JP2008283529A - Tuning fork oscillator and electronic equipment - Google Patents

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  • Oscillators With Electromechanical Resonators (AREA)
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a tuning fork oscillator which is extremely small, provides a resonance frequency, for example, of a band of several tens of kHz, and has a large electromechanical coupling coefficient. <P>SOLUTION: The tuning fork oscillator 100 includes: a base body having a substrate, an oxide layer formed over the substrate, and a semiconductor layer formed over the oxide layer; a tuning fork type oscillating part 10 formed by working the semiconductor layer and the oxide layer and made of the semiconductor layer; and driving parts 20a to 20d for generating bending oscillations of the oscillating part 10. The oscillating part 10 has a support part 12, two beam parts 14a and 14b formed in the form of a cantilever with the support part 12 as a base end, the driving parts 20a to 20d are formed over the two beam parts 14a and 14b by one set each, one driving part has a first electrode layer, a second piezoelectric body layer formed over the first electrode layer and a second electrode layer formed over the piezoelectric body layer, and when the thickness of the beam parts 14a and 14b is defined as T0, and the thickness of the piezoelectric body layer is defined as T1, T0/T1≤1 is satisfied. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、SOI基板などの基体に形成された音叉型の振動部を圧電体層の振動で駆動する音叉振動子、およびこれを含む電子機器に関する。   The present invention relates to a tuning fork vibrator for driving a tuning fork type vibration portion formed on a base such as an SOI substrate by vibration of a piezoelectric layer, and an electronic apparatus including the tuning fork vibrator.

一般に、時計やマイコンなどの情報機器では小型化や省電力化が進展しつつあり、このために、クロックモジュールの小型化や省電力化が要求されるようになってきている。この中で、クロックモジュールの発振器部分に用いられる振動子としては、従来の設計資産や省電力性を生かすために32kHz音叉振動子が今なお用いられている。この音叉振動子は、音叉形状に加工された水晶などの圧電体を電極で挟んで駆動できる構造にしたものであり、温度特性が良好である、省電力性に優れる、などの利点を備えている。ただし、このような32kHz音叉振動子の場合には、音叉の腕長さが数mmになり、パッケージングを含めた全体の長さは10mm近くになってしまう。   In general, information devices such as clocks and microcomputers are becoming smaller and more power-saving. For this reason, clock modules are required to be smaller and power-saving. Among them, as a vibrator used in the oscillator part of the clock module, a 32 kHz tuning fork vibrator is still used to take advantage of conventional design assets and power saving. This tuning fork vibrator has a structure that can be driven by sandwiching a piezoelectric material such as quartz processed into a tuning fork shape with electrodes, and has advantages such as good temperature characteristics and excellent power saving. Yes. However, in the case of such a 32 kHz tuning fork vibrator, the arm length of the tuning fork becomes several mm, and the total length including packaging becomes close to 10 mm.

最近になって、水晶ではなく、シリコン基板上に形成された圧電薄膜を用いた振動子が開発されるようになってきた。かかる振動子は、シリコン基板上において、圧電体薄膜を上下の電極で挟んだ積層構造を有し、面内の伸縮運動によって屈曲振動を駆動するものである。このような振動子の構造としては、ビーム状構造のもの(特許文献1の図1)と、ビーム二本から音叉振動子を形成したもの(特許文献2の図1)と、が知られている。このうち、振動子の振動部分が基板と直接接しておらず、振動エネルギーが基板に漏洩しない、という点で優れているのは、音叉振動子構造のものである。   Recently, vibrators using a piezoelectric thin film formed on a silicon substrate instead of quartz have been developed. Such a vibrator has a laminated structure in which a piezoelectric thin film is sandwiched between upper and lower electrodes on a silicon substrate, and drives bending vibration by in-plane expansion and contraction. As a structure of such a vibrator, there are known a beam-shaped structure (FIG. 1 of Patent Document 1) and a structure in which a tuning fork vibrator is formed from two beams (FIG. 1 of Patent Document 2). Yes. Among them, the tuning fork vibrator structure is superior in that the vibration portion of the vibrator is not in direct contact with the substrate and vibration energy does not leak to the substrate.

ところで、このようなシリコン基板上に形成された圧電薄膜を用いた振動子においても、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、屈曲振動の音速を数100m/s程度までしか下げることができず、数10kHz帯での共振周波数を得るためには、ビームの腕長を数mm以上にする必要があり、クロックモジュールの小型化が困難である、という問題があった。
特開2005−291858号公報 特開2005−249395号公報
By the way, even in a vibrator using a piezoelectric thin film formed on such a silicon substrate, the thickness of the silicon substrate can only be reduced to about 100 μm at most. Therefore, the sound velocity of bending vibration is reduced only to about several hundreds m / s. However, in order to obtain a resonance frequency in the several tens of kHz band, the arm length of the beam needs to be several mm or more, and there is a problem that it is difficult to reduce the size of the clock module.
JP 2005-291858 A JP 2005-249395 A

本発明は、上記問題点を解決するものであり、その課題は、極めて小型で、例えば数十kHz帯の共振周波数を得ることができ、かつ電気機械結合係数の大きな音叉振動子を提供することにある。   The present invention solves the above-mentioned problems, and its object is to provide a tuning fork vibrator that is extremely small, can obtain a resonance frequency of, for example, several tens of kHz, and has a large electromechanical coupling coefficient. It is in.

本発明にかかる音叉振動子は、
基板と、該基板の上方に形成された酸化物層と、該酸化物層の上方に形成された半導体層と、を有する基体と、
前記半導体層と前記酸化物層を加工して形成された、半導体層からなる音叉型の振動部と、
前記振動部の屈曲振動を生成するための駆動部と、
を含み、
前記振動部は、支持部と、該支持部を基端として片持ち梁状に形成された二本のビーム部と、を有し、
前記駆動部は、前記二本のビーム部の上方にそれぞれ一対ずつ形成され、ひとつの駆動部は、第1電極層と、該第1電極層の上方に形成された圧電体層と、該圧電体層の上方に形成された第2電極層とを有し、
前記ビーム部の厚さをT0とし、前記圧電体層の厚さをT1とするとき、T0/T1≦1である。
The tuning fork vibrator according to the present invention is
A substrate having a substrate, an oxide layer formed above the substrate, and a semiconductor layer formed above the oxide layer;
A tuning fork type vibration part made of a semiconductor layer formed by processing the semiconductor layer and the oxide layer;
A drive unit for generating flexural vibration of the vibration unit;
Including
The vibrating portion includes a support portion and two beam portions formed in a cantilever shape with the support portion as a base end,
A pair of the driving units are formed above the two beam units, and one driving unit includes a first electrode layer, a piezoelectric layer formed above the first electrode layer, and the piezoelectric layer. A second electrode layer formed above the body layer,
When the thickness of the beam portion is T0 and the thickness of the piezoelectric layer is T1, T0 / T1 ≦ 1.

本発明の音叉振動子によれば、ビーム部と圧電体層の厚さが上記関係を有することにより、圧電体層にかかる駆動力の負荷が小さく、電気機械結合係数を大きくすることができる。   According to the tuning fork vibrator of the present invention, since the thickness of the beam portion and the piezoelectric layer has the above relationship, the load of the driving force applied to the piezoelectric layer can be reduced, and the electromechanical coupling coefficient can be increased.

本発明の音叉振動子において、0.3≦T0/T1≦1.0であることができる。   In the tuning fork vibrator of the present invention, 0.3 ≦ T0 / T1 ≦ 1.0 may be satisfied.

本発明の音叉振動子において、前記駆動部の幅をW1とし、前記ビーム部の幅をW0とするとき、0.2≦W1/W0≦0.4であることができる。   In the tuning fork vibrator of the present invention, when the width of the drive unit is W1 and the width of the beam unit is W0, 0.2 ≦ W1 / W0 ≦ 0.4 can be satisfied.

本発明の音叉振動子において、前記圧電体層は、チタン酸ジルコン酸鉛あるいはチタン酸ジルコン酸鉛固溶体からなることができる。   In the tuning fork vibrator of the present invention, the piezoelectric layer may be made of lead zirconate titanate or lead zirconate titanate solid solution.

本発明の音叉振動子において、前記圧電体層は、窒化アルミニウムあるいは窒化アルミニウム固溶体からなることができる。   In the tuning fork vibrator of the present invention, the piezoelectric layer can be made of aluminum nitride or aluminum nitride solid solution.

本発明の音叉振動子において、前記基体は、SOI(Silicon On Insulator)基板であることができる。   In the tuning fork vibrator of the present invention, the base may be an SOI (Silicon On Insulator) substrate.

本発明の音叉振動子において、前記振動部と前記駆動部の前記第1電極層との間に下地層を有することができる。   In the tuning fork vibrator of the present invention, an underlayer may be provided between the vibrating portion and the first electrode layer of the driving portion.

本発明にかかる電子機器は、本発明の音叉振動子を含む。   An electronic apparatus according to the present invention includes the tuning fork vibrator of the present invention.

本発明において、特定のA部材(以下、「A部材」という。)の上方に設けられた特定のB部材(以下、「B部材」という。)というとき、A部材の上に直接B部材が設けられた場合と、A部材の上に他の部材を介してB部材が設けられた場合とを含む意味である。   In the present invention, when a specific B member (hereinafter referred to as “B member”) provided above a specific A member (hereinafter referred to as “A member”), the B member is directly on the A member. The meaning includes the case where it is provided and the case where the B member is provided on the A member via another member.

次に、添付図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。   Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

1.音叉振動子
図1は、本実施形態の音叉振動子100の構造を模式的に示す平面図であり、図2は、図1におけるA−A線に沿った構造を模式的に示す断面図である。
1. Tuning Fork Vibrator FIG. 1 is a plan view schematically showing the structure of a tuning fork vibrator 100 of this embodiment, and FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the structure along the line AA in FIG. is there.

図1に示すように、音叉振動子100は、基体としてのSOI基板1と、該SOI基板1に形成された音叉型の振動部10と、該振動部10の屈曲振動を生成するための駆動部20(20a〜20d)と、を含む。基体は、基板と、該基板の上方に形成された酸化物層と、該酸化物層の上方に形成された半導体層と、を有することができる。   As shown in FIG. 1, the tuning fork vibrator 100 includes an SOI substrate 1 as a base, a tuning fork type vibration unit 10 formed on the SOI substrate 1, and a drive for generating bending vibration of the vibration unit 10. Part 20 (20a-20d). The base body can include a substrate, an oxide layer formed above the substrate, and a semiconductor layer formed above the oxide layer.

図2に示すように、SOI基板1は、シリコン基板2上に、酸化物層(酸化シリコン層)3および半導体層(シリコン層)4が順次積層されている。半導体層4の厚さは、音叉振動子100の小型化のためには、20μm以下であることが望ましい。SOI基板1は半導体基板として用いることもでき、SOI基板1内に各種の半導体回路を作り込むことができるため、音叉振動子100と半導体集積回路とを一体化することができる。この中でも、シリコン基板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。   As shown in FIG. 2, the SOI substrate 1 has an oxide layer (silicon oxide layer) 3 and a semiconductor layer (silicon layer) 4 sequentially stacked on a silicon substrate 2. The thickness of the semiconductor layer 4 is desirably 20 μm or less in order to reduce the size of the tuning fork vibrator 100. Since the SOI substrate 1 can also be used as a semiconductor substrate and various semiconductor circuits can be formed in the SOI substrate 1, the tuning fork vibrator 100 and the semiconductor integrated circuit can be integrated. Among these, using a silicon substrate is advantageous in that a general semiconductor manufacturing technique can be used.

振動部10は、図1に示すように、平面形状が音叉型を有し、図2に示すように、SOI基板1の酸化物層3を除去して形成された第1開口部3a上に形成されている。また、振動部10の周りには、該振動部10の振動を許容する第2開口部4aが形成されている。第1開口部3aと第2開口部4aは、連続している。そして、振動部10は、半導体層4の一部によって形成され、支持部12と、該支持部12を基端として片持ち梁状に形成された二本のビーム部14a,14bと、を有する。二本の第1ビーム部14aおよび第2ビーム部14bは、その長手方向にそれぞれ平行に所定間隔をおいて配置されている。   As shown in FIG. 1, the vibration part 10 has a tuning fork shape in plan view. As shown in FIG. 2, the vibration part 10 is formed on the first opening 3 a formed by removing the oxide layer 3 of the SOI substrate 1. Is formed. A second opening 4 a that allows vibration of the vibrating portion 10 is formed around the vibrating portion 10. The first opening 3a and the second opening 4a are continuous. The vibrating portion 10 is formed by a part of the semiconductor layer 4 and includes a support portion 12 and two beam portions 14a and 14b formed in a cantilever shape with the support portion 12 as a base end. . The two first beam portions 14a and the second beam portion 14b are arranged in parallel with each other in the longitudinal direction at a predetermined interval.

支持部12は、半導体層4に連続する第1支持部12aと、該第1支持部12aより幅の大きい第2支持部12bとを有する。第2支持部12bは、第1ビーム部14aおよび第2ビーム部14bを支持する機能と、これらのビーム部14a,14bの振動を第1支持部12aに伝搬させない機能とを有する。第2支持部12bは、かかる機能を有するために、例えば図1に示すように、その側部に凹凸形状を有することができる。   The support portion 12 includes a first support portion 12a that is continuous with the semiconductor layer 4, and a second support portion 12b that is wider than the first support portion 12a. The 2nd support part 12b has a function which supports the 1st beam part 14a and the 2nd beam part 14b, and a function which does not propagate vibration of these beam parts 14a and 14b to the 1st support part 12a. Since the second support portion 12b has such a function, for example, as shown in FIG. 1, the side portion thereof can have an uneven shape.

駆動部20は、第1ビーム部14aおよび第2ビーム部14bの上にそれぞれ1対づつ形成されている。すなわち、第1ビーム部14a上には、第1駆動部20aと第2駆動部20bとが、第1ビーム部14aの長手方向に沿って平行に形成されている。同様に、第2ビーム部14b上には、第3駆動部20cと第4駆動部20dとが、第2ビーム部14bの長手方向に沿って平行に形成されている。そして、第1ビーム部14aの外側に配置された第1駆動部20aと、第2ビーム部14bの外側に配置されている第3駆動部20cとが、図示しない配線によって電気的に接続されている。また、第1ビーム部14aの内側に配置された第2駆動部20bと、第2ビーム部14bの内側に配置されている第4駆動部20dとが、図示しない配線によって電気的に接続されている。したがって、これらの配線に交流電界を印加すると、第1ビーム14aおよび第2ビーム部14bは、それぞれ鏡映対称に屈曲振動し、音叉振動を実現することができる。   The drive units 20 are formed in pairs on the first beam unit 14a and the second beam unit 14b, respectively. That is, on the first beam portion 14a, the first drive portion 20a and the second drive portion 20b are formed in parallel along the longitudinal direction of the first beam portion 14a. Similarly, a third drive unit 20c and a fourth drive unit 20d are formed in parallel along the longitudinal direction of the second beam unit 14b on the second beam unit 14b. And the 1st drive part 20a arrange | positioned on the outer side of the 1st beam part 14a and the 3rd drive part 20c arrange | positioned on the outer side of the 2nd beam part 14b are electrically connected by the wiring which is not shown in figure. Yes. In addition, the second drive unit 20b disposed inside the first beam unit 14a and the fourth drive unit 20d disposed inside the second beam unit 14b are electrically connected by a wiring (not shown). Yes. Therefore, when an AC electric field is applied to these wirings, the first beam 14a and the second beam portion 14b can bend and vibrate in mirror symmetry, thereby realizing tuning fork vibration.

駆動部20(20aないし20d)は、図2に示すように、下地層5上に形成された第1電極層22と、該第1電極層22の上方に形成された圧電体層24と、該圧電体層24の上方に形成された第2電極層26とを有する。   As shown in FIG. 2, the drive unit 20 (20a to 20d) includes a first electrode layer 22 formed on the underlayer 5, a piezoelectric layer 24 formed above the first electrode layer 22, And a second electrode layer 26 formed above the piezoelectric layer 24.

下地層5は、酸化シリコン層(SiO)、窒化シリコン層(Si)等の絶縁膜であり、2層以上の複合層で構成されていてもよい。第1電極層22は、任意の電極材料を用いることができ、例えば白金などを例示することができる。第1電極層22の厚さは充分に低い電気抵抗値が得られるのであればよく、10nm以上5μm以下とすることができる。 The underlayer 5 is an insulating film such as a silicon oxide layer (SiO 2 ) or a silicon nitride layer (Si 3 N 4 ), and may be composed of two or more composite layers. Arbitrary electrode materials can be used for the 1st electrode layer 22, for example, platinum etc. can be illustrated. The thickness of the first electrode layer 22 may be 10 nm or more and 5 μm or less as long as a sufficiently low electric resistance value is obtained.

圧電体層24は、任意の圧電材料を用いることができ、例えばチタン酸ジルコン酸鉛あるいは窒化アルミニウムを例示することができる。   Any piezoelectric material can be used for the piezoelectric layer 24, and examples thereof include lead zirconate titanate or aluminum nitride.

第2電極層26は、任意の電極材料を用いることができ、白金などを例示できる。第2電極層26の厚さは充分に低い電気抵抗値が得られるのであればよく、10nm以上5μm以下とすることができる。   Any electrode material can be used for the second electrode layer 26, and platinum or the like can be exemplified. The thickness of the second electrode layer 26 may be 10 nm or more and 5 μm or less as long as a sufficiently low electric resistance value is obtained.

圧電体層24の厚さは、以下に述べるように、ビーム部14a、14bの厚さと特定の関係を有する。すなわち、ビーム部14a、14bの厚さをT0とし、圧電体層24の厚さをT1とするとき、T0/T1≦1であることができる。本実施形態では、さらに、後述するモード解析の結果からも明らかなように、0.3≦T0/T1≦1.0であることが好ましい。従って、例えば、ビーム部14a、14bの厚さを0.3μmないし4.0μmとした場合、圧電体層24の厚さは1.0μm以上4.0μm以下とすることができる。ビーム部14a、14bと圧電体層24の厚さが上記関係を有することにより、圧電体層にかかる駆動力の負荷が小さく、電気機械結合係数を大きくすることができる。その結果、音叉振動子100の小型化や高効率化を図ることができる。   The thickness of the piezoelectric layer 24 has a specific relationship with the thickness of the beam portions 14a and 14b as described below. That is, T0 / T1 ≦ 1 when the thickness of the beam portions 14a and 14b is T0 and the thickness of the piezoelectric layer 24 is T1. In the present embodiment, it is further preferable that 0.3 ≦ T0 / T1 ≦ 1.0 as is clear from the result of mode analysis described later. Therefore, for example, when the thickness of the beam portions 14a and 14b is 0.3 μm to 4.0 μm, the thickness of the piezoelectric layer 24 can be 1.0 μm or more and 4.0 μm or less. When the thicknesses of the beam portions 14a and 14b and the piezoelectric layer 24 have the above relationship, the driving force applied to the piezoelectric layer is small, and the electromechanical coupling coefficient can be increased. As a result, the tuning fork vibrator 100 can be reduced in size and efficiency.

以下に、ビーム部14a、14bの厚さT0と、圧電体層24の厚さT1との関係について行った解析とその結果を図3に示す。図3は、横軸にビーム部の厚さと圧電体層の厚さとの比(T0/T1)を示し、縦軸に電気機械結合係数(k2)を示す。   FIG. 3 shows the analysis performed on the relationship between the thickness T0 of the beam portions 14a and 14b and the thickness T1 of the piezoelectric layer 24 and the results thereof. FIG. 3 shows the ratio (T0 / T1) between the thickness of the beam portion and the thickness of the piezoelectric layer on the horizontal axis, and the electromechanical coupling coefficient (k2) on the vertical axis.

具体的には、音叉振動子100について、有限要素法を用いてモード解析を行い、1次の屈曲振動モードでの共振周波数と反共振周波数とを計算し、その差から電気機械結合係数を算出した。   Specifically, mode analysis is performed on the tuning fork vibrator 100 using the finite element method, the resonance frequency and the anti-resonance frequency in the first-order bending vibration mode are calculated, and the electromechanical coupling coefficient is calculated from the difference. did.

モード解析では、ビーム部を構成するシリコンの材料定数を、密度2.33g/cm、弾性定数を、Y11=167GPa、Y44=80GPaとする。また、圧電体層を構成するPZTの材料定数を、密度7.50g/cm、誘電率をε11=804.6、ε33=659.7、圧電定数を、e31=−4.1C/m,e33=14.1C/m,e15=10.5C/mとし、弾性定数をY11=132GPa、Y33=115GPa、Y44=30GPaとする。ビーム部の長さを500μm、幅W0を6μm、ビーム部の間隔を6μm、圧電体層の厚さT1を1μmとする。 In the mode analysis, the material constant of silicon constituting the beam portion is set to a density of 2.33 g / cm 3 , and the elastic constants are set to Y 11 = 167 GPa and Y 44 = 80 GPa. The material constant of PZT constituting the piezoelectric layer is a density of 7.50 g / cm 3 , a dielectric constant is ε 11 = 804.6, ε 33 = 659.7, and a piezoelectric constant is e 31 = −4.1 C. / M 2 , e 33 = 14.1 C / m 2 , e 15 = 10.5 C / m 2, and elastic constants are Y 11 = 132 GPa, Y 33 = 115 GPa, and Y 44 = 30 GPa. The length of the beam part is 500 μm, the width W0 is 6 μm, the distance between the beam parts is 6 μm, and the thickness T1 of the piezoelectric layer is 1 μm.

そして、圧電体層の厚さT1を一定としたままで、ビーム部の厚さT0を変化させた場合の電気機械結合係数を求めたところ、図3に示す結果が得られた。図3に示すように、T0/T1≦1、好ましくは0.3≦T0/T1≦1.0の領域で、ビーム部の厚さT0の減少に伴って電気機械結合係数が著しく増大する。   Then, when the electromechanical coupling coefficient when the thickness T0 of the beam portion was changed while the thickness T1 of the piezoelectric layer was kept constant, the result shown in FIG. 3 was obtained. As shown in FIG. 3, in the region of T0 / T1 ≦ 1, preferably 0.3 ≦ T0 / T1 ≦ 1.0, the electromechanical coupling coefficient increases remarkably as the beam portion thickness T0 decreases.

さらに、本実施形態の音叉振動子100において、図1に示すように、駆動部20(20a〜20d)の幅をW1とし、ビーム部14a、14bの幅をW0とするとき、0.2≦W1/W0≦0.4であることが好ましい。駆動部20の幅W1とビーム部14a、14bの幅W0が上記関係を有することにより、駆動部分の面積が増えると電気機械結合係数が大きくなる効果と、幅の中心部分に駆動部分があると、却って振動を妨げる効果が釣り合うことから、電気機械結合係数を大きくすることができる。その結果、音叉振動子100の小型化や高効率化を図ることができる。   Further, in the tuning fork vibrator 100 of the present embodiment, as shown in FIG. 1, when the width of the drive unit 20 (20a to 20d) is W1, and the width of the beam units 14a and 14b is W0, 0.2 ≦ It is preferable that W1 / W0 ≦ 0.4. Since the width W1 of the drive unit 20 and the width W0 of the beam portions 14a and 14b have the above relationship, the effect of increasing the electromechanical coupling coefficient when the area of the drive portion increases and the drive portion at the center portion of the width However, since the effect of preventing vibration is balanced, the electromechanical coupling coefficient can be increased. As a result, the tuning fork vibrator 100 can be reduced in size and efficiency.

以下に、駆動部20の幅W1と、ビーム部14a、14bの幅W0との関係について行った解析とその結果を図4に示す。図4は、横軸に駆動部の幅とビーム部の幅との比(W1/W0)を示し、縦軸に電気機械結合係数(k2)を示す。なお、解析法は、上述したモード解析と同様である。このモード解析では、ビーム部の幅W0を一定としたままで、駆動部の幅W1を変化させた場合の電気機械結合係数の変化を求めたところ、図4に示す結果が得られた。図4に示すように、電気機械結合係数は、ビーム部の幅W1の増大に伴ってほぼ直線的に増大し、比(W1/W0)が0.33付近で極大になり、これを越えると減少に転ずる。以上のことから、0.2≦W1/W0≦0.4の関係を満たすことが電気機械結合係数の観点から望ましい。   FIG. 4 shows the analysis performed on the relationship between the width W1 of the drive unit 20 and the width W0 of the beam portions 14a and 14b and the results thereof. In FIG. 4, the horizontal axis represents the ratio between the width of the drive section and the width of the beam section (W1 / W0), and the vertical axis represents the electromechanical coupling coefficient (k2). The analysis method is the same as the mode analysis described above. In this mode analysis, the change of the electromechanical coupling coefficient when the width W1 of the drive unit was changed while the width W0 of the beam unit was kept constant was obtained, and the result shown in FIG. 4 was obtained. As shown in FIG. 4, the electromechanical coupling coefficient increases almost linearly with the increase of the width W1 of the beam portion, and the ratio (W1 / W0) becomes a maximum in the vicinity of 0.33. It starts to decrease. From the above, it is desirable from the viewpoint of the electromechanical coupling coefficient that the relationship of 0.2 ≦ W1 / W0 ≦ 0.4 is satisfied.

本実施形態では、駆動部20において、第1電極層22と第2電極層26の間には圧電体層26のみが存在するが、両電極層22,26間に上記の圧電体層24以外の層を有していてもよい。この場合、共振条件に応じて圧電体層24の膜厚を適宜に変更すればよい。   In the present embodiment, in the drive unit 20, only the piezoelectric layer 26 exists between the first electrode layer 22 and the second electrode layer 26, but other than the piezoelectric layer 24 described above between the electrode layers 22 and 26. You may have a layer of. In this case, the film thickness of the piezoelectric layer 24 may be appropriately changed according to the resonance condition.

次に、本実施形態の音叉振動子100の構成例について述べる。   Next, a configuration example of the tuning fork vibrator 100 of the present embodiment will be described.

音叉振動子100は、下地層(SiO層)の厚さが1μm、第1電極層22の厚さが0.1μm、圧電体層24の厚さT1が1μm、第2電極層26の厚さが0.1μmで、駆動部20の全体の厚さが1.2μm、駆動部20の幅W1が2μm、ビーム部14a、14bの厚さT0が1μm、長さが250μm、幅W0が6μmである。この構成例では、T0/T1=1.0、W1/W0=0.33である。なお、駆動部20の幅W1は、具体的には、圧電体層24の幅である。また、第2支持部12bの長さが125μm、幅(最大幅)が18μmである。振動部10は、長辺950μm、短辺350μmの第2開口部4aの中に収まっている。このような構造の音叉振動子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となる。 Tuning fork vibrator 100, is 1 [mu] m, thickness 0.1μm of the first electrode layer 22, the thickness T1 of the piezoelectric layer 24 is 1 [mu] m, the thickness of the second electrode layer 26 thickness of the underlying layer (SiO 2 layer) Is 0.1 μm, the overall thickness of the drive unit 20 is 1.2 μm, the width W1 of the drive unit 20 is 2 μm, the thickness T0 of the beam portions 14a and 14b is 1 μm, the length is 250 μm, and the width W0 is 6 μm. It is. In this configuration example, T0 / T1 = 1.0 and W1 / W0 = 0.33. The width W1 of the drive unit 20 is specifically the width of the piezoelectric layer 24. The length of the second support portion 12b is 125 μm, and the width (maximum width) is 18 μm. The vibration part 10 is housed in the second opening 4a having a long side of 950 μm and a short side of 350 μm. When the tuning fork vibrator 100 having such a structure is simulated by solving the equation of motion by the finite element method, the resonance frequency of the bending vibration is 32 kHz.

本実施形態の音叉振動子100によれば、振動部10がSOI基板1の半導体層4によって構成されるため、振動部10の厚さを小さくし、さらにビーム部14a、14bの長さを短くすることができる。例えば、本実施形態において、振動部10の厚さを4μm以下、振動部10の長さを500μm以下とすることができる。そして、本実施形態の音叉振動子100は、32kHz帯の周波数を用いる場合には、1mm以下の長さのパッケージとすることができる。   According to the tuning fork vibrator 100 of the present embodiment, since the vibration part 10 is configured by the semiconductor layer 4 of the SOI substrate 1, the thickness of the vibration part 10 is reduced and the lengths of the beam parts 14a and 14b are reduced. can do. For example, in this embodiment, the thickness of the vibration part 10 can be 4 μm or less, and the length of the vibration part 10 can be 500 μm or less. The tuning fork vibrator 100 of the present embodiment can be a package having a length of 1 mm or less when using a frequency of 32 kHz band.

また、本実施形態の音叉振動子100によれば、ビーム部の厚さと圧電体層の厚さとの比(T0/T1)が特定の範囲にあり、さらに、駆動部の幅とビーム部の幅との比(W1/W0)が特定の範囲にあることにより、高い電気機械結合係数を得ることができる。   Further, according to the tuning fork vibrator 100 of the present embodiment, the ratio (T0 / T1) between the thickness of the beam portion and the thickness of the piezoelectric layer is in a specific range, and further, the width of the drive portion and the width of the beam portion. When the ratio of (W1 / W0) is in a specific range, a high electromechanical coupling coefficient can be obtained.

さらに、本実施形態によれば、SOI基板1に音叉振動子100を形成することができるので、SOI基板1に発振回路と音叉振動子とを一体化して形成することができる。その結果、SOI基板1を用いたデバイスの低動作電圧の特徴を生かして、超低消費電力のワンチップ音叉振動子モジュールを実現することができる。   Furthermore, according to the present embodiment, the tuning fork vibrator 100 can be formed on the SOI substrate 1, so that the oscillation circuit and the tuning fork vibrator can be integrally formed on the SOI substrate 1. As a result, it is possible to realize an ultra-low power consumption one-chip tuning fork vibrator module by taking advantage of the low operating voltage characteristics of the device using the SOI substrate 1.

2.音叉振動子の製造方法
次に、図5から図7を参照して、本実施形態にかかる音叉振動子100の製造方法の一例について述べる。
2. Next, an example of a method for manufacturing the tuning fork vibrator 100 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.

(1)図5に示すように、SOI基板1上に、下地層5、第1電極層22、圧電体層24および第2電極層26を順次形成する。SOI基板1は、シリコン基板2上に、酸化物層(酸化シリコン層)3および半導体層4が順次形成されたものである。   (1) As shown in FIG. 5, the base layer 5, the first electrode layer 22, the piezoelectric layer 24, and the second electrode layer 26 are sequentially formed on the SOI substrate 1. The SOI substrate 1 is obtained by sequentially forming an oxide layer (silicon oxide layer) 3 and a semiconductor layer 4 on a silicon substrate 2.

下地層5は熱酸化法、CVD法、スパッタリング法などで形成することができる。下地層5は、パターニングされて所望の形状を有するように形成される。このパターニングは、通常のフォトリソグラフィーおよびエッチング技術によって行うことができる。   The underlayer 5 can be formed by a thermal oxidation method, a CVD method, a sputtering method, or the like. The underlayer 5 is formed to be patterned to have a desired shape. This patterning can be performed by ordinary photolithography and etching techniques.

第1電極層22は、下地層5上に、蒸着法、スパッタリング法などを用いて形成することができる。第1電極層22は、パターニングされて所望の形状を有するように形成される。このパターニングは、通常のフォトリソグラフィーおよびエッチング技術によって行うことができる。   The first electrode layer 22 can be formed on the underlayer 5 using a vapor deposition method, a sputtering method, or the like. The first electrode layer 22 is patterned to have a desired shape. This patterning can be performed by ordinary photolithography and etching techniques.

圧電体層24は、ゾルゲル法などの溶液法、蒸着法、スパッタリング法、レーザーアブレーション法、CVD法などの種々の方法で形成することができる。例えば、レーザーアブレーション法を用いてチタン酸ジルコン酸鉛層を形成する場合には、レーザー光をチタン酸ジルコン酸鉛用ターゲット、例えば、Pb1.05Zr0.52Ti0.48NbOのターゲットに照射する。そして、このターゲットから鉛原子、ジルコニウム原子、チタン原子、および酸素原子をアブレーションによって放出させ、レーザーエネルギーによってプルームを発生させ、このプルームをSOI基板1に向けて照射する。このようにすると、第1電極層22,32上にチタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電体層24が形成される。圧電体層24は、パターニングされて所望の形状を有するように形成される。このパターニングは、通常のフォトリソグラフィーおよびエッチング技術によって行うことができる。 The piezoelectric layer 24 can be formed by various methods such as a solution method such as a sol-gel method, a vapor deposition method, a sputtering method, a laser ablation method, and a CVD method. For example, when a lead zirconate titanate layer is formed using a laser ablation method, a laser beam is used as a target for lead zirconate titanate, for example, a target of Pb 1.05 Zr 0.52 Ti 0.48 NbO 3 . Irradiate. Then, lead atoms, zirconium atoms, titanium atoms, and oxygen atoms are released from the target by ablation, a plume is generated by laser energy, and the plume is irradiated toward the SOI substrate 1. In this way, the piezoelectric layer 24 made of lead zirconate titanate is formed on the first electrode layers 22 and 32. The piezoelectric layer 24 is patterned and formed to have a desired shape. This patterning can be performed by ordinary photolithography and etching techniques.

第2電極層26は、蒸着法、スパッタリング法、CVD法等によって形成することができる。第2電極層26は、パターニングされて所望の形状を有するように形成される。このパターニングは、通常のフォトリソグラフィーおよびエッチング技術によって行うことができる。   The second electrode layer 26 can be formed by vapor deposition, sputtering, CVD, or the like. The second electrode layer 26 is patterned to have a desired shape. This patterning can be performed by ordinary photolithography and etching techniques.

下地層5,第1電極層22、圧電体層24および第2電極層26のパターニングは、各層毎に行うこともできるし、複数層を一括して行うこともできる。   Patterning of the underlayer 5, the first electrode layer 22, the piezoelectric layer 24, and the second electrode layer 26 can be performed for each layer, or a plurality of layers can be performed in a lump.

(2)図6に示すように、SOI基板1の半導体層4を所望の形状にパターニングする。具体的には、半導体層4は、図1に示すように、第2開口部4a内に、所望の平面形状の振動部10が形成される。半導体層4のパターニングは、公知のフォトリソグラフィーおよびエッチング技術によって行うことができる。エッチングは、ドライエッチングまたはウェットエッチングを用いることができる。このパターニング工程においては、SOI基板1の酸化物層3をエッチングストッパ層として用いることができる。   (2) As shown in FIG. 6, the semiconductor layer 4 of the SOI substrate 1 is patterned into a desired shape. Specifically, as shown in FIG. 1, in the semiconductor layer 4, a vibrating portion 10 having a desired planar shape is formed in the second opening 4 a. The patterning of the semiconductor layer 4 can be performed by known photolithography and etching techniques. Etching can be dry etching or wet etching. In this patterning step, the oxide layer 3 of the SOI substrate 1 can be used as an etching stopper layer.

(3)図7に示すように、SOI基板1の酸化物層3をエッチングして振動部10の下に、第1開口部3aを形成する。エッチングとしては、酸化シリコンのエッチャントとして、例えばフッ化水素を用いたウェットエッチングを用いることができる。この第1開口部3aは、シリコン基板2および半導体層4をエッチングストッパ層として用いることができる。上述した第2開口部4aと第1開口部3aとを設けることで、音叉型の振動子10の機械的拘束力が低減され、振動部10が自由に振動できるようになる。   (3) As shown in FIG. 7, the oxide layer 3 of the SOI substrate 1 is etched to form a first opening 3 a under the vibration part 10. As the etching, for example, wet etching using hydrogen fluoride can be used as an etchant of silicon oxide. The first opening 3a can use the silicon substrate 2 and the semiconductor layer 4 as an etching stopper layer. By providing the second opening 4a and the first opening 3a described above, the mechanical restraining force of the tuning fork type vibrator 10 is reduced, and the vibration part 10 can freely vibrate.

以上の工程を経て、図1および図2に示す音叉振動子100を形成することができる。本実施形態の製造方法によれば、公知のMEMS技術を用いて容易に音叉振動子を製造することができる。   Through the above steps, the tuning fork vibrator 100 shown in FIGS. 1 and 2 can be formed. According to the manufacturing method of this embodiment, a tuning fork vibrator can be easily manufactured using a known MEMS technique.

3.音叉振動子を適用した電子機器の例
3.1.発振器
上述した音叉振動子100を有する発振器を説明する。
3. Examples of electronic equipment to which tuning fork vibrator is applied 3.1. Oscillator An oscillator having the tuning fork vibrator 100 described above will be described.

図8は、上述した音叉振動子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、音叉振動子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。   FIG. 8 is a circuit diagram showing a basic configuration of an oscillator 500 having the tuning fork vibrator 100 described above. The oscillator 500 can include this circuit (oscillation circuit). The oscillation circuit includes an amplifier 401 that amplifies an electric signal, and a feedback circuit 410 connected between the input and output of the amplifier 401. The amplifier 401 is composed of, for example, a CMOS inverter. The feedback circuit 410 includes, for example, the tuning fork vibrator 100, a resistor 403, and two capacitors 404 and 405. A voltage E is applied to the amplifier 401 from a DC power supply. When the power supply voltage E is increased and the oscillation start voltage is reached, the current I increases rapidly and oscillation starts. When the power supply voltage E is further increased, the current I increases almost proportionally while maintaining the oscillation state.

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、音叉振動子100を簡略化して示している。   FIG. 9 is a plan view schematically showing the oscillator 500 according to the present embodiment, and FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing the oscillator 500. 10 is a cross-sectional view taken along the line XX of FIG. 9 and 10, the tuning fork vibrator 100 is simplified for convenience.

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、音叉振動子100の各電極と電気的に接続されている。音叉振動子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。   The oscillator 500 is sealed with a sealing material 502. The IC (integrated circuit) 503 is connected to the external terminal 570 by a bonding wire 504 such as a gold wire. The external terminal 570 is electrically connected to the mounting terminal 541 via the lead frame 505 and the bonding material 506. The mounting terminal 541 is electrically connected to each electrode of the tuning fork vibrator 100 by wiring (not shown). The tuning fork vibrator 100 is sealed with a lid member 539, a seal member 540, and the like.

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。   FIG. 11 is a diagram schematically showing a manufacturing process example of the oscillator 500 according to the present embodiment.

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。   First, tape attachment and dicing are performed on the IC wafer. Next, the chip of the IC 503 is mounted on the lead frame 505. Next, wire bonding is performed on the IC 503 using the bonding wires 504.

次に、音叉振動子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、音叉振動子100をマウントする。次に、封止材(モールド材)502を用いて、音叉振動子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。   Next, the mounting fork vibrator 100 is mounted by bonding the mounting terminal 541 of the tuning fork vibrator 100 to the lead frame 505 using a bonding material 506 such as solder. Next, the tuning fork vibrator 100 and the IC 503 are resin-sealed using a sealing material (molding material) 502. After that, characteristic inspection and marking are performed, taping, packing, and shipment.

また、図示はしないが、例えば、音叉振動子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音叉振動子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。   Although not shown, for example, an IC that is planarly adjacent to the tuning fork vibrator 100 is formed on the base 1 (see FIG. 2) on which the tuning fork vibrator 100 is formed by using a semiconductor process. An oscillator according to the above can also be formed. Thereby, the package can be omitted, and a one-chip type oscillator can be formed.

3.2.リアルタイムクロック
次に、上述した音叉振動子100を有するリアルタイムクロックを説明する。
3.2. Real-Time Clock Next, a real-time clock having the tuning fork vibrator 100 described above will be described.

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。   FIG. 12 is a circuit block diagram schematically showing a real-time clock 600 having the oscillator (OSC) 500 described above. The integrated circuit portion of the real-time clock 600 is integrated on a single substrate 601 and connected to a microprocessor (not shown).

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。   A clock pulse of high frequency (for example, 32 kHz) is output from the oscillator 500 connected to the timing connection terminals 602 and 603. The clock pulse is frequency-divided by the frequency dividing circuit 605, and a time measuring pulse of 1 Hz is input to the time counting counter 606. The clock counter 606 includes, for example, a second clock bit s, a minute clock bit m, a clock clock bit h, a day clock bit d, a daily clock bit D, a monthly clock bit M, and an annual clock bit Y. Has been. When a predetermined number of timing pulses are input to the timing counter 606, each timing bit can be incremented. Connected to the time counter 606 is a control unit 620 that rewrites and reads time bits. For example, the control unit 620 can include a command decoder 612 and shift registers 609 and 610.

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。   When rewriting the clock bit of the clock counter 606, first, a select signal is supplied from the microprocessor to the select input terminal 607. Next, external information composed of a data bit representing information to be rewritten, an address bit representing the address of the timekeeping bit, and an operation bit representing a write operation to the timekeeping counter 606 is input from the microprocessor to the data input terminal 608. Supply. As a result, the external information is stored in the shift registers 609 and 610 connected in series. Then, the command decoder 612 sends a write enable signal to the time counter 606 based on the operation bit and address bit stored in the shift register 610 and outputs an address signal designating the time bit. As a result, the data bits stored in the shift register 609 are written into the timekeeping bits of the timekeeping counter 606, and real-time data is rewritten.

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。   When real-time data is read from the time counter 606, external information having an operation bit indicating a read operation is transmitted from the microprocessor. Then, the command decoder 612 sets the write enable signal to the time counter 606 to an inactive state. As a result, the inverter 613 supplies the write enable signal in the active state to the shift register 609, the shift register 609 becomes ready for reading, and the contents of the time counter 606 are read to the shift register 609. The real-time data read to the shift register 609 is transferred to the data output terminal 615 in synchronization with the clock signal applied to the clock input terminal 614, and is sent to, for example, a microprocessor register.

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。   For example, data such as calculation results can be stored in a random access memory (RAM) 616.

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。   FIG. 13 is a top perspective view schematically showing the real-time clock 600 according to the present embodiment, and FIG. 14 is a side perspective view schematically showing the real-time clock 600. 14 is a view seen in the direction of arrow XIV in FIG.

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、音叉振動子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に示す音叉振動子100が気密状態で封止されている。音叉振動子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。   An IC chip 651 having an oscillation circuit or the like is bonded and fixed to the island portion 653 of the lead frame 652 with a conductive adhesive or the like. Each electrode pad 654 provided on the upper surface of the IC chip 651 is electrically connected to an input / output lead terminal 656 disposed on the outer periphery of the package by a bonding wire 655. In plan view, a vibrator housing 657 in which the tuning fork vibrator 100 is housed is disposed next to the IC chip 651. In the vibrator housing 657, for example, the tuning fork vibrator 100 shown in FIGS. 1 and 2 is sealed in an airtight state. Leads 658 that are electrically connected to the respective electrodes of the tuning fork vibrator 100 protrude outward from the vibrator housing 657. The lead 658 is bonded and fixed to the connection pad 659 of the lead frame 652 with a conductive adhesive or the like. The IC chip 651, the lead frame 652, and the vibrator housing 657 are integrally molded with a resin 660 and packaged.

また、図示はしないが、例えば、音叉振動子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音叉振動子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。   Although not shown, for example, an IC that is planarly adjacent to the tuning fork vibrator 100 is formed on the base 1 (see FIG. 2) on which the tuning fork vibrator 100 is formed by using a semiconductor process. It is also possible to form a real-time clock according to the above. As a result, the package can be omitted, and a one-chip real-time clock can be formed.

3.3.電波時計受信モジュール
次に、上述した音叉振動子100を有する電波時計受信モジュールを説明する。
3.3. Next, a radio clock receiver module having the tuning fork vibrator 100 described above will be described.

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。   FIG. 15 is a circuit block diagram schematically showing the radio clock receiver module 800 according to the present embodiment.

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に示す音叉振動子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。   The radio clock receiver module 800 includes a receiver 801, a frequency filter 805, a peripheral circuit 810, and the above-described real time clock (RTC) 600. The frequency filter 805 includes, for example, the tuning fork vibrator 100 (100A, 100B) shown in FIGS. The peripheral circuit 810 can include, for example, a detection / rectification circuit 806, a waveform shaping circuit 807, and a central processing unit (CPU) 808.

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。   The radio timepiece is a timepiece having a function of receiving a standard radio wave including time information and automatically correcting and displaying the correct time. In Japan, there are transmitting stations that transmit standard radio waves to Fukushima Prefecture (40 kHz) and Saga Prefecture (60 kHz).

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。   A receiving unit (for example, an antenna) 801 receives a long standard wave of 40 kHz or 60 kHz. The standard radio wave is obtained by applying time modulation (AM) to a carrier wave of 40 kHz or 60 kHz and carrying time information (time code).

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音叉振動子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。   The received electrical signal is amplified by an amplifier 802 and filtered and tuned by a frequency filter 805 having tuning fork vibrators 100A and 100B having the same resonance frequency as the carrier frequency. From the filtered electrical signal, the peripheral circuit 810 can read the time code. Specifically, first, a filtered signal having a predetermined frequency is detected and demodulated by a detection / rectification circuit 806. Then, the time code is taken out via the waveform shaping circuit 807 and counted by the CPU 808. The CPU 808 reads information such as the current year, accumulated date, day of the week, and time, for example. The read information is reflected on the RTC 600, and accurate time information is displayed.

搬送波は40kHzまたは60kHzであるから、周波数フィルタ805の音叉振動子100A,100Bには、本発明に係る音叉振動子が好適である。   Since the carrier wave is 40 kHz or 60 kHz, the tuning fork vibrator 100A, 100B of the frequency filter 805 is suitable for the tuning fork vibrator according to the present invention.

また、図示はしないが、例えば、音叉振動子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音叉振動子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。   Although not shown, for example, an IC that is planarly adjacent to the tuning fork vibrator 100 is formed on the base 1 (see FIG. 2) on which the tuning fork vibrator 100 is formed by using a semiconductor process. It is also possible to form a radio clock receiver module according to the above. As a result, the package can be omitted, and a one-chip radio timepiece receiving module can be formed.

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。たとえば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成(たとえば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的および効果が同一の構成)を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成または同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made. For example, the present invention includes configurations that are substantially the same as the configurations described in the embodiments (for example, configurations that have the same functions, methods, and results, or configurations that have the same purposes and effects). In addition, the invention includes a configuration in which a non-essential part of the configuration described in the embodiment is replaced. In addition, the present invention includes a configuration that achieves the same effect as the configuration described in the embodiment or a configuration that can achieve the same object. In addition, the invention includes a configuration in which a known technique is added to the configuration described in the embodiment.

実施形態の音叉振動子の構造を模式的に示す平面図。The top view which shows typically the structure of the tuning fork vibrator of embodiment. 図1のA−A線に沿って切断した断面図。Sectional drawing cut | disconnected along the AA line of FIG. 音叉振動子の電気機械結合係数を計算した結果を示すグラフ。The graph which shows the result of having calculated the electromechanical coupling coefficient of the tuning fork vibrator. 音叉振動子の電気機械結合係数を計算した結果を示すグラフ。The graph which shows the result of having calculated the electromechanical coupling coefficient of the tuning fork vibrator. 実施形態の音叉振動子の製造方法を模式的に示す断面図。Sectional drawing which shows typically the manufacturing method of the tuning fork vibrator of embodiment. 実施形態の音叉振動子の製造方法を模式的に示す断面図。Sectional drawing which shows typically the manufacturing method of the tuning fork vibrator of embodiment. 実施形態の音叉振動子の製造方法を模式的に示す断面図。Sectional drawing which shows typically the manufacturing method of the tuning fork vibrator of embodiment. 本実施形態の音叉振動子を適用した発振器の基本的構成を示す回路図。FIG. 3 is a circuit diagram showing a basic configuration of an oscillator to which the tuning fork vibrator of the present embodiment is applied. 本実施形態の音叉振動子を適用した発振器を概略的に示す平面図。FIG. 2 is a plan view schematically showing an oscillator to which the tuning fork vibrator of the present embodiment is applied. 本実施形態の音叉振動子を適用した発振器を概略的に示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing an oscillator to which the tuning fork vibrator of the present embodiment is applied. 本実施形態の音叉振動子を適用した発振器の製造工程例を概略的に示す図。The figure which shows schematically the example of a manufacturing process of the oscillator to which the tuning fork vibrator of this embodiment is applied. 本実施形態の音叉振動子を適用したリアルタイムクロックを概略的に示す回路ブロック図。The circuit block diagram which shows roughly the real-time clock to which the tuning fork vibrator of this embodiment is applied. 本実施形態の音叉振動子を適用したリアルタイムクロックを概略的に示す上面透視図。FIG. 3 is a top perspective view schematically showing a real-time clock to which the tuning fork vibrator of the present embodiment is applied. 本実施形態の音叉振動子を適用したリアルタイムクロックを概略的に示す側面透視図。FIG. 5 is a side perspective view schematically showing a real-time clock to which the tuning fork vibrator of the present embodiment is applied. 本実施形態の音叉振動子を適用した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。1 is a circuit block diagram schematically showing a radio clock receiver module to which a tuning fork vibrator according to an embodiment is applied.

符号の説明Explanation of symbols

1…SOI基板、2…シリコン基板、3…酸化物層、3a,4a…開口部、4…半導体層(シリコン層)、5…下地層、10…振動部、12…支持部、14a…第1ビーム部、14b…第2ビーム部、20…駆動部、22…第1電極層、24…圧電体層、26…第2電極層、100…音叉振動子、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 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... SOI substrate, 2 ... Silicon substrate, 3 ... Oxide layer, 3a, 4a ... Opening part, 4 ... Semiconductor layer (silicon layer), 5 ... Underlayer, 10 ... Vibration part, 12 ... Support part, 14a ... 1st 1 beam part, 14b ... 2nd beam part, 20 ... drive part, 22 ... 1st electrode layer, 24 ... piezoelectric material layer, 26 ... 2nd electrode layer, 100 ... tuning fork vibrator, 401 amplifier, 403 resistance, 404, 405 capacitor, 410 feedback circuit, 500 oscillator, 502 sealing material, 503 IC, 504 bonding wire, 505 lead frame, 506 bonding material, 539 lid member, 540 seal member, 541 mounting terminal, 570 external terminal, 600 real time clock, 601 board, 602, 603 timing connection terminal, 605 frequency divider, 606 timing counter, 607 select input terminal, 608 Input terminal, 609, 610 shift register, 612 command decoder, 613 inverter, 614 clock input terminal, 615 data output terminal, 620 control unit, 651 IC chip, 652 lead frame, 653 island unit, 654 electrode pad, 655 bonding wire , 656 I / O lead terminal, 657 vibrator housing, 658 lead, 659 connection pad, 660 resin, 800 radio clock receiver module, 801 receiver, 802 amplifier, 805 frequency filter, 806 detector / rectifier circuit, 807 waveform Shaping circuit, 808 CPU, 810 peripheral circuit

Claims (8)

基板と、該基板の上方に形成された酸化物層と、該酸化物層の上方に形成された半導体層と、を有する基体と、
前記半導体層と前記酸化物層を加工して形成された、半導体層からなる音叉型の振動部と、
前記振動部の屈曲振動を生成するための駆動部と、
を含み、
前記振動部は、支持部と、該支持部を基端として片持ち梁状に形成された二本のビーム部と、を有し、
前記駆動部は、前記二本のビーム部の上方にそれぞれ一対ずつ形成され、ひとつの駆動部は、第1電極層と、該第1電極層の上方に形成された圧電体層と、該圧電体層の上方に形成された第2電極層とを有し、
前記ビーム部の厚さをT0とし、前記圧電体層の厚さをT1とするとき、T0/T1≦1である、音叉振動子。
A substrate having a substrate, an oxide layer formed above the substrate, and a semiconductor layer formed above the oxide layer;
A tuning fork type vibration part made of a semiconductor layer formed by processing the semiconductor layer and the oxide layer;
A drive unit for generating flexural vibration of the vibration unit;
Including
The vibrating portion includes a support portion and two beam portions formed in a cantilever shape with the support portion as a base end,
A pair of the driving units are formed above the two beam units, and one driving unit includes a first electrode layer, a piezoelectric layer formed above the first electrode layer, and the piezoelectric layer. A second electrode layer formed above the body layer,
A tuning fork vibrator in which T0 / T1 ≦ 1 when T0 is the thickness of the beam portion and T1 is the thickness of the piezoelectric layer.
請求項1において、
0.3≦T0/T1≦1.0である、音叉振動子。
In claim 1,
A tuning fork vibrator in which 0.3 ≦ T0 / T1 ≦ 1.0.
請求項1または2において、
前記駆動部の幅をW1とし、前記ビーム部の幅をW0とするとき、0.2≦W1/W0≦0.4である、音叉振動子。
In claim 1 or 2,
A tuning fork vibrator in which 0.2 ≦ W1 / W0 ≦ 0.4, where W1 is the width of the driving unit and W0 is the width of the beam unit.
請求項1ないし3のいずれかにおいて、
前記圧電体層は、チタン酸ジルコン酸鉛あるいはチタン酸ジルコン酸鉛固溶体からなる、音叉振動子。
In any one of Claims 1 thru | or 3,
The piezoelectric layer is a tuning fork vibrator made of lead zirconate titanate or lead zirconate titanate solid solution.
請求項1ないし3のいずれかにおいて、
前記圧電体層は、窒化アルミニウムあるいは窒化アルミニウム固溶体からなる、音叉振動子。
In any one of Claims 1 thru | or 3,
The piezoelectric layer is a tuning fork vibrator made of aluminum nitride or aluminum nitride solid solution.
請求項1ないし5のいずれかにおいて、
前記基体は、SOI基板である、音叉振動子。
In any of claims 1 to 5,
A tuning fork vibrator, wherein the base is an SOI substrate.
請求項1ないし6のいずれかにおいて、
前記振動部と前記駆動部の前記第1電極層との間に下地層を有する、音叉振動子。
In any one of Claims 1 thru | or 6.
A tuning fork vibrator having a foundation layer between the vibrating section and the first electrode layer of the driving section.
請求項1ないし7のいずれかに記載の音叉振動子を含む、電子機器。   An electronic apparatus comprising the tuning fork vibrator according to claim 1.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2021106266A1 (en) * 2019-11-25 2021-06-03 株式会社村田製作所 Piezoelectric device

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