CN1461103A - 复合材料振荡器件 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种复合材料振荡器件，包括一个振动部件、至少三个反射层和支撑件。所述振动部件用做振动发生源，由具有第一声阻抗Z1的材料制成。所述至少三个反射层分别配置在振动部件三个方向的外表面上，由具有小于第一声阻抗Z1的第二声阻抗Z2的材料制成。支撑件配置在振动部件上与反射层相对的表面，由具有大于第二声阻抗Z2的第三声阻抗Z3的材料制成。由振动部件传播到反射层的振动在反射层和相应支撑件之界面产生反射。

Description

复合材料振荡器件

技术领域

本发明涉及由一些具有不同声阻抗的材料所组成的复合材料振荡器件，尤其涉及在压电元件等振动部件上复合一些具有不同声阻抗材料层的复合材料振荡器件。本发明进一步涉及由不同声阻抗材料所组成的复合材料振荡器件的制造方法，尤其涉及可在不同材料层的界面反射振动部件所产生的振动并从而可使振荡局限于界面某一区域内的复合材料振荡器件的制造方法。

背景技术

在按现有技术的压电谐振器或压电过滤器等压电振荡器件中，广泛采用在压电振动部件的上下表面上压合外衬层的结构。在这种情况下，必须在衬层中形成压电元件的容许压电振荡区。这样，在外衬层压合到压电元件上之前，可供选择的腔室形成方法包括：在欲压合外衬层面向压电元件一侧的表面上形成用于构成腔室的凹陷区，或者在压合区的适当位置预先形成相应的腔室。

如上所述，在按现有技术的层压式压电谐振器中，必须形成容许压电振动的腔室。从而，难于减小器件的尺寸和降低生产成本。

日本未审查专利申请NO.10-270979中公开了一种没有腔室的层压结构堆积式声波过滤器。如图13所示，在堆积式声波过滤器211中，压电过滤器包括位于基衬212之上的许多薄膜层。

也就是说在这种层压结构中，为构成压电谐振器，形成了压电层213和分别配置在压电层213上下表面的电极214和215。

由硅和多晶硅等材料制成的薄膜配置在压电谐振器的下表面，以形成包括顶层216、中层217和底层218的迭层结构声镜219。同时，在压电谐振器的上表面也形成具有类似迭层结构的另一声镜220，在声镜220的上边形成一个钝化保护层221。

在声镜219中，设定中层217的声阻抗大于顶层216和底层218的声阻抗。同样，在声镜220中，设定中层的声阻抗大于顶层和底层的声阻抗。

在堆积式声波过滤器211中，声镜219和220配置在压电谐振器部分中，从而可使由压电谐振器发出的振动被反射回压电谐振器。这样，采用基衬212的上述机械结构不会影响压电谐振器的共振特性。

在图13所示的堆积式声波过滤器211中，声镜219和220可对压电谐振器产生的振动进行反射。在声镜219和220中，顶层和底层分别配置在中层的上下表面，且中层的声阻抗设定为大于顶层和底层的声阻抗。这样，声镜219和220必须要包含多个材料层。在这种堆积式声波过滤器211中，虽然无须形成腔室，但需要有多个材料层，因此难于获得紧凑的器件尺寸特别是较小的高度尺寸。同时，其制造过程也比较复杂。此外，在这种堆积式声波过滤器211中，压电谐振器的侧向振动也进行传播，交替传播的振动在压电谐振器的侧面部分将受到阻尼。因此，压电谐振器的侧面部分是固定的，从而使压电谐振器的振动特性因受到支撑结构的影响而降低。

发明内容

为解决现有技术中的上述问题，本发明的一方面内容是提供一种价格不太昂贵、结构紧凑、和特别是侧高较低的复合材料振荡器件，在所提供的器件中，采用简单的支撑结构但又不会对振动部件的振动特性产生影响。

按本发明的复合材料振荡器件包括：一个由具有第一声阻抗Z1的材料制成的用做振荡发生源的振动部件；至少三个由第二声阻抗Z2的材料制成的反射层，所述第二声阻抗Z2小于第一声阻抗Z1，所述反射层配置在所述振动部件的至少三个方向上的相应外表面。所述复合材料振荡器件进一步包括由第三声阻抗Z3的材料制成的支撑件，所述第三声阻抗Z3大于第二声阻抗Z2，所述支撑件配置在振动部件上与反射层相对的表面。由振动部件向反射层传播的振动在反射层与相应的支撑件之间的界面产生反射。

根据本发明，由振动部件向反射层传播的振动在反射层与相应支撑件之间的界面产生反射。在这种结构安排下，振动部件发生的振动被局限于界面的某些区域之内。这样，本发明复合材料振荡器件可由支撑件进行支撑，可采用相对简单的支撑结构而不防碍振动部件所产生的振动。因此，无须形成振动部件产生振动所需的腔室，从而可减小器件尺寸和降低生产成本。此外，由于设定声阻抗Z2小于声阻抗Z1和Z3以使界面对振动产生反射，因此振动部件的振动模式将不受局限。这样，可便于提供具有不同振动模式的复合材料振荡器件。振动部件的形状最好为长方体或立方体，使反射层可配置在振动部件的至少三个外表面上。这样，复合材料振荡器件可利用振动部件至少三个方向中的一个外表面进行支撑。

第二声阻抗Z2与第一声阻抗Z1之比Z2/Z1最好为0.2或小于0.2。这可进一步保证由振动部件向反射层传播的振动在反射层与相应的支撑件间的界面得到反射。

在反射层中传播的由振动部件向支撑件的振动最好在反射层与相应支撑件间的界面得到反射，传播振动的振幅方向最好与传播方向垂直。与振幅方向与传播方向相互平行的情况比较起来，这样做将使反射层的厚度减少。

在本发明中，虽然采用的振动部件没有特定局限，但最好选用机电耦合转换器件。进一步说，所述机电耦合转换器件最好为压电或电致伸缩器件。

每个反射层可包含多个具有不同声阻抗的材料层。在这种情况下，通过选择多个材料层的声阻抗，可便于调节反射层的声阻抗。

反射层与振动部件间的界面到反射层与相应支撑件间界面之间的距离范围为n.λ/4±λ/8(n为奇数)，这里λ为响应振动部件的振动在反射层中向支撑件传播的振动波长。这样将使传播的振动在上述界面得到更有效的反射，从而进一步减少支撑对振动部件的影响。

支撑件最好具有构成电容器的多个电容电极。这样，支撑件可用于构成电容器。振动部件与电容器的综合可提供小型的振荡器。

本发明还提供了一种包含多个具有不同声阻抗材料层的复合材料振荡器件的制造方法。在这方面，按本发明的复合材料振荡器件的结构包括与平板振动部件相连的基衬和位于它们之间的反射层。反射层的声阻抗Z2设定为小于振动部件的声阻抗Z1和支撑基衬层的声阻抗Z3。这样，由振动部件传播的振动在反射层与相应支撑基衬层间的界面得到反射。从而可利用支撑基衬层进行机械支撑，而不影响振动部件的振动特性。

本发明提供了一种包含多个具有不同声阻抗材料层的复合材料振荡器件的制造方法。所述制造方法包括：具有第一声阻抗Z1的平板振动部件和具有第三声阻抗Z3的支撑基衬层的制备步骤，以及将液体材料涂附在振动部件或支撑基衬层的一个表面以形成适当厚度反射层的步骤。液体材料在凝固后将成为具有第二声阻抗Z2的反射层，第二声阻抗Z2小于第一和第三声阻抗。所述制造方法进一步包括液体材料的凝固步骤，以及在液体材料凝固前或凝固后将振动部件、支撑件与它们之间的液体材料进行相互压合的步骤。这样，可保证形成具有预定厚度的反射层。

液体材料的涂附方式如下：在振动部件或支撑基衬层的一个表面形成相应于液体材料涂附厚度的条状凸起部分，然后将液体材料涂附在条状凸起所包围的区域内。将液体材料涂附在高度相应于涂附厚度的凸起部分所包围的区域内，这样有助于高精度控制涂附液体材料的厚度。从而，可形成具有相当精确厚度的反射层。

条状凸起部分最好采用同样材料与振动部件或支撑基衬层整体形成。在这种情况下，无须另外分别制备条状凸起部分。只制备带有条状凸起的振动部件或支撑基衬层，有助于形成具有精确厚度的反射层。

液体材料的涂附也可采用另一种方式：在支撑基衬层的一个表面形成深度与涂附液体厚度相应的凹陷部分，然后将液体材料涂附在所述的凹陷部分。因为液体材料涂附在凹陷部分，可按凹陷部分的深度来精确控制涂附液体材料的厚度。这样，可形成具有精确厚度的反射层。

在涂附液体材料的步骤中，液体材料中可包含尺度与反射层厚度相同的球形或柱状物质，在液体材料凝固前使振动部件与液体材料压合，然后液体材料才凝固。在这种情况下，由于振动部件和支撑基衬层与包含球形或柱状物质的液体材料相互压合，可形成厚度与球形或柱状物质尺寸相同的反射层。这样，可获得具有精确厚度的反射层。

在振动部件或支撑件其中之一上涂附液体材料时，液体材料的凝固步骤可先于振动部件与支撑件的压合步骤。

在振动部件或支撑件其中之一上涂附液体材料时，液体材料的凝固步骤可在振动部件与支撑件的压合步骤之后进行。也就是说，液体材料的凝固可在压合之前或压合之后进行。

本发明提供了一种包含多个不同声阻抗材料层的复合材料振荡器件的制造方法。所述方法包括具有第一声阻抗Z1的平板振动部件和具有第三声阻抗Z3的支撑基衬层的制备步骤，以及具有小于第一和第三声阻抗Z1和Z3的第二声阻抗Z2的平板形反射层的制备步骤。所述方法进一步包括对平板形反射层进行处理以使其具有预期厚度的步骤，以及使振动部件和支撑基衬层与具有预期厚度的反射层压合的步骤。

如上所述，本发明可提供包括具有较高精度反射层的复合材料振荡器件。

在本发明中，虽然在选用振动部件没有特定的局限性，只要它可作为振动的发生源就行，但最好选用机电耦合转换器件作为振动部件。这种机电耦合转换器件包括压电器件和电致伸缩器件。

附图说明

图1为部件分解视图，示出了根据本发明第一实施例的复合材料振荡器件；

图2透视图表明了根据本发明第一实施例的复合材料振荡器件；

图3为根据本发明第一实施例的复合材料振荡器件的纵向剖视图；

图4曲线表明声阻抗比Z2/Z1变化时根据本发明第一实施例的复合材料振荡器件的共振频率变化率；

图5曲线表明声阻抗比Z2/Z3变化时根据本发明第一实施例的复合材料振荡器件的共振频率变化率；

图6曲线表明反射层厚度变化时复合材料振荡器件的相对带宽比的变化；

图7曲线表明反射层厚度变化时复合材料振荡器件的共振频率变化率；

图8部件分解视图表明按本发明第二实施例的复合材料振荡器件；

图9透视图表明第二实施例复合材料振荡器件的外形；

图10部件分解视图表明按第二实施例变型的复合材料振荡器件；

图11透视图表明按第二实施例变型的复合材料振荡器件外形；

图12剖视图表明了变型反射层；

图13剖视图表明了相关技术的堆积式声波过滤器；

图14a-14c为前剖面图，分别表明了按本发明一个实施例的制造方法；

图15为压电谐振器的部件分解视图，表明了按本发明制造的复合材料振荡器件的一个示例；

图16为压电谐振器的透视图，表明了按本发明制造的复合材料振荡器件一个示例的外形；

图17为前向部分剖视示意图，表明图16压电谐振器中的移动分布；

图18曲线表明声阻抗比Z2/Z1变化时按实施例的复合材料振荡器件的共振频率变化率；

图19曲线表明声阻抗比Z2/Z3变化时按实施例的复合材料振荡器件的共振频率变化率；

图20a-20c为前向剖视图，分别表明按本发明另外实施例的制造方法；

图21a-21d为前向剖视图，分别表明按本发明另外实施例的制造方法；

图22a-22c为前向剖视图，分别表明按本发明另外实施例的制造方法；

图23a-23c为前向剖视图，分别表明按本发明另外实施例的制造方法；以及

图24为前向剖视图，分别表明按本发明另外实施例的制造方法。

具体实施方式

以下，将参阅附图详述本发明的具体实施方式，从而可更清晰地了解本发明。

图1部件分解视图表明了按本发明第一实施例的复合材料振荡器件，图2透视图表明了其外形，图3为其纵向剖视图。

如图1所示，在按本实施例的复合材料振荡器件1中，压电谐振器2被用做振动部件。压电谐振器2的结构为矩形的锆钛酸铅压电陶瓷片。陶瓷片在其厚度方向被极化。在陶瓷片的上下表面配置有激励电极11和12。在激励电极11和12上加以交流电压将使压电谐振器2受到厚度伸展振荡模式的激励。陶瓷片的声阻抗Z1为18.8×10⁶N.s.m^-3。

此外，第一和第二反射层3和4分别与压电谐振器2的相应端部相结合，第一和第二支撑件5和6与反射层3和4的相应外端相结合。在本实施例中，谐振器2、反射层3和4与支撑件5和6构成一个长条结构7 。

虽然在反射层3和4的选用材料上没有特定的局限性，但在本实施例中，反射层3和4采用了环氧树脂材料。反射层3和4的声阻抗Z2设定为1.2×10⁶N.s.m^-3。在本实施例中，支撑件5和6采用陶瓷，其声阻抗Z3也设定为18.8×10⁶N.s.m^-3。

配置在压电谐振器2上表面的激励电极11形成在结构7的上表面上并在纵向上延伸到其端边，它在电气上与配置在复合材料振荡器件1一个端面上的外电极13相连。

与此类似，配置在结构7下表面的激励电极12也纵向延伸到其端边，并在电气上与下述的外电极14相连。

第三反射层8配置在结构7的下表面。反射层8采用与反射层3和4同样的环氧树脂，因此反射层8的声阻抗Z2也为1.2×10⁶N.s.m^-3。然而，反射层8的声阻抗并不一定必须与反射层3和4的声阻抗相同。

第三支撑件9堆积在反射层8的下表面。在本实施例中，支撑件9由陶瓷制作，其声阻抗Z3为18.8×10⁶N.s.m^-3。

支撑件9为矩形平板，电容电极15和16分别配置在其上下表面。电容电极17配置在支撑件9下表面的中部并与电容电极15和16相对，使支撑件9位于它们之间。电容电极15、16和17在支撑件9中构成一个电容器。

由绝缘树脂制作的保护膜18堆积在上述结构7的上表面，其作用在于保护激励电极11，从而改善其在潮湿情况下的阻抗性质。用于制作保护膜18的绝缘树脂并无特定的局限性，但最好采用硅树脂等具有良好柔韧性的材料，以使压电谐振器2可更好地进行振动。

如图3所示，外电极13和14配置在复合材料振荡器件1的相应侧面。外电极13和14不但要与复合材料振荡器件1的侧面接触，同时还要与其底面接触。这样，便于利用底面将复合材料振荡器件1安装在印刷电路板等器件的表面上。在这种情况下，外电极13和14以及电容电极17可同外界相连，从而使复合材料振荡器件1可作为三端内置电容式压电振荡器进行工作。

在本实施例的复合材料振荡器件1中，第一和第二反射层3和4与作为振动部件的压电谐振器2的两个侧面相连结，第三反射层8与复合材料振荡期间1的底面相连结。支撑件5、6和9分别与相应的表面相连结，其连结面同反射层3、4和8与压电谐振器2的连结面相对。也就是说，没有配置压电谐振器2的允振腔。由于无须配置允振腔，从而可使复合材料振荡器件1的尺寸减小、成本降低。

可去掉允振腔的原因在于，反射层3、4和8的声阻抗Z2小于构成压电谐振器2及支撑件5、6和9的材料的声阻抗Z1和Z3。下面还将结合实验例对此进行具体说明。

复合材料振荡器件1按下述条件制造。压电谐振器2采用上述锆钛酸铅陶瓷片并按结构7进行制造，其宽度为0.5毫米，厚度为0.15毫米。压电谐振器2本身的谐振频率为8MHZ。反射层3和4的厚度为0.040毫米。也就是说，压电谐振器2与反射层3间的界面到反射层3与支撑件5间的界面之间的距离为0.040毫米，压电谐振器2与反射层4的界面到反射层4与支撑件6界面间的距离为0.040毫米。支撑件5和6在结构7的纵向长度尺寸为0.635毫米。这样结构7的长度为2毫米，宽度为0.5毫米，厚度为0.15毫米。

反射层8的厚度即压电谐振器2与反射层8间界面到反射层8与支撑件9间界面的距离为0.040毫米。支撑件9的厚度为0.1毫米。反射层9和支撑件9的形状与平面图所示的结构7相同。保护膜18的厚度为20微米，通过硅树脂的沉积形成。

对复合材料振荡器件1共振频率的测量表明，其带宽减小率约为5％，即基本与压电谐振器2自身的谐振频率相同。

如上所述，即使没有为压电谐振器2提供允振腔，本实施例也可达到可与压电谐振器2自身相比拟的谐振性能。这是因为，由压电谐振器2向反射层3、4和8传播的振动受到反射层3、4和8与相应支撑件5、6和9之间界面的反射。

这样，本实施例可减少复合材料振荡器件1的整体尺寸和生产成本。特别是，本实施例可有效地减少复合材料振荡器件1的尺寸而不损害压电谐振器2的谐振特性，因为反射层3、4和8分别配置在压电谐振器2的三个方向的外端面上，即配置在其一对侧面和底面上。

本发明人采用不同材料和尺寸的压电谐振器2、反射层3、4和8以及支撑件5、6和9进行实验，并对实验结构进行了分析。最后本发明人发现，设定反射层3、4和8的声阻抗Z2小于压电谐振器2的声阻抗Z1和支撑件5、6和9的声阻抗Z3可有效防止由压电谐振器2向支撑件5、6和9的振动传播，其机制与上述的实验例相同。

现参阅图4和图5对此进行说明。

首先，制作具有不同声阻抗比Z2/Z1的复合材料振荡器件，使构成上述实施例复合材料振荡器件1中反射层的材料发生变化，同时保持其它结构仍与实施例相同。在声阻抗比Z2/Z1变化的情况下，测量这些复合材料振荡器件的共振频率并确定共振频率的变化率。结果如图4所示。

共振频率变化率采用[(F-F₀)/F₀]×100(％)表示，这里F₀为压电谐振器2自身的谐振频率，F为按上述方法制作的每个复合材料振荡器件的共振频率。

从图4可清楚地看到，当声阻抗比Z2/Z1小于1时，共振频率的变化率较小；当声阻抗比Z2/Z1为0.2或小于0.2时，谐振频率变化率很小，即为0.4％或更小；当声阻抗比Z2/Z1为0.1或小于0.1时，共振频率变化率更小，为0.1％或小于0.1％。

其次，制作具有不同声阻抗比Z2/Z3的复合材料振荡器件，使构成上述实施例复合材料振荡器件1中支撑件的材料发生变化，同时保持反射层仍与实施例相同。然后按上述方法确定这些复合材料振荡器件的共振频率变化率。结果如图5所示。

从图5可清楚地看到，当声阻抗比Z2/Z3小于1时，共振频率的变化率较小；当声阻抗比Z2/Z3为0.2或小于0.2时，谐振频率变化率很小，即为0.215％或更小；当声阻抗比Z2/Z1为0.1或小于0.1时，共振频率变化率更小，为0.1％或小于0.1％。

由图4和图5可见，声阻抗比Z2/Z1和Z2/Z3优选值为0.2或小于0.2，若取值为0.1或小于0.1则更好。

通过改变构成材料和材料成分，可很方便地控制反射层3、4和8的声阻抗Z2及支撑件5、6和9的声阻抗Z3。例如，在上述实施例中采用环氧树脂制作反射层3、4和8，可将声阻抗不同于环氧树脂的有机或无机粉末等材料填加到环氧树脂中来调节反射层3、4和8的声阻抗Z2。

此外，将声阻抗不同于陶瓷的有机或无机粉末等材料填加到构成支撑件5、6和9的陶瓷材料中，也可方便地调节其声阻抗Z3。

用于构成反射层3、4和8的材料不局限于选用环氧树脂，构成支撑件5、6和9的材料也不局限于选用陶瓷。可选用各种有机或无机材料以获得预期的声阻抗Z2和Z3。

针对上述实施例的复合材料振荡器件1，本发明人还考察了带宽和共振频率在反射层3和4的厚度不同时的变化情况。结果如图6和图7所示。

图6表明上述实施例中反射层3和4厚度变化时的相对带宽比变化率，图7表明相对共振频率的变化。相对带宽比变化率表示所制作的复合材料振荡器件的带宽比与没有反射层3、4和8及支撑件5、6和9的压电谐振器2自身的带宽比之间的比例关系。相对共振频率表示制作复合材料振荡器件的共振频率与压电谐振器2自身的共振频率之间的比例。

图6和图7中水平轴表示反射层3和4的厚度，其值根据压电谐振器2被激发的表面声波波长λ来进行表示。

由图6和图7清楚可见，反射层3和4的厚度变化引起相对带宽比和相对共振频率产生周期性变化。也就是说，当反射层厚度为n.λ/4±λ/8(n为奇数)时，相对带宽比和相对共振频率基本与压电谐振器2自身的特性相同。因此，反射层厚度-即反射层在振动由压电谐振器2向反射层的传播方向上的尺寸应在n.λ/4±λ/8的范围内，这里λ为压电谐振器2被激发的表面声波波长。

图8部件分解视图表明按本发明第二实施例的复合材料振荡器件，图9透视图表明了其外形。

像在第一实施例中一样，本实施例复合材料振荡器件21也被用做三端内置电容式压电谐振器。但在本例中，采用厚度剪切模式的矩形压电谐振器22作为振动部件。在压电谐振器22中，激励电极32配置在矩形压电基衬31的上表面，基衬31由锆钛酸铅等压电陶瓷制作。图8中未画出的另一个激励电极配置在基衬31的下表面。激励电极32与配置在下表面的激励电极在压电基衬31的中部彼此相对，使压电基衬31位于它们之间。

激励电极32可与复合材料振荡器件21的一个端面接触。另一个配置在下表面的激励电极由复合材料振荡器件的相对端面引出。压电基衬31在垂直于复合材料振荡器件两个端面的方向上被极化。

在本实施例中，第一和第二反射层23a和23b分别堆积在压电谐振器22的上表面和下表面。支撑件24a和24b分别堆积在反射层23a的上表面和反射层23b的下表面。

此外，第三和第四反射层23c和23d以及第三和第四支撑件24c和24d分别堆积在由压电谐振器22、反射层23a和23b以及支撑件24a和24b所组成的栈堆的一对侧面上。像在第一实施例中一样，一对电容电极33和34配置在支撑件24b的上表面，另一个电容电极(未画出)配置在其下表面的中部并与电容电极33和34相对。

如图9所示，外电极35和36分别配置在复合材料振荡器件21的相对端面。电容电极33和34在电气上分别与外电极36和35相连。像在第一实施例中一样，配置在支撑件24b下表面的电容电极与外电极35和36的电连接使其同外界相连，使得复合材料振荡器件21可作为三端内置电容式压电谐振器进行工作。

在本实施例中，与上类似，反射层23a、23b、23c和23d的声阻抗Z2设定为小于压电谐振器22的声阻抗Z1和支撑件24a-d的声阻抗Z3。这样，如第一实施例的复合材料振荡器件1一样，由压电谐振器22传播的振动被有效地局限于反射层与相应支撑件间界面的某些区域。从而，即使复合材料振荡器件21由支撑件24a、34b、24c和24d进行机械支撑，其共振特性也不会受到妨害。

这样，在本发明的复合材料振荡器件中，反射层和支撑件可同振动部件四个方向上的外表面-即其上表面、下表面和一对侧表面-进行连结。

图10部件分解视图表明第二实施例复合材料振荡器件的一个变型，图11透视图表明了其外形。

本实施例的复合材料振荡器件41与第二实施例中的类似，只是图8所示压电谐振器22被矩形平板结构42所代替。因此，使用相同数码代表与实施例2相同的部件，并省略对其进行重复说明。

结构42的结构可使压电谐振器43、反射层44和45以及支撑件46和47在纵向与其相连结。也就是说，结构42具有与第一实施例中结构7相同的结构。压电谐振器43由在厚度方向上被极化的压电陶瓷制作，在其上表面配置有激励电极42a。另一个激励电极配置在压电谐振器42的下表面。这样，在激励电极42a与另一个配置在下表面的激励电极间加以交流电压时，将使压电谐振器43作为厚度伸缩振动模式的压电谐振器进行工作。

在本变型中，反射层44和45及支撑件46和47不仅同作为振动部件的压电谐振器43的上下表面及一对侧面相连结，而且还与其另一对侧面相连结。因此，压电谐振器43产生的向上、下、四侧传播的振动将在反射层23a-d、44和45与相应支撑件24a-d、46和47之间的界面产生反射。这样，可保证振动能量集中于由这些界面所包围的区域之内。

在本变型中，由于复合材料振荡器件41为矩形长方体并在其所有的外表面配置有支撑件，因此复合材料振荡器件41的任何外表面均可用做机械支撑。这样，当将复合材料振荡器件41安装在电路板等其他部件上时，可具有多种选择-即大大增加了设计的自由度。

图12为表明反射层变型的正向剖视图。图12所示复合材料振荡器件51与第二实施例中复合材料振荡器件21具有类似结构，只是反射层不同。图12所示截面相当于第二实施例中压电谐振器22、反射层23a和23b以及支撑件24a和24b堆积到一起时沿纵向切开的剖面。

在第二实施例中，反射层23a和23b由单层材料组成，但反射层23a和23b也可分别由多个材料层23a1-23a3和23b1-23b3所组成。具有不同声阻抗的多种材料可用来组成材料层23a1-23a3和23b1-23b3。在这种情况下，多个材料层的组合便于调节整个反射层23a和23b的声阻抗。

由上述实施例及其变型清楚可见，按本发明的复合材料振荡器件可使振动部件的振动局限于界面中某些区域，因为支撑件经过反射层与振动部件相连结，振动部件传播的振动在反射层与相应支撑件之间的界面受到反射。这样，振动部件的振动模式没有特定的局限性，振动部件可采用纵向、横向、厚度剪切或厚度伸缩等各种振动模式。

不仅压电谐振器和滤波器等可作为振动部件，电致伸缩等其它机电耦合转换器件也可用做振动部件。或者，还可能采用其它的非机电耦合转换器件来作为振动部件。

图15和图16表明按本发明第一实施例制造的用做复合材料振荡器件的压电谐振器。图15为表明所述压电谐振器的部件分解视图，图16透视图表明其外形。

压电谐振器101包括振动部件102、反射层103和104以及支撑件105和106。

振动部件102包括矩形的压电基衬111。所述压电基衬111由锆钛酸铅、压电石英单晶等压电陶瓷材料制造。振动电极112配置在压电基衬111上表面的中部。图15中未画出的另一个振动电极配置在压电基衬111下表面的中部。在振动电极112与配置在下表面的电极之间施加交流电压时，振动部件102作为厚度伸缩振动模式的压电谐振器工作。

振动电极112在电气上同配置在压电基衬111上表面与一个端面边界处的引出电极113相连。配置在下表面的振动电极在电气上同配置在压电基衬111下表面与相对端面边界处的另一引出电极相连。

在本实施例中，反射层103和104采用环氧树脂制作。支撑基衬层105和106通过反射层103和104按下述方式与振动部件102连结。

在本实施例中，支撑基衬层105和106采用锆钛酸铅陶瓷材料制作。

电容电极114和115配置在一个支撑基衬层106的上表面。另一电容电极(未画出)配置在支撑基衬层106的下表面，与电容电极114和115相对。

如图16所示，压电谐振器101在其一个端面配置有第一外电极116。第二外电极117配置在相对端面。外电极116在电气上同引出电极113和电容电极115相连。第二外电极117在电气上同电容电极114和配置在压电基衬111下表面的引出电极相连。这样，第一外电极116、第二外电极117和配置在支撑基衬层106下表面的电容电极可用做与外界联系的端子。这种结构安排提供了本实施例中的三端内置电容式压电振荡器。

压电谐振器101的特点在于，构成反射层103和104材料的声阻抗Z2设定为小于作为振动部件的压电基衬111的声阻抗Z1和构成支撑基衬层105和106材料的声阻抗Z3。这样，即使激励振动部件102在反射层103和104中产生向支撑基衬层105和106的振动传播时，振动也将受到反射层103和104与相应支撑基衬层105和106之间界面的反射。对此，将结合图17予以说明。

图17为压电谐振器101的前向部分剖视原理图，表明通过有限元方法分析的振动位移分布。

由图17清楚可见，在压电谐振器101受到激励时，振动部件102产生表现为位移的振动，在所传播的振动作用下，反射层103和104也相应呈现位移。但堆积在最外端的支撑基衬层105和106不呈现位移。这是因为声阻抗Z2小于声阻抗Z1和Z3，因此使传播的振动受到界面的反射，如上所述。

这样，即使压电谐振器101由支撑基衬层105和106进行机械支撑，振动部件102的振动特性也不会受到损害。

本发明人改变压电谐振器102、反射层103和104以及支撑基衬层105和106的材料和尺寸，对复合材料振荡器件101进行了实验并对实验结果进行了分析。结果本发明人发现，像在上述实验例中一样，将反射层103和103的声阻抗Z2设定为小于压电谐振器102的声阻抗Z1和支撑基衬层105和106的声阻抗Z3时，可防止振动由压电谐振器102传播到支撑基衬层105和106。对此，将结合图1 8和图19予以说明。

首先，变化上述实施例中压电谐振器101的反射层材料而保持其它不变制备具有不同声阻抗比Z2/Z1的压电谐振器。然后测量这些所制备压电谐振器的共振频率和确定不同声阻抗比Z2/Z1下的共振频率变化率。结果如图18所示。

共振频率变化率由[(F-F₀)/F₀]×100(％)来进行表示，这里F₀为压电谐振器102自身的共振频率，F为上述所制备的每个压电谐振器的共振频率。

由图18清楚可见，当声阻抗比Z2/Z1小于1时，共振频率变化很小；优选声阻抗比Z2/Z1为0.2或小于0.2，此时共振频率变化率为0.4％或以下；最好声阻抗比Z2/Z1为0.1或小于0.1，此时共振频率变化率为0.1％或小于0.1％。

其次，变化上述实施例中压电谐振器的支撑件材料而保持其它不变，制备具有不同声阻抗比Z2/Z3的压电谐振器。然后测量这些所制备压电谐振器的共振频率和按上述方式确定不同声阻抗比Z2/Z3下的共振频率变化率。结果如图19所示。

由图19清楚可见，当声阻抗比Z2/Z3小于1时，共振频率变化很小；优选声阻抗比Z2/Z3为0.2或小于0.2，此时共振频率变化率为0.215％或以下；最好声阻抗比Z2/Z3为0.1或小于0.1，此时共振频率变化率为0.1％或小于0.1％。

这样，由图18和19清楚可见，声阻抗比Z2/Z1和Z2/Z3优选0.2或小于0.2，最好为0.1或小于0.1。

通过改变组成材料或材料成分，可以方便地控制反射层103和104的声阻抗Z2以及支撑件105和106的声阻抗Z3。例如，在上述实施例中反射层103和104采用环氧树脂制作，但也可将声阻抗不同于环氧树脂的有机或无机粉末混在树脂中，以调节反射层103和104的声阻抗Z2。此外，对支撑件105和106而言，也可将声阻抗不同于陶瓷的有机或无机粉末混合在构成支撑件的陶瓷材料中，以便于调节声阻抗Z3。

构成反射层103和104及支撑件105和106的材料不局限于环氧树脂和陶瓷，可采用各种有机或无机材料以提供预期的声阻抗Z2和Z3。

制作压电谐振器101要求高精度控制反射层103和103的厚度。当反射层103和104的厚度变化时，振动部件102上表面到反射层103与支撑基衬层105间界面的距离以及振动部件102下表面到反射层104与支撑基衬层106间界面的距离将产生变化。这将难于保证传播的振动在界面发射回振动部件102，从而损害压电谐振器101的特性。

本发明进一步提供了一种可高精度控制反射层103和104厚度的复合材料振荡器件的制造方法。

图14A-C为前向剖视图，表明了按本发明第一实施例的制造方法。

为制造压电谐振器101，首先要制作振动部件102及支撑基衬层105和106。振动部件102采用具有第一声阻抗Z1的矩形压电基衬111进行制作，支撑基衬层105和106采用具有第三声阻抗Z3的材料进行制作。如图14a所示，在一个支撑基衬层106上形成条形凸起118。在图14A-C中，电容电极114和115以及配置在支撑基衬层106下表面的电容电极在图中未画出。

在本实施例中，条形凸起118被制成一个不同于支撑基衬层106的部件，其平面图为一矩形框架。条形凸起118具有与粘附的反射层104同样的厚度。

构成条形凸起118的材料没有特定局限性，但最好采用与其附着的支撑基衬层106相同的材料。通过粘附等方式使条形凸起118整体压合在支撑基衬层106上。

或者，采用同样材料使条形凸起118和支撑基衬层106形成整体结构。

其次，如图14B所示，将液体材料104A涂在支撑基衬层106上。液体材料104A在凝固后形成反射层104。在本实施例中，液体材料104A采用环氧树脂。

在将液体材料104A涂在条形凸起118所围绕的区域内后，将振动部件102放置在液体材料104A的上面并通过紫外线、加热等办法使液体材料凝固，从而形成14C所示的反射层104。反射层104的形成使支撑基衬层106与振动部件102粘合到一起。

此外与上述情况类似，在支撑基衬层105的下表面也提供有一个条形凸起结构，在涂附液体材料后，将支撑基衬层105粘结在振动部件102的上表面上。按上述方式，反射层103和104以及支撑基衬层105和106被分别粘结在振动部件102的上表面和下表面。

在按上述方法获得的迭层的相对端面形成外电极，从而可获得与压电谐振器101相同的结构。压电谐振器101不具有条形凸起118，但本实施例与其不同，采用了条形凸起118，从而局限了液体材料104A的涂附区，并用条形凸起的厚度来控制液体材料104A的涂附厚度。这样，可保证形成具有预期厚度的反射层103和104。

图20A-C为前向剖视图，分别相应于图14A-C，表明按本发明第二

实施例的制造方法。

第二实施例与上述情况相似，首先也是制作振动部件102及支撑基衬层105和106。如图20A和20B所示，将包含球形或柱形物质的液体材料104B涂附在支撑基衬层106上。包含球形或柱形物质的液体材料104B是通过使球形或柱形物质121与树脂扩散混合而形成的。在构成所述球形或柱形物质121的材料上没有特定的局限，只要是球形或柱形的固体材料就行。但要求球形或柱形物质121的选用材料及其在液体材料中的填加比例能够满足使声阻抗Z2小于声阻抗Z1和Z3的条件。

球形或柱形物质121的尺寸设定为同欲形成的反射层104的厚度相同。

其次，将振动部件102迭层到包含球形或柱形物质的液体材料104B上，并使液体材料104B凝固。在迭层时，对振动部件102施加向支撑基衬层106的压力，从而使液体材料104B的厚度与球形或柱形物质121的尺寸基本相同。这样，由凝固液体材料104B形成的反射层104的厚度基本与球形或柱形物质121的尺寸一致。从而，控制球形湖柱形物质121的尺寸就可获得预期厚度的反射层。

与上类似，在第二实施例中，包含球形或柱形物质的液体材料也涂附到振动部件102上，然后将其与支撑基衬层105迭合，液体材料凝固后形成反射层103。

在第二实施例中，反射层104的厚度通过球形或柱形物质121的尺寸进行控制。这样，可无须配置第一实施例中的条形凸起结构118。按第二实施例，仅将液体材料104b涂附到支撑基衬层或振动部件102上，然后将涂附后的结构压合到振动部件102或支撑基衬层上，液体材料104b凝固后将形成具有预期厚度的反射层103和104。

图21A-D为前向剖视图，表明按本发明第三实施例的制造方法。

首先，如图21A所示，制作支撑基衬层131。

其次，如图21B所示，在支撑基衬层131的上表面形成凹陷部分131a。凹陷部分131a在平面图中为矩形。凹陷部分131a的深度设定为同欲形成的反射层厚度相等。凹陷部分131a可通过机械加工等方法形成。

如图21C所示，将液体材料104C涂附到凹陷部分131a。液体材料104C为最后将形成反射层104的材料。之后，如图21D所示，振动部件102被迭合到支撑基衬层131上。在迭合中，压合压力将多余的液体材料104a由凹陷部分131中压出。结果在凝固后可形成与凹陷部分131深度相同厚度的反射层104。如上所述，可获得振动部件102通过反射层104压合到支撑基衬层131上的结构。与此类似，就振动部件102上面的结构而言，另一个具有凹陷部分的支撑基衬层也通过液体材料压合到振动部件102上。这样，与第一实施例和第二实施例类似，可获得支撑基衬层通过反射层压合到振动部件上的结构。

在第三实施例中，通过凹陷部分131a的深度来控制反射层的厚度。这样，与第一和第二实施例相同，第三实施例可保证形成预期厚度的反射层。

图22A-C为前向剖视图，表明按本发明第四实施例的制造方法。

向第一至第三实施例一样，在第四实施例中，首先制作振动部件102和支撑基衬层105和106。然后，将液体材料104D涂附在支撑基衬层106上。涂附的液体材料104D的厚度应大于欲形成反射层104的厚度。

其次，如图22B所示，液体材料104D凝固形成反射层104E。反射层104E的厚度设定为大于最后欲形成反射层104的厚度。然后，对反射层104E进行砂磨等机械加工，直至使其厚度达到预期厚度。通过这种厚度加工可获得具有预期厚度的反射层104，如图22C所示。再采用粘合剂(未画出)将振动部件102与反射层粘合起来。采用同样方式，使形成在振动部件102上的反射层与支撑基衬层105粘合起来。

通过上述厚度加工可控制反射层的厚度，因此第四实施例可制造包括精确厚度反射层的压电谐振器。

图23A-C为前向剖视图，表明按本发明第五实施例的制造方法。在本实施例中，首先不但要制作振动部件102及制撑基衬层105和106，还要制备图23A所示的反射层构成材料141。反射层构成材料141为厚度大于欲形成反射层104厚度的较厚平板。

其次，对反射层构成材料141进行机械加工，以获得具有预期厚度的反射层104，如图23B所示。

之后，如图23C所示，采用粘合剂(未画出)使支撑基衬层106与振动部件102粘合起来，使反射层位于他们的中间。与此类似，制备具有预期厚度的反射层103，使用粘合剂(未画出)将上支撑基衬层105与振动部件102粘合起来，使反射层103位于它们中间。

这样，在第五实施例中，制备的反射层103和104事先被机械加工到预期厚度。

图24为前向原理剖视图，表明按本发明第六实施例的制造方法。

第六实施例相当于第一实施例的变型。在第一实施例中，条形凸起结构118配置在支撑基衬层106上并将液体材料104a涂附在它们围绕的区域内，在本变型中，可将相当于条形凸起的垫圈151配置在支撑基衬层106上，如图24所示。在本例中，液体材料涂附在其凹陷部分，振动部件102迭合在这一结构上，液体材料凝固后形成反射层104。像条形凸起一样，垫圈厚度设定为等于反射层104的厚度。

在液体材料凝固后，将垫圈151拿掉。

这样，之后可拿掉的垫圈151取代了条形凸起结构118，可利用垫圈151来控制反射层104的厚度。

如上所述，由于可保证形成具有预期厚度的反射层103和104，在第一到第六任何一个实施例所提供的压电谐振器101中，都可提高由振动部件到反射层与相应支撑基衬层的界面之间的距离精度。

在构成反射层103和104的液体材料的涂附和凝固过程中，可能在其中存在有气泡。这是因为，在液体材料蔓延的过程中可能会混入气泡并将气泡封闭在液体之中。在上述实施例中，具有条形凸起118和凹陷部分131a的结构可抑制上述气泡的产生，即使在层压中涂附的液体材料发生蔓延时，也不太可能在其边缘出现气泡。这样，在形成有条形凸起结构118或凹陷部分131a时，气泡只可能出现在条形凸起118或凹陷部分131a内表面附近。即出现气泡的部位在其周边是非均匀分布的。因此，当将每个包括压电谐振器的迭层由母板切掉时将不太会在截面产生气泡，所述母板由母振动部件与母支撑基衬层105和106将反射层103和104夹持在中间迭合而成。在截面产生气泡将对外电极的精确形成和振动特性产生负面影响。因此，最好采用条形凸起结构、凹陷部分或垫圈来控制反射层的厚度，这种结构安排有助于抑制在截面出现气泡或气隙。

上述实施例说明了压电谐振器101或具有与其类似结构的压电谐振部件的制造方法，但本发明也适用于振动部件与支撑基衬层将反射层夹持在中间而压合起来的复合材料振荡器件的制造方法。这样，振动部件不再局限于压电或电致伸缩等机电耦合转换器件，也可采用另外形式的振动发生源。

在本发明中，没有采用薄膜形成法来形成反射层，以便使形成的反射层103和104具有3微米或更大的厚度。这样，可利用支撑基衬层进行机械支撑而不会对振动部件的振动特性产生影响。

Claims (10)

1.一种复合材料振荡器件，包括：

一个由具有第一声阻抗Z1的材料制成的用做振荡发生源的振动部件；

至少三个由第二声阻抗Z2的材料制成的反射层，所述第二声阻抗Z2小于第一声阻抗Z1，所述反射层配置在所述振动部件的至少三个方向上的相应外表面；以及

由第三声阻抗Z3的材料制成的支撑件，所述第三声阻抗Z3大于第二声阻抗Z2，所述支撑件配置在振动部件上与反射层相对的表面，

其中由振动部件向反射层传播的振动在反射层与相应的支撑件之间的界面产生反射。

2、根据权利要求1所述的复合材料振荡器件，其特征在于所述振动部件的形状为长方体或正方体，所述反射层配置在振动部件至少三个方向的外表面上。

3、根据权利要求1所述的复合材料振荡器件，其特征在于第二声阻抗Z2与第一声阻抗Z1之比Z2/Z1为0.2或小于0.2。

4、根据权利要求1所述的复合材料振荡器件，其特征在于第二声阻抗Z2与第三声阻抗Z3之比Z2/Z3为0.2或小于0.2。

5、根据权利要求1所述的复合材料振荡器件，其特征在于在反射层中由振动部件向支撑件传播的振动受到反射层与相应支撑件间界面的反射，传播振动的振幅方向与振动的传播方向相互垂直。

6、根据权利要求1所述的复合材料振荡器件，其特征在于所述振动部件包含机电耦合转换元件。

7、根据权利要求6所述的复合材料振荡器件，其特征在于所述机电耦合转换元件包含压电元件或电致伸缩元件。

8、根据权利要求1所述的复合材料振荡器件，其特征在于所述每个反射层包括具有不同声阻抗的多个材料层。

9、根据权利要求1所述的复合材料振荡器件，其特征在于：由反射层与振动部件间的界面到反射层与相应支撑件间的界面之间的距离范围为n.λ/4±λ/8，这里n为奇数，λ为响应振动部件的振动在反射层中向支撑件传播的振动波长。

10、根据权利要求1所述的复合材料振荡器件，其特征在于所述支撑件包括构成电容器的多个电容电极。

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