JP2008211352A - 圧電振動子、発振器、リアルタイムクロック、および、電波時計受信モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】小型化して、所望の共振周波数を得る事ができ、かつ、高Ｑ値の圧電振動子の提供。
【解決手段】本発明に係る圧電振動子は，基体１と固定端１４２及び自由端１４１を有する振動部１０と振動部１０上方に屈曲振動生成の駆動部とを含み、振動部１０は第１支持部１２と４本の片持梁状部１４と第２支持部１６とを有し、第１支持部１２は直交する２本の中心線を有し、第１片持梁状部１４ａと第２片持梁状部１４ｂは、第１支持部１２の一方の中心線１２ａに関して対称で、第３片持梁状部１４ｃと第４片持梁状部１４ｄは第１支持部１２の一方の中心線に関して対称で、第１片持梁状部１４ａと第４片持梁状部１４ｄは第１支持部１２の他方の中心線１２ｂに関して対称で、第２片持梁状部１４ｂと第３片持梁状部１４ｃは第１支持部１２の他方の中心線に関して対称を成し，駆動部は上部電極と圧電体層と下部電極とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電振動子、発振器、リアルタイムクロック、および、電波時計受信モジュールに関する。

時計やマイコンなどの情報機器では、クロックモジュールの発振器部分に、従来の設計資産や省電力性を生かすために、音叉型の３２ｋＨｚ水晶振動子が用いられている。しかしながら、音叉型の３２ｋＨｚ水晶振動子の場合、音叉の腕長さが数ｍｍになり、パッケージを含めた全体の長さは１０ｍｍ近くになる場合がある。

最近では、水晶ではなく、シリコン基板上に、圧電体薄膜を上下の電極で挟んだ駆動部を設けた圧電振動子が開発されるようになってきた。このような圧電振動子としては、ビーム状構造のもの（特許文献１の図１参照）や、ビーム２本を備える音叉型のもの（特許文献２の図１参照）が知られている。このような圧電振動子においても、シリコン基板の厚さをせいぜい１００μｍ程度にしかできないため、数十ｋＨｚの共振周波数を得る場合、ビームの腕長さが数ｍｍ以上になり、クロックモジュールの小型化が困難な場合がある。
特開２００５−２９１８５８号公報 特開２００５−２４９３９５号公報

本発明の目的は、小型化することができ、所望の共振周波数を得ることができ、かつ、高いＱ値を得ることができる圧電振動子を提供することにある。また、本発明の他の目的は、上記圧電振動子を有する、発振器、リアルタイムクロック、および電波時計受信モジュールを提供することにある。

本発明に係る圧電振動子は、
基体と、
前記基体に固定された固定端、および、該基体に接しない自由端を有する振動部と、
前記振動部の上方に形成され、該振動部の屈曲振動を生成する駆動部と、を含み、
前記振動部は、
第１支持部と、
前記第１支持部に支持された４本の片持梁状部と、
前記第１支持部を支持し、前記固定端を備える第２支持部と、を有し、
前記第１支持部は、直交する２本の中心線を有し、
第１の前記片持梁状部および第２の前記片持梁状部は、平面視において、前記第１支持部の一方の前記中心線に関して対称を成しており、
第３の前記片持梁状部および第４の前記片持梁状部は、平面視において、前記第１支持部の前記一方の中心線に関して対称を成しており、
前記第１の片持梁状部および前記第４の片持梁状部は、平面視において、前記第１支持部の他方の前記中心線に関して対称を成しており、
前記第２の片持梁状部および前記第３の片持梁状部は、平面視において、前記第１支持部の前記他方の中心線に関して対称を成しており、
前記駆動部は、
第１電極と、
前記第１電極の上方に形成された圧電体層と、
前記圧電体層の上方に形成された第２電極と、を有する。

本発明に係る圧電振動子では、共振周波数は、前記振動部の厚さに依存する。従って、この圧電振動子によれば、共振周波数を前記振動部の厚さによって調整することができる。例えば、振動部が音叉形状を有するような場合には、共振周波数は、振動部の幅に依存する。従って、音叉型の圧電振動子では、共振周波数を低くするためには、振動部の幅を小さくして対応することができるが、加工技術の限界がある場合がある。これに対し、本発明に係る圧電振動子では、共振周波数を低くするためには、前記振動部の厚さを薄くして対応することができる。従って、加工技術の限界によらずに、所望の共振周波数を得ることができる。即ち、本発明に係る圧電振動子によれば、例えば音叉型の圧電振動子などよりも小型化することができ、かつ、所望の共振周波数（例えば数十ｋＨｚ）を得ることができる。また、本発明に係る圧電振動子によれば、前記振動部と前記基体との接続部分（即ち前記振動部の前記固定端）に応力が集中しないため、高いＱ値を得ることができる。

なお、本発明に係る記載では、「上方」という文言を、例えば、「特定のもの（以下「Ａ」という）の「上方」に形成された他の特定のもの（以下「Ｂ」という）」などと用いている。本発明に係る記載では、この例のような場合に、Ａ上に直接Ｂが形成されているような場合と、Ａ上に他のものを介してＢが形成されているような場合とが含まれるものとして、「上方」という文言を用いている。

本発明に係る圧電振動子において、
前記第１支持部および前記４本の片持梁状部は、平面視において、ローマ字のＨ型を構成し、
前記第１支持部および前記第２支持部は、平面視において、ローマ字のＴ型を構成することができる。

本発明に係る圧電振動子において、
前記第１の片持梁状部および前記第２の片持梁状部は、前記第１支持部の一方の端部に接続されており、
前記第３の片持梁状部および前記第４の片持梁状部は、前記第１支持部の他方の端部に接続されていることができる。

本発明に係る圧電振動子において、
前記第２支持部は、平面視において、前記第１支持部の中心点から最短距離の端点に接続されていることができる。

本発明に係る圧電振動子において、
前記第１支持部、前記片持梁状部、および前記第２支持部は、直方体形状を有することができる。

なお、本発明において、直方体には、立方体である場合が含まれる。

本発明に係る圧電振動子において、
前記基体は、
基板と、
前記基板の上方に形成された絶縁部と、
前記絶縁部の上方に形成された半導体部と、を有し、
前記振動部は、半導体からなることができる。

本発明に係る圧電振動子において、
前記基体は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板であることができる。

本発明に係る圧電振動子において、
前記基体は、半導体基板であり、
前記振動部は、半導体からなることができる。

本発明に係る発振器は、上述の圧電振動子を有する。

本発明に係る発振器は、
発振回路を含み、
前記発振回路は、
電気信号を増幅する増幅器と、
前記増幅器の入出力間に接続された帰還回路と、を有し、
前記帰還回路は、上述した圧電振動子を備えることができる。

本発明に係るリアルタイムクロックは、上述の圧電振動子を有する。

本発明に係るリアルタイムクロックは、
上述した発振器と、
前記発振器から出力されるクロックパルスを分周する分周回路と、
前記分周回路から出力される計時パルスが入力される計時カウンタと、
前記計時カウンタの計時ビットの書き換えおよび読み出しを行う制御部と、を含むことができる。

本発明に係る電波時計受信モジュールは、上述の圧電振動子を有する。

本発明に係る電波時計受信モジュールは、
電波を受信する受信部と、
上述した圧電振動子を有し、受信された電気信号を濾波する周波数フィルタと、
濾波された前記電気信号からタイムコードを読み出す周辺回路と、
上述したリアルタイムクロックと、を含むことができる。

以下、本発明に好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。

１． まず、本実施形態に係る圧電振動子１００について説明する。図１は、本実施形態に係る圧電振動子１００を概略的に示す平面図であり、図２は、圧電振動子１００を概略的に示す断面図である。なお、図２は、図１のII−II線断面図である。

圧電振動子１００は、図１および図２に示すように、基体１と、振動部１０と、駆動部２０と、を含む。

基体１は、図２に示すように、例えば、基板２と、基板２上に形成された絶縁部３と、絶縁部３上に形成された半導体部４と、を有する。基体１としては、例えばＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板などを用いることができる。ＳＯＩ基板としては、例えばＳＩＭＯＸ（silicon implanted oxide）基板や貼り合わせＳＯＩ基板などが挙げられる。例えば、基板２としてシリコン基板、絶縁部３として酸化シリコン層、半導体部４としてシリコン層を用いることができる。半導体部４内には各種の半導体回路を作り込むことができる。半導体部４としてシリコン層を用いることが、一般的な半導体製造技術を利用できる点で有利である。絶縁部３の厚さは、例えば０．１μｍ〜４μｍであり、半導体部４の厚さは、例えば１μｍ〜４μｍである。

半導体部４は、振動部１０を支持することができる。半導体部４は、例えば図示のような矩形の枠状に形成される。

振動部１０は、基体１（より具体的には半導体部４）に固定された固定端１０ａ、および、基体１（より具体的には半導体部４）に接しない自由端１４１を有する。振動部１０は、半導体からなることができる。振動部１０を構成する半導体は、例えば、半導体部４を構成する半導体と同じものである。

振動部１０は、第１支持部１２と、第１支持部１２に支持された４本の片持梁状部１４（１４ａ〜１４ｄ）と、第１支持部１２を支持し、振動部１０の固定端１０ａを備える第２支持部１６と、を有する。

片持梁状部１４は、第１支持部１２に固定された固定端１４２、および、基体１（より具体的には半導体部４）に接しない自由端１４１を有する。なお、片持梁状部１４の自由端１４１は、振動部１０の自由端１４１でもある。

第１支持部１２は、直交する２本の中心線１２ａ，１２ｂを有する。第１支持部１２の一方の中心線１２ａは、第１支持部１２の長さ方向（図１のＹ方向）に沿っている。第１支持部１２の他方の中心線１２ｂは、第１支持部１２の幅方向（Ｘ方向）に沿っている。

第１の片持梁状部１４ａおよび第２の片持梁状部１４ｂは、平面視（図１）において、第１支持部１２の一方の中心線１２ａに関して対称を成している。同様に、第３の片持梁状部１４ｃおよび第４の片持梁状部１４ｄは、平面視において、第１支持部１２の一方の中心線１２ａに関して対称を成している。また、第１の片持梁状部１４ａおよび第４の片持梁状部１４ｄは、平面視において、第１支持部１２の他方の中心線１２ｂに関して対称を成している。同様に、第２の片持梁状部１４ｂおよび第３の片持梁状部１４ｃは、平面視において、第１支持部１２の他方の中心線１２ｂに関して対称を成している。

第１支持部１２および４本の片持梁状部１４（１４ａ〜１４ｄ）は、平面視（図１）において、例えば、ローマ字のＨ型を構成することができる。第１の片持梁状部１４ａおよび第２の片持梁状部１４ｂは、例えば、第１支持部１２の一方の端部１２Ａに接続されている。また、第３の片持梁状部１４ｃおよび第４の片持梁状部１４ｄは、例えば、第１支持部１２の他方の端部１２Ｂに接続されている。なお、片持梁状部１４ａ〜１４ｄは、第１支持部１２の端部１２Ａ，１２Ｂ以外の部分に接続されていても良い。

片持梁状部１４の長さ方向（Ｘ方向）は、例えば、第１支持部１２の長さ方向（Ｙ方向）に直交する。第１支持部１２および各片持梁状部１４ａ〜１４ｄのそれぞれは、例えば、直方体形状を有する。第１支持部１２の平面形状は、例えば、矩形（長方形および正方形）であり、図示の例では長方形である。各片持梁状部１４ａ〜１４ｄの平面形状は、例えば、矩形、三角形、台形などであり、図示の例では長方形である。

第１の片持梁状部１４ａおよび第４の片持梁状部１４ｄは、例えば、片持梁状部１４の長さ方向（Ｘ方向）に平行に所定間隔をおいて配置されている。同様に、第２の片持梁状部１４ｂおよび第３の片持梁状部１４ｃは、例えば、片持梁状部１４の長さ方向（Ｘ方向）に平行に所定間隔をおいて配置されている。第１の片持梁状部１４ａと第４の片持梁状部１４ｄとの間隔は、第２の片持梁状部１４ｂと第３の片持梁状部１４ｃとの間隔に等しい。

片持梁状部１４（１４ａ〜１４ｄ）のそれぞれの長さは、例えば２００μｍ〜４００μｍである。片持梁状部１４（１４ａ〜１４ｄ）のそれぞれの幅は、例えば５０μｍである。なお、片持梁状部１４の長さとは、平面視における片持梁状部１４の固定端１４２から自由端１４１までの距離をいう。また、本発明において、特定の部材（例えば片持梁状部１４）の幅とは、該部材の長さ方向に直交する方向の該部材の両端の距離をいう。

第１支持部１２の長さは、例えば２５０μｍであり、第１支持部１２の幅は、例えば５０μｍである。なお、第１支持部１２の長さとは、片持梁状部１４の長さ方向（Ｘ方向）に直交する方向（Ｙ方向）の第１支持部１２の両端の距離をいう。

第１支持部１２および第２支持部１６は、片持梁状部１４ａ〜１４ｄを支持する機能と、片持梁状部１４ａ〜１４ｄの振動を基体１に伝搬させない機能と、を有する。第１支持部１２および第２支持部１６は、平面視において、例えば、ローマ字のＴ型を構成することができる。第２支持部１６は、平面視において、例えば、第１支持部１２の中心点１２ｃから最短距離の第１支持部１２の端点１２ｄに少なくとも接続されている。なお、第１支持部１２の中心点１２ｃは、例えば、第１支持部１２の一方の中心線１２ａと他方の中心線１２ｂとの交点である。第２支持部１６は、例えば、第１支持部１２の中央部１２Ｃに接続されている。第２支持部１６の長さ方向（Ｘ方向）は、例えば、第１支持部１２の長さ方向（Ｙ方向）に直交する。第２支持部１６、第１の片持梁状部１４ａ、および第４の片持梁状部１４ｄは、例えば、それぞれの長さ方向（Ｘ方向）に平行に所定間隔をおいて配置されている。第２支持部１６は、例えば、直方体形状を有する。第２支持部１６の平面形状は、例えば、矩形であり、図示の例では長方形である。第２支持部１６の平面形状は、例えば、第１支持部１２の他方の中心線１２ｂに関して対称を成している。

第２支持部１６の長さは、例えば２５０μｍ〜４５０μｍである。第２支持部１６の幅は、例えば５０μｍである。なお、第２支持部１６の長さとは、片持梁状部１４の長さ方向（Ｘ方向）の第２支持部１６の両端の距離をいう。

第２支持部１６の長さは、例えば、片持梁状部１４の長さよりも長い。また、第２支持部１６の幅、第１の片持梁状部１４ａの幅、および第４の片持梁状部１４ｄの幅の総和は、例えば、第１支持部１２の長さよりも短い。また、第１支持部１２の幅、片持梁状部１４（１４ａ〜１４ｄ）のそれぞれの幅、および第２支持部１６の幅は、例えば、同じである。

振動部１０は、図２に示すように、絶縁部３の一部を除去して形成された空隙部８０上に形成されている。空隙部８０の平面形状は、例えば矩形であり、図示の例では長方形である。空隙部８０は、例えば、半導体部４の端部の下まで入り込んで設けられている。振動部１０と半導体部４との間であって、振動部１０と半導体部４との接続部分（即ち振動部１０の固定端１０ａ）以外の領域には、振動部１０の振動を許容する開口部（第１開口部）４２が形成されている。振動部１０は、半導体部４により構成される矩形の枠の内側に収まっている。

振動部１０の厚さは、半導体部４の厚さと同じであり、例えば１μｍ〜４μｍである。振動部１０の厚さは、圧電振動子１００の小型化のためには、４μｍ以下であることが望ましい。

振動部１０と駆動部２０との間（より具体的には片持梁状部１４と下部電極２２との間）には、例えば、下地層５が形成されている。下地層５は、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層、窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）層等の絶縁層である。下地層５は、例えば２層以上の複合層で構成されていても良い。下地層５の厚さは、例えば１μｍである。

駆動部２０（２０ａ〜２０ｄ）は、振動部１０の上方に形成されている。駆動部２０は、例えば、下地層５上に形成されている。駆動部２０は、振動部１０の屈曲振動を生成する。駆動部２０は、図１に示すように、例えば、各片持梁状部（ビーム）１４ａ〜１４ｄに対して１つずつ設けられている。駆動部２０の平面形状は、例えば矩形であり、図示の例では長方形であり、その長手方向は、振動部１０の長さ方向と同じ方向（Ｘ方向）である。駆動部２０は、図２に示すように、振動部１０（より具体的には片持梁状部１４）の上方に形成された下部電極２２と、下部電極２２上に形成された圧電体層２４と、圧電体層２４上に形成された上部電極２６と、を有する。駆動部２０は、例えば、図１および図２に示すように、片持梁状部１４の根元側（固定端側）の上に形成されている。駆動部２０は、平面視において、例えば、該駆動部２０の長さ方向（Ｘ方向）の一端が片持梁状部１４の固定端１４２の位置に揃うように設けられている。なお、図示しないが、駆動部２０の一部が、例えば第１支持部１２の上に形成されていても良い。

駆動部２０（２０ａ〜２０ｄ）のそれぞれの長さは、例えば２００μｍであり、駆動部２０のそれぞれの幅は、例えば５０μｍである。なお、駆動部２０の長さとは、片持梁状部１４の長さ方向（Ｘ方向）の駆動部２０の両端の距離をいう。

下部電極２２としては、例えば白金（Ｐｔ）層などを用いることができる。下部電極２２の厚さは、十分に低い電気抵抗値が得られる厚さであれば良く、例えば１０ｎｍ以上５μｍ以下とすることができる。

圧電体層２４は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ(Ｚｒ，Ｔｉ)Ｏ_３：ＰＺＴ）、チタン酸ジルコン酸鉛固溶体などの圧電材料からなることができる。チタン酸ジルコン酸鉛固溶体としては、例えばニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ_３：ＰＺＴＮ）などが挙げられる。圧電体層２４の厚さは、振動部１０の厚さの１／１０倍以上、等倍以下程度であることが望ましい。この範囲の厚さであることにより、ビームを十分に振動させる駆動力が確保されることができる。例えば、振動部１０の厚さを１μｍ〜４μｍとした場合、圧電体層２４の厚さは０．１μｍ〜４μｍとすることができる。圧電体層２４の膜厚は、共振条件に応じて適宜変更されることができる。

上部電極２６としては、例えば白金（Ｐｔ）層などを用いることができる。上部電極２６の厚さは、十分に低い電気抵抗値が得られる厚さであれば良く、例えば１０ｎｍ以上５μｍ以下とすることができる。

なお、図示の例では、駆動部２０において、下部電極２２と上部電極２６の間には圧電体層２４のみが存在するが、両電極２２，２６間に圧電体層２４以外の層を有していても良い。

第１駆動部２０ａの上部電極２６と駆動電源（図示せず）の一方の端子とは、配線（図示せず）により電気的に接続されている。第１駆動部２０ａの下部電極２２と第２駆動部２０ｂの下部電極２２とは、配線（図示せず）により電気的に接続されている。第２駆動部２０ｂの上部電極２６と第３駆動部２０ｃの上部電極２６とは、配線（図示せず）により電気的に接続されている。第３駆動部２０ｃの下部電極２２と第４駆動部２０ｄの下部電極２２とは、配線（図示せず）により電気的に接続されている。第４駆動部２０ｄの上部電極２６と前記駆動電源の他方の端子とは、配線（図示せず）により電気的に接続されている。第１駆動部２０ａ、第２駆動部２０ｂ、第３駆動部２０ｃ、および第４駆動部２０ｄは、この順番で直列に接続されている。また、第１〜第４駆動部２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄの圧電体層２４に対して、例えば配線形成工程前の上部電極２６が独立した状態において分極処理を行うことにより、全ての圧電体層２４において上下方向の分極方向を揃えることが容易に可能である。従って、この接続状態で駆動部２０（２０ａ〜２０ｄ）に直流電界を印加した場合、第１駆動部２０ａの圧電体層２４と第２駆動部２０ｂの圧電体層２４の片持梁状部１４の長さ方向（Ｘ方向）の伸縮の極性は、逆向きになる。また、第２駆動部２０ｂの圧電体層２４と第３駆動部２０ｃの圧電体層２４の片持梁状部１４の長さ方向（Ｘ方向）の伸縮の極性は、逆向きになる。また、第３駆動部２０ｃの圧電体層２４と第４駆動部２０ｄの圧電体層２４の片持梁状部１４の長さ方向（Ｘ方向）の伸縮の極性は、逆向きになる。

本実施形態に係る圧電振動子１００では、第１駆動部２０ａの上部電極２６と第４駆動部２０ｄの上部電極２６との間に、交番電界を印加することにより、第１の片持梁状部１４ａと第２の片持梁状部１４ｂとをそれぞれ逆位相で上下方向（Ｚ方向）に屈曲振動させることができる。また、第２の片持梁状部１４ｂと第３の片持梁状部１４ｃとをそれぞれ逆位相で上下方向に屈曲振動させることができる。また、第３の片持梁状部１４ｃと第４の片持梁状部１４ｄとをそれぞれ逆位相で上下方向に屈曲振動させることができる。なお、この場合には、第１の片持梁状部１４ａと第３の片持梁状部１４ｃの屈曲振動は同位相であり、第２の片持梁状部１４ｂと第４の片持梁状部１４ｄの屈曲振動は同位相である。

本実施形態に係る圧電振動子１００の共振周波数は、２の１３乗Ｈｚ（８．１９２ｋＨｚ）以上、２の１５乗Ｈｚ（３２．７６８ｋＨｚ）以下であることができる。例えば３２．７６８ｋＨｚ（単に「３２ｋＨｚ」ともいう）の共振周波数は、クロックモジュールに適している。共振周波数を２^１５＝３２．７６８ｋＨｚとすることにより、１５段のフリップフロップ回路で分周して１Ｈｚの信号を発生させることができる。また、共振周波数を２^１３＝８．１９２ｋＨｚから２^１５＝３２．７６８ｋＨｚまでの範囲で設定することにより、フリップフロップ回路を１５段だけではなく、１４段、さらには１３段とすることができ、消費電力の低減を図ることができる。また、消費電力の観点から、フリップフロップ回路を１６段とすることも可能であるため、本実施形態に係る圧電振動子１００の共振周波数は、２の１６乗Ｈｚ（６５．５３６ｋＨｚ）以下であることもできる。

２． 次に、本実施形態に係る圧電振動子１００の製造方法の一例について図面を参照しながら説明する。図３および図４は、本実施形態の圧電振動子１００の一製造工程を概略的に示す断面図であり、それぞれ図２に示す断面図に対応している。

（１）まず、図３に示すように、基板２上に絶縁層６および半導体層８がこの順に配置された基体９を用意する。基体９としては、例えばＳＯＩ基板などを用いることができる。

次に、基体９上の全面に下地層５を形成する。下地層５は、熱酸化法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、スパッタ法などにより成膜される。

（２）次に、図３に示すように、下地層５上に駆動部２０を形成する。具体的には、例えば、まず、下地層５上の全面に、下部電極２２、圧電体層２４、および上部電極２６をこの順に成膜する。下部電極２２は、蒸着法、スパッタ法などにより成膜される。圧電体層２４は、溶液法（ゾルゲル法）、レーザアブレーション法、蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法などにより成膜される。上部電極２６は、蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法などにより成膜される。

次に、上部電極２６、圧電体層２４、および下部電極２２をパターニングして、所望の形状にすることができる。パターニングには、例えばリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いることができる。

以上の工程により、下部電極２２、圧電体層２４、および上部電極２６を有する駆動部２０が形成される。

次に、下地層５をパターニングして、所望の形状にすることができる。パターニングには、例えばリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いることができる。

なお、下地層５、下部電極２２、圧電体層２４、および上部電極２６は、各層の成膜ごとにパターニングされることもできるし、複数層の形成ごとに一括してパターニングされることもできる。

（３）次に、基体９の半導体層８を所望の形状にパターニングして、図４に示すように、半導体部４、振動部１０、および開口部４２を形成する。半導体部４および振動部１０は、半導体層８を刳り貫いて絶縁層６を露出させる開口部４２を形成することにより得られる。半導体層８は、例えば、リソグラフィ技術およびエッチング技術を用いてパターニングされる。エッチング技術としては、例えば、ドライエッチング法やウェットエッチング法を用いることができる。このエッチング工程においては、絶縁層６をエッチングストッパ層として用いることができる。即ち、半導体層８をエッチングする際には、絶縁層６のエッチング速度は、半導体層８のエッチング速度よりも遅い。

（４）次に、開口部４２により露出した部分から絶縁層６の一部を除去して、図１および図２に示すように、少なくとも振動部１０の下に空隙部８０を形成する。空隙部８０は、振動部１０の自由端１４１に対する機械的拘束力が無くなった状態（後述する）で振動部１０が屈曲振動できるような位置に形成される。空隙部８０は、例えば、半導体部４の端部、振動部１０、および第１開口部４２の下に形成される。絶縁層６が酸化シリコンからなる場合には、例えばフッ化水素酸を用いたウェットエッチング法などにより絶縁層６を除去することができる。このエッチング工程においては、振動部１０および半導体部４をマスクとして、基板２をエッチングストッパ層として用いることができる。即ち、絶縁層６をエッチングする際には、振動部１０、半導体部４、および基板２のエッチング速度は、絶縁層６のエッチング速度よりも遅い。

（５）上述した工程により、開口部４２および空隙部８０が設けられることで、振動部１０の自由端１４１に対する機械的拘束力が無くなり、振動部１０が十分に振動できるようになる。

（６）以上の工程により、図１および図２に示すように、本実施形態の圧電振動子１００が形成される。

３． 本実施形態のＨ型の圧電振動子１００では、共振周波数は、振動部１０の厚さに依存する。従って、この圧電振動子１００によれば、共振周波数を振動部１０の厚さによって調整することができる。例えば、振動部が音叉形状を有するような場合には、共振周波数は、振動部の幅に依存する。従って、音叉型の圧電振動子では、共振周波数を低くするためには、振動部の幅を小さくして対応することができるが、加工技術の限界がある場合がある。これに対し、本実施形態のＨ型の圧電振動子１００では、共振周波数を低くするためには、振動部１０（半導体層８）の厚さを薄くして対応することができる。従って、半導体層８（図３参照）の加工技術の限界によらずに、所望の共振周波数を得ることができる。即ち、本実施形態に係る圧電振動子１００によれば、例えば音叉型の圧電振動子などよりも小型化することができ、かつ、所望の共振周波数（例えば数十ｋＨｚ）を得ることができる。

また、本実施形態のＨ型の圧電振動子１００によれば、振動部１０と基体１（より具体的には半導体部４）との接続部分（即ち振動部１０の固定端１０ａ）に応力が集中しないため、高いＱ値を得ることができる。図５は、共振モードでの圧電振動子１００における応力をシミュレーションした結果を示している。なお、図５は、振動部が１本のビームから構成されるユニモルフ型の圧電振動子１１０（比較例）についてのシミュレーション結果も示している。また、図５に示す応力強さの単位は、規格化されたarbitrary unit（a.u.）である。図５に示すように、Ｈ型の圧電振動子１００における振動部と基体との接続部分Ａの応力は、ユニモルフ型の圧電振動子１１０における振動部と基体との接続部分Ｂの応力に比べて、非常に小さくなっていることが分かる。この理由としては、以下のように考えられる。

上述したように、Ｈ型の圧電振動子１００では、４本の片持梁状部１４ａ〜１４ｄのうちの２つずつが第１支持部１２の中心線１２ａ，１２ｂに関して対称を成しており、かつ、４本の片持梁状部１４のうちの２つずつが逆位相で屈曲振動することができる。これにより、第１支持部１２の中心点１２ｃに加わる応力は相殺し合い、中央点１２ｃ付近に加わる応力は小さくなると考えられる。このため、第１支持部１２の中心点１２ｃから最短距離の端点１２ｄと、基体１（より具体的には半導体部４）とを、第２支持部１６により接続することで、振動部１０と基体１との接続部分Ａの応力を非常に小さくすることができると考えられる。

また、本実施形態の圧電振動子１００では、振動部１０の厚さは、基体１（例えばＳＯＩ基板）の半導体部４と同じであるため、振動部１０の厚さを非常に薄くすることができる（例えば４μｍ以下）。これにより、クロックモジュールに用いられる発振器の共振周波数を生成する圧電振動子１００において、振動部１０（より具体的には片持梁状部１４ａ〜１４ｄのそれぞれ）の長さを短くすることができる。即ち、本実施形態に係る圧電振動子１００を小型化することができる。例えば、３２ｋＨｚの共振周波数を用いる場合には、振動部１０の厚さを４μｍ以下、片持梁状部１４ａ〜１４ｄのそれぞれの長さを４００μｍ以下、圧電振動子１００のパッケージ長さを１ｍｍ以下とすることができる。

本実施形態に係る圧電振動子１００の具体例としては以下の通りである。

絶縁部３の厚さは１μｍ、下部電極２２の厚さは０．１μｍ、圧電体層２４の厚さは１μｍ、上部電極２６の厚さは０．１μｍ、駆動部２０の厚さは１．２μｍ、半導体部４および振動部１０の厚さは４μｍである。また、片持梁状部１４のそれぞれのビーム長さは４００μｍ、ビーム幅は５０μｍ、第１支持部１２の長さは２５０μｍ、幅は５０μｍである。また、平面視において、半導体部４により構成される矩形の枠の内縁の長辺は９５０μｍ、短辺は３５０μｍである。この構成の圧電振動子１００について、有限要素法によって運動方程式を解いてシミュレーションすると、屈曲振動の共振周波数は３２ｋＨｚとなった。

また、本実施形態に係る圧電振動子１００では、基体１としてＳＯＩ基板を用いることにより、圧電振動子１００が半導体部４内やその上に作り込まれた半導体集積回路と混載されて、圧電振動子モジュールを構成することができる。これにより、モジュールパッケージを小型化することができる。

また、本実施形態に係る圧電振動子１００では、基体１としてＳＯＩ基板を用いることにより、圧電振動子１００が半導体部４内やその上に作り込まれた発振回路と混載されることができる。ＳＯＩ基板を用いたデバイスでは、動作電圧を低くすることができるため、本実施形態の圧電振動子１００によれば、低消費電力のワンチップクロックモジュールを提供することができる。

なお、本実施形態の圧電振動子１００は、非同期回路のような本来タイミングデバイスを必要としない回路においても、トリガ発生器として用いられることができる。

４． 次に、本実施形態の圧電振動子の変形例について、図面を参照しながら説明する。なお、上述した圧電振動子１００（以下「圧電振動子１００の例」という）と異なる点について説明し、同様の点については説明を省略する。

（１）まず、第１の変形例について説明する。図６は、本変形例の圧電振動子１２０を概略的に示す平面図である。

圧電振動子１００の例では、第１支持部１２の中心点１２ｃから最短距離の一方の端点１２ｄと半導体部４とを１つの第２支持部１６により接続する場合について説明したが、本変形例では、第１支持部１２の中心点１２ｃから最短距離の他方の端点１２ｄと半導体部４とを別の第２支持部１２６により接続することができる。即ち、本変形例では、振動部１０は、半導体部４と２箇所で接続されている。一方の第２支持部１６および他方の第２支持部１２６は、平面視において、第１支持部１２の一方の中心線１２ａに関して対称を成している。他方の第２支持部１２６は、例えば、直方体形状を有する。

（２）次に、第２の変形例について説明する。図７は、本変形例の圧電振動子１６０を概略的に示す断面図である。

圧電振動子１００の例では、基体１が例えばＳＯＩ基板である場合について説明したが、本変形例では、基体１６１は、例えばシリコンからなる半導体基板であることができる。本変形例の圧電振動子１６０には、開口部（第２開口部）８２が形成されている。開口部８２は、平面視において、例えば、圧電振動子１００の例における空隙部８０と同じ位置に設けられる。開口部８２は、例えば、基体１６１の一部であって、基体１６１の裏面から振動部１０の下面までの部分を、基体１６１から除去することにより形成される。

（３）なお、上述した変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各変形例を適宜組み合わせることも可能である。

５． 次に、上述した圧電振動子を有する発振器を説明する。

図８は、上述した圧電振動子１００を有する発振器５００の基本的構成を示す回路図である。発振器５００は、この回路（発振回路）を含むことができる。発振回路は、電気信号を増幅する増幅器４０１と、増幅器４０１の入出力間に接続された帰還回路４１０と、を有する。増幅器４０１は、例えばＣＭＯＳインバータからなる。帰還回路４１０は、例えば、圧電振動子１００と、抵抗４０３と、２つのコンデンサ４０４，４０５と、を備える。増幅器４０１には、直流電源から電圧Ｅが印加されている。電源電圧Ｅを増大させていき発振開始電圧になると、電流Ｉが急激に増加して発振が開始される。さらに電源電圧Ｅを増大させると、発振状態を保ちながら電流Ｉがほぼ比例して増加する。

図９は、本実施形態に係る発振器５００を概略的に示す平面図であり、図１０は、発振器５００を概略的に示す断面図である。なお、図１０は、図９のＸ−Ｘ線断面図である。また、図９および図１０では、便宜上、圧電振動子１００を簡略化して示している。

発振器５００は、封止材５０２により封止されている。ＩＣ（集積回路）５０３は、金線などのボンディングワイヤ５０４により外部端子５７０に接続されている。外部端子５７０は、リードフレーム５０５および接合材５０６を介して、実装端子５４１と電気的に接続されている。実装端子５４１は、配線（図示せず）などにより、圧電振動子１００の各電極と電気的に接続されている。圧電振動子１００は、蓋部材５３９やシール部材５４０などにより封止されている。

図１１は、本実施形態に係る発振器５００の製造工程例を概略的に示す図である。

まず、ＩＣウェハに対してテープ貼りおよびダイシングを行う。次に、ＩＣ５０３のチップをリードフレーム５０５に搭載する。次に、ボンディングワイヤ５０４を用いてＩＣ５０３に対してワイヤボンディングを行う。

次に、圧電振動子１００の実装端子５４１を、半田などの接合材５０６を用いてリードフレーム５０５に接合して、圧電振動子１００をマウントする。次に、封止材（モールド材）５０２を用いて、圧電振動子１００、ＩＣ５０３などを樹脂封止する。その後、特性検査、マーキングを行い、テーピング、梱包し、出荷される。

また、図示はしないが、例えば、圧電振動子１００が形成される基体１（図２参照）に対して半導体プロセスを用いて圧電振動子１００に平面的に隣接するＩＣを形成し、本実施形態に係る発振器を形成することもできる。これにより、パッケージを省略することができ、ワンチップ型の発振器を形成することができる。

６． 次に、上述した圧電振動子を有するリアルタイムクロックを説明する。

図１２は、上述した発振器（ＯＳＣ）５００を有するリアルタイムクロック６００を概略的に示す回路ブロック図である。リアルタイムクロック６００の集積回路部は、単一の基板６０１に集積され、マイクロプロセッサ（図示せず）と接続されている。

計時用接続端子６０２，６０３に接続されている発振器５００からは高周波（例えば３２ｋＨｚ）のクロックパルスが出力される。クロックパルスは分周回路６０５で分周され、１Ｈｚの計時パルスが計時カウンタ６０６に入力される。計時カウンタ６０６は、例えば、秒計時ビットｓと、分計時ビットｍと、時計時ビットｈと、曜日計時ビットｄと、日計時ビットＤと、月計時ビットＭと、年計時ビットＹとから構成されている。所定数の計時パルスが計時カウンタ６０６に入力されると、それぞれの計時ビットは繰り上がることができる。計時カウンタ６０６には、計時ビットの書き換えおよび読み出しを行う制御部６２０が接続されている。制御部６２０は、例えば、コマンドデコーダ６１２と、シフトレジスタ６０９，６１０と、を有することができる。

計時カウンタ６０６の計時ビットを書き換える場合には、まず、マイクロプロセッサからセレクト入力端子６０７にセレクト信号を供給する。次に、マイクロプロセッサからデータ入力端子６０８に、書き換えるべき情報を表すデータビットと、計時ビットのアドレスを表すアドレスビットと、計時カウンタ６０６への書き込み動作を表す操作ビットとから構成される外部情報を供給する。その結果、外部情報は、直列に接続されたシフトレジスタ６０９，６１０に記憶される。そして、コマンドデコーダ６１２は、シフトレジスタ６１０に記憶された操作ビットとアドレスビットに基づき、ライトイネーブル信号を計時カウンタ６０６に送出するとともに、計時ビットを指定するアドレス信号を出力する。その結果、シフトレジスタ６０９に記憶されたデータビットが計時カウンタ６０６の計時ビットに書き込まれ、リアルタイムデータの書き換えが行われる。

また、計時カウンタ６０６からリアルタイムデータを読み出す場合には、マイクロプロセッサから、読み出し動作を表す操作ビットを有する外部情報を送出させる。そして、コマンドデコーダ６１２は、計時カウンタ６０６へのライトイネーブル信号をインアクティブ状態にする。その結果、インバータ６１３がアクティブ状態のライトイネーブル信号をシフトレジスタ６０９に供給し、シフトレジスタ６０９が読み込み可能状態になり、計時カウンタ６０６の内容はシフトレジスタ６０９に読み出される。シフトレジスタ６０９に読み出されたリアルタイムデータは、クロック入力端子６１４に印加されるクロック信号に同期して、データ出力端子６１５に転送され、例えばマイクロプロセッサのレジスタなどに送出される。

なお、例えば計算結果などのデータは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）６１６に記憶させることができる。

図１３は、本実施形態に係るリアルタイムクロック６００を概略的に示す上面透視図であり、図１４は、リアルタイムクロック６００を概略的に示す側面透視図である。なお、図１４は、図１３の矢印XIVの方向に見た図である。

発振回路などを有するＩＣチップ６５１は、リードフレーム６５２のアイランド部６５３に導電性接着剤などで接着固定されている。ＩＣチップ６５１の上面に設けられた各電極パッド６５４は、ボンディングワイヤ６５５により、パッケージの外周部に配置された入出力用リード端子６５６と電気的に接続されている。平面視において、ＩＣチップ６５１の隣には、圧電振動子１００を内部に収めている振動子用筐体６５７が配置されている。振動子用筐体６５７内には、例えば図１および図２に示す圧電振動子１００が気密状態で封止されている。圧電振動子１００の各電極に電気的に接続されたリード６５８は、振動子用筐体６５７内から外に突出している。リード６５８は、リードフレーム６５２の接続パッド６５９に導電性接着剤などで接着固定されている。ＩＣチップ６５１、リードフレーム６５２および振動子用筐体６５７は、樹脂６６０により一体成形されてパッケージ化されている。

また、図示はしないが、例えば、圧電振動子１００が形成される基体１（図２参照）に対して半導体プロセスを用いて圧電振動子１００に平面的に隣接するＩＣを形成し、本実施形態に係るリアルタイムクロックを形成することもできる。これにより、パッケージを省略することができ、ワンチップ型のリアルタイムクロックを形成することができる。

７． 次に、上述した圧電振動子を有する電波時計受信モジュールを説明する。

図１５は、本実施形態に係る電波時計受信モジュール８００を概略的に示す回路ブロック図である。

電波時計受信モジュール８００は、受信部８０１と、周波数フィルタ８０５と、周辺回路８１０と、上述したリアルタイムクロック（ＲＴＣ）６００と、を含む。周波数フィルタ８０５は、例えば図１および図２に示す圧電振動子１００（１００Ａ，１００Ｂ）を有する。周辺回路８１０は、例えば、検波・整流回路８０６と、波形整形回路８０７と、中央演算処理装置（ＣＰＵ）８０８と、を有することができる。

電波時計は、時刻情報を含む標準電波を受信して、正確な時刻に自動修正して表示する機能を備えた時計である。日本国内には、福島県（４０ｋＨｚ）と佐賀県（６０ｋＨｚ）に標準電波を送信する送信所がある。

受信部（例えばアンテナ）８０１は、４０ｋＨｚまたは６０ｋＨｚの長波の標準電波を受信する。標準電波は、４０ｋＨｚまたは６０ｋＨｚの搬送波に振幅変調（ＡＭ）をかけて時刻情報（タイムコード）を乗せたものである。

受信された電気信号は、アンプ８０２によって増幅され、搬送周波数と同一の共振周波数を有する圧電振動子１００Ａ，１００Ｂを有する周波数フィルタ８０５によって、濾波、同調される。濾波された電気信号からは、周辺回路８１０により、タイムコードを読み出すことができる。具体的には、まず、濾波された所定周波数の信号は、検波・整流回路８０６により検波復調される。そして、波形整形回路８０７を介してタイムコードが取り出され、ＣＰＵ８０８でカウントされる。ＣＰＵ８０８では、例えば、現在の年、積算日、曜日、時刻などの情報が読み取られる。読み取られた情報は、ＲＴＣ６００に反映されて、正確な時刻情報が表示される。

搬送波は４０ｋＨｚまたは６０ｋＨｚであるから、周波数フィルタ８０５の圧電振動子１００Ａ，１００Ｂには、本発明に係る圧電振動子が好適である。

また、図示はしないが、例えば、圧電振動子１００が形成される基体１（図２参照）に対して半導体プロセスを用いて圧電振動子１００に平面的に隣接するＩＣを形成し、本実施形態に係る電波時計受信モジュールを形成することもできる。これにより、パッケージを省略することができ、ワンチップ型の電波時計受信モジュールを形成することができる。

８． 上記のように、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できよう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。

本実施形態に係る圧電振動子を概略的に示す平面図。 本実施形態に係る圧電振動子を概略的に示す断面図。 本実施形態の圧電振動子の一製造工程を概略的に示す断面図。 本実施形態の圧電振動子の一製造工程を概略的に示す断面図。 共振モードでの圧電振動子における応力を示すシミュレーション結果。 本実施形態の圧電振動子の第１の変形例を概略的に示す平面図。 本実施形態の圧電振動子の第２の変形例を概略的に示す断面図。 本実施形態の発振器の基本的構成を示す回路図。 本実施形態の発振器を概略的に示す平面図。 本実施形態の発振器を概略的に示す断面図。 本実施形態の発振器の製造工程例を概略的に示す図。 本実施形態のリアルタイムクロックを概略的に示す回路ブロック図。 本実施形態のリアルタイムクロックを概略的に示す上面透視図。 本実施形態のリアルタイムクロックを概略的に示す側面透視図。 本実施形態の電波時計受信モジュールを概略的に示す回路ブロック図。

符号の説明

１ 基体、２ 基板、３ 絶縁部、４ 半導体部、５ 下地層、６ 絶縁層、８ 半導体層、９ 基体、１０ 振動部、１２ 第１支持部、１４ 片持梁状部、１６ 第２支持部、２０ 駆動部、２２ 下部電極、２４ 圧電体層、２６ 上部電極、４２ 開口部、８０ 空隙部、８２ 開口部、１００ 圧電振動子、１１０ 圧電振動子、１２０ 圧電振動子、１２６ 第２支持部、１４１ 自由端、１４２ 固定端、１６０ 圧電振動子、１６１ 基体、４０１ 増幅器、４０３ 抵抗、４０４，４０５ コンデンサ、４１０ 帰還回路、５００ 発振器、５０２ 封止材、５０３ ＩＣ、５０４ ボンディングワイヤ、５０５ リードフレーム、５０６ 接合材、５３９ 蓋部材、５４０ シール部材、５４１ 実装端子、５７０ 外部端子、６００ リアルタイムクロック、６０１ 基板、６０２，６０３ 計時用接続端子、６０５ 分周回路、６０６ 計時カウンタ、６０７ セレクト入力端子、６０８ データ入力端子、６０９，６１０ シフトレジスタ、６１２ コマンドデコーダ、６１３ インバータ、６１４ クロック入力端子、６１５ データ出力端子、６２０ 制御部、６５１ ＩＣチップ、６５２ リードフレーム、６５３ アイランド部、６５４ 電極パッド、６５５ ボンディングワイヤ、６５６ 入出力用リード端子、６５７ 振動子用筐体、６５８ リード、６５９ 接続パッド、６６０ 樹脂、８００ 電波時計受信モジュール、８０１ 受信部、８０２ アンプ、８０５ 周波数フィルタ、８０６ 検波・整流回路、８０７ 波形整形回路、８０８ ＣＰＵ，８１０ 周辺回路

Claims (11)

1. 基体と、
   前記基体に固定された固定端、および、該基体に接しない自由端を有する振動部と、
   前記振動部の上方に形成され、該振動部の屈曲振動を生成する駆動部と、を含み、
   前記振動部は、
   第１支持部と、
   前記第１支持部に支持された４本の片持梁状部と、
   前記第１支持部を支持し、前記固定端を備える第２支持部と、を有し、
   前記第１支持部は、直交する２本の中心線を有し、
   第１の前記片持梁状部および第２の前記片持梁状部は、平面視において、前記第１支持部の一方の前記中心線に関して対称を成しており、
   第３の前記片持梁状部および第４の前記片持梁状部は、平面視において、前記第１支持部の前記一方の中心線に関して対称を成しており、
   前記第１の片持梁状部および前記第４の片持梁状部は、平面視において、前記第１支持部の他方の前記中心線に関して対称を成しており、
   前記第２の片持梁状部および前記第３の片持梁状部は、平面視において、前記第１支持部の前記他方の中心線に関して対称を成しており、
   前記駆動部は、
   第１電極と、
   前記第１電極の上方に形成された圧電体層と、
   前記圧電体層の上方に形成された第２電極と、を有する、圧電振動子。
2. 請求項１において、
   前記第１支持部および前記４本の片持梁状部は、平面視において、ローマ字のＨ型を構成し、
   前記第１支持部および前記第２支持部は、平面視において、ローマ字のＴ型を構成する、圧電振動子。
3. 請求項１または２において、
   前記第１の片持梁状部および前記第２の片持梁状部は、前記第１支持部の一方の端部に接続されており、
   前記第３の片持梁状部および前記第４の片持梁状部は、前記第１支持部の他方の端部に接続されている、圧電振動子。
4. 請求項１乃至３のいずれかにおいて、
   前記第２支持部は、平面視において、前記第１支持部の中心点から最短距離の端点に接続されている、圧電振動子。
5. 請求項１乃至４のいずれかにおいて、
   前記第１支持部、前記片持梁状部、および前記第２支持部は、直方体形状を有する、圧電振動子。
6. 請求項１乃至５のいずれかにおいて、
   前記基体は、
   基板と、
   前記基板の上方に形成された絶縁部と、
   前記絶縁部の上方に形成された半導体部と、を有し、
   前記振動部は、半導体からなる、圧電振動子。
7. 請求項１乃至６のいずれかにおいて、
   前記基体は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板である、圧電振動子。
8. 請求項１乃至５のいずれかにおいて、
   前記基体は、半導体基板であり、
   前記振動部は、半導体からなる、圧電振動子。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載の圧電振動子を有する、発振器。
10. 請求項１乃至８のいずれかに記載の圧電振動子を有する、リアルタイムクロック。
11. 請求項１乃至８のいずれかに記載の圧電振動子を有する、電波時計受信モジュール。