JP2012015886A - 振動片、振動子、発振器および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】内部応力の集中を回避し、信頼性の高い振動片、振動子、発振器を提供する。
【解決手段】基部１０と、前記基部から延出する腕部２０，３０，４０とを備える振動片であって、前記腕部１０の一方の主面に配置される圧電素子を備え、前記圧電素子は圧電体膜７０ａ、７０ｂ、７０ｃと、前記圧電体膜の一方の側に設けた第１電極膜５０と、前記圧電体膜の他方の側に設けた第２電極膜６０と、を備え、前記圧電素子は、前記第１電極膜を前記主面の側に配置され、前記圧電体膜の前記基部の側の端部が、前記腕部の平面内に有る振動片。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動片、振動子、発振器および電子機器に関する。

特開２００３−２２７７１９号公報（特許文献１）には、少なくとも２つのアームを有した非圧電材料からなる音叉と、この音叉の少なくとも１つアームの主面上の中心線より内側及び外側にそれぞれ離間するように設けられた第１、第２の電極と、第１、第２の電極上にそれぞれ設けられた圧電薄膜と、各圧電薄膜上にそれぞれ設けられた第３、第４の電極と、を備え、第３、第４の電極に互いに逆相の交流電圧を印加することにより前記音叉がＸ方向に共振するように構成された薄膜微小機械式振動子、が開示されている。しかしながら、この従来例の振動子は、１つのアーム上に２本の電極が配置されるので、各電極はアームの幅の１／２より小さい線幅とする必要がある。従って、共振子をより小型化するためにアームの幅を狭くすることが難しい。

この課題を解決するため、振動子表面に下部電極を形成し、この下部電極上に圧電薄膜を形成し、更に圧電薄膜上に上部電極を形成する構成とし、小型化を実現した（特許文献２）。

しかし、上述の振動子において、圧電薄膜の内部損失（熱弾性による損失）によって、振動子の振動のエネルギーを損失してしまうことが知られている（非特許文献１）。

特開２００３−２２７７１９号公報 特開２００９−５０２２号公報

Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．Ｍｉｃｒｏｅｎｇ．１５（２００５） ２２４９ページ〜２２５３ページ

従って、上述の特許文献２によって小型の振動子を得られたとしても、圧電薄膜の熱弾性による振動子の振動エネルギー損失が大きく影響してしまい、振動が安定しない、Ｑ値が低下してしまうという、振動子の基本性能の低下に繋がってしまう。

そこで、圧電体膜の熱弾性による振動エネルギー損失を減少させ、振動の安定した高いＱ値を持つ振動片、振動子および発振器を得る。

本発明は、少なくとも上述の課題の一つを解決するように、下記の形態または適用例として実現され得る。

〔適用例１〕本適用例による振動片は、基部と、前記基部から延出する腕部とを備える振動片であって、前記腕部の一方の主面に配置される圧電素子を備え、前記圧電素子は圧電体膜と、前記圧電体膜の一方の側に設けた第１電極膜と、前記圧電体膜の他方の側に設けた第２電極膜と、を備え、前記圧電素子は、前記第１電極膜を前記主面の側に配置され、前記圧電体膜の前記基部の側の端部から、前記腕部と前記基部との交接部までの距離ｌが、前記交接部から前記腕部の先端までの長さＬに対して、ｌ≧Ｌ／４、であることを特徴とする。

上述の適用例によれば、圧電素子の熱弾性による振動エネルギー損失の変動を少なくすることができ、Ｑ値のばらつきの少ない振動片を得ることができる。

〔適用例２〕上述の適用例において、前記腕部は前記腕部の延出方向に交差する方向に配列された奇数個を備え、前記腕部の振動方向は前記腕部の延出方向と交差し、隣り合う前記腕部の振動方向が逆相であることを特徴とする。

上述の適用例によれば、上下振動モードの腕部であっても、高いＱ値を得ることができ、より小型の振動片を実現することができる。

〔適用例３〕上述の適用例の振動片と、前記振動片を収納するパッケージと、を有する振動子。

〔適用例４〕上述の適用例の振動片と、前記振動片を駆動させる機能を有する回路部と、を有する発振器。

上述の適用例によれば、高い電気機械結合係数を持ち、振動特性の優れた信頼性の高い振動子および発振器を得ることができる。

〔適用例５〕上述の適用例の前記振動片、前記振動子もしくは前記発振器を用いた電子機器。

上述の適用例によれば、小型で信頼性の高い電子機器を得ることができる。

第１実施形態に係る振動片の、（ａ）は平面図、（ｂ）は裏平面図、（ｃ）は（ａ）に示すＡ−Ａ’部の拡大断面図。 第１実施形態に係る振動片の断面図であり、（ａ）は図１（ａ）に示すＢ−Ｂ’部の断面図、（ｂ）は図１（ａ）に示すＣ−Ｃ’部の断面図、（ｃ）は図１（ａ）に示すＤ−Ｄ’部の断面図。 振動片の動作を説明する斜視図。 第１実施形態に係る振動片の振動エネルギー損失を示すグラフ。 第１実施形態に係る振動片の製造フローチャート。 第１実施形態に係る振動片の製造方法を示す平面図および断面図。 第１実施形態に係る振動片の製造方法を示す平面図および断面図。 第１実施形態に係る振動片の製造方法を示す平面図および断面図。 第２実施形態に係る振動子の（ａ）平面図、（ｂ）断面図。 第３実施形態に係る発振器の断面図。

以下、図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。

（第１実施形態）
図１および図２に本実施形態に係る振動片を示し、図１の（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の裏平面図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ’部の拡大断面図である。また、図２の（ａ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ’部、（ｂ）は図１（ａ）のＣ−Ｃ’部、（ｃ）は図１（ａ）のＤ−Ｄ’部のそれぞれ拡大断面図である。

図１に示す水晶振動片１００は、圧電材料から形成され、基部より３本の腕部が延出した、いわゆる音叉型振動片である。本実施形態では基材に水晶を用いて形成された水晶振動片１００によって説明するが、弾性材料であれば適用可能である。本実施形態に適用される水晶基板にはＺカット板を用いたが、ＡＴカット板、Ｘカット板であっても適用可能である。

図１（ａ）に示すように、水晶振動片１００は、基部１０と、基部１０より同方向に延出する腕部２０、３０、４０を備えている。腕部２０、３０、４０は、図２（ａ）に示すように、腕部厚みｈが、基部厚みＨに対して薄く形成されている。腕部厚みｈは、振動し易さの観点から２〜１０μｍの厚みに形成され、基部厚みＨは水晶振動片１００の強度確保と、後述する振動子とする際のパッケージへの組込み性から５〜１００μｍに形成される。

腕部２０、３０、４０には、図１（ｃ）に示すように、一方の主面２０ａ、３０ａ、４０ａ上に、主面２０ａ、３０ａ、４０ａ側から第１電極膜としての腕部電極５０ａ、６０ｂ、５０ｃと、腕部圧電体膜７０ａ、７０ｂ、７０ｃと、第２電極膜としての腕部電極６０ａ、５０ｂ、６０ｃと、が積層されている。腕部電極５０ａ、５０ｂ、５０ｃは水晶基板１００ａに形成された基部電極５０ｄに、腕部電極６０ａ、６０ｂ、６０ｃは基部電極６０ｄに、水晶基板１００ａ表面に形成された配線により接続され、電極膜５０、６０を形成している。

電極膜６０は、水晶基板１００ａの一方の主面側だけで腕部電極６０ａ、６０ｂ、６０ｃと基部電極６０ｄとを繋ぐ配線が可能であるが、他の電極膜５０は腕部電極５０ａ、５０ｂ、５０ｃと基部電極５０ｄとを繋ぐためには、電極膜６０の配線を回避することが必要となる。そのため、本実施形態では電極膜５０の一部を基部電極５０ｄが形成された主面と反対の面に、裏面配線５０ｅとして形成し、腕部電極５０ａ、５０ｂ、５０ｃと基部電極５０ｄとを繋ぐ形態とした。このように配線された電極膜５０、６０に基部電極５０ｄ、６０ｄより入力信号としての交番電流を入力する。

また、腕部圧電体膜７０ａ、７０ｂ、７０ｃと表面側の腕部電極６０ａ、５０ｂ、６０ｃとの間には絶縁膜８０が配置され、絶縁膜８０は圧電体膜７０の全面を覆っている。この絶縁膜８０は圧電体膜７０を経由して腕部電極５０ａ、６０ｂ、５０ｃと、腕部電極６０ａ、５０ｂ、６０ｃと、が電気的に短絡（ショート）させないように、電気的な絶縁をするものである。

このように配線された電極膜５０と６０に対して、異相の信号電流、いわゆる交番電流を入力すると、腕部２０と４０とに設けた腕部圧電体膜７０ａと７０ｃとには、腕部電極６０ａと５０ａとの間、腕部電極６０ｃと５０ｃとの間では同じ方向の電界が生じ、腕部３０には腕部電極５０ｂと６０ｂとの間で、腕部２０、４０とは逆方向の電界が生じる。このように、隣り合う腕部の電界方向を異相にすることにより、図３（ａ）に示すように腕部２０と腕部４０が、図表示上方向の矢印Ｐ方向に変位させる電界が加わる時は、腕部３０には、図表示下方向の矢印Ｒ方向に変位させる電界が加わる。交番電流が入力されるので、次に図３（ｂ）に示すように腕部２０と腕部４０には下方向の矢印Ｒ方向、腕部３０には上方向の矢印Ｐ方向に変位させる電界が加わり、これを繰り返し腕部２０、３０、４０は振動する。

次に腕部圧電体膜７０ａ、７０ｂ、７０ｃの配置について説明する。上述したとおり、腕部２０、３０、４０を主面に対して法線方向に振動させるために、腕部２０、３０、４０に配置した腕部電極５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、６０ａ、６０ｂ、６０ｃに電気信号を送り、電極間に挟まれた圧電体膜７０に電界を発生させて、圧電体膜７０の伸縮によって腕部２０、３０、４０を変形させ、振動駆動としている。図１に示すように、水晶振動片１００の基部１０から腕部２０、３０、４０が片持ち梁の形態で延出している、いわゆるカンチレバー形状の水晶振動片１００においては、圧電体膜７０に電界を付加し伸縮させることで熱弾性によって熱が生じ、発生した熱によって腕部２０、３０、４０の振動エネルギーに損失を与えてしまい、Ｑ値の低下、Ｑ値の変動による不安定な周波数での振動など、振動片の性能低下を起こし易い。

図４に本実施形態の水晶振動片１００における圧電体膜７０の形成位置ｌと腕部２０、３０、４０の長さＬ（図２（ｂ）、（ｃ）も参照）との比ｘ＝ｌ／Ｌと振動エネルギー損失δ、およびδをｘによって微分した損失の空間微分δ´との関係グラフを示す。図４に示す損失の空間微分δ´はｘ１≒０．２５で変曲点Ｃを持ち、この変曲点Ｃを示すｘ１≒０．２５を超えるｘの領域ではδ´の変動はなだらかになっている。また、振動エネルギーの損失δは変曲点Ｃにおけるｘ１≒０．２５より大きいｘの領域において、より小さくなっている。

損失の空間微分δ´の変曲点Ｃとは、この点を振動エネルギー損失δの逆数となるＱ値（＝１／δ）の変動が最も少ない、あるいは変動が無い点を示し、安定したＱ値による安定した振動特性を有する振動片を得ることができる。従って、ｘ１≒０．２５である腕部長さＬと圧電体膜形成位置ｌとは、
ｌ／Ｌ≧１／４
の条件を満たすことで、ばらつきが少なく、あるいはばらつきの無いＱ値を有し、安定した振動特性を有する水晶振動片１００を得ることができる。

また、変曲点Ｃにおけるｘ１≒０．２５より大きいｘの領域では、振動のエネルギー損失δの減少率は大きくなっている。ｘ２＝０．０、すなわち腕部の根元から圧電体膜が形成されている振動片の形態におけるエネルギー損失はδ１＝２．２３である。この損失を半減させるｘを求めると、図４に示すエネルギー損失δの曲線から、δ２＝１．１１５となるｘ３である。このｘ３を求めると、ｘ３＝０．５７４であることから、エネルギー損失δが半減する条件である、
ｌ／Ｌ≧０．６
であることがなお好ましい。

上述の第１実施形態の水晶振動片１００の製造方法について説明する。図５は本実施形態のフローチャートを示す。

〔第１電極（下部電極）形成工程〕
第１電極（下部電極）形成工程（Ｓ１０１）では、先ず基部、腕部を形成した水晶基板１００ａを準備する。準備した水晶基板１００ａを洗浄、乾燥した後、電極となる金属をスパッタリングより電極形成面となる水晶基板１００ａの一方の主面１００ｂの全面に図６（ａ）に示すように金属膜の下部電極層２００を成膜する。電極金属としては、例えばＡｌ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｗ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｚｒなどの金属が好適であるが、本実施形態ではＡｕを用いる。なお、水晶基板１００ａとの密着性を向上させるため、先ずＴｉを成膜し、その上にＡｕを成膜する２層構造の下部電極層２００であっても良い。

次に、下部電極層２００表面にフォトリソグラフィーによって、レジストを腕部電極５０ａ、６０ｂ、５０ｃの形状にパターンニングし、更にウェットエッチング法などによって、図６（ｂ）に示すように第１電極膜としての腕部電極５０ａ、６０ｂ、５０ｃを形成する。

〔圧電体層形成工程〕
次に圧電体層形成工程（Ｓ１０２）に移行する。圧電体層形成工程（Ｓ１０２）は、本実施形態ではＡｌＮを５００〜１０００ｎｍの厚みに反応性スパッタリング法により図７（ｃ）に示すように圧電体層３００を形成した。圧電体層としてはＡｌＮの他に例えば、ＺｎＯ、ＰＺＴ、ＬｉＮｂＯ₃、ＫＮｂＯ₃なども好適に用いることができる。

次に圧電体層３００表面にフォトリソグラフィーによって、腕部圧電体膜７０ａ、７０ｂ、７０ｃの形状にパターンニングし、エッチング法などにより図７（ｄ）に示すように腕部圧電体膜７０ａ、７０ｂ、７０ｃを形成する。腕部圧電体膜７０ａ、７０ｂ、７０ｃは、上述した通り、腕部２０、３０、４０の領域内であり、腕部圧電体膜７０ａ、７０ｂ、７０ｃの基部側端部と、腕部２０、３０、４０と基部１０との交接部とは腕長さの１／４以上離して形成される。

更に、腕部圧電体膜７０ａ、７０ｂ、７０ｃの表面に絶縁膜８０が形成される。絶縁膜８０としてはＳｉＯ₂が簡便に用いられるが、誘電率がより高いシリコン窒化膜（ＳｉＮｘ）やアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）の方が好適である。絶縁膜８０は、図１（ｃ）に示す基板の主面側の腕部電極５０ａ、６０ｂ、５０ｃと、腕部圧電体膜７０ａ、７０ｂ、７０ｃを挟んで配置される腕部電極６０ａ、５０ｂ、６０ｃ、との電気的な短絡を防止するとともに、腕部圧電体膜７０ａ、７０ｂ、７０ｃの保護膜としても機能する。従って絶縁膜８０の厚みは、電気的な短絡防止の目的から５０ｎｍ以上であることが好ましく、腕部圧電体膜７０ａ、７０ｂ、７０ｃの特性低下を抑制する点から５００ｎｍ以下であることが好ましい。

〔第２電極（上部電極）形成工程〕
次に第２電極（上部電極）形成工程（Ｓ１０３）に移行する。絶縁膜を含む腕部圧電体膜７０ａ、７０ｂ、７０ｃ上に、上部電極となる金属層をスパッタリング法により図８（ｅ）に示すように全面に、金属層４００を形成する。金属層４００は、後述する裏面配線形成のために、図８（ｅ）のｒ−ｒ’断面でも示すように、腕部圧電体膜７０ａ、７０ｂ、７０ｃの形成面だけでなく、その裏面にまで形成される。金属層４００は上述の第１電極（下部電極）形成工程（Ｓ１０１）において形成した腕部電極５０ａ、６０ｂ、５０ｃと同じ金属であっても、異なる金属であっても良い。また、単一金属膜でも２種以上の金属による複合金属膜でも良い。用いられる金属としては、例えばＡｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｗ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｚｒなどである。

次にフォトリソグラフィーにより、第２電極（上部電極）である腕部電極６０ａ、５０ｂ、６０ｃの形状パターンと、基部電極５０ｄ、６０ｄ及び裏面配線５０ｅを含む配線の形状パターンとを形成し、ウェットエッチング法などにより図８（ｆ）に示すように、腕部電極６０ａ、５０ｂ、６０ｃ、基部電極５０ｄ、６０ｄ、裏面配線５０ｅと、それらを繋ぐ配線とを形成し、水晶振動片１００を得ることができる。

このように、腕部圧電体膜７０ａ、７０ｂ、７０ｃの基部側端部と、腕部２０、３０、４０と基部１０との交接部とが腕長さの１／４以上離して形成された水晶振動片１００は、振動エネルギー損失の空間微分δ´の変曲点を越える圧電体膜形成位置に腕部圧電体膜７０ａ、７０ｂ、７０ｃを形成することで、Ｑ値の変動が少ない、あるいは変動の無い水晶振動片１００を得ることができ、安定した振動特性を有する水晶振動片１００となる。

（第２実施形態）
第２実施形態として、上述の第１実施形態の水晶振動片１００を用いた振動子を説明する。図９（ａ）は、蓋体を除いて内部を露出させた状態での振動子１０００の平面図、図９（ｂ）は図９（ａ）におけるＧ−Ｇ’線の断面を示す断面図である。水晶振動片１００は、第１基板１１０１、第２基板１１０２、第３基板１１０３を積層し形成したパッケージ１１００の内部の第２基板１１０２上面に水晶振動片１００の基部１０を接着剤１６００により接着し、水晶振動片１００をパッケージ１１００に固定する。また、第２基板１１０２上に備えた電極部１４００と、水晶振動片１００の基部１０の基部電極５０ｄ、６０ｄとをワイヤー１５００により電気的に接続する、いわゆるワイヤーボンディングされる。電極部１４００は図示しないパッケージ１１００内の経路を経て、パッケージ外部に形成された実装端子１４０１と繋がっている。

水晶振動片１００が固定されたパッケージ１１００の開口の端部に蓋体１２００が封止材１３００によって、減圧チャンバー内でパッケージ１１００に固定され、振動子１０００の内部が減圧状態に保たれる。こうして得られた振動子１０００は、実装端子１４０１を介して図示しない発振回路からの交番電流により水晶振動片１００を屈曲振動させる。

第１実施形態の水晶振動片１００を振動子１０００に用いたことにより、高い電気機械結合係数を持ちながらも、Ｑ値が高く安定した振動性能を有する薄型振動片による振動子を得ることができる。

（第３実施形態）
第３実施形態として、上述の第１実施形態による水晶振動片１００を用いた発振器について説明する。図１０は、第３実施形態の発振器２０００を示す断面図である。本実施形態は、第２実施形態の振動子１０００に対して、水晶振動片１００を駆動させる駆動回路を含むＩＣチップを備えた点で、第２実施形態と異なるため、第２実施形態と同様の構成の説明は省略し、同じ構成には同一の符号を付与する。

図１０に示すように、発振器２０００はパッケージ１１００の内部に水晶振動片１００を第２基板１１０２上に固定され、ワイヤー１５００により、水晶振動片１００の基部電極５０ｄ、６０ｄと電極部１４００が電気的に接続されている。さらに、第１基板１１０１には、水晶振動片１００を駆動するための回路を含むＩＣチップ１７００が接着剤などにより固定され、ＩＣチップ１７００の上面に形成されたＩＣ接続パッド１７０１と第１基板１１０１上に形成された内部接続端子１４０２とをワイヤー１８００で電気的に接続している。

第１実施形態の水晶振動片１００を発振器に用いたことにより、高い電気機械結合係数を持ちながらも、Ｑ値が高く安定した振動性能を有する薄型振動片による薄型発振器を得ることができる。

また、上述の実施形態に限らず、本願発明の振動片、振動子もしくは発振器を、デジタルカメラ、カーナビゲーションシステム、携帯電話、モバイルＰＣ、およびゲームコントローラー等の電子機器に適用することで、優れた信頼性を有する電子機器を得ることができる。

１０…基部、２０，３０，４０…腕部、５０，６０…電極、７０ａ，７０ｂ，７０ｃ…腕部圧電体膜、８０…絶縁膜、１００…水晶振動片。

Claims (5)

1. 基部と、前記基部から延出する腕部とを備える振動片であって、
   前記腕部の一方の主面に配置される圧電素子を備え、
   前記圧電素子は圧電体膜と、前記圧電体膜の一方の側に設けた第１電極膜と、前記圧電体膜の他方の側に設けた第２電極膜と、を備え、
   前記圧電素子は、前記第１電極膜を前記主面の側に配置され、
   前記圧電体膜の前記基部の側の端部から、前記腕部と前記基部との交接部までの距離ｌが、
   前記交接部から前記腕部の先端までの長さＬに対して、
   ｌ≧Ｌ／４
   であることを特徴とする振動片。
2. 前記腕部は前記腕部の延出方向に交差する方向に配列された奇数個を備え、
   前記腕部の振動方向は前記腕部の延出方向と交差し、
   隣り合う前記腕部の振動方向が逆相である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の振動片。
3. 請求項１または２に記載の振動片と、
   前記振動片を収納するパッケージと、を有する、
   ことを特徴とする振動子。
4. 請求項１または２に記載の振動片と、
   前記振動片を駆動させる機能を有する回路部と、を有する、
   ことを特徴とする発振器。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の前記振動片、前記振動子もしくは前記発振器を用いた電子機器。

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