CN1078772C - 压电谐振器以及使用它的电子元件 - Google Patents
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Abstract
压电谐振器(10)具有由叠层压电层和电极(14)组成的基体部件。基体部件(12)在电极两边以不同方向极化。电极交替地分别为处于基体相对侧面的绝缘膜(16)和(18)所覆盖。绝缘膜(16)覆盖没被(18)覆盖的电极，反之亦然。外部电极(20)，(22)形成在基体(12)的相对侧表面，内部电极(14)分别当它们相连。在基体的两端，由于多个连续电极为绝缘膜(16)和(18)所覆盖，电场不能加到基体上，从而形成非激活区。基体中心有电场施加，形成激活区。
Description
本发明涉及利用压电部件机械共振的压电谐振器，特别是涉及这样一种压电谐振器，它包含纵向基体部件、由极化压电部件构成并组成至少的基体部件一部分的激活区域以及提供于激活区域上的一对外部电极。本发明还涉及使用该压电谐振器的电子元件，例如振荡器、鉴频器和滤波器。
图40是普通压电谐振器的透视图。压电谐振器1包括例如从从顶部看呈矩形平板状的压电基片2。压电基片2在厚度方向上被极化。在压电基片2的两个表面上形成有电极3。当信号在电极3之间输入时，电场沿厚度方向施加在压电基片2上并且压电基片2沿纵向振动。在图41中，示出了在从顶部看呈正方形的两个表面上形成有电极3的压电基片2的压电谐振器1。压电谐振器1的压电基片沿厚度方向极化。当信号在压电谐振器1的电极3之间输入时，电场沿厚度方向施加在压电基片2上并且压电基片2以正方形振动模式(沿平面方向)振动。
由于从顶部看图40所示的压电谐振器压电基片呈矩形平板状，所以受强度的限制基片无法做得更薄。因此电极之间的距离无法做小，端子之间的电容无法做大。这对于实现与外部电路的阻抗匹配来说是极其不方便的。为了能通过将大量压电谐振器交替串联和并联在一起而构成梯状滤波器，串联共振器与并联共振器的电容比需要做得较大以加大衰减程度。但是由于压电谐振器受到如上所述形状的限制，所以无法得到大的衰减。
这种压电谐振器采用的是纵向模式中的第一阶共振。由于其结构上的特点，它在奇数阶谐振模式(例如第三、第五阶模式)和宽度模式中还产生较大的伪共振。为了抑制这些伪共振，可以考虑采取一些措施，例如抛光、增加质量和改变电极的形状。这些措施都提升了制造成本。
在图41所示压电谐振器中，产生了诸如在平面方向上厚度模式和三重波模式中出现的较大伪共振。与采用纵向振动的压电谐振器相比，为了获得同样的共振频率，这样的压电谐振器需要较大尺寸，所以难以减小它的尺寸。当利用多个压电谐振器构成梯状滤波器时，为了提高串联共振器与并联共振器的电容比，串联的共振器要做得薄并且只在压电基片的一部分区域形成电极以使电容也同样地小。在这种情况下，由于只制备了电极的一部分，所以共振频率与反共振频率之间的频差ΔF以及电容都有所减小。并联共振器的ΔF也相应的需要做得较小。这样，压电基片的压电特性就不能充分利用，而滤波器的通过带宽就无法增加。
这些压电谐振器是非刚性的，其振动方向与极化方向和电场方向不一致。这种非刚性压电谐振器的机电耦合系数小于振动方向、极化方向和电场施加方向一致的刚性压电谐振器。非刚性压电谐振器的共振频率与反共振频率之间的频差ΔF较小。这带来的缺点是当非刚性频率共振器用作振荡器或滤波器时使用的频带宽较窄。因此这样的压电谐振器和使用它的电子元件在性能设计上限制较多。
因此，本发明的主要目标是提供一种压电谐振器以及提供使用它的电子元件，这种压电谐振器具有较小的伪共振，共振频率与反共振频率之间的频差ΔF较大，电容和ΔF可调节，并且在性能设计上受到的限制较少。
通过提供上述类型的压电谐振器，本发明实现了前述目标的一个方面，所述压电谐振器特征在于：包含纵向基体部件，该基体部件包含：由压电层组成并且构成所述基体部件至少一部分的激活区域；一对设置在所述基体部件侧面的外部电极；多个设置在所述激活区域之间和/或外部的内部电极，其中所述内部电极垂直于所述基体部件的纵向并且与所述外部电极相连；所述基体部件包含这样一种结构，它由多层压电层与所述多个内部电极相叠而成，并且当交流电场沿所述基体部件纵向经所述多个内部电极施加于所述激活区域时激发纵向基本振动。
在上述压电谐振器中，所述的压电层可以沿着所述基体部件的纵向，在所述多个内部电极的两侧以相反方向被极化，并且所述多个内部电极中相邻的内部电极可以分别连接至所述的一对外部电极上。
在上述压电谐振器中，所述多个内部电极的每一个可以完全覆盖住垂直于所述基体部件纵向的截面，一对连接区域，其中交替出现的所述内部电极的露出部分可以分别被绝缘薄膜覆盖，并且可以在这对所述连接区域上提供一对外部电极从而使所述多个内部电极中相邻的内部电极分别与所述的这对外部电极相连。
在上述压电谐振器中，所述多个内部电极可以部分暴露在所述基体部件的侧面，并且所述多个内部电极中相邻的内部电极分别与所述的那对外部电极相连。
在上述压电谐振器中，可以在所述基体部件的其它部分包含不施加电场或不极化的非激活区域。
比较好的是所述非激活区域形成于所述激活区域的两端，并且所述激活区域占据所述基体部件50％以上的长度。
在所述压电谐振器中，至少有一对内部电极在所述激活区域内放置成与所述基体部件纵向垂直并分别与所述的一对外部电极相连，所述激活区域沿所述基体部件纵向极化，以及当电场经所述外部电极沿所述基体部件纵向施加时所述基体部件激发纵向模式的基本振动。
所述压电谐振器可以进一步包括支撑部件和沿纵向放置在所述支撑部件与所述基体部件中心区域之间的固定部件。
通过提供使用上述类型压电谐振器的电子元件，本发明实现了前述目标的另一个方面，其中所述支撑部件由上面形成有图形电极的绝缘基片构成；所述基体部件通过所述固定部件固定在绝缘基片上。
上述电子元件可以是梯状滤波器，其中多个所述基体部件通过所述固定部件安装在所述绝缘基片上并互相连接成梯状。
由于按照本发明的压电谐振器包含压电层与电极交替叠置的基体部件，所以通过调整用于将电场施加至基体部件上的电极的间距、尺寸或者数量可以改变压电谐振器的电容。若形成这样的压电谐振器，使其振动方向、极化方向和电场施加方向在压电层内一致，则共振器是刚性的。因此，同振动方向与极化方向和电场施加方向不一致的非刚性压电谐振器相比，刚性压电谐振器具有较大的一机电耦合系数和共振频率与反共振频率之间较大的频差ΔF。此外，在刚性压电谐振器中不可能出现与基本振动不同的宽度和厚度模式的振动。而且，通过修整非激活区域或增加该区域的质量可以调节频差ΔF。
当制造使用本压电谐振器的电子元件(例如振荡器、鉴频器和滤波器)时，压电谐振器被固定在形成有图形电极的绝缘基片上，并且覆盖顶盖，以形成芯片型(表面封装)电子元件。
按照本发明，由于压电谐振器的电容可以改变，所以当压电谐振器安装在电路板上时很容易与外部电路实现阻抗匹配。当压电谐振器是刚性的时，共振频率与反共振频率之间较大的频差ΔF比普通压电谐振器大，由此得到了宽频带共振器。此外，在这种压电谐振器中不可能出现与基本振动不同的宽度和厚度模式的振动，因此实现了极佳的性能。由于通过调整非激活区域可以调节频差ΔF，所以压电谐振器的频带宽可以改变。
由于可以做成使用压电谐振器的芯片型电子元件，所以可以比较容易地将该元件固定在电路板上。通过调节压电谐振器的电容可以比较容易地实现电子元件与外部电路之间的阻抗匹配。此外，在通过将多个压电谐振器交替串联和并联连接起来构成的梯状滤波器中，通过改变串联压电谐振器与并联压电谐振器的电容比可以调节滤波器中的衰减程度。
通过以下结合附图对本发明的描述可以进一步理解本发明的目标、特点和优点。
图1为按照本发明的压电谐振器的透视图。
图2为表示图1所示压电谐振器结构的示意图。
图3为表示为了制造如图1所示压电谐振器如何将生陶瓷片层叠在一起的透视图。
图4为表示由图3所示生陶瓷片构成的层叠块的示意图。
图5为表示被切割的图4所示层叠块部分的示意图。
图6为表示通过切割图5所示层叠块制成的板形块的示意图。
图7为表示将树脂绝缘材料涂覆在图6所示板形块并形成外部电极时的示意图。
图8为作为比较的沿纵向振动的非刚性压电谐振器的透视图。
图9为沿纵向振动的刚性压电谐振器的透视图。
图10为作为比较的沿平面方向振动(正方形振动)的非刚性压电谐振器的透视图。
图11为按照本发明的另一种压电谐振器的透视图。
图12为按照本发明的又一种压电谐振器的透视图。
图13为表示按照本发明的频率与压电谐振器阻抗之间关系的示意图。
图14为表示普通压电谐振器频率与阻抗之间关系的示意图。
图15为改变基体部件内激活区域与非激活区域分布的压电谐振器的示意图。
图16为表示激活区域的分布电容、以及ΔF/Fa之间的关系的示意图。
图17为表示激活区域比与ΔF之间关系的示意图。
图18为表示按照本发明修改的压电谐振器的示意图。
图19为表示按照本发明另一修改的压电谐振器的示意图。
图20为表示按照本发明的又一个压电谐振器的示意图。
图21为表示压电谐振器中内部电极端部与基体部件侧面之间的间隔。
图22为表示电容、ΔF与内部电极和基体部件侧面之间间隔的关系的示意图。
图23为表示图20所示压电谐振器修改后的压电层的平面图。
图24为表示具有图23所示压电层的压电谐振器的示意图。
图25为表示压电谐振器修改后的非激活区域的示意图。
图26为表示压电谐振器另一修改后的非激活区域的示意图。
图27为表示形成于基体部件端部的电极的示意图。
图28为使用上述压电谐振器的电子元件的透视图。
图29为图28所示电子元件中所用绝缘基片的透视图。
图30图28所示电子元件分解透视图。
图31为表示另一种将压电谐振器安装在绝缘基片上的方法的示意图。
图32为表示图31所示压电谐振器安装方法的侧视图。
图33为表示另一种将压电谐振器安装在绝缘基片上的方法的示意图。
图34为表示图33所示压电谐振器安装方法的侧视图。
图35为采用按照本发明的压电谐振器的梯状滤波器的分解透视图。
图36为图35所示梯状滤波器内绝缘基片和压电谐振器的透视图。
图37为图35所示梯状滤波器的等效电路图。
图38为两端电子元件的分解透视图。
图39为表示Cf、ΔF/Fa与其它参数之间关系的示意图。
图40为普通非刚性压电谐振器示意图。
图41为另一种普通非刚性压电谐振器的示意图。
图1为按照本发明实施例的压电谐振器的透视图。图2表示该压电谐振器的内部结构。压电谐振器10包括一个例如呈矩形平行管状的基体部件12。基体部件12例如由压电、陶瓷材料构成。在基体部件12以及两个端面上形成多个垂直于基体部件12的纵向的电极14。基体部件12沿纵向极化从而使得在电极14两侧极化方向的相反。
在基体部件12的相对侧面上，分别形成多个绝缘薄膜16和18。在基体部件12其中一个侧面上，绝缘薄膜16覆盖住每个相隔的电极14的暴露区域。在基体部件12的另一个侧面上，绝缘薄膜覆盖住在前述侧面上未被绝缘薄膜16覆盖的每个相隔电极14的暴露区域。形成有绝缘薄膜16和18的基体部件12的侧面用作与下面将要描述的外部电极相连接的区域。
在这些连接区域中，即在形成有绝缘薄膜16和18的基体部件12的侧面上，形成外部电极20和22。电极20与没有被绝缘薄膜16覆盖的电极14相连，电极22与没有被绝缘薄膜18覆盖的电极14相连。换句话说，两个相邻的电极14分别连接至电极20和22。压电谐振器10采用外部电极20和22作为输入和输出电极。由于电场施加在相邻电极14之间，所以基体部件12是压电激活的。
为了制造压电谐振器10，首先要制备如图3所示的压电陶瓷生片30。在每块生片的其中一个表面，涂覆有例如包含银、钯和有机黏合剂的导电胶以在每个生片30除端部以外的整个区域上形成导电胶层32。多块生片30层叠在一起使得未形成导电胶层32的端部沿相反方向交替放置。在相对侧面涂覆有导电胶的层叠部件经过烘干形成图4所示的层叠块34。在层叠块34内和两端形成有由经过烘干的导电胶32制成的多个电极36。由于电极36交替出现在层叠块34相对侧面上，所以形成于相对侧面上的外部电极38和40分别与每个相隔的电极36相连。当直流电压施加在外部电极38和40上时，层叠块34被极化。在层叠块34的内部，在相邻内部电极之间沿相反方向交替施加强直流电场。因此，层叠块34的内部电极36的两端沿如图4中箭头所指的相反方向极化。
由于共振器的反共振频率由层叠块34的厚度决定，所以层叠块34被磨至需要的厚度。利用切割机沿图5虚线所示的方向切割层叠块34，从而使得切割平面垂直于多个内部电极36。随后得到了图6所示板形块42。如图7所示，树脂绝缘材料44被涂覆在板形块42的两个表面上从而使得材料44涂覆于一个表面上每个相隔的内部电极36和另一表面上材料44未涂覆的内部电极36上。外部电极48形成于板形块42上。随后整个块垂直于内部电极36切割以形成图1所示的压电谐振器。当信号施加在压电谐振器10的外部电极20和22上时，由于电压沿着与激活区域24内压电层极化相反的方向施加，所以压电层沿同一方向整体膨胀和收缩。交流电场沿基体部件12的纵向利用与外部电极22和22相连的电极14施加在每层压电层上时，并且在每层压电层上产生膨胀和收缩力。因此，压电谐振器10沿纵向以基本模式振动，基体部件12的中心为节点。
由于压电谐振器具有多层压电层与电极交替叠置的结构，所以通过调整叠层的数量、电极大小或者电极之间的距离可以改变压电谐振器10的电容。因此当压电谐振器10安装在电路板上使用时很容易与外部电路实现阻抗匹配。
在图1所示的压电谐振器10中，激活区域24的极化方向、信号所施加的电场方向以及激活区域24的振动方向是一致的。换句话说，压电谐振器10是刚性的。刚性压电谐振器10具有比振动方向与极化和电场方向不一致的非刚性压电谐振器更大的机电耦合系数。因此，压电谐振器10具有比普通压电谐振器更大的共振频率与反共振频率之间的频差ΔF。这意味着压电谐振器10具有宽频带特性。
为了衡量刚性压电谐振器与非刚性压电谐振器之间的差别，制备了图8、9和10所示的压电谐振器。图8所示压电谐振器通过在4.0×1.0×0.38mm的压电基片厚度方向的两个表面上形成电极制成。当信号施加在电极上时，这种压电谐振器沿厚度方向极化并沿纵向振动。图9所示压电谐振器具有与图8所示压电谐振器相同的尺寸。电极形成于压电基片纵向上的两个表面。当信号施加到电极上时，压电谐振器沿纵向极化和振动。图10所示压电谐振器通过在4.7×4.7×0.38mm的压电基片厚度方向的两个表面上形成电极制成。当信号施加在电极上时，这种压电谐振器沿厚度方向极化并沿平面方向振动。图8和10所示的压电谐振器是非刚性的而图9所示的压电谐振器是刚性的。
每个压电谐振器的共振频率Fr和-机电学耦合系数k的测量结果示于表1、2和3。表1表示的是图8所示压电谐振器的测量结果。表2表示的是图9所示压电谐振器的测量结果，表3表示的是图10所示压电谐振器的测量结果。
表1
| 基本纵向振动 | 纵向三重波振动 | 宽度模式振动 | |
| 共振频率(MHz) | 0.460 | 1.32 | 1.95 |
| 机电耦合系数(％) | 18.9 | 3.9 | 25.2 |
表2
| 基本纵向振动 | 纵向三重波振动 | 宽度模式振动 | |
| 共振频率(MHz) | 0.455 | 1.44 | 1.96 |
| 机电耦合系数(％) | 42.9 | 12.2 | 4.0 |
表3
| 基本纵向振动 | 正方形三重波振动 | 厚度模式振动 | |
| 共振频率(MHz) | 0.460 | 1.32 | 1.95 |
| 机电耦合系数(％) | 18.9 | 3.9 | 25.2 |
从测量结果可见，刚性压电谐振器具有比非刚性压电谐振器更大的电学-机械耦合系数k，因此具有更大的共振频率与反共振频率之间的频差ΔF。刚性压电谐振器中最大的伪振动是纵向三重波型的，并且在振动期间-机电学耦合系数k为12.1％。在于基本振动不同的宽度振动模式期间，-机电学耦合系数为4.0％。相反，在非刚性纵向振动的压电谐振器中，宽度模式振动期间的-机电学耦合系数为25.2％。在非刚性正方形振动的压电谐振器中，厚度模式振动期间的-机电学-耦合系数为23.3％。由此可见刚性压电谐振器具有比非刚性压电谐振器更小的伪振动。
为了将形成于基体部件12内的电极14连接至外部电极20和22，内部电极14可以如图11所述交替延伸至基体部件12的相对侧面。在基体部件12的相对侧面，必须形成外部电极20和22。在压电谐振器10中，由于电极14交替暴露，所以通过在基体部件12侧面形成外部电极20和22分别使电极14交替地与外部电极20和22连接。因此在基体部件12上无需形成绝缘薄膜。电极14没有形成于压电谐振器10中基体部件12的整个横截面上。因此相邻电极14的相对面积小于形成于整个横截面上的相邻电极14。利用相对的面积可以调节压电谐振器10的电容和ΔF。
如图12所示，可以在压电谐振器10的基体部件12内形成压电激活的激活区域和未被压电激活的非激活区域。在这种情况下，例如电极没有形成于基体部件12的两端面上，并且放置在基体部件12两端面附近的一些电极14被绝缘薄膜16和18相继覆盖。在本实施例中，从基体部件12各端开始的连续三个电极被绝缘薄膜16覆盖，从基体部件12各端开始的连续两个电极被绝缘薄膜18覆盖。内部电极20和22形成于覆盖绝缘薄膜16和18的基体部件12的侧面上。内部电极由此连接至外部电极20和22。但是一部分位于基体部件12两端的电极14并不与外部电极20和22连接。
在基体部件12的中心，由于电场施加在相邻电极之间，所以基体部件12被压电激活。由于电极14是绝缘的没有电场施加，所以基体部件12的两端没有被激活。因此输入信号用的激活区域24形成于如图12的阴影所示的基体部件12中心。非激活区域26形成于基体部件12的两端。
在压电谐振器10中，非激活区域26形成于基体部件12的两端。改变非激活区域来调整共振频率和共振频率与反共振频率之间的频差ΔF。换句话说，通过沿基体部件12的纵向打磨端面或者增加质量，可以调节压电谐振器10的共振频率和/或反共振频率。
在压电谐振器10中，如上所述，通过例如改变激活区域24的层数可以调整共振器的电容。在基体部件12内，压电层和电极14交替堆砌并且并联连接。当层数改变而激活区域24的总厚度不变时，由于层厚反比于层数，所以满足下列关系。
共振器的电容∝(激活区域层数/层厚)∝(激活区域层数)2
共振器的电容正比于激活区域24层数的平方。因此，改变激活区域24的层数来调整压电谐振器10的频率。这意味着压电谐振器10在电容设计上具有更大的自由度。因此当压电谐振器10安装在电路板上时较容易与外部电路实现阻抗匹配。
在由压电陶瓷制成的生片30上涂覆例如包含银、钯和有机黏合剂的导电胶。多块生片30交替堆砌并整个在1200℃下焙烧以形成20×30×3.9mm的层叠块。通过溅射形成外部电极38和40。强直流电场施加在相邻的内部电极36之间以使层叠块极化从而使相邻压电层的极化方向交替相反。层叠块34的厚度发生了变化。切割层叠块以形成1.5×30×3.8mm的板形块42。树脂绝缘材料44覆盖住平板块42侧面上露出的每个相隔电极36，并通过溅射形成银电极。整个块利用切割机切割成1.5×1.5×3.8mm的压电谐振器10。
压电谐振器10在基体部件12上有19个电极14，电极14以几乎相等的0.19mm间隔放置。形成绝缘薄膜16和18从而避免在位于基体部件12两端的三个压电层上施加电场。激活区域24包括位于基体部件12中心的14层压电层，而非激活区域26在两端具有三层压电层。压电谐振器10的电容为830pF而频率特性如图13所示。为比较起见，图14示出了正方形振动压电谐振器的频率特性。从图13和14发现，按照本发明的压电谐振器10具有比正方形压电谐振器更小的伪振动。
根据激活区域24和非激活区域26形成的位置，可以改变共振频率与反共振频率之间的频差ΔF。可以在基体部件12的两端和中心形成如图15所示的非激活区域26。采用有限元方法计算了压电谐振器中电容和频差随激活区域位置的变化，这里”a”表示压电谐振器10中心与端部之间的距离，”b”表示激活区域24中心与作用中心之间的距离，”c”表示激活区域24的长度，W表示基体部件12的宽度，T表示基体部件12的厚度。图16示出了b/a、ΔF与反共振频率Fa的比率ΔF/Fa以及电容Cf之间的关系，这里”a”等于1.89mm，W和T等于0.8mm，”c”等于0.86mm，而b/a是变化的。由图16可见，不管激活区域24形成的位置如何变化电容Cf都不变化。相反，ΔF随着激活区域24靠近基体部件12的端部而减小。
通过改变激活区域24与非激活区域26的比率可以改变压电谐振器10中的频差ΔF。随着激活区域比率(即图12所示压电谐振器中激活区域24的长度与基体部件12长度之比)的变化，测量了共振频率Fr、反频率Fa、频差ΔF及其变化速率，并且结果示于表4和图15中。
表4
| 激活区域长度(mm) | 激活区域比率(％) | Fr(KHz) | Fa(KHz) | ΔF(KHz) | ΔF变化率(％) |
| 1.80 | 100.0 | 1047.4 | 1163.4 | 115.9 | 0.0 |
| 1.70 | 94.0 | 1042.4 | 1163.4 | 120.9 | 4.3 |
| 1.60 | 88.9 | 1038.6 | 1163.4 | 124.8 | 7.6 |
| 1.53 | 85.0 | 1036.6 | 1163.4 | 126.8 | 9.4 |
| 1.50 | 83.3 | 1035.9 | 1163.4 | 127.5 | 9.9 |
| 1.40 | 77.8 | 1034.5 | 1163.4 | 128.9 | 11.2 |
| 1.35 | 75.0 | 1034.3 | 1163.4 | 129.1 | 11.4 |
| 1.30 | 72.2 | 1034.3 | 1163.4 | 129.0 | 11.3 |
| 1.20 | 66.7 | 1035.5 | 1163.4 | 127.9 | 10.3 |
| 1.17 | 65.0 | 1036.1 | 1163.4 | 127.2 | 9.7 |
| 1.10 | 61.1 | 1038.1 | 1163.4 | 125.3 | 8.1 |
| 1.00 | 55.6 | 1042.0 | 1163.4 | 121.4 | 4.7 |
| 0.90 | 50.0 | 1047.4 | 1163.4 | 115.9 | 0.0 |
| 0.80 | 44.4 | 1054.3 | 1163.4 | 109.1 | -5.9 |
| 0.70 | 38.9 | 1062.7 | 1163.4 | 100.6 | -13.2 |
| 0.60 | 33.3 | 1072.7 | 1163.4 | 90.7 | -21.8 |
| 0.50 | 27.8 | 1084.2 | 1163.4 | 79.1 | -31.7 |
| 0.40 | 22.2 | 1097.3 | 1163.4 | 66.1 | -43.0 |
| 0.30 | 16.7 | 1111.9 | 1163.4 | 51.5 | -55.6 |
| 0.20 | 11.1 | 1127.9 | 1163.4 | 35.5 | -69.4 |
| 0.10 | 5.6 | 1145.2 | 1163.4 | 18.2 | -84.3 |
图17表示当激活区域比率设定为100％ΔF为100％时(即非激活区域不存在时)激活区域比率与ΔF变化之间的关系。由图17可见，ΔF在激活区域比率为65-85％之间时较大，并且在激活区域比率为75％时有一个峰位。峰值比激活区域为100％(即不存在非激活区域时)时的ΔF大10％。在50％和100％的激活区域比率处ΔF一样大。因此，为了获得具有较大ΔF的压电谐振器，必须将激活区域比率设定为50％以上。
在压电谐振器10中，当20层中有14层压电层构成激活区域24时，电容为830pF。相反，当激活区域设定为100％时(这意味着只利用一压电层)，换句话说，当电极形成于尺寸和材料相同的基体部件12的两端时，电容为3.0pF。当所有24层压电层构成激活区域24时，电容为1185.6pF。通过改变压电谐振器10中的层数，可以在最小值与最大值相差400倍的范围内调节电容。因此通过改变压电谐振器10的层叠结构，可以在较宽的范围内选择电容，这样就有较大的电容设计自由度。
为了将形成于基体部件12内部的电极14连接到外部电极20和22，可以在绝缘薄膜16和18上开窗口50，从而使得每个相隔电极14如图18所示暴露出来。外部电极20和22形成于绝缘薄膜16和18上，并且电极14交替连接至两个外部电极20和22上。如图19所示，两个外部电极20和22可以形成于基体部件12的侧面上。绝缘薄膜16和18以两行的方式形成于基体部件12的一个侧面上并形成两行连接区域。这两行绝缘薄膜16和18分别形成于每个相隔的电极14上。在两行绝缘薄膜16和18上分别形成两行外部电极20和22。作了这样改进的压电谐振器同样也实现了上述压电谐振器的优点。而且在内部电极如图20所示交替暴露在基体部件12的侧面的压电谐振器10中，可以形成激活区域24和非激活区域26。
通过调整相邻电极14的相对面积，可以改变如图20所示内部电极14交替暴露的压电谐振器的电容和ΔF。采用有限元方法，在厚度方向上改变电极14端部与基体部件12侧面之间间隔G的情况下，计算了压电谐振器的反共振频率Fa、电容Cf和ΔF，该压电谐振器包括一个长3.74mm、宽为0.8mm而厚为1.0mm的基体部件12，并包括长为3.6mm的激活区域24、位于两端的长为0.07mm的非激活区域以及20层厚度为0.18mm的压电层。结果示于表5和图22。由表5和图22可见，随着间隔G的增大，换句话说，随着电极14相对着的面积变小，Cf和ΔF变小。
表5
| Gap G(μM) | Fa(KHz) | Fa变化率(％) | Cf (pF) | Cf变化率(％) | ΔF(KHz) | ΔF变化率(％) |
| 1 | 546.37 | -0.52 | 267.58 | 27.47 | 53.36 | 30.15 |
| 50 | 546.75 | -0.45 | 264.40 | 25.96 | 52.71 | 28.56 |
| 100 | 547.38 | -0.33 | 251.69 | 19.90 | 50.05 | 22.07 |
| 150 | 548.20 | -0.18 | 232.38 | 10.70 | 45.89 | 11.93 |
| 200 | 549.20 | -0.00 | 2009.91 | 0.00 | 41.00 | 0.00 |
| 250 | 550.61 | -0.26 | 181.96 | -13.32 | 35.06 | -14.49 |
| 300 | 552.11 | -0.53 | 156.44 | -25.47 | 29.75 | -27.44 |
在经过改进的压电谐振器10中，如图23所示，电极14以如下的方式形成，使得它们延伸至压电层同侧不同的端面上。通过将两种类型的压电层层叠在一起，如图24所示，两行电极14暴露于基体部件12的一个侧面上。因此，通过在电极14暴露的部位形成外部电极20和22，使得电极14交替地连接至外部电极20和22上。
在如图2和12所示的每个电极14形成于基体部件12的整个横截面上的压电谐振器10中，由于电场施加在基体部件12的整个横截面上，所以共振器的-机电耦合系数较大因而ΔF较大。压电谐振器10的电容也较大。当切割层叠块以制造多个压电谐振器时，由于每个电极已经事先形成于层叠块的几乎整个横截面上，所以即使切割位置偏移，每个压电谐振器在整个横截面上包含电极。因此没有必要精确确定层叠块切割的位置。通过改变切割的方向，从同样的压电陶瓷层叠块得到了具有不同横截面、不同面积和不同电容的共振器。按照具有绝缘薄膜的电极端部区域的不同，可以获得具有各种电容和ΔF的共振器。如上所述，从同一层叠块可以获得许多类型的压电谐振器。
相反，为了制造如图11和20所示每个内部电极端部与基体部件侧面之间有间隔的压电谐振器，需要确定位置后再切割层叠块以使间隙正确形成。但是在这种压电谐振器中，不需要在基体部件的侧面形成绝缘薄膜，并且减少了制造环节。
如图25所示的基体部件12的端部不形成电极，从而没有电场施加，形成非激活区域26。基体部件12的端部可以被极化或者不被极化。如图26所示，只有基体部件12的端部可以不被极化。在这种情况下，即使电场施加于电极14之间，未极化部分也是压电非激活的。换句话说，只有当压电层被极化并施加电场时，层才变为压电激活的，否则是非激活的。在这种结构下，电容形成于非激活区域，并且电容有所增大。为了调整频率或者与外部电路相连，如图27所示在基体部件12的端面形成了小电极52。
采用这样的压电谐振器10，制造出了诸如振荡器和鉴频器之类的电子元件。图28为电子元件60的透视图。电子元件60包括一个作为支承部件的绝缘基片62。在绝缘基片62的相对端部，分别形成两个缺口64。在绝缘基片62的一个表面，形成有如图29所示两个图形的电极66和68。一个图形电极66形成于相对的缺口之间并从靠近一端的点向绝缘基片62的中心呈L形延伸。另外的图形电极68形成于相对的缺口64之间并且从靠近另一端的点向绝缘基片62的中心笔直延伸。通过从绝缘基片62的端部向相对的表面迂回来形成图形电极66和68。
在位于绝缘基片62中心的图形电极66的一端，用导电黏合剂形成了凸起70作为固定部件。如图30所示，上述压电谐振器安装在凸起70的方式是使得基体部件12的中心位于凸起70上。压电谐振器10的外部电极例如与凸起70相连。其它的外部电极20用导线72与图形电极68相连。导线72与压电谐振器10的外部电极20的中心相连。凸起70可以形成于压电谐振器10上。在这种情况下，用导电粘合剂将提供于压电谐振器10上的凸起70安装在图案电极66上。
金属盖子74放置在绝缘基片62上以构成完整的电子元件60。为了避免金属盖子74与图形电极66和68短路，绝缘树脂预先涂覆在绝缘基片62和图形电极66和68上。电子元件60采用了图形电极66和68作为连接外部电极的输入和输出端，而它们的形成方式是从绝缘基片62的端部绕至后表面。
由于在这种电子元件中压电谐振器10的中心与凸起70相连，压电谐振器10的端部与绝缘基片62分开，所以振动没被阻止。由于作为节点的压电谐振器的中心固定在凸起70上并且与导线72相连，所以不会削弱激发的纵向振动。
电子元件60与IC芯片和其它元件一起安装在电路板上以形成振荡器和鉴频器。由于电子元件60用金属帽密封和保护，所以它可以用作由流水线焊接的芯片型(表面安装)元件。
当电子元件60用于振荡器时，由于电子元件60中所用压电谐振器10的特点，伪振动被抑制在低水平上并且防止了伪振动引起的不寻常振动。由于压电谐振器10的电容可以设定为任何所需的数值，所以也较容易实现与外部电路的阻抗匹配。特别是当电子元件用于压控振荡的振荡器时，由于共振器较大的ΔF，所以获得了普通无法获得的宽频率范围。
当电子元件60用于鉴频器时，由于共振器较大的ΔF，所以提供了较宽的峰值间隔范围。此外，由于共振器提供了宽的电容范围，所以较容易实现与外部电路的阻抗匹配。
压电谐振器10可以安装在绝缘基片62上从而使得由导电材料(例如导电胶)制成的两个凸起70形成于两个图形电极66和68上，并且压电谐振器10的外部电极20和22如图31和32所示与两个凸起70相连。压电谐振器10也可以图33和34的方式安装在绝缘基片62上，其中由诸如导电黏合剂之类的导电材料制成的两个凸起70形成于绝缘基片62上而外部电极20和22通过导线72与图案电极66和68相连。
可以利用多个压电谐振器制得梯状滤波器。如图35和36所示，三种图形电极76、78和80形成于电子元件60的绝缘基片62上。由导电黏合剂制成的凸起82和86形成于图形电极76和80的两端。在中间的图形电极78上，形成两个由导电黏合剂制成的凸起84和88。
每个压电谐振器10a、10b、10c和10d中的一个外部电极22分别安装在每个凸起82、84、86和88上。每个压电谐振器10a、10b、10c的另外一个外部电极20由导线互相连接。压电谐振器10d的另一个外部电极20由导线72与图形电极80相连。金属帽放置在绝缘基片62上面。
电子元件60被用作具有如图35所示梯状电路的梯状滤波器。两个压电谐振器10a和10c用作串联压电谐振器而两个压电谐振器10b和10d用作并联压电谐振器。在这样的梯状滤波器中，并联的压电谐振器10b和10d被设计成比串联的压电谐振器10a和10c具有更大的电容。
梯状滤波器的衰减由串联压电谐振器与并联压电谐振器之间的电容比决定，在这种电子元件60中，通过改变压电谐振器10a-10d中所用叠层的数量可以调整电容。因此与采用普通非刚性压电谐振器相比，通过改变压电谐振器的电容实现了采用较少压电谐振器达到较大衰减的梯状滤波器。由于压电谐振器10a-10d具有比普通压电谐振器更大的ΔF，所以与普通的压电谐振器相比实现了较宽的发射频带。图36示出了这样一种电子元件60，其中两个电极14形成于压电谐振器10基体部件12的内部。非激活区域26占据基体部件12长度的25％(每个12.5％)。外部电极20和22的形成方式是它们分别从内部电极14延伸至基体部件12侧面的中心。外部电极20和22的形状按照内部电极14的数量和形成条件调整。
可以利用如图38所示的压电谐振器制造出诸如共振器和鉴频器之类的两端电子元件60。为制造这样的两端元件60先制备由导电材料制成的两个端子90。这些端子90从钢片92延伸出来。实际中，每个钢片92上形成多个成直线的端子90。在端子90的中间位置提供有折叠区域94和端部有H形支撑部件96。支撑部件96是弯曲的以在中心提供有凸起的安装部件98。放置两个端子90使得安装部件98相对。
压电谐振器10支撑于安装部件98之间。安装部件98靠近压电谐振器纵向中心上的外部电极20和22。由于端子90包括用作弹簧部件的折叠区域94，所以压电谐振器10由端子90弹性支撑。一端开口的壳体100放置在压电谐振器上。壳体100的开口由纸封住并随后用树脂密封。端子90从钢片92上切割下来以最终形成电子元件60。由此可以制造出除了芯片型以外形状的电子元件60。
由于基体部件12具有层状结构，所以电容可以设定为任何所需的值并且较容易与外部电路实现阻抗匹配。由于本发明采用刚性压电谐振器，所以与普通的非刚性压电谐振器相比，共振器具有较大的ΔF和较宽的频带。此外，刚性压电谐振器具有较小的伪振动。而且，通过调节激活区域与非激活区域的尺寸和位置，可以改变ΔF。由于按照本发明的电子元件60具有简单的结构，所以可以以较低的成本制造出具有上述特点的压电谐振器10。
由于按照本发明的压电谐振器10包括比普通压电谐振器更多的可变设计参数，所以可以实现各种特性。图39示出了这些参数(ΔF/Fa和电容Cf)之间的关系。由图39可见，这些参数为压电谐振器的性能设计提供了较大的自由度。
Claims (9)
1.一种压电谐振器(10)，包含纵向基体部件(12)，其特征在于所述基体部件(12)包含：
由压电层组成并且构成所述基体部件(12)至少一部分的激活区域(24)；
一对设置在所述基体部件(12)侧面的外部电极(20，22)；
多个设置在所述激活区域(24)之间和/或外部的内部电极(14)，
其中所述内部电极(14)垂直于所述基体部件(12)的纵向并且与所述外部电极(20，22)相连；
所述基体部件(12)包含这样一种结构，它由多层压电层与所述多个内部电极(14)相叠而成，并且
当交流电场沿所述基体部件(12)纵向经所述多个内部电极(14)施加于所述激活区域(24)时激发纵向基本振动。
2.如权利要求1所述的压电谐振器(10)，其特征在于在所述多个内部电极两侧所述的多个压电层在所述基体部件(12)纵向沿着相反的方向极化，并且
所述多个内部电极中相邻的内部电极分别连接至所述的一对外部电极上。
3.如权利要求1或2所述的压电谐振器(10)，其特征在于所述多个内部电极(14)的每一个完全覆盖住垂直于所述基体部件(12)纵向的截面，
在一对连接区域中交替出现的所述内部电极的暴露部分分别被绝缘薄膜(16)，(18)覆盖，并且
在一对所述连接区域上提供一对外部电极，从而使所述多个内部电极中相邻的内部电极分别与所述的外部电极对连接。
4.如权利要求1或2所述的压电谐振器(10)，其特征在于所述多个内部电极(14)部分暴露在所述基体部件(12)的侧面，并且
所述多个内部电极中相邻的内部电极分别与所述的外部电极对连接。
5.如权利要求1-4中任一项所述的压电谐振器(10)，其特征在于在所述基体部件的其它部分包含不施加电场或不极化的非激活区域。
6.如权利要求5所述的压电谐振器(10)，其特征在于所述非激活区域(26)形成于所述激活区域(24)的两端，并且在纵向上所述激活区域占据所述基体部件50％或以上的长度。
7.如权利要求1-6中任一项所述的压电谐振器(10)，其特征在于所述压电谐振器(10)进一步包括支撑部件(62)和沿纵向放置在所述支撑部件(62)与所述基体部件(12)中心区域之间的安装部件。
8.采用如权利要求7所述压电谐振器(10)的电子元件(60)，其特征在于所述支撑部件由上面形成有图形电极(66)，(68)的绝缘基片(62)构成；并且
所述基体部件(12)通过所述固定部件(70)固定在绝缘基片(62)上。
9.如权利要求8所述的电子元件(60)，其特征在于所述电子元件是梯状滤波器，其中多个所述基体部件(10a，10b，10c，10d)通过所述固定部件(82，84，86，88)安装在所述绝缘基片(62)上并互相连接成梯状。
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