CN1257345A - 压电谐振器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种压电谐振器,它构成得以方形振动模式振动,并使由制造过程中引起的谐振频率的变化最小化。谐振器包括具有一对主表面的压电基片,设置在一对主表面上的电极以及设置在压电基片的主表面上的凹槽。凹槽将至少将一个电极分为多个分开的电极。多个分开的电极中的一个电极规定为输入/输出电极。越过输入/输出电极,相对而置的两个凹槽的外部边缘之间的最大距离是压电基片的一侧边缘的长度的大约0.5到大约0.55倍。
Description
本发明涉及一种压电谐振器及其制造方法，其中压电谐振器适合于以方形振动模式振动，用于振荡器、滤波器、鉴别器、梯形滤波器或其它设备中。
参照图14，示出了传统的压电谐振器51的结构。这种压电谐振器51适合于以方形振动模式振动。压电谐振器51包含压电基片52，它是方形的，并具有第一和第二主表面。将部分电极53设置在压电基片52的第一主表面的中心部分，并将整个表面电极54设置在第二主表面上，从而覆盖其整个表面。
压电谐振器51的特征在于其谐振频率。另外，压电谐振器51具有阻尼特性，从而如果将谐振器51用于梯形滤波器或其它类似的设备中时，谐振器51的特征在于其静电电容。因此，当制造这种压电谐振器51时，控制谐振频率或静电电容的值是必要的。通过调节部分电极53的面积调节静电电容。
但是，在传统的压电谐振器51中，必需在压电基片52的两个主表面上都设置导电胶，以确定电极。然后通过蚀刻印刷一个电极的图案，以确定部分电极53。但是，由于用于蚀刻处理的抗蚀油墨的渗出和污染，部分电极53的轮廓不齐。另外，由于抗蚀油墨的印刷图案的变形，使部分电极53变形。这些制造问题使压电谐振器51的电特性下降。另外，因为部分电极53是由将抗蚀油墨用作蚀刻掩模的蚀刻处理确定的，故蚀刻液体使压电基片52受到腐蚀。这可能使压电谐振器51的电特性下降。
克服上述问题的一种方法是制造如图15中所示的压电谐振器61。压电谐振器61是通过切割在压电基片62中的凹槽64来将电极分为用于输入-输出的部分电极63a和确定其它部分电极63b(其中不传送电信号的电极)制造而成的。
从而，通过制造图15所示的压电谐振器，克服了由蚀刻处理引起的上述问题。另外，在压电谐振器61中，确定了等于凹槽的中心线之间的距离的间距B，从而得到理想的静电电容和机械耦合系数。另外，确定压电谐振器61的一个边缘的长度L，从而得到理想的谐振频率。最后，为了防止在每一个压电谐振器中都会发生的谐振器特性的变化，将凹槽的宽度和深度设置在大致固定的值。
注意，当在压电谐振器61中确定凹槽64，以具有固定的深度时，首先将压电谐振器61设置在固定的板上。然后通过水平地移动诸如切割锯之类的精密切割设备来切割谐振器61，以确定凹槽64。参照图16，凹槽64的深度D等于压电谐振器61的总厚度T和剩下的厚度N之间的差。注意，深度D等于从固定板的表面到凹槽64中最低点的距离。
但是，压电谐振器61的显著的缺点是，制造困难并且复杂。尤其难以单次地检测压电谐振器61的表面的位置(压电基片62的厚度)，以确定压电谐振器61中的凹槽，尤其是在大量生产的环境下。注意，压电基片62的厚度的变化可以相对较大。
这个缺点在图17A、17B和17C中描述。如果压电谐振器61的厚度T1象图17A中那么小，则压电谐振器61的凹槽64的厚度D1变浅，或如果压电谐振器61的厚度T2象图17B中那么厚，则压电谐振器61的凹槽64的深度D2变深。还有，如图17C所示，当压电基片62具有曲面时，在切割成压电基片61中的凹槽64的厚度的变化较大。
因此，按照上述方法，在制造了压电谐振器后，需要谐振调谐的附加步骤。这导致制造难度、时间和成本的增加，并影响谐振器的谐振特性。
为了克服上述问题，本发明的较佳实施例提供了一种压电谐振器和制造压电谐振器的方法，其中大大减小了由制造工艺引起的谐振频率的变化，同时防止了谐振器制造工艺的成本和难度的增加。
根据本发明的较佳实施例，一种构成得以方形振动模式振动的谐振器包括具有第一和第二主表面的压电基片，设置在第一和第二主表面上的电极、设置在压电基片的第一主表面中的凹槽，从而其中一个凹槽将至少一个电极分离，以确定多个分开的电极，多个分开的电极中的一个电极规定为输入/输出电极，越过输入/输出电极相对而置的两个凹槽的外部边缘之间的最大距离是压电基片的一侧边缘的长度的大约0.5到大约0.55倍。
输入/输出电极最好大致上为圆形，并构成得使如上所述定义的最大距离大致上等于输入/输出电极的直径和凹槽宽度的两倍的和。
由此，发现越过输入/输出电极相对而置的两个凹槽的外部边缘之间的最大距离与压电基片的边缘的长度的比值、谐振频率、设置在压电谐振器中的凹槽的深度、以及凹槽的宽度之间的关系是这样的，即当越过输入/输出电极相对而置的两个凹槽的外部边缘之间的最大距离与压电基片的边缘的长度之间的比值在大约0.5到大约0.55的范围内，并且凹槽的宽度是常数时，谐振频率对凹槽的深度的依变性最小。
在本发明的另一个较佳实施例中，这种构成得以方形振动模式振动的压电谐振器的制造方法包括步骤：设置具有第一和第二主表面的压电母片，在压电母片的第一和第二主表面的大致整个区域内形成电极、通过在压电母片的第一和第二主表面中的一个主表面上形成多个凹槽，将至少一个电极分为多个分开的电极、其中多个分开的电极中的一个规定为输入/输出电极，并将压电母片分为单个的压电基片，这些基片构成压电谐振器，从而压电基片的侧面边缘是越过输入/输出电极，相对而置的两个凹槽的外部边缘之间的最大距离长度的大约0.5到大约0.55倍。
相应地，当在压电谐振器上形成凹槽时，通过将越过输入/输出电极，相对而置的两个凹槽的外部边缘之间的最大距离与压电基片的边缘的长度之间的比值设置在大约0.5到大约0.55的范围内，使谐振频率对凹槽深度的依变性最小化。由此，大致上消除了制造工艺中谐振频率的变化。由此使压电谐振器的谐振频率稳定，并明显地减小了在制造压电谐振器后调谐谐振频率的必要性。
这种方法能够同时制造多个上述的压电谐振器。即使压电基片的母片厚度并非完全均匀，仍可以同时制造多个上述具有相同谐振频率的压电谐振器。
下面将参照本发明的较佳实施例和附图，详细地描述本发明的元素和优点。
图1是根据本发明的较佳实施例的压电谐振器的透视图；
图2是示出当凹槽的宽度接近于0.1微米时，比值A/L和谐振频率之间的关系的曲线图；
图3是示出当凹槽的宽度接近于0.2微米时，比值A/L和谐振频率之间的关系的曲线图；
图4是示出当凹槽的宽度接近于0.3微米时，比值A/L和谐振频率之间的关系的曲线图；
图5是示出当凹槽的宽度接近于0.4微米时，比值A/L和谐振频率之间的关系的曲线图；
图6A-图6D示出图1中所示的，根据本发明的较佳实施例的谐振器的制造过程；
图7是本发明的另一个较佳实施例的压电谐振器的俯视图；
图8是根据本发明的较佳另一实施例的压电谐振器的透视图；
图9是根据本发明的另一个较佳实施例的俯视图；
图10A是根据本发明的较佳实施例的振荡器、滤波器或鉴别器的平面截面图；
图10B是根据本发明的较佳实施例的振荡器、滤波器或鉴别器的纵向截面图；
图11是示出图10A-10B中所示的，根据本发明的较佳实施例的振荡器、滤波器或鉴别器的等效电路的示图；
图12A是根据本发明的较佳实施例的梯形滤波器的平面截面图；
图12B是根据本发明的较佳实施例的梯形滤波器的纵向截面图；
图13是示出图12A-12B所示的根据本发明的较佳实施例的梯形滤波器的等效电路的示图；
图14是传统的压电谐振器的透视图；
图15是根据传统装置的压电谐振器的俯视图；
图16示出根据传统方法，切割压电基片上的凹槽的工艺；
图17A-17C示出了压电谐振器厚度与凹槽深度之间的关系。
图1是根据本发明的较佳实施例，构成得以方形振动模式振动的压电谐振器的透视图。在压电谐振器1中，最好将电极设置在压电基片2的第一和第二主表面的大致上整个区域上。压电基片2最好由经极化的压电陶瓷材料制成。
在压电基片2的一个主表面上，最好将电极3a和3b分成由压电基片2上的多个直线凹槽5所确定的部分。作为多个分开的电极中的一个电极的电极3a最好规定为输入/输出电极。还有，比值A/L最好在大约0.5到大约0.55的范围内，其中A是越过电极3a，相对而置的凹槽的两个外部边缘之间的距离，而L是压电基片的一个边缘的长度。换句话说，在较佳实施例中，最好满足关系0.5(L)(A)＝W+2S(0.55)(L)，其中W是输入/输出电极3a的宽度，而S是凹槽5的宽度。
注意，电极3a和3b相互电气绝缘。电极3a规定为如上所述的输入/输出电极，并且最好位于压电谐振器1的大致中心部分。将多个电极3b放置在压电谐振器1的附近，并规定无线相连，从而电极3b不用作压电谐振器1的电极。
在压电基片2的第二主表面上，最好连续而均匀地将电极4设置在基片2的大致上整个区域上。电极4确定了整个的表面电极，用于压电谐振器中的信号输入-输出。
在压电谐振器1中，由于凹槽5的宽度是通过使用诸如切割锯或其它切割机器之类的精密切割设备所确定，故凹槽5的宽度由用于切割处理中的条锯的厚度决定。相应地，凹槽厚度中的变化较小，从而谐振频率中凹槽的厚度的影响较小。
但是，凹槽5的深度“D”经受如上所述较大的变化。结果，由凹槽深度D的变化引起的对谐振频率的影响是可观的。为了克服这个问题，在本发明的较佳实施例中，比值A/L最好在大于0.5到大于0.55范围内。通过将比值A/L设置在上述范围内，即使凹槽5的深度由于压电基片2的厚度的变化而上下变动，也可以使压电谐振器1的频率的变化最小化，并且使压电谐振器1的特性稳定。
图2到5是示出解释上述比值A/L的影响的实验数据的曲线图。这些示图指出，对于各种凹槽宽度S和凹槽深度D的值，压电谐振器1的谐振频率随比值A/L的变化。图2是示出当凹槽5的宽度S为大约0.1微米，凹槽深度D分别为大约10微米、大约50微米和大约90微米时，比值A/L和谐振频率之间的关系的曲线图。图3、4和5是当将凹槽5的宽度S分别设置在大约0.2微米、大约0.3微米和大约0.4微米时类似的曲线。
参照图2，当凹槽5的宽度S大约0.1微米时，谐振频率特性对深度D分别为大约10微米、大约50微米、和大约90微米的曲线，会聚在比值A/L为大约53％到大约54％的范围内。
从图3看出，当凹槽5的宽度S是0.2微米时，谐振频率特性对深度D分别为大约10微米、大约50微米、和大约90微米的曲线，会聚在比值A/L为大约51％到大约53％的范围内。
从图4看出，当凹槽5的宽度S是大约0.3微米时，谐振频率特性对深度D分别为大约10微米、大约50微米、和大约90微米的曲线，会聚在比值A/L为大约52％到大约53％的范围内。
从图5看出，当凹槽5的宽度是大约0.4微米时，谐振频率特性对深度D分别为大约10微米、大约50微米、和大约90微米的曲线，会聚在比值A/L所落入的范围大约55％的范围内。
相应地，只要凹槽的宽度S基本上相同，则谐振频率的特性曲线会聚在比值A/L为大约0.5到大约0.55范围内。
因此，如果如图1所示的压电谐振器1构成得使比值A/L在大约0.5或更大与大约0.55或更小的范围内，则即使在制造工艺中由于压电基片厚度的变化而引起凹槽5的深度上下变动，也可以使压电谐振器1的频率的变化最小化，并使压电谐振器1的特性稳定。
参照图6A-6D，将解释如图1所示的本发明的较佳实施例的制造过程。
首先，参照6A和6B，将诸如银膏之类的导电胶设置在最好由压电材料制成的压电母片6的一对主表面的大致上整个区域上，并进行烘焙，以形成电极7和8。
参照图6C，通过电极7和8，在压电母片6的两个主表面之间施加DC电压，极化压电母片6。
参照图6D，最好将压电母片6切割成多个各别的压电谐振器1，同时通过使用诸如切割锯之类的精密的切割设备，在每一个压电谐振器1上形成具有预定的宽度S和深度D的凹槽。在整个过程中，最好将比值A/L设置在大约0.5到大约0.55的范围内。
在本发明的另一个较佳实施例中，可以分开地执行将压电母片6切割为多个压电谐振器1的步骤和在每一个压电谐振器1中确定凹槽5的步骤。
因为本发明的较佳实施例的压电谐振器1可以按照上述方法制造，大大简化了制造过程，从而和确定电极的传统方法相比，大大减小了生产时间和成本。另外，由于并不将蚀刻处理用于确定电极，故全部消除了会使压电谐振器1的电气特性下降的因素，诸如由抗蚀油墨的印刷图案引起变形效果引起的电极的变形、抗蚀油墨的渗漏和模糊导致电极的扩散、以及由蚀刻液体导致压电基片2的腐蚀。由此，大大改进了压电谐振器1的电特性。
另外，由于将压电母片6切割为多个独立的压电谐振器1的步骤和在每一个压电谐振器1上确定凹槽5的步骤被结合为一个步骤(图6D)，大大简化了制造过程。由此，不产生凹槽5对于压电谐振器1的位置的空隙，因此大大减小了压电谐振器1的谐振频率中的变化。
在具有如图1所示的结构的压电谐振器1中，较好地，电极3a的形状大致上是方形的。但是，凹槽5的方向不必平行于压电基片2的每一个边缘。如图7所示，在压电谐振器1的大致的中心部分的大致方形的电极3a可以由凹槽5确定，所述凹槽5是相对压电基片2的每一边沿倾斜的。如果电极的面积大致上相等，则不论凹槽如何偏转，将得到相等的静电电容。在这个较佳实施例中，如图7所示定义距离A和长度L，其中距离A是越过输入/输出电极3a而相对的两个凹槽5的外部边缘之间的距离，长度L是压电基片2的一个侧面边缘的长度。
注意，用于在构成得以方形振动模式振动的压电谐振器1中输入/输出信号的电极3a可以是任何形状。为了得到理想的电特性而不带来变形，电极3a最好大致上为具有多个角的正多边形，或电极3a可以大致上为圆形。但是，为了提供更为容易和简单的制造过程，电极最好是具有少量角的正多边形。
为了使制造过程更为简单，凹槽5最好是大致上线形的。另外，在本发明的另一个较佳实施例中，如图8所示，在压电基片2上只有设置得大致上相互平行的两个凹槽5。在这个较佳实施例中，距离A和长度L如图8中所示那样被定义。
相应地，在另一个较佳实施例中，凹槽5不必从压电基片2的一端延伸到另一端。如图9所示，只要将电极3a和3b分开，并使它们电气绝缘，则可以部分地形成凹槽5。在这个例子中，如图9中所示定义距离A和长度L。
另外，如果在较佳实施例中，规定输入/输出电极的电极大致上为圆形，则上述距离A是输入/输出电极的直径和凹槽宽度的两倍的和。
在较佳实施例中，上述凹槽只分离在压电基片的主表面上的电极。但是，可以限定凹槽在压电基片的两个主表面上，从而分离两个主表面上的电极。
图10A和10B分别是示出使用本发明的较佳实施例的压电谐振器的振荡器、滤波器或鉴别器的结构的平面截面图和纵向截面图。图11是上述振荡器、滤波器或鉴别器的等效电路示图。压电谐振器23具有用作振荡器、滤波器或鉴别器所必需的电特性。在最好是由绝缘材料制成的基底21中，终端22和24取出通过它们之间的缝隙的压电谐振器23的电特性。罩子26覆盖基底21的上部、终端22、压电谐振器23和终端24。压电谐振器23和终端22和24通过设置在终端24和罩子26的内部之间的弹性材料压缩在一起，并相互电气连接。在基底21下面，密封胶27填充了罩子26的下面的孔。
图12A和12B分别是使用根据本发明的较佳实施例的压电谐振器的梯形滤波器的结构的平面截面图和纵向截面图。在最好是由绝缘材料制成的基底31中，输入端32、接地端36和输出端38延伸通过那里的缝隙。罩子41覆盖接地31的上部、输入端32、第一压电谐振器33、大致上U形的终端34的电极34a、第二压电谐振器35、接地端36、第四压电谐振器37、输出端38、第三压电谐振器39和大致上U形电的终端34的电极34b。通过设置在大致上U形的终端34的电极34b和罩子41内部之间的弹性材料40，将每一个谐振器33、35、37和39以及每一个终端32、36和38压缩在一起，并相互电气连接。在基底31下面，密封胶42填充了罩子41的下面的孔。
图13是所述梯形滤波器的等效电路的示图。第一和第三压电谐振器33和39具有串联谐振器的电特性。第二和第四压电谐振器35和37具有并联谐振器的电特性。输入端32电气连接到第一压电谐振器33，输入信号传播到第一压电谐振器33。大致上U形的终端34电气连接到第一压电谐振器33、第二压电谐振器35和第三压电谐振器39，从第一压电谐振器33输出的电信号传播到第二压电谐振器35和第三压电谐振器39。接地电极36电气连接到第二压电谐振器35和第四压电谐振器37，从第二压电谐振器35和第四压电谐振器37输出的电信号传送到地。将输出终端38电气连接到第三压电谐振器39和第四压电谐振器37，将从第三压电谐振器39和第四压电谐振器37输出的电信号作为输出信号传送，另外，电信号还传送到另一个压电谐振器37。
虽然已经参照本发明的较佳实施例，示出和描述了本发明，但是，熟悉本领域的人应该知道，在不背离本发明的主旨的条件下，可以有形式和细节上的上述和其它的变化。
Claims (20)
1.一种压电谐振器，其特征在于包含：
具有一对主表面的压电基片；
设置在一对主表面上的多个电极；
设置在压电基片的一对主表面中的一个主表面上的多个凹槽，至少一个凹槽将至少一个电极分开，以确定多个分开的电极，多个分开的电极中的一个电极确定为输入/输出电极；以及
越过输入/输出电极的相对而置的两个凹槽的外部边缘之间的最大距离是压电基片的一侧边缘的长度的大约0.5到大约0.55倍。
2.如权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于谐振器构成得以方形振动模式振动。
3.如权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于多个凹槽大致上是线形的。
4.如权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于多个凹槽大致上平行于压电基片的边缘。
5.如权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于多个凹槽相对于压电基片的侧面边缘表面倾斜。
6.如权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于较好地满足关系0.5(L)(A)＝W+2S(0.55)(L)，其中W是输入/输出电极的宽度，S是多个凹槽之一的宽度。
7.如权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于一组多个电极设置在压电谐振器的周围，并规定了不相连的电线，从而所述这些电极不用作压电谐振器的电极。
8.如权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于将多个电极之一设置在压电基片一对主表面的另一个主表面大致整个区域上，确定整个表面的电极。
9.如权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于多个电极中确定输入/输出电极的一个电极大致上是方形的。
10.如权利要求9所述的压电谐振器，其特征在于多个电极中确定输入/输出电极的一个电极位于压电基片的大致中心部分。
11.如权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于多个电极中确定输入/输出电极的一个电极大致上是正多边形。
12.如权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于多个电极中确定输入/输出电极的一个电极大致上是圆形的。
13.如权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于多个凹槽从压电基片的第一纵向端延伸到第二纵向端。
14.一种制造压电谐振器的方法，其特征在于包含步骤：
提供具有一对主表面的压电母片；
在压电母片的一对主表面上形成电极；
通过在压电母片的一对主表面中的一个主表面上形成多个凹槽，分开至少一个电极，形成多个分开的电极，多个分开的电极中的一个电极确定为输入/输出电极；及
分割压电母片，以形成构成独立的压电谐振器的独立的压电基片，从而压电基片的一侧边缘为越过输入/输出电极相对而置的两个凹槽的外部边缘之间的最大距离的大约0.50到大约0.55倍。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于形成电极的步骤包括在压电母片的一对主表面的大致整个区域上形成和烘焙导电胶的步骤。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于还包含一个步骤：通过电极，在压电母片的一对主表面之间施加DC电压，极化压电母片。
17.如权利要求14所述的方法，其特征在于如图6D所示，通过在压电母片的一对主表面中的一个主表面上形成多个凹槽来分离至少一个电极，以形成多个电极的步骤，以及分离压电母片，以形成独立的压电基片的步骤同时进行。
18.如权利要求14所述的方法，其特征在于谐振器形成得以方形振动模式振动。
19.如权利要求14所述的方法，其特征在于基本满足0.5(L)(A)＝W+2S(0.55)(L)的关系，其中W是输入/输出电极的宽度，S是多个凹槽中的一个凹槽的宽度。
20.如权利要求14所述的方法，其特征在于一组多个电极位于压电谐振器的周围，并确定了不连接的线，从而这些电极不用作压电谐振器的电极。
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