谐振器的制作方法

本发明涉及谐振器。

背景技术：

所谓在宽度扩展振动模式下进行振动的压电谐振器具备例如呈矩形形状扩展的支承框以及配置于该支承框内的例如矩形形状的振动部。振动部具备在第一方向上并列配置的例如四个振动区域，通过以相反相位对彼此相邻的振动区域施加电场，产生在第一方向上反复伸缩的伸缩振动。

振动部通过沿与第一方向正交的第二方向延伸的例如两对支承部与支承框连接。各对支承部与比例如配置于第一方向的两端的振动区域靠内侧的彼此相邻的内侧的振动区域的每一个连接。各支承部在规定为节点即位移最小点的第一方向上的各振动区域的中心线上的端部与内侧的各振动区域连接。

专利文献1：美国专利第7639105号说明书

专利文献2：日本特开2008-228195号公报

已知由于彼此相邻的内侧的各振动区域在第一方向的两侧与振动区域相邻，所以在该内侧的各振动区域中，因受到两侧的振动区域的位移的影响而导致第一方向上的中心线上的端部不是节点。因此，即使支承部与内侧的振动区域的中心线上的端部连接，也得不到充分的谐振器特性。

技术实现要素：

本发明是鉴于这样的情况完成的，其目的在于提供一种与以往相比进一步提高了谐振器特性的谐振器。

本发明的一个方面所涉及的谐振器具备：支承框；矩形的振动部，其具有沿着规定的方向相互平行地延伸的第一边以及第二边，并沿规定的方向进行轮廓振动；以及两对支承部，其分别连接振动部的第一边和支承框、第二边和支承框，

振动部具有在规定的方向上并列配置且各振动区域相对于相邻的其它振动区域以相反相位进行振动的至少四个振动区域、以及形成于振动区域的每一个的电极膜，

电极膜的规定的方向上的中心线从形成有该电极膜的振动区域的规定的方向上的中心线偏移。

本发明的另一个方面所涉及的谐振器具有：支承框；矩形的振动部，其具有沿着规定的方向相互平行地延伸的第一边以及第二边，并沿规定的方向进行轮廓振动；以及两对支承部，其分别连接振动部的第一边和支承框、第二边和支承框，

振动部具有在规定的方向上并列配置且各振动区域相对于相邻的其它振动区域以相反相位进行振动的至少四个振动区域，

支承部的规定的方向上的中心线从连接有该支承部的振动区域的规定的方向上的中心线偏移。

根据本发明，能够提供一种与以往相比进一步提高了谐振器特性的谐振器。

附图说明

图1是示意性地表示一个具体例子所涉及的压电振动装置的构造的分解立体图。

图2是示意性地表示本发明的第一实施方式所涉及的压电振子的构造的俯视图。

图3是沿着图2的3-3线切割的剖面的示意图。

图4是表示对上侧电极膜以及支承部的中心线的偏移的效果进行验证的结果的图表。

图5是表示对上侧电极膜以及支承部的中心线的偏移的效果进行验证的结果的图表。

图6是表示对上侧电极膜以及支承部的中心线的偏移的效果进行验证的结果的图表。

图7是表示对上侧电极膜的宽度相对于振动区域的宽度的比率的效果进行验证的结果的图表。

图8是表示对上侧电极膜的宽度相对于振动区域的宽度的比率的效果进行验证的结果的图表。

图9是表示对上侧电极膜的宽度相对于振动区域的宽度的比率的效果进行验证的结果的图表。

图10是示意性地表示本发明的第二实施方式所涉及的压电振子的构造的俯视图。

图11是表示比较例所涉及的振子的位移的模拟结果的图。

图12是表示比较例所涉及的振子的形变的模拟结果的图。

图13是表示实施例所涉及的振子的位移的模拟结果的图。

图14是表示实施例所涉及的振子的形变的模拟结果的图。

具体实施方式

以下，参照随附的附图对本发明的第一实施方式进行说明。图1是示意性地表示一个具体例子所涉及的压电振动装置10的构造的分解立体图。该压电振动装置10具有例如平坦的立方体的轮廓形状，并具备下侧基板11、与该下侧基板11之间形成振动空间的上侧基板12、以及夹在下侧基板11与上侧基板12之间保持的压电振子(谐振器的一个例子)13。压电振子13是利用MEMS技术制造的MEMS振子。

压电振子13具备沿着图1的正交坐标系中的XY平面扩展为例如矩形的框状的支承框14、配置于支承框14的内侧并与支承框14同样地例如沿着XY平面扩展为矩形的振动部15、以及将支承框14与振动部15相互连接的至少一对、在本实施方式中为两对的支承部16a、16a以及16b、16b。

支承框14具备沿X轴平行地延伸的一对长边的框体14a、14a以及沿Y轴平行地延伸且在两端与框体14a、14a的两端分别连接的一对短边的框体14b、14b。另一方面，振动部15具有沿着X轴向相互平行地延伸的长边的第一边以及第二边，该第一边以及第二边分别沿框体14a、14a平行地延伸。一对支承部16a、16a以及一对支承部16b、16b分别在与Y轴平行的一个直线上延伸并将框体14a、14a与振动部15相互连接。

下侧基板11沿着XY平面扩展为平板状，并在其上表面形成有例如平坦的立方体形状的凹部17。凹部17形成振动部15的振动空间的一部分。另一方面，上侧基板12沿着XY平面扩展为平板状，并在其下表面形成有例如平坦的立方体形状的凹部18。凹部18形成振动部15的振动空间的一部分。在该振动空间中维持真空状态。下侧基板11以及上侧基板12例如由Si(硅)形成。

图2是示意性地表示本发明的第一实施方式所涉及的压电振子13的构造的俯视图。如图2所示，振动部15具备沿规定的方向即X轴向排列的多个即四个振动区域15a～15d，各振动区域15a～15d在附图中用虚线分隔。在本实施方式中，各振动区域15a～15d在X轴向上分别具有相同的宽度，并且在Y轴向上分别具有相同的长度。即，各振动区域15a～15d规定了在X轴向上被四等分的区域。另外，如将在下文中描述的那样，振动区域15a～15d由分别相对于相邻的振动区域15a～15d，振动部15中的形变最小的线来划分边界。

如上所述，振动部15通过两对支承部16a、16a以及16b、16b支承于支承框14。一方的一对支承部16a、16a将比外侧的振动区域15a靠内侧的振动区域15b和支承框14a、14a相互连接。另一方的一对支承部16b、16b将比外侧的振动区域15d靠内侧的振动区域15c和支承框14a、14a相互连接。

图3是沿着图2的3-3线切割的剖面的示意图。若一并参照图3，振动部15由Si氧化膜21、层叠在Si氧化膜21上的活性层即Si层22、层叠在Si层22上的压电薄膜23、形成于压电薄膜23的下表面的例如一个下侧电极膜24、以及形成于压电薄膜23的上表面的多个上侧电极膜25形成。需要说明的是，Si氧化膜21也可以形成于压电薄膜23的上表面或下表面。

Si氧化膜21是用于对压电振子13的频率温度特性进行修正的膜，使用例如SiO₂。另外，Si氧化膜21也可以使用包含Si_aO_b层(a以及b是整数)的适当的组分的氧化硅材料来代替SiO₂。Si层22由处于缩退状态的n型的Si半导体形成，作为n型掺杂剂包括P(磷)等。压电薄膜23使用例如AlN(氮化铝)。其中，压电薄膜23也可以使用ScAlN(氮化铝钪)等来代替AlN。

下侧电极膜24横跨所有的振动区域15a～15d形成，成为所有的振动区域15a～15d所共用的电极。该下侧电极膜24形成为浮动电极。另一方面，上侧电极膜25在各振动区域15a～15d中分别形成有一个。下侧电极膜24以及上侧电极膜25使用例如Mo(钼)。需要说明的是，也可以代替一个下侧电极膜24，在各振动区域15a～15d分别形成一个下侧电极膜24。

压电薄膜23的AlN具有纤锌矿构造，相对于Si层22几乎垂直地c轴取向。若向各上侧电极膜25以与相邻的上侧电极膜25为相反相位的方式向c轴向施加交变电场，则各振动区域15a～15d机械耦合，由此振动部15作为整体以高次谐波进行轮廓振动。即，在振动部15的X轴向上，以反复振动部15伸展的状态和振动部15收缩的状态的宽度扩展模式来产生振动。

返回至图2，在振动部15的在X轴向上配置于两端的外侧的振动区域15a、15d中，X轴向上的上侧电极膜25的中心线(未图示)与X轴向上的振动区域15a、15d的中心线(未图示)一致。即，在振动区域15a、15d的X轴向上规定的宽度的中心配置有上侧电极膜25。另一方面，在内侧的振动区域15b、15c中，X轴向上的上侧电极膜25的中心线L1从振动区域15b、15c的中心线L2(点划线)向分别朝向内侧相互接近的方向偏移配置。

另外，在本实施方式中，由图2明显可知在内侧的振动区域15b、15c中，上侧电极膜25的中心线L1与X轴向上的支承部16a、16a以及16b、16b的各自的中心线一致。换言之，X轴向上的各对支承部16a、16a以及16b、16b的各自的中心线与上侧电极膜25的中心线L1同样地，从振动区域15b、15c的中心线L2向分别朝向内侧相互接近的方向偏移配置。

在本实施方式的压电振子13中，Si层22具有例如X轴向上200μm的宽度、Y轴向上74μm的长度、以及Z轴向上10μm的厚度。各支承部16a、16b具有X轴向上5μm的宽度以及Y轴向5μm的长度。该情况下，在内侧的振动区域15b、15c中，将上侧电极膜25以及支承部16a、16b的中心线L1的从振动区域15b、15c的中心线L2的偏移设定为2μm。另外，上侧电极膜25的宽度相对于X轴向上的各振动区域15a～15d的宽度的比率设定为0.7。

在如上那样的压电振子13中，在内侧的振动区域15b、15c的各自的两侧分别与振动区域15a、15c以及振动区域15b、15d相邻。根据本发明人的验证，如在下文中描述的那样，已知在振动区域15b、15c中，因分别受到相邻的两侧的振动区域的位移的影响，振动区域15b、15c的实际的位移最小点(形变最大点)从本来的存在位移最小点(形变最大点)的振动区域15b、15c的中心线L2沿X轴向朝向振动部15的内侧偏移。

在本实施方式中，在内侧的振动区域15b、15c中，由于上侧电极膜25的中心线L1朝向振动部15的内侧即实际的位移最小点偏移从而上侧电极膜25以实际的形变最大点为中心来形成，所以能够提高振动效率，并由此提高振子特性。另外，通过各对支承部16a、16a以及16b、16b的各自的中心线朝向振动部15的内侧即实际的位移最小点偏移而与实际的位移最小点位置对齐，能够将由支承部16a、16b支承而引起的振动区域15b、15c的振动的损失抑制在最小限度。

图4～图6是表示基于FEM(有限元法)解析模拟对上侧电极膜25以及支承部16a、16b的中心线L1的从中心线L2的偏移的效果进行验证的结果的图表。在图4～图6中，图表的横轴表示中心线L1以及L2的偏移量dx相对于X轴向上的振动区域15b或15c的宽度W的比率dx/W。另外，正的比率是在中心线L1从中心线L2向振动部15的外侧偏移的情况下产生，负的比率是在中心线L1从中心线L2向内侧偏移的情况下产生。纵轴表示分别表示压电振子的振子特性的k2Q、k(机电耦合系数)以及Q的值。

在验证中，改变上侧电极膜25以及支承部16a、16b的中心线L1的从振动区域15b或15c的中心线L2的偏移量dx的比率dx/W。结果，如图4～图6所示，可知在上侧电极膜25以及支承部16a、16b的中心线L1向比振动区域15b或15c的中心线L2靠振动部15的内侧偏移的情况下，振子特性得到提高。可知在上侧电极膜25以及支承部16a、16b的中心线L1以例如-0.04的比率向内侧偏移的情况下最能够提高振子特性。尤其是由图4以及图6明显可知的那样，可知若中心线L1从中心线L2向外侧偏移，则振子特性急剧恶化。

图7～图9是基于FEM解析模拟对上侧电极膜25的宽度We相对于振动区域15b或15c的宽度W的比率的效果进行验证的结果的图表。图表的横轴表示上侧电极膜25的宽度We相对于振动区域15b或15c的宽度W的比率We/W。在验证中，改变X轴向的上侧电极膜25的宽度We相对于振动区域15b或15c的宽度W的比率We/W。如图7～图9所示，可知若将比率We/W设定为0.6以上0.9以下，则振子特性总体良好，尤其是若比率We/W设定为0.7以上0.8以下，则振子特性尤其良好。因此，可知优选上侧电极膜25的宽度We以上述数值范围的比率来设定。

图10是示意性地表示本发明的第二实施方式所涉及的压电振子13a的构造的俯视图。该压电振子13a在具备与支承框14的各框体14a的两对支承部16a、16a以及16b、16b对应的位置沿着X轴延伸的两对狭缝27、27、以及在各狭缝27与各支承部16a、16b之间形成的弯曲振动部28这一点上与第一实施方式所涉及的压电振子13不同。由于其它构造与前述的第一实施方式所涉及的压电振子13相同，故省略重复说明。

狭缝27是在Z轴向上贯通框体14a的贯通孔。狭缝27具有例如在X轴向上以长边延伸的矩形的轮廓，其在X轴向上的中心线与上侧电极膜25以及支承部16a、16b的中心线L1一致。根据这样的结构，支承部16a、16b通过弯曲振动部28与支承框14连接。弯曲振动部28在与Y轴正交的X轴向上以长边延伸。弯曲振动部28具有例如Y轴向上5μm的长度以及X轴向上25μm的宽度。

在该压电振子13a中，若振动部15的振动通过支承部16a、16b传递到弯曲振动部28，则振动在弯曲振动部28中转换为Z轴向上的弯曲振动。由于图10的虚线所示的弯曲振动部28与框体14a之间的界面成为弯曲振动的固定端，所以弯曲振动部28中的弯曲振动在该界面进行反射，并将振动局限在弯曲振动部28。结果，能够有效地抑制振动部15的振动传递到框体14a的情况。

需要说明的是，从X轴向上的支承部16a、16b的端部到弯曲振动部28与框体14a之间的界面为止的距离D根据振动部15的固有振动频率来设定。具体而言，距离D在与振动部15的固有振动频率对应的弯曲振动的波长设为λ的情况下设定为λ/4。根据这样的结构，能够可靠地将振动局限在弯曲振动部28。另外，由于该界面的外侧的支承框14的面积较大，因此能够提高声波反射效果，由此能够将振动更加可靠地局限在弯曲振动部28。

图11～图14是表示基于FEM解析模拟的宽度扩展压电振子的位移以及形变的大小的图。图11以及图12表示比较例，即上侧电极膜25以及支承部16a、16b的中心线L1与振动区域15b或15c的中心线L2一致的情况下的压电振子的位移以及形变的大小。图13以及图14表示实施例(第二实施方式)，即上侧电极膜25以及支承部16a、16b的中心线L1从振动区域15b或15c的中心线L2向内侧偏移的情况下的压电振子的位移以及形变的大小。

在图11以及图13中，将最小位移的区域确定为G0，将中间位移的区域确定为G1，并将最大位移的区域确定为G2。结果，如图11所示，可知在比较例中，支承部16a、16b的连接位置的附近的最小位移的区域G0的位置从上侧电极膜25以及支承部16a、16b的中心轴L1向内侧的位置偏移。另一方面，如图13所示，可知在实施例中，支承部16a、16b的连接位置的附近的最小位移的区域G0的位置与上侧电极膜25以及支承部16a、16b的中心轴L1几乎一致。

另一方面，在图12以及图14中，将最小形变的区域确定为F0，将中间形变的区域确定为F1，并将最大形变的区域确定为F2。结果，如图12所示，可知在比较例中，上侧电极膜25以及支承部16a、16b的中心轴L1从最大形变F2以及最小形变F0的位置的中心略向外侧偏移。另一方面，如图14所示，可知在实施例中，上侧电极膜25以及支承部16a、16b的中心轴L1与最大形变F2以及最小形变F0的位置的中心几乎一致。需要说明的是，由图12以及图14明显可知，振动部15的各振动区域15a～15d相对于分别相邻的振动区域通过最小形变F0划分边界。

在以上那样的压电振子13、13a中，即使在振动部15具有五个振动区域的情况下也能够实现与前述相同的作用效果。该情况下，优选在前述的振动区域15b、15c之间进一步增加振动区域。另外，优选在代替前述的一个下侧电极膜24而按照每个各振动区域15a～15d形成下侧电极膜24的情况下，形成于振动区域15b以及15c的下侧电极膜24与前述的上侧电极膜25同样地向内侧偏移。

需要说明的是，在以上说明的各实施方式是用于使本发明容易被理解的内容，并不是用于对本发明进行限定并解释的内容。本发明能够不脱离其主旨地进行变更/改进，并且本发明也包含其等效物。即，对于本领域技术人员对各实施方式适当地施加了设计变更后得到的方式，只要具备本发明的特征，则也包含在本发明的范围内。例如，各实施方式所具备的各要素以及其配置、材料、条件、形状、尺寸等并不限于例示出的内容，能够适当地变更。另外，各实施方式是例示，也可以进行不同实施方式所示的结构的局部替换或组合，只要这些包含本发明的特征则也包含在本发明的范围内。

附图标记说明：

13…振子(压电振子)；13a…振子(压电振子)；14…支承框；15…振动部；15a～15d…振动区域；16a…支承部；16b…支承部；25…电极膜(上侧电极膜)；L1…中心线；L2…中心线。