CN105874709B - 压电振子以及压电振动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供压电振子以及压电振动装置。能够高效地进行压电振子中的共振频率的调整。压电振子具备：第一电极以及第二电极；压电膜，其形成于第一电极与第二电极之间，并且具有与第一电极对置的第一面；以及第一调整膜以及第二调整膜，它们经由第一电极与压电膜的第一面对置地形成，第一调整膜在第一面中的至少第一区域与压电膜重叠，第二调整膜在第一面中的至少与第一区域不同的第二区域与压电膜重叠，通过第一区域以及第二区域覆盖第一面的大致全域，第二区域是在该压电振子的振动时位移比第一区域大的区域，第二调整膜由蚀刻所导致的质量减少的速度比第一调整膜快的材料形成。

Description

压电振子以及压电振动装置
技术领域
本发明涉及压电振子以及压电振动装置。
背景技术
作为在电子设备中用于实现计时功能的装置，使用压电振子。伴随着电子设备的小型化，压电振子也要求小型化，使用MEMS(Micro Electro Mechanical Systems：微电子机械系统)技术制造的压电振子(以下，称为“MEMS振子”)受到瞩目。
在MEMS振子中，存在因制造偏差在共振频率上产生偏差的情况。因此，在MEMS振子的制造中、制造后，通过追加蚀刻等对频率进行调整。
例如，在专利文献1中公开了如下结构：通过在压电振子的电极上形成由单一材料构成的附加膜，使第一区域中的附加膜的厚度与第二区域中的附加膜的厚度不同，从而对共振频率进行调整。
另外，例如，在专利文献2中公开了如下结构：在具有多个振动臂的振子中，通过分别减少设置于振动臂的前端侧的粗调用的质量部与设置于振动臂的基端侧的微调用的质量部，从而对共振频率进行调整。
专利文献1：日本专利第4930381号说明书
专利文献2：日本特开2012－065293号公报
如上述所述，在专利文献1所公开的结构中，用于调整共振频率的附加膜由单一材料形成。因此，为了根据区域的不同而使附加膜的厚度不同，需要按照区域进行基于光束照射等的调整作业，因此效率差。
另外，在专利文献2所公开的结构中，由于需要分别进行设置于振动臂的前端侧的粗调用的质量部的除去与设置于振动臂的基端侧的微调用的质量部的除去，所以效率差。
发明内容
本发明是鉴于这种情况而完成的，其目的在于能够高效地进行压电振子中的共振频率的调整。
本发明的一个方式的压电振子具备：第一电极以及第二电极；压电膜，其形成于第一电极与第二电极之间，并且具有与第一电极对置的第一面；以及第一调整膜和第二调整膜，它们隔着第一电极与压电膜的第一面对置地形成，第一调整膜在第一面中的至少第一区域与压电膜重叠，第二调整膜在第一面中的至少与第一区域不同的第二区域与压电膜重叠，通过第一区域以及第二区域覆盖第一面的大致全域，第二区域是在该压电振子的振动时位移比第一区域大的区域，第二调整膜由蚀刻所导致的质量减少的速度比第一调整膜快速的材料形成。
根据本发明，能够高效地进行压电振子中的共振频率的调整。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施方式亦即压电振动装置的简要构造的一个例子的图。
图2是压电振子120的一个例子亦即压电振子120A的立体图。
图3是表示压电振子120A的振动时的位移的大小的图。
图4A是图2所示的X－Y线的压电振子120A的共振频率调整前的剖面的示意图。
图4B是图2所示的X－Y线的压电振子120A的共振频率调整后的剖面的示意图。
图5是表示调整膜236的形成位置与共振频率的变化率的关系的一个例子的模拟结果。
图6A是表示调整膜236的形成的一个例子的图。
图6B是表示调整膜236的形成的一个例子的图。
图7是表示调整膜236的面积与共振频率的变化率的关系的一个例子的模拟结果。
图8A是表示调整膜236的形成的一个例子的图。
图8B是表示调整膜236的形成的一个例子的图。
图8C是表示调整膜236的形成的一个例子的图。
图8D是表示调整膜236的形成的一个例子的图。
图9是表示调整膜236的面积与共振频率的温度特性的变化率的关系的一个例子的模拟结果。
图10是压电振子120的其他例子亦即压电振子120B的立体图。
图11是压电振子120的另一例子亦即压电振子120C的立体图。
图12A是压电振子120的其他例子亦即压电振子120D的剖面的示意图。
图12B是压电振子120的其他例子亦即压电振子120E的剖面的示意图。
图12C是压电振子120的其他例子亦即压电振子120F的剖面的示意图。
图13是表示压电振子120的其他例子亦即压电振子120G的结构的图。
图14A是表示压电振子120的其他例子亦即压电振子120H的结构的图。
图14B是表示压电振子120的其他例子亦即压电振子120J的结构的图。
图14C是表示压电振子120的其他例子亦即压电振子120K的结构的图。
图15A是表示压电振子120的其他例子亦即压电振子120L的剖面的图。
图15B是压电振子120L的共振频率调整后的剖面的示意图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的一个实施方式。图1是表示本发明的一个实施方式亦即压电振动装置的简要构造的一个例子的图。如图1所示，压电振动装置100是包含基板110、压电振子120、盖体130以及外部电极140的压电振动装置。压电振子120是使用MEMS技术制造的MEMS振子。盖体130例如由硅形成，覆盖压电振子120。外部电极140是用于将压电振动装置100外部的元件与压电振子120电连接的金属电极。
接下来，参照图2、图3、图4A以及图4B说明压电振子120的构成例。图2是压电振子120的一个例子亦即压电振子120A的立体图。图3是表示压电振子120A的振动时的位移的大小的图。图4A是图2所示的X－Y线的、压电振子120A的共振频率调整前的剖面的示意图。图4B是图2所示的X－Y线的、压电振子120A的共振频率调整后的剖面的示意图。
如图2所示，压电振子120A具备保持部200以及振动部210。保持部200以及振动部210通过包含蚀刻的MEMS工序一体地形成。振动部210例如为宽度以及长度为100μm～200μm左右，厚度为10μm左右。
保持部200具备保持矩形的振动部210的2个保持臂220。如后所述，振动部210通过压电膜233与上部电极234以及下部电极232之间的电场对应地在面内方向进行伸缩，从而进行轮廓振动。图3表示振动部210的振动时的位移的大小。具体而言，示出位移的大小相对于最大位移量的比例(％)。如图3所示，振动部210的四角的位移较大，伴随着接近振动部210的中心，位移变小。
如图4A所示，振动部210成为层叠有硅氧化物层230、硅层231、下部电极232、压电膜233、上部电极234、调整膜235以及调整膜236的构造。此外，调整膜235、236以与压电膜233的上部电极234侧的面(第一面)对置的方式形成。
硅氧化物层230例如由SiO2等硅氧化物形成。硅氧化物在某个温度范围中的频率温度特性的变化与硅相反。因此，通过在振动部210形成硅氧化物层230，硅层231的频率特性的变化被硅氧化物层230的频率特性的变化抵消。由此，能够提高频率温度特性。
硅层231由硅形成。此外，硅层231例如作为n型掺杂剂(供体)，能够包含磷(P)、砷(As)、锑(Sb)。另外，硅层231也可以包含p型掺杂剂(受体)。而且，硅层231也可以是将这样的掺杂剂注入1×1019cm－3以上的简并半导体。
上部电极234以及下部电极232是金属电极。上部电极234以及下部电极232例如使用钼(Mo)、铝(Al)形成。此外，在硅层231为简并半导体的情况下，也可以不设置下部电极232使硅层231作为下部电极发挥功能。
压电膜233是将外加的电压转换为振动的压电体薄膜。压电膜233例如能够将氮化铝作为主成分。具体而言，例如，压电膜233能够由氮化铝钪(ScAlN)形成。ScAlN是将氮化铝(AlN)中的铝(Al)的一部分置换为钪(Ac)而成的。例如，在使Al的原子数与Sc的原子数相加而得的原子浓度为100原子％时，用于压电膜233的ScAlN能够形成为以Sc为40原子％左右的方式将Al置换为Sc。
调整膜235(第一调整膜)是用于调整压电振子120A的共振频率的膜。调整膜235由蚀刻所导致的质量减少的速度比调整膜236慢的材料形成。例如，调整膜235由AlN等氮化膜、SiO2等氧化膜形成。此外，质量减少速度由蚀刻速度(每单位时间被除去的厚度)与密度的积表示。
调整膜236(第二调整膜)是用于调整压电振子120A的共振频率的膜。调整膜236由蚀刻所导致的质量减少的速度比调整膜235快的材料形成。例如，调整膜236由Mo、钨(W)、金(Au)、白金(Pt)、镍(Ni)等金属形成。
此外，调整膜235、236只要质量减少速度的关系如上述那样，则蚀刻速度的大小关系任意皆可。
如图2以及图3所示，调整膜236以在振动部210中的位移比较大的区域(第二区域)露出的方式形成。具体而言，调整膜236以在与振动部210的四角对应的区域露出的方式形成。另外，调整膜235以在其他区域(第一区域)露出的方式形成。
此外，调整膜236露出的区域内的全部点的位移不必比调整膜235露出的区域内的全部点的位移大。例如，各区域的位移的大小也可以通过各区域的位移的平均值进行判断。因此，例如，调整膜236露出的区域内的某点的位移也可以比调整膜235露出的区域内的某点的位移小。
如图4B所示，通过从振动部210的上方朝向调整膜235以及调整膜236同时照射离子束(例如氩(Ar)离子束)而蚀刻形成调整膜235、236。能够以比压电振子120A大的范围照射离子束。此外，在本实施方式中，虽然示出通过离子束进行蚀刻的例子，但蚀刻方法并不限定于通过离子束。
作为决定压电振子120A的共振频率的主要要素，有质量与弹簧常量。通过调整膜235、236的蚀刻，质量的减少与弹簧常量的降低同时发生。质量的减少使共振频率上升，弹簧常量的降低使共振频率降低。但是，在位移大的区域中，相对地质量的影响较强，在位移小的区域中，相对地弹簧常量的影响较强。
在压电振子120A中，以在位移比较大的区域露出的方式形成调整膜236。如上述所述，对于基于离子束的质量减少速度而言，与调整膜235相比调整膜236一方较快。因此，位移比较大的区域的质量快速减少。由此，能够使共振频率上升。此外，与调整膜236同时，调整膜235的露出的部分也被蚀刻，由于质量的减少速度比调整膜236慢，所以弹簧常量的变化量小。因此，伴随着弹簧常量的变化而带来的共振频率的降低的影响较小。因此，在压电振子120A中，向调整膜235、236同时照射离子束，能够高效地调整共振频率。
另外，共振频率的温度特性受到弹簧常量的变化所带来的影响。然而，在压电振子120A中，如上述所述，由于弹簧常量的变化量较小，所以能够减少共振频率的温度特性的变化。
图5是表示调整膜236的形成位置与共振频率的变化率的关系的一个例子的模拟结果。此外，在本实施方式中表示的模拟结果是将调整膜235设为AlN并且将调整膜236设为Mo的情况下的结果。在图5中，横轴表示调整膜236的形成位置，纵轴表示共振频率的变化率。此外，调整膜236的形成位置是以比例表示从连接保持臂220的中心线起算的相对位置的值。另外，共振频率的变化率是相对于调整膜236的形成位置为100％(即，图6B所示的情况下)时的频率变化量的比例。即便在任意的形成位置的情况下，调整膜236的形状也相同。
图5的A点是如图6A所示那样形成有调整膜236的情况下的模拟结果。在该情况下，共振频率的变化率为负。这是因为调整膜236露出的区域的位移与其他区域相比比较小，所以伴随着调整膜236的质量减少，弹簧常量的降低变大。
图5的D点是如图6B所示那样形成有调整膜236的情况下的模拟结果。在该情况下，由于调整膜236露出的区域的位移与其他区域相比比较大，所以基于调整膜236的质量减少的频率变化率变大。
这样，根据图5所示的模拟结果也可知：通过以调整膜236露出的区域的位移比调整膜235露出的区域大的方式形成调整膜235、236，能够高效地进行压电振子120A的共振频率的调整。
图7是表示调整膜236的面积(露出面积)与共振频率的变化率的关系的一个例子的模拟结果。在图7中，横轴表示调整膜236的面积比，纵轴表示共振频率的变化率。此外，调整膜236的面积比是以比例表示调整膜236的面积(露出面积)相对于振动部210的表面的平面面积的值。另外，共振频率的变化率是调整膜236的面积比为100％(即，图8D所示的情况下)时的相对于频率变化量的比例。
图7所示的A～D点分别是如图8A～图8D所示那样形成有调整膜236的情况下的模拟结果。如图7所示，通过使调整膜236的面积比大致为30％以上，与如图8D所示那样在整面形成有调整膜236的情况相比，能够增大频率变化率。
图9是表示调整膜236的面积(露出面积)与共振频率的温度特性的变化率的关系的一个例子的模拟结果。在图9中，横轴表示调整膜236的面积比，纵轴表示共振频率的温度特性(1次系数)的变化率。此外，调整膜236的面积比与图7的情况相同。另外，共振频率的温度特性的变化率是调整膜236的面积比为100％(即，图8D所示的情况下)时的相对于温度特性的1次系数的比例。
图9所示的A～D点分别是如图8A～图8D所示那样形成有调整膜236的情况下的模拟结果。如图9所示，通过调整膜236的面积比形成为大致50％以下，能够将共振频率的温度特性的变化率抑制在50％以下。优选通过使调整膜236的面积比为大致10％以上大致50％以下，与如图8D所示那样在整面形成有调整膜236的情况比较，能够不大幅度地使频率变化率降低地调整频率，并且抑制共振频率的温度特性的变化率。
根据图7以及图9的模拟结果，通过使调整膜236的面积比为大致30％以上大致50％以下，能够高效地进行共振频率的调整，并且能够抑制共振频率的温度特性的变化。或者，通过使调整膜236的面积比为大致10％以上大致30％以下，能够将共振频率的温度特性的变化抑制在微小量，并且能够进行共振频率的调整。该面积比根据所需要的压电振子的特性适当地选择即可。
图10是压电振子120的其他例子亦即压电振子120B的立体图。另外，图11是压电振子120的另一其他例子亦即压电振子120C的立体图。此外，对于与压电振子120A相同的构成要素，标注相同的附图标记并省略说明。压电振子120B、120C除调整膜236的形状不同的点之外，具有与压电振子120A相同的结构。这样，调整膜236的形状并不限定于图2所示那样的矩形，能够为任意形状。如图3所示，振动部210的位移呈曲线状地变化。因此，通过配合振动部210的位移使调整膜236形成为图10或者图11所示的形状，能够更高效地进行共振频率的调整。此外，在图11所示的结构中，由于在振动部210的长边方向调整膜236未分离，所以能够提高调整膜236的紧贴强度。
图12A～图12C是压电振子120的其他例子亦即压电振子120D～120F的剖面的示意图。此外，对于与压电振子120A相同的构成要素，标注相同的附图标记并省略说明。
在图12A所示的压电振子120D中，调整膜235不是以覆盖振动部210的上部电极234的整面的方式而是以覆盖一部分的方式形成。另外，在图12B所示的压电振子120E中，以覆盖振动部210的压电膜233的整面的方式形成调整膜236，在调整膜236的表面的一部分形成调整膜235。此外，压电振子120E不具有上部电极234，调整膜236作为上部电极发挥功能。另外，在图12C所示的压电振子120F中，调整膜235、调整膜236以与压电膜233的下部电极232侧的面(第一面)对置的方式形成。
这样，调整膜235、236形成为：覆盖振动部210的上表面或者下表面的大致全域，并且与调整膜235露出的区域的位移相比调整膜236露出的区域的位移一方较大。
此外，如图12B所示，通过将调整膜236作为上部电极使用，能够使制造工序简单化。另外，能够防止调整膜236从上部电极剥离。
另外，如图12C所示，通过将调整膜235、236形成为与压电膜233的下部电极232侧的面对置，能够防止在过度蚀刻了调整膜235、236的情况下压电膜233被蚀刻。
图13是表示压电振子120的其他例子亦即压电振子120G的结构的图。此外，针对与压电振子120A相同的要素，标注相同的附图标记并省略说明。压电振子120G是连接与压电振子120A的振动部210相同的振动部210A～210E而形成的部件。在压电振子120G中，通过邻接的振动部彼此相互以相反相位进行振动，从而作为整体进行轮廓振动。在这样的压电振子120G中，通过与压电振子120A相同地形成调整膜235、236，也能够高效地调整共振频率。
此外，图13所示的调整膜236的配置是一个例子，并不限定于此。在图14A、图14B、图14C中，示出调整膜236的配置的其他例子。在图14A、图14B、图14C中，调整膜236在压电振子120(120H、120J、120K)的短边方向连续地形成。通过这样形成调整膜235、236，能够高效地调整共振频率。此外，在图14A、图14B、图14C中，为了简单化，省略了图13所示的保持部200的图示。
另外，在图14C所示的压电振子120K中，导电性的调整膜236的端部形成于比振动部210的外周部靠内侧的位置。由此，能够抑制调整膜236在振动部210的外周部与上部电极或者下部电极短路所导致的特性劣化。
图15A是表示压电振子120的其他例子亦即压电振子120L的剖面的图。此外，针对与压电振子120A相同的要素，标注相同的附图标记并省略说明。压电振子120L是具有多个振动臂的弯曲振动型的振子。图15A表示一个振动臂的剖面。压电振子120L具有基部300以及振动臂310。基部300由硅320、SiO2230、硅层231、下部电极232、压电膜233、上部电极234以及调整膜235构成。基部300以及振动臂310中的层叠构造除硅320以外与压电振子120A相同，因此省略说明。在这样的压电振子120L中，振动臂310的前端附近是位移比较大的区域。因此，调整膜235、236形成为：在压电振子120L的上表面侧，调整膜236在振动臂310的前端附近露出，并且调整膜235在其他区域露出。此外，调整膜235、236覆盖压电振子120L的上表面的大致全域。
在压电振子120L中，如图15B所示，通过向调整膜235、236同时照射离子束来蚀刻形成调整膜235、236。由此，与压电振子120A的情况相同，能够高效地调整共振频率。
另外，在压电振子120L中，如图15B所示，在调整膜235、236的边界330形成调整膜235的阶梯差。由此，能够抑制因在振动臂310进行弯曲振动时在边界330产生的应力调整膜236剥离。
此外，弯曲型的振子中的调整膜235、236的形成方式并不限定于图15A所示。例如，与图12A～图12C所示的例子相同，能够采用各种形成方式。
以上，对本实施方式进行了说明。在各实施方式中，调整膜235、236以与压电膜233的第一面对置的方式形成。而且，通过调整膜235、236覆盖该第一面的大致全域。另外，调整膜236露出的区域与调整膜235露出的区域相比，压电振子120的振动时的位移较大。并且，对于基于蚀刻的质量减少的速度而言，与调整膜235相比调整膜236一方快。在具有这种结构的压电振子120中，若同时蚀刻调整膜235、236，则调整膜236的质量减少比较大，因此能够高效地调整共振频率。
另外，通过调整膜235、236覆盖上述第一面的大致全域，因此能够防止振动部210中的调整膜235、236以外的区域被蚀刻除去。
另外，在轮廓振动型的压电振子120A中，通过形成上述调整膜235、236，能够高效地调整共振频率。
另外，通过使调整膜236露出的面积为上述表面的大致30％以上大致50％以下，能够高效地进行共振频率的调整，并且能够抑制共振频率的温度特性的变化。
另外，通过使调整膜236露出的面积为上述表面的大致10％以上大致30％以下，能够将共振频率的温度特性的变化抑制在微小量并且能够进行共振频率的调整。
另外，在弯曲振动型的压电振子120L中，通过形成上述调整膜235、236，能够高效地调整共振频率。
此外，以上说明的实施方式是为了容易理解本发明，并不用于解释为限定本发明。本发明能够不脱离其主旨地进行变更/改进，并且本发明也包含其等价物。即，本领域技术人员在各实施方式中适当地附加有设计变更的实施方式只要具备本发明的特征，也包含于本发明的范围。例如，各实施方式具备的各要素及其配置、材料、条件、形状、尺寸等理所当然并不限定于例示的例子，能够适当地变更。另外，各实施方式具备的各要素只要在技术上能够允许能够组合，将它们组合的例子只要包含本发明的特征，也包含于本发明的范围。
附图标记说明：
100…压电振动装置；110…基板；120…压电振子；130…盖体；140…外部电极；200…保持部；210…振动部；220…保持臂；230…硅氧化物层；231…硅层；232…下部电极；233…压电膜；234…上部电极；235、236…调整膜；300…基部；310…振动臂。

Claims (7)

1.一种压电振子，其中，具备：
第一电极以及第二电极；
压电膜，其形成于所述第一电极与所述第二电极之间，并且具有与所述第一电极对置的第一面；以及
第一调整膜和第二调整膜，它们隔着所述第一电极与所述压电膜的所述第一面对置地形成，
所述第一调整膜在所述第一面中的第一区域和与该第一区域不同的第二区域覆盖所述压电膜，
所述第二调整膜在所述第一面中的所述第二区域覆盖所述压电膜，
通过所述第一区域以及第二区域覆盖所述第一面的大致全域，
所述第二区域是在该压电振子振动时平均位移比所述第一区域大的区域，
所述第二调整膜由蚀刻所导致的质量减少的速度比所述第一调整膜快的材料形成。
2.根据权利要求1所述的压电振子，其中，
所述第一电极、所述第二电极以及所述压电膜形成进行轮廓振动的矩形的振动部，
所述第二区域是与所述振动部的四角对应的区域。
3.根据权利要求2所述的压电振子，其中，
所述第二区域的面积为所述第一面的面积的10％以上50％以下。
4.根据权利要求3所述的压电振子，其中，
所述第二区域的面积为所述第一面的面积的30％以上50％以下。
5.根据权利要求3所述的压电振子，其中，
所述第二区域的面积为所述第一面的面积的10％以上30％以下。
6.一种压电振子，其中，
第一电极以及第二电极；
压电膜，其形成于所述第一电极与所述第二电极之间，并且具有与所述第一电极对置的第一面；以及
第一调整膜和第二调整膜，它们隔着所述第一电极与所述压电膜的所述第一面对置地形成，
所述第一调整膜在所述第一面中的至少第一区域覆盖所述压电膜，
所述第二调整膜在所述第一面中的至少与所述第一区域不同的第二区域覆盖所述压电膜，
通过所述第一区域以及第二区域覆盖所述第一面的大致全域，
所述第二区域是在该压电振子振动时位移比所述第一区域大的区域，
所述第一电极、所述第二电极以及所述压电膜形成进行弯曲振动的振动臂，
所述第二区域是所述振动臂的前端附近的区域，
所述第二调整膜由蚀刻所导致的质量减少的速度比所述第一调整膜快的材料形成。
7.一种压电振动装置，其中，具备：
权利要求1～6中的任一项所述的压电振子；
覆盖所述压电振子的盖体；以及
外部电极。
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