专利名称：轮廓振子和轮廓振子的调节方法
技术领域：
本发明涉及包括形成在激励电极的表面上并仅调节温度特性的温度 特性调节膜的轮廓振子以及该轮廓振子的调节方法。
背景技术：
用于例如便携设备、信息通信设备和测量设备等的电子设备的几
MHz频带中的基准信号源包括AT切石英晶体振子；DT切石英晶体振 子(轮廓剪切模式石英晶体振子)；以及例如拉梅(Lame)模式石英晶体 振子和准拉梅模式石英晶体振子等的轮廓振子。
传统上，作为轮廓振子的频率调节，已经采用了利用原子粒子和/或 分子粒子、或离子粒子来对振动部的金属膜进行溅射，由此来调节谐振 频率的方法，以及通过将金属膜贴附到振动部上来调节谐振频率的方法 (例如，参考专利文献l)。
另外，非专利文献1揭示了在用IRE (无线电工程师协会的縮写， 即现在的正EE)标准的YXltcp/e表示的拉梅模式石英晶体振子中，通过 该文献中的式(9)所示的频率方程式推导出单个石英基板的谐振频率(轮 廓振动频率)f。此外，通过该频率方程式，还能够推导出单个激励电极 的谐振频率。这也在非专利文献2中揭示。
专利文献1:日本特开第2005-94733号(第23页，图5)
非专禾ll文献1: "Lame-mode quartz-crystal resonator formed by an etching method", Hirofbmi Kawashima及Masaru Matsuyama， the2她EM symposium, 11-16页，式(2)，条件句以及式(9)
非专禾(J文献 2 : "Development of a small-sized Lame-mode quartz-crystal resonator", Katsuya Mizumoto， Masashi Akino, Tsuyoshi Nishizuka， Hideki Ashizawa, Masahide Marumo，及Masato Amemiya， the35th EM symposium, 31-34页
在根据上述专利文献1的轮廓振子的谐振频率的调节方法中，溅射 或贴附振动部的金属膜以改变金属膜的厚度或面积，从而调节谐振频率。 但是，因为通过改变金属膜的厚度或面积，温度特性也随着谐振频率改 变，所以该方法具有不能获得期望的温度特性的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有期望的谐振频率和期望的温度特性 的轮廓振子和该轮廓振子的调节方法。
本发明的轮廓振子的特征在于包括振动体，其由石英晶体制成的 在平面图中为正方形的平板形成；激励电极，其形成在所述振动体的正 面和背面上并调节谐振频率；以及温度特性调节膜，其形成在所述激励 电极的至少一个表面上并调节温度特性。
根据本发明，通过增大或减小所述激励电极的厚度或面积来调节所 述谐振频率，且在所述激励电极的表面上形成所述温度特性调节膜，使 得能够调节所述轮廓振子的温度特性而不影响所述谐振频率。
此外，当所述振动体的谐振频率是期望的频率时，优选的是所述温 度特性调节膜的谐振频率Fr约等于所述振动体的谐振频率Fb。
这使得能够以适当尺寸设置所述温度特性调节膜而不改变所述谐振 频率。并且如果这样设置所述尺寸，则即使在改变所述温度特性调节膜 的厚度时，也能够仅调节所述温度特性而不改变所述谐振频率。
此外，在所述振动体的谐振频率是期望频率时，优选的是所述温度 特性调节膜的谐振频率Fr约等于所述振动体的谐振频率Fb和所述激励 电极的谐振频率Fe。
所述振动体的谐振频率Fb约等于所述激励电极的谐振频率Fe使得 能够将所述激励电极的尺寸设置成能够最小化由于增加所述激励电极而 引起的谐振频率的变化。此外，可以与所述激励电极所用的材料相对应 地进行调整。此外，使Fr约等于Fb，且Fb约等于Fe使得能够在抑制所 述谐振频率随着增加到所述振动体上的激励电极和温度特性调节膜的厚度变化而变化的同时进行温度特性的调节。
此外，优选的是所述温度特性调节膜的谐振频率Fr约等于所述轮廓 振子的期望谐振频率FO。
在新导体的谐振频率Fb与所述期望谐振频率不同的情况下，这使得
能够把所述温度特性调节膜设置为如下的适当尺寸在获得所述期望谐
振频率的频率调节工序后，不会使所述轮廓振子的谐振频率波动。并且 如果这样设置所述尺寸，则即使在改变所述温度特性调节膜的膜厚时， 也能够仅调节所述温度特性而改变所述谐振频率。
此外，理想的是在所述温度特性调节膜和所述振动体之间形成中间 层。如上所述，如果满足本发明的上述条件，则即使在形成所述中间层 时，也能够调节所述温度特性而不影响所述振动体的谐振频率。这表明 所述温度特性调节膜可以是具有中间层的层叠体。
此外，用于调节根据本发明的轮廓振子的方法的特征在于包括形 成由石英晶体制成的在平面图中为正方形的平板形成的振动体的工序； 在所述振动体的正面和背面形成激励电极的工序；通过改变所述激励电 极的厚度和面积中的至少其中之一来调节谐振频率的工序；以及通过在 所述激励电极的至少一个表面上形成温度特性调节膜来调节温度特性的 工序。优选的是，所述温度特性调节膜的谐振频率Fr可以约等于所述振 动体的谐振频率Fb，更加优选的是，Fr可以约等于Fb，并且Fb可以约 等于所述激励电极的谐振频率Fe。此外，理想的是在所述温度特性调节 膜和所述振动体之间形成中间层。
根据本发明，通过增大或减小激励电极的厚度或面积来调节谐振频 率，并且能够通过形成温度特性调节膜来仅调节温度特性，所以能够容 易地生产具有期望谐振频率和温度特性的轮廓振子。
图1示意性示出了根据本发明的发明模式1的轮廓振子，(a)是平 面图而(b)是侧面图。
图2是示意性示出了根据本发明的发明模式1的轮廓振子的驱动的说明图。
图3是示出了如果根据本发明的发明模式1的激励电极的材料是Al、 Au和Ag，当改变各电极材料的电极膜厚时的频率变化的图。
图4是示出了当根据本发明的发明模式1的电极膜厚的变化量是0.1 微米、0.2微米和0.3微米时随着温度变化的频率变化的图。
图5是示出了如果根据本发明的发明模式1的激励电极的材料是Al、 Au和Ag，各电极材料的电极膜厚与一阶温度系数cx之间的关系的图。
图6是示出了根据本发明的发明模式1的轮廓振子调节方法的主要 工序的工序图。
图7是示出了根据本发明的发明模式1的各工序中的温度特性的图。 图8是示意性示出了根据本发明的发明模式1的变型例的轮廓振子 的立体图。
图9是示意性示出了根据非专利文献1的拉梅模式石英晶体振子的 立体图。
标号说明
10-轮廓振子；20:振动体；30、 31:激励电极；41、 42:温度特 性调节膜。
具体实施例方式
现在来参考附图描述本发明的模式。
图1 图7示出了根据发明模式1的轮廓振子，图8示出发明模式1 的变型例，而图9示出有关非专利文献1的拉梅模式石英晶体振子。 发明模式1
图1是示意性示出根据本发明的发明模式1的轮廓振子，(a)是平 面图而(b)是侧面图。在图1 (a)和1 (b)中，轮廓振子IO是包括以 下部分的拉梅模式石英晶体振子位于正方形的振动体20的正面和背面 上的激励电极30和31;以及位于激励电极30和31的表面上的温度特性 调节膜41和42。通过例示在具有以IRE标准的YXlt cp/e表示的切角的 正方形平板中切出的LQ2T切石英晶体来说明振动体20。此外，例示了各元件是正方形的情况，其中，振动体20的边长是Lb，激励电极30和 31的边长是Le，而温度特性调节膜41和42的边长是Lr。
对于激励电极30和31，可以使用例如A1、 Au、 Ag、 Cu、 Pd和Ni 的金属材料。但是Pd和Ni的电阻率是Al、 Au、 Ag和Cu的大约四倍， 所以激励电极30和31的薄膜电阻增大，从而电阻损耗增大。因此实际 上最好不在单层中使用Pd和Ni。因此，在本发明的该方式中，将具有低 电阻率的A1、 Au和Ag作为示例来描述。
此外，虽然不限制温度特性调节膜41和42的材料，但是例如A1、 Au、 Ag、 Cu、 Pd和Ni的金属材料是优选的，并且非金属材$4也可以。 此外，材料可以与激励电极的材料相同或不同。
接着，来描述轮廓振子10的驱动。
图2是示意性示出了轮廓振子的驱动的说明图。如果将激励信号施 加到轮廓振子10的激励电极30和31，则激励拉梅模式振动。拉梅模式 振动在振动体20的四角20a 20d具有振动节点，并反复进行双点划线 和虚线中所示的面积振动。因此，虽然省略了图示，但是在四角20a 20d 的一些节点上设置支持梁。然后，该轮廓振子10的谐振频率受激励电极 30和31的面积和膜厚影响。
此外，由上述的非专利文献1提供了用于求解拉梅模式石英晶体振 子的谐振频率f的频率方程式(非专利文献l，第12页，式(9))。
图9是示意性示出了有关非专利文献1的拉梅模式石英晶体振子的 立体图。
这里，p代表石英晶体的密度，而C'n和C、3代表弹性常数(通过转 换根据非专利文献i (第11页，式(2)的条件句)的弹性刚度常数Cpq 而获得的常数)，且111=11=1。 2xo是石英基板(在本发明的该模式中对应
式1于振动体20)的横边长度，2zo是纵边长度。此外，还可通过同一频率方 程式来求解激励电极的单个谐振频率。此外，在该模式中，用Lb-2x『2zo 来表示振动体20的边长，并用Le= 2xe=2ze来表示激励电极30和31的 边长(参照图9)。
此外，式1示出了即使在振动体20以及激励电极30和31为长方形 (例如，即使横边长度是纵边长度的整数倍大)时也满足。
首先，利用该频率方程式，来描述激励电极30和31的厚度与谐振 频率的变化、及温度特性的变化之间的关系。
在拉梅模式石英晶体振子(LQ2T切石英晶体)中，在振动体20的 边长Lb是600微米时，根据式1获得大约4MHz的谐振频率。但是，如 果由制造误差造成的尺寸精度误差为±2%，则谐振频率f将相对于期望谐 振频率偏移大约±2%。通过使用FEM (有限元法(Finite Element Method)) 来试验性地评估通过改变激励电极30和31的厚度来调节谐振频率中的 该±2%的偏移量(频率变化量)的情况。
作为评估条件，形成按照LQ2T切而切出的石英晶体(在IRE标准 的YXltcp/e中，切角cp为-50。，且切角0为45。)，其包括振动体20和 激励电极30和31，振动体20是边长Lb为600微米的正方形，且厚度 Tb为50微米，激励电极30和31是边长Le为500微米的正方形，且形 成在振动体20的正面和背面的各自中心上。图3 图5示出了评估结果。 还参照图l进行说明。
图3示出了在改变分别是Al、An和Ag的各电极材料的电极膜厚Te 时的频率变化(单位％)。在图3中，在电极材料是A1时，频率变化相 对于电极厚Te较小。但是，在电极材料是Au或Ag时，频率变化朝向 负侧变化。
此外，图3示出了在电极材料是Au时，需要对正面和背面上的激励 电极的电极膜厚Te进行大约0.25微米的调节以校正2%的频率变化。如 果仅对一侧的激励电极进行修正，则需要调节大约0.5微米。在Ag的情 况下，电极膜厚Te的调节量需要更大。
接着，将说明电极膜厚Te的变化量和改变温度时的频率变化(单位ppm)。
图4示出了在电极膜厚Te的变化量是0.1微米、0.2微米和0.3微米 时的随着温度变化的频率变化。注意图4例示了采用Au作为电极材料的 情况。在图4中，与温度变化相应的频率变化，即示出温度特性的二次 曲线对应于电极膜厚Te的变化量而移动。当校正上述示例中的2°/。的频 率变化的电极膜厚调节量为0.25微米时，发现峰值温度偏移3CTC。
通过将由此得到的结果代入电极膜厚Te与一阶温度系数a之间的关 系来对该结果进行说明。
图5示出了在电极材料是Al、 Au和Ag时的各电极材料的电极膜厚 Te与一阶温度系数a之间的关系。图5示出了一阶温度系数a随着每个 电极材料的电极膜厚Te的增加而在负向上变化。
也就是说，图4和图5示出了通过改变电极膜厚Te将谐振频率调节 到期望谐振频率，从而导致用峰值温度和一阶温度系数a表示的温度特 性变化。因此，通过形成温度特性调节膜41和42来将由于增加激励电 极而波动的温度特性校正到温度特性的期望范围内，而不影响谐振频率。
接着，将说明本发明的轮廓振子10的调节方法，具体而言是谐振频 率和温度特性的调节方法。
图6是示出了轮廓振子的调节方法的主要工序的工序图。此外，图 7示出了在各工序中的温度特性(表示与温度变化对应的频率变化)。将 参照图6、 7和1对其进行说明，在图6中，首先，由以IRE标准的YXlt cp/e表示的石英基板(石英晶片)，用光刻技术等形成振动体20(工序S01)。 虽然省略了图示，但是通过将多个振动体20排列在石英晶片上而形成的 振动体20包括支持梁和延伸到支持梁的基部，并通过从基部延伸出的支 持部与石英晶片连接。
在本发明的该模式中例示的振动体20是切角(p为-51.05。、而e为 45° ，并且振动体的边长Lb是600微米的正方形。考虑到由于后面的频 率调节工序S03和温度特性调节膜形成工序S04而引起的一阶温度系数a 的减小，切角cp预先设置成大于期望的一阶温度系数(xO。注意在本发明 的该模式中，将期望的一阶温度系数aO设置成O，峰值温度为25'C，且谐振频率FO被设置成3.75872MHz。
接着，在工序S02中形成激励电极30和31。以Au作为电极材料， 通过汽相沉积、溅射等在振动体20的正面和背面的整面上形成激励电极 30和31，使电极膜厚Te为0.1微米。此后，假定在此时获得的谐振频率 F为3.85614MHz、且一阶温度系数a为9.49*10'7/"来继续说明(参照图 7)。
也就是说，在形成振动体20的激励电极30和31时的谐振频率F比 期望的谐振频率FO高0.09742MHz (相当于+2.5%)。需要针对该谐振频 率的增加量进行频率调节。
接着，在工序S03中执行频率调节以获得期望谐振频率。对于频率 调节，可以使用增大或减小电极膜厚Te的方法，或者增大或减小电极面 积的方法。在本发明的该模式中，由于谐振频率比振动体的谐振频率Fb 高0.09742MHz，所以通过汽相沉积等使电极膜厚Te增加0.2微米而成为 0.3微米，调节谐振频率以便使期望谐振频率FO为3.75872MHz。
此时，增加电极膜厚Te以调节频率，由此将一阶温度系数a改变到 3.18*10力匸并将峰值温度改变到35°C (参照图7)。
接着，形成温度特性调节膜41和42以调节温度特性(工序S04)。 在本发明的该模式中，各温度特性调节膜41和42由A1形成，并设置成 具有使得温度特性调节膜的谐振频率Fr约等于期望谐振频率FO的尺寸。 如果振动体的谐振频率是期望频率，则把尺寸设置成约等于振动体的谐 振频率Fb。由此，在完成工序S04后，关系应当是FO约等于Fr (在振 动体的谐振频率是期望频率的情况下，Fb约等于Fr)。即使增加了温度 特性调节膜41和42，谐振频率也不改变，仅温度特性改变。更具体而言， FO约等于Fr是0.995乘以FO小于或等于Fr，且1.005乘以FO大于或等 于Fr，而Fb约等于Fr是0.995乘以Fb小于或等于Fr，且1.005乘以Fb 大于或等于Fr。如果满足这些，则能够显著减小由于增加温度特性调节 膜而导致的谐振频率变化。
由此，如图7所示，完成工序S04后的轮廓振子10在增加了激励电 极30和31以及温度特性调节膜41和42的条件下，其谐振频率F为3.75872MHz， 一阶温度系数a为0并且峰值温度为25°C ，即期望温度特 性的温度。
注意除了Au之外，还可以使用例如A1、 Ag和Cu等金属材料作为 激励电极30和31的材料。此外，除了 Al或例如Al、 Ag和Cu等的金 属材料外，还可以将非金属材料用于温度特性调节膜41和42。并且可以 使用与激励电极30和31的材料相同的材料或不同的材料。
在温度特性调节(工序S04)后，对谐振频率F和温度特性进行检 查(工序S05)，接着通过切割来进行分割(工序S06)以完成单个的轮 廓振子10。
同时，在温度特性调节后，考虑到由于制造公差而在谐振频率中生 成微小偏离。在这种情况下，可以只调节激励电极30和31的露出部分 的厚度，或者可以通过增加消除外围部分(面积调节)等的工序来执行 谐振频率的最终调节。
因此，根据上述发明模式1，通过调节激励电极30和31的厚度或 面积来调节谐振频率，并且在激励电极30和31的表面上形成温度特性 调节膜41和42，使得能够调节轮廓振子10的温度特性而不影响谐振频 率。
此外，在振动体的谐振频率是期望频率的情况下，通过设置温度特 性调节膜41和42的谐振频率Fr和振动体20的谐振频率Fb，使Fr约等 于Fb，能够设置与温度特性调节膜41和42的材料对应且不使谐振频率 波动的温度特性调节膜41和42的适当尺寸。此外，使Fr约等于Fb使 得即使在改变温度特性调节膜41和42的厚度时，也能够调节温度特性 而不影响谐振频率。
此外，在振动体的谐振频率是期望频率的情况下，通过设置温度特 性调节膜41和42的谐振频率Fr、振动体20的谐振频率Fb、激励电极 30和31的谐振频率Fe,使Fr约等于Fb，且Fb约等于Fe，能够设置使 得由于增加激励电极30和31而引起的谐振频率的变化最小化的激励电 极的尺寸。此外，可以与激励电极30和31所用的材料相应地进行调整。 此外，使Fr约等于Fb，且Fb约等于Fe使得能够在抑制谐振频率随着添加到振动体上的激励电极和温度特性调节膜的各自厚度的变化而变化的
同时进行温度特性的调节。更具体而言，Fr约等于Fb，且Fb约等于Fe 是0.995乘以Fb小于或等于Fr，且1.005乘以Fb大于或等于Fr，而0.995 乘以Fe小于或等于Fr，且1.005乘以Fe大于或等于Fr。如果满足这些， 则能够显著减小由于增加温度特性调节膜而引起的谐振频率的变化。
此外，通过设置温度特性调节膜41和42的谐振频率Fr和期望谐振 频率FO，使Fr约等于FO，能够设置与温度特性调节膜41和42的材料 相应且不使谐振频率波动的温度特性调节膜41和42的适当尺寸。此外， 使Fr约等于FO使得即使在改变温度特性调节膜41和42的厚度时，也 能够调节温度特性而不影响谐振频率。
此外，在根据发明模式1的调节方法中，通过调节激励电极30和 31的厚度和面积来调节谐振频率，在消除由温度特性调节膜41和42引 起的谐振频率变化的影响的同时将温度特性调节到理想的温度特性，所 以能够容易地生产具有高精度的轮廓振子10。
发明模式1的变型例
接着，将描述发明模式1的变型例。该变型例的特征在于在温度特 性调节膜和激励电极之间形成有中间层。
图8是示意性示出了根据发明模式1的变型例的轮廓振子的立体图。 在图8中，激励电极30和31形成在振动体20的正面和背面上，中间层 50和51形成在激励电极30和31的相应表面上，且温度特性调节膜41 和42形成在中间层50和51的相应表面上。
中间层50和51形成为温度特性调节膜41和42或激励电极30和 31的层叠体。此外，也可以是中间层形成在振动体20与激励电极30和 31之间的结构，并且激励电极30和31也可以是层叠体(未示出)。
如上所述，即使在形成中间层50和51时，如果满足发明模式1中 的条件，则可以通过形成温度特性调节膜41和42来调节温度特性而不 改变谐振频率。
权利要求
1.一种轮廓振子，其包括振动体，其由石英晶体制成的在平面图中为正方形的平板形成；激励电极，其形成在所述振动体的正面和背面上并调节谐振频率；以及温度特性调节膜，其形成在所述激励电极的至少一个表面上并调节温度特性。
2. 根据权利要求1所述的轮廓振子，其中，所述温度特性调节膜的 谐振频率Fr约等于所述振动体的谐振频率Fb。
3. 根据权利要求2所述的轮廓振子，其中，所述温度特性调节膜的 谐振频率Fr约等于所述振动体的谐振频率Fb，并且所述振动体的谐振频 率Fb约等于所述激励电极的谐振频率Fe。
4. 根据权利要求1所述的轮廓振子，其中，所述温度特性调节膜的 谐振频率Fr约等于所述轮廓振子的期望谐振频率F0。
5. 根据权利要求1 4中任何一项所述的轮廓振子，其中，在所述 温度特性调节膜和所述振动体之间形成有中间层。
6. —种轮廓振子调节方法，该方法包括形成由石英晶体制成的在平面图中为正方形的平板形成的振动体的 工序；在所述振动体的正面和背面形成激励电极的工序；通过改变所述激励电极的厚度和面积中的至少其中之一来调节谐振 频率的工序；以及通过在所述激励电极的至少一个表面上形成温度特性调节膜来调节 温度特性的工序。
7. 根据权利要求6所述的轮廓振子调节方法，其中，所述温度特性 调节膜的谐振频率Fr约等于所述振动体的谐振频率Fb。
8. 根据权利要求7所述的轮廓振子调节方法，其中，所述温度特性 调节膜的谐振频率Fr约等于所述振动体的谐振频率Fb，并且所述振动体的谐振频率Fb约等于所述激励电极的谐振频率Fe。
9.根据权利要求6 8中任何一项所述的轮廓振子调节方法，其中， 在所述温度特性调节膜和所述振动体之间形成中间层。
全文摘要
本发明提供了一种具有期望谐振频率和期望温度特性的轮廓振子、以及该轮廓振子的调节方法。轮廓振子(10)具有由正方形平板形成的振动体(20)、形成在振动体(20)的正面和背面上并调节谐振频率的激励电极(30)和(31)、以及形成在激励电极(30)和(31)的表面上并调节温度特性的温度特性调节膜(41)和(42)。
文档编号H03H3/04GK101622785SQ20088000619
公开日2010年1月6日 申请日期2008年2月18日 优先权日2007年2月26日
发明者山田明法 申请人:爱普生拓优科梦株式会社