振动器件、电子设备的制作方法
【专利摘要】振动器件、电子设备。本发明提供没有可动电极的非线形动作、也不会使振动器件的大小增加并能够进行频率调整的振动器件。振动器件具备：振子（3），其具有能相对于基板移位的梁（39）、从上述梁延伸的梳齿状的可动电极（41、42）和固定在上述基板（60）上且插在上述可动电极的梳齿状电极之间的梳齿状的固定电极（31、32）；振荡电路，其使上述振子进行振荡；以及偏置电路，其向上述可动电极与上述固定电极之间提供直流偏置电压。
【专利说明】振动器件、电子设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及振动器件、电子设备等。
【背景技术】
[0002]一般公知有利用MEMS (Micro Electro Mechanical System:微电子机械系统)技术在半导体基板上设有MEMS元件的振荡器。在这样的振荡器中，使用MEMS元件作为振子，将目标频率的时钟脉冲输出到外部电路等。以下，将这样的MEMS振荡器、以及包括振子(或振动板)和必要的振荡电路等并向外部输出目标频率的时钟脉冲的器件称为振动器件。另夕卜，以下，将用作振子的MEMS兀件称为MEMS振子。
[0003]作为现有的MEMS振子，公知如下这样的器件:具备以悬浮在基板上的状态由支承部件保持的可动电极和与可动电极隔着微小的距离进行配置的固定电极，通过向这些电极之间提供交流电压来使可动电极振动(例如，参照专利文献I )。
[0004]可通过使MEMS振子与振荡电路组合来构成振动器件(MEMS振荡器)。通过振荡电路提供上述交流电压，振荡电路能够以由共振频率决定的频率来维持可动电极的振荡。因此，振动器件可产生稳定的频率的信号。
[0005]但是，例如，由于可动电极的尺寸偏差等，一般，MEMS振子的共振频率会产生偏差。因此，需要利用某些方法来校正共振频率的偏差。在专利文献I的发明中记载了通过向振子的固定电极与可动电极之间提供直流偏置电压来调整振荡器的振荡频率的方法。另外，在专利文献2的发明中公开了通过对振动体(与可动电极对应)施加拉伸应力来校正共振频率的偏差的方法。
[0006]专利文献1:日本特开2010-232791号公报
[0007]专利文献2:日本特开2010-011134号公报
[0008]但是，在专利文献I的发明中，可动电极和固定电极是平行的平板形状，作用于电极之间的静电力是非线形的。因此，具有如下这样的问题:当利用偏置电压使共振频率大幅变化时，力相对于电压变化而大幅变化，非线形的动作随着可动电极的移位而变得明显。
[0009]另外，在专利文献2的发明中，虽然能够抑制与共振频率调整相伴的上述非线形动作增加的问题，但需要另外在与振子相同的平面上设置产生拉伸应力的新电极。因此，具有振动器件变大的问题。
【发明内容】
[0010]本发明是鉴于以上这样的问题而完成的。根据本发明的几个方式，可提供没有可动电极的非线形动作、也不会使振动器件的大小增加的、可进行频率调整的振动器件。
[0011]本发明正是为了解决上述问题的至少一部分而完成的，能够作为以下的方式或者应用例来实现。
[0012][应用例I]
[0013]本应用例的振动器件具备:振子，其具有能够移位的梁、从所述梁延伸出的梳齿状的可动电极、和插在所述可动电极的梳齿状电极之间的梳齿状固定电极；振荡电路，其使所述振子进行振荡；以及偏置电路，其向所述可动电极与所述固定电极之间提供直流偏置电压。
[0014][应用例2]
[0015]在上述应用例的振动器件中，所述可动电极包括在俯视中隔着所述梁配置在一侧的梳齿状的第I可动电极以及配置在另一侧的梳齿状的第2可动电极，所述固定电极包括插在所述第I可动电极之间的梳齿状的第I固定电极以及插在所述第2可动电极之间的梳齿状的第2固定电极，所述偏置电路具备:第I偏置电路，其向所述第I可动电极与所述第I固定电极之间提供直流偏置电压；以及第2偏置电路，其向所述第2可动电极与所述第2固定电极之间提供直流偏置电压。
[0016][应用例3]
[0017]在上述应用例的振动器件中，所述振子具备:所述可动电极，在该可动电极中，所述第I可动电极与所述第2可动电极电连接；以及所述固定电极，在该固定电极中，所述第I固定电极与所述第2固定电极电绝缘。
[0018][应用例4]
[0019]在上述应用例的振动器件中，所述振子具备:所述可动电极，在该可动电极中，所述第I可动电极与所述第2可动电极电绝缘；以及所述固定电极，在该固定电极中，所述第I固定电极与所述第2固定电极电连接。
[0020][应用例5]
[0021]在上述应用例的振动器件中，上述振子的上述梁的两端固定在上述基板上。
[0022]这些应用例的振动器件包含:振子，其具有相对于基板可移位的梁、从梁延伸的梳齿状可动电极和固定在基板上的梳齿状固定电极；振荡电路，其使振子进行振荡；以及偏置电路，其向可动电极与固定电极之间提供直流偏置电压。这里，在振子内，固定电极的梳齿状电极插在可动电极的梳齿状电极之间。因此，构成可利用从偏置电路提供的直流偏置电压使静电力作用在两个电极之间而使可动电极移位的所谓梳状驱动器。
[0023]例如，当通过静电力将可动电极吸引至固定电极时，对支承可动电极的梁施加拉伸应力，所以可动电极的共振频率变高。因此，这些应用例的振动器件可通过调整偏置电路向可动电极与固定电极之间提供的直流偏置电压，来进行共振频率的调整。
[0024]此时，并非如专利文献I的发明那样可动电极和固定电极为平行的平板形状，所以没有非线形动作根据可动电极的移位而变得明显的问题。另外，因为可动电极与固定电极相互吸引，所以不需要另外设置用于产生拉伸应力的电极。即，也没有振动器件的尺寸变大的问题。因此，这些应用例的振动器件没有可动电极的非线形动作、也不会使振动器件的大小增加，并能够调整频率。
[0025]这里，虽然利用具有弹性的梁来支承振子的可动电极，但是，关于可动电极，也可以是梳齿状电极在俯视中隔着梁的两侧分别延伸。此时，可动电极包含具有一侧的梳齿状电极的第I可动电极和具有另一侧的梳齿状电极的第2可动电极。并且，固定电极也可以包含插在第I可动电极之间的梳齿状的第I固定电极和插在第2可动电极中之间的梳齿状的第2固定电极。
[0026]在这种结构的情况下，偏置电路可向第I可动电极与第I固定电极之间、第2可动电极与第2固定电极之间分别提供独立的直流偏置电压。因此，可利用这些直流偏置电压之差来调整对梁施加的拉伸应力，结果，能够扩大可动电极的共振频率的调整范围。
[0027]此外，可以将第I可动电极与第2可动电极电连接，将第I固定电极与第2固定电极电绝缘。在此情况下，能够向第I固定电极与第2固定电极分别提供独立的直流偏置电压，而且能够提供相位相差180度的交流电压。因此，能够大范围地调整共振频率，且能够利用交流电压使可动电极大幅度地振动。
[0028]这里，也可以相反地将第I可动电极与第2可动电极电绝缘，将第I固定电极与第2固定电极电连接。在此情况下，也能够大范围地调整共振频率，且能够利用交流电压使可动电极大幅度地振动。
[0029]另外，振子可以是梁的两端固定在基板上的双臂梁构造。通过采用双臂梁构造，可以高效地向梁提供拉伸应力，并能够大范围地调整共振频率。
[0030][应用例6]
[0031]本应用例的振动器件具备:振子，其具有梁、从所述梁延伸出的梳齿状的可动电极、和插在所述可动电极的梳齿状电极之间的梳齿状固定电极，所述梁的一端被固定，另一端能够移位；振荡电路，其使所述振子进行振荡；以及偏置电路，其向所述可动电极与所述固定电极之间提供直流偏置电压，所述固定电极在构成所述可动电极的电极的一侧配置有第3固定电极。
[0032][应用例7]
[0033]在上述应用例的振动器件中，所述固定电极在构成所述可动电极的电极的另一侧配置有第4固定电极，所述第3固定电极与所述第4固定电极电绝缘，所述偏置电路具备:第3偏置电路，其向所述可动电极与所述第3固定电极之间提供直流偏置电压；以及第4偏置电路，其向所述可动电极与所述第4固定电极之间提供直流偏置电压。
[0034]这些应用例的振动器件包含:振子，其具有相对于基板能够移位的可动电极和固定在基板上的固定电极；振荡电路，其使振子进行振荡；以及偏置电路，其向可动电极与固定电极之间提供直流偏置电压。这里，利用一端固定在基板上的具有弹性的梁来支承可动电极。并且，固定电极包含第3固定电极，该第3固定电极具有插在构成可动电极的电极的一侧(例如，相对于可动电极的梳齿状电极远离梁的固定部的一侧)的梳齿状电极。因此，构成利用从偏置电路提供的直流偏置电压使静电力作用在两个电极之间而使可动电极向一方(例如，远离梁的固定部的方向)进行移位的所谓梳状驱动器。
[0035]例如，当通过静电力将可动电极吸引到固定电极(这里是第3固定电极)时，对支承可动电极的梁施加拉伸应力，所以可动电极的共振频率变高。因此，这些应用例的振动器件可通过调整偏置电路向可动电极与固定电极之间提供的直流偏置电压，来进行共振频率的调整。
[0036]此时，并非如专利文献I的发明那样可动电极与固定电极为平行的平板形状，所以没有非线形动作根据可动电极的移位而变得明显的问题。另外，因为可动电极与固定电极相互吸引，所以不需要另外设置用于产生拉伸应力的电极。即，也没有振动器件的尺寸变大的问题。
[0037]因此，这些应用例的振动器件没有可动电极的非线形动作，也不会使振动器件的大小增加，能够调整频率。另外，通过采用单臂梁构造，振子可采用各种形状的可动电极，并能够进行灵活的设计。
[0038]这里，固定电极可包含第4固定电极，该第4固定电极具有相对于可动电极的梳齿状电极插在与第3固定电极不同的另一侧(例如，接近于梁的固定部的一侧)的梳齿状电极。此时，将第3固定电极与第4固定电极电绝缘，偏置电路能够向可动电极与第3固定电极之间、可动电极与第4固定电极之间分别提供独立的直流偏置电压。因此，可利用这些直流偏置电压之差来调整对梁施加的拉伸应力或压缩应力，结果能够扩大可动电极的共振频率的调整范围。
[0039][应用例8]
[0040]本应用例的电子设备具备上述应用例的振动器件。
[0041]上述应用例的振动器件没有可动电极的非线形动作、也不会使振动器件的大小增力口，并能够调整频率。因此，具有上述应用例的振动器件的本应用例的电子设备既小型又能够根据期望的准确频率的时钟脉冲进行动作。例如，在电子设备是钟表的情况下，能够减小尺寸，并能够进行精度高的时刻显示。
【专利附图】
【附图说明】
[0042]图1是第I实施方式的振动器件的框图。
[0043]图2是示意性示出第I实施方式的振动器件的MEMS振子的俯视图。
[0044]图3是示意性示出第I实施方式的振动器件的MEMS振子的侧视图。
[0045]图4是示意性示出第I实施方式的振动器件中的可动电极的变形的图。
[0046]图5是用于说明梳齿状电极之间的静电力的图。
[0047]图6是用于说明第I实施方式的振动器件的电路结构例的图。
[0048]图7是示意性示出第I变形例的振动器件的MEMS振子的俯视图。
[0049]图8是示意性示出第2变形例的振动器件的MEMS振子的俯视图。
[0050]图9是用于说明第2变形例的振动器件的电路结构例的图。
[0051]图10是示意性示出第2实施方式的振动器件的MEMS振子的俯视图。
[0052]图11是示意性示出第2实施方式的振动器件的MEMS振子的侧视图。
[0053]图12是示意性示出第2实施方式的振动器件中的可动电极的振动的图。
[0054]图13是用于说明第2实施方式的振动器件的电路结构例的图。
[0055]图14是示意性示出第3变形例的振动器件的MEMS振子的俯视图。
[0056]图15是示意性示出第3变形例的振动器件的MEMS振子的侧视图。
[0057]图16是应用例的电子设备的框图。
[0058]图17的(A)?(C)是示出电子设备的外观的一例的图。
[0059]图18是示意性示出包含平行平板形状的电极的振子的俯视图。
[0060]图19是示意性示出包含平行平板形状的电极的振子的侧视图。
[0061]图20是用于说明平行平板形状的电极间的静电力的图。
[0062]标号说明
[0063]I振动器件；2振荡电路；3振子；3A振子；3B振子；4偏置电路；4A第I偏置电路；4B第2偏置电路；4C第3偏置电路；4D第4偏置电路；20相位反转放大电路；30电极；31第I固定电极；32第2固定电极；34固定电极；35第3固定电极；36第4固定电极；37可动电极；38绝缘体；39梁；41第I可动电极；42第2可动电极；60基板；62固定部；64支承部件；100时钟脉冲；IOOA交流信号；100B交流信号；103振子；110控制信号；IIOA控制信号；IlOB控制信号；110C控制信号；130电极；131固定电极；133可动电极；160基板；162固定部；164支承部件；300电子设备；330操作部；360通信部；370显示部；380声音输出部。
【具体实施方式】
[0064]以下，使用附图来详细说明本发明的优选实施方式。此外，以下说明的实施方式不对权利要求所记载的本发明的内容进行不当的限定。另外，以下说明的全部结构并不是本发明的必须构成要件。
[0065]1.第I实施方式
[0066]图1是本实施方式的振动器件I的框图。振动器件I包含振荡电路2、振子3、偏置电路4。在本实施方式中，振子3是MEMS振子,如后所述,具备可动电极和固定电极。偏置电路4向可动电极与固定电极之间提供直流偏置电压来调整振子3的共振频率。并且，振荡电路2由使振子3振荡的电路构成。
[0067]偏置电路4根据接收到的控制信号110来调整向可动电极与固定电极之间提供的直流偏置电压。另外，振荡电路2将目标频率的时钟脉冲100输出到振动器件I的内部或外部电路等。
[0068]图2是示意性示出本实施方式的振动器件I的振子3的俯视图。此外，为了在MEMS振子或电极之间的静电力的说明中使用，在图2以后根据需要来图示相互垂直的3个轴(X轴、Y轴、Z轴)。图2是从Z轴正方向观察振子3的俯视图。
[0069]如图2那样，振子3具备配置在基板60上的固定电极和可动电极。在本实施方式中，固定电极包含固定在基板60上的第I固定电极31和第2固定电极32。第I固定电极31和第2固定电极32夹着支承可动电极的梁39而相对地配置。第I固定电极31以及第2固定电极32具备向梁39延伸并与梁39的长边方向垂直的梳齿状电极。
[0070]可动电极由具有弹性的梁39支承，可相对于基板60进行移位。在本实施方式中，梁39与可动电极形成为一体。并且，作为梁39的两端的固定部62固定在基板60上，可动电极为双臂梁构造。
[0071]可动电极具有插在第I固定电极31的梳齿状电极之间的梳齿状电极。即，可动电极具有在图2的俯视图中从梁39向Y轴正方向延伸并插在第I固定电极31的梳齿状电极之间的梳齿状电极。这里，将可动电极中的包含从梁39向Y轴正方向延伸的电极的部分作为第I可动电极41。
[0072]另外，可动电极具有插在第2固定电极32的梳齿状电极之间的梳齿状电极。即，可动电极具有在图2的俯视图中从梁39向Y轴负方向延伸并插在第2固定电极32的梳齿状电极之间的梳齿状电极。这里，将可动电极中的包含从梁39向Y轴负方向延伸的电极的部分作为第2可动电极42。此外，在图2中，为了便于图示，第I固定电极31的电极的一部分进入第I可动电极41，第2固定电极32的电极的一部分进入第2可动电极42，第I可动电极41以及第2可动电极42是可动电极的一部分而并不包含固定电极的电极。
[0073]第I可动电极41与上述第2可动电极42电连接。另一方面，第I固定电极31与第2固定电极32电绝缘。因此，在第I可动电极41与第I固定电极31之间、第2可动电极42与第2固定电极32之间可独立地提供交流电压或直流偏置电压。因此，本实施方式的振动器件I的振子3可称为包含图2所示的两个振子3A、3B。
[0074]图3是示意性示出本实施方式的振动器件I的振子3的侧视图，是从Y轴负方向观察到的图。与从图2的第2固定电极32侧观察第I固定电极31侧的情况相对应。此外，为了表示梳齿状电极，使一部分透过并用虚线表示。
[0075]如图3所示，可动电极隔开空隙配置在基板60上。支承可动电极的梁39通过固定部62经由支承部件64固定在基板60上。如图3所示，可动电极具有与支承部件64的高度相当的空隙，所以能够在X方向以外的方向(例如Y方向)进行移位。
[0076]可动电极(在图3中为第2可动电极42)的梳齿状电极和固定电极(在图3中为第2固定电极32)的梳齿状电极如图3所示那样彼此插入而构成梳状驱动器，在该梳状驱动器中，可动电极根据向这些电极之间提供的电压而移动。
[0077]图4是示意性示出本实施方式的振动器件I中的可动电极的变形的图。具体地说示出如下这样的状况:通过提供直流偏置电压，对支承可动电极的梁39施加拉伸应力，使其以向第2固定电极32侧靠近的方式变形。并且，从振荡电路2 (参照图1)向第I固定电极31、第2固定电极32提供相位相差180度的交流电压，图4所示的可动电极在Y轴方向振动。此外，对与图2相同的要素标注相同的标号，省略说明。
[0078]这里，详细说明直流偏置电压。在本实施方式中，偏置电路4 (参照图1)包含独立的第I偏置电路(未图示)和第2偏置电路(未图示)，第I偏置电路向第I可动电极41与第I固定电极31之间提供直流偏置电压，第2偏置电路向第2可动电极42与第2固定电极32之间提供直流偏置电压。此时，第I偏置电路和第2偏置电路能够独立地提供直流偏置电压。
[0079]利用所提供的直流偏置电压而使后述的静电力作用，所以可动电极稳定地被吸引至电位差更大的固定电极侧(在图4的例子中为第2固定电极32侧)。并且，通过向第I固定电极31、第2固定电极32提供相差180度的交流电压，可动电极以其共振频率大幅进行振动。
[0080]这里，与没有提供直流偏置电压的状态(参照图2 )相比，通过对与可动电极一体化并支承可动电极的梁39施加拉伸应力，提高了可动电极的共振频率。即，可利用第I偏置电路和第2偏置电路提供的直流偏置电压之差，调整可动电极的共振频率。因为不是仅利用I个偏置电路，而是利用独立的2个偏置电路(第I偏置电路、第2偏置电路)的电压差来进行调整，所以能够扩大可动电极的共振频率的调整范围。
[0081]另外，在振子3中，可动电极的梳齿状电极与固定电极的梳齿状电极彼此插入，构成可动电极根据向这些电极之间提供的电压进行移动的梳状驱动器，以下对此结构的优点进行说明。
[0082]图5是用于说明彼此插入的梳齿状电极之间的静电力的图。此外，假设图5的电极30与构成图2中的振子3—部分的电极30对应，图5上方的电极是可动电极，下方的电极是固定电极，而进行说明。
[0083]在图5中考虑Y轴正方向的静电力Fes。当设梳齿状电极的高度(在图5中为Z轴方向)为h、梳齿状电极的间隔(在图5中为X轴方向)为g、Y轴方向的梳齿状电极的初始重叠距离为y。、可动电极的梳齿状电极在Y轴正方向的移位为y、相对的梳齿状电极为η对时，静电力Fes由下式(I)表示。
[0084]
【权利要求】
1.一种振动器件,其具备: 振子，其具有能够移位的梁、从所述梁延伸出的梳齿状的可动电极、和插在所述可动电极的梳齿状电极之间的梳齿状固定电极； 振荡电路，其使所述振子进行振荡；以及 偏置电路，其向所述可动电极与所述固定电极之间提供直流偏置电压。
2.根据权利要求1所述的振动器件，其中， 所述可动电极包括在俯视中隔着所述梁配置在一侧的梳齿状的第I可动电极以及配置在另一侧的梳齿状的第2可动电极， 所述固定电极包括插在所述第I可动电极之间的梳齿状的第I固定电极以及插在所述第2可动电极之间的梳齿状的第2固定电极， 所述偏置电路具备: 第I偏置电路，其向所述第I可动电极与所述第I固定电极之间提供直流偏置电压；以及 第2偏置电路，其向所述第2可动电极与所述第2固定电极之间提供直流偏置电压。
3.根据权利要求2所述的振动器件，其中， 所述振子具备: 所述可动电极，在该可动电极中，所述第I可动电极与所述第2可动电极电连接；以及 所述固定电极，在该固定电极中，所述第I固定电极与所述第2固定电极电绝缘。
4.根据权利要求2所述的振动器件，其中， 所述振子具备: 所述可动电极，在该可动电极中，所述第I可动电极与所述第2可动电极电绝缘；以及 所述固定电极，在该固定电极中，所述第I固定电极与所述第2固定电极电连接。
5.根据权利要求1所述的振动器件，其中， 所述振子的所述梁的两端被固定。
6.—种振动器件,其具备: 振子，其具有梁、从所述梁延伸出的梳齿状的可动电极、和插在所述可动电极的梳齿状电极之间的梳齿状固定电极，所述梁的一端被固定，另一端能够移位； 振荡电路，其使所述振子进行振荡；以及 偏置电路，其向所述可动电极与所述固定电极之间提供直流偏置电压， 所述固定电极在构成所述可动电极的电极的一侧配置有第3固定电极。
7.根据权利要求6所述的振动器件，其中， 所述固定电极在构成所述可动电极的电极的另一侧配置有第4固定电极， 所述第3固定电极与所述第4固定电极电绝缘， 所述偏置电路具备: 第3偏置电路，其向所述可动电极与所述第3固定电极之间提供直流偏置电压；以及 第4偏置电路，其向所述可动电极与所述第4固定电极之间提供直流偏置电压。
8.一种电子设备，其特征在于，该电子设备具备权利要求1或6所述的振动器件。
【文档编号】H03H9/02GK103516325SQ201310262863
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年6月27日 优先权日:2012年6月28日
【发明者】野泽俊之 申请人:精工爱普生株式会社