JP2005217780A - 圧電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】周囲の温度変化によるクラックの発生や弾性表面波の周波数の変動を低減した圧電装置を提供する。
【解決手段】下面に振動電極３ｃを有した圧電体１を、振動電極３ｃと電気的に接続される複数個の配線導体４ａを有した支持基板２上に配置させるとともに、圧電体１と支持基板２との間に振動電極３ｃの形成領域を囲繞する封止材５を介在させてなり、振動電極３ｃに電力を印加することにより圧電体１下面の振動電極３ｃ形成領域で弾性表面波を発生させるようにした圧電装置１０であって、支持基板１及び圧電体２を同材質の圧電材料により形成した。
【選択図】図２

Description

本発明は、通信機器等に用いられる圧電装置に関するものである。

従来から、通信機器等にレゾネータやフィルタとして圧電装置が用いられている。

係る従来の圧電装置としては、下面に振動電極を有した圧電体を、振動電極と電気的に接続される複数個の配線導体を有した支持基板上に配置させるとともに、圧電体と支持基板との間に振動電極の形成領域を囲繞する封止材を介在させてなる構造のものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

上述した圧電装置に用いられる圧電体としては、例えば、櫛歯状の振動電極に電力を印加することにより圧電体下面の振動電極形成領域で共振特性のＱ値にすぐれる弾性表面波を発生させるものが多く用いられている。
特開２００３−７８３８９号公報

しかしながら、上述した従来の圧電装置においては、周囲の温度変化に応じて、圧電体と支持基板との間に熱膨張係数の差による応力が発生し、この応力によって圧電体にクラックが発生して信頼性が低下するという問題がある。これは、圧電体として主に用いられるタンタル酸リチウムやニオブ酸リチウム等の材料が、応力によって容易にクラックが発生する脆い材質であることに起因するものである。

またクラックが発生しない場合であっても、応力によって圧電体が変形することになるので、弾性表面波の周波数が変動するという不具合が発生することになる。

本発明は上記欠点に鑑み案出されたもので、その目的は、周囲の温度変化によるクラックの発生や弾性表面波の周波数の変動を低減した圧電装置を提供することにある。

本発明の圧電装置は、下面に振動電極を有した圧電体を、前記振動電極と電気的に接続される複数個の配線導体を有した支持基板上に配置させるとともに、前記圧電体と前記支持基板との間に前記振動電極の形成領域を囲繞する封止材を介在させてなり、前記振動電極に電力を印加することにより前記圧電体下面の振動電極形成領域で弾性表面波を発生させるようにした圧電装置であって、前記支持基板及び圧電体を同材質の圧電材料により形成したことを特徴とするものである。

また本発明の圧電装置は、前記支持基板及び前記圧電体が、同一の単結晶圧電材料から成るとともに、該単結晶圧電材料の結晶切断方向を一致させるようにして配置されていることを特徴とするものである。

更に本発明の圧電装置は、前記支持基板及び前記圧電体が、同一の単結晶圧電材料から成るとともに、該単結晶圧電材料の結晶軸の向きが略平行となるように配置されていることを特徴とするものである。

また更に本発明の圧電装置は、前記支持基板及び前記圧電体が、同一の多結晶圧電材料から成るとともに、該多結晶圧電材料の分極方向が略平行となるように配置されていることを特徴とするものである。

更にまた本発明の圧電装置は、前記封止材が導体材料から成り、且つ該封止材が前記支持基板の下面に設けられるグランド端子に電気的に接続されていることを特徴とするものである。

本発明の圧電装置によれば、支持基板及び圧電体を同材質の圧電材料により形成したことから、圧電体と支持基板との熱膨張係数の差が少なくなり、周囲の温度変化によって両者の間に発生する応力が少なくなるので、圧電体のクラックの発生が低減され、信頼性を高くすることができる。そして、応力が少なくなることにより、圧電体の変形が小さくなり、弾性表面波の周波数の変動を低減することができる。

また本発明の圧電装置によれば、支持基板及び圧電体が、同一の単結晶圧電材料から成るとともに、単結晶圧電材料の結晶切断方向を一致させるようにして配置されていることから、圧電体と支持基板との熱膨張係数の差をより少なくすることになるので、周囲の温度変化によって両者の間に発生する応力がより少なくなり、周囲の温度変化によるクラックの発生や弾性表面波の周波数の変動をより低減した圧電装置とすることができる。

更に本発明の圧電装置によれば、圧電体及び支持基板が、同一の単結晶圧電材料から成るとともに、単結晶圧電材料の結晶軸の向きが略平行となるように配置されていることから、圧電体と支持基板との熱膨張係数の差を方向性においても少なくなるので、周囲の温度変化によって両者の間に発生する応力が効果的に少なくなり、周囲の温度変化によるクラックの発生や弾性表面波の周波数の変動がほとんど発生することのない圧電装置とすることができる。

また更に本発明の圧電装置によれば、支持基板及び圧電体が、同一の多結晶圧電材料から成るとともに、多結晶圧電材料の分極方向が略平行となるように配置されていることから、圧電体の材料として特に脆い材質から成る多結晶圧電材料を用いた場合であっても、圧電体と支持基板との熱膨張係数の差をより少なくし、周囲の温度変化によって両者の間に発生する応力をより少なくして、周囲の温度変化によるクラックの発生や弾性表面波の周波数の変動をより低減した圧電装置とすることができる。

更にまた本発明の圧電装置によれば、封止材が導体材料から成り、且つ該封止材が前記支持基板の下面に設けられるグランド端子に電気的に接続されていることから、振動電極形成領域を電磁的に遮蔽することができる。

以下、本発明の圧力センサを図面に基づいて詳説する。

図１は本発明の一実施形態に係る圧電装置の外観斜視図、図２は本発明の一実施形態に係る圧電装置の断面図、図３は本発明の一実施形態に係る圧電装置に用いる圧電体を下方からみた外観斜視図であり、同図に示す圧電装置は、大略的に、圧電体１、支持基板２、封止材５とで構成されている。

圧電体１は、水晶や、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムなどの単結晶圧電材料から成り、その厚みは例えば２００〜３００μｍに設定される。また、所定の結晶切断方向にて主面を形成しており、下面には振動電極３ｃが被着された構造を有している。振動電極３ｃは、櫛歯状のインダーデジタルトランスデューサ３ｃａと、インターデジタルトランスデューサ３ｃａの近傍に被着された反射器３ｃｂとから構成される。

また他に圧電体１の下面には、振動電極３ｃと電気的に接続される接続電極３ａが被着され、更に、振動電極形成領域を囲繞するようにして封止電極３ｂが被着されている。このような、振動電極３ｃ、接続電極３ａ及び封止電極３ｂは、アルミニウムや金等の金属材料をスパッタや蒸着等の成膜工法により形成される。

支持基板２は、圧電体１と同一の単結晶圧電材料を用い、その厚みは圧電体１と同程度の２００〜３００μｍに設定される。また、本実施形態における支持基板２は、圧電体１と同一の結晶切断方向にて主面を形成しており、上面には振動電極３ｃと電気的に接続される複数個の配線導体４ａを有し、更に封止パッド４ｂが被着・形成されている。そして下面には外部端子８が被着され、上面と下面とを電気的に接続するためのビアホール導体７が形成されている。

支持基板２に形成される外部端子８、配線導体４ａ及び封止パッド４ｂは、圧電体１に被着される振動電極３ｃ、接続電極３ａ及び封止電極３ｂと同じ材料・工法により形成可能であるが、密着強度の向上のため膜厚を厚く形成しておくことが好ましい。またビアホール導体７は、サンドブラスト法等により形成した支持基板２を貫通する孔に、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｕ等をメッキ処理することにより充填・形成できる。

配線導体４ａは、圧電体１を支持基板２上に配置させた際に、導電性接合剤６を介して接続電極３ａと電気的に接続される。本実施形態においては、導電性接合剤６には高融点のロウ材であるＡｕＳｎ半田を用いており、このような導電性接合剤６であれば、圧電装置をマザーボード等に搭載する際に熱が印加された場合であっても導電性接合剤６が再溶融しないので特性が変化しない。尚、同様の効果が得られる材料としては、ＡｕＳｎ半田以外にはＡｕＳｉ半田等があり、これらを用いることも可能である。

封止パッド４ｂは、支持基板２の上面で、圧電体１の下面に被着されている封止電極３ｂと対向するようにして被着・形成されており、圧電体１を支持基板２上に配置させた際に封止材５を介して封止電極３ｂと接合される。

上述した封止材５は、圧電体１と支持基板２との間に振動電極３ｃの形成領域を囲繞するように介在されることとなり、これによって圧電装置１０は、振動電極形成領域が外気より気密封止された構造となるので、振動電極３ｃに電力を印可することにより圧電体１下面の振動電極形成領域で弾性表面波を発生させることが安定して行えるようになる。

尚、封止材５は、本実施形態においては導電性接合剤６と同じ導体材料を用いた。封止材５に導体材料を用いれば、第１圧電基板１の下面に設けられるグランド端子に電気的に接続することができるので、振動電極形成領域が電磁的に遮蔽されるという効果を奏することもできる。このようなグランド端子は、具体的には上述した外部端子９の中に含まれており、ビアホール導体８を介して封止パッド４ｃと接続するようにしている。

上述した圧電装置１０によれば、圧電体１及び支持基板２を同材質の圧電材料により形成したことから、圧電体１と支持基板２との熱膨張係数の差が少なくなり、周囲の温度変化によって両者の間に発生する応力が少なくなるので、圧電体１のクラックの発生が低減され、信頼性を高くすることができる。そして、応力が少なくなることにより、圧電体１の変形が小さくなり、弾性表面波の周波数の変動を低減することができる。

また本実施形態では、圧電体１及び支持基板２が、同一の単結晶圧電材料から成るとともに、単結晶圧電材料の結晶切断方向を一致させるようにして配置されていることから、圧電体１と支持基板２との熱膨張係数の差をより少なくすることになるので、周囲の温度変化によって両者の間に発生する応力がより少なくなり、周囲の温度変化によるクラックの発生や弾性表面波の周波数の変動をより低減した圧電装置とすることができる。

特に、圧電体１及び支持基板２が、同一の単結晶圧電材料から成るとともに、単結晶圧電材料の結晶軸の向きが略平行となるように配置されていることから、圧電体１と支持基板２との熱膨張係数の差を方向性においても少なくなるので、周囲の温度変化によって両者の間に発生する応力が効果的に少なくなり、周囲の温度変化によるクラックの発生や弾性表面波の周波数の変動がほとんど発生することのない圧電装置とすることができる。

次に、上述した圧電体１と支持基板２とを接続する方法について、以下に説明する。

先ず、下面に振動電極３ｃ、接続電極３ａ及び封止電極３ｂを有する第１ウエハーと、上面に配線導体４ａ及び封止パッド４ｂを有する第２ウエハーを準備する。ここで用いる第１ウエハーは圧電体１の集合基板であり、第２ウエハーは支持基板２の集合基板である。また両者は同一の単結晶圧電材料から成り、結晶切断方向を一致させている。その厚みは２００〜３００μｍに設定される。

次に、第２ウエハーの配線導体４ａ及び封止パッド４ｂに半田ペーストを塗布し、窒素雰囲気中で溶融させる。本実施形態では、半田ペーストには、ＡｕＳｎ粉末を有機ビヒクル中に分散させたものを用いた。また、半田ペーストは、接続パッド４ｂ上に、従来から周知であるスクリーン印刷法等により塗布・形成させる。そして半田ペーストを窒素雰囲気中で溶融させ、第２ウエハーを洗浄した後、第１ウエハーと第２ウエハーとを張り合わせる。この際、第１ウエハーと第２ウエハーとは結晶軸の向きが略平行となるように配置させる。

次に、第１ウエハー及び第２ウエハーを加熱して溶融・固化した半田ペーストを再び溶融してすることにより、第２ウエハーの配線導体４ａは、半田ペーストを溶融して成る導電性接合剤６を介して第１ウエハーの接続電極３ａと電気的に接続される。同時に第２ウエハーの封止パッド４ｂは、半田ペーストを溶融して成る封止材５を介して第２ウエハーの封止電極３ｂと接合される。上述した工程により、封止材５は、圧電体１と支持基板２との間に振動電極の形成領域を囲繞するようにして介在されることとなる。

そして、第１ウエハー及び第２ウエハーをダイシング等により同時に切断することにより、第１ウエハーが圧電体１に、第２ウエハーが支持基板２に分割され、圧電センサ１０が製作されることとなる。

上述の方法によって得られた圧電装置であれば、圧電体と支持基板の寸法が同一となるので、周囲の温度変化による温度上昇速度が近くなり、圧電体と支持基板の間に発生する応力の発生を極力小さくすることができる。またこの際、圧電体と支持基板の厚みは同一に成しておくことがより好ましい。

尚、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良が可能である。

例えば、本実施形態においては、圧電体と支持基板に単結晶圧電材料を用いているが、これに代えて、多結晶圧電材料を用いても構わない。特に支持基板及び圧電体が、同一の多結晶圧電材料から成るとともに、多結晶圧電材料の分極方向が略平行となるように配置しておけば、圧電体の材料として特に脆い材質から成る多結晶圧電材料を用いた場合であっても、圧電体と支持基板との熱膨張係数の差をより少なくし、周囲の温度変化によって両者の間に発生する応力をより少なくして、周囲の温度変化によるクラックの発生や弾性表面波の周波数の変動をより低減した圧電装置とすることができる。

また本実施形態においては、封止材５は、導電性接合剤と同じ材料で構成しているが、樹脂材を用いることも可能である。この際、本実施形態を構成している封止電極及び封止パッドは不要とすることができる。

本発明の一実施形態に係る圧電装置の外観斜視図である。 本発明の一実施形態に係る圧電装置の断面図である。 本発明の一実施形態に係る圧電体を下方かたみた外観斜視図である。

符号の説明

１・・・圧電体
２・・・支持基板
３ａ・・・接続電極
３ｂ・・・封止電極
３ｃ・・・振動電極
４ａ・・・配線導体
４ｂ・・・封止パッド
５・・・封止材
６・・・導電性接合剤
７・・・ビアホール導体
８・・・外部端子
１０・・・圧力センサ

Claims (5)

1. 下面に振動電極を有した圧電体を、前記振動電極と電気的に接続される複数個の配線導体を有した支持基板上に配置させるとともに、前記圧電体と前記支持基板との間に前記振動電極の形成領域を囲繞する封止材を介在させてなり、前記振動電極に電力を印加することにより前記圧電体下面の振動電極形成領域で弾性表面波を発生させるようにした圧電装置であって、
   前記支持基板及び圧電体を同材質の圧電材料により形成したことを特徴とする圧電装置。
2. 前記支持基板及び前記圧電体が、同一の単結晶圧電材料から成るとともに、該単結晶圧電材料の結晶切断方向を一致させるようにして配置されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電装置。
3. 前記支持基板及び前記圧電体が、同一の単結晶圧電材料から成るとともに、該単結晶圧電材料の結晶軸の向きが略平行となるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電装置。
4. 前記支持基板及び前記圧電体が、同一の多結晶圧電材料から成るとともに、該多結晶圧電材料の分極方向が略平行となるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力圧電装置。
5. 前記封止材が導体材料から成り、且つ該封止材が前記支持基板の下面に設けられるグランド端子に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の圧電装置。

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