(57)【要約】動作周波数範囲に特徴を有し、動作周波数範囲内に少なくとも１つの機械的共振を有する共振構造（２１）を有する圧電絶縁変換器（２０）。共振構造は、絶縁性基板（３０）、第１の電気音響変換器（４０）、及び、第２の電気音響変換器（５０）を含む。基板は、第１の主表面、及び、第１の主表面とは反対側の第２の主表面を有する。第１の電気音響変換器は、第１の主表面上に機械的に結合される。第２の電気音響変換器は、第２の主表面上に機械的に結合される。変換器の一方は、動作周波数範囲内の入力電力を音響エネルギーに変換し、その音響エネルギーで共振構造に機械的振動を発生させる働きをする。他方の変換器は、その機械的振動を出力電力に変換する。
2008518441.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
動作周波数範囲に特徴を有する圧電絶縁変換器（２０、１２０、２２０、３２０）であって、前記動作周波数範囲内に少なくとも１つの機械的共振を有する共振構造（２１）を含むものにおいて、前記共振構造が、
第１の主表面（３２、３２ａ、８５）、及び、前記第１の主表面とは反対側の第２の主表面（３４、３３、８７）を有する絶縁性基板（３０、３０ａ、８２）と、
前記基板の前記第１の主表面及び前記第２の主表面にそれぞれ機械的に結合された第１の電気音響変換器（４０）及び第２の電気音響変換器（５０）であって、前記電気音響変換器のうちの一方が、前記動作周波数範囲内の入力電力を音響エネルギーに変換し、該音響エネルギーによって前記共振構造に機械的振動を発生させ、他方の前記電気音響変換器が、前記機械的振動を出力電力に変換するように構成される、第１の電気音響変換器（４０）及び第２の電気音響変換器（５０）と
を含む、圧電絶縁変換器。
【請求項２】
前記第１の電気音響変換器は、下側電極（４２）、上側電極（４６）、及び、それらの電極間に配置された圧電層（４４）を含む、請求項１に記載の圧電絶縁変換器。
【請求項３】
前記絶縁層は、第１の基板（１３２）及び第２の基板（１３４）を含み、
前記第１の電気音響変換器は、前記第１の基板上に配置され、
前記第２の電気音響変換器は、前記第２の基板上に配置され、
前記第１の基板と前記第２の基板は、前記第１の電気音響変換器が前記第２の電気音響変換器の変換器の反対側にくるようにして互いに接合される、
請求項１に記載の圧電絶縁変換器。
【請求項４】
前記圧電絶縁変換器は、前記絶縁性基板（８２）に接合された別の基板（９２）を更に含み、該別の基板にキャビティ（９４）が画定され、
前記第１の電気音響変換器は、前記キャビティの中に配置される、請求項１に記載の圧電絶縁変換器。
【請求項５】
前記圧電絶縁変換器は、前記絶縁性基板を貫通して延び、前記第１の電気音響変換器に電気的に接続されたバイア（８０）を更に含む、請求項５に記載の圧電絶縁変換器。
【請求項６】
前記出力電力及び前記入力電力は、対応する電圧の比が、前記入力電力の周波数と前記少なくとも１つの共振周波数との間の関係によって決まることを特徴とする、請求項１〜５のうちのいずれか一項に記載の圧電絶縁変換器。
【請求項７】
発振器（１２）と、
整流器（６０）と、
請求項１〜６のうちのいずれか一項に記載の圧電絶縁変換器（２０、１２０、２２０、３２０）であって、前記発振器から前記入力電力を受け取るために前記発振器に電気的に接続され、前記出力電力を前記整流器に供給するために前記整流器に電気的に接続された圧電絶縁変換器と
からなるＤＣ−ＤＣコンバータ（１１０）。
【請求項８】
前記整流器はブリッジ整流器からなる、請求項７に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項９】
前記発振器は、周波数制御入力（６５）を有し、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記整流器と前記発振器の前記周波数制御入力との間に接続されたフィードバックループ（６４、４２０、６６、６８）を更に含み、該フィードバックループが、別の圧電絶縁変換器（４２０）を更に含む、請求項７に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項１０】
前記別の圧電絶縁変換器は、入力及び出力を有し、
前記フィードバックループは、
前記整流器からＤＣ信号を受信するように電気的に接続され、前記圧電絶縁変換器の前記出力からＡＣキャリア信号を受信するように電気的に接続された変調器（６４）であって、前記別の圧電絶縁変換器の前記出力に電気的に接続された出力を有する変調器（６４）と、
前記別の圧電絶縁変換器の前記出力に電気的に接続された復調器（６６）であって、出力を有する復調器（６６）と、
基準及び前記復調器の前記出力に接続された入力を有し、前記発振器の前記周波数制御入力に接続された出力を更に有するコンパレータ（６８）と
を含む、請求項９に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項１１】
前記別の圧電絶縁変換器（４２０）は、前記ＡＣキャリア信号の周波数に応じて決まる前方透過率を有し、
前記変調器は、前記ＤＣ信号に応答して前記ＡＣキャリア信号を変調し、前記別の圧電絶縁変換器の前記前方透過率とは無関係の変調特性を有する変調されたキャリア信号を生成する、請求項１０に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項１２】
前記圧電絶縁変換器及び前記別の圧電絶縁変換器に共通に接続された基板（６９）を更に含む、請求項９に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項１３】
前記圧電絶縁変換器は、第１の主表面及び該第１の主表面とは反対側の第２の主表面を有する電気的に絶縁性の基板（３０）、並びに、前記基板の前記第１の主表面及び前記第２の主表面にそれぞれ機械的に結合された第１の電気音響変換器（４０）及び第２の電気音響変換器（５０）を含み、
前記第２の電気音響変換器は、逆層の電圧を出力するように電気的に直列に接続された第１の下位変換器及び第２の下位変換器を含む、請求項７に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項１４】
圧電絶縁変換器を製造する方法であって、
第１の主表面、及び、該第１の主表面とは反対側の第２の主表面を有する絶縁性基板を用意するステップと、
前記基板の前記第１の主表面上に第１の電気音響変換器を形成するステップと、
前記第１の電気音響変換器とは反対側の前記基板の前記第２の主表面上に第２の電気音響変換器を形成するステップと
からなる方法。
【請求項１５】
前記絶縁性基板は、
少なくとも一部が導電性の基板（１３６）と、
前記第１の変換器と前記第２の変換器の間に配置された絶縁材料の層（１３１）と
を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記方法は、各基板が第１の主表面及び該第１の主表面とは反対側の第２の主表面を有する第１の基板（１３２）及び第２の基板（１３４）を用意するステップを更に含み、
前記第１の電気音響変換器を形成するステップは、前記第１の電気音響変換器を前記第１の基板の前記第１の主表面上に形成することからなり、
前記第２の電気音響変換器を形成するステップは、前記第２の電気音響変換器を前記第２の基板の前記第１の主表面上に形成することからなり、
前記絶縁性基板を用意するステップは、前記第１の電気音響変換器が前記第２の電気音響変換器の反対側になるようにして、前記第１の基板の前記第２の主表面を前記第２の基板の前記第２の主表面に接合することからなる、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記方法は、
第１の主表面及び該第１の主表面とは反対側の第２の主表面を有する別の基板（９２）を用意するステップと、
前記別の基板の前記第１の主表面から前記別の基板の中にまで延びるキャビティ（９４）を前記別の基板に形成するステップと、
前記第１の変換器が前記キャビティの中に配置されるようにして、前記絶縁性基板（８２）の前記第１の主表面と前記別の基板の前記第１の主表面を接合するステップと
を更に含み、前記第２の電気音響変換器を形成するステップは、前記接合後に、前記第２の電気音響変換器を前記第１の電気音響変換器とは反対側の前記絶縁性基板の前記第２の主表面上に形成することからなる、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記方法は、
前記絶縁性基板の前記第１の主表面から延びる接点バイア（８０ａ）を前記絶縁性基板（８２）に形成するステップと、
前記接点バイアに接触する接点パッド（４８ａ）を形成するステップと
を更に含み、前記第１の電気音響変換器を形成するステップは、前記第１の電気音響変換器を前記接点バイアに電気的に接続された前記絶縁性基板の前記第１の主表面上に形成することからなる、請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
前記絶縁性基板の前記第２の主表面から基板材料を除去し、前記絶縁性基板の前記第２の主表面にある前記接点バイアを露出させるステップを更に含む、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
背景技術
圧電絶縁変圧器は、電気的素子間を絶縁する働きをする。従来の絶縁変圧器は、磁気結合を利用し、伝統的に線周波数で動作する。線周波数で動作する絶縁変圧器は、大きくて重く、絶縁変圧器が絶縁する対象の回路要素に一体化させることが難しい。比較的最近になって、線周波数よりも実質的に高い周波数で動作する絶縁変圧器が紹介された。こうした絶縁変圧器はサイズや重さが低減されているが、それでもまだ、絶縁変圧器が絶縁する対象の回路要素に一体化させることは依然として難しい。光結合器や微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスによる低電力絶縁も可能である。しかしながら、これらのデバイスの送電能力は数ミリワットに制限される。
【０００２】
したがって、絶縁能力を有し、数ミリワットよりも大きな電力を伝送することが可能な電力絶縁装置が必要とされている。用途によっては、絶縁する対象の電気回路に一体化させることが可能な電力絶縁装置が更に必要とされる場合がある。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
概要
この要求は本発明によって満たされる。本発明の第１の実施形態において、圧電絶縁変圧器は、動作周波数範囲に特徴を有し、動作周波数範囲内において少なくとも１つの機械的共振を有する共振構造を有する。共振構造は、絶縁構造、第１の電気音響変換器、及び、第２の電気音響変換器を含む。基板は、第１の主表面、及び、該第１の主表面とは反対側の第２の主表面を有する。第１の電気音響変換器は、第１の主表面に機械的に結合される。第２の電気音響変換器は、第２の主表面に機械的に結合される。一方の変換器は、動作周波数範囲内の入力電力を音響エネルギーに変換し、その音響エネルギーによって共振構造に機械的振動を発生させる。他方の変換器は、その機械的振動を出力電力に変換する。
【０００４】
本発明の第２の実施形態において、ＤＣ−ＤＣコンバータは、発振器、整流器、及び、圧電絶縁変圧器を含む。圧電絶縁変圧器は、発振器に電気的に接続された入力部と、整流器に電気的に接続された出力部とを有する。任意選択で、ＤＣ−ＤＣコンバータは、更に別の圧電絶縁変圧器を利用するフィードバック型調整器を含む場合がある。それらの圧電絶縁変圧器は通常、同じ基板上に作成される。
【０００５】
本発明の第３の実施形態として、製造方法を開示する。絶縁性基板を用意する。絶縁性基板は、第１の主表面、及び、第１の主表面の反対側の第２の主表面を有する。基板の第１の主表面上に第１の電気音響変換器を形成し、基板の第２の主表面上に第２の電気音響変換器を形成する。
【０００６】
本発明の他の態様及び利点は、本発明の原理を例として示す添付の図面とともに、下記の説明を読むことにより、明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
詳細な説明
次に、本発明の種々の実施形態を示す図面を参照し、本発明について説明する。図中、種々の構造又は部分のサイズは、例示のために強調され、他の構造又は部分に比べて同じ縮尺ではない場合があり、したがって、それらは本発明の一般的構造を示している。また、本発明の種々の態様は、他の構造又は部分、あるいはそれら両方の「上」又は「上方」に位置する構造又は部分を参照して説明される。例えば、「上」又は「上方」といった相対的用語及びフレーズは、本明細書では、図面に描かれているような他の構造又は部分に対する或る構造を、あるいは構造の関係を説明するために使用される。これらの相対的用語は、図面に描かれた向きだけでなく、装置の他の向きも含むものとして解釈される。例えば、図面上の装置が、反転され、若しくは、回転され、あるいはそれら両方がなされた場合、他の構造又は部分の「上」又は「上方」と記載された構造又は部分は、今度は、他の構造又は部分の「下」、「下方」、「左」、「右」、「正面」、又は、「背面」になる場合がある。他の構造又は部分の「上」又は「上方」にある構造又は部分と言った場合、それらの間には更に別の構造又は部分が介在する場合もあると解釈される。介在する構造又は部分がなく、他の構造又は部分の「上」又は「上方」に形成された構造又は部分を指す場合、本明細書では、他の構造又は他の部分の「上に直接」又は「上方に直接」形成されると記載する。本明細書全体を通じて、同じ要素には同じ参照符号が使用される。
【０００８】
例示目的の図面に示されているように、本発明の実施形態は、動作周波数範囲に特徴を有する共振構造を備えた圧電絶縁変換器として例示される。共振構造は、動作周波数範囲内において少なくとも１つの機械的共振を有する。共振構造は、絶縁性基板、第１の電気音響変換器、及び、第２の電気音響変換器を含む。基板は、第１の主表面、及び、第１の主表面とは反対側の第２の主表面を有する。第１の電気音響変換器は第１の主表面に機械的に結合される。第２の電気音響変換器は第２の主表面に機械的に結合される。一方の電気音響変換器は、動作周波数範囲内の入力電力を音響エネルギーに変換し、その音響エネルギーによって共振構造に機械的共振を発生させる。他方の電気音響変換器は、その機械的共振を出力電力に変換する。
【０００９】
第１の変換器及び第２の変換器は、電力から音響エネルギーへの変換、及び、音響エネルギーから電力への変換を行う圧電電気音響変換器のような電気音響変換器である。第１の電気音響変換器に印加された、共振構造の共振周波数の１つを有する、又は、その共振周波数に近い動作周波数を有する入力電力（交流（ＡＣ）電力、又は、パルス上の直流（ＤＣ）電力）は、第１の電気音響変換器によって音響エネルギーに変換される。この音響エネルギーは、共振構造に動作周波数の機械的振動を発生させる。入力電力を連続的に印加することで、共振周波数の音響エネルギーが共振構造に蓄積される。第２の電気音響変換器は、この共振器の機械的振動を出力電力に変換する。本明細書の開示において、ＡＣという用語は、パルス状のＤＣも含むものと解釈される。
【００１０】
本発明の圧電絶縁変換器の動作周波数は、数十メガヘルツ又は数百メガヘルツ程度であり、電力絶縁変換器において一般的に使用されている周波数よりもかなりに高い。動作周波数が高いため、圧電絶縁変換器は、従来のいずれの絶縁変換器よりも実質的に小型にすることができる。圧電絶縁変換器は、１平方ミリメートル未満の面積ダイにおいて実施することができる。このサイズは、既存のどの電気的アイソレータや変換装置よりも小さい。圧電絶縁変換器は小さいので、既知の従来の集積回路（ＩＣ）製造方法を使用して、数千もの圧電絶縁変換器を同時に製造することが可能である。その結果、本発明の圧電絶縁変換器は、従来のアイソレータや変換器に比べて、低コストで大量に製造することができる。
【００１１】
本発明の圧電絶縁変換器は、そのサイズが小さく、その製造プロセスが既存のＩＣ製造プロセスと互換性を有するため、圧電絶縁変換器によって絶縁する対象の他の回路と共に１つのチップ上に作成することができる。性能に関しては、本発明の圧電絶縁変換器は、ＤＣから約１ＧＨｚの周波数範囲において良好な電気的絶縁が可能である。例えば、本発明の圧電絶縁変換器は、イーサネット（登録商標）ネットワークアダプタのような電気通信の用途に使用されるＩＣチップにおいて有用である場合がある。
【００１２】
また、本発明によれば、電気的アイソレータや変換器のコストが大幅に低減されるだけでなく、高速デジタル回路や高速アナログ回路のオンチップ絶縁のような、アイソレータや変換器の新たな用途も可能になる。また、こうした新たな用途には、例えば、生命維持システムにおける回路間の電力の絶縁が重要であることが判明している医療用途のような、比較的大電力な環境における電力絶縁も含まれる。
【００１３】
図１Ａは、本発明の一実施形態による圧電絶縁変換器２０を示している。図１Ａを参照すると、圧電絶縁変換器２０は、動作周波数範囲内において少なくとも１つの機械的共振を有する共振構造２１として実施される。典型的な実施形態において、動作周波数範囲の中心周波数は、約２０ＭＨｚ〜約５００ＭＨｚの範囲にある。本明細書に記載する例示的実施形態の動作周波数範囲の中心周波数は、約２００ＭＨｚである。
【００１４】
共振構造２１は、絶縁構造２０、第１の電気音響変換器４０、及び、第２の電気音響変換器５０から構成される。基板３０は、第１の主表面３２、及び、第１の主表面３２とは反対側の第２の主表面３４を有する。第１の電気音響変換器４０は、基板３０の第１の主表面３２に機械的に結合される。第２の電気音響変換器５０は、基板３０の第２の主表面３４に機械的に結合される。
【００１５】
基板３０の材料は、抵抗値の高いシリコン、アルミナ、ガラス、セラミック、サファイア、又は、１以上の任意数の電気的絶縁材料である。あるいは、基板は、その少なくとも一部が、導電性の材料、及び、少なくとも１つの絶縁層から構成される。絶縁性基板、又は、絶縁層は、第１の電気音響変換器４０を第２の電気音響変換器５０から電気的に絶縁するとともに、圧電絶縁変換器２０を電気的に絶縁性にする。
【００１６】
電気音響変換器４０及び５０は、例えば、薄膜電気音響変換器である。変換器４０及び５０はそれぞれ、入力ＡＣ電力を音響エネルギーに変換し、及び、音響エネルギーを出力ＡＣ電力に変換する働きをする。
【００１７】
基板３０、並びに、電気音響変換器４０及び５０を含む共振構造２１は、動作周波数範囲内の少なくとも１つの共振周波数において機械的に共振する構造を有する。通常、共振構造２１は、動作周波数範囲内において２以上の共振周波数を有する。
【００１８】
図示の実施形態において、第１の電気音響変換器４０は薄膜電気音響変換器であり、下側電極４２、圧電層４４、及び、上側電極４６を有する。圧電層４４を間に挟む電極４２及び４４は導電性材料から形成され、例えば、金（Ａｕ）やプラチナ（Ｐｔ）から形成される。電極４２及び４４は、圧電絶縁変換器２０のＡＣ入力端子１３に電気的に接続される。圧電層４４の材料は任意の適当な圧電材料であり、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３（ＰＺＴ）が使用される。例えば厚み４１のような第１の電気音響変換器４０の寸法及び全体的質量は、動作周波数のようなファクタによって異なる場合がある。
【００１９】
第２の電気音響変換器５０は薄膜電気音響変換器であり、下側電極５２、圧電層５４、及び、上側電極５６を有する。圧電層５４を間に挟む電極５２及び５４は導電性材料から形成され、例えば、金（Ａｕ）又はプラチナ（Ｐｔ）から形成される。電極５２及び５４は、圧電絶縁変換器２０のＡＣ出力端子１５に電気的に接続される。圧電層５４の材料は任意の適当な圧電材料であり、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３（ＰＺＴ）が使用される。例えば厚さ４１のような第１の電気音響変換器５０の寸法及び全体的質量は、動作周波数のようなファクタによって異なる場合がある。
【００２０】
第１及び第２の電気音響変換器４０及び５０は通常、公称で動作周波数に等しい周波数において機械的共振を有する。ただし、図４を参照して後で詳しく説明するように、電気音響変換器の機械的共振は、共振構造２１の共振に比べて、実質的にＱが小さい。具体的には、第１の電気音響変換器４０の厚さ４１はその電気音響変換器の音響波の波長の二分の一の整数倍であり、音響波は公称で動作周波数に等しい周波数を有する。圧電層４４は、第１の電気音響変換器の厚さの大半を考慮するため、厚さ４１は概ね次のようになる可能性がある：ＰＺＴの音速は、１秒あたり約４５００メートル。動作周波数２０６ＭＨｚにおいて、第１の電気音響変換器の音響波の波長は、下記のように計算され、約２２マイクロメートル（μｍ）である。
【００２１】
（４．５×１０３メートル／秒）／（２．０６×１０８）
公称で動作周波数に等しい周波数を有する電気音響変換器の音響波の波長の二分の一の整数倍の厚さを達成するために、第１の電気音響変換器４０は、例えば２２μｍのような厚さ４１を有するように製造される。通常、第１の電気音響変換器４０の厚さ４１は、例えば約１０〜２０μｍである。第１の電気音響変換器４０の水平方向の寸法４３は、数百マイクロメートルから数千マイクロメートルの範囲であり、例えば３００μｍ〜３０００μｍである。第２の電気音響変換器も、同様の構造を有する。
【００２２】
動作周波数を有する入力ＡＣ電力ＩＡＣが、ＡＣ入力端子１３に印加される。第１の電気音響変換器４０は、この入力ＡＣ電力ＩＡＣを音響エネルギーに、すなわち、機械的振動に変換する。この音響エネルギーは、共振構造２１に動作周波数の機械的振動を発生させる。入力ＡＣ電力ＩＡＣの周波数は、共振構造２１の共振周波数のうちの１つ、又はそれに近い周波数である。
【００２３】
図２Ａは、図１Ａに示した入力ＡＣ電力ＩＡＣの電圧波形の一例を示している。電圧波形１３ａは、例えば２０６ＭＨｚのような動作周波数で交番する２極方形波である。あるいは、図１Ａに示す入力ＡＣ電力ＩＡＣは、図２Ｂに示すような電圧波形１３ｂを有するパルス状のＤＣ電圧波形であり、動作周波数で交番する単極方形波であってもよい。本明細書では便宜上、ＡＣという用語は、例えばＡＣ電圧波形１３ａのような２極ＡＣだけでなく、例えばパルス状電圧波形１３ｂのような単極パルスＤＣも含むものとして解釈される。
【００２４】
図１Ａを再度参照すると、入力ＡＣ電力ＩＡＣに応じて第１の電気音響変換器４０によって生成される音響エネルギーは、共振構造２１を動作周波数で共振させる。共振構造２１の共振周波数は、基板３０、第１の電気音響変換器４０、及び、第２の電気音響変換器５０の全てによって決まるが、それらの共振周波数は主に、基板３０の厚さ、及び、基板材料中の音の速度によって決まる。したがって、共振構造２１の共振周波数は主に、基板の厚さ及び材料によって決まる。動作周波数は、それらの共振周波数のうちの１つに等しくなるように選択される。例えば、基板３０の厚さ３１は、公称で動作周波数に等しい周波数を有する音響波の基板中での波長の二分の一の整数倍である。シリコン中での音の速度は１秒あたり約８５００メートルである。２０６ＭＨｚの動作周波数において、公称でこの動作周波数に等しい周波数を有する音響波の基板３０中での波長は、下記の式によって計算され、約４１マイクロメートルである。
【００２５】
（８．５×１０３メートル／秒）／（２．０６×１０８）
したがって、基板３０は、（４１／２）マイクロメートルの整数倍、例えば１６４μｍ（半波長の８倍）の厚さ３１を有する。通常、基板３０は、１００マイクロメートル程度の厚さ３１を有する。
【００２６】
第１の電気音響変換器４０からの音響エネルギーは、共振構造２１に共振、すなわち機械的振動を発生させる。また、入力ＡＣ電力ＩＡＣを第１の電気音響変換器４０に継続的に印加し続けると、共振構造２１の中に動作周波数の音響エネルギーが蓄積される。共振構造２１の機械的振動は、第２の電気音響変換器５０を刺激する。第２の電気音響変換器５０は、その機械的振動を出力端子１５に供給される出力ＡＣ電力ＯＡＣに変換する。
【００２７】
図３Ａは、図２Ａに示した２極入力ＡＣ電圧波形１３ａに応答して第２の電気音響変換器５０によって生成される出力ＡＣ電力ＯＡＣの電圧波形１５ａを示している。図３Ｂは、図２Ｂに示したパルス状ＤＣ電圧波形１３ｂに応答して第２の電気音響変換器５０によって生成される出力ＡＣ電力ＯＡＣの電圧波形１５ｂを示している。図３Ａ及び図３Ｂの出力ＡＣ電圧波形１５ａ及び１５ｂは、図２Ａ及び図２Ｂに示した入力ＡＣ電圧波形１３ａ及び１３ｂとそれぞれ同じ周波数を有する。
【００２８】
圧電絶縁変換器２０によって生成される出力ＡＣ電力ＯＡＣは、共振機械構造２１の共振周波数に対する入力ＡＣ電力ＩＡＣの周波数のような種々のファクタによって異なる場合がある。その理由は、圧電絶縁変換器２０は、その共振構造２１の機械的共振によって、入力ＡＣ電力を出力ＡＣ電力に変換するからである。
【００２９】
次に、図４及び図１Ａを参照すると、曲線２２は、圧電絶縁変換器２０の典型的実施形態の計算上の前方透過率Ｓ２１が、例示的な周波数範囲１４０ＭＨｚ〜２６０ＭＨｚにわたって異なることを示している。圧電絶縁変換器２０の前方透過率Ｓ２１は、第２の電気音響変換器５０により出力される出力ＡＣ電力ＯＡＣと、第１の電気音響変換器４０に印加される入力ＡＣ電力ＩＡＣの比である。圧電絶縁変換器２０の計算上の前方透過率を計算する際に、第１及び第２の電気音響変換器４０及び５０の前方透過率Ｓ２１が、指定された周波数範囲にわたって一定であるものと仮定したため、曲線２２は、共振機械構造２１の共振の周波数依存性を示している。共振機械構造２１の機械的共振が複数あることから、例えば２０６ＭＨｚのような特定の動作周波数において曲線２２によって示される前方透過率は、２１５ＭＨｚのような他の動作周波数におけるものよりも大きい。前方透過率は、共振機械構造２１の共振周波数においてピークを有する。なぜなら、曲線２２によって示される前方透過率は複数の周波数においてピークを有し、圧電絶縁変換器２０は複数モードの動作特性を有するものと考えられているからである。
【００３０】
図４も曲線２９を示している。この曲線は、第１の電気音響変換器の典型的実施形態の計算上の前方透過率が、周波数に応じてどのように変化するかを示している。第２の電気音響変換器５０も、同様の前方透過率特性を有する。第１の電気音響変換器４０の計算上の前方透過率は、第１の電気音響変換器４０によって生成される音響エネルギーと、第１の電気音響変換器４０に印加される入力ＡＣ電力ＩＡＣの比である。第１の電気音響変換器の前方透過率特性は、共振機械構造２１の共振のＱよりも実質的に小さいＱを有する共振デバイスに固有のものである。その結果、例えば２０６ＭＨｚ〜２１５ＭＨｚのような周波数範囲にわたって動作周波数を変化させることができ、それにより、圧電絶縁変換器２０の前方透過率を実質的に変化させることができる。ただし、電気音響変換器４０及び５０の前方透過率はあまり変化しない。
【００３１】
図１Ａ及び図１Ｂを再度参照すると、図１Ｂは、圧電絶縁変換器２０の幾つかの実施形態の一部を形成するオプションの整流平滑回路６４を示している。整流平滑回路６４は、ＡＣ出力端子に接続され、第２の電気音響変換器５０によって生成された出力ＡＣ電力ＯＡＣを出力ＤＣ電力ＯＤＣに変換する。整流平滑回路６４は、整流器６０、及び、フィルタコンデンサ６１から構成される。一実施形態において、整流器６０は、半波整流を行う単一のダイオード整流器である。他の実施形態において、整流器６０は、全波整流を行うブリッジ整流器である。ブリッジ整流器は４つのダイオードから構成される。整流平滑回路６４は、出力ＤＣ電力ＯＤＣをＤＣ出力端子１７に伝送する。図１Ｂは、ＤＣ出力端子１７に接続された負荷６２を示している。負荷６２は抵抗器であってもよいが、一般的には、圧電絶縁変換器２０からＤＣ電力を引き出す回路である。
【００３２】
他の実施形態において、第２の電気音響変換器５０は、図１Ｃに示すように２つの下位変換器５０ａ及び５０ｂに分割される場合がある。下位変換器５０ａ及び５０ｂは、基板３０の第１の主表面３２に、図１Ａに示したものと同様にして機械的に結合される。下位変換器５０ａ及び５０ｂは、同じ圧電素子５４を共用するが、個別の電極５２ａ、５６ａ及び５２ｂ、５６ｂを有する。下位変換器５０ａと５０ｂは、逆相の電圧を生成するように直列に接続される。その結果、図１Ｃに示す実施形態によれば、２つのダイオードを使用するだけで、全波整流が可能となる。この直列接続は、下位変換器５０ｂの電極５２ｂを下位変換器５０ａの電極５６ａに接続することによって形成される。電極５２ｂと電極５６ａの間の接続は、ＡＣ出力端子１５のうちの１つによってコンデンサ６１の一方の側に接続される。下位変換器５０ａの電極５２ａと下位変換器５０ｂの電極５６ｂは、ＡＣ出力端子１５によって互いに接続され、ダイオード６３によってキャパシタ６１の一方の側に接続される。
【００３３】
図５は、種々の動作周波数における負荷６２の抵抗値に対する、整流平滑回路６４を有する圧電絶縁変換器２０の一実施形態によって伝送される出力ＤＣ電圧の依存性を示すグラフである。図１Ａ、図１Ｂ及び図５を参照すると、曲線２３、２４、２５、２６、２７及び２８は、動作周波数２００ＭＨｚ、２０２ＭＨｚ、２０３ＭＨｚ、２０５ＭＨｚ、２０６ＭＨｚ及び２０７ＭＨｚのそれぞれにおける、負荷６２の抵抗値に対する出力ＤＣ電圧の依存性を示している。図示の例において、負荷６２の抵抗値は、約２オームから約５０オームまでの範囲にある。図５に示す例において、出力ＤＣ電圧は、動作周波数２０６ＭＨｚにおいて最大になっている。この動作周波数は、図４に示した２０６ＭＨｚの共振ピークに対応する。
【００３４】
図６は、動作周波数と出力ＤＣ電圧の関係を種々の方法で示している。曲線１０２は、入力ＡＣ電力ＩＡＣの電圧波形を示している。この電圧は、周波数２００ＭＨｚで、＋１０Ｖのピークと−１０Ｖのピークの間を正弦波のように交番している。周波数２００ＭＨｚの入力ＡＣ電力のとき、出力ＤＣ電力ＯＤＣは約５ＶＤＣの電圧になっている。出力ＤＣ電力の電圧波形は曲線１０４で示されている。図６は、入力ＡＣ電力ＩＡＣの電圧や負荷６２の抵抗値を変化させずに、入力ＡＣ電力１０６の周波数を２００ＭＨｚから２０６ＭＨｚまで変化させたときの影響を示している。入力ＡＣ電力の電圧波形は曲線１０６によって示されている。周波数２０６ＭＨｚの入力ＡＣ電力のとき、出力ＤＣ電力の電圧は約４０Ｖになっている。出力ＤＣ電力の電圧波形は曲線１０８によって示されている。したがって、動作周波数が２０６ＭＨｚであるときに、圧電絶縁変換器２０は、動作周波数が２００ＭＨｚであるときに比べて、約８倍のＤＣ電圧を伝送することができる。これは、図４及び図５に示したグラフにも符号する。
【００３５】
図４、図５及び図６は、図１Ａに示した圧電絶縁変換器の入力電力ＩＡＣに対する出力ＤＣ電力ＯＤＣの比が、動作周波数、すなわち、入力ＡＣ電力ＩＡＣの周波数と、圧電絶縁共振器２０の共振構造２１の共振周波数との間の関係に強く依存することを示している。
【００３６】
図７は、本発明によるＤＣ−ＤＣコンバータの例示的実施形態１１０を示すブロック図である。ＤＣ−ＤＣコンバータ１１０は、図１Ａを参照して上で説明した圧電絶縁変換器２０の一実施形態を含む。図１Ａ、図１Ｂ及び図７を参照すると、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１０は、発振器１２、圧電絶縁変換器２０、及び、整流器６０から構成される。発振器１２は、圧電絶縁変換器２０のＡＣ入力端子１３に接続される。整流器６０は、圧電絶縁変換器２０のＡＣ出力端子１５に接続される。
【００３７】
図７に示す例において、整流器６０は、整流平滑回路６４の一部になっている。発振器１２は、ＤＣ入力端子１１において受信された入力ＤＣ電力ＩＤＣを入力ＡＣ電力ＩＡＣに変換し、それを圧電絶縁変換器２０のＡＣ入力端子１３に供給する。入力ＡＣ電力ＩＡＣの周波数は、圧電絶縁変換器２０の動作周波数範囲内の周波数である。圧電絶縁変換器２０は、発振器１２から受信した入力ＡＣ電力ＩＡＣを上記のように出力ＡＣ電力ＯＡＣに変換し、それをＡＣ出力端子１５に供給する。整流器６０は、圧電絶縁変換器２０の出力ＡＣ端子１５から出力ＡＣ電力ＯＡＣを受信し、その出力ＡＣ電力を整流し、生のＤＣ電力を生成する。図示の例において、整流平滑回路６４は、整流器６０、及び、フィルタコンデンサ６１から構成され、フィルタコンデンサ６１は、その生のＤＣ電力をフィルタリングし、出力ＤＣ電力ＯＤＣをＤＣ出力端子１７に供給する。図７は、ＤＣ出力端子１７に接続された負荷６２を示している。
【００３８】
フィルタコンデンサ６１のキャパシタンスは通常小さい。なぜなら、フィルタコンデンサ６１のキャパシタンスのＲＣ時定数、及び、負荷６２の最小推定抵抗値は、約４ナノ秒（概ね、２０６ＭＨｚの１周期）よりも大きいだけで足りるからである。例えば、１０Ｖの出力ＤＣ電圧を１Ａの最大電流で伝送する実施形態では、最小負荷抵抗値は１０Ωである。そのような実施形態では、コンデンサ６１のキャパシタンスは、約１ナノファラッドである。この値は、比較的低い周波数で動作する電源に使用される数十マイクロファラッド、又は、数百マイクロファラッドに比べて遥かに小さい。フィルタコンデンサ６１の値、及び、整流器６０のダイオードのタイプは、実施形態や動作周波数に応じて様々なものであってよい。
【００３９】
図８Ａ及び図８Ｂは、出力ＤＣ電力ＯＤＣの例示的な電圧波形を示している。図８Ａは、図３Ａに示した出力ＡＣ電力ＯＡＣの電圧波形１５ａに応じて全波整流を行う整流平滑回路６４の一実施形態によって生成される出力ＤＣ電力ＯＤＣの電圧波形１７ａを示している。図８Ｂは、図３Ｂに示した出力ＡＣ電力ＯＡＣの電圧波形１５ａに応答して半波整流を行う整流平滑回路６４の一実施形態によって生成される出力ＤＣ電力ＯＤＣの電圧波形１７ｂを示している。フィルタコンデンサ６１は、図８Ａ及び図８Ｂに示した例におけるものと同じキャパシタンスを有する。
【００４０】
図４、図５及び図６に示し、上で説明したように、圧電絶縁変換器２０によって伝送される出力ＤＣ電力ＯＤＣの電圧は、共振機械構造２１の共振周波数や、負荷によって引き出される電流よりも、周波数制御される発振器１２によって生成される入力ＡＣ電力ＩＡＣの周波数の影響を受ける。ＤＣ−ＤＣコンバータ１１０の実施形態によっては、発振器１２は固定数の発振器であり、ＤＣ−ＤＣコンバータは、ＤＣ出力端子１７と負荷６２の間に配置された従来のＤＣ整流器（図示せず）を更に有する場合がある。このＤＣ整流器は、温度変化等によって入力ＡＣ電力の周波数、共振機械構造２１の共振周波数、及び、負荷電流のうちの１以上が変動しても、負荷６２に一定の電流を供給する働きをする。
【００４１】
図７に示した実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータ１１０は、温度変化等によって入力ＡＣ電力の周波数、共振機械構造２１の共振周波数、及び、負荷電流のうちの１以上が変動しても、ＤＣ−ＤＣコンバータに一定電圧の出力ＤＣ電力ＯＤＣを伝送させるように入力ＡＣ電力の周波数を制御するためのフィードバック回路を有する。ＤＣ−ＤＣコンバータ１１０において、発振器１２は、周波数制御回路６５を含む周波数制御型発振器である。周波数制御型発振器１２がＤＣ入力端子１１において受信した入力ＤＣ電力ＩＤＣを圧電絶縁変換器２０のＡＣ入力端子１３に供給される入力ＡＣ電力ＩＡＣに変換するときの周波数は、周波数制御電圧に使用される周波数制御信号ＦＣＳによって決定される。また、発振器１２は、第１の変換器４０に供給される入力ＡＣ電力ＩＡＣの電圧と、第１の変換器４０に流れ込む電流との間の位相関係をモニタリングし、動作周波数と、機械的共振システム２１の機械的共振の間の相対的関係を判定するための回路を更に有する場合がある。
【００４２】
上記のフィードバックループは、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１０のＤＣ出力端子１７と、周波数制御信号ＦＣＳを出力する周波数制御型発振器１２の周波数制御入力６５との間に接続される。このフィードバックループは、変調器６４、フィードバック圧電絶縁変換器４２０、復調器６６、及び、コンパレータ６８を含む。
【００４３】
フィードバック圧電絶縁変換器４２０と圧電絶縁変換器２０は、同じ基板６９上に作成される。フィードバック圧電絶縁変換器４２０は、圧電絶縁変換器２０と同様の構造を有し、基板６９の一部として構成される共振構造４２１、第１の電気音響変換器４４０、及び、第２の電気音響変換器４５０を有する。
【００４４】
復調器６４は、ＤＣ出力端子１７に電気的に接続された変調入力、及び、圧電絶縁変換器２０のＡＣ出力端子１５に電気的に接続されたキャリア入力を有する。変調器６４は、フィードバック圧電絶縁変換器４２０の第１の電気音響変換器４４０に電気的に接続された出力を更に有する。出力ＡＣ電力ＯＡＣのＡＣ電圧波形は、変調器６４のキャリア入力において圧電絶縁変換器２０のＡＣ出力端子１５から受信され、キャリア信号として機能する。
【００４５】
フィードバック圧電絶縁変換器４２０の第２の電気音響変換器４５０は、復調器６６の復調信号入力に電気的に接続される。復調器６６は、キャリア入力及び出力を更に有する。キャリア入力は、圧電絶縁変換器２０の入力端子１３に電気的に接続される。出力は、コンパレータ６８の一方の入力に接続される。コンパレータ６８は、基準入力及び出力を有する。基準入力は、基準電圧ＶＲＥＦを受信するように電気的に接続される。出力は、周波数制御型発振器１２の周波数制御入力６５に電気的に接続される。
【００４６】
動作上、変調器６４は、ミキサとして実施される場合もあり、圧電絶縁変換器２０のＡＣ出力端子から受信したキャリア信号を、ＤＣ出力端子１７から受信した出力ＤＣ電力ＯＤＣによって変調する。この変調は、最終的に得られる変調キャリア信号ＭＣＳが、出力ＤＣ電力ＯＤＣの電圧を表わすものになるような方法で実施され、最終的に得られる変調キャリア信号ＭＣＳが、大きな精度のロスを生じることなくフィードバック圧電絶縁変換器４２０を通して伝送されるような方法で実施される。フィードバック圧電絶縁変換器４２０の前方伝達関数は、図４に曲線２２で示すように、動作周波数と、フィードバック圧電絶縁変換器の一部を構成する共振機械構造の共振周波数の間の関係によって決まるため、振幅変調は、好ましい変調方法ではない。ただし、振幅変調が使用される場合もある。適当な代替の変調方法としては、周波数変調、位相変調、パルス変調、及び、デジタル符号化などがある。
【００４７】
フィードバック圧電絶縁変換器４２０は、圧電絶縁変換器２０と同様に動作する。つまり、フィードバック圧電絶縁変換器４２０は、その第１の電気音響変換器４４０において、変調器６４によって生成された変調キャリア信号ＭＣＳを受信する。第１の電気音響変換器は、その変調キャリア信号を音響エネルギーに変換し、その音響エネルギーによって共振機械構造４２１に機械的振動を発生させる。変調キャリア信号は、出力ＡＣ電力ＯＡＣと同じ周波数を有し、機械的共振構造４２１は、共振機械構造２１と同様の共振周波数を有する。したがって、変調キャリア信号は、フィードバック圧電絶縁変換器４２０の動作周波数範囲内の周波数を有する。第２の電気音響変換器４５０は、共振構造４２１における機械的振動の一部を変調キャリア信号ＯＭＣに変換して出力する。
【００４８】
復調器６６は、そのキャリア入力において、ＡＣ入力端子１３から受信した信号を使用して出力変調キャリア信号ＯＭＣを復調し、復調されたフィードバック信号ＤＦＳを生成する。この復調されたフィードバック信号は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１０の出力端子１７におけるＤＣ電圧を表わすＤＣレベルである。コンパレータ６８は、復調されたフィードバック信号ＤＦＳを基準電圧ＶＲＥＦと比較し、周波数制御信号ＦＣＳを生成する。コンパレータ６８は、この周波数制御信号ＦＣＳを周波数制御型発振器１２の周波数制御入力６５に供給する。
【００４９】
したがって、ＤＣ出力端子１７における出力ＤＣ電力ＯＤＣのＤＣ電圧が変化した場合、対応する変化が、変調キャリア信号ＭＣＳ、出力変調キャリア信号ＯＭＣ、及び、復調フィードバック信号ＤＦＳに現れる。復調フィードバック信号を基準電圧を比較することにより、周波数制御型発振器１２の周波数制御入力６５における周波数制御信号ＦＣＳの変化が得られる。周波数制御型発振器１２において、出力ＤＣ電力ＯＤＣの電圧の変化によって周波数制御入力６５に生じる周波数制御信号ＦＣＳの変化は、出力ＤＣ電力ＯＤＣの電圧の変化を反転させるような仕方で、入力ＡＣ電力ＩＡＣの周波数を変化させる。その結果、出力ＤＣ電力ＯＤＣの電圧は、その元の電位まで復元される。
【００５０】
図９は、圧電絶縁変換器を製造するための本発明による方法を示すフロー図７０である。ブロック７２では、絶縁性基板を用意する。この絶縁性基板は、第１の主表面、及び、第１の主表面とは反対側の第２の主表面を有する。ブロック７４では、基板の第１の主表面上に第１の電気音響変換器を形成する。ブロック７６では、第１の電気音響変換器とは反対側の基板の第２の主表面上に第２の電気音響変換器を形成する。
【００５１】
図１Ａに示す圧電絶縁変換器２０の一実施形態を製造するための図９に示した方法の一実施形態では、ブロック７２において、第１の主表面３２、及び、第１の主表面３２とは反対側の第２の主表面４２を有する絶縁性基板３０を用意する。ブロック７４では、基板３０の第１の主表面上に第１の電気音響変換器４０を形成する。ブロック７６では、第１の電気音響変換器４０とは反対側の基板３０の第２の主表面３４上に、第２の電気音響変換器５０を形成する。
【００５２】
上記の方法は通常、数千もの圧電絶縁変換器を一度に１つのウェーハ上に作成する際に使用される。プロセスの最後に、ウェーハは個々の圧電絶縁変換器に分離される。その結果、各圧電絶縁変換器を製造するコストが低減される。以下では、個々の圧電絶縁変換器を製造するための別の方法についても説明する。この方法もまた、数千もの圧電絶縁変換器を一度に製造するためにウェーハ規模で一般に実施されるという理解に基づくものである。
【００５３】
図９に示した圧電絶縁変換器を製造する方法は、図１Ａに示した圧電絶縁変換器２０とは構造の細部が異なる圧電絶縁変換器の製造にも使用することができる。例えば、図１０は、本発明の他の実施形態による圧電絶縁変換器１２０を示している。図１Ａの圧電絶縁変換器２０の要素に対応する図１０の圧電絶縁変換器１２０の要素には、同様の参照符号を付してある。図１０を参照すると、圧電絶縁変換器１２０は、少なくとも一部が導電性の材料から形成されたベース層１３６を含む。電気音響変換器４０と５０を互いに電気的に絶縁するために、基板１３０は、電気音響変換器４０及び５０と、ベース層１３６との間にそれぞれ挿入された絶縁材料の層１３１を更に含む。あるいは、基板１３０は、電気音響変換器４０及び５０のうちの一方だけと、ベース層１３６との間に、絶縁材料の層１３１を更に有する場合がある。更に別の例（図示せず）において、絶縁材料の層は、少なくとも一部が導電性のベース材料の２つの層の間に挟まれ、電気音響変換器４０及び５０はそれぞれ、ベース層のうちの対応する一方の上に作成される場合がある。電気音響変換器４０と５０の間に少なくとも１つの絶縁材料の層１３１が存在することから、基板１３０は、その少なくとも一部に導電性材料を含む場合であっても、絶縁性と呼ばれる。他の実施形態において、基板１３０の材料は、抵抗値の高いシリコン、アルミナ、ガラス、セラミック、サファイア、又は、他の適当な導電性材料である場合がある。
【００５４】
図１１Ａ、図１１Ｂ及び図１１Ｃは、本発明による圧電絶縁変換器の他の実施形態２２０を示している。図１Ａに示した圧電絶縁変換器２０に対応する図１１Ａ、図１１Ｂ及び図１１Ｃの圧電絶縁変換器２２０の要素には同じ参照符号を付し、ここで再度説明はしない。似ているが変更された部分には、同じ参照符号の後ろに「ａ」を付したものが使用される。
【００５５】
図１１Ａ、図１１Ｂ及び図１１Ｃを参照すると、圧電絶縁変換器２２０は、第１の基板１３２及び第２の基板１３４から構成される。各基板は、第１の主表面、及び、第１の主表面とは反対側の第２の主表面を有する。すなわち、第１の基板１３２は、第１の主表面３２ａ、及び、第１の主表面３２ａとは反対側の第２の主表面３３を有し、第２の基板１３４は、第１の主表面３４ａ、及び、第１の主表面３４ａとは反対側の第２の主表面３７を有する。第１の電気音響変換器４０は、第１の基板１３４の第１の主表面３４ａ上に配置される。第２の電気音響変換器５０は、第２の基板１３４の第１の主表面３４ｂ上に配置される。第１の基板１３２と第２の基板１３４は互いに結合され、第２の主表面３３が第２の主表面３７に隣接し、第１の電気音響変換器４０が第２の電気音響変換器５０の反対側にくるようにして結合される。第１の基板１３２と第２の基板１３４は、あわせて絶縁性基板３０ａを構成する。
【００５６】
圧電絶縁変換器２２０は次のようにして製造される：第１の基板１３２及び第２の基板１３４を用意する。各基板は、今述べたように第１の主表面、及び、第１の主表面とは反対側の第２の主表面を有する。第１の基板１３２の第１の主表面３２ａ上に第１の電気音響変換器４０を形成する。第２の基板１３４の第１の主表面３４ｂ上に第２の電気音響変換器５０を形成する。各電気音響変換器は、第１の電極層、圧電層、及び、第２の電極層を以下で説明するものと同様に、順番に蒸着し、パターニングすることによって形成される。第１の基板１３２の第２の主表面３３は第２の基板１３４の第２の主表面３７に結合され、第１の電気音響変換器４０が、第２の電気音響変換器５０の反対側にくるようにして結合される。第１の基板１３２と第２の基板１３４の結合により、絶縁性基板３０ａが形成される。
【００５７】
一実施形態では、第１の基板１３２と第２の基板１３４を結合する前に、それらが密接に接触するように、第１の基板１３２の第２の主表面３３、及び、第２の基板１３４の第２の主表面３７が互いに研削され、研磨され、又は他の処理が施される。基板１３２と基板１３４の接合には、従来の基板接合技術が使用される。
【００５８】
図１２は、本発明による圧電絶縁変換器の代替実施形態３２０を示す平面図である。図１２は、集積回路ダイ上に作成されたように見えるような圧電絶縁変換器の平面図である。図１２において、他の部分の影すなわち後ろに隠れている圧電絶縁変換器３２０の部分は一般に、図示されていない。ただし、圧電絶縁変換器３２０の特定の幾つかの部分は、圧電絶縁変換器３２０を説明する目的で、破線を使用して描かれている。図１３Ａ、図１３Ｂ、図１３Ｃ、及び、図１３Ｄは、圧電絶縁変換器３２０の製造における種々の工程での圧電絶縁変換器３２０を示す断面図である。これらの断面図はすべて、図１２のライン１３Ｄ−１３Ｄに沿って切断して見たときの図である。図１２、及び、図１３Ａ〜図１３Ｄでは、本発明の圧電絶縁変換器の構造及び製造方法の詳細を説明する。
【００５９】
圧電絶縁変換器３２０は、図９を参照して上で説明したプロセスに従って、既知の半導体製造プロセス、例えば、蒸着、パターニング、及び、エッチングを使用して製造される。図１Ａの圧電絶縁変換器２０の要素に対応する図１２及び図１３Ａ〜図１３Ｄの圧電絶縁変換器３２０の要素には同じ参照符号を付し、ここで再度説明はしない。
【００６０】
まず図１２及び図１３Ｄを参照すると、圧電絶縁変換器３２０は、第１の基板８２及び第２の基板９２から構成される。第１の電気音響変換器４０及び第２の電気音響変換器５０は、第１の基板８２の互いに反対方向を向いた主表面８５及び８７にそれぞれ配置される。第２の基板にはキャビティ９４が画定され、キャビティ９４は、主表面９５から第２の基板の中にまで延びている。第２の基板９２は第１の基板８２に接合され、主表面９５が主表面８５に隣接し、第１の電気音響変換器４０がキャビティ９４の中に配置されるようにして接合される。後で詳しく説明するように、基板８２と基板９２は、第２の電気音響変換器５０を作成する前に互いに結合される。したがって、第２の電気音響変換器５０の製造の際には、第１の電気音響変換器４０は第２の基板９２によって保護される。
【００６１】
圧電絶縁変換器３３０は次のようにして製造される。第１の絶縁性基板８２及び第２の絶縁性基板９２を用意する。各基板は、第１の主表面、及び、第１の主表面とは反対側の第２の主表面を有する。第１の基板８２の第１の主表面８５上に第１の電気音響変換器４０を形成する。第２の基板９２の第１の主表面９５から延びるキャビティ９４を第２の基板に形成する。第１の変換器４０が第２の基板９２のキャビティ９４の中に配置されるようにして、第１の絶縁性基板８２の第１の主表面８５と第２の基板９２の第１の主表面９５を互いに接合する。結合の後、第１の電気音響変換器４０とは反対側の第１の絶縁性基板８２の第２の主表面８７上に、第２の変換器５０を形成する。
【００６２】
次に、図１２及び図１３Ａ〜図１３Ｄを更に詳しく参照し、圧電絶縁変換器３２０の製造について説明する。図１３Ａを参照すると、第１の主表面８５、及び、第１の主表面８５とは反対側の第２の主表面８７を有する第１の基板８２を用意する。第１の基板８２は、例えばシリコンウェーハの一部である。他の実施形態において、第１の基板８２の材料は、抵抗値の高いシリコン、アルミナ、ガラス、セラミック、サファイア、又は、他の適当な導電性材料である。第１の基板８２は、圧電絶縁変換器３２０の絶縁性基板の少なくとも一部を構成する。
【００６３】
第１の基板８２を酸化させ、主表面８５上に厚さ１００ｎｍ〜１０μの熱二酸化ケイ素の絶縁層８４を形成する。あるいは、絶縁層８４は、化学気相蒸着によって蒸着してもよい。更に絶縁層分離が必要な場合、絶縁層８４は、追加又は代替として、スパッタリングによって蒸着された１００ｎｍ〜１０μｍ厚の酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）のような絶縁材料の層から構成される場合がある。絶縁層８４の主表面は、第１の基板８２の主表面８５になる。
【００６４】
次に、主表面８５から第１の基板８２の中にまで延びる接点バイア８０ａ、８０ｂを形成する。任意数の接点バイアを形成することができる。参照符号８０は通常、接点バイアを指すのに使用されるが、８０の後に文字「ａ」が続く参照符号は、特定の接点バイア、又は、接点バイアの特定のセットを指すために使用される。
【００６５】
接点バイア８０は、まず、従来のディープエッチングプロセスを使用して、絶縁層８４を貫通するようにエッチングし、次いで、基板８２を貫通する通路をエッチングすることによって形成される。バイア８０の深さ８１は、図１Ａに示すように、絶縁性基板３０の所望の最終的な厚さによって決まる。図示の例では、バイア８０は、約１００μｍの深さ８１を有し、その直径８３は１０μｍ未満である。第１の基板８２が既に所望の最終的な厚さを有している実施形態では、接点バイア８０は、第１の基板８２の厚さ全体を貫通して延びる。接点バイア８０には導電率の高い金属が充填され、例えば、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、又は、プラチナ（Ｐｔ）が充填される。必要であれば、ＣＭＰ（化学機械研磨）やエッチバックプロセスを使用して、バイア８０の上面を主表面８５と同じ高さにしてもよい。
【００６６】
第１の基板８２上に第１の電気音響変換器４０を形成する前に、第１の基板８２の主表面８５上に、例えばＴｉＡｌＮ（窒化アルミニウムチタン）の接着層８６を蒸着する。接着層８６は、第１の変換器４０とｄ際１の基板８２の接着を助ける働きをする。また、接着層８６は、バイア８０と第１の変換器４０の下側電極４０との間の導電性拡散障壁としても機能する。それによって、圧電層４４を蒸着する際に、接点バイア８０が損傷を受けることが防止される。接着層８６には、対酸化性材料を使用することが好ましい。なぜなら、圧電層４４は、酸化性雰囲気中で高温（例えば、５５０℃）で蒸着されるからである。ＴａＳｉＮ（窒化タンタルシリコン）、ＴｉＮ（窒化チタン）、及び、ＴｉＡｌのような他の材料を接着層８６に使用することも可能である。接着層８６は、数ナノメートル程度の厚さを有し、例えば、５０ｎｍ〜１００ｎｍの厚さを有する。
【００６７】
次に、第１の基板８２の第１の主表面８５上に、第１の電気音響変換器４０を作成する。第１の変換器４０は、複数の層を有し、各層が順番に蒸着され、次いでエッチングされる。ただし、図示の実施形態において、第１の電気音響変換器４０の層４２、４４及び４６は、順番に蒸着された後、上から下へ順番にエッチングされる。第１の変換器を作成するために、下側電極４２を、例えば厚さ約１００ｎｍでスパッタ蒸着する。下側電極４２の材料には、任意の適当な貴金属を使用することができ、例えば、プラチナ（Ｐｔ）やイリジウム（Ｉｒ）が使用される。直列抵抗を改善するために、下側電極は適当な高導電性材料の層を更に含み、例えば、厚さ約１μｍでスパッタ蒸着された金（Ａｕ）の層を更に含む。上記の貴金属の層は、高導電性金属の層の上に蒸着される。下側電極４２の張り出し部は、図１２に示す接点バイア８０ｂの上に配置され、接点バイア８０ｂとの接点を形成する。
【００６８】
圧電層４４は、例えば、厚さ約１μｍ〜約２０μｍの範囲でスパッタ蒸着されたＰＺＴの層である。他の蒸着方法を使用して圧電層４４を形成してもよく、例えば、化学気相蒸着や有機金属化学気相蒸着が使用される。上側電極４６は、例えば、約１００ｎｍの厚さでスパッタ蒸着されたプラチナ（Ｐｔ）や金（Ａｕ）である。Ａｕを使用する場合、上側電極４６は、圧電層４４とＡｕ層の間に、例えば、薄いクロムの接着層（図示せず）を含む場合がある。
【００６９】
上側電極４６はパターニングされ、適当なエッチング剤を使用してドライエッチングによりエッチングされる。圧電層４４はパターニングされ、ウェットエッチング法またはドライエッチング法によりエッチングされる。下側電極４２及び接着層８６のエッチングは、絶縁層８４、並びに、接点バイア８０ａに達したところで停止される。
【００７０】
直列抵抗を改善するために、例えば、リフトオフ法を使用して、上側電極４６の上にＡｕ層を追加することができる。この層は、図面には描かれていない。一実施形態において、圧電層４４の上の上側電極４６の厚さは、圧電層４４の下にある下側電極４２の厚さと同じである。第１の変換器４０の水平方向の寸法は、用途によって異なる場合がある。例示的実施形態において、第１の変換器４０の水平方向の寸法は、約３００μｍ〜約３ｍｍの範囲内にある。
【００７１】
ＳｉＯ２の層のような誘電体層を蒸着及びエッチングし、階段状絶縁体４７を画定する。階段状絶縁体４７は、第１の電気音響変換器４０の圧電層４４及び下側電極４２の一部を覆う。次に、金（Ａｕ）のような適当な導電性金属の層を、数マイクロメートルの一般的厚さ、例えば約１μｍ〜約３μｍで蒸着する。この層をエッチングし、階段状絶縁体の上に、第１の変換器４０の上側電極４６から接点バイア８０ａまで延びる導電性トレース４９を画定する。導電性トレース４９と第１の変換器４０の間の重なり合いを最小限に抑えることにより、第１の変換器４０又は圧電絶縁変換器２０、あるいはそれら両方の共振特性に対する、導電性トレース４９の重なり部分の質量増加の影響を最小限に抑えることができる。
【００７２】
次に図１２及び図１３Ｂを参照すると、第２の基板９２が用意される。第２の基板９２は、第１の主表面９５、及び、第１の主表面９５とは反対側の第２の主表面９７を有する。通常、基板８２及び９２は、上記のようにシリコンウェーハの一部である。第２の基板９２にキャビティ９４を形成する。このキャビティは、第１の主表面９５から第２の基板９２の中にまで延びる。キャビティ９４は、第１の電気音響変換器４０及び対応する隙間（クリアランス）を収容するのに十分なだけの深さ９１及び水平方向の寸法９３を有する。約５０μｍ〜１００μｍの範囲の隙間であれば、通常は十分である。
【００７３】
次に、第１の主表面８５が第１の主表面９５に接触し、第１の変換器４０がキャビティ９４の中に配置されるようにして、第１の基板８２を第２の基板に接合する。基板８２と基板９２の接合には、標準的なシリコン接合プロセスが使用される。接合の結果は、図１３Ｂに描かれている。２つの基板８２と９２の接合により、第１の変換器がキャビティ９４の中に密閉される。その結果、第１の基板８２の第２の主表面上にある第１の変換器４０とは反対側の第２の電気音響変換器を製造する際に、第１の変換器４０が保護される。
【００７４】
次に、図１２及び図１３Ｃを参照すると、第１の基板８２の第２の主表面８７を研削及び研磨する。全面背面研削法を使用して、第１の基板８２の第２の主表面８７から材料を除去し、その新たな第２の主表面８７をＣＭＰプロセスによって研磨する。ＣＭＰプロセスによれば、研磨プロセスを接点バイア８０に達した時点で停止させることができる。接点バイアの深さが約１００μｍである一実施形態において、これらの研削及び研磨プロセスの後、第１の基板８２の通常の厚さは約１００μｍになる。したがって、この背面研削研磨プロセスの後、接点バイア８０は、第１の基板８２を貫通して延びる。したがって、接点バイア８０は、背面研削研磨プロセスの停止インジケータとして働き、また、第２の電気音響変換器５０を作成する際の位置決め目標としても機能する。接点バイア８０は、キャビティ９４の中に密閉された第１の電気音響変換器４０の電極４２及び４６と、第１の基板８２の第２の主表面８７上に後で作成されることになる接点パッド４８ｃ及び４８ｄとの間を電気的に接続する働きをする。
【００７５】
背面研削研磨プロセスの後、第１の電気音響変換器４０とは反対側の第１の基板８２の第２の主表面８７上に、第２の電気音響変換器５０を作成する。第２の電気音響変換器５０を作成するためのプロセスは、第１の電気音響変換器４０を作成するためのプロセスと同様であるため、ここで再度詳しい説明はしない。
【００７６】
次に、図１２及び図１３Ｄを参照すると、第２の電気音響変換器５０の作成後、上側電極５６の上に厚い導電性材料の層を追加し、直列抵抗を最小限に抑える。この導電性材料は、例えばリフトオフ法によって蒸着される例えば金（Ａｕ）である。図面では、この厚い導電性材料の層は、上側電極５６の一部であるかのように描かれている。上側電極５６と下側電極５２は通常、全体的に同じ厚さを有する。第２の電気音響変換器の水平方向の寸法は、用途によって異なる場合がある。通常、第２の電気音響変換器５０の水平方向の寸法は、第１の電気音響変換器４０のものと同じである。
【００７７】
ＳｉＯ２のような誘電体材料の層を蒸着し、エッチングし、階段状絶縁体５７を画定する。この階段状絶縁体５７は、第２の電気音響変換器５０の圧電層５４及び下側電極５２の一部を覆う。次に、金（Ａｕ）のような適当な導電性材料の層を、厚さ数マイクロメートルの通常の厚さ、例えば１μｍ〜３μｍの厚さで蒸着する。この層をエッチングし、接点パッド４８ａ、４８ｂ、及び、接点パッド５９ａ、５９ｂを画定する。接点パッド８４ａ及び４８ｂの一部は、接点バイア８０ａ及び８０ｂとの電気的接点をそれぞれ形成する。接点パッド４８ａ及び４８ｂ、並びに、接点バイア８０ｃ及び８０ｄによって、キャビティ９４の中に収容された第１の電気音響変換器４０の上側電極４６及び下側電極４２のそれぞれへの電気的接続が可能になる。接点パッド５９ａの一部は、階段状絶縁体５７の上に延び、第２の変換器５０の上側電極５６に電気的に接触する。接点パッド５９ｂは、第２の変換器５０の下側電極５２に対する電気的接続を形成する。接点パッド５９ａと第２の変換器５０の重なり合い部分を最小限に抑えることにより、第２の変換器５０又は圧電絶縁変換器２０、あるいはそれら両方の共振特性に対する、接点パッド５９ａの重なり部分の質量増加の影響を最小限に抑えることができる。
【００７８】
図１Ａを更に参照すると、接点パッド４８ａ及び４８ｂは、第１の電気音響変換器４０の電極４６及び４２にそれぞれ入力ＡＣ電力ＩＡＣを供給するＡＣ入力端子１３として機能する。接点パッド５９ａ及び５９ｂは、第２の電気音響変換器５０の電極５６及び５２からそれぞれ出力ＡＣ電力ＯＡＣを受け取るためのＡＣ出力端子１５として機能する。
【００７９】
本発明の幾つかの具体的実施形態について図示説明してきたが、本発明が、図示説明した特定の形態や部品構成に限定されることはない。例えば、別の構成、サイズ、又は、材料を使用することもでき、その場合でも、本発明の範囲に入るであろう。本発明は、特許請求の範囲により規定される。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１Ａ】本発明の一実施形態による圧電絶縁変換器を示す図である。
【図１Ｂ】図１Ａの圧電絶縁変換器からの出力電力を整流及びフィルタリングするように構成された回路を示す図である。
【図１Ｃ】全波整流を行う圧電絶縁変換器の他の実施形態を示す図である。
【図２Ａ】図１Ａの圧電絶縁変換器への例示的な入力電力の電圧波形を示す図である。
【図２Ｂ】図１Ａの圧電絶縁変換器への例示的な入力電力の電圧波形を示す図である。
【図３Ａ】図１Ａの圧電絶縁変換器からの例示的な出力電力の電圧波形を示す図である。
【図３Ｂ】図１Ａの圧電絶縁変換器からの例示的な出力電力の電圧波形を示す図である。
【図４】図１Ａの圧電絶縁変換器の動作周波数と出力電圧の関係を示す図である。
【図５】図１Ａの圧電絶縁変換器の動作周波数と出力電圧の関係を示す図である。
【図６】図１Ａの圧電絶縁変換器の動作周波数と出力電圧の関係を示す図である。
【図７】本発明の他の実施形態によるＤＣ−ＤＣコンバータを示す図である。
【図８Ａ】図３Ａの回路からの例示的ＤＣ出力電力の電圧波形を示す図である。
【図８Ｂ】図３Ｂの回路からの例示的ＤＣ出力電力の電圧波形を示す図である。
【図９】本発明による圧電絶縁変換器を製造する方法を示すフロー図である。
【図１０】本発明による圧電絶縁変換器の他の実施形態を示す図である。
【図１１Ａ】本発明による圧電絶縁変換器の他の実施形態を示す図である。
【図１１Ｂ】本発明による圧電絶縁変換器の他の実施形態を示す図である。
【図１１Ｃ】本発明による圧電絶縁変換器の他の実施形態を示す図である。
【図１２】集積回路ダイ上に製造されるように見えるような本発明の圧電絶縁変換器の平面図である。
【図１３Ａ】図１２の圧電絶縁変換器を図１２の切断線１３Ｄ−１３Ｄに沿って切断して見たときの断面図である。
【図１３Ｂ】図１２の圧電絶縁変換器を図１２の切断線１３Ｄ−１３Ｄに沿って切断して見たときの断面図である。
【図１３Ｃ】図１２の圧電絶縁変換器を図１２の切断線１３Ｄ−１３Ｄに沿って切断して見たときの断面図である。
【図１３Ｄ】図１２の圧電絶縁変換器を図１２の切断線１３Ｄ−１３Ｄに沿って切断して見たときの断面図である。
【図１Ａ】
2008518441.tif 000003
【図１Ｂ】
2008518441.tif 000004
【図１Ｃ】
2008518441.tif 000005
【図２Ａ】
2008518441.tif 000006
【図２Ｂ】
2008518441.tif 000007
【図３Ａ】
2008518441.tif 000008
【図３Ｂ】
2008518441.tif 000009
【図４】
2008518441.tif 000010
【図５】
2008518441.tif 000011
【図６】
2008518441.tif 000012
【図７】
2008518441.tif 000013
【図８Ａ】
2008518441.tif 000014
【図８Ｂ】
2008518441.tif 000015
【図９】
2008518441.tif 000016
【図１０】
2008518441.tif 000017
【図１１Ａ】
2008518441.tif 000018
【図１１Ｂ】
2008518441.tif 000019
【図１１Ｃ】
2008518441.tif 000020
【図１２】
2008518441.tif 000021
【図１３Ａ】
2008518441.tif 000022
【図１３Ｂ】
2008518441.tif 000023
【図１３Ｃ】
2008518441.tif 000024
【図１３Ｄ】
2008518441.tif 000025
【国際調査報告】
2008518441.tif 000026
2008518441.tif 000027