CN112640302A - 谐振子和具备谐振子的谐振装置 - Google Patents

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Abstract

谐振子(10)具备：基部(130)；和至少三个振动臂(121A～D)，其一端是与基部(130)的前端部(131A)连接的固定端，另一端是离开前端部(131A)设置的自由端，至少三个振动臂(121A～D)中各振动臂具有：臂部(123A～D)，其具有沿着从固定端朝向自由端的方向以相同宽度延伸的部分；和质量附加部(122A～D)，其与臂部(123A～D)的末端连接，且比臂部(123A～D)宽度大，在相邻且相互反相振动的任两个振动臂(121A、121B)中，质量附加部(122A、122B)彼此的间隔(PT12)大于臂部(123A、123B)彼此的间隔(PT13)。

Description

谐振子和具备谐振子的谐振装置
技术领域
本发明涉及谐振子和具备谐振子的谐振装置。
背景技术
在智能手机等电子设备，例如作为定时设备，装入有作为MEMS(Micro ElectroMechanical Systems：微机电系统)之一种的谐振装置。这样的谐振装置例如具备：下盖；在自身与下盖之间形成腔体的上盖；以及配置于下盖和上盖之间的腔体内的谐振子。谐振子例如具备：压电膜；隔着压电膜设置的上部电极和下部电极；以及设置于层间或者表面的绝缘膜。
作为这样的谐振子的具体结构，例如，专利文献1公开一种谐振子，具备：第1电极和第2电极；设置于第1电极与第2电极之间的压电膜；由设置在第1电极上的绝缘体构成的保护膜；以及由设置在保护膜上的导电体构成的导电膜，导电膜与第1电极和第2电极中任一者电连接。
另外，专利文献2公开一种谐振子，为具有从基部延出且以面内屈曲振动模式振动的一对振动臂的音叉型谐振子，振动臂由与基部结合的规定宽度的臂部和设置于臂部的末端部的宽度大的质量附加部构成，质量附加部具有仅在与另一个振动臂相反侧的宽度方向上从臂部的侧面突出的部分。
并且，专利文献3公开一种谐振子，其具备从基部起并行延伸的内侧振动臂和外侧振动臂，各振动臂具有与基部连接的固定端和形成有质量附加部的自由端，在邻接的外侧振动臂和内侧振动臂中，相互对置的侧面为平面状，与相互对置的侧面相反侧的侧面在质量附加部处突出。
专利文献1：国际公开第2017/208568号
专利文献2:日本特许第5509647号公报
专利文献3:国际公开第2017/047207号
以往，在谐振子中，公知存在如下情况：在由于离子束溅射、热电效应等而使表面或者层间的绝缘体、导电体带电时，通过库仑力对谐振子作用引力或者斥力，谐振频率变动。这样的因库仑力产生的影响在相互邻接且反相振动的振动臂的结构中较为显著。
在这一方面，在专利文献1记载的谐振子中，能够使导电膜所带电的电荷以一定程度逸出，但存在设置导电膜的区域受到限制这种情况，从而存在无法充分排除库仑力的影响这种情况。另外，在专利文献2和3所记载的谐振子中，没有格外考虑因绝缘膜、绝缘的导电膜所带电的电荷产生的库仑力的影响。
发明内容
本发明是鉴于这样的状况而完成的，目的在于提供不有损机械强度且能够抑制谐振频率的变动的谐振子和具备它的谐振装置。
本发明的一方式所涉及的谐振子具备：基部；和至少三个振动臂，其具有压电膜及之间隔着压电膜而对置设置的上部电极和下部电极，且一端是与基部的前端部连接的固定端，另一端是离开前端部设置的自由端，至少三个振动臂中各振动臂具有：臂部，其具有沿着从固定端朝向自由端的方向以相同宽度延伸的部分；和质量附加部，其与臂部的末端连接，且宽度比臂部大，在至少三个振动臂中相邻且相互反相振动的任两个振动臂中，质量附加部彼此的间隔大于臂部彼此的间隔。
根据本发明，能够提供不有损机械强度且能够抑制谐振频率的变动的谐振子和具备它的谐振装置。
附图说明
图1是概略地示出本发明的第1实施方式所涉及的谐振装置的外观的立体图。
图2是概略地示出本发明的第1实施方式所涉及的谐振装置的构造的分解立体图。
图3是概略地示出本发明的第1实施方式所涉及的谐振子的构造的俯视图。
图4是概念性地示出图1所示的谐振装置的层叠构造的沿着X轴的剖视图。
图5是概念性地示出图1所示的谐振装置的动作时的层叠构造的沿着Y轴的剖视图。
图6是概略地示出本发明的第1实施方式所涉及的振动部的构造的俯视图。
图7是概略地示出本发明的第2实施方式所涉及的振动部的构造的俯视图。
图8是概略地示出本发明的第3实施方式所涉及的振动部的构造的俯视图。
图9是概略地示出本发明的第4实施方式所涉及的振动部的构造的俯视图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。在以下的附图的记载中，相同或者相似的结构要素由相同或者相似的附图标记表示。附图为例示，各部的尺寸、形状是示意性的，不应该解释为将本发明的技术范围限定于该实施方式。
＜第1实施方式＞
首先，参照图1和图2，对本发明的第1实施方式所涉及的谐振装置1的结构进行说明。图1是概略地示出本发明的第1实施方式所涉及的谐振装置的外观的立体图。图2是概略地示出本发明的第1实施方式所涉及的谐振装置的构造的分解立体图。
(谐振装置1)
该谐振装置1具备：谐振子10；以及隔着谐振子10相互对置地设置的下盖20和上盖30。下盖20、谐振子10和上盖30依次在Z轴方向上层叠。谐振子10和下盖20接合，谐振子10和上盖30接合。在隔着谐振子10相互接合的下盖20与上盖30之间形成有谐振子10的振动空间。谐振子10、下盖20和上盖30分别使用半导体基板、玻璃基板、有机基板等能够进行基于微小加工技术的加工的基板而形成。
以下，对谐振装置1的各结构进行说明。此外，在以下的说明中，将谐振装置1中的设置有上盖30的一侧作为上侧(或者表侧)，将设置有下盖20的一侧作为下侧(或者背侧)进行说明。
谐振子10是使用MEMS技术制造的MEMS振子。谐振子10具备振动部110、保持部140、保持臂150。振动部110保持于振动空间。振动部110的振动模式不受限定，例如为相对于XY面呈面外屈曲振动模式，但也可以是相对于XY面呈面内屈曲振动模式。保持部140例如包围振动部110地以矩形的框状设置。保持臂150将振动部110和保持部140连接。
下盖20具有：沿着XY平面设置的矩形平板状的底板22和从底板22的周缘部起在Z轴方向上延伸的侧壁23。侧壁23与谐振子10的保持部140接合。在下盖20上，在与谐振子10的振动部110对置的面中，形成有通过底板22的表面和侧壁23的内表面形成的凹部21。凹部21是向上开口的长方体状的开口部，形成谐振子10的振动空间的局部。在下盖20的内表面上，在底板22的表面上形成有向振动空间突出的突起部50。
以谐振子10为基准，上盖30的构造与下盖20的构造对称。即，上盖30具有：沿着XY平面设置的矩形平板状的底板32和从底板32的周缘部在Z轴方向上延伸的侧壁33，侧壁33与谐振子10的保持部140接合。在上盖30上，在与谐振子10的振动部110对置的面上形成有凹部31。凹部31是向下开口的长方体状的开口部，形成谐振子10的振动空间的局部。
此外，下盖20的构造和上盖30的构造不限定于上述方式，例如也可以相互不对称。例如，也可以是，下盖20和上盖30中一者为穹顶状。下盖20的凹部21和上盖30的凹部31的形状也可以互不相同，例如凹部21和凹部31的深度也可以相互不同。
(谐振子10)
接下来，参照图3，对本发明的实施方式所涉及的谐振子10的振动部110、保持部140和保持臂150的结构更详细地进行说明。图3是概略地示出本发明的第1实施方式所涉及的谐振子的构造的俯视图。
(振动部110)
在从上盖30侧俯视时，振动部110设置于保持部140的内侧。在振动部110与保持部140之间，以规定间隔形成有空间。振动部110具有：由四个振动臂121A、121B、121C、121D构成的激振部120；和与激振部120连接的基部130。此外，振动臂的数量不限定于四个，可设定为三个以上的任意数。在本实施方式中，激振部120和基部130一体形成。
(振动臂121A～D)
振动臂121A、121B、121C、121D分别沿着Y轴方向延伸，并依次在X轴方向上以规定间隔并列设置。振动臂121A的一端是与后述的基部130的前端部131A连接的固定端，振动臂121A的另一端是离开基部130的前端部131A设置的自由端。振动臂121A具有形成于自由端侧的质量附加部122A和从固定端起延伸并与质量附加部122A连接的臂部123A。振动臂121B、121C、121D也相同地分别具有质量附加部122B、122C、122D和臂部123B、123C、123D。此外，例如，臂部123A～D分别为，X轴方向的宽度为50μm左右，Y轴方向的长度为450μm左右。
四个振动臂中的振动臂121A、121D是配置于X轴方向外侧的外侧振动臂，另一方面，振动臂121B、121C是配置于X轴方向内侧的内侧振动臂。作为一个例子，对于在内侧振动臂121B、121C各臂部123B、123C彼此之间形成的间隙的宽度(以下，称为“分离宽度”)W1而言，设置为大于在X轴方向上相互邻接的外侧振动臂121A和内侧振动臂121B各自的臂部123A、123B彼此之间形成的分离宽度W2和在X轴方向上相互邻接的外侧振动臂121D和内侧振动臂121C各自的臂部123D、123C彼此之间形成的分离宽度W2。通过像这样将分离宽度W1设定为比分离宽度W2大，来改善振动特性、耐久性。分离宽度W1、W2的数值没有被限定，但例如，分离宽度W1为25μm左右，分离宽度W2为10μm左右。此外，内侧振动臂彼此的臂部间的分离宽度W1和内侧振动臂与外侧振动臂的臂部间的分离宽度W2不局限于图3所示的方式，也可以将分离宽度W1设定为比分离宽度W2小，或者将它们以等间隔设定。
质量附加部122A～D各自的沿着X轴方向的宽度大于臂部123A～D各自的沿着X轴方向的宽度。因此，质量附加部122A～D各自的Y轴方向的每单位长度的重量(以下，也仅称为“重量”)大于臂部123A～D各自的重量。由此，能够使振动部110小型化，并且改善振动特性。进一步地，从使质量附加部122A～D各自的重量变大的观点出发，也可以在质量附加部122A～D各自的表面设置质量附加膜。这样的质量附加膜能够通过切掉其一部分而用作对振动臂121A～D的谐振频率进行调整的频率调整膜。
在从上盖30侧俯视时，在内侧振动臂121B、121C各自的臂部123B、123C之间形成有从下盖20突出的突起部50。突起部50与臂部123B、123C并行地在Y轴方向上延伸。突起部50的Y轴方向长度是240μm左右，X轴方向长度是15μm左右。通过形成突起部50，能够抑制下盖20的翘曲。
(基部130)
如图3所示，在从上盖30侧俯视时，基部130具有前端部131A、后端部131B、左端部131C、右端部131D。前端部131A、后端部131B、左端部131C和右端部131D分别是基部130的外缘部的局部。具体而言，前端部131A是在振动臂121A～D侧沿X轴方向延伸的端部。后端部131B是在与振动臂121A～D相反侧沿X轴方向延伸的端部。从振动臂121D观察时，左端部131C是在振动臂121A侧沿Y轴方向延伸的端部。从振动臂121A观察时，右端部131D是在振动臂121D侧沿Y轴方向延伸的端部。
左端部131C的两端分别将前端部131A的一端和后端部131B的一端连接。右端部131D的两端分别将前端部131A的另一端与后端部131B的另一端连接。前端部131A和后端部131B在Y轴方向上相互对置。左端部131C和右端部131D在X轴方向上相互对置。在前端部131A连接有振动臂121A～D。
在从上盖30侧俯视时，基部130的形状是以前端部131A和后端部131B为长边、以左端部131C和右端部131D为短边的大致长方形。基部130相对于沿着前端部131A和后端部131B各自的垂直平分线规定的假想平面P大致面对称地形成。此外，基部130不局限于如图3所示那样为长方形，也可以是相对于假想平面P成为大致面对称的其他形状。例如，基部130的形状也可以是前端部131A和后端部131B中一者比另一者长的梯形状。另外，也可以是，前端部131A、后端部131B、左端部131C和右端部131D中至少一者屈曲或者弯曲。
此外，假想平面P相当于振动部110整体的对称面。因此，假想平面P是在振动臂121A～D的X轴方向上的中心经过的平面，且位于内侧振动臂121B、121C之间。具体而言，相互邻接的外侧振动臂121A和内侧振动臂121B隔着假想平面P同相互邻接的外侧振动臂121D和内侧振动臂121C对称地形成。
在基部130中，作为一个例子，前端部131A与后端部131B之间的在Y轴方向上的最长距离亦即基部长度为40μm左右。另外，作为一个例子，左端部131C与右端部131D之间的在X轴方向上的最长距离亦即基部宽度为300μm左右。此外，在图3所示的结构例中，基部长度相当于左端部131C或者右端部131D的长度，基部宽度相当于前端部131A或者后端部131B的长度。
(保持部140)
保持部140是用于在由下盖20和上盖30形成的振动空间保持振动部110的部分，例如包围振动部110。如图3所示，在从上盖30侧俯视时，保持部140具有框体前部141A、框体后部141B、框体左部141C、框体右部141D。框体前部141A、框体后部141B、框体左部141C和框体右部141D分别为包围振动部110的大致矩形状的框体的局部。具体而言，从基部130观察时，框体前部141A是在激振部120侧沿X轴方向延伸的部分。从激振部120观察时，框体后部141B是在基部130侧沿X轴方向延伸的部分。从振动臂121D观察时，框体左部141C是在振动臂121A侧沿Y轴方向延伸的部分。从振动臂121A观察时，框体右部141D是在振动臂121D侧沿Y轴方向延伸的部分。保持部140相对于假想平面P面对称地形成。
框体左部141C的两端分别与框体前部141A的一端和框体后部141B的一端连接。框体右部141D的两端分别与框体前部141A的另一端和框体后部141B的另一端连接。框体前部141A和框体后部141B隔着振动部110在Y轴方向上相互对置。框体左部141C和框体右部141D隔着振动部110在X轴方向上相互对置。此外，保持部140设置于振动部110四周至少局部即可，不限定于周向上连续的框状的形状。
(保持臂150)
保持臂150设置于保持部140的内侧，并将基部130和保持部140连接。如图3所示，在从上盖30侧俯视时，保持臂150具有左保持臂151A和右保持臂151B。左保持臂151A将基部130的后端部131B和保持部140的框体左部141C连接。右保持臂151B将基部130的后端部131B和保持部140的框体右部141D连接。左保持臂151A具有保持后臂152A和保持侧臂153A，右保持臂151B具有保持后臂152B和保持侧臂153B。保持臂150相对于假想平面P面对称地形成。
保持后臂152A、152B在基部130的后端部131B与保持部140之间从基部130的后端部131B起延伸。具体而言，保持后臂152A从基部130的后端部131B朝向框体后部141B延出、屈曲并朝向框体左部141C延伸。保持后臂152B从基部130的后端部131B朝向框体后部141B延出、屈曲并朝向框体右部141D延伸。
保持侧臂153A在外侧振动臂121A与保持部140之间，与外侧振动臂121A并行地延伸。保持侧臂153B在外侧振动臂121D与保持部140之间，与外侧振动臂121D并行地延伸。具体而言，保持侧臂153A从保持部140的框体左部141C延出、屈曲并朝向框体后部141B延伸，并与保持后臂152A的端部连接。保持侧臂153B从保持部140的框体右部141D延出、屈曲并朝向框体后部141B延伸，并与保持后臂152B的端部连接。
此外，保持臂150不限定于上述结构。例如，保持臂150也可以与基部130的左端部131C和右端部131D连接。另外，保持臂150也可以与保持部140的框体后部141B连接，也可以与框体前部141A连接。
(层叠构造)
接下来，参照图4和图5，对本发明的第1实施方式所涉及的谐振装置1的层叠构造和动作进行说明。图4是概念性地示出图1所示的谐振装置的层叠构造的沿着X轴的剖视图。图5是概念性地示出图1所示的谐振装置的动作时的层叠构造的沿着Y轴的剖视图。此外，图4为了对谐振装置1的层叠构造进行说明，只不过示意性地图示质量附加部122A～D、引出线C2、C3、贯通电极V2、V3等的截面，它们不一定位于相同的平面上的截面。例如，贯通电极V2、V3也可以形成在如下位置，该位置在Y轴方向上分离离开切断质量附加部122A～D且与由Z轴和X轴规定的ZX平面平行的截面。同样，图5为了对谐振装置1的层叠构造进行说明，只不过示意性地图示振动臂121A、引出线C1、C2、贯通电极V1、V2等的截面，它们不一定位于相同的平面状的截面。
谐振装置1在下盖20的侧壁23上接合有谐振子10的保持部140，而且将谐振子10的保持部140和上盖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，通过下盖20、上盖30、谐振子10的保持部140形成供振动部110振动的振动空间。作为一个例子，谐振子10、下盖20和上盖30分别使用硅(Si)基板(以下，称为“Si基板”)形成。此外，也可以是，谐振子10、下盖20和上盖30分别使用层叠硅层和硅氧化膜而成的SOI(Silicon OnInsulator)基板形成。
(谐振子10)
谐振子10的振动部110、保持部140和保持臂150通过相同工艺一体地形成。谐振子10在作为基板的一个例子的Si基板F2上层叠有金属膜E1。而且，在金属膜E1上覆盖金属膜E1地层叠有压电膜F3，并且，在压电膜F3上层叠有金属膜E2。在金属膜E2上，覆盖金属膜E2地层叠有保护膜F5。也可以是，在质量附加部122A～D中，并且在保护膜F5上分别层叠有前述的质量附加膜。振动部110、保持部140和保持臂150通过例如照射氩气(Ar)离子束的干式蚀刻，对由上述的Si基板F2、金属膜E1、压电膜F3、金属膜E2、保护膜F5等构成的层叠体进行除去加工，从而刻画图案。通过带电粒子的被照射使实施了离子束蚀刻的谐振子10的表面和侧面以同极带电。
Si基板F2例如由厚度6μm左右的简并的n型硅(Si)半导体形成，作为n型掺杂剂，能够包含磷(P)、砷(As)、锑(Sb)等。用于Si基板F2的简并硅(Si)的电阻值例如不足16mΩ·cm，更优选为1.2mΩ·cm以下。并且，在Si基板F2的下表面形成有例如由SiO2等硅氧化物构成的温度特性修正层F21。通过振动部110具有温度特性修正层F21，由此能够减少与环境温度的变化相伴的谐振子10的谐振频率的变化。此外，温度特性修正层也可以形成于Si基板F2的上表面，也可以形成于Si基板F2的上表面和下表面双方。
优选质量附加部122A～D的温度特性修正层F21以均匀的厚度形成。此外，均匀的厚度是指温度特性修正层F21的厚度的不一致程度偏离厚度的平均值±20％以内。
金属膜E1、E2分别具有：激振振动臂121A～D的激振电极；和使激振电极与外部电源或者接地电位电连接的引出电极。金属膜E1、E2的作为激振电极发挥功能的部分在振动臂121A～D的臂部123A～D中隔着压电膜F3相互对置。金属膜E1、E2的作为引出电极发挥功能的部分例如经由保持臂150，从基部130向保持部140导出。金属膜E1遍及谐振子10整体电连续。金属膜E2在形成于外侧振动臂121A、121D的部分和形成于内侧振动臂121B、121C的部分间电分离。金属膜E1相当于下部电极，金属膜E2相当于上部电极。金属膜E1、E2各自的厚度例如为0.1μm以上且0.2μm以下左右。金属膜E1、E2在成膜后，通过蚀刻等除去加工而刻画图案成激振电极、引出电极等。金属膜E1、E2例如由晶体构造为体心立方构造的金属材料形成。具体而言，金属膜E1、E2使用Mo(钼)、钨(W)等形成。
压电膜F3是由将电能和机械能相互转换的压电体的一种形成的薄膜。压电膜F3根据通过金属膜E1、E2形成于压电膜F3的电场，在XY平面的面内方向中的Y轴方向上伸缩。通过该压电膜F3的伸缩，振动臂121A～D分别使其自由端朝向下盖20和上盖30的内表面位移，并以面外的屈曲振动模式振动。
压电膜F3由具有纤锌矿型六方晶构造的晶体构造的材质形成，例如，能够将氮化铝(AlN)、氮化钪铝(ScAlN)、氧化锌(ZnO)、氮化镓(GaN)、氮化铟(InN)等氮化物或者氧化物作为主成分。此外，氮化钪铝是将氮化铝中的铝的一部分置换为钪的结构，也可以取代钪，而由镁(Mg)和铌(Nb)或者镁(Mg)和锆(Zr)等两种元素置换。压电膜F3的厚度例如为1μm左右，但也可以为0.2μm～2μm左右。
保护膜F5保护金属膜E2免受氧化影响。此外，保护膜F5若设置于金属膜E2的上盖30侧，则也可以相对于上盖30的底板32不暴露。例如，也可以是，形成对减少形成于谐振子10的布线的电容的杂散电容减少膜等保护膜F5进行覆盖的膜。保护膜F5例如通过氮化铝(AlN)、硅氮化物(SiNX)等氮化膜或者氧化铝(Al2O3)、五氧化二钽(Ta2O5)、硅氧化物(SiOX)等氧化膜形成。
保护膜F5的设置于质量附加部122A～D的部分也可以以谐振频率的调整作为目的，例如通过氩气离子束修整。在该修整处理中，谐振子10的表面和侧面也通过带电粒子的被照射以同极带电。当在末端部122A～D中保护膜F5上还设置质量附加膜的情况下，从使该质量附加膜作为频率调整膜发挥功能时的效率的观点出发，优选质量附加膜由比保护膜F5容易被修整的材料形成，质量附加膜例如为钼(Mo)膜。优选保护膜F5的设置于臂部123A～D的部分以均匀的厚度形成。此外，均匀的厚度是指保护膜F5的厚度的不一致程度偏离厚度的平均值±20％以内。
在保持部140的保护膜F5上形成有引出线C1、C2和C3。引出线C1穿过形成于压电膜F3和保护膜F5的贯通孔，并与金属膜E1电连接。引出线C2穿过形成于保护膜F5的贯通孔，并与金属膜E2中的形成于外侧振动臂121A、121D的部分电连接。引出线C3穿过形成于保护膜F5的贯通孔，而与金属膜E2中的形成于内侧振动臂121B、121C的部分电连接。引出线C1～C3由铝(Al)、锗(Ge)、金(Au)、锡(Sn)等金属材料形成。
(下盖20)
下盖20的底板22和侧壁23通过Si基板P10一体地形成。Si基板P10由未简并的硅形成，其电阻率例如为10Ω·cm以上。Si基板P10在下盖20的凹部21的内侧暴露。在突起部50的上表面形成有温度特性修正层F21。其中，从抑制突起部50的带电的观点出发，在突起部50的上表面，也可以暴露有比温度特性修正层F21电阻率低的Si基板P10，也可以形成有导电层。此外，也可以在下盖20的凹部21的与谐振子10对置侧的面形成有吸气层。
在Z轴方向上规定的下盖20的厚度为150μm左右，同样规定的凹部21的深度D1为100μm左右。振动臂121A～D的振幅被限制为深度D1，因此，下盖20侧的最大振幅成为100μm左右。
此外，下盖20也能够视为SOI基板的一部分。在将谐振子10和下盖20视为通过一体的SOI基板形成的MEMS基板的情况下，下盖20的Si基板P10相当于SOI基板的支承基板，谐振子10的温度特性修正层F21相当于SOI基板的BOX层，谐振子10的Si基板F2相当于SOI基板的活性层。此时，也可以是，在谐振装置1的外侧，使用连续的MEMS基板的一部分形成各种半导体元件、电路等。
(上盖30)
上盖30的底板32和侧壁33通过Si基板Q10一体地形成。优选上盖30的表面、背面和贯通孔的内侧面被硅氧化膜Q11覆盖。硅氧化膜Q11通过例如Si基板Q10的氧化、化学气相沉积(CVD：Chemical Vapor Deposition)，形成于Si基板Q10的表面。Si基板Q10在上盖30的凹部31的内侧暴露。此外，也可以是，在上盖30的凹部31的与谐振子10对置侧的面形成有吸气层。吸气层例如通过钛(Ti)等相对于氧的亲和力强的材料形成，吸附从接合部H放出的外部气体，抑制振动空间的真空度的降低。
在Z轴方向上规定的上盖30的厚度为150μm左右，同样规定的凹部31的深度D2为100μm左右。振动臂121A～D的振幅被限制为深度D2，因此，上盖30侧的最大振幅成为100μm左右。
在上盖30的上表面(和与谐振子10对置的面相反侧的面)形成有端子T1、T2和T3。端子T1是使金属膜E1接地的安装端子。端子T2是使外侧振动臂121A、121D的金属膜E2与外部电源电连接的安装端子。端子T3是使内侧振动臂121B、121C的金属膜E2与外部电源电连接的安装端子。端子T1～T3例如在铬(Cr)、钨(W)、镍(Ni)等金属化层(基底层)实施镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)、Cu(铜)等的镀敷而形成。此外，也可以是，在上盖30的上表面上，以调整杂散电容、机械强度平衡为目的，形成有与谐振子10电绝缘的虚设端子。
在上盖30的侧壁33的内部形成有贯通电极V1、V2和V3。贯通电极V1将端子T1和引出线C1电连接，贯通电极V2将端子T2和引出线C2电连接，贯通电极V3将端子T3和引出线C3电连接。贯通电极V1～V3在Z轴方向上贯通上盖30的侧壁33的贯通孔填充导电性材料而形成。填充的导电性材料例如为多晶硅(Poly－Si)、铜(Cu)、金(Au)等。
在上盖30的侧壁33与保持部140之间，为了将上盖30的侧壁33和谐振子10的保持部140接合而形成有接合部H。接合部H形成为在XY平面上包围振动部110的闭环状，用以将谐振子10的振动空间在真空状态下气密密封。接合部H通过例如将铝(Al)膜、锗(Ge)膜和铝(Al)膜依次层叠而共晶接合的金属膜而形成。此外，也可以是，接合部H通过从金(Au)、锡(Sn)、铜(Cu)、钛(Ti)、硅(Si)等中适当地选择出的膜的组合而形成。另外，为了提高紧贴性，接合部H也可以夹有氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)等金属化合物。
(动作)
在本实施方式中，端子T1接地，对端子T2和端子T3施加相互反相位的交流电压。因此，形成于外侧振动臂121A、121D的压电膜F3的电场的相位与形成于内侧振动臂121B、121C的压电膜F3的电场的相位相互成为反相位。由此，外侧振动臂121A、121D与内侧振动臂121B、121C相互反相振动。例如，在外侧振动臂121A、121D各自的质量附加部122A、122D朝向上盖30的内表面位移时，内侧振动臂121B、121C各自的质量附加部122B、122C朝向下盖20的内表面位移。如以上那样，振动臂121A和振动臂121B绕相邻的振动臂121A与振动臂121B之间沿Y轴方向延伸的中心轴线r1向上下相反方向振动。另外，振动臂121C和振动臂121D绕相邻的振动臂121C和振动臂121D之间沿Y轴方向延伸的中心轴线r2向上下相反方向振动。由此，在中心轴线r1和中心轴线r2中产生相互相反方向的扭转力矩，基部130产生屈曲振动。振动臂121A～D的最大振幅为10μm左右，通常驱动时的振幅为10μm左右。
(振动臂121A～D的详情)
接下来，参照图6，对振动臂121A～D的详细结构进行说明。图6是概略地示出本发明的第1实施方式所涉及的振动部的构造的俯视图。此外，外侧振动臂121A和内侧振动臂121B相对于假想平面P成为与外侧振动臂121D和内侧振动臂121C面对称的构造，因此，对外侧振动臂121A和内侧振动臂121B的结构进行说明，省略针对外侧振动臂121D和内侧振动臂121C的结构的说明。
外侧振动臂121A的臂部123A具有：X轴方向的宽度具有相同宽度并且沿着Y轴方向延伸的部分。此处，“相同宽度”不局限于臂部123A的X轴方向的宽度完全相同的情况，还包括考虑到由于因制造工艺等引起的误差而产生的变动的实质相同的情况。另外，在图6所示的例子中，臂部123A在除去与基部130连接的固定端附近和与质量附加部122A连接的连接部分附近之外的部分中，X轴方向的宽度相同宽度且沿Y轴方向延伸。在这种情况下，臂部123A中的与基部130连接的固定端附近和臂部123A中的与质量附加部122A连接的连接部分附近均成为带有圆度的曲面形状(例如所谓的R(圆角)形状)，且比臂部123A的其他部分宽度稍宽。通过这样的形状，能够缓和应力集中，提高振动部110的强度。这样的臂部123A的形状如图6所示那样，针对内侧振动臂121B、外侧振动臂121D和内侧振动臂121C的各臂部123B、123C、123D也同样适合。此外，臂部的形状不局限于上述的方式，各臂部也可以还包括与基部130、质量附加部各自的连接部位附近均以相同宽度在Y轴方向上延伸。
质量附加部122A、122B彼此的间隔PT12大于臂部123A、123B彼此的间隔PT13。在本实施方式中，质量附加部122A，122B彼此的间隔PT12是将质量附加部122A在X轴方向上二等分且在Y轴方向上延伸的中心线PA12与将质量附加部122B在X轴方向上二等分且在Y轴方向上延伸的中心线PB12之间的沿着X轴方向的距离。同样，臂部123A、123B彼此的间隔PT13是将臂部123A在X轴方向上二等分且在Y轴方向上延伸的中心线PA13与将臂部123B在X轴方向上二等分且在Y轴方向上延伸的中心线PB13之间的沿着X轴方向的距离。在图6所示那样的俯视时，质量附加部122A的中心线PA12相当于质量附加部122A的包括与臂部123A连接的连接部分的边的垂直平分线，质量附加部122B的中心线PB12相当于质量附加部122B的包括与臂部123B连接的连接部分的边的垂直平分线。另外，臂部123A的中心线PA13相当于臂部123A的与质量附加部122A连接的连接部分的垂直平分线，臂部123B的中心线PB13相当于臂部123B的与质量附加部122B连接的连接部分的垂直平分线。
外侧振动臂121A的质量附加部122A从臂部123A的中心在与振动臂121A～D延伸的方向交叉的方向上向离开内侧振动臂121B的方向偏移。换言之，质量附加部122A的中心线PA12比臂部123A的中心线PA13进一步离开内侧振动臂121B。另外，外侧振动臂121A的质量附加部122A的靠内侧振动臂121B侧的突出宽度DA12小于其相反侧的突出宽度DA11。
此外，例如，突出宽度DA12相当于外侧振动臂部121A的靠内侧振动臂部121B侧的质量附加部122A的沿着Y轴方向延伸的端部与臂部123A的沿着Y轴方向延伸的端部之间的在X轴方向上的距离的最大值。另外，突出宽度DA11相当于外侧振动臂部121A的靠与内侧振动臂部121B相反侧的质量附加部122A的沿着Y轴方向延伸的端部与臂部123A的沿着Y轴方向延伸的端部之间的在X轴方向上的距离的最大值。
内侧振动臂121B的质量附加部122B相对于臂部123B的中心，在与振动臂121A～D延伸的方向交叉的方向上向离开外侧振动臂121A的方向偏移。换言之，质量附加部122B的中心线PB12比臂部123B的中心线PB13进一步离开外侧振动臂121A。另外，内侧振动臂121B的质量附加部122B的靠外侧振动臂121A侧的突出宽度DB11小于其相反侧的突出宽度DB12。由此，中心线PA12、PA13、PB13、PB12依次在X轴方向上排列。
此外，例如，突出宽度DB11相当于内侧振动臂部121B的靠外侧振动臂部121A侧的质量附加部122B的沿着Y轴方向延伸的端部与臂部123B的沿着Y轴方向延伸的端部之间的在X轴方向上的距离的最大值。另外，突出宽度DB12相当于内侧振动臂部121B的靠与外侧振动臂部121A相反侧的质量附加部122B的沿着Y轴方向延伸的端部与臂部123B的沿着Y轴方向延伸的端部之间的在X轴方向上的距离的最大值。
如以上那样，在本实施方式中，在相互邻接且反相振动的外侧振动臂121A和内侧振动臂121B中，质量附加部122A、122B相互离开而偏移设置。具体而言，质量附加部122A、122B彼此的间隔PT12大于臂部123A、123B彼此的间隔PT13。由此，能够使质量附加部122A、122B彼此相互分开配置。外侧振动臂121A和内侧振动臂121B的表面或者层间的绝缘体和导电体由于蚀刻工序、修整工序的离子束的被照射、因制造工序、使用环境的温度变化产生的热电效应等而带电。存在由于该带电，使外侧振动臂121A和内侧振动臂121B相互对彼此带来库仑力的影响这种情况。质量附加部122A、122B在外侧振动臂121A和内侧振动臂121B中比臂部123A、123B容易位移，容易受到库仑力的影响。因此，通过使质量附加部122A、122B彼此相互离开地配置，从而能够抑制外侧振动臂121A和内侧振动臂121B的振动轨道的变化，进而能够抑制谐振频率的变动。特别是，从改善振动特性的观点出发，即便成为内侧振动臂121B、121C的臂部123B、123C之间的分离宽度W1大且相互邻接的外侧振动臂121A与内侧振动臂121B的臂部123A、123B之间的分离宽度W2小的结构，也能够抑制因库仑力的影响引起的谐振频率的变动。
此外，内侧振动臂121B、121C是以同相振动的振动臂，因此，因相互给予的库仑力产生的振动轨道的变化小于因相互邻接的外侧振动臂121A和内侧振动臂121B相互给予的库仑力引起的振动轨道的变化。因此，即便内侧振动臂121B、121C的质量附加部122B、122C相对于臂部123B、123C的中心向相互接近的方向偏移，谐振频率的变动也较小。
以下，对本发明的其他实施方式所涉及的振动臂的质量附加部的结构进行说明。此外，在下述的实施方式中，针对与上述的第1实施方式共用的事项，省略叙述，仅针对不同点进行说明。特别是，针对基于相同结构的相同作用效果没有依次提及。
＜第2实施方式＞
接下来，参照图7，对第2实施方式所涉及的谐振子的振动部210进行说明。图7是概略地示出本发明的第2实施方式所涉及的振动部的构造的俯视图。与第1实施方式所涉及的振动部110相同，第2实施方式所涉及的振动部210具备基部230和振动臂221A～D。外侧振动臂221A和内侧振动臂221B相对于假想平面P成为与外侧振动臂221D和内侧振动臂221C面对称的构造，因此，省略针对外侧振动臂221D和内侧振动臂221C的结构的说明。
与第1实施方式的不同点在于：外侧振动臂221A和内侧振动臂221B中的仅外侧振动臂221A的质量附加部222A相对于臂部223A的中心偏移这点。换言之，外侧振动臂221A的质量附加部222A的中心线PA22、外侧振动臂221A的臂部223A的中心线PA23和内侧振动臂221B的质量附加部222B的中心线PB22依次排列，在内侧振动臂221B中质量附加部222B的中心线PB22和臂部223B的中心线PB23大致重叠。另外，外侧振动臂221A的质量附加部222A的靠内侧振动臂221B侧的突出宽度DA22小于其相反侧的突出宽度DA21，但内侧振动臂221B的质量附加部222B的靠外侧振动臂221A侧的突出宽度DB21与其相反侧的突出宽度DB22大致相等。
据此，即便由于振动部210的小型化使内侧振动臂221B、221C彼此接近，无法确保使相互的质量附加部222B、222C相对于臂部223B、223C的中心相互向接近的方向偏移的空间，也能够使相互邻接的外侧振动臂221A与内侧振动臂221B的质量附加部222A、222B彼此分开配置。
＜第3实施方式＞
接下来，参照图8，对第3实施方式所涉及的谐振子的振动部310进行说明。图8是概略地示出本发明的第3实施方式所涉及的振动部的构造的俯视图。与第1实施方式所涉及的振动部110相同，第3实施方式所涉及的振动部310具备基部330和振动臂321A～D。外侧振动臂321A和内侧振动臂321B相对于假想平面P成为与外侧振动臂321D和内侧振动臂321C面对称的构造，因此，省略针对外侧振动臂321D和内侧振动臂321C的结构的说明。
与第1实施方式的不同点在于：外侧振动臂321A和内侧振动臂321B中的仅内侧振动臂321B的质量附加部322B相对于臂部323B的中心偏移这点。换言之，外侧振动臂321A的质量附加部322A的中心线PA32、内侧振动臂321B的臂部323B的中心线PB33和内侧振动臂321B的质量附加部322B的中心线PB32依次排列，在外侧振动臂321A中质量附加部322A的中心线PA32和臂部323A的中心线PA33大致重叠。另外，内侧振动臂321B的质量附加部322B的靠外侧振动臂321A侧的突出宽度DB31小于其相反侧的突出宽度DB32，但外侧振动臂321A的质量附加部322A的靠内侧振动臂321B侧的突出宽度DA32与其相反侧的突出宽度DA31相等。
据此，在为了改善振动特性而将内侧振动臂321B、321C彼此分开设置时，能够有效地活用在内侧振动臂321B、321C的质量附加部322B、322C之间形成的空间。例如，即便在由于谐振子的小型化而无法确保使外侧振动臂321A的质量附加部322A向离开内侧振动臂321B的方向偏移的空间的情况下，也能够使相互邻接的外侧振动臂321A与内侧振动臂321B的质量附加部322A、322B彼此分开配置。
＜第4实施方式＞
接下来，参照图9，对第4实施方式所涉及的谐振子的振动部410进行说明。图9是概略地示出本发明的第4实施方式所涉及的振动部的构造的俯视图。
与第1实施方式的不同点在于：与基部430连接的激振部420由三个振动臂421A～C构成，内侧振动臂421B与外侧振动臂421A、421C双方邻接这点。假想平面P在内侧振动臂421B的中心经过。此外，外侧振动臂421A、421C相对于假想平面P相互面对称地形成，因此，省略针对外侧振动臂421C的结构的说明。
在外侧振动臂421A中，质量附加部422A相对于臂部423A的中心，向离开内侧振动臂421B的方向偏移。换言之，外侧振动臂421A的质量附加部422A的中心线PA42、外侧振动臂421A的臂部423A的中心线PA43和内侧振动臂421B的质量附加部422B的中心线PB42依次排列。在内侧振动臂421B中质量附加部422B的中心线PB42与臂部423B的中心线PB43大致重叠，位于假想平面P的面内。另外，外侧振动臂421A的质量附加部422A的靠内侧振动臂421B侧的突出宽度DA42小于其相反侧的突出宽度DA41，但内侧振动臂421B的质量附加部422B的靠外侧振动臂421A侧的突出宽度DB41与其相反侧的突出宽度DB42大致相等。
＜总结＞
以下，附记本发明的实施方式的一部分或者全部。此外，本发明不限定于以下结构。
根据本发明的一方式，提供谐振子，具备：基部；和至少三个振动臂，其具有压电膜以及之间隔着压电膜对置设置的上部电极和下部电极，且一端是与基部的前端部连接的固定端，另一端是离开前端部设置的自由端，至少三个振动臂中各振动臂具有：臂部，其具有沿着从固定端朝向自由端的方向以相同宽度延伸的部分；和质量附加部，其与臂部的末端连接，且宽度比臂部大，在至少三个振动臂中的相邻且相互反相振动的任两个振动臂中，质量附加部彼此的间隔大于臂部彼此的间隔。
据此，通过质量附加部彼此分离，从而能够抑制外侧振动臂和内侧振动臂的振动轨道的变化，进而能够抑制谐振频率的变动。特别是，即便从改善振动特性的观点出发构成为内侧振动臂的臂部之间的分离宽度大且相互邻接的外侧振动臂与内侧振动臂的臂部之间的分离宽度小，也能够抑制因库仑力的影响引起的谐振频率的变动。特别是，在臂部除去与基部连接的固定端附近和与质量附加部连接的连接部分附近之外的全部部分中以相同宽度延伸的情况下，能够阻碍臂部的除去固定端附近和连接部分附近之外的部分的机械强度的降低、应力的集中。另外，在臂部的固定端附近和连接部分附近均成为带有圆度的曲面形状，且宽度比臂部的其他部分稍宽的情况下，能够阻碍臂部的固定端附近和连接部分附近处的机械强度的降低、应力的集中。
作为优选的一个方式，构成为至少三个振动臂由配置于外侧的两个外侧振动臂、配置于内侧的一个或者两个内侧振动臂构成，且构成为外侧振动臂和内侧振动臂相互反相振动。
作为优选的一个方式，外侧振动臂的质量附加部相对于外侧振动臂的臂部的中心，在与振动臂延伸的方向交叉的方向上向离开内侧振动臂的方向偏移。
据此，即便由于振动部的小型化而使内侧振动臂彼此接近，无法确保使相互的质量附加部相对于臂部的中心向相互接近的方向偏移的空间，也能够使相互邻接的外侧振动臂和内侧振动臂的质量附加部彼此分离。
作为优选的一个方式，内侧振动臂的质量附加部相对于内侧振动臂的臂部的中心，在与振动臂延伸的方向交叉的方向上向离开外侧振动臂的方向偏移。
据此，在为了改善振动特性使内侧振动臂彼此分开设置时，能够有效地活用在内侧振动臂的质量附加部之间形成的空间。例如，即便在由于谐振子的小型化而无法确保使外侧振动臂的质量附加部向离开内侧振动臂的方向偏移的空间的情况下，也能够使相互邻接的外侧振动臂与内侧振动臂的质量附加部彼此分开。
作为优选的一个方式，提供谐振装置，具备：上述的谐振子；下盖，其与谐振子接合；以及上盖，其隔着谐振子而与下盖接合，且在上述上盖与下盖之间形成供至少三个振动臂振动的振动空间。
如以上说明那样，根据本发明的一方式，能够提供不有损机械强度且能够抑制谐振频率的变动的谐振子和具备它的谐振装置。
此外，以上说明的实施方式是用于容易理解本发明的方式，不是用于对本发明进行限定地解释。本发明能够不脱离其主旨地进行变更/改进，并且本发明也包括其等同物。即，本领域技术人员对各实施方式适当地施加了设计变更而得到的方式只要具备本发明的特征，也包含于本发明的范围。例如，各实施方式所具备的各要素及其配置、材料、条件、形状、尺寸等不仅局限于例示的方式，还能够适当地变更。另外，各实施方式所具备的各要素只要在技术上可能则能够组合，将它们组合的方式只要包括本发明的特征也包含于本发明的范围。
附图标记说明
1…谐振装置；9…粒子；10…谐振子；20…下盖；30…上盖；21、31…凹部；22、32…底板；23、33…侧壁；110…振动部；121A～D…振动臂；122A～D…质量附加部；123A～D…臂部；130…基部；131A…前端部；131B…后端部；131C…左端部；131D…右端部；140…保持部；141A…框体前部；141B…框体后部；141C…框体左部；141D…框体右部；150…保持臂；151A…左保持臂；151B…右保持臂；152A、152B…保持后臂；153A、153B…保持侧臂；F2…Si基板；F21…温度特性修正层；F3…压电膜；F5…保护膜；E1、E2…金属膜(下部电极、上部电极)。

Claims (5)

1.一种谐振子，其特征在于，具备：
基部；和
至少三个振动臂，其具有压电膜和之间隔着所述压电膜对置设置的上部电极和下部电极，且一端是与所述基部的前端部连接的固定端，另一端是离开所述前端部设置的自由端，
所述至少三个振动臂中各振动臂具有：臂部，其具有沿着从所述固定端朝向所述自由端的方向以相同宽度延伸的部分；和质量附加部，其与所述臂部的末端连接，且比所述臂部宽度大，
在所述至少三个振动臂中的相邻且相互反相振动的任两个振动臂中，所述质量附加部彼此的间隔大于所述臂部彼此的间隔。
2.根据权利要求1所述的谐振子，其特征在于，
所述至少三个振动臂由配置于外侧的两个外侧振动臂和配置于内侧的一个或者两个内侧振动臂构成，且构成为所述外侧振动臂和所述内侧振动臂相互反相振动。
3.根据权利要求2所述的谐振子，其特征在于，
所述外侧振动臂的所述质量附加部相对于所述外侧振动臂的所述臂部的中心，在与所述振动臂延伸的方向交叉的方向上向离开所述内侧振动臂的方向偏移。
4.根据权利要求2或3所述的谐振子，其特征在于，
所述内侧振动臂的所述质量附加部相对于所述内侧振动臂的所述臂部的中心，在与所述振动臂延伸的方向交叉的方向上向离开所述外侧振动臂的方向偏移。
5.一种谐振装置，其特征在于，具备：
权利要求1～4中任一项所述的谐振子；
下盖，其与所述谐振子接合；以及
上盖，其隔着所述谐振子而与所述下盖接合，且在所述上盖与所述下盖之间形成供所述至少三个振动臂振动的振动空间。
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