(57)【要約】【課題】小型軽量な小型発振子及びその製造方法を提供する。【解決手段】小型発振器(10)は、基板(20)と、基板上に形成されたアンカー(13)と、アンカーに一端部が固定されて、アンカーから延び、基板から浮いた状態の細長いカンチレバー(11)と、カンチレバーを静電引力により引き付けるため、カンチレバーに沿って設けられた駆動電極(12)と、駆動電極に電圧を印加するための電源(15)と、電源と駆動電極の間の抵抗(14)とを備える。駆動電極に電圧を印加すると、カンチレバーは静電引力により駆動電極に引き付けられ、カンチレバーが駆動電極に接触すると電荷を放電し、カンチレバーは駆動電極から離れることを繰り返し、カンチレバーは自励発振する。駆動電極にかける電圧を変えると、発振周波数が変化する。【選択図】図１
2008306460.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成されたアンカーと、
前記アンカーに端部が固定されて、前記アンカーから延び、前記基板から浮いた状態の細長い振動部材と、
前記振動部材を静電引力により引き付けるため、前記振動部材に沿って設けられた駆動電極と、
前記駆動電極に接続された抵抗と、を備え、
前記駆動電極に電源から電圧を印加すると、前記振動部材は、静電引力により前記駆動電極に引き付けられ、前記振動部材は前記駆動電極に接触すると電荷を放電し、前記駆動電極から離れることを繰り返し、前記振動部材が自励発振することを特徴とする小型発振子。
【請求項２】
前記振動部材が前記駆動電極に引き付けられて接触する電圧以上の電圧を前記駆動電極に印加し、
前記駆動電極への充電時間は、前記振動部材の共振周期より長い請求項１に記載の小型発振子。
【請求項３】
前記振動部材と前記駆動電極の間には静電容量が形成され、前記駆動電極に電圧をかけるとき、前記振動部材と前記駆動電極の間の電圧は時間経過に従って大きくなり、
前記駆動電極にかける電圧を変えると、前記振動部材が前記駆動電極に接触するまでの時間が変化し、前記振動部材の発振周波数が変化する請求項２に記載の小型発振子。
【請求項４】
前記アンカーは絶縁膜を介して前記基板上に固定され、前記基板と前記アンカーの間には静電容量が形成されている請求項１に記載の小型発振子。
【請求項５】
絶縁体上シリコン基板を用いて作成され、前記振動部材は前記アンカーに一端部が固定されたカンチレバーである請求項１に記載の小型発振子。
【請求項６】
前記振動部材への前記駆動電極以外の電荷の影響を無くすため、前記振動部材に沿ってシールドを備える請求項１に記載の小型発振子。
【請求項７】
シリコン酸化膜を介して２枚のシリコン基板を接合した絶縁体上シリコン基板から、アンカーと、振動部材と、駆動電極とを備える小型発振子を一体に形成する製造方法であって、
(a)前記絶縁体上シリコン基板の上面にマスク層を堆積してパターニングし、
(b)上面よりエッチングを行い、前記マスク層でマスクされた部分以外をエッチングして、上層に前記駆動電極と、前記振動部材と、前記駆動電極とを形成し、
(c)前記絶縁体上シリコン基板のシリコン酸化膜を犠牲層エッチングにより除去し、前記振動部材が下層から浮いた構造とする、
工程を備えることを特徴とする製造方法。
【請求項８】
前記(b)のエッチング工程は、深堀りリアクティブイオンエッチングで行う請求項７に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通信機器、携帯機器、時計等に使用する小型発振子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの通信機器、携帯機器では、発振器として水晶振動子を用いている。ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)は、要素部品を１つのシリコン基板上に集約化したデバイスである。携帯機器では、より容積を小さくするため、ＭＥＭＳ技術を用いたシリコン系の発振子が注目を集めている。ＭＥＭＳの発振子は、水晶に匹敵する安定度と精度を持ち、小型化されている。例として、Sitimeがある。
また、通信機などで用いられる位相同期回路（ＰＬＬ,Phase-Locked-Loop）の主要な要素として、電圧で発振周波数を変化させることができる電圧制御発振器（ＶＣＯ,Voltage-Controlled Oscillator）がある。携帯電話や無線ＬＡＮの普及により、ＰＬＬは多く使用され、ＶＣＯの需要は大きくなっている。
単に、発振子だけを小さくするのではなく、ＶＣＯ全体を小さくできれば、発振器の小型化が可能である。
【０００３】
水晶発振子もＭＥＭＳを用いた発振子も自励発振ではないため、フィードバック回路の中でフィルターとして働く。そのため、発振を持続させるため、外部にフィードバック回路が必要である。
ＭＥＭＳ技術を用いたＶＣＯもあるが、外部にコイルやコンデンサが必要となる。ＭＥＭＳ技術を用いない従来のＶＣＯでも容量変化ダイオード等が必要である。
しかし、コイルは小型化が困難なので、コイルを使用すると、全体に大きなデバイスになってしまう。外部にコンデンサやコイルを必要としないＶＣＯを実現できれば、劇的に小さいＶＣＯを実現することができる。
【０００４】
特許文献１は、発振器に使用できる受動素子を開示する。特許文献１の受動素子は、静電駆動するものであるが、自励発振するものではない。また、印加電圧を変えても発振周波数は変化しない。
【０００５】
そのため、更に小型の小型発振子の開発が望まれている。また、このような小型発振子を安価に製造する方法が望まれている。また、発振周波数を変化させることのできる小型発振子が求められている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２５３４９３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、外部にコンデンサやコイルを必要としない極めて小型の小型発振子を提供することである。
本発明の他の目的は、マイクロマシニング技術を使用して、このような小型発振子の製造方法を提供することである。
本発明の他の目的は、発振周波数を変化させることのできる小型発振子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、外部にコンデンサやコイルを必要とせず、直流電圧を印加するだけで、自励発振する発振子を開発した。この発振子は、印加電圧を変化させることにより、発振周波数を変化させることができる。
本発明の小型発振子は、シリコン酸化膜を介して２枚のシリコン基板を接合した絶縁体上シリコン基板を用いて、半導体製造技術を使用して、基板上に振動部材と駆動電極を形成したものである。この発振子は、駆動電極に直流電圧を印加すると、振動部材は静電引力により駆動電極に引き付けられ、駆動電極に接触すると放電して元の位置に戻る。これを繰り返し、直流電圧を印加していると、自励発振する。
本発明では、極めて小型の小型発振子を得ることができる。
【０００９】
本発明の１態様は、小型発振子である。この小型発振子は、基板と、
前記基板上に形成されたアンカーと、
前記アンカーに一端部が固定されて、前記アンカーから延び、前記基板から浮いた状態の細長い振動部材と、
前記振動部材を静電引力により引き付けるため、前記振動部材に沿って設けられた駆動電極と、
前記電源と前記駆動電極の間の抵抗と、を備え、
前記駆動電極に電源から電圧を印加すると、
前記振動部材は静電引力により前記駆動電極に引き付けられ、前記振動部材が前記駆動電極に接触すると電荷を放電し、前記振動部材は前記駆動電極から離れることを繰り返し、前記カンチレバーが自励発振する。
【００１０】
本発明の発振子は、外部にコンデンサやコイルを必要としないので、発振子全体を小さくすることができる。
【００１１】
前記振動部材が前記駆動電極に引き付けられて接触する電圧以上の電圧を前記駆動電極に印加することが好ましい。
前記駆動電極への充電時間は、前記振動部材の共振周期より長いことが好ましい。
こうすると、振動部材が駆動電極に接触して放電し、振動部材は復元力により元の静止位置に戻る。
前記振動部材と前記駆動電極の間には静電容量が形成され、前記駆動電極に電圧をかけるとき、前記振動部材と前記駆動電極の間の電圧は時間経過に従って大きくなることが好ましい。
その結果、前記駆動電極にかける電圧を変えると、前記振動部材が前記駆動電極に接触するまでの時間が変化し、前記振動部材の発振周波数が変化する。
前記アンカーは絶縁膜を介して前記基板上に固定され、前記基板と前記アンカーの間には静電容量が形成されていることが好ましい。
【００１２】
小型発振子は、絶縁体上シリコン基板を用いて作成されることが好ましい。
これにより、きわめて小型の小型発振子を得ることができる。
前記振動部材は前記アンカーに一端部が固定されたカンチレバーであることが好ましい。
前記振動部材への前記駆動電極以外の電荷の影響を無くすため、前記振動部材に沿ってシールドを備えることが好ましい。
【００１３】
本発明の別の態様は、シリコン酸化膜を介して２枚のシリコン基板を接合した絶縁体上シリコン基板から、アンカーと、振動部材と、駆動電極とを備える小型発振子を一体に形成する製造方法である。この製造方法は、
(a)前記絶縁体上シリコン基板の上面にマスク層を堆積してパターニングし、
(b)上面よりエッチングを行い、前記マスク層でマスクされた部分以外をエッチングして、上層に前記駆動電極と、前記振動部材と、前記駆動電極とを形成し、
(c)前記絶縁体上シリコン基板のシリコン酸化膜を犠牲層エッチングにより除去し、前記振動部材が下層から浮いた構造とする、工程を備える。
【００１４】
前記マスク層は、アルミニウム層、又はシリコン酸化膜層であっても良い。
前記(b)のエッチング工程は、深堀りリアクティブイオンエッチングで行うことが好ましい。
【００１５】
本発明方法によれば、絶縁体上シリコン基板を用い、マイクロマシニング技術を使用して、小型発振子の構成要素を単一の基板上に同時に作成することができるので、小型の小型発振子を簡単な方法で得ることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、小型軽量の小型発振子を得ることができる。特に、外部にコンデンサやコイルを必要としないので、極めて小型の発振子を得ることができる。
また、印加電圧を変化させると、発振周波数を変化させることができる。
また、製造方法が簡単なので、このような小型発振子を安価に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
（構造）
以下、本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の実施形態による小型発振子10の構造を表す図である。小型発振子10は、ＳＯＩ(Silicon-on-insulator)基板から作成される。小型発振子10は基板20を備え、基板20の上に、アンカー13と、振動部材としてのカンチレバー11と、駆動電極12とを備える。カンチレバー11を固定するためのアンカー13が設けられる。アンカー13の一端部から、細長いカンチレバー11が延びる。カンチレバー11は、一端部がアンカー13に固定され、長さに沿って基板20から浮いた状態である。カンチレバー11は、該一端部でアンカー13に固定されているので、先端部11aは図１の上下方向に移動可能である。基板20上にカンチレバー11に沿って、カンチレバー11を引き付けるための駆動電極12が設けられる。駆動電極12のカンチレバー11の先端部11aと対向する部分は、凸状の接触点12aとなっている。駆動電極12に電圧をかけてカンチレバー11を駆動電極12にひきつけたとき、カンチレバー11の先端部11aは、駆動電極12の接触点12aと接触して停止するようになっている。
本実施形態では、カンチレバー11を用いたが、振動部材として片持ちではなく、両端部が固定され中央部が振動する両持ちとすることもできる。
【００１８】
基板20と駆動電極12の間に、駆動電極12に電圧を印加するための電源15が設けられる。駆動電極12と電源15の間に抵抗14が設けられる。抵抗14は同一の基板20上に設けることができる。抵抗14の長さを変えることにより抵抗値を調節することができる。そのため、別に外部に抵抗を設ける必要はない。該抵抗14は駆動電極12に流れる電流を制御する。抵抗14の抵抗値の大きさにより、駆動電極12に充電するときの時定数が決まる。
アンカー13は、シリコン酸化膜上に成形されているので、基板20との間には、静電容量Ｃｅができる。
駆動電極12以外の周囲の電界がカンチレバー11に影響するのを防止するため、カンチレバー11に沿って、駆動電極12と反対側にシールド16が設けられる。シールド16はアンカー13に接続されていて、同一の基板20上に設けられる。
【００１９】
図２は、小型発振子10の図１の２−２線に沿った断面図であり、小型発振子10に静電容量ができていることを表す。図２においてシールド16は図示していない。カンチレバー11（アンカー13）は、基板20上に絶縁膜を介して形成されているので、カンチレバー11（アンカー13）と基板20との間に静電容量Ｃｅができる。即ち、外部にキャパシターを設ける必要はない。カンチレバー11と駆動電極12との間には、空間があるので静電容量Ｃａができる。
【００２０】
（動作原理）
図３は、カンチレバー11が自励発振をする原理を表す図である。図３においてシールド16は図示していない。(a)電源15により駆動電極12と基板20の間に直流電圧を印加すると、駆動電極12とカンチレバー11に電荷が充電され、駆動電極12とカンチレバー11の間に電位差が生じる。この電位差により、静電引力が発生し、静止位置にあったカンチレバー11は駆動電極12に引き付けられていく。
(b)カンチレバー11と駆動電極12の間の電位差が、カンチレバー11の先端部11aが駆動電極12の接触点12aまで引き付けられる電圧、即ちプルイン電圧より高くなると、カンチレバー11の先端部11aは駆動電極12の接触点12aに接触する。カンチレバー11の先端部11aが駆動電極12の接触点12aに接触すると、カンチレバー11と駆動電極12の間で電荷が移動し、カンチレバー11と駆動電極12の間の電位差がなくなる。
【００２１】
(c)このとき、カンチレバー11と駆動電極12への充電時間が、カンチレバー11の共振周期より長ければ、カンチレバー11と駆動電極12の間に静電引力が働かなくなって、カンチレバー11は、その復元力により、駆動電極12から離れ、元の静止位置に戻る。
次に(a)に戻る。電源15により駆動電極12と基板20の間に直流電圧を印加されている。再度、駆動電極12に電荷が充電され、カンチレバー11は駆動電極12に引き付けられる。カンチレバー11と駆動電極12の間の電位差が、プルイン電圧より高くなると、再度カンチレバー11は駆動電極12に接触する。
このように、小型発振子10は、駆動電極12に直流電圧を印加していると、(a)〜(c)を繰返し、自励発振する。
【００２２】
（発振周波数が変化する原理）
図４は、駆動電極に印加する電圧を変化させると、発振周波数が変化する原理を示す図である。図４(a)は、小型発振子10の等価回路を示す図である。
図４(a)中、アンカーの位置を13、駆動電極の位置を12で示す。Ｃａはカンチレバー11と駆動電極12の間の静電容量を表す。Ｖａはカンチレバー11と駆動電極12の間にかかる電圧である。Ｃｅはアンカー13と基板20の間に発生する静電容量である。Ｖｃはアンカー13と基板20の間にかかる電圧である。
【００２３】
図４(b)を参照する。駆動電極12にステップ状の電圧Ｖｎを加えると、駆動電極12とカンチレバー11との電位差Ｖａ(t)は、次式に従って、過渡応答する。
2008306460.tif 000003
(1)
Ｖａ(t)が、次第に大きくなるとカンチレバー11は駆動電極12に引き付けられ、Ｖａ(t)カンチレバー11のプルイン電圧Ｖｐを越えると、カンチレバー11は駆動電極12に接触する。
【００２４】
カンチレバー11の共振周期がこの過渡応答の時定数ＣａＲより小さければ、カンチレバー11は駆動電極12に接触するまでの時間Ｔｎは、駆動電極12とカンチレバー11との電位差Ｖａ(t)がプルイン電圧Ｖｐに達するまでの時間に等しくなる。
カンチレバー11が駆動電極12に接触するまでの時間Ｔｎは、印加電圧Ｖｎに依存し、次式で表すことができる。
2008306460.tif 000004
(2)
【００２５】
図４(b)は、駆動電極12に色々の印加電圧Ｖｎ（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３）をかけたとき、駆動電極12とカンチレバー11との電位差Ｖａ(t)が、(1)式に従って時間により変化することを示す。図に示すように、駆動電極12に駆動電圧Ｖ１を印加すると、Ｖａ(t)は(1)式に従って、図の実線で示す過渡応答を示し、プルイン電圧Ｖｐに到達するまでの到達時間はｔ１となる。駆動電圧Ｖ２を印加すると、図の点線で示す過渡応答を示し、到達時間はｔ２となる。駆動電圧Ｖ３を印加すると、図の一点鎖線で示す過渡応答を示し、到達時間はｔ３となる。このように、駆動電極12に印加する電圧Ｖｎを変化させると、プルイン電圧Ｖｐに到達するまでの到達時間が変化し、従って、カンチレバー11が駆動電極12に接触するまでの時間Ｔｎが変化する。そのため、発振器10のカンチレバー11の発振周波数が変化する。
【００２６】
（製造工程）
図５に、本発明の実施の形態による小型発振子10の作成方法を示す。図５は、小型発振子10の断面図である。まず、絶縁体上シリコン(ＳＯＩ(Silicon on Insulator))基板を準備する。このＳＯＩ基板は、シリコン酸化膜21の上面にシリコン層22、下面にシリコン層23が形成されたものである。
(a)ＳＯＩ基板の上面にアルミニウム層26を堆積し、フォトリソグラフィー技術を使用して、小型発振子10の上層にカンチレバー11、駆動電極12、シールド16の構造を形成するため、所望の形状にパターニングする。
【００２７】
(b)上面より深堀りＲＩＥを行い、アルミニウム層26でマスクされた部分以外をエッチングし、カンチレバー11、駆動電極12、アンカー13（図５には示さない）、シールド16を形成する。このとき、シリコン酸化膜21がエッチングストップ層となるので、その下のシリコン層23はエッチングされない。
【００２８】
(c)ＳＯＩ基板のシリコン酸化膜21をフッ化水素酸により除去する。カンチレバー11の部分は細長いため、その下のシリコン酸化膜21が除去されて、カンチレバー11は下面のシリコン層23から浮いた状態となる。駆動電極12、アンカー13、シールド16の下のシリコン酸化膜21は除去されない。そのため、カンチレバー11は一端がアンカー13に固定され、他端部は移動可能な状態となる。
【００２９】
本発明の方法によれば、非常に簡単な工程でカンチレバー11、駆動電極12、アンカー13、シールド16を備える小型発振器10を成形することができる。
【００３０】
（実施例）
図６に本発明の実施例による小型発振子の電子顕微鏡写真を示す。図６(a)は小型発振子の主要部の写真である。(b)は(a)の右下部分のカンチレバー11と駆動電極12の接触点付近の拡大写真である。カンチレバー11は、電圧をかけていない静止位置にある。カンチレバーの幅は5μｍ、長さは300μｍ、高さ20μｍであった。駆動電極12に電圧をかけない静止位置で、カンチレバー11の先端部11aと駆動電極12の接触点12aと間のギャップは、10μｍであった。プルイン電圧は40Ｖであった。このプルイン電圧は、更に低く設定することもできる。
【００３１】
（動作結果）
本発明の実施例による小型発振子について、駆動電極12に電圧を印加してカンチレバー11を発振させる実験を行った。図７に、レーザ変位計を用いて、カンチレバー11の変位を測定した結果を示す。(a)は、駆動電極12に駆動電圧Ｖｎとして39.0Ｖをかけた場合の時間とカンチレバー11の変位の関係を示す。駆動電極12にかかる電圧Ｖａ(t)は、(1)式に従って変化する。図中、Ａ点は、カンチレバー11が駆動電極12に引き付けられて接触したことを示す。Ｂ点は、カンチレバー11が放電し、力のかかっていない静止位置にもどったことを示す。Ｂ点から更に時間が経過すると、カンチレバー11は次第に駆動電極12に引き付けられて移動し、再度プルイン電圧に達すると、駆動電極12に接触する。発振周期は620ｍｓであった。
【００３２】
(b)は、駆動電極12に駆動電圧Ｖｎとして40.7Ｖをかけた場合の時間とカンチレバー11の変位の関係を示す。発振周期は100ｍｓであった。駆動電極12にかける電圧を39.0Ｖから40.7Ｖに変えると、発振周期が620ｍｓから100ｍｓに変化したことがわかる。このように、駆動電極に印加する電圧を変化させると、発振周波数が変化する。
本発明の実施例では、発振周期が比較的遅かったが、その理由は、外部に取り付けた抵抗の値が大きかったため、充電時の時定数が大きくなったためと考えられる。
【００３３】
本発明の実施の形態では、ＳＯＩ基板を用いて小型発振子を作成したが、シリコン以外のＧａＡｓ等の半導体、金属材料を使用することができる。金属材料を使用すれば、接触抵抗を低くすることができる。
また、本発明の小型発振子は、集積回路作成プロセスと同一のプロセスで作成することができるので、ＩＣ等の集積回路上に作りこむこともできる。小型発振子をＩＣと同一のチップ上に作成することにより、小型発振子を大幅に小型化することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明の小型発振子は、携帯電話やゲーム機、無線ＬＡＮ等の携帯機器に使用するのに適している。
本発明の小型発振子は、電圧を変化させることにより、周波数を変化させることができるので、ＰＬＬに使用するＶＣＯを大幅に小型化することができ、通信機等の通信機器に多くの用途がある。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の小型発振子の原理を表す図。
【図２】本発明の実施形態による小型発振子の断面図。
【図３】本発明の小型発振子が振動する原理を示す図。
【図４】(a)は本発明の小型発振子の等価回路を示す図、(b)は駆動電圧の過渡応答を示す図。
【図５】本発明の小型発振子の製造工程を示す断面図。
【図６】本発明の実施例による小型発振子の上面の電子顕微鏡写真。
【図７】カンチレバーを振動させて変位を測定した結果を示す図。
【符号の説明】
【００３６】
10  小型発振子
11  カンチレバー
12  駆動電極
13  アンカー
14  抵抗
15  電源
16  シールド
20  支持基板
21  シリコン酸化層
22  シリコン層
23  シリコン層
26  アルミニウム層
【図１】
2008306460.tif 000005
【図２】
2008306460.tif 000006
【図３】
2008306460.tif 000007
【図４】
2008306460.tif 000008
【図５】
2008306460.tif 000009
【図７】
2008306460.tif 000010
【図６】
2008306460.tif 000011