CN1178384C - 压电振动元件 - Google Patents

Abstract

一种压电振动装置，包括：一个振动元件部分(1)；一个振动传播部分(2)，由具有比振动元件部分(1)大的厚度的相同材料制成；一个槽(6)，布置在振动元件部分(1)和振动传播部分(2)的边界中；激励电极(3)，相对地布置在振动元件部分(1)的前后表面上；一个连接电极(4)，布置在振动传播部分(2)上；及一个外部引出电极(5)，电气连接到连接电极(4)上。压电振动装置具有泛音模式作为其主要模式，其中当最低模式是一阶或二阶模式时，在厚度方向的波长是最低模式的(2n+1)倍(n是自然数)。

Description

压电振动元件

本发明涉及一种与诸如其中泛音模式是主要振动的压电振动元件和压电滤波器之类的厚度模式有关的压电振动元件。

作为一种使用是在固态物质中传播的波的体波的压电振动元件(下文简单地称作PVE)，用作用于各种电子设备的时钟源的PVE和用于通信设备的频率抽取的压电滤波器是已知的。

在电子设备中密度越来越高、速度越来越快及容量越来越大的最近趋势中，在这种PVE中使用的频率区域向高频侧偏移。作为振动模式，常常采用厚度振动，如厚度滑动方向和厚度纵向。然而，由于使用厚度振动的PVE的谐振频率与元件的板厚度成反比，所以为了频率增高元件板的变薄是必不可少的。在元件变薄过程中，必须考虑到压电材料的机械强度、诸如板厚度的平行度和平面内分布之类的加工精度、及成本的降低，确定元件加工方法。按照普通方法，压电材料的板厚度极限是约50μm。把板厚度的该值转换成频率，在最低阶波模式振动的情况下，即使当使用快速振动传送速度的厚度纵向振动时，振动频率的上限也是约70MHz。在较高频率的情况下，得到泛音模式，就是说，在厚度方向的波长是最低阶波模式(下文简单地称作LOWM)的(2n+1)倍(n是自然数)。这里，LOWM常常是通常在厚度方向具有一半波长的一阶模式。

作为先有技术，铌酸锂的极化反相成形技术公开在日本公开专利No.63-311808中，并且压电单晶基片的直接结合技术公开在IEEEUltrasonics Symposium(超声波论文集)pp.897-900，1996年中的“Variable Property Crystal Resonators by Direct BondingTechniques(利用直接结合技术的可变性能晶体谐振器)”。

在其中极化轴在厚度方向的中心颠倒的结构中，LOWM可以是具有在厚度方向的一个波长的二阶模式。就是说，当LOWM是一阶时，泛音是模式是三阶、五阶、七阶等。当LOWM是二阶时，泛音模式是六阶、十阶、十四阶等。然而，即使在使用泛音模式时，也有在低频侧的LOWM。因而，如果LOWM的抑制是不完全的，则振荡频率可能跳跃，或者其他的异常振荡可以出现在使用PVE的振荡电路中。

这里，用来抑制LOWM的方法包括：

一种利用振荡电路等的电路配置来抑制LOWM的方法，从而可以利用希望的阶数；和

一种利用PVE的材料或结构来抑制LOWM的方法。

利用电路配置来抑制LOWM的方法包括泛音模式振荡电路。在该电路中，一个线圈和电容器的LC谐振电路添加到在LOWM中使用的振荡电路上。通过添加该LC谐振电路，它设计成在希望阶的模式中调谐，并且在泛音模式中振荡。作为其他电路配置，相同的操作在使用晶体管的Colpitts振荡器中是可能的。

另一方面，利用PVE本身来抑制LOWM的方法包括一种选择这样一种压电压材料从而与泛音模式相比几乎不激励LOWM的方法、和一种利用振动元件的结构来抑制LOWM的方法。

在PVE或压电滤波器中，有时需要在特定压电材料中使用诸如厚度滑动振动和厚度纵向振动之类的特定振动模式。在这样一种情况下，当激励电极部分形成在PVE主要表面上时，得知振动能量仅约束在激励电极下面。这种现象称作能量约束，它已经由Shockley、Ogami和其他人专门分析。下面通过参照图8中PVE的剖视图描述能量约束。如图8中所示，假定在激励电极8的一定部分中的截止频率是F0，而在非电极部分中的截止频率是F0′。在这种情况下，在大于F0′的频率处，振动能量自由地传播一个振动元件7。即使在激励电极下面，其频率也不会形成静止波。然而，在大于F0且小于F0′的频率处，振动能量自由地在激励电极8的一定部分中传播。然而，在非电极部分中，振动能量按指数衰减。因此，振动位移随着向PVE端部延伸变小。结果，振动能量集中在激励电极附近。然而，依据压电材料，不满足LOWM的能量约束条件，能量约束条件在泛音模式中满足。在这种情况下，同样，如果LOWM是一阶，则激励得最大的模式是在厚度方向具有三倍波长的三阶泛音模式。这样的材料包括压电陶瓷，如钛酸铅材料、铌酸锂36°转动Y-板、及铌酸锂Z-板。使用这些材料，实际上开发使用厚度纵向三阶泛音的PVE。然而，即使使用其LOWM不满足用于能量约束的条件的压电材料，也公开了一种稳定利用泛音模式的方法。(例如，“使用LiNbO3 36°转动Y-板的厚度纵向模式三阶谐波振动器，发表在Journal ofSociety of Electronics(电子学协会期刊)，Information andCommunication(信息和通信)，Vol.J81-C-1，No.6，pp.357-364，1998)。在该文献中公开的方法需要激励电极尺寸和PVE的保持方法的优化，以便足够抑制LOWM激励。

或者，当使用其LOWM满足能量约束条件的压电材料时，如晶体AT板，有一种稳定使用泛音模式而与电路配置无关的方法。在该方法中，需要利用PVE的结构抑制LOWM。例如，通过利用在LOWM与泛音模式之间的能量约束程度之差，靠近PVE形成一定质量的电极的元件是已知的(例如，在Toyo CommunicationEquipment Technical Bulletin No.42，pp.1-7，1998年中公开的“抑制基本波模式的三阶泛音模式晶体振动器(EFD振动器)”)。这种原理通过参照图9解释。图9表示在PVE纵向LOWM和泛音模式的相对位移的计算结果。在该图中，横坐标轴指示从振动元件的中心部分至外圆周的距离，而纵坐标轴代表假定PVE的中心位移是1的振动位移。下文，该图叫做相对位移分布。如图8中描述的那样，通过利用能量约束，振动表示在激励电极下面的正弦波。在非电极部分中，振动位移按指数衰减。在图9中，假定元件中心的位移是1，带有一组电极的PVE的相对位移分布随着远离中心变小。如图9中所示，三阶泛音模式在能量约束方面比LOWM优越。因此，三阶泛音模式的振动位移最多地分布在激励电极下面。然而，如这里知道的那样，LOWM在非电极部分中振动位移较大，并且衰减不足。在图10A、10B中所示的压电振动器中，LOWM的振动位移较大，并且电极9的质量和其他添加到其中泛音模式的振动位移几乎是0的区域，就是说，在PVE的边缘中。在这种构造的压电振动器中，通过降低LOWM在电极9的部分中的截止频率，LOWM的振动位移传播到外圆周以泄漏振动能量，由此抑制LOWM的激励级。

当使用利用电路配置的泛音模式时，与使用LOWM的情况相比，涉及如下问题，就是说，

零件数量增大，如线圈和电容器；

难以形成在IC中，因为使用线圈；及

难以实现调节自由的构造。

或者使用在其中LOWM满足PVE能量约束条件的压电材料的情况下，当然作为一个问题，LOWM激励级高于泛音模式的。因而，作为抑制LOWM的一种方法，知道利用在LOWM与泛音模式之间的能量约束程度差。这是一种把一定质量的电极添加到在其中LOWM的振动位移较大且泛音模式的振动位移几乎是0的区域中的PVE边缘区域中。在这种情况下，PVE边缘区域的截止频率由于电极材料的氧化或电极膜界面的变化而变化。通过截止频率的这种变化，利用该方法的PVE在振动能量传播量方面是不稳定的，并且缺乏长期可靠性。

或者如果在PVE中使用其LOWM不满足能量约束条件的压电材料，则在LOWM抑制不足的情况下，PVE可能产生振荡频率跳跃或其他异常振荡。

本发明打算解决先有技术的问题，并因此其一个目的在于提出这样一种PVE，如果由其LOWM满足能量约束条件的压电材料制成，则能够高效抑制LOWM且允许稳定利用泛音模式，并且长期可靠性也很优良，因为振动元件部分和振动传播部分由相同材料制成。

为了实现该目的，本发明的PVE包括：

a)一个振动元件部分，

b)一个振动传播部分，由具有比振动元件部分大的厚度的相同材料制成，

c)一个槽，布置在振动元件部分和振动传播部分的边界中，

d)激励电极，面对着振动元件部分的表面侧和后侧，

e)一个连接电极，布置在振动传播部分中，及

f)一个外部引出电极，电气连接到连接电极上。

当LOWM是一阶或二阶时，具有这种构造的PVE主要在其在厚度方向的波长是LOWM的(2n+1)倍(n是自然数)的泛音模式中振动。

在这种构造中，本发明的PVE引起如下两种效果：

LOWM的振动能量通过振动传播部分泄漏的效果；和

当出现在槽部分中的振动反射波产生多余的振动时通过干扰LOWM的谐振增大谐振阻抗的效果。

由于这两种效果，本发明的PVE：

1.如果使用其LOWM满足能量约束条件的压电材料，则能够高效地抑制LOWM；

2.长期可靠性优良，因为振动元件部分和振动传播部分由相同材料制成；及

3.零件数量减小，因为线圈和电容器的调谐电路在振荡电路中是不需要的。

把比值2h/H定义为2/3或更小，其中h是本发明PVE振动元件部分和振动传播部分的边界中的槽的深度，而H是振动元件部分的厚度。

本发明PVE的主要振动是厚度滑动振动，并且振动元件部分和振动传播部分仅在振动传播方向上成为整体。

本发明PVE的振动传播部分通过把振动吸收材料涂敷在其外圆周上形成。

本发明PVE的振动吸收材料是导电材料。

本发明PVE的振动传播部分带有一个上盖或一个下盖，或者带有两者。

本发明PVE的振动元件部分带有在其主平面一侧的至少一对输入电极和输出电极、和在其另一主平面处的一个接地电极。

图1A是本发明实施例中PVE的立体图。

图1B是图1A中所示压电振动元件的剖视图。

图2A是解释由单块板制成的PVE的LOWM和三阶泛音模式的相对位移分布的图。

图2B是图2A中所示PVE的剖视图。

图3A是解释在振动元件部分和振动传播部分的集成结构中的LOWM和三阶泛音模式的相对位移分布的图。

图3B是图3A中所示PVE的剖视图。

图4A是解释在边界中带有槽的PVE的振动元件部分和振动传播部分的集成结构中的LOWM和三阶泛音模式的相对位移分布的图。

图4B是图4A中所示PVE的剖视图。

图5A是解释在PVE的标准化槽的深度与相对位移尺寸之间的关系的图。

图5B是解释PVE的标准化槽的深度的图。

图6A是作为本发明实施例2的一个实际例子的压电滤波器的立体图。

图6B是图6A中所示PVE的剖视图。

图7A是在铌酸锂Z板的厚度方向的中心的极化轴中倒相的压电元件的立体图，作为本发明实施例3的一个实际例子。

图7B是图7A中所示PVE的剖视图。

图8是常规能量约束类型PVE的解释图。

图9是解释图8中所示PVE的LOWM和三阶泛音模式的相对位移分布的图。

图10A是表示相同的LOWM的振动能量传播模式的图。

图10B是表示三阶模式的振动能量传播模式的图。

第一示范实施例

现在参照附图，下面描述根据本发明第一实施例的PVE。

如图1A和1B中所示，该实施例的PVE包括：

a)一个振动元件部分1，

b)一个振动传播部分2，由具有比振动元件部分1大的厚度的相同材料制成，

c)一个槽6，布置在振动元件部分1和振动传播部分2的边界中，

d)激励电极3，面对着振动元件部分1的表面侧和后侧，

e)一个连接电极4，布置在振动传播部分2中，及

f)一个外部引出电极5，电气连接到连接电极4上。

振动元件部分1和振动传播部分2通过槽6整体地形成。激励电极3经外部引出电极5电气连接到布置在振动传播部分2中的连接电极4上。

下面描述具有这种构造的PVE。如下例子与其主要振动是使用在振动元件部分中具有120μm的板厚度的晶体AT板的厚度滑动振动的PVE有关。

在图1A和1B中所示的构造中，振动能量约束在激励电极3下面。然而，由能量约束造成的振动位移的衰减程度不仅取决于激励电极3的尺寸，而且取决于激励电极3的质量。激励电极3的质量越大，振动位移的衰减越大。另一方面，如果激励电极3的质量太大，则大质量的激励电极3成为阻碍振动的损失分量。结果，大质量的激励电极3是用来增大谐振阻抗的因素之一。因此，激励电极3一般通过把银或金涂敷在PVE主平面上约几百或几千埃形成。

假定把金用作用于激励电极的材料，在如下例子中，厚度3000埃的激励电极形成在PVE主平面的正面和背面侧在其中心中。通过比较，图2B表示在LOWM中没有抑制的PVE的构造。该PVE是完全平的单板。图2A表示图2B中PVE的LOWM和三阶泛音模式的相对位移分布。在图2A中，横坐标轴指示在振动传播方向离开PVE 10的中心的距离，而纵坐标轴代表相对位移，分别假定在中心中的PVE 10的LOWM和三阶泛音模式的位移是1。通过能量约束现象，振动位移随着向PVE端延伸而衰减。然而，在LOWM与三阶泛音模式之间能量约束性能有差别。在LOWM的PVE端处的相对位移是约0.02，而三阶泛音模式的相对位移是约0.003。在LOWM的激励电极8端处的相对位移是约0.56，而三阶泛音模式的相对位移是约0.04。

图3B表示在由相同材料制成且成为整体的振动元件部分11和振动传播部分12的边界中没有槽的PVE。图3A表示图3B中所示PVE的相对位移分布。图3B中所示结构的PVE在减小振动传播部分12中的截止频率方面具有与图10A和10B中所示PVE相同的效果。然而，由于振动元件部分11和振动传播部分12由相同材料制成，所以在长期可靠性方面优良。如图3A中所示，三阶泛音模式足够地衰减使在激励电极端处的相对位移是约0.04，而图3B中振动传播部分12的相对位移几乎等于0，振动位移与在图2B的情况下相同。在图3B中的PVE中，LOWM与激励电极8与振动传播部分12之间的非电极部分11相对应，并且振动位移衰减。然而，振动位移不会在振动传播部分12中衰减，并且在PVE端处，相对位移是约0.12。与在图2B的情况下在LOWM的PVE端处的相对位移相比，在图3B中的相对位移是图2B中相对位移的约6倍。相对位移的这种差别是指LOWM的振动能量通过振动传播部分12的提供泄漏到外部。结果，在图3B中的PVE中，LOWM的谐振阻抗增大，并且能抑制LOWM。

然而，如果一个槽提供在振动元件部分和振动传播部分的边界中，则如下面解释的那样能更有效地抑制LOWM。在图4B中的PVE中，在图3B中的PVE的振动元件部分11和振动传播部分12的边界中，形成一个宽度10μm和深度13μm的槽13。该槽13形成在压电振动器的主平面正面和背面侧。图4A表示图4B中PVE的相对位移分布。三阶泛音模式的振动位移在激励电极8端足够地衰减，并且与图2B和图3B中的PVE中的相同，在振动传播部分中的振动位移几乎等于0。然而，在LOWM的压电振动器端处的相对位移是约0.12，这几乎与图3B中的压电振动器中的相同。因此，LOWM的振动能量泄漏效果似乎与图3B中的PVE中的相同。这里，注意在振动元件部分11和振动传播部分12的边界中的LOWM的振动位移，在如图3B中那样没有槽的PVE中，相对位移是约0.17。在如图4B中那样带有槽的PVE中，相对位移是约0.36。在带有槽13的PVE的情况下，相对位移约是没有槽13的2倍。这意味着没有足够衰减的LOWM的振动在槽区域中反射。振动的反射波对于LOWM的谐振是有害振动，这会有效增大LOWM的谐振阻抗。况且，如早先描述的那样，即使提供槽，在PVE端处的LOWM的位移尺寸也几乎是相同的。结果，当形成在槽区域中的反射波引起有害振动时，LOWM振动能量至外部的泄漏效果与增大LOWM的谐振阻抗的效果相结合。因此，图4B中所示的PVE能高效地抑制LOWM。

图5A表示对于图5B中所示的标准化槽深度(2h/H)的相对位移。图5A中的横坐标轴指示标准化槽深度(2h/H)，而纵坐标轴代表在PVE端处及在振动元件部分和振动传播部分的边界中的相对位移。这里，横坐标轴的标准化槽深度(2h/H)由PVE的板厚度H和槽深度h标准化。在振动元件部分11和振动传播部分12的边界中的振动位移是用于通过反射波抑制LOWM的效果的指标。如图5A中所示，当标准化槽深度2h/H较大时，在边界中的槽区域中的振动位移增大。另一方面，在PVE端处的振动位移是用于LOWM的振动能量泄漏到外部的效果的指标。在PVE端处的振动位移在高达约0.67的标准化槽深度处几乎恒定，但当超过该值时突然减小。这是因为在振动传播部分12中用于振动能量传播的有效截面区域变得较小。或者，如图5B中所示，如果槽13太深，则在机械强度方面出现问题。因此，标准化槽深度2h/H最好是2/3(约0.67)或更小。槽13的成形方法包括诸如喷砂之类的机械过程。利用这种方法，槽13的机械强度由于处理退化层的影响可能减小。在这样一种情况下，通过利用借助于化学刻蚀的刻蚀速度差别，可以容易地形成没有处理退化层的精细槽。

第二示范实施例

在参照附图的同时，下面描述在本发明第二实施例中的压电滤波器。

图6A和6B是使用晶体AT板的、其主要振动是厚度滑动振动的压电滤波器。图6A表示压电滤波器的外观，而图6B是图6A的剖视图。

第二实施例的压电滤波器包括：

一个PVE，包括：

a)一个振动元件部分14，包括一块晶体AT板，

b)振动传播部分15，布置在是振动元件部分14的振动传播方向的纵向的两端，

c)一个槽16，形成在振动元件部分14和振动传播部分15的边界中，

d)一个输入电极17，形成在振动元件部分14的主平面的一端，

e)一个输出电极18，形成在振动元件部分14的主平面的另一端，

f)一个接地电极19，形成在振动元件部分14的后侧，

g)一种振动吸收材料20，由形成在振动传播部分15侧处的导电材料组成，及

h)一个细金属丝21，用来在输入电极17与输出电极18的外部终端之间保持导电，

一个安装基片22，用来安装PVE，及

一个外部终端23，用来从安装基片22向外部传送电气信号。

该PVE在形状上是矩形的。当电极形成在整个元件宽度方向时，能量不能约束在宽度方向。因此，元件宽度方向的端部的位移不会衰减得如此大。所以，在该PVE中，振动传播部分没有布置在宽度方向以便不阻碍泛音模式在宽度方向的振动，而仅布置在振动传播方向上。与在第一实施例中相同，振动元件部分14和振动传播部分15由相同材料制成。

在该结构中，尽管振动位移没有足够地衰减，但LOWM的振动能量经振动传播部分15泄漏到外部。况且，由导电材料制成的振动吸收材料20涂敷到振动传播部分15上。因此，本实施例的压电滤波器能高效地吸收泄漏振动能量，同时在外部终端23与接地电极19之间保持导电。在振动元件部分14与振动传播部分15之间的边界中的槽16中，LOWM的振动反射出现，并且有害振动发生。因而，该实施例的PVE也具有干扰LOWM的谐振和增大其谐振阻抗的作用。因此，实现高效抑制LOWM和利用稳定泛音模式的压电滤波器。

第三示范实施例

在参照附图的同时，下面描述在本发明第在实施例中的PVE。

图7A和7B表示一种PVE，其主要振动是厚度纵向振动，在铌酸锂Z板的厚度方向的中心中具有极化轴颠倒的结构。图7A是PVE的外观，而图7B是图7A的剖视图。

第三实施例的PVE包括：

a)一个振动元件部分24，由一块铌酸锂Z板组成，

b)振动传播部分25，由与振动元件部分24相同的材料制成并且与其成为整体，

c)一个槽26，形成在振动元件部分24和振动传播部分25的边界中，

d)激励电极27，而对着振动元件部分24的正面和背面侧，

e)一个上盖28，在振动传播部分25的上部中，

f)一个下盖29，在振动传播部分25的下部中，

g)一个外部终端30，布置在下盖29中。

当极化轴仅在一个方向取向时，铌酸锂Z板不能约束一阶模式的能量。然而，当极化轴在厚度方向的中心中颠倒时，LOWM是二阶模式。因此，能约束能量。由于LOWM是二阶模式，所以泛音模式是六阶、十阶、十四阶等。

如图7A和7B中所示，在PVE上面和下面，提供上盖28和下盖29。由于振动元件部分24的厚度比振动传播部分25的小，所以不会阻碍振动元件部分24的振动。因此，该实施例的PVE可以放在外壳中。况且，由于振动传播部分25能用作外壳的外边缘，所以能减小PVE的尺寸。特别是，能降低PVE的高度。传播到振动传播部分25的振动能量是二阶模式(LOWM)。因此，如果提供盖，则几乎不改变泛音模式特性。

与在第一实施中相同，振动传播部分25具有把二阶模式的振动能量泄漏到外部的作用。另外，在振动元件部分24和振动传播部分25的边界中的槽26中，LOWM的振动反射出现，并且有害振动发生。所以它添加了干扰LOWM的谐振和增大其谐振阻抗的作用。结果，实现高效抑制LOWM和使用稳定泛音模式的PVE。

在以上描述中，主要解释了使用压电单晶的PVE的例子，但在由诸如压电陶瓷之类的其他压电材料制成的PVE中得到相同的效果。

如这里描述的那样，本发明的PVE和压电滤波器具有如下两种效果：

LOWM的振动能量通过振动传播部分泄漏的效果；和

当出现在槽部分中的振动反射波引起有害振动时通过干扰LOWM的谐振增大谐振阻抗的效果。

结果，即使在使用其LOWM满足能量约束条件的压电材料的情况下，本发明的PVE和压电滤波器：

能够高效地抑制LOWM；

长期可靠性优良，因为振动元件部分和振动传播部分由相同材料制成；及

零件数量减小，因为线圈和电容器的调谐电路在振荡电路中是不需要的。

Claims (9)

1.一种压电振动元件包括一个振动元件部分、一个由相同材料制成的具有比所述振动元件部分大的厚度的振动传播部分、及一个布置在所述振动元件部分和振动传播部分的边界中的槽，一个与振动元件部分紧密接触的激励电极，所述压电振动元件以泛音模式为主要振动，槽是这样构成的，即在振动元件部分产生的最低阶波模式(LOWM)振动在槽中被反射，同时通过振动传播部分向外部泄漏，激励电极紧密接触于振动元件部分，并且振动元件部分具有与振动传播部分之间不存在激励电极的区域。

2.根据权利要求1所述的压电振动元件，其中主要振动是泛音模式，就是说，当最低阶波模式是一阶或二阶时，在厚度方向的波长是最低阶波模式的(2n+1)倍(n是自然数)。

3.根据权利要求2所述的压电振动元件，其中比值2h/H是2/3或更小，其中h是振动元件部分和振动传播部分的边界中的槽的深度，而H是振动元件部分的厚度。

4，根据权利要求2所述的压电振动元件，其中主要振动是厚度滑动振动，并且振动元件部分和振动传播部分仅在振动传播方向上成为整体。

5.根据权利要求2所述的压电振动元件，其中所述振动传播部分使振动吸收材料涂敷在其外圆周上。

6.根据权利要求5所述的压电振动元件，其中所述振动吸收材料是导电材料。

7.根据权利要求2所述的压电振动元件，其中所述振动传播部分带有一个上盖或一个下盖，或者带有两者。

8.根据权利要求2所述的压电振动元件，其中所述振动元件部分带有在其一个主平面上的至少一对输入电极和输出电极、和在其另一主平面上的一个接地电极。

9.根据权利要求1所述的压电振动元件，其中主要振动是泛音模式，并且其中振动元件部分和振动传播部分在主要振动的振动变位大致等于0时连接。

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