CN105210294B - 振动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供可充分减小频率温度系数TCF的绝对值的振动装置。振动装置(1)是在俯视时，具有具备长边和短边的矩形板状的形状，并利用在上述短边方向伸缩振动模式的振动装置，包含由简并半导体构成的Si层(2)、氧化硅层(3)、压电体层(5)、以及对压电体层(5)施加电压的第一、第二电极(6、7)，在将Si层的厚度的总和设为T1、将氧化硅层(3)的厚度的总和设为T2、将未设置有氧化硅层(3)的情况下的振动装置的TCF设为x(ppm/K)时，T2/(T1+T2)处于(‑0.0003x2‑0.0256x+0.0008)±0.05的范围内。

Description

振动装置
技术领域
本发明涉及具有多个音叉臂的振动装置，特别是，涉及MEMS型的振动装置。
背景技术
以往，公知有在Si半导体层上构成有包含压电薄膜的激发部的MEMS(MicroElectro Mechanical Systems：微机电系统)构造。在具有MEMS构造的振子中，为了改善频率温度系数TCF进行各种尝试。在下述的专利文献1中公开有通过层叠Si和SiO2而减小TCF的绝对值的方法。而且在下述的专利文献2以及3中公开有通过对Si实施p型或者n型的掺杂，来减小Si本身的一次的频率温度系数的方法。
在下述的专利文献4中公开有使用Si/SiO2复合材料，并且对Si进行高浓度掺杂的方法。在专利文献4中，记载有能够减小二次的频率温度系数的内容。
专利文献1：WO2008/043727号公报
专利文献2：WO2010/062847号公报
专利文献3：WO2012/110708号公报
专利文献4：WO2012/156585号公报
如专利文献1～4所记载的那样，以往提出了各种在具有MEMS构造的振子中减小TCF的绝对值的方法。然而，在它们所记载的方法中，另外充分减小TCF的绝对值很困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够充分地减小频率温度系数TCF的绝对值的振动装置。
本申请的第一发明所涉及的振动装置是在俯视的情况下，具有具备长边和短边的矩形板状的形状，并在上述短边方向伸缩振动的振动装置。
第一发明所涉及的振动装置包含由简并半导体构成的Si层、氧化硅层、压电体层、以及对上述压电体层施加电压的第一、第二电极。而且，在将上述Si层的厚度的总和设为T1、将氧化硅层的厚度的总和设为T2、将未设置有氧化硅层的情况下的上述振动装置的TCF设为x(ppm/K)时，T2/(T1+T2)处于(-0.0003x2-0.0256x+0.0008)±0.05的范围内。
第二发明所涉及的振动装置是具有正方形板状的形状，在与正方形板平行的面内各边伸缩振动的振动装置。
第二发明所涉及的振动装置包含由简并半导体构成的Si层、氧化硅层、压电体层、以及对上述压电体层施加电压的第一、第二电极。在第二发明中，在将上述Si层的厚度的总和设为T1、将氧化硅层的厚度的总和设为T2、将未设置有氧化硅层的情况下的上述振动装置的TCF设为x(ppm/K)时，T2/(T1+T2)处于(-0.0003x2-0.0228x+0.0024)±0.05的范围内。
第三发明所涉及的振动装置是在俯视的情况下，具有具备长边和短边的矩形板状的形状，并在上述长边方向伸缩振动的振动装置。
第三发明所涉及的振动装置包含由简并半导体构成的Si层、氧化硅层、压电体层、以及对上述压电体层施加电压的第一、第二电极。在第三发明中，在将上述Si层的厚度的总和设为T1、将氧化硅层的厚度的总和设为T2、将未设置有氧化硅层的情况下的上述振动装置的TCF设为x(ppm/K)时，T2/(T1+T2)处于(-0.0003x2-0.0250x+0.0215)±0.05的范围内。
在本发明(以下，对第一～第三发明进行统称，称为本发明)的振动装置的某个特定的方面，对上述Si层掺杂n型掺杂剂。优选作为掺杂剂使用磷(P)。
在本发明所涉及的振动装置的另一特定的方面，上述氧化硅层层叠于上述Si层的一个主面。
在本发明所涉及的振动装置的其它的特定的方面，在上述压电体层的一个主面设置有上述第一电极，在上述压电体层的另一个主面设置有上述第二电极。
在本发明所涉及的振动装置的另一其它的特定的方面，上述Si层兼作上述第二电极。
在本发明所涉及的振动装置的另一其它特定的方面，上述氧化硅层形成于上述Si层的两面。
在本发明所涉及的振动装置中，由于作为上述氧化硅层的厚度的比例的厚度比T2/(T1+T2)为上述特定的范围内，所以能够显著减小频率温度系数TCF的绝对值。因此，能够提供温度特性良好的振动装置。
附图说明
图1(a)是本发明的第一实施方式的振动装置的立体图，图1(b)是其正面剖视图，图1(c)是在第一实施方式中所使用的激发部的局部剖切正面剖视图。
图2是用于对在第一实施方式中，在将未设置有氧化硅层的情况下的TCF的值设为x时，TCF的绝对值为0的厚度比T2/(T1+T2)进行说明的图。
图3是表示第一实施方式的振动装置中的温度与谐振频率变化率的关系的图。
图4(a)以及(b)是在本发明中，在Si层上层叠有氧化硅层的构造以及在Si层的两面设置有氧化硅层的构造的各正面剖视图。
图5是本发明的第二实施方式所涉及的振动装置的立体图。
图6是用于对在第二实施方式中，将未设置有氧化硅层的情况下的TCF的值设为x时，TCF的绝对值为0的厚度比T2/(T1+T2)进行说明的图。
图7是本发明的第三实施方式所涉及的振动装置的立体图。
图8是用于对在第三实施方式中，在将未设置有氧化硅层的情况下的TCF的值设为x时，TCF的绝对值为0的厚度比T2/(T1+T2)进行说明的图。
图9是本发明的第四实施方式的振动装置的立体图。
图10是表示Si层中的P的掺杂密度与Si层的电阻率的关系的图。
图11(a)是本发明的第一实施方式的变形例所涉及的振动装置的正面剖视图，图11(b)是该变形例的振动装置所使用的激发部的局部剖切正面剖视图，图11(c)是在第一实施方式的变形例中，在Si层层叠有氧化硅层的构造的正面剖视图。
具体实施方式
以下，通过参照附图对本发明的具体的实施方式进行说明，来使本发明变得清楚。
图1(a)是本发明的第一实施方式所涉及的振动装置的立体图。图1(b)是其正面剖视图，图1(c)是在第一实施方式中所使用的激发部的局部剖切正面剖视图。
振动装置1在俯视时，具有矩形板状的形状，该矩形具有一对长边和一对短边。在具有该矩形板状的形状的Si层2上，层叠有氧化硅层3以及激发部4。
Si层2由简并半导体构成。由于是简并半导体，所以n型掺杂剂的掺杂浓度是1×1019个/cm3以上即可。作为n型掺杂剂能够举出P、As或者Sb等第15族元素。优选作为掺杂剂使用P。在该情况下，能够容易地制造n型的简并半导体。
在本实施方式中，Si层由以5×1019/cm3的浓度掺杂了磷的n型Si半导体构成。另外，如图10所示，由于磷(P)的掺杂密度是5×1019个/cm3，所以电阻率为1.5mΩ·cm以下，是简并半导体。
在本实施方式中，氧化硅层3由SiO2构成。在本实施方式中，在上述Si层2的上表面层叠有由SiO2构成的氧化硅层3。
氧化硅层3并不局限于SiO2，也能够由具有SiaOb(a、b是整数)的适当的组成的氧化硅系材料构成。
在本实施方式中，激发部4具有作为压电体层的压电薄膜5、第一电极6、以及第二电极7。第一电极6和第二电极7以夹持压电薄膜5的方式设置。
并没有对构成上述压电薄膜5的压电材料进行特别限定，但在利用了体波的振动装置中，优选Q值较高。因此，优选使用电气机械结合系数k2较小，但Q值较高的AlN。
但是，也可以使用ZnO、Sc置换AlN、PZT、KNN等。在Sc置换AlN膜(ScAlN)将Sc和Al的原子浓度设为100at％的情况下，优选Sc浓度是0.5at％至50at％左右。
ScAlN与AlN相比电气机械结合系数k2较大，与PZT、KNN相比机械的Qm较大。因此，若将ScAlN应用于像本发明那样的共振型振子，则具有以下的优点。作为共振型振子的用途有振荡器。例如将在TCXO(温度补偿型振荡器)中内置的温度传感器的信号反馈至与振子串联连接的可变电容元件，使可变电容元件的容量值变化。因此，能够调整振荡频率。此时，若作为压电薄膜代替AlN使用ScAlN，则共振型振子的带宽比扩大。因此，能够扩大振荡频率的调整范围。
同样，在将ScAlN用于VCXO(电压控减振荡器)的情况下，振荡频率的调整范围扩大。因此，能够通过可变电容元件来调整共振型振子的初始的频率偏差。因此，能够大幅减少频率调整工序的成本。
第一、第二电极6、7能够由Mo、Ru、Pt、Ti、Cr、Al、Cu、Ag、或者它们的合金等的适当的金属形成。
在本实施方式的振动装置1中，通过对上述第一电极6和第二电极7之间施加交变电场，激发部4被激发。其结果，振动装置1整体沿短边方向伸缩振动。即在短边方向，振动装置1产生反复伸长状态和收缩的状态的伸缩振动。
本实施方式的特征在于上述氧化硅层3的厚度比以未设置有氧化硅层3的情况下的TCF为基准为特定的厚度的范围内。更具体而言，将未设置有氧化硅层3的情况下的TCF设为x(ppm/K)。未设置有氧化硅层3的情况下的TCF是根据掺杂有磷(P)的Si层2中的掺杂量确定的值。将Si层2的厚度设为T1，将氧化硅层3的厚度设为T2。在本实施方式中，厚度比T2/(T1+T2)为下述的式(1)(-0.0003x2-0.0256x+0.0008)±0.05…式(1)的范围内。因此，频率温度系数的绝对值显著变小为0±5ppm/℃以内。参照图2对其进行说明。
图2的横轴是如上述那样，未设置有氧化硅层的情况下的TCF，纵轴是厚度比T2/(T1+T2)。图2中绘制的点在设置有上述氧化硅层3的本实施方式中，是TCF的绝对值是0的情况下的点。而且，曲线A是通过根据上述点近似得到的曲线，用y＝-0.0003x2-0.0256x+0.0008来表示。
因此，若厚度比T2/(T1+T2)是-0.0003x2-0.0256x+0.0008则TCF为0。另外，根据本申请发明者已经确认若上述厚度比是(-0.0003x2-0.0256x+0.0008)±0.05的范围内，则TCF是0±5ppm/℃的范围内。
因此，在第一实施方式中，可知根据与Si层2的掺杂量对应的TCF值x，将上述厚度比T2/(T1+T2)设为上述式(1)的范围内，从而显著减小频率温度系数TCF的绝对值，可构成温度特性良好的振动装置1。
根据本申请发明者们的实验，使用以5×1019/cm3以上的浓度添加了磷(P)的Si层2，使上述矩形的长边方向与Si的(100)方向一致的情况下的上述振动特性的TCF约为-3ppm/K。在该情况下，由图2可知，T2/(T1+T2)＝0.08。因此，氧化硅层3的厚度的最佳值为0.8μm。
图3是表示本实施方式的振动装置1的谐振频率变化率dFr/dF(ppm)的温度变化的图。在这里，振动装置1的尺寸的长边＝210μm，短边的长度＝140μm。另外，Si层2的磷(P)的掺杂量为5×1019个/cm3，Si层的厚度为10μm。
氧化硅层3由SiO2构成，其厚度为0.8μm。激发部4中的压电薄膜5由AlN构成，其厚度为0.8μm。第一、第二电极6、7由Mo构成，其厚度分别为0.1μm。
如上述那样，制作出谐振频率是26MHz的振动装置1。
以上述振动装置1中的20℃的谐振频率Fr20为基准，求出谐振频率变化率dFr/dF(ppm)与温度的关系。dFr/dF为(Fr-Fr20)/Fr20。
根据图3可知，根据本实施方式，在0～100℃之间，谐振频率变化率为80ppm以内非常小。
此外，在上述实施方式中，如图4(a)中示意所示，在Si层2的单面层叠有氧化硅层3。但是，在本发明中，如图4(b)所示，也可以在Si层2的单面层叠一个氧化硅层3a，在另一面层叠另一个氧化硅层3b。此时，上述厚度比T2/(T1+T2)的T2为多个氧化硅层3a、3b的厚度T2a、T2b的总和即可。同样，对于Si层也可以层叠多层。在该情况下，厚度T1为多个Si层的厚度的总和即可。
此外，在Si层2的两面设置了氧化硅层3a、3b的构造中，能够抑制Si层的弯曲。
图11(a)是本发明的第一实施方式的变形例所涉及的振动装置的正面剖视图。图11(b)是该变形例的振动装置所使用的激发部的局部剖切正面剖视图。
如图11(a)所示，在第一实施方式的变形例所涉及的振动装置中，在Si层2的一方主面层叠有氧化硅层3。在Si层2的另一方主面层叠有激发部8。上述激发部8具备压电薄膜5以及第一电极6。在本变形例中，不另外设置第二电极7，Si层2兼作第二电极。
上述压电薄膜5以及第一电极6依次层叠在Si层2上。由于上述Si层2由简并半导体构成，所以在依次层叠Si层2、压电薄膜5以及第一电极6的情况下，Si层2作为第二电极发挥作用。即，在本变形例中，通过上述第一电极6以及Si层2，对压电薄膜5施加电压。在该情况下，由于也可以不另外设置第二电极7，所以能够使构造简化。因此，能够提供可靠性、量产性优异的振动装置。
另外，如图11(c)所示，在第一实施方式的变形例中，在将Si层2的厚度设为T1、将氧化硅层3的厚度设为T2、将未设置有氧化硅层的情况下的上述振动装置的TCF设为x(ppm/K)时，厚度比T2/(T1+T2)为下述的式(1)(-0.0003x2-0.0256x+0.0008)±0.05…式(1)的范围内。因此，频率温度系数的绝对值显著变小为0±5ppm/℃以内。因此，能够提供温度特性良好的振动装置。
图5是第二实施方式的振动装置的立体图。第二实施方式的振动装置11整体具有正方形板状的形状。在第二实施方式，在Si层2上，也层叠有氧化硅层3以及激发部4。
除了Si层2、氧化硅层3以及激发部4的俯视形状以外，与第一实施方式相同。因此，通过标注同一参照编号，引用第一实施方式的说明从而省略详细的说明。
在本实施方式中，是正方形板状的振动装置11，若在激发部4中对第一电极6和第二电极7之间施加交变电场，则正方形板在与两主面平行的面伸缩振动。即能够利用伸缩振动模式的振动特性。
在本实施方式中，也由于氧化硅层3的厚度T2的厚度比T2/(T1+T2)为特定的范围内，所以能够显著减少频率温度系数TCF的绝对值。更具体而言，将厚度比T2/(T1+T2)设为(-0.0003x2-0.0228x+0.0024)±0.05的范围内，由此能够使频率温度系数TCF的绝对值成为0±5ppm/℃的范围内。参照图6对其进行说明。
图6的横轴是未设置有氧化硅层的情况下的TCF，纵轴是上述厚度比T2/(T1+T2)。图6中的多个点是在设置了氧化硅层的情况下频率温度系数TCF为0的位置。曲线B是对上述点的坐标进行近似而得到的曲线，在将厚度比设为y，将上述横轴的TCF设为x的情况下，y＝-0.0003x2-0.0228x+0.0024。因此，以满足该式的方式，通过根据未设置有氧化硅层3的情况下的TCF的值x，选择厚度比T2/(T1+T2)，能够将频率温度系数TCF设为0。而且，根据本申请发明者们的实验，若厚度比为上述(-0.0003x2-0.0228x+0.0024)±0.05的范围内，则能够将频率温度系数TCF设为0±5ppm/℃的范围内。
因此，在第二实施方式中，也根据由Si层的掺杂量确定的TCF的值X，来选择厚度比T2/(T1+T2)，从而能够显著减小频率温度系数TCF。
图7是本发明的第三实施方式所涉及的振动装置的立体图。第三实施方式的振动装置21与第一、第二实施方式相同，具有层叠有Si层2、氧化硅层3以及激发部4的构造。第三实施方式不同之处在于具有整体细长的矩形板状，即带状的形状，利用沿其长度方向伸缩的振动模式。由于除了Si层2、氧化硅层3以及激发部4的上述俯视形状以外与第一实施方式相同，所以通过引用第一实施方式的说明，省略各部分的详细的说明。
在本实施方式中，若对第一电极6和第二电极7之间施加交变电场，则振动装置21沿长度方向伸缩。本实施方式的特征在于与第一、第二实施方式相同，基于未设置有氧化硅层3的情况下的TCF的大小x将氧化硅层3的厚度比T2/(T1+T2)设为(-0.0003x2-0.0250x+0.0215)±0.05的范围内。因此，能够减小频率温度系数TCF的绝对值。参照图8对其进行说明。
图8的横轴是未设置有氧化硅层3的情况下的TCF，纵轴是厚度比T2/(T1+T2)。在图8中绘制的多个点是在设置了氧化硅层的本实施方式中，频率温度系数TCF是0点。曲线C通过根据上述点的坐标近似而得到，曲线C用y＝-0.0003x2-0.0250x+0.0215来表示。
因此，若以满足上述式的方式设定厚度比T2/(T1+T2)，则能够将频率温度系数TCF设为0。另外，根据本申请发明者们的实验已经明确，若厚度比T2/(T1+T2)为(-0.0003x2-0.0250x+0.0215)±0.05的范围内，则可使频率温度系数TCF成为0±5ppm/℃以内的范围内。
因此，根据由Si层的掺杂量确定的x，将厚度比T2/(T1+T2)设为(-0.0003x2-0.0250x+0.0215)±0.05即可，因此，能够显著减小频率温度系数TCF的绝对值。
图9是本发明的第四实施方式所涉及的振动装置的立体图。第四实施方式的振动装置31具有以与第一实施方式相同的方式构成的振动部1A。由于振动部1A的各部分与第一实施方式的振动装置1相同，所以通过标注同一参照编号，来省略其说明。在本实施方式的振动装置31中，在上述振动部1A的短边侧中央，连结有连结部32、33的一端。连结部32、33的另一端与矩形框状的支承体34连结。此外，上述连结部32、33以及支承体34均与振动部1A相同，具有层叠了Si层2、氧化硅层3的构造。连结部32、33与上述振动部1A的短边侧的侧面中央连结。该短边侧的侧面中央是振动部1A的伸缩振动的振动的节点。因此，能够以不妨碍上述振动部1A的振动的方式，通过支承体34以及连结部32、33来支承振动部1A。
在本实施方式中，由于振动部1A以与振动装置1相同的方式构成，所以与第一实施方式相同，能够显著减小频率温度系数TCF的绝对值。
根据第四实施方式明确可知，本发明的振动装置只要将氧化硅层的厚度比T2/(T1+T2)设定在上述的式的范围内即可。即，对于支承构造并没有特别限定，在第二以及第三实施方式中，也可以在各振动装置的振动的节点连结连结部，并支承。
符号说明
1…振动装置；1A…振动部；2…Si层；3、3a、3b…氧化硅层；4、8…激发部；5…压电薄膜；6、7…第一、第二电极；11、21、31…振动装置；32、33…连结部；34…支承体。

Claims (21)

1.一种振动装置，该振动装置在俯视的情况下，具有具备长边和短边的矩形板状的形状，并在所述短边方向伸缩振动，
包含由简并半导体构成的Si层、氧化硅层、压电体层、以及对所述压电体层施加电压的第一、第二电极，在将所述Si层的厚度的总和设为T1、将所述氧化硅层的厚度的总和设为T2、将未设置有所述氧化硅层的情况下的所述振动装置的频率温度系数TCF设为x时，T2/(T1+T2)处于(-0.0003x2-0.0256x+0.0008)±0.05的范围内，所述x的单位是ppm/K。
2.根据权利要求1所述的振动装置，其中，
所述Si层掺杂有n型掺杂剂。
3.根据权利要求2所述的振动装置，其中，
所述掺杂剂是磷(P)。
4.根据权利要求1所述的振动装置，其中，
所述氧化硅层层叠于所述Si层的一个主面。
5.根据权利要求1所述的振动装置，其中，
在所述压电体层的一个主面设置有所述第一电极，在所述压电体层的另一个主面设置有所述第二电极。
6.根据权利要求1所述的振动装置，其中，
所述Si层兼作所述第二电极。
7.根据权利要求1所述的振动装置，其中，
所述氧化硅层形成于所述Si层的两面。
8.一种振动装置，该振动装置具有正方形板状的形状，在与正方形板平行的面内各边伸缩振动，
包含由简并半导体构成的Si层、氧化硅层、压电体层、对所述压电体层施加电压的第一、第二电极，在将所述Si层的厚度的总和设为T1、将所述氧化硅层的厚度的总和设为T2、将未设置有所述氧化硅层的情况下的所述振动装置的频率温度系数TCF设为x时，T2/(T1+T2)处于(-0.0003x2-0.0228x+0.0024)±0.05的范围内，所述x的单位是ppm/K。
9.根据权利要求8所述的振动装置，其中，
所述Si层掺杂有n型掺杂剂。
10.根据权利要求9所述的振动装置，其中，
所述掺杂剂是磷(P)。
11.根据权利要求8所述的振动装置，其中，
所述氧化硅层层叠于所述Si层的一个主面。
12.根据权利要求8所述的振动装置，其中，
在所述压电体层的一个主面设置有所述第一电极，在所述压电体层的另一个主面设置有所述第二电极。
13.根据权利要求8所述的振动装置，其中，
所述Si层兼作所述第二电极。
14.根据权利要求8所述的振动装置，其中，
所述氧化硅层形成于所述Si层的两面。
15.一种振动装置，该振动装置在俯视的情况下，具有具备长边和短边的矩形板状的形状，并在所述长边方向伸缩振动，
包含由简并半导体构成的Si层、氧化硅层、压电体层、以及对所述压电体层施加电压的第一、第二电极，在将所述Si层的厚度的总和设为T1、将所述氧化硅层的厚度的总和设为T2、将未设置有所述氧化硅层的情况下的所述振动装置的频率温度系数TCF设为x时，T2/(T1+T2)处于(-0.0003x2-0.0250x+0.0215)±0.05的范围内，所述x的单位是ppm/K。
16.根据权利要求15所述的振动装置，其中，
所述Si层掺杂有n型掺杂剂。
17.根据权利要求16所述的振动装置，其中，
所述掺杂剂是磷(P)。
18.根据权利要求15所述的振动装置，其中，
所述氧化硅层层叠于所述Si层的一个主面。
19.根据权利要求15所述的振动装置，其中，
在所述压电体层的一个主面设置有所述第一电极，在所述压电体层的另一个主面设置有所述第二电极。
20.根据权利要求15所述的振动装置，其中，
所述Si层兼作所述第二电极。
21.根据权利要求15所述的振动装置，其中，
所述氧化硅层形成于所述Si层的两面。
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