JP2008283529A - Tuning fork oscillator and electronic equipment - Google Patents
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Abstract
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。
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
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
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
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
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
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
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
下地層5は、酸化シリコン層(SiO2)、窒化シリコン層(Si3N4)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
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
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
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
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
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
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/cm3、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/cm3、誘電率をε11=804.6、ε33=659.7、圧電定数を、e31=−4.1C/m2,e33=14.1C/m2,e15=10.5C/m2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
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
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
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
音叉振動子100は、下地層(SiO2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。
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
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
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
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
(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
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
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
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、Pb1.05Zr0.52Ti0.48NbO3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
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
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
(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
(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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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-
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
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
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
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-
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
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
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
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
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
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
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
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
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.
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
Claims (8)
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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---|---|---|---|
JP2007126716A JP2008283529A (en) | 2007-05-11 | 2007-05-11 | Tuning fork oscillator and electronic equipment |
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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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- 2007-05-11 JP JP2007126716A patent/JP2008283529A/en not_active Withdrawn
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