专利名称：微型机械式静电振子的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微型机械式静电振子，特别涉及适合作为具有使用MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技术形成于基板上的振动体的高频振子的微型机械式静电振子的结构。
背景技术：
近年来，随着全球性高度信息化社会的到来，个人用途的移动电话的普及和以因特网为介质的新型业务的诞生等通信、多媒体市场正在实现飞越性发展。其中，可以说起到信息化时代的带头作用的移动电话的功能不仅仅是单纯的电话功能。例如，在声音、文字、静态图像的基础上，高品质的音乐、彩色动态图像等的高速·大容量数据的收发已从原有功能的基础上有了很大的发展。这样，为了把此前没有的功能安装在移动电话等上，由于空间制约要求电子部件进一步“小型化·轻量化”。并且，移动电话壳体的小型化趋势由于操作上的制约开始显现出限度，但估计今后对“薄型化”的要求将更强烈。另一方面，伴随无线LAN的普及、蓝牙产品的登场、在美国的UWB(Ultra Wide Band)的民间使用的认可等信息的大容量化的“高频化”市场要求近年来表现得更加突出。另外，通信设备的用途在车载用传感器和笔记本电脑等广泛领域得到使用。因此，要求在这样各种环境下维持高特性的此前没有的“高可靠性”。
作为达到上述各种要求的方法可以列举MEMS(Micro ElectroMechanical Systems)技术。该MEMS即微小电气机械系统是利用以半导体的细微加工技术为基础的“微型机器”制造的高附加价值的部件。可以将以电路为代表的细微结构体和传感器、驱动器和能量源等小型集成化。移动电话和无线LAN、带无线功能的传感器等无线设备的需求正在增大，所以在该领域正在广泛开展RF(Radio Frequency)MEMS的研究。该RF MEMS作为实现RF电路的小型化的技术受到高度重视。即，期待着通过利用RF MEMS制造RF电路的被动部件、例如天线切换开关、RF滤波器、振荡器等，实现通信设备整体的小型化、高性能化。
在使用以往的RF MEMS技术的高频振子中，有利用基于交流电力的静电力激励振动体的机械振动，使用以该振动体的机械振动为起因的静电电容的变化的微型机械式静电振子。作为这种微型机械式静电振子，具有梳齿结构的电极啮合着相对配置的梳齿型振子已被公知(例如，参照下面的非专利文献1)。该振子具有由于电极部是梳齿结构，所以能够以较大的表面积、较低的电压进行驱动，并且由于变位和参数变化是线性的，所以能够获得线性响应的优点。
并且，作为现在提出的技术，已经公知在梁部左右或上下设置电极，向该电极提供交流电力，从而使两端用梁部支撑着的振动部振动的技术(例如，参照下面的非专利文献2)。
另外，已经公知在支撑中央部形成的圆盘的外周部两侧相对配置一对电极，向这些电极施加交流电力，从而使圆盘以高次模式伸缩振动的技术(例如，参照下面的非专利文献3)。
在上述各种微型机械式静电振子中，具有利用所述梁部支撑两端的梳齿电极结构及其他可动部的微型机械式静电振子，由于是通过梁部的弯曲来产生振动，所以被称为弯曲模式(弯曲振动)的振子。并且上述的在圆盘两侧相对配置一对电极构成的微型机械式静电振子由于是利用圆盘的伸缩振动，所以被称为伸缩模式(伸缩振动)的振子。
非专利文献1 WILLAM C.TANG等四人“Laterally drivenResonant Microstructures”Sensors and Actuators，20(1989)P.25-32非专利文献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.
非专利文献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，在上述弯曲模式的微型机械式静电振子中，可以增大振动时的变位，即使是比较低的驱动电压也能获得较大的输出信号。但是，可以实现的振动频率通常约为数十kHz～数百kHz，最大也就数MHz，比较低，所以存在着难以做到振子(谐振器)的高频化的问题。
并且，在上述以往的具有梳齿状结构的微型机械式静电振子中，通过采用梳齿状结构，增大驱动电极和可动电极之间的静电电容。并且，通过采用梳齿状结构，增大驱动电极和可动电极的平面投影面积，上述电极和基板之间的静电电容也变大。
另外，不限于具有梳齿状结构的振子，在与上述电极电连接的布线部分或连接端子(接合焊盘)和基板之间也存在静电电容。该静电电容由于从布线电阻的增大和电连接处理的要求考虑很难做到细微化，所以随着微型机械式静电振子的电极结构越细微化，而相对地变大。
上述的静电电容均是不依赖于可动电极的动作的恒定成分，但起因于可动电极的平面滑动动作的静电电容的变动成分与上述静电电容的恒定成分相比相当小。即，有助于静电振子的输出动作的是根据可动电极而变动的静电电容的变动成分，但该静电电容的变动成分的比率小。因此，为了从静电振动获得充分的信号输出需要提高驱动电压，所以难以实现低电压化，难以节省电力，这些成为实用化、产品化的重大障碍。
另一方面，从实现高频化方面考虑最好是伸缩模式的静电振子，前述的圆盘型振子在构成高频振子上比较有效。但是，该伸缩模式的振子在振动时的变位(振幅)小，所以输出信号也变小。为了增大振动变位需要增大静电力，所以也需要提高供给电极的输入电压。即，和上述相同，存在着难以提高输出电压相对输入电压的比，难以实现低电压化，难以节省电力的问题。
并且，在该振子中为了实现高频化需要增大圆盘状振动体的厚度或减小圆盘形状的半径。为了增大振动体的厚度，在制造时需要较长的工艺时间，所以增大振动体的厚度也是有限度的。并且，通过减小圆盘形状来检测静电电容的变化量是更加困难的事情，所以存在着难以取出输出，并且由于驱动电压变大，相对振子占据支撑部的比率变大，故损耗也变大的问题。
发明内容
本发明就是为解决上述问题而提出的，其目的在于提供一种在微型机械式静电振子中与以往技术相比可以容易实现高频化的方法或结构。并且，其他目的在于提供一种与以往技术相比能够增大输出电压相对输入电压的比、可以实现低驱动电压和节省电力的微型机械式静电振子。
本发明的微型机械式静电振子具有板状振动体；分别相对配置在该振动体的两侧并且相对所述振动体的外周部具有空隙的一对励振电极；向该一对励振电极施加同相交流电力的供电单元；获得与所述振动体和所述电极之间的静电电容的变化对应的输出的检测单元，其特征在于，所述振动体的平面形状形成为具有包括中间变细的曲线状轮廓部的形状。
本申请的发明者们经过认真研究判明，通过使板状振动体的平面形状形成为具有包括中间变细的曲线状轮廓部的形状，与使用以往的具有圆形平面形状的振动体时相比，可以获得较高的频率。因此，不必增大振动体的厚度或减小振动体的半径，即可实现高频化，不会导致制造时间的增多、检测水平的减少等，能够容易实现高频振子。
在本发明中，所述振动体的平面形状轮廓优选由圆弧部、和两端平滑地连接该圆弧部的中间变细部构成。这样，振动体的轮廓中没有角部，所以如上所述能够容易实现高频化，并且能够获得稳定的固有振动，同时可以降低损耗。该情况时，圆弧部不必形成严密的圆弧，只要整体上构成弧状即可，所以即使是椭圆弧或曲率逐渐变化的圆弧也没关系。但是，该振动体的平面形状优选相对一对电极对称的形状(例如，以一对电极的中心部的连接线部分的正交二等分线为对称轴的线对称)。
在本发明中，所述振动体优选构成为利用形成于基板上的支撑部支撑，并在所述支撑部的周围扩大的形状。这样，通过构成为利用形成于基板上的支撑部支撑振动体，并且振动体在支撑部的周围扩大的形状，可以在伸缩振动时降低支撑部的影响，容易实现与振动体的平面形状相对应的高频率。此处，优选所述基板利用绝缘体构成。这样，可以避免振子结构体和基板之间的寄生电容的影响。
在本发明中，所述振动体优选利用在所述基板即硅基板上构成的硅层或硅化合物层(在IC工艺中使用的膜例如Poly-Si、SiN等)构成。这样，通过在硅基板上形成利用硅层构成的振动体，可以利用通常的硅半导体的制造工艺容易形成振子。
另外，本发明的其他微型机械式静电振子构成为具有由支撑部支撑的振动体和与该振动体的外缘相对配置的励振电极，可以输出与所述振动体的振动变位对应的信号，并且所述振动体由产生于所述振动体和所述励振电极之间的静电力以伸缩模式振动，其特征在于，所述振动体具有从所述支撑部越是朝向所述外缘其厚度越增大的形状。
根据该发明，振动体具有从支撑部朝向与励振电极相对的外缘其厚度增大的形状，由此可以增大外缘和励振电极相对的面积，可以增大振动体接受的静电力，同时振动体的重量分布偏向外缘侧，所以能够增大振动体的实质弹性率。因此，可以增大振动体的伸缩振动的变位量。并且，可以增大外缘和励振电极相对的面积，所以能够增大振动体和励振电极之间的静电电容自身，因此伴随振动的静电电容的变化变大，能够增大输出电压。这样，在本发明中，在增大振动体的变位量的同时，振动体和励振电极之间的静电电容自身变大，所以能够提高输出电压相对输入电压的比。而且，由于以伸缩模式振动，所以容易实现高频化。
另外，在上述发明中，所谓振动体的厚度是指在与包括伸缩振动的振动方向的振动面正交的方向测量的厚度。另外，从支撑部朝向外缘厚度增大的形状不限于厚度从支撑部朝向外缘渐增的形状，也包括在从支撑部朝向外缘的中途中厚度呈阶梯状急增的形状、在向半径方向观看时，外缘侧的规定半径位置的平均厚度大于支撑部侧的规定半径位置的平均厚度的形状。
在本发明中，所述振动体优选具有朝向所述外缘的相反侧的阶梯面，具有与该阶梯面相对的第2励振电极。这样，设置朝向与励振电极相对的外缘的相反侧的阶梯面，设置与该阶梯面相对的第2励振电极，由此在第2励振电极和振动体之间也能够产生静电力，所以如果使通过励振电极施加给振动体的静电力和通过第2励振电极施加给振动体的静电力的方向相反，可以进一步增大振动体接受的静电力，因此可以进一步增大伸缩振动的变位量。
此处，优选励振电极和第2励振电极被驱动成通常具有相反的极性。这样，在静电斥力作用于励振电极和振动体之间时，静电引力在第2励振电极和振动体之间起作用，在静电引力作用于励振电极和振动体之间时，静电斥力在第2励振电极和振动体之间起作用，所以能够使振动体接受的静电力为最大。
在本发明中，所述振动体优选其中央部被支撑着的板状体。这样，可以使振动体以中央部为支点有效地伸缩振动，而且通过采用板状体可以进一步增大伸缩振动的变位量。而且，通过使振动体形成为板状体，可以利用类似半导体制造工艺的薄膜形成工艺极其容易地进行制造。
在本发明中，优选夹着所述振动体在两侧配置一对所述励振电极。这样，可以从两侧向振动体赋予静电力，所以能够更有效地进行伸缩振动的激励。
另外，在上述各发明中，优选所述振动体、励振电极、第2励振电极等形成于基板上。特别是通过把基板作成半导体基板，可以实现与半导体电路的一体化。此处，所述基板优选利用绝缘体构成。由此，可以避免振子结构体和基板之间的寄生电容的影响。
另外，本发明的其他微型机械静电振子具有振动体和与该振动体相邻配置的励振电极，其特征在于，所述振动体具有一端被固定的支撑部；和连接在该支撑部的另一端，并且在大于所述支撑部的范围扩大的从动部，所述从动部具有向以所述支撑部为中心旋转的方向观看时变化的形状，所述励振电极具有与朝向包括所述从动部中以所述支撑部为中心的旋转方向的成分的方向的表面相对配置的电极面，所述振动体根据在和所述驱动电极之间产生的静电力而扭曲振动。
根据本发明，从动部具有向以支撑部为中心的旋转方向观看时变化的形状，励振电极的电极面与该从动部中具有以支撑部为中心的旋转方向的成分的表面相对配置，由此可以利用在振动体和励振电极之间产生的静电力，向振动体提供以支撑部为中心的旋转方向的变位，所以能够驱动振动体产生扭曲振动。在该微型机械式静电振子中，从动部具有在大于支撑部的范围扩大的形状，例如具有以支撑部为中心在半径方向外侧延伸的部分，从而可以相对振动体有效产生扭曲模式的振动，同时可以增大其变位量，由此可以一并实现振子的高频化和增大输出电压相对输入电压的比。
另外，在上述发明中，所谓向以支撑部为中心的旋转方向观看时变化的形状，是指占有以支撑部的轴线为中心使没有形状变化的任意形状的物体旋转时的旋转轨迹的形状(旋转体形状)以外的形状。所谓在大于支撑部的范围扩大的从动部，是指在振动体以支撑部为中心扭曲变形的情况下，从动部具有配置在支撑部的半径方向外侧的部分。因此，从动部的形状不必是扩展成平板状的形状，也可以是只在规定方向呈棒状延伸的形状。
在本发明中，所述从动部的外缘优选非圆形，所述励振电极的所述电极面优选与所述从动部的所述外缘相对配置。这样，从动部的外缘是非圆形，所以可以利用在与该外缘相对配置的励振电极之间产生的静电力向旋转方向驱动从动部。并且，励振电极与从动部的外缘相对配置，所以可以向振动体提供较大的旋转力矩，并且可以增大其变位量。
在本发明中，优选所述从动部具有在与以所述支撑体为中心的旋转方向正交的方向贯通的开口部，所述励振电极的所述电极面与所述开口部的开口缘部相对配置。这样，励振电极配置在从动部的占有平面范围的内部，所以能够紧凑地构成振子。
在本发明中，优选所述支撑部连接在所述从动部的重心位置。这样，起因于重力的变形应力不易作用于从动部，所以能够使从动部以支撑部为支点稳定地扭曲振动，并且不易产生扭曲振动以外的振动，所以振动能量的损耗减少。
在本发明中，优选在所述支撑部的周围配置多个所述励振电极。这样，可以从支撑部周围的多处向振动体提供静电力，所以能够有效产生扭曲振动。
另外，在上述各发明中，优选所述振动体和励振电极形成于基板上。特别是通过把基板作成半导体基板，可以实现与半导体电路的一体化。此处，所述基板优选利用绝缘体构成。由此，可以避免振子结构体和基板之间的寄生电容的影响。
另外，上述各发明的特征在于，具有与所述振动体或所述励振电极电连接的布线层，所述布线层和所述基板的距离大于所述振动体或所述励振电极与所述基板的距离。根据本发明，布线层和基板的距离大于振动体或励振电极与基板的距离，从而可以降低在布线层和基板之间产生的静电电容，减小静电电容的恒定成分，相应地可以提高起因于振动的静电电容的变动成分的比率，因此能够提高静电振子的输出特性，能够实现驱动电压的降低。
此处，所谓布线层是指用于构成向所述振动体或励振电极供给电位、或者从所述振动体或励振电极取出信号的导电路径的层，例如以下实施方式中的布线部或连接端子(接合焊盘)等。所述振动体和励振电极只要构成为通过使彼此间产生静电力从而至少振动体可动的结构即可。
在本发明中，优选所述布线层形成在具有与所述振动体或所述励振电极的形成表面相比从所述基板离开的表面的绝缘层上。这样，布线层形成在绝缘层上，由此可以在与振动体或励振电极相比从基板离开的位置容易而可靠地设置布线层。
该情况时，优选所述振动体或所述励振电极构成在形成于所述基板上的绝缘体表面上，所述绝缘层具有低于所述绝缘体的介电常数。这样，与绝缘层具有和绝缘体相同的介电常数(利用同一具有层构成的情况)、或具有高于绝缘体的介电常数的情况相比，可以进一步降低布线层和基板之间的静电电容。
并且，优选所述绝缘层是多孔质膜。这样，通过使绝缘层形成为多孔质膜，可以降低绝缘层的介电常数，进一步降低布线层和基板之间的静电电容。
另外，本发明的其他微型机械式静电振子具有基板、和配置在该基板上的其中至少一个为可动的多个电极，其特征在于，具有电连接在所述电极的布线层，根据利用设在该布线层和所述基板之间的绝缘层构成的阶梯差，使所述布线层和所述基板的距离大于所述电极和所述基板之间的距离。根据本发明，布线层和基板的距离大于电极和基板的距离，可以降低在布线层和基板之间产生的静电电容，所以静电电容的恒定成分减小，相应地可以提高起因于振动的静电电容的变动成分的比率，因此能够提高静电振子的输出特性，能够实现驱动电压的降低。并且，根据利用设在布线层和基板之间的绝缘层构成的阶梯差构成所述结构，所以能够极其容易地制造。另外，所述具有构成为至少一个可动的多个电极的结构，包括所述多个电极中的一个被用作可动的振动体、其他一个被用作励振电极的结构。
在本发明中，优选在所述布线层和所述基板之间设置空间。这样，通过在布线层和基板之间设置空间，可以进一步降低布线层和基板之间的实质介电常数，所以能够进一步降低布线层和基板之间的静电电容。
在上述各发明中，优选所述基板是硅基板。这样，可以在硅基板上适当地形成半导体集成电路等，所以能够使半导体集成电路等的电路结构和静电振子构成为一体。该情况时，如上所述，优选在硅基板上通过绝缘层形成压电体薄膜、电极和布线层。并且，基板可以是SiGe或GaAs这种可以作成IC的半导体基板。
并且，优选在所述基板和所述振动体或所述励振电极之间形成绝缘层。由此，可以整体上降低振子结构体和基板之间的寄生电容。
并且，所述振动体或所述励振电极优选利用聚硅或非晶硅等构成。这些材料可以利用半导体制造技术容易形成，特别是在硅基板上构成静电振子的情况下从工艺上讲很有利。
并且，在上述各发明中，优选所述基板是利用绝缘体构成的基板。这样，使用由绝缘体构成的基板形成微型机械式静电振子，所以能够降低在基板上形成的振子结构体和基板之间的寄生电容。结果，通过寄生电容流过的电流大幅度减少，所以能够提高振子的性能。
并且，基板利用玻璃构成，由此可以降低基板的材料成本，同时在对玻璃基板进行细微加工时，例如可以使用在制造液晶显示元件时已确立的技术，所以能够降低制造成本，并且获得高性能的微型机构振子。
另外，本发明的微型机械式静电振子的制造方法是具有基板、设在所述基板上的振动体、和与所述振动体相对配置的励振电极的微型机械式静电振子的制造方法，其特征在于，包括在由绝缘体构成的第1基板和表面具有活性层的第2基板的至少任一方表面形成凹部的凹部形成工序；将所述第1基板的表面和所述第2基板的表面相对对接的基板接合工序；对所述第2基板进行保留所述活性层的至少一部分的规定加工，在所述第1基板上形成所述振动体和所述励振电极的振子形成工序。
根据本发明，把在至少任一方表面形成凹部的由绝缘体构成的第1基板的基板表面和具有活性层的第2基板的所述活性层相对对接，对所述第2基板进行保留活性层的至少一部分的规定加工，在第1基板上形成振动体和励振电极，由此可以利用所述凹部设置振动体和基板之间的空隙，能够廉价、有效且高成品率地制造微型机械式静电振子。并且，这样制造的微型机械式静电振子在由绝缘体构成的基板上具有振子结构体，所以能够实现振子结构体和基板之间的寄生电容降低并且具有高性能的振子。
该情况时，在所述凹部形成工序中，有时包括在将位于应该形成所述振子结构体的位置的第2基板的所述活性层蚀刻规定量的工序。并且，也可以包括对与第2基板的应该形成振子结构体的位置相对的第1基板的表面蚀刻规定量的工序。
并且，基板利用玻璃构成，由此可以降低基板的材料成本，同时在对玻璃基板进行细微加工时，例如可以使用在制造液晶显示元件时已确立的技术，所以能够降低制造成本，并且获得高性能的微型机构振子。
在本发明中，优选所述振子形成工序包括使与所述第1基板接合的所述第2基板变薄到规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层的至少一部分的状态蚀刻成规定形状的蚀刻工序。这样，在将第1基板和第2基板接合后，把第2基板变薄到规定厚度，把被薄板化的所述第2基板蚀刻成规定形状，所以能够使用已有的工艺技术在由绝缘体构成的基板上廉价且有效地形成由半导体(活性层)构成的振子结构体。
在本发明中，优选所述第2基板具有硅基板、形成在该硅基板上的绝缘膜、形成在该绝缘膜上的所述活性层，所述薄板化工序是对包括于所述第2基板的所述硅基板进行研磨处理和蚀刻处理的至少一种处理以去除所述硅基板的工序。这样，对设在与第1基板接合的第2基板的硅基板进行研磨处理和蚀刻处理的至少一种处理以去除硅基板，所以能够在第1基板上精确地形成具有规定厚度的活性层和绝缘膜。
另外，所述活性层只要是可以构成微型机械式静电振子的振动体和励振电极的材料、即可以通过供给电力产生静电力的材料，可以用任何材料构成。
图1是表示第一实施方式的概略结构的俯视图(a)和纵剖面图(b)。
图2是表示第一实施方式的振动模式的说明图(a)和(b)以及表示以往的圆盘状振动体的振动模式的说明图(c)。
图3是第二实施方式的概略结构的俯视图(a)和纵剖面图(b)。
图4是表示不同的振动体的平面形状的俯视图(a)和(b)。
图5是表示第一实施方式的制造工序的工序剖面图(a)-(f)。
图6是表示第一实施方式的制造工序的工序剖面图(e)-(j)。
图7是第三实施方式的概略纵剖面图(a)、概略俯视图(b)和振动体的放大立体图(c)。
图8是第四实施方式的概略纵剖面图(a)、概略俯视图(b)和振动体的外缘部附近的放大剖面图(c)。
图9是关于圆盘振子的直径和频率的关系，对比表示实施例和比较例的曲线图。
图10是表示圆盘振子的比较例的直径及厚度和频率的关系的曲线图。
图11是表示单持梁的弯曲振动模式中的梁的长度和频率的关系的曲线图。
图12是表示不同振动体的形状的概略立体图。
图13是表示其他不同振动体的形状的概略纵剖面图。
图14是表示其他振动体的形状的概略立体图。
图15是表示另外其他振动体的形状的概略立体图。
图16是利用等变位量线表示实施例的振动体振动时的变位量分布的变位量分布图。
图17是利用等变位量线表示比较例的振动体振动时的变位量分布的变位量分布图。
图18是表示第五实施方式的概略纵剖面图(a)和概略俯视图(b)。
图19是表示第五实施方式的振动体的驱动方式和动作的说明图(a)和(b)。
图20是表示第六实施方式的概略结构的立体图。
图21是表示第六实施方式的振动体的驱动方式和动作的说明图(a)和(b)。
图22是表示第七实施方式的概略纵剖面图(a)、概略俯视图(b)、和沿着与(a)所示正交的方向的剖面的概略纵剖面图(c)。
图23是表示第七实施方式的封装体结构的概略纵剖面图。
图24是表示第八实施方式的概略结构的纵剖面图。
图25是表示第七实施方式的制造方法的概略工序剖面图(a)～(c)。
图26是表示第七实施方式的制造方法的概略工序剖面图(a)～(c)。
图27是表示第七实施方式的等价电路图。
图28是表示第七实施方式的插入损耗及阻抗的频率特性的曲线图。
图29是表示第九实施方式的纵剖面图。
图30是表示第十实施方式的纵剖面图。
图31是表示第十一实施方式的制造方法的工序图(a)～(c)。
图32是表示第十一实施方式的制造方法的工序图(a)～(c)。
图33是表示第十二实施方式的制造方法的部分工序图(a)～(c)。
图中100微型机械式静电振子；101基板；102绝缘层；103输出电极；104支撑部；105振动体；105a、105b圆弧部；105c、105d中间变细部；106空隙；107电极；110输入电路；120输出电路；300微型机械式静电振子；301基板；302绝缘层；303基准电极；304支撑体；305振动体；305a支撑部(中心部)；305b外缘；305c阶梯面；306励振电极；307X、307Y第2励振电极；310A输入电路；310B输出电路；800微型机械式静电振子；801基板；802绝缘层；803基准电极；805振动体；805a支撑部；805b从动部；805c外缘；806励振电极；810A输入电路；810B输出电路；1000微型机械式静电振子；1001基板；1002绝缘层；1003绝缘层；1004S、1004M电极层；1004Sa、1004Ma电极；1005SL、1004ML布线部；1005SP、1004MP连接端子；1006保护层；1103a空间。
具体实施例方式
(第一实施方式)以下，参照附图详细说明本发明的第一实施方式。图1是表示本发明的第一实施方式的微型机械式静电振子100的结构和电路结构的概略俯视图(a)和纵剖面图(b)。
在该微型机械式静电振子100中，在由硅基板等构成的基板101的表面上，为了将振子结构体绝缘，根据需要形成绝缘膜102。在该基板101或绝缘膜102上构成输出电极103、支撑部104和振动体105。在振动体105的两侧(在图示例中为图1(a)的上下两侧、图1(b)的前后两侧)，形成与振动体105的外周部隔开空隙106相对配置的一对励振电极107、107。
并且，在该微型机械式静电振子100中，设置构成用于向所述一对励振电极107、107施加同相交流电力的供电单元的供电电路110。在该供电电路110中设置交流电源111、连接该交流电源111和励振电极107的供电电线112。该供电电路110优选在基板101内部构成为单片，但也可以和基板101 分别构成，或者仅利用从外部供给交流电力的布线结构构成。
另外，在本实施方式中设置构成检测单元的输出电路120，检测单元和输出电极103一起输出与振动体105的伸缩振动相对应的输出信号。在该输出电路120中具有连接在电源电位123和输出电极103的输出线121的输出电位之间的电感器122、和连接在所述输出电位和接地电位之间的负荷电阻125，在其前端设置输出端子126，在输出电极103和负荷电阻125及输出端子126之间设置电容124。
在本实施方式中，振动体105产生其平面形状在一对励振电极107、107之间进行平面伸缩的振动，空隙106根据该伸缩振动产生变化，由此增减振动体105和励振电极107之间的静电电容。该静电电容的增减表现为在输出电路120产生的输出电流Io，所以与该输出电流Io和负荷电阻125相对应的输出电位Vo输出给输出端子126。该输出电位Vo具有对应振动体105的固有振动频率的振动波形。
振动体105的伸缩振动是伴随板状的振动体105的平面形状的轮廓(外周部)的形状变化的径方向振动，起因于振动体105和励振电极107、107之间的静电力。在该振动模式下，振动体105具有根据其平面形状、厚度、及构成材料的密度或弹性特性(例如拉伸弹性模量或泊松比等)决定的固有振动频率。
振动体105构成为利用形成于基板101上的支撑部104支撑，振动体105在支撑部104的周围扩大的形状，由此在伸缩振动时降低支撑部104的影响，可以容易实现与振动体的平面形状相对应的高频率。
振动体105的平面形状具有如图示的包括中间变细的曲线状轮廓形状。具体讲如图2(a)所示，振动体105的轮廓由构成为圆弧状的多个(图示例中为2个)圆弧部105a、105b、和两端平滑地连接在这些圆弧部之间的多个(图示例中为2个)中间变细部105c、105d构成。在图示例中，圆弧部105a和105b为对称形状，中间变细部105c和105d为对称形状。
并且，图1中用实线表示的励振电极107、107相对所述振动体105的中间变细部105c、105d分别相对配置。但是，作为电极结构可以是如图1中的单点划线所示，以中间变细部105c、105d为中心并且与其两侧的圆弧部105a、105b相对配置的励振电极107’、107’，也可以是如图1中的双点划线所示，与圆弧部105a、105b的中央部分相对配置的励振电极107”、107”。
此处，如图2(a)中的双点划线所示，利用圆弧部105a、105b之间的宽度和中间变细部105c、105d之间的宽度呈逆相伸缩的振动模式，把基于本实施方式的实施例和使用图2(c)所述圆盘形状的振动体的比较例进行了比较。此处，在比较例中，使用具有和本实施方式的圆弧部105a、105b之间的宽度相等的直径r的圆盘状振动体，振动体的厚度t、连接供电单元的电极结构相同。在实施例和比较例中，振动体的厚度t＝1μm、所述直径r＝10μm、振动体的构成材料是聚硅。并且，双方均在振子的中央部设置直径1μm的圆形状支撑部，并实施了固有值分析。在该计算中使用的振动体的材料常数是拉伸弹性模量为160Gpa、泊松比为0.3、密度为2500kg/m3。结果，比较例的固有振动频率约为385MHz，而本实施方式的固有振动频率约为441MHz。而且，如图2(b)所示，本实施方式的振动体105中的圆弧部105a、105b之间的宽度和中间变细部105c、105d之间的宽度呈同相伸缩的振动模式的固有振动频率为983MHz。这样，本实施方式的微型机构振子确认到相对以往结构的比较例可以实现高频化。
(第二实施方式)下面，参照图3说明本发明的第二实施方式的微型机械式静电振子200。该振子200具有平面形状和所述第一实施方式的振动体大致相同的振动体205，但该振动体205与第一实施方式的不同之处是一对中间变细部的中央部通过连接梁状支撑部204而得到支撑。该支撑部204构成为从两侧呈梁状支撑振动体205并且大致水平地(即与基板201的表面平行地)延伸。并且，支撑部204的相反侧连接输出电极203。
并且，在本实施方式中，相对振动体205的圆弧部的中央部分分别相对配置一对励振电极207、207。通过供电电路210的交流电源211和供电电线212向这些励振电极207、207施加同相交流电力。在输出电极203连接输出电路220。在输出电路220和第一实施方式相同，设置输出线221、电感器222、电源电位223、电容224、负荷电阻225、输出端子226。
在该实施方式中，和前面的第一实施方式相同，可以实现振动体205的高频化。并且，把振动体205和支撑部204构成为具有相同的层、相同的高度，所以相比第一实施方式在成膜工艺中产生富余，能够迅速且以高度再现性形成振动体。
(其他实施方式)图4是可以代替上述振动体使用的具有不同的平面形状的振动体的俯视图。图4(a)所示的振动体305的平面形状具有在中心周围设有3个圆弧部305a、305b、305c，在这些圆弧部之间分别连接中间变细部305d、305e、305f的轮廓。并且，图4(b)所示的振动体405的平面形状具有设有4个圆弧部405a、405b、405c、405d，在这些圆弧部之间分别连接中间变细部405e、405f、405g、405h的轮廓。
(制造方法)图5和图6表示制造所述第一实施方式的微型机械式静电振子100的工艺示例的工序剖面图。在该工艺中，首先如图5(a)所示，在利用硅基板等构成的基板101上形成由SiO2构成的绝缘层102A、和由Si3N4构成的绝缘层102B。绝缘层102A可以利用热氧化法等形成，绝缘层102B可以利用等离子CVD法等形成。绝缘层102A和绝缘层102B构成上述的绝缘膜102。
然后，如图5(b)所示，使用光刻法等在绝缘层102A、102B形成开口102x，在其上如图5(c)所示，使用蒸镀法或溅射法等形成由铝等金属构成的导电层103p。通过利用光刻法等形成图形，如图5(d)所示，形成输出电极103和输入电极107p。
然后，如图5(e)所示，使用CVD法等形成由PSG(搀杂磷玻璃)膜等构成的替化层108，并且如图5(f)所示形成开口108x。然后，如图6(g)所示，利用聚硅等形成导电层105S。此时，在开口108x内同时形成支撑部104。另外，如图6(h)所示，利用抗蚀剂等形成掩模109，通过该掩模109将导电层105S图形化，从而如图6(i)所示，形成振动体105、空隙106和电极107。
最后，如图6(j)所示，通过蚀刻等去除替化层108，由此完成图1所示的振子结构体。此处，励振电极107形成为被支撑在未图示的支撑层(利用所述替化层等构成)上的状态，并且励振电极107通过未图示的接触孔等电连接基板上的输入电极107p。
如上所述，本发明通过在振动体的平面形状的轮廓中设置中间变细部，可以实现高频化，并且利用该中间变细部容易进行振动体的伸缩振动模式(其轮廓变动的振动模式)的控制，可以产生更稳定的伸缩振动。例如，通过设置中间变细部使具有多个固有振动频率，可以根据电极结构或施加频率等使一个振动体在不同的振动频率下使用。并且，象第一实施方式的励振电极107和107”那样在不同的方位设置与振动体相对配置的多组励振电极，可以根据需要的频率特性区分使用励振电极的组。
在本实施方式中，振动体可以相对配置在其两侧的一对励振电极形成为对称的平面形状，这样能够产生稳定的振动，所以是优选方式。此处，所谓相对一对励振电极对称的形状，例如指以一对电极的中心部的连接线部分的正交二等分线为对称轴的线对称形状。该情况时还优选是以一对电极的中心部的连接线部分为对称轴的线对称形状。例如，上述第一和第二实施方式的振动体105、205和图4(b)所示的振动体405是可以实现这种高度对称性的形状。
另外，本发明的微型机械式静电振子不限于上述图示例，当然可以在不脱离本发明构思的范围内进行各种变更。例如，上述实施方式的微型机械式静电振子构成为分别具有输入电路和输出电路，但根据振子的使用方式，可以采用利用相同的电路结构实现输入电路和输出电路等的各种结构。
(第三实施方式)图7是表示本发明第三实施方式的微型机械式静电振子300的结构的概略纵剖面图(a)、概略俯视图(b)和表示振动体305的形状的放大立体图(c)。该静电振子300在基板301上形成绝缘层302，在该绝缘层302上形成振子结构体。作为基板301优选单晶硅、GaAs或InP等的化合物半导体等半导体基板，但也可以利用玻璃、石英、陶瓷、合成树脂等其他材料构成。并且，绝缘层302在基板301是绝缘体的情况下不需要，在基板301是半导体或导体的情况下、或者基板301是绝缘体但其表面上具有导体图形等导电体的情况下需要。
振子结构体具有通过配置在基准电极303上的支撑体304支撑支撑部305a而构成的振动体305；与该振动体305的外缘305b相对的励振电极306。基准电极303、支撑体304和振动体305相互电连接，它们利用具有一定程度的导电性的材料例如聚硅等构成。振动体305构成为把中央部作为由支撑体304支撑的支撑部305a的板状体。在图示例中，振动体305形成为圆盘状。
在该振动体305的两侧(图示左右侧)配置一对励振电极306、306。励振电极306具有沿着振动体305的外缘305b延伸的电极面306a。在图示例中，振动体305的外缘305b形成为呈圆弧状延伸的圆筒凸面，所以励振电极306的电极面306a形成为与外缘305b的面形状对应的面形状、即呈圆弧状延伸的圆筒凹面。这样，在振动体305的外缘305b和励振电极306的电极面306a之间具有整体上沿着两者的相对部的一定间隔。
在图示例的情况下，在基准电极303电连接着连接端子(接合焊盘)303A，在励振电极306电连接着连接端子(接合焊盘)306A。但是，也可以不设置这些连接端子303A、306A，例如使基准电极303和励振电极306在形成于基板301的电路内部电连接。
在本实施方式中，如图7(b)所示，在励振电极306电连接输入电路310A，在基准电极303电连接输出电路310B。输入电路310A用于向励振电极306供给驱动电压，例如设有交流电源311。并且输出电路310B用于根据基准电极303的电位输出输出电压，例如，具有连接在基准电极303和偏置电位Vb之间的电感器312、连接在基准电极303和输出电位Vo之间的电容313、连接在输出电位Vo和接地电位之间的电阻314。偏置电压Vb用于向基准电极303施加偏置电压。此处，输出电位Vo表示通过电容313的充放电电流和电阻314得到的相当于基准电极313的电位变动的电位变化。
在本实施方式中，根据振动体305和励振电极306的振动特性调制从相当于上述输入电路310A的部分供给的输入信号，并作为可以获得输出电位Vo的高频过滤器而动作。其滤波特性依赖于振动体305的伸缩振动模式的特性。具体而言，根据输入信号在振动体305和励振电极306之间产生静电力，振动体305根据该静电力的变化(方向的交替)进行伸缩振动。在振动体305振动时，振动体305和励振电极306之间的距离变动，两者间的静电电容也变动，根据该静电电容的变动，输出电位Vo进行周期性变化。
振动体305如图7(c)所示，具有从由支撑体304支撑的支撑部305a朝向外缘305b厚度增大的形状。具体而言，在图示例的情况下，具有从支撑部305a朝向半径方向外侧沿着规定范围厚度相等的部分，在其外侧设置阶梯面305c，相比该阶梯面305c位于半径方向外侧的部分的厚度大于比该阶梯面305c位于半径方向内侧的部分的厚度。在图示例的情况下，阶梯面305c设在振动体305的表面侧和里面侧双方。并且，阶梯面305c形成于外缘305b的相反侧，即朝向中心侧的面。
振动体305通过励振电极306把板状体的主面(图示水平面)作为振动面进行伸缩变形，进行伸缩模式的振动。此处，振动体305的上述厚度是与振动面正交的方向的宽度。振动体305具有在该厚度方向对称的形状(即表里对称形状)。由此，可以稳定振动面上的振动状态，抑制产生振动面上没有的高次谐波振动模式，所以能够防止振动能量的浪费性分散。
在向励振电极306供给电力时，在振动体305的外缘305b和励振电极306之间产生静电力，如果施加给励振电极306的电压是交流电压(交替电压)，则静电斥力和静电引力交替波及到振动体305的外缘305b和励振电极306之间。由此，振动体305在一对励振电极306之间周期性地反复收缩和伸长，从而激励伸缩模式的振动。
此时，如果施加给励振电极306的输入电压的频率和振动体305的伸缩模式的固有频率一致，则振动体305谐振，其输出信号变大。因此，本实施方式的静电振子300可以用作旁通滤波器或振荡器。此处，振动体305的直径约为1～100μm，厚度约为0.1～10μm，被振动体305激励的伸缩振动的固有频率约为10MHz～1GHz。
在本实施方式中，振动体305形成为从其支撑部305a朝向外缘305b厚度增大的形状，所以能够增加外缘305b和励振电极306相对的面积，振动体305接受的静电力变大，并且振动体305的重量分布偏向靠近外缘305b，所以能够提高相对振动体305的伸缩振动的实效弹性率。因此，可以增加振动体305的伸缩变位量，与以往相比可以提高输出电压相对输入电压的比。
本实施方式的静电振子300在绝缘层302和振动体305及励振电极306之间形成由SiO2、PSG(搀杂磷玻璃)、有机树脂等构成的替化层，在形成振动体305和励振电极306之后，通过蚀刻等去除替化层，从而容易形成静电振子。振动体305和励振电极306除铝和铜等金属以外，也可以利用聚硅等半导体形成。无论在哪种情况下，均可以利用蒸镀法、溅射法、CVD法等成膜技术和光刻法等图形技术形成上述结构。
(第四实施方式)下面，参照图8说明本发明的第四实施方式的静电振子300’。在该实施方式中，对和所述第三实施方式相同的部分赋予相同符号，并省略其详细说明。
该实施方式基本上包括在所述第三实施方式中设置的所有要素，但与第三实施方式的不同之处是还设有与振动体305的阶梯面305c相对配置的第2励振电极307X、307Y。此处，第2励振电极307X与设在振动体305里面(下面)的阶梯面305c相对配置，面向位于该阶梯面305c侧的励振电极306的电极面306a。第2励振电极307Y与设在振动体305表面(上面)的阶梯面305c相对配置，面向位于该阶梯面305c侧的励振电极306的电极面306a。此处，也可以只设置第2励振电极307X、307Y中的任一个。
第2励振电极307X、307Y电连接相同的连接端子(接合焊盘)307A。如图8(b)所示，从设在输入电路310A’的反转电路315向第2励振电极307X、307Y供给与所述励振电极306反相的交流电压(交替电压)。由此如图8(c)所示，可以驱动成在振动体305的外缘305b和励振电极306之间产生静电斥力时，在振动体305的阶梯面305c和第2励振电极307X、307Y之间产生静电引力，在振动体305的外缘305b和励振电极306之间产生静电引力时，在振动体305的阶梯面305c和第2励振电极307X、307Y之间产生静电斥力。因此，用于使振动体305产生伸缩振动的静电力增加，所以能够增加振动体305的伸缩变位量，其结果，可以提高输出电压(输出信号的振幅)，与以往相比可以进一步提高输出电压相对输入电压的比。
在该实施方式中，为了形成第2励振电极307X、307Y，在第2励振电极307X和振动体305之间、以及振动体305和第2励振电极307Y之间分别设置替化层，最后通过蚀刻等去除替化层，由此和第三实施方式相同可以进行制造。
(实施例和比较例的对比)下面，说明上述第三实施方式的实施例、和使用从支撑部305a到外缘305b具有相同厚度的平行板状的振动体替代第三实施方式的振动体305的比较例的对比结果。另外，实施例和比较例的振动体的重量和平均厚度相同。因此，实施例的振动体形成为将比较例的中央侧的部分壁厚去除一定量，把该一定量的壁厚增加在外缘侧的形状。
圆盘型振子的谐振频率f用f＝(α/R)(E/ρ)1/2表示。此处，α表示依赖于振动体的松泊比和振动模式系数，R表示振动体的直径，E表示振动体的拉伸弹性模量，ρ表示振动体的密度。根据该公式可知谐振频率与直径R成反比。
图9是表示实施例和比较例的振动体直径和固有频率的关系的曲线图。实施例和比较例均反映出上述公式，振动频率与直径成反比。并且得知实施例的谐振频率略低于比较例，但在实施例中基本上以数百MHz的高频率振动。此处，振动体的材料是Si，拉伸弹性模量为160Gpa，密度为2500kg/m3。
图10是表示比较例的振动体的直径和厚度与固有频率的关系的曲线图。根据该图可知，在圆盘型振子中，如果减小直径，则固有频率提高，但厚度变化时，固有频率的变化极小。可是，在圆盘型振子的情况下，由于以伸缩模式振动，所以如果直径变小，则伸缩变位量更小，输出电压相对输入电压的比进一步降低。因此，通过使用实施例的结构提高伸缩变位量，具有即使在减小振动体直径的情况下，也能够增大输出电压相对输入电压的比的优点。
图11是在振动体形成为单持梁形状并且以弯曲模式振动的情况下，表示单持梁支撑部其前部的长度和固有频率的关系的曲线图。在弯曲模式的振动体中可以增大振动的变位量，但根据图示可知，固有频率约为数MHz，不适合高频化。
然后，比较了实施例和比较例的伸缩振动时的变位量。其结果如图16和图17所示。图16利用等变位量线表示实施例的变位量分布，图17利用等变位量线表示比较例的变位量分布。此处，振子的材料是Si，拉伸弹性模量为170Gpa，密度为2500kg/m3。实施例和比较例是在相同质量下赋予相同荷重进行振动，并且假定是以相同模式振动，求出变位量分布。如图示所述，图17所示实施例与图16所示比较例相比变位量增大。并且，求出各振子的弹性常数，实施例为643N/m，比较例为1103N/m。在实施例中将弹性常数降低意味着频率降低，但在赋予相同荷重的情况下意味着变位量(振幅)增大。此处，如果向实施例和比较例施加相同的输入电压，由于实施例的外缘305b的面积大于比较例，所以实施例接受的应力(静电力)大于比较例，因此与上述图16和图17所示情况相比，变位量的差进一步增大。
(其他实施方式)图12是表示与上述不同的振动体405的形状的概略立体图。该振动体405可以用来代替上述第三和第四实施方式的振动体。振动体405在从中心支撑部405a到外缘405b之间设置多处(在图示例中为2处)阶梯面405c、405d。这样，重量分布更偏向外缘405b侧，所以能够进一步提高振动时的变位量。
图13是其他不同的振动体505的概略纵剖面图。该振动体505也可以用来代替上述第三和第四实施方式的振动体。在该振动体505中，从由支撑体504支撑的中央支撑部505a朝向外缘505b厚度逐渐增大。这样，重量分布偏向外缘505b侧，并且可以增大外缘505b的面积，所以能够进一步提高振动时的变位量。
图14是表示其他振动体605的概略立体图。该振动体605也可以用来代替上述第三和第四实施方式的振动体。在该振动体605中与上述振动体的不同之处是，由支撑体604支撑的支撑部605a和外缘605b之间仅通过两个梁部605s连接着。该情况时，外缘侧的规定半径位置的厚度平均值大于中心侧的规定半径位置的厚度平均值。两个梁部605s从支撑部605a在彼此相反的一侧延伸，并连接环状外缘605b。
图15是表示另外其他振动体705的概略立体图。该振动体705也可以用来代替上述第三和第四实施方式的振动体。在该振动体705中，由支撑体704支撑的支撑部705a和外缘705b之间通过四个梁部705s连接着。这样，连接支撑部和外缘的梁部可以是任意数量。该情况时，外缘侧的规定半径位置的厚度平均值大于中心侧的规定半径位置的厚度平均值。
另外，本发明的微型机械式静电振子不限于上述图示例，当然可以在不脱离本发明宗旨的范围内进行各种变更。例如，在上述第三和第四实施方式中，振动体的平面形状形成为圆形，但本发明不限于这种平面形状，可以是圆形以外的各种平面形状(椭圆、长圆、矩形等)。并且，在上述第三和第四实施方式中，振动体的中心形成为支撑部，但只要是以伸缩模式振动，振动体可以是单侧支撑等，支撑部可以是偏离振动体的中心的位置。
(第五实施方式)图18是表示本发明的第五实施方式的微型机械式静电振子800的结构的概略纵剖面图(a)和概略俯视图(b)。该微型机械式静电振子800在基板801上形成绝缘层802，在该绝缘层802上形成振子结构体。作为基板801优选单晶硅、GaAs或InP等的化合物半导体等半导体基板，但也可以利用玻璃、石英、陶瓷、合成树脂等其他材料构成。并且，绝缘层802在基板801是绝缘体的情况下不需要，在基板801是半导体或导体的情况下、或者基板801是绝缘体但其表面上具有导体图形等导电体的情况下需要。
振子结构体具有连接在基准电极803上构成的振动体805；与该振动体805相邻配置的励振电极806。基准电极803和振动体805相互电连接，它们利用具有一定程度的导电性的材料例如聚硅等构成。振动体805具有下端被固定在基准电极803上的支撑部805a；与该支撑部805a的上部连接的从动部805b。从动部805b具有在大于支撑部805a的平面范围内扩大的形状。具体而言，从动部805b构成为支撑部805a连接在中心位置(也是重心位置)的板状体。从动部805b具有向以支撑部805a为中心的旋转方向观看时变化的形状，即具有占有使没有形状变化的任意物体旋转时的旋转轨迹的形状即旋转体形状以外的形状。在图示例中，从动部805b形成为椭圆盘状。在该实施方式中，从动部805b形成为被单方支撑在形成为圆柱状的支撑部805a上部的状态。另外，也可以形成与图示例不同的由上下支撑部两方支撑从动部805b的结构。
在该振动体805的两侧(图示左右侧)配置一对励振电极806、806。励振电极806具有沿着振动体805的外缘805c延伸的电极面806a。在图示例中，振动体805的外缘805c形成为呈椭圆弧状延伸的椭圆筒凸面，所以励振电极806的电极面806a形成为与外缘805c的面形状对应的面形状、即呈椭圆弧状延伸的椭圆筒凹面。励振电极806的电极面806a与振动体805的外缘805c中朝向具有以支撑部805a的轴线为中心的形状方向的成分的方向的表面部分相对着。即，励振电极806在相对振动体805分布偏心的位置(从长轴和短轴偏向旋转方向的位置)相对配置。
在图示例的情况下，在基准电极803电连接着连接端子(接合焊盘)803A，在励振电极806电连接着连接端子(接合焊盘)806A。但是，也可以不设置这些连接端子803A、806A，例如使基准电极803和励振电极806在形成于基板801的电路内部电连接。
在本实施方式中，如图18(b)所示，在励振电极806电连接输入电路810A，在基准电极803电连接输出电路810B。输入电路810A用于向励振电极806供给驱动电压，例如设有交流电源811。输出电路810B用于根据基准电极803的电位输出输出电压，例如，具有连接在基准电极803和偏置电位Vb之间的电感器812、连接在基准电极803和输出电位Vo之间的电容813、连接在输出电位Vo和接地电位之间的电阻814。偏置电压Vb用于向基准电极803施加偏置电压。此处，输出电位Vo表示通过电容813的充放电电流和电阻814得到的相当于基准电极803的电位变动的电位变化。
在本实施方式中，根据振动体805和励振电极806的振动特性调制从相当于上述输入电路810A的部分供给的输入信号，并作为可以获得输出电位Vo的高频过滤器而动作。其滤波特性依赖于振动体805的扭曲振动模式的特性。具体而言，根据输入信号在振动体805和励振电极806之间产生静电力，振动体805根据该静电力的变化(方向的交替)进行扭曲振动。在振动体805振动时，振动体805和励振电极806之间的距离变动，两者间的静电电容也变动，根据该静电电容的变动，输出电位Vo进行周期性变化。
图19是表示振动体805的振动方式的说明图(a)和(b)。如图19(a)所示，在从动部805b和励振电极806之间产生静电斥力时，振动体805接受向图示逆时针方向旋转的旋转力矩，产生与其弹性特性相对应的扭曲变位。然后，在从动部805b和励振电极806之间产生静电引力时，振动体805接受向图示顺时针方向旋转的旋转力矩，产生与其弹性特性相对应的扭曲变位。因此，通过在从动部805b和励振电极806之间交替产生静电斥力和静电引力，振动体805进行扭曲振动。
另外，作为使振动体805产生扭曲振动的方法，不限于上述的交替施加静电斥力和静电引力的方法，也可以是周期性地施加静电斥力和静电引力任一种力的方法。并且，在实施方式中，相对振动体805设置一对励振电极806，但也可以只设置一个励振电极，或者可以设置3个以上的励振电极806。
如上所述，在振动体805振动时，如果施加给励振电极806的输入电压的频率和振动体805的扭曲模式的固有频率一致，则振动体805谐振，其输出信号增大。因此，本实施方式的微型机械式静电振子800可以用作旁通滤波器或振荡器。此处，例如，振动体805上部的长轴直径约为10μm，短轴直径为5μm，厚度为2μm，支撑部805a的直径为2μm，长度为5μm，振动体805的构成材料为聚硅时的振动体805的扭曲振动的固有频率约为15～20MHz。
在本实施方式中，使用振动体805的扭曲振动，所以与使用弯曲振动时相比，可以在高频率下振动，并且与使用伸缩振动(纵振动)时相比，可以获得较大的变位量，所以能够使输出电压相对输入电压的比高于以往，能够实现输入电压(驱动电压)的低电压化。特别是通过利用支撑部805a和连接该支撑部805a并且变大的从动部805b构成振动体805，通过静电力接受的旋转力矩变大，可以有效地产生扭曲振动，并且能够增大扭曲振动的变位量，所以能够增大输出电压相对输入电压的比。
在本实施方式中，支撑部805a连接在从动部805b的重心位置，所以从动部805b由支撑部805a支撑的状态稳定，即使在从驱动电极806接受静电力时，也不易产生扭曲方向以外的振动，所以能够以稳定的姿势进行扭曲振动，振动能量的损耗减少。
本实施方式的静电振子800在绝缘层802和振动体805及励振电极806之间形成由SiO2、PSG(搀杂磷玻璃)、有机树脂等构成的替化层，在形成振动体805和励振电极806之后，通过蚀刻等去除替化层，从而容易形成静电振子。振动体805和励振电极806除铝和铜等金属以外，也可以利用聚硅等半导体形成。特别是在利用聚硅构成振动体805和励振电极806的情况下，可以直接适用硅半导体工艺，特别在形成于硅基板上的情况下能够极其容易地制造。无论在哪种情况下，均可以利用蒸镀法、溅射法、CVD法等成膜技术或光刻法等图形技术形成上述结构。
(第六实施方式)下面，参照图20说明本发明的第六实施方式的静电振子900。在该实施方式中，振动体905和驱动电极906以外的结构和所述第五实施方式相同，所以省略其说明。
在该实施方式中，振动体905具有下端被固定的支撑部905a、和与该支撑部905a的上端连接的从动部905b。从动部905b具有从相对支撑部905a的连接部分向周围呈放射状延伸的多个辐状部905s、与这些辐状部905s的前端连接的环状外轮部905c。在图示例中，辐状部905s以90度间隔设有4个。辐状部905s之间形成为在与扭曲振动的振动面正交的方向贯通的开口部905t。
另一方面，励振电极906配置在上述开口部905t的内部。在图示例中，在多个开口部905t分别配置励振电极906。励振电极906在未被施加静电力的初期状态下，被配置在开口部905t中偏向轴线周围的旋转方向任一方的位置，并且相对配置在辐状部905s的侧面905sa。在从动部905b和励振电极906之间产生静电斥力时，振动体905向辐状部905s从励振电极906离开的方向旋转，如图21(a)所示，振动体905向图示逆时针方向扭曲。在从动部905b和励振电极906之间产生静电引力时，振动体905向辐状部905s接近励振电极906的方向旋转，如图21(b)所示，振动体905向图示顺时针方向扭曲。因此，通过在振动体905和励振电极906之间交替地产生静电斥力和静电引力，振动体905进行扭曲振动。
另外，作为使振动体905产生扭曲振动的方法，不限于上述的交替施加静电斥力和静电引力的方法，也可以是周期性地施加静电斥力和静电引力任一种力的方法。并且，在实施方式中，相对振动体905设置4个励振电极906，但励振电极906的数量是任意的。并且，在上述实施方式中仅固定振动体905的一端(下端)，但也可以构成为两端支撑。
在本实施方式中，支撑部905a连接在从动部905b的重心位置，所以从动部905b由支撑部905a支撑的状态稳定，即使在从驱动电极906接受静电力时，也不易产生扭曲方向以外的振动，所以能够以稳定的姿势进行扭曲振动，振动能量的损耗减少。
(振动模式和振子的固有振动频率的关系)下面，说明使用上述第五和第六实施方式的扭曲振动的振子、使用弯曲振动的振子、和使用伸缩振动(纵振动)的振子的关系。
使用扭曲振动的振子的固有频率fb，在振动体形成为长度L的棒状体时用下述公式(1)表示。
fb＝(Bn/2L)(G/ρ)1/2……(1)其中，Bn是利用振动体的棒端的条件和振动次数决定的系数，在两端固定的情况下，Bn＝n＝1、2、3、…，在一端固定另一端自由的情况下，Bn＝n-1/2＝1/2、3/2、5/2、…。另外，G表示G＝E/{2·(1+σ)}(E表示拉伸弹性模量，σ表示松泊比)，ρ表示密度。
另一方面，使用弯曲振动的振子的固有频率fa，在振动体形成为长度L的棒状体时用下述公式(2)表示。
fa＝(An/L2)(El/m)1/2……(2)其中，An是利用振动体的棒端的条件和振动次数决定的系数，在两端固定的情况下，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况下，A1＝1.875、A2＝4.694、A3＝7.855、…(1+coshA·cosA＝0的解)。另外，E表示拉伸弹性模量，l表示振动体的剖面二次力矩，例如在剖面为圆的情况下，l＝Πd4/64(d表示直径)。m表示振动体的截面面积S和密度ρ的积。
另外，使用伸缩振动(纵振动)的振子的固有频率fs，在振动体形成为长度L的棒状体时用下述公式(3)表示。
fs＝(Bn/2L)(E/ρ)1/2……(3)其中，Bn是利用振动体的棒端的条件和振动次数决定的系数，在两端固定的情况下，Bn＝n＝1、2、3、…，在一端固定另一端自由的情况下，Bn＝n-1/2＝1/2、3/2、5/2、…。另外，E表示拉伸弹性模量，ρ表示密度。
比较扭曲振动和弯曲振动，固有振动频率因振动体的长度L的值其大小关系发生变化。具体而言，把L＝Lx＝(2An/Bn)·(2(1+σ)1/S)1/2(S表示振动体的截面面积)作为边界，更换扭曲振动和弯曲振动的固有振动频率的大小。即，振动体的长度L比Lx长时，扭曲振动的固有振动频率增加，振动体的长度L比Lx短时，弯曲振动的固有振动频率增加。在通常的实用范围内，根据长度L和截面面积S的关系，扭曲振动的固有振动频率大于弯曲振动。并且，实际上在弯曲振动中，如果减小L则振动频率增加，但由于振动变位量减小，所以输出电压相对输入电压的比变小。
并且，比较扭曲振动和伸缩振动(纵振动)，两者的固有振动频率的比为[1/{2·(1+σ)}]1/2，经常是扭曲振动具有较低的固有振动频率，但其差微小。另一方面，在扭曲振动中，按上述实施方式那样通过具有支撑部和被放大的从动部的形状等，可以增大振动变位量，但在伸缩振动中振动变位量微小，所以输出电压相对输入电压的比小。
如上所述，在本实施方式中，通过使用扭曲振动模式，可以实现一定程度的高频化，所以能够确保较大的振动变位量，能够增大输出电压相对输入电压的比，实现输入电压的降低。
另外，本发明的微型机械式静电振子不限于上述图示例，当然可以在不脱离本发明技术构思的范围内进行各种变更。例如，在上述第五和第六实施方式中，振动体形成为在圆柱状支撑部上连接板状的接受静电力的部分而构成的结构，但本发明不限于这种平面形状，只要是从动部具有在大于支撑部的范围内扩展的形状即可，例如，可以是具有从连接支撑部的部分向半径方向外侧延伸的棒状从动部的结构。并且，在上述第五和第六实施方式的振动体中，支撑部连接在从动部的重心位置，但也可以使支撑部连接在从从动部的重心位置偏离的位置。另外，在上述第五和第六实施方式中，基本上构成为从动部接受静电力，支撑部进行扭曲变形，但也可以构成为支撑部和从动部一起进行扭曲变形，或者支撑部基本不变形，而主要是从动部进行扭曲变形的结构。
(第七实施方式)图22是表示本发明的第七实施方式的微型机械式静电振子1000的概略纵剖面图，即表示沿(b)所示A-A线的剖面的概略剖面图(a)、概略俯视图(b)、和与上述(a)正交的剖面、即沿(b)所示C-C线的剖面的概略剖面图(c)。
该微型机械式静电振子1000的基本结构是在利用硅基板、玻璃基板、石英基板、陶瓷基板等构成的基板1001上，形成由SiO2、PSG(搀杂磷玻璃)、TiO2、Ta2O5等金属氧化物、Si3N4等氮化硅、丙稀树脂等合成树脂构成的绝缘层1002。绝缘层1002在基板1001是导电体基板或半导体基板时，用于将基板与其上层的导电体之间绝缘。
作为基板1001可以是硅基板，也可以是导电体或半导体，有具有一定程度的导电性的情况和具有类似本征半导体的绝缘性的情况，在属于前者时特别需要绝缘层1002。而在后者的情况下，未必一定需要绝缘层1002。另外，作为基板1001可以使用玻璃基板、石英基板、陶瓷基板等绝缘体，在这种情况下将不需要绝缘层1002。另外，在使用具有绝缘性的基板1001的情况下，在其表面上形成有布线图形等导电膜时，为了确保与上层的绝缘而需要绝缘层1002。作为该绝缘层1002，可以直接使用构成有半导体集成电路的硅基板上的表面被覆用绝缘层。
在绝缘层1002上形成具有由聚硅等构成的电极层1004S和1004M的电极部，即振子结构体1004。此处，电极层1004S的电极1004Sa和电极层1004M的电极1004Ma均以离开下层(绝缘层1002)的状态彼此相对配置。在本实施方式中，向电极层1004S和1004M之间施加规定电压，在电极1004Sa和电极1004Ma之间产生静电力，主要是电极1004Ma向接近和离开电极1004Sa的方向移动。此时，可以构成为电极1004Sa被固定在下层，只有电极1004Ma离开下层的状态。并且，也可以构成为电极1004Sa和1004Ma双方均移动的结构。
而且，在与上述振子结构体1004的形成区域相邻的区域形成绝缘层1003。该绝缘层1003在图示例中设在振子结构体1004的形成区域的一侧，但也可以分别设在该形成区域的两侧。绝缘层1003利用SiO2、PSG(搀杂磷玻璃)、TiO2、Ta2O5等金属氧化物、Si3N4等氮化硅、丙稀树脂等合成树脂构成。绝缘层1003优选利用介电常数低的材料、特别是介电常数低于绝缘层1002的材料构成。为了降低绝缘层1003的介电常数，除利用本质上介电常数较低的材料构成绝缘层1003外，还可以列举利用多孔质材料构成绝缘层1003，或如后面所述设置空间的方法。作为多孔质材料的示例可以列举多孔质二氧化硅，例如中孔性二氧化硅。绝缘层1003的厚度ti优选形成为至少厚于绝缘层1002的厚度。
在绝缘层1003的表面(上面)，延伸形成与所述电极层1004S和1004M电连接的布线部1005SL、1005ML，并且设有与这些布线部1005SL、1005ML电连接的连接端子1005SP、1005MP。这些布线部1005SL、1005ML和连接端子1005SP、1005MP构成所述布线层。布线层优选利用铝等良好的导体构成。
在本实施方式中，在绝缘层1002上形成电极层1004S和1004M，在绝缘层1002上再次层压形成的绝缘层1003上形成布线部1005SL、1005ML的一部分和连接端子1005SP、1005MP，但也可以在绝缘层1003上构成整个布线部1005SL、1005ML，另外按照图22(b)中虚线所示，在绝缘层1003上形成延伸部1003’，由此在绝缘层1003上形成电极层1004S和1004M中除电极1004Sa、1004Ma以外的部分。并且，在本实施方式中，一对轴状电极层1004S和1004M并列地定向配置，但也可以以彼此啮合的状态相对配置类似以往结构的具有梳齿形状的各个电极。
本实施方式的微型机械式静电振子1000，在以上说明的振子结构体1004设置彼此相对的电极1004Sa和1004Ma，为了使这些电极中的至少一方振动，如图示例所述，上述电极中主要振动的一方电极1004Ma成为振动体，另一方电极1004Sa构成为励振电极。但是，也可以设置上述第一～第六实施方式的振动体或从动部来代替所述电极1004Ma，设置上述第一～第六实施方式的励振电极来代替所述电极1004Sa。通过形成这种结构，具有与上述第一～第六实施方式的振动体或励振电极电连接的布线层，布线层和基板的距离大于振动体或励振电极与基板的距离，所以能够降低振子结构体和基板之间的寄生电容。
图23是表示把本实施方式的微型机械式静电振子1000密封在封装体内的状态的概略纵剖面图。该微型机械式静电振子1000通过使所述电极层1004M的电极1004Ma进行机械振动而动作，所以优选收容在利用陶瓷或合成树脂等绝缘材料构成的封装体1011、1012内。特别是为了使电极容易振动，优选使封装体内形成真空状态(真空封装体)。在封装体1011形成内部端子1013S、1013M，和分别与该内部端子1013S、1013M电连接的外部端子1014S、1014M。并且，所述连接端子1005SP、1005MP通过导电金属丝1015等分别电连接内部端子1013S、1013M。
并且，在本实施方式的微型机械式静电振子1000中，通过利用硅基板等构成基板1001，可以在基板1001内设置规定的电路结构(例如半导体集成电路)。该情况时，设置内部端子1016及与其电连接的外部端子1017，可以通过导电金属丝1018等使所述电路结构电连接内部端子1016。这样，可以一体地构成微型机械式静电振子1000和规定的电路结构。另外，该微型机械式静电振子1000可以不按照图示例那样收容在封装体1011、1012中，而可以象表面安装器件(SMD)等那样直接安装在电路基板等上使用。
(制造方法)下面，参照图25说明上述第七实施方式的制造方法。首先，如图25(a)所示，在基板1001的表面上形成绝缘层1002。绝缘层1002可以利用CVD法等直接成膜，或者利用旋转涂覆法、滚涂法、印刷法等涂覆液体状或膏状基体材料，通过加热处理等使其固化。
然后，如图25(b)所示，在绝缘层1002上形成由聚硅等构成的第1导体层1004C’和由SiO2、PSG(搀杂磷玻璃)、有机树脂等构成的第1替化层1004D’。这些层可以使用光刻法等分别构成。然后，在所述第1导体层1004C’上再配置相同的导体材料，在所述第1替化层1004D’上再配置相同的替化材料，由此如图25(c)所示，形成具有由替化层1004D支撑的电极1004Sa、1004Ma(未图示1004Sa)的电极层1004S、1004M。此处，所述各导体层可以利用CVD法或溅射法等形成，所述替化层可以利用溅射法或溶胶-凝胶法等形成。
然后，如图26(a)所示，形成利用由PSG或合成树脂等构成的保护层1006覆盖如上构成的电极结构的状态，如图26(b)所示，利用CVD法或溅射法或溶胶-凝胶法等在与电极形成区域相邻的区域形成绝缘层1003。该绝缘层1003可以利用和所述绝缘层1002相同的方法构成，但在利用多孔质材料构成绝缘层1003的情况下可以使用溶胶-凝胶法。例如，多孔质二氧化硅可以通过涂覆包括烷氧基硅烷等玻璃构成材料的溶液并干燥(使乙醇等溶媒挥发)而构成。
本实施方式的绝缘层1003未形成在所述电极1004Sa、1004Ma动作的动作区域。作为这样选择的绝缘层1003的形成方法，可以使用掩模法、提离法、光刻法等。这样，在基板1001上部分形成绝缘层1003对防止在基板1001上整面形成绝缘层1003时有可能产生的基板1001的翘曲等非常有效。并且，通过使绝缘层1003形成于动作区域的两侧或形成为包围动作区域，在制造工序中可以保护具有在动作区域上构成的可动部分的脆弱的电极结构。
然后，去除所述保护层1006，使用蒸镀法、溅射法等在绝缘层1002、1003的表面上形成铝等导体，利用光刻法等形成图形，如图26(c)所示，形成所述布线层、即布线部1005SL、1005ML及连接端子1005SP、1005MP。最后，利用蚀刻等去除所述替化层1004D，由此形成图22所示的振子结构体。
(作用效果)图27是上述实施方式的微型机械式静电振子的等价电路图。在微型机械式静电振子1000的等价电路中存在位于连接端子1005SP和1005MP之间的静电电容Ca、电感器La、电阻Ra的串联电路，以及与该串联电路并联连接的并联电容(短路电容)Cs。此处，所述串联电路部分是产生静电振子的输入输出特性的部分，并联电容Cs相当于电极1004Sa和1004Ma之间的静电电容的恒定成分。
在本实施方式的微型机械式静电振子中，相对以上的电路结构还并联连接作为电极层1004S、1004M、布线部1005SL、1005ML及连接端子1005SP、1005MP与基板1001之间的静电电容的寄生电容Co。如上所述，由布线部1005SL、1005ML及连接端子1005SP、1005MP构成的布线层配置在与电极1004Sa和1004Ma相比从基板1001离开相当于绝缘层1003的厚度ti(参照图22(c))部分的位置，由此降低上述的寄生电容Co。即，产生于布线层和基板1001之间的静电电容，根据公式C＝εS/t(C表示静电电容，ε表示介电常数，S表示电极面积，t表示电极间距离)，随着电极间距离t增大绝缘层1003的厚度ti部分而变小。并且，如果绝缘层1003的介电常数小于绝缘层1002(相当于权利要求18的绝缘体)的介电常数，该静电电容根据上述公式随着介电常数ε实质上变小而进一步变小。
这样，通过使布线层比电极更远离基板1001，可以减小寄生电容Co，所以分配给电容Co、Cs、Ca的电气能量更多地分配给Cs和Ca。结果，可以增大微型机械式静电振子1000的输出电压，并且可以降低驱动电压。
图28是表示本实施方式的微型机械式静电振子1000的阻抗的频率依赖性的示意曲线图。此处，图示中的双点划线表示本实施方式的阻抗，图示中的虚线表示以往结构的静电振子的阻抗。通过形成上述结构可以减小寄生电容Co，所以本实施方式与以往的结构相比能够降低阻抗。
另外，在上述实施方式中，在绝缘层1002上部分层压绝缘层1003，但也可以限定动作区域来形成绝缘层1002，在与动作区域相邻的区域中直接在基板1001上形成绝缘层1003。并且，也可以在基板1001上形成一体的绝缘层，通过选择性地蚀刻该绝缘层中的形成于动作区域上的部分，来减薄厚度，由此形成和上述实施方式相同的表面阶梯差。
(第八实施方式)图24是表示本发明的第八实施方式的微型机械式静电振子1100的概略纵剖面图。在该实施方式中，基板1101、绝缘层1102、电极层1104S、1104M、电极1104Sa、1104Ma、布线部2005SL、2005ML、连接端子2005SP、2005MP分别和上述第一实施方式相同，所以省略说明。
在该微型机械式静电振子1100中，和上述第七实施方式相同的是在绝缘层1103上构成由布线部1105SL、1105ML和连接端子1105SP、1105MP构成的布线层。但是，在绝缘层1103的内部设置空间1103a。因此，布线层和基板1101之间的电介质的实质介电常数比绝缘层1003的介电常数进一步降低相当于空间1103a的厚度部分的成分，所以布线层和基板1101之间的静电电容也进一步降低。因此，可以进一步降低上述静电电容Co。
上述空间1103a例如在形成绝缘层1103的第1层后，形成未图示的替化层(可以由聚硅、PSG、有机树脂等构成)，在该替化层上再形成绝缘层1103的第2层，然后通过蚀刻等去除上述替化层而构成。
在本实施方式中，上述空间形成于绝缘层1103的内部，但本发明不限于这种方式，也可以在绝缘层1103和布线层之间设置空间，或在绝缘层1103和绝缘层1102之间设置空间等，只要是在布线层和基板1101之间均可设置空间。
(第九实施方式)图29是表示本发明的第九实施方式的微型机械式静电振子的纵剖面图。该微型机械式静电振子1200在由玻璃、石英、陶瓷等绝缘体构成的基板1201上具有振子结构体，该振子结构体包括输出电极1203、与该输出电极1203电连接的支撑部1204、由支撑部1204支撑的并与其电连接的振动体1205、在该振动体1205的两侧与振动体1205的外缘相对配置的一对励振电极1207、1207。另外，在该实施方式中，在基板1201上构成的振子结构体和上述第一实施方式相同，所以省略所述振子结构体的详细说明。
在本实施方式中，基板1201由绝缘体构成，所以在上述振子结构体和基板1201之间不会产生寄生电容，因此能够防止起因于寄生电容的输出电压的降低和能量效率的降低。这一点与上述第七和第八实施方式中的说明相同，所以省略其详细说明。但是，在本实施方式中，通过利用绝缘体构成基板1201，不是象上述第七和第八实施方式那样降低与基板之间的寄生电容，而是几乎不产生该寄生电容，这一点将形成更有效的结构。特别是通过利用玻璃构成基板1201，可以廉价地购买到基板材料，并且容易实施制造时的各种处理，所以能够降低制造成本。
(第十实施方式)图30是表示本发明的第十实施方式的微型机械式静电振子的纵剖面图。该微型机械式静电振子1300在由玻璃、石英、陶瓷等绝缘体构成的基板1301上具有振子结构体，该振子结构体包括基准电极1303、与该基准电极1303电连接的支撑部1304、由支撑部1304支撑的并与其电连接的振动体1305、在该振动体1305的两侧与振动体1305的外缘相对配置的一对励振电极1307、1307。另外，在该实施方式中，在基板1301上构成的振子结构体和上述第三实施方式相同，所以省略所述振子结构体的详细说明。
在本实施方式中，基板1301由绝缘体构成，所以在上述振子结构体和基板1301之间不会产生寄生电容，因此能够防止起因于寄生电容的输出电压的降低和能量效率的降低。这一点与上述第九实施方式相同。并且，通过利用玻璃构成基板1301，可以廉价地购买到基板材料，并且容易实施制造时的各种处理，所以能够降低制造成本。
另外，在上述的第二、第四～第八实施方式中，与上述的第九及第十实施方式相同，可以利用绝缘体构成其基板。在这些情况下，不需要形成于基板上的绝缘层。但是，基于其他目的例如将基板平面平滑化的目的、提高在基板上构成的上述制造结构体的紧密接触性的目的等，并不妨碍在由绝缘体构成的基板上形成该绝缘层。
(第十一实施方式)图31和图32是表示本发明的第十一实施方式的微型机械式静电振子的制造方法的工序图。此处，本实施方式表示制造上述第九实施方式的微型机械式静电振子1200时的情况，在图31和图32中，对和图29所示部分相同的部分赋予相同符号。并且，在以下说明中以使用SOI(硅绝缘体)基板1260制造微型机械式静电振子1200时的情况为例进行说明，但通过在硅基板1261上形成绝缘膜和聚硅(p-SiO)膜，可以按照和使用SOI基板1260时大致相同的工序进行制造。
在本实施方式中，如图31(a)所示，使用在硅基板1261上顺序形成作为绝缘膜的由二氧化硅(SiO2)构成的绝缘膜1262、和利用减压气相生长(减压CVD(Chemica 1 Vapor deposition))法形成并作为其半导体层的硅层1263的SOI基板1260。所述硅基板1261的两面进行了研磨，厚度约为500μm。并且，绝缘膜1262的厚度约为0.1μm，硅层1263的厚度约为10～20μm。
首先，沿着形成于图31(a)所示的SOI基板1260的硅层1263的整个上面涂覆光致抗蚀剂(未图示)，对该光致抗蚀剂进行曝光处理和显影处理，形成规定形状的抗蚀剂图形。在通过该处理形成的抗蚀剂图形中，在图29所示的振子结构体的形成区域形成开口部。更具体讲，在用于形成振动体1205和励振电极1207的区域形成开口部。但是，不在用于形成输出电极1203和支撑部1204的区域形成开口部。
然后，把该抗蚀剂图形作为掩模，对SOI基板1260的硅层1263进行蚀刻处理，把硅层1263去除约数μm。在蚀刻处理结束后，按照图31(b)所示，在硅层1263中用于形成振动体1205和励振电极1207的区域形成凹部1263a。但是，不去除用于形成电极1203和支撑部1204的部位的硅层1263的区域1263b而保留。然后，去除形成于硅层1263上的抗蚀剂图形。以上构成所述凹部形成工序。
另外，在上述工序中，不是通过蚀刻形成凹部1263a，而是按照图31(a)中虚线所示，反复层压被图形化的硅层。由此，可以形成包括图31(b)所示的凹部1263a的表面结构。
然后，将形成于SOI基板1260的硅层1263和由玻璃等构成的基板1201的表面相对着通过阳极接合进行接合。此处所谓阳极接合是指把玻璃等绝缘基板和硅基板或金属等紧密接合的方法，是将重合的基板加热并且以硅基板为阳极向两者之间施加高电压，由此产生电气双层并通过静电引力接合各个基板的方法。在使用玻璃基板作为基板1201的情况下，将加热进行到玻璃基板软化的程度。通过使用这种阳极接合，如图31(c)所示，在基板1201上接合SOI基板1260。另外，在对SOI基板1260和基板1201进行阳极接合时，优选在基板1201上预先形成电极，使该电极和用于形成硅层1263的所述输出电极1203或励振电极1207的部位电连接。以上是所述的基板接合工序。
在以上工序结束后，进行接合在基板1201上的SOI基板1260的薄板化。在该处理中，把SOI基板1260的绝缘膜1262用作蚀刻阻止层，通过蚀刻去除硅基板1261。关于此时的蚀刻可以使用湿式蚀刻和干式蚀刻任一种方式。在采用干式蚀刻的情况下，例如可以利用电感耦合等离子(ICP)等。另外，优选在该蚀刻之前，磨削(粗研磨)硅基板1261直到露出绝缘膜1262之前，然后进行上述蚀刻去除剩余的硅基板1261。这样，可以缩短处理时间，提高生产性。硅基板1261的磨削优选使用CMP法(化学机械研磨法)。
在去除硅基板1201后，如图32(a)所示，获得在基板1201上形成硅层1263和绝缘膜1262的状态。然后，沿着形成于基板1201上的绝缘膜1262整面涂覆光致抗蚀剂(未图示)，对该光致抗蚀剂进行曝光处理和显影处理，形成规定形状的抗蚀剂图形。然后，把该抗蚀剂图形作为掩模，对绝缘膜1262进行蚀刻处理，如图32(b)所示，形成D-RIE(Deep Reactiv Ion Etching)用掩模。在结束掩模的形成后，去除形成于绝缘膜1262上的抗蚀剂图形。
在以上工序结束后，把绝缘膜1262作为掩模，利用D-RIE进行硅层1263的蚀刻，如图32(c)所示，在基板1201上形成输出电极1203、支撑部1204、振动体1205和励振电极1207。以上是所述的振子形成工序。在结束以上工序后，相当于图31(b)所示的上述凹部1263a的部分成为振动体1205和励振电极1207与基板1201之间的空隙，形成图29所示的微型机械式静电振子1200。
(第十二实施方式)下面，说明本发明的第十二实施方式的微型机械式静电振子的制造方法。图33是表示本实施方式的微型机械式静电振子的制造方法的一部分的工序图。另外，在图33中对和图29所示部分对应的部分在同一符号后面附加’。该第十二实施方式也和上述第十一实施方式相同，表示制造相当于上述第九实施方式的微型机械式静电振子1200的示例。因此，和上述第十一实施方式相同，也可以适用于制造其他实施方式的微型机械式静电振子。并且，和上述第十一实施方式相同，在以下说明中以使用SOI基板1260’制造的情况为例进行说明，但通过在硅基板1261’上形成绝缘膜和聚硅(p-SiO)膜，可以按照和使用SOI基板1260’时大致相同的工序进行制造。
在本实施方式中，首先如图33(a)所示，沿着基板1201’的整个表面涂覆光致抗蚀剂(未图示)，对该光致抗蚀剂进行曝光处理和显影处理，形成规定形状的抗蚀剂图形。在通过该处理形成的抗蚀剂图形中，在与用于形成在后面工序中胶接的SOI基板1260’的振子结构体(振动体1205’和励振电极1207’)的位置相对的部分形成开口。
然后，把该抗蚀剂图形作为掩模，对基板1201’的表面进行蚀刻处理，把基板1201’的表面去除约数μm。另外，不去除与用于形成支撑部1204’的部位接合的部位1201b’而保留。在完成蚀刻处理后，去除形成于基板1201’上的抗蚀剂图形后，在所述部位1201b’形成输出电极1203’。该输出电极1203’可以利用铝等金属或聚硅等的半导体等构成。
然后，将形成于SOI基板1260’的硅层1263’和基板1201’的表面相对着通过阳极接合进行接合。通过这种阳极接合，如图33(b)所示，在基板1201’上接合SOI基板1260’。另外，在本实施方式中，在对SOI基板1260’和基板1201进行阳极接合时，优选将在基板1201上形成的输出电极1203’或其他布线等与硅层1263部位电连接。
在结束基板1201’和SOI基板1260’的接合后，和上述实施方式相同，进行去除SOI基板1260’的硅基板1261’的工序、使用绝缘膜1262’形成D-RIE掩模的工序、以及把绝缘膜1262作为掩模进行使用D-RIE的蚀刻工序，由此如图33(c)所示，形成振动体1205’和励振电极1207’，最终构成和上述图29所示的微型机械式静电振子1200等效的结构。
如上所述，在本实施方式中，把绝缘体的基板1201、1201’的表面和SOI基板1260、1260’的硅膜(活性层)1263、1263’相对着接合，对SOI基板1260、1260’实施处理加工，形成振子结构体，所以能够低成本地有效制造这些振子结构体和基板1201、1201’之间不产生寄生电容的微型机械式静电振子1200。
并且，在接合SOI基板1260、1260’和基板1201、1201’之前，通过蚀刻去除形成于SOI基板1260、1260’的硅层1263、1263’或基板1201、1201’的表面，形成凹部1263a、1201a’，利用这些凹部，可以极其容易地在振动体1205、1205’和基板1201、1201’之间设置空隙。并且，通过使用玻璃基板作为绝缘体的基板，能够以较低的制造成本获得高性能的微型机械式静电振子。
权利要求
1.一种微型机械式静电振子，具有板状振动体；分别相对配置在该振动体的两侧并且相对所述振动体的外周部具有空隙的一对励振电极；用于向该一对励振电极施加同相交流电的供电单元；获得与所述振动体和所述励振电极之间的静电电容的变化对应的输出的检测单元，其特征在于，所述振动体的平面形状形成为具有包括中间变细的曲线状轮廓的形状。
2.根据权利要求1所述的微型机械式静电振子，其特征在于，所述振动体的平面形状轮廓由圆弧部、和两端平滑地连接该圆弧部的中间变细部构成。
3.根据权利要求1或2所述的微型机械式静电振子，其特征在于，所述振动体由形成于基板上的支撑部支撑，并构成为在所述支撑部的周围扩大的形状。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的微型机械式静电振子，其特征在于，所述振动体由在作为所述基板的硅基板上构成的硅层或硅化合物层构成。
5.一种微型机械式静电振子，其构成为具有由支撑部支撑的振动体和与该振动体的外缘相对配置的励振电极，能够输出与所述振动体的振动变位对应的信号，并且由产生于所述振动体和所述励振电极之间的静电力使所述振动体以伸缩模式振动，其特征在于，所述振动体具有从所述支撑部越是向所述外缘其厚度越增大的形状。
6.根据权利要求5所述的微型机械式静电振子，其特征在于，所述振动体具有朝向所述外缘的相反侧的阶梯面，具有与该阶梯面相对的第2励振电极。
7.根据权利要求5或6所述的微型机械式静电振子，其特征在于，所述振动体是其中央部被支撑的板状体。
8.根据权利要求7所述的微型机械式静电振子，其特征在于，在夹着所述振动体的两侧配置一对所述励振电极。
9.根据权利要求5～8中任一项所述的微型机械式静电振子，其特征在于，所述支撑部形成于基板上。
10.一种微型机械式静电振子，具有振动体和与该振动体相邻配置的励振电极，其特征在于，所述振动体具有一端被固定的支撑部；和连接在该支撑部的另一端，并且在大于所述支撑部的范围扩大的从动部，所述从动部具有向以所述支撑部为中心的旋转方向观看时发生变化的形状，所述励振电极具有与所述从动部的一表面相对配置的电极面，该表面朝向具有以所述支撑部为中心的旋转方向的成分的方向，所述振动体基于其与所述驱动电极之间产生的静电力进行扭曲振动。
11.根据权利要求10所述的微型机械式静电振子，其特征在于，所述从动部的外缘是非圆形，所述励振电极的所述电极面与所述从动部的所述外缘相对配置。
12.根据权利要求10或11所述的微型机械式静电振子，其特征在于，所述从动部具有在与以所述轴线为中心的旋转方向正交的方向贯通的开口部，所述励振电极的所述电极面与所述开口部的开口缘部相对配置。
13.根据权利要求10～12中任一项所述的微型机械式静电振子，其特征在于，所述支撑部连接在所述从动部的重心位置。
14.根据权利要求10～13中任一项所述的微型机械式静电振子，其特征在于，在所述支撑部的周围配置多个所述励振电极。
15.根据权利要求10～14中任一项所述的微型机械式静电振子，其特征在于，所述支撑部被设在基板上。
16.根据权利要求3、4、9或15所述的微型机械式静电振子，其特征在于，具有与所述振动体或所述励振电极电连接的布线层，所述布线层与所述基板的距离大于所述振动体或所述励振电极与所述基板的距离。
17.根据权利要求16所述的微型机械式静电振子，其特征在于，所述布线层形成在具有比所述振动体或所述励振电极的形成表面更远离所述基板的表面的绝缘层上。
18.根据权利要求17所述的微型机械式静电振子，其特征在于，所述振动体或所述励振电极构成在形成于所述基板上的绝缘体表面上，所述绝缘层具有低于所述绝缘体的介电常数。
19.一种微型机械式静电振子，具有基板、和配置在该基板上的其中至少一个构成为可动的多个电极，其特征在于，具有电连接所述电极的布线层，基于由设在该布线层与所述基板之间的绝缘层所构成的阶梯差，使所述布线层与所述基板的距离大于所述电极与所述基板的距离。
20.根据权利要求17～19中任一项所述的微型机械式静电振子，其特征在于，所述绝缘层是多孔质膜。
21.根据权利要求16～20中任一项所述的微型机械式静电振子，其特征在于，在所述布线层与所述基板之间设有空间。
22.根据权利要求3、4、9或15所述的微型机械式静电振子，其特征在于，所述基板是由绝缘体构成的基板。
23.根据权利要求22所述的微型机械式静电振子，其特征在于，所述基板由玻璃构成。
24.一种微型机械式静电振子的制造方法，该微型机械式静电振子具有基板、设在所述基板上的振动体、和与所述振动体相对配置的励振电极，其特征在于，包括在由绝缘体构成的第1基板和表面具有活性层的第2基板的至少任一方的表面上形成凹部的凹部形成工序；将所述第1基板的表面和所述第2基板的表面相对对接的基板接合工序；对所述第2基板进行保留所述活性层的至少一部分的规定加工，在所述第1基板上形成所述振动体和所述励振电极的振子形成工序。
25.根据权利要求24所述的微型机械式静电振子的制造方法，其特征在于，所述第1基板由玻璃构成。
26.根据权利要求24或25所述的微型机械式静电振子的制造方法，其特征在于，所述振子形成工序包括使与所述第1基板接合的所述第2基板变薄到规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层的至少一部分的状态蚀刻成规定形状的蚀刻工序。
27.根据权利要求26所述的微型机械式静电振子的制造方法，其特征在于，所述第2基板具有硅基板、形成在该硅基板上的绝缘膜和形成在该绝缘膜上的所述活性层，所述薄板化工序是通过对所述第2基板所包括的所述硅基板进行研磨处理和蚀刻处理的至少一种处理来去除所述硅基板的工序。
全文摘要
本发明提供一种微型机械式静电振子(100)，其具有板状振动体(105)；分别相对配置在振动体的两侧并且相对振动体的外周部具有空隙(106)的一对电极(107、107)；向该一对电极施加同相交流电力的供电单元(110)；获得与振动体和电极之间的静电电容的变化对应的输出的检测单元(103、120)，其特征在于，振动体的平面形状形成为具有包括中间变细的曲线状轮廓部的形状。与以往技术相比，本发明的微型机械式静电振子容易实现高频化、能够增大输出电压相对输入电压的比、并可以降低驱动电压和节省电力。
文档编号H03H9/10GK1625046SQ20041009558
公开日2005年6月8日 申请日期2004年12月2日 优先权日2003年12月4日
发明者木原竜儿, 中岛卓哉, 古畑诚 申请人:精工爱普生株式会社