、
前記第1の振動子を支持する支持部が、前記第2の振動子を構成するフィルタ。 - 請求項11に記載のフィルタであって、
前記第1の振動子の振動の節が、前記第1の振動子と前記第2の振動子との接続部に位置するフィルタ。 - 請求項12に記載のフィルタであって、
前記第1の振動子は、前記第2の振動子よりも共振周波数が低いフィルタ。 - 請求項11に記載のフィルタであって、
前記第1および第2の振動子は、一方が振動しているとき、他方がプルイン状態となるフィルタ。 - 請求項11乃至14のいずれかに記載のフィルタであって、
プルイン状態となるとき、前記第1の励振電極と前記第1の振動子とは、絶縁層を介して当接するように、前記第1の励振電極と接触する前記第1の振動子の面の少なくとも1部に絶縁層が設けられている共振器。 - 請求項11乃至15のいずれかに記載のフィルタであって、
前記第2の振動子の振動の節が、前記第2の振動子と前記第1の振動子との接続部に位置するフィルタ。 - 請求項16に記載のフィルタであって、
前記第2の振動子の振動はねじれ振動であるフィルタ。 - 請求項11乃至17のいずれかに記載のフィルタであって、
さらに、第3の励振電極と、前記第3の励振電極によって機械的振動を行う第3の振動子とを有した第3のフィルタを有し、
前記第2の振動子の他端で、前記第1の振動子を支持する支持部が、前記第3の振動子を構成するフィルタ。 - 請求項11乃至18のいずれかに記載のフィルタであって、
前記第1乃至第3の振動子のうちの少なくとも一対の振動子は、連結部を介して連結されており、
前記連結部が、振動子を構成したフィルタ。 - 請求項11乃至19のいずれかに記載のフィルタであって、
さらに、第1乃至第3のフィルタの少なくともひとつは、前記第1乃至第3の振動子の少なくともひとつに対して所定の間隔を隔てて配設され、当該振動子のひとつの振動を検出する検出電極を有するフィルタ。 - 請求項20に記載のフィルタであって、
第1乃至第3の共振器は、それぞれ前記第1乃至第3の振動子の振動を検出する第1乃至第3の検出電極を有するフィルタ。
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