(57)【要約】  電気機械的トランスデューサ（１）は、共振器素子（２０）、および、電気的入力信号に依存して共振器素子の弾性変形を生じさせるアクチュエータ（３０）を有する。温度安定化のため、電気機械的トランスデューサ（１）は、共振器素子（２０）の温度の関数である電気的検出信号を供給する検出素子（４０）、および、動作温度で共振周波数を公称周波数に等しく維持するように温度依存性周波数偏差を減少させるため共振器素子を加熱する加熱素子（５０）を有する。加熱素子（５０）は電気的検出信号に基づく電気的加熱信号によって制御される。共振器素子は加熱素子または検出素子を有し、それはホイートストーンブリッジの一部でもよく、それは、逆方向に延在し、変形しない部分（２０３）の支持領域（２０４）に取り付けられた２個の長手方向に伸縮可能な部分（２０１，２０２）で構成されることもある。
2007505543.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気的入力信号を電気的出力信号に変換する電気機械的トランスデューサであって、
共振器素子と、
前記共振器素子の弾性変形を生じさせ、前記弾性変形が前記電気的入力信号に依存し、前記弾性変形は前記電気的入力信号が実質的に前記共振器素子の共振周波数で変化する信号成分を含むときに共振的に強められ、前記電気的出力信号が前記弾性変形の関数であり、前記共振周波数が動作温度における公称周波数と前記公称周波数からの温度依存性周波数偏差とを備える、アクチュエータ手段と、
前記共振器素子の温度の関数である電気的検出信号を供給する検出素子と、
前記共振周波数を前記公称周波数と実質的に等しく維持するように前記温度依存性周波数偏差を減少させるため前記共振器素子を加熱し、前記電気的検出信号から得られた電気的加熱信号によって制御される加熱素子と、
を備える、電気機械的トランスデューサ。
【請求項２】
前記加熱素子が加熱抵抗器を備え、前記加熱抵抗器が前記共振器素子の少なくとも一部を備える、請求項１に記載の電気機械的トランスデューサ。
【請求項３】
前記検出素子が検出抵抗器を備え、前記検出抵抗器が前記動作温度（ＴＯ）での公称検出抵抗（ＲＳ）と、前記公称検出抵抗からの温度依存性検出抵抗偏差（ｄＲＳ（Ｔ−ＴＯ））とを備え、前記電気的検出信号が前記検出抵抗の関数である、請求項１に記載の電気機械的トランスデューサ。
【請求項４】
前記検出抵抗器が前記共振器素子の少なくとも一部を備える、請求項３に記載の電気機械的トランスデューサ。
【請求項５】
前記検出素子が前記加熱素子を備え、および／または、前記加熱素子が前記検出素子を含む、請求項１に記載の電気機械的トランスデューサ。
【請求項６】
前記検出抵抗器がホイートストーンタイプの電気回路に収容され、
前記ホイートストーンタイプの電気回路が第１の接触領域および第２の接触領域を備え、
前記第１の接触領域が、第１のコネクションと、前記第１のコネクションに並列に配置された第２のコネクションとを介して前記第２の接触領域に電気的に接続され、
前記第１のコネクションが第１の抵抗器と直列に前記検出抵抗器を備え、
前記第２のコネクションが第２の抵抗器と直列に基準抵抗器を備え、
前記検出抵抗器と前記第１の抵抗器が第１の電気的コネクタによって接続され、
前記基準抵抗器と前記第２の抵抗器が第２の電気的コネクタによって接続され、
前記電気検出信号が前記第１のコネクタと前記第２のコネクタとの間に電位差を有する、
請求項３に記載の電気機械的トランスデューサ。
【請求項７】
前記基準抵抗器が、前記動作温度（ＴＯ）における公称基準抵抗（ＲＲ）と、前記公称基準抵抗からの温度依存性基準抵抗偏差（ｄＲＲ（Ｔ−ＴＯ））とを含む基準抵抗を有し、相対的な温度依存性基準抵抗偏差が相対的な温度依存性検出抵抗偏差より小さい（ｄＲＲ（Ｔ−ＴＯ）／ＲＲ＜ｄＲＳ（Ｔ−ＴＯ）／ＲＳ）、請求項６に記載の電気機械的トランスデューサ。
【請求項８】
前記第１の抵抗器が前記動作温度（ＴＯ）における公称第１抵抗（Ｒ１）と前記公称第１抵抗からの温度依存性第１抵抗偏差（ｄＲ１（Ｔ−ＴＯ）とを含む第１の抵抗を有し、
前記第２の抵抗器が前記動作温度（ＴＯ）における公称第２抵抗（Ｒ２）と前記公称第２抵抗からの温度依存性第２抵抗偏差（ｄＲ２（Ｔ−ＴＯ）とを含む第２の抵抗を有し、
相対的な温度依存性第１抵抗偏差が相対的な温度依存性第２抵抗偏差と実質的に等しい（ｄＲ１（Ｔ−ＴＯ）／Ｒ１＝ｄＲ２（Ｔ−ＴＯ）／Ｒ２）、
請求項６に記載の電気機械的トランスデューサ。
【請求項９】
前記検出抵抗器が前記第１の接触領域と前記第１のコネクタとの間に位置し、前記基準抵抗器が前記第１の接触領域と第２のコネクタとの間に位置し、
前記動作温度で前記基準抵抗器が公称基準抵抗（ＲＲ）を有し、前記第１の抵抗器が公称第１抵抗（Ｒ１）を有し、前記第２の抵抗器が公称第２抵抗（Ｒ２）を有し、
前記公称検出抵抗の前記公称第１抵抗に対する比が前記公称基準抵抗の前記公称第２抵抗に対する比のある倍率（ｃ）と等しく、前記倍率（ｃ）が実質的に１と等しい（ＲＳ／Ｒ１＝ｃＲＲ／Ｒ２，ｃ≒１）、
請求項６に記載の電気機械的トランスデューサ。
【請求項１０】
前記加熱素子が加熱抵抗器を備え、
前記検出抵抗器が前記加熱抵抗器を構成し、
前記第２の接触領域が接地電位に電気的に接続され、
前記第１の接触領域が前記電気的加熱信号を供給する電気的エネルギー源に電気的に接続される、
請求項９に記載の電気機械的トランスデューサ。
【請求項１１】
前記公称基準抵抗が前記公称検出抵抗より大きい（ＲＲ＞ＲＳ）、請求項１０に記載の電気機械的トランスデューサ。
【請求項１２】
前記共振器素子が、長手方向に第１の長さを有する第１の部分と、長手方向に第２の長さを有する第２の部分とを含み、
前記弾性変形が、第１の弾性力（Ｆ１）によって対抗される前記第１の長さの変化と、第２の弾性力（Ｆ２）によって対抗される前記第２の長さの変化とを備え、
前記第１の弾性力（Ｆ１）および第２の弾性力（Ｆ２）が前記共振器素子の変形しない部分において互いに実質的に補償し（Ｆ１＋Ｆ２≒０）、
前記共振器素子が前記変形しない部分に含まれる支持領域内の前記基板に取り付けられる、
請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項１３】
前記支持領域が、第１の共振器接点と、前記共振器素子に含まれる導電性パスによって前記第１の共振器接点に電気的に接続された第２の共振器接点とを備え、
前記導電性パスは前記変形しない部分の外側にポイント（Ｐ）を備える、
請求項１２に記載のトランスデューサ。
【請求項１４】
前記共振器素子が長手方向に外端を有し、前記ポイントが前記外端にある、請求項１３に記載のトランスデューサ。
【請求項１５】
前記共振器素子が前記導電性パスを構成する第１の導電率を備えた第１の材料と、前記第１の導電率より小さい第２の導電率を備えた第２の材料とを備え、前記第１の共振器接点から、前記ポイント（Ｐ）がない前記第２の共振器接点までのすべてのパスが前記第２の材料を備える、請求項１３に記載のトランスデューサ。
【請求項１６】
前記第２の材料が誘電体材料を備える、請求項１５に記載のトランスデューサ。
【請求項１７】
請求項１に記載の電気機械的トランスデューサを備え、前記電気的入力信号および／または前記電気的出力信号の関数である電気的情報信号を受信および／または送信する電気装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気的入力信号を電気的出力信号に変換する電気機械的トランスデューサに関する。
【０００２】
本発明はこのような電気機械的トランスデューサを備える電子装置にさらに関する。
【背景技術】
【０００３】
冒頭の段落に記載されるような電気機械的トランスデューサは技術的に知られている。このような電気機械的トランスデューサの一例は、微小電気機械的システム（ＭＥＭＳ）装置であり、特に、狭帯域通過フィルタ（ハイＱフィルタ）である。このフィルタは、正確な周波数で信号を発信するため微小共振器の固有振動数を使用し、一方、その他の周波数で信号と雑音を減衰させる。フィルタ装置は、半導体共振器と、交流信号が供給される導体入力構造とを含む。交流信号は、半導体共振器にイメージ電荷を形成させ、それによって、共振器を導体入力構造の方へ引き付ける。交流信号周波数が固有機械振動数に類似するならば、共振器は振動し、イメージ電荷および発信されるＡＣ信号を高める。電気的振動と機械的振動のかみ合いが、希望の周波数を選択的に分離し発信する。
【０００４】
知られている電気機械的トランスデューサの欠点は、電気機械的トランスデューサの周囲の温度が変化するときにトランスミッタンスが変化することである。このことは電気機械的トランスデューサがフィルタまたは発振器として使用されるときに特に不利である。たとえば、電気機械的トランスデューサを含む発振器は、動作温度で発生すべき周波数とは異なる周波数で信号を発生し、その結果として、その発振器によって制御される電気装置が故障することがある。電気機械的トランスデューサがフィルタとして使用されるとき、温度によって誘発されるトランスミッタンスの変化の結果として、そのフィルタによって発信されるべき信号がそのフィルタによって発信されずに遮断され、そのフィルタを含む電気装置の故障の原因となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、電気機械的トランスデューサの周囲の温度変化に対する感度が低いトランスミッタンスを有する電気機械的トランスデューサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は独立請求項によって規定される。従属請求項は有利な実施形態を規定する。
【０００７】
本発明による電気機械的トランスデューサは共振器素子の温度の関数である電気的検出信号を供給する検出素子を含む。検出素子は、共振器素子の温度を効果的に測定する電気式温度計と同じように使用される。本発明による電気機械的トランスデューサは、共振器周波数を公称周波数と実質的に等しく維持するように周波数偏差を減少させるため共振器素子を加熱する加熱素子をさらに含む。このため、加熱素子は電気的検出信号から得られた電気的加熱信号によって制御される。このようにして、電気機械的トランスデューサのトランスミッタンスを変化させる電気機械的トランスデューサの周囲の温度変化を原因とする共振周波数の変化は相殺される。
【０００８】
機械的損失を原因として、共振器素子は、単一の鋭い共振周波数ではなく、共振周波数帯を有する。共振周波数帯の幅は共振器の品質係数Ｑに反比例する。本発明によれば、共振周波数は、公称周波数が共振周波数帯の内側に入るとき、公称周波数と実質的に等しい。
【０００９】
アクチュエータ手段は静電アクチュエータを含み、代替的または追加的に、アクチュエータ手段は、たとえば、米国特許第３，６３４，７８７号に記載されるような静電アクチュエータを含む。弾性変形の関数である電気的出力信号は、共振器素子の位置および／または速度に依存する。
【００１０】
米国特許第６，２３８，９４６Ｂ１号から、ＭＥＭＳ装置の固有振動数が共振器を加熱することによって調節されることがわかる。これは、電流が共振器を通って別のパッドへ送られ、その結果として、共振器を加熱することを可能にさせるため機能するパッドの製造によって実現される。
【００１１】
加熱素子が加熱抵抗器を含むならば、電気的加熱信号による比較的簡単かつ効果的な加熱素子の制御を可能にさせるので有利である。オーム抵抗器では、ジュール加熱は加熱素子を通る電流に比例する。したがって、加熱抵抗器が共振器素子の少なくとも一部を含むならば、共振器素子は効果的に加熱されるので特に有利である。好ましくは、加熱抵抗器は、共振器素子が次により効果的に加熱されるので共振器素子の全体を含む。
【００１２】
一実施例では、検出素子は、動作温度（ＴＯ）での公称検出抵抗（ＲＳ）と、公称検出抵抗からの温度依存性検出抵抗偏差（ｄＲＳ（Ｔ−ＴＯ））とを含む検出抵抗を有する検出抵抗器を備え、電気的検出信号は検出抵抗の関数である。本実施例において、共振器素子の温度の検出は、検出抵抗器の抵抗率の温度依存性変化の監視を含む。この場合、検出素子は比較的簡単な構造を有し、電気的検出信号を発生することが比較的容易である。電気的検出信号を発生するために特に簡単な一方法は検出抵抗器の両端間の電圧降下を測定することである。
【００１３】
検出抵抗器が共振素子の少なくとも一部を含むならば、共振器素子の温度は直接的に測定され、すなわち、たとえば、電気機械的トランスデューサのその他の素子の温度が電気的検出信号に与える影響が制限され、好ましくは、全くなくなるのでさらに有利である。付加的な有利な点は、電気機械的トランスデューサが比較的コンパクトに組み立てられることである。一実施例では、検出抵抗器が共振素子全体を備える。
【００１４】
一実施例では、検出素子は加熱素子を含み、および／または、加熱素子は検出素子を含む。加熱素子と検出素子を少なくとも部分的に同じ電気装置に組み入れると、その結果として、簡単であり、かつ、小型の電気機械的トランスデューサが得られる。好ましくは、これらの２個の素子は１台の電気装置に完全に組み入れられる。好ましくは、これらの２個の素子は、精密な温度測定と効果的な加熱の両方を可能にするので、共振器素子に完全に組み入れられる。一実施形態では、加熱素子および検出素子は、好ましくは共振器素子によって形成された同じ抵抗器を含む。
【００１５】
効果的な温度安定化のため、好ましくは、動作温度は周囲の温度より高い。電気機械的トランスデューサが装置固有動作温度を有する他の機械装置と共に使用されるとき、その結果、電気機械的トランスデューサの動作温度がその装置固有動作温度より高いならば有利である。好ましくは、電気機械的トランスデューサの動作温度と装置固有動作温度との間の差は少なくとも１０Ｋであり、その理由はこの差によって比較的ロバスト（ｒｏｂｕｓｔ）な温度安定性が得られるからである。加熱のために必要な消費電力を制限するため、この差が１００Ｋ未満であるならば有利であることが多い。
【００１６】
比較的精密かつ容易な温度安定化されたトランスミッタンスを可能にする一実施形態では、検出抵抗器はホイートストーンタイプの電気回路に収容され、このホイートストーンタイプの電気回路は第１の接触領域および第２の接触領域を含み、第１の接触領域は、第１のコネクションと、第１のコネクションに並列に配置された第２のコネクションとを介して第２の接触領域に電気的に接続され、第１のコネクションは第１の抵抗器と直列に検出抵抗器を含み、第２のコネクションは第２の抵抗器と直列に基準抵抗器を含み、検出抵抗器と第１の抵抗器は第１の電気的コネクタによって接続され、基準抵抗器と第２の抵抗器は第２の電気的コネクタによって接続され、電気検出信号は第１のコネクタと第２のコネクタとの間に電位差をもつ。
【００１７】
好ましくは、基準抵抗器は、動作温度（ＴＯ）における公称基準抵抗（ＲＲ）と、公称基準抵抗からの温度依存性基準抵抗偏差（ｄＲＲ（Ｔ−ＴＯ））とを含む基準抵抗を有し、相対的な温度依存性基準抵抗偏差は相対的な温度依存性検出抵抗偏差より小さい（ｄＲＲ（Ｔ−ＴＯ）／ＲＲ＜ｄＲＳ（Ｔ−ＴＯ）／ＲＳ）。これは第１の抵抗器および第２の抵抗器の比較的容易な構成を可能にさせる。この条件が満たされないならば、第１の抵抗器と第２の抵抗器の温度依存性は電気的検出信号を発生し得るように調節されるべきであり、比較的複雑な回路が加熱信号を発生するため必要とされる。
【００１８】
基準抵抗器の相対的な温度係数ＴＣＲＲ＝ｄＲＲ／（ＲＲ・ｄＴ）は、好ましくは、比較的容易な温度安定化を可能にするため十分に低くされるべきである。好ましいＴＣＲＲの最大値は、一般に、検出抵抗器の相対的な温度係数ＴＣＲＳ＝ｄＲＳ／（ＲＳ・ｄＴ）と抵抗器素子の所要の安定性、すなわち、共振器素子の最大許容可能温度変化に依存する。ＴＣＲＳが増加すると、ＴＣＲＲは同様に増加する。共振器素子の最大許容可能温度変化が増加すると、ＴＣＲＲは同様に増加する。
【００１９】
好ましくは、温度依存性基準抵抗偏差はできるだけ低い。基準抵抗器は、正の温度依存性を有する、すなわち、ｄＲ／ｄＴが正である第１の素子と、負の温度依存性を有する、すなわち、ｄＲ／ｄＴが負である第２の素子とにより構成される。第１の素子および第２の素子の温度依存性基準抵抗偏差は互いに部分的に補償し、その結果、基準抵抗器の温度依存性基準抵抗偏差が減少する。或いは、基準抵抗器は、それ自体が比較的小さいＴＣＲを有し、それによって、好ましいＴＣＲＲの値についての上記の条件を満たす材料で構成してもよい。
【００２０】
さらに好ましくは、第１の抵抗器が動作温度（ＴＯ）での公称第１抵抗（Ｒ１）とこの公称第１抵抗からの温度依存性第１抵抗偏差（ｄＲ１（Ｔ−ＴＯ））とを含む第１の抵抗を有し、第２の抵抗器が動作温度（ＴＯ）での公称第２抵抗（Ｒ２）とこの公称第２抵抗からの温度依存性第２抵抗偏差（ｄＲ２（Ｔ−ＴＯ）とを含む第２の抵抗を有し、相対的な温度依存性第１抵抗偏差が相対的な温度依存性第２抵抗偏差と実質的に等しい（ｄＲ１（Ｔ−ＴＯ）／Ｒ１＝ｄＲ２（Ｔ−ＴＯ）／Ｒ２）。本実施形態では、第１の抵抗器と第２の抵抗器の温度依存性抵抗変化は電位差に影響を与えない。
【００２１】
この条件が満たされないならば、基準抵抗器と検出抵抗器の温度依存性が電気的信号を発生し得るように調節されるべきであり、比較的複雑な回路が加熱信号を発生するため必要とされる。好ましくは、温度依存性基準抵抗偏差はできる限り低い。第１の抵抗器および／または第２の抵抗器は、正の温度依存性を有する、すなわち、ｄＲ／ｄＴが正である第１の素子と、負の温度依存性を有する、すなわち、ｄＲ／ｄＴが負である第２の素子とにより構成される。第１の素子および第２の素子の温度依存性基準抵抗偏差は互いに部分的に補償し、その結果、第１の抵抗器および／または第２の抵抗器の温度依存性基準抵抗偏差がそれぞれ減少する。
【００２２】
検出抵抗器が第１の接触領域と第１のコネクタとの間に位置し、基準抵抗器が第１の接触領域と第２のコネクタとの間に位置するとき、動作温度で基準抵抗器は公称基準抵抗（ＲＲ）を有し、第１の抵抗器は公称第１抵抗（Ｒ１）を有し、第２の抵抗器は公称第２抵抗（Ｒ２）を有し、公称検出抵抗の公称第１抵抗に対する比が公称基準抵抗の公称第２抵抗に対する比のある倍率（ｃ）と等しく、この倍率（ｃ）が実質的に１と等しい（ＲＳ／Ｒ１＝ｃＲＲ／Ｒ２，ｃ≒１）とする。この場合、検出素子が動作温度にあり、比較的容易な方法で電気的加熱信号を制御することができるとき、電位差は実質的にゼロである。加熱信号は、たとえば、電位差に比例する。
【００２３】
倍率が厳密には１と等しくないとき、電気機械的トランスデューサは動作温度とは僅かに異なる温度で安定化される。その結果、共振器素子の共振周波数は公称周波数と僅かに異なる値で安定化される。電気機械的トランスデューサのアプリケーションに依存して、公称周波数はアプリケーション固有の許容範囲内に収まらなければならない。この許容範囲は、実際の周波数がアプリケーション固有の許容範囲内に収まるために実際の温度が収まらなければならない動作温度の周りの温度範囲に対応する。用語「実質的に」は本明細書では、スケーリングパラメータの１からの偏差が非常に小さいため、温度が確かにこの温度範囲内に収まることを意味する。
【００２４】
一実施形態では、加熱素子は、好ましくは、加熱抵抗器を構成し、検出素子は検出抵抗器を構成し、第２の接触領域は接地電位に電気的に接続され、第１の接触領域は電気的加熱信号を供給する電気的エネルギー源に電気的に接続される。このようにして、検出素子および加熱素子は１個の回路に組み込まれ、電気的加熱信号の制御が比較的容易な方法で達成される。
【００２５】
この場合、公称基準抵抗が公称検出抵抗より大きいならば（ＲＲ＞ＲＳ）、電流は加熱抵抗器を構成する検出抵抗器を主に流れるので有利である。基準抵抗器を流れる電流は比較的小さい。その結果として、基準抵抗器における電力損失は比較的低く、全体的な消費電力が比較的少なくなる。
【００２６】
トランスデューサの一実施形態において、共振器素子は、長手方向に第１の長さを有する第１の部分と、長手方向に第２の長さを有する第２の部分とにより構成され、弾性変形は、第１の弾性力によって対抗される第１の長さの変化と、第２の弾性力によって対抗される第２の長さの変化とを含み、第１の弾性力および第２の弾性力は、共振器素子の変形しない部分において互いに実質的に補償し、共振器素子は変形しない部分に含まれる支持領域内の基板に取り付けられる。
【００２７】
このようなトランスデューサにおいて、共振器素子は実質的に変形のない支持領域内の基板に取り付けられているので、共振器素子から支持領域を介して基板に流れる機械的エネルギーの量、すなわち、エネルギー損失は、比較的低い。したがって、このトランスデューサは、明確に定義された周波数で、比較的高いＱ値と、それに応じた比較的大きい出力信号とを有する。
【００２８】
共振器素子が長手方向に直交した仮想面に関して実質的に鏡像対称であり、変形しない部分に含まれるならば有利であることが多い。この場合、第１の弾性力と第２の弾性力が変形しない部分で互いに実質的に補償するような変形を引き起こすために鏡像対称アクチュエータを使用することが可能である。
【００２９】
共振器素子が長手方向に直交した幅方向にある幅を有し、長さがその幅より大きいならば、さらに有利である。第１の共振器素子が長手方向および幅方向に直交した高さ方向にある高さを有し、長さがその高さより大きいならば、さらに有利である。幅と高さに対して長さが大きくなるにつれて、第１の長さおよび第２の長さが変化し、一方、その他の寸法は変化しない共振器素子の固有モードがより明確に定義される。よって、共振器素子の他のパラメータの変形を含むその他の固有モードを同時に励起することなく、この固有モードで共振器素子を励起することは比較的容易である。
【００３０】
上記の実施形態の一変形では、支持領域は、第１の共振器接点と、共振器素子に含まれる導電性パスによって第１の共振器接点に電気的に接続された第２の共振器接点とを含み、導電性パスは変形しない部分の外側にポイントを含む。
【００３１】
このようなトランスデューサでは、長さの変化の関数である抵抗を得るため共振器素子を変形しない部分の外側にある領域に電気的に接触させる必要がないので、共振器を構成する共振器素子は都合のよい場所に接触させることが可能である。これによって比較的簡単なトランスデューサが得られる。さらに、変形しない部分の外側にある共振器素子の加熱はこのようなトランスデューサにおいてより効果的である。電流パスは抵抗的に支持領域の外側で共振器素子を加熱するため利用される。その上、支持領域の外側にある共振器素子の温度は電流パスの抵抗を使用して効果的に測定される。
【００３２】
共振器素子が長手方向に外端を有し、そのポイントが外端にあるならば、特に有利である。このようなトランスデューサでは、導電性パスは、第１の長さまたは第２の長さのそれぞれと実質的に等しいか、または、それより長いコンポーネントを長手方向に有する。したがって、第１の長さまたは第２の長さのそれぞれの変化は、導電性パスの長さに比較的大きい変化を生じさせ、よって、比較的大きい信号を生じさせる。共振器素子が長手方向にさらなる外端を有し、導電性パスがポイントと、さらなる外端に位置するさらなるポイントとをその順番に含むならば有利である。このトランスデューサにおいて、第１の長さと第２の長さの変化は、導電性パスの長さにより大きい変化を生じさせ、よって、より大きい信号を生じさせる。
【００３３】
一実施形態において、共振器素子は、導電性パスを構成する第１の導電率を備えた第１の材料と、第１の導電率より小さい第２の導電率を備えた第２の材料とを含み、第１の共振器接点からポイントがない第２の共振器接点までのすべてのパスは第２の材料を含む。
【００３４】
共振器素子の抵抗は、第１の共振器接点を第２の共振器接点に接続するすべてのパスに起因する。特定のパスの抵抗がすべての他のパスの抵抗に対する関係は、この特定のパスが全抵抗に寄与する度合いを決定し、比較的小さい抵抗を備えたパスは全抵抗に対して比較的大きい度合いで寄与し、一方、比較的大きい抵抗を備えたパスは全抵抗に対して比較的小さい度合いで寄与する。比較的低い導電率を備えた第２の材料を使用することにより、ポイントを含まないパスの抵抗は増加され、その結果、全抵抗に対する寄与が比較的小さくなる。ポイントを含まないこれらのパスは、特に、変形しない部分に完全に閉じこめられたパスを構成するので、変形の関数である抵抗をもたらさない。第２の材料を使用することにより、後者のパスの寄与は減少し、トランスデューサの感度が高められる。
【００３５】
第２の材料の導電率が低下すると、変形しない部分の外側にポイントを含まないパスの寄与が小さくなる。したがって、第２の材料が誘電体材料を含むならば、特に有利である。好ましくは、第２の材料は、たとえば、二酸化珪素、または、半導体装置製造において使用されるその他の誘電体のような誘電体材料により構成される。代替的に、第２の材料は気体材料でもよく、真空でもよい。このような材料は、優れた絶縁特性を有し、容易に共振器素子に収容される。
【００３６】
第１の材料はその変形に依存する導電率を有する材料であればよい。それは、たとえば、銅、アルミニウム、または、タングステンのようなあらゆるタイプの金属を含む。有利な結果は、シリコンおよびその他の半導体材料で得られるが、その理由は、これらの材料が長さの変化の関数として比較的激しく変化する抵抗率を有するからである。
【００３７】
本発明による電気機械的トランスデューサは、有利的には、電気的入力信号および／または電気的出力信号の関数である電気的情報信号を受信および／または発信する電気装置で使用される。このような電気装置は、たとえば、携帯電話機、または、携帯電話機のための基地局である。或いは、電気装置は、電気的信号のワイヤレス通信を利用するどのような他の電気装置でもよい。電気機械的トランスデューサは、たとえば、発振器またはフィルタとして適している。
【００３８】
本発明による電気機械的トランスデューサの上記の態様およびその他の態様は図面を参照して解明され説明される。
【００３９】
図は正しい縮尺で描かれていない。一般に、同一のコンポーネントは同じ参照番号で示されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
電気的入力信号を電気的出力信号に変換する電気機械的トランスデューサ１は、図１に示されるように、シリコンウェハーである基板１０を含む。或いは、基板１０はガリウム砒素ウェハーでもよく、または、その他の半導体金属若しくは誘電体材料でもよい。１０ＭＨｚを超える周波数での動作のため設計された電気機械的トランスデューサ１では、基板１０で散逸される電磁エネルギーの損失が減少するのでガラスのような誘電体を含む基板１０を使用することが有利である。
【００４１】
トランスデューサ１は、１μｍの寸法の長さを有する長手方向に延在する導電性ビームである共振器素子２０をさらに含む。長手方向におけるその２個の外端で、共振器素子２０はアンカー要素２３および２４によってそれぞれ基板１０に取り付けられる。アンカー要素２３および２４は、図３に表されているように基板１０に貼り付けられる。共振器素子２０は、アンカー要素２３および２４によるコネクションを除いて、基板１０から離されている。
【００４２】
トランスデューサは、たとえば、微小電気機械的システム（ＭＥＭＳ）の分野でよく知られた技術を使用して製造される。電気機械的トランスデューサは、図３Ａ乃至Ｄに製造プロセスの種々の段階における断面図で表されている。要約すれば、基板１０は、最初に、たとえば、酸化物層でもよい誘電体層１１が設けられ、その上部に導電層９０が堆積される。導電層９０は、たとえば、ｎ型またはｐ型ドープされたシリコン層である。導電層９０から、共鳴器素子２０、アンカー要素２３および２４、並びに、アクチュエータ３０がその後に形成される。導電層９０がシリコンのような半導体構成されるとき、導電層は、共振器素子２０および／またはアクチュエータ３０と後で接触する埋め込み領域９１が設けられる。埋め込み領域９１は、導電率を増加させ、後で金属線を用いて共振器素子２０および／またはアクチュエータ３０と接触することを可能にするためイオンが注入される。
【００４３】
続いて、導電層９０は、好ましくは、層１１の誘電体が後で層９２の他の誘電体材料に対して選択的にエッチングされるように別の誘電体材料で構成された別の誘電体層９２で覆われる。層１１が二酸化珪素で構成されるとき、層９２は窒化珪素で構成される。層９２は埋め込み領域９１を露出させるためパターニングされる。
【００４４】
誘電体層９２の上部に、導電材料の層９３が堆積され、基準抵抗器６１、第１の抵抗器６０および第２の抵抗器６２を形成するためパターニングされる。続いて、かくして得られたプレハブ式電気機械的トランスデューサ１に、アルミニウムのような別の導電材料の層９４が設けられ、この層は、共振器素子２０を埋め込み領域９１を介して第１の抵抗器６０およびアンカー要素２４によって形成された第１の接触領域に電気的に接続し、基準抵抗器６１を第２の抵抗器６２およびアンカー要素２４によって形成された第１の接触領域に電気的に接続し、第１の抵抗器６０および第２の抵抗器６２のそれぞれをアンカー要素２４と実質的に同一の素子２５によって形成された第２の接触領域に電気的に接続するためパターニングされる。
【００４５】
このようにして得られたプレハブ式電気機械的トランスデューサ１は、たとえば、リソグラフィを用いてパターニングされる感光性レジストによって覆われる。パターン形成されたレジストは、次に現像され、図１に表され以下に説明される共振器素子２０、アンカー要素２３およびアクチュエータ３０の表面領域を生成し、層９３および層９４はレジストによって覆われ、一方、形成されるべき共振器素子２０とアクチュエータ３０との間の領域を少なくとも含むその表面の別の部分はレジストがない。レジストによって部分的に覆われた表面は、次に、エッチングされ、レジストによって覆われていないシリコン層のそれらの部分を選択的に除去する。このようにして、共振器素子２０、アクチュエータ３０、および、それらの間のギャップが画定される。続いて、先行するエッチングによって露出された層１１が２番目のエッチングステップにおいてエッチングされる。このエッチングステップは酸化物層１１のすべての露出部分と、さらには、これらの部分に隣接した材料の一部を除去する。２番目のエッチングステップの結果として、層９０の中心部分は、図３Ｄに示されるように、基板１０から離されている。この中心部分は共振器素子２０を形成する。換言すれば、共振器素子２０は、アンカー要素２３および２４だけを介して基板１０に取り付けられる。その結果として、共振器素子２０は、基板１０に対して自由に移動でき、すなわち、共振器素子は、たとえば、長手方向に直交する方向に変形し得る。
【００４６】
上記の方法は、基準抵抗器６１、第１の抵抗器６０および第２の抵抗器６２が共振器素子２０と同じ基板１０に一体化されるという利点がある。
【００４７】
平衡位置から離れているビームの運動は弾性力によって対抗される。この弾性力および共振器素子の質量は、共振器素子の共振周波数を決定する。共振周波数は、動作温度における公称周波数と、公称周波数からの温度依存性周波数偏差とを含む。
【００４８】
電気機械的トランスデューサ１は共振器素子２０の弾性変形を引き起こすアクチュエータ３０を含む。アクチュエータ３０は、長手方向でビームに対向する表面を備えた電極を含む。アクチュエータ３０は、共振器素子に対する電気的作動電位差が供給され、この作動電位差は電気的入力信号の関数である。作動電位差はＡＣ成分およびＤＣ成分を含み、ＡＣ成分は入力信号である。
【００４９】
電極および共振器素子２０の表面はコンデンサを構成する。作動電位差が印加されるとき、それらはその結果として静電気力を互いに作用させ、ビームの弾性変形を引き起こす。電気的作動電位差を周期的に変化させることにより、ビームの周期的な変形を引き起こす。電気的作動電位差がビームの共振周波数と実質的に一致する周波数で変化させられるとき、ビームは機械的共振させられ、その機械的共振が比較的大きい変形を生じさせる。換言すれば、弾性変形は電気的入力信号に依存し、電気的入力信号が実質的に共振器素子の共振周波数で変化する信号成分を含むとき共振的に強められる。
【００５０】
電気機械的トランスデューサ１は、弾性変形の関数である電気的出力信号を発生する電気的出力信号発生素子をさらに含む。図１の実施形態において、電気的出力信号発生素子は、アクチュエータ３０の電極が対向する側とは反対側で長手方向にビームと対向する表面を備えたもう一方の電極３１を含む。もう一方の電極３１および共振器素子２０の表面は別のコンデンサを構成する。
【００５１】
ビームが別の電極に関して付勢されるとき、電荷が別の電極３１に誘起される。弾性変形が原因で、ギャップｇと呼ばれることがよくある、ビームと他のコンデンサを構成するもう一方の電極との間の距離は変化させられ、付加的な電荷がもう一方の電極３１に誘起される。もう一方の電極３１は、電気的出力信号を発生するために付加的な電荷が測定される回路の一部である。付加的な電荷の量、よって、電気的出力信号の振幅はギャップｇのサイズ、したがって、ビームの変形に依存し、ギャップが狭くなると、付加的な電荷がより大きくなる。したがって、出力信号は弾性変形を容量的に測定するため使用される。
【００５２】
電気機械的トランスデューサ１は共振器素子２０の温度の関数である電気的検出信号を供給する検出素子４０をさらに含む。検出素子４０は検出抵抗器を含み、検出抵抗器は、動作温度ＴＯでの公称検出抵抗ＲＳと、公称検出抵抗からの温度依存性検出抵抗偏差ｄＲＳ（Ｔ−ＴＯ）とを含む検出抵抗を有する。本実施例では、温度依存性検出抵抗偏差ｄＲＳは、Ｔ−ＴＯ＞０であるとき、正であり、すなわち、検出抵抗器は正の温度依存性を有する。図１の実施形態では、検出抵抗器は共振器素子２０によって構成され、すなわち、検出抵抗器は共振器素子２０の少なくとも一部によって構成される。
【００５３】
検出抵抗器は、図１に表された、ホイートストーンタイプの電気回路に収容される。ホイートストーンタイプの電気回路は、アンカー要素２４によって形成された第１の接触領域と、アンカー要素２４と実質的に同一である素子２５によって形成された第２の接触領域とを含む。第２の接触領域２５は電気的に接地電位に接続される。第１の接触領域は、第１のコネクションおよび第１のコネクションと並列に配置された第２のコネクションを介して第２の接触領域に電気的に接続される。第１のコネクションは第１の抵抗器６０と直列に検出抵抗器を含み、第２のコネクションは第２の抵抗器６２と直列に基準抵抗器６１を含む。検出抵抗器および第１の抵抗器６０は、本実施形態ではアンカー要素２３によって形成された第１の電気的コネクタを用いて電気的に接続される。基準抵抗器６１および第２の抵抗器６２は、アンカー要素２３と実質的に同一である素子２６によって形成された第２の電気的コネクタを用いて電気的に接続される。
【００５４】
検出抵抗器４０は第１の接触領域２４と第１のコネクタ２３との間に位置し、基準抵抗器６１は第１の接触領域２４と第２のコネクタ２６との間に位置する。動作温度で基準抵抗器６１は公称基準抵抗ＲＲを有し、第１の抵抗器６０は公称第１抵抗Ｒ１を有し、第２の抵抗器６２は公称第２抵抗Ｒ２を有する。公称検出抵抗の公称第１抵抗に対する比は公称基準抵抗の公称第２抵抗に対する比のある倍率ｃと等しく、この倍率は実質的に１と等しく、すなわち、ＲＳ／Ｒ１≒ＲＲ／Ｒ２が成り立つ。電気的検出信号は第１のコネクタ２３と第２のコネクタ２６との間の電位差を含む。この電位差、よって、電気的検出信号は検出抵抗の関数である。電気的検出信号は、第１の抵抗器６０、第２の抵抗器６２および基準抵抗器６１の両端間の電圧降下に匹敵する検出抵抗器の両端間の電圧降下を含む。動作温度で、ＲＳ／Ｒ１≒ＲＲ／Ｒ２が成り立つので、電位差は実質的にゼロである。
【００５５】
共振器素子２０の温度が変化するとき、検出抵抗器の温度は同様に変化する。温度依存性検出抵抗偏差ｄＲＳ（Ｔ−ＴＯ）に起因して、検出抵抗ＲＳは変化する。よって、実際の検出抵抗の、実際の第１の抵抗に対する比は、実際の基準抵抗の、実際の第２の抵抗に対する比ともはや等しくない。その結果、電位差はもはや実質的にゼロではない。
【００５６】
電気機械的トランスデューサ１は共振周波数を公称周波数と実質的に等しい状態に保つために周波数偏差を減少させるため共振器素子２０を加熱する加熱素子５０をさらに含む。加熱素子５０は、共振器素子２０の少なくとも一部を備えた加熱抵抗器を含む。図１の実施形態では、共振器素子２０は加熱素子５０を構成し、よって、検出抵抗器４０は同様に加熱抵抗器５０を構成する。
【００５７】
加熱素子５０は電気的検出信号から得られた電気的加熱信号によって制御される。第１の接触領域２４は、電気的加熱信号を供給する電気的エネルギー源７０に電気的に接続される。電気的エネルギー源７０は、第１のコネクタ２３と第２のコネクタ２６との間の電位差を増幅する演算増幅器７１を含む。演算増幅器７１の出力は電圧源７２の負極に電気的に接続される。電圧源７２の正極は第１の接触領域２４に電気的に接続される。電圧源７２は定電圧ＶＳを供給する。代替的または追加的に、電圧源７２は交流電圧ＶＳを供給し、この交流電圧ＶＳは、加熱がＡＣ電圧の発振の時間スケールで事実上一定であるように、十分に高い周波数で変化する。
【００５８】
動作温度では、演算増幅器７１の入口における電位差はゼロであり、よって、電圧源７２の負極は同様にゼロ電位であり、正極はＶＳである。図１に表された抵抗器を通る電流は、したがって、それらの公称抵抗およびＶＳの値によって決まる。
【００５９】
実際の温度が動作温度より低いとき、検出抵抗器の正の温度依存性に起因して、実際の検出抵抗器の抵抗は公称検出抵抗より小さい。したがって、検出抵抗器の両端間の電圧降下は減少し、電位差ｄＶは正である。電圧源７２の負極は、このとき、演算増幅器７１の利得倍されたｄＶと等しい正電位を有する。電圧源の正極は、接地に対して同じ量で増加させられた電位を有する。これによって、ジュール熱の増加を引き起こす電流が増加し、それによって、ビームの温度を上昇させる。
【００６０】
実際の温度が動作温度より高いとき、検出抵抗器の正の温度依存性に起因して、実際の検出抵抗器の抵抗は公称検出抵抗より大きい。したがって、検出抵抗器の両端間の電圧降下は増加し、電位差ｄＶは負である。電圧源７２の負極は、このとき、演算増幅器７１の利得倍されたｄＶと等しい負電位を有する。電圧源の正極は、接地に対して同じ量で減少させられた電位を有する。利得倍されたｄＶの絶対値がＶＳより小さいならば、これによって、ジュール熱の減少を引き起こす電流が減少し、それによって、ビームの温度を下降させる。
【００６１】
電気的加熱信号は電気的検出信号の関数である。一実施形態では、電気的加熱信号は電気的検出信号に比例する。代替的または追加的に、電気的加熱信号は、所定の時間に亘って積分された電気的検出信号に比例する成分、および／または、別の所定の時間に亘る電気的検出信号の変化に比例する別の成分を含む。加熱信号がその成分および／またはその別の成分を有するとき、比較的長い時間スケール上の雑音と比較的短い時間スケール上の雑音はそれぞれ低減される。
【００６２】
図１の実施形態において、共振器素子２０は、２μｍの幅Ｗ、１０μｍの長さＬ、および、図１の平面に直交する２０μｍの高さＨを備えたビームである。それは、３×１０１６ｃｍ３の蛍光体濃度を有する蛍光体がドープされたシリコンで作られる。動作温度において、ビームは検出抵抗ＲＳ＝１０００オームを有する。このビームの温度依存性検出抵抗偏差はｄＲＳ（Ｔ−ＴＯ）＝３７．５（Ｔ−ＴＯ）オームである。
【００６３】
図１の実施形態では、基準抵抗器６１、第１の抵抗器６０および第２の抵抗器６２は、それぞれ、たとえば、１００パーツパーミリオン（ｐｐｍ）／ケルビン（Ｋ）より小さく、かつ、相対的な温度依存性検出抵抗偏差より小さい相対的な温度依存性抵抗偏差を有し、以下の関係式：
ｄＲＲ（Ｔ−ＴＯ）／ＲＲ＝ｄＲ１（Ｔ−ＴＯ）／Ｒ１＝ｄＲ２（Ｔ−ＴＯ）／Ｒ２＜ｄＲＳ（Ｔ−ＴＯ）／ＲＳ
が成り立つＴｉＷＮの層で作られる。これは、相対的な温度依存性第１抵抗偏差が相対的な温度依存性第２抵抗偏差と実質的に等しいことを意味する。
【００６４】
或いは、基準抵抗器６１、第１の抵抗器６０および第２の抵抗器６２は、それぞれ、同様に１００ｐｐｍ／Ｋより小さい相対的な温度依存性抵抗偏差を有するＳｉＣｒＮの層で作られる。この材料は、抵抗率がＴｉＷＮの抵抗率より高く、比較的小型の基準抵抗器６１、第１の抵抗器６０および第２の抵抗器６２を可能にさせるという利点がある。
【００６５】
ＴｉＷＮの場合、相対的な温度依存性抵抗偏差はＴｉＷＮの層内の窒素濃度によって制御される。ＴｉＷＮの層はスパッタ堆積を用いて生成され、窒素濃度はその層が生成される反応室内のＮ２濃度を制御することによって制御される。
【００６６】
ＳｉＣｒＮの場合、相対的な温度依存性抵抗偏差は層をアニーリングすることにより制御される。ＳｉＣｒＮ層とＴｉＷＮ層の生成の詳細は、Ｊ．Ｊ．  ｖａｎ  ｄｅｎ  Ｂｒｏｅｋ外による論文「Ｍｅｔａｌ  ｆｉｌｍ  ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ  ｒｅｓｉｓｔｏｒｓ：  Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  ｍｅｔａｌ  ｆｉｌｍｓ  ａｎｄ  ａ  ｎｅｗ  ｒｅｓｉｓｔｏｒ  ｃｏｎｃｅｐｔ」，  Ｐｈｉｌｉｐｓ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ，  ｖｏｌｕｍｅ  ５１，  ｉｓｓｕｅ  ｎｕｍｂｅｒ  ３，  ｐａｇｅ  ４２９−４４７に開示されている。
【００６７】
この場合、温度安定性は比較的正確であるため、好ましくは、ｄＲＲ（Ｔ−ＴＯ）／ＲＲ＝ｄＲ１（Ｔ−ＴＯ）／Ｒ１＝ｄＲ２（Ｔ−ＴＯ）／Ｒ２≒０が成り立つ。
【００６８】
基準抵抗器６１および第２の抵抗器６２は実質的に同一であり、図１の差し込み図に概略的に描かれている曲がりくねった形状を有する。実際の曲がりくねりは、図１に示されたものより多くの曲がりを有する。曲がりくねりの長さ、すなわち、参照番号６６によって示された曲がりくねりの中央における線の長さは、２５００μｍであり、曲がりくねりの幅Ｖは２０μｍであり、図１の平面に直交したＴｉＷＮ層の高さは５０ｎｍである。基準抵抗器６１および第２の抵抗器６２はそれぞれに５０００オームの公称抵抗を有し、よって、公称基準抵抗は公称検出抵抗より小さい：ＲＲ＜ＲＳ。
【００６９】
第１の抵抗器６０は同様に基準抵抗器６１および第２の抵抗器６２の曲がりくねりに類似した曲がりくねった形状を有する。第１の抵抗器６０の曲がりくねりの長さは５００μｍであり、曲がりくねりの幅Ｖは２０μｍであり、図１の平面に直交したＴｉＷＮ層の高さは５０ｎｍである。第１の抵抗器６０は公称第１抵抗Ｒ１＝１０００オームを有する。
【００７０】
一実施形態では、共振器素子２０はｎ型ドープされたシリコンのビームであり、３×１０１６ｃｍ−３のドーピング濃度、２０μｍの高さ、２０μｍの幅、および、２００μｍの長さを有し、動作温度で７ｋオームの抵抗を有する。共振器素子２０のＱファクタは約１０５であり、３７３Ｋの動作温度付近の共振器周波数ｆの温度依存性相対変化はおよそｄｆ／（ｆ０・ｄＴ）＝４０ｐｐｍ／Ｋであり、ここで、ｆ０は動作温度における共振周波数である。共振周波数帯の幅は共振器の品質係数Ｑに反比例するので、実際の周波数は、ｄｆ／ｆ０＜１／Ｑが成立するならば、共振周波数の範囲に含まれる。この条件は、ｄＴ＜０．２５Ｔであるときに満たされ、よって、共振器素子２０によって構成された検出抵抗器の温度は０．２５Ｋの範囲内で安定化されるべきである。その組成に起因して、共振器素子２０は１００００ｐｐｍ／ＫのＴＣＲを有し、よって、検出抵抗器のドリフトは、１００００（ｐｐｍ／Ｋ）＊０．２５Ｋ＝２５００ｐｐｍより小さくするべきである。この条件は、基準抵抗器６１、第１の抵抗器６０および第２の抵抗器６２の温度が、たとえば、１００Ｋの範囲に亘って変化するときに満たされる。ＴＣＲＲは、このとき、２５００ｐｐｍ／１００Ｋ＝２５ｐｐｍ／Ｋより小さくするべきである。第１の抵抗器６０および第２の抵抗器６２のＴＣＲは、好ましくは、基準抵抗器６１と同じ条件を満たす。
【００７１】
基準抵抗器６１は、１．３ｍΩｃｍの抵抗と、１０μｍの幅と、５４０ｎｍの長さとを有する５０ｎｍの厚さのＳｉＣｒＮの層で構成される。それは１４ｋΩの抵抗を有する。第２の抵抗器６２は基準抵抗器６１と同一であり、第１の抵抗器６０は、１．３ｍΩｃｍの抵抗と、２０μｍの幅と、５４０ｎｍの長さとを有する５０ｎｍの厚さのＳｉＣｒＮの層で構成される。それは７ｋΩの抵抗を有し、共振器素子２０の抵抗と同一である。
【００７２】
図４には、共振器素子２０と、アクチュエータ３０と、アンカー要素２４および２５とを含むトランスデューサの一実施形態の部分平面図が表されている。図１に表された部分と同一であるトランスデューサ１のその他の部分は明瞭さのため省かれている。本実施形態では、トランスデューサ１は、長さｌを有し長手方向に延在する導電性共振器素子２０を含む。それは、アンカー要素２３および２４にそれぞれ接続された支持要素２１および２２を介して基板１０に取り付けられる。アンカー要素２３および２４は、図５Ｃに示されるように基板１０に貼り付けられる。共振器素子２０と支持要素２１および２２は、アンカー要素２３および２４を経由するコネクションを除いて基板１０から解放される。
【００７３】
トランスデューサは、たとえば、微小電気機械的システム（ＭＥＭＳ）の分野でよく知られた技術を使用して製造される。要約すれば、基板１０は、図５Ａに示されるように、最初に酸化物層１１が設けられ、その上部にシリコン層１２が堆積される。シリコン層１２は、図示されない感光性レジストによって覆われ、感光性レジストはリソグラフィによってパターニングされる。パターン形成されたレジストは、次に、現像されて、図４に表された共振器素子２０と、支持要素２１および２２と、アンカー要素２３および２４と、アクチュエータ３０のレジストによって覆われた表面領域を生成し、一方、表面の残りの部分はこのレジストがない。レジストによって部分的に覆われた表面は、次にエッチングされ、このエッチングはシリコン層１２のレジストによって覆われていない部分を選択的に除去する。エッチングの結果は図５Ｂに表されている。続いて、前のエッチングによって露出させられた酸化物層１１は、２番目のエッチングステップにおいてエッチングされる。このエッチングステップは、酸化物層１１のすべての露出した部分と、その上にこれらの部分に隣接した酸化物の一部を除去する。２番目のエッチングステップの結果として、図５Ｃにおけるシリコン層１２の中央部分は基板から解放されている。それらは共振器素子２０を形成する。同じエッチングステップで、同様に支持要素２１および２２の下にある酸化物層１１は、共振器素子２０がアンカー要素２３および２４だけを用いて基板１０に取り付けられるように除去される。
【００７４】
共振器素子２０は長手方向に２個の外端を有する。外端のそれぞれには、導電性アクチュエータ３０の対応する電極が対向する。アクチュエータ３０は、共振器素子２０を弾性的に変形させるため、共振器素子２０に関して作動電位差ＶＩＮを受け取ることが可能である。作動電位差はトランスデューサ１に供給された入力信号の関数である。入力信号に加えて、作動電位差は、たとえば、ＤＣ成分をさらに含む。弾性変形は、図４に示された量ｄｌによる長さｌの変化を含む。
【００７５】
共振器素子２０は、共振器素子２０の中で電流を導通させることができる回路の一部である。この回路は図１に示され、図１を参照して説明された回路と同一でもよい。
【００７６】
共振器素子２０は、開放空間を備えた中心部分１９を含むので、長さｌの変化ｄｌの関数であるオーム抵抗Ｒを備えた抵抗器を構成する。共振器素子２０は、２本の相互に平行するビームを含み、それぞれのビームは支持要素２１および２２にそれぞれ貼り付けられる。２本のビームは素子２０５によって２個の外端で互いに接続される。中心部分１９は上記のリソグラフィステップとエッチングステップの間に生成される。中心部分は支持要素２２から支持要素２１へ一直線に電流が流れることを阻止する。電流は共振器素子２０によって形成された導電性パスに従わなければならない。この導電性パスは長手方向に延在する。
【００７７】
共振器素子２０は、長手方向に第１の長さを有する第１の部分２０１と、長手方向に第２の長さを有する第２の部分２０２とによって構成される。図４に表された実施形態において、第１の長さは第２の長さと等しく、０．５×ｌによって与えられる。図示されない別の実施形態では、第１の長さは第２の長さと異なる。それは、たとえば、０．２５×ｌである。同様に図示されないさらに別の実施形態では、第２の部分２０２は省かれる。弾性変形は、第１の弾性力Ｆ１によって対抗される第１の長さの変化と、第２の弾性力Ｆ２によって対抗される第２の長さの変化とを含む。アクチュエータ３０は２個の実質的に同一である電極を含み、電極のそれぞれは実質的に同じギャップｇによって共振器素子２０の外端から分離されるので、第１の弾性力Ｆ１および第２の弾性力Ｆ２は、共振器素子２０の中央に位置している変形しない部分２０３において実質的に互いに補償する。共振器素子２０は、変形しない部分２０３に含まれる支持領域２０４において支持要素２１および２２によって基板１０に取り付けられる。このようにして、機械エネルギーの流れは制限され、Ｑファクタは比較的高く、結果として比較的大きい信号を生じる。
【００７８】
支持領域２０４は、第１の共振器接点２５０と、共振器素子２０に含まれる導電性パスによって第１の共振器接点２５０に電気的に接続された第２の共振器接点２６０とを含む。この導電性パスは、変形しない部分２０３の外側であり、かつ、素子２０５の内側にポイントＰを含む。共振器素子２０は長手方向に外端を有し、ポイントＰはその外端にある。
【００７９】
図４に表された共振器素子２０は、導電性パスを構成する第１の導電率を有する第１の材料と、第１の導電率より小さい第２の導電率を有する第２の材料とを含む。本実施形態では、第１の材料はシリコンであり、第２の材料は空気である誘電体材料を含む。シリコンは、結晶方位［１１０］、［１１１］または［１００］を有する結晶シリコンを含む。
【００８０】
或いは、トランスデューサ１は、第２の材料が１Ｐａより低い圧力を有する低圧ガスを含むようにカプセル化され、中心部分１９が望ましくない電気的短絡を引き起こす汚染物から実質的に免れるという効果を奏する。後述の別の実施形態では、第２の材料は固体の誘電体である。中心部分１９のために、第１の共振器接点２５０から、ポイントＰから離されている第２の共振器接点２６０までのあらゆるパスは、第２の材料を含む。
【００８１】
長さｌ＝３６０μｍ、幅ｂ＝８μｍ、図４に示された厚さｔがｔ＝２．６７μｍ、および、高さｈ＝１０μｍである共振器素子２０の場合、ビームの固有振動数は約１２ＭＨｚである。
【００８２】
図６Ａおよび６Ｂに示された別の実施形態では、共振器素子２０は、基板１０の主表面と直交した方向で支持要素２１および２２によって基板１０に取り付けられる。これらの実施形態において、共振器素子２０の中心部分１９は、たとえば、酸化珪素または窒化珪素のような誘電体で満たされる。寸法がμｍのオーダー以下である比較的小さい中心部分１９の場合、エッチング剤の残留物を残すことなく、エッチング剤を除去するときに共振器素子２０を形成する２本の平行ビームの間に接点を生成することなく、エッチングによって開放空間１９を生成することは困難であることが多い。後述の製造プロセスの間に中心部分１９を誘電体で満たすことにより、これらの困難は大部分が回避される。注意すべきことは、図６Ａおよび６Ｂがトランスデューサ１のうち図１に示され、図１を参照して説明された実施形態と異なる部分だけを表すことである。
【００８３】
図６Ａに示された実施形態では、共振器素子２０は半径ｒを有する円形状であり、リング状のギャップｇを構成するアクチュエータ３０によって半径方向に囲まれる。アクチュエータ３０は、半径方向に、すなわち、輪郭モードで共振器素子２０を弾性変形させるため共振器素子２０に関して電気的作動電位差をもつことが可能である。このタイプの共振器素子２０は同様に長手方向に延在して長さｌを有し、この長手方向はどちらの半径方向でもよく、この方向における長さｌは半径ｒと同一である。弾性変形は、半径の変化ｄｒと同一である長さの変化ｄｌを含む。このような共振器素子は、比較的高い周波数、たとえば、１０ＭＨｚより上、または、さらに１５０ＭＨｚより上の周波数に特に適している。共振器素子は、比較的高い、たとえば、７０００より上、または、それよりさらに高いＱファクタを有する。
【００８４】
共振器素子２０は、円形状の相互に平行するプレート１８ａおよび１８ｂにより構成され、それらのプレートの外端がリング状の素子２０５によって相互に電気的に接続される。円形状の素子１８ａおよび１８ｂによって、並びに、リング状の素子２０５によってカプセル化されるのは、共振器素子２０の中心部分１９を構成する円形状の誘電体領域である。上方の円形状プレート１８ａおよび下方の円形状プレート１８ｂは、それぞれ、支持要素２１および２２によって導体１７ａおよび１７ｂに電気的に接続される。このようにして、共振器素子２０は、長さｌ＋ｄｌに対応する実際の半径ｒ＋ｄｒの関数である抵抗Ｒを有するオーム抵抗を構成する。
【００８５】
図６Ｂに表された代替的な実施形態では、共振器素子２０はビーム形状である。共振器素子は、矩形状の相互に平行するプレート１８ｃおよび１８ｄで構成され、長手方向におけるプレートの外端は矩形状素子２０５ａによって接続される。矩形状素子２０５ａから解放されている矩形状プレート１８ｃおよび１８ｄの部分は、窒化珪素を含む中心部分１９によって分離される。図６Ａに表された実施形態と対照的に、中心部分１９はこの場合完全にはカプセル化されない。図６Ａに表された実施形態と同様に、トランスデューサ１は、導体１７ａおよび１７ｂと、抵抗器を構成するため共振器素子２０に接触する支持要素２１および２２とをさらに含む。共振器素子は図１および４に表されたアクチュエータと類似したアクチュエータ３０を含む。
【００８６】
図６Ａおよび６Ｂに表されたトランスデューサ１は以下の方法によって製造される。図６Ａおよび６ＢにおけるＶＩＩ−ＶＩＩによるトランスデューサ１は、図７Ａ乃至７Ｈに製造プロセスの種々の段階で表されている。基板１０は、最初に、たとえば、窒化珪素を含む誘電体層１１によって覆われる。誘電体層１１の上部に、たとえば、リソグラフィおよびエッチングによってパターン形成された多結晶シリコンの層を堆積することにより導体１７ｂが形成される。これらのステップの結果は図７Ａに表されている。
【００８７】
続いて、たとえば、二酸化珪素で作られたさらなる誘電体層１０２が堆積され、図７Ｂに表された開口１０３ａが誘電体層に生成され、導体１７ｂの一部を露出させる。次に、多結晶シリコンの膜１０４が誘電体層１０２を覆うために堆積され、それによって、開口１０３ａを満たし、支持要素２１を生成する。膜１０４の上部に、付加的な誘電体層が堆積され、図７Ｃに示されていないその中の中心部分１９は、たとえば、リソグラフィおよびエッチングを使用して形成される。この構造体の上部に、さらなる多結晶シリコンの膜が、図７Ｄに表されるように、堆積される。
【００８８】
次のステップにおいて、共振器素子２０およびアクチュエータ３０は、共振器素子２０およびアクチュエータ３０のないすべての領域で多結晶シリコンをエッチング除去し、それによって、図７Ｅに表されたギャップｇを画定することにより、層１０４および１０６と中心部分１９とから形成される。この構造体の上部に、二酸化珪素を含む次の誘電体層１０７が堆積され、図７Ｆに表された開口１０３ｂがその誘電体層に形成され、共振器素子２０の一部である層１０６の一部を露出させる。次に、たとえば、アルミニウム、タングステン、銅、または、多結晶シリコンからなる導電性膜が、誘電体層１０４を覆うために堆積され、それによって、開口１０３ｂを満たし、支持要素２２を生成する。この金属膜から、図７Ｇに表された導体１７ａがリソグラフィおよびエッチングによって次に形成される。最後に、誘電体層１０２および１０７の殆どの部分はエッチング除去され、図６Ａおよび６Ｂにそれぞれ表されたトランスデューサ１を生じる。誘電体材料で満たされた中心部分１９を有する図６Ｂに表されたトランスデューサ１を製造するとき、この誘電体材料が誘電体層１０２および１０７の誘電体材料と異なり、後者の層が中心部分１９の誘電体材料に関して選択的にエッチングされることが不可欠である。この理由のため、中心部分１９は窒化珪素で作られ、一方、層１０２および１０７は二酸化珪素を含む。
【００８９】
要約すると、電気的入力信号を電気的出力信号に変換する電気機械的トランスデューサ１は、共振器素子２０と、共振器素子２０の弾性変形を生じさせるアクチュエータ３０とを含む。弾性変形は、電気的入力信号に依存し、電気的入力信号が実質的に共振器素子の共振周波数で変化する信号成分を含むときに共振的に強められる。電気的出力信号は弾性変形の関数である。共振周波数は、動作温度における公称周波数と、公称周波数からの温度依存性周波数偏差とを含む。共振器素子の共振周波数を安定化させるため、電気機械的トランスデューサ１は、共振器素子２０の温度の関数である電気的検出信号を供給する検出素子４０と、共振周波数を公称周波数と実質的に等しく維持するように温度依存性周波数偏差を減少させるため共振器素子を加熱する加熱素子５０とをさらに含む。加熱素子５０は電気的検出信号から得られた電気的加熱信号によって制御される。
【００９０】
上記の実施形態は本発明を限定するのではなく例示すること、並びに、当業者は特許請求の範囲の意図から逸脱することなく多数の代替的な実施形態を設計し得ることに注意すべきである。請求項中、括弧内に入れられた参照符号は請求項を限定していると解釈されるべきでない。用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、請求項に記載されていない要素またはステップの存在を除外しない。要素の前に置かれた冠詞「ａ」または「ａｎ」は複数個のこのような要素の存在を除外しない。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】概略図である。
【図２】図１の線ＩＩ−ＩＩによる電気機械的トランスデューサの断面図である。
【図３Ａ】製造プロセスのある段階における図１の線ＩＩＩ−ＩＩＩによる電気機械的トランスデューサの断面図である。
【図３Ｂ】製造プロセスのある段階における図１の線ＩＩＩ−ＩＩＩによる電気機械的トランスデューサの断面図である。
【図３Ｃ】製造プロセスのある段階における図１の線ＩＩＩ−ＩＩＩによる電気機械的トランスデューサの断面図である。
【図３Ｄ】製造プロセスのある段階における図１の線ＩＩＩ−ＩＩＩによる電気機械的トランスデューサの断面図である。
【図４】共振器素子、アクチュエータおよびアンカー要素だけを表すトランスデューサの一実施形態の部分平面図である。
【図５Ａ】製造プロセスのある段階における図４のＶ−Ｖによるトランスデューサの断面図である。
【図５Ｂ】製造プロセスのある段階における図４のＶ−Ｖによるトランスデューサの断面図である。
【図５Ｃ】製造プロセスのある段階における図４のＶ−Ｖによるトランスデューサの断面図である。
【図６Ａ】共振器素子、アクチュエータおよびアンカー要素だけを表すトランスデューサの他の実施形態の部分平面図である。
【図６Ｂ】共振器素子、アクチュエータおよびアンカー要素だけを表すトランスデューサの他の実施形態の部分平面図である。
【図７Ａ】製造プロセスのある段階における図６Ａおよび６ＢのＶＩＩ−ＶＩＩによるトランスデューサの断面図である。
【図７Ｂ】製造プロセスのある段階における図６Ａおよび６ＢのＶＩＩ−ＶＩＩによるトランスデューサの断面図である。
【図７Ｃ】製造プロセスのある段階における図６Ａおよび６ＢのＶＩＩ−ＶＩＩによるトランスデューサの断面図である。
【図７Ｄ】製造プロセスのある段階における図６Ａおよび６ＢのＶＩＩ−ＶＩＩによるトランスデューサの断面図である。
【図７Ｅ】製造プロセスのある段階における図６Ａおよび６ＢのＶＩＩ−ＶＩＩによるトランスデューサの断面図である。
【図７Ｆ】製造プロセスのある段階における図６Ａおよび６ＢのＶＩＩ−ＶＩＩによるトランスデューサの断面図である。
【図７Ｇ】製造プロセスのある段階における図６Ａおよび６ＢのＶＩＩ−ＶＩＩによるトランスデューサの断面図である。
【図７Ｈ】製造プロセスのある段階における図６Ａおよび６ＢのＶＩＩ−ＶＩＩによるトランスデューサの断面図である。
【符号の説明】
【００９２】
１０  基板
２０  共振器素子
２１、２２  支持要素
２３、２４  アンカー要素
３０  アクチュエータ
３１  電極
４０  検出素子
５０  加熱素子
６０  第１の抵抗器
６１  基準抵抗器
６２  第２の抵抗器
７０  電気的エネルギー源
７１  演算増幅器
７２  電圧源
９０  導電層
９１  埋め込み領域
９２  誘電体層
２０１  第１の部分
２０２  第２の部分
２０３  変形しない部分
２０４  支持領域
２０５  リング状の素子
２５０  第１の共振器接点
２６０  第２の共振器接点
【図１】
2007505543.tif 000003
【図２】
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【図３Ａ】
2007505543.tif 000005
【図３Ｂ】
2007505543.tif 000006
【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
2007505543.tif 000013
【図６Ｂ】
2007505543.tif 000014
【図７Ａ】
2007505543.tif 000015
【図７Ｂ】
2007505543.tif 000016
【図７Ｃ】
2007505543.tif 000017
【図７Ｄ】
2007505543.tif 000018
【図７Ｅ】
2007505543.tif 000019
【図７Ｆ】
2007505543.tif 000020
【図７Ｇ】
2007505543.tif 000021
【図７Ｈ】
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【国際調査報告】
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