JP2017152994A - 水晶素子および水晶デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】平板状の水晶片を用いて励振電極部の構成を変えることで、エネルギー閉じ込めができ、等価直列抵抗値が大きくなることを低減させた水晶素子および水晶デバイスを提供する。【解決手段】水晶素子１２０は、平板状の水晶片１２１と、水晶片１２１の両主面に設けられている一対の励振電極部１２３と、励振電極部１２３から水晶片１２１の縁部まで延設され、励振電極部１２３より上下方向の厚みが薄い配線部１２４と、配線部１２４に接続され水晶片１２１の縁部に設けられている引出部１２５と、からなり、励振電極部１２３が水晶片１２１の音速および密度と略同一の材料から構成されている。【選択図】図４

Description

本発明は、水晶素子であって、特に、メサ型の水晶素子と、この水晶素子が実装されている水晶デバイスに関する。

水晶素子は、振動部および周辺部からなるメサ型の水晶片と、励振電極部、引出部および配線部からなる金属パターンと、から構成されている。水晶片は、振動部および周辺部とからなり、略直方体形状の振動部の縁部に沿って、振動部より上下方向の厚みが薄い周辺部が一体的に設けられ、メサ型となっている。このような水晶片は、互いに直交しているＸ軸とＹ軸とＺ軸とからなる結晶軸を有した水晶部材をフォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて、形成されている。金属パターンは、水晶片の表面に設けられており、励振電極部、配線部および引出部からなる。励振電極部は、一対となっており、励振電極部に挟まれている水晶片の一部を振動させるためのものである。引出部は、水晶素子を平面視すると、略矩形形状の水晶片の所定の一辺の縁部に沿って二つ並んで設けられている。配線部は、一端が励振電極部に接続され、他端が引出部に接続されている（例えば、特許文献１参照）。

また、メサ型の水晶素子の別の一例として、振動部と周辺部とからなるメサ型の水晶片であって、水晶片を平面視したときに略矩形形状の振動部の四隅が丸みを帯びているものがある。このような水晶素子を実装した水晶デバイスは、例えば、水晶素子、素子搭載部材および蓋体からなり、この素子搭載部材と蓋体とが接合され、接合により素子搭載部材と蓋体とで形成される空間内に素子搭載部材に実装されている水晶素子が気密封止された構造となっている。このとき、水晶素子の引出部と素子搭載部材の搭載パッドとが導電性接着材によって接着されることで、水晶素子が素子搭載部材に実装されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００５−９４４１０号公報 特開２００８−２６７８８８号公報

しかしながら、従来の水晶素子の水晶片は、互いに直交しているＸ軸とＹ軸とＺ軸とからなる結晶軸を有した水晶部材から、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術によって、振動部および周辺部が一体となるように形成されている。従って、結晶軸との位置関係によってエッチングされる速度が異なるために、エッチング残差が生じ、所望の形状にすることができない。このため、期待していたエネルギー閉じ込めができず、むしろ、不要振動が多く生じてしまい、等価直列抵抗値が大きくなってしまう虞がある。

本発明では、平板状の水晶片を用いて励振電極部の構成を変えることで、エネルギー閉じ込めができ、等価直列抵抗値が大きくなることを低減させた水晶素子および水晶デバイスを提供することを目的とする。

前述した課題を解決するために、本発明に係る水晶素子は、平板状の水晶片と、水晶片の両主面に設けられている一対の励振電極部と、励振電極部から水晶片の縁部まで延設され、励振電極部より上下方向の厚みが薄い配線部と、配線部に接続され水晶片の縁部に設けられている引出部と、からなり、励振電極部が水晶片の音速および密度と略同一の材料から構成されていることを特徴とする。

本発明に係る水晶素子は、平板状の水晶片と、水晶片の両主面に設けられている一対の励振電極部と、励振電極部から水晶片の縁部まで延設され、励振電極部より上下方向の厚みが薄い配線部と、配線部に接続され水晶片の縁部に設けられている引出部と、からなり、励振電極部が水晶片の音速および密度と略同一の材料から構成されている。このように励振電極部にアルミニウムを用いることで、励振電極部内においても振動をするようにすることができ、メサ形状の水晶片と同様の効果を得ることが可能となる。また、励振電極部にアルミニウムを用いることで、励振電極部の形状を所望の形状にすることができる。このため、より振動エネルギーを閉じ込めることができ、さらには、不要振動の発生を低減させることができる。この結果、等価直列抵抗値が大きくなることを低減させることが可能となる。

第一実施形態の水晶デバイスの斜視図である。 図１のＡ−Ａ断面における断面図である。 第一実施形態の水晶素子の平面図である。 図３のＢ−Ｂ断面における断面図である。 第二実施形態の水晶素子の平面図である。 図５のＣ−Ｃ断面における断面図である。 第三実施形態の水晶素子の平面図である。 図７のＤ−Ｄ断面における断面図である。

（第一実施形態）
図１は、第一実施形態に係る水晶デバイスの斜視図であり、図２は、図１のＡ−Ａ断面における断面図である。図３は、第一実施形態に係る水晶素子１２０の平面図であり、図４は、Ｂ−Ｂ断面における断面図である。

（水晶デバイスの概略構成）
水晶デバイスは、例えば、全体として略直方体形状となっている電子部品である。水晶デバイスは、例えば、長辺または短辺の長さが０．６ｍｍ〜２．０ｍｍであり、上下方向の厚さが０．２ｍｍ〜１．５ｍｍとなっている。

水晶デバイスは、例えば、凹部が形成される素子搭載部材１１０と、凹部に収容された水晶素子１２０と、凹部を塞ぐ蓋体１３０と、素子搭載部材１１０に水晶素子１２０を接着実装するための導電性接着剤１４０と、から構成される。

素子搭載部材１１０の凹部は、蓋体１３０によって封止され、その内部は、例えば、真空とされ、または適当なガス（例えば、窒素）が封入されている。

素子搭載部材１１０は、例えば、素子搭載部材１１０の主体となる基体１１０ａと、基体１１０ａの上面の縁部に沿って設けられている枠体１１０ｂと、水晶素子１２０を実装するための搭載パッド１１１と、水晶デバイスを不図示の回路基板等に実装するための外部端子１１２とからなる。素子搭載部材１１０には、基体１１０ａの上面の縁部に沿って枠状の枠体１１０ｂが設けられ、凹部が形成されている。

基体１１０ａおよび枠体１１０ｂは、セラミック等の絶縁材料からなる。搭載パッド１１１および外部端子１１２は、例えば、金属等からなる導電層により構成されており、基体１１０ａ内に配置された導体（図示せず）によって互いに電気的に接続されている。蓋体１３０は、例えば、金属から構成され、素子搭載部材１１０、具体的には、枠体１１０ｂの上面シーム溶接等により接合されている。

水晶素子１２０は、例えば、水晶片１２１に電圧を印加するための、一対の励振電極部１２３と、水晶素子１２０を搭載パッド１１１に実装するための一対の配線部１２４とを有している。

水晶片１２１は、いわゆるＡＴカット水晶片である。すなわち、水晶において、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸からなる直交座標系ＸＹＺを、Ｘ軸回りに３０°〜５０°回転させて直交座標系ＸＹ´Ｚ´を定義したときに、ＸＺ´平面に平行に切り出された板状である。

一対の励振電極部１２３および一対の配線部１２４は、金属等からなる導電層により構成されている。一対の励振電極部１２３は、例えば、水晶片１２１の両主面の中央側に設けられている。一対の配線部１２４は、例えば、一対の励振電極部１２３からＸ軸方向の一方側（例えば、−Ｘ側）に延びており、水晶片１２１の所定の一辺の端部に沿って、一対の引出部１２５を有している。

水晶素子１２０は、主面を素子搭載部材１１０の基体１１０ａの上面に対向させて、素子搭載部材１１０の凹部内に収容される。水晶素子１２０は、引出部１２５は、素子搭載部材１１０の基体１１０ａの搭載パッド１１１に導電性接着剤１４０により接着される。これにより、水晶素子１２０は、素子搭載部材１１０に片持ち梁のように支持されている。また、一対の励振電極部１２３は、素子搭載部材１１０の一対の搭載パッド１１１と電気的に接続され、ひいては、素子搭載部材１１０の複数の外部端子１１２のいずれか二つと電気的に接続される。

このようにして構成された水晶デバイスは、例えば、不図示の回路基板の実装面に素子搭載部材１１０の下面を対向させて配置され、外部端子１１２が半田などにより回路基板のパッドに接合されることによって回路基板に実装される。回路基板には、例えば、発振回路が構成されている。発振回路は、外部端子１１２および搭載パッド１１１を介して一対の励振電極部１２５に交番電圧を印加して発振信号を生成する。このとき、発振回路は、例えば、水晶片１２１の厚みすべり振動うち基本波振動を利用する。

（水晶素子の形状）
水晶素子１２０は、直方体形状の水晶片１２１と、励振電極部１２３、配線部１２４および引出部１２５からなる金属パターン１２２と、から構成されている。

水晶片１２１は、略直方体形状のＡＴカット水晶板が用いられている。このとき、水晶片１２１の上下方向の厚みは、例えば、２０μｍ〜５０μｍとなっている。また、水晶片１２１の密度は、約２．６５×１０^３ｋｇ／ｍ^３となっている。また、一対の励振電極部１２３に交番電圧が印加され水晶片１２１の一部が振動しているときの、厚みすべり振動の基本波の音速（横波）は、３７６４ｍ／ｓとなっている。

金属パターン１２２は、水晶片１２１の表面に設けられており、水晶素子１２０の外部から交番電圧を印加するためのものである。金属パターン１２２は、一対の励振電極部１２３、一対の配線部１２４、一対の引出部１２５からなる。

一対の励振電極部１２３は、水晶片１２１の両主面に設けられている。励振電極部１２３の上下方向の厚みは、配線部１２４の上下方向の厚みより厚くなっている。励振電極部１２３の上下方向の厚みは、水晶素子１２０の所望の周波数と水晶片１２１の板厚によって決定され、例えば、５μｍ〜３０μｍとなっている。具体的には、励振電極部１２３の上下方向の厚みは、周波数定数と呼ばれる１６７０を所望の周波数で割った商から水晶片１２１の上下方向の厚みを引き、２で割った商となる。

一対の励振電極部１２３は、アルミニウムからなり、密度が、約２．６５×１０^３ｋｇ／ｍ^３となっている。また、厚みすべり振動の基本波と振動が進む速度、音速（横波）は、３０４０ｍ／ｓとなっている。従って、一対の励振電極部１２３の密度は、水晶片１２１と同じ密度であり、また、音速も水晶片１２１と近似した値となっている。

配線部１２４は、一端が励振電極部１２３に接続され、他端が水晶片１２１の所定の一辺の縁部にまで延設されている。また、引出部１２５は、導電層により構成されており、例えば、金、金を主成分とする金属、銀、銀を主性分とする金属が用いられている。

引出部１２５は、配線部１２４の他端に接続されており、水晶片１２１の所定の一辺に沿って二つ並んで設けられている。また、引出部１２５は、配線部１２４とともに一体的に形成されている。

水晶素子１２０は、引出部１２５に交番電圧が印加されると、配線部１２４を介して、励振電極部１２３に交番電圧が印加されることなり、逆圧電効果および圧電効果により励振電極部１２３に挟まれている水晶片１２１の一部が厚みすべり振動のうち基本波振動する。このとき、励振電極部１２３の密度が水晶片１２１の密度と同じとなっており、かつ、励振電極部１２３の音速が水晶片１２１の音速と近い値となっているため、励振電極部１２３と水晶片１２１との境界付近において、水晶片１２１の厚みすべり振動のうち基本波振動が励振電極部１２３に反射される量を低減させることができ、励振電極部１２３も水晶片１２１と一体的に振動させることが可能となる。この結果、励振電極部１２３を水晶片１２１と同様にみなすことができ、水晶素子１２０をメサ型の水晶片を用いた場合と同様にエネルギー閉じ込めが可能となる。

引出部１２５および配線部１２４に用いられる金を励振電極部１２３に用いた場合について説明する。金の密度は、１８．９〜１９．３×１０^３ｋｇ／ｍ^３となっており、金の音速は１２００ｍ／ｓとなっている。従って、励振電極部１２３が金から構成されている場合には、水晶片１２１と励振電極部１２３との密度および音速が大きく異なっている。このため、水晶片１２１が厚みすべり振動うち基本波振動で振動する場合、水晶片１２１と金との音速が大きくことなるため、水晶片１２１と励振電極部１２３との境界において水晶片１２１で生じた厚みすべり振動のうち基本波振動が反射される量が多くなり、反射された厚みすべり振動のうち基本波振動が水晶片１２１の振動へ影響（例えば、反射された振動が水晶片１２１の厚みすべり振動のうち基本波振動と結合され周波数が変動しやすくなる場合や、反射された振動が水晶片１２１の振動を阻害し等価直列抵抗値が大きくなる場合）が生じてしまう。また、密度が大きくことなることから、水晶片１２１と励振電極部１２３とで振動の仕方が大きくことなるため、一体的に振動させることができない。このため、水晶片１２１が厚みすべり振動うち基本波振動で振動する場合、水晶片１２１と銀との音速が大きくことなるため、水晶片１２１で生じた厚みすべり振動のうち基本波振動が水晶片１２１と励振電極部１２３との境界で反射される量が多くなり、反射された厚みすべり振動のうち基本波振動が水晶片１２１の振動へ影響（例えば、反射された振動が水晶片１２１の振動と結合され周波数が変動しやすくなる場合や、反射された振動が厚みすべり振動のうち基本波振動を阻害し等価直列抵抗値が大きくなる場合）が生じてしまう。また、密度が大きくことなることから、水晶片１２１と励振電極部１２３とで振動の仕方が大きくことなるため、一体的に振動させることができない。つまり、第一実施形態では、水晶片１２１の音速および密度と略同一の材料を、励振電極部１２３に用いることで、水晶片１２１と励振電極部１２３とを一体的に振動させることができ期待した効果を得ることができる。

このような水晶素子１２０の製造方法について説明する。水晶素子１２０は、例えば、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて、ウエハ状態で一部が連結されている水晶片１２１を形成する。次に、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術、スパッタリング技術または蒸着技術を用いて、配線部１２４および引出部１２５を形成する。最後に、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術、スパッタリング技術または蒸着技術を用いて、引出部１２４の一端に接続するように励振電極部１２３を形成する。なお、本実施形態では、水晶素子１２０をウエハ状態で製造する場合について説明しているが、例えば、個片化されている水晶片を用いて製造してもよい。

以上のとおり、第一実施形態に係る水晶素子１２０は、平板状の水晶片１２１と、水晶片１２１の両主面に設けられている一対の励振電極部１２３と、励振電極部１２３から水晶片１２１の縁部まで延設され、励振電極部１２３より上下方向の厚みが薄い配線部１２４と、配線部１２４に接続され水晶片１２１の縁部に設けられている引出部１２５と、からなり、励振電極部１２３がアルミニウムからなる。

このように、水晶片１２１の密度が同じで、かつ、厚みすべり振動のうちの基本波振動の音速と近い音速であるアルミニウムを励振電極部１２３に用いることで、水晶片１２１と励振電極部１２３との境界部分での厚みすべり振動のうちの基本波振動の反射を低減させることができ、励振電極部１２３に電圧を印加したときに、水晶片１２１と励振電極部１２３とを一体的に振動させることが可能となる。また、励振電極部１２３の上下方向の厚みを配線部１２４および引出部１２５の上下方向の厚みより厚くし、疑似的にメサ型の水晶片と同様の効果を得ることができる。また、励振電極部１２３にアルミニウムを用いることで、励振電極部１２３の形状を所望の形状にすることができる。このため、より振動エネルギーを閉じ込めることができ、さらには、不要振動の発生を低減させることができる。この結果、等価直列抵抗値が大きくなることを低減させることが可能となる。

また、このような水晶素子１２０を用いた水晶デバイスに用いることによって、水晶素子１２０においてより振動エネルギーを閉じ込めることができ、さらには、不要振動の発生を低減させることができる。この結果、等価直列抵抗値が大きくなることを低減させることが可能となる。

（第二実施形態）
図５は、第二実施形態に係る水晶素子２２０の平面図であり、図６は、図５のＣ−Ｃ断面における断面図である。

第二実施形態に係る水晶素子２２０は、励振電極部２２３が、第一金属層２２３ａおよび第二金属層２２３ｂから構成されている点で、第一実施形態と異なる。

（水晶素子の形状）
水晶素子２２０は、直方体形状の水晶片２２１と、励振電極部２２３、配線部２２４および引出部２２５からなる金属パターン２２２と、から構成されている。

水晶片２２１は、略直方体形状のＡＴカット水晶板が用いられている。このとき、水晶片２２１の上下方向の厚みは、例えば、２０μｍ〜５０μｍとなっている。また、水晶片２２１の密度は、約２．６５×１０^３ｋｇ／ｍ^３となっている。また、一対の励振電極部２２３に交番電圧が印加され水晶片２２１の一部が振動しているときの、厚みすべり振動の基本波の音速（横波）は、３７６４ｍ／ｓとなっている。

金属パターン２２２は、水晶片２２１の表面に設けられており、水晶素子２２０の外部から交番電圧を印加するためのものである。金属パターン２２２は、一対の励振電極部２２３、一対の配線部２２４および一対の引出部２２５からなる。

励振電極部２２３は、第一金属層２２３ａと第一金属層２２３ａ上に積層される第二金属層２２３ｂとからなる。第一金属層２２３ａの上下方向の厚みは、第二金属層２２３ｂの上下方向の厚みと比較して厚くなっている。

第一金属層２２３ａは、アルミニウムからなり、密度が、約２．６５×１０^３ｋｇ／ｍ^３となっている。また、厚みすべり振動の基本波と振動が進む速度、音速（横波）は、３０４０ｍ／ｓとなっている。従って、第一金属層２２３ａの密度は、水晶片２２１と同じ密度であり、また、音速も水晶片２２１と近似した値となっている。第一金属層２２３ａは、配線部２２４および引出部２２５の上下方向の厚みより厚くなっており、例えば、５μｍ〜３０μｍとなっている。第一金属層２２３ａの上下方向の厚みは、水晶素子２２０の所望の周波数、水晶片２２１の板厚および第二金属層２２３ｂの上下方向の厚みによって決定される。具体的には、第一金属層２２３ａの上下方向の厚みは、周波数定数とよばれる１６７０を、第二金属層２２３ｂの分を設けた場合の周波数変化量を水晶素子２２０の所望の周波数から引いた周波数値で割った商から、水晶片２２１の上下方向の厚みを引き、２で割った商となる。

第二金属層２２３ｂは、例えば、金、金を主成分とする金属、銀、銀を主成分とする金属のいずれか一つから構成されている。第二金属層２２３ｂは、その上下方向の厚みが、第一金属層２２３ａの上下方向の厚みより薄く、例えば、０．０５μｍ〜１．０μｍの厚みとなっている。

配線部２２４は、一端が励振電極部２２３に接続され、他端が水晶片２２１の所定の一辺の縁部にまで延設されている。また、引出部２２４は、導電層により構成されている。配線部２２４は、例えば、励振電極部２２３の第二金属層２２３ｂと同じ金属材料からなる。

引出部２２５は、配線部２２４の他端に接続されており、水晶片２２１の所定の一辺に沿って二つ並んで設けられている。また、引出部２２５は、配線部２２４とともに一体的に形成されている。

水晶素子２２０は、引出部２２５に交番電圧が印加されると、配線部２２４を介して、励振電極部２２３に交番電圧が印加されることとなり、逆圧電効果および圧電効果により励振電極部２２３に挟まれている水晶片２２１の一部が厚みすべり振動のうち基本波振動する。このとき、励振電極部２２３の第一金属層２２３ａの密度が水晶片２２１の密度と同じとなっており、かつ、励振電極部２２３の第一金属層２２３ａの音速が水晶片２２１の音速と近い値となっているため、励振電極部２２５の第一金属層２２３ａと水晶片２２１との境界付近において、水晶片２２１の厚みすべり振動うち基本波振動が励振電極部２２３の第一金属層２２３ａに反射される量を低減させることができ、励振電極部２２３の第一金属層２２３ａも水晶片２２１と一体的に振動させることが可能となる。この結果、励振電極部２２３の第一金属層２２３ａを水晶片２２１と同様にみなすことができ、水晶素子２２０をメサ型の水晶片を用いた場合と同様にエネルギー閉じ込めが可能となる。

引出部２２５、配線部２２４および励振電極部２２３の第二金属層２２３ｂに用いられる金を励振電極部２２３の第一金属層２２３ａに用いた場合について説明する。金の密度は、１８．９〜１９．３×１０^３ｋｇ／ｍ^３となっており、金の音速は１２００ｍ／ｓとなっている。従って、励振電極部２２３の第一金属層２２３ａが金から構成されている場合には、水晶片２２１と励振電極部２２３の第一金属層２２３ａとの密度および音速が大きく異なっている。このため、水晶片２２１が厚みすべり振動うち基本波振動で振動する場合、水晶片２２１と金との音速が大きくことなるため、水晶片２２１で生じた厚みすべり振動のうち基本波振動が水晶片２２１と励振電極部２２３の第一金属層２２３ａとの境界で反射される量が多くなり、反射された厚みすべり振動のうち基本波振動が水晶片２２１の振動へ影響（例えば、反射された振動が水晶片２２１の厚みすべり振動のうち基本波振動と結合され周波数が変動しやすくなる場合や、反射された振動が水晶片２２１の振動を阻害し等価直列抵抗値が大きくなる場合）が生じてしまう。また、密度が大きくことなることから、水晶片２２１と励振電極部２２３の第一金属層２２３ａとで振動の仕方が大きくことなるため、一体的に振動させることができない。このため、水晶片２２１が厚みすべり振動うち基本波振動で振動する場合、水晶片２２１と銀との音速が大きくことなるため、水晶片２２１で生じた厚みすべり振動のうち基本波振動が水晶片２２１と励振電極部２２３の第一金属層２２３ａとの境界で反射される量が多くなり、反射された厚みすべり振動のうち基本波振動が水晶片２２１の振動へ影響（例えば、反射された振動が水晶片２２１の振動と結合され周波数が変動しやすくなる場合や、反射された振動が厚みすべり振動のうち基本波振動を阻害し等価直列抵抗値が大きくなる場合）が生じてしまう。また、密度が大きく異なることから、水晶片２２１と励振電極部２２３の第一金属層２２３ａとで振動の仕方が大きくことなるため、一体的に振動させることができない。つまり、第二実施形態では、水晶片２２１の音速および密度と略同一の材料を励振電極部２２３の第一金属層２２３ａに用いることで、水晶片２２１と第一金属層２２３ａとを一体的に振動させることがき、期待した効果を得ることができる。このとき、第一金属層２２３ａと第二金属層２２３ｂとの境界において、厚みすべり振動の基本波振動が反射してしまうので、第二金属層２２３ｂの上下方向の厚みを十分に薄くすることが望ましい。

このような水晶素子２２０は、次のように製造される。まず、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて、ウエハ状態で一部が連結されている水晶片１２１を形成する。次に、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いる。まず、水晶片１２１が連結されている水晶ウエハに、第一金属層と同じ金属（アルミニウム）からなる第一金属膜を設け、この第一金属層と同じ第一金属膜上に第二金属層と同じ金属からなる第二金属膜を設ける。次に、フォトリソグラフィー技術とエッチング技術を用いて、励振電極部２２３、配線部２２４および引出部２２５となる部分を形成する。このようにフォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて、第一金属膜上に第二金属膜を設けた後に励振電極部２２３、配線部２２４および引出部２２５を形成することで、第一金属層２２３ａが外部の空気と酸化または窒化し変質することを低減させることができる。

以上の通り、第二実施形態に係る水晶素子２２０は、平板状の水晶片２２１と、水晶片２２１の両主面に設けられている一対の励振電極部２２３と、励振電極部２２３から水晶片２２１の縁部まで延設され、励振電極部２２３より上下方向の厚みが薄い配線部２２４と、配線部２２４に接続され水晶片２２１の縁部に設けられている引出部２２５と、からなり、励振電極部２２３が第一金属層２２３ａと第一金属層２２３ａ上に設けられている第二金属層２２３ｂとからなり、第一金属層２２３ａがアルミニウムからなり、第二金属層２２３ｂが金、金を主成分とする金属、銀、銀を主成分とする金属のいずれか一つからなる。

このような構成にすることで、励振電極部２２３の第一金属層２２３ａと水晶片２２１との境界付近におおいて、水晶片２２１の厚みすべり振動うち基本波振動が励振電極部２２３の第一金属層２２３ａに反射される量を低減させることができ、励振電極部２２３の第一金属層２２３ａも水晶片２２１と一体的に振動させることが可能となる。この結果、励振電極部２２３の第一金属層２２３ａを水晶片２２１と同様にみなすことができ、水晶素子２２０をメサ型の水晶片を用いた場合と同様にエネルギー閉じ込めが可能となる。つまり、このように励振電極部２２３にアルミニウムを用いることで、励振電極部２２３内においても振動をするようにすることができ、メサ形状の水晶片と同様の効果を得ることが可能となる。また、励振電極部２２３にアルミニウムを用いることで、励振電極部２２３の形状を所望の形状にすることができる。このため、より振動エネルギーを閉じ込めることができ、さらには、不要振動の発生を低減させることができる。この結果、等価直列抵抗値が大きくなることを低減させることが可能となる。

また、励振電極部２２３を第一金属層２２３ａと第二金属層２２３ｂとから構成することで、酸素と反応し酸化しやすいアルミニウムを第一金属層２２３ａに用いても、酸素と反応しにくい金、金を主成分とする金属、銀、銀を主成分とする金属を第二金属層に用いているので、励振電極部２２３が大気中の酸素と反応し水晶素子２２０の周波数が変動することを低減させることができる。

また、第二実施形態に係る水晶素子２２０は、引出部２２５および配線部２２４が、第二金属層２２３ｂと同一材料からなる。このようにすることで、励振電極部２２３の第二金属層２２３ｂと配線部２２４との境界での電気的特性の変化（例えば、周波数変動）を低減させることができる。別の観点では、第二金属層２２３ｂ、引出部２２５および配線部２２４を同時に形成することができるともいえる。このため、水晶素子２２０を形成時に、第一金属層２２３ａ（第一金属膜）が空気中の酸素と反応し酸化することを第二金属層２２３ｂ（第二金属膜）によって低減させることができる。また、第二金属層２２３ｂは、配線部２２４および引出部２２５を同時に形成することができるので、製造工程を簡略化することができる

また、このような水晶素子２２０を用いた水晶デバイスに用いることによって、水晶素子２２０においてより振動エネルギーを閉じ込めることができ、さらには、不要振動の発生を低減させることができる。この結果、等価直列抵抗値が大きくなることを低減させることが可能となる。

（第三実施形態）
図７は、第三実施形態に係る水晶素子３２０の平面図であり、図８は、図７のＤ−Ｄ断面における断面図である。

第三実施形態に係る水晶素子３２０は、励振電極部３２３が、第一金属層３２３ａおよび第二金属層３２３ｂから構成されている点で、第一実施形態と異なり、第二金属層３２３ｂがアルミニウムからなる点で第二実施形態と異なる。

（水晶素子の形状）
水晶素子３２０は、直方体形状の水晶片３２１と、励振電極部３２３、配線部３２４および引出部３２５からなる金属パターン３２２と、から構成されている。

水晶片３２１は、直方体形状のＡＴカット水晶板が用いられている。このとき、水晶片３２１の上下方向の厚みは、例えば、２０μｍ〜５０μｍとなっている。また、水晶片３２１の密度は、約２．６５×１０^３ｋｇ／ｍ^３となっている。また、一対の励振電極部３２３に交番電圧が印加され水晶片３２１の一部が振動しているときの、厚みすべり振動の基本波の音速（横波）は、３７６４ｍ／ｓとなっている。

金属パターン３２２は、水晶片３２１の表面に設けられており、水晶素子３２０の外部から交番電圧を印加するためのものである。金属パターン３２２は、一対の励振電極部３２３、一対の配線部３２４および一対の引出部３２５からなる。

励振電極部３２３は、第一金属層３２３ａと第一金属層３２３ａ上に積層される第二金属層３２３ｂとからなる。第一金属層２２３ａの上下方向の厚みは、第二金属層３２３ｂの上下方向の厚みと比較して薄くなっている。

第一金属層３２３ａは、第二金属層３２３ｂと水晶片３２１との密着強度を上げるためのものである。第一金属層３２３ａは、例えば、ニッケル、チタン、ニクロム、クロムのいずれか一つの金属が選択されて用いられる。第一金属層３２３ａは、例えば、その上下方向の厚みが５０ｎｍ〜１００ｎｍとなっている。このように第一金属層３２３ａの上下方向の厚みを５０ｎｍ〜１００ｎｍにすることで、水晶片３２１で生じる厚みすべり振動のうちの基本波振動が第一金属層３２３ａと水晶片３２１との境界で反射することを低減させることができる。このため、第一金属層３２３ａが設けられていても、疑似的に、励振電極部３２３を第二金属層３２３ｂから構成されているようにみなすことができる。

第二金属層３２３ｂは、アルミニウムからなり、密度が約２．６５×１０^３ｋｇ／ｍ^３となっている。また、厚みすべり振動の基本波と振動が進む速度、音速（横波）は、３０４０ｍ／ｓとなっている。従って、第二金属層３２３ｂの密度は、水晶片３２１と同じ密度であり、また、音速も水晶片３２１と近似した値となっている。第二金属層３２３ｂは、配線部３２４および引出部３２５の上下方向の厚みより厚くなっており、例えば、５μｍ〜３０μｍとなっている。第二金属層３２３ｂの上下方向の厚みは、水晶素子の３２０の所望の周波数、水晶片３２１の板厚および第一金属層３２３ａの上下方向の厚みによって決定される。具体的には、第二金属層３２３ｂの上下方向の厚みは、周波数定数と呼ばれる１６７０を第一金属層３２３ａが設けられた場合の周波数変化量を水晶素子３２０の所望の周波数から引いた周波数値で割った商から、水晶片３２１の上下方向の厚みを引き、２で割った商となる。

配線部３２４は、一端が励振電極部３２３に接続され、他端が水晶片３２１の所定の一辺の縁部にまで延設されている。また、引出部３２４は、導電層により構成されている。配線部３２４は、例えば、励振電極部３２３の第一金属層３２３ａと同じ金属材料から設けられていてもよいし、金、金を主成分とする金属、銀、銀を主成分とする金属のいずれか一つから選択されて用いられていてもよい。

引出部３２５は、配線部３２４の他端に接続されており、水晶片３２１の所定の一辺に沿って二つ並んで設けられている。また、引出部３２５は、配線部３２４とともに一体的に形成されている。

水晶素子３２０は、引出部３２５に交番電圧が印加されると、配線部３２４を介して、励振電極部３２３に交番電圧が印加されることとなり、逆圧電効果および圧電効果により励振電極部３２３に挟まれている水晶片３２１の一部が厚みすべり振動のうち基本波振動をする。このとき、励振電極部３２３の第一金属層３２３ａの上下方向の厚みが５０ｎｍ〜１００ｎｍとなっているので、励振電極部３２３の第一金属層３２３ａと水晶片３２１との境界において水晶片３２１の厚みすべり振動のうち基本波振動が第一金属層３２３ａで反射される量を低減させることができる。つまり、第一金属層３２３ａがないものとしてみなすことができる。また、励振電極部３２３の第二金属層３２３ｂの密度が水晶片３２１の密度と同じで、かつ、励振電極部３２３の第二金属層３２３ｂの音速が水晶片３２１の音速と近い値とすることで、第一金属層３２３ａと第二金属層３２３ｂとの境界において、第一金属層３２３ａを伝搬してきた水晶片３２１の厚みすべり振動のうち基本波振動が、第二金属層３２３ｂに反射する量を低減させることができ、第二金属層３２３ｂも水晶片３２１と一体的に振動させることが可能となる。この結果、励振電極部３２３も水晶片３２１と同様にみなすことができ、水晶素子３２０をメサ型の水晶片を用いた場合と同様にエネルギー閉じ込めすが可能となる。

引出部３２５および配線部３２４に用いられる金を励振電極部３２３の第二金属層３２３ｂに仮に用いた場合について説明する。金の密度は、１８．９〜１９．３×１０^３ｋｇ／ｍ^３となっており、金の音速は１２００ｍ／ｓとなっている。従って、励振電極部３２３の第二金属層３２３ｂが金から構成されている場合には、水晶片３２１と励振電極部３２３の第二金属層３２３ｂとの密度および音速が大きく異なっている。このため、水晶片３２１が厚みすべり振動うち基本波振動で振動する場合、水晶片３２１と金との音速が大きくことなるため、水晶片３２１で生じた厚みすべり振動のうち基本波振動が水晶片３２１と励振電極部３２３の第二金属層３２３ｂとの境界で反射される量が多くなり、反射された厚みすべり振動のうち基本波振動が水晶片３２１の振動へ影響（例えば、反射された振動が水晶片３２１の厚みすべり振動のうち基本波振動と結合され周波数が変動しやすくなる場合や、反射された振動が水晶片３２１の振動を阻害し等価直列抵抗値が大きくなる場合）が生じてしまう。また、密度が大きくことなることから、水晶片３２１と励振電極部３２３の第二金属層３２３ｂとで振動の仕方が大きくことなるため、一体的に振動させることができない。このため、水晶片３２１が厚みすべり振動うち基本波振動で振動する場合、水晶片３２１と銀との音速が大きくことなるため、水晶片３２１で生じた厚みすべり振動のうち基本波振動が水晶片３２１と励振電極部３２３の第二金属層３２３ｂとの境界で反射される量が多くなり、反射された厚みすべり振動のうち基本波振動が水晶片３２１の振動へ影響（例えば、反射された振動が水晶片３２１の振動と結合され周波数が変動しやすくなる場合や、反射された振動が厚みすべり振動のうち基本波振動を阻害し等価直列抵抗値が大きくなる場合）が生じてしまう。また、密度が大きくことなることから、水晶片３２１と励振電極部３２３の第二金属層３２３ｂとで振動の仕方が大きくことなるため、一体的に振動させることができない。つまり、第三実施形態では、水晶片３２１の音速および密度と近似した値の材料を、励振電極部３２３の第二金属層３２３ｂに用いることで、期待した効果を得ることができる。

また、励振電極部３２３を覆うように、絶縁層３２３ｃが設けられている。絶縁層３２３ｃは、例えば、酸化ケイ素が用いられる。絶縁層３２３ｃを設けることで、励振電極部３２３の第二金属層３２３ｂが、酸素と反応し酸化することを低減させることができる。この結果、水晶素子３２０の電気的特性の変化（例えば、酸化することによる周波数変動）を低減させることが可能となる。また、絶縁層３２３ｃの上下方向の厚みは、例えば、５０ｎｍ〜１００ｎｍとなっており、厚みすべり振動のうち基本振動へ影響を与えることが少ない膜厚となっている。

このような水晶素子３２０は、次のように製造される。また、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて、ウエハ状態で一部が連結されている水晶片３２１を形成する。次に、水晶片３２１が連結されている水晶ウエハに、第一金属層３２３ａと同じ金属からなる第一金属膜を設け、この第一金属膜上に第二金属層３２３ｂと同じ金属（アルミニウム）からなる第二金属膜を設け、さらに第二金属膜上に絶縁層と同じ材料からなる絶縁膜を設ける。フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて、絶縁層３２３ｃが設けられている励振電極部３２３、配線部３２４および引出部３２５となる部分を形成する。このようにフォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いることで、第二金属層３２３ｂが外部の空気と酸化または窒化し変質することを低減させることができる。

以上の通り、第三実施形態に係る水晶素子３２０は、平板状の水晶片３２１と、水晶片３２１の両主面に設けられている一対の励振電極部３２３と、励振電極部３２３から水晶片３２１の縁部まで延設され、励振電極部３２３より上下方向の厚みが薄い配線部３２４と、配線部３２４に接続され水晶片３２１の縁部に設けられている引出部３２５と、からなり、励振電極部３２３が第一金属層３２３ａと第一金属層上３２３ａに設けられている第二金属層３２３ｂとからなり、第二金属層３２３ｂがアルミニウムからなる。

このような構成にし、さらに、励振電極部３２３の第一金属層３２３ａの上下方向の厚みが５０ｎｍ〜１００ｎｍとすることで、励振電極部３２３の第一金属層３２３ａと水晶片３２１との境界において水晶片３２１の厚みすべり振動のうち基本波振動が第一金属層３２３ａで反射される量を低減させることができる。つまり、第一金属層３２３ａがないものとしてみなすことができる。また、励振電極部３２３の第二金属層３２３ｂの密度が水晶片３２１の密度と同じで、かつ、励振電極部３２３の第二金属層３２３ｂの音速が水晶片３２１の音速と近い値とすることで、第一金属層３２３ａと第二金属層３２３ｂとの境界において、第一金属層３２３ａを伝搬してきた水晶片３２１の厚みすべり振動のうち基本波振動が、第二金属層３２３ｂに反射する量を低減させることができ、第二金属層３２３ｂも水晶片３２１と一体的に振動させることが可能となる。この結果、励振電極部３２３も水晶片３２１と同様にみなすことができ、水晶素子３２０をメサ型の水晶片を用いた場合と同様にエネルギー閉じ込めすが可能となる。

また、第三実施形態に係る水晶素子３２０は、励振電極部３２３の第二金属層３２３ｂ上に絶縁膜３２３ｃが設けられている。励振電極部３２３の第二金属層３２３ｂが、酸素と反応し酸化することを低減させることができる。この結果、水晶素子３２０の電気的特性の変化（例えば、酸化することによる周波数変動）を低減させることが可能となる。

また、このような水晶素子３２０を用いた水晶デバイスに用いることによって、水晶素子３２０においてより振動エネルギーを閉じ込めることができ、さらには、不要振動の発生を低減させることができる。この結果、等価直列抵抗値が大きくなることを低減させることが可能となる。

本発明は、以上の実施形態に限定されず、種々の形態で実施されてよい。

水晶素子を有する水晶デバイスは、水晶振動子に限定されない。例えば、水晶素子に加えて。水晶素子に電圧を印加して発振信号を生成する集積回路素子（ＩＣ）を有する発振器であってもよい。また、例えば、水晶デバイスは、水晶素子の他に、サーミスタ等の他の電子素子を有するものであってもよい。また、水晶デバイスは、恒温槽付きのものであってもよい。水晶デバイスにおいて、水晶素子をパッケージングする素子搭載部材の構造は、適宜構成されてよい。例えば、パッケージは、上面および下面に凹部を有する断面Ｈ型のものであってもよい。

水晶素子の形状および寸法は、実施形態において例示したものに限定されず、適宜設定されてもよい。水晶片の形状、励振電極部の形状は、平面視して略矩形に限定されず、例えば、楕円形状であってもよい。

１１０・・・素子搭載部材
１１０ａ・・・基体
１１０ｂ・・・枠体
１１１・・・搭載パッド
１１２・・・外部端子
１２０、２２０、３２０・・・水晶素子
１２１、２２１、３２１・・・水晶片
１２２、２２２、３２２・・・金属パターン
１２３、２２３、３２３・・・励振電極部
２２３ａ、３２３ａ・・・第一金属層
２２３ｂ、３２３ｂ・・・第二金属層
３２３ｃ・・・絶縁層
１２４、２２４、３２４・・・配線部
１２５、２２５、３２５・・・引出部
１３０・・・蓋体
１４０・・・導電性接着材

Claims (7)

1. 平板状の水晶片と、
   前記水晶片の両主面に設けられている一対の励振電極部と、
   前記励振電極部から前記水晶片の縁部まで延設され、前記励振電極部より上下方向の厚みが薄い配線部と、
   前記配線部に接続され前記水晶片の縁部に設けられている引出部と、
   からなり、
   前記励振電極部が、前記水晶片の音速および密度と略同一の材料から構成されている
   ことを特徴とする水晶素子。
2. 請求項１に記載の水晶素子であって、
   前記励振電極部がアルミニウムから構成されている
   ことを特徴とする水晶素子。
3. 平板状の水晶片と、
   前記水晶片の両主面に設けられている一対の励振電極部と、
   前記励振電極部から前記水晶片の縁部まで延設され、前記励振電極部より上下方向の厚みが薄い配線部と、
   前記配線部に接続され前記水晶片の縁部に設けられている引出部と、
   からなり、
   前記励振電極部が第一金属層と前記第一金属層上に設けられている第二金属層とからなり、
   前記第一金属層がアルミニウムからなり、
   前記第二金属層が金、金を主成分とする金属、銀、銀を主成分とする金属のいずれか一つからなる
   ことを特徴とする水晶素子。
4. 請求項３に記載の水晶素子であって、
   前記引出部および前記配線部が、前記第二金属層と同一材料からなる
   ことを特徴とする水晶素子。
5. 平板状の水晶片と、
   前記水晶片の両主面に設けられている一対の励振電極部と、
   前記励振電極部から前記水晶片の縁部まで延設され、前記励振電極部より上下方向の厚みが薄い配線部と、
   前記配線部に接続され前記水晶片の縁部に設けられている引出部と、
   からなり、
   前記励振電極部が第一金属層と前記第一金属層上に設けられている第二金属層とからなり、
   前記第二金属層がアルミニウムからなる
   ことを特徴とする水晶素子。
6. 請求項５に記載の水晶素子であって、
   前記第二金属層上に絶縁膜が設けられている
   ことを特徴とする水晶素子。
7. 請求項１乃至請求項６に記載の水晶素子と、
   前記水晶素子が上面に実装されている素子搭載部材と、
   前記素子搭載部材と接合され前記水晶素子を気密封止する蓋体と、
   からなることを特徴とする水晶デバイス。

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