JP2009055390A - 水晶振動子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】検出感度および振動の特性が良好で、かつ、小型化が可能な水晶振動子を得る。
【解決手段】本発明にかかる水晶振動子１００は、基部１０と、基部１０から片持梁状に形成されたビーム部２０と、ビーム部２０を挟むように、ビーム部２０の側方に形成された一対の第１電極３０と、ビーム部２０の上方および下方の少なくとも一方に形成された断熱層４０と、ビーム部２０に対して断熱層４０の外側に形成され、断熱層４０から外側に向かって順に、第２電極５２、誘電体層５４および第３電極５６が積層された積層体である圧電素子５０と、を有し、基部１０およびビーム部２０は、α晶の水晶で形成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、水晶振動子およびその製造方法に関する。

回転角速度を検出するジャイロにおいて、従来の回転式よりも、小型化が可能な振動式のジャイロの開発が盛んに行われている。振動ジャイロによる回転角速度の検知は、加えられた回転角速度によって生じるコリオリ力が、振動子の振動を変化させる現象を利用している。

振動ジャイロに用いられる振動子としては、片持梁状のビーム部を有するものが一般的である。そして振動子のビーム部の材質としては、水晶やシリコンなどが多く用いられる。ビーム部が水晶からなる振動子（水晶振動子）は、時計用途等により技術的に成熟しており、振動動作の信頼性が高いため、これをジャイロに用いて信頼性を向上する点で期待されている。

水晶振動子は、安定した振動が得られる一方で、ビーム部の振動のわずかな変化を検出できる十分な電気的出力を得るのが難しい。これに対しては、たとえば、特開平６−１９４１７６号公報には、角速度の検出を専用に行う圧電素子を水晶振動子に設けたものが提案されている。

圧電素子は、金属酸化物等のセラミックを結晶化させて形成される。セラミックスを結晶化して圧電体とするためには少なくとも６００℃以上の高温で焼結する必要がある。一方、水晶は、α晶およびβ晶の２つの結晶状態を有する。水晶は、これらの結晶状態のうち、α晶でなければ圧電性を示さない。α晶は、５７３℃でβ晶に相転移する。したがって、水晶振動子に圧電素子を設ける場合、圧電体を結晶化する工程において、水晶が５７３℃以上に加熱されると、水晶の圧電特性が低下してしまう。そのため、上記の特開平６−１９４１７６号公報の振動子は、水晶振動子とは別に作成した圧電素子を、水晶振動子に接着することによって設けている。しかし、圧電素子を水晶振動子に接着することは、組立て精度の点で非常に難しい。これは、振動子が小型化するほど困難となる。
特開平６−１９４１７６号公報

本発明の目的の一つは、ジャイロとして用いたときに、検出感度および振動の特性が良好で、かつ、小型化が可能な水晶振動子およびその製造方法を提供することにある。

本発明にかかる水晶振動子は、
基部と、
前記基部から片持梁状に形成されたビーム部と、
前記ビーム部を挟むように、前記ビーム部の側方に形成された一対の第１電極と、
前記ビーム部の上方および下方の少なくとも一方に形成された断熱層と、
前記ビーム部に対して前記断熱層の外側に形成され、前記断熱層から外側に向かって順に、第２電極、誘電体層および第３電極が積層された積層体である圧電素子と、
を有し、
前記基部および前記ビーム部は、α晶の水晶で形成される。

このような水晶振動子は、ジャイロとして用いたときに、検出感度および振動の特性が良好で、かつ、小型化が可能な水晶振動子である。

なお、本発明において、特定のＡ部材（以下、「Ａ」という。）の上方、下方および側方に設けられた特定のＢ部材（以下、「Ｂ」という。）というとき、Ａに直接Ｂが接して設けられた場合と、Ａに他の部材を介してＢが設けられた場合とを含む意味である。

本発明にかかる水晶振動子において、
前記ビーム部は、前記基部から片持梁状に２本形成された音叉型であることができる。

本発明にかかる水晶振動子において、
前記断熱層は、熱伝導率が１．２（Ｗ／ｍＫ）以下の材料で形成されることができる。

本発明にかかる水晶振動子において、
前記第１電極は、前記ビーム部を振動させるための交流電圧を供給し、
前記圧電素子は、前記ビーム部の変形に対応する電圧を発生することができる。

本発明にかかる水晶振動子において、
前記誘電体層は、一般式ＡＢＯ_３で示されるペロブスカイト型酸化物からなり、
前記Ａサイトは、鉛を含み、
前記Ｂサイトは、ジルコニウムおよびチタンを含むことができる。

本発明にかかる水晶振動子の製造方法は、
α晶の水晶基板の上方および下方の少なくとも一方に断熱層を形成する工程と、
前記水晶基板に対して前記断熱層の外側に第２電極を形成する工程と、
前記第２電極の外側に誘電体の前駆体層を形成する工程と、
前記前駆体層を結晶化させて誘電体層を形成する工程と、
前記誘電体層の外側に第３電極を形成する工程と、
前記第３電極、前記誘電体層および前記第２電極をパターニングして圧電素子を形成する工程と、
前記断熱層をパターニングする工程と、
前記水晶基板をエッチングして基部およびビーム部を形成する工程と、
前記基部の側面に第１電極を形成する工程と、
を有し、
前記誘電体層を形成する工程は、局所的な加熱によって行われる。

このようにすれば、ジャイロとして用いたときに、検出感度および振動の特性が良好な水晶振動子が得られる。またこのような製造方法は、圧電素子を有する水晶振動子の小型化にも対応できる。

本発明にかかる水晶振動子の製造法において、
前記誘電体層を形成する工程は、フラッシュランプアニール法またはレーザーアブレーション法によって行われることができる。

以下に本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本発明の一例を説明するものである。

１．水晶振動子
図１は、本実施形態にかかる水晶振動子１００を模式的に示す平面図である。図２は、本実施形態にかかる水晶振動子１００を模式的に示す断面図であり、図１のＡ−Ａ線に沿った断面を示す。

水晶振動子１００は、基部１０と、ビーム部２０と、一対の第１電極３０と、断熱層４０と、圧電素子５０と、を有する。

基部１０は、片持梁状のビーム部２０が結合され、ビーム部２０を支える基体となる。基部１０は、ビーム部２０と一体的に形成される。基部１０は、図１の例では矩形であるが、他の形状であってもよい。基部１０は、α晶の水晶で形成される。

ビーム部２０は、基部１０から片持梁状に形成される。ビーム部２０の先端は、基部１０に結合している部位を固定端として振動できる。ビーム部２０は、図１および図２の例では２本形成されている。ビーム部２０は、いわゆるユニモルフ型として、基部１０に１本設けられていてもよい。また、ビーム部２０は、図示するように、いわゆる音叉型として基部１０に２本設けられてもよい。さらにビーム部２０は、基部１０に３本以上設けられてもよい。たとえば、基部１０に対して、ビーム部２０が４本、ローマ字のＨ型の形状で設けられてもよい。音叉型、Ｈ型いずれの場合も、ビーム部２０が片持梁状になるように基部１０の範囲を適切に選ぶことができる。ビーム部２０が２本の音叉型であると、水晶振動子１００をジャイロとして用いたときに回転角速度の検出感度を高めることができる。ビーム部２０の形状は、図示の例では矩形であるが、片持梁として振動できる限り他の形状であってもよい。ビーム部２０の厚みは、たとえば、１００μｍないし２００μｍとすることができる。

ビーム部２０の材質は、α晶の水晶である。ビーム部２０は、一対の第１電極３０によって挟まれている。ビーム部２０は、圧電性を有するため、第１電極３０によって交流電圧が印加されることにより振動する。ビーム部２０に印加される交流電圧の周波数は、任意であるが、ビーム部２０または水晶振動子１００全体の共振周波数付近であると振動の効率がよい。ビーム部２０は、振動している状態で、回転角速度が加わったときに、当該振動の方向や強度が変化する。

一対の第１電極３０は、ビーム部２０を挟むように、ビーム部２０の側方に形成される。ビーム部２０が複数あるときは、第１電極３０は、それぞれのビーム部２０に対して一対ずつ設けられる。一対の第１電極３０は、ビーム部２０に交流電圧を印加するために設けられる。第１電極３０の形状は、図示の例では、ビーム部２０の側面の全面に設けられているが、ビーム部２０に交流電圧を印加してビーム部２０を振動させることができる範囲で任意の形状とすることができる。また、第１電極３０は基部１０に及んで設けられていてもよい。第１電極３０の厚みは、たとえば、１００ｎｍとすることができる。第１電極３０の材質としては、導電性を有するものであればよく、たとえば白金を用いることができる。

断熱層４０は、ビーム部２０の上方および下方の少なくとも一方に形成される。図１および図２の例では、断熱層４０は、ビーム部２０の上方に形成されている。断熱層４０は、ビーム部２０の上方の面全体を覆うように設けられても、図示のように上方の圧電素子５０が設けられる部分のみに設けられてもよい。断熱層４０は、圧電素子５０が形成される際に加わる熱がビーム部２０に伝導しにくくするために設けられる。換言すると、断熱層４０は、ビーム部２０を熱から保護する機能を有する。断熱層４０の厚みは、１μｍないし１０μｍとすることができる。断熱層４０の厚みが１０μｍよりも厚いと、ビーム部２０の振動を阻害することがあり、１μｍよりも薄いと、断熱効果が不足することがある。断熱層４０の材質は、断熱層４０の厚みとの兼ね合いで選択されることができる。断熱層４０の厚みが、前述の範囲であれば、断熱層４０は、熱伝導率が１．２（Ｗ／ｍＫ）以下の材料で形成されることが好ましい。断熱層４０の材質が１．２（Ｗ／ｍＫ）より大きい熱伝導率を有すると、圧電素子５０が形成される際に加わる熱がビーム部２０に伝導してしまうことがある。断熱層４０の材質は、たとえば、ポーラスシリカ（熱伝導率＝０．５（Ｗ／ｍＫ）以下）、フッ素を含有した酸化シリコン（熱伝導率＝１．０（Ｗ／ｍＫ）程度）が好適である。

圧電素子５０は、ビーム部２０に対して断熱層４０の外側に形成され、断熱層４０から外側に向かって順に、第２電極５２、誘電体層５４および第３電極５６が積層された積層体である。圧電素子５０は、図１の例に示すように、断熱層４０がビーム部２０の上方に形成されている場合、ビーム部２０から見て断熱層４０の外側すなわち上方に形成される。圧電素子５０は、平面視において、断熱層４０の輪郭の内側に輪郭を有してもよい。圧電素子５０は、ビーム部２０の変形とともに変形し、当該変形によって第２電極５２および第３電極５６の間に電圧を発生する。圧電素子５０は、図１および図２の例では、ビーム部２０に対して１つずつ設けられているが、上下に２つずつ設けられこともできる。圧電素子５０をビーム部２０に複数設けると、ビーム部２０の振動の検出感度がさらに向上する。

第２電極５２は、圧電素子５０の一方の電極である。第２電極５２は、圧電素子５０の断熱層４０側の電極である。第２電極５２は、第３電極５６と対になって誘電体層５４を挟むように形成される。第２電極５２は、平面視において、断熱層４０の輪郭の内側に輪郭を有してもよい。第２電極５２の厚みは、たとえば、２００ｎｍとすることができる。第２電極５２の材質としては、導電性を有すればよく、たとえば白金などの金属材料やランタンとニッケルの複合酸化物（ＬＮＯ）などの導電性酸化物からなることができる。また、第２電極５２は、たとえば白金およびチタンの合金からなることができる。第２電極５２は、単層構造でも多層構造でもよい。

誘電体層５４は、断熱層４０からみて第２電極５２の外側に設けられる。誘電体層５４は、圧電性を有し、第２電極５２および第３電極５６によって挟まれる。誘電体層５４は、変形すると第２電極５２および第３電極５６の間に電圧を発生することができる。誘電体層５４は、ビーム部２０の変形に対応して変形する。そのため、ビーム部２０の変形を第２電極５２および第３電極５６の間に発生する電圧を通して検知することができる。誘電体層５４は、平面視において、第２電極５２の輪郭の内側に輪郭を有してもよい。誘電体層５４は、一般式ＡＢＯ_３で示されるペロブスカイト型酸化物からなり、Ａサイトは、鉛（Ｐｂ）を含み、Ｂサイトは、ジルコニウム（Ｚｒ）およびチタン（Ｔｉ）を含むことができる。誘電体層５４の材質としては、たとえばチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ(Ｚｒ，Ｔｉ)Ｏ_３）、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ_３）などを用いることができる。誘電体層５４の厚さは、たとえば１μｍとすることができる。

第３電極５６は、圧電素子５０の一方の電極である。第３電極５６は、圧電素子５０の断熱層４０と反対側の電極である。第３電極５６は、第２電極５２と対になって誘電体層５４を挟むように形成される。第３電極５６は、平面視において、誘電体層５４の輪郭の内側に輪郭を有してもよい。第３電極５６の厚みは、たとえば、１００ｎｍとすることができる。第３電極５６の材質としては、導電性を有すればよく、たとえば白金などの金属からなることができる。また第３電極５６の材質としては、たとえば金および銅の合金からなることができる。第３電極５６は、単層構造でも多層構造でもよい。

以上説明した本実施形態の水晶振動子１００は、ビーム部２０と圧電素子５０の間に断熱層４０を有し、ビーム部２０がα晶の水晶からなり、かつ、圧電素子５０がビーム部２０に設けられている。これにより、本実施形態の水晶振動子１００は、ジャイロとして用いたときに、以下の特徴を有する。

水晶振動子１００は、圧電素子５０を有しているため、ビーム部２０の振動の変化を高感度で検出することができる。水晶振動子１００は、ビーム部２０がα晶の水晶で形成されているため、ビーム部２０の振動の特性がよい。水晶振動子１００は、断熱層４０を有するため、製造において接着工程を有さないため、小型化することができる。

２．水晶振動子１００の製造方法
以下に実施形態にかかる水晶振動子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ないし図９は、本実施形態にかかる水晶振動子１００の製造工程を模式的に示す断面図である。

本実施形態の水晶振動子１００の製造方法は、α晶の水晶基板１の上方および下方の少なくとも一方に断熱層４０ａを形成する工程と、水晶基板１に対して断熱層４０ａの外側に第２電極５２ａを形成する工程と、第２電極５２ａの外側に誘電体の前駆体層５３を形成する工程と、前駆体層５３を結晶化させて誘電体層５４ａを形成する工程と、誘電体層５４ａの外側に第３電極５６ａを形成する工程と、第３電極５６ａ、誘電体層５４ａおよび第２電極５６ａをパターニングして圧電素子５０を形成する工程と、断熱層４０ａをパターニングする工程と、水晶基板１をエッチングして基部１０およびビーム部２０を形成する工程と、ビーム部２０の側面に第１電極３０を形成する工程と、を有する。以下、本実施形態の水晶振動子１００の製造方法を順次説明する。

まず、図３に示すように、断熱層４０ａを、α晶の水晶基板１の上方に形成する。α晶の水晶基板１は、水晶を研磨する等により、予め準備される。水晶基板１は、水晶振動子１００の基部１０およびビーム部２０となる。断熱層４０ａは、材質がポーラスシリカの場合は、スピンコート法等により設けられる。断熱層４０ａは、材質がフッ素を含む酸化シリコンの場合は、ＣＶＤ法、スピンコート法等により設けられる。

次に、図４に示すように、断熱層４０ａの上に第２電極５２ａを形成し、第２電極５２ａの上に誘電体の前駆体層５３を形成する。第２電極５２ａは、スパッタ法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などにより形成することができる。前駆体層５３は、溶液法によって形成される。前駆体層５３は、誘電体の原料溶液をスピンコート法、ディップコート法等によって断熱層４０ａに塗布した後、乾燥、脱脂して形成される。原料溶液としては、金属アルコキシドおよび有機金属の少なくとも一方を含んだものを用いることができる。誘電体層４０がチタン酸ジルコン酸鉛である場合には、原料溶液としては、酢酸鉛、ジルコニウムテトラブトキシド、チタニウムテトライソプロポキシド、アルコールおよび酸を含む溶液を用いることができる。前駆体層４０ａを乾燥、脱脂する方法としては、加熱する方法があり、たとえば、２００℃で乾燥した後、４００℃で脱脂する。乾燥および脱脂は、水晶基板１ごと加熱するため、水晶基板１を構成するα晶の水晶がβ晶に転移しない温度で行われる。

続いて前駆体層５３を結晶化させて誘電体層５４ａとする工程を行う。この工程は、局所的な加熱により行われる。前駆体層５３を構成する誘電体の前駆体が結晶化するためには、６５０℃ないし７５０℃程度の温度にする必要がある。したがって、水晶基板１が５７３℃を越える温度とならないように、前駆体層５３を加熱する必要がある。本工程は、前駆体層５３を局所的に加熱する。これを実現するために断熱層４０ａが前駆体層５３と水晶基板１の間に設けられている。前駆体層５３の局所的な加熱は、短時間で行われることが好ましい。前駆体層５３の局所的な加熱は、フラッシュランプ法、レーザーアブレーション法により行われることが好ましい。このようにすれば、前駆体層５３に所望の温度となる熱を短時間で加えることができ、かつ、断熱層４０ａによって水晶基板１に熱が伝わりにくいため、水晶基板１の温度を転移温度よりも低く保つことができる。

前駆体層５３を結晶化させる工程は、前駆体層５３の局所的な加熱が行われ、かつ、前駆体層５３と水晶基板１との間に断熱層４０が存在する限り、パターニングが行われた後に行われてもよい。

次に、図５に示すように、誘電体層５４ａの上に第３電極５６ａを形成する。第３電極５６ａは、スパッタ法、ＣＶＤ法などにより形成することができる。

次に、図６に示すように第３電極５６ａをパターニングする。本工程のパターニングの方法は、フォトリソグラフィ法によって行うことができる。第３電極５６ａのエッチングは、ドライエッチングにより行うことができる。続いて、図７に示すように、誘電体層５４ａおよび第２電極５２ａをパターニングする。本工程のパターニングの方法は、フォトリソグラフィ法によって行うことができる。誘電体層５４ａおよび第２電極５２ａのエッチングは、ドライエッチングにより行うことができる。

次に、図８に示すように、断熱層４０ａをパターニングする。本工程のパターニングの方法は、フォトリソグラフィ法によって行うことができる。断熱層４０ａのエッチングは、ウエットエッチングまたはドライエッチングにより行うことができる。

次に、図９に示すように、水晶基板１をエッチングして基部１０およびビーム部２０を形成する。図９は、ビーム部２０の断面を示している。水晶基板１のエッチングは、フォトリソグラフィ法によって行うことができる。水晶基板１のエッチングは、ウエットエッチングにより行うことができる。

次に、図２に示すように、ビーム部２０の側面に第１電極３０を形成する。第１電極３０は、形成する部位以外をマスキングして、メッキ等により形成し、マスクを除去することにより形成することができる。

以上説明した本実施形態の水晶振動子１００の製造方法においては、前駆体層５３を加熱するときに、すでに水晶基板１に断熱層４０ａが形成されている。そして、前駆体層５３は、局所的に加熱される。これらのことから、前駆体層５３を加熱するための熱が、水晶基板１に伝わりにくい。よって、水晶基板１のα晶の水晶がβ晶に転移することがなく、ジャイロとして用いたときに、検出感度および振動の特性が良好な水晶振動子１００が得られる。また本実施形態の製造方法は、接着等の工程を有さないため、圧電素子５０を有する水晶振動子１００の小型化する場合においても適用できる。

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。

本実施形態にかかる水晶振動子１００を模式的に示す平面図。 本実施形態にかかる水晶振動子１００を模式的に示す断面図。 本実施形態の水晶振動子１００の製造工程を模式的に示す断面図。 本実施形態の水晶振動子１００の製造工程を模式的に示す断面図。 本実施形態の水晶振動子１００の製造工程を模式的に示す断面図。 本実施形態の水晶振動子１００の製造工程を模式的に示す断面図。 本実施形態の水晶振動子１００の製造工程を模式的に示す断面図。 本実施形態の水晶振動子１００の製造工程を模式的に示す断面図。 本実施形態の水晶振動子１００の製造工程を模式的に示す断面図。

符号の説明

１ 水晶基板、１０ 基部、２０ ビーム部、３０ 第１電極、４０，４０ａ 断熱層、５０ 圧電素子、５２，５２ａ 第２電極、５３ 前駆体層、５４，５４ａ 誘電体層、５６，５６ａ 第３電極、１００ 水晶振動子

Claims (7)

1. 基部と、
   前記基部から片持梁状に形成されたビーム部と、
   前記ビーム部を挟むように、前記ビーム部の側方に形成された一対の第１電極と、
   前記ビーム部の上方および下方の少なくとも一方に形成された断熱層と、
   前記ビーム部に対して前記断熱層の外側に形成され、前記断熱層から外側に向かって順に、第２電極、誘電体層および第３電極が積層された積層体である圧電素子と、
   を有し、
   前記基部および前記ビーム部は、α晶の水晶で形成された、水晶振動子。
2. 請求項１において、
   前記ビーム部は、前記基部から片持梁状に２本形成された音叉型である、水晶振動子。
3. 請求項１または請求項２において、
   前記断熱層は、熱伝導率が１．２（Ｗ／ｍＫ）以下の材料で形成された、水晶振動子。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかにおいて、
   前記第１電極は、前記ビーム部を振動させるための交流電圧を供給し、
   前記圧電素子は、前記ビーム部の変位に対応する電圧を発生する、水晶振動子。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかにおいて、
   前記誘電体層は、一般式ＡＢＯ_３で示されるペロブスカイト型酸化物からなり、
   前記Ａサイトは、鉛を含み、
   前記Ｂサイトは、ジルコニウムおよびチタンを含む、水晶振動子。
6. α晶の水晶基板の上方および下方の少なくとも一方に断熱層を形成する工程と、
   前記水晶基板に対して前記断熱層の外側に第２電極を形成する工程と、
   前記第２電極の外側に誘電体の前駆体層を形成する工程と、
   前記前駆体層を結晶化させて誘電体層を形成する工程と、
   前記誘電体層の外側に第３電極を形成する工程と、
   前記第３電極、前記誘電体層および前記第２電極をパターニングして圧電素子を形成する工程と、
   前記断熱層をパターニングする工程と、
   前記水晶基板をエッチングして基部およびビーム部を形成する工程と、
   前記基部の側面に第１電極を形成する工程と、
   を有し、
   前記誘電体層を形成する工程は、局所的な加熱によって行われる、水晶振動子の製造方法。
7. 請求項６において、
   前記誘電体層を形成する工程は、フラッシュランプアニール法またはレーザーアブレーション法によって行われる、水晶振動子の製造方法。

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