专利名称：扭转谐振器和采用其的滤波器的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种扭转谐振器和采用所述扭转谐振器的滤波器，具体而言，涉及一项在以高密度集成的电子电路中通过采用扭转谐振实现高性能滤波器电路的技术。
背景技术：
近年来，已经出现了对采用弯曲振动的机电谐振器的报道。
将参考图18解释相关技术的机电谐振器的实例。图18是简单说明非专利文献1中公开的采用弯曲振动的机械振动滤波器的构造的图示。
这一滤波器是通过在硅衬底上采用薄膜形成工艺形成图案而形成的。通过输入线104、输出线105、两端支撑梁101、102和耦合梁103配置所述滤波器，设置所述两端支撑梁101和102使其分别与所述输入线和输出线相对，并且其间具有小于等于1微米的空隙，所述耦合梁103耦合这两个两端支撑梁。从输入线104输入的信号与梁101实施电容耦合，从而在梁101处产生静电力。只有当信号频率接近由梁101、102和耦合梁103形成的弹性结构的谐振频率时才发生机械振动。进一步将机械振动检测为输出线105和梁102之间的静电电容的变化，由此筛选输入信号的输出。
就具有矩形截面形状的两端支撑梁而言，将以下述表达式表示弯曲振动的共振频率f，假设符号E表示弹性模量，ρ表示密度，h表示厚度，L表示长度。
f＝1.03h/L2√E/ρ当材料为多晶硅时，弹性模量E为160GPa，密度ρ为2.2×103kg/m3。此外，当尺寸为L＝40μm，h＝1.5μm时，谐振频率f为8.2MHz，由此能够配置具有大约8MHz频带的滤波器。在采用机械谐振时，与通过诸如电容器和线圈的无源电路配置的滤波器相比，有可能获得具有高Q值的尖锐频率选择特性。
但是，在前述构造中，要想配置具有更高频带的滤波器，存在下述限制。也就是说，从表达式1可以清晰地看到，首先，希望通过改变材料提高E/ρ。但是，在使E变大时，即使在用于使梁弯曲的力相同时，梁的位移值也会变小，因此难以检测梁的位移。
此外，当以向两端支撑梁的表面施加静载荷时梁中心处的弯曲值d和梁长度L之间的比率d/L表示梁弯曲的容易度(degree of ease)的指数时，通过下述比例表达式表示比率d/L。
d/L正比于L3/h3·1/E由这一表达式可见，为了在提升谐振频率的同时保持d/L值，由于至少不能改变E，因此必须获得具有低密度ρ的材料。因此，必须采用诸如CFRP(碳纤维增强塑料)的复合材料作为具有几乎与多晶硅相同的杨氏模量并且具有低密度的材料。在这种情况下，难以通过半导体工艺形成精密的机械振动滤波器。
于是，作为不采用这样的复合材料的第二种方法，有一种通过改变表达式1中的梁的尺寸以提高h/L2的方法。但是，在使梁的厚度h更大，梁的长度L更小时，表示弯曲容易度的表达式2的指标d/L变得更小，因此，变得难以检测梁的弯曲。
图19示出了表达式1和表达式2中log(L)和log(h)之间的关系，其中，直线191表示从表达式1获得的关系，直线192表示从表达式2获得的关系。在图19中，在选择处于以当前尺寸点为起点的具有倾角“2”的直线之上的范围内(区域A)的L和h值时，f值变大。相反，当选择处于具有倾角“1”的直线之下的范围内(区域B)的L和h值时，d/L值变大。因此，附图中的阴影部分(区域C)表示能够在提高谐振频率的同时确保梁的弯曲值的L和h值的区域。
由图19显然可以看到对梁的长度L和厚度h二者进行精调是实现机械振动滤波器的高频率特性的必要条件。此外，图19中阴影部分所示的，按相同的缩放比例降低L和h值，即，沿具有倾角“1”的直线降低L和h值是充分条件。
通过这种方式，在相关技术的机械谐振器中，能够通过微缩机械振动器的尺寸使谐振频率变高。但是，在尺寸小型化时，通常存在弯曲振动的机械Q值下降的问题。就这一现象而言，非专利文献2示出了一个结果，其中，采用单晶硅悬臂测量了梁长度和厚度以及弯曲谐振的Q值之间的关系。这一非专利文献2示出了通过缩短梁的长度和降低梁的厚度而导致了Q值的降低。因此，在使根据相关技术而采用弯曲振动的谐振器微型化，并将其应用到滤波器中时，存在无法获得取得预期的频率选择特性所必需的Q值的问题。
非专利文献1Frank D.Bannon III，John R.Clark，and Clark T.-C.Nguyen，“High-QHF Microelectromechanical Filters”，IEEE Journal of Solid-StateCircuits，Vol.35，No.4，pp.512-526，April 2000.
非专利文献2K.Y.Yasumura et al.，“Quality Factors in Micron-andSubmicron-Thick Cantilevers”，IEEE Journal of Microelectromechanical Systems，Vol.9，No.1，March 2000.
发明内容
<本发明所要解决的技术问题>
因此，考虑采用扭转振动器的扭转谐振器作为具有极佳Q值的谐振器。例如，如图20所示，以下述方式设置该附图所示的扭转谐振器利用在两端支撑梁的中央部分具有桨叶202的振动器201，通过在输入线204和桨叶202之间的静电力激励振动器，由此将输出线205和桨叶202之间的静电电容的变化转换为电信号。
但是，就将这样的扭转谐振器应用到用于便携式无线终端的具有几GHz波段的滤波器的情况而言，具有诸如桨叶202的额外质量的振动器的谐振频率低，因此，难以获得几GHz波段的扭转谐振频率。
因此，考虑采用具有小桨叶或无桨叶的梁型振动器的扭转振动。但是，由于由输入线204和桨叶202之间的静电力导致的扭矩变小，因此，用于激励扭转振动的动力随着桨叶的变小而变小，人们认为不可能实现无桨叶的梁型振动器。
本发明的发明人通过各种实验发明了存在某种形状和设置，它们能够利用无桨叶的梁型振动器通过适当设置电极而实现更大的激励扭转振动的力并实现大位移。
本发明是在考虑前述情况的条件下而实现的，本发明的目的在于提供一种能够以高效率实施机电转换的机电谐振器。
<解决技术问题的手段>
为了解决前述问题，采用下述方式设置根据本发明的扭转谐振器在具有不带有桨叶的梁结构的振动器的侧表面处经由缝隙设置具有最佳形状的电极，以获得高频谐振。
根据这种构造，能够以高效率执行机电转换。
也就是说，采用下述方式设置根据本发明的扭转谐振器一种起着机电谐振器作用的扭转谐振器，其包括用于执行机械振动的振动器和设置在所述振动器附近的电极，其中，构造所述振动器，使其根据所述振动器和所述电极之间的电压变化产生机械振动，使所述电压和所述机械振动之间的机电转换成为可能，其中通过梁结构配置所述振动器，其围绕沿所述梁纵向的转轴执行扭转振动，并且在所述梁结构的振动器的侧表面上经由缝隙设置所述电极，从而在所述振动器和所述电极之间形成静电电容。
根据这种构造，能够实现高频扭转谐振器。所述机电谐振器实现了具有将振动器和电极之间的电压变化转化为振动器的振动的机电转换功能的谐振器，或实现了将由振动器的振动引起的振动器和电极之间的静电电容的变化转化为在电极处生成的电信号的机电转换功能。
此外，根据本发明的扭转谐振器包括一种扭转谐振器，其中，在该处所述缝隙沿所述振动器的所述侧表面的宽度方向变为最小的部分的尺寸小于所述振动器的所述侧表面的宽度。
根据这一构造，将缝隙(g)在该处沿振动器的侧表面的宽度(u)方向变为最小的部分(u′)设置为小于前述振动器(参见图1(b))的侧表面的宽度(u)。
此外，根据本发明的扭转谐振器包括一种扭转谐振器，其中，就所述振动器和所述电极之间的所述电容量C以及由所述振动器的扭转振动导致的位移量x而言，根据振动器的形状调整所述电极的形状和位置，使得ΔC/Δx变为最大。
根据这一构造，可以使由静电力引起的将振动器和电极之间的AC电压转换为激励力的比率变为最大，并由此获得大振动幅度。或者，可以使振动器的振动速度转换为在电极处生成的电流的比率变为最大。
此外，根据本发明的扭转谐振器包括一种扭转谐振器，其中，就所述振动器和所述电极之间的所述电容量C以及由所述振动器的扭转振动导致的位移量x而言，根据振动器的形状调整所述电极的形状和位置，使得(ΔC/Δx)2/C变为最大。
根据这一构造，能够在谐振点处使每单位AC电压的电容量变化比率变为最大。
此外，根据本发明的扭转谐振器包括一种扭转谐振器，其中，就所述振动器和所述电极之间的所述电容量C以及由所述振动器的扭转振动导致的位移量x而言，一值处于调整所述电极使得(ΔC/Δx)2/C变为最大和调整所述电极使得ΔC/Δx变为最大之间。
根据这一构造，能够使电压和静电力之间的转换比率、振动速度和电流之间的转换比率以及谐振点处每单位AC电压的电容量变化比率中的每一个都变为最大。
此外，根据本发明的扭转谐振器包括一种扭转谐振器，其中，根据所述电极的厚度相对于所述梁的厚度的比率调整所述振动器和所述电极之间的电容量C。
根据这种构造，能够采用薄膜形成技术，通过调整振动器和电极的厚度容易地调整振动器和电极之间的电容量C。
此外，根据本发明的扭转谐振器包括一种扭转谐振器，其中，所述梁结构的截面形状为多边形。
根据这种构造，由于梁结构的截面形状为多边形，即，具有旋转不对称部分的杆状构件，其中从梁结构的轴心到外边界的距离不是常数，因此，静电电容根据旋转而发生变化，由此能够通过电极执行对扭转振动的激励，并且能够由电极执行对扭转振动的检测。
此外，根据本发明的扭转谐振器包括一种扭转谐振器，其中，所述梁结构的截面形状为椭圆形。
根据这种构造，由于梁结构的截面形状为椭圆形，即，具有旋转不对称部分的杆状构件，其中从梁结构的轴心到外边界的距离不是常数，因此，静电电容根据旋转而发生变化，由此能够通过电极执行对扭转振动的激励，并且能够由电极执行对扭转振动的检测。
此外，根据本发明的扭转谐振器包括一种扭转谐振器，其中，由单晶材料形成所述梁结构，所述梁的侧表面是通过各向异性蚀刻形成的晶向表面。
根据这种构造，能够通过具有蚀刻速度根据各晶向而变化的属性的蚀刻技术制造所述梁结构，因此，能够形成具有平滑表面形状的精密梁结构。
此外，根据本发明的扭转谐振器包括一种扭转谐振器，其中，由单晶硅形成所述梁结构，所述梁的截面具有由{100}和{111}表面包围的三角形或梯形形状。
根据这种构造，通过采用硅衬底作为一般的半导体材料而引入各向异性蚀刻，能够根据通常的半导体工艺以良好的可控性处理所述形状，由此能够配置所述扭转谐振器。
此外，根据本发明的扭转谐振器包括一种扭转谐振器，其中，根据所述振动器的扭转谐振模数提供多个所述电极。
根据这种构造，能够配置不仅利用扭转基模频率还利用高阶模谐振频率的扭转谐振器。
此外，根据本发明的扭转谐振器包括一种扭转谐振器，其中，提供多个所述扭转谐振器，所述多个扭转谐振器是以电并联的方式设置的。
此外，根据本发明的扭转谐振器包括一种扭转谐振器，其中，以下述方式构成放大器由单晶半导体材料形成所述梁结构，在所述振动器的两端的每一个处提供由具有与所述振动器的相反的导电类型的杂质扩散区形成的支撑部分，形成由所述梁结构构成的所述振动器作为沟道，并且由所述杂质扩散区形成分别作为源极区和漏极区的所述支撑部分。
此外，根据本发明的扭转谐振器包括一种扭转谐振器，其中，将所述扭转谐振器容纳在外壳中，以真空状态将气氛密封在所述外壳内。
此外，根据本发明的滤波器包括一种滤波器，其采用前述扭转谐振器。
<发明效果>
依照根据本发明的扭转谐振器的这种构造，能够提供一种滤波器，具有高Q值并且可以应用于几百MHz到几GHz的范围内。
图1示出了根据本发明的第一实施例的扭转谐振器的透视图和截面图。
图2是根据本发明的第一实施例的扭转谐振器的机电转换的解释图。
图3是说明在具有三角形截面的梁的振动器的情况下，电极厚度和ΔC/Δx之间的关系的图示。
图4是说明在扩大缝隙的实例中电极厚度和ΔC/Δx之间的关系的图示。
图5是用于说明根据本发明的第一实施例的扭转谐振器的制造方法的图示。
图6是用于说明根据本发明的第一实施例的扭转谐振器的制造方法的图示。
图7是说明根据本发明的第一实施例的扭转谐振器的修改实例的图示。
图8示出了在具有梯形截面的梁的振动器的情况下，根据本发明的第二实施例的扭转谐振器的透视图和截面图。
图9是说明在图8的构造中，在a为100nm的情况下，电极厚度和ΔC/Δx之间的关系的图示。
图10是说明在图8的构造中，在a为200nm的情况下，电极厚度和ΔC/Δx之间的关系的图示。
图11是用于说明在具有梯形截面的梁的振动器的情况下，根据本发明的第二实施例的扭转谐振器的制造方法的图示。
图12示出了在具有正方形截面的梁的振动器的情况下，根据本发明的第三实施例的扭转谐振器的透视图和截面图。
图13是说明在图12的构造中电极厚度和ΔC/Δx之间的关系的图示。
图14示出了根据本发明的第三实施例的采用高阶扭转振动的扭转谐振器的透视图。
图15是说明在本发明的第四实施例中，梁的截面形状、电极厚度和(ΔC/Δx)2/C之间的关系的图示。
图16是在本发明的第四实施例中，用于容易地确定最佳电极厚度的解释图。
图17是在本发明的第五实施例中，用于说明梁的截面形状和电极之间的关系的图示。
图18是说明根据相关技术采用机械谐振器的滤波器的示意图。
图19是说明在相关技术中机械谐振器的尺寸和高频趋势之间的关系的特性曲线图。
图20是用于说明具有桨叶(paddle)的扭转谐振器的图示。
<附图标记说明>
1，11，21，41，51 振动器2 电极3 绝缘体4 源极区5 漏极区30 硅衬底31 氧化硅层32 单晶硅层33 氮化硅层35 氧化硅层101，102 两端支撑梁型振动器103 耦合梁104 输入线105 输出线191 表示具有相同频率的长度L和厚度h之间的关系的直线192 表示具有相同的代表弯曲容易度的指标的长度L和厚度h之间的关系的直线201 振动器202 桨叶204 输入线205 输出线
具体实施例方式
在下文中，将参考附图详细说明本发明的实施例。
(第一实施例)图1(a)是说明根据本发明的第一实施例的扭转谐振器的主要部分的透视图。根据第一实施例的扭转谐振器包括用于执行扭转振动的梁型振动器1和经由缝隙邻近所述梁型振动器1的侧表面设置的电极2。
在这种情况下，梁型振动器1是具有等截面并且在两端处固定的两端支撑梁。也就是说，将梁型振动器1配置成没有桨叶，其材料为单晶硅。所述梁型振动器具有1.6μm的长度L，还具有1.2GHz的扭转振动基模。
图1(b)是说明沿图1(a)的A-A′线切割的梁型振动器1和电极2的截面图。梁型振动器1的截面形状为等腰三角形，其具有200nm的厚度tb和284nm的宽度W。在所述等腰三角形的底边的两个末端拐角的每一个处，角度为54.7度。在梁型振动器1和电极2之间提供10nm的缝隙g，由此形成静电电容C。电极2的底面与梁型振动器1的底面处于相同高度，并且将电极设置为具有0.12μm的厚度te。
接下来，将参考图2说明将电极2的厚度设置为0.12μm的理由。出于便于解释的原因，在图2中，还在这样的位置额外提供图1(a)中的电极2，使得两电极对称设置，从而将梁型振动器1夹在其间，由此通过单个振动器和两个电极实施电压-机械振动-电流转换。
当采用重叠方式在电极2a和梁型振动器1之间施加DC电压Vp和输入AC电压v时，通过下述表达式表示施加到梁型振动器的具有AC信号v的频率的静电力F。
F＝v·Vp·ΔC/Δx在这一表达式中，C表示电极2a和梁型振动器1之间的静电电容，x表示由梁型振动器1的扭转振动引起的位移量。这一表达式表示，在确定静电电容C使ΔC/Δx变为最大值时，可以使静电力F最大。
此外，在图2中，通过下述表达式表示在扭转振动状态下，由梁型振动器在输出电极2b处产生的AC电流i。
i＝Vp·(dx/dt)·ΔC/Δx这一表达式表示，在确定静电电容C使ΔC/Δx变为最大值时，可以使电流i最大。
图3示出了电极厚度te和ΔC/Δx之间的关系。当te为0.12μm时，ΔC/Δx变为最大值。因此，在将te设置为0.12μm时，能够配置出具有极佳电压-功率转换因子或振动速度-电流转换因子的谐振器。
图4示出了在将缝隙g设置为大于10nm，例如30nm或50nm时，电极厚度te和ΔC/Δx之间的关系。在各个缝隙的每一个当中，在将te设置为0.12μm时，能够使ΔC/Δx最大，由此能够配置具有极佳电压-功率转换因子或振动速度-电流转换因子的谐振器。
接下来，将参考图5和图6解释根据本发明的第一实施例的扭转谐振器的制造方法。这些附图中的每一个示出了对应于沿图1(a)中的A-A′线切割的部分的截面。在所采用的SOI(绝缘体上硅)当中，经过由氧化硅膜构成的氧化物膜31在硅衬底30的表面上层压作为器件形成层的具有预期载流子密度的单晶硅层32。为了在位于SOI衬底上部的单晶硅层32处形成梁结构，部分采用了非专利文献3中介绍的，也被用来生成量子线的被称为各向异性蚀刻的加工技术。
首先，在SOI衬底上形成氮化硅薄膜33，之后对其构图(图5(a))。在这种情况下，形成沿硅层32的{110}的图案化边缘。
之后，采用KOH对硅层32进行各向异性蚀刻。由于{111}表面的蚀刻速度远小于其他表面的蚀刻速度，因此，将以如图5(b)所示的暴露{111}表面的方式进行蚀刻。在这种情况下，{111}和{100}具有其间夹54.7度角的位置关系。
之后，在硅层的上部表面被氮化硅薄膜33覆盖，从而由氧化硅膜35对{111}表面进行局部保护的状态下，对所述硅层氧化。之后，再次对用作掩模的氮化硅薄膜33进行构图。
之后，利用KOH对硅层32再次进行各向异性蚀刻，以获得具有如图5(c)所示的具有三角形截面的硅梁结构。
接下来，采用CHF3气体通过RIE(反应离子蚀刻)处理SiO2。在这种情况下，由于具有三角形截面的硅梁结构起着掩模作用，因此，位于梁之下的SiO2保留下来，没有被蚀刻掉。
接下来，为了在梁和电极之间形成最终构成缝隙的牺牲层，形成SiO2，或对具有三角形截面的硅梁结构的表面进行氧化。图5(e)示出了根据后一种方法在氧化炉内对硅表面进行氧化的状态。
通过CVD(化学气相淀积)(图6(a))淀积起着电极作用的多晶硅，之后，如图6(b)所示，采用CF4气体通过RIE对所述多晶硅进行回蚀，以调整电极厚度te。
最终，采用氢氟酸去除梁和电极之间的SiO2，以及梁底面处的SiO2，由此将梁置于可移动状态。
尽管电极2还存在于比振动器1的底面更低的部分，但是，振动器1和电极2之间的实际电容是由电极2的厚度te之内的部分形成的。为了不产生存在于振动器1的底面之下的电极2的部分，则考虑取消图5(d)的处理，并在SiO2层31上形成电极2。但是，当在图6(c)的处理中，采用氢氟酸去除SiO2层31时，也去除了电极2之下的部分，因此，底蚀刻的量显著增加，电极也由此具有了挠曲性。在这种情况下，由于振动器1和电极2可能在其间的静电力的作用下牢固地相互固定，因此，只有当静电力非常小时，删除图5(d)的处理才是有效的。
可以采用TMAH(氢氧化四甲铵)替代KOH实施各向异性蚀刻。
非专利文献3G.Hashiguchi and H.Mimura，“Fabrication of SiliconQuantum Wires Using Separation by Implanted Oxygen Wafer”，Jpn.J.Appl.Phys.Vol.33(1994)，pp.L1649-1650。
图5和图6所示的工艺对于制造处于几百MHz到几GHz的范围内的精密谐振器是有效的，因为其结构具有超越半导体工艺中构图宽度限制的精密度。
此外，梁的侧表面具有相当平滑的表面特性，因为这些侧表面是由硅晶面形成的，因此，在所能够获得的谐振器中，降低了由振动导致的表面损耗，并且Q值高。
此外，与图7所示的例子类似，将扭转谐振器容纳在一外壳当中，以真空状态将气氛密封在所述外壳内。在这种情况下，采用具有凹槽部分的玻璃顶盖20覆盖具有三角形截面的振动器1和围绕所述振动器的电极2a、2b，并将所述凹槽部分内的空气排出形成真空，所述振动器1和电极2a和2b均形成于起着底座的作用的硅衬底10上。玻璃顶盖和硅衬底的接合部分通过阳极焊接直接接合。
或者，就其形状对硅衬底进行处理，使得梁结构和电极形成于在硅衬底的表面上形成的空腔内，并以玻璃板覆盖硅衬底的表面。根据这一构造，能够形成具有高保护特性的扭转谐振器。
此外，将说明根据本实施例的用于提取和放大来自扭转谐振器的输出信号的构造。这一构造与图1所示相同。但是，振动器1是N型半导体，其中，振动器的两个末端支撑部分之一是通过p+扩散区形成的源极区4，其另一末端是通过p+扩散区形成的漏极区5。由多晶硅形成电极。也就是说，整个扭转谐振器为p沟道MOS晶体管，其中，采用缝隙代替MOS结构的氧化物膜，由此使振动器1的振动成为可能。向振动器1施加在振动器和栅电极2之间产生的静电力，使其在谐振频率附近以大振幅振动，从而向形成于振动器1内的沟道施加调制，由此在调制的作用下获得漏极电流。根据这样的构造，与单独形成谐振器和放大器并通过线路将它们相互耦合的情况相比，能够使元件小型化，并且能够降低由布线导致的损耗和噪声叠加程度。
已经有人想到了使栅极振动的栅极振动型MOSFET。但是，由于通常采用多晶硅或金属薄膜作为栅极材料，因此，在晶体界面处将产生振动能量损失，因而不能构成具有高Q值的谐振器。相反，在以这种方式通过单晶硅形成振动器时，对应于由单晶硅构成的沟道的振动器将发生振动，因而能够实现具有高Q值的振动器和放大器。
(第二实施例)接下来，将说明本发明第二实施例。
梁的截面形状未必一定是三角形形状，也可以是梯形形状。图8(a)是说明具有梯形截面的梁的扭转谐振器的透视图，图8(b)是沿图8(a)中的A-A′线截得的截面图。梁型振动器11由作为其材料的单晶硅形成，并且具有1.6μm的长度L，此外还具有1.3GHz的扭转振动基模。此外，所述振动器具有200nm的厚度tb和384nm的宽度W。梯形的上边a为100nm，在其底边的两个末端拐角的每一个处成54.7度角。在梁型振动器11和电极2之间提供10nm的缝隙g，由此形成静电电容C。电极2的底面与梁型振动器11的底面处于相同高度，并且将电极设置为具有0.14μm的厚度te。这是因为如图9所示，在电极厚度te和ΔC/Δx之间的关系中，当te为0.14μm时，ΔC/Δx变为最大值。因此，在将te设置为0.14μm时，能够配置出具有极佳电压-功率转换因子或振动速度-电流转换因子的谐振器。也就是说，缝隙(g)沿振动器侧表面的宽度(u)方向变为最小值所在的部分(u′)小于前述振动器的侧表面的宽度(u)。
在按照梯形的上边a为200nm，宽度W为384nm的方式设置具有梯形截面的梁型振动器11时，获得了具有1.2GHz的扭转振动基模的振动器。但是，由图10所示的电极厚度te和ΔC/Δx之间的关系可以清晰地看到，在将te设置为0.16μm时，能够构造出具有极佳电压-功率转换因子或振动速度-电流转换因子的谐振器。
在振动器1的厚度tb相同，缝隙g相同的情况下，就三角形、梯形(a＝100nm)和另一梯形(a＝200nm)这三种截面形状来研究电极厚度te和ΔC/Δx之间的关系。如图3、图9和图10所示，可以清晰地看到，在采用上边较宽的梯形时最佳电极厚度te接近振动器的厚度tb。在利用这一属性时，在图5和图6所示的制造工艺中，能够有利地促进图6(b)的工艺，即对电极2的材料的回蚀工艺。这是因为，当在观察晶片的表面的同时实施回蚀工艺，并在确认振动器11的时刻(timing)停止所述回蚀工艺时，能够使振动器的厚度tb与电极厚度te基本相同。
图11示出了这一具有梯形截面的梁的制造工艺。与具有三角形截面的梁的情况类似，这一工艺采用了SOI衬底。
首先，在SOI衬底上形成氮化硅薄膜33，并对氮化硅薄膜33进行构图(图11(a))，其中，经过氧化硅层31在作为底层的单晶硅衬底30上层压硅层32，由此配置所述SOI衬底。在这种情况下，形成沿硅层32的{110}的图案化边缘。
之后，采用KOH对硅层32进行各向异性蚀刻。由于{111}表面的蚀刻速度远小于其他表面的蚀刻速度，因此，将以如图11(b)所示的暴露{111}表面的方式进行蚀刻。
接下来，采用CHF3气体通过RIE(反应离子蚀刻)处理SiO2。在这种情况下，由于具有三角形截面的硅梁结构起着掩模作用，因此，位于梁之下的SiO2保留下来，没有被蚀刻掉。后续工艺与图5(e)和图6所示相同。
图11所示的工艺对于制造处于几百MHz到几GHz的范围内的精密谐振器是有效的，因为其结构具有超越半导体工艺中构图宽度限制的精密度。
此外，梁的侧表面具有非常平滑的表面特性，因为这些侧表面是由硅晶面形成的，因此，在所能够获得的谐振器中，降低了由振动导致的表面损耗，并且Q值高。
(第三实施例)如图12所示，即使在把叶振动器设置为具有正方形截面时，也能够设置最佳电极厚度te。根据第三实施例的梁型振动器21由作为其材料的单晶硅形成，并且具有1.6μm的长度L，此外还具有1.5GHz的扭转振动基模。此外，所述振动器具有200nm的厚度tb和200nm的宽度W。在梁型振动器21和电极2之间提供10nm的缝隙g，由此形成静电电容C。电极2的底面与梁型振动器21的底面处于相同高度，并且将电极设置为具有0.10μm的厚度te。这是因为如图13所示，在电极厚度te和ΔC/Δx之间的关系中，当te为0.10μm时，ΔC/Δx变为最大值。因此，在将te设置为0.10μm时，能够配置出具有极佳电压-功率转换因子或振动速度-电流转换因子的谐振器。
但是，在将图13与均具有相同的10nm缝隙的三角形截面(图3)和梯形截面(图9和图10)的情况相比时，ΔC/Δx的绝对值在方形截面的情况下具有最小值。这不仅适用于正方形，在具有n个面的正多边形中，当n的数量增大时，其截面形状接近圆形。在这种情况下，即使在发生扭转振动时，正多边形的截面形状仍然保持圆形，因此，既变得难以通过电极施加扭转激励力，也难以通过电极检测扭转振动。
在以真空状态密封根据本发明的实施例的谐振器时，能够提供具有高Q值的谐振器，其中，振动器的振动不受空气粘滞性的影响。
此外，尽管本实施例采用了两端支撑梁作为扭转振动器，但是，所述实施例不局限于两端支撑梁，也可以采用悬臂作为扭转振动器。
此外，由于本发明的实施例中所示的谐振器具有高容抗，因此，可以适当地将多个谐振器并联，以降低总阻抗，由此将输入电能有效地传输至谐振器。
此外，图14是说明具有三角形截面的梁型振动器41的，采用二次(secondary)扭转模式的扭转谐振器的透视图。以这种方式，可以设置多个电极，每一所述电极的厚度均可以根据模数得到适当调整。
(第四实施例)接下来，将说明本发明第四实施例。
本实施例涉及调整电容量的方法，使得在振动器谐振时，振动器和电极之间的每单位AC电压的电容量变化率变为最大。通过下述表达式表示谐振时振动器的位移x。
X＝Q/k·(ΔC/Δx)·v·Vp于是，通过下述表达式表示每单位AC电压的电容量变化率。
(ΔC/Δx)/C＝Q/k·(ΔC/Δx)2/C·Vp在该表达式中，Q表示振动器的机械Q值，k表示弹簧常数。因此，在将(ΔC/Δx)2/C设置为更大值时，即使在AC电压相同时，也能够配置出具有在谐振时大幅改变其静电电容的能力的谐振器。
图15是说明电极厚度te和(ΔC/Δx)2/C之间的关系的曲线图，其涉及采用与第一实施例所示扭转谐振器相同的材料和尺寸的情况，即，图1(b)所示的具有三角形截面的梁振动器的情况和图8(b)所示的具有梯形截面(a＝100nm，200nm)的情况。
表1集中示出了第一实施例中所示的使ΔC/Δx)变为最大的电极厚度te，以及在本实施例中由图15获得的使(ΔC/Δx)2/C变为最大的电极厚度te。使ΔC/Δx)变为最大的电极厚度te与使(ΔC/Δx)2/C变为最大的电极厚度te稍有不同。
(表1)
根据用法选择性地采用根据第一实施例的电极厚度te的选择标准和根据这一实施例的电极厚度te的选择标准。在第一实施例中，尽管能够获得最大激励力、最大振动幅度和最大生成电流，但是要求电极具有稍大于这一实施例的最佳电极厚度te的厚度，亦即，比这一实施例稍大的静电电容。这一实施例适用于AC驱动点处的电容量优选尽可能小的情况，即无功功率小的情况。
如表1所示，根据第一实施例的选择标准的电极厚度与根据这一实施例的选择标准的电极厚度te稍有不同。因此，就采用图8(b)所示的工艺确定电极厚度te的情况而言，在将电极厚度确定为处于这些实施例的电极厚度之间时，能够提供ΔC/Δx和(ΔC/Δx)2/C均具有大值的谐振器。
顺便提及，有一种容易地确定电极厚度te的方法，无需实施如图3、9、10和13所示的优化电极厚度te的计算。作为这种方法的一个例子，就图6(b)的梯形截面(a＝100nm)而言，如图16所示，在将电极和从梁振动器41的截面的扭转中心O朝电极引出的垂线之间的交点确定为电极厚度时，能够提供表1所示的ΔC/Δx和(ΔC/Δx)2/C均具有大值的谐振器。在图16中，电极厚度te为0.7tb＝0.14μm。
(第五实施例)接下来，将说明本发明第五实施例。
尽管就振动器的截面形状为多边形的情况说明了第一到第四实施例中的每一个，但是将就椭圆形截面的情况说明这一实施例。
如图17中振动器和电极的示意性截面解释图所示，振动器51的截面为椭圆形，在电极2和振动器51之间形成均匀缝隙。
在该实施例中，采用牺牲层去除技术形成几乎均匀的缝隙。从原点O看到的电极2的仰角最好是由长轴A-A′和短轴B-B′形成的90度或更小。
根据这一构造，当通过静电力扭曲振动器51时，使振动器51和电极2之间的大部分缝隙变窄，因此，可以将制作得大的缝隙面积变小。因此，能够使ΔC/Δx变大。
<工业实用性>
本发明的目的在于实现一种扭转谐振器，其中主要通过静电力激励能够通过半导体工艺制造的非常精密的构造，就利用高Q值扭转谐振的梁型振动器而言，能够获得最大激励力、最大生成电流或每单位AC电压的电容量变化率，并且能够不设置任何的桨叶。因此，可以将根据本发明的扭转谐振器用作安装在便携式无线终端上的，以高密度集成的高频滤波器电路等。此外，可以将根据本发明的扭转谐振器应用于这样的采用机械谐振的应用当中，例如，音频波段或超声波段的频谱分析以及医药领域和环境范围的质量分析等。
权利要求
1.一种起着机电谐振器作用的扭转谐振器，其包括用于执行机械振动的振动器和设置在所述振动器附近的电极，其中，构造所述振动器，使其根据所述振动器和所述电极之间的电压变化产生机械振动，使所述电压和所述机械振动之间的机电转换成为可能，其中以梁结构配置所述振动器，其围绕沿所述梁纵向的转轴执行扭转振动，并且在所述梁结构的振动器的侧表面上经由缝隙设置所述电极，从而在所述振动器和所述电极之间形成静电电容。
2.根据权利要求1所述的扭转谐振器，其中，在该处所述缝隙沿所述振动器的所述侧表面的宽度方向变为最小的部分的尺寸小于其尺寸所述振动器的所述侧表面的宽度。
3.根据权利要求1或2所述的扭转谐振器，其中，就所述振动器和所述电极之间的所述电容量C以及由所述振动器的扭转振动导致的位移量x而言，根据振动器的形状调整所述电极的形状和位置，使得ΔC/Δx变为最大。
4.根据权利要求1或2所述的扭转谐振器，其中，就所述振动器和所述电极之间的所述电容量C以及由所述振动器的扭转振动导致的位移量x而言，根据振动器的形状调整所述电极的形状和位置，使得(ΔC/Δx)2/C变为最大。
5.根据权利要求1到4中的一项所述的扭转谐振器，其中，就所述振动器和所述电极之间的所述电容量C以及由所述振动器的扭转振动导致的位移量x而言，一值处于调整所述电极使得(ΔC/Δx)2/C变为最大和调整所述电极使得ΔC/Δx变为最大之间。
6.根据权利要求3到5中的一项所述的扭转谐振器，其中，根据所述电极的厚度相对于所述梁的厚度的比率调整所述振动器和所述电极之间的电容量C。
7.根据权利要求1到6的中的一项所述的扭转谐振器，其中，所述梁结构的截面形状为多边形。
8.根据权利要求1到6的中的一项所述的扭转谐振器，其中，所述梁结构的截面形状为椭圆形。
9.根据权利要求7所述的扭转谐振器，其中，由单晶材料形成所述梁结构，所述梁的侧表面是通过各向异性蚀刻形成的晶向表面。
10.根据权利要求9所述的扭转谐振器，其中，由单晶硅形成所述梁结构，所述梁的截面具有由{100}和{111}表面包围的三角形或梯形形状。
11.根据权利要求1到10的中的一项所述的扭转谐振器，其中，根据所述振动器的扭转谐振模数提供多个所述电极。
12.根据权利要求1到11的中的一项所述的扭转谐振器，其中，提供多个所述扭转谐振器，所述多个扭转谐振器是以电并联的方式设置的。
13.根据权利要求1到12的中的一项所述的扭转谐振器，其中，以下述方式构成放大器由单晶半导体材料形成所述梁结构，在所述振动器的两端的每一个处提供由具有与所述振动器的相反的导电类型的杂质扩散区形成的支撑部分，形成由所述梁结构构成的所述振动器作为沟道，并且由所述杂质扩散区形成分别作为源极区和漏极区的所述支撑部分。
14.根据权利要求1到13的中的一项所述的扭转谐振器，其中，将所述扭转谐振器容纳在外壳中，以真空状态将气氛密封在所述外壳内。
15.以采用根据权利要求1到14中的一项所述的扭转谐振器为特征的滤波器。
全文摘要
一种没有桨叶的，并且能够有效振荡的高频扭转振荡器。所述扭转振荡器具有没有桨叶的横截面恒等的梁结构，并且具有经由缝隙贴近所述梁结构的侧表面设置的电极。二者之间的静电电容使得每单位扭转振荡量下的静电电容变化率最大，并且通过调整使得每单位AC电压下的静电电容变化率最大。在采用半导体工艺时，通过控制电极的厚度使这一调整变为可能。此外，所述振荡器采用单晶硅，并采用各向异性蚀刻制作梁形状，由此制造出具有良好的表面属性和高Q值的精密振荡器。
文档编号H01L29/84GK1943110SQ20068000009
公开日2007年4月4日 申请日期2006年1月13日 优先权日2005年1月13日
发明者中村邦彦, 川胜英树 申请人:松下电器产业株式会社, 国立大学法人东京大学