(57)【要約】 【課題】位相雑音にすぐれ広い周波数可変範囲を持つ電圧制御発振器を提供する。【解決手段】Ｓｉ基板２１上に形成されたアンカー部２２と、アンカー部２２により支持され、Ｓｉ基板２１と対向配置された下部電極２４と、下部電極２４上に形成された第１圧電体２５と、第１圧電体２５上に形成された上部電極２６とを備えた薄膜圧電共振子２０と、Ｓｉ基板３１上に形成された固定電極４２と、Ｓｉ基板３１上に形成されたアンカー部３８と、アンカー部３８により支持され、Ｓｉ基板３１と対向配置された第１電極３３と、第１電極３３上に形成された第２圧電体３４と、第２圧電体３４上に形成された第２電極３５とを備えたバリキャップ素子３０とを備える。【選択図】      図１
2005094585.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の基板と、
前記第１の基板上に形成された第１の支持部と、
前記第１の支持部により支持され、前記第１の基板と対向配置された下部電極と、
前記下部電極上に形成された第１の圧電体と、
前記第１の圧電体上に形成された上部電極と
を備えた圧電共振子と、
第２の基板と、
前記第２の基板上に形成された固定電極と、
前記第２の基板上に形成された第２の支持部と、
前記第２の支持部により支持された第１の電極と、前記第１の電極上に形成された第２の圧電体と、前記第２の圧電体上に形成された第２の電極とを備えたアクチュエータと、
前記第２の基板と対向配置され、前記アクチュエータと機械的に接続され、かつ前記下部電極及び上部電極のいずれか一方と電気的に接続された可動電極と
を備えたバリキャップ素子と
を具備してなることを特徴とする電圧制御発振器。
【請求項２】
前記第１の基板及び第２の基板は同一基板であることを特徴とする請求項１に記載の電圧制御発振器。
【請求項３】
前記第１及び第２の支持部との形成、前記下部電極、前記可動電極及び前記第１の電極との形成、前記第１及び第２の圧電体との形成、前記前記上部電極と前記第２の電極との形成のうちのいずれか１つは同一プロセスにより形成されることを特徴とする請求項２に記載の電圧制御発振器。
【請求項４】
前記第１及び第２の圧電体は同一材料であることを特徴とする請求項３に記載の電圧制御発振器。
【請求項５】
前記第１及び第２の圧電体は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ペロブスカイト構造を持つ強誘電体のいずれか１つからなることを特徴とする請求項３に記載の電圧制御発振器。
【請求項６】
前記下部電極、可動電極及び前記第１の電極並びに前記上部電極及び第２の電極の少なくとも一方は、同一材料であることを特徴とする請求項３に記載の電圧制御発振器。
【請求項７】
前記下部電極、可動電極、上部電極、第１の電極及び第２の電極は、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）のいずれか１つからなることを特徴とする請求項３に記載の電圧制御発振器。
【請求項８】
さらに、前記第２の電極上に形成された第３の圧電体と、
前記第３の圧電体の上に形成された第３の電極と
を具備してなることを特徴とする請求項１に記載の電圧制御発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯電話等の移動無線通信技術等に用いられる薄膜圧電共振子を備えた電圧制御発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電圧制御発振器においては、コイルないしはストリップラインを使用したインダクタと、電圧により容量値が変化するバラクタ・ダイオードを使用したバリキャップ素子（可変容量素子）からなるタンク回路を有している。１０％以上の広い周波数可変範囲がとれるという特長を有する。反面、インダクタの大きさが大きい、インダクタやバラクタのＱ値（機械的品質係数）が低いため位相雑音が大きい、などの短所を有している。
【０００３】
最近、薄膜圧電共振子を使用した電圧制御発振器が注目されている。薄膜圧電共振子（ＦＢＡＲ、あるいはFilm Bulk Acoustic Wave Resonatorなどとも呼ばれる）は、基板上に空洞を介して下部電極、圧電膜、上部電極を順次形成した素子である。
【０００４】
この薄膜圧電共振子とバラクタ・ダイオードからなるタンク回路を使用した電圧制御発振器が考案されており、例えばA.P.S. Khanna, E. Gane and T. Chong著の"A 2GHz voltage tunable FBAR oscillator" 2003 IEEE MTT-S Digest, pp.717-20, 2003に開示されている（非特許文献１）。この電圧制御発振器の周波数可変幅は、薄膜圧電共振子の電気機械結合定数（ｋ２）と、バラクタ・ダイオードの容量変化率で決定される。一例として、ＡｌＮを圧電膜として使用した薄膜圧電共振子と、バラクタ・ダイオードの組合せでは、定数ｋ２が６％程度、容量変化率が最大で４倍程度であるので、周波数可変範囲は２〜３％程度と小さく、多くの移動無線システムに使用する電圧制御発振器としては周波数可変範囲が小さすぎるという問題点を有する。
【０００５】
またバラクタ・ダイオードのＱ値は薄膜圧電共振子のＱ値よりはるかに小さいので、発振器のＱ値が低下してしまい、位相雑音が大きくなるという問題がある。
【非特許文献１】A.P.S. Khanna, E. Gane and T. Chong, "A 2GHz voltage tunable FBAR oscillator", 2003 IEEE MTT-S Digest, pp.717-20, 2003
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、薄膜圧電共振子とバラクタ・ダイオードを用いた電圧制御発振器の場合、周波数数可変範囲が小さい、位相雑音が多いという問題があった。
【０００７】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、位相雑音にすぐれ広い周波数可変範囲を持つ電圧制御発振器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のある観点によれば、第１の基板と、前記第１の基板上に形成された第１の支持部と、前記第１の支持部により支持され、前記第１の基板と対向配置された下部電極と、前記下部電極上に形成された第１の圧電体と、前記第１の圧電体上に形成された上部電極とを備えた圧電共振子と、第２の基板と、前記第２の基板上に形成された固定電極と、前記第２の基板上に形成された第２の支持部と、前記第２の支持部により支持された第１の電極と、前記第１の電極上に形成された第２の圧電体と、前記第２の圧電体上に形成された第２の電極とを備えたアクチュエータと、前記第２の基板と対向配置され、前記アクチュエータと機械的に接続され、かつ前記下部電極及び上部電極のいずれか一方と電気的に接続された可動電極とを備えたバリキャップ素子とを具備してなることを特徴とする電圧制御発振器が提供される。
【０００９】
また、本発明は、この電圧制御発振器を用いた電圧制御発振方法としても成立する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、位相雑音にすぐれ広い周波数可変範囲を持つ電圧制御発振器が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。  
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係る電圧制御発振器１の全体構成を示す回路図である。図１の電圧制御発振器１は、非平衡出力のコルピッツ型の発振回路であり、その等価回路が図１に示されている。
【００１２】
図１に示すように、制御電圧Ｖｔｕｎｅの入力端子にタンク回路１３が接続されている。タンク回路１３は、薄膜圧電共振子（ＦＢＡＲ：Film Bulk Acoustic Wave Resonator）２０および薄膜圧電アクチュエータ３２を使用したバリキャップ素子３０からなる。薄膜圧電共振子２０は第１及び第２の２つの極板（電極）を持っており、このうちの第１の極板には制御電圧Ｖｔｕｎｅが印加され、第２の極板は出力側回路に接続されている。バリキャップ素子３０はバイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ３２とバリキャップ４０からなる。バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ３２の一端には制御電圧Ｖｔｕｎｅが印加され、かつバリキャップ４０に接続され、その他端は接地されている。バリキャップ４０は、バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ３２に接続される端子は薄膜圧電共振子２０に接続され、その他端は接地されている。
【００１３】
出力側回路は、バッファ用トランジスタ７と発振ループの増幅用トランジスタ１０とを有する。発振ループの増幅用トランジスタ１０のベースは薄膜圧電共振子２０の第２の極板、抵抗３及びキャパシタ４に接続されている。抵抗３はバッファ用トランジスタ７のベース、抵抗２及びキャパシタ９に接続されている。キャパシタ４、キャパシタ９及び発振ループの増幅用トランジスタ１０のエミッタ、抵抗１１はともに接地されている。抵抗１１にはインダクタンス１２が直列接続されており、このインダクタンス１２の一端は接地されている。バッファ用トランジスタ７のエミッタと発振ループの増幅用トランジスタ１０のコレクタは短絡され、かつ各々にキャパシタ８の一端が接続されている。キャパシタ８の他端は接地されている。電源電圧Ｖｃｃには、抵抗２及びインダクタンス５の一端が接続されている。インダクタンス５の他端はバッファ用トランジスタ７のコレクタ及びキャパシタ６の一端が接続され、このキャパシタ６の他端から出力信号が取り出される。
【００１４】
図２は薄膜圧電共振子２０の構成の一例を示す断面図である。図２に示すように、Ｓｉ基板２１には選択的にアンカー部２２が形成されている。このアンカー部２２上には下部電極２４、圧電膜２５及び上部電極２６が順次積層して形成され、アンカー部２２に固定支持されている。アンカー部２２が形成されていないＳｉ基板２１上には、下部電極２４との間に中空部分２３が設けられる。これにより、下部電極２４及び上部電極２６ともに、空気あるいは真空層に接した状態に保持される。
【００１５】
圧電膜２５は上下から下部電極２４及び上部電極２６に挟まれているが、図２に示すように、下部電極２４は圧電膜２５の全部ではなく一部に接して形成されるようにして、その他の圧電膜２５の部分には延在しないように構成されてもよい。同様に、上部電極２６は、圧電膜２５の全部ではなく一部に接して形成されるようにして、その他の圧電膜２５の部分には延在しないように構成されてもよい。これにより、例えば図２に示すように、中空部分２３上では圧電膜２５が下部電極２４及び上部電極２６に挟まれ、アンカー部２２上では圧電膜２５が下部電極２４のみに接し、あるいは別のアンカー部２２上では圧電膜２５が上部電極２６のみに接するように構成することができる。
【００１６】
圧電膜２５はｃ軸方向に配向成長したＡｌＮ膜が用いられ、下部電極２４及び上部電極２６はともにＡｌが用いられる。また、図２の破線で囲まれた部分で示されるように、下部電極２４及び上部電極２６に挟まれた圧電膜２５からなる共振部２７はアンカー部２２を通してＳｉ基板２１に固定されており、その圧電膜２５の膜厚の１／２になる条件の周波数で共振を生じる。例えば１ＧＨｚ〜５ＧＨｚの周波数では０．５μｍ〜３μｍ程度の膜厚に対応し、この共振部２７は特に１ＧＨｚ以上の高周波領域の共振に有効である。また、薄膜圧電共振子２０の大きさは１００μｍ角程度であり、非常に小型であるという利点を有する。
【００１７】
上部電極２４及び下部電極２６の間に交流電圧を印加すると、圧電逆効果により交番応力が発生し、厚み縦モードの弾性波の共振が励起されるようになっている。共振周波数を２ＧＨｚとするために、例えば圧電体２５の膜厚が１１００ｎｍ、下部電極２４の膜厚が１００ｎｍ、上部電極２６の膜厚が１５０ｎｍで形成される。
【００１８】
圧電膜２５の材料や作成方法にもよるが、Ｑ値の高い薄膜圧電共振子２０を作成することも可能である。窒化アルミニウムＡｌＮを圧電膜２５として使用したものの場合、数百以上の非常に高いＱ値が実現可能である。また、これらの圧電膜２５や上下電極２４及び２６はスパッタ法などの成膜手段により形成することができるので、Ｓｉ基板２１上に集積して微細化する上で有利である。
【００１９】
また、周囲の電磁界との相互作用を容易に生じるＬＣ共振器と異なり、薄膜圧電共振子２０における共振現象は弾性共振であり、共振部２７の部分に弾性エネルギが閉じ込められている。したがって、複数の共振周波数の異なる薄膜圧電共振子２０を近接して設置しても何の問題もなく、特に複数の電圧制御発振器１を用いて同時に複数の発振周波数を得る場合に有利である。
【００２０】
図３〜図５は薄膜圧電アクチュエータ３２を使用したバリキャップ素子３０の構成の一例を示す図である。図３は上面図、図４は図３のＡ−Ａ’断面図、図５は図３のＢ−Ｂ’断面図である。このバリキャップ素子３０は、通常バイモルフ型などの薄膜圧電アクチュエータ３２が用いられ、相対する２枚の電極間の距離を可変にすることで得られる容量可変型のキャパシタである。本実施形態のバリキャップ素子３０は、以下で説明する通りバイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ３２の一電極とバリキャップ４０の一電極を共通の電極で構成しているが、別の電極を電気的に接続する構成としてもよいし、電気的に接続しなくてもよい。
【００２１】
図３に示すように、バリキャップ素子３０は矩形のＳｉ基板２１上に形成されている。この矩形のＳｉ基板３１の４辺にはバイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ３２を４個備えている。また、これら４辺に配置されたバイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ３２に囲まれた中央部分には、バリキャップ４０が形成されている。
【００２２】
バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ３２は、Ａｌからなる第１電極３３と、この第１電極３３上に形成された第１圧電膜３４と、この第１圧電膜３４上に形成されたＡｌからなる第２電極３５と、この第２電極３５上に形成された第２圧電膜３６と、この第２圧電膜３６上に形成されたＡｌからなる第３電極３７の積層構造からなる。第１圧電膜３４及び第２圧電膜３６は、ｃ軸配向したＡｌＮ圧電膜からなる。
【００２３】
このバイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ３２はカンチレバービーム構造をなす。Ｂ−Ｂ’断面を示す図５を参照すると、カンチレバービーム構造の一端、すなわち図５の右端はＳｉ基板３１にアンカー部３８を介して固定され、他端、すなわち右端から左方向に向かった部分は、中空部分３９を介してＳｉ基板３１から浮いた構造をなす。また、カンチレバービーム構造の一端から途中まではバイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ３２が延在し、その途中から先端（以下、ネック部４３と呼ぶ）までは第１電極３３のみが延在する。このカンチレバービーム構造のネック部４３の第１電極３３は、図５のＢ−Ｂ’断面から図４のＡ−Ａ’にかけて延在し、図４のバリキャップ４０の可動電極４１に機械的に（物理的に）接続されている。この第１電極３３と可動電極４１は、電気的に接続される例として示しているが、これに限定されず、第１電極３３を含むバイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ３２の物理的な移動に伴い可動電極４１が移動するように機械的に接続される構成であれば、第１電極３３と可動電極４１が別個の電極として形成されていてもよい。
【００２４】
バリキャップ４０の詳細は図４に示す通りである。すなわち、Ｓｉ基板３１上に、Ａｌからなる固定電極４２が形成されている。また、固定電極３２表面にはＳｉＯ２からなる短絡保護用の誘電膜４４が形成されている。
【００２５】
そして、これら固定電極４２及び誘電膜４４と対向して、中空部分４５を挟んでＡｌからなる可動電極４１が形成されている。この可動電極４１は、ネック部４３を通して第１電極３３と接続され、かつこの第１電極３３はアンカー部３８を介してＳｉ基板３１に支持されているため、誘電膜４４と接することなく、所定の距離を挟んで対向配置されている。
【００２６】
薄膜圧電アクチュエータ３２に電圧を印加してカンチレバーを曲げる。これは、具体的には第１電極３３と第２電極３５の間と、第２電極３５と第３電極３７との間に、互いに逆向きの電圧を印加することによりバイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ３２を変位させることによりなされる。本実施形態の場合、例えば第１電極３３及び第３電極３７を接地し、第２電極３５に制御電圧Ｖｔｕｎｅを印加する。バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ３２の変位とともに、カンチレバーの先端、すなわちネック部４３が変位し、これにともない可動電極４１が変位する。これにより、バリキャップ４０の可動電極４１と固定電極間４２との距離が印加電圧に比例して変化する。そして、その電極間距離に反比例して容量が変化する。
【００２７】
可動電極４１と誘電膜４４が接触したときに最大の容量が得られ、可動電極４１と誘電膜４４が最も離れたときに最小の容量が得られる。また、同時に薄膜圧電共振子２０の下部電極２４又は上部電極２６のいずれか一方に制御電圧（Ｖtune）の入力端子を接続し、他方をバッファ用トランジスタのベースに接続する。すなわち、可動電極４１と下部電極２４又は上部電極２６のいずれか一方は電気的に接続される。これにより、タンク回路１３を用いた電圧制御発振器１を動作させることができる。
【００２８】
バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ３２の第１〜第３電極３３，３５及び３７、バリキャップ４０の可動電極４１や固定電極４２の厚さは、抵抗値などを勘案して例えば１０ｎｍから１μｍ程度から選ぶことができるが、本実施形態では全て５０ｎｍとする。また、バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ３２の第１及び第２圧電膜３４及び３６の厚さは変位量を勘案して例えば１０ｎｍから１μｍ程度から選択することができるが、本実施形態では全て５００ｎｍとする。誘電膜４４の厚さは５０ｎｍとする。バリキャップの等価面積は６４００μｍとする。
【００２９】
バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ３２への制御電圧（Ｖtune）を０〜３Ｖに設定してバリキャップ４０の容量を測定したところ、最小３４ｐＦ、最大２８６ｐＦとなり、８.４倍と大きな可変容量幅が得られた。
【００３０】
このコルピッツ型の電圧制御発振器１を使用して発振特性を測定したところ、０〜３Ｖの制御電圧印加により発振周波数は２．８５ＧＨｚ〜３．０８ＧＨｚと８．１％もの大きな可変周波数範囲が得られるとともに、位相雑音も１ＭＨｚ離調時に−１５３ｄＢｃ／Ｈｚと非常に小さく、優れた発振特性を持つ電圧制御発振器１が得られていることが確かめられた。
【００３１】
バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ３２の厚さや長さなどを適当に設計することにより、バリキャップ４０の電極間を大きく変位させることができ、大きな容量比が可能となる。またバリキャップ４０の各電極４１及び４４を充分厚くすることにより小さな寄生抵抗（等価直列抵抗）や大きなＱ値が併せて達成できる。
【００３２】
すなわち、薄膜圧電共振子２０と薄膜圧電アクチュエータ３２を使用したバリキャップ素子３０とを組合せたタンク回路１３を使用することにより、大きな周波数可変幅と小さな位相雑音特性を併せ持つ理想的な電圧制御発振器を作成することが可能になる。
【００３３】
なお、本実施形態では薄膜圧電共振子２０と薄膜圧電アクチュエータ３２を使用したバリキャップ素子３０とを別個に説明したが、図２と図３〜図５とを比較して分かるように、これらは一般的に圧電ＭＥＭＳ(piezoelectric Micro ElectroMechanical System)と呼ばれる、非常に良く似た構造を持っている。そこで、図６に示すように同一基板上にこれら薄膜圧電共振子２０とバリキャップ素子３０とを形成してタンク回路１３を構成してもよい。この場合、作成プロセスの共通化が図れるとともに、一緒に中空封止することができるという利点を有する。
【００３４】
図６（ａ）は図３のＡ−Ａ’断面を含むタンク回路１３を、図６（ｂ）はＢ−Ｂ’断面を含むタンク回路１３を示している。図１〜図５と同一構成には同一符号を付し詳細な説明は省略する。図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板２１上に薄膜圧電共振子２０とバリキャップ素子３０が形成されている。そして、Ｓｉ基板２１上にまず電極用材料と誘電体材料を積層形成し、パターニングしてバリキャップ４０の形成領域に固定電極４２及び誘電膜４４を形成する。次に、Ｓｉ基板２１上にさらに絶縁膜を形成する。この絶縁膜は後にパターニングされて薄膜圧電共振子２０のアンカー部２２と、バリキャップ素子３０のアンカー部３８になる。そして、この絶縁膜の上に第１の電極用材料を形成する。プロセス共通化のため、薄膜圧電共振子２０に使用される下部電極２４と薄膜圧電アクチュエータ３２に使用される第１電極３３が同じ材料であることが望ましく、第１の電極用材料としては、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）などの低抵抗の金属であることが望ましい。この第１の電極用材料が後にパターニングされて薄膜圧電共振子２０の下部電極２４と、薄膜圧電アクチュエータ３２の第１電極３３となる。この第１の電極用材料の上には、第１の圧電膜材料が形成される。プロセス共通化のため、薄膜圧電共振子２０の圧電膜２５と薄膜圧電アクチュエータ３２の第１圧電膜３４が同じ材料であることが望ましく、この圧電膜材料としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、およびチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）やジルコン酸チタン酸鉛（（Ｐｂ,Ｚｒ）ＴｉＯ３）などのペロブスカイト構造を持つ強誘電体の材料であることが望ましい。
【００３５】
同様に、この第１の圧電膜材料の上には、第２の電極用材料が形成される。この第２の電極用材料は第１の電極用材料と同じでもよく、後にパターニングされて上部電極２６と第２電極３５となる。第２の電極用材料の上には、第２の圧電膜材料が形成される。この第２の圧電膜材料は第１の圧電膜材料と同じでもよく、後にパターニングされてバリキャップ素子３０側のみの第１の圧電膜材料が残存し第２圧電膜３６となる。この第２の圧電膜材料の上には、第３の電極用材料が形成される。この第３の電極用材料は第１及び第２の電極用材料と同じでもよく、後にパターニングされてバリキャップ素子３０側のみの第３の電極用材料が残存し第３電極３７となる。
【００３６】
以上のように、Ｓｉ基板２１上に絶縁膜、第１の電極用材料、第１の圧電膜材料、第２の電極用材料、第２の圧電膜材料、第３の電極用材料が順次積層形成された後、パターニングしてバイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ３２あるいはバリキャップ４０が形成される領域以外の領域を選択的に除去してＳｉ基板２１を露出させる。
【００３７】
次に、ネック部４３及びバリキャップ４０の形成領域、薄膜圧電共振子２０の形成領域における第２の圧電膜材料及び第３の電極用材料を選択的に除去する。
【００３８】
そして、ネック部４３及びバリキャップ４０の形成領域における第１の圧電膜材料、第２の電極用材料を選択的に除去してこれら領域を第１電極３３あるいは可動電極４１のみ残存させ、さらにＳｉ基板２が露出した領域からウェットエッチングにより第１電極用材料下に形成されている絶縁膜を一部除去して中空部分３９を形成する。なお、ウェットエッチングを行った後に第１の圧電膜材料、第２の電極用材料の選択的除去を行ってもよい。
【００３９】
以上により、図６（ａ）及び（ｂ）に示すようなタンク回路１３を同一基板上に形成することができる。なお、図６の例では特に示されていないが、薄膜圧電共振子２０とバリキャップ素子３０の間は層間絶縁膜などにより分離されている。
【００４０】
なお、図６では薄膜圧電共振子２０とバリキャップ素子３０を同一基板上に共通プロセスで形成する例を示したが、これに限定されない。別個のプロセスで形成し、各電極用材料や圧電膜材料を異なる材料で構成してもよい。
【００４１】
このように本実施形態によれば、周波数安定度が高く、位相雑音にすぐれ、経時変化の少ない広い周波数可変範囲を持つ電圧制御発振器が提供される。特に、電源電圧からの外乱の影響や、電源電圧への雑音放射の少ない電圧制御発振器が提供される。
【００４２】
周波数可変幅を広げる目的として、コイルなどのＱ値の著しく低いリアクタ素子を直列ないしは並列に使用する必要がないため、リアクタ素子により発振器のＱ値がさらに低下したり、位相雑音がさらに大きくなるという問題が生じず、経時変化の少なく安定度の高い超小型の電圧制御発振器が提供される。
【００４３】
（第２実施形態）
図７は本発明の第２実施形態に係る電圧制御発振器５０の全体構成を示す回路図である。図７の電圧制御発振器５０は、平衡出力の発振回路であり、その等価回路が図７に示されている。
【００４４】
図７に示すように、制御電圧Ｖｔｕｎｅにタンク回路８０ａ及び８０ｂを対称に配置する。タンク回路８０ａは、薄膜圧電共振子６０ａとこの薄膜圧電共振子６０ａに並列接続されたバリキャップ素子７０ａからなる。バリキャップ素子７０ａは、非対称バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ７２ａとバリキャップ９０ａからなる。非対称バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ７２ａの第１の極板（電極）に制御電圧Ｖｔｕｎｅが印加される。非対称バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ７２ａの第１の極板と対向する第２の極板（電極）は接地されている。非対称バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ７２ａの第１の極板は、バリキャップ９０ａの第１の極板（電極）に機械的に接続されている。バリキャップ９０ａの第１の極板と対向する第２の極板は薄膜圧電共振子６０ａの第２の極板（電極）に電気的に接続され、かつバッファアンプ５４ａを介して出力電圧Ｖｏｕｔ１として取り出される。
【００４５】
バッファアンプ５４ａの入力端子はキャパシタ５６ａを介してトランジスタ５７ｂのゲートに接続されるとともに、トランジスタ５７ａのドレインに接続される。さらに、バッファアンプ５４ａの入力端子はキャパシタ５５ａを介して増幅用トランジスタ５３ｂのゲートに接続されるとともに、増幅用トランジスタ５３ａのドレインに接続される。
【００４６】
タンク回路８０ｂは、薄膜圧電共振子６０ｂとこの薄膜圧電共振子６０ｂに並列接続されたバリキャップ素子７０ｂからなる。バリキャップ素子７０ｂは、非対称バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ７２ｂとバリキャップ９０ｂからなる。薄膜圧電共振子６０ｂの第１の極板（電極）は薄膜圧電共振子６０ａの第１の極板（電極）と電気的に接続されている。非対称バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ７２ｂの第１の極板（電極）に制御電圧Ｖｔｕｎｅが印加される。非対称バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ７２ｂの第１の極板と対向する第２の極板（電極）は接地されている。非対称バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ７２ｂの第１の極板は、バリキャップ９０ｂの第１の極板（電極）に機械的に接続されている。バリキャップ９０ｂの第１の極板はバリキャップ９０ａの第１の極板と電気的に接続されている。バリキャップ９０ｂの第１の極板と対向する第２の極板は薄膜圧電共振子６０ｂの第２の極板（電極）に電気的に接続され、かつバッファアンプ５４ｂを介して出力電圧Ｖｏｕｔ２として取り出される。
【００４７】
バッファアンプ５４ｂの入力端子はキャパシタ５６ｂを介してトランジスタ５７ａのゲートに接続されるとともに、トランジスタ５７ｂのドレインに接続される。さらに、バッファアンプ５４ｂの入力端子はキャパシタ５５ｂを介して増幅用トランジスタ５３ａのゲートに接続されるとともに、増幅用トランジスタ５３ｂのドレインに接続される。
【００４８】
トランジスタ５７ａと５７ｂのソースには電源電圧Ｖｃｃが印加され、増幅用トランジスタ５３ａと５３ｂのソースは接地される。
【００４９】
薄膜圧電共振子６０ａ及び６０ｂの構成は図２と共通するので詳細な説明は省略する。ただし、薄膜圧電共振子６０ａ及び６０ｂの場合、薄膜圧電共振子２０における圧電膜２５としてｃ軸方向に配向成長したＺｎＯ膜１４を使用した。
【００５０】
図８及び図９は本実施形態のバリキャップ素子７０ａの詳細な構成を示す図であり、図８は平面図を、図９は図８のＡ−Ａ’断面図である。バリキャップ素子７０ｂもバリキャップ素子７０ｂと構成は共通するので説明は省略する。
【００５１】
本実施形態のバリキャップ素子７０は、以下で説明する通り非対称バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ７２の一電極とバリキャップ９０の一電極を共通の電極で構成しているが、別の電極を電気的に接続する構成としてもよいし、電気的に接続しなくてもよい。
【００５２】
図８に示すように、Ｓｉ基板７１上に、バリキャップ９０を挟んで一対の非対称バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ７２が形成されている。各非対称バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ７２の一端はアンカー部７７を通してＳｉ基板７１に支持されており、他端はネック部８５を通してＡｌからなるバリキャップ９０の可動電極８１に機械的に（物理的に）接続されている。可動電極８１の上には補強用に圧電膜８３が形成されている。
【００５３】
また、Ｓｉ基板７１上にはＡｌからなる固定電極８２とその表面に形成された短絡防止用のＳｉＯ２からなる誘電膜８４が順次積層形成されている。これら固定電極８２と誘電膜７４は、可動電極８１と中空部分８６を介して対向配置されている。
【００５４】
非対称バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ７２は、Ａｌからなる第１電極７３、第１電極７３上に形成されｃ軸配向したＺｎＯからなる圧電膜７４、圧電膜７４上に形成された第２電極７５とを備え、さらに第２電極７５上には、非対称バイモルフを構成するためのＳｉＯ２からなる支持膜７６が形成されている。
【００５５】
第１電極７３と可動電極８１は、電気的に接続される例として示しているが、これに限定されず、第１電極７３を含む非対称バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ７２の物理的な移動に伴い可動電極８１が移動するように機械的に接続される構成であれば、第１電極７３と可動電極８１が別個の電極として形成されていてもよい。
【００５６】
第１電極７３と第２電極７５間に制御電圧Ｖｔｕｎｅを印加することにより、バイモルフ動作が生じて非対称バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ７２が変位し、可動電極８１と誘電膜８４が接触したときに最大の容量が得られ、可動電極８１が誘電膜８４から最も離れたときに最小の容量が得られる。
【００５７】
非対称バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ７２の第１電極７３と第２電極７５、バリキャップ９０の可動電極８１や固定電極８２の厚さは、抵抗値などを勘案して例えば１０ｎｍから１μｍ程度から選択することができるが、本実施形態では全て５０ｎｍとする。また、非対称バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ７２の圧電膜７４の厚さは変位量を勘案して例えば１０ｎｍから１μｍ程度から選択することができるが、本実施形態では４００ｎｍとする。誘電膜８４の厚さは３０ｎｍとする。バリキャップ９０の等価面積は６４００μｍとする。
【００５８】
非対称バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ７２への制御電圧（Ｖtune）を０〜３Ｖ加えてバリキャップ９０の容量を測定したところ、最小５６ｐＦ、最大３５６ｐＦで８.２倍と大きな可変幅が得られた。なお、薄膜圧電共振子６０ａ及び６０ｂの動作は第１実施形態の薄膜圧電共振子２０の動作と共通する。
【００５９】
この平衡型の電圧制御発振器５０を使用して発振特性を測定したところ、０〜３Ｖの制御電圧印加により発振周波数は２．５７ＧＨｚ〜２．８４ＧＨｚと１０．５％もの大きな可変周波数範囲が得られるとともに、位相雑音も１ＭＨｚ離調時に−１４９ｄＢｃ／Ｈｚと非常に小さく、優れた発振特性を持つ電圧制御発振器が得られていることが確かめられた。
【００６０】
なお、本実施形態では薄膜圧電共振子６０ａ及び６０ｂとバリキャップ素子７０ａ及び７０ｂとを別個に説明したが、図２と図８及び９とを比較して分かるように類似した構造を持っており、第１実施形態の場合と同様に同一基板上にこれらを形成してタンク回路８０ａ及び８０ｂを構成してもよい。この場合、作成プロセスの共通化が図れるとともに、一緒に中空封止することができる。
【００６１】
図１０は同一基板上に薄膜圧電共振子６０ａとバリキャップ素子７０ａが形成されたタンク回路８０ａを示している。図２、図８及び図９と同一構成には同一符号を付し詳細な説明は省略する。その製造方法はパターニング形状が異なる以外は第１実施形態の図６の場合と共通するため詳細な説明は省略する。なお、図１０の例では特に示されていないが、薄膜圧電共振子６０ａとバリキャップ素子７０ａの間は層間絶縁膜などにより分離されている。
【００６２】
すなわち、作成に当たっては、同一のＳｉ基板２１上に薄膜圧電共振子６０ａとバリキャップ素子７０ａを同時に作成し、薄膜圧電共振子６０ａのアンカー部２２とバリキャップ素子７０ａのアンカー部７７とを同時に形成し、薄膜圧電共振子６０ａの下部電極２４とバリキャップ素子７０ａの可動電極８１及び第１電極７３とを同時に形成し、薄膜圧電共振子６０ａの圧電膜２５とバリキャップ素子７０ａの圧電膜７４と可動電極補強膜８３とを同時に形成することでプロセスを簡略化することが可能となる。
【００６３】
なお、図１０では薄膜圧電共振子６０ａとバリキャップ素子７０ａの同時形成について述べたが、これに限定される趣旨ではなく、例えば薄膜圧電共振子６０ｂとバリキャップ素子７０ｂも含めて同時形成してもよい。
【００６４】
このように本実施形態によれば、周波数安定度が高く、位相雑音にすぐれ、経時変化の少ない広い周波数可変範囲を持つ超小型の電圧制御発振器が提供される。特に、電源電圧からの外乱の影響や、電源電圧への雑音放射の少ない電圧制御発振器が提供される。また、周波数可変幅を広げる目的としてリアクタ素子を使用する必要がないため、リアクタ素子により発振器のＱ値がさらに低下したり、位相雑音がさらに大きくなるという問題が生じず、経時変化の少なく安定度の高い電圧制御発振器が提供される。
【００６５】
本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態で示された膜厚や各膜の材料はほんの一例にすぎず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更できることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
以上説明したようにこの発明は、移動無線通信技術による携帯電話などに用いられる電圧制御発振器の技術分野に有効である。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る電圧制御発振器の全体構成を示す回路図。
【図２】同実施形態に係る薄膜圧電共振子の構成の一例を示す断面図。
【図３】同実施形態に係る薄膜圧電アクチュエータを使用したバリキャップ素子の構成の一例を示す上面図。
【図４】同実施形態に係る薄膜圧電アクチュエータを使用したバリキャップ素子の構成の一例を示すＡ−Ａ’断面図。
【図５】同実施形態に係る薄膜圧電アクチュエータを使用したバリキャップ素子の構成の一例を示すＢ−Ｂ’断面図。
【図６】同実施形態に係る同一基板上に薄膜圧電共振子とバリキャップ素子を形成する場合のタンク回路の断面図。
【図７】本発明の第２実施形態に係る電圧制御発振器の全体構成を示す回路図。
【図８】同実施形態に係るバリキャップ素子の詳細な構成の上面図。
【図９】同実施形態に係るバリキャップ素子の詳細な構成のＡ−Ａ’断面図。
【図１０】同実施形態に係る同一基板上に薄膜圧電共振子とバリキャップ素子を形成する場合のタンク回路の断面図。
【符号の説明】
【００６８】
１，５０…電圧制御発振器、７…バッファ用トランジスタ、１０…増幅用トランジスタ、１３…タンク回路、２０…薄膜圧電共振子、２１…Ｓｉ基板、２２…アンカー部、２３…中空部分、２４…下部電極、２５…圧電膜、２６…上部電極、３０…バリキャップ素子、３１…Ｓｉ基板、３２…バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ、３３…第１電極、３４…第１圧電膜、３５…第２電極、３６…第２圧電膜、３７…第３電極、３８…アンカー部、４１…可動電極、４２…固定電極、４３…ネック部、４４…誘電膜、４５…中空部分、６０ａ，６０ｂ…薄膜圧電共振子、７０ａ．７０ｂ…バリキャップ素子、７１…Ｓｉ基板、７２…非対称バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ、７３…第１電極、７４…圧電膜、７５…第２電極、７６…支持膜、８１…可動電極、８２…固定電極、８３…圧電膜、８４…誘電膜
【図１】
2005094585.tif 000003
【図２】
2005094585.tif 000004
【図３】
2005094585.tif 000005
【図４】
2005094585.tif 000006
【図５】
2005094585.tif 000007
【図６】
2005094585.tif 000008
【図７】
2005094585.tif 000009
【図８】
2005094585.tif 000010
【図９】
2005094585.tif 000011
【図１０】
2005094585.tif 000012