(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＥＭＳ共振器であって、
第１バネマス部分および第２バネマス部分を備えた共振器本体であって、各バネマス部分は、基端および開放端を有する複合バネ構造と、前記複合バネ構造の前記開放端に取り付けられたマスとを備え、前記第１および第２バネマス部分は、前記共振器本体の共振振動中に前記共振器本体の最小移動の１ペアの節点を形成する前記基端で接続され、前記複合バネ構造は、１または複数のバネユニットセルから形成され、各バネユニットセルは、前記共振振動の方向両端の端部と前記端部間において内側に折り畳まれた凹部とが閉じたバネ構造を形成した折り畳みバネ構造を備える共振器本体と、
基板に接続され、前記節点で前記共振器本体の両側に取り付けられた１ペアのアンカと、
前記基板に取り付けられ、前記第１バネマス部分のマスに容量結合されるように形成された駆動電極と、
前記基板に取り付けられ、前記第２バネマス部分のマスに容量結合されるように形成された検知電極と
を備える、ＭＥＭＳ共振器。
【請求項２】
請求項１に記載のＭＥＭＳ共振器であって、さらに、
前記基板の上方に吊り下げられた１ペアの吊りビームを備え、各アンカは、前記吊りビームの１つを通して前記共振器本体に前記節点で取り付けられているＭＥＭＳ共振器。
【請求項３】
請求項１に記載のＭＥＭＳ共振器であって、前記駆動電極と、前記第１バネマス部分の前記マスとは、第１ギャップだけ分離され、前記検知電極と、前記第２バネマス部分の前記マスとは、第２ギャップだけ分離され、前記第１および第２ギャップの各々は、１μｍ以下であるＭＥＭＳ共振器。
【請求項４】
請求項１に記載のＭＥＭＳ共振器であって、前記共振器本体は、２０〜３０μｍの厚さを有するＭＥＭＳ共振器。
【請求項５】
請求項１に記載のＭＥＭＳ共振器であって、前記共振器本体は、単結晶シリコン層および多結晶シリコン層から選択された材料で形成されるＭＥＭＳ共振器。
【請求項６】
請求項１に記載のＭＥＭＳ共振器であって、前記基板は、絶縁層を上に形成されたシリコン基層を含むＭＥＭＳ共振器。
【請求項７】
請求項１に記載のＭＥＭＳ共振器であって、前記バネユニットセルは、長方形の折り畳みバネ構造を備えるＭＥＭＳ共振器。
【請求項８】
請求項１に記載のＭＥＭＳ共振器であって、各バネマス部分において前記複合バネ構造の前記開放端に取り付けられた前記マスは、リリース穴を形成されており、前記リリース穴は、前記マスの重さを調整するＭＥＭＳ共振器。
【請求項９】
請求項１に記載のＭＥＭＳ共振器であって、前記折り畳みバネ構造を形成するビームの寸法を含む前記バネユニットセルの寸法、前記複合バネ構造内のバネユニットセルの数、ならびに、各バネマス部分の前記マスのサイズおよび重さが、前記ＭＥＭＳ共振器の共振周波数を調節するために選択されるＭＥＭＳ共振器。
【請求項１０】
ＭＥＭＳ共振器であって、
複数の共振器ユニットを備えた共振器本体であって、各共振器ユニットは、
第１バネマス部分および第２バネマス部分であって、各バネマス部分は、基端および開放端を有する複合バネ構造と、前記複合バネ構造の前記開放端に取り付けられたマスとを備え、前記第１および第２バネマス部分は、前記共振器ユニットの共振振動中に前記共振器ユニットの最小移動の１ペアの節点を形成する前記基端で接続され、前記複合バネ構造は、１または複数のバネユニットセルから形成され、各バネユニットセルは、前記共振振動の方向両端の端部と前記端部間において内側に折り畳まれた凹部とが閉じたバネ構造を形成した折り畳みバネ構造を備える第１バネマス部分および第２バネマス部分と、
基板に接続され、前記節点で前記共振器ユニットの両側に取り付けられた１ペアのアンカとを備え、
第１マスは、前記複数の共振器ユニットの前記第１バネマス部分の前記マスが連続する構造として形成され、第２マスは、前記複数の共振器ユニットの前記第２バネマス部分の前記マスが連続する構造として形成され、前記第１マスおよび前記第２マスは、前記複数の共振器ユニットを並列に接続するように形成される共振器本体と、
前記基板に取り付けられ、前記第１マスに容量結合されるように形成された駆動電極と、
前記基板に取り付けられ、前記第２マスに容量結合されるように形成された検知電極と
を備えるＭＥＭＳ共振器。
【請求項１１】
請求項１０に記載のＭＥＭＳ共振器であって、各共振器ユニットは、さらに、
前記基板の上方に吊り下げられた１ペアの吊りビームを備え、各アンカは、前記吊りビームの１つを通して前記共振器ユニットに前記節点で取り付けられているＭＥＭＳ共振器。
【請求項１２】
請求項１０に記載のＭＥＭＳ共振器であって、前記駆動電極と、前記第１マスとは、第１ギャップだけ分離され、前記検知電極と、前記第２マスとは、第２ギャップだけ分離され、前記第１および第２ギャップの各々は、１μｍ以下であるＭＥＭＳ共振器。
【請求項１３】
請求項１０に記載のＭＥＭＳ共振器であって、前記共振器本体は、２０〜３０μｍの厚さを有するＭＥＭＳ共振器。
【請求項１４】
請求項１０に記載のＭＥＭＳ共振器であって、前記共振器本体は、単結晶シリコン層および多結晶シリコン層から選択された材料で形成されるＭＥＭＳ共振器。
【請求項１５】
請求項１０に記載のＭＥＭＳ共振器であって、前記基板は、絶縁層を上に形成されたシリコン基層を含むＭＥＭＳ共振器。
【請求項１６】
請求項１０に記載のＭＥＭＳ共振器であって、前記バネユニットセルは、長方形の折り畳みバネ構造を備えるＭＥＭＳ共振器。
【請求項１７】
請求項１０に記載のＭＥＭＳ共振器であって、前記第１マスおよび前記第２マスは、各々、リリース穴を形成されており、前記リリース穴は、前記第１または第２マスの重さを調整するＭＥＭＳ共振器。
【請求項１８】
請求項１０に記載のＭＥＭＳ共振器であって、前記折り畳みバネ構造を形成するビームの寸法を含む前記バネユニットセルの寸法、前記複合バネ構造内のバネユニットセルの数、ならびに、各バネマス部分の前記マスのサイズおよび重さが、前記ＭＥＭＳ共振器の共振周波数を調節するために選択されるＭＥＭＳ共振器。
【請求項１９】
請求項１０に記載のＭＥＭＳ共振器であって、前記共振器本体内の共振器ユニットの数は、前記ＭＥＭＳ共振器の所望の電気的特性またはＭＥＭＳ共振器の所望の動インピーダンスのいずれか１つを得るように選択されるＭＥＭＳ共振器。
【請求項２０】
請求項１９に記載のＭＥＭＳ共振器であって、前記共振器本体内の共振器ユニットの数は、前記ＭＥＭＳ共振器の所望の動インピーダンスを得るように選択されるＭＥＭＳ共振器。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
他の出願の相互参照
本願は、２０１４年１０月２２日出願の米国仮特許出願第６２／０６７，２３０号「ＭＵＬＴＩＰＬＥ  ＣＯＩＬ  ＳＰＲＩＮＧ  ＲＥＳＯＮＡＴＯＲＳ」の優先権を主張する。当該出願は、すべての目的のために参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本願は、２０１４年１０月２２日出願の米国仮特許出願第  ６２／０６７，２０６号「ＣＯＭＰＯＵＮＤ  ＳＰＲＩＮＧ  ＲＥＳＯＮＡＴＯＲＳ  ＦＯＲ  ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ  ＡＮＤ  ＴＩＭＩＮＧ  ＧＥＮＥＲＡＴＩＯＮ」の優先権も主張する。当該出願は、すべての目的のために参照により本明細書に組み込まれる。
【０００３】
ＭＥＭＳ（微小電気機械システム）共振器は、正確な周波数で振動する小型電気機械構造である。ＭＥＭＳ共振器は、タイミング基準および周波数基準を提供するための電子回路で有用である。典型的な応用例において、ＭＥＭＳ共振器は、電子回路に取り付けられて、発振回路を形成する。ＭＥＭＳ発振器は、連続動作で持続増幅器によって駆動されるＭＥＭＳ共振器を備える。ＭＥＭＳ共振器の機械的な共振振動が検知され、非常に正確な周波数を持つ電気信号に変換される。正確なＭＥＭＳ共振周波数は、発振回路のための基準周波数として用いられる。ＭＥＭＳ共振器に取り付けられた電子回路は、検知された電気信号を増幅し、ＭＥＭＳ共振周波数に基づいて発振器の出力周波数を設定または調節する。例えば、電子回路は、基準周波数としてのＭＥＭＳ共振周波数に基づいてプログラム可能な出力周波数を生成する位相ロックループ（ＰＬＬ）または周波数ロックループを備えてよい。
【０００４】
ＭＥＭＳ発振器の一般的な応用例は、リアルタイムクロックを含む。リアルタイムクロック（ＲＴＣ）は、コンピュータクロックであり、しばしば集積回路の形態を取り、電子システム（コンピュータ、サーバ、および、家庭用電子機器など）で現在時刻を追跡するために用いられる。図１は、図１の（ａ）欄および（ｂ）欄を含んでおり、従来のリアルタイムクロック回路を示す。図１の（ａ）欄を参照すると、リアルタイムクロック１（しばしば、リアルタイムクロック集積回路として提供される）が、発振回路２およびサポート回路（ＲＴＣ回路）３を備える。従来のリアルタイムクロックは、振動する水晶振動子４の機械的共振を用いて所望の基準周波数を提供する水晶発振回路を利用する。水晶振動子４は、リアルタイムクロック集積回路の外にある別個の構成要素であり、所望の周波数（３２．７６８ｋＨｚなど）で共振するよう駆動される。発振回路２は、水晶振動子４の振動を所望の正確な周波数（例えば、３２．７６８ｋＨｚ）の電気信号に変換する。ＲＴＣ回路３は、信号増幅、分周、および、その他の時間管理機能を提供する。リアルタイムクロック１は、主電力源がオフの時または利用できなくなった時に、リアルタイムクロックが時間を維持し続けることができるように、しばしば、代替電源５を備える。代替電源５は、リチウムイオン電池またはスーパーキャパシタなどのバッテリ電源でありうる。
【０００５】
水晶振動子は、大きくて、半導体集積回路とうまく一体化しないので、ＭＥＭＳ共振器は、発振回路の構築において従来の水晶振動子の魅力的な代替物になった。図１の（ｂ）欄を参照すると、リアルタイムクロック６が、リアルタイムクロックチップ７およびＭＥＭＳ共振器８を備えるリアルタイムクロック集積回路を用いて形成されており、それらは、同じ集積回路パッケージ（クワッドフラットノーリードパッケージ（ＱＦＮ）またはランドグリッドアレイパッケージ（ＬＧＡ）を含むがこれらに限定されない）内に一緒にパッケージングできる。ＭＥＭＳ共振器８は、正確な基準周波数を提供する。リアルタイムクロックチップ７は、発振回路２およびＲＴＣ回路３を含むサポート回路すべてを収容する。ＭＥＭＳ共振器がこのように一体化されると、リアルタイムクロックのサイズが削減される。さらに、ＭＥＭＳ共振器は、より広い温度範囲でのより一貫した安定性、ならびに、衝撃および振動などの環境要因に対するより良い耐性など、さらなる利点を提供する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
以下の詳細な説明と添付の図面において、本発明の様々な実施形態を開示する。
【０００７】
【図１】（ａ）欄および（ｂ）欄を含み、従来のリアルタイムクロック回路を示す図。
【０００８】
【図２】（ａ）欄および（ｂ）欄を含み、いくつかの実施形態において本発明のＭＥＭＳ共振器を組み込んだリアルタイムクロック回路およびＭＥＭＳ発振回路を示す図。
【０００９】
【図３】（ａ）欄および（ｂ）欄を含み、本発明の実施形態における複合バネＭＥＭＳ共振器の斜視図および上面図を含む図。
【００１０】
【図４】（ａ）欄および（ｂ）欄を含み、本発明の実施形態におけるバネユニットセルの斜視図および上面図を含む図。
【００１１】
【図５】本発明の実施形態において複数の共振器ユニットを備えた複合バネＭＥＭＳ共振器を示す斜視図。
【００１２】
【図６】いくつかの実施形態において図５の複合バネＭＥＭＳ共振器を示す上面図。
【００１３】
【図７】いくつかの実施形態において、Ａ−Ａ’の線に沿って図６の複合バネＭＥＭＳ共振器を示す断面図。
【００１４】
【図８】（ａ）欄〜（ｃ）欄を含み、いくつかの例における図６のＭＥＭＳ共振器の調和運動を示す図。
【００１５】
【図９】本発明の別の実施形態においてリリース穴を備えた複合バネＭＥＭＳ共振器を示す斜視図。
【００１６】
【図１０】本発明の実施形態における複数コイルバネＭＥＭＳ共振器を示す斜視図。
【００１７】
【図１１】本発明の実施形態において駆動電極および検知電極を組み込んだ図１０の複数コイルバネＭＥＭＳ共振器を示す斜視図。
【００１８】
【図１２】いくつかの実施形態において図１１の複数コイルバネＭＥＭＳ共振器を示す上面図。
【００１９】
【図１３】いくつかの実施形態において、Ｂ−Ｂ’の線に沿って図１２の複数コイルバネＭＥＭＳ共振器を示す断面図。
【００２０】
【図１４】（ａ）欄〜（ｂ）欄を含み、いくつかの例における図１０のＭＥＭＳ共振器の調和運動を示す図。
【００２１】
【図１５】本発明の別の実施形態におけるリリース穴のない複数コイルバネＭＥＭＳ共振器を示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明は、処理、装置、システム、および／または、物質の組成を含む種々の形態で実施できる。本明細書では、これらの実装または本発明が取りうる任意の他の形態を、技術と呼ぶ。一般に、開示された処理の工程の順序は、本発明の範囲内で変更されてもよい。
【００２３】
以下では、本発明の原理を示す図面を参照しつつ、本発明の１または複数の実施形態の詳細な説明を行う。本発明は、かかる実施形態に関連して説明されているが、どの実施形態にも限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によってのみ限定されるものであり、本発明は、多くの代替物、変形物、および、等価物を含む。以下の説明では、本発明の完全な理解を提供するために、多くの具体的な詳細事項が記載されている。これらの詳細事項は、例示を目的としたものであり、本発明は、これらの具体的な詳細事項の一部または全てがなくとも特許請求の範囲に従って実施可能である。簡単のために、本発明に関連する技術分野で周知の技術事項については、本発明が必要以上にわかりにくくならないように、詳細には説明していない。
【００２４】
本発明の実施形態によると、複合バネＭＥＭＳ共振器が、複合バネブロックを形成する１または複数のバネユニットセルと、共振器本体を形成する１または複数の複合バネブロックとを用いて構築された共振器本体を備える。各複合バネブロックは、高い品質（Ｑ）係数を保障するために節点に固定される。共振器本体は、さらに、複合バネブロックの開放端に取り付けられ、電極を駆動／検知するために容量結合されたマスを備える。バネユニットセルを形成するビームの長さおよび幅などバネユニットセルの寸法、複合バネブロックのためのバネユニットセルの数、ならびに、マスのサイズおよび重さは、所望の共振周波数を実現するように選択される。一方、複合バネブロックの数ならびに上述の寸法および構成の要素は、ＭＥＭＳ共振器の所望の電気的特性（インピーダンスなど）を調整するために選択される。
【００２５】
本発明の実施形態によると、複数コイルバネＭＥＭＳ発振器は、中央アンカと、中央アンカから外側閉リングまで渦巻きパターンで伸びる２以上のコイルバネを備えた発振器本体とを備える。各ペアのコイルバネは、中央アンカ上の両側の点から始まり、外側リング上の両側の点まで渦巻きパターンで伸びる。コイルバネの数、コイルバネの長さおよび幅、ならびに、外側リングの重さは、所望の共振周波数を実現するように選択される。
【００２６】
本記載において、ＭＥＭＳ共振器とは、安定した正確な共振周波数で振動する小さい電気機械的構造のことを指す。本発明の実施形態において、ＭＥＭＳ共振器は、機械的共振振動に励起されうるシリコンバネ質量系である。ＭＥＭＳ共振器は、連続振動して出力周波数を生成するように持続増幅器によって駆動される。特に、持続増幅器は、共振器の動きを検出して、発振器への追加のエネルギを駆動しつつ、共振器の動きを所望の振幅に維持する。共振振動は、検知されて、共振器の共振周波数を有する電気信号に変換される。ＭＥＭＳ共振器は、ＭＥＭＳ振動器およびリアルタイムクロックを形成する際に用いられる。
【００２７】
本発明のＭＥＭＳ共振器は、従来のＭＥＭＳ共振器と比べて多くの利点を実現する。第１に、本発明のＭＥＭＳ共振器は、低周波振動に最適化される。低周波動作のために構成された従来のＭＥＭＳ共振器は、通例、大きい共振器本体サイズを必要とする。本発明の実施形態において、複合バネおよびコイルバネのＭＥＭＳ共振器は、共振器本体の物理的サイズを最小化しつつ、共振器を低周波出力に最適化する。一方、本発明のＭＥＭＳ共振器は、発振器またはリアルタイムクロックの用途での重要なパラメータである低い動インピーダンスを実現できる。
【００２８】
第２に、スタックされたバネユニットセルを用いて形成された複合バネＭＥＭＳ共振器は、低い剛性を実現しつつ、コンパクトな面積で良好な機械的安定性を維持する。本発明の複合バネＭＥＭＳ共振器は、予測可能な温度変化に対して動作中に安定的であり、高い品質係数を達成する。
【００２９】
最後に、複数コイルバネ共振器は、基板の中央に固定される。単一の中央アンカのみを用いることにより、複数コイルバネ共振器の共振周波数は、基板またはパッケージの応力にあまり敏感ではない。したがって、本発明の複数コイルバネ共振器は、さらに、高い品質係数で動作中の安定性を達成する。
【００３０】
いくつかの応用例において、本発明のＭＥＭＳ共振器は、発振回路のための周波数源として用いられる。特に、本発明のＭＥＭＳ共振器は、安定した正確な基準クロックをリアルタイムクロック回路に提供して、リアルタイムクロックが温度変化を通じて正確な時間を維持することを可能にするために利用されうる。一例において、本発明のＭＥＭＳ共振器は、リアルタイムクロック回路で有用な３２．７６８ｋＨｚの出力周波数または３２．７６８ｋＨｚの倍周波を提供するＭＥＭＳ発振器を構築するために用いられる。図２は、（ａ）欄および（ｂ）欄を含んでおり、いくつかの実施形態において本発明のＭＥＭＳ共振器を組み込んだリアルタイムクロック回路およびＭＥＭＳ発振回路を示す。図２の（ａ）欄を参照すると、リアルタイムクロック１０が、リアルタイムクロック集積回路として提供されており、リアルタイムクロックチップ１１およびＭＥＭＳ共振器１２を備え、同じ集積回路内に一緒にパッケージングされるか、または、同じ半導体基板上に形成される。ＭＥＭＳ共振器１２は、後述の複合バネＭＥＭＳ共振器または複数コイルバネＭＥＭＳ共振器のいずれかとして実装されうる。ＭＥＭＳ共振器１２は、リアルタイムクロックチップ１１上に形成された発振回路１３に正確な基準波数を提供する。時間ベースの応用例について、ＭＥＭＳ共振器１２は、３２．７６８ｋＨｚまたは３２．７６８ｋＨｚの或る倍周波で共振するよう構築される。例えば、いくつかの実施形態において、ＭＥＭＳ共振器１２は、５２４．２８８  ｋＨｚ（１６ｘ）または２６２．１４４ｋＨｚ（８ｘ）で共振するよう構築される。リアルタイムクロック回路の位相ロックループ（ＰＬＬ）は、ＭＥＭＳ共振器周波数を所望の３２．７６８ｋＨｚ周波数に分割する。このように、ＭＥＭＳ共振器１２が、コストを削減するために小型化されうる一方で、リアルタイムクロックは、周波数分割動作中のノイズを改善できる。
【００３１】
リアルタイムクロックチップ１１は、リアルタイムクロック１０のためのサポート回路すべてを収容して、信号増幅、分周、および、その他の時間管理機能を提供する。この例において、リアルタイムクロックチップ１１は、安定したクロック信号（３２．７６８ｋＨｚなど）を提供する発振回路１３を備える。特に、発振回路１３は、ＭＥＭＳ共振器１２を駆動して、所望の基準周波数３２．７６８ｋＨｚまたは３２．７６８ｋＨｚの倍周波を有する検知信号を生成する。発振器１３は、周波数３２．７６８ｋＨｚを有するクロック信号を基準クロック信号として提供する。リアルタイムクロックチップ１１は、さらに、基準クロック信号に基づいて周波数の範囲にわたって出力クロック信号を生成するためのクロック分周器１４を備える。例えば、出力クロック信号は、１Ｈｚ〜３２ｋＨｚの周波数を有しうる。リアルタイムクロックチップ１１は、制御を提供すると共に、その他の時間ベースの機能または時間管理機能を実現するために、さらに、制御ロジック回路１５およびメモリ１６を有する。図２の（ａ）欄に示したリアルタイムクロック１０の概略図は、例示に過ぎず、限定の意図はない。実際の実施例において、リアルタイムクロック１０は、図２の（ａ）欄の概略図の例に示されていない他の回路を備えてもよい。
【００３２】
リアルタイムクロック１０は、しばしば、代替電源５を備えるので、主電力源がオフの時または利用できなくなった時に、時間を維持し続けることができる。代替電源５は、リチウムイオン電池またはスーパーキャパシタなどのバッテリ電源でありうる。
【００３３】
図２の（ｂ）欄は、いくつかの実施形態におけるＭＥＭＳ発振器の構成例を示す。図２の（ｂ）欄を参照すると、ＭＥＭＳ発振器１３は、基準周波数として出力周波数を生成するために連続動作でＭＥＭＳ共振器１２を駆動するよう構成された持続増幅器２２を備える。基準周波数は、３２．７６８ｋＨｚまたは３２．７６８ｋＨｚの倍周波に設定されるＭＥＭＳ共振器の共振周波数である。ＭＥＭＳ発振器１３は、さらに、ＭＥＭＳ共振器１２の共振振動を検知するよう構成される。検知信号は、基準周波数として位相ロックループ（ＰＬＬ）２３に提供される。ＰＬＬは、基準周波数のクロック信号を生成するか、または、基準周波数の関数としてクロック信号を生成する。発振回路１３は、下流のリアルタイムクロック回路が用いるための基準クロック信号を生成するために、出力ドライバ２４を備えてよい。この例において、基準クロック信号は、３２．７６８ｋＨｚの周波数を有する。
【００３４】
複合バネＭＥＭＳ共振器
【００３５】
図３は、（ａ）欄および（ｂ）欄を含んでおり、本発明の実施形態における複合バネＭＥＭＳ共振器の斜視図および上面図を含む。図３を参照すると、複合バネＭＥＭＳ共振器５０が、基板（図示せず）の上方に吊り下げられると共に１ペアの絶縁アンカ５６を通して基板に固定された１ペアの接続されたバネマスシステム５４として形成された共振器本体５２を備える。特に、共振器本体５２は、ベース同士が接続され基板の上方に吊り下げられた第１バネマスシステム５４ａ（「バネマス部分１」）および第２バネマスシステム５４ｂ（「バネマス部分２」）を備えており、それらのバネマスシステムの相対的な運動およびその後の応力は、バネマスシステム５４が絶縁アンカ５６を通して基板に固定された節点で相殺されるようになっている。
【００３６】
バネマスシステム５４において、バネマス部分１、２の各々は、開放端でマスに取り付けられたバネ構造によって形成される。本発明の実施形態において、バネマス部分１、２の各々は、複合バネ構造を形成するようにスタックされたバネユニットセルを用いて形成される。図３の（ｂ）欄において、ＭＥＭＳ共振器５０は、バネユニットセルの折り畳みバネ構造を示すために、バネユニットセル構造を斜線パターンにして図示されている。複合バネ構造は、共振器の所望の剛性を得るため、ひいては、共振器の周波数を調整するために、１または複数のバネユニットを備えてよい。より具体的には、バネユニットセルの数は、ＭＥＭＳ共振器の所望の共振周波数を実現するように選択できる。バネマス部分１、２の複合バネ構造は、単一の複合バネブロック５５を形成するようにベース（節点）で接続される。バネマス部分１において、複合バネ構造は、開放端で第１マス６０ａに取り付けられる。バネマス部分２において、複合バネ構造は、開放端で第２マス６０ｂに取り付けられる。第１および第２マス６０ａ、ｂのサイズおよび重さは、共振器の共振周波数を調節または調整するように選択される。さらに、第１および第２マス６０ａ、ｂは、共振器本体に対して入力駆動信号および出力検知信号を結合するために、ＭＥＭＳ共振器５０の入力電極および出力電極として機能する。入力電極および出力電極は、後に詳述するように、バネマスシステム５４が、静電的に駆動され検知されることを可能にするために、容量結合を通して動作する。
【００３７】
本発明の実施形態において、バネマスシステム５４は、複合バネ構造を形成するように反復および接続されたバネユニットセル６４から形成される。図４は、（ａ）欄および（ｂ）欄を含んでおり、本発明の実施形態におけるバネユニットセルの斜視図および上面図を含む。図４を参照すると、バネユニットセル６４は、コンパクトな折り畳みバネ構造を有する。この例において、バネユニットセル６４は、長方形の折り畳みバネ構造を有する。バネユニットセル６４は、折り畳みバネ構造が、複合バネ構造を形成するためにスタックされることによって反復されることを可能にするよう設計される。このように形成された複合バネ構造は、安定性を維持しつつ、バネマスシステムのサイズを最小化する。スタックされたバネユニットセルから形成された複合バネ構造は、低い剛性を提供しつつ、ＭＥＭＳ共振器内の小さい領域で良好な機械的安定性を維持できる。
【００３８】
本発明の実施形態において、ＭＥＭＳ共振器５０の共振周波数は、バネユニットセルの寸法、すなわち、バネユニットセルの幅（Ｗ）および高さ（Ｈ）ならびにバネユニットセルを形成するビームの長さおよび幅によって規定される。ＭＥＭＳ共振器５０の共振周波数は、さらに、複合バネブロックのためのバネユニットセルの数ならびにマスのサイズおよび重さによって規定される。
【００３９】
図３および図４に戻ると、ＭＥＭＳ共振器５０において、共振器本体５２は、節点でベース同士が接続されたバネマス部分１およびバネマス部分２（５４ａ、ｂ）を備える。バネマス部分１、２は、絶縁吊りビーム５８を通してアンカ５６によって節点で基板に固定される。すなわち、アンカ５６は、基板（図示せず）に接続または取り付けられ、バネマス部分１、２は、吊りビーム５８を通して節点でアンカ５６に接続される。吊りビーム５８は、基板に取り付けられずに、基板の上方に吊り下げられる。本記載において、節点とは、共振振動中に実質的に動かないかまたは最小の移動しかしない共振器本体上の点のことである。バネマスシステム５４を節点で固定することにより、ＭＥＭＳ共振器は、高い品質係数を達成できる。各絶縁吊りビーム５８は、複合バネブロック５５を節点でアンカ５６に接続する。絶縁吊りビーム５８は、任意の残留運動またはアンカ５６からの環境応力を分離するよう機能することにより、バネマスシステム内の振動エネルギを維持して、共振器の品質係数を向上させる。本発明の別の実施形態において、吊りビームは、省略されてもよく、アンカ５６は、節点で共振器本体に直接取り付けられてもよい。
【００４０】
いくつかの実施形態において、ＭＥＭＳ共振器５０は、２０〜３０μｍの厚さを有するシリコン層をパターニングおよびエッチングすることによって形成される。したがって、ＭＥＭＳ共振器５０は、約２０〜３０μｍの厚さを有する。バネユニットセル６４は、幅（Ｗ）５６μｍおよび高さ（Ｈ）１５μｍを有し、折り畳みバネ構造を形成する３μｍ幅のビームで構成される。この例において、バネマス部分１および２（５４ａおよび５４ｂ）は、各々、３つのバネユニットセルを用いて形成される。マス６０ａおよび６０ｂは、各々、５６μｍ×２２μｍの寸法を有する。吊りビーム５８は、１３μｍ×３０μｍの寸法を有する。アンカ５６は、３０μｍ×３０μｍの寸法を有する。結果として得られる複合バネ共振器の共振周波数は、約５２４ｋＨｚである。
【００４１】
本発明の実施形態において、ＭＥＭＳ共振器５０は、多結晶シリコンまたは単結晶シリコンなどの導電材料を用いて形成される。さらに、いくつかの実施形態において、本発明のＭＥＭＳ共振器は、標準的なＣＭＯＳ製造処理を用いて形成できる。いくつかの実施形態において、ＭＥＭＳ共振器は、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウエハ上に形成される。すなわち、ＭＥＭＳ共振器は、絶縁層を上に形成された基板上に形成されたシリコン層に形成される。例えば、一実施形態では、２μｍの酸化シリコンを上に形成されたシリコン基層が、基板として用いられてよい。シリコン層は、多結晶シリコン層または単結晶シリコン層であってよく、基板上に形成され、ＭＥＭＳ共振器を形成するようにパターニングされる。
【００４２】
いくつかの実施形態において、共振器本体は、バネマスシステム、吊りビーム、および、アンカを備えており、基板上に形成されたシリコン層に共振器構造をリソグラフィでパターニングされることによって形成されうる。いくつかの実施形態において、シリコン層は、単結晶シリコン層であり、２０〜３０μｍの厚さを有する。シリコン層は、バネ、マス、吊りビーム、および、アンカを含む共振器構造を備えるようにパターニングされる。次いで、シリコン層は、アンカを除く共振器バネ／マス構造をリリースするために、フッ化水素酸を用いたウェットエッチング処理などを用いてエッチングされる。エッチング処理後、共振器本体は、下にある基板からリリースされるが、アンカは、基板に取り付けられたままである。いくつかの実施形態において、共振器本体のエッチングと、下にある基板からの共振器本体のリリースとを容易にするために、リリース穴が、マス６０ａ、ｂに備えられてよい。また、リリース穴は、後に詳述するように、マスの重さの調整によってＭＥＭＳ共振器の共振周波数を調節することを可能にする。
【００４３】
いくつかの実施形態において、ＭＥＭＳ共振器５０は、静電変換に基づいて作動される。ＭＥＭＳ共振器５０は、図３の（ｂ）欄に示すように、駆動／検知電極が基板に接続または取り付けられる場所に、狭くて良好に制御されたギャップを駆動電極および検知電極と形成する。例えば、駆動電極６６が、マス６０ａに容量結合されてよく、検知電極６８が、マス６０ｂに容量結合されてよい。駆動／検知電極とマスとの間のギャップは、通例、１μｍ以下のオーダーの小さいエアギャップである。静電変換動作を通して、ＭＥＭＳ共振器は、共振振動に駆動される。共振振動は検知され、明確に定義された正確な周波数を有する電気信号に変換される。共振器構造および電極は対称であるため、駆動電極および検知電極が入れ替え可能であることに注意されたい。
【００４４】
上述の図３に示した実施形態では、共振器本体に単一の複合バネ構造を備えたＭＥＭＳ共振器が説明されている。上述のように、バネユニットセルを形成するビームの寸法など、バネユニットセルの寸法、ならびに、複合バネブロック内のバネユニットセルの数は、ＭＥＭＳ共振器の共振周波数を調節するために選択される。さらに、複合バネブロックの開放端にあるマスのサイズおよび重さも、ＭＥＭＳ共振器の共振周波数を調節するために選択される。いくつかの実施形態において、図３の共振器本体は、所望の周波数および電気的特性を有するＭＥＭＳ共振器を形成するために反復して並列に接続できる共振器ユニットである。特に、バネユニットセル寸法、ブロック内のバネユニットセルの数、ならびに、マスのサイズおよび重さなどの要素が、ＭＥＭＳ共振器の有効な電気的特性に寄与するが、ＭＥＭＳ共振器の電気的特性は、複数の共振器ユニットを並列に接続することによってさらに調整できる。
【００４５】
図５は、本発明の実施形態において複数の共振器ユニットを備えた複合バネＭＥＭＳ共振器を示す斜視図である。図６は、いくつかの実施形態において図５の複合バネＭＥＭＳ共振器を示す上面図である。図６において、ＭＥＭＳ共振器は、複合バネブロックを形成するために用いられるバネユニットセルの折り畳みバネ構造を示すために、バネユニットセル構造を斜線パターンにして図示されている。図５および図６を参照すると、複合バネＭＥＭＳ共振器７０は、共振器本体を形成するように並列に接続された３つの共振器ユニット５０ａ、５０ｂ、および、５０ｃを用いて形成される。各共振器ユニット５０ａ〜ｃは、図３を参照して上述したのと同じ方法で構築される。より具体的には、各共振器ユニットは、３つのバネユニットセルから形成されたバネマス部分１と、３つのバネユニットセルから形成されたバネマス部分２を備える。各共振器ユニットのための複合バネブロックは、吊りビームおよびアンカによって節点で固定される。２つの隣接する共振器ユニットのためのアンカは、単一のアンカに統合されてもよい。
【００４６】
複合バネブロックの開放端にあるマス７４ａおよび７４ｂは、並列接続を実現するために、単一の連続的または隣接する構造として形成される。マス７４ａは、共振器ユニットすべてのバネマス部分１の開放端に接続される。マス７４ｂは、共振器ユニットすべてのバネマス部分２の開放端に接続される。マス７４ａは、駆動電極６６とキャパシタを形成するために、狭いエアギャップによって駆動電極６６から分離される。マス７４ｂは、検知電極６８とキャパシタを形成するために、狭いエアギャップによって検知電極６８から分離される。駆動／検知電極とマスとの間のエアギャップは小さく、通例、１μｍ以下のオーダーである。共振器構造および電極は対称であるため、駆動電極および検知電極が入れ替え可能であることに注意されたい。さらに、駆動電極６６および検知電極６８は、基板に接続または取り付けられるが、複合バネ構造およびマスを含む共振器本体は、基板の上方に吊り下げられる。
【００４７】
このように構成されると、複合バネＭＥＭＳ共振器７０は、有効インピーダンスを低下させつつ電極面積の増大を実現する。特に、第１および第２マス７４ａ、ｂは、それぞれ、駆動電極６６および検知電極６８に容量結合するために大きい電極面積を形成する。特に、複数の並列接続された共振器ユニットの第１開放端にあるマス７４ａは、入力駆動信号を受信するために駆動電極６６に容量結合され、一方、複数の並列接続された共振器ユニットの第２開放端にあるマス７４ｂは、出力検知信号を提供するために検知電極６８に容量結合される。すなわち、駆動電極６６は、駆動電極６６およびマス７４ａがキャパシタを形成するように、狭くて良好に制御されたギャップによってマス７４ａから分離される。同様に、検知電極６８は、検知電極６６およびマス７４ｂがキャパシタを形成するように、狭くて良好に制御されたギャップによってマス７４ｂから分離される。大きい電極面積は、複数の共振器ユニットの並列構成によって可能になる。さらに、共振器ユニットをこのように並列接続することにより、ＭＥＭＳ共振器の抵抗または動インピーダンスが低減され、それにより、ＭＥＭＳ共振器７０の電気的特性が改善される。
【００４８】
したがって、いくつかの実施形態において、本発明の複合バネＭＥＭＳ共振器は、ＭＥＭＳ共振器の所望の共振周波数を調整するために複合バネブロックのためのバネユニットセルの所望の数を選択すると共に、ＭＥＭＳ共振器の所望の電気的特性を調整するために並列共振器ユニットの所望の数を選択することによって形成されうる。特に、ＭＥＭＳ共振器の共振周波数は、マス（マス６０ａ、ｂ）のサイズ（すなわち、寸法）および重さ、ならびに、バネユニットセルの数とバネユニットセルを形成するビームの寸法を含むバネユニットセルの寸法とによって決定されるバネの剛性によって調節される。ＭＥＭＳ共振器のインピーダンスは、並列接続された共振器ユニットの数によって調節される。
【００４９】
図７は、いくつかの実施形態において、Ａ−Ａ’の線に沿って図６の複合バネＭＥＭＳ共振器を示す断面図である。図７を参照すると、ＭＥＭＳ共振器７０は、シリコン基層７６と、基層７６上に形成された酸化シリコンなどの絶縁層７７とを備えた基板上に形成される。共振器構造は、単結晶または多結晶シリコン層などのシリコン層７８に形成される。シリコン層７８は、２０〜３０μｍの厚さであってよい。シリコン層７８は、リソグラフィでパターニングされた後、バネ構造をリリースするためにフッ化水素酸を用いたウェットエッチングなどでエッチングされる。アンカ５６は、大きいシリコン構造であり、ウェットエッチングからのアンダーカットがアンカ全体をエッチングするのに十分ではないため、絶縁層７７に付着したままである。
【００５０】
図８は、（ａ）欄〜（ｃ）欄を含んでおり、いくつかの例における図６のＭＥＭＳ共振器の調和運動を示す。図８に示す移動は、例示の目的で誇張されている。実際には、ＭＥＭＳ共振器の運動は小さく、マスと駆動／検知電極との間の狭いエアギャップ内に収まる。例えば、エアギャップが１μｍである場合、ＭＥＭＳ共振器のバネ構造は、１μｍ未満の移動をする。ＭＥＭＳ共振器７０の動作について、図６および図８を参照して説明する。
【００５１】
本発明の実施形態において、ＭＥＭＳ共振器７０は、静電的に駆動および検知される。ＭＥＭＳ共振器を作動させるために、ＤＣ電圧および小さいＡＣ信号が、駆動電極６６に印加される。次いで、マス７４ａが、駆動電極６６によってエアギャップを通して容量的に駆動される。駆動電圧の結果として、複合バネブロックが振動する。より具体的には、ＭＥＭＳ共振器内の複合バネ構造は、第１位置（図８の（ａ）欄）から始まり、図８の（ｂ）欄に示すように、外側に拡張して（すなわち、伸びて）、２つの端部にあるマスを駆動／検知電極（図示せず）に向かって押す。複合バネ構造が最大振幅まで伸びると、複合バネ構造は、図８の（ｃ）欄に示すように、第１位置に戻る。複合バネ構造の調和運動は、ＭＥＭＳ共振器７０が駆動されている時に、共振周波数で反復する。アンカが複合バネ構造に取り付けられている節点では、複合バネ構造は、振動運動中に動かない。
【００５２】
検知電極６８に対するマス７４ｂの移動は、２つの電極の間に形成されたキャパシタの静電容量を変える。時変キャパシタが、マス７４ｂと検知電極６８との間に形成される。静電容量の変化を検知するために、ＤＣ電圧が、共振器構造と検知電極６８との間に印加され、静電容量の変化を示すＡＣ電流が生成される。検知電極におけるＡＣ電流は、正確な周波数を有する検知信号を生成するために検知される。いくつかの実施形態において、ＭＥＭＳ共振器７０は、共振周波数３２．７６８ｋＨｚまたは３２．７６８ｋＨｚの或る倍周波に調節される。ＭＥＭＳ共振器７０は、リアルタイムクロック回路で有用な出力周波数３２．７６８ｋＨｚを提供するＭＥＭＳ共振器を構築するために利用可能である。
【００５３】
図９は、本発明の別の実施形態においてリリース穴を備えた複合バネＭＥＭＳ共振器を示す斜視図である。図９を参照すると、ＭＥＭＳ共振器９０は、複合バネブロック９５の開放端にあるマス９４ａおよび９４ｂにリリース穴９６を追加していることを除けば、図５のＭＥＭＳ共振器７０と同じように構築される。リリース穴９６は、マス９４ａ、９４ｂの重さを調整すると共に製造を容易にするために用いられる。特に、マス９４ａおよび９４ｂの重さは、マスの構造にリリース穴９６の配置を含めることによって調節できる。マス９４ａおよび９４ｂの重さの調整は、共振器本体の重さを調整し、ひいては、ＭＥＭＳ共振器の共振周波数を調節する。さらに、リリース穴９６は、エッチャントが共振構造の下に入ってエッチングするためのさらなる開口部を提供することによってエッチング処理を促進して共振器構造のリリースを保証することで、共振器本体をリリースするためのウェットエッチング処理を促進する。リリース穴９６の数、サイズ、および、位置は、マスの重さを調整して共振周波数を調節するため、および、製造中に構造のエッチングを促進するために選択できる。図９のリリース穴の配置は例示に過ぎない。
【００５４】
本発明の複合バネＭＥＭＳ共振器は、従来のＭＥＭＳ共振器と比べて多くの利点を実現する。第１に、本発明の複合バネＭＥＭＳ共振器は、従来のＭＥＭＳ共振器と比べて、低い周波数に対してコンパクトなサイズを実現できる。第２に、本発明の複合バネＭＥＭＳ共振器は、共振器が、タイミング回路またはクロック回路（リアルタイムクロックなど）の構築に適用された場合に重要なパラメータとなる比較的低い動インピーダンスを実現できる。第３に、本発明の複合バネＭＥＭＳ共振器は、対称な共振モード形状を有し、共振器本体の節点に取り付けられたアンカを有する。したがって、本発明の複合バネＭＥＭＳ共振器は、低い損失および高い品質係数を達成できる。
【００５５】
複数コイルバネＭＥＭＳ共振器
【００５６】
図１０は、本発明の実施形態における複数コイルバネＭＥＭＳ共振器を示す斜視図である。図１０を参照すると、複数コイルバネＭＥＭＳ共振器１００は、１または複数のペアのコイルバネ１０２によって形成された共振器本体と、基板（図示せず）の上方に吊り下げられ中央アンカ１０６を通して基板に固定された外側閉リング１０４とを備える。コイルバネ１０２は、中央アンカ１０６から外側閉リング１０４まで渦巻きパターンで伸びる。各ペアのコイルバネ１０２は、中央アンカ１０６上の両側の点から始まり、外側リング構造１０４上の両側の点まで渦巻きパターンで伸びる。図１０以降で、ＭＥＭＳ共振器のコイルバネは、コイルバネ構造を示すために、異なる網掛けパターンで示されている。
【００５７】
より具体的には、本実施形態において、第１コイルバネ１０２ａは、中央アンカの第１位置から始まり、中央アンカ１０６周囲一周にわたって渦巻きパターンで伸び、外側リング１０４上で第１位置と整列した位置に終わる。第２コイルバネ１０２ｂは、第１位置の反対側にある中央アンカ上の第２位置から始まる。第２コイルバネ１０２ｂは、中央アンカ１０６周囲一周にわたって渦巻きパターンで伸び、外側リング１０４上で第２位置と整列した位置に終わる。本発明の実施形態において、コイルバネ１０２は、中央アンカから外側閉リングまで時計回り方向または反時計回り方向に渦巻き状になっていてよい。本発明のＭＥＭＳ共振器の特徴は、共振器本体内で長いコイルバネを利用していることであり、長いコイルバネは非常に小さい面積で低いバネ定数を提供する。本実施形態において、コイルバネは、中央アンカ周囲一週にわたって渦巻きパターンで伸びる。別の実施形態において、コイルバネは、中央アンカの部分周にわたって渦巻き状になっていてもよい。さらに、別の実施形態において、コイルバネは、一周を超えて中央アンカ周囲で渦巻き状になっていてもよい。
【００５８】
ＭＥＭＳ共振器１００の共振器本体は、さらに、外側リング構造１０４に取り付けられて外側リング１０４から外向きに伸びる１セットの電極１０８を備える。いくつかの実施形態において、電極１０８は、外側リングと垂直に形成される。電極１０８は、共振器本体に駆動信号および検知信号を結合するために変換器として機能する。本実施形態では、８つの変換器１０８が図示されている。別の実施形態において、任意の数の１または複数の変換器１０８が組み込まれてよい。本実施形態における８つの変換器の利用は、例示に過ぎず、限定の意図はない。
【００５９】
ＭＥＭＳ共振器１００において、コイルバネ１０２のペアの数、コイルバネ１０２の長さおよび幅、ならびに、外側閉リング１０４の重さは、所望の共振周波数を実現するように選択される。図１０に示した実施形態において、外側閉リング１０４および電極１０８は、リリース穴１３０を備えるよう形成される。リリース穴１３０は、外側リングおよび電極の重さを調整してＭＥＭＳ共振器の共振周波数を調節するために利用できる。また、リリース穴１３０は、製造処理中に共振器本体のエッチングと下にある基板からの共振器本体のリリースとを容易にするよう機能する。
【００６０】
別の実施形態において、外側リング１０４は、マスを調整して共振周波数を調整するために、リリース穴以外の構造を組み込んでもよい。外側リング上の構造は、ＭＥＭＳ共振器の品質係数に影響を与えることなしに共振周波数を調整するために、電気的またはレーザでトリミングされうる。
【００６１】
一実施形態において、外側リング１０４の重さ、ならびに、コイルバネ１０２のペア数および長さおよび幅は、ＭＥＭＳ共振器１００が低周波数共振器として機能するように選択される。例えば、一実施形態において、ＭＥＭＳ共振器１００は、タイミング用途またはリアルタイムクロックに適切な共振周波数３２．７６８ｋＨｚまたは３２．７６８ｋＨｚの或る倍周波に向けて構成される。
【００６２】
いくつかの実施形態において、ＭＥＭＳ共振器１００は、２０〜３０μｍの厚さを有するシリコン層をパターニングおよびエッチングすることによって形成される。したがって、ＭＥＭＳ共振器１００は、約２０〜３０μｍの厚さを有する。中央アンカは、９２μｍの直径を有する。外側リングは、１８７μｍの内径および１２μｍの幅を有する。コイルバネは、８．５μｍの幅と、中央アンカの周囲よりも長く、外側リングの内周よりも短くても長くてもよい長さとを有する。結果として得られるコイルバネ共振器の共振周波数は、約６４ｋＨｚである。
【００６３】
本発明の実施形態において、ＭＥＭＳ共振器１００は、多結晶シリコンまたは単結晶シリコンなどの導電材料を用いて形成される。さらに、いくつかの実施形態において、本発明のＭＥＭＳ共振器は、標準的なＣＭＯＳ製造処理を用いて形成できる。いくつかの実施形態において、ＭＥＭＳ共振器は、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウエハ上に形成される。すなわち、ＭＥＭＳ共振器は、絶縁層を上に形成された基板上に形成されたシリコン層に形成される。例えば、一実施形態では、２μｍの酸化シリコンを上に形成されたシリコン基層が、基板として用いられてよい。シリコン層（多結晶シリコン層または単結晶シリコン層であってよい）は、基板上に形成され、ＭＥＭＳ共振器を形成するようにパターニングされる。
【００６４】
いくつかの実施形態において、共振器本体は、基板上に形成されたシリコン層に共振器構造をリソグラフィでパターニングされることによって形成されうる。いくつかの実施形態において、シリコン層は、単結晶シリコン層であり、２０〜３０μｍの厚さを有する。シリコン層は、コイルバネ、外側リング、および、中央アンカを含む共振器構造を備えるようにパターニングされる。次いで、シリコン層は、アンカを除く共振器コイルバネ／閉リング構造をリリースするために、フッ化水素酸を用いたウェットエッチング処理などを用いてエッチングされる。エッチング処理後、共振器本体は、下にある基板からリリースされるが、中央アンカは、基板に取り付けられたままである。図１０に示したように、共振器本体のエッチングおよびリリースを容易にするために、リリース穴１３０が、外側リング１０４に備えられてよい。また、リリース穴は、上述のように、マスの重さの調整によって共振周波数を調節することを可能にする。
【００６５】
本発明のいくつかの実施形態において、ＭＥＭＳ共振器１００は、静電変換に基づいて作動される。外側リング１０４から伸びる電極１０８は、駆動電極および検知電極を結合するための変換器を形成する。いくつかの実施形態において、変換器は、静電櫛駆動のために構成されてよい。別の実施形態において、変換器は、静電平行板駆動のために構成されてもよい。図１１は、本発明の実施形態において駆動電極および検知電極を組み込んだ図１０の複数コイルバネＭＥＭＳ共振器を示す斜視図である。図１２は、いくつかの実施形態において図１１の複数コイルバネＭＥＭＳ共振器を示す上面図である。図１１および図１２を参照すると、本実施形態において、ＭＥＭＳ共振器１００の変換器１０８は、平行板駆動のために構成される。各変換器１０８は、１セットの駆動電極１１０および検知電極１１２に結合される。この例において、ＭＥＭＳ共振器１００は、８つの変換器１０８を備える。したがって、１セットで１６の駆動／検知電極１１０、１１２が、ＭＥＭＳ共振器の励振のために提供される。
【００６６】
各ペアの駆動／検知電極は、それぞれの変換器１０８に容量結合される。各変換器は、駆動／検知電極が基板に接続または取り付けられた場所で、狭くて良好に制御されたギャップによって駆動電極および検知電極と分離される。駆動／検知電極と変換器との間のギャップは、通例、１μｍ以下のオーダーの小さいエアギャップである。静電変換動作を通して、ＭＥＭＳ共振器は、共振振動に駆動される。特に、コイルバネおよび外側リングは、時計回りおよび反時計回りの方向に回転する。共振器本体の移動は、１μｍの半分未満など、エアギャップより小さい。共振振動は検知され、明確に定義された正確な周波数を有する電気信号に変換される。共振器構造および電極は対称であるため、駆動電極および検知電極が入れ替え可能であることに注意されたい。
【００６７】
本発明の実施形態において、駆動電極１１０は、同じ位相を有するＤＣ電圧およびＡＣ信号で駆動できる。別の実施形態において、駆動電極１１０は、異なる位相のＤＣ電圧およびＡＣ信号で駆動されてもよい。
【００６８】
図１３は、いくつかの実施形態において、Ｂ−Ｂ’の線に沿って図１２の複数コイルバネＭＥＭＳ共振器を示す断面図である。図１３を参照すると、ＭＥＭＳ共振器１００は、シリコン基層１２０と、基層１２０上に形成された酸化シリコンなどの絶縁層１２２とを備えた基板上に形成される。共振器構造は、単結晶または多結晶シリコン層などのシリコン層１２５に形成される。シリコン層１２５は、２０〜３０μｍの厚さであってよい。シリコン層１２５は、リソグラフィでパターニングされた後、コイルバネ構造をリリースするためにフッ化水素酸を用いたウェットエッチングなどでエッチングされる。中央アンカ１０６は、大きいシリコン構造であり、ウェットエッチングからのアンダーカットがアンカ全体をエッチングするのに十分ではないため、絶縁層１２２に付着したままである。コイルバネ１０２および外側リング１０４は、下層基板から吊り下げられる。駆動電極および検知電極１１０および１１２は、基板に結合されたままである。
【００６９】
図１４は、（ａ）欄〜（ｂ）欄を含んでおり、いくつかの例における図１０のＭＥＭＳ共振器の調和運動を示す。図１４に示す移動は、例示の目的で誇張されている。実際には、ＭＥＭＳ共振器の運動は小さく、変換器と駆動／検知電極との間の狭いエアギャップ内に収まる。例えば、エアギャップが１μｍである場合、ＭＥＭＳ共振器のコイルバネ／外側リング構造は、１μｍ未満の移動をし、通例、半ミクロンのオーダーである。ＭＥＭＳ共振器１００の動作について、図１２および図１４を参照して説明する。
【００７０】
本発明の実施形態において、ＭＥＭＳ共振器１００は、静電的に駆動および検知される。ＭＥＭＳ共振器を作動させるために、ＤＣ電圧および小さいＡＣ信号が、駆動電極１１０に印加される。次いで、変換器１０８が、駆動電極１１０によってエアギャップを通して容量的に駆動される。駆動電圧の結果として、コイルバネおよび外側リングは、時計回りに回転する。より具体的には、ＭＥＭＳ共振器のコイルバネ／外側リング構造は、第１位置（図１４の（ａ）欄）から始まり、図１４の（ｂ）欄に示すように、第２位置まで時計回り方向に回転する。コイルバネ／外側リング構造がこのように回転すると、コイルバネ／外側リング構造は、図１４の（ａ）欄に示すように、第１位置に戻るように反時計回りに回転する。コイルバネ／外側リング構造の調和運動は、ＭＥＭＳ共振器１００が駆動されている時に、共振周波数で反復する。コイルバネが中央アンカに取り付けられる点では、コイルバネ構造は、振動運動中に動かない。
【００７１】
検知電極１１２に対する変換器１０８の移動は、２つの電極の間に形成されたキャパシタの静電容量を変える。時変キャパシタが、変換器１０８と検知電極１１２との間に形成される。静電容量の変化を検知するために、ＤＣ電圧が、共振器構造と検知電極１１２との間に印加され、静電容量の変化を示すＡＣ電流が生成される。検知電極におけるＡＣ電流は、正確な周波数を有する検知信号を生成するために検知される。いくつかの実施形態において、ＭＥＭＳ共振器１００は、共振周波数３２．７６８ｋＨｚまたは３２．７６８ｋＨｚの或る倍周波に調節される。ＭＥＭＳ共振器１００は、リアルタイムクロック回路で有用な出力周波数３２．７６８ｋＨｚを提供するＭＥＭＳ共振器を構築するために利用可能である。
【００７２】
ＭＥＭＳ共振器１００が対称の共振器構造を有することにより、駆動電極および検知電極が交換可能であることに注意されたい。さらに、コイルバネ／外側リング構造は、反時計回り方向から時計回り方向に回転することができ、それを繰り返す。時計回り回転および反時計回り回転の順序は、本発明の実施においては重要ではない。
【００７３】
図１５は、本発明の別の実施形態においてリリース穴のない複数コイルバネＭＥＭＳ共振器を示す斜視図である。図１５を参照すると、ＭＥＭＳ共振器１５０は、図１０のＭＥＭＳ共振器１００と同様に構築されるが、全くリリース穴を持たない。本発明の複数コイルバネＭＥＭＳ共振器は、図１０に示すようなリリース穴を用いて外側リングおよび変換器の重さを調整して形成されうる。しかしながら、リリース穴は任意選択的である。図１５に示す実施形態において、複数コイルバネＭＥＭＳ共振器は、リリース穴なしに形成されてもよい。別の実施形態において、複数コイルバネＭＥＭＳ共振器は、変換器ではなく外側リングにリリース穴を備えるように形成されてもよい。さらに別の実施形態において、複数コイルバネＭＥＭＳ共振器は、外側リングではなく変換器にリリース穴を備えるように形成されてもよい。
【００７４】
上述の実施形態は、理解しやすいようにいくぶん詳しく説明されているが、本発明は、提供された詳細事項に限定されるものではない。本発明を実施する多くの代替方法が存在する。開示された実施形態は、例示であり、限定を意図するものではない。例えば、以下の適用例としても実現可能である。
［適用例１］ＭＥＭＳ共振器であって、
第１バネマス部分および第２バネマス部分を備えた共振器本体であって、各バネマス部分は、基端および開放端を有する複合バネ構造と、前記複合バネ構造の前記開放端に取り付けられたマスとを備え、前記第１および第２バネマス部分は、前記共振器本体の共振振動中に前記共振器本体の最小移動の１ペアの節点を形成する前記基端で接続され、前記複合バネ構造は、１または複数のバネユニットセルから形成され、各バネユニットセルは、折り畳みバネ構造を備える共振器本体と、
基板に接続され、前記節点で前記共振器本体の両側に取り付けられた１ペアのアンカと、
前記基板に取り付けられ、前記第１バネマス部分のマスに容量結合されるように形成された駆動電極と、
前記基板に取り付けられ、前記第２バネマス部分のマスに容量結合されるように形成された検知電極と
を備えるＭＥＭＳ共振器。
［適用例２］適用例１に記載のＭＥＭＳ共振器であって、さらに、
前記基板の上方に吊り下げられた１ペアの吊りビームを備え、各アンカは、前記吊りビームの１つを通して前記共振器本体に前記節点で取り付けられているＭＥＭＳ共振器。
［適用例３］適用例１に記載のＭＥＭＳ共振器であって、前記駆動電極と、前記第１バネマス部分の前記マスとは、第１ギャップだけ分離され、前記検知電極と、前記第２バネマス部分の前記マスとは、第２ギャップだけ分離され、前記第１および第２ギャップの各々は、１μｍ以下であるＭＥＭＳ共振器。
［適用例４］適用例１に記載のＭＥＭＳ共振器であって、前記共振器本体は、２０〜３０μｍの厚さを有するＭＥＭＳ共振器。
［適用例５］適用例１に記載のＭＥＭＳ共振器であって、前記共振器本体は、単結晶シリコン層および多結晶シリコン層から選択された材料で形成されるＭＥＭＳ共振器。
［適用例６］適用例１に記載のＭＥＭＳ共振器であって、前記基板は、絶縁層を上に形成されたシリコン基層を含むＭＥＭＳ共振器。
［適用例７］適用例１に記載のＭＥＭＳ共振器であって、前記バネユニットセルは、長方形の折り畳みバネ構造を備えるＭＥＭＳ共振器。
［適用例８］適用例１に記載のＭＥＭＳ共振器であって、各バネマス部分において前記複合バネ構造の前記開放端に取り付けられた前記マスは、リリース穴を形成されており、前記リリース穴は、前記マスの重さを調整するＭＥＭＳ共振器。
［適用例９］適用例１に記載のＭＥＭＳ共振器であって、前記折り畳みバネ構造を形成するビームの寸法を含む前記バネユニットセルの寸法、前記複合バネ構造内のバネユニットセルの数、ならびに、各バネマス部分の前記マスのサイズおよび重さが、前記ＭＥＭＳ共振器の共振周波数を調節するために選択されるＭＥＭＳ共振器。
［適用例１０］ＭＥＭＳ共振器であって、
１または複数の共振器ユニットを備えた共振器本体であって、各共振器ユニットは、
第１バネマス部分および第２バネマス部分であって、各バネマス部分は、基端および開放端を有する複合バネ構造と、前記複合バネ構造の前記開放端に取り付けられたマスとを備え、前記第１および第２バネマス部分は、前記共振器ユニットの共振振動中に前記共振器ユニットの最小移動の１ペアの節点を形成する前記基端で接続され、前記複合バネ構造は、１または複数のバネユニットセルから形成され、各バネユニットセルは、折り畳みバネ構造を備える第１バネマス部分および第２バネマス部分と、
基板に接続され、前記節点で前記共振器ユニットの両側に取り付けられた１ペアのアンカとを備え、
前記１または複数の共振器ユニットの前記第１バネマス部分の前記マスは、連続的な構造として形成されて第１マスを形成し、前記１または複数の共振器ユニットの前記第２バネマス部分の前記マスは、連続的な構造として形成されて第２マスを形成し、前記第１マスおよび前記第２マスは、前記共振器ユニットを並列に接続するように形成される共振器本体と、
前記基板に取り付けられ、前記第１マスに容量結合されるように形成された駆動電極と、
前記基板に取り付けられ、前記第２マスに容量結合されるように形成された検知電極と
を備えるＭＥＭＳ共振器。
［適用例１１］適用例１０に記載のＭＥＭＳ共振器であって、各共振器ユニットは、さらに、
前記基板の上方に吊り下げられた１ペアの吊りビームを備え、各アンカは、前記吊りビームの１つを通して前記共振器ユニットに前記節点で取り付けられているＭＥＭＳ共振器。
［適用例１２］適用例１０に記載のＭＥＭＳ共振器であって、前記駆動電極と、前記第１マスとは、第１ギャップだけ分離され、前記検知電極と、前記第２マスとは、第２ギャップだけ分離され、前記第１および第２ギャップの各々は、１μｍ以下であるＭＥＭＳ共振器。
［適用例１３］適用例１０に記載のＭＥＭＳ共振器であって、前記共振器本体は、２０〜３０μｍの厚さを有するＭＥＭＳ共振器。
［適用例１４］適用例１０に記載のＭＥＭＳ共振器であって、前記共振器本体は、単結晶シリコン層および多結晶シリコン層から選択された材料で形成されるＭＥＭＳ共振器。
［適用例１５］適用例１０に記載のＭＥＭＳ共振器であって、前記基板は、絶縁層を上に形成されたシリコン基層を含むＭＥＭＳ共振器。
［適用例１６］適用例１０に記載のＭＥＭＳ共振器であって、前記バネユニットセルは、長方形の折り畳みバネ構造を備えるＭＥＭＳ共振器。
［適用例１７］適用例１０に記載のＭＥＭＳ共振器であって、前記第１マスおよび前記第２マスは、各々、リリース穴を形成されており、前記リリース穴は、前記第１または第２マスの重さを調整するＭＥＭＳ共振器。
［適用例１８］適用例１０に記載のＭＥＭＳ共振器であって、前記折り畳みバネ構造を形成するビームの寸法を含む前記バネユニットセルの寸法、前記複合バネ構造内のバネユニットセルの数、ならびに、各バネマス部分の前記マスのサイズおよび重さが、前記ＭＥＭＳ共振器の共振周波数を調節するために選択されるＭＥＭＳ共振器。
［適用例１９］適用例１０に記載のＭＥＭＳ共振器であって、前記共振器本体内の共振器ユニットの数は、前記ＭＥＭＳ共振器の所望の電気的特性を得るように選択されるＭＥＭＳ共振器。
［適用例２０］適用例１９に記載のＭＥＭＳ共振器であって、前記共振器本体内の共振器ユニットの数は、前記ＭＥＭＳ共振器の所望の動インピーダンスを得るように選択されるＭＥＭＳ共振器。
【図１】
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【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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【図９】
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【図１０】
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【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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