DE112006000272B4

DE112006000272B4 - Piezoelektrischer Resonator und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE112006000272B4
Application number: DE112006000272.4T
Authority: DE
Inventors: Masakazu Yoshio; Koichi Yamasaki
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2005-02-01
Filing date: 2006-01-25
Publication date: 2017-02-02
Anticipated expiration: 2026-01-26
Also published as: CN101111995B; WO2006082736A1; JP3933195B2; DE112006000272T5; US20080048527A1; JPWO2006082736A1; US7888849B2; CN101111995A

Abstract

Piezoelektrischer Resonator mit an zwei Hauptflächen eines piezoelektrischen Substrats (1, 1a) angeordneten schwingenden Elektroden (4, 5), wobei der piezoelektrische Resonator zwischen den beiden schwingenden Elektroden (4, 5) eingeschlossene Schwingungen erzeugt, wobei das piezoelektrische Substrat (1, 1a) eine konstante Dicke aufweist und eine Frequenzkonstante desselben eine Steigung in einer Oberflächenrichtung aufweist und wobei die auf mindestens einer der Hauptflächen des piezoelektrischen Substrats (1, 1a) angeordnete schwingende Elektrode (4, 5) mit einer ansteigenden Dicke ausgebildet ist, so dass die Dicke bei Anstieg der Frequenzkonstante des piezoelektrischen Substrats (1, 1a) allmählich zunimmt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Resonator, der einander zugewandte, auf zwei Hauptflächen eines piezoelektrischen Substrats ausgebildete schwingende Elektroden aufweist und der zum Erzeugen von zwischen den beiden schwingenden Elektroden eingeschlossenen Schwingungen dient, sowie ein Verfahren zum Erzeugen desselben.
Stand der Technik
Im Allgemeinen umfasst die Herstellung von piezoelektrischen Resonatoren das Wärmebehandeln, Formen und die Polarisierung eines piezoelektrischen Substrats 1, das als Muttersubstrat (Einheit) dient, wie es in 11 gezeigt wird. Eine Elektrode 2 mit einer konstanten Dicke wird durch Sputtern oder Dampfabscheidung auf den gesamten Vorder- und Rückhauptflächen des piezoelektrischen Substrats 1 ausgebildet, und mehrere schwingende Elektroden werden dann durch Ätzen oder dergleichen ausgebildet. Das piezoelektrische Substrat 1 wird entsprechend den schwingenden Elektroden geschnitten, wodurch die einzelnen piezoelektrischen Resonatoren gefertigt werden.
12 zeigt die Verteilung von Frequenzkonstanten nach der Polarisierung des als Muttersubstrat dienenden piezoelektrischen Substrats 1. In 12 beträgt die Frequenzkonstante (MHz·μm) F × t (F: Resonanzfrequenz MHz des piezoelektrischen Substrats und t: Dicke μm des piezoelektrischen Substrats). Wie in 12 gezeigt wird, sind die Frequenzkonstanten um die Mitte des piezoelektrischen Substrats 1 im Wesentlichen gleich. Die Frequenzkonstanten entlang des Rands des piezoelektrischen Substrats 1 sind jedoch höher als die um die Mitte. Ferner geht aus der Verteilung hervor, dass die Frequenzkonstanten eine Steigung aufweisen, die hin zum Außenumfang allmählich zunimmt. Somit unterscheiden sich die Resonanzfrequenzen innerhalb eines piezoelektrischen Substrats 1 stark, was bei den einzelnen piezoelektrischen Resonatoren, die aus dem piezoelektrischen Substrat 1 erhalten werden, Veränderungen der Eigenschaft verursacht.
Wenn zum Beispiel ein piezoelektrischer Resonator mit schwingenden Elektroden 2a und 2b mit einer konstanten Dicke, der in 13(a) gezeigt wird, durch dessen Herausschneiden aus einem Randteil des piezoelektrischen Substrats 1, wo die Steigung der Frequenzkonstante groß ist (Teil A in 11), gefertigt wird, ändert sich die Frequenzkonstante in einer Oberflächenrichtung eines piezoelektrischen Substrats 1a, das als Tochtersubstrat dient, wie in 13(b) gezeigt wird. Wenn zwischen den an den Vorder- und Rückflächen des piezoelektrischen Substrats 1a angeordneten schwingenden Elektroden 2a und 2b Schwingungen erzeugt werden, werden, wie in 14 gezeigt, unnötige Bandschwingungen R in der asymmetrischen Mode erzeugt, und die erwünschten Resonanzeigenschaften können nicht verwirklicht wenden. Daher müssen aus dem Randbereich des in 11 gezeigten piezoelektrischen Substrats 1 herausgeschnittene piezoelektrische Resonatoren verworfen werden, was zu einer Abnahme der Nutzungsrate (Ausbeute) des Substrats führt.
Patentschrift 1 offenbart ein piezoelektrisches Bauelement mit einem piezoelektrischen Resonator, der ein ebenes piezoelektrisches Substrat und ein Paar auf einem Paar Vorder- und Rückhauptflächen des piezoelektrischen Substrats ausgebildete Erregerelektroden, eine auf der Hauptfläche ausgebildete erste Harzschicht zum Abdecken der Erregerelektrode und ein so ausgebildete zweite Harzschicht, dass sie die erste Harzschicht umgibt, umfasst, wodurch die Resonanzfrequenz präzis eingestellt und das piezoelektrische Resonanzbauelement mit stabilen Eigenschaften erhalten wird.
In Patentschrift 1 sind jedoch nur die die Erregerelektrode abdeckende erste Harzschicht und die die erste Harzschicht umgebende zweite Harzschicht ausgebildet. Wenn sich in dem piezoelektrischen Substrat eine Frequenzkonstante ändert, können die erste Harzschicht und die zweite Harzschicht nicht die Frequenzänderung mindern oder aufgrund der Steigung der Frequenzkonstante erzeugte unnötige Schwingungen unterbinden.
Patentschrift 2 offenbart ein Verfahren zum Einstellen der Frequenz eines piezoelektrischen Resonators, der durch Ausbilden erster und zweiter schwingender Elektroden an Vorder- und Rückhauptflächen eines piezoelektrischen Substrats hergestellt wird, wobei die Dicke der ersten schwingenden Elektrode großer als die Dicke der zweiten schwingenden Elektrode ist. Das Verfahren umfasst das Dünnerauslegen der ersten schwingenden Elektrode oder das Dickerauslegen der zweiten schwingenden Elektrode, so dass die Dicken der ersten und zweiten schwingenden Elektroden sich annähernm, wodurch eine Sollfrequenz erreicht wird.
Dies kann die Erzeugung von Welligkeiten im Band unterbinden, während die Frequenz auf einen Sollwert eingestellt wird.
In Patentschrift 2 wird jede der ersten und zweiten schwingenden Elektroden so bearbeitet, dass sie in einem ganzen Bereich eine ähnliche Dicke aufweist. Wenn sich eine Frequenzkonstante in dem piezoelektrischen Substrat ändert, kann keine präzise Resonanzfrequenz erreicht werden. Durch die Steigung der Frequenzkonstante des piezoelektrischen Substrats erzeugte unnötige Schwingungen können nicht unterbunden werden.
5 von Patentschrift 3 offenbart einen piezoelektrischen Resonator mit einem keilförmigen piezoelektrischen Substrat, dessen Dicke sich mit einer konstanten Steigung ändert, und mit einem Paar einander zugewandter Antriebselektroden, die auf zwei schrägen Hauptflächen des piezoelektrischen Substrats vorgesehen sind, wobei die Dicke der Antriebselektroden hin zum dünnsten Teil des piezoelektrischen Substrats allmählich zunimmt. In diesem Fall wird die Dicke der Antriebselektroden geändert, um das Zulaufen (schräge Flächen) des piezoelektrischen Substrats auszugleichen. D. h. die Dicke der Antriebselektroden nimmt hin zum dünnsten Teil des piezoelektrischen Substrats allmählich zu, so dass die Gesamtdicke des piezoelektrischen Substrats und der Antriebselektroden in der Längsrichtung gleich ist. Diese Auslegung verhindert, dass Wirkungen wie zum Beispiel durch die zulaufende Form induzierte Welligkeiten in den Impedanzeigenschaften auftreten.
Selbst wenn das piezoelektrische Substrat eine konstante Dicke aufweist, wird jedoch die Steigung der Frequenzkonstante des piezoelektrischen Substrats erzeugt. Bei dem in Patentschrift 3 beschriebenen Verfahren, bei dem die Dicke des piezoelektrischen Substrats bei einer konstanten Steigung geändert wird, während die Dicke der Elektroden eine Steigung in der Gegenrichtung aufweist, können sich aus der Steigung der Frequenzkonstante ergebende unnötige Schwingungen nicht wirksam unterbunden werden.

Patentschrift 1: ungeprüfte japanische Patentanmeldungsschrift Nr. 11-41051
Patentschrift 2: ungeprüfte japanische Patentanmeldungsschrift Nr. 2001-196883
Patentschrift 3: ungeprüfte japanische Patentanmeldungsschrift Nr. 2003-46364

Offenlegung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösende Probleme
Demgemäß besteht eine Aufgabe der bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungen darin, folgendes an die Hand zu geben: einen piezoelektrischen Resonator zum Erreichen einer präzisen Resonanzfrequenz durch Reduzieren von Frequenzänderungen, die durch Unterschiede der Frequenzkonstante bei einem piezoelektrischen Substrat verursacht werden, dessen Dicke konstant ist und dessen Frequenzkonstante eine Steigung aufweist, wobei durch die Steigung der Frequenzkonstante des piezoelektrischen Substrats erzeugte unnötige Schwingungen unterbunden und die stabile Resonanzfrequenz erreicht werden, sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben.
Mittel zum Lösen der Probleme
Um die oben erwähnte Aufgabe zu verwirklichen, gibt eine erste bevorzugte erfindungsgemäße Ausführung einen piezoelektrischen Resonator mit an zwei Hauptflächen eines piezoelektrischen Substrats angeordneten schwingenden Elektroden an die Hand, wobei der piezoelektrische Resonator zwischen den beiden schwingenden Elektroden eingeschlossene Schwingungen erzeugt. Das piezoelektrische Substrat hat eine konstante Dicke, und eine Frequenzkonstante desselben weist in einer Oberflächenrichtung eine Steigung auf. Die an mindestens einer der Hauptflächen des piezoelektrischen Substrats angeordnete schwingende Elektrode ist so ausgebildet, dass sie eine solche ansteigende Dicke aufweist, dass die Dicke bei Anstieg der Frequenzkonstante des piezoelektrischen Substrats allmählich zunimmt.
Eine zweite bevorzugte erfindungsgemäße Ausführung gibt ein einen piezoelektrischen Resonator herstellendes Verfahren an die Hand, das folgende Schritte umfasst: Herstellen eines als polarisiertes Muttersubstrat dienenden piezoelektrischen Substrats, wobei das piezoelektrische Substrat eine konstante Dicke aufweist, wobei eine Frequenzkonstante desselben im praktischen Gebrauch an der Mitte desselben konstant oder nahezu konstant ist und am Rand desselben hin zum Außenumfang allmählich zunimmt; Ausbilden von Elektroden auf der Gesamtheit der beiden Hauptflächen des als Muttersubstrat dienenden piezoelektrischen Substrats, so dass sie eine solche ansteigende Dicke aufweisen, dass die Dicke der auf mindestens einer der Hauptflächen des piezoelektrischen Substrats angeordneten Elektrode an der Mitte derselben konstant ist und im Rand derselben hin zum Außenumfang allmählich zunimmt, wenn eine Frequenzkonstante des piezoelektrischen Substrats zunimmt; Ätzen der Elektroden, um einander zugewandte einzelne schwingende Elektroden zu bilden; und Schneiden des als Muttersubstrat dienenden piezoelektrischen Substrats in einzelne Stücke mit den schwingenden Elektroden, wodurch piezoelektrische Resonatoren erhalten werden, die zwischen den beiden schwingenden Elektroden eingeschlossene Schwingungen erzeugen.
Bei dem piezoelektrischen Resonator nach den bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungen wird die Steigung der Frequenzkonstante des piezoelektrischen Substrats vorab gemessen und entsprechend dieser Steigung werden die schwingenden Elektroden so angepasst, dass sie eine ansteigende (schräge) Dicke aufweisen. D. h. die schwingenden Elektroden werden so gebildet, dass ihre Dicke allmählich zunimmt, wenn die Frequenzkonstante größer wird. Dementsprechend kann die in dem piezoelektrischen Substrat auftretende Steigung der Frequenzkonstante durch Nutzen des Massebelastungseffekts der Elektrodendicke ausgeglichen werden, wodurch Änderungen der Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Substrats reduziert und unnötige Schwingungen im Band (asymmetrische Mode), die aufgrund der Steigung der Frequenzkonstante erzeugt wenden, unterbunden werden.
Schwingende Elektroden mit einer ansteigenden Dicke können an den beiden Hauptflächen des piezoelektrischen Substrats ausgebildet wenden.
An einer Hauptfläche des piezoelektrischen Substrats kann eine schwingende Elektrode mit einer ansteigenden Dicke ausgebildet werden, und an der anderen Hauptfläche des piezoelektrischen Substrats kann eine schwingende Elektrode mit einer konstanten Dicke ausgebildet werden. Durch Vorsehen von schwingenden Elektroden mit einer ansteigenden Dicke an den beiden Hauptflächen des piezoelektrischen Substrats werden aber Schwingungen der schwingenden Elektroden besser ausgeglichen und Resonanzeigenschaften verbessert.
Bevorzugt weist die auf mindestens einer der Hauptflächen des piezoelektrischen Substrats angeordnete schwingende Elektrode einen laminierten Aufbau auf, der eine untere Elektrode mit einer konstanten Dicke und eine auf der unteren Elektrode angeordnete obere Elektrode aufweist, und die obere Elektrode weist eine ansteigende Dicke auf.
Die schwingende Elektrode mit einer ansteigenden Dicke kann durch eine einschichtige Elektrode umgesetzt werden. Wenn aber eine zusätzliche obere Elektrode mit einer ansteigenden Dicke auf einer unteren Elektrode mit einer konstanten Dicke, die als ausreichende Dicke dient, als schwingende Elektrode ausgebildet wird, kann die Dicke der oberen Elektrode reduziert wenden.
Dementsprechend kann die schwingende Elektrode in kurzer Zeit kostengünstig gefertigt wenden. Da die obere Elektrode mit einer ansteigenden Dicke nur in erforderlichen Abschnitten ausgebildet werden muss, können Frequenzänderungen frei ausgeglichen werden.
Die unteren und oberen Elektroden können durch Dünnschichtabscheiden wie Sputtern oder Dampfabscheidung gebildet werden. Die Dicke einer ansteigenden Schicht kann durch Verändern der Maße einer Öffnung einer Schichtabscheidemaske, des Abstands zwischen einem bedeckenden Teil und dem piezoelektrischen Substrat und der Schichtabscheidebedingungen gesteuert werden.
Es ist bevorzugt, dass die obere Elektrode aus der gleichen Art von Metall gebildet werden kann wie die äußerste Schicht der unteren Elektrode, um das Haften zwischen diesen zu verbessern.
Die an den beiden Hauptflächen des piezoelektrischen Substrats angeordneten schwingenden Elektroden können einen laminierten Aufbau aufweisen, der eine untere Elektrode mit einer konstanten Dicke und eine auf der unteren Elektrode angeordnete obere Elektrode umfasst, und die obere Elektrode kann eine ansteigende Dicke aufweisen.
In diesem Fall sind die Dicken der auf den beiden Hauptflächen angeordneten schwingenden Elektroden identisch zueinander. Daher kann der piezoelektrische Resonator mit ausgezeichneten Resonanzeigenschaften erhalten werden.
An den beiden Hauptflächen des piezoelektrischen Substrats können schwingende Elektroden mit einer ansteigenden Dicke angeordnet werden. Sei t1 – t2 der Dickenunterschied zwischen dem dicksten Teil und dem dünnsten Teil jeder der schwingenden Elektroden und L die Länge jeder der schwingenden Elektroden, dann ist es bevorzugt, dass das Dickensteigungsverhältnis (t1 – t2)/L jeder der schwingenden Elektroden 0,05 bis 0,20 beträgt.
Wenn das Dickensteigungsverhältnis jeder der schwingenden Elektroden auf 0,05 bis 0,20 eingestellt ist, können Veränderungen der Mittenfrequenz auf 0,15% oder weniger reduziert werden und durch unnötige Schwingungen im Band verursachte Welligkeiten reduziert werden.
Der piezoelektrische Resonator kann durch Erzeugen eines als polarisiertes Muttersubstrat dienenden piezoelektrischen Substrats, Ausbilden von Elektroden auf der Gesamtheit der beiden Hauptflächen des piezoelektrischen Substrats, Ätzen der Elektroden zum Ausbilden einzelner, einander zugewandter schwingender Elektroden und Schneiden des als Muttersubstrat dienenden piezoelektrischen Substrats in einzelne Stücke mit den schwingenden Elektroden erhalten werden.
Das als polarisiertes Muttersubstrat dienende piezoelektrische Substrat weist eine konstante Dicke auf. Eine Frequenzkonstante des piezoelektrischen Substrats ist im praktischen Gebrauch an der Mitte desselben konstant oder nahezu konstant und nimmt am Rand desselben hin zum Außenumfang allmählich zu. Dies ist auf die Differenz zwischen dem Polarisierungsgrad im Rand und dem Polarisierungsgrad an der Mitte bei einem Polarisierungsvorgang zurückzuführen. Die Verteilung des Polarisierungsgrads ist in der Mitte im Wesentlichen gleichmäßig und nimmt im Rand hin zum Außenumfang allmählich zu.
Beim Bilden von Elektroden auf der Gesamtheit der beiden Hauptflächen des piezoelektrischen Substrats wird die auf mindestens einer der Hauptflächen des piezoelektrischen Substrats angeordnete Elektrode mit einer ansteigenden Dicke ausgebildet, so dass ihre Dicke an der Mitte derselben konstant ist und im Rand derselben hin zum Außenumfang allmählich zunimmt, wenn eine Frequenzkonstante des piezoelektrischen Substrats ansteigt. Die Elektroden werden geätzt und das als Muttersubstrat dienende piezoelektrische Substrat wird in einzelne Stücke geschnitten, wodurch piezoelektrische Resonatoren gebildet werden. Die Steigung der Frequenzkonstante des als Muttersubstrat dienenden piezoelektrischen Substrats wird mit anderen Worten durch die Steigung der Dicke der Elektrode ausgeglichen. Dadurch weisen aus der Mitte des piezoelektrischen Substrats herausgeschnittene piezoelektrische Resonatoren und aus dem Rand des piezoelektrischen Substrats herausgeschnittene Resonatoren im Wesentlichen gleichmäßige Resonanzeigenschaften auf und somit werden Frequenzänderungen reduziert.
Als Verfahren zum Bilden einer Elektrode mit einer ansteigenden Dicke kann ein Verfahren des Sputterns des als Muttersubstrat dienenden piezoelektrischen Substrats mit Hilfe einer die Mitte des piezoelektrischen Substrats abdeckenden Maske mit einem vorbestimmten Abstand dazwischen, während der Rand des piezoelektrischen Substrats offen gelassen wird, verwendet werden.
Im Allgemeinen wird in einem durch die Maske abgedeckten Teil keine Elektrode gebildet. Wenn aber ein Spalt zwischen der Maske und dem piezoelektrischen Substrat vorliegt, werden einige der die Elektroden bildenden Metallatome zur Rückseite der Maske eingebracht, wodurch die Elektroden mit einer ansteigenden Dicke gebildet werden. Ferner können die der Öffnung der Maske zugewandten Elektroden eine ansteigende Dicke aufweisen. Durch Anpassen des Spalts zwischen der Maske und dem piezoelektrischen Substrat kann die Steigung der Dicke der Elektroden angepasst werden.
Vorteile der bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungen
Wie vorstehend beschrieben wurde, weisen gemäß den bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungen die schwingenden Elektroden eine ansteigende Dicke entsprechend der Steigung der Frequenzkonstante des piezoelektrischen Substrats auf. Dies reduziert Änderungen der Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Substrats und unterbindet unnötige Vibrationen im Band, die aufgrund der Steigung der Frequenzkonstante erzeugte werden. Demgemäß wird der Bereich des als ein Muttersubstrat dienenden piezoelektrischen Substrats vergrößert, in dem stabile Resonatoren mit Präzision hergestellt werden, und die Nutzungsrate des Substrats wird dadurch verbessert. Dadurch können die Herstellungskosten der piezoelektrischen Resonatoren gesenkt werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 umfasst eine Querschnittansicht einer ersten Ausführung eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Resonators und ein Diagramm, das Änderungen der Frequenzkonstante in einer Oberflächenrichtung zeigt.
2 ist eine perspektivische Ansicht eines als Muttersubstrat dienenden piezoelektrischen Substrats, auf dem Elektroden zum Herstellen des in 1 gezeigten piezoelektrischen Resonators ausgebildet sind.
3 ist eine Querschnittansicht entlang der Linie III-III von 2.
4 umfasst Diagramme zum Veranschaulichen von Zuständen, bei denen einzelne Resonatoren aus dem als Muttersubstrat dienenden piezoelektrischen Substrat herausgeschnitten werden.
5 umfasst Querschnittansichten eines aus einem Randbereich herausgenommenen Stücks zum Veranschaulichen eines Verfahrens zur Ausbildung einer Elektrode, deren Dicke eine Steigung aufweist.
6 ist ein Diagramm, das die Verteilung der Frequenzkonstanten des piezoelektrischen Substrats zeigt, auf dem die in 2 gezeigten Elektroden ausgebildet sind.
7 ist ein Diagramm, das die Impedanzeigenschaften und die Phaseneigenschaften des in 1 gezeigten piezoelektrischen Resonators zeigt.
8 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Dickensteigungsverhältnis (t1 – t2)/L jeder schwingenden Elektrode und 3. θ min zeigt.
9 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Dickensteigungsverhältnis (t1 – t2)/L der schwingenden Elektrode und der Fo-Änderung zeigt.
10 umfasst Querschnittansichten, die den Aufbau einer anderen Ausführung des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Resonators zeigen.
11 ist eine perspektivische Ansicht, die ein als Muttersubstrat dienendes piezoelektrisches Substrat zeigt, auf dem Elektroden zum Herstellen eines bekannten piezoelektrischen Resonators ausgebildet sind.
12 ist ein Diagramm, das die Verteilung von Frequenzkonstanten des piezoelektrischen Substrats zeigt, auf dem die in 11 gezeigten Elektroden ausgebildet sind.
13 umfasst eine Querschnittansicht des bekannten piezoelektrischen Resonators und ein Diagramm, das Änderungen der Frequenzkonstante in der Oberflächenrichtung zeigt.
14 ist ein Diagramm, das die Impedanzeigenschaften und die Phaseneigenschaften des in 13 gezeigten piezoelektrischen Resonators zeigt.
Beste Art zum Durchführen der Erfindung
Bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungen werden unter Bezug auf die Ausführungen beschrieben.
Ausführung 1
1(a) zeigt eine erste Ausführung eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Resonators. Der piezoelektrische Resonator ist ein piezoelektrischer Energiefallen-Resonator in einer Dicken-Longitudinal-Schwingungsmode.
Der piezoelektrische Resonator umfasst ein rechteckiges piezoelektrisches Substrat 1a, das aus einer piezoelektrischen Keramik gebildet ist, beispielsweise einer Bleizirkonattitanatkeramik oder einer Bleititanatkeramik. Das piezoelektrische Substrat 1a ist in einer Dickenrichtung polarisiert. Die Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Resonators hängt von dessen Dicke ab. Wenn die Dicke bei 0,475 mm liegt, beträgt die Resonanzfrequenz 16 MHz.
Einander zugewandte schwingende Elektroden 4 und 5 sind in der Mitte der Vorder- und Rückflächen des piezoelektrischen Substrats 1a ausgebildet. Wenngleich dies nicht in 1 gezeigt wird, sind auf den Vorder- und Rückflächen des piezoelektrischen Substrats 1a aus den schwingenden Elektroden 4 und 5 zum Rand des piezoelektrischen Substrats 1a extrahierte Extraktionselektroden sowie Anschlusselektroden ausgebildet. Die schwingenden Elektroden 4 und 5 weisen einen laminierten Aufbau auf, der untere Elektroden 2a und 2b bzw. obere Elektroden 3a und 3b umfasst. Die Form und Dicke der unteren Elektroden 2a und 2b sind gleich denen der schwingenden Elektroden eines bekannten piezoelektrischen Resonators (siehe 13). D. h. jede der unteren Elektroden 2a und 2b hat in einer ganzen Fläche die gleiche Dicke. Die unteren Elektroden 2a und 2b bestehen aus einem Material wie Ag, Cu, Al, Pd, Au oder dergleichen. Zum Verbessern des Anhaftens am piezoelektrischen Substrat (Keramik) können die unteren Elektroden 2a und 2b eine darunter liegende Schicht aufweisen, die aus einer Legierung von Ni, Cr und dergleichen besteht. Es ist bevorzugt, dass die oberen Elektroden 3a und 3b aus dem gleichen Material bestehen wie die unteren Elektroden 2a und 2b.
Wie in 1(b) gezeigt wird, ändert sich die Frequenzkonstante des piezoelektrischen Substrats 1a allmählich von einer ersten Seite zu einer zweiten Seite. Entsprechend dieser Änderung ändert sich die Dicke der oberen Elektroden 3a und 3b allmählich. D. h. wie in 1(a) gezeigt wird, wird die Dicke der oberen Elektroden 3a und 3b so festgelegt, dass die Dicke bei zunehmender Frequenzkonstante allmählich zunimmt. Sei t1 die Dicke des dicksten Teils jeder der oberen Elektroden 3a und 3b, sei t2 die Dicke des dünnsten Teils jeder der oberen Elektroden 3a und 3b und L die Länge jeder der oberen Elektroden 3a und 3b. Dann wird das Dickensteigungsverhältnis jeder der oberen Elektroden 3a und 3b auf (t1 – t2)/L = 0,05 bis 0,20 gesetzt. Die Dicke der unteren Elektroden 2a und 2b ist konstant. Durch Festlegen der Dicke jeder der schwingenden Elektroden 4 und 5 so, dass die Dicke eine Steigung aufweist, wird die in dem piezoelektrischen Substrat 1a auftretende Frequenzsteigung durch Nutzen des Massebelastungseffekts der Elektrodendicke ausgeglichen.
2 und 3 zeigen ein als Muttersubstrat dienendes piezoelektrisches Substrat 1 zum Herstellen des in 1 gezeigten piezoelektrischen Resonators.
Das piezoelektrische Substrat 1 ist als rechteckige Platte mit Maßen von zum Beispiel 30 mm × 20 mm × 0,475 mm geformt und wird wärmebehandelt, geformt und polarisiert. Die Polarisierungsbedingung ist zum Beispiel das 30-minütige Anlegen von 8 kV/mm in Öl bei 60°C. Die Verteilung der Frequenzkonstanten des piezoelektrischen Substrats 1 ist die gleiche, die in 12 gezeigt ist. Untere Elektroden 2 werden auf den gesamten oberen und unteren Flächen des piezoelektrischen Substrats 1 ausgebildet. Obere Elektroden 3 werden entlang des Rands über den unteren Elektroden 2, in denen die Frequenzkonstante eine Steigung aufweist, ausgebildet. Insbesondere werden die oberen Elektroden 3 so ausgebildet, dass sie eine ansteigende Dicke aufweisen, so dass die oberen Elektroden 3 hin zu ihrem Außenumfang allmählich dicker werden. Die unteren und oberen Elektroden 2 und 3 werden durch Sputtern oder Dampfabscheiden gebildet.
4 und 5 zeigen ein Sputterverfahren zum Bearbeiten des piezoelektrischen Substrats 1. 5 zeigt einen piezoelektrischen Resonator, der aus dem Rand des piezoelektrischen Substrats 1 genommen wunde.
Aus dem piezoelektrischen Substrat 1 können zum Beispiel 9 × 5 Stücke piezoelektrischer Resonatoren erhalten werden. Eine Maske 6 wird so angeordnet, dass sie das piezoelektrische Substrat 1 von der Mitte desselben zur Mitte jedes der piezoelektrischen Resonatoren im Rand derselben bedeckt. Zwischen der Maske 6 und dem piezoelektrischen Substrat 1 ist ein Spalt 6 vorhanden. Einige der gesputterten Metallatome wenden zur Rückseite der Maske 6 eingebracht, wodurch jede der Elektroden 3 mit einer ansteigenden Dicke ausgebildet wird. In 5(a) weist nicht nur die Dicke eines Abschnitts der Elektrode 3, der mit der Maske 6 bedeckt ist, sondern auch die Dicke eines Abschnitts der Elektrode 3, der außen und nahe der Maske 6 freiliegt, aufgrund Bestrahlungsunterschiede eine Steigung auf. Durch Anpassen des Spalts 6 zwischen der Maske 6 und dem piezoelektrischen Substrat 1, der Maße einer Öffnung der Maske 6, der Schichtabscheidebedingungen und dergleichen können die Steigung der Dicke und der Bereich, in dem ansteigenden Elektroden ausgebildet werden, festgelegt werden.
Wie in 4(b) gezeigt wird, weist von den aus dem piezoelektrischen Substrat 1 herausgeschnittenen piezoelektrischen Resonatoren ein aus der Ecke des piezoelektrischen Substrats 1 herausgeschnittener eine Frequenzkonstante mit einer Steigung in den X- und Y Richtungen auf. Dadurch weist die Dicke einer Elektrode, die durch Abdecken einer Ecke mit der Maske 6 gesputtert wurde, eine Steigung in den X- und Y Richtungen auf.
Wie in 4(c) gezeigt wird, weist von den aus dem piezoelektrischen Substrat 1 herausgeschnittenen piezoelektrischen Resonatoren ein aus einer Seite des piezoelektrischen Substrats 1 herausgeschnittener eine Frequenzkonstante mit einer Steigung in der X-Richtung auf. Dadurch weist die Dicke einer Elektrode, die durch Abdecken einer Seite mit der Maske 6 gesputtert wurde, eine Steigung in der X-Richtung auf.
Wenngleich die schwingenden Elektroden in 4(b) und (c) teilweise maskiert sind, weist die Dicke der schwingenden Elektroden im Wesentlichen als Ganzes eine Steigung auf, wie in 3(a) gezeigt wird.
5(b) zeigt einen Zustand nach dem Sputtern, bei dem die schwingende Elektrode 4 durch Ätzen gebildet wird. Auch wenn nur eine an einer Seite des piezoelektrischen Substrats 1a angeordnete schwingende Elektrode 4 in 5 gezeigt wird, wird die schwingende Elektrode 5 an der anderen Seite in ähnlicher Weise gebildet.
6 zeigt die Verteilung von Frequenzkonstanten in dem piezoelektrischen Substrat 1, auf dem die oben beschriebenen Elektroden 2 und 3 ausgebildet sind.
Wie aus dem Vergleich zwischen 6 und 12 hervorgeht, werden die Unterschiede der Frequenzkonstante zwischen der Mitte und dem Rand des piezoelektrischen Substrats 1 durch Ausbilden der oberen Elektroden 3, deren Dicke eine Steigung aufweist, stark reduziert. In diesem Fall wenden die oberen Elektroden 3 zu einem rechteckigen Rahmen entlang des Umfangs des piezoelektrischen Substrats 1 ausgebildet, wodurch Änderungen der Frequenzkonstante des piezoelektrischen Substrats 1 auf 0,1% oder weniger gesenkt werden.
Nach dem Bilden der Elektroden 2 und 3 auf dem piezoelektrischen Substrat 1 in der oben beschriebenen Weise wenden mehrere (z. B. 45 Stück) schwingende Elektroden 4 und 5 mit Hilfe eines Elektrodenmusters auf dem piezoelektrischen Substrat 1 gebildet. Das allgemeine Ausbildungsverfahren umfasst Drucken, Ätzen oder dergleichen. Danach wird das piezoelektrische Substrat 1 in Stücke von zum Beispiel 3,7 × 3,1 mm geschnitten, wodurch die piezoelektrischen Resonatoren erhalten werden. Der in 1 gezeigte piezoelektrische Resonator ist aus dem in 2 gezeigten Teil B herausgeschnitten.
Da der aus der Mitte des in 2 gezeigten piezoelektrischen Substrats 1 herausgeschnittene piezoelektrische Resonator eine Frequenzkonstante ohne Steigung aufweist, wenden nur die unteren Elektroden 2a und 2b gebildet und es werden keine oberen Elektroden 3a und 3b gebildet.
7 zeigt die Impedanzeigenschaften und Phaseneigenschaften des in 1 gezeigten piezoelektrischen Substrats 1a.
Wie aus dem Vergleich mit 14 hervorgeht, wenden unnötige Schwingungen im Band (asymmetrische Mode), die aufgrund der Steigung der Frequenz erzeugt werden, unterbunden.
8 zeigt die Beziehung zwischen dem Dickensteigungsverhältnis (t1 – t2)/L und 3. θ min, wobei 3. θ min die Mindestphase im Frequenzband bezeichnet, in der Schwingung mit Hilfe der dritten Harmonischen erzeugt werden kann. Innerhalb des in 14 gezeigten Frequenzbands ist die 3. θ min die Mindestphase der Welligkeit R, die durch unnötige Schwingungen erzeugt wird.
Im Fall des Steigungsverhältnisses (t1 – t2)/L = 0, d. h. im Fall eines bekannten Aufbaus ohne Steigung, liegt der Welligkeitsmindestwert bei etwa 60 Grad. Wenn dagegen das Steigungsverhältnis (t1 – t2)/L 0,05 bis 0,20 beträgt, beträgt der Welligkeitsmindestwert 70 Grad oder mehr, wodurch unnötige Schwingungen unterbunden werden.
9 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Dickensteigungsverhältnis (t1 – t2)/L und der Fo-Änderung zeigt, wobei die Fo-Änderung eine Änderung am mittleren Punkt zwischen der Resonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequenz des piezoelektrischen Substrats 1 bezeichnet.
Im Fall des Steigungsverhältnisses (t1 – t2)/L = 0 beträgt die Fo-Änderung etwa 0,20%. Wenn dagegen (t1 – t2)/L 0,05 bis 0,20 beträgt, kann die Fo-Änderung auf etwa 0,12% oder weniger reduziert werden.
Die vorstehenden Ergebnisse zeigen, dass die ansteigende Dicke der schwingenden Elektroden vorteilhaft unnötige Schwingungen im Band unterbinden und Frequenzänderungen mindern kann.
Ausführung 2
10(a) bis (c) zeigen eine andere Ausführung von Elektrodenstrukturen des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Resonators.
10(a) zeigt den Fall, bei dem die schwingenden Elektroden 4 und 5 mit einer ansteigenden Dicke einen einschichtigen Aufbau aufweisen. Als unter den schwingenden Elektroden 4 und 5 liegende Schicht kann eine aus Ni, Cr und dergleichen gebildete Legierungsschicht verwendet werden, um das Anhaften an dem piezoelektrischen Substrat (Keramik) zu verbessern.
10(b) zeigt den Fall, bei dem die an der Vorderfläche angeordnete schwingende Elektrode 4 eine ansteigende Dicke aufweist, wogegen die an der Rückfläche angeordnete schwingende Elektrode 5 eine konstante Dicke aufweist. In diesem Fall sei t3 die Dicke des dicksten Teils der an der Vorderfläche angeordneten schwingenden Elektrode 4, t4 sei die Dicke des dünnsten Teils der schwingenden Elektrode 4 und L sei die Länge der schwingenden Elektrode 4. Dann ist es bevorzugt, dass das Dickensteigungsverhältnis (t3 – t4)/L = 0,10 bis 0,40. D. h. die Steigung muss gegenüber dem Fall, bei dem die an den beiden Flächen angeordneten schwingenden Elektroden eine ansteigende Dicke aufweisen, verdoppelt werden.
10(c) zeigt den Fall, bei dem die auf der Vorderfläche angeordnete schwingende Elektrode 4 einen laminierten Aufbau aufweist, der die untere Elektrode 2a mit einer konstanten Dicke und die obere Elektrode 3a mit einer ansteigenden Dicke umfasst, und die auf der Rückfläche angeordnete schwingende Elektrode 5 eine konstante Dicke aufweist. In diesem Fall wird wie in 10(b) das Dickensteigungsverhältnis verglichen mit dem Fall, bei dem die an den beiden Flächen angeordneten schwingenden Elektroden eine ansteigende Dicke aufweisen, verdoppelt.
Ähnliche Vorteile, wie sie in der ersten Ausführung erreicht werden, können durch jede dieser Elektrodenstrukturen verwirklicht werden.
Auch wenn in den obigen Ausführungen der piezoelektrische Resonator in einer Dickenexpansionsschwingungsmode beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Die vorliegende Erfindung ist zum Beispiel auf piezoelektrische Resonatoren in anderen Schwingungsmoden anwendbar, beispielsweise der Dickenscherschwingungsmode oder der Dickenexpansionsschwingungsmode, solange die piezoelektrischen Resonatoren eingeschlossene Schwingungen erzeugen können.
Wenn die schwingenden Elektroden mit einer ansteigenden Dicke an den beiden Hauptflächen des piezoelektrischen Substrats ausgebildet werden, wie in 1 und 10(a) gezeigt wird, haben die Dicken der beiden Hauptflächen die gleiche Steigung. Beide können sich aber voneinander unterscheiden. Da die vorliegende Erfindung die Steigung der Frequenzkonstante des piezoelektrischen Substrats mit Hilfe des Massebelastungseffekts der Elektrodendicke ausgleicht, kann die Gesamtdicke der auf den beiden Hauptflächen angeordneten schwingenden Elektroden eine Steigung gemäß der Steigung der Frequenzkonstante haben.

Claims

Piezoelektrischer Resonator mit an zwei Hauptflächen eines piezoelektrischen Substrats (1, 1a) angeordneten schwingenden Elektroden (4, 5), wobei der piezoelektrische Resonator zwischen den beiden schwingenden Elektroden (4, 5) eingeschlossene Schwingungen erzeugt, wobei das piezoelektrische Substrat (1, 1a) eine konstante Dicke aufweist und eine Frequenzkonstante desselben eine Steigung in einer Oberflächenrichtung aufweist und wobei die auf mindestens einer der Hauptflächen des piezoelektrischen Substrats (1, 1a) angeordnete schwingende Elektrode (4, 5) mit einer ansteigenden Dicke ausgebildet ist, so dass die Dicke bei Anstieg der Frequenzkonstante des piezoelektrischen Substrats (1, 1a) allmählich zunimmt.
Piezoelektrischer Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass schwingende Elektroden (4, 5) mit einer ansteigenden Dicke auf den beiden Hauptflächen des piezoelektrischen Substrats (1, 1a) ausgebildet sind.
Piezoelektrischer Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die auf mindestens einer der Hauptflächen des piezoelektrischen Substrats (1, 1a) angeordnete schwingende Elektrode (4, 5) einen laminierten Aufbau aufweist, der eine untere Elektrode (2a, 2b) mit einer konstanten Dicke und eine auf der unteren Elektrode (2a, 2b) angeordnete obere Elektrode (3a, 3b) umfasst, und wobei die obere Elektrode (3a, 3b) eine ansteigende Dicke aufweist.
Piezoelektrischer Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die auf den beiden Hauptflächen des piezoelektrischen Substrats (1, 1a) angeordneten schwingenden Elektroden (4, 5) einen laminierten Aufbau aufweisen, der eine untere Elektrode (2a, 2b) mit einer konstanten Dicke und eine auf der unteren Elektrode (2a, 2b) angeordnete obere Elektrode (3a, 3b) umfasst, und dass die obere Elektrode (3a, 3b) eine ansteigende Dicke aufweist.
Piezoelektrischer Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass schwingende Elektroden (4, 5) mit einer ansteigenden Dicken an den beiden Hauptflächen des piezoelektrischen Substrats (1, 1a) angeordnet sind und, wenn t1 – t2 die Dickendifferenz zwischen dem dicksten Teil und dem dünnsten Teil jeder der schwingenden Elektroden (4, 5) ist und L die Länge jeder der schwingenden Elektroden (4, 5) ist, dann das Dickensteigungsverhältnis (t1 – t2)/L jeder der schwingenden Elektroden (4, 5) 0,05 bis 0,20 beträgt.
Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Resonators, welches folgende Schritte umfasst: Erzeugen eines als polarisiertes Muttersubstrat dienenden piezoelektrischen Substrats (1, 1a), wobei das piezoelektrische Substrat (1, 1a) eine konstante Dicke aufweist, wobei eine Frequenzkonstante desselben im praktischen Gebrauch an der Mitte desselben konstant oder nahezu konstant ist und im Rand desselben hin zum Außenumfang allmählich zunimmt; Ausbilden von Elektroden (4, 5) auf der Gesamtheit von zwei Hauptflächen des als Muttersubstrat dienenden piezoelektrischen Substrats so, dass sie eine ansteigende Dicke aufweisen, so dass die Dicke der auf mindestens einer der Hauptflächen des piezoelektrischen Substrats (1, 1a) ausgebildeten Elektrode (4, 5) in der Mitte derselben konstant ist und bei Anstieg einer Frequenzkonstante des piezoelektrischen Substrats im Rand derselben hin zum Außenumfang allmählich zunimmt; Ätzen der Elektroden (4, 5), um einander zugewandte einzelne schwingende Elektroden (4, 5) zu bilden; und Schneiden des als Muttersubstrat dienenden piezoelektrischen Substrats (1, 1a) in einzelne Stücke mit den schwingenden Elektroden (4, 5), wodurch piezoelektrische Resonatoren erhalten werden, die zwischen den beiden schwingenden Elektroden (4, 5) eingeschlossene Schwingungen erzeugen.
Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Resonators nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Elektroden (4, 5) mit einer ansteigenden Dicke an den beiden Hauptflächen des als Muttersubstrat dienenden piezoelektrischen Substrats (1, 1a) ausgebildet werden.
Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Resonators nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die auf mindestens einer der Hauptflächen des als Muttersubstrat dienenden piezoelektrischen Substrats (1, 1a) angeordnete Elektrode (4, 5) einen laminierten Aufbau aufweist, der eine untere Elektrode (2a, 2b) mit einer konstanten Dicke und eine auf der unteren Elektrode angeordnete obere Elektrode (3a, 3b) umfasst, und dass die obere Elektrode (3a, 3b) eine ansteigende Dicke aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Resonators nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das als Muttersubstrat dienende piezoelektrische Substrat (1, 1a) mit Hilfe einer die Mitte des piezoelektrischen Substrats (1, 1a) mit einem vorbestimmten Spalt dazwischen abdeckenden Maske (6) gesputtert wird, während der Rand des piezoelektrischen Substrats (1, 1a) offen belassen wird, wodurch die obere Elektrode (3a, 3b) mit der ansteigenden Dicke gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Resonators nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass schwingende Elektroden (4, 5) mit einer ansteigenden Dicke an den beiden Hauptflächen des piezoelektrischen Substrats (1, 1a) angeordnet sind und, wenn t1 – t2 die Dickendifferenz zwischen dem dicksten Teil und dem dünnsten Teil jeder der schwingenden Elektroden (4, 5) ist und L die Länge jeder der schwingenden Elektroden (4, 5) ist, dann das Dickensteigungsverhältnis (t1 – t2)/L jeder der schwingenden Elektroden (4, 5) 0,05 bis 0,20 beträgt.