(57)【要約】  少なくとも１つのいわゆる検出電極（２）と連携する振動機械要素（１）を備えたナノスケールまたはマイクロスケールの振動電気機械部材であって、検出電極（２）が柔軟性を有し、且つ振動機械要素（１）に対して逆位相で振動するように設計されていることを特徴とする振動電気機械部材。共振器または運動センサに適用する。
2010540266.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのいわゆる検出電極（２）と連携する振動機械要素（１）を備えたナノスケールまたはマイクロスケールの振動電気機械部材であって、
前記検出電極（２）が柔軟性を有し、且つ前記振動機械要素（１）に対して逆位相で振動するように設計されていることを特徴とする振動電気機械部材。
【請求項２】
少なくとも１つの作動電極（３）をさらに備え、前記作動電極（３）が前記振動機械要素（１）と連携することを特徴とする請求項１に記載の振動電気機械部材。
【請求項３】
前記作動電極（３）が前記検出電極（２）と一体であることを特徴とする請求項２に記載の電気機械部材。
【請求項４】
前記作動電極（３）及び検出電極（２）が、前記振動機械要素（１）のいずれかの側面に面して配置されていることを特徴とする請求項２に記載の振動電気機械部材。
【請求項５】
前記電気機械部材が複数の柔軟性電極（２）を備える場合、前記複数の柔軟性電極（２）が前記振動機械要素（１）の少なくとも１つの振動モードの波腹に対向して配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の振動電気機械部材。
【請求項６】
複数の柔軟性電極（２）があり、少なくとも１つが前記振動機械要素の調波モードで振動し、少なくとも別の１つが別の調波モードまたは前記振動機械要素（１）の基本モードで振動することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の振動電気機械部材。
【請求項７】
前記柔軟性電極（２）がフレックスモードで作動するビームであることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の振動電気機械部材。
【請求項８】
前記振動機械要素（１）がフレックスモードで作動するビームであることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の振動電気機械部材。
【請求項９】
前記ビームがその両端またはその中央部で固定されていることを特徴とする請求項８に記載の振動電気機械部材。
【請求項１０】
前記振動機械要素が楕円形モードディスクまたはラーメ多角形板であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の振動電気機械部材。
【請求項１１】
前記柔軟性電極（２）が前記振動機械要素（１）の長さ以下の長さを有することを特徴とする請求項７または８に記載の振動電気機械部材。
【請求項１２】
前記振動機械要素（１）が前記柔軟性電極（２）の機械的剛性度と実質的に等しい機械的剛性度を有することを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の振動電気機械部材。
【請求項１３】
共振器または運動センサであることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の振動電気機械部材。
【請求項１４】
柔軟性を有し、且つ振動機械要素に対して逆位相で振動するように設計された少なくとも１つのいわゆる検出電極と連携する前記振動機械要素を備えたナノスケールまたはマイクロスケールの振動電気機械部材の製造方法であって、
ａ）誘電材料（１０１）によって、前記振動機械要素及び柔軟性電極を部分的に包含する活性領域の外周囲が境界された区画（１２０）を半導体材料の基板（１００）上に形成する段階と、
ｂ）前記区画（１２０）を犠牲材料（１０２）で充填し、次に前記区画を超えて前記振動機械要素及び前記柔軟性電極を形成するドープ半導体材料（１０３）で充填する段階と、
ｃ）前記振動機械要素と前記柔軟性電極との間に空間を形成し、柔軟性電極支持体（１０３．４）から前記柔軟性電極（１０３．２）を画定するために、前記半導体材料（１０３）において少なくとも１つの開口部（１０５）を前記犠牲材料（１０２）に達するまでエッチングする段階と、
ｄ）前記開口部（１０５）を介して前記犠牲材料（１０２）を除去する段階と、
ｅ）前記活性領域を除いた前記電気機械部材を保護材料（１０４）で被覆する段階と、
ｆ）前記柔軟性電極上、前記保護層（１０６）にわたって、及び前記活性領域の外部に少なくとも１つの電気接触パッド（１０８）を生成する段階と、
を含むことを特徴とする製造方法。
【請求項１５】
前記電気機械部材が、前記活性領域によって部分的に包含される少なくとも１つの別の剛性電極を備え、段階ｂ）において、前記半導体材料で前記区画を充填し且つ前記区画を超えることによって前記剛性電極を生成し、段階ｃ）において、前記剛性電極と前記振動機械要素との間に空間を形成するために前記半導体材料中に開口部を形成し、段階ｆ）において、前記活性領域の外側の前記剛性電極上に前記保護材料にわたって電気接点を生成することを特徴とする請求項１４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、ナノスケールまたはマイクロスケールの振動電気機械部材に関する。これらの振動電気機械部材は、当然共振器を備えるが、加速度計または振動センサなどの運動センサをさらに備える。従って、これらの部材は、振動電気機械部材と称される。
【０００２】
小型で高性能な携帯通信機器の発達は、振動電気機械部材、特に小型の電気機械共振器の研究に至る。携帯電子通信機器は、例えば携帯電話、ノートパソコンまたはその他の携帯通信端末などである。これらの電気機械共振器は、水晶共振器の代わりとして導入され、一般的にはフィルターまたは時計として使用される。これらの電気機械共振器は、その理論的性能レベルのため、及びそれらを統合することが望ましいという事実により、次第に進歩している。
【０００３】
運動センサは、携帯情報端末及びその他の携帯電池作動装置、ゲーム、工業生産設備、ロボット及び自動車システムにおいて使用され得る。さらに、顕著な兆候が現れる前に、欠陥を検出するための工業設備及び家電機器における一般的用途の振動センサとしても使用され得る。これらの分野では、性能を失うことなく小型化を達成することが望まれている。
【背景技術】
【０００４】
振動電気機械部材は、支持体上で振動することができる機械要素を含む。機械的振動は、静的検出電極によって検出され得る電気信号を発生させる。共振器において、振動機械要素は固有共振周波数を有する。共振器は、励起信号によって励起されると、共振する。励起信号は、振動機械要素の共振周波数と同一の周波数を有する。共振周波数は、以下のように表される。
【０００５】
【数１】
2010540266.tif 000003
ここで、ｍは質量であり、ｋｒは機械的剛性である。
【０００６】
さまざまな群の振動電気機械部材があり、それらの内でとりわけ、振動機械要素は、フレックスビーム、楕円形もしくは輪郭モードディスク、またはラーメモード多角形板である。振動数は、以下のように表される。
【０００７】
フレックスビームの場合、
【数２】
2010540266.tif 000004
【０００８】
楕円形モードディスクの場合、
【数３】
2010540266.tif 000005
【０００９】
ラーメモード四角形板の場合、
【数４】
2010540266.tif 000006
【００１０】
Ａｎは選択される振動モードに依存する係数であり、基本モードでは１．０２７と等しく、Ｅはビーム材料のヤング率、ρはビーム材料の密度、ｗ及びＬはそれぞれビームの幅及び長さ、Ｒはディスク半径、νはディスクのポワソン比、Ｙ２Ｄは四角形板の機械的剛性を表す。
【００１１】
運動センサにおいて、動作の間に振動している機械要素及び機械的振動は、機械要素の共振周波数と一致する場合、検出電極によって検出される。検出電極は、機械要素の共振周波数で電気信号を伝達する。
【００１２】
これらの振動電気機械部材の大半は、容量性検出性能を有する。図１は、このような共振器の振動性電気機械部材の構造の概略平面図を示す。部材は、機械要素１を備える。機械要素は、振動することが可能であり、少なくとも１つの静止電極２に近接して配置される。振動の間、振動機械要素１は、シートの面において変形する。機械要素１は、その端部の各々に固定点４を有するビームとして示されている。
【００１３】
機械要素１は、電圧Ｕｄｃで偏極される。記載の実施例では、機械要素１が作動電極３と検出電極２との間に配置されるように作動電極３が備えられている。２つの電極２、３は、互いに対向し且つ静止している。高周波信号Ｕａｃが作動電極３に印加される。この高周波信号が機械要素１の共振周波数と等しい周波数を有する場合、機械要素はその共振周波数で振動を開始し、最大変位を受ける。振動によって、機械要素１は移動し、その移動によって、検出電極２に向かい、検出電極２から離れるように交互に移動する。振動機械要素の周波数で変調される容量変化が発生し得る。
【００１４】
共振の際に、検出電極２は信号Ｓｉｇを検出する。その周波数は機械要素１の共振周波数である。機械要素１がその共振周波数で振動しない場合、検出電極２はいかなる信号も伝達しない。特定の構造では、作動電極及び検出電極の両方として１つの電極が使用される。検出電極２及び振動機械要素１は、作動しない場合、距離ｄだけ離間している。図１では振動機械要素の変形は見られない。
【００１５】
前述のような振動電気機械部材は、共振周波数ｆｒ、振動し始めるときに励起エネルギーを回復する性能を表す品質係数Ｑ、及び電極と振動機械要素との間の最短距離に基づいた直列抵抗Ｒｍによって特徴付けられる。この直列抵抗Ｒｍは、品質係数Ｑに反比例する。これは、電気機械部材の散逸損失を形に表す。品質係数Ｑは、振動機械要素用に選択される振動モード及び振動機械要素を取り付ける方法に付随する機械損失に依存する。振動機械要素の共振周波数は、その寸法に依存する。マイクロスケール及びナノスケールの振動電気機械部材において、振動機械要素はフォトリソグラフィーによって画定される。従って、同等の数の共振周波数を利用するために、同一の製造方法を使用して、さまざまな寸法を有する振動機械要素を提供することができる。
【００１６】
非特許文献１及び２にそれぞれ示されているように、フレックスビームは、面内（ビームの主面）または面外において振動することができる。これらは、工業的利用を可能にする性能レベルを保つために、数十ＭＨｚに限定された周波数を有する。例えばＤｉｓｃｅｒａ社のビーム共振器を参照すると、周波数は１０ＭＨｚであり、品質係数Ｑは４０００と等しい。
【００１７】
ディスクまたは多角形板共振器は、ディスクまたは板の面において移動する。これらは、高い品質係数Ｑを保つと同時にかなり高い共振周波数に到達することができる。例えばミシガン大学のディスク共振器を参照すると、非特許文献３に記載されているように、共振周波数は１．５１ＧＨｚである。
【００１８】
従って、同一の製造方法を使用して、周波数を広範囲にカバーし、多種類の振動電気機械部材を得るために、面内変位を有する振動機械要素を使用することが好ましい。
【００１９】
最大限高い品質係数Ｑを得るためには、直列抵抗が小さくなるため、電極と振動要素との間の距離が最小限小さいことが必要とされる。信号の大部分は検出電極によって回復される。
【００２０】
既存のマイクロスケール電気機械部材はしばしば、数マイクロメートル、さらには十マイクロメートルオーダーのかなりの厚さを有する振動機械要素を備える。例えば、ＶＴＴ社の多角形板及びビームは、１０マイクロメートルの厚さ及び１３．１ＭＨｚの共振周波数を有し、ミシガン大学のディスクは、１．５１ＧＨｚの共振周波数で３マイクロメートルの厚さを有し、ジョージア工科大学のディスクは、１４９．３ＭＨｚの共振周波数で１８マイクロメートルの厚さを有する。これらの振動機械要素は体積が大きく、高い品質係数のために十分なエネルギーを蓄積することが可能である。しかしながら、これらの欠点は、トランジスタなどの動的部品に組み込むことが困難なことである。これらは、振動機械要素の画定に続く技術的段階の間に問題を引き起こす。寸法制御が不可能なため、リソグラフィー段階の実施が困難である。現在のところ、一般的に、単独で使用されるかまたはモジュールとして封入されて販売されている。
【００２１】
厚さの低減に加えて、より小型にするために横方向の寸法を低減することも求められる。全体的寸法の低減は、不変の目的である。その他の寸法は低減せずに振動機械要素の厚さのみが低減すると、その機械的剛性が低くなりすぎる。
【００２２】
別の目的は、共振周波数を上昇させることである。周波数は寸法に反比例して変化するため、結果として、振動機械要素の全ての寸法を低減することにつながる。
【００２３】
振動電気機械部材、特にその振動機械要素のサイズの低減は、対向する電極表面もまた小さくなるため、より小さな静電容量を生成する。一定のサイズ以下では、静電容量検出を実施することができなくなる。例えば、長さＬが１０マイクロメートル、幅ｗが０．４６マイクロメートル、厚さｈが数十ナノメートル、さらには数マイクロメートルオーダーである面内フレックスビームは、共振時に約１０から１５ナノメートルの変形を有する。約４００ｎｍの厚さを有する振動機械要素では、検出電極と振動機械要素との間の間隔の静止時の値が従来の値に相当する８０ナノメートルオーダーである場合、測定される容量の変量は、数アトファラッド（１０−１８ファラッド）のみである。その結果、測定装置の感度限界に達する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００２４】
【非特許文献１】Ｗ．  Ｔ．  Ｈｓｕ，  Ｊ．  Ｒ．  Ｃｌａｒｋ  ａｎｄ  Ｃ．  Ｔ．  Ｃ．  Ｎｇｕｙｅｎ，“Ｑ−ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ  ｌａｔｅｒａｌ  ｆｒｅｅ−ｆｒｅｅ  ｂｅａｍ  ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ”，  Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｐａｐｅｒｓ，  ｔｈｅ  １１ｔｈ  Ｉｎｔ．  Ｃｏｎｆ．  ｏｎ  Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ  （Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ’０１）  Ｍｕｎｉｃｈ，  Ｇｅｒｍａｎｙ，  Ｊｕｎｅ  １０−１４，  ２００１，  ｐａｇｅｓ  １１１０−１１１３
【非特許文献２】Ｎａｖｉｄ，  Ｒ．；  Ｃｌａｒｃｋ，  Ｊ．Ｒ．；  Ｄｅｍｉｒｃｉ，  ．；  Ｎｇｕｙｅｎ，  Ｃ．Ｔ．−Ｃ．，  “Ｔｈｉｒｄ−ｏｒｄｅｒ  ｉｎｔｅｒｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  ｄｉｓｔｏｒｓｉｏｎ  ｉｎ  ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ  −  ｄｒｉｖｅｎ  ＣＣ  −  ｂｅａｍ  ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ”  Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ，  ２００１，  ＭＥＭＳ  ２００１，  ｔｈｅ  １４ｔｈ  ＩＥＥＥ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｖｏｌｕｍｅ，  Ｉｓｓｕｅ，  ２００１  Ｐａｇｅｓ：  ２２８−２３１
【非特許文献３】Ｊ．  Ｗａｎｇ，  Ｊ．Ｅ．  Ｐｏｕｔｌｅｒ，  Ｔ．  Ｆｅｙｇｅｌｓｅｎ  ａｎｄ  Ｃ．Ｔ．Ｃ．  Ｎｇｕｙｅｎ，  “１．５１  ＧＨｚ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｄｉａｍｏｎｄ  ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｄｉｓｋ  ｒｅｓｏｎａｔｏｒ  ｗｉｔｈ  ｍａｔｅｒｉａｌ  ｍｉｓｍａｔｃｈｅｄ  ｉｓｏｌａｔｉｎｇ  ｓｕｐｐｏｒｔ”，  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，  １７  ｔｈ  Ｉｎｔ．  ＩＥＥＥ  ＭＥＭＳ  Ｃｏｎｆ．，  Ｍａａｓｔｒｉｃｈｔ，  Ｔｈｅ  Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ，  Ｊａｎ  ２５−２９  ２００４，  ｐａｇｅｓ  ６４１−６４４
【非特許文献４】Ｄｉｍｉｔｒｉ  Ｇａｌａｙｋｏ，“Ｄｏｃｔｏｒａｌ  Ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ  ｉｎ  ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ｓｃｉｅｎｃｅ”  Ｄｅｃｅｍｂｅｒ  ６，  ２００２，  Ｌｉｌｌｅ  １，  ２００２
【非特許文献５】Ｊ．  Ｒ．  Ｃｌａｒｋ，  Ｗ．  Ｔ．  Ｈｓｕ，  Ｃ．  Ｔ．  Ｃ．  Ｎｇｕｙｅｎ  “Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ  ｆｏｒ  ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ  ｔｒａｎｓｄｕｃｅｄ  ＶＨＦ  ｔｏ  ＵＨＦ  ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｒｅｓｏｎａｔｏｒ”  Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｐａｐｅｒｓ，  ｔｈｅ  １１ｔｈ  Ｉｎｔ．  Ｃｏｎｆ．  ｏｎ  Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ  （Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ’０１）  Ｍｕｎｉｃｈ，  Ｇｅｒｍａｎｙ，  Ｊｕｎｅ  １０−１４，  ２００１，  ｐａｇｅｓ  １１１８−１１２１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
本発明の目的は、上述の欠点を有さないマイクロスケールまたはナノスケールの振動電気機械部材を提案することである。
【００２６】
特に、１つの目的は、最大限の品質係数及び信号対ノイズ比、並びに最小限のレベルの直列抵抗を有するマイクロスケールまたはナノスケールの振動電気機械部材を提案することである。
【００２７】
本発明のさらに別の目的は、可能な限り小型のマイクロスケールまたはナノスケールの振動電気機械部材を提案することである。
【００２８】
本発明のさらなる目的は、共振周波数が増加したマイクロスケールまたはナノスケールの振動電気機械部材を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
これらの目的を達成するために、本発明は検出に使用する電極の製造を提案する。
【００３０】
より詳細には、本発明は、少なくとも１つのいわゆる検出電極と連携する振動機械要素を備えたナノスケールまたはマイクロスケールの振動電気機械部材に関する。検出電極は柔軟性を有し、且つ振動機械要素に対して逆位相で振動するように設計されている。
【００３１】
振動電気機械部材はさらに、振動機械要素と連携する少なくとも１つの作動電極をさらに備える。
【００３２】
１つの特に小型の構成では、作動電極は検出電極と一体であることができる。
【００３３】
好ましくは、作動電極及び検出電極は振動機械要素のいずれかの側面に面して配置される。
【００３４】
電気機械部品が複数の柔軟性電極を備えル場合、好ましくは、それらは振動機械要素の少なくとも１つの振動モードの波腹に対向して配置される。
【００３５】
複数の柔軟性電極を備える場合、少なくとも１つは振動機械要素の調波モードで振動し、少なくとも別の１つは別の調波モードまたは振動機械要素の基本モードで振動する。
【００３６】
柔軟性電極は、フレックスモードで作動するビームであり得る。
【００３７】
振動機械要素は同様に、フレックスモードで作動するビームであり得る。
【００３８】
振動機械要素のビームは、その両端またはその中央部で固定され得る。
【００３９】
代わりに、振動機械要素は、楕円形モードディスクまたはラーメ多角形板であってもよい。
【００４０】
柔軟性電極は、振動機械要素の長さ以下の長さを有し得る。
【００４１】
振動電気機械部材の作動を最適化するために、好ましくは、振動機械要素は、柔軟性電極の機械的剛性度と実質的に等しい機械的剛性度を有する。
【００４２】
振動機械要素は、共振器または加速度計もしくは振動センサなどの運動センサであり得る。
【００４３】
本発明は同様に、柔軟性を有し、且つ振動機械要素に対して逆位相で振動するように設計された少なくとも１つのいわゆる検出電極と連携する振動機械要素を備えたナノスケールまたはマイクロスケールの振動電気機械部材の製造方法であって、
ａ）誘電材料によって、振動機械要素及び柔軟性電極を部分的に包含する活性領域の外周囲が境界された区画を半導体材料の基板上に形成する段階と、
ｂ）区画を犠牲材料で充填し、次に区画を超えて振動機械要素及び柔軟性電極を形成するドープ半導体材料で充填する段階と、
ｃ）振動機械要素と柔軟性電極との間に空間を形成し、柔軟性電極支持体から柔軟性電極を画定するために、半導体材料において少なくとも１つの開口部を犠牲材料に達するまでエッチングする段階と、
ｄ）開口部を介して犠牲材料を除去する段階と、
ｅ）活性領域を除いた電気機械部材を保護材料で被覆する段階と、
ｆ）柔軟性電極上、保護層にわたって、及び活性領域の外部に少なくとも１つの電気接触パッドを生成する段階と、
を含むことを特徴とする製造方法に関する。
【００４４】
電気機械部材が、活性領域によって部分的に包含される少なくとも１つの別の剛性電極を備える場合、段階ｂ）において、区画を充填し且つ区画を超えるドープ半導体材料が剛性電極を生成し、段階ｃ）において、剛性電極と振動機械要素との間に空間を形成するためにドープ半導体材料中に開口部を形成し、段階ｆ）において、活性領域の外側の剛性電極上に保護材料にわたって電気接点を生成する。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
本発明は、添付の図面を参照して、単に例示的且つ非限定的目的で与えられた例示的実施形態の記載を読むことでより深く理解されるであろう。
【００４６】
【図１】従来技術の振動電気機械部材の概略図である。
【図２】振動することができる別の導電素子と隣接して配置された振動によって駆動される導電素子の間の容量結合の原理を示す図である。
【図３Ａ】従来技術の典型的な振動電気機械部材の平面図である。
【図３Ｂ】本発明の典型的な振動電気機械部材の平面図である。
【図４Ａ】本発明の典型的な作動中の振動電気機械部材である。
【図４Ｂ】本発明の典型的な作動中の振動電気機械部材である。
【図５Ａ】本発明による振動電気機械部材の第二調波で振動している変形を示すシミュレーションである。
【図５Ｂ】本発明による振動電気機械部材の第三調波で振動している変形を示すシミュレーションである。
【図６Ａ】本発明による他の典型的振動電気機械部材を示す。
【図６Ｂ】本発明による他の典型的振動電気機械部材を示す。
【図６Ｃ】本発明による他の典型的振動電気機械部材を示す。
【図７Ａ】本発明による振動電気機械部材の製造方法の様々な段階を示す図である。
【図７Ｂ】本発明による振動電気機械部材の製造方法の様々な段階を示す図である。
【図７Ｃ】本発明による振動電気機械部材の製造方法の様々な段階を示す図である。
【図７Ｄ】本発明による振動電気機械部材の製造方法の様々な段階を示す図である。
【図７Ｅ】本発明による振動電気機械部材の製造方法の様々な段階を示す図である。
【図７Ｆ】本発明による振動電気機械部材の製造方法の様々な段階を示す図である。
【図７Ｇ】本発明による振動電気機械部材の製造方法の様々な段階を示す図である。
【図７Ｈ】本発明による振動電気機械部材の製造方法の様々な段階を示す図である。
【図７Ｉ】本発明による振動電気機械部材の製造方法の様々な段階を示す図である。
【図７Ｊ】本発明による振動電気機械部材の製造方法の様々な段階を示す図である。
【００４７】
１つの図から別の図へと容易に移動できるようにするために、異なる図の同一、類似、または同等の部分には同一の参照符号を付す。
【００４８】
図を見やすくするために、図中の様々な部分は必ずしも均等なスケールで表示されているとは限らない。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
図３Ａ、３Ｂを参照すると、従来技術及び本発明による振動電気機械部材の概略的平面図が示されている。
【００５０】
これらの実施例では、振動機械要素１はその両端で固定されたビームであり、作動電極３及び検出電極２は、その間のビーム１に面して配置されている。図３Ａでは、２つの電極２、３は同一であり剛体である。図３Ｂでは、作動電極３は剛体であるが、検出電極２は剛体ではない。検出電極２は柔軟性を有し、例えば屈曲の下で変形することができるビームの形状となることができる。記載の実施例では、その両端が固定されている。両端には、２１、２２の参照符号が付され、支持体２３と一体である。検出電極２を可能な限り効率的にするために、振動機械要素１は、検出電極２の最大限の容量変化を生成するように、可能な限り大きな振幅を有さなければならないと想定される。従って、所定の励振で、振動機械要素１が最大限の振幅を有するように、その機械的剛性を低減することが可能である。振動機械要素の共振周波数が減少するため、この解決法は満足のいくものではない。
【００５１】
実際、本発明は、振動することができる別の導電素子Ｅ２と隣接して配置された振動によって駆動される導電素子Ｅ１の間の容量結合の原理に基づいている。この原理を図示する図２を参照する。振動すると、第１導電素子Ｅ１は交互の力Ｆ１を受ける。第１導電素子Ｅ１の振動は、第２導電素子Ｅ２上に、負の剛性と同様の交互の静電力Ｆ２を生成する。結合剛性は、ｋ１２＝−Ｖ２ε０Ｓ／ｄ３で表され、ここでＶは振動させるために第１導電素子Ｅ１に印加される電圧、Ｓは２つの対向する素子の表面、ｄは第１導電素子Ｅ１と第２導電素子Ｅ２との間の距離、ε０は、電気定数である。この原理は、例えば非特許文献４のように、電気機械共振器に関する文献で知られている。第１導電素子Ｅ１及び第２導電素子Ｅ２に印加される力Ｆ１、Ｆ２は、Ｆ１＝−ｋ１２（ｘ１＋ｘ２）及びＦ２＝ｋ１２（ｘ２＋ｘ１）で表され、ここで、ｘ１及びｘ２は第１導電素子Ｅ１及び第２導電素子Ｅ２の共振での変位を表す。
【００５２】
振動電気機械部材において最大限の容量変化を得るために、目的は、振動機械要素１及び検出電極２を静電的に結合し、検出電極２を振動機械要素１と逆位相に移動させることである。図３Ａ、３Ｂにおいて、振動電気機械部材は待機状態である。本発明による作動中の振動電気機械部材の概略図を図４Ａ、４Ｂに示す。柔軟性電極２及び振動機械要素１が最も接近した位置を実線で示し、点線は柔軟性電極２及び振動機械要素１が最も離れた位置を示す。静電結合の間、柔軟性電極２はその基本モードで振動する。図４Ａ、４Ｂの実施例では、振動機械要素１が面内で振動していると想定される。
【００５３】
従って、逆位相の柔軟性電極２及び振動機械要素１では、最大限の容量変化が得られる。このような構成では、信号対ノイズ比が著しく増加する。さらに、最も接近した位置では、振動機械要素１と柔軟性電極２との間の最小間隔が減少され得るため、直列抵抗を減少させ、品質係数を増加させる。
【００５４】
図４Ａ、４Ｂにおいて、振動機械要素１は基本モードで振動している。同じことが柔軟性電極２にも当てはまる。柔軟性電極２は、波腹に相当する振動機械要素１の最大振幅領域に面するように配置される。
【００５５】
図５Ａ、５Ｂに示すように、当然、振動機械要素１は、第二、三またはより高次の調波モードで振動することができる。これらの図は、その両端で固定されたビーム型の振動機械要素の振動のシミュレーションを示す。図５Ａでは、振動は第二調波に相当し、図５Ｂでは、第三調波に相当する。これらにはいくつかの波腹がある。柔軟性電極２はさまざまな配置をとることが可能であり、さらに所定の振動モード用のさまざまな柔軟性電極２を準備して、このモードに対応する１つ以上のもののみを使用することが予想される。所定の調波モードでは、柔軟性電極２が波腹に面して位置している場合またはそれぞれが別々に所定の調波モードにおける波腹に面して位置することができる場合、柔軟性電極２を同時に使用することができる。図５Ａ及び５Ｂでは、３つの柔軟性電極２が準備され、振動機械要素１を構成するビームに沿って次々に後に続いている。図５Ａでは、２つの端の柔軟性電極２が同時に使用され、中央の柔軟性電極は振動機械要素１の振動ノードに面するため、使用されていない。図５Ｂでは逆のことが起こる。これらの図において、ビーム型振動機械要素１は長さ１０マイクロメートル、幅０．４６マイクロメートルを有する。共振周波数は、第二調波では１０６ＭＨｚであり、第三調波では２０６ＭＨｚである。従来技術では当然、柔軟性電極は、振動機械要素と等しい共振周波数を有するような寸法であった。図５Ａ、５Ｂに示すように、選択される振動調波に応じて、共振周波数は同じではなく、さまざまな調波モードで作動しなければならないいくつかの電極は同じ寸法を有さない。
【００５６】
共振周波数ｆｒと柔軟性電極の寸法及び振動モードとの関係は、式２に相当する。
【００５７】
図４Ａ及び図５Ａ、５Ｂにおいて、ビーム型柔軟性電極２は、振動機械要素１よりも短く、振動機械要素１自体もビーム型である。当然、図４Ｂに示すように、柔軟性電極２及び振動機械要素１が実質的に同一の長さを有することも可能である。同様に、振動機械要素よりも長くてもよいが、小型化の目的においてその構成は有利ではない。
【００５８】
図４Ａ、４Ｂにおいて、柔軟性電極２は検出及び作動の両方に使用され得ることが想定される。所定の振動電気機械部材において、電極の役割は、部材の用途に応じて変更され得る。非特許文献５は、振動機械要素の励起モードに応じて異なる役割を有することができるいくつかの電極を備えたマイクロエレクトロニクス共振器を特徴付けるいくつかの方法を開示している。
【００５９】
本発明による振動電気機械部材の作動原理は、従来技術と同じである。図４Ａを参照して共振器に関して簡単に説明する。振動機械要素１は電圧Ｕｄｃで偏極される。
【００６０】
励起高周波電圧Ｕａｃが作動電極３に印加される。図４Ａのように、作動電極３は作動のために設けられた剛性電極、または検出のために使用される柔軟性電極であってよい。高周波電圧Ｕａｃは、振動機械要素１において交互の力を引き起こす。振動機械要素１は振動し始める。振動機械要素１の振動は、それ自体と柔軟性電極２との間の電場の変更を誘導する。交互の力は、静電結合に起因して柔軟性電極２上に生成され、振動機械要素１の振動リズムであるがその逆位相で柔軟性電極２を振動させる。静電結合は負の剛性のように作用する。
【００６１】
高周波電圧Ｕａｃが振動機械要素１の共振周波数と等しい周波数を有すると共振し始め、最大変位振幅を有する。静電結合が、柔軟性電極２の共振周波数と等価の励起周波数を誘起する場合、柔軟性電極は最大変位振幅を有する。信号Ｓｉｇが「通過する」、つまり柔軟性電極２によって伝達される。その他の周波数では、柔軟性電極２はいかなる信号も伝達しない。
【００６２】
振動電気機械部材の信号対ノイズ比は、振動機械要素１及び柔軟性電極２が最も接近した位置と、振動機械要素１及び柔軟性電極２が最も離れた位置との間での容量の差に依存する。変形する柔軟性電極２を使用することによって、振動機械要素１が柔軟性電極２に最も接近した状態と、振動機械要素１が柔軟性電極２と最も離れた状態とでの容量の差が増加する。
【００６３】
有限要素計算法に基づいたシミュレーションソフトであるＣｏｖｅｎｔｏｒ社のソフトウェアプログラムでのシミュレーションの間に、図５に示す構成と類似するが基本モードで作動する振動電気機械部材の振動機械要素及び柔軟性電極の移動が測定される。待機状態での振動機械要素と柔軟性電極との間の間隔は、８０ナノメートルである。振動機械要素及び柔軟性電極の変位振幅は、約１５ナノメートルである。作動の間、柔軟性電極と振動機械要素との間の最小間隔は、５０ナノメートルオーダーであり、これは６５ナノメートルオーダーであった従来技術で得られる最小間隔より約２０％小さい。この最小間隔の減少によって、これら２つの量は反比例するため容量変化が増加する。
【００６４】
空気中での振動電気機械部材の直列抵抗を表す以下の数式５に示すように、振動電気機械部材の直列抵抗は、電源４での最小間隔ｄｏに比例する。品質係数Ｑは最小間隔ｄｏに反比例する。
【００６５】
【数５】
2010540266.tif 000007
ここで、ω０は振動、Ｕｄｃはバイアス電圧、ｄｏは待機状態での柔軟性電極と振動機械要素との間の間隔、ｋｒは振動機械要素の機械的剛性、ε０は電気定数、εｒは空気の誘電率、Ｓは振動機械要素及び柔軟性電極に対向する表面、Ｑは振動機械要素の品質係数である。
【００６６】
従って、品質係数Ｑを数十パーセント向上させることが可能である。
【００６７】
所定の振動機械要素を備えた本発明による振動電気機械部材は、同じ振動機械要素を備えた従来技術の振動電気機械部材に対して変更されていない共振周波数を有する。一方で、本発明による振動電気機械部材の信号対ノイズ比は、仮定上、容量変化の増加量、つまり最小間隔の減少量と同じ桁数程度増加する。
【００６８】
本発明による振動電気機械部材が適切に作動するためには、振動機械要素の機械的剛性ｋｒが柔軟性電極の機械的剛性と実質的に等しいことが好ましい。柔軟性電極の機械的剛性は、その寸法に依存し、ｋとして参照される。
【００６９】
この場合、振動機械要素及び柔軟性電極の共振周波数は、実質的に等しい。振動電気機械部材の共振周波数は、以下によって与えられる。
【００７０】
【数６】
2010540266.tif 000008
【００７１】
柔軟性電極及び振動機械要素は、実質的に同一の変位振幅を有するが、これらの変位は逆位相である。
【００７２】
図４Ｂに示すように、柔軟性電極及び振動機械要素が同一の長さを有する場合、対向する表面は最大となる。柔軟性電極の幅ｗは、柔軟性電極及び振動機械要素の共振周波数が同一となるように数式２に当てはめることによって選択され得る。
【００７３】
図４Ａ及び５のように、柔軟性電極が必ずしも振動機械要素と同一の長さを有する必要はない。しかしながら、結果として柔軟性電極が等しい共振周波数を有するような１つ以上の長さ／幅のペアを見つけることが可能である。長さの低減は幅の低減も引き起こすため、振動機械要素の波腹に面して配置すると同時に柔軟性電極の長さを低減するという事実によって、初期静電容量を低減することができる。例えば、１０マイクロメートル×０．４６マイクロメートルのビームは３８．８ＭＨｚの共振周波数を有し、６マイクロメートル×０．１６６マイクロメートルのビームは同一の共振周波数を有する。
【００７４】
結論として、１つ以上の柔軟性電極をビーム型振動機械要素に沿って配置することができる。電極が１つの場合、振動機械要素と同一の表面積を有することができる。電極が複数ある場合、それらは異なる表面積を有し得る。しかしながら、電極には、振動機械要素と実質的に等しい機械的剛性が与えられる。この場合、振動機械要素の作動モードにかかわらず、信号の検出が最適化される。
【００７５】
図６Ａ、６Ｂ、６Ｃに示すように、本発明は同様に、中央が固定されたビーム型振動機械要素に適用することができる。図６Ａにおいて、振動機械要素１はその中央部分が固定されたビームである。固定には、参照符号６０が付されている。端部６２、６３の各々に１つの柔軟性電極２が配置されている。柔軟性電極２は、その端部で固定されたビームである。振動機械要素１の端部６２、６３の点線部分６１は、共振時の振動機械要素の拡張の外形を示す。柔軟性電極２は、拡張によるこれらの部分に面する。図６Ａにおいて、柔軟性電極は、同時に作動電極及び励振電極として作用する。
【００７６】
図６Ｂにおいて、振動機械要素は楕円形モードの振動ディスクである。これは、４つの固定点６０を有する。より少ない固定点を有することも想定され、１つでも十分である。これらの固定点６０は、１対において互いに正反対である。振動機械要素１は、待機状態が実線で示され、２つの端部の位置で変形している場合が点線で示されている。ディスクの最大変位がＤ１、Ｄ２として示される主軸を有する２つの楕円となるように、固定点６０が配置される。
【００７７】
対で配置された４つの電極が示され、１対の２つの電極は互いに面している。２つの対は、実質的に９０°ずつずれている。電極２、３の各々は、楕円の１つの主軸Ｄ１、Ｄ２と実質的に垂直である。１対の電極３は剛性を有することが想定され、これらは作動電極であり、主軸Ｄ２と実質的に垂直に配置される。
【００７８】
他方の対の電極２は柔軟性を有し、主軸Ｄ１と実質的に垂直に配置される。
【００７９】
図６Ｃは、いわゆるラーメ振動モードを使用する振動機械要素が実質的に四角形板である場合を示す。参照符号６０が付された固定点は、板の角に位置する。板は、点線で画定されている。ここでも再度、４箇所未満の固定点であってもよく、１つでも十分である。板は、最大の変位を有するその１つの変形位置において実線で表されている。前述のものと同様に、２対にグループ化された４つの電極があり、１対の電極は互いに向かい合う。１対の電極は、作動電極３であり剛性を有する。他方の対の電極は柔軟性検出電極２である。電極は、四角形板の側面と実質的に平行である。柔軟性電極２は四角形板の波腹に面する。
【００８０】
次に、本発明による振動電気機械部材の製造方法を説明する。振動機械要素のいずれかの側面上に柔軟性電極と少なくとも１つの剛性電極とを備えることが想定される。
【００８１】
例えばシリコンからなる半導体基板１００上に、例えば酸化シリコンからなる誘電体の表面層を形成する（図７Ａ）。酸化表面層は参照符号１０１である。当該層は、約２００から５００ナノメートルの間の厚さを有する。酸化方法は、熱酸化法であってよい。
【００８２】
層１０１によって外側を画定され、その底部が基板１００を露出する区画１２０をフォトリソグラフィー及びエッチングによって形成する（図７Ｂ）。その表面は、振動機械要素の活性領域、つまり移動が誘発される振動機械要素の領域、及び振動機械要素に対向して配置される電極の各々の領域に相当する。この活性領域は、振動電気機械部材が完成すると懸架され得る。このエッチングは、例えばプラズマ型である。
【００８３】
例えば、選択的エピタキシャル成長によって区画１２０の底部に犠牲層１０２を配置する（図７Ｃ）。犠牲層は、露出された基板１００を被覆する。犠牲層１０２の材料は、例えばＳｉＧｅであってよい。犠牲層１０２は、約２０から８０ナノメートルの厚さを有することができる。
【００８４】
例えばエピタキシャル成長によって半導体材料の層１０３を形成する（図７Ｄ）。この層１０３は区画１２０を充填し、そこからオーバーフローする。これは、本発明の振動電気機械部材、すなわち振動機械要素、及び２つの電極を形成するように作用する。半導体材料はドープされ、層１０３は柔軟である。このドープ柔軟層１０３は、残留する誘電層１０１と以前に堆積された犠牲層１０２との両方を被覆する。半導体材料は、例えば約１０１９ａｔ／ｃｍ３の濃度を有するホウ素ドープシリコンであってよい。このドープ柔軟層１０３の厚さは、例えば約１００ナノメートルから１マイクロメートルの間であってよい。
【００８５】
次に、振動電気機械部材の外形を画定するためのエッチング段階を行う。図面は振動機械構成部材の中央部分のみを示すため、この段階は、図示されておらず、部材の外形も示されていない。
【００８６】
ドープ柔軟層１０３を保護するようにハード表面マスク１０４を形成する（図７Ｅ）。このハードマスク１０４は、機械要素と電極の各々との間隔に相当する開口部１０５を含む。また、柔軟性電極とその支持体との間の間隔にも相当する。ハードマスク１０４は、例えば酸化シリコンからなることができる。その厚さは、例えば５０から１５０ナノメートルの間であってよい。開口部１０５を電子ビーム（ｅ−ｂｅａｍ）フォトリソグラフィーまたは遠紫外線（ｄｅｅｐ  ＵＶ）フォトリソグラフィーによって形成することができる。
【００８７】
ドープ活性層１０３を介する別のエッチングによって、犠牲層１０２に到達するまで開口部１０５を深くする。このエッチングは、プラズマエッチングであってよい（図７Ｆ）。以下の段階は、犠牲層１０２を除去する段階を構成する（図７Ｇ）。この除去は、プラズマエッチングによって実施する。この除去によって、活性領域が解放される。別の剛性電極部分は、柔軟性電極の支持体と同様に解放されず、誘電層１０１上に維持される。この図において、振動機械要素は１０３．１、静止電極は１０３．２、柔軟性電極は１０３．３、その支持体は１０３．４である。
【００８８】
さらに、ハードマスク１０４を除去する。活性領域の下部における犠牲層１０２の除去に対応する空間は、１０２．１として参照される。
【００８９】
次に、例えば酸化シリコンからなる保護表面層１０６を、ＰＥＣＶＤ（プラズマ化学気相成長法）によってドープ柔軟層１０３の上部に形成する。この保護層１０６は、柔軟層であり、開口部１０５には浸透しない（図７Ｈ）。この保護層１０６は、活性層を覆ってその周辺に広がり、ドープ柔軟層１０３を超えて基板自体１００に達する。次に、この保護層１０６をエッチングし、電気機械部材の活性領域のみから除去し、電気機械部材のその他の領域からは除去しない。図７Ｉは、振動電気機械部材の左側部分のみを示し、剛性電極は示されていない。
【００９０】
開口部１０７を柔軟保護層１０６中に画定する。開口部１０７は、活性領域外の剛性電極及び柔軟性電極に達する。これらの開口部１０７は、電極上に電気接触パッドを作製するために使用され得る。図７Ｉは、柔軟性電極支持体の領域に単一の開口部１０７を示す。剛性電極の側にも同じものを想定するのは困難ではない。
【００９１】
次に、開口部１０７におけるこれらの電気接触パッド１０８及びそれらに拡がる導電トラック１０９（図７Ｊ）を形成する。これらの電気接触パッド１０８及びこれらのトラック１０９は、例えばニッケルシリサイドＮｉＳｉなどの金属シリサイド、及びアルミニウム銅合金ＡｌＣｕの二層から構成されることができる。
【００９２】
本発明の特定の実施形態を示し、詳細に説明したが、本発明の精神から逸脱することなくさまざまな変更及び修正を導入することができる。
【符号の説明】
【００９３】
１  機械構成要素
２  検出電極
３  作動電極
２１、２２  端部
２３  支持体
６０  固定点
１００  半導体基板
１０１  表面層
１０２  犠牲層
１０２．１  空間
１０３  半導体層
１０３．１  振動機械要素
１０３．２  静止電極
１０３．３  柔軟性電極
１０３．４  柔軟性電極支持体
１０４  ハードマスク
１０５  開口部
１０６  保護表面層
１０７  開口部
１０８  電気接触パッド
１０９  導電トラック
１２０  区画
【図１】
2010540266.tif 000009
【図２】
2010540266.tif 000010
【図３Ａ】
2010540266.tif 000011
【図３Ｂ】
2010540266.tif 000012
【図４Ａ】
2010540266.tif 000013
【図４Ｂ】
2010540266.tif 000014
【図５Ａ】
2010540266.tif 000015
【図５Ｂ】
2010540266.tif 000016
【図６Ａ】
2010540266.tif 000017
【図６Ｂ】
2010540266.tif 000018
【図６Ｃ】
2010540266.tif 000019
【図７Ａ】
2010540266.tif 000020
【図７Ｂ】
2010540266.tif 000021
【図７Ｃ】
2010540266.tif 000022
【図７Ｄ】
2010540266.tif 000023
【図７Ｅ】
2010540266.tif 000024
【図７Ｆ】
2010540266.tif 000025
【図７Ｇ】
2010540266.tif 000026
【図７Ｈ】
2010540266.tif 000027
【図７Ｉ】
2010540266.tif 000028
【図７Ｊ】
2010540266.tif 000029
【国際調査報告】
2010540266.tif 000030
2010540266.tif 000031
2010540266.tif 000032
2010540266.tif 000033