JP5168002B2 - 振動子及び発振器 - Google Patents
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Description
また、前記特許文献1の共振子でも、非圧電材料や圧電薄膜の有する温度特性に起因して、温度変化による周波数の変動を抑制することが困難であり、その改善が望まれている。
前記弾性腕は、基材と、該基材の一方の面側に設けられた、下部電極膜と圧電膜と上部電極膜とからなる圧電素子と、を含み、
前記基部から延出する前記弾性腕の、前記基材の長さをAとし、前記圧電膜の、前記基材上での前記基部からの長さをBとし、前記下部電極膜と前記上部電極膜とが対向することで形成される電界領域の、前記基材上での前記基部からの長さをCとすると、以下の式(1)、式(2)
(3/4)A≦B≦A …式(1)
(1/4)A≦C≦(1/2)A …式(2)
を共に満足することを特徴としている。
また、他の態様では、本発明の振動子は、3以上の奇数本の弾性腕と、前記弾性腕のそれぞれの一端を連結する基部と、を有し、前記弾性腕は、隣り合う前記弾性腕同士が互い違いに前記弾性腕の表裏方向に振動する、振動子であって、前記弾性腕は、前記弾性腕の主面に、下部電極膜および上部電極膜の間に圧電膜を配置した圧電素子が設けられ、前記弾性腕の前記一端から他端までの長さをAとし、前記弾性腕上の前記圧電膜の長さをBとし、前記弾性腕上の前記下部電極膜と前記上部電極膜とが平面視で重複する部分の長さをCとすると、以下の式(1)、式(2)
(3/4)A≦B≦A …式(1)
(1/4)A≦C≦(1/2)A …式(2)
を共に満足することを特徴とする。
また、他の態様では、前記弾性腕は、シリコン酸化膜を含むことを特徴とする。
また、他の態様では、前記基部は、前記基部の主面と前記弾性腕の主面とが同一平面にあり、且つ、前記基部の主面側はシリコン酸化膜を含み、前記基部の主面と反対の面側はシリコンを含むことを特徴とする。
また、他の態様では、前記基部は、前記弾性腕の厚みよりも厚いことを特徴とする。
また、他の態様では、前記基部は、前記弾性腕に向かって傾斜する傾斜面を含み、前記基部の主面と該傾斜面との傾斜角が、75°以上90°未満になっていることを特徴とする。
また、他の態様では、前記圧電膜が、ZnO、AlN、チタン酸ジルコン酸鉛、LiNbO 3 およびKNbO 3 の少なくとも1つを含むことを特徴とする。
また、他の態様では、前記圧電膜と前記上部電極膜との間に絶縁膜が設けられていることを特徴とする。
そこで、本発明の音叉型振動子によれば、特に前記式(2)を満足させることにより、弾性腕を、基部に連結する根本側のみに電界を与えて振動駆動させ、先端側は根本側の振動に追従させるだけにしたので、弾性腕にうねりなどが生じることが防止される。したがって、設定された本来の振動モードのみが起こるようになり、これによってより良好な振動モードが得られようになる。
また、前記式(1)を満足させることにより、圧電膜によって弾性腕に十分な強度が付与されるとともに、基本的に基部に連結する根本側が直接的に振動するようになり、したがって、より良好な振動モードが得られようになる。
このようにすれば、各弾性腕がシリコン酸化膜からなる基材と圧電素子とを含んでなることにより、シリコン酸化膜によって圧電素子中の圧電膜等の温度特性が補正され、これによって温度変化による特性変動の少ない振動子となる。また、シリコン酸化膜は膜形成性に優れ、特に良好な厚さ精度が得られるので、この音叉型振動子は加工性も良好なものとなる。
このようにすれば、シリコン酸化膜からなる基材と、シリコンからなる基部との接合性が良好になり、基部と基材との間に良好な接合強度が得られる。
このようにすれば、シリコンからなる基部の一部を熱酸化してシリコン酸化膜を形成し、その後エッチング等によってシリコン酸化膜を基材に加工することで、少なくとも一部がシリコンからなる基部と、シリコンの熱酸化膜からなる基材とを容易に形成することができる。
このようにすれば、前記したようにシリコンからなる基部の一部を熱酸化してシリコン酸化膜を形成し、その後エッチング等によってシリコン酸化膜を基材に加工する際、熱酸化膜(シリコン酸化膜)の一部を基部側に残すことで、基部と基材との間の接合強度をより高めることができるとともに、基材の形成もより容易になる。
このように基部に傾斜面を形成すれば、弾性腕を振動させた際に基部からの振動もれが抑えられ、また応力分散が起こることなどにより、Q値が上がることが期待できる。
このようにすれば、水晶によって圧電素子中の圧電膜等の温度特性が補正され、これによって温度変化による周波数の変動の少ない振動子となる。
ここで、基材を水晶で形成する場合、水晶としてXカット板を用いるのが好ましい。Xカット板を用いることにより、小型化に伴う温度特性の低下を抑制し、温度特性を良好にする効果をさらに高めることができる。また、弾性腕や基部のエッチングによる形状加工が容易になる。なお、水晶としてはATカット板やZカット板を用いることもできる。
これらの材料は、音叉型振動子の圧電素子に用いられる圧電膜として、所望の特性を満たすものとなる。なお、前記材料の中では、特にZnO、AlNがより良好な特性を有し、好ましい。
このようにすれば、圧電膜がより薄膜化されて圧電膜の一部に貫通孔が生じてしまった場合等においても、下部電極膜と上部電極膜との間をより確実に絶縁することができる。
この発振器によれば、より良好な振動モードが得られる振動子(音叉型振動子)を含んでなるので、発振器自体の性能向上が図られたものとなる。
図1〜図3は、本発明の音叉型振動子の第1実施形態を示す図であり、図1は音叉型振動子の平面図、図2は音叉型振動子の側断面図、図3は図1のE−E線矢視断面図である。
基材18は、本実施形態では温度補正膜としても機能するもので、シリコンの熱酸化膜(シリコン酸化膜)からなるものであり、前記したように基部14の酸化膜部分14bにおける上層部分と同じ層で構成されている。
(1/4)A≦C≦(1/2)A …式(2)
このような範囲としたのは、電界領域の長さCが基材18の長さ(弾性腕の長さ)Aの(1/4)より短くなると、振動の駆動効率が低下してしまい、十分な振動モードが得られなくなるおそれがあるからである。また、(1/2)より長くなると、弾性腕の先端側まで表裏方向に振動駆動するようになり、設定された本来の振動モードとは別の振動モードが生じるおそれがあるからである。なお、このような範囲においては、特に本実施形態の長さであるC=(1/3)Aとするのが好ましい。
・圧電膜(ZnO)/基材(SiO2);0.48〜0.67
・圧電膜(AlN)/基材(SiO2);1.16〜1.6
ただし、実際には電極膜なども考慮する必要があるため、以下に示す範囲の膜厚比で圧電膜15b、16b、17b、及び基材18を形成するのが望ましい。
・圧電膜(ZnO)/基材(SiO2);0.4〜1
・圧電膜(AlN)/基材(SiO2);0.7〜1.6
(3/4)A≦B≦A …式(1)
このような範囲としたのは、圧電膜15b、16b、17bによって弾性腕11、12、13に十分な強度を付与するとともに、基本的に基部14に連結する根本側が直接的に振動するようにし、これによってより良好な振動モードを得るためである。
続いて、前記熱酸化膜31上に下部電極層(図示せず)を形成し、さらにこれをエッチングによってパターニングすることにより、図2、図3にしたように下部電極膜15a、16a、17aを形成する。その際、弾性腕11、12、13を形成する前記基材18上では、図2に示したように、該基材18より僅かに短い長さで下部電極膜15a、16a、17aを形成する。
なお、前記の下部電極層のパターニングや上部電極層のパターニングなどの際に、図1に示した接続部21cや接続部22a、電極パッド24、電極パッド25なども形成しておく。
その後、前記熱酸化膜31の残った部分をドライエッチングによってパターニングすることにより、基材18を形成し、弾性腕11、12、13を形成する。
これにより、図1〜図3に示した音叉型振動子1が得られる。
また、C=(1/3)Aとしたことで、(1/4)A≦C≦(1/2)Aとする式(2)を満足させているので、弾性腕11、12、13を、基部14に連結する根本側のみに電界を与えて振動駆動させ、先端側については根本側の振動に追従させることができる。したがって、弾性腕11、12、13にうねりなどが生じるのを防止し、設定された本来の振動モードのみを生じさせることができ、これによってより良好な振動モードを得ることができる。
さらに、(3/4)A≦B≦Aとする式(1)を満足させているので、圧電膜15b、16b、17bによって弾性腕11、12、13に十分な強度を付与するとともに、基本的に基部14に連結する根本側を直接的に振動させるようになり、したがって、より良好な振動モードを得ることができる。
さらに、シリコン酸化膜は膜形成性に優れ、特に良好な厚さ精度が得られるので、このシリコン酸化膜によって基材18を形成することにより、音叉型振動子は加工性にも優れたものとなる。特に、シリコン基板の一部を熱酸化し、さらにこれらシリコンやシリコン酸化膜をパターニングすることで基部14や基材18を形成することにより、これら基部14や基材18の形成を容易にすることができるとともに、基部14と基材18との間の接合強度を十分に高めることができる。
なお、音叉型振動子40の各要素の構成材料、形状、膜厚等の好適な例については、前記第1実施形態と同様であり、ここでは説明を省略する。
さらに、(3/4)A≦B≦Aとする式(1)を満足させているので、圧電膜15b、16b、17bによって弾性腕11、12、13に十分な強度を付与するとともに、基本的に基部14に連結する根本側を直接的に振動させるようになり、したがって、より良好な振動モードを得ることができる。
また、各弾性腕11、12、13が、負の温度特性を有するシリコン酸化膜からなる基材18を有しているので、圧電素子15、16、17中の正の温度特性を有する圧電膜15b、16b、17bの温度特性を補正することができる。したがって、この音叉型振動子1は温度変化による周波数の変動が少ない優れたものとなる。
これら弾性腕111、112、113、114、115は、前記音叉型振動子1の弾性腕11、12、13と同様に、シリコン酸化膜からなる基材135と、該基材135の一方の面側に設けられた圧電素子116、117、118、119、120と、を含んで構成されている。
圧電素子116、117、118、119、120は、図9に示すように基材135の一方の面側、すなわち基部121と反対の側に設けられたもので、基材135側から順に下部電極膜116a、117a、118a、119a、120a、圧電膜116b、117b、118b、119b、120b、上部電極膜116c、117c、118c、119c、120c、が積層され、形成されたものである。なお、本実施形態では、絶縁膜について省略しているが、前記圧電膜116b(117b、118b、119b、120b)と前記上部電極膜116c(117c、118c、119c、120c)との間に、前記実施形態と同様にして絶縁膜を設けてもよい。
なお、音叉型振動子100の各要素の構成材料、形状、膜厚等の好適な例については、前記実施形態と同様であり、ここでは説明を省略する。
さらに、(3/4)A≦B≦Aとする式(1)を満足させているので、圧電膜116b、117b、118b、119b、120bによって弾性腕111、112、113、114、115に十分な強度を付与するとともに、基本的に基部121に連結する根本側を直接的に振動させるようになり、したがって、より良好な振動モードを得ることができる。
また、各弾性腕111、112、113、114、115が、負の温度特性を有するシリコン酸化膜からなる基材135を有しているので、圧電素子116、117、118、119、120中の正の温度特性を有する圧電膜116b、117b、118b、119b、120bの温度特性を補正することができる。したがって、この音叉型振動子100も温度変化による周波数の変動が少ない優れたものとなる。
すなわち、この発振器は、音叉型振動子1と、この音叉型振動子1と並列に接続されたインバータ2と、を含んで構成されている。インバータ2の一方端が前記電極パッド24に接続され、他方端が前記電極パッド26に接続されている。また、図示のように、音叉型振動子1とインバータ2との一方の接続点と接地端との間に接続された容量素子(コンデンサ)3と、音叉型振動子1とインバータ2との他方の接続点と接地端との間に接続された容量素子(コンデンサ)4と、をさらに備えて構成されている。
また、前記実施形態では基材をシリコンの熱酸化で形成したが、例えばCVD法で形成したシリコン酸化膜で基材を形成してもよい。
Claims (8)
- 3以上の奇数本の弾性腕と、前記弾性腕のそれぞれの一端を連結する基部と、を有し、前記弾性腕は、隣り合う前記弾性腕同士が互い違いに前記弾性腕の表裏方向に振動する、振動子であって、
前記弾性腕は、前記弾性腕の主面に、下部電極膜および上部電極膜の間に圧電膜を配置した圧電素子が設けられ、
前記弾性腕の前記一端から他端までの長さをAとし、前記弾性腕上の前記圧電膜の長さをBとし、前記弾性腕上の前記下部電極膜と前記上部電極膜とが平面視で重複する部分の長さをCとすると、以下の式(1)、式(2)
(3/4)A≦B≦A …式(1)
(1/4)A≦C≦(1/2)A …式(2)
を共に満足することを特徴とする振動子。 - 前記弾性腕は、シリコン酸化膜を含むことを特徴とする請求項1記載の振動子。
- 前記基部は、前記基部の主面と前記弾性腕の主面とが同一平面にあり、
且つ、前記基部の主面側はシリコン酸化膜を含み、前記基部の主面と反対の面側はシリコンを含むことを特徴とする請求項2記載の振動子。 - 前記基部は、前記弾性腕の厚みよりも厚いことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の振動子。
- 前記基部は、前記弾性腕に向かって傾斜する傾斜面を含み、前記基部の主面と該傾斜面との傾斜角が、75°以上90°未満になっていることを特徴とする請求項4に記載の振動子。
- 前記圧電膜が、ZnO、AlN、チタン酸ジルコン酸鉛、LiNbO 3 およびKNbO 3 の少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の振動子。
- 前記圧電膜と前記上部電極膜との間に絶縁膜が設けられていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の振動子。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載の振動子と、
前記振動子に接続されたインバータと、を含むことを特徴とする発振器。
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