ＭＥＭＳ共振器、ＭＥＭＳ発振回路及びＭＥＭＳデバイス
【課題】オーバートーン技術を用いず、基本波及び高調波の少なくとも一つの周波数で共振することができ、しかも共振周波数を変更することができかつ従来技術に比較して小さい駆動電圧で励振できる共振器、それを用いた発振回路及びＭＥＭＳデバイスを提供する。
【解決手段】基板１０上に電気的に絶縁されかつ少なくとも一個の固定端で固定された可動主ビーム３と、可動主ビーム３から延在するように形成された少なくとも一本の可動副ビーム４と、可動副ビーム４に近接するように設けられた少なくとも一個の励振電極５とを備えたＭＥＭＳ共振器が提供される。励振電極５を交流信号を用いて励振することにより、可動副ビーム４を静電気力により励振して振動させ、基本共振周波数及びその高調波周波数のうちの少なくとも一つの周波数で共振する。
【解決手段】基板１０上に電気的に絶縁されかつ少なくとも一個の固定端で固定された可動主ビーム３と、可動主ビーム３から延在するように形成された少なくとも一本の可動副ビーム４と、可動副ビーム４に近接するように設けられた少なくとも一個の励振電極５とを備えたＭＥＭＳ共振器が提供される。励振電極５を交流信号を用いて励振することにより、可動副ビーム４を静電気力により励振して振動させ、基本共振周波数及びその高調波周波数のうちの少なくとも一つの周波数で共振する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体の微細加工技術を利用して極微細でメカニカルな機構を実現できるＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical System）技術を用いて形成されたＭＥＭＳ共振器及びそれを用いたＭＥＭＳ発振回路、並びに上記ＭＥＭＳ共振器を用いたＭＥＭＳデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、ＲＦ技術に対する需要が急激に増大している。機能の多様性やユーザの急激な増大にともないＲＦ機器に対してさまざまな要求がなされるようになってきた。特に、限られたＲＦ周波数を有効に活用する必要から発振器に対して、小型化、低コスト化に加えて複数の周波数を直接発生する（マルチクロック）機能が望まれている。このような社会的背景から、ＭＥＭＳ技術が携帯無線端末機器応用で注目されるようになってきた。これは、ＭＥＭＳデバイスが低消費電力、高密度実装、広帯域特性等の特徴があるからである。
【０００３】
ＭＥＭＳ共振器の研究は、１９９０年代後半から米国を中心に活発になってきた。現在、二三の企業がサンプルを提供するまでになっている。これら製品は主に水晶発振子を代替とするものでデバイスの小型化を特徴としている。一方、ＭＥＭＳ共振器の可能性は単なる水晶代替にかわるものに制限されず、例えば、ＭＥＭＳ共振器のマルチクロック機能は、水晶発振子のオーバトーン技術とは異なって新たな市場を創出することが期待されている。
【０００４】
例えば、非特許文献１においては、振動するＲＦ−ＭＥＭＳ発振器について概説されており、ここで、ＲＦ−ＭＥＭＳ発振器は、ビーム型、ディスク型、リング型及びＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonators）に分類されている。この中で本発明に関連する従来技術として、非特許文献２に開示された「フリー・フリー・ビーム型ＭＥＭＳ共振器」について、図１８を参照して以下に説明する（例えば、特許文献１及び２においても記載されている。）。
【０００５】
当該従来例に係る「フリー・フリー・ビーム型ＭＥＭＳ共振器」は、図１８に示すように、接地平面及び検出電極９０上の各アンカー１０２においてそれぞれ固定された４本のばね１０１によって支持された中央のビーム１００（フリー・フリー・共振ビームと呼ばれる。）がその中央下部に設けられて交流信号Ｖｉにより励振された電極９１によって静電気力を受けることにより湾曲振動するものである。ここで、１０３は凹部であり、１０４はフレキシャルモードのノードポイントであり、検出電極９０に発振信号出力回路１１０が接続されている。当該共振器の振動の基本モードは中央のビーム１００が上下方向で湾曲する形状であり、大きな振幅をもつ部分（振動の腹）が、中央と両端の３箇所となる。波の波形を考慮すると、この振動モードは１／２波長をもつ波であることがわかる。そして、当該論文では、さまざまな寸法をもつデバイスを設計して、３０−９０ＭＨｚの共振周波数をもつデバイスを試作したことが報告されている。
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６４９０１４７号の明細書。
【特許文献２】特開２００７−１８４９３１号公報。
【非特許文献１】Wan-Thai Hsu, “Vibrating RF MEMS for Timing and Frequency References”, Digests of IEEE MTT-S 2006 International Microwave Symposium, pp.672-675, 2006.
【非特許文献２】Kun Wang et al., “VHF Free-Free Beam High-Q Micromechanical Resonators”, Journal of Microelectromechanical Systems, Vol.9, No.3, pp.347-360, September 2000.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、当該従来例に係る「フリー・フリー・ビーム型ＭＥＭＳ共振器」においては、共振周波数がデバイスの寸法によって決定される。例えば、共振ビーム長が１６μｍと１４μｍとしたときに対応する共振周波数がそれぞれ５０ＭＨｚと７０ＭＨｚであった。このように、従来技術では１個のデバイスからは１個の共振周波数しか取り出すことができなかった。これには、以下の理由がある。一般的には、基本波の整数倍の高調波の振動を励起することが可能であるが、ここに示した振動ビームを支える支持ばねは、高調波を抑える機能をもっていたため、当該共振器から取り出せる周波数が一定のものに制限されたのである。このように、この従来技術の構造は周波数を可変することができないという問題があった。
【０００８】
また、振動ビームに対向して設けられた電極から発生した静電気力を直接振動ビームに作用させるので、より高い周波数になるに従って、振動ビームの寸法が小型化して励振電極と対向する面積が減少するために静電気力を有効に作用させることが困難になり、駆動電圧が増大するという問題があった。
【０００９】
一方、この従来例のように振動ビームの変形方向である横の振動の節の部分に４本の支持ばね１０１を設ける構造とは別に、振動ビームの両端を固定するという他の構造も従来から報告されている。この場合には、基本波以外にも高調波を利用することが可能である。しかしながら、この構造の問題点は、高調波が常にこれよりも低次の高調波よりも振幅が小さいということである。このため、オーバートーン技術を用いて複数の共振周波数を利用することができるが、高次の共振周波数を利用するに従って発振波形にひずみが生じ、また、低次の周波数を抑えるフィルタ回路が必要となるという問題があった。
【００１０】
本発明の目的は以上の問題点を解決し、オーバートーン技術を用いず、基本波及び高調波の少なくとも一つの周波数で共振することができ、しかも共振周波数を変更することができかつ従来技術に比較して小さい駆動電圧で励振できる共振器、それを用いた発振回路及びＭＥＭＳデバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
第１の発明に係るＭＥＭＳ共振器は、
基板上に電気的に絶縁されかつ少なくとも一個の固定端で固定された可動主ビームと、
上記可動主ビームから延在するように形成された少なくとも一本の可動副ビームと、
上記可動副ビームに近接するように設けられた少なくとも一個の励振電極とを備えたＭＥＭＳ共振器であって、
上記励振電極を交流信号を用いて励振することにより、上記可動副ビームを静電気力により励振して振動させ、基本共振周波数及びその高調波周波数のうちの少なくとも一つの周波数で共振することを特徴とする。
【００１２】
上記ＭＥＭＳ共振器において、上記励振電極の数及び上記可動副ビームに対する上記励振電極の位置のうち少なくとも一方を変化することにより共振周波数を変化させることを特徴とする。
【００１３】
また、上記ＭＥＭＳ共振器において、上記可動主ビームは二個の固定端で固定されたことを特徴とする。
【００１４】
さらに、上記ＭＥＭＳ共振器において、上記基板は誘電体基板又は半導体基板であり、上記可動主ビーム及び上記可動副ビームは導電性材料又は半導体材料で形成されたことを特徴とする。
【００１５】
第２の発明に係るＭＥＭＳ発振回路は、上記ＭＥＭＳ共振器を備え、上記ＭＥＭＳ共振器の共振周波数と同一の周波数で発振することを特徴とする。
【００１６】
第３の発明に係るＭＥＭＳデバイスは、上記ＭＥＭＳ共振器を備え、上記ＭＥＭＳ共振器の共振状態を利用することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
従って、本発明に係るＭＥＭＳ共振器によれば、オーバートーン技術を用いず、基本波及び高調波の少なくとも一つの周波数で共振することができ、しかも共振周波数を変更することができかつ従来技術に比較して小さい駆動電圧で励振できる。そして、当該ＭＥＭＳ共振器を用いて極めて小さい周波数可変小型発振器や、上記ＭＥＭＳ共振器の共振状態を利用したＭＥＭＳデバイスを構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。
【００１９】
図１は本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳ共振器の構造を示す斜視図であり、図２は図１の可動主ビーム３付近の拡大図である。また、図３は図１の可動副ビーム４と、励振電極５の励振アーム５ｂとの間の位置関係を示す平面図であり、図４は図１のＭＥＭＳ共振器の側面図である。
【００２０】
図１及び図２において、ガラス基板１０上にＭＥＭＳ共振器の固定端となる、例えば単結晶シリコンにてなるアンカー部１，２が所定の間隔だけ離隔してかつガラス基板１０とは電気的に絶縁されて形成されている。アンカー部１，２は例えば長方形と三角形とを組み合わせた平面形状を有し、その各頂点１ａ，２ａが対向するようにアンカー部１，２が配置される。各頂点１ａ，２ａ間には、アンカー部１，２から延在してこれらを連結しかつガラス基板１０から所定の間隔の空隙１１（図４）を有して振動可能に形成された単結晶シリコンにてなる可動主ビーム３が形成され、当該可動主ビーム３の長手方向に対して実質的に直交する方向でその両側面から突出して延在するように形成された単結晶シリコンにてなる複数本の可動副ビーム４が形成される。図１の実施形態では、可動主ビーム３の長手方向に対して直交する方向で可動主ビーム３を突き刺すように６本の可動副ビーム４が形成されている。可動主ビーム３と可動副ビーム４との組み合わせ形状は、図１から明らかなように、いわゆる魚の骨形状（フイッシュボーン形状）を有する。
【００２１】
そして、ガラス基板１０上に、各励振電極５，６，７の励振アーム５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂが異なる可動副ビーム３と近接しかつ例えばその側面と対向するように、励振電極５，６，７がそれぞれ形成される。例えば、図３の拡大図に示すように、可動副ビーム４は、励振電極５の励振アーム５ｂとオーバーラップ長Ｌｏ及び、それらの間隔であるギャップｇとを有するように配置されており、励振電極６，７に対しても同様の配置関係で配置される。
【００２２】
以上の実施形態においては、ガラス基板１０を用いているが、本発明はこれに限らず、他の誘電体基板、もしくはＧａＡｓ基板などの半導体基板を用いてもよい。また、励振電極５，６，７の各励振アーム５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂによる励振は、可動副ビーム４の側面から実行しているが、本発明はこれに限らず、所定の間隔ｇだけ離隔して励振すればよく、可動副ビーム４の下面から又は上面から行ってもよい。
【００２３】
さらに、アンカー部１，２，可動主ビーム３及び可動副ビーム４はともに単結晶Ｓｉにて形成しているが、本発明はこれに限らず、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌなどの金属等の導電性材料、もしくは、ポリシリコン、アモルファスシリコン、ＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＧａＮ、ＳｉＣなどの半導体材料で形成してもよい。もしくは、アンカー部１，２，可動主ビーム３及び可動副ビーム４はともに誘電体材料の表面を金属材料などでメッキ処理して形成してもよい。また、可動副ビーム４は可動主ビーム３から所定の角度で少なくとも延在するように形成すればよい。
【００２４】
図５は図１のＭＥＭＳ共振器を用いたＭＥＭＳ発振器の平面構造及び電気回路を示す回路図である。図５において、可動主ビーム３の中央部に位置する２本の可動副ビーム４間に挿入するように、可動主ビーム３の両側でそれぞれ励振電極５，１５の励振アーム５ａ，５ｂ，１５ａ，１５ｂが可動副ビーム４と近接しかつ対向するように配置形成されている。また、励振電極５，１５の図上右側（アンカー部２に向う方向）において、可動主ビーム３の両側でそれぞれ励振電極８，１８の励振アーム８ａ，８ｂ，１８ａ，１８ｂが可動副ビーム４と近接しかつ対向するように配置形成されている。さらに、励振電極８，１８の図上右側（アンカー部２に向う方向）において、可動主ビーム３の両側でそれぞれ励振電極７，１７の励振アーム７ａ，７ｂ，１７ａ，１７ｂが可動副ビーム４と近接しかつ対向するように配置形成されている。一方、励振電極５，１５の図上左側（アンカー部１に向う方向）において、可動主ビーム３の両側でそれぞれ励振電極９，１９の励振アーム９ａ，９ｂ，１９ａ，１９ｂが可動副ビーム４と近接しかつ対向するように配置形成されている。さらに、励振電極９，１９の図上左側（アンカー部１に向う方向）において、可動主ビーム３の両側でそれぞれ励振電極６，１６の励振アーム６ａ，６ｂ，１６ａ，１６ｂが可動副ビーム４と近接しかつ対向するように配置形成されている。
【００２５】
アンカー部１は、カップリングキャパシタＣｃを介して出力端子Ｔｏに接続され、高周波阻止用インダクタＬｂを介してバイアス電圧源Ｂａが接続されている。励振信号発生器６０は、例えば１ｋＨｚ〜１ＧＨｚなどの励振周波数を有し、各励振電極５〜９及び１５〜１９を励振するための励振信号を発生し、スイッチ６１を介して励振電極５に出力し、スイッチ６２を介して励振電極１５に出力し、スイッチ６３を介して励振電極６及び７に出力し、スイッチ６４を介して励振電極１６及び１７に出力し、スイッチ６５を介して励振電極８及び９に出力し、スイッチ６６を介して励振電極１８及１９に出力する。
【００２６】
以上のように構成されたＭＥＭＳ共振器の電気回路において、スイッチ６１〜６６をオンすることにより所定の励振電極５〜９及び１５〜１９を励振することができる。そのシミュレーション結果については詳細後述する。
【００２７】
図６及び図７は図１のＭＥＭＳ共振器の製造工程を示す縦断面図である。以下、図６及び図７を参照して図１のＭＥＭＳ共振器の製造工程について説明する。
【００２８】
図６（ａ）に示すように、まず、絶縁物上シリコン（Silicon On Insulator）ウエハ（以下、ＳＯＩウエハという。）７０Ａを用意する。ここで、ＳＯＩウエハ７０Ａは、シリコン基板７０上に埋込層であるＳｉＯ２絶縁層７１を介してＳｉ活性層７２が形成されて構成されている。次いで、図６（ｂ）に示すように、ＳＯＩウエハ７０Ａ上にＣｒ層７３をパターンニングすることにより形成した後、図６（ｃ）に示すように、フォトレジスト層７４をパターンニングすることにより形成する。そして、図６（ｄ）に示すように、深い深度を有するイオン結合プラズマ反応性イオン・エッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ）法を用いて所定のパターンでＳｉ活性層７２をエッチングした後、図７（ａ）に示すように、浅い深度を有するイオン結合プラズマ反応性イオン・エッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ）法を用いて所定のパターンでフォトレジスト層７４をエッチングする。
【００２９】
次いで、図７（ｂ）に示すように、上記得られたデバイスを表裏逆にしてガラス基板１０上で、突出しているＳｉ活性層７２を所定の接着剤でボンディングする。ここで、７５は接着層を示す。そして、図７（ｃ）に示すように、所定のエッチング法を用いておもて面のシリコン基板７０の層をエッチングすることにより、図７（ｄ）のＭＥＭＳ共振器のデバイスを得ることができる。
【００３０】
以上の実施形態においては、接着層７５を用いて接着しているが、本発明はこれに限らず、以下の方法で接着してもよい。図７（ｂ）において、シリコンデバイス（ＳＯＩウエハ７０Ａを含む形成物）を表裏逆にしてガラス基板１０上で、突出しているＳｉ活性層７２を直接にガラス基板１０に静電ボンディング方法を利用して接着する。これは、シリコンデバイスとガラス基板１０を約４００゜Ｃに加熱して、シリコンデバイスを陽極にしてシリコンデバイスとガラス基板１０との間に５００Ｖ程度の電圧を印加することによって実現することができる。接着層７５を使用しないために、デバイスの長期安定性に役立つ効果がある。
【００３１】
次いで、本実施形態に係るＭＥＭＳ共振器の動作について、可動主ビーム３のみを有するＭＥＭＳ共振器の動作と比較して以下に説明する。
【００３２】
図８（ａ）は比較例に係る、可動主ビーム３のみを有するＭＥＭＳ共振器の構造を示す平面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）のＭＥＭＳ共振器の振動状態を示す平面図である。また、図９（ａ）は本実施形態に係る、１個の励振電極５を有するＭＥＭＳ共振器の構造を示す平面図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）のＭＥＭＳ共振器の振動状態を示す平面図である。図８に示すように、比較例に係る可動主ビーム３のみを有するＭＥＭＳ共振器において、励振電極５により可動主ビーム３を励振したとき、可動主ビーム３と直交する方向で静電気力８１が発生して矢印８２の方向で振動する。一方、実施形態に係る可動主ビーム３及び可動副ビーム４を有するＭＥＭＳ共振器では、励振電極５により可動主ビーム３を励振したとき、可動副ビーム４と概ね直交する方向で静電気力８１が発生して矢印８２の方向で振動する。
【００３３】
図１０（ａ）は本実施形態に係るＭＥＭＳ共振器の基本共振周波数モードにおける振動状態を示す平面図である。これは、図５のスイッチ６１のみをオンして中央部の励振電極５のみで励振した場合であって、一次の共振周波数モード（基本波共振周波数モード）で振動する。
【００３４】
図１０（ｂ）は本実施形態に係るＭＥＭＳ共振器の三次高調波共振周波数モードにおける振動状態を示す平面図である。これは、図５のスイッチ６３のみをオンして所定の間隔だけ離隔されかつ可動主ビーム３の一方の側に位置する２つの励振電極６，７で励振した場合であって、三次の高調波共振周波数モードで振動する。
【００３５】
図１０（ｃ）は本実施形態に係るＭＥＭＳ共振器の二次高調波共振周波数モードにおける振動状態を示す平面図である。これは、図５のスイッチ６６のみをオンして所定の間隔だけ離隔されかつ可動主ビーム３の互いに異なる側に位置する２つの励振電極１８，１９で励振した場合であって、二次の高調波共振周波数モードで振動する。
【００３６】
図１１は図５のＭＥＭＳ共振器においてスイッチ６１のみをオンして励振電極５のみを励振したときの発振信号のスペクトラムを示す図である。図１１から明らかなように、一次の共振周波数モード（基本波共振周波数モード）及び三次の高調波共振周波数モードの発振信号を得ることができる。ここで、三次の高調波共振周波数モードの発振信号の振幅は比較的小さく、その発振モードは、一次の共振周波数モード（基本波共振周波数モード）のオーバートーンで発振しているものと考えられる。
【００３７】
図１２は図５のＭＥＭＳ共振器においてスイッチ６３のみをオンして励振電極６，７のみを励振したときの発振信号のスペクトラムを示す図である。図１２から明らかなように、一次の共振周波数モード（基本波共振周波数モード）及び三次の高調波共振周波数モードの発振信号を得ることができる。ここで、三次の高調波共振周波数モードの発振信号の振幅は図１１よりも大きく、その発振モードは、一次の共振周波数モード（基本波共振周波数モード）のオーバートーンではなく、自己の振動で発振しているものと考えられる。
【００３８】
図１３は図５のＭＥＭＳ共振器においてスイッチ６５のみをオンして励振電極８，９のみを励振したときの発振信号のスペクトラムを示す図である。図１２から明らかなように、二次の高調波共振周波数モード及び四次の高調波共振周波数モードの発振信号を得ることができる。この発振モードは両方の発振信号とも比較的大きな振動振幅が得られており自己の振動で発振しているものと考えられる。
【００３９】
図１４は図８の比較例と、図９の実施形態との比較結果であってオーバーラップ長Ｌｏに対する振動振幅を示すグラフである。図１４から明らかなように、オーバーラップ長Ｌｏを大きくすることにより、可動主ビーム３のみの比較例に比較して大きな振動振幅を得ることができることがわかる。
【００４０】
以上説明したように、本実施形態によれば、励振電極５〜９及び１５〜１９の数及び配置位置を変更することにより、基本波共振周波数のみならず、種々の高調波共振周波数でそれらの周波数を変化させて共振させることができる。
【００４１】
また、従来例では、上述したように、振動ビームに対向して設けられた電極から発生した静電気力を直接振動ビームに作用させるので、より高い周波数になるに従って、振動ビームの寸法が小型化して励振電極と対向する面積が減少するために静電気力を有効に作用させることが困難になり、駆動電圧が増大するという問題があった。これに対して、本実施形態では、図９（ｂ）に示すように励振電極から発生する静電気力が可動副ビーム４に作用し、可動副ビーム４を介して可動主ビーム３に力が伝達されるようになっている。可動副ビーム４と励振電極との対向面積は、可動主ビーム３が短くなっても大きくとることが可能である。このため、設計自由度が増大し、駆動電圧を大幅に低減させることができる。
【００４２】
さらに、本実施形態では、可動副ビーム４の長さ及びその形成間隔、数を変化させた共振器を作成することにより、多数の共振周波数をもつＭＥＭＳ共振器を実現することができる。また、これらの中から、励振電極の数及び配置位置の選択によって所望の共振周波数の発振信号を取り出すことが可能となる。なお、励振信号の周波数を走査することにより、当該ＭＥＭＳ共振器の共振状態（最大振幅を得る）となる共振周波数を検出することができる。
【００４３】
さらに、励振電極の数及び配置位置の選択によって選択的に高次モードのＱ値を高くすることができ、さらに、励振電極の位置の組み合わせを変更することにより、共振周波数のＱ値を変化させることができる。
【００４４】
変形例．
図１５は本発明の変形例に係る片持ちビームの場合のＭＥＭＳ共振器を示す平面図である。上記の実施形態では、両端で固定された両持ちビームを形成しているが、本発明はこれに限らず、図１５のように、片側のアンカー部１のみで固定された片持ちビーム形状で形成してもよい。
【００４５】
図１６は本実施形態のＭＥＭＳ共振器を用いたＭＥＭＳ発振回路を示す回路図である。図１６のＭＥＭＳ発振回路は、ＭＥＭＳ共振器５０を用いたＣＭＯＳインバータ発振回路である。図１６において、ＭＥＭＳ共振器５０の一端はインバータ５１の入力端子に接続されるとともに、キャパシタＣ１を介して接地される。ＭＥＭＳ共振器５０の他端は抵抗Ｒ２を介してインバータ５１の出力端子に接続されるとともに、キャパシタＣ２を介して接地される。インバータ５１の入力端子及び出力端子の間には帰還抵抗Ｒ１が接続され、インバータ５１の出力端子から出力される発振信号はインバータ５２を介して出力端子Ｔ１，Ｔ２に出力される。以上のように構成されたＭＥＭＳ共振器５０を用いたＣＭＯＳインバータ発振回路では、比較的高いＱを有するＭＥＭＳ共振器５０を用いて発振器回路を構成しているので、共振周波数又はその高調波周波数と同一である安定な発振周波数を有する発振信号を直接にかつ比較的高い周波数（例えば１００〜１０００ＭＨｚなど）で発生することができ、しかも、上述のように、発振周波数を変化させることができる。
【００４６】
図１７は本実施形態のＭＥＭＳ共振器を用いた帯域除去フィルタを示す回路図である。図１７において、第１の端子Ｔ１１，Ｔ１２と、第２の端子Ｔ１３，Ｔ１４との間に、並列ＬＣ共振回路を構成するＭＥＭＳ共振器５０が挿入されているので、帯域除去フィルタを構成することができる。以上のように構成されたＭＥＭＳ共振器５０を用いた帯域除去フィルタでは、比較的高いＱを有するＭＥＭＳ共振器５０を用いて帯域除去フィルタを構成しているので、除去帯域が狭帯域であって安定であり、しかも、上述のように、除去帯域の周波数を変化させることができる。なお、当該帯域除去フィルタは、ＭＥＭＳ共振器を備え、上記ＭＥＭＳ共振器の共振状態を利用することを特徴とするＭＥＭＳデバイスの一例である。
【実施例】
【００４７】
本発明者により試作されたＭＥＭＳ共振器の一例の仕様を以下の表に示す。
【００４８】
【表１】
【産業上の利用可能性】
【００４９】
以上詳述したように、本発明に係るＭＥＭＳ共振器によれば、オーバートーン技術を用いず、基本波及び高調波の少なくとも一つの周波数で共振することができ、しかも共振周波数を変更することができかつ従来技術に比較して小さい駆動電圧で励振できる。そして、当該ＭＥＭＳ共振器を用いて極めて小さい周波数可変小型発振器や、上記ＭＥＭＳ共振器の共振状態を利用したＭＥＭＳデバイスを構成することができる。本発明に係るＭＥＭＳ共振器、ＭＥＭＳ発振回路及びＭＥＭＳデバイスは、特に、携帯電話や無線ＬＡＮなどのＲＦ−ＭＥＭＳデバイスとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳ共振器の構造を示す斜視図である。
【図２】図１の可動主ビーム３付近の拡大図である。
【図３】図１の可動副ビーム４と、励振電極５の励振アーム５ｂとの間の位置関係を示す平面図である。
【図４】図１のＭＥＭＳ共振器の側面図である。
【図５】図１のＭＥＭＳ共振器を用いたＭＥＭＳ発振器の平面構造及び電気回路を示す回路図である。
【図６】図１のＭＥＭＳ共振器の製造工程を示す図であって、（ａ）はその第１の工程を示す縦断面図であり、（ｂ）はその第２の工程を示す縦断面図であり、（ｃ）はその第３の工程を示す縦断面図であり、（ｄ）はその第４の工程を示す縦断面図である。
【図７】図１のＭＥＭＳ共振器の製造工程を示す図であって、（ａ）はその第５の工程を示す縦断面図であり、（ｂ）はその第６の工程を示す縦断面図であり、（ｃ）はその第７の工程を示す縦断面図であり、（ｄ）はその第８の工程を示す縦断面図である。
【図８】（ａ）は比較例に係る、可動主ビーム３のみを有するＭＥＭＳ共振器の構造を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＭＥＭＳ共振器の振動状態を示す平面図である。
【図９】（ａ）は本実施形態に係る、１個の励振電極５を有するＭＥＭＳ共振器の構造を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＭＥＭＳ共振器の振動状態を示す平面図である。
【図１０】（ａ）は本実施形態に係るＭＥＭＳ共振器の基本共振周波数モードにおける振動状態を示す平面図であり、（ｂ）は本実施形態に係るＭＥＭＳ共振器の三次高調波共振周波数モードにおける振動状態を示す平面図であり、（ｃ）は本実施形態に係るＭＥＭＳ共振器の二次高調波共振周波数モードにおける振動状態を示す平面図である。
【図１１】図５のＭＥＭＳ共振器においてスイッチ６１のみをオンして励振電極５のみを励振したときの発振信号のスペクトラムを示す図である。
【図１２】図５のＭＥＭＳ共振器においてスイッチ６３のみをオンして励振電極６，７のみを励振したときの発振信号のスペクトラムを示す図である。
【図１３】図５のＭＥＭＳ共振器においてスイッチ６５のみをオンして励振電極８，９のみを励振したときの発振信号のスペクトラムを示す図である。
【図１４】図８の比較例と、図９の実施形態との比較結果であってオーバーラップ長Ｌｏに対する振動振幅を示すグラフである。
【図１５】本発明の変形例に係る片持ちビームの場合のＭＥＭＳ共振器を示す平面図である。
【図１６】本実施形態のＭＥＭＳ共振器を用いたＭＥＭＳ発振回路を示す回路図である。
【図１７】本実施形態のＭＥＭＳ共振器を用いた帯域除去フィルタを示す回路図である。
【図１８】従来技術に係るフリー・フリー・ビーム型ＭＥＭＳ共振器の構成を示す斜視図及び電気回路図である。
【符号の説明】
【００５１】
１，２…アンカー部、
１ａ，２ａ…頂点、
３…可動主ビーム、
４…可動副ビーム、
５，６，７，８，９，１５，１６，１７，１８，１９…励振電極、
５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂ…励振アーム、
１０…ガラス基板、
１１…空隙、
５０…ＭＥＭＳ共振器、
５１，５２…インバータ、
６０…励振信号発生器、
６１〜６６…スイッチ、
７０Ａ…ＳＯＩウエハ、
７０…シリコン基板、
７１…ＳｉＯ２絶縁層、
７２…シリコン活性層、
７３…Ｃｒ層、
７４…フォトレジスト層、
７５…接着層、
Ｒ１，Ｒ２…抵抗、
Ｃ１，Ｃ２…キャパシタ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体の微細加工技術を利用して極微細でメカニカルな機構を実現できるＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical System）技術を用いて形成されたＭＥＭＳ共振器及びそれを用いたＭＥＭＳ発振回路、並びに上記ＭＥＭＳ共振器を用いたＭＥＭＳデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、ＲＦ技術に対する需要が急激に増大している。機能の多様性やユーザの急激な増大にともないＲＦ機器に対してさまざまな要求がなされるようになってきた。特に、限られたＲＦ周波数を有効に活用する必要から発振器に対して、小型化、低コスト化に加えて複数の周波数を直接発生する（マルチクロック）機能が望まれている。このような社会的背景から、ＭＥＭＳ技術が携帯無線端末機器応用で注目されるようになってきた。これは、ＭＥＭＳデバイスが低消費電力、高密度実装、広帯域特性等の特徴があるからである。
【０００３】
ＭＥＭＳ共振器の研究は、１９９０年代後半から米国を中心に活発になってきた。現在、二三の企業がサンプルを提供するまでになっている。これら製品は主に水晶発振子を代替とするものでデバイスの小型化を特徴としている。一方、ＭＥＭＳ共振器の可能性は単なる水晶代替にかわるものに制限されず、例えば、ＭＥＭＳ共振器のマルチクロック機能は、水晶発振子のオーバトーン技術とは異なって新たな市場を創出することが期待されている。
【０００４】
例えば、非特許文献１においては、振動するＲＦ−ＭＥＭＳ発振器について概説されており、ここで、ＲＦ−ＭＥＭＳ発振器は、ビーム型、ディスク型、リング型及びＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonators）に分類されている。この中で本発明に関連する従来技術として、非特許文献２に開示された「フリー・フリー・ビーム型ＭＥＭＳ共振器」について、図１８を参照して以下に説明する（例えば、特許文献１及び２においても記載されている。）。
【０００５】
当該従来例に係る「フリー・フリー・ビーム型ＭＥＭＳ共振器」は、図１８に示すように、接地平面及び検出電極９０上の各アンカー１０２においてそれぞれ固定された４本のばね１０１によって支持された中央のビーム１００（フリー・フリー・共振ビームと呼ばれる。）がその中央下部に設けられて交流信号Ｖｉにより励振された電極９１によって静電気力を受けることにより湾曲振動するものである。ここで、１０３は凹部であり、１０４はフレキシャルモードのノードポイントであり、検出電極９０に発振信号出力回路１１０が接続されている。当該共振器の振動の基本モードは中央のビーム１００が上下方向で湾曲する形状であり、大きな振幅をもつ部分（振動の腹）が、中央と両端の３箇所となる。波の波形を考慮すると、この振動モードは１／２波長をもつ波であることがわかる。そして、当該論文では、さまざまな寸法をもつデバイスを設計して、３０−９０ＭＨｚの共振周波数をもつデバイスを試作したことが報告されている。
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６４９０１４７号の明細書。
【特許文献２】特開２００７−１８４９３１号公報。
【非特許文献１】Wan-Thai Hsu, “Vibrating RF MEMS for Timing and Frequency References”, Digests of IEEE MTT-S 2006 International Microwave Symposium, pp.672-675, 2006.
【非特許文献２】Kun Wang et al., “VHF Free-Free Beam High-Q Micromechanical Resonators”, Journal of Microelectromechanical Systems, Vol.9, No.3, pp.347-360, September 2000.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、当該従来例に係る「フリー・フリー・ビーム型ＭＥＭＳ共振器」においては、共振周波数がデバイスの寸法によって決定される。例えば、共振ビーム長が１６μｍと１４μｍとしたときに対応する共振周波数がそれぞれ５０ＭＨｚと７０ＭＨｚであった。このように、従来技術では１個のデバイスからは１個の共振周波数しか取り出すことができなかった。これには、以下の理由がある。一般的には、基本波の整数倍の高調波の振動を励起することが可能であるが、ここに示した振動ビームを支える支持ばねは、高調波を抑える機能をもっていたため、当該共振器から取り出せる周波数が一定のものに制限されたのである。このように、この従来技術の構造は周波数を可変することができないという問題があった。
【０００８】
また、振動ビームに対向して設けられた電極から発生した静電気力を直接振動ビームに作用させるので、より高い周波数になるに従って、振動ビームの寸法が小型化して励振電極と対向する面積が減少するために静電気力を有効に作用させることが困難になり、駆動電圧が増大するという問題があった。
【０００９】
一方、この従来例のように振動ビームの変形方向である横の振動の節の部分に４本の支持ばね１０１を設ける構造とは別に、振動ビームの両端を固定するという他の構造も従来から報告されている。この場合には、基本波以外にも高調波を利用することが可能である。しかしながら、この構造の問題点は、高調波が常にこれよりも低次の高調波よりも振幅が小さいということである。このため、オーバートーン技術を用いて複数の共振周波数を利用することができるが、高次の共振周波数を利用するに従って発振波形にひずみが生じ、また、低次の周波数を抑えるフィルタ回路が必要となるという問題があった。
【００１０】
本発明の目的は以上の問題点を解決し、オーバートーン技術を用いず、基本波及び高調波の少なくとも一つの周波数で共振することができ、しかも共振周波数を変更することができかつ従来技術に比較して小さい駆動電圧で励振できる共振器、それを用いた発振回路及びＭＥＭＳデバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
第１の発明に係るＭＥＭＳ共振器は、
基板上に電気的に絶縁されかつ少なくとも一個の固定端で固定された可動主ビームと、
上記可動主ビームから延在するように形成された少なくとも一本の可動副ビームと、
上記可動副ビームに近接するように設けられた少なくとも一個の励振電極とを備えたＭＥＭＳ共振器であって、
上記励振電極を交流信号を用いて励振することにより、上記可動副ビームを静電気力により励振して振動させ、基本共振周波数及びその高調波周波数のうちの少なくとも一つの周波数で共振することを特徴とする。
【００１２】
上記ＭＥＭＳ共振器において、上記励振電極の数及び上記可動副ビームに対する上記励振電極の位置のうち少なくとも一方を変化することにより共振周波数を変化させることを特徴とする。
【００１３】
また、上記ＭＥＭＳ共振器において、上記可動主ビームは二個の固定端で固定されたことを特徴とする。
【００１４】
さらに、上記ＭＥＭＳ共振器において、上記基板は誘電体基板又は半導体基板であり、上記可動主ビーム及び上記可動副ビームは導電性材料又は半導体材料で形成されたことを特徴とする。
【００１５】
第２の発明に係るＭＥＭＳ発振回路は、上記ＭＥＭＳ共振器を備え、上記ＭＥＭＳ共振器の共振周波数と同一の周波数で発振することを特徴とする。
【００１６】
第３の発明に係るＭＥＭＳデバイスは、上記ＭＥＭＳ共振器を備え、上記ＭＥＭＳ共振器の共振状態を利用することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
従って、本発明に係るＭＥＭＳ共振器によれば、オーバートーン技術を用いず、基本波及び高調波の少なくとも一つの周波数で共振することができ、しかも共振周波数を変更することができかつ従来技術に比較して小さい駆動電圧で励振できる。そして、当該ＭＥＭＳ共振器を用いて極めて小さい周波数可変小型発振器や、上記ＭＥＭＳ共振器の共振状態を利用したＭＥＭＳデバイスを構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。
【００１９】
図１は本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳ共振器の構造を示す斜視図であり、図２は図１の可動主ビーム３付近の拡大図である。また、図３は図１の可動副ビーム４と、励振電極５の励振アーム５ｂとの間の位置関係を示す平面図であり、図４は図１のＭＥＭＳ共振器の側面図である。
【００２０】
図１及び図２において、ガラス基板１０上にＭＥＭＳ共振器の固定端となる、例えば単結晶シリコンにてなるアンカー部１，２が所定の間隔だけ離隔してかつガラス基板１０とは電気的に絶縁されて形成されている。アンカー部１，２は例えば長方形と三角形とを組み合わせた平面形状を有し、その各頂点１ａ，２ａが対向するようにアンカー部１，２が配置される。各頂点１ａ，２ａ間には、アンカー部１，２から延在してこれらを連結しかつガラス基板１０から所定の間隔の空隙１１（図４）を有して振動可能に形成された単結晶シリコンにてなる可動主ビーム３が形成され、当該可動主ビーム３の長手方向に対して実質的に直交する方向でその両側面から突出して延在するように形成された単結晶シリコンにてなる複数本の可動副ビーム４が形成される。図１の実施形態では、可動主ビーム３の長手方向に対して直交する方向で可動主ビーム３を突き刺すように６本の可動副ビーム４が形成されている。可動主ビーム３と可動副ビーム４との組み合わせ形状は、図１から明らかなように、いわゆる魚の骨形状（フイッシュボーン形状）を有する。
【００２１】
そして、ガラス基板１０上に、各励振電極５，６，７の励振アーム５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂが異なる可動副ビーム３と近接しかつ例えばその側面と対向するように、励振電極５，６，７がそれぞれ形成される。例えば、図３の拡大図に示すように、可動副ビーム４は、励振電極５の励振アーム５ｂとオーバーラップ長Ｌｏ及び、それらの間隔であるギャップｇとを有するように配置されており、励振電極６，７に対しても同様の配置関係で配置される。
【００２２】
以上の実施形態においては、ガラス基板１０を用いているが、本発明はこれに限らず、他の誘電体基板、もしくはＧａＡｓ基板などの半導体基板を用いてもよい。また、励振電極５，６，７の各励振アーム５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂによる励振は、可動副ビーム４の側面から実行しているが、本発明はこれに限らず、所定の間隔ｇだけ離隔して励振すればよく、可動副ビーム４の下面から又は上面から行ってもよい。
【００２３】
さらに、アンカー部１，２，可動主ビーム３及び可動副ビーム４はともに単結晶Ｓｉにて形成しているが、本発明はこれに限らず、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌなどの金属等の導電性材料、もしくは、ポリシリコン、アモルファスシリコン、ＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＧａＮ、ＳｉＣなどの半導体材料で形成してもよい。もしくは、アンカー部１，２，可動主ビーム３及び可動副ビーム４はともに誘電体材料の表面を金属材料などでメッキ処理して形成してもよい。また、可動副ビーム４は可動主ビーム３から所定の角度で少なくとも延在するように形成すればよい。
【００２４】
図５は図１のＭＥＭＳ共振器を用いたＭＥＭＳ発振器の平面構造及び電気回路を示す回路図である。図５において、可動主ビーム３の中央部に位置する２本の可動副ビーム４間に挿入するように、可動主ビーム３の両側でそれぞれ励振電極５，１５の励振アーム５ａ，５ｂ，１５ａ，１５ｂが可動副ビーム４と近接しかつ対向するように配置形成されている。また、励振電極５，１５の図上右側（アンカー部２に向う方向）において、可動主ビーム３の両側でそれぞれ励振電極８，１８の励振アーム８ａ，８ｂ，１８ａ，１８ｂが可動副ビーム４と近接しかつ対向するように配置形成されている。さらに、励振電極８，１８の図上右側（アンカー部２に向う方向）において、可動主ビーム３の両側でそれぞれ励振電極７，１７の励振アーム７ａ，７ｂ，１７ａ，１７ｂが可動副ビーム４と近接しかつ対向するように配置形成されている。一方、励振電極５，１５の図上左側（アンカー部１に向う方向）において、可動主ビーム３の両側でそれぞれ励振電極９，１９の励振アーム９ａ，９ｂ，１９ａ，１９ｂが可動副ビーム４と近接しかつ対向するように配置形成されている。さらに、励振電極９，１９の図上左側（アンカー部１に向う方向）において、可動主ビーム３の両側でそれぞれ励振電極６，１６の励振アーム６ａ，６ｂ，１６ａ，１６ｂが可動副ビーム４と近接しかつ対向するように配置形成されている。
【００２５】
アンカー部１は、カップリングキャパシタＣｃを介して出力端子Ｔｏに接続され、高周波阻止用インダクタＬｂを介してバイアス電圧源Ｂａが接続されている。励振信号発生器６０は、例えば１ｋＨｚ〜１ＧＨｚなどの励振周波数を有し、各励振電極５〜９及び１５〜１９を励振するための励振信号を発生し、スイッチ６１を介して励振電極５に出力し、スイッチ６２を介して励振電極１５に出力し、スイッチ６３を介して励振電極６及び７に出力し、スイッチ６４を介して励振電極１６及び１７に出力し、スイッチ６５を介して励振電極８及び９に出力し、スイッチ６６を介して励振電極１８及１９に出力する。
【００２６】
以上のように構成されたＭＥＭＳ共振器の電気回路において、スイッチ６１〜６６をオンすることにより所定の励振電極５〜９及び１５〜１９を励振することができる。そのシミュレーション結果については詳細後述する。
【００２７】
図６及び図７は図１のＭＥＭＳ共振器の製造工程を示す縦断面図である。以下、図６及び図７を参照して図１のＭＥＭＳ共振器の製造工程について説明する。
【００２８】
図６（ａ）に示すように、まず、絶縁物上シリコン（Silicon On Insulator）ウエハ（以下、ＳＯＩウエハという。）７０Ａを用意する。ここで、ＳＯＩウエハ７０Ａは、シリコン基板７０上に埋込層であるＳｉＯ２絶縁層７１を介してＳｉ活性層７２が形成されて構成されている。次いで、図６（ｂ）に示すように、ＳＯＩウエハ７０Ａ上にＣｒ層７３をパターンニングすることにより形成した後、図６（ｃ）に示すように、フォトレジスト層７４をパターンニングすることにより形成する。そして、図６（ｄ）に示すように、深い深度を有するイオン結合プラズマ反応性イオン・エッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ）法を用いて所定のパターンでＳｉ活性層７２をエッチングした後、図７（ａ）に示すように、浅い深度を有するイオン結合プラズマ反応性イオン・エッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ）法を用いて所定のパターンでフォトレジスト層７４をエッチングする。
【００２９】
次いで、図７（ｂ）に示すように、上記得られたデバイスを表裏逆にしてガラス基板１０上で、突出しているＳｉ活性層７２を所定の接着剤でボンディングする。ここで、７５は接着層を示す。そして、図７（ｃ）に示すように、所定のエッチング法を用いておもて面のシリコン基板７０の層をエッチングすることにより、図７（ｄ）のＭＥＭＳ共振器のデバイスを得ることができる。
【００３０】
以上の実施形態においては、接着層７５を用いて接着しているが、本発明はこれに限らず、以下の方法で接着してもよい。図７（ｂ）において、シリコンデバイス（ＳＯＩウエハ７０Ａを含む形成物）を表裏逆にしてガラス基板１０上で、突出しているＳｉ活性層７２を直接にガラス基板１０に静電ボンディング方法を利用して接着する。これは、シリコンデバイスとガラス基板１０を約４００゜Ｃに加熱して、シリコンデバイスを陽極にしてシリコンデバイスとガラス基板１０との間に５００Ｖ程度の電圧を印加することによって実現することができる。接着層７５を使用しないために、デバイスの長期安定性に役立つ効果がある。
【００３１】
次いで、本実施形態に係るＭＥＭＳ共振器の動作について、可動主ビーム３のみを有するＭＥＭＳ共振器の動作と比較して以下に説明する。
【００３２】
図８（ａ）は比較例に係る、可動主ビーム３のみを有するＭＥＭＳ共振器の構造を示す平面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）のＭＥＭＳ共振器の振動状態を示す平面図である。また、図９（ａ）は本実施形態に係る、１個の励振電極５を有するＭＥＭＳ共振器の構造を示す平面図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）のＭＥＭＳ共振器の振動状態を示す平面図である。図８に示すように、比較例に係る可動主ビーム３のみを有するＭＥＭＳ共振器において、励振電極５により可動主ビーム３を励振したとき、可動主ビーム３と直交する方向で静電気力８１が発生して矢印８２の方向で振動する。一方、実施形態に係る可動主ビーム３及び可動副ビーム４を有するＭＥＭＳ共振器では、励振電極５により可動主ビーム３を励振したとき、可動副ビーム４と概ね直交する方向で静電気力８１が発生して矢印８２の方向で振動する。
【００３３】
図１０（ａ）は本実施形態に係るＭＥＭＳ共振器の基本共振周波数モードにおける振動状態を示す平面図である。これは、図５のスイッチ６１のみをオンして中央部の励振電極５のみで励振した場合であって、一次の共振周波数モード（基本波共振周波数モード）で振動する。
【００３４】
図１０（ｂ）は本実施形態に係るＭＥＭＳ共振器の三次高調波共振周波数モードにおける振動状態を示す平面図である。これは、図５のスイッチ６３のみをオンして所定の間隔だけ離隔されかつ可動主ビーム３の一方の側に位置する２つの励振電極６，７で励振した場合であって、三次の高調波共振周波数モードで振動する。
【００３５】
図１０（ｃ）は本実施形態に係るＭＥＭＳ共振器の二次高調波共振周波数モードにおける振動状態を示す平面図である。これは、図５のスイッチ６６のみをオンして所定の間隔だけ離隔されかつ可動主ビーム３の互いに異なる側に位置する２つの励振電極１８，１９で励振した場合であって、二次の高調波共振周波数モードで振動する。
【００３６】
図１１は図５のＭＥＭＳ共振器においてスイッチ６１のみをオンして励振電極５のみを励振したときの発振信号のスペクトラムを示す図である。図１１から明らかなように、一次の共振周波数モード（基本波共振周波数モード）及び三次の高調波共振周波数モードの発振信号を得ることができる。ここで、三次の高調波共振周波数モードの発振信号の振幅は比較的小さく、その発振モードは、一次の共振周波数モード（基本波共振周波数モード）のオーバートーンで発振しているものと考えられる。
【００３７】
図１２は図５のＭＥＭＳ共振器においてスイッチ６３のみをオンして励振電極６，７のみを励振したときの発振信号のスペクトラムを示す図である。図１２から明らかなように、一次の共振周波数モード（基本波共振周波数モード）及び三次の高調波共振周波数モードの発振信号を得ることができる。ここで、三次の高調波共振周波数モードの発振信号の振幅は図１１よりも大きく、その発振モードは、一次の共振周波数モード（基本波共振周波数モード）のオーバートーンではなく、自己の振動で発振しているものと考えられる。
【００３８】
図１３は図５のＭＥＭＳ共振器においてスイッチ６５のみをオンして励振電極８，９のみを励振したときの発振信号のスペクトラムを示す図である。図１２から明らかなように、二次の高調波共振周波数モード及び四次の高調波共振周波数モードの発振信号を得ることができる。この発振モードは両方の発振信号とも比較的大きな振動振幅が得られており自己の振動で発振しているものと考えられる。
【００３９】
図１４は図８の比較例と、図９の実施形態との比較結果であってオーバーラップ長Ｌｏに対する振動振幅を示すグラフである。図１４から明らかなように、オーバーラップ長Ｌｏを大きくすることにより、可動主ビーム３のみの比較例に比較して大きな振動振幅を得ることができることがわかる。
【００４０】
以上説明したように、本実施形態によれば、励振電極５〜９及び１５〜１９の数及び配置位置を変更することにより、基本波共振周波数のみならず、種々の高調波共振周波数でそれらの周波数を変化させて共振させることができる。
【００４１】
また、従来例では、上述したように、振動ビームに対向して設けられた電極から発生した静電気力を直接振動ビームに作用させるので、より高い周波数になるに従って、振動ビームの寸法が小型化して励振電極と対向する面積が減少するために静電気力を有効に作用させることが困難になり、駆動電圧が増大するという問題があった。これに対して、本実施形態では、図９（ｂ）に示すように励振電極から発生する静電気力が可動副ビーム４に作用し、可動副ビーム４を介して可動主ビーム３に力が伝達されるようになっている。可動副ビーム４と励振電極との対向面積は、可動主ビーム３が短くなっても大きくとることが可能である。このため、設計自由度が増大し、駆動電圧を大幅に低減させることができる。
【００４２】
さらに、本実施形態では、可動副ビーム４の長さ及びその形成間隔、数を変化させた共振器を作成することにより、多数の共振周波数をもつＭＥＭＳ共振器を実現することができる。また、これらの中から、励振電極の数及び配置位置の選択によって所望の共振周波数の発振信号を取り出すことが可能となる。なお、励振信号の周波数を走査することにより、当該ＭＥＭＳ共振器の共振状態（最大振幅を得る）となる共振周波数を検出することができる。
【００４３】
さらに、励振電極の数及び配置位置の選択によって選択的に高次モードのＱ値を高くすることができ、さらに、励振電極の位置の組み合わせを変更することにより、共振周波数のＱ値を変化させることができる。
【００４４】
変形例．
図１５は本発明の変形例に係る片持ちビームの場合のＭＥＭＳ共振器を示す平面図である。上記の実施形態では、両端で固定された両持ちビームを形成しているが、本発明はこれに限らず、図１５のように、片側のアンカー部１のみで固定された片持ちビーム形状で形成してもよい。
【００４５】
図１６は本実施形態のＭＥＭＳ共振器を用いたＭＥＭＳ発振回路を示す回路図である。図１６のＭＥＭＳ発振回路は、ＭＥＭＳ共振器５０を用いたＣＭＯＳインバータ発振回路である。図１６において、ＭＥＭＳ共振器５０の一端はインバータ５１の入力端子に接続されるとともに、キャパシタＣ１を介して接地される。ＭＥＭＳ共振器５０の他端は抵抗Ｒ２を介してインバータ５１の出力端子に接続されるとともに、キャパシタＣ２を介して接地される。インバータ５１の入力端子及び出力端子の間には帰還抵抗Ｒ１が接続され、インバータ５１の出力端子から出力される発振信号はインバータ５２を介して出力端子Ｔ１，Ｔ２に出力される。以上のように構成されたＭＥＭＳ共振器５０を用いたＣＭＯＳインバータ発振回路では、比較的高いＱを有するＭＥＭＳ共振器５０を用いて発振器回路を構成しているので、共振周波数又はその高調波周波数と同一である安定な発振周波数を有する発振信号を直接にかつ比較的高い周波数（例えば１００〜１０００ＭＨｚなど）で発生することができ、しかも、上述のように、発振周波数を変化させることができる。
【００４６】
図１７は本実施形態のＭＥＭＳ共振器を用いた帯域除去フィルタを示す回路図である。図１７において、第１の端子Ｔ１１，Ｔ１２と、第２の端子Ｔ１３，Ｔ１４との間に、並列ＬＣ共振回路を構成するＭＥＭＳ共振器５０が挿入されているので、帯域除去フィルタを構成することができる。以上のように構成されたＭＥＭＳ共振器５０を用いた帯域除去フィルタでは、比較的高いＱを有するＭＥＭＳ共振器５０を用いて帯域除去フィルタを構成しているので、除去帯域が狭帯域であって安定であり、しかも、上述のように、除去帯域の周波数を変化させることができる。なお、当該帯域除去フィルタは、ＭＥＭＳ共振器を備え、上記ＭＥＭＳ共振器の共振状態を利用することを特徴とするＭＥＭＳデバイスの一例である。
【実施例】
【００４７】
本発明者により試作されたＭＥＭＳ共振器の一例の仕様を以下の表に示す。
【００４８】
【表１】
【産業上の利用可能性】
【００４９】
以上詳述したように、本発明に係るＭＥＭＳ共振器によれば、オーバートーン技術を用いず、基本波及び高調波の少なくとも一つの周波数で共振することができ、しかも共振周波数を変更することができかつ従来技術に比較して小さい駆動電圧で励振できる。そして、当該ＭＥＭＳ共振器を用いて極めて小さい周波数可変小型発振器や、上記ＭＥＭＳ共振器の共振状態を利用したＭＥＭＳデバイスを構成することができる。本発明に係るＭＥＭＳ共振器、ＭＥＭＳ発振回路及びＭＥＭＳデバイスは、特に、携帯電話や無線ＬＡＮなどのＲＦ−ＭＥＭＳデバイスとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳ共振器の構造を示す斜視図である。
【図２】図１の可動主ビーム３付近の拡大図である。
【図３】図１の可動副ビーム４と、励振電極５の励振アーム５ｂとの間の位置関係を示す平面図である。
【図４】図１のＭＥＭＳ共振器の側面図である。
【図５】図１のＭＥＭＳ共振器を用いたＭＥＭＳ発振器の平面構造及び電気回路を示す回路図である。
【図６】図１のＭＥＭＳ共振器の製造工程を示す図であって、（ａ）はその第１の工程を示す縦断面図であり、（ｂ）はその第２の工程を示す縦断面図であり、（ｃ）はその第３の工程を示す縦断面図であり、（ｄ）はその第４の工程を示す縦断面図である。
【図７】図１のＭＥＭＳ共振器の製造工程を示す図であって、（ａ）はその第５の工程を示す縦断面図であり、（ｂ）はその第６の工程を示す縦断面図であり、（ｃ）はその第７の工程を示す縦断面図であり、（ｄ）はその第８の工程を示す縦断面図である。
【図８】（ａ）は比較例に係る、可動主ビーム３のみを有するＭＥＭＳ共振器の構造を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＭＥＭＳ共振器の振動状態を示す平面図である。
【図９】（ａ）は本実施形態に係る、１個の励振電極５を有するＭＥＭＳ共振器の構造を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＭＥＭＳ共振器の振動状態を示す平面図である。
【図１０】（ａ）は本実施形態に係るＭＥＭＳ共振器の基本共振周波数モードにおける振動状態を示す平面図であり、（ｂ）は本実施形態に係るＭＥＭＳ共振器の三次高調波共振周波数モードにおける振動状態を示す平面図であり、（ｃ）は本実施形態に係るＭＥＭＳ共振器の二次高調波共振周波数モードにおける振動状態を示す平面図である。
【図１１】図５のＭＥＭＳ共振器においてスイッチ６１のみをオンして励振電極５のみを励振したときの発振信号のスペクトラムを示す図である。
【図１２】図５のＭＥＭＳ共振器においてスイッチ６３のみをオンして励振電極６，７のみを励振したときの発振信号のスペクトラムを示す図である。
【図１３】図５のＭＥＭＳ共振器においてスイッチ６５のみをオンして励振電極８，９のみを励振したときの発振信号のスペクトラムを示す図である。
【図１４】図８の比較例と、図９の実施形態との比較結果であってオーバーラップ長Ｌｏに対する振動振幅を示すグラフである。
【図１５】本発明の変形例に係る片持ちビームの場合のＭＥＭＳ共振器を示す平面図である。
【図１６】本実施形態のＭＥＭＳ共振器を用いたＭＥＭＳ発振回路を示す回路図である。
【図１７】本実施形態のＭＥＭＳ共振器を用いた帯域除去フィルタを示す回路図である。
【図１８】従来技術に係るフリー・フリー・ビーム型ＭＥＭＳ共振器の構成を示す斜視図及び電気回路図である。
【符号の説明】
【００５１】
１，２…アンカー部、
１ａ，２ａ…頂点、
３…可動主ビーム、
４…可動副ビーム、
５，６，７，８，９，１５，１６，１７，１８，１９…励振電極、
５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂ…励振アーム、
１０…ガラス基板、
１１…空隙、
５０…ＭＥＭＳ共振器、
５１，５２…インバータ、
６０…励振信号発生器、
６１〜６６…スイッチ、
７０Ａ…ＳＯＩウエハ、
７０…シリコン基板、
７１…ＳｉＯ２絶縁層、
７２…シリコン活性層、
７３…Ｃｒ層、
７４…フォトレジスト層、
７５…接着層、
Ｒ１，Ｒ２…抵抗、
Ｃ１，Ｃ２…キャパシタ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に電気的に絶縁されかつ少なくとも一個の固定端で固定された可動主ビームと、
上記可動主ビームから延在するように形成された少なくとも一本の可動副ビームと、
上記可動副ビームに近接するように設けられた少なくとも一個の励振電極とを備えたＭＥＭＳ共振器であって、
上記励振電極を交流信号を用いて励振することにより、上記可動副ビームを静電気力により励振して振動させ、基本共振周波数及びその高調波周波数のうちの少なくとも一つの周波数で共振することを特徴とするＭＥＭＳ共振器。
【請求項２】
上記励振電極の数及び上記可動副ビームに対する上記励振電極の位置のうち少なくとも一方を変化することにより共振周波数を変化させることを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳ共振器。
【請求項３】
上記可動主ビームは二個の固定端で固定されたことを特徴とする請求項１又は２記載のＭＥＭＳ共振器。
【請求項４】
上記基板は誘電体基板又は半導体基板であり、上記可動主ビーム及び上記可動副ビームは導電性材料又は半導体材料で形成されたことを特徴とする請求項１乃至３のうちのいずれか一つに記載のＭＥＭＳ共振器。
【請求項５】
上記ＭＥＭＳ共振器を備え、上記ＭＥＭＳ共振器の共振周波数と同一の周波数で発振することを特徴とするＭＥＭＳ発振回路。
【請求項６】
上記ＭＥＭＳ共振器を備え、上記ＭＥＭＳ共振器の共振状態を利用することを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
【請求項１】
基板上に電気的に絶縁されかつ少なくとも一個の固定端で固定された可動主ビームと、
上記可動主ビームから延在するように形成された少なくとも一本の可動副ビームと、
上記可動副ビームに近接するように設けられた少なくとも一個の励振電極とを備えたＭＥＭＳ共振器であって、
上記励振電極を交流信号を用いて励振することにより、上記可動副ビームを静電気力により励振して振動させ、基本共振周波数及びその高調波周波数のうちの少なくとも一つの周波数で共振することを特徴とするＭＥＭＳ共振器。
【請求項２】
上記励振電極の数及び上記可動副ビームに対する上記励振電極の位置のうち少なくとも一方を変化することにより共振周波数を変化させることを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳ共振器。
【請求項３】
上記可動主ビームは二個の固定端で固定されたことを特徴とする請求項１又は２記載のＭＥＭＳ共振器。
【請求項４】
上記基板は誘電体基板又は半導体基板であり、上記可動主ビーム及び上記可動副ビームは導電性材料又は半導体材料で形成されたことを特徴とする請求項１乃至３のうちのいずれか一つに記載のＭＥＭＳ共振器。
【請求項５】
上記ＭＥＭＳ共振器を備え、上記ＭＥＭＳ共振器の共振周波数と同一の周波数で発振することを特徴とするＭＥＭＳ発振回路。
【請求項６】
上記ＭＥＭＳ共振器を備え、上記ＭＥＭＳ共振器の共振状態を利用することを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２００９−２７２７５７（Ｐ２００９−２７２７５７Ａ）
【公開日】平成２１年１１月１９日（２００９．１１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１１９７９６（Ｐ２００８−１１９７９６）
【出願日】平成２０年５月１日（２００８．５．１）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 社団法人応用物理学会発行の「Ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ａｎｄ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ２００７，２０ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ａｎｄ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｐａｐｅｒｓ（２００７年マイクロプロセス・ナノテクノロジー、第２０回マイクロプロセス・ナノテクノロジー国際会議、論文の要約集）」５００〜５０１頁（８Ｂ−１１−３）において２００７年１１月５日に発表した。
【出願人】（３９６０２３９９３）株式会社半導体理工学研究センター (150)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１１月１９日（２００９．１１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月１日（２００８．５．１）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 社団法人応用物理学会発行の「Ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ａｎｄ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ２００７，２０ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ａｎｄ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｐａｐｅｒｓ（２００７年マイクロプロセス・ナノテクノロジー、第２０回マイクロプロセス・ナノテクノロジー国際会議、論文の要約集）」５００〜５０１頁（８Ｂ−１１−３）において２００７年１１月５日に発表した。
【出願人】（３９６０２３９９３）株式会社半導体理工学研究センター (150)
【Ｆターム（参考）】
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