WO2006013741A1 - 捩り共振器およびこれを用いたフィルタ - Google Patents

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torsional resonator
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Hideki Kawakatsu
Kunihiko Nakamura
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Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
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Definitions

  • the present invention relates to a torsional resonator and a filter using the torsional resonator, and more particularly, to a high-performance filter circuit using torsional resonance in an electric circuit integrated with high density.
  • FIG. 18 is a diagram simply showing the configuration of the “mechanical vibration filter using flexural vibration” introduced in Non-Patent Document 1.
  • This filter is formed by patterning on a silicon substrate using a thin film process, and the input line 104, the output line 105, and a doubly supported beam arranged with a gap of 1 micron or less for each line. 101 and 102, and a connecting beam 103 connecting the two beams.
  • the signal input from the input line 104 is capacitively coupled to the beam 101 and generates an electrostatic force in the beam 101. Only when the frequency of the signal coincides with the vicinity of the resonance frequency of the elastic structure composed of the beams 101 and 102 and the coupling beam 103, mechanical vibration is excited, and this mechanical vibration is further increased between the output line 105 and the beam 102. By detecting this as a change in capacitance, the filtered output of the input signal is extracted.
  • the resonance frequency f of the flexural vibration is expressed by the following equation.
  • Non-Patent Document 2 shows the result of measuring the relationship between the length, thickness of the beam, and the Q value of the flexural resonance using a single crystal silicon cantilever. This non-patent document 2 shows that the Q value is lowered by shortening the length of the beam and reducing the thickness of the beam. Therefore, if a conventional resonator using flexural vibration is reduced in size and applied to a filter, the Q value necessary to obtain a desired frequency selection characteristic cannot be obtained, and there may be cases where this occurs.
  • a torsional resonator using a torsional vibrator can be considered as a resonator having an excellent Q value.
  • this torsional resonator uses a vibrator 201 having a paddle 202 at the center of both ends of the beam and excites the vibrator with an electrostatic force between the input line 204 and the paddle 202. Then, the capacitance change between the output line 205 and the paddle 202 is converted into an electric signal.
  • the voltage Vi between the paddle and the input line, and the voltage V between the paddle 202 and the output line 205 are shown. Different modes are excited depending on the size and phase difference. Assuming that I Vi I> I Vo I and assuming that the electrostatic force does not significantly affect the vibration of the beam, flexural and torsional vibrations are excited in the vibrator.
  • a torsional resonator using a torsional vibrator other than torsional vibration, that is, flexural vibration is excited by an electrode that excites torsional vibration.
  • Such a torsional resonator is filtered. In the case of application to, it has an unintended pass band other than the pass band.
  • Non-Patent Document 1 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, N o.4, pp.512-526, April 2000.
  • Non-Patent Document 2 K. Y. Yasumura et al., "Quality Factors in Micron- and Submicron- ThickCantilevers", IEEE Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 9, No.l, March 2000.
  • Patent Document 1 JP-T 2002-535865 (Pages 20-21, Fig. 8)
  • the phase shifter normally requires a line length in the wavelength order, which hinders the downsizing of the filter. Also, it is necessary to make adjustments to make the 180 degree phase accurately. Furthermore, since the shift of the target phase shift force occurs at a frequency other than the target frequency, if an AC signal is used to excite a resonator whose resonance frequency is adaptively variable, V and V at a certain resonance frequency. Even if excitation is possible, it is difficult to secure a ⁇ V signal when switching to a different resonance frequency.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a torsional resonator that can suppress vibration modes other than the torsional vibration of the torsional resonator as much as possible by a simple method and can be used at a high frequency. For the purpose.
  • the present invention solves the problem of providing a resonator capable of suppressing vibration modes other than torsional vibration as much as possible by a simple method even for a resonator whose resonance frequency can be switched adaptively.
  • the torsional resonator according to the present invention is such that the vibrating body has a beam structure or a paddle-like protrusion structure added to the beam structure.
  • the electrostatic force generated is characterized in that it adds a moment with the beam axis of the vibrating body as the central axis, and does not generate a force that causes deflection of the beam.
  • vibration modes other than torsional vibration of the torsional resonator can be suppressed as much as possible with a simple method. It becomes possible to control.
  • the torsional resonator of the present invention includes a vibrating body that performs mechanical vibration and an electrode that is positioned in proximity to the vibrating body, and a voltage change between the vibrating body and the electrode.
  • a torsional resonator having an electromechanical conversion function for converting the vibration into vibration of the vibration body, the vibration body being formed of a beam structure, and an electrostatic force generated by a potential difference between the electrode and the vibration body is generated. And configured to generate a moment with the axis of the beam structure as a central axis, and the torsional vibration of the vibrating body, the distance between the electrode that moves away from the vibrating body and the vibrating body approaches.
  • the electrode pair with the electrode is provided with driving means configured to apply the same AC signal and DC bias voltages having different polarities. According to the above configuration, torsional vibration can be generated with a simple configuration, and a resonance characteristic having a desirable Q value can be obtained. Further, according to this configuration, only torsional vibration can be generated with a simple configuration.
  • the torsional resonator of the present invention includes the torsional resonator in which the beam structure includes a beam provided with a protruding portion at a position which is axially symmetric.
  • an electrostatic force can be generated between the electrode and the beam structure, and torsional vibration can be generated immediately and efficiently.
  • this beam is more stable if it is a double-sided beam, but it can also be a cantilever beam.
  • the beam structure includes a paddle-shaped protrusion.
  • the torsional resonator of the present invention has two or more electrode pairs, and the driving means switches the polarity of the DC bias voltage applied to at least some of the electrodes of the electrode pair. In this case, the low-order mode and the high-order mode of torsional resonance are switched.
  • the electrode is arranged in a twisting direction with respect to the vibrating body so that the distance from the vibrating body becomes equal with torsional vibration of the vibrating body.
  • An electrode pair is configured, and the driving means is configured to apply the same AC signal and the same DC bias voltage to the electrode pair in accordance with torsional vibration of the vibrating body.
  • the torsional resonator of the present invention includes the torsional resonator including the plurality of torsional resonators having different torsional resonance frequencies and a switch element for selecting at least one of the torsional resonators.
  • the torsional resonator of the present invention includes one provided with a plurality of torsional resonators arranged in parallel electrically.
  • the torsional resonator of the present invention includes the torsional resonator housed in a case whose atmosphere is sealed in a vacuum.
  • the filter of the present invention includes a filter using the torsional resonator.
  • the torsional resonator of the present invention it is possible to provide a filter that can be used in the several hundred MHz to several GHz band where the Q value is high.
  • FIG. 1 is a perspective view of a torsional resonator according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 Amplitude spectrum of torsional resonator in embodiment 1 of the present invention
  • FIG. 3 is a diagram showing a torsional secondary resonance waveform in the first embodiment of the present invention.
  • FIG.4 Perspective view of torsional resonator that also excites flexural vibration
  • FIG. 8 is a block diagram of a torsional resonator excitation circuit according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a block diagram showing a torsional resonator excitation circuit provided with an output voltage signal terminal in Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 10 is an explanatory diagram of a device for exciting a torsional resonator provided with an output voltage signal terminal in Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 11 is an explanatory diagram of a method for manufacturing the torsional resonator according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is an explanatory diagram showing a modification of the torsional resonator according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a block diagram of a torsional resonator excitation circuit according to the second embodiment of the present invention. 14] Amplitude spectrum diagram of the vibrator when only torsional primary vibration is excited in the second embodiment of the present invention
  • FIG. 16 A diagram showing a torsional resonator according to a third embodiment of the present invention, in which (a) is a perspective view and (b) is an eight-A cross-sectional view of (a).
  • FIG. 17 A diagram showing a torsional resonator according to a fourth embodiment of the present invention, where (a) is a cross-sectional view and (b) is a diagram showing a modification of (a).
  • ⁇ 19 Characteristic diagram showing the relationship between mechanical resonator dimensions and higher frequency in the conventional example.
  • ⁇ 20 Diagram showing experimental results comparing Q values of flexural vibration and torsional vibration.
  • FIG. 1 is a perspective view of a torsional resonator according to the first embodiment of the present invention.
  • the torsional resonator according to the first embodiment includes a vibrating body 1 that performs paddle-like protrusions 3a, 3b, 3c, and 3d at axially symmetric positions, and the paddle-like protrusions 3a, 3b, 3c, and 3d. Between the paddle-shaped projections 3a, 3b, 3c, 3d and the corresponding electrodes 4a, 4b, 4c, 4d, respectively.
  • An electromechanical resonator having an electromechanical conversion function for converting a change into vibration of the vibrating body, wherein an electrostatic force generated by a potential difference between the electrodes 4a, 4b, 4c, 4d and the vibrating body is Drive means configured to generate a moment centered on the axis of the beam structure of the vibrator 1.
  • the vibrating body 1 is a doubly supported beam having both ends fixed.
  • the vibrating body 1 four paddles 3a to 3d are arranged. Opposite each paddle 3, electrodes 4a to 4d are arranged on the substrate 2 via a gear g.
  • the material of the beam is single crystal silicon with a Young's modulus of about 160 GPa, the length L is 1. O ⁇ m, the thickness t is 100 nm, the width W is 100 nm, and the paddle length Lp is lOOnm.
  • the vibrating body 1 is electrically grounded, and the driving means 10 controls energization to the electrodes 4a to 4d as follows. That is, a bias voltage Vp is applied to the electrodes 4a and 4d, a bias voltage ⁇ Vp is applied to the electrodes 4b and 4c, and an AC signal is applied to each of the electrodes 4a to 4d. At the peak of the AC voltage potential, the maximum electrostatic force is applied to the paddles 3a and 3d in the direction of the substrate. And then paddle A minimum electrostatic force is applied to 3b and 3c toward the substrate.
  • the paddles 3a and 3d are subjected to a force directed toward the substrate, and the paddles 3b and 3c are subjected to a force directed upward from the substrate 2.
  • the vibrating body 1 receives a moment around the axis, and the torsional vibration is excited.
  • Fig. 2 shows the displacement of the paddle tip on the frequency axis when the vibration body 1 is excited in the state of Fig. 1.
  • a resonator with a spectral peak at the torsional secondary resonance of 8 GHz with the resonance waveform shown in Fig. 3 has been realized.
  • the resonance waveform means “a shape in which the axis of the vibrator is twisted and deformed”, and a force that displaces the paddle by twisting the shaft does not deform the paddle itself.
  • the spectrum of the displacement when the bias voltage Vp and the AC signal are applied to only the electrodes 4a and 4d on the diagonal line is as shown in Fig. 5 and is 1.8 GHz.
  • the 9 GHz deflection of the third-order resonance (vertical direction of the substrate) is also excited, and this torsional resonator is applied to the filter circuit In this case, it is not preferable because it has a pass band in a frequency band other than the intended one.
  • the drive circuit that constitutes the drive means 10 used for excitation in FIG. 1 includes, for example, as shown in FIG. 8, a distributor 11 that distributes an AC signal, and the output of the distributor 11 is converted to DC by capacitors 12a and 12b. After cutting, the one pulled up with bias voltage Vp via inductance 13a and 13b and the other pulled up with bias voltage Vp are the electrodes 4a and 4d of the torsional resonator shown in Fig. 1, respectively. This can be realized by supplying to 4b and 4c.
  • a general phase shifter that electrically changes the phase requires a line length in the order of wavelengths, and thus resonates. Although it is difficult to reduce the size of the excitation circuit of the transformer, and it is necessary to adjust the phase shift by 180 degrees accurately, it is possible to pull up the same AC signal with a bias voltage and inductor with different polarities as in this embodiment. The excitation force to the beam whose phase is exactly 180 degrees different can be obtained.
  • the torsional resonator shown in FIG. 1 has a minimum electrical impedance near the resonance point of the vibrator 1, and the largest current flows into the torsional resonator.
  • a current-voltage conversion circuit 15 is provided on one of the terminal electrodes on the side pulled up with the noise voltage Vp, for example, the electrode 4d, and the current-voltage conversion circuit 15 By using the output as an output terminal, a filter having input / output voltage terminals can be configured.
  • the current-voltage conversion circuit of the filter shown in FIG. 9 can be configured with a transistor circuit as shown in FIG.
  • a complementary base pair is provided on each of the two AC signal lines to which bias voltages Vp and 1 Vp of different polarities are applied to form a common base type amplifier.
  • the torsional resonator was inserted between the base and the ground. Two transistor outputs with different phases are obtained from the collector of each transistor.
  • Figures 11 (a) to 11 (c) are enlarged views of a part of the beam, showing the manufacturing process.
  • an SOI (Silicon on Insulator) substrate is used.
  • the single crystal silicon layer on the SOI substrate has a beam structure.
  • the force of omitting the silicon substrate as the base layer The single crystal silicon layer having a desired carrier concentration as the device forming layer is formed on the surface of the silicon substrate via the oxide film 31 made of an oxide silicon film An SOI (Silicon-On-Insulator) substrate with 32 attached is used.
  • SOI Silicon-On-Insulator
  • a resist is applied on the single crystal silicon layer 32 and patterned (FIG. 11 (a)).
  • silicon is processed vertically using RIE (reactive ion etching) (Fig. 11 (b)).
  • RIE reactive ion etching
  • the (100) plane is exposed on the wall surface of the single crystal silicon layer 32.
  • anisotropic etching of the single crystal silicon layer 32 is performed with KOH to form a silicon structure that is narrower than the mask pattern width (FIG. 11 (c)).
  • a Q-value was measured by exciting a doubly supported beam composed of an aluminum sputtered thin film of m, length of about 10, 20, 30 / zm.
  • the horizontal axis in Fig. 20 is the degree of vacuum, and the vertical axis is the Q value.
  • Deflection resonance third order of about 30 ⁇ m in length, flexural resonance of about 20 ⁇ m in length, second order flexure resonance of about 10 ⁇ m in length Resonance While the primary Q value is 200-400, Torsional resonance with a length of 20 ⁇ m
  • the first-order Q value is 2000, which indicates that the torsional vibration has an advantage over the flexural vibration.
  • a resonator having a higher Q value than that of flexural vibration can be configured by using a resonator using torsional vibration. Is considered possible.
  • Non-Patent Document 3 the doubly-supported beam is excited by electrostatic force, and the bending resonance and the torsional resonance of the same resonator are observed.
  • a flexural resonance spectrum and a torsional resonance spectrum are shown, and a spectral force nonlinearity is observed in the flexural resonance. This is conspicuous depending on the magnitude of the electrostatic force to be excited, and is an undesirable characteristic for use in a filter circuit. However, no nonlinearity is observed from the torsional resonance spectrum, and it is clear that good characteristics can be obtained by using a torsional resonator in the filter circuit.
  • Non-patent literature 3 S. Evoy et al., Nanofaoncation and electrostatic operation ofsingle crystal silicon paddle oscillators ", Journal of Applied Physics, Vol. 86, No.ll, 1 Dece mber 1999, pp.6072- 6077.
  • FIG. 12 is a basic process diagram. First, a silicon nitride film 33 is formed on an SOI substrate having a single crystal silicon substrate 30 as a base layer and a silicon layer 32 bonded via an oxide silicon layer 31. Then put this together (Fig. 12 (a)). The edge of this pattern is formed along (110) of the silicon layer 32.
  • anisotropic etching of the silicon layer 32 is performed using KOH. Since the etching speed of the (111) plane is extremely slower than the other planes, the etching proceeds so that the (111) plane is exposed as a result, as shown in FIG. 12 (b). [0045] Then, the silicon nitride film having the upper surface covered with the silicon nitride film 33 is oxidized, and the (111) plane is locally protected with the silicon oxide film 35 to serve as a mask. Butter 33 again.
  • the vibrator of the torsional resonator is shaped so as to form an axially symmetric vibrator as shown in FIG. 12 (d).
  • Non-patent literature 4 G. Hashiguchi and H. Mimura, Fabrication of; silicon quantum Wires
  • FIGS. 11 and 12 can form a fine structure exceeding the limit of the pattern width in the semiconductor process, so that a fine resonator of several hundred MHz to several GHz is manufactured. This is a useful process.
  • FIG. 13 is a block diagram of a circuit for exciting the torsional resonator according to the second embodiment of the present invention.
  • the arrangement of the vibrator and the electrode is the same as in FIG. 1 shown in the first embodiment.
  • the force input signal is distributed to four signals by the distributor 11, and the bias voltages applied to the electrodes 4a to 4d are Vp force can be set up to Vp.
  • the amplitude spectrum of the vibrator when the bias voltage Vp is applied to the electrodes 4a and 4d and the bias voltage Vp is applied to the electrodes 4b and 4c has only torsional secondary resonance.
  • the amplitude spectrum of vibrator 1 shows only torsional primary resonance as shown in Fig. 14. It can be changed to one with That is, torsional resonators having different torsional resonance frequencies can be formed by switching the bias voltage.
  • FIG. 15 (a) shows a torsional resonator having different torsional resonance frequencies in the second embodiment. Are arranged in parallel, and one of them is selected by the switch element 30. By switching the bias voltage and selecting the switch, the torsional resonator 24 having 2 XN different resonance frequencies can be configured. Assuming that the torsional resonance frequency of the grid resonator can be switched between f and f, the spectrum is expressed as il i2 as shown in Fig. 15 (b).
  • 2N lines can be arranged at equal intervals on several axes, and can be used as a frequency selective filter.
  • the amount of phase shift at a specific frequency can be set, but the amount of phase shift differs in other bands.
  • switching can be performed even if the higher and lower orders of the excitation mode of the resonator are adaptively switched. If the inductor can be considered to have a sufficiently high impedance within the frequency band, it is possible to obtain excitation forces to beams that are exactly 180 degrees out of phase.
  • the electrostatic force generated by the potential difference between the electrode and the vibrating body adds a moment about the axis of the beam of the vibrating body as a central axis, and adds a force that causes a flexural vibration to the beam. Therefore, it is possible to suppress vibration modes other than torsional vibration of the torsional resonator as much as possible by a simple method, and it can be used in the hundreds of MHz to several GHz band with high Q value using this torsional resonator.
  • a simple filter can be provided.
  • Embodiments 1 and 2 of the present invention two systems of forces OV and Vp using two systems of positive voltage Vp and negative voltage Vp may be used as the noise voltage. At this time, the bias potential of VpZ2 should be applied to vibrator 1 in Fig. 1! /.
  • the force adjusted by using a distributor so as to shift the phase of the voltage applied to each electrode in this embodiment, as shown in FIGS.
  • the magnitude of the DC bias voltage applied to the electrodes 4a to 4d is the same, and the electrodes are arranged in the axially symmetric direction with respect to the beam 1 so that the electrostatic force is applied in the torsional direction of the beam 1, which is a vibrating body. It is characterized by the composition. In other words, these electrodes are arranged in the torsional direction with respect to the vibrating body so that the distance from the vibrating body becomes equal with the torsional vibration of the beam 1 as the vibrating body. Thus, an electrode pair is formed.
  • the driving means is configured to apply the same AC signal and the same DC bias voltage to the electrode pair in accordance with the torsional vibration of the vibrating body. Others are the same as in the first embodiment. In addition, the same code
  • the beam 1 is composed of a rod-shaped body having a rectangular cross section that is not paddle-shaped.
  • FIG. 16 (b) is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 16 (a).
  • the mass added to the vibrator is reduced, and a high resonance frequency can be achieved.
  • the drive circuit constituting the drive means is greatly simplified.
  • the beam 1 is a rod-like body, but in this embodiment, as shown in FIG. 17 (a), a notch 1S is formed in a portion facing each of the electrodes 4a to 4d. Is. Also in this embodiment, as in Embodiment 3, the phase of the AC signal to be applied and the magnitude of the direct current bias voltage are the same, electrodes are arranged in an axially symmetric direction with respect to Beam 1, and the torsional direction of the beam If it is configured so that an electrostatic force is applied to it. Others are the same as in the first embodiment. In addition, the same code
  • Shape processing is slightly complicated, but can be easily formed using MEMS technology. Further, as shown in FIG. 17 (b), the electrodes 4a to 4d and the vibrating body only need to face each other.
  • the cantilever is used for the torsional vibrator.
  • the cantilever may be used instead of the cantilever.
  • the resonator shown in the embodiment of the present invention has a capacitive high impedance, a plurality of resonators are appropriately electrically connected in parallel, the impedance is lowered, and the input electric energy is efficiently resonated. May be configured to communicate to
  • the torsional resonator according to the present invention is such that an extremely fine structure that can be manufactured by a semiconductor process is excited mainly by an electrostatic force, uses a torsional resonance having a high Q value, and is twisted. Since it realizes unity of resonance frequency that is not excited by other flexural vibrations, it is useful as a high density integrated high frequency filter circuit mounted on a portable wireless terminal. It can also be applied to medical and environmental applications such as spectrum analysis in the voice band and ultrasonic band, and mass analysis by mechanical resonance.

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

捩り共振器およびこれを用いたフィルタ
技術分野
[0001] 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。
背景技術
[0002] 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!ヽる「たわみ振動を用いた機械振動フィルタ」の構成を簡略ィ匕して示した図 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 10 3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。
[0003] 矩形断面の両持ち梁の場合、弾性率 E、密度 p、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。
Figure imgf000003_0001
材料をポリシリコンとすると E= 160GPa、 p = 2. 2 X 103kgZm3、また寸法を L=4 O ^ m, h= l. 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!、急峻な周波数選択特性を得ることができる。
[0005] し力しながら、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)力も明らかなように、第 1に材料を変更して EZ 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つてしま 、、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 dZLとすると、 dZLは、次式の比例関係 で表される。
[数 2] d ϋ 1
― OC
L h3 Ε
[0006] これらから、 dZL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 Pの低い材料を求める必要がある力 ポリシリコンと同等のヤング率で密 度が低!、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。
[0007] 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 dZL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。
[0008] (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)力も求まる関係であり、直線 192は (数 2)力 求まる関係である。この図 19 にお 、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 dZL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。 [0009] 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のハツ チング部分の十分条件である。
[0010] 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 、う課題を有して 、た。この現象にっ 、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、梁の長さを短ぐ 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 、場合も生じると ヽぅ課題を有して ヽた
[0011] 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 V。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、 I Vi I > I Vo I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。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 非特許文献 1： 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, N o.4, pp.512- 526, April 2000.
非特許文献 2 : K. Y. Yasumura et al., "Quality Factors in Micron- and Submicron- Th ickCantilevers", IEEE Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 9,No.l, Mar ch 2000.
特許文献 1：特表 2002— 535865号公報（第 20— 21頁、図 8)
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0015] し力しながら、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力 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 励振しょうとすると、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 課題を解決するための手段
[0016] 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カ卩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。
[0017] 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 ィァ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。
[0018] 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ぐ効率よく捩り 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。
[0019] 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。
[0020] 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。
[0021] 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。
[0022] 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つを選択するスィッチ素子とを備えたものを含む
[0023] 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。
[0024] 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。
発明の効果
[0025] 本発明の捩り共振器の構成によれば、 Q値が高ぐ数百 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。
図面の簡単な説明
[0026] [図 1]本発明の実施の形態 1における捩り共振器の斜視図
[図 2]本発明の実施の形態 1における捩り共振器の振幅スペクトル
[図 3]本発明の実施の形態 1における捩り 2次共振波形を示す図
[図 4]たわみ振動も励起する捩り共振器の斜視図
[図 5]図 4の構成における捩り共振器の振幅スペクトル
[図 6]たわみ振動も励起する捩り共振器の斜視図
[図 7]図 6の構成における捩り共振器の振幅スペクトル
[図 8]本発明の実施の形態 1における捩り共振器励振回路のブロック図
[図 9]本発明の実施の形態 1において出力電圧信号端子を設けた捩り共振器励振回 路を示す図ブロック図
[図 10]本発明の実施の形態 1において出力電圧信号端子を設けた捩り共振器励振 回の装置説明図
[図 11]本発明の実施の形態 1における捩り共振器の製造方法の説明図
[図 12]本発明の実施の形態 1における捩り共振器の変形例を示す説明図
[図 13]本発明の実施の形態 2における捩り共振器励振回路のブロック図 圆 14]本発明の実施の形態 2において捩り 1次振動のみを励振させたときの振動子 の振幅スペクトル図
圆 15]本発明の実施の形態 2における捩り共振器を N個並列配置した構成図および 振幅スペクトル図
圆 16]本発明の実施の形態 3の捩り共振器を示す図であり、（a)は斜視図、（b)は (a )の八 A断面図
圆 17]本発明の実施の形態 4の捩り共振器を示す図であり、（a)は断面図、（b)は (a )の変形例を示す図
圆 18]従来の機械共振器を用いたフィルタを示す概略図
圆 19]従来例における、機械共振器の寸法と高周波化の関係を示す特性図 圆 20]たわみ振動と捩り振動の Q値を比較した実験結果を示す図
圆 21]たわみ振動と捩り振動の双方が励起される共振器を示す図
符号の説明
1 振動子
2 基板
3 パドル
4 電極
11 分配器
12aゝ 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 レジス卜
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
発明を実施するための最良の形態
[0028] 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、 4 b、 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 一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。
[0029] 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がギヤッ 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. O ^ m,厚さ tは 100nm、幅 Wは 100nm、パドル長 Lpは lOOnmとした
[0030] 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 、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力つて印加されている。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 (交流電圧の電位力^のとき）力もみると、パドル 3aと 3dには基板方向へ向力 力が、 パドル 3bと 3cには基板 2の上方へ向力 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 、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 る力 パドル自身の変形するものではない。」
[0031] 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
[0032] 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. 5 GHzのたわみ 2次共振 (基板垂直方向)も励起されてしまう。
[0033] 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。
[0034] 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でプルアツ 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ツ 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。
[0035] 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、ノ^ァ 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に電流ー電 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。
[0036] 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と一 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。
[0037] 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力 シリコン基板表面に 酸ィ匕シリコン膜からなる酸ィ匕膜 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。
[0038] 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ユングする（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 、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 、シリコンの構造体を形成する（図 11 (c) )。
[0039] 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 2 m、長さ約 10、 20、 30 /z mのアルミ-ゥ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 3 0 μ mのたわみ共振 3次、長さ約 20 μ mのたわみ共振 2次、長さ約 10 μ mのたわみ 共振 1次の Q値が 200〜400であるのに対して、長さ 20 μ m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。
[0040] 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。
[0041] 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力 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 がわカゝる。
[0042] 非特千文献 3 : S. Evoy et al., Nanofaoncation and electrostatic operation ofsingle- c rystal silicon paddle oscillators", Journal of Applied Physics, Vol. 86, No.l l, 1 Dece mber 1999, pp.6072- 6077.
[0043] 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、酸ィ匕シリコン層 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、これをパターユングする（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。
[0044] 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)面のエツチン 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。 [0045] 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ィ匕を行い、この（111) 面を局所的に酸ィ匕シリコン膜 35で保護し、マスクとした窒化シリコン膜 33を再度バタ 一二ングする。
[0046] 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 SiO保護膜と SOI基板の中間層の酸ィ匕シリコン層 31とをフッ酸で除去する
2
ことで、可動体となる。
[0047] 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。
[0048] 非特千文献 4 : 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.
[0049] 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-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。
[0050] (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と同様である力 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力も 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。し力し、電極 4aと 4cのバ ィァス電圧を 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。
[0051] 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つをスィッチ素子 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、スィッチの選択により、 2 X 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。潘目の共振器の捩り共振周波 数を、 f 、f 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 il i2
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 極性の異なるノ ィァ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 18 0度異なる梁への励振力を得ることができる。
[0052] 力かる構成によれば、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。
[0053] なお、本発明の実施の形態 1、 2において、ノィァス電圧として正の電圧 Vpと負の 電圧 Vpの 2系統を用いた力 OV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、 VpZ2のバイアス電位を加えておけばよ!/、。
[0054] (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力 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。
[0055] また本実施の形態では梁 1はパドル状ではなぐ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ィ匕が可能となる。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 が極めて簡略ィ匕される。
[0056] (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ょ ヽ。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。
[0057] 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 ヽ高 、Q値の共振器を得ることができる。
[0058] 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 るものではなぐ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 、。
産業上の利用可能性 本発明に力かる捩り共振器は、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。

Claims

請求の範囲
[1] 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。
[2] 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。
[3] 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。
[4] 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。
[5] 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。
[6] 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つを選択するスィッチ素子とを備えた捩り共振器。
[7] 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。
[8] 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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Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007312373A (ja) * 2006-04-20 2007-11-29 Matsushita Electric Ind Co Ltd 半導体装置の製造方法およびこれを用いた半導体装置
JP2008066800A (ja) * 2006-09-04 2008-03-21 Seiko Instruments Inc 発振器
JP2008099020A (ja) * 2006-10-12 2008-04-24 Sanyo Electric Co Ltd マイクロメカニカル共振器
WO2009104541A1 (ja) * 2008-02-21 2009-08-27 三洋電機株式会社 マイクロメカニカル共振器
WO2009110442A1 (ja) * 2008-03-04 2009-09-11 三洋電機株式会社 共振器および共振器アレイ
JP2010236960A (ja) * 2009-03-31 2010-10-21 Minoru Sasaki ねじり振動を利用した赤外線の検出方法とこれを実施したねじり振動を利用した赤外線センサ
WO2010147156A1 (ja) * 2009-06-17 2010-12-23 三洋電機株式会社 共振器およびその製造方法
US7990233B2 (en) * 2008-05-01 2011-08-02 Semiconductor Technology Academic Research Center MEMS resonator including main and sub movable beams, and exciting electrodes excited by alternating-current signal
US8026779B2 (en) * 2006-06-14 2011-09-27 Panasonic Corporation Vibrator, resonator using the same and electromechanical filter using the same
US20110249644A1 (en) * 2008-10-28 2011-10-13 Nokia Siemens Networks Oy Allocating resource units to a mobile station
US20110260810A1 (en) * 2008-07-29 2011-10-27 Quevy Emmanuel P Out-of-plane mems resonator with static out-of-plane deflection
US8368473B2 (en) 2009-06-09 2013-02-05 Panasonic Corporation Resonator and oscillator using same
JP5453705B2 (ja) * 2009-06-25 2014-03-26 学校法人立命館 共振器

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006125984A (ja) * 2004-10-28 2006-05-18 Japan Science & Technology Agency デイジー型カンチレバーホイールを有する計測装置
WO2007037150A1 (ja) * 2005-09-27 2007-04-05 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. 共振器及びこれを用いたフィルタ
US20070284680A1 (en) * 2006-04-20 2007-12-13 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Method for manufacturing semiconductor device and semiconductor device using the same
US8916407B1 (en) 2012-03-29 2014-12-23 Sitime Corporation MEMS device and method of manufacturing same
EP3202036B1 (en) * 2014-10-03 2020-05-27 Teknologian Tutkimuskeskus VTT OY Temperature compensated beam resonator
FR3030942A1 (fr) * 2014-12-22 2016-06-24 Commissariat Energie Atomique Oscillateur multi-mode permettant un suivi simultane des variations de plusieurs frequences de resonance d'un resonateur
WO2018182657A1 (en) * 2017-03-30 2018-10-04 Intel Corporation Compensation for temperature coefficient of resonant frequency using atomic layer deposition materials
JP2019215190A (ja) * 2018-06-11 2019-12-19 株式会社デンソー 静電アクチュエータおよび物理量センサ
CN111470467B (zh) * 2020-04-22 2022-08-05 西安交通大学 一种跷跷板结构的自主碰撞式谐振器
CN117856759A (zh) * 2024-03-07 2024-04-09 山东大学 实现悬臂梁微谐振器频率调谐和频谱展宽的方法和装置

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5451498A (en) 1977-09-13 1979-04-23 Western Electric Co Electromechanical resonator
JP2002535865A (ja) 1999-01-14 2002-10-22 ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ ミシガン 動作周波数を有するマイクロメカニカル共振器を含むデバイス及び動作周波数を拡張する方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3490056A (en) * 1967-05-16 1970-01-13 Gen Electric Electromechanical resonator for integrated circuits
US3634787A (en) * 1968-01-23 1972-01-11 Westinghouse Electric Corp Electromechanical tuning apparatus particularly for microelectronic components
CH683050A5 (fr) * 1991-06-04 1993-12-31 Suisse Electronique Microtech Résonateur à quartz vibrant selon un mode fondamental de torsion.
US6424074B2 (en) * 1999-01-14 2002-07-23 The Regents Of The University Of Michigan Method and apparatus for upconverting and filtering an information signal utilizing a vibrating micromechanical device
US6628177B2 (en) * 2000-08-24 2003-09-30 The Regents Of The University Of Michigan Micromechanical resonator device and micromechanical device utilizing same
JP3775276B2 (ja) * 2001-10-24 2006-05-17 株式会社デンソー 静電アクチュエータ

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5451498A (en) 1977-09-13 1979-04-23 Western Electric Co Electromechanical resonator
JP2002535865A (ja) 1999-01-14 2002-10-22 ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ ミシガン 動作周波数を有するマイクロメカニカル共振器を含むデバイス及び動作周波数を拡張する方法

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CLARK T.-C. NGUYEN: "High-QHF Microelectromechanical Filters", IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, vol. 35, no. 4, April 2000 (2000-04-01), pages 512 - 526
EVOY S ET AL: "Nanofabrication and electrostatic operation of single-crystal silicon paddle oscillators.", JOURNAL OF APPLIED PHYSICS., vol. 86, no. 11, 1 December 1999 (1999-12-01), pages 6072 - 6077, XP000933362 *
K. Y. YASUMURA ET AL.: "Quality Factors in Micron-and Submicron-Thick Cantilevers", IEEE JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS, vol. 9, no. 1, March 2000 (2000-03-01), XP011450826, DOI: doi:10.1109/84.825786
OLKHOVETS A ET AL: "Actuation and internal friction of torsional nanomechanical silicon resonators.", JOURNAL OF VACUUM SCIENCE & TECHNOLOGY., vol. 18, no. 6, November 2000 (2000-11-01), pages 3549 - 3551, XP012008613 *
See also references of EP1746723A4 *

Cited By (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007312373A (ja) * 2006-04-20 2007-11-29 Matsushita Electric Ind Co Ltd 半導体装置の製造方法およびこれを用いた半導体装置
US8026779B2 (en) * 2006-06-14 2011-09-27 Panasonic Corporation Vibrator, resonator using the same and electromechanical filter using the same
JP5225840B2 (ja) * 2006-06-14 2013-07-03 パナソニック株式会社 振動子、これを用いた共振器およびこれを用いた電気機械フィルタ
JP2008066800A (ja) * 2006-09-04 2008-03-21 Seiko Instruments Inc 発振器
JP2008099020A (ja) * 2006-10-12 2008-04-24 Sanyo Electric Co Ltd マイクロメカニカル共振器
WO2009104541A1 (ja) * 2008-02-21 2009-08-27 三洋電機株式会社 マイクロメカニカル共振器
WO2009110442A1 (ja) * 2008-03-04 2009-09-11 三洋電機株式会社 共振器および共振器アレイ
US8872603B2 (en) 2008-03-04 2014-10-28 The Ritsumeikan Trust Resonator and resonator array
JP5333950B2 (ja) * 2008-03-04 2013-11-06 学校法人立命館 共振器および共振器アレイ
US7990233B2 (en) * 2008-05-01 2011-08-02 Semiconductor Technology Academic Research Center MEMS resonator including main and sub movable beams, and exciting electrodes excited by alternating-current signal
US20110260810A1 (en) * 2008-07-29 2011-10-27 Quevy Emmanuel P Out-of-plane mems resonator with static out-of-plane deflection
US8258893B2 (en) * 2008-07-29 2012-09-04 Silicon Laboratories Inc. Out-of-plane MEMS resonator with static out-of-plane deflection
US8629739B2 (en) 2008-07-29 2014-01-14 Silicon Laboratories Inc. Out-of plane MEMS resonator with static out-of-plane deflection
US20110249644A1 (en) * 2008-10-28 2011-10-13 Nokia Siemens Networks Oy Allocating resource units to a mobile station
US8737326B2 (en) * 2008-10-28 2014-05-27 Nokia Siemens Networks Oy Allocating resource units to a mobile station
JP2010236960A (ja) * 2009-03-31 2010-10-21 Minoru Sasaki ねじり振動を利用した赤外線の検出方法とこれを実施したねじり振動を利用した赤外線センサ
US8368473B2 (en) 2009-06-09 2013-02-05 Panasonic Corporation Resonator and oscillator using same
JP5213284B2 (ja) * 2009-06-09 2013-06-19 パナソニック株式会社 共振器およびこれを用いた発振器
WO2010147156A1 (ja) * 2009-06-17 2010-12-23 三洋電機株式会社 共振器およびその製造方法
JP5376472B2 (ja) * 2009-06-17 2013-12-25 学校法人立命館 共振器およびその製造方法
JP5453705B2 (ja) * 2009-06-25 2014-03-26 学校法人立命館 共振器

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