(57)【要約】【課題】  占有面積の増大を抑制しつつ電極交差面積を大きくすることができる振動子の構造を実現し、また、パターニング精度や製造工程の簡易性を犠牲にすることなく電極交差面積を大きくすることができる振動子の構造を実現する。【解決手段】  本発明の振動子１００は、基板１０１上において静電力により機械的な縦振動を生ずるように構成され、外周に対向面１２１ａを備えた第１対向電極１２１と、第１対向電極の周囲にて周回方向に配列され、それぞれが第１対向電極に対して接離する半径方向に伸縮可能な態様で支持され、半径方向Ｒ内側に第１対向電極の対向面１２１ａに対向する振動面１１１ａを備えるとともに、半径方向Ｒ外側にもう一つの振動面１１１ｂを備えた複数の振動電極１１１と、複数の振動電極の半径方向外側の振動面１１１ｂに対向する対向面１２２ａを備える第２対向電極１２２と、を具備する。【選択図】図１
2006217207.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上において静電力により機械的な縦振動を生ずるように構成された振動子であって、
外周に対向面を備えた第１対向電極と、
前記第１対向電極の周囲にて周回方向に配列され、それぞれが前記第１対向電極に対して接離する半径方向に伸縮可能な態様で支持され、前記半径方向内側に前記第１対向電極の前記対向面に対向する振動面を備えるとともに、前記半径方向外側にもう一つの振動面を備えた複数の振動電極と、
前記複数の振動電極の前記半径方向外側の前記振動面に対向する対向面を備える第２対向電極と、
を具備することを特徴とする振動子。
【請求項２】
前記複数の振動電極は、前記第１対向電極の周囲において前記周回方向に均等に分散配置されていることを特徴とする請求項１に記載の振動子。
【請求項３】
前記複数の振動電極の前記振動面並びにこれに対向する前記第１対向電極の前記対向面及び前記第２電極の前記対向面がそれぞれ同一仮想円上に配置され、各仮想円が相互に同芯円となっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の振動子。
【請求項４】
前記第１対向電極は、前記複数の振動電極の全てに対向する前記対向面を一体に備えた構造を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の振動子。
【請求項５】
前記複数の振動電極の外側の前記振動面に各々対向する前記対向面をそれぞれ備えた複数の前記第２対向電極を具備することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の振動子。
【請求項６】
前記振動電極は、その前記半径方向の中間部に接続された前記周回方向に伸びる梁部分を含む一対の支持梁によって前記周回方向両側から支持されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の振動子。
【請求項７】
前記周回方向に伸びる梁部分は、前記周回方向に沿って湾曲した形状を有することを特徴とする請求項６に記載の振動子。
【請求項８】
前記複数の振動電極に対応する複数組の前記周回方向に伸びる梁部分は同一仮想円上に配置されていることを特徴とする請求項７に記載の振動子。
【請求項９】
前記周回方向に隣接する前記振動電極が共通の前記梁部分によって支持されていることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか一項に記載の振動子。
【請求項１０】
前記複数の振動電極は全て前記周回方向に伸びる梁部分を介して相互に連結されていることを特徴とする請求項６乃至９に記載の振動子。
【請求項１１】
前記支持梁は、前記周回方向に見て既定数の前記振動電極と交互に配置された支持固定部にて前記基板上に固定されていることを特徴とする請求項６乃至１０のいずれか一項に記載の振動子。
【請求項１２】
前記支持梁は、前記周回方向に伸びる梁部分を前記半径方向両側から支持する一対の前記半径方向に伸びる梁部分をさらに有することを特徴とする請求項６乃至１１のいずれか一項に記載の振動子。
【請求項１３】
前記一対の半径方向に伸びる梁部分の基部がそれぞれ前記基板上に固定されていることを特徴とする請求項１２に記載の振動子。
【請求項１４】
前記第１対向電極及び前記第２対向電極と、前記振動電極との間に変動電圧を印加して前記振動電極に前記半径方向の前記縦振動を生起させるとともに、前記縦振動によって生ずる前記第１対向電極及び前記第２対向電極の少なくともいずれか一方と、前記振動電極との間の静電容量の時間変化に基づく出力を得るための電気接続構造をさらに具備することを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の振動子。
【請求項１５】
請求項１乃至１４のいずれか一項の振動子を含み、前記基板は、半導体回路が構成された半導体基板であることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は振動子及び半導体装置に係り、特に、振動電極に両側から静電力を及ぼして縦振動を生起させる方式の振動子の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の高度情報社会においては、各種電子システムの性能向上が著しく、これによって発振回路やフィルタ回路などに用いられる振動子はより一層の高周波化が求められている。また、通信機器をはじめとする電子デバイスは多機能化の一途をたどっており、これに伴い素子の小型化や多機能化が求められている。
【０００３】
一方、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を用いた電子デバイスはプリンターヘッドやＤＭＤ（Digital Micromirror Device）などに代表されるように確実に市場に広まってきている。ＭＥＭＳデバイスの特徴は、これまでの素子に比べ格段にコンパクトに作れる、製造工程においてバッチ処理を用いることができる、内部損失が小さいことなどが挙げられる。なかでも、シリコン基板上に素子構造を形成することで、ＩＣと一体にシステム中に組み込むことが可能となるため、システムの小型化や、多機能化を進める上で大きな優位性を備えている。
【０００４】
ＭＥＭＳ技術を用いた振動子としては、基板上に形成した構造体の屈曲振動を利用するものやねじれ振動を利用するものなどがあるが、高周波化に最も適した高い振動数を得ることのできる振動子は、縦振動（構造体の伸縮変形に対応する振動）を用いたものである。
【０００５】
この縦振動を用いた振動子として最も基本的なものとして、図５に示す構造を有するものがある。この振動子は、基板上に梁状の振動電極１を形成し、この振動電極１の中央部両端に基部が支持固定部２に固定された支持梁２を接続して、振動電極１が基板との間に間隙を有する状態で変形可能に支持された状態にするとともに、振動電極１の長手方向両側に一対の対向電極４，５を対向配置し、一対の対向電極４，５とその間の振動電極１との間に変動電圧を印加することにより、振動電極１を長手方向に伸縮変形させて縦振動を生起するようにしたバルク縦振動共振子、すなわちＢＬＲ（Bulk Longitudinal Resonator）である（例えば、以下の非特許文献１参照）。
【０００６】
また、図７に示すように、一方の対向電極６の周囲に振動電極７を環状に形成し、振動電極７の周囲にさらに環状の他方の対向電極８を配置してなる環状の振動子ＲＢＡＲ（Radial Bulk Annular Resonator）も知られている（例えば、以下の非特許文献２参照）。
【０００７】
さらに、上記ＢＬＲの欠点である電極交差面積（電極対向面積）の不足を改善するために振動電極の両端部を幅広に構成してなる改良型のＢＬＲも提案されている（例えば、以下の非特許文献３参照）。
【非特許文献１】ティー・マッティラ（T. Mattila）、他７名  「１２ＭＨｚマイクロメカニカルバルク音響モード振動子」（12MHz Micromechanical Bulk Acoustic Mode Oscillator）  センサーアンドアクチュエータズ  エー;  物理  第１０１巻  １−２号  ２００２年９月２０日  第１−９頁（Sensor and Actuators A; Physical, Volume 101, Issues 1-2, 30 September 2002,Pages 1-9）
【非特許文献２】ブライアン・バーカムショー（Brian Bircumshaw）、他６名  「半径方向バルク環状共振子：５０Ω高周波ＭＥＭＳフィルタに向けて」（THE RADIAL BULK ANNULAR RESONATOR:TOWARDS A 50Ω RF MEMS FILTER）トランスデューサーズ  ０３年、第８７５−８７９頁（Transducers'03, Pages:875-879）
【非特許文献３】エム・コスケンボウリ（M. Koskemvouri）、他６名  「単結晶シリコンマイクロ共振子の長期安定性」（Long-term stability of single-crystal silicon microresonators）  センサーアンドアクチュエータズ  エー；  物理  第１１５巻  ２００４年９月１５日  第２３−２７頁（Sensors and Actuators A; Physical, Volume 115, 15 September 2004, Pages:23-27）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述のＢＬＲには、製造プロセスが簡易で容易に製造できる、或いは、単純な縦振動であるために設計が容易であるなどの利点があるが、他方で、振動電極と対向電極との間の電極交差面積（電極対向面積）が小さいため、出力が小さくなるという欠点を有する。
【０００９】
ＢＬＲの出力を大きくするには、電極交差面積を大きくすればよいが、電極交差面積を大きくするためには図５に示す振動電極１の幅Ｗを増大させる必要があり、これに応じて対向電極４，５の幅も増大させなければならないので、基板上の素子占有面積が増大する。素子占有面積の増大を抑制するには、長さＬを相対的に小さくし（振動数を維持する場合には実際には長さＬは一定とし）、幅Ｗを相対的に大きくする（例えば、幅Ｗを長さＬより大きく、すなわちＷ／Ｌ>１にする）方法が考えられるが、このようにすると、図５に二点鎖線で示すように振動電極１のポアソン効果により幅方向端部の変形量が幅方向の他の部分よりも大きくなる。そして、これにより、図６のグラフに示すように、共振周波数ｆＦＥＭ（グラフでは有限要素法によって計算した値）は、幅Ｗを無視した一次元モデルによって得られる共振周波数ｆＢＬＲ（＝（１／２Ｌ）・（Ｅ／ρ）０．５、図示破線で示す。）よりも大幅に低下するという問題点がある。このように、振動電極１の幅Ｗを長さＬより大きくするとポアソン効果により共振周波数が低下し、また、周波数の低下が顕著でない範囲でも幅Ｗが相対的に大きくなると一般に縦振動が生じにくくなる。この点は、基本的には上記非特許文献３に記載された改良されたＢＬＲにおいてもほぼ同様である。
【００１０】
一方、図７において、上記のＲＢＡＲは、電極交差面積を大きくとることができるとともに、振動電極７及びその振動面が環状に構成されているために上記のポアソン効果が生じないが、振動電極７が半径方向に変形しにくくなる（１軸性ひずみとなる）ため、十分な振幅を得ることが難しいという問題点がある。
【００１１】
したがって、ＲＢＡＲを形成する場合には、振動電極７と対向電極６，８との対向距離（電極間隔）を小さくしたり、印加電圧（駆動電圧）を高めたりする必要がある。しかし印加電圧（駆動電圧）を高くするには限界がある。また、ＲＢＡＲの電極間隔を小さくするためには、通常のフォトリソグラフィ法などを用いたパターニング処理方法ではパターニングおよびエッチングの精度が不足し、電極間隔を精度よく形成することができないとともに、電極間隔或いは電極位置の偏芯によって正常な動作モードを実現できない場合がある。
【００１２】
さらに、上記のパターニング精度の問題により通常のパターニング処理方法を用いることができない場合には、電極パターンを２層プロセスで形成する必要があり、製造工程が複雑になるという問題点もある。例えば、ポリシリコン膜などを堆積させた後にパターニングして振動電極７を形成し、この振動電極７の表面を薄い酸化膜で覆い、その後、再びポリシリコン膜などを堆積させてパターニングを行って対向電極６，８を形成し、しかる後に上記酸化膜を除去することによって上記酸化膜の厚さと同じ電極間隔を実現するという方法がある。しかし、この方法では、振動電極７のパターンと、対向電極６，８のパターンを別々の工程で形成する必要があり、ポリシリコンの成膜及びパターニング工程がそれぞれ２回必要となるので、製造時間が長くなり、製造コストが増大する。
【００１３】
そこで、本発明は上記問題点を解決するものであり、その目的は、占有面積の増大を抑制しつつ、電極交差面積を大きくすることができる振動子の構造を実現することにある。また、他の目的は、パターニング精度の許容性や製造工程の簡易性を犠牲にすることなく、電極交差面積を大きくすることができる振動子の構造を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
斯かる実情に鑑み、本発明の振動子は、基板上において静電力により機械的な縦振動を生ずるように構成された振動子であって、外周に対向面を備えた第１対向電極と、前記第１対向電極の周囲にて周回方向に配列され、それぞれが前記第１対向電極に対して接離する半径方向に伸縮可能な態様で支持され、前記半径方向内側に前記第１対向電極の前記対向面に対向する振動面を備えるとともに、前記半径方向外側にもう一つの振動面を備えた複数の振動電極と、前記複数の振動電極の前記半径方向外側の前記振動面に対向する対向面を備える第２対向電極と、を具備することを特徴とする。
【００１５】
この発明によれば、半径方向に見たときに第１対向電極と第２対向電極の間に振動電極が配置され、しかも、複数の振動電極が第１対向電極の周囲において周回方向に配列されているため、全体として基板上の占有面積を抑制しつつ、振動電極と対向電極との電極交差面積を大きくすることができる。
【００１６】
本発明において、前記複数の振動電極は、前記第１対向電極の周囲において前記周回方向に均等に分散配置されていることが好ましい。これにより、複数の振動電極間の支持状態や圧力分布等を均等に構成しやすくなるとともに、振動子全体をより小型化しやすくなる。
【００１７】
本発明において、前記複数の振動電極の前記振動面並びにこれに対向する前記第１対向電極の前記対向面及び前記第２電極の前記対向面がそれぞれ同一仮想円上に配置され、各仮想円が相互に同芯円となっていることが好ましい。これによれば、複数の振動電極の縦振動による変形態様を均一に構成できるとともに、全体をコンパクトに構成しやすくなり、小型化がさらに容易になる。
【００１８】
本発明において、前記第１対向電極は、前記複数の振動電極の全てに対向する前記対向面を一体に備えた構造を有することが好ましい。第１対向電極の形成態様としては、複数の振動電極のそれぞれに対応する複数の第１対向電極が別々に設けられていてもよいが、第１対向電極は振動電極や第２対向電極の内側に配置されるため、複数の第１対向電極が広い範囲に分散配置されていると、振動子全体の占有面積が増大する。上記のように複数の振動電極の全ての内側の振動面に対向する対向面を一体に備えた構造とすることにより、第１対向電極を小型化することが可能になり、その結果、振動子全体をコンパクトに構成しやすくなる。
【００１９】
本発明において、前記複数の振動電極の外側の前記振動面に各々対向する前記対向面をそれぞれ備えた複数の前記第２対向電極を具備することが好ましい。第２対向電極の形成態様としては、複数の振動電極の全てに対向する前記対向面を一体に備えたもの（例えば、複数の振動電極を包囲する環状の電極形状を有するもの）であってもよいが、第２対向電極は第１対向電極や振動電極の外側に配置されるため、第２対向電極を一体に構成すると、振動子全体の占有面積が増大する。これに対して、上記のように複数の振動電極に対応する複数の第２対向電極を別々に設けることにより、振動子の外周部における第２対向電極間に振動子構造が形成されない領域が存在するようになるため、当該領域に別の回路や素子を形成したり、当該領域を通過する配線を設けたりすることが可能になり、振動子構造の実効的な占有面積を大幅に低減することが可能になる。
【００２０】
本発明において、前記振動電極は、その前記半径方向の中間部に接続された前記周回方向に伸びる梁部分を含む一対の支持梁によって前記周回方向両側から支持されていることが好ましい。これによれば、一対の支持梁を振動電極の半径方向中間部に周回方向両側から接続することにより、振動電極が周回方向両側から支持されることとなるので、縦振動を妨げずに振動電極の支持を安定化できる。また、支持梁が周回方向に伸びる梁部分を有し、この梁部分が振動電極の半径方向中間部に接続されることにより、振動電極の半径方向の縦振動を妨げず、効率的に縦振動を生起させることができる。さらに、振動電極に対して支持梁が同じ平面レベルに（すなわち基板上における側方位置に）配置されることにより、振動電極と支持梁とを同一層で形成できるようになるため、製造工程を簡略化することも可能になる。
【００２１】
本発明において、前記周回方向に伸びる梁部分は、前記周回方向に沿って湾曲した形状を有することが好ましい。これによれば、上記梁部分が周回方向に沿って湾曲した形状を有することにより、当該梁部分が外周側へ張り出すことを防止できるため、支持梁の形成領域をコンパクトに構成でき、振動子全体の占有面積の増大を抑制できる。
【００２２】
本発明において、前記複数の振動電極に対応する複数組の前記周回方向に伸びる梁部分は同一仮想円上に配置されていることが好ましい。これによれば、複数の振動電極を相互に同一の位置関係で支持することができ、支持性能の均一化を図ることができる。ここで、複数の振動電極の振動面及びこれに対して半径方向両側から対向する対向面をそれぞれ同一仮想円上に配置し、これらの仮想円を相互に同芯円となるように構成する場合には、上記の複数組の梁部分が配置される仮想円に対しても同芯円となるように構成することが望ましい。
【００２３】
本発明において、前記周回方向に隣接する前記振動電極が共通の前記梁部分によって支持されていることが好ましい。これによれば、隣接する振動電極間で梁部分を共通化することにより、支持梁の占有面積を低減することが可能になるため、振動子全体をさらにコンパクトに構成できる。
【００２４】
本発明において、全ての前記振動電極が前記周回方向に伸びる梁部分を介して相互に連結されていることが好ましい。これによれば、全ての振動電極が支持梁の周回方向に伸びる梁部分を介して相互に連結されていることにより、一体の振動系として動作させることが可能になるとともに、支持梁を簡易かつコンパクトに構成することができるため、小型化がさらに容易になる。
【００２５】
本発明において、前記支持梁は、前記周回方向に見て既定数の前記振動電極と交互に配置された支持固定部にて前記基板上に固定されていることが好ましい。これによれば、既定数（１又は複数）の振動電極と支持梁を固定する支持固定部とが周回方向に交互に配置されていることにより、振動子全体の支持バランスを高めることができ、安定した振動状態を得ることができる。
【００２６】
本発明において、前記支持梁は、前記周回方向に伸びる梁部分を前記半径方向両側から支持する一対の前記半径方向に伸びる梁部分をさらに有することが好ましい。これによれば、周回方向に伸びる梁部分を直接基板上に固定する場合に比べて支持梁の長さを確保しやすくなり、支持性能を高めることができるとともに、半径方向に伸びる梁部分を設けることで周回方向に伸びる梁部分を短縮できるため、支持梁の周回方向の長さを限定できることから、振動子全体をさらに小型化することが可能になる。
【００２７】
この場合に、周回方向に隣接する振動電極を共通の前記周回方向に伸びる梁部分によって支持し、この共通の梁部分の中間部に前記一対の半径方向に伸びる梁部分を接続することがさらに望ましい。
【００２８】
本発明において、前記一対の半径方向に伸びる梁部分の基部がそれぞれ前記基板上に固定されていることが好ましい。一対の半径方向に伸びる梁部分の基部をそのまま基板上に固定する（支持固定部に接続する）ことにより、振動電極間の領域を効率的に利用して支持梁の基板上への固定を確実に行うことができる。すなわち、支持梁を基板上で固定するには支持固定部として或る程度の面積を要するが、半径方向に伸びる梁部分の基部を支持固定部に接続することにより、隣接する振動電極間に確保されたスペースを支持固定部の形成領域として有効に利用することが可能になるため、スペース効率を高めることができる。
【００２９】
本発明において、前記第１対向電極及び前記第２対向電極と、前記振動電極との間に変動電圧を印加して前記振動電極に前記半径方向の前記縦振動を生起させるとともに、前記縦振動によって生ずる前記第１対向電極及び前記第２対向電極の少なくともいずれか一方と、前記振動電極との間の静電容量の時間変化に基づく出力を得るための電気接続構造をさらに具備することが好ましい。この電気接続構造は、基板内に形成された配線（下層配線層）、基板表面に形成された配線（表面配線層）、或いは、基板上の振動子構造に直接接続された配線（ボンディングワイヤ等）などで構成することができる。
【００３０】
次に、本発明の半導体装置は、上記のいずれかの振動子を含み、前記基板は半導体回路が構成された半導体基板であることを特徴とする。これによれば、半導体回路と振動子とを一体に構成することができるため、電子デバイスのさらなる小型化に大きく寄与することができる。特に、前記振動子が上記半導体回路に導電接続されることにより、回路上も一体化でき、配線構造も基板と一体に構成することが可能になるため、さらなるコンパクト化や信頼性の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
次に、添付図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。図１は、本実施形態の振動子１００の平面図（Ａ）及び断面図（Ｂ）である。本実施形態の振動子１００は、基板１０１上に配置された振動電極１１１と、この振動電極１１１を基板１０１上で支持する支持梁１１２と、振動電極１１１の内側及び外側に対向配置された第１対向電極１２１及び第２対向電極１２２とを有している。また、上記の振動電極１１１、第１対向電極１２１及び第２対向電極１２２に接続された電気接続構造１３０も備えている。
【００３２】
複数（図示例では４つ）の振動電極１１１は、第１対向電極１２１の周囲において周回方向Ｐに配列されている。振動電極１１１は第１対向電極１２１に対して接離する半径方向Ｒに長く、周回方向Ｐに短い棒（帯板）形状を備えている。振動電極１１１の寸法は特に限定されないが、例えば、図６に示すように、幅Ｗ（本実施形態では周回方向Ｐの幅）と長さＬ（本実施形態では半径方向Ｒの長さ）の比Ｗ／Ｌが０．１〜０．８の範囲内であることが好ましい。この範囲内では、共振周波数がほとんど一次元モデルのそれに一致し、簡単に設計を行うことができるとともに、振動特性の再現性も高くなるからである。すなわち、振動電極１１１の縦振動の振動数は、基本的に材料定数及び長さによって決定することができる。
【００３３】
振動電極１１１の内端面は第１対向電極１２１の対向面１２１ａに対向する振動面１１１ａとなっている。この振動面１１１ａは振動電極１１１の長手方向（図示例では半径方向Ｒ）に対して直交する平面となっている。また、振動電極１１１の外端面は第２対向電極１２２の対向面１２２ａに対向する振動面１１１ｂとなっている。この振動面１１１ｂも振動電極１１１の長手方向に対して直交する平面となっている。このように構成されていることで、振動電極１１１は後述する静電力を、振動面１１１ａ，１１１ｂにおいてその長手方向（半径方向Ｒ）に正確に受けることができ、これにより当該長手方向の縦振動（伸縮振動）が効率的に誘起される。
【００３４】
振動電極１１１の半径方向Ｒの中間部には周回方向Ｐの両側から一対の支持梁１１２が接続されている。図示例の場合、振動子１００全体で４つの支持梁１１２が設けられている。支持梁１１２は、振動電極１１１の半径方向Ｒの中間部（好ましくは中間点）に接続され、周回方向Ｐに伸びる第１梁部分１１２ａと、この第１梁部分１１２ａの周回方向Ｐの中間部（好ましくは中間点）に対して半径方向Ｒの両側から接続し、半径方向Ｒに伸びる一対の第２梁部分１１２ｂとを含んでいる。第２梁部分１１２ｂの基部は基板１０１上に固定された支持固定部１１３に接続固定されている。
【００３５】
本実施形態においては周回方向Ｐに隣接する２つの振動電極１１１は、その間に配置された共通の支持梁１１２によって支持されている。すなわち、支持梁１１２において、その第１梁部分１１２ａの周回方向Ｐの両端部は、周回方向Ｐに隣接する２つの振動電極１１１の半径方向Ｒの中間部に共に接続されている。換言すると、本実施形態では、周回方向Ｐに見て、既定数（図示例では１つ）の振動電極１１１と支持梁１１２とが交互に配置され、しかも、一つの支持梁１１２がその周回方向Ｐの両側にある一対の振動電極１１１を共に支持するように構成されている。これにより、各振動電極１１１を安定的に支持できる。
【００３６】
また、本実施形態において周回方向Ｐに配列された全ての振動電極１１１は、各支持梁１１２の第１梁部分１１２ａを介して相互に連結されている。これによって、全ての振動電極１１１が基板１０１から離間した状態で相互に接続されていることになるため、一体の振動系として動作する。また、振動電極１１１間に支持固定部１１３が直接介在しないので、支持梁の占有面積を増大させなくても支持梁の有効長を確保できることから、支持梁１１２を簡易かつコンパクトに構成することができるため、さらに小型化が容易になる。
【００３７】
複数の振動電極１１１の振動面１１１ａ及び１１１ｂは第１対向電極１２１の配置領域付近を中心とする同一仮想円ｂ，ｄ上に配置され、また、この振動面１１１ａ、１１１ｂに対向する第１対向電極１２１の対向面１２１ａ及び第２対向電極１２２の対向面１２２ａもそれぞれが同一仮想円ａ，ｅ上に配置されている。そして、これらの４つの仮想円ａ，ｂ，ｄ，ｅは全て相互に同芯円となっている。さらに、支持梁１１２の各部もまたそれぞれ同一仮想円上に配置され、各部の位置を通過する仮想円は相互に同芯円となっており、また、上記の振動面及び対向面の仮想円に対しても同芯円となっている。なお、第１梁部分１１２ａは周回方向Ｐに沿って湾曲した形状を有し、これによって、複数の支持梁１１２の第１梁部分１１２ａが環状に配列され、全体が一つの仮想円ｃに沿って伸びるように形成されている。このように、複数の振動電極１１１に対応する各構造部分が同芯上に配列されていることで、基板１０１上のスペースに効率的に振動子１００の各部分を配置することができるので、振動子１００のスペース効率を高めることができ、小型化も容易になる。
【００３８】
第１対向電極１２１は、振動子１００の中心に位置し、本実施形態の場合、複数の振動電極１１１の振動面１１１ａに対向する複数の対向面１２１ａを有する一体のものとして構成されている。これにより、第１対向電極１２１の小型化が容易になり、振動子１００全体をさらに小型化することができる。ただし、複数の振動電極１１１にそれぞれ対応する複数の第１対向電極を別々に設けても構わない。この場合には、各第１対向電極の大きさが小さくなり、各第１対向電極への電気的接続構造などが複雑になるが、機能的には図示例と同様に構成できる。なお、対向面１２１ａは振動面１１１ａと平行な平面で構成されている。
【００３９】
本実施形態では、複数の第２対向電極１２２が複数の振動電極１１１の半径方向外側にそれぞれ別個に設けられている。すなわち、振動電極１１１の振動面１１１ｂに対向する対向面１２２ａをそれぞれ備えた複数の第２対向電極１２２が別々に設けられている。このようにすることで、振動子１００の外周部において、隣接する振動電極１１１間に存在する領域が外側に開いた構造とすることができるので、隣接する第２対向電極１２２間の領域に種々の構造物、例えば、各種回路や素子、或いは、配線などを形成することができる。したがって、振動子１００の占有面積を実効的に小さく構成することができる。もっとも、第２対向電極を全ての振動電極１１１の振動面１１１ｂに対向する対向面１２２ａを一体に構成したものとすることも可能である。例えば、複数の振動電極１１１を全て取り囲むように第２対向電極を環状に構成することもできる。なお、対向面１２２ａは振動面１１１ｂと平行な平面で構成されている。
【００４０】
本実施形態の振動子１００においては、複数の振動電極１１１が周回方向Ｐに見て均一に分散配置されていて、第１対向電極１２１や第２対向電極１２２の各部も周回方向Ｐに見て均一に分散配置されているので、支持バランス及び駆動バランスが確保され、その結果、振動バランスの高い構造となっている。また、このように構成されていることで、全体としてスペース効率を高めることができるため、振動子１００の小型化が容易になる。
【００４１】
電気接続構造１３０は、第１対向電極１２１に接続された駆動配線１３１と、第２対向電極１２２に接続された駆動配線１３２と、振動電極１１１に対して支持梁１１２及び支持固定部１１３を介して接続された検出配線１３３とを有する。駆動配線１３１及び１３２は、駆動回路１４０に接続されて第１対向電極１２１及び第２対向電極１２２に同相の駆動電位（時間的に変動する電位）を供給する。駆動回路１４０は、交流電源１４１、コンデンサ１４２、直流電源１４３等で構成される。駆動回路１４０から出力される駆動信号は駆動配線１３１，１３２を介して供給され、これによって、振動電極１１１の振動面１１１ａ，１１１ｂと、第１対向電極１２１及び第２対向電極１２２の対向面１２１ａ，１２２ａとの間に時間的に変動する静電力が発生し、この静電力の時間変動によって振動電極１１１に半径方向Ｒの縦振動（伸縮振動）が誘起される。振動電極１１１及び支持梁１１２で構成される振動系は所定の共振周波数を有する。
【００４２】
また、検出配線１３３は、振動電極１１１と検出回路１５０とを導電接続させ、上記縦振動によって上記振動面１１１ａ，１１１ｂと上記対向面１２１ａ，１２２ａの間隙が変化することによる静電容量の変化を検出する。上記検出回路１５０においては、上記の静電容量の変化に起因する電流を電圧に変換し、上記縦振動に対応する出力信号を出力する。
【００４３】
なお、図１（Ｂ）に示す絶縁膜１０２は、上記駆動配線１３１，１３２及び検出配線１３３を保護するものである。また、振動面１１１ａ，１１１ｂと対向面１１２ａ，１２２ａの間隙Ｇは全て同一である。さらに、振動電極１１１、支持梁１１２の第１梁部分１１２ａ及び第２梁部分１１２ｂは、基板１０１の表面との間に空隙Ｓを有し、これによって、振動電極１１１は支持梁１１２のみに接続された状態となっている。
【００４４】
本実施形態の振動子１００は、基本的に振動電極１１１の半径方向Ｒの縦振動（伸縮振動）を利用するものであり、縦振動を利用することによって高周波数化を容易に達成することができる。この場合、複数の振動電極１１１が周回方向Ｐに配列されているので、振動電極１１１と第１対向電極１２１及び第２対向電極１２２との間の電極交差面積（電極対向面積）を大きくすることができ、これによって出力信号を大きくすることができる。この場合、あくまでも複数の振動電極１１１が環状に配列された構造であるので、個々の振動電極１１１は基本的に上記ＢＬＲと同様に振動する。ただし、幅Ｗを長さＬに対して大きくしなくても電極交差面積を確保できるので、上記ポアソン効果に起因する問題を避けることができる。
【００４５】
また、本実施形態の振動子１００は、上記ＲＢＡＲにおいて生ずる問題点を解決しつつ、電極交差面積を確保して出力を大きくすることができる点でも意義がある。すなわち、ＲＢＡＲでは、一次元的な振動モードを実現しにくく、１軸ひずみに近い状態で振動電極が振動するため、振幅を確保するためには静電力を大きくする必要がある。したがって、電極間隙を小さくするか、或いは、駆動信号を大きくする必要がある。これに対して、本実施形態では、個々の振動電極１１１は上記のようにＢＬＲ構造を有するので、静電力が小さくても振動電極１１１の振幅を容易に得ることができ、その結果、電極間隙を小さくしなくても済み、また、駆動信号を大きくする必要もない。
【００４６】
図２は、上記実施形態とは異なる平面パターンを有する別の構成例を示す平面図である。この例では、上記支持梁１１２の周回方向に伸びる第１梁部分１１２ａが直線状に伸びており、その結果、個々の振動電極１１１の支持構造は基本的に従来のＢＬＲと同様に構成されている。そして、第１梁部分１１２ａは、第２梁部分１１２ｂに接続された部分で屈折した形状を備えている。このように構成した場合でも、基本的に上記実施形態とほぼ同様に動作することができ、ほぼ同様の効果を奏する。なお、この構成例において、図示及び説明を省略した部分については上記実施形態と同様に構成できる。
【００４７】
図３は、有限要素法によって本実施形態の縦振動モードの解析を行った振動子形状を示すものである。図３（Ａ）に示す構造は、振動電極１１１の長手方向中間部に両側から一対の支持梁１１２を接続したものであり、上記実施形態の一つの振動電極１１１の支持構造を簡略化したものに相当する。支持梁１１２（具体的には上記第１梁部分１１２ａに相当する部分）の基部を固定端と仮定し、有限要素法により振動電極１１１の長手方向の縦振動モードの振動解析を行った。ここで、上記構造の材料をシリコンとし、その材料定数を、ヤング率：１６９ＧＰａ、ポアソン比：０．３、密度：２５００ｋｇ／ｍ３とし、振動電極１１１の長さ（図示左右方向）：５０μｍ、幅（図示上下方向）：１０μｍ、厚さ：５μｍ、一対の支持梁１１２の長さ（図示上下方向）：２５μｍ、幅（図示左右方向）：１０μｍ、厚さ：５μｍとした。このときの縦振動の共振周波数は３８ＭＨｚとなった。
【００４８】
また、上記と同じ方法で、図３（Ｂ）に示す構造の振動解析を行った。この構造は、２つの振動電極１１１が基部の固定された一対の支持梁１１２と、一対の振動電極１１１間を接続する支持梁１１２′とによって相互に平行な姿勢で支持されたものである。ここで、材料定数はすべて上記と同じ値とし、支持梁１１２と１１２′の長さ、幅及び厚さは全て相互に同じで、しかも上記図３（Ａ）に示すものと同じ値とした。その結果、縦振動の共振周波数は上記と同じ３８ＭＨｚとなった。
【００４９】
上記のように、本実施形態において、複数の振動電極１１１を或る一定の間隔で相互に支持梁１１２，１１２′を介して連結させることにより、連結された振動電極１１１の数が１つでも２つでも共振周波数は変化しないことがわかる。一般的には、支持梁１１２を介して複数の振動電極１１１を連結させても一つの振動電極１１１のみを支持した場合と振動条件は変わらず、振動電極１１１の連結数にも影響されない。したがって、振動条件を変えずに、支持梁１１２を介した振動電極の連結数を増加させることによって電極交差面積を増大させることができることになる。特に、複数の振動電極１１１を周回方向Ｐに連結させることによって、振動子全体をコンパクトに形成することも可能になる。
【００５０】
図４は、上記実施形態の製造工程を示す概略縦断面図である。本実施形態の場合、基板１０１として例えばシリコン基板（シリコン単結晶基板）などの半導体基板を用いることができ、この場合には、基板１０１の表層部に適宜の半導体回路を形成することができる。ただし、本発明の基板は半導体基板に限定されるものではない。
【００５１】
また、基板１０１が半導体基板である場合には、基板１０１に半導体回路を作りこむことができ、これによって振動子１００と半導体回路を一体に構成できる。この場合、振動子１００と半導体回路とが導電接続されている必要は必ずしもないが、振動子１００と基板１０１に形成された半導体回路とが接続され、電気的にも一体に動作するように構成されていることが望ましい。このときの半導体回路としては、上記駆動回路１４０や検出回路１５０、さらには、振動子１００を含む発振回路、或いは、振動子１００の出力信号に基づいて形成される基準信号により動作する各種の電子回路（例えば、通信回路など）が挙げられる。このような構成は、特に振動子１００を含む集積回路を必要とする場合に、振動子１００と各種回路の間の接続配線を基板１０１内に作りこむことができ、ワイヤボンディングなどにより接続される外部配線やパッケージングが不要になるなどの理由により、回路全体の小型化及び高信頼化を図る上できわめて有効である。
【００５２】
図４（Ａ）に示すように、基板１０１の表面には、上記駆動配線１３１，１３２及び検出配線１３３がＡｌなどの導電体により形成される。これらの配線は、基板１０１上に蒸着法やスパッタリング法などにより、Ａｌ等の導電層を成膜し、これをフォトリソグラフィ法及びエッチング法等によってパターニングすることにより形成できる。また、上記駆動配線１３１，１３２及び検出配線１３３上にはＳｉＯ２などの絶縁膜１０２がスパッタリング法やＣＶＤ法等により形成される。
【００５３】
次に、図４（Ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ法及びエッチング法などのパターニング処理を施すことにより絶縁膜１０２にコンタクトホール１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃを形成する。その後、ＣＶＤ法などにより導電性を有するポリシリコン（多結晶シリコン）からなる導電層１０３を成膜する。このとき、導電層１０３と上記駆動配線１３１，１３２及び検出配線１３３がコンタクトホール１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃを通して導電接続される。
【００５４】
次に、図４（Ｃ）に示すように、上記導電層１０３をパターニングすることにより、振動電極１１１、第１梁部分１１２ａ及び第２梁部分１１２ｂ（支持梁１１２）、支持固定部１１３、第１対向電極１２１及び第２対向電極１２２を形成する。これによって上記の電極間隙Ｇが設けられ、実質的な振動子構造は完成したことになる。
【００５５】
次に、上記の振動子構造の上にアクリル樹脂等の表面絶縁膜１０４を塗布などの方法で形成する。なお、この表面絶縁膜１０４は、振動子構造の上方に配線や他の素子構造などを形成する場合にはいわゆる層間絶縁膜の１層若しくは２層以上で構成することができる。その後、パターニング処理によってこの絶縁膜１０４に開口部１０４ａを選択的に形成する。この開口部１０４ａは、振動子構造のうち、振動電極１１１及び支持梁１１２に相当する平面領域に形成される。
【００５６】
最後に、フッ化水素酸系のエッチング液を用いてウエットエッチングを行い、上記開口部１０４ａを通して上記絶縁膜１０２をエッチングする。このウエットエッチングにより上記の空隙Ｓが形成されて、振動電極１１１及び支持梁１１２は基板１０１から離反し、支持梁１１２を介して振動電極１１１が支持された振動子構造が動作可能な状態となる。
【００５７】
なお、上記の説明では表面絶縁膜１０４を設けてこれをマスクとしてウエットエッチングを行っているが、通常のフォトリソグラフィ法などを適用して表面絶縁膜１０４と同様のマスクをレジスト等により構成してから、ウエットエッチングを施すようにしてもよい。この場合には、ウエットエッチングの後にマスク（レジスト）は除去される。
【００５８】
本実施形態では、ＢＬＲ構造を基本として構成されているため、ＢＬＲと同様に導電層（ポリシリコン層）を１層のみ形成するだけで振動子構造を形成することができ、ＲＢＡＲのような２層プロセスを必要としないため、製造時間を短縮でき、製造コストを低減することができる。また、ＲＢＡＲのように電極間隙の精度不足による影響が大きくないので、通常のフォトプロセスで形成することができるとともに、精度不足による動作不良（例えば、ＲＢＡＲ構造の偏芯による動作不良）を引き起こす可能性が少ない。
【００５９】
また、本実施形態は振動子構造が単純である上に、単純な縦振動で動作するために設計が容易であるという利点がある。すなわち、一次元モデルによって周波数を決定することができるため、周波数設定が容易になり、周波数精度に対する形状精度の影響もそれほど大きくない。したがって、設計変更も容易であり、安定したばらつきの少ない振動子を低コストで製造できる。
【００６０】
本実施形態では、複数の振動電極を設けることで、電極交差面積を確保することができ、しかも、複数の振動電極を周回方向に配列させることで、振動子構造を高いスペース効率で配設できるため、コンパクトに構成できる。したがって、入出力特性の向上と小型化とを両立させることが可能になる。
【００６１】
尚、本発明の振動子及び半導体装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上記実施形態では、一つの振動電極１１１と、支持梁１１２を固定する支持固定部１１３とが周回方向Ｐに交互に配置されているが、図３（Ｂ）に示す支持梁１１２′のように支持固定部１１３に接続されていない連結梁を間に介する態様で２以上の振動電極１１１を相互に連結し、結果として、２以上の既定数の振動電極１１１と支持固定部１１３とが交互に周回方向Ｐに配列された構造としても構わない。このような構造でも問題なく動作することは、図３に示す振動解析結果からも明らかである。
【００６２】
また、上記実施形態では、共振子構造を有する振動子について説明したが、この振動子は、共振子としてだけでなく、信号フィルタなどの他の電子素子を構成する場合にも用いることができる。例えば、振動電極の長さの異なる振動子（これによって共振周波数が異なるものとなる。）を複数連結することで、或る程度広帯域化された周波数特性を備えた信号フィルタとして用いることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】実施形態の振動子の平面構造を示す平面図（Ａ）及び縦断面図（Ｂ）。
【図２】同実施形態の変形例を示す平面図。
【図３】同実施形態の振動解析モデルを示す平面図（Ａ）及び変形例の平面図（Ｂ）。
【図４】同実施形態の製造工程を示す工程断面図（Ａ）〜（Ｄ）。
【図５】従来のＢＬＲの平面図。
【図６】ＢＬＲの共振周波数と、幅と長さの比Ｗ／Ｌとの関係を示すグラフ。
【図７】従来のＲＢＡＲの平面図（Ａ）及び縦断面図（Ｂ）。
【符号の説明】
【００６４】
１００…振動子、１０１…基板、１０２…絶縁膜、１１１…振動電極、１１１ａ，１１１ｂ…振動面、１１２…支持梁、１１２ａ…第１梁部分、１１２ｂ…第２梁部分、１１３…支持固定部、１２１…第１対向電極、１２１ａ…対向面、１２２…第２対向電極、１２２ａ…対向面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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