WO2008044720A1 - Micromechanical resonator - Google Patents

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WO2008044720A1
WO2008044720A1 PCT/JP2007/069801 JP2007069801W WO2008044720A1 WO 2008044720 A1 WO2008044720 A1 WO 2008044720A1 JP 2007069801 W JP2007069801 W JP 2007069801W WO 2008044720 A1 WO2008044720 A1 WO 2008044720A1
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resonant beam
electrode
resonator
gap
resonant
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PCT/JP2007/069801
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Kenichiro Suzuki
Hironori Nagasaki
Mitsuhiro Okada
Akimasa Tamano
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The Ritsumeikan Trust
Sanyo Electric Co Ltd
Original Assignee
The Ritsumeikan Trust
Sanyo Electric Co Ltd
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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic elements; Electromechanical resonators
    • H03H9/24—Constructional features of resonators of material which is not piezoelectric, electrostrictive, or magnetostrictive
    • H03H9/2405—Constructional features of resonators of material which is not piezoelectric, electrostrictive, or magnetostrictive of microelectro-mechanical resonators
    • H03H9/2447—Beam resonators
    • H03H9/2463—Clamped-clamped beam resonators
    • H—ELECTRICITY
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    • H03H9/02—Details
    • H03H9/02244—Details of microelectro-mechanical resonators
    • H03H9/02259—Driving or detection means
    • H—ELECTRICITY
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    • H03H9/02—Details
    • H03H9/02244—Details of microelectro-mechanical resonators
    • H03H2009/02488—Vibration modes
    • H03H2009/02496—Horizontal, i.e. parallel to the substrate plane

Definitions

  • the present invention relates to a resonator that converts an input high-frequency signal into a mechanical signal, and then converts it back into a high-frequency signal and outputs it.
  • the present invention is manufactured using microfabrication technology in the semiconductor field.
  • the present invention relates to a micro mechanical resonator.
  • MEMS micro-elect mouth mechanical system
  • FIG. 15 shows a conventional micromechanical resonator using MEMS technology (Non-patent Document 1).
  • the micromechanical resonator includes a resonator (90) on a substrate (96) as illustrated, and the resonator (90) includes a prismatic resonant beam (92) and both ends of the resonant beam (92). It is composed of four prismatic support beams (91) to (91) that should support the part.
  • the base end of each support beam (91) is mounted on the substrate (96) by an anchor (93). It is fixed to. As a result, the resonator (90) is held at a position slightly lifted from the surface of the substrate (96).
  • an input electrode (94) and an output electrode (95) are arranged with the central portion of the resonant beam (92) in between, and the resonant beam A predetermined gap G is formed between (92) and both electrodes (94) 95).
  • the high frequency power source (6) is connected to the input electrode (94), and the main voltage power source (7) is connected to one anchor (93)!
  • the micromechanical resonator includes a plate-like resonator (100) on a substrate (107), and the resonator (100) has support portions (103) at three force points at both ends and a central portion.
  • a resonant beam (102) is provided between two adjacent support portions (103X103).
  • a support beam (101) projects from each support portion (103), and the base end portion of each support beam (101) is fixed to the substrate (107) by an anchor (104). Thereby, the resonator (100) is held at a position slightly levitated from the surface of the substrate (107).
  • an input electrode (106) and an output electrode (105) are arranged between two resonant beams (102X102) of the resonator (100), and one of the resonant beams (102X102) is provided. Predetermined gaps are formed between the beam (102) and the input electrode (106), and between the other resonant beam (102) and the output electrode (105).
  • a high frequency power source (6) is connected to the input electrode (106) and one anchor (10
  • the main voltage power supply (7) is connected to 4).
  • Non-Patent Document 1 W.- T. Hsu, JRClark, and CT-C. Nguyen, "Q- optimized lateral free-free beam micromechanical resonators, Digest or fechnical papers, the 11th Int. Conf. On Solid-State Sensors & Actuators (Transducers '01), Mun ich, Germany, June 10-14,2001, pp.1110-1113
  • Non-Patent Document 2 MUDemirci and C.. -C.Nguyen, riigher-mode freee-free beam micromechanical resonators, "Proceedings, 2003 IEEE Int. Frequency Control Symposium, Tampa, May 5_8, 2003, pp.810-818.
  • Patent Document 1 Japanese Translation of Special Publication 2002-535865
  • the secondary resonance mode shown in FIG. 17 (b) and the tertiary resonance mode shown in FIG. In the micromechanical resonator as described above, in addition to the primary resonance mode shown in FIG. 17 (a), the secondary resonance mode shown in FIG. 17 (b) and the tertiary resonance mode shown in FIG.
  • the intensity of the first-order resonance mode is the highest, the third-order resonance mode and the fifth-order resonance mode, and the higher the order, the lower the intensity. This is the actual situation.
  • an object of the present invention is to provide a micromechanical resonator capable of suppressing the vibration of the first-order resonance mode and increasing the vibration of the higher-order resonance mode.
  • a micromechanical resonator includes a resonant beam (52) having both ends supported on a substrate (9), and two electrodes (on both sides of the resonant beam (52)) ( 1) and (2), between the both ends of the resonant beam (52), one electrode (1) and the resonant beam (52) face each other to form one or more gaps.
  • the other electrode (2) and the resonant beam (52) face each other to form one or a plurality of gaps, and one or both electrodes (1) (2) are formed by the input of a high frequency signal.
  • An alternating electrostatic force is generated between the beam and the resonant beam (52) to vibrate the resonant beam (52), and between one or both electrodes (1) (2) and the resonant beam (52).
  • the change in the electrostatic force is output as a high-frequency signal, and the fluctuation of the electrostatic force acting on the resonant beam (52) through each gap Force S, resonant bi chromatography beam (52) becomes largest is set as being at the gap portion of the smallest and near both ends in the gap portion of the vicinity of the central portion of the, Ru.
  • the fluctuation range of the electrostatic force acting on the resonance beam (52) via each gap portion is a gap near the center portion of the resonance beam (52). Is set so as to be the smallest at the gap and the largest at the gap near the both ends, so that the vibration waveform of the higher-order resonance mode generated in the resonance beam (52) has a plurality of peak values included in the waveform. Approaching ideals that are equal to each other, so that The vibration in the vibration mode is suppressed and the vibration in the higher order resonance mode is increased.
  • the variation range of the electrostatic force generated through each gap formed between both ends of the resonant beam (52) is the smallest in the gap near the center of the resonant beam (52) and both ends.
  • the following configuration can be adopted.
  • One electrode (1) forms a gap near the center of the resonant beam (52), and the other electrode (2) forms a gap near both ends of the resonant beam (52).
  • a bias voltage source for applying a constant bias voltage to the other electrode (2) is connected to the other electrode (2),
  • Gap length of each gap formed between both ends of the resonant beam (52) The largest in the gap near the center of the resonant beam (52) and the smallest in the gap near both ends Set to!
  • the width of each gap formed between both ends of the resonant beam (52) is the smallest in the gap near the center of the resonant beam (52) and the largest in the gap near both ends. Configuration that is set in the same way.
  • the fluctuation width force of the electrostatic force acting on the resonant beam (52) through each gap portion is the smallest in the gap portion near the center portion of the resonant beam (52) and near the both end portions.
  • the vibration waveform of the higher-order resonance mode generated in the resonant beam (52) becomes ideal.
  • the resonance beam (52) has a constricted portion (54) having a smaller cross-sectional area in each of a plurality of regions serving as vibration nodes. It is installed. [0021] According to the specific configuration, when the resonant beam (52) vibrates in the higher order resonant mode, the resonant beam (52) is easily bent at the constricted portion (54) having a small cross-sectional area. In the resonant beam (52), vibration with an ideal waveform is likely to occur.
  • the vibration of the higher-order resonance mode is increased than the vibration of the first-order resonance mode. It is possible to easily configure high-frequency wireless communication equipment that operates in a high frequency band.
  • FIG. 1 shows a basic configuration of a micromechanical resonator according to the present invention.
  • a resonant beam (52) is provided on a substrate (9), and both ends of the resonant beam (52) are fixed to the substrate (9) by anchors (3).
  • the resonant beam (52) is held at a position slightly lifted from the surface of the substrate (9).
  • the resonant beam (52) can vibrate in a plane parallel to the surface of the substrate (9), with both anchors (3X3) serving as support portions (50X50).
  • constricted portions (54) to (54) are recessed in four regions including both ends thereof, with a smaller cross-sectional area than the other regions.
  • Fig. 1 shows a configuration for obtaining the third-order resonance mode, and electrode protrusions (10X10X10) are arranged corresponding to the antinode portions of the third-order resonance mode in the resonance beam (52).
  • the constricted portions (54) to (54) are formed corresponding to the portion.
  • a high-frequency power source (not shown) is connected to the two electrodes, and one anchor is connected.
  • One (3) is connected to a main voltage power supply (not shown), and a high frequency signal is output from the other anchor (3).
  • a high-frequency power source (not shown) is connected to one electrode, and a main voltage power source (not shown) is connected to one anchor (3), so that a high-frequency signal is sent from the other electrode. Is output.
  • the electrostatic force acting on the resonant beam (52) via each gap portion has the smallest variation width in the gap portion near the central portion of the resonant beam (52) and in the vicinity of both end portions. It is set to be the largest in the gap part.
  • the peak value of the fluctuation range of the alternating electrostatic force acting between the non-constricted portion (53) at the center of the resonant beam (52) and the electrode protruding portion (10) is Fa
  • the peak value of the fluctuation range of the alternating electrostatic force acting between the non-constricted part (53X53) and the electrode protruding part (20X20) is Fb
  • the relation is set so that Fa ⁇ Fb.
  • a first electrode having one electrode protrusion (10) and two electrode protrusions (20X20) are provided.
  • a configuration in which a high-frequency power source (6) is connected to both of the second electrodes, and a bias voltage power source (60) is connected to the second electrode can be employed.
  • the gap length of the gap portion facing the central non-constricted portion is Ga, and If the gap length of the gap facing the non-constricted part is Gb, the relationship is set such that Ga> Gb.
  • the width of the gap portion facing the central non-constricted portion is Wa
  • the width of the gap part facing the non-constricted part is Wb
  • the micromechanical resonator of the present invention shown in FIG. 1 and the conventional micromechanical resonator, that is, the resonant beam (52) has no constricted portion and acts on the central portion of the resonant beam (52).
  • the primary resonance mode and the third-order resonance mode for micro mechanical resonators with the same peak value of alternating electrostatic force Fa and the peak value of alternating electrostatic force Fb acting on both sides Fb (Fa Fb) And the frequency characteristics for each of the 5th order resonance modes were calculated by computer simulation. 5 and 6 show the calculation results for the conventional micromechanical resonator and the micromechanical resonator of the present invention, respectively.
  • the peak values Fa and Fb of the alternating electrostatic force are both set to O. OlMPa.
  • the peak values Fa and Fb of the alternating electrostatic force are set. Were set to 0.0086 MPa and O. OlMPa, respectively.
  • the vibration of the first-order resonance mode is suppressed and the vibration of the higher-order resonance mode is increased.
  • the higher-order resonance mode Therefore, it is possible to easily configure a high-frequency wireless communication device that operates in a higher frequency band than before.
  • the number of constricted portions of the resonant beam (52) is four as shown in Fig. 14 (a). As shown in (5), the number increases to 5 or 6.
  • the fluctuation force of the electrostatic force acting on the resonant beam (52) is also near the center of the resonant beam (52).
  • FIGS. 7 to 13 show specific examples of the micromechanical resonator according to the present invention.
  • a resonator (5) made of a conductive material such as silicon or aluminum is arranged on a substrate (9) made of silicon or glass, and the resonator On both sides of (5), there are a pair of drive electrodes (1X2) made of a conductive material such as silicon or aluminum.
  • the resonator (5) is composed of a prismatic resonance beam (52) having a length of, for example, 10 to 20 am, and a pair of supports protruding in parallel with each other at both ends of the resonance beam (52).
  • the beam (51X51) is included, and the whole is formed in an H shape.
  • constricted portions are recessed at equal intervals at seven force points in the longitudinal direction.
  • Both ends of each support beam (51) are fixed to the surface of the substrate (9) by anchors (3) made of a conductive material such as silicon or anodoleum, respectively. Is held at a position slightly lifted from the surface of the substrate (9).
  • a pair of bias electrodes (4) and (4) are arranged outside the both support beams (51X51) of the resonator (5) so as to face the center of the support beam (51).
  • a predetermined gap (for example, 0 .;! To 0.5 mm) is formed between the support beam (51) and the bias electrode (4).
  • Each of the pair of drive electrodes (1) and (2) includes a base (11X21) and three electrode protrusions protruding from the bases (11) and (21) toward the resonant beam (52) at equal intervals. Part (10X20), and the whole is comb-like.
  • the three electrode protrusions (10X10X10) of one drive electrode (1) and the three electrode protrusions (20X20X20) of the other drive electrode (2) are each in a plane parallel to the surface of the substrate (9).
  • a gap portion G of a predetermined for example, 0 ⁇ ;! to 0.5 ⁇ 5 m
  • a pair of drive electrodes (1) (2) is connected to a high frequency power source (6), and one anchor (3) is connected to a main voltage power source (7).
  • a bias voltage power source (8) is connected to the pair of bias electrodes (4) and (4).
  • the micromechanical resonator shown in FIGS. 7 and 8 has a high frequency signal inputted from the high frequency power source (6) to the two drive electrodes (1) and (2), and one anchor (3 ) Constitutes a 1-port resonator that outputs a high-frequency signal Io.
  • the electrostatic force to be generated between the electrode protrusion (10X20) and the non-constricted portion of the resonant beam (52) is the smallest in the gap portion near the center of the resonant beam (52) as described above, and The gap is set to be the largest in the gap near both ends.
  • the resonant beam (52) of the resonator (5) vibrates with the constricted part serving as a vibration node and the non-constricted part serving as an antinode of vibration.
  • the capacitance formed between the electrodes (1) and (2) changes, and the change in capacitance is output as a high-frequency signal Io from the other anchor (3).
  • the resonant frequency of the resonant beam (52) is changed to finely adjust the frequency of the high-frequency signal Io output from the anchor (3). I can do it.
  • the electrode protrusions (10X20) are arranged alternately along the longitudinal direction of the resonance beam (52) of the resonator (5), so that the electrodes A resonant beam (52) can be intentionally resonated in a higher-order resonance mode corresponding to the number of protrusions (10X20), and an oscillation frequency in the GHz band can be obtained.
  • a resonator (5) made of a conductive material such as silicon or aluminum is disposed on a substrate (9) made of silicon or glass, and the resonator ( 5) Input electrodes made of a conductive material such as silicon or aluminum (
  • the resonator (5) has the same structure as that of the first embodiment.
  • the resonator (5) has a support beam (51X51) on the outside of the both support beams (51X51).
  • a pair of bias electrodes (4) (4) is provided, and a predetermined (for example, 0 ⁇ ;! ⁇ 0.5) is provided between the support beam (51) and the bias electrode (4).
  • Each of the input electrode (22) and the output electrode (12) includes a base (23X13) and three bases (23) (13) projecting at equal intervals from the bases (23) (13) toward the resonant beam (52). It has an electrode protrusion (24X14) and the whole is comb-like.
  • a high frequency power source (6) is connected to the input electrode (22), and a main voltage power source (3) is connected to one anchor (3).
  • a bias voltage power source (8) is connected to the pair of bias electrodes (4) (4).
  • the micromechanical resonator shown in FIG. 9 receives a high frequency signal from the high frequency power source (6) to the input electrode (22) and outputs a high frequency signal Io from the output electrode (12). It constitutes a port type resonator.
  • the electrostatic force to be generated between the electrode protrusion (10) and the non-constricted portion of the resonant beam (52) is As described above, the gap is set to be the smallest in the gap near the center of the resonant beam (52) and the largest in the gap near both ends.
  • the resonant beam (52) of the resonator (5) vibrates, with the constricted part serving as a vibration node and the non-constricted part serving as an antinode of vibration.
  • the capacitance formed between (12) changes and the change in capacitance is output as a high-frequency signal Io from the output electrode (12).
  • the resonance frequency of the resonance beam (52) is changed, and the frequency of the high-frequency signal Io output from the anchor (3) is finely adjusted. I can do it.
  • the electrodes A resonant beam (52) can be intentionally resonated in a higher-order resonance mode corresponding to the number of protrusions (14X24), and an oscillation frequency in the GHz band can be obtained.
  • a resonator (5) made of a conductive material such as silicon or aluminum is disposed on a substrate (9) made of silicon or glass, and the resonator ( A pair of driving electrodes (15X25) made of conductive material such as silicon and aluminum are provided on both sides of 5)!
  • the resonator (5) has the same structure as that of the first embodiment.
  • the resonator (5) has a support beam (51X51) on the outer side of each of the support beams (51X51).
  • a pair of bias electrodes (4) (4) is provided, and a predetermined gap (for example, 0 ⁇ ;! to 0.5 11 m) is formed between the support beam (51) and the bias electrode (4). /!
  • One drive electrode (15) has three electrode protrusions (16X16X16) protruding at equal intervals below the resonance beam (52), that is, between the resonance beam (52) and the substrate (9).
  • the other drive electrode (25) has three electrode protrusions (26) (26) ( 26).
  • the three electrode protrusions (16), (16), (16) of one drive electrode (15) and the three electrode protrusions (26X26X26) of the other drive electrode (25) are each a substrate (9) In a plane perpendicular to the surface of the
  • a predetermined gap (for example, 0 ⁇ ;! To 0 ⁇ 5 m) is formed between the non-necked portion of 52) and the non-necked portion of the resonant beam (52).
  • a high frequency power source (6) is connected to the pair of drive electrodes (15X25), and a main voltage power source (7) is connected to one anchor (3).
  • a bias voltage power source (8) is connected to the pair of bias electrodes (4) (4).
  • a high frequency signal is input from the high frequency power source (6) to the two drive electrodes (15X25), and a high frequency signal Io is output from one anchor (3). It constitutes a 1-port resonator that is powered.
  • the electrostatic force to be generated between the electrode protrusion (16X26) and the non-constricted portion of the resonant beam (52) is the smallest in the gap portion near the center of the resonant beam (52) as described above, and The gap is set to be the largest in the gap near both ends.
  • the resonant beam (52) of the resonator (5) vibrates with the constricted portion serving as a vibration node and the non-constricted portion serving as an antinode of vibration.
  • the resonant beam (52) of (5) receives a tensile force in the longitudinal direction.
  • the bias voltage of the bias voltage power supply (8) the resonant frequency of the resonant beam (52) is changed, and the frequency of the high-frequency signal Io output from the anchor (3) is finely adjusted. Can be adjusted.
  • the electrode protrusions (16X26) are arranged alternately along the longitudinal direction of the resonance beam (52) of the resonator (5), thereby A resonant beam (52) can be intentionally resonated in a higher-order resonance mode corresponding to the number of protrusions (16X26), and an oscillation frequency in the GHz band can be obtained.
  • a resonator (5) made of a conductive material such as silicon or aluminum is disposed on a substrate (9) made of silicon or glass, and the resonator ( On both sides of 5), an input electrode (27) and an output electrode (17) made of a conductive material such as silicon or aluminum are provided.
  • the resonator (5) has the same structure as that of the first embodiment, and the outer side of both support beams (51X51) of the resonator (5) is opposed to the central portion of the support beam (51).
  • a pair of bias electrodes (4) (4) is provided, and a predetermined gap (for example, 0 ⁇ ;! to 0.5 11 m) is formed between the support beam (51) and the bias electrode (4). /!
  • Each of the input electrode (27) and the output electrode (17) is provided with three pieces protruding at equal intervals below the resonant beam (52), that is, between the resonant beam (52) and the substrate (9).
  • the electrode protrusions (28X18) have electrode protrusions (28X18), and each of these electrode protrusions (28X18) alternately faces the non-constricted portions of the resonance beam (52) in a plane perpendicular to the surface of the substrate (9).
  • a predetermined gap (for example, 0.;! To 0.5 mm) is formed between the non-constricted portion of the resonant beam (52).
  • a high-frequency power source (6) is connected to the input electrode (27), and a main voltage power source (3) is connected to one anchor (3).
  • a bias voltage power source (8) is connected to the pair of bias electrodes (4) (4).
  • the micromechanical resonator shown in FIG. 12 is supplied from the high frequency power source (6) to the input electrode (2
  • a high-frequency signal is input to 7) and a high-frequency signal Io is output from the output electrode (17).
  • the resonant beam (52) of the resonator (5) vibrates in a plane perpendicular to the surface of the substrate (9), with both ends thereof as support portions (50X50).
  • the gap is set to be the smallest in the gap near the center of the resonant beam (52) and the largest in the gap near both ends.
  • the resonant beam (52) of the resonator (5) vibrates with the constricted part as a vibration node and the non-constricted part as an antinode of vibration.
  • the capacitance formed between the beam (52) and the output electrode (17) changes, and the change in the capacitance is output from the output electrode (17) as a high frequency signal Io.
  • the resonant beam (52) of (5) receives a tensile force in the longitudinal direction.
  • the resonance frequency of the resonant beam (52) is changed, and the frequency of the high-frequency signal Io output from the anchor (3) is finely adjusted. I can do it.
  • the electrode protrusions (18X28) are alternately arranged along the longitudinal direction of the resonance beam (52) of the resonator (5), so that the electrodes A resonant beam (52) can be intentionally resonated in a higher-order resonance mode corresponding to the number of protrusions (18X28), and an oscillation frequency in the GHz band can be obtained.
  • the micromechanical resonator of the present invention it is possible to intentionally generate high-order mode vibrations in the resonance beam (52) of the resonator (5). While maintaining the resonator (5) at a size that is easy to fabricate, a higher oscillation frequency than before can be obtained. Also, by adjusting the voltage of the noise voltage power source (8), the oscillation frequency can be finely adjusted without changing the shape of the resonator (5).
  • the electrostatic force acting on the resonant beam (52) is increased from the central portion of the resonant beam (52) toward both ends, and the resonant beam ( Due to the configuration in which the constricted part is recessed at the position of the vibration node in (52), the vibration waveform of the higher order resonance mode generated in the resonant beam (52) has a plurality of peak values included in the waveform. As a result, the vibrations in the first-order resonance mode are suppressed and the vibrations in the higher-order resonance mode are increased. Therefore, it can be applied to a wireless communication device using a high-order resonance mode having a high oscillation frequency.
  • the micromechanical resonator according to the present invention can oscillate a necessary frequency directly without multiplying the frequency of the output high-frequency signal, a low phase noise is required. It is effective for devices such as remote keyless entry systems and RF wireless devices such as spread spectrum communication and software defined radio.
  • a higher oscillation frequency can be realized by using a material having a high Young's modulus such as diamond as the material of the resonator (5).
  • the electrodes are all comb-shaped, but it is also possible to adopt a configuration in which a plurality of electrode protrusions (electrode pieces) are connected to each other by a conductive line.
  • FIG. 1 is a plan view showing a basic configuration of a micromechanical resonator according to the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view showing a configuration example for realizing setting of electrostatic force in the micromechanical resonator according to the present invention.
  • FIG. 3 is a plan view showing another configuration example of the above.
  • FIG. 4 is a plan view showing still another configuration example.
  • FIG. 5 is a graph showing frequency characteristics in a conventional micromechanical resonator.
  • FIG. 6 is a graph showing frequency characteristics in the micromechanical resonator of the present invention.
  • FIG. 7 is a perspective view of the micromechanical resonator according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a plan view of the micromechanical resonator of the first embodiment.
  • FIG. 9 is a plan view of a micromechanical resonator according to a second embodiment.
  • FIG. 10 is a plan view of a micromechanical resonator according to a third embodiment.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating a vibration state of a resonant beam in the micromechanical resonator of the third embodiment.
  • FIG. 12 is a plan view of a micromechanical resonator according to a fourth embodiment. 13] A sectional view illustrating the vibration state of the resonant beam in the micromechanical resonator of the fourth embodiment.
  • FIG. 14 is a diagram for explaining the magnitude relationship of electrostatic force in the micromechanical resonator according to the present invention.
  • FIG. 18 is a graph showing frequency characteristics of a primary resonance mode and a high-order resonance mode. Explanation of symbols

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)

Description

明 細 書
マイクロメカニカル共振器
技術分野
[0001] 本発明は、入力された高周波信号を機械的な信号に変換した後に再び高周波信 号に変換して出力する共振器に関し、特に、半導体分野における微細加工技術を利 用して作製されるマイクロメカニカル共振器に関するものである。
背景技術
[0002] 近年、半導体分野における微細加工技術を利用して、微細な機械構造を電子回路 と一体化して形成する、所謂マイクロエレクト口メカニカルシステム (MEMS)技術が開 発されており、フィルターや共振器への応用が検討されて!/、る。
[0003] 図 15は、 MEMS技術を用いた従来のマイクロメカニカル共振器を表わしている (非 特許文献 1)。該マイクロメカニカル共振器は、図示の如く基板 (96)上に共振子 (90)を 具え、該共振子 (90)は、角柱状の共振ビーム (92)と、該共振ビーム (92)の両端部を支 持すべき 4本の角柱状の支持ビーム (91)〜(91)とから構成されており、各支持ビーム（ 91)の基端部はそれぞれアンカー (93)によって基板 (96)上に固定されている。これによ つて、共振子 (90)は、基板 (96)の表面から僅かに浮上した位置に保持されている。
[0004] 又、共振子 (90)の共振ビーム (92)の両側には、共振ビーム (92)の中央部を挟んで入 力電極 (94)と出力電極 (95)が配備され、共振ビーム (92)と両電極 (94)95)との間に所定 のギャップ部 Gが形成されてレ、る。
[0005] そして、入力電極 (94)には高周波電源 (6)が接続されると共に、 1つのアンカー (93) には主電圧電源 (7)が接続されて!/、る。
[0006] アンカー (93)を介して共振子 (90)に直流電圧 Vpを印加した状態で、入力電極 (94) に高周波信号 Viを入力すると、入力電極 (94)と共振ビーム (92)との間にギャップ部 G を介して交番静電気力が発生し、該静電気力によって共振子 (90)が基板 (96)の表面 と平行な面内で振動する。この共振子 (90)の振動により、共振ビーム (92)と両電極 (95) (94)との間に形成される静電容量が変化し、該静電容量の変化が出力電極 (95)から 高周波信号 Ioとして出力される。 [0007] 又、図 16は、従来の他のマイクロメカニカル共振器を表わしている (非特許文献 2、 特許文献 1)。該マイクロメカニカル共振器は、基板 (107)上に平板状の共振子 (100)を 具え、該共振子 (100)は、両端部と中央部の 3力所に支持部 (103)を有すると共に、隣 接する 2つの支持部 (103X103)間に共振ビーム (102)を有している。各支持部 (103)に は支持ビーム (101)が突設され、各支持ビーム (101)の基端部はそれぞれアンカー (10 4)によって基板 (107)に固定されている。これによつて、共振子 (100)は、基板 (107)の 表面から僅かに浮上した位置に保持されている。
[0008] 又、基板 (107)上には、共振子 (100)の 2つの共振ビーム (102X102)との間に、入力電 極 (106)と出力電極 (105)が配備され、一方の共振ビーム (102)と入力電極 (106)の間、 並びに他方の共振ビーム (102)と出力電極 (105)との間に、所定のギャップ部が形成さ れている。
[0009] そして、入力電極 (106)には高周波電源 (6)が接続されると共に、 1つのアンカー (10
4)には主電圧電源 (7)が接続されている。
[0010] アンカー (104)を介して共振子 (100)に直流電圧 Vpを印加した状態で、入力電極 (10 6)に高周波信号 Viを入力すると、入力電極 (106)と共振ビーム (102)との間にギャップ 部を介して交番静電気力が発生し、該静電気力によって共振子 (100)が基板 (107)の 表面と垂直な面内で振動する。この共振子 (100)の振動により、共振子 (100)と両電極 ( 106X105)との間に形成される静電容量が変化し、該静電容量の変化が出力電極 (10
5)から高周波信号 Ioとして出力される。
非特許文献 1 : W.- T.Hsu, J.R.Clark, and C.T.-C.Nguyen，"Q- optimized lateral fr eee-free beam micromechanical resonators, Digest or fechnical papers, the 11th Int. Conf. on Solid-State Sensors & Actuators (Transducers ' 01)， Mun ich, Germany, June 10—14,2001， pp.1110—1113·
非特許文献 2 : M.U.Demirci and C. . -C.Nguyen, riigher-mode freee-free beam micromechanical resonators," Proceedings, 2003 IEEE Int. Frequency Control Symposium, Tampa, May 5_8， 2003, pp.810-818.
特許文献 1：特表 2002-535865号公報
発明の開示 発明が解決しょうとする課題
[0011] 上述の如きマイクロメカニカル共振器においては、図 17(a)に示す 1次の共振モード の他、同図 (b)に示す 2次の共振モードや同図 (c)に示す 3次の共振モード等の高次 の共振モードが混在して発生するが、特にマイクロメカニカル共振器を GHz帯で動 作する高周波無線通信機器に応用する場合、製造時の加工を容易にするため、共 振器のサイズを大きく出来る、高次の共振モードを利用する必要がある。しかしなが ら、図 18に示す如ぐ 1次の共振モードの強度が最も高ぐ 3次の共振モード、 5次の 共振モードと、高次になるほど強度が低くなるため、応用が進んでいないのが実状で ある。
[0012] そこで本発明の目的は、 1次の共振モードの振動を抑えて高次の共振モードの振 動を増大させることが可能なマイクロメカニカル共振器を提供することである。
課題を解決するための手段
[0013] 本発明に係るマイクロメカニカル共振器は、基板 (9)上に両端部が支持された共振 ビーム (52)と、該共振ビーム (52)を挟んで両側に配置された 2つの電極 (1)(2)とを具え 、共振ビーム (52)の両端部間にて、一方の電極 (1)と共振ビーム (52)とが互いに対向 して、 1或いは複数のギャップ部が形成されると共に、他方の電極 (2)と共振ビーム (52 )とが互いに対向して、 1或いは複数のギャップ部が形成され、高周波信号の入力に より何れか一方若しくは両方の電極 (1)(2)と共振ビーム (52)との間に交番静電気力を 発生させて共振ビーム (52)に振動を与え、何れか一方若しくは両方の電極 (1)(2)と共 振ビーム (52)との間の静電容量の変化を高周波信号として出力するものであって、共 振ビーム (52)に対して各ギャップ部を介して作用する静電気力の変動幅力 S、共振ビ ーム (52)の中央部近傍のギャップ部で最も小さく且つ両端部近傍のギャップ部で最も 大きくなる様に設定されてレ、る。
[0014] 上記本発明のマイクロメカニカル共振器においては、共振ビーム (52)に対して各ギ ヤップ部を介して作用する静電気力の変動幅が、共振ビーム (52)の中央部近傍のギ ヤップ部で最も小さく且つ両端部近傍のギャップ部で最も大きくなる様に設定されて いるので、共振ビーム (52)に発生する高次共振モードの振動波形は、該波形に含ま れる複数のピーク値が互いに等しくなる理想的なものに近づき、その結果、 1次の共 振モードの振動が抑えられて高次の共振モードの振動が増大することになる。
[0015] 共振ビーム (52)の両端部間に形成されている各ギャップ部を介して発生する静電 気力の変動幅が、共振ビーム (52)の中央部近傍のギャップ部で最も小さく且つ両端 部近傍のギャップ部で最も大きくなる様に設定するための具体的な構成としては、例 えば次の構成を採用することが出来る。
[0016] 1.一方の電極 (1)は共振ビーム (52)の中央部近傍にギャップ部を形成すると共に、 他方の電極 (2)は共振ビーム (52)の両端部近傍にギャップ部を形成するものであって 、前記他方の電極 (2)には、該電極 (2)に一定のバイアス電圧を印加するためのバイ ァス電圧源が接続されてレ、る構成、
2.共振ビーム (52)の両端部間に形成されている各ギャップ部のギャップ長力 共振 ビーム (52)の中央部近傍のギャップ部で最も大きく且つ両端部近傍のギャップ部で 最も小さくなる様に設定されて!/ヽる構成、
3.共振ビーム (52)の両端部間に形成されている各ギャップ部の幅が、共振ビーム（ 52)の中央部近傍のギャップ部で最も小さく且つ両端部近傍のギャップ部で最も大き くなる様に設定されている構成。
[0017] 又、共振ビーム (52)の各ギャップ部に面する領域に作用させるべき交番静電気力の 大きさを決定する具体的な方法としては、次の方法を採用することが出来る。
[0018] 共振ビーム (52)の各領域に一定の静電気力を作用させることによって各領域に生じ る静的変位量を求め、これらの領域における静的変位量が領域間で均等となる様、 静電気力の領域間比率を決定する。そして、その静電気力の領域間比率と一致若し くは略一致する様に、共振ビーム (52)の各ギャップ部に面する領域に作用させるべき 交番静電気力の領域間の比率を設定する。
[0019] これによつて、共振ビーム (52)に対して各ギャップ部を介して作用する静電気力の 変動幅力 共振ビーム (52)の中央部近傍のギャップ部で最も小さく且つ両端部近傍 のギャップ部で最も大きくなつて、共振ビーム (52)に発生する高次共振モードの振動 波形が理想的なものとなる。
[0020] 具体的構成にお!/、て、共振ビーム (52)には、振動の節となる複数の領域にそれぞ れ、他の領域よりも断面積の小さなくびれ部 (54)が凹設されている。 [0021] 該具体的構成によれば、共振ビーム (52)が高次共振モードで振動するとき、共振ビ ーム (52)は断面積の小さなくびれ部 (54)にて容易に屈曲するので、共振ビーム (52)に は理想的な波形の振動が発生し易くなる。
発明の効果
[0022] 本発明に係るマイクロメカニカル共振器によれば、 1次の共振モードの振動よりも高 次の共振モードの振動が増大するので、該高次共振モードを利用することにより、従 来よりも高い周波数帯域で動作する高周波無線通信機器を容易に構成することが出 来る。
発明を実施するための最良の形態
[0023] 以下、本発明の実施の形態につき、図面に沿って具体的に説明する。
某本構成
図 1は、本発明に係るマイクロメカニカル共振器の基本的な構成を表わして!/、る。 該マイクロメカニカル共振器においては、基板 (9)上に共振ビーム (52)が配備され、該 共振ビーム (52)の両端部はそれぞれアンカー (3)により基板 (9)に固定されており、こ れによって、共振ビーム (52)は基板 (9)の表面から僅かに浮上した位置に保持されて いる。
[0024] 斯くして、共振ビーム (52)は、両アンカー (3X3)が支持部 (50X50)となって、基板（ 9)の表面と平行な面内で振動が可能である。
[0025] 共振ビーム (52)には、その両端部を含む 4つの領域に、他の領域よりも断面積の小 さなくびれ部 (54)〜(54)が凹設されており、これによつて形成される 3つの非くびれ部（ 53X53X53)を挟んで両側には、 1つの電極突出部 (10)を有する第 1の電極と 2つの電 極突出部 (20X20)を有する第 2の電極とが対向配備され、 3つの電極突出部 (10)(20)( 20)と 3つの非くびれ部 (53X53X53)との間にはそれぞれ所定のギャップ部が形成され ている。
[0026] 図 1の例は 3次共振モードを得るための構成を示し、共振ビーム (52)における 3次共 振モードの腹の部分に対応して電極突出部 (10X10X10)が配置され、節の部分に対 応してくびれ部 (54)〜(54)が形成される。
[0027] そして、 2つの電極には高周波電源 (図示省略)が接続されると共に、一方のアンカ 一 (3)には主電圧電源 (図示省略)が接続されて、他方のアンカー (3)から高周波信号 が出力される。
[0028] この場合、一方のアンカー (3)を介して共振ビーム (52)に直流電圧を印加した状態 で、 2つの電極に高周波信号を入力すると、共振ビーム (52)と両電極の間にギャップ 部を介して交番静電気力が発生し、該静電気力によって共振ビーム (52)が基板 (9)の 表面と平行な面内で振動する。この共振ビーム (52)の振動により、共振ビーム (52)と 両電極の間の静電容量が変化し、該静電容量の変化が他方のアンカー (3)から高周 波信号として出力される。
[0029] 或いは、一方の電極には高周波電源 (図示省略)が接続されると共に、一方のアン カー (3)には主電圧電源 (図示省略)が接続されて、他方の電極から高周波信号が出 力される。
[0030] この場合、一方のアンカー (3)を介して共振ビーム (52)に直流電圧を印加した状態 で、一方の電極に高周波信号を入力すると、共振ビーム (52)と前記一方の電極との 間にギャップ部を介して交番静電気力が発生し、該静電気力によって共振ビーム (52 )が基板 (9)の表面と平行な面内で振動する。この共振ビーム (52)の振動により、共振 ビーム (52)と両電極の間の静電容量が変化し、該静電容量の変化が他方の電極から 高周波信号として出力される。
[0031] ここで、共振ビーム (52)に対して各ギャップ部を介して作用する静電気力は、その変 動幅が共振ビーム (52)の中央部近傍のギャップ部で最も小さく且つ両端部近傍のギ ヤップ部で最も大きくなる様に設定されている。
[0032] 即ち、図 1の場合、共振ビーム (52)の中央の非くびれ部 (53)と電極突出部 (10)との間 に作用する交番静電気力の変動幅のピーク値を Fa、両側の非くびれ部 (53X53)と電 極突出部 (20X20)との間に作用する交番静電気力の変動幅のピーク値を Fbとすると 、 Fa< Fbの大小関係となる様に設定されている。
[0033] 上記の大小関係を実現するための具体的な構成としては、図 2に示す様に、 1つの 電極突出部 (10)を有する第 1の電極と 2つの電極突出部 (20X20)を有する第 2の電極 の両方に高周波電源 (6)を接続すると共に、第 2の電極には、バイアス電圧電源 (60) を接続する構成を採用することが出来る。 [0034] 又、図 3に示す様に、共振ビーム (52)の両端間に形成されている 3つのギャップ部 の内、中央の非くびれ部が面するギャップ部のギャップ長を Ga、両端の非くびれ部 が面するギャップ部のギャップ長を Gbとすると、 Ga〉Gbの大小関係となる様に設定 されている。
[0035] 或いは、図 4に示す様に、共振ビーム (52)の両端間に形成されている 3つのギヤッ プ部の内、中央の非くびれ部が面するギャップ部の幅を Wa、両端の非くびれ部が面 するギャップ部の幅を Wbとすると、 Wa<Wbの大小関係となる様に設定されている。
[0036] 図 1に示す本発明のマイクロメカニカル共振器と、従来のマイクロメカニカル共振器 、即ち、共振ビーム (52)にくびれ部を有せず、且つ共振ビーム (52)の中央部に作用す る交番静電気力のピーク値 Faと両側部に作用する交番静電気力のピーク値 Fbを同 一 (Fa = Fb)としたマイクロメカニカル共振器とを対象として、 1次共振モード、 3次共 振モード及び 5次共振モードのそれぞれについての周波数特性をコンピュータシミュ レーシヨンにより計算した。図 5及び図 6はそれぞれ従来のマイクロメカニカル共振器 と本発明のマイクロメカニカル共振器についての計算結果を表わしている。
[0037] 尚、従来のマイクロメカニカル共振器においては交番静電気力のピーク値 Fa、 Fb を共に O.OlMPaに設定し、本発明のマイクロメカニカル共振器においては交番静電 気力のピーク値 Faと Fbをそれぞれ 0.0086MPaと O.OlMPaに設定した。
[0038] 従来のマイクロメカニカル共振器においては図 5から明らかな様に、 1次共振モード のハーモニック変位が最も大きぐ 3次共振モードのハーモニック変位や 5次共振モ ードのハーモニック変位はそれよりも小さくなつているのに対し、本発明のマイクロメカ 二カル共振器においては図 6から明らかな様に、 1次共振モードのハーモニック変位 が抑制されて、 3次共振モードのハーモニック変位が最も大きくなつて!/、る。
[0039] この様に本発明に係るマイクロメカニカル共振器によれば、 1次共振モードの振動 が抑制されて、高次共振モードの振動が増大するので、その高次共振モードを利用 することによって、従来よりも高い周波数帯域で動作する高周波無線通信機器を容 易に構成することが出来る。
[0040] 尚、 4次モード共振モードや 5次共振モードを得るため、共振ビーム (52)のくびれ部 の数が図 14(a)に示す様に 4つから、同図 (b)(c)に示す様に 5つや 6つに増加し、それ ぞれの非くびれ部に第 1、第 2の電極を配置した場合も同様に、共振ビーム (52)に対 して作用する静電気力の変動幅力、共振ビーム (52)の中央部近傍で最も小さく且つ 両端部近傍で最も大きくなる様に設定する。例えば、同図 (b)の場合は Faく Fbに設 定し、同図 (c)の場合は Faく Fbく Fcに設定する。
[0041] 図 7〜図 13は、本発明に係るマイクロメカニカル共振器の具体的な実施例を示して いる。 図 7及び図 8に示すマイクロメカニカル共振器においては、シリコン或いはガラスか らなる基板 (9)上に、シリコン、アルミニウム等の導電材料からなる共振子 (5)が配備さ れると共に、該共振子 (5)の両側には、シリコン、アルミニウム等の導電材料からなる 一対の駆動電極 (1X2)が配備されて!/、る。
[0042] 共振子 (5)は、長さが例えば 10〜20 a mの角柱状の共振ビーム (52)と、該共振ビー ム (52)の両端部に互いに平行に突設された一対の支持ビーム (51X51)とを具えて、全 体が H字状に形成されている。共振ビーム (52)には、その長手方向の 7力所にくびれ 部が等間隔に凹設されている。各支持ビーム (51)の両端部は、それぞれシリコン、ァ ノレミニゥム等の導電材料からなるアンカー (3)によって、基板 (9)の表面に固定されて おり、これによつて、共振子 (5)は、基板 (9)の表面から僅かに浮上した位置に保持さ れている。
[0043] 又、共振子 (5)の両支持ビーム (51X51)の外側には、それぞれ支持ビーム (51)の中 央部に対向して、一対のバイアス電極 (4)(4)が配備されており、支持ビーム (51)とバイ ァス電極 (4)の間には所定 (例えば 0.；!〜 0.5〃 m)のギャップが形成されている。
[0044] 一対の駆動電極 (1)(2)はそれぞれ、基部 (11X21)と、該基部 (11)(21)から共振ビーム (52)へ向けて等間隔に突設された 3つの電極突出部 (10X20)とを具えて、全体が櫛歯 状を呈している。
[0045] 一方の駆動電極 (1)の 3つの電極突出部 (10X10X10)と他方の駆動電極 (2)の 3つの 電極突出部 (20X20X20)はそれぞれ、基板 (9)の表面と平行な面内で、共振ビーム (52 )の非くびれ部と交互に対向して、共振ビーム (52)の非くびれ部との間に所定 (例えば 0·；!〜 0· 5 m)のギャップ部 Gを形成している。 [0046] 図 8に示す如ぐ一対の駆動電極 (1)(2)には高周波電源 (6)が接続され、 1つのアン カー (3)には主電圧電源 (7)が接続されている。又、一対のバイアス電極 (4)(4)にはバ ィァス電圧電源 (8)が接続されて!/、る。
[0047] 斯くして、図 7及び図 8に示すマイクロメカニカル共振器は、高周波電源 (6)から 2つ の駆動電極 (1)(2)に高周波信号が入力されて、 1つのアンカー (3)から高周波信号 Io が出力される 1ポート型の共振器を構成している。
[0048] 上記のマイクロメカニカル共振器において、アンカー (3)を介して共振子 (5)に直流 電圧 Vpを印加した状態で、両駆動電極 (1)(2)に高周波信号を入力すると、電極突出 部 (10X20)と支持ビーム (51)の非くびれ部との間に静電気力が発生し、この静電気力 によって、共振子 (5)の共振ビーム (52)は、その両端部を支持部 (50X50)として、基板（
9)の表面と平行な面内で振動することになる。
[0049] 電極突出部 (10X20)と共振ビーム (52)の非くびれ部との間に発生させるべき静電気 力は、上述の如ぐ共振ビーム (52)の中央部近傍のギャップ部で最も小さく且つ両端 部近傍のギャップ部で最も大きくなる様に設定される。
[0050] 共振子 (5)の共振ビーム (52)は、くびれ部が振動の節、非くびれ部が振動の腹とな つて振動し、この振動に伴って、共振ビーム (52)と両駆動電極 (1)(2)との間に形成さ れる静電容量が変化し、該静電容量の変化が他の 1つのアンカー (3)から高周波信 号 Ioとして出力される。
[0051] ここで、バイアス電極 (4)(4)にバイアス電圧を印加することにより、共振子 (5)の支持 ビーム (51X51)とバイアス電極 (4)(4)との間に静電気力が発生し、これによつて共振子 (5)の共振ビーム (52)は、長手方向の引っ張り力を受けることになる。
[0052] 従って、バイアス電圧電源 (8)のバイアス電圧を調整することにより、共振ビーム (52) の共振周波数を変化させて、アンカー (3)から出力される高周波信号 Ioの周波数を微 調整することが出来る。
[0053] 上述のマイクロメカニカル共振器によれば、共振子 (5)の共振ビーム (52)の長手方 向に沿って、複数の電極突出部 (10X20)を交互に配置することにより、その電極突出 部 (10X20)の数に応じた高次の共振モードで共振ビーム (52)を意図的に共振させて、 GHz帯の発振周波数を得ることが出来る。 図 9に示すマイクロメカニカル共振器においては、シリコン或いはガラスからなる基 板 (9)上に、シリコン、アルミニウム等の導電材料からなる共振子 (5)が配備されると共 に、該共振子 (5)の両側には、シリコン、アルミニウム等の導電材料からなる入力電極 (
22)と出力電極 (12)が配備されている。
[0054] 共振子 (5)は、第 1実施例と同じ構造を有し、共振子 (5)の両支持ビーム (51X51)の 外側には、それぞれ支持ビーム (51)の中央部に対向して、一対のバイアス電極 (4)(4) が配備されており、支持ビーム (51)とバイアス電極 (4)の間には所定 (例えば 0·；!〜 0.5
11 m)のギャップが形成されて!/、る。
[0055] 入力電極 (22)及び出力電極 (12)はそれぞれ、基部 (23X13)と、該基部 (23)(13)から共 振ビーム (52)へ向けて等間隔に突設された 3つの電極突出部 (24X14)とを具えて、全 体が櫛歯状を呈している。
[0056] 入力電極 (22)の 3つの電極突出部 (24)(24)(24)と出力電極 (12)の 3つの電極突出部（
14X14X14)はそれぞれ、基板 (9)の表面と平行な面内で、共振ビーム (52)の非くびれ 部と交互に対向して、共振ビーム (52)の非くびれ部との間に所定 (例えば 0.；!〜 0.5 m)のギャップ部 Gを形成して!/、る。
[0057] 入力電極 (22)には高周波電源 (6)が接続され、 1つのアンカー (3)には主電圧電源（
7)が接続されている。又、一対のバイアス電極 (4)(4)にはバイアス電圧電源 (8)が接 続されている。
[0058] 斯くして、図 9に示すマイクロメカニカル共振器は、高周波電源 (6)から入力電極 (22) に高周波信号が入力されて、出力電極 (12)から高周波信号 Ioが出力される 2ポート 型の共振器を構成している。
[0059] 上記のマイクロメカニカル共振器において、アンカー (3)を介して共振子 (5)に直流 電圧 Vpを印加した状態で、入力電極 (22)に高周波信号を入力すると、電極突出部 (2 4)と支持ビーム (51)の非くびれ部との間に静電気力が発生し、この静電気力によって 、共振子 (5)の共振ビーム (52)は、その両端部を支持部 (50X50)として、基板 (9)の表 面と平行な面内で振動することになる。
[0060] 電極突出部 (10)と共振ビーム (52)の非くびれ部との間に発生させるべき静電気力は 、上述の如ぐ共振ビーム (52)の中央部近傍のギャップ部で最も小さく且つ両端部近 傍のギャップ部で最も大きくなる様に設定される。
[0061] 共振子 (5)の共振ビーム (52)は、くびれ部が振動の節、非くびれ部が振動の腹とな つて振動し、この振動に伴って、共振ビーム (52)と出力電極 (12)との間に形成される 静電容量が変化し、該静電容量の変化が出力電極 (12)から高周波信号 Ioとして出力 される。
[0062] ここで、バイアス電極 (4)(4)にバイアス電圧を印加することにより、共振子 (5)の支持 ビーム (51X51)とバイアス電極 (4)(4)との間に静電気力が発生し、これによつて共振子 (5)の共振ビーム (52)は、長手方向の引っ張り力を受けることになる。
[0063] 従って、バイアス電圧電源 (8)のバイアス電圧を調整することにより、共振ビーム (52) の共振周波数を変化させて、アンカー (3)から出力される高周波信号 Ioの周波数を微 調整することが出来る。
[0064] 上述のマイクロメカニカル共振器によれば、共振子 (5)の共振ビーム (52)の長手方 向に沿って、複数の電極突出部 (14X24)を交互に配置することにより、その電極突出 部 (14X24)の数に応じた高次の共振モードで共振ビーム (52)を意図的に共振させて、 GHz帯の発振周波数を得ることが出来る。 図 ioに示すマイクロメカニカル共振器においては、シリコン或いはガラスからなる基 板 (9)上に、シリコン、アルミニウム等の導電材料からなる共振子 (5)が配備されると共 に、該共振子 (5)の両側には、シリコン、アルミニウム等の導電材料からなる一対の駆 動電極 (15X25)が配備されて!/、る。
[0065] 共振子 (5)は、第 1実施例と同じ構造を有し、共振子 (5)の両支持ビーム (51X51)の 外側には、それぞれ支持ビーム (51)の中央部に対向して、一対のバイアス電極 (4)(4) が配備されており、支持ビーム (51)とバイアス電極 (4)の間には所定 (例えば 0·；!〜 0.5 11 m)のギャップが形成されて!/、る。
[0066] 一方の駆動電極 (15)は、共振ビーム (52)の下方、即ち共振ビーム (52)と基板 (9)の間 へ向けて等間隔に突出する 3つの電極突出部 (16X16X16)を具え、他方の駆動電極（ 25)は、共振ビーム (52)の上方へ向けて等間隔に突出する 3つの電極突出部 (26)(26)( 26)を具えている。
[0067] 一方の駆動電極 (15)の 3つの電極突出部 (16)(16)(16)と他方の駆動電極 (25)の 3つ の電極突出部 (26X26X26)はそれぞれ、基板 (9)の表面と垂直な面内で、共振ビーム（
52)の非くびれ部と交互に対向して、共振ビーム (52)の非くびれ部との間に所定 (例え ば 0·；!〜 0· 5 m)のギャップ部を形成している。
[0068] 一対の駆動電極 (15X25)には高周波電源 (6)が接続され、 1つのアンカー (3)には主 電圧電源 (7)が接続されている。又、一対のバイアス電極 (4)(4)にはバイアス電圧電 源 (8)が接続されている。
[0069] 斯くして、図 10に示すマイクロメカニカル共振器は、高周波電源 (6)から 2つの駆動 電極 (15X25)に高周波信号が入力されて、 1つのアンカー (3)から高周波信号 Ioが出 力される 1ポート型の共振器を構成している。
[0070] 上記のマイクロメカニカル共振器において、アンカー (3)を介して共振子 (5)に直流 電圧 Vpを印加した状態で、両駆動電極 (15X25)に高周波信号を入力すると、電極突 出部 (16X26)と支持ビーム (51)の非くびれ部との間に静電気力が発生し、この静電気 力によって、共振子 (5)の共振ビーム (52)は、その両端部を支持部 (50X50)として、基 板 (9)の表面と垂直な面内で振動することになる。
[0071] 電極突出部 (16X26)と共振ビーム (52)の非くびれ部との間に発生させるべき静電気 力は、上述の如ぐ共振ビーム (52)の中央部近傍のギャップ部で最も小さく且つ両端 部近傍のギャップ部で最も大きくなる様に設定される。
[0072] 共振子 (5)の共振ビーム (52)は、図 11に示す様に、くびれ部が振動の節、非くびれ 部が振動の腹となって振動し、この振動に伴って、共振ビーム (52)と両駆動電極 (1)(2
)との間に形成される静電容量が変化し、該静電容量の変化が他の 1つのアンカー (3
)から高周波信号 Ioとして出力される。
[0073] ここで、バイアス電極 (4)(4)にバイアス電圧を印加することにより、共振子 (5)の支持 ビーム (51X51)とバイアス電極 (4)(4)との間に静電気力が発生し、これによつて共振子
(5)の共振ビーム (52)は、長手方向の引っ張り力を受けることになる。
[0074] 従って、バイアス電圧電源 (8)のバイアス電圧を調整することにより、共振ビーム (52) の共振周波数を変化させて、アンカー (3)から出力される高周波信号 Ioの周波数を微 調整することが出来る。
[0075] 上述のマイクロメカニカル共振器によれば、共振子 (5)の共振ビーム (52)の長手方 向に沿って、複数の電極突出部 (16X26)を交互に配置することにより、その電極突出 部 (16X26)の数に応じた高次の共振モードで共振ビーム (52)を意図的に共振させて、 GHz帯の発振周波数を得ることが出来る。 図 12に示すマイクロメカニカル共振器においては、シリコン或いはガラスからなる基 板 (9)上に、シリコン、アルミニウム等の導電材料からなる共振子 (5)が配備されると共 に、該共振子 (5)の両側には、シリコン、アルミニウム等の導電材料からなる入力電極 ( 27)と出力電極 (17)が配備されている。
[0076] 共振子 (5)は、第 1実施例と同じ構造を有し、共振子 (5)の両支持ビーム (51X51)の 外側には、それぞれ支持ビーム (51)の中央部に対向して、一対のバイアス電極 (4)(4) が配備されており、支持ビーム (51)とバイアス電極 (4)の間には所定 (例えば 0·；!〜 0.5 11 m)のギャップが形成されて!/、る。
[0077] 入力電極 (27)及び出力電極 (17)はそれぞれ、共振ビーム (52)の下方、即ち共振ビ ーム (52)と基板 (9)の間へ向けて等間隔に突出する 3つの電極突出部 (28X18)を具え 、これらの電極突出部 (28X18)はそれぞれ、基板 (9)の表面と垂直な面内で、共振ビ ーム (52)の非くびれ部と交互に対向して、共振ビーム (52)の非くびれ部との間に所定 ( 例えば 0.；!〜 0.5〃 m)のギャップ部を形成している。
[0078] 入力電極 (27)には高周波電源 (6)が接続され、 1つのアンカー (3)には主電圧電源（
7)が接続されている。又、一対のバイアス電極 (4)(4)にはバイアス電圧電源 (8)が接 続されている。
[0079] 斯くして、図 12に示すマイクロメカニカル共振器は、高周波電源 (6)から入力電極 (2
7)に高周波信号が入力されて、出力電極 (17)から高周波信号 Ioが出力される 2ポート 型の共振器を構成している。
[0080] 上記のマイクロメカニカル共振器において、アンカー (3)を介して共振子 (5)に直流 電圧 Vpを印加した状態で、入力電極 (27)に高周波信号を入力すると、電極突出部 (2
8)と支持ビーム (51)の非くびれ部との間に静電気力が発生し、この静電気力によって 、共振子 (5)の共振ビーム (52)は、その両端部を支持部 (50X50)として、基板 (9)の表 面と垂直な面内で振動することになる。
[0081] 電極突出部 (28)と共振ビーム (52)の非くびれ部との間に発生させるべき静電気力は
、上述の如ぐ共振ビーム (52)の中央部近傍のギャップ部で最も小さく且つ両端部近 傍のギャップ部で最も大きくなる様に設定される。
[0082] 共振子 (5)の共振ビーム (52)は、図 13に示す様に、くびれ部が振動の節、非くびれ 部が振動の腹となって振動し、この振動に伴って、共振ビーム (52)と出力電極 (17)と の間に形成される静電容量が変化し、該静電容量の変化が出力電極 (17)から高周 波信号 Ioとして出力される。
[0083] ここで、バイアス電極 (4)(4)にバイアス電圧を印加することにより、共振子 (5)の支持 ビーム (51X51)とバイアス電極 (4)(4)との間に静電気力が発生し、これによつて共振子
(5)の共振ビーム (52)は、長手方向の引っ張り力を受けることになる。
[0084] 従って、バイアス電圧電源 (8)のバイアス電圧を調整することにより、共振ビーム (52) の共振周波数を変化させて、アンカー (3)から出力される高周波信号 Ioの周波数を微 調整することが出来る。
[0085] 上述のマイクロメカニカル共振器によれば、共振子 (5)の共振ビーム (52)の長手方 向に沿って、複数の電極突出部 (18X28)を交互に配置することにより、その電極突出 部 (18X28)の数に応じた高次の共振モードで共振ビーム (52)を意図的に共振させて、 GHz帯の発振周波数を得ることが出来る。
[0086] 上記の様に、本発明に係るマイクロメカニカル共振器によれば、共振子 (5)の共振ビ ーム (52)に高次モードの振動を意図的に発生させることが出来るので、共振子 (5)を 作製容易な寸法に維持したまま、従来よりも高い発振周波数を得ることが出来る。又 、ノ^ァス電圧電源 (8)の電圧調整により、共振子 (5)の形状寸法を変更することなぐ 発振周波数の微調整を行なうことが出来る。
[0087] 更に又、本発明に係るマイクロメカニカル共振器によれば、共振ビーム (52)に作用 する静電気力を共振ビーム (52)の中央部から両端部に向かって増大させると共に、 共振ビーム (52)の振動の節となる位置にくびれ部を凹設した構成により、共振ビーム（ 52)に発生する高次共振モードの振動波形は、該波形に含まれる複数のピーク値が 互いに等しくなる理想的なものに近づき、その結果、 1次の共振モードの振動が抑え られて高次の共振モードの振動が増大することになる。従って、発振周波数の高い 高次共振モードを利用した無線通信装置への応用が可能となる。
[0088] 特に、本発明に係るマイクロメカニカル共振器は、出力される高周波信号の周波数 を挺倍することなぐ直接に必要な周波数を発振させることが出来るので、低位相ノィ ズが必要とされる装置、例えばリモートキーレスエントリーシステムや、スペクトラム拡 散通信やソフトウェア無線等の RF無線装置に有効である。
[0089] 尚、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技 術的範囲内で種々の変形が可能である。例えば、共振子 (5)の材料として、ヤング率 の高い材料、例えばダイアモンド等を用いることによって、更に高い発振周波数を実 現することも可能である。又、上記実施例では電極の形状は何れも櫛歯状を呈して いるが、複数の電極突出部 (電極片)を互いに導電線路で接続した構成を採用するこ とも可能である。
図面の簡単な説明
[0090] [図 1]本発明に係るマイクロメカニカル共振器の基本構成を示す平面図である。
[図 2]本発明に係るマイクロメカニカル共振器における静電気力の設定を実現するた めの構成例を示す平面図である。
[図 3]同上の他の構成例を示す平面図である。
[図 4]同上の更に他の構成例を示す平面図である。
[図 5]従来のマイクロメカニカル共振器における周波数特性を表わすグラフである。
[図 6]本発明のマイクロメカニカル共振器における周波数特性を表わすグラフである。
[図 7]本発明の第 1実施例のマイクロメカニカル共振器の斜視図である。
[図 8]第 1実施例のマイクロメカニカル共振器の平面図である。
[図 9]第 2実施例のマイクロメカニカル共振器の平面図である。
[図 10]第 3実施例のマイクロメカニカル共振器の平面図である。
[図 11]第 3実施例のマイクロメカニカル共振器における共振ビームの振動状態を説 明する断面図である。
[図 12]第 4実施例のマイクロメカニカル共振器の平面図である。 園 13]第 4実施例のマイクロメカニカル共振器における共振ビームの振動状態を説 明する断面図である。
園 14]本発明に係るマイクロメカニカル共振器における静電気力の大小関係を説明 する図である。
園 15]従来のマイクロメカニカル共振器の斜視図である。
園 16]従来の他のマイクロメカニカル共振器の斜視図である。
園 17]共振モードを説明する図である。
[図 18]1次共振モード及び高次共振モードの周波数特性を表わすグラフである。 符号の説明
(1) 駆動電極
(10) 電極突出部
(2) 駆動電極
(20) 電極突出部
(3) アンカー
(4) バイアス電極
(5) 共振子
(50) 支持部
(51) 支持ビーム
(52) 共振ビーム
(53) 非くびれ部
(54) くびれ部
(6) 高周波電源
(7) 主電圧電源
(8) バイアス電圧電源
(9) 基板

Claims

請求の範囲
[1] 基板 (9)上に両端部が支持された共振ビーム (52)と、該共振ビーム (52)の両端部間 の軸部に対向して配置された 2つの電極 (1)(2)とを具え、共振ビーム (52)の両端部間 にて、一方の電極 (1)と共振ビーム (52)とが互いに対向して、 1或いは複数のギャップ 部が形成されると共に、他方の電極 (2)と共振ビーム (52)とが互いに対向して、 1或い は複数のギャップ部が形成され、高周波信号の入力により何れか一方若しくは両方 の電極 (1)(2)と共振ビーム (52)との間に交番静電気力を発生させて共振ビーム (52)に 振動を与え、何れか一方若しくは両方の電極 (1X2)と共振ビーム (52)との間の静電容 量の変化を高周波信号として出力するマイクロメカニカル共振器にお!/、て、共振ビー ム (52)に対して各ギャップ部を介して作用する静電気力の変動幅が、共振ビーム (52) の中央部近傍のギャップ部で最も小さく且つ両端部近傍のギャップ部で最も大きくな る様に設定されており、これによつて 1次の共振モードの振動を抑えて高次の共振モ ードの振動を増大させたことを特徴とするマイクロメカニカル共振器。
[2] 一方の電極 (1)は共振ビーム (52)の中央部近傍にギャップ部を形成すると共に、他 方の電極 (2)は共振ビーム (52)の両端部近傍にギャップ部を形成するものであって、 前記他方の電極 (2)には、該電極 (2)に一定のバイアス電圧を印加するためのバイァ ス電圧源が接続されて!/、る請求項 1に記載のマイクロメカニカル共振器。
[3] 共振ビーム (52)の両端部間に形成されて!/、る各ギャップ部のギャップ長が、共振ビ ーム (52)の中央部近傍のギャップ部で最も大きく且つ両端部近傍のギャップ部で最も 小さくなる様に設定されて!/、る請求項 1に記載のマイクロメカニカル共振器。
[4] 共振ビーム (52)の両端部間に形成されて!/、る各ギャップ部の幅が、共振ビーム (52) の中央部近傍のギャップ部で最も小さく且つ両端部近傍のギャップ部で最も大きくな る様に設定されて!/、る請求項 1に記載のマイクロメカニカル共振器。
[5] 基板 (9)上に両端部が支持された共振ビーム (52)と、該共振ビーム (52)の両端部間 の軸部に対向して配置された 2つの電極 (1)(2)とを具え、共振ビーム (52)の両端部間 にて、一方の電極 (1)と共振ビーム (52)とが互いに対向して、 1或いは複数のギャップ 部が形成されると共に、他方の電極 (2)と共振ビーム (52)とが互いに対向して、 1或い は複数のギャップ部が形成され、高周波信号の入力により何れか一方若しくは両方 の電極 (1)(2)と共振ビーム (52)との間に交番静電気力を発生させて共振ビーム (52)に 振動を与え、何れか一方若しくは両方の電極 (1X2)と共振ビーム (52)との間の静電容 量の変化を高周波信号として出力するマイクロメカニカル共振器にお!/、て、共振ビー ム (52)の各ギャップ部に面する領域に作用させるべき交番静電気力の領域間の比率 は、各領域に一定の静電気力を作用させた場合にお!、て各領域の静的変位量が均 等となるときの静電気力の領域間比率と同一、若しくは略同一となる様、調整されて V、ることを特徴とするマイクロメカニカル共振器。
共振ビーム (52)には、振動の節となる複数の領域にそれぞれ、他の領域よりも断面 積の小さなくびれ部 (54)が凹設されている請求項 1乃至請求項 5の何れかに記載の マイクロメカニカル共振器。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009157453A1 (ja) * 2008-06-25 2009-12-30 セイコーインスツル株式会社 静電振動子及び電子機器
CN114200223A (zh) * 2021-12-07 2022-03-18 浙江大学 一种基于1：3频率比非线性静电耦合的mems谐振式静电计

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5081586B2 (ja) * 2007-11-08 2012-11-28 三洋電機株式会社 マイクロメカニカル共振器
JP4690436B2 (ja) * 2008-05-01 2011-06-01 株式会社半導体理工学研究センター Ｍｅｍｓ共振器、ｍｅｍｓ発振回路及びｍｅｍｓデバイス

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001082964A (ja) * 1999-07-12 2001-03-30 Murata Mfg Co Ltd 共振素子
JP2002505046A (ja) * 1997-06-13 2002-02-12 ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティー オブ ミシガン 基板上に形成されたマイクロ構造を局所的にアニーリングする方法およびシステムならびにそれにより形成された素子
JP2004221853A (ja) * 2003-01-14 2004-08-05 Toshiba Corp マイクロメカニカルフィルタ及び携帯型情報端末
JP2004312710A (ja) * 2003-03-25 2004-11-04 Matsushita Electric Ind Co Ltd 機械共振器
JP2006238265A (ja) * 2005-02-28 2006-09-07 Seiko Epson Corp 振動子構造体及びその製造方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3651671B2 (ja) * 2001-08-30 2005-05-25 株式会社東芝 マイクロメカニカルスイッチ及びその製造方法
WO2004032320A1 (ja) * 2002-10-03 2004-04-15 Sharp Kabushiki Kaisha マイクロ共振装置、マイクロフィルタ装置、マイクロ発振器および無線通信機器
JP2005167546A (ja) * 2003-12-02 2005-06-23 Matsushita Electric Ind Co Ltd 電気機械フィルタ
JP2006222562A (ja) * 2005-02-08 2006-08-24 Sony Corp 微小共振器、バンドパスフィルタ、半導体装置、及び通信装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002505046A (ja) * 1997-06-13 2002-02-12 ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティー オブ ミシガン 基板上に形成されたマイクロ構造を局所的にアニーリングする方法およびシステムならびにそれにより形成された素子
JP2001082964A (ja) * 1999-07-12 2001-03-30 Murata Mfg Co Ltd 共振素子
JP2004221853A (ja) * 2003-01-14 2004-08-05 Toshiba Corp マイクロメカニカルフィルタ及び携帯型情報端末
JP2004312710A (ja) * 2003-03-25 2004-11-04 Matsushita Electric Ind Co Ltd 機械共振器
JP2006238265A (ja) * 2005-02-28 2006-09-07 Seiko Epson Corp 振動子構造体及びその製造方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009157453A1 (ja) * 2008-06-25 2009-12-30 セイコーインスツル株式会社 静電振動子及び電子機器
JP2010035144A (ja) * 2008-06-25 2010-02-12 Seiko Instruments Inc 静電振動子及び電子機器
CN114200223A (zh) * 2021-12-07 2022-03-18 浙江大学 一种基于1：3频率比非线性静电耦合的mems谐振式静电计

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