CN1100383C - 压电谐振器和使用该谐振器的电子元件 - Google Patents

Abstract

公开了一种压电谐振器和采用这种谐振器的一种电子元件。压电谐振器有一个基体，它由成层的压电层和内部电极构成。当用L、W和T分别表示压电谐振器的长度、宽度和厚度时，规定压电谐振器的尺寸满足条件L≥2W和L≥2T。在每个内部电极的两端，基体沿相反方向极化。在基体的一个侧面上开槽，在槽的两侧，将内部电极交替地用两个绝缘膜来覆盖。将外部电极做在基体的槽的两端，并且连至内部电极。

Description

压电谐振器和使用该谐振器的电子元件

技术领域

本发明涉及采用压电元件的机械谐振的压电谐振器，尤其涉及包括一个具有纵向的基体、一个由极化的压电体构成并形成至少一部分基体的激活区以及一对提供激活区的外部电极。本发明还涉及诸如振荡器、鉴频器和滤波器等的采用压电谐振器的电子元件。

背景技术

图15是典型的已知类型压电振荡器的透视图。概括地用1表示的压电振荡器具有一压电衬底2，当从顶部往下看时，该衬底例如具有矩形平面的形状。衬底2在厚度方向被极化。电极3形成在衬底2的两个表面。信号在电极3，3之间加入，从而把电场施加到衬底2的厚度方向，使其沿纵向振动。在图16中也示出压电谐振器1，其中，电极3做在压电衬底2的两个表面上，当从顶部往下看时，该表面具有方形平面的形状。在此谐振器1以及在图15所示的谐振器1中，压电衬底2沿其厚度方向极化。信号在谐振器1的电极3，3之间加入，从而把电场沿衬底2的厚度方向施加至该衬底，于是使衬底2以方型振动模式振动。

这些压电谐振器1，1是非刚性型(unstiffened type)的，其中，振动方向与极化和电场的方向不同。这种非刚性的压电谐振器的机电耦合系数低于刚性的压电谐振器的机电耦合系数，在刚性的压电谐振器中，振动方向、极化方向和施加电场的方向三者相同。因此，非刚性的谐振器在其谐振频率和反谐振频率之间有一相对小的频率差值ΔF。当把非刚性的频率谐振器用作滤波器或振荡器时，这将导致使用带宽变窄的缺点。这样，在上述类型的压电谐振器和使用该谐振器的电子元件中，设计特性的灵活性很小。

示于图15的压电谐振器1采用了纵向模式的一阶(基本)谐振。然而，与此同时，谐振器1由于其结构还产生较大的奇数阶高次谐波模式(诸如三阶和五阶模式)和宽度模式(width mode)中的寄生谐振。为抑制这些寄生谐振，可考虑一些措施，诸如抛光、增加质量和改变电极形状。然而，这些措施增加了制造成本。

另外，因为从顶部往下看，压电衬底做成矩形平面的形状，由于其强度的限制，衬底不能做得太薄。因此，电极之间的距离不能减小，端子之间的电容不能做得较大。这对于与外电路的阻抗匹配是极不方便的。此外，在用交替地串联和并联连接多个压电谐振器的办法形成梯型滤波器(ladder filter)时，为增加衰减，需把串联电容器对并联电容器的电容比值做得较大。然而，由于如上所述的谐振器形状的限制，得不到较大的衰减，导致其特性(诸如频率差值ΔF和电容量)的灵活性较低。

在如图16所示的压电谐振器1中，产生了较大的寄生谐振，诸如在厚度模式(thickness mode)和沿平面方向的三波模式(triple-wave mode)中的寄生谐振。此外，为了得到相同的谐振频率，这种类型谐振器需要比使用纵向振动的压电谐振器有更大的尺寸，因而难于减小其尺寸。还有，当用多个压电谐振器构成梯型滤波器时，为了增加串联电容器对并联电容器的电容比值，串联连接的谐振器做得较厚，而电极只做在部分的压电衬底上，以减小电容。在此情形下，因为电极只做在部分压电衬底上，因此不仅电容减小了，而且谐振频率与反谐振频率之间的差值ΔF也减小了。因而并联连接的电容器需要具有小的频率差值ΔF。结果，不能有效地利用压电衬底的压电性，而滤波器通带带宽也不能增加。

由于上述的问题，例如，本发明的发明者在日本专利申请No.8-122725中提出一种层状的压电谐振器。这种谐振器是刚性的，其中，振动的方向与施加电场的方向相同。与仅由单个衬底构成的已知类型的压电谐振器相比，这种谐振器具有较多的影响滤波器特性的因素，诸如谐振器的宽度和厚度以及谐振器中的成层的层数。

然后，当把这种成层压电谐振器应用于诸如梯型滤波器等电子元件时，对是否能通过调节上述因素获得良好的滤波器特性作了检验。通过这一研究揭示出，根据谐振器的尺寸，诸如它的长度、宽度和厚度，频率差值ΔF大大减小，并且寄生谐振增加。这进一步证明了确定谐振器的尺寸是一个重要因素。

发明内容

因此，本发明的主要目的是提供一种压电谐振器，这种压电谐振器的寄生谐振小，在谐振频率与反谐振频率之间的有较大的差值ΔF，电容可调节，以及在设计谐振器的特性时具有很大的灵活性，本发明还要提供使用上述类型压电谐振器的电子元件。

为了达到上述目的，本发明提供了上述类型的压电谐振器，其特征在于，将至少一对内部电极置于激活区内，从而使内部电极与所述基体的纵向垂直，并且分别连至一对外部电极，激活区沿基体的纵向极化，当通过内部电极将电场施加至基体的纵向时，激励起纵向模式基体振动，以及压电谐振器从其顶部看时具有矩形平面形状，并且当L、W和T分别表示压电谐振器的长度、宽度和厚度时，满足条件L≥2W和L≥2T。

在上述压电谐振器中，内部电极的端部可在基体的侧面露出，可提供第一绝缘膜，以在基体侧面的一端覆盖交替的内部电极的露出部分，可提供第二绝缘膜，以在基体侧面的另一端覆盖交替的内部电极的未被第一绝缘膜覆盖的露出部分，一对外部电极可分别在基体的侧面的一端和另一端沿纵向延伸，并且连接至基体的侧面每一端未被第一和第二绝缘膜覆盖的内部电极。

或者，内部电极的端部可以在基体的一个侧面部分地露出，从而将相互靠近的内部电极的露出部分电连接至一对外部电极。

在上述压电谐振器中，当施加电场时不激励振动的非激活区可以构成基体的其他部分。

在上述压电谐振器中，可以在基体中央沿纵向提供一支承件。

本发明还提供了采用上述压电谐振器的电子元件，其特征在于，支承件置于绝缘衬底上，图形电极置于绝缘衬底上，并且连至压电谐振器的外部电极。

上述电子元件可以是梯型滤波器，其中，将多个图形电极置于绝缘衬底上，并且连至多个压电谐振器的外部电极，从而将压电谐振器互相连成梯型。

在上述的压电谐振器中，由于使谐振器的尺寸满足条件L/W≥2和L/T≥2，因此ΔF/F_a增加(谐振频率和反谐振频率之差ΔF增加)，而寄生谐振减少。通过由本发明者所做的实验，图4示出，如果L小于2W，则ΔF/F_a急剧减小。类似地，图5指出，如果L小于2T，则ΔF/F_a急剧下跌。此外，图6和7揭示出，与L/W和L/T等于1(在条件L/W≥2和L/T≥2之外)的情形相比，当L/W和L/T等于4(在条件L/W≥2和L/T≥2之内)时，能够获得较小的寄生谐振。

因此，能够增加谐振频率与反谐振频率之间的差值，即，ΔF。于是可以获得具有较小的寄生谐振的压电谐振器和采用这种谐振器的电子元件。

与通常的压电谐振器不同，在本压电谐振器中，可以调节ΔF，这又使得本压电谐振器可以调整谐振器的带宽。此外，因为谐振器的电容是可以调节的，因此，在将谐振器例如固定在电路板上的情形下，很容易使谐振器与外电路达到阻抗匹配。换句话说，在本发明中，ΔF和电容是可以调节的，因而，能够提供在设计其特性方面有很大灵活性的压电谐振器和采用这种谐振器的电子元件。

此外，由下述步骤能够制造诸如滤波器、鉴频器或振荡器等采用上述类型的压电谐振器的电子元件。把谐振器放置在形成有图形电极(pattern electrode)的支承衬底上，然后最好用顶盖来覆盖谐振器。这样，就做成了片型电子元件。在此步骤中，由于采用面接合(face bonding)结构，因此可以把谐振器固定在置于支承衬底上的图形电极之上，而不需用引线。此外，已经在支承基体的中心处形成了支承件，因而，当将谐振器置于图形电极之上时，能够确实地支承谐振器的节点。

由此，因为可以不用引线而通过支承件将谐振器连至在支承衬底上形成的图形电极，因此能够用较低的成本制造采用这种谐振器的电子元件。由于已经为压电谐振器提供了支承件，从而谐振器的振动不受妨碍，由此可以获得具有良好特性的压电元件。特别，通过采用多个压电谐振器，能够以较低的成本制造呈现良好特性的梯型滤波器。

因为通过使用上述的压电谐振器可以制造出片型电子元件，因而可以很方便地将它置于电路板上。与上述压电谐振器一样，在这种电子元件中，通过构造具有层状结构的谐振器，能够调整其电容，因而容易获得这种元件与外电路的阻抗匹配。此外，在用交替串联连接和并联连接多个压电谐振器构成的梯型滤波器中，通过改变串联连接的谐振器的电容与并联连接的谐振器的电容之比值，能够调整其衰减。

附图说明

在下面结合附图对本发明的一个实施例的详细描述中，可以明显地看出本发明的上述目的、其他目的、其他特征以及其他优点。

图1A是按照本发明的一个实施例的一种压电谐振器的透视图；

图1B是示于图1A的压电谐振器的一个修改例的透视图；

图2示出了图1A和1B所示的压电谐振器的内部结构；

图3是图1A和1B所示的压电谐振器的平面图，在基体上有绝缘膜；

图4是示出压电谐振器的尺寸比L/W与频率差值比ΔF/F_a之间关系的曲线图；

图5是示出压电谐振器的尺寸比T/W与频率差值比ΔF/F_a之间关系的曲线图；

图6是示出当L/W等于1时压电谐振器的频率与阻抗之间关系的曲线图；

图7是示出当L/W等于4时压电谐振器的频率与阻抗之间关系的曲线图；

图8是示出图1A、1B、2和3所示的压电谐振器的一个修改例的内部结构的透视图；

图9是用于图8所示的压电谐振器中的基体的剖面图；

图10是采用图1A、1B、2和3所示的压电谐振器的电子元件的一个例子的部件分解透视图；

图11是示出将压电谐振器置于图10所示的电子元件的衬底之上的方法的部件分解透视图；

图12是采用本发明的压电谐振器的梯型滤波器的一个例子的主要部分的平面图；

图13是图12所示的梯型滤波器的主要部分的部件分解透视图；

图14是示出图12和13所示的梯型滤波器的等效电路图；

图15示出一种已知类型的非刚性的压电谐振器；

图16示出一种已知类型的刚性的压电谐振器。

具体实施方式

现在结合附图来描述本发明的一个实施例。

首先参看图1A、1B和2，它们示出了按照本发明的一种压电谐振器。压电谐振器概略地用10来表示，当从顶部往下看时，它具有矩形平面形状，它有一个基体12，将该部件例如做成矩形棱柱的形状。基体12例如由一种压电陶瓷材料做成。用这样的方法在基体12内形成多个内部电极14，使得电极14的表面与基体12的纵向正交。基体12是纵向极化的，从而在一个电极14的两端，极化方向互相相反，如图2中的箭头所指出的那样。

用下述方法来规定基体12的尺寸。当基体12的长度、宽度和厚度分别用L、W和T来表示时，设定基体12的尺寸使之满足条件L≥2W和L≥2T。换句话说，基体12的尺寸要如此构成，以满足条件L/W≥2和L/T≥2。

将一个沿基体12的纵向延伸的槽15做在基体12的一个侧面上。把槽15做在基体12沿宽度方向的中央部分，从而将基体12的一个侧面分成两个部分。此外，如图3所示，向被槽15划分的侧面提供第一绝缘膜16和第二绝缘膜18。在基体12的被划分的侧面的一个侧面上，第一绝缘膜16覆盖了每一个相隔电极14的露出部分，第二绝缘膜18覆盖了没有被第一绝缘膜16覆盖的每一个相隔电极的露出部分。应该注意，基体12的两端不被极化。

此外，将外部电极做在形成第一和第二绝缘膜16和18的侧面上，即，做在槽15的两侧。这样，将电极20连至未被第一绝缘膜16覆盖的内部电极14，而将电极22连至未被第二绝缘膜18覆盖的内部电极14。换句话说，分别将两个相邻的电极连至外部电极20和22。

在本实施例中，内部电极14的露出部分被第一和第二绝缘膜16和18覆盖，而外部电极又分别在膜16和18上形成。然而，如图1B所示，不一定将基体12开槽。更具体些说，例如，在示于图1A、2和3的基体12的一个侧面上，绝缘膜16和18可以在基体12两端沿宽度方向交替地覆盖内部电极14的露出部分，而外部电极20和22可以排成两行，沿基体12的纵向延伸。在这种修改中，虽然未将基体12开槽，仍可将相邻的内部电极14分别连至外部电极20和22。可以这样来构造内部电极14，从而只有连至外部电极20和22的电极14的部分可以在压电谐振器10的层状块的表面上露出，而其他部分不露出。在此情形下，例如，如图8和9所示，并不特别需要提供绝缘膜16和18。

上述构造的谐振器10采用外部电极20和22作为输入和输出电极。由于将电场施加在相邻的内部电极之间，除了基体12的两端之外，基体12变为具有压电活性。然而，基体12的两端由于未被极化以及由于没有电极而不能施加电场，因而不具有压电活性。结果，在基体12的中央形成了对输入信号作出响应的激活区26，而在基体12的两端形成不对输入信号作出响应的非激活区28。对于输入信号，非激活区28不产生驱动力。在非激活区28中，只要它们不被极化，就可以将一个电场施加在内部电极之间。换一种做法，可以用这样的方法来构造非激活区28，只要不施加电场，压电层可以被极化。

在此谐振器10中，将信号输入至外部电极20和22，从而将相反的电压施加至沿相反方向极化的激活区26的压电层。这使得压电层整体上沿相同的方向膨胀和收缩。这样，整个压电谐振器10以基本模式沿纵向振动，其中，基体12的中央为一个节点。

通过使用诸如图1A所示的压电谐振器，能够制造出诸如振荡器和鉴频器等电子元件。参看示于图10的一个电子元件例的透视图，概略地用30表示的一个电子元件具有一绝缘衬底32。在衬底32的每个相对的端部，形成两个凹部34。将两个图形电极36和38做在衬底32的一个面上。将一个图形电极36做在相对的凹部34之间，并从靠近电极36的一端成“L”形向衬底32的中央延伸。将另一个电极38做在另外的相对的凹部之间，并从靠近电极38的一端(与电极36的一端相对)成“L”形地向衬底32的中央延伸。在衬底32的中心部分附近，布置图形电极36和38使它们互相面对面而隔开一间隔。这样来构成电极36和38，使它们以迂回的方式从衬底32的端部通至衬底32的反面。

用支承件24将压电谐振器10放置在绝缘衬底32上。换句话说，在各个外部电极20和22的中心部分沿纵向形成支承件24。如此形成支承件24，从而它们能导电。支承件24可以用诸如导电粘接剂等导电材料制成。换一种做法，可以通过一种导电材料将一个敷有电极薄膜的绝缘体粘结至每个外部电极20和22。于是，如图11所示，例如，通过导电粘接剂(未图示)把用上述方法做成的支承件24连至布置在衬底32的中央的各个图形电极36和38的端部。于是，能够把谐振器10的外部电极20和22牢固地固定在衬底32上，并且分别与图形电极36和38在电气上相连。

回过来参见图10，在衬底32上放置一个金属盖40以完成电子元件的制造。为了防止金属盖40与图形电极36和3 8短路，预先把绝缘树脂加至绝缘衬底32和图形电极36和38。在此元件30中，将图形电极36和38用作把谐振器10与外部电路相连的输入和输出端，如此构成图形电极36和38，以迂回的方式把它们从衬底32的端部通至衬底32的反面。

在此电子元件中30中，当谐振器10的长度、宽度和厚度分别用L、W和T表示时，规定压电谐振器10的尺寸满足条件L≥2W和L≥2T。因此，能够增加谐振频率与反谐振频率之间的差值，即，ΔF。这样，在此电子元件30中，可以获得较大的频率差值ΔF/F_a和较小的寄生谐振。

还有，由于采用在纵向长度12的中央部分形成的支承件24来固定压电谐振器10，因此在此电子元件30中，可以使谐振器10的端部与衬底32分开，从而不妨碍振动。此外，可以用支承件24来固定谐振器10的中央部分(它是一个节点)，并且分别将外部电极20和22电气连接至图形电极36和38。因为已经在谐振器10上形成了支承件24，因而能够将它们正确地设置在谐振器10的节点。这样，例如与下述的支承件的构造相比，可以用上述的支承件24更正确地支承节点。即，例如，在图形电极36和38上，把支承件做成凸出物的形状，而把压电谐振器10固定在支承件上。结果，能够避免谐振器10的振动泄漏，由此获得良好的特性。还有，不需要用引线分别将谐振器10的外部电极20和22连至图形电极36和38。因而，能够用较低的成本来制造电子元件30。

能够将电子元件30连同IC芯片固定在衬底上，以构成一振荡器或者一鉴频器。因为上述构造的电子元件30用金属盖40密封和保护，因而能够将它作为片型(表面安装)元件来使用，片型元件可以用回流焊接来安装。

当把采用上述类型的谐振器10的电子元件30用于振荡器时，能够将寄生谐振抑制到较低的水平，否则寄生谐振将引起异常的振动。由于能够设置任何所需的电容值，因而很容易与外部电路的阻抗匹配。特别，当电子元件30在振荡器中用于压控振荡时，由于它具有较大的频率差值ΔF，因而可以获得较宽的频率变化范围，而通常这是做不到的。

此外，当把此电子元件30用于鉴频器时，由于谐振器具有较大的ΔF，因而能够提供较宽的峰值间隔范围。此外，由于谐振器具有较宽的电容范围，因而很容易与外部电路的阻抗匹配。

采用多个压电谐振器10可以制造梯型滤波器。图12是一个具有梯型形电路用作梯型滤波器的电子元件的主要部分的平面图。图13是示于图12的电子元件的部件分解透视图。在图1 3所示的概略地用50表示的电子元件中，在绝缘衬底52上形成四个图形电极56、58、60和62。对于这些图形电极56至62，用这样的方式提供五个焊接区(land)，使得这些焊接区隔开一定的间隔排成一行。说得更具体些，从衬底52的一端算起的第一焊接区是为图形电极56提供的；第二和第五焊接区在电极58处形成；第三焊接区置于电极60处；而第四焊接区为电极62提供。把固定在各个压电谐振器10a、10b、10c和10d的外部电极20和22上的支承件24固定至这些焊接区。在此情形下，用这样的方式把谐振器10a至10d固定在衬底52上，使得能够得到图14所示的梯型电路。然后，将一个金属盖(未示出)置于衬底52上。

于是，用上述方法构成的电子元件50能够用作具有图14所示的梯型电路的梯型滤波器。可以将两个谐振器10a和10d用作串联压电谐振器，而可以将另外两个谐振器10b和10c用作并联谐振器。如此设计这种类型的梯型滤波器，从而使并联谐振器10b和10d的电容比串联谐振器10a和10d的电容大得多。

梯型滤波器中的衰减取决于串联谐振器与并联谐振器的电容比。当谐振器10a至10d的长度、宽度和厚度分别用L、W和T来表示时，此电子元件50以及前述的电子元件30要设计得满足条件L≥2W和L≥2T。因此，能够增加频率差值ΔF。于是，电子元件50能够呈现较大的ΔF/F_a和较小的寄生谐振。

此外，在此电子元件50中，通过改变用于压电谐振器10a至10d中的成层的压电层的数目，能够调节电容。这样，与使用通常的非刚性的压电谐振器的情形相比，通过改变谐振器10a至10d的电容，能够以少量的压电谐振器做出具有较大衰减的梯型滤波器。此外，由于谐振器10a至10d比已知的压电谐振器有较大的ΔF，因而与采用通常的谐振器的滤波器相比，用谐振器10a至10d做成的梯型滤波器能够得到较宽的通频带。

如上述实施例中所讨论的，按照本发明，当压电谐振器10的长度、宽度和厚度分别用L、W和T来表示时，要特别规定谐振器的尺寸，使之满足条件L≥2W和L≥2T。因此，能够调节诸如电容等谐振器10的特性。结果，能够得到在设计其特性时具有较大灵活性的谐振器10。对这种谐振器10作进一步的开发，能够得到采用谐振器10的电子元件30和50。

Claims (10)

1.一种压电谐振器，包括：

一个纵向的基体；

激活区，它由层压的极化压电层构成，并形成至少一部分所述基体；

至少一对内部电极，它们位于所述激活区内，使得内部电极与所述基体的纵向垂直；

一对设置在所述基体表面上并连接到所述至少一对内部电极的外部电极；和

其中，所述激活区沿所述基体的纵向极化；

当通过所述内部电极将电场施加至所述基体的纵向时，激励起纵向模式基本振动；

所述压电谐振器从其顶部看时具有矩形平面形状；

其特征在于，当L、W和T分别表示所述压电谐振器的长度、宽度和厚度时，满足条件L≥2W和L≥2T。

2.如权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于，

所述内部电极的端部在所述基体的侧面露出，

第一绝缘膜在所述基体的所述侧面的一端覆盖交替的所述内部电极的露出部分，

第二绝缘膜在所述基体的所述侧面的另一端覆盖交替的所述内部电极的未被所述第一绝缘膜覆盖的露出部分，

所述一对外部电极分别在所述基体的所述侧面的所述一端和另一端沿纵向延伸，并且连接至在所述基体的所述侧面的每一端未被所述第一和第二绝缘膜覆盖的所述内部电极。

3.如权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于，

所述内部电极的端部在所述基体的一个侧面部分地露出，从而将相互靠近所述内部电极的露出部分电连接至所述一对外部电极。

4.如权利要求1-3中任何一项所述的压电谐振器，其特征在于，

当施加所述电场时，不激励振动的非激活区构成所述基体中并非由所述激活区构成的其余部分。

5.如权利要求1-3中任何一项所述的压电谐振器，其特征在于，

压电谐振器在所述基体中央沿纵向还包括一支承件。

6.一种采用如权利要求5所述的压电谐振器的电子元件，其特征在于，

将所述支承件置于绝缘衬底上，将图形电极置于所述绝缘衬底上并且连至所述压电谐振器的所述外部电极。

7.如权利要求6所述的电子元件，其特征在于，

所述电子元件是梯型滤波器，其中，

将多个所述图形电极置于所述绝缘衬底上，并且连至多个所述压电谐振器的所述外部电极，从而将所述压电谐振器互相连成梯型。

8.如权利要求4所述的压电谐振器，其特征在于，压电谐振器在所述基体中央沿纵向还包括一支承件。

9.一种采用如权利要求8所述的压电谐振器的电子元件，其特征在于，

将所述支承件置于绝缘衬底上，将图形电极置于所述绝缘衬底上并且连至所述压电谐振器的所述外部电极。

10.如权利要求9所述的电子元件，其特征在于，

所述电子元件是梯型滤波器，其中将多个所述图形电极置于所述绝缘衬底上，并且连至多个所述压电谐振器的所述外部电极，从而将所述压电谐振器互相连成梯型。

Images