CN203466786U - 一种利于微型化的石英谐振元件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种利于微型化的石英谐振元件，包括基部和两谐振梁，谐振梁的正面和背面中至少有一个面上设有凹槽，凹槽由两侧平行的深凹槽和位于两个深凹槽之间且与两个深凹槽连为一体的浅凹槽构成。在凹槽的内壁以及谐振梁的两侧壁上分别覆盖有电极，两根谐振梁通过与激励电源不同极性的连接使之振动方向相反。本石英谐振元件通过设置深凹槽，增加凹槽的侧壁陡直度，激励电极对之间的作用距离更短，谐振梁内的场强增大，电极的激励效率提高，适于谐振器微型化制作。此外，设置深凹槽后，单个谐振梁左右两端的对称性得到有效提升，左右两个谐振梁为反向振动，谐振元件谐振的稳定性增强。

Description

一种利于微型化的石英谐振元件

技术领域

本实用新型涉及谐振器技术领域，尤其是一种应用于微型谐振器上的石英谐振元件。

背景技术

微型谐振器作为一种输出固定频率的器件，在多个领域得到了广泛的应用。谐振元件是谐振器的核心元件，其尺寸大小及性能将直接决定谐振器的尺寸及性能。石英晶体品质因数高、温度稳定性好、可采用微加工工艺加工，常作为高稳定性谐振元件的基体材料。随着石英谐振元件体积的不断减小，其谐振时的动态阻抗值也随之增加，稳定性下降，功耗增大。

为降低石英谐振元件的动态阻抗值，提高谐振效率，美国专利《Resonator element and oscillator》（US20100219898A1）公开了一种“H”形截面谐振梁结构的音叉式石英谐振元件，通过在谐振梁内部设置凹槽，提高了谐振梁内部的激励电场强度和电极激励效率，使得元件的尺寸得到了进一步的缩小。但由于石英晶体存在各向异性，凹槽+X方向的侧壁陡直性和单个谐振梁的左右两端的对称性较差，电场强度的提升幅度有限，谐振元件的谐振稳定性不高。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本实用新型的目的是提供一种提高侧壁陡直度和对称性、激振效率高、谐振稳定性好、更易于微型化的石英谐振元件。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种利于微型化的石英谐振元件，包括基部和具有相同结构且工作于宽度弯曲谐振模态的两平行的谐振梁，两谐振梁的一端与基部连接。所述谐振梁的正面和背面中至少有一个面上设有沿长度方向的凹槽，该凹槽的开口方向与谐振梁的振动方向垂直；所述凹槽由两侧平行的深凹槽和位于两个深凹槽之间且与两个深凹槽连为一体的浅凹槽构成；在凹槽的内壁以及谐振梁的两侧壁上分别覆盖有用于连接激励电源的电极，两根谐振梁通过与激励电源不同极性的连接使之振动方向相反；其中深凹槽底面及两侧壁覆盖电极，浅凹槽只在底面左右两端覆盖彼此断开的电极，深凹槽上的电极与浅凹槽底面对应端上的电极连为一体。

所述谐振梁另一端在正面或背面某一面设置有用于频率调节的金属质量块，金属质量块所在的谐振梁该面设置有所述凹槽。

所述谐振梁与基部连接的左右两侧根部设置有倒角以与基部平滑连接。

所述谐振梁正面和背面均设置有所述凹槽且正面和背面对称设置。本实用新型谐振梁上的凹槽既可以正面和背面均设置，也可以单面设置，谐振梁较薄时单面设置即可，避免刻蚀穿透。

本实用新型在谐振梁的前后两个面中至少一个面上制作凹槽，谐振梁的侧壁和凹槽的内壁分别覆盖电极，在电极上施加电压，使得两根谐振梁内部产生电场方向相反的激励电场，由逆压电效应激励两根谐振梁产生反向弯曲振动。

与现有“H”形截面的谐振梁结构不同，本石英谐振元件的谐振梁表面制作的凹槽由一对深凹槽及与两个与深凹槽连为一体的浅凹槽构成，通过设置深凹槽，增加凹槽的侧壁陡直度，激励电极对之间的作用距离更短，谐振梁内的场强增大，电极的激励效率提高，即使减小元件的尺寸，谐振梁的激励振幅下降也较小，更适于谐振器微型化制作。

此外，设置深凹槽后，单个谐振梁左右两端的对称性得到有效提升，左右两个谐振梁为反向振动，谐振元件谐振的稳定性增强。

本元件可采用光刻和化学溶液腐蚀的制作方法在一块基片上同时制作多个，各石英谐振元件一致性好，制作工艺简单，成本低，适于大批量生产。

附图说明

图1a是本实用新型实施例1石英谐振元件的结构示意图，图1b是其A-A理想剖视图，图1c是考虑晶体各向异性的A-A实际剖视图；

图2a是本实用新型实施例2石英谐振元件的结构示意图，图2b是其A-A理想剖视图。

其中：1-石英谐振元件；2-基部；3-谐振梁；4a-深凹槽；4b-浅凹槽；5a-第一电极；5b-第二电极；6-倒角；7-质量块。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。

实施例1：

如图1a和图1b所示，本实用新型的石英谐振元件1，包括用于安装固定的基部2和两根谐振梁3，两根谐振梁3沿Y方向平行对称设置且工作于宽度弯曲谐振模态。两谐振梁3一端与该基部2连接，所述谐振梁与基部连接的左右两侧根部设置有倒角6以与基部平滑连接，以提高石英谐振元件1的可靠性。所述谐振梁3的前后两个面分别设置有对称的凹槽，该凹槽的开口方向与谐振梁的振动方向垂直。所述凹槽由两侧平行的深凹槽4a和位于两个深凹槽4a之间且与两个深凹槽连为一体的浅凹槽4b构成。在凹槽的内壁以及谐振梁的两侧壁上分别覆盖有用于连接激励电源的电极，两根谐振梁通过与激励电源不同极性的连接使之振动方向相反。电极具体设置如下：其中深凹槽底面及两侧壁覆盖电极，浅凹槽只在底面左右两端覆盖彼此断开的电极，深凹槽上的电极与浅凹槽底面对应端上的电极连为一体。

所述谐振梁3另一端在正面或背面某一面（即单面）设置有用于调节石英谐振元件1谐振频率的金属质量块7，金属质量块7突出于谐振梁3表面，金属质量块所在的谐振梁该面设置有所述凹槽且金属质量块不能覆盖凹槽。由于实施例1正面和背面均设置有凹槽，所以金属质量块在其中一面设置即可。

从图1b上的电场分布可以看出，谐振梁3设置的连接激励电源的一对电极：第一电极5a和第二电极5b，该两个电极之间施加一定的电压并在谐振梁3内部产生激励电场，由逆压电效应激励谐振梁3产生宽度弯曲振动。如图1b所示，左、右两侧的谐振梁3的第一电极5a和第二电极5b电动势相反，因此谐振梁内电场方向相反，两根谐振梁3振动方向相反。谐振梁3通过设置凹槽使两个电极之间的作用距离缩短，在一定电压下，谐振梁内的电场强度更大。

如图1c所示，由于石英晶体各向异性的特点，经刻蚀后的凹槽截面为非理想矩形，侧壁为与Z方向呈一定夹角的多个晶面连接而成，这就导致谐振梁3左右两端的电场强度变弱。深凹槽4a可通过刻蚀谐振梁3时进行初步刻蚀，再通过刻蚀浅凹槽4b时刻蚀得到所需的刻蚀深度，深凹槽4a的刻蚀时间较长，侧壁陡直性更好。与现有的“H”形截面的谐振梁相比，本石英谐振元件的谐振梁3通过在两端分别设置深凹槽4a，增加了其左右两侧壁的陡直度，电极的激励效率更高，即使减小元件的尺寸，谐振梁的激励振幅下降也较小，更适于传感器的微型化制作。此外，设置深凹槽4a后，单个谐振梁3左右两端的对称性得到有效提升，石英谐振元件1的左右两个谐振梁3为反向振动，谐振元件谐振的稳定性增强。

谐振梁3谐振过程中，处于压缩状态下的一端温度升高，处于拉伸状态下的一端温度降低，左右两端存在温度差，温度高的一端的热量流向温度低的一端，热量的平衡流动耗散部分振动能量，导致谐振稳定性下降。在图1c中，在上述深凹槽内填充有与浅凹槽底面左右两端的电极一体连接的电极，电极未全部覆盖浅凹槽底面，金属电极的热导率明显高于石英晶体，浅凹槽上表面电极面积的减少降低了谐振梁谐振过程中热量流动速率，增加了谐振的稳定性。

与“H”形截面的谐振梁相比，在同等激励电压条件下，制作有深凹槽结构的谐振梁3的有效激励电场强度明显增强，谐振梁3的振荡强度增大，动态阻抗值降低，有利于谐振元件结构的进一步微型化。

实施例2：

如图2a和图2b所示，该实施例的石英谐振元件与实施例1的石英谐振元件结构类似，不同的是谐振梁3只在前后面中一个面设置凹槽。为突出表面凹槽的形状，图2a并没有示出电极。

对于厚度较薄的谐振梁，双面同时制作凹槽时，深凹槽4a处易刻蚀穿，降低了谐振梁3的动态强度，同时谐振梁3谐振时的动态阻抗会增大，降低石英谐振元件的稳定性。本实施例中的单面制作凹槽的谐振梁3结构，更适合于微型化且基于厚度较薄基片的石英谐振元件1的制作。由于凹槽单面设置，因此金属质量块只能在该面设置。

本产品可以采用光刻和化学溶液腐蚀的方法在同一块基片上同时制作多个石英谐振元件，制作工艺简单，成本低，各产品一致性好，适于大批量生产。

本实用新型的上述实施例仅仅是为说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本实用新型的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之列。

Claims (4)

1.一种利于微型化的石英谐振元件，包括基部（2）和具有相同结构且工作于宽度弯曲谐振模态的两平行的谐振梁（3），两谐振梁（3）的一端与基部连接，其特征在于：所述谐振梁（3）的正面和背面中至少有一个面上设有沿长度方向的凹槽，该凹槽的开口方向与谐振梁（3）的振动方向垂直；所述凹槽由两侧平行的深凹槽（4a）和位于两个深凹槽（4a）之间且与两个深凹槽连为一体的浅凹槽（4b）构成；在凹槽的内壁以及谐振梁（3）的两侧壁分别覆盖有用于连接激励电源的电极，两根谐振梁（3）通过与激励电源不同极性的连接使之振动方向相反，其中深凹槽底面及两侧壁覆盖电极，浅凹槽只在底面左右两端覆盖彼此断开的电极，深凹槽上的电极与浅凹槽底面对应端上的电极连为一体。

2.根据权利要求1所述的石英谐振元件，其特征在于：所述谐振梁（3）另一端在正面或背面某一面设置有用于频率调节的金属质量块（7），金属质量块所在的谐振梁该面设置有所述凹槽。

3.根据权利要求1或2所述的石英谐振元件，其特征在于：所述谐振梁（3）与基部（2）连接的左右两侧根部设置有倒角（6）以与基部平滑连接。

4.根据权利要求3所述的石英谐振元件，其特征在于：所述谐振梁（3）正面和背面均设置有所述凹槽且正面和背面对称设置。

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