JP2009239860A - 圧電振動片及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、振動周波数が温度変化の影響を受けにくい特性を有する圧電振動片及びその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】腕部１８と励振部２３とからなる部位が、温度が高くなるほど固有振動周波数が低くなる特性を有するベース１を用意する。その後に、腕部１８の第１の区間１９に、温度が高くなるほど固有振動周波数が高くなる特性を有するシリコン酸化膜３０を、膜厚を調整して支持させることで、腕部１８と励振部２３とからなる部位の温度に対する固有振動周波数の特性を調整する。その後に、腕部１８の第１の区間１９よりも基部１６から離れた第２の区間２１に、錘金属膜２８を、膜厚を調整して支持させることで、腕部１８の駆動時の振動周波数を調整する。振動周波数の調整は、シリコン酸化膜３０の膜厚に影響を与えないように行う。
【選択図】図３

Description

本発明は、圧電振動片及びその製造方法に関する。

従来、発振器などに使用される圧電振動片の振動周波数を調整するために、レーザービームによって振動腕の金属膜の一部を除去することが知られている（特許文献１）。詳しくは、金属膜の一部を除去することで、その重さが減少して、振動周波数が調整される。しかし、圧電振動片は、温度が変化すると振動周波数も変化するので何らかの対策が必要であった。具体的には、シリコンをベースに圧電膜を形成した振動片は、温度に対する周波数変動が、負の温度係数を有し、また、その温度係数の絶対値が大きい。また、温度係数の絶対値が比較的小さい水晶をベースに圧電膜を形成した振動片であっても、小型化に伴ない圧電膜の温度係数の影響が大きくなり、使用温度による周波数の差が大きいことが問題となる。そのため、周波数の温度係数を補償する対策が必要であった。
特開２００２−２５２５４６号公報

本発明は、振動周波数が温度変化の影響を受けにくい特性を有する圧電振動片及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、上述の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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
［適用例１］本適用例に係る圧電振動片の製造方法は、
（ａ）基部及び前記基部から延びる腕部と、前記腕部の長さ方向の第１の区間に支持された励振部と、を含むベースであって、前記腕部と前記励振部とからなる部位が、温度が高くなるほど固有振動周波数が低くなる特性を有するベースを用意する工程と、
（ｂ）前記（ａ）工程後に、前記腕部の前記第１の区間に、シリコン酸化膜を、膜厚を調整して支持させることで、前記腕部と前記励振部とからなる前記部位の温度に対する固有振動周波数の特性を調整する工程と、
（ｃ）前記（ｂ）工程後に、前記腕部の前記第１の区間よりも前記基部から離れた第２の区間に、錘金属膜を、支持させることで、前記腕部の駆動時の振動周波数を調整する工程と、
を含み、
前記（ｃ）工程は、前記金属膜の膜厚を選択的に調整する工程を含む。本適用例によれば、温度が高くなるほど固有振動周波数が低くなる特性を有するベースに、これとは反対の特性を有するシリコン酸化膜を支持させることで、特性が打ち消し合って、振動周波数が温度変化の影響を受けにくい特性になる。
［適用例２］本適用例に係る圧電振動片の製造方法において、
前記基部及び前記腕部はシリコン又は水晶からなり、
前記励振部は圧電膜と前記圧電膜を挟む一対の電極膜とを有する。
［適用例３］本適用例に係る圧電振動片の製造方法において、
前記（ｂ）工程は、さらに、前記シリコン酸化膜をエッチング工程を有する。
［適用例４］本適用例に係る圧電振動片の製造方法において、
前記（ｃ）工程前に、前記錘金属膜を前記ベースに形成し、
前記（ｃ）工程で、前記錘金属膜の一部を除去する。
［適用例５］本適用例に係る圧電振動片は、
基部及び前記基部から延びる腕部と、前記腕部の長さ方向の第１の区間に支持された励振部と、を含むベースであって、前記腕部と前記励振部とからなる部位が、温度が高くなるほど固有振動周波数が低くなる特性を有するベースと、
前記腕部の前記第１の区間に支持され、前記腕部と前記励振部とからなる部位の温度が高くなるほど固有振動周波数が高くなる特性を調整シリコン酸化膜と、
前記腕部の前記第１の区間よりも前記基部から離れた第２の区間に支持された錘金属膜と、
を含む。
[適用例６] 本適用例に係る圧電振動片において、
前記基部及び前記腕部はシリコン又は水晶からなり、
前記励振部は圧電膜と前記圧電膜を挟む一対の電極膜とを有する圧電振動片。

図１（Ａ）〜図４は、本発明の実施の形態に係る圧電振動片の製造方法を説明する図である。本実施の形態では、ベース１を用意する。図１（Ａ）〜図１（Ｃ）は、ベースを用意するまでの工程を説明する図である。

ベース１は、基部１６及び基部１６から延びる腕部１８を有する支持体１０を含む。支持体１０は、水晶（例えば、Ｚカット板、ＡＴカット板、Ｘカット板）から構成してもよいし、シリコンから構成してもよい。支持体１０は、相互に反対を向いて厚みを定義する第１及び第２の表面１２，１４を有する。支持体１０は、基部１６及び基部１６から厚み方向に直交して延びる１つ又は複数（奇数個）の腕部１８を含む。複数の腕部１８の並ぶ方向において中間に位置する１つの腕部１８の幅は、残りの腕部１８の幅よりも広くてもよいし、同じであってもよい。ただし、全ての腕部１８は、同じ厚みになっている。この形状は、板材をエッチング（ウエットエッチング及びドライエッチングの少なくとも一方）することによって得ることができる。

図１（Ａ）に示すように、腕部１８のそれぞれの第１の表面１２に下部電極膜２０を形成する。腕部１８の並ぶ方向において奇数番目（以下、単に「奇数番目」という。）の複数の腕部１８上の下部電極膜２０は、相互に電気的に接続されるように形成する。腕部１８の並ぶ方向において偶数番目（以下、単に「偶数番目」という。）の腕部１８が複数ある場合（図示せず）には、偶数番目の複数の腕部１８上の下部電極膜２０は、相互に電気的に接続されるように形成する。下部電極膜２０は、基部１６上に至るように形成し、基部１６上で下部電極膜２０を電気的に接続する。下部電極膜２０の形成は、スパッタリングや蒸着によって導電膜を形成し、その後、導電膜をエッチングによってパターニングするプロセスを含んでもよい。あるいは、パターニングされたマスクを支持体１０に形成してから、支持体１０のマスクに覆われていない領域に導電膜を形成してもよい。

図１（Ｂ）に示すように、下部電極膜２０上に圧電膜２２を形成する。圧電膜２２は、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＰＺＴなどの水晶よりも圧電性の高い材料から形成する。圧電膜２２は、下部電極膜２０の、腕部１８上の部分の全体を覆っている。圧電膜２２は、下部電極膜２０の、基部１６上の部分に開口２４を有するように形成する。開口２４は、奇数番目（又は偶数番目）の腕部１８上にある下部電極膜２０を電気的に接続する部分に配置する。圧電膜２２の形成には、材料を除いて、下部電極膜２０を形成する技術の他、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法、ゾルゲル法などを適用することができる。

図１（Ｃ）に示すように、圧電膜２２上に上部電極膜２６を形成する。奇数番目の複数の腕部１８上の上部電極膜２６は、相互に電気的に接続されるように形成されている。偶数番目の腕部１８が複数ある場合（図示せず）には、偶数番目の複数の腕部１８上の上部電極膜２６は、相互に電気的に接続されるように形成されている。上部電極膜２６は、基部１６上に至るように形成し、基部１６上で上部電極膜２６を電気的に接続する。また、上部電極膜２６は、圧電膜２２の開口２４を介して、下部電極膜２０と電気的に接続させる。詳しくは、奇数番目の腕部１８上にある下部電極膜２０と、偶数番目の腕部１８上にある上部電極膜２６とを電気的に接続し、偶数番目の腕部１８上にある下部電極膜２０と、奇数番目の腕部１８上にある上部電極膜２６とを電気的に接続する。上部電極膜２６の形成には、下部電極膜２０を形成する技術を適用することができる。

例えば上述した工程によってベース１を用意する。ベース１は、基部１６及び基部１６から延びる腕部１８を含む。ベース１は、腕部１８の長さ方向の第１の区間１９に支持された上部電極膜２６と、下部電極膜２０と、それらに挟まれた圧電膜２２を含む。腕部１８の第１の区間１９に支持された上部電極膜２６と、下部電極膜２０と、それらに挟まれた圧電膜２２とが励振部２３を構成する。ここで、第１の区間および励振部は、腕部の長さよりも短くして基部に近く配置するが、腕部１８の基部との付根から先端まで形成しても良い。このように形成された腕部１８と励振部２３からなる部位は、温度が高くなるほど固有振動周波数が低くなる特性（以下「負特性」という。）を有する。支持体１０がシリコンで形成される場合は、支持体１０自体が負特性を有する。支持体１０が水晶で形成される場合は、支持体１０自体は固有振動周波数は温度に影響されにくい特性を有するが、上部電極膜２６及び下部電極膜２０が金属から構成されるとそれが負特性を有するので、腕部１８および励振部２３からなる部位が全体として負特性を有することになる。特に小型化した場合には強い負特性になる。

本実施の形態では、腕部１８の第１の区間１９に、シリコン酸化膜３０をその膜厚を調整して支持させる。シリコン酸化膜３０は、温度が高くなるほど固有振動周波数が高くなる特性（正特性）を有する。これにより、腕部１８および励振部２３からなる部位の温度に対する固有振動周波数の特性を調整する。本実施の形態によれば、温度が高くなるほど固有振動周波数が低くなる特性を有するベース１に、これとは反対の特性を有するシリコン酸化膜３０を支持させることで、特性が打ち消し合って、振動周波数が温度変化の影響を受けにくい特性になる。

温度に対する固有振動周波数の特性を調整した後に、腕部１８の第１の区間１９よりも基部１６から離れた第２の区間２１に、錘金属膜２８を、膜厚を調整して支持させる。これにより、腕部１８の駆動時の振動周波数を調整する。この工程は、腕部１８の第１の区間１９では、シリコン酸化膜３０の膜厚に影響を与えないように行う。そこで、錘金属膜２８の膜厚を選択的に調整する。ただし、シリコン酸化膜３０の膜厚の一部が変化しても、第１の区間以外の領域での変化であれば、シリコン酸化膜３０による温度特性の補償効果は確保できる。

温度に対する固有振動周波数の特性を調整する工程は、シリコン酸化膜３０をベース１に形成する工程と、その後にシリコン酸化膜３０をエッチングする工程と、を含んでもよい。また、腕部１８の駆動時の振動周波数を調整する工程は、錘金属膜２８をベース１に形成する工程と、その後に錘金属膜２８をトリミングする工程と、を含んでもよい。具体的な工程の一例を挙げると次の通りである。

図２〜図４は、温度に対する固有振動周波数の特性を調整する工程と、腕部１８の駆動時の振動周波数を調整する工程を説明する図である。

図２に示すように、少なくとも腕部１８の第１の区間１９にシリコン酸化膜３０を形成する。シリコン酸化膜３０は、腕部１８の全体に形成してもよいし、基部１６にも形成してよい。シリコン酸化膜３０は、上部電極膜２６の上に形成すればその後にエッチング可能である。あるいは、シリコン酸化膜３０を、下部電極膜２０の下（第１の表面１２上）に形成しても、下部電極膜２０からはみ出す部分はエッチング可能である。シリコン酸化膜３０は、第２の表面１４にも形成してよいが、錘金属膜２８をその後トリミングするにはこれを覆わないように形成する。さらに、シリコン酸化膜３０は、少なくとも腕部１８の第１の区間１９において、腕部１８の側面（第１及び第２の表面１２，１４を接続する面。以下同じ。）に形成してもよいし、基部１６の側面に形成してもよいし、支持体１０全体の側面に形成してもよい。

また、腕部１８の第２の表面１４に錘金属膜２８を形成する。錘金属膜２８は、腕部１８の、基部１６とは反対側の先端部（腕部１８の長さ方向の中間点よりも先端側の部分）の第２の区間２１に形成する。第２の表面１４には、錘金属膜２８を除いて、電極膜が形成されていない。

図３に示すように、シリコン酸化膜３０をエッチングする。エッチングには、ＣＦ_４，Ｃ_２Ｆ_６などのプラズマガスを使用したドライエッチングを適用することができる。シリコン酸化膜３０をエッチングするときに、これが形成されていない部分（例えば腕部１８の側面など）がエッチングされてもよい。また、シリコン酸化膜３０をエッチングするときに、錘金属膜２８の表面がエッチングされるとしても、錘金属膜２８を残すようにエッチングを止める。あるいは、錘金属膜２８をマスクで覆ってエッチングを防止してもよい。

図４に示すように、錘金属膜２８を除去する。この工程は、腕部１８の第１の区間１９のシリコン酸化膜３０の膜厚に影響を与えないように行う。そこで、錘金属膜２８の膜厚を選択的に調整するが、第１の区間１９以外では、シリコン酸化膜３０の膜厚に影響をあたえてもシリコン酸化膜３０による周波数の温度特性を補償する機能を確保できる。錘金属膜２８の除去は、錘金属膜２８に対してレーザービーム照射によるトリミングやイオンビームによる膜厚調整によって行う。ここで、シリコン酸化膜３０の膜厚の一部が変化しても、第１の区間以外の領域での変化であれば、シリコン酸化膜３０による温度特性の補償効果は確保できる。そのため、レーザービームやイオンビームの照射範囲を、錘金属膜２８が形成されている第２の領域よりも広くすることができる。錘金属膜２８の除去によって、錘金属膜２８を軽くすることができる。錘金属膜２８が形成された腕部１８の先端部の重さが重いほど腕部１８の振動周波数が低くなり、軽いほど腕部１８の振動周波数が高くなる。これを利用して周波数調整を行うことができる。周波数調整は、圧電振動片を駆動させてその振動周波数を測定しながら行う。

本実施の形態に係る圧電振動片１００は、ベース１を含む。ベース１は、基部１６及び基部１６から延びる腕部１８と、腕部１８の長さ方向の第１の区間１９に支持された上部電極膜２６と、下部電極膜２０と、それらに挟まれた圧電膜２２を含む。腕部１８の第１の区間１９に支持された上部電極膜２６と、下部電極膜２０と、それらに挟まれた圧電膜２２が励振部２３を構成する。支持部１０と励振部２３は、温度が高くなるほど固有振動周波数が低くなる特性を有する。腕部１８の第１の区間１９には、温度が高くなるほど固有振動周波数が高くなる特性を有するシリコン酸化膜３０が支持されている。腕部１８の第１の区間１９よりも基部１６から離れた第２の区間２１には錘金属膜２８が支持されている。

図５は、本発明の実施の形態に係る圧電振動片を備えた圧電振動子の製造方法を説明する図である。本実施の形態では、上述したプロセスによって圧電振動片１００を得る。

振動子の製造方法では、パッケージ３２を用意する。パッケージ３２は、圧電振動片１００を固定するための底部３４と、底部３４に接続され、圧電振動片１００を囲う枠壁部３６と、を含む。パッケージ３２は、その全体を金属で形成してもよいが、主としてセラミックス等の非金属で形成する場合には、枠壁部３６の上端面はメタライズされている。底部３４には、真空引きを行うための通気孔３８が形成されている。パッケージ３２（底部３４）の内面には固定電極４０が形成されている。パッケージ３２（底部３４）の外面には外部端子４２が形成されている。固定電極４０と外部端子４２は図示しない配線で電気的に接続されている。外部端子４２は、ハンダなどによって回路基板の配線パターン（図示せず）に実装される。パッケージ３２の枠壁部３６には、ロウ接合によってリング４４を固定しておく。

そして、圧電振動片１００をパッケージ３２の内部に収容する。圧電振動片１００は、第２の表面１４を底部３４に向けて、上部電極膜２６又は下部電極２０から支持部１０の側面又は開口２４を通って第１の表面１２に引き出される引出し電極２５が固定電極４０に対向するように配置される。圧電振動片１００は、腕部１８が基部１６から枠壁部３６に向かって延びるように固定する。引出し電極２５と固定電極４０とを接合部材４６（狭義には導電性接着剤）を介して電気的機械的に接続し、基部１６を底部３４に固定して、腕部１８をパッケージ３２から浮かす。底部３４は、腕部１８の先端部と対向する領域が低くなっており、腕部１８が曲がっても底部３４に接触し難いようになっている。

パッケージ３２と圧電振動片１００の固定は接合部材４６によって図る。接合部材４６は、導電性樹脂材料やハンダ等の金属材料であってもよい。金属材料は加熱してもガスが出ないので好ましい。接合部材４６は、基部１６とパッケージ３２を接合し、腕部１８をパッケージ３２から浮いた状態に保持する。接合部材４６は、基部１６にある上部電極膜２６と固定電極４０を電気的及び機械的に接合する。

リング４４には、蓋４８を固定する。蓋４８は、圧電振動片１００が固定されるパッケージ３２とオーバーラップしてパッケージ３２の開口を塞ぐ。蓋４８は、表面及び裏面を貫通する貫通穴５０を有する。貫通穴５０は、円形の開口形状をなしている。蓋４８は、ガラス又は樹脂などの材料からなる光透過性部材５２を含む。光透過性部材５２は、貫通穴５０の内面に密着してなる。光透過性部材５２を通して、レーザービームを照射して、錘金属膜２８をトリミングしてもよい。パッケージ３２の開口を蓋４８によって塞いだ後に、パッケージ３２に形成された通気孔３８を介して、蓋４８によって塞がれたパッケージ３２内を真空にし、その後、ロウ材５４で通気孔３８を塞ぐ。

図６は、本発明の形態に係る製造方法により製造された圧電振動子の動作を説明する断面図である。本実施の形態により製造される圧電振動子は、上記プロセスから自明な構成を含む。

本実施の形態では、上部電極膜２６と下部電極膜２０は、クロス配線によって交流電源に接続され、駆動電圧としての交番電圧が印加されるようになっている。奇数番目の腕部１８の上部電極膜２６と偶数番目の腕部１８の下部電極膜２０が同電位であり、奇数番目の腕部１８の下部電極膜２０と偶数番目の腕部１８の上部電極膜２６が同電位である。上部電極膜２６と下部電極膜２０の間に電圧を印加し、圧電膜２２を伸縮させることで、支持体１０の腕部１８を屈曲振動させる。腕部１８は、第１又は第２の表面１２，１４が向く方向に屈曲する。基本波モードの固有振動周波数で駆動すると、奇数番目の腕部１８と偶数番目の腕部１８は、互いに逆相振動となるように励振されて屈曲振動する。

圧電振動子１００を使用して、発振器又はセンサを構成することができる。圧電振動子１００を含む発振回路で発振器を構成すると、周波数精度の高い交流信号を得ることができる。また、圧電振動子１００を使用したセンサは、物理量に応じて振動片の周波数が変動することを利用してその物理量を検出するセンサである。例えば、温度、加速度によって発生する応力、角速度によって発生するコリオリ力などを検出するセンサが例に挙げられる。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、錘金属膜２８を第１の表面１２に形成しても良い。また、第２の表面１４をパッケージ３２の底部３４に向けて圧電振動片１００を配置してもよい。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び結果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

本発明の実施の形態に係る圧電振動片の製造方法を説明する図である。 本発明の実施の形態に係る圧電振動片の製造方法を説明する図である。 本発明の実施の形態に係る圧電振動片の製造方法を説明する図である。 本発明の実施の形態に係る圧電振動片の製造方法を説明する図である。 本発明の実施の形態に係る圧電振動片を備えた圧電振動子の製造方法を説明する図である。 本発明の形態に係る製造方法により製造された圧電振動子の動作を説明する断面図である。

符号の説明

１…ベース、 １０…支持体、 １２…第１の表面、 １４…第２の表面、 １６…基部、 １８…腕部、 １９…第１の区間、 ２０…下部電極膜、 ２１…第２の区間、 ２２…圧電膜、 ２３…励振部、 ２４…開口、 ２５…引出し電極、 ２６…上部電極膜、 ２８…錘金属膜、 ３０…シリコン酸化膜、 ３２…パッケージ、 ３４…底部、 ３６…枠壁部、 ３８…通気孔、 ４０…固定電極、 ４２…外部端子、 ４４…リング、 ４６…接合部材、 ４８…蓋、 ５０…貫通穴、 ５２…光透過性部材、 ５４…ロウ材、 １００…圧電振動片

Claims (6)

1. （ａ）基部及び前記基部から延びる腕部と、前記腕部の長さ方向の第１の区間に支持された励振部と、を含むベースであって、前記腕部と前記励振部とからなる部位が、温度が高くなるほど固有振動周波数が低くなる特性を有するベースを用意する工程と、
   （ｂ）前記（ａ）工程後に、前記腕部の前記第１の区間に、シリコン酸化膜を、膜厚を調整して支持させることで、前記腕部と前記励振部とからなる前記部位の温度に対する固有振動周波数の特性を調整する工程と、
   （ｃ）前記（ｂ）工程後に、前記腕部の前記第１の区間よりも前記基部から離れた第２の区間に、錘金属膜を、支持させることで、前記腕部の駆動時の振動周波数を調整する工程と、
   を含み、
   前記（ｃ）工程は、前記錘金属膜の膜厚を選択的に調整する工程を含む圧電振動片の製造方法。
2. 請求項１に記載された圧電振動片の製造方法において、
   前記基部及び前記腕部はシリコン又は水晶からなり、
   前記励振部は圧電膜と前記圧電膜を挟む一対の電極膜とを有する圧電振動片の製造方法。
3. 請求項１又は２に記載された圧電振動片の製造方法において、
   前記（ｂ）工程は、さらに、前記シリコン酸化膜をエッチングする工程を有する圧電振動片の製造方法。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載された圧電振動片の製造方法において、
   前記（ｃ）工程は、さらに、前記錘金属膜の一部を除去する工程を有する圧電振動片の製造方法。
5. 基部及び前記基部から延びる腕部と、前記腕部の長さ方向の第１の区間に支持された励振部と、を含むベースであって、前記腕部と前記励振部とからなる部位が、温度が高くなるほど固有振動周波数が低くなる特性を有するベースと、
   前記腕部の前記第１の区間に支持され、前記腕部と前記励振部とからなる部位の温度が高くなるほど固有振動周波数が高くなる特性を調整するシリコン酸化膜と、
   前記腕部の前記第１の区間よりも前記基部から離れた第２の区間に支持された錘金属膜と、
   を含む圧電振動片。
6. 請求項５に記載された圧電振動片において、
   前記基部及び前記腕部はシリコン又は水晶からなり、
   前記励振部は圧電膜と前記圧電膜を挟む一対の電極膜とを有する圧電振動片。

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