(57)【要約】  タイミング用途のための許容可能Ｑ値を有する、より小さい全パッケージサイズを可能にする微小機械共振器が提供される。このＭＥＭＳ共振器は、基部及びそれから延びる３つ又はそれ以上の振動梁を有する振動部分を含む。さらに、ＭＥＭＳ共振器は、振動部分の周囲を取り囲むフレーム、及び、振動部分をフレーム内部で安定させるための、振動梁の間の一対のアンカーを含む。さらに、支持梁が振動部分の基部を一対のアンカーに結合する。【選択図】図３
2021509788.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部、及び、前記基部から延びる少なくとも３つの振動梁を有する振動部分と、
前記振動部分の周囲を少なくとも部分的に取り囲むフレームと、
前記少なくとも３つの振動梁の内の一対の間に配置され、前記振動部分を前記フレーム内部で安定させるように構成された少なくとも１つのアンカーと、
前記振動部分の前記基部を前記少なくとも１つのアンカーに結合する少なくとも１つの支持梁と、
を備えるＭＥＭＳ共振器。
【請求項２】
前記少なくとも３つの振動梁は４つの振動梁を含み、前記少なくとも１つのアンカーは一対のアンカーを含む、請求項１に記載のＭＥＭＳ共振器。
【請求項３】
前記一対のアンカーの内の第１のアンカーは、前記振動梁の第１の対の間に配置され、前記一対のアンカーの内の第２のアンカーは、前記振動梁の第２の対の間に配置される、請求項２に記載のＭＥＭＳ共振器。
【請求項４】
前記少なくとも１つの支持梁は、前記一対のアンカーを前記振動部分の前記基部にそれぞれ結合する一対の支持梁を含む、請求項３に記載のＭＥＭＳ共振器。
【請求項５】
それぞれ前記振動梁の上に配置される、複数の質量体をさらに含み、
前記複数の質量体は、それぞれの前記振動梁の中心軸に対して、空間が振動梁の前記第１及び第２の対の各々の間に定められ、それぞれ前記第１及び第２のアンカーが前記定められた空間内に配置されるように、長手方向にずらされる、
請求項４に記載のＭＥＭＳ共振器。
【請求項６】
基材であって、前記基材に結合された前記フレームと共に空洞を、前記振動部分が前記空洞内に配置されるように、有する基材をさらに含む、請求項１に記載のＭＥＭＳ共振器。
【請求項７】
それぞれ前記基材から延びて前記少なくとも１つのアンカーに接続される、前記基材の前記空洞の内部で前記振動部分を安定させるための、少なくとも１つの支柱をさらに備える、請求項６に記載のＭＥＭＳ共振器。
【請求項８】
それぞれ前記少なくとも１つのアンカーの上に配置される、少なくとも１つの電気的コンタクトをさらに備える、請求項１に記載のＭＥＭＳ共振器。
【請求項９】
凹型空洞を有し、前記フレームの上に配置されて、前記振動部分を取り囲む前記フレームと共に前記凹型空洞の内部に前記振動部分を密封するための、共振器キャップをさらに備える、請求項８に記載のＭＥＭＳ共振器。
【請求項１０】
前記共振器キャップは、それを通して延び、それぞれ前記少なくとも１つのアンカーの上に配置された前記少なくとも１つの電気的コンタクトに接続される、少なくとも１つの電気的フィードスルーを備える、請求項９に記載のＭＥＭＳ共振器。
【請求項１１】
基材であって、前記基材に結合された前記フレームと共に空洞を、前記振動部分が前記空洞内に配置されるように、有する基材と、
それぞれ、前記基材から延びて前記少なくとも１つのアンカーに接続される、前記振動部分を前記基材の前記空洞の内部で安定させるための、少なくとも１つの支柱と、
をさらに備える、請求項１０に記載のＭＥＭＳ共振器。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの支柱は、前記ＭＥＭＳ共振器の平面図において前記少なくとも１つの電気的フィードスルーに整列される、請求項１１に記載のＭＥＭＳ共振器。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの支持梁は、前記振動部分の前記基部を前記少なくとも１つのアンカーに直線的且つ直接に結合する、請求項１に記載のＭＥＭＳ共振器。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの支持梁は、前記振動部分の前記基部を前記少なくとも１つのアンカーに柔軟に結合させるための、折り曲げられた配置において互いに結合される複数のアームを備える、請求項１に記載のＭＥＭＳ共振器。
【請求項１５】
物理的且つ電気的に前記少なくとも１つのアンカーを前記フレームの側面に接続する少なくとも１つのフレーム接続梁をさらに備え、
前記少なくとも１つのフレーム接続梁は、前記少なくとも３つの振動梁の内の一対の間に配置され、それらに平行な方向に延びる、
請求項１に記載のＭＥＭＳ共振器。
【請求項１６】
基部と、前記基部から延びる一対の外側振動梁と、前記基部から、前記一対の外側振動梁の間を延び、それらに平行な方向に延びる少なくとも１つの内側振動梁とを含む、振動部分と、
前記振動部分を、前記振動部分を取り囲むフレームの内部で安定させるように構成された一対のアンカーと、
前記振動分の前記基部を前記一対のアンカーに結合する一対の支持梁と、
を備え、
前記一対のアンカーの内の第１のアンカーは、前記外側振動梁の内の１つと前記少なくとも１つの内側振動梁との間に配置され、前記一対のアンカーの内の第２のアンカーは、前記外側振動梁の内の他の１つと前記少なくとも１つの内側振動梁との間に配置される、
ＭＥＭＳ共振器。
【請求項１７】
それぞれ、前記一対の外側振動梁と前記少なくとも１つの内側振動梁との上に配置される、複数の質量体をさらに備え、
前記複数の質量体は、前記それぞれの振動梁の中心軸に対して、前記それぞれの振動梁の間に、前記第１及び第２のアンカーをそれぞれ収容する一対の空間が定められるように、長手方向にずらされる、
請求項１６に記載のＭＥＭＳ共振器。
【請求項１８】
基材であって、前記基材に結合された前記フレームと共に空洞を、前記振動部分が前記空洞内に配置されるように、有する基材と、
それぞれ前記基材から延びて前記一対のアンカーに接続される、前記振動部分を前記基材の前記空洞の内部で安定させるための、一対の支柱と、
をさらに備える、請求項１６に記載のＭＥＭＳ共振器。
【請求項１９】
凹型空洞を有し、前記フレームの上に配置され、前記振動部分を取り囲む前記フレームと共に前記振動部分を前記凹型空洞の内部に密封するための、共振器キャップと、
前記共振器キャップを通して延び、それぞれ、前記一対のアンカーの上に配置された一対の電気的コンタクトに接続される、一対の電気的フィードスルーと、
をさらに備え、
前記一対の支柱は、それぞれ、前記ＭＥＭＳ共振器の平面図において前記電気的フィードスルーの対に整列される、
請求項１８に記載のＭＥＭＳ共振器。
【請求項２０】
物理的且つ電気的に前記一対のアンカーを前記フレームの側面に接続する一対のフレーム接続梁をさらに備え、
前記一対のフレーム接続梁は、それぞれ、前記少なくとも１つの内側振動梁と前記一対の外側振動梁との間に配置され、それらに平行な方向に延びる、
請求項１６に記載のＭＥＭＳ共振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に共振器構造体に関し、より具体的には、小型の微小機械共振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、微小機械共振器は、例えば、ジャイロスコープセンサ内で及びタイミング基準において使用されている。最近、微小機械音叉共振器もまた、３２，７６８Ｈｚの周波数で振動するクロック基準として用いられている。その結果、今や、小型の微細加工された共振器は石英ベースの解決策と競合しており、石英ベースの解決策は、水晶共振器が振動する周波数がその物理的寸法に依存するので、より小さいサイズに適合するのにますます増える課題に直面している。換言すれば、水晶共振器のサイズの大きさは、特定の所望の周波数において効率的に振動するためのデバイス能力を制限することになる。
【０００３】
例えば、３２，７６８Ｈｚで振動する、小型の周波数基準を提供するのに適した微細加工共振器構造体が、特許文献１（以下で特定される）に開示されている。図１は、特許文献１に開示されている従来の微小機械共振器構造体の上面図を示す。
【０００４】
図１に示されるように、共振器１０は、フレーム２０の周囲に延びる金属接合リング２４を有するフレーム２０、並びに、共振器１０が動作中に電力を受け取るための、外部の電気的コンタクトに対して備えられた複数のビアコンタクト２２Ａ、２２Ｂ及び２２Ｃを含む。さらに、共振器１０は、基部３０から延び、共振器１０の励振中にｚ方向において振動するように構造的に構成された、４つの梁３４Ａ〜３４Ｄを有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１６／１７５１６１号
【０００６】
特許文献１に開示されたような既存の設計において、梁３４Ａ〜３４Ｄは単結晶シリコンから作られ、梁３４Ａ〜３４Ｄの表面の上部に形成された圧電変換器を有する。そのようなデバイスの梁は、典型的には、４００〜６５０μｍの長さ、４０〜６０μｍの幅、及び４〜６μｍの高さを有するであろう。さらに、圧電変換器は、典型的には、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）で作られ、金属（例えば、モリブデン）電極を有する。共振器１０の長さを減らすために、既存のデバイスは、励振中の振動を促進するための質量体として、それぞれ梁の端部に重り（例えば、重り３６Ａ〜３６Ｄ）を使用した。
【０００７】
図１に示される設計によれば、振動梁３４Ａ〜３４Ｄは統合基部３０に接続される。さらに、基部３０は、共振器１０を取り囲むフレーム２０に、一対の支持梁３２Ａ及び３２Ｂにより接続される。さらに図示されるように、支持梁３２Ａ及び３２Ｂは、基部３０から、振動梁３４Ａ〜３４Ｄが接続され延びるのと反対側の面から始まる。この設計において、支持梁３２Ａ及び３２Ｂは機械的固定をもたらし、さらに振動梁３４Ａ〜３４Ｄへの電気的接続のためにも使用される。共振器１０を外部パッケージに接続するために、フレームは、上記のような電気的ビアコンタクト２２Ａ〜２２Ｃを有する。
【０００８】
特許文献１に開示されている振動共振器構造体１０（即ち、振動梁３４Ａ〜３４Ｄ及び基部３０）は、かなり小さいが、全体の共振器構造体（フレーム２０を含む）は、必然的に、共振器１０の振動部分自体よりも著しく大きくなる。このより大きなサイズは、共振器が、パッケージの内部に密封されること、及び、さらに振動梁３４Ａ〜３４Ｄの電気的接続のための十分な構造を備えることを必要とするために、必要となる。即ち、フレーム２０の領域は、金属接合リング２４によるキャップの取り付けのため、及び、ビアコンタクト２２Ａ〜２２Ｃによる電気的接続を形成するために使用される。特に、電気的接続のために必要な、共振器１０の外側のビアコンタクト２２Ａ〜２２Ｃが相当に大きい空間を必要とし、これがデバイスの全パッケージサイズを大きくする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って、本開示は、従来の設計よりも小さい、微小機械共振器のより小さい全パッケージサイズを可能にする微小電気機械システム（ＭＥＭＳ、ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍ）共振器構造体を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
一実施形態において、基部から延びる少なくとも３つの振動梁を伴う基部を有する振動部分と、振動部分の周囲を少なくとも部分的に取り囲むフレームと、少なくとも３つの振動梁の内の一対の間に配置され、振動部分をフレーム内部で安定させるように構成された少なくとも１つのアンカーと、振動部分の基部を少なくとも１つのアンカーに結合する少なくとも１つの支持梁と、を含む、ＭＥＭＳ共振器が提供される。
【００１１】
別の例示的な態様において、少なくとも３つの振動梁は４つの振動梁を含み、少なくとも１つのアンカーは一対のアンカーを含む。
【００１２】
別の例示的な態様において、一対のアンカーの内の第１のアンカーは、振動梁の第１の対の間に配置され、一対のアンカーの内の第２のアンカーは、振動梁の第２の対の間に配置される。
【００１３】
別の例示的な態様において、少なくとも１つの支持梁は、一対のアンカーを振動部分の基部に、それぞれ結合する、一対の支持梁を含む。
【００１４】
別の例示的な態様において、ＭＥＭＳ共振器は、それぞれ振動梁の上に配置される複数の質量体をさらに含み、ここで複数の質量体は、それぞれの振動梁の中心軸に対して長手方向に、空間が振動梁の第１及び第２の対の各々の間に定められ、それぞれ第１及び第２のアンカーが定められた空間に配置されるように、ずらされる。
【００１５】
別の例示的な態様において、ＭＥＭＳ共振器は、基材に結合されたフレームと共に、空洞を有する基材を、振動部分がその空洞内に配置されるように、さらに含む。
【００１６】
別の例示的な態様において、ＭＥＭＳ共振器は、振動部分を基材の空洞内部で安定させるための、それぞれ、基材から延び、少なくとも１つのアンカーに接続される少なくとも１つの支柱をさらに含む。
【００１７】
別の例示的な態様において、ＭＥＭＳ共振器は、それぞれ、少なくとも１つのアンカーの上に配置された少なくとも１つの電気的コンタクトをさらに含む。
【００１８】
別の例示的な態様において、ＭＥＭＳ共振器は、凹形空洞を有し、振動部分を取り囲むフレームと共に凹形空洞内に振動部分を密封するために、フレーム上に配置された共振器キャップをさらに含む。
【００１９】
別の例示的な態様において、共振器キャップは、それを通して延び、それぞれ、少なくとも１つのアンカーの上に配置された少なくとも１つの電気的コンタクトに接続される、少なくとも１つの電気的フィードスルーを備える。
【００２０】
別の例示的な態様において、ＭＥＭＳ共振器は、基材に結合されたフレームと共に空洞を、振動部分が空洞内に配置されるように、有する基材と、それぞれ、基材から延びて少なくとも１つのアンカーに接続される、振動部分を基材の空洞内部で安定させるための少なくとも１つの支柱と、をさらに含む。
【００２１】
別の例示的な態様において、少なくとも１つの支柱は、ＭＥＭＳ共振器の平面図において、少なくとも１つの電気的フィードスルーと整列される。
【００２２】
別の例示的な態様において、少なくとも１つの支持梁は、直線的且つ直接に振動部分の基部を少なくとも１つのアンカーに結合する。
【００２３】
別の例示的な態様において、少なくとも１つの支持梁は、振動部分の基部を少なくとも１つのアンカーに柔軟に結合するための、折り曲げられた配置で互いに結合される複数のアームを備える。
【００２４】
別の例示的な態様において、ＭＥＭＳ共振器は、少なくとも１つのアンカーをフレームの側面に物理的且つ電気的に接続する少なくとも１つのフレーム接続梁をさらに含み、ここで少なくとも１つのフレーム接続梁は、少なくとも３つの振動梁の内の一対の間に配置され、それらに平行な方向に延びる。
【００２５】
別の例示的な実施形態において、基部、基部から延びる一対の外側振動梁、及び、基部から一対の外側振動梁の間に延び、それらに平行な方向に延びる少なくとも１つの内側振動梁を含む振動部分と、振動部分を取り囲むフレームの内部で振動部分を安定させるように構成された一対のアンカーと、振動部分の基部を一対のアンカーに結合する一対の支持梁と、を含むＭＥＭＳ共振器が提供され、ここで、一対のアンカーの内の第１のアンカーは、外側振動梁の内の１つと少なくとも１つの内側振動梁との間に配置され、一対のアンカーの内の第２のアンカーは、外側振動梁の内の他の１つと少なくとも１つの内側振動梁との間に配置される。
【００２６】
例示的な態様の改良物において、ＭＥＭＳ共振器は、それぞれ、一対の外側振動梁及び少なくとも１つの内側振動梁の上に配置される複数の質量体をさらに含み、ここで、複数の質量体は、それぞれの振動梁の中心軸に対して長手方向に、それぞれの振動梁の間にそれぞれ第１及び第２のアンカーを収容する一対の空間が定められるように、ずらされる。
【００２７】
例示的な態様の別の改良物において、ＭＥＭＳ共振器は、振動部分が空洞内に配置されるように基材に結合されたフレームと共に空洞を有する基材と、それぞれ、基材から延び、振動部分を基材の空洞内部で安定させるための一対のアンカーに接続される一対の支柱と、をさらに含む。
【００２８】
例示的な態様の別の改良物において、ＭＥＭＳ共振器は、凹形空洞を有し、振動部分を、振動部分を取り囲むフレームと共に凹形空洞内部に密封するようにフレーム上に配置される共振器キャップと、共振器キャップを通して延び、それぞれ、一対のアンカーの上に配置された一対の電気的コンタクトに接続される一対の電気的フィードスルーと、をさらに含み、ここで、一対の支柱は、それぞれ、ＭＥＭＳ共振器の平面図において電気的フィードスルーの対に整列される。
【００２９】
例示的な態様の別の改良物において、ＭＥＭＳ共振器は、一対のアンカーをフレームの側面に物理的且つ電気的に接続する、一対のフレーム接続梁をさらに含み、ここで、一対のフレーム接続梁は、それぞれ、少なくとも１つの内側振動梁と、一対の外側振動梁との間に配置され、それらに平行な方向に延びる。
【００３０】
例示的な実施形態の上記の簡単な要約は、本開示の基本的理解を与えるのに役立つ。この要約は、全ての考えられる態様の広範囲の概観ではなく、全ての態様のキーとなる又は重要な要素を識別することを意図したものではなく、本開示の何れかの又は全ての態様の範囲を描写することを意図したものでもない。その唯一の目的は、以下に続く本開示のより詳細な説明に対する前置きとして、１つ又はそれ以上の態様を簡略化した形で提示することである。前述のことの遂行のために、本開示の１つ又はそれ以上の態様は、特許請求の範囲において説明され具体的に指示される特徴を含む。
【００３１】
本明細書に組み入れられてその一部分を構成する添付の図面は、本開示の１つ又はそれ以上の例示的な実施形態を示し、詳細な説明と共にそれらの原理及び実施を説明するために役立つ。提供される図面は例証のためだけのものであり、従って、一定の尺度で描かれてはいない。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】従来の微小機械共振器構造体の上面図を示す。
【００３３】
【図２】例示的な一実施形態による微小機械共振器の外面斜視図を示す。
【００３４】
【図３】例示的な一実施形態による図２のＭＥＭＳ共振器の断面図を示す。
【００３５】
【図４】例示的な一実施形態による、図３のＭＥＭＳ共振器の線Ｂ−Ｂ’に沿って描かれた断面図を示す。
【００３６】
【図５】例示的な一実施形態による、図３のＭＥＭＳ共振器の線Ｃ−Ｃ’に沿って描かれた断面図を示す。
【００３７】
【図６】別の例示的な実施形態によるＭＥＭＳ共振器の断面図を示す。
【００３８】
【図７】別の例示的な実施形態によるＭＥＭＳ共振器の上面図を示す。
【００３９】
【図８】例示的な一実施形態による、図７のＭＥＭＳ共振器の線Ｅ−Ｅ’に沿って描かれた断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
本明細書において例示的な態様は、従来の設計よりも小さい、微小機械共振器のための全パッケージサイズを可能にする微小機械（ＭＥＭＳ）共振器の文脈で説明される。例えば、一態様において、本明細書で開示される共振器構造体は、例えば３２，７６８Ｈｚで振動する、クロック共振器に適する。別の態様において、例示的なＭＥＭＳ共振器は、非常に小さいサイズのジャイロスコープ構造体のために使用することもできる。
【００４１】
当業者であれば、以下の説明は例証のみであり、なんら限定することを意図したものではないことを認識するであろう。他の態様は、それら自体が当業者に対して本開示の利益を有することを容易に示唆するであろう。次に、添付の図面に示される例示的な態様の実施について、詳細に言及されることになる。同じ参照標識が、図面及び以下の説明を通して可能な範囲で、同じ又は類似の項目を指すために用いられるであろう。
【００４２】
図２は、例示的な一実施形態によるＭＥＭＳ共振器デバイスの外面斜視図を示す。図示されるように、ＭＥＭＳ共振器デバイスは、フレーム１１２と、基材１１０の上に備えられた共振器キャップ１１４とを含む。以下で詳細に論じられ、例えば、図４に示されるように、基材１１０は、それの中央領域に凹形空洞を、ＭＥＭＳ共振器、具体的にはＭＥＭＳ共振器デバイス内部の振動梁が空洞の上で振動できるように、含む。
【００４３】
例示的な実施形態のＭＥＭＳ共振器デバイスは、例えば、Ｍａｒｃ  Ｊ．  Ｍａｄｏｕによる「Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ  ｏｆ  Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、第２巻：Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ  ｆｏｒ  Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」、ＣＲＣ出版、２０１１年、に記載されているＭＥＭＳ製造技術を用いて製造されることが好ましい。例えば、例示的な実施形態によれば、ＭＥＭＳ共振器デバイスは、チップスケールにパッケージされた（ＣＳＰ、ｃｈｉｐ  ｓｃａｌｅ  ｐａｃｋａｇｅｄ）微小機械共振器である。ＭＥＭＳ共振器デバイスは、シリコン製の基材１１０、ＳＯＩシリコン製のフレーム１１２、及び外部から見える共振器キャップ１１４を有する空洞絶縁体上シリコン（ＳＯＩ、ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェハで作成されることが好ましい。さらに図示されるように、複数の電気的コンタクトパッド（例えば、一対のコンタクトパッド１１６Ａ及び１１６Ｂ）が、当業者には理解されるように、共振器を外部回路（例えば、振動回路）に接続するために、共振器キャップ１１４の上に備えられる。
【００４４】
図３は、例示的な一実施形態による図２のＭＥＭＳ共振器の断面図を示す。具体的には、パッケージされたＭＥＭＳ共振器１００の断面図が、図２の線Ａ−Ａ’に沿って描かれている。
【００４５】
例示的な態様によれば、ＭＥＭＳ共振器１００は一般に、フレーム１２０の内部に配置された振動部分１３０（さらに振動部分１３０の保持部分が考えられる）と、振動部分１３０をフレーム１２０内部に固定及び安定させる一対のアンカーと、を含む。
【００４６】
図３に示されるように、振動部分１３０は、直交座標系内でＸＹ面に沿った平面形状で延びる板状輪郭を有することが好ましい。この振動部分１３０は、フレーム１２０の内部に備えられ、振動部分１３０と保持部分１２０との間に所定の間隔で空間が形成される。
【００４７】
例示的な態様によれば、振動部分１３０は、基部１３１、及び、それから延びる４つの振動梁又はアーム１３４Ａ〜１３４Ｄを有する。図示されるように、それぞれの振動梁１３４Ａ〜１３４Ｄは、基部１３１とフレーム１２０との間に、ｙ軸方向と平行になるように、備えられる。振動梁１３４Ａ〜１３４Ｄは、第１の端部を基部１３１に接続された固定端部として有し、第２の端部を自由又は開放端部として伴って基部１３１から離れる方向に延びる。
【００４８】
さらに、例示的な実施形態において、それぞれの振動梁１３４Ａ〜１３４Ｄは、基部１３１と一体的に形成される。さらに、４つの振動梁１３４Ａ〜１３４Ｄは、ＭＥＭＳ共振器デバイスの動作中、面外に（即ち、ｚ方向に）振動するように構成される。即ち、梁の内の２つは上方に動き、他方、梁のうちの２つは下方に動くなどとなる。この逆位相の動きは、結合される４つの振動梁１３４Ａ〜１３４Ｄの正味の運動量がｚ方向において常にゼロとなり、アンカー損失が最小になるように、運動量を釣り合わせる。また、振動梁の数は４つに限定されず、例えば図６に関して以下で詳細に論じられるように、例えば、３つに等しいか又は３つより多い、所望の数に設定されることを認識されたい。
【００４９】
例示的な態様によれば、基部１３１は、Ｘ軸方向に延びる一対の長辺及びＹ軸方向に延びる一対の短辺を有する、実質的に直方体形状の板である。基部１３１は、直方体形状を有することに限定されず、長辺の垂直二等分線に沿って定められる平面に対して実質的に平面対称形状を有するように形成されることで十分であることに留意されたい。さらに、用語「実質的に」は、本明細書で用いられる場合、例えば、当業者には認識されるように、製造プロセスの結果として生じ得る寸法の小さいばらつきを考慮に入れるものであることに留意されたい。
【００５０】
図３の例示的な実施形態によれば、基部１３１は、基部１３１の長辺でフレーム１２０に、一対の支持梁１３８Ａ及び１３８Ｂによって接続される。より具体的には、一対のアンカー１４０Ａ及び１４０Ｂが振動梁１３４Ａ〜１３４Ｄの間に配置されてＭＥＭＳ共振器１００のための固定支持をもたらす。例えば、例示的な態様によれば、アンカー１４０Ａは振動梁１３４Ａと１３４Ｂとの間に配置され、アンカー１４０Ｂは振動梁１３４Ｃと１３４Ｄとの間に配置される。以下で詳細に説明されるように、アンカー１４０Ａ及び１４０Ｂは、基材１１２の基部からｚ軸方向に延びる対応する一対の支柱によって安定させられる。
【００５１】
さらに図示されるように、一対の支持梁１３８Ａ及び１３８Ｂは、それぞれ共振器基部１３１をアンカー１４０Ａ及び１４０Ｂに接続する。有利なことに、支持梁１３８Ａ及び１３８Ｂは、図示されるように、振動梁１３４Ａ〜１３４Ｄの間、ＭＥＭＳ共振器１００のＱ値を著しく低下させずに基部の同じ側に、配置される。さらに、安定のために、アンカー１４０Ａ及び１４０Ｂは、ｘ軸方向に、支持梁１３８Ａ及び１３８Ｂより大きい幅を有することが好ましい。
【００５２】
さらに、一対の電気的ビアコンタクト１２２Ａ及び１２２Ｂが、それぞれアンカー１４０Ａ及び１４０Ｂの対の上に、パッケージの外部への、例えば、図２に関して前述された電気的コンタクトパッド１１６Ａ及び１１６Ｂへの、電気的接続をもたらすように、備えられる。
【００５３】
例示的な態様によれば、アンカー１４０Ａ及び１４０Ｂの対は、基部と反対側のフレームの側面に（即ち、ｙ軸方向において）結合される。即ち、アンカー１４０Ａ及び１４０Ｂは、振動梁１３４Ａ〜１３４Ｄの間を延びる一対のフレーム接続梁１３２Ａ及び１３２Ｂによって、共振器フレーム１２０に結合される。図示されるように、フレーム接続梁１３２Ａは、アンカー１４０Ａから、振動梁１３４Ａと１３４Ｂとの間を延びてフレーム１２０に接続する。さらに、フレーム接続梁１３２Ｂは、アンカー１４０Ｂから振動梁１３４Ｃと１３４Ｄとの間を延びてやはりフレーム１２０に接続する。例えば、例示的な態様において、フレーム接続梁１３２Ａ及び１３２Ｂは、振動梁１３４Ａ〜１３４Ｄに平行な方向に延びる。さらに、この態様において、支持梁１３８Ａ、アンカー１４０Ａ及びフレーム接続梁１３２Ａは、ＭＥＭＳ共振器１００のｙ軸方向において、支持梁１３８Ｂ、アンカー１４０Ｂ及びフレーム接続梁１３２Ｂと対称的に設計される。
【００５４】
例示的な態様において、フレーム接続梁１３２Ａ及び１３２Ｂは、振動部分１３０とフレーム１２０との間の電気的接続をもたらす。例えば、フレーム接続梁１３２は、共振器を動作させるのにアンカー領域内で必要な電気的フィードスルー（以下で論じられる）の数を減らすために、フレーム１２０と振動部分１３０との間の電気的接続を可能にする。しかし、例示的な実施形態の代替的な一態様において、共振器キャップ内の電気的フィードスルーを主として（又は単独で）用いて、フレーム１２０と振動部分１３０とを電気的に接続することも可能であることを認識されたい。さらに、共振器フレーム１２０は、パッケージキャップ、例えば、図２に関して前述された共振器キャップ１１４を取り付けるための金属接合リング１２４を含む。
【００５５】
例示的な実施形態のさらに別の態様によれば、それぞれ振動梁１３４Ａ〜１３４Ｄの各々の端部に、それぞれの重り又は質量体１３６Ａ〜１３６Ｄを、備えることができる。例えば、図示されるように、振動梁１３４Ａ〜１３４Ｄは各々、振動梁１３４Ａ〜１３４Ｄが基部１３１から延びる点において第１の幅（即ち、ｘ軸方向における）を有し、質量体１３６Ａ〜１３６Ｄは各々、第１の幅より大きい第２の幅（即ち、ｘ軸方向における）を有する。有利なことに、質量体１３６Ａ〜１３６Ｄは、ＭＥＭＳ共振器１００のｙ軸方向の長さをさらに減らすのに役立ち、さもなければ使用されない基材の空洞内の空間を利用する。質量体１３６Ａ〜１３６Ｄの各々の中心は、それぞれの振動梁１３４Ａ〜１３４Ｄの中心軸に沿って整列されず、その代わりに、アンカー１４０Ａ及び１４０Ｄのための空間を生成するようにずらされることが好ましい。例えば、図示されるように、質量体１３６Ａ及び１３６Ｄの外縁は、外側振動梁１３４Ａ及び１３４Ｄの外縁と一直線になり、これらはさらに、フレーム１２０のｙ軸方向の長辺と平行となる。さらに、質量体１３６Ｂ及び１３６Ｃの内縁は、内側振動梁１３４Ｂ及び１３４Ｃの内縁と一直線になり、これらはさらに、フレーム１２０のｙ軸方向の長辺と平行となる。その結果、振動梁１３４Ａと１３４Ｂとの間にアンカー１４０Ａのための空間が定められ、振動梁１３４Ｃと１３４Ｄとの間にアンカー１４０Ｂのための別の空間が定められる。
【００５６】
従って、ＭＥＭＳ共振器１００は長方形空間を占有し、なんら空間を無駄にせずに長方形パッケージ内に適合する。例えば、例示的な一態様により、図３に示されるＭＥＭＳ共振器１００は７００μｍ又はそれ以下の長さ（即ち、ｙ軸方向における）を有することができる。対照的に、図１に示され前述された共振器などの従来の設計は、約９００μｍの長さを有するであろう。例えば、図３の例示的な設計は、全長を従来の設計より２０％超減らすが、これは、そのようなデバイスに対する要求が、より小さいデバイスのためになされ続けているので、重要である。
【００５７】
図４及び図５は、例示的な一実施形態による、図３のＭＥＭＳ共振器１００の断面図を示す。具体的には、図４に示されるパッケージされたＭＥＭＳ共振器１００の断面図は、図３の線Ｂ−Ｂ’に沿って描かれている、ｚ軸方向及びｘ軸方向における断面図である。さらに、図５に示されるパッケージされたＭＥＭＳ共振器１００の断面図は、図３の線Ｃ−Ｃ’に沿って描かれている、ｚ軸方向及びｙ軸方向における断面図である。図４及び図５のそれぞれの断面図は、同じ例示的実施形態を示し、従って、例示的な構成及び構成要素の説明は、以下のようにまとめて説明されるであろう。
【００５８】
図４及び図５に示されるように、例示的な実施形態によるＭＥＭＳ共振器１００は、下蓋、即ち基材１１０、及び上蓋、即ち共振器キャップ１１４の側壁に固定される（例えば、接合される）フレーム１２０を含む。例えば、ＭＥＭＳ共振器１００のフレーム１２０は基材１１０と共振器キャップ１１４との間に保持され、基材１１０及び共振器キャップ１１４は各々、その内部で振動梁１３４Ａ〜１３４Ｄを含む振動部分（即ち、共振器）が延び、ＭＥＭＳデバイスの動作中に振動する、空洞／空間を効果的に形成し、定める。例示的な一態様において、基材１１０の空洞の深さは、２５μｍと１００μｍの間とすることができる。
【００５９】
例示的な一態様によれば、基材１１０（例えば、底板及びｚ軸方向に延びる側壁）は、Ｓｉ（シリコン）を用いて一体的に形成される。さらに、ＳｉＯ2（二酸化シリコン）膜１２６が、基材１１０の側壁の上面の上に、ＭＥＭＳ共振器１００のシリコン基材１１０とフレーム１２０とが互いにＳｉＯ2膜１２６によって接合されるように、形成される。
【００６０】
さらに、例示的な態様によれば、共振構造体が、単結晶シリコン（例えば、ＳＯＩシリコン）から、シリコンの上に圧電材料１２８（例えば、窒化アルミニウム）及び金属（即ち、ビアコンタクト１２２Ａ及び１２２Ｂ）の層を伴って、形成される。例えば、例示的な一態様において、共振器は、当業者には認識されるように、圧電変換のために、モリブデンの層（即ち、ビアコンタクト１２２Ａ及び１２２Ｂ）並びに窒化アルミニウムの層（即ち、圧電層１２８）が上に配置された、単結晶シリコンとすることができる。
【００６１】
さらに図示されるように、共振器キャップ１１４は、キャップ１１４を通して延び、それぞれのアンカー１４０Ａ及び１４０Ｂの上のビアコンタクト１２２Ａ及び１２２Ｂを、それぞれ電気的コンタクトパッド１１６Ａ及び１１６Ｂに電気的に接続する、複数の電気的フィードスルー１１８Ａ及び１１８Ｂ（例えば、金属ビア）を含むことができる。例示的な態様において、金属接合リング１２４がフレーム１２０外周上（例えば、圧電層１２８の上）に配置され、共振器キャップ１１４が、ビアコンタクト１２２Ａ及び１２２Ｂをアンカー１４０Ａ及び１４０Ｂの上部に押し付けるとき、共振器並びに電気的フィードスルー１１８Ａ及び１１８Ｂを密封するように備えられる。
【００６２】
さらに、例示的な態様によれば、基材１１０は、基材１１０の底層から上方に延び、それぞれアンカー１４０Ａ及び１４０Ｂの下にある（及びそれらに整列される）、一対の支柱１４２Ａ及び１４２Ｂを含む。有利なことに、支柱１４２Ａ及び１４２Ｂは、それぞれ支柱１４２Ａ及び１４２Ｂに固定又は接合されたアンカー１４０Ａ及び１４０Ｂにより、共振構造体（即ち、基部１３１に接続された振動梁１３４Ａ〜１３４Ｄ）を堅固に取り付けるように、備えられる。支柱１４２Ａ及び１４２Ｂは、基材１１０と一体的に形成されることが好ましい。
【００６３】
例示的な態様によれば、アンカー１４０Ａ及び１４０Ｂが良好に支持されること、並びに、基材１１０の支柱１４２Ａ及び１４２Ｂと電気フィードスルー１１８Ａ及び１１８Ｂとが、ＭＥＭＳ共振器デバイスのための良好な電気的接続を得るように整列されるか又は凡そ整列されることが重要である。即ち、電気フィードスルー１１８Ａ及び１１８Ｂは、ビアコンタクト１２２Ａ及び１２２Ｂ、並びにそれ故にアンカー１４０Ａ及び１４０Ｂの対と、垂直方向（即ち、ｚ軸方向）に整列される。
【００６４】
さらに、例示的な一態様において、電気フィードスルー１１８Ａ及び１１８Ｂは、典型的には多結晶シリコン製であり、キャップ１１４の残り部分から、二酸化シリコンの層によって絶縁される。
【００６５】
図５に示されるように、支柱（例えば、支柱１４２Ｂ）は、それによって安定させられるそれぞれのアンカー１４０Ｂより小さいｙ軸方向の幅を有する。しかし、支柱１４２Ａ及び１４２Ｂは、支柱１４２Ａ及び１４２Ｂが振動部分１３０（即ち、共振器）をフレーム１２０の内部で安定させるのに十分な幅を有する限り、それぞれのアンカー１４０Ａ及び１４０Ｂと同じ、又は僅かに大きい、又は僅かに小さい幅を有することができることを認識されたい。
【００６６】
図６は、別の例示的な実施形態によるＭＥＭＳ共振器の断面図を示す。第２の及びそれに続く実施形態において、前述の第１の例示的な実施形態におけるのと共通の事柄及び構成要素の説明は省略され、異なる点のみが説明されるであろう。特に、同じ構造体による同じ効果は、各々の実施形態において言及されない。
【００６７】
例えば、図６は、ＭＥＭＳ共振器２００の別の例示的な実施形態の上面図を示す。一般に、ＭＥＭＳ共振器２００は前述のＭＥＭＳ共振器１００と同じ多くの特徴を含み、ｙ軸方向に関して、支持梁１３８Ｂ、アンカー１４０Ｂ及びフレーム接続梁１３２Ｂに対して対称的に配置される支持梁１３８Ａ、アンカー１４０Ａ及びフレーム接続梁１３２Ａの対称的な構成を有する振動部分２３０を含む。例えば、ＭＥＭＳ共振器２００は、図５に関して前述され、ｚ軸方向及びｙ軸方向における断面図として描かれたのと同じ断面構造（即ち、線Ｄ−Ｄ’に沿って描かれた図）を有することになる。その結果、ＭＥＭＳ共振器２００は、有利なことに、第１の例示的な実施形態に関して前述されたＭＥＭＳ共振器構造体と同じ小型のサイズを達成する。
【００６８】
しかし、図６の例示的な実施形態において示されるように、ＭＥＭＳ共振器２００は、基部１３１から延び、ｚ軸方向において位相を異にして振動するように構成された３つのみの振動梁１３４Ａ、１３４Ｄ及び１３４Ｅを有する。振動梁１３４Ａ及び１３４Ｄは、共振器を取り囲むフレーム１２０の側面に最も近いので、外側振動梁と考えることができ、他方、振動梁１３４Ｅは、外側振動梁１３４Ａと１３４Ｄとの間に配置されるので、内側振動梁と考えることができる。
【００６９】
例示的な態様によれば、３つの振動梁１３４Ａ、１３４Ｄ及び１３４Ｅの各々は、それらの自由端に取り付けられたそれぞれの質量体１３６Ａ、１３６Ｄ及び１３６Ｅを含む。さらに、中央の振動梁１３４Ｅ並びに質量体１３６Ｅは、ｘ軸方向において互いに同じ幅を有する振動梁１３４Ａ及び１３４Ｄ並びに質量体１３６Ａ及び１３６Ｄよりも、広い幅（即ち、ｘ軸方向における）を有する。この例示的な実施形態において、ＭＥＭＳ共振器２００の励振中に中央の振動梁１３４Ｅが上方に動くとき、横の振動梁１３４Ａ及び１３４Ｄは下方に動き、逆も同様である。
【００７０】
一般に、異なる共振器構造体に関して、本発明人等は、共振器は共振周波数が信号振幅の増加と共に増加する正の励振レベル依存性（ＤＬＤ、ｄｒｉｖｅ  ｌｅｖｅｌ  ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｙ）を示す傾向があることを見出した。このことは、周波数基準用途のためには望ましくない。従って、本発明人等はさらに、ＭＥＭＳ共振器の基部をアンカーのそれぞれの対に接続する支持梁を折り返すことによってＤＬＤを減らすか又は除去することができることを測定した。
【００７１】
例えば、図７は、別の例示的な実施形態によるＭＥＭＳ共振器の上面図を示す。一般に、例示的な実施形態のＭＥＭＳ共振器３００は、他の例示的な実施形態において前述されたＭＥＭＳ共振器と多くの同じ構成要素及び設計構成を多く含む。それ故に、共通の事項及び構成要素の説明は省略され、異なる点のみが説明されるであろう。
【００７２】
例示的な実施形態によれば、ＭＥＭＳ共振器３００は、アンカー１４０Ａ及び１４０Ｂを基部１３１に接続する一対の支持梁４２０及び４３０を有する振動部分３３０を含む。しかし、図３に関連して前述されたＭＥＭＳ共振器１００の例示的な実施形態において、支持梁１３８Ａ及び１３８Ｂは、各々ｙ軸方向に延びて基部１３１の一方の面を、アンカー１４０Ａ及び１４０Ｂの対の各々の対向する面に直接接続する、直線的アームであった。
【００７３】
対照的に、図７の例示的な態様においては、支持梁４２０及び４３０の対は各々、向き合う振動梁１３４Ａ及び１３４Ｄに面する（即ち、隣の）アンカー１４０Ａ及び１４０Ｂのそれぞれの側面に各々の梁を接続するための複数の屈曲部を有する。具体的には、支持梁４２０は、基部１３１からｙ軸方向に延びる第１のアーム４２２、第１のアーム４２２からｘ軸方向に延びる第２のアーム４２４、及び、第２のアーム４２４からｙ軸方向に延び、アンカー１４０Ａの側面に接続される第３のアーム４２６を有する。さらに、第３のアーム４２６とアンカー１４０Ａとの間に空間又は隙間４２８が設けられる。
【００７４】
支持梁４３０は支持梁４２０と同様の構造を有し、ｙ軸方向の周りに対称的に配置されることが好ましい。例えば、例示的な態様により、支持梁４３０は、基部１３１からｙ軸方向に延びる第１のアーム４３２、第１のアーム４３２からｘ軸方向に延びる第２のアーム４３４、及び、第２のアーム４３４からｙ軸方向に延び、アンカー１４０Ｂの側面に接続される第３のアーム４３６を有する。さらに、第３のアーム４３６とアンカー１４０Ｂとの間に空間又は隙間４３８が設けられる。
【００７５】
ＭＥＭＳ共振器３００の例示的な設計によれば、それぞれ第２のアーム４２４及び４３４の屈曲部を有する支持梁４２０及び４３０の構造は、支持梁４２０及び４３０を前述の実施形態の直線的支持梁よりも、効果的に、長く且つ柔軟にする。有利なことに、この柔軟性は次にＤＬＤを減らし、及び、それにより、例示的なＭＥＭＳ共振器デバイスにより与えられる周波数基準用途を改善する。
【００７６】
さらに、当業者であれば、図７に示される特定の屈曲配置は単に例示的な一設計であること、及び、支持梁４２０及び４３０をより長く且つより柔軟にすることができる、多くの異なる構造的配置が存在することを認識するはずである。例えば、支持梁はこの実施形態においては２つの屈曲部を有するが、付加的な実施形態においては３つ又はそれ以上の屈曲部を有することができる。
【００７７】
図８は、例示的な一実施形態による、図７のＭＥＭＳ共振器３００の断面図を示す。具体的には、パッケージされたＭＥＭＳ共振器３００の図８に示される断面図は、図７の線Ｅ−Ｅ’に沿って描かれており、ｚ軸方向及びｙ軸方向における断面図である。
【００７８】
図８に示されるように、例示的な実施形態によるＭＥＭＳ共振器３００は、例えば、図４及び図５に示される実施形態中で前述されたのと同じ又は類似の多くの構成要素を含む。例えば、図示されるように、ＭＥＭＳ共振器３００は、下蓋即ち基材１１０、及び上蓋即ち共振器キャップ１１４、の側壁に固定（又は接合）されたフレーム１２０を含む。例えば、ＭＥＭＳ共振器３００のフレーム１２０は、同様に基材１１０と共振器キャップ１１４との間に保持され、基材１１０及び共振器キャップ１１４は、内部で振動梁１３４Ａ〜１３４Ｄが延びてＭＥＭＳデバイスの動作中に振動する、空洞／空間を効果的に形成する。
【００７９】
さらに図示されるように、フレーム接続梁１３２Ｂはｙ軸方向に延び、シリコンフレーム１２０の側面をアンカー１４０Ｂに接続する。さらに、共振器キャップ１１４は、キャップ１１４を通して延び、それぞれのアンカー１４０Ｂの上のビアコンタクト（即ち、この透視画法で示されるビアコンタクト１２２Ｂ）に電気的に接続される、複数の電気的フィードスルー（即ち、この透視画法から示される電気的フィードスルー１１８Ｂ）を含む。
【００８０】
さらに、例示的な態様によれば、基材１１０は、基材１１０の底層から上方に延び且つ一対のアンカーの下にある（及びそれに整列される）一対の支柱を含む。図８の透視画法において、支柱１４２Ｂは、支柱１４２Ｂに固定又は接合されるアンカー１４０Ｂによって共振構造体を堅固に取り付けるように、備えられる。さらに前述されたように、支持梁は、柔軟性の向上のために複数の屈曲部を有する。例えば、図示されるように、支持梁４３０は、ｘ軸方向に延びる第２のアーム４３４を含み、隙間４４２及び４４４が、第２のアーム４３４と基材１３１との間（即ち、隙間４４２）及び第２のアーム４３４とアンカー１４０Ｂとの間（即ち、隙間４４４）に生成される。第１のアーム４３２及び第３のアーム４３６は、図８には、断面図はこれらのアーム４３２及び４３６を横切らない図７の線Ｅ−Ｅ’に沿って描かれているので、示されないことに留意されたい。
【００８１】
前述の例示的な実施形態の各々によれば、ＭＥＭＳ共振器デバイスには、それぞれの振動梁の間に配置された複数のアンカー（例えば、一対のアンカー）が備えられる。さらに、アンカーはデバイスの基材に対して、それから延びる一対のそれぞれの支柱によって安定させられる。有利なことに、支持梁１３８Ａ及び１３８Ｂは、ＭＥＭＳ共振器のＱ値をあまり減らさずに、基材の振動アームと同じ側に配置することができる。そのようにすることにより、デバイスの全長を、従来の設計と比べて、２０％又はそれ以上減らすことができる。例えば、例示的なＭＥＭＳ共振器は、クロック共振器（例えば、３２，７６８Ｈｚで振動する）又はジャイロスコープ構造体として使用することができ、そのような従来のデバイスよりも著しく小さいサイズを提供する。
【００８２】
明瞭のために、実施形態の慣例的特徴の全ては、本明細書には開示されていない。本開示のいずれの実際的実施の開発においても、設計者の特定の目標を達成するために、多くの実施特有の決定を行う必要があり、これらの特定の目標は異なる実施及び異なる設計者に対して変化するであろうことを認識されたい。そのような設計努力は複雑で時間がかかるかもしれないが、本開示の利益を有する当業者には、工学技術の慣例的な仕事となることを理解されたい。
【００８３】
さらに、本明細書で使用される専門用語及び用語は、本明細書の用語及び専門用語が当業者により、本明細書で提示される教示及びガイダンスを関連分野（単数又は複数）の熟練の知見と組合せて考慮することによって解釈されるように、限定のためではなく、説明のためのものであることを理解されたい。さらに、本明細書又は特許請求の範囲におけるいかなる用語も、特に断らない限り、普通ではない又は特別の意味に帰されることは意図されていない。
【００８４】
前述のことは、例示的な実施形態に関連して説明されたが、用語「例示的な」は単に一例を意味することを理解されたい。従って、本出願は、本明細書で開示されたＭＥＭＳ共振器の趣旨及び範囲に含まれ得る代替物、修正物及び等価物を包含することが意図されている。
【符号の説明】
【００８５】
参照符号のリスト
１００、２００、３００：ＭＥＭＳ共振器
１１０：基材層
１１２：フレーム
１１４：共振器キャップ
１１６Ａ、１１６Ｂ：電気的コンタクトパッド
１１８Ａ、１１８Ｂ：電気的フィードスルー
１２０：フレーム
１２２Ａ、１２２Ｂ：ビアコンタクト
１２４：金属接合リング
１２６：二酸化シリコン層
１２８：圧電層
１３０：振動部分
１３２Ａ、１３２Ｂ：フレーム接続梁
１３４Ａ〜１３４Ｅ：振動梁
１３６Ａ〜１３６Ｅ：質量体
１３８Ａ、１３８Ｂ：支持梁
１４０Ａ、１４０Ｂ：アンカー
１４２Ａ、１４２Ｂ：支柱
４２０、４３０：支持梁
【図１】
2021509788.tif 000003
【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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【国際調査報告】
2021509788.tif 000011