JP2001196890A - 高周波圧電振動子 - Google Patents
高周波圧電振動子Info
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Abstract
バラツキを抑圧する手段をうる。 【解決手段】 圧電基板上に対向電極を配置した圧電振
動子であって、一方の電極を中央で二つに分割すると共
に、分割したそれぞれの電極と他方の電極との共振周波
数をほぼ一致するようにした高周波圧電振動子である。
Description
関し、特に圧電振動子の容量比(モーショナルキャパシ
タンスC1に対する静電容量C0の比)を改善し、スプ
リアスを抑圧した高周波圧電振動子に関する。
数が高精度、高安定であるという優れた特性を有するた
め、携帯電話からパーソナルコンピュータまで広く使用
されているが、近年、種々のデータ処理の高速化のた
め、従来より高周波の圧電振動子の需要が増大してい
る。図5(a)、(b)は従来の高周波水晶振動子の構
成を示す平面図と、そのQ−Qにおける断面図である。水
晶基板11(以下、基板と称す)の一方の主面をフォトリ
ソグラフィ手段とエッチング手段を用いて凹陥せしめて
薄肉部(振動部)12を形成すると共に、平坦側の振動部
12のほぼ中央部に電極13と、該電極13から基板11周縁部
に延在するリード電極14と、該リード電極14の先端に電
極パッド15とを配置する。さらに、基板11の凹陥側に
は全面電極16を付着して高周波水晶振動子を構成する。
すべり振動であり、周知のように、厚みすべり振動モー
ドの共振周波数は水晶基板の厚さに反比例するため、高
周波化を図るには水晶基板の厚さを薄くする必要があ
る。しかし、ATカット水晶基板を通常の平板で作成す
る場合、基板のマウント方法、基板の耐衝撃性等の機械
的強度を考慮すると、基本波振動モードで約55MHz
(厚さで約30μm)が上限の周波数であると考えられ
る。
5に示すような超高周波ATカット水晶振動子が実用化
されており、該水晶振動子の製作手順を工程を追って簡
単に説明する。はじめに、図6(a)に示すように、厚
さ約80μmのポリッシュ加工を施したATカット水晶
基板21の両面に、例えば金(Au)の薄膜22を付着すると
共にその上に重ねてレジスト膜23をそれぞれ塗布する。
次に、マスクパターンを介して該レジスト膜23を露光
し、剥離剤を用いて所定のレジスト膜23を剥離すると共
に、露出した金の薄膜22をエッチング液中でエッチング
して、図6(b)に示すように水晶基板面の一部を露出
させる。そして、該基板21を水晶のエッチング液の中に
浸漬し、露出面21aを時間をかけてエッチングすると、
図6(c)に示すように、基板21の断面が台形状にエッ
チングされる。このとき凹陥部の厚さを所望の厚さ、例
えば10μmまでエッチングして、超薄肉の振動部24とす
る。その後、レジスト膜23を剥離し、金の薄膜22をエッ
チングして除去し、基板21上に凹陥部がマトリクス状に
並んだ基板が得られる。以上のような工程を経て振動部
24と該振動部24の周囲を支持する厚肉の環状囲繞部とを
一体的に形成することができる。そのため、平坦側(表
面)は当初の切断角度を維持したポリッシュ面である
が、他方の面(裏面)は中央部が凹陥状にエッチング加
工された面となる。そして、基板21に蒸着あるいはスパ
ッタ等の手段を用いて金属の薄膜を付着し、フォトリソ
グラフィ技法とエッチング技法を用いて所望の電極を形
成し、高周波水晶振動子を形成する。
成にエッチング手段を用いた従来の高周波水晶振動子に
おいては、水晶基板は、例えばエッチング加工前の厚さ
80μmの表面状態を維持しながら板厚が所望の10μmと
なるまでエッチングされる。そのため板厚80μmの基
板にあってはさほど問題とならなかった平面度、平行度
のみだれは、板厚が10μmとなったエッチング基板から
みると相対的に極めて大きくなものとなる。現在のポリ
ッシュ加工技術では20mm×20mm程度の基板では、基板内
の平行度が0.5μm程度であり、振動領域内では0.025μm
/mmとなる。この値を例えば100MHzの基板に換算すると
0.15%程度の平行度となって、従来の10MHz〜20MHz
帯の基板に比べると、平行度のみだれは約1桁大きい値
となり、これが振動子の等価定数、例えば容量比γ(=
C0/C1)、インダクタンスL1等をばらつかせ、振
動子の歩留まりを著しく低下させるという問題があっ
た。本発明は上記問題を解決するためになされたもので
あって、容量比γ、インダクタンスL1等のバラツキを
小さくし、共振周波数近傍のスプリアスを抑圧した高周
波振動子を提供することを目的とする。
に本発明に係る高周波圧電振動子の請求項1記載の発明
は、薄肉の圧電基板上に対向電極を設けた圧電振動子に
おいて、前記対向電極の一方は2つの分割電極からな
り、該分割電極はそれぞれ他方の対向電極との間の共振
周波数がほぼ一致したものであり、前記分割電極は導通
手段によって互いに電気的に導通していることを特徴と
する高周波圧電振動子である。請求項2記載の発明は、
前記圧電基板に主面の一方に凹陥部を形成した圧電基板
を用いたことを特徴とする請求項1記載の高周波圧電振
動子である。請求項3記載の発明は、前記圧電基板がA
Tカット水晶基板であってその厚みが30μm以下のも
のを用いたことを特徴とする請求項1あるいは2記載の
高周波圧電振動子である。
形態に基づいて詳細に説明する。図1(a)、(b)は
本発明に係る高周波振動子の構成を示す図であって、同
(a)は平面図、同(b)はQ−Qにおける断面図であ
る。圧電基板の一方の主面に凹陥部2を形成した基板1
の平坦側にほぼ同じ大きさの電極3a、3bを間隙dを
おいて併置すると共に、該電極3a、3bから基板1の
端部に向けてそれぞれリード電極4a、4bを延在し、
基板1の端部に設けた電極パッド5a、5bとそれぞれ
接続する。一方、凹陥側には全面電極6を付着して高周
波圧電振動子を構成する。尚、間隙dはできるだけ狭い
方が望ましいが、フォトリソグラフィ技法を用いると10
μm程度まで狭くできる。そして、図1に示した圧電素
子を後述するように周波数調整した上で、図2(a)に
示すようにセラミックパッケージ7に収容すると共に、
電極パッド5a、5bとパッケージ7の端子電極とをそ
れぞれボンデングワイヤ8、8で接続する。凹陥側の電
極6はパッケージの他の端子電極(図示していない)と
導電性接着剤を用いて接続する。ここで、図2(a)に
示すボンデングワイヤ9は電極3aと3bとを短絡して
単一の振動子とするためのものである。また、図2
(b)示す電極10は電極3aと3bとを接続して単一
の振動子とすると共に、所望の周波数に調整するために
付着した蒸着膜である。
価インダクタンスL1等のバラツキの原因が基板の平行
度にあると想定して、高周波振動子のインダクタンスL
1とその平行度との関係を調査した。図3は横軸を平行
度(μm/mm)とし、縦軸をインダクタンスL1とし
て、高周波振動子50個の平行度とインダクタンスL1
との関係をプロットしたものである。ここで図1(a)
に示したような電極構成とすることにより、電極3aと裏
面の電極6とで周波数f1を、電極3bと裏面の電極6とで
周波数f2を測定し、その周波数差から基板の平行度
(μm/mm)のズレを容易に換算できる。図3より、従
来のように電極3a、3bの呈するそれぞれの周波数を
調整しない高周波振動子のインダクタンスL1の平均値
は0.68mH、標準偏差0.11mHとなり、定数値のバラツキ
(標準偏差/平均値)は約16%であった。なお、高周
波振動子として用いる場合には電極パッド5a、5bは互い
に電気的に短絡して用いる。図3に示すように、平行度
のズレが大きくなると、等価インダクタンスL1も大き
くなる傾向を示している。所望とする高周波振動子の共
振周波数を一定とすると、インダクタンスL1の増加と
共に、等価モーショナルキャパシタンスC1が減少する
ので、容量比γ=C0/C1は増大することになる。容
量比γの増大した高周波振動子を電圧制御型圧電発振器
(VCXO)に用いた場合に、周波数可変範囲が狭くなると
いう欠点がある。
定数にどのような影響を及ぼすかについて、有限要素法
を用いてシミュレーションを行ったところ、振動変位の
対称性がくずれることが判明した。即ち、図4(a)は
基板、電極共に平行にした場合の変位分布αを計算によ
り求めたものである。図4(b)は基板の平行度がズレ
た場合の変位分布βであり、基板の薄い方へ変位の中心
がシフトしていることが分かる。変位によって発生する
電荷は、周知のように、変位分布に比例し、また、イン
ダクタンスLは発生した電荷を電極が如何に効率よく収
集できるかによって決まるので、図4(b)のように変
位分布が中心よりシフトした場合には発生した電荷の収
集効率が劣化し、インダクタンスLが大きくなることが
シミュレーションの結果から判明した。
てほぼ対称にする手段を想致した。即ち、電極3aと電極
6とによって励振したときの共振周波数f1と、電極3b
と電極6とによって励振したときの共振周波数f2とを
ほぼ同一にすれば、振動分布も電極の中心に対してほぼ
対称に近づくと推論した。そこで、図2と同様に電極3
a、3bの大きさを0.18mm2とし、共振周波数f1とf2を
一致するように周波数調整した高周波振動子50個につ
いて、インダクタンスL1を測定したところその平均値
は0.51mH、標準偏差0.005mHとなり、定数値のバラツキ
(標準偏差/平均値)は約1.1%となり、1桁改善され
ることが分かった。このように分割した両電極の周波数
をほぼ同一の周波数とすることにより、インダクタンス
L1が小さい値になる、即ち振動変位により生ずる電荷
を効率よく収集できることが実験的にも確認できた。ま
た、振動変位分布が対称となることにより、斜対称モー
ドの電荷が相殺されて励起されないようになることも確
かめられた。尚、実際には2つの共振周波数f1とf2
を測定し、両者の周波数が一致するように周波数の高い
方の電極3aもしくは3bに蒸着を施し、その後所望の
共振周波数が得られるまで、両電極に蒸着を施すことに
より周波数を調整する。このとき、電極3aまたは3b
と対向する電極6に蒸着を施してもよいし、先に所望の
共振周波数に近づけてから両者の周波数を揃えるという
手順でも構わない。
製作工程を大幅に変えることなく、2つの共振周波数f
1とf2とを一致させる工程を追加するだけで、容量比
γの増大を抑え、等価定数のバラツキの少なくした振動
子を得ることができた。また、振動変位をほぼ対称にし
たことにより、斜対称系のスプリアスも抑圧できるとい
う効果も得られた。
ついて説明したが、本発明はこれのみに限定することな
く例えばランガサイト(La3Ga5SiO14)あるいは四硼酸
リチウム(Li2B4O7)等の圧電材料を用いたものに適用
できることは云うまでもない。
ので、容量比γの増大を抑圧し、等価インダクタンスL
1のバラツキを低減することができた。従って、本発明
に係る高周波水晶振動子を電圧制御型発振器VCXOに
用いれば周波数の可変範囲が広がり、かつスプリアスに
よる周波数のジャンプ現象を低減することができるとい
う優れた効果を表す。
(a)は平面図、(b)は断面図である。
ッケージに収容し、ボンデングワイヤにて電気的接続を
した平面図、(b)両電極に周波数調整用電極を施した
場合を示す。
示す図である。
関係を示す図である。
は平面図、(b)は断面図である。
である。
Claims (3)
- 【請求項1】 薄肉の圧電基板上に対向電極を設けた圧
電振動子において、前記対向電極の一方は2つの分割電
極からなり、該分割電極はそれぞれ他方の対向電極との
間の共振周波数がほぼ一致したものであり、前記分割電
極は導通手段によって互いに電気的に導通していること
を特徴とする高周波圧電振動子。 - 【請求項2】 前記圧電基板に主面の一方に凹陥部を形
成した圧電基板を用いたことを特徴とする請求項1記載
の高周波圧電振動子。 - 【請求項3】 前記圧電基板がATカット水晶基板であ
ってその厚みが30μm以下のものを用いたことを特徴
とする請求項1あるいは2記載の高周波圧電振動子。
Priority Applications (1)
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