(57)【要約】  圧電共振器装置は５つの層を備える。第１層及び第５層は１つまたは複数の金属電極を含む。第２層及び第４層は圧電材料を含む。第３層は金属層を含む。第１層の第１領域において、第１層金属電極は、１つまたは複数の第１層金属電極の１つと第１層金属電極の無い空間とを含む１次元に沿った第１層周期的構造を含む。第５層の第２領域において、第５層金属電極は、１つまたは複数の第５層金属電極の１つと第５層金属電極の無い空間とを含む１次元に沿った第５層周期的構造を含む。第１層周期的構造及び第５層周期的構造は、１つまたは複数の第５層金属電極の１つが第１層金属電極の無い空間の下に中心が置かれ、１つまたは複数の第１層金属電極の１つが第５層金属電極の無い空間上に中心が置かれるように配列されるか、または１つまたは複数の第５層金属電極の１つが第１層金属電極の下に中心が置かれるように配列される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つまたは複数の第１層金属電極を含む第１層であって、前記第１層の第１領域中に、前記１つまたは複数の第１層金属電極のうちの１つと、第１層金属電極の無い空間とを含む、１次元に沿った第１層周期的構造を有する、第１層と、
第１圧電材料を含み、前記第１層と隣接する第２層と、
１つまたは複数の第３層金属電極を含み、前記第２層の前記第１層の側と逆側に隣接する第３層と、
第２圧電材料を含み、前記第３層の前記第２層の側と逆側に隣接する第４層と、
１つまたは複数の第５層金属電極を含む第５層であって、前記第４層の前記第３層の側と逆側に隣接し、前記第５層の第２領域中に、前記１つまたは複数の第５層金属電極のうちの１つと、第５層金属電極の無い空間とを含む、１次元に沿った第５層周期的構造を有する、第５層と、を備え、
前記第１層または前記第５層における前記金属電極のうちの第１の電極が、第１信号を提供するように構成された第１コンタクトに接続され、前記第１層または前記第５層における前記金属電極のうちの第２の電極が、第２信号を提供するように構成された第２コンタクトに接続されている、圧電共振器装置。
【請求項２】
前記第１コンタクトが、前記第１信号を受信するように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第２コンタクトが、前記第２信号を受信するように構成されている、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記第２コンタクトが、前記第２信号を出力するように構成されている、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記第１コンタクトが第１ポートと関連している、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記第２コンタクトが第２ポートと関連している、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記第３層が接地されている、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記１つまたは複数の第５層金属電極のうちの１つが、前記第１層金属電極の無い空間の下に中心が置かれ、前記１つまたは複数の第１層金属電極のうちの１つが、前記第５層金属電極の無い空間上に中心が置かれるように、前記第１層周期的構造及び前記第５層周期的構造が配列されている、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記１つまたは複数の第５層金属電極のうちの１つが、前記１つまたは複数の第１層金属電極のうちの１つの下に中心が置かれるように、前記第１層周期的構造及び前記第５層周期的構造が配列されている、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
１つまたは複数の第１層金属電極を含む第１層であって、前記第１層の第１領域中に、前記１つまたは複数の第１層金属電極のうちの１つと、第１層金属電極の無い空間とを含む１次元に沿った第１層周期的構造を有する、第１層と、
第１圧電材料を含み、前記第１層と隣接する第２層と、
１つまたは複数の第３層金属電極を含み、前記第２層の前記第１層の側と逆側に隣接する第３層と、
第２圧電材料を含み、前記第３層の前記第２層の側と逆側に隣接する第４層と、
１つまたは複数の第５層金属電極を含む第５層であって、前記第４層の前記第３層の側と逆側に隣接し、前記第５層の第２領域中に、前記１つまたは複数の第５層金属電極のうちの１つと、第５層金属電極の無い空間とを含む、１次元に沿った第５層周期的構造を有する、第５層と、を備え、
前記１つまたは複数の第１層金属電極が、複数の第２電極と相互にかみ合わされた複数の第１電極を備える、圧電共振器装置。
【請求項１１】
前記第１層金属電極の複数の第１電極が互いに電気的に接続され、前記第１層金属電極の複数の第２電極が互いに電気的に接続されている、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記１つまたは複数の第５層金属電極が、複数の第２電極と相互にかみ合わされた複数の第１電極を備える、請求項１０に記載の装置。
【請求項１３】
前記第５層金属電極の複数の第１電極が互いに電気的に接続され、前記第５層金属電極の複数の第２電極が互いに電気的に接続されている、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記第１層金属電極の複数の第１電極が前記第５層金属電極の複数の第２電極と電気的に接続され、前記第１層金属電極の複数の第２電極が前記第５層金属電極の複数の第１電極と電気的に接続されている、請求項１２に記載の装置。
【請求項１５】
１つまたは複数の第１層金属電極を含む第１層であって、前記第１層の第１領域中に、前記１つまたは複数の第１層金属電極のうちの１つと、第１層金属電極の無い空間と、を含む１次元に沿った第１層周期的構造を有する、第１層と、
第１圧電材料を含み、前記第１層と隣接する第２層と、
１つまたは複数の第３層金属電極を含み、前記第２層の前記第１層の側と逆側に隣接する第３層と、
第２圧電材料を含み、前記第３層の前記第２層の側と逆側に隣接する第４層と、
１つまたは複数の第５層金属電極を含む第５層であって、前記第４層の前記第３層の側と逆側に隣接し、前記第５層の第２領域中に、前記１つまたは複数の第５層金属電極のうちの１つと、第５層金属電極の無い空間とを含む、１次元に沿った第５層周期的構造を有する、第５層と、
前記第５層の前記第４層の側と逆側に隣接する第６層と、
を備える、圧電共振器装置。
【請求項１６】
前記第６層が低音響損失材料を含む、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記低音響損失材料が、ケイ素、サファイア、ニッケル、ダイヤモンド、二酸化ケイ素、及び炭化ケイ素からなる群から選択された、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記第６層が、前記第２層と実質的に類似した横寸法を有する、請求項１５に記載の装置。
【請求項１９】
前記１つまたは複数の第１層金属電極が、アルミニウム、白金、モリブデン、金、銀、ニッケル、またはルテニウムのうちの１つを含む、請求項１から１８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２０】
前記１つまたは複数の第５層金属電極が、アルミニウム、白金、モリブデン、金、銀、ニッケル、またはルテニウムのうちの１つを含む、請求項１から１９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２１】
前記第３金属層が、アルミニウム、白金、モリブデン、金、銀、ニッケル、またはルテニウムのうちの１つを含む、請求項１から２０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２２】
前記第１圧電材料及び前記第２圧電材料が、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、石英、ガリウムヒ素、またはニオブ酸リチウムのうちの１つを含む、請求項１から２１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２３】
前記１つまたは複数の第１層金属電極が、前記１つまたは複数の第１層金属電極に関連する完全な半周期ではない１次元に沿った幅を有する、請求項１から２２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２４】
前記１つまたは複数の第５層金属電極が、前記１つまたは複数の第１層金属電極に関連する完全な半周期ではない１次元に沿った幅を有する、請求項１から２３のいずれか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［優先権主張］
本出願は、２００９年６月１１日付けで出願された表題「２つの層を備えた圧電共振器」である米国特許出願第１２／４５６，２４５号の優先権を主張するものであり、その内容は参照によりここに組み込まれる。
【０００２】
［政府による支援の明示］
本研究は、ＮＡＳＡフェーズＩ  ＳＢＩＲ  ＮＮＪ０７ＪＢ０４Ｃによって支援されたものである。
【背景技術】
【０００３】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）フィルタは、サイズ、重量、及び無線などの電子装置の一部として使用される場合に必要な電力を低減することができるという利点を有する。しかしながら、ＭＥＭＳ型フィルタには制限がある。例えば、厚みＭＥＭＳ型フィルタ（例えば、厚み縦振動モード圧電共振器）は、典型的に、基板ダイあたり単一の動作周波数に制限される。別の例では、リソグラフィで決定される動作周波数共振器（例えば、輪郭広がりポリシリコン共振器）は、低いインピーダンス（例えば５０Ω）の仕様を満たすことができない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
２つの圧電層を備えた微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）圧電共振器について記載する。圧電共振器デバイスは、テザーを使用して懸架された一組の層を備える。一組の層は、中間金属層によって分離された２つの圧電層と、圧電層の外部に隣接する金属電極層とを備える（例えば、金属電極層、圧電層、中間金属層、圧電層、金属電極層）。金属電極層は、互いに関連した電極のパターンを有する。上部及び下部層上の金属電極、並びに中間金属層は、２つの圧電層の各々にわたる電位を印加、感知、または印加及び感知するために使用される。圧電層の圧電効果は、各層にわたる電位を層における機械的応力に変換する。圧電層の逆圧電効果は、各圧電層における機械的応力を層にわたる電位に変換する。共振器構造は、デバイスの固有振動数で定期的に印加される電界を変化させることによって、機械的共振で作動することができる。いくつかの実施形態では、圧電層は、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、石英、ガリウムヒ素、ニオブ酸リチウム、または任意のその他の適当な材料の１つを含む。電極間の距離、及び電極と中間金属層との接続性が、共振器構造の周波数応答を決定する。
【０００５】
いくつかの実施形態では、上部金属電極、中間金属層、及び／または下部金属電極は、アルミニウム、白金、モリブデン、金、銀、ニッケル、ルテニウム、または任意のその他の適当な金属を含む。いくつかの実施形態では、上部金属電極、中間金属層、及び／または下部金属電極は、同一の金属または異なる金属を含む。
【０００６】
実施形態によっては、金属電極の２つの層は、一組の層の上部または下部から見たときに、上部の電極領域が下部の電極領域の間の空間に中心が置かれ、下部の電極領域が上部の電極領域の間の空間に中心が置かれるように、互い違いの領域のパターンを有する。さまざまな実施形態では、該領域は、層の領域において略長方形、層の領域において略同心円弧または円の一部、または任意のその他の適当な形状を有する。さまざまな実施形態では、電極は、電極領域の間の空間とほぼ同一の幅を有するか、電極領域の間の空間と比較して狭い幅であるか、電極領域の間の空間と比較して広い幅であるか、または任意のその他の適当な幅を有する。圧電共振器の電気機械結合定数の大きさは、電極領域の間の空間の幅と比較した電極の相対幅に依存する。
【０００７】
いくつかの実施形態では、金属電極の上部層及び金属電極の下部層は、互いに電気的に接続される。
【０００８】
いくつかの実施形態では、金属電極の層の各々（例えば上部層及び下部層）は、２組の互いにかみ合う電極を備える。１組の上部電極は１組の下部電極に接続され、他方の組の上部電極は他方の組の下部電極に接続されている。さまざまな実施形態では、上部及び下部層上の接続された組は、対応して互いに上下に位置する上部及び下部の組が接続されるように、または対応して互いに上下に位置する上部及び下部の組が接続されないように、電気的に接続される。
【発明の効果】
【０００９】
いくつかの実施形態において、所与のリソグラフィで画定された金属電極線幅では、２層圧電共振器装置は、単一層圧電共振器装置の２倍の最大動作周波数を可能にする。所与の動作周波数ではより大きな線幅が望ましい。その理由は、（１）リソグラフィの公差を縮小する（例えば、ＣＭＯＳに対してＭＥＭＳ製造装置はしばしば最先端より数世代遅れているため、及びデバイスのリソグラフィは、ウエハトポグラフィ（例えば、数マイクロメートルとなる段差）に対応しなければならないため、有利である）、（２）電極の抵抗負荷を低下させる（例えば、抵抗負荷は電極抵抗と関連し、該電極抵抗は低インピーダンス共振器のＱを破壊する）、（３）横方向の歪み場の大部分を電極が覆うことを可能にすることによって、変換効率を増加させる（例えば、共振器構造の圧電構造の動作に伴うより多くの電荷を含むため、有利である）、及び（４）強制機能をより効果的に所望のモードの振動にし、追加のトランスデューサー層を備えることによって、プレートの望ましくないモードを抑制する（例えば、これは、２ポートトポロジーでは特に効果的である）。
【００１０】
いくつかの実施形態では、２層のパターン形成されていない電極構造と比較して、２層のパターン化共振器構造は、以下の利点を有する。（１）共振器構造を周期的にさせ、かつ／または極性電位対を交互にしてより効果的に所望のモードの振動にし、共振器構造の望ましくないモードを抑制する、（２）電極の数の増加によって共振器構造のインピーダンスの縮小を可能にする、（３）構造の幅の変動は、共振器構造の基本幅縦振動モードにおいて作動するデバイスと比較するとデバイス周波数への影響が１／ｎ倍であるため、周波数設定精度を向上させ、かつ／またはトリミングの必要性を減少させる、ここで、ｎは共振器の表面上の半波長周期の数である（例えば電極の数）、及び（４）あらゆる横振動モードデバイスの特徴的な応答に現われる厚み縦振動反応が、あまり顕著でない。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】２層の圧電層を備えた圧電共振器の実施形態を示すブロック図である。
【図２】２層の圧電層を備えた圧電共振器の上部金属電極の実施形態の上面図である。
【図３】２層の圧電層を備えた圧電共振器の下部金属電極の実施形態の上面図である。
【図４】２層の圧電層を備えた圧電共振器の実施形態を示すブロック図である。
【図５Ａ】中間金属層と接続しているビアの実施形態を示す図である。
【図５Ｂ】中間金属層と接続しているビアの実施形態を示す図である。
【図６Ａ】上部及び下部金属電極層と接続しているビアの実施形態を示す図である。
【図６Ｂ】上部及び下部金属電極層と接続しているビアの実施形態を示す図である。
【図７】２層の圧電層を備えた圧電共振器の実施形態を示すブロック図である。
【図８】２層の圧電層を備えた圧電共振器の上部金属電極を含む実施形態の上面図を示す。
【図９】２層の圧電層を備えた圧電共振器の下部金属電極の実施形態の上面図を示す図である。
【図１０】２層の圧電層を備えた圧電共振器の実施形態を示すブロック図である。
【図１１】２層の圧電層を備えた圧電共振器の実施形態を示すブロック図である。
【図１２】一実施形態における共振器構造の周波数応答を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
発明のさまざまな実施形態が、以下の発明の詳細な説明及び添付図面に記載されている。
【００１３】
本発明は、方法、装置、システム、物体の構成、コンピュータ可読記憶媒体上で具現化されるコンピュータプログラム、ならびに／またはプロセッサ、例えばプロセッサに連結されたメモリ上に記憶される、及び／またはそれによって提供される命令を実行するように構成されたプロセッサを含む、多様なやり方で実施することができる。本明細書中では、これらの実施または本発明がとり得る任意のその他の形態を技術と称する場合もある。通常、記載された工程の段階の順序は、本発明の範囲内で変更することができる。記載されていない場合、タスクを実行するように構成されるものとして記載されたプロセッサまたはメモリなどの部材は、所与の時間でタスクを実行するように一時的に構成された一般的な部材またはタスクを実行するために製造された特定の部材として実現され得る。本明細書において、「プロセッサ」との用語は、１つまたは複数のデバイス、回路、及び／またはコンピュータプログラム命令などのデータを処理するように構成されたプロセッシングコアを意味する。
【００１４】
本発明の１つまたは複数の実施形態について、発明の原理を図示する添付の図面に沿って以下で詳細に説明する。本発明を、このような実施形態に関連して説明するが、本発明はいかなる実施形態にも限定されない。発明の範囲は特許請求の範囲によってのみ限定され、発明は、多くの代替例、修正及び等価物を包含する。発明の完全な理解を提供するために、以下の説明に多数の詳細を記載する。これらの詳細は、例示目的で与えられるものであり、本発明は、特許請求の範囲によって、これらの具体的詳細の一部または全部を含まず実現され得る。明確化のために、本発明に関する技術分野で知られている専門データについては、発明を不必要に不明りょうにしないために、詳細には記載しない。
【００１５】
図１は、２つの圧電層を備えた圧電共振器の実施形態を図示したブロック図である。示された例では、共振器構造１００は、テザー１０２及びテザー１０４を使用してキャビティ上に懸架されている。共振器構造１００の横寸法は、およそ１ＧＨｚで作動するように設計されたデバイスでは通常数百マイクロメートル×数百マイクロメートル、１０ＭＨｚで作動するように設計されたデバイスでは、最大数千マイクロメートル×数千マイクロメートル程度であり、各圧電層は通常０．５から３マイクロメートルの厚さを有する。テザー１０４は、共振器構造１００を構成する同一の圧電層内に画定され、通常５マイクロメートルの幅であり、その長さ（共振器構造を周囲と接続する方向）が共振４分の１波長の整数倍となるように設計される。共振器構造１００は、上部金属電極層、上部金属電極層の下の上部圧電層、上部圧電層の下の中間金属層、中間金属層の下の下部圧電層、及び下部圧電層の下の下部金属電極層を含む一組の層を備える。中間金属層は、テザー１０４を介してビア１０６、並びに接触ストリップ１１０及び接触ストリップ１１４へと電気的に接続される。上部金属電極層及び下部金属電極層は、テザー１０２を介してビア１０８、及び接触ストリップ１１２へと電気的に接続される。接触ストリップ１１０／接触ストリップ１１４及び接触ストリップ１１２は、共振器構造１００への１ポート接続として使用することができ、すなわち、例えば接触ストリップ１１０／接触ストリップ１１４が接地され、接触ストリップ１１２が信号入力へと接続される。共振器構造１００は、入力信号が提供されると共振器構造の電気的応答に連結される振動応答を有する上部及び下部表面上に金属電極のパターンを備える。振動応答は、振動モードであり、テザー１０２とテザー１０４との間の軸に垂直な軸に沿った振動モードである。上部及び下部金属電極は、共振器構造１００のいずれかの端部にバス接続ストリップを除いた全てを備える共振器構造１００の表面の領域内に、テザー１０２とテザー１０４との間の軸に垂直な軸に沿った周期的構造を有する。共振器構造１００の共振周波数応答は、該表面上の周期的構造の周期性を選択することによって制御される。共振の周波数は、１／（電極の周期）に比例し、上部圧電層及び下部圧電層の圧電材料における弾性波伝播の速度に関連する。例えば、共振構造が窒化アルミニウムからなる場合、１０マイクロメートルの電極周期は、約１ＧＨｚの共振周波数に相当する。共振時、圧電層における弾性波伝播は、パターン形成された電極の周期と等しい半波長を有する。構造は、パターン形成された金属層にわたる構造共振周波数で定期的に変化する調和電位を印加することによって共振させることができる。周期電極のレイアウト及び相互接続性が、構造の望まないスプリアスモードの振動の応答を抑制し、所望のモードの振動に変換することが好ましい。例えば、他のモードを実質的に変換することなく、特定の高次の振動モードを変換することができる。ＤＣ定電位に対する応答と比較して、共振器の機械的応答の振幅には、品質係数か乗じられる（典型的な品質係数は５００から５０００程度である）。テザー１０２とテザー１０４との間の軸に沿った共振器��造１００の長さ及び電極周期の数を選択することで、圧電材料の移動によって発生する電荷量を計測することによって、共振器構造１００のインピーダンスが制御される。
【００１６】
図２は、２つの圧電層を備えた圧電共振器の上部金属電極の上面図の実施形態を示す図である。実施形態によっては、図１の共振器に関連する金属電極を実現するために、図２の金属電極が使用される。示された例では、共振器構造は、上面図に見られる上部層金属電極の一部として、電気的に接続されたバス２００、周期的ストリップ２１０、及びバス２０８を備える。バス２００、周期的ストリップ２１０、及びバス２０８は、コネクタ２０２を使用してビア２０４へと電気的に接続されている。コネクタ２０２は、共振器構造を懸架するために使用されるテザー２１４と交わる。共振器構造は、空間２０６で囲まれ、テザー２１４及びテザー２１６を使用して共振器構造を囲む構造に接続されている。周期的ストリップ２１０は、テザー２１４とテザー２１６との間を通る軸に垂直な方向に沿って、例えば軸２１２に沿って、周期的である。周期的ストリップ２１０は、線２１２に関連する方向に沿って、金属の領域及び金属のない領域を交互に有する。さまざまな実施形態では、金属の領域及び金属の無い領域は同一の幅を有するか、金属の領域が金属の無い領域より広いか、金属の領域が金属の無い領域より狭いか、または幅の間にその他の適当な関係を有する。金属電極を有する領域及び有さない領域の幅は、１ＧＨｚで作動するように設計された共振器ではそれぞれ５マイクロメートル程度であり、金属電極の厚さは通常１００から３００ナノメートル程度である。圧電共振器の電気機械結合定数の大きさは、電極領域の間の空間の幅と比較した電極の相対幅の関数である。いくつかの実施形態では、共振器の電気機械結合は、電極／空間幅比の非線形関数である。いくつかの実施形態では、金属電極の幅が電極間隔の完全な半周期未満である場合、共振器の電気機械結合がより効率的であるため、金属電極の幅は、電極間隔の完全な半周期に対応する幅ではない（例えば電極間隔の完全な半周期と等しい）。いくつかの実施形態では、電極／空間幅比の最適値は、約７４％である。周期的ストリップ２１０は、金属の無い領域が下部金属電極における一組の周期的ストリップの直上に存在するように、配置される。
【００１７】
図３は、２つの圧電層を備えた圧電共振器の下部金属電極の上面図の実施形態を示す図である。実施形態によっては、図１の共振器に関連する金属電極を実現するために図３の金属電極が使用されることもある。示された例では、共振器構造は、上面図に見られる下部層金属電極の一部として、電気的に接続されたバス３００、周期的ストリップ３１０、及びバス３０８を備える。バス３００、周期的ストリップ３１０、及びバス３０８は、コネクタ３０２を使用してビアコンタクト３０４と電気的に接続されている。コネクタ３０２は、共振器構造を懸架するために使用されるテザー３１４と交わる。共振器構造は、空間３０６に囲まれ、テザー３１４及びテザー３１６を使用して、共振器構造を囲む構造と接続されている。周期的ストリップ３１０は、テザー３１４とテザー３１６との間を通る軸に垂直な方向に沿って、例えば軸３１２に沿って周期的である。周期的ストリップ３１０は、線３１２に関連する方向に沿って、金属の領域及び金属の無い領域を交互に有する。さまざまな実施形態では、金属の領域及び金属の無い領域は同一の幅を有するか、金属の領域が金属の無い領域より広いか、金属の領域が金属の無い領域より狭いか、または幅の間にその他の適当な関係を有する。金属電極を有する領域及び有さない領域の幅は、１ＧＨｚで作動するように設計された共振器ではそれぞれ５マイクロメートル程度であり、金属電極の厚さは通常１００から３００ナノメートル程度である。圧電共振器の電気機械結合定数の大きさは、電極領域の間の空間の幅と比較した電極の相対幅の関数である。周期的ストリップ３１０は、金属の無い領域が周期的ストリップ２１０の直下に存在するように、配置される。
【００１８】
図４は、２つの圧電層を備えた圧電共振器の実施形態を示すブロック図である。実施形態によっては、図１の共振器を実現するために図４の共振器が使用されることもある。示された例では、周期的ストリップ４２０は、コネクタ４１４及びビア４１２に同じく電気的に接続されたバス４１８と電気的に接続されている。コネクタ４１４はテザー４１６と交わる。テザー４１６は、基板４０８内のキャビティ４１０上で共振器構造を懸架する。共振器構造は、（１）周期的ストリップ４２０及びバス４１８を含む金属電極の上部層、（２）上部圧電層４０４、（３）中間金属層４０６、（４）下部圧電層４０２、及び（５）周期的ストリップ４００を含む金属電極の下部層を備える。上部層の周期的ストリップ４２０は、下部層の周期的ストリップ４００の間の空間上に中心が置かれている。同様に、上部層の周期的ストリップ４２０の間の空間は、下部層の周期的ストリップ４００上に中心が置かれている。
【００１９】
図５Ａ及び５Ｂは、中間金属層に接続しているビアの実施形態を示す図である。実施形態によっては、図１の共振器に関連するビアを実現するために図５Ａ及び５Ｂのビアを使用することもある。示された例では、共振器構造は、テザー５０２を使用して基板に連結されている。共振器構造は、空間５００によって基板から分離されている。金属コネクタ５０４は、共振器構造中の中間金属層と電気的に接続され、テザー５０２上で共振器構造に交わる。接触ストリップ５０６は、ビアを使用して金属コネクタ５０４と電気的に接続されている。図５Ｂに示される断面図では、金属コネクタ５１４は、接触ストリップ５１６と電気的に接続されている。いくつかの実施形態では、金属コネクタ５１４は、金属コネクタ５０４に対応し、接触ストリップ５１６は接触ストリップ５０６に対応する。
【００２０】
図６Ａ及び６Ｂは、上部及び下部金属電極層と接続するビアの実施形態を示す図である。実施形態によっては、図１の共振器に関連するビアを実現するために図６Ａ及び６Ｂのビアを使用することもある。示された例では、共振器構造は、テザー６０２を使用して基板に連結されている。共振器構造は、空間６００によって基板から分離されている。金属コネクタ６０４は、共振器構造中の上部金属電極層と電気的に接続され、テザー６０２上で共振器構造に交わる。金属コネクタ６０６は、共振器構造中の下部金属電極層と電気的に接続され、テザー６０２上で共振器構造に交わる。接触ストリップ６０８は、ビアを使用して金属コネクタ６０４及び金属コネクタ６０６と電気的に接続されている。図６Ｂに示される断面図では、金属コネクタ６１４は、金属コネクタ６１６及び接触ストリップ６１８と電気的に接続されている。いくつかの実施形態では、金属コネクタ６１４は金属コネクタ６０４に相当し、金属コネクタ６１６は金属コネクタ６０６に相当し、接触ストリップ６１８は接触ストリップ６０８に相当する。
【００２１】
図７は、２つの圧電層を備えた圧電共振器の実施形態を示すブロック図である。示された例では、共振器構造７００は、テザー７０２及びテザー７０４を使用してキャビティ上に懸架されている。共振器構造７００の横寸法は、およそ１ＧＨｚで作動するように設計されたデバイスでは通常数百マイクロメートル×数百マイクロメートル、１０ＭＨｚで作動するように設計されたデバイスでは、最大数千マイクロメートル×数千マイクロメートル程度であり、各圧電層は通常０．５から３マイクロメートルの厚さを有する。テザー７０４は、共振器構造７００を構成する同一の圧電層内に画定され、通常５マイクロメートルの幅であり、その長さ（共振器構造を周囲と接続する方向）が共振４分の１波長の整数倍となるように設計される。共振器構造７００は、上部金属電極層、上部金属電極層の下の上部圧電層、上部圧電層の下の中間金属層、中間金属層の下の下部圧電層、及び下部圧電層の下の下部金属電極層を含む一組の層を備える。中間金属層は、テザー７０２及びテザー７０４を介してビア７１６、ビア７１８、ビア７２０、及びビア７２２並びに接触ストリップ７１０及び接触ストリップ７１４へと電気的に接続される。上部金属層上の一組の電極及び下部金属層上の一組の電極は、テザー７０２を介してビア７０８、及び接触ストリップ７１２へと電気的に接続される。上金属層上の別の組の電極及び下部金属層上の別の組の電極は、テザー７０４を介してビア７０６及び接触ストリップ７２４へと電気的に接続される。接触ストリップ７１０／接触ストリップ７１４並びに接触ストリップ７１２及び接触ストリップ７２４は、共振器構造７００への２ポート接続として使用することができ、すなわち、例えば接触ストリップ７１０／接触ストリップ７１４が接地され、接触ストリップ７１２が信号入力／出力へと接続され、接触ストリップ７２４が別の信号入力／出力へと接続される。共振器構造７００は、入力信号が提供されると共振器構造の電気的応答に連結される振動応答を有する上部及び下部表面上の金属電極のパターンを備える。振動応答は、テザー７０２とテザー７０４との間の軸に垂直な軸に沿った振動モードである。上部及び下部金属電極は、共振器構造７００のいずれかの端部にバスコネクタストリップを除いた全てを備える共振器構造７００の表面の領域内に、テザー７０２とテザー７０４との間の軸に垂直な軸に沿った周期的構造を有する。共振器構造７００の共振周波数応答は、該表面上の周期的構造の周期性を選択することによって制御される。共振の周波数は、１／（電極の周期）に比例し、上部圧電層及び下部圧電層の圧電材料における弾性波伝播の速度に関連する。例えば、共振構造が窒化アルミニウムからなる場合、１０マイクロメートルの電極周期は、約１ＧＨｚの共振周波数に相当する。共振時、圧電層における弾性波伝播は、パターン形成された電極の周期と等しい半波長を有する構造は、パターン形成された金属層にわたる構造共振周波数で定期的に変化する調和電位を印加することによって共振させることができる。周期電極のレイアウト及び相互接続性が、構造の望まないスプリアスモードの振動の応答を抑制し、所望のモードの振動に変換することが好ましい。例��ば、他のモードを実質的に変換することなく、特定の高次の振動モードを変換することができる。ＤＣ定電位に対する応答と比較して、共振器の機械的応答の振幅には、品質係数が乗じられる（典型的な品質係数は５００から５０００程度である）。テザー７０２とテザー７０４との間の軸に沿った共振器構造７００の長さ及び電極周期の数を選択することで、圧電材料の移動によって発生する電荷量を計測することによって、共振器構造７００のインピーダンスが制御される。
【００２２】
図８は、２つの圧電層を備えた圧電共振器の上部金属電極を含む上面図の実施形態を示す図である。実施形態によっては、図７の共振器に関連する金属電極を実現するために図８の金属電極が使用される。示された例では、共振器構造は、上面図に見られる上部層金属電極の一部として、電気的に接続されたバス８００、周期的ストリップ８１０、周期的ストリップ８１１、及びバス８０８を備える。バス８００及び周期的ストリップ８１０は、コネクタ８０２を使用してビア８０４及び接触ストリップ８１６へと電気的に接続されている。コネクタ８０２は、共振器構造を懸架するために使用されるテザー８１４と交わる。共振器構造は、空間８０６で囲まれ、テザー８１４及びテザー８１６を使用して、共振器構造を囲む構造に接続されている。周期的ストリップ８１１及びバス８０８は、コネクタ８３４を使用してビア８３２及び接触ストリップ８２８と電気的に接続されている。
【００２３】
周期的ストリップ８１０及び周期的ストリップ８１１は、テザー８１４とテザー８１６との間を通る軸に垂直な方向に沿って、例えば軸８１２に沿って、周期的である。周期的ストリップ８１０及び周期的ストリップ８１１は、線８１２に関連する方向に沿って、金属の無い領域によって分離された金属の領域を有し、互いにかみ合っている。さまざまな実施形態では、金属の領域及び金属の無い領域は同一の幅を有するか、金属の領域が金属の無い領域より広いか、金属の領域が金属の無い領域より狭いか、または幅の間にその他の適当な関係を有する。さまざまな実施形態では、周期的ストリップ８１０及び周期的ストリップ８１１は、同一の幅の電極を有するか、異なる幅の電極を有するか、またはその他適当な幅の電極を有する。金属電極を有する領域及び有さない領域の幅は、一般的に、１ＧＨｚで作動するように設計された共振器ではそれぞれ３マイクロメートル及び２マイクロメートル程度であり金属電極の厚さは一般的に１００から３００ナノメートル程度である。隣接する金属電極が互いに電気的に接続されないように、金属電極は１つおきに電気的に接続される。圧電共振器の電気機械結合定数の大きさは、電極領域の間の空間の幅と比較した電極の相対幅の関数である。周期的ストリップ８１０及び周期的ストリップ８１１は、金属の領域が下部金属電極における２組の周期的ストリップの直上に存在するように、配置される。周期的ストリップ８１０は、下部金属電極における１組の周期的ストリップ上にあり、下部金属電極における該組の周期的ストリップは、周期的ストリップ８１１に電気的に接続される。周期的ストリップ８１１は、下部金属電極における１組の周期的ストリップ上にあり、下部金属電極における該組の周期的ストリップは、周期的ストリップ８１０に電気的に接続される。
【００２４】
接触ストリップ８２６は、ビア８２２及びビア８２０を使用して、共振器構造における中間金属層と電気的に接続される。接触ストリップ８３０は、ビア８２４及びビア８１８を使用して、共振器構造における中間金属層と電気的に接続される。
【００２５】
図９は、２層の圧電層を備えた圧電共振器の下部金属電極の上面図の実施形態を示す図である。実施形態によっては、図７の共振器に関連する金属電極を実現するために図９の金属電極が使用される。示された例では、共振器構造は、上面図に見られる下部層金属電極の一部として、周期的ストリップ９１１と電気的に接続されたバス９００を備える。バス９００及び周期的ストリップ９１１は、コネクタ９０２及びビアコンタクト９０４と接続される。コネクタ９０２は、共振器構造を懸架するために使用されるテザー９１４と交わる。上面図からわかるように、共振器構造は、下部層金属電極の一部として周期的ストリップ９１０と電気的に接続されたバス９２０を備える。バス９２０及び周期的ストリップ９１０は、コネクタ９２２及びビアコンタクト９１８と接続される。コネクタ９２２は、共振器構造を懸架するために使用されるテザー９１６と交わる。
【００２６】
共振器構造は、空間９０６で囲まれ、テザー９１４及びテザー９１６を使用して、共振器構造を囲む構造に接続されている。周期的ストリップ９１０及び周期的ストリップ９１１は、テザー９１４とテザー９１６との間を通る軸に垂直な方向に沿って、例えば軸９１２に沿って、金属の無い領域の隣に金属の領域を有し、互いにかみ合っている。さまざまな実施形態では、金属の領域及び金属の無い領域は同一の幅を有するか、金属の領域が金属の無い領域より広いか、金属の領域が金属の無い領域より狭いか、または幅の間にその他の適当な関係を有する。金属電極を有する領域及び有さない領域の幅は、一般的に、１ＧＨｚで作動するように設計された共振器ではそれぞれ３マイクロメートル及び２マイクロメートル程度であり金属電極の厚さは一般的に１００から３００ナノメートル程度である。圧電共振器の電気機械結合定数の大きさは、電極領域の間の空間の幅と比較した電極の相対幅の関数である。周期的ストリップ９１１は、金属の領域が周期的ストリップ８１１の直下に存在するように配置される。周期的ストリップ９１０は、金属の領域が周期的ストリップ８１０の直下に存在するように配置される。
【００２７】
図１０は、２つの圧電層を備えた圧電共振器の実施形態を示すブロック図である。実施形態によっては、図７の共振器を実現するために図１０の共振器が使用される。示された例では、周期的ストリップ１０２１は、コネクタ１０１４及びビア１０１２と電気的に接続されたバス１０１８に電気的に接続されている。コネクタ１０１４は、テザー１０１６と交わる。テザー１０１６は、基板１００８内のキャビティ１０１０上で共振器構造を懸架する。共振器構造は、（１）周期的ストリップ１０２０、周期的ストリップ１０２１、及びバス１０１８を含む金属電極の上部層、（２）上部圧電層１００４、（３）中間金属層１００６、（４）下部圧電層１００２、及び（５）周期的ストリップ１０００及び周期的ストリップ１００１を含む金属電極の下部層を備える。上部層の周期的ストリップ１０２０は、周期的ストリップ１００１上に中心が置かれている。上部層の周期的ストリップ１０２１は、周期的ストリップ１０００上に中心が置かれている。上部層の周期的ストリップ１０２０は、周期的ストリップ１０００と電気的に接続される。上部層の周期的ストリップ１０２１は、周期的ストリップ１００１と電気的に接続される。
【００２８】
図１１は、２つの圧電層を備えた圧電共振器の実施形態を示すブロック図である。実施形態によっては、図７の共振器を実現するために図１１の共振器が使用される。示された例では、周期的ストリップ１１００は、ビア１１１２と電気的に接続されている。テザー１１１６は、基板１１０８内のキャビティ１１１０上で共振器構造を懸架する。共振器構造は、（１）周期的ストリップ１１２０を含む金属電極の上部層、（２）上部圧電層１１０４、（３）中間金属層１１０６、（４）下部圧電層１１０２、及び（５）周期的ストリップ１１００を含む金属電極の下部層を備える。上部層の周期的ストリップ１１２０は周期的ストリップ１１００上に中心が置かれている。上部層の周期的ストリップ１１２０は、互いに電気的に接続される。下部層の周期的ストリップ１１００は、互いに電気的に接続される。周期的ストリップ１１２０及び周期的ストリップ１１００は各々、一組の金属領域及び金属の無い領域を含む。いくつかの実施形態では、電極が周期構造を形成する範囲における上部金属電極の幅は、ＡｌＮ圧電共振器構造では約３μｍであり、金属電極間に２μｍの空間を有する。
【００２９】
図１２は、１実施形態における共振器構造の周波数応答を示すグラフである。示された例では、電極パターン１２００に関する１ポート共振器構造（例えば図１、図２、図３、図４、図５または図６と類似した共振器構造）のアドミタンスの大きさが、５００ＭＨｚから２５００ＭＨｚまでの周波数でプロットされている。共振器構造は、幅７５μｍ、長さ１５０μｍ、厚さ２μｍ（２つの圧電層の各々が１μｍ厚）を有し、圧電構造は窒化アルミニウムからなる。金属電極ストリップの各々は、幅２．５μｍ及び厚さ１５０ｎｍであり、電極はアルミニウムから構成される。共振器構造は、３０半波長に相当する幅を有する。基本周波数は５８ＭＨｚ（例えば弾性波伝播関連周波数１７４０／３０ＭＨｚ）である。構造の基本幅縦振動モード及びそのオーバートーンの多くが抑制される。例えば、図１２には、５２２ＭＨｚ、５８０ＭＨｚ、６３８ＭＨｚ、６９６ＭＨｚ、７５４ＭＨｚ、８１２ＭＨｚ、８７０ＭＨｚ、９２８ＭＨｚ、９８６ＭＨｚ、１０４４ＭＨｚ、１１０２ＭＨｚ、１１６０ＭＨｚ、１２１８ＭＨｚ、１２７６ＭＨｚ、１３３４ＭＨｚ、１３９２ＭＨｚ、１４５０ＭＨｚ、１５０８ＭＨｚ、１５６６ＭＨｚ、１６２４ＭＨｚ、または１６８２ＭＨｚでのオーバートーンの応答は見られない。２．１ＧＨｚ付近の小さな低いＱピークは、厚み縦振動モードに起因するものである。
【００３０】
いくつかの実施形態では、共振器構造は、円または環状リングを含み、上部及び下部層上の周期的電極が円弧または円の一部である。
【００３１】
いくつかの実施形態では、共振器構造は、長方形以外の多角形を含み、上部及び下部層上の周期的電極が共振器構造として同種の内接多角形の一部である。
【００３２】
いくつかの実施形態では、共振器構造は、金属電極の下部層の外部に隣接する第６層をさらに備える。第６層は、低音響損失材料（ｌｏｗ  ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｌｏｓｓ  ｍａｔｅｒｉａｌ）（例えば、ケイ素、サファイア、ニッケル、ダイヤモンド、二酸化ケイ素、または炭化ケイ素）からなり、振動モードのための共振空洞として機能し、電気機械結合を低下させて圧電共振器の品質係数を上げる。第６層は、共振構造の圧電層と同一の横寸法を有する。第６層は、下部層（例えば第５層電極）と基板との間に位置し、解放されたキャビティ上にテザーによって懸架される層スタックの一部である。第６層キャビティは１から１００μｍの厚さを有する。
【００３３】
前述の実施形態は、理解を明確にするために詳細に説明されたが、本発明は、与えられた詳細に限定されない。発明を実施する多くの代替法がある。開示された実施形態は、例示的であり、限定的なものではない。
【図１】
2012530388.tif 000003
【図２】
2012530388.tif 000004
【図３】
2012530388.tif 000005
【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】平成24年2月8日(2012.2.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つまたは複数の第１層金属電極を含む第１層であって、前記第１層の第１領域中に、前記１つまたは複数の第１層金属電極のうちの１つと、第１層金属電極の無い空間とを含む、１次元に沿った第１層周期的構造を有する、第１層と、
第１圧電材料を含み、前記第１層と隣接する第２層と、
１つまたは複数の第３層金属電極を含み、前記第２層の前記第１層の側と逆側に隣接する第３層と、
第２圧電材料を含み、前記第３層の前記第２層の側と逆側に隣接する第４層と、
１つまたは複数の第５層金属電極を含む第５層であって、前記第４層の前記第３層の側と逆側に隣接し、前記第５層の第２領域中に、前記１つまたは複数の第５層金属電極のうちの１つと、第５層金属電極の無い空間とを含む、１次元に沿った第５層周期的構造を有する、第５層と、を備え、
前記第１層または前記第５層における前記金属電極のうちの第１の電極が、第１信号を提供するように構成された第１コンタクトに接続され、前記第１層または前記第５層における前記金属電極のうちの第２の電極が、第２信号を提供するように構成された第２コンタクトに接続されている、圧電共振器装置。
【請求項２】
前記第１コンタクトが、前記第１信号を受信するように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第２コンタクトが、前記第２信号を受信するように構成されている、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記第２コンタクトが、前記第２信号を出力するように構成されている、請求項１または２に記載の装置。
【請求項５】
前記第１コンタクトが第１ポートと関連している、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記第２コンタクトが第２ポートと関連している、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
前記第３層が接地されている、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
前記１つまたは複数の第５層金属電極のうちの１つが、前記第１層金属電極の無い空間の下に中心が置かれ、前記１つまたは複数の第１層金属電極のうちの１つが、前記第５層金属電極の無い空間上に中心が置かれるように、前記第１層周期的構造及び前記第５層周期的構造が配列されている、請求項１から７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
前記１つまたは複数の第５層金属電極のうちの１つが、前記１つまたは複数の第１層金属電極のうちの１つの下に中心が置かれるように、前記第１層周期的構造及び前記第５層周期的構造が配列されている、請求項１から７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
１つまたは複数の第１層金属電極を含む第１層であって、前記第１層の第１領域中に、前記１つまたは複数の第１層金属電極のうちの１つと、第１層金属電極の無い空間とを含む１次元に沿った第１層周期的構造を有する、第１層と、
第１圧電材料を含み、前記第１層と隣接する第２層と、
１つまたは複数の第３層金属電極を含み、前記第２層の前記第１層の側と逆側に隣接する第３層と、
第２圧電材料を含み、前記第３層の前記第２層の側と逆側に隣接する第４層と、
１つまたは複数の第５層金属電極を含む第５層であって、前記第４層の前記第３層の側と逆側に隣接し、前記第５層の第２領域中に、前記１つまたは複数の第５層金属電極のうちの１つと、第５層金属電極の無い空間とを含む、１次元に沿った第５層周期的構造を有する、第５層と、を備え、
前記１つまたは複数の第１層金属電極が、複数の第２電極と相互にかみ合わされた複数の第１電極を備える、圧電共振器装置。
【請求項１１】
前記第１層金属電極の複数の第１電極が互いに電気的に接続され、前記第１層金属電極の複数の第２電極が互いに電気的に接続されている、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記１つまたは複数の第５層金属電極が、複数の第２電極と相互にかみ合わされた複数の第１電極を備える、請求項１０または１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記第５層金属電極の複数の第１電極が互いに電気的に接続され、前記第５層金属電極の複数の第２電極が互いに電気的に接続されている、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記第１層金属電極の複数の第１電極が前記第５層金属電極の複数の第２電極と電気的に接続され、前記第１層金属電極の複数の第２電極が前記第５層金属電極の複数の第１電極と電気的に接続されている、請求項１２に記載の装置。
【請求項１５】
１つまたは複数の第１層金属電極を含む第１層であって、前記第１層の第１領域中に、前記１つまたは複数の第１層金属電極のうちの１つと、第１層金属電極の無い空間と、を含む１次元に沿った第１層周期的構造を有する、第１層と、
第１圧電材料を含み、前記第１層と隣接する第２層と、
１つまたは複数の第３層金属電極を含み、前記第２層の前記第１層の側と逆側に隣接する第３層と、
第２圧電材料を含み、前記第３層の前記第２層の側と逆側に隣接する第４層と、
１つまたは複数の第５層金属電極を含む第５層であって、前記第４層の前記第３層の側と逆側に隣接し、前記第５層の第２領域中に、前記１つまたは複数の第５層金属電極のうちの１つと、第５層金属電極の無い空間とを含む、１次元に沿った第５層周期的構造を有する、第５層と、
前記第５層の前記第４層の側と逆側に隣接する第６層と、
を備える、圧電共振器装置。
【請求項１６】
前記第６層が低音響損失材料を含む、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記低音響損失材料が、ケイ素、サファイア、ニッケル、ダイヤモンド、二酸化ケイ素、及び炭化ケイ素からなる群から選択された、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記第６層が、前記第２層と実質的に類似した横寸法を有する、請求項１５から１７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１９】
前記１つまたは複数の第１層金属電極が、アルミニウム、白金、モリブデン、金、銀、ニッケル、またはルテニウムのうちの１つを含む、請求項１から１８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２０】
前記１つまたは複数の第５層金属電極が、アルミニウム、白金、モリブデン、金、銀、ニッケル、またはルテニウムのうちの１つを含む、請求項１から１９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２１】
前記第３金属層が、アルミニウム、白金、モリブデン、金、銀、ニッケル、またはルテニウムのうちの１つを含む、請求項１から２０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２２】
前記第１圧電材料及び前記第２圧電材料が、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、石英、ガリウムヒ素、またはニオブ酸リチウムのうちの１つを含む、請求項１から２１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２３】
前記１つまたは複数の第１層金属電極が、前記１つまたは複数の第１層金属電極に関連する完全な半周期ではない１次元に沿った幅を有する、請求項１から２２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２４】
前記１つまたは複数の第５層金属電極が、前記１つまたは複数の第１層金属電極に関連する完全な半周期ではない１次元に沿った幅を有する、請求項１から２３のいずれか一項に記載の装置。
【国際調査報告】
2012530388.tif 000017
2012530388.tif 000018
2012530388.tif 000019