(57)【要約】【課題】基板９上に両端部が支持された共振子５と、該共振子５に対向して配置された２つの電極１、２とを具え、一方の電極１と共振子５とが互いに対向して、１或いは複数のギャップ部が形成されると共に、他方の電極２と共振子５とが互いに対向して、１或いは複数のギャップ部が形成されているマイクロメカニカル共振器において、低インピーダンス化を図る。【解決手段】本発明に係るマイクロメカニカル共振器において、共振子５は、基板９上に、互いに並列の位置関係に配置された複数本の共振ビーム５２、５３、５４を具え、各共振ビームの両端部が基板９上に支持されると共に、隣接する共振ビームどうしが、それぞれの振動の腹の位置若しくはその近傍位置にて互いに連結されている。【選択図】図１
2008103777.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板(９)上に両端部が支持された共振子(５)と、該共振子(５)に対向して配置された２つの電極(１)(２)とを具え、一方の電極(１)と共振子(５)とが互いに対向して、１或いは複数のギャップ部が形成されると共に、他方の電極(２)と共振子(５)とが互いに対向して、１或いは複数のギャップ部が形成され、高周波信号の入力により何れか一方若しくは両方の電極(１)(２)と共振子(５)との間に交番静電気力を発生させて共振子(５)に振動を与え、何れか一方若しくは両方の電極(１)(２)と共振子(５)との間の静電容量の変化を高周波信号として出力するマイクロメカニカル共振器において、
前記共振子(５)は、基板(９)上に、互いに並列の位置関係に配置された複数本の共振ビームを具え、各共振ビームの両端部が基板上に支持されると共に、隣接する共振ビームどうしが、それぞれの振動の腹の位置若しくはその近傍位置にて互いに連結されていることを特徴とするマイクロメカニカル共振器。
【請求項２】
前記共振子(５)を構成する複数本の共振ビームは、それぞれの共振周波数が互いに異なっている請求項１に記載のマイクロメカニカル共振器。
【請求項３】
前記共振子(５)を構成する複数本の共振ビームは、それぞれの長さが互いに異なっている請求項２に記載のマイクロメカニカル共振器。
【請求項４】
互いに隣接する２本の共振ビームの内、短い方の共振ビームの長さに対する長い方の共振ビームの長さの比は、１.２未満である請求項３に記載のマイクロメカニカル共振器。
【請求項５】
互いに隣接する２本の共振ビームの内、短い方の共振ビームの長さに対する長い方の共振ビームの長さの比は、約１.０１〜約１.０２の範囲である請求項３に記載のマイクロメカニカル共振器。
【請求項６】
前記共振子(５)と両電極(１)(２)との間には、３つ以上のギャップ部が形成されて、該共振子(５)は３次以上の高次共振モードで振動し、該共振子(５)を構成する複数本の共振ビームは、高次共振モードにおける振動の腹の位置若しくはその近傍位置で互いに連結されている請求項１乃至請求項５の何れかに記載のマイクロメカニカル共振器。
【請求項７】
互いに隣接する２本の共振ビームは、該共振ビームの弾性係数と同等若しくはそれ以上の弾性係数を有する連結ビーム(41)によって互いに連結されている請求項１乃至請求項６の何れかに記載のマイクロメカニカル共振器。
【請求項８】
前記共振子(５)を構成する複数本の共振ビームには、これらの共振ビームが配列されている面に対して垂直な方向に静電気力を作用させる請求項１乃至請求項７項の何れかに記載のマイクロメカニカル共振器。
【請求項９】
前記共振子(５)を構成する複数本の共振ビームには、これらの共振ビームが配列されている面に対して平行な方向に静電気力を作用させる請求項１乃至請求項７項の何れかに記載のマイクロメカニカル共振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入力された高周波信号を機械的な信号に変換した後に再び高周波信号に変換して出力する共振器に関し、特に、半導体分野における微細加工技術を利用して作製されるマイクロメカニカル共振器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体分野における微細加工技術を利用して、微細な機械構造を電子回路と一体化して形成する、所謂マイクロエレクトロメカニカルシステム(ＭＥＭＳ)技術が開発されており、フィルターや共振器への応用が検討されている。
【０００３】
図２４は、ＭＥＭＳ技術を用いた従来のマイクロメカニカル共振器を表わしている(非特許文献１)。該マイクロメカニカル共振器は、図示の如く基板(96)上に共振子(90)を具え、該共振子(90)は、角柱状の共振ビーム(92)と、該共振ビーム(92)の両端部を支持すべき４本の角柱状の支持ビーム(91)〜(91)とから構成されており、各支持ビーム(91)の基端部はそれぞれアンカー(93)によって基板(96)上に固定されている。これによって、共振子(90)は、基板(96)の表面から僅かに浮上した位置に保持されている。
【０００４】
又、共振子(90)の共振ビーム(92)の両側には、共振ビーム(92)の中央部を挟んで入力電極(94)と出力電極(95)が配備され、共振ビーム(92)と両電極(94)95)との間に所定のギャップ部Ｇが形成されている。
そして、入力電極(94)には高周波電源(６)が接続されると共に、１つのアンカー(93)には主電圧電源(７)が接続されている。
【０００５】
アンカー(93)を介して共振子(90)に直流電圧Ｖｐを印加した状態で、入力電極(94)に高周波信号Ｖｉを入力すると、入力電極(94)と共振ビーム(92)との間にギャップ部Ｇを介して交番静電気力が発生し、該静電気力によって共振子(90)が基板(96)の表面と平行な面内で振動する。この共振子(90)の振動により、共振ビーム(92)と両電極(95)(94)との間に形成される静電容量が変化し、該静電容量の変化が出力電極(95)から高周波信号Ｉｏとして出力される。
【０００６】
又、図２５は、従来の他のマイクロメカニカル共振器を表わしている(非特許文献２、特許文献１)。該マイクロメカニカル共振器は、基板(107)上に平板状の共振子(100)を具え、該共振子(100)は、両端部と中央部の３カ所に支持部(103)を有すると共に、隣接する２つの支持部(103)(103)間に共振ビーム(102)を有している。各支持部(103)には支持ビーム(101)が突設され、各支持ビーム(101)の基端部はそれぞれアンカー(104)によって基板(107)に固定されている。これによって、共振子(100)は、基板(107)の表面から僅かに浮上した位置に保持されている。
【０００７】
又、基板(107)上には、共振子(100)の２つの共振ビーム(102)(102)との間に、入力電極(106)と出力電極(105)が配備され、一方の共振ビーム(102)と入力電極(106)の間、並びに他方の共振ビーム(102)と出力電極(105)との間に、所定のギャップ部が形成されている。
そして、入力電極(106)には高周波電源(６)が接続されると共に、１つのアンカー(104)には主電圧電源(７)が接続されている。
【０００８】
アンカー(104)を介して共振子(100)に直流電圧Ｖｐを印加した状態で、入力電極(106)に高周波信号Ｖｉを入力すると、入力電極(106)と共振ビーム(102)との間にギャップ部を介して交番静電気力が発生し、該静電気力によって共振子(100)が基板(107)の表面と垂直な面内で振動する。この共振子(100)の振動により、共振子(100)と両電極(106)(105)との間に形成される静電容量が変化し、該静電容量の変化が出力電極(105)から高周波信号Ｉｏとして出力される。
【０００９】
【非特許文献１】W.-T.Hsu,J.R.Clark,  and  C.T.-C.Nguyen,“Q-optimized  lateral  freee-free  beam  micromechanical  resonators,”Digest  of  Technical  papers,  the  11th  Int.  Conf.  on  Solid-State  Sensors  &  Actuators  (Transducers’01),  Munich,  Germany,  June  10-14,2001,  pp.1110-1113.
【非特許文献２】M.U.Demirci  and  C.T.-C.Nguyen,“Higher-mode  freee-free  beam  micromechanical  resonators,”Proceedings,2003  IEEE  Int.  Frequency  Control  Symposium,  Tampa,  May5-8,  2003,  pp.810-818.
【特許文献１】特表２００２-５３５８６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述の如きマイクロメカニカル共振器においては、図２６(ａ)に示す１次の共振モードの他、同図(ｂ)に示す２次の共振モードや同図(ｃ)に示す３次の共振モード等の高次の共振モードが混在して発生するが、特にマイクロメカニカル共振器をＧＨｚ帯で動作する高周波無線通信機器に応用する場合、製造時の加工を容易にするため、共振器のサイズを大きく出来る、高次の共振モードを利用する必要がある。しかしながら、図２７に示す如く、１次の共振モードの強度が最も高く、３次の共振モード、５次の共振モードと、高次になるほど強度が低くなるため、応用が進んでいないのが実状である。
【００１１】
そこで本発明者らは上記の課題を解決するべく鋭意研究を重ねた結果、意図的に高次の共振モードを発生させることが可能なマイクロメカニカル共振器の開発に成功した。
図１７及び図１８は、該マイクロメカニカル共振器の一例を示している。図示の如く、該マイクロメカニカル共振器は、基板(９)上に両端部が支持された共振ビーム(52)と、該共振ビーム(52)を挟んで両側に配置された２つの電極(１)(２)とを具え、共振ビーム(52)の両端部間にて、一方の電極(１)と共振ビーム(52)とが互いに対向して、１或いは複数のギャップ部が形成されると共に、他方の電極(２)と共振ビーム(52)とが互いに対向して、１或いは複数のギャップ部が形成され、高周波信号の入力により何れか一方若しくは両方の電極(１)(２)と共振ビーム(52)との間に交番静電気力を発生させて共振ビーム(52)に振動を与え、何れか一方若しくは両方の電極(１)(２)と共振ビーム(52)との間の静電容量の変化を高周波信号として出力するものである。
【００１２】
該マイクロメカニカル共振器によれば、ギャップ部の数に応じた３次以上の高次の共振モードで共振ビーム(52)が共振し、高い周波数の出力信号が得られることになる。従って、出力される高周波信号の周波数を挺倍する必要がないため、特に、低位相ノイズが必要とされる装置、例えばリモートキーレスエントリーシステムや、スペクトラム拡散通信やソフトウエア無線等のＲＦ無線装置に有効である。
【００１３】
ところで、この様な装置への応用を考慮した場合、マイクロメカニカル共振器のインピーダンスを低減させて損失を少しでも抑えることが要求される。
そこで本発明の目的は、発明者らが開発したマイクロメカニカル共振器を更に低インピーダンスなものとすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係るマイクロメカニカル共振器は、基板(９)上に両端部が支持された共振子(５)と、該共振子(５)に対向して配置された２つの電極(１)(２)とを具え、一方の電極(１)と共振子(５)とが互いに対向して、１或いは複数のギャップ部が形成されると共に、他方の電極(２)と共振子(５)とが互いに対向して、１或いは複数のギャップ部が形成され、高周波信号の入力により何れか一方若しくは両方の電極(１)(２)と共振子(５)との間に交番静電気力を発生させて共振子(５)に振動を与え、何れか一方若しくは両方の電極(１)(２)と共振子(５)との間の静電容量の変化を高周波信号として出力するものである。
ここで、前記共振子(５)は、基板(９)上に、互いに並列の位置関係に配置された複数本の共振ビームを具え、各共振ビームの両端部が基板上に支持されると共に、隣接する共振ビームどうしが、それぞれの振動の腹の位置若しくはその近傍位置にて互いに連結されている。
【００１５】
本発明に係るマイクロメカニカル共振器においては、前記共振子(５)を構成する複数本の共振ビームに対し、これらの共振ビームが配列されている面に対して垂直な方向に、若しくは平行な方向に静電気力を作用させる。
【００１６】
上記本発明のマイクロメカニカル共振器によれば、共振子が１本の共振ビームから構成されている複数のマイクロメカニカル共振器を単に電気的に並列接続した場合に比べて、共振子(５)を構成する各共振ビームの機械的振幅が増大し、Ｑ値が増大することが、実験的に確認された。
【００１７】
具体的には、前記共振子(５)を構成する複数本の共振ビームは、それぞれの共振周波数が互いに異なることとなる形状寸法を有している。例えば、前記共振子(５)を構成する複数本の共振ビームは、それぞれの長さが互いに異なっている。
該具体的構成によれば、よりＱ値が増大することが、実験的に確認された。
【００１８】
ここで、互いに隣接する２本の共振ビームの内、短い方の共振ビームの長さに対する長い方の共振ビームの長さの比を、１.２未満とすれば、共振子(５)を同じサイズの複数本の共振ビームによって構成した場合に比べて、Ｑ値が増大することが、実験的に確認された。
更に、互いに隣接する２本の共振ビームの内、短い方の共振ビームの長さに対する長い方の共振ビームの長さの比を、約１.０１〜約１.０２の範囲とすれば、Ｑ値の最大化を図ることが出来る。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係るマイクロメカニカル共振器によれば、Ｑ値を増大させてインピーダンスの低減を図ることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態につき、図面に沿って具体的に説明する。
本発明に係るマイクロメカニカル共振器は、図１に示す如く、シリコン或いはガラスからなる基板(９)上に、シリコン、アルミニウム等の導電材料からなる共振子(５)が配備され、その両端部はシリコン、アルミニウム等の導電材料からなるアンカー(３)(３)によって基板(９)上に支持されている。これによって、共振子(５)は、基板(９)の表面から僅かに浮上した位置に保持されている。
【００２１】
共振子(５)は、互いに並列の位置関係に配置された３本の共振ビーム(52)(53)(54)を具え、各共振ビームの両端部がアンカー(３)(３)に連結されている。又、３本の共振ビーム(52)(53)(54)は、隣接するどうしがビーム中央部にてシリコン、アルミニウム等の導電材料からなる連結ビーム(41)により連結されている。
【００２２】
共振子(５)の３本の共振ビーム(52)(53)(54)を挟んで基板(９)側の下方には、シリコン、アルミニウム等の導電材料からなる２本の電極(１)(１)が配備されると共に、基板(９)とは反対側の上方には、シリコン、アルミニウム等の導電材料からなる１本の電極(２)が配備され、これらの電極(１)(１)(２)は基板(９)上で互いに連結されている。下方の各電極(１)には、３本の共振ビーム(52)(53)(54)を横切る電極突出部(16)が形成されると共に、上方の電極(２)には３本の共振ビーム(52)(53)(54)を横切る電極突出部(26)が形成され、これらの電極突出部(16)(26)(26)は食い違いの位置関係で交互に等間隔で並んでいる。
電極(１)(１)(２)には高周波電源(６)が接続され、一方のアンカー(３)には主電圧電源(７)が接続されている。
【００２３】
主電圧電源(７)からアンカー(３)を介して共振子(５)に直流電圧Ｖｐを印加した状態で、高周波電源(６)から電極(１)(１)(２)に高周波信号Ｖｉを入力すると、３本の共振ビーム(52)(53)(54)と電極突出部(16)(26)(26)の間にギャップ部を介して交番静電気力が発生し、該静電気力によって３本の共振ビーム(52)(53)(54)が基板(９)の表面と垂直な面内で振動する。
この共振ビーム(52)(53)(54)の振動により、共振ビーム(52)(53)(54)と電極突出部(16)(26)(26)の間の静電容量が変化し、該静電容量の変化が該アンカー(３)から高周波信号Ｉoとして出力される。
【００２４】
ここで、共振子(５)を構成する３本の共振ビーム(52)(53)(53)は、それぞれ３次共振モードで振動するが、該振動の３つの腹の位置の内、中央の腹の位置にて連結ビーム(41)により互いに機械的に連結されているので、共振子(５)は全体として１つの共振周波数で共振することになる。
【００２５】
上記マイクロメカニカル共振器は、３本の共振ビーム(52)(53)(54)の各ビームを独立に具えた３つの共振器要素を互いに並列関係で機械的に連結した構成を有しているが、本発明のマイクロメカニカル共振器(連結型マイクロメカニカル共振器)は、１つの共振器要素からなるマイクロメカニカル共振器(単独型マイクロメカニカル共振器)よりも大きな機械的振幅で振動することになる。
そして、３つの共振器要素によって得られる出力電流を足し合わせた電流値が高周波信号として出力されることになる。
【００２６】
図２は、３つの単独型マイクロメカニカル共振器の周波数特性Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃと、該３つの単独型マイクロメカニカル共振器の共振器要素を互いに連結してなる連結型マイクロメカニカル共振器の周波数特性Ｐｍとを比較したものである。
図示の如く、本発明の連結型マイクロメカニカル共振器の周波数特性Ｐｍの機械的振幅の大きさは、３つの単独型マイクロメカニカル共振器の周波数特性Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃの何れの機械的振幅よりも大きくなっている。
従って、本発明の連結型マイクロメカニカル共振器によれば、３つの単独型マイクロメカニカル共振器によって得られる３つの出力電流を足し合わせた電流値よりも大きな出力電流が得られることとなり、共振器全体のインピーダンスを低下させることが出来る。
【００２７】
次に、図３乃至図１６を用いて、本発明の連結型マイクロメカニカル共振器の種々の実施例と、各実施例におけるコンピュータシミュレーションを用いたモード解析及び静的解析の結果について説明する。
【００２８】
第１実施例
図３に示す第１実施例においては、２本の共振ビーム(52)(53)を基板上に基板と平行に配列し、これらの共振ビーム(52)(53)を上面及び下面の中央位置にて連結ビーム(41)(41)により互いに連結して、横型２連結の共振子(５)が構成されている。
該共振子(５)においては、図４に示す如く、両共振ビーム(52)(53)の配列方向に、各共振ビーム(52)(53)の中央部と両端部に互いに逆向きの静電気力Ｐ１、Ｐ２を作用させて、図中に点線で示す様に両共振ビーム(52)(53)に３次の共振モードを発生させる。
ここで、共振ビーム(52)(53)(54)の中央部に作用させる静電気力Ｐ１は、共振ビーム(52)(53)(54)の両端部に作用させる静電気力Ｐ２よりも小さく設定されている。
【００２９】
コンピュータシミュレーションにおいては、図５に示す様に、共振ビームに生じる３次共振モードの振動の２つの節の間隔を単位長さとして、５μｍの単位長さを有する第１の共振ビームと、該共振ビームの単位長さを徐々に変化させた第２の共振ビームの組み合わせにおいて、連結型マイクロメカニカル共振器のＱ値の変化を調べた。
その結果、図示の如く、２つの共振器要素のサイズが同じ連結型マイクロメカニカル共振器のＱ値は、単独型マイクロメカニカル共振器のＱ値(図中の「１個の場合」)よりも大きなものとなった。
【００３０】
更に、２つの共振器要素のサイズが異なる連結型マイクロメカニカル共振器のＱ値は、２つの共振器要素のサイズが同じ連結型マイクロメカニカル共振器のＱ値に対し、第２の共振ビームの単位長さが５μｍ〜５.１μｍの範囲では、より大きな値となり、更に第２の共振ビームの単位長さが５.０６μｍにて最大値となった。
従って、２本の共振ビームの内、短い方の共振ビームの長さに対する長い方の共振ビームの長さの比は、１.０２未満であることが好ましく、更に、短い方の共振ビームの長さに対する長い方の共振ビームの長さの比が約１.０１２であることが最も好ましいということが出来る。
【００３１】
第２実施例
図６に示す第２実施例においては、３本の共振ビーム(52)(53)(54)を基板上に基板と平行に配列し、これらの共振ビーム(52)(53)(54)を上面及び下面の中央位置にて連結ビーム(41)(41)により互いに連結して、横型３連結の共振子(５)が構成されている。
該共振子(５)においては、図７に示す如く、３本の共振ビーム(52)(53)(54)の配列方向に、各共振ビーム(52)(53)(54)の中央部と両端部に互いに逆向きの静電気力Ｐ１、Ｐ２を作用させて、図中に点線で示す様に３本の共振ビーム(52)(53)(54)に３次の共振モードを発生させる。
ここで、共振ビーム(52)(53)(54)の中央部に作用させる静電気力Ｐ１は、共振ビーム(52)(53)(54)の両端部に作用させる静電気力Ｐ２よりも小さく設定されている。
【００３２】
コンピュータシミュレーションにおいては、図８に示す様に、５μｍの単位長さを有する第１の共振ビームＡと、該共振ビームの単位長さを徐々に変化させた第２の共振ビームＢと、各共振ビームＢに対して同じだけ単位長さを変化させた第３の共振ビームＣとの組み合わせを有する連結型マイクロメカニカル共振器のＱ値の変化を調べた。
その結果、図示の如く、３つの共振器要素のサイズが同じ連結型マイクロメカニカル共振器のＱ値は、単独型マイクロメカニカル共振器のＱ値(図中の「１個の場合」)よりも大きなものとなった。
【００３３】
更に、３つの共振器要素のサイズが異なる連結型マイクロメカニカル共振器のＱ値は、３つの共振器要素のサイズが同じ連結型マイクロメカニカル共振器のＱ値に対し、第２の共振ビームの単位長さが５μｍ〜５.１μｍの範囲であって、且つ第３の共振ビームの単位長さが５μｍ〜５.２μｍの範囲では、より大きな値となり、更に第２の共振ビームの単位長さが５.０９μｍ、第３の共振ビームの単位長さが５.１８μｍで最大値となった。
従って、隣接する２本の共振ビームの内、短い方の共振ビームの長さに対する長い方の共振ビームの長さの比は、１〜１.０２の範囲が好ましく、更に、隣接する２本の共振ビームの内、短い方の共振ビームの長さに対する長い方の共振ビームの長さの比が約１.０１８であることが最も好ましいということが出来る。
【００３４】
第３実施例
図９に示す第３実施例においては、３本の共振ビーム(52)(53)(54)を基板上に基板と垂直に配列し、各共振ビームの長さ方向の中央位置にて連結ビーム(41)(41)により互いに連結して、縦型３連結の共振子(５)が構成されている。
該共振子(５)においては、図１０に示す如く、３本の共振ビーム(52)(53)(54)の配列方向と直交する向きに、各共振ビーム(52)(53)(54)の中央部と両端部に互いに逆向きの静電気力Ｐ１、Ｐ２を作用させて、図中に点線で示す様に３本の共振ビーム(52)(53)(54)に３次の共振モードを発生させる。
ここで、共振ビーム(52)(53)(54)の中央部に作用させる静電気力Ｐ１は、共振ビーム(52)(53)(54)の両端部に作用させる静電気力Ｐ２よりも小さく設定されている。
【００３５】
コンピュータシミュレーションにおいては、図１１に示す様に、５μｍの単位長さを有する第１の共振ビームＡと、該共振ビームの単位長さを徐々に変化させた第２の共振ビームＢと、各共振ビームＢに対して同じだけ単位長さを変化させた第３の共振ビームＣとの組み合わせを有する連結型マイクロメカニカル共振器のＱ値の変化を調べた。
【００３６】
その結果、３つの共振器要素のサイズが異なる連結型マイクロメカニカル共振器のＱ値は、３つの共振器要素のサイズが同じ連結型マイクロメカニカル共振器のＱ値に対し、第２の共振ビームの単位長さが５μｍ〜５.１２μｍの範囲であって、且つ第３の共振ビームの単位長さが５μｍ〜５.２４μｍの範囲では、より大きな値となり、更に第２の共振ビームの単位長さが５.０９μｍ、第３の共振ビームの単位長さが５.１８μｍで最大値となった。
従って、隣接する２本の共振ビームの内、短い方の共振ビームの長さに対する長い方の共振ビームの長さの比は、１〜１.０２４の範囲が好ましく、更に、隣接する２本の共振ビームの内、短い方の共振ビームの長さに対する長い方の共振ビームの長さの比が約１.０１８であることが最も好ましいということが出来る。
【００３７】
第４実施例
図１２(ａ)(ｂ)はそれぞれ、縦型２連結の共振子と縦型３連結の共振子において、各共振ビームの中央部に作用させる静電気力Ｐ１と各共振ビームの両端部に作用させる静電気力Ｐ２を均等とした場合のＱ値の変化を表わしている。
図１２(ａ)に示す如く縦型２連結の共振子においては、隣接する２本の共振ビームの内、短い方の共振ビームの長さに対する長い方の共振ビームの長さの比は、１〜１.０２４の範囲が好ましく、更に、短い方の共振ビームの長さに対する長い方の共振ビームの長さの比が約１.０２４であることが最も好ましいということが出来る。
又、図１２(ｂ)に示す如く縦型３連結の共振子においては、隣接する２本の共振ビームの内、短い方の共振ビームの長さに対する長い方の共振ビームの長さの比は、１〜１.０２４の範囲が好ましく、更に、短い方の共振ビームの長さに対する長い方の共振ビームの長さの比が約１.０１８であることが最も好ましいということが出来る。
【００３８】
図１２に示す結果から、本発明の連結型マイクロメカニカル共振器においては、各共振ビームの中央部に作用させる静電気力Ｐ１よりも各共振ビームの両端部に作用させる静電気力Ｐ２を大きく設定した場合に限らず、これらの静電気力Ｐ１、Ｐ２を均等とした場合にも同様の効果を得ることが出来ると言える。
【００３９】
第５実施例
図１３〜図１５は、縦型３連結の共振子を有するマイクロメカニカル共振器において、共振子を１次共振モードで振動させる実施例を示している。図１６(ａ)(ｂ)はそれぞれ、縦型２連結の共振子と縦型３連結の共振子において、静電気力を各共振ビームの中央部に作用させ、共振子を１次共振モードで振動させた場合のＱ値の変化を表わしている。
図１３は各共振ビームの寸法形状を表わしている。図１４は、実験番号毎に、タイプＡの共振ビーム(52)、タイプＢの共振ビーム(53)及びタイプＣの共振ビーム(54)について、各ビームの単位長さＬを表わしている。又、図１５は、縦型３連結の共振子における連結ビーム(41)の形状寸法と、外力の位置及び大きさを表わしている。
尚、縦型２連結の共振子では、タイプＡの共振ビーム(52)とタイプＢの共振ビーム(53)のみを用いた。
【００４０】
縦型２連結の共振子では、図１６(ａ)の如く、Ｑ値は、タイプＢの共振ビーム(53)の単位長さＬが５μｍ〜６.８μｍの範囲で増大し、約６.２μｍでＱ値が最大となっている。又、縦型３連結の共振子では、図１６(ｂ)の如く、Ｑ値は、タイプＣの共振ビーム(53)の単位長さＬが５μｍ〜６.６μｍの範囲で増大し、約５.８μｍでＱ値が最大となっている。
従って、本発明に係る連結型のマイクロメカニカル共振器においては、３次以上の高次の共振モードで各共振ビームを振動させる構成に限らず、１次の共振モードで各共振ビームを振動させる構成であっても同様の効果を得ることが出来ると言える。
【００４１】
図１７〜図２３は、本発明に係る連結型マイクロメカニカル共振器を構成すべき高次モード発生のための１つの共振器要素の具体的な構成例を示している。尚、以下の説明において共振子、各種電極及び電源は、複数の共振器要素に共通の構成であって、各共振器要素の共振ビームは、共振ビーム(52)で代表している。
第１構成例
図１７及び図１８に示す共振器要素においては、シリコン或いはガラスからなる基板(９)上に、シリコン、アルミニウム等の導電材料からなる共振子(５)が配備されると共に、該共振子(５)の両側には、シリコン、アルミニウム等の導電材料からなる一対の駆動電極(１)(２)が配備されている。
【００４２】
共振子(５)は、長さが例えば１０〜２０μｍの角柱状の共振ビーム(52)と、該共振ビーム(52)の両端部に互いに平行に突設された一対の支持ビーム(51)(51)とを具えて、全体がＨ字状に形成されている。共振ビーム(52)には、その長手方向の７カ所にくびれ部が等間隔に凹設されている。各支持ビーム(51)の両端部は、それぞれシリコン、アルミニウム等の導電材料からなるアンカー(３)によって、基板(９)の表面に固定されており、これによって、共振子(５)は、基板(９)の表面から僅かに浮上した位置に保持されている。
又、共振子(５)の両支持ビーム(51)(51)の外側には、それぞれ支持ビーム(51)の中央部に対向して、一対のバイアス電極(４)(４)が配備されており、支持ビーム(51)とバイアス電極(４)の間には所定(例えば０.１〜０.５μｍ)のギャップが形成されている。
【００４３】
一対の駆動電極(１)(２)はそれぞれ、基部(11)(21)と、該基部(11)(21)から共振ビーム(52)へ向けて等間隔に突設された３つの電極突出部(10)(20)とを具えて、全体が櫛歯状を呈している。
一方の駆動電極(１)の３つの電極突出部(10)(10)(10)と他方の駆動電極(２)の３つの電極突出部(20)(20)(20)はそれぞれ、基板(９)の表面と平行な面内で、共振ビーム(52)の非くびれ部と交互に対向して、共振ビーム(52)の非くびれ部との間に所定(例えば０.１〜０.５μｍ)のギャップ部Ｇを形成している。
【００４４】
図１８に示す如く、一対の駆動電極(１)(２)には高周波電源(６)が接続され、１つのアンカー(３)には主電圧電源(７)が接続されている。又、一対のバイアス電極(４)(４)にはバイアス電圧電源(８)が接続されている。
斯くして、図１７及び図１８に示す共振器要素は、高周波電源(６)から２つの駆動電極(１)(２)に高周波信号が入力されて、１つのアンカー(３)から高周波信号Ｉｏが出力される１ポート型の共振器要素を構成している。
【００４５】
上記の共振器要素において、アンカー(３)を介して共振子(５)に直流電圧Ｖｐを印加した状態で、両駆動電極(１)(２)に高周波信号を入力すると、電極突出部(10)(20)と支持ビーム(51)の非くびれ部との間に静電気力が発生し、この静電気力によって、共振子(５)の共振ビーム(52)は、その両端部を支持部(50)(50)として、基板(９)の表面と平行な面内で振動することになる。
電極突出部(10)(20)と共振ビーム(52)の非くびれ部との間に発生させるべき静電気力は、上述の如く、共振ビーム(52)の中央部近傍のギャップ部で最も小さく且つ両端部近傍のギャップ部で最も大きくなる様に設定される。
【００４６】
共振子(５)の共振ビーム(52)は、くびれ部が振動の節、非くびれ部が振動の腹となって振動し、この振動に伴って、共振ビーム(52)と両駆動電極(１)(２)との間に形成される静電容量が変化し、該静電容量の変化が他の１つのアンカー(３)から高周波信号Ｉｏとして出力される。
【００４７】
ここで、バイアス電極(４)(４)にバイアス電圧を印加することにより、共振子(５)の支持ビーム(51)(51)とバイアス電極(４)(４)との間に静電気力が発生し、これによって共振子(５)の共振ビーム(52)は、長手方向の引っ張り力を受けることになる。
従って、バイアス電圧電源(８)のバイアス電圧を調整することにより、共振ビーム(52)の共振周波数を変化させることが出来る。
【００４８】
第２構成例
図１９に示す共振器要素においては、シリコン或いはガラスからなる基板(９)上に、シリコン、アルミニウム等の導電材料からなる共振子(５)が配備されると共に、該共振子(５)の両側には、シリコン、アルミニウム等の導電材料からなる入力電極(22)と出力電極(12)が配備されている。
【００４９】
共振子(５)は、第１構成例と同じ構造を有し、共振子(５)の両支持ビーム(51)(51)の外側には、それぞれ支持ビーム(51)の中央部に対向して、一対のバイアス電極(４)(４)が配備されており、支持ビーム(51)とバイアス電極(４)の間には所定(例えば０.１〜０.５μｍ)のギャップが形成されている。
【００５０】
入力電極(22)及び出力電極(12)はそれぞれ、基部(23)(13)と、該基部(23)(13)から共振ビーム(52)へ向けて等間隔に突設された３つの電極突出部(24)(14)とを具えて、全体が櫛歯状を呈している。
入力電極(22)の３つの電極突出部(24)(24)(24)と出力電極(12)の３つの電極突出部(14)(14)(14)はそれぞれ、基板(９)の表面と平行な面内で、共振ビーム(52)の非くびれ部と交互に対向して、共振ビーム(52)の非くびれ部との間に所定(例えば０.１〜０.５μｍ)のギャップ部Ｇを形成している。
【００５１】
入力電極(22)には高周波電源(６)が接続され、１つのアンカー(３)には主電圧電源(７)が接続されている。又、一対のバイアス電極(４)(４)にはバイアス電圧電源(８)が接続されている。
斯くして、図１９に示す共振器要素は、高周波電源(６)から入力電極(22)に高周波信号が入力されて、出力電極(12)から高周波信号Ｉｏが出力される２ポート型の共振器を構成している。
【００５２】
上記の共振器要素において、アンカー(３)を介して共振子(５)に直流電圧Ｖｐを印加した状態で、入力電極(22)に高周波信号を入力すると、電極突出部(24)と支持ビーム(51)の非くびれ部との間に静電気力が発生し、この静電気力によって、共振子(５)の共振ビーム(52)は、その両端部を支持部(50)(50)として、基板(９)の表面と平行な面内で振動することになる。
電極突出部(10)と共振ビーム(52)の非くびれ部との間に発生させるべき静電気力は、上述の如く、共振ビーム(52)の中央部近傍のギャップ部で最も小さく且つ両端部近傍のギャップ部で最も大きくなる様に設定される。
【００５３】
共振子(５)の共振ビーム(52)は、くびれ部が振動の節、非くびれ部が振動の腹となって振動し、この振動に伴って、共振ビーム(52)と出力電極(12)との間に形成される静電容量が変化し、該静電容量の変化が出力電極(12)から高周波信号Ｉｏとして出力される。
【００５４】
ここで、バイアス電極(４)(４)にバイアス電圧を印加することにより、共振子(５)の支持ビーム(51)(51)とバイアス電極(４)(４)との間に静電気力が発生し、これによって共振子(５)の共振ビーム(52)は、長手方向の引っ張り力を受けることになる。
従って、バイアス電圧電源(８)のバイアス電圧を調整することにより、共振ビーム(52)の共振周波数を変化させることが出来る。
【００５５】
第３構成例
図２０に示す共振器要素においては、シリコン或いはガラスからなる基板(９)上に、シリコン、アルミニウム等の導電材料からなる共振子(５)が配備されると共に、該共振子(５)の両側には、シリコン、アルミニウム等の導電材料からなる一対の駆動電極(15)(25)が配備されている。
【００５６】
共振子(５)は、第１構成例と同じ構造を有し、共振子(５)の両支持ビーム(51)(51)の外側には、それぞれ支持ビーム(51)の中央部に対向して、一対のバイアス電極(４)(４)が配備されており、支持ビーム(51)とバイアス電極(４)の間には所定(例えば０.１〜０.５μｍ)のギャップが形成されている。
【００５７】
一方の駆動電極(15)は、共振ビーム(52)の下方、即ち共振ビーム(52)と基板(９)の間へ向けて等間隔に突出する３つの電極突出部(16)(16)(16)を具え、他方の駆動電極(25)は、共振ビーム(52)の上方へ向けて等間隔に突出する３つの電極突出部(26)(26)(26)を具えている。
一方の駆動電極(15)の３つの電極突出部(16)(16)(16)と他方の駆動電極(25)の３つの電極突出部(26)(26)(26)はそれぞれ、基板(９)の表面と垂直な面内で、共振ビーム(52)の非くびれ部と交互に対向して、共振ビーム(52)の非くびれ部との間に所定(例えば０.１〜０.５μｍ)のギャップ部を形成している。
【００５８】
一対の駆動電極(15)(25)には高周波電源(６)が接続され、１つのアンカー(３)には主電圧電源(７)が接続されている。又、一対のバイアス電極(４)(４)にはバイアス電圧電源(８)が接続されている。
斯くして、図２０に示す共振器要素は、高周波電源(６)から２つの駆動電極(15)(25)に高周波信号が入力されて、１つのアンカー(３)から高周波信号Ｉｏが出力される１ポート型の共振器要素を構成している。
【００５９】
上記の共振器要素において、アンカー(３)を介して共振子(５)に直流電圧Ｖｐを印加した状態で、両駆動電極(15)(25)に高周波信号を入力すると、電極突出部(16)(26)と支持ビーム(51)の非くびれ部との間に静電気力が発生し、この静電気力によって、共振子(５)の共振ビーム(52)は、その両端部を支持部(50)(50)として、基板(９)の表面と垂直な面内で振動することになる。
電極突出部(16)(26)と共振ビーム(52)の非くびれ部との間に発生させるべき静電気力は、上述の如く、共振ビーム(52)の中央部近傍のギャップ部で最も小さく且つ両端部近傍のギャップ部で最も大きくなる様に設定される。
【００６０】
共振子(５)の共振ビーム(52)は、図２１に示す様に、くびれ部が振動の節、非くびれ部が振動の腹となって振動し、この振動に伴って、共振ビーム(52)と両駆動電極(１)(２)との間に形成される静電容量が変化し、該静電容量の変化が他の１つのアンカー(３)から高周波信号Ｉｏとして出力される。
【００６１】
ここで、バイアス電極(４)(４)にバイアス電圧を印加することにより、共振子(５)の支持ビーム(51)(51)とバイアス電極(４)(４)との間に静電気力が発生し、これによって共振子(５)の共振ビーム(52)は、長手方向の引っ張り力を受けることになる。
従って、バイアス電圧電源(８)のバイアス電圧を調整することにより、共振ビーム(52)の共振周波数を変化させることが出来る。
【００６２】
第４構成例
図２２に示す共振器要素においては、シリコン或いはガラスからなる基板(９)上に、シリコン、アルミニウム等の導電材料からなる共振子(５)が配備されると共に、該共振子(５)の両側には、シリコン、アルミニウム等の導電材料からなる入力電極(27)と出力電極(17)が配備されている。
【００６３】
共振子(５)は、第１構成例と同じ構造を有し、共振子(５)の両支持ビーム(51)(51)の外側には、それぞれ支持ビーム(51)の中央部に対向して、一対のバイアス電極(４)(４)が配備されており、支持ビーム(51)とバイアス電極(４)の間には所定(例えば０.１〜０.５μｍ)のギャップが形成されている。
【００６４】
入力電極(27)及び出力電極(17)はそれぞれ、共振ビーム(52)の下方、即ち共振ビーム(52)と基板(９)の間へ向けて等間隔に突出する３つの電極突出部(28)(18)を具え、これらの電極突出部(28)(18)はそれぞれ、基板(９)の表面と垂直な面内で、共振ビーム(52)の非くびれ部と交互に対向して、共振ビーム(52)の非くびれ部との間に所定(例えば０.１〜０.５μｍ)のギャップ部を形成している。
【００６５】
入力電極(27)には高周波電源(６)が接続され、１つのアンカー(３)には主電圧電源(７)が接続されている。又、一対のバイアス電極(４)(４)にはバイアス電圧電源(８)が接続されている。
斯くして、図２２に示す共振器要素は、高周波電源(６)から入力電極(27)に高周波信号が入力されて、出力電極(17)から高周波信号Ｉｏが出力される２ポート型の共振器要素を構成している。
【００６６】
上記の共振器要素において、アンカー(３)を介して共振子(５)に直流電圧Ｖｐを印加した状態で、入力電極(27)に高周波信号を入力すると、電極突出部(28)と支持ビーム(51)の非くびれ部との間に静電気力が発生し、この静電気力によって、共振子(５)の共振ビーム(52)は、その両端部を支持部(50)(50)として、基板(９)の表面と垂直な面内で振動することになる。
電極突出部(28)と共振ビーム(52)の非くびれ部との間に発生させるべき静電気力は、上述の如く、共振ビーム(52)の中央部近傍のギャップ部で最も小さく且つ両端部近傍のギャップ部で最も大きくなる様に設定される。
【００６７】
共振子(５)の共振ビーム(52)は、図２３に示す様に、くびれ部が振動の節、非くびれ部が振動の腹となって振動し、この振動に伴って、共振ビーム(52)と出力電極(17)との間に形成される静電容量が変化し、該静電容量の変化が出力電極(17)から高周波信号Ｉｏとして出力される。
【００６８】
ここで、バイアス電極(４)(４)にバイアス電圧を印加することにより、共振子(５)の支持ビーム(51)(51)とバイアス電極(４)(４)との間に静電気力が発生し、これによって共振子(５)の共振ビーム(52)は、長手方向の引っ張り力を受けることになる。
従って、バイアス電圧電源(８)のバイアス電圧を調整することにより、共振ビーム(52)の共振周波数を変化させることが出来る。
【００６９】
本発明に係るマイクロメカニカル共振器は、上述の各種構成を有する複数の共振器要素を基板上に横型若しくは縦型に配列し、これらを連結ビームにより互いに連結することによって構成される。尚、図１に示す本発明のマイクロメカニカル共振器は、横型３連結のマイクロメカニカル共振器であるが、外力の方向は基板に対して垂直方向となっている。
この様な連結型マイクロメカニカル共振器によれば、複数の単独型マイクロメカニカル共振器を単に電気的に接続した構成よりもＱ値が増大し、共振器全体の損失を低減させることが出来る。
【００７０】
又、共振子(５)に高次モードの振動を意図的に発生させることが出来るので、共振子(５)を作製容易な寸法に維持したまま、従来よりも高い発振周波数を得ることが出来る。又、バイアス電圧電源(８)の電圧調整により、共振子(５)の形状寸法を変更することなく、共振周波数の変更を行なうことが出来る。
【００７１】
尚、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。例えば、共振子(５)の材料として、ヤング率の高い材料、例えばダイアモンド等を用いることによって、更に高い発振周波数を実現することも可能である。又、上記の構成例では電極の形状は何れも櫛歯状を呈しているが、複数の電極突出部(電極片)を互いに導電線路で接続した構成を採用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明に係るマイクロメカニカル共振器の構成を示す斜視図である。
【図２】連結型マイクロメカニカル共振器と単独型マイクロメカニカル共振器の周波数特性を示すグラフである。
【図３】本発明に係るマイクロメカニカル共振器の第１実施例を示す斜視図である。
【図４】第１実施例における静電気力の作用方向を説明する図である。
【図５】第１実施例における共振ビームの単位長さの変化に応じたＱ値の変化を示すグラフである。
【図６】本発明に係るマイクロメカニカル共振器の第２実施例を示す斜視図である。
【図７】第２実施例における静電気力の作用方向を説明する図である。
【図８】第２実施例における共振ビームの単位長さの変化に応じたＱ値の変化を示すグラフである。
【図９】本発明に係るマイクロメカニカル共振器の第３実施例を示す斜視図である。
【図１０】第３実施例における静電気力の作用方向を説明する図である。
【図１１】第３実施例における共振ビームの単位長さの変化に応じたＱ値の変化を示すグラフである。
【図１２】第４実施例における共振ビームの単位長さの変化に応じたＱ値の変化を示すグラフである。
【図１３】第５実施例における共振ビームの形状寸法を示す図である。
【図１４】第５実施例における各実験の共振ビームの単位長さを示す図表である。
【図１５】第５実施例における連結ビームの形状寸法を示す図である。
【図１６】第５実施例における共振ビームの単位長さの変化に応じたＱ値の変化を示すグラフである。
【図１７】本発明のマイクロメカニカル共振器を構成すべき第１構成例の共振器要素の斜視図である。
【図１８】第１構成例の共振器要素の平面図である。
【図１９】第２構成例の共振器要素の平面図である。
【図２０】第３構成例の共振器要素の平面図である。
【図２１】第３構成例の共振器要素における共振ビームの振動状態を説明する断面図である。
【図２２】第４構成例の共振器要素の平面図である。
【図２３】第４構成例の共振器要素における共振ビームの振動状態を説明する断面図である。
【図２４】従来のマイクロメカニカル共振器の斜視図である。
【図２５】従来の他のマイクロメカニカル共振器の斜視図である。
【図２６】共振モードを説明する図である。
【図２７】１次共振モード及び高次共振モードの周波数特性を表わすグラフである。
【符号の説明】
【００７３】
(１)  電極
(16)  電極突出部
(２)  電極
(26)  電極突出部
(３)  アンカー
(４)  バイアス電極
(５)  共振子
(51)  支持ビーム
(52)  共振ビーム
(53)  共振ビーム
(54)  共振ビーム
(41)  連結ビーム
(６)  高周波電源
(７)  主電圧電源
(８)  バイアス電圧電源
(９)  基板
【図１】
2008103777.tif 000003
【図２】
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【図３】
2008103777.tif 000005
【図４】
2008103777.tif 000006
【図５】
2008103777.tif 000007
【図６】
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【図７】
2008103777.tif 000009
【図８】
2008103777.tif 000010
【図９】
2008103777.tif 000011
【図１０】
2008103777.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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