CN105874710B - 压电振子以及压电振动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及压电振子以及压电振动装置。在压电振子中，使静电电容比较大，并且，抑制杂散电容的影响。压电振子(120A)是具有彼此以相反相位振动的第一以及第二振动部的压电振子(120A)，第一以及第二振动部的每个具备硅层(220)、配设在硅层(220)之上的第一压电层(224)、配设在第一压电层(224)之上的第一电极(222)、配设在第一电极(222)之上且具有与第一压电层(224)相反方向的极化的第二压电层(225)、以及配设在第二压电层(225)之上的第二电极(223)，构成为对第一振动部的第一电极(222)和第二振动部的第二电极(223)施加第一电位，并对第一振动部的第二电极(223)和第二振动部的第一电极(222)施加第二电位。
Description
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器件，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：微机电系统)技术所制造的压电振子(以下，称为“MEMS振子”。)受到关注。
作为MEMS振子，有使某个振动部和其它的振动部彼此以相反相位振动的构成。例如专利文献1中公开了具有3条振动臂的MEMS振子。在该MEMS振子中，通过使施加于中央的振动臂的电场的方向和施加于外侧2条振动臂的电场的方向为相反方向，中央的振动臂和外侧2条振动臂彼此以相反相位弯曲振动。
专利文献1:国际公开第2008/043727号
作为使施加于振动部的电场的方向为相反方向的一般的构成，有并联连接构成以及串联连接构成。图18是表示并联连接构成中的电连接的一个例子的图。另外，图19是表示串联连接中的电连接的一个例子的图。此外，在MEMS振子中，如专利文献1所公开那样一般是具有3条以上的振动臂的构成，但在图18以及图19中，为了使说明简略而仅示出2条振动臂。此外，图18以及图19是表示2条振动臂中的、硅层、上部电极、下部电极、绝缘层以及压电层的电连接关系的图，并不是实际的剖视图。
首先，对并联连接构成进行说明。如图18所示，MEMS振子1800具有硅层1810、绝缘层1811、以及振动臂1812、1813。振动臂1812具有上部电极1820、下部电极1821、以及压电层1822。同样地，振动臂1813具有上部电极1830、下部电极1831、以及压电层1832。而且，控制各电极的电位，以便施加于振动臂1812的电场和施加于振动臂1813的电场的方向成为相反方向。在这样的并联连接构成中，MEMS振子1800的合成电容Cf为振动臂1812的静电电容Ca1与振动臂1813的静电电容Ca2的和(Cf＝Ca1+Ca2)。因此，具有能够增大合成电容Cf这个优点。
然而，在并联连接构成中，振动臂1812的下部电极1821的电位与振动臂1813的下部电极1831的电位不同。硅层1810由于电阻率较低，所以若将下部电极1821、1831直接配设在硅层1810上，则变成短路状态。因此，在下部电极1821、1831与硅层1810之间设置有绝缘层1811。因此，存在产生下部电极1821与硅层1810之间的杂散电容Cb1、和下部电极1831与硅层1810之间的杂散电容Cb2所构成的杂散电容Cs(＝1/(1/Cb1+1/Cb2))，并导致特性降低的情况。
接下来，对串联连接构成进行说明。如图19所示，MEMS振子1900具有硅层1810以及振动臂1812、1813。而且，控制各电极的电位，以便施加于振动臂1812的电场和施加于振动臂1813的电场的方向成为相反方向。此外，在图19所示的构成中，振动臂1812的下部电极1821和振动臂1813的下部电极1831是浮动电极，为同电位。因此，无需如图18所示的MEMS振子1800那样设置绝缘层1811，不会受到杂散电容Cs的影响。然而，MEMS振子1900的合成电容Cf(＝1/(1/Ca1+1/Ca2))与并联连接构成的情况下相比变小。因此，存在共振阻抗变大，并导致特性降低的情况。
发明内容
本发明是鉴于这样的情况而完成的，其目的在于在压电振子中，使静电电容比较大，并且，抑制杂散电容的影响。
本发明的一方面所涉及的压电振子是具有彼此以相反相位振动的第一以及第二振动部的压电振子，第一以及第二振动部的每个具备：硅层；第一压电层，被配设在硅层之上；第一电极，被配设在第一压电层之上；第二压电层，被配设在第一电极之上，并具有与第一压电层相反方向的极化；以及第二电极，被配设在第二压电层之上，构成为对第一振动部的第一电极和第二振动部的第二电极施加第一电位，并对第一振动部的第二电极和第二振动部的第一电极施加第二电位。
根据本发明，在压电振子中，使静电电容比较大，并且，能够抑制杂散电容的影响。
附图说明
图1是表示作为本发明的一实施方式的压电振动装置的概略结构的一个例子的图。
图2是表示压电振子的构成例的图。
图3是表示压电振子的弯曲振动的情况的一个例子的图。
图4是表示图2所示的A－A’剖面中的电连接的一个例子的图。
图5是为了说明与一般的构成的特性的差异而仅示出2条振动臂的图。
图6是表示压电振子的特性的模拟结果。
图7是表示压电振子的等效电路的图。
图8是表示压电振子的其它构成例的图。
图9是表示压电振子的其它构成例的图。
图10是表示压电振子的其它构成例的图。
图11是表示图10所示的B－B’剖面中的电连接的一个例子的图。
图12是表示压电振子的其它构成例的图。
图13是表示图12所示的C－C’剖面中的电连接的一个例子的图。
图14是表示压电振子的特性的模拟结果。
图15是表示压电振动装置的概略结构的其它一个例子的图。
图16是表示压电振子的其它构成例的图。
图17是表示压电振子的其它构成例的图。
图18是表示并联连接构成中的电连接的一个例子的图。
图19是表示串联连接中的电连接的一个例子的图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的一实施方式进行说明。图1是表示作为本发明的一实施方式的压电振动装置的概略结构的一个例子的图。如图1所示，压电振动装置100是包括基板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技术所制造的MEMS振子。盖体130例如由硅形成，覆盖压电振子120。外部电极140是用于使压电振动装置100外部的元件和压电振子120电连接的金属电极。以下，对压电振子120的例示的实施方式进行说明。
图2是表示压电振子120的构成例的图。压电振子120A具备保持部200以及振动臂210(210A～210D)。保持部200例如由硅形成。各振动臂210是从保持部200沿规定方向(图2中的Y轴方向)延伸的矩形状的振动部，在与包括振动臂210A～210D的平面(图2中的XY平面)垂直方向(图2中的Z轴方向)弯曲振动。为了抑制因振动臂210A～210D的振动而在保持部200产生扭矩，如图3所示那样，中央侧2条振动臂210B、210C与外侧2条振动臂210A、210D彼此以相反相位振动。此外，振动臂的数量并不限于4个，能够为任意的数量。
图4是表示图2所示的A－A’剖面中的电连接的一个例子的图。参照图2以及图4，对振动臂210的构成的一个例子进行说明。振动臂210具有硅层220、电极221～223、以及压电层224、225。
硅层220例如能够包含磷(P)、砷(As)、锑(Sb)作为n型掺杂剂(施主)。此外，硅层220也可以包含p型掺杂剂(受主)。
电极221～223是金属电极，例如由钼形成。电极222(第一电极)以及电极223(第二电极)与设置在压电振子120A的外部的交流电源400电连接。此外，电极221(第三电极)成为不给予电位的悬浮电极。另外，振动臂210A～210D的电极221可以通过例如经由各振动臂的保持部一侧的区域等来彼此电连接。在以下所示的其它构成中也同样地，全部的电极221可以彼此电连接。
压电层224(第一压电层)是将施加的电压变换为振动的压电体的薄膜，例如能够以氮化铝为主成分。具体而言，例如压电层224能够由氮化钪铝(ScAlN)形成。ScAlN是将氮化铝(AlN)中的铝(Al)的一部分置换为钪(Ac)而得的。例如在将合计Al的原子数和Sc的原子数所得的原子浓度设为100原子％时，压电层224所使用的ScAlN能够形成为将Al置换成Sc的ScAlN，以使Sc成为40原子％左右的。压电层224根据电极221、222间的电压而在包括振动臂210A～210D的平面(XY平面)的面内方向(Y轴方向)伸缩。而且，通过压电层224的伸缩，振动臂210在与XY平面垂直的方向(Z轴方向)弯曲位移。
压电层225(第二压电层)除了极化的方向是与压电层224相反方向这一点之外，是与压电层224相同的构成。
在压电振子120A中，压电层224、225的极化的方向是相反方向，并且，在每个振动臂中，施加于压电层224的电场的方向和施加于压电层225的电场的方向成为相反方向。具体而言，如图4所示，例如在振动臂210A(第一振动臂)中，在对电极223施加正电位而对电极222施加负电位的状态下，施加于压电层225的电场的方向成为图4中的下方向。此时，在振动臂210B(第二振动臂)中，由于对电极222施加正电位而对电极223施加负电位，所以施加于压电层225的电场的方向成为图4中的上方向。此处，振动臂210A的电极221和210B的电极221通过直接地电连接，或者经由保持部200中共用的硅层220间接地电连接而成为同电位。因此，通过对振动臂210A的电极222施加负电位，对振动臂210B的电极222施加正电位，从而施加于振动臂210A中的压电层224的电场的方向成为图4中的上方向，施加于振动臂210B中的压电层224的电场的方向成为图4中的下方向。由此，各振动臂中的压电层224、225的位移方向相同，振动臂210A和振动臂210B彼此向相反方向位移。
由于振动臂210A与振动臂210D同样地被施加电位，振动臂210B与振动臂210C同样地被施加电位，所以压电振子120A的振动臂210A、210D、与振动臂210B、210C根据交流电源400而如图3所示那样地彼此以相反相位沿上下方向(Z轴方向)振动。
图5是为了说明与一般的构成的特性的差异而仅示出2条振动臂210A、210B的图。此外，图5是与图18以及图19同样地表示2条振动臂中的、硅层、上部电极、下部电极、绝缘层、以及压电层的电连接关系的图，并不是实际的剖视图。如图5所示，在压电振子120A中，压电层225并联连接，压电层224串联连接。因此，振动臂210A、210B的合成电容Cf为Ca1+Ca2+(1/(1/Cb1+1/Cb2))。此外，Ca1是振动臂210A的电极222、223间的静电电容，Ca2是振动臂210B的电极222、223间的静电电容，Cb1是振动臂210A的电极221、222间的静电电容，Cb2是振动臂210B的电极221、222间的静电电容。
这样，在压电振子120A中，与图18以及图19所示的一般的构成相比较，能够增大静电电容。另外，在压电振子120A中，由于各振动臂210的电极221为同电位(悬浮电位)，所以不需要在硅层220与电极221之间配设绝缘层。因此，不会在硅层220与电极221之间产生杂散电容。由此，与一般的构成相比较，能够使静电电容比较大，并且，抑制杂散电容的影响。
图6是表示压电振子的特性的模拟结果。图6中表示为“本实施方式”的项表示压电振子120A的特性。另外，图6中表示为“并联连接”的项表示采用了一般的并联连接的压电振子的特性。另外，图6中表示为“串联连接”的项表示采用了一般的串联连接的压电振子的特性。此外，图6所示的C0、C1、以及R1是利用图7所示的等效电路表现压电振子的情况下的各要素的值。
如图6所示，在压电振子120A中，静电电容C0比一般的构成的值大。另外，在压电振子120中，表示振动的性能的k2Q也比一般的构成的值大。即，从模拟结果也知压电振子120A具有比一般的构成良好的特性。
图8是表示压电振子120的其它构成例的图。此外，对与图2以及图4所示的压电振子120A相同的构成要素标记同一符号并省略说明。如图8所示，压电振子120B除了不具备压电振子120A中的电极221这一点之外，是与压电振子120A相同的构成。在压电振子120B中，作为导体的硅层220作为电极发挥作用。这样，由于压电振子120B不具有压电振子120A中的电极221，所以与压电振子120A相比较，能够使振动臂210变薄。另外，在以下所示的其它构成中也同样，可以不在硅层与压电层之间设置电极。此外，对于作为导体的性能而言，与硅层相比金属电极较高，所以从效率的观点出发，优选在硅层与压电层之间设置金属电极。
图9是表示压电振子120的其它构成例的图。此外，对与图2以及图4所示的压电振子120A相同的构成要素标记同一符号，并省略说明。如图9所示，压电振子120C除了在电极223上配设有绝缘层900这一点之外，是与压电振子120A相同的构成。
绝缘层900由硅氧化物(例如SiO2)形成。对硅氧化物而言，在某温度范围中的频率温度特性的变化与硅相反。因此，通过在振动臂210配设绝缘层900，从而硅层220的频率特性的变化被绝缘层900的频率特性的变化抵消。由此，能够提高频率温度特性。此外，在以下所示的其它构成中也同样地在表面侧的电极上设置绝缘层，从而能够提高频率温度特性。
图10是表示压电振子120的其它构成例的图。此外，对与图2所示的压电振子120A相同的构成要素标记同一符号，并省略说明。如图10所示，压电振子120D具有从保持部200彼此平行地沿规定方向(图10中的Y轴方向)延伸的2条振动臂1000A、1000B来代替压电振子120A中的振动臂210A～210D。振动臂1000A具有彼此邻接并平行地配设的振动部1100A(第一振动部)以及振动部1100B(第二振动部)。振动臂1000B也同样地具有彼此邻接并平行地配设的振动部1100A(第一振动部)以及振动部1100B(第二振动部)。振动臂1000A的振动部1100A、1100B在振动臂1000A的延伸方向(图10中的Y轴方向)彼此以相反相位伸缩振动。由此，振动臂1000A在包括振动臂1000A、1000B的平面(图10中的XY平面)的面内方向(图10中的X轴方向)弯曲振动。振动臂1000B也同样地在包括振动臂1000A、1000B的平面(图10中的XY平面)的面内方向(图10中的X轴方向)上弯曲振动。此外，振动臂1000A、1000B在包括振动臂1000A、1000B的平面(图10中的XY平面)的面内方向(图10中的X轴方向)彼此以相反相位弯曲振动。
图11是表示图10所示的B－B’剖面中的电连接的一个例子的图。此外，对与图4所示的压电振子120A相同的构成要素标记同一符号，并省略说明。参照图10以及图11，对振动臂1000的构成的一个例子进行说明。振动臂1000具有硅层220、电极221、222A、222B、223A、223B、压电层1010、1011。
压电层101与压电振子120A中的压电层224同样是将被施加的电压变换为振动的压电体的薄膜。在压电层1010中，一侧1100A(图11中的正X侧)(第一振动部)和另一侧1100B(图11中的负X侧)(第二振动部)根据电极221、222间的电压而在包括振动臂1000A、1000B的平面(XY平面)的面内方向(Y轴方向)沿相反方向伸缩。通过该压电层1010的伸缩，振动臂1000A、1000B在XY面内弯曲位移。
压电层1011除了极化的方向是与压电层1010相反方向这一点之外，是与压电层1010相同的构成。
电极222A、223A被配设为在振动臂1000A的一侧1100A中夹着压电层1011。另外，电极222B、223B被配设为在振动臂1000A的另一侧1100B中夹着压电层1011。在通过图11所示那样的接线对电极222A、223A、222B、223B施加电位的情况下，在压电层1011中，施加于压电层1011的一侧1100A的电场的方向与施加于压电层1011的另一侧1100B的电场的方向相反。
另外，由于电极221在振动臂1000A内是同电位，所以在压电层1010中，施加于压电层1010的一侧1100A的电场的方向与施加于压电层1010的另一侧1100B的电场的方向也相反。
并且，在振动臂1000A中，压电层1010、1011的极化的方向是相反方向，但施加于压电层1010的电场的方向与施加于压电层1011的电场的方向相反。
由此，压电层1010、1011的位移方向相同，振动臂1000A根据交流电源400而在图11所示的左右方向(X轴方向)振动。对于振动臂1000B也同样。但是，由于振动臂1000A中的电场的方向与振动1000B中的电场的方向相反，所以振动臂1000A、1000B彼此以相反相位振动。
在这样的压电振子120D中，与压电振子120A的情况下同样，与一般的并联连接或者串联连接的构成相比较，能够增大静电电容。另外，在压电振子120D中，由于各振动臂1000的电极221是同电位(悬浮电位)，所以无需在硅层220与电极221之间配设绝缘层。因此，不会在硅层220与电极221之间产生杂散电容。由此，与一般的构成相比较，能够使静电电容比较大，并且，抑制杂散电容的影响。
图12是表示压电振子120的其它构成例的图。如图12所示，压电振子120E成为层叠硅层1200以及压电层1210、1211的结构。另外，在压电振子120E形成有从表面贯通至里面的、大致コ字状的贯通部1220A、1220B。此外，贯通部的形状并不限于大致コ字状，例如能够为大致U字状等任意的形状。被贯通部1220A、1220B包围的区域具有通过连结部1225A、1225B与外周部1226连结的5个振动部1230A～1230E。此外，振动部的数量并不限于5个，能够为任意的数量。
5个振动部1230A～1230E在规定方向(图12的X轴方向)彼此邻接地配设。此外，5个振动部1230A～1230E共享硅层1200以及压电层1210、1211，并一体地形成。各振动部1230在振动部1230A～1230E的邻接方向(图12的X轴方向)伸缩振动。此外，在压电振子120E中，通过邻接的2个振动部1230(第一以及第二振动部)彼此以相反相位振动，从而振动部1230A～1230E整体伸缩振动。
图13是表示图12所示的C－C’剖面中的电连接的一个例子的图。参照图12以及图13，对振动部1230的构成的一个例子进行说明。各振动部1230具有硅层1200、压电层1210、1211、以及电极1240～1242。
硅层1200与120A的硅层220相同。另外，电极1240～1242是金属电极，例如由钼形成。电极1241(第一电极)以及电极1242(第二电极)与设置在压电振子120E的外部的交流电源400电连接。电极1242如图12所示例如是矩形状，在振动部1230A～1230E的邻接方向(图12中的X轴方向)上被配设在直线上。电极1241具有与电极1242同样的形状，在与电极1242对置的位置被配设在直线上。此外，电极1240(第三电极)成为不给予电位的悬浮电极。
压电层1210(第一压电层)与压电振子120A中的压电层224同样地，是将被施加的电压变换为振动的压电体的薄膜。压电层1210根据电极1240、1241间的电压而在振动部1230A～1230D的邻接方向(图13的X轴方向)位移(伸缩)。
压电层1211(第二压电层)除了极化的方向是与压电层1210相反方向这一点之外，是与压电层1210相同的构成。
电极1240～1242同交流电源400电连接，以便在各振动部1230中施加于压电层1210的电场的方向与施加于压电层1211的电场的方向相反。另外，电极1240～1242同交流电源400电连接，以便在邻接的2个振动部1230间电场的方向相反。
由此，在压电振子120E中，邻接的2个振动部1230在邻接方向(图13的X轴方向)彼此以相反相位伸缩振动。因此，压电振子120E整体在振动部1230A～1230E的邻接方向(图13的X轴方向)伸缩振动。
在这样的压电振子120E中，也与压电振子120A的情况下同样地与一般的并联连接或者串联连接的构成相比较，能够增大静电电容。另外，在压电振子120E中，由于各振动部1230的电极1240是同电位(悬浮电位)，所以无需在硅层1200与电极1240之间配设绝缘层。因此，不会在硅层1200与电极1240之间产生杂散电容。由此，与一般的构成相比较，能够使静电电容比较大，并且，抑制杂散电容的影响。
图14是表示压电振子的特性的模拟结果。图14中表示为“本实施方式”的项表示压电振子120E的特性。另外，图14中表示为“并联连接”的项表示采用了一般的并联连接的压电振子的特性。另外，图14中表示为“串联连接”的项表示基于一般的串联连接的压电振子的特性。
如图14所示，在压电振子120E中，静电电容C0比一般的构成的值大。另外，在压电振子120E中，表示振动的容易度的k2Q也比一般的构成的值大。即，从模拟结果也可知压电振子120E具有比一般的构成良好的特性。
以上，对本实施方式进行了说明。根据本实施方式，通过使配设在硅层上的第一压电层串联连接，使配设在第一压电层上的第二压电层并联连接，由此与一般的并联连接构成、串联连接构成相比较，能够增大静电电容，并且，抑制杂散电容的影响。
另外，根据本实施方式，通过在硅层与第一压电层之间设置电极，由此与使用硅层来代替电极的情况相比较，能够提高效率。
另外，根据本实施方式，通过在配设在第二压电层上的电极上设置由硅氧化物形成的绝缘层，从而能够消除硅层的频率温度特性的变化，并提高频率温度特性。
此外，本实施方式是为了容易理解本发明的，并非用于对本发明进行限定性解释。本发明在不脱离其主旨的情况下可以进行变更/改进，并且本发明还包含其等同方案。
例如包括压电振子的压电振动装置并不限于图1的构成，能够为任意的构成。具体而言，例如压电振动装置能够为图15所示的构成。在图15所示的例子中，压电振动装置1500能够为由硅的操作层1510以及覆盖层1520夹着压电振子120的芯片级封装(CSP：Chip SizePackage)类型的压电振动装置。此外，外部电极140例如能够设置在覆盖层1520的外部。
另外，例如用于提高频率温度特性的绝缘层900并不限于图9所示的位置，能够配设在振动部中的任意位置。具体而言，例如能够如图16所示那样地配设绝缘层900。在图16所示的压电振子120F中，绝缘层900被配设在硅层220之下。另外，例如能够如图17所示那样地配设绝缘层900。在图17所示的压电振子120G中，绝缘层900被配设在硅层220与电极221之间。此外，在弯曲振动的构成中，优选如图9或者图16所示那样，在振动部的最外部设置绝缘层900。
符号说明
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、1000、1812、1813…振动臂；220、1200、1810…硅层；221～223、1240～1242、1820、1821…电极；224、225、1010、1011、1210、1211…压电层；400…交流电源；900、1811…绝缘层；1220…贯通部；1225…连结部；1226…外周部；1230…振动部。
Claims (9)
1.一种压电振子，是具有彼此以相反相位振动的第一振动部以及第二振动部的压电振子，其中，
所述第一振动部以及所述第二振动部的每个具备：
硅层；
第一压电层，被配设在所述硅层之上；
第一电极，被配设在所述第一压电层之上；
第二压电层，被配设在所述第一电极之上，并具有与所述第一压电层相反方向的极化；以及
第二电极，被配设在所述第二压电层之上，
构成为对所述第一振动部的所述第一电极和所述第二振动部的所述第二电极施加第一电位，并对所述第一振动部的所述第二电极和所述第二振动部的所述第一电极施加第二电位。
2.根据权利要求1所述的压电振子，其中，
还具备由硅形成的保持部，
所述第一振动部形成从所述保持部沿规定方向延伸的矩形状的第一振动臂，
所述第二振动部形成从所述保持部沿所述规定方向延伸的矩形状的第二振动臂，
所述第一振动臂以及所述第二振动臂构成为在与包括所述第一振动臂以及所述第二振动臂的平面垂直的方向彼此以相反相位振动。
3.根据权利要求1所述的压电振子，其中，
还具备由硅形成的保持部，
所述第一振动部以及所述第二振动部形成彼此邻接地配设且从所述保持部沿规定方向延伸的矩形状的振动臂，
所述振动臂构成为通过所述第一振动部以及所述第二振动部在所述规定方向彼此以相反相位振动，从而在包括所述第一振动部以及所述第二振动部的平面的面内方向振动。
4.根据权利要求1所述的压电振子，其中，
所述第一振动部以及所述第二振动部构成为被在规定方向彼此邻接地配设，并在所述规定方向彼此以相反相位振动。
5.根据权利要求1～4中的任意一项所述的压电振子，其中，
所述第一振动部以及所述第二振动部的每个还具备被配设在所述硅层与所述第一压电层之间的第三电极。
6.根据权利要求5所述的压电振子，其中，
所述第一振动部的所述第三电极的电位与所述第二振动部的所述第三电极的电位相同。
7.根据权利要求6所述的压电振子，其中，
所述第三电极是悬浮电极。
8.根据权利要求1～4中的任意一项所述的压电振子，其中，
所述第一振动部以及所述第二振动部的每个还具备由硅氧化物形成的绝缘层。
9.一种压电振动装置，其中，具备：
权利要求1～8中的任意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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