JP4760384B2

JP4760384B2 - Ｍｅｍｓ振動子

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Publication number: JP4760384B2
Application number: JP2006002148A
Authority: JP
Inventors: 竜児木原
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2006-01-10
Filing date: 2006-01-10
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2026-01-10
Also published as: JP2007184815A

Description

本発明は、ＭＥＭＳ振動子の構造に関し、より具体的には、複数の両端自由梁を振動の節で連環状に接続した固有振動数が異なるＭＥＭＳ構造体を同一基板上に複数個備えるＭＥＭＳ振動子の構造に関する。

ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）は、微細な立体的駆動体（ＭＥＭＳ構造体）をつくる技術として、多くのものが提案されている。特に、同一基板上に複数個の駆動体を設けることができることに特徴を有している。
そのような提案の中に、無線通信器のメカニカルフィルターとして、ＭＥＭＳ構造体を複数個設けたＭＥＭＳ振動子が知られている（例えば、非特許文献１参照）。

また、具体的なＭＥＭＳ振動子の構造として、同一基板上に複数個のＭＥＭＳ構造体を１個ずつ並べて配設する構造も知られている（例えば、非特許文献２参照）。

また、ＭＥＭＳ構造体の課題は等価回路における直列抵抗成分が大きく、エネルギー損失が大きいことから、複数の振動片（梁）を同一駆動周波数で同時に駆動することで、各直列抵抗が並列接続に相当するように構成し、全体の抵抗値を下げることを可能にするＭＥＭＳ振動子も提案されている（例えば、非特許文献３参照）。

Ｃ，Ｔ−Ｃ．"ＲＦＭＥＭＳｉｎＷｉｒｌｅｓｓＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｓ"，ＤｅｓｉｇｎＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，ｐｐ．４１６−４２０，Ｊｕｎｅ２００５．Ｇ．Ｐｉｚｚａ，Ｐ．Ｊ．Ｓｔｅｐｈａｎｏｕ，Ｍ．Ｂ．Ｊ．Ｗｉｊｅｓｕｎｄａｒａ，ａｎｄＡ．Ｐ．Ｐｉｓａｎｏ，"Ｓｉｎｇｌｅ−ＣｈｉｐＭｕｌｔｉｐｌｅ−ＦｒｅｑｕｅｎｙＦｉｌｔｅｒｓＢａｓｅｄｏｎＣｏｎｔｏｕｒ−ＭｏｄｅｌＡｌｕｍｉｎｕｍＮｉｔｒｉｄｅＰｉｅｚｏｅｌｅｃｔｎｉｃＭｉｃｒｏｍｅｃａｎｉｃａｌＲｅｓｏｎａｔｏｒｓ"，Ｓｏｌｉｄ−ＳｔａｔｅＳｅｎｎｓｏｒ＆Ａｃｔｕａｔｏｒｓ（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ’０５），ｐｐ．２０６５−２０６８，Ｊｏｎｅ２００５．Ｓ．ＬｅｅａｎｄＣ．Ｔ−Ｃ．Ｎｇｕｙｅｎ"ＭｅｃｈａｎｉｃａｌｌｙＣｏｒｎｅｒ−ＣｏｕｐｌｅｄＭｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌＲｅｓｏｎａｔｏｒＡｒｒａｙｓｆｏｒＩｍｐｒｏｖｅｄＰｈａｓｅＮｏｉｓｅ"，ＩＥＥＥＩｎｔ．Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ，ｐｐ．２８０−２８６，Ａｕｇｕｓｔ２００４．

しかしながら、上述した非特許文献１〜非特許文献３では、一つずつの振動片は一つの駆動周波数のみで駆動するため、複数の駆動周波数を用いる場合には、それぞれの駆動周波数に対応した駆動体（ＭＥＭＳ構造体）を用意しなければならず、その結果として広帯域の駆動周波数を用いる場合には広いスペースを必要とし、小型化は困難であると推測できる。

また、非特許文献３によれば、複数の振動子を同一駆動周波数で駆動することにより、直列抵抗は並列接続に相当するため、ＭＥＭＳ振動子全体としての直列抵抗成分を低減することを可能にするが、この構造においても、それぞれの振動子を同一周波数のみでしか駆動できないというような課題がある。

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、同一基板上に異なる固有振動数のＭＥＭＳ構造体を備えながら小型化と、エネルギー損失を低減し、Ｑ値が高いＭＥＭＳ振動子を提供することである。

本発明のＭＥＭＳ振動子は、複数の両端自由梁が、振動の節となる位置を連結部として連環状に交差連結されるＭＥＭＳ構造体を基板の同一表面上に複数備え、複数の前記ＭＥＭＳ構造体が前記連結部において、支持部材によって前記基板に連結支持されており、複数の前記ＭＥＭＳ構造体それぞれを形成する前記複数の両端自由梁が、同時に同じ周波数で駆動されるとともに、複数の前記ＭＥＭＳ構造体それぞれが異なる固有振動数を有し、所望の固有振動数を有するＭＥＭＳ構造体を選択的に駆動することを特徴とする。
ここで、固有振動数とは、複数のＭＥＭＳ構造体それぞれの共振周波数を意味する。

この発明によれば、複数の両端自由梁を振動の節となる連結部で交差連結し、この連結部を支持部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ことからエネルギー損失が少なく、Ｑ値が高いＭＥＭＳ振動子を実現できる。

また、複数のＭＥＭＳ構造体間を、上述した連結部において支持部材によって連結しているために、支持部材の変位が非常に小さく、各ＭＥＭＳ構造体の異なる固有振動数に依存することなくＭＥＭＳ構造体それぞれの振動が他のＭＥＭＳ構造体に伝播することを抑制でき、所定の固有振動数を安定して得ることができる。

また、各ＭＥＭＳ構造体を構成する両端自由梁を、連結部において交差連結して連環状に構成していることから、等価回路において、直列抵抗成分が並列接続に相当し、ＭＥＭＳ構造体全体としての直列抵抗成分を低減することができ、エネルギー損失を低減できる。

上述したような理由から、同一基板上に異なる固有振動数を有するＭＥＭＳ構造体を複数個備え、複数の異なる信号を取り出せるＭＥＭＳ振動子を提供することができる。

また、本発明では、それぞれが異なる固有振動数を有する複数の前記ＭＥＭＳ構造体が、平面的に多重環状に配設されていることが好ましい。
ここで、多重環状とは、例えば、小型のＭＥＭＳ構造体の連環の外側または内側に、さらにＭＥＭＳ構造体の連環を配設する形態を意味する。

このような構造にすれば、複数のＭＥＭＳ構造体を多重環状に配設するために、複数の固有振動数を有しながら、ＭＥＭＳ振動子全体として小型化することができる。

また、多重環状に配設される複数の前記ＭＥＭＳ構造体が、前記連結部の側面から放射状に延在される梁状の前記支持部材によって連結されていることが好ましい。

支持部材は、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、両端自由梁と支持部材とは、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部材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、複数の前記ＭＥＭＳ構造体それぞれが、前記連結部の平面略中央と前記基板とを柱状の支持部材によって垂直に支持されていることが好ましい。

両端自由梁の連結部中央（つまり、振動の節の位置）と、基板に垂直な柱状の支持部材によって支持することができることから、ＭＥＭＳ構造体間の振動漏れを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。
さらに、前述したような梁状の支持部材の長さに依存することなくＭＥＭＳ構造体を基板に接続することができ、多重環状に配設される内側と外側にあるＭＥＭＳ構造体の間隔を詰めることが可能となる。

また、複数の前記ＭＥＭＳ構造体のうちのいくつかが前記連結部の側面から放射状に延在される前記支持部材によって連結され、他のＭＥＭＳ構造体が、前記連結部の平面略中央と前記基板とを支持部材によって垂直に支持されていることが望ましい。

このようにすれば、前述した梁状の支持部材と、柱状の支持部材と、のそれぞれの利点を併せ持つ構造を実現でき、多重環状に配設される内側と外側にあるＭＥＭＳ構造体の間隔を任意に設定できる。つまり、固有振動数が近いＭＥＭＳ構造体を隣接して備えることが可能となる効果がある。

また、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前記基板の表面に設けられ、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好ましい。

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振動子を示し、図６，７はＭＥＭＳ構造体の駆動形態、図８は、実施形態１の変形例、図９は実施形態２、図１０は実施形態３に係るＭＥＭＳ振動子を示している。
なお、本発明では、同一基板上に固有振動数が異なる複数個のＭＥＭＳ構造体を備えることができるが、以降の実施形態では２個のＭＥＭＳ構造体３０，４０を備えるＭＥＭＳ振動子を例示して説明する。
（実施形態１）

図１は、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３０，４０と駆動電極７１〜７８とを備えて構成されている。ＭＥＭＳ構造体３０，４０は、それぞれ断面が矩形の棒状の振動体４個が井桁状に結合され、それぞれ１個のＭＥＭＳ構造体が形成されている。このＭＥＭＳ構造体３０とＭＥＭＳ構造体４０とは、支持部材としての支持梁５１〜５８によって連結され、且つ、基部３０ａに連結され基板２０に接合されている。

ＭＥＭＳ構造体３０は、４個の両端自由梁３１〜３４が、それぞれの振動の節となる部分を連結部として交差連結されており、井桁状に連環されている。両端自由梁３１〜３４は、それぞれ全く同じ形状の梁であって、交差連結されることにより正四角形に形作られている。つまり、両端自由梁３１，３２は連結部３５、両端自由梁３２，３３は連結部３６、両端自由梁３３，３４は連結部３７、両端自由梁３４，３１は連結部３８において直交連結された一体構造である。

このように構成されたＭＥＭＳ構造体３０は、連結部３５〜３８から延在される支持梁５１〜５４によって基部３０ａと連続している。また、連結部３５〜３８の位置から、さらに支持梁５５〜５８が中心方向に向かって延在され、ＭＥＭＳ構造体４０が連結されている。

ＭＥＭＳ構造体４０は、上述したＭＥＭＳ構造体３０と同様な構成の一回り小さい構造体である。このＭＥＭＳ構造体４０は、４個の両端自由梁４１〜４４が、それぞれの振動の節となる部分を連結部として交差連結されており、井桁状に連環されている。両端自由梁４１〜４４は、それぞれ全く同じ形状の梁であって、交差連結されることにより正四角形に形作られている。つまり、両端自由梁４１，４２は連結部４５、両端自由梁４２，４３は連結部４６、両端自由梁４３，４４は連結部４７、両端自由梁４４，４１は連結部４８において直交連結された一体構造である。

従って、ＭＥＭＳ構造体３０，４０とは、ほぼ相似形の構造体が多重環状に形成され、ＭＥＭＳ構造体３０，４０は支持梁５５〜５８によって連結され、ＭＥＭＳ構造体３０が支持梁５１〜５４によって基板２０に連結されている。すなわち、図２で示すように、ＭＥＭＳ構造体３０，４０は、支持梁５１〜５８によって基板２０の表面から浮いた状態に支持されており、両端自由梁３１〜３４，４１〜４４が基板２０の表面対して垂直に振動可能な構成としている。

図２に示すように、基板２０には、両端自由梁３１〜３４，４１〜４４のそれぞれ長手方向中央部の下部に、両端自由梁３１〜３４，４１〜４４それぞれと空隙９０を有して交差する駆動電極７１〜７８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とは同電位（仮に＋電位）で、駆動電極７２，７４とは同電位（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。

また、両端自由梁４１の下部には駆動電極７５が形成され、両端自由梁４２の下部には駆動電極７６、両端自由梁４３の下部には駆動電極７７、両端自由梁４４の下部には駆動電極７８が配設されている。この駆動電極７５，７７とは同電位（仮に＋電位）で、駆動電極７６，７８とは同電位（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。

なお、駆動電極７１〜７４と駆動電極７５〜７８とは、電気的に独立して構成されている。そしてＭＥＭＳ構造体３０，４０（つまり、両端自由梁３１〜３４，４１〜４４）には、駆動時に一定の電圧（直流電圧）が印加される。

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。なお、各両端自由梁の構成は同じであるので両端自由梁４２を例示して説明する。まず、シリコン（Ｓｉ）からなる基板２０の表面に、上述した駆動電極７１〜７８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７１〜７８を形成する（図２では駆動電極７６を例示）。

続いて、支持梁５１〜５８を含むＭＥＭＳ構造体３０，４０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３０，４０をＣＶＤ法やスパッタ法等により形成し、エッチングにより犠牲層を除去することにより、支持梁５１〜５４の端部が基部３０ａに接続された両端自由梁３１〜３４，４１〜４４が基板２０とは空隙９０を有した状態のＭＥＭＳ構造体３０，４０を形成する。また、ＭＥＭＳ構造体３０，４０には、駆動時において直流電圧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、駆動電極７５〜７８は、駆動電極７１〜７４に対して電気的に分離構成するために、図示しない直流電源と接続するビアホール９５によって接続される。
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の構成を等価回路に表し説明する。なお、ＭＥＭＳ構造体３０，４０とは、同じ構成であるのでＭＥＭＳ構造体３０を例示して説明する。
図３（ａ）は、本実施形態におけるＭＥＭＳ構造体３０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構造体３０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の等価回路はインダクタンス成分Ｌ、コンデンサ成分Ｃ、直列抵抗成分Ｒ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インダクタンス成分Ｌｘ、コンデンサ成分Ｃｘ、直列抵抗成分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成分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構造体３０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値はＱ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を並列接続する構成とすることにより、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。本発明では、ＭＥＭＳ構造体３０とＭＥＭＳ構造体４０とは、それらのサイズが異なることから固有振動数（固有の共振周波数と言い換えることができる）が異なり、これらを単独で駆動することとしている。
図４は、両端自由梁１個単独の振動形態を示す説明図である。なお、両端自由梁３１〜３４，４１〜４４は、共振周波数が異なるものの同じ振動形態を示すので、両端自由梁４２を例示して説明する。

図４において、両端自由梁４２は、振動の節に設けられる連結部４５，４６を支持梁５５，５６によって支持されている（図１も参照）。両端自由梁４２には直流電圧を印加し、駆動電極７６には交流電圧を印加することにより、両端自由梁４２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４２の中央部が上方に撓むとき、自由端４２ａ，４２ｂは下方に、また、両端自由梁４２の中央部が下方に撓むとき、自由端４２ａ，４２ｂは上方に撓む。つまり、両端自由梁４２は、基板２０の表面に対して垂直方向に振動する。

次に、ＭＥＭＳ構造体３０の駆動形態について図面を参照して説明する。
図５は、ＭＥＭＳ構造体３０の駆動形態を模式的に示す説明図である。図５において、両端自由梁３１〜３４は、同一周波数の駆動電圧が印加され、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）３１ａ，３１ｂ，３３ａ，３３ｂが下方に撓むように振動するとき、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）３２ａ，３２ｂ，３４ａ，３４ｂが上方に撓むように振動する。

両端自由梁３１〜３４の連結部３５〜３８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３０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、直列抵抗成分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。そこで、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６は、支持梁５１〜５４がない場合の駆動周波数（共振周波数）と支持梁がある場合の駆動周波数（共振周波数）の関係を示すグラフである。図６において、ＭＥＭＳ構造体３０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駆動周波数は影響を受ける。そして、図６に示すように、支持梁が長くなるに従い駆動周波数が低くなる傾向を示す。支持梁がないときの駆動周波数と支持梁を有するときの駆動周波数が一致する位置が、駆動周波数の波長を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。

また、本実施形態では、ＭＥＭＳ構造体３０の連結部３５〜３８とＭＥＭＳ構造体４０の連結部４５〜４８とをそれぞれ支持梁５５〜５８で接続しており、各連結部は、振動の節に相当する位置であるため、ＭＥＭＳ構造体３０の振動による支持梁５５〜５８の変位は極わずかとなり、ＭＥＭＳ構造体４０への振動漏れを減縮している。

次に、ＭＥＭＳ構造体４０の駆動形態について図面を参照して説明する。
図７は、ＭＥＭＳ構造体４０の駆動形態を模式的に示す説明図である。図７において、両端自由梁４１〜４４は、同一周波数の駆動電圧が印加され、所定の共振周波数で振動する。ここで、両端自由梁４１，４３と両端自由梁４２，４４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４１，４３は中央部が上方に撓み（矢印Ｆ１方向）、先端部（自由端）４１ａ，４１ｂ，４３ａ，４３ｂが下方に撓むように振動する。また、両端自由梁４２，４４は中央部が下方（矢印Ｆ２方向）に撓み、先端部（自由端）４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂが上方に撓むように振動する。つまり、両端自由梁４２は、基板２０の表面に対して垂直方向に振動する。

両端自由梁４１〜４４の連結部４５〜４８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４１〜４４は、各連結部においてねじれのような振動形態となる。ＭＥＭＳ構造体４０の連結部４５〜４８とＭＥＭＳ構造体３０の連結部３５〜３８をそれぞれ支持梁５５〜５８で接続しており、各連結部は、振動の節に相当する位置であるため、ＭＥＭＳ構造体４０の振動による支持梁５５〜５８の変位は極わずかとなり、ＭＥＭＳ構造体３０への振動漏れを減縮している。

ここで、ＭＥＭＳ構造体４０を支持する支持梁５５〜５８の長さは、前述したように、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ことが最も好ましい。しかし、ＭＥＭＳ構造体３０とＭＥＭＳ構造体４０との固有振動数（共振周波数）が異なるため、支持梁５５〜５８の長さはＭＥＭＳ構造体３０の固有振動数から求められる長さと、ＭＥＭＳ構造体４０の固有振動数から求められる長さの中間とすることで、ＭＥＭＳ構造体４０の振動漏れを抑制することができる。

従って、前述した実施形態１によれば、ＭＥＭＳ構造体３０，４０それぞれの両端自由梁３１〜３４，４１〜４４を振動の節となる連結部３５〜３８，４５〜４８と交差連結し、この連結部３５〜３８または連結部４５〜４８をそれぞれ支持梁５１〜５４、支持梁５５〜５８によって支持しているためにＭＥＭＳ構造体３０またはＭＥＭＳ構造体４０の振動による支持梁の変位は非常に小さく、基板２０への振動漏れを抑制することができることから損失が少なく、Ｑ値が高いＭＥＭＳ振動子１０を実現できる。

また、ＭＥＭＳ構造体３０，４０の間を、上述した連結部において支持梁５５〜５８によって連結しているために支持梁５５〜５８の変位を小さくすることができるので、各ＭＥＭＳ構造体の異なる固有振動数に依存することなく、ＭＥＭＳ構造体それぞれの振動が他のＭＥＭＳ構造体に伝播することを抑制でき、所定の固有振動数を安定して得ることができる。

また、各ＭＥＭＳ構造体を構成する両端自由梁を、連結部において交差連結して連環状に構成していることから、等価回路において、直列抵抗成分が並列接続に相当し、ＭＥＭＳ構造体全体としての直列抵抗成分を小さくすることができ、エネルギー損失を低減できる。

上述したような理由から、同一基板上に異なる固有振動数を有するＭＥＭＳ構造体を複数備えるＭＥＭＳ振動子を提供することができ、固有振動数を有する複数のＭＥＭＳ構造体の中から所望の固有振動数を選択して駆動することができる。

また、本実施形態では、ＭＥＭＳ構造体３０，４０が異なる固有振動数を有し、多重環状に配設されていることから、ＭＥＭＳ振動子全体として小型化することができる。さらにＭＥＭＳ構造体の数を例えば３個、４個としても、多重環状に配設することで、単に平面上に並列する従来構造に比べ小型化できるという効果がある。

さらに、支持梁５１〜５８は、振動の節となる部分、つまり両端自由梁の各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、上述したように両端自由梁と駆動電極とを構成し、基板２０の表面に対して垂直に振動させる構成にすれば、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。
（実施形態１の変形例）

なお、実施形態１における技術的思想を基本として、様々な変形例を提案することができる。続いて、実施形態１の一変形例について説明する。この変形例は、ＭＥＭＳ構造体４０を支持する支持梁５５〜５８をＭＥＭＳ構造体４０の内側に設けて延在していることに特徴を有し、他は、実施形態１と同じであるため、共通部分の説明を省略し、同じ符号を付して説明する。
図８は、実施形態１の変形例の一つを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は図８（ａ）のＢ−Ｂ切断面を示す断面図である。図８（ａ）、（ｂ）において、支持梁５５〜５８は、ＭＥＭＳ構造体４０の中心部に向かって延在されている。

支持梁５５〜５８は、連結部４５〜４８のそれぞれから放射状に延在されて基部４０ａに連続している。図８（ｂ）に示すように基部４０ａは、基板２０の表面に接続された島状をしており、上部から支持梁５５〜５８が放射状に延在されている。これら支持梁５５〜５８の長さは、ＭＥＭＳ構造体４０の共振周波数の波長をλとしたときに（１／４）λに設定される。

なお、ＭＥＭＳ構造体３０を支持する支持梁５１〜５４は、実施形態１（図１、参照）と同様に、ＭＥＭＳ構造体３０の外側方向に放射状に形成されている。
このような構成のＭＥＭＳ振動子１０は、前述した実施形態１の製造方法で製造することができる。

従って、このような変形例によれば、ＭＥＭＳ構造体３０，４０をそれぞれの振動の節となる連結部で支持しているため、前述した実施形態１と同様な効果が得られる。
さらに、内側にあるＭＥＭＳ構造体４０を中心方向（基部４０ａ）に延在する支持梁５５〜５８で支持する構造であるため、ＭＥＭＳ構造体３０とは、支持を分離しているので、それぞれの振動漏れを他のＭＥＭＳ構造体に伝播させず、振動特性に影響を与えることを、より一層抑制することができる。

また、支持梁５５〜５８の長さを、ＭＥＭＳ構造体４０の共振周波数の波長λとしたとき、（１／４）λの理想長さに設定可能となるというような効果もある。

なお、支持梁５１〜５４をＭＥＭＳ構造体３０の内側方向に形成する構造とすることもできる。つまり、ＭＥＭＳ構造体３０，４０共に、基部４０ａに連続する支持梁５５〜５８で支持する構造を採用することもできる。
（実施形態２）

続いて、本発明の実施形態２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。実施形態２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、支持柱の構造以外のＭＥＭＳ構造体３０，４０の基本構成は実施形態１（図１、参照）と同じであるため、共通部分の説明を省略し、共通部には同じ符号を付している。

図９は、本実施形態のＭＥＭＳ振動子１００を示し、（ａ）はその平面図、（ｂ）は図９（ａ）のＣ−Ｃ切断面を示す断面図である。図９（ａ）、（ｂ）において、ＭＥＭＳ構造体３０，４０のそれぞれの連結部（振動の節の位置）の下面に支持部材としての支持柱８１〜８８が設けられている。

支持柱８１〜８４は、ＭＥＭＳ構造体３０の連結部下面から垂直に延在され、支持柱８５〜８８は、ＭＥＭＳ構造体４０の連結部下面から垂直に延在され、それぞれ基板２０の表面に接続されている。
図９（ｂ）を参照して断面構造について説明する。両端自由梁３３を代表して例示している。図９（ｂ）において、両端自由梁３３は、基板２０の表面に接続される支持柱８２，８３の上面から長手方向に延在されて形成されている。他の両端自由梁の構成も同様であり説明を省略するが、ＭＥＭＳ構造体３０とＭＥＭＳ構造体４０とは、固有振動数（共振周波数）が異なるため、支持柱の長さを変えることがより好ましい。

つまり、仮に、ＭＥＭＳ構造体３０の固有振動数を２０ＭＨｚ、ＭＥＭＳ構造体３０の固有振動数を５ＭＨｚとしたとき、ＭＥＭＳ構造体３０の支持柱８１〜８４は、ＭＥＭＳ構造体４０の支持柱８５〜８８よりも長くなる。この際、基板２０に凹部を形成し、この凹部の底部から支持柱８１〜８４を形成し、基板２０の表面から支持柱８５〜８８を形成することで支持柱をそれぞれ所望の長さに設定することができる。
なお、実施形態２においても、実施形態１と同様な製造方法で形成することが可能である。

なお、支持柱の長さも、前述した長さ（１／４）λにすることが望ましく、各ＭＥＭＳ構造体の固有振動数のそれぞれに対応して基板２０の支持柱接続部の高さを変えることにより、所望の長さに設定することができる。

従って、前述した実施形態２によれば、両端自由梁の連結部の中央（つまり、振動の節の位置）に、この支持柱８１〜８４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。
さらに、前述したような支持梁の長さに依存することなくＭＥＭＳ構造体３０，４０を基板２０に接続することができ、多重環状に配設されて内側と外側にあるＭＥＭＳ構造体の間隔を詰めることが可能となる。
なお、支持柱８１〜８４の形状は、断面形状が連結部に相当する四角柱でも、中心が振動の節（連結部中央）と一致する円柱でもよく、特に限定されない。
（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、前述した実施形態１と実施形態２の構造を組み合わせたもので、複数のＭＥＭＳ構造体のそれぞれを支持する支持部材として支持梁または支持柱を備えることを特徴としている。ここでは、１例として、ＭＥＭＳ構造体３０を支持梁で支持し、ＭＥＭＳ構造体４０を支持柱で支持する構成を例示して説明する。
なお、支持部を除いてＭＥＭＳ構造体３０，４０の構造及び駆動電極の構造は前述した実施形態１または実施形態２と同じであるため、共通部分の説明を省略する。

図１０は、本実施形態に係るＭＥＭＳ振動子２００を示す平面図である。図１０において、ＭＥＭＳ構造体３０の連結部３５〜３８それぞれには、外側方向に支持梁５１〜５４が設けられている。支持梁５１〜５４は図１，２に示す構造を有しており、ＭＥＭＳ構造体３０を基板２０から浮いた状態で支持している。また、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。

ＭＥＭＳ構造体４０の連結部それぞれの下面には、支持部材としての支持柱８５〜８８が設けられている。支持柱８５〜８８は、ＭＥＭＳ構造体４０の連結部下面から延在され、それぞれ基板２０の表面に接続されている。支持柱８５〜８８の長さ（高さ）も共振周波数の波長をλとしたときに（１／４）λとなるように設定されている。

従って、本実施形態によれば、前述した支持梁（実施形態１）と、支持柱（実施形態２）とのそれぞれの利点を併せ持つ構造を実現でき、ＭＥＭＳ構造体３０とＭＥＭＳ構造体４０とを別々に支持しているため、一方のＭＥＭＳ構造体の振動が他方に伝播せず、振動漏れを一層抑制することができる。

なお、ＭＥＭＳ構造体３０の支持を支持柱で行い（図９（ａ）、参照）、ＭＥＭＳ構造体４０を支持梁で行う（図８（ａ）、参照）構造としてもよい。さらに、ＭＥＭＳ構造体を３個以上の多重環状に組み合わせる場合においては、複数個の前記ＭＥＭＳ構造体のうち、前述した連結部において単独またはいくつかを前記支持梁で支持し、他のＭＥＭＳ構造体を単独で前記支持柱で支持する構造とすることができる。

このようにすれば、多重環状に配設するＭＥＭＳ構造体の内側と外側との間隔を任意に設定できる。つまり、固有振動数が近いＭＥＭＳ構造体を備えることが可能となる効果がある。

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、前述の実施形態では、それぞれのＭＥＭＳ構造体を構成する両端自由梁は、４本で構成されているが、６本の梁の構成でもよい。つまり、両端自由梁の数は２ｎ（ｎは２以上の整数）の組み合わせとすることができる。

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。（ａ）は、本発明の実施形態１に係るＭＥＭＳ構造体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に係る両端自由梁１個単独の振動形態を示す説明図。本発明の実施形態１に係るＭＥＭＳ構造体３０の駆動形態を模式的に示す説明図。本発明の実施形態１に係るＭＥＭＳ構造体の支持梁５１〜５４がない場合の駆動周波数と支持梁がある場合の駆動周波数の関係を示すグラフ。本発明の実施形態１に係るＭＥＭＳ構造体４０駆動形態を模式的に示す説明図。本発明の実施形態１の変形例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ切断面を示す断面図。本発明の実施形態２に係るＭＥＭＳ振動子を示し、（ａ）はその平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ切断面を示す断面図。本発明の実施形態３に係るＭＥＭＳ振動子を示す平面図。

符号の説明

１０…ＭＥＭＳ振動子、２０…基板、３０…ＭＥＭＳ構造体、３０ａ…基部、３１〜３４…両端自由梁、３５〜３８…連結部、４０…ＭＥＭＳ構造体、４５〜４８…連結部、５１〜５４…支持梁、５５〜５８…支持梁。

Claims

複数の両端自由梁が、振動の節となる位置を連結部として連環状に交差連結されるＭＥＭＳ構造体を基板の同一表面上に複数備え、
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前記基板の表面に設けられ、
複数の前記ＭＥＭＳ構造体が前記連結部において、支持部材によって前記基板に連結支持されており、
複数の前記ＭＥＭＳ構造体それぞれを形成する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とともに、
複数の前記ＭＥＭＳ構造体それぞれが異なる固有振動数を有し、所望の固有振動数を有するＭＥＭＳ構造体を選択的に駆動す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、
それぞれが異なる固有振動数を有する複数の前記ＭＥＭＳ構造体が、平面的に多重環状に配設されてい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、
多重環状に配設される複数の前記ＭＥＭＳ構造体が、前記連結部の側面から放射状に延在される梁状の前記支持部材によって連結されてい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、
複数の前記ＭＥＭＳ構造体それぞれが、前記連結部の平面略中央と前記基板とを柱状の支持部材によって垂直に支持されてい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、
複数の前記ＭＥＭＳ構造体のうちのいくつかが前記連結部の側面から放射状に延在される前記支持部材によって連結され、
他のＭＥＭＳ構造体が、前記連結部の平面略中央と前記基板とを支持部材によって垂直に支持されていることを特徴とするＭＥＭＳ振動子。