CN110401426A - 晶体振子 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种晶体振子，具有新的台面结构，且可谋求晶体阻抗的改善。晶体振子包括：AT切割晶体片。所述晶体片中，当观察在晶体片的短边的中央附近沿长边方向切割的截面时，从一方的短边侧起，依次包括第一端部、第一凹部、厚壁部、第二凹部及第二端部。第一凹部从厚壁部朝向第一端部的一侧而设置，第一凹部的表面以规定角度θa凹陷，然后凸出，而与第一端部连接。第二凹部从厚壁部朝向第二端部的一侧而设置，第二凹部的表面以规定角度θb凹陷，然后凸出，而与第二端部连接。当将从第一端部的前端至厚壁部的第二凹部的一侧的上端为止的尺寸定义为L时，L满足L＝λ×(n/2±1/8)，n为自然数，λ为沿晶体片中的晶体的X轴传播的弯曲振动的波长。

Description

晶体振子

技术领域

本发明涉及一种使用AT切割晶体片的晶体振子。

背景技术

随着AT切割晶体振子的小型化发展，在利用机械式加工的制造方法中，晶体振子用的晶体片的制造变得困难。因此，已开发出利用光刻(photolithography)技术及湿式蚀刻(wet etching)技术来制造的AT切割晶体片。

例如，在专利文献1中，公开了一种晶体振子，使用了通过所述技术而制造的AT切割晶体片。具体来说，在专利文献1的段落0053及图6(a)与图6(b)中，公开了一种晶体振子，在与晶体的X轴交叉的侧面(X面)中，+X侧的侧面由六个面构成，-X侧的侧面由两个面构成，且使所述晶体振子的一部分为厚壁部(台面(mesa)状)。根据所述晶体振子，可以实现晶体阻抗(crystal impedance，CI)值低，频率温度特性经改善的晶体振子(专利文献1的段落0008)。

[现有技术文献]

[专利文献]

[专利文献1]日本专利特开2014-27505号公报

发明内容

[发明所要解决的问题]

专利文献1的晶体振子具有台面结构，包括：厚壁部、与所述厚壁部连接的倾斜部、以及与所述倾斜部连接的薄壁部。倾斜部有+X侧的倾斜部(专利文献1的图6(b)的结晶面133)及-X侧的倾斜部(所述图6(b)的倾斜面23)两个。

而且，+X侧的倾斜部的倾斜面与厚壁部的主面的法线所成的角度记载为约27°(专利文献1的段落57第4行～第5行)。因此，+X侧的倾斜部朝向薄壁部以约63°的角度倾斜。并且，-X侧的倾斜部的结晶面与厚壁部的主面的法线所成的角度记载为约55°(专利文献1的段落55第2行～第3行)。因此，-X侧的倾斜部朝向薄壁部以约35°的角度倾斜。针对所述现有技术，期望出现厚壁部与薄壁部的连接部分的其它优选结构。

本申请是鉴于如上所述的方面而成，因此，本申请的目的在于提供一种晶体振子，具有新的台面结构，且可谋求晶体阻抗(CI)的改善。

[解决问题的技术手段]

为了谋求所述目的的达成，根据本申请的晶体振子的发明，是如下的晶体振子，包括：平面形状为长方形状且一部分成为厚壁部的AT切割晶体片，其中，

所述AT切割晶体片中，当观察在所述AT切割晶体片的短边的中央附近沿长边方向切割的截面时，从一方的短边侧起，依次包括第一端部、第一凹部、厚壁部、第二凹部及第二端部，

所述第一凹部是从所述厚壁部朝向所述第一端部的一侧而设置的凹部，所述第一凹部的表面以规定角度θa凹陷，然后凸出，而与所述第一端部连接，

所述第二凹部是从所述厚壁部朝向所述第二端部的一侧而设置的凹部，所述第二凹部的表面以规定角度θb凹陷，然后凸出，而与所述第二端部连接，

当将从所述第一端部的前端至所述厚壁部的所述第二凹部的一侧的上端为止的尺寸定义为L时，所述L满足下述式(1)，其中，在式(1)中，n为自然数，λ为沿所述晶体振子中的晶体的X轴传播的弯曲振动的波长，

L＝λ×(n/2±1/8)···(1)。

另外，本申请中所述的晶体振子也包括：一般的晶体振子、与振荡电路一同封装在封装体内而构成晶体振荡器的晶体振子、及带有热敏电阻(thermistor)或PN二极管等各种温度传感器的晶体振子等。

并且，本申请中所述的平面形状为长方形状也包括：长方形的角部变成R状等，无损本发明的目的的范围内的大致长方形状。

[发明的效果]

根据本发明的晶体振子，可获得如下的独特的台面结构：在从厚壁部沿晶体片的长边方向的两侧分别具有凹部，且将从第一端部的前端至厚壁部的第二凹部的一侧的上端为止的尺寸L，设为如由式(1)所求出般的弯曲振动的波长λ的n/2倍附近的规定尺寸。可认为这种台面结构与单纯的台面结构相比，可以更好地将振动封入至厚壁部。因此，可认为能够谋求晶体振子的特性改善。

附图说明

图1A至图1C是实施方式的晶体振子所具有的AT切割晶体片10的说明图。

图2A及图2B是晶体片10的特别是与Z'轴交叉的侧面的说明图。

图3是表示将晶体片10封装在陶瓷封装体内的状态的俯视图。

图4是实施方式的晶体片10中的试制结果及模拟结果的说明图。

图5A、图5B及图5C是晶体片10的制作方法例的说明图。

图6A、图6B及图6C是接在晶体片10的制作方法例的图5A至图5C之后的说明图。

图7A、图7B及图7C是接在晶体片10的制作方法例的图6A至图6C之后的说明图。

[符号的说明]

10：实施方式的晶体片

10a：第一端部

10b：第一凹部

10c：第二凹部

10d：第二端部

10e：厚壁部

10f：第一面

10g：第二面

10h：第三面

10i：主面

10w：晶体晶片

11：激励用电极

13：引出电极

15：陶瓷封装体

15a：连接垫

17：导电性粘接剂

40：耐湿式蚀刻性掩模

40a：开口

L：尺寸

M：晶体晶片的一部分

N：部分

IB-IB、IC-IC、VC-VC、VIC-VIC、VIIC-VIIC：线

X、Y'、Z'：晶体的晶轴

θa、θb：规定角度

θ1、θ2、θ3：角度

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的晶体振子的实施方式进行说明。另外，用于说明的各附图只是以能够理解本发明的程度而概略性地表示。并且，在用于说明的各附图中，对同样的构成成分标注相同的编号来表示，也存在省略其说明的情况。并且，在以下的说明中所述的形状、尺寸、材质等，只是本发明的范围内的适宜例。因此，本发明并不只限定于以下的实施方式。

1.晶体振子的说明

1-1.晶体片的结构

首先，参照图1A至图1C、图2A及图2B，对实施方式的晶体振子所具有的AT切割晶体片10进行说明。另外，图1A是晶体片10的俯视图，图1B是沿图1A中的IB-IB线的晶体片10的截面图，图1C是沿图1A中的IC-IC线的晶体片10的截面图。另外，在图1B中，为了使作为本发明的特征的第一端部10a、第一凹部10b、第二凹部10c及第二端部10d易于理解，将这些部分加以放大表示，并且由于图纸的关系，对厚壁部10e省略沿晶体片10的长边方向的区域的一部分来表示。并且，图2A是图1C的放大图，图2B是放大表示图2A中的N部分的图。

并且，图1A中所示的坐标轴X、Y'、Z'分别表示AT切割晶体片10中的晶体的晶轴。另外，关于AT切割晶体片自身的详细情况，例如已记载在文献《晶体装置的解说及应用》日本晶体装置工业会2002年3月第4版第7页等之中，所以此处省略其说明。

本实施方式的晶体片10是平面形状为长方形状，使一部分为厚壁部10e，由规定的方向角的晶体片形成；晶体片10是：其长边与晶体的X轴平行，其短边与晶体的Z'轴平行的AT切割的晶体片。

而且，所述晶体片10中，当观察在晶体片10的短边的中央附近沿长边方向切割的截面(即沿IB-IB线切割的截面)时，从一方的短边侧(在图1A至图1C的示例的情况下，从+X侧短边)起，依次包括第一端部10a、第一凹部10b、所述厚壁部10e、第二凹部10c及第二端部10d。

而且，特别是如图1B所示，第一凹部10b是以下的凹部：从厚壁部10e朝向第一端部10a的一侧而设置，第一凹部10b的表面以规定角度θa凹陷然后凸出，进而，在本例的情况下是稍微凹陷并且凸出，而与第一端部10a连接。

并且，第二凹部10c是以下的凹部：从厚壁部10e朝向第二端部10d的一侧而设置，第二凹部10c的表面以规定角度θb凹陷，然后以缓于θb的角度凹陷后凸出，而与第二端部10d连接。

此处，角度θa是厚壁部10e的主面与第一凹部10b的厚壁部10e侧的斜面所成的角度，具体来说是4°～8°，典型的是约6°。并且，角度θb是厚壁部10e的主面与第二凹部10c的厚壁部10e侧的斜面所成的角度，具体来说是14°～18°，典型的是约16°。这些角度θa、角度θb显示出稍许偏差，根据本申请的发明人的迄今为止的实验得知，如上所述，角度θa表示6°±2°，角度θb表示16°±2°。

进而，晶体片10如图1A至图1C所示，当将从第一端部10a的前端至厚壁部10e的第二凹部10c的一侧的上端为止的尺寸定义为L时，L设为满足下述式(1)的尺寸，其中，在式(1)中，n为自然数，λ为沿所述晶体振子中的晶体的X轴传播的弯曲振动的波长。当将作为所述晶体振子的主振动的厚度剪切振动(thickness shear vibration)的共振频率定义为F0时，所述λ根据所述F0而变化。根据本申请的发明人的研究，λ与F0的关系例如由下述的式(2)表示。当然，所述式(2)为一例。

L＝λ×(n/2±1/8)···(1)

λ＝1943/F0－12.8···(2)

并且，如图1B所示，第一端部10a由四个面构成，形成为朝向+X方向具有凸状的形状的结构，并且，第二端部10d由四个面构成，形成为朝向-X方向具有凸状的形状的结构。另外，也可以存在第二端部10d由五个以上的面，例如五个面或六个面构成的情况。当已使形成晶体片的外形的湿式蚀刻的时间变长时，存在面的数量增加的情况。

此处，晶体片10的长边尺寸及短边尺寸、以及第一端部10a、第一凹部10b、第二凹部10c、第二端部10d及厚壁部10e各自的沿晶体片10的长边方向的尺寸，可以根据对晶体振子所要求的规格设为任意的尺寸。

在本实施方式的晶体片10的情况下，第一端部10a、第一凹部10b、第二凹部10c及第二端部10d各自的沿晶体片10的长边方向的尺寸，依照以上的所述顺序来说，设为约50μm、约180μm、约80μm、约40μm。因此，第一凹部10b的尺寸长达第二凹部10c的尺寸的两倍以上。

并且，在所述晶体片10的情况下，与晶体片10的Z'轴交叉的侧面(Z'面)分别特别地如图2B所示，设为：由第一面10f、第二面10g及第三面10h这三个面构成的侧面。而且，第一面10f是与所述晶体片10的主面10i相交的面，而且，是相当于使主面10i以晶体的X轴为旋转轴旋转θ1而成的面的面。

进而，在所述晶体片10中，第一面10f、第二面10g及第三面10h依此顺序相交。而且，第二面10g是相当于使主面10i以晶体的X轴为旋转轴旋转θ2而成的面的面，第三面10h是相当于使主面10i以晶体的X轴为旋转轴旋转θ3而成的面的面。从本申请人的实验得知，这些角度θ1、角度θ2、角度θ3优选如下。θ1＝4°±3.5°，θ2＝-57°±5°，θ3＝-42°±5°，更优选的是θ1＝4°±3°，θ2＝-57°±3°，θ3＝-42°±3°。另外，关于θ1～θ3，已记载于本申请人的日本专利特开2016-197778号公报之中，所以此处省略其说明。

若如上所述，由规定的三个面构成与Z'轴交叉的侧面(Z'面)，则可谋求抑制短边方向上的多余振动，从而优选。

并且，所述晶体片10在厚壁部10e的表面与背面上，或者在包含所述厚壁部10e的表面与背面的更宽的规定区域内，包括激励用电极11，进而包括：从所述激励用电极11引出至晶体片10的一个短边侧的引出电极13。激励用电极11及引出电极13分别典型的是可包含铬及金的层叠膜。

通过将如所述般形成的晶体片10，如图3所示，例如在众所周知的陶瓷封装体15内，例如利用硅酮系的导电性粘接剂17而封装在引出电极13的位置，进而，利用规定的盖构件(未图示)对所述陶瓷封装体以真空密封或惰性气体环境等的密封状态进行密封，而可以构成实施方式的晶体振子。另外，若对晶体片10的固定位置进行详细描述，则晶体片10在其第一端部10a附近，通过导电性粘接剂17而固定在陶瓷封装体15的连接垫15a上。

1-2.试制结果及模拟结果

分别制作多个作为将振荡频率设为规定的频率的晶体片10的、将尺寸L变成各种尺寸的多种试制的晶体片。而且，使用这些晶体片，制作使用图3所说明的由封装结构及密封结构所构成的多种实施例的晶体振子。

并且，作为利用有限单元法(finite element method)的模拟模型，准备作为所述晶体片10的将尺寸L变成各种尺寸的模拟模型，并调查了尺寸L与第一端部10a中的位移量的关系。

图4是在横轴上设为式(1)中的n/2，在左纵轴上设为模拟中的第一端部10a的前端点处的位移量，在右纵轴上设为已试制的多种晶体振子各自的CI值，表示相对于n/2的位移量及CI值的关系的图。即，图4是表示将波长λ作为规定值来考虑时，相对于由式(1)所求出的尺寸L的位移量及CI值的关系的图。

其中，所谓位移量，是指：晶体片10的第一端部10a的前端点处的位移量，实际上存在朝晶体片10的Y'轴的正侧移位的情况、及朝晶体片10的Y'轴的负侧移位的情况，但此位移量是无视方向而由绝对值表示的位移量。因此，位移量的绝对值越小，越是优选的晶体片。

并且，CI值表示各水准的晶体振子各自的CI值的平均值、最大值及最小值。但是，将CI值设为已通过对所述晶体振子所要求的CI的规格值而标准化的值。因此，经标准化的CI值越小、且相对于平均值的最大值与最小值的幅度越小，越是优选的晶体片。

另外，在图4中表示n为24附近，因此L为12附近的研究结果。但是，即便是n为图4中所示的范围外的情况，满足所述式(1)的范围也周期性地显现，可在各个区域中获得本发明的效果。

另外，所述试制及模拟是在将晶体片10的X方向的尺寸设为约850μm，将共振频率设为40MHz的条件下进行。当然，这些尺寸或频率为一例，本发明并不限定于这些尺寸或频率。

根据图4可知，在n/2为12附近，位移量以绝对值而言变成2％左右的极小值。并且，关于CI值，也可知在L为12附近，经标准化的值中的平均值变成0.8左右，最大值也为1左右，满足CI值的标准。而且，以n/2为中心在其前后的某一范围内位移量及CI值显示小的值，其前后的范围可估计为1/8左右。可知在其以外的范围内，位移量及CI均变大。根据这些可知，以尺寸L以满足L＝λ×(n/2±1/8)的方式进行选择为宜。另外，晶体片10的优选的实际的尺寸L，可通过使(n/2±1/8)乘以波长λ来算出。例如，若为所述例，则波长λ约为62μm，因此L的中心值由L＝12×62求出，约为740μm。

2.制造方法的说明

其次，参照图5A～图7C，对晶体振子的制造方法的实施方式进行说明。

实施方式的晶体片10可以利用光刻技术及湿式蚀刻技术，从晶体晶片(crystalwafer)中制造多个。因此，在以下的制作方法例的说明中所使用的图的一部分图中，表示了晶体晶片10w的俯视图及将其一部分M加以放大的俯视图。进而，在制作方法例的说明中所使用的图的一部分图中，也同时使用了晶体片10的截面图。所有截面图都表示了相对应的俯视图中的沿VC-VC线或VIC-VIC线或VIIC-VIIC线的截面。

首先，准备晶体晶片10w(图5A)。AT切割晶体片10的振荡频率为众所周知，大致取决于晶体片10的主面(X-Z'面)部分的厚度，所准备的晶体晶片10w设为比最终的晶体片10的厚度还厚的晶片。

其次，在所述晶体晶片10w的表面与背面两面上，利用众所周知的成膜技术及光刻技术，形成用于形成晶体片的外形的耐湿式蚀刻性掩模40。本实施方式的情况的耐湿式蚀刻性掩模40是设为包括：与晶体片的外形相对应的部分、保持各晶体片的框架部分、及将晶体片与框架部分加以连结的连结部。但是，在本发明中，在与所述第一凹部及第二凹部分别相对应的一部分区域内，形成了具有开口40a的耐湿式蚀刻性掩模，所述开口40a不贯通晶体晶片10w，但是可以使湿式蚀刻液渗入至可对晶体晶片10w进行所需量蚀刻的程度。具体来说，例如形成了包含铬膜与金膜的层叠膜的耐湿式蚀刻性掩模40，即，形成对规定部分去除所述金属膜而设为开口40a的耐湿式蚀刻性掩模40。另外，将开口40a中的晶体片10的前端侧(-X侧)的开口的位置设为可获得所述尺寸L的位置。

所述开口40a的沿晶体片10的厚度方向的尺寸如上所述，是不贯通晶体晶片10w，但可使湿式蚀刻液渗入至可对晶体晶片10w进行所需量蚀刻的程度的尺寸，典型的是数μm，例如2μm。但是，所述值可以根据晶体晶片10w的厚度、第一凹部或第二凹部的深度及宽度等而变更。并且，所述开口40a的沿晶体片10的短边方向的尺寸以设为与晶体片的宽度尺寸相同程度的尺寸为宜。但是，所述尺寸也可以根据晶体晶片10w的厚度、第一凹部或第二凹部的宽度而变宽或变窄。并且，在图5A至图5C的示例中，开口40a的数量是在晶体片的两端区域各设为一个，但并不限定于此，也可以设置多个，还可以在其中一个区域内设置一个，在另一个区域内设置多个。并且，在图5A至图5C的示例中，将开口40a的平面形状设为极细长的长方形状，但也可以变更所述形状。

其次，将形成有耐湿式蚀刻性掩模40的晶体晶片10w，浸渍于湿式蚀刻液中规定时间。作为蚀刻液，使用氢氟酸系蚀刻剂(etchant)。所谓规定时间，是指蚀刻液能够贯通晶体晶片10w以获得晶体片10的外形轮廓的时间+α的时间。

在所述蚀刻中，在晶体晶片10w的晶体片10的形成预定区域的周围的开口，蚀刻液良好地渗入扩散，因此蚀刻推进而充分贯通晶体晶片10w自身。另一方面，开口40a的部分的开口尺寸狭窄，所以湿式蚀刻液是一点点地渗入至开口40a下的晶体晶片10w部分，所以对开口40a的区域及其周围的掩模下的晶体晶片10w部分进行蚀刻，而不会到贯通晶体晶片10w的程度。

图6A至图6C是表示已结束所述外形蚀刻的试样的样子的图，且为表示已去除耐湿式蚀刻性掩模40之中的框架部分以外的部分的状态的图。获得了具有第一端部10a、第一凹部10b、厚壁部10e、第二凹部10c、第二端部10d各自的完成前的中间体的状态的晶体晶片10w。

其次，将所述中间体状态的晶体晶片10w，再次浸渍于以氢氟酸为主的蚀刻液中规定的时间。此处，所谓规定的时间，是指晶体片10的厚壁部10e形成预定区域的厚度能够满足对所述晶体片10所要求的振荡频率的规格，并且，可以在与晶体片10的Z'轴交叉的侧面上形成第一面10f～第三面10h的时间。若所述蚀刻完成，则如图7A至图7C所示，完成包括第一端部10a、第一凹部10b、厚壁部10e、第二凹部10c及第二端部10d的晶体片10的主要部分。

其次，从所述蚀刻已结束的晶体晶片10w中，还去除耐湿式蚀刻性掩模40的残留部分，而露出整个晶体面(未图示)。然后，在所述晶体晶片10w的整个面上，利用众所周知的成膜方法，形成晶体振子的激励用电极及引出电极形成用的金属膜(未图示)。其次，利用众所周知的光刻技术及金属蚀刻(metal etching)技术，对所述金属膜进行加工，从而完成具有多个图1A至图1C中所示的晶体片10的晶体晶片10w。

其次，对晶体晶片10w的各晶体片10的连结部施加适当的外力，使晶体片10从晶体晶片10w分离，而单片化。通过将这样形成的晶体片如上所述封装至容器中，并进行密封，可以获得如图3所示的实施方式的晶体振子。

在所述制造方法中，在耐湿式蚀刻性掩模40上设置规定的开口40a而进行外形蚀刻，所以在外形蚀刻时也可以同时形成台面结构。因此，可以不使用台面结构形成用的专用掩模，而形成新的台面结构。

Claims (3)

1.一种晶体振子，其特征在于，包括：

平面形状为长方形状且一部分成为厚壁部的AT切割晶体片，

其中，

所述AT切割晶体片中，当观察在所述AT切割晶体片的短边的中央附近沿长边方向切割的截面时，从一方的短边侧起，依次包括第一端部、第一凹部、所述厚壁部、第二凹部及第二端部，

所述第一凹部是从所述厚壁部朝向所述第一端部的一侧而设置的凹部，所述第一凹部的表面以规定角度θa凹陷，然后凸出，而与所述第一端部连接，

所述第二凹部是从所述厚壁部朝向所述第二端部的一侧而设置的凹部，所述第二凹部的表面以规定角度θb凹陷，然后凸出，而与所述第二端部连接，

当将从所述第一端部的前端至所述厚壁部的所述第二凹部的一侧的上端为止的尺寸定义为L时，所述L满足下述式(1)，

其中，在式(1)中，n为自然数，λ为沿所述晶体振子中的晶体的X轴传播的弯曲振动的波长，

L＝λ×(n/2±1/8)···(1)。

2.根据权利要求1所述的晶体振子，其特征在于，

所述AT切割晶体片是长边与所述晶体的X轴平行，短边与所述晶体的Z'轴平行，

所述第一端部位于+X侧。

3.根据权利要求1所述的晶体振子，其特征在于，

所述AT切割晶体片是长边与所述晶体的X轴平行，短边与所述晶体的Z'轴平行，

所述第一端部位于+X侧，

所述规定角度θa为6°±2°，

所述规定角度θb为16°±2°。