(57)【要約】【課題】  小型化が可能であり、複数の共振周波数を得ることができること。【解決手段】  Ｘ方向に延びるように形成され、Ｘ方向に直交するＹ方向に振動する振動片３４と、振動片３４の両端を支持する振動子アイランド３３ａ，３３ｂとを有する振動子３２と、振動片３４に対して所定距離を空けた状態で振動片３４を間に挟むように配置され、電圧が印加された時に静電引力を発生させて振動片３４を振動させる電極部３１ａ，３１ｂと、を備え、さらに、振動片３４の上方（Ｚ軸方向）に薄膜５０を備える発振子１００を提供する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方向に延びるように形成され、該一方向に直交する他方向に振動する振動片と、該振動片の一端または両端を支持するベース部とを有する振動子と、
前記振動片に対して所定距離を空けた状態で前記振動片を間に挟むように配置され、電圧が印加された時に静電引力を発生させて前記振動片を振動させる電極部と、
前記振動片の上部に前記振動片に対して所定距離を空けた状態で配置され、電圧が印加された時に静電引力により前記振動片と密着する薄膜部と
を備えていることを特徴とする発振子。
【請求項２】
前記薄膜部が金属膜と誘電体膜により構成されていることを特徴とする請求項１に記載の発振子。
【請求項３】
前記薄膜部が複数存在することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発振子。
【請求項４】
前記振動片が誘電体膜で覆われていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の発振子。
【請求項５】
前記振動片は、前記ベース部に両端が支持されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の発振子。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の発振子を有することを特長とする発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳ技術を利用した発振子及び該発振子を有する発振器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
デジタル機器のクロックパルス発生や、無線機器などにおいては、従来水晶発振子を用いた水晶発振器が利用されてきたが、より量産性が高く周波数の設計も容易なシリコンを採用したシリコン発振子を用いて発振器を製造しようという試みがなされている。
【０００３】
シリコン発振子は、揺動自在に保持された片持ち梁または両持ち梁の共振モードを利用するものである。共振周波数は梁の断面サイズや長さによって規定されるため設計が容易である。また、大口径のシリコン基板上に一括して素子を形成できるため、量産性が高く、従来のＣＭＯＳ  ＩＣの製造ラインを流用して製造することも可能である。
【０００４】
シリコン発振子は、特許文献１に示すように、シリコンからなる振動子を圧電素子や対向電極と振動子との間の静電引力によって所定の１方向に振動させ、その振動を対向電極との間の静電容量の変化や、ピエゾ抵抗の抵抗の変化などによって検出するものが提案されている。
【０００５】
しかし、この方法では振動子を１方向にしか振動させることができず、１種類の周波数の信号しか出力することができない。複数の周波数の信号を必要とするようなデバイスでは各周波数に応じた振動子や駆動回路を備えた発振器を搭載する必要があり、大型化やコストの増加につながるという欠点があった。
【０００６】
そこで、上記のような欠点を解決するために、特許文献２に示すように、ダイヤフラム状の振動子に気体による圧力を印加して周波数を変調する発振子が提案されている。
【０００７】
この発振子は、ダイヤフラム状の振動子を備えている。振動子は上部気密室及び下部気密室を隔てるように配置されている。上部気密室には、外部と連通するガス管が接続され、バルブを介して上部気密室内の圧力を変動させることができる。上部気密室にガスを導入すると、上部気密室と下部気密室の圧力差により、振動子の内部応力が変化するので、共振周波数を変化させることができる。
【０００８】
また一般的には、気体による圧力に限らず、振動子に静電引力などの外力を印加することにより、共振周波数を変化させる方法も知られている。
【特許文献１】特開２００７−１７５５７７
【特許文献２】特開２００７−２３５７５４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記構成の発振器では、次のような欠点があった。すなわち、これらガスを気密室内に導入して振動子の共振周波数を変化させる方法では、ガスを気密室内に導入するための構造が必要であり、構造の小型化が困難である。
【００１０】
本発明は上記のような事情に考慮してなされたもので、その目的は、振動子の共振周波数を変化させることができ、かつ、小型化が容易な構造の発振子及び該発振子を備えた発振器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は前記課題を解決するために以下の手段を提供する。
【００１２】
本発明に係る発振子は、一方向に延びるように形成され、該一方向に直交する他方向に振動する振動片と、該振動片の一端または両端を支持するベース部とを有する振動子と、
前記振動片に対して所定距離を空けた状態で前記振動片を間に挟むように配置され、電圧が印加された時に静電引力を発生させて前記振動片を振動させる電極部と、前記振動片の上部に前記振動片に対して所定距離を空けた状態で配置され、電圧が印加された時に静電引力により前記振動片と密着する薄膜部と、を備えていることを特徴とするものである。
【００１３】
本発明に係る発振子においては、振動片の上部に薄膜部が形成されている。そのため、薄膜部と振動片に電圧を印可すると静電引力が発生し薄膜部が振動片に引き寄せられ密着する。これにより、振動片が薄膜部によって固定され、振動片の有効的な長さが変化し、共振周波数を変化することができる。また、薄膜部が振動片の上部に形成されているため振幅に関係なく、振動片と薄膜部の間隔を小さくすることができ、小型化が可能である。
【００１４】
本発明に係る発振子は、上記薄膜部が金属膜と誘電体膜により構成されていることを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る発振子においては、上記薄膜部が金属と誘電体膜により構成されていることにより、静電容量が大きくなることにより大きな静電引力を得ることができると共に、電圧を切ったときも薄膜部と振動片が離れなくなることを防ぐことができる。
【００１６】
本発明に係る発振子は、上記薄膜部が複数存在することを特徴とする。
【００１７】
本発明に係る発振子においては、上記薄膜部が複数存在することにより、一つの振動片から複数の共振周波数を得ることができる。
【００１８】
本発明に係る発振子は、上記振動片が誘電体膜で覆われていることを特徴とする。
【００１９】
本発明に係る発振子においては、上記振動片が誘電体膜で覆われていることにより、静電容量が大きくなることにより大きな静電引力を得ることができると共に、電圧を切ったときも薄膜部と振動片が離れなくなることを防ぐことができる。
【００２０】
本発明に係る発振子は、前記ベース部に振動片の両端が支持されていることを特徴とする。
【００２１】
本発明に係る発振子においては、振動片が両持ち状態で支持されているので、振動部の両端が基端部を介してベース部に支持されることになる。そのため、振動時に電極部間で振動部を傾かせることなく、より平行に移動させることができる。したがって、振動片の有効面積を向上させることができ、低電力駆動が可能となる。
【００２２】
また、本発明に係る発振器は、上記本発明の発振子を有することを特徴とする。
【００２３】
本発明に係る発振器においては、周波数可変の発振子を有しているので、複数の共振周波数が必要な場合でも振動子が一つあればよく小型化が可能となる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係る発振子によれば、一つの振動子で複数の共振周波数が得られる。薄膜部が振動片の上部に形成されているため振幅に関係なく、振動片と薄膜部の間隔を小さくすることができ、小型化が可能である。
【００２５】
また、本発明に係る発振器によれば、一つの振動子で複数の共振周波数が得られる発振子を有しているので、発振器自体の高性能化及び小型化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
次に、本発明の発振子及び該発振子を有する発振器の第１実施形態を図１〜４に基づいて説明する。
【００２７】
なお、本実施形態では、携帯電話や携帯情報端末機器等の種々の電子部品に用いられる発振器として説明する。また、以下に示す各図においては、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や各部材ごとに縮尺を異ならせてある。
【００２８】
図１（ａ）は、発振器１０００の発振子１００に沿った方向（Ｘ軸方向）の断面図であり、図１（ｂ）は、発振器の発振子１００の振動方向（Ｙ軸方向）の断面図ある。また、図２は発振器１０００を構成する発振子１００の斜視図であり、図３（ａ）は発振子１００の平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【００２９】
図１に示すように発振器１０００はリッド基板４０と発振子１００とを備えている。リッド基板４０には図示しないＩＣおよび電気回路が形成され電気回路を通して外部電源に電気的に接続されており、外部電源から供給される電圧を発振子１００に印可して、発振子１０の駆動を行うものである。また、ＩＣ基板は、後述するシリコン支持層１０およびＢＯＸ層２０上に形成してもよい。
【００３０】
発振子１００は、シリコン支持層１０（例えば、厚さ３００〜８００μｍ）と、二酸化珪素（ＳｉＯ2）のＢＯＸ（Ｂｕｒｉｅｄ  Ｏｘｉｄｅ）層２０と、シリコン活性層（例えば、厚さ５〜１００μｍ）３０とが順次積層された、いわゆるＳＯＩ(Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ)基板を用いて半導体プロセス技術によって製造されるものである。
【００３１】
振動子３２は、平面視略Ｉ字状のものであり、一対の振動子アイランド３３ａ，３３ｂ（ベース部）と、これら振動子アイランド３３ａ，３３ｂに両持ち状に支持された振動片３４とを備えている。
【００３２】
振動子アイランド３３ａ，３３ｂは、平面視矩形状のものであり、シリコン支持層１１上にＢＯＸ層１２を介して形成されている。振動子アイランド３３ａ、３３ｂのうち一方の振動子アイランド３３ａの上面には、リッド基板を貫通する貫通電極６０が形成されている。
【００３３】
振動片３４は、振動子アイランド３３ａ，３３ｂからＸ方向（一方向）に延出するとともに、Ｘ方向に直交するＹ方向（振動片３４の幅方向（他方向））に振動可能なものであり、振動片３４は、シリコン支持層１１との間にギャップを有しつつ延出している。
【００３４】
振動子３２の両側方には、振動子３２に対して一定距離を空けた状態で、振動子３２を間に挟むように一対の電極部３１ａ，３１ｂが配置されている。電極部３１ａ，３１ｂは、シリコン支持層１０上にＢＯＸ層２０を介して形成されており、振動片３４の両側方を囲むように形成されている。
【００３５】
電極部３１ａ，３１ｂのうち、一方の電極部３１ａが振動片３４の駆動用電極として構成されており、他方の電極部３１ｂが振動片の振動の検出用電極として構成されている。そして、貫通電極６０により外部電源とそれぞれ電気的に接続されることで、各電極部３１ａ，３１ｂに電圧が印加されるように構成されている。なお、各電極部３１ａ，３１ｂは必ずしも振動子３２の駆動用、検出用電極パッドである必要はなく、少なくとも振動子３２の駆動用電極を備えていればよい。
【００３６】
リッド基板４０には、貫通電極６０と薄膜５０が形成されている。貫通電極６０はリッド基板４０をフレームに密着させたときに電極部３１ａ，３１ｂと振動子アイランド３３ａに接触する位置に形成されている。また、リッド基板４０の振動片３４の上部にあたる部分にはアルミニウム（Ａｌ）などの導電性の材料からなる薄膜５０が形成されている。
【００３７】
次に、図１〜４に基づいて本実施形態の発振器の作用について説明する。
【００３８】
まず、図示しない外部電源から電気回路を通してリッド基板４０上のＩＣに電圧を印可する。すると、ＩＣは貫通電極を介して振動子アイランド３３ａと電極部３１ａの間に電圧を印可すると同時に振動子アイランド３３ａと薄膜５０の間にも電圧を印可する。
【００３９】
電極部３１ａと振動子アイランド３３ａの間に電圧を印可すると、電極部３１ａと振動片３４の間に静電引力が発生する。そして、振動片３４が、Ｙ方向、つまり振動子３４の両側にあるギャップを介して配置された一対の電極部３１ａ，３１ｂに接近離間するように振動することになる。
【００４０】
振動片３４が振動すると、振動片３４と電極部３１ａ，３１ｂとの間のギャップが変化し、振動片３４と電極部３１ａ，３１ｂとの間の静電容量が変化する。そして、その静電容量の変化を検出する。そして、検出された信号は、貫通電極６０を介してＩＣへと出力されるものである。駆動電圧の周波数が振動片３４の共振周波数と略一致すると、振動片３４は共振し、振幅が大きくなることにより得られる検出信号が大きくなる。
【００４１】
このとき、振動子アイランド３３ａと薄膜５０の間にも電圧を印可すると、薄膜５０と振動片３４の間にも静電引力が発生する。そして、図４に示すように薄膜５０が振動片３４に引き寄せられ、密着する。
【００４２】
薄膜５０が振動片３４に密着すると、振動片３４の動きは制限され振動片３４の振動する部分の長さが短くなるため、振動片３４の共振周波数を変化させることができる。
【００４３】
このように、本実施形態では、振動片３４の上部に薄膜５０を配置し、振動片３４と薄膜５０の間に電圧を印可することにより、振動片３４と薄膜５０が密着する。
【００４４】
そのため、振動片３４が薄膜５０によって固定され、振動片３４の振動する部分の長さが短くなり、振動片３４の共振周波数を変化させることができる。したがって、一つの発振子から複数の共振周波数を得ることができる。また、薄膜５０は真空封止用のリッド基板４０に形成できるため、小型化も用意であり、かつ薄膜５０と振動片３４のギャップも小さくできるため、小さな電圧で薄膜５０と振動片３４を密着させることが可能である。
【００４５】
また、一つの発振子から複数の共振周波数を得ることができるため、複数の共振周波数が必要な場合でも、複数の発振子を必要とせず発振器を小型化できる。
（第２実施形態）
次に、図５及び図６に基づいて本発明の第２実施形態について説明する。図５は、第２実施形態に係る発振子の斜視図であり、図６（ａ）は第２実施形態に係る発振子の平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。なお、本実施形態は、発振子の形状について上記第１実施形態と相違しているため、発振器の構成、その他第１実施形態と同様の構成については同一符号を付し説明は省略する。
【００４６】
図５，図６に示すように振動片３４が両端ではなく、一端の振動子アイランド３３ａでのみ固定されている。振動片３４の上部には薄膜５０が形成されている。
【００４７】
したがって、本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。
（第３実施形態）
次に、図７に基づいて本発明の第３実施形態について説明する。図７は第３実施形態に係る発振子の断面図である。なお、本実施形態においても、発振子の形状について上記第１実施形態と相違しているため、発振器の構成、その他第１実施形態と同様の構成については、同一符号を付し説明を省略する。
【００４８】
図７に示すように、本実施形態の薄膜５０はアルミ（Ａｌ）などの導電性材料５０ａと窒化シリコン膜などの誘電体材料５０ｂの二層構造で形成されている。
【００４９】
このとき、振動子アイランド３３ａと薄膜５０の間に電圧を印可すると、薄膜５０と振動片３４の間にも静電引力が発生し、薄膜５０が振動片３４に引き寄せられ密着するが、薄膜５０と振動片３４の両方が導電性の材料であった場合、電圧を切った後も薄膜５０が振動片３４に吸着しはがれなくなる場合がある。しかし、本実施形態によれば、薄膜５０が導電性材料５０ａと誘電体材料５０ｂで構成されているため、誘電体材料５０ｂが、導電性材料５０ａと振動片３４の間にあり、薄膜５０と振動片３４が吸着しはがれなくなることはない。
（第４実施形態）
次に、図８に基づいて本発明の第３実施形態について説明する。図８は第４実施形態に係る発振子の断面図である。なお、本実施形態においても、発振子の形状について上記第１実施形態と相違しているため、発振器の構成、その他第１実施形態と同様の構成については、同一符号を付し説明を省略する。
【００５０】
図８に示すように、本実施形態の振動片３４はシリコンなどの導電性材料３４ａが酸化シリコン膜などの誘電体材料３４ｂで覆われた構造になっている。
【００５１】
このとき、振動子アイランド３３ａと薄膜５０の間に電圧を印可すると、薄膜５０と振動片３４の間にも静電引力が発生し、薄膜５０が振動片３４に引き寄せられ密着するが、薄膜５０と振動片３４の両方が導電性の材料であった場合、電圧を切った後も薄膜５０が振動片３４に吸着しはがれなくなる場合がある。しかし、本実施形態によれば、振動片３４が導電性材料３４ａと誘電体材料３４ｂで構成されているため、誘電体材料３４ｂが、導電性材料３４ａと薄膜５０の間にあり、薄膜５０と振動片３４が吸着しはがれなくなることはない。
【００５２】
なお、本発明の技術範囲は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の実施形態における発振器の断面図である。
【図２】本発明の実施形態における発振子の平面図及び断面図である。
【図３】本発明の実施形態における発振子の斜視図である。
【図４】本発明の実施形態における薄膜が振動片に密着する図である。
【図５】本発明の第２実施形態における発振子の斜視図である。
【図６】本発明の第２実施形態における発振子の平面図及び断面図である。
【図７】本発明の第３実施形態における発振子の断面図である。
【図８】本発明の第４実施形態における発振子の断面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１０  シリコン支持層
２０  ＢＯＸ層
３０  シリコン活性層
３１ａ，３１ｂ  電極部
３２  振動子
３３ａ，３３ｂ  振動子アイランド
３４  振動片
３４ａ  導電性材料
３４ｂ  誘電体材料
４０  リッド基板
５０  薄膜
５０ａ  導電性材料
５０ｂ  誘電体材料
６０  貫通電極
１００  発振子
１０００  発振器
【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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