(57)【要約】【課題】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つの電極とを具え、共振ビーム52の両端部間にて、一方の電極と共振ビーム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ているマイクロメカニカル共振器において、１次の共振モードの振動を抑えて高次の共振モードの振動を増大させる。【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は、共振ビーム52に対して各ギャップ部を介して作用する静電気力の変動幅が、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ている。【選択図】図１
2008099042.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ビーム(52)と、該共振ビーム(52)の両端部間の軸部に対向して配置された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マイクロメカニカル共振器において、共振ビーム(52)に対して各ギャップ部を介して作用する静電気力の変動幅が、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ており、これによって１次の共振モードの振動を抑えて高次の共振モードの振動を増大させたことを特徴とするマイクロメカニカル共振器。
【請求項２】
一方の電極(１)は共振ビーム(52)の中央部近傍にギャップ部を形成すると共に、他方の電極(２)は共振ビーム(52)の両端部近傍にギャップ部を形成するものであって、前記他方の電極(２)には、該電極(２)に一定のバイアス電圧を印加するためのバイアス電圧源が接続されている請求項１に記載のマイクロメカニカル共振器。
【請求項３】
共振ビーム(52)の両端部間に形成されている各ギャップ部のギャップ長が、共振ビーム(52)の中央部近傍のギャップ部で最も大きく且つ両端部近傍のギャップ部で最も小さくなる様に設定されている請求項１に記載のマイクロメカニカル共振器。
【請求項４】
共振ビーム(52)の両端部間に形成されている各ギャップ部の幅が、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５】
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)の両端部間の軸部に対向して配置された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マイクロメカニカル共振器において、共振ビーム(52)の各ギャップ部に面する領域に作用させるべき交番静電気力の領域間の比率は、各領域に一定の静電気力を作用させた場合において各領域の静的変位量が均等となるときの静電気力の領域間比率と同一、若しくは略同一となる様、調整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６】
共振ビーム(52)には、振動の節となる複数の領域にそれぞれ、他の領域よりも断面積の小さなくびれ部(54)が凹設されている請求項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。
【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１５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１６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,  May  5-8,  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１７(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１８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】
そこで本発明の目的は、１次の共振モードの振動を抑えて高次の共振モードの振動を増大させることが可能なマイクロメカニカル共振器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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って、共振ビーム(52)に対して各ギャップ部を介して作用する静電気力の変動幅が、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ている。
【００１３】
上記本発明のマイクロメカニカル共振器においては、共振ビーム(52)に対して各ギャップ部を介して作用する静電気力の変動幅が、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ているので、共振ビーム(52)に発生する高次共振モードの振動波形は、該波形に含まれる複数のピーク値が互いに等しくなる理想的なものに近づき、その結果、１次の共振モードの振動が抑えられて高次の共振モードの振動が増大することになる。
【００１４】
共振ビーム(52)の両端部間に形成されている各ギャップ部を介して発生する静電気力の変動幅が、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するための具体的な構成としては、例えば次の構成を採用することが出来る。
【００１５】
１．一方の電極(１)は共振ビーム(52)の中央部近傍にギャップ部を形成すると共に、他方の電極(２)は共振ビーム(52)の両端部近傍にギャップ部を形成するものであって、前記他方の電極(２)には、該電極(２)に一定のバイアス電圧を印加するためのバイアス電圧源が接続されている構成、
２．共振ビーム(52)の両端部間に形成されている各ギャップ部のギャップ長が、共振ビーム(52)の中央部近傍のギャップ部で最も大きく且つ両端部近傍のギャップ部で最も小さくなる様に設定されている構成、
３．共振ビーム(52)の両端部間に形成されている各ギャップ部の幅が、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ている構成。
【００１６】
又、共振ビーム(52)の各ギャップ部に面する領域に作用させるべき交番静電気力の大きさを決定する具体的な方法としては、次の方法を採用することが出来る。
共振ビーム(52)の各領域に一定の静電気力を作用させることによって各領域に生じる静的変位量を求め、これらの領域における静的変位量が領域間で均等となる様、静電気力の領域間比率を決定する。そして、その静電気力の領域間比率と一致若しくは略一致する様に、共振ビーム(52)の各ギャップ部に面する領域に作用させるべき交番静電気力の領域間の比率を設定する。
【００１７】
これによって、共振ビーム(52)に対して各ギャップ部を介して作用する静電気力の変動幅が、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って、共振ビーム(52)に発生する高次共振モードの振動波形が理想的なものとなる。
【００１８】
具体的構成において、共振ビーム(52)には、振動の節となる複数の領域にそれぞれ、他の領域よりも断面積の小さなくびれ部(54)が凹設されている。
該具体的構成によれば、共振ビーム(52)が高次共振モードで振動するとき、共振ビーム(52)は断面積の小さなくびれ部(54)にて容易に屈曲するので、共振ビーム(52)には理想的な波形の振動が発生し易くなる。
【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、１次の共振モードの振動よりも高次の共振モードの振動が増大するので、該高次共振モードを利用することにより、従来よりも高い周波数帯域で動作する高周波無線通信機器を容易に構成することが出来る。
【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。
基本構成
図１は、本発明に係るマイクロメカニカル共振器の基本的な構成を表わしている。該マイクロメカニカル共振器においては、基板(９)上に共振ビーム(52)が配備され、該共振ビーム(52)の両端部はそれぞれアンカー(３)により基板(９)に固定されており、これによって、共振ビーム(52)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。
斯くして、共振ビーム(52)は、両アンカー(３)(３)が支持部(50)(50)となって、基板(９)の表面と平行な面内で振動が可能である。
【００２１】
共振ビーム(52)には、その両端部を含む４つの領域に、他の領域よりも断面積の小さなくびれ部(54)〜(54)が凹設されており、これによって形成される３つの非くびれ部(53)(53)(53)を挟んで両側には、１つの電極突出部(10)を有する第１の電極と２つの電極突出部(20)(20)を有する第２の電極とが対向配備され、３つの電極突出部(10)(20)(20)と３つの非くびれ部(53)(53)(53)との間にはそれぞれ所定のギャップ部が形成されている。
図１の例は３次共振モードを得るための構成を示し、共振ビーム(52)における３次共振モードの腹の部分に対応して電極突出部(10)(10)(10)が配置され、節の部分に対応してくびれ部(54)〜(54)が形成される。
【００２２】
そして、２つの電極には高周波電源(図示省略)が接続されると共に、一方のアンカー(３)には主電圧電源(図示省略)が接続されて、他方のアンカー(３)から高周波信号が出力される。
この場合、一方のアンカー(３)を介して共振ビーム(52)に直流電圧を印加した状態で、２つの電極に高周波信号を入力すると、共振ビーム(52)と両電極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ビーム(52)が基板(９)の表面と平行な面内で振動する。この共振ビーム(52)の振動により、共振ビーム(52)と両電極の間の静電容量が変化し、該静電容量の変化が他方のアンカー(３)から高周波信号として出力される。
【００２３】
或いは、一方の電極には高周波電源(図示省略)が接続されると共に、一方のアンカー(３)には主電圧電源(図示省略)が接続されて、他方の電極から高周波信号が出力される。
この場合、一方のアンカー(３)を介して共振ビーム(52)に直流電圧を印加した状態で、一方の電極に高周波信号を入力すると、共振ビーム(52)と前記一方の電極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ビーム(52)が基板(９)の表面と平行な面内で振動する。この共振ビーム(52)の振動により、共振ビーム(52)と両電極の間の静電容量が変化し、該静電容量の変化が他方の電極から高周波信号として出力される。
【００２４】
ここで、共振ビーム(52)に対して各ギャップ部を介して作用する静電気力は、その変動幅が共振ビーム(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ている。
即ち、図１の場合、共振ビーム(52)の中央の非くびれ部(53)と電極突出部(10)との間に作用する交番静電気力の変動幅のピーク値をＦａ、両側の非くびれ部(53)(53)と電極突出部(20)(20)との間に作用する交番静電気力の変動幅のピーク値をＦｂとすると、Ｆａ＜Ｆｂの大小関係となる様に設定されている。
【００２５】
上記の大小関係を実現するための具体的な構成としては、図２に示す様に、１つの電極突出部(10)を有する第１の電極と２つの電極突出部(20)(20)を有する第２の電極の両方に高周波電源(６)を接続すると共に、第２の電極には、バイアス電圧電源(60)を接続する構成を採用することが出来る。
【００２６】
又、図３に示す様に、共振ビーム(52)の両端間に形成されている３つのギャップ部の内、中央の非くびれ部が面するギャップ部のギャップ長をＧａ、両端の非くびれ部が面するギャップ部のギャップ長をＧｂとすると、Ｇａ＞Ｇｂの大小関係となる様に設定されている。
【００２７】
或いは、図４に示す様に、共振ビーム(52)の両端間に形成されている３つのギャップ部の内、中央の非くびれ部が面するギャップ部の幅をＷａ、両端の非くびれ部が面するギャップ部の幅をＷｂとすると、Ｗａ＜Ｗｂの大小関係となる様に設定されている。
【００２８】
図１に示す本発明のマイクロメカニカル共振器と、従来のマイクロメカニカル共振器、即ち、共振ビーム(52)にくびれ部を有せず、且つ共振ビーム(52)の中央部に作用する交番静電気力のピーク値Ｆａと両側部に作用する交番静電気力のピーク値Ｆｂを同一(Ｆａ＝Ｆｂ)としたマイクロメカニカル共振器とを対象として、１次共振モード、３次共振モード及び５次共振モードのそれぞれについての周波数特性をコンピュータシミュレーションにより計算した。図５及び図６はそれぞれ従来のマイクロメカニカル共振器と本発明のマイクロメカニカル共振器についての計算結果を表わしている。
【００２９】
尚、従来のマイクロメカニカル共振器においては交番静電気力のピーク値Ｆａ、Ｆｂを共に０.０１ＭＰａに設定し、本発明のマイクロメカニカル共振器においては交番静電気力のピーク値ＦａとＦｂをそれぞれ０.００８６ＭＰａと０.０１ＭＰａに設定した。
【００３０】
従来のマイクロメカニカル共振器においては図５から明らかな様に、１次共振モードのハーモニック変位が最も大きく、３次共振モードのハーモニック変位や５次共振モードのハーモニック変位はそれよりも小さくなっているのに対し、本発明のマイクロメカニカル共振器においては図６から明らかな様に、１次共振モードのハーモニック変位が抑制されて、３次共振モードのハーモニック変位が最も大きくなっている。
【００３１】
この様に本発明に係るマイクロメカニカル共振器によれば、１次共振モードの振動が抑制されて、高次共振モードの振動が増大するので、その高次共振モードを利用することによって、従来よりも高い周波数帯域で動作する高周波無線通信機器を容易に構成することが出来る。
【００３２】
尚、４次モード共振モードや５次共振モードを得るため、共振ビーム(52)のくびれ部の数が図１４(ａ)に示す様に４つから、同図(ｂ)(ｃ)に示す様に５つや６つに増加し、それぞれの非くびれ部に第１、第２の電極を配置した場合も同様に、共振ビーム(52)に対して作用する静電気力の変動幅が、共振ビーム(52)の中央部近傍で最も小さく且つ両端部近傍で最も大きくなる様に設定する。例えば、同図(ｂ)の場合はＦａ＜Ｆｂに設定し、同図(ｃ)の場合はＦａ＜Ｆｂ＜Ｆｃに設定する。
【００３３】
図７〜図１３は、本発明に係るマイクロメカニカル共振器の具体的な実施例を示している。
第１実施例
図７及び図８に示すマイクロメカニカル共振器においては、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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
図８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７及び図８に示すマイクロメカニカル共振器は、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ポート型の共振器を構成している。
【００３７】
上記のマイクロメカニカル共振器において、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。
【００３８】
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。
【００３９】
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て、アンカー(３)から出力される高周波信号Ｉｏの周波数を微調整することが出来る。
【００４０】
上述のマイクロメカニカル共振器によれば、共振子(５)の共振ビーム(52)の長手方向に沿って、複数の電極突出部(10)(20)を交互に配置することにより、その電極突出部(10)(20)の数に応じた高次の共振モードで共振ビーム(52)を意図的に共振させて、ＧＨｚ帯の発振周波数を得ることが出来る。
【００４１】
第２実施例
図９に示すマイクロメカニカル共振器においては、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。
【００４２】
共振子(５)は、第１実施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。
【００４３】
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。
【００４４】
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９に示すマイクロメカニカル共振器は、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。
【００４５】
上記のマイクロメカニカル共振器において、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。
【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。
【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て、アンカー(３)から出力される高周波信号Ｉｏの周波数を微調整することが出来る。
【００４８】
上述のマイクロメカニカル共振器によれば、共振子(５)の共振ビーム(52)の長手方向に沿って、複数の電極突出部(14)(24)を交互に配置することにより、その電極突出部(14)(24)の数に応じた高次の共振モードで共振ビーム(52)を意図的に共振させて、ＧＨｚ帯の発振周波数を得ることが出来る。
【００４９】
第３実施例
図１０に示すマイクロメカニカル共振器においては、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。
【００５０】
共振子(５)は、第１実施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。
【００５１】
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。
【００５２】
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１０に示すマイクロメカニカル共振器は、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ポート型の共振器を構成している。
【００５３】
上記のマイクロメカニカル共振器において、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。
【００５４】
共振子(５)の共振ビーム(52)は、図１１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。
【００５５】
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て、アンカー(３)から出力される高周波信号Ｉｏの周波数を微調整することが出来る。
【００５６】
上述のマイクロメカニカル共振器によれば、共振子(５)の共振ビーム(52)の長手方向に沿って、複数の電極突出部(16)(26)を交互に配置することにより、その電極突出部(16)(26)の数に応じた高次の共振モードで共振ビーム(52)を意図的に共振させて、ＧＨｚ帯の発振周波数を得ることが出来る。
【００５７】
第４実施例
図１２に示すマイクロメカニカル共振器においては、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。
【００５８】
共振子(５)は、第１実施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。
【００５９】
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。
【００６０】
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１２に示すマイクロメカニカル共振器は、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ポート型の共振器を構成している。
【００６１】
上記のマイクロメカニカル共振器において、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。
【００６２】
共振子(５)の共振ビーム(52)は、図１３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。
【００６３】
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て、アンカー(３)から出力される高周波信号Ｉｏの周波数を微調整することが出来る。
【００６４】
上述のマイクロメカニカル共振器によれば、共振子(５)の共振ビーム(52)の長手方向に沿って、複数の電極突出部(18)(28)を交互に配置することにより、その電極突出部(18)(28)の数に応じた高次の共振モードで共振ビーム(52)を意図的に共振させて、ＧＨｚ帯の発振周波数を得ることが出来る。
【００６５】
上記の様に、本発明に係るマイクロメカニカル共振器によれば、共振子(５)の共振ビーム(52)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、発振周波数の微調整を行なうことが出来る。
【００６６】
更に又、本発明に係るマイクロメカニカル共振器によれば、共振ビーム(52)に作用する静電気力を共振ビーム(52)の中央部から両端部に向かって増大させると共に、共振ビーム(52)の振動の節となる位置にくびれ部を凹設した構成により、共振ビーム(52)に発生する高次共振モードの振動波形は、該波形に含まれる複数のピーク値が互いに等しくなる理想的なものに近づき、その結果、１次の共振モードの振動が抑えられて高次の共振モードの振動が増大することになる。従って、発振周波数の高い高次共振モードを利用した無線通信装置への応用が可能となる。
【００６７】
特に、本発明に係るマイクロメカニカル共振器は、出力される高周波信号の周波数を挺倍することなく、直接に必要な周波数を発振させることが出来るので、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。
【００６８】
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、上記実施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】
【００６９】
【図１】本発明に係るマイクロメカニカル共振器の基本構成を示す平面図である。
【図２】本発明に係るマイクロメカニカル共振器における静電気力の設定を実現するための構成例を示す平面図である。
【図３】同上の他の構成例を示す平面図である。
【図４】同上の更に他の構成例を示す平面図である。
【図５】従来のマイクロメカニカル共振器における周波数特性を表わすグラフである。
【図６】本発明のマイクロメカニカル共振器における周波数特性を表わすグラフである。
【図７】本発明の第１実施例のマイクロメカニカル共振器の斜視図である。
【図８】第１実施例のマイクロメカニカル共振器の平面図である。
【図９】第２実施例のマイクロメカニカル共振器の平面図である。
【図１０】第３実施例のマイクロメカニカル共振器の平面図である。
【図１１】第３実施例のマイクロメカニカル共振器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１２】第４実施例のマイクロメカニカル共振器の平面図である。
【図１３】第４実施例のマイクロメカニカル共振器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１４】本発明に係るマイクロメカニカル共振器における静電気力の大小関係を説明する図である。
【図１５】従来のマイクロメカニカル共振器の斜視図である。
【図１６】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１７】共振モードを説明する図である。
【図１８】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】
【００７０】
(１)  駆動電極
(10)  電極突出部
(２)  駆動電極
(20)  電極突出部
(３)  アンカー
(４)  バイアス電極
(５)  共振子
(50)  支持部
(51)  支持ビーム
(52)  共振ビーム
(53)  非くびれ部
(54)  くびれ部
(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】
2008099042.tif 000003
【図２】
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【図３】
2008099042.tif 000005
【図４】
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【図５】
2008099042.tif 000007
【図６】
2008099042.tif 000008
【図７】
2008099042.tif 000009
【図８】
2008099042.tif 000010
【図９】
2008099042.tif 000011
【図１０】
2008099042.tif 000012
【図１１】
2008099042.tif 000013
【図１２】
2008099042.tif 000014
【図１３】
2008099042.tif 000015
【図１４】
2008099042.tif 000016
【図１５】
2008099042.tif 000017
【図１６】
2008099042.tif 000018
【図１７】
2008099042.tif 000019
【図１８】
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