JP2008048275A - Piezoelectric vibrating piece and piezoelectric device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電振動片と、パッケージやケース内に圧電振動片を収容した圧電デバイスの改良に関する。 The present invention relates to an improvement of a piezoelectric vibrating piece and a piezoelectric device in which the piezoelectric vibrating piece is accommodated in a package or a case.
HDD(ハード・ディスク・ドライブ)、モバイルコンピュータ、あるいはICカード等の小型の情報機器や、携帯電話、自動車電話、またはページングシステム等の移動体通信機器や圧電ジャイロセンサー等において、圧電振動子や圧電発振器等の圧電デバイスが広く使用されている。
図12は、圧電デバイスに従来より用いられている圧電振動片の一例を示す概略平面図である。
Piezoelectric vibrators and piezoelectrics in small information devices such as HDDs (hard disk drives), mobile computers, IC cards, mobile communication devices such as mobile phones, car phones, and paging systems, and piezoelectric gyro sensors Piezoelectric devices such as oscillators are widely used.
FIG. 12 is a schematic plan view showing an example of a piezoelectric vibrating piece conventionally used in a piezoelectric device.
図において、圧電振動片1は、水晶などの圧電材料をエッチングすることにより、図示する外形を形成するもので、パッケージ(図示せず)等に取付けられる矩形の基部2と、基部2から図において上方に延長された一対の振動腕3,4を備えており、これら振動腕の主面(表裏面)に長溝3a,4aを形成するとともに、必要な駆動用の電極を形成したものである(特許文献1参照)。
このような圧電振動片1においては、駆動用の電極を介して駆動電圧が印加されると、各振動腕3,4の先端部を近接・離間するようにして、屈曲振動することにより、所定の周波数の信号が取り出されるようになっている。
In the figure, a piezoelectric vibrating
In such a
ところで、このような圧電振動片1は、基部2の符号5,6で示す箇所に引出し電極が形成され、この部分に接着剤7,8を塗布して、例えばパッケージなどの基体に固定支持される。
そして、この接着剤による固定支持後に、圧電振動片を構成する材料と、パッケージなどの材料の線膨張係数の相違などに起因して残る残留応力が、振動腕の屈曲振動を妨げないように、基部2に切り込み部9,9を形成するようにしている。
このような、圧電振動片1においては、小型化が進められた結果、振動腕3,4の腕幅W1が100μm程度、振動腕3,4の間の距離が100μm程度、基部2の幅BW1が500μm程度である。そして、これらの部位の小寸法化を進め、これに対応して、基部の長さBL1も小寸法とされることで、圧電振動片1の小型化が進められている。
By the way, such a piezoelectric vibrating
And, after the fixing support by this adhesive, the residual stress remaining due to the difference in the linear expansion coefficient between the material constituting the piezoelectric vibrating piece and the material such as the package does not hinder the bending vibration of the vibrating arm, The notches 9, 9 are formed in the
In the
ところが、このような圧電振動片1について、さらに小型化を進めたものについて、温度特性試験をすると、図13に符合Pで示すように、低温領域で周波数がばらつく状態となる場合がある。つまり、周波数−温度特性を示す曲線である温度特性カーブをひずませ、低温での周波数のひずみを生じることがある。
However, when such a
このような低温における周波数ひずみは、主として2つの原因により生じると考えられる。
ひとつは、振動腕の腕幅W1が、さらに小寸法とされて、腕幅が40μmないし60μmとされたことによる影響である。
2つ目として、各振動腕に形成する図示しない駆動用電極について、これをクロムによる下地層の上に、金を蒸着して形成した場合において、下地のクロム層に関しては、特に図14に示すような低温で高くなるヤング率と、振動片の圧電材料との線膨張係数差とにより生じる膜応力が振動片に影響し低温における周波数ひずみを引き起こすと考えられる。また、この膜応力によって屈曲振動の妨げとなりCI(クリスタルインピダンス)値の上昇をもたらす。
Such frequency distortion at a low temperature is considered to be mainly caused by two causes.
One is an influence caused by the arm width W1 of the vibrating arm being further reduced to be 40 μm to 60 μm.
Second, when a driving electrode (not shown) formed on each vibrating arm is formed by depositing gold on a chromium underlayer, the underlying chromium layer is particularly shown in FIG. It is considered that the film stress generated by the Young's modulus that increases at such a low temperature and the difference in coefficient of linear expansion from the piezoelectric material of the resonator element affects the resonator element and causes frequency distortion at low temperatures. In addition, this film stress hinders bending vibration and causes an increase in CI (crystal impedance) value.
このクロム層は、その膜厚が小さすぎると、金を十分に接合する効果が期待できないが、厚すぎると上記した応力の影響がつよく生じる。
他方、クロム層の上に形成する金の層の膜厚が厚すぎると、クロム層程ではないが低温における周波数ひずみを引き起こす。また、金層の膜厚が薄過ぎると、後工程での熱による影響でクロムが金の層の表面に拡散、酸化し、導通抵抗を増すことになる。
このような種々の問題を解決できる電極膜の膜厚を決定するのは困難である。
If the thickness of the chromium layer is too small, the effect of sufficiently bonding gold cannot be expected. However, if the thickness of the chromium layer is too large, the influence of the stress described above is strongly generated.
On the other hand, if the thickness of the gold layer formed on the chromium layer is too thick, it causes frequency distortion at a low temperature, although not as much as the chromium layer. On the other hand, if the film thickness of the gold layer is too thin, chromium diffuses and oxidizes on the surface of the gold layer due to the influence of heat in the subsequent process, thereby increasing the conduction resistance.
It is difficult to determine the film thickness of the electrode film that can solve such various problems.
本発明は、以上の課題を解決するためになされたもので、小型化を進める上で、温度特性が良好な圧電振動片と、圧電デバイスを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a piezoelectric vibrating piece having excellent temperature characteristics and a piezoelectric device in order to reduce the size.
上記目的は、第1の発明にあっては、圧電材料により形成された基部と、前記基部の一端側から延びる複数の振動腕とを備えており、前記振動腕には、駆動電圧が印加される駆動電極としての励振電極が形成されていて、前記励振電極が下地層であるクロム層と、電極層としての金層を含んでおり、前記クロム層の膜厚が300Å以下であり、前記金層の膜厚が500Å以下とされている圧電振動片により、達成される。 According to the first aspect of the present invention, the first aspect includes a base portion formed of a piezoelectric material and a plurality of vibrating arms extending from one end side of the base portion, and a driving voltage is applied to the vibrating arms. An excitation electrode as a drive electrode is formed, and the excitation electrode includes a chromium layer as a base layer and a gold layer as an electrode layer, and the thickness of the chromium layer is 300 mm or less, This is achieved by a piezoelectric vibrating piece having a layer thickness of 500 mm or less.
第1の発明の構成によれば、基部から延びる振動腕には、前記励振電極が形成されており、駆動電圧が印加されることによって、各振動腕の先端を互いに接近・離間させるように屈曲振動する。
このような屈曲振動をさせるために、振動腕に駆動電圧を伝え、内部に適切な電界を形成するための励振電極は、下地層のクロム層と、その表面に形成される電極層としての金層を備えているが、このような電極膜の前記クロム層の膜厚が300Å以下であり、前記金層の膜厚が500Å以下とされている。
ここで、クロム層が300Å以下とされることで、低温における電極部の膜応力が大きくなりすぎることがない。また、金層の膜厚が500Å以下とされることで、電極部の膜応力が大きくりすぎることはなく低温における周波数ひずみを引き起こすことがない。これによって、振動片を小型に形成しても、低温時に屈曲振動の妨げとなるCI値を抑制し、低温における周波数ひずみを防止するとともに、十分な導通性能を発揮して、温度特性が良好な圧電振動片を提供することができる。
According to the configuration of the first aspect of the present invention, the excitation electrode is formed on the resonating arm extending from the base, and when the drive voltage is applied, the ends of the resonating arms are bent so as to approach and separate from each other. Vibrate.
In order to cause such bending vibration, an excitation electrode for transmitting a driving voltage to the vibrating arm and forming an appropriate electric field therein is composed of a chromium layer as an underlayer and a gold layer as an electrode layer formed on the surface thereof. In this electrode film, the chromium layer has a film thickness of 300 mm or less, and the gold layer has a film thickness of 500 mm or less.
Here, the film stress of the electrode part at low temperature does not become too large because the chromium layer is 300 mm or less. Moreover, since the film thickness of the gold layer is set to 500 mm or less, the film stress of the electrode portion is not excessively increased and does not cause frequency distortion at a low temperature. As a result, even if the resonator element is formed in a small size, the CI value that hinders bending vibration at low temperatures is suppressed, frequency distortion at low temperatures is prevented, sufficient conduction performance is exhibited, and temperature characteristics are good. A piezoelectric vibrating piece can be provided.
第2の発明は、第1の発明の構成において、前記基部が所定長さを有しており、前記基部に対して連結部を介して一体に接合されていて、前記基部の前記一端側より所定距離だけ離れた他端側において幅方向に延長され、かつ前記振動腕の外側において、該振動腕と同じ方向に延びる支持用アームを備えていることを特徴とする。
第2の発明の構成によれば、基部の一端から屈曲振動する振動腕が伸びていて、所定長さの前記基部の他端から、支持用アームが延びている。
このため、支持用アームがパッケージなどの基体側に接着などにより接合された場合においては、周囲温度の変化や、落下衝撃などを原因として、その接合箇所に生じた応力変化が、支持用アームの接合箇所から、前記基部の他端までの距離を隔てて、さらには基部の所定長さの距離を隔てて振動腕に影響を与えることはほとんどなく、このため、特に温度特性が良好となる。
しかも、これとは逆に屈曲振動する振動腕からの振動漏れは、基部を隔てた支持用アームに達するまでに基部の所定長さを隔てていることから、ほとんど及ぶことがない。すなわち、基部長さが極端に短いと、屈曲振動の漏れた成分が支持用アーム全体に拡がり、制御が困難となる事態が考えられるが、この発明において、そのようなおそれがない。
そして、このような作用を得ることができる上に、支持用アームは、基部の他端から幅方向に延長され、振動腕の外側で、この振動腕と同じ方向に延びる構成としたから、全体の大きさをコンパクトにすることができる。
According to a second invention, in the configuration of the first invention, the base portion has a predetermined length, and is integrally joined to the base portion via a connecting portion, from the one end side of the base portion. A support arm that extends in the width direction on the other end side separated by a predetermined distance and extends in the same direction as the vibrating arm is provided outside the vibrating arm.
According to the configuration of the second invention, the vibrating arm that bends and vibrates extends from one end of the base, and the support arm extends from the other end of the base having a predetermined length.
For this reason, when the support arm is bonded to the base of the package or the like by bonding or the like, the stress change generated at the bonded portion due to a change in ambient temperature or a drop impact is caused by the change in the support arm. There is almost no influence on the vibrating arm at a distance from the joint location to the other end of the base, and further at a distance of a predetermined length of the base, and therefore the temperature characteristics are particularly good.
In addition, vibration leakage from a vibrating arm that bends and vibrates on the contrary is hardly reached because the base portion is separated by a predetermined length before reaching the supporting arm that is separated from the base portion. That is, if the base length is extremely short, the leaked component of the bending vibration spreads over the entire support arm, making it difficult to control. However, in the present invention, there is no such fear.
And since such an action can be obtained, the supporting arm is extended in the width direction from the other end of the base portion, and is configured to extend in the same direction as the vibrating arm outside the vibrating arm. The size of can be made compact.
第3の発明は、第1または2のいずれかの発明の構成において、前記クロム層の膜厚が200Å以下とされる場合に、金層の膜厚が400Å以下とされていることを特徴とする。
第3の発明によれば、クロム層の膜厚を200Å以下に抑制すると、金層の膜厚を400Å以下として十分な膜厚とし、導通性能を向上させても低温における周波数ひずみを防止することができる。
A third invention is characterized in that, in the configuration of either the first or second invention, when the film thickness of the chromium layer is 200 mm or less, the film thickness of the gold layer is 400 mm or less. To do.
According to the third invention, when the film thickness of the chromium layer is suppressed to 200 mm or less, the film thickness of the gold layer is set to 400 mm or less to make the film thickness sufficient, and even if the conduction performance is improved, frequency distortion at low temperature is prevented. Can do.
第4の発明は、第1または2のいずれかの発明の構成において、前記クロム層の膜厚が100Å以下とされる場合に、前記金層の膜厚が500Å以下とされていることを特徴とする。
第4の発明によれば、クロム層の膜厚を100Å以下に抑制すると、金層の膜厚を500Å以下として十分な膜厚とし、さらに導通性能を向上させても低温における周波数ひずみを防止することができる。
A fourth invention is characterized in that, in the configuration of the first or second invention, when the film thickness of the chromium layer is 100 mm or less, the film thickness of the gold layer is 500 mm or less. And
According to the fourth invention, when the film thickness of the chromium layer is suppressed to 100 mm or less, the film thickness of the gold layer is set to 500 mm or less to make the film thickness sufficient, and even when the conduction performance is improved, frequency distortion at low temperature is prevented. be able to.
また、上記目的は、第5の発明にあっては、パッケージまたはケース内に圧電振動片を収容した圧電デバイスであって、前記圧電振動片が、圧電材料により形成された所定長さの基部と、前記基部の一端側から延びる複数の振動腕と、前記基部に対して連結部を介して一体に接合されており、前記基部の前記一端側より所定距離だけ離れた他端側において幅方向に延長され、かつ前記振動腕の外側において、該振動腕と同じ方向に延びる支持用アームとを備え、前記振動腕には、駆動電圧が印加される駆動電極としての励振電極が形成されていて、前記励振電極が下地層であるクロム層と、電極層としての金層を含んでおり、前記クロム層の膜厚が100Åないし300Åであり、前記金層の膜厚が200Åないし500Åとされている圧電デバイスにより、達成される。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a piezoelectric device in which a piezoelectric vibrating piece is accommodated in a package or a case, wherein the piezoelectric vibrating piece includes a base portion having a predetermined length formed of a piezoelectric material. A plurality of resonating arms extending from one end side of the base portion, and integrally joined to the base portion via a connecting portion, and in the width direction on the other end side separated from the one end side of the base portion by a predetermined distance. A support arm extended outside the vibrating arm and extending in the same direction as the vibrating arm, and the vibrating arm is formed with an excitation electrode as a driving electrode to which a driving voltage is applied, The excitation electrode includes a chromium layer as a base layer and a gold layer as an electrode layer, the chromium layer has a thickness of 100 to 300 mm, and the gold layer has a thickness of 200 to 500 mm. Piezoelectric By the vice, it is achieved.
第5の発明の構成によれば、パッケージに収容される圧電振動片において、前記振動腕には、駆動電圧が印加される駆動電極としての励振電極が形成されていて、前記励振電極が下地層であるクロム層と、電極層としての金層を含んでおり、前記クロム層の膜厚が100Åないし300Åであり、前記金層の膜厚が200Åないし500Åとされている。
このため、第1の発明と同一の作用を得ることができ、特に、クロム層が300Å以下とされることで、低温における電極部の膜応力が大きくなりすぎることがない。また、金層の膜厚が500Å以下とされることで、電極の形成コストの上昇を抑えることができる。これによって、全体を小型に形成しても、低温時に屈曲振動の妨げとなるCI値を抑制し、低温における周波数ひずみを防止するとともに、十分な導通性能を発揮して、温度特性が良好な圧電デバイスを提供することができる。
According to the configuration of the fifth invention, in the piezoelectric vibrating piece housed in the package, the vibrating arm is formed with an excitation electrode as a driving electrode to which a driving voltage is applied, and the excitation electrode is an underlayer. And a gold layer as an electrode layer. The thickness of the chromium layer is 100 to 300 mm, and the thickness of the gold layer is 200 to 500 mm.
For this reason, the same effect as that of the first invention can be obtained, and in particular, the film stress of the electrode portion at a low temperature does not become excessively large by setting the chromium layer to 300 mm or less. In addition, since the thickness of the gold layer is 500 mm or less, an increase in electrode formation cost can be suppressed. As a result, even if the whole is formed in a small size, the CI value that hinders bending vibration at low temperatures is suppressed, frequency distortion at low temperatures is prevented, sufficient conduction performance is exhibited, and piezoelectric properties with good temperature characteristics A device can be provided.
図1および図2は、本発明の圧電デバイスの実施形態を示しており、図1はその概略平面図、図2は図1のA−A線切断端面図である。また、図3は図1の圧電振動片32の詳細を説明するための拡大平面図、図4は図1の振動腕部分に関するB−B線切断端面図である。
これらの図において、圧電デバイス30は、圧電振動子を構成した例を示しており、この圧電デバイス30は、基体であるパッケージ57内に圧電振動片32を収容している。
パッケージ57は、図1および図2に示すように、例えば、矩形の箱状に形成されており、第1の基板54と、第2の基板55と、第3の基板56の3つの基板を積層して形成されており、例えば、絶縁材料として、酸化アルミニウム質のセラミックグリーンシートを成形して図示の形状とした後で、焼結して形成されている。
1 and 2 show an embodiment of the piezoelectric device of the present invention. FIG. 1 is a schematic plan view thereof, and FIG. 2 is an end view taken along line AA of FIG. 3 is an enlarged plan view for explaining details of the piezoelectric vibrating
In these drawings, the
As shown in FIGS. 1 and 2, the
パッケージ57は、圧電振動片32を収容した後で、透明なガラス製の蓋体40が封止材58を用いて接合されることにより、気密に封止されている。これにより、蓋体40を封止した後で、外部からレーザ光を照射して圧電振動片32の電極などをトリミングして、周波数調整できるようになっている。
この蓋封止後の周波数調整を行わない場合には、蓋体40として金属製の蓋体を用いることができ、例えば、コバール製の蓋体などを用いることで、後述するように、シーム溶接による蓋封止を行うことができる。
The
When the frequency adjustment after the lid sealing is not performed, a metal lid can be used as the
パッケージ57の底部には、製造工程において、脱ガスするための貫通孔27を有している。貫通孔27は、第1の基板54に形成された第1の孔25と、第2の基板55に形成され、上記第1の孔25よりも小さな外径を有し、第1の孔25と連通した第2の孔26で形成されている。
そして、貫通孔27には、封止材28が充填されることにより、パッケージ57内が気密状態となるように孔封止されている。
パッケージ57は、図2に示すように、第3の基板56の内側の材料を除去することで、内部空間Sのスペースを形成している。この内部空間Sが圧電振動片32を収容するための収容空間である。
パッケージ57の第2の基板55に形成した各電極部31−1,31−2、31−1,31−2の上には、導電性接着剤43,43、43,43を用いて、後述する圧電振動片32の支持用アーム61,62の後述する引出し電極形成箇所を載置して接合している。
このため、図1の圧電デバイス30よりも圧電振動片32を接合する接合強度に優れている。
The bottom of the
The through
As shown in FIG. 2, the
On each electrode part 31-1, 31-2, 31-1, 31-2 formed on the
For this reason, the bonding strength for bonding the piezoelectric vibrating
圧電振動片32は、例えば水晶で形成されており、水晶以外にもタンタル酸リチウム,ニオブ酸リチウム等の圧電材料を利用することができる。この圧電振動片32は、図1に示すように、基部51と、この基部51の一端(図において右端)から、右方に向けて、二股に別れて平行に延びる一対の振動腕35,36を備えている。
各振動腕35,36の主面の表裏には、好ましくは、それぞれ長さ方向に延びる長溝33,34をそれぞれ形成し、図1および図2に示すように、この長溝内に駆動用の電極である励振電極37,38が設けられている。
尚、この実施形態では、各振動腕35,36の先端部は、ややテーパ状に次第に拡幅されることにより、重量増加され、錘の役割を果たすようにされている。これにより、振動腕の屈曲振動がされやすくなっている。
The piezoelectric vibrating
In this embodiment, the tip portions of the resonating
また、圧電振動片32は、その基部51の振動腕を形成した一端より、図1において、所定距離BL(基部長さL2+切り込み部長さ)を隔てた他端(図において左端)において、基部51の幅方向に延長され、かつ振動腕35,36の両外側の位置で、各振動腕35,36の延びる方向(図1において右方向)に、これら振動腕35,36と平行に延びている支持用アーム61,62を備えている。
このような圧電振動片32の音叉状の外形と、各振動腕に設ける長溝は、それぞれ例えば水晶ウエハなどの材料をフッ酸溶液などでウエットエッチングしたり、ドライエッチングすることにより精密に形成することができる。
In addition, the piezoelectric vibrating
The tuning fork-shaped outer shape of the piezoelectric vibrating
励振電極37,38は、長溝33,34内と、各振動腕の側面とに形成され、各振動腕について長溝内の電極と、側面に設けた電極が対となるようにされている。そして、各励振電極37,38は、それぞれ引出し電極37a,38aとして、支持用アーム61,62に引き回されている。これにより、圧電デバイス30を実装基板などに実装した場合に、外部からの駆動電圧が、実装端子41から、電極部31−1,31−2を介して圧電振動片32の各支持用アーム61,62の引出し電極37a,38aに伝えられ、各励振電極37,38に伝えられるようになっている。
そして、長溝33,34内の励振電極に駆動電圧が印加されることによって、駆動時に、各振動腕の長溝が形成された領域の内部の電界効率を高めることができるようになっている。
The
Then, by applying a driving voltage to the excitation electrodes in the
ここで、励振電極37,38は下地金属層の上に導通性に優れた金属で電極層を形成することで作られる。
この実施形態では、下地金属層として、クロム(Cr)層を成膜し、電極層として金(Au)層を成膜して、後述する製造工程において、フォトリソグラフィなどの手法により図1に示すような形状の電極に形成されている。
この場合、下地層と電極層(図示せず)の各成膜は、スパッタリングや蒸着により行われるが、水晶ウエハなどから多数の圧電振動片を形成するためのバッジ工程では、蒸着により成膜するのが好ましい。
Here, the
In this embodiment, a chromium (Cr) layer is formed as a base metal layer, and a gold (Au) layer is formed as an electrode layer, and the method shown in FIG. The electrode is formed in such a shape.
In this case, each film formation of the base layer and the electrode layer (not shown) is performed by sputtering or vapor deposition. In the badge process for forming a large number of piezoelectric vibrating pieces from a quartz wafer or the like, the film is formed by vapor deposition. Is preferred.
また、図3に示すように、好ましくは、基部51には、基部51の振動腕側の端部から十分離れた位置において、両側縁に、基部51の幅方向の寸法を部分的に縮幅して形成した凹部もしくは切り込み部71,72を設けている。
これにより、振動腕35,36が屈曲振動する際に振動漏れが基部51側に漏れ、支持用アーム61,62に伝搬することを抑制し、CI値を低く抑えることができる。
なお、強度が許す場合には、基部51の例えば中心付近に図示しない貫通孔を形成し、該貫通孔周縁近傍に応力を集中させるようにすることで、振動漏れが、支持用アーム61,62に伝搬することを抑制し、CI値を低く抑えることができる。
図3に示すように、この切り込み部71,72に挟まれた部分が連結部73である。連結部73は、基部51の他端側において、両側方に延長された延長部である接続部74に一体に接続されている。すなわち、この最も外側で基部51の幅方向に延長された部分(接続部74)は、平行な一対の支持用アーム61,62とを繋ぐ部分であり、接続部として機能するものである。
ここで、図3において、連結部73の幅寸法をrとし、基部51の幅寸法をeとすると、連結部の幅rと前記基部の幅eの比率であるr/eが、ほぼ40%以下とされており、さらに好ましくは、r/eが、23%以上とされている。
Also, as shown in FIG. 3, preferably, the
Thereby, when the vibrating
When the strength permits, a through hole (not shown) is formed near the center of the
As shown in FIG. 3, a portion sandwiched between the
Here, in FIG. 3, when the width dimension of the connecting
次に、支持用アームの構造について説明する。
支持用アーム61と支持用アーム62は同一の形状であるから、支持用アーム61について図3を参照しながら説明すると、その長さ寸法uは、圧電振動片32の全長aに対して、60ないし80%とすることが、安定した支持構造を得るために必要である。
また、支持用アーム61,62の外側コーナ部61a,62aは、それぞれ内方に凸もしくは外方に凸となったR状に面取りされることにより、欠けたりする損傷を防止している。
Next, the structure of the support arm will be described.
Since the
Further, the
支持用アームとの接合箇所は、例えば、一方の支持用アーム61に関して、圧電振動片32の長さ寸法の重心位置Gに相当する箇所をひとつだけ選択することもできる。しかし、図1で示すように、上記重心G位置を挟んで該重心位置から等距離離れた2点を選んで電極部31−1,31−2を設定し、接合すると、より接合構造が強化され、安定するので好ましい。
ひとつの支持用アームについて、1点で接合する場合は、接着剤塗布領域の長さが、圧電振動片32の全長aの25%以上を確保することが十分な接合強度を得る上で好ましい。
この実施形態のように、2点の接合箇所(両方の支持用アームを合わせると4箇所)を設ける場合には、接合箇所どうしの間隔を圧電振動片32の全長aの25%以上とすることが十分な接合強度を得る上で好ましい。
As for the joint location with the support arm, for example, only one location corresponding to the gravity center position G of the length dimension of the piezoelectric vibrating
In the case where one supporting arm is joined at one point, it is preferable that the adhesive application region has a length of 25% or more of the entire length a of the piezoelectric vibrating
As in this embodiment, when two joint points are provided (four places when both supporting arms are combined), the distance between the joint points should be 25% or more of the total length a of the piezoelectric vibrating
なお、各電極部31−1,31−2、31−1,31−2のうち、少なくとも一組の電極部31−1,31−2はパッケージ裏面の実装端子41,41と導電スルーホールなどで接続されている。パッケージ57は、圧電振動片32を収容した後で、透明なガラス製の蓋体40が封止材58を用いて接合されることにより、気密に封止されている。
尚、蓋体40は、透明な材料でなく、例えば、コバールなどの金属板体をシーム封止などで接合する構造としてもよい。
Of the electrode portions 31-1, 31-2, 31-1, 31-2, at least one set of the electrode portions 31-1, 31-2 includes mounting
The
ここで、本実施形態では、上述した支持用アーム61,62が延びる箇所、すなわち、基部51の他端部53は、振動腕35,36の付け根部52よりも十分離れた距離BL(基部長さL2+切り込み部長さ)を有するようにされている。
この距離BLは、好ましくは、振動腕35,36の腕幅寸法Wの大きさを超える寸法とされている。
すなわち、音叉型振動片の振動腕35,36が屈曲振動する際に、その振動漏れが基部51に向かって伝えられる範囲は、振動腕35,36の腕幅寸法Wと相関がある。本発明者はこの点に着目し、支持用アーム61,62の基端となる箇所を適切な位置に設けなければならないという知見を持った。
Here, in the present embodiment, the location where the supporting
This distance BL is preferably a dimension that exceeds the arm width dimension W of the vibrating
That is, when the vibrating
そこで、本実施形態では、支持用アーム61,62の基端となる箇所53について、振動腕の付け根部52を起点として、振動腕の腕幅寸法Wの大きさに対応した寸法を超える位置を選択することで、振動腕35,36からの振動漏れが、支持用アーム61,62側に伝搬することを、より確実に抑制する構造とすることができたものである。したがって、CI値を抑制して、かつ後述する支持用アームの作用効果を得るためには、53の位置を振動腕35,36の付け根部(すなわち、基部51の一端部である)52の箇所から上記BLの距離だけ離すことが好ましい。
同様の理由により、切り込み部71,72が形成される箇所も、振動腕35,36の付け根部52の箇所から振動腕35,36の腕幅寸法Wの大きさを超える箇所とするのが好ましい。このため、切り込み部71,72は、支持用アーム61,62が基部51に対して一体に接続されている箇所を含んで、そこよりも振動腕寄りの位置に形成される。
尚、支持用アーム61,62は振動に関与しないので、その腕幅寸法Wに特別の条件はないが、支持構造を確実にするため、振動腕よりも大きな幅とすることが好ましい。
Therefore, in the present embodiment, a position exceeding the dimension corresponding to the arm width dimension W of the vibrating arm, starting from the root 52 of the vibrating arm, at the
For the same reason, it is preferable that the locations where the
Since the
かくして、この実施形態では、振動腕の腕幅寸法Wが50μm程度、振動腕どうしの間隔MWが80μm程度、支持用アーム61,62の幅fを100μm程度とすることで、基部51の幅BWを500μmとすることができ、これは図12の圧電振動片1の幅とほぼ同様で、長さは短く、従来と同じ大きさのパッケージに十分収容できるものである。本実施形態は、そのような小型化をはかりつつ、以下のような作用効果を得ることができる。
Thus, in this embodiment, the arm width dimension W of the vibrating arms is about 50 μm, the distance MW between the vibrating arms is about 80 μm, and the width f of the supporting
図1の圧電振動片32においては、支持用アーム61,62がパッケージ57側に導電性接着剤43により接合されているので、周囲温度の変化や、落下衝撃などを原因として、その接合箇所に生じた応力変化が、支持用アーム61,62の接合箇所から、基部51の他端部53までの屈曲した距離と、さらには、距離BLを超える基部51の長さ分の距離を隔てて振動腕35,36に影響を与えることはほとんどなく、このため、特に温度特性が良好となる。
しかも、これとは逆に屈曲振動する振動腕35,36からの振動漏れは、基部51を隔てた支持用アーム61,62に達するまでに距離BLを超える基部51の所定長さを隔てていることから、ほとんど及ぶことがない。
In the piezoelectric vibrating
In addition, the vibration leakage from the vibrating
ここで、基部51の長さが極端に短いと、屈曲振動の漏れた成分が支持用アーム61,62の全体に拡がり、制御が困難となる事態が考えられるが、この実施形態では、そのような事態が十分に回避される。
そして、このような作用を得ることができる上に、支持用アーム61,62は、図示したように、基部51の他端部53から幅方向に延長され、振動腕35,36の外側で、この振動腕と同じ方向に延びる構成としたから、全体の大きさをコンパクトにすることができる。
また、この実施形態では、図1に示すように、支持用アーム61,62の先端が、振動腕35,36の先端よりも基部51寄りになるように形成されている。この点においても、圧電振動片32の大きさをコンパクトにすることができる。
Here, if the length of the
Further, in addition to being able to obtain such an action, the
Further, in this embodiment, as shown in FIG. 1, the tips of the
さらに、図12の構成と比較して、容易に理解されるように、図12では、互いに接近した引き出し電極5と引き出し電極6に、導電性接着剤7,8を塗布して接合する構造であるから、これらが接触しないように、短絡を避けてきわめて狭い範囲に接着剤を塗布(パッケージ側)したり、接合後も硬化前に接着剤が流れて短絡しないようにしながら接合工程を実行しなければならず、容易な工程ではなかった。
これに対して、図1の圧電振動片32では、互いにパッケージ57の幅方向一杯に離れた支持用アーム61,62のそれぞれの中間付近に対応する電極部31−1,31−2に、導電性接着剤43,43を塗布すればよいので、上述のような困難さがほとんどなく、また、短絡の心配もないものである。
Further, as can be easily understood as compared with the configuration of FIG. 12, in FIG. 12, a
On the other hand, in the piezoelectric vibrating
さらに、図3において、圧電振動片32では、振動腕の長さをL1とし、基部51の長さをL2(距離BL−切り込み部長さ)としている。
支持用アーム62が基部51に対して一体に接続されている接続部の幅L3が60μm以上、100μm以下とされると好ましい。すなわち、この幅L3が60μm未満のものの製造は難しい。L3が100μmを超えると、圧電振動片の小型化の障害になるだけでなく、基部51の長さ寸法hと、接続部の幅寸法L3との比率であるL3/hが、20%以上40%以下とすることが困難になる。
なお、幅寸法L3に関しては、やや広い接続部74の本来の幅寸法L3−1よりも縮幅した縮幅とされ、該縮幅部の幅寸法がL3とされているが、該縮幅部を形成しない場合は、L3=L3−1とみなして差し支えない。
これは、以下の理由による。
Further, in FIG. 3, in the piezoelectric vibrating
It is preferable that the width L3 of the connection portion where the
Note that the width dimension L3 is a reduced width that is smaller than the original width dimension L3-1 of the
This is due to the following reason.
本発明者等の研究によれば、パッケージなどへの接合部である支持用アーム62が接合されると、そこに用いられた接着剤などの影響により、温度特性、特に低温試験から常温に戻した際の残留応力による影響が、この接続部74と、連結部73を介して、基部51から振動腕に至る経路を伝搬すると考えられる。この残留応力が振動腕35,36の屈曲振動に悪影響を与えるのであるが、これを防止するには、この経路中のどこかで応力が集中する箇所を設けることである。
しかしながら、種々試行してみると、支持用アーム61,62の接合箇所以外の箇所に、切り込み等を形成することはある程度の効果は期待できるものの、支持するための該支持用アーム自体の全体の剛性が低下し、振動腕側からの振動漏れの影響が出て必ずしも満足できる結果とならない。
また、後述するように切り込み部71,72を深くして、連結部73を小さくすることは、かなり良い効果が期待できるものの、振動腕にやや近すぎることで、単に連結部73の幅寸法rを小さくすることだけでは、満足する結果が得られなかった。
そこで、基部51の長さ寸法hと、接続部の幅寸法L3との比率であるL3/hに関して、これを40%以下とすることで、後述するように、きわめてよい効果が得られることを見出したものである。
According to the study by the present inventors, when the supporting
However, as a result of various trials, it can be expected that a cut or the like is formed in a portion other than the joint portion of the
Further, as described later, it is possible to expect a considerably good effect by deepening the
Therefore, regarding L3 / h, which is the ratio of the length dimension h of the
次に、本実施形態の圧電振動片32の好ましい詳細構造について、図3および図4を参照しながら説明する。
図3に示す圧電振動片32の各振動腕35,36は同じ形状であるから、振動腕36について説明すると、基部51から各振動腕が延びる基端部Tでは、振動腕幅が最も広い。そして、振動腕36の付け根部であるこのTの位置から振動腕36の先端側に僅かな距離だけ離れたUの箇所の間において、急激に縮幅する第1の縮幅部TLが形成されている。そして第1の縮幅部TLの終端であるUの位置から、振動腕36のさらに先端側に向かってPの位置まで、すなわち、振動腕に関して、CLの距離にわたって、徐々に連続的に縮幅する第2の縮幅部が形成されている。
Next, a preferable detailed structure of the piezoelectric vibrating
Since the vibrating
このため、振動腕36は基部に近い付け根付近が、第1の縮幅部TLを設けることにより、高い剛性を備えるようにされている。また、第1の縮幅部の終端Uから先端に向かうにつれて、第2の縮幅部CLを形成したことにより、連続的に剛性が低くなるようにされている。Pの箇所は腕幅の変更点Pであり、振動腕36の形態上くびれた位置であるから、くびれ位置Pと表現することもできる。振動腕36においては、この腕幅の変更点Pよりもさらに先端側は、腕幅が同じ寸法で延長されるか、好ましくは図示のように徐々に僅かに拡大している。
For this reason, the vibrating
ここで、図3の長溝33,34が長い程、振動腕35,36を形成する材料について電界効率が向上する。ここで、振動腕の全長L1に対して、長溝33,34の基部51からの長さj(長溝の長さ)が、少なくともj/L1=0.7程度までは、長くするほど音叉型振動片のCI値は下がることがわかっている。このため、j/L1=0.5ないし0.7であることが好ましい。この実施形態では、図3において、振動腕36の全長L1は、例えば1250μm程度である。
Here, the longer the
また、長溝の長さを適切に長くして、十分にCI値の抑制をはかるようにした場合、次に圧電振動片32のCI値比(高調波のCI値/基本波のCI値)が問題となる。
すなわち、基本波のCI値が低減されると同時に、高調波のCI値も抑制され、該高調波のCI値が、基本波のCI値よりも小さくなると、高調波により発振しやすくなってしまう。
そこで、長溝を長くしてCI値を低くするだけでなく、さらに、腕幅の変更点Pについても振動腕の先端よりに設けることで、CI値を低減しつつ、さらにCI値比(高調波のCI値/基本波のCI値)を大きくすることができる。
すなわち、振動腕36ではその根本部分、つまり、付け根付近が、第1の縮幅部TLにより、剛性が強化されている。これにより、振動腕の屈曲振動を一層安定させることができ、CI値の抑制をはかることができる。
In addition, when the length of the long groove is appropriately increased to sufficiently suppress the CI value, the CI value ratio of the piezoelectric vibrating piece 32 (CI value of harmonics / CI value of the fundamental wave) is next determined. It becomes a problem.
In other words, the CI value of the fundamental wave is reduced, and the CI value of the harmonic wave is also suppressed. When the CI value of the harmonic wave becomes smaller than the CI value of the fundamental wave, the harmonic wave easily oscillates. .
Therefore, not only the long groove is lengthened to lower the CI value, but also the arm width change point P is provided from the tip of the vibrating arm, thereby reducing the CI value and further reducing the CI value ratio (harmonic). CI value / basic wave CI value) can be increased.
In other words, the rigidity of the resonating
しかも、第2の縮幅部CLを設けたことで、振動腕36は、その付け根付近から、先端側に向かって、腕幅の変更点であるくびれ位置Pまで、徐々に剛性が低下し、くびれ位置Pからさらに先端側では、長溝34が無く、腕幅を徐々に拡大させていることから、剛性は先端側にいくに従って高くされている。
このため、2次の高調波における振動の際の振動の「節」を、振動腕36のより先端側に位置させることができると考えられ、このことにより、長溝34を長くして圧電材料の電界効率を上げ、CI値を上昇させても、基本波のCI値を抑制しながら、2次の高調波のCI値の低下を招くことがないようにすることができる。このことから、図3に示すように、好ましくは腕幅の変更点Pを長溝の先端部よりも、振動腕の先端側に設けることで、ほぼ確実にCI値比を大きくして、高調波による発振を防止できる。
Moreover, by providing the second reduced width portion CL, the
For this reason, it is considered that the “node” of vibration at the time of vibration in the second harmonic can be positioned on the more distal end side of the vibrating
さらに、本発明者の研究によると、振動腕の全長L1に対して、長溝33,34の基部51からの長さjとしたときの、上記j/L1と、振動腕36の最大幅/最小幅の値である腕幅縮幅率Mと、これらに対応したCI値比(第2高調波のCI値/基本波のCI値)とは相関がある。
そして、上記j/L1=61.5%とした場合、振動腕36の最大幅/最小幅の値である腕幅縮幅率Mを1.06よりも大きくすることにより、CI値比を1より大きくすることができ、高調波による発振を防止することができることが確認されている。
かくして、全体を小型化しても、基本波のCI値を低く抑えることができ、ドライブ特性が悪化することがない圧電振動片を提供することができる。
Further, according to the study of the present inventor, the above-mentioned j / L1 and the maximum width / maximum of the vibrating
When j / L1 = 61.5%, the CI width ratio is set to 1 by increasing the arm width reduction ratio M, which is the value of the maximum width / minimum width of the vibrating
Thus, even if the whole is downsized, the CI value of the fundamental wave can be kept low, and a piezoelectric vibrating piece that does not deteriorate the drive characteristics can be provided.
次に、圧電振動片32のさらに好ましい構造について説明する。
図4の寸法xで示すウエハ厚み、すなわち、圧電振動片を形成する水晶ウエハの厚みは、70μmないし130μmが好ましい。
図3の寸法aで示す圧電振動片32の全長は、1300μmないし1600μm程度である。振動腕の全長である寸法L1は、1100ないし1400μmとし、圧電振動片32の全幅dは、400μmないし600μmとすることが、圧電デバイスの小型化の上で好ましい。このため、音叉部分の小型化のためには、基部51の幅寸法eは200ないし400μm、支持用アームの幅fは、30ないし100μmとすることが支持効果を確実にする上で必要である。
Next, a more preferable structure of the piezoelectric vibrating
The wafer thickness indicated by the dimension x in FIG. 4, that is, the thickness of the crystal wafer forming the piezoelectric vibrating piece is preferably 70 μm to 130 μm.
The total length of the piezoelectric vibrating
また、図3の振動腕35と36の間の寸法kは、50ないし100μmとするのが好ましい。寸法kが50μmより少ないと、圧電振動片32の外形を、後述するように、水晶ウエハをウエットエッチングにより貫通させて形成する場合に、エッチング異方性に基づく異形部、すなわち、図4の符号81で示した振動腕側面におけるプラスX軸方向へのヒレ状凸部を、十分に小さくすることが困難になる。寸法kが100μm以上となると、振動腕の屈曲振動が不安定になるおそれがある。
さらに、図4の振動腕35(振動腕36も同じ)における長溝33の外縁と振動腕の外縁との寸法m1,m2は、ともに3ないし15μmとするとよい。寸法m1,m2は15μm以下とすることで、電界効率が向上し、3μm以上とすることで、電極の分極が確実に行われるのに有利である。
Also, the dimension k between the vibrating
Furthermore, the dimensions m1 and m2 of the outer edge of the
図3の振動腕36において、第1の縮幅部TLの幅寸法mが11μm以上あると、CI値の抑制に確実な効果が期待できる。
図3の振動腕36において、腕幅の変更点Pよりも先端側が拡幅している拡幅度合いが、振動腕36の腕幅が最小とされている箇所である該腕幅の変更点Pの箇所の幅に対して、0ないし20μm程度の増加とするのが好ましい。これを超えて拡幅されると、振動腕36の先端部が重くなりすぎて、屈曲振動の安定性を損なうおそれがある。
In the vibrating
In the vibrating
また、図4における振動腕35(振動腕36も同じ)の外側の一側面に、プラスX軸方向にヒレ状に突出する異形部81が形成されている。これは、圧電振動片をウエットエッチングして外形形成する際に、水晶のエッチング異方性によりエッチング残りとして形成されるものであるが、好ましくは、フッ酸とフッ化アンモニウムによるエッチング液中で、9時間ないし11時間エッチングすることにより、該異形部81の突出量vを5μm以内に低減することが、振動腕35の安定した屈曲振動を得る上で好ましい。
Also, a
図3の寸法gで示す長溝の幅寸法は、振動腕の該長溝が形成されている領域において、振動腕の腕幅cに対して、60ないし90%程度とするのが好ましく、その寸法は40μmないし60μmとするのが好ましい。振動腕35,36には、第1および第2の縮幅部が形成されているので、腕幅cは振動腕の長さ方向の位置により異なるが、振動腕の最大幅に対して、長溝の幅gは60ないし90%程度となる。これより長溝の幅が小さくなると、電界効率が下がり、CI値の上昇につながる。
The width dimension of the long groove indicated by dimension g in FIG. 3 is preferably about 60 to 90% of the arm width c of the vibrating arm in the region where the long groove of the vibrating arm is formed. The thickness is preferably 40 μm to 60 μm. Since the first and second reduced width portions are formed in the vibrating
さらに、図3の基部51の全長hは、圧電振動片32の全長aに対して、従来30%程度あったものが、この実施形態は、切り込み部の採用などにより、15ないし25%程度とすることができ、小型化を実現している。
なお、上記基部51の全長hの寸法は、例えば、150μmないし300μmとすることができる。
また、好ましくは、基部51には、図1の実施形態と同様に、基部51の両側縁に、凹部もしくは切り込み部71,72を設けてあり、その深さ(図3の寸法q)は、例えば80μm程度とすることができる。
さらに、本実施形態では、基部の長さ寸法hと、連結部73を介して支持用アーム61,62が基部51に接続されている接続部74の幅寸法L3との比率であるL3/hが、ほぼ40%以下とされている。この場合、上記比率L3/hは20 %以上とされるのが好ましい。
これにより、後述する作用を発揮することができる。
Further, the total length h of the base 51 in FIG. 3 is conventionally about 30% with respect to the total length a of the piezoelectric vibrating
The length h of the base 51 can be set to 150 μm to 300 μm, for example.
Preferably, the
Furthermore, in the present embodiment, L3 / h, which is a ratio between the length dimension h of the base portion and the width dimension L3 of the
Thereby, the effect | action mentioned later can be exhibited.
また、本実施形態では、パッケージ寸法を小型にするために、基部51の側面と支持用アーム61,62の間隔(寸法p)が30ないし100μmとされている。
図4に示すように、圧電振動片32の各励振電極37,38はクロス配線により、交流電源に接続されており、電源から駆動電圧としての交番電圧が、各振動腕35,36に印加されるようになっている。
Further, in this embodiment, in order to reduce the package size, the distance (dimension p) between the side surface of the
As shown in FIG. 4, the
これにより、振動腕35,36は互いに逆相振動となるように励振され、基本モード、すなわち、基本波において、各振動腕35,36の先端側を互いに接近・離間させるように屈曲振動されるようになっている。
ここで、例えば、圧電振動片32の基本波は、Q値:12000、容量比(C0/C1):260、CI値:57kΩ、周波数:32.768kHz(「キロヘルツ」、以下同じ)である。
また、2次の高調波は、例えば、Q値:28000、容量比(C0/C1):5100、CI値:77kΩ、周波数:207kHzである。
As a result, the vibrating
Here, for example, the fundamental wave of the piezoelectric vibrating
The second-order harmonics are, for example, Q value: 28000, capacity ratio (C0 / C1): 5100, CI value: 77 kΩ, and frequency: 207 kHz.
図5は、本実施形態の圧電振動片32を利用して圧電発振器を構成する場合の発振回路の例を示す回路図である。
発振回路91は、増幅回路92と帰還回路93を含んでいる。
増幅回路92は、増幅器95と帰還抵抗94を含んで構成されている。帰還回路93は、ドレイン抵抗96と、コンデンサ97,98と、圧電振動片32とを含んで構成されている。
ここで、図5の帰還抵抗94は、例えば10MΩ(メガオーム)程度、増幅器95はCMOSインバータを用いることができる。ドレイン抵抗96は、例えば200ないし900kΩ(キロオーム)、コンデンサ97(ドレイン容量)と、コンデンサ98(ゲート容量)は、それぞれ10ないし22pF(ピコファラド)とすることができる。
FIG. 5 is a circuit diagram illustrating an example of an oscillation circuit when a piezoelectric oscillator is configured using the piezoelectric vibrating
The
The
Here, the
本実施形態の圧電振動片32、および圧電デバイス30は以上のように構成されており、特徴的な作用効果について説明する。
既に説明したように、本実施形態の圧電振動片32においては、図3において、基部51の長さ寸法hと、連結部73を介して支持用アーム61,62が基部51にそれぞれ接続されている接続部74の幅寸法L3との比率であるL3/hが、ほぼ40%以下とされていることによって、図6に示すような効果が期待できる。
The piezoelectric vibrating
As already described, in the piezoelectric vibrating
すなわち、図6は横軸にL3/hの値をとり、縦軸にマイナス50℃における理想の温度特性に対する周波数のシフト(ズレ)を示している。
図において、L3/hが40%以下の領域では、周波数シフトが極端に小さくなる。また、L3/hが35%以下の領域では、周波数シフトがさらに小さくなる。そして、L3/hの下限は、20%程度であり、下限値を超えて小さくなると、充分な剛性がないために組立工程で折れるという弊害がある。
That is, in FIG. 6, the horizontal axis represents the value L3 / h, and the vertical axis represents the frequency shift (deviation) with respect to the ideal temperature characteristic at minus 50 ° C.
In the figure, the frequency shift becomes extremely small in the region where L3 / h is 40% or less. Further, in the region where L3 / h is 35% or less, the frequency shift is further reduced. And the lower limit of L3 / h is about 20%, and when it becomes smaller than the lower limit value, there is a problem that it is broken in the assembly process because of insufficient rigidity.
さらに好ましくは、図3における圧電振動片32の連結部73の幅寸法rと基部51のの幅寸法eの比率であるr/eが、23%以上40%以下とされていることである。
この比率であるr/eが、23%未満となると、落下衝撃などの外部からの衝撃により前記連結部が破断するおそれがあることが確認されている。
このため、比率r/eが、23%以上あることで、しかも40%以下とされることにより、励振部である各振動腕が、パッケージなどへの接合部を含む支持用アームからの影響をきわめて受けにくく、しかも外部からの衝撃で、容易に破損することのない圧電振動片を得ることができる。
More preferably, r / e which is the ratio of the width dimension r of the connecting
When the ratio r / e is less than 23%, it has been confirmed that the connecting portion may be broken by an external impact such as a drop impact.
For this reason, when the ratio r / e is 23% or more and 40% or less, each resonating arm as the excitation unit has an influence from the support arm including the joint to the package or the like. A piezoelectric vibrating piece that is extremely difficult to receive and that is not easily damaged by an external impact can be obtained.
次に、図7は、本実施形態の圧電振動片32の温度特性試験の結果を示しており、図8は、これに対応して、図3の圧電振動片32の励振電極37,38を形成する下地金属層であるクロム層と、電極層である金層の各層厚みと、低温における周波数ひずみ(周波数のばらつき)との関係を、丸、三角、バツの記号でまとめたものである。
丸は図7に示すように、最も結果がよく、低温領域で周波数のばらつきが非常に小さいもの、三角はわずかにひずみがあるが、結果としてほぼ良好であるもの、バツは好ましい結果とは言えない場合を示している。
Next, FIG. 7 shows the result of the temperature characteristic test of the piezoelectric vibrating
As shown in FIG. 7, the circle has the best results, the frequency variation is very small in the low temperature region, the triangle is slightly distorted, but the result is almost good, and the X is a favorable result. Shows no case.
すなわち、励振電極37,38を構成する電極膜の下地層であるクロム層の膜厚が300Å以下であり、金層の膜厚が500Å以下とされると、上記三角以上の好結果を得ることができる。
つまり、クロム層が300Å以下とされることで、低温における電極部の膜応力が大きくなりすぎることがない。また、金層の膜厚が500Å以下とされることで、電極の形成コストの上昇を抑えることができる。これによって、圧電振動片32を小型に形成しても、低温時に屈曲振動の妨げとなるCI値を抑制し、低温における周波数ひずみを防止するとともに、十分な導通性能を発揮して、温度特性が良好な圧電振動片を提供することができる。
That is, when the film thickness of the chromium layer, which is the base layer of the electrode film constituting the
That is, by setting the chromium layer to 300 mm or less, the film stress of the electrode part at low temperature does not become too large. In addition, since the thickness of the gold layer is 500 mm or less, an increase in electrode formation cost can be suppressed. As a result, even if the piezoelectric vibrating
また、図8において、励振電極37,38を構成する電極膜の下地層であるクロム層の膜厚が200Å以下とされる場合に、電極膜である金層の膜厚が400Å以下とされると好ましい。
すなわち、クロム層の膜厚を200Å以下に抑制すると、金層の膜厚を400Å以下として十分な膜厚とし、導通性能を向上させても低温における周波数ひずみを防止することができる。
In FIG. 8, when the film thickness of the chromium layer, which is the base layer of the electrode film constituting the
That is, when the film thickness of the chromium layer is suppressed to 200 mm or less, the film thickness of the gold layer is set to 400 mm or less to obtain a sufficient film thickness, and the frequency distortion at a low temperature can be prevented even if the conduction performance is improved.
さらに、図8において、クロム層の膜厚が100Å以下とされる場合に、金層の膜厚が500Å以下とされるとより好ましい。
すなわち、クロム層の膜厚を100Å以下に抑制すると、金層の膜厚を500Å以下として十分な膜厚とし、さらに導通性能を向上させても低温における周波数ひずみを防止することができる。
Furthermore, in FIG. 8, when the thickness of the chromium layer is 100 mm or less, it is more preferable that the thickness of the gold layer is 500 mm or less.
That is, if the film thickness of the chromium layer is suppressed to 100 mm or less, the film thickness of the gold layer can be set to 500 mm or less to obtain a sufficient film thickness, and even if the conduction performance is improved, frequency distortion at a low temperature can be prevented.
(圧電デバイスの製造方法)
次に、図10のフローチャートを参照しながら、上述の圧電デバイスの製造方法の一例を説明する。
(蓋体およびパッケージの製造方法)
圧電デバイス30の圧電振動片32と、パッケージ57と、蓋体40は、それぞれ別々に製造される。
蓋体40は、例えば、所定の大きさのガラス板、例えば、硼珪酸ガラスの板ガラスを切断し、パッケージ57を封止するのに適合する大きさの蓋体として用意される。
パッケージ57は、上述したように、酸化アルミニウム質のセラミックグリーンシートを成形して形成される複数の基板を積層した後、焼結して形成されている。成形の際には、複数の各基板は、その内側に所定の孔を形成することで、積層した場合に内側に所定の内部空間Sを形成する。
(Piezoelectric device manufacturing method)
Next, an example of a method for manufacturing the above-described piezoelectric device will be described with reference to the flowchart of FIG.
(Method for manufacturing lid and package)
The piezoelectric vibrating
The
As described above, the
(圧電振動片の製造方法)
先ず、圧電基板を用意し、ひとつの圧電基板から所定数の圧電振動片について、同時にその外形をエッチングにより形成する(外形エッチング)。
ここで、圧電基板は、圧電材料のうち、例えば、圧電振動片32を複数もしくは多数分離することができる大きさの水晶ウエハが使用される。この圧電基板は工程の進行により図3の圧電振動片32(図1の圧電振動片32なども同様に製造される)を形成するので、図1あるいは図4に示すX軸が電気軸、Y軸が機械軸及びZ軸が光学軸となるように、圧電材料、例えば水晶の単結晶から切り出されることになる。また、水晶の単結晶から切り出す際、上述のX軸、Y軸及びZ軸からなる直交座標系において、Z軸を中心に時計回りに0度ないし5度(図11のθ)の範囲で回転して切り出した水晶Z板を所定の厚みに切断研磨して得られる。
(Method for manufacturing piezoelectric vibrating piece)
First, a piezoelectric substrate is prepared, and the outer shape of a predetermined number of piezoelectric vibrating pieces is simultaneously formed by etching from one piezoelectric substrate (outer shape etching).
Here, as the piezoelectric substrate, for example, a quartz wafer having a size capable of separating a plurality or a large number of the piezoelectric vibrating
外形エッチングでは、図示しない耐蝕膜などのマスクを用いて、圧電振動片の外形から外側の部分として露出した圧電基板に関して、例えば、フッ酸溶液をエッチング液として、圧電振動片の外形のエッチングを行う。耐蝕膜としては、例えば、クロムを下地として、金を蒸着した金属膜などを用いることができる。このエッチング工程は、ウエットエッチングで、フッ酸溶液の濃度や種類、温度等により変化する。
ここで、外形エッチング工程でのウエットエッチングでは、図3に示した機械軸X、電気軸Y、光学軸Zに関して、エッチングの進行上、次のようなエッチング異方性を示す。
すなわち、圧電振動片32に関して、そのX−Y平面内におけるエッチングレートについては、プラスX方向で、このX軸に対して120度の方向、およびマイナス120度の方向の面内においてエッチングの進行が速く、マイナスX方向でX軸に対してプラス30度の方向、およびマイナス30度の方向の内面のエッチングの進行が遅くなる。
同様に、Y方向のエッチングの進行は、プラス30度方向およびマイナス30度方向が速くなり、プラスY方向で、Y軸に対してプラス120度方向、およびマイナス120度方向が遅くなる。
In the outer shape etching, the outer shape of the piezoelectric vibrating piece is etched using, for example, a hydrofluoric acid solution with respect to the piezoelectric substrate exposed as a portion outside the outer shape of the piezoelectric vibrating piece using a mask such as a corrosion-resistant film (not shown). . As the corrosion resistant film, for example, a metal film in which gold is vapor-deposited with chromium as a base can be used. This etching process is wet etching and changes depending on the concentration, type, temperature, and the like of the hydrofluoric acid solution.
Here, in the wet etching in the outer shape etching process, the following etching anisotropy is exhibited with respect to the mechanical axis X, the electric axis Y, and the optical axis Z shown in FIG.
That is, with respect to the piezoelectric vibrating
Similarly, the progress of etching in the Y direction is faster in the plus 30 degree direction and the minus 30 degree direction, and in the plus Y direction, the plus 120 degree direction and the minus 120 degree direction are delayed with respect to the Y axis.
このようなエッチング進行上の異方性により、圧電振動片32では、図4の符号81で示されているように、各振動腕の外側側面に、ヒレ状に突出した異形部が形成される。
しかしながら、この実施形態では、エッチング液として、フッ酸および、フッ化アンモニウムを用いて、十分な時間、すなわち、9時間ないし11時間という十分な時間をかけて、エッチングを行うことにより、図4で説明した異形部81の突出量vが5μm以内と、きわめて小さくすることができる(ST11)。
この工程において、圧電振動片32の切り込み部71,72を含む外形が同時に形成され、終了時には、水晶ウエハに対して、それぞれ細い一体部で基部51付近を接続された多数の圧電振動片32の外形完成状態のものが得られる。
Due to such anisotropy in etching progress, the piezoelectric vibrating
However, in this embodiment, etching is performed using hydrofluoric acid and ammonium fluoride as an etchant for a sufficient time, that is, a sufficient time of 9 to 11 hours, so that in FIG. The protruding amount v of the
In this process, the outer shape including the
(溝形成のためのハーフエッチング工程)
次に、図示しない溝形成用レジストにより、図4で示した形態となるように、各長溝を挟む両側の壁部を残す様にして、溝を形成しない部分に耐蝕膜を残し、外形エッチングと同じエッチング条件で、各振動腕35,36の表面と裏面を、それぞれウエットエッチングすることにより長溝に対応した底部を形成する(ST12)。
ここで、図4を参照すると、符号tで示す溝深さは、全体厚みxに対して、30ないし45%程度とされる。tに関して、全体厚みxの30%以下だと、電界効率を十分向上させることができない場合がある。45%以上だと、剛性が不足して、屈曲振動に悪影響を与えたり、強度が不足する場合がある。
(Half etching process for groove formation)
Next, a groove forming resist (not shown) is used to form the shape shown in FIG. 4. Under the same etching conditions, the front and back surfaces of the vibrating
Here, referring to FIG. 4, the groove depth indicated by the symbol t is about 30 to 45% with respect to the entire thickness x. If t is 30% or less of the total thickness x, the electric field efficiency may not be sufficiently improved. If it is 45% or more, the rigidity may be insufficient to adversely affect flexural vibration or the strength may be insufficient.
なお、上記外形エッチングおよび溝エッチングは、その一方もしくは両方をドライエッチングにより形成してもよい。その場合には、例えば、圧電基板(水晶ウエハ)上に、圧電振動片32の外形や、外形形成後には、長溝に相当する領域を、その都度メタルマスクを配置して覆う。この状態で、例えば、図示しないチャンバー内に収容し、所定の真空度でエッチングガスを供給して、エッチングプラズマを生成しドライエッチングすることができる。つまり、真空チャンバー(図示せず)には、例えば、フレオンガスボンベと酸素ガスボンベとが接続され、さらに、真空チャンバーには、排気管が設けられ、所定の真空度に真空引きされるようになっている。
真空チャンバー内が、所定の真空度に真空排気され、フレオンガスと、酸素ガスが送られ、その混合ガスが所定の気圧になるまで充填された状態にて、直流電圧が印加されると、プラズマが発生する。そして、イオン化された粒子を含む混合ガスは、メタルマスクから露出した圧電材料に当たる。この衝撃により、物理的に削り取られて飛散し、エッチングが進行する。
Note that one or both of the outer shape etching and the groove etching may be formed by dry etching. In that case, for example, on the piezoelectric substrate (crystal wafer), the outer shape of the piezoelectric vibrating
When a DC voltage is applied in a state where the inside of the vacuum chamber is evacuated to a predetermined degree of vacuum, a freon gas and an oxygen gas are sent, and the mixed gas is filled up to a predetermined atmospheric pressure, plasma is generated. appear. The mixed gas containing ionized particles hits the piezoelectric material exposed from the metal mask. Due to this impact, it is physically scraped off and scattered, and etching proceeds.
(電極形成工程)
次に、蒸着もしくはスパッタリングなどによって、電極となる金属、例えば、金を全面に被覆し、次いで、電極を形成しない箇所を露出したレジストを用いて、フォトリソグラフィの手法により、図1で示した駆動用の電極を形成する(ST13)。
その後、各振動腕35,36の先端部には、スパッタリングや蒸着により、錘付け電極(金属被膜)21,21が形成される(ST14)。錘付け電極21,21は通電されて圧電振動片32の駆動に用いられるのではなく、後述する周波数調整に利用される。
(Electrode formation process)
Next, the driving shown in FIG. 1 is performed by photolithography using a resist that covers the entire surface of a metal to be an electrode, such as gold, by vapor deposition or sputtering, and then exposes a portion where the electrode is not formed. An electrode is formed (ST13).
Thereafter, weighting electrodes (metal coatings) 21 and 21 are formed on the tip portions of the vibrating
次いで、ウエハ上で、周波数の粗調整が行われる(ST15)。粗調整は、錘付け電極21,21の一部をレーザ光などのエネルギービームを照射することにより、部分的に蒸散させる質量削減方式による周波数調整である。
続いて、上記したウエハに対する細い一体部を折り取り、圧電振動片32を個々に形成する個片にする(ST16)。
次に、図1で説明したように、パッケージ57の各電極部31−1,31−2,31−1,31−2に導電性接着剤43,43,43,43を塗布し、その上に支持用アーム61,62を載置して、接着剤を加熱・硬化させることにより、パッケージ57に対して、圧電振動片32を接合する(ST17)。
なお、この導電性接着剤43としては、例えば、合成樹脂などを利用したバインダー成分に、銀粒子などの導電粒子を混入したもので、機械的接合と電気的接続とを同時に行うことができるものである。
Next, rough adjustment of the frequency is performed on the wafer (ST15). Coarse adjustment is frequency adjustment by a mass reduction method in which part of the
Subsequently, the thin integrated portion with respect to the wafer described above is broken to form individual pieces of piezoelectric vibrating pieces 32 (ST16).
Next, as described in FIG. 1, the
As the
次に、蓋体を接合する。
パッケージ57を透明な蓋体40で封止する場合には、圧電振動片32のST17における接合後において、該蓋体40をパッケージ57に接合する(ST18−2)。
この場合、例えば、低融点ガラスなどを加熱して、蓋体40をパッケージ57に接合する加熱工程が行われるが、この際に、低融点ガラスや導電性接着剤などからガスが生成される。
そこで、加熱により、このようなガスを図2で説明した貫通孔27から排出し(脱ガス)、その後、真空中で段部29に、好ましくは、金すずなどでなる金属球体やペレットを配置し、レーザ光などを照射することにより、溶融する。これにより図2の封止材(金属充填材)28が貫通孔27を気密に封止する(ST19−2)。
次いで、図2で示すように、ガラスなどでなる透明な蓋体40を透過させるように外部からレーザ光を圧電振動片32の振動腕35および/または振動腕36の錘付け電極21の先端側に照射し、質量削減方式により微調整としての周波数調整を行う(ST20−2)。次いで、必要な検査を経て、圧電デバイス30が完成する。
Next, the lid is joined.
When sealing the
In this case, for example, a heating step is performed in which the low melting point glass or the like is heated to join the
Therefore, by heating, such a gas is discharged from the through
Next, as shown in FIG. 2, the laser beam is externally applied to the vibrating
あるいは、蓋体40として、金属製のものを用いて、図9に示すように接合すると、より好ましい。
蓋体の接合前には、パッケージに圧電振動片32を接合した状態で通電し、振動腕35,36の錘付け電極21,21の一部をレーザ光などのエネルギービームを照射することにより、部分的に蒸散させて、質量削減方式による周波数の微調整をする(ST18−1)。
次に蓋封止を行う。
図9は、蓋体40の接合状態を説明する部分切断端面図である。
この場合、蓋体40としてはコバルトと鉄の合金であるコバールが好適に使用される。
パッケージ57の上端には、予めメタライズ部82が形成される。パッケージ側に形成されるメタライズ部82としては、例えば、下から上へ順に、タングステン(W)82a、ニッケル(Ni)82b、金(Au)82cの各層が形成される。あるいは、モリブデン(Mo)82a、ニッケル(Ni)82b、金(Au)82cの層構造としてもよい。
Alternatively, it is more preferable to use a metal object as the
Before joining the lid, by energizing the package with the piezoelectric vibrating
Next, the lid is sealed.
FIG. 9 is a partially cut end view for explaining the joined state of the
In this case, the
A metallized portion 82 is formed in advance on the upper end of the
これに対して、コバール製の蓋体40の少なくとも接合面には、ニッケル(Ni)層83aの表面に金(Au)層83bがメッキされたメッキ層83が形成されている。すなわち、パッケージと蓋体の両方の接合面には金が露出されており、ロウ材58としては金(Au)−ゲルマニウム(Ge)合金84が使用されている。
つまり、金ゲルマニウムのロウ材84を用いて、加熱チャンバー内等に収容して加熱しロウ材を溶融させて接合する(ST19−1)。
On the other hand, a plated
That is, the brazing material 84 of gold germanium is used to be housed in a heating chamber and heated to melt the brazing material and join (ST19-1).
ここで、このような蓋体40の接合工程では、熱が発生し、この際に、導電性接着剤などから、あるいはパッケージ内面の水分が気化したりしてガスが生成される。
そこで、ST19−2と同様に、例えば真空チャンバー内などに収容して加熱し、上記した蓋体接合の際などに生じたガスを、図2で説明した貫通孔27から排出し(脱ガス)、その後、真空中で段部29に好ましくは、金−ゲルマニウム(Au−Ge)合金でなる金属球体やペレットを配置し、レーザ光などを照射することにより、溶融する。これにより図2の封止材(金属充填材)28が貫通孔27を気密に封止する(ST20−1)。
次いで、必要な検査を経て、圧電デバイス30が完成する。
Here, in the joining process of the
Therefore, as in ST19-2, for example, it is accommodated in a vacuum chamber and heated, and the gas generated during the above-described lid bonding is discharged from the through
Next, the
かくして、金属製の蓋体40を用いる場合には、ガラス製の蓋体を低融点ガラスのロウ材で接合する場合と比べて、金−ゲルマニウム合金のロウ材を用いることで、限られた大きさの封止代(しろ)Dであっても、十分接合強度を得ることができる。特に、封止孔である貫通孔27を利用したガス出しにおいて、十分加熱しても蓋体40の接合に影響することがなく、優れた気密性を実現できる。また、圧電デバイス30の実装工程においてリフロー炉を通した場合にも、ロウ材が再溶融することなく、接合性能に優れている。
Thus, when the
本発明は上述の実施形態に限定されない。各実施形態の各構成はこれらを適宜組み合わせたり、省略し、図示しない他の構成と組み合わせることができる。
また、この発明は、箱状のパッケージに圧電振動片を収容したものに限らず、シリンダー状の容器に圧電振動片を収容したもの、圧電振動片をジャイロセンサーとして機能するようにしたもの、さらには、圧電振動子、圧電発振器等の名称にかかわらず、圧電振動片を利用したあらゆる圧電デバイスに適用することができる。さらに、圧電振動片32では、一対の振動腕を形成しているが、これに限らず、振動腕は3本でも、4本以上でもよい。
The present invention is not limited to the above-described embodiment. Each configuration of each embodiment can be appropriately combined or omitted, and can be combined with other configurations not shown.
The present invention is not limited to the case where the piezoelectric vibrating piece is accommodated in a box-shaped package, the case where the piezoelectric vibrating piece is accommodated in a cylindrical container, the piezoelectric vibrating piece functioning as a gyro sensor, Can be applied to any piezoelectric device using a piezoelectric vibrating piece regardless of the name of a piezoelectric vibrator, a piezoelectric oscillator, or the like. Further, the piezoelectric vibrating
30・・・圧電デバイス、32・・・圧電振動片、33,34・・・長溝、35,36・・・振動腕、51・・・基部、61,62・・・支持用アーム
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記振動腕には、駆動電圧が印加される駆動電極としての励振電極が形成されていて、
前記励振電極が下地層であるクロム層と、電極層としての金層を含んでおり、
前記クロム層の膜厚が300Å以下であり、前記金層の膜厚が500Å以下とされている
ことを特徴とする圧電振動片。 A base portion formed of a piezoelectric material, and a plurality of vibrating arms extending from one end side of the base portion,
An excitation electrode as a drive electrode to which a drive voltage is applied is formed on the vibrating arm,
The excitation electrode includes a chromium layer as a base layer and a gold layer as an electrode layer,
The piezoelectric vibrating piece, wherein the chromium layer has a thickness of 300 mm or less and the gold layer has a thickness of 500 mm or less.
前記圧電振動片が、
圧電材料により形成された所定長さの基部と、
前記基部の一端側から延びる複数の振動腕と、
前記基部に対して連結部を介して一体に接合されており、前記基部の前記一端側より所定距離だけ離れた他端側において幅方向に延長され、かつ前記振動腕の外側において、該振動腕と同じ方向に延びる支持用アームと
を備え、
前記振動腕には、駆動電圧が印加される駆動電極としての励振電極が形成されていて、
前記励振電極が下地層であるクロム層と、電極層としての金層を含んでおり、
前記クロム層の膜厚が100Åないし300Åであり、前記金層の膜厚が200Åないし500Åとされている
ことを特徴とする圧電デバイス。 A piezoelectric device containing a piezoelectric vibrating piece in a package or case,
The piezoelectric vibrating piece is
A base of a predetermined length formed of a piezoelectric material;
A plurality of vibrating arms extending from one end of the base;
It is integrally joined to the base portion via a connecting portion, extends in the width direction on the other end side separated from the one end side of the base portion by a predetermined distance, and on the outside of the vibrating arm, the vibrating arm And a supporting arm extending in the same direction as
An excitation electrode as a drive electrode to which a drive voltage is applied is formed on the vibrating arm,
The excitation electrode includes a chromium layer as a base layer and a gold layer as an electrode layer,
The piezoelectric device, wherein the chromium layer has a thickness of 100 to 300 mm and the gold layer has a thickness of 200 to 500 mm.
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