CN1164028C

CN1164028C - 压电谐振元件频率的调节方法

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Publication number: CN1164028C
Application number: CNB001328379A
Authority: CN
Inventors: и; 中福祥人
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1999-11-01
Filing date: 2000-10-31
Publication date: 2004-08-25
Anticipated expiration: 2020-10-31
Also published as: JP2001196883A; US6414569B1; CN1296337A

Abstract

一种调节能量—陷阱型压电谐振元件频率的方法包括下列步骤：准备包括第一和第二振动电极的压电谐振元件，在压电板的两个主表面上部分地形成所述电极，使第一振动电极的厚度大于第二振动电极的厚度；以及以如此的方式修改第一振动电极或第二振动电极，使第一和第二振动电极的厚度彼此基本相等，致使压电谐振元件具有所要求的频率。

Description

压电谐振元件频率的调节方法

技术领域

本发明涉及能量-陷阱型压电谐振元件频率的调节方法，例如，所述元件使用厚度延伸的振动模式、厚度滑动振动模式或其它振动模式，尤其，本发明涉及通过控制振动电极的厚度来调节能量-陷阱型压电谐振元件频率的方法。

背景技术

传统上，已经把能量-陷阱型压电谐振元件用于振荡器、压电滤波器和其它电子部件。对于这种压电谐振元件，必须使在谐振频率和中心频率中的振动最小。

在制造上述压电谐振元件时，在压电母衬底的上表面和下表面上的矩阵图形中形成振动电极。切割压电衬底以产生单独的压电谐振元件。然而，根据不同的压电母衬底，谐振频率和中心频率有改变的倾向。此外，对于不同的单独压电谐振衬底，即使是从相同的压电谐振母衬底形成的，彼此的频率也趋向于不同。

为了这个原因，在传统上已经提出许多压电谐振元件频率调节方法的建议。

例如，日本未审查的专利申请出版物10-126187揭示一种石英晶体振荡器频率的调节方法。在这个方法中，在石英板的两个主表面上形成根据目标频率具有相同厚度的电极薄膜。当测量频率并确定该频率高于目标频率时，把电极材料加到振动电极之一，以增加电极的厚度而调节频率。如果频率低于目标频率，则除去一部分电极，以致降低电极厚度而调节频率。

然而，在把电极材料加到形成在压电板主表面上的振动电极之一，或除去电极材料以降低电极厚度而调节频率的情况中，在主表面上形成的电极厚度变得彼此显著地不同。因此，由于在压电板的两个主表面上形成的振动电极的厚度差，发生部件的电特征显著地降低的问题，并在频率特性中出现不希望有的纹波。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的实施例提供一种调节压电谐振元件频率的方法，所述方法防止由传统的频率调节方法导致的电特性的降低和不希望的纹波的产生，以致高度正确地控制新颍的压电谐振元件的频率以得到目标频率。

根据本发明的实施例，调节能量-陷阱型压电谐振元件频率的方法包括压电板；第一和第二振动电极，使它们部分地形成在压电板的两个主表面上，而且彼此由压电板隔开并且对置；第一振动电极的厚度大于第二振动电极的厚度；以及处理第一振动电极或第二振动电极，以致使第一和第二振动电极之间的厚度差减小，以致压电谐振元件具有所要求的频率。

最好，在电极处理步骤中，在第二振动电极上形成金属制成的电极薄膜，致使第二振动电极的厚度增加。

还有，最好在电极处理步骤中用如此的方式进行处理，使第一振动电极的厚度降低。

最好，所述方法进一步包括在准备压电谐振元件的步骤之后测量压电谐振器的谐振频率的步骤，以及以如此的方式进行处理，当谐振频率高于所要求的频率时，增加第二振动电极的厚度，而当压电谐振元件的谐振频率低于所要求的频率时，降低第一振动电极的厚度。

在电极处理步骤之前的第一和第二振动电极之间的厚度差最好是约0.3μm。

还有，最好压电谐振元件进一步包括第一和第二引出电极，而且分别把第一和第二终端电极连接到在压电板的两个主表面上形成的第一和第二引出电极。在处理步骤之前，第一引出电极和第一振动电极最好具有基本相等的厚度，而第二引出电极和第二振动电极最好具有基本相等的厚度。在处理步骤期间，以如此的方式使第一和第二引出电极和第一和第二振动电极一起处理，使第一和第二引出电极的厚度彼此接近。

从下述较佳实施例的的详细描述并结合附图，本发明的较佳实施例的其它特性、元件、特征和优点将变得更明了。

附图说明

图1是示意横截面视图，示出根据本发明第一较佳实施例的调节压电谐振元件频率的方法；

图2是包括压电谐振元件的压电谐振部件的部件分解透视图，对它进行根据本发明第一较佳实施例的调节频率的方法；

图3是包括压电谐振元件的基片(chip)压电谐振部件的透视图，对它进行根据本发明第一较佳实施例的调节频率的方法；

图4是曲线图，示出第一较佳实施例的压电谐振元件的阻抗和相位-频率特性，是在一个特定的实验例子中，在频率调节之前得到的；

图5是曲线图，示出第一较佳实施例的压电谐振元件的阻抗和相位-频率特性，是在一个特定的实验例子中，在频率调节之后得到的；

图6是曲线图，示出为了和本发明的较佳实施例进行比较而准备的压电谐振元件的阻抗和相位-频率特性，是在频率调节之后得到的；

图7是曲线图，示出为了和本发明的较佳实施例进行比较而准备的压电谐振元件的阻抗和相位-频率特性，是通过根据传统方法进行频率调节而得到的；

图8是曲线图，示出配置在两个主表面上的振动电极之间的厚度差和在频带中的纹波的形成比值之间的关系；

图9是曲线图，示出配置在两个主表面上的振动电极之间的厚度差和在相位特性中出现的纹波之间的关系；

图10是示意横截面视图，示出根据本发明第二较佳实施例的调节压电谐振元件频率的方法；

具体实施方式

图1是横截面视图，示出根据本发明的调节压电谐振元件频率的方法的一个较佳实施例。

在本实施例中，准备能量-陷阱型压电谐振元件1。能量-陷阱型压电谐振元件1最好包括从诸如铅榍石锆酸盐陶瓷之类的陶瓷形成的压电板2。使第一振动电极3位于压电板2的下表面，而第二振动电极4位于压电板2的上表面。以如此的方式安排第一和第二振动电极3和4，使它们的前表面和后表面彼此对置。

图1示意地示出压电谐振元件1。压电谐振元件1具有示于图2中的结构。图2是包括上述压电谐振元件1的压电谐振部件的部件分解透视图。在压电谐振元件1中，在压电板2的上表面2a上不但安排第二振动电极4，而且也安排第二引出电极5。把第二引出电极5的外侧-末端电气地连接到终端电极6。终端电极6沿压电板2的侧边2c延伸。相似地，在压电板2的下表面上安排第一引出电极和终端电极，以连接到示于图3中的第一振动电极3。第一振动电极伸出到压电板2的下表面2b上的侧边，它和上述侧边2c对置。

本较佳实施例的一个新颍的特征是把上述第一振动电极3和第二振动电极4事先制造成具有不同的厚度。即，如此地形成第一和第二振动电极3和4，使第一振动电极3的厚度大于第二振动电极4的厚度。

可以通过蒸汽沉积或喷涂诸如银、银-镉合金之类的合适的金属材料，或其它合适的处理来形成第一和第二振动电极3和4、上述引出电极5、终端电极6和其它电极元件。在本较佳实施例的配置中，最好用银制成第一振动电极3，并具有约0.6μm的厚度。最好用银制成第二振动电极4，并具有约0.3μm的厚度。

提供不同厚度的第一和第二振动电极3和4的方法的例子包括当形成振动电极3和4时，把不同的电功率施加到配置在压电板2的上表面和下表面或右和左侧的目标上，例如提供喷涂或其它合适的处理。

此外，通过在压电板2的上表面2a和下表面2b上先形成银薄膜，以致具有基本相等的厚度，此后，只在下表面2b上再形成银薄膜，这样可以增加第一振动电极3的厚度。

其次，根据本发明的另一个较佳实施例，测量上述压电谐振元件1的谐振频率。先以如此的方式形成压电谐振元件1，致使所测量到的谐振频率高于目标频率。

其次，由于实际测量到的谐振频率高于目标频率，在第二振动电极4上形成确定电极薄膜的银薄膜8，如在图1中的的下面部分所示。即，调节压电谐振元件1以致通过形成银薄膜8和银薄膜8的产物质量的附加作用，使谐振频率降低。相应地，以相应于谐振频率差的方式形成银薄膜8来以进行频率调节，以致在频率调节之后，压电谐振元件1具有基本上等于目标频率的谐振频率，所述谐振频率差是指在频率调节之前实际测量到的压电谐振元件1的谐振频率和目标频率之间的差。

在如上所述地制成的压电谐振元件1中，在第二振动电极4上形成银薄膜8，以致第二振动电极4的厚度接近第一振动电极3的厚度。因此，在频率调节之后得到的位于两个主表面上的振动电极之间的厚度差减少。相应地，如下所述，有效地防止了不希望有的纹波的产生。产物，频率调节量约为传统例子频率调节量的两倍。尤其，根据调节压电谐振元件频率的传统方法，事先在两个主表面上形成具有厚度基本相等的振动电极。相应地，如果通过频率调节增加在主表面上的两个振动电极之间的厚度差，则如下所述，会产生不希望有的纹波。另一方面，在本实施例中，事先减少第二振动电极4的厚度。相应地，可以调节频率而同时防止不希望有的纹波的产生。因此，使不产生纹波的频率调节量加倍。

其次，将参考一个实验例子更具体地描述本发明。

提供铅榍石锆酸盐型压电陶瓷制成的母衬底，它具有约20mm×30mm×0.15mm厚度的大小。通过喷涂而形成银薄膜，在母衬底的上表面上形成多个第二振动电极4，每个第二振动电极具有约0.3μm的厚度，并在下表面上形成多个第一振动电极3，每个第一振动电极由银薄膜制成并具有约0.6μm的厚度。如图2所示，第一和第二振动电极的平面形状基本上是园形，每个园形具有约0.6mm的直径。在母衬底的上表面和下表面上形成引出电极和终端电极。即，每个定位在压电板2的上表面2a上的引出电极5和终端电极6具有和第二振动电极4的厚度基本上相同的厚度。定位在压电板2的下表面2b上的引出电极和终端电极具有和第一振动电极3的厚度基本上相同的厚度。

把密封衬底连接到母衬底的上表面和下表面，母衬底具有如上所述地形成的电极图形。此后，切割所连接的衬底以形成有角度的片形压电谐振元件1，其大小约为2×3mm。图4示出压电谐振元件1的阻抗和相位-频率特性。

在提供上述母衬底的步骤中，在压电谐振元件1的上表面上提供的第二振动电极4、第二引出电极5和终端电极6上进一步形成薄膜厚度约为0.6μm的银薄膜。此后，重复上述步骤以得到压电谐振元件。即，通过降低谐振频率来进行频率调节。图5示出在频率调节之后得到的压电谐振元件1A的阻抗和相位-频率特性。

通过比较图4和图5可以清楚地理解，用本发明的较佳实施例的方法使谐振频率降低，并且在频带中几乎不产生不希望有的纹波。

为了和本发明的较佳实施例所得到的结果相比较，根据传统方法进行频率调节。首先，通过使用和上述较佳实施例中所使用的相同的压电板准备压电谐振元件，上述压电谐振元件具有银薄膜制成的第一和第二振动电极，它们形成在两个主表面上具有约0.3μm的相同的厚度。图6示出压电谐振元件的阻抗和相位-频率特性。在如上准备的压电谐振元件的一个振动极上形成约具有0.6μm厚度的银薄膜。即，通过降低频率进行频率调节。图7示出在频率调节之后得到的压电谐振元件的阻抗和相位-频率特性。

如在图7中看到，当根据传统方法进行压电谐振元件的频率调节时，在通带中产生大纹波，如箭头A所示。在两个主表面上的振动电极之间的厚度差导致这种情况，通过频率调节增加了它的厚度。

示于图4和图5中的结果的比较，还有示于图6和图7中的结果的比较示出，根据本发明较佳实施例的频率调节大大地改善了谐振频率接近目标频率，并同时抑制了不希望有的纹波的产生。

在根据传统例子进行频率调节的情况下，估计在两个主表面上的振动电极之间的最终薄膜厚度差和纹波的产生比。在图8中，把两个主表面上的振动电极之间的薄膜厚度差标绘成横坐标，而把纹波产生比标绘成纵坐标。在图9中，把两个主表面上的振动电极之间的薄膜厚度差标绘成横坐标，而把在其中产生纹波的相位特性曲线部分的相位值θ标绘成纵坐标。术语“纹波产生比”的意思是对200个压电谐振元件进行测量而得到的在箭头A所指示的频带中的纹波产生比。经估计，当相位角达75°时产生纹波。

如在图8和9中看到，在根据传统方法进行频率调节的情况下，两个主表面上的振动电极之间的薄膜厚度差增加时产生更多的纹波A。换言之，可以看到，当两个主表面上的振动电极之间的薄膜厚度差达到约0.3μm时，可以有效地抑制纹波的产生。

相应地，可以看到，在上述较佳实施例中，通过把在频率调节之前(即，先于电极处理步骤)得到的第一和第二振动电极3和4之间的厚度差设置为0.3μm或更小，在频率调节之后可以防止纹波的产生。尤其，以如此的方式事先制成两个主表面上的振动电极3和4的厚度差，致使谐振频率高于目标频率，而电极之间的厚度差约变成0.3μm或更小。此后，如在上述较佳实施例中所述，为了频率调节，增加第二振动电极的厚度使之接近第一振动电极3的厚度，有效地抑制了纹波A的产生。

在上述实验例子中，当通过增加第二振动电极4的厚度而进行频率调节时，还处理引出电极5和振动电极6，以致增加了它们相应的厚度。只处理第二振动电极4以致具有增加的厚度。

在诸如蒸汽沉积、喷涂或其它方法之类的薄膜成形方法的情况下，在压电板2的上表面2a上同时形成第二振动电极4、引出电极5和振动电极6，最好从便于电极处理的观点出发，不但处理振动电极4，而且还处理引出电极5和振动电极6，使它们同时增加厚度。

构造本较佳实施例的压电谐振元件1以确定一个压电谐振部件，示于图2和3，以构造电子基片部件。即，把外罩(casing)衬底10和11堆叠在压电谐振元件1的上侧和下侧。用诸如铝土或其它合适的材料或合成树脂之类的绝缘陶瓷制成外罩衬底10和11。

如在图3中所示的最终得到的压电谐振基片部件12中，配置形成外部电极13到15，以致分别覆盖两个末端表面。

图10是示意横截面图，示出根据本发明的第二较佳实施例调节压电谐振元件频率的方法。

在第一较佳实施例中，最好在比第一振动电极薄的第二振动电极上通过形成金属制成的电极，即，通过增加第二振动电极的厚度，来进行频率调节。相反地，根据本发明的另一个实施例，可以通过处理第一振动电极以致降低厚度来进行频率调节。

即，如图10所示，准备一个压电谐振元件21。在压电谐振元件21中，使第一振动电极23定位于压电板22的上表面22a上，而使第二振动电极24定位于压电板22的下表面22b上。在压电谐振元件21中，与在图2中示出的压电谐振元件1相似地安排引出电极和终端电极。压电谐振元件板22在厚度方向上经过极化处理。因此，提供使用厚度延伸振动模式的能量-陷阱型压电谐振器。

最好使第一振动电极23的厚度大于第二振动电极24的厚度。

为了频率调节，通过激光器、离子束、喷涂、蚀刻或其它合适的方法除去一部分第一振动电极，以降低第一振动电极23的厚度，使之接近第二振动电极24的厚度。因此，进行频率调节以致增加谐振频率。

在第二较佳实施例中，最好事先把第一振动电极23的厚度设置成大于第二振动电极24的厚度。当为了上述的频率调节而降低电极薄膜的厚度时，第一和第二振动电极的厚度彼此接近并且彼此基本相等。因此，有效地防止了不需要的纹波。

在第三较佳实施例中，也在第一较佳实施例中，准备如图1所示的能量-陷阱型压电谐振元件。在该实施例中，以如此的方式形成第一和第二振动电极，致使第一振动电极3的厚度大于第二振动电极4的厚度，与第一较佳实施例相似。

其次，相似于第一较佳实施例，测量如上所述地准备的压电谐振元件1的谐振频率。在第一较佳实施例中，形成压电谐振元件1以致使它的谐振频率高于目标频率。另一方面，在第三较佳实施例中，所测量到的频率可能高于或低于目标频率。

在第三较佳实施例中，在实际测量到的压电谐振元件1的谐振频率高于目标频率的情况下，进行相似于第一较佳实施例的电极处理。即，通过形成银薄膜8进行频率调节以致降低谐振频率，以致谐振频率到达目标频率，这是通过银薄膜8的质量附加作用而得到的。

另一方面，在本较佳实施例中，当实际测量到的压电谐振元件1的谐振频率低于目标频率时，以如此的方式进行电极处理致使降低相当厚的第一振动电极的厚度。与上述第二较佳实施例相似地进行电极处理，从而，增加压电谐振元件的谐振频率以达到用于频率调节的目标频率。

相应地，在第三较佳实施例中，不管实际测量到的压电谐振元件1的谐振频率是高于或低于目标频率，通过进行如在第一实施例中或第二实施例中所述的电极处理，正确和精确地控制压电谐振元件的谐振频率到达目标频率。

在第一到第三较佳实施例中，描述了使用厚度延伸振动模式的能量-陷阱型压电谐振器。本发明的调节压电谐振元件频率的方法可以使用另外的振动模式，诸如厚度滑动模式。此外，不但可以把本发明的调节压电谐振元件频率的方法应用于压电谐振元件，而且也可以应用于诸如压电滤波器或其它部件之类的另外的压电谐振元件。

根据本发明的各较佳实施例的能量-陷阱型压电谐振元件的频率调节方法，准备第一振动电极厚度大于第二振动电极厚度的压电谐振元件，并以如此的方式通过处理第一振动电极或第二振动电极来调节频率，致使第一和第二振动电极的厚度彼此接近，而且元件达到所要求的频率。在频率调节之后得到的第一和第二振动电极的厚度彼此极接近。因此，在把频率调节到目标频率的压电谐振元件中，有效地使频带中的纹波最小。相应地，提供具有优良电特征的压电谐振元件。

在电极处理步骤中最好在第二振动电极上形成金属制成的电极薄膜，从而增加第二振动电极的厚度。在这种情况下，可以进行频率调节以致降低谐振器的频率。

相反，当进行电极处理以降低第一振动电极的厚度时，进行频率调节以致增加谐振器的频率。

根据本发明的较佳实施例，最好测量所准备的压电谐振元件的谐振频率。以如此的方式进行电极处理致使当谐振频率高于所要求的频率时，增加第二振动电极的厚度，而当压电谐振元件的谐振频率低相应地，不管实际测量到的压电谐振元件的谐振频率是高于或低于目标频率，于所要求的频率时，降低第一振动电极的厚度。相应地，不管实际测量到的压电谐振元件的谐振频率是高于还是低于目标频率，都可以安全地把压电谐振元件的谐振频率调节到目标频率。

相应地，当准备压电谐振元件时，不需要设置压电谐振元件的谐振频率，以致频率高于或低于目标频率。因此，可以减少在准备压电谐振元件的步骤中的限制。此外，在增加第二振动电极厚度和减少第一振动电极厚度的两个步骤中可以分别使第一和第二振动电极的工作量减到最小。即，电极材料的价格大大地降低。当用压电陶瓷制成压电衬底时，电极厚度比在石英晶体制成的压电衬底上形成的电极厚度较厚。相应地，期望上述对于电极材料的价格-节省效果是较大的。

此外，当在电极处理步骤之前第一和第二振动电极之间的厚度差到达约0.3μm时，更有效地使频带中不需要的纹波最小，如在上述实验例子中所看到。即，可以安全地提供具有优良电特性的压电谐振器。

当提供带有第一和第二引出电极和第一和第二终端电极的压电谐振元件时，此外，当处理第一或第二引出电极以致第一和第二引出电极的厚度彼此接近时，可以把第一或第二引出电极和第一或第二振动电极在第一或第二振动电极的处理步骤中一起处理。相应地，与第一和第二振动电极之一的处理相比较，可以方便地得到用于获得频率调节的电极处理。

应该理解，上述描述只是本发明的较佳实施例的说明。熟悉本领域技术的人员可以设计各种不偏离本发明的变更和修改。

Claims

1.一种用于调节能陷型压电谐振元件频率的方法，其特征在于，包括下列步骤：

准备压电谐振元件，所述元件包括具有两个主表面的压电板；第一和第二振动电极，它们部分地形成在压电板的两个主表面上，并且彼此对置而使压电板安置在它们之间，第一振动电极的厚度大于第二振动电极的厚度；以及

对第一振动电极和第二振动电极中的至少一个电极进行处理，以致使第一和第二振动电极之间的厚度差减小，致使压电谐振元件具有所要求的频率。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，处理步骤包括在第二振动电极上形成金属制成的电极薄膜的步骤，以致增加第二振动电极的厚度。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，以如此的方式进行处理步骤，以致降低第一振动电极的厚度。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括下列步骤：在准备压电谐振元件的步骤之后，测量压电谐振器的谐振频率；并且以如此的方式进行下列步骤，当谐振频率高于所要求的频率时，增加第二振动电极的厚度，而当压电谐振元件的谐振频率低于所要求的频率时，降低第一振动电极的厚度。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在处理步骤之前的第一和第二振动电极的厚度差等于或小于0.3μm。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，压电谐振元件进一步包括连接到第一和第二振动电极的第一和第二引出电极，以及连接到第一和第二引出电极的第一和第二终端电极，所述第一和第二终端电极分别形成在压电板的两个主表面上，第一引出电极和第一振动电极具有相等的厚度，而第二引出电极和第二振动电极具有相等的厚度，在处理步骤之前或在处理步骤中，以如此的方式使第一和第二引出电极中的至少一个电极和第一和第二振动电极中的至少一个电极一起处理，以致第一和第二引出电极之间的厚度差减小。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过蒸汽沉积金属材料和喷涂金属材料中的至少一种来形成第一和第二振动电极。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用银制成第一振动电极，而且在处理步骤之前具有0.6μm的厚度。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用银制成第二振动电极，而且在处理步骤之前具有0.3μm的厚度。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在准备压电谐振元件的步骤中，通过首先在压电板的两个主表面中的上表面和下表面上形成银薄膜以致具有相等的厚度，此后，只在压电板的两个主表面中的下表面上再形成银薄膜，以增加第一振动电极的厚度。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在处理步骤中，在第二振动电极上形成银薄膜以致第二振动电极的厚度与第一振动电极的厚度之间的厚度差减小，致使第一和第二振动电极的厚度相同。

12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括在压电板的两个主表面中的上表面和下表面上安装外罩衬底的步骤。

13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在压电谐振元件板的厚度方向上进行压电谐振元件板的极化处理，以确定一个使用厚度延伸振动模式的能量一陷阱型压电谐振器。

14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，处理步骤包括通过除去第一振动电极的一部分而进行频率调节的步骤。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，通过激光器、离子束、喷涂和蚀刻中的至少一个来除去第一振动电极的一部分。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，除去第一振动电极的一部分以降低第一振动电极的厚度，以致第一振动电极和第二振动电极的厚度彼此相等。

17.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在处理步骤之后，第一和第二振动电极具有相同的厚度。