CN108141197B - 谐振子和谐振装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供谐振子和谐振装置。能够在面外折曲的谐振子中抑制寄生模式的产生。谐振子具备：基部；多个振动臂，它们具有压电体和之间隔着该压电体相互对置的一对电极层，被设置为一端与基部的前端连接，且相互空开规定空间地向离开基部的方向延伸；以及连结部，其将多个振动臂中的在施加了电场的情况下向相同方向折曲的振动臂的局部彼此连结起来。

Description

谐振子和谐振装置

技术领域

本发明涉及多个振动臂以折曲振动模式振动的谐振子和谐振装置。

背景技术

以往，使用了MEMS(Micro Electro Mechanical Systems：微机电系统)技术的谐振装置例如被作为定时装置使用。该谐振装置安装于组装在智能手机等电子设备内的印刷电路基板上。谐振装置具备下侧基板、在自身与下侧基板之间形成腔室的上侧基板以及在下侧基板与上侧基板之间配置于腔室内的谐振子。

例如专利文献1中公开了具备多个振动臂的面外折曲谐振子。在该谐振子中，振动臂在其固定端与基部的前端连接，基部在与前端相反侧的后端与支承部连接。支承部例如与夹设于下侧基板和上侧基板之间的基台连接。在专利文献1的图1的例子中，通过将施加于振动臂的电场设定为互为相反方向，在内侧的振动臂与外侧的2根振动臂之间实现互为相反相位的振动。

专利文献1：日本特许5071058号公报

然而，例如在专利文献1中记载的以往谐振装置中，在所希望的频率中的主要振动模式周边的频率下，产生不必要的振动模式(寄生模式(Spurious Mode))。由此降低主振动的特性。

发明内容

本发明鉴于这样的情况而产生，目的在于抑制寄生模式的产生。

本发明的一个侧表面的谐振子具备：基部；多个振动臂，它们具有压电体和之间隔着该压电体相互对置的一对电极层，被设置为一端与所述基部的前端连接，且相互空开规定空间地向离开所述基部的方向延伸；以及连结部，其将所述多个振动臂中的在施加了电场的情况下向相同方向折曲的振动臂的局部彼此连结起来。

根据本发明，能够在面外折曲的谐振子中抑制寄生模式的产生。

附图说明

图1是示意性地示出本发明的第一实施方式的谐振装置的外观的立体图。

图2是示意性地示出本发明的第一实施方式的谐振装置的构造的分解立体图。

图3是拆下了上侧基板的本发明的第一实施方式的谐振子的俯视图。

图4是沿图1的AA’线的剖视图。

图5是沿图3的BB’线的剖视图。

图6与图3相对应，是拆下了上侧基板的本发明的第二实施方式的谐振子的俯视图。

具体实施方式

[第一实施方式]

以下，参照附图说明本发明的第一实施方式。图1是示意性地示出本发明的第一实施方式的谐振装置1的外观的立体图。另外，图2是示意性地示出本发明的第一实施方式的谐振装置1的构造的分解立体图。

该谐振装置1具备谐振子10和隔着谐振子10设置的上盖30与下盖20。即，谐振装置1依次层叠下盖20、谐振子10、上盖30而构成。

另外，谐振子10与下盖20和上盖30接合，由此密封谐振子10，并形成谐振子10的振动空间。谐振子10、下盖20以及上盖30分别使用Si基板而形成。而且，谐振子10、下盖20以及上盖30通过Si基板彼此相互接合而相互接合。谐振子10和下盖20可以使用SOI基板而形成。

谐振子10是使用MEMS技术制造的MEMS谐振子。此外，在本实施方式中，有关谐振子10，以使用硅基板形成的谐振子为例进行说明，但也可以是使用非晶体Si、SiC、SiGe、Ge、砷化镓、水晶等硅以外的基板形成的谐振子。

以下，详细说明谐振装置1的各结构。

(1.上盖30)

上盖30具有沿XY平面设置的矩形平板状的底板32，在其背面例如形成有平坦的长方体形状的凹部31。凹部31由侧壁33围起，形成供谐振子10振动的空间即振动空间的局部。

(2.下盖20)

下盖20具有：矩形平板状的底板22，其沿XY平面设置；和侧壁23，其从底板22的周缘部沿Z轴方向(即，下盖20与谐振子10层叠的方向)延伸。在下盖20，在与谐振子10对置的面，设置由底板22的表面和侧壁23的内表面形成的凹部21。凹部21形成谐振子10的振动空间的局部。该振动空间由上述上盖30和下盖20气密地密封，维持真空状态。也可以向该振动空间中例如填充不活波气体等气体。

(3.谐振子10)

图3是示意性地示出本实施方式的谐振子10的构造的俯视图。使用图3说明本实施方式的谐振子10的各结构。谐振子10具备振动部120、保持部140以及保持臂110。

(a)振动部120

振动部120具有沿图3的正交坐标系中的XY平面扩展的矩形轮廓。振动部120设置于保持部140的内侧，在振动部120与保持部140之间，以规定间隔形成有空间。在图3的例子中，振动部120具有基部130、4根振动臂135A～135D(亦统称为“振动臂135”)以及连结部138。此外，振动臂的数量并不局限于4根，例如设定为2根以上的任意数量。

在本实施方式中，各振动臂135与基部130一体形成。

基部130在X轴方向上具有长边131a(前端的一例)、131b，在Y轴方向具有短边131c、131d。基部130在长边131b上，借助后述的保持臂110，与保持部140连接并被保持于保持部140。此外，在图3的例子中，在俯视观察下，基部130具有大致长方形的形状，但并不局限于此，只要相对于沿长边131a的垂直平分线限定的平面呈大致面对称地形成即可。基部130例如也可以是长边131b短于长边131a的梯形、以长边131a为直径的半圆形状。另外，长边131a、131b、短边131c、131d并不局限于直线，也可以是曲线。

振动臂135分别在基部130与保持部140之间与Y轴方向平行设置，一端与基部130的一个长边131a连接而成为固定端，另一端成为自由端。另外，振动臂135分别在X轴方向上空开规定空间，并列设置。具体而言，在振动臂135A(第一振动臂的一例)与振动臂135D(第二振动臂的一例)之间，设置有振动臂135B(第三振动臂的一例)、振动臂135C(第四振动臂的一例)。

在本实施方式的振动部120中，振动臂135B与振动臂135C在X轴方向上的间隔W1被设定得大于外侧的振动臂135A(135D)和与该外侧的振动臂135A(135D)相邻的内侧的振动臂135B(135C)之间在X轴方向上的间隔W2。间隔W1例如为25μ左右，间隔W2例如为5μm左右。通过将间隔W2设定得小于间隔W1，来改善振动特性。另外，可以将间隔W1设定得小于间隔W2，还可以将间隔W1和间隔W2设定为相等间隔，来实现谐振装置1的小型化。

另外，连结部138将振动臂135中被施加相同相位的电场的振动臂相同部位彼此连结起来。在本实施方式中，连结部138将振动臂135B的顶端(自由端)与振动臂135C的顶端(自由端)彼此连结起来。连结部138例如沿Y轴方向的宽度为50μ左右，沿X轴方向的长度为25μ左右。

此外，连结部138并不局限于设置于振动臂135B、135C的顶端的结构，只要是连结振动臂135B、135C的至少局部的结构即可。更加优选为，连结部138的沿Y轴的长度小于设置于振动臂135B、135C之间的空间的沿Y轴的长度之和。例如，连结部138可以是在多个位置连结振动臂135B和振动臂135C的结构。

(b)保持部140

保持部140沿XY平面形成为矩形框状。在俯视观察下，保持部140被设置为沿XY平面包围振动部120的外侧。此外，保持部140只要设置于振动部120的周围的至少局部即可，并不局限于框状形状。例如，只要保持部140保持振动部120，并且在能够与上盖30和下盖20接合的程度上，设置于振动部120的周围即可。

在本实施方式中，保持部140由一体形成的棱柱形状的框体140a～140d构成。

如图3所示，框体140a与振动臂135的自由端对置，长边方向与X轴平行设置。框体140b与基部130的长边131b对置，长边方向与X轴平行设置。框体140c与基部130的短边131c和振动臂135A对置，长边方向与Y轴平行设置，其两端分别与框体140a、140b的一端连接。框体140d与基部130的短边131d和振动臂135D对置，长边方向与Y轴平行设置，其两端分别与框体140a、140b的另一端连接。

(c)保持臂110

保持臂110设置于保持部140的内侧，连接基部130的长边131b和框体140c、140d。

保持臂110具有一体形成并在Z轴方向上弯曲的棱柱板状的臂111a、112a、113a、114a以及一体形成并在Z轴方向上弯曲的棱柱板状的臂111b、112b、113b、114b。另外，保持臂110形成为相对于虚拟平面P大致面对称，该虚拟平面P沿基部130的X轴方向上的中心线并被规定为与YZ平面平行。

臂111a在基部130与框体140b之间与框体140c对置，被设置为长边方向与Y轴平行。臂111a的一端在基部130的长边131b处与基部130连接，臂111a从此处相对于长边131b大致垂直、即沿Y轴方向延伸。臂111a的另一端与臂112a的一端中的与长边131b对置一侧的侧表面(XZ平面上的面)连接。

臂112a在基部130与框体140c之间与框体140b对置，被设置为长边方向与X轴平行。臂112a的另一端在其侧表面(XZ平面上的面)上与臂113a的一端连接。

另外，臂113a被设置为，在基部130与框体140c之间与框体140c对置，长边方向与Y轴平行。另外，臂113a的另一端与臂114a的一端中的与框体140b对置一侧的侧表面连接。

臂114a被设置为，在振动臂135A与框体140c之间与框体140a对置，长边方向与X轴平行。臂114a的另一端在框体140c中的与振动臂135A的固定端对置的区域附近，与框体140c连接。即，臂113a的另一端在振动臂135A的侧方固定于框体140c。

此外，臂111b～114b的结构与臂111a～114a的结构相同。

如上所述，本实施方式的保持臂110构成为，在臂111a、111b的一端与基部130连接，在臂111a、111b的另一端与臂112a、112b连接的连接部位折弯，在臂112a、112b与臂113a、113b连接的连接部位再度折弯，在臂113a、113b与臂114a、114b连接的连接部位进一步折弯，之后，与保持部140连接。这样，本实施方式的保持臂110由于为折弯的结构，因此能够不会妨碍基部130的折曲变位，并保持基部130。其结果是，能够减小大振幅驱动时的频率上升。其结果是，本实施方式的谐振子10能够抑制谐振频率的偏移(Shift)。

此外，保持臂110并不局限于在各臂的连接部位呈直角折弯的形状。保持臂110中的各臂的连接部位也可以是曲线形状。另外，保持臂110并不局限于折弯的结构，例如，保持臂110也可以构成为，与基部130的长边131b连接，从此处沿Y轴方向延伸，与框体140b连接。而且，保持臂110与基部130连接的连接部位并不局限于基部130中的长边131b。例如，保持臂110可以构成为与基部130中的短边131c、131d连接，并在折弯之后，与框体140c、140d连接。

(4.层叠构造)

使用图4说明谐振装置1的层叠构造。图4是图1的AA’剖视图。

如图4所示，在本实施方式的谐振装置1中，谐振子10的保持部140接合于下盖20的侧壁23上，而且，谐振子10的保持部140与上盖30的侧壁33接合。这样，在下盖20与上盖30之间保持谐振子10，由下盖20、上盖30、谐振子10的保持部140形成供振动臂135振动的振动空间。

下盖20的底板22、侧壁23由Si(硅)晶圆S1一体形成。此外，也能够构成为，在侧壁23的上表面形成氧化硅(例如SiO₂(二氧化硅))膜，借助该氧化硅膜使下盖20与谐振子10的保持部140接合。在Z轴方向上规定的下盖20的厚度例如为150μm，凹部21的深度例如为50μm。

上盖30的底板32、侧壁33由规定厚度的Si(硅)晶圆S2形成。如图4所示，上盖30在其周边部(侧壁33)与谐振子10的保持部140接合。在上盖30的周缘部与保持部140之间，为了接合上盖30与保持部140，而形成有接合部H。接合部H例如由Al(铝)和Ge(锗)膜、Au(金)膜和Sn(锡)膜形成。

在谐振子10中，保持部140、基部130、振动臂135、保持臂110由相同工艺一体形成。在谐振子10中，首先，在Si(硅)基板F2(基板的一例)上，层叠有金属层E1。继而，在金属层E1上，层叠有压电薄膜F3，覆盖金属层E1，进而在压电薄膜F3上，层叠有金属层E2。

Si基板F2例如由厚度为10μm左右的简并的n型Si半导体形成，能够含有P(磷)、As(砷)、Sb(锑)等，作为n型掺杂剂。Si基板F2所使用的简并Si的电阻值为0.5mΩ·cm以上、0.9mΩ·cm以下，振动臂与n型Si层(Si基板F2)的[100]结晶轴或者同n型Si层(Si基板F2)的[100]结晶轴等价的结晶轴所成的旋转角优选位于0度以上、15度以下或者75度以上、90度以下的范围内。进而，在Si基板F2的下表面形成有氧化硅(例如SiO₂)层F2’。由此，能够将下盖20和Si基板F2接合。

另外，金属层E2、E1例如使用厚度为0.1μm左右的Mo(钼)、铝(Al)等形成。另外，通过使用简并的Si作为Si基板F2，Si基板F2能够兼作金属层E1。

Si基板F2、压电薄膜F3、氧化硅层F2’、金属层E2、E1通过蚀刻等形成为所希望的形状。一方面，金属层E1例如形成为，于振动部120上，作为下部电极(电极层的一例)发挥功能。另外，金属层E1形成为，于保持臂110、保持部140上，作为用于将下部电极与设置于谐振子10的外部的交流电源连接的布线发挥功能。

另一方面，金属层E2形成为，于振动部120上，作为上部电极(电极层的一例)发挥功能。另外，金属层E2形成为，于保持臂110、保持部140上，作为用于将上部电极与设置于谐振子10的外部的交流电源连接的布线发挥功能。

此外，在从交流电源朝向下部布线或者上部布线连接时，可以使用的结构为，在上盖30的外表面形成电极，且该电极连接交流电源与下部布线或者连接交流电源与上部布线；或是，在上盖30内形成导通孔，在该导通孔的内部填充导电性材料来设置布线，该布线连接交流电源与下部布线或者连接交流电源与上部布线。

压电薄膜F3是将所施加的电压转换为振动的压电体的薄膜，例如，能够以AlN(氮化铝)等氮化物、氧化物为主要成分。具体而言，压电薄膜F3能够由ScAlN(氮化钪铝)形成。ScAlN是将氮化铝中的一部分铝置换为钪而成的材料。另外，压电薄膜F3例如优选为0.2μm以上2μm以下的厚度，更加优选为1μm左右的厚度。

压电薄膜F3根据通过金属层E2、E1对压电薄膜F3施加的电场，沿XY平面的面内方向即Y轴方向伸缩。由于该压电薄膜F3的伸缩，振动臂135使其自由端朝向下盖20和上盖30的内表面变位，以面外的折曲振动模式振动。

在本实施方式中，设定为对外侧的振动臂135A、135D施加的电场的相位与对内侧的振动臂135B、135C施加的电场的相位为彼此相反的相位。由此，外侧的振动臂135A、135D与内侧的振动臂135B、135C向彼此相反的方向变位。例如，若外侧的振动臂135A、135D使自由端朝向上盖30的内表面变位，则内侧的振动臂135B、135C使自由端朝向下盖20的内表面变位。

图5与图3的BB’截面对应，是示出本实施方式的振动部120中的振动臂135的顶端和连结部138的截面的图。

在图5的例子中，连结部138具有：Si基板F2；金属层E1，其层叠于Si基板F2上；压电薄膜F3，其层叠于金属层E1上；以及金属层E2，其进一步层叠于压电薄膜F3上。此外，连结部138的层叠构造并不局限于此，例如也可以是具有与振动臂135的层叠构造相同的层叠构造的结构。另外，还可以是不具有振动臂135的层叠构造中的金属层E1、压电薄膜F3、金属层E2的结构。

在如上所述的谐振装置1中，在相反相位的振动时，也就是说，振动臂135A和振动臂135B绕在图4所示的振动臂135A与振动臂135B之间与Y轴平行延伸的中心轴r1向上下相反方向振动；并且，振动臂135C与振动臂135D绕在振动臂135C与振动臂135D之间沿与Y轴平行延伸的中心轴r2向上下相反方向振动。由此，在中心轴r1和中心轴r2产生彼此相反方向上的扭转力矩，在基部130产生折弯振动。此时，在不具有连结部138的基部130处，因该扭转力矩产生沿X轴方向的运动。由此，有时会在以所希望的频率振动的主振动周边的频带，产生不必要的振动。

在本实施方式中，振动臂135B和振动臂135C构成为由连结部138连结。因此，能够使振动臂135B和振动臂135C可靠地以相同相位振动。其结果是，在本实施方式的谐振子10中，能够抑制基部130中的沿X轴方向的运动，能够抑制不必要的振动模式的产生。由此，能够提高振动臂135中的主振动的特性。

进而，在与除了不具有连结部138以外结构都和本实施方式的谐振子10相同的比较例的谐振子进行比较的情况下，在谐振子10中，能够提高振动臂135B与振动臂135C之间的耦合系数k的值。具体而言，一方面，在振动臂与n型Si层(Si基板F2)的[100]结晶轴或者同n型Si层(Si基板F2)的[100]结晶轴等价的结晶轴所成的旋转角为0度的情况下，在比较例的谐振子中，耦合系数k的值为6.08左右。另一方面，本实施方式的谐振子10的耦合系数k提高到6.16左右。

[第二实施方式]

在第二实施方式及其之后的内容中，省略对与第一实施方式共用的事项的说明，仅说明不同点。特别是，由相同结构产生的相同的作用效果不在每个实施方式逐一阐述。

图6是示出本实施方式的谐振子10的俯视图的一例的图。以下，以本实施方式的谐振装置1的详细结构中与第一实施方式的差异点为中心进行说明。

在本实施方式中，振动部120除了连结部138以外，还具有连结部139。连结部139连结振动臂135A的顶端与振动臂135D的顶端彼此。此外，本实施方式中的振动臂135也可以构成为不具有连结部138而仅具有连结部139。

进而，在振动臂135A～135D的自由端侧，分别形成有X轴方向上的宽度比固定端侧大的锤部136A～136D(以下，将锤部136A～136D亦统称为“锤部136”)。锤部136例如沿X轴方向的宽度为70μm左右，锤部136彼此的间隔为5μm左右。锤部136优选具有与振动臂135相同的层叠构造，但并不局限于此。锤部136例如也可以仅由Si基板F2金属层E2构成。而且，还可以在与振动臂135相同的层叠构造的基础上，形成多个层。例如可以形成AlN等绝缘层，并能够进一步形成质量较大的Mo层。由此，既能增大顶端部的质量，又能因不在压电薄膜F3的振动臂顶端侧施加电压而实现耦合系数k的提高。

另外，在本实施方式中，保持臂110不具有与第一实施方式中的臂111a、111b对应的结构，而是在臂112a、112b处，与基部130中的短边131c、131d连接。

像这样，本实施方式的谐振子10构成为，分别借助连结部139、138连接设置于基部130的前端的外侧的振动臂135A、135D以及设置于振动臂135A、135D的内侧的振动臂135B、135C。因此，能够使内侧的振动臂彼此和外侧的振动臂彼此可靠地以相同相位振动。由此，能够抑制不必要的振动模式的产生，其结果是，能够更加提高主振动的特性。

进而，在本实施方式中，保持臂110与保持部140的框体140c、140d中的振动臂135的侧方的区域连接。换言之，在本实施方式的谐振装置1中，在振动臂135的自由端与保持部140的框体140b之间没有设置保持臂110。由此，能够在振动臂135的长边方向上，将谐振装置1小型化。

其它结构、效果都与第一实施方式相同。

以上，说明了本发明的例示性的实施方式。在本实施方式的谐振子10中，具备基部130；多个振动臂135，它们具有压电薄膜F3和之间隔着该压电薄膜F3相互对置的一对金属层E1、E2，被设置为一端与基部130的长边131a连接，且相互空开规定空间地向离开基部130的方向延伸；连结部138，其将多个振动臂135中的在施加了电场的情况下向相同方向折曲的振动臂的局部彼此连结起来。

由此，能够在面外折曲的谐振子10中，抑制寄生模式的产生。

另外，多个振动臂135具有振动臂135A和振动臂135D以及设置于振动臂135A和振动臂135D之间的振动臂135B和振动臂135C，连结部138优选连结振动臂135A与振动臂135D或者连结振动臂135B与振动臂135C。更加优选为，连结部138连结振动臂135B的另一端与振动臂135C的另一端彼此。根据该优选方式，振动臂135B和振动臂135C能够可靠地以相同相位振动。其结果是，在本实施方式的谐振子10中，能够抑制基部130中的沿X轴方向的运动，能够抑制不必要的振动模式的产生。由此，能够使振动臂135中的主振动的特性提高。

另外，振动臂135A与振动臂135D或者振动臂135B与振动臂135C优选为大致相同的形状。根据该优选的方式，能够更加提高振动臂135中的主振动的特性。

另外，本实施方式的谐振装置1具备上述的谐振子10和之间隔着谐振子10相互对置的上盖30与下盖20。由此，能够在面外折曲的谐振子10中抑制寄生模式的产生。

以上说明的各实施方式用于方便理解本发明，并非用于限定解释本发明的内容。本发明能够在不脱离其主旨的范围内进行变更/改进，并且本发明中亦包含其等价物。即，本领域技术人员对各实施方式适当地施加了设计变更所得的方案，只要具备本发明的特征，就包含于本发明的范围中。例如，各实施方式所具备的各要素及其配置、材料、条件、形状、尺寸等并非局限于例示的内容，也能够适当地变更。例如，在已述的实施方式中，将保持臂110设为折弯2次以上的结构进行了说明，但并不局限于此。保持臂110例如也可以构成为1次都不折弯地连接基部130的长边131b与框体140b。另外，保持臂110例如也可以构成为仅折弯1次地连接基部130的长边131b与框体140c或者基部130的长边131b与框体140d。在该情况下，能够实现谐振装置1的小型化。另外，各实施方式为例示，自然能够对不同实施方式中示出的结构进行部分置换或者组合，只要包含本发明的特征，它们也包含于本发明的范围之中。

附图标记说明

1…谐振装置；10…谐振子；30…上盖；20…下盖；140…保持部；140a～140d…框体；110…保持臂；111a～114a、111b～114b…臂；120…振动部；130…基部；131a、131b…长边；131c、131d…短边；135A～D…振动臂；138、139…连结部。

Claims (4)

1.一种谐振子，其中，具备：

基部；

多个振动臂，它们具有压电体和一对电极层，所述一对电极层之间隔着该压电体相互对置，所述多个振动臂被设置为一端与所述基部的前端连接，且相互空开规定空间地向离开所述基部的方向延伸；以及

连结部，其将所述多个振动臂中的在施加了电场的情况下向相同方向折曲的振动臂的局部彼此连结起来，

所述多个振动臂包括第一振动臂和第二振动臂以及设置于所述第一振动臂和所述第二振动臂之间的第三振动臂和第四振动臂，

所述连结部将所述第三振动臂的另一端与所述第四振动臂的另一端彼此连结起来，

在内侧的所述第三振动臂和所述第四振动臂之间的间隔大于在外侧的所述第一振动臂和所述第二振动臂与在内侧的所述第三振动臂和所述第四振动臂中的同该第一振动臂和第二振动臂相邻的那者之间的间隔。

2.根据权利要求1所述的谐振子，其中，

还具有将所述第一振动臂与所述第二振动臂连结起来的第二连结部。

3.根据权利要求2所述的谐振子，其中，

所述第一振动臂和所述第二振动臂、或者所述第三振动臂和所述第四振动臂为几乎相同的形状。

4.一种谐振装置，其中，具备：

权利要求1～3中任一项所述的谐振子；和

上盖与下盖，它们之间隔着所述谐振子相互对置。

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