JP2008177933A - 電気機械素子、並びに信号処理デバイス、通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】より簡単な素子構造で能率よく高周波領域の電気信号の加工を行うことができる、電気機械素子を提供する。
【解決手段】圧電体膜５に設けられた複数の電極２、３、４と、複数の電極２〜４のうち所要の電極４と誘電体層６を挟んで対向する他の電極７とを有し、誘電体層６を挟む電極４及び７に入力される複数の信号による静電気的な外力により圧電体膜５が駆動し、圧電体膜５の圧電性により誘起される電気信号を出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、静電駆動型の電気機械素子（いわゆる振動子素子）、この電気機械素子を備えた信号処理デバイス及び通信装置に関する。より詳しくは、機械振動子の共振現象と圧電体の機械電気変換機能を利用してアナログ電気信号、とりわけ高周波（ＲＦ）領域の電気信号を加工する、周波数変調、フィルタリングを行う、電気機械素子、この電気機械素子を備えた信号処理デバイス及び通信装置に関する。

マイクロマシン（ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて作製された微小振動子、例えば静電駆動型のＭＥＭＳ共振器が知られている。このようなＭＥＭＳ共振器はミシガン大学を始めとする研究機関から提案されている（非特許文献１参照）。
また、静電駆動型のＭＥＭＳ共振器を高周波信号の周波数変調に応用する試みもミシガン大学を始めとする研究期間から提案されている（非特許文献２、３参照）。
提案されている周波数変換素子は、動作が為されるためには、ＤＣバイアス電圧の供給が不可欠であり、動作信頼性確保のためにはＤＣバイアス値の制御が必要であった。また、電気機械変換能率は十分に高いとは言えず、そのために、例えば、広い透過帯域幅を持つフィルタを構成することは容易ではない、と言った困難があった。

一方、非特許文献４には、２ポートの積層型の振動子がミキサとして動作できるかもしれないことが開示されている。この振動子３０１は、図２０に示すように、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）層３０２の上面に上部電極３０３が形成され、その下面に中間電極３０４、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）薄膜３０５及び下部電極３０６が形成されて構成される。上部電極３０３、中間電極３０４及び下部電極３０６は、全面に形成されている。上部電極３０３は出力電極、中間電極３０４は接地電極、下部電極３０６は入力電極として構成される。このフィルタ・ミキサ３０１では、ＲＦ信号にＬＯ信号が重畳された信号が下部電極３０６に入力され、ＡｌＮ薄膜３０５によりミキシング（混合）される。このとき、両電極３０６及び３０４に挟まれたＡｌＮ薄膜３０５が静電気的な力で駆動される。駆動力は印加された電圧の２乗に比例する。従って、２つの入力信号の間の周波数の差（周波数）でのミキシング項が生じる。周波数の差は、所望のＩＦ（周波数）となっており、振動子の共振周波数に一致する。これにより、ＩＦ信号はＡｌＮ層３０２による圧電効果により上部電極３０３から出力される、と記載されている。

C.T-Nguyen, Micromechanical components for miniaturized low-power communications(invited plenary), proceedings,1999 IEEE MTT-S International Microwave Symposium RF MEMS Workshop, June 18, 1999, pp48-77 A.-C.Wong, H.Ding, and C.T.-C.Nguyen, Microwave mixer + filters Technical Digest, IEEE-IEDM, 1998, pp47-474 Fang Chen, Jay Brotz, Umut Arslan, Chiung-Cheng Lo, Tamal Mukherjee, Gary K.Fedder, CMOS-MEMS Resonant RF Mixer-FiltersIEEE2005, pp24-27 「Piezoelectric Aluminum Nitride Vibrating RF MEMS for Radio Front-End Technology」GianlucaPiazza UNIVERSITY OF CALIFORNIA, BERKELEY Fall 2005

既に提案されている素子、例えば、非特許文献２、３で開示されている素子は、静電気的に駆動され、静電気的に出力が成される為にＤＣバイアス電圧の印加、すなわちＤＣ給電線路が、素子の不可欠の要素である。従って、素子の駆動のためにはＤＣ供給源が必要となる。駆動のためのＤＣ電圧は、通常のＣＭＯＳデバイスの駆動電圧より高く、ＣＭＯＳデバイスと集積化あるいはモジュール化する場合には、昇圧回路などの手段を設ける必要が生ずる。

また、複数の振動子群を組み合わせて素子を構成しようとした場合には、交流信号線路にＤＣ線路を併置する必要があり、ＤＣ線路への信号漏洩を抑制するための手段を設ける必要が生じ、素子の複雑さが増すこととなる。
また、静電駆動形の振動子にＤＣバイアス電圧と交流信号が同時に印加されると、入力信号周波数と同じ周波数を有する駆動力が振動子に印加され、２つの交流信号の混合を目的とする場合には、該駆動力は雑音発生の要因となる。
２つの交流信号を混合し、所望の周波数変換を実現する上で、このような困難を根本的に回避する方法の案出が要請されている。

また、非特許文献４においては、次のような問題がある。ＡｌＮ薄膜３０５は圧電体であるか否か明示されていない。ＡｌＮ薄膜３０５が膜に配向性を有する圧電体であると、電圧に比例する力が同時に働く。この力ではミキシングはできず、ノイズが発生する。
ＲＦ信号にＬＯ信号を重畳する手段が示されていない。単純に２つの信号線路をつなぎ合わせると、信号の逆流など望ましくない事態が起きる。
単純なＡｌＮの２層構造であると、粗い近似で考えた場合、静電気的な力は電極に垂直な方向に働く内力である。従って、上記振動子３０１の構造では、一様な歪みが１層目のＡｌＮ薄膜に発生するのみで、２層目のＡｌＮ基体３０２には直接にはひずみを発生させることができない。1層目に発生したひずみは弾性的に伝播し、1層、2層目を含む振動体の厚み振動を特に効率よく励振させる。このひずみに応答する振動モードの共振周波数はＡｌＮ薄膜３０５の膜厚により決定され、例えば２層目のＡｌＮ層３０２の膜厚が１μｍのとき、およそ５ＧＨｚとなり、１ＧＨｚを下回るＩＦの周波数の実現は極めて厚い膜でしかなされない。横振動も励振されるが、副次効果であり、能率が悪い。

本発明は、上述の点に鑑み、より簡単な素子構造で能率よく高周波領域の電気信号の加工を行うことができる、電気機械素子を提供するものである。
また、本発明は、上記電気機械素子を備えた信号処理デバイス及び通信装置を提供するものである。

本発明に係る電気機械素子は、圧電体膜と、圧電体膜に設けられた複数の電極と、複数の電極のうち所要の電極と誘電体層を挟んで対向する他の電極とを有し、誘電体層を挟む電極に入力される複数の信号による静電気的な力により圧電体膜が駆動し、圧電体膜の圧電性により誘起される電気信号を出力することを特徴とする。誘電体層としては、真空、気体、固体、液体の何れかを用いることができる。

本発明に係る電気機械素子は、好ましくは、圧電体膜と、この圧電体膜上に設けられた複数の電極とからなる振動片と、振動片と空間を隔てて対面する他の電極とを有し、何れかの電極の組み合わせに交流信号が入力されて振動片が静電駆動し、電気信号が出力されることを特徴とする。

本発明に係る信号処理デバイスは、上記の何れかの電気機械素子を含んで構成されてなることを特徴とする。

本発明に係る通信装置は、送信信号及び／又は受信信号の周波数変換とフィルタリングを行う信号ミキサ・フィルタを備え、信号ミキサ・フィルタとして、上記の何れかの電気機械素子が用いられることを特徴とする。

本発明の電気機械素子では、２つの交流信号の混合を行うことができる。２つの高周波信号の混合がなされ、２つの交流信号の差分にあたる周波数の信号に変換され、かつ、必要な帯域の信号のみが選択されて出力される、という周波数変換とフィルタリングの機能が得られる。

本発明に係る電気機械素子によれば、ＤＣ電源なしに交流信号のミキシングなどの加工が成され信号出力を取出すことができる。ＤＣ電源が不要であるため、雑音発生要因を除去でき、また素子構造をより簡単化することができる。能率よく高周波領域の電気信号の加工を行うことができる。

本発明に係る信号処理デバイスによれば、上記の電気機械素子を含んで構成されるので、デバイス構造の簡単化を図り、能率のよい高周波信号の処理を行うことができる。

本発明に係る通信装置によれば、信号ミキサ・フィルタとして上記電気機械素子を用いることにより、装置が小型化され、消費電力を抑制することができる。また、信頼性の高い通信装置を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る電気機械素子は、静電駆動で振動する圧電体膜と、この圧電体膜上に設けられた複数、好ましくは３個以上の電極で構成される振動子であり、何れかの電極の組み合わせに交流信号の入出力が加えられ、さらに、複数の電極のうちの１つの電極には誘電体層、あるいは空間（空気層）を隔て静電気的に振動子を駆動するための他方の電極が設けられ、この他方の電極に交流信号が加えられて構成される。

本実施の形態の微小電気機械デバイスでは、２つの交流信号の混合を行うことができる。とりわけ、圧電体膜とこれに設けられた複数の電極からなる振動片を有した構成では、２つの高周波信号の混合がなされ、必要な帯域の信号が選択され、２つの交流信号の差分の周波数の信号を出力するという、周波数変換とフィルタリングの機能が得られる。

本実施の形態に係る電気機械素子によれば、ＤＣ電源なしに交流信号のミキシングなどの加工が成された信号出力を取り出すことできる。ＤＣ電源が不要であるため、雑音発生要因を除去でき、また、素子構造をより簡単にすることができる。これにより、素子の信頼性の確保、特性の向上、素子の小型化を実現することができる。本発明の微小電気機械デバイスとなる振動子素子を用いることにより、周波数変換とフィルタリングを行う信号ミキサ・フィルタを、小型かつ簡素化された素子で構成することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳述する。

図１〜図８に、本発明に係る電気機械素子の実施の形態の概念図を示す。本発明の電気機械素子は、マイクロスケール、ナノスケールの振動子素子で構成される。

図１に、本発明に係る電気機械素子（いわゆる振動子）の第１実施の形態を示す。本実施の形態に係る電気機械素子１は、圧電体膜（以下、圧電体薄膜という）５とこの圧電体薄膜５に取り付けられた複数の電極２、３及び４とからなる振動片９と、これら電極２〜４のうちの一つの電極、特に圧電体薄膜５の側端に形成された側面電極４に空間６を隔てて対面して設置された電極、すなわち対向電極７とから構成される。すなわち、圧電体薄膜５による振動片（振動子本体）９は、この薄膜５を挟んで上面（表面）及び下面（裏面）にそれぞれ上部電極２及び下部電極３が形成される共に、薄膜５の側端に側面電極４が形成されて成る。圧電体薄膜５は、本例ではＣ軸配向のＡｌＮ（窒化アルミニウム）膜で構成される。また、圧電体薄膜５の側面電極４に対向する対向電極７は、基板８に支持される。

図１の実施の形態では、圧電体薄膜５は、面内方向に静電的な力で伸縮駆動される。この圧電体薄膜５は、図示しないが、例えばその中央部分、端部、あるいは、その両方で基板に支持される。圧電体薄膜３は、所要の平面的な形状に加工されて、形状に依存した共振特性を有するように形成される。圧電体薄膜５には、上記したように、薄膜の表面、裏面及び側面に上部電極２、下部電極３及び側面電極４が設けられるが、裏面の下部電極３あるいは表面の上部電極２は、接地面（接地電極）あるいは信号出力電極の何れかとなる。本例では、下部電極３が接地面となり、上部電極２が信号出力電極として構成される。

圧電体薄膜５の側端に設けられた側面電極４の外側面と空間６を隔てて対向する対向電極７は、基板８に固定して設けられる。この２つの側面電極４と対向電極７に、それぞれ入力信号（いわゆる入力交流信号）、参照信号（いわゆる参照交流信号）のいずれかがデバイスの設計の都合に合わせて選択され、印加される。本例では側面電極４に入力信号が印加され、対向電極７に参照信号が印加される。側面電極４及び対向電極７に印加される２つの交流信号により圧電体薄膜（いわゆる振動子本体）５には、伸縮振動が誘起される。すなわち、電気機械素子１においては、入力信号と参照信号の２つの信号周波数の差分値が圧電体薄膜５の伸縮振動の共振周波数に一致するときに、伸縮振動が誘起される。振動により圧電体薄膜５には応力（あるいは歪）が発生し、この応力は圧電体薄膜５の圧電定数に従い上部電極２と接地面（下部電極）３間の電圧に変換され、上部電極２から出力信号として出力される。

本実施の形態における電気機械素子（振動子）１は、圧電体薄膜５が円形、あるいは方形であってもよい。圧電体薄膜の周囲に対称に側面電極４を配置し、圧電体薄膜５の重心部で支持し、対称な伸縮振動モードで駆動してもよい。

本実施の形態の電気機械素子１は、平面上から見て例えば、図２Ａに示すように、方形の圧電体薄膜５の一方の両端側に配線で接続されるように側面電極４Ａ及び４Ｂを形成し、この側面電極４Ａ及び４Ｂに対向して配線で接続されるように対向電極７Ａ及び７Ｂを基板８に固定的に形成した構成とすることができる。
また、本実施の形態の電気機械素子１は、平面上から見て例えば、図２Ｂに示すように、圧電体薄膜５を円形に形成し、その周囲を取り囲むように周囲端に円環状の側面電極４を形成し、これに対向する円環状の対向電極７を基板８に固定的に形成した構成とすることができる。
また、本実施の形態の電気機械素子１は、平面上から見て例えば、図２Ｃに示すように、圧電体薄膜５を方形に形成し、その周囲を取り囲むように周囲端に四角環状の側面電極４を形成し、これに対向する四角環状の対向電極７を基板８に固定的に形成した構成とすることができる。

第１実施の形態に係る電気機械素子１によれば、２つの交流信号の混合を行うことができる。２つの高周波信号の混合がなされ、２つの交流信号の差分にあたる周波数の信号に変換され、かつ、必要な帯域の信号のみが選択されて出力される、という周波数変換とフィルタリングの機能を得ることができる。

また、ＤＣ電源なしに交流信号のミキシング等の加工が成された信号出力を取出すことができる。ＤＣ電源が不要であるため、雑音発生の要因を除去することができ、また、素子構造の小型化を実現することができる。本実施の形態の電気機械素子となる振動子を用いることにより、周波数変換とフィルタリングを行う信号ミキサ・フィルタを、小型かつ簡素化された素子で構成することができる。本実施の形態では、振動片は、面内方向に静電気的な外力により、励振されるので効果的に面内伸縮振動が励起される。

図３に、本発明に係る電気機械素子（いわゆる振動子）の第２実施の形態を示す。本実施の形態に係る電気機械素子１１は、図３Ａに示すように、圧電体薄膜５とこの圧電体薄膜５に取り付けられた複数の電極１２、１３及び１４とからなる振動片１５と、これら電極１２〜１４のうちの一つの電極に空間６を隔てて対面して設置された対向電極１７とから構成される。すなわち、圧電体薄膜５による振動片１５は、この薄膜５を挟んで中央付近の上面（表面）及び下面（裏面）にそれぞれ上部電極１２及び第１の下部電極１３が形成されると共に、薄膜の裏面の周辺部分に第２の下部電極１４が形成されて成る。圧電体薄膜５は、本例ではＣ軸配向のＡｌＮ膜で構成される。また、圧電体薄膜５の第２の下部電極１４に対向する対向電極１７は、圧電体薄膜５の直下に配置された基板１８に支持される。

図３の実施の形態では、圧電体薄膜５は、静電的な力で膜面に垂直な方向に屈曲（伸縮）駆動される。圧電体薄膜５は、例えば円形、方形をなし、本例では円形に加工され、円形の中心で支持部１９を介して基板１８に支持される。必要に応じて圧電体薄膜５は、その外周部分を対称な形状で基板（図示せず）に支持するようになし、圧電体薄膜５の反りを抑制できるような構成にしてもよい。
圧電体薄膜５には、上記したように、薄膜の表面、裏面に電極が設けられるが、中心付近の裏面に形成された第１の下部電極１３あるいは中央付近の表面に形成された上部電極１２は、接地面（接地電極）あるいは信号出力電極の何れかとなる。本例では、第１の下部電極１３が接地面となり、上部電極１２が信号出力電極として構成される。

圧電体薄膜５の裏面の周辺付近に設けた円環状の第２の下部電極１４と空間６を隔てて対向する円環状の対向電極１７は、基板１８に固定して設けられる。２つの円環状の第２の下部電極１４と対向電極１７には、それぞれ入力信号（いわゆる入力交流信号：入力ＲＦ信号）、参照信号（いわゆる参照交流信号：参照ＲＦ信号）のいずれかが印加される。本例では第２の下部電極１４に参照信号が印加され、対向電極１７に入力信号が印加される。それぞれ円環状をなす第２の下部電極１４と対向電極１７に印加される２つの交流信号により、振動片１５には、屈曲（伸縮）振動が誘起される。すなわち、電気機械素子１１においては、入力信号と参照信号の２つの信号周波数の差分値が圧電体薄膜５の屈曲（伸縮）共振周波数に一致するときには、屈曲（伸縮）振動が誘起される。振動により圧電体薄膜５には応力（あるいは歪）が発生し、この歪みは圧電体薄膜５の圧電定数に従い上部電極１２と接地面（第１の下部電極）１３間の電圧に変換され、上部電極１２から出力信号として出力される。本実施の形態の電気機械素子１１の圧電体薄膜の振動パターンを図３Ｂに示す。この振動パターンは、周辺フリーの場合の典型的な振動パターン、すなわち中央を腹とする振動パターンとなる。

第２実施の形態に係る電気機械素子１１によれば、前述の第１実施の形態の電気機械素子で説明したと同様の作用効果を奏する。

図４に、本発明に係る電気機械素子（いわゆる振動子）の第３実施の形態を示す。本実施の形態に係る電気機械素子２１は、図４Ａに示すように、圧電体薄膜５とこの圧電体薄膜５に取り付けられた複数の電極２２、２３、２４とからなる振動片２５と、これらの電極２２〜２４のうちの一つの電極に空間６を隔てて対面して設置された対向電極２７とから構成される。すなわち、圧電体薄膜５による振動片２５は、圧電体薄膜５の上面（表面）の略全面に上部電極２２が形成され、その下面（裏面）の周辺付近に第１の下部電極２３が形成されると共に、下面中央付近に第２の下部電極２４が形成されて構成される。圧電体薄膜５は、本例ではＣ軸配向のＡｌＮ膜で構成される。また、圧電体薄膜５の中央付近の第２の下部電極２４に対向する対向電極２７は、圧電体薄膜５の直下に対向する基板２８の面に支持される。

図４の実施の形態では、圧電体薄膜５が、その膜面に垂直な方向に静電的な力で駆動される。圧電体薄膜５は、例えば、方形、円形をなし、本例では方形に加工され、その両端部分が基板２８の壁面に支持され、両端固定の板状振動片となり、形状に依存した共振特性をもつ。圧電体薄膜５は、上記したように、薄膜の表面、裏面に電極が設けられるが、裏面には、２種の電極、すなわち両端付近の第１の下部電極２３〔２３Ａ及び２３Ｂ〕と、中央付近の第２の下部電極２４とが設けられる。これら電極２３、２４のうちの一方は、接地面（接地電極）あるいは信号出力電極の何れかとなり、他方は圧電体薄膜５を静電的に駆動する為の電極となる。本例では、第１の下部電極２３が接地面となり、第２の下部電極２３が静電駆動用の電極となる。圧電体薄膜５の表面に形成された上部電極２２は、接地面（接地電極）あるいは信号出力電極の何れかとなる。本例では、上部電極２２が信号出力電極となる。

圧電体薄膜５の裏面中央付近に設けられた静電駆動の為の電極となる第２の下部電極２４と空間６を隔てて対向する、対向電極２７は、基板２８に固定して設けられる。この第２の下部電極２４と対向電極２７の２つの電極に、それぞれ入力信号（いわゆる入力交流信号：入力ＲＦ信号）、参照信号（いわゆる参照交流信号：参照ＲＦ信号）のいずれかがデバイスの設計の都合に合わせて選択され、印加される。本例では第２の下部電極２４に入力信号が印加され、対向電極２７に参照信号が印加される。電極２４、２７に印加される２つの交流信号より圧電体薄膜（いわゆる振動子本体）には、振動が誘起される。すなわち、電気機械素子２１においては、入力信号と参照信号の２つの信号周波数の差分値が圧電体薄膜５の共振周波数に一致するときに、対応する振動モードの振動が誘起される。振動により圧電体薄膜５には応力（あるいは歪）が発生し、この歪みは圧電体薄膜５の圧電定数に従い上部電極２２と接地面（第１の下部電極）２３間の電圧に変換され、出力信号として上部電極２２から出力される。本実施の形態の電気機械素子２１における圧電体薄膜５の振動パターンは、図４Ｂに示すように、両端を節とした振動パターンとなる。

第３実施の形態に係る電気機械素子２１によれば、前述の第１実施の形態の電気機械素子で説明したと同様の作用効果を奏する。

図５に、本発明に係る電気機械素子（いわゆる振動子）の第４実施の形態を示す。本実施の形態に係る電気機械素子３１は、圧電体薄膜５とこの圧電体薄膜５に取り付けられた複数の電極３２、３３、３４及び３５とからなる振動片３７と、これらの電極３２〜３５のうちの一つの電極に空間６を隔てて対面して設置された対向電極３６とから構成される。すなわち、圧電体薄膜５による振動片３７は、圧電体薄膜５の下面（裏面）に第１の下部電極３３と第２の下部電極３５が形成され、圧電体薄膜５の上面（表面）に少なくとも一つの上部電極３２が形成されて構成される。図５では、第１及び第２の下部電極３３及び３５が対称な形状に形成されると共に、第１の下部電極３３に対応する位置に第１の上部電極３２が形成され、第２の下部電極３５に対応する位置に第２の上部電極３４が形成される。圧電体薄膜５は、本例ではＣ軸配向のＡｌＮ膜で構成される。

本実施の形態では、圧電体薄膜５が、その膜面に垂直な方向に静電的な力で駆動される。圧電体薄膜５は、例えば、その両端部分が基板３８に支持される。圧電体薄膜５は、所望の板状の形状に加工されて、形状に依存した共振特性をもつ。圧電体薄膜５は、上記したように薄膜の表面、裏面に電極が設けられるが、裏面には、２つの電極、すなわち対称な形状に分割された第１の下部電極３３と第２の下部電極３５とが設けられる。これら電極３３、３５のうちの一方は、接地面（接地電極）あるいは信号出力電極の何れかとなり、他方は圧電体薄膜５を静電的に駆動する為の電極となる。本例では、第１の下部電極３３が信号出力電極となり、第２の下部電極３５が静電駆動用の電極となる。

圧電体薄膜５の表面に設けられた少なくとも一つの上部電極、本例では第１の下部電極３３に対向する第１の上部電極３２は、接地面（接地電極）あるいは信号出力電極の何れかとなる。本例では、第１の上部電極３２が接地面となる。圧電体薄膜５の裏面に設けられた静電駆動の為の電極となる第２の下部電極３５と空間６を隔てて対向する対向電極３６は、基板４８に固定して設けられる。

この第２の下部電極３５と対向電極３６の２つの電極に、それぞれ入力信号（いわゆる入力交流信号：入力ＲＦ信号）、参照信号（いわゆる参照交流信号：参照ＲＦ信号）のいずれかが印加される。本例では対向電極３６に入力信号が印加され、第２の下部電極３５に参照信号が印加される。この場合、第２の下部電極３５と、これに対向する位置に形成された第２の上部電極３４とが配線などで共通接続され、第２の上部電極３４にも同じ参照信号が印加される。電極３５、３６に印加される２つの交流信号により、圧電体薄膜（振動子本体）５には、振動が誘起される。すなわち、電気機械素子３１においては、入力信号と参照信号の２つの信号周波数の差分値が圧電体薄膜５の共振周波数に一致するときに、対応する振動モードの振動が誘起される。本例の下部電極３５は、振動片３７の中心線（断面を示した図５では、圧電膜５の重心にあたる点）が節となる振動を誘起するに都合のよい配置となっている。この振動により圧電体薄膜５には応力（あるいは歪）が発生し、この応力は圧電体薄膜５の圧電定数に従い第１の下部電極３３と接地面（上部電極）３２間の電圧に変換され、出力信号として第１の下部電極３３から出力される。本実施の形態では参照信号ＬＯが圧電体膜５の両面に設けた電極３４、３５に同時に印加され、ＬＯ信号が印加された圧電体膜５の部分の電場の強さはゼロとなる。このことにより、ＬＯ信号による圧電体膜５の不要な励振を避けることができ、出力信号への雑音の混入を低減することができる。

第４実施の形態に係る電気機械素子３１によれば、前述の第１実施の形態の電気機械素子で説明したと同様の作用効果を奏する。

図６に、本発明に係る電気機械素子（いわゆる振動子）の第５実施の形態を示す。本実施の形態に係る電気機械素子４１は、図６Ａ，Ｂに示すように、圧電体薄膜５とこの圧電体薄膜５上に設けられた複数の電極４２、４３及び４４とからなり、両端固定の振動片４６と、これらの電極４２〜４４のうちの一つの電極と空間６を隔てて体面する対向電極４５とから構成される。すなわち、圧電体薄膜５による振動片４６は、圧電体薄膜５の上面（表面）に分割された第１の上部電極４２と第２の上部電極４３が形成され、圧電体薄膜５の下面（裏面）に略全面にわたって下部電極４４が形成されてなる。下部電極４４と第１の上部電極４２は、接地面（接地電極）あるいは信号出力電極のいずれかとなる。本例では下部電極４４が接地面となり、第１の上部電極４２が信号出力電極となって出力信号線路に接続される。一方、第２の上部電極４３の上部には、空間６を隔てて静電気的に振動片４６を駆動するための対向電極４５が設けられる。下部電極４４は圧電体薄膜５の下地電極を兼ねる。

振動片４６となる圧電体薄膜５の両端は基板４８に支持され、また対向電極４５は例えば基板などの支持部材に支持される。振動片４６となる圧電体薄膜５の両端が基板４８に支持されるので、圧電体膜５の反りが抑制される。

本実施の形態の電気機械素子４１では、圧電体薄膜５上の第２の上部電極４３と、空間６を挟んで対向する対向電極４５には、それぞれ入力信号（いわゆる入力交流信号：入力ＲＦ信号）あるいは参照信号（いわゆる参照交流信号：参照ＲＦ信号）のいずれかが印加され、静電的に駆動される。本例では、第２の上部電極４３に入力信号が印加され、対向電極４５に参照信号が印加され、２つの交流信号の混合がなされる。静電駆動により励振される振動は基板法線方向への圧電体薄膜５のたわみであり、両端固定がなされた振動片４６、すなわち圧電体薄膜５の伸縮振動である。励振駆動された圧電体薄膜５の、下部電極（接地電極）４４と第１の上部電極４２との間に発生する交流電圧信号、すなわち振動膜である圧電体薄膜の圧電定数に支配されて発生する交流電圧信号は、第１の上部電極４２に接続された線路を通して出力される。

第５実施の形態に係る電気機械素子４１によれば、前述の第１実施の形態の電気機械素子で説明したと同様の作用効果を奏する。

上述した通り、第１実施の形態〜第５実施の形態に係る電気機械素子１、１１、２１、３１及び４１は、いわゆるミキサ・フィルタ素子として機能させることができる。ここで、ミキサ・フィルタとは、信号入力と参照入力とを混合して、別の周波数に変換した信号を出力する素子、すなわち、入力した情報信号の周波数変換を行い、その信号から所望の周波数帯域を選択して出力する素子、つまり周波数の変換と選択とを同時に行う素子であると定義する。

次に、ミキサ・フィルタの動作原理を説明する。
例えば、図６の電気機械素子（振動子）４１は、静電的に駆動され、２次高調波モード（図６Ｃ参照）の振動が励振される。電気機械素子（振動子）４１では、圧電体薄膜５による振動片４６に設けられた上部電極（第２の上部電極）４３に対面して空間６を隔てて対向電極４５が設けられる。振動片４６と電極４３は一体であり、電極４３に印加される力は、振動片４６に働く外力である。

対面する２つの電極、すなわち上部電極（第２の上部電極）４３及び対向電圧４５に、それぞれ入力交流信号（ＲＦ）と参照交流信号（Ｌ０）が入力されると、振動片４６には
Ｆ∝（Ｖ_ＲＦ−Ｖ_ＬＯ）^２
、なる（静電気）力Ｆが印加される。
（Ｖ_ＲＦ−Ｖ_ＬＯ）^２ ＝・・＋｜Ｖ_ＲＦ｜×｜Ｖ_ＬＯ｜×ｃｏｓ（ω_ＲＦ−ω_ＬＯ）ｔ＋・・
、に比例する力Ｆは、交流入力信号（ＲＦ）と参照交流信号（Ｌ０）の差分周波数で印加される力を含んでいる。振動片４６の固有な共振周波数が差分周波数に等しくなるよう振動片を設計すると、振動片４６は差分信号周波数で共振現象を起こし、振動モードに対応した長手方向への伸縮変形が起き、振動片４６の表裏面には周期的に応力Ｔ、および歪みＳが発生する。

振動片４６は、圧電体で作られ、裏面には接地電極（下部電極）４４が設けられ、表面には上部電極（第１の上部電極）４２が設けられている。振動片４６の表面と裏面では応力の印加のされ方は逆となっており、振動片５の中心面（厚み方向の断面でみると線）では応力は零となり、仮想的な接地面となる。振動片４６は、（後述するようにＡｌＮであり、）圧電定数ｄ_３１がゼロではない圧電体であるから、関係式
Ｔ＝ｓＳ＋ｄＥ
に従い、振動片４６の表面と裏面には、極性の異なる電荷が発生する。振動片４６の中心面は仮想的な接地とみなすことができる。ここで、Ｔは応力、Ｓは歪、ｓはコンプライアンス行列、ｄはピエゾ行列、Ｅは電界である。

この例では、振動片４６の裏面の下部電極４４は接地されているので、上部電極（第１の上部電極）４２に差分周波数信号（ＩＦ）が出力される。

圧電体薄膜５は、Ｃ軸配向のＡｌＮ（窒化アルミニウム）を用いる。Ｃ軸配向のＡｌＮ薄膜を用いることにより単結晶の場合に近いｄ_３１圧電定数を実現することができるので、振動片４６の膜面内の伸縮振動を、膜面上に設けられた電極（第１の上部電極）４２の交流電圧、すなわち膜裏面の接地電極４４に対する交流電圧として、検出することができる。ＡｌＮ薄膜は、ＰＺＴなどの圧電体に比較し誘電率が低いため、振動片４６を電気的に通り抜ける雑音を低減することができる。また、ＡｌＮ薄膜の成膜工程はＳｉ−ＣＭＯＳの製造工程との馴染みがよく、ＣＭＯＳデバイスで確立された加工技術を、この電気機械素子４１の作製に用いることができ、正確な加工形状を得ることができる。

図７に、本発明に係る電気機械素子（いわゆる振動子）の第６実施の形態を示す。本実施の形態に係る電気機械素子５１は、図７Ｂに示すように、圧電体薄膜５とこの圧電体薄膜５に取り付けられた複数の電極５２、５３、５４とからなる振動片５６と、これらの電極５２〜５４のうちの一つの電極に空間６を隔てて対面して設置された対向電極５５とから構成される。すなわち、圧電体薄膜５による振動片５６は、圧電体薄膜５の上面（表面）に分割された第１の上部電極５２及び第２の上部電極５３が形成され、圧電体薄膜５の下面（裏面）に略全面にわたって下部電極５４が形成されて構成される。また、一方の第２の上部電極５３に対向して対向電極５５が設置される。対向電極５５は例えば基板５８により支持される。

第２の上部電極５３及び対向電極５５には、それぞれ入力信号（いわゆる入力交流信号：入力ＲＦ信号）あるいは参照信号（いわゆる参照交流信号：参照ＲＦ信号）のいずれかがデバイスの都合に従って印加される。本例では第２の上部電極５３に入力信号が印加され、対向電極５５に参照信号が印加される。また、下部電極５４と第１の上部電極５２は、それぞれ接地面（接地電極）あるいは信号出力電極のいずれかとなる。本例では下部電極５４が接地面となり、第１の上部電極５２が信号出力電極となる。下部電極５４はＡｌＮ圧電体薄膜５の下地膜を兼ねる。

本実施の形態では、圧電体薄膜５による振動片５６が、両端を固定部である例えば基板５８に固定した２次振動子として構成される。この振動片５６は、振動の節Ｐの位置に１つ、あるいは複数の固定点（ポスト）５９が設けられる。典型的には、図示するように、振動片５６の長さを所望の共振周波数のおよそ２倍に対応するように設定し、両端から、振動片５６の長さの１／４の位置に２つのポスト５９を設ける。第１及び第２の上部電極５２及び５３は、この２つのポスト５９の間に設けられる。このようにして、所望の共振周波数を持ち、３つの振動の節Ｐの２つが固定された、２次モード振動子を得ることができる。

第６実施の形態に係る電気機械素子５１によれば、前述の第１実施の形態の電気機械素子で説明したと同様の作用効果を奏する。この電気機械素子５１の構成ではＱ値の高い振動子が得られる。

図８に、本発明に係る電気機械素子（いわゆる振動子）の第７実施の形態を示す。本実施の形態に係る電気機械素子６１は、基板６２上に第１の空間６Ａを隔てて両端が支持部６３を介して基板６２に固定された振動片６４と、振動片６４上に第２の空間６Ｂを隔てて配置した静電駆動のための対向電極６８とを設置して構成される。

振動片６４は、圧電体薄膜５と、この薄膜５の上面（表面）に形成した分割された第１及び第２の上部電極６５及び６６と、薄膜５の下面（裏面）に略全面にわたって形成した下部電極６７とを有して構成される。支持部６３は、振動片６４と同様の膜構成で形成される。

第２の上部電極６６と対向する、振動片６４を静電駆動するための対向電極６８は、複合膜７０に形成される。複合膜７０は、振動片６４に第２の空間６Ｂを隔てて設けられ、その両端が支持部７１を介して基板６２、本例では振動片６４の支持部６３の延長部に支持される。複合膜７０は、圧電体薄膜７５と、この薄膜７５を挟んで下面（裏面）に分割して形成された例えば金属膜による第１及び第２の部分７２及び６８と、上面（表面）に形成した例えば金属膜による部分７４とにより構成される。第１及び第２の部分７２及び６８は、振動片６４の第１及び第２の上部電極６５及び６６に対向して構成され、第２の部分６８が対向電極となる。最上層の金属膜７４は信号線路、信号取り出しのビア、パッドなどに加工される。支持部７１は、複合膜７０と同じ膜構成で形成される。

振動片６４の下部電極６７が接地面（接地電極）となり、第１の上部電極６５が信号出力電極となる。また、振動片６４の第２の上部電極６６と対向電極６８は、それぞれ振動片６４を静電的に駆動するための電極であり、これら電極６６及び６８には、それぞれ入力信号（いわゆる入力交流信号：入力ＲＦ信号）あるいは参照信号（いわゆる参照交流信号：参照ＲＦ信号）のいずれかが印加される。本例では第２の上部電極６６に参照信号が印加され、対向電極６８に入力信号が印加される。

次に、図９〜図１２を参照して、上述した電気機械素子の製造方法の実施の形態を説明する。本例では、図８の第７実施の形態の電気機械素子の製造に適用したものである。他の実施の形態であっても類似の工程で製造することができる。

先ず、図９Ａに示すように、例えば、表面に絶縁膜を形成した高抵抗のシリコン基板の表面からなる基板９１の上面に、犠牲層薄膜、例えば酸化シリコン犠牲層薄膜（ＳＯＧ：Spin-on-Glass）膜９２Ａを成膜する。犠牲層膜９２Ａの膜厚は、本例では１２００ｎｍとする。続けて、所望の形状のレジストマスク（図示せず）を形成し、犠牲層膜９２Ａを選択的にエッチング加工して、振動子本体を形成する部分に犠牲層９２を形成する。

次に、図９Ｂに示すように、開口９３を含んで犠牲層９２上に所要膜厚の金属薄膜、例えば、膜厚３００ｎｍのＭｏ薄膜９４をスパッタ法により成膜する。

続けて、図９Ｃに示すように、その上に所要膜厚の圧電体薄膜、例えばＡｌＮ薄膜９５を例えばスパッタ法により１ｕｍの厚さに成膜する。

更に続けて、図９Ｄに示すように、その上に所要の金属薄膜、例えば膜厚３００ｎｍのＭｏ薄膜９６を成膜する。

次に、図１０Ｅに示すように、Ｍｏ薄膜９６上に所望の形状のレジストマスク（図示せず）を形成し、ドライエッチング法によりＭｏ薄膜９６を選択エッチングしてＭｏ薄膜による第１及び第２の上部電極９７及び９８を形成する。

次に、図１０Ｆに示すように、レジストマスク（図示せず）を形成し、ドライエッチング法により、ＡｌＮ薄膜９５を選択エッチングし、さらに下層のＭｏ薄膜９４を選択的にエッチングして下部電極９９を形成し、圧電体振動子本体１００を形成する。このドライエッチングで、圧電体振動子本体１００の支持部１０１も同時に形成し、また、支持部１０１の延長部において下部電極９９に達する開口１０２及び圧電体薄膜９５に達する開口１０３を形成する。さらに、圧電体振動子本体１００の幅方向（例えば紙面と直交して離れる方向）端に対応して犠牲層除去のための貫通孔（図示せず）を形成する。

次に、図１０Ｇに示すように、犠牲層薄膜、例えば酸化シリコン犠牲層薄膜（ＳＯＧ膜）１０４を成膜する。犠牲層薄膜１０４の膜厚は、本例では１２００ｎｍとする。

次に、図１１Ｈに示すように、所望の形状のレジストマスク（図示せず）を形成し、選択エッチングにより犠牲層薄膜１０４に信号取り出しのための貫通孔１０５を形成する。

次に、図１１Ｉに示すように、酸化シリコン犠牲層薄膜１０４の上に複合膜（屋根薄膜）を形成するための下地金属膜１０６、例えば、膜厚３００ｎｍのＭｏ薄膜をスパッタ法により成膜する。

次に、図１１Ｊに示すように、圧電体振動子本体１００の上部電極９７及び９８と複合膜の下地金属膜１０６との絶縁を確保する為の孔あるいは溝に対応する所望の形状のレジストマスク（図示せず）を形成し、選択エッチングにより孔あるいは溝１０７を形成する。同時にこのエッチングにより対向電極１１８を形成する。

次に、図１２Ｋに示すように、複合膜の一部を構成する圧電体薄膜、例えばＡｌＮ薄膜１０８を、例えば、スパッタ法により１ｕｍの厚さに成膜する。

次に、図１２Ｌに示すように、前記のＡｌＮ薄膜９５に設けた犠牲層を除去するための貫通孔（あるいは溝）の形成と同じように、ＡｌＮ薄膜１０８に犠牲層を除去するための貫通孔（図示せず）あるいは溝を、所望の形状のレジストマスク（図示せず）を介してエッチングにより形成する。

また、ＡｌＮ薄膜１０８に電極取出し用の貫通孔を形成し、この貫通孔内にビア１１７を形成する。さらに、ＡｌＮ薄膜１０８上に金属膜、例えばＭｏ薄膜をスパッタ法により成膜し、選択エッチングして、ＡｌＮ薄膜１０８上に上部金属膜１１６を形成し、同時にビア１１７上に下部電極９９への信号線路１１３、第１の上部電極９７への信号線路１１４及び第２の上部電極９８への信号線路１１５、対向電極１０６への信号線路（図示せず）及びこれら電極パッド（図示せず）を形成する。

次に、図１２Ｍに示すように、ガス化あるいは、微小な粒径のミストにしたフッ酸雰囲気中にウエハーを曝して圧電体振動子本体の周囲の犠牲層１０４及び９２をエッチング除去して空間１１１及び１１０を形成する。
このようにして第７実施の形態の電気機械素子６１を得る。

本発明の上述した実施の形態に係る電気機械素子は、信号ミキサ・フィルタとして構成することができる。図１３に、格子型の信号ミキサ・フィルタに適用した第８実施の形態を示す。

第８実施の形態に係る信号ミキサ・フィルタ１３１は、図６の第５実施の形態の電気機械素子、すなわち共振周波数の異なる２種類、４個の２次振動子４１〔４１５、４１６、４１７、４１８〕を用いて、格子型構成としている。すなわち、２つの信号線路１３２と１３３のそれぞれに高い共振周波数を持つ振動子４１５、４１８が接続される。また、信号線路１３２側の振動子４１５の入力側と信号線路１３３の振動子４１８の出力側との間と、信号線路１３３側の振動子４１８の入力側と信号線路１３２側の振動子４１５の出力側との間に、所望な同じ共振周波数を持つ振動子４１６、４１７が接続される。信号線路１３２の入力端と信号線路１３３の入力端にそれぞれ位相が１８０°異なる信号（平衡信号）が入力される。

すなわち、本実施の形態に係る信号ミキサ・フィルタ１３１は、共振周波数の異なる２種類の振動子として、図６の振動子４１において、圧電体薄膜５を含む、共振周波数の異なる振動片で構成される振動子が用いられる。そして、振動子４１５では、その第２の上部電極４３が信号線路１３２の入力側に接続され、その第１の上部電極４２が信号線路１３２の出力側に接続される。振動子４１６では、その第２の上部電極４３が信号線路１３２の入力側に接続され、その第１の上部電極４２が信号線路１３３の出力側に接続される。両振動子４１５及び４１６の対向電極４５は、共通に接続されて参照信号ＬＯが入力されるようになされる。

振動子４１８では、その第２の上部電極４３が信号線路１３３の入力側に接続され、その第１の上部電極４２が信号線路１３３の出力側に接続される。振動子４１７では、その第２の上部電極４３が信号線路１３３の入力側に接続され、その第１の上部電極４２が信号線路１３２の出力側に接続される。両振動子４１８及び４１７の対向電極４５は、共通に接続される。この信号ミキサ・フィルタ１３１では、入力端子ｔ１１及びｔ１３にそれぞれ１８０°位相を異にした高周波信号（ＲＦ）が入力され、入力端子ｔ１５，１６に対応する参照高周波信号（ＬＯ）が入力される。

第８実施の形態によれば、信号ミキサ・フィルタ１３１として構成するときは、高周波信号（ＲＦ）の搬送周波数を低周波に変換すると同時に必要な帯域内の信号（高周波信号ＩＦ）のみを選択的に出力端ｔ１２，ｔ１４から出力することができ、高周波信号回路の大幅な簡略化を実現できる。

上記ミキサ・フィルタ１３１は、平衡入力、平衡出力の信号を扱う。このため格子型に振動子、すなわち共振器（一群の並列化された振動子素子）を接続して、平衡入力、平衡出力の信号を扱う。このフィルタ回路を用いることにより、帯域透過特性における、対称性のよい周波数依存性を実現できる。

図１４に、上述した実施の形態に係る電気機械素子を、ラダー型の信号ミキサ・フィルタに適用した第９実施の形態を示す。第９実施の形態に係る信号ミキサ・フィルタ１２１は、共振周波数の異なる２種類、４個の２次振動子４１〔４１１、４１２、４１３、４１４〕を用いて、ラダー型構成としている。図１４において、１段目の破線（ａ）で囲まれた部分はミキサ・フィルタとして機能し、２段目の実線（ｂ）で囲まれた部分はフィルタとして機能する。実線（ｂ）で囲まれた部分では、電極４５は機能させない。作製のプロセスの都合で４５は作り込んでもよい。図１４はこの場合に相当する。

すなわち、この信号ミキサ・フィルタ１２１では、高周波信号線路１２２をマイクロストリップ線路で構成し、その信号線路１２３の入力端子ｔ１及び出力端子ｔ２間に直列に振動子４１１が接続され、この直列振動子４１１の入力側とグランド線路（接地面）１２４間に異なる共振周波数を持つシャント振動子４１２が接続されて１段目のラダー型ミキサ・フィルタａが構成される。この１段目の直列振動子４１１とシャント振動子４１２は、例えば図６の振動子４１を用いている。

２段目のラダー型フィルタｂは、信号線路１２３に４１１と同じ共振周波数を持つ直列振動子４１３が接続され、この直列振動子４１３の入力側とグランド線路１２４間に４１２と同じ共振周波数を持つシャント振動子４１４が接続されてなる。２段目の直列振動子４１３とシャント振動子４１４は、例えば図６の振動子４１において対向電極４５を機能させない構成としている。

１段目の直列振動子４１１とシャント振動子４１２のそれぞれの対向電極４５は共通接続されて端子ｔ３に接続される。直列振動子４１１は、その第２の上部電極４３が信号線路１２３の入力側に接続され、第１の上部電極４２が信号線路１２３の出力側に接続される。また、シャント振動子４１２は、その第２の上部電極４３が信号線路１２３の入力側に接続され、第１の上部電極４２がグランド線路１２４に接続される。

２段目の直列振動子４１３は、その第２の上部電極４３が信号線路１２３の入力側に接続され、第１の上部電極４２が信号線路１２３の出力側に接続される。また、シャント振動子４１４は、その第２の上部電極４３が信号線路１２３の入力側に接続され、第１の上部電極４２がグランド線路１２４に接続される。

２種類の振動子４１１、４１３と振動子４１２、４１４は、所望の信号通過帯域特性を得るために共振周波数を互いに違えて設計してある。このため、振動子４１１、４１３と振動子４１２、４１４としては、圧電体薄膜５による寸法の異なる振動片を用いた振動子が用いられる。

この信号ミキサ・フィルタ１２１によれば、入力端子ｔ１に高周波信号（ＲＦ）を入力し、入力端子ｔ３に参照高周波信号（ＬＯ）を入力することにより、所望の帯域内の信号（高周波信号ＩＦ）を出力端子ｔ２から出力することができる。

図１５に、本発明に係る電気機械素子（振動子）の第１０実施の形態を示す。この電気機械素子は信号ミキサ・フィルタとして用いることができる。本実施の形態に係る電気機械素子１４１は、圧電体膜１４２、例えばＡｌＮ圧電体膜の上面に上部電極１４３を形成し、下面に中間電極１４４、誘電体膜１４５及び下部電極１４６を順次形成して構成される。上部電極１４３及び中間電極１４４は、圧電体膜１４２の上面及び下面の略全面に形成されるが、下部電極１４６は誘電体膜１４５の下面の一部、例えば中央領域に選択的に形成される。下部電極１４６は入力電極となり、高周波信号ＲＦと参照信号ＬＯを重畳した信号が入力される。中間電極１４４は接地電極となり、グランド電位が印加される。上部電極１４３は出力電極となり、ＩＦ信号が出力されるように構成される。また、この電気機械素子１４１、すなわち振動子は、図の断面で示す長手方向の中心部で、支持部（図示せず）で支持されるように構成される。

本実施の形態の電気機械素子１４１では、下部電極１４６に高周波信号ＲＦと参照信号ＬＯが重畳して入力されることにより、中間電極１４４と下部電極１４６で挟まれた誘電体膜１４５の一部の領域（破線図示）１４５ａでひずみが極大となり、圧電体膜１４２が励振して動作し、上部電極１４３からＩＦ信号が出力される。本実施の形態の場合は、内力の励振で動作させるので、前述した電極間に空間を有する各実施の形態とは振動片の構成原理が異なっている。前述の各実施の形態との構成上に違いは、ＲＦ信号が印加される下部電極１４６が、圧電体膜１４２と誘電体薄膜１４５、電極１４４、１４３からなる振動片に固定されている点である。

第１０実施の形態に係る電気機械素子１４１によれば、中間電極１４４と下部電極１４６との間の膜が誘電体膜１４５であるため、信号のミキシングを行うことができ、ノイズの発生がなく、信号ミキサ・フィルタとして確実に動作することができる。下部電極１４６を誘電体膜１４５の一部に形成して、誘電体膜１４５の一部にのみ電圧が印加され、振動子の一部分にひずみが発生するように構成されるので、面内方向へのひずみも発生し、能率よく駆動できる。電極１４６を基板に固定する必要がないので反力による基板の励振をなくすことができる。また、電極間に空間がなく、単純な構造であるので、安価に製造できる。

図１６に、本発明に係る電気機械素子（振動子）の第１１実施の形態を示す。この電気機械素子は信号ミキサ・フィルタとして用いることができる。本実施の形態に係る電気機械素子１５１は、圧電体膜１５２、例えばＡｌＮ圧電体膜の上面に分割した２つの上部電極１５３及び１５４を形成し、下面に上記上部電極１５３、１５４に対応して分割した２つの中間電極１５５及び１５６、誘電体膜１５７、及び上記中間電極１５６に対応する領域の下部電極１５８を、順次形成して構成される。下部電極１５８は入力電極となり、高周波信号ＲＦが入力される。第１の中間電極１５５は接地電極となり、グランド電位が印加される。第２の中間電極１５６と第２の上部電極１５４は入力電極となり、参照信号ＬＯが印加される。第１の上部電極１５３は出力電極となり、ＩＦ信号が出力されるように構成される。（圧電体膜１５２の上面の両上部電極１５３及び１５４の中間に対応する部分にプロセスの都合により凹部１５９が形成される場合がある。）この電気機械素子１４１、すなわち振動子は、例えば図の断面で示す長手方向の中心部分（１５９）に設けられた支持部（図示せず）で支持されるように構成される。

本実施の形態の電気機械素子１５１では、下部電極１５８にＲＦ信号が入力され、第２の中間電極１５６と第２の上部電極１５４に参照ＬＯ信号が入力される。これにより、第２の中間電極１５７と下部電極１５８で挟まれた誘電体膜１５７の一部の領域（破線図示）１５７ａでひずみが極大となり、圧電体膜１５２が励振して動作し、第１の上部電極１５３からＩＦ信号が出力される。本実施の形態の場合も、内力の励振で動作させるので、前述した電極間に空間を有する各実施の形態とは振動片の構成原理が異なる。また、前述の各実施の形態との構成上に違いは、ＲＦ信号が印加される下部電極１５８が、圧電体膜１５２と誘電体薄膜１５７、電極１５３、１５４、１５５、１５６からなる振動片に固定されている点である。

第１１実施の形態に係る電気機械素子１５１によれば、第１０実施の形態と同様に、中間電極１５７、１５６と下部電極１５８との間の膜が誘電体膜１５７であるため、信号のミキシングを行うことができ、ノイズの発生がなく、信号ミキサ・フィルタとして確実に動作することができる。下部電極１５８が分割された第２の中間電極１５６に対応するように形成され、誘電体膜１４５の一部にのみ電圧が印加され、振動子の一部分にひずみが発生するように構成されるので、面内方向へのひずみも発生し、能率よく駆動できる。電極１５８を基板に固定する必要がないので反力による基板の励振をなくすことができる。また、電極間に空間がなく、単純な構造であるので、安価に製造できる。

本発明は、上述した電気機械素子を含んで構成される信号処理するためのデバイス、いわゆる信号処理デバイスを提供することができる。

上述した本発明の実施の形態に係る電気機械素子は、高周波信号を処理するための回路モジュール、例えば電気機械素子（いわゆるＭＥＭＳ）を含んでなるＳｏＣ（システム・オン・チップ）、或いはＳｉＰ（システム・イン・パッケージ）等の半導体デバイスにおいて、搬送波信号から所望の信号を選択的に抜き出す回路部を構成することができる。このような構成を採ることにより、優れた性能を有しつつ、小型、省電力の半導体デバイスを顧客に提供することができる。この電気機械素子一例として前述したラダー型構成の信号ミキサ・フィルタがある。

上述の実施の形態に係る電気機械素子は、振動子素子を用いた、例えば、フィルタ、発振器、ミキサなどの高周波デバイス、及びそれらが含まれるＳｏＣ（システム・オン・チップ）デバイスモジュール、ＳｉＰ（システム・イン・パッケージ）デバイスモジュール等の半導体デバイスとして構成することができる。

上述した各実施の形態の圧電体膜振動子は、ミキサ・フィルタとして用いることができる。

本発明は、上述した実施の形態のミキサ・フィルタを備えた通信装置、すなわち例えば携帯電話機、無線ＬＡＮ機器、無線トランシーバ、テレビチューナ、ラジオチューナ等の、電磁波を利用して通信する通信装置を提供することができる。

先ず、通信装置の参考例を、図１７を用いて説明する。
まず送信系の構成について説明すると、Ｉチャンネルの送信データとＱチャンネルの送信データを、それぞれデジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）２０１Ｉ及び２０１Ｑに供給してアナログ信号に変換する。変換された各チャンネルの信号は、バンド・パス・フィルタ２０２Ｉ及び２０２Ｑに供給して、送信信号の帯域以外の信号成分を除去し、バンド・パス・フィルタ２０２Ｉ及び２０２Ｑの出力を、変調器２１０に供給する。

変調器２１０では、チャンネルごとにバッファアンプ２１１Ｉ及び２１１Ｑを介してミキサ２１２Ｉ及び２１２Ｑに供給して、送信用のＰＬＬ（phase-locked loop）回路２０３から供給される送信周波数に対応した周波数信号を混合して変調し、両混合信号を加算器２１４で加算して１系統の送信信号とする。この場合、ミキサ２１２Ｉに供給する周波数信号は、移相器２１３で信号の位相を９０°シフトさせてあり、Ｉチャンネルの信号とＱチャンネルの信号とが直交変調されるようにしてある。

加算器２１４の出力は、バッファアンプ２１５を介して電力増幅器２０４に供給し、所定の送信電力となるように増幅する。電力増幅器２０４で増幅された信号は、送受信切換器２０５と高周波フィルタ２０６を介してアンテナ２０７に供給し、アンテナ２０７から無線送信させる。高周波フィルタ２０６は、この通信装置で送信及び受信する周波数帯域以外の信号成分を除去するバンド・パス・フィルタである。

受信系の構成としては、アンテナ２０７で受信した信号を、高周波フィルタ２０６及び送受信切換器２０５を介して高周波部２２０に供給する。高周波部２２０では、受信信号を低ノイズアンプ（ＬＮＡ）２２１で増幅した後、バンド・パス・フィルタ２２２に供給して、受信周波数帯域以外の信号成分を除去し帯域の選択がなされた信号を、バッファアンプ２２３を介してミキサ２２４に供給する。そして、チャンネル選択用ＰＬＬ回路２５１から供給される周波数信号を混合して、所定の送信チャンネルの信号を中間周波信号に変換し、バッファアンプ２２５を介して中間周波回路２３０に供給する。

中間周波回路２３０では、供給される中間周波信号をバッファアンプ２３１を介してバンド・パス・フィルタ２３２に供給して、中間周波信号の帯域以外の信号成分を除去し、除去された信号を自動ゲイン調整回路（ＡＧＣ回路）２３３に供給して、ほぼ一定のゲインの信号とする。自動ゲイン調整回路２３３でゲイン調整された中間周波信号は、バッファアンプ２３４を介して復調器２４０に供給する。

復調器２４０では、供給される中間周波信号をバッファアンプ２４１を介してミキサ２４２Ｉ及び２４２Ｑに供給して、中間周波用ＰＬＬ回路２５２から供給される周波数信号を混合して、受信したＩチャンネルの信号成分とＱチャンネルの信号成分を復調する。この場合、Ｉ信号用のミキサ２４２Ｉには、移相器２４３で信号を位相を９０°シフトさせた周波数信号を供給するようにしてあり、直交変調されたＩチャンネルの信号成分とＱチャンネルの信号成分を復調する。

復調されたＩチャンネルとＱチャンネルの信号は、それぞれバッファアンプ２４４Ｉ及び２４４Ｑを介してバンド・パス・フィルタ２５３Ｉ及び２５３Ｑに供給して、Ｉチャンネル及びＱチャンネルの信号以外の信号成分を除去し、帯域の選択がなされた信号をアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）２５４Ｉ及び２５４Ｑに供給してサンプリングしてデジタルデータ化し、Ｉチャンネルの受信データ及びＱチャンネルの受信データを得る。

次に、上述した本発明の実施の形態のミキサ・フィルタを適用した通信装置の構成例を、図１８を参照して説明する。 まず送信系の構成について説明すると、Ｉチャンネルの送信データとＱチャンネルの送信データを、それぞれデジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）２０１Ｉ及び２０１Ｑに供給してアナログ信号に変換する。変換された各チャンネルの信号ＲＦは、本発明のミキサ・フィルタ、例えば図１４で示すようなラダー型ミキサ・フィルタ(送信系に用いるときは、図１４の（ｂ）のフィルタ部分を省いた構成とする)、２６０Ｉ、２６０Ｑに供給して、送信用のＰＬＬ（phase-locked loop）回路２０３から供給される送信周波数に対応した参照信号を混合して変調し、送信信号の帯域以外の信号成分を除去し、その両出力信号、出力Ｉ及び出力Ｑを加算器２１４で加算して１系統の送信信号とする。この場合、ミキサ・フィルタ２６０Ｉチャネルに供給する参照信号は、移相器２１３で信号を位相を９０°シフトさせてあり、Ｉチャンネルの信号とＱチャンネルの信号とが直交変調されるようにしてある。送信ＰＬＬ信号およびチャンネル選択ＰＬＬ信号は必要に応じてアンプ２７１、２７２により増幅する。

加算器２１４の出力は、バッファアンプ２１５を介して電力増幅器２０４に供給し、所定の送信電力となるように増幅する。電力増幅器２０４で増幅された信号は、送受信切換器２０５と高周波フィルタ２０６を介してアンテナ２０７に供給し、アンテナ２０７から無線送信させる。高周波フィルタ２０６は、この通信装置で送信及び受信する周波数帯域以外の信号成分を除去するバンド・パス・フィルタである。

受信系としては、アンテナ２０７で受信した信号を、高周波フィルタ２０６及び送受信切換器２０５を介して、本発明のミキサ・フィルタ、例えば図１４のラダー型ミキサ・フィルタ２６１に通過させる。ラダー型ミキサ・フィルタ２６１では、受信した高周波信号ＲＦの帯域以外の信号成分を除去し、同時に、チャネル選択用ＰＬＬ回路２５１から供給される周波数信号ＬＯを混合し、雑音が除去された中間周波数信号ＩＦに変換する。次に信号ＩＦを自動ゲイン調整回路（ＡＧＣ回路）２３３に供給して、ほぼ一定のゲインの信号とする。自動ゲイン調整回路２３３でゲイン調整された中間周波信号ＩＦは、バッファアンプ２３４を介して復調器２４０に供給する。

復調器２４０では、供給される信号をバッファアンプ２４１を介してミキサ２４２Ｉ及び２４２Ｑに供給して、中間周波用ＰＬＬ回路２５２から供給される周波数信号を混合して、受信したＩチャンネルの信号成分とＱチャンネルの信号成分を復調する。この場合、Ｉ信号用のミキサ２４２Ｉには、移相器２４３で信号を位相を９０°シフトさせた周波数信号を供給するようにしてあり、直交変調されたＩチャンネルの信号成分とＱチャンネルの信号成分を復調する。

復調されたＩチャンネルとＱチャンネルの信号は、それぞれバッファアンプ２４４Ｉ及び２４４Ｑを介してバンド・パス・フィルタ２５３Ｉ及び２５３Ｑに供給して、Ｉチャンネル及びＱチャンネルの信号以外の信号成分を除去し、帯域の選択がなされた信号をアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）２５４Ｉ及び２５４Ｑに供給してサンプリングしてデジタルデータ化し、Ｉチャンネルの受信データ及びＱチャンネルの受信データを得る。

本発明の通信装置によれば、ミキサを構成する電気回路が不要となるため、装置が小型化され、消費電力を抑制することができ、また、信頼性の高い通信装置を提供することができる。

上述の例では、無線送信及び無線受信を行う通信装置としたが、有線の伝送路を介して送信及び受信を行う通信装置に適用してもよく、さらに送信処理だけを行う通信装置や受信処理だけを行う通信装置に適用してもよい。

次に、本発明の受信装置の構成例を図１９を参照して説明する。アンテナ２０７で受信した信号を、本発明のミキサ・フィルタ、例えば図１４のラダー型ミキサ・フィルタ２６３に通過させる。ラダー型ミキサ・フィルタ２６３では、受信した高周波信号ＲＦの帯域以外の信号成分を除去し、同時に、チャネル選択用ＰＬＬ回路２５１から供給される周波数信号ＬＯを混合し、雑音が除去された中間周波数信号ＩＦに変換する。必要に応じてチャンネルＰＬＬ信号はアンプ２７３により増幅する。次に信号ＩＦを自動ゲイン調整回路（ＡＧＣ回路）２３３に供給して、ほぼ一定のゲインの信号とする。自動ゲイン調整回路２３３でゲイン調整された中間周波信号は、バッファアンプ２３４を介して復調器２４０に供給する。

復調器２４０では、供給される信号をバッファアンプ２４１を介してミキサ２４２Ｉ及び２４２Ｑに供給して、中間周波用ＰＬＬ回路２５２から供給される周波数信号を混合して、受信したＩチャンネルの信号成分とＱチャンネルの信号成分を復調する。この場合、Ｉ信号用のミキサ２４２Ｉには、移相器２４３で信号を位相を９０°シフトさせた周波数信号を供給するようにしてあり、直交変調されたＩチャンネルの信号成分とＱチャンネルの信号成分を復調する。

復調されたＩチャンネルとＱチャンネルの信号は、それぞれバッファアンプ２４４Ｉ及び２４４Ｑを介してバンド・パス・フィルタ２５３Ｉ及び２５３Ｑに供給して、Ｉチャンネル及びＱチャンネルの信号以外の信号成分を除去し、帯域の選択がなされた信号をアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）２５４Ｉ及び２５４Ｑに供給してサンプリングしてデジタルデータ化し、Ｉチャンネルの受信データ及びＱチャンネルの受信データを得る。

本発明の受信装置によれば、前述の通信装置と同様に、装置の小型化が図られ、消費電力を抑制することができ、また、信頼性の高い受信装置を提供することができる。

上述した本発明の実施の形態に係る電気機械素子を用いることにより、例えば高周波信号のフィルタリングを行うことができる。振動子薄膜の圧電性を利用しているのでＤＣバイアス電圧の印加が不要であり、電源系が不要となるので信号線路の簡略化ができ、不要な雑音の混入を低減できる。また、振動子の電気機械変換効率が高いので、電気機械素子の前後に配置されるアンプとのインピーダンス整合がより容易になる。
上述した本発明の実施の形態に係る電気機械素子を用いることにより、構造がより簡素になり、工業生産が容易になる。

本発明に係る電気機械素子の第１実施の形態を示す概略構成図である。 Ａ〜Ｃ それぞれ第１実施の形態の上面から見た平面図である。 Ａ、Ｂ 本発明に係る電気機械素子の第２実施の形態を示す概略構成図及び振動モード図である。 Ａ，Ｂ 本発明に係る電気機械素子の第３実施の形態を示す概略構成図及び振動モード図である。 本発明に係る電気機械素子の第４実施の形態を示す概略構成図である。 Ａ，Ｂ及びＣ 本発明に係る電気機械素子の第５実施の形態を示す概略構成図（平面図）、Ａ−Ａ′線上の断面図及び振動モード図である。 Ａ，Ｂ及びＣ 本発明に係る電気機械素子の第６実施の形態を示す概略構成図（平面図）、Ａ−Ａ′線上の断面図及び振動モード図である。 本発明に係る電気機械素子の第７実施の形態を示す概略構成図である。 Ａ〜Ｄ 本発明に係る電気機械素子の製造方法の実施の形態を示す製造工程図（その１）である。 Ｅ〜Ｇ 本発明に係る電気機械素子の製造方法の実施の形態を示す製造工程図（その２）である。 Ｈ〜Ｊ 本発明に係る電気機械素子の製造方法の実施の形態を示す製造工程図（その３）である。 Ｋ〜Ｍ 本発明に係る電気機械素子の製造方法の実施の形態を示す製造工程図（その４）である。 本発明に係る電気機械素子を格子型の信号ミキサ・フィルタに適用した第８実施の形態を示す概略構成図である。 本発明に係る電気機械素子をラダー型の信号ミキサ・フィルタに適用した第９実施の形態を示す概略構成図である。 本発明に係る電気機械素子の第１０実施の形態を示す概略構成図である。 本発明に係る電気機械素子の第１１実施の形態を示す概略構成図である。 参考例に係る通信装置の回路図である。 本発明に係る通信装置の回路図である。 本発明に係る受信装置の回路図である。 非特許文献４に記載されたフィルタ・ミキサの概略構成図である。

符号の説明

１、１１、２１、３１、４１、５１、６１、１４１、１５１・・電気機械素子、２、１２、２２、３２、３４、４２、４３、５２、５３・・上部電極、３、１３、１４、２３、２４、３３、３５、４４、５４・・下部電極、４・・側面電極、５・・圧電体膜、６・・空間、７、１７、２７、３６、４５、５５・・対向電極、８、１８、２８、３８、４８、５８・・基板、９、１５、２５、３７、４６、５６、６４・・振動片、７１・・複合膜、１２１・・ラダー型の信号ミキサ・フィルタ、１３１・・格子型の信号ミキサ・フィルタ、１４２、１５２・・圧電体膜、１４３、１５３、１５４・・上部電極、１４４、１５５、１５６・・中間電極、１４５、１５７・・誘電体膜、１４６、１５８・・下部電極、２６０、２６１・・ラダー型の信号ミキサ・フィルタ

Claims (16)

1. 圧電体膜と、
   前記圧電体膜に設けられた複数の電極と、
   前記複数の電極のうち所要の電極と誘電体層を挟んで対向する他の電極とを有し、
   前記誘電体層を挟む電極に入力される複数の信号による静電気的な力により前記圧電体膜が駆動し、前記圧電体膜の圧電性により誘起される電気信号を出力する
   ことを特徴とする電気機械素子。
2. 圧電体膜と、該圧電体膜上に設けられた複数の電極とからなる振動片と、
   前記振動片と空間を隔てて対面する他の電極とを有し、
   前記何れかの電極の組み合わせに交流信号が入力されて前記振動片が静電駆動し、電気信号が出力される
   ことを特徴とする電気機械素子。
3. 前記振動片の所要の電極と、該所要の電極と空間を隔てて対面する前記他の電極とに入力される２つの交流信号で、前記振動片が静電駆動される
   ことを特徴とする請求項２記載の電気機械素子。
4. 前記振動片の外周に空間を隔てて対面し、該振動片の重心に対して対称に設けられた１あるいは複数の前記他方の電極と、
   前記他方の電極に対面して前記振動片の外周部に設けられた電極とに、
   交流信号が印加されて、前記振動片が静電的に駆動して伸縮振動をなし、
   前記振動片の他の所要の電極に電気信号が出力される
   ことを特徴とする請求項２記載の電気機械素子。
5. 前記圧電体膜の裏面に第１及び第２の電極が形成され、
   前記圧電体膜の表面に少なくとも１つの第３の電極が形成され、
   前記第２の電極に空間を隔てて対面する前記他方の電極が設けられ、
   前記第１の電極または前記第３の電極は、接地面または信号出力電極の何れかとなし、
   前記第２の電極と前記他の電極にそれぞれ入力交流信号が印加される
   ことを特徴とする請求項２記載の電気機械素子。
6. 前記圧電体膜の表面に分割された第１及び第２の電極が形成され、
   前記圧電体膜の裏面に第３の電極が形成され、
   前記第２の電極に空間を隔てて対面する前記他方の電極が設けられ、
   前記第１の電極または前記第３の電極は、接地面または信号出力電極の何れかとなし、
   前記第２の電極と前記他方の電極にそれぞれ入力交流信号が印加される
   ことを特徴とする請求項２記載の電気機械素子。
7. 前記振動片が２次振動モードで静電的に駆動される
   ことを特徴とする請求項２記載の電気機械素子。
8. 前記振動片に設けられる静電駆動のための電極は、振動の腹をなす部分を含んでなるよう、設けられる
   ことを特徴とする請求項２記載の電気機械素子。
9. 前記圧電体膜は、Ｃ軸配向のＡｌＮ膜である
   ことを特徴とする請求項２記載の電気機械素子。
10. 信号ミキサ・フィルタとして構成されている
    ことを特徴とする請求項２記載の電気機械素子。
11. 前記信号ミキサ・フィルタは、平衡入力、平衡出力の信号を扱うようにして成る
    ことを特徴とする請求項１０記載の電気機械素子。
12. 前記信号ミキサ・フィルタは、格子形に共振器を接続して、平衡入力、平衡出力の信号を扱うようにして成る
    ことを特徴とする請求項１１記載の電気機械素子。
13. 圧電体膜と、
    前記圧電体膜に設けられた複数の電極と、
    前記複数の電極のうち所要の電極と誘電体層を挟んで対向する他の電極とを有し、
    前記誘電体層を挟む電極に入力される複数の信号による静電気的な力により前記圧電体膜が駆動し、前記圧電体膜の圧電性により誘起される電気信号を出力するようにして成る電気機械素子を含んで構成してなる
    ことを特徴とする信号処理デバイス。
14. 圧電体膜と、該圧電体膜上に設けられた複数の電極とからなる振動片と、
    前記振動片と空間を隔てて対面する他の電極とを有し、
    前記何れかの電極の組み合わせに交流信号が入力されて前記振動片が静電駆動し、電気信号が出力されるようにして成る電気機械素子を含んで構成されてなる
    ことを特徴とする信号処理デバイス。
15. 送信信号及び／又は受信信号の周波数変換とフィルタリングを行う信号ミキサ・フィルタを備え、
    前記信号ミキサ・フィルタとして、
    圧電体膜と、
    前記圧電体膜に設けられた複数の電極と、
    前記複数の電極のうち所要の電極と誘電体層を挟んで対向する他の電極とを有し、
    前記誘電体層を挟む電極に入力される複数の信号による静電気的な力により前記圧電体膜が駆動し、前記圧電体膜の圧電性により誘起される電気信号を出力するようにして成る電気機械振動子が用いられる
    ことを特徴とする通信装置。
16. 送信信号及び／又は受信信号の周波数変換とフィルタリングを行う信号ミキサ・フィルタを備え、
    前記信号ミキサ・フィルタとして、
    圧電体膜と、該圧電体膜上に設けられた複数の電極とからなる振動片と、
    前記振動片と空間を隔てて対面する他の電極とを有し、
    前記何れかの電極の組み合わせに交流信号が入力されて前記振動片が静電駆動し、電気信号を出力するようにして成る電気機械振動子が用いられる
    ことを特徴とする通信装置。

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