JP2008193638A - Mems振動子 - Google Patents
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Abstract
【課題】初期容量が大きくなることを防止し、出力信号を大きくすることにより特性の良好なMEMS振動子を提供する。
【解決手段】本発明のMEMS振動子100は、基板としての半導体基板102の上に成膜された絶縁膜103上に形成された駆動電極110と可動電極130とから構成されている。この駆動電極110および可動電極130にそれぞれ形成された駆動電極指111と可動電極指134,136とが交差する交差指幅が長さの異なる第1の交差指幅と第2の交差指幅とを有して形成されている。
【選択図】図1
【解決手段】本発明のMEMS振動子100は、基板としての半導体基板102の上に成膜された絶縁膜103上に形成された駆動電極110と可動電極130とから構成されている。この駆動電極110および可動電極130にそれぞれ形成された駆動電極指111と可動電極指134,136とが交差する交差指幅が長さの異なる第1の交差指幅と第2の交差指幅とを有して形成されている。
【選択図】図1
Description
本発明は、可動電極指を備えた可動電極が基板上に形成されているMEMS振動子に関する。
近年、MEMS(Micro Electro Mechanical System)技術を用い、微小なMEMS振動子が製作されている。ここで、MEMS振動子とは、半導体製造技術を用いて製作された微小な機能素子にて構成された振動子と定義する。
このMEMS振動子は、従来使用されてきた水晶などの圧電材料を利用した振動子または共振器とは異なり、固定部(以下、「駆動電極」という。)と可動部(以下、「可動電極」という。)を備え、駆動電極と可動電極間に生ずる静電力により可動電極が励振振動するように構成されている(例えば、特許文献1、特許文献2参照)。
このMEMS振動子は、従来使用されてきた水晶などの圧電材料を利用した振動子または共振器とは異なり、固定部(以下、「駆動電極」という。)と可動部(以下、「可動電極」という。)を備え、駆動電極と可動電極間に生ずる静電力により可動電極が励振振動するように構成されている(例えば、特許文献1、特許文献2参照)。
先ず、MEMS振動子の構成を図7に示し説明する。図7は、従来のMEMS振動子の斜視図である。図7に示すように、MEMS振動子1は、図示しない基板上に、駆動電極10と検出電極20と可動電極30とが形成されている。駆動電極10には、一定の長さの駆動電極指11が形成され、検出電極20には、一定の長さの検出電極指21が形成されている。可動電極30は、錘部33の両端部に一定の長さの可動電極指34,35が形成されている。そして、この駆動電極指11と可動電極指34と、および検出電極指21と可動電極指35とが、それぞれが被さらないように対峙し、交差している。ここで、駆動電極指11と可動電極指34と、および検出電極指21と可動電極指35とがそれぞれ交差する長さを交差指幅と定義する。このMEMS振動子1では、駆動電極指11と可動電極指34との交差指幅、および検出電極指21と可動電極指35との交差指幅は一定となっている。錘部33の他端には、梁部32を介して支持部31が形成されている。この支持部31により可動電極30が図示しない基板と空隙を有して接続されている。
次に、MEMS振動子の動作特性について説明する。図8は、一般的に用いられている振動子の電気等価回路図である。なお、ここで述べる振動子は、前述のMEMS振動子1においては可動電極30のことである。図8に示す、Rr、Cr、Lrからなる共振回路は、振動子の力学的性質を「機械−電気変換」によって等価的に電気回路に置き換えた部分である。また、並列容量C0は、振動子の初期容量成分である。
ここで、Rr、Cr、Lrは、振動子の形状によって決まり、式(1)により求められる。
ここで、Rr、Cr、Lrは、振動子の形状によって決まり、式(1)により求められる。
次に、並列容量C0と出力信号の関係について述べる。図8に示した等価回路によれば、系全体のインピーダンスZxは、式(3)で表される。
しかしながら、前述の従来のMEMS振動子1では、駆動電極指11と可動電極指34、および検出電極指21と可動電極指35が交差する交差指幅が一定に形成されており交差する領域が大きくなる。このため、駆動電極10と可動電極30あるいは検出電極20と可動電極30のそれぞれの間に生じる初期容量(寄生容量)が大きくなり、初期容量成分である並列容量C0が大きくなる。これにより、MEMS振動子1の出力信号が小さくなってしまうことがあるという課題を有していた。
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、初期容量が大きくなることを防止し、出力信号の大きな、換言すれば、特性の良好なMEMS振動子を提供することにある。
かかる問題を解決するために、本発明のMEMS振動子は、基板と、複数の駆動電極指を一方端に有し、前記基板上に形成された駆動電極と、前記駆動電極指と対向するように形成された可動電極であって、該駆動電極指と被さらないように対峙して設けられた複数の可動電極指を一方端に有し、他方端から延設された梁部を介して設けられた支持部によって、前記基板と空隙を保つように前記基板に支持された前記可動電極とを有し、前記駆動電極指と前記可動電極指とが交差する交差指幅が、所定の長さの第1の交差指幅と前記第1の交差指幅より短い第2の交差指幅とを有することを特徴とする。
本発明のMEMS振動子によれば、第1の交差指幅と第1の交差指幅より短い第2の交差指幅とを有するように駆動電極指と可動電極指とが交差している。このように、長さの短い第2の交差指幅を有しているため駆動電極指と可動電極指とが交差することによって生じる初期容量(寄生容量)を小さくすることが可能となる。これにより、初期容量成分である並列容量C0が小さくなり、MEMS振動子の出力信号が小さくなることを防止することができる。したがって、特性の良好なMEMS振動子を提供することが可能となる。
また、前記第2の交差指幅を有する領域の、前記駆動電極指および前記可動電極指のそれぞれの先端が略直線上に形成されている領域を有して対峙していることが望ましい。
このようにすれば、駆動電極指および可動電極指のそれぞれの先端が略直線上に形成されているため、第2の交差指幅を有する領域においては交差指幅を生じない。さらに、可動電極が振動している場合は、可動電極指の先端が駆動電極指の側に移動するためこの移動分だけ交差指幅を生じる。これにより、可動電極指の振動を開始するときの並列容量C0を小さくすることができることから、MEMS振動子の出力信号が小さくなることを防止することができる。さらに、振動が始まり、その振動が継続されているときに生じる交差指幅により、MEMS振動子の出力信号を発生させることも可能である。
また、前記駆動電極指と前記可動電極指との交差指幅が、複数の前記駆動電極指の配列方向の中心線に対して対称となっていることが望ましい。
このようにすれば、複数の駆動電極指の配列方向の中心線に対して駆動電極指と可動電極指との交差指幅が対称となるため、交差することによって発生する静電力の分布も対称となる。これにより、可能電極を移動させようとする力も対称となるため振動が生じ易くなり、さらには安定した振動を発生させることが可能となる。
また、本発明のMEMS振動子は、基板と、複数の駆動電極指を一方端に配列し、前記基板上に形成された駆動電極と、前記駆動電極指と対向するように複数の検出電極指を一方端に配列し、前記基板上に形成された検出電極と、前記駆動電極と前記検出電極との間に設けられた可動電極であって、前記駆動電極指および前記検出電極指にそれぞれ向かうように設けられた複数の可動電極指を両端に有する前記可動電極と、前記可動電極の他方端から延設された梁部と、前記可動電極と前記基板とが空隙を保つように該可動電極を支持する支持部であって、前記可動電極の他方端から前記梁部を介して設けられ、前記基板に接続された前記支持部とを有し、前記駆動電極指と前記可動電極指とが交差する交差指幅、および前記検出電極指と前記可動電極指とが交差する交差指幅が、所定の長さの第1の交差指幅と前記第1の交差指幅より短い第2の交差指幅とを有するように形成されていることを特徴とするMEMS振動子。
本発明のMEMS振動子によれば、第1の交差指幅と第1の交差指幅より短い第2の交差指幅とを有するように駆動電極指と可動電極指、および検出電極指と可動電極指とが交差している。このように、長さの短い第2の交差指幅を有しているため駆動電極指と可動電極指、および検出電極指と可動電極指とが交差することによって生じる初期容量(寄生容量)を小さくすることが可能となる。これにより、初期容量成分である並列容量C0が小さくなり、MEMS振動子の出力信号が小さくなることを防止することができる。したがって、特性の良好なMEMS振動子を提供することが可能となる。
また、前記第2の交差指幅を有する領域の、前記駆動電極指、前記検出電極指、および前記可動電極指のそれぞれの先端が略直線上に形成されている領域を有して対峙していることが望ましい。
このようにすれば、駆動電極指、検出電極指および可動電極指のそれぞれの先端が略直線上に形成されているため、第2の交差指幅を有する領域においては交差指幅を生じない。さらに、可動電極が振動している場合は、可動電極指の先端が駆動電極指および検出電極指の側に移動するためこの移動分だけ交差指幅を生じる。これにより、可動電極指の振動を開始するときの並列容量C0を小さくすることができることから、MEMS振動子の出力信号が小さくなることを防止することができる。さらに、振動が始まり、その振動が継続されているときに生じる交差指幅により、MEMS振動子の出力信号を発生させることも可能である。
また、前記駆動電極指と前記可動電極指との交差指幅、および前記検出電極指と前記可動電極指との交差指幅が、複数の前記駆動電極指および複数の前記検出電極指の配列方向の中心線に対して対称となっていることが望ましい。
このようにすれば、複数の駆動電極指および複数の検出電極指の配列方向の中心線に対して駆動電極指と可動電極指、および検出電極指と可動電極指との交差指幅が対称となるため、交差することによって発生する静電力の分布も対称となる。これにより、可能電極を移動させようとする力も対称となるため振動が生じ易くなり、さらには安定した振動を発生させることが可能となる。
以下、本発明に係る最良の形態について、以下に図面を用いて説明する。
(第1実施形態)
図1は櫛歯構造の電極を持つMEMS振動子の一例としての横振動型MEMS振動子の構成を示す構成図であり、図1(a)は平面図、図1(b)は正面図である。なお、同図は、横振動型MEMS振動子が振動していない状態を示している。
図1は櫛歯構造の電極を持つMEMS振動子の一例としての横振動型MEMS振動子の構成を示す構成図であり、図1(a)は平面図、図1(b)は正面図である。なお、同図は、横振動型MEMS振動子が振動していない状態を示している。
MEMS振動子100は、基板としての半導体基板102の上に成膜された絶縁膜103上に形成され、駆動電極110、可動電極130から構成されている。
駆動電極110は、絶縁膜103上に形成された固定電極であり、バスバー113の一方端に駆動電極指111が配列されている。ここで、駆動電極指111の先端111aは、略直線状に位置するように設けられている。
可動電極130は、絶縁膜103上に形成された支持部131と、支持部131から延出した梁部132と、梁部132が他方端に接続される錘部133と、錘部133の一方端から伸びる可動電極指134,136から構成されている。可動電極130は、支持部131により絶縁膜103上に接続されており、梁部132、錘部133、および可動電極指134,136が絶縁膜103との間に空間を保つように配置されている。
駆動電極110は、絶縁膜103上に形成された固定電極であり、バスバー113の一方端に駆動電極指111が配列されている。ここで、駆動電極指111の先端111aは、略直線状に位置するように設けられている。
可動電極130は、絶縁膜103上に形成された支持部131と、支持部131から延出した梁部132と、梁部132が他方端に接続される錘部133と、錘部133の一方端から伸びる可動電極指134,136から構成されている。可動電極130は、支持部131により絶縁膜103上に接続されており、梁部132、錘部133、および可動電極指134,136が絶縁膜103との間に空間を保つように配置されている。
可動電極指134,136は、駆動電極指111と被さらないように対峙している。可動電極指134,136の配列方向の両端部の領域B1,B2には、可動電極指134が形成されており、駆動電極指111と交差している。ここで、交差する可動電極指134,136と駆動電極指111とが交差している長さを交差指幅という。以下、可動電極指134と駆動電極指111との交差指幅を第1の交差指幅という。可動電極指134,136の配列方向の中央部の領域Aには、可動電極指136が形成されている。複数の可動電極指136のそれぞれの先端136aは、駆動電極指111の先端111aと同じ略直線状の仮想線上に位置するように設けられている。即ち、可動電極指136の先端136aと駆動電極指111の先端111aは、交差しておらず交差指幅を有していないこととなる。以下、可動電極指136と駆動電極指111との交差指幅を第2の交差指幅という。
なお、第2の交差指幅を有する可動電極指136は、駆動電極指111の配列される方向の中心線C1を基準として対称となるように配置されている。これにより、可動電極指136と駆動電極指111との交差指幅が対称となるため、交差することによって発生する静電力の分布も対称となる。これにより、可能電極を移動させようとする力も対称となるため振動が生じ易くなり、さらには安定した振動を発生させることが可能となる。
可動電極130は、シリコン、ポリシリコンあるいは金属の薄膜で形成され、電極として作用し、特定の共振周波数fで振動が生ずるように寸法、形状、質量、材質を最適化し設計されている。また、錘部133は、駆動電極110と図示しない半導体基板102に形成された他の電極との間の信号経路も兼ねている。
次に、第1実施形態に示す横振動型MEMS振動子の動作について説明する。
前述のような構成のMEMS振動子100において、可動電極130に直流電圧が印加されると、可動電極130と駆動電極110との間に電位差が生ずる。そして、駆動電極110の電極表面にはそれぞれの電位差に応じた電荷がチャージされる。この状態で、駆動電極110に交流電圧(共振周波数fの信号)を印加すると、駆動電極110の駆動電極指111と可動電極130の可動電極指134との間に静電力が働く。例えば、駆動電極110と可動電極130の電位差が大きくなると、静電力が大きくなり可動電極130が駆動電極110に引き寄せられる(矢印V1aの方向に移動する)。これにより、第1の交差指幅を有する領域B1,B2では、可動電極指134と駆動電極指111との交差指幅はさらに大きくなり、第2の交差指幅を有する領域Aでは、可動電極指136と駆動電極指111との間に交差が発生し、交差指幅が生じることとなる。それに伴い、静電力が大きくなる。
なお、駆動電極110と可動電極130の電位差が小さくなると、静電力も小さくなり、可動電極130に設けられた梁部132の復元力により元の位置に押し戻される(矢印V1bの方向に移動する)。これにより、可動電極指134と駆動電極指111との第1の交差指幅は小さくなり、第2の交差指幅としての可動電極指136と駆動電極指111との交差が無くなる。
前述のような構成のMEMS振動子100において、可動電極130に直流電圧が印加されると、可動電極130と駆動電極110との間に電位差が生ずる。そして、駆動電極110の電極表面にはそれぞれの電位差に応じた電荷がチャージされる。この状態で、駆動電極110に交流電圧(共振周波数fの信号)を印加すると、駆動電極110の駆動電極指111と可動電極130の可動電極指134との間に静電力が働く。例えば、駆動電極110と可動電極130の電位差が大きくなると、静電力が大きくなり可動電極130が駆動電極110に引き寄せられる(矢印V1aの方向に移動する)。これにより、第1の交差指幅を有する領域B1,B2では、可動電極指134と駆動電極指111との交差指幅はさらに大きくなり、第2の交差指幅を有する領域Aでは、可動電極指136と駆動電極指111との間に交差が発生し、交差指幅が生じることとなる。それに伴い、静電力が大きくなる。
なお、駆動電極110と可動電極130の電位差が小さくなると、静電力も小さくなり、可動電極130に設けられた梁部132の復元力により元の位置に押し戻される(矢印V1bの方向に移動する)。これにより、可動電極指134と駆動電極指111との第1の交差指幅は小さくなり、第2の交差指幅としての可動電極指136と駆動電極指111との交差が無くなる。
MEMS振動子100は、駆動電極指111と可動電極指134,136とが交差していないと静電力が発生しないため駆動しない。また、駆動電極指111と可動電極指134,136との交差指幅が長いと初期容量成分である並列容量C0が大きくなりMEMS振動子100の出力信号が小さくなる。
第1の実施形態で説明したMEMS振動子100では、第1の交差指幅と第1の交差指幅より短い第2の交差指幅(本例では交差していない)とを有するように駆動電極指111と可動電極指134,136とが交差している。このような構成により、第1の交差指幅を有する領域B1,B2で駆動のための静電力を発生させるとともに、交差の発生していない第2の交差指幅の領域Aにより初期容量(寄生容量)を小さくすることが可能となる。これにより、MEMS振動子100は、駆動を維持しつつ、初期容量成分である並列容量C0を小さくすることによるMEMS振動子100の出力信号の縮小を防止することができる。したがって、特性の良好なMEMS振動子100を提供することが可能となる。
第1の実施形態で説明したMEMS振動子100では、第1の交差指幅と第1の交差指幅より短い第2の交差指幅(本例では交差していない)とを有するように駆動電極指111と可動電極指134,136とが交差している。このような構成により、第1の交差指幅を有する領域B1,B2で駆動のための静電力を発生させるとともに、交差の発生していない第2の交差指幅の領域Aにより初期容量(寄生容量)を小さくすることが可能となる。これにより、MEMS振動子100は、駆動を維持しつつ、初期容量成分である並列容量C0を小さくすることによるMEMS振動子100の出力信号の縮小を防止することができる。したがって、特性の良好なMEMS振動子100を提供することが可能となる。
(第2実施形態)
図2は、櫛歯構造の電極を持つMEMS振動子の一例としての横振動型MEMS振動子の構成を示す構成図であり、図2(a)は平面図、図2(b)は正面図である。
図2は、櫛歯構造の電極を持つMEMS振動子の一例としての横振動型MEMS振動子の構成を示す構成図であり、図2(a)は平面図、図2(b)は正面図である。
MEMS振動子200は、半導体基板202の上に成膜された絶縁膜203上に形成され、駆動電極210、検出電極220、可動電極230から構成されている。駆動電極210は、絶縁膜203上に形成された固定電極であり、バスバー213の一方端に駆動電極指211が配列されている。ここで、駆動電極指211の先端211aは、略直線状の仮想線上に位置するように設けられている。
検出電極220は、絶縁膜203上に形成された固定電極であり、バスバー223の一方端に駆動電極指211に向かうように検出電極指221が配列されている。ここで、検出電極指221の先端221aは、略直線状の仮想線上に位置するように設けられている。
可動電極230は、対向する駆動電極210と検出電極220の間に設けられている。可動電極230は、絶縁膜203上に形成された支持部231と、支持部231から延出した梁部232と、梁部232が他方端に接続される錘部233と、駆動電極210および検出電極220に向かう側の錘部233の2つの端部(両端)に配列された可動電極指234,236,235,237が設けられている。可動電極230は、支持部231により絶縁膜203上に固定され、梁部232、錘部233、可動電極指234,236,235,237が絶縁膜203との間に空間を保つように配置されている。可動電極230は、シリコン、ポリシリコンあるいは金属の薄膜で形成され、電極として作用し、特定の共振周波数fで振動が生ずるように寸法、形状、質量、材質を最適化し設計されている。また、錘部233は駆動電極210と検出電極220との間の信号経路も兼ねている。
一方の可動電極指234,236は、駆動電極指211と被さらないように対峙している。可動電極指234,236の配列方向の両端部の領域B1,B2には、可動電極指234が形成されており、駆動電極指211と交差している。
他方の可動電極指235,237は、検出電極指221と被さらないように対峙している。可動電極指235,237の配列方向の両端部の領域B1,B2には、可動電極指235が形成されており、検出電極指221と交差している。ここで、交差する可動電極指234,236,235,237と駆動電極指211および検出電極指221とが交差している長さを交差指幅という。以下、可動電極指234,235と駆動電極指211および検出電極指221との交差指幅を第1の交差指幅という。
他方の可動電極指235,237は、検出電極指221と被さらないように対峙している。可動電極指235,237の配列方向の両端部の領域B1,B2には、可動電極指235が形成されており、検出電極指221と交差している。ここで、交差する可動電極指234,236,235,237と駆動電極指211および検出電極指221とが交差している長さを交差指幅という。以下、可動電極指234,235と駆動電極指211および検出電極指221との交差指幅を第1の交差指幅という。
また、可動電極指234,236の配列方向の中央部の領域Aには、可動電極指236が形成されている。可動電極指235,237の配列方向の中央部の領域Aには、可動電極指237が形成されている。複数設けられている可動電極指236のそれぞれの先端236aは、駆動電極指211の先端211aが設けられている略直線状の仮想線上に位置するように設けられている。即ち、可動電極指236の先端236aと駆動電極指211の先端211aは、交差しておらず交差指幅を有していない。同様に、可動電極指237のそれぞれの先端237aは、検出電極指221の先端221aが設けられている略直線状の仮想線上に位置するように設けられている。即ち、可動電極指237の先端237aと検出電極指221の先端221aは、交差しておらず交差指幅を有していないこととなる。これにより、領域Aの部分の初期容量(寄生容量)を小さくすることが可能となり、可動後は、交差が発生するため所定の寄生容量を生じることができる。以下、可動電極指236と駆動電極指211、および可動電極指237と検出電極指221との交差指幅を第2の交差指幅という。
なお、第2の交差指幅を有する可動電極指236,237は、駆動電極指211および検出電極指221の配列される方向の中心線C2を基準として対称となるように配置されている。これにより、可動電極指236,237と駆動電極指211および検出電極指221との交差指幅が対称となるため、交差することによって発生する静電力の分布も対称となる。これにより、可能電極を移動させようとする力も対称となるため振動が生じ易くなり、さらには安定した振動を発生させることが可能となる。
次に、第2実施形態に示す横振動型MEMS振動子の動作について説明する。
前述のような構成のMEMS振動子200において、可動電極230に直流電圧が印加されると、可動電極230と駆動電極210の間、および可動電極230と検出電極220の間に電位差が生ずる。そして、駆動電極210と検出電極220の電極表面にはそれぞれの電位差に応じた電荷がチャージされる。この状態で、駆動電極210に交流電圧(共振周波数fの信号)を印加すると、駆動電極210の駆動電極指211と可動電極230の可動電極指234,236との間に静電力が働く。例えば、駆動電極210と可動電極230の電位差が大きくなると、静電力が大きくなり可動電極230が駆動電極210に引き寄せられる(矢印V2aの方向に移動する)。これにより、第1の交差指幅を有する領域B1,B2では、可動電極指234と駆動電極指211との交差指幅はさらに大きくなり、第2の交差指幅を有する領域Aでは、可動電極指236と駆動電極指211との間に交差が発生し、交差指幅を生じることとなる。それに伴い、静電力が大きくなる。
なお、駆動電極210と可動電極230の電位差が小さくなると、静電力も小さくなり、可動電極230に設けられた梁部232の復元力により元の位置に押し戻される(矢印V2bの方向に移動する)。これにより、可動電極指234と駆動電極指211との第1の交差指幅は小さくなり、第2の交差指幅としての可動電極指236と駆動電極指211との交差が無くなる。
前述のような構成のMEMS振動子200において、可動電極230に直流電圧が印加されると、可動電極230と駆動電極210の間、および可動電極230と検出電極220の間に電位差が生ずる。そして、駆動電極210と検出電極220の電極表面にはそれぞれの電位差に応じた電荷がチャージされる。この状態で、駆動電極210に交流電圧(共振周波数fの信号)を印加すると、駆動電極210の駆動電極指211と可動電極230の可動電極指234,236との間に静電力が働く。例えば、駆動電極210と可動電極230の電位差が大きくなると、静電力が大きくなり可動電極230が駆動電極210に引き寄せられる(矢印V2aの方向に移動する)。これにより、第1の交差指幅を有する領域B1,B2では、可動電極指234と駆動電極指211との交差指幅はさらに大きくなり、第2の交差指幅を有する領域Aでは、可動電極指236と駆動電極指211との間に交差が発生し、交差指幅を生じることとなる。それに伴い、静電力が大きくなる。
なお、駆動電極210と可動電極230の電位差が小さくなると、静電力も小さくなり、可動電極230に設けられた梁部232の復元力により元の位置に押し戻される(矢印V2bの方向に移動する)。これにより、可動電極指234と駆動電極指211との第1の交差指幅は小さくなり、第2の交差指幅としての可動電極指236と駆動電極指211との交差が無くなる。
ここで、駆動電極210と可動電極230の電位差が最大になった場合、電位差に加え電極間の容量も増加するため、駆動電極210と検出電極220に励起される電荷は増大する。これに対して、可動電極230が駆動電極210側に移動することにより、検出電極220と可動電極230の間隔が増大するため、可動電極230と検出電極220の間の容量は減少し、かつ、電位差は変わらないため電極表面の電荷が減少する。つまり、電荷の移動が生じ、検出電極220に電流が流れる。
逆に、駆動電極210と可動電極230の電位差が減少していった場合、可動電極230の梁部232の復元力により、可動電極230は駆動電極210側から離れ、梁部232のバネ性により元の位置以上に動き、検出電極220側へ移動する。このときに、可動電極230と検出電極220との間の容量が増大し、かつ、電位差は変わらないため、再び電極表面の電荷が増加する。つまり、電荷の移動が生じ、検出電極220に前記と逆方向に電流が流れる。
以上の動作が繰り返され、可動電極230が矢印V2a,V2bで示す方向に振動し、検出電極220から固有の共振周波数fを有する信号が出力される。
なお、共振周波数f以外の信号を駆動電極210に印加した場合には、可動電極230が可動しないため、共振周波数fは出力されない。
なお、共振周波数f以外の信号を駆動電極210に印加した場合には、可動電極230が可動しないため、共振周波数fは出力されない。
このように、MEMS振動子200は、固定部(駆動電極210、検出電極220)と可動部としての可動電極230を備え、駆動電極210と可動電極230間に生ずる静電力により可動電極230が励振振動し、その振動により励起される電荷の移動を検出電極220が検出して、共振周波数fを得るように構成されている。
MEMS振動子200は、駆動電極指211と可動電極指234,236とが交差していないと静電力が発生しないため駆動しない。また、駆動電極指211と可動電極指234,236との交差指幅が長いと初期容量成分である並列容量C0が大きくなりMEMS振動子200の出力信号が小さくなる。
第2の実施形態で説明したMEMS振動子200では、第1の交差指幅と第1の交差指幅より短い第2の交差指幅(非振動時は交差していない)とを有するように駆動電極指211と可動電極指234,236とが交差している。
このような構成により、第1の交差指幅を有する領域B1,B2で駆動のための静電力を発生させるとともに、交差の発生していない第2の交差指幅の領域Aにより初期容量(寄生容量)を小さくすることが可能となる。これにより、MEMS振動子200は、安定な駆動を維持しつつ、初期容量成分である並列容量C0が小さくなることによって生じるMEMS振動子200の出力信号の減縮を防止することができる。また、振動が開始されると可動電極指234が移動することによって第2の交差指幅が長くなり、安定した静電力を保つことが可能となる。したがって、特性の良好なMEMS振動子200を提供することが可能となる。
第2の実施形態で説明したMEMS振動子200では、第1の交差指幅と第1の交差指幅より短い第2の交差指幅(非振動時は交差していない)とを有するように駆動電極指211と可動電極指234,236とが交差している。
このような構成により、第1の交差指幅を有する領域B1,B2で駆動のための静電力を発生させるとともに、交差の発生していない第2の交差指幅の領域Aにより初期容量(寄生容量)を小さくすることが可能となる。これにより、MEMS振動子200は、安定な駆動を維持しつつ、初期容量成分である並列容量C0が小さくなることによって生じるMEMS振動子200の出力信号の減縮を防止することができる。また、振動が開始されると可動電極指234が移動することによって第2の交差指幅が長くなり、安定した静電力を保つことが可能となる。したがって、特性の良好なMEMS振動子200を提供することが可能となる。
次に、本発明に係るMEMS振動子の応用例について説明する。なお、応用例1から応用例4は、先述した第1実施形態と同一符号を用いて説明し、同じ構成部分の説明は省略する。また、応用例1から応用例4は、第2実施形態の構成にも適用することが可能である。
(応用例1)
応用例1を図3に沿って説明する。図3は、櫛歯構造の電極を持つ横振動型MEMS振動子の構成を示す平面図である。図3に示すように、MEMS振動子100は、基板としての半導体基板102の上に成膜された絶縁膜103上に形成され、駆動電極110、可動電極130から構成されている。
駆動電極110には、駆動電極指111が配列されている。ここで、駆動電極指111の先端111aは、略直線状に位置するように設けられている。
応用例1を図3に沿って説明する。図3は、櫛歯構造の電極を持つ横振動型MEMS振動子の構成を示す平面図である。図3に示すように、MEMS振動子100は、基板としての半導体基板102の上に成膜された絶縁膜103上に形成され、駆動電極110、可動電極130から構成されている。
駆動電極110には、駆動電極指111が配列されている。ここで、駆動電極指111の先端111aは、略直線状に位置するように設けられている。
可動電極130に形成された可動電極指134,136は、駆動電極指111と被さらないように対峙している。可動電極指134,136の配列方向の両端部の領域B1,B2には、可動電極指134が形成されており、駆動電極指111と交差している。この、可動電極指134と駆動電極指111との交差指幅を第1の交差指幅という。可動電極指134,136の配列方向の中央部の領域Aには、可動電極指136が形成されており、駆動電極指111と交差している。この、可動電極指136と駆動電極指111との交差指幅を第2の交差指幅という。ここで、可動電極指136は、可動電極指134よりも短く形成されている。即ち、第2の交差指幅が第1の交差指幅より短くなるように形成される。これにより、MEMS振動子100の駆動を維持しつつ、初期容量成分である並列容量C0を小さくすることができる。
なお、第2の交差指幅を有する可動電極指136は、駆動電極指111の配列される方向の中心線C1を基準として対称となるように配置されている。
なお、第2の交差指幅を有する可動電極指136は、駆動電極指111の配列される方向の中心線C1を基準として対称となるように配置されている。
(応用例2)
応用例2を図4に沿って説明する。図4は、櫛歯構造の電極を持つ横振動型MEMS振動子の構成を示す平面図である。図4に示すように、MEMS振動子100は、基板としての半導体基板102の上に成膜された絶縁膜103上に形成され、駆動電極110、可動電極130から構成されている。
駆動電極110には、駆動電極指111が配列されている。ここで、駆動電極指111の先端111aは、略直線状に位置するように設けられている。
応用例2を図4に沿って説明する。図4は、櫛歯構造の電極を持つ横振動型MEMS振動子の構成を示す平面図である。図4に示すように、MEMS振動子100は、基板としての半導体基板102の上に成膜された絶縁膜103上に形成され、駆動電極110、可動電極130から構成されている。
駆動電極110には、駆動電極指111が配列されている。ここで、駆動電極指111の先端111aは、略直線状に位置するように設けられている。
可動電極130に形成された可動電極指134,136は、駆動電極指111と被さらないように対峙している。可動電極指134,136は、配列方向の両端部から中央部に向かって順次短くなるように形成されている。即ち、中央部では交差指幅が短く、両端部では交差指幅が長い。
なお、図4では、可動電極指134,136が、両端部から中央部に向かって順次短くなる例で説明したがこれに限らず、中央部から両端部に向かって順次短くなるような構成でもよい。また、長い可動電極指134と短い可動電極指136が交互に配列される構成でも良い。このような構成においても、MEMS振動子100の駆動を維持しつつ、初期容量成分である並列容量C0を小さくすることができる。また、可動電極指134,136は、駆動電極指111の配列される方向の中心線C1を基準として対称となるように配置されている。
(応用例3)
応用例3を図5に沿って説明する。図5は、櫛歯構造の電極を持つ横振動型MEMS振動子の構成を示す平面図である。図5に示すように、MEMS振動子100は、基板としての半導体基板102の上に成膜された絶縁膜103上に形成され、駆動電極110、可動電極130から構成されている。
可動電極130には、可動電極指134が配列されている。ここで、可動電極指134の先端134aは、略直線状に位置するように設けられている。
応用例3を図5に沿って説明する。図5は、櫛歯構造の電極を持つ横振動型MEMS振動子の構成を示す平面図である。図5に示すように、MEMS振動子100は、基板としての半導体基板102の上に成膜された絶縁膜103上に形成され、駆動電極110、可動電極130から構成されている。
可動電極130には、可動電極指134が配列されている。ここで、可動電極指134の先端134aは、略直線状に位置するように設けられている。
駆動電極110に形成された駆動電極指111,114は、可動電極指134と被さらないように対峙している。駆動電極指111,114の配列方向の両端部の領域には、駆動電極指111が形成されており、可動電極指134と交差している。この、駆動電極指111と可動電極指134との交差指幅を第1の交差指幅という。駆動電極指111,114の配列方向の中央部の領域には、駆動電極指114が形成されており、可動電極指134と交差している。この、駆動電極指114と可動電極指134との交差指幅を第2の交差指幅という。ここで、駆動電極指114は、駆動電極指111よりも短く形成されている。即ち、第2の交差指幅が第1の交差指幅より短くなるように形成される。なお、図5では、駆動電極指114の先端114aが可動電極指134の先端134aが設けられている略直線状の仮想線上に位置するように設けられており、実質的に交差指幅が存在しない構成になっているがこれに限らない。駆動電極指114が、僅かに可動電極指134と交差する構成でもよく、この場合は僅かな交差指幅が生じることとなる。
これにより、MEMS振動子100の駆動を維持しつつ、初期容量成分である並列容量C0を小さくすることができる。
なお、第2の交差指幅を有する駆動電極指114は、可動電極指134の配列される方向の中心線C1を基準として対称となるように配置されている。
これにより、MEMS振動子100の駆動を維持しつつ、初期容量成分である並列容量C0を小さくすることができる。
なお、第2の交差指幅を有する駆動電極指114は、可動電極指134の配列される方向の中心線C1を基準として対称となるように配置されている。
また、前述では、両端部の駆動電極指111が長く、中央部の駆動電極指114が短い構成で説明したがこれに限らず、両端部の駆動電極指111が短く、中央部の駆動電極指114が長い構成でもよい。このような構成においても、MEMS振動子100の駆動を維持しつつ、初期容量成分である並列容量C0を小さくすることができる。
(応用例4)
応用例4を図6に沿って説明する。図6は、櫛歯構造の電極を持つ横振動型MEMS振動子の構成を示す平面図である。図6に示すように、MEMS振動子100は、基板としての半導体基板102の上に成膜された絶縁膜103上に形成され、駆動電極110、可動電極130から構成されている。
駆動電極110には、駆動電極指111が配列されている。ここで、駆動電極指111の先端111aは、略直線状に位置するように設けられている。
応用例4を図6に沿って説明する。図6は、櫛歯構造の電極を持つ横振動型MEMS振動子の構成を示す平面図である。図6に示すように、MEMS振動子100は、基板としての半導体基板102の上に成膜された絶縁膜103上に形成され、駆動電極110、可動電極130から構成されている。
駆動電極110には、駆動電極指111が配列されている。ここで、駆動電極指111の先端111aは、略直線状に位置するように設けられている。
可動電極130に形成された可動電極指134,136は、駆動電極指111と被さらないように対峙している。可動電極指134,136の配列方向の中央部の領域Aには、可動電極指136が形成されており、駆動電極指111と交差している。この、可動電極指136と駆動電極指111との交差指幅を第1の交差指幅という。可動電極指134,136の配列方向の両端部の領域B1,B2には、可動電極指134が形成されており、駆動電極指111と交差している。この、可動電極指134と駆動電極指111との交差指幅を第2の交差指幅という。ここで、可動電極指134は、可動電極指136よりも短く形成されている。即ち、第2の交差指幅が第1の交差指幅より短くなるように形成される。これにより、MEMS振動子100の駆動を維持しつつ、初期容量成分である並列容量C0を小さくすることができる。
なお、図6では、駆動電極指111の先端111aが、可動電極指134の先端134aの設けられている略直線状の仮想線上に位置するように設けられており、実質的に交差指幅が存在しない構成になっているがこれに限らない。可動電極指134が、僅かに駆動電極指111と交差する構成でもよく、この場合は僅かな交差指幅が生じることとなる。
なお、第2の交差指幅を有する可動電極指134は、駆動電極指111の配列される方向の中心線C1を基準として対称となるように配置されている。
なお、図6では、駆動電極指111の先端111aが、可動電極指134の先端134aの設けられている略直線状の仮想線上に位置するように設けられており、実質的に交差指幅が存在しない構成になっているがこれに限らない。可動電極指134が、僅かに駆動電極指111と交差する構成でもよく、この場合は僅かな交差指幅が生じることとなる。
なお、第2の交差指幅を有する可動電極指134は、駆動電極指111の配列される方向の中心線C1を基準として対称となるように配置されている。
上述した応用例1から応用例4においても、前述の第1実施形態および第2実施形態と同様な効果を有している。
100,200…MEMS振動子、102,202…基板としての半導体基板、103,203…絶縁膜、110,210…駆動電極、111,211…駆動電極指、111a,211a…先端、113,213…バスバー、130,230…可動電極、131,231…支持部、132,232…梁部、133,233…錘部、134,136,234,235,236,237…可動電極指、220…検出電極、221…検出電極指、134a,136a,236a,237a…先端。
Claims (6)
- 基板と、
複数の駆動電極指を一方端に有し、前記基板上に形成された駆動電極と、
前記駆動電極指と対向するように形成された可動電極であって、該駆動電極指と被さらないように対峙して設けられた複数の可動電極指を一方端に有し、他方端から延設された梁部を介して設けられた支持部によって、前記基板と空隙を保つように前記基板に支持された前記可動電極とを有し、
前記駆動電極指と前記可動電極指とが交差する交差指幅が、所定の長さの第1の交差指幅と前記第1の交差指幅より短い第2の交差指幅とを有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、
前記第2の交差指幅を有する領域の、前記駆動電極指および前記可動電極指のそれぞれの先端が略直線上に形成されている領域を有して対峙し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、
前記駆動電極指と前記可動電極指との交差指幅が、複数の前記駆動電極指の配列方向の中心線に対して対称となっていることを特徴とするMEMS振動子。 - 基板と、
複数の駆動電極指を一方端に配列し、前記基板上に形成された駆動電極と、
前記駆動電極指と対向するように複数の検出電極指を一方端に配列し、前記基板上に形成された検出電極と、
前記駆動電極と前記検出電極との間に設けられた可動電極であって、前記駆動電極指および前記検出電極指にそれぞれ向かうように設けられた複数の可動電極指を両端に有する前記可動電極と、
前記可動電極の他方端から延設された梁部と、
前記可動電極と前記基板とが空隙を保つように該可動電極を支持する支持部であって、前記可動電極の他方端から前記梁部を介して設けられ、前記基板に接続された前記支持部とを有し、
前記駆動電極指と前記可動電極指とが交差する交差指幅、および前記検出電極指と前記可動電極指とが交差する交差指幅が、所定の長さの第1の交差指幅と前記第1の交差指幅より短い第2の交差指幅とを有するように形成されていることを特徴とするMEMS振動子。 - 請求項4に記載のMEMS振動子において、
前記第2の交差指幅を有する領域の、前記駆動電極指、前記検出電極指、および前記可動電極指のそれぞれの先端が略直線上に形成されている領域を有して対峙していることを特徴とするMEMS振動子。 - 請求項4または請求項5に記載のMEMS振動子において、
前記駆動電極指と前記可動電極指との交差指幅、および前記検出電極指と前記可動電極指との交差指幅が、複数の前記駆動電極指および複数の前記検出電極指の配列方向の中心線に対して対称となっていることを特徴とするMEMS振動子。
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US9083309B2 (en) | 2010-11-30 | 2015-07-14 | Seiko Epson Corporation | Microelectronic device and electronic apparatus |
CN106061889A (zh) * | 2014-02-25 | 2016-10-26 | 诺思罗普·格鲁曼·利特夫有限责任公司 | 具有分开的、电绝缘的活动结构的微机械组件以及用于运作这种组件的方法 |
CN112444275A (zh) * | 2019-08-28 | 2021-03-05 | 株式会社东芝 | 传感器 |
-
2007
- 2007-02-08 JP JP2007028841A patent/JP2008193638A/ja not_active Withdrawn
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20100511 |