JP2004187097A - Manufacturing method of piezoelectric vibrator, piezoelectric vibrator, and resonator using this - Google Patents

Manufacturing method of piezoelectric vibrator, piezoelectric vibrator, and resonator using this Download PDF

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JP2004187097A JP2002352816A JP2002352816A JP2004187097A JP 2004187097 A JP2004187097 A JP 2004187097A JP 2002352816 A JP2002352816 A JP 2002352816A JP 2002352816 A JP2002352816 A JP 2002352816A JP 2004187097 A JP2004187097 A JP 2004187097A
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piezoelectric
vibrating
vibrating portion
substrate
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Hideaki Nakahata
英章 中幡
Masashi Narita
雅士 成田
Akiyoshi Sawamura
明賢 澤村
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  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a compact and high frequency piezoelectric vibrator, a piezoelectric vibrator, and a resonator using this. <P>SOLUTION: In this manufacturing method of the piezoelectric vibrator 14, a vibrating part 26 is formed by etching a piezoelectric substrate 20. As the vibrating part 26 is piezoelectric, it can be vibrated by applying an alternating current between a pair of electrodes 22 placed with the vibrating part 26 between them. In this method for the piezoelectric vibrater 14, as a minute vibrating part 26 can be formed by etching which enables precise removal processing, a more compact and higher frequency piezoelectric vibrator 14 can be made compared to that made by the existing manufacturing method which forms the vibrating part 26 by grinding. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電体振動子の製造方法、圧電振動子及びこれを用いた共振器に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来より、インピーダンス素子に利用される共振器の一つとして、水晶振動子を用いられたものが知られている。この水晶振動子は、支持された水晶片の両面(AT面)に一対の電極膜が取り付けられた構成となっている。この水晶振動子においては、電極膜間に所定の交流電圧を印加することで水晶片内に交番電界が発生し、水晶片が振動する。なお、このような水晶振動子に関する技術は、例えば下記特許文献1及び2に開示されているが、これらの文献以外にも多数の文献に開示されている。
【0003】
【特許文献1】
特開平7−183759号公報
【特許文献2】
特開2001−7676号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、ATカット面を有する水晶片の振動は、振動周波数がその厚さに大きく依存する(厚みすべり振動モードである)ことが知られているが、前述した従来の共振器に用いられる水晶片は研磨加工により作製されているため、小型化及び薄型化には限界があった。そのため、従来の共振器は数百MHz程度の周波数でしか利用することができず、それ以上の高周波に対応させることが困難であるという問題があった。なお、輪郭すべり振動モードや厚み縦振動モード等の厚みすべり振動モード以外の振動モードであっても、水晶等の振動部材のサイズを小さくすることにより、振動周波数が高周波になることが知られている。
【0005】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、作製される圧電体振動子の小型化及び高周波化が図られた圧電体振動子の製造方法、圧電振動子及びこれを用いた共振器を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る圧電体振動子の製造方法は、圧電体基板をエッチング加工することにより圧電体基板に振動部を形成するステップと、この圧電体基板に振動部を形成するステップと、振動部が振動する電界を発生する一対の電極を、振動部を挟むように圧電体基板上に配置するステップとを有することを特徴とする。
【0007】
この圧電体振動子の製造方法においては、振動部は、圧電体基板をエッチング加工して形成される。すなわち、振動部が圧電性を有するため、この振動部を挟むように配置された一対の電極間に交流電圧を印加することで振動部を振動させることができる。このように、この圧電体振動子の製造方法においては、精密な除去加工が可能なエッチング加工で微細な振動部を形成することができるため、研磨加工で振動部を形成する従来の製造方法で作製された圧電体振動子よりも小型で高周波の圧電振動子を作製することができる。
【0008】
また、一対の電極を振動部から離間させて配置することが好ましい。この場合、電極の質量が振動部の高周波化に影響を及ぼさない。
【0009】
また、一対の電極と振動部との間の圧電体基板領域に、それぞれ溝部を形成することが好ましい。この場合、圧電体振動子の高さを抑えつつ、振動部の伸長化を図ることができる。
【0010】
また、圧電体基板の圧電体は水晶であることが好ましい。水晶は、従来から多用されている圧電体であるため、容易に入手することができる。
【0011】
また、圧電体の水晶の表面のうち、電極と対向する面をATカット面にすることが好ましい。水晶のATカット面における振動は、広い温度範囲にわたって周波数変化が少ない(周波数温度係数が小さい)ので、この振動子を広範な用途に用いることができる。
【0012】
本発明に係る圧電体振動子は、圧電体基板をエッチング加工することにより圧電体基板に形成された振動部と、振動部を挟むように圧電体基板上に配置され、振動部が振動する電界を発生する一対の電極とを備えることを特徴とする。
【0013】
この圧電体振動子においては、振動部は、圧電体基板をエッチング加工して形成されている。すなわち、振動部も圧電性を有するため、この振動部を挟むように配置された一対の電極間に交流電圧を印加することで振動部を振動させることができる。このように、この圧電体振動子は、精密な除去加工が可能なエッチング加工で微細な振動部が形成されるため、研磨加工で形成された振動部を有する圧電体振動子よりも小型にすることができると共に、高周波にすることができる。
【0014】
本発明に係る共振器は、圧電体基板をエッチング加工することにより圧電体基板に形成された振動部と、振動部を挟むように圧電体基板上に配置され、振動部が振動する電界を発生する一対の電極とを備える圧電体振動子と、この圧電体振動子を封止する筐体とを有することを特徴とする。
【0015】
この共振器においては、圧電体振動子の振動部は、圧電体基板をエッチング加工して形成されている。すなわち、振動部も圧電性を有するため、この振動部を挟むように配置された一対の電極間に交流電圧を印加することで振動部を振動させることができる。このように、この共振器の圧電体振動子は、精密な除去加工が可能なエッチング加工で微細な振動部が形成されるため、研磨加工で形成された振動部を有する圧電体振動子よりも小型にすることができると共に、高周波にすることができる。そのため、小型化及び高周波化が図られたこの圧電体振動子を用いることにより、この共振器の小型化及び高周波化を図ることができる。
【0016】
また、圧電体振動子を真空封止することが好ましい。この場合、圧電体振動子の表面に水滴や塵などが付着するのを防ぐことができる。
【0017】
また、圧電体振動子を不活性ガス封止することが好ましい。この場合、圧電体振動子の表面に水滴や塵などが付着するのを防ぐことができる。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明に係る圧電体振動子の製造方法、圧電体振動子及びこれを用いた共振器の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、同一又は同等の要素については同一の符号を付し、説明が重複する場合にはその説明を省略する。
【0019】
図1に示すように、共振器10は、上面開口のセラミクス製筐体12を有しており、この筐体12内部には圧電体振動子14が収容されている。この圧電体振動子14は、一対の電極(図示せず)を有しており、それぞれ筐体12に内設された端子12aとリード線16を介して接続されている。端子12aは、図示しない交流の外部電源と電気的に接続されており、圧電体振動子14はこの外部電源から電力供給される。
【0020】
また、筐体12の上面開口は金属製の蓋18で閉蓋されている。なお、この蓋18と筐体12の開口の縁とは、金属枠19を介して溶接されており、密閉性の向上が図られている。したがって、所定の封止設備を用いて、筐体12内を真空封止、あるいは不活性ガス封止することができる。このように真空封止(不活性ガス封止)することで、筐体12内の圧電体振動子14の表面に水滴や塵などが付着するのを防ぐことができる。
【0021】
次に、圧電体振動子14について、図2及び図3を参照しつつ詳細に説明する。図2は、圧電体振動子14を示した斜視図であり、図3は、図2の圧電体振動子14のIII−III線断面図である。
【0022】
図2に示すように、圧電体振動子14は、水晶製の圧電体基板20と一対の電極22とで構成されている。圧電体基板20は、基板部24と振動部26とで構成されている。基板部24は、外形が直方体形状をしており、その上面24aには、上面24aの一辺24bに沿う方向に矩形状の穴25が形成されている。以下、説明の便宜上、この穴25が沿う一辺24bの方向をX方向、上記上面24aにおいてこの穴25と直交する方向をY方向、X方向及びY方向と直交する方向をZ方向とする。
【0023】
平板状の振動部26は、11μm(厚さ:d)×400μm(高さ:a)×600μm(幅:b)であり、基板部24に形成された穴25の底面に立設され、その上端26aの位置は基板部24の上面24aよりも高くなっている。すなわち、振動部26の周囲には環状の溝部25A(溝幅:約0.3μm)が形成されている。また、振動部26の両面26bはいわゆるATカット面となっており、その法線方向はY方向となっている。なお、振動部26の周囲に形成された溝部25の周辺のうち、振動部26の両面に対応する縁の2辺の中央付近には、それぞれ平板状電極22(200μm×150μm)が設けられている。このように振動部26は、その一部が基板部24の上面より下に埋まっている。基板部24及び振動部26をこのような構造にすることで、振動部が平面上に通常に形成された圧電体振動子(図3の二点鎖線参照)に比べて、圧電体振動子14の高さの低減が図られると同時に、振動部26の伸長化が図られる。
【0024】
なお、電極22の対向方向はY方向であり、それぞれの電極22は振動部26の面(ATカット面)と対向している。そのため、電極22間に交流電圧を印加すると、振動部26を貫通するような交流電界が発生する。すなわち、この交流電界の電極22間における方向は振動部26の両面に直交する方向(Y方向)である。なお、振動部26の両面にATカット面を採用することで、広い温度範囲にわたって周波数変化を抑制することができため、この圧電体振動子14を多様な用途に用いることができる。
【0025】
従来より、水晶などの圧電体は、交流電界(交番電界)中で振動することが知られており、また、ATカット面を有する水晶片の振動モードは厚さすべりモードであるため、水晶片はその厚さ方向に振動することが知られている。したがって、外部電源を用いて電極22間に交流電界を発生させると、振動部26は厚さ方向(Y方向)に振動する。この振動部26の共振は、振動部26内に交番電界が発生して、いわゆる逆圧電効果により振動部26が膨張と圧縮を繰り返すことに起因している。また、その交流周波数を振動部26の固有周波数に対応させることにより、振動部26を共振させることが可能である。
【0026】
なお、厚さすべりモードの場合、水晶片の厚さが薄いほど高周波化されることが知られている。また、厚さすべりモード以外の振動モード(輪郭すべり振動モードや厚み縦振動モードなど)であっても、振動部の小型化に伴って振動周波数が高周波化されることが知られている。
【0027】
次に、圧電体振動子14の振動部26及び基板部24を形成する方法について、図4を参照しつつ説明する。図4は、振動部26及び基板部24を形成する手順を示したフロー図である。
【0028】
まず、圧電体基板20のうち、振動部26となるべき領域20aにZnO層30及びAu層32をZnO層30、Au層32の順番に積層した後、フォトリソグラフィ及びエッチング処理により、この2層30,32を振動部26の断面形状と同じ形状に成形する(図4(a))。次に、Au層32をマスクとして、CF又はCF/Oガスを用いたRIEプラズマエッチングをおこない、Au層32でマスクされた領域以外の基板上面24aを低下させる(図4(b))。RIEエッチングにより低下した基板上面24aに、フォトリソグラフィ及びエッチング処理によってAu電極層34を形成する(図4(c))。次に、Au電極層34をマスクとして、再びCF/Oガスを用いたRIEプラズマエッチングをおこない、振動部26の周囲に溝部25Aを形成する(図4(d))。そして、フォトリソグラフィ及びエッチング処理により、Au電極層34から電極22を形成すると共に、振動部26上のZnO層30及びAu層32をエッチング除去する(図4(e))。このように、精密加工が可能なエッチング加工を除去加工に採用することで精度のよい振動部26が形成される。
【0029】
以上詳細に説明したように、圧電体振動子14においては、圧電体基板20の振動部26となるべき領域20aのまわりにエッチング加工が施されて微細な振動部26が形成されているため、従来の研磨加工で形成される振動部よりも小型の振動部を作製することができる。そのため、圧電体振動子14及び共振器10においては、振動部26を微小化したことに伴う小型化を図ることができると共に、振動部26を薄型化したことに伴う高周波化を図ることができる。また、従来の圧電体振動子(水晶共振器)のように、振動部(水晶片)に電極を取り付けないため、電極の質量は高周波化に悪影響を及ぼさない。そのため、電極22を必要以上に薄型化及び小型化する必要がなく、電極抵抗の増大に伴って増大する共振器損失を抑制することができる。また、振動部表面に膜状の電極(電極膜)を形成する場合、電極膜の形成過程において発生する歪み応力が振動部に悪影響を及ぼすが、この圧電体振動子14は振動部26と電極22とが非接触であるため、そのような問題とは無関係である。
【0030】
次に、上述した圧電体振動子14とは異なる態様の圧電体振動子について、図5〜図8を参照しつつ説明する。
【0031】
図5に示した圧電体振動子14Aは、振動部26の周囲に溝部25Aが形成されていない点、電極22が振動部26に沿ってせり上がっている点でのみ、上述した圧電体振動子14と異なる。すなわち、振動部26は、平坦面である基板部上面24aに立設し、この振動部を挟むように電極22が配置されている。この圧電体振動子14Aにおいても、一対の電極22間にはY方向の交流電界を発生させることができるため、振動部26はY方向に振動する。また、この振動部26もエッチング加工により作製されている。すなわち、まず圧電体基板20上の振動部26となるべき領域20aにZnO層30及びAu層32をZnO層30、Au層32の順番に積層した後、フォトリソグラフィ及びエッチング処理により、この2層30,32を振動部26の断面形状と同じ形状に成形する(図6(a))。次に、Au層32をマスクとして、CF/Oガスを用いたRIEプラズマエッチングをおこない、Au層32でマスクされた領域20a以外の基板上面24aを低下させる(図6(b))。RIEエッチングにより低下した基板上面24aに、フォトリソグラフィにより所定パターン(電極のせり上がり部分の残余領域パターン)のレジスト層36及びAu電極層38を形成した後、リフトオフエッチングにより振動部26に沿う部分の電極22を形成する(図6(c))。次に、所定パターン(電極の下敷部分の残余領域パターン)のレジスト層40をフォトリソグラフィにより基板上に積層した後、Au電極層42を積層する(図6(d))。そして、リフトオフエッチングにより電極22を形成すると共に、振動部26上のZnO層30及びAu層32をエッチング除去する(図6(e))。
【0032】
以上詳細に説明したように、圧電体振動子14Aにおいても上述した圧電体振動子14同様、圧電体基板20の振動部26となるべき領域20aのまわりにエッチング加工を施して微細な振動部26が形成されているため、従来の研磨加工で形成される振動部よりも小型の振動部を作製することができる。そのため、圧電体振動子14A及びこれを用いた共振器10においては、振動部26を微小化したことに伴う小型化を図ることができると共に、振動部26を薄型化したことに伴う高周波化を図ることができる。
【0033】
図7に示した圧電体振動子14Bは、振動部26と基板部24との高さが同じ点、振動部26のX方向の両端部26cが基板部24と連結している点、電極22が溝部25Aの底面まで下垂している点でのみ、上述した圧電体振動子14と異なる。すなわち、この圧電体振動子14Bは、平行な2つの溝部25Aを有する直方体形状の圧電体基板20と一対の電極22とにより構成されており、この圧電体振動子14Bにおいては、2つの溝部25Aに挟まれた部分が振動部26となっている。この圧電体振動子14Bにおいても、一対の電極22間にはY方向の交流電界を発生させることができ、振動部26にこの交流電界が印加されるため、振動部26の中央付近が大きくたわんで振動部26がY方向に振動する。なお、この圧電体振動子14Bにおいても上述した圧電体振動子14,14A同様、所定のエッチング処理により振動部26が形成される。また、電極22は、所定のフォトリソグラフィ及びエッチング処理により形成される。したがって、圧電体振動子14B及びこれを用いた共振器10においては、前述の圧電体振動子14,14A同様、小型化及び高周波化を図ることができる。なおここでは、振動部26のX方向の両端部26cが基板部24と連結している例を示しているが、この両端部26cのうち一方の端部のみが基板部24と連結している態様であってもよい。
【0034】
図8に示した圧電体振動子14Cは、基板部上面24aが傾斜している点、電極22の面積が大きい点でのみ、図5に示した圧電基板14Aと異なる。この圧電体振動子14Cにおいても、電極22間に交流電圧を印加した場合には、振動部26を貫通するY方向の交流電界が発生し、振動部26がY方向に振動する。また、この圧電体振動子14Cは、上述した圧電体振動子14,14A,14B同様、所定のエッチング処理により振動部26が形成される。したがって、圧電体振動子14C及びこれを用いた共振器10においては、前述の圧電体振動子14,14A,14B同様、小型化及び高周波化を図ることができる。
【0035】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、圧電体基板の除去加工はRIEエッチングに限定されず、レーザ加工、イオンビーム加工等であってもよい。また、振動部の形状は平板形状に限定されず、図9に示すようなX―Y断面形状でもよい。すなわち、(a)4つの角部が曲面状に面取りされた形状、(b)面の中央付近が電極方向に突出した形状、(c)楕円形状、(e)円形状等であってもよい。さらに、振動部の下部をテーパ状にして、振動部の安定度の向上を図ってもよい。また、振動部と電極との位置関係は、電極間の交流電界が振動部を通過する範囲で適宜変更することができ、例えば、電極の高さを上下にずらすことも可能である。さらに、圧電体振動子を作製するエッチングの手順及び材料は、上述したものに限定されず、製造時間の短縮や生産性向上のために適宜変更してもよい。
【0036】
また、振動部が水晶製である場合、振動部の両面はATカット面に限らず、例えば、CTカット面やXカット面であってもよい。すなわち、振動部の振動モードは、厚みすべりモードに限らず、例えば、輪郭すべりモードや厚み縦振動モードであってもよい。さらに、圧電体は、天然あるいは人工の水晶に限定されず、例えば、LiNbO結晶や圧電セラミクス材料(BaTiO等)でもよい。
【0037】
【実施例】
発明者らは、実際に圧電体振動子を作製して、その共振特性を測定した。以下、測定した結果を示す。
【0038】
(第1の実施例)
水晶製の圧電体基板をエッチング加工すると共に一対の電極を取り付けて、図2に示した圧電体振動子14と略同様の圧電体振動子を作製した。エッチングの条件は、CFガス雰囲気中、圧力は2Pa、RFパワーは300Wとした。このようにして作製した圧電体振動子の振動部は、厚さ(d)が11μm、高さ(a)が600μm、幅(b)が600μmであった。また、長方形状の電極の大きさは、100μm×20μmであった。これら振動部及び電極の距離は、0.3μmであった。この圧電体振動子を表面実装型のセラミクス筐体で封止し、3mm×3mm×1.5mmの共振器を作製して、この共振器の共振周波数及びQ値を測定した。その結果、共振周波数は150MHz、Q値は7800となり、良好な共振特性が得られた。
【0039】
(第2の実施例)
水晶製の圧電体基板をエッチング加工すると共に一対の電極を取り付けて、
図2に示した圧電体振動子14と略同様の圧電体振動子を作製した。エッチングの条件は、CFガス雰囲気中、圧力は2Pa、RFパワーは300Wとした。このようにして作製した圧電体振動子の振動部は、厚さ(d)が1μm、高さ(a)が100μm、幅(b)が100μmであった。また、長方形状の電極の大きさは、50μm×10μmであった。これら振動部及び電極の距離は、0.1μmであった。この圧電体振動子を表面実装型のセラミクス筐体で封止し、3mm×3mm×1.5mmの共振器を作製して、この共振器の共振周波数及びQ値を測定した。その結果、共振周波数は1.6GHz、Q値は850となり、良好な共振特性が得られた。
【0040】
【発明の効果】
本発明によれば、作製される圧電体振動子の小型化及び高周波化が図られた圧電体振動子の製造方法、圧電振動子及びこれを用いた共振器が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る共振器を示した図である。
【図2】図1の圧電体振動子を示した斜視図である。
【図3】図2の圧電体振動子のIII−III線断面図である。
【図4】図2の圧電体振動子を作製する手順を示したフロー図である。
【図5】図2の圧電体振動子とは異なる態様の圧電体振動子を示した斜視図である。
【図6】図5の圧電体振動子を作製する手順を示したフロー図である。
【図7】図2の圧電体振動子とは異なる態様の圧電体振動子を示した斜視図である。
【図8】図2の圧電体振動子とは異なる態様の圧電体振動子を示した斜視図である。
【図9】圧電体振動子の振動部の断面の変形態様を示した図である。
【符号の説明】
10…共振器、12…筐体、14,14A,14B,14C…圧電体振動子、20…圧電体基板、20a…領域、22…電極、24…基板部、25A…溝部、26…振動部、26b…面。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a piezoelectric vibrator, a piezoelectric vibrator, and a resonator using the same.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, a resonator using a crystal resonator has been known as one of resonators used for an impedance element. This crystal resonator has a configuration in which a pair of electrode films are attached to both surfaces (AT surfaces) of a supported crystal piece. In this quartz resonator, an alternating electric field is generated in the quartz piece by applying a predetermined AC voltage between the electrode films, and the quartz piece vibrates. In addition, techniques related to such a crystal resonator are disclosed in, for example, Patent Documents 1 and 2 below, but are disclosed in many documents other than these documents.
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-7-183759 [Patent Document 2]
JP 2001-7676 A
[Problems to be solved by the invention]
In general, it is known that the vibration frequency of a crystal blank having an AT cut surface greatly depends on its thickness (a thickness shear vibration mode). However, the crystal blank used in the above-described conventional resonator is known. Since is manufactured by polishing, there is a limit in miniaturization and thickness reduction. For this reason, the conventional resonator can be used only at a frequency of about several hundred MHz, and there is a problem that it is difficult to cope with a higher frequency. It is known that even in vibration modes other than the thickness shear vibration mode such as the contour shear vibration mode and the thickness longitudinal vibration mode, the vibration frequency becomes high by reducing the size of the vibration member such as quartz. I have.
[0005]
The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and a method of manufacturing a piezoelectric vibrator in which a manufactured piezoelectric vibrator has been reduced in size and has a higher frequency, a piezoelectric vibrator and a piezoelectric vibrator using the same. An object is to provide a resonator.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The method of manufacturing a piezoelectric vibrator according to the present invention includes the steps of: forming a vibrating portion on the piezoelectric substrate by etching the piezoelectric substrate; forming a vibrating portion on the piezoelectric substrate; Arranging a pair of electrodes for generating an oscillating electric field on the piezoelectric substrate so as to sandwich the oscillating portion.
[0007]
In this method of manufacturing a piezoelectric vibrator, the vibrating portion is formed by etching a piezoelectric substrate. That is, since the vibrating portion has piezoelectricity, the vibrating portion can be vibrated by applying an AC voltage between a pair of electrodes arranged so as to sandwich the vibrating portion. As described above, in the method of manufacturing the piezoelectric vibrator, since a fine vibrating portion can be formed by an etching process capable of performing a precise removal process, a conventional manufacturing method of forming a vibrating portion by polishing is used. A high-frequency piezoelectric vibrator smaller than the manufactured piezoelectric vibrator can be manufactured.
[0008]
Further, it is preferable to dispose the pair of electrodes so as to be separated from the vibration part. In this case, the mass of the electrode does not affect the frequency of the vibrating part.
[0009]
Preferably, grooves are formed in the piezoelectric substrate region between the pair of electrodes and the vibrating portion. In this case, it is possible to extend the vibrating portion while suppressing the height of the piezoelectric vibrator.
[0010]
Further, the piezoelectric body of the piezoelectric body substrate is preferably made of quartz. Quartz is a piezoelectric material that has been widely used in the past, and can be easily obtained.
[0011]
In addition, it is preferable that, of the surface of the quartz crystal of the piezoelectric body, the surface facing the electrode is an AT cut surface. Since the vibration on the AT cut surface of the crystal has a small frequency change (a small frequency temperature coefficient) over a wide temperature range, this vibrator can be used for a wide range of applications.
[0012]
The piezoelectric vibrator according to the present invention includes a vibrating portion formed on the piezoelectric substrate by etching the piezoelectric substrate, and an electric field that is disposed on the piezoelectric substrate so as to sandwich the vibrating portion, and the vibrating portion vibrates. And a pair of electrodes for generating
[0013]
In this piezoelectric vibrator, the vibrating portion is formed by etching a piezoelectric substrate. That is, since the vibrating portion also has piezoelectricity, the vibrating portion can be vibrated by applying an AC voltage between a pair of electrodes arranged so as to sandwich the vibrating portion. As described above, in the piezoelectric vibrator, since a fine vibrating portion is formed by etching processing capable of precise removal processing, the piezoelectric vibrator is made smaller than a piezoelectric vibrator having a vibrating portion formed by polishing. And high frequency.
[0014]
The resonator according to the present invention is configured such that a vibrating portion formed on a piezoelectric substrate by etching a piezoelectric substrate and an electric field in which the vibrating portion vibrates are disposed on the piezoelectric substrate so as to sandwich the vibrating portion. And a housing for sealing the piezoelectric vibrator.
[0015]
In this resonator, the vibrating portion of the piezoelectric vibrator is formed by etching a piezoelectric substrate. That is, since the vibrating portion also has piezoelectricity, the vibrating portion can be vibrated by applying an AC voltage between a pair of electrodes arranged so as to sandwich the vibrating portion. In this way, the piezoelectric vibrator of this resonator has a fine vibrating portion formed by an etching process capable of precise removal processing, and is therefore smaller than a piezoelectric vibrator having a vibrating portion formed by polishing. The size can be reduced and the frequency can be increased. Therefore, the size and frequency of the resonator can be reduced by using the piezoelectric vibrator whose size and frequency have been reduced.
[0016]
Further, it is preferable to vacuum seal the piezoelectric vibrator. In this case, it is possible to prevent water droplets and dust from adhering to the surface of the piezoelectric vibrator.
[0017]
Further, it is preferable to seal the piezoelectric vibrator with an inert gas. In this case, it is possible to prevent water droplets and dust from adhering to the surface of the piezoelectric vibrator.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of a method for manufacturing a piezoelectric vibrator, a piezoelectric vibrator, and a resonator using the same according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Note that the same or equivalent elements are denoted by the same reference numerals, and a description thereof will be omitted if the description is duplicated.
[0019]
As shown in FIG. 1, the resonator 10 has a ceramic casing 12 having an upper surface opening, and a piezoelectric vibrator 14 is housed inside the casing 12. The piezoelectric vibrator 14 has a pair of electrodes (not shown), and is connected to a terminal 12 a provided inside the housing 12 via a lead 16. The terminal 12a is electrically connected to an AC external power supply (not shown), and the piezoelectric vibrator 14 is supplied with power from the external power supply.
[0020]
The upper opening of the housing 12 is closed by a metal lid 18. The lid 18 and the edge of the opening of the housing 12 are welded via a metal frame 19 to improve the sealing performance. Therefore, the inside of the housing 12 can be vacuum-sealed or inert gas-sealed using predetermined sealing equipment. By performing vacuum sealing (inert gas sealing) in this manner, it is possible to prevent water droplets, dust, and the like from adhering to the surface of the piezoelectric vibrator 14 in the housing 12.
[0021]
Next, the piezoelectric vibrator 14 will be described in detail with reference to FIGS. FIG. 2 is a perspective view showing the piezoelectric vibrator 14, and FIG. 3 is a cross-sectional view of the piezoelectric vibrator 14 of FIG.
[0022]
As shown in FIG. 2, the piezoelectric vibrator 14 includes a piezoelectric substrate 20 made of quartz and a pair of electrodes 22. The piezoelectric substrate 20 includes a substrate section 24 and a vibration section 26. The substrate part 24 has a rectangular parallelepiped outer shape, and a rectangular hole 25 is formed in the upper surface 24a in a direction along one side 24b of the upper surface 24a. Hereinafter, for convenience of description, the direction of one side 24b along which the hole 25 extends is defined as the X direction, the direction orthogonal to the hole 25 on the upper surface 24a is defined as the Y direction, and the direction orthogonal to the X direction and the Y direction is defined as the Z direction.
[0023]
The plate-shaped vibrating portion 26 is 11 μm (thickness: d) × 400 μm (height: a) × 600 μm (width: b), and is erected on the bottom surface of a hole 25 formed in the substrate portion 24. The position of the upper end 26a is higher than the upper surface 24a of the substrate unit 24. That is, an annular groove 25A (groove width: about 0.3 μm) is formed around the vibrating part 26. The both surfaces 26b of the vibrating portion 26 are so-called AT cut surfaces, and the normal direction is the Y direction. A flat electrode 22 (200 μm × 150 μm) is provided near the center of two sides of the edge corresponding to both surfaces of the vibrating portion 26 in the periphery of the groove 25 formed around the vibrating portion 26. I have. Thus, the vibrating part 26 is partially buried below the upper surface of the substrate part 24. With the substrate portion 24 and the vibrating portion 26 having such a structure, the piezoelectric vibrator 14 can be compared with a piezoelectric vibrator in which the vibrating portion is normally formed on a plane (see a two-dot chain line in FIG. 3). The height of the vibrating part 26 is increased at the same time as the height of the vibration part 26 is reduced.
[0024]
Note that the facing direction of the electrodes 22 is the Y direction, and each electrode 22 faces the surface (AT cut surface) of the vibrating part 26. Therefore, when an AC voltage is applied between the electrodes 22, an AC electric field that penetrates the vibrating portion 26 is generated. That is, the direction of the alternating electric field between the electrodes 22 is a direction (Y direction) orthogonal to both surfaces of the vibrating part 26. By adopting the AT cut surfaces on both surfaces of the vibrating part 26, the frequency change can be suppressed over a wide temperature range, so that the piezoelectric vibrator 14 can be used for various purposes.
[0025]
It has been known that a piezoelectric body such as a quartz crystal vibrates in an alternating electric field (alternating electric field). Also, since a vibration mode of a crystal piece having an AT cut surface is a thickness slip mode, Is known to vibrate in its thickness direction. Therefore, when an AC electric field is generated between the electrodes 22 using an external power supply, the vibrating portion 26 vibrates in the thickness direction (Y direction). The resonance of the vibrating portion 26 is caused by the generation of an alternating electric field in the vibrating portion 26 and the repetition of expansion and compression of the vibrating portion 26 due to a so-called reverse piezoelectric effect. Further, by making the AC frequency correspond to the natural frequency of the vibration unit 26, the vibration unit 26 can resonate.
[0026]
In the thickness sliding mode, it is known that the frequency increases as the thickness of the crystal blank decreases. Further, it is known that even in a vibration mode other than the thickness shear mode (such as a contour shear vibration mode and a thickness longitudinal vibration mode), the vibration frequency is increased with the downsizing of the vibration part.
[0027]
Next, a method for forming the vibration part 26 and the substrate part 24 of the piezoelectric vibrator 14 will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a flowchart showing a procedure for forming the vibration section 26 and the substrate section 24.
[0028]
First, after the ZnO layer 30 and the Au layer 32 are laminated in the order of the ZnO layer 30 and the Au layer 32 in the region 20a to be the vibrating portion 26 of the piezoelectric substrate 20, the two layers are formed by photolithography and etching. The sections 30 and 32 are formed in the same shape as the cross section of the vibrating section 26 (FIG. 4A). Next, using the Au layer 32 as a mask, RIE plasma etching using CF 4 or CF 4 / O 2 gas is performed to lower the substrate upper surface 24 a other than the region masked by the Au layer 32 (FIG. 4B). ). An Au electrode layer 34 is formed by photolithography and etching on the substrate upper surface 24a lowered by RIE etching (FIG. 4C). Next, using the Au electrode layer 34 as a mask, RIE plasma etching is again performed using CF 4 / O 2 gas to form a groove 25A around the vibrating part 26 (FIG. 4D). Then, the electrodes 22 are formed from the Au electrode layer 34 by photolithography and etching, and the ZnO layer 30 and the Au layer 32 on the vibrating portion 26 are removed by etching (FIG. 4E). As described above, by employing the etching process capable of performing the precision processing for the removal processing, the vibration part 26 with high accuracy is formed.
[0029]
As described above in detail, in the piezoelectric vibrator 14, since the fine vibrating portion 26 is formed by performing the etching process around the region 20a to be the vibrating portion 26 of the piezoelectric substrate 20, A vibrating portion smaller than the vibrating portion formed by conventional polishing can be manufactured. Therefore, in the piezoelectric vibrator 14 and the resonator 10, the size can be reduced due to the miniaturization of the vibration section 26, and the frequency can be increased due to the reduction in the thickness of the vibration section 26. . Further, unlike the conventional piezoelectric vibrator (crystal resonator), since no electrode is attached to the vibrating portion (crystal piece), the mass of the electrode does not adversely affect the high frequency. Therefore, it is not necessary to make the electrode 22 thinner and smaller than necessary, and it is possible to suppress a resonator loss that increases with an increase in electrode resistance. When a film-like electrode (electrode film) is formed on the surface of the vibrating part, the strain stress generated in the process of forming the electrode film has a bad influence on the vibrating part. Since it is non-contact with 22, it is irrelevant to such a problem.
[0030]
Next, a piezoelectric vibrator different from the above-described piezoelectric vibrator 14 will be described with reference to FIGS.
[0031]
The piezoelectric vibrator 14A shown in FIG. 5 is different from the piezoelectric vibrator described above only in that no groove 25A is formed around the vibrating part 26 and only in that the electrode 22 rises along the vibrating part 26. Different from 14. That is, the vibrating section 26 is provided upright on the flat top surface 24a of the substrate section, and the electrodes 22 are arranged so as to sandwich the vibrating section. Also in the piezoelectric vibrator 14A, since an AC electric field in the Y direction can be generated between the pair of electrodes 22, the vibrating section 26 vibrates in the Y direction. The vibrating section 26 is also manufactured by etching. That is, first, the ZnO layer 30 and the Au layer 32 are laminated in the order of the ZnO layer 30 and the Au layer 32 on the region 20a to be the vibration part 26 on the piezoelectric substrate 20, and then the two layers are formed by photolithography and etching. 30 and 32 are formed in the same shape as the cross-sectional shape of the vibrating part 26 (FIG. 6A). Next, using the Au layer 32 as a mask, RIE plasma etching using CF 4 / O 2 gas is performed to lower the upper surface 24a of the substrate other than the region 20a masked by the Au layer 32 (FIG. 6B). After the resist layer 36 and the Au electrode layer 38 having a predetermined pattern (remaining area pattern of the electrode rising portion) are formed on the upper surface 24a of the substrate lowered by the RIE etching by photolithography, a portion along the vibrating portion 26 is formed by lift-off etching. The electrode 22 is formed (FIG. 6C). Next, after a resist pattern 40 having a predetermined pattern (remaining area pattern of the underlying portion of the electrode) is laminated on the substrate by photolithography, an Au electrode layer 42 is laminated (FIG. 6D). Then, the electrode 22 is formed by lift-off etching, and the ZnO layer 30 and the Au layer 32 on the vibrating portion 26 are removed by etching (FIG. 6E).
[0032]
As described in detail above, in the piezoelectric vibrator 14A, similarly to the above-described piezoelectric vibrator 14, the fine vibrating portion 26 is formed by etching around the region 20a to be the vibrating portion 26 of the piezoelectric substrate 20. Is formed, a vibrating portion smaller than the vibrating portion formed by the conventional polishing process can be manufactured. Therefore, in the piezoelectric vibrator 14 </ b> A and the resonator 10 using the same, it is possible to reduce the size due to the miniaturization of the vibrating section 26 and to increase the frequency due to the thinning of the vibrating section 26. Can be planned.
[0033]
The piezoelectric vibrator 14B shown in FIG. 7 has a point that the height of the vibrating part 26 and the substrate part 24 are the same, a point that both ends 26c in the X direction of the vibrating part 26 are connected to the substrate part 24, Is different from the above-described piezoelectric vibrator 14 only in that it hangs down to the bottom surface of the groove 25A. That is, the piezoelectric vibrator 14B includes a rectangular parallelepiped piezoelectric substrate 20 having two parallel grooves 25A and a pair of electrodes 22, and the piezoelectric vibrator 14B has two grooves 25A. The portion sandwiched between the portions is a vibrating portion 26. Also in the piezoelectric vibrator 14B, an AC electric field in the Y direction can be generated between the pair of electrodes 22, and the AC electric field is applied to the vibrating portion 26. The vibrator 26 vibrates in the Y direction. In this piezoelectric vibrator 14B, as in the above-described piezoelectric vibrators 14 and 14A, the vibrating portion 26 is formed by a predetermined etching process. The electrode 22 is formed by a predetermined photolithography and etching process. Therefore, in the piezoelectric vibrator 14B and the resonator 10 using the same, the size and the frequency can be reduced as in the above-described piezoelectric vibrators 14 and 14A. Here, an example is shown in which both ends 26c of the vibrating portion 26 in the X direction are connected to the substrate 24, but only one end of the both ends 26c is connected to the substrate 24. It may be an aspect.
[0034]
The piezoelectric vibrator 14C shown in FIG. 8 differs from the piezoelectric substrate 14A shown in FIG. 5 only in that the upper surface 24a of the substrate portion is inclined and the area of the electrode 22 is large. Also in this piezoelectric vibrator 14C, when an AC voltage is applied between the electrodes 22, an AC electric field in the Y direction penetrating the vibrating part 26 is generated, and the vibrating part 26 vibrates in the Y direction. Further, in the piezoelectric vibrator 14C, the vibrating portion 26 is formed by a predetermined etching process, similarly to the above-described piezoelectric vibrators 14, 14A and 14B. Therefore, in the piezoelectric vibrator 14C and the resonator 10 using the same, the miniaturization and high frequency can be achieved similarly to the above-described piezoelectric vibrators 14, 14A and 14B.
[0035]
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible. For example, the removal processing of the piezoelectric substrate is not limited to RIE etching, but may be laser processing, ion beam processing, or the like. Further, the shape of the vibrating portion is not limited to a flat plate shape, and may be an XY cross-sectional shape as shown in FIG. That is, (a) a shape in which four corners are chamfered into a curved shape, (b) a shape protruding near the center of the surface in the electrode direction, (c) an elliptical shape, (e) a circular shape, or the like. . Furthermore, the lower part of the vibrating part may be tapered to improve the stability of the vibrating part. The positional relationship between the vibrating portion and the electrode can be appropriately changed within a range in which an AC electric field between the electrodes passes through the vibrating portion. For example, the height of the electrode can be shifted up and down. Further, the etching procedure and the material for producing the piezoelectric vibrator are not limited to those described above, and may be changed as appropriate for shortening the manufacturing time and improving the productivity.
[0036]
When the vibrating portion is made of quartz, both surfaces of the vibrating portion are not limited to the AT cut surface, and may be, for example, a CT cut surface or an X cut surface. That is, the vibration mode of the vibrating section is not limited to the thickness shear mode, and may be, for example, a contour slip mode or a thickness longitudinal vibration mode. Further, the piezoelectric body is not limited to natural or artificial quartz, and may be, for example, LiNbO 3 crystal or a piezoelectric ceramic material (BaTiO 3 or the like).
[0037]
【Example】
The inventors actually manufactured a piezoelectric vibrator and measured its resonance characteristics. Hereinafter, the measurement results are shown.
[0038]
(First embodiment)
A piezoelectric vibrator substantially similar to the piezoelectric vibrator 14 shown in FIG. 2 was fabricated by etching a piezoelectric substrate made of quartz and attaching a pair of electrodes. The etching conditions were a CF 4 gas atmosphere, a pressure of 2 Pa, and an RF power of 300 W. The vibrating part of the piezoelectric vibrator thus manufactured had a thickness (d) of 11 μm, a height (a) of 600 μm, and a width (b) of 600 μm. The size of the rectangular electrode was 100 μm × 20 μm. The distance between these vibrating parts and the electrodes was 0.3 μm. The piezoelectric vibrator was sealed with a surface-mount type ceramic casing, a 3 mm × 3 mm × 1.5 mm resonator was manufactured, and the resonance frequency and Q value of the resonator were measured. As a result, the resonance frequency was 150 MHz, the Q value was 7,800, and good resonance characteristics were obtained.
[0039]
(Second embodiment)
Etch the piezoelectric substrate made of quartz and attach a pair of electrodes,
A piezoelectric vibrator substantially similar to the piezoelectric vibrator 14 shown in FIG. 2 was manufactured. The etching conditions were a CF 4 gas atmosphere, a pressure of 2 Pa, and an RF power of 300 W. The vibrating part of the piezoelectric vibrator thus manufactured had a thickness (d) of 1 μm, a height (a) of 100 μm, and a width (b) of 100 μm. The size of the rectangular electrode was 50 μm × 10 μm. The distance between the vibrating part and the electrode was 0.1 μm. This piezoelectric vibrator was sealed with a surface-mount type ceramic casing, a 3 mm × 3 mm × 1.5 mm resonator was manufactured, and the resonance frequency and Q value of this resonator were measured. As a result, the resonance frequency was 1.6 GHz, the Q value was 850, and good resonance characteristics were obtained.
[0040]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of the piezoelectric vibrator which achieved miniaturization and high frequency of the produced piezoelectric vibrator, a piezoelectric vibrator, and a resonator using the same are provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a resonator according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing the piezoelectric vibrator of FIG. 1;
FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III of the piezoelectric vibrator of FIG. 2;
FIG. 4 is a flowchart showing a procedure for manufacturing the piezoelectric vibrator of FIG. 2;
FIG. 5 is a perspective view showing a piezoelectric vibrator in a mode different from that of the piezoelectric vibrator of FIG. 2;
FIG. 6 is a flowchart showing a procedure for manufacturing the piezoelectric vibrator of FIG.
FIG. 7 is a perspective view showing a piezoelectric vibrator having a mode different from that of the piezoelectric vibrator of FIG. 2;
FIG. 8 is a perspective view showing a piezoelectric vibrator in a mode different from that of the piezoelectric vibrator of FIG. 2;
FIG. 9 is a diagram showing a deformation mode of a cross section of a vibrating portion of the piezoelectric vibrator.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... resonator, 12 ... housing | casing, 14, 14A, 14B, 14C ... piezoelectric vibrator, 20 ... piezoelectric substrate, 20a ... area | region, 22 ... electrode, 24 ... substrate part, 25A ... groove part, 26 ... vibrating part , 26b ... surface.

Claims (9)

圧電体基板をエッチング加工することにより前記圧電体基板に振動部を形成するステップと、
前記振動部が振動する電界を発生する一対の電極を、前記振動部を挟むように前記圧電体基板上に配置するステップとを有することを特徴とする圧電体振動子の製造方法。
Forming a vibrating portion on the piezoelectric substrate by etching the piezoelectric substrate,
Arranging a pair of electrodes for generating an electric field in which the vibrating part vibrates on the piezoelectric substrate so as to sandwich the vibrating part.
前記一対の電極を前記振動部から離間させて配置することを特徴とする請求項1に記載の圧電体振動子の製造方法。2. The method according to claim 1, wherein the pair of electrodes are arranged apart from the vibrating part. 3. 前記一対の電極と振動部との間の圧電体基板領域に、それぞれ溝部を形成することを特徴とする請求項1又は2に記載の圧電体振動子の製造方法。3. The method according to claim 1, wherein a groove is formed in each of the piezoelectric substrate regions between the pair of electrodes and the vibrating section. 4. 前記圧電体基板の圧電体は水晶であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の圧電体振動子の製造方法。The method for manufacturing a piezoelectric vibrator according to claim 1, wherein the piezoelectric body of the piezoelectric substrate is quartz. 前記圧電体の水晶の表面のうち、前記電極と対向する面をATカット面にすることを特徴とする請求項4に記載の圧電体振動子の製造方法。The method for manufacturing a piezoelectric vibrator according to claim 4, wherein a surface of the crystal of the piezoelectric body that faces the electrode is an AT cut surface. 圧電体基板をエッチング加工することにより前記圧電体基板に形成された振動部と、
前記振動部を挟むように前記圧電体基板上に配置され、前記振動部が振動する電界を発生する一対の電極とを備えることを特徴とする圧電体振動子。
A vibration portion formed on the piezoelectric substrate by etching the piezoelectric substrate,
A piezoelectric vibrator, comprising: a pair of electrodes that are arranged on the piezoelectric substrate so as to sandwich the vibrating part and generate an electric field in which the vibrating part vibrates.
圧電体基板をエッチング加工することにより前記圧電体基板に形成された振動部と、前記振動部を挟むように前記圧電体基板上に配置され、前記振動部が振動する電界を発生する一対の電極とを備える圧電体振動子と、
この圧電体振動子を封止する筐体とを有することを特徴とする共振器。
A vibrating portion formed on the piezoelectric substrate by etching the piezoelectric substrate, and a pair of electrodes arranged on the piezoelectric substrate so as to sandwich the vibrating portion and generating an electric field in which the vibrating portion vibrates; A piezoelectric vibrator comprising:
A resonator for sealing the piezoelectric vibrator.
前記圧電体振動子を真空封止することを特徴とする請求項7に記載の共振器。The resonator according to claim 7, wherein the piezoelectric vibrator is vacuum-sealed. 前記圧電体振動子を不活性ガス封止することを特徴とする請求項7に記載の共振器。The resonator according to claim 7, wherein the piezoelectric vibrator is sealed with an inert gas.
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