CN105379115A - 振动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种不导致k2Q的降低地增大静电电容，并可降低谐振电阻的振动装置。振动装置(1)的在Y方向上延伸的2N根(N是2以上的整数)音叉臂(3)～(6)在X方向上并排，在设置有2N根音叉臂(3)～(6)的区域中，相对于通过X方向中心且在Y方向上延伸的虚拟线A，一侧的N根音叉臂(3)、(4)的弯曲振动的相位与另一侧的N根音叉臂(6)、(5)的弯曲振动的相位对称。
Description
技术领域
本发明涉及作为振动部分具有多个音叉臂的振动装置。
背景技术
以往，提出了各种具有多个音叉臂的振动装置。例如，在下述的专利文献1中，公开了具有3根音叉臂的振动装置。在专利文献1中，中央的音叉臂的宽度为两侧的音叉臂的宽度的2倍。
另一方面，在下述的专利文献2中，公开了具有3根音叉臂的振动装置。在专利文献2中，记载有用于使中央的音叉臂和外侧的音叉臂以相反的相位振动的电极连接方法。
专利文献1：WO2008/043727
专利文献2：日本特开2009-5022号公报
在具有多个音叉臂的振动装置中，为了使其稳定地振荡，寻求谐振电阻小。因此，需要增大k2Q、以及增大静电电容。然而，在增大音叉臂的宽度并增大静电电容的情况下，存在k2Q降低这样的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种不降低k2Q地增大静电电容，由此能够降低谐振电阻的振动装置。
本发明的振动装置具备：基部；以及2N根音叉臂，连接有上述基部的一端，并在Y方向上延伸。在本发明中，N是2以上的整数。
在本发明中，2N根音叉臂在与Y方向正交的X方向上并排。各音叉臂构成为在与X方向以及Y方向正交的Z方向上弯曲振动。
在本发明中，在设置有上述2N根音叉臂的区域中相对于通过上述X方向中心且在Y方向上延伸的虚拟线，一侧的N根音叉臂的弯曲振动的相位与另一侧的N根音叉臂的弯曲振动的相位对称。
在本发明所涉及的振动装置的某个特定的方面，上述N为2，在X方向位于内侧的2根音叉臂和位于外侧的2根音叉臂以相反的相位弯曲振动。
在本发明所涉及的振动装置的其它特定的方面，上述音叉臂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。
在本发明的振动装置的另一其它特定的方面，上述Si层掺杂有n型掺杂材料。作为上述掺杂材料优选使用磷(P)。
在本发明所涉及的振动装置的其它的特定的方面，上述各音叉臂的与连接于上述基部侧的端部相反侧的端部的宽度比连接于基部侧的端部的宽度大。
在本发明所涉及的振动装置的另一其它特定的方面，在上述各音叉臂的与连接于上述基部侧的端部相反侧的端部设置有比其余部分宽度大的质量附加部。
根据本发明所涉及的振动装置，由于设置有2N根音叉臂，相对于通过上述X方向中心的虚拟线，一侧的N根音叉臂的弯曲振动的相位与另一侧的N根弯曲振动的相位对称，所以能够不降低k2Q地提高静电电容。由此，能够降低谐振电阻。因此，能够得到良好的振动特性。
附图说明
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缺口正面剖视图。
图2是本发明的第二实施方式所涉及的振动装置的立体图。
图3(a)是用于对在Si层上表面层叠有氧化硅层的构造中的各层的厚度进行说明的横剖视图，图3(b)是用于对在Si层下表面层叠有氧化硅层的构造中的各层的厚度进行说明的横剖视图。
图4是用于对在Si层的两面层叠有氧化硅层的构造中的各层的厚度进行说明的横剖视图。
图5是表示音叉臂的宽度W与厚度的比即W/T与k2Q的关系的图。
图6是表示音叉臂的宽度W与厚度的比即W/T与谐振电阻的关系的图。
图7是表示在将未设置有氧化硅层的情况下的TCF设为X、将厚度比T2/(T1+T2)设为y时，频率温度系数TCF为0的关系的图。
图8是表示Si层中的P的掺杂浓度与Si层的电阻率的关系的图。
图9是本发明的第一实施方式的变形例所涉及的振动装置的示意性俯视图。
图10是表示在本发明的第一实施方式的变形例所涉及的振动装置中，位于靠中央的音叉臂彼此的间隔Wgi相对于两侧的音叉臂和与该两侧的音叉臂相邻并位于靠中央的音叉臂的间隔Wgo的比率Wgi/Wgo、同k2Q的关系的图。
图11是本发明的第二实施方式所涉及的振动装置的示意性俯视图。
图12是表示本发明的第二实施方式所涉及的振动装置的位于靠中央的音叉臂中的质量附加部的宽度Wwi与音叉臂的宽度Wi的比率Wwi/Wi、同k2Q的关系的图。
图13是表示本发明的第二实施方式所涉及的振动装置的位于靠中央的音叉臂中的质量附加部部的宽度Wwi与音叉臂的宽度Wi的比率Wwi/Wi、同谐振电阻R1的关系的图。
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，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，(b)是该振动装置的正面剖视图。另外，图1(c)是在第一实施方式中所使用的激发部的局部缺口正面剖视图。
振动装置1具有基部2。基部2与4根音叉臂3～6的一端连结。
基部2具有矩形板状的形状。在该基部2的一个侧面连接有具有长度方向的4根音叉臂3～6的一端。
在基部2的下表面固定有支承部7。支承部7是用于将振动装置1固定于外部的部分。
现在，如图1(a)所示，将音叉臂3～6延伸的方向设为Y方向。另外，将在与基部2的两个主面并行的面内与Y方向正交的方向设为X方向。连结有基部2的音叉臂3～6的一端的侧面在X方向上延伸。因此，4根音叉臂3～6在X方向上并排。
Z方向是与由X方向以及Y方向规定的平面正交的方向。在本实施方式中，如后所述，4根音叉臂3～6在Z方向上弯曲振动。
如图1(b)所示，支承部7与基部2的Si层11形成为一体。支承部7能够由Si、Al2O3等半导体材料、绝缘性材料构成。
此外，支承部7也可以通过接合材料与基部2接合。
基部2具有在Si层11上层叠有氧化硅层12的构造。音叉臂4也具有在Si层11上层叠有氧化硅层12的构造。即，音叉臂4的Si层11以及氧化硅层12与基部2的Si层11以及氧化硅层12形成为一体。
音叉臂3、5、6也以与音叉臂4相同的方式构成。
Si层11由简并半导体构成。在本实施方式中，Si层由n型Si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/cm3以上。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8所示，由于磷(P)的掺杂浓度是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12由SiO2构成。在本实施方式中，在上述Si层11的上表面层叠有由SiO2构成的氧化硅层12。
此外，在基部2，也可以不设置氧化硅层12，但优选像本实施方式这样设置氧化硅层12。因此，能够实现制造工序的简化。
氧化硅层12并不局限于SiO2，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。
如图1(c)所示，激发部13具有压电薄膜14、第一电极15、以及第二电极16。第一电极15和第二电极16被设置成夹持压电薄膜14的一部分的压电薄膜层14a。但是，第一、第二电极15、16未必需要埋设于压电薄膜14中。例如，也可以将第一、第二电极15、16形成于压电薄膜14的上表面以及下表面。
如本实施方式那样，通过在压电薄膜14内配置第一、第二电极15、16，能够提高耐湿性等。另外，在将第一电极15和第二电极16设置成夹持压电薄膜层14a的构造中，其制造很容易。此外，能够使由第一电极15和第二电极16创建的电场的方向为一个方向。因此，能够构成激发效率较高的激发部。
并没有对构成上述压电薄膜14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，优选使用机电耦合系数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相比机电耦合系数k2较大，与PZT、KNN相比机械性的Qm较大。因此，若将ScAlN应用于本发明那样的谐振型振子，则具有以下的优点。作为谐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给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。由此，能够对振荡频率进行调整。此时，若作为压电薄膜代替AlN而使用ScAlN，则谐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(电压控制振荡器)的情况下，振荡频率的调整范围扩大。因此，能够利用可变电容元件来调整谐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15、16能够由Mo、Ru、Pt、Ti、Cr、Al、Cu、Ag、Au或者它们的合金等适当的金属形成。
压电薄膜14在厚度方向极化。因此，通过对第一、第二电极15、16间施加交变电场，激发部13利用压电效应被激发。其结果为，音叉臂3～6在Z方向上弯曲振动。
在本实施方式中，在4根音叉臂3～6中，位于中央的2根音叉臂4、5和位于两侧的3、6以相反的相位在Z方向上弯曲振动。这样的结构在音叉臂3～6中，使压电薄膜层14a的极化方向在厚度方向上为相同方向，使用于驱动音叉臂4、5的交变电场的相位与用于驱动音叉臂3、6的交变电场的相位相反即可。或者，也可以使音叉臂4、5的压电薄膜层14a的极化方向与音叉臂3、6的压电薄膜层14a的极化方向相反，并对音叉臂3～6施加相同相位的交变电场。
如上述那样，在本实施方式的振动装置1中，在X方向上，位于中央的音叉臂4、5与位于两侧的音叉臂3、6以相反的相位振动。即，以一方的相位振动的音叉臂3、6的数量与以另一方的相位振动的音叉臂4、5的数量相等。因此，在音叉臂3～6中，即使在增大音叉臂的宽度的情况下，也不会导致k2Q降低太多，能够提高静电电容。因此，能够充分减小谐振电阻。参照图5以及图6对其进行说明。
根据以下的要领，制作上述实施方式的振动装置、和音叉臂是3根的第一以及第二比较例的振动装置。
实施方式的振动装置：在厚度10μm的Si层11上形成了厚度0.5μm的氧化硅层12。基部2具有该层叠构造，在音叉臂3～6设置有在上表面形成0.8μm的厚度的由AlN构成的压电薄膜14、和在该压电薄膜14的两面分别形成0.1μm、0.1μm的厚度的由Mo构成的电极而成的激发部13。
音叉臂3～6的长度为650μm，宽度为20μm。由于具有上述层叠构造，所以厚度约为11.5μm。
比较例1：除了将音叉臂的数量设为3根以外，与上述实施方式相同。
比较例2：与比较例1相同设置了3根音叉臂。但是，将中央的音叉臂的宽度设为两侧的音叉臂的宽度的2倍。
如上述那样，制作了3种振动装置。
图5是表示上述实施方式以及比较例1、2的振动装置中的k2Q与比W/T的关系的图。图6是表示上述实施方式以及比较例1、2的振动装置的谐振电阻R1与比W/T的关系的图。此外，W表示音叉臂的宽度，T表示音叉臂的厚度。
根据图5清晰可知，上述实施方式以及比较例2由于激发电极面积较大，所以能够增大静电电容。因此，根据图6清晰可知，能够减小谐振电阻的值。
另外，上述实施方式以及比较例2与比较例1相比，可知能够显著提高k2Q。这是因为向Z方向的弯曲振动的驱动力平衡，激发效率提高。另外，上述实施方式相对于比较例2而言整体k2Q较大。这是因为将音叉臂的数量设为4根从而限域效应提高。其结果为，在上述实施方式中，能够在W/T是0.5～4.8的范围内显著提高k2Q。
根据图6清晰可知，在实现谐振电阻60kΩ的情况下，在比较例1中，W/T＝3.0，在比较例2中W/T＝2.0，在实施方式中W/T＝2.0即可。在该情况下，根据图5清晰可知，各振动装置的k2Q在比较例1中为22.2，在比较例2中为24.9，在实施方式中为25.2。
因此，根据上述实施方式，与具有3根音叉臂的比较例1、2相比，可知能够不会使k2Q降低太多，而有效地降低谐振电阻。因此能够得到良好的振动特性。
在这里是在谐振电阻的设计值是60kΩ的情况下调查的结果，即使以其它设计值进行也能得到相同的结果。
例如，在实现谐振电阻40kΩ的情况下，在比较例1中，W/T＝4.5，在比较例2中W/T＝3.0，在实施例中W/T＝3.0即可，该情况下的各振动装置中的k2Q在比较例1中为21.6，在比较例2中为23.9，在实施例中为24.5。
另外，在本实施方式的振动装置1中，在将氧化硅层12的厚度设为T2，将Si层11的厚度设为T1时，将氧化硅层12的厚度比T2/(T1+T2)设在特定的范围，能够有效地降低频率温度系数TCF的绝对值。参照图7对其进行说明。图7的横轴是未设置有氧化硅层12的振动装置的TCF。根据掺杂浓度Si层的TCF为特定的值。将该TCF设为x。另一方面，将厚度比T2/(T1+T2)设为y。
在图7中绘制的大多数的点是在Si层11上设置有氧化硅层12的上述实施方式中，频率温度系数TCF为0的点。曲线B是通过基于上述点的坐标近似而得到的，用y＝-0.0002x2-0.0136x+0.0014来表示。可知若位于该曲线上，则能够将TCF设为0。
根据本申请发明者们的实验，已经明确若将厚度比T2/(T1+T2)设在(-0.0002x2-0.0136x+0.0014)±0.05的范围内，则能够使频率温度系数TCF成为0±5ppm/℃的范围内。因此，优选将氧化硅层的厚度比T2/T1+T2设在该范围内。
在第一实施方式中，设置有4根音叉臂3～6，在该情况下即使增大了音叉臂的宽度，也不会使k2Q降低太多并能够有效抑制谐振电阻。这样的效果并不局限于音叉臂的数量是4根，是2N根(N是2以上的整数)即可。即，在图1(a)所示的虚拟线A的一侧配置有N根音叉臂，在另一侧配置有N根音叉臂，一侧的N根音叉臂与另一侧的N根音叉臂的弯曲振动的相位对称即可。此外，虚拟线A是在图1(a)的X方向，通过设置有音叉臂3～6的区域的中心且在Y方向上延伸的虚拟线。
另外，在第一实施方式中，通过控制4根音叉臂3～6中特定的音叉臂彼此的间隔，能够有效地提高k2Q。参照图9以及图10对其具体地进行说明。
图9是本发明的第一实施方式的变形例所涉及的振动装置的示意性俯视图。如图9所示，将位于两侧的音叉臂3、6同与位于该两侧的音叉臂3、6相邻且位于靠中央的音叉臂4、5的间隔分别设为Wgo。另外，将位于靠中央的音叉臂4、5彼此的间隔设为Wgi。
图10是表示上述Wgi相对于上述Wgo的比率Wgi/Wgo、同k2Q的关系的图表。此外，在图10中，在求比率Wgi/Wgo和k2Q的关系时，根据以下的要领制作了振动装置。
在厚度10μm的Si层11上形成了厚度1.5μm的氧化硅层12。基部2具有该层叠构造，在音叉臂3～6设置有在上表面形成0.8μm的厚度的由AlN构成的压电薄膜14，在该压电薄膜14的两面分别形成0.1μm、0.1μm的厚度的由Mo构成的电极而成的激发部13。
音叉臂3～6的长度为650μm。另外，位于两侧的音叉臂3、6的宽度Wo以及位于靠中央的音叉臂4、5的宽度Wi均为30μm。即，音叉臂3～6的宽度W均为30μm。由于具有上述层叠构造，所以厚度约为12.5μm。
从图10可知，不管Wgi/W的值如何，在Wgi/Wgo≥0.5的区域中，k2Q被提高。特别是，在Wgi/Wgo≥1.0的区域中，k2Q被稳定提高。
像这样，在第一实施方式的变形例中，通过使Wgi/Wgo≥0.5，能够提高k2Q，特别是通过使Wgi/Wgo≥1.0，能够稳定地提高k2Q。
图2是表示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21除了在音叉臂3～6的前端分别设置有质量附加部22以外与第一实施方式相同。因此，通过对同一部分标注同一参照编号，来引用第一实施方式的说明。在本实施方式中，质量附加部22通过使Si层11以及氧化硅层12的层叠构造的宽度比剩余的音叉臂部分的宽度大而构成。由此，能够附加比音叉臂的其余部分大的质量。
像这样，通过在音叉臂3～6的前端设置质量附加部22，能够进一步降低谐振频率。因此，能够实现振动装置的整体的小型化。
此外，也可以代替质量附加部22，仅使音叉臂3～6的前端侧部分，即、与连结于基部2侧的端部相反侧的端部的宽度比连结基部2侧的端部的宽度大。在该情况下也能够降低谐振频率。
另外，在本实施方式中，通过将相对于音叉臂3～6的宽度的质量附加部22的宽度的比率控制在特定的范围，能够进一步降低并保持谐振电阻R1并且提高k2Q，能够有效地提高振荡的稳定性。参照图11～图13对其更具体地进行说明。
图11是本发明的第二实施方式所涉及的振动装置的示意性俯视图。如图11所示，将位于两侧的音叉臂3、6的宽度设为Wo，将位于靠中央的音叉臂4、5的宽度设为Wi。另外，将位于两侧的音叉臂3、6的前端的质量附加部22的宽度设为Wwo，将位于靠中央靠位置的音叉臂4、5的前端的质量附加部22的宽度设为Wwi。
图12是表示Wwi相对于Wi的比率Wwi/Wi与k2Q的关系的图表，图13是表示Wwi/Wi与谐振电阻R1的关系的图表。此外，在图12以及图13中，在求Wwi/Wi与k2Q或者谐振电阻R1的关系时，根据以下的要领制作了振动装置。
在厚度10μm的Si层11上形成了厚度1.5μm的氧化硅层12。基部2具有该层叠构造，在音叉臂3～6设置有在上表面形成0.8μm的厚度的由AlN构成的压电薄膜14、和在该压电薄膜14的两面分别形成0.1μm、0.1μm的厚度的由Mo构成的电极而成的激发部13。另外，在音叉臂3～6的前端设置了长度195μm的质量附加部22。
在图12以及图13中，求出了Wi＝Wo＝0.01mm或者Wi＝Wo＝0.02mm时的Wwi/Wi与k2Q或者谐振电阻R1的关系。
如图12以及图13所示可知，在1≤Wwi/Wi≤2的范围，进一步有效地降低谐振电阻R1，并且提高k2Q。
像这样，在本实施方式中，将Wwi相对于Wi的比率Wwi/Wi设在1≤Wwi/Wi≤2的范围内，从而能够进一步降低并保持谐振电阻R1并且提高k2Q，并能够进一步有效地提高振荡的稳定性。
此外，在上述实施方式中，在Si层11的上表面层叠了氧化硅层12。该情况下的厚度比T2/(T1+T2)如图3(a)所示，为T2相对于T1和T2的合计的比例。
但是，在本发明中，并不限于图3(a)的构造。也可以在Si层11的下表面层叠有氧化硅层12。在这种情况下，也如图3(b)所示，厚度比T2/(T1+T2)为T2相对于T1和T2的合计的比例。
并且，在本发明中，也可以将Si层11以及氧化硅层12至少一方层叠多层。在该情况下，T1以及T2为多层的厚度的总和即可。例如，如图4所示，也可以在Si层11的上表面层叠有氧化硅层12a，在下表面层叠有氧化硅层12b。在该情况下，T2＝T2a+T2b即可。即，将多个氧化硅层的厚度的总和设为T2即可。同样，在层叠有多个Si层的情况下，将多个Si层的厚度的总和设为T1即可。
符号说明
1…振动装置；2…基部；3～6…音叉臂；7…支承部；11…Si层；12、12a、12b…氧化硅层；13…激发部；14…压电薄膜；14a…压电薄膜层；15…第一电极；16…第二电极；21…振动装置；22…质量附加部。
Claims (7)
1.一种振动装置，具备：
基部；以及
2N根音叉臂，连接有所述基部的一端，并在Y方向上延伸，其中，N是2以上的整数，
所述2N根音叉臂在与所述Y方向正交的X方向上并排，各音叉臂构成为在与所述X方向以及所述Y方向正交的Z方向上弯曲振动，
在设置有所述2N根音叉臂的区域中，相对于通过所述X方向中心且在所述Y方向上延伸的虚拟线，一侧的N根音叉臂的弯曲振动的相位与另一侧的N根音叉臂的弯曲振动的相位对称。
2.根据权利要求1所述的振动装置，
所述N为2，在所述X方向上位于内侧的2根音叉臂和位于外侧的2根音叉臂以相反的相位弯曲振动。
3.根据权利要求1或2所述的振动装置，
所述音叉臂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。
4.根据权利要求3所述的振动装置，
所述Si层掺杂有n型掺杂材料。
5.根据权利要求4所述的振动装置，
所述掺杂材料是磷(P)。
6.根据权利要求1～5中任意一项所述的振动装置，
所述各音叉臂的与连接于所述基部侧的端部相反侧的端部的宽度比连接于所述基部侧的端部的宽度大。
7.根据权利要求6所述的振动装置，
在所述各音叉臂的与连接于所述基部侧的端部相反侧的端部设置有比其余部分宽度大的质量附加部。
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