発振器
【課題】 周波数の温度依存特性をＭＥＭＳキャパシタの温度依存特性を利用して自動的に補正する、MEMS振動子を用いた発振器を提供する。
【解決手段】 機械的に振動するＭＥＭＳ振動子と、ＭＥＭＳ振動子の共振周波数で発振して発振信号を出力する出力用発振回路と、周囲の温度によってアノード電極とカソードビームの距離が変わり、容量値が変化するＭＥＭＳキャパシタとを備える。
【解決手段】 機械的に振動するＭＥＭＳ振動子と、ＭＥＭＳ振動子の共振周波数で発振して発振信号を出力する出力用発振回路と、周囲の温度によってアノード電極とカソードビームの距離が変わり、容量値が変化するＭＥＭＳキャパシタとを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、MEMS技術を用いた発振器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話等に代表される無線携帯機器、パーソナルコンピュータ等の電子機器の小型化と高精度化の要求が高まっている中で、この様な電子機器には小型でしかも安定な高周波信号源が必要不可欠である。この要求を満足させる為の代表的な電子部品が水晶振動子である。水晶振動子は、良好な結晶の安定性から、発振素子の品質の指標である共振先鋭度（即ちＱ値）が極めて大きく、１００００を超える事が知られている。これが、無線携帯機器、パーソナルコンピュータ等の安定な高周波信号源として、広く水晶振動子が利用されている理由である。しかし、この水晶振動子は、近年のより一層の小型化の要求を十分に満足させる事ができない事も明らかになってきている。
【０００３】
そこで近年、水晶振動子の代わりに、シリコン基板を用いたＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ−Ｓｙｓｔｅｍ）技術により形成された小型のＭＥＭＳ振動子を用いたＭＥＭＳ発振器が報告されている（特許文献１参照）。ＭＥＭＳ発振器は水晶発振器に比べて小型化が可能であり、また高周波への対応が容易である事から、特に携帯電話などの小型機器への普及が見込まれている。また、ＭＥＭＳ振動子はシリコン基板を用いて作製できる事から、周辺回路とワンチップ化する事も可能である。
【０００４】
図２は、ＭＥＭＳ振動子を表す原理図である。この図に示す様に、ＭＥＭＳ振動子は基板１０に対して間隙１４の距離で浮いた状態で対向配置し、振動ビーム１１を作製する。振動ビーム１１の両端はアンカー１６を介して基板１０に固定される。ドライブ電極１２、センス電極１３はそれぞれ、振動ビーム１１に対して容量性ギャップ１５を設けた状態で対向配置される。MEMS振動子は電圧を印加して静電力による駆動を行うが、その際、交流信号に加えて直流バイアス電圧を印加することで水晶振動子と同様な電気的特性（例えばＱ値）を示すので、水晶発振器と同様の構成で発振器の振動子として用いる事が可能である。このMEMS振動子の振動周波数ｆ0は、実効的な質量Ｍeff、実効的な硬さＫeffを用いて、
ｆ０＝１／（２π）√（Ｋeff／Ｍeff）
と表すことができる。ここで振動ビーム１１を形成している材料は、環境温度変化によって膨張・収縮をするため、実効的な質量Ｍeffは変化する。また、振動ビーム１１を形成している材料は環境温度変化によって材料のヤング率が変化するため、実効的な硬さＫeffは変化する。
【特許文献１】ＵＳ２００６／００３３５９４ Ａ１
【特許文献２】ＵＳ２００２／００６９７０１ Ａ１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述の従来技術に係るＭＥＭＳ発振器においては、水晶振動子と比較して発振周波数の温度依存特性が悪いという問題があった。これは、実効的な質量や実効的な硬さが温度によって変化してしまうためである。その温度依存特性を補正するためには温度センサが必要であるが、発振器内に別体の温度センサを内蔵すると発振器のサイズが大きくなると共にコストも増加するという問題があった。また、振動子と離れた位置に温度センサを配置した場合には温度検出の誤差が大きくなり補正の精度が悪くなるという問題があった。
【０００６】
本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、周波数の温度依存特性をＭＥＭＳキャパシタの温度依存特性を利用して自動的に補正する、ＭＥＭＳ振動子を用いた発振器を提供する事である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る発振器は、前記出力用振動子の共振周波数で発振して発振信号を出力する出力用発振回路と、周囲の温度によってアノード電極とカソードビームの距離が変わり、容量値が変化するキャパシタとを備える。
【０００８】
また本発明に係わる出力用振動子は、半導体基板である支持層に対向して配置され、その少なくとも一部は前記支持層上の絶縁層に固定されている事を特徴とする。
【０００９】
また本発明に係わるキャパシタは、半導体基板である支持層に対向して間隙を設けて配置された支持ビーム、カソードビームと、支持ビームを半導体基板である支持層上に固定するアンカーと、半導体基板である支持層上に固定されたアノード電極とから構成され、カソードビームの両端は支持ビームの一方の端にそれぞれ接続し、支持ビームのもう一方の端はアンカーを介して半導体基板である支持層上の絶縁膜に固定し、アノード電極とカソードビームは平行に対向して配置されると共に、支持ビームはカソードビームに対して直交に接続している事を特徴とする。
【００１０】
また本発明に係わるキャパシタは、半導体基板である支持層に対向して間隙を設けて配置された支持ビーム、アノード電極、カソード電極と、支持ビームを半導体基板である支持層上に固定するアンカーから構成され、支持ビームの一方の端にカソード電極を接続し、支持ビームのもう一方の端はアンカーを介して半導体基板である支持層上の絶縁膜に固定し、別の支持ビームの一方の端にアノード電極を接続し、別の支持ビームのもう一方の端はアンカーを介して半導体基板である支持層上の絶縁膜に固定し、アノード電極とカソード電極は平行に対向して配置されると共に、アノード電極が接続された支持ビームとカソード電極が接続された支持ビームは互いに平行に、かつ、それぞれのアンカーは互いに対極の位置に配置されている事を特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る発振器は、前記出力用振動子と、前記出力用発振回路と、前記キャパシタとが同一の基板上に形成された事を特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、出力用発振回路に接続されているキャパシタを温度に対して容量値が変化するように構成したため、環境温度変化によって発振器の発振周波数が変化するのを自動的に補正し、温度変化に対して周波数変化がない発振器を提供することができる。また、キャパシタをＭＥＭＳ振動子と同じプロセスで隣接するように設置したので、ＭＥＭＳ振動子の温度を正確に反映して発振器の発振周波数を補正する事ができる。また温度変化に対するキャパシタの容量値変化を2次特性にすることにより、発振器の周波数温度変化の2次成分を自動的に補正し、温度変化に対して周波数変化がない発振器を提供することができる。さらに、ＭＥＭＳ振動子、キャパシタ、出力用発振回路を同一の工程で同一基板上に作製できるので、小型で安価なＭＥＭＳ振動子を用いた発振器が提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
【実施例１】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。
【００１５】
図１は、本発明の実施形態に係る発振器のブロック図である。同図に示すように、ＭＥＭＳ振動子１、出力用発振回路２、ＭＥＭＳキャパシタ３、４から構成される。また、ＭＥＭＳ振動子１は図２に示すように、振動ビーム１１、ドライブ電極１２、センス電極１３から構成される。ＭＥＭＳ振動子１のセンス電極１３は、ＭＥＭＳキャパシタ２と出力用発振回路２の入力端子に接続される。ＭＥＭＳ振動子１のドライブ電極１２は、ＭＥＭＳキャパシタ４と出力用発振回路２の出力端子と発振器の出力端子５に接続されている。
【００１６】
図１に示した発振器のブロック図はコルピッツ発振回路を元に回路ブロックが構成されているが、必ずしもこの構成に限定されるのではなく、本発明はＭＥＭＳ振動子の出力用発振回路にＭＥＭＳキャパシタを使うことを特徴としており、他の増幅回路や発振回路に適用することも可能である。
【００１７】
ＭＥＭＳ振動子１は、基板１０上に絶縁層を介してアンカー１６、ドライブ電極１２、センス電極１３が配置されている。振動ビーム１１と基板１０の間には絶縁層が存在せず間隙１４となっている。これにより、振動ビーム１１は機械的に振動し得る。さらに振動ビーム１１の長辺方向両端はアンカー１６で基板１０上の絶縁層に固定されている。ドライブ電極１２、センス電極１３は容量性ギャップ１５を持った状態で振動ビーム１１の長辺に平行に配置される。ドライブ電極１２とセンス電極１３は、振動ビーム１１の長辺を挟んでお互い対極の位置に配置される。本発明では、振動ビーム１１の両端を基板に固定するＣｌａｍｐ−Ｃｌａｍｐビームを用いているが、必ずしもこの構造に限定されるものではなく、ＭＥＭＳ振動子すべてに適用することができる。
【００１８】
ＭＥＭＳキャパシタ３、４は、図３に示すようにカソード電極２１、アノード電極２２、２３、支持ビーム２４、２５、アンカー２６、２７から構成される。カソード電極２１、支持ビーム２４、２５は基板１０に対して間隙３０をあけた状態で浮いている。カソード電極２１の長辺方向両端は支持ビーム２４、２５の一方の端に直交してそれぞれ接続されている。支持ビーム２４、２５のもう一方の端はアンカー２５、２６で基板１０上の絶縁層に固定されている。アノード電極２２、２３はカソード電極２１に対して容量性ギャップ２８、２９を持った状態でカソード電極２１の長辺に平行に配置される。さらにアノード電極２２とアノード電極２３は、カソード電極２１の長辺を挟んでお互い対極の位置に配置される。
【００１９】
ここでＭＥＭＳ振動子１及びＭＥＭＳキャパシタ３、４は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いてＭＥＭＳ技術によって形成される。ＳＯＩ基板は活性層、絶縁層、基板１０を有している。これらの層の内、活性層（シリコン）はＭＥＭＳ振動子の振動ビーム１１やＭＥＭＳキャパシタの支持ビーム２４、２５、３３、３４やカソード電極２１、３１、アノード電極３２を形成するために用いられる。これらの可動部はエッチングによって、基板１０に対向すると共に互いに隣接して形成される。これらの可動部は電極として機能させるため、予め不純物ドープなどにより活性層を低抵抗化しておく。
【００２０】
また、上記活性層の加工後にエッチングによってアンカー１６、２６、２７、３５、３６以外の下面の絶縁層を除去することで、上記可動部と基板との間にギャップ（間隙）を形成する。エッチングされずに残ったアンカー１６、２６、２７、３５、３６下面の絶縁層が、基板１０と可動部とをそれぞれ電気的に絶縁すると共に基板１０に固定する。
【００２１】
さらに、アルミニウム（Ａｌ）の蒸着などによりそれぞれの電極が発振回路に電気的に接続される。
【００２２】
ＭＥＭＳ振動子１とＭＥＭＳキャパシタ３、４は互いに隣接して形成されるため、振動ビーム１１とほぼ同一の温度を検出できる。また、ＭＥＭＳ振動子１とＭＥＭＳキャパシタは同一プロセスで一体に形成できるため、非常に小型化する事が出来るとともに、低コスト化も可能となる。
【００２３】
次に、本実施形態に係る発振器の動作を詳細に説明する。
【００２４】
まず、ＭＥＭＳ振動子１の振動ビーム１１へアンカー１６を通してビームバイアス電圧を印加する。出力用発振回路２は、ＭＥＭＳ振動子１とＭＥＭＳキャパシタ３、４で決まる共振周波数で発振して出力用発振信号を出力する。出力された信号は出力端子５を通して他の回路に送られると共に、ＭＥＭＳ振動子１のドライブ電極１２に送られる。ドライブ電極１２には交流電圧に加えて直流バイアス電圧を印加することで、水晶振動子と同様の特性（例えばQ値）を持たせる事ができる。
【００２５】
ここで、本発明の実施の形態に係わる出力用発振回路の一実施例について図７を元に説明する。
ＭＥＭＳ振動子１の両端には、電流抑制用抵抗６３，６４の一端がそれぞれ接続される。電流抑制用抵抗６３，６４の他端には、それぞれ直流バイアス電圧６６の両端が接続される。また、ＭＥＭＳ振動子１の両端には、直流成分カット用容量６１，６２の一端がそれぞれ接続される。さらにＭＥＭＳ振動子１の振動ビーム１１にはビームバイアス電圧６８の正極が接続され、負極は接地される。
【００２６】
直流成分カット用容量６１の他端は、負荷容量であるＭＥＭＳキャパシタ３の一端が接続されると共に、インバータ（アンプ）６７の入力端と負荷抵抗６５の一端が接続される。また、直流成分カット用容量６２の他端は、負荷容量であるＭＥＭＳキャパシタ４の一端が接続されると共に、インバータ（アンプ）６７の出力端と負荷抵抗６５の他端と出力用発振回路２の出力端子５が接続される。また、負荷容量であるＭＥＭＳキャパシタ３、４の他端は、それぞれ接地される。
【００２７】
次に、本発振回路の動作を説明する。
【００２８】
ＭＥＭＳ振動子１の両端には、上述のように直流バイアス電圧６６とビームバイアス電圧６８が印加され、振動ビーム１１とドライブ電極１２及びセンス電極１３の間の静電引力をより大きなものにすると共にインバータ（アンプ）６７の入力端子に入ってくる信号のレベルを調整する。ここで直流バイアス電圧６６を印加するため、ＭＥＭＳ振動子１への大電流の流入と流出を防ぐ目的で電流抑制用抵抗６３，６４が挿入されている。また、インバータ（アンプ）６７の入出力端子に直流電圧が印加されないように、直流成分カット用容量６１，６２が挿入されている。
【００２９】
そして振動ビーム１１は、ドライブ電極１２に加えられた交流電圧と振動ビーム１１に加えられた直流バイアス電圧で静電引力を起こし、振動ビーム１１が振動する。振動ビーム１１の振動によってセンス電極１３に電荷が誘起され、誘起された電荷の増減が信号となってインバータ（アンプ）６７の入力端子に送られる。入力端子に送られてきた信号はインバータ（アンプ）６７で増幅されて、再度ドライブ電極１２に加えられる。
【００３０】
以上のことを繰り返し、最終的に出力用発振回路２は、ＭＥＭＳ振動子１の共振周波数で発振して発振信号を出力する。
【００３１】
ここで図８は、MEMS振動子の共振周波数の温度依存特性を示したものである。同図に示すように、MEMS振動子の共振周波数は温度が高くなるにつれて、周波数が低下してくる。さらに温度と周波数の関係はリニアではなく、2次関数的に低下していく。このため、これまでの発明のように温度センサを設けてＭＥＭＳ振動子の温度を計測し、回路で周波数を補正していくというやり方では、非常に困難さを伴う。
【００３２】
出力用発振回路２の入力端子と出力端子に接続されているＭＥＭＳキャパシタ３、４は、アノード電極２２、２３とカソード電極２１との間に容量性ギャップ２０を設けて配置されているため、
Ｃ＝εＳ／ｄ （Ｓはアノード電極面積、ｄは容量性ギャップ）
で決まる容量値を持つ。ここで環境温度が変化すると、材料は以下のような計算式に基づいて膨張・収縮を行う。
【００３３】
Ｌ’＝Ｌ0（１＋αΔＴ＋βΔＴ2）
Ｌ0は基準温度時の材料の長さ、Ｌ’は現在の環境温度での材料の長さ、ΔＴは基準温度と
現在の環境温度との温度差、α、βは材料の線膨張温度係数である。
【００３４】
このため、例えば環境温度が基準温度より高くなった場合、支持ビーム２４、２５は上記式に基づいて長さが伸びる。しかし支持ビーム２４、２５は、一方の端をアンカー２６、２７で基板１０に固定されているためカソード電極２１と接続されている方向（アンカー２６、２７で固定されている端とは逆の端の方向）に伸びていく。ここでアノード電極２２、２３は基板１０に固定されているため、アノード電極２３とカソード電極２１の容量性ギャップ２９は縮まり、アノード電極２２とカソード電極２１の容量性ギャップ２８は拡がることになる。このためアノード電極２３とカソード電極２１を使ってＭＥＭＳキャパシタ３、４を構成した場合、環境温度が上昇するとＭＥＭＳキャパシタ３、４の容量値は増加する（図４（ａ））。一方、アノード電極２２とカソード電極２１を使ってＭＥＭＳキャパシタ３、４を構成した場合、環境温度が上昇するとＭＥＭＳキャパシタ３、４の容量値は減少する（図４（ｂ））。図１に示した回路ブロックでＭＥＭＳキャパシタを用いる場合、ＭＥＭＳ振動子１の周波数温度特性は温度が上昇すると周波数が下がるため、温度が上昇するとキャパシタの容量が低下するように、アノード電極２２とカソード電極２１を使ってＭＥＭＳキャパシタ３、４を構成する接続を行う。ここでＭＥＭＳ振動子１とＭＥＭＳキャパシタの組合せでは常にアノード電極２２とカソード電極２１を用いることに限定されるものではない。出力用発振回路２の回路構成によって、どちらのアノード電極と接続するべきか異なってくる。本発明で示したコルピッツタイプの発振回路では、上記のようにアノード電極２２とカソード電極２１を使う。
【００３５】
環境温度が上昇することによってＭＥＭＳキャパシタ３、４の容量値は低下し、出力用発振回路２の出力信号は周波数が上昇する傾向になるが、一方、ＭＥＭＳ振動子１の共振周波数は温度上昇によって低下していく傾向にあるので、ＭＥＭＳ振動子１とＭＥＭＳキャパシタ３、４を合わせた共振周波数は温度に対して増減することなく、一定を保つことができることとなる。
【００３６】
上記の様に本発振器は、ＭＥＭＳキャパシタの容量温度依存性を用いてＭＥＭＳ振動子の周波数を温度補償するものである。
【実施例２】
【００３７】
本発明の別の実施形態に係る発振器について詳細に説明する。
【００３８】
ＭＥＭＳ振動子１の周波数温度特性は図７に示すようにＭＥＭＳ振動子の共振周波数は温度が高くなるにつれて、周波数が低下してくる。さらに温度と周波数の関係はリニアではなく、2次関数的に低下していく。これまで、ＭＥＭＳ振動子の周波数温度特性を改善するために特許ＵＳ２００６／００３３５９４ Ａ１やＵＳ２００２／００６９７０１ Ａ１で開示されているような手法が用いられてきた。これらの手法では、周波数温度特性の１次成分を低減する効果はあるが、温度特性の2次成分を低減する効果は小さかった。そこで本発明の別の実施形態では、出力用発振回路２の入出力端子に接続されているＭＥＭＳキャパシタ３、４の容量値を２次的に変化させることで、周波数温度特性の２次成分を低減させようとしたものである。
【００３９】
ＭＥＭＳキャパシタ３、４は、図５に示すように、カソード電極３１、アノード電極３２、支持ビーム３３、３４、アンカー３５、３６から構成される。カソード電極３１、アノード電極３２、支持ビーム３３、３４は基板１０に対して間隙３８をあけた状態で浮いている。カソード電極３１は支持ビーム３３の一方の端に接続されている。支持ビーム３３のもう一方の端はアンカー３５で基板１０上の絶縁層に固定されている。アノード電極３２は支持ビーム３４の一方の端に接続されている。支持ビーム３４のもう一方の端はアンカー３６で基板１０上の絶縁層に固定されている。カソード電極３１とアノード電極３２は容量性ギャップ３７を持った状態で、且つ支持ビーム３３、３４の長辺方向に平行なカソード電極３１及びアノード電極３２の辺が互いに対向するように配置される。さらに、支持ビーム３３、３４はそれぞれアンカー３５、３６を介して基板１０上の絶縁層に固定される。このときアンカー３５、３６の位置は、カソード電極３１とアノード電極３２の対向している面に対して対極の位置に配置される。
【００４０】
次に、本発明の別の実施形態に係る発振器の動作を詳細に説明する。
【００４１】
まず、ＭＥＭＳ振動子１は周波数温度特性を改善するために特許ＵＳ２００６／００３３５９４ Ａ１やＵＳ２００２／００６９７０１ Ａ１で開示されているような手法を用いたＭＥＭＳ振動子を使用する。このとき、周波数温度特性の１次成分はほぼ取り除かれているが、温度特性の２次成分は大きく残ってしまっている状態である。
【００４２】
出力用発振回路２の入力端子と出力端子に接続されているＭＥＭＳキャパシタ３、４は、アノード電極３２とカソード電極３１との間に容量性ギャップ３７を設けて配置されているため、
Ｃ＝εＳ／ｄ （Ｓはキャパシタ電極面積、ｄは容量性ギャップ）
で決まる容量値を持つ。ここで環境温度が変化すると、材料は以下のような計算式に基づいて膨張・収縮を行う。
【００４３】
Ｌ’＝Ｌ0（１＋αΔＴ＋βΔＴ2）
Ｌ0は基準温度時の材料の長さ、Ｌ’は現在の環境温度での材料の長さ、ΔＴは基準温度と
現在の環境温度との温度差、α、βは材料の線膨張温度係数である。
【００４４】
このため、例えば環境温度が基準温度より高くなった場合、支持ビーム３３、３４は上記式に基づいて長さが伸びる。しかし支持ビーム３３、３４は、一方の端をアンカー３５、３６で基板１０に固定されているため、支持ビーム３３はカソード電極３１が接続されている方向（アンカー３５で固定されている端とは逆の端の方向）に伸びていき、支持ビーム３４はアノード電極３２が接続されている方向（アンカー３６で固定されている端とは逆の端の方向）に伸びていく。キャパシタの容量は上記式に示すように電極の面積に比例するため、支持ビーム３３、３４が伸びることによってアノード電極３２とカソード電極３１が対向する電極面積は小さくなり、キャパシタの容量値は小さくなっていく。
【００４５】
一方、環境温度が基準温度より低くなった場合、支持ビーム３３、３４は上記式に基づいて長さが縮む。しかし支持ビーム３３、３４は、一方の端をアンカー３５、３６で基板１０に固定されているため、支持ビーム３３はアンカー３５の方向に縮んでいき、支持ビーム３４はアンカー３６の方向に縮んでいく。キャパシタの容量は上記式に示すように電極の面積に比例するため、支持ビーム３３、３４が縮むことによってアノード電極３２とカソード電極３１が対向する電極面積は小さくなくなり、キャパシタの容量値は小さくなっていく。
【００４６】
つまり、ＭＥＭＳキャパシタの容量は、基準温度時の容量を最大値として温度が高くても低くても小さくなる2次特性を有する(図６参照)。周波数の１次温度特性を補正されたＭＥＭＳ振動子１はある温度を最大値として負の２次特性を持っているが、上記ＭＥＭＳキャパシタもある温度を最大値として負の容量温度特性を持つため、ＭＥＭＳ振動子１とＭＥＭＳキャパシタ３、４を合わせた共振周波数は温度に対して増減することなく、一定を保つことができる。
【００４７】
上記の様に本発振器は、ＭＥＭＳキャパシタの容量温度依存性を用いてＭＥＭＳ振動子の周波数を温度補償するものである。
【００４８】
また、ＳＯＩ基板などを用いて上述してきた構成とした場合、本発振器は同一の基板上にすべての構成要素を一体化して形成する事が可能である。また、例えば本発振回路の発振信号を利用して各種信号処理を行うその他の集積回路を同一基板上に形成する事も可能である。
【００４９】
以上、本発明の実施形態を詳述してきたが、具体的な構成は本実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
【００５０】
例えば、ＭＥＭＳ振動子の構造は図２に示した構造に限定されず、横振動を用いる構造でも良く、または振動子の両端が支持された構造でも良い。また、発振回路の構成も、図７に示した構成に限定されないことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施形態に係る発振器のブロック図である。
【図２】同上のＭＥＭＳ振動子の構成を示す斜視図である。
【図３】同上のＭＥＭＳキャパシタの構成を示す斜視図である。
【図４】同上のＭＥＭＳキャパシタの容量温度依存特性図である。
【図５】本発明の別の実施形態に係るＭＥＭＳキャパシタの構成を示す斜視図である。
【図６】本発明の別の実施形態に係るＭＥＭＳキャパシタの容量温度依存特性図である。
【図７】本発明の実施形態に係る出力用発振回路の回路図である。
【図８】同上のMEMS振動子の共振周波数の温度依存特性図である。
【符号の説明】
【００５２】
１、ＭＥＭＳ振動子
２、出力用発振回路
３，４、ＭＥＭＳキャパシタ
５、出力端子
１０、基板
１１、振動ビーム
１２、ドライブ電極
１３、センス電極
１４，３０，３８、間隙
１５，２８，２９，３７、容量性ギャップ
１６，２６，２７，３５，３６、アンカー
２１，３１、カソード電極
２２，２３，３２、アノード電極
２４，２５，３３，３４、支持ビーム
６１，６２、直流成分カット用容量
６３，６４、電流抑制用抵抗
６５、負荷抵抗
６６、直流バイアス電圧
６７、インバータ（アンプ）
６８、ビームバイアス電圧。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、MEMS技術を用いた発振器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話等に代表される無線携帯機器、パーソナルコンピュータ等の電子機器の小型化と高精度化の要求が高まっている中で、この様な電子機器には小型でしかも安定な高周波信号源が必要不可欠である。この要求を満足させる為の代表的な電子部品が水晶振動子である。水晶振動子は、良好な結晶の安定性から、発振素子の品質の指標である共振先鋭度（即ちＱ値）が極めて大きく、１００００を超える事が知られている。これが、無線携帯機器、パーソナルコンピュータ等の安定な高周波信号源として、広く水晶振動子が利用されている理由である。しかし、この水晶振動子は、近年のより一層の小型化の要求を十分に満足させる事ができない事も明らかになってきている。
【０００３】
そこで近年、水晶振動子の代わりに、シリコン基板を用いたＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ−Ｓｙｓｔｅｍ）技術により形成された小型のＭＥＭＳ振動子を用いたＭＥＭＳ発振器が報告されている（特許文献１参照）。ＭＥＭＳ発振器は水晶発振器に比べて小型化が可能であり、また高周波への対応が容易である事から、特に携帯電話などの小型機器への普及が見込まれている。また、ＭＥＭＳ振動子はシリコン基板を用いて作製できる事から、周辺回路とワンチップ化する事も可能である。
【０００４】
図２は、ＭＥＭＳ振動子を表す原理図である。この図に示す様に、ＭＥＭＳ振動子は基板１０に対して間隙１４の距離で浮いた状態で対向配置し、振動ビーム１１を作製する。振動ビーム１１の両端はアンカー１６を介して基板１０に固定される。ドライブ電極１２、センス電極１３はそれぞれ、振動ビーム１１に対して容量性ギャップ１５を設けた状態で対向配置される。MEMS振動子は電圧を印加して静電力による駆動を行うが、その際、交流信号に加えて直流バイアス電圧を印加することで水晶振動子と同様な電気的特性（例えばＱ値）を示すので、水晶発振器と同様の構成で発振器の振動子として用いる事が可能である。このMEMS振動子の振動周波数ｆ0は、実効的な質量Ｍeff、実効的な硬さＫeffを用いて、
ｆ０＝１／（２π）√（Ｋeff／Ｍeff）
と表すことができる。ここで振動ビーム１１を形成している材料は、環境温度変化によって膨張・収縮をするため、実効的な質量Ｍeffは変化する。また、振動ビーム１１を形成している材料は環境温度変化によって材料のヤング率が変化するため、実効的な硬さＫeffは変化する。
【特許文献１】ＵＳ２００６／００３３５９４ Ａ１
【特許文献２】ＵＳ２００２／００６９７０１ Ａ１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述の従来技術に係るＭＥＭＳ発振器においては、水晶振動子と比較して発振周波数の温度依存特性が悪いという問題があった。これは、実効的な質量や実効的な硬さが温度によって変化してしまうためである。その温度依存特性を補正するためには温度センサが必要であるが、発振器内に別体の温度センサを内蔵すると発振器のサイズが大きくなると共にコストも増加するという問題があった。また、振動子と離れた位置に温度センサを配置した場合には温度検出の誤差が大きくなり補正の精度が悪くなるという問題があった。
【０００６】
本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、周波数の温度依存特性をＭＥＭＳキャパシタの温度依存特性を利用して自動的に補正する、ＭＥＭＳ振動子を用いた発振器を提供する事である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る発振器は、前記出力用振動子の共振周波数で発振して発振信号を出力する出力用発振回路と、周囲の温度によってアノード電極とカソードビームの距離が変わり、容量値が変化するキャパシタとを備える。
【０００８】
また本発明に係わる出力用振動子は、半導体基板である支持層に対向して配置され、その少なくとも一部は前記支持層上の絶縁層に固定されている事を特徴とする。
【０００９】
また本発明に係わるキャパシタは、半導体基板である支持層に対向して間隙を設けて配置された支持ビーム、カソードビームと、支持ビームを半導体基板である支持層上に固定するアンカーと、半導体基板である支持層上に固定されたアノード電極とから構成され、カソードビームの両端は支持ビームの一方の端にそれぞれ接続し、支持ビームのもう一方の端はアンカーを介して半導体基板である支持層上の絶縁膜に固定し、アノード電極とカソードビームは平行に対向して配置されると共に、支持ビームはカソードビームに対して直交に接続している事を特徴とする。
【００１０】
また本発明に係わるキャパシタは、半導体基板である支持層に対向して間隙を設けて配置された支持ビーム、アノード電極、カソード電極と、支持ビームを半導体基板である支持層上に固定するアンカーから構成され、支持ビームの一方の端にカソード電極を接続し、支持ビームのもう一方の端はアンカーを介して半導体基板である支持層上の絶縁膜に固定し、別の支持ビームの一方の端にアノード電極を接続し、別の支持ビームのもう一方の端はアンカーを介して半導体基板である支持層上の絶縁膜に固定し、アノード電極とカソード電極は平行に対向して配置されると共に、アノード電極が接続された支持ビームとカソード電極が接続された支持ビームは互いに平行に、かつ、それぞれのアンカーは互いに対極の位置に配置されている事を特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る発振器は、前記出力用振動子と、前記出力用発振回路と、前記キャパシタとが同一の基板上に形成された事を特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、出力用発振回路に接続されているキャパシタを温度に対して容量値が変化するように構成したため、環境温度変化によって発振器の発振周波数が変化するのを自動的に補正し、温度変化に対して周波数変化がない発振器を提供することができる。また、キャパシタをＭＥＭＳ振動子と同じプロセスで隣接するように設置したので、ＭＥＭＳ振動子の温度を正確に反映して発振器の発振周波数を補正する事ができる。また温度変化に対するキャパシタの容量値変化を2次特性にすることにより、発振器の周波数温度変化の2次成分を自動的に補正し、温度変化に対して周波数変化がない発振器を提供することができる。さらに、ＭＥＭＳ振動子、キャパシタ、出力用発振回路を同一の工程で同一基板上に作製できるので、小型で安価なＭＥＭＳ振動子を用いた発振器が提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
【実施例１】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。
【００１５】
図１は、本発明の実施形態に係る発振器のブロック図である。同図に示すように、ＭＥＭＳ振動子１、出力用発振回路２、ＭＥＭＳキャパシタ３、４から構成される。また、ＭＥＭＳ振動子１は図２に示すように、振動ビーム１１、ドライブ電極１２、センス電極１３から構成される。ＭＥＭＳ振動子１のセンス電極１３は、ＭＥＭＳキャパシタ２と出力用発振回路２の入力端子に接続される。ＭＥＭＳ振動子１のドライブ電極１２は、ＭＥＭＳキャパシタ４と出力用発振回路２の出力端子と発振器の出力端子５に接続されている。
【００１６】
図１に示した発振器のブロック図はコルピッツ発振回路を元に回路ブロックが構成されているが、必ずしもこの構成に限定されるのではなく、本発明はＭＥＭＳ振動子の出力用発振回路にＭＥＭＳキャパシタを使うことを特徴としており、他の増幅回路や発振回路に適用することも可能である。
【００１７】
ＭＥＭＳ振動子１は、基板１０上に絶縁層を介してアンカー１６、ドライブ電極１２、センス電極１３が配置されている。振動ビーム１１と基板１０の間には絶縁層が存在せず間隙１４となっている。これにより、振動ビーム１１は機械的に振動し得る。さらに振動ビーム１１の長辺方向両端はアンカー１６で基板１０上の絶縁層に固定されている。ドライブ電極１２、センス電極１３は容量性ギャップ１５を持った状態で振動ビーム１１の長辺に平行に配置される。ドライブ電極１２とセンス電極１３は、振動ビーム１１の長辺を挟んでお互い対極の位置に配置される。本発明では、振動ビーム１１の両端を基板に固定するＣｌａｍｐ−Ｃｌａｍｐビームを用いているが、必ずしもこの構造に限定されるものではなく、ＭＥＭＳ振動子すべてに適用することができる。
【００１８】
ＭＥＭＳキャパシタ３、４は、図３に示すようにカソード電極２１、アノード電極２２、２３、支持ビーム２４、２５、アンカー２６、２７から構成される。カソード電極２１、支持ビーム２４、２５は基板１０に対して間隙３０をあけた状態で浮いている。カソード電極２１の長辺方向両端は支持ビーム２４、２５の一方の端に直交してそれぞれ接続されている。支持ビーム２４、２５のもう一方の端はアンカー２５、２６で基板１０上の絶縁層に固定されている。アノード電極２２、２３はカソード電極２１に対して容量性ギャップ２８、２９を持った状態でカソード電極２１の長辺に平行に配置される。さらにアノード電極２２とアノード電極２３は、カソード電極２１の長辺を挟んでお互い対極の位置に配置される。
【００１９】
ここでＭＥＭＳ振動子１及びＭＥＭＳキャパシタ３、４は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いてＭＥＭＳ技術によって形成される。ＳＯＩ基板は活性層、絶縁層、基板１０を有している。これらの層の内、活性層（シリコン）はＭＥＭＳ振動子の振動ビーム１１やＭＥＭＳキャパシタの支持ビーム２４、２５、３３、３４やカソード電極２１、３１、アノード電極３２を形成するために用いられる。これらの可動部はエッチングによって、基板１０に対向すると共に互いに隣接して形成される。これらの可動部は電極として機能させるため、予め不純物ドープなどにより活性層を低抵抗化しておく。
【００２０】
また、上記活性層の加工後にエッチングによってアンカー１６、２６、２７、３５、３６以外の下面の絶縁層を除去することで、上記可動部と基板との間にギャップ（間隙）を形成する。エッチングされずに残ったアンカー１６、２６、２７、３５、３６下面の絶縁層が、基板１０と可動部とをそれぞれ電気的に絶縁すると共に基板１０に固定する。
【００２１】
さらに、アルミニウム（Ａｌ）の蒸着などによりそれぞれの電極が発振回路に電気的に接続される。
【００２２】
ＭＥＭＳ振動子１とＭＥＭＳキャパシタ３、４は互いに隣接して形成されるため、振動ビーム１１とほぼ同一の温度を検出できる。また、ＭＥＭＳ振動子１とＭＥＭＳキャパシタは同一プロセスで一体に形成できるため、非常に小型化する事が出来るとともに、低コスト化も可能となる。
【００２３】
次に、本実施形態に係る発振器の動作を詳細に説明する。
【００２４】
まず、ＭＥＭＳ振動子１の振動ビーム１１へアンカー１６を通してビームバイアス電圧を印加する。出力用発振回路２は、ＭＥＭＳ振動子１とＭＥＭＳキャパシタ３、４で決まる共振周波数で発振して出力用発振信号を出力する。出力された信号は出力端子５を通して他の回路に送られると共に、ＭＥＭＳ振動子１のドライブ電極１２に送られる。ドライブ電極１２には交流電圧に加えて直流バイアス電圧を印加することで、水晶振動子と同様の特性（例えばQ値）を持たせる事ができる。
【００２５】
ここで、本発明の実施の形態に係わる出力用発振回路の一実施例について図７を元に説明する。
ＭＥＭＳ振動子１の両端には、電流抑制用抵抗６３，６４の一端がそれぞれ接続される。電流抑制用抵抗６３，６４の他端には、それぞれ直流バイアス電圧６６の両端が接続される。また、ＭＥＭＳ振動子１の両端には、直流成分カット用容量６１，６２の一端がそれぞれ接続される。さらにＭＥＭＳ振動子１の振動ビーム１１にはビームバイアス電圧６８の正極が接続され、負極は接地される。
【００２６】
直流成分カット用容量６１の他端は、負荷容量であるＭＥＭＳキャパシタ３の一端が接続されると共に、インバータ（アンプ）６７の入力端と負荷抵抗６５の一端が接続される。また、直流成分カット用容量６２の他端は、負荷容量であるＭＥＭＳキャパシタ４の一端が接続されると共に、インバータ（アンプ）６７の出力端と負荷抵抗６５の他端と出力用発振回路２の出力端子５が接続される。また、負荷容量であるＭＥＭＳキャパシタ３、４の他端は、それぞれ接地される。
【００２７】
次に、本発振回路の動作を説明する。
【００２８】
ＭＥＭＳ振動子１の両端には、上述のように直流バイアス電圧６６とビームバイアス電圧６８が印加され、振動ビーム１１とドライブ電極１２及びセンス電極１３の間の静電引力をより大きなものにすると共にインバータ（アンプ）６７の入力端子に入ってくる信号のレベルを調整する。ここで直流バイアス電圧６６を印加するため、ＭＥＭＳ振動子１への大電流の流入と流出を防ぐ目的で電流抑制用抵抗６３，６４が挿入されている。また、インバータ（アンプ）６７の入出力端子に直流電圧が印加されないように、直流成分カット用容量６１，６２が挿入されている。
【００２９】
そして振動ビーム１１は、ドライブ電極１２に加えられた交流電圧と振動ビーム１１に加えられた直流バイアス電圧で静電引力を起こし、振動ビーム１１が振動する。振動ビーム１１の振動によってセンス電極１３に電荷が誘起され、誘起された電荷の増減が信号となってインバータ（アンプ）６７の入力端子に送られる。入力端子に送られてきた信号はインバータ（アンプ）６７で増幅されて、再度ドライブ電極１２に加えられる。
【００３０】
以上のことを繰り返し、最終的に出力用発振回路２は、ＭＥＭＳ振動子１の共振周波数で発振して発振信号を出力する。
【００３１】
ここで図８は、MEMS振動子の共振周波数の温度依存特性を示したものである。同図に示すように、MEMS振動子の共振周波数は温度が高くなるにつれて、周波数が低下してくる。さらに温度と周波数の関係はリニアではなく、2次関数的に低下していく。このため、これまでの発明のように温度センサを設けてＭＥＭＳ振動子の温度を計測し、回路で周波数を補正していくというやり方では、非常に困難さを伴う。
【００３２】
出力用発振回路２の入力端子と出力端子に接続されているＭＥＭＳキャパシタ３、４は、アノード電極２２、２３とカソード電極２１との間に容量性ギャップ２０を設けて配置されているため、
Ｃ＝εＳ／ｄ （Ｓはアノード電極面積、ｄは容量性ギャップ）
で決まる容量値を持つ。ここで環境温度が変化すると、材料は以下のような計算式に基づいて膨張・収縮を行う。
【００３３】
Ｌ’＝Ｌ0（１＋αΔＴ＋βΔＴ2）
Ｌ0は基準温度時の材料の長さ、Ｌ’は現在の環境温度での材料の長さ、ΔＴは基準温度と
現在の環境温度との温度差、α、βは材料の線膨張温度係数である。
【００３４】
このため、例えば環境温度が基準温度より高くなった場合、支持ビーム２４、２５は上記式に基づいて長さが伸びる。しかし支持ビーム２４、２５は、一方の端をアンカー２６、２７で基板１０に固定されているためカソード電極２１と接続されている方向（アンカー２６、２７で固定されている端とは逆の端の方向）に伸びていく。ここでアノード電極２２、２３は基板１０に固定されているため、アノード電極２３とカソード電極２１の容量性ギャップ２９は縮まり、アノード電極２２とカソード電極２１の容量性ギャップ２８は拡がることになる。このためアノード電極２３とカソード電極２１を使ってＭＥＭＳキャパシタ３、４を構成した場合、環境温度が上昇するとＭＥＭＳキャパシタ３、４の容量値は増加する（図４（ａ））。一方、アノード電極２２とカソード電極２１を使ってＭＥＭＳキャパシタ３、４を構成した場合、環境温度が上昇するとＭＥＭＳキャパシタ３、４の容量値は減少する（図４（ｂ））。図１に示した回路ブロックでＭＥＭＳキャパシタを用いる場合、ＭＥＭＳ振動子１の周波数温度特性は温度が上昇すると周波数が下がるため、温度が上昇するとキャパシタの容量が低下するように、アノード電極２２とカソード電極２１を使ってＭＥＭＳキャパシタ３、４を構成する接続を行う。ここでＭＥＭＳ振動子１とＭＥＭＳキャパシタの組合せでは常にアノード電極２２とカソード電極２１を用いることに限定されるものではない。出力用発振回路２の回路構成によって、どちらのアノード電極と接続するべきか異なってくる。本発明で示したコルピッツタイプの発振回路では、上記のようにアノード電極２２とカソード電極２１を使う。
【００３５】
環境温度が上昇することによってＭＥＭＳキャパシタ３、４の容量値は低下し、出力用発振回路２の出力信号は周波数が上昇する傾向になるが、一方、ＭＥＭＳ振動子１の共振周波数は温度上昇によって低下していく傾向にあるので、ＭＥＭＳ振動子１とＭＥＭＳキャパシタ３、４を合わせた共振周波数は温度に対して増減することなく、一定を保つことができることとなる。
【００３６】
上記の様に本発振器は、ＭＥＭＳキャパシタの容量温度依存性を用いてＭＥＭＳ振動子の周波数を温度補償するものである。
【実施例２】
【００３７】
本発明の別の実施形態に係る発振器について詳細に説明する。
【００３８】
ＭＥＭＳ振動子１の周波数温度特性は図７に示すようにＭＥＭＳ振動子の共振周波数は温度が高くなるにつれて、周波数が低下してくる。さらに温度と周波数の関係はリニアではなく、2次関数的に低下していく。これまで、ＭＥＭＳ振動子の周波数温度特性を改善するために特許ＵＳ２００６／００３３５９４ Ａ１やＵＳ２００２／００６９７０１ Ａ１で開示されているような手法が用いられてきた。これらの手法では、周波数温度特性の１次成分を低減する効果はあるが、温度特性の2次成分を低減する効果は小さかった。そこで本発明の別の実施形態では、出力用発振回路２の入出力端子に接続されているＭＥＭＳキャパシタ３、４の容量値を２次的に変化させることで、周波数温度特性の２次成分を低減させようとしたものである。
【００３９】
ＭＥＭＳキャパシタ３、４は、図５に示すように、カソード電極３１、アノード電極３２、支持ビーム３３、３４、アンカー３５、３６から構成される。カソード電極３１、アノード電極３２、支持ビーム３３、３４は基板１０に対して間隙３８をあけた状態で浮いている。カソード電極３１は支持ビーム３３の一方の端に接続されている。支持ビーム３３のもう一方の端はアンカー３５で基板１０上の絶縁層に固定されている。アノード電極３２は支持ビーム３４の一方の端に接続されている。支持ビーム３４のもう一方の端はアンカー３６で基板１０上の絶縁層に固定されている。カソード電極３１とアノード電極３２は容量性ギャップ３７を持った状態で、且つ支持ビーム３３、３４の長辺方向に平行なカソード電極３１及びアノード電極３２の辺が互いに対向するように配置される。さらに、支持ビーム３３、３４はそれぞれアンカー３５、３６を介して基板１０上の絶縁層に固定される。このときアンカー３５、３６の位置は、カソード電極３１とアノード電極３２の対向している面に対して対極の位置に配置される。
【００４０】
次に、本発明の別の実施形態に係る発振器の動作を詳細に説明する。
【００４１】
まず、ＭＥＭＳ振動子１は周波数温度特性を改善するために特許ＵＳ２００６／００３３５９４ Ａ１やＵＳ２００２／００６９７０１ Ａ１で開示されているような手法を用いたＭＥＭＳ振動子を使用する。このとき、周波数温度特性の１次成分はほぼ取り除かれているが、温度特性の２次成分は大きく残ってしまっている状態である。
【００４２】
出力用発振回路２の入力端子と出力端子に接続されているＭＥＭＳキャパシタ３、４は、アノード電極３２とカソード電極３１との間に容量性ギャップ３７を設けて配置されているため、
Ｃ＝εＳ／ｄ （Ｓはキャパシタ電極面積、ｄは容量性ギャップ）
で決まる容量値を持つ。ここで環境温度が変化すると、材料は以下のような計算式に基づいて膨張・収縮を行う。
【００４３】
Ｌ’＝Ｌ0（１＋αΔＴ＋βΔＴ2）
Ｌ0は基準温度時の材料の長さ、Ｌ’は現在の環境温度での材料の長さ、ΔＴは基準温度と
現在の環境温度との温度差、α、βは材料の線膨張温度係数である。
【００４４】
このため、例えば環境温度が基準温度より高くなった場合、支持ビーム３３、３４は上記式に基づいて長さが伸びる。しかし支持ビーム３３、３４は、一方の端をアンカー３５、３６で基板１０に固定されているため、支持ビーム３３はカソード電極３１が接続されている方向（アンカー３５で固定されている端とは逆の端の方向）に伸びていき、支持ビーム３４はアノード電極３２が接続されている方向（アンカー３６で固定されている端とは逆の端の方向）に伸びていく。キャパシタの容量は上記式に示すように電極の面積に比例するため、支持ビーム３３、３４が伸びることによってアノード電極３２とカソード電極３１が対向する電極面積は小さくなり、キャパシタの容量値は小さくなっていく。
【００４５】
一方、環境温度が基準温度より低くなった場合、支持ビーム３３、３４は上記式に基づいて長さが縮む。しかし支持ビーム３３、３４は、一方の端をアンカー３５、３６で基板１０に固定されているため、支持ビーム３３はアンカー３５の方向に縮んでいき、支持ビーム３４はアンカー３６の方向に縮んでいく。キャパシタの容量は上記式に示すように電極の面積に比例するため、支持ビーム３３、３４が縮むことによってアノード電極３２とカソード電極３１が対向する電極面積は小さくなくなり、キャパシタの容量値は小さくなっていく。
【００４６】
つまり、ＭＥＭＳキャパシタの容量は、基準温度時の容量を最大値として温度が高くても低くても小さくなる2次特性を有する(図６参照)。周波数の１次温度特性を補正されたＭＥＭＳ振動子１はある温度を最大値として負の２次特性を持っているが、上記ＭＥＭＳキャパシタもある温度を最大値として負の容量温度特性を持つため、ＭＥＭＳ振動子１とＭＥＭＳキャパシタ３、４を合わせた共振周波数は温度に対して増減することなく、一定を保つことができる。
【００４７】
上記の様に本発振器は、ＭＥＭＳキャパシタの容量温度依存性を用いてＭＥＭＳ振動子の周波数を温度補償するものである。
【００４８】
また、ＳＯＩ基板などを用いて上述してきた構成とした場合、本発振器は同一の基板上にすべての構成要素を一体化して形成する事が可能である。また、例えば本発振回路の発振信号を利用して各種信号処理を行うその他の集積回路を同一基板上に形成する事も可能である。
【００４９】
以上、本発明の実施形態を詳述してきたが、具体的な構成は本実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
【００５０】
例えば、ＭＥＭＳ振動子の構造は図２に示した構造に限定されず、横振動を用いる構造でも良く、または振動子の両端が支持された構造でも良い。また、発振回路の構成も、図７に示した構成に限定されないことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施形態に係る発振器のブロック図である。
【図２】同上のＭＥＭＳ振動子の構成を示す斜視図である。
【図３】同上のＭＥＭＳキャパシタの構成を示す斜視図である。
【図４】同上のＭＥＭＳキャパシタの容量温度依存特性図である。
【図５】本発明の別の実施形態に係るＭＥＭＳキャパシタの構成を示す斜視図である。
【図６】本発明の別の実施形態に係るＭＥＭＳキャパシタの容量温度依存特性図である。
【図７】本発明の実施形態に係る出力用発振回路の回路図である。
【図８】同上のMEMS振動子の共振周波数の温度依存特性図である。
【符号の説明】
【００５２】
１、ＭＥＭＳ振動子
２、出力用発振回路
３，４、ＭＥＭＳキャパシタ
５、出力端子
１０、基板
１１、振動ビーム
１２、ドライブ電極
１３、センス電極
１４，３０，３８、間隙
１５，２８，２９，３７、容量性ギャップ
１６，２６，２７，３５，３６、アンカー
２１，３１、カソード電極
２２，２３，３２、アノード電極
２４，２５，３３，３４、支持ビーム
６１，６２、直流成分カット用容量
６３，６４、電流抑制用抵抗
６５、負荷抵抗
６６、直流バイアス電圧
６７、インバータ（アンプ）
６８、ビームバイアス電圧。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械的に振動する出力用振動子と、
前記出力用振動子の共振周波数で発振して発振信号を出力する出力用発振回路と、
周囲の温度によってアノード電極とカソードビームの距離が変わり、容量値が変化するキャパシタと、
を備える発振器。
【請求項２】
前記出力用振動子は、半導体基板である支持層に対向して配置され、その少なくとも一部は前記支持層上の絶縁層に固定されている事を特徴とする請求項１に記載の発振器。
【請求項３】
前記キャパシタは、
半導体基板である支持層に対向して間隙を設けて配置された支持ビームおよびカソードビームと、
前記支持ビームを前記支持層上に固定するアンカーと、
前記支持層上に固定されたアノード電極とから構成され、
前記カソードビームの両端は前記支持ビームの一方の端にそれぞれ接続され、
前記支持ビームのもう一方の端は前記アンカーを介して前記支持層上の絶縁膜に固定され、
前記アノード電極と前記カソードビームは平行に対向して配置されると共に、前記支持ビームは前記カソードビームに対し直交して接続されている事を特徴とする請求項１または２に記載の発振器。
【請求項４】
前記キャパシタは、
半導体基板である支持層に対向して間隙を設けて配置された第１および第２の支持ビームのそれぞれ一方の端に接続されたアノード電極およびカソード電極と、
前記第１の支持ビームの前記アノード電極とは反対の端に接続された前記第１の支持ビームを前記支持層上に固定する第１のアンカーと、
前記第２の支持ビームの前記カソード電極とは反対の端に接続された前記第２の支持ビームを前記支持層上に固定する第２のアンカーとからなり、
前記アノード電極と前記カソード電極は平行に対向して配置されると共に、前記アノード電極が接続された前記第１の支持ビームと前記カソード電極が接続された前記第２の支持ビームは互いに平行に配置され、かつ、前記第１および第２のアンカーは互いに対極の位置に配置されている事を特徴とする請求項１または２に記載の発振器。
【請求項５】
前記出力用振動子と、前記出力用発振回路と、前記キャパシタとが同一の基板上に形成された事を特徴とする請求項１ないし４の何れか１項に記載の発振器。
【請求項１】
機械的に振動する出力用振動子と、
前記出力用振動子の共振周波数で発振して発振信号を出力する出力用発振回路と、
周囲の温度によってアノード電極とカソードビームの距離が変わり、容量値が変化するキャパシタと、
を備える発振器。
【請求項２】
前記出力用振動子は、半導体基板である支持層に対向して配置され、その少なくとも一部は前記支持層上の絶縁層に固定されている事を特徴とする請求項１に記載の発振器。
【請求項３】
前記キャパシタは、
半導体基板である支持層に対向して間隙を設けて配置された支持ビームおよびカソードビームと、
前記支持ビームを前記支持層上に固定するアンカーと、
前記支持層上に固定されたアノード電極とから構成され、
前記カソードビームの両端は前記支持ビームの一方の端にそれぞれ接続され、
前記支持ビームのもう一方の端は前記アンカーを介して前記支持層上の絶縁膜に固定され、
前記アノード電極と前記カソードビームは平行に対向して配置されると共に、前記支持ビームは前記カソードビームに対し直交して接続されている事を特徴とする請求項１または２に記載の発振器。
【請求項４】
前記キャパシタは、
半導体基板である支持層に対向して間隙を設けて配置された第１および第２の支持ビームのそれぞれ一方の端に接続されたアノード電極およびカソード電極と、
前記第１の支持ビームの前記アノード電極とは反対の端に接続された前記第１の支持ビームを前記支持層上に固定する第１のアンカーと、
前記第２の支持ビームの前記カソード電極とは反対の端に接続された前記第２の支持ビームを前記支持層上に固定する第２のアンカーとからなり、
前記アノード電極と前記カソード電極は平行に対向して配置されると共に、前記アノード電極が接続された前記第１の支持ビームと前記カソード電極が接続された前記第２の支持ビームは互いに平行に配置され、かつ、前記第１および第２のアンカーは互いに対極の位置に配置されている事を特徴とする請求項１または２に記載の発振器。
【請求項５】
前記出力用振動子と、前記出力用発振回路と、前記キャパシタとが同一の基板上に形成された事を特徴とする請求項１ないし４の何れか１項に記載の発振器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００８−２１１４２０（Ｐ２００８−２１１４２０Ａ）
【公開日】平成２０年９月１１日（２００８．９．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−４５００８（Ｐ２００７−４５００８）
【出願日】平成１９年２月２６日（２００７．２．２６）
【出願人】（０００００２３２５）セイコーインスツル株式会社 (3,629)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年９月１１日（２００８．９．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月２６日（２００７．２．２６）
【出願人】（０００００２３２５）セイコーインスツル株式会社 (3,629)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]