(57)【要約】【課題】  ビーム型振動子において共振周波数の変更や調整を可能とすることにより、振動子の種々の用途への柔軟な対応が可能な振動子構造体を提供する。【解決手段】  本発明の振動子構造体１００は、基板と、基板上に形成された固定電極１１０と、固定電極上に間隙を介して対向し、固定電極に対向する部分の周囲の複数箇所で基板上の支持固定部１１５に固定されてなる可動電極１２０とを有する振動子構造体において、固定電極と支持固定部との間に可動電極に対向する補助電極１０１Ａを形成し、電位制御により補助電極と可動電極との間に生ずる静電力を変化可能に構成する補助制御手段ＳＷ，Ｖｐ，Ｖｑを設けたことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板上に形成された固定電極と、該固定電極上に間隙を介して対向し、前記固定電極に対向する部分の周囲の複数箇所で前記基板上の支持固定部に固定されてなる可動電極とを有する振動子構造体において、
前記固定電極と前記支持固定部との間に前記可動電極に対向する補助電極を形成し、電位制御により前記補助電極と前記可動電極との間に生ずる静電力を変化可能に構成する補助制御手段を設けたことを特徴とする振動子構造体。
【請求項２】
複数の前記補助電極が前記固定電極の周囲にそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項１に記載の振動子構造体。
【請求項３】
前記可動電極には、前記補助電極に対向する位置に隣接部分よりも拡幅した補助被動部が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の振動子構造体。
【請求項４】
前記可動電極は、前記固定電極に対向する位置に設けられた主被動部と、該主被動部と前記支持固定部との間に設けられ、前記主被動部よりも細幅に形成された支持梁部と、前記支持梁部の途中において前記補助電極に対向する位置に設けられ、前記支持梁部よりも広幅に形成された補助被動部とを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の振動子構造体。
【請求項５】
前記補助制御手段は、前記補助電極の電位を、前記可動電極の電位若しくは該電位により近い第１電位と、前記可動電極の電位に対して前記第１電位との電位差が大きい第２電位との間で切り替えるスイッチを含む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構造体。
【請求項６】
静電力を受けていない状態で、前記可動電極における前記補助電極と対向する部分は、前記可動電極における前記固定電極と対向する部分よりも前記基板側に配置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構造体。
【請求項７】
前記可動電極における前記補助電極に対向する部分の前記基板側への移動可能範囲は、前記可動電極における前記固定電極に対向する部分の前記基板側への移動可能範囲よりも小さい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構造体。
【請求項８】
前記補助電極と前記可動電極との間には絶縁膜が介在していることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の振動子構造体。
【請求項９】
前記補助電極は前記基板の表層部に形成された不純物領域であり、前記絶縁膜は、前記基板の表面上に形成されていることを特徴とする請求項８に記載の振動子構造体。
【請求項１０】
基板と、該基板上に形成された固定電極と、該固定電極上に間隙を介して対向し、前記固定電極に対向する部分の周囲の複数箇所で前記基板上の支持固定部に固定されてなる可動電極とを有する振動子構造体の製造方法において、
前記基板若しくは前記基板上に前記固定電極及びこれとは別の補助電極を形成する工程と、
前記補助電極及び前記固定電極の上方に間隔を介して対向し、前記補助電極及び前記固定電極に対向する部分の周囲の複数箇所で前記基板上に支持固定される可動電極を形成する工程と、
を有することを特徴とする振動子構造体の製造方法。
【請求項１１】
前記補助電極と前記可動電極との間に配置されるべき絶縁層を形成する工程をさらに有することを特徴とする請求項１０に記載の振動子構造体の製造方法。
【請求項１２】
前記補助電極は、前記基板の表層部に形成された不純物領域であることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の振動子構造体の製造方法。
【請求項１３】
前記可動電極を形成する工程は、前記基板上に犠牲層を形成する段階と、前記犠牲層上に前記可動電極を形成する段階と、前記犠牲層を除去して前記間隙を形成する段階とを有することを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか一項に記載の振動子構造体の製造方法。
【請求項１４】
前記犠牲層を形成する段階では、前記補助電極上の層厚が前記固定電極上の層厚よりも小さく形成されることを特徴とする請求項１３に記載の振動子構造体の製造方法。
【請求項１５】
前記補助被動部と前記補助電極の少なくとも一方の対向面状には他方に向けて突出する凸部が設けられていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の振動子構造体。
【請求項１６】
前記補助被動部と前記補助電極の少なくとも一方の対向面上に他方に向けて突出する凸部を形成する段階をさらに有することを特徴とする請求項１０乃至１４のいずれか一項に記載の振動子構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は振動子構造体及びその製造方法に係り、特に、ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical System)と呼ばれる半導体製造技術を用いて作製された微小な機能素子として構成する場合に好適な振動子の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、共振子などの振動子デバイスは、その振動特性に応じて、基準信号を発生する発振器や所望帯域の電気信号を排除するためのフィルタ（例えば、バンドパスフィルタやローパスフィルタなど）等において利用されている。
【０００３】
近年、これまで主に使用されてきた水晶や誘電体を使用した振動子・共振子とは異なる新たな種類の振動子が種々提案されるようになってきており、その一つとしてＭＥＭＳ振動子がある。ＭＥＭＳは、Micro Electro Mechanical Systemの略称であり、その包含する概念範囲には種々の解釈があって、マイクロマシン、ＭＳＴ(Micro System Technology)と呼ばれる場合もあるが、通常、「半導体製造技術を用いて作製された微小な機能素子」を意味するものとされる。
【０００４】
ＭＥＭＳ振動子は微細加工されたシリコンにより構成される。その製法としては、ＳＯＩ(Semiconductor On Insulator)基板の表層半導体領域（表層シリコン）をエッチング等で加工することによって形成する方法、シリコン基板上に酸化膜や多結晶シリコンなどの表面構造体（薄膜）を形成し、この表面構造体をエッチング加工することによって形成する方法などが一般的である。このようにして形成されたＭＥＭＳ振動子は、ＭＥＭＳアクチュエータと同様の電気機械的な原理、例えば、静電駆動、電磁駆動、熱駆動などによって駆動される。
【０００５】
従来のＭＥＭＳ振動子の代表例としては、基板面方向に振動する櫛型（Ｃｏｍｂ型）振動子と、基板厚さ方向に振動するビーム型（梁型）振動子とがあり、いずれも技術文献等によって広く知られている。ビーム型振動子としては、基板上に下部電極を形成し、この下部電極の上方に間隔を有して配置され、下部電極を跨ぐように両端が固定された帯状の上部電極を有するもの(Clamped-Clamped Beam)が以下の特許文献１などに開示されている。また、図９及び図１０に示すように、基板１上に固定電極２と、これに対向する可動電極３を設け、可動電極３のうち固定電極２と対向する被動部３ａが幅狭の左右２組合計４本の支持梁部３ｂで支持されてなるもの(Flee-Flee Beam)が以下の非特許文献１などに開示されている。支持梁部３ｂは配線４上に絶縁材料で構成された支持固定部５に固定され、これによって、可動電極３が上下に弾性振動可能な状態で支持された構造となっている。
【０００６】
上記のビーム型振動子の駆動方法としては、上記のように可動状態で支持された可動電極と、この可動電極に対向配置された固定電極との間に電位差を与えることにより電界を形成し、これによって発生する静電吸引力によって駆動する静電駆動方式が多い。すなわち、可動電極と固定電極の間に駆動信号（交流電圧）を与えることによって生ずる静電吸引力の変化によって可動電極を振動させるようにしている。この場合、可動電極の材質、形状・寸法、支持構造などによって所定の固有振動数（共振周波数）が決定される。この共振周波数ｆは、概略、
ｆ＝（１／２π）・（ｋ／ｍ）０．５  …  （１）
によって決定される。ここで、ｋは可動電極の振動部分のばね定数、ｍは振動部分の質量である。
【特許文献１】特開平７−３３３０７７号公報
【非特許文献１】ケー・ワング、他２名  「ＶＨＦ帯域フリー・フリー型高Ｑ値微小メカニカル共振子」マイクロエレクトロメカニカルシステムズ、第347〜360頁、第９巻、第３号、２０００年９月(K.Wang, A.C.Wong, and Clark T.C.Nguyen "VHF Free-Free Beam High-Q Micromechanical Resonators" Journal of Microelectromechanical Systems, Vol.9, No.3, September 2000)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、近年、電子回路及びこれを利用したシステム、例えば、無線通信分野の回路やシステムにおいては、複数の周波数を並列に、或いは、同時に使用するニーズが増えつつある。顕著な例としては、複数周波数に対応した携帯電話の出現がある。このような機器に対応するには、例えば、基準信号となるクロック信号を複数の周波数で生成できるように構成することが望まれる。
【０００８】
しかしながら、前述のビーム型振動子では、上記（１）式によって共振周波数が決定されるため、共振周波数は振動子構造体一つにつき一つだけとなり、上記の複数の周波数に対応することができないという問題点がある。上記の構造で複数の周波数に対応させるには、複数のビーム型振動子を基板上に形成する必要があるため、装置の小型化に反するとともに、部品点数の増加などによる製造コストの上昇を招く場合がある。また、所定の構造寸法で一旦形成してしまった振動子では、その共振周波数を変更することができないので、種々の用途に柔軟に対応することができず、周波数を変更するには振動子構造の設計を最初からやり直す必要がある。
【０００９】
そこで、本発明は上記問題点を解決するものであり、その課題は、ビーム型振動子において共振周波数の変更や調整を可能とすることにより、振動子の種々の用途への柔軟な対応が可能な振動子構造体を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
斯かる実情に鑑み、本発明の振動子構造体は、基板と、該基板上に形成された固定電極と、該固定電極上に間隙を介して対向し、前記固定電極に対向する部分の周囲の複数箇所で前記基板上の支持固定部に固定されてなる可動電極とを有する振動子構造体において、前記固定電極と前記支持固定部との間に前記可動電極に対向する補助電極を形成し、電位制御により前記補助電極と前記可動電極との間に生ずる静電力を変化可能に構成する補助制御手段を設けたことを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、補助制御手段によって補助電極と可動電極の電位関係を制御して両者間に生ずる静電力を変化させることにより、可動電極に対する束縛状態を変化させることができるため、可動電極の構造寸法を変えなくても、その振動特性を変更することができる。したがって、例えば、振動子構造体の固有振動数（共振周波数）を変更したり、調整したりすることが可能になる。
【００１２】
本発明において、複数の前記補助電極が前記固定電極の周囲にそれぞれ形成されていることが好ましい。可動電極は固定電極の周囲の複数箇所でそれぞれ基板上の支持固定部に固定されているので、固定電極の周囲の支持固定部との間にそれぞれ補助電極を設けることで、可動電極と固定電極の対向領域の周囲の複数箇所でそれぞれ可動電極を束縛することができるため、固定電極の周囲において対称的に束縛力を加えることができることから、補助電極による束縛状態における可動電極の振動を安定させることが可能になる。
【００１３】
本発明において、前記可動電極には、前記補助電極に対向する位置に隣接部分よりも拡幅した補助被動部が設けられていることが好ましい。これによれば、補助被動部が隣接部分よりも拡幅した態様で設けられていることにより、補助電極と補助被動部の対向面積を大きくすることができるので、補助電極による可動電極の束縛を確実かつ容易に行うことが可能になる。
【００１４】
具体的には、前記可動電極は、前記固定電極に対向する位置に設けられた主被動部と、該主被動部と前記支持固定部との間に設けられ、前記主被動部よりも細幅に形成された支持梁部と、該支持梁部の途中において前記補助電極に対向する位置に設けられ、前記支持梁部よりも広幅に形成された補助被動部とを有することが好ましい。これによれば、主被動部が支持梁部よりも広幅に形成されていることにより、主被動部と固定電極の対向面積を十分に確保できるため、確実かつ容易に駆動することが可能になる。また、振動に伴う可動電極の弾性変形部位を支持梁部に集中することができるため、支持梁部の形状寸法により振動特性を設計しやすくなる。
【００１５】
本発明において、前記補助制御手段は、前記補助電極の電位を、前記可動電極の電位若しくは該電位により近い第１電位と、前記可動電極の電位に対して前記第１電位との電位差の大きい第２電位との間で切り替えるスイッチを含むことが好ましい。これによれば、補助制御手段のスイッチが補助電極の電位を第１電位に切り替えると、可動電極と補助電極の間の電位差は０若しくは小さくなるので、可動電極の束縛はなくなるか、或いは、弱くなる。一方、補助制御手段のスイッチが補助電極の電位を第２電位に切り替えると、可動電極と補助電極の間の電位差が大きくなるので、可動電極に対する束縛は強くなる。したがって、スイッチによって可動電極の束縛状態の強弱を切り替えることができるため、可動電極の振動特性を確実かつ容易に変えることができる。
【００１６】
本発明において、静電力を受けていない状態で、前記可動電極における前記補助電極と対向する部分が前記可動電極における前記固定電極と対向する部分よりも前記基板側に配置されていることが好ましい。これによれば、可動電極と補助電極の距離を低減することができるため、補助電極の静電力による可動電極の束縛を確実かつ容易に実現できる。また、補助電極による束縛状態における可動電極の変形量を低減できるので、振動状態の再現性や可動電極の耐久性を高めることができる。
【００１７】
本発明において、前記可動電極における前記補助電極に対向する部分の前記基板側への移動可能範囲が前記可動電極における前記固定電極に対向する部分の前記基板側への移動可能範囲よりも小さいことが好ましい。これによれば、可動電極を補助電極に向かう移動限界まで最大限に変形させても、固定電極に向かう移動限界には達しないように構成できるので、補助電極による可動電極の束縛力を大きくしても可動電極を振動させることが可能になる。したがって、可動電極を束縛した状態において、可動電極の振動状態をより安定させることができる。
【００１８】
本発明において、前記補助電極と前記可動電極との間には絶縁膜が介在していることが好ましい。これによれば、補助電極と可動電極との間に絶縁膜が介在していることにより、補助電極と可動電極の間に過剰な静電吸引力が発生したり外部応力が加わったりすることで両者が近接若しくは接触して静電破壊が発生するといったことを防止できる。また、補助電極と可動電極とが絶縁膜を挟んだ状態で固定されるように構成することにより、可動電極の束縛状態を安定化させることも可能である。
【００１９】
本発明において、前記補助被動部と前記補助電極の少なくとも一方の対向面上には他方に向けて突出する凸部が設けられることが好ましい。これによれば、補助被動部と補助電極が直接若しくは間接的（すなわち絶縁膜を介して）当接した場合に、凸部を介して安定した接触状態を得られ、安定かつ再現性の良い振動子の動作を実現する事が可能となる。ここで、上記凸部は、補助被動部と補助電極の少なくとも一方に形成されていればよく、また、補助電極上に絶縁膜が形成されている場合には、当該絶縁膜上に形成されていても構わない。
【００２０】
本発明において、前記補助電極は前記基板の表層部に形成された不純物領域であり、前記絶縁膜は、前記基板の表面上に形成されていることが好ましい。補助電極を基板の表層部に形成された不純物領域とすることで、補助電極を基板そのものに構成することが可能になるため、基板の表面上に形成された絶縁膜を補助電極と可動電極との間に介在させることができる。したがって、基板上に補助電極を形成した場合に比べて、振動子構造の厚さを低減できるとともに、補助電極を覆うための専用の絶縁膜の形成工程を省くことが可能になる。
【００２１】
本発明の振動子構造体の製造方法は、基板と、該基板上に形成された固定電極と、該固定電極上に間隙を介して対向し、固定電極に対向する部分の周囲の複数箇所で基板上の支持固定部に固定されてなる可動電極とを有する振動子構造体の製造方法において、前記基板若しくは前記基板上に前記固定電極及びこれとは別の補助電極を形成する工程と、前記補助電極及び前記固定電極の上方に間隔を介して対向し、前記補助電極及び前記固定電極に対向する部分の周囲の複数箇所で前記基板上に支持固定される可動電極を形成する工程と、を有することを特徴とする。
【００２２】
本発明において、前記補助電極と前記可動電極との間に配置されるべき絶縁層を形成する工程をさらに有することが好ましい。
【００２３】
本発明において、前記補助電極は、前記基板の表層部に形成された不純物領域であることが好ましい。
【００２４】
本発明において、前記可動電極を形成する工程は、前記基板上に犠牲層を形成する段階と、前記犠牲層上に前記可動電極を形成する段階と、前記犠牲層を除去して前記間隙を形成する段階とを有することが好ましい。この場合に、前記犠牲層を形成する段階では、前記補助電極上の層厚が前記固定電極上の層厚よりも小さく形成されることが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
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構造体を示す概略斜視図、図２（ａ）は同実施形態の振動子構造体を図１に示すＡ−Ａ線を含む仮想垂直面で切断してなる仮想断面を示す縦断面図である。
【００２６】
振動子構造体１００は、単結晶シリコン基板等で構成される基板１０１と、この表面上に設けられた構造とによって構成される。基板１０１の表層部には不純物領域等で構成される補助電極１０１Ａが設けられ、また、基板１０１の表面上には、酸化シリコン等で構成された絶縁層１０２と、窒化シリコン等で構成された絶縁層１０３とが積層されている。絶縁層１０３上には、ドーピングにより十分に抵抗率を下げた多結晶シリコンからなる導電体で構成された固定電極１１０及び配線１１４が形成されている。ここで、固定電極１１０の図示左右両側に配線１１４の一部が配設されている。
【００２７】
配線１１４上には絶縁層１１５を介して多結晶シリコンや金属等の導電体で可動電極１２０が形成されている。可動電極１２０は全体として図示左右方向に伸びるように構成され、左右方向の両端の被固定部１２５が絶縁層１１５および絶縁層１１５を貫通して接続される配線１１４によって構成される支持固定部に固定されている。また、図１では配線１１４は左右の被固定部１２５に対して、その信号経路（入力信号の導入経路）が対称に構成され、その結果、複数（左右）の被固定部１２５に対する配線長が相互に同一になっている。これによって、複数の入力経路間において入力信号の位相差が生じにくくなり、振動への影響を最小とすることができる。
【００２８】
可動電極１２０は、図示左右方向の中央部に形成された主被動部１２１と、この主被動部１２１の図示左右両側に内端が接続された内側支持梁部１２２と、内側支持梁部１２２の外端がその内端に接続された補助被動部１２３と、補助被動部１２３の外端に接続された外側支持梁部１２４と、この外側支持梁部１２４の外端が接続された被固定部１２５とを備えている。
【００２９】
ここで、主被動部１２１は内側支持梁部１２２及び外側支持梁部１２４よりも広幅に形成され、図示例では矩形の平面形状を有している。この主被動部１２１は、下方に配置された固定電極１１０とほぼ平面的に重なる形状を有し、固定電極１１０と対向する位置に配置されている。すなわち、主被動部１２１は固定電極１１０の直上位置に配置されている。
【００３０】
また、内側支持梁部１２２及び外側支持梁部１２４はそれぞれ図示左右方向に延長された形状を有し、図示例では帯状若しくは棒状に構成されている。これらの内側支持梁部１２２及び外側支持梁部１２４は主被動部１２１を図示左右両側から支持するための支持梁部を構成する。図示例の場合、支持梁部は左右それぞれ２本ずつ、合計４本が設けられている。
【００３１】
補助被動部１２３は、内側支持梁部１２２と外側支持梁部１２４の間に接続され、これらの支持梁部よりも広幅に形成され、図示例では矩形の平面形状を有している。図示例の場合、２本ずつ設けられた内側支持梁部１２２及び外側支持梁部１２４に共通の補助被動部１２３が接続される構造となっている。補助被動部１２３は補助電極１０１Ａと平面的にほぼ重なる形状を有し、補助電極１０１Ａと対向する位置に配置されている。すなわち、補助被動部１２３は補助電極１０１Ａの直上位置に配置されている。
【００３２】
上記の可動電極１２０は、被固定部１１５を除く部分が基板１０１上において下層の構造に対して間隙を介して配置されている。すなわち、可動電極１２０の主被動部１２１、内側支持梁部１２２、補助被動部１２３及び外側支持梁部１２４は、基板１０１上の絶縁層１０３、固定電極１１０及び配線１１４に対して上方に離間した状態に設けられている。したがって、可動電極１２０は、その弾性変形によって上記各部１２１〜１２４が基板１０１の面に対して垂直方向に物理的な変位が可能な状態となっている。
【００３３】
本実施形態では、固定電極１１０と配線１１４との間に周期的な変動電圧を印加することにより、固定電極１１０と可動電極１２０の主被動部１２１との間に静電引力が発生するとともに、この静電引力が周期的に変動するため、可動電極１２０を振動させることができる。この場合、公知のように、配線１１４に交流電圧を印加して、直流的に接地された固定電極１１０との間に周期的な電圧変動を発生させてもよく、或いは、固定電極１１０と配線１１４との間にＤＣバイアスを印加した状態で交流電圧を供給するようにしてもよい。例えば、固定電極１１０と配線１１４との間に所定のＤＣバイアス電圧を設定して、配線１１４に入力信号（交流電圧）Ｖｉｎを供給するように構成することができる。
【００３４】
上記のようにして入力信号Ｖｉｎに応じて可動電極１２０が振動したとき、固定電極１１０からは出力信号Ｉｏｕｔを取り出すことができる。例えば、上記振動によって主被動部１２１と固定電極１１０の間の静電容量が周期的に変動するので、この静電容量の変動に応じて固定電極１１０に電流Ｉｏｕｔが生ずる。なお、この電流Ｉｏｕｔを固定電極１１０に接続された外部回路で電圧に変換してなる出力信号を得る事もできる。
【００３５】
一般的には、ビーム型振動子の等価回路定数、すなわち、等価抵抗Ｒｘ、等価インダクタンスＬｘ、等価キャパシタンスＣｘは以下のようになる。
Ｒｘ＝（ｋ′・ｍ′）０．５／（Ｑ・η２）  …  （２）
Ｌｘ＝ｍ′／η２  …  （３）
Ｃｘ＝η２／ｋ′  …  （４）
ここで、上記ｋ′は振動子の有効ばね定数、ｍ′は振動子の有効質量、Ｑは振動子のＱ値、ηは機械電気変換係数で、δＣ／δｘを可動電極と固定電極間の容量変位とし、Ｖｓを可動電極と固定電極間の電位差とすれば、η＝Ｖｓ・（δＣ／δｘ）で表される。（セングバエ・リー、クラーク・ティー・シー・ノイエン、「メカニカル共振子の位相ノイズにおける自動レベル制御の影響」ＩＥＥＥ  インターナショナル・フレクエンシー・コントロール・シンポジウム  ２００３-Influence of Automatic level Control on Mechanical resonator oscillator phase noise, Seungbae Lee and Clark T.C.Nguyen, 2003 IEEE International Frequency Control Symposium-参照）
【００３６】
したがって、上記回路定数を有する本実施形態の振動子構造体を回路内に組み込むことによって、種々の発振回路、フィルタ回路などを構成することができる。なお、一般に、等価インダクタンスが大きいほど、また、等価抵抗が小さいほど、振動子は高いＱ値を示す。
【００３７】
本実施形態では、補助電極１０１Ａの電位を切り替えるための補助制御手段が設けられる。この補助制御手段は、可動電極１２０の電位と実質的に同じ第１電位（図示例の場合には＋Ｖｐ）と、可動電極１２０の電位とは異なる第２電位（図示例の場合にはＶｑ、例えばＶｑ＝−Ｖｐ）との間で補助電極１０１Ａの電位を切り替えるスイッチＳＷを含む切り替え手段である。なお、一般的には、上記第１電位は可動電極１２０の電位に近い電位であり、上記第２電位は可動電極１２０の電位に対して第１電位よりも十分に大きい電位差が生ずる電位であればよい。なお、図示例の場合には、固定電極１１０の基準電位が例えば接地電位（ＤＣ０ｖ）であれば、固定電極１１０と可動電極１２０との間にＶｐのＤＣバイアスが設定されていることになる。
【００３８】
また、配線１１４の電位は入力信号Ｖｉｎによって変動するが、上記第１電位は基本的に配線１１４の中心電位（バイアス電位）を基準として設定されていればよい。ただし、入力信号Ｖｉｎによって変動する配線１１４の実際の電位を基準として第１電位を設定することがより好ましい。例えば、第１電位を配線１１４の変動電位と一致させることで、補助電極と可動電極との間に常に静電力が生じないように構成することができる。
【００３９】
このスイッチＳＷは、ＭＯＳＦＥＴなどの半導体スイッチで構成され、基板１０１内に形成される。このときの基板１０１は半導体基板であり、特に上記の単結晶シリコン基板であることが好ましい。ただし、上記スイッチＳＷは半導体スイッチに限らず、機械式スイッチであってもよく、また、基板とは別に設けられたディスクリートなスイッチング素子であってもよい。例えば、スイッチＳＷを基板１０１上に別途形成されたマイクロマシン構造によって構成される微小な機械式スイッチ、すなわちＭＥＭＳスイッチとすることができる。
【００４０】
また、これらスイッチＳＷを含む補助制御手段へ接続される補助電極１０１Ａは、可動電極の補助被動部１２３から見て入力インピーダンスが振動子の共振周波数において十分大きく設定する。もし、補助電極１０１Ａの入力インピーダンスが小さい場合、配線１１４から入力された信号の一部が補助被動部１２３より漏洩しやすくなり、振動子としての性能が劣化してしまう。これを防ぐために、補助電極１０１ＡやスイッチＳＷへの配線を不要な寄生容量をもたないレイアウトとする他、特定の周波数のみ入力インピーダンスの高くなる整合回路を配線内に挿入する事が好ましい。
【００４１】
図３は、上記補助電極１０１Ａと補助被動部１２３の位置関係を示す部分縦断面図である。図３（ａ）は、補助電極１０１Ａと補助被動部１２３との間に静電力が働いていない状態を示す。この状態では、可動電極１２０は本来の形状を維持し、補助被動部１２３は基板１０１上の絶縁層１０３から離間している。補助電極１０１Ａと補助被動部１２３との間に電圧が印加され、両者間に静電引力が働くと、図３（ｂ）に示すように、補助被動部１２３は補助電極１０１Ａに引き寄せられ、可動電極１２０が部分的に変形する。ただし、図３（ｂ）に示す状態では上記静電引力がそれほど強くないため、補助被動部１２３は絶縁層１０３と接触しておらず、絶縁層１０３との間に図３（ａ）の場合よりは狭い所定の間隔を有している。この場合には、上記の静電引力と、可動電極１２０の弾性力とが釣り合う位置（高さ）に補助被動部１２３が配置される。このとき、補助被動部１２３は静電引力を受けているため、可動電極１２０は補助被動部１２３において束縛を受けることになり、この状態で入力信号に基づいて固定電極１１０と主被動部１２１との間に生ずる静電力の変動によって主被動部１２１が振動すると、図３（ａ）のように束縛がないときの振動状態とは異なる振動状態になる。
【００４２】
ここで、補助電極１１０と可動電極１２０の電位差を大きくすることによって補助被動部１２３の受ける静電引力による可動電極１２０の変形量も大きくなり、逆に上記電位差を小さくすることによって静電引力も小さくなるので、可動電極１２０の変形量は減少する。したがって、補助制御手段による可動電極１２０の変形範囲が弾性限界以下であれば、好ましくは比例限界よりも小さければ、可動電極１２０はほぼ元の形状に復帰するので、基本的には繰り返し切り替えを行っても再現性のある振動状態を得ることができる。なお、繰り返し可能回数（すなわち耐久性）をある程度確保するためには、可動電極１２０の変形量が上記比例限界よりも大幅に小さくなるように構成することが望ましい。
【００４３】
一般に、ビーム型振動子では上記（１）式によって共振周波数ｆが定まるが、その周波数を決定する振動体のばね定数ｋ及び振動体の質量ｍは、図３（ａ）の束縛のない状態と図３（ｂ）の束縛のある状態では異なる。すなわち、可動電極１２０の補助被動部１２３の束縛によって、実質的に支持梁部の長さが短縮された場合と同様にばね定数ｋは増大するとともに質量ｍが減少する。したがって、共振周波数ｆは補助電極１０１Ａによる可動電極１２０の束縛により高くなる。
【００４４】
また、図３（ｃ）に示すように、補助電極１０１Ａと補助被動部１２３の間に十分な静電引力を発生させると、可動電極１２０を大きく変形させ、補助被動部１２３を絶縁層１０３に当接させることができる。この場合には、静電引力が可動電極１２０の弾性力を超えるため、固定電極１１０と主被動部１２１の間に生ずる静電力によって主被動部１２１が振動しても、補助被動部１２３の安定性を高めることができる。
【００４５】
すなわち、補助被動部１２３の位置が不安定であると、主被動部１２１に与えられた振動エネルギーが補助被動部１２３を介して周囲へ放散されやすくなるとともに、主被動部１２１の振動状態に影響を与えるので、本来の振動モード以外の振動モードが発生しやすくなり、その結果、振動子構造体の素子としての特性の悪化（損失の増大、Ｑ値の低下）などを招く。しかし、上記のように補助被動部１２３が基板上の絶縁層１０３に当接することにより、補助被動部１２３の位置安定性が増大するので、素子特性の悪化を抑制することができる。
【００４６】
特に、補助被動部１２３に加わる静電引力が主被動部１２１の振動によって生ずる補助被動部１２３へ及ぼされる弾性変形力よりも常に大きくなるように設定されていれば、補助被動部１２３は常に絶縁層１０３に接触したままとなるため、補助被動部１２３を介した振動エネルギーの漏出や補助被動部１２３による振動モードへの影響をなくすことができ、これにより主被動部１２１の振動特性のさらなる安定性を確保することができる。
【００４７】
また、図２（ａ）に２点鎖線で示すように、補助被動部１２３の下面に凸部１２３ｘを設ける事により、当接時の姿勢や接触状態を安定化することが出来る。この結果、補助被動部１２３が基板に当接した時の振動状態が安定し、且つ再現性の高い素子特性を得る事が可能となる。凸部は複数のディンプルで形成してもよく、または角を面取りした単一の長棒上の突起で形成しても良い。要は当接時に安定した接触状態が再現性良く実現できる形態であれば良い。また、補助電極１０１Ａ側に凸部１０１ｘを設けてもよい。この場合、凸部１０１ｘは補助電極１０１Ａ上に直接設けてもよく、また、絶縁層１０２上に設けてもよい。
【００４８】
図２（ｂ）は、上記実施形態をさらに改善した他の実施形態の構造を示す縦断面図である。この実施形態では、可動電極１２０の形状を変え、補助被動部１２３の基板１０１上の高さを主被動部１２１の基板１０１上の高さよりも低くしている。これにより、補助被動部１２３と補助電極１０１Ａ上の絶縁層１０３の間隔Ｇ２は、主被動部１２１と固定電極１１０の間隔Ｇ１よりも小さくなっている。これらの間隔Ｇ１，Ｇ２は、可動電極１２０の主被動部１２１と補助被動部１２３がそれぞれ基板１０１側へ移動することのできる範囲を示すものである。一般的には、間隔Ｇ１は間隔Ｇ２の１．５倍以上であることが好ましく、２倍以上であることが望ましい。両間隔の差は大きいほどよいが、この差を大きくすると振動子構造体の厚さが増大するため、製造上の観点からは間隔Ｇ１が間隔Ｇ２の５倍以下であることが好ましく、典型的には約３倍程度とすることが最も望ましい。
【００４９】
このように構成すると、上記のように静電引力により補助被動部１２３を束縛したときでも、主被動部１２１と固定電極１１０との間隔を確保することができ、主被動部１２１を確実に振動させることが可能になると同時に、主被動部１２１と固定電極１１０とが接触して電気的に短絡し、電極表面の損傷などの不具合が発生する虞をなくすことができる。特に、図４に示すように、補助被動部１２３が絶縁層１０３に接触するように可動電極１２０を大きく変形させたときでも、主被動部１２１と固定電極１１０とが接触せず、主被動部１２１の振動が可能となるように構成できる。
【００５０】
また、上記のように構成することによって補助制御手段で制御される可動電極１２０の変形量を抑制することができるため、補助制御手段による制御時における振動状態の再現性を向上させることができ、さらに、切り替えの繰り返し可能回数を増大させることが可能になる。
【００５１】
図５は、さらに異なる実施形態の振動子構造体の構造を示す概略斜視図である。この振動体構造体２００では、固定電極２１０、可動電極２２０、補助電極２０１Ａ、配線２１４、絶縁層２１５、主被動部２２１、内側支持梁部２２２、補助被動部２２３、外側支持梁部２２４、被固定部２２５といった基本構造は上記各実施形態と同一である。
【００５２】
ただし、この実施形態では、主被動部２２１に対して３つの支持梁部が接続している点で上記実施形態とは異なる。また、これらの３つの支持梁部は、主被動部２２１を中心とする周回方向に均一に分散配置されている。すなわち、主被動部２２１の周囲に３つの支持梁部が１２０度間隔で配置されている。各支持梁部には、上記実施形態と同様に、主被動部２２１側から順次に外側へ向けて、内側支持梁部２２２、補助被動部２２３及び外側支持梁部２２４が接続され、全体として各支持梁部が半径方向外側へ直線状に伸びるように形成されている。
【００５３】
本実施形態では、主被動部２２１の周りに３つの支持梁部が均等に配置されているので、主被動部２２１の安定性を高めることができ、振動モードに関しても、本来の垂直方向の振動成分以外の振動成分の発生を抑制することができる。ここで、図示例では３つの支持梁部を設けているが、３つに限定されるものではなく、３以上の任意の数の支持梁部を設けることができる。
【００５４】
なお、主被動部の左右両側にそれぞれ支持梁部が伸びるように構成されていた、先に説明した各実施形態と、本実施形態は、いずれも主被動部の周囲の複数個所にそれぞれ支持梁部が構成されている点では同じであり、上記各実施形態と同様の作用効果を奏することができる。なお、この例では、３つの被固定部２２５に対する配線２１４の配線長が等しくないが、３つの被固定部２２５に対する配線長を同一にするように配線２１４のパターンに工夫を施すことで、上記の位相差の影響を低減することができる。
【００５５】
図６は、さらに別の実施形態を示す概略斜視図である。この実施形態の振動子構造体３００は、基本的に図１に示す実施形態とほぼ同様に構成され、固定電極３１０、可動電極３２０、配線３１４、絶縁層３１５などを備えているが、各支持梁部において、２つの補助被動部３２３，３２５が直列に設けられている点で上記とは異なる。すなわち、各支持梁部には、主被動部３２１から順次に外側へ向けて、内側支持梁部３２２、内側補助被動部３２３、中間支持梁部３２４、外側補助被動部３２５、外側支持梁部３２６が接続され、外側支持梁部３２６が被固定部３２７に接続されている。
【００５６】
また、上記のように各支持梁部の途中に２つの補助被動部、すなわち、内側補助被動部３２３及び外側補助被動部３２５が設けられていることにより、これらに対応して、半径方向に異なる位置に２つの補助電極、すなわち内側補助電極３０１Ａ及び外側補助電極３０１Ｂが設けられている。ここで、図６に示す例では、配線３１４の形状が左右の被固定部３２７に対して対称な形状を有し、左右の被固定部３２７に対する配線長を同一にして供給される入力信号に位相差が生じないように配慮されている。
【００５７】
さらに、本実施形態の場合、補助制御手段を、内側補助電極３０１Ａの電位と、外側補助電極３０１Ｂの電位とを別々に切り替えることができるように構成する。すなわち、可動電極３２０のうち、内側補助被動部３２３と外側補助被動部３２５をそれぞれ独立に切り替えることができるようにしている。これによって、可動電極３２０の振動状態の切り替え態様のバリエーションを増大させることができる。
【００５８】
上記のように構成された本実施形態では、内側補助電極３０１Ａと可動電極３２０の電位差を大きくすることにより内側補助被動部３２３を束縛した場合と、外側補助電極３０１Ｂと可動電極３２０の電位差を大きくすることにより外側補助被動部３２５を束縛した場合とで、可動電極３２０の実効的なばね定数ｋ及び質量ｍを異ならせることができるので、内側補助被動部３２３及び外側補助被動部３２５のいずれをも束縛しない状態、内側補助被動部３２３のみを束縛する状態、外側補助被動部３２５のみを束縛する状態の合計３つの振動状態を相互に切り替えることができる。したがって、共振周波数の選択の幅を広げることができる。
【００５９】
なお、この実施形態において、内側補助被動部３２３及び外側補助被動部３２５の双方を束縛することも可能であり、この場合には、基本的に内側補助被動部３２３のみを束縛した状態に近い振動状態が得られることになるが、厳密には、外側補助被動部３２５の束縛によって内側補助被動部３２３の束縛状態がさらに高められることになるため、上記の３つの振動状態以外のさらに別の振動状態を得ることができる。
【００６０】
上記のように支持方向に沿って複数組の補助電極及び補助被動部を直列に設けた場合には、補助制御手段に複数のスイッチを設け、各組が相互に異なる電位に接続されるように構成する。この場合、スイッチによる分岐が上記組の数だけ設けられていればよい。また、この場合の複数の電位は、単一の電源電圧を分圧することによって構成してもよい。
【００６１】
図７及び図８は、本実施形態の振動子構造体１００の製造方法を示す概略工程図である。なお、以下の製造方法は、図２（ｂ）及び図４に示す振動子構造体について説明するものであるが、他の実施形態についてもほぼ同様の手順によって容易に製造することができる。
【００６２】
本実施形態では、最初に図７（ａ）に示す基板１０１を用意する。この基板１０１は半導体基板であることが好ましく、特に、単結晶シリコン基板であることが望ましい。
【００６３】
次に、図７（ｂ）に示すように、基板１０１の表層部に熱拡散法、イオン注入法などによって不純物拡散領域を形成し、導電性を有する補助電極１０１Ａとする。例えば、基板１０１としてｐ−型シリコン基板を用いる場合には、ＰやＡｓなどをドーピングすることによってｎ＋型の拡散領域を形成する。また、前記説明の様に補助電極へ負電圧を印加する場合は、基板１０１にn-wellを形成後、Ｂなどをドーピングする事によってＰ＋型の拡散領域を形成する。
【００６４】
次に、図７（ｃ）に示すように、基板１０１の表面上に、スパッタリング法や熱酸化法などによって酸化シリコン（ＳｉＯ２）などで構成される絶縁層１０２を形成する。この絶縁層１０２は基板表面に自然に形成される自然酸化膜で構成してもよい。
【００６５】
さらに、図７（ｄ）に示すように、上記絶縁層１０２上にスパッタリング法やＣＶＤ法などにより窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）などで構成される絶縁層１０３を形成する。この絶縁層１０３は、後述する犠牲層のエッチングを行う際のエッチングストップ層としても機能するものである。
【００６６】
次に、図７（ｅ）に示すように、絶縁層１０３上にＣＶＤ法などにより多結晶シリコン層を形成し、これをフォトリソグラフィ法やエッチング法などによってパターニングすることにより、固定電極１１０及び配線１１４を形成する。
【００６７】
次に、図８（ａ）に示すように、窒化シリコンで構成された上記絶縁層１０３と、多結晶シリコンで構成された上記固定電極１１０及び配線１１４の表面に熱酸化法によって酸化シリコン層１１２を形成する。この酸化シリコン層１１２は、絶縁層１０３、固定電極１１０及び配線１１４自体が酸化雰囲気中で加熱されることによって形成されるもので、図中で強調して描くように、窒化シリコンが多結晶シリコンよりも酸化されにくいことにより、絶縁層１０３上の部分は薄く、固定電極１１０及び配線１１４上の部分は厚く形成される。
【００６８】
さらに、図８（ｂ）に示すように、上記酸化シリコン層１１２上に酸化シリコンをＣＶＤ法などによって成膜し、酸化シリコン層１１３を形成する。酸化シリコン層１１２と１１３は、後述する可動電極１２０と基板１０１との間に間隙を形成するための犠牲層を構成するものである。この酸化シリコン層１１３の成膜処理は、犠牲層の厚さを十分に確保するとともに、当該厚さを設計値どおりに制御するために実施される。
【００６９】
また、犠牲層となる酸化シリコン層１１２及び１１３は、少なくとも後述する可動電極１２０の形成領域を含む領域に存在するようにパターニングされる。このとき、可動電極１２０の形成領域にのみ限定して存在するようにパターニングされることが望ましい。このパターニング時には、配線１１４上に形成された酸化シリコン層１１２及び１１３の部分にコンタクトホール１１２ａ，１１３ａが形成される。
【００７０】
次に、図８（ｃ）に示すように、酸化シリコン層１１３上にＣＶＤ法などにより多結晶シリコンなどの導電体を成膜し、これをパターニングすることによって、可動電極１２０を形成する。このとき、上記コンタクトホール１１２ａ，１１３ａの内部にも成膜材料が充填され、これによって、可動電極１２０と配線１１４とが導電接続された状態となる。この工程が終了すると、基板１０１上には振動子構造体１００を構成する全ての構造要素が形成される。
【００７１】
次に、図８（ｄ）に示すように、基板１０１上をアクリル樹脂等の保護膜１１６で被覆し、この保護膜１１６における上記可動電極１２０の可動部分にほぼ対応する領域に開口部１１６ａを形成する。保護膜１１６をスクリーン印刷などによって予め開口部１１６ａを備えたものとして形成することも可能である。
【００７２】
そして、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施すことにより、開口部１１６ａに対応する部分において上記犠牲層（酸化シリコン層１１２，１１３）が除去される。このとき、ウエットエッチングは絶縁層１０３にて停止する。これによって、可動電極１２０における主被動部１２１、内側支持梁部１２２、補助被動部１２３及び外側支持梁部１２４と、絶縁層１０３との間に上記間隔Ｇ１及びＧ２が確保される。すなわち、上記酸化シリコン層１１２が薄く形成されていた領域では小さな間隔Ｇ２が得られ、上記酸化シリコン層１１２が厚く形成されていた領域では大きな間隔Ｇ１が得られる。
【００７３】
なお、上記酸化シリコン層１１２，１１３のうち、可動電極１２０の被固定部１２５の下層に存在する部分（アンカー部分）は上記ウエットエッチングで除去されずに残され、可動電極１２０を基板１０１上に固定するための支持固定部１１５となる。
【００７４】
以上説明した実施形態によれば、単一の振動子構造体によって複数の周波数を実現することが可能になるので、複数の周波数を使用する回路や機器において、回路の小型化や簡素化、或いは、部品数の削減による低コスト化を図ることができる。
【００７５】
尚、本発明の振動子構造体は、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、上記各実施形態では、補助制御手段によって振動子構造体の周波数を切り替える技術について説明したが、本発明はこのような技術に限られず、補助制御手段による電位制御によって、振動子構造体の振動状態を変更したり、調整したりすることのできる全ての技術を包含する。例えば、振動子構造体の周波数調整のみを目的として本発明を適用しても構わない。
【００７６】
また、上記各実施形態では補助制御手段としてスイッチを含む構成について説明しているが、本発明では、補助電極と可動電極との間の静電力を変化させることができればよいから、スイッチを含むものではなく、或いは、単に電位を切り替える機能だけを有するものではなく、補助電極と可動電極との間の電位差を連続的に変化させたり、任意の電位差に設定したりすることができる電位制御手段が設けられていても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】実施形態の概略斜視図。
【図２】実施形態の縦断面図（ａ）及び異なる実施形態の縦断面図（ｂ）。
【図３】実施形態の補助被動部の動作を示す説明図（ａ）〜（ｃ）。
【図４】異なる実施形態の束縛状態を示す縦断面図。
【図５】別の実施形態の概略斜視図。
【図６】さらに別の実施形態の概略斜視図。
【図７】実施形態の製造方法を示す概略工程図（ａ）〜（ｅ）。
【図８】実施形態の製造方法を示す概略工程図（ａ）〜（ｄ）。
【図９】従来のビーム型振動子の概略斜視図。
【図１０】従来のビーム型振動子の概略縦断面図。
【符号の説明】
【００７８】
１００…振動子構造体、１０１…基板、１０１Ａ…補助電極、１０２，１０３…絶縁層、１１０…固定電極、１１４…配線、１１５…絶縁層、１２０…可動電極、１２１…主被動部、１２２…内側支持梁部、１２３…補助被動部、１２４…外側支持梁部、１２５…被固定部
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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