JP2013143682A - Piezoelectric vibration element, piezoelectric vibration element manufacturing method, piezoelectric vibrator, electronic device, and electronic apparatus - Google Patents
Piezoelectric vibration element, piezoelectric vibration element manufacturing method, piezoelectric vibrator, electronic device, and electronic apparatus Download PDFInfo
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Abstract
【課題】基本波で高周波、且つ小型であり、主振動のCI値が小さく、スプリアスのCI値比の大きな圧電振動素子を得る。
【解決手段】圧電振動素子1は、薄肉の振動領域12及び振動領域12の一辺を除いた三辺に沿って一体化された厚肉部を有する圧電基板10と、振動領域12の表面及び裏面に夫々配置された励振電極25a、25bと、リード電極27a、27bと、を備えている。厚肉部は、振動領域12を挟んで対向配置された第1の厚肉部14、及び第2の厚肉部16と、第1及び第2の厚肉部の基端部間に連設された第3の厚肉部18と、を備えている。第2の厚肉部16は、振動領域12の一辺に連設する傾斜部16bと、傾斜部16bの他辺に連設する厚肉の第2の厚肉部本体16aと、少なくとも一つの応力緩和用のスリット20を備えている。
【選択図】図1A piezoelectric vibration element having a fundamental wave, a high frequency, a small size, a small main vibration CI value, and a large spurious CI value ratio is obtained.
A piezoelectric vibration element includes a thin vibration region and a piezoelectric substrate having a thick portion integrated along three sides excluding one side of the vibration region, and a front surface and a back surface of the vibration region. Are provided with excitation electrodes 25a and 25b and lead electrodes 27a and 27b, respectively. The thick portion is continuously provided between the first thick portion 14 and the second thick portion 16 that are arranged to face each other with the vibration region 12 interposed therebetween, and the base end portions of the first and second thick portions. The third thick portion 18 is provided. The second thick portion 16 includes an inclined portion 16b continuously provided on one side of the vibration region 12, a thick second thick portion main body 16a provided continuously on the other side of the inclined portion 16b, and at least one stress. A relaxation slit 20 is provided.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、厚みすべり振動モードを励振する圧電振動子に関し、特に所謂逆メサ型構造を有する圧電振動素子、圧電振動素子の製造方法、圧電振動子、電子デバイス、及び本発明に係る圧電振動子を用いた電子機器に関する。 The present invention relates to a piezoelectric vibrator that excites a thickness shear vibration mode, and in particular, a piezoelectric vibration element having a so-called inverted mesa structure, a method for manufacturing the piezoelectric vibration element, a piezoelectric vibrator, an electronic device, and a piezoelectric vibrator according to the present invention. The present invention relates to an electronic device using the.
ATカット水晶振動子は、励振する主振動の振動モードが厚みすべり振動であり、小型化、高周波数化に適し、且つ周波数温度特性が優れた三次曲線を呈するので、圧電発振器、電子機器等の多方面で使用されている。
特許文献1には、主面の一部に凹陥部を形成して高周波化を図った、所謂逆メサ構造のATカット水晶振動子が開示されている。水晶基板のZ’軸方向の長さが、X軸方向の長さより長い、所謂Z’ロング基板を用いている。
特許文献2には、矩形状の薄肉の振動部の三辺に各々厚肉支持部(厚肉部)が連設され、コ字状に厚肉部が設けられた逆メサ構造のATカット水晶振動子が開示されている。更に、水晶振動片は、ATカット水晶基板のX軸とZ’軸を、夫々Y’軸を中心に−120°〜+60°の範囲で回転させてなる面内回転ATカット水晶基板であり、振動領域を確保し、且つ量産性に優れた(多数個取り)構造であるという。
AT-cut quartz resonators have thickness shear vibration as the main vibration mode to be excited, and are suitable for miniaturization and higher frequency, and exhibit a cubic curve with excellent frequency temperature characteristics. Used in many ways.
特許文献3、4には、矩形状の薄肉の振動部の三辺に各々厚肉支持部が連設され、コ字状に厚肉部が設けられた逆メサ構造のATカット水晶振動子が開示されており、水晶振動片は水晶基板のX軸方向の長さがZ’軸方向の長さより長い、所謂Xロング基板が用いられている。
特許文献5には、矩形状の薄肉の振動部の隣接する二辺に各々厚肉支持部が連設され、L字状に厚肉部が設けられた逆メサ構造のATカット水晶振動子が開示されている。水晶基板にはZ’ロング基板が用いられている。
しかしながら、特許文献5においては、L字状の厚肉部を得るために、特許文献5の図1(c)、(d)に記載されているように線分αと、線分βに沿って厚肉部を削除しているが、当該削除はダイシング等の機械加工で削除することを前提としているため、切断面にチッピングやクラック等のダメージを負い、超薄部が破損してしまう問題がある。また、振動領域にスプリアスの原因となる不要振動の発生やCI値の増加等の問題が発生する。
特許文献6には、薄肉の振動部の一辺のみに厚肉支持部が連設された逆メサ構造のATカット水晶振動子が開示されている。
In
However, in
特許文献7には、水晶基板の両主面であって表裏面で対向するように凹陥部を形成することにより、高周波化を図った逆メサ構造のATカット振動子が開示されている。水晶基板にはXロング基板が用いられ、凹陥部に形成された振動領域の平坦性が確保された領域に励振電極が設けられ構造が提案されている。
ところで、ATカット水晶振動子の振動領域に励振される厚み滑り振動モードは、弾性定数の異方性により振動変位分布がX軸方向に長径を有する楕円状になることが知られている。特許文献8には、圧電基板の表裏両面に表裏対称に配置された一対のリング状電極を有する厚みすべり振動を励振する圧電振動子が開示されている。リング状電極が対称零次モードのみを励起し、それ以外の非調和高次モードをほとんど励起しないように、リング状電極の外周の径と内周の径との差を設定したものである。
By the way, it is known that the thickness-shear vibration mode excited in the vibration region of the AT-cut crystal resonator has an elliptical shape in which the vibration displacement distribution has a major axis in the X-axis direction due to the anisotropy of the elastic constant.
特許文献9には、圧電基板、及び圧電基板の表裏に設ける励振電極の形状を、共に長円形状にした圧電振動子が開示されている。
特許文献10には、水晶基板の長手方向(X軸方向)の両端部、及び電極のX軸方向の両端部の形状を共に半楕円状とし、且つ楕円の長軸対短軸の比(長軸/短軸)を、ほぼ1.26とした水晶振動子が開示されている。
特許文献11には、楕円の水晶基板上に楕円の励振電極を形成した水晶振動子が開示されている。長軸対短軸の比は、1.26:1が望ましいが、製造寸法のバラツキ等を考慮すると、1.14〜1.39:1の範囲程度が実用的であるという。
Patent Document 9 discloses a piezoelectric vibrator in which the shape of a piezoelectric substrate and excitation electrodes provided on the front and back surfaces of the piezoelectric substrate are both elliptical.
特許文献12には、厚みすべり圧電振動子のエネルギー閉じ込め効果をより改善するために、振動部と支持部との間に切り欠きやスリットを設けた構造の圧電振動子が開示されている。
ところで、圧電振動子の小型化を図る際に、接着剤に起因する残留応力により、電気的特性の劣化や周波数エージング不良が生じる。特許文献13には、矩形平板状のATカット水晶振動子の振動部と支持部との間に、切り欠きやスリットを設けた水晶振動子が開示されている。このような構造を用いることにより、残留応力が振動領域へ広がるのを抑制できるという。
特許文献14には、マウント歪(応力)を改善(緩和)するために、逆メサ型圧電振動子の振動部と支持部との間に切り欠きやスリットを設けた振動子が開示されている。特許文献15には、逆メサ型圧電振動子の支持部にスリット(貫通孔)を設けることにより、表裏面の電極の導通を確保した圧電振動子が開示されている。
By the way, when the piezoelectric vibrator is reduced in size, the residual stress caused by the adhesive causes deterioration of electrical characteristics and frequency aging failure.
特許文献16には、厚みすべり振動モードのATカット水晶振動子の支持部に、スリットを設けることにより、高次輪郭系の不要モードを抑圧した水晶振動子が開示されている。
また、特許文献17には、逆メサ型ATカット水晶振動子の薄肉の振動部と、厚肉の保持部との連設部、即ち傾斜面を有する残渣部に、スリットを設けることにより、スプリアスを抑圧する振動子が開示されている。
Further, in Patent Document 17, a spurious structure is provided by providing a slit in a connecting portion of a thin vibrating portion of an inverted mesa AT-cut crystal resonator and a thick holding portion, that is, a residue portion having an inclined surface. A vibrator that suppresses the above is disclosed.
近年、圧電デバイスの小型化、高周波化、並びに高性能化に対する要求は強い。しかしながら、前述のごとき構造の圧電振動子は、主振動のCI値、近接するスプリアスCI値比(=CIs/CIm、ここでCImは主振動のCI値、CIsはスプリアスのCI値で、規格の1例は1.8以上)等が要求を満たせないという問題があることが判明した。
そこで、本発明は上記問題の少なくとも一部を解決するためになされたもので、高周波化(100〜500MHz帯)を図ると共に、主振動のCI値を低減し、スプリアスCI値比等の電気的要求を満たした圧電振動素子、圧電振動素子の製造方法、圧電振動子、電子デバイス、及び本発明の圧電振動子を用いた電子機器を提供することにある。
In recent years, there has been a strong demand for miniaturization, high frequency, and high performance of piezoelectric devices. However, the piezoelectric vibrator having the above-described structure has the CI value of the main vibration and the adjacent spurious CI value ratio (= CIs / CIm, where CIm is the CI value of the main vibration, and CIs is the CI value of the spurious. It has been found that there is a problem that one example cannot satisfy the requirement.
Therefore, the present invention has been made to solve at least a part of the above-described problems, and aims to increase the frequency (100 to 500 MHz band), reduce the CI value of the main vibration, and increase the electrical ratio such as the spurious CI value ratio. An object of the present invention is to provide a piezoelectric vibration element that satisfies the requirements, a method for manufacturing the piezoelectric vibration element, a piezoelectric vibrator, an electronic device, and an electronic apparatus using the piezoelectric vibrator of the present invention.
本発明は、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。 The present invention can be realized as the following forms or application examples.
[適用例1]本発明に係る圧電振動素子は、振動領域、及び前記振動領域と一体化された前記振動領域の厚みよりも厚い厚肉部を含む圧電基板と、前記振動領域の表面及び裏面に夫々配置されている励振電極と、前記励振電極から前記厚肉部上に延在して設けられているリード電極と、を備え、前記厚肉部は、前記振動領域の一部を開放するように、前記振動領域を挟んで配置されている第1の厚肉部、及び第2の厚肉部と、前記第1の厚肉部及び第2の厚肉部の基端部間を連設している第3の厚肉部と、を備え、前記第2の厚肉部は、前記振動領域に連設している一方の端縁から他方の端縁に向かって離間するにつれて厚みが増加する傾斜部と、前記傾斜部の前記他方の端縁に連設する厚肉本体と、を備え、前記第2の厚肉部には、スリットが設けられていることを特徴とする。 [Application Example 1] A piezoelectric vibration element according to the present invention includes a vibration substrate, a piezoelectric substrate including a thick portion thicker than the vibration region integrated with the vibration region, and a front surface and a back surface of the vibration region. And a lead electrode extending from the excitation electrode on the thick portion, and the thick portion opens a part of the vibration region. As described above, the first thick portion and the second thick portion disposed with the vibration region interposed therebetween are connected to the base end portions of the first thick portion and the second thick portion. A third thick portion provided, and the second thick portion has a thickness as it is separated from one end edge connected to the vibration region toward the other end edge. An inclined portion that increases, and a thick-walled main body that is connected to the other end edge of the inclined portion, and the second thick-walled portion includes a slip portion. Wherein the is provided.
高周波の基本波圧電振動素子が小型化されると共に、接着・固定に起因する応力の広がりを抑圧することができるので、周波数温度特性、CI温度特性、及び周波数エージング特性に優れ、且つ主振動のCI値が小さく、主振動のCI値に対する近接したスプリアスのCI値の比、即ちCI値比の大きな圧電振動素子が得られるという効果がある。
[適用例2]また、前記振動領域は、矩形であり、前記振動領域の4辺のうち1辺が開放されていることを特徴とする適用例1に記載の圧電振動素子である。
The high-frequency fundamental wave piezoelectric vibration element is miniaturized and the spread of stress due to adhesion and fixation can be suppressed. Therefore, it has excellent frequency temperature characteristics, CI temperature characteristics, and frequency aging characteristics, and is capable of suppressing main vibration. There is an effect that a piezoelectric vibration element having a small CI value and a ratio of the CI value of the adjacent spurious to the CI value of the main vibration, that is, a large CI value ratio can be obtained.
Application Example 2 In the piezoelectric vibration element according to Application Example 1, the vibration area is rectangular, and one of four sides of the vibration area is open.
振動領域の4辺のうち1辺が開放されているため、その方向の肉厚部が形成されない。このため、圧電振動素子を小型化することが可能となる。 Since one side of the four sides of the vibration region is open, a thick portion in that direction is not formed. For this reason, it becomes possible to reduce the size of the piezoelectric vibration element.
[適用例3]また、前記スリットは、前記傾斜部と前記厚肉本体との境界部に沿って前記厚肉本体に配置されていることを特徴とする適用例1に記載の圧電振動素子である。 [Application Example 3] In the piezoelectric vibration element according to Application Example 1, wherein the slit is disposed in the thick-walled body along a boundary portion between the inclined portion and the thick-walled body. is there.
圧電振動素子を接着・固定する際に生じる応力の広がりを抑圧することができるので、周波数温度特性、CI温度特性、及び周波数エージング特性の優れた圧電振動素子が得られるという効果がある。 Since it is possible to suppress the spread of stress generated when the piezoelectric vibration element is bonded and fixed, there is an effect that a piezoelectric vibration element having excellent frequency temperature characteristics, CI temperature characteristics, and frequency aging characteristics can be obtained.
[適用例4]また、前記スリットは、前記傾斜部内に前記振動領域の一辺から離間して配置されていることを特徴とする適用例1に記載の圧電振動素子である。 Application Example 4 In the piezoelectric vibration element according to Application Example 1, the slit is disposed in the inclined portion so as to be separated from one side of the vibration region.
スリットの形成が容易になり、圧電振動素子を接着・固定する際に生じる応力の広がりを抑圧することができるので、周波数温度特性、及びCI温度特性の優れた圧電振動素子が得られるという効果がある。 Since the slits can be easily formed and the spread of stress generated when the piezoelectric vibration element is bonded and fixed can be suppressed, a piezoelectric vibration element having excellent frequency temperature characteristics and CI temperature characteristics can be obtained. is there.
[適用例5]また、前記スリットは、前記厚肉本体に配置された第1のスリットと、前記傾斜部内に前記振動領域の一辺から離間して配置された第2のスリットと、を備えていることを特徴とする適用例1に記載の圧電振動素子である。 Application Example 5 In addition, the slit includes a first slit disposed in the thick body, and a second slit disposed in the inclined portion so as to be separated from one side of the vibration region. The piezoelectric vibration element according to Application Example 1, wherein the piezoelectric vibration element is provided.
圧電振動素子を接着・固定する際に生じる応力の広がりを、よりよく抑圧することができるため、周波数再現性、周波数温度特性、CI温度特性、及び周波数エージング特性に優れた圧電振動素子が得られるという効果がある。 Since it is possible to better suppress the spread of stress generated when the piezoelectric vibration element is bonded and fixed, a piezoelectric vibration element having excellent frequency reproducibility, frequency temperature characteristics, CI temperature characteristics, and frequency aging characteristics can be obtained. There is an effect.
[適用例6]また、圧電振動素子は、前記振動領域の一方の主面と、前記第1、第2及び第3の厚肉部の夫々の一方の面とは、同一平面内にあることを特徴とする適用例1乃至5の何れか一項に記載の圧電振動素子である。 Application Example 6 In the piezoelectric vibration element, one main surface of the vibration region and one surface of each of the first, second, and third thick portions are in the same plane. The piezoelectric vibration element according to any one of Application Examples 1 to 5, characterized by:
圧電基板を一方の面からのみエッチングして振動領域を形成する場合に、元の基板の切断角度を保持した振動領域を形成することが可能となり、周波数温度特性の優れた、高周波の基本波圧電振動素子が得られるという効果がある。 When a vibration region is formed by etching a piezoelectric substrate from only one side, it is possible to form a vibration region that maintains the cutting angle of the original substrate, and a high-frequency fundamental piezoelectric device with excellent frequency-temperature characteristics. There is an effect that a vibration element is obtained.
[適用例7]また、圧電振動素子は、前記圧電基板は、水晶の結晶軸である電気軸としてのX軸と、機械軸としてのY軸と、光学軸としてのZ軸と、からなる直交座標系の前記X軸を中心として、前記Z軸を前記Y軸の−Y方向へ所定の角度だけ傾けた軸をZ’軸とし、前記Y軸を前記Z軸の+Z方向へ前記所定の角度だけ傾けた軸をY’軸とし、前記X軸と前記Z’軸に平行な面で構成され、前記Y’軸に平行な方向を厚みとする水晶基板であり、前記X軸に平行な辺を長辺とし、前記Z’軸に平行な辺を短辺とした水晶基板であることを特徴とする適用例1乃至6の何れか一項に記載の圧電振動素子ある。 Application Example 7 In the piezoelectric vibration element, the piezoelectric substrate includes an X axis as an electric axis that is a crystal axis of crystal, a Y axis as a mechanical axis, and a Z axis as an optical axis. Centering on the X axis of the coordinate system, the Z axis is inclined by a predetermined angle in the −Y direction of the Y axis as a Z ′ axis, and the Y axis is in the + Z direction of the Z axis. A quartz substrate that is formed by a plane parallel to the X-axis and the Z′-axis, with the axis tilted only by the Y′-axis and having a thickness in a direction parallel to the Y′-axis, and a side parallel to the X-axis The piezoelectric vibration element according to any one of Application Examples 1 to 6, wherein the piezoelectric vibration element is a quartz substrate having a long side and a short side parallel to the Z ′ axis.
温度特性の良好な圧電振動素子が得られるという効果がある。 There is an effect that a piezoelectric vibration element having excellent temperature characteristics can be obtained.
[適用例8]前記水晶基板がATカット水晶基板であることを特徴とする適用例7に記載の圧電振動素子である。 Application Example 8 The piezoelectric vibration element according to Application Example 7, wherein the quartz crystal substrate is an AT cut quartz crystal substrate.
圧電基板に水晶ATカット水晶基板を用いることにより、フォトリソグラフィー及びエッチングに関する永年の実績・経験が活用できるので、圧電基板の量産が可能であるのみならず、高精度のエッチングができ、圧電振動素子の歩留まりが大幅に改善されるという効果がある。 By using a quartz AT-cut quartz substrate as a piezoelectric substrate, it is possible to utilize many years of experience and experience related to photolithography and etching, so that not only mass production of piezoelectric substrates is possible, but also high-accuracy etching, piezoelectric vibration elements The yield is significantly improved.
[適用例9]
圧電基板の表裏面のうちの一方面に振動領域を含む凹陥部を設ける工程と、前記凹陥部の一部を含む前記圧電基板を除去し、前記凹陥部の一部が開放された肉厚部を有する振動領域、及びスリットを含む外形形状を形成する工程と、前記振動領域の表裏面を含む所定の領域に電極を形成する工程と、を有することを特徴とする圧電振動素子の製造方法。
[Application Example 9]
A step of providing a concave portion including a vibration region on one of the front and back surfaces of the piezoelectric substrate; and a thick portion in which the piezoelectric substrate including a part of the concave portion is removed and a part of the concave portion is opened. And a step of forming an outer shape including a slit, and a step of forming an electrode in a predetermined region including the front and back surfaces of the vibration region.
本適用例に記載の圧電振動素子の製造方法によれば、周波数温度特性、CI温度特性、及び周波数エージング特性に優れ、且つ主振動のCI値が小さく、主振動のCI値に対する近接したスプリアスのCI値の比、即ちCI値比の大きな圧電振動素子を容易に製造することができるという効果がある。 According to the method of manufacturing a piezoelectric vibration element described in this application example, the frequency temperature characteristic, the CI temperature characteristic, and the frequency aging characteristic are excellent, the CI value of the main vibration is small, and the spurious adjacent to the CI value of the main vibration is low. There is an effect that a piezoelectric vibration element having a large CI value ratio, that is, a large CI value ratio can be easily manufactured.
[適用例10]本発明の圧電振動子は、適用例1乃至8の何れか一項に記載の圧電振動素子と、該圧電振動素子を収容するパッケージと、を備えたことを特徴とする。 Application Example 10 A piezoelectric vibrator of the present invention includes the piezoelectric vibration element according to any one of application examples 1 to 8, and a package that accommodates the piezoelectric vibration element.
高周波の基本波圧電振動子が小型化されると共に、接着・固定に起因する応力の抑圧が可能であるため、周波数再現性、周波数温度特性、CI温度特性、及び周波数エージング特性に優れた圧電振動子が得られるという効果がある。更に、主振動のCI値を小さく、主振動のCI値に対する近接したスプリアスのCI値の比、即ちCI値比の大きな圧電振動子が得られ、且つ容量比の小さな圧電振動子が得られるという効果がある。 Piezoelectric vibration with excellent frequency reproducibility, frequency temperature characteristics, CI temperature characteristics, and frequency aging characteristics, since the high-frequency fundamental piezoelectric vibrator is downsized and stress due to adhesion and fixation can be suppressed. There is an effect that a child is obtained. Furthermore, the CI value of the main vibration is reduced, and the ratio of the spurious CI value to the CI value of the main vibration, that is, a piezoelectric vibrator having a large CI value ratio is obtained, and a piezoelectric vibrator having a small capacitance ratio is obtained. effective.
[適用例11]本適用例に記載の電子デバイスは、適用例1乃至8の何れか一項に記載の圧電振動素子と、電子部品と、をパッケージに備えたことを特徴とする。 Application Example 11 An electronic device according to this application example is characterized in that the package includes the piezoelectric vibration element according to any one of Application Examples 1 to 8 and an electronic component.
上記のように圧電デバイス(例えば電圧制御型圧電発振器)を構成することにより、周波数再現性、周波数温度特性、エージング特性が優れ、小型で且つ高周波(例えば490MHz帯)の電圧制御型圧電発振器が得られるという効果がある。また、圧電デバイスは基本波の圧電振動素子1を用いているので、容量比が小さく、周波数可変幅の広く、S/N比の良好な電圧制御型圧電発振器が得られるという効果がある。
By configuring a piezoelectric device (for example, a voltage control type piezoelectric oscillator) as described above, a voltage control type piezoelectric oscillator having excellent frequency reproducibility, frequency temperature characteristics, and aging characteristics, a small size and a high frequency (for example, 490 MHz band) can be obtained. There is an effect that it is. In addition, since the piezoelectric device uses the
[適用例12]また、前記電子部品は、可変容量素子、サーミスタ、インダクタ、コンデンサーのうちの何れかであることを特徴とする適用例11に記載の電子デバイスである。 Application Example 12 In the electronic device according to Application Example 11, the electronic component is any one of a variable capacitance element, a thermistor, an inductor, and a capacitor.
上記のように電子デバイスを構成することにより、圧電発振器、温度補償型圧電発振器、及び電圧制御型圧電発振器等の電子デバイスを構成することが可能であり、周波数再現性、エージング特性が優れた圧電発振器、周波数温度特性に優れた温度補償圧電発振器、周波数が安定で可変範囲の広く且つS/N比(信号雑音比)の良好な電圧制御型圧電発振器を構成することが得られるという効果がある。 By configuring an electronic device as described above, it is possible to configure an electronic device such as a piezoelectric oscillator, a temperature compensated piezoelectric oscillator, and a voltage-controlled piezoelectric oscillator, and a piezoelectric with excellent frequency reproducibility and aging characteristics. It is possible to obtain an oscillator, a temperature compensated piezoelectric oscillator having excellent frequency temperature characteristics, and a voltage-controlled piezoelectric oscillator having a stable frequency, a wide variable range, and a good S / N ratio (signal to noise ratio). .
[適用例13]本適用例に記載の電子デバイスは、適用例1乃至8の何れか一項に記載の圧電振動素子と、該圧電振動素子を励振する発振回路と、をパッケージに備えたことを特徴とする。 Application Example 13 An electronic device according to this application example includes a package including the piezoelectric vibration element according to any one of application examples 1 to 8 and an oscillation circuit that excites the piezoelectric vibration element. It is characterized by.
上記のように圧電デバイスを構成することにより、周波数再現性、エージング特性が優れた圧電発振器などの電子デバイスを構成することが得られるという効果がある。 By configuring the piezoelectric device as described above, it is possible to obtain an electronic device such as a piezoelectric oscillator having excellent frequency reproducibility and aging characteristics.
[適用例12]本適用例に記載の電子機器は、適用例9に記載の圧電振動子を備えたことを特徴とする電子機器。 Application Example 12 An electronic device according to this application example includes the piezoelectric vibrator according to Application Example 9.
上記適用例に記載の圧電振動子を電子機器に用いることにより、高周波で周波数安定度に優れ、S/N比の良好な基準周波数源を備えた電子機器が構成できるという効果がある。 By using the piezoelectric vibrator described in the above application example for an electronic device, there is an effect that an electronic device including a reference frequency source having a high frequency and excellent frequency stability and a good S / N ratio can be configured.
(第1の実施形態)
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図1は、本発明の第1の実施形態に係る圧電振動素子の構成を示す概略図である。図1(a)は圧電振動素子1の平面図であり、同図(b)はP−P断面図であり、同図(c)はQ−Q断面図、(d)、(e)、及び(f)はスリット形状の変形例を示すQ−Q断面図である。
圧電振動素子1は、薄肉の振動領域12、及び振動領域12に連設された厚肉の厚肉部14、16、18を有する圧電基板10と、振動領域12の両主面に夫々表裏で対向するようにして形成された励振電極25a、25bと、励振電極25a、25bから夫々厚肉部に設けられたパッド電極29a、29bに向けて延出されて形成されたリード電極27a、27bと、を備えている。
(First embodiment)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of the piezoelectric vibration element according to the first embodiment of the present invention. 1A is a plan view of the
The
圧電基板10は、略四角形で矩形状をなし、且つ薄肉で平板状の振動領域12と、振動領域12の一辺を除いた三辺に沿って一体化されたコ字状の厚肉部(厚肉の支持部)13と、を備えている。厚肉部13は、振動領域12を挟んで対向配置された第1の厚肉部14、及び第2の厚肉部16と、第1の厚肉部14及び第2の厚肉部16の基端部間を連設する第3の厚肉部18と、を備えたコ字状の構成を備えている。
つまり、厚肉部13は、振動領域12の四辺のうち一辺(振動領域12の一部)を開放するように、振動領域12を挟んで対向配置された第1の厚肉部14、及び第2の厚肉部16と、第1の厚肉部14及び第2の厚肉部16の基端部間を連設する第3の厚肉部18と、を備える。ここで、「開放する」とは、一辺が露出している場合と、一部が露出しているのではなく完全に露出している場合を含む。
なお、本明細書では凹陥部11側を表面とし、表面の反対側の面であるフラット面を裏面とする。
第1の厚肉部14は、薄肉平板状の振動領域12の一辺12aに連設し、振動領域12の一辺12aに連接する一方の端縁から他方の端縁に向かって離間するにつれて厚みが漸増する第1の傾斜部14bと、第1の傾斜部14bの前記他方の端縁に連設する厚肉四角柱状の第1の厚肉部本体14aと、を備えている。同様に、第2の厚肉部16は、薄肉平板状の振動領域12の一辺12bに連設し、振動領域12の一辺12bに連接する一方の端縁から他方の端縁に向かって離間するにつれて厚みが漸増する傾斜部16bと、傾斜部16bの前記他方の端縁に連設する厚肉四角柱状の第2の厚肉部本体16aと、を備えている。
尚、前記厚肉本体とは、前記Y’軸に平行な厚みが一定の領域をいう。
The
That is, the
In the present specification, the
The first
The thick-walled body refers to a region having a constant thickness parallel to the Y ′ axis.
第3の厚肉部18は、薄肉平板状の振動領域12の一辺12cに連設し、振動領域12の一辺12cに連接する一方の端縁から他方の端縁に向かって離間するにつれて厚みが漸増する第3の傾斜部18bと、第3の傾斜部18bの前記他方の端縁に連設する厚肉四角柱状の第3の厚肉部本体18aと、を備えている。つまり、薄肉の振動領域12は、三辺を第1、第2、及び第3の厚肉部14、16、18に囲まれ、且つ他の一辺が開放された凹陥部11となっている。
なお、振動領域12の一方の主面と、第1、第2及び第3の厚肉部14、16、18の夫々の一方の面とは、同一平面上、即ち図1に示す座標軸のX−Z’平面上にあり、この面(図1(b)の下面側)を平坦面といい、反対側の面(図1(b)の上面側)を凹陥面という。
The third
Note that one main surface of the
更に、圧電基板10は、第2の厚肉部16に少なくとも一つの応力緩和用のスリット20が貫通形成されている。図1に示した実施形態では、スリット20は傾斜部16bと第2の厚肉部本体16aとの連接部に沿って第2の厚肉部本体16aの面内に形成されている。
なお、スリット20は、図1(c)に示すような貫通形成されたものに限らず底部を有した溝状のスリットであってもよい。溝状のスリットについて詳述すると、例えば、図1(d)に示すように、第2の厚肉部16の表面側から形成されて底部を有する第1のスリット20a、及び第2の厚肉部16の裏面側から形成されて底部を有する第2のスリット20bの、表裏両面側から設けられたスリットで構成されてもよい。また、図1(e)に示すように、第2の厚肉部16の表面側から形成されて底部を有する第3のスリット20cで構成されてもよい。また、図1(d)に示すように、第2の厚肉部16の裏面側から形成されて底部を有する第4のスリット20dが設けられている構成でもよい。
ここで説明したスリット20の形状は、以降説明する他の実施形態、変形例、および応用例においても適用可能である。
Further, in the
The
The shape of the
水晶等の圧電材料は三方晶系に属し、図2に示すように互いに直交する結晶軸X、Y、Zを有する。X軸、Y軸、Z軸は、夫々電気軸、機械軸、光学軸と呼称される。そして水晶基板は、XZ面をX軸の回りに所定の角度θだけ回転させた平面に沿って、水晶から切り出された平板が圧電振動素子として用いられる。例えば、ATカット水晶基板101の場合は、θは略35°15′である。なお、Y軸及びZ軸もX軸の周りにθ回転させて、夫々Y’軸、及びZ’軸とする。従って、ATカット水晶基板101は、直交する結晶軸X、Y’、Z’を有する。ATカット水晶基板101は、厚み方向がY’軸であって、Y’軸に直交するXZ’面(X軸及びZ’軸を含む面)が主面であり、厚みすべり振動が主振動として励振される。このATカット水晶基板101を加工して、圧電基板10を得ることができる。
即ち、圧電基板10は、図2に示すようにX軸(電気軸)、Y軸(機械軸)、Z軸(光学軸)からなる直交座標系のX軸を中心として、Z軸をY軸の−Y方向へ傾けた軸をZ’軸とし、Y軸をZ軸の+Z方向へ傾けた軸をY’軸とし、X軸とZ’軸に平行な面で構成され、Y’軸に平行な方向を厚みとするATカット水晶基板からなる。
なお、本発明に係る圧電基板は、前記角度θが略35°15′のATカットに限定されるものではなく、厚みすべり振動を励振するBTカット、等の圧電基板にも広く適用できるのは言うまでもない。
A piezoelectric material such as quartz belongs to the trigonal system and has crystal axes X, Y, and Z orthogonal to each other as shown in FIG. The X axis, the Y axis, and the Z axis are referred to as an electric axis, a mechanical axis, and an optical axis, respectively. In the quartz substrate, a flat plate cut out from the quartz is used as a piezoelectric vibration element along a plane obtained by rotating the XZ plane around the X axis by a predetermined angle θ. For example, in the case of the AT-cut quartz substrate 101, θ is approximately 35 ° 15 ′. Note that the Y-axis and the Z-axis are also rotated by θ around the X-axis to be the Y′-axis and the Z′-axis, respectively. Accordingly, the AT-cut quartz crystal substrate 101 has crystal axes X, Y ′, and Z ′ that are orthogonal to each other. The AT-cut quartz crystal substrate 101 has a thickness direction of the Y ′ axis, an XZ ′ plane (a plane including the X axis and the Z ′ axis) orthogonal to the Y ′ axis is a main surface, and a thickness shear vibration is a main vibration. Excited. The AT-cut quartz substrate 101 can be processed to obtain the
That is, as shown in FIG. 2, the
The piezoelectric substrate according to the present invention is not limited to the AT cut with the angle θ of approximately 35 ° 15 ′, but can be widely applied to a piezoelectric substrate such as a BT cut that excites thickness shear vibration. Needless to say.
圧電基板10は、図1(a)に示すように、Y’軸に平行な方向(以下、「Y’軸方向」という)を厚み方向として、X軸に平行な方向(以下、「X軸方向」という)を長辺とし、Z’軸に平行な方向(以下、「Z’軸方向」という)を短辺とする矩形の形状を有する。
圧電基板10を駆動する励振電極25a、25bは、図1に示す実施形態では四角形状であり、振動領域12のほぼ中央部の表裏両面(表裏の主面)に対向して形成されている。この際、フラット面側(以下、「平坦面側」とも記し、図1(b)の裏面側である。)の励振電極25bの大きさは、凹陥面側(図1(b)の上面側)の励振電極25aの大きさに対し、十分に大きく設定する。これは、励振電極の質量効果によるエネルギー閉じ込め係数を、必要以上に大きくしないためである。つまり、平坦面側の励振電極25bを十分に大きくすることにより、プレートバック量Δ(=(fs−fe)/fs、ここでfsは圧電基板のカットオフ周波数、feは圧電基板全面に励振電極を付着した場合の周波数)は、凹陥面側の励振電極25aの質量効果のみに依存する。
As shown in FIG. 1A, the
In the embodiment shown in FIG. 1, the
励振電極25a、25bは、蒸着装置、あるいはスパッター装置等を用いて、例えば、下地にニッケル(Ni)を成膜し、その上に金(Au)を重ねて成膜する。金(Au)の厚さは、オーミックロスが大きくならない範囲で、主振動のみを閉じ込めモード(S0)とし、斜対称インハーモニックモード(A0、A1・・)及び対称インハーモニックモード(S1、S3・・)を、閉じ込めモードとしないことが望ましい。しかし、例えば、490MHz帯の圧電振動素子では、電極膜厚のオーミックロスを避けるように成膜すると、低次のインハーモニックモードがある程度、閉じ込められることは避けられない。
凹陥面側に形成した励振電極25aは、振動領域12上から第3の傾斜部18bと、第3の厚肉部本体18aとを経由するように励振電極25aから延出して配置されたリード電極27aにより、第2の厚肉部本体16aの上面に形成されたパッド電極29aに導通接続されている。また、平坦面側に形成された励振電極25bは、圧電基板10の端縁部を経由するリード電極27bにより、第2の厚肉部本体16aの裏面(下面)に形成されたパッド電極29bと導通接続されている。
The
The
図1(a)に示した実施形態は、リード電極27a、27bの引出し構造の一例であり、リード電極27aは他の厚肉部を経由してもよい。ただ、リード電極27a、27bの長さは最短であることが望ましく、リード電極27a、27b同志が圧電基板10を挟んで交差しないように配慮することにより静電容量の増加を抑えることが望ましい。
また、図1の実施形態では、圧電基板10の表裏(上下)面に夫々パッド電極29a、29bを形成する例を示したが、圧電振動素子1をパッケージに収容する際に、圧電振動素子1を裏返し、パッド電極29aとパッケージの端子電極とを導電性接着剤で機械的に固定・電気的に接続し、パッド電極29bとパッケージの端子電極とをボンディングワイヤーを用いて電気的に接続するとよい。このように圧電振動素子1を支持する部位が一点になると、導電性接着剤に起因して生じる応力を小さくすることが可能である。
更に、前記パッケージの内部に、圧電振動素子1を駆動するための発振回路、例えばICチップを搭載し、当該ICチップと電気的に接続された電極パッドと前記端子電極と電気的に接続することにより圧電発振器を構成するようにしてもよい。導電性接着剤で固定・接続し、パッド電極29bとパッケージに搭載する前記ICチップの接続端子とをボンディングワイヤーで接続するとよい。このように圧電振動素子1を支持する部位が一点になると、導電性接着剤に起因して生じる応力を小さくすることが可能である。
また、圧電基板10の裏面側に間隔をあけて夫々パッド電極29a、29bを並置してもよい。導電性接着剤を用いてパッド電極29a、29bと、圧電振動素子1を収容するパッケージの端子電極との導通接続を図る場合は、パッド電極29a、29bが圧電基板の裏面側に間隔をあけて並置されている構成の方が望ましい。
The embodiment shown in FIG. 1A is an example of a lead-out structure of the
In the embodiment of FIG. 1, an example is shown in which the
Furthermore, an oscillation circuit for driving the
In addition, the
振動領域12と、圧電振動素子1の厚肉部であるパッド電極29a、29bとの間にスリット20を設ける理由は、導電性接着剤の硬化時に発生する応力の広がりを防止することにある。
即ち、圧電振動素子1をパッケージに導電性接着剤により支持する場合には、まず第2の厚肉部本体16aのパッド電極29a(被支持部)に導電性接着剤を塗布し、これをパッケージ等の端子電極に載置し、少し押さえる。導電性接着剤を硬化させるために高温で所定の時間保持する。高温状態では第2の厚肉部本体16a、及びパッケージも共に膨張し、接着剤も一時的に軟化するので、第2の厚肉部本体16aには応力は生じない。導電性接着剤が硬化した後、第2の厚肉部本体16a、及びパッケージが冷却してその温度が常温(25℃)に戻ると、導電性接着剤、パッケージ、及び第2の厚肉部本体16aの各線膨張係数との差により、硬化した道電性接着剤から生じる応力が、第2の厚肉部本体16aから第1及び第3の厚肉部14、18、振動領域12へと広がる。この応力の広がりを防止するために、応力緩和用のスリット20を設けている。
The reason why the
That is, when the
圧電基板10に生じる応力(∝歪)分布を求めるために、有限要素法を用いてシミュレーションを行うのが一般的である。振動領域12における応力が少ない程、周波数温度特性、周波数再現性、周波数エージング特性の優れた圧電振動素子が得られる。
導電性接着剤としては、シリコーン系、エポキシ系、ポリイミド系、ビスマレイミド系等があるが、圧電振動素子1の脱ガスによる周波数経年変化を考慮に入れて、ポリイミド系の導電性接着剤を用いる。ポリイミド系の導電性接着剤は硬いので、離れた二カ所を支持するよりも一カ所支持の方が発生する応力の大きさを低減できるので、100〜500MHzの高周波数帯のうち、例えば490MHz帯の電圧制御型圧電発振器(VCXO)用の圧電振動素子1には、一カ所での支持する構造を用いた。つまり、パッド電極29bは導電性接着を用いてパッケージの端子電極Aに機械的に固定すると共に電気的にも接続し、他方のパッド電極29aはパッケージの端子電極Bとボンディングワイヤーを用いて電気的に接続することにした。
また、図1に示した圧電基板10は、X軸方向の長さがZ’軸方向の長さより長い、所謂Xロングとした。これは、圧電基板10が導電性接着剤等で固定・接続される際に応力が生じるが、周知のように、ATカット水晶基板のX軸方向に沿った両端に力を加えたときの周波数変化と、Z’軸方向に沿った両端に同じ力を加えたときの周波数変化と、を比べると、Z’軸方向の両端に力を加えたときの方が、周波数変化が小さい。つまり、支持点はZ’軸方向に沿って設ける方が応力による周波数変化は小さくなり、好ましい。
In order to obtain the stress (strain) distribution generated in the
Examples of the conductive adhesive include silicone-based, epoxy-based, polyimide-based, and bismaleimide-based. A polyimide-based conductive adhesive is used in consideration of frequency aging due to degassing of the
Further, the
(圧電振動素子の変形例)
図3は、図1に示した実施形態に係る圧電振動素子1の変形例であり、ここでは平面図のみを示す。図1に示した実施形態では、薄肉の振動領域12は文字通り四角形(矩形状)をしているが、図3(a)に示す変形例では、薄肉の振動領域12の第3の厚肉部18に対応する一辺12cの両端部に相当する両角隅部が面取りされている点が異なる。このように、薄肉の振動領域12が文字通り四角形の圧電基板10に対して、図3(a)に記載された変形例のように、振動領域12の角部が面取りされた構造の圧電基板10については、略四角形の概念の中に含まれるものとする。
(Modified example of piezoelectric vibration element)
FIG. 3 is a modification of the
図1、図3(a)の変形例では、励振電極25a、25bの形状として四角形、つまり正方形、または矩形(X軸方向を長辺とする)の例を示したが、これに限定する必要はない。図3(b)に示す変形例は、凹陥面側(表面側)の励振電極25aが円形であり、平坦面側(裏面側)の励振電極25bは、励振電極25aより十分に大きな四角形である。なお、平坦面側(裏面側)の励振電極25bも十分に大きな円形であってもよい。
図3(c)に示す変形例は、凹陥面側(表面側)の励振電極25aが楕円形であり、平坦面側(裏面側)の励振電極25bは、励振電極25aより十分に大きな四角形である。弾性定数の異方性によりX軸方向の変位分布と、Z’軸方向の変位量が異なり、変位分布をX−Z’平面に平行な面で切った切断面は、楕円形になる。そのため、楕円形状の励振電極25aを用いた場合が最も効率よく、圧電振動素子1を駆動できる。即ち、圧電振動素子1の容量比γ(=C0/C1、ここで、C0は静電容量、C1は直列共振容量)を最小にできる。また、励振電極25aは長円形であってもよい。
In the modified examples of FIGS. 1 and 3A, the
In the modification shown in FIG. 3C, the
(第2の実施形態)
図4は、第2の実施形態に係る圧電振動素子の構成を示す概略図である。図4(a)は圧電振動素子の平面図であり、図4(b)はP−P断面図であり、図4(c)はQ−Q断面図である。
圧電振動素子2が図1に示す圧電振動素子1と異なる点は、応力緩和用のスリット20を設ける位置である。本例では、スリット20は、薄肉の振動領域12の一辺12bの端縁より離間した傾斜部16b内に形成されている。振動領域12の一辺12bに沿って、スリット20の一方の端縁が一辺12bに接するように傾斜部16b内にスリット20を形成するのではなく、傾斜部16bの両端縁より離間してスリット20を設けている。つまり傾斜部16bには、振動領域12の一辺12bの端縁と連接する極細の傾斜部16bbが残されている。換言すれば、一辺12aとスリット20との間に極細の傾斜部16bbが形成されている。
(Second Embodiment)
FIG. 4 is a schematic diagram illustrating the configuration of the piezoelectric vibration element according to the second embodiment. 4A is a plan view of the piezoelectric vibration element, FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line PP, and FIG. 4C is a cross-sectional view taken along the line QQ.
The piezoelectric vibrating
極細の傾斜部16bbを残した理由は次の通りである。即ち、振動領域12に配置された励振電極25a、25bに高周波電圧を印加することにより振動領域12を励振すると、主振動(S0)の他にインハーモニックモード(A0、S1、A1、S2、・・・)が励振される。望ましいのは主振動(S0)モードのみを閉じ込めモードとし、他のインハーモニックモードは伝搬モード(非閉じ込めモード)とすることであるが、振動領域12が薄くなり、その基本波周波数が数百MHzとなると、電極膜のオーミックロスを避けるため、励振電極は所定の厚さ以上にする必要がある。このため、前記励振電極の厚みを前記所定の厚さ以上とした場合に、主振動に近接した低次のインハーモニックモードが励振されることになる。本願発明者は、この低次のインハーモニックモードの振幅の大きさを抑制するには、インハーモニックモードの定在波が成り立つ条件を妨げるようにすればよいことに思い至った。つまり、図4の振動領域12のZ’軸方向の両端縁の形状は非対称であり、またX軸方向の両端縁の形状も細片16bbを残したことにより非対称となり、低次のインハーモニックモード定在波の振幅は抑えられることを実現した。
The reason for leaving the ultra-fine inclined portion 16bb is as follows. That is, when the
(第3の実施形態)
図5は、第3の実施形態に係る圧電振動素子の構成を示す概略図である。図5(a)は圧電振動素子の平面図であり、図5(b)はP−P断面図であり、図5(c)はQ−Q断面図であり、図5(d)は平面図である。
圧電振動素子3が、図1に示す圧電振動素子1と異なる点は、第2の厚肉部本体16aの面内に第1のスリット20aを設けると共に、傾斜部16bの面内に第2のスリット20bを形成して、2個の応力緩和用のスリットを設けた点である。第2の厚肉部本体16aの面内、及び傾斜部16bの面内に夫々個別のスリット(第1のスリット20a、第2のスリット20b)を形成する目的は、前述の通り既に説明しているので、ここでは省略する。
第1のスリット20a、及び第2のスリット20bを、図5(a)に示す平面図のようにX軸方向に並置するのではなく、図5(d)、或いは図5(e)に示す如くZ’軸方向に互いに離れるように段差状に配置してもよい。2個のスリット20a、20bを設けた方が、導電性接着剤に起因して生じる応力を、振動領域12まで広げないようにすることが可能である。
(Third embodiment)
FIG. 5 is a schematic diagram illustrating the configuration of the piezoelectric vibration element according to the third embodiment. 5A is a plan view of the piezoelectric vibration element, FIG. 5B is a cross-sectional view taken along the line PP, FIG. 5C is a cross-sectional view taken along the line QQ, and FIG. FIG.
The piezoelectric vibrating
The
図6、図7は、圧電基板10の凹陥部11、外形及びスリット20の形成に係る製造工程を説明する工程フローの断面図である。ここでは、圧電ウエハーとして水晶ウエハーを例にして説明する。工程S1では、両面がポリッシュ加工された所定の厚さ、例えば80μmの水晶ウエハー10Wを、十分に洗浄し、乾燥した後、表裏面にスパッタリング等により、クロム(Cr)を下地にし、その上に金(Au)を積層した金属膜(耐蝕膜)Mを夫々成膜する。
工程S2では、表裏の金属膜Mの上に夫々フォトレジスト膜(以下、「レジスト膜」と称す。)Rを全面に塗布する。工程S3では、マスクパターンと露光装置を用いて、凹陥部11に相当する位置のレジスト膜Rを露光する。感光したレジスト膜Rを現像して感光したレジスト膜を剥離すると、凹陥部11に相当する位置の金属膜Mが露出する。レジスト膜Rから露出した金層膜Mを王水等の溶液を用いて溶かして除去すると、凹陥部11に相当する位置の水晶面が露出する。
6 and 7 are cross-sectional views of a process flow for explaining a manufacturing process relating to the formation of the recessed
In step S2, a photoresist film (hereinafter referred to as a “resist film”) R is applied on the entire surface of the front and back metal films M. In step S3, the resist film R at a position corresponding to the recessed
工程S4では、露出した水晶面をフッ化水素酸(フッ酸)とフッ化アンモニウムとの混合液を用いて所望の厚さまでエッチングする。工程S5では所定の溶液を用いてレジスト膜Rを剥離し、更に露出した金属膜Mを、王水等を用いて除去する。この段階で水晶ウエハー10Wは、一方の面に凹陥部11が格子状に規則的に並んだ状態となる。
なお、前述の工程S1から工程S5までが、振動領域12を含む凹陥部11を設ける工程に相当する。
In step S4, the exposed quartz surface is etched to a desired thickness using a mixed liquid of hydrofluoric acid (hydrofluoric acid) and ammonium fluoride. In step S5, the resist film R is removed using a predetermined solution, and the exposed metal film M is removed using aqua regia or the like. At this stage, the
The above-described steps S1 to S5 correspond to the step of providing the recessed
工程S6では、工程S5で得られた水晶ウエハー10Wの両面に金属膜(Cr+Au)Mを成膜する。工程S7では工程S6で形成された金属膜(Cr+Au)Mの両面にレジスト膜Rを塗布する。
工程S8では、所定のマスクパターンと露光装置を用いて、圧電基板10の外形とスリット20に相当する位置のレジスト膜Rを両面から感光し、現像して剥離する。更に、露出した金属膜Mを王水等の溶液で溶かして除去する。
In step S6, a metal film (Cr + Au) M is formed on both surfaces of the
In step S8, the outer shape of the
工程S9では露出した水晶面をフッ化水素酸(フッ酸)とフッ化アンモニウムとの混合液を用いてエッチングし、圧電基板10の外形とスリット20を形成する。なお、スリット20を、水晶ウエハー10Wの表裏両面側から、それぞれ底部を有する形状(図1(d)参照)で形成する場合には、スリット20に対応する位置のレジスト膜Rの幅を減少させることによって起こるエッチング速度の変化などを用いることにより形成することができる。工程S10では、残ったレジスト膜Rを剥離し、露出した余分の金属膜Mを溶かして除去する。この段階では水晶ウエハー10Wは、圧電基板10が支持細片で連接し、格子状に並んだ状態となる。
前述の工程S6から工程S10までが、凹陥部11の一部が開放された肉厚部を有する振動領域12、及びスリット20を含む外形形状を形成する工程に相当する。
本実施形態の特徴は、工程S8と工程S9に示すように、凹陥部11の振動領域12の一部と、振動領域12に連設された第4の厚肉部19とをエッチングにより取り除いたことである。これにより、圧電基板の小型化が図られる。詳細については後述する。
In step S9, the exposed quartz surface is etched using a mixed liquid of hydrofluoric acid (hydrofluoric acid) and ammonium fluoride to form the outer shape of the
Steps S6 to S10 described above correspond to the step of forming the outer shape including the
The feature of this embodiment is that, as shown in steps S8 and S9, a part of the
工程S10が終了した後、水晶ウエハー10Wに格子状に規則的に並んだ各圧電基板10の振動領域12の厚さを、例えば光学的に計測する。計測した各振動領域12の厚さが所定の厚さより厚い場合には、夫々厚さの微調整を行って所定の厚さの範囲に入るようにする。
After step S10 is completed, the thickness of the
水晶ウエハー10Wに形成された各圧電基板10の振動領域12の厚さを、所定の厚さの範囲内に調整した後、各圧電基板10に励振電極25a、25b、及びリード電極27a、27bを形成する手順を、図7を用いて説明する。
工程S11では、水晶ウエハー10Wの表裏全面にスパッタリング等でニッケル(Ni)を成膜し、その上に金(Au)を積層して金属膜Mを成膜する。次に工程S12では、金属膜Mの上にレジストを塗布しレジスト膜Rを成膜する。
工程S13では、マスクパターンMkを用いて励振電極25a、25b、リード電極27a、27bに相当する位置のレジスト膜Rを露光する。工程S14では、感光したレジスト膜Rを現像して不要のレジスト膜Rを、溶液を用いて剥離する。次に、レジスト膜Rが剥離して露出した金属膜Mを王水等の溶液で溶かして除去する。
工程S15では、金属膜Mに残った不要のレジスト膜Rを剥離すると、各圧電基板10上には励振電極25a、25b、及びリード電極27a、27b等が形成されている。水晶ウエハー10Wに連接するハーフエッチングされた支持細片を折り取りすることにより、分割された圧電振動素子1が得られる。
前述の、工程S11から工程S15までが、振動領域12の表裏面を含む所定の領域に電極を形成する工程に相当する。
After adjusting the thickness of the
In step S11, nickel (Ni) is formed on the entire front and back surfaces of the
In step S13, the resist film R at a position corresponding to the
In step S15, when the unnecessary resist film R remaining on the metal film M is peeled off,
Steps S11 to S15 described above correspond to the step of forming electrodes in a predetermined region including the front and back surfaces of the
ところで、水晶をウェットエッチングすると、Z軸に沿ってエッチングが進行していくが、各結晶軸の方向に応じてエッチングの速度が変わってくるという水晶特有のエッチング異方性を有している。従って、当該エッチングの異方性により現出するエッチング面は、各結晶軸の方向に応じて違いが現れることは、これまでエッチング異方性を研究テーマにした数多くの学術論文や先行特許文献において論じられてきた。しかしながら、このような背景があるにもかかわらず、水晶のエッチング異方性について明確に系統立てられた資料がなく、ナノ加工技術的側面が非常に強いためにエッチングの諸条件(エッチング溶液の種類や、エッチングレート、エッチング温度、等)の違いによるものなのか、文献によっては、現出する結晶面に相異があるものも多々見受けられるのが現状である。
そこで、本願発明者は、本発明に係る圧電振動素子をフォトリソグラフィー技法とウェットエッチング技法を用いて製造するに当たり、エッチングシミュレーションと試作実験、並びにナノレベルでの表面分析と観察を繰り返し、本発明に係る圧電振動子は以下の態様をなることが判明したので、以下詳細に説明をする。
By the way, when the crystal is wet-etched, the etching proceeds along the Z-axis, but has an etching anisotropy peculiar to the crystal in which the etching rate varies depending on the direction of each crystal axis. Therefore, the etching surface that appears due to the anisotropy of the etching appears to differ depending on the direction of each crystal axis. Has been discussed. However, despite this background, there is no clearly organized data on the etching anisotropy of quartz, and the nanofabrication technical aspects are so strong that the etching conditions (types of etching solutions) Depending on the literature, there are many cases where there are differences in the crystal planes appearing, depending on the difference in the etching rate and etching temperature.
Therefore, the inventor of the present application repeatedly performed etching simulation and prototype experiment, and nano-level surface analysis and observation in manufacturing the piezoelectric vibration element according to the present invention using the photolithography technique and the wet etching technique. Such a piezoelectric vibrator has been found to have the following modes, and will be described in detail below.
図8、及び図9は、エッチングにより形成される、ATカット水晶ウエハー10W上の凹陥部11の断面形状を説明する図である。
図8(a)は、図6の工程S5における水晶ウエハー10Wの平面図である。この段階では、水晶ウエハー10Wの一方の面に凹陥部11が格子状で且つ規則的に形成されている。図8(b)は、X軸方向の断面図であり、凹陥部11の各壁面は垂直の壁面ではなく傾斜面を呈している。つまり、−X軸方向の壁面は傾斜面X1を形成し、+X軸方向の壁面は傾斜面X2を形成している。X軸に直交する溝を形成すると、溝の断面の壁面X3は楔型を呈する。図8(c)〜(e)は凹陥部11の壁面X1、X2、及び溝部の壁面X3の拡大図である。−X軸方向の壁面は、図8(c)に示すように、水晶ウエハー10Wの平面に対し略62度の傾斜でエッチングされる。+X軸方向の壁面は、図8(d)に示すように、水晶ウエハー10Wの平面に対し直交(90度)して少しエッチングが進むが、その後は緩やかな傾斜でエッチングが進行する。X軸方向に沿う凹陥部11の底面は、水晶ウエハーの元の平面と平行にエッチングされる。つまり、振動領域12は表裏面が平行の平板状となる。
図8(e)は、水晶ウエハー10Wに形成した折り取り用の溝部の断面図である。X軸に直交して形成された溝部の断面は楔型を呈している。これは溝部の壁面X3が、−X軸方向の壁面X1と、+X軸方向の壁面X2とで形成されるために、楔型となるのである。
凹陥部11が形成された面に電極を設ける場合は、+X軸方向に形成される壁面X2の垂直の壁面に注意する必要がある。電極膜の断裂が起り易いので避ける方が望ましい。
8 and 9 are views for explaining the cross-sectional shape of the recessed
FIG. 8A is a plan view of the
FIG. 8E is a cross-sectional view of a groove portion for breaking formed in the
When providing an electrode on the surface on which the recessed
図9は圧電基板10に形成された凹陥部11の、特にZ’軸方向断面の壁面を説明する図である。図9(a)は、水晶ウエハー10Wの平面図である。図9(b)は、水晶ウエハー10WのZ’軸方向の断面図であり、−Z’軸方向の壁面は傾斜面Z1を形成し、+Z’軸方向の壁面は傾斜面Z2を形成する。Z’軸に直交する溝部を形成すると、溝部の断面の壁面Z3は楔型を呈する。
図9(c)〜(e)は凹陥部11の壁面Z1、Z2、及ぶ溝部の壁面Z3の拡大図である。−Z’軸方向の壁面は、図9(c)に示すように、水晶ウエハー10Wの平面に対し比較的緩やかな傾斜でエッチングされる。+Z’軸方向の壁面Z2は、図9(d)に示すように、水晶ウエハー10Wの平面に対し急な傾斜面Z2aでエッチングされるが、その後は緩やかな傾斜面Z2bでエッチングが進行し、その後はより緩やかな傾斜面Z2cとなる。図9(e)はZ’軸方向に直交して形成した溝部の断面図で、楔型断面Z3となる。この溝部は、水晶ウエハー10Wの折り取り用の溝部である。この溝部の壁面Z3が、−Z’軸方向の壁面Z1と、+Z’軸方向の壁面Z2の中、壁面Z2aと壁面Z2bとで形成されるために、ほぼ楔型の断面を呈するのである。X軸方向、Z’軸方向に折り取り用溝部を形成すると、その断面形状は楔型となり、折り取りが容易である。
FIG. 9 is a view for explaining the wall surface of the
FIGS. 9C to 9E are enlarged views of the wall surfaces Z1 and Z2 of the recessed
本発明の特徴の1つは、図9(d)に示すように、振動領域12のうちZcで示す一点鎖線の図中右側の、元の平面と平行でない緩やかな傾斜面Z2cを、第4の厚肉部19と共にエッチングにより取り去ることにより、圧電基板の小型化を図ったことである。
更に、前記緩やかな傾斜面Z2cを前記第4の厚肉部19と共に削除することを前提として製造方法を確立しているので、振動領域12となる平坦な超薄部の面積を、先行技術として掲げた従来の如きX軸に沿って振動領域12の両端に存在する厚肉部を備えた構造に比べて大きく確保することを実現した。したがって、振動領域12に励振される厚み滑り振動モードにおいて、弾性定数の異方性により振動変位分布がX軸方向に長径を有する楕円状となることを十分に考慮して、設計することが可能となるため、長軸対短軸の比を、1.26:1が望ましいが、製造寸法のバラツキ等を考慮して、1.14〜1.39:1の範囲程度となるように十分設計可能となった。
One of the features of the present invention is that, as shown in FIG. 9 (d), a gentle inclined surface Z2c that is not parallel to the original plane on the right side of the dotted line indicated by Zc in the
Further, since the manufacturing method has been established on the premise that the gently inclined surface Z2c is deleted together with the fourth
更に、図15に示すように、圧電振動素子1の外形において、X軸に交わる端面にも傾斜面が現出し、X軸の(−)側の端面には傾斜面(1)が現出し、(+)側の単面には傾斜面(2)が現出することが判明し、傾斜面(1)と傾斜面(2)のXY’平面に平行な断面において、その形状は異なっていることも判明した。なお、図15は、圧電振動素子の変形例を示しており、(a)及び(b)は斜視図、(c)は縦断面図である。
また、傾斜面(1)、(2)共に、圧電基板10の主表面と交わる付近には、図8(b)、(e)に示すような+X軸方向に形成される壁面X2の垂直の壁面は現出していない。この理由は、凹陥部11を形成するのに必要なエッチング時間に比べて、傾斜面(1)と傾斜面(2)の形成時間は圧電基板(水晶基板)10を表裏からエッチングを開始し、表裏が貫通するまでエッチングするので、エッチング時間が十分に長いためにオーバーエッチングの作用により、垂直の壁面が現出しないのである。
傾斜面(1)を構成する傾斜面a1、a2は、X軸に対してほぼ対称関係にあることが判明した。
傾斜面(2)を構成する傾斜面b1、b2、b3、b4においては、b1とb4、b2とb3とが、各々X軸に対してほぼ対称関係にあることが判明した。
更に、傾斜面a1、a2のX軸に対する傾斜角度αは、傾斜面b1、a4のX軸に対する傾斜角度βに比べて、β<αの関係にあることが分かった。
Furthermore, as shown in FIG. 15, in the outer shape of the
Further, both the inclined surfaces (1) and (2) are perpendicular to the wall surface X2 formed in the + X-axis direction as shown in FIGS. 8B and 8E in the vicinity where they intersect with the main surface of the
It has been found that the inclined surfaces a1 and a2 constituting the inclined surface (1) are substantially symmetrical with respect to the X axis.
In the inclined surfaces b1, b2, b3, and b4 constituting the inclined surface (2), it has been found that b1 and b4 and b2 and b3 are substantially symmetrical with respect to the X axis.
Furthermore, it was found that the inclination angle α of the inclined surfaces a1 and a2 with respect to the X axis has a relationship of β <α as compared with the inclination angle β of the inclined surfaces b1 and a4 with respect to the X axis.
(第4の実施形態)
図10は、第4の実施形態に係る圧電振動子の構成を示し、(a)は断面図であり、(b)は(a)に示すPの方向から見た平面図である。
圧電振動子5は、例えば上記の圧電振動素子1と、圧電振動素子1を収容するパッケージとを備えている。パッケージは、矩形の箱状に形成されているパッケージ本体40と、金属、セラミック、ガラス等から成る蓋部材49とから成る。
パッケージ本体40は、図10に示すように、第1の基板41と、第2の基板42と、第3の基板43とを積層して形成されており、絶縁材料として、酸化アルミニウム質のセラミック・グリーンシートを成形し箱状とした後で、焼結して形成されている。実装端子45は、第1の基板41の外部底面に複数形成されている。第3の基板43は、中央部が除去された環状体であり、第3の基板43の上部周縁に、例えばコバール等の金属シールリング44が形成されている。
(Fourth embodiment)
10A and 10B show the configuration of the piezoelectric vibrator according to the fourth embodiment, where FIG. 10A is a cross-sectional view, and FIG. 10B is a plan view seen from the direction P shown in FIG.
The
As shown in FIG. 10, the
第3の基板43と第2の基板42とにより、圧電振動素子1を収容する凹部が形成されている。第2の基板42の上面の所定の位置には、導体46により実装端子45と電気的に導通する複数の素子搭載パッド47が設けられている。
素子搭載パッド47の位置は、圧電振動素子1を載置した際に第2の厚肉部本体16aに形成したパッド電極29aに対応するように配置されている。
The
The position of the
圧電振動子5の構成は、パッケージ本体40の素子搭載パッド47に導電性接着剤30、例えば脱ガスの少ないポリイミド系接着剤を適量塗布し、その上に圧電振動素子1のパッド電極29aとパッケージの端子電極(パッド47)とを1点支持にて載置して荷重をかけて機械的に固定すると共に電気的に接続する。導電性接着剤30の特性として、導電性接着剤30に起因する応力(∝歪)の大きさは、シリコーン系接着剤、エポキシ系接着剤、ポリイミド系接着剤の順で大きくなる。また、脱ガスは、ポリイミド系接着剤、エポキシ系接着剤、シリコーン系接着剤の順で大きくなる。
そして、パッド電極29bとパッケージの端子電極48とをボンディングワイヤーBWを用いて電気的に接続するとよい。このように圧電振動素子1を支持する部位が一点になると、導電性接着剤に起因して生じる応力を小さくすることが可能である。
The
The
パッケージ本体40に搭載された圧電振動素子1の導電性接着剤30を硬化させるために所定の温度の高温炉に所定の時間入れる必要がある。アニール処理を施した後、励振電極25a、25bに質量を付加するか、又は質量を減じて周波数調整を行う。蓋部材49を、パッケージ本体40の上面に形成したシールリング44上にシーム溶接して密封する。または、パッケージ本体40の上面に塗布した低融点ガラスに蓋部材49を載置し、溶融して密着する方法もある。パッケージのキャビティ内は真空にするか、窒素N2等の不活性ガスを充填して、圧電振動子5を完成する。
以上の圧電振動子5の実施形態では、パッケージ本体40に積層板を用いた例を説明したが、パッケージ本体40に単層セラミック板を用い、蓋体に絞り加工を施したキャップを用いて圧電振動子を構成してもよい。
In order to cure the
In the embodiment of the
(第5の実施形態)
次に、第5の実施形態に係る圧電振動子について図11を用いて説明する。図11は、圧電振動子の構成を示し、図11(a)は断面図であり、図11(b)は図11(a)に示すPの方向から見た平面図である。なお、圧電振動子5aは、前述の圧電振動子5の一部を変形させた構成であるため、圧電振動子5との違いについて説明し、圧電振動子5と同じ構成部位については同一符号を付けて説明を省略する。
圧電振動子5aに用いられている圧電振動素子1には、その表裏面に励振電極25a、25bが形成されている。励振電極25a、25bは、振動領域12のほぼ中央部の表裏両面に対向して形成されている。励振電極25aは、リード電極27aにより、第2の厚肉部本体16aの表面に形成されたパッド電極29aに導通接続されている。また、励振電極25bは、リード電極27bにより、第2の厚肉部本体16aの裏面に形成されたパッド電極29bに導通接続されている。なお、パッド電極29aとパッド電極29bとは、平面視で離間するように配置(並置)されている。
また、パッド電極29bは、図示しないが第2の厚肉部本体16aの側面を通り第2の厚肉部本体16aの表面まで延在している。そして、圧電振動素子1は、第2の厚肉部本体16aの表面まで延在したパッド電極29b及びパッド電極29aがパッケージ本体40の素子搭載パッド47に導電性接着剤30によって機械的に固定されると共に電気的に接続されている。
この構成では、パッド電極29aとパッド電極29bとが圧電振動素子1の平面視で離間し、且つ同一面(裏面)に設けられているため、圧電振動素子1の素子搭載パッド47への固定を導電性接着剤30のみで行うことが可能となる。
(Fifth embodiment)
Next, a piezoelectric vibrator according to a fifth embodiment will be described with reference to FIG. 11 shows the configuration of the piezoelectric vibrator, FIG. 11A is a cross-sectional view, and FIG. 11B is a plan view seen from the direction P shown in FIG. 11A. Since the
Further, although not shown, the
In this configuration, the
図12(a)、図12(b)は、本発明に係る圧電振動子5、5aの電気的特性の一例を示す図である。共振周波数は、一例として基本波モードで共振周波数を123MHz帯とした。この周波数帯は、電圧制御型圧電発振器(Voltage Controlled Crystal Oscillator:VCXO)用の水晶振動子を意図して開発されたものである。図12(a)は温度範囲が−40℃〜85℃における圧電振動子5、5aの周波数温度特性であり、図12(b)同温度範囲の圧電振動子5、5aのCI(クリスタルインピーダンス)温度特性である。図12(a)の周波数温度特性は、滑らかな三次曲線を呈しており、要求された規格を満たしている。また、図12(b)のCI温度特性も全温度範囲に亘って、CIディップ等もなく良好な特性を呈している。
FIGS. 12A and 12B are diagrams showing an example of the electrical characteristics of the
図13(a)は、本発明の圧電振動子5、5aの容量比γの分布を表わしており、γの平均値は273、標準偏差σは18という値が得られた。図13(b)は従来の圧電振動子の容量比γの分布を表わし、γの平均値は296、標準偏差σは26という値であった。
図13(c)は、本発明の圧電振動子5、5aの静電容量C0の分布を表わし、C0の平均値は1.80(pF)、標準偏差σは0.01という値が得られた。図13(d)は従来の圧電振動子の静電容量C0の分布を表わし、C0の平均値は1.88、標準偏差σは0.02という値であった。
図14(a)は、本発明の圧電振動子5、5aのスプリアスCI値比(=CIs/CIm、CImは主振動のCI値、CIsは主振動に近接した最も大きなスプリアスのCI値)の分布を表わし、図14(b)は、従来の圧電振動子のスプリアスCI値比の分布を表わしている。
図13、及び図14より明らかなように、容量比γ、静電容量C0、及びスプリアスCI値比とも、従来の圧電振動子より、本発明に係る圧電振動子5、5aの方が優れていることが分かった。しかも、本発明に係る圧電振動子5、5aは小型化も実現されている。
FIG. 13A shows the distribution of the capacitance ratio γ of the
FIG. 13C shows the distribution of the electrostatic capacitance C0 of the
FIG. 14A shows the spurious CI value ratio (= CIs / CIm, CIm is the CI value of the main vibration, and CIs is the largest spurious CI value close to the main vibration) of the
As apparent from FIGS. 13 and 14, the
図1に示すように、高周波の基本波圧電振動素子が小型化されると共に、接着・固定に起因する応力の広がりを抑圧することができるので、周波数再現性、周波数温度特性、CI温度特性、及び周波数エージング特性に優れ、且つ主振動のCI値が小さく、主振動のCI値に対する近接したスプリアスのCI値の比、即ちCI値比の大きな圧電振動素子が得られるという効果がある。
また、圧電基板を一方の面からのみエッチングして振動領域を形成することにより、元の基板の切断角度を保持した振動領域を形成することが可能となり、周波数温度特性の優れた高周波の基本波圧電振動素子が得られるという効果がある。また、図4に示すように傾斜部16bにスリット20を形成すると、容易にスリットが貫通できるという効果もある。
As shown in FIG. 1, since the high-frequency fundamental piezoelectric vibration element can be miniaturized and the spread of stress due to adhesion / fixation can be suppressed, frequency reproducibility, frequency temperature characteristics, CI temperature characteristics, In addition, there is an effect that a piezoelectric vibration element having excellent frequency aging characteristics and a small CI value of the main vibration and a ratio of the CI value of the adjacent spurious to the CI value of the main vibration, that is, a large CI value ratio can be obtained.
In addition, by forming the vibration region by etching the piezoelectric substrate from only one surface, it becomes possible to form a vibration region that maintains the cutting angle of the original substrate, and a high-frequency fundamental wave with excellent frequency-temperature characteristics. There is an effect that a piezoelectric vibration element can be obtained. In addition, when the
圧電基板に水晶ATカット水晶基板を用いることにより、永年のフォトリソグラフィー技法及びエッチング技法に関する実績・経験が活用できるので、圧電基板の量産が可能であるのみならず、高精度のエッチングができ、圧電振動素子の歩留まりが大幅に改善されるという効果がある。
図10、及び図11に示すように圧電振動子を構成すると、高周波の基本波圧電振動子が小型化されると共に、接着・固定に起因する応力の抑圧が可能であるため、周波数再現性、周波数温度特性、CI温度特性、及び周波数エージング特性に優れた圧電振動子が得られるという効果がある。更に、主振動のCI値を小さく、主振動のCI値に対する近接したスプリアスのCI値の比、即ちCI値比の大きな圧電振動素子が得られ、且つ容量比γの小さな圧電振動子が得られるという効果がある。
By using a quartz AT-cut quartz substrate as a piezoelectric substrate, the results and experience of photolithographic techniques and etching techniques for many years can be utilized, so that not only mass production of piezoelectric substrates is possible, but also high-precision etching is possible. There is an effect that the yield of the vibration element is greatly improved.
When the piezoelectric vibrator is configured as shown in FIG. 10 and FIG. 11, the high frequency fundamental wave piezoelectric vibrator can be miniaturized and stress due to adhesion / fixation can be suppressed. There is an effect that a piezoelectric vibrator excellent in frequency temperature characteristics, CI temperature characteristics, and frequency aging characteristics can be obtained. Furthermore, the CI value of the main vibration is reduced, a ratio of the CI value of the adjacent spurious to the CI value of the main vibration, that is, a piezoelectric vibration element having a large CI value ratio, and a piezoelectric vibrator having a small capacitance ratio γ can be obtained. There is an effect.
次に、共振周波数について更に高周波化を試み、491(MHz)帯の圧電振動子を試作し、評価を行った。
下表は491(MHz)の圧電振動子のサンプルを3個製作し、それぞれのサンプルについて等価回路定数を測定した値である。容量比γ、静電容量C0、等、十分良好な電気的特性が得られていることが確認された。
Next, the resonance frequency was further increased, and a 491 (MHz) band piezoelectric vibrator was prototyped and evaluated.
The table below shows the values obtained by fabricating three 491 (MHz) piezoelectric vibrator samples and measuring the equivalent circuit constant for each sample. It was confirmed that sufficiently good electrical characteristics such as a capacity ratio γ and a capacitance C0 were obtained.
本発明に係る491(MHz)の圧電振動子を用いてVCXOを製作した。図16は、そのVCXOの周波数温度特性の評価結果である。滑らかな三次曲線を呈しており、要求された規格を満たしており、全温度範囲に亘ってディップ等もなく良好な特性が得られている。 A VCXO was manufactured using a 491 (MHz) piezoelectric vibrator according to the present invention. FIG. 16 shows an evaluation result of frequency temperature characteristics of the VCXO. It exhibits a smooth cubic curve, meets the required standards, and has good characteristics without dip over the entire temperature range.
(第6の実施形態)
図17は、第6の実施形態に係る電子デバイスの一種である圧電発振器の構成を示す断面図であり、(a)は正断面図、(b)は(a)のP方向から見た平面図である。
圧電発振器6は、3層の基材41、42、43で構成されたパッケージ本体40及び蓋部材49と、圧電振動素子1と、圧電振動素子1を励振する発振回路を搭載したIC部品51と、電圧により容量が変化する可変容量素子、温度より抵抗が変化するサーミスタ、インダクタ等の電子部品52と、を備えている。
パッケージ本体40の素子搭載パッド47に導電性接着剤(ポリイミド系)30を塗布し、この上に圧電振動素子1を載置してパッド電極(図示せず)との導通を図る。他方のパッド電極は、パッケージ本体40の他の端子パッドにボンディングワイヤーBWにて接続し、IC部品51の1つの端子との導通を図る。IC部品51及び電子部品52をパッケージ本体40上の所定の位置に固定・接続する。パッケージ本体40の裏面(実装面)には、実装端子45が形成されている。実装端子45は、パッケージ本体40の内部に設けられたそれぞれの端子と接続配線45によって導通接続されている。
パッケージ本体40を真空、あるいは窒素等の不活性気体で満たし、パッケージ本体40を蓋部材49で密封して圧電発振器6を完成する。
(Sixth embodiment)
FIG. 17 is a cross-sectional view showing a configuration of a piezoelectric oscillator which is a kind of electronic device according to the sixth embodiment, where (a) is a front cross-sectional view, and (b) is a plane viewed from the P direction of (a). FIG.
The
A conductive adhesive (polyimide) 30 is applied to the
The
(第7の実施形態)
図18を用いて第7の実施形態に係る電子デバイスの一種である圧電発振器の構成を説明する。図18は、第7の実施形態に係る圧電デバイスの構成を示し、(a)及び(b)は圧電発振器の縦断面図で ある。
図17に示した第6の実施形態に係る圧電発振器6は、同一圧電基板上に圧電振動素子1、IC部品51及び電子部品を配置したが、図18(a)の第7の実施形態に係る圧電発振器7は、H型のパッケージ本体60を用い、上部に圧電振動素子1を収容し、キャビティ内部を真空、又は窒素N2ガスで満たし、蓋部材49で封止する。図18(a)において、下部の収納部には圧電振動素子1を励振する発振回路、増幅回路等を搭載したIC部品51と、可変容量素子、及び必要に応じてインダクタ、サーミスタ、コンデンサー等の電子部品52と、を金属バンプ(Auバンプ)68等の接続手段を介して、パッケージ本体60の端子67に導通・接続する。本発明に係る圧電発振器7は、圧電振動素子1と、IC部品51及び電子部品52とを分離しているために、圧電発振器7の周波数エージングに優れている。
更に、図18(b)に示すように、下部の収納部には少なくとも一以上の電子部品Thを備える構造としても良い。例えば、電子部品Thとしては、サーミスタ、コンデンサー、リアクタンス素子等を適用することができ、圧電振動素子を周波数発振源として用いた電子デバイスを構築することができる。
(Seventh embodiment)
The configuration of a piezoelectric oscillator which is a kind of electronic device according to the seventh embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 18 shows the configuration of the piezoelectric device according to the seventh embodiment, wherein (a) and (b) are longitudinal sectional views of the piezoelectric oscillator.
In the
Further, as shown in FIG. 18B, the lower storage portion may have at least one electronic component Th. For example, a thermistor, a capacitor, a reactance element, or the like can be applied as the electronic component Th, and an electronic device using a piezoelectric vibration element as a frequency oscillation source can be constructed.
図17、図18(a)、図18(b)に示すように、圧電デバイス(例えば電圧制御型圧電発振器)を構成することにより、周波数再現性、周波数温度特性、エージング特性が優れ、小型で且つ高周波(例えば490MHz帯)の電圧制御型圧電発振器が得られるという効果がある。また、圧電デバイスは基本波の圧電振動素子1を用いているので、容量比が小さく、周波数可変幅の広く、S/N比の良好な電圧制御型圧電発振器が得られるという効果がある。
また、圧電デバイスとして圧電発振器、温度補償型圧電発振器、及び電圧制御型圧電発振器等を構成することが可能であり、周波数再現性、エージング特性が優れた圧電発振器、周波数温度特性に優れた温度補償圧電発振器、周波数が安定で可変範囲の広く且つS/N比(信号雑音比)の良好な電圧制御型圧電発振器を構成することが得られるという効果がある。
As shown in FIG. 17, FIG. 18 (a), FIG. 18 (b), by configuring a piezoelectric device (for example, a voltage-controlled piezoelectric oscillator), the frequency reproducibility, frequency temperature characteristics, and aging characteristics are excellent, and the size is small. In addition, there is an effect that a voltage controlled piezoelectric oscillator having a high frequency (for example, 490 MHz band) can be obtained. In addition, since the piezoelectric device uses the
In addition, piezoelectric devices such as piezoelectric oscillators, temperature compensated piezoelectric oscillators, and voltage controlled piezoelectric oscillators can be configured as piezoelectric devices. Piezoelectric oscillators with excellent frequency reproducibility and aging characteristics, temperature compensation with excellent frequency temperature characteristics The piezoelectric oscillator has an effect that it is possible to obtain a voltage-controlled piezoelectric oscillator having a stable frequency, a wide variable range, and a good S / N ratio (signal to noise ratio).
図19は、圧電基板の変形例を示す縦断面図であり、圧電基板の厚肉部に段部を形成するとともに厚肉部の外周側面に傾斜面を形成した構成例である。
図19に示す圧電基板10aは、前述の実施形態で説明した構成と同様に、薄肉の振動領域12、及び振動領域12に連設された厚肉の第1の厚肉部本体14a、および第2の厚肉部本体16aが設けられている。なお本図では、第3の厚肉部本体は省略している。振動領域12の両主面には、夫々表裏で対向するようにして形成された励振電極25a、25bと、励振電極25a、25bから夫々厚肉部14、16に設けられたパッド電極29a、29bに向けて延出されて形成されたリード電極(図示せず)と、が設けられている。なお、第2の厚肉部本体16aの図示上面側(励振電極25bが設けられている側)には、一方の主面から段差を有して形成された段部16a’が形成されており、前述のパッド電極29bは段部16a’の表面に設けられている。そして、パッド電極29bはボンディングワイヤーBWによって図示しないパッケージの端子電極と電気的に接続されている。また、圧電基板10aの厚肉部16aの外周側面には、傾斜面13bが形成されている。
FIG. 19 is a longitudinal sectional view showing a modified example of the piezoelectric substrate, and is a configuration example in which a step portion is formed in the thick portion of the piezoelectric substrate and an inclined surface is formed on the outer peripheral side surface of the thick portion.
The
本例のように、段部16a’を設けることにより、ボンディングワイヤーBWを接続するパッド電極29bの高さが一方の主面より低くなる。圧電基板10aは、図示しないパッケージの被固定面にパッド電極29aの形成されている面が固定される。したがって、前述の被固定面から見たボンディングワイヤーBWのループ高さを低くすることが可能となり、本例の圧電基板10aを用いた圧電デバイスの低背化の効果を有している。
By providing the
[圧電基板の応用例1]
図20(a)の応用例における圧電基板10は、振動領域12を有する薄肉部(凹陥部11)と、薄肉部の周縁に設けられ、当該薄肉部よりも厚い第1の厚肉部本体14a、第2の厚肉部本体16a、および第3の厚肉部本体18aから構成される厚肉部13とを備えている。第2の厚肉部本体16aには、縁辺の方向に緩衝部Sを介してマウント部Mが横並びで設けられている。緩衝部Sは、マウント部Mと第2の厚肉部本体16aとの間にスリット20を有し、マウント部Mは、マウント部Mと緩衝部Sと第2の厚肉部本体16aとの並ぶ方向に対して直交方向の両端部に、面取り部21を有している。
[Application example 1 of piezoelectric substrate]
The
図20(b)の圧電基板10は、振動領域12を有する薄肉部(凹陥部11)と、薄肉部の周縁に設けられ、当該薄肉部よりも厚い第1の厚肉部本体14a、第2の厚肉部本体16a、および第3の厚肉部本体18aから構成される厚肉部13とを備えている。
第2の厚肉部本体16aには、緩衝部Sを介してマウント部Mが横並びで接続されている。緩衝部Sは、マウント部Mと第2の厚肉部本体16aとの間にスリット20を有し、マウント部Mは、マウント部Mと緩衝部Sと第2の厚肉部本体16aとの並ぶ方向に対して直交方向の両端部に切欠き部22を有している。
スリット20の長手方向は、前記直交方向と平行である。また、スリット20の長手方向の幅は、マウント部Mの前記直交方向の幅より広く、スリット20の長手方向の両端部が、マウント部Mの両端部よりも緩衝部Sの前記直交方向の外周寄りに設けられている。
The
Mount parts M are connected to the second thick part
The longitudinal direction of the
図20(c)の圧電基板10は、振動領域12を有する薄肉部(凹陥部11)と、薄肉部の周縁に設けられ、当該薄肉部よりも厚い第1の厚肉部本体14a、第2の厚肉部本体16a、および第3の厚肉部本体18aから構成される厚肉部13とを備えている。
第2の厚肉部本体16aには、緩衝部Sとマウント部Mが順に連結されている。緩衝部Sは、マウント部Mと第2の厚肉部本体16aとの間にスリット20を有している。マウント部Mは、マウント部Mと緩衝部Sと第2の厚肉部本体16aとの並ぶ方向に対して直交方向の両端部に、切欠き部22を有していることを特徴とする。
The
The buffer portion S and the mount portion M are sequentially connected to the second thick portion
図21は、図20の構造に対し、2点支持の形態をとることを特徴としている。
なお、図20、図21においては、厚肉部13の各厚肉部本体14a、16a、18aの内壁に傾斜部が図示されておらず、また厚肉部13の外側の側壁面には図19に示した如き傾斜面13bが図示されていないが、これらの傾斜部、傾斜面13bは対応する部位に形成される。
なお、図20、図21中の各符号は、上記各実施形態の同じ符号が示す部位と対応している。
FIG. 21 is characterized in that it takes the form of two-point support with respect to the structure of FIG.
20 and 21, the inclined portion is not illustrated on the inner wall of each thick portion
In addition, each code | symbol in FIG. 20, FIG. 21 respond | corresponds with the site | part which the same code | symbol of said each embodiment shows.
[圧電基板の応用例2]
更に、図22(a)、図22(b)の応用例はマウント部の構成を示しており、図22(a)は、マウント部の平面図であり、図22(b)は、A−A断面図である。
図22に示すように、このマウント部Mにおいては、接着強度を向上させるために凹凸状で構成されている、このようにマウント部Mを凹凸状とすることによってマウント部Mの表面積が大きくなり、マウント強度を向上させることができる。
[Application example 2 of piezoelectric substrate]
Furthermore, the application examples of FIGS. 22A and 22B show the configuration of the mount portion, FIG. 22A is a plan view of the mount portion, and FIG. It is A sectional drawing.
As shown in FIG. 22, the mount portion M is configured to have an uneven shape in order to improve the adhesive strength. By making the mount portion M uneven as described above, the surface area of the mount portion M increases. The mounting strength can be improved.
(電子機器)
図23は本発明に係る電子機器の構成を示す概略構成図である。電子機器8は上記の圧電振動子5を備えている。圧電振動子5を用いた電子機器8として、伝送機器等が挙げられる。これらの電子機器8において圧電振動子5は、基準信号源、あるいは電圧可変型圧電発振器(VCXO)等として用いられ、小型で、特性の良好な電子機器を提供できる。
前述のように、本発明に係る圧電振動子は、高周波で周波数安定度に優れ、S/N比の良好な基準周波数源として用いることが好適である。このため、本発明に係る圧電振動子を用いることで、例えば通信基地局などに利用可能な、高性能、高信頼性を所望される電子機器が構成できるという効果がある。
(Electronics)
FIG. 23 is a schematic configuration diagram showing a configuration of an electronic apparatus according to the present invention. The
As described above, the piezoelectric vibrator according to the present invention is preferably used as a reference frequency source having a high frequency and excellent frequency stability and a good S / N ratio. For this reason, by using the piezoelectric vibrator according to the present invention, there is an effect that it is possible to configure an electronic device for which high performance and high reliability are desired, which can be used for a communication base station, for example.
1、2、3…圧電振動素子、5、5a…圧電振動子、6、7…圧電デバイス、8…電子機器、10…圧電基板、10W…水晶ウエハー、11…凹陥部、12…振動領域、12a、12b、12c…振動領域の一辺、13…厚肉部、14…第1の厚肉部、14a…第1の厚肉部本体、14b…第1の傾斜部、16…第2の厚肉部、16a…第2の厚肉部本体、16bb …細片、16b…傾斜部、18…第3の厚肉部、18a…第3の厚肉部本体、18b…第3の傾斜部、19…第4の厚肉部、20…スリット、20a…第1のスリット、20b…第2のスリット、25a、25b…励振電極、27a、27b…リード電極、29a、29b…パッド電極、30…導電性接着剤、40…パッケージ本体、41…第1の基板、42…第2の基板、43…第3の基板、44…シールリング、45…実装端子、46…導体、47…素子搭載パッド、49…蓋部材、51…IC部品、52…電子部品、60…パッケージ本体、61…蓋部材、65…実装端子、66…導体、67…部品端子、68…金属バンプ(Auバンプ)。
1, 2, 3 ... piezoelectric vibration element, 5, 5a ... piezoelectric vibrator, 6, 7 ... piezoelectric device, 8 ... electronic device, 10 ... piezoelectric substrate, 10W ... crystal wafer, 11 ... recessed portion, 12 ... vibration region, 12a, 12b, 12c ... one side of the vibration region, 13 ... thick part, 14 ... first thick part, 14a ... first thick part body, 14b ... first inclined part, 16 ... second thickness Meat part, 16a ... second thick part main body, 16bb ... strip, 16b ... inclined part, 18 ... third thick part, 18a ... third thick part main body, 18b ... third inclined part, DESCRIPTION OF
Claims (14)
前記振動領域の表面及び裏面に夫々配置されている励振電極と、
前記励振電極から前記厚肉部上に延在して設けられているリード電極と、を備え、
前記厚肉部は、
前記振動領域の一部を開放するように、
前記振動領域を挟んで配置されている第1の厚肉部、及び第2の厚肉部と、
該第1の厚肉部及び第2の厚肉部の基端部間を連設している第3の厚肉部と、を備え、
前記第2の厚肉部は、
前記振動領域に連設している一方の端縁から他方の端縁に向かって離間するにつれて厚みが増加する傾斜部と、
前記傾斜部の前記他方の端縁に連設している厚肉本体と、を備え、
前記第2の厚肉部には、
スリットが設けられていることを特徴とする圧電振動素子。 A piezoelectric substrate integrated with a vibration region and the vibration region, and including a thick portion thicker than a thickness of the vibration region;
Excitation electrodes respectively disposed on the front and back surfaces of the vibration region;
A lead electrode extending from the excitation electrode on the thick part, and
The thick part is
So as to open a part of the vibration region,
A first thick part and a second thick part arranged across the vibration region;
A third thick portion connecting the base portions of the first thick portion and the second thick portion, and a third thick portion,
The second thick part is
An inclined portion whose thickness increases as the distance from the one edge connected to the vibration region increases toward the other edge;
A thick body continuous with the other end edge of the inclined portion,
In the second thick part,
A piezoelectric vibration element comprising a slit.
前記振動領域の4辺のうち1辺が開放されていることを特徴とする請求項1に記載の圧電振動素子。 The vibration area is rectangular,
The piezoelectric vibration element according to claim 1, wherein one side of the four sides of the vibration region is open.
前記傾斜部と前記厚肉本体との境界部に沿って前記厚肉本体に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の圧電振動素子。 The slit is
2. The piezoelectric vibration element according to claim 1, wherein the piezoelectric vibration element is disposed in the thick main body along a boundary portion between the inclined portion and the thick main body.
前記傾斜部内に前記振動領域の一辺から離間して配置されていることを特徴とする請求項1に記載の圧電振動素子。 The slit is
The piezoelectric vibration element according to claim 1, wherein the piezoelectric vibration element is disposed in the inclined portion so as to be separated from one side of the vibration region.
前記厚肉本体に配置された第1のスリットと、
前記傾斜部内に前記振動領域の一辺から離間して配置された第2のスリットと、を備えていることを特徴とする請求項1に記載の圧電振動素子。 The slit is
A first slit disposed in the thick-walled body;
The piezoelectric vibration element according to claim 1, further comprising: a second slit disposed in the inclined portion so as to be separated from one side of the vibration region.
前記第1、第2及び第3の厚肉部の夫々の一方の面とは、
同一平面内にあることを特徴とする請求項1乃至5の何れか一項に記載の圧電振動素子。 One main surface of the vibration region;
One surface of each of the first, second and third thick parts is:
The piezoelectric vibration element according to claim 1, wherein the piezoelectric vibration element is in the same plane.
水晶の結晶軸である電気軸としてのX軸と、機械軸としてのY軸と、光学軸としてのZ軸と、からなる直交座標系の前記X軸を中心として、
前記Z軸を前記Y軸の−Y方向へ所定の角度だけ傾けた軸をZ’軸とし、
前記Y軸を前記Z軸の+Z方向へ前記所定の角度だけ傾けた軸をY’軸とし、
前記X軸と前記Z’軸に平行な面で構成され、
前記Y’軸に平行な方向を厚みとする水晶基板であり、
前記X軸に平行な辺を長辺とし、
前記Z’軸に平行な辺を短辺とした水晶基板であることを特徴とする請求項1乃至6の何れか一項に記載の圧電振動素子。 The piezoelectric substrate is
Centering on the X axis of the orthogonal coordinate system consisting of the X axis as the electrical axis that is the crystal axis of the crystal, the Y axis as the mechanical axis, and the Z axis as the optical axis,
An axis obtained by inclining the Z axis by a predetermined angle in the −Y direction of the Y axis is defined as a Z ′ axis.
An axis obtained by inclining the Y axis by the predetermined angle in the + Z direction of the Z axis is a Y ′ axis,
It is composed of a plane parallel to the X axis and the Z ′ axis,
A quartz substrate having a thickness in a direction parallel to the Y ′ axis,
The side parallel to the X axis is the long side,
The piezoelectric vibration element according to claim 1, wherein the piezoelectric vibration element is a quartz substrate having a side parallel to the Z ′ axis as a short side.
前記凹陥部の一部を含む前記圧電基板を除去し、前記凹陥部の一部が開放された肉厚部を有する振動領域、及びスリットを含む外形形状を形成する工程と、
前記振動領域の表裏面を含む所定の領域に電極を形成する工程と、を有することを特徴とする圧電振動素子の製造方法。 Providing a recess including a vibration region on one surface of the front and back surfaces of the piezoelectric substrate;
Removing the piezoelectric substrate including a part of the recessed part, forming a vibration region having a thick part where a part of the recessed part is opened, and an outer shape including a slit;
Forming an electrode in a predetermined region including the front and back surfaces of the vibration region.
該圧電振動素子を収容するパッケージと、を備えたことを特徴とする圧電振動子。 The piezoelectric vibration element according to any one of claims 1 to 8,
And a package for accommodating the piezoelectric vibration element.
電子部品と、をパッケージに備えたことを特徴とする電子デバイス。 The piezoelectric vibration element according to any one of claims 1 to 8,
An electronic device comprising an electronic component and a package.
該圧電振動素子を励振する発振回路と、をパッケージに備えたことを特徴とする電子デバイス。 The piezoelectric vibration element according to any one of claims 1 to 8,
An electronic device comprising: an oscillation circuit for exciting the piezoelectric vibration element; and a package.
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