JP2021013133A - Oscillator and sensor element - Google Patents

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雄二 大橋
Yuji Ohashi
雄二 大橋
吉川 彰
Akira Yoshikawa
彰 吉川
政也 面
Masaya Men
政也 面
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Abstract

To improve frequency-temperature characteristics over a wider temperature range without causing attenuation of piezoelectric vibrational energy.SOLUTION: The oscillator includes a first plate-shaped layer 101 made of piezoelectric material whose resonant frequency has a positive temperature coefficient, and a second plate-shaped layer 102 formed on top of the first layer 101 and made of piezoelectric material whose resonant frequency has a negative temperature coefficient. The oscillator further includes a first electrode 103 formed in contact with the bottom of the first layer 101, and a second electrode 104 formed in contact with the top of the second layer 102. The oscillator can be used as a sensor element, and an external force applied to at least one of the first and second electrodes 103 and 104 can be measured as a change in resonance frequency.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、圧電材料から構成された振動子およびセンサ素子に関する。 The present invention relates to an oscillator and a sensor element made of a piezoelectric material.

水晶振動子は、環境温度変化に対して比較的周波数変化が小さい振動子であり、現在、タイミング信号を発生するクロック源として様々な電子製品に用いられている。水晶は、結晶の切断角を選ぶことにより、各種用途に適した特性を得ることができる。例えば、ATカットは周波数温度特性が3次曲線となることから、様々な圧電振動子のうち最も温度安定性に優れているが、発見から90年近く経とうとしている中、このATカットを超える温度特性の新材料は発見されていない。このため、高精度の周波数安定性が必要な電子機器に向けては、一定温度に保たれた恒温槽内に振動子を保持し、環境温度の変化の影響を受けないようにした構造や、温度センサなどの温度情報を元に温度補償を行う回路を付加するなどの対応がなされている。 A crystal oscillator is an oscillator whose frequency changes relatively small with respect to changes in environmental temperature, and is currently used in various electronic products as a clock source for generating a timing signal. Quartz can obtain characteristics suitable for various uses by selecting the cutting angle of the crystal. For example, AT cut has the best temperature stability among various piezoelectric vibrators because the frequency temperature characteristic has a cubic curve, but it exceeds this AT cut as it is almost 90 years since its discovery. No new material with temperature characteristics has been found. For this reason, for electronic devices that require high-precision frequency stability, the structure is such that the oscillator is held in a constant temperature bath kept at a constant temperature so that it is not affected by changes in the environmental temperature. Measures have been taken such as adding a circuit that performs temperature compensation based on temperature information such as a temperature sensor.

一方、水晶振動子は、薄膜形成プロセスにおける膜厚センサとしても用いられる。水晶振動子の一方の主面に膜が付着すると質量負荷効果により共振周波数が変化する。この周波数変化を膜厚変化と関係づけ、膜厚センサとして、成膜装置などで用いられている。しかし、タイミングデバイス用水晶振動子と同様、周波数の温度変化が課題となっている。すなわち、膜厚による周波数変化に、温度による周波数変化が加わり、測定精度が劣化する問題がある。特に、センサ用途で一般的に用いられるBTカットなどでは、周波数温度特性が2次曲線となり、温度安定性に課題があった。 On the other hand, the crystal unit is also used as a film thickness sensor in the thin film forming process. When a film adheres to one main surface of the crystal unit, the resonance frequency changes due to the mass load effect. This frequency change is related to the film thickness change, and is used as a film thickness sensor in a film forming apparatus or the like. However, as with crystal oscillators for timing devices, temperature changes in frequency have become an issue. That is, there is a problem that the frequency change due to the temperature is added to the frequency change due to the film thickness, and the measurement accuracy is deteriorated. In particular, in the case of BT cut, which is generally used for sensor applications, the frequency temperature characteristic becomes a quadratic curve, and there is a problem in temperature stability.

ランガサイト型単結晶は水晶と比べ、電気機械結合係数が大きく、クリスタルインピーダンスが小さいなど、優れた特性を有するものの、周波数温度特性については水晶ATカットの特性を超えることはできていない。様々な元素置換を行っても、材料単体での温度特性改善を実現することは容易ではない。 Although the Langasite-type single crystal has excellent characteristics such as a large electromechanical coupling coefficient and a small crystal impedance as compared with quartz, the frequency and temperature characteristics cannot exceed the characteristics of quartz AT cut. Even if various element substitutions are performed, it is not easy to improve the temperature characteristics of the material alone.

また、圧電薄膜を用いた圧電薄膜振動子が知られている。これらの圧電薄膜振動子においても、温度特性の改善が課題であり、遅延時間温度係数の符号が圧電薄膜のそれと異なる膜を付加することで温度特性を改善できることが知られている。しかし、付加する膜は圧電性を有しないため、温度特性を改善するために付加する膜を厚くすると、圧電薄膜の振動エネルギーを減衰させる効果が顕著となるため、温度特性の改善には限界がある。 Further, a piezoelectric thin film oscillator using a piezoelectric thin film is known. Improving the temperature characteristics is also an issue for these piezoelectric thin film transducers, and it is known that the temperature characteristics can be improved by adding a film having a delay time temperature coefficient code different from that of the piezoelectric thin film. However, since the film to be added does not have piezoelectricity, if the film to be added is made thicker in order to improve the temperature characteristics, the effect of attenuating the vibration energy of the piezoelectric thin film becomes remarkable, so that there is a limit to the improvement of the temperature characteristics. is there.

上述したように、水晶は、センサ用途として魅力的な特性を有するものの、周波数温度特性に関しては必ずしも十分ではなく、実用化に対する障壁となっていた。また、ATカットを用いた圧電デバイスは、民生用品での使用温度範囲−20〜80℃では、十分な周波数温度安定性が得られるものの、車載用品での使用温度範囲−40〜120℃では、必ずしも十分ではない。特に、高精度な周波数安定が必要な携帯電話の基地局や測定器用途には、上述した従来の技術では、温度安定性が不十分である。 As described above, although quartz has attractive characteristics for sensor applications, it is not always sufficient in terms of frequency and temperature characteristics, and has been a barrier to practical use. Piezoelectric devices using AT cut can obtain sufficient frequency temperature stability in the operating temperature range of 20 to 80 ° C for consumer products, but in the operating temperature range of 40 to 120 ° C for in-vehicle products. Not always enough. In particular, for mobile phone base stations and measuring instrument applications that require highly accurate frequency stability, the above-mentioned conventional techniques are insufficient in temperature stability.

このため、一般には、温度補償用の電子回路等と組み合わせるなどして対応するなど、余分な回路を付加する必要があり、回路設計の手間やコストが高くなるなどのデメリットがあった。さらに、水晶を、200℃以上の高温での膜厚測定などのセンサ用途で使用する場合、ATカットの水晶では対応できず、BTカットなど異なるカットを用いており、その周波数温度特性は必ずしも十分良いものではなかった。また、圧電薄膜振動を用いた温度特性の改善技術では、付加する膜の増加が圧電振動エネルギーの減衰を招くという問題があった。 For this reason, in general, it is necessary to add an extra circuit, such as by combining it with an electronic circuit for temperature compensation, which has a demerit such that the labor and cost of circuit design are increased. Furthermore, when quartz is used for sensor applications such as film thickness measurement at a high temperature of 200 ° C or higher, AT-cut quartz cannot handle it, and different cuts such as BT-cut are used, and its frequency-temperature characteristics are not always sufficient. It wasn't good. Further, in the technique for improving the temperature characteristics using the piezoelectric thin film vibration, there is a problem that the increase of the added film causes the attenuation of the piezoelectric vibration energy.

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、圧電振動エネルギーの減衰を招くことなく、より広範な温度範囲にわたって周波数温度特性を向上させることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to improve frequency temperature characteristics over a wider temperature range without causing attenuation of piezoelectric vibration energy.

本発明に係る振動子は、圧電材料から構成された板状の第1層と、第1層の一の面上に形成され、圧電材料から構成された板状の第2層と、第1層の他の面上に接して形成された第1電極と、第2層の上に接して形成された第2電極とを備え、第1層と第2層とは、共振周波数の温度特性が異なる。 The vibrator according to the present invention has a plate-shaped first layer made of a piezoelectric material, a plate-shaped second layer formed on one surface of the first layer, and made of a piezoelectric material, and a first layer. It includes a first electrode formed in contact with another surface of the layer and a second electrode formed in contact with the second layer, and the first layer and the second layer have temperature characteristics of resonance frequency. Is different.

上記振動子の一構成例において、第1層は、共振周波数が正の温度係数を有する圧電材料から構成され、第2層は、共振周波数が負の温度係数を有する圧電材料から構成されている。 In one configuration example of the above oscillator, the first layer is composed of a piezoelectric material having a positive resonance frequency and a second layer is composed of a piezoelectric material having a negative resonance frequency. ..

上記振動子の一構成例において、第1層の厚さおよび共振周波数の温度係数、第2層の厚さおよび共振周波数の温度係数の各々は、設定された素子の共振周波数の温度特性に合わせて設定されている。 In one configuration example of the above vibrator, each of the temperature coefficient of the thickness of the first layer and the resonance frequency and the temperature coefficient of the thickness of the second layer and the temperature coefficient of the resonance frequency are adjusted to the temperature characteristics of the set resonance frequency of the element. Is set.

上記振動子の一構成例において、第1層と第2層との間に配置され、圧電材料から構成された第3層をさらに備える。 In one configuration example of the above oscillator, a third layer arranged between the first layer and the second layer and made of a piezoelectric material is further provided.

本発明に係るセンサ素子は、上述した振動子を用いたセンサ素子であり、第1電極および第2電極の少なくとも一方に加わる外力を、共振周波数の変化として測定する。 The sensor element according to the present invention is a sensor element using the above-mentioned oscillator, and measures an external force applied to at least one of the first electrode and the second electrode as a change in resonance frequency.

以上説明したことにより、本発明によれば、圧電振動エネルギーの減衰を招くことなく、より広範な温度範囲にわたって周波数温度特性が向上する。 As described above, according to the present invention, the frequency temperature characteristic is improved over a wider temperature range without causing the attenuation of the piezoelectric vibration energy.

図1は、本発明の実施の形態に係る振動子の構成を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of an oscillator according to an embodiment of the present invention. 図2は、CTGS単結晶に対する異なる2種類の伝搬方向(第1層は122°Y軸方向、第2層は171°Y軸方向)の横波音速の温度依存性を示す特性図である。FIG. 2 is a characteristic diagram showing the temperature dependence of the transverse wave sound velocity in two different propagation directions (the first layer is in the 122 ° Y-axis direction and the second layer is in the 171 ° Y-axis direction) with respect to the CTGS single crystal. 図3は、CTGS単結晶に対する異なる2種類の伝搬方向(第1層は122°Y軸方向、第2層は171°Y軸方向)の、各々結晶方位に対する線膨張率の温度特性を示す特性図である。FIG. 3 shows the temperature characteristics of the linear expansion coefficient with respect to the crystal orientation in two different propagation directions (the first layer is in the 122 ° Y-axis direction and the second layer is in the 171 ° Y-axis direction) with respect to the CTGS single crystal. It is a figure. 図4は、CTGS単結晶に対する異なる2種類の伝搬方向(第1層は122°Y軸方向、第2層は171°Y軸方向)の結晶方位を層の平面方向に持つ振動子の共振周波数の温度依存性を示す特性図である。FIG. 4 shows the resonance frequency of an oscillator having two different propagation directions (the first layer is the 122 ° Y-axis direction and the second layer is the 171 ° Y-axis direction) with respect to the CTGS single crystal in the plane direction of the layer. It is a characteristic diagram which shows the temperature dependence of. 図5は、CTGS単結晶に対する異なる2種類の伝搬方向(第1層は122°Y軸方向、第2層は171°Y軸方向)の第1層および第2層を貼り合わせて素子とし、2つの層の厚さ比率xを変化させた場合の共振周波数温度特性を示す特性図である。In FIG. 5, the first layer and the second layer in two different propagation directions (the first layer is in the 122 ° Y-axis direction and the second layer is in the 171 ° Y-axis direction) with respect to the CTGS single crystal are bonded together to form an element. It is a characteristic diagram which shows the resonance frequency temperature characteristic when the thickness ratio x of two layers is changed. 図6は、図5のx=0.2448の場合の、共振周波数の温度特性測定結果(実線)と、CTGS単層の場合で最小の温度特性となる主表面を有する振動子の共振周波数の温度特性測定結果(破線)とを示す特性図である。FIG. 6 shows the temperature characteristic measurement result (solid line) of the resonance frequency when x = 0.2448 in FIG. 5 and the resonance frequency of the oscillator having the main surface which is the minimum temperature characteristic in the case of the CTGS single layer. It is a characteristic diagram which shows the temperature characteristic measurement result (broken line). 図7Aは、CTGS単結晶の各方位に対する振動子の共振周波数温度特性に対して、二次曲線近似を行った際の一次の温度係数を示す特性図である。FIG. 7A is a characteristic diagram showing a first-order temperature coefficient when a quadratic curve approximation is performed with respect to the resonance frequency temperature characteristic of the vibrator for each direction of the CTGS single crystal. 図7Bは、CTGS単結晶の各方位に対する振動子の共振周波数温度特性に対して、二次曲線近似を行った際の二次の温度係数を示す特性図である。FIG. 7B is a characteristic diagram showing a quadratic temperature coefficient when a quadratic curve approximation is performed with respect to the resonance frequency temperature characteristic of the vibrator for each direction of the CTGS single crystal. 図8は、CTGS単結晶の各方位に対する横波の電気機械結合係数を示す特性図である。FIG. 8 is a characteristic diagram showing the electromechanical coupling coefficient of the transverse wave for each direction of the CTGS single crystal.

以下、本発明の実施の形態に係る振動子について図1を参照して説明する。この振動子は、圧電材料から構成された板状の第1層101と、第1層101の一の面上に形成され、圧電材料から構成された板状の第2層102とを備える。また、第1層101と第2層102とは、共振周波数の温度特性が異なるものとされている。例えば、第1層101は、共振周波数が正の温度係数を有する圧電材料から構成し、第2層102は、共振周波数が負の温度係数を有する圧電材料から構成することができる。第1層101,第2層102は、例えば、Ca3TaGa3Si214(以下CTGS)単結晶から構成することができる。また、第1層101,第2層102は、例えば、振動モードが厚みすべりの圧電材料から構成することができる。 Hereinafter, the oscillator according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. This vibrator includes a plate-shaped first layer 101 made of a piezoelectric material and a plate-shaped second layer 102 formed on one surface of the first layer 101 and made of a piezoelectric material. Further, the temperature characteristics of the resonance frequency are different between the first layer 101 and the second layer 102. For example, the first layer 101 may be composed of a piezoelectric material having a positive resonance frequency and a temperature coefficient, and the second layer 102 may be composed of a piezoelectric material having a negative resonance frequency. The first layer 101 and the second layer 102 can be composed of, for example, a Ca 3 TaGa 3 Si 2 O 14 (hereinafter referred to as CTGS) single crystal. Further, the first layer 101 and the second layer 102 can be made of, for example, a piezoelectric material having a thickness slip in the vibration mode.

また、この振動子は、第1層101の下(他面上)に接して形成された第1電極103と、第2層102の上に接して形成された第2電極104とを備える。第1電極103と第2電極104とは、例えば、互いに向かい合って配置されている。 Further, this oscillator includes a first electrode 103 formed in contact with the lower surface (on the other surface) of the first layer 101, and a second electrode 104 formed in contact with the second layer 102. The first electrode 103 and the second electrode 104 are arranged so as to face each other, for example.

さらに、第1層101と第2層102との間に、応力緩和などを目的に、後述する本発明の機能を阻害しない範囲で、非圧電材料の層などを挟むことも可能である。 Further, it is also possible to sandwich a layer of non-piezoelectric material between the first layer 101 and the second layer 102 for the purpose of stress relaxation and the like as long as the function of the present invention described later is not impaired.

この振動子は、センサ素子として用いることができる。このセンサ素子は、第1電極103および第2電極104の少なくとも一方に加わる外力を、共振周波数の変化として測定する。例えば、第1電極103に、所定の材料が堆積することによる質量変化が外力として加わると、素子の共振周波数の変化として計測でき、膜厚センサとして用いることができる。また、第1電極103に、圧力変化が外力として加わると、素子の共振周波数の変化として計測でき、圧力センサとして用いることができる。また、第1電極103に、歪みが外力として加わると、素子の共振周波数の変化として計測でき、歪みセンサとして用いることができる。 This oscillator can be used as a sensor element. This sensor element measures an external force applied to at least one of the first electrode 103 and the second electrode 104 as a change in resonance frequency. For example, when a mass change due to the deposition of a predetermined material is applied to the first electrode 103 as an external force, it can be measured as a change in the resonance frequency of the element and can be used as a film thickness sensor. Further, when a pressure change is applied to the first electrode 103 as an external force, it can be measured as a change in the resonance frequency of the element and can be used as a pressure sensor. Further, when strain is applied to the first electrode 103 as an external force, it can be measured as a change in the resonance frequency of the element and can be used as a strain sensor.

例えば、厚膜センサは、半導体などの成膜プロセスに用いられる。成膜装置内の成膜がされるウエハの近くに厚膜センサを設置し、膜厚の増加をモニタしながら膜厚を精密に制御するなどの用途に用いられる。この膜厚センサは、膜厚の変化を周波数の変化として捉えるが、成膜プロセスの進行に伴い、成膜装置内の温度変化を避けることができないため、膜厚の変化による周波数変化に加え、温度の変化による周波数変化が加わる。このため、この厚膜センサにおいては、温度変化による周波数変化量を限りなくゼロに近づけることが重要となる。 For example, a thick film sensor is used in a film forming process of a semiconductor or the like. It is used for applications such as installing a thick film sensor near the wafer on which film is formed in the film forming apparatus and precisely controlling the film thickness while monitoring the increase in film thickness. This film thickness sensor captures the change in film thickness as a change in frequency, but as the film formation process progresses, the temperature change in the film forming apparatus cannot be avoided, so in addition to the frequency change due to the change in film thickness, Frequency change due to temperature change is added. Therefore, in this thick film sensor, it is important to make the amount of frequency change due to temperature change as close to zero as possible.

第1層101の厚さおよび共振周波数の温度係数、第2層102の厚さおよび共振周波数の温度係数の各々は、設定された素子の共振周波数の温度特性に合わせて設定されている。第1層101と第2層102とを、各々の共振周波数の温度特性が異ならせ、かつ各々の厚さの比を適切に選択することで、素子全体の共振周波数の温度依存性を相殺し、素子全体の共振周波数の温度係数をゼロに近づけることができる。例えば、第1層101の共振周波数の温度係数、第2層102の共振周波数の温度係数が、各々正と負となるように選択し、また、各々の層の厚さの比率xを調節することで、素子全体の共振周波数の温度依存性を相殺し、素子全体の共振周波数の温度係数をゼロに近づけることができる。 Each of the temperature coefficient of the thickness and the resonance frequency of the first layer 101 and the temperature coefficient of the thickness and the resonance frequency of the second layer 102 are set according to the temperature characteristics of the resonance frequency of the set element. The temperature characteristics of the resonance frequencies of the first layer 101 and the second layer 102 are different from each other, and the temperature dependence of the resonance frequency of the entire element is canceled by appropriately selecting the ratio of the thicknesses of the first layer 101 and the second layer 102. , The temperature coefficient of the resonance frequency of the entire element can be brought close to zero. For example, the temperature coefficient of the resonance frequency of the first layer 101 and the temperature coefficient of the resonance frequency of the second layer 102 are selected to be positive and negative, respectively, and the ratio x of the thickness of each layer is adjusted. This makes it possible to cancel the temperature dependence of the resonance frequency of the entire element and bring the temperature coefficient of the resonance frequency of the entire element close to zero.

例えば、共振周波数が正の温度係数を有する圧電材料の第1板部材と、共振周波数が負の温度係数を有する圧電材料の第2板部材とを用意する。次に、公知の接合技術により第1板部材の貼り合わせ面と第2板部材の貼り合わせ面とを貼り合わせ、貼り合わせ基板を形成する。次に、貼り合わせ基板の第1板部材の電極形成面に、所定の金属材料を堆積して第1金属膜を形成する。また、貼り合わせ基板の第2板部材の電極形成面に、所定の金属材料を堆積して第2金属膜を形成する。次に、貼り合わせ基板を、所定の大きさに切り出すことで、実施の形態に係る振動子が得られる。得られた振動子をセンサ素子とする場合、第1電極103および第2電極104の各々に、共振周波数測定部などを備える計測機器を接続することで、膜厚測定器や、圧力測定器が構成できる。これらは、成膜装置やその他の装置に組み込んで使用することができる。 For example, a first plate member of a piezoelectric material having a positive temperature coefficient of resonance frequency and a second plate member of a piezoelectric material having a negative temperature coefficient of resonance frequency are prepared. Next, the bonded surface of the first plate member and the bonded surface of the second plate member are bonded to each other by a known joining technique to form a bonded substrate. Next, a predetermined metal material is deposited on the electrode forming surface of the first plate member of the bonded substrate to form the first metal film. Further, a predetermined metal material is deposited on the electrode forming surface of the second plate member of the bonded substrate to form the second metal film. Next, the vibrator according to the embodiment is obtained by cutting out the bonded substrate to a predetermined size. When the obtained vibrator is used as a sensor element, a film thickness measuring device or a pressure measuring device can be formed by connecting a measuring device having a resonance frequency measuring unit or the like to each of the first electrode 103 and the second electrode 104. Can be configured. These can be used by being incorporated into a film forming apparatus or other apparatus.

次に、実験の結果を用いてより詳細に説明する。以下では、圧電材料として、Ca3TaGa3Si214(以下CTGS)単結晶を取り上げて説明する。図2は、CTGS単結晶に対する異なる2種類の伝搬方向(第1層は122°Y軸方向、第2層は171°Y軸方向)の横波音速の温度依存性を示している。図2の(a)に示すように、第1層の結果は、一次の温度係数が正で、二次の温度係数が負(二次曲線が上に凸の形状)となっている。一方、図2の(b)に示すように、第2層の結果は逆に、一次の温度係数が負で、二次の温度係数が正(二次曲線が下に凸の形状)となっている。 Next, it will be described in more detail using the results of the experiment. In the following, a Ca 3 TaGa 3 Si 2 O 14 (hereinafter referred to as CTGS) single crystal will be described as a piezoelectric material. FIG. 2 shows the temperature dependence of the transverse wave sound velocity in two different propagation directions (the first layer is in the 122 ° Y-axis direction and the second layer is in the 171 ° Y-axis direction) with respect to the CTGS single crystal. As shown in FIG. 2A, the result of the first layer is that the first-order temperature coefficient is positive and the second-order temperature coefficient is negative (the quadratic curve is convex upward). On the other hand, as shown in FIG. 2B, the result of the second layer is conversely that the temperature coefficient of the first order is negative and the temperature coefficient of the second order is positive (the shape of the quadratic curve is convex downward). ing.

図3は、図2で取り上げた2種類の結晶方位に対する線膨張率の温度特性を示している。図3の(a)は、第1層の線膨張率の温度特性、(b)は、第2層の線膨張率の温度特性を示している。両者はわずかに勾配が異なっているものの、両者とも一次の温度係数が正となっている。 FIG. 3 shows the temperature characteristics of the coefficient of linear expansion for the two types of crystal orientations taken up in FIG. FIG. 3A shows the temperature characteristic of the coefficient of linear expansion of the first layer, and FIG. 3B shows the temperature characteristic of the coefficient of linear expansion of the second layer. Although the two have slightly different gradients, they both have a positive first-order temperature coefficient.

図4は、図2と図3で取り上げた2種類の結晶方位を層の平面方向に持つ振動子の共振周波数の温度依存性を示している。図4の(a)に示すように、第1層の結果は、一次の温度係数が正で、二次の温度係数が負となっている。一方、図4の(b)に示すように、第2層の結果は逆に、一次の温度係数が負で、二次の温度係数が正となっている。 FIG. 4 shows the temperature dependence of the resonance frequency of the oscillator having the two types of crystal orientations taken up in FIGS. 2 and 3 in the plane direction of the layer. As shown in FIG. 4A, the result of the first layer is that the primary temperature coefficient is positive and the secondary temperature coefficient is negative. On the other hand, as shown in FIG. 4B, the result of the second layer is conversely that the primary temperature coefficient is negative and the secondary temperature coefficient is positive.

図5は、図4で示した2種類の結晶方位の第1層および第2層を貼り合わせて素子とし、2つの層の厚さ比率xを変化させた場合の共振周波数温度特性を示している。なお、素子全体の厚さhに対し、第1層の厚さをhx、第2層の厚さをh(1−x)とする。x=0.2448の場合に、−50〜100℃の範囲で、素子の周波数変動が、最小の19ppmとなった。 FIG. 5 shows the resonance frequency temperature characteristics when the thickness ratio x of the two layers is changed by laminating the first layer and the second layer of the two types of crystal orientations shown in FIG. 4 to form an element. There is. The thickness of the first layer is hx and the thickness of the second layer is h (1-x) with respect to the thickness h of the entire element. In the case of x = 0.2448, the frequency fluctuation of the device was the minimum of 19 ppm in the range of −50 to 100 ° C.

図6は、図5のx=0.2448の場合の結果(実線)との比較で、CTGS単層の場合で最小の温度特性となる主表面を有する振動子の結果(破線)を示している。この温度範囲において、図6の(b)に示すように、単層では120ppmの周波数変動までしか小さくできなかった。一方、図6の(a)に示すように、実施の形態に係る素子の構造とすることで、約1/6の19ppmまで周波数変動を小さくすることができた。 FIG. 6 shows the result (broken line) of the oscillator having the main surface having the minimum temperature characteristic in the case of the CTGS single layer in comparison with the result (solid line) in the case of x = 0.2448 in FIG. There is. In this temperature range, as shown in FIG. 6 (b), the single layer could only reduce the frequency fluctuation to 120 ppm. On the other hand, as shown in FIG. 6A, by adopting the structure of the element according to the embodiment, the frequency fluctuation can be reduced to about 1/6 of 19 ppm.

図7Aは、CTGS単結晶の各方位に対する振動子の共振周波数温度特性に対して、二次曲線近似を行った際の一次の温度係数を示している。また、図7Bは、CTGS単結晶の各方位に対する振動子の共振周波数温度特性に対して、二次曲線近似を行った際の二次の温度係数を示している。図7A、図7Bに示すように、一次と二次の温度係数は結晶方位によって複雑に変化することがわかる。このため、一次と二次の温度係数の両方の特性が相殺できるように組み合わせることは難しく、図6の実線の結果が示すように、貼り合わせ構造にした場合でも完全にフラットな温度特性にすることは難しいことがわかる。これは、異なる材料で一次と二次の温度係数の両方の特性が相殺できる組み合わせを探索することで、完全にフラットな温度特性の振動子を開発することも可能である。 FIG. 7A shows the first-order temperature coefficient when the quadratic curve approximation is performed with respect to the resonance frequency temperature characteristic of the oscillator for each direction of the CTGS single crystal. Further, FIG. 7B shows the quadratic temperature coefficient when the quadratic curve approximation is performed with respect to the resonance frequency temperature characteristic of the oscillator for each direction of the CTGS single crystal. As shown in FIGS. 7A and 7B, it can be seen that the primary and secondary temperature coefficients change in a complicated manner depending on the crystal orientation. For this reason, it is difficult to combine the characteristics of both the primary and secondary temperature coefficients so that they can be offset, and as the result of the solid line in FIG. 6 shows, the temperature characteristics are completely flat even when the laminated structure is used. It turns out that things are difficult. It is also possible to develop oscillators with perfectly flat temperature characteristics by searching for combinations of different materials that can offset both the primary and secondary temperature coefficient characteristics.

図8は、CTGS単結晶の各方位に対する横波の電気機械結合係数を示している。よりエネルギー効率の良い振動子を作製するためには、より電気機械結合係数が大きい結晶方位の圧電材料を用いることが重要であり、前述で選択した2種類の層の主表面の結晶方位は、それぞれ1.67%、2.79%の結晶方位となっており、比較的大きな電気機械結合係数の圧電材料の組み合わせとなっている。 FIG. 8 shows the electromechanical coupling coefficient of the transverse wave for each direction of the CTGS single crystal. In order to produce a more energy-efficient transducer, it is important to use a piezoelectric material with a crystal orientation that has a larger electromechanical coupling coefficient, and the crystal orientations of the main surfaces of the two types of layers selected above are The crystal orientations are 1.67% and 2.79%, respectively, which is a combination of piezoelectric materials having a relatively large electromechanical coupling coefficient.

ところで、第1層101と第2層102との間に、圧電材料から構成された第3層をさらに備える構成とすることもできる。例えば、第1層101を、厚さ方向に2つの層に分割すれば、上述した3層構造となる。例えば、第2層102をCTGSの171°Y板から構成し、第1層101を分割した2つの層を、122°Y板と同等の共振周波数の温度特性となるように、選択した圧電材料から構成することができる。この場合、第1層101を分割した2つの層は、121°Y板と123°Y板を、厚さの比を0.5で貼り合わせた構成とすることができる。 By the way, a third layer made of a piezoelectric material may be further provided between the first layer 101 and the second layer 102. For example, if the first layer 101 is divided into two layers in the thickness direction, the above-mentioned three-layer structure is obtained. For example, a piezoelectric material selected so that the second layer 102 is composed of a CTGS 171 ° Y plate and the two layers obtained by dividing the first layer 101 have a temperature characteristic of a resonance frequency equivalent to that of the 122 ° Y plate. It can be configured from. In this case, the two layers obtained by dividing the first layer 101 can have a configuration in which a 121 ° Y plate and a 123 ° Y plate are bonded together at a thickness ratio of 0.5.

このように、第1層101を2つの層から構成して全体を3層とした振動子についても、図6の(a)に示す結果と同等の性能が結果が得られた。また、第1層101と第2層102との間に、各々が圧電材料から構成された複数の層をさらに備える構成とすることもできる。このように4層以上としても、上述と同様な方法で貼り合わせる基板を選択すれば、同様の性能が得られる振動子となる。 As described above, the same performance as the result shown in FIG. 6A was obtained for the vibrator in which the first layer 101 was composed of two layers and the whole was made into three layers. Further, a plurality of layers, each of which is made of a piezoelectric material, may be further provided between the first layer 101 and the second layer 102. As described above, even if the number of layers is four or more, if a substrate to be bonded is selected by the same method as described above, the oscillator can obtain the same performance.

以上に説明したように、本発明によれば、共振周波数が正の温度係数を有する圧電材料から構成された板状の第1層の上に、共振周波数が負の温度係数を有する圧電材料から構成された板状の第2層を接して形成したので、圧電振動エネルギーの減衰を招くことなく、より広範な温度範囲にわたって周波数温度特性を向上させることができる。 As described above, according to the present invention, from a piezoelectric material having a negative temperature coefficient of resonance frequency on a plate-shaped first layer composed of a piezoelectric material having a positive temperature coefficient of resonance frequency. Since the formed plate-shaped second layer is brought into contact with each other, the frequency temperature characteristic can be improved over a wider temperature range without causing the attenuation of the piezoelectric vibration energy.

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの材料での組み合わせ、あるいは異種材料での組み合わせが実施可能であることは明白である。 The present invention is not limited to the embodiments described above, and within the technical idea of the present invention, a person having ordinary knowledge in the art may combine many materials or dissimilar materials. It is clear that the combination in is feasible.

例えば、上述では、ランガサイト系単結晶のCTGSの場合を例示したが、これに限るものではなく、例えば、水晶やLiTaO3およびLiNbO3などの強誘電体単結晶を用いることもできる。また、第1層と第2層とは、同種材料の組み合わせに限らず、異種材料の組み合わせとすることもできる。また、組み合わせる材料の温度特性は、一方を正とし、他方を負とする組み合わせに限定されず、同じ正あるいは負の温度係数を有していても、温度係数の傾きや切片が異なる組み合わせとすることもできる。さらに、周波数温度特性を多項式近似した場合の次数(N次曲線:N=1の時は直線、N=2の時は2次曲線)が異なる構成とすることもできる。また、上記の次数が同じでも、極値となる温度が異なる組み合わせ、また、周波数温度変化量が異なるなど周波数温度特性の形状が異なる材料の組み合わせとすることもできる。 For example, in the above description, the case of CTGS of a Langasite-based single crystal has been illustrated, but the present invention is not limited to this, and for example, a crystal or a ferroelectric single crystal such as LiTaO 3 and LiNbO 3 can be used. Further, the first layer and the second layer are not limited to a combination of the same kind of materials, but may be a combination of different materials. Further, the temperature characteristics of the materials to be combined are not limited to the combination in which one is positive and the other is negative, and even if they have the same positive or negative temperature coefficient, the slope of the temperature coefficient and the intercept are different. You can also do it. Further, the degree (Nth-order curve: a straight line when N = 1 and a quadratic curve when N = 2) when the frequency-temperature characteristics are polynomial-approximated may be different. Further, even if the above-mentioned order is the same, it is possible to use a combination of materials having different extreme temperatures, or a combination of materials having different shapes of frequency temperature characteristics such as different amounts of frequency temperature changes.

また、貼り合わせる材料の膜厚は同一に限らず、各々が異なる状態とすることもできる。また、圧電材料の板部材の接合部に極薄の金属あるいは酸化物等異種材料が挟まれていてもよく、貼り合わせた板部材の表裏に酸化物などの異種薄膜が形成されていてもよい。さらに、素子の形状は、例えば平面視で矩形体である必要はなく、端部が面落とし(テーパーあるいは丸み加工)がされている形状とすることもできる。また、素子の形状は、凸レンズ形状=いわゆるコンベックス加工、凹レンズ加工がなされているものとすることもできる。なお、一方の主面のみコンベックス形状とすることもできる。 Further, the film thicknesses of the materials to be bonded are not limited to the same, and each can be in a different state. Further, a different material such as an ultrathin metal or an oxide may be sandwiched between the joints of the plate members of the piezoelectric material, and different thin films such as oxides may be formed on the front and back surfaces of the bonded plate members. .. Further, the shape of the element does not have to be a rectangular body in a plan view, for example, and the end portion may be surface-removed (tapered or rounded). Further, the shape of the element may be a convex lens shape = so-called convex processing or concave lens processing. It should be noted that only one main surface may have a convex shape.

また、貼り合わせる基板の面内方向の結晶方位を同方向あるいは別方向に適宜に調整することもできる。例えば、面内方向の結晶方位が各々異なる回転Y板同士を貼り合わせる場合、各々の回転Y板の貼り合わせ面の選択方法は、電界に対する振動変位の向き(粒子変位方向)が一致するように回転Y板の方位を合わせる(上述の実施例では+122°Y方向と+171°Y方向を一致させる)こともでき、あるいは一致させない組み合わせとすることもできる。 Further, the crystal orientation in the in-plane direction of the substrates to be bonded can be appropriately adjusted in the same direction or different directions. For example, when laminating rotating Y plates having different crystal orientations in the in-plane direction, the method of selecting the laminating surface of each rotating Y plate is such that the directions of vibration displacement (particle displacement direction) with respect to the electric field are the same. The orientations of the rotating Y plates can be matched (in the above embodiment, the + 122 ° Y direction and the + 171 ° Y direction are matched), or the combinations can be non-matched.

この理由について説明すると、基本モードか高次のモードかのうち効率よく共振する周波数帯が変わるだけで、温度特性は変わらないためであり、設計に合わせて選択の自由度がある。また、貼り合わせ面内方向において、各々の回転Y板のX軸方向を一致させることもでき、また、一致させない組み合わせとすることもできる。上述の実施の形態の場合、結晶のX軸方向を一致させた場合は、同一の材料のためX軸方向の線膨張係数が完全に一致するため、この方向の熱膨張による歪みの影響が無くなる効果がある。すなわち、各々の基板の上下面や貼り合わせ面内方位の相対関係を、所望とする共振周波数温度依存性に応じて適宜に変更することができる。 The reason for this is that the temperature characteristics do not change, only the frequency band that resonates efficiently changes between the basic mode and the higher-order mode, and there is a degree of freedom in selection according to the design. Further, the X-axis directions of the respective rotating Y plates can be matched in the in-plane direction of the bonding plane, or the combinations can be made not to match. In the case of the above-described embodiment, when the X-axis directions of the crystals are matched, the linear expansion coefficients in the X-axis direction are completely the same because of the same material, so that the influence of strain due to thermal expansion in this direction is eliminated. effective. That is, the relative relationship between the upper and lower surfaces of each substrate and the in-plane orientation of the bonded surface can be appropriately changed according to the desired resonance frequency temperature dependence.

さらに本発明は、センサ用途に限定されず、同様の圧電効果を用いるタイミングデバイス用振動子等にも応用可能であることは、当該業者において明白である。 Furthermore, it is clear to the person concerned that the present invention is not limited to sensor applications and can be applied to oscillators for timing devices and the like that use the same piezoelectric effect.

なお、本発明による振動子およびこの振動子を用いたセンサ素子は、圧電材料と電極のみから構成できる。温度特性の改善を目的に、従来の水晶振動子や圧電薄膜振動子の表面等に非圧電膜であるSiO2膜などの膜を付加する構造とは、大きく異なる。この従来の構造は、非圧電膜を温度補償膜として用いるため、振動エネルギーの損失が生じ、主たる特性である共振特性が劣化する。これに対して、本発明に係る振動子は、圧電材料による2層構造であり、電極により印加される交流電圧による電界によって圧電振動を行うことから、振動エネルギーの損失が殆ど生じない。特に、望ましい構成においては、圧電材料に圧電単結晶を用いており、結晶方位の選択範囲が広い点も有利である。 The oscillator according to the present invention and the sensor element using this oscillator can be composed only of a piezoelectric material and electrodes. It is significantly different from the structure in which a film such as a SiO 2 film, which is a non-piezoelectric film, is added to the surface of a conventional crystal oscillator or piezoelectric thin film oscillator for the purpose of improving temperature characteristics. In this conventional structure, since the non-piezoelectric film is used as the temperature compensation film, vibration energy is lost and the resonance characteristic, which is the main characteristic, is deteriorated. On the other hand, the vibrator according to the present invention has a two-layer structure made of a piezoelectric material and performs piezoelectric vibration by an electric field generated by an AC voltage applied by an electrode, so that almost no loss of vibration energy occurs. In particular, in a desirable configuration, a piezoelectric single crystal is used as the piezoelectric material, and it is also advantageous that the selection range of crystal orientation is wide.

101…第1層、102…第2層、103…第1電極、104…第2電極。 101 ... 1st layer, 102 ... 2nd layer, 103 ... 1st electrode, 104 ... 2nd electrode.

Claims (5)

圧電材料から構成された板状の第1層と、
前記第1層の一の面上に形成され、圧電材料から構成された板状の第2層と、
前記第1層の他の面上に接して形成された第1電極と、
前記第2層の上に接して形成された第2電極と
を備え、
前記第1層と前記第2層とは、共振周波数の温度特性が異なることを特徴とする振動子。
A plate-shaped first layer made of a piezoelectric material and
A plate-shaped second layer formed on one surface of the first layer and made of a piezoelectric material,
With the first electrode formed in contact with the other surface of the first layer,
A second electrode formed in contact with the second layer is provided.
An oscillator characterized in that the first layer and the second layer have different temperature characteristics of resonance frequencies.
請求項1記載の振動子において、
前記第1層は、共振周波数が正の温度係数を有する圧電材料から構成され、
前記第2層は、共振周波数が負の温度係数を有する圧電材料から構成されている
ことを特徴とする振動子。
In the oscillator according to claim 1,
The first layer is composed of a piezoelectric material whose resonance frequency has a positive temperature coefficient.
The second layer is a vibrator characterized in that the resonance frequency is made of a piezoelectric material having a negative temperature coefficient.
請求項1または2記載の振動子において、
前記第1層の厚さおよび共振周波数の温度係数、前記第2層の厚さおよび共振周波数の温度係数の各々は、設定された素子の共振周波数の温度特性に合わせて設定されていることを特徴とする振動子。
In the oscillator according to claim 1 or 2.
The temperature coefficient of the thickness of the first layer and the resonance frequency, and the temperature coefficient of the thickness of the second layer and the temperature coefficient of the resonance frequency are each set according to the temperature characteristics of the resonance frequency of the set element. Characterized oscillator.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の振動子において、
前記第1層と前記第2層との間に配置され、圧電材料から構成された第3層をさらに備えることを特徴とする振動子。
In the vibrator according to any one of claims 1 to 3,
An oscillator which is arranged between the first layer and the second layer and further includes a third layer made of a piezoelectric material.
請求項1〜4のいずれか1項に記載の振動子を用いたセンサ素子であって、
前記第1電極および前記第2電極の少なくとも一方に加わる外力を、共振周波数の変化として測定する
ことを特徴とするセンサ素子。
A sensor element using the vibrator according to any one of claims 1 to 4.
A sensor element characterized in that an external force applied to at least one of the first electrode and the second electrode is measured as a change in resonance frequency.
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