JP4760382B2

JP4760382B2 - Ｍｅｍｓ振動子

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Publication number: JP4760382B2
Application number: JP2006001113A
Authority: JP
Inventors: 竜児木原; カルモナフローレスマニュエル
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2006-01-06
Filing date: 2006-01-06
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2026-01-06
Also published as: JP2007184747A

Description

本発明は、ＭＥＭＳ振動子の構造に関する。詳しくは、複数の両端自由梁を振動の節を連結部として連環状に連結し、その連結部を支持部材によって支持するＭＥＭＳ振動子の構造に関する。

ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）技術を用いて駆動体をつくり、特定の周波数で駆動させることで振動素子として使用することができ、このようなＭＥＭＳ技術を用いたＭＥＭＳ構造体が提案されている。このようなＭＥＭＳ構造体は、一般的な振動子に比べ等価回路で考えた場合の直列抵抗成分が大きこと、振動漏れが大きい等の損失が大きいという課題を有している。

このような課題を解決するためのＭＥＭＳ振動子の構造として、複数の矩形状の振動体の角部を直線的に連結し、各振動体の平面中央部をアンカー（支持部）で基板に支持し、複数の振動体を同周波数で駆動するＭＥＭＳ振動子というものが知られている（例えば、非特許文献１参照）。

また、短冊状の振動片の両端部を基板に接続支持し、この振動片を並列に複数個配設して複数の振動片を同じ周波数で同時に駆動させるＭＥＭＳ振動子というものも知られている（例えば、非特許文献２参照）。

Ｍ．Ｕ．Ｄｅｍｉｒｃｉ，ｍ．ａ．ａ．Ａｂｄｅｌｍｏｎｅｕｍ，ａｎｄＣ．Ｔ−Ｃ．Ｎｇｕｙｅｎ"ＭｅｃｈａｎｉｃａｌｌｙＣｏｒｎｅｒ−ＣｏｕｐｌｅｄＳｑｕａｒＭｉｃｒｏｒｅｓｏｎａｔｏｒＡｒｒａｙＲｅｄｕｃｅｄＳｒｉｅｓＭｏｔｉｏｎａｌＲｅｓｉｓｔａｎｎｃｅ"，Ｓｏｌｉｄ−ＳｔａｔｅＳｅｎｓｏｒｓ＆Ａｃｔｕａｔｏｒｓ（Ｔｒａｎｎｓｄｕｃｅｒｓ’０３），ｐｐ．９９５−９５８，Ｊｕｎｅ２００３．Ｓ．ＬｅｅａｎｄＣ．Ｔ−Ｃ．Ｎｇｕｙｅｎ"ＭｅｃｈａｎｉｃａｌｌｙＣｏｒｎｅｒ−ＣｏｕｐｌｅｄＭｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌＲｅｓｏｎａｔｏｒＡｒｒａｙｓｆｏｒＩｍｐｒｏｖｅｄＰｈａｓｅＮｏｉｓｅ"，ＩＥＥＥＩｎｔ．Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ，ｐｐ．２８０−２８６，Ａｕｇｕｓｔ２００４．

このような非特許文献１や非特許文献２では、複数の振動子を同一周波数で駆動させることにより直列抵抗成分を小さくしてエネルギー損失を低減して駆動特性を改善しようとしている。この構造は、等価回路で考えたときに、抵抗が並列接続されていることに相当し、振動子全体として直列抵抗成分を下げるものである。

しかしながら、非特許文献１によれば、振動の節の部分を一点で固定することにより、基板への振動漏れを軽減させ高いＱ値を実現することが可能であるが、中心部（節の部分）をアンカーで支持する構造のため、位置が僅かにずれただけでも所望の駆動特性が得られなくなるという製造精度のつくりこみに課題がある。

また、非特許文献２では、短冊状の振動子の両端部を直接基板に接続しているために、支持部から基板への振動漏れがあり、高いＱ値を得ることは困難である。さらに、支持部は、振動子の両端に設けられるため、仮に振動子を５個配設する場合には、１０箇所の支持が必要になることから、支持部からの振動漏れを増長させてしまうことも考えられる。

本発明の目的は、前述した課題を解決することを要旨とし、振動漏れがなく、エネルギー損失を低減し、Ｑ値が高く、高効率に駆動できるＭＥＭＳ振動子を提供することである。

本発明のＭＥＭＳ振動子は、基板と、前記基板の表面に形成される複数の両端自由梁と、前記複数の両端自由梁それぞれを振動の節となる位置を連結部として交差連結し、連環状に構成されるＭＥＭＳ構造体と、前記連結部から延在され、前記ＭＥＭＳ構造体を前記基板の表面と空隙を有して支持する支持部材と、が備えられ、前記複数の両端自由梁を同時に同じ周波数で駆動することを特徴とする。

この発明によれば、複数の両端自由梁を振動の節で交差連結し、この連結部を支持部材によって支持しているために両端自由梁の振動による支持部材の変位は非常に小さく、基板への振動漏れを抑制することができる。さらに、連結部を支持する構造であるため、上述した非特許文献２のように、単独で振動片（梁）の両端を支持し複数個を並列に連結する構造に比べ、支持部を少なくすることができるので、より一層、振動漏れを抑制することができ、Ｑ値を高めることができるという効果がある。

また、複数の両端自由梁を同一の共振周波数で駆動することで、等価回路における直列抵抗を並列接続することに相当するため、直列抵抗成分を小さくすることができるので直列抵抗成分によるエネルギー損失を低減することができる。

また、前記複数の両端自由梁が、２ｎ個（ｎは２以上の整数）備えられ、前記複数の両端自由梁のうち、隣り合う両端自由梁それぞれを同じ周波数、且つ、逆位相、で駆動することが好ましい。

すなわち、両端自由梁は、４個以上の偶数個で構成され、隣り合う両端自由梁それぞれを逆位相、同じ周波数で駆動するため、ＭＥＭＳ構造体全体としての駆動（振動）のバランスがとれ、振動の節で指示していることから、一層、支持部材から基板への振動漏れを抑制することができる。

また、前記支持部材が、前記連結部の側面から前記ＭＥＭＳ構造体の外側または内側に向かって放射状に延在されている支持梁であることが好ましい。

支持梁は、振動の節となる部分、つまり両端自由梁の連結部の側面から放射状に延在しているため、両端自由梁と支持梁とは、フォトリソグラフィ等の同一工程において形成することが可能であり、振動の節となる部分と支持梁との位置関係を高精度に管理することができ、それらの位置ずれによる振動漏れや、振動特性への影響を抑制することができる。

また、前記両端自由梁の共振周波数における波長をλとしたとき、前記支持梁の長さが（１／４）λに設定されていることが好ましい。

支持梁の長さをこのように設定すれば、複数の両端自由梁が振動した際に、支持梁から基板への振動漏れ（支持梁のねじれ振動として）をより一層抑制することができる。

さらに、前記支持部材が、前記連結部の平面略中央と前記基板とを接続する支持柱であることが望ましい。

支持部材が支持柱であるということは、両端自由梁の連結部中央（つまり、振動の節の位置）に、この支持柱を設けることができることから、振動漏れをより抑制する効果があるとともに、ＭＥＭＳ構造体の形状を簡素化することができる。

また、前記両端自由梁の共振周波数における波長をλとしたとき、前記支持柱の高さが、（１／４）λに設定されていることが好ましい。

支持柱の高さ（長さ）をこのように設定すれば、前述した支持梁の長さの設定と同様に、複数の両端自由梁が振動した際に、支持柱から基板への振動漏れをより一層抑制することができる。

さらに、前記基板の表面の前記複数の両端自由梁それぞれの長手方向中央部に、前記両端自由梁と空隙を有して交差する駆動電極が設けられ、前記複数の両端自由梁が、前記基板の表面に対して垂直に駆動されることが望ましい。

このように両端自由梁と駆動電極とを構成すれば、両端自由梁の幅で、両端自由梁と駆動電極との交差面積が決定されるため、駆動電極の厚さは電気特性が保証される程度の厚さがあればよく、薄膜プロセスで形成することが可能で、製造し易いという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１〜図５は本発明の実施形態１に係るＭＥＭＳ振動子の構造を示し、図６は、実施形態１の変形例、図７，８は、実施形態２、図９，１０は実施形態３に係るＭＥＭＳ振動子を示している。
（実施形態１）

図１は、実施形態１に係るＭＥＭＳ振動子の一部を示す平面図、図２は、図１のＡ―Ａ切断面を示す断面図である。図１，２において、ＭＥＭＳ振動子１０は、基板２０の表面に駆動部としてのＭＥＭＳ構造体４０と駆動電極７１〜７４とを備えて構成されている。ＭＥＭＳ構造体４０は、断面が矩形の棒状の同じ形状の振動体４個が井桁状に連結されて構成されている。

これら４個の振動体は、振動の節となる部分どうしを交差連結した形状に１体に形成されている。従って、これらの振動体は、振動の節に相当する連結部４１〜４４を基部として長手方向の中央部と両端が可動する両端自由梁である（図４（ａ）、参照）。両端自由梁３１〜３４は、それぞれが振動の節で連結され、この節を直線で結ぶと正四角形となる。また、このＭＥＭＳ構造体４０は、重心Ｇに対して点対称形である。そして、ＭＥＭＳ構造体４０は、支持梁５１〜５４によって基部４０ａに連続している。

支持梁５１〜５４は、ＭＥＭＳ構造体４０（両端自由梁３１〜３４）の厚さと同じ厚さで、両端自由梁３１〜３４それぞれが交差する連結部の隅部に連続しており、その長さは、両端自由梁３１〜３４の共振周波数の波長をλとしたときに（１／４）λとなるように設定される。
基板２０には、両端自由梁３１〜３４の長手方向中央部の下部に、両端自由梁３１〜３４それぞれと空隙を有して交差する駆動電極７１〜７４が形成されている。

基板２０は、シリコン（Ｓｉ）基板からなり、両端自由梁３１の下部には駆動電極７１が形成され、両端自由梁３２の下部には駆動電極７２、両端自由梁３３の下部には駆動電極７３、両端自由梁３４の下部には駆動電極７４が配設されている。この駆動電極７１，７３は同電位（仮に＋電位）で、駆動電極７２，７４は同電位（仮に−電位）であり、それぞれ図示しない駆動制御回路に接続され、同一周波数、逆位相の交流電圧が印加されるよう構成されている。

続いて、本実施形態のＭＥＭＳ振動子１０の製造方法について図２を参照して説明する（図１も参照する）。なお、各両端自由梁の形状は同じであるので両端自由梁３２を例示して説明する。まず、シリコン（Ｓｉ）からなる基板２０の表面の上述した駆動電極７１〜７４を形成する領域に絶縁層６０を形成する。次に、金属（ＡｕまたはＡｌ）層を薄膜プロセスにより形成した後、フォトリソグラフィ技術を用いて、所定の形状の駆動電極７１〜７４を形成する。

続いて、支持梁５１〜５４を含むＭＥＭＳ構造体４０の形状を除く部分に犠牲層（ＳｉＯ₂）を形成した後、ポリシリコンからなるＭＥＭＳ構造体４０をＣＶＤ法等により形成し、エッチング法により犠牲層を除去することにより両端自由梁３１〜３４と基板２０との間に空間８０を形成し、支持梁５１〜５４の端部が基部４０ａに接続された両端自由梁３１〜３４が基板２０から浮いた状態のＭＥＭＳ構造体４０が形成される。また、ＭＥＭＳ構造体４０には、駆動時において直流電位が加えられるように基板２０の表面に接続されている。
なお、上述した製造方法は、ＭＥＭＳ構造体の製造方法の１例を示したもので、これに限定されるものではない。

次に、本実施形態に係るＭＥＭＳ振動子１０の構成を等価回路を参照して説明する。
図３（ａ）は、本実施形態におけるＭＥＭＳ振動子１０を模式的に示す構成図、（ｂ）は等価回路である。本実施形態のＭＥＭＳ振動子１０の構成は、図３（ａ）のように表すことができる。両端自由梁３１〜３４は並列接続に相当する。両端自由梁３１〜３４に同じ周波数の交流電圧（Ｖｉ）が印加され、それぞれから電流ｉｘ１〜ｉｘ４が流れ、総電流ｉ０が流れるように構成されている。これを図３（ｂ）で等価回路として表す。

ＭＥＭＳ振動子１０の等価回路はＬ（インダクタンス成分）、Ｃ（コンデンサ成分）、Ｒ（直列抵抗成分）を構成要素とするＬＣＲ回路で表される。ここで、各両端自由梁の形状は同じであるためＬｘ、Ｃｘ、Ｒｘ、は同じ値となり並列接続されている。つまり、それぞれの直列抵抗Ｒｘは、両端自由梁３１〜３４が連環状に連結されていることから並列接続に相当する構成とされる。従って、ＭＥＭＳ振動子１０の直列抵抗成分は、両端自由梁が１個の場合や、直列接続する場合に比べて小さくすることができるため、直列抵抗成分による損失が小さくなる。

次に、上述した直列抵抗成分について説明を加える。一般に、このような等価回路を有する振動子は、直列抵抗成分が大きく、この直列抵抗成分によるエネルギー損失が駆動の効率に影響を与えることが知られている。

ここで、振動片（両端自由梁）の直列抵抗成分をＲｘ、バネ定数をｋｒ、固有円振動ω₀、バイアス電圧をＶ_DC、両端自由梁と駆動電極との空隙距離をｇ、誘電率をε₀、両端自由梁と駆動電極との交差面積をＡ₀としたとき、直列抵抗成分Ｒｘは次の数式で表される。なお、ＱはＱ値で表す。
つまり、直列抵抗成分Ｒｘは、Ｒｘ＝（ｋｒ／ε₀ＱＶ_DC ²）・（ｇ⁴／ε₀ ²Ａ₀ ²）で表される。

従って、直列抵抗成分Ｒｘは、空隙距離ｇが狭いほど、バイアス電圧Ｖ_DCが大きいほど小さくすることができる。しかしながら、空隙距離ｇは製造プロセスによって限界値があり、バイアス電圧Ｖ_DCは大きくするとバネ定数をｋｒの関係から振幅が大きくなり、駆動電極との接触が考えられるため、空隙距離ｇとバイアス電圧Ｖ_DCとのバランスを調整する必要がある。ここで、等価回路で示すように、直列抵抗成分Ｒｘを並列接続する構造により、直列抵抗成分によるエネルギー損失を低減することを可能にする。

続いて、本実施形態によるＭＥＭＳ構造体の駆動形態について図面を参照して説明する。
図４は、ＭＥＭＳ構造体４０の駆動形態を示し（ａ）は、両端自由梁１個単独の振動形態、（ｂ）は全体の振動形態を示す説明図である。まず、両端自由梁１個の振動形態について説明する。なお、両端自由梁３１〜３４は、同じ振動形態を示すので、両端自由梁３２を例示して説明する。

図４（ａ）において、両端自由梁３２は、振動の節に設けられる連結部４２，４３を支持梁５２，５３によって支持されている。両端自由梁３２には直流電圧を印加し、駆動電極７２には交流電圧を印加することにより、両端自由梁３２は、連結部を振動の節として矢印で表されるように撓み振動する。つまり、両端自由梁３２の中央部が上方に撓むとき、自由端３２ａ、３２ｂは下方に、また、両端自由梁３２の中央部が下方に撓むとき、自由端３２ａ、３２ｂは上方に撓む。
次に、ＭＥＭＳ構造体４０の全体の動きを図４（ｂ）に表す。

図４（ｂ）において、両端自由梁３１〜３４は、同じ周波数の駆動電圧を印加し、所定の共振周波数で振動する。ここで、両端自由梁３１，３３と両端自由梁３２，３４とは逆位相の駆動電圧を印加することで、振動の位相も逆位相となる。つまり、両端自由梁３１，３３は中央部が上方に撓み（矢印Ｆ１方向）、先端部（自由端）が下方に撓むように振動する。また、両端自由梁３２，３４は中央部が下方（矢印Ｆ２方向）に撓み、先端部（自由端）が上方に撓むように振動する。

各両端自由梁の連結部４１〜４４は振動の節に相当する位置に連続しているために、振動の伝播は抑制されており、両端自由梁３１〜３４は、各連結部においてねじれのような振動形態となる。ここで、ＭＥＭＳ構造体４０を支持する支持梁５１〜５４の長さは、共振周波数の波長をλとしたときに（１／４）λとなるように設定されている。

なお、前述した数式において、直列抵抗線分Ｒｘは、Ｑ値が大きいほど小さくなることが表されている。Ｑ値は、振動片の材質、形状、カット角など様々な要因によって決定されるが、支持部からの振動漏れが影響することが知られている。ここで、振動漏れを抑制する構造として、支持梁５１〜５４の長さを共振周波数の波長をλとしたときに（１／４）λとする構造について説明する。

図５は、支持梁５１〜５４がない場合の共振周波数と支持梁がある場合の共振周波数を示すグラフである。図５において、ＭＥＭＳ構造体４０は、理想的には支持梁がない構造がもっとも自然な駆動形態を示し、支持梁５１〜５４を設けることにより共振周波数は影響を受ける。そして、図５に示すように、支持梁が長くなるに従い共振周波数が低くなる傾向を示す。支持梁がないときの共振周波数と支持梁を有するときの共振周波数が一致する位置が、共振周波数の波長をλとしたときに支持梁の長さを（１／４）λに相当し、このような長さにすることで振動漏れを抑制することができる。
なお、支持梁５１〜５４は、ＭＥＭＳ構造体４０の内側に設けることができる。
（実施形態１の変形例）

図６は、本発明の実施形態１の変形例を示す平面図である。この変形例は、支持梁を連環状に連結されたＭＥＭＳ構造体４０の内側方向に延在されていることに特徴を有し、両端自由梁３１〜３４及び駆動電極７１〜７４の構成は、前述した実施形態１と同じであるため説明を省略する。図６において、支持梁５１〜５４は、両端自由梁３１〜３４の各連結部４１〜４４の内側隅部から中心部の基部４０ａに延在されている。

支持梁５１〜５４の内側先端部が、基板２０の基部４０ａに接続されており、ＭＥＭＳ構造体４０（両端自由梁３１〜３４）が基板２０の垂直方向に撓むことができる構造となっている。従って、両端自由梁３１〜３４は、実施形態１（図４、参照）と同じ駆動形態をする。
なお、この変形例における支持梁５１〜５４の長さも共振周波数の波長をλとしたときに（１／４）λとなるよう設定される。

従って、本実施形態によれば、４個の両端自由梁３１〜３４を振動の節で交差連結し、且つ、この連結部４１〜４４を支持梁５１〜５４で支持しているために基板２０への振動漏れを抑制することができる。さらに、振動の節を支持する構造であるため、上述した非特許文献２のように、振動片の両端を支持される振動片（梁）を複数個並列に連結する構造に比べ、前述した実施形態１と同様な効果が得られる。つまり、支持梁を少なくすることができるので振動漏れを抑制することができ、このことによりＱ値を高めることができるという効果がある。

また、４個の両端自由梁３１〜３４を同一の共振周波数で駆動する構成にすることで、等価回路における直列抵抗成分を小さくすることができるので、この直列抵抗成分によるエネルギー損失を低減することができる。

また、支持梁５１〜５４は、振動の節となる部分、つまり両端自由梁３１〜３４の連結部４１〜４４の側面から放射状に延在されているため、両端自由梁３１〜３４と支持梁５１〜５４とは、フォトリソグラフィ等の同一工程において製造することが可能であり、振動の節となる部分（連結部４１〜４４）と支持梁５１〜５４との位置関係を高精度に管理することができ、それらの位置ずれによる振動漏れや、振動特性への影響を抑制することができる。

また、前記両端自由梁の共振周波数における波長をλとしたとき、支持梁５１〜５４の長さが（１／４）λに設定されているために、図５に示すように、両端自由梁３１〜３４が振動した際に、支持梁５１〜５４から基板２０への振動漏れ（ねじれ振動として）を抑制することができる。
（実施形態２）

次に、本発明の実施形態２に係るＭＥＭＳ振動子について図面を参照して説明する。実施形態２は、６個の両端自由梁を連結した構成としたところに特徴を有し、両端自由梁１個の形状、振動形態、製造方法は、前述した実施形態１と同じにすることができるので説明を省略する。
図７は、本実施形態のＭＥＭＳ振動子１００の構造の一部を示す平面図である。図７において、本実施形態のＭＥＭＳ振動子１００は、６個の両端自由梁１２１〜１２６をそれぞれの振動の節の位置で連結し、連環されて構成されたＭＥＭＳ構造体１４０と、基板２０の表面上に形成される駆動電極１４１〜１４６と、から構成されている。

両端自由梁１２１〜１２６のそれぞれの連結部１５１〜１５６の外側隅部からは、支持梁１３１〜１３６が外側方向に放射状に延在され、基板２０の基部（図示は省略）に連続している。これら両端自由梁１２１〜１２６が連環されたＭＥＭＳ構造体１４０は正六角形をなす。本実施形態によるＭＥＭＳ構造体１４０は、両端自由梁の数を６個としている以外、支持梁との接続構造等は前述した実施形態１（図２、参照）と同様に構成できるため、詳細な説明を省略する。

支持梁１３１〜１３６それぞれの長さは、共振周波数の波長をλとしたときに（１／４）λとなるよう設定される。また、本実施形態においても、前述した実施形態１の変形例（図６、参照）と同様に、支持梁１３１〜１３６は、連結部１５１〜１５６それぞれからＭＥＭＳ構造体１４０の中心（重心）方向に向かって延在する構造を採用することができる。

また、両端自由梁１２１〜１２６それぞれの長手方向中央部の下部（基板２０の上面）には、駆動電極１４１〜１４６が形成されている。これら駆動電極には同じ周波数の交流電圧が印加される。ここで、駆動電極１４１，１４３，１４５には同位相の電位（例えば−電位）、駆動電極１４２，１４４，１４６には、駆動電極１４１，１４３，１４５とは逆の電位（例えば＋電位）を印加することで、両端自由梁１２１，１２３，１２５と両端自由梁１２２，１２４，１２６とは逆位相で振動する。

図８は、本実施形態のＭＥＭＳ構造体１４０の駆動形態を模式的に示す斜視図である。図８において、両端自由梁１２１〜１２６は、同一周波数の駆動電圧を印加し、所定の共振周波数で振動する。ここで、両端自由梁１２１，１２３，１２５と両端自由梁１２２，１２４，１２６とは逆位相の駆動電圧を印加するために振動の位相も逆位相となる。つまり、両端自由梁１２１，１２３，１２５は中央部が下方に撓み（矢印Ｆ２方向）、先端部（自由端）が上方に撓むように振動する。また、両端自由梁１２２，１２４，１２６は中央部が上方（矢印Ｆ１方向）に撓み、先端部（自由端）が下方に撓むように振動する。

各両端自由梁の連結部１５１〜１５６は振動の節に相当する位置に設けられているために、振動は基板２０（基部）にまで伝播せず、両端自由梁１２１〜１２６は、連結部１５１〜１５６を節としてねじれのような振動形態となる。

また、図示しないが、本実施形態においても、ＭＥＭＳ振動子１００を等価回路で表すことが可能で、図３（ｂ）に表す等価回路において、直列抵抗Ｒｘを６個並列に接続されている状態に置き換えることができる。
従って、直列抵抗成分を低減し、この直列抵抗成分によるエネルギー損失を低減することができる。

従って、本実施形態では、両端自由梁１２１〜１２６が６個で構成されていても、単独で両端を支持する振動子（梁）を複数連結する構造に比べ支持梁を少なくすることができること、両端自由梁が偶数個で構成され、隣り合う両端自由梁それぞれを逆位相、同じ周波数で駆動するためＭＥＭＳ構造体１４０全体としての駆動（振動）のバランスがとれること、両端自由梁の共振周波数における波長をλとしたとき、支持梁１３１〜１３６の長さが（１／４）λに設定されていることから、前述した実施形態１と同様の効果を得ることができる。

以上、実施形態１では４個の両端自由梁、実施形態２では６個の両端自由梁を有するＭＥＭＳ振動子について説明したが、両端自由梁の数はこれらに限らず任意に選択して構成することができる。すなわち、両端自由梁の振動の節において連結し連環状に構成し、隣合う両端自由梁の振動の位相を逆位相とし、等価回路における直列抵抗を並列接続構造にする構成とすることで本発明を実現できる。つまり、両端自由梁の数は２ｎ個（ｎは２以上の整数）の構成であればよい。
（実施形態３）

続いて、本発明の実施形態３に係るＭＥＭＳ振動子の構造について図面を参照して説明する。本実施形態は、ＭＥＭＳ構造体の支持部材として、両端自由梁の振動の節となる部分、つまり連結部に柱状の支持柱を設けたことに特徴を有している。ここでは、基本構造として４個の両端自由梁を有する実施形態１の構成を例示して説明し、共通部及び駆動形態についての説明は省略する。

図９は、本実施形態に係るＭＥＭＳ振動子１０の一部を示す平面図、図１０は、図９のＢ−Ｂ切断面を示す断面図である。図９，１０において、ＭＥＭＳ構造体４０は、両端自由梁３１〜３４の連結部４１〜４４のそれぞれの下部に円柱状の支持柱４５〜４８を基板２０に接続することで支持されている。

支持柱４５〜４８は、連結部４１〜４４それぞれの中央（振動の節となる位置）を中心とする円柱であり、ＭＥＭＳ構造体４０と一体で形成されている。支持柱４５〜４８の長さ（高さ）も、共振周波数の波長をλとしたとき、（１／４）λに設定される。
また、支持柱４５〜４８の断面形状は特に限定されず、円形、矩形であってもよい。さらに、断面の大きさは、連結部の交差面積以内で、ＭＥＭＳ構造体の支持柱としての構造的強度を確保できれば特に限定されない。

本実施形態におけるＭＥＭＳ振動子１０の製造方法は、実施形態１に準ずることができるが、まず、シリコン（Ｓｉ）からなる基板２０の表面の上述した駆動電極７１〜７４を形成する領域に絶縁層６０を形成する。次に、駆動電極７１〜７４となる金属（ＡｕまたはＡｌ）層を形成した後、フォトリソグラフィ技術を用いて、所定の形状の駆動電極７１〜７４を形成する。

続いて、支持柱を含むＭＥＭＳ構造体４０の形状を除く部分に犠牲層（ＳｉＯ₂）を形成した後、ポリシリコンからなるＭＥＭＳ構造体４０を形成し、エッチング法により犠牲層を除去することにより、支持柱４５〜４８が基板２０の表面に接続された状態で、両端自由梁３１〜３４が基板２０から浮いているＭＥＭＳ構造体４０が形成される。また、ＭＥＭＳ構造体４０には、駆動時において直流電圧が印加される。

従って、実施形態３によれば、ＭＥＭＳ構造体４０の支持構造が、前述した実施形態１の支持梁によるものから支持柱４５〜４８に変わっているが技術的思想は共通であるため、実施形態１と同様な効果を得ることができる。

また、支持柱４５〜４８、連結部４１〜４４それぞれの中心部（振動の節の位置）を支持柱の中心としているため、両端自由梁から基板での振動漏れを一層抑制することができる。

なお、本実施形態においても、両端自由梁の数については２ｎ個（ｎは２以上の整数）の構成であればよく限定されない。

なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、且つ、説明しているが、本発明の技術的思想及び目的の範囲に逸脱することなく、以上説明した実施形態に対し、形状、材質、組み合わせ、その他の詳細な構成、及び製造工程間の加工方法において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。

従って、上記に開示した形状、材質、製造工程などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものでないから、それらの形状、材質、組み合わせなどの限定の一部もしくは全部の限定をはずした部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。

例えば、前述した実施形態１〜実施形態３では、両端自由梁が、基板２０に対して垂直方向に駆動する構造を有するＭＥＭＳ振動子を例示しているが、本発明によれば、両端自由梁を基板２０の表面に平行に駆動する構造にも採用することができる。つまりの幅方向の一方または両側に駆動電極を設け、同一周波数で、しかも、隣合う両端自由梁に逆位相の交流電圧を加えることで両端自由梁を基板２０の表面に平行に駆動することができる。

また、前述の実施形態１と、その変形例を組み合わせることも可能である。つまり、支持梁を連結部からＭＥＭＳ構造体の外側及び内側の両方に延在する構造とすることができる。このようにすれば、支持梁の幅を細くすることができ、上述のような構造であっても、駆動時のエネルギー損失を増加させることなくＭＥＭＳ構造体の支持をより確実にできる。

従って、前述の実施形態１〜実施形態３によれば、振動漏れがなく、エネルギー損失を低減することにより、Ｑ値が高く、高効率に駆動できるＭＥＭＳ振動子を提供することができる。

本発明のＭＥＭＳ振動子は、共振器の他に、フィルタ、スイッチ及びアクチュエータとして応用が可能である。

本発明の実施形態１に係るＭＥＭＳ振動子の一部を示す平面図。図１のＡ―Ａ切断面を示す断面図。本発明の実施形態１に係るＭＥＭＳ振動子の構成を示し、（ａ）は、ＭＥＭＳ振動子を模式的に示す構成図、（ｂ）は等価回路。本発明の実施形態１に係るＭＥＭＳ構造体の駆動形態を示し、（ａ）は両端自由梁１個単独の振動形態、（ｂ）は全体の振動形態を示す説明図。支持梁がない場合の共振周波数と支持梁がある場合の共振周波数を示すグラフ。本発明の実施形態１の変形例を示す平面図。本発明の実施形態２に係るＭＥＭＳ振動子の構造の一部を示す平面図。本発明の実施形態２に係るＭＥＭＳ構造体の駆動形態を模式的に示す斜視図。本発明の実施形態３に係るＭＥＭＳ振動子の一部を示す平面図。図９のＢ−Ｂ切断面を示す断面図。

符号の説明

１０…ＭＥＭＳ振動子、２０…基板、３１〜３４…両端自由梁、４０…ＭＥＭＳ構造体、４１〜４４…連結部、５１〜５４…支持梁。

Claims

基板と、前記基板の表面に形成される複数の両端自由梁と、
前記複数の両端自由梁それぞれを振動の節となる位置を連結部として交差連結し、連環状に構成されるＭＥＭＳ構造体と、
前記連結部から延在され、前記ＭＥＭＳ構造体を前記基板の表面と空隙を有して支持する支持部材と、
前記基板の表面の前記複数の両端自由梁それぞれの長手方向中央部に、前記両端自由梁と空隙を有して交差する駆動電極が設けられ、が備えられ、
前記複数の両端自由梁が、同時に同じ周波数で、かつ前記基板の表面に対して垂直に駆動されることを特徴とするＭＥＭＳ振動子。
請求項１に記載のＭＥＭＳ振動子において、
前記複数の両端自由梁が、２ｎ個（ｎは２以上の整数）備えられ、前記複数の両端自由梁のうち、隣り合う両端自由梁それぞれを同じ周波数、且つ、逆位相、で駆動することを特徴とするＭＥＭＳ振動子。
請求項１または請求項２に記載のＭＥＭＳ振動子において、
前記支持部材が、前記連結部の側面から前記ＭＥＭＳ構造体の外側または内側に向かって放射状に延在されている支持梁であることを特徴とするＭＥＭＳ振動子。
請求項３に記載のＭＥＭＳ振動子において、
前記両端自由梁の共振周波数における波長をλとしたとき、前記支持梁の長さが（１／４）λに設定されていることを特徴とするＭＥＭＳ振動子。
請求項１に記載のＭＥＭＳ振動子において、
前記支持部材が、前記連結部の平面略中央と前記基板とを接続する支持柱であることを特徴とするＭＥＭＳ振動子。
請求項５に記載のＭＥＭＳ振動子において、
前記両端自由梁の共振周波数における波長をλとしたとき、前記支持柱の高さが、（１／４）λに設定されていることを特徴とするＭＥＭＳ振動子。