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WO2020213210A1 - 共振子及び共振装置 - Google Patents

共振子及び共振装置 Download PDF

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WO2020213210A1
WO2020213210A1 PCT/JP2019/048616 JP2019048616W WO2020213210A1 WO 2020213210 A1 WO2020213210 A1 WO 2020213210A1 JP 2019048616 W JP2019048616 W JP 2019048616W WO 2020213210 A1 WO2020213210 A1 WO 2020213210A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
vibrating portion
substrate
recess
resonator
vibration
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2019/048616
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
西村　俊雄
ヴィレ カーヤカリ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Murata Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Murata Manufacturing Co Ltd filed Critical Murata Manufacturing Co Ltd
Priority to JP2021514795A priority Critical patent/JP7324411B2/ja
Priority to CN201980094259.8A priority patent/CN113574800B/zh
Publication of WO2020213210A1 publication Critical patent/WO2020213210A1/ja
Priority to US17/478,437 priority patent/US12155369B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
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    • H03H9/24—Constructional features of resonators of material which is not piezoelectric, electrostrictive, or magnetostrictive
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    • H03H9/02—Details
    • H03H9/05—Holders or supports
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    • H03H9/17—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator
    • H03H9/171—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator implemented with thin-film techniques, i.e. of the film bulk acoustic resonator [FBAR] type
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    • H03H3/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators
    • H03H3/007—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks
    • H03H3/013—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks for obtaining desired frequency or temperature coefficient
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    • H03H9/02—Details
    • H03H9/02007—Details of bulk acoustic wave devices
    • H03H9/02157—Dimensional parameters, e.g. ratio between two dimension parameters, length, width or thickness

Definitions

  • the present invention relates to a resonator and a resonator that vibrate in the contour vibration mode.
  • a resonance device using a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology has been used as, for example, a timing device.
  • This resonance device is mounted on a printed circuit board incorporated in an electronic device such as a smartphone.
  • the resonator includes an upper substrate that forms a cavity between the lower substrate and the lower substrate, and a resonator arranged in the cavity between the lower substrate and the upper substrate.
  • Patent Document 1 includes a rectangular piezoelectric body and a plurality of resonance electrodes formed on the outer surface of the piezoelectric body, and determines the length of the short sides of a pair of rectangular surfaces on both sides of the piezoelectric body in the polarization direction.
  • the length of the long side is b
  • the Poisson ratio of the material constituting the piezoelectric body is ⁇
  • the ratio b / a of the lengths of the long side and the short side has a predetermined value.
  • the width is within ⁇ 10% as the center, and the width expansion mode has a resonance portion that excites the width expansion mode with the short side direction as the width direction when an AC voltage is applied between a plurality of resonance electrodes.
  • the structure in the thickness direction of the vibrating vibrating portion for example, in the Z-axis direction becomes asymmetric, and the vibrating portion bends in the Z-axis direction, so that the vibrating portion is bent.
  • the support portion connecting the holding portion and the holding portion is displaced in the Z-axis direction.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a resonator and a resonator device capable of improving the confinement of vibration.
  • the resonator according to one aspect of the present invention is A vibrating portion that includes a substrate, a first electrode formed on one main surface of the substrate, and a piezoelectric layer arranged between the substrate and the first electrode, and vibrates with contour vibration as the main vibration.
  • a holding part formed so as to surround at least a part of the vibrating part, A support portion for connecting the vibrating portion and the holding portion is provided.
  • the vibrating portion has a recess on one main surface from which the piezoelectric layer has been removed.
  • the resonator according to one aspect of the present invention is With the resonator mentioned above A lid and a lid are provided.
  • the confinement of vibration can be improved.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing the appearance of the resonance apparatus according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view schematically showing the structure of the resonance device shown in FIG.
  • FIG. 3 is a plan view schematically showing the structure of the resonator shown in FIG.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a cross section taken along the line IV-IV shown in FIG.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a cross section taken along the line VV shown in FIG.
  • FIG. 6 is a graph showing an example of the relationship between the displacement in the length direction (Y-axis direction) of the support unit and the aspect ratio of the vibrating portion.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view schematically showing the structure of the resonance device shown in FIG.
  • FIG. 3 is a plan view schematically showing the structure of the resonator shown in FIG.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of
  • FIG. 7 is a graph showing an example of the relationship between the displacement in the thickness direction (Z-axis direction) of the support unit and the aspect ratio of the vibrating portion.
  • FIG. 8 is a graph showing an example of the relationship between the magnitude of displacement in the thickness direction (Z-axis direction) of the support unit and the aspect ratio of the vibrating portion.
  • FIG. 9 is a graph showing an example of the relationship between the evaluation index in the thickness direction (Z-axis direction) of the support unit and the aspect ratio of the vibrating portion.
  • FIG. 10 is a perspective view showing a first modification of the configuration around the vibrating portion shown in FIG.
  • FIG. 11 is a perspective view showing a second modification of the configuration around the vibrating portion shown in FIG.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing the appearance of the resonance device 1 according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view schematically showing the structure of the resonance device 1 shown in FIG.
  • the resonance device 1 includes a resonator 10, a lower lid 20, and an upper lid 30. That is, the resonator 1 is configured by stacking the lower lid 20, the resonator 10, and the upper lid 30 in this order.
  • the lower lid 20 and the upper lid 30 of the present embodiment correspond to an example of the "lid body" of the present invention.
  • the side of the resonance device 1 where the upper lid 30 is provided is referred to as the upper side (or the front side), and the side where the lower lid 20 is provided is referred to as the lower side (or the back side).
  • the resonator 10 is a MEMS oscillator manufactured using MEMS technology.
  • the resonator 10 and the lower lid 20 and the upper lid 30 are joined to each other.
  • the resonator 10, the lower lid 20, and the upper lid 30 are each formed by using a silicon (Si) substrate (hereinafter, referred to as “Si substrate”), and the Si substrates are bonded to each other.
  • Si substrate silicon substrate
  • the resonator 10 and the lower lid 20 may be formed by using an SOI substrate.
  • the upper lid 30 extends in a flat plate shape along the XY plane, and for example, a flat rectangular parallelepiped recess 31 is formed on the back surface thereof.
  • the recess 31 is surrounded by the side wall 33 and forms a part of the vibration space, which is the space where the resonator 10 vibrates.
  • the upper lid 30 does not have a recess 31 and may have a flat plate shape. Further, a getter layer may be formed on the surface of the concave portion 31 of the upper lid 30 on the resonator 10 side.
  • the lower lid 20 includes a rectangular flat plate-shaped bottom plate 22 provided along the XY plane, and a side wall 23 extending from the peripheral edge of the bottom plate 22 in the Z-axis direction, that is, in the stacking direction of the lower lid 20 and the resonator 10.
  • the lower lid 20 is formed with a recess 21 formed by the surface of the bottom plate 22 and the inner surface of the side wall 23 on the surface facing the resonator 10.
  • the recess 21 forms a part of the vibration space of the resonator 10.
  • the lower lid 20 does not have a recess 21 and may have a flat plate shape. Further, a getter layer may be formed on the surface of the recess 21 of the lower lid 20 on the resonator 10 side.
  • the vibration space of the resonator 10 is hermetically sealed by the above-mentioned upper lid 30 and lower lid 20, and the vacuum state is maintained.
  • the vibration space may be filled with a gas such as an inert gas.
  • FIG. 3 is a plan view schematically showing the structure of the resonator 10 shown in FIG.
  • the resonator 10 is a MEMS oscillator manufactured by using MEMS technology.
  • the resonator 10 includes a vibrating unit 120, a holding unit 140, and a support unit 110.
  • the support unit 110 of the present embodiment corresponds to an example of the "support portion" of the present invention.
  • the vibrating unit 120 has a rectangular contour that extends along the XY plane in the Cartesian coordinate system shown in FIG. 3 when the surface facing the upper lid 30 is viewed in a plane.
  • the vibrating portion 120 is provided inside the holding portion 140, and a space is formed between the vibrating portion 120 and the holding portion 140 at a predetermined interval.
  • the vibrating portion 120 has a main surface having a length L along the Y-axis direction and a width W along the X-axis direction.
  • the aspect ratio (dimensional ratio) of the vibrating portion 120 is represented by the length L with respect to the width W, that is, L / W.
  • the length L is about 171 ⁇ m and the width W is about 120 ⁇ m.
  • the aspect ratio L / W is about 1.425.
  • the vibrating unit 120 includes the metal layer E1.
  • the metal layer E1 has a shape along the contour of the vibrating portion 120. In a plan view, the length of the metal layer E1 along the Y-axis direction is substantially the same as the length L of the vibrating portion 120, and the width along the X-axis direction is substantially the same as the width W of the vibrating portion 120.
  • the metal layer E1 is not limited to the shape along the contour of the vibrating portion 120, and may be formed from one end to the other end of the vibrating portion 120 in the Y-axis direction. Further, the metal layer E1 of the present embodiment corresponds to an example of the "first electrode" of the present invention.
  • a protective film 125 is formed on the surface of the vibrating portion 120 (the surface facing the upper lid 30) so as to cover the entire surface thereof. Details of the protective film 125 will be described later.
  • the vibrating unit 120 has, for example, four recesses 121.
  • Each recess 121 has a square shape in a plan view, and has a side length of about 9 ⁇ m.
  • each recess 121 is arranged at a position offset from the center of the vibrating portion 120 when viewed in a plan view. That is, each recess 121 is formed at a position separated from the center line CL1 in the Y-axis direction of the vibrating portion 120 by a length Loff. Further, each recess 121 is formed at a position separated from the center line CL2 in the X-axis direction of the vibrating portion 120 by a width Woff.
  • the offset ratio in the Y-axis direction in each recess 121 is represented by the length Loff with respect to the length L of the vibrating portion 120, that is, Loff / L.
  • the offset ratio in the Y-axis direction is, for example, about 0.4.
  • the offset ratio in the X-axis direction in each recess 121 is represented by the width Woff with respect to the width W of the vibrating portion 120, that is, Woff / W.
  • the offset ratio in the X-axis direction is, for example, about 0.2.
  • the holding portion 140 is formed in a rectangular frame shape so as to surround the outside of the vibrating portion 120 along the XY plane.
  • the holding portion 140 may be provided so as to surround at least a part of the periphery of the vibrating portion 120, and is not limited to the frame shape.
  • the holding portion 140 may be provided around the vibrating portion 120 so as to hold the vibrating portion 120 and to be joined to the upper lid 30 and the lower lid 20.
  • the holding portion 140 includes prismatic frame bodies 140a to 140d that are integrally formed. As shown in FIG. 3, the frame bodies 140a and 140b are provided so as to face the short side of the vibrating portion 120 and have the longitudinal direction parallel to the X-axis direction. Further, the frame bodies 140c and 140d are provided so as to face the long side of the vibrating portion 120 and have a longitudinal direction parallel to the Y-axis direction, and are connected to both ends of the frame bodies 140a and 140b at both ends thereof.
  • the frame body 140c is connected by a support unit 110 near the center thereof.
  • the support unit 110 is provided inside the holding portion 140 and in the space between the short side of the vibrating portion 120 and the frame body 140b.
  • the support unit 110 connects the short side of the vibrating portion 120 and the frame body 140b of the holding portion 140.
  • the metal layer E1 described above is formed on the surface of the support unit 110 from the vibrating portion 120 to the frame body 140b.
  • the support unit 110 of this embodiment includes a node generation unit 130.
  • the node generation unit 130 is connected to the short side of the vibration unit 120 by the arm 111a, and is connected to the frame body 140b of the holding unit 140 by the arm 111b. Further, the node generation unit 130 has a side 131 facing the short side of the vibration unit 120, and is connected to the arm 111a at the side 131.
  • the node generation unit 130 has a shape in which the width along the X-axis direction narrows from the arm 111a to the arm 111b. Further, the node generation unit 130 has a shape that is line-symmetrical with respect to the perpendicular bisector of the side 131. The node generation unit 130 has a portion having the maximum width along the Y-axis direction on the arm 111a side of the center in the X-axis direction. In the present embodiment, the width of the node generation unit 130 along the Y-axis direction is maximum on the side 131 and gradually narrows from the arm 111a to the arm 111b, and the apex and arm of the node generation unit 130. It becomes the narrowest at the connection point with 111b.
  • the width of the node generation unit 130 along the Y-axis direction does not have to be continuously narrowed. For example, even if the node generation unit 130 has a stepwise narrowing or a partially widened portion as a whole. It should be narrowed gradually. Further, the peripheral edge of the node generation unit 130 is not limited to a smooth shape, and may have irregularities.
  • the node generation unit 130 has a semicircular shape with a radius of about 30 ⁇ m having a side 131 as a diameter, for example.
  • the center of the circle forming the arc of the node generation unit 130 is located at the center of the side 131.
  • the center of the circle forming the arc of the node generation unit 130 may be located at the center of the arm 111b.
  • the side 131 is not limited to a linear shape but may be an arc shape.
  • the arm 111 is connected to the apex of the side 131.
  • the center of the circle forming the arc of the side 131 may be located on the arm 111a side or the arm 111b side.
  • the length of the side 131 is preferably larger than the width of the arm 111a along the X-axis direction and smaller than the short side of the vibrating portion 120.
  • the node generation unit 130 of the support unit 110 in the present embodiment has a structure in which the width along the Y-axis direction gradually narrows from the arm 111a to the arm 111b. Therefore, even when the propagation state of the vibration propagated from the vibration unit 120 changes, the node generation unit 130 is formed with a portion having a small displacement adjacent to the portion having a large displacement due to the vibration. As a result, the node generation unit 130 can adjust the displacement portion with respect to the vibration leaked from the vibration unit 120 to form a vibration node on the node generation unit 130.
  • the node generation unit 130 can suppress the propagation of vibration from the vibration unit 120 to the holding unit 140 by being connected to the arm 111a at the formed node. As a result, the anchor loss of the resonator 10 can be reduced, and the Q value can be improved.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a cross section taken along the line IV-IV shown in FIG.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a cross section taken along the line VV shown in FIG.
  • the vibrating portion 120, the holding portion 140, and the support unit 110 in the resonator 10 are integrally formed by the same process.
  • the vibrating portion 120 of the resonator 10 is placed on one main surface of a silicon (Si) substrate (hereinafter referred to as “Si substrate”) F2 having a thickness of about 24 ⁇ m, that is, on the upper surface.
  • the metal layer E2 is laminated.
  • a piezoelectric thin film F3 is laminated on the metal layer E2 so as to cover the metal layer E2, and a metal layer E1 is further laminated on the piezoelectric thin film F3.
  • a protective film 125 is laminated on the metal layer E1 so as to cover the metal layer E1.
  • the Si substrate F2 of the present embodiment corresponds to an example of the "substrate” of the present invention
  • the piezoelectric thin film F3 of the present embodiment corresponds to an example of the "piezoelectric layer” of the present invention.
  • the vibrating unit 120 includes a piezoelectric thin film F3 arranged between the Si substrate F2 and the metal layer E1 formed on the upper surface of the Si substrate F2.
  • the mechanical strength of the vibrating portion 120 can be increased.
  • the Si substrate F2 may be formed of a degenerate n-type silicon (Si) semiconductor.
  • the degenerate silicon (Si) can contain phosphorus (P), arsenic (As), antimony (Sb) and the like as n-type dopants.
  • the resistance value of the degenerate silicon (Si) used for the Si substrate F2 is, for example, less than 16 m ⁇ ⁇ cm, more preferably 1.2 m ⁇ ⁇ cm or less.
  • the material of the substrate of the vibrating portion 120 is degenerate silicon (Si), the frequency and temperature characteristics of the vibrating portion 120 can be improved.
  • the correction layer F1 is formed on the other main surface of the Si substrate F2, that is, on the lower surface.
  • the correction layer F1 has a thickness of, for example, about 0.5 ⁇ m, and is formed by using, for example, silicon dioxide (SiO 2 ).
  • the correction layer F1 refers to the temperature coefficient of the frequency in the vibrating portion 120 when the correction layer is formed on the Si substrate F2, that is, the temperature, as compared with the case where the correction layer F1 is not formed on the Si substrate F2.
  • the metal layers E1 and E2 have a thickness of, for example, about 0.2 ⁇ m or less, and are patterned into a desired shape by etching or the like after film formation.
  • a metal having a body-centered legislative structure is used for the metal layers E1 and E2.
  • the metal layer E1 is formed by using Mo (molybdenum), tungsten (W), or the like.
  • the metal layer E1 is formed so as to serve as an upper electrode on the vibrating portion 120, for example. Further, the metal layer E1 is formed on the support unit 110 and the holding portion 140 so as to serve as wiring for connecting the upper electrode to the AC power supply provided outside the resonator 10.
  • the metal layer E2 is formed so as to serve as a lower electrode on the vibrating portion 120. Further, the metal layer E2 is formed on the holding unit 110 and the holding portion 140 so as to serve as wiring for connecting the lower electrode to the circuit provided outside the resonator 10.
  • Si substrate F2 itself can also serve as a lower electrode, and the metal layer E2 can be omitted.
  • Piezoelectric thin film F3 is a piezoelectric thin film that converts applied voltage into vibration.
  • the piezoelectric thin film F3 is formed of a material having a wurtzite-type hexagonal crystal structure, for example, aluminum nitride (AlN), scandium aluminum nitride (ScAlN), zinc oxide (ZnO), gallium nitride (GaN), and the like.
  • Nitride or oxide such as indium nitride (InN) can be the main component.
  • scandium aluminum nitride is obtained by substituting a part of aluminum in aluminum nitride with scandium, and instead of scandium, magnesium (Mg) and niobium (Nb), magnesium (Mg), zirconium (Zr) and the like 2 It may be replaced with an element.
  • the piezoelectric thin film F3 has a thickness of, for example, 0.8 ⁇ m, but it is also possible to use a thickness of about 0.2 ⁇ m to 2 ⁇ m.
  • the piezoelectric thin film F3 is oriented with respect to the Si substrate F2 along the c-axis, that is, the thickness direction (Z-axis direction) thereof.
  • the protective film 125 includes, for example, a piezoelectric film such as aluminum nitride (AlN), scandium aluminum nitride (ScAlN), zinc oxide (ZnO), gallium nitride (GaN), and indium nitride (InN), as well as silicon nitride (SiN). It is formed of an insulating film such as silicon dioxide (SiO 2 ) and alumina oxide (Al 2 O 3 ). The thickness of the protective film 125 is, for example, about 0.2 ⁇ m. When the vibrating portion 120 includes the protective film 125, for example, oxidation of the metal layer E1 which is an upper electrode for piezoelectric vibration can be prevented.
  • a piezoelectric film such as aluminum nitride (AlN), scandium aluminum nitride (ScAlN), zinc oxide (ZnO), gallium nitride (GaN), and indium nitride (InN), as well as
  • Each recess 121 is formed by removing a part of the piezoelectric thin film F3, the metal layer E1, and the protective film 125 laminated on the metal layer E2 in the vibrating portion 120 by etching or the like.
  • each recess 121 exposes the metal layer E2 on its bottom surface.
  • each recess 121 exposes the upper surface of the Si substrate F2 on its bottom surface.
  • the vibrating unit 120 has a vibrating region corresponding to the metal layer E1 which is the upper electrode.
  • the piezoelectric thin film F3 expands and contracts in the in-plane direction of the XY plane, that is, in the Y-axis direction according to the electric field applied to the piezoelectric thin film F3 by the metal layer E1 and the metal layer E2.
  • a predetermined electric field is applied to the metal layer E1E1 and the metal layer E2
  • a predetermined electric field is applied between the metal layer E1 and the metal layer E2.
  • the piezoelectric thin film F3 undergoes contour vibration in the XY in-plane direction in response to this potential difference. That is, in the vibration region of the vibrating portion 120, vibration in the expansion / contraction mode that repeats a state in which the vibrating portion 120 is extended and a state in which the vibrating portion 120 is contracted occurs in the length direction (Y-axis direction).
  • the metal layer E1 and the metal layer E2 are formed on one main surface (upper surface in FIG. 4) of the Si substrate F2, so that the metal layer E1 and the metal layer E2 are formed in the thickness direction (Z). Since the structure (in the axial direction) is asymmetric, bending in the thickness direction is likely to occur due to contour vibration.
  • the vibrating portion 120 of the present embodiment is generated in the vibrating portion 120 by having the piezoelectric thin film F3, the metal layer E1, and the recess 121 from which the protective film 125 is removed on one main surface of the Si substrate F2. It becomes possible to adjust the displacement shape in the thickness direction. Therefore, vibration leakage to the holding portion 140 can be suppressed, and confinement can be improved.
  • the recess 121 is an X orthogonal to the Y-axis direction of the Si substrate F2 when one main surface of the Si substrate F2 is viewed in a plan view (hereinafter, simply referred to as “planar view”). It is formed at a position offset from the axial center line CL2. Thereby, the displacement shape in the thickness direction generated in the vibrating portion 120 can be easily adjusted.
  • contraction vibration is a general term for expansion vibration, width expansion vibration in which the dimensions in the width direction (X-axis direction) change, and expansion / contraction vibration in the length direction (Y-axis direction). It shall be used.
  • the vibrating portion 120 does not include the metal layer E2 shown in FIGS. 4 and 5, a correction layer F1 having a thickness of 0.5 ⁇ m, a Si substrate F2 having a thickness of 24 ⁇ m, and a thickness of 0. It will be described as including the piezoelectric thin film F3 having a thickness of 0.8 ⁇ m, the metal layer E1 having a thickness of 0.2 ⁇ m, and the protective film 125 having a thickness of 0.2 ⁇ m.
  • FIG. 6 is a graph showing an example of the relationship between the displacement in the length direction (Y-axis direction) of the support unit 110 and the aspect ratio AR of the vibrating unit 120.
  • FIG. 7 is a graph showing an example of the relationship between the displacement in the thickness direction (Z-axis direction) of the support unit 110 and the aspect ratio AR of the vibrating portion 120.
  • the horizontal axis is the aspect ratio AR (L / W) of the vibrating portion 120.
  • the vertical axis is the displacement amount of the joint portion of the support unit 110 with the vibrating portion 120 in the length direction (hereinafter, also simply referred to as “displacement amount in the length direction”).
  • the horizontal axis is the aspect ratio AR (L / W) of the vibrating portion 120.
  • the vertical axis is the displacement amount of the joint portion of the support unit 110 with the vibrating portion 120 in the thickness direction (hereinafter, also simply referred to as “displacement amount in the thickness direction”). Further, in FIGS. 6 and 7, for comparison, the respective displacement amounts when there is no recess in the vibrating portion are shown by using black circles.
  • the displacement amount of the support unit 110 in the length direction becomes zero around the aspect ratio of 1.425.
  • the amount of displacement of the support unit 110 in the thickness direction is zero in the case of the vibrating portion 120 having the recess 121, whereas it is zero around the aspect ratio of 1.425, whereas there is no recess. In the case of the vibrating part, it does not become zero around the aspect ratio of 1.425.
  • the support unit 110A'indicating the displacement amount in the thickness direction has a negative value around the connecting portion (arm 111b') with the holding portion, and vibrates in the thickness direction. Is leaking from the seismic intensity part to the holding part.
  • the support unit 110A indicating the displacement amount in the thickness direction is substantially zero around the connecting portion (arm 111b) with the holding portion, and the vibration in the thickness direction. It can be seen that is suppressing leakage from the vibrating portion 120 to the holding portion 140.
  • FIG. 8 is a graph showing an example of the relationship between the magnitude of displacement in the thickness direction (Z-axis direction) of the support unit 110 and the aspect ratio AR of the vibrating portion 120.
  • FIG. 9 is a graph showing an example of the relationship between the evaluation index in the thickness direction (Z-axis direction) of the support unit 110 and the aspect ratio AR of the vibrating unit 120.
  • the horizontal axis is the aspect ratio AR (L / W) of the vibrating portion 120.
  • the vertical axis is the cross-sectional area integral value of the magnitude of displacement of the support unit 110 in the thickness direction.
  • the horizontal axis is the aspect ratio AR (L / W) of the vibrating portion 120.
  • the vertical axis is a figure of merit FOM1 ( Figure Of Merit) indicating a cross-sectional integral value of the magnitude of displacement of the support unit 110 in the thickness direction with respect to the magnitude of maximum displacement of the vibrating portion 120 in the thickness direction.
  • FOM1 Figure Of Merit
  • both the vibrating portion 120 having the recess 121 and the vibrating portion without the recess have the minimum values around the aspect ratio of 1.425.
  • the vibrating portion 120 having the recess 121 has an aspect ratio of 1.425, which is smaller than that of the vibrating portion without the recess.
  • the vibrating portion without a recess has a figure of merit FOM1 of 2.4
  • the vibrating portion 120 having a recess 121 has a figure of merit FOM1 of 40.6. ..
  • the vibrating portion 120 having the recess 121 can be improved about 17 times with respect to the figure of merit FOM1 as compared with the vibrating portion without the recess.
  • the vibrating portion 120 has four recesses 121, and each recess 121 has a regular quadrangular shape in a plan view, but the present invention is not limited to this.
  • the vibrating portion 120 may have one, two, three, or five or more recesses 121, and the shape of the recesses 121 in a plan view may be a shape other than a regular quadrangle. Good.
  • FIG. 10 is a perspective view showing a first modified example of the configuration around the vibrating portion 120 shown in FIG.
  • the same configurations as those around the vibrating portion 120 shown in FIG. 3 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted as appropriate.
  • similar actions and effects with the same configuration will not be mentioned sequentially.
  • the vibrating unit 120 is connected by two support units 110A and 110B.
  • the support unit 110A includes a node generation unit 130A that connects the short side of the vibration unit 120 on the negative direction side of the Y axis and the frame body 140b of the holding unit 140.
  • the support unit 110B includes a node generation unit 130A that connects the short side of the vibration unit 120 on the positive direction side of the Y axis and the frame body 140a of the holding unit 140.
  • the node generation unit 130A and the node generation unit 130B are the same as the node generation unit 130 shown in FIGS. 2 and 3, respectively.
  • the vibrating portion 120 has two recesses 121A, and each recess 121A has a semicircular shape in a plan view. Further, in each recess 121A, similarly to the recess 121, a part of the piezoelectric thin film F3, the metal layer E1 and the protective film 125 shown in FIG. 4 is removed by etching or the like, and the metal layer E2 is removed on the bottom surface thereof. It is exposed.
  • the two recesses 121A are arranged at positions symmetrical with respect to the center line CL1 in the Y-axis direction in the vibrating portion 120. That is, the concave portion 121A on the negative direction side of the Y-axis and the concave portion 121A on the negative direction side of the Y-axis are formed at positions symmetrical with respect to the center line CL1, respectively. Thereby, the displacement shape in the thickness direction generated in the vibrating portion 120 can be easily adjusted.
  • FIG. 11 is a perspective view showing a second modification of the configuration around the vibrating portion 120 shown in FIG.
  • the same configurations as those around the vibrating portion 120 shown in FIG. 3 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted as appropriate.
  • similar actions and effects with the same configuration will not be mentioned sequentially.
  • the vibrating portion 120 has two recesses 121B, and each recess 121B has a band shape extending along the Y-axis direction in a plan view. Further, in each recess 121B, similarly to the recess 120, a part of the piezoelectric thin film F3, the metal layer E1 and the protective film 125 shown in FIG. 4 is removed by etching or the like, and the metal layer E2 is removed on the bottom surface thereof. It is exposed.
  • the two recesses 121A are arranged at positions symmetrical with respect to the center line CL2 in the X-axis direction in the vibrating portion 120. That is, the recess 121B on the negative side of the X-axis and the recess 121B on the negative direction of the X-axis are formed at positions symmetrical with respect to the center line CL2, respectively.
  • one recess and the other recess are symmetrical with respect to one of the center line CL1 in the Y-axis direction and the center line CL2 in the X-axis direction in the vibrating portion 120.
  • An example is shown in which each position is formed, but the present invention is not limited to this.
  • one recess and the other recess are formed at symmetrical positions with respect to both the center line CL1 in the Y-axis direction and the center line CL2 in the X-axis direction in the vibrating portion 120, respectively. You may.
  • the vibrating portion has a recess on one main surface of the Si substrate from which the piezoelectric thin film has been removed. This makes it possible to adjust the displacement shape in the thickness direction generated in the vibrating portion. Therefore, it is possible to suppress vibration leakage to the holding portion and improve the confinement property.
  • the concave portion exposes one main surface. As a result, it is possible to easily realize a vibrating portion that suppresses vibration leakage to the holding portion.
  • the concave portion exposes the metal layer. As a result, it is possible to easily realize a vibrating portion that suppresses vibration leakage to the holding portion.
  • the recess is formed at a position offset from the center line in the X-axis direction orthogonal to the Y-axis direction in the Si substrate when one main surface of the Si substrate is viewed in a plan view. Thereby, the displacement shape in the thickness direction generated in the vibrating portion can be easily adjusted.
  • one of the plurality of recesses and the other recess are formed at positions symmetrical with respect to the center line in the Y-axis direction and / or the X-axis direction on the Si substrate. Thereby, the displacement shape in the thickness direction generated in the vibrating portion can be easily adjusted.
  • the support unit is connected to the end portion in the length direction of the vibrating portion.
  • the vibrating portion that expands and contracts in the length direction and the holding portion can be easily connected.
  • the material of the substrate is silicon (Si).
  • the material of the substrate is degenerate silicon (Si).
  • a protective film formed so as to cover the metal layer is further included. This makes it possible to prevent oxidation of the metal layer, which is an upper electrode for piezoelectric vibration, for example.
  • the vibrating portion further includes a correction layer formed on the other main surface of the Si substrate.
  • the resonator device includes the above-mentioned resonator and the upper lid and the lower lid. Thereby, a resonance device having improved confinement can be easily realized.

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Abstract

振動の閉じ込め性を向上させる。 共振子１０は、Ｓｉ基板Ｆ２と、Ｓｉ基板Ｆ２の一方の主面に形成される金属層Ｅ１と、Ｓｉ基板Ｆ２と金属層Ｅ１との間に配置される圧電薄膜Ｆ３とを含み、輪郭振動を主振動として振動する振動部１２０と、振動部１２０の少なくとも一部を囲むように形成される保持部１４０と、振動部１２０と保持部１４０とを接続する支持ユニット１１０と、を備え、振動部１２０は、一方の主面に圧電薄膜Ｆ３が除去された凹部１２１を有する。

Description

共振子及び共振装置
　本発明は、輪郭振動モードで振動する共振子及び共振装置に関する。
　従来、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術を用いた共振装置が例えばタイミングデバイスとして用いられている。この共振装置は、スマートフォンなどの電子機器内に組み込まれるプリント基板上に実装される。共振装置は、下側基板と、下側基板との間でキャビティを形成する上側基板と、下側基板及び上側基板の間でキャビティ内に配置された共振子と、を備えている。
　例えば特許文献１には、直方体状の圧電体と、圧電体の外表面に形成された複数の共振電極とを備え、圧電体の分極方向両側の一対の矩形の面の短辺の長さをａ、長辺の長さをｂとし、前記圧電体を構成している材料のポアソン比をσとしたときに、長辺と短辺との長さの比ｂ／ａが、所定の値を中心として±１０％の範囲内とされており、複数の共振電極間に交流電圧が印加されたときに短辺方向を幅方向とする幅拡がりモードが励振される共振部を有する、幅拡がりモードを利用した振動体が開示されている。
特許第３１３９２７４号公報
　特許文献１に記載された振動体は、圧電体の両方の主面に電極が形成されるため、振動体の厚さ方向の構造を対称に形成することが可能である。
　しかしながら、基板の一方の主面に電極を形成する場合、振動する振動部の厚さ方向、例えばＺ軸方向の構造が非対称になるため、振動部がＺ軸方向に屈曲することによって、振動部と保持部とを接続する支持部がＺ軸方向に変位する。その結果、振動部の振動が支持部を通じて保持部に漏洩することとなり、振動の閉じ込め性が低下することがあった。
　本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、振動の閉じ込め性を向上させることのできる共振子及び共振装置を提供することを目的とする。
　本発明の一側面に係る共振子は、
　基板と、基板の一方の主面に形成される第１電極と、基板と第１電極との間に配置される圧電体層とを含み、輪郭振動を主振動として振動する振動部と、
　振動部の少なくとも一部を囲むように形成される保持部と、
　振動部と保持部とを接続する支持部と、を備え、
　振動部は、一方の主面に圧電体層が除去された凹部を有する。
　本発明の一側面に係る共振装置は、
 　前述した共振子と、
　蓋体と、を備える。
　本発明によれば、振動の閉じ込め性を向上させることができる。
図１は、本発明の一実施形態に係る共振装置の外観を概略的に示す斜視図である。 図２は、図１に示した共振装置の構造を概略的に示す分解斜視図である。 図３は、図２に示した共振子の構造を概略的に示す平面図である。 図４は、図３に示したＩＶ－ＩＶ線に沿った断面の構成を概略的に示す断面図である。 図５は、図３に示したＶ－Ｖ線に沿った断面の構成を概略的に示す断面図である。 図６は、支持ユニットにおける長さ方向（Ｙ軸方向）の変位と振動部のアスペクト比との関係の一例を示すグラフである。 図７は、支持ユニットにおける厚さ方向（Ｚ軸方向）の変位と振動部のアスペクト比との関係の一例を示すグラフである。 図８は、支持ユニットにおける厚さ方向（Ｚ軸方向）の変位の大きさと振動部のアスペクト比との関係の一例を示すグラフである。 図９は、支持ユニットにおける厚さ方向（Ｚ軸方向）の評価指標と振動部のアスペクト比との関係の一例を示すグラフである。 図１０は、図３に示した振動部の周辺の構成の第１変形例を示す斜視図である。 図１１は、図３に示した振動部の周辺の構成の第２変形例を示す斜視図である。
　以下に本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の構成要素は同一又は類似の符号で表している。図面は例示であり、各部の寸法や形状は模式的なものであり、本発明の技術的範囲を当該実施形態に限定して解するべきではない。
　［実施形態］
　まず、図１及び図２を参照しつつ、本発明の一実施形態に係る共振装置の概略構成について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る共振装置１の外観を概略的に示す斜視図である。図２は、図１に示した共振装置１の構造を概略的に示す分解斜視図である。
　共振装置１は、共振子１０と、下蓋２０及び上蓋３０と、を備えている。すなわち、共振装置１は、下蓋２０と、共振子１０と、上蓋３０とが、この順で積層されて構成されている。なお、本実施形態の下蓋２０及び上蓋３０は、本発明の「蓋体」の一例に相当する。
　以下において、共振装置１の各構成について説明する。なお、以下の説明では、共振装置１のうち上蓋３０が設けられている側を上（又は表）、下蓋２０が設けられている側を下（又は裏）、とする。
　共振子１０は、ＭＥＭＳ技術を用いて製造されるＭＥＭＳ振動子である。共振子１０と下蓋２０及び上蓋３０とは、接合されている。また、共振子１０と下蓋２０及び上蓋３０とは、それぞれシリコン（Ｓｉ）基板（以下、「Ｓｉ基板」という）を用いて形成されており、Ｓｉ基板同士が互いに接合されている。なお、共振子１０及び下蓋２０は、ＳＯＩ基板を用いて形成されてもよい。
　上蓋３０はＸＹ平面に沿って平板状に広がっており、その裏面に例えば平たい直方体形状の凹部３１が形成されている。凹部３１は、側壁３３に囲まれており、共振子１０が振動する空間である振動空間の一部を形成する。なお、上蓋３０は凹部３１を有さず、平板状の構成でもよい。また、上蓋３０の凹部３１の共振子１０側の面には、ゲッター層が形成されていてもよい。
　下蓋２０は、ＸＹ平面に沿って設けられる矩形平板状の底板２２と、底板２２の周縁部からＺ軸方向、つまり、下蓋２０と共振子１０との積層方向、に延びる側壁２３と、を有する。下蓋２０には、共振子１０と対向する面において、底板２２の表面と側壁２３の内面とによって形成される凹部２１が形成されている。凹部２１は、共振子１０の振動空間の一部を形成する。なお、下蓋２０は凹部２１を有さず、平板状の構成でもよい。また、下蓋２０の凹部２１の共振子１０側の面には、ゲッター層が形成されてもよい。
　前述した上蓋３０と下蓋２０とによって、共振子１０の振動空間は気密に封止され、真空状態が維持される。なお、この振動空間には、例えば不活性ガス等の気体が充填されてもよい。
　次に、図３を参照しつつ、本発明の一実施形態に係る共振子１０の概略構成について説明する。図３は、図２に示した共振子１０の構造を概略的に示す平面図である。
　図３に示すように、共振子１０は、ＭＥＭＳ技術を用いて製造されるＭＥＭＳ振動子である。共振子１０は、振動部１２０と、保持部１４０と、支持ユニット１１０と、を備える。なお、本実施形態の支持ユニット１１０は、本発明の「支持部」の一例に相当する。
　振動部１２０は、上蓋３０に対向する面を平面視したときに、図３に示す直交座標系におけるＸＹ平面に沿って広がる矩形の輪郭を有している。振動部１２０は、保持部１４０の内側に設けられており、振動部１２０と保持部１４０との間には、所定の間隔で空間が形成されている。
　図３に示すように、平面視において、振動部１２０は、Ｙ軸方向に沿う長さＬ、Ｘ軸方向に沿う幅Ｗの主面を有している。また、振動部１２０のアスペクト比（寸法比）は、幅Ｗに対する長さＬ、つまり、Ｌ／Ｗで表される。例えば、長さＬは１７１μｍ程度であり、幅Ｗは１２０μｍ程度である。この場合、アスペクト比Ｌ／Ｗは１．４２５程度となる。
　振動部１２０は、金属層Ｅ１を含んでいる。金属層Ｅ１は、振動部１２０の輪郭に沿った形状を有している。金属層Ｅ１は、平面視において、Ｙ軸方向に沿う長さが振動部１２０の長さＬと略同一であり、Ｘ軸方向に沿う幅が振動部１２０の幅Ｗと略同一である。なお、金属層Ｅ１は、振動部１２０の輪郭に沿った形状に限定されるものではなく、振動部１２０のＹ軸方向における一端から他端に亘って形成されていればよい。また、本実施形態の金属層Ｅ１は、本発明の「第１電極」の一例に相当する。
　また、振動部１２０の表面（上蓋３０に対向する面）には、その全面を覆うように保護膜１２５が形成されている。保護膜１２５の詳細については、後述する。
　振動部１２０は、例えば４つの凹部１２１を有している。各凹部１２１は、平面視において正方形を有しており、一辺の長さが９μｍ程度である。
　また、各凹部１２１は、平面視したときに、振動部１２０の中心からオフセットされた位置に配置されている。すなわち、各凹部１２１は、振動部１２０におけるＹ軸方向の中心線ＣＬ１から長さＬｏｆｆだけ離れた位置に形成される。また、各凹部１２１は、振動部１２０におけるＸ軸方向の中心線ＣＬ２から幅Ｗｏｆｆだけ離れた位置に形成される。
　各凹部１２１におけるＹ軸方向のオフセット比率は、振動部１２０の長さＬに対する長さＬｏｆｆ、つまり、Ｌｏｆｆ／Ｌで表される。Ｙ軸方向のオフセット比率は、例えば０．４程度である。また、各凹部１２１におけるＸ軸方向のオフセット比率は、振動部１２０の幅Ｗに対する幅Ｗｏｆｆ、つまり、Ｗｏｆｆ／Ｗで表される。Ｘ軸方向のオフセット比率は、例えば０．２程度である。
　保持部１４０は、ＸＹ平面に沿って振動部１２０の外側を囲むように、矩形の枠状に形成される。なお、保持部１４０は、振動部１２０の周囲の少なくとも一部を囲むように設けられていればよく、枠状の形状に限定されるものではない。例えば、保持部１４０は、振動部１２０を保持し、また、上蓋３０及び下蓋２０と接合できる程度に、振動部１２０の周囲に設けられていればよい。
　本実施形態において、保持部１４０は一体形成される角柱形状の枠体１４０ａ～１４０ｄを含んでいる。図３に示すように、枠体１４０ａ、１４０ｂは、振動部１２０の短い辺に対向して、長手方向がＸ軸方向に平行に設けられる。また、枠体１４０ｃ、１４０ｄは、振動部１２０の長辺に対向して、長手方向がＹ軸方向に平行に設けられ、その両端で枠体１４０ａ、１４０ｂの両端にそれぞれ接続される。枠体１４０ｃは、その中央付近において、支持ユニット１１０によって接続されている。
　支持ユニット１１０は、保持部１４０の内側であって、振動部１２０の短辺と枠体１４０ｂとの間の空間に設けられる。支持ユニット１１０は、振動部１２０の短辺と保持部１４０の枠体１４０ｂとを接続する。図示を省略するが、支持ユニット１１０の表面には、振動部１２０から枠体１４０ｂに亘って前述した金属層Ｅ１が形成されている。
　本実施形態の支持ユニット１１０は、ノード生成部１３０を含んでいる。ノード生成部１３０は、腕１１１ａによって振動部１２０の短辺に接続され、腕１１１ｂによって保持部１４０の枠体１４０ｂに接続されている。また、ノード生成部１３０は、振動部１２０の短辺と対向する辺１３１を有し、当該辺１３１において腕１１１ａに接続されている。
　ノード生成部１３０は、Ｘ軸方向に沿った幅が、腕１１１ａから腕１１１ｂへと向かうにつれて狭まる形状を有する。また、ノード生成部１３０は、辺１３１の垂直二等分線に対して線対称の形状を有する。ノード生成部１３０は、Ｙ軸方向に沿った幅が最大となる箇所を、Ｘ軸方向における中心よりも腕１１１ａ側に有している。本実施形態においては、ノード生成部１３０のＹ軸方向に沿った幅は、辺１３１において最大であり、腕１１１ａから腕１１１ｂへと向かうにつれて、徐々に狭くなり、ノード生成部１３０の頂点と腕１１１ｂとの接続箇所において最も狭くなる。なお、ノード生成部１３０のＹ軸方向に沿った幅は、それぞれ、連続的に狭まる必要はなく、例えば、段階的に狭まったり、一部に広がる部分を有していたりしても、全体として徐々に狭まっていればよい。また、ノード生成部１３０の周縁は、それぞれ、滑らかな形状に限らず、凹凸を有してもよい。
　本実施形態において、ノード生成部１３０は、例えば辺１３１を直径とする半径３０μｍ程度の半円の形状をしている。この場合、ノード生成部１３０の円弧を形成する円の中心は、辺１３１の中心に位置する。なお、ノード生成部１３０の円弧を形成する円の中心は、腕１１１ｂの中心に位置してもよい。また、辺１３１は、直線形状に限らず円弧形状でもよい。この場合、腕１１１は、辺１３１の頂点と接続される。さらにこの場合、辺１３１の円弧を形成する円の中心は、腕１１１ａ側に位置してもよいし、腕１１１ｂ側に位置してもよい。辺１３１の長さは、腕１１１ａのＸ軸方向に沿った幅よりも大きく、振動部１２０の短辺よりも小さいことが好ましい。
　本実施形態における支持ユニット１１０のノード生成部１３０は、Ｙ軸方向に沿った幅が、腕１１１ａから腕１１１ｂへ向かうにつれて徐々に狭まっている構造である。このため、振動部１２０から伝搬される振動の伝搬状態が変化した場合であっても、ノード生成部１３０には、振動による変位が大きい部位に隣接して変位が小さい部位が形成される。これによって、ノード生成部１３０は、振動部１２０から漏えいした振動に対し、変位部位を調整して、ノード生成部１３０上に振動のノードを形成することができる。ノード生成部１３０は、この形成されたノードにおいて、腕１１１ａに接続されることによって、振動部１２０から保持部１４０への振動の伝搬を抑制することができる。この結果、共振子１０のアンカーロスを低減させることができ、Ｑ値を向上させることができる。
　次に、図４から図５を参照しつつ、本発明の一実施形態に係る共振子１０の積層構造について説明する。図４は、図３に示したＩＶ－ＩＶ線に沿った断面の構成を概略的に示す断面図である。図５は、図３に示したＶ－Ｖ線に沿った断面の構成を概略的に示す断面図である。
　共振子１０における、振動部１２０、保持部１４０、及び支持ユニット１１０は、同一プロセスで一体的に形成される。図４に示すように、共振子１０における振動部１２０は、例えば厚さ２４μｍ程度のシリコン（Ｓｉ）基板（以下、「Ｓｉ基板」という）Ｆ２の一方の主面、つまり、上面の上に、金属層Ｅ２が積層されている。そして、金属層Ｅ２の上には、金属層Ｅ２を覆うように圧電薄膜Ｆ３が積層されており、さらに圧電薄膜Ｆ３の上には、金属層Ｅ１が積層されている。また、金属層Ｅ１の上には、金属層Ｅ１を覆うように保護膜１２５が積層されている。なお、本実施形態のＳｉ基板Ｆ２は、本発明の「基板」の一例に相当し、本実施形態の圧電薄膜Ｆ３は、本発明の「圧電体層」の一例に相当する。
　振動部１２０においては、Ｓｉ基板Ｆ２と、Ｓｉ基板Ｆ２の上面に形成される金属層Ｅ１と、との間に配置される圧電薄膜Ｆ３と、を含んでいる。
　このように、振動部１２０の基板の材料が、シリコン（Ｓｉ）であることにより、振動部１２０の機械的強度を高めることができる。
　Ｓｉ基板Ｆ２は、縮退したｎ型シリコン（Ｓｉ）半導体から形成されていてもよい。縮退シリコン（Ｓｉ）は、ｎ型ドーパントとしてリン（Ｐ）やヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）等を含むことができる。Ｓｉ基板Ｆ２に用いられる縮退シリコン（Ｓｉ）の抵抗値は、例えば１６ｍΩ・ｃｍ未満であり、より好ましくは１．２ｍΩ・ｃｍ以下である。
　このように、振動部１２０の基板の材料が、縮退シリコン（Ｓｉ）であることにより、振動部１２０の周波数温度特性を向上させることができる。
　また、Ｓｉ基板Ｆ２の他方の主面、つまり、下面に、補正層Ｆ１が形成されている。補正層Ｆ１は、例えば厚さ０．５μｍ程度であり、例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を用いて形成される。
　本実施形態において、補正層Ｆ１とは、当該補正層Ｆ１をＳｉ基板Ｆ２に形成しない場合と比べて、Ｓｉ基板Ｆ２に補正層を形成したときの振動部１２０における周波数の温度係数、つまり、温度当たりの変化率を、少なくとも常温近傍において低減する機能を持つ層をいう。振動部１２０が補正層Ｆ１を含むことにより、例えば、Ｓｉ基板Ｆ２と金属層Ｅ１と圧電薄膜Ｆ３と補正層Ｆ１とを含む積層構造体の共振周波数において、温度に伴う変化を低減することができ、振動部１２０の温度特性を向上させることができる。
　金属層Ｅ１、Ｅ２は、例えば厚さ０．２μｍ以下程度であり、成膜後に、エッチング等により所望の形状にパターニングされる。金属層Ｅ１、Ｅ２は、結晶構造が体心立法構造である金属が用いられている。具体的には、金属層Ｅ１は、Ｍｏ（モリブデン）、タングステン（Ｗ）等を用いて形成される。
　金属層Ｅ１は、例えば振動部１２０上においては、上部電極としての役割を果たすように形成される。また、金属層Ｅ１は、支持ユニット１１０及び保持部１４０上においては、共振子１０の外部に設けられた交流電源に上部電極を接続するための配線としての役割を果たすように形成される。
　一方、金属層Ｅ２は、振動部１２０上においては、下部電極としての役割を果たすように形成される。また、金属層Ｅ２は、保持ユニット１１０や保持部１４０上においては、共振子１０の外部に設けられた回路に下部電極を接続するための配線としての役割を果たすように形成される。
　なお、Ｓｉ基板Ｆ２自体が下部電極の役割を兼ねることが可能であり、金属層Ｅ２を省略することができる。
　圧電薄膜Ｆ３は、印加された電圧を振動に変換する圧電体の薄膜である。圧電薄膜Ｆ３は、結晶構造がウルツ鉱型六方晶構造を持つ材質から形成されており、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化スカンジウムアルミニウム（ＳｃＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）等の窒化物や酸化物を主成分とすることができる。なお、窒化スカンジウムアルミニウムは、窒化アルミニウムにおけるアルミニウムの一部がスカンジウムに置換されたものであり、スカンジウムの代わりにマグネシウム（Ｍｇ）及びニオブ（Ｎｂ）やマグネシウム（Ｍｇ）及びジルコニウム（Ｚｒ）等の２元素で置換されていてもよい。また、圧電薄膜Ｆ３は、例えば０．８μｍの厚さを有するが、０．２μｍから２μｍ程度の厚さを用いることも可能である。
　また、圧電薄膜Ｆ３は、Ｓｉ基板Ｆ２に対してｃ軸、つまり、その厚さ方向（Ｚ軸方向）に沿って配向している。
　保護膜１２５は、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化スカンジウムアルミニウム（ＳｃＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）等の圧電膜の他、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等の絶縁膜で形成される。保護膜１２５の厚さは、例えば０．２μｍ程度である。振動部１２０が保護膜１２５を含むことにより、例えば、圧電振動用の上部電極である金属層Ｅ１の酸化を防ぐことができる。
　各凹部１２１は、振動部１２０において、金属層Ｅ２上に積層された圧電薄膜Ｆ３、金属層Ｅ１、及び保護膜１２５の一部がエッチング等によって除去され、形成される。
　換言すれば、各凹部１２１は、その底面において、金属層Ｅ２を露出している。
　前述したように、Ｓｉ基板Ｆ２が下部電極の用途にも使用されて金属層Ｅ２を省略する場合、Ｓｉ基板Ｆ２上に積層された圧電薄膜Ｆ３、金属層Ｅ１、及び保護膜１２５の一部がエッチング等によって除去され、形成される。換言すれば、各凹部１２１は、その底面において、Ｓｉ基板Ｆ２の上面を露出する。
　振動部１２０は、上部電極である金属層Ｅ１に対応する振動領域を有している。図４に示すように、振動領域において、圧電薄膜Ｆ３は、金属層Ｅ１、金属層Ｅ２によって圧電薄膜Ｆ３に印加される電界に応じて、ＸＹ平面の面内方向、つまり、Ｙ軸方向に伸縮する。具体的には、圧電薄膜Ｆ３は厚さ方向に沿って配向しているため、金属層Ｅ１Ｅ１及び金属層Ｅ２に所定の電界を印加して、金属層Ｅ１と金属層Ｅ２との間に所定の電位差を形成すると、この電位差に応じて圧電薄膜Ｆ３がＸＹ面内方向において輪郭振動する。すなわち、振動部１２０の振動領域には、長さ方向（Ｙ軸方向）において、振動部１２０が伸びている状態と振動部１２０が縮んでいる状態とを繰り返す伸縮モードの振動が生じる。
　振動部１２０は、輪郭振動を主振動として振動する一方、Ｓｉ基板Ｆ２の一方の主面（図４おける上面）に金属層Ｅ１及び金属層Ｅ２等が形成される等によって、厚さ方向（Ｚ軸方向）の構造が非対称であるため、輪郭振動に伴って厚さ方向の屈曲が生じやすくなっている。
　これに対し、本実施形態の振動部１２０は、Ｓｉ基板Ｆ２の一方の主面に圧電薄膜Ｆ３、金属層Ｅ１、及び保護膜１２５が除去された凹部１２１を有することにより、振動部１２０に生じる厚さ方向の変位形状を調整することが可能になる。従って、保持部１４０への振動漏れを抑制することがででき、閉じ込め性を向上できる。
　また、図３に示したように、凹部１２１は、Ｓｉ基板Ｆ２の一方の主面を平面視（以下、単に「平面視」という）したときに、Ｓｉ基板Ｆ２におけるＹ軸方向に直交するＸ軸方向の中心線ＣＬ２からオフセットされた位置に形成される。これにより、振動部１２０に生じる厚さ方向の変位形状を容易に調整することができる。
　なお、本明細書において、「輪郭振動」とは、拡がり振動、幅方向（Ｘ軸方向）の寸法が変化する幅拡がり振動、及び長さ方向（Ｙ軸方向）に伸縮する伸縮振動の総称として用いるものとする。
　次に、図６及び図７を参照しつつ、振動部の振動による支持ユニットの変位について説明する。なお、図６及び図７において、振動部１２０は、図４及び図５に示した金属層Ｅ２を含まず、厚さ０．５μｍの補正層Ｆ１、厚さ２４μｍのＳｉ基板Ｆ２、厚さ０．８μｍの圧電薄膜Ｆ３、厚さ０．２μｍの金属層Ｅ１、及び厚さ０．２μｍの保護膜１２５を含むものとして説明する。図６は、支持ユニット１１０における長さ方向（Ｙ軸方向）の変位と振動部１２０のアスペクト比ＡＲとの関係の一例を示すグラフである。図７は、支持ユニット１１０における厚さ方向（Ｚ軸方向）の変位と振動部１２０のアスペクト比ＡＲとの関係の一例を示すグラフである。図６において、横軸は振動部１２０のアスペクト比ＡＲ（Ｌ／Ｗ）である。縦軸は、支持ユニット１１０の長さ方向における振動部１２０との接合箇所の変位量（以下、単に「長さ方向の変位量」ともいう）である。また、図７において、横軸は振動部１２０のアスペクト比ＡＲ（Ｌ／Ｗ）である。縦軸は、支持ユニット１１０の厚さ方向における振動部１２０との接合箇所の変位量（以下、単に「厚さ方向の変位量」ともいう）である。さらに、図６及び図７では、比較のために、振動部に凹部がない場合におけるそれぞれの変位量について、黒丸を用いて示している。
　図６に示すように、支持ユニット１１０の長さ方向の変位量について、凹部１２１を有する振動部１２０は、凹部のない振動部と比較して、顕著な違いは認められない。例えば、どちらの場合もアスペクト比１．４２５の周辺において、支持ユニット１１０の長さ方向の変位量がゼロになる。
　一方、図７に示すように、支持ユニット１１０の厚さ方向の変位量について、凹部１２１を有する振動部１２０の場合は、アスペクト比１．４２５の周辺においてゼロになるのに対し、凹部のない振動部の場合は、アスペクト比１．４２５の周辺においてゼロにならない。
　実際に、凹部のない振動部において、厚さ方向の変位量を示す支持ユニット１１０Ａ’は、保持部との接続部分（腕１１１ｂ’）周辺が負の値になっており、厚さ方向の振動が震度部から保持部に漏洩している。これに対し、凹部１２１を有する振動部１２０において、厚さ方向の変位量を示す支持ユニット１１０Ａは、保持部との接続部分（腕１１１ｂ）周辺において略ゼロになっており、厚さ方向の振動が振動部１２０から保持部１４０へ漏洩するのを抑制していることが分かる。
　次に、図８及び図９を参照しつつ、振動部の振動による支持ユニットの厚さ方向の変位について、別の指標を用いて説明する。なお、図８及び図９において、振動部１２０は、前述した図６及び図７における振動部１２０と同一であるものとして説明する。図８は、支持ユニット１１０における厚さ方向（Ｚ軸方向）の変位の大きさと振動部１２０のアスペクト比ＡＲとの関係の一例を示すグラフである。図９は、支持ユニット１１０における厚さ方向（Ｚ軸方向）の評価指標と振動部１２０のアスペクト比ＡＲとの関係の一例を示すグラフである。図８において、横軸は振動部１２０のアスペクト比ＡＲ（Ｌ／Ｗ）である。縦軸は、支持ユニット１１０の厚さ方向における変位の大きさの断面積積分値である。また、図９において、横軸は振動部１２０のアスペクト比ＡＲ（Ｌ／Ｗ）である。縦軸は、振動部１２０の厚さ方向における最大変位の大きさに対する支持ユニット１１０の厚さ方向における変位の大きさの断面積積分値を示す性能指数ＦＯＭ１（Ｆｉｇｕｒｅ　Ｏｆ　Ｍｅｒｉｔ）である。さらに、図８及び図９では、比較のために、振動部に凹部がない場合におけるそれぞれの変位量について、黒丸を用いて示している。
　図８に示すように、凹部１２１を有する振動部１２０及び凹部のない振動部は、ともに、アスペクト比１．４２５の周辺において最小値となっている。凹部１２１を有する振動部１２０は、アスペクト比１．４２５において、凹部のない振動部よりも小さい値となっている。
　図９に示すように、アスペクト比１．４２５において、凹部のない振動部は性能指数ＦＯＭ１が２．４であるのに対し、凹部１２１を有する振動部１２０は性能指数ＦＯＭ１が４０．６である。このように、凹部１２１を有する振動部１２０は、凹部のない振動部と比較して、性能指数ＦＯＭ１に関して約１７倍改善できることが分かる。
　本実施形態では、振動部１２０が４つの凹部１２１を有し、平面視において各凹部１２１が正四角形の形状を有する例を示したが、これに限定されるものではない。例えば、振動部１２０が、１つ、２つ、３つ、又は５つ以上の凹部１２１を有していてもよいし、凹部１２１の平面視の形状は、正四角形以外の形状であってもよい。
　（第１変形例）
　図１０は、図３に示した振動部１２０の周辺の構成の第１変形例を示す斜視図である。なお、第１変形例において、図３に示した振動部１２０の周辺と同一の構成については、同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。また、同様の構成による同様の作用効果については、逐次言及しない。
　図１０に示すように、振動部１２０は、２つの支持ユニット１１０Ａ、１１０Ｂによって接続されている。支持ユニット１１０Ａは、振動部１２０のＹ軸負方向側の短辺と保持部１４０の枠体１４０ｂとを接続するノード生成部１３０Ａを含む。支持ユニット１１０Ｂは、振動部１２０のＹ軸正方向側の短辺と保持部１４０の枠体１４０ａとを接続するノード生成部１３０Ａを含む。ノード生成部１３０Ａ及びノード生成部１３０Ｂは、それぞれ、図２及び図３に示したノード生成部１３０と同一である。
　また、振動部１２０は、２つの凹部１２１Ａを有し、各凹部１２１Ａは、平面視において半円形状を有している。また、各凹部１２１Ａは、凹部１２１と同様に、図４に示した圧電薄膜Ｆ３、金属層Ｅ１、及び保護膜１２５の一部がエッチング等によって除去されており、その底面において、金属層Ｅ２を露出している。
　また、２つの凹部１２１Ａは、振動部１２０におけるＹ軸方向の中心線ＣＬ１に関して対称な位置にそれぞれ配置されている。すなわち、Ｙ軸負方向側の凹部１２１ＡとＹ軸負方向側の凹部１２１Ａとは、それぞれ、中心線ＣＬ１に関して対称な位置に形成されている。これにより、振動部１２０に生じる厚さ方向の変位形状を容易に調整することができる。
　（第２変形例）
　図１１は、図３に示した振動部１２０の周辺の構成の第２変形例を示す斜視図である。なお、第２変形例において、図３に示した振動部１２０の周辺と同一の構成については、同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。また、同様の構成による同様の作用効果については、逐次言及しない。
　図１１に示すように、振動部１２０は、２つの凹部１２１Ｂを有し、各凹部１２１Ｂは、平面視においてＹ軸方向に沿って延びる帯形状を有している。また、各凹部１２１Ｂは、凹部１２０と同様に、図４に示した圧電薄膜Ｆ３、金属層Ｅ１、及び保護膜１２５の一部がエッチング等によって除去されており、その底面において、金属層Ｅ２を露出している。
　また、２つの凹部１２１Ａは、振動部１２０におけるＸ軸方向の中心線ＣＬ２に関して対称な位置にそれぞれ配置されている。すなわち、Ｘ軸負方向側の凹部１２１ＢとＸ軸負方向側の凹部１２１Ｂとは、それぞれ、中心線ＣＬ２に関して対称な位置に形成されている。
　なお、図１０及び図１１に示した変形例では、一方の凹部と他方の凹部とが、振動部１２０におけるＹ軸方向の中心線ＣＬ１及びＸ軸方向の中心線ＣＬ２のうちの一方に関して対称な位置に、それぞれ形成される例を示したが、これに限定されるものではない。例えば、図３に示したように、一方の凹部と他方の凹部とは、それぞれ、振動部１２０におけるＹ軸方向の中心線ＣＬ１及びＸ軸方向の中心線ＣＬ２の両方に関して対称な位置に形成されてもよい。
　以上、本発明の例示的な実施形態について説明した。本発明の一実施形態に係る共振子は、振動部は、Ｓｉ基板の一方の主面に圧電薄膜が除去された凹部を有する。これにより、振動部に生じる厚さ方向の変位形状を調整することが可能になる。従って、保持部への振動漏れを抑制することができ、閉じ込め性を向上できる。
　また、前述した共振子において、凹部は一方の主面を露出する。これにより、保持部への振動漏れを抑制する振動部を容易に実現することができる。
　また、前述した共振子において、凹部は金属層を露出する。これにより、保持部への振動漏れを抑制する振動部を容易に実現することができる。
　また、前述した共振子において、凹部は、Ｓｉ基板の一方の主面を平面視したときに、Ｓｉ基板におけるＹ軸方向に直交するＸ軸方向の中心線からオフセットされた位置に形成される。これにより、振動部に生じる厚さ方向の変位形状を容易に調整することができる。
　また、前述した共振子において、複数の凹部のうちの一の凹部と他の凹部とは、Ｓｉ基板におけるＹ軸方向及び／又はＸ軸方向の中心線に関して対称な位置にそれぞれ形成される。これにより、振動部に生じる厚さ方向の変位形状を容易に調整することができる。
　また、前述した共振子において、支持ユニットが振動部の長さ方向の端部に接続される。これにより、長さ方向に伸縮する振動部と、保持部とを容易に接続することができる。
　また、前述した共振子において、基板の材料はシリコン（Ｓｉ）である。これにより、振動部の機械的強度を高めることができる。
　また、前述した共振子において、基板の材料は縮退シリコン（Ｓｉ）である。これにより、振動部の周波数温度特性を向上させることができる。
　また、前述した共振子において、金属層を覆うように形成される保護膜をさらに含む。これにより、例えば、圧電振動用の上部電極である金属層の酸化を防ぐことができる。
　また、前述した共振子において、振動部は、Ｓｉ基板の他方の主面に形成される補正層をさらに含む。これにより、例えば、Ｓｉ基板と金属層と圧電薄膜と補正層とを含む積層構造体の共振周波数において、温度に伴う変化を低減することができ、振動部の温度特性を向上させることができる。
　本発明の一実施形態に係る共振装置は、先述した共振子と、上蓋及び下蓋と、を備える。これにより、閉じ込め性を向上する共振装置を容易に実現することができる。
　なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更／改良され得るとともに、本発明にはその等価物も含まれる。すなわち、実施形態及び／又は変形例に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、実施形態及び／又は変形例が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、実施形態及び変形例は例示であり、異なる実施形態及び／又は変形例で示した構成の部分的な置換又は組み合わせが可能であることは言うまでもなく、これらも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
　１　　　　　　　　　　　　　　　　　　　共振装置
　１０　　　　　　　　　　　　　　　　　　共振子
　２０　　　　　　　　　　　　　　　　　　下蓋
　２１　　　　　　　　　　　　　　　　　　凹部
　２２　　　　　　　　　　　　　　　　　　底板
　２３　　　　　　　　　　　　　　　　　　側壁
　３０　　　　　　　　　　　　　　　　　　上蓋
　３１　　　　　　　　　　　　　　　　　　凹部
　３３　　　　　　　　　　　　　　　　　　側壁
　１１０　　　　　　　　　　　　　　　　　支持ユニット
　１１０Ａ　　　　　　　　　　　　　　　　支持ユニット
　１１０Ａ’　　　　　　　　　　　　　　　支持ユニット
　１１０Ｂ　　　　　　　　　　　　　　　　支持ユニット
　１１１ａ　　　　　　　　　　　　　　　　腕
　１１１ｂ　　　　　　　　　　　　　　　　腕
　１１１ｂ’　　　　　　　　　　　　　　　腕
　１２０　　　　　　　　　　　　　　　　　振動部
　１２１　　　　　　　　　　　　　　　　　凹部
　１２１Ａ　　　　　　　　　　　　　　　　凹部
　１２１Ｂ　　　　　　　　　　　　　　　　凹部
　１２５　　　　　　　　　　　　　　　　　保護膜
　１３０　　　　　　　　　　　　　　　　　ノード生成部
　１３０Ａ　　　　　　　　　　　　　　　　ノード生成部
　１３０Ｂ　　　　　　　　　　　　　　　　ノード生成部
　１３１　　　　　　　　　　　　　　　　　辺
　１４０　　　　　　　　　　　　　　　　　保持部
　１４０ａ　　　　　　　　　　　　　　　　枠体
　１４０ｂ　　　　　　　　　　　　　　　　枠体
　１４０ｃ　　　　　　　　　　　　　　　　枠体
　１４０ｄ　　　　　　　　　　　　　　　　枠体
　ＡＲ　　　　　　　　　　　　　　　　　　アスペクト比
　ＣＬ１　　　　　　　　　　　　　　　　　中心線
　ＣＬ２　　　　　　　　　　　　　　　　　中心線
　Ｅ１　　　　　　　　　　　　　　　　　　金属層
　Ｅ２　　　　　　　　　　　　　　　　　　金属層
　Ｆ１　　　　　　　　　　　　　　　　　　補正層
　Ｆ２　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｓｉ基板
　Ｆ３　　　　　　　　　　　　　　　　　　圧電薄膜
　ＦＯＭ１　　　　　　　　　　　　　　　　性能指数
　Ｌ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　長さ
　Ｌｏｆｆ　　　　　　　　　　　　　　　　長さ
　Ｗ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　幅
　Ｗｏｆｆ　　　　　　　　　　　　　　　　幅

Claims (11)

  1. 　基板と、前記基板の一方の主面に形成される第１電極と、前記基板と前記第１電極との間に配置される圧電体層とを含み、輪郭振動を主振動として振動する振動部と、
    　前記振動部の少なくとも一部を囲むように形成される保持部と、
    　前記振動部と前記保持部とを接続する支持部と、を備え、
    　前記振動部は、前記一方の主面に前記圧電体層が除去された凹部を有する、
    　共振子。
  2. 　前記凹部は、前記一方の主面を露出する、
    　請求項１に記載の共振子。
  3. 　前記振動部は、前記基板と前記圧電体層との間に配置される第２電極をさらに含み、
    　前記凹部は、前記第２電極を露出する、
    　請求項１に記載の共振子。
  4. 　前記振動部は、第１方向に沿った伸縮振動を主振動として振動し、
    　前記凹部は、前記一方の主面を平面視したときに、前記基板における前記第１方向に直交する第２方向の中心線からオフセットされた位置に形成される、
    　請求項１から３のいずれか一項に記載の共振子。
  5. 　前記振動部は、複数の前記凹部を含み、
    　前記複数の凹部のうちの一の前記凹部と他の前記凹部とは、前記基板における前記第１方向及び／又は前記第２方向の中心線に関して対称な位置にそれぞれ形成される、
    　請求項４に記載の共振子。
  6. 　前記支持部は、前記振動部における前記第１方向の端部に接続される、
    　請求項４又は５に記載の共振子。
  7. 　前記基板の材料は、シリコンである、
    　請求項１から６のいずれか一項に記載の共振子。
  8. 　前記基板の材料は、縮退シリコンである、
    　請求項１から６のいずれか一項に記載の共振子。
  9. 　前記振動部は、前記第１電極を覆うように形成される保護層をさらに含む、
    　請求項１から８のいずれか一項に記載の共振子。
  10. 　前記振動部は、前記基板の他方の主面に形成される補正層をさらに含む、
    　請求項１から９のいずれか一項に記載の共振子。
  11. 　請求項１から１０のいずれか一項に記載の共振子と、
    　蓋体と、を備える、
    　共振装置。
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