CN106664075B - 谐振器以及谐振装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种抑制由振动部的不必要振动引起的保持体的振动，并且能够实现小型化的谐振器以及谐振装置。上述谐振器具备：振动部，其具有半导体层、形成在半导体层上的第一压电膜、以及形成于第一压电膜的上部的第一上部电极；保持体，其将振动部保持为能够振动；连结部，其连结振动部和保持体；以及振动抑制部，其具有形成在保持体上的第二压电膜和形成于第二压电膜的上部的第二上部电极。
Description
技术领域
本发明涉及谐振器以及谐振装置。
背景技术
在电子设备中，作为用于实现计时功能的设备，使用谐振器。随着电子设备的小型化，谐振器也被要求小型化，从而使用MEMS(Micro Electro Mechanical Systems：微机电系统)技术制造的谐振器(以下，称为“MEMS振子”。)备受关注。
在这样的谐振器中，将振动部构成为经由连结部被保持体保持为能够振动。以往，在这样的谐振器中，为了避免振动部的振动对于保持体传递为泄露振动，实施了各种方法。
例如，在专利文献1中，对于使用了宽度扩展振动的谐振器，在与节点连接的保持臂形成动态减震构造来抑制朝向保持体的振动的泄漏。另外，在专利文献2中，在轮廓振子与保持体之间附加辅助臂和连结部，由此防止振动的泄漏。
专利文献1：日本特开平7-7361号公报
专利文献2：日本特开2008-166903号公报
然而，在专利文献1以及专利文献2中，均是利用连结部来抑制来自振动部的不必要振动的结构，通过设置使连结部吸收振动的辅助部来防止从振动部朝向保持体的振动泄漏。因此，连结部的形状复杂且尺寸增大，谐振器整体的小型化较困难。另外，也存在连结部的强度降低这样的课题。
发明内容
本发明是鉴于这样的情况而完成的，其目的在于提供一种抑制由振动部的不必要振动引起的保持体的振动，并且能够实现振动部的小型化的谐振器以及谐振装置。
本发明的一个方面所涉及的谐振器具备：振动部，其具有半导体层、形成在半导体层上的第一压电膜、和形成于第一压电膜的上部的第一上部电极；保持体，其将振动部保持为能够振动；连结部，其连结振动部和保持体；以及振动抑制部，其形成在保持体上，具有第二压电膜和形成于第二压电膜的上部的第二上部电极。
根据本发明，能够提供一种抑制由振动部的不必要振动引起的保持体的振动，并且能够实现小型化的谐振器以及谐振装置。
附图说明
图1是表示第一实施方式的压电谐振器的整体结构的立体图。
图2是表示第一实施方式的压电谐振器的其它方式的A-A剖视图。
图3是图1的压电谐振器的保持体与振动抑制部的局部剖视图。
图4是表示用于对第一实施方式的压电谐振器的效果进行说明的比较例的图。
图5是表示第一实施方式的压电谐振器的效果的图。
图6是第二实施方式的压电谐振器的保持体与振动抑制部的局部剖视图。
图7是表示第三实施方式的压电谐振装置的整体结构的立体分解图。
图8是表示其它实施方式的压电谐振器的结构的俯视示意图。
图9是表示其它实施方式的压电谐振器的结构的俯视示意图。
图10是表示其它实施方式的压电谐振器的结构的立体图。
图11是图10的B-B剖视图。
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。
[第一实施方式]
(结构)
图1是表示第一实施方式的压电谐振器100(谐振器的一个例子。)的整体结构的立体图。另外，图2是图1的A-A剖视图，表示构成压电谐振器100的振动部110的其它方式。另外，图3是表示构成压电谐振器100的保持体120的一部分与振动抑制部140的层叠构造的侧面剖视图。
如图1所示，压电谐振器100具备振动部110、保持体120、连接振动部110和保持体120的两个连结部130、以及设置在保持体120上的振动抑制部140。
振动部110是在俯视时具有矩形形状的宽度扩展振动谐振器。振动部110在半导体层111上，从下层开始层叠下部电极112(第一下部电极的一个例子。)、压电膜113(第一压电膜的一个例子。)以及上部电极114(第一压电膜的一个例子。)而形成。在本实施方式中，半导体层111是由硅形成的简并半导体。半导体层111例如形成为厚度为10μm、短边方向的宽度为140μm、长边方向的长度为200μm。下部电极112例如使用钼(Mo)、铝(Al)等金属形成，厚度为0.1μm。另外，压电膜113是将所施加的电压转换为振动的压电体的薄膜，例如，厚度为0.8μm。压电膜113例如能够将氮化铝等氮化物、氧化物作为主要成分。具体而言，压电膜113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(Sc)而成的。另外，上部电极114与下部电极112相同，例如，使用钼(Mo)、铝(Al)等金属来形成，厚度为0.1μm。振动部110在振动部110中的宽度扩展振动谐振器的振动方向的中心线的端部(节点)，经由连结部130与保持体120连结，并被保持体120保持。振动部110对长边方向的长度和短边方向的宽度的比率进行控制，由此能够实现不必要振动较小的、宽度扩展振动的基波谐振器。
此外，如图2的A-A剖视图所示，振动部110也能够形成频率调整用的膜而构成。即，在上部电极114的上层形成频率调整膜115而构成。由此，能够进行高效的频率调整。另外，如该图所示，也可以在由硅形成的半导体层111的下层且是与压电膜113相反的面形成氧化硅(例如SiO2)的温度特性修正膜117。由此，能够实现良好的温度特性。
保持体120形成为俯视呈矩形的框状。保持体120与半导体层111相同，能够利用由硅形成的简并半导体形成。
连结部130与振动部110的半导体层111以及保持体120同时形成。如上述那样，连结部130是在宽度扩展振动谐振器的振动方向的节点对振动部110和保持体120进行连结的部件。连结部130与半导体层111以及保持体120相同，能够利用由硅形成的简并半导体形成。
如图1所示，振动抑制部140形成于保持体120上的一部分。对于振动抑制部140，只要是在保持体120的表面上就可以设置于任意位置，但优选设置于连结部130的附近。
如图1以及图3的剖视图所示，振动抑制部140层叠下部电极141(第二下部电极的一个例子。)、压电膜142(第二压电膜的一个例子。)、上部电极143(第二上部电极的一个例子。)而构成。下部电极141、压电膜142以及上部电极143由与下部电极112、压电膜113以及上部电极114相同的结构构成。即，下部电极141例如使用钼(Mo)、铝(Al)形成，厚度为0.1μm。另外，下部电极141可以形成为与下部电极112相同的层。另外，压电膜142是将所施加的电压转换成振动的压电体的薄膜，厚度为0.8μm。压电膜142例如能够以氮化铝为主要成分。具体而言，压电膜142能够由氮化铝钪(ScAlN)形成。另外，上部电极143与下部电极141相同，例如，使用钼(Mo)、铝(Al)来形成，厚度为0.1μm。另外，上部电极143也可以形成为与上部电极114相同的层。
在此，如已经描述的那样，振动部110的半导体层111、保持体120以及连结部130均是由硅形成的简并半导体。更具体而言，半导体层111、保持体120以及连结部130通过光刻以及蚀刻等工序对高掺杂简并硅基板进行加工而一体地形成。另外，作为高掺杂简并硅基板，例如，使用掺杂有P(磷)的n型简并硅基板，由此频率的温度特性变得良好。
另外，振动部110中的下部电极112、压电膜113以及上部电极114、振动抑制部140中的下部电极141、压电膜142以及上部电极143均是通过光刻、蚀刻等对通过溅射等成膜方法形成的膜进行图案化而形成的。一般地，从振荡的稳定性考虑，优选振动部的上下部电极、压电膜是整面电极，若考虑由电极端部的绝缘性降低引起的可靠性恶化，则也可以局部地形成电极。
另外，振动部110的下部电极112、压电膜113以及上部电极114、与振动抑制部140的下部电极141、压电膜142以及上部电极143也可以同时形成。通过同时形成这些压电膜以及上下部电极，能够简化压电谐振器100的制造工序。另外，由于在振动部110以及振动抑制部140中，上下部电极以及压电膜为相同高度，所以如后面参照图7说明的那样，使盖体与压电谐振器100的上下接合而密封时容易进行高度的管理。
(作用效果)
根据以上的结构的压电谐振器100，通过在保持体120上形成振动抑制部140，即使在振动部110中产生的振动经由连结部130作为不必要振动传递至保持体120的情况下，也能够抑制振动。
即，若振动抑制部140的压电膜142因来自振动部110的振动而弯曲振动，则在压电膜142上产生与振动应变相应的电荷。由于该振动是基于振动部110的矩形板的宽度扩展振动的弯曲振动，所以弯曲振动的高次谐波容易被激发而在振动抑制部140的压电膜142上交替地产生正电荷和负电荷。因此，通过形成于压电膜142的上下的下部电极141和上部电极143使电荷相互抵消，由此能够消耗不必要振动的能量，抑制振动。
在图4以及图5中，对基于FEM模拟(Finite Element Method，有限元法)的宽度扩展振动谐振器的三次谐波，表示由振动抑制部140的电荷抵消引起的振动抑制的效果。
图4是未设置振动抑制部140的实施例，图5是将振动抑制部140形成于保持体120的长边方向上的与连结部130的连接部那一侧的附近的实施例。
在图4以及图5中，对于厚度方向的振动位移，将色调换成灰度来表示。具体而言，作为振幅G1表示蓝色的负方向的最大位移(振幅-1.0nm～-0.5nm)，作为振幅G2用红色表示正方向的最大位移(振幅0.5nm～1.0nm)，作为振幅G0用绿色表示中间位移(振幅-0.5nm～0.5nm，以下称为振幅G0。)。如图4所示，在宽度扩展振动的三次谐波中，在振动部中央厚度方向的弯曲位移较大，该振动位移经过连结部，保持体也向厚度方向弯曲振动。
对图4以及图5进行比较，显然，就设置有振动抑制部140的图5而言，与未设置振动抑制部140的图4相比，保持体120中的显示振幅G1和振幅G2的范围减少，来自振动部110的振动被抑制。
根据本实施方式的压电谐振器100，能够提供一种不对连结部的形状、构造进行变更，就抑制保持体因振动部的不必要振动而振动，并且能够实现小型化的压电谐振器以及压电谐振装置。
[第二实施方式]
参照图6对第二实施方式的压电谐振器进行说明。图6与图3相同，是表示构成压电谐振器的保持体的一部分和振动抑制部的层叠构造的侧剖视图。此外，对于与第一实施方式相同的结构标注相同的附图标记，并省略说明。
如图6所示，在压电谐振器200中，在保持体120的上层形成振动抑制部240。振动抑制部240由压电膜241和上部电极242形成。振动抑制部240还在上部电极242连接有接地线243，通过该接地线243接地。
另外，与第一实施方式相同，振动部110的半导体层111(在图6中未图示。参照图1。)、保持体120以及连结部130(在图6中未图示。参照图1。)能够利用由硅形成的简并半导体，形成为一体。
在本实施方式的压电谐振器200中，将振动部110的半导体层111、保持体120以及连结部130由硅形成并且由简并半导体形成，由此能够改善频率温度特性，无需形成下部电极。因此，能够简化压电谐振器200的制造工序。另外，由于能够在振动抑制部240中去掉下部电极，所以能够使压电谐振器200薄层化。
进一步通过从振动抑制部240的上部电极242与接地线243连接，能够更加高效地使电荷抵消，并能够提高不必要振动的抑制效果。
此外，在本实施方式的压电谐振器200中，优选形成在保持体120上的压电膜241上的上部电极242和振动部110的上部电极114(在图6中未图示。参照图1。)不进行电容耦合。因为特性(k)会因两个导体间的电容耦合而降低。因此，对于保持体120上的压电膜241上的上部电极242而言，优选在不丧失效果的范围内，将保持体120上的配置面积构成为较小，高效地使电荷抵消。
[第三实施方式]
第三实施方式涉及使用第一以及第二实施方式的压电谐振器形成的压电谐振装置，参照图7对其进行说明。图7是表示压电谐振装置300(谐振装置的一个例子。)的整体结构的分解立体图。此外，对于与第一以及第二实施方式相同的结构，标注相同的附图标记，并省略说明。
压电谐振装置300具备压电谐振器100、以及对压电谐振器100从上下进行覆盖而对压电谐振器100进行密封的上盖体310和下盖体320。上盖体310和下盖体320均是由硅构成的基板。
上盖体310俯视呈矩形，在中央具备腔310C。上盖体310在长边侧的中央端部且是在上下位置与压电谐振器100的连结部130对应的位置具备一对输入输出端子311。另外，在与压电谐振器100的形成有振动抑制部140的位置对应的位置，具备用于使振动抑制部140的上部电极143(图7中未图示。参照图1、3。)与接地线连接地设置的端子312。另一方面，下盖体320在中央具备腔320C。
压电谐振器100在被上盖体310以及下盖体320密封的状态下，储存于腔310C以及320C。在压电谐振器100的连结部130上形成从振动部110的上部电极114或下部电极112电引出的引出部121，该引出部121与上盖体310的输入输出端子311电连接。
此外，从压电谐振器100朝向上盖体310的输入输出端子311的引出也可以通过在上盖体310形成通孔来进行。
根据以上的压电谐振装置300，形成在保持体120上的电极的一端144能够通过形成于对保持体120进行保持的上盖体310的通孔等引出至形成于上盖体310的外表面的端子312。因此，从振动抑制部240的上部电极242朝向接地线的连接变得容易，并能够更加高效地使电荷抵消，能够提高不必要振动抑制效果。
[其它实施方式]
本发明并不限于以上述各实施方式示出的方式，例如，也包含如下的方式。在第二实施方式所示的压电谐振器200中示出，由于特性(k)会因形成在保持体120上的压电膜241上的上部电极242与振动部110的上部电极114电容耦合而降低，所以优选保持体120上的压电膜241上的上部电极242在不丧失效果的范围内，将保持体120上的配置面积构成为较小。另一方面，在压电谐振器中，由于电荷分布按每个不必要振动的模式发生变化，所以优选将电极配置为尽可能能够抵消多种电荷分布。
例如，在图8中以保持体120的一部分和振动抑制部140A示出的那样，也能够在压电膜142A上将上部电极143A配置为：在长边方向中心配置带状电极143Aa，在与带状电极143Aa相垂直的短边方向上配置多个棒状电极143Ab。这样，通过连续并且较长地构成压电膜142A上的上部电极143A，能够与不必要振动的模式的变化对应地抵消多种电荷分布。
另外，例如在图9中以保持体120的一部分和振动抑制部140B示出的那样，在压电膜142B上将上部电极143B配置为使一个带状体折回。该情况下，由于也能够连续并且较长地构成压电膜142B上的上部电极143B，所以能够与多个不必要振动的模式对应地抵消多种电荷分布。此外，在这样的方式中，通过从压电膜142B上的上部电极143B的两端向在图7中所示的形成于上盖体310的外部端子引出，也能够作为它们的温度传感器来使用。
另外，在上述各实施方式中，也可以使保持体120上的压电膜142的结晶性降低。例如，在形成下部电极141后，对下部电极141进行蚀刻，由此使表面变粗糙，并在其上形成压电膜142，由此能够构成劣化的压电膜142。该情况下，能够使摇摆曲线中的半值宽度扩大。这样，若保持体120上的压电膜142的结晶性降低，则Q值降低。虽然泄漏于保持体120的振动包含各种弯曲的高次谐波，但由于Q值降低，能够实现针对更宽的频带的振动抑制。
在上述各实施方式中，示出了采用通过一对连结部130保持矩形形状的振动部110的两端的扩展振动模式的例子，但本发明并不限于这样的方式。例如像图10中示出的立体图、图11中示出的图10的B-B剖视图那样，也能够通过由与保持体120C的连结部130C延伸出的弯曲振子形成，并通过弯曲振动模式构成振动部110C等其它振动模式构成。
具体而言，如图10以及图11所示，在构成矩形的框的保持体120C的一端侧形成连结部130C，从该连结部130C延伸出而形成多个(在此是4个)由棒状的弯曲振子构成的振动部110C。振动部110C的与被连结部130C保持的一侧的相反侧为自由端。振动部110C通过层叠半导体层111C、下部电极112C、压电膜113C以及上部电极114C而形成，在中央的2个振动部110C共用地形成上部电极114C。如图11所示，对于外侧的2个振动部110C也同样地，上部电极114C彼此短路，通过对中央2个与外侧2个的上部电极之间施加驱动信号，中央2个与外侧2个以相反的相位进行面外弯曲振动。另外，在连结部130C侧的保持体120C上，振动抑制部140C形成为带状。即使在采用了以上那样的其它振动模式的压电谐振器中，也能够得到与上述实施方式相同的效果。
另外，连结部130的形状也不限定于各实施方式所示的形状，也可以是各种构造。例如，连结部130并不限定于在相互对置的区域彼此对振动部110和保持体120进行连接的结构。连结部130也可以为在中途弯曲，与保持体120中的未与振动部110和连结部130的连接位置对置的区域连接的结构。
此外，以上说明的各实施方式是用于使本发明的理解变得容易的内容，并不是用于对本发明进行限定并解释的内容。本发明能够不脱离其宗旨地进行变更/改进，并且本发明也包含其等效物。即，对于本领域技术人员对各实施方式适当地施加了设计变更后得到的方式，只要具备本发明的特征，则也包含于本发明的范围。例如，上述的各实施方式所具备的各要素及其配置、材料、条件、形状、尺寸等并不限于例示出的内容，能够适当地变更。另外，上述的各实施方式所具备的各要素只要在技术上可行就能够组合，对它们进行组合而得到的方式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…压电谐振器；110…振动部；111…半导体层；112…下部电极；113…压电膜；114…上部电极；120…保持体；130…连结部；140…振动抑制部；141…下部电极；142…压电膜；143…上部电极。
Claims (8)
1.一种谐振器，具备：
振动部，其具有半导体层、形成在所述半导体层上的第一压电膜、形成于所述第一压电膜的上部的第一上部电极；
保持体，其将所述振动部保持为能够振动；
连结部，其连结所述振动部和所述保持体；以及
振动抑制部，其具有形成在所述保持体上的第二压电膜和形成于所述第二压电膜的上部的一部分的第二上部电极，
所述半导体层、所述保持体以及所述连结部是包括硅的简并半导体。
2.根据权利要求1所述的谐振器，其中，
还具备第一下部电极，所述第一下部电极形成于所述第一压电膜与所述半导体层之间。
3.根据权利要求1或2所述的谐振器，其中，
还具备第二下部电极，所述第二下部电极形成于所述第二压电膜与所述保持体之间。
4.根据权利要求1或2所述的谐振器，其中，
所述第一压电膜由与所述第二压电膜相同的材料形成，
所述第一上部电极由与所述第二上部电极相同的材料形成。
5.根据权利要求2所述的谐振器，其中，
所述谐振器还具备：
第二下部电极，其形成于所述第二压电膜与所述保持体之间，
所述第一下部电极由与所述第二下部电极相同的材料形成。
6.根据权利要求1或2所述的谐振器，其中，
所述第二上部电极接地。
7.根据权利要求1或2所述的谐振器，其中，
所述第二压电膜的结晶性比所述第一压电膜的结晶性低。
8.一种谐振装置，具备：
谐振器，其是权利要求1～7中任一项所述的谐振器；
盖体，其覆盖所述谐振器；以及
外部端子，其与所述谐振器电连接。
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