(57)【要約】【課題】小型で大きな信号を出力する振動デバイスとそれを備えた振動検出システムを提供する。【解決手段】振動デバイス１０は、振動子本体１４が複数のプレート１４ａ，１４ｂに分割され、隣り合うプレート１４ａ，１４ｂが一又は複数のピエゾ抵抗型ビーム１５ａ，１５ｂで接続されて構成された振動子１１と、振動子１１の外周縁との間でギャップを有するように配置された一又は複数の駆動用電極１２と、振動子１１の外周縁との間でギャップを有するように、駆動用電極１２とは別の箇所に配置された一又は複数の検出用電極１３と、ピエゾ抵抗型ビーム１５ａ，１５ｂに電圧を印加するための対となる制御用電極１６と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動子本体が複数のプレートに分割され、隣り合う前記プレートが一又は複数のピエゾ抵抗型ビームで接続されて構成された振動子と、
前記振動子の外周縁との間でギャップを有するように配置された一又は複数の駆動用電極と、
前記振動子の外周縁との間でギャップを有するように、前記駆動用電極とは別の箇所に配置された一又は複数の検出用電極と、
前記ピエゾ抵抗型ビームに電圧を印加するための対となる制御用電極と、
を備える、振動デバイス。
【請求項２】
対となる前記制御用電極の間に電圧を印加することにより、前記駆動用電極に印加された電圧信号に対応して前記検出用電極から出力される電圧信号が、対となる前記制御用電極の間で電圧を印加しないときと比較して増幅される、請求項１に記載の振動デバイス。
【請求項３】
前記駆動用電極が、前記ピエゾ抵抗型ビームにより接続された隣り合う前記プレートの組に対し、配置され、
前記検出用電極が、前記ピエゾ抵抗型ビームにより接続された隣り合う前記プレートの組に対し、配置される、請求項１又は２に記載の振動デバイス。
【請求項４】
前記振動子が中空の環状形状を有する、請求項１乃至３の何れかに記載の振動デバイス。
【請求項５】
前記ピエゾ抵抗型ビームは、前記環状形状の中空内側と外側の両縁部から中間の位置に設けられる、請求項４に記載の振動デバイス。
【請求項６】
前記ピエゾ抵抗型ビームは、前記環状形状の中空内側と外側の両縁部にそれぞれ設けられる、請求項４に記載の振動デバイス。
【請求項７】
前記環状形状の外側の縁部に複数本の前記ピエゾ抵抗型ビームが設けられる、請求項６に記載の振動デバイス。
【請求項８】
前記振動子は、二つの前記プレートが二つの前記ピエゾ抵抗型ビームで接続して構成される、請求項１乃至３の何れかに記載の振動デバイス。
【請求項９】
前記駆動用電極及び前記検出用電極が前記ギャップを有して対向する前記振動子の一つの辺部又は円弧部は、複数の前記プレートが前記ピエゾ抵抗型ビームにより直列に接続して構成される、請求項１乃至８の何れかに記載の振動デバイス。
【請求項１０】
さらに、複数の貫通配線を有する第１の基板を備え、
前記貫通配線の一つが前記駆動用電極に接続され、
前記貫通配線の他の一つが前記検出用電極に接続され、
前記貫通配線の他の一つが前記制御用電極の一つに接続され、
前記貫通配線の他の一つが前記制御用電極の他の一つに接続され、
前記振動子、前記駆動用電極、前記検出用電極及び前記制御用電極を全体として側面から取り囲むように側壁部を備え、
前記側壁部を挟んで前記第１の基板と対峙するように第２の基板を備える、請求項１乃至９の何れかに記載の振動デバイス。
【請求項１１】
振動片を有するセンサと、請求項１乃至１０の何れかに記載の振動デバイスとを備え、
前記センサから出力された電圧信号が前記駆動用電極に印加されるように配線で接続される、振動検出システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動デバイスとそれを備えた振動検出システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
クロック信号を用いて演算処理を行うコンピュータ、無線通信装置には、安定性を有するため水晶振動子が広く使用されている。近年、移動体通信システム、ＩｏＴ（Internet of Things）機器で使用される周波数を有効利用するには、新たな発振素子が求められている。例えば、水晶振動子は、大きなサイズを有しており、またＬＳＩと集積させることが難しい点があるため、Ｓｉ振動子が開発されている（非特許文献１）。
【０００３】
一方、非特許文献２及び３で報告されているように、ピエゾ抵抗エンジンを有する振動子が開発されている。例えば、振動子本体の間にピエゾ抵抗体を設けて、ピエゾ抵抗体に電流を流す。すると、ピエゾ抵抗体がジュール加熱され、ピエゾ抵抗体の熱膨張により引張応力が生じて抵抗が増加する。すると、抵抗増加により電流が減少するため、ピエゾ抵抗体の温度が低下し、ピエゾ抵抗体の収縮により圧縮応力が生じて抵抗が減少する。すると、抵抗低下により電流が増加してピエゾ抵抗体がジュール加熱される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】J.E.Y. Lee, B. Bahreyni, Y. Zhu and A.A. Seshia,”A single crystal silicon bulk acoustic mode microresonator oscillator”, IEEE electron device letters, 29, 701-704, 2008.
【非特許文献２】Amir Rahafrooz, Siavash Pourkamail, “High-Frequency Thermally Actuated Electromechanical Resonators With Piezoresistive Readout”, IEEE Transactions on electron devices, Nol.58, No.4, April, 2011, pp.1205-1214
【非特許文献３】Amir Rahafrooz, Siavash Pourkamail, “Thermal-Piezoresistive Energy Pumps in Micromechanical Resonant Structures”, IEEE Transactions on electron devices, Nol.59, No.12, December, 2012, pp.3587-3593
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、Ｓｉ振動子などの半導体振動子では、等価機械抵抗が大きく、機械的な振動と電気的な振動との変換効率が良くないため、検出信号が小さい。
【０００６】
本発明の目的は、小型で大きな信号を出力する振動デバイスとそれを備えた振動検出システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記目的を達成するために、次のコンセプトを有する。
［１］  振動子本体が複数のプレートに分割され、隣り合う前記プレートが一又は複数のピエゾ抵抗型ビームで接続されて構成された振動子と、
前記振動子の外周縁との間でギャップを有するように配置された一又は複数の駆動用電極と、
前記振動子の外周縁との間でギャップを有するように、前記駆動用電極とは別の箇所に配置された一又は複数の検出用電極と、
前記ピエゾ抵抗型ビームに電圧を印加するための対となる制御用電極と、
を備える、振動デバイス。
［２］  対となる前記制御用電極に電圧を印加することにより、前記駆動用電極に印加された電圧信号に対応して前記検出用電極から出力される電圧信号が、対となる前記制御用電極の間で電圧を印加しないときと比較して増幅される、前記［１］に記載の振動デバイス。
［３］  前記駆動用電極が、前記ピエゾ抵抗型ビームにより接続された隣り合う前記プレートの組に対し、配置され、
前記検出用電極が、前記ピエゾ抵抗型ビームにより接続された隣り合う前記プレートの組に対し、配置される、前記［１］又は［２］に記載の振動デバイス。
［４］  前記振動子が中空の環状形状を有する、前記［１］乃至［３］の何れかに記載の振動デバイス。
［５］  前記ピエゾ抵抗型ビームは、前記環状形状の中空内側と外側の両縁部から中間の位置に設けられる、前記［４］に記載の振動デバイス。
［６］  前記ピエゾ抵抗型ビームは、前記環状形状の中空内側と外側の両縁部にそれぞれ設けられる、前記［４］に記載の振動デバイス。
［７］  前記環状形状の外側の縁部に複数本の前記ピエゾ抵抗型ビームが設けられる、前記［６］に記載の振動デバイス。
［８］  前記振動子は、二つの前記プレートが二つの前記ピエゾ抵抗型ビームで接続して構成される、前記［１］乃至［３］の何れかに記載の振動デバイス。
［９］  前記駆動用電極及び前記検出用電極が前記ギャップを有して対向する前記振動子の一つの辺部又は円弧部は、複数の前記プレートが前記ピエゾ抵抗型ビームにより直列に接続して構成される、前記［１］乃至［８］の何れかに記載の振動デバイス。
［１０］  さらに、複数の貫通配線を有する第１の基板を備え、
前記貫通配線の一つが前記駆動用電極に接続され、
前記貫通配線の他の一つが前記検出用電極に接続され、
前記貫通配線の他の一つが前記制御用電極の一つに接続され、
前記貫通配線の他の一つが前記制御用電極の他の一つに接続され、
前記振動子、前記駆動用電極、前記検出用電極及び前記制御用電極を全体として側面から取り囲むように側壁部を備え、
前記側壁部を挟んで前記第１の基板と対峙するように第２の基板を備える、前記［１］乃至［９］の何れかに記載の振動デバイス。
［１１］  振動片を有するセンサと、前記［１］乃至［１０］の何れかに記載の振動デバイスとを備え、
前記センサから出力された電圧信号が前記駆動用電極に印加されるように配線で接続される、振動検出システム。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、小型で大きな信号を出力することができる振動デバイス及び振動検出システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る振動デバイスの基本的な構成を示す図である。
【図２】図１とは異なる、本発明の実施形態に係る振動デバイスの基本的な構成を示す図である。
【図３】本発明の具体的な実施形態に係る振動デバイスの構成図である。
【図４】図３とは異なる、本発明の具体的な実施形態に係る振動デバイスの構成図である。
【図５】図３及び図４とは異なる、本発明の具体的な実施形態に係る振動デバイスの構成図である。
【図６】図３乃至図５とは異なる、本発明の実施形態に係る振動デバイスの構成図である。
【図７】図３乃至図６とは異なる、本発明の実施形態に係る振動デバイスの構成図である。
【図８】図３乃至図７とは異なる、本発明の実施形態に係る振動デバイスの構成図である。
【図９】図３乃至図８とは異なる、本発明の実施形態に係る振動デバイスの構成図である。
【図１０Ａ】図３に示す振動デバイスの作製方法の一部を示す図である。
【図１０Ｂ】図３に示す振動デバイスの作製方法の一部を示す図である。
【図１０Ｃ】図３に示す振動デバイスの作製方法の一部を示す図である。
【図１１】ＳＴＥＰ１−８で用いるガラス基板の作製プロセスを示す図である。
【図１２】ＳＴＥＰ１−１１で用いるステンシルマスクの作製プロセスを示す図である。
【図１３】本発明の実施形態に係る、真空封止した振動デバイスの構成図である。
【図１４】実施例に関し、図３に示す振動デバイスの各パラメータの寸法を示す図である。
【図１５】図１４に示す寸法設定で有限要素法により求めた振動子の振動モードである。
【図１６】実施例として作製したサンプルのＳＥＭ像である。
【図１７】測定系を示す図である。
【図１８】振動子の低電圧駆動の結果を示す図である。
【図１９】ピエゾ抵抗型ビームに電圧を印加して電流を流したときの結果を示す図である。
【図２０】本発明の実施形態に係る振動検出デバイスの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１１】
［基本的な構造］
図１は、本発明の実施形態に係る振動デバイスの基本的な構成を示す図である。本発明の実施形態に係る振動デバイス１０は、振動子１１と、駆動用電極１２と、検出用電極１３と、を備える。振動子１１は、振動子本体１４が複数のプレート１４ａ，１４ｂに分割され、隣り合うプレート１４ａ，１４ｂが一又は複数のピエゾ抵抗型ビーム１５（１５ａ，１５ｂ）で接続されて構成されている。即ち、振動子１１は、複数のプレート１４ａ，１４ｂと、隣接するプレート１４ａ，１４ｂを接続するように設けられる一又は複数のピエゾ抵抗型ビーム１５と、を備える。駆動用電極１２及び検出用電極１３はそれぞれ一以上備えていればよい。例えば、一つのプレート１４ａと一つの駆動用電極１２とが対応して振動子１１の外周縁とギャップを有するように配置され、一つのプレート１４ａと一つの駆動用電極１２とが容量結合する。ここで、駆動用電極１２は一つのプレート１４ａのみとギャップを有するように配置されるだけでなく、隣り合う複数のプレートとギャップを有するように配置されてもよい。別の一つのプレート１４ｂと一つの検出用電極１３とが対応して振動子１１の外周縁とギャップを有するように配置され、別の一つのプレート１４ｂと一つの検出用電極１３とが容量結合する。ここで、検出用電極１３は一つのプレート１４ｂのみとギャップを有するように配置されるだけでなく、隣り合う複数のプレートとギャップを有するように配置されてもよい。ピエゾ抵抗型ビーム１５は、物質にひずみを与えることにより抵抗が変化するピエゾ抵抗効果を有する梁であり、Ｓｉなどの半導体層にボロンやリンなどをドープすることにより形成される。
【００１２】
振動デバイス１０は、ピエゾ抵抗型ビーム１５に電圧を印加するための対となる制御用電極を備える。例えば、図１に示すように、一方の制御用電極１６ａは、一方のピエゾ抵抗型ビーム１５ａに接続され、他方の制御用電極１６ｂは、他方のピエゾ抵抗型ビーム１５ｂに接続される。よって、一方の制御用電極１６ａから一方のピエゾ抵抗型ビーム１５ａに電流を流すと、一方のピエゾ抵抗型ビーム１５ａで電流が分岐され、一方の電流は一方のピエゾ抵抗型ビーム１５ａからプレート１４ａを経由して他方のピエゾ抵抗型ビーム１５ｂに流れ、他方の電流は一方のピエゾ抵抗型ビーム１５ａからプレート１４ｂを経由して他方のピエゾ抵抗型ビーム１５ｂに流れ、何れの電流も他方のピエゾ抵抗型ビーム１５ｂで合流し、他方の制御用電極１６ｂに流れる。
【００１３】
振動デバイス１０の動作原理を説明する。駆動用電極１２に交流電圧Ｖｉｎを印加すると、駆動用電極１２と容量結合するプレート１４ａが振動し、振動子１１全体が振動し、好ましくは共振を生じ、プレート１４ｂが振動する。すると、検出用電極１３が、容量結合するプレート１４ｂの振動を電気信号に変換し、交流電圧Ｖｏｕｔとして出力する。その状態で、一方の制御用電極１６ａと他方の制御用電極１６ｂとの間に電圧Ｖａを印加することにより、ピエゾ抵抗型ビーム１５ａ，１５ｂへ電流が流れる。そして、ピエゾ抵抗型ビーム１５ａ，１５ｂは、ジュール熱による昇温で熱膨張し、抵抗増加により電流が流れ難くなり、その結果降温して収縮し、抵抗減少により電流が流れ易くなり、再び昇温することが繰り返される。このように、「電流増加によるジュール熱加熱」→「熱膨張による抵抗増加」→「電流減少による温度低下」→「圧縮による抵抗低下」という熱エンジンサイクルが繰り返され、ピエゾ抵抗型ビーム１５による駆動力が発生する。これにより、交流電圧Ｖｉｎに対応して交流電圧Ｖｏｕｔが出力されるが、制御用電極１６ａと制御用電極１６ｂの間に電圧Ｖａを印加しないときと比較して電圧Ｖａを印加するときの方が検出用電極１３から大きな交流電圧Ｖｏｕｔが出力される。
【００１４】
このように、本発明の実施形態に係る振動デバイス１０において、対となる制御用電極１６ａ，１６ｂの間に電圧Ｖａを印加することにより、駆動用電極１２に印加された電圧信号に対応して検出用電極１３から出力される電圧信号が、電圧Ｖａを印加していないときと比較して増幅される。
【００１５】
ここで、動作周波数について説明する。熱エンジンの最大の動作周波数は、その熱容量Ｃｔと熱抵抗Ｒｔにより決まる。仮に、熱エンジンとなるピエゾ抵抗型ビーム１５がＳｉからなり、長さを１．２μｍ、高さを５μｍ、幅を０．８μｍとすると、熱容量Ｃｔは８．５×１０−１２（Ｊ／Ｋ）となり、熱抵抗Ｒｔは１×１０３（Ｗ／Ｋ）となり、最大動作周波数１／ＣｔＲｔは最大で１１７ＭＨｚとなる。この寸法は容易に作製可能な範囲内であり、移動体通信システム、ＩｏＴ（Internet of Things）機器で使用される周波数の範囲、例えば９乃至４０ＭＨｚでの動作が実現可能である
【００１６】
図２は、図１とは異なる、本発明の実施形態に係る振動デバイスの基本的な構成を示す図である。図２に示す形態では次の点で異なる。即ち、一方の制御用電極１６ａは、一つのプレート１４ａに接続され、他方の制御用電極１６ｂは、別の一つのプレート１４ｂに接続される。よって、一方の制御用電極１６ａから一つのプレート１４ａに電流を流すと、一つのプレート１４ａで電流が分岐され、一方の電流は一つのプレート１４ａから一方のピエゾ抵抗型ビーム１５ａを経由して別のプレート１４ｂに流れ、他方の電流は一つのプレート１４ａから他方のピエゾ抵抗型ビーム１５ｂを経由して別のプレート１４ｂに流れ、何れの電流も別のプレート１４ｂで合流し、他方の制御用電極１６ｂに流れる。この形態においても、対となる制御用電極１６ａ，１６ｂの間に電圧Ｖａを印加することにより、駆動用電極１２に印加された電圧信号に対応して検出用電極１３から出力される電圧信号は、電圧Ｖａを印加していないときと比較して増幅される。
【００１７】
［具体的な形態］
次に、具体的な実施形態について説明する。図３は、本発明の具体的な実施形態に係る振動デバイスの構成図である。振動デバイス２０では、振動子本体２４が複数のプレート２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄに分割され、隣り合うプレート２４ａとプレート２４ｂ、隣り合うプレート２４ｂとプレート２４ｃ、隣り合うプレート２４ｃとプレート２４ｄ、隣り合うプレート２４ｄとプレート２４ａ、がそれぞれピエゾ抵抗型ビーム２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄで接続されることで振動子２１が構成されている。
【００１８】
駆動用電極２２ａ，２２ｂは、振動子２１の外周縁との間でギャップを有するように配置される。駆動用電極２２ａは、ピエゾ抵抗型ビーム２５ｄにより接続された隣り合うプレート２４ｄ，２４ａの一組に対し配置される。駆動用電極２２ｂは、ピエゾ抵抗型ビーム２５ｂにより接続された隣り合うプレート２４ｂ，２４ｃの一組に対し配置される。検出用電極２３ａ，２３ｂは、振動子２１の外周縁との間でギャップを有するように、駆動用電極２２ａ，２２ｂとは別の場所に配置される。検出用電極２３ａは、ピエゾ抵抗型ビーム２５ａにより接続された隣り合うプレート２４ａ，２４ｂの一組に対し配置される。検出用電極２３ｂは、ピエゾ抵抗型ビーム２５ｃにより接続された隣り合うプレート２４ｃ，２４ｄの一組に対し配置される。
【００１９】
駆動用電極２２ａと検出用電極２３ａとの間，検出用電極２３ａと駆動用電極２２ｂとの間、駆動用電極２２ｂと検出用電極２３ｂとの間，検出用電極２３ｂと駆動用電極２２ａとの間には、制御用電極２６ａ，ダミー電極２６ｃ，制御用電極２６ｂ，ダミー電極２６ｄが配置される。複数の支持ビーム２７ａ，２７ｂ，２７ｃ，２７ｄの一端がプレート２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄの外側の角部に接続され、外方向に延び、その他端が制御用電極２６ａ，２６ｂ，ダミー電極２６ｃ，２６ｄに接続されている。なお、ダミー電極２６ｃ，２６ｄは制御用電極として使用する場合もある。
【００２０】
図３に示す形態では、各プレート２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄが平面視でＬ字形状を有しており、それらがピエゾ抵抗型ビーム２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄで接続されて、振動子２１の環状形状、内周縁と外周縁とが正方形を有している。また、ピエゾ抵抗型ビーム２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄは、各プレート２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄの内周縁と外周縁の中間位置に接続されている。即ち、ピエゾ抵抗型ビーム２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄは、環状形状の中空内側と外側の両縁部から中間の位置に設けられている。
【００２１】
図４は、図３とは異なる、本発明の具体的な実施形態に係る振動デバイスの構成図である。振動デバイス３０では、振動子本体３４が複数のプレート３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄに分割され、隣り合うプレート３４ａとプレート３４ｂ、隣り合うプレート３４ｂとプレート３４ｃ、隣り合うプレート３４ｃとプレート３４ｄ、隣り合うプレート３４ｄとプレート３４ａ、がそれぞれピエゾ抵抗型ビーム３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄで接続されることで振動子３１が構成されている。図３の形態とは異なり、ピエゾ抵抗型ビーム３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄは、隣り合う各プレート３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄの中空内周縁と外周縁の各縁部にそれぞれ接続されている点で異なる。即ち、ピエゾ抵抗型ビーム３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄは、環状形状の中空内側と外側との各縁部にそれぞれ設けられている。
【００２２】
駆動用電極３２ａ，３２ｂは、振動子３１の外周縁との間でギャップを有するように配置される。駆動用電極３２ａは、ピエゾ抵抗型ビーム３５ｄにより接続された隣り合うプレート３４ｄ，３４ａの一組に対し配置される。駆動用電極３２ｂは、ピエゾ抵抗型ビーム３５ｂにより接続された隣り合うプレート３４ｂ，３４ｃの一組に対し配置される。検出用電極３３ａ，３３ｂは、振動子３１の外周縁との間でギャップを有するように、駆動用電極３２ａ，３２ｂとは別の場所に配置される。検出用電極３３ａは、ピエゾ抵抗型ビーム３５ａにより接続された隣り合うプレート３４ａ，３４ｂの一組に対し配置される。検出用電極３３ｂは、ピエゾ抵抗型ビーム３５ｃにより接続された隣り合うプレート３４ｃ，３４ｄの一組に対し配置される。
【００２３】
駆動用電極３２ａと検出用電極３３ａとの間、検出用電極３３ａと駆動用電極３２ｂとの間、駆動用電極３２ｂと検出用電極３３ｂとの間、検出用電極３３ｂと駆動用電極３２ａとの間の外側には、制御用電極３６ａ，ダミー電極３６ｃ，制御用電極３６ｂ，ダミー電極３６ｄが配置される。複数の支持ビーム３７ａ，３７ｂ，３７ｃ，３７ｄの一端がプレート３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄの外側の角部に接続され、外方向に延び、その他端が制御用電極３６ａ，３６ｂ，ダミー電極３６ｃ，３６ｄに接続されている。なお、ダミー電極３６ｃ，３６ｄは制御用電極として使用する場合もある。
【００２４】
図４に示す形態においても、各プレート３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄが平面視でＬ字形状を有しており、それらがピエゾ抵抗型ビーム３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄの対で接続されて、振動子３１の環状形状、内周縁と外周縁とが正方形を有している。
【００２５】
図５は、図３及び図４とは異なる、本発明の具体的な実施形態に係る振動デバイスの構成図である。振動デバイス４０では、振動子本体４４が複数のプレート４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄに分割され、隣り合うプレート４４ａとプレート４４ｂ、隣り合うプレート４４ｂとプレート４４ｃ、隣り合うプレート４４ｃとプレート４４ｄ、隣り合うプレート４４ｄとプレート４４ａ、がそれぞれピエゾ抵抗型ビーム４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄで接続されることで振動子４１が構成されている。図３の形態とは異なり、ピエゾ抵抗型ビーム４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄは、隣り合う各プレート４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄの中空内周縁と外周縁の各縁部にそれぞれ接続されている。即ち、ピエゾ抵抗型ビーム４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄは、環状形状の中空内側と外側のとの両縁部にそれぞれ設けられている。
【００２６】
振動デバイス４０は、図４の形態とは異なり、各プレート４４ａ、４４ｂ，４４ｃ，４４ｄは円弧状である。そのため、駆動用電極４２ａ，４２ｂ、検出用電極４３ａ，４３ｂの振動子４１側は円弧状を有している。駆動用電極４２ａ，４２ｂは、振動子４１の外周縁との間でギャップを有するように配置される。駆動用電極４２ａは、ピエゾ抵抗型ビーム４５ｄにより接続された隣り合うプレート４４ｄ，４４ａの一組に対し配置される。駆動用電極４２ｂは、ピエゾ抵抗型ビーム４５ｂにより接続された隣り合うプレート４４ｂ，４４ｃの一組に対し配置される。検出用電極４３ａ，４３ｂは、振動子４１の外周縁との間でギャップを有するように、駆動用電極４２ａ，４２ｂとは別の場所に配置される。検出用電極４３ａは、ピエゾ抵抗型ビーム４５ａにより接続された隣り合うプレート４４ａ，４４ｂの一組に対し配置される。検出用電極４３ｂは、ピエゾ抵抗型ビーム４５ｃにより接続された隣り合うプレート４４ｃ，４４ｄの一組に対し配置される。
【００２７】
駆動用電極４２ａと検出用電極４３ａとの間、検出用電極４３ａと駆動用電極４２ｂとの間、駆動用電極４２ｂと検出用電極４３ｂとの間，検出用電極４３ｂと駆動用電極４２ａとの間の外側には、制御用電極４６ａ，ダミー電極４６ｃ，制御用電極４６ｂ，ダミー電極４６ｄが配置される点は図４に示す形態と同様である。複数の支持ビーム４７ａ，４７ｂ，４７ｃ，４７ｄの一端がプレート４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄの周方向の両端から等距離の中間部に接続され、外方向に延び、その他端が制御用電極４６ａ，４６ｂ，ダミー電極４６ｃ，４６ｄに接続されている。なお、ダミー電極４６ｃ，４６ｄは制御用電極として使用する場合もある。
【００２８】
図５に示す形態では、各プレート４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄが平面視で円弧状を有しており、それらがピエゾ抵抗型ビーム４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄの対で接続されて、振動子４１の円環状の内周縁と外周縁とが構成されている。
【００２９】
図６は、図３乃至図５とは異なる、本発明の実施形態に係る振動デバイス５０の構成図である。振動デバイス５０は、振動子本体５４が複数のプレート５４ａ，５４ｂに分割され、隣り合うプレート５４ａとプレート５４ｂがピエゾ抵抗型ビーム５５ａ，５５ｂで接続されることで振動子５１が構成されている。図３乃至図５の形態とは異なり、振動子本体５４はスリット状の中空を有するが、図３乃至図５に示すような大きな中空を形成しない。
【００３０】
駆動用電極５２ａ，５２ｂは、振動子５１の外周縁との間でギャップを有するように配置される。駆動用電極５２ａは、ピエゾ抵抗型ビーム５５ａにより接続された隣り合うプレート５４ａ，５４ｂに対し配置される。駆動用電極５２ｂは、ピエゾ抵抗型ビーム５５ｂにより接続された隣り合うプレート５４ａ，５４ｂに対し配置される。検出用電極５３ａ，５３ｂは、振動子５１の外周縁との間でギャップを有するように、駆動用電極５２ａ，５２ｂとは別の場所に配置される。検出用電極５３ａは、プレート５４ａに対し配置される。検出用電極５３ｂは、プレート５４ｂに対し配置される。なお、駆動用電極と検出用電極の位置が互いに逆であってもよい。
【００３１】
駆動用電極５２ａと検出用電極５３ａとの間、検出用電極５３ａと駆動用電極５２ｂとの間、駆動用電極５２ｂと検出用電極５３ｂとの間、検出用電極５３ｂと駆動用電極５２ａとの間の外側には、制御用電極５６ａ，ダミー電極５６ｃ，制御用電極５６ｂ，ダミー電極５６ｄとが配置される。複数の支持ビーム５７ａ，５７ｂ，５７ｃ，５７ｄの一端がプレート５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５４ｄの角部に接続され、外方向に延び、その他端が制御用電極５６ａ，５６ｂ，ダミー電極５６ｃ，５６ｄに接続されている。
【００３２】
図７は、本発明の実施形態に係る振動デバイス６０の構成図である。基本的な構成は前述と同じであり、振動子６１が駆動用電極６２ａ，６２ｂ、検出用電極６３ａ，６３ｂで囲まれているが、次の点が異なっている。即ち、振動子本体６４が矩形のプレートに分割され、支持ビーム６７ａ，６７ｂ，６７ｃ，６７ｄの内端に接続されるプレート６４ａと、プレート６４ａ同士の間に一以上のプレート６４ｂが配置され、プレート６４ａとプレート６４ｂとの間、プレート６４ｂとプレート６４ｂとの間にピエゾ抵抗型ビーム６５が配置されて振動子６１が構成されている。振動子６１は内周縁と外周縁がそれぞれ正方形状を有している。
【００３３】
図８は、本発明の実施形態に係る振動デバイス７０の構成図である。基本的な構成は前述と同じであり、振動子７１が駆動用電極７２ａ，７２ｂ、検出用電極７３ａ，７３ｂで囲まれているが、次の点が異なっている。即ち、振動子本体７４がプレートに分割され、支持ビーム７７ａ，７７ｂ，７７ｃ，７７ｄの内端に接続されるプレート７４ａと、プレート７４ａ同士の間に一以上のプレート７４ｂが配置され、プレート７４ａとプレート７４ｂとの間、プレート７４ｂとプレート７４ｂとの間にピエゾ抵抗型ビーム７５が配置されて振動子７１が形成されている。プレート７４ａとプレート７４ｂの寸法は異なっている。図７とは異なり振動子７１は内周縁と外周縁がそれぞれ円環形状を有している。
【００３４】
図９は、本発明の実施形態に係る振動デバイス８０の構成図である。基本的な構成は前述と同じであり、振動子８１が駆動用電極８２ａ，８２ｂ、検出用電極８３ａ，８３ｂで囲まれているが、次の点が異なっている。即ち、振動子本体８４が等しい大きさのプレート８４ａ，８４ｂに分割され、支持ビーム８７ａ，８７ｂ，８７ｃ，８７ｄの内端に接続されるプレート８４ａと、プレート８４ａ同士の間に一以上のプレート８４ｂが配置され、プレート８４ａとプレート８４ｂとの間、プレート８４ｂとプレート８４ｂとの間にピエゾ抵抗型ビーム８５が配置されている。図８とは異なり、ピエゾ抵抗型ビーム８５は、内周縁部では一つであり、外周縁部では複数のビーム８５ｂで接続されて、振動子８１は内周縁と外周縁がそれぞれ円環形状を有している。
【００３５】
これらの振動デバイスの作製方法について説明する。代表として、図３に示す振動デバイス２０の作製方法について説明する。図１０Ａ，図１０Ｂ，図１０Ｃは、図３に示す振動デバイスの作製方法を示す図である。
【００３６】
図１０Ａに示すように、ＳＴＥＰ１−１として、Ｓｉ１０１ａ／ＳｉＯ２１０１ｂ／Ｓｉ１０１ｃからなるＳＯＩ基板１０１を用意する。
ＳＴＥＰ１−２として、ＳＯＩ基板１０１の表面側Ｓｉ１０１ｄ及び裏面側Ｓｉ１０１ｅを熱酸化してＳｉＯ２１０２ａ，１０２ｂとする。
ＳＴＥＰ１−３として、表面にレジスト１０３を形成し、電子ビームリソグラフィー（EB Lithography）を施す。
ＳＴＥＰ１−４として、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive ion etching）により、ＥＢレジストをマスクとしてＳｉＯ２１０４ａを取り除く。
図１０Ｂに示すように、ＳＴＥＰ１−５として、ＳｉＯ２にフォトリソグラフィーを施し、ＲＩＥによりパターン１０４ｂを形成する。
ＳＴＥＰ１−６として、Ｓｉ１０５ａをＤＲＩＥ（Deep reactive-ion etching）を用いてエッチングする。
ＳＴＥＰ１−７として、ＳｉＯ２をエッチングにより除去する。
ＳＴＥＰ１−８として、Ｓｉ１０６ａとガラス基板１０７とを陽極接合する。
図１０Ｃに示すように、ＳＴＥＰ１−９として、ＳＯＩのバックサイドのＳｉＯ２１０２ｂを除去する。
ＳＴＥＰ１−１０として、Ｓｉ層１０１ｅとＳｉＯ２１０２ａを除去する。
ＳＴＥＰ１−１１として、ステンシルマスク１１０を用いて金属１０８を蒸着し、電極パスを形成する。
【００３７】
図１１は、ＳＴＥＰ１−８で用いるガラス基板１０７の作製プロセスを示す図である。
ＳＴＥＰ２−１として、テンパックスガラス基板１１１を用意する。
ＳＴＥＰ２−２として、表裏面の何れにも、Ｃｒ層、Ａｕ層の順に積層して金属層１１２ａ，１１２ｂを形成する。
ＳＴＥＰ２−３として、Ａｕ層にレジスト膜１１３ａ，１１３ｂを形成する。
ＳＴＥＰ２−４として、一方のレジスト膜１１３ａをフォトリソグラフィーし、パターン１１３ｄを形成する。
ＳＴＥＰ２−５として、フォトリソグラフィーを施したレジスト膜１１３ｃをマスクとしてＡｕ／Ｃｒ層の一部１１４ａをテンパックスガラス基板面までエッチングしてパターニングする。
ＳＴＥＰ２−６として、ＢＨＦ溶液により、ガラス基板の一部１１４ｂを所定の深さまでエッチングする。
ＳＴＥＰ２−７として、表裏面のレジスト膜１１３ｃ，１１３ｂを取り除く。
ＳＴＥＰ２−８として、表裏面のＡｕ／Ｃｒ層１１２ｃ，１１２ｂを取り除く。
【００３８】
図１２は、ＳＴＥＰ１−１１で用いるステンシルマスクの作製プロセスを示す図である。
ＳＴＥＰ３−１として、Ｓｉウェハ１２０を用意する。
ＳＴＥＰ３−２として、ＣＶＤ法により、表裏面にＳｉＯ２膜１２１ａ，１２１ｂを堆積させる。
ＳＴＥＰ３−３として、フォトレジスト膜１２２を表面に堆積し、フォトレジスト膜１２２にフォトリソグラフィーを施す。
ＳＴＥＰ３−４として、フォトレジスト膜１２２をマスクとし用いて、ＲＩＥによりＳｉＯ２膜１２１ｃをパターニングする。
ＳＴＥＰ３−５として、Ｓｉウェハ１２０をＤＲＩＥを用いてエッチングする。
ＳＴＥＰ３−６として、ＢＨＦ溶液を用いて、ＳｉＯ２層１２１ａ，１２１ｂを取り除き、Ｓｉウェハーに所定の貫通穴を設けたステンシルマスクが作製される。
【００３９】
図１３は、本発明の実施形態に係る、真空封止した振動デバイスの構成図である。図１３では図３に示す振動デバイスを真空封止した形態を示している。図１３に示す振動デバイス９０は、図３に示す振動デバイス２０と、複数の貫通配線９１ａ，９１ｂを有する第１の基板９１を備え、一つの貫通配線９１ａが駆動用電極２２ａに接続され、他の一つの貫通配線が検出用電極に接続され、他の一つの貫通配線が制御用電極の一つに接続され、他の一つの貫通配線が制御用電極の他の一つに接続され、振動子２１、駆動用電極２２ａ，２２ｂ、検出用電極及び制御用電極を全体として側面から取り囲むように側壁部９３を備える。この形態では、駆動用電極２２ａ，２２ｂがそれぞれ貫通配線９１ａ，９１ｂに接続されている。側壁部９３を挟んで第１の基板９１と対峙するように第２の基板９２を備える。これにより、振動子２１、駆動用電極２２ａ，２２ｂ，検出用電極及び制御用電極を真空に封止することができ、安定した駆動及び検出をすることができる。ここで、第１の基板９１は例えばＬＴＣＣ（Low Temperature Co‐fired Ceramics）で構成され、第２の基板９２は例えばガラス基板で構成される。側壁部９３はＳｉで構成されるため、陽極接合により真空封止することができる。
【実施例】
【００４０】
次に、幾つかの実施例を説明する。図１４は、図３に示す振動デバイスの各パラメータの寸法を示す図である。図１５は図１４に示す寸法設定で有限要素法により求めた振動子の振動モードである。共振周波数が３．１ＭＨｚの屈曲モードとなっていることが分かった。なお、共振周波数はパラメータの設定により自由に設計することができる。図１４に示すパラメータに沿って前述した作製方法により振動デバイスを作製した。
【００４１】
図１６は、実施例として作製したサンプルのＳＥＭ像である。振動子本体と駆動用電極、振動子本体と検出用電極とのギャップは２５０ｎｍ程度であった。ピエゾ抵抗型ビームは、幅１μｍ、長さ３μｍ、厚み７μｍであった。この作製したサンプルについて次のような測定をした。図１７は測定系を示す図である。インピーダンスアナライザーを用いて測定した。先ず、制御用電極の対をフローティング状態にして、駆動電極にＡＣ電圧とＤＣ電圧を重畳して印加し、その応答を調べた。図１８は振動子の低電圧駆動の結果を示す図である。横軸は周波数であり、縦軸は信号強度である。低いＶＤＣから励振が可能であることが分かった。また、ＤＣ電圧の印加により、共振周波数が高い方にシフトしていることが分かった。これにより、共振周波数のフィードバック制御が可能であることが分かった。
【００４２】
信号透過率は、熱エンジンを使用しない状態では−５０ｄＢ〜−６０ｄＢと小さく、機械抵抗に換算すると１５ｋΩ〜６０ｋΩに相当する。これは、振動子本体と駆動用電極とのギャップ、振動子本体と検出用電極とのギャップを２５０ｎｍと比較的大きく設定しているためである。理論的には、等価抵抗はギャップの４乗に比例するため、ギャップを６０ｎｍまで下げると、機械抵抗は５０Ωになり、透過率も約−７ｄＢとなる。よって、ピエゾ抵抗熱エンジンの効果を加えると、０ｄＢ以上のゲインが得られることが期待される。つまり、振動デバイスは、機械的なＲＦアンプとして作動する。
【００４３】
次に、制御用電極の対に電圧を印加することにより一定の電流を流してその効果を調べた。図１９はピエゾ抵抗型ビームに電圧を印加することにより電流を流したときの結果を示す図である。横軸は周波数であり、縦軸は信号透過率である。図１９から、ピエゾ抵抗型ビーム１本に対して３．５ｍＡを流すことでエンジン駆動により、電力が１０倍の利得となることが分かった。
【００４４】
よって、図２０に示すように、前述した本発明の実施形態に係る振動デバイス２と、例えば、振動片３ａを有するセンサ３を備えて振動検出システム１を構築し、センサ３から出力された電圧信号が駆動用電極に印加されるように配線で接続する。即ち、センサ３が、振動片３ａを片持ちする支持台３ｄと、高周波電圧を印加する信号源４に接続される一方の電極３ｂと、振動デバイス２の駆動用電極に接続して外部に信号を出力するための他方の電極３ｃを備える。このような振動検出システム１によれば、振動片３ａによる小さな振動を振動デバイス２により増幅して大きくすることができる。
【００４５】
本発明の実施形態において、特に、振動子を支持するための支持ビームに制御用電極又はダミー電極を接続していることで、ピエゾ抵抗型ビームのサイズの適正化を図ることができ、効率的な増幅作用を発揮させることができる。
【符号の説明】
【００４６】
１：振動検出システム
２，１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０：振動デバイス
３：センサ
３ａ：振動片
３ｂ，３ｃ：電極
３ｄ：支持台
４：信号源
１１，２１，３１，４１，５１，６１，７１，８１：振動子
１２，２２ａ，２２ｂ，３２ａ，３２ｂ，４２ａ，４２ｂ，５２ａ，５２ｂ，６２ａ，６２ｂ，７２ａ，７２ｂ，８２ａ，８２ｂ：駆動用電極
１３，２３ａ，２３ｂ，３３ａ，３３ｂ，４３ａ，４３ｂ，５３ａ，５３ｂ，６３ａ，６３ｂ，７３ａ，７３ｂ，８３ａ，８３ｂ
：検出用電極
１４，２４，３４，４４，５４,６４，７４，８４：振動子本体
１４ａ，１４ｂ，２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ，３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄ，４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄ，５４ａ，５４ｂ，６４ａ，６４ｂ，７４ａ，７４ｂ，８４ａ，８４ｂ：プレート
１５，１５ａ，１５ｂ，２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ，３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄ，４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，５５ａ，５５ｂ，６５，７５，８５ａ，８５ｂ：ピエゾ抵抗型ビーム
１６ａ，１６ｂ，２６ａ，２６ｂ，３６ａ，３６ｂ，４６ａ，４６ｂ，５６ａ，５６ｂ，６６ａ，６６ｂ，７６ａ，７６ｂ，８６ａ，８６ｂ：制御用電極
２６ｃ，２６ｄ，３６ｃ，３６ｄ，４６ｃ，４６ｄ，５６ｃ，５６ｄ，６６ｃ，６６ｄ，７６ｃ，７６ｄ，８６ｃ，８６ｄ：ダミー電極
【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１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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