CN100352074C - 音叉型压电振荡片及其制造方法，压电器件 - Google Patents

Abstract

音叉型水晶振荡片(14)是这样构成的，通过湿蚀刻其水晶晶轴的Y轴、X轴和Z轴对应于振动臂(16a)、(16b)的长度方向、宽度方向和厚度方向而定向的水晶晶片，振动臂的主平面上设置有长度方向的槽(18a)、(18b)，该槽是这样设置的：中心线C1相对于振动臂的中心线C2，在-X方向上彼此，振动臂宽度方向的左右刚度被平衡，振动臂的弯曲运动被稳定。在音叉型压电振荡片的制造工序，光掩膜位置错位导致的振动臂上下主平面(17a)、(17b)宽度方向的位置错位，在振动臂的宽度方向的剖面上，在其厚度方向被2等分的上侧和下侧部分的重心M1、M2被调整在与主平面垂直的同一直线上，通过对槽(18a)、(18b)在宽度方向相对位置的调整，由于振动时振动臂厚度方向的位移被消除、抑制，由振动泄漏产生的失真能量损耗被防止。由抑制CI值提高其性能，实现了高稳定性。

Description

音叉型压电振荡片及其制造方法，压电器件

技术领域

本发明涉及作为在各种电子仪器使用的压电振子和压电振荡器、角速度传感器所使用的压电振动陀螺等压电器件，更详细地说，涉及就此而言所使用的音叉型压电振荡片及其制造方法。

背景技术

一直以来，在普通的钟表和家电产品，各种信息、通信仪器和OA仪器等民用、工业用电子仪器中，作为其电子电路的时钟源，广泛使用将压电振动子、压电振荡片和IC芯片封装在同一组件内的振荡器和实时时钟模块等压电器件。另外，作为船舶、飞行器、汽车等姿式控制和航行控制，防止、检测摄像机等的手振动的旋转角速度传感器，压电振动陀螺被广泛地使用，它还被应用于3维立体鼠标等的旋转方向传感器中。这种压电振动陀螺由例如在专利文献1或专利文献2中记载的内容而知道。

特别是最近，随着装载其的电子仪器的小型化、薄型化，要求这种压电器件进一步小型化、薄型化。另外，要求通过确保低CI(晶体阻抗)值，高性能稳定的优秀压电器件。为了保持低IC值，开发了例如像在专利文献3、专利文献4中记载的带槽的具有振动臂构造的音叉型压电振荡片。

这种带槽的振动臂构造的音叉型压电振荡片，如图8所示，在从底座1平行延伸的一对振动臂2a，2b的上下表面3a、3b上，沿着其纵向方向分别形成直线形延伸的槽4a、4b。如图9(A)和(B)所示，在各个槽4a、4b的侧面和底面形成膜形的第1电极5a、5b，而且在振动臂2b、2b的各侧面形成膜形的第2电极6a、6b。通过一面的振动臂的第1电极5a(5b)和另一面的振动臂的第2电极6a(6b)互相电连接，构成了使所述音叉型水晶振荡片振荡的驱动电极。如果从连接端子7，7向该驱动电极提供交流电压，就会在邻接的第1电极5a、5b和第2电极6a、6b之间产生与所述各主平面平行的电场E1、E2，结果大幅提高了电场效率，从而能够抑制降低CI值。

这种音叉型压电振荡片是通过这样的常规方法形成的，通过利用光蚀技术湿蚀刻例如由水晶等压电单晶材料形成的晶片，加工希望的振荡片的外形和槽4a、4b，而且在其表面形成电极膜图案。更具体地说，在水晶晶片的两面形成抗蚀膜，而且在其上涂敷、干燥光致抗蚀剂形成光致抗蚀剂膜，在其上配置上下1对第1光掩模，它具有与希望的振荡片外形相应的同一蚀刻图案，通过曝光、显影露出抗蚀膜，通过蚀刻液除去抗蚀膜露出水晶晶片表面。剥离剩余的抗蚀膜后，在剩余的耐蚀膜上再次涂敷、干燥光致抗蚀剂，形成新的抗蚀剂膜，在其上配置具有对应振动臂形状的蚀刻图案的上下1对第2光掩模，通过曝光、显影露出耐蚀膜。

然后，利用水晶蚀刻液蚀刻水晶晶片的暴露表面，加工带有振动臂的振荡片的外形形状。然后，利用蚀刻液除去耐蚀膜的暴露表面，露出水晶晶片表面，通过把它放入水晶蚀刻液中预定深度进行半蚀刻，在振动臂的上下朱表面上分别形成槽。在这样形成的水晶元件片的含有所述振荡片的槽内表面的整个面上，通过蒸发、溅射电极材料而成膜，形成电极膜，通过对其光蚀刻而分极，形成希望的驱动电极，输出电极和布线。

水晶晶片，是使用例如是以偏离开水晶的Z轴一个预定角度θ的切角绕X轴旋转一周切削水晶而得到的水晶晶片，所述角度例如是大约30′度到2度。音叉型压电振荡片是这样定位的，如图8所示，分别对应于称为水晶的晶体构造的机械轴的Y轴、称为电气轴的X轴和称为光学轴的Z轴定位振动臂2a，2b的长度方向、宽度方向和厚度方向。因此，振动臂2a，2b的宽度方向与X轴方向一致，而长度方向为与Y轴方向成θ角度倾斜的Y’方向，厚度方向为与Z轴方向成θ角度倾斜的Z’方向。

[专利文献1]JP7-55479

[专利文献2]JP10-170272

[专利文献3]JP56-65517

[专利文献4]日本专利申请号：2000-595424

如图9(A)所示，通常振动臂2a(2b)的槽4a(4b)是这样配置的，使得在宽度方向上，其中心线C1与所述各振动臂的中心线C2相一致。可是，由于多数压电振荡片是由蚀刻具有各向异性的水晶等压电单晶材料形成的，所以，在多数情况下，湿蚀刻的所述振动臂和槽的剖面形状大所随其结晶定向而对中心线C1，C2不对称。特别是水晶的蚀刻速度具有晶轴依赖性，由于图8的实施例的振动臂的宽度方向即+X轴方向容易蚀刻，图9(B)所示的槽4a(4b)的剖面不是如图中假想线8所示的理想的矩形，因此成为其左侧面向图中的右方向倾斜，另外振动臂2a(2b)的右侧面形成突起9的非对称的剖面形状。

为此，振动臂的刚度在关于中心线C2的左右方向上产生不能被忽视程度的差，在振动时振动臂的挠度在左右即在音叉的内侧和外侧产生不平衡，振荡没有被封闭在振荡槽内，它从压电振荡片的支架漏到组件侧，具有产生失真能量损耗的顾虑。而且，由于在该振动臂的左右挠度的不平衡变大，压电振荡片的不正常能量损耗变大时，产生了其固有频率即谐振频率数降低，而且具有固有频率的波动值变大的问题。

另外，在上述压电振荡片的外形加工中，如果在水晶晶片的上下各表面分别配合定位第1光掩模时有误差，这样振动臂2a(2b)的上侧主平面3a和下侧主平面3b，就像由图10的中心线C1，C2所示的那样，在宽度方向上产生误差，振动臂的剖面具有在厚度方向产生上下不对称的危险。特别是如果使压电振荡片进一步变小，这样光是光掩模定位匹配就很困难，位置精度降低，容易变得不对称。

在这种具有不对称剖面的弹性体中，如果考虑将与所述主平面垂直的宽度方向即X方向的剖面设为厚度方向(Z’方向)，如图10所示，通过电场E1，E2的压电反作用的张力和压缩力在上下不平衡地作用。为此，振动臂2a、2b在振动时作为整体，受到在厚度方向的扭矩，从而在厚度方向产生变形，而在宽度方向产生弯曲振动。结果由于振动的泄漏产生失真能量损耗，有振动特性不稳定的危险。另外，如果这种失真能量损耗变大，则存在压电振荡片的固有频率即谐振频率数降低，而且固有频率的波动值变大的问题。

发明内容

因此，本发明是鉴于上述已有问题作出的，其第1个目的在于，在音叉型压电振荡片上，该音叉型压电振荡片是由具有蚀刻各向异性的压电材料形成的而且具有带有槽的振动臂结构，由于很好地平衡其振动臂宽度方向左右的刚度或者改善其平衡，保证了稳定的弯曲运动，抑制了CI值，因此，在实现高性能的同时，还实现了高稳定性。

本发明的第2个目的在于，在具有带槽的振动臂构造的音叉型压电振荡片上，通过抑制CI值提高其性能，由于针对在振动臂的上下主平面上产生的宽度方向的误差而导致的在振动臂的弯曲振动中产生的厚度方向的位移被有效地消除或抑制，由于振动的泄漏产生的失真能量损耗被消除或者抑制，而且确保了稳定的振动特性。

本发明的目的还在于，提供了这种音叉型压电振荡片的制造方法。

本发明的目的又在于，提供了利用这种音叉型压电振荡片的高品质和高稳定性的压电器件。

按照本发明的一个方面，为实现上述目的，提供一种音叉型压电振荡片，其特征在于，由在规定方向上具有蚀刻各向异性的压电材料形成，其具有从基部延伸出的1对振动臂，和由在各振动臂的表面和里面的主要面上设置的第1电极及在其侧面上设置的第2电极形成的驱动电极，在振动臂的至少一个主平面上，设置有沿着振动臂的纵向方向延长的槽，该槽是这样设置的，使得在宽度方向上，其中心线关于振动臂的中心线，在与所述蚀刻各向异性的规定方向相反侧上彼此错开，而且，所述至少一个主平面上设置的第1电极是由在所述槽的侧面形成的电极膜形成的。

如上所述，由具有蚀刻各向异性的压电材料形成的音叉型压电振荡片的外形和振动臂的槽，如果利用已有的通常使用的湿蚀刻方法加工，其宽度方向的剖面形状是不对称的，存在关于振动臂的中心线，在与蚀刻各向异性规定方向相反侧的振动臂的刚性变大的危险，所以这样配置本发明的振动臂的槽，能够消除或者改善这种剖面形状不对称引起的刚性的不平衡。因此，振动臂稳定了左右挠度，防止了由于振动的泄漏产生的失真能量损耗，能够反复进行稳定的弯曲运动。

压电材料采用已有的普通的水晶就能够满足要求。在这种情况下，振动臂的长度方向、宽度方向和厚度方向分别对应于水晶的Y轴方向、X轴方向和Z轴方向，如果在水晶的-X方向上，关于振动臂的中心线向着宽度方向错开设置所述槽，由于水晶在+X方向的蚀刻速度高，所以与振动臂的非对称的剖面形状没有关系，能够很好地确保其左右刚性的平衡。

在可选实施例中，如果关于振动臂的中心线的槽的中心线的错开量为振动臂宽度的1-5％，最好为2-4％的范围内，能够提高音叉型水晶振荡片的谐振频率，而且尽管在制造误差范围内使槽的位置在振动臂宽度方向错动，也能确认频率的变化不大。

按照本发明的第二方面，提供一种音叉型压电振荡片，其特征在于，其具有从基部延伸出1对振动臂，和在所述振动臂的上下主平面上分别沿其长度方向延伸的槽，由在所述各槽的侧面上设置的第1电极和在所述各振动臂的侧面上设置的第2电极形成的驱动电极：一个所述槽，关于另一个所述槽，在所述振动臂的宽度方向，与关于设有所述另一个槽的所述主平面的设有所述一个槽的所述主平面的错位同向错开，而且，在所述振动臂的宽度方向的剖面上，其厚度方向被2等分的上侧和下侧部分的各重心在与所述主平面垂直的同一直线上被匹配设置。这种情况下，压电材料通常采用已有的水晶就能够满足要求。其次，最好使振动臂的长度方向、宽度方向和厚度方向分别对应于水晶的Y轴方向、X轴方向和Z轴方向定向。

通过这种构成，既便在振动臂的上下主平面之间具有宽度方向的位置偏移，但如果将振动臂的剖面看作一个整体，则在其厚度方向2等分的上侧和下侧部分的由于引力和压缩力的不平衡引起的力矩被相互抵消，能够消除或者改善振动时厚度方向的位移。因此振动臂能够防止由于振动的泄漏导致的失真能量损耗，能够稳定地重复弯曲振动。

在其它实施例中，所述音叉型压电振荡片还具有从基部向着与所述1对振荡片相反方向延伸的另1对振动臂，能够使用于所述专利文献1或2中记载的压电振动陀螺。

按照本发明的另一方面，提供了压电器件，其包括，上述本发明的音叉型压电振荡片，固定支撑在其基部把该音叉型压电振荡片封装在内部的封装组件。此外，按照本发明，提供了还包括被装载在所述封装组件内的IC元件的压电器件。

另外，按照本发明的另一方面，提供一种音叉型压电振荡片的制造方法，其特征在于，包括过程：在规定方向具有蚀刻各向异性的压电材料的晶片上，加工具有基部和从该基部延伸出的1对振动臂的音叉型压电元件片的外形，通过对振动臂的内外主平面的至少一个进行湿蚀刻，形成沿着该振动臂的长度方向延伸的槽，该槽是这样形成的：在宽度方向的中心线关于振动臂的中心线，在与所述蚀刻各向异性规定的方向相反侧上彼此错开，通过在振动臂的主平面和侧面形成在所述槽内表面上的电极膜而且通过形成图案，形成驱动电极。

这样，消除或改善了由于带槽的振动臂的不对称的剖面形状而产生的刚性的不平衡，稳定了振动臂的左右挠度，而且防止了由于振动的泄漏导致的失真能量损耗，能够按照已有的工序制造可以稳定地重复弯曲运动的音叉型压电振荡片。

在其它实施例中，作为压电材料，能够使用一般情况下采用的水晶。在这种情况下，振动臂的长度方向、宽度方向和厚度方向分别对应于水晶的Y轴方向、X轴方向和Z轴方向定向，如果在水晶的-X方向上，关于振动臂的中心线向着宽度方向错开设置所述槽，则由于水晶在+X方向的蚀刻速度高，所以在振动臂的非对称剖面形状，能够很好地确保其左右刚性的平衡。

在可选实施例中，如果关于振动臂的中心线的所述槽的中心线的错开量为振动臂宽度的1-5％，最好为2-4％的范围内，能够提高音叉型水晶振荡片的谐振频率，而且，既便在制造误差范围内槽的位置在振动臂宽度方向错开，由于频率的变化不大而令人满意。

按照本发明的另一方面，提供一种音叉型压电振荡片的制造方法，其特征在于，包括过程：在压电材料的晶片上，加工具有基部和从该基部延伸出的1对振动臂的音叉型压电元件片的外形，通过湿蚀刻在所述振动臂的上下主平面上形成沿着长度方向延伸的槽，在所述元件片的主平面和侧面、所述槽的内表面形成电极膜，和形成图案的过程。在所述槽的光蚀刻时，通过所述元件片的外形加工，在所述振动臂的宽度方向，关于其一个所述主平面，在另一个所述主平面上产生错位，对应于该错位，另一个所述槽相对于在所述一个主平面上形成的一个所述槽，在与所述错位方向相同的方向上错开。而且，在所述振动臂的宽度方向的剖面上，在其厚度方向被2等分的上侧和下侧部分的各重心在与所述主平面垂直的同一直线上被匹配设置。这种情况下，压电材料也能够使用一直以来通常采用的水晶，而且，可以使振动臂的长度方向、宽度方向和厚度方向分别对应于水晶的Y轴方向、X轴方向和Z轴方向定向。

在这种音叉型压电振荡片的制造过程中，通过增加调整在振动臂的一个主平面上形成的槽的位置的工序，通过即时对应在振荡片的外形加工时引起的振动臂的上下主平面之间宽度方向的位置错位，能够消除或者抑制由此产生的厚度方向的位移。为此，能够按照已有工序制造音叉型压电振荡片，这种音叉型压电振荡片防止了由于振动的泄漏导致的失真能量损耗，而且具有稳定的振动特性。

在有的实施例中，在光蚀刻所述槽时，通过将另一个槽调整到即将形成该槽的主平面的宽度方向的中间位置，并且与此相配来决定一个槽的位置，从而能够比较简单地进行槽位置调整。

另外，在本发明的音叉型压电振荡片的制造方法中，音叉型压电元件片还具有从基部向着与所述1对振荡片相反方向延伸的另1对振动臂，通过加工这种外形，得到适于使用于所述专利文献1或2中记载的压电振动陀螺的音叉型压电振荡片。

附图说明

图1(A)是表示本发明的水晶振子的较佳实施例的纵剖面图；

图1(B)是其平面图；

图2(A)是图1的水晶振子使用的音叉型水晶振荡片的第一实施例的平面图；

图2(B)是其振动臂的局部放大平面图；

图2(C)是其II-II线的剖面图；

图3是表示与在图2的水晶振荡片的振动臂槽位置的错位量有关的固有频率(谐振频率)的变化曲线图；

图4(A)是适用于图2的第1实施例的本发明压电振动陀螺用的音叉型水晶振荡片的平面图；

图4(B)是其驱动用振动臂的局部放大平面图；

图4(C)是其IV-IV线的剖面图；

图5(A)是图1的水晶振子使用的音叉型水晶振荡片的第2实施例的平面图；

图5(B)是其V-V线的振动臂剖面图；

图6是显示有关图5的水晶振荡片的、就与振动臂的上下主平面之间宽度方向的位置偏移量有关的固有频率(谐振频率)的变化而言，将利用本发明来调整槽位置的情况和没有采用本发明的情况进行比较的曲线图；

图7(A)是适用于图5的第2实施例的本发明压电振动陀螺用的音叉型水晶振荡片的平面图；

图7(B)是其VII-VII线驱动用振动臂的剖面图；

图8是已有的音叉型水晶振荡片的平面图；

图9(A)是图8的振动臂的局部放大平面图；

图9(B)是其IX-IX线的剖面图；

图10是别的已有的音叉型水晶振荡片的、与图9同样的振动臂的剖面图。

具体实施方式

下面，参照附图详细地说明本发明的最佳实施例。

图1概略地示出了适用于本发明的水晶振子的较佳实施例。

这种水晶振子10具备封装组件13，其具有由绝缘材料形成的基部11和盖12，在封装组件13内部密封地封装有音叉型水晶振荡片14。基部11构成层叠多个陶瓷薄板的、大致矩形的箱状，在其内部划定的空间底部安装有音叉型水晶振荡片14。盖12是用由玻璃或陶瓷等绝缘材料构成的矩形薄板形成的，并由低熔点的玻璃气密封地连接到基部11的上端面上。为了调整频率能够从该组件的外部照射激光束，盖12最好由透明的玻璃制成。

如图2(A)所示，第1实施例的音叉型水晶振荡片14，具有例如在上述JP56—65517中记载的构造，在从基部15平行延伸的一对振动臂16a，16b的内外各主平面17a，17b上，沿着其长度方向，分别形成直线状的槽18a，18b。在各槽18a，18b的侧面和底面上设有由膜状电极膜形成的第1电极19a，19b，而且在各振动臂16a，16b的侧面设有第2电极20a，20b，这样一个振动臂的第1电极19a(19b)和另一个振动臂的第2电极20b(20a)互相电连接，通过这样，构成了使音叉型水晶振荡片14振荡的驱动电极。在基部15设有从所述驱动电极引出的引出电极21、21，而且分别利用导电性粘结剂23、23固定在基部11底面上的相应连接端子22、22上，突出且大致水平地支撑音叉型水晶振荡片14。

音叉型水晶振荡片14是这样形成的，与已有技术一样，利用光蚀刻技术湿蚀刻水晶晶片，加工希望的外形和各振动臂的槽18a，18b，而且在其表面通过溅射等形成覆盖的电极膜图案，这样形成所述驱动电极、引出电极和连接它们的连线。如果从连接端子22、22供给所述驱动电极预定的交流电压，在邻接的第1电极19a、19b和第2电极20a、20b之间交互形成电场E1、E2，振动臂16a、16b向着彼此相反的方向，反复弯曲运动。由于如图2(C)所示，所述各主平面平行，电场E1、E2大幅提高了电场效率，能够抑制降低CI值。

在用所述水晶晶片制造音叉型水晶振荡片14的时候，振动臂16a、16b的长度方向、宽度方向和厚度方向分别对应于水晶晶轴的Y轴、X轴和Z轴定向。在本实施例中，为了联系图8到图10的已有技术，如上所述，使用以偏离开水晶的Z轴诸如像约30′-2°的预定角度θ的切角，绕X轴旋转一周切出的水晶晶片。因此，本实施例的各振动臂16a、16b，宽度方向与水晶的X轴方向一致，长度方向为与Y轴方向成所述角度θ倾斜的Y’方向，厚度方向为与Z轴方向成所述角度θ倾斜的Z’方向。

水晶的蚀刻速度具有晶轴依赖性，由于本实施例中在振动臂16a、16b的宽度方向中，在+X方向容易进行蚀刻，所以所述振动臂和槽的剖面形状相对于振动臂的中心线C2是不对称的，如图2(C)所示，槽18a、18b的侧面向+X方向倾斜，在振动臂16a(16b)的+X方向的侧面上，形成突起24。在本实施例中，槽18a、18b的中心线C1相对振动臂16a(16b)的中心线C2向-X方向错开。

在利用光蚀刻技术，在振动臂的主平面上加工所述槽时，与通常产生的误差范围相比，这种错位量Δx非常大，决定了振动臂16a(16b)的刚度相对中心线C2在左右是实质上平衡。由此，激励振荡时各振动臂16a、16b的挠度在左右即音叉的内侧外侧是均等的，由于有效地闭合了振动臂的振动，所以没有了产生失真能量损耗的担心，能够降低固有谐振频率即发振频率和防止或者抑制波动。

图2的音叉型水晶振荡片14是这样制造的，将各振动臂16a，16b的宽度设定为104μm，厚度设为100μm，各槽18a，18b的宽度设为70μm，深度设为42μm，在+/-X方向槽的错位量Δx有种种变化。这样通过公知的FEM解析计算这些固有频率，得到表示与槽位置的错位量有关的固有频率变化的图3的结果。

在该图中，在错位量Δx为大约-3μm时，其固有频率最高，既便其中心位置从这里开始，向+或-X方向稍微有一点偏移，例如在加工槽时通常引起的误差范围的错位，也可以确认其固有频率的变化是平缓的。而且从图中可以理解到，错位量Δx如果设定在比较平缓的大约-1～-5μm的水平，即在-X方向设定在振动臂宽度的1～5％的范围，特别是如果设定在约-2～-4μm的水平，即在-X方向设定在振动臂宽度的2～4％的范围，固有频率的变化是比较缓和的，在称为防止或抑制实质上固有频率的降低和其波动的点是令人满意的，在批量生产音叉型水晶振荡片14的情况下，也能简单地进行固有频率的调整。

图4示出了用于使用在依据本发明的压电振动陀螺中的音叉型水晶振荡片。这种音叉型水晶振荡片25，与例如所述专利文献2中记载的已有的一样，包括在内部具有空腔的中央基部26，从该基部一侧延伸出的1对振动臂27a、27b，从与其相反侧延伸出的1对检测臂28a、28b。此外在基部26上，在振动臂27a、27b和检测臂28a、28b之间分别设有突出的支持部29a、29b。通过粘结固定此部分，音叉型水晶振荡片25在规定的封装组件内(未图示)，构成了被固定的压电振动陀螺。

与图2的音叉型水晶振荡片14一样，在振动臂27a、27b的内外主平面30a、30b上，沿着其长度方向分别形成直线状的槽31a、31b。在各槽31a、31b上，设置有由成膜于其侧面和底面上的电极膜构成的驱动用的第1电极32a、32b，而且在各振动臂27a、27b的侧面设有驱动用的第2电极33a、33b，它们是一个振动臂的驱动用的第1电极32a(32b)与其它振动臂的驱动用的第2电极33b(33a)相互电连接，从而，构成使音叉型水晶振荡片25振荡的驱动电极。在一个支持部29a上设有驱动用的电极片34，通过配线图案与所述驱动电极电连接。另一方面，在检测臂28a、28b的侧面设有2对检测用的电极35a、35b，同样，通过配线与设置在另一个支持部29b上的检测用的电极垫36(平头)电连接。

与音叉型水晶振荡片14一样，音叉型水晶振荡片25是这样形成的：通过利用光蚀刻技术湿蚀刻水晶晶片，加工希望的外形和各振动臂的槽31a、31b，而且对利用溅射等图案形成披覆在其表面的电极膜，形成所述各电极、电极垫和连接它们的配线图案。在本实施例中，水晶晶片是这样定向的：使用沿着由水晶的X轴和Y轴构成的平面切下的水晶，振动臂27a、27b的长度方向、宽度方向和厚度方向分别与水晶晶轴的Y轴、X轴和Z轴一致。

水晶的蚀刻速度具有晶轴依赖性，所以所述振动臂和槽的剖面形状相对于振动臂的中心线C2是不对称的，槽31a、31b的侧面向+X方向倾斜，在振动臂27a(27b)的+X方向的侧面上，形成突起37。如图4(C)所示，在本实施例中，槽31a、31b的中心线C1也是相对振动臂27a(27b)的中心线C2向-X方向错开设置。这种错位量Δx被设定得非常合适，充分大于在利用光蚀刻技术加工槽31a、31b时通常产生的误差程度，各振动臂27a、27b的挠度关于中心线C2变得左右相等，而且其刚度实质上左右平衡。

如果通过驱动用的电极垫34为所述驱动电极加上规定的交流电压，则同图2的实施例一样，在相邻的第1电极32a、32b和第2电极33a、33b之间交互产生电场E1、E2，振动臂27a、27b以其共振谐振频率弯曲振动。如图4(C)所示，由于所述各主平面平行，大幅提高了电场E1、E2的电场效率，能够抑制降低CI值。

如果在这种状态下，压电振动陀螺即音叉型水晶振荡片25以图4(A)的Y轴38为中心旋转，则由于相对于其旋转角速度ω，向与其振动方向正交的方向移动，振动臂27a、27b受到Z轴方向的应力，在Z方向振动。这种振动通过基部26被传播，振动臂28a、28b以其共振频率振动，所以由检测用的电极垫36将其作为电信号检测出来，求得音叉型水晶振荡片25的旋转角速度和其旋转方向等。在本实施例中，如上所述，各振动臂27a、27b的挠度左右相等，能够防止或抑制固有频率的降低和其波动，因此能够提供更高精度和更低价格的高可靠性的压电振动陀螺。

图5概略地示出了图1所示的本发明的水晶振子所使用的第2实施例的音叉型水晶振荡片14。如图5(A)所示，音叉型水晶振荡片14具有与图2的第1实施例基本相同的结构，在振动臂16a、16b的上下各主平面上17a、17b上沿着其长度方向分别形成直线状的槽18a、18b，在各槽18a、18b的侧面和底面上，设有第1电极19a、19b，而且在各振动臂16a、16b的侧面上，设有第2电极20a、20b，构成了使音叉型水晶振荡片14振荡的驱动电极。

本实施例的音叉型水晶振荡片14，如图5(B)所示，在振动臂16a、16b的上下主平面17a、17b之间，在+X方向上，产生了宽度方向的位置偏移x1。一个槽18a是这样配置的，使得其中心线C1被调整在对应的上侧主平面17a的宽度方向的中间。将另一个槽18b配置为：将其中心线C2调整到从相应的下侧主平面17b的宽度方向的中间开始，向+X方向仅错开x2。槽18b的错位量x2是这样确定的，在图5(B)所示的振动臂16a(16b)的宽度方向的剖面上，利用厚度方向(Z’方向)的水平线H对其进行两等分，将其上侧部分和下侧部分的各重心M1、M2调整到与所述主平面垂直的同一直线上，它是根据主平面位置的错位量x1确定的。

这样，如果在振动臂的上下主平面17a、17b之间具有宽度方向的位置错位，则在其厚度方向上的上侧和下侧产生引力和压缩力的不平衡。在本实施例中，如果将振动臂的剖面看作一个整体，由于重心位置M1、M2重合在与所述主平面垂直的直线L上，由引力和压缩力的不平衡引起的力矩被相互抵消，因此，能够消除或者抑制振动时所述振动臂厚度方向的位移。因此振动臂能够防止由于振动的泄漏导致的失真能量损耗，能够防止或抑制固有频率即谐振频率的降低和其波动，而且能够确保稳定地弯曲振动。

本实施例的音叉型水晶振荡片14也与图2的第1实施例一样，使用以偏离开水晶的Z轴诸如是约30’-2°的切角θ，绕X轴旋转一周切出的水晶晶片，因此各振动臂16a、16b的宽度方向为水晶的X轴方向，长度方向为关于Y轴方向倾斜θ角度的Y’方向，厚度方向为关于Z轴方向倾斜θ角度的Z’方向。由于水晶蚀刻速度的晶轴依赖性，在振动臂16a、16b的宽度方向上，在+X方向蚀刻容易进行，所以所述振动臂和槽的剖面成为在宽度方向不对称的形状，如图5(B)所示，槽18a、18b的侧面向+X方向倾斜，在振动臂16a(16b)的+X方向的侧面上，形成突起24。

对这种音叉型水晶振荡片14而言，如果从连接端子22、22把预定的交流电压加在所述驱动电极上，在邻接的第1电极19a、19b和第2电极20a、20b之间交互产生电场E1、E2，振动臂16a、16b向着彼此相反的方向，反复进行弯曲运动。由于电场E1、E2如图5所示平行于所述各主平面，所以大幅提高了电场效率，能够抑制降低CI值。

音叉型水晶振荡片14是这样形成的：利用与已有技术同样的光蚀刻技术湿蚀刻水晶晶片，加工其外形和振动臂的槽18a、18b，然后通过对在其表面成膜的电极膜形成图案而形成所述驱动电极等。首先，在所述水晶晶片的两面形成例如是由Au膜和Cr膜制成的耐蚀膜，而且通过在其上涂覆、干燥光致抗蚀剂形成抗蚀膜，在其上配置具有与水晶振荡片14外形相对应的相同的蚀刻图案的上下1对第1光掩模，通过曝光、显影露出所述耐蚀膜，通过蚀刻液除去它露出水晶晶片表面。剥离剩余的抗蚀膜后，在剩余的耐蚀膜上再次涂敷、干燥光致抗蚀剂，形成新的抗蚀剂膜，在其上配置具有与槽18a、18b形状相对应的具有蚀刻图案的上下1对第2光掩模，通过曝光、显影露出所述耐蚀膜的表面。

然后，通过氟酸等适当的水晶蚀刻液蚀刻暴露的所述水晶晶片的表面，加工带有振动臂16a、16b的水晶振荡片14的外形形状。然后，通过蚀刻液除去所述耐蚀膜的暴露表面，露出水晶晶片表面，通过把它放入水晶蚀刻液中预定深度进行半蚀刻，在振动臂的上下主平面17a、17b上分别形成槽18a、18b。

通过利用所述第1光掩膜进行蚀刻，相应于水晶振荡片14的外形而残留在水晶晶片的两面上的所述耐蚀膜，能够确认在振动臂16a、16b的上下主平面17a、17b之间在宽度方向的+X方向产生的位置错位和其错位量x1。根据该结果，所述第2光掩膜是这样进行位置匹配的：将其调整到对于一个槽18a而言的与其中心线C1对应的上侧主平面17a的宽度方向中间，而对于另一个槽18b而言的从与其中心线C2对应的下侧主平面17b的宽度方向中间开始，向+X方向仅错位x2。由于预先知道振动臂16a、16b的宽度和厚度，槽18a、18b的宽度和深度等剖面尺、和剖面形状，相对于预想的主平面位置的错位量x1合适的槽位置18b的错位量x2能够事前计算出。

在包括这样形成的水晶元件片的所述振荡片的槽内表面的全部表面上通过蒸发、溅射电极材料成膜，而形成电极膜。通过在其上涂覆、干燥光致抗蚀剂形成抗蚀膜，在其上配置具有对应希望的电极和配线图案的蚀刻图案的上下1对第3光掩膜，通过曝光、显影露出所述电极膜的表面。通过对该电极膜露出面进行蚀刻露出水晶晶片而进行分极，形成希望的驱动电极，输出电极和布线。

图5的音叉型水晶振荡片14是这样制造的：将各振动臂16a，16b的宽度设为104μm，厚度设为100μm，各槽18a，18b的宽度设为70μm，深度设为42μm，在突起24的宽度方向(X方向)和厚度方向(Z’方向)的尺寸为14μm、60μm的情况，在+X方向主平面位置的错位量x1有种种变化，而且根据本发明，对其相应地调整下侧主平面17b的槽18b的位置。为了进一步进行比较，使主平面位置的错位量x1有种种变化，与以前一样不调整槽18b的位置，而配置在下侧主平面17b的宽度中间来制造水晶振荡片。这样通过公知的FEM解析法计算这些振荡片的各振动臂振动时厚度方向的位移，得到图6的结果。

从图中得知，既便本发明的音叉型水晶振荡片在主平面位置的错位量x1增加，但维持与完全没有错位的情况大致相同的保持厚度方向的位移。我们可知，与此相反，与已有构造的比较例相比，由于在主平面位置的错位，而大大增加了所述厚度方向的位移。因此，根据本发明，能够防止或者抑制振动时振动臂厚度方向的位移，确实能得到稳定的振动特性。

图7示出了本发明第2实施例适用的压电振动陀螺使用的音叉型水晶片。这种音叉型水晶振荡片25具有与图4的实施例基本上相同的构成，具有从中间的基部26延伸的1对振动臂27a、27b，和从其相反侧延伸出的1对检测臂28a、28b。与图5的音叉型水晶振荡片14一样，在振动臂27a、27b的上下主平面30a、30b上形成长度方向的槽31a、31b，在其侧面和底面上设有驱动用的第1电极32a、32b，而且在各振动臂27a、27b的侧面设有驱动用的第2电极33a、33b，这样构成了振动音叉型水晶振荡片25的驱动电极。

音叉型水晶振荡片25同图5的第2实施例一样，振动臂27a、27b的上下主平面30a、30b的位置，在宽度方向即+X方向产生错位x1。一个槽31a是这样配置的：将其调整到对应其中心线C1的上侧主平面30a的宽度方向的中间。配置另一个槽31b，使其从对应其中心线C2的下侧主平面30b的宽度方向的中间开始，向+X方向仅错位x2。槽31b的错位量x2是根据主平面位置的偏移量x1而确定的：使得在图7(B)所示的振动臂27a(27b)的宽度方向的剖面上，通过厚度方向(Z’方向)的水平线H两等分它时，其上侧部分和下侧部分的各重心M1、M2重合在与所述主平面垂直的同一直线上。

即便在振动臂27a、27b的主平面位置上具有宽度方向的位置错位，但由于通过如此调整重心位置M1、M2，使得当将振动臂看作一个整体时，在其厚度方向的上侧和下侧由于引力和压缩力的不平衡引起的力矩被相互抵消，因此能够消除或者改善激励振荡时所述振动臂的厚度方向的位移。因此振动臂27a、27b能够防止由于振动的泄漏导致的失真能量损耗，能够防止或抑制固有频率即谐振频率的降低或其波动，而且能确保稳定的弯曲振动。

如果通过在一个支持部29a上设置的驱动用的电极垫34为所述驱动电极加上规定的交流电压，同图5的实施例一样，在相邻的第1电极32a、32b和第2电极33a、33b之间交互产生电场E1、E2，振动臂26a、26b以其共振谐振频率弯曲振动。如图7(B)所示，由于电场E1、E2所述各主平面平行，大幅提高了电场E1、E2的电场效率，能够抑制降低CI值。

如果在这种状态下，压电振动陀螺即音叉型水晶振荡片25以图7(A)的Y轴38为中心旋转，则由于相对于其旋转角速度ω，向与其振动方向正交的方向移动，振动臂27a、27b受到Z轴方向的应力，在Z方向振动。这种振动以其共振频率振动检测臂28a、28b，利用检测用的电极垫36，将其作为电信号检测出来，求得音叉型水晶振荡片25的旋转角速度和其旋转方向等。由于上述各振动臂27a、27b的挠度在厚度方向没有位移，能够防止或抑制固有频率的降低和其波动，因此能够提供具有稳定特性的更高精度和更低价格的高可靠性的压电振动陀螺。

与音叉型水晶振荡片14一样，音叉型水晶振荡片25是这样形成的，通过利用光蚀刻技术湿蚀刻水晶晶片，加工希望的外形和各振动臂的槽31a、31b，形成水晶元件片。使用沿着由水晶的X轴和Y轴构成的平面切下的水晶晶片，振动臂27a、27b的长度方向、宽度方向和厚度方向分别与水晶晶轴的Y轴、X轴和Z轴一致定向。首先，在所述水晶晶片的两面形成耐蚀膜而且在其上形成抗蚀膜，利用在其上配置的上下1对第1光掩膜，在所述耐蚀膜上描绘水晶振荡片25的外形，露出水晶晶片表面。从该水晶晶片的两面残存的耐蚀膜，确认在振动臂27a、27b的上下主平面30a、30b之间，在宽度方向产生的+X方向的位置错位和其错位量x1。在残存的所述耐蚀膜上形成新的抗蚀膜，利用在其上配置的上下1对第2光掩膜描绘槽31a、31b的形状，露出所述耐蚀膜的表面。此时，所述第2光掩膜是这样进行位置匹配的：对于一个槽31a而言，将该光掩模调整在与槽31a的中心线C1对应的上侧主平面30a的宽度方向中间，对于另一个槽31b而言，使光掩模从与其中心线C2对应的下侧主平面30b的宽度方向中间开始，向+X方向仅错位由主平面位置的错位量x1决定的错位量x2。

然后，通过氟酸等适当的水晶蚀刻液蚀刻暴露的所述水晶晶片的表面，加工带有振动臂27a、27b的水晶振荡片25的外形形状。然后，通过蚀刻液除去所述耐蚀膜的暴露表面，露出水晶晶片表面，通过同样的水晶蚀刻液把它放到预定深度半蚀刻，在所述振动臂的上下主平面30a、30b上分别形成槽31a、31b。

在包括这样形成的水晶元件片的所述振荡片的槽内表面的全部表面上通过蒸发、溅射电极材料形成电极膜。通过在其上涂覆、干燥光致抗蚀剂形成抗蚀膜，在其上配置对应希望的电极和配线图案的具有蚀刻图案的上下1对第3光掩膜，通过曝光、显影露出所述电极膜的表面。通过对该电极膜露出面进行蚀刻露出水晶晶片的分极化，形成所述各电极、电极垫和连接它们的配线图案。

以上，尽管对本发明的合适实施例进行详细的说明，从业者应该明白，能够在本发明技术的范围内对上述各实施例加上各种变化、变形来实施。例如，本发明的音叉型压电振荡片，能够使用除水晶以外的铌酸锂等各种压电单晶材料。另外，通过在与图1同样的封装组件内加入音叉型水晶振荡片14，通过装载构成其驱动电路的IC等，能够构成压电振动器或实时的压电器件。

按照本发明的音叉型压电振荡片，按照一般方法，在利用湿蚀刻由具有蚀刻各向异性的压电材料加工音叉型压电振荡片的外形和振动臂的槽时，通过在振动臂至少一个主平面上设置有沿着长度方向延伸的槽，该槽是这样设置的：在宽度方向上，其中心线相关于振动臂的中心线，在与所述蚀刻各向异性的规定方向相反侧上彼此错开，由于在其宽度方向的剖面形状变得不对称，振动臂的刚度对于其中心线消除了左右不平衡的担心，所以稳定了振动臂的左右挠度，防止了由于振动的泄漏产生的失真能量损耗，由于能够确保其稳定的弯曲运动，由抑制CI值提高其性能，能实现高稳定性。

另外，按照本发明的音叉型压电振荡片，相对于在振动臂的上下主平面间产生的宽度方向的位置错位，在振动臂的宽度方向的剖面上，在其厚度方向被2等分的上侧和下侧部分的各重心被调整在与所述主平面垂直的同一直线上，通过这种槽位置的调整，由于激励振荡动时厚度方向的位移被消除或抑制，由振动的泄漏产生的失真能量损耗被防止，能确保了稳定的弯曲振动，由抑制CI值提高其性能，实现了非常稳定的振动特性。

另外，按照本发明的音叉型压电振荡片的制造方法，在由具有蚀刻各向异性的压电材料加工外形的音叉型压电元件片的振动臂的至少一个主平面上，进行湿蚀刻，形成沿着该振动臂的长度方向延伸的槽，该槽是这样设置的：在宽度方向上，其中心线关于振动臂的中心线，在与所述蚀刻各向异性的规定方向相反侧上彼此错开，由带槽的振动臂的不对称的剖面形状导致消除或改善了刚度的不平衡，稳定了振动臂的左右挠度，而且防止了由振动的泄漏导致的失真能量损耗，能够按照已有的工序从头到尾完美地制造能够反复进行稳定弯曲运动的音叉型压电振荡片，能降低制造成本。

另外，按照本发明的音叉型压电振荡片的制造方法，通过在已有的工序中增加调整在振动臂的一个主平面上形成的槽的位置的工序，通过对应在振荡片的外形加工时引起的振动臂的上下主平面之间宽度方向的位置错位，能够消除或者抑制由此产生的厚度方向的位移，防止了由振动的泄漏导致的失真能量损耗，能够从头到尾完美地低成本制造发挥稳定振动特性的音叉型压电振荡片。

Claims (21)

1.一种音叉型压电振荡片，其特征在于，由具有在规定方向蚀刻各向异性的压电材料形成，其具有

从基部延伸出1对振动臂；和

由在所述各振动臂的内外主平面上设置的第1电极及在其侧面上设置的第2电极形成的驱动电极；

在所述振动臂的至少一个所述主平面上，设置有沿着该振动臂的长度方向延长的槽，该槽是这样设置的：使得在其宽度方向上，其中心线相关于所述振动臂的中心线，在与所述蚀刻各向异性的规定方向相反侧上彼此错开，而且，

所述至少一个所述主平面上设置的所述第1电极是由在所述槽的侧面形成的电极膜形成的。

2.根据权利要求1的音叉型压电振荡片，其特征在于，所述压电材料是水晶。

3.根据权利要求2的音叉型压电振荡片，其特征在于，所述振动臂的长度方向、宽度方向和厚度方向分别对应于所述水晶的Y轴方向、X轴方向和Z轴方向，这样设置所述槽，使得关于所述振动臂的中心线，在所述水晶的-X方向上向着宽度方向错开。

4.根据权利要求3的音叉型压电振荡片，其特征在于，关于所述振动臂的中心线的所述槽的中心线的错开量为所述振动臂宽度的1-5％。

5.根据权利要求4的音叉型压电振荡片，其特征在于，关于所述振动臂的中心线的所述槽的中心线的错开量为所述振动臂宽度的2-4％。

6.一种音叉型压电振荡片，其特征在于，其具有

从基部延伸出1对振动臂；和

在所述振动臂的上主平面上沿其长度方向延伸的槽；

在所述振动臂的下主平面上沿其长度方向延伸的槽；和

由在所述各槽的侧面上设置的第1电极和在所述各振动臂的侧面上设置的第2电极形成的驱动电极；

在所述振动臂的上主平面上沿其长度方向延伸的槽和在所述振动臂的下主平面上沿其长度方向延伸的槽与上述上主平面和下主平面的错位同向错开，而且，在所述振动臂的宽度方向的剖面上，在其厚度方向上被2等分的上侧和下侧部分的各重心被调整在与所述主平面垂直的同一直线上。

7.根据权利要求6的音叉型压电振荡片，其特征在于，用水晶形成上述振动臂。

8.根据权利要求7的音叉型压电振荡片，其特征在于，所述振动臂的长度方向、宽度方向和厚度方向分别对应于所述水晶的Y轴方向、X轴方向和Z轴方向定向。

9.根据权利要求1至8中任何一个的音叉型压电振荡片，其特征在于，还具有从所述基部向着与所述1对振荡片相反方向延伸的另1对振动臂。

10.一种压电器件，其特征在于，其包括，根据权利要求1至9中的任何一个的音叉型压电振荡片，和将所述音叉型压电振荡片固定支撑在所述基部，并将其封装在内部的封装组件。

11.根据权利要求10的压电器件，其特征在于，还包括被装载在所述封装组件内的IC元件。

12.一种音叉型压电振荡片的制造方法，其特征在于，包括步骤，

在规定方向具有蚀刻各向异性的压电材料的晶片上，加工具有基部和从该基部延伸出的1对振动臂的音叉型压电元件片的外形，

通过对所述振动臂的内外主平面的至少一个进行湿蚀刻，形成沿着该振动臂的长度方向延伸的槽，对该槽而言，在宽度方向上，其中心线关于所述振动臂的中心线，在与所述蚀刻各向异性规定的方向相反侧上彼此错位，

通过在所述振动臂的所述主平面和侧面、所述槽的内表面上形成电极膜，并形成图案，从而形成驱动电极的过程。

13.根据权利要求12的音叉型压电振荡片的制造方法，其特征在于，所述压电材料是水晶。

14.根据权利要求13的音叉型压电振荡片的制造方法，其特征在于，所述振动臂的长度方向、宽度方向和厚度方向分别对应于所述水晶的Y轴方向、X轴方向和Z轴方向定向，所述槽是关于所述振动臂的中心线，在所述水晶的-X方向上向宽度方向错开而设置的。

15.根据权利要求14的音叉型压电振荡片的制造方法，其特征在于，关于所述振动臂的中心线的所述槽的中心线的错开量为所述振动臂宽度的1-5％。

16.根据权利要求15的音叉型压电振荡片的制造方法，其特征在于，关于所述振动臂的中心线的所述槽的中心线的错开量为所述振动臂宽度的2-4％。

17.一种音叉型压电振荡片的制造方法，其特征在于，包括过程，

在压电材料的晶片上，加工具有基部和从该基部延伸出的1对振动臂的音叉型压电元件片的外形，

通过光蚀刻在所述振动臂的上下主平面上形成沿着长度方向延伸的槽，

在所述元件片的主平面和侧面、所述槽的内表面形成电极膜，且形成图案；

在所述槽的光蚀刻中，通过所述元件片的外形加工，在所述振动臂的宽度方向，关于其一个所述主平面在另一个所述主平面上产生错位，对应于该错位，关于即将在所述一个主平面上形成的一个所述槽，与所述错位方向同向地错开另一个所述槽；而且，在所述振动臂的宽度方向的剖面上，在其厚度方向上被2等分的上侧和下侧部分的各重心被调整在与所述主平面垂直的同一直线上。

18.一种制造音叉型压电振荡片的制造方法，其特征在于，该音叉型压电振荡片具有

从基部延伸出1对振动臂；和

在所述振动臂的上主平面上沿其长度方向延伸的槽；

在所述振动臂的下主平面上沿其长度方向延伸的槽；和

由在所述各槽的侧面上设置的第1电极和在所述各振动臂的侧面上设置的第2电极形成的驱动电极；

在所述振动臂的上主平面上沿其长度方向延伸的槽和在所述振动臂的下主平面上沿其长度方向延伸的槽与上述上主平面和下主平面的错位同向错开，而且，在所述振动臂的宽度方向的剖面上，在其厚度方向上被2等分的上侧和下侧部分的各重心被调整在与所述主平面垂直的同一直线上，并且用水晶形成上述振动臂，

在光蚀刻所述槽时，所述另一个槽被调整在将要形成它的所述主平面的宽度方向的中间位置，而且与此相应，确定所述一个槽的位置。

19.根据权利要求17或者18的音叉型压电振荡片的制造方法，其特征在于，所述压电材料是水晶。

20.根据权利要求19的音叉型压电振荡片的制造方法，其特征在于，所述振动臂的长度方向、宽度方向和厚度方向分别对应于所述水晶的Y轴方向、X轴方向和Z轴方向定向。

21.根据权利要求12或17所述的音叉型压电振荡片的制造方法，其特征在于，为了使所述音叉型压电元件片还具有从所述基部向着与所述1对振荡片相反方向延伸的另1对振动臂，而加工其外形。

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