JP2009111623A - Piezoelectric vibrating device - Google Patents
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- Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
Abstract
Description
本発明は、圧電振動装置に関し、より詳細には、拡がり振動モード、長さ振動モードまたは幅振動モードなどのバルク波の内の輪郭振動モードを利用した圧電振動装置に関する。 The present invention relates to a piezoelectric vibration device, and more particularly to a piezoelectric vibration device using a contour vibration mode of a bulk wave such as a spread vibration mode, a length vibration mode, or a width vibration mode.
バルク波を利用した圧電振動装置は、弾性表面波を利用した弾性表面波装置に比べてQが高く、耐電力性が高いという利点を有する。このため、従来、例えば特許文献1などにおいて、バルク波として輪郭振動モードを利用した圧電振動装置が種々提案されている。 Piezoelectric vibration devices using bulk waves have the advantages of higher Q and higher power durability than surface acoustic wave devices using surface acoustic waves. For this reason, conventionally, for example, in Patent Document 1, various piezoelectric vibration devices using a contour vibration mode as bulk waves have been proposed.
図11は、特許文献1に記載された圧電振動装置100の模式的平面図である。図12は、図11中のD−D線に沿った断面図である。図13は、図11中のE−E線に沿った断面図である。
FIG. 11 is a schematic plan view of the
図12に示すように、圧電振動装置100はフィルム状の圧電体101を備えている。圧電体101は、対向し合う第1の主面101aと第2の主面101bとを備えている。圧電体101の第1の主面101aには、第1の電極102が形成されている。一方、圧電体101の第2の主面101bには、第2の電極103が形成されている。第1の電極102と第2の電極103とは、圧電体101を介して重なり合うように配置されている。第1の電極102の下には、第1の付加膜107が形成される一方、第2の電極103の上には第2の付加膜108が形成されている。
As shown in FIG. 12, the
圧電体101と、第1の電極102及び第2の電極103と、第1の付加膜107及び第2の付加膜108とを含む積層体106の一部は、基体105から浮かされた状態で支持されている。圧電振動装置100では、基体105から浮かされた状態で支持されている積層体106の部分が圧電振動部104を構成している。
ところで、圧電体101の共振周波数は圧電体101の温度によって変化する。このため、圧電体101の温度が変化すれば、圧電振動装置100の周波数特性も変化してしまう。この圧電振動装置100の周波数特性の温度依存性に鑑み、特許文献1には、圧電体101の音速の温度係数とは逆の温度係数を有する第1の付加膜107及び第2の付加膜108を設けることで圧電体101の温度特性を補償することが記載されている。
By the way, the resonance frequency of the
しかしながら、圧電体101の温度特性を補償するために第1の付加膜107及び第2の付加膜108を設けた場合、第1の付加膜107及び第2の付加膜108を形成するためのコストがかかるという問題があった。また、圧電振動部104の端部が厚くなるため、圧電振動部104の外形寸法の加工精度が低下しがちであった。圧電振動部104の外形寸法は周波数特性に大きな影響を及ぼす因子であるため、圧電振動部104の外形寸法の加工精度が低下すると、圧電振動装置100の周波数精度が低下するという問題もあった。
However, when the first
本発明の目的は、上述した従来技術の欠点を解消し、温度特性が良好で、周波数精度及び励振効率が共に高く、かつ低コストな圧電振動装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a piezoelectric vibration device that eliminates the above-mentioned drawbacks of the prior art, has good temperature characteristics, has high frequency accuracy and excitation efficiency, and is low in cost.
本発明によれば、基体と、基体の上方に配置され、対向し合う第1,第2の主面を有する圧電薄膜と、圧電薄膜の第1の主面に形成された第1の電極と、圧電薄膜を介して第1の電極と少なくとも一部が重なり合うように圧電薄膜の第2の主面に形成された第2の電極と、圧電薄膜の第1の主面側と第2の主面側とのうちの少なくとも一方側に、第1の電極または第2の電極を介して圧電薄膜と少なくとも一部が重なり合うように積層され、圧電薄膜、第1の電極及び第2の電極と共に圧電振動部を構成する温度補償膜と、基体に固定されており、基体に対してギャップを隔てて浮かされた状態で圧電振動部を支持する支持部とを備え、圧電振動部の輪郭振動モードを利用しており、圧電振動部は、第1及び第2の電極と圧電薄膜とが形成された圧電駆動部と、圧電薄膜が形成されていない圧電被駆動部とを含み、圧電被駆動部は、輪郭振動モードにおける振動の腹部を含む圧電振動部の一部に形成されており、温度補償膜の面積は圧電薄膜の面積よりも大きくされていることを特徴とする、圧電振動装置が提供される。 According to the present invention, a base, a piezoelectric thin film having first and second main surfaces disposed above and facing the base, and a first electrode formed on the first main surface of the piezoelectric thin film, A second electrode formed on the second main surface of the piezoelectric thin film so that at least a part of the first electrode overlaps with the first electrode through the piezoelectric thin film; a first main surface side of the piezoelectric thin film; The piezoelectric thin film is laminated on at least one side of the surface side so as to at least partially overlap with the first electrode or the second electrode, and the piezoelectric thin film, the first electrode, and the second electrode are piezoelectric. A temperature compensation film constituting the vibration part and a support part that is fixed to the base and supports the piezoelectric vibration part in a state of being floated with a gap from the base, using the contour vibration mode of the piezoelectric vibration part In the piezoelectric vibration part, the first and second electrodes and the piezoelectric thin film are formed. The piezoelectric driven part and the piezoelectric driven part in which the piezoelectric thin film is not formed are formed on a part of the piezoelectric vibrating part including the antinodes of vibration in the contour vibration mode, and temperature compensation is performed. A piezoelectric vibration device is provided in which the area of the film is larger than the area of the piezoelectric thin film.
ここで、「圧電振動部」とは、基体に対して浮かされた状態で支持されており、第1の電極と第2の電極との間に交流電圧が印加されたときに振動する部分をいう。圧電振動部は圧電駆動部と圧電被駆動部とを有する。 Here, the “piezoelectric vibration portion” is a portion that is supported in a floating state with respect to the base and vibrates when an AC voltage is applied between the first electrode and the second electrode. . The piezoelectric vibration part has a piezoelectric drive part and a piezoelectric driven part.
「圧電駆動部」とは、圧電振動部のうち、平面視した際に第1の電極と、圧電薄膜と、第2の電極とが重なり合った部分であり、第1の電極と第2の電極との間に交流電流が印加されたときに実際に励振される部分をいう。 The “piezoelectric drive unit” is a portion of the piezoelectric vibration unit in which the first electrode, the piezoelectric thin film, and the second electrode overlap when viewed in plan, and the first electrode and the second electrode A portion that is actually excited when an alternating current is applied between the two.
「圧電被駆動部」とは、圧電振動部のうち、圧電薄膜が形成されていない部分であり、第1の電極と第2の電極との間に交流電流が印加されることにより、その部分自体は励振されないものの、圧電駆動部が励振されることによって圧電駆動部と共に振動する部分をいう。 The “piezoelectric driven portion” is a portion of the piezoelectric vibrating portion where the piezoelectric thin film is not formed, and the portion is obtained by applying an alternating current between the first electrode and the second electrode. Although it is not excited itself, it refers to a portion that vibrates with the piezoelectric drive unit when the piezoelectric drive unit is excited.
本発明に係る圧電振動装置において、温度補償膜は圧電振動部の全面に形成されていることが好ましい。 In the piezoelectric vibration device according to the present invention, the temperature compensation film is preferably formed on the entire surface of the piezoelectric vibration portion.
本発明に係る圧電振動装置において、圧電被駆動部は、圧電振動部の電束密度の平均値以下の電束密度を有する圧電振動部の部分の少なくとも一部に形成されていることが好ましい。 In the piezoelectric vibration device according to the present invention, it is preferable that the piezoelectric driven portion is formed on at least a part of a portion of the piezoelectric vibration portion having an electric flux density equal to or lower than an average value of the electric flux density of the piezoelectric vibration portion.
また、平面視された際に、圧電被駆動部の面積は、圧電振動部の面積の1/5以上、1/3以下であることが好ましい。 Moreover, when viewed in plan, the area of the piezoelectric driven part is preferably 1/5 or more and 1/3 or less of the area of the piezoelectric vibrating part.
本発明に係る圧電振動装置のある特定の局面では、圧電被駆動部は、圧電振動部の主たる振動方向における端部を含む。 In a specific aspect of the piezoelectric vibration device according to the present invention, the piezoelectric driven portion includes an end portion in a main vibration direction of the piezoelectric vibration portion.
本発明に係る圧電振動装置において、平面視した際に、圧電駆動部と圧電被駆動部との界面は直線状であることが好ましい。 In the piezoelectric vibration device according to the present invention, it is preferable that the interface between the piezoelectric drive unit and the piezoelectric driven unit is linear when viewed in plan.
本発明に係る圧電振動装置の別の特定の局面では、温度補償膜は実質的に酸化ケイ素からなる。 In another specific aspect of the piezoelectric vibration device according to the present invention, the temperature compensation film is substantially made of silicon oxide.
本発明によれば、温度補償膜は形成されているものの圧電薄膜が形成されていない圧電被駆動部を設け、温度補償膜が形成された面積を圧電薄膜が形成された面積よりも大きくすることで、圧電振動装置の温度特性を劣化させることなく温度補償膜の膜厚を薄くすることができる。 According to the present invention, the piezoelectric driven portion in which the temperature compensation film is formed but the piezoelectric thin film is not formed is provided, and the area where the temperature compensation film is formed is larger than the area where the piezoelectric thin film is formed. Thus, the thickness of the temperature compensation film can be reduced without degrading the temperature characteristics of the piezoelectric vibration device.
また、温度補償膜の膜厚を薄くすることで、圧電振動部の端部の厚さを小さくすることが可能となる。従って、圧電振動装置の周波数特性に大きな影響を及ぼす圧電振動部の外形寸法の加工精度を高めることができるので、圧電振動装置の周波数精度を高めることができる。 In addition, by reducing the thickness of the temperature compensation film, it is possible to reduce the thickness of the end portion of the piezoelectric vibrating portion. Therefore, since the processing accuracy of the outer dimensions of the piezoelectric vibration part that greatly affects the frequency characteristics of the piezoelectric vibration device can be increased, the frequency accuracy of the piezoelectric vibration device can be increased.
さらに、温度補償膜の膜厚を薄くすることで温度補償膜の形成に要するコストを低減することができるため、圧電振動装置の製造コストを低減することができる。 Furthermore, since the cost required for forming the temperature compensation film can be reduced by reducing the thickness of the temperature compensation film, the manufacturing cost of the piezoelectric vibration device can be reduced.
また、輪郭振動モードにおける振動の腹部を含むように圧電被駆動部を形成することで、圧電薄膜を形成しない圧電被駆動部を設けることに起因する圧電振動装置の励振効率の低下を抑制することができ、高い励振効率を実現することができる。 Further, by forming the piezoelectric driven part so as to include the vibration abdominal part in the contour vibration mode, it is possible to suppress a decrease in excitation efficiency of the piezoelectric vibration device caused by providing the piezoelectric driven part not forming the piezoelectric thin film. And high excitation efficiency can be realized.
すなわち、輪郭振動モードにおける振動の腹部を含むように圧電被駆動部を形成し、温度補償膜が形成された面積を圧電薄膜が形成された面積よりも大きくすることで、温度特性が良好で、周波数精度及び励振効率が共に高く、かつ低コストな圧電振動装置を実現することが可能となる。 That is, by forming the piezoelectric driven part so as to include the vibration abdomen in the contour vibration mode, and making the area where the temperature compensation film is formed larger than the area where the piezoelectric thin film is formed, the temperature characteristics are good, It is possible to realize a piezoelectric vibration device that has both high frequency accuracy and excitation efficiency and is low in cost.
以下、図面を参照しつつ本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。 Hereinafter, the present invention will be clarified by describing specific embodiments of the present invention with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施形態に係る圧電振動装置1の模式的平面図である。図2は、図1中のA−A線に沿う模式的断面図である。図3は、図1中のB−B線に沿う模式的断面図である。図4は、図1中のC−C線に沿う模式的断面図である。 FIG. 1 is a schematic plan view of a piezoelectric vibration device 1 according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view taken along the line AA in FIG. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view taken along the line BB in FIG. 4 is a schematic cross-sectional view taken along the line CC in FIG.
本実施形態において、圧電振動装置1は、輪郭振動モード、具体的には、拡がり振動モードを利用するものである。より詳細には、圧電振動装置1は、幅方向の振動を主とする拡がり振動モードを利用するものである。 In the present embodiment, the piezoelectric vibration device 1 uses a contour vibration mode, specifically, a spread vibration mode. More specifically, the piezoelectric vibration device 1 uses a spread vibration mode mainly including vibration in the width direction.
図2などに示すように、圧電振動装置1は、基体としての基板10と、第1の温度補償用絶縁膜26と、第1の導電層28と、基板10の上方に配置された圧電薄膜23と、第2の導電層29と、第2の温度補償用絶縁膜27とを備えている。
As shown in FIG. 2 and the like, the piezoelectric vibration device 1 includes a
基板10は、Si系半導体などの半導体や、ガラスなどの絶縁体により形成することができる。
The
図2及び図5に示すように、基板10の上には第1の温度補償用絶縁膜26が形成されている。図2に示すように、第1の温度補償用絶縁膜26の少なくとも一部は、下部電極25を介して圧電薄膜23と重なり合っている。図1にも示すように、第1の温度補償用絶縁膜26の面積は、後述する圧電薄膜23の面積よりも大きくされている。
As shown in FIGS. 2 and 5, a first temperature
図5に示すように、第1の温度補償用絶縁膜26は、中央に位置する平面視略矩形状の中央部を有する。この第1の温度補償用絶縁膜26の中央部は、対応し合う一つの長辺と短辺とを有する矩形状に形成されている。第1の温度補償用絶縁膜26では、第1の温度補償用絶縁膜26の中央部の各短辺に端部が連ねられている。
As shown in FIG. 5, the first temperature compensation
図2に示すように、第1の温度補償用絶縁膜26の中央部は、基板10からギャップDを隔てて浮かされた状態で保持されている。第1の温度補償用絶縁膜26の各端部は、基板10に固定された部分と、その固定部と中央部とを連結する傾斜部とを備えている。なお、本実施形態では、第1の温度補償用絶縁膜26の中央部は、圧電振動部20の全面に形成されている。
As shown in FIG. 2, the central portion of the first temperature
本実施形態において、この第1の温度補償用絶縁膜26と、後述する第2の温度補償用絶縁膜27とは、圧電振動部20の温度特性を補償するための絶縁膜である。ここで、「温度特性を補償する」とは、具体的には、圧電駆動部の周波数特性の温度依存性を低減させることをいう。また、「温度補償用絶縁膜」とは、圧電駆動部の周波数特性の温度依存性を低減させる絶縁膜をいう。具体的には、「温度補償用絶縁膜」は、圧電駆動部の音速の温度係数の絶対値を圧電薄膜の音速の温度係数の絶対値よりも小さくする絶縁膜である。「温度補償用絶縁膜」は、通常、圧電薄膜の音速の温度係数と逆符号の温度係数、若しくは圧電薄膜の音速の温度係数と同符号の温度係数であって圧電薄膜の音速の温度係数の絶対値よりも小さな絶対値を有する温度係数を有する。
In the present embodiment, the first temperature compensating insulating
すなわち、「温度補償用絶縁膜」は、圧電薄膜に直接または他の層を介して積層されており、圧電薄膜の音速の温度係数と逆符号の温度係数を有する絶縁膜、若しくは圧電薄膜に直接または他の層を介して積層されており、圧電薄膜の音速の温度係数と同符号であって絶対値の小さな温度係数を有する絶縁膜である限りにおいて特に限定されるものではない。例えば、「温度補償用絶縁膜」は、内部を保護する保護膜としての機能、補強膜として機能及び質量付加により共振周波数を調整する機能のうちの少なくとも一つの機能を温度補償機能と共に兼ね備えたものであってもよい。 That is, the “temperature-compensating insulating film” is laminated directly on the piezoelectric thin film or via another layer, and has a temperature coefficient opposite in sign to the temperature coefficient of sound velocity of the piezoelectric thin film, or directly on the piezoelectric thin film. Alternatively, the insulating film is not particularly limited as long as the insulating film has a temperature coefficient of the same sign as that of the sound velocity of the piezoelectric thin film and a small absolute value. For example, the “temperature compensation insulating film” has at least one of a function as a protective film for protecting the inside, a function as a reinforcing film, and a function for adjusting a resonance frequency by adding mass together with a temperature compensation function. It may be.
なお、本実施形態では、第1の温度補償用絶縁膜26と第2の温度補償用絶縁膜27との両方が形成された例について説明するが、第1の温度補償用絶縁膜26と第2の温度補償用絶縁膜27とのうちの一方のみを形成するようにしてもよい。
In the present embodiment, an example in which both the first temperature
第1及び第2の温度補償用絶縁膜26,27を形成する材料は、圧電薄膜23を形成する材料に応じて適宜選択することができる。詳細には、第1及び第2の温度補償用絶縁膜26,27を形成する材料は、圧電薄膜23を形成する材料の音速の温度係数と逆符号の温度係数を有する材料や、圧電薄膜23を形成する材料の音速の温度係数の絶対値よりも小さな絶対値の温度係数を有する材料から適宜選択することができる。第1及び第2の温度補償用絶縁膜26,27を形成する材料は、厳密に絶縁性材料に限定されるものではなく、圧電薄膜23や上部電極24及び下部電極25との関係で支障をきたさない程度の導電性を有するものであってもよい。
The material for forming the first and second temperature compensating insulating
第1及び第2の温度補償用絶縁膜26,27を形成する材料の具体例としては、例えばSiO2に代表される酸化ケイ素やSiNなどの誘電体材料、ZnOやAlNのような圧電材料、Siのような半導体材料などが挙げられる。
Specific examples of the material for forming the first and second temperature
また、第1及び第2の温度補償用絶縁膜26,27を導電膜と絶縁膜との積層によって形成してもよい。その場合、導電膜は、例えば、Al、Cu、エリンバーまたはインバーなどにより形成することができる。
The first and second temperature
なお、第1の温度補償用絶縁膜26と第2の温度補償用絶縁膜27とは異なる材料により形成されていてもよいし、同じ材料により形成されていてもよい。
The first temperature
図2及び図6に示すように、第1の導電層28は第1の温度補償用絶縁膜26上に形成されている。第1の導電層28は、圧電振動部20を構成する平面視略矩形状の下部電極25と、下部電極25に連ねられた第1の端子電極31を有している。
As shown in FIGS. 2 and 6, the first
下部電極25は、第1の温度補償用絶縁膜26の略矩形状の中央部の一部にのみ形成されている。具体的には、下部電極25は、第1の温度補償用絶縁膜26の中央部の長辺側の両端部には形成されていない。すなわち、下部電極25は、幅方向において第1の温度補償用絶縁膜26の中央部の中央にのみ形成されている。
The
第1の導電層28及び後述する第2の導電層29の材料は特に限定されない。第1の導電層28及び第2の導電層29の形成には、適宜の導電性材料を用いることができる。導電性材料としては、Al、Cu、Au、Pt、Ni、Mo、Ru、Ir、Wまたはこれらの合金が挙げられる。導電性の合金の具体例としてはエンリバーやインバーなどが挙げられる。
The materials of the first
図2及び図7に示すように、圧電薄膜23は、第1の導電層28の上に形成されている。圧電薄膜23は、圧電振動部20を構成する中央部と、中央部に連ねられた両端部とを備えている。圧電薄膜23の中央部の平面形状は下部電極25の平面形状と実質的に等しい。圧電薄膜23は、その厚み方向に分極されている。圧電薄膜23は対向し合う第1の主面23aと第2の主面23bとを有する。第1の主面23aが第2の導電層29に接している。一方、第2の主面23bが第1の導電層28に接している。
As shown in FIGS. 2 and 7, the piezoelectric
圧電薄膜23は、適宜の圧電材料により形成することができる。圧電材料としては、例えば、圧電セラミックスや圧電単結晶などが挙げられる。圧電セラミックスの具体例としては、酸化亜鉛(ZnO)、窒化アルミニウム(AlN)、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックス(PZT系圧電セラミックス)などが挙げられる。圧電単結晶の具体例としては、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、タンタル酸リチウム(LiTaO3)、水晶などが挙げられる。
The piezoelectric
図2及び図8に示すように、第2の導電層29は、圧電薄膜23と第1の温度補償用絶縁膜26の端部との上に形成されている。第2の導電層29は、圧電振動部20を構成する平面視略矩形状の上部電極24と、上部電極24に連ねられた第2の端子電極32とを有する。上部電極24は、圧電薄膜23を介して少なくとも一部が下部電極25と重なり合っている。本実施形態では、上部電極24の平面形状は、圧電薄膜23の中央部の平面形状と実質的に等しい。このため、上部電極24の全体と下部電極25の全体とが圧電薄膜23を介して重なり合っている。
As shown in FIGS. 2 and 8, the second
上部電極24は、下部電極25と共に、圧電薄膜23に交流電圧を印加し、圧電振動部20の圧電駆動部21を励振させる。
The
なお、本実施形態では、上部電極24の平面形状と下部電極25の平面形状とが等しい場合について説明するが、上部電極24の平面形状と下部電極25の平面形状とは異なっていてもよい。例えば、上部電極24と下部電極25とが接触しない限りにおいて、上部電極24及び下部電極25のうちの一方の電極を他方の電極よりも大きく形成してもよい。
In the present embodiment, the case where the planar shape of the
ここで、「圧電振動部20」とは、基板10に対して浮かされた状態で支持されており、上部電極24と下部電極25との間に交流電圧が印加されたときに振動する部分をいい、第1及び第2の温度補償用絶縁膜26,27と、上部電極24と、圧電薄膜23と、下部電極25とにより構成されている。
Here, the “
「圧電駆動部21」とは、圧電振動部20のうち、平面視した際に上部電極24と、圧電薄膜23と、下部電極25とが重なり合った部分であり、上部電極24と下部電極25との間に交流電流が印加されたときに実際に励振される部分をいう。
The “
「圧電被駆動部22」とは、圧電振動部20のうち、圧電薄膜23が形成されていない部分であり、上部電極24と下部電極25との間に交流電流が印加されることにより、その部分自体は励振されないものの、圧電駆動部21が励振されることにより、圧電駆動部21と共に振動する部分をいう。
The “piezoelectric driven
図1及び図2に示すように、第2の導電層29及び圧電薄膜23の端部の上には、第2の温度補償用絶縁膜27が形成されている。第2の温度補償用絶縁膜27の少なくとも一部は、上部電極24を介して圧電薄膜23と重なり合っている。第2の温度補償用絶縁膜27の面積は、上述の圧電薄膜23の面積よりも大きくされている。第2の温度補償用絶縁膜27は、中央に位置する平面視略矩形状の中央部を有する。この第2の温度補償用絶縁膜27の中央部は、対応し合う一つの長辺と短辺とを有する矩形状に形成されている。第2の温度補償用絶縁膜27では、第2の温度補償用絶縁膜27の中央部の各短辺に端部が連ねられている。本実施形態では、第2の温度補償用絶縁膜27の中央部は、圧電振動部20の全面に形成されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, a second temperature
圧電振動部20は、平面視された際に、対向し合う第1及び第2の辺20a,20bと、対向し合う第3及び第4の辺20c,20dとを有する矩形状に形成されている。本実施形態では、第1及び第2の辺20a,20bが短辺であり、第3及び第4の辺20c,20dが長辺である。第1及び第2の辺20a,20b:第3及び第4の辺20c,20dの比は、約1:1.5である。
The piezoelectric vibrating
圧電振動装置1は、第1及び第2の辺20a,20bの延びる方向、すなわち圧電振動部20の幅方向の振動を主とする拡がり振動モードを利用するものである。具体的には、圧電振動部20は、当初の状態から、第3及び第4の辺20c,20dが幅方向に沿って大きく変位する一方、第1及び第2の辺20a,20bが長さ方向に沿ってはあまり変位しない。特に、第1及び第2の辺20a,20bの中央部においては、ほとんど変位せず、第1及び第2の辺20a,20bの中央部は実質的にノードとなる。このような拡がり振動モードが励振される圧電振動部20においては、主たる振動方向における端部である、第3及び第4の辺20c,20dに接する幅方向端部が振動の腹部となる。このため、圧電被駆動部22は、輪郭振動モードにおける振動の腹部を含んでいる。
The piezoelectric vibration device 1 uses a spreading vibration mode mainly including vibrations in the extending direction of the first and
図1及び図2に示すように、圧電振動部20は基板10に固定された支持部30によって基板10からギャップDだけ離れた位置に支持されている。支持部30は、第1の温度補償用絶縁膜26の両端部と、第1の端子電極31と、圧電薄膜23の両端部と、第2の端子電極32と、第2の温度補償用絶縁膜27の両端部とにより構成されている。すなわち、本実施形態では、圧電振動部20と支持部30とは、同一の薄膜部材によって構成されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
なお、圧電薄膜23の両端部を設ける必要は必ずしもない。但し、圧電薄膜23の両端部を設けない場合は、第1及び第2の温度補償用絶縁膜26,27を、圧電振動部20を支持するのに十分な強度に形成する必要がある。
Note that it is not always necessary to provide both end portions of the piezoelectric
支持部30は、圧電振動部20を、第1及び第2の辺20a,20bのほぼ中央、つまり、圧電振動部20の長さ方向端部のほぼ中央において支持している。上述のように、幅方向の振動が主となる拡がり振動モードが利用される本実施形態では、この圧電振動部20の長さ方向端部のほぼ中央は、ほとんど変位しないノードである。従って、支持部30は、そのノードにおいて圧電振動部20を支持している。
The
次に、図1〜図3及び図9を参照しながら、圧電振動部20、圧電駆動部21、圧電被駆動部22及び第1及び第2の温度補償用絶縁膜26,27の位置関係について詳細に説明する。
Next, with reference to FIG. 1 to FIG. 3 and FIG. 9, the positional relationship among the
上述したように、圧電薄膜23は圧電振動部20の一部にのみ形成されている。具体的には、圧電薄膜23は、図1においてハッチングを附した部分に形成されている。このため、図2にも示すように、圧電振動部20のうち、圧電薄膜23が形成された幅方向中央部分のみが圧電駆動部21となる。圧電振動部20の幅方向両端部は圧電被駆動部22となる。
As described above, the piezoelectric
ここで、上述のように、本実施形態では、圧電振動部20の幅方向両端部が輪郭振動モードにおける振動の腹となり、圧電振動部20の幅方向中央部が振動の節となる。従って、圧電被駆動部22は、輪郭振動モードにおける振動の腹部を含む圧電振動部20の一部に形成されているということになる。
Here, as described above, in the present embodiment, both end portions in the width direction of the piezoelectric vibrating
また、輪郭振動モードにおける振動の腹部は、他の部分と較べて電束密度が低い部分であり、よって、電束密度との関係では、圧電被駆動部22は、圧電振動部20のうち電束密度が低い部分に形成されていることになる。圧電被駆動部22の形成位置と電束密度との関係について、図9を参照しながらさらに詳細に説明する。図9は、圧電振動部20の電束密度を、等高線を用いて表した概念図である。図9に示す第1の等高線35aに囲まれた領域が最も電束密度が高い領域を表している。第1の等高線35aと第2の等高線35bとに囲まれた領域が、電束密度が次に高い領域となる。その次に電束密度が高い領域が第2の等高線35bと第3の等高線35cとにより囲まれた領域である。そして、第3の等高線35cの外側に位置する領域が最も電束密度が低い領域である。
In addition, the vibration abdominal portion in the contour vibration mode is a portion where the electric flux density is lower than the other portions. Therefore, the piezoelectric driven
ここで、第2の等高線35bは、圧電振動部20の電束密度の平均値となる部分を示しており、第2の等高線35bに囲まれた領域は圧電振動部20の電束密度の平均値よりも高い電束密度を有する領域となる。一方、第2の等高線35bに囲まれた領域以外の領域は圧電振動部20の電束密度の平均値以下の電束密度を有する領域となる。
Here, the
本実施形態では、図1に示すように、圧電被駆動部22は、圧電振動部20の電束密度の平均値以下の電束密度を有する第2の等高線35bに囲まれた領域以外の領域の少なくとも一部に形成されている。具体的には、圧電被駆動部22は、圧電振動部20の電束密度の平均値以下の電束密度を有する第2の等高線35bに囲まれた領域以外の領域の全域に形成されている。そして、本実施形態では、圧電被駆動部22の平面視された際の面積は、圧電振動部20の面積の1/5以上、1/3以下に設定されている。
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the piezoelectric driven
一方、第1及び第2の温度補償用絶縁膜26,27の面積は、圧電薄膜23の面積よりも大きくされている。すなわち、第1及び第2の温度補償用絶縁膜26,27の面積は、圧電駆動部21の面積よりも大きくされている。具体的には、本実施形態では、図2及び図3に示すように、圧電振動部20の全体に形成されている。従って、本実施形態では、第1及び第2の温度補償用絶縁膜26,27の面積は、圧電被駆動部22の面積の3倍以上5倍以下に設定されている。
On the other hand, the areas of the first and second temperature
ところで、圧電振動部20の音速の温度係数は、圧電薄膜23の温度係数と、第1及び第2の温度補償用絶縁膜26,27の温度係数とを圧電薄膜23と第1及び第2の温度補償用絶縁膜26,27との体積比で加重平均した値となる。従って、圧電振動部20の音速の温度係数を小さくし、圧電振動部20の温度特性を向上する方法のひとつとして、圧電薄膜23に対する第1及び第2の温度補償用絶縁膜26,27の体積比を大きくする方法が挙げられる。
By the way, the temperature coefficient of sound velocity of the piezoelectric vibrating
なお、上部電極24や下部電極25は、圧電薄膜23や第1及び第2の温度補償用絶縁膜26,27と較べて非常に薄く、体積も小さい。従って、上部電極24及び下部電極25の音速の温度係数及び体積が圧電振動部20の音速の温度係数に対して及ぼす影響は無視できる範囲のものであるため、ここでは、上部電極24及び下部電極25の音速の温度係数及び体積を考慮しないものとする。
The
本実施形態では、第1及び第2の温度補償用絶縁膜26,27の面積は、圧電薄膜23の面積よりも大きくされている。このため、第1及び第2の温度補償用絶縁膜26,27並びに圧電薄膜23の厚さが一定の場合、従来の第1及び第2の温度補償用絶縁膜26,27と圧電薄膜23とが同じ面積である構成と較べて圧電薄膜23に対する第1及び第2の温度補償用絶縁膜26,27の体積比を大きくすることができる。従って、圧電振動部20の音速の温度係数をより小さくすることができ、よって圧電振動部20の温度特性をより向上することができる。
In the present embodiment, the areas of the first and second temperature
また、同等の温度特性を得るのであれば、従来の第1及び第2の温度補償用絶縁膜26,27と圧電薄膜23とが同じ面積である構成と較べて第1及び第2の温度補償用絶縁膜26,27の厚さを薄くすることができる。
If equivalent temperature characteristics are obtained, the first and second temperature compensations are compared with the conventional first and second temperature
第1及び第2の温度補償用絶縁膜26,27の厚さを薄くすることで、圧電振動部20の端部の厚さを小さくすることが可能となる。従って、圧電振動部20の周波数特性に大きな影響を及ぼす圧電振動部20の外形寸法の加工精度を高めることができるので、圧電振動装置1の周波数精度を高めることができる。特に、圧電振動部20をエッチングにより加工する場合は、第1及び第2の温度補償用絶縁膜26,27の厚さが厚くなると圧電振動部20の外形寸法の加工精度が低下しやすい。このため、圧電振動部20がエッチングにより形成される圧電振動装置において、圧電振動装置の周波数精度をより一層高めることができる。
By reducing the thicknesses of the first and second temperature
第1及び第2の温度補償用絶縁膜26,27の厚さを薄くすることで第1及び第2の温度補償用絶縁膜26,27の形成に要するコストを低減することができるため、圧電振動装置1の製造コストを低減することができる。具体的には、例えば圧電薄膜23がSiO2薄膜である場合において、本実施形態のように圧電被駆動部22の面積を圧電振動部20の面積の1/5以上、1/3以下程度に設定することで、圧電振動部20の全体に圧電薄膜23を形成する場合よりも、圧電振動装置1の製造コストを約1.5〜3.0%程度低減することが見込まれる。
By reducing the thickness of the first and second temperature compensating insulating
なお、圧電振動部20の音速の温度係数を小さくするという観点からは、圧電被駆動部22の形成位置は特に限定されない。例えば、圧電振動部20の中央部に圧電被駆動部22を形成しても構わない。すなわち、電束密度が高い、輪郭振動モードにおける振動の節部に圧電被駆動部22を形成してもよい。但し、輪郭振動モードにおける振動の節部に圧電被駆動部22を形成した場合、圧電振動装置1の励振効率が大きく低下してしまうおそれがある。もっともその場合においても、圧電振動部20の音速の温度係数を小さくすることはできる。
From the viewpoint of reducing the temperature coefficient of sound velocity of the piezoelectric vibrating
ところで、圧電振動部20の全面に圧電薄膜23を形成した場合においても、圧電薄膜23の全体が振動に等しく寄与しているわけではない。圧電薄膜23のうち、電束密度が高い部分は振動に大きく寄与している一方、電束密度が低い部分は振動にそれほど寄与していない。すなわち、圧電振動部20の全面に圧電薄膜23を形成した場合においても、圧電薄膜23のうちの電束密度が高い部分のみが振動に実質的に寄与している。これに鑑み、本実施形態では、圧電振動部20の電束密度の平均値よりも低い電束密度を有し、輪郭振動モードにおける振動の腹部を含む部分の少なくとも一部には、圧電薄膜23を形成せず、当該部分を圧電被駆動部22とする構成が採用されている。この構成によれば、電束密度が低い輪郭振動モードにおける振動の腹部を含む部分を圧電被駆動部22としても、上述のように、その部分は振動にそれほど寄与していないのであるから、励振効率をそれほど低下させることなく、圧電薄膜23の体積を小さくすることが可能となる。
Incidentally, even when the piezoelectric
特に、本実施形態では、圧電薄膜23が形成された圧電駆動部21は、図9に示す等高線35bに実質的に沿った形状に形成されている。それによって、電束密度の高い部分を圧電駆動部21とし、圧電被駆動部22を電束密度の低い部分にのみ形成するようにすることができる。従って、特に高い励振効率を実現することができる。このように、高い励振効率を得る観点からは、圧電駆動部21及び圧電被駆動部22を等高線35に実質的に沿った形状に形成することが好ましいが、本発明は、この構成に限定されるものではない。例えば、圧電振動部20の加工性を考慮して圧電駆動部21及び圧電被駆動部22の形状を決定してもよい。
In particular, in the present embodiment, the
また、圧電振動部20の音速の温度係数をより小さくする観点から、圧電薄膜23に対する第1及び第2の温度補償用絶縁膜26,27の体積比は大きいほど好ましい。従って、第1及び第2の温度補償用絶縁膜26,27の面積は大きいほど好ましく、第1及び第2の温度補償用絶縁膜26,27が圧電振動部20の全面に形成されていることが特に好ましい。
Further, from the viewpoint of further reducing the temperature coefficient of sound velocity of the piezoelectric vibrating
同様に、圧電振動部20の音速の温度係数をより小さくする観点や圧電振動装置1の製造コストのさらなる低減という観点からは、圧電薄膜23の面積は小さいほど好ましい。言い換えれば、圧電被駆動部22の圧電振動部20に対する面積比が大きいほど好ましい。圧電振動部20の音速の温度係数をより小さくする観点や圧電振動装置1の製造コストの低減という観点からは、圧電被駆動部22の圧電振動部20に対する面積比が1/5以上であることが好ましい。そうすることで、圧電振動部20の音速の温度係数をより小さくできると共に、圧電振動装置1の製造コストをさらに低減することができる。
Similarly, the area of the piezoelectric
但し、圧電薄膜23の面積を小さくすると、圧電駆動部21の面積も小さくなる。このため、圧電薄膜23の面積を小さくすると、圧電振動装置1の励振特性が悪化する傾向にある。従って、良好な励振特性を得る観点からは、圧電薄膜23を形成しない圧電被駆動部22の面積を小さくすることが好ましい。具体的には、圧電振動部20の電束密度の平均値よりも電束密度が低い領域の面積が通常1/3程度であることを考慮し、圧電被駆動部22の圧電振動部20に対する面積比を1/3以下に設定することが好ましい。
However, when the area of the piezoelectric
すなわち、圧電被駆動部22の圧電振動部20に対する面積比を1/5以上、1/3以下に設定することで、圧電振動部20の音速の温度係数をより小さくできると共に、圧電振動装置1の製造コストをさらに低減することができる。
That is, by setting the area ratio of the piezoelectric driven
以上、本実施形態では、輪郭振動のうちの幅方向の振動を主とする拡がり振動モードを利用する場合について説明したが、本発明に係る圧電振動装置は、長さ方向の振動を主とする拡がり振動モード、幅方向及び長さ方向の両方に大きく振動する拡がり振動モード、長さ振動モードまたは幅振動モードを利用するものであってもよい。長さ方向の振動を主とする拡がり振動モード、幅方向及び長さ方向の両方に振動する拡がり振動モード、長さ振動モードまたは幅振動モードを利用する場合であっても、本実施形態と同様に、輪郭振動モードにおける振動の腹部を含む圧電振動部20の一部に圧電被駆動部22を形成することが好ましい。
As described above, in this embodiment, the case of using the spread vibration mode mainly including the vibration in the width direction of the contour vibration has been described. However, the piezoelectric vibration device according to the present invention mainly uses the vibration in the length direction. The spread vibration mode, the spread vibration mode that vibrates greatly in both the width direction and the length direction, the length vibration mode, or the width vibration mode may be used. Even in the case of using the spread vibration mode that mainly vibrates in the length direction, the spread vibration mode that vibrates in both the width direction and the length direction, the length vibration mode, or the width vibration mode, the same as in this embodiment In addition, it is preferable to form the piezoelectric driven
具体的には、本実施形態のように輪郭振動のうちの幅方向の振動を主とする拡がり振動モードや幅振動モードを利用する場合は、圧電振動部20の幅方向端部に圧電被駆動部22を形成することが好ましい。一方、輪郭振動のうちの長さ方向の振動を主とする拡がり振動モードや長さ振動モードを利用する場合は、圧電振動部20の長さ方向端部に圧電被駆動部22を形成することが好ましい。幅方向及び長さ方向の両方に大きく振動する拡がり振動モードを利用する場合は、圧電振動部20の周縁部全体に、圧電駆動部21を囲うように圧電被駆動部22を形成することが好ましい。
Specifically, when the spread vibration mode or the width vibration mode mainly including the vibration in the width direction of the contour vibration is used as in the present embodiment, the piezoelectric driven is applied to the end in the width direction of the
(圧電振動装置1の製造方法)
次に圧電振動装置1の製造方法について説明する。まず、基板10の上に、図2に示すギャップD形成用の犠牲層を形成する。犠牲層は、例えば、スパッタリング法やフォトエッチング法等により形成することができる。犠牲層の材料は、圧電薄膜23の成膜時における高温に耐え、かつ化学的に容易に除去できるものであることが好ましい。犠牲層の材料の具体例としては、例えば、Ge、Sb、Ti、Al、Cu等の金属や酸化亜鉛、燐酸シリケートガラスなどの無機材料、ポリテトラフルオロエチレンなどの有機性ポリマーなどが挙げられる。
(Method for Manufacturing Piezoelectric Vibration Device 1)
Next, a method for manufacturing the piezoelectric vibration device 1 will be described. First, a sacrificial layer for forming a gap D shown in FIG. 2 is formed on the
犠牲層の厚さは圧電振動部20が振動した際に圧電振動部20と基板10とが接触しない程度のギャップDが形成できる程度に設定することが好ましい。犠牲膜の厚さは、たとえば0.5μm以上数μm以下程度とすることができる。
The thickness of the sacrificial layer is preferably set to such an extent that a gap D can be formed so that the piezoelectric vibrating
次に、プラズマエッチングなどのプラズマ処理またはイオンエッチングなどにより犠牲層に対して平坦化処理を施す。これにより、例えば犠牲膜の表面荒さ(Ra)を5μm以下とする。次いで、犠牲膜の上に第1の温度補償用圧電膜26、第1の導電層28、圧電薄膜23、第2の導電層29及び第2の温度補償用圧電膜27を順次形成する。これらの膜及び層は、例えばスパッタリング法、化学気相蒸着法(CVD)、電子ビーム蒸着法等により形成した後、パターニングすることにより作製することができる。パターニング方法としては、例えばレーザートリミング法、イオンビーム法、フォトエッチング法及びリフトオフ法などが挙げられる。次いで、反応性イオンエッチングやウエットエッチングなどにより犠牲層を除去し、最後に、エッチングに用いたマスクを除去することにより圧電振動装置1を完成させることができる。
Next, the sacrificial layer is planarized by plasma processing such as plasma etching or ion etching. Thereby, for example, the surface roughness (Ra) of the sacrificial film is set to 5 μm or less. Next, a first temperature
(変形例)
上記実施形態では、圧電駆動部21が図9に示す電束密度の等高線35に沿った形状に形成されている例について説明したが、圧電駆動部21と圧電被駆動部22との界面が平面視した際に直線状となるように圧電駆動部21を形成してもよい。具体的には、図10に示す圧電振動装置1aのように、圧電駆動部21を平面形状が略矩形状となるように形成してもよい。この場合、圧電駆動部21の加工方法の自由度が拡がり、また圧電駆動部21の加工が容易となる。例えば、圧電駆動部21をレーザートリミングやイオンビームエッチング等の方法で容易に加工することが可能となる。
(Modification)
In the above embodiment, the example in which the
1…圧電振動装置
10…基板(基体)
20…圧電振動部
21…圧電駆動部
22…圧電被駆動部
23…圧電薄膜
23a…第1の主面
23b…第2の主面
24…上部電極(第1の電極)
25…下部電極(第2の電極)
26…第1の温度補償用絶縁膜(温度補償膜)
27…第2の温度補償用絶縁膜(温度補償膜)
30…支持部
D…ギャップ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
DESCRIPTION OF
25 ... Lower electrode (second electrode)
26. First temperature compensation insulating film (temperature compensation film)
27. Second insulating film for temperature compensation (temperature compensating film)
30 ... support part D ... gap
Claims (7)
前記基体の上方に配置され、対向し合う第1,第2の主面を有する圧電薄膜と、
前記圧電薄膜の第1の主面に形成された第1の電極と、
前記圧電薄膜を介して少なくとも一部が前記第1の電極と重なり合うように前記圧電薄膜の第2の主面に形成された第2の電極と、
前記圧電薄膜の第1の主面側と第2の主面側とのうちの少なくとも一方側に、前記第1の電極または前記第2の電極を介して前記圧電薄膜と少なくとも一部が重なり合うように積層され、前記圧電薄膜、前記第1の電極及び前記第2の電極と共に圧電振動部を構成する温度補償膜と、
前記基体に固定されており、前記基体に対してギャップを隔てて浮かされた状態で前記圧電振動部を支持する支持部とを備え、
前記圧電振動部の輪郭振動モードを利用しており、
前記圧電振動部は、前記第1及び第2の電極と前記圧電薄膜とが形成された圧電駆動部と、前記圧電薄膜が形成されていない圧電被駆動部とを含み、
前記圧電被駆動部は、輪郭振動モードにおける振動の腹部を含む前記圧電振動部の一部に形成されており、
前記温度補償膜の面積は、前記圧電薄膜の面積よりも大きくされている、圧電振動装置。 A substrate;
A piezoelectric thin film having a first main surface and a second main surface, which are arranged above the base and face each other;
A first electrode formed on a first main surface of the piezoelectric thin film;
A second electrode formed on the second main surface of the piezoelectric thin film so that at least a portion thereof overlaps the first electrode via the piezoelectric thin film;
At least a part of the piezoelectric thin film overlaps at least one of the first main surface side and the second main surface side of the piezoelectric thin film via the first electrode or the second electrode. A temperature compensation film that is laminated with the piezoelectric thin film, the first electrode, and the second electrode to form a piezoelectric vibration unit;
A support part that is fixed to the base body and supports the piezoelectric vibration part in a state of being floated with a gap with respect to the base body;
Utilizing the contour vibration mode of the piezoelectric vibration part,
The piezoelectric vibration unit includes a piezoelectric driving unit in which the first and second electrodes and the piezoelectric thin film are formed, and a piezoelectric driven unit in which the piezoelectric thin film is not formed,
The piezoelectric driven part is formed in a part of the piezoelectric vibration part including a vibration abdomen in a contour vibration mode,
The piezoelectric vibration device, wherein an area of the temperature compensation film is larger than an area of the piezoelectric thin film.
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