(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
間に画定されたスペースを置いて相互に対向する、少なくとも一対の第一圧電共振子と、
少なくとも一対の第二圧電共振子であって、前記第二圧電共振子は相互に対向しており、前記第二圧電共振子の各々が前記一対の第一圧電共振子の間に画定された前記スペースの中に部分的に配置されるように、各前記第一圧電共振子のそれぞれのコーナーに前記第二圧電共振子が各々連結される、少なくとも一対の前記第二圧電共振子と、
を含み、
前記一対の第一圧電共振子のうちの第一共振子の第一側辺は、前記第一共振子の前記第一側辺が前記第二圧電共振子のそれぞれの第一側辺と第一対の接続域でオーバーラップするように、各前記第二圧電共振子の前記それぞれの第一側辺に、前記それぞれのコーナーで連結され、
前記一対の第一圧電共振子のうちの第二共振子の第一側辺は、前記第二共振子の前記第一側辺が前記第二圧電共振子のそれぞれの第二側辺と第二対の接続域でオーバーラップするように、前記第二圧電共振子の前記第一側辺の反対側の前記第二側辺を備える各前記第二圧電共振子の前記それぞれの第二側辺に、前記それぞれのコーナーで連結される、
微小電気機械システム（「ＭＥＭＳ」）共振子アレイ。
【請求項２】
前記第一対および第二対の接続域が、１．０μｍ〜２０．０μｍの間のオーバーラップ距離を含む、請求項１に記載のＭＥＭＳ共振子アレイ。
【請求項３】
前記第一対の接続域が、前記第一共振子の前記第一側辺の全長の１５％以下の、前記第一共振子の前記第一側辺の共振子のオーバーラップ割合を含み、
前記第二対の接続域が、前記第二共振子の前記第一側辺の全長の１５％以下の、前記第二共振子の前記第一側辺の共振子のオーバーラップ割合を含む、請求項１に記載のＭＥＭＳ共振子アレイ。
【請求項４】
前記第一および第二圧電共振子の各々が、等しい長さＬおよび幅Ｗを備えた矩形形状を含む、請求項１に記載のＭＥＭＳ共振子アレイ。
【請求項５】
前記第一および第二圧電共振子の各々が、６つのコーナーを有する多角形状を含む、請求項１に記載のＭＥＭＳ共振子アレイ。
【請求項６】
前記一対の第二圧電共振子が、相隣接する共振子の間で接続域をオーバーラップして、各前記第一圧電共振子のそれぞれのコーナーに直接に連結される、請求項１に記載のＭＥＭＳ共振子アレイ。
【請求項７】
前記接続域が各々、１．０μｍ〜２０．０μｍの間のオーバーラップ距離を含む、請求項６に記載のＭＥＭＳ共振子アレイ。
【請求項８】
前記接続域が、前記共振子の各側辺の全長の１５％以下の、前記共振子の前記各側辺の共振子のオーバーラップ割合を含む、請求項６に記載のＭＥＭＳ共振子アレイ。
【請求項９】
前記第二圧電共振子の１つの、前記一対の第一圧電共振子に連結されていないそれぞれのコーナーに連結された、追加の少なくとも一対の圧電共振子をさらに含む、請求項１に記載のＭＥＭＳ共振子アレイ。
【請求項１０】
第一方向に相互に平行に延び、間に画定されたスペースを置いて相互に向き合う側面を各々有する、少なくとも一対の第一圧電共振子と、
相互に平行で前記第一方向に延びる、対向する第一および第二側面を各々有する、少なくとも一対の第二圧電共振子と、
を含む微小電気機械システム（「ＭＥＭＳ」）共振子アレイであって、
前記第二圧電共振子の各々は、各前記第二圧電共振子が前記一対の第一圧電共振子の前記側面の間に画定された前記スペースの中に部分的に配置されるように、前記一対の第一圧電共振子のそれぞれの対向するコーナーに連結され、
前記一対の第一圧電共振子のうちの第一共振子の第一側辺は、前記第一共振子の前記第一側辺が前記第二圧電共振子のそれぞれの第一側辺と第一対の接続域でオーバーラップするように、各前記第二圧電共振子の前記それぞれの第一側辺に、前記それぞれのコーナーで連結され、
前記一対の第一圧電共振子のうちの第二共振子の第一側辺は、前記第二共振子の前記第一側辺が前記第二圧電共振子のそれぞれの第二側辺と第二対の接続域でオーバーラップするように、前記第二圧電共振子の前記第一側辺の反対側の前記第二側辺を備える各前記第二圧電共振子の前記それぞれの第二側辺に、前記それぞれのコーナーで連結される、
ＭＥＭＳ共振子アレイ。
【請求項１１】
前記第一および第二圧電共振子の各々が、等しい長さＬおよび幅Ｗを備えた矩形形状を含み、前記長さＬが前記幅Ｗより長い、請求項１０に記載のＭＥＭＳ共振子アレイ。
【請求項１２】
前記第一圧電共振子の各々の前記側面と前記第二圧電共振子の各々の前記第一および第二側面とが、幅Ｗに等しい長さを有する前記矩形形状の短側辺に対応する、請求項１１に記載のＭＥＭＳ共振子アレイ。
【請求項１３】
前記第一圧電共振子の各々の前記側面と前記第二圧電共振子の各々の前記第一および第二側面とが、長さＬに等しい長さを有する前記矩形形状の長側辺に対応する、請求項１１に記載のＭＥＭＳ共振子アレイ。
【請求項１４】
前記一対の第二圧電共振子は、相隣接する共振子の間で接続域をオーバーラップして、各前記第一圧電共振子のそれぞれのコーナーに直接に連結される、請求項１０に記載のＭＥＭＳ共振子アレイ。
【請求項１５】
前記接続域が各々、１．０μｍ〜２０．０μｍの間のオーバーラップ距離を含む、請求項１４に記載のＭＥＭＳ共振子アレイ。
【請求項１６】
前記接続域は、前記共振子の各側辺の全長の１５％以下の、前記共振子の前記各側辺の共振子のオーバーラップ割合を含む、請求項１４に記載のＭＥＭＳ共振子アレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にＭＥＭＳ共振子アレイに関し、さらに具体的には、高周波数用途における動インピーダンスを最小化するためのコーナー結合を備えたＭＥＭＳ共振子アレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
微小電気機械システム（「ＭＥＭＳ：ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍ」）は、高周波数で振動する小さな電気機械構造体であって、タイミング基準、信号フィルタリング、質量センシング、生物学的センシング、運動センシング、およびその他の用途に多く用いられている。ＭＥＭＳ共振子は、正確な時間または周波数の基準を提供するため、水晶タイミングデバイスの一般的な代替品と見なされている。一般に、水晶振動子は、高いＱ値および圧電結合を有する。高いＱ値は、共振子の蓄積エネルギに対して低速度のエネルギ喪失を示す、すなわち振動がより遅く消失する。但し、水晶振動子の１つの弱点は、これらをより小さなサイズに設計するのが困難なことである。
【０００３】
したがって、ＭＥＭＳ共振子は、入手可能な水晶振動子より小さいことが必要なデバイスおよび用途のための代替として使用されてきた。さらに、Ｑ値を最大化するために、かかるＭＥＭＳ共振子は、共振子が、その面外運動が最小化され主として面内で変形するバルクモードで共振するように設計されてきた。具体的に、共振子の面外屈曲モードは、このようなモードが高周波では低いＱ値を有するので回避するのが望ましい。
【０００４】
さらに、ＭＥＭＳ共振子の共振周波数は、共振子の幅と逆比例関係にある。しかして、この共振子の共振周波数を増大させるためには、デバイス設計において、共振子の幅と長さとを適宜に低減しなければならない。しかしながら、かかる共振子のサイズの低減は、同時により高い電気インピーダンスをもたらし、これは望ましくない。
【０００５】
いくつかの既存の共振子設計は、複数の共振子の並列のアレイを設けることによって、この電気インピーダンスを低下させるよう試みてきた。例えば、後記の非特許文献１は、１０．７ＭＨｚの正方形プレートの共振子が連結されたアレイを実証し、これらのプレートは面外で振動し、静電変換器によって作動される。
【０００６】
図１は、非特許文献１に開示された設計と類似の従来のマイクロメカニカル共振子アレイを示す。図１に示されるように、共振子アレイ１は、結合ビーム２０Ａおよび２０Ｂによってそれぞれ連結された複数の共振子プレート１０Ａ〜１０Ｃを含む。しかしながら、この設計については、静電駆動および面外屈曲モードに起因して、共振子アレイ１は、２０ＭＨｚより高い周波数では、ほとんどのデバイス実装に対して動インピーダンスがまだ受容できないほど高くなり得るので芳しくない。
【０００７】
さらに、後記の非特許文献２は、共振子が連結ビームによって連結された、静電的に作動される共振子アレイを導入した別の従来式の設計を開示している。非特許文献２に開示された設計も同様に、静電的作動が動インピーダンスを受容できないほど高くするという技術的弱点を含む。さらに、結合ビームの振動が、共振応答において多くのスプリアス共振をもたらす。
【０００８】
前述した設計の弱点のいくつかを最小化するため、一般に、多くのＭＥＭＳ共振子が、リソグラフィベースの製造プロセスおよびウエハレベルでの処理技術を用いてシリコンで作製されることになる。しかしながら、ベアシリコンは圧電性がなく、また純シリコンの共振子は、高い動インピーダンスを有するので、この共振子の最上部に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ：ａｌｕｍｉｎｕｍ  ｎｉｔｒｉｄｅ）の薄膜の層など、圧電材料を付加することで、より低い動インピーダンスを有する共振子が生成されることが分かってきた。典型的な圧電ＭＥＭＳ共振子が図２Ａおよび２Ｂに示されている。
【０００９】
具体的に、図２Ａは、従来式の幅広がり型共振子１０の上面図を示す。図示のように、共振子１０は、横方向長さＬおよび幅Ｗを有する矩形形状である（但し、他の形状も用いられている）。さらに、共振子１０は、共振子の両側辺に、この共振子を取り付けるための２つの小さなアンカー部１１Ａおよび１１Ｂを含む。
【００１０】
図２Ｂは、従来の共振子１０の断面図を示す。通常、共振子１０はＭＥＭＳ製造技法を用いてシリコンで製造される。共振子１０は、シリコン基板１２の上面部に、圧電結合を備えるため、２つの金属電極１４Ａと１４Ｂとの間に挟まれた圧電体薄膜１６を有する。或る例示的な設計において、金属電極１４Ａおよび１４Ｂは一般にモリブデンであるが、プラチナまたはアルミニウムなど他の金属が使用されてもよい。さらに、圧電膜１６は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）またはドープ窒化アルミニウムとすることができるが、ＰＺＴまたは酸化チタンであってもよい。
【００１１】
前述のように、共振子１０のＱ値を最大化するためには、この共振子は、共振子が、面外運動が最小化され主として面内で変形するバルクモードで共振することが望ましい。具体的に、共振子の面外屈曲モードは、これらのモードが高周波において低いＱ値を有するので回避することが望ましい。さらに、バルク振動モードに対しては、横方向の共振子の寸法が、その共振子の共振周波数を決定し、また、これら寸法は高いＱ値の共振子を設計する上で重要である。高いＱ値を備える良好な設計は、図２Ａに示されるような幅Ｗおよび長さＬを備えた矩形形状を有する。共振子１０の運動は、主として幅方向であり、この共振子は幅広がり型共振子と言われる。
【００１２】
図２Ｃは、従来式設計による幅広がり型共振子１０の上面図を示し、この設計では、共振子１０の振動運動は主として幅方向である（すなわち、収縮と伸張との振動）。このモードは、共振子の短側辺上のアンカー点１１Ａおよび１１Ｂが最小の運動を有し、これにより、アンカー損失が最小化されＱ値が最大化されるので好適である。
【００１３】
再度図２を参照すると、例えば後記の特許文献１に記載されているように、長さＬ対幅Ｗの比率として定義される、特定のアスペクト比（「ＡＲ：ａｓｐｅｃｔ  ｒａｔｉｏ」）（すなわち、ＡＲ＝Ｌ／Ｗ）が取り付け損失を最小化し、したがってＱ値を最大化することもまた知られている。具体的に、最適のアスペクト比は、材料特性の如何により１．２〜１．８の範囲にわたり、シリコンベースの共振子に対しては、通常、約１．５である。
【００１４】
さらに前述したように、共振周波数は共振子の幅と逆比例関係にある。また一方、増大された共振周波数を有する小型の共振子は、望ましくないより高い電気インピーダンスを生じさせる。これに対応して、いくつかの既存の共振子の設計は、この電気インピーダンスを低くするために複数の共振子を１つのアレイに組み合わせる。例えば、後記の特許文献２は、共振子が、少なくとも２つの共振素子の間に横に配設された圧電変換素子によって作動される、面内モード共振子アレイを記載している。しかしながら、特許文献２で開示された設計もまた、これら素子の間に結合子を横になるように配設することによって、共振子モード形を乱す可能性のある追加的な振動素子が導入され、周波数応答に不具合をもたらすという技術的弱点が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】米国特許第５，５４８，１８０号
【００１６】
【特許文献２】米国特許第８，７８６，１６６号
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】Ｃｌａｒｋら著、「Ｐａｒａｌｌｅｌ−Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｓｑｕａｒｅ−Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ  Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｆｉｌｔｅｒ  Ａｒｒａｙｓ」、ＩＥＥＥ国際周波数制御シンポジウムおよび展示会、４８５〜４９０頁（２００６年）。
【００１８】
【非特許文献２】Ｂｈａｖｅら著、「Ｆｕｌｌｙ−Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  Ｐｏｌｙ−ＳｉＣ  Ｌａｍｅ  Ｍｏｄｅ  Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ  ａｎｄ  Ｃｈｅｃｋｅｒｂｏａｒｄ  Ｆｉｌｔｅｒ」、微小電気機械システムに関する第１８回ＩＥＥＥ国際学会、２２３〜２２６頁（２００５年）。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記に応じ、本明細書で開示するＭＥＭＳ共振子は、ドライブレベル依存性などの電気特性を改善しながら、高周波数用途での低減された動インピーダンスを提供する。
【００２０】
しかして、一態様によれば、間に画定されたスペースを置いて相互に対向する、少なくとも一対の第一圧電共振子を含む、ＭＥＭＳ共振子アレイが提供される。さらに、本ＭＥＭＳ共振子アレイは少なくとも一対の第二圧電共振子を含み、第二圧電共振子は相互に対向しており、第二圧電共振子の各々が該一対の第一圧電共振子の間に画定されたスペースの中に部分的に配置されるように、各第一圧電共振子のそれぞれのコーナーに第二圧電共振子が各々連結される。
【００２１】
例示的なＭＥＭＳ共振子アレイの別の態様において、一対の第一圧電共振子のうちの第一圧電共振子の第一側辺は、第一圧電共振子の第一側辺が第二圧電共振子のそれぞれの第一側辺と第一対の接続域でオーバーラップするように、各第二圧電共振子のそれぞれの第一側辺に、それぞれのコーナーで連結される。
【００２２】
例示的なＭＥＭＳ共振子アレイの別の態様において、一対の第一圧電共振子のうちの第二圧電共振子の第一側辺は、第二圧電共振子の第一側辺が第二圧電共振子のそれぞれの第二側辺と第二対の接続域でオーバーラップするように、第二圧電共振子の第一側辺の反対側の第二側辺を備える各第二圧電共振子のそれぞれの第二側辺に、それぞれのコーナーで連結される。
【００２３】
例示的なＭＥＭＳ共振子アレイの別の態様において、第一および第二対の接続域は、１．０μｍ〜２０．０μｍの間のオーバーラップ距離を含む。
【００２４】
例示的なＭＥＭＳ共振子アレイの別の態様において、第一および第二対の接続域は、それぞれの圧電共振子の各側辺の全長の１５％以下の、該圧電共振子のそれぞれの側辺の圧電共振子のオーバーラップ割合を含む。
【００２５】
例示的なＭＥＭＳ共振子アレイの別の態様において、第一および第二圧電共振子の各々は、ほぼ等しい長さＬおよび幅Ｗを備えた矩形形状を含む。
【００２６】
例示的なＭＥＭＳ共振子アレイの別の態様において、第一および第二圧電共振子の各々は、６つのコーナーを有する多角形状を含む。
【００２７】
例示的なＭＥＭＳ共振子アレイの別の態様において、一対の第二圧電共振子は、相隣接する圧電共振子の間で接続域をオーバーラップして、各第一圧電共振子のそれぞれのコーナーに直接に連結される。さらに、この態様では、オーバーラップ接続域が各々、１．０μｍ〜２０．０μｍの間のオーバーラップ距離を含む。これに加えてまたは換えて、オーバーラップ接続域は、それぞれの圧電共振子の各側辺の全長の１５％以下の、該圧電共振子のそれぞれの側辺の圧電共振子のオーバーラップ割合を含む。
【００２８】
例示的なＭＥＭＳ共振子アレイの別の態様において、該一対の第二圧電共振子は、連結される各圧電共振子の間に配置されたそれぞれの間座によって、各第一圧電共振子のそれぞれのコーナーに連結される。
【００２９】
例示的なＭＥＭＳ共振子アレイの別の態様において、アレイはさらに、第二圧電共振子の１つの、一対の第一圧電共振子に連結されていないそれぞれのコーナーに連結された、追加の少なくとも一対の圧電共振子を含む。
【００３０】
さらなる実施形態によれば、第一方向に相互に平行に延び、間に画定されたスペースを置いて相互に向き合う側面を各々有する少なくとも一対の第一圧電共振子と、相互に平行で第一方向に延びる対向する第一および第二側面を各々有する少なくとも一対の第二圧電共振子と、を含むＭＥＭＳ共振子アレイが提供される。この実施形態において、第二圧電共振子の各々は、各第二圧電共振子が該一対の第一圧電共振子の側面の間に画定されたスペースの中に部分的に配置されるように、該一対の第一圧電共振子のそれぞれの対向するコーナーに連結される。
【００３１】
例示の諸実施形態の上記の簡単な要約は、本開示の基本的理解を提供する役割をするものである。この要約は、考えられる全態様の広範な概要ではなく、全態様の主要なまたは重要な要素を識別することも、本開示のあらゆる態様の範囲を叙述することも意図されていない。その唯一の目的は、以降の本開示のさらに詳細な説明の前置きとして、１つ以上の態様を簡単な形で提示することである。前述を達成するために、本開示の１つ以上の態様は、特許請求の範囲中に記載され、具体的に指摘されている諸特徴を含む。
【００３２】
本明細書に組み込まれてその一部を構成する添付の諸図面は、本開示の１つ以上の例示の実施形態を表し、詳細な説明と併せ、それらの原理および実装を解説する役割をする。提示されるこれらの図面は、説明目的のためだけものであり、したがって正確な縮尺率ではない。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】従来の圧電マイクロメカニカル共振子アレイを示す。
【００３４】
【図２Ａ】従来の幅広がり型共振子の上面図を示す。
【００３５】
【図２Ｂ】図２中に示された従来の共振子の断面図を示す。
【００３６】
【図２Ｃ】図２Ａ中に示された幅広がり型共振子の上面図を示し、振動運動を示す。
【００３７】
【図３Ａ】或る例示的な実施形態によるＭＥＭＳ共振子アレイを示す。
【図３Ｂ】或る例示的な実施形態によるＭＥＭＳ共振子アレイを示す。
【００３８】
【図３Ｃ】図３Ｂ中に示された例示的なＭＥＭＳ共振子アレイの２つの共振子の間の共振子のオーバーラップ割合とその電気機械的結合係数とを対比するグラフを示す。
【００３９】
【図４Ａ】別の例示的な実施形態によるＭＥＭＳ共振子アレイを示す。
【図４Ｂ】別の例示的な実施形態によるＭＥＭＳ共振子アレイを示す。
【００４０】
【図５Ａ】さらに別の例示的な実施形態によるＭＥＭＳ共振子アレイの上面図を示す。
【００４１】
【図５Ｂ】図５Ａ中に示されたＭＥＭＳ共振子アレイの別形の上面図を示す。
【００４２】
【図６】別の実施形態によるＭＥＭＳ共振子アレイの上面図を示す。
【００４３】
【図７】例示的な設計の提案された拡張を示した代わりの実施形態によるＭＥＭＳ共振子アレイを示す。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
本明細書に記載の例示的な諸実施形態によって、高周波数用途で従来式のＭＥＭＳ共振子設計に観察される高い動インピーダンスおよびドライブレベル依存性を最小化することによって電気特性を改善するためのＭＥＭＳ共振子アレイが提供される。具体的には、これら例示的な共振子アレイは、後記で詳細に説明するように、機械的結合のため相互に物理的に連結している複数の圧電共振子を含む。
【００４５】
当業者は、以下の説明が例示のためだけのものであって、いかなる面でも限定を意図してはいないことを認識するであろう。本開示から利益を受ける当業者には、他の諸態様が容易に思い浮かぶであろう。以下において、添付の図面に示された例示の態様の実装を詳細に参照することとする。これら図面および以下の説明全体を通して、同じまたは類似のアイテムを示すために、可及的に同じ参照符号を用いることとする。
【００４６】
図３Ａおよび図３Ｂは、或る例示的な実施形態によるＭＥＭＳ共振子アレイを示す。具体的に、図３Ａは、この例示的な実施形態によるＭＥＭＳ共振子アレイ１００の上面部分図を示す。図示のように、共振子アレイ１００は、同じ平面上に（すなわち長さ方向に）、圧電共振子１１０Ａと１１０Ｂとの間にスペース１２０（または領域）を置いて配置された第一対の圧電共振子１１０Ａおよび１１０Ｂ（すなわち共振子プレート）を含む。
【００４７】
図３Ｂは、或る例示的な実施形態によるＭＥＭＳ共振子アレイ１００の全体上面図を示す。図示のように、ＭＥＭＳ共振子１００は、第一対の圧電共振子１１０Ａと１１０Ｂとを有し双方の間に置かれたスペースを備える図３Ａに示されたのと同じ設計構成である。さらに示されるように、第二対の圧電共振子１１０Ｃと１１０Ｄとが設けられ、これらは、全４つの圧電共振子１１０Ａ〜１１０Ｄの間に機械的結合を形成するため、共振子１１０Ａと１１０Ｂとの間のスペース１２０（すなわち領域）の中に部分的にだけ配置されている。
【００４８】
一般に、圧電共振子１１０Ａ〜１１０Ｄの各々は、ＳＯＩウエハの同じ層（すなわち構造層）から加工可能であると考えられている。さらに、図示しないが、共振子１１０Ａ〜１１０Ｄの各々は、図２Ｂに関連して前述した従来式の成層など、圧電結合を備えるため２つの金属電極の間に挟まれた圧電体薄膜を含むことができる。この金属電極は、例えば、モリブデン、プラチナ、またはアルミニウムで形成することが可能である。さらに、この圧電膜は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）またはドープ窒化アルミニウムとすることができるが、ＰＺＴまたは酸化チタンであってもよい。当業者には周知のように、これら圧電共振子は電気接続構成を用いて並列に連結できるが、本例示的なＭＥＭＳ共振子アレイにはその特定の構成が重要なわけでないので、これについてのさらなる詳細は説明しないこととする。
【００４９】
或る例示的な実施形態によれば、この金属電極の厚さは、例えば、５０ナノメートル（ｎｍ）〜４００ｎｍとしてよく、圧電膜の厚さは、例えば、４００ｎｍ〜２μｍであってよい。さらに、シリコン基板１２の厚さは、例えば、３μｍ〜３０μｍの範囲であってよい。図示はしていないが、いくつかの従来式設計においては、追加の薄膜層が存在してもよい。例えば、該共振子の周波数の温度係数を変更するために、二酸化ケイ素の薄膜層を用いることができる。
【００５０】
図３Ｂ中にさらに示されているように、圧電共振子１１０Ｃおよび１１０Ｄは、これら共振子が部分的にオーバーラップするように、各圧電共振子１１０Ａおよび１１０Ｂに連結される。さらに具体的には、幅方向に延びる圧電共振子１１０Ａの第一側辺は、同じ方向（すなわち、幅方向）に延びる圧電共振子１１０Ｃおよび１１０Ｄの各々の第一側辺と部分的にオーバーラップしている。例えば、これら共振子のオーバーラップは、それぞれ、接続域１１１および１１３で行うことができる。同様に、同じ幅方向に延びる圧電共振子１１０Ｂの第一側辺は、接続域１１２および１１４で、圧電共振子１１０Ｃおよび１１０Ｄの各々の第二側辺（第一側辺の反対側）とそれぞれ部分的にオーバーラップしている。
【００５１】
さらに示されるように、圧電共振子１１０Ａ〜１１０Ｄの各々は、好ましくは、上面から見て同じまたはほぼ同じまたは類似の外形を有し、本実施形態ではこれは正方形である。別の実施形態によれば、後記で説明するように、これら圧電共振子は矩形の外形を有することができる。図３Ｂ中に示された実施形態に関し、当然のことながら、幅方向と長さ方向とは、相対的な見方のためだけに示されており、この態様では、これら外形は正方形であり、したがって、長さと幅とは、同じまたはほぼ同じで相互に対し直角なので、逆にしてもよい。
【００５２】
一般に、本明細書で用いられるこの用語「ほぼ」は、製造プロセスの過程で生じ得る、共振子の形状中の小さなバラツキを考慮に入れている。例えば、一実施形態によれば、圧電共振子１１０Ａ〜１１０Ｄは、同一のまたはほぼ同一の寸法を有するように設計される。しかしながら、ＭＥＭＳ製造プロセスの過程で諸層を堆積しエッチングするために使われる機械は、これらの寸法にわずかの違いをもたらし得る。しかして、用語「ほぼ」は、製造設備中の変動に起因して寸法に生じる分散を考慮に入れている。
【００５３】
この例示的な実施形態によれば、圧電共振子１１０Ａと圧電共振子１１０Ｃおよび１１０Ｄの各々との間で部分的にオーバーラップする機械的結合、ならびに、圧電共振子１１０Ｂと圧電共振子１１０Ｃおよび１１０Ｄの各々との間で部分的にオーバーラップする機械的結合は、全ての共振子１１０Ａ〜１１０Ｄが同じ周波数で振動することを確実にするために設けられる。この態様において、典型的なオーバーラップ距離は、１．０μｍ〜２０．０μｍの間である。さらに、図示のように、各共振子１１０Ａ〜１１０Ｄは、好ましくは、各側辺の長さが例えば約１３０μｍである正方形の外形を有する。共振子の間のこのオーバーラップ接続を用い、ＭＥＭＳ共振子アレイ１１０は、応用的見地から連結された共振子１１０Ａ〜１１０Ｄのモード形に大きな影響（Ｑ値を含む）を与えることはなく、だが共振子間の良好な機械的結合を提供し、また、共振子の最上部の薄膜を用いて電気的接続を容易化する。
【００５４】
さらに、従来式のＭＥＭＳ設計と比較すると、圧電共振子を用いた例示的なＭＥＭＳ共振子アレイ１００は、静電共振子より低い動インピーダンスを提供する。さらに、圧電共振子１１０Ｃおよび１１０Ｄは、共振子１１０Ａと１１０Ｂとの間の領域１２０中に部分的に配置されているので、全体的な共振子構造体は極めてコンパクトで、共振子の間の不必要なスペースを浪費しない。後記で説明するように、好ましくは、電気機械結合係数を、効果的なデバイス用途に要求される必要な値より下に低下させることなく、浪費されるスペースを低減するため、オーバーラップ領域は可及的に大きくされる。さらに、圧電共振子１１０Ａ〜１１０Ｄは、部分的にだけ相互に接触しているので、個々の共振子のモード形は大きくは変化しない。最後に、この例示的な実施形態において、ＭＥＭＳ共振子アレイ１１０は、従来式設計に関連して前述したような、（例えば、図１と比べて）アレイのサイズを不必要に増大し余分な振動モードを導入する、個々の共振子の間の連結ビームを必要としない。
【００５５】
図３Ｃは、図３Ｂ中に示された設計など、例示的なＭＥＭＳ共振子アレイの２つの共振子（例えば、共振子１１０Ａおよび１１０Ｃ）の間の共振子のオーバーラップ（パーセントで）とその電気機械結合係数（パーセントで）とを対比するグラフを示す。共振子のオーバーラップの割合については、当然のことながら、この割合は、共振子１１０Ａの側辺の全長に比べての、共振子１１０Ｃ（または共振子１１０Ｄ）にオーバーラップしている、共振子１１０Ａの第一側辺の部分を示す。したがって、例として、共振子１１０Ａが、例えば共振子１１０Ｃと２０μｍのオーバーラップ域を伴う（幅方向に延びる）約１３０μｍの側辺長さを有する場合、この共振子のオーバーラップは約１５％であることになる。図３Ｃ中に示されるように、共振子のオーバーラップが１５％より大きくなると、電気機械結合係数は５．０を下回り、オーバーラップの割合が増加するにつれ低下し続ける。さらに、当業者には周知のように、電気機械結合係数の低下は、共振モード形が乱されていてアレイのモード形がもはや個別の共振子のモードでは表せないことを示す。乱されたモード形は、不十分な電気機械結合および低下されたＱ値を示す。しかして、この例示的な実施形態によれば、ＭＥＭＳ共振子アレイ１１０中の共振子（例えば、共振子１１０Ａおよび１１０Ｂ）の各々は、効果的な共振モード形を維持するために、隣接する共振子（例えば、共振子１１０Ｃおよび１１０Ｄ）の接続域で１５％以下のオーバーラップでオーバーラップする必要がある。それと同時に、前述したように、共振子間の良好な機械的結合を確実にするために、このオーバーラップ接続域（例えば、領域１１１、１１２、１１３、および１１４のそれぞれ）は、少なくとも１．０μｍはなければならない。
【００５６】
図４Ａおよび４Ｂは、別の例示的な実施形態によるＭＥＭＳ共振子アレイを示す。具体的に、図４Ａは、この例示的な実施形態による、ＭＥＭＳ共振子アレイ２００の部分上面図を示す。具体的には、共振子アレイ２００は、圧電共振子２１０Ａと２１０Ｂとの間に配置されたスペース２２０（または領域）と共に、同じ平面中に（すなわち、長さ方向に）配置された第一対の圧電共振子２１０Ａおよび２１０Ｂを含む。この例示的な実施形態によれば、圧電共振子２１０Ａおよび２１０Ｂの外形は、６つのコーナーを備えた多角形である。
【００５７】
図４Ｂは、或る例示的な実施形態によるＭＥＭＳ共振子アレイ２００の全体上面図を示す。図示のように、ＭＥＭＳ共振子２００は、双方の間に置かれたスペース２２０を備えた第一対の圧電共振子２１０Ａおよび２１０Ｂを有する、図４Ａに示されたのと同じ設計構成である。さらに示されるように、第二対の圧電共振子２１０Ｃおよび２１０Ｄは、全４つの圧電共振子２１０Ａ〜２１０Ｄの間の機械的結合を形成するため、共振子２１０Ａと２１０Ｂとの間のスペース２２０（すなわち領域）の中に部分的にだけ配置されている。
【００５８】
しかして、図示のように、幅方向に延びる共振子２１０Ａの第一側辺は、接続域２１１および２１３で、それぞれ、共振子２１０Ｃおよび２１０Ｄの各々の（幅方向にも延びる）第一側辺に接続される。同様に、幅方向に延びる共振子２１０Ｂの第一側辺は、接続域２１２および２１４で、それぞれ、共振子２１０Ｃおよび２１０Ｄの各々の第二側辺（第一側辺に平行でその反対側）に接続されている。前述の例示的なＭＥＭＳ共振子アレイ１００と同じく、接続域２１１〜２１４は、好ましくは、１５％以下（すなわち、この例示的な実施形態において例えば側面が約１３０μｍのとき）の共振子のオーバーラップで、１．０μｍ〜２０．０μｍの間のオーバーラップ距離を延びる。前述したＭＥＭＳ共振子１００と比べて図４Ｂ中に示されたＭＥＭＳ共振子２００を考察すれば、当然のことながら、相異なる外形（例えば、正方形、多角形など）を有する共振子も、本明細書に開示の例示的な諸実施形態に沿って実装することができる。
【００５９】
図５Ａは、さらに別の実施形態によるＭＥＭＳ共振子アレイの上面図を示す。図示のように、ＭＥＭＳ共振子アレイ３００は、双方の間にスペースまたは領域３２０を置かれた第一対の圧電共振子３１０Ａおよび３１０Ｂと、スペース３２０中に部分的に配置され、それぞれ、接続域３１１、３１２、３１３、および３１４で、共振子３１０Ａおよび３１０Ｂに連結された第二対の圧電共振子３１０Ｃおよび３１０Ｄと、を含む。
【００６０】
この実施形態に示されるように、圧電共振子３１０Ａ〜３１０Ｄは、長さ方向に延びる長さＬおよび幅方向に延びる幅Ｗを含む矩形外形形状を備え、この長さＬは幅Ｗよりも長い。具体的に、圧電共振子３１０Ａは、相互に平行で幅方向に延びる対向する短側辺（すなわち、第一側辺３５１Ａおよび第二側辺３５２Ａ）を含み、さらに、相互に平行で長さ方向に延びる対向する長側辺（すなわち、第三側辺３５３Ａおよび第四側辺３５４Ａ）を含む。同じく、圧電共振子３１０Ｂは、相互に平行で幅方向に延びる対向する短側辺（すなわち、第一側辺３５１Ｂおよび第二側辺３５２Ｂ）を含み、さらに、相互に平行で長さ方向に延びる対向する長側辺（すなわち、第三側辺３５３Ｂおよび第四側辺３５４Ｂ）を含む。さらに、圧電共振子３１０Ｃは、相互に平行で幅方向に延びる対向する短側辺（すなわち、第一側辺３５１Ｃおよび第二側辺３５２Ｃ）を含み、さらに、相互に平行で長さ方向に延びる対向する長側辺（すなわち、第三側辺３５３Ｃおよび第四側辺３５４Ｃ）を含む。最後に、圧電共振子３１０Ｄは、相互に平行で幅方向に延びる対向する短側辺（すなわち、第一側辺３５１Ｄおよび第二側辺３５２Ｄ）を含み、さらに、相互に平行で長さ方向に延びる対向する長側辺（すなわち、第三側辺３５３Ｄおよび第四側辺３５４Ｄ）を含む。
【００６１】
この例示的な態様において、共振子３１０Ａの短側辺３５１Ａと、共振子３１０Ｂの短側辺３５２Ｂとは、双方の間に画定されたスペース３２０を置いて相互に向き合っている。同様に、共振子３１０Ｃの長側辺３５４Ｃと、共振子３１０Ｄの長側辺３５３Ｄとは、双方の間に画定されたスペース３２０を置いて互いに向き合っている。
【００６２】
さらに示されるように、当業者ならよく理解するであろうが、各共振子３１０Ａ〜３１０Ｄは、ＭＥＭＳ共振子がセンサデバイス（図示せず）中のキャビティの中に配置されるように、該デバイスのフレーム（すなわち支持部材）に物理的に連結することが可能なアンカー点を含む。しかして、図示のように、共振子３１０Ａはアンカー点３３１Ａおよび３３２Ａを含み、共振子３１０Ｂはアンカー点３３１Ｂおよび３３２Ｂを含み、共振子３１０Ｃはアンカー点３３１Ｃおよび３３２Ｃを含み、共振子３１０Ｄはアンカー点３３１Ｄおよび３３２Ｄを含む。好ましくは、これらは幅伸張モードにおける振動伸張の節点である。しかして、図示のように、それぞれのアンカー点は、共振子３１０Ａ〜３１０Ｄそれぞれの各主表面中央に、且つ、共振子３１０Ａ〜３１０Ｄのそれぞれの短側辺の（すなわち、幅方向の）中央部分に位置付けされる。なお、本明細書で開示された他のＭＥＭＳ共振子アレイ（例えば、アレイ１００および２００）もかかるアンカー点を含むことが可能であるが、これらの例示的な実施形態の諸態様を不必要にあいまいにしないため、そのようには表されていない。
【００６３】
図５Ａ中の例示的な態様によれば、共振子３１０Ａ〜３１０Ｄの長さと幅とのアスペクト比は、アンカー域近くの運動を最小化する幅広がりモード形を得るように選択される。例えば、前述のように、最適なアスペクト比は、材料特性の如何により１．２〜１．８の範囲にわたり、シリコンベースの共振子に対しては、通常、約１．５である。しかして、この態様において、共振子３１０Ａ〜３１０Ｄの各々の長さＬ（すなわち、長さ方向の長さ）は、幅Ｗ（すなわち、幅方向の長さ）の１．５倍とすることができる。
【００６４】
さらに、この実施形態によれば、圧電共振子３１０Ａ〜３１０Ｄは、前述の図３Ｂの実施形態と類似の共振子モード形での結合への外乱を最小化するために、短縁沿いに接続するように配列される。しかして、幅方向に延びる共振子３１０Ａの第一側辺３５１Ａは、側辺３５２Ｃおよび３５２Ｄそれぞれに沿って、共振子３１０Ｃおよび３１０Ｄの各々と、接続域３１１および３１３で部分的にオーバーラップする。さらに、これら接続域３１１および３１３におけるオーバーラップの長さは、好ましくは、効果的な共振モード形を維持し、またこれら共振子の間の十分な機械的結合を確実にするために１５％以下の共振子のオーバーラップで、１．０μｍ〜２０．０μｍの間の距離を延びる。同様に、幅方向に延びる、共振子３１０Ｂの側辺３５２Ｂは、側辺３５１Ｃおよび３５１Ｄ（それぞれ、側辺３５２Ｃおよび３５２Ｄの反対側）に沿って、共振子３１０Ｃおよび３１０Ｄの各々と、それぞれ接続域３１２および３１４で部分的にオーバーラップする。さらに、これら接続域３１２および３１４におけるオーバーラップの長さもまた、好ましくは、効果的な共振モード形を維持しまたこれら共振子の間の十分な機械的結合を確実にするために、１５％以下の共振子のオーバーラップで、１．０μｍ〜２０．０μｍの間の距離を延びる。しかして、図示のように、ＭＥＭＳ共振子アレイ３００は、長さ方向の見地および幅方向の見地からの双方において対称性の外形を含む。
【００６５】
図５Ｂは、図５Ａ中に示されたＭＥＭＳ共振子アレイ３００の別形の上面図を示す。具体的に、ＭＥＭＳ共振子４００の構成要素の多くは、ＭＥＭＳ共振子アレイ３００と実質上同じであり、ここでは繰り返し説明はしない。主な違いは、図５Ａでは、圧電共振子３１０Ｃおよび３１０Ｄの長側辺が、圧電共振子３１０Ａと３１０Ｂとの間のスペース３２０の中に配置されていることである。対照的に、図５Ｂに示されるように、圧電共振子３１０Ａおよび３１０Ｂの短側辺（すなわち、側辺３５１Ａおよび３５２Ｂ）が、圧電共振子３１０Ｃと３１０Ｄとの間にあるスペース３２０の中に配置されている。
【００６６】
しかして、図示のように、接続域３４１、３４２、３４３、および３４４は、コーナーに、且つ、図５Ａに示されたように短側辺でなく、これら矩形形状共振子３１０Ａ〜３１０Ｄの各々の長側辺のオーバーラップ域にある。その他については、ＭＥＭＳ共振子４００は、好ましくは同じアスペクトを有することを含め、ＭＥＭＳ共振子３００と類似の設計を有する。さらに、これら両方の実施形態に対し、接続域（すなわち、アレイ３００に対する領域３１１〜３１４、もしくはアレイ４００に対する領域３４１〜３４４）は、１５％以下の共振子のオーバーラップで、１．０μｍ〜２０．０μｍの間のオーバーラップ距離を延びる。
【００６７】
図６は、別の実施形態によるＭＥＭＳ共振子アレイ５００の上面図を示す。図６中に示された設計は、前に説明したＭＥＭＳ共振子アレイ３００と類似である。具体的に、ＭＥＭＳ共振子アレイ５００は、コーナー域で相互に連結された矩形形状の共振子４１０Ａ〜４１０Ｄを含む。但し、さらに示されるように、それぞれの共振子を相互に連結するために、間座４１１、４１２、４１３、および４１４が使われている。一態様において、これら間座には、共振子を製造するために用いられるのと同一のシリコンまたは他の基板材料を使ってよい。この点に関し、オーバーラップ域は、なお同じであることになる。すなわち、例えば、共振子４１０Ａは、共振子４１０Ｃおよび４１０Ｄの各々と幅方向に、１５％以下の共振子のオーバーラップで、１．０μｍ〜２０．０μｍの間の距離をオーバーラップする。但し、この態様では、これら共振子は、互いに直接に連結されているのではなく、代わりに、共振子を相互に連結するために間座４１１〜４１４が設けられている。
【００６８】
最後に、当然のことながら、これらＭＥＭＳ共振子アレイの各々は、アレイの構成部分として４つの共振子を含んでいるが、本明細書に記載の設計は、各アレイが、２つの他の共振子の間の領域の中に部分的に配置された共振子を用いて、任意の大きなサイズに拡張することができるように変更することが可能である。
【００６９】
図７は、例示的な設計の提案された拡張をハイライトした代わりの実施形態によるＭＥＭＳ共振子アレイを示す。例えば、ＭＥＭＳ共振子アレイ６００は、図５Ａに示し上記で説明したアレイ３００の修改であってよい。具体的に、ＭＥＭＳ共振子アレイ６００は、前述したように、それらの間にスペース３２０Ａを置いた３１０Ａ、３１０Ｂ、３１０Ｃ、および３１０Ｄを含む。さらに示されるように、共振子３１０Ｅおよび３１０Ｆは、共振子３１０Ｅと３１０Ｆとの間のスペース３２０Ｂの中に部分的に配置された共振子３１０Ｇとともに共振子３１０Ｄと部分的にコーナー連結されている。当然のことながら、例えば、動インピーダンスをさらに低減するために、追加の共振子をアレイ６００の長さ方向および幅方向の両方に追加し任意の大きなサイズを有するＭＥＭＳ共振子アレイを構築することが可能である、さらに、ＭＥＭＳ共振子アレイ６００は、好ましくは、デバイスの垂直軸から、長さ方向および幅方向の両方に全体的に対称な形状を有する。
【００７０】
簡潔さのため、本明細書では諸実施形態のルーチンな機能の全ては開示していない。当然のことながら、本開示の何らかの実際の実装の展開においては、設計の特定の目標を達成するために、数多くの実装に固有の決定を行わねばならず、これらの特定の目標は、相異なる実装および相異なる設計者に対しては変化することになろう。当然ながら、かかる設計労作は複雑で手間がかかるかも知れないが、それでも、本開示から利益を受ける当業者のための技術を担うルーチンとなるであろう。
【００７１】
さらに、当然のことながら、本明細書で使われた術語または用語は、限定ではなく説明のためのものであり、本明細書の用語または術語は、当業者の知識と組み合わせて、本明細書に提示された教示およびガイダンスに照らして当業者によって解釈されるべきものである。さらに、本明細書または特許請求の範囲中のいかなる用語も、明示でそう述べられているものを除き、非一般的なまたは特殊な意味と見なすことは意図されていない。
【００７２】
前述では、例示的な諸実施形態に関連させて説明してきたが、当然ながら、用語「例示的な」は単なる例であることを意味する。したがって、本出願は、代替案、修改案、および等価物を網羅することが意図されており、これらは、本明細書で開示されたＭＥＭＳ共振子の趣意および範囲内に含まれ得る。
【００７３】
符号の説明
【００７４】
１００、２００、３００、４００、５００、６００：ＭＥＭＳ共振子アレイ
【００７５】
１２０、２２０、３２０、４２０、３２０Ａ、３２０Ｂ：スペース
【００７６】
１１０Ａ〜１１０Ｄ、２１０Ａ〜２１０Ｄ、３１０Ａ〜３１０Ｇ、４１０Ａ〜４１０Ｄ：共振子
【００７７】
３３１Ａ〜３３１Ｄ、３３２Ａ〜３３２Ｄ：アンカー点
【００７８】
１１１〜１１４、２１１〜２１４、３１１〜３１４、３４１〜３４４：接続域
【００７９】
３５１Ａ〜３５１Ｄ、３５２Ａ〜３５２Ｄ：共振子の短側辺
【００８０】
３５３Ａ〜３５３Ｄ、３５４Ａ〜３５４Ｄ：共振子の長側辺
【００８１】
４１１〜４１４：間座
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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