JP6903610B2 - 共振器およびそれを含む装置 - Google Patents
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Description
実施形態の装置は、上記共振器を含む。
図1は、第1の実施形態に係る共振器1を模試的に示す平面図である。図2は、図1の2−2断面図である。
共振器1は、図2に示すように、基板10およびアンカー部20を含んでいる。基板10は、半導体基板(不図示)とその上に設けられた絶縁膜(不図示)を含んでいる。半導体基板は例えばシリコン基板であり、絶縁膜は例えばシリコン酸化膜である。アンカー部20は基板10の上記絶縁膜上に設けられている。
振動子30は開口2を有する。図1において、参照符号3は開口2を規定する振動子30に設けられた内壁を示している。振動子30の上方から見て、アンカー部20は開口2内に配置されている。ばね部31の一端は内壁3に接続されており、ばね部31の他端はアンカー部20に接続されている。
共振器1は、さらに、基板10上に設けられた複数の下部電極21〜28と、下部電極21,22に接続された制御部41と、下部電極23,24に接続された制御部42と、下部電極25,26に接続された制御部43と、下部電極27,28に接続された制御部44とを含む。下部電極21〜28および制御部41〜44は、振動子30が面内並進モードで振動しているときに、面内並進モードに機械的に結合されたスプリアスモードの振動を選択的に減衰する機能を有する。
ここで、b1およびb2は減衰係数、ω1およびω2は角周波数、ωqはメインモードとスプリアスモードとの間の機械結合を表す。
図4は、第1モードの共振周波数を20kHz、メインモードのQ値を10000、ωq/ω1=0.01としたときに、メインモードの振動エネルギーのロスがスプリアスモードのQ値にどのように影響されるかをグラフ化したものである。縦軸は振動子の振動エネルギーが5%減衰するまでの時間(減衰時間)を示している。減衰時間はメインモードのQ値に比例する。
ところで、メインモードのQ値の低減を抑制する他の手段としては、Δfを大きくすることが考えられる。しかしながら、全てのスプリアスモードとの間のΔfを同時に大きくすることは困難である。さらに別の手段としては、機械結合(ωq)を無くすことが考えられる。しかしながら、機械結合は製造ばらつきに起因して不可避的に発生するため、完全に無くすことは困難である。
犠牲膜を用いたプロセスを用いて共振器1を製造する場合、図5に示すように、振動子30は貫通孔35を有する。この場合、面内並進モードの振動(並進運動)中に、振動子30と下部電極21とのオーバーラップ面積が変化しないようにして、面内並進モードのQ値の低下を抑制することが好ましい。そのためには、並進運動の変位振幅をΔx、貫通孔35のエッジから下部電極21のエッジまでの距離をΔLとすると、Δx<ΔLとなるように共振器1を設計する。振動子30と下部電極22とのオーバーラップ面積も同様に変化しないようにする。
図6は、第2の実施形態に係る共振器を模試的に示す断面図である。図6は、第1の実施形態の図2の断面図に対応する。
本実施形態では、アクティブタイプ(フィードバックタイプ)の減衰機構を用いた共振器1について説明する。スプリアスモードは面外ねじりモードである。
FB電圧発生回路38は、第2の出力信号に基づいて、下部電極21aと下部電極22aとの間に印加する制御電圧を発生する。当該制御電圧は、容量C21と容量C22との差が一定の範囲内に収まるようにするためのフィードバック信号である。
図7は、第3の実施形態に係る共振器を模試的に示す断面図である。図7は、第1の実施形態の図2の断面図に対応する。
本実施形態では、パッシブタイプの減衰機構を用いた共振器1について説明する。スプリアスモードは面外ねじりモードである。
ダンパー回路50は、第1の抵抗素子51、第2の抵抗素子52および電源53を含む。第1の抵抗素子51の一端は下部電極21に接続され、第1の抵抗素子51の他端は電源53に接続されている。第2の抵抗素子52の一端は下部電極22に接続され、第2の抵抗素子52の他端は電源53に接続されている。
図8は、第4の実施形態に係る共振器を模試的に示す断面図である。図8は、第1の実施形態の図2の断面図に対応する。
本実施形態では、パッシブタイプの減衰機構を用いた共振器1について説明する。スプリアスモードは面外ねじりモードである。
図9は、第5の実施形態に係る共振器を模試的に示す断面図である。図9は、第1の実施形態の図2の断面図に対応する。
本実施形態では、下部電極の代わりに圧電膜を含む減衰機構を用いた共振器1について説明する。スプリアスモードは面外ねじりモードである。
第1の圧電膜61は、振動子30の下面に設けられている。第2の圧電膜62は、振動子30の上面に設けられているとともに、第1の圧電膜61と対向する位置に配置されている。第3の圧電膜63は、振動子30の下面に設けられているとともに、アンカー部20を介して第1の圧電膜61と対向する位置に配置されている。第4の圧電膜64は、振動子30の上面上に設けられているとともに、第3の圧電膜63と対向する位置に配置されている。
面外ねじりモードが発生し、当該面外ねじりモードが面内並進モードに機械的に結合すると、第1の圧電膜61〜第4の圧電膜64に歪みが生じ、第1の圧電膜61〜第4の圧電膜64に電荷が発生する。このような電荷の発生によって、第1の圧電膜61と第2の圧電膜62との間に電位差(第1の電位差)が生じ、第3の圧電膜63と第4の圧電膜64との間に電位差(第2の電位差)が生じる。
図10は、第6の実施形態に係る共振器を模試的に示す断面図である。図10は、第1の実施形態の図2の断面図に対応する。
本実施形態では、スプリアスモードが面外並進モードの場合について説明する。図9において、参照符号70は共振器1を封止するとともに、基板10とともに共振器1が作動するための空洞71を構成する蓋体を示している。
図11は、第7の実施形態に係る共振器1を模試的に示す平面図である。
本実施形態では、スプリアスモードが面内回転モードの場合について説明する。図11において、参照符号85は、振動子30から離間して配置されるとともに、振動子30の外周の一部に沿って配置された外周電極を示している。図11では、外周電極85の個数は4であるが、その個数は4には限定されない。外周電極85は接続電極86により振動子30に接続されている。
面外並進モードがない場合、外周電極85と第1の電極91との間の容量(第1の容量)は、外周電極85と第2の電極92との間の容量(第2の容量)と同じである。一方、面外並進モードが発生した場合、振動子30は破線で示すように一定の角度範囲で回転する。このような回転が振動子30に生じると、第1の容量および第2の容量は変化する。
図12は、第8の実施形態に係る装置101を示すブロック図である。
装置101は、第1ないし第7の実施形態のいずれかの共振器1を含む。共振器1はクオーツを用いた共振器よりも精度が高いので、共振器1は種々の装置(電子機器、電気機器)に適用可能である。例えば、装置101は、ICの基準クロックを発生するクロック回路、当該クロック回路を含む装置、または、ジャイロである。
[付記1]
振動子と、
前記振動子が第1のモードで振動しているときに、前記第1のモードに機械的に結合されたスプリアスモードの振動を選択的に減衰させる減衰機構と
を具備する共振器。
[付記2]
前記減衰機構は、前記Q値を1以下にする付記1に記載の共振器。
[付記3]
基板、前記基板上に設けられたアンカー部、および、ばね部をさらに具備し、
前記振動子は前記基板の上方に配置されるとともに、前記ばね部を介して前記アンカー部に接続される付記1または2に記載の共振器。
[付記4]
前記振動子は開口を有し、
前記振動子の上方から見て、前記アンカー部は前記開口内に配置され、
前記ばね部の一端は前記開口を規定する内壁に接続され、前記ばね部の他端は前記アンカー部に接続され、
前記減衰機構は、
前記基板上に設けられ第1の電極と、
前記基板上に設けられた第2の電極であって、前記アンカー部を介して前記第1の電極と対向する位置に配置された第2の電極と、
前記振動子と前記第1の電極との間の第1の容量と、前記振動子と前記第2の電極との間の第2の容量との差が一定の範囲内に収まるように、前記第1の容量および前記第2の容量を制御する制御部と
を具備する付記1ないし3のいずれかに記載の共振器。
[付記5]
前記減衰機構は、
前記基板上に設けられ、前記第1の電極側に配置された第3の電極と、
前記基板上に設けられ、前記第2の電極側に配置され、前記アンカー部を介して前記第3の電極と対向する位置に配置された第4の電極とをさらに具備し、
前記制御部は、
前記第1の容量と前記第2の容量との差を取得する取得回路と、
前記取得回路からの第1の出力信号を微分する微分回路と、
前記微分回路からの第2の出力信号に基づいて、前記第3の電極と前記第4の電極との間に印加する電圧を発生する電圧発生回路であって、前記電圧は前記第1の容量と前記第2の容量との前記差を前記一定の範囲内に収めるための制御電圧である電圧発生回路と
を具備する付記4に記載の共振器。
[付記6]
前記制御部は、前記第1の電極および前記第2の電極に接続されたダンパー回路を含む付記4に記載の共振器。
[付記7]
前記減衰機構は、前記第1の電極に接続された第1のダンパー回路と、前記第2の電極に接続された第2のダンパー回路とを含む付記4に記載の共振器。
[付記8]
前記減衰機構は、
前記振動子の下面に設けられた第1の圧電膜と、
前記振動子の上面に設けられ、前記第1の圧電膜と対向する第2の圧電膜と、
前記振動子の下面に設けられた第3の圧電膜であって、前記アンカー部を介して前記第1の圧電膜と対向する位置に配置された第3の圧電膜と、
前記振動子の上面に設けられ、前記第3の圧電膜と対向する第4の圧電膜と、
前記第1の圧電膜と前記第2の圧電膜との間の第1の電位差と、前記第3の圧電膜と前記第4の圧電膜との間の第2の電圧差が一定の範囲内になるように、前記第1の電位差および前記第2の電位差を制御する制御部と
を具備する付記1ないし3のいずれかに記載の共振器。
[付記9]
前記振動子は開口を有し、
前記振動子の上方から見て、前記アンカー部は前記開口内に配置され、
前記ばね部の一端は前記開口を規定する内壁に接続され、前記ばね部の他端は前記アンカー部に接続され、
前記減衰機構は、
前記基板上に設けられた第1の下部電極と、
前記基板上に設けられた第2の下部電極であって、前記アンカー部を介して前記第1の下部電極と対向する位置に配置された第2の下部電極と、
前記振動子の上方に配置され、前記第1の下部電極と対向する第1の上部電極と、
前記振動子の上方に配置され、前記第2の下部電極と対向する第2の上部電極と、
前記第1の下部電極と前記振動子との間の第1の容量と、前記第1の上部電極と前記振動子との間の第2の容量との差が一定の範囲内になり、かつ、
前記第2の下部電極と前記振動子との間の第3の容量と、前記第2の上部電極と前記振動子との間の第4の容量との差が一定の範囲内に収まるように、前記第1の容量、前記第2の容量、前記第3の容量および前記第3の容量を制御する制御部と
を具備する付記1ないし3のいずれかに記載の共振器。
[付記10]
前記振動子は開口を有し、
前記振動子の上方から見て、前記アンカー部は前記開口内に配置され、
前記ばね部の一端は前記開口を規定する内壁に接続され、前記ばね部の他端は前記アンカー部に接続され、
前記減衰機構は、
前記振動子の上方から見て、前記振動子から離間して配置されるとともに、前記振動子の外周の一部に沿って配置され、前記振動子に電気的に接続された外周電極と、
前記外周電極の一部と対向する第1の電極と、
前記外周電極の一部と対向する第2の電極と、
前記第1の電極と前記外周電極との間の第1の容量と、前記第2の電極と前記外周電極との間の第2の容量との差が一定の範囲内に収まるように、前記第1の容量および前記第2の容量を制御する制御部と
を具備する付記1ないし3のいずれかに記載の共振器。
[付記11]
前記外周電極と前記振動子とを接続する接続電極をさらに具備する付記10に記載の共振器。
[付記12]
前記振動子は、ディスク状の形状を有する付記1ないし11のいずれかに記載の共振器。
[付記13]
前記第1のモードは、面内並進モードである付記1ないし12のいずれかに記載の共振器。
[付記14]
前記スプリアスモードは、面外ねじりモード、面外並進モードまたは面内回転モードである付記13に記載の共振器。
[付記15]
付記1ないし14のいずれかに記載の共振器を含む装置。
Claims (13)
- 第1の面を含む基板と、
前記第1の面に設けられたアンカー部と、
前記第1の面から第1の方向に離れて配置され、前記アンカー部に接続されたばね部と、
前記第1の面から前記第1の方向に離れて配置され、前記ばね部を介して前記アンカー部に接続された振動子と、
前記振動子が第1のモードで振動しているときに、前記第1のモードに機械的に結合されたスプリアスモードの振動を選択的に減衰させる減衰機構と
を具備し、
前記振動子は開口および当該開口を規定する第2の面を含み、
前記振動子から前記第1の方向に離れた位置から前記アンカー部を見て、前記アンカー部は前記開口内に配置され、
前記ばね部の一端は前記第2の面に接続され、前記ばね部の他端は前記アンカー部に接続され、
前記減衰機構は、
前記第1の面に設けられた第1の電極と、
前記第1の面に設けられた第2の電極であって、前記アンカー部を介して前記第1の電極と対向する位置に配置された第2の電極と、
前記振動子と前記第1の電極との間の第1の容量と、前記振動子と前記第2の電極との間の第2の容量との差が一定の範囲内に収まるように、前記第1の容量および前記第2の容量を制御する制御部と
を具備する共振器。 - 第1の面を含む基板と、
前記第1の面に設けられたアンカー部と、
前記第1の面から第1の方向に離れて配置され、前記アンカー部に接続されたばね部と、
前記第1の面から前記第1の方向に離れて配置され、前記ばね部を介して前記アンカー部に接続された振動子と、
前記振動子が第1のモードで振動しているときに、前記第1のモードに機械的に結合されたスプリアスモードの振動を選択的に減衰させる減衰機構と
を具備し、
前記振動子は開口および当該開口を規定する第2の面を含み、
前記振動子から前記第1の方向に離れた位置から前記アンカー部を見て、前記アンカー部は前記開口内に配置され、
前記ばね部の一端は前記第2の面に接続され、前記ばね部の他端は前記アンカー部に接続され、
前記減衰機構は、
前記第1の面に設けられた第1の電極と、
前記第1の面に設けられた第2の電極であって、前記アンカー部を介して前記第1の電極と対向する位置に配置された第2の電極と、
前記振動子と前記第1の電極との間の第1の容量、または、前記振動子と前記第2の電極との間の第2の容量が予め決められた範囲内に入るように、前記第1の容量または前記第2の容量を制御する制御部と
を具備する共振器。 - 前記減衰機構は、Q値を1以下にする請求項1または2に記載の共振器。
- 前記減衰機構は、
前記第1の面に設けられ、前記第1の電極側に配置された第3の電極と、
前記第1の面に設けられ、前記第2の電極側に配置され、前記アンカー部を介して前記第3の電極と対向する位置に配置された第4の電極とをさらに具備し、
前記制御部は、
前記第1の容量と前記第2の容量との差を取得する取得回路と、
前記取得回路からの第1の出力信号を微分する微分回路と、
前記微分回路からの第2の出力信号に基づいて、前記第3の電極と前記第4の電極との間に印加する電圧を発生する電圧発生回路であって、前記電圧は前記第1の容量と前記第2の容量との前記差を前記一定の範囲内に収めるための制御電圧である電圧発生回路と
を具備する請求項1に記載の共振器。 - 前記制御部は、前記第1の電極および前記第2の電極に接続されたダンパー回路を含む請求項1ないし3のいずれかに記載の共振器。
- 前記減衰機構は、前記第1の電極に接続された第1のダンパー回路と、前記第2の電極に接続された第2のダンパー回路とを含む請求項1ないし3のいずれかに記載の共振器。
- 第1の面を含む基板と、
前記第1の面に設けられたアンカー部と、
前記第1の面から第1の方向に離れて配置され、前記アンカー部に接続されたばね部と、
前記第1の面から前記第1の方向に離れて配置され、前記ばね部を介して前記アンカー部に接続された振動子と、
前記振動子が第1のモードで振動しているときに、前記第1のモードに機械的に結合されたスプリアスモードの振動を選択的に減衰させる減衰機構と
を具備し、
前記振動子は、前記第1の面と対向する第2の面と、前記第2の面と反対側の第3の面とを含み、
前記減衰機構は、
前記第2の面に設けられた第1の圧電膜と、
前記第3の面に設けられ、前記第1の圧電膜と対向する第2の圧電膜と、
前記第2の面に設けられた第3の圧電膜であって、前記アンカー部を介して前記第1の圧電膜と対向する位置に配置された第3の圧電膜と、
前記第3の面に設けられ、前記第3の圧電膜と対向する第4の圧電膜と、
前記第1の圧電膜と前記第2の圧電膜との間の第1の電位差と、前記第3の圧電膜と前記第4の圧電膜との間の第2の電位差が一定の範囲内になるように、前記第1の電位差および前記第2の電位差を制御する制御部と
を具備する共振器。 - 第1の面を含む基板と、
前記第1の面に設けられたアンカー部と、
前記第1の面から第1の方向に離れて配置され、前記アンカー部に接続されたばね部と、
前記第1の面から前記第1の方向に離れて配置され、前記ばね部を介して前記アンカー部に接続された振動子と、
前記振動子が第1のモードで振動しているときに、前記第1のモードに機械的に結合されたスプリアスモードの振動を選択的に減衰させる減衰機構と
を具備し、
前記振動子は開口をおよび当該開口を規定する第2の面を含み、
前記振動子から前記第1の方向に離れた位置から前記アンカー部を見て、前記アンカー部は前記開口内に配置され、
前記ばね部の一端は前記第2の面に接続され、前記ばね部の他端は前記アンカー部に接続され、
前記減衰機構は、
前記第1の面に設けられた第1の下部電極と、
前記第1の面に設けられた第2の下部電極であって、前記アンカー部を介して前記第1の下部電極と対向する位置に配置された第2の下部電極と、
前記振動子から前記第1の方向に離れて配置され、前記第1の下部電極と対向する第1の上部電極と、
前記振動子から前記第1の方向に離れて配置され、前記第2の下部電極と対向する第2の上部電極と、
前記第1の下部電極と前記振動子との間の第1の容量と、前記第1の上部電極と前記振動子との間の第2の容量との差が一定の範囲内になり、かつ、
前記第2の下部電極と前記振動子との間の第3の容量と、前記第2の上部電極と前記振動子との間の第4の容量との差が一定の範囲内に収まるように、前記第1の容量、前記第2の容量、前記第3の容量および前記第3の容量を制御する制御部と
を具備する共振器。 - 第1の面を含む基板と、
前記第1の面に設けられたアンカー部と、
前記第1の面から第1の方向に離れて配置され、前記アンカー部に接続されたばね部と、
前記第1の面から前記第1の方向に離れて配置され、前記ばね部を介して前記アンカー部に接続された振動子と、
前記振動子が第1のモードで振動しているときに、前記第1のモードに機械的に結合されたスプリアスモードの振動を選択的に減衰させる減衰機構と
を具備し、
前記振動子は開口および当該開口を規定する第2の面を含み、
前記振動子から前記第1の方向に離れた位置から前記アンカー部を見て、前記アンカー部は前記開口内に配置され、
前記ばね部の一端は前記第2の面に接続され、前記ばね部の他端は前記アンカー部に接続され、
前記減衰機構は、
前記振動子から前記第1の方向に離れた位置から前記振動子を見て、前記振動子から第2の方向に離れて配置されるとともに、前記振動子の外周の一部に沿って配置され、前記振動子に電気的に接続された外周電極と、
前記外周電極の一部と対向する第1の電極と、
前記外周電極の一部と対向する第2の電極と、
前記第1の電極と前記外周電極との間の第1の容量と、前記第2の電極と前記外周電極との間の第2の容量との差が一定の範囲内に収まるように、前記第1の容量および前記第2の容量を制御する制御部と
を具備する共振器。 - 前記外周電極と前記振動子とを接続する接続電極をさらに具備する請求項9に記載の共振器。
- 前記振動子は、ディスク状の形状を有する請求項1ないし10のいずれかに記載の共振器。
- 前記第1のモードは、面内並進モードである請求項1ないし11のいずれかに記載の共振器。
- 前記スプリアスモードは、面外ねじりモード、面外並進モードまたは面内回転モードである請求項12に記載の共振器。
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