專利名稱：微型機(jī)械式靜電振子的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微型機(jī)械式靜電振子，特別涉及適合作為具有使用MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術(shù)形成于基板上的振動(dòng)體的高頻振子的微型機(jī)械式靜電振子的結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
近年來，隨著全球性高度信息化社會(huì)的到來，個(gè)人用途的移動(dòng)電話的普及和以因特網(wǎng)為介質(zhì)的新型業(yè)務(wù)的誕生等通信、多媒體市場(chǎng)正在實(shí)現(xiàn)飛越性發(fā)展。其中，可以說起到信息化時(shí)代的帶頭作用的移動(dòng)電話的功能不僅僅是單純的電話功能。例如，在聲音、文字、靜態(tài)圖像的基礎(chǔ)上，高品質(zhì)的音樂、彩色動(dòng)態(tài)圖像等的高速·大容量數(shù)據(jù)的收發(fā)已從原有功能的基礎(chǔ)上有了很大的發(fā)展。這樣，為了把此前沒有的功能安裝在移動(dòng)電話等上，由于空間制約要求電子部件進(jìn)一步“小型化·輕量化”。并且，移動(dòng)電話殼體的小型化趨勢(shì)由于操作上的制約開始顯現(xiàn)出限度，但估計(jì)今后對(duì)“薄型化”的要求將更強(qiáng)烈。另一方面，伴隨無線LAN的普及、藍(lán)牙產(chǎn)品的登場(chǎng)、在美國(guó)的UWB(Ultra Wide Band)的民間使用的認(rèn)可等信息的大容量化的“高頻化”市場(chǎng)要求近年來表現(xiàn)得更加突出。另外，通信設(shè)備的用途在車載用傳感器和筆記本電腦等廣泛領(lǐng)域得到使用。因此，要求在這樣各種環(huán)境下維持高特性的此前沒有的“高可靠性”。
作為達(dá)到上述各種要求的方法可以列舉MEMS(Micro ElectroMechanical Systems)技術(shù)。該MEMS即微小電氣機(jī)械系統(tǒng)是利用以半導(dǎo)體的細(xì)微加工技術(shù)為基礎(chǔ)的“微型機(jī)器”制造的高附加價(jià)值的部件?？梢詫⒁噪娐窞榇淼募?xì)微結(jié)構(gòu)體和傳感器、驅(qū)動(dòng)器和能量源等小型集成化。移動(dòng)電話和無線LAN、帶無線功能的傳感器等無線設(shè)備的需求正在增大，所以在該領(lǐng)域正在廣泛開展RF(Radio Frequency)MEMS的研究。該RF MEMS作為實(shí)現(xiàn)RF電路的小型化的技術(shù)受到高度重視。即，期待著通過利用RF MEMS制造RF電路的被動(dòng)部件、例如天線切換開關(guān)、RF濾波器、振蕩器等，實(shí)現(xiàn)通信設(shè)備整體的小型化、高性能化。
在使用以往的RF MEMS技術(shù)的高頻振子中，有利用基于交流電力的靜電力激勵(lì)振動(dòng)體的機(jī)械振動(dòng)，使用以該振動(dòng)體的機(jī)械振動(dòng)為起因的靜電電容的變化的微型機(jī)械式靜電振子。作為這種微型機(jī)械式靜電振子，具有梳齒結(jié)構(gòu)的電極嚙合著相對(duì)配置的梳齒型振子已被公知(例如，參照下面的非專利文獻(xiàn)1)。該振子具有由于電極部是梳齒結(jié)構(gòu)，所以能夠以較大的表面積、較低的電壓進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并且由于變位和參數(shù)變化是線性的，所以能夠獲得線性響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)。
并且，作為現(xiàn)在提出的技術(shù)，已經(jīng)公知在梁部左右或上下設(shè)置電極，向該電極提供交流電力，從而使兩端用梁部支撐著的振動(dòng)部振動(dòng)的技術(shù)(例如，參照下面的非專利文獻(xiàn)2)。
另外，已經(jīng)公知在支撐中央部形成的圓盤的外周部?jī)蓚?cè)相對(duì)配置一對(duì)電極，向這些電極施加交流電力，從而使圓盤以高次模式伸縮振動(dòng)的技術(shù)(例如，參照下面的非專利文獻(xiàn)3)。
在上述各種微型機(jī)械式靜電振子中，具有利用所述梁部支撐兩端的梳齒電極結(jié)構(gòu)及其他可動(dòng)部的微型機(jī)械式靜電振子，由于是通過梁部的彎曲來產(chǎn)生振動(dòng)，所以被稱為彎曲模式(彎曲振動(dòng))的振子。并且上述的在圓盤兩側(cè)相對(duì)配置一對(duì)電極構(gòu)成的微型機(jī)械式靜電振子由于是利用圓盤的伸縮振動(dòng)，所以被稱為伸縮模式(伸縮振動(dòng))的振子。
非專利文獻(xiàn)1 WILLAM C.TANG等四人“Laterally drivenResonant Microstructures”Sensors and Actuators，20(1989)P.25-32非專利文獻(xiàn)2 W.-T.Hsu等三人“Q-optimized lateral free-freebeam micromechanical resonators，”Digest of Technical Papers，the11thInt.Conf.on Solid-State Sensors & Actuators(Transducers’01)，Munich，Germany，June 10-14，2001，pp.1110-1113.
非專利文獻(xiàn)3 J.R.Clark等三人“High-Q VHF micromechanicalcontour-mode disk resonators，”Technical Digest，IEEE Int.ElectronDevices Meeting，San Francisco，California，Dec.11-13，2000，pp.399-402。
可是，在上述彎曲模式的微型機(jī)械式靜電振子中，可以增大振動(dòng)時(shí)的變位，即使是比較低的驅(qū)動(dòng)電壓也能獲得較大的輸出信號(hào)。但是，可以實(shí)現(xiàn)的振動(dòng)頻率通常約為數(shù)十kHz～數(shù)百kHz，最大也就數(shù)MHz，比較低，所以存在著難以做到振子(諧振器)的高頻化的問題。
并且，在上述以往的具有梳齒狀結(jié)構(gòu)的微型機(jī)械式靜電振子中，通過采用梳齒狀結(jié)構(gòu)，增大驅(qū)動(dòng)電極和可動(dòng)電極之間的靜電電容。并且，通過采用梳齒狀結(jié)構(gòu)，增大驅(qū)動(dòng)電極和可動(dòng)電極的平面投影面積，上述電極和基板之間的靜電電容也變大。
另外，不限于具有梳齒狀結(jié)構(gòu)的振子，在與上述電極電連接的布線部分或連接端子(接合焊盤)和基板之間也存在靜電電容。該靜電電容由于從布線電阻的增大和電連接處理的要求考慮很難做到細(xì)微化，所以隨著微型機(jī)械式靜電振子的電極結(jié)構(gòu)越細(xì)微化，而相對(duì)地變大。
上述的靜電電容均是不依賴于可動(dòng)電極的動(dòng)作的恒定成分，但起因于可動(dòng)電極的平面滑動(dòng)動(dòng)作的靜電電容的變動(dòng)成分與上述靜電電容的恒定成分相比相當(dāng)小。即，有助于靜電振子的輸出動(dòng)作的是根據(jù)可動(dòng)電極而變動(dòng)的靜電電容的變動(dòng)成分，但該靜電電容的變動(dòng)成分的比率小。因此，為了從靜電振動(dòng)獲得充分的信號(hào)輸出需要提高驅(qū)動(dòng)電壓，所以難以實(shí)現(xiàn)低電壓化，難以節(jié)省電力，這些成為實(shí)用化、產(chǎn)品化的重大障礙。
另一方面，從實(shí)現(xiàn)高頻化方面考慮最好是伸縮模式的靜電振子，前述的圓盤型振子在構(gòu)成高頻振子上比較有效。但是，該伸縮模式的振子在振動(dòng)時(shí)的變位(振幅)小，所以輸出信號(hào)也變小。為了增大振動(dòng)變位需要增大靜電力，所以也需要提高供給電極的輸入電壓。即，和上述相同，存在著難以提高輸出電壓相對(duì)輸入電壓的比，難以實(shí)現(xiàn)低電壓化，難以節(jié)省電力的問題。
并且，在該振子中為了實(shí)現(xiàn)高頻化需要增大圓盤狀振動(dòng)體的厚度或減小圓盤形狀的半徑。為了增大振動(dòng)體的厚度，在制造時(shí)需要較長(zhǎng)的工藝時(shí)間，所以增大振動(dòng)體的厚度也是有限度的。并且，通過減小圓盤形狀來檢測(cè)靜電電容的變化量是更加困難的事情，所以存在著難以取出輸出，并且由于驅(qū)動(dòng)電壓變大，相對(duì)振子占據(jù)支撐部的比率變大，故損耗也變大的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明就是為解決上述問題而提出的，其目的在于提供一種在微型機(jī)械式靜電振子中與以往技術(shù)相比可以容易實(shí)現(xiàn)高頻化的方法或結(jié)構(gòu)。并且，其他目的在于提供一種與以往技術(shù)相比能夠增大輸出電壓相對(duì)輸入電壓的比、可以實(shí)現(xiàn)低驅(qū)動(dòng)電壓和節(jié)省電力的微型機(jī)械式靜電振子。
本發(fā)明的微型機(jī)械式靜電振子具有板狀振動(dòng)體；分別相對(duì)配置在該振動(dòng)體的兩側(cè)并且相對(duì)所述振動(dòng)體的外周部具有空隙的一對(duì)勵(lì)振電極；向該一對(duì)勵(lì)振電極施加同相交流電力的供電單元；獲得與所述振動(dòng)體和所述電極之間的靜電電容的變化對(duì)應(yīng)的輸出的檢測(cè)單元，其特征在于，所述振動(dòng)體的平面形狀形成為具有包括中間變細(xì)的曲線狀輪廓部的形狀。
本申請(qǐng)的發(fā)明者們經(jīng)過認(rèn)真研究判明，通過使板狀振動(dòng)體的平面形狀形成為具有包括中間變細(xì)的曲線狀輪廓部的形狀，與使用以往的具有圓形平面形狀的振動(dòng)體時(shí)相比，可以獲得較高的頻率。因此，不必增大振動(dòng)體的厚度或減小振動(dòng)體的半徑，即可實(shí)現(xiàn)高頻化，不會(huì)導(dǎo)致制造時(shí)間的增多、檢測(cè)水平的減少等，能夠容易實(shí)現(xiàn)高頻振子。
在本發(fā)明中，所述振動(dòng)體的平面形狀輪廓優(yōu)選由圓弧部、和兩端平滑地連接該圓弧部的中間變細(xì)部構(gòu)成。這樣，振動(dòng)體的輪廓中沒有角部，所以如上所述能夠容易實(shí)現(xiàn)高頻化，并且能夠獲得穩(wěn)定的固有振動(dòng)，同時(shí)可以降低損耗。該情況時(shí)，圓弧部不必形成嚴(yán)密的圓弧，只要整體上構(gòu)成弧狀即可，所以即使是橢圓弧或曲率逐漸變化的圓弧也沒關(guān)系。但是，該振動(dòng)體的平面形狀優(yōu)選相對(duì)一對(duì)電極對(duì)稱的形狀(例如，以一對(duì)電極的中心部的連接線部分的正交二等分線為對(duì)稱軸的線對(duì)稱)。
在本發(fā)明中，所述振動(dòng)體優(yōu)選構(gòu)成為利用形成于基板上的支撐部支撐，并在所述支撐部的周圍擴(kuò)大的形狀。這樣，通過構(gòu)成為利用形成于基板上的支撐部支撐振動(dòng)體，并且振動(dòng)體在支撐部的周圍擴(kuò)大的形狀，可以在伸縮振動(dòng)時(shí)降低支撐部的影響，容易實(shí)現(xiàn)與振動(dòng)體的平面形狀相對(duì)應(yīng)的高頻率。此處，優(yōu)選所述基板利用絕緣體構(gòu)成。這樣，可以避免振子結(jié)構(gòu)體和基板之間的寄生電容的影響。
在本發(fā)明中，所述振動(dòng)體優(yōu)選利用在所述基板即硅基板上構(gòu)成的硅層或硅化合物層(在IC工藝中使用的膜例如Poly-Si、SiN等)構(gòu)成。這樣，通過在硅基板上形成利用硅層構(gòu)成的振動(dòng)體，可以利用通常的硅半導(dǎo)體的制造工藝容易形成振子。
另外，本發(fā)明的其他微型機(jī)械式靜電振子構(gòu)成為具有由支撐部支撐的振動(dòng)體和與該振動(dòng)體的外緣相對(duì)配置的勵(lì)振電極，可以輸出與所述振動(dòng)體的振動(dòng)變位對(duì)應(yīng)的信號(hào)，并且所述振動(dòng)體由產(chǎn)生于所述振動(dòng)體和所述勵(lì)振電極之間的靜電力以伸縮模式振動(dòng)，其特征在于，所述振動(dòng)體具有從所述支撐部越是朝向所述外緣其厚度越增大的形狀。
根據(jù)該發(fā)明，振動(dòng)體具有從支撐部朝向與勵(lì)振電極相對(duì)的外緣其厚度增大的形狀，由此可以增大外緣和勵(lì)振電極相對(duì)的面積，可以增大振動(dòng)體接受的靜電力，同時(shí)振動(dòng)體的重量分布偏向外緣側(cè)，所以能夠增大振動(dòng)體的實(shí)質(zhì)彈性率。因此，可以增大振動(dòng)體的伸縮振動(dòng)的變位量。并且，可以增大外緣和勵(lì)振電極相對(duì)的面積，所以能夠增大振動(dòng)體和勵(lì)振電極之間的靜電電容自身，因此伴隨振動(dòng)的靜電電容的變化變大，能夠增大輸出電壓。這樣，在本發(fā)明中，在增大振動(dòng)體的變位量的同時(shí)，振動(dòng)體和勵(lì)振電極之間的靜電電容自身變大，所以能夠提高輸出電壓相對(duì)輸入電壓的比。而且，由于以伸縮模式振動(dòng)，所以容易實(shí)現(xiàn)高頻化。
另外，在上述發(fā)明中，所謂振動(dòng)體的厚度是指在與包括伸縮振動(dòng)的振動(dòng)方向的振動(dòng)面正交的方向測(cè)量的厚度。另外，從支撐部朝向外緣厚度增大的形狀不限于厚度從支撐部朝向外緣漸增的形狀，也包括在從支撐部朝向外緣的中途中厚度呈階梯狀急增的形狀、在向半徑方向觀看時(shí)，外緣側(cè)的規(guī)定半徑位置的平均厚度大于支撐部側(cè)的規(guī)定半徑位置的平均厚度的形狀。
在本發(fā)明中，所述振動(dòng)體優(yōu)選具有朝向所述外緣的相反側(cè)的階梯面，具有與該階梯面相對(duì)的第2勵(lì)振電極。這樣，設(shè)置朝向與勵(lì)振電極相對(duì)的外緣的相反側(cè)的階梯面，設(shè)置與該階梯面相對(duì)的第2勵(lì)振電極，由此在第2勵(lì)振電極和振動(dòng)體之間也能夠產(chǎn)生靜電力，所以如果使通過勵(lì)振電極施加給振動(dòng)體的靜電力和通過第2勵(lì)振電極施加給振動(dòng)體的靜電力的方向相反，可以進(jìn)一步增大振動(dòng)體接受的靜電力，因此可以進(jìn)一步增大伸縮振動(dòng)的變位量。
此處，優(yōu)選勵(lì)振電極和第2勵(lì)振電極被驅(qū)動(dòng)成通常具有相反的極性。這樣，在靜電斥力作用于勵(lì)振電極和振動(dòng)體之間時(shí)，靜電引力在第2勵(lì)振電極和振動(dòng)體之間起作用，在靜電引力作用于勵(lì)振電極和振動(dòng)體之間時(shí)，靜電斥力在第2勵(lì)振電極和振動(dòng)體之間起作用，所以能夠使振動(dòng)體接受的靜電力為最大。
在本發(fā)明中，所述振動(dòng)體優(yōu)選其中央部被支撐著的板狀體。這樣，可以使振動(dòng)體以中央部為支點(diǎn)有效地伸縮振動(dòng)，而且通過采用板狀體可以進(jìn)一步增大伸縮振動(dòng)的變位量。而且，通過使振動(dòng)體形成為板狀體，可以利用類似半導(dǎo)體制造工藝的薄膜形成工藝極其容易地進(jìn)行制造。
在本發(fā)明中，優(yōu)選夾著所述振動(dòng)體在兩側(cè)配置一對(duì)所述勵(lì)振電極。這樣，可以從兩側(cè)向振動(dòng)體賦予靜電力，所以能夠更有效地進(jìn)行伸縮振動(dòng)的激勵(lì)。
另外，在上述各發(fā)明中，優(yōu)選所述振動(dòng)體、勵(lì)振電極、第2勵(lì)振電極等形成于基板上。特別是通過把基板作成半導(dǎo)體基板，可以實(shí)現(xiàn)與半導(dǎo)體電路的一體化。此處，所述基板優(yōu)選利用絕緣體構(gòu)成。由此，可以避免振子結(jié)構(gòu)體和基板之間的寄生電容的影響。
另外，本發(fā)明的其他微型機(jī)械靜電振子具有振動(dòng)體和與該振動(dòng)體相鄰配置的勵(lì)振電極，其特征在于，所述振動(dòng)體具有一端被固定的支撐部；和連接在該支撐部的另一端，并且在大于所述支撐部的范圍擴(kuò)大的從動(dòng)部，所述從動(dòng)部具有向以所述支撐部為中心旋轉(zhuǎn)的方向觀看時(shí)變化的形狀，所述勵(lì)振電極具有與朝向包括所述從動(dòng)部中以所述支撐部為中心的旋轉(zhuǎn)方向的成分的方向的表面相對(duì)配置的電極面，所述振動(dòng)體根據(jù)在和所述驅(qū)動(dòng)電極之間產(chǎn)生的靜電力而扭曲振動(dòng)。
根據(jù)本發(fā)明，從動(dòng)部具有向以支撐部為中心的旋轉(zhuǎn)方向觀看時(shí)變化的形狀，勵(lì)振電極的電極面與該從動(dòng)部中具有以支撐部為中心的旋轉(zhuǎn)方向的成分的表面相對(duì)配置，由此可以利用在振動(dòng)體和勵(lì)振電極之間產(chǎn)生的靜電力，向振動(dòng)體提供以支撐部為中心的旋轉(zhuǎn)方向的變位，所以能夠驅(qū)動(dòng)振動(dòng)體產(chǎn)生扭曲振動(dòng)。在該微型機(jī)械式靜電振子中，從動(dòng)部具有在大于支撐部的范圍擴(kuò)大的形狀，例如具有以支撐部為中心在半徑方向外側(cè)延伸的部分，從而可以相對(duì)振動(dòng)體有效產(chǎn)生扭曲模式的振動(dòng)，同時(shí)可以增大其變位量，由此可以一并實(shí)現(xiàn)振子的高頻化和增大輸出電壓相對(duì)輸入電壓的比。
另外，在上述發(fā)明中，所謂向以支撐部為中心的旋轉(zhuǎn)方向觀看時(shí)變化的形狀，是指占有以支撐部的軸線為中心使沒有形狀變化的任意形狀的物體旋轉(zhuǎn)時(shí)的旋轉(zhuǎn)軌跡的形狀(旋轉(zhuǎn)體形狀)以外的形狀。所謂在大于支撐部的范圍擴(kuò)大的從動(dòng)部，是指在振動(dòng)體以支撐部為中心扭曲變形的情況下，從動(dòng)部具有配置在支撐部的半徑方向外側(cè)的部分。因此，從動(dòng)部的形狀不必是擴(kuò)展成平板狀的形狀，也可以是只在規(guī)定方向呈棒狀延伸的形狀。
在本發(fā)明中，所述從動(dòng)部的外緣優(yōu)選非圓形，所述勵(lì)振電極的所述電極面優(yōu)選與所述從動(dòng)部的所述外緣相對(duì)配置。這樣，從動(dòng)部的外緣是非圓形，所以可以利用在與該外緣相對(duì)配置的勵(lì)振電極之間產(chǎn)生的靜電力向旋轉(zhuǎn)方向驅(qū)動(dòng)從動(dòng)部。并且，勵(lì)振電極與從動(dòng)部的外緣相對(duì)配置，所以可以向振動(dòng)體提供較大的旋轉(zhuǎn)力矩，并且可以增大其變位量。
在本發(fā)明中，優(yōu)選所述從動(dòng)部具有在與以所述支撐體為中心的旋轉(zhuǎn)方向正交的方向貫通的開口部，所述勵(lì)振電極的所述電極面與所述開口部的開口緣部相對(duì)配置。這樣，勵(lì)振電極配置在從動(dòng)部的占有平面范圍的內(nèi)部，所以能夠緊湊地構(gòu)成振子。
在本發(fā)明中，優(yōu)選所述支撐部連接在所述從動(dòng)部的重心位置。這樣，起因于重力的變形應(yīng)力不易作用于從動(dòng)部，所以能夠使從動(dòng)部以支撐部為支點(diǎn)穩(wěn)定地扭曲振動(dòng)，并且不易產(chǎn)生扭曲振動(dòng)以外的振動(dòng)，所以振動(dòng)能量的損耗減少。
在本發(fā)明中，優(yōu)選在所述支撐部的周圍配置多個(gè)所述勵(lì)振電極。這樣，可以從支撐部周圍的多處向振動(dòng)體提供靜電力，所以能夠有效產(chǎn)生扭曲振動(dòng)。
另外，在上述各發(fā)明中，優(yōu)選所述振動(dòng)體和勵(lì)振電極形成于基板上。特別是通過把基板作成半導(dǎo)體基板，可以實(shí)現(xiàn)與半導(dǎo)體電路的一體化。此處，所述基板優(yōu)選利用絕緣體構(gòu)成。由此，可以避免振子結(jié)構(gòu)體和基板之間的寄生電容的影響。
另外，上述各發(fā)明的特征在于，具有與所述振動(dòng)體或所述勵(lì)振電極電連接的布線層，所述布線層和所述基板的距離大于所述振動(dòng)體或所述勵(lì)振電極與所述基板的距離。根據(jù)本發(fā)明，布線層和基板的距離大于振動(dòng)體或勵(lì)振電極與基板的距離，從而可以降低在布線層和基板之間產(chǎn)生的靜電電容，減小靜電電容的恒定成分，相應(yīng)地可以提高起因于振動(dòng)的靜電電容的變動(dòng)成分的比率，因此能夠提高靜電振子的輸出特性，能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動(dòng)電壓的降低。
此處，所謂布線層是指用于構(gòu)成向所述振動(dòng)體或勵(lì)振電極供給電位、或者從所述振動(dòng)體或勵(lì)振電極取出信號(hào)的導(dǎo)電路徑的層，例如以下實(shí)施方式中的布線部或連接端子(接合焊盤)等。所述振動(dòng)體和勵(lì)振電極只要構(gòu)成為通過使彼此間產(chǎn)生靜電力從而至少振動(dòng)體可動(dòng)的結(jié)構(gòu)即可。
在本發(fā)明中，優(yōu)選所述布線層形成在具有與所述振動(dòng)體或所述勵(lì)振電極的形成表面相比從所述基板離開的表面的絕緣層上。這樣，布線層形成在絕緣層上，由此可以在與振動(dòng)體或勵(lì)振電極相比從基板離開的位置容易而可靠地設(shè)置布線層。
該情況時(shí)，優(yōu)選所述振動(dòng)體或所述勵(lì)振電極構(gòu)成在形成于所述基板上的絕緣體表面上，所述絕緣層具有低于所述絕緣體的介電常數(shù)。這樣，與絕緣層具有和絕緣體相同的介電常數(shù)(利用同一具有層構(gòu)成的情況)、或具有高于絕緣體的介電常數(shù)的情況相比，可以進(jìn)一步降低布線層和基板之間的靜電電容。
并且，優(yōu)選所述絕緣層是多孔質(zhì)膜。這樣，通過使絕緣層形成為多孔質(zhì)膜，可以降低絕緣層的介電常數(shù)，進(jìn)一步降低布線層和基板之間的靜電電容。
另外，本發(fā)明的其他微型機(jī)械式靜電振子具有基板、和配置在該基板上的其中至少一個(gè)為可動(dòng)的多個(gè)電極，其特征在于，具有電連接在所述電極的布線層，根據(jù)利用設(shè)在該布線層和所述基板之間的絕緣層構(gòu)成的階梯差，使所述布線層和所述基板的距離大于所述電極和所述基板之間的距離。根據(jù)本發(fā)明，布線層和基板的距離大于電極和基板的距離，可以降低在布線層和基板之間產(chǎn)生的靜電電容，所以靜電電容的恒定成分減小，相應(yīng)地可以提高起因于振動(dòng)的靜電電容的變動(dòng)成分的比率，因此能夠提高靜電振子的輸出特性，能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動(dòng)電壓的降低。并且，根據(jù)利用設(shè)在布線層和基板之間的絕緣層構(gòu)成的階梯差構(gòu)成所述結(jié)構(gòu)，所以能夠極其容易地制造。另外，所述具有構(gòu)成為至少一個(gè)可動(dòng)的多個(gè)電極的結(jié)構(gòu)，包括所述多個(gè)電極中的一個(gè)被用作可動(dòng)的振動(dòng)體、其他一個(gè)被用作勵(lì)振電極的結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明中，優(yōu)選在所述布線層和所述基板之間設(shè)置空間。這樣，通過在布線層和基板之間設(shè)置空間，可以進(jìn)一步降低布線層和基板之間的實(shí)質(zhì)介電常數(shù)，所以能夠進(jìn)一步降低布線層和基板之間的靜電電容。
在上述各發(fā)明中，優(yōu)選所述基板是硅基板。這樣，可以在硅基板上適當(dāng)?shù)匦纬砂雽?dǎo)體集成電路等，所以能夠使半導(dǎo)體集成電路等的電路結(jié)構(gòu)和靜電振子構(gòu)成為一體。該情況時(shí)，如上所述，優(yōu)選在硅基板上通過絕緣層形成壓電體薄膜、電極和布線層。并且，基板可以是SiGe或GaAs這種可以作成IC的半導(dǎo)體基板。
并且，優(yōu)選在所述基板和所述振動(dòng)體或所述勵(lì)振電極之間形成絕緣層。由此，可以整體上降低振子結(jié)構(gòu)體和基板之間的寄生電容。
并且，所述振動(dòng)體或所述勵(lì)振電極優(yōu)選利用聚硅或非晶硅等構(gòu)成。這些材料可以利用半導(dǎo)體制造技術(shù)容易形成，特別是在硅基板上構(gòu)成靜電振子的情況下從工藝上講很有利。
并且，在上述各發(fā)明中，優(yōu)選所述基板是利用絕緣體構(gòu)成的基板。這樣，使用由絕緣體構(gòu)成的基板形成微型機(jī)械式靜電振子，所以能夠降低在基板上形成的振子結(jié)構(gòu)體和基板之間的寄生電容。結(jié)果，通過寄生電容流過的電流大幅度減少，所以能夠提高振子的性能。
并且，基板利用玻璃構(gòu)成，由此可以降低基板的材料成本，同時(shí)在對(duì)玻璃基板進(jìn)行細(xì)微加工時(shí)，例如可以使用在制造液晶顯示元件時(shí)已確立的技術(shù)，所以能夠降低制造成本，并且獲得高性能的微型機(jī)構(gòu)振子。
另外，本發(fā)明的微型機(jī)械式靜電振子的制造方法是具有基板、設(shè)在所述基板上的振動(dòng)體、和與所述振動(dòng)體相對(duì)配置的勵(lì)振電極的微型機(jī)械式靜電振子的制造方法，其特征在于，包括在由絕緣體構(gòu)成的第1基板和表面具有活性層的第2基板的至少任一方表面形成凹部的凹部形成工序；將所述第1基板的表面和所述第2基板的表面相對(duì)對(duì)接的基板接合工序；對(duì)所述第2基板進(jìn)行保留所述活性層的至少一部分的規(guī)定加工，在所述第1基板上形成所述振動(dòng)體和所述勵(lì)振電極的振子形成工序。
根據(jù)本發(fā)明，把在至少任一方表面形成凹部的由絕緣體構(gòu)成的第1基板的基板表面和具有活性層的第2基板的所述活性層相對(duì)對(duì)接，對(duì)所述第2基板進(jìn)行保留活性層的至少一部分的規(guī)定加工，在第1基板上形成振動(dòng)體和勵(lì)振電極，由此可以利用所述凹部設(shè)置振動(dòng)體和基板之間的空隙，能夠廉價(jià)、有效且高成品率地制造微型機(jī)械式靜電振子。并且，這樣制造的微型機(jī)械式靜電振子在由絕緣體構(gòu)成的基板上具有振子結(jié)構(gòu)體，所以能夠?qū)崿F(xiàn)振子結(jié)構(gòu)體和基板之間的寄生電容降低并且具有高性能的振子。
該情況時(shí)，在所述凹部形成工序中，有時(shí)包括在將位于應(yīng)該形成所述振子結(jié)構(gòu)體的位置的第2基板的所述活性層蝕刻規(guī)定量的工序。并且，也可以包括對(duì)與第2基板的應(yīng)該形成振子結(jié)構(gòu)體的位置相對(duì)的第1基板的表面蝕刻規(guī)定量的工序。
并且，基板利用玻璃構(gòu)成，由此可以降低基板的材料成本，同時(shí)在對(duì)玻璃基板進(jìn)行細(xì)微加工時(shí)，例如可以使用在制造液晶顯示元件時(shí)已確立的技術(shù)，所以能夠降低制造成本，并且獲得高性能的微型機(jī)構(gòu)振子。
在本發(fā)明中，優(yōu)選所述振子形成工序包括使與所述第1基板接合的所述第2基板變薄到規(guī)定厚度的薄板化工序；把被薄板化的所述第2基板以保留所述活性層的至少一部分的狀態(tài)蝕刻成規(guī)定形狀的蝕刻工序。這樣，在將第1基板和第2基板接合后，把第2基板變薄到規(guī)定厚度，把被薄板化的所述第2基板蝕刻成規(guī)定形狀，所以能夠使用已有的工藝技術(shù)在由絕緣體構(gòu)成的基板上廉價(jià)且有效地形成由半導(dǎo)體(活性層)構(gòu)成的振子結(jié)構(gòu)體。
在本發(fā)明中，優(yōu)選所述第2基板具有硅基板、形成在該硅基板上的絕緣膜、形成在該絕緣膜上的所述活性層，所述薄板化工序是對(duì)包括于所述第2基板的所述硅基板進(jìn)行研磨處理和蝕刻處理的至少一種處理以去除所述硅基板的工序。這樣，對(duì)設(shè)在與第1基板接合的第2基板的硅基板進(jìn)行研磨處理和蝕刻處理的至少一種處理以去除硅基板，所以能夠在第1基板上精確地形成具有規(guī)定厚度的活性層和絕緣膜。
另外，所述活性層只要是可以構(gòu)成微型機(jī)械式靜電振子的振動(dòng)體和勵(lì)振電極的材料、即可以通過供給電力產(chǎn)生靜電力的材料，可以用任何材料構(gòu)成。


圖1是表示第一實(shí)施方式的概略結(jié)構(gòu)的俯視圖(a)和縱剖面圖(b)。
圖2是表示第一實(shí)施方式的振動(dòng)模式的說明圖(a)和(b)以及表示以往的圓盤狀振動(dòng)體的振動(dòng)模式的說明圖(c)。
圖3是第二實(shí)施方式的概略結(jié)構(gòu)的俯視圖(a)和縱剖面圖(b)。
圖4是表示不同的振動(dòng)體的平面形狀的俯視圖(a)和(b)。
圖5是表示第一實(shí)施方式的制造工序的工序剖面圖(a)-(f)。
圖6是表示第一實(shí)施方式的制造工序的工序剖面圖(e)-(j)。
圖7是第三實(shí)施方式的概略縱剖面圖(a)、概略俯視圖(b)和振動(dòng)體的放大立體圖(c)。
圖8是第四實(shí)施方式的概略縱剖面圖(a)、概略俯視圖(b)和振動(dòng)體的外緣部附近的放大剖面圖(c)。
圖9是關(guān)于圓盤振子的直徑和頻率的關(guān)系，對(duì)比表示實(shí)施例和比較例的曲線圖。
圖10是表示圓盤振子的比較例的直徑及厚度和頻率的關(guān)系的曲線圖。
圖11是表示單持梁的彎曲振動(dòng)模式中的梁的長(zhǎng)度和頻率的關(guān)系的曲線圖。
圖12是表示不同振動(dòng)體的形狀的概略立體圖。
圖13是表示其他不同振動(dòng)體的形狀的概略縱剖面圖。
圖14是表示其他振動(dòng)體的形狀的概略立體圖。
圖15是表示另外其他振動(dòng)體的形狀的概略立體圖。
圖16是利用等變位量線表示實(shí)施例的振動(dòng)體振動(dòng)時(shí)的變位量分布的變位量分布圖。
圖17是利用等變位量線表示比較例的振動(dòng)體振動(dòng)時(shí)的變位量分布的變位量分布圖。
圖18是表示第五實(shí)施方式的概略縱剖面圖(a)和概略俯視圖(b)。
圖19是表示第五實(shí)施方式的振動(dòng)體的驅(qū)動(dòng)方式和動(dòng)作的說明圖(a)和(b)。
圖20是表示第六實(shí)施方式的概略結(jié)構(gòu)的立體圖。
圖21是表示第六實(shí)施方式的振動(dòng)體的驅(qū)動(dòng)方式和動(dòng)作的說明圖(a)和(b)。
圖22是表示第七實(shí)施方式的概略縱剖面圖(a)、概略俯視圖(b)、和沿著與(a)所示正交的方向的剖面的概略縱剖面圖(c)。
圖23是表示第七實(shí)施方式的封裝體結(jié)構(gòu)的概略縱剖面圖。
圖24是表示第八實(shí)施方式的概略結(jié)構(gòu)的縱剖面圖。
圖25是表示第七實(shí)施方式的制造方法的概略工序剖面圖(a)～(c)。
圖26是表示第七實(shí)施方式的制造方法的概略工序剖面圖(a)～(c)。
圖27是表示第七實(shí)施方式的等價(jià)電路圖。
圖28是表示第七實(shí)施方式的插入損耗及阻抗的頻率特性的曲線圖。
圖29是表示第九實(shí)施方式的縱剖面圖。
圖30是表示第十實(shí)施方式的縱剖面圖。
圖31是表示第十一實(shí)施方式的制造方法的工序圖(a)～(c)。
圖32是表示第十一實(shí)施方式的制造方法的工序圖(a)～(c)。
圖33是表示第十二實(shí)施方式的制造方法的部分工序圖(a)～(c)。
圖中100微型機(jī)械式靜電振子；101基板；102絕緣層；103輸出電極；104支撐部；105振動(dòng)體；105a、105b圓弧部；105c、105d中間變細(xì)部；106空隙；107電極；110輸入電路；120輸出電路；300微型機(jī)械式靜電振子；301基板；302絕緣層；303基準(zhǔn)電極；304支撐體；305振動(dòng)體；305a支撐部(中心部)；305b外緣；305c階梯面；306勵(lì)振電極；307X、307Y第2勵(lì)振電極；310A輸入電路；310B輸出電路；800微型機(jī)械式靜電振子；801基板；802絕緣層；803基準(zhǔn)電極；805振動(dòng)體；805a支撐部；805b從動(dòng)部；805c外緣；806勵(lì)振電極；810A輸入電路；810B輸出電路；1000微型機(jī)械式靜電振子；1001基板；1002絕緣層；1003絕緣層；1004S、1004M電極層；1004Sa、1004Ma電極；1005SL、1004ML布線部；1005SP、1004MP連接端子；1006保護(hù)層；1103a空間。
具體實(shí)施例方式
(第一實(shí)施方式)以下，參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的第一實(shí)施方式。圖1是表示本發(fā)明的第一實(shí)施方式的微型機(jī)械式靜電振子100的結(jié)構(gòu)和電路結(jié)構(gòu)的概略俯視圖(a)和縱剖面圖(b)。
在該微型機(jī)械式靜電振子100中，在由硅基板等構(gòu)成的基板101的表面上，為了將振子結(jié)構(gòu)體絕緣，根據(jù)需要形成絕緣膜102。在該基板101或絕緣膜102上構(gòu)成輸出電極103、支撐部104和振動(dòng)體105。在振動(dòng)體105的兩側(cè)(在圖示例中為圖1(a)的上下兩側(cè)、圖1(b)的前后兩側(cè))，形成與振動(dòng)體105的外周部隔開空隙106相對(duì)配置的一對(duì)勵(lì)振電極107、107。
并且，在該微型機(jī)械式靜電振子100中，設(shè)置構(gòu)成用于向所述一對(duì)勵(lì)振電極107、107施加同相交流電力的供電單元的供電電路110。在該供電電路110中設(shè)置交流電源111、連接該交流電源111和勵(lì)振電極107的供電電線112。該供電電路110優(yōu)選在基板101內(nèi)部構(gòu)成為單片，但也可以和基板101 分別構(gòu)成，或者僅利用從外部供給交流電力的布線結(jié)構(gòu)構(gòu)成。
另外，在本實(shí)施方式中設(shè)置構(gòu)成檢測(cè)單元的輸出電路120，檢測(cè)單元和輸出電極103一起輸出與振動(dòng)體105的伸縮振動(dòng)相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。在該輸出電路120中具有連接在電源電位123和輸出電極103的輸出線121的輸出電位之間的電感器122、和連接在所述輸出電位和接地電位之間的負(fù)荷電阻125，在其前端設(shè)置輸出端子126，在輸出電極103和負(fù)荷電阻125及輸出端子126之間設(shè)置電容124。
在本實(shí)施方式中，振動(dòng)體105產(chǎn)生其平面形狀在一對(duì)勵(lì)振電極107、107之間進(jìn)行平面伸縮的振動(dòng)，空隙106根據(jù)該伸縮振動(dòng)產(chǎn)生變化，由此增減振動(dòng)體105和勵(lì)振電極107之間的靜電電容。該靜電電容的增減表現(xiàn)為在輸出電路120產(chǎn)生的輸出電流Io，所以與該輸出電流Io和負(fù)荷電阻125相對(duì)應(yīng)的輸出電位Vo輸出給輸出端子126。該輸出電位Vo具有對(duì)應(yīng)振動(dòng)體105的固有振動(dòng)頻率的振動(dòng)波形。
振動(dòng)體105的伸縮振動(dòng)是伴隨板狀的振動(dòng)體105的平面形狀的輪廓(外周部)的形狀變化的徑方向振動(dòng)，起因于振動(dòng)體105和勵(lì)振電極107、107之間的靜電力。在該振動(dòng)模式下，振動(dòng)體105具有根據(jù)其平面形狀、厚度、及構(gòu)成材料的密度或彈性特性(例如拉伸彈性模量或泊松比等)決定的固有振動(dòng)頻率。
振動(dòng)體105構(gòu)成為利用形成于基板101上的支撐部104支撐，振動(dòng)體105在支撐部104的周圍擴(kuò)大的形狀，由此在伸縮振動(dòng)時(shí)降低支撐部104的影響，可以容易實(shí)現(xiàn)與振動(dòng)體的平面形狀相對(duì)應(yīng)的高頻率。
振動(dòng)體105的平面形狀具有如圖示的包括中間變細(xì)的曲線狀輪廓形狀。具體講如圖2(a)所示，振動(dòng)體105的輪廓由構(gòu)成為圓弧狀的多個(gè)(圖示例中為2個(gè))圓弧部105a、105b、和兩端平滑地連接在這些圓弧部之間的多個(gè)(圖示例中為2個(gè))中間變細(xì)部105c、105d構(gòu)成。在圖示例中，圓弧部105a和105b為對(duì)稱形狀，中間變細(xì)部105c和105d為對(duì)稱形狀。
并且，圖1中用實(shí)線表示的勵(lì)振電極107、107相對(duì)所述振動(dòng)體105的中間變細(xì)部105c、105d分別相對(duì)配置。但是，作為電極結(jié)構(gòu)可以是如圖1中的單點(diǎn)劃線所示，以中間變細(xì)部105c、105d為中心并且與其兩側(cè)的圓弧部105a、105b相對(duì)配置的勵(lì)振電極107’、107’，也可以是如圖1中的雙點(diǎn)劃線所示，與圓弧部105a、105b的中央部分相對(duì)配置的勵(lì)振電極107”、107”。
此處，如圖2(a)中的雙點(diǎn)劃線所示，利用圓弧部105a、105b之間的寬度和中間變細(xì)部105c、105d之間的寬度呈逆相伸縮的振動(dòng)模式，把基于本實(shí)施方式的實(shí)施例和使用圖2(c)所述圓盤形狀的振動(dòng)體的比較例進(jìn)行了比較。此處，在比較例中，使用具有和本實(shí)施方式的圓弧部105a、105b之間的寬度相等的直徑r的圓盤狀振動(dòng)體，振動(dòng)體的厚度t、連接供電單元的電極結(jié)構(gòu)相同。在實(shí)施例和比較例中，振動(dòng)體的厚度t＝1μm、所述直徑r＝10μm、振動(dòng)體的構(gòu)成材料是聚硅。并且，雙方均在振子的中央部設(shè)置直徑1μm的圓形狀支撐部，并實(shí)施了固有值分析。在該計(jì)算中使用的振動(dòng)體的材料常數(shù)是拉伸彈性模量為160Gpa、泊松比為0.3、密度為2500kg/m3。結(jié)果，比較例的固有振動(dòng)頻率約為385MHz，而本實(shí)施方式的固有振動(dòng)頻率約為441MHz。而且，如圖2(b)所示，本實(shí)施方式的振動(dòng)體105中的圓弧部105a、105b之間的寬度和中間變細(xì)部105c、105d之間的寬度呈同相伸縮的振動(dòng)模式的固有振動(dòng)頻率為983MHz。這樣，本實(shí)施方式的微型機(jī)構(gòu)振子確認(rèn)到相對(duì)以往結(jié)構(gòu)的比較例可以實(shí)現(xiàn)高頻化。
(第二實(shí)施方式)下面，參照?qǐng)D3說明本發(fā)明的第二實(shí)施方式的微型機(jī)械式靜電振子200。該振子200具有平面形狀和所述第一實(shí)施方式的振動(dòng)體大致相同的振動(dòng)體205，但該振動(dòng)體205與第一實(shí)施方式的不同之處是一對(duì)中間變細(xì)部的中央部通過連接梁狀支撐部204而得到支撐。該支撐部204構(gòu)成為從兩側(cè)呈梁狀支撐振動(dòng)體205并且大致水平地(即與基板201的表面平行地)延伸。并且，支撐部204的相反側(cè)連接輸出電極203。
并且，在本實(shí)施方式中，相對(duì)振動(dòng)體205的圓弧部的中央部分分別相對(duì)配置一對(duì)勵(lì)振電極207、207。通過供電電路210的交流電源211和供電電線212向這些勵(lì)振電極207、207施加同相交流電力。在輸出電極203連接輸出電路220。在輸出電路220和第一實(shí)施方式相同，設(shè)置輸出線221、電感器222、電源電位223、電容224、負(fù)荷電阻225、輸出端子226。
在該實(shí)施方式中，和前面的第一實(shí)施方式相同，可以實(shí)現(xiàn)振動(dòng)體205的高頻化。并且，把振動(dòng)體205和支撐部204構(gòu)成為具有相同的層、相同的高度，所以相比第一實(shí)施方式在成膜工藝中產(chǎn)生富余，能夠迅速且以高度再現(xiàn)性形成振動(dòng)體。
(其他實(shí)施方式)圖4是可以代替上述振動(dòng)體使用的具有不同的平面形狀的振動(dòng)體的俯視圖。圖4(a)所示的振動(dòng)體305的平面形狀具有在中心周圍設(shè)有3個(gè)圓弧部305a、305b、305c，在這些圓弧部之間分別連接中間變細(xì)部305d、305e、305f的輪廓。并且，圖4(b)所示的振動(dòng)體405的平面形狀具有設(shè)有4個(gè)圓弧部405a、405b、405c、405d，在這些圓弧部之間分別連接中間變細(xì)部405e、405f、405g、405h的輪廓。
(制造方法)圖5和圖6表示制造所述第一實(shí)施方式的微型機(jī)械式靜電振子100的工藝示例的工序剖面圖。在該工藝中，首先如圖5(a)所示，在利用硅基板等構(gòu)成的基板101上形成由SiO2構(gòu)成的絕緣層102A、和由Si3N4構(gòu)成的絕緣層102B。絕緣層102A可以利用熱氧化法等形成，絕緣層102B可以利用等離子CVD法等形成。絕緣層102A和絕緣層102B構(gòu)成上述的絕緣膜102。
然后，如圖5(b)所示，使用光刻法等在絕緣層102A、102B形成開口102x，在其上如圖5(c)所示，使用蒸鍍法或?yàn)R射法等形成由鋁等金屬構(gòu)成的導(dǎo)電層103p。通過利用光刻法等形成圖形，如圖5(d)所示，形成輸出電極103和輸入電極107p。
然后，如圖5(e)所示，使用CVD法等形成由PSG(攙雜磷玻璃)膜等構(gòu)成的替化層108，并且如圖5(f)所示形成開口108x。然后，如圖6(g)所示，利用聚硅等形成導(dǎo)電層105S。此時(shí)，在開口108x內(nèi)同時(shí)形成支撐部104。另外，如圖6(h)所示，利用抗蝕劑等形成掩模109，通過該掩模109將導(dǎo)電層105S圖形化，從而如圖6(i)所示，形成振動(dòng)體105、空隙106和電極107。
最后，如圖6(j)所示，通過蝕刻等去除替化層108，由此完成圖1所示的振子結(jié)構(gòu)體。此處，勵(lì)振電極107形成為被支撐在未圖示的支撐層(利用所述替化層等構(gòu)成)上的狀態(tài)，并且勵(lì)振電極107通過未圖示的接觸孔等電連接基板上的輸入電極107p。
如上所述，本發(fā)明通過在振動(dòng)體的平面形狀的輪廓中設(shè)置中間變細(xì)部，可以實(shí)現(xiàn)高頻化，并且利用該中間變細(xì)部容易進(jìn)行振動(dòng)體的伸縮振動(dòng)模式(其輪廓變動(dòng)的振動(dòng)模式)的控制，可以產(chǎn)生更穩(wěn)定的伸縮振動(dòng)。例如，通過設(shè)置中間變細(xì)部使具有多個(gè)固有振動(dòng)頻率，可以根據(jù)電極結(jié)構(gòu)或施加頻率等使一個(gè)振動(dòng)體在不同的振動(dòng)頻率下使用。并且，象第一實(shí)施方式的勵(lì)振電極107和107”那樣在不同的方位設(shè)置與振動(dòng)體相對(duì)配置的多組勵(lì)振電極，可以根據(jù)需要的頻率特性區(qū)分使用勵(lì)振電極的組。
在本實(shí)施方式中，振動(dòng)體可以相對(duì)配置在其兩側(cè)的一對(duì)勵(lì)振電極形成為對(duì)稱的平面形狀，這樣能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的振動(dòng)，所以是優(yōu)選方式。此處，所謂相對(duì)一對(duì)勵(lì)振電極對(duì)稱的形狀，例如指以一對(duì)電極的中心部的連接線部分的正交二等分線為對(duì)稱軸的線對(duì)稱形狀。該情況時(shí)還優(yōu)選是以一對(duì)電極的中心部的連接線部分為對(duì)稱軸的線對(duì)稱形狀。例如，上述第一和第二實(shí)施方式的振動(dòng)體105、205和圖4(b)所示的振動(dòng)體405是可以實(shí)現(xiàn)這種高度對(duì)稱性的形狀。
另外，本發(fā)明的微型機(jī)械式靜電振子不限于上述圖示例，當(dāng)然可以在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的范圍內(nèi)進(jìn)行各種變更。例如，上述實(shí)施方式的微型機(jī)械式靜電振子構(gòu)成為分別具有輸入電路和輸出電路，但根據(jù)振子的使用方式，可以采用利用相同的電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)輸入電路和輸出電路等的各種結(jié)構(gòu)。
(第三實(shí)施方式)圖7是表示本發(fā)明第三實(shí)施方式的微型機(jī)械式靜電振子300的結(jié)構(gòu)的概略縱剖面圖(a)、概略俯視圖(b)和表示振動(dòng)體305的形狀的放大立體圖(c)。該靜電振子300在基板301上形成絕緣層302，在該絕緣層302上形成振子結(jié)構(gòu)體。作為基板301優(yōu)選單晶硅、GaAs或InP等的化合物半導(dǎo)體等半導(dǎo)體基板，但也可以利用玻璃、石英、陶瓷、合成樹脂等其他材料構(gòu)成。并且，絕緣層302在基板301是絕緣體的情況下不需要，在基板301是半導(dǎo)體或?qū)w的情況下、或者基板301是絕緣體但其表面上具有導(dǎo)體圖形等導(dǎo)電體的情況下需要。
振子結(jié)構(gòu)體具有通過配置在基準(zhǔn)電極303上的支撐體304支撐支撐部305a而構(gòu)成的振動(dòng)體305；與該振動(dòng)體305的外緣305b相對(duì)的勵(lì)振電極306?；鶞?zhǔn)電極303、支撐體304和振動(dòng)體305相互電連接，它們利用具有一定程度的導(dǎo)電性的材料例如聚硅等構(gòu)成。振動(dòng)體305構(gòu)成為把中央部作為由支撐體304支撐的支撐部305a的板狀體。在圖示例中，振動(dòng)體305形成為圓盤狀。
在該振動(dòng)體305的兩側(cè)(圖示左右側(cè))配置一對(duì)勵(lì)振電極306、306。勵(lì)振電極306具有沿著振動(dòng)體305的外緣305b延伸的電極面306a。在圖示例中，振動(dòng)體305的外緣305b形成為呈圓弧狀延伸的圓筒凸面，所以勵(lì)振電極306的電極面306a形成為與外緣305b的面形狀對(duì)應(yīng)的面形狀、即呈圓弧狀延伸的圓筒凹面。這樣，在振動(dòng)體305的外緣305b和勵(lì)振電極306的電極面306a之間具有整體上沿著兩者的相對(duì)部的一定間隔。
在圖示例的情況下，在基準(zhǔn)電極303電連接著連接端子(接合焊盤)303A，在勵(lì)振電極306電連接著連接端子(接合焊盤)306A。但是，也可以不設(shè)置這些連接端子303A、306A，例如使基準(zhǔn)電極303和勵(lì)振電極306在形成于基板301的電路內(nèi)部電連接。
在本實(shí)施方式中，如圖7(b)所示，在勵(lì)振電極306電連接輸入電路310A，在基準(zhǔn)電極303電連接輸出電路310B。輸入電路310A用于向勵(lì)振電極306供給驅(qū)動(dòng)電壓，例如設(shè)有交流電源311。并且輸出電路310B用于根據(jù)基準(zhǔn)電極303的電位輸出輸出電壓，例如，具有連接在基準(zhǔn)電極303和偏置電位Vb之間的電感器312、連接在基準(zhǔn)電極303和輸出電位Vo之間的電容313、連接在輸出電位Vo和接地電位之間的電阻314。偏置電壓Vb用于向基準(zhǔn)電極303施加偏置電壓。此處，輸出電位Vo表示通過電容313的充放電電流和電阻314得到的相當(dāng)于基準(zhǔn)電極313的電位變動(dòng)的電位變化。
在本實(shí)施方式中，根據(jù)振動(dòng)體305和勵(lì)振電極306的振動(dòng)特性調(diào)制從相當(dāng)于上述輸入電路310A的部分供給的輸入信號(hào)，并作為可以獲得輸出電位Vo的高頻過濾器而動(dòng)作。其濾波特性依賴于振動(dòng)體305的伸縮振動(dòng)模式的特性。具體而言，根據(jù)輸入信號(hào)在振動(dòng)體305和勵(lì)振電極306之間產(chǎn)生靜電力，振動(dòng)體305根據(jù)該靜電力的變化(方向的交替)進(jìn)行伸縮振動(dòng)。在振動(dòng)體305振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)體305和勵(lì)振電極306之間的距離變動(dòng)，兩者間的靜電電容也變動(dòng)，根據(jù)該靜電電容的變動(dòng)，輸出電位Vo進(jìn)行周期性變化。
振動(dòng)體305如圖7(c)所示，具有從由支撐體304支撐的支撐部305a朝向外緣305b厚度增大的形狀。具體而言，在圖示例的情況下，具有從支撐部305a朝向半徑方向外側(cè)沿著規(guī)定范圍厚度相等的部分，在其外側(cè)設(shè)置階梯面305c，相比該階梯面305c位于半徑方向外側(cè)的部分的厚度大于比該階梯面305c位于半徑方向內(nèi)側(cè)的部分的厚度。在圖示例的情況下，階梯面305c設(shè)在振動(dòng)體305的表面?zhèn)群屠锩鎮(zhèn)入p方。并且，階梯面305c形成于外緣305b的相反側(cè)，即朝向中心側(cè)的面。
振動(dòng)體305通過勵(lì)振電極306把板狀體的主面(圖示水平面)作為振動(dòng)面進(jìn)行伸縮變形，進(jìn)行伸縮模式的振動(dòng)。此處，振動(dòng)體305的上述厚度是與振動(dòng)面正交的方向的寬度。振動(dòng)體305具有在該厚度方向?qū)ΨQ的形狀(即表里對(duì)稱形狀)。由此，可以穩(wěn)定振動(dòng)面上的振動(dòng)狀態(tài)，抑制產(chǎn)生振動(dòng)面上沒有的高次諧波振動(dòng)模式，所以能夠防止振動(dòng)能量的浪費(fèi)性分散。
在向勵(lì)振電極306供給電力時(shí)，在振動(dòng)體305的外緣305b和勵(lì)振電極306之間產(chǎn)生靜電力，如果施加給勵(lì)振電極306的電壓是交流電壓(交替電壓)，則靜電斥力和靜電引力交替波及到振動(dòng)體305的外緣305b和勵(lì)振電極306之間。由此，振動(dòng)體305在一對(duì)勵(lì)振電極306之間周期性地反復(fù)收縮和伸長(zhǎng)，從而激勵(lì)伸縮模式的振動(dòng)。
此時(shí)，如果施加給勵(lì)振電極306的輸入電壓的頻率和振動(dòng)體305的伸縮模式的固有頻率一致，則振動(dòng)體305諧振，其輸出信號(hào)變大。因此，本實(shí)施方式的靜電振子300可以用作旁通濾波器或振蕩器。此處，振動(dòng)體305的直徑約為1～100μm，厚度約為0.1～10μm，被振動(dòng)體305激勵(lì)的伸縮振動(dòng)的固有頻率約為10MHz～1GHz。
在本實(shí)施方式中，振動(dòng)體305形成為從其支撐部305a朝向外緣305b厚度增大的形狀，所以能夠增加外緣305b和勵(lì)振電極306相對(duì)的面積，振動(dòng)體305接受的靜電力變大，并且振動(dòng)體305的重量分布偏向靠近外緣305b，所以能夠提高相對(duì)振動(dòng)體305的伸縮振動(dòng)的實(shí)效彈性率。因此，可以增加振動(dòng)體305的伸縮變位量，與以往相比可以提高輸出電壓相對(duì)輸入電壓的比。
本實(shí)施方式的靜電振子300在絕緣層302和振動(dòng)體305及勵(lì)振電極306之間形成由SiO2、PSG(攙雜磷玻璃)、有機(jī)樹脂等構(gòu)成的替化層，在形成振動(dòng)體305和勵(lì)振電極306之后，通過蝕刻等去除替化層，從而容易形成靜電振子。振動(dòng)體305和勵(lì)振電極306除鋁和銅等金屬以外，也可以利用聚硅等半導(dǎo)體形成。無論在哪種情況下，均可以利用蒸鍍法、濺射法、CVD法等成膜技術(shù)和光刻法等圖形技術(shù)形成上述結(jié)構(gòu)。
(第四實(shí)施方式)下面，參照?qǐng)D8說明本發(fā)明的第四實(shí)施方式的靜電振子300’。在該實(shí)施方式中，對(duì)和所述第三實(shí)施方式相同的部分賦予相同符號(hào)，并省略其詳細(xì)說明。
該實(shí)施方式基本上包括在所述第三實(shí)施方式中設(shè)置的所有要素，但與第三實(shí)施方式的不同之處是還設(shè)有與振動(dòng)體305的階梯面305c相對(duì)配置的第2勵(lì)振電極307X、307Y。此處，第2勵(lì)振電極307X與設(shè)在振動(dòng)體305里面(下面)的階梯面305c相對(duì)配置，面向位于該階梯面305c側(cè)的勵(lì)振電極306的電極面306a。第2勵(lì)振電極307Y與設(shè)在振動(dòng)體305表面(上面)的階梯面305c相對(duì)配置，面向位于該階梯面305c側(cè)的勵(lì)振電極306的電極面306a。此處，也可以只設(shè)置第2勵(lì)振電極307X、307Y中的任一個(gè)。
第2勵(lì)振電極307X、307Y電連接相同的連接端子(接合焊盤)307A。如圖8(b)所示，從設(shè)在輸入電路310A’的反轉(zhuǎn)電路315向第2勵(lì)振電極307X、307Y供給與所述勵(lì)振電極306反相的交流電壓(交替電壓)。由此如圖8(c)所示，可以驅(qū)動(dòng)成在振動(dòng)體305的外緣305b和勵(lì)振電極306之間產(chǎn)生靜電斥力時(shí)，在振動(dòng)體305的階梯面305c和第2勵(lì)振電極307X、307Y之間產(chǎn)生靜電引力，在振動(dòng)體305的外緣305b和勵(lì)振電極306之間產(chǎn)生靜電引力時(shí)，在振動(dòng)體305的階梯面305c和第2勵(lì)振電極307X、307Y之間產(chǎn)生靜電斥力。因此，用于使振動(dòng)體305產(chǎn)生伸縮振動(dòng)的靜電力增加，所以能夠增加振動(dòng)體305的伸縮變位量，其結(jié)果，可以提高輸出電壓(輸出信號(hào)的振幅)，與以往相比可以進(jìn)一步提高輸出電壓相對(duì)輸入電壓的比。
在該實(shí)施方式中，為了形成第2勵(lì)振電極307X、307Y，在第2勵(lì)振電極307X和振動(dòng)體305之間、以及振動(dòng)體305和第2勵(lì)振電極307Y之間分別設(shè)置替化層，最后通過蝕刻等去除替化層，由此和第三實(shí)施方式相同可以進(jìn)行制造。
(實(shí)施例和比較例的對(duì)比)下面，說明上述第三實(shí)施方式的實(shí)施例、和使用從支撐部305a到外緣305b具有相同厚度的平行板狀的振動(dòng)體替代第三實(shí)施方式的振動(dòng)體305的比較例的對(duì)比結(jié)果。另外，實(shí)施例和比較例的振動(dòng)體的重量和平均厚度相同。因此，實(shí)施例的振動(dòng)體形成為將比較例的中央側(cè)的部分壁厚去除一定量，把該一定量的壁厚增加在外緣側(cè)的形狀。
圓盤型振子的諧振頻率f用f＝(α/R)(E/ρ)1/2表示。此處，α表示依賴于振動(dòng)體的松泊比和振動(dòng)模式系數(shù)，R表示振動(dòng)體的直徑，E表示振動(dòng)體的拉伸彈性模量，ρ表示振動(dòng)體的密度。根據(jù)該公式可知諧振頻率與直徑R成反比。
圖9是表示實(shí)施例和比較例的振動(dòng)體直徑和固有頻率的關(guān)系的曲線圖。實(shí)施例和比較例均反映出上述公式，振動(dòng)頻率與直徑成反比。并且得知實(shí)施例的諧振頻率略低于比較例，但在實(shí)施例中基本上以數(shù)百M(fèi)Hz的高頻率振動(dòng)。此處，振動(dòng)體的材料是Si，拉伸彈性模量為160Gpa，密度為2500kg/m3。
圖10是表示比較例的振動(dòng)體的直徑和厚度與固有頻率的關(guān)系的曲線圖。根據(jù)該圖可知，在圓盤型振子中，如果減小直徑，則固有頻率提高，但厚度變化時(shí)，固有頻率的變化極小。可是，在圓盤型振子的情況下，由于以伸縮模式振動(dòng)，所以如果直徑變小，則伸縮變位量更小，輸出電壓相對(duì)輸入電壓的比進(jìn)一步降低。因此，通過使用實(shí)施例的結(jié)構(gòu)提高伸縮變位量，具有即使在減小振動(dòng)體直徑的情況下，也能夠增大輸出電壓相對(duì)輸入電壓的比的優(yōu)點(diǎn)。
圖11是在振動(dòng)體形成為單持梁形狀并且以彎曲模式振動(dòng)的情況下，表示單持梁支撐部其前部的長(zhǎng)度和固有頻率的關(guān)系的曲線圖。在彎曲模式的振動(dòng)體中可以增大振動(dòng)的變位量，但根據(jù)圖示可知，固有頻率約為數(shù)MHz，不適合高頻化。
然后，比較了實(shí)施例和比較例的伸縮振動(dòng)時(shí)的變位量。其結(jié)果如圖16和圖17所示。圖16利用等變位量線表示實(shí)施例的變位量分布，圖17利用等變位量線表示比較例的變位量分布。此處，振子的材料是Si，拉伸彈性模量為170Gpa，密度為2500kg/m3。實(shí)施例和比較例是在相同質(zhì)量下賦予相同荷重進(jìn)行振動(dòng)，并且假定是以相同模式振動(dòng)，求出變位量分布。如圖示所述，圖17所示實(shí)施例與圖16所示比較例相比變位量增大。并且，求出各振子的彈性常數(shù)，實(shí)施例為643N/m，比較例為1103N/m。在實(shí)施例中將彈性常數(shù)降低意味著頻率降低，但在賦予相同荷重的情況下意味著變位量(振幅)增大。此處，如果向?qū)嵤├捅容^例施加相同的輸入電壓，由于實(shí)施例的外緣305b的面積大于比較例，所以實(shí)施例接受的應(yīng)力(靜電力)大于比較例，因此與上述圖16和圖17所示情況相比，變位量的差進(jìn)一步增大。
(其他實(shí)施方式)圖12是表示與上述不同的振動(dòng)體405的形狀的概略立體圖。該振動(dòng)體405可以用來代替上述第三和第四實(shí)施方式的振動(dòng)體。振動(dòng)體405在從中心支撐部405a到外緣405b之間設(shè)置多處(在圖示例中為2處)階梯面405c、405d。這樣，重量分布更偏向外緣405b側(cè)，所以能夠進(jìn)一步提高振動(dòng)時(shí)的變位量。
圖13是其他不同的振動(dòng)體505的概略縱剖面圖。該振動(dòng)體505也可以用來代替上述第三和第四實(shí)施方式的振動(dòng)體。在該振動(dòng)體505中，從由支撐體504支撐的中央支撐部505a朝向外緣505b厚度逐漸增大。這樣，重量分布偏向外緣505b側(cè)，并且可以增大外緣505b的面積，所以能夠進(jìn)一步提高振動(dòng)時(shí)的變位量。
圖14是表示其他振動(dòng)體605的概略立體圖。該振動(dòng)體605也可以用來代替上述第三和第四實(shí)施方式的振動(dòng)體。在該振動(dòng)體605中與上述振動(dòng)體的不同之處是，由支撐體604支撐的支撐部605a和外緣605b之間僅通過兩個(gè)梁部605s連接著。該情況時(shí)，外緣側(cè)的規(guī)定半徑位置的厚度平均值大于中心側(cè)的規(guī)定半徑位置的厚度平均值。兩個(gè)梁部605s從支撐部605a在彼此相反的一側(cè)延伸，并連接環(huán)狀外緣605b。
圖15是表示另外其他振動(dòng)體705的概略立體圖。該振動(dòng)體705也可以用來代替上述第三和第四實(shí)施方式的振動(dòng)體。在該振動(dòng)體705中，由支撐體704支撐的支撐部705a和外緣705b之間通過四個(gè)梁部705s連接著。這樣，連接支撐部和外緣的梁部可以是任意數(shù)量。該情況時(shí)，外緣側(cè)的規(guī)定半徑位置的厚度平均值大于中心側(cè)的規(guī)定半徑位置的厚度平均值。
另外，本發(fā)明的微型機(jī)械式靜電振子不限于上述圖示例，當(dāng)然可以在不脫離本發(fā)明宗旨的范圍內(nèi)進(jìn)行各種變更。例如，在上述第三和第四實(shí)施方式中，振動(dòng)體的平面形狀形成為圓形，但本發(fā)明不限于這種平面形狀，可以是圓形以外的各種平面形狀(橢圓、長(zhǎng)圓、矩形等)。并且，在上述第三和第四實(shí)施方式中，振動(dòng)體的中心形成為支撐部，但只要是以伸縮模式振動(dòng)，振動(dòng)體可以是單側(cè)支撐等，支撐部可以是偏離振動(dòng)體的中心的位置。
(第五實(shí)施方式)圖18是表示本發(fā)明的第五實(shí)施方式的微型機(jī)械式靜電振子800的結(jié)構(gòu)的概略縱剖面圖(a)和概略俯視圖(b)。該微型機(jī)械式靜電振子800在基板801上形成絕緣層802，在該絕緣層802上形成振子結(jié)構(gòu)體。作為基板801優(yōu)選單晶硅、GaAs或InP等的化合物半導(dǎo)體等半導(dǎo)體基板，但也可以利用玻璃、石英、陶瓷、合成樹脂等其他材料構(gòu)成。并且，絕緣層802在基板801是絕緣體的情況下不需要，在基板801是半導(dǎo)體或?qū)w的情況下、或者基板801是絕緣體但其表面上具有導(dǎo)體圖形等導(dǎo)電體的情況下需要。
振子結(jié)構(gòu)體具有連接在基準(zhǔn)電極803上構(gòu)成的振動(dòng)體805；與該振動(dòng)體805相鄰配置的勵(lì)振電極806?；鶞?zhǔn)電極803和振動(dòng)體805相互電連接，它們利用具有一定程度的導(dǎo)電性的材料例如聚硅等構(gòu)成。振動(dòng)體805具有下端被固定在基準(zhǔn)電極803上的支撐部805a；與該支撐部805a的上部連接的從動(dòng)部805b。從動(dòng)部805b具有在大于支撐部805a的平面范圍內(nèi)擴(kuò)大的形狀。具體而言，從動(dòng)部805b構(gòu)成為支撐部805a連接在中心位置(也是重心位置)的板狀體。從動(dòng)部805b具有向以支撐部805a為中心的旋轉(zhuǎn)方向觀看時(shí)變化的形狀，即具有占有使沒有形狀變化的任意物體旋轉(zhuǎn)時(shí)的旋轉(zhuǎn)軌跡的形狀即旋轉(zhuǎn)體形狀以外的形狀。在圖示例中，從動(dòng)部805b形成為橢圓盤狀。在該實(shí)施方式中，從動(dòng)部805b形成為被單方支撐在形成為圓柱狀的支撐部805a上部的狀態(tài)。另外，也可以形成與圖示例不同的由上下支撐部?jī)煞街螐膭?dòng)部805b的結(jié)構(gòu)。
在該振動(dòng)體805的兩側(cè)(圖示左右側(cè))配置一對(duì)勵(lì)振電極806、806。勵(lì)振電極806具有沿著振動(dòng)體805的外緣805c延伸的電極面806a。在圖示例中，振動(dòng)體805的外緣805c形成為呈橢圓弧狀延伸的橢圓筒凸面，所以勵(lì)振電極806的電極面806a形成為與外緣805c的面形狀對(duì)應(yīng)的面形狀、即呈橢圓弧狀延伸的橢圓筒凹面。勵(lì)振電極806的電極面806a與振動(dòng)體805的外緣805c中朝向具有以支撐部805a的軸線為中心的形狀方向的成分的方向的表面部分相對(duì)著。即，勵(lì)振電極806在相對(duì)振動(dòng)體805分布偏心的位置(從長(zhǎng)軸和短軸偏向旋轉(zhuǎn)方向的位置)相對(duì)配置。
在圖示例的情況下，在基準(zhǔn)電極803電連接著連接端子(接合焊盤)803A，在勵(lì)振電極806電連接著連接端子(接合焊盤)806A。但是，也可以不設(shè)置這些連接端子803A、806A，例如使基準(zhǔn)電極803和勵(lì)振電極806在形成于基板801的電路內(nèi)部電連接。
在本實(shí)施方式中，如圖18(b)所示，在勵(lì)振電極806電連接輸入電路810A，在基準(zhǔn)電極803電連接輸出電路810B。輸入電路810A用于向勵(lì)振電極806供給驅(qū)動(dòng)電壓，例如設(shè)有交流電源811。輸出電路810B用于根據(jù)基準(zhǔn)電極803的電位輸出輸出電壓，例如，具有連接在基準(zhǔn)電極803和偏置電位Vb之間的電感器812、連接在基準(zhǔn)電極803和輸出電位Vo之間的電容813、連接在輸出電位Vo和接地電位之間的電阻814。偏置電壓Vb用于向基準(zhǔn)電極803施加偏置電壓。此處，輸出電位Vo表示通過電容813的充放電電流和電阻814得到的相當(dāng)于基準(zhǔn)電極803的電位變動(dòng)的電位變化。
在本實(shí)施方式中，根據(jù)振動(dòng)體805和勵(lì)振電極806的振動(dòng)特性調(diào)制從相當(dāng)于上述輸入電路810A的部分供給的輸入信號(hào)，并作為可以獲得輸出電位Vo的高頻過濾器而動(dòng)作。其濾波特性依賴于振動(dòng)體805的扭曲振動(dòng)模式的特性。具體而言，根據(jù)輸入信號(hào)在振動(dòng)體805和勵(lì)振電極806之間產(chǎn)生靜電力，振動(dòng)體805根據(jù)該靜電力的變化(方向的交替)進(jìn)行扭曲振動(dòng)。在振動(dòng)體805振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)體805和勵(lì)振電極806之間的距離變動(dòng)，兩者間的靜電電容也變動(dòng)，根據(jù)該靜電電容的變動(dòng)，輸出電位Vo進(jìn)行周期性變化。
圖19是表示振動(dòng)體805的振動(dòng)方式的說明圖(a)和(b)。如圖19(a)所示，在從動(dòng)部805b和勵(lì)振電極806之間產(chǎn)生靜電斥力時(shí)，振動(dòng)體805接受向圖示逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)力矩，產(chǎn)生與其彈性特性相對(duì)應(yīng)的扭曲變位。然后，在從動(dòng)部805b和勵(lì)振電極806之間產(chǎn)生靜電引力時(shí)，振動(dòng)體805接受向圖示順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)力矩，產(chǎn)生與其彈性特性相對(duì)應(yīng)的扭曲變位。因此，通過在從動(dòng)部805b和勵(lì)振電極806之間交替產(chǎn)生靜電斥力和靜電引力，振動(dòng)體805進(jìn)行扭曲振動(dòng)。
另外，作為使振動(dòng)體805產(chǎn)生扭曲振動(dòng)的方法，不限于上述的交替施加靜電斥力和靜電引力的方法，也可以是周期性地施加靜電斥力和靜電引力任一種力的方法。并且，在實(shí)施方式中，相對(duì)振動(dòng)體805設(shè)置一對(duì)勵(lì)振電極806，但也可以只設(shè)置一個(gè)勵(lì)振電極，或者可以設(shè)置3個(gè)以上的勵(lì)振電極806。
如上所述，在振動(dòng)體805振動(dòng)時(shí)，如果施加給勵(lì)振電極806的輸入電壓的頻率和振動(dòng)體805的扭曲模式的固有頻率一致，則振動(dòng)體805諧振，其輸出信號(hào)增大。因此，本實(shí)施方式的微型機(jī)械式靜電振子800可以用作旁通濾波器或振蕩器。此處，例如，振動(dòng)體805上部的長(zhǎng)軸直徑約為10μm，短軸直徑為5μm，厚度為2μm，支撐部805a的直徑為2μm，長(zhǎng)度為5μm，振動(dòng)體805的構(gòu)成材料為聚硅時(shí)的振動(dòng)體805的扭曲振動(dòng)的固有頻率約為15～20MHz。
在本實(shí)施方式中，使用振動(dòng)體805的扭曲振動(dòng)，所以與使用彎曲振動(dòng)時(shí)相比，可以在高頻率下振動(dòng)，并且與使用伸縮振動(dòng)(縱振動(dòng))時(shí)相比，可以獲得較大的變位量，所以能夠使輸出電壓相對(duì)輸入電壓的比高于以往，能夠?qū)崿F(xiàn)輸入電壓(驅(qū)動(dòng)電壓)的低電壓化。特別是通過利用支撐部805a和連接該支撐部805a并且變大的從動(dòng)部805b構(gòu)成振動(dòng)體805，通過靜電力接受的旋轉(zhuǎn)力矩變大，可以有效地產(chǎn)生扭曲振動(dòng)，并且能夠增大扭曲振動(dòng)的變位量，所以能夠增大輸出電壓相對(duì)輸入電壓的比。
在本實(shí)施方式中，支撐部805a連接在從動(dòng)部805b的重心位置，所以從動(dòng)部805b由支撐部805a支撐的狀態(tài)穩(wěn)定，即使在從驅(qū)動(dòng)電極806接受靜電力時(shí)，也不易產(chǎn)生扭曲方向以外的振動(dòng)，所以能夠以穩(wěn)定的姿勢(shì)進(jìn)行扭曲振動(dòng)，振動(dòng)能量的損耗減少。
本實(shí)施方式的靜電振子800在絕緣層802和振動(dòng)體805及勵(lì)振電極806之間形成由SiO2、PSG(攙雜磷玻璃)、有機(jī)樹脂等構(gòu)成的替化層，在形成振動(dòng)體805和勵(lì)振電極806之后，通過蝕刻等去除替化層，從而容易形成靜電振子。振動(dòng)體805和勵(lì)振電極806除鋁和銅等金屬以外，也可以利用聚硅等半導(dǎo)體形成。特別是在利用聚硅構(gòu)成振動(dòng)體805和勵(lì)振電極806的情況下，可以直接適用硅半導(dǎo)體工藝，特別在形成于硅基板上的情況下能夠極其容易地制造。無論在哪種情況下，均可以利用蒸鍍法、濺射法、CVD法等成膜技術(shù)或光刻法等圖形技術(shù)形成上述結(jié)構(gòu)。
(第六實(shí)施方式)下面，參照?qǐng)D20說明本發(fā)明的第六實(shí)施方式的靜電振子900。在該實(shí)施方式中，振動(dòng)體905和驅(qū)動(dòng)電極906以外的結(jié)構(gòu)和所述第五實(shí)施方式相同，所以省略其說明。
在該實(shí)施方式中，振動(dòng)體905具有下端被固定的支撐部905a、和與該支撐部905a的上端連接的從動(dòng)部905b。從動(dòng)部905b具有從相對(duì)支撐部905a的連接部分向周圍呈放射狀延伸的多個(gè)輻狀部905s、與這些輻狀部905s的前端連接的環(huán)狀外輪部905c。在圖示例中，輻狀部905s以90度間隔設(shè)有4個(gè)。輻狀部905s之間形成為在與扭曲振動(dòng)的振動(dòng)面正交的方向貫通的開口部905t。
另一方面，勵(lì)振電極906配置在上述開口部905t的內(nèi)部。在圖示例中，在多個(gè)開口部905t分別配置勵(lì)振電極906。勵(lì)振電極906在未被施加靜電力的初期狀態(tài)下，被配置在開口部905t中偏向軸線周圍的旋轉(zhuǎn)方向任一方的位置，并且相對(duì)配置在輻狀部905s的側(cè)面905sa。在從動(dòng)部905b和勵(lì)振電極906之間產(chǎn)生靜電斥力時(shí)，振動(dòng)體905向輻狀部905s從勵(lì)振電極906離開的方向旋轉(zhuǎn)，如圖21(a)所示，振動(dòng)體905向圖示逆時(shí)針方向扭曲。在從動(dòng)部905b和勵(lì)振電極906之間產(chǎn)生靜電引力時(shí)，振動(dòng)體905向輻狀部905s接近勵(lì)振電極906的方向旋轉(zhuǎn)，如圖21(b)所示，振動(dòng)體905向圖示順時(shí)針方向扭曲。因此，通過在振動(dòng)體905和勵(lì)振電極906之間交替地產(chǎn)生靜電斥力和靜電引力，振動(dòng)體905進(jìn)行扭曲振動(dòng)。
另外，作為使振動(dòng)體905產(chǎn)生扭曲振動(dòng)的方法，不限于上述的交替施加靜電斥力和靜電引力的方法，也可以是周期性地施加靜電斥力和靜電引力任一種力的方法。并且，在實(shí)施方式中，相對(duì)振動(dòng)體905設(shè)置4個(gè)勵(lì)振電極906，但勵(lì)振電極906的數(shù)量是任意的。并且，在上述實(shí)施方式中僅固定振動(dòng)體905的一端(下端)，但也可以構(gòu)成為兩端支撐。
在本實(shí)施方式中，支撐部905a連接在從動(dòng)部905b的重心位置，所以從動(dòng)部905b由支撐部905a支撐的狀態(tài)穩(wěn)定，即使在從驅(qū)動(dòng)電極906接受靜電力時(shí)，也不易產(chǎn)生扭曲方向以外的振動(dòng)，所以能夠以穩(wěn)定的姿勢(shì)進(jìn)行扭曲振動(dòng)，振動(dòng)能量的損耗減少。
(振動(dòng)模式和振子的固有振動(dòng)頻率的關(guān)系)下面，說明使用上述第五和第六實(shí)施方式的扭曲振動(dòng)的振子、使用彎曲振動(dòng)的振子、和使用伸縮振動(dòng)(縱振動(dòng))的振子的關(guān)系。
使用扭曲振動(dòng)的振子的固有頻率fb，在振動(dòng)體形成為長(zhǎng)度L的棒狀體時(shí)用下述公式(1)表示。
fb＝(Bn/2L)(G/ρ)1/2……(1)其中，Bn是利用振動(dòng)體的棒端的條件和振動(dòng)次數(shù)決定的系數(shù)，在兩端固定的情況下，Bn＝n＝1、2、3、…，在一端固定另一端自由的情況下，Bn＝n-1/2＝1/2、3/2、5/2、…。另外，G表示G＝E/{2·(1+σ)}(E表示拉伸彈性模量，σ表示松泊比)，ρ表示密度。
另一方面，使用彎曲振動(dòng)的振子的固有頻率fa，在振動(dòng)體形成為長(zhǎng)度L的棒狀體時(shí)用下述公式(2)表示。
fa＝(An/L2)(El/m)1/2……(2)其中，An是利用振動(dòng)體的棒端的條件和振動(dòng)次數(shù)決定的系數(shù)，在兩端固定的情況下，A1＝4.730、A2＝7.853、A3＝10.996、…(1-coshA·cosA＝0的解)，在一端固定另一端自由的情況下，A1＝1.875、A2＝4.694、A3＝7.855、…(1+coshA·cosA＝0的解)。另外，E表示拉伸彈性模量，l表示振動(dòng)體的剖面二次力矩，例如在剖面為圓的情況下，l＝Πd4/64(d表示直徑)。m表示振動(dòng)體的截面面積S和密度ρ的積。
另外，使用伸縮振動(dòng)(縱振動(dòng))的振子的固有頻率fs，在振動(dòng)體形成為長(zhǎng)度L的棒狀體時(shí)用下述公式(3)表示。
fs＝(Bn/2L)(E/ρ)1/2……(3)其中，Bn是利用振動(dòng)體的棒端的條件和振動(dòng)次數(shù)決定的系數(shù)，在兩端固定的情況下，Bn＝n＝1、2、3、…，在一端固定另一端自由的情況下，Bn＝n-1/2＝1/2、3/2、5/2、…。另外，E表示拉伸彈性模量，ρ表示密度。
比較扭曲振動(dòng)和彎曲振動(dòng)，固有振動(dòng)頻率因振動(dòng)體的長(zhǎng)度L的值其大小關(guān)系發(fā)生變化。具體而言，把L＝Lx＝(2An/Bn)·(2(1+σ)1/S)1/2(S表示振動(dòng)體的截面面積)作為邊界，更換扭曲振動(dòng)和彎曲振動(dòng)的固有振動(dòng)頻率的大小。即，振動(dòng)體的長(zhǎng)度L比Lx長(zhǎng)時(shí)，扭曲振動(dòng)的固有振動(dòng)頻率增加，振動(dòng)體的長(zhǎng)度L比Lx短時(shí)，彎曲振動(dòng)的固有振動(dòng)頻率增加。在通常的實(shí)用范圍內(nèi)，根據(jù)長(zhǎng)度L和截面面積S的關(guān)系，扭曲振動(dòng)的固有振動(dòng)頻率大于彎曲振動(dòng)。并且，實(shí)際上在彎曲振動(dòng)中，如果減小L則振動(dòng)頻率增加，但由于振動(dòng)變位量減小，所以輸出電壓相對(duì)輸入電壓的比變小。
并且，比較扭曲振動(dòng)和伸縮振動(dòng)(縱振動(dòng))，兩者的固有振動(dòng)頻率的比為[1/{2·(1+σ)}]1/2，經(jīng)常是扭曲振動(dòng)具有較低的固有振動(dòng)頻率，但其差微小。另一方面，在扭曲振動(dòng)中，按上述實(shí)施方式那樣通過具有支撐部和被放大的從動(dòng)部的形狀等，可以增大振動(dòng)變位量，但在伸縮振動(dòng)中振動(dòng)變位量微小，所以輸出電壓相對(duì)輸入電壓的比小。
如上所述，在本實(shí)施方式中，通過使用扭曲振動(dòng)模式，可以實(shí)現(xiàn)一定程度的高頻化，所以能夠確保較大的振動(dòng)變位量，能夠增大輸出電壓相對(duì)輸入電壓的比，實(shí)現(xiàn)輸入電壓的降低。
另外，本發(fā)明的微型機(jī)械式靜電振子不限于上述圖示例，當(dāng)然可以在不脫離本發(fā)明技術(shù)構(gòu)思的范圍內(nèi)進(jìn)行各種變更。例如，在上述第五和第六實(shí)施方式中，振動(dòng)體形成為在圓柱狀支撐部上連接板狀的接受靜電力的部分而構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，但本發(fā)明不限于這種平面形狀，只要是從動(dòng)部具有在大于支撐部的范圍內(nèi)擴(kuò)展的形狀即可，例如，可以是具有從連接支撐部的部分向半徑方向外側(cè)延伸的棒狀從動(dòng)部的結(jié)構(gòu)。并且，在上述第五和第六實(shí)施方式的振動(dòng)體中，支撐部連接在從動(dòng)部的重心位置，但也可以使支撐部連接在從從動(dòng)部的重心位置偏離的位置。另外，在上述第五和第六實(shí)施方式中，基本上構(gòu)成為從動(dòng)部接受靜電力，支撐部進(jìn)行扭曲變形，但也可以構(gòu)成為支撐部和從動(dòng)部一起進(jìn)行扭曲變形，或者支撐部基本不變形，而主要是從動(dòng)部進(jìn)行扭曲變形的結(jié)構(gòu)。
(第七實(shí)施方式)圖22是表示本發(fā)明的第七實(shí)施方式的微型機(jī)械式靜電振子1000的概略縱剖面圖，即表示沿(b)所示A-A線的剖面的概略剖面圖(a)、概略俯視圖(b)、和與上述(a)正交的剖面、即沿(b)所示C-C線的剖面的概略剖面圖(c)。
該微型機(jī)械式靜電振子1000的基本結(jié)構(gòu)是在利用硅基板、玻璃基板、石英基板、陶瓷基板等構(gòu)成的基板1001上，形成由SiO2、PSG(攙雜磷玻璃)、TiO2、Ta2O5等金屬氧化物、Si3N4等氮化硅、丙稀樹脂等合成樹脂構(gòu)成的絕緣層1002。絕緣層1002在基板1001是導(dǎo)電體基板或半導(dǎo)體基板時(shí)，用于將基板與其上層的導(dǎo)電體之間絕緣。
作為基板1001可以是硅基板，也可以是導(dǎo)電體或半導(dǎo)體，有具有一定程度的導(dǎo)電性的情況和具有類似本征半導(dǎo)體的絕緣性的情況，在屬于前者時(shí)特別需要絕緣層1002。而在后者的情況下，未必一定需要絕緣層1002。另外，作為基板1001可以使用玻璃基板、石英基板、陶瓷基板等絕緣體，在這種情況下將不需要絕緣層1002。另外，在使用具有絕緣性的基板1001的情況下，在其表面上形成有布線圖形等導(dǎo)電膜時(shí)，為了確保與上層的絕緣而需要絕緣層1002。作為該絕緣層1002，可以直接使用構(gòu)成有半導(dǎo)體集成電路的硅基板上的表面被覆用絕緣層。
在絕緣層1002上形成具有由聚硅等構(gòu)成的電極層1004S和1004M的電極部，即振子結(jié)構(gòu)體1004。此處，電極層1004S的電極1004Sa和電極層1004M的電極1004Ma均以離開下層(絕緣層1002)的狀態(tài)彼此相對(duì)配置。在本實(shí)施方式中，向電極層1004S和1004M之間施加規(guī)定電壓，在電極1004Sa和電極1004Ma之間產(chǎn)生靜電力，主要是電極1004Ma向接近和離開電極1004Sa的方向移動(dòng)。此時(shí)，可以構(gòu)成為電極1004Sa被固定在下層，只有電極1004Ma離開下層的狀態(tài)。并且，也可以構(gòu)成為電極1004Sa和1004Ma雙方均移動(dòng)的結(jié)構(gòu)。
而且，在與上述振子結(jié)構(gòu)體1004的形成區(qū)域相鄰的區(qū)域形成絕緣層1003。該絕緣層1003在圖示例中設(shè)在振子結(jié)構(gòu)體1004的形成區(qū)域的一側(cè)，但也可以分別設(shè)在該形成區(qū)域的兩側(cè)。絕緣層1003利用SiO2、PSG(攙雜磷玻璃)、TiO2、Ta2O5等金屬氧化物、Si3N4等氮化硅、丙稀樹脂等合成樹脂構(gòu)成。絕緣層1003優(yōu)選利用介電常數(shù)低的材料、特別是介電常數(shù)低于絕緣層1002的材料構(gòu)成。為了降低絕緣層1003的介電常數(shù)，除利用本質(zhì)上介電常數(shù)較低的材料構(gòu)成絕緣層1003外，還可以列舉利用多孔質(zhì)材料構(gòu)成絕緣層1003，或如后面所述設(shè)置空間的方法。作為多孔質(zhì)材料的示例可以列舉多孔質(zhì)二氧化硅，例如中孔性二氧化硅。絕緣層1003的厚度ti優(yōu)選形成為至少厚于絕緣層1002的厚度。
在絕緣層1003的表面(上面)，延伸形成與所述電極層1004S和1004M電連接的布線部1005SL、1005ML，并且設(shè)有與這些布線部1005SL、1005ML電連接的連接端子1005SP、1005MP。這些布線部1005SL、1005ML和連接端子1005SP、1005MP構(gòu)成所述布線層。布線層優(yōu)選利用鋁等良好的導(dǎo)體構(gòu)成。
在本實(shí)施方式中，在絕緣層1002上形成電極層1004S和1004M，在絕緣層1002上再次層壓形成的絕緣層1003上形成布線部1005SL、1005ML的一部分和連接端子1005SP、1005MP，但也可以在絕緣層1003上構(gòu)成整個(gè)布線部1005SL、1005ML，另外按照?qǐng)D22(b)中虛線所示，在絕緣層1003上形成延伸部1003’，由此在絕緣層1003上形成電極層1004S和1004M中除電極1004Sa、1004Ma以外的部分。并且，在本實(shí)施方式中，一對(duì)軸狀電極層1004S和1004M并列地定向配置，但也可以以彼此嚙合的狀態(tài)相對(duì)配置類似以往結(jié)構(gòu)的具有梳齒形狀的各個(gè)電極。
本實(shí)施方式的微型機(jī)械式靜電振子1000，在以上說明的振子結(jié)構(gòu)體1004設(shè)置彼此相對(duì)的電極1004Sa和1004Ma，為了使這些電極中的至少一方振動(dòng)，如圖示例所述，上述電極中主要振動(dòng)的一方電極1004Ma成為振動(dòng)體，另一方電極1004Sa構(gòu)成為勵(lì)振電極。但是，也可以設(shè)置上述第一～第六實(shí)施方式的振動(dòng)體或從動(dòng)部來代替所述電極1004Ma，設(shè)置上述第一～第六實(shí)施方式的勵(lì)振電極來代替所述電極1004Sa。通過形成這種結(jié)構(gòu)，具有與上述第一～第六實(shí)施方式的振動(dòng)體或勵(lì)振電極電連接的布線層，布線層和基板的距離大于振動(dòng)體或勵(lì)振電極與基板的距離，所以能夠降低振子結(jié)構(gòu)體和基板之間的寄生電容。
圖23是表示把本實(shí)施方式的微型機(jī)械式靜電振子1000密封在封裝體內(nèi)的狀態(tài)的概略縱剖面圖。該微型機(jī)械式靜電振子1000通過使所述電極層1004M的電極1004Ma進(jìn)行機(jī)械振動(dòng)而動(dòng)作，所以優(yōu)選收容在利用陶瓷或合成樹脂等絕緣材料構(gòu)成的封裝體1011、1012內(nèi)。特別是為了使電極容易振動(dòng)，優(yōu)選使封裝體內(nèi)形成真空狀態(tài)(真空封裝體)。在封裝體1011形成內(nèi)部端子1013S、1013M，和分別與該內(nèi)部端子1013S、1013M電連接的外部端子1014S、1014M。并且，所述連接端子1005SP、1005MP通過導(dǎo)電金屬絲1015等分別電連接內(nèi)部端子1013S、1013M。
并且，在本實(shí)施方式的微型機(jī)械式靜電振子1000中，通過利用硅基板等構(gòu)成基板1001，可以在基板1001內(nèi)設(shè)置規(guī)定的電路結(jié)構(gòu)(例如半導(dǎo)體集成電路)。該情況時(shí)，設(shè)置內(nèi)部端子1016及與其電連接的外部端子1017，可以通過導(dǎo)電金屬絲1018等使所述電路結(jié)構(gòu)電連接內(nèi)部端子1016。這樣，可以一體地構(gòu)成微型機(jī)械式靜電振子1000和規(guī)定的電路結(jié)構(gòu)。另外，該微型機(jī)械式靜電振子1000可以不按照?qǐng)D示例那樣收容在封裝體1011、1012中，而可以象表面安裝器件(SMD)等那樣直接安裝在電路基板等上使用。
(制造方法)下面，參照?qǐng)D25說明上述第七實(shí)施方式的制造方法。首先，如圖25(a)所示，在基板1001的表面上形成絕緣層1002。絕緣層1002可以利用CVD法等直接成膜，或者利用旋轉(zhuǎn)涂覆法、滾涂法、印刷法等涂覆液體狀或膏狀基體材料，通過加熱處理等使其固化。
然后，如圖25(b)所示，在絕緣層1002上形成由聚硅等構(gòu)成的第1導(dǎo)體層1004C’和由SiO2、PSG(攙雜磷玻璃)、有機(jī)樹脂等構(gòu)成的第1替化層1004D’。這些層可以使用光刻法等分別構(gòu)成。然后，在所述第1導(dǎo)體層1004C’上再配置相同的導(dǎo)體材料，在所述第1替化層1004D’上再配置相同的替化材料，由此如圖25(c)所示，形成具有由替化層1004D支撐的電極1004Sa、1004Ma(未圖示1004Sa)的電極層1004S、1004M。此處，所述各導(dǎo)體層可以利用CVD法或?yàn)R射法等形成，所述替化層可以利用濺射法或溶膠-凝膠法等形成。
然后，如圖26(a)所示，形成利用由PSG或合成樹脂等構(gòu)成的保護(hù)層1006覆蓋如上構(gòu)成的電極結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，如圖26(b)所示，利用CVD法或?yàn)R射法或溶膠-凝膠法等在與電極形成區(qū)域相鄰的區(qū)域形成絕緣層1003。該絕緣層1003可以利用和所述絕緣層1002相同的方法構(gòu)成，但在利用多孔質(zhì)材料構(gòu)成絕緣層1003的情況下可以使用溶膠-凝膠法。例如，多孔質(zhì)二氧化硅可以通過涂覆包括烷氧基硅烷等玻璃構(gòu)成材料的溶液并干燥(使乙醇等溶媒揮發(fā))而構(gòu)成。
本實(shí)施方式的絕緣層1003未形成在所述電極1004Sa、1004Ma動(dòng)作的動(dòng)作區(qū)域。作為這樣選擇的絕緣層1003的形成方法，可以使用掩模法、提離法、光刻法等。這樣，在基板1001上部分形成絕緣層1003對(duì)防止在基板1001上整面形成絕緣層1003時(shí)有可能產(chǎn)生的基板1001的翹曲等非常有效。并且，通過使絕緣層1003形成于動(dòng)作區(qū)域的兩側(cè)或形成為包圍動(dòng)作區(qū)域，在制造工序中可以保護(hù)具有在動(dòng)作區(qū)域上構(gòu)成的可動(dòng)部分的脆弱的電極結(jié)構(gòu)。
然后，去除所述保護(hù)層1006，使用蒸鍍法、濺射法等在絕緣層1002、1003的表面上形成鋁等導(dǎo)體，利用光刻法等形成圖形，如圖26(c)所示，形成所述布線層、即布線部1005SL、1005ML及連接端子1005SP、1005MP。最后，利用蝕刻等去除所述替化層1004D，由此形成圖22所示的振子結(jié)構(gòu)體。
(作用效果)圖27是上述實(shí)施方式的微型機(jī)械式靜電振子的等價(jià)電路圖。在微型機(jī)械式靜電振子1000的等價(jià)電路中存在位于連接端子1005SP和1005MP之間的靜電電容Ca、電感器La、電阻Ra的串聯(lián)電路，以及與該串聯(lián)電路并聯(lián)連接的并聯(lián)電容(短路電容)Cs。此處，所述串聯(lián)電路部分是產(chǎn)生靜電振子的輸入輸出特性的部分，并聯(lián)電容Cs相當(dāng)于電極1004Sa和1004Ma之間的靜電電容的恒定成分。
在本實(shí)施方式的微型機(jī)械式靜電振子中，相對(duì)以上的電路結(jié)構(gòu)還并聯(lián)連接作為電極層1004S、1004M、布線部1005SL、1005ML及連接端子1005SP、1005MP與基板1001之間的靜電電容的寄生電容Co。如上所述，由布線部1005SL、1005ML及連接端子1005SP、1005MP構(gòu)成的布線層配置在與電極1004Sa和1004Ma相比從基板1001離開相當(dāng)于絕緣層1003的厚度ti(參照?qǐng)D22(c))部分的位置，由此降低上述的寄生電容Co。即，產(chǎn)生于布線層和基板1001之間的靜電電容，根據(jù)公式C＝εS/t(C表示靜電電容，ε表示介電常數(shù)，S表示電極面積，t表示電極間距離)，隨著電極間距離t增大絕緣層1003的厚度ti部分而變小。并且，如果絕緣層1003的介電常數(shù)小于絕緣層1002(相當(dāng)于權(quán)利要求18的絕緣體)的介電常數(shù)，該靜電電容根據(jù)上述公式隨著介電常數(shù)ε實(shí)質(zhì)上變小而進(jìn)一步變小。
這樣，通過使布線層比電極更遠(yuǎn)離基板1001，可以減小寄生電容Co，所以分配給電容Co、Cs、Ca的電氣能量更多地分配給Cs和Ca。結(jié)果，可以增大微型機(jī)械式靜電振子1000的輸出電壓，并且可以降低驅(qū)動(dòng)電壓。
圖28是表示本實(shí)施方式的微型機(jī)械式靜電振子1000的阻抗的頻率依賴性的示意曲線圖。此處，圖示中的雙點(diǎn)劃線表示本實(shí)施方式的阻抗，圖示中的虛線表示以往結(jié)構(gòu)的靜電振子的阻抗。通過形成上述結(jié)構(gòu)可以減小寄生電容Co，所以本實(shí)施方式與以往的結(jié)構(gòu)相比能夠降低阻抗。
另外，在上述實(shí)施方式中，在絕緣層1002上部分層壓絕緣層1003，但也可以限定動(dòng)作區(qū)域來形成絕緣層1002，在與動(dòng)作區(qū)域相鄰的區(qū)域中直接在基板1001上形成絕緣層1003。并且，也可以在基板1001上形成一體的絕緣層，通過選擇性地蝕刻該絕緣層中的形成于動(dòng)作區(qū)域上的部分，來減薄厚度，由此形成和上述實(shí)施方式相同的表面階梯差。
(第八實(shí)施方式)圖24是表示本發(fā)明的第八實(shí)施方式的微型機(jī)械式靜電振子1100的概略縱剖面圖。在該實(shí)施方式中，基板1101、絕緣層1102、電極層1104S、1104M、電極1104Sa、1104Ma、布線部2005SL、2005ML、連接端子2005SP、2005MP分別和上述第一實(shí)施方式相同，所以省略說明。
在該微型機(jī)械式靜電振子1100中，和上述第七實(shí)施方式相同的是在絕緣層1103上構(gòu)成由布線部1105SL、1105ML和連接端子1105SP、1105MP構(gòu)成的布線層。但是，在絕緣層1103的內(nèi)部設(shè)置空間1103a。因此，布線層和基板1101之間的電介質(zhì)的實(shí)質(zhì)介電常數(shù)比絕緣層1003的介電常數(shù)進(jìn)一步降低相當(dāng)于空間1103a的厚度部分的成分，所以布線層和基板1101之間的靜電電容也進(jìn)一步降低。因此，可以進(jìn)一步降低上述靜電電容Co。
上述空間1103a例如在形成絕緣層1103的第1層后，形成未圖示的替化層(可以由聚硅、PSG、有機(jī)樹脂等構(gòu)成)，在該替化層上再形成絕緣層1103的第2層，然后通過蝕刻等去除上述替化層而構(gòu)成。
在本實(shí)施方式中，上述空間形成于絕緣層1103的內(nèi)部，但本發(fā)明不限于這種方式，也可以在絕緣層1103和布線層之間設(shè)置空間，或在絕緣層1103和絕緣層1102之間設(shè)置空間等，只要是在布線層和基板1101之間均可設(shè)置空間。
(第九實(shí)施方式)圖29是表示本發(fā)明的第九實(shí)施方式的微型機(jī)械式靜電振子的縱剖面圖。該微型機(jī)械式靜電振子1200在由玻璃、石英、陶瓷等絕緣體構(gòu)成的基板1201上具有振子結(jié)構(gòu)體，該振子結(jié)構(gòu)體包括輸出電極1203、與該輸出電極1203電連接的支撐部1204、由支撐部1204支撐的并與其電連接的振動(dòng)體1205、在該振動(dòng)體1205的兩側(cè)與振動(dòng)體1205的外緣相對(duì)配置的一對(duì)勵(lì)振電極1207、1207。另外，在該實(shí)施方式中，在基板1201上構(gòu)成的振子結(jié)構(gòu)體和上述第一實(shí)施方式相同，所以省略所述振子結(jié)構(gòu)體的詳細(xì)說明。
在本實(shí)施方式中，基板1201由絕緣體構(gòu)成，所以在上述振子結(jié)構(gòu)體和基板1201之間不會(huì)產(chǎn)生寄生電容，因此能夠防止起因于寄生電容的輸出電壓的降低和能量效率的降低。這一點(diǎn)與上述第七和第八實(shí)施方式中的說明相同，所以省略其詳細(xì)說明。但是，在本實(shí)施方式中，通過利用絕緣體構(gòu)成基板1201，不是象上述第七和第八實(shí)施方式那樣降低與基板之間的寄生電容，而是幾乎不產(chǎn)生該寄生電容，這一點(diǎn)將形成更有效的結(jié)構(gòu)。特別是通過利用玻璃構(gòu)成基板1201，可以廉價(jià)地購(gòu)買到基板材料，并且容易實(shí)施制造時(shí)的各種處理，所以能夠降低制造成本。
(第十實(shí)施方式)圖30是表示本發(fā)明的第十實(shí)施方式的微型機(jī)械式靜電振子的縱剖面圖。該微型機(jī)械式靜電振子1300在由玻璃、石英、陶瓷等絕緣體構(gòu)成的基板1301上具有振子結(jié)構(gòu)體，該振子結(jié)構(gòu)體包括基準(zhǔn)電極1303、與該基準(zhǔn)電極1303電連接的支撐部1304、由支撐部1304支撐的并與其電連接的振動(dòng)體1305、在該振動(dòng)體1305的兩側(cè)與振動(dòng)體1305的外緣相對(duì)配置的一對(duì)勵(lì)振電極1307、1307。另外，在該實(shí)施方式中，在基板1301上構(gòu)成的振子結(jié)構(gòu)體和上述第三實(shí)施方式相同，所以省略所述振子結(jié)構(gòu)體的詳細(xì)說明。
在本實(shí)施方式中，基板1301由絕緣體構(gòu)成，所以在上述振子結(jié)構(gòu)體和基板1301之間不會(huì)產(chǎn)生寄生電容，因此能夠防止起因于寄生電容的輸出電壓的降低和能量效率的降低。這一點(diǎn)與上述第九實(shí)施方式相同。并且，通過利用玻璃構(gòu)成基板1301，可以廉價(jià)地購(gòu)買到基板材料，并且容易實(shí)施制造時(shí)的各種處理，所以能夠降低制造成本。
另外，在上述的第二、第四～第八實(shí)施方式中，與上述的第九及第十實(shí)施方式相同，可以利用絕緣體構(gòu)成其基板。在這些情況下，不需要形成于基板上的絕緣層。但是，基于其他目的例如將基板平面平滑化的目的、提高在基板上構(gòu)成的上述制造結(jié)構(gòu)體的緊密接觸性的目的等，并不妨礙在由絕緣體構(gòu)成的基板上形成該絕緣層。
(第十一實(shí)施方式)圖31和圖32是表示本發(fā)明的第十一實(shí)施方式的微型機(jī)械式靜電振子的制造方法的工序圖。此處，本實(shí)施方式表示制造上述第九實(shí)施方式的微型機(jī)械式靜電振子1200時(shí)的情況，在圖31和圖32中，對(duì)和圖29所示部分相同的部分賦予相同符號(hào)。并且，在以下說明中以使用SOI(硅絕緣體)基板1260制造微型機(jī)械式靜電振子1200時(shí)的情況為例進(jìn)行說明，但通過在硅基板1261上形成絕緣膜和聚硅(p-SiO)膜，可以按照和使用SOI基板1260時(shí)大致相同的工序進(jìn)行制造。
在本實(shí)施方式中，如圖31(a)所示，使用在硅基板1261上順序形成作為絕緣膜的由二氧化硅(SiO2)構(gòu)成的絕緣膜1262、和利用減壓氣相生長(zhǎng)(減壓CVD(Chemica 1 Vapor deposition))法形成并作為其半導(dǎo)體層的硅層1263的SOI基板1260。所述硅基板1261的兩面進(jìn)行了研磨，厚度約為500μm。并且，絕緣膜1262的厚度約為0.1μm，硅層1263的厚度約為10～20μm。
首先，沿著形成于圖31(a)所示的SOI基板1260的硅層1263的整個(gè)上面涂覆光致抗蝕劑(未圖示)，對(duì)該光致抗蝕劑進(jìn)行曝光處理和顯影處理，形成規(guī)定形狀的抗蝕劑圖形。在通過該處理形成的抗蝕劑圖形中，在圖29所示的振子結(jié)構(gòu)體的形成區(qū)域形成開口部。更具體講，在用于形成振動(dòng)體1205和勵(lì)振電極1207的區(qū)域形成開口部。但是，不在用于形成輸出電極1203和支撐部1204的區(qū)域形成開口部。
然后，把該抗蝕劑圖形作為掩模，對(duì)SOI基板1260的硅層1263進(jìn)行蝕刻處理，把硅層1263去除約數(shù)μm。在蝕刻處理結(jié)束后，按照?qǐng)D31(b)所示，在硅層1263中用于形成振動(dòng)體1205和勵(lì)振電極1207的區(qū)域形成凹部1263a。但是，不去除用于形成電極1203和支撐部1204的部位的硅層1263的區(qū)域1263b而保留。然后，去除形成于硅層1263上的抗蝕劑圖形。以上構(gòu)成所述凹部形成工序。
另外，在上述工序中，不是通過蝕刻形成凹部1263a，而是按照?qǐng)D31(a)中虛線所示，反復(fù)層壓被圖形化的硅層。由此，可以形成包括圖31(b)所示的凹部1263a的表面結(jié)構(gòu)。
然后，將形成于SOI基板1260的硅層1263和由玻璃等構(gòu)成的基板1201的表面相對(duì)著通過陽極接合進(jìn)行接合。此處所謂陽極接合是指把玻璃等絕緣基板和硅基板或金屬等緊密接合的方法，是將重合的基板加熱并且以硅基板為陽極向兩者之間施加高電壓，由此產(chǎn)生電氣雙層并通過靜電引力接合各個(gè)基板的方法。在使用玻璃基板作為基板1201的情況下，將加熱進(jìn)行到玻璃基板軟化的程度。通過使用這種陽極接合，如圖31(c)所示，在基板1201上接合SOI基板1260。另外，在對(duì)SOI基板1260和基板1201進(jìn)行陽極接合時(shí)，優(yōu)選在基板1201上預(yù)先形成電極，使該電極和用于形成硅層1263的所述輸出電極1203或勵(lì)振電極1207的部位電連接。以上是所述的基板接合工序。
在以上工序結(jié)束后，進(jìn)行接合在基板1201上的SOI基板1260的薄板化。在該處理中，把SOI基板1260的絕緣膜1262用作蝕刻阻止層，通過蝕刻去除硅基板1261。關(guān)于此時(shí)的蝕刻可以使用濕式蝕刻和干式蝕刻任一種方式。在采用干式蝕刻的情況下，例如可以利用電感耦合等離子(ICP)等。另外，優(yōu)選在該蝕刻之前，磨削(粗研磨)硅基板1261直到露出絕緣膜1262之前，然后進(jìn)行上述蝕刻去除剩余的硅基板1261。這樣，可以縮短處理時(shí)間，提高生產(chǎn)性。硅基板1261的磨削優(yōu)選使用CMP法(化學(xué)機(jī)械研磨法)。
在去除硅基板1201后，如圖32(a)所示，獲得在基板1201上形成硅層1263和絕緣膜1262的狀態(tài)。然后，沿著形成于基板1201上的絕緣膜1262整面涂覆光致抗蝕劑(未圖示)，對(duì)該光致抗蝕劑進(jìn)行曝光處理和顯影處理，形成規(guī)定形狀的抗蝕劑圖形。然后，把該抗蝕劑圖形作為掩模，對(duì)絕緣膜1262進(jìn)行蝕刻處理，如圖32(b)所示，形成D-RIE(Deep Reactiv Ion Etching)用掩模。在結(jié)束掩模的形成后，去除形成于絕緣膜1262上的抗蝕劑圖形。
在以上工序結(jié)束后，把絕緣膜1262作為掩模，利用D-RIE進(jìn)行硅層1263的蝕刻，如圖32(c)所示，在基板1201上形成輸出電極1203、支撐部1204、振動(dòng)體1205和勵(lì)振電極1207。以上是所述的振子形成工序。在結(jié)束以上工序后，相當(dāng)于圖31(b)所示的上述凹部1263a的部分成為振動(dòng)體1205和勵(lì)振電極1207與基板1201之間的空隙，形成圖29所示的微型機(jī)械式靜電振子1200。
(第十二實(shí)施方式)下面，說明本發(fā)明的第十二實(shí)施方式的微型機(jī)械式靜電振子的制造方法。圖33是表示本實(shí)施方式的微型機(jī)械式靜電振子的制造方法的一部分的工序圖。另外，在圖33中對(duì)和圖29所示部分對(duì)應(yīng)的部分在同一符號(hào)后面附加’。該第十二實(shí)施方式也和上述第十一實(shí)施方式相同，表示制造相當(dāng)于上述第九實(shí)施方式的微型機(jī)械式靜電振子1200的示例。因此，和上述第十一實(shí)施方式相同，也可以適用于制造其他實(shí)施方式的微型機(jī)械式靜電振子。并且，和上述第十一實(shí)施方式相同，在以下說明中以使用SOI基板1260’制造的情況為例進(jìn)行說明，但通過在硅基板1261’上形成絕緣膜和聚硅(p-SiO)膜，可以按照和使用SOI基板1260’時(shí)大致相同的工序進(jìn)行制造。
在本實(shí)施方式中，首先如圖33(a)所示，沿著基板1201’的整個(gè)表面涂覆光致抗蝕劑(未圖示)，對(duì)該光致抗蝕劑進(jìn)行曝光處理和顯影處理，形成規(guī)定形狀的抗蝕劑圖形。在通過該處理形成的抗蝕劑圖形中，在與用于形成在后面工序中膠接的SOI基板1260’的振子結(jié)構(gòu)體(振動(dòng)體1205’和勵(lì)振電極1207’)的位置相對(duì)的部分形成開口。
然后，把該抗蝕劑圖形作為掩模，對(duì)基板1201’的表面進(jìn)行蝕刻處理，把基板1201’的表面去除約數(shù)μm。另外，不去除與用于形成支撐部1204’的部位接合的部位1201b’而保留。在完成蝕刻處理后，去除形成于基板1201’上的抗蝕劑圖形后，在所述部位1201b’形成輸出電極1203’。該輸出電極1203’可以利用鋁等金屬或聚硅等的半導(dǎo)體等構(gòu)成。
然后，將形成于SOI基板1260’的硅層1263’和基板1201’的表面相對(duì)著通過陽極接合進(jìn)行接合。通過這種陽極接合，如圖33(b)所示，在基板1201’上接合SOI基板1260’。另外，在本實(shí)施方式中，在對(duì)SOI基板1260’和基板1201進(jìn)行陽極接合時(shí)，優(yōu)選將在基板1201上形成的輸出電極1203’或其他布線等與硅層1263部位電連接。
在結(jié)束基板1201’和SOI基板1260’的接合后，和上述實(shí)施方式相同，進(jìn)行去除SOI基板1260’的硅基板1261’的工序、使用絕緣膜1262’形成D-RIE掩模的工序、以及把絕緣膜1262作為掩模進(jìn)行使用D-RIE的蝕刻工序，由此如圖33(c)所示，形成振動(dòng)體1205’和勵(lì)振電極1207’，最終構(gòu)成和上述圖29所示的微型機(jī)械式靜電振子1200等效的結(jié)構(gòu)。
如上所述，在本實(shí)施方式中，把絕緣體的基板1201、1201’的表面和SOI基板1260、1260’的硅膜(活性層)1263、1263’相對(duì)著接合，對(duì)SOI基板1260、1260’實(shí)施處理加工，形成振子結(jié)構(gòu)體，所以能夠低成本地有效制造這些振子結(jié)構(gòu)體和基板1201、1201’之間不產(chǎn)生寄生電容的微型機(jī)械式靜電振子1200。
并且，在接合SOI基板1260、1260’和基板1201、1201’之前，通過蝕刻去除形成于SOI基板1260、1260’的硅層1263、1263’或基板1201、1201’的表面，形成凹部1263a、1201a’，利用這些凹部，可以極其容易地在振動(dòng)體1205、1205’和基板1201、1201’之間設(shè)置空隙。并且，通過使用玻璃基板作為絕緣體的基板，能夠以較低的制造成本獲得高性能的微型機(jī)械式靜電振子。
權(quán)利要求
1.一種微型機(jī)械式靜電振子，具有板狀振動(dòng)體；分別相對(duì)配置在該振動(dòng)體的兩側(cè)并且相對(duì)所述振動(dòng)體的外周部具有空隙的一對(duì)勵(lì)振電極；用于向該一對(duì)勵(lì)振電極施加同相交流電的供電單元；獲得與所述振動(dòng)體和所述勵(lì)振電極之間的靜電電容的變化對(duì)應(yīng)的輸出的檢測(cè)單元，其特征在于，所述振動(dòng)體的平面形狀形成為具有包括中間變細(xì)的曲線狀輪廓的形狀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型機(jī)械式靜電振子，其特征在于，所述振動(dòng)體的平面形狀輪廓由圓弧部、和兩端平滑地連接該圓弧部的中間變細(xì)部構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微型機(jī)械式靜電振子，其特征在于，所述振動(dòng)體由形成于基板上的支撐部支撐，并構(gòu)成為在所述支撐部的周圍擴(kuò)大的形狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1～3中任一項(xiàng)所述的微型機(jī)械式靜電振子，其特征在于，所述振動(dòng)體由在作為所述基板的硅基板上構(gòu)成的硅層或硅化合物層構(gòu)成。
5.一種微型機(jī)械式靜電振子，其構(gòu)成為具有由支撐部支撐的振動(dòng)體和與該振動(dòng)體的外緣相對(duì)配置的勵(lì)振電極，能夠輸出與所述振動(dòng)體的振動(dòng)變位對(duì)應(yīng)的信號(hào)，并且由產(chǎn)生于所述振動(dòng)體和所述勵(lì)振電極之間的靜電力使所述振動(dòng)體以伸縮模式振動(dòng)，其特征在于，所述振動(dòng)體具有從所述支撐部越是向所述外緣其厚度越增大的形狀。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的微型機(jī)械式靜電振子，其特征在于，所述振動(dòng)體具有朝向所述外緣的相反側(cè)的階梯面，具有與該階梯面相對(duì)的第2勵(lì)振電極。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的微型機(jī)械式靜電振子，其特征在于，所述振動(dòng)體是其中央部被支撐的板狀體。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的微型機(jī)械式靜電振子，其特征在于，在夾著所述振動(dòng)體的兩側(cè)配置一對(duì)所述勵(lì)振電極。
9.根據(jù)權(quán)利要求5～8中任一項(xiàng)所述的微型機(jī)械式靜電振子，其特征在于，所述支撐部形成于基板上。
10.一種微型機(jī)械式靜電振子，具有振動(dòng)體和與該振動(dòng)體相鄰配置的勵(lì)振電極，其特征在于，所述振動(dòng)體具有一端被固定的支撐部；和連接在該支撐部的另一端，并且在大于所述支撐部的范圍擴(kuò)大的從動(dòng)部，所述從動(dòng)部具有向以所述支撐部為中心的旋轉(zhuǎn)方向觀看時(shí)發(fā)生變化的形狀，所述勵(lì)振電極具有與所述從動(dòng)部的一表面相對(duì)配置的電極面，該表面朝向具有以所述支撐部為中心的旋轉(zhuǎn)方向的成分的方向，所述振動(dòng)體基于其與所述驅(qū)動(dòng)電極之間產(chǎn)生的靜電力進(jìn)行扭曲振動(dòng)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的微型機(jī)械式靜電振子，其特征在于，所述從動(dòng)部的外緣是非圓形，所述勵(lì)振電極的所述電極面與所述從動(dòng)部的所述外緣相對(duì)配置。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的微型機(jī)械式靜電振子，其特征在于，所述從動(dòng)部具有在與以所述軸線為中心的旋轉(zhuǎn)方向正交的方向貫通的開口部，所述勵(lì)振電極的所述電極面與所述開口部的開口緣部相對(duì)配置。
13.根據(jù)權(quán)利要求10～12中任一項(xiàng)所述的微型機(jī)械式靜電振子，其特征在于，所述支撐部連接在所述從動(dòng)部的重心位置。
14.根據(jù)權(quán)利要求10～13中任一項(xiàng)所述的微型機(jī)械式靜電振子，其特征在于，在所述支撐部的周圍配置多個(gè)所述勵(lì)振電極。
15.根據(jù)權(quán)利要求10～14中任一項(xiàng)所述的微型機(jī)械式靜電振子，其特征在于，所述支撐部被設(shè)在基板上。
16.根據(jù)權(quán)利要求3、4、9或15所述的微型機(jī)械式靜電振子，其特征在于，具有與所述振動(dòng)體或所述勵(lì)振電極電連接的布線層，所述布線層與所述基板的距離大于所述振動(dòng)體或所述勵(lì)振電極與所述基板的距離。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的微型機(jī)械式靜電振子，其特征在于，所述布線層形成在具有比所述振動(dòng)體或所述勵(lì)振電極的形成表面更遠(yuǎn)離所述基板的表面的絕緣層上。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的微型機(jī)械式靜電振子，其特征在于，所述振動(dòng)體或所述勵(lì)振電極構(gòu)成在形成于所述基板上的絕緣體表面上，所述絕緣層具有低于所述絕緣體的介電常數(shù)。
19.一種微型機(jī)械式靜電振子，具有基板、和配置在該基板上的其中至少一個(gè)構(gòu)成為可動(dòng)的多個(gè)電極，其特征在于，具有電連接所述電極的布線層，基于由設(shè)在該布線層與所述基板之間的絕緣層所構(gòu)成的階梯差，使所述布線層與所述基板的距離大于所述電極與所述基板的距離。
20.根據(jù)權(quán)利要求17～19中任一項(xiàng)所述的微型機(jī)械式靜電振子，其特征在于，所述絕緣層是多孔質(zhì)膜。
21.根據(jù)權(quán)利要求16～20中任一項(xiàng)所述的微型機(jī)械式靜電振子，其特征在于，在所述布線層與所述基板之間設(shè)有空間。
22.根據(jù)權(quán)利要求3、4、9或15所述的微型機(jī)械式靜電振子，其特征在于，所述基板是由絕緣體構(gòu)成的基板。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的微型機(jī)械式靜電振子，其特征在于，所述基板由玻璃構(gòu)成。
24.一種微型機(jī)械式靜電振子的制造方法，該微型機(jī)械式靜電振子具有基板、設(shè)在所述基板上的振動(dòng)體、和與所述振動(dòng)體相對(duì)配置的勵(lì)振電極，其特征在于，包括在由絕緣體構(gòu)成的第1基板和表面具有活性層的第2基板的至少任一方的表面上形成凹部的凹部形成工序；將所述第1基板的表面和所述第2基板的表面相對(duì)對(duì)接的基板接合工序；對(duì)所述第2基板進(jìn)行保留所述活性層的至少一部分的規(guī)定加工，在所述第1基板上形成所述振動(dòng)體和所述勵(lì)振電極的振子形成工序。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的微型機(jī)械式靜電振子的制造方法，其特征在于，所述第1基板由玻璃構(gòu)成。
26.根據(jù)權(quán)利要求24或25所述的微型機(jī)械式靜電振子的制造方法，其特征在于，所述振子形成工序包括使與所述第1基板接合的所述第2基板變薄到規(guī)定厚度的薄板化工序；把被薄板化的所述第2基板以保留所述活性層的至少一部分的狀態(tài)蝕刻成規(guī)定形狀的蝕刻工序。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的微型機(jī)械式靜電振子的制造方法，其特征在于，所述第2基板具有硅基板、形成在該硅基板上的絕緣膜和形成在該絕緣膜上的所述活性層，所述薄板化工序是通過對(duì)所述第2基板所包括的所述硅基板進(jìn)行研磨處理和蝕刻處理的至少一種處理來去除所述硅基板的工序。
全文摘要
本發(fā)明提供一種微型機(jī)械式靜電振子(100)，其具有板狀振動(dòng)體(105)；分別相對(duì)配置在振動(dòng)體的兩側(cè)并且相對(duì)振動(dòng)體的外周部具有空隙(106)的一對(duì)電極(107、107)；向該一對(duì)電極施加同相交流電力的供電單元(110)；獲得與振動(dòng)體和電極之間的靜電電容的變化對(duì)應(yīng)的輸出的檢測(cè)單元(103、120)，其特征在于，振動(dòng)體的平面形狀形成為具有包括中間變細(xì)的曲線狀輪廓部的形狀。與以往技術(shù)相比，本發(fā)明的微型機(jī)械式靜電振子容易實(shí)現(xiàn)高頻化、能夠增大輸出電壓相對(duì)輸入電壓的比、并可以降低驅(qū)動(dòng)電壓和節(jié)省電力。
文檔編號(hào)H03H9/10GK1625046SQ20041009558
公開日2005年6月8日 申請(qǐng)日期2004年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月4日
發(fā)明者木原竜兒, 中島卓哉, 古畑誠(chéng) 申請(qǐng)人:精工愛普生株式會(huì)社