TWI786907B - 振盪器頻率調變的方法及振盪器壓電結構 - Google Patents

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Abstract

一種振盪器頻率調變的方法，首先提供壓電材，該壓電材具有表面及內部，藉由雷射加工方式對該壓電材進行圖案化處理，在該壓電材的表面或內部形成有圖案化處理區，圖案化處理可為材料移除或材料改質，藉此，可在不改變該壓電材外型的情況下，透過雷射加工對該壓電材進行圖案化處理以精確地調整振盪器的頻率，同時阻絕不需要的模態。一種頻率調變的振盪器壓電結構亦被提供。

Description

振盪器頻率調變的方法及振盪器壓電結構
本發明是有關一種頻率調變技術，尤其是一種振盪器頻率調變的方法及振盪器壓電結構。
壓電效應為機械能與電能相互轉換的現象，分為正壓電效應與逆壓電效應，其中逆壓電效應是指當對壓電材料施加電場時，壓電材料會產生變形，為一電能轉變成機械能的過程。常見的壓電材料為石英、陶瓷等。
石英振盪器是透過具有壓電效應的石英切片製成，當於石英切片的上下表面之電極施加交流電場時，基於機械與電性的耦合作用，使石英切片產生振動，若交流電場的頻率與石英切片本身的自然頻率一致會產生共振現象，共振則會使振幅變得更大，另外，石英晶粒切片的切割角度、不同電極形狀與電極化程序(poling process)皆會導致石英切片產生不同的振動模態，如撓曲模態(flexural mode)、縱向模態(longitudinal mode)、面剪切模態(face shear mode)與厚度剪切模態(thickness shear mode)等。
習知石英振盪器大多是透過修飾石英的外型及尺寸(質量)來控制其頻率，然而，石英的高硬度導致其不易加工，因而增加調控振盪器頻率的難度，且於石英振動的同時亦會出現其他不需要的模態。
為解決上述問題，本發明提供一種振盪器頻率調變的方法及振盪器壓電結構，其中，對振盪器中該壓電材的表面或內部進行圖案化處理以改變該壓電材的頻率，無須克服習知技術中難以對堅硬的壓電材料(如：石英)進行裁切成型，或習知以雷射對電極表面做局部微小切除以改變質量的問題，本發明透過經設計的圖案化處理達成如空間濾波器的功效，以排除不必要的振動模態及其對應的頻率。藉此，在不改變該壓電材外型的情況下，本發明透過對該壓電材進行圖案化處理以精確地調整振盪器的頻率，同時阻絕不需要的模態及其對應的頻率。
本發明所提供的振盪器調變的方法，包括提供壓電材，壓電材包括表面及內部，以及對該壓電材進行圖案化處理，在該壓電材的表面或內部形成有圖案化處理區，其中圖案化處理可為材料移除、材料改質或其組合。
本發明該圖案化處理亦可由雷射、乾式蝕刻(例如：電漿或離子束)、濕式蝕刻、機械加工、熱處理或其組合所形成。
本發明所提供的振盪器壓電結構，包括壓電材，該壓電材包括表面與內部，該表面、內部或其組合形成有圖案化處理區，每一圖案化處理區包括材料移除區域、材料改質區域或其組合，其中，材料移除區域或材料改質區域是透過雷射、乾式蝕刻(例如：電漿或離子束)、濕式蝕刻、機械加工、熱處理或其組合形成。
在本發明的一實施例中，圖案化處理為材料移除，圖案化處理區為材料移除區域，其中，該材料移除區域為呈盲孔、通孔、凹槽、溝槽或其組合的結構。
在本發明的一實施例中，圖案化處理區的個數為至少一個以上，且該圖案化處理區沿壓電材的表面、內部或其組合設置。
在本發明的一實施例中，圖案化處理係於該壓電材的表面、內部或其組合，形成均勻或矩陣分布的結構。
在本發明的一實施例中，壓電材可為石英、陶瓷、聚偏二氟乙烯(PVDF)其中之一。
本發明因對振盪器的壓電材內部、表面或其組合進行圖案化處理以調整壓電材的頻率，無須對壓電材進行裁切成形，因而避免壓電材的高硬度所導致不易加工，或習知以雷射對電極表面做局部微小切除以改變質量的問題，另外，本發明透過對壓電材進行材料移除或是材料改質，可於壓電材上設計各種精細圖案，達成如空間濾波器的功效，以排除不必要的振動模態及其對應的頻率，從而阻絕不需要的模態及其對應的頻率。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
S1、S2:步驟
100:雷射裝置
10、10A、10B:振盪器壓電結構
12:壓電材
121:表面
121a:上表面
121b:下表面
122:內部
14、14’:圖案化處理區
16:材料移除區域
16a:盲孔
16b:通孔
16c:凹槽
18:材料改質區域
20:振盪器
22:基座
24:蓋體
26:電極層
圖1為本發明一實施例振盪器頻率調變的方法的流程示意圖。
圖2a至圖2c所示是本發明一實施例以雷射加工方式對壓電材進行不同加工製程示意圖。
圖3是本發明一實施例振盪器壓電結構的結構示意圖。
圖4為本發明另一實施例振盪器壓電結構的結構示意圖。
圖5為本發明另一實施例振盪器壓電結構的結構示意圖。
圖6為本發明一實施例振盪器的分解示意圖。
現將參考附圖透過示例更詳細地描述本發明。
圖1為本發明一實施例振盪器頻率調變的方法的流程示意圖，如圖1所示，振盪器頻率調變方法的包括：提供壓電材，此為步驟S1，壓電材例如為石英、陶瓷或者聚偏二氟乙烯(polyvinylidene difluoride，PVDF)，於一實施例中，該壓電材為板狀石英，惟不限於此，該壓電材包含表面與內部。
接著，藉由雷射方式對該壓電材進行圖案化處理，此為步驟S2，以在該壓電材的表面及內部至少其中之一形成圖案化處理區，其中，圖案化處理的方式可包含材料移除及材料改質其中的一種或兩者組合。具體而言，材料移除例如為在壓電材上形成通孔、盲孔、凹槽、溝槽等微結構圖案組合；材料改質例如為改變該壓電材的材料晶格結構，以改變該壓電材的材料性質，以該壓電材為石英晶體為例，透過雷射的照射，石英晶體的晶格結構產生改變，而使得石英晶體部分區域的材料性質受到改變。又圖案化處理不限於以雷射方式進行，於其它未繪示的實施例中，亦可採用乾式蝕刻(例如：電漿或離子束)、濕式蝕刻、機械加工、熱處理、或其組合進行。
圖2a至圖2c所示是本發明一實施例以雷射方式對壓電材進行不同加工製程示意圖。如圖2a所示，以雷射裝置100在壓電材12的表面121進行圖案化處理，以在表面121形成圖案化處理區14；如圖2b所示，以雷射裝置100在壓電材12的內部122進行圖案化處理，以在內部122形成圖案化處理區14’；如圖2c所示，以雷射裝置100在壓電材12的表面121及內部122進行圖案化處理，以在表面121及內部122形成圖案化處理區14、14’。其中，圖案 化處理可依據壓電材12後續之振盪頻率的調變及阻絕不需要的模態及其對應的頻率之需求，選擇對該壓電材12進行部分區域的材料移除、材料改質或兩者組合，壓電材12上藉由圖案化處理所形成的圖案化處理區14、14’可具有各式相同或不同的形狀，圖案化處理區14、14’在壓電材12上的分布例如可為形成於壓電材12的表面121周邊及/或內部122周邊、均勻或矩陣分布於壓電材12的表面121及/或內部122、或者非均勻性的分布於壓電材12的表面121及/或內部122等。
圖3是本發明一實施例振盪器壓電結構的結構示意圖，如圖3所示，振盪器壓電結構10包含壓電材12，該壓電材12例如為板狀的石英晶體，惟不限於此，該壓電材亦可為陶瓷或PVDF等；該壓電材12包含表面121及內部122，表面121例如為上表面121a及/或下表面121b，表面121及內部122至少其中之一形成有圖案化處理區14、14’(參見圖2)，每一圖案化處理區14、14’包括材料移除區域16及材料改質區域18(標示於後續圖4中)其中之一。具體而言，可選擇在該壓電材12的表面121形成有材料移除區域16及/或材料改質區域18，可選擇在該壓電材12的內部122形成有材料移除區域16及/或材料改質區域18，又可選擇在該壓電材12的表面121及內部122形成有材料移除區域16及/或材料改質區域18。
請繼續參閱圖3所示，圖3繪製了振盪器壓電結構10的壓電材12具有材料移除區域16的實施態樣，其中，該壓電材12之表面121上形成有材料移除區域16，材料移除區域16例如為盲孔16a、通孔16b、凹槽16c(標示於後續圖5中)、溝槽或其組合等微結構圖案的實施態樣，其中盲孔16a、通孔16b、及/或凹槽16c的截面形狀例如為圓形、矩形、三角形或其他多邊形等，多個微結構圖案的尺寸可為相同或不相同。在如圖3所示的實施例中，材料移除區域16例如為盲孔16a與通孔16b的組合，其中盲孔16a例如形成於該壓 電材12的上表面121a且具有一定深度，通孔16b例如為貫穿上表面121a、內部122及下表面121b。於一實施例中，如圖3所示，材料移除區域16在該壓電材12上的分布例如可為形成於該壓電材12的表面121周邊及/或內部122周邊，惟不限於此，於其它未繪示的實施例中，材料移除區域16亦可均勻或矩陣分布於該壓電材12的表面121及/或內部122、或者非均勻性的分布於該壓電材12的表面121及/或內部122。
圖4為本發明又一實施例振盪器壓電結構的結構示意圖，其中，圖4繪製了振盪器壓電結構10A的該壓電材12具有材料改質區域18的實施態樣，如圖4所示，多個材料改質區域18例如形成於該壓電材12的內部122，在圖4中以灰階區塊代表材料改質區域18，材料改質區域18的晶格結構產生變化，但該壓電材12的外型並不致被改變。於一實施例中，如圖4所示，材料改質區域18的截面形狀例如為圓形，且均勻排列於該壓電材12，惟不限於此，材料改質區域18的截面形狀亦可為矩形、三角形或其他多邊形等，多個材料改質區域18的尺寸可為相同或不相同，多個材料改質區域18的深度也可相同或不相同。
圖5為本發明又一實施例振盪器壓電結構的結構示意圖，其中，圖5繪製了振盪器壓電結構10B的該壓電材12具有材料移除區域16及材料改質區域18的實施態樣，如圖5所示，在該壓電材12的上表面121a形成有材料移除區域16，在該壓電材12的內部122形成有材料改質區域18，其中以凹槽16c表示材料移除區域16，以灰階區塊表示材料改質區域18，至於材料移除區域16及材料改質區域18的形狀、尺寸、及分布等並不限於此，且不限制材料移除區16及材料改質區域18須有一致或不一致的形狀或尺寸。
圖6為本發明一實施例振盪器的分解示意圖，振盪器例如為石英振盪器，該振盪器20包含基座22、振盪器壓電結構10及蓋體24，該蓋體24可 為導電材質或非導電材質。其中，振盪器壓電結構10進一步包含有兩電極層26分別設置於該壓電材12的上表面121a及下表面121b，圖6中僅繪示設置於上表面121a的電極層26，藉由施加電壓訊號於兩電極層26，該壓電材12進行振盪；振盪器壓電結構10設置於基座22內，且蓋體24蓋設於基座22上以覆蓋振盪器壓電結構10。
根據上述，本發明實施例振盪器壓電結構在該壓電材的表面及/或內部形成圖案化處理區，該圖案化處理區包含材料移除區域及/或材料改質區域。當應用此振盪器壓電結構於振盪器時，藉由該壓電材上所形成之圖案化處理區的形狀、尺寸及/或分布，可調整振盪所需要的共振頻率，而更準確的控制振盪頻率，且使振盪器壓電結構兼具有如空間濾波器的功效，以阻絕其他不需要的模態及其對應的頻率，於一實施例中，振盪器在產生高頻振盪時，振盪的模態主要為剪切模態(shear mode)，且其高頻振盪頻率可介於20MHz及100MHz之間。
又，由於在本發明實施例中，是以雷射加工方式對壓電材進行表面及/或內部的圖案化處理，以在壓電材的表面及/或內部形成材料改質區域及材料移除區域等微結構圖案，此種藉由雷射加工形成微結構圖案以調整振盪器之剪切模態的振盪頻率的方法，相較於傳統需對壓電材進行裁切成形以控制剪切模態的振盪頻率的方法而言，本發明實施例振盪器頻率調變的方法具有加工容易且可快速簡易改變振盪頻率的優勢。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
S1、S2:步驟

Claims (12)

  1. 一種振盪器頻率調變的方法，包括：提供一壓電材，包含至少一表面及一內部；以及藉由雷射對該壓電材進行圖案化處理，在該壓電材的該至少一表面及/或該內部形成有至少一雷射圖案化處理區，該圖案化處理包含一材料移除及一材料改質。
  2. 如請求項1所述之振盪器頻率調變的方法，其中，該雷射圖案化處理區為盲孔、通孔、凹槽、溝槽或其組合所形成。
  3. 如請求項1所述之振盪器頻率調變的方法，其中，該至少一雷射圖案化處理區的個數為多個，且該些雷射圖案化處理區在該至少一表面及/或該內部的周邊設置。
  4. 如請求項1所述之振盪器頻率調變的方法，其中，該至少一雷射圖案化處理區的個數為多個，且該些雷射圖案化處理區均勻或矩陣分布於該壓電材的該至少一表面上。
  5. 如請求項1所述之振盪器頻率調變的方法，其中，該至少一雷射圖案化處理區的個數為多個，且該些雷射圖案化處理區均勻或矩陣分布於該壓電材的該內部。
  6. 如請求項1所述之振盪器頻率調變的方法，其中，該壓電材包含石英、陶瓷、或聚偏二氟乙烯。
  7. 一種振盪器壓電結構，包括： 一壓電材，包含至少一表面及一內部，該至少一表面及該內部至少其中之一形成有至少一雷射圖案化處理區，每一該至少一雷射圖案化處理區包括一材料移除區域及一材料改質區域。
  8. 如請求項7所述之振盪器壓電結構，其中，該材料移除區域為盲孔、通孔、凹槽、溝槽或其組合所形成。
  9. 如請求項7所述之振盪器壓電結構，其中，該至少一雷射圖案化處理區的個數為多個，且該些雷射圖案化處理區在該至少一表面及/或該內部的周邊設置。
  10. 如請求項7所述之振盪器壓電結構，其中，該至少一雷射圖案化處理區的個數為多個，且該些雷射圖案化處理區均勻或矩陣分布於該壓電材的該至少一表面上。
  11. 如請求項7所述之振盪器壓電結構，其中，該至少一雷射圖案化處理區的個數為多個，且該些雷射圖案化處理區均勻或矩陣分布於該壓電材的該內部。
  12. 如請求項7所述之振盪器壓電結構，其中，該壓電材包含石英、陶瓷、或聚偏二氟乙烯。
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