JP5375503B2 - 屈曲振動片 - Google Patents

Description

本発明は、振動腕を屈曲させるための圧電膜を備えた構成の屈曲振動片に関する。

従来、屈曲振動片は、例えば特許文献１および特許文献２に開示されているように、振動腕の表面に圧電体素子を備えているものが開示されている。屈曲振動片は、それぞれの圧電体素子へ駆動電流を印加して、圧電体素子を変形させることにより、振動腕を所定方向へ屈曲させている。この場合、圧電体素子は、２つの電極で圧電膜を挟みこんだ構成のものであり、２つの電極に対して駆動電流を印加して圧電膜を変形させるようになっている。屈曲振動片は、圧電特性の良い膜である圧電膜を有する圧電体素子を振動腕に形成し、この圧電体素子を変形させて振動腕を屈曲させているため、振動腕に対する形状、寸法精度等の制約が少なくなる。さらに、圧電体素子を備えた屈曲振動片は、振動腕が圧電材以外であっても、振動腕の基材の特性を活かした屈曲振動を得ることが可能である。

特開２００８−１１３４８号公報 特開２００９−５０２２号公報

しかし、従来の技術では、振動腕の表面へ圧電膜を設け、この圧電膜の変形に応じて振動腕が屈曲する構成である。そのため、振動腕と圧電膜との密着性が不十分なことなどにより、振動腕と圧電膜との間に剥離等が生じた場合には、振動腕が所定の屈曲を行うことができなくなる、という課題があった。

本発明は、上記課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の適用例または形態として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例に係る屈曲振動片は、基部と、該基部から突出して形成された振動腕と、を有する屈曲基板と、前記振動腕に形成された下部電極と、該下部電極に重ねて形成された圧電膜と、該圧電膜に重ねて形成された上部電極と、を備えている屈曲振動片であって、少なくとも前記屈曲基板と前記圧電膜との間に緩和層をさらに備え、該緩和層は、前記屈曲基板または前記圧電膜のいずれかを構成する元素を一種以上含み、前記緩和層の線膨張係数は、前記屈曲基板の線膨張係数と前記圧電膜の線膨張係数との中間値であることを特徴とする。

この屈曲振動片によれば、振動腕は、振動腕の側から順に、緩和層、下部電極、圧電膜、上部電極がそれぞれ形成されていて、下部電極および上部電極へ駆動電流が印加されると、圧電膜の圧電効果により屈曲振動をする。圧電膜の圧電効果とは、駆動電流の印加により生じた電界の方向に応じて、圧電膜が圧縮または伸張する現象である。つまり、圧電膜の圧縮に対応して一方の方向へ屈曲した振動腕は、駆動電流の印加方向が変わることにより電界の方向も変わると、圧電膜が伸張するため、他方の方向へ屈曲する。こうして、電界の方向が交互に変われば、振動腕は、一方の方向および他方の方向へ交互に屈曲して振動する。ここで、圧電膜の圧縮または伸張に対応して、振動腕が確実に屈曲するためには、振動腕を有する屈曲基板と圧電膜との密着性を高めておく必要がある。屈曲基板および圧電膜は、種々の材質から選択可能であり、材質の組み合わせによって相互の密着性も異なったものになる。そこで、屈曲振動片では、少なくとも屈曲基板に対し圧電膜が形成される領域部分において、屈曲基板と圧電膜との間に緩和層が形成されている。この緩和層は、屈曲基板へ圧電膜を直接形成する場合に比べて、屈曲基板と圧電膜との密着性をより高めるためのバインダー的な役目を果たすものである。異種材を接合するためのバインダーは数多く存在するが、ここでの緩和層は、屈曲基板を構成している元素または圧電膜のいずれかを構成している元素のうち、一種以上の元素を含んだ組成となっている。緩和層がこのような元素を含むことにより、屈曲基板や圧電膜との間で元素の拡散等が促進され、より一層強固な密着性を確保することが可能である。これにより、屈曲基板または圧電膜との密着性が高められ、振動腕は、圧電膜の圧電効果によって、確実に屈曲振動が行える。なお、屈曲基板および圧電膜のうち、緩和層との密着性が低い方を構成する元素を緩和層が含むようにすれば、その密着性の低さを効果的に補償することが可能である。
また、緩和層は、その線膨張係数が、屈曲基板および圧電膜のそれぞれの線膨張係数と比べて、小さい方の線膨張係数より大きな値であり、大きい方の線膨張係数より小さな値である中間値となっている。屈曲基板へ圧電膜を直接形成する場合、熱の作用を利用することが多く、屈曲基板と圧電膜との線膨張係数の違いにより、剥離等が生じやすくなる。これに対し、屈曲基板と圧電膜との間に緩和層を設けることにより、熱が作用しても、屈曲基板と圧電膜との線膨張係数の違いによる、境界面での残留応力や歪による位置ズレ等を緩和でき、圧電膜は、緩和層を介して屈曲基板と密着性良く形成することが可能である。なお、この場合中間値が、屈曲基板の線膨張係数と圧電膜の線膨張係数との間における中心値近傍の値であれば、屈曲基板と緩和層との線膨張係数の差と、緩和層と圧電膜との線膨張係数の差と、がほぼ等しくなり、それぞれの境界面において、残留応力や歪等が緩和されてほぼ同等になり、密着性の観点においてはより好ましい。

［適用例２］上記適用例に係る屈曲振動片において、前記緩和層は、前記屈曲基板を構成する元素と前記圧電膜を構成する元素とをそれぞれ一種以上含むことが好ましい。

この構成によれば、緩和層は、屈曲基板を構成する元素のうちの一種以上を含み、同時に、圧電膜を構成する元素のうち一種以上を含んでいる。これにより、緩和層と屈曲基板および緩和層と圧電膜との密着性が共に高められ、振動腕は、圧電膜の圧電効果によって、より確実に屈曲振動が行えるようになる。なお、緩和層が含む元素は、屈曲基板および圧電膜に共通する元素でも良い。

［適用例３］上記適用例に係る屈曲振動片において、前記屈曲基板は、水晶であることが好ましい。

この構成によれば、水晶は、圧電効果を有する単結晶材であり、それ自体が高周波の安定した振動に適した素材である。また、水晶は、緩和層、圧電膜や電極を形成するためのスパッタリング等の加工に対し、変質等の影響を受けない安定した素材でもある。このような水晶で形成された屈曲基板は、圧電膜の圧縮または伸張に応じて敏感に反応し、一定の周波数で屈曲することが可能である。即ち、屈曲基板の有する振動腕は、高精度な振動をすることが可能である。

［適用例４］上記適用例に係る屈曲振動片において、前記圧電膜は、窒化アルミニウムまたは酸化亜鉛であることが好ましい。

この構成によれば、圧電膜として窒化アルミニウムまたは酸化亜鉛が用いられていて、これら素材は、膜形成時において、極性が反転しにくい特性を有し、配向性の揃った膜形成が可能であるため、優れた圧電効果を示すものである。圧電膜を窒化アルミニウムまたは酸化亜鉛で形成することにより、圧電膜は、振動腕を屈曲させるための圧縮または伸張を、より確実に行うことが可能である。

［適用例５］上記適用例に係る屈曲振動片において、前記緩和層は、酸素原子を含む酸化物誘電体であることが好ましい。

この構成によれば、酸化物誘電体は、優れた絶縁性を有していると共に、屈曲基板や圧電膜と密着性良く形成されるものである。また、酸化物誘電体は、屈曲基板や圧電膜に対し、特に、酸素の介在による拡散等の結合が可能な場合には、屈曲基板や圧電膜と強固に結合して、より密着性良く形成される。そのため、緩和層を設けることにより、圧電膜の圧縮または伸張が振動腕へ確実に伝達されるため、振動腕は確実に屈曲することが可能である。

［適用例６］上記適用例に係る屈曲振動片において、前記緩和層は、酸化チタニウム、二酸化珪素、酸化アルミニウムのいずれかであることが好ましい。

この構成によれば、緩和層である酸化物誘電体として、酸化チタニウム、二酸化珪素、酸化アルミニウムが挙げられ、これらは、屈曲基板と圧電膜との密着性を高めるためのバインダーとして機能する特性を有している。特に、屈曲基板および圧電膜が酸化物である場合には、より密着性が向上する。例えば、屈曲基板として水晶を用い、圧電膜として酸化亜鉛を用いれば、それぞれが含む酸素によって緩和層と拡散結合し、緩和層を介して屈曲基板と圧電膜との密着性をより高めることが可能である。さらに、この組み合わせでは、緩和層の酸化チタニウム、二酸化珪素、酸化アルミニウムのそれぞれの線膨張係数が、水晶の線膨張係数より大きく、窒化アルミニウムおよび酸化亜鉛の線膨張係数より小さい。そのため、圧電膜の形成時に熱が作用しても、屈曲基板に圧電膜を直接形成する場合に比べ、熱膨張の差による剥離等が生じにくくなり、屈曲基板と圧電膜との密着性を、緩和層を介して、より良好に維持することが可能である。

（ａ）本実施形態に係る水晶振動片の表面側から見た外観を示す斜視図、（ｂ）水晶振動片の裏面側から見た外観を示す斜視図。 振動腕の表面側から見た構成を示す断面図を含む斜視図。 水晶振動片の屈曲原理を説明するための模式図。 緩和層、下部電極および電極配線の構成を示す斜視図。 圧電膜の構成を示す斜視図。 （ａ）水晶振動片の変形例を示す断面図、（ｂ）水晶振動片の変形例における屈曲原理を示す模式図。

以下、屈曲振動片の具体的な実施形態について図面に従って説明する。本実施形態では、屈曲振動片として、３本の振動腕が、屈曲振動をする方向と交差する方向に沿って配列され、面外振動をする水晶振動片を例に説明する。なお、図面において、描かれている屈曲振動片の各部は、その縮尺を部分的に異ならせてあり、分かりやすいように一部を強調してある。
（実施形態）

図１（ａ）は、本実施形態に係る水晶振動片の表面側から見た外観を示す斜視図であり、図１（ｂ）は、水晶振動片の裏面側から見た外観を示す斜視図である。また、図２は、振動腕の表面側から見た構成を示す断面図を含む斜視図である。本実施形態の水晶振動片（屈曲振動片）１においては、図１（ａ）に示すように、基部２の主部２ａと薄部２ｂとが同一面である側を表面側とし、図１（ｂ）に示すように、基部２の主部２ａと薄部２ｂとが段差をなす側を裏面側として、表裏方向を厚さとする。

この水晶振動片１は、屈曲基板として、基部２と、３本の振動腕３（３ａ，３ｂ，３ｃ）と、を備えている。基部２は、直方体状の主部２ａと、主部２ａの長手辺側から長手辺の長さより短幅で延長して形成され、表面側が主部２ａと同一面であり、裏面側が主部２ａと段差をなし、その段差分だけ厚みの薄い直方体状の薄部２ｂと、を有している。また、振動腕３ａ，３ｂ，３ｃのそれぞれは、薄部２ｂから主部２ａと反対方向へ延長して形成され、薄部２ｂと同じ厚みを有し、基部２の長手方向に沿って等間隔に配置されている。

これら振動腕３ａ，３ｂ，３ｃについて、図２に詳細な断面が示されている振動腕３ｃを代表にして説明する。振動腕３ｃは、直方体柱の形状であって、直方体柱の薄部２ｂの側には、振動腕３ｃの全周を取り巻いて酸化物誘電体である緩和層１２（１２ｃ）が形成されている。この場合、緩和層１２ｃは、振動腕３ｃにおいて、薄部２ｂと反対方向の先端側の部分には形成されていない。さらに、緩和層１２は、緩和層１２ｃから連続して、薄部２ｂの表面側にも形成されていて、振動腕３ｂおよび振動腕３ａの方向へ延在している。そして、振動腕３ｃの表面側に形成された緩和層１２ｃには、金属膜の下部電極１１（１１ｃ）が緩和層１２ｃに重ねて形成されている。下部電極１１ｃの薄部２ｂの側は、薄部２ｂの緩和層１２に重ねて形成されている電極配線２３ｃと電気的に導通した状態で接続している。電極配線２３ｃは、緩和層１２の主部２ａ側の辺に沿って延在し、振動腕３ａの方向へ延びている。

また、振動腕３ｃには、振動腕３ｃの全周を取り巻き、下部電極１１ｃの全領域を覆うように圧電膜１４（１４ｃ）が形成されている。さらに、圧電膜１４は、圧電膜１４ｃから連続して、薄部２ｂの緩和層１２の領域および電極配線２３ｃを覆うようにも形成され、緩和層１２ｃの全領域を覆っている。そして、振動腕３ｃに形成された圧電膜１４ｃの表面側には、金属膜の上部電極１０（１０ｃ）が形成されていて、この構成によれば、圧電膜１４ｃは、下部電極１１ｃと上部電極１０ｃとで挟持されている状態である。

そして、図１に示すように、振動腕３ａは、振動腕３ｃと同様な構成であって、振動腕３ａの全周を取り巻いて形成された緩和層１２ａと、緩和層１２ａの表面側に重ねて形成された金属膜の下部電極１１ａと、緩和層１２ａおよび下部電極１１ａの全領域を覆い、振動腕３ａの全周を取り巻くように形成された圧電膜１４ａと、圧電膜１４ａの表面側に形成された金属膜である上部電極１０ａと、を有している。同様に、振動腕３ｂは、緩和層１２ｂ、下部電極１１ｂ、圧電膜１４ｂ、上部電極１０ｂを有している。下部電極１１ａと下部電極１１ｂとには、図４で後述する電極配線２３ａと電極配線２３ｂとがそれぞれ接続されている。

なお、この場合、水晶振動片１において、圧電膜１４としては、反応性スパッタリングで０．１〜０．５μｍ程度の厚さに形成した窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いている。窒化アルミニウム（ＡｌＮ）は、膜形成時において、極性が反転しにくい特性を有し、配向性の揃った膜形成が可能であるため、優れた圧電効果を示すものである。また、緩和層１２としては、スパッタリングで形成した酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃、アルミナ）を用いていて、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）は、基部２および振動腕３を形成する水晶と酸素拡散により強固に結合し、圧電膜１４とアルミニウム拡散により強固に結合する。さらに、緩和層１２の酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）は、線膨張係数が７．１ｐｐｍ／℃であり、線膨張係数が１３．７ｐｐｍ／℃である水晶と、線膨張係数が５．２７ｐｐｍ／℃である窒化アルミニウム（ＡｌＮ）との中間値である。そのため、水晶へ窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を直接形成する場合に比べて、熱が作用しても、線膨張係数の違いによる境界面での残留応力や歪に起因する位置ズレ等を緩和できる。従って、水晶振動片１は、緩和層１２を有することにより、水晶で形成された基部２および振動腕３と、圧電膜１４と、の密着性を間接的ながら良好に保持することが可能である。

また、下部電極１１および電極配線２３ａ，２３ｂ，２３ｃは、フォトリソグラフィーおよびエッチングにより形成され、緩和層１２の側の下層膜であるチタン（Ｔｉ）および圧電膜１４の側の上層膜であるプラチナ（Ｐｔ）の２層構成の金属膜である。これら２層構成の金属膜は、合計０．１μｍ程度の厚さに形成されている。このように、下部電極１１の下層膜としてチタン（Ｔｉ）を用いれば、水晶との密着性が良好であり、下部電極１１の上層膜としてプラチナ（Ｐｔ）を用いれば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の配向性を揃える効果を促しやすい効果がある。尚、プラチナ以外に窒化アルミニウムの配向性を促す可能性のある金属膜としては、Ａｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｗ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｚｒ、などがある。そして、上部電極１０および電極配線２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、フォトリソグラフィーおよびエッチングにより形成され、圧電膜１４の側の下層膜であるクロム（Ｃｒ）および上層膜である金（Ａｕ）の２層構成の金属膜である。これら２層構成の金属膜は、合計０．１μｍ程度の厚さに形成されている。

ここで、緩和層１２、下部電極１１および電極配線２３について、特に電極配線の詳細を説明する。図４は、緩和層、下部電極および電極配線の構成を示す斜視図である。図４に示すように、緩和層１２は、緩和層１２ａ，１２ｂ，１２ｃのように、振動腕３ａ，３ｂ，３ｃの薄部２ｂ側の全周をそれぞれ取り巻く領域と、薄部２ｂの表面側の領域と、に形成されている。下部電極１１は、下部電極１１ａ，１１ｂ，１１ｃのように、緩和層１２ａ，１２ｂ，１２ｃにそれぞれ形成されている。電極配線２３は、振動腕３ａの下部電極１１ａから基部２の方向へ延長して形成された電極配線２３ａと、振動腕３ｂの下部電極１１ｂから基部２の方向へ延長して形成された電極配線２３ｂと、既述した電極配線２３ｃと、から成る。電極配線２３ａは、下部電極１１ａから緩和層１２の主部２ａ側の辺へ向かって延長し、さらに主部２ａ側の辺に沿って延伸して、電極配線２３ｃと接続している。つまり、電極配線２３ａと電極配線２３ｃとは、Ｕ字の形状をなしている。そして、電極配線２３ｂは、薄部２ｂの緩和層１２に形成され、このＵ字の内側に位置し、下部電極１１ｂから基部２および振動腕３ａに向かって延在している。

また、これら緩和層１２、下部電極１１および電極配線２３を覆って、水晶振動片１には、圧電膜が形成されており、図５は、圧電膜の構成を示す斜視図である。図５に示すように、圧電膜１４は、緩和層１２の全領域を覆っていて、緩和層１２との間に、下部電極１１および電極配線２３を挟持している。また、圧電膜１４は、薄部２ｂの位置にある圧電膜１４を貫通して設けられている導通孔４および導通孔５を有している。導通孔４は、圧電膜１４を介して、電極配線２３ｂ（図４）と対向する位置にある。導通孔５は、圧電膜１４を介して、Ｕ字の形状をなす電極配線２３ａおよび電極配線２３ｃ（図４）と対向する位置にある。

図１に戻って、水晶振動片１は、その表面側に、振動腕３ａの圧電膜１４ａを介して、下部電極１１ａと対向する位置に形成された金属膜の上部電極１０ａと、振動腕３ｂの圧電膜１４ｂを介して、下部電極１１ｂと対向する位置に形成された金属膜の上部電極１０ｂと、同様に、振動腕３ｃの圧電膜１４ｃを介して、下部電極１１ｃと対向する位置に形成された金属膜の上部電極１０ｃと、を有している。また、水晶振動片１は、振動腕３ａの上部電極１０ａから延長し基部２の薄部２ｂおよび主部２ａの外縁に沿って形成された電極配線２２ａと、振動腕３ｃの上部電極１０ｃから延長し基部２の薄部２ｂおよび主部２ａの外縁に沿って形成された電極配線２２ｃと、電極配線２２ａと電極配線２２ｃとに接続して形成された電極端子２１と、を有している。電極配線２２ａおよび電極配線２２ｃは、緩和層１２と基部２とに渡ってそれぞれの表面側に連続して形成され、電極端子２１は、基部２の表面側に形成されている。これら電極配線２２ａ、電極端子２１および電極配線２２ｃは、Ｕ字の形状をなして延在している。さらに、水晶振動片１は、このＵ字の形状の内側にあり、基部２の表面側に形成された電極端子２０と、振動腕３ｂの上部電極１０ｂから延長して形成され電極端子２０へ接続された電極配線２２ｂと、を有している。

そして、電極配線２２ａは、導通孔４の方向へ延在し、導通孔４の内壁にも金属膜が形成されている。これにより、電極配線２２ａと、電極配線２３ｂと、が接続され、即ち、電極端子２１と、上部電極１０ａ，１０ｃおよび下部電極１１ｂと、が電気的に接続された状態になる。同様に、電極配線２２ｂは、導通孔５の方向へ延在し、導通孔５の内壁にも金属膜が形成されている。これにより、電極配線２２ｂと、電極配線２３ａおよび電極配線２３ｃと、が接続され、即ち、電極端子２０と、上部電極１０ｂおよび下部電極１１ａ，１１ｃと、が電気的に接続された状態になる。このような構成である水晶振動片１は、電極端子２０，２１へ電流が印加されると、振動腕３が水晶振動片１の表面側または裏面側へ交互に屈曲する構成である。

次に、水晶振動片１の屈曲について説明する。図３は、水晶振動片の屈曲原理を説明するための模式図である。図３に示すように、水晶振動片１は、振動腕３ａにおいて、電極端子２１と上部電極１０ａとが電極配線２２ａによって接続し、下部電極１１ａと電極端子２０とが電極配線２３ａおよび導通孔５によって接続している。また、振動腕３ｃにおいて、電極端子２１と上部電極１０ｃとが電極配線２２ｃによって接続し、下部電極１１ｃと電極端子２０とが電極配線２３ｃおよび導通孔５によって接続している。つまり、振動腕３ａおよび振動腕３ｃは、共に同方向の駆動電流が印加される。一方、振動腕３ｂにおいては、電極端子２１と下部電極１１ｂとが電極配線２３ｂおよび導通孔４によって接続し、上部電極１０ｂと電極端子２０とが電極配線２２ｂによって接続している。つまり、振動腕３ｂには、振動腕３ａおよび振動腕３ｃと異なる方向の駆動電流が印加されるようになっている。

例えば、振動腕３ａの圧電膜１４ａは、電極端子２０，２１へ駆動電流が印加されると、発生する電界による電界効果によって、この場合、圧縮する。この圧縮により、振動腕３ａは、表面側の方向へ屈曲する。同様に、振動腕３ｃも表面側の方向へ屈曲する。一方、振動腕３ｂの圧電膜１４ｂは、振動腕３ａ，３ｂとは反対方向の駆動電流が印加されるため、振動腕３ａ，３ｂとは反対方向の向きに発生する電界による電界効果によって伸張する。この伸張により、振動腕３ｂは、裏面側の方向へ屈曲する。即ち、隣り合って位置する振動腕３は、互いに逆の位相で屈曲し、いわゆる面外振動をする。そして、電極端子２０および電極端子２１へ印加する駆動電流の方向を変えると、振動腕３は、それぞれ逆方向へ屈曲する。つまり、印加する駆動電流の方向を交互に変えることにより、水晶振動片１は、振動腕３が屈曲を繰り返し、安定した振動をすることが可能である。

次に、屈曲振動片としての水晶振動片１を構成する各部の仕様について、製造方法と共に説明する。まず、水晶振動片１の基部２および振動腕３は、圧電単結晶材である水晶柱から切り出される。水晶柱は、六角柱であって、柱の長手方向に光軸であるＺ軸と、Ｚ軸に垂直な六角形面のＸ−Ｙ平面において、六角形の辺に平行な電気軸であるＸ軸と、Ｘ軸に垂直な機械軸であるＹ軸とを有している。このような水晶は、Ｘ軸（電気軸）方向に電圧を加えると、加えた電圧の方向に対応してＹ軸（機械軸）方向に伸びあるいは縮みの現象が生じ、逆に、Ｙ軸（機械軸）方向に引っ張りあるいは圧縮を与えると、Ｘ軸（電気軸）方向に電圧が生じる性質を有している。つまり、水晶は、電気的エネルギーと機械的エネルギーとの変換が可能である。水晶のこの性質を有効に利用するため、水晶振動片１の基部２および振動腕３は、水晶柱のＸ−Ｙ平面において、Ｘ軸回りに約１〜５度傾けたＸ−Ｙ’平面に沿って切り出された水晶ウエハー（不図示）から、さらにバッファード弗酸（ＢＨＦ）を用いた異方性エッチング等により所定の薄板状に切り出されたものであり、表裏の方向であるＺ’方向に厚さを有している。この場合、基部２における主部２ａの厚さが５０μｍ、そして、振動腕３の厚さが１０μｍに形成されている。このように切り出された振動腕３は、厚さ方向に安定して振動する特性を有している。

次に、基部２および振動腕３を形成する水晶へ、緩和層１２と下部電極１１および電極配線２３とを形成する。最初に、基部２および振動腕３の全面へ、スパッタリングにより、緩和層１２としての酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）を成膜し、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）に重ねて、下部電極１１となるチタン（Ｔｉ）およびプラチナ（Ｐｔ）の２層からなる金属膜をスパッタリングにて成膜する。このプラチナ（Ｐｔ）の全面にレジスト剤を塗布し、レジスト剤の塗布後、フォトリソグラフィーを用いて、下部電極１１および電極配線２３となるべき部分にのみレジスト剤を残す。そして、エッチング処理（この場合王水処理）により、レジスト剤が残っている部分以外のチタン（Ｔｉ）およびプラチナ（Ｐｔ）の成膜を除去する。最後に、残っているレジスト剤を除去すれば、下部電極１１および電極配線２３の形状が形成される。なお、緩和層１２となる酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）は、まだ水晶の全面を覆った状態である。

次に、緩和層１２と下部電極１１と電極配線２３との全面を覆って、圧電膜１４としての窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を反応性スパッタリングにより成膜する。この時、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）は、その柱状結晶がプラチナ（Ｐｔ）の膜面に対してほぼ垂直な方向へ成長し、配向性の揃った圧電膜となる。即ち、プラチナ（Ｐｔ）は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の配向性を揃える効果を促しやすい特性を有している。そして、下部電極１１等の形状を形成した場合と同様に、圧電膜１４および緩和層１２の形状を形成するために、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）へレジスト剤をパターニングする。パターニングは、図４および図５に示すように、圧電膜１４と緩和層１２とが、振動腕３における基部２の側の周囲および薄部２ｂの上面側に残るようになされ、レジスト剤の無い部分の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）および酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）が除去される。窒化アルミニウム（ＡｌＮ）および酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）の除去は、強アルカリ水溶液若しくは燐酸を用いて行い、この場合、燐酸を用いた。なお、圧電膜１４には、導通孔４，５も同時に形成される。このようにして、圧電膜１４および緩和層１２が形成される。

最後に、上部電極１０、電極端子２０，２１および電極配線２２となる金属膜を、下部電極１１および電極配線２３と同様な方法で、圧電膜１４へ形成する。上部電極１０、電極端子２０，２１および電極配線２２は、圧電膜１４の側の下層膜であるクロム（Ｃｒ）および上層膜である金（Ａｕ）の２層からなる金属膜である。このようにして、水晶振動片１が完成する。

以下、実施形態における水晶振動片１の主効果を記載する。

（１）水晶振動片１は、基部２および振動腕３を形成している水晶と、圧電膜１４と、の間に、緩和層１２が直接形成されている。この緩和層１２は、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）であって、水晶を構成している酸素元素および圧電膜１４の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を構成しているアルミニウム元素を含んでおり、水晶と酸素拡散により強固に結合し、圧電膜１４とアルミニウム拡散により強固に結合することができる組成となっている。これにより、振動腕３と圧電膜１４との密着性が間接的に高められ、振動腕３は、圧電膜１４の圧電効果によって、確実に屈曲振動が行える。

（２）緩和層１２は、その線膨張係数が、水晶および圧電膜１４に比べて、水晶より小さく、圧電膜１４より大きな中間値である。これにより、緩和層１２および圧電膜１４の形成時に、熱が作用しても、線膨張係数の違いによる境界面での残留応力や歪による位置ズレ等が緩和され、圧電膜１４は、緩和層１２を介して、水晶との密着性が良好に保持される。

（３）水晶振動片１は、振動腕３の全周に緩和層１２および圧電膜１４が形成されている。そのため、仮に、表面側の圧電膜１４に残留応力等があっても、裏面側の圧電膜１４によって打ち消され、振動腕３の屈曲へ影響を与えない構成である。

また、屈曲振動片は上記の実施形態に限定されるものではなく、次に挙げる変形例のような形態であっても、実施形態と同様な効果が得られる。

（変形例１）水晶振動片１の緩和層１２は、スパッタリングで形成した酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）であるが、これに限定されるものではなく、例えば、酸化物誘電体であって、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）の線膨張係数７．１ｐｐｍ／℃に近似の線膨張係数を有する酸化チタニウム（ＴｉＯ₂、線膨張係数９ｐｐｍ／℃）、二酸化珪素（ＳｉＯ₂、線膨張係数６ｐｐｍ／℃）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂、線膨張係数９．２ｐｐｍ／℃）等であっても良い。

（変形例２）緩和層１２は、振動腕３と、圧電膜１４および下部電極１１および電極配線２２と、の間に形成されているが、下部電極１１および電極配線２２と、振動腕３と、の間には、形成されていない構成であっても良い。または、緩和層１２が基部２および振動腕３の全面に形成されている構成であっても良い。このような形態の水晶振動片も、水晶振動片１と同様な効果を奏する。

（変形例３）水晶振動片１は、３本の振動腕３ａ，３ｂ，３ｃを備えて、いわゆる面外振動をするが、これに限定されるものではなく、３本以外の振動腕３を備える形態の振動片であっても良く、さらに、面外振動ではなく、振動腕がその振動方向に沿って配置される面内振動をする形態のものであっても良い。

（変形例４）水晶振動片１の下部電極１１は、チタン（Ｔｉ）およびプラチナ（Ｐｔ）の２層構造の金属膜であるが、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の配向性を促すものであれば、これに限定されることなく、モリブデン（Ｍｏ）やチタン（Ｔｉ）等の単層構造の金属膜等であっても良い。

（変形例５）水晶振動片１の圧電膜１４は、反応性スパッタリングにより形成された窒化アルミニウム（ＡｌＮ）であるが、これに限定されるものではなく、例えば、圧電性を有する酸化亜鉛（ＺｎＯ）等であっても良い。

（変形例６）屈曲振動片は、水晶振動片１のような水晶を用いたものに限定されることなく、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）、チタン酸ジルコン鉛（ＰＺＴ）等の他の圧電性材料であっても良い。更に、屈曲振動片は圧電性材料に限定されるものではなく、シリコンやゲルマニウムなどの非圧電材料であっても良い。本発明による屈曲振動片は、圧電薄膜に電界を加えることにより屈曲振動片を振動させるものであり、屈曲振動片に圧電性能は必要ないからである。このように振動腕３がシリコンの場合、緩和層１２として二酸化珪素（ＳｉＯ₂）を用い、圧電膜１４として酸化亜鉛（ＺｎＯ）を用いることが好ましい。

（変形例７）水晶振動片１は、表面側にのみ上部電極１０および下部電極１１を有している構成であるが、この電極構成に限定されるものではなく、裏面側にも上部電極および下部電極を有している構成であっても良い。図６（ａ）は、水晶振動片の変形例を示す断面図であり、図６（ｂ）は、水晶振動片の変形例における屈曲原理を示す模式図である。図６（ａ）に示す水晶振動片１００は、振動腕３のうちの１本を示していて、水晶振動片１と同一の構成部分については、同一符号を付してある。水晶振動片１００は、水晶振動片１の構成に加え、裏面側の緩和層１２と圧電膜１４との間に、下部電極１５を有している。下部電極１５は、振動腕３を介して表面側の下部電極１１と対向する位置に配置されている。そして、下部電極１５との間に圧電膜１４を挟持して上部電極１６が配置されている。また、図６（ｂ）に示すように、振動腕３ａの下部電極１１ａと下部電極１５ａとは、電気的に接続されていて、同様に、振動腕３ｂの下部電極１１ｂと下部電極１５ｂ、および振動腕３ｃの下部電極１１ｃと下部電極１５ｃとは、それぞれ接続されている。

ここで、振動腕３（３ａ，３ｂ，３ｃ）の表面側に形成されている圧電膜１４(１４ａ,１４ｂ,１４ｃ）は、例えば、無負荷状態に於いて圧電膜中の自発分極が図中の上向きであるような分極方向Ｐ１を有している。一方、振動腕３の裏面側に形成されている圧電膜１４は、無負荷状態での圧電膜中の自発分極が図中の下向きである分極方向Ｐ２であって、分極方向Ｐ１と反対の分極方向を有している。即ち、振動腕３の表面側と裏面側との圧電膜１４は、それぞれ互いに反対の分極方向を有している。

そして、水晶振動片１００には、電極端子２０または電極端子２１から駆動電圧が印加される。例えば、電極端子２１から電極端子２０へ駆動電流が印加されると、駆動電流は、振動腕３ａにおいて、表面側の上部電極１０ａから表面側の圧電膜１４ａ、下部電極１１ａ、裏面側の下部電極１５ａ、圧電膜１４ａ、上部電極１６ａを直列接続した状態で、電極端子２０へ順に至る。同様に、駆動電流は、振動腕３ｃにおいて、電極端子２１から表面側の上部電極１０ｃ、圧電膜１４ｃ、下部電極１１ｃ、裏面側の下部電極１５ｃ、圧電膜１４ｃ、上部電極１６ｃを直列接続した状態で、電極端子２０へ至る。一方、振動腕３ｂにおいては、駆動電流が電極端子２１から裏面側の上部電極１６ｂへまず印加され、圧電膜１４ｂ、下部電極１５ｂ、表面側の下部電極１１ｂ、圧電膜１４ｂ、上部電極１０ｂを直列接続した状態で、電極端子２０へ至る。

従って、振動腕３ａにおいては、表面側の圧電膜１４ａと裏面側の圧電膜１４ａとに、表面側から裏面側の方向へ、同方向の駆動電流が印加されるため、両方の圧電膜１４ａには、共に、表面側から裏面側の方向へ向いた電界が生じる。これにより、分極方向Ｐ１と電界とが反対の方向である表面側の圧電膜１４ａは、電界による電界効果によって伸張し、分極方向Ｐ２と電界とが同一の方向である裏面側の圧電膜１４ａは、電界による電界効果によって圧縮する。この伸張および圧縮により、振動腕３ａは、裏面側の方向へ屈曲する。同様に、振動腕３ｃも裏面側の方向へ屈曲する。一方、振動腕３ｂにおいては、表面側の圧電膜１４ｂと裏面側の圧電膜１４ｂとに、裏面側から表面側の方向へ、同方向の駆動電流が印加されるため、両方の圧電膜１４ｂには、共に、裏面側から表面側の方向へ向いた電界が生じる。これにより、分極方向Ｐ１と電界とが同一の方向である表面側の圧電膜１４ｂは、電界による電界効果によって圧縮し、分極方向Ｐ２と電界とが反対の方向である裏面側の圧電膜１４ｂは、電界による電界効果によって伸張する。この圧縮および伸張により、振動腕３ｂは、表面側の方向へ屈曲する。即ち、隣り合って位置する振動腕３は、互いに逆の位相で屈曲し、いわゆる面外振動をする。電極端子２０および電極端子２１へ印加する駆動電流の方向を変えると、振動腕３は、それぞれ逆方向へ屈曲する。つまり、印加する駆動電流の方向を交互に変えることにより、水晶振動片１００は、振動腕３が屈曲を繰り返して振動する。このように、裏面側にも上部電極１６と下部電極１５とを有する水晶振動片１００は、より安定した振動をすることができる。

（変形例８）水晶振動片１は、表面側および裏面側の両側に、緩和層１２と圧電膜１４とを有する構成であるが、この電極構成に限定されず、上部電極１０および下部電極１１が形成されている表面側にのみ、緩和層１２と圧電膜１４とを形成した構成であっても良い。この構成であっても、水晶振動片は、ほぼ同様な面外振動をすることができる。

屈曲振動片としての水晶振動片１は、緩和層１２を設けることにより、振動腕３と圧電膜１４とが、緩和層１２を介して、良好な密着性を有することになるため、安定した正確な振動をすることができる。この特徴により、水晶振動片１は、タイミングデバイス等として、デジタル携帯電話、パーソナルコンピューター、電子時計、ビデオレコーダー、テレビなどの電子機器に広く用いられる。そして、この水晶振動片１をパッケージ化した水晶振動子や、水晶振動片１と水晶振動片１を駆動させるための半導体素子とを備えた屈曲振動デバイス等も安定した正確な振動が可能であり、搭載される電子機器の品質向上に貢献することができる。

１…屈曲振動片としての水晶振動片、２…基部、３…振動腕、４，５…導通孔、１０…上部電極、１１…下部電極、１２…酸化物誘電体としての緩和層、１４…圧電膜、１５…下部電極、１６…上部電極、２０…電極端子、２１…電極端子、２２…電極配線、２３…電極配線、１００…水晶振動片。

Claims (6)

1. 基部と、該基部から突出して形成された振動腕と、を有する屈曲基板と、前記振動腕に形成された下部電極と、該下部電極に重ねて形成された圧電膜と、該圧電膜に重ねて形成された上部電極と、を備えている屈曲振動片であって、
   少なくとも前記屈曲基板と前記圧電膜との間に緩和層をさらに備え、該緩和層は、前記屈曲基板または前記圧電膜のいずれかを構成する元素を一種以上含み、
   前記緩和層の線膨張係数は、前記屈曲基板の線膨張係数と前記圧電膜の線膨張係数との中間値であることを特徴とする屈曲振動片。
2. 請求項１に記載の屈曲振動片において、
   前記緩和層は、前記屈曲基板を構成する元素と前記圧電膜を構成する元素とをそれぞれ一種以上含むことを特徴とする屈曲振動片。
3. 請求項１または２に記載の屈曲振動片において、
   前記屈曲基板は、水晶であることを特徴とする屈曲振動片。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の屈曲振動片において、
   前記圧電膜は、窒化アルミニウムまたは酸化亜鉛であることを特徴とする屈曲振動片。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の屈曲振動片において、
   前記緩和層は、酸素原子を含む酸化物誘電体であることを特徴とする屈曲振動片。
6. 請求項５に記載の屈曲振動片において、
   前記緩和層は、酸化チタニウム、二酸化珪素、酸化アルミニウムのいずれかであることを特徴とする屈曲振動片。

Images