(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
縦モード共振器において、
基板と、
バー
を備え、
前記バーは、スタックをなす複数の層を介して前記基板と一体的に形成され、該バーは、前記バーの厚みを横切って印加される電界に応答して前記基板の表面に概ね平行に自由に膨張及び収縮するように、前記基板の表面の上に該バーの全体がつり下げられており、
前記膨張及び収縮は、前記バーの共振周波数にほぼ等しい周波数を有する電界に応答して共振を生ずることからなる、縦モード共振器。
【請求項２】
前記バーが、第１の表面と第２の表面を有し、
前記縦モード共振器がさらに、
前記第１の表面に配置された入力電極と、
前記第２の表面に配置された出力電極
を備えることからなる、請求項１の縦モード共振器。
【請求項３】
前記入力電極に電気信号を提供するために、前記入力電極と電気的に連絡する電気信号入力接続をさらに備える、請求項２の縦モード共振器。
【請求項４】
前記バーが圧電材料から構成される、請求項１の縦モード共振器。
【請求項５】
前記バーが窒化アルミニウムから構成される、請求項１の縦モード共振器。
【請求項６】
前記バーを前記基板に対してつり下げるための２つのたわみ支持部をさらに備える、請求項１の縦モード共振器。
【請求項７】
前記基板はキャビティを有し、前記たわみ支持部は、前記バーを前記基板内のキャビティに対してつり下げる、請求項６の縦モード共振器。
【請求項８】
さらに、前記バーを前記基板に対して支持するための支持部を前記基板上に有する、請求項１の縦モード共振器。
【請求項９】
前記バーが第１の表面と第２の表面を有し、
前記縦モード共振器がさらに、
前記第１の表面に配置された入力電極と、
前記第２の表面に配置された出力電極と、
前記出力電極に隣接して配置された容量性プレート
を備える、請求項１の縦モード共振器。
【請求項１０】
キャビティを画定する第２の基板と、
前記第２の基板のキャビティ内に配置された容量性プレート
をさらに備え、
前記バーが、前記第２の基板のキャビティ内につり下げられて、前記容量性プレートから隔置される、請求項１の縦モード共振器。
【請求項１１】
多周波数フィルタであって、
基板と、
交番信号を受信するための入力端子と、
スタックをなす複数の層を介して前記基板と一体的に形成された第１の長さを有する第１のバーを備える第１の共振器と、
前記スタックをなす複数の層を介して前記基板と一体的に形成された第２の長さを有する第２のバーを備える第２の共振器と、
前記入力端子、前記第１の共振器、及び前記第２の共振器と電気的に連絡するマルチプレクサと、
前記第１の共振器及び前記第２の共振器と電気的に連絡する出力端子
を備え、
前記第１のバーは、該第１のバーの厚みを横切って印加される電界に応答して、前記基板の表面に概ね平行に自由に膨張及び収縮するように、前記基板の表面の上に該第１のバーの全体がつり下げられており、この膨張及び収縮は、前記第１のバーの共振周波数にほぼ等しい周波数を有する電界に応答して共振を生じ、
前記第２のバーは、該第２のバーの厚みを横切って印加される電界に応答して、前記基板の表面に概ね平行に自由に膨張及び収縮するように、前記基板の表面の上に該第２のバーの全体がつり下げられており、この膨張及び収縮は、前記第２のバーの共振周波数にほぼ等しい周波数を有する電界に応答して共振を生じ、
前記マルチプレクサは、前記第１の共振器と前記第２の共振器の少なくとも一方に信号を送ることからなる、多周波数フィルタ。
【請求項１２】
前記第１のバーと前記第２のバーの少なくとも一方が、第１の表面と第２の表面を有し、
前記多周波数フィルタが、さらに、
前記第１の表面に配置されて、前記マルチプレクサと電気的に連絡する入力電極と、
前記第２の表面に配置された出力電極
を備えることからなる、請求項１１の多周波数フィルタ。
【請求項１３】
前記第１のバーと前記第２のバーの少なくとも一方が、圧電材料から構成される、請求項１１の多周波数フィルタ。
【請求項１４】
前記第１のバーと前記第２のバーの少なくとも一方が、窒化アルミニウムから構成される、請求項１１の多周波数フィルタ。
【請求項１５】
前記第１の共振器と前記第２の共振器の少なくとも一方が、前記第１のバーと前記第２のバーの一方を前記基板に対してつり下げるための２つのたわみ支持部をさらに備える、請求項１１の多周波数フィルタ。
【請求項１６】
前記基板がキャビティを画定し、前記たわみ支持部は、前記第１のバーと前記第２のバーの一方を前記基板内のキャビティに対してつり下げる、請求項１５の多周波数フィルタ。
【請求項１７】
前記第１の共振器と前記第２の共振器の少なくとも一方が、さらに、前記第１のバーと前記第２のバーの少なくとも一方を前記基板に対して支持するための支持部を前記基板上に有する、請求項１１の多周波数フィルタ。
【請求項１８】
前記第１のバーと前記第２のバーの少なくとも一方が、第１の表面と第２の表面を有し、前記多周波数フィルタが、さらに、
前記第１の表面に配置されて、前記マルチプレクサと電気的に連絡する入力電極と、
前記第２の表面に配置された出力電極と、
前記出力電極に隣接して配置された容量性プレート
を備えることからなる、請求項１１の多周波数フィルタ。
【請求項１９】
前記第１の共振器と前記第２の共振器の少なくとも一方が、さらに、キャビティを画定する第２の基板と、前記第２の基板のキャビティ内に配置された容量性プレートを有し、前記第１の共振器と前記第２の共振器の少なくとも一方のバーが、前記第２の基板のキャビティ内につり下げられて、前記容量性プレートから隔置される、請求項１１の多周波数フィルタ。
【請求項２０】
多周波数発振器であって、
基板と、
信号を提供するための非線形フィードバック要素と、
スタックをなす複数の層を介して前記基板と一体的に形成された第１の長さを有する第１のバーを備える第１の共振器と、
前記スタックをなす複数の層を介して前記基板と一体的に形成された第２の長さを有する第２のバーを備える第２の共振器と、
前記非線形フィードバック要素、前記第１の共振器、及び、前記第２の共振器と電気的に連絡するマルチプレクサと、
前記第１の共振器及び前記第２の共振器と電気的に連絡する出力端子
を備え、
前記第１のバーは、該第１のバーの厚みを横切って印加される電界に応答して、前記基板の表面に概ね平行に自由に膨張及び収縮するように、前記基板の表面の上に該第１のバーの全体がつり下げられており、この膨張及び収縮は、前記第１のバーの共振周波数にほぼ等しい周波数を有する電界に応答して共振を生じ、
前記第２のバーは、該第２のバーの厚みを横切って印加される電界に応答して、前記基板の表面に概ね平行に自由に膨張及び収縮するように、前記基板の表面の上に該第２のバーの全体がつり下げられており、この膨張及び収縮は、前記第２のバーの共振周波数にほぼ等しい周波数を有する電界に応答して共振を生じ、
前記マルチプレクサは、前記第１の共振器と前記第２の共振器の少なくとも一方に信号を送ることからなる、多周波数発振器。
【請求項２１】
前記第１のバーと前記第２のバーの少なくとも一方が、第１の表面と第２の表面を有し、
前記多周波数発振器が、さらに、
前記第１の表面に配置されて、前記マルチプレクサと電気的に連絡する入力電極と、
前記第２の表面に配置された出力電極
を備えることからなる、請求項２０の多周波数発振器。
【請求項２２】
前記第１のバーと前記第２のバーの少なくとも一方が、圧電材料から構成される、請求項２０の多周波数発振器。
【請求項２３】
前記第１のバーと前記第２のバーの少なくとも一方が、窒化アルミニウムから構成される、請求項２０の多周波数発振器。
【請求項２４】
前記第１の共振器と前記第２の共振器の少なくとも一方が、前記第１のバーと前記第２のバーの一方を前記基板に対してつり下げるための２つのたわみ支持部をさらに備える、請求項２０の多周波数発振器。
【請求項２５】
前記基板がキャビティを有し、前記たわみ支持部は、前記第１のバーと前記第２のバーの一方を前記基板内のキャビティに対してつり下げる、請求項２４の多周波数発振器。
【請求項２６】
前記第１の共振器と前記第２の共振器の少なくとも一方が、さらに、前記第１のバーと前記第２のバーの少なくとも一方を前記基板に対して支持するための支持部を前記基板上に有する、請求項２０の多周波数発振器。
【請求項２７】
前記第１のバーと前記第２のバーの少なくとも一方が、第１の表面と第２の表面を有し、前記多周波数発振器が、さらに、
前記第１の表面に配置されて、前記マルチプレクサと電気的に連絡する入力電極と、
前記第２の表面に配置された出力電極と、
前記出力電極に隣接して配置された容量性プレート
を備えることからなる、請求項２０の多周波数発振器。
【請求項２８】
前記第１の共振器と前記第２の共振器の少なくとも一方が、さらに、キャビティを画定する第２の基板と、前記第２の基板のキャビティ内に配置された容量性プレートを有し、前記第１の共振器と前記第２の共振器の少なくとも一方のバーが、前記第２の基板のキャビティ内につり下げられて、前記容量性プレートから隔置される、請求項２０の多周波数発振器。
【請求項２９】
前記非線形フィードバック要素が増幅器である、請求項２０の多周波数発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、微小電気機械システム（MEMS）の分野に関連する。具体的には、本発明は、圧電MEMS共振器に関連する。
【０００２】
尚、本出願は、2002年8月6日出願の米国仮特許出願第60/401,580号について優先権主張するものであり、当該仮特許出願の全内容は、参照により本明細書に組み込まれるものとする。
【背景技術】
【０００３】
共振器は、部品、特にフィルタや発振器として伝統的に使用されている。共振器は、移動体通信技術の成長とコンピュータのクロック速度の高速化に伴って最近その重要性が増してきている。移動式装置は、小さくて正確なフィルタを必要とし、コンピュータのクロックは、誤差のない高周波発振が可能な発振器を必要とする。典型的な共振器の用途では、共振器は、約５０Ωのインピーダンス負荷（これは、典型的な集積回路の一般的な電圧範囲に適合する）で１０００より大きなＱ値を示すことが要求され、また、１ＧＨｚの近くまたは１ＧＨｚより高い周波数で共振することが要求される。
【０００４】
従来の共振器には、例えば、表面弾性波（SAW）共振器、基本モード薄膜共振器（TFR）、たわみモード（flexural mode）MEMSビーム共振器、被誘導電磁波構造、集中素子（lumped element）インダクタ及びコンデンサ、薄膜バルク音響共振器（TFBAR）、オーバーモードバルク水晶（overmoded bulk crystal）、及び、堅固に取り付けられた共振器（SMR）がある。これらのフィルタは、様々な欠点を有する。それらの欠点とは、例えば、多くのものは集積回路上に配置するには大きすぎ、動作周波数範囲が満足できないほどに狭く、必要な動作電圧があまりにも高く、及び／または、５０Ω負荷の場合に十分に高いＱ（quality）レベルを実現できない、といったことである。Ｑは、フィルタのエネルギー効率の測度であり、また、フィルタの周波数応答の形状の測度（すなわち、Ｑが高いフィルタの通過周波数帯域は、それよりＱが低いフィルタよりも狭い）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
多くの伝統的な共振器は、１つ以上の共振器を集積回路に組み込むには大きすぎる。例えば、薄膜共振器（TFR）は、一般に、数百ミクロンのオーダーの設置面積を有する。表面弾性波（SAW）共振器は、典型的には、さらに大きく、いくつかの場合には、所望の性能特性を実現するために数センチメートルまたは数インチ程の大きさの基板が必要となる。
【０００６】
いくつかの伝統的な共振器は、不所望に限定された周波数範囲で動作する。MEMSたわみモードビーム共振器は、典型的には、極超短波域では満足のいく動作をしない。同様に、TFBAR及びSMRは、中心周波数を１ＧＨｚよりもはるかに低い周波数にすることが難しい。なぜなら、薄膜が厚くなると、薄膜応力が問題になるからである。さらに、ほとんどの薄膜ベースの共振器では、異なる周波数を有する複数の共振器を単一の集積回路に配置することができない。なぜなら、一般に、薄膜の厚みが基板全体にわたって均一だからである。
【０００７】
多くのMEMSたわみモードビーム共振器はまた、共振器を標準的な集積回路に集積するのを難しくする起動（活性化）電圧を必要とするという問題を有する。MEMSたわみモードビーム共振器は、一般に、容量的に作動され、共振を実現するために５０Ｖもの電圧を必要とする場合もある。
【０００８】
多くの従来の共振器は、５０Ω負荷の場合に十分に高いＱレベルを達成しない。典型的な集中素子インダクタ、ＳＭＲ、及び多くのTFBARは、５０Ω負荷での動作に応答して、所望の１０００というＱレベルを達成できない。MEMSたわみモードビーム共振器は、より高いＱレベルで動作可能であるが、そのような動作を行うためには、通常は、真空中で動作させる必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、１実施形態においては、集積回路に簡単に組み込むことが可能なミクロン（マイクロメートル）スケールのMEMS縦モード共振器を提供することによって、上述した従来の共振器の欠点を克服する。他の利点として、本発明は、大きな共振器アレイ（これは、単一の基板に組み込むことができる）に組み込むのに十分小さな共振器を提供する。したがって、本発明の実施形態を用いて、複数の周波数についての帯域通過フィルタ、具体的には、Rx/Txフィルタを単一の集積回路基板上に構築することができる。さらに、本発明にしたがって設計された共振器は、少なくとも約１５０ＭＨｚ〜少なくとも約１．６ＧＨｚまでの広い周波数範囲にわたって動作することができる。本発明の実施形態は、また、多くの一般的な集積回路構成に容易に統合することができる。なぜなら、これらの実施形態は、５０Ω回路とコンパチブルな（互換性のある）インピーダンスについて動作中に、限定された温度感受性と１０００を超えるＱレベルを示すからである。
【００１０】
１態様では、本発明は、基板（または、基材。以下同じ）と、この基板に対してつり下げられた（すなわち、懸架された）（いくつかの実施形態では窒化アルミニウムのような圧電材料から構成される）バーを備える縦モード共振器を提供する。例えば、１構成では、２つのたわみ支持部が、基板に画定されたキャビティ上にバーをつり下げる。別の構成では、たわみ支持部は、絶縁性取り付けパッドを介してほぼ平坦な基板上にバーをつり下げる。代替的な構成では、バーの中心のほぼ下に配置された１つの支持部が基板に対してバーを支持する。１つのそのような構成では、支持部は、第２の基板に画定されたキャビティ中にバーをつり下げる。
【００１１】
上記のつり下げアプローチ手段に関係なく、バーが、バーの厚み全体にわたる（またはバーの厚みを横切る）電界の印加に応答して、長手（縦）方向に自由に膨張し及び収縮するようにつり下げられるのが好ましい。バーの膨張及び収縮により、バーの基本周波数とほぼ等しい周波数を有する電界に応答して共振が実現される。バーの基本周波数はバーの長さの関数であるが、これは、製造者が、本発明の１実施形態に従って作成された共振器の周波数を、製造後に、共振器のバーをレーザトリミングすることによって変えることができるという利点をもたらす。
【００１２】
１実施形態では、入力電極及び出力電極は、共振器のバーの第１の表面及び第２の表面に配置される。上述の単一支持部構成では、出力電極は、第２の基板のキャビティの底部に配置される。いくつかの構成では、縦モード共振器は、また、入力電極に電気信号入力を提供するために、入力電極と電気的に連絡する電気信号入力を備える。
【００１３】
本発明のさらなる態様は、MEMS圧電共振器を作成する方法に関連する。この作成方法は、基板上に、少なくとも１つの圧電材料層を含む、スタック（積み重ね構造）をなす材料の層を基板上に形成するステップを含む。１実施形態では、このスタックには、第１の金属電極層、圧電材料層、及び第２の金属電極層が含まれる。他の実施形態では、このスタックは、絶縁層も含む。
【００１４】
この場合、共振器の周波数は、スタックの上部にパターンマスクを付加することによって設定される。次に、１つ以上のエッチング用化学物質または技法を使用して、スタックをなす複数の層をエッチングする。例示的なエッチング技法には、反応性イオンエッチング及びウェットエッチングが含まれる。スタックのために選択される材料に依存して、１つのエッチング用化学物質または技法によって２つ以上の層を同時にエッチングして、共振器を作成するのに必要なエッチングの数を少なくすることができる。いくつかの実施形態では、さらに他のエッチングステップを使用して、個々の層に追加の特徴を形成することができる。そのような特徴には、電流止め（current stop）及び絶縁パッドが含まれる。先ず、層を積み重ねて、スタックの共通の特徴をエッチングすることにより、後で再度アライメントをとることなく、いくつかの追加の特徴を形成することができる。
【００１５】
本発明の他の態様では、上述の縦モード共振器の実施形態（複数）が多周波数フィルタに組み合わせられる。多周波数フィルタには、基板、交番信号を受信するための入力端子、第１及び第２の共振器が含まれる。第１の共振器は、基板に対してつり下げられる第１の長さを有する第１のバーを備える。この第１のバーは、第１のバーの厚み全体にわたる（またはその厚みを横切る）電界の印加に応答して長手（縦）方向に自由に膨張及び収縮するようにつり下げられる。第１のバーは、第１のバーの基本周波数にほぼ一致する周波数を有する電界の印加に応答して共振を実現する。多周波数フィルタの第２の共振器は、基板に対してつり下げられる第２の長さを有する第２のバーを備える。この第２のバーは、第２のバーの厚み全体にわたる（またはその厚みを横切る）電界の印加に応答して長手（縦）方向に自由に膨張及び収縮するようにつり下げられる。第２のバーは、第２のバーの基本周波数にほぼ一致する周波数を有する電界の印加に応答して共振を実現する。
【００１６】
多周波数フィルタはまた、入力端子と電気的に連絡するマルチプレクサ、第１の共振器、及び第２の共振器を備える。マルチプレクサは、第１の共振器と第２の共振器の少なくとも１つに交番信号を伝える。第１の共振器及び第２の共振器と通信して、フィルタリングされた交番信号を受信する出力端子が提供される。他の実施形態では、多周波数フィルタは、マルチプレクサと通信する複数の追加の共振器（単一のチップに所望されるだけの数まで可能）を備える。
【００１７】
本発明の別の態様では、上述の縦モード共振器の実施形態は、多周波数発振器に組み合わされる。多周波数発振器は、基板、信号を提供するための増幅器のような非線形フィードバック要素、第１及び第２の共振器を備える。第１の共振器は、基板に対してつり下げられる第１の長さを有する第１のバーを備える。この第１のバーは、第１のバーの厚み全体にわたる（またはその厚みを横切る）電界の印加に応答して長手（縦）方向に自由に膨張及び収縮するようにつり下げられる。第１のバーは、第１のバーの基本周波数にほぼ一致する周波数を有する電界の印加に応答して共振を実現する。多周波数発振器の第２の共振器は、基板に対してつり下げられる第２の長さを有する第２のバーを備える。この第２のバーは、第２のバーの厚み全体にわたる（またはその厚みを横切る）電界の印加に応答して長手（縦）方向に自由に膨張及び収縮するようにつり下げられる。第２のバーは、第２のバーの基本周波数にほぼ一致する周波数を有する電界の印加に応答して共振を実現する。
【００１８】
多周波数発振器はまた、入力端子と電気的に連絡するマルチプレクサ、第１の共振器、及び第２の共振器を備える。マルチプレクサは、第１の共振器と第２の共振器の少なくとも１つに信号を伝える。第１の共振器及び第２の共振器と通信して、発振信号を受信する出力端子が提供される。他の実施形態では、多周波数発振器は、マルチプレクサ及び出力端子と通信する複数の追加の共振器（単一の集積回路に所望されるだけの数まで可能）を備える。
【００１９】
本発明の他の態様及び利点は、本発明の原理を例示的にのみ示す以下の詳細な説明及び添付図面から明かになるであろう。
【００２０】
本発明の上記及び他の目的、特徴、及び利点並びに本発明自体については、以下の説明及び添付図面から十分に理解されよう。図面では、それぞれの図面を通じて同じ参照符号は、一般に、同じ部分を示している。図面は本発明の原理を例示するものであって、必ずしも同一のスケールで表示されていない。
【実施例】
【００２１】
例示として図面に示すように、本発明を、例えば、MEMS縦モード共振器、２つ以上のMEMS縦モード共振器を利用する多周波数発振器回路、及び／または、２つ以上のMEMS縦モード共振器を利用する多周波数フィルタとして具現化することができる。
【００２２】
図１は、本発明の例示的な１実施形態に従うMEMS縦モード共振器１００の斜視図で示した概念図である。共振器１００は、長さがほぼ等しい２つのたわみ支持部１０２と１０４、バー１０６、及び、２つの電極１０８及び１１０を備える。たわみ支持部１０２及び１０４は、基板１１４内のキャビティ１１２の上にバー１０６をつり下げる。
【００２３】
例示的な実施形態では、たわみ支持部１０２及び１０４及びバー１０６は、厚みが約０．５μｍであり、窒化アルミニウムのような単一の圧電材料から形成される。圧電材料は電圧が印加されると変形し、当該材料が変形すると当該材料の両端間に同様に電圧を生成する。この特性は、材料内の電荷の不均一な分布に起因する。共振器１００は、圧電材料のこの特性を利用してバー１０６を共振状態に励起する。
【００２４】
より詳しくは、電極１０８は入力電極である。他方の電極１１０は出力電極である。例示的な実施形態によれば、入力電極１０８はニッケルからなり、出力電極１１０はモリブデンからなる。どの電極を入力用として使用し、どの電極を出力用として使用するかの選択は、好ましくは、共振器が組み込まれる回路の残りの部分のレイアウトに依存して交換可能である。電極１０８と１１０のために使用される金属は、作成目的に関して異なり、そのため、電極１０８と１１０を、異なるエッチング用化学物質を使用して選択的にエッチングすることができる。他の作成プロセスでは、電極１０８及び１１０は、同じ材料から構成される。
【００２５】
動作時、交番電気信号が入力電極１０８に印加される。交番電気信号は入力電極１０８と出力電極１１０との間にバー１０６を通る電界を生成する。電極１０８及び１１０は、共振器１００全体のいずれかの側を覆うように形成されることができるが、電流止め１１６及び１１８を、それぞれ、入力電極１０８と出力電極１１０を貫通してエッチングして、装置（デバイス）の他の部分と電気的に連絡する電極材料だけが、それぞれのたわみ部１０４及び１０６の一方の側に配置されるようにするのが好ましい。この結果、主としてバー１０６だけに沿って、装置の他の部分と通信する電極材料が共振器１００の対向する側に存在することになる。残りの電極材料１１１及び１１３は、作成プロセスのアーティファクト（結果物）である（例示的な１作成プロセスについてのより詳細な後述の記載を参照されたい）。
【００２６】
バー１０６が圧電材料で構成される結果、電界がバー１０６を横切って生じることに応答して、バー１０６は、その電界に応じて膨張または収縮する。バーは、その全体についてあらゆる方向に様々な程度、膨張及び収縮するが、バーは、バーの形状及びバーの厚み全体にわたる（またはその厚みを横切る）電界の対称的な印加の結果として、主として、長手（縦）方向１１７に（すなわち、縦モードで）端部において膨張及び収縮する。この膨張及び収縮に伴って、バー１０６内の電荷分布の再配列が生じ、その結果、出力電極１１０に出力電流が流れる。バー１０６の基本周波数（ｆ０）にほぼ一致する電気信号の周波数に応答して、バー１０６は、それの縦モードにおける共振を生じ、膨張及び収縮によって生成された出力電流は、電界の周波数に非常に近い周波数を有する。例示として、これより高い高調波で共振を実現することもできる。誘発された圧電電流は、装置に電気信号を流すように作用するが、一方、共振によって誘発されたのではない信号は、不規則に誘発された圧電電流によって減衰させられる。いくつかの例示的な実施形態では、装置は、単純な、抵抗、インダクタ、コンデンサ（RLC）回路に似た応答特性を示す。
【００２７】
バー１０６の基本周波数（ｆ０）はバーの長さ（Ｌ）１１５によって以下のように決まる。
【００２８】
【数１】
0004429918.tif 000002
【００２９】
モジュラス（または引張応力）及び密度はバー１０６を構成する材料に関連付けられた定数である。結果として、異なる周波数を有する共振器を、バーの長さＬ １１５を変えることによって設計することができる。例えば、６μｍの長さのバーは約７８０ＭＨｚの中心周波数を有し、５μｍの長さのバーは約１ＧＨｚの中心周波数を有する。
【００３０】
本発明に従って構築された装置は、また、多くの一般的な共振器用途において十分に高いＱ値を示す。上述したように、Ｑは、エネルギー入力及び装置の周波数応答の形状に関連した、装置によって失われるエネルギーのレベルを反映している。一般的には、１０００より大きなＱレベルが多くの用途において望ましい。機械式共振、縦共振、及び圧電材料を用いることにより、熱−弾性エネルギー損失を低減して、１００００を超えるＱ値を得ることができる。
【００３１】
共振器１００は、典型的には、シリコン、ゲルマニウム・シリコン（silicon germanium）または砒化ガリウム（gallium arsenide）のような半導体からなる基板１１４に取り付けられる。基板１１４の材料が用いられる様々なエッチングに適切に応答するように、基板材料の選択は作成プロセスに部分的に基づく。基板１１４は基板の表面にキャビティ（空洞部）を画定し、たわみ支持部１０２及び１０４がそのキャビティの上にバー１０６をつり下げる。キャビティ１１２の寸法は、好ましくは、バー１０６が最も膨張したとき（１２０）のバー１０６の寸法よりも大きい。キャビティ１１２のために、バー１０６は、基板１１４との摩擦を生じることなく膨張、収縮することができるようになる。
【００３２】
図２は、本発明の別の例示的な実施形態によるMEMS縦モード共振器２００の概念図を斜視図で示したものである。入力電極２０８と出力電極２１０の間にバー２０６がはさまれている。基板２１４からの支持部２２２が、バー２０６と電極２０８、２１０とを基板２１４に対して支持している。入力電極２０８は、共振器２００を集積回路（不図示）の残りの部分に電気的に結合する信号入力リード２２４から電気信号を受け取る。電極２０８と２１０とが電気的に分離された状態を維持するために、出力電極２１０からの出力信号が、出力電極２１０に対して吊された（懸架された）コンデンサプレート（コンデンサ電極）２２６を通じて容量的に測定される。
【００３３】
１実施形態では、容量性プレート２２６は、第２の基板（不図示）内のキャビティの底部に配置される。この場合、共振器２００は、逆にされ、キャビティ内に支持部２２４から吊される。
【００３４】
図３は、本発明の例示的な１実施形態によるMEMS縦モード共振器を作成するための例示的な１作成プロセス３００を示すフローチャートである。図４Ａ〜４Ｅは、図３のプロセスを図解した一連の概念図である。図３及び図４Ａ〜４Ｅを参照すると、共振器４００はバー４０６と１０６が吊される方法において図１の共振器１００とは異なる。図１では、バー１０６は基板１１４内のキャビティ１１２に対して吊されている。図４Ｅでは、絶縁パッド４２６及び４２８が、バー４０６、支持部４０２、４０４を、共振器４００に対してほぼ平坦な（あるいはほぼぴったりと接している）基板４１４から分離している。プロセス３００は、図３及び図４Ａ〜４Ｅを併せて見ることによって最も良く理解することができる。
【００３５】
第１のステップ３０２は、絶縁層４３４、第１の金属電極層４３６、圧電材料層４３８、及び、第２の金属電極層４４０を含む基板層４３２上にスタック４３０（図４Ａ参照）を形成することである。例示的な金属層は、モリブデン、ニッケル、チタン、アルミニウム、及び、金属の組み合わせを含む。例示的な実施形態では、基板層４３２は、Si（ケイ素）である。他の例示的な実施形態では、基板層４３２は、例えば、SiGe、GaAs、またはSiO２である。１実施形態では、絶縁層４３４の絶縁材料は酸化物である。絶縁層４３４は基板層４３２に取り付けられる。次に、第１の金属電極層４３６が絶縁層４３４上に堆積される。典型的には窒化アルミニウムである、圧電材料層４３８が、次に、第１の金属電極層４３６上に成長させられる。第２の金属電極層４４０が、次に、圧電材料層４３８の上に堆積される。例示的な実施形態では、第１の金属電極層４３６はモリブデンからなり、第２の金属電極層４４０はニッケルからなる。本発明の他の実施形態では、第１の金属電極層４３６及び第２の金属電極層４４０に使用される金属は同じ金属である。
【００３６】
次に、パターンマスクがスタック４３０の上部に適用され（ステップ３０３）、金属電極層４３６、４４０及び圧電材料層４３８が、一連のエッチングを使用してパターン形成されて、共振器４００の大まかな形状４４２が形成される（ステップ３０４）（図４Ｂ参照）。パターンマスクの横方向の寸法により、共振器の共振周波数が設定される。１例を挙げると、ウェット化学エッチングを使用して第２の電極層４４０を形成し、塩素ベースのドライ反応イオンエッチング（RIE）を使用して圧電層４３８を形成し、フッ素ベースのRIEを使用して第１の金属電極層４３６及び絶縁層４３４を形成する。大まかな形状４４２において、バー４０６、たわみ支持部４０２，４０４、及び、未処理の電極４０８、４１０を認識することができる。たわみ支持部４０２及び４０４のいずれかの端部にある２つの構造は、取り付けパッド４４４及び４４６である。異なる電極金属を用いる他の作成プロセスでは、大まかな形状４４２は、単一の塩素ベースのRIEエッチングを使用して形成される。いずれの作成プロセスにおいても、パターンマスク（好ましくは単一のパターンマスク）を使用して、大まかな形状４４２が生成される。
【００３７】
ステップ３０６では、第２の金属電極層４４０を化学的にエッチングして、第１の電流止め４１６を形成する（図４Ｃ参照）。例示的には、電流止め４１６とほぼ同じサイズであってたわみ支持部よりはわずかに広い窓がフォトレジストで開けられる。次に、化学エッチングを使用して第１の電流止め４１６をエッチングする。エッチングに使用される化学物質は、それが、第２の金属電極層４４０には影響を与えるが、第１の金属電極層４３６または圧電層４０２には影響を与えないようなものが選択される。第１の金属電極層４３６と第２の金属電極層４４０が同じ金属である場合の他の例示的な選択肢には、パターンマスク内に同じような大きさの窓を開けるステップと、一定の時間ウェットエッチングを適用するステップが含まれる。
【００３８】
ステップ３０８では、第１の金属電極層４３６を化学的にエッチングして第２の電流止め４１８を形成する（図４Ｄ参照）。ステップ３０６のエッチングと同じように、フォトレジストを適用してそれをパターン形成するのが好ましく、第２の化学物質は、第１の金属電極層４３６を（露出したエッジから中に）選択的にエッチングするが、第２の金属電極層４４０または圧電層をエッチングしないように選択される。第１の金属電極層４３６及び第２の金属電極層４４０が同じ材料から構成されている場合には、第２の金属電極層４４０がエッチングから電気化学的に保護されるように、ある電圧を、第２の金属電極層４４０に印加する場合がある。同様に、ある電圧が存在する中で金属のエッチングだけを行うエッチング液（腐食液）を使用し、第１の金属電極層４３６に、そのようなある電圧を印加することができる。代替的には、金属電極層４３６及び４４０の両方をエッチングし、次に、パッチ技術を使用して上部の金属を「パッチ」することができる。
【００３９】
ステップ３１０では、バー４０６、及びたわみ支持部４０２、４０４の下の絶縁材料が除去され、及び、絶縁材料が取り付けパッド４４４及び４４６の下に残って、絶縁パッド４２６及び４２８が形成されるように、絶縁層４３４をエッチングして除去する（図４Ｅ参照）。この実施形態では、取り付けパッドは、バー４０６及びたわみ支持部４０２，４０４よりも広い。したがって、絶縁材料を外側から中にエッチングして除去するウェットエッチングを適用することによって、この制約条件を満たすようにエッチング時間を容易に限定することができる。絶縁材料をエッチングにより除去した後（ステップ３１０）、バー４０６は、取り付けパッド４４４及び４４６の基部と基板層４３２との間に残存する絶縁パッド４２６及び４２８によって、基板層４３２から離れてつり下げられており、自由に発振することができる。
【００４０】
作成プロセス３００を用いて構築された例示的な共振器は、約３ミクロンから約１０ミクロンまでの間の長さのバー４０６を有しており、約５００ＭＨｚ〜約１．６ＧＨｚまでの範囲の基本周波数を生成する。たわみ支持部４０２及び４０４の長さは、約５ミクロン〜約２９ミクロンの範囲であり、その幅は、約１ミクロン〜約３ミクロンの範囲である。
【００４１】
図５は、本発明に従って構築された縦モード共振器の例示的な用途を示すブロック図である。図５において、受信器５００は、縦モード共振器５０２に電気信号を出力する。共振器５０２は、共振器５０２の基本周波数を囲む周波数を有する電気信号の成分を通過させ、それによって、帯域通過（バンドパス）フィルタとして作用する。
【００４２】
図６は、本発明の例示的な１実施形態に従う多周波数共振器アレイを示すブロック図である。多周波数共振器アレイ６００は、受信器６０２、マルチプレクサ６０４、コントローラ６０５、及び、複数のMEMS縦モード共振器６０６ａ〜６０６ｎを備える。共振器６０６ａ〜６０６ｎの各々は、マルチプレクサ６０４と電気的に連絡し、かつ、（使用される共振器の実施形態に依存して）長さが異なるバー１０６、２０６、または４０６を有する。
【００４３】
１つの例示的な実施形態では、受信器６０２はアンテナを備える。受信器６０２は、入力信号をマルチプレクサ６０４に送る。マルチプレクサ６０４は、コントローラ６０５からの制御信号６０８に応答して、入力信号を選択的にフィルタリングするために、その入力信号を１つ以上の共振器６０６ａ〜６０６ｎに送る。MEMS縦モード共振器６０６ａ〜６０６ｎのサイズが小さいので、複数のフィルタ要素を組み込んだ単一の集積回路を作成することができる。
【００４４】
同様の集積回路を使用して、本発明の別の例示的な実施形態に従う多周波数発振器を設計することができる。発振器は、受信器６０２の代わりに、増幅器のような非線形フィードバック要素を用いることによって作成される。この場合、ユーザは、制御信号６０８によってマルチプレクサを切り替えることにより、非線形フィードバック要素からの電気信号をそれぞれの共振器６０６ａ〜６０６ｎに送って、異なる周波数を有する出力信号を生成することができる。
【００４５】
当業者には、本発明の思想または基本的な特性から逸脱することなく、他の特定の形態で本発明を具現化できるということが理解されよう。上記の実施形態は、したがって、本発明を限定するものではなく、すべての点において例示的なものである。本発明の範囲は、説明した上記の形態そのものには限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の例示的な１実施形態に従う縦モード共振器の概念を斜視図で示す。
【図２】本発明の別の例示的な実施形態に従う縦モード共振器の概念を斜視図で示す。
【図３】本発明の例示的な１実施形態に従う例示的な縦モード共振器を作成するためのプロセスを示すフローチャートである。
【図４Ａ】図３に示す作成プロセスの段階を概念的に示す斜視図である。
【図４Ｂ】図３に示す作成プロセスの段階を概念的に示す斜視図である。
【図４Ｃ】図３に示す作成プロセスの段階を概念的に示す斜視図である。
【図４Ｄ】図３に示す作成プロセスの段階を概念的に示す斜視図である。
【図４Ｅ】図３に示す作成プロセスの段階を概念的に示す斜視図である。
【図５】本発明の例示的な１実施形態による共振器を組み込んだフィルタのブロック図である。
【図６】本発明の例示的な１実施形態による多周波数フィルタのブロック図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図５】
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【図６】
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