JP2023002019A - 振動デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】小型で、リーク検査を確実に行える振動デバイスを提供すること。【解決手段】振動デバイスは、第１面と前記第１面と表裏関係にある第２面とを有するベースと、前記第１面側に配置される振動素子と、前記振動素子を収容するように前記ベースに接合されるリッドと、前記第２面に配置され、電源電圧が供給される電源端子、およびグランド電圧が供給されるグランド端子と、前記第１面側に配置され、前記振動素子を収容する収容空間の気密状態を検出するセンサー素子と、前記振動素子に電気的に接続され、前記振動素子を発振させて発振信号を生成し、前記発振信号を出力する発振回路と、前記発振回路に駆動電圧を供給する電源回路と、前記電源端子の接続先を前記センサー素子または前記電源回路の何れか一方に選択的に切り換えるスイッチ回路とを含む。【選択図】図４

Description

本発明は、振動素子を備えた振動デバイスに関する。

従来、例えば、水晶振動片などの振動素子を容器に収納した振動デバイスにおいては、長期信頼性を確保するために、容器内を減圧環境で気密封止していた。このため、容器内の気密性検査は重要であり、様々な技術が提案されている。なお、気密性検査のことをリーク検査ともいう。

例えば、特許文献１には、圧電振動片と、圧電振動片を収納する容器と、容器内に設けられ、容器内の気密性を検出するセンサー部とを備え、センサー部の出力信号を外部へ出力する外部端子を容器底面に設けた振動デバイスの一種である圧電デバイスが記載されている。当該文献によれば、外部端子を２つ設けるとしている。

特開２０１８－１１１４０号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、振動デバイスが大型化してしまうという課題があった。詳しくは、特許文献１のように、センサーからの出力信号を外部へ出力する外部端子を専用に設けると、外部端子の数が増えてしまうため、その分底面の面積を大きくしなければならなかった。特に、近年の振動デバイスの小型化に伴い、底面への外部端子の追加は困難となっている。つまり、小型で、リーク検査を確実に行える振動デバイスが求められていた。

本願に係る振動デバイスは、第１面と前記第１面と表裏関係にある第２面とを有するベースと、前記第１面側に配置される振動素子と、前記振動素子を収容するように前記ベースに接合されるリッドと、前記第２面に配置され、電源電圧が供給される電源端子、およびグランド電圧が供給されるグランド端子と、前記第１面側に配置され、前記振動素子を収容する収容空間の気密状態を検出するセンサー素子と、前記振動素子に電気的に接続され、前記振動素子を発振させて発振信号を生成し、前記発振信号を出力する発振回路と、前記発振回路に駆動電圧を供給する電源回路と、前記電源端子の接続先を前記センサー素子または前記電源回路の何れか一方に選択的に切り換えるスイッチ回路と、を含む。

実施形態１に係る振動デバイスの断面図。 図１のｊ部の拡大図。 振動デバイスの平面図。 集積回路の回路ブロック図。 集積回路の各回路の平面レイアウト図。 実施形態２に係る集積回路の回路ブロック図。 振動デバイスの断面図。 実施形態３に係る振動デバイスの平面図。 振動デバイスの断面図。 実施形態４に係る振動デバイスの平面図。 振動デバイスの断面図。

実施形態１
＊＊＊振動デバイスの概要＊＊＊
図１は、本実施形態の振動デバイスの構成例を示す断面図である。
図１に示すように本実施形態の振動デバイス１は、ベース２と振動素子５と外部接続端子９１、９２を含む。また振動デバイス１は、リッド７や再配置配線層８を含むことができる。ベース２は、半導体基板２０を含み、半導体基板２０には貫通電極４０を含む複数の貫通電極が設けられている。
半導体基板２０は、第１面２１と、第１面２１と表裏関係にある第２面２２を有する。第１面２１は半導体基板２０の例えば上面であり、第２面２２は半導体基板２０の例えば下面である。

貫通電極４０は、半導体基板２０の第１面２１と第２面２２を貫通する電極である。
振動素子５は、半導体基板２０の第１面２１側に配置されている。例えば振動素子５は、半導体基板２０の第１面２１から所与の離間距離だけ離れた位置に配置されている。具体的には振動素子５は、半導体基板２０の第１面２１に対して、例えば導電性の接合部材６０を介して固定される。外部接続端子９１、９２は、半導体基板２０の第２面２２側に絶縁層８０等を介して設けられる。絶縁層８０は例えば再配置配線層８を構成する絶縁層である。

なお本実施形態で説明する各図には、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸を図示している。Ｘ軸の延在方向に沿った方向を「Ｘプラス方向」、「Ｘマイナス方向」と言う。同様に、Ｙ軸に沿った方向を「Ｙプラス方向」、「Ｙマイナス方向」、Ｚ軸に沿った方向を「Ｚプラス方向」、「Ｚマイナス方向」と言う。また各軸方向の矢印先端側を「プラス側」、基端側を「マイナス側」、Ｚプラス方向を「上」、Ｚマイナス方向を「下」とも言う。例えばＺ軸の延在方向は鉛直方向に沿い、ＸＹ平面は水平面に沿っている。図１はＹ軸方向からの断面視での振動デバイス１の断面図である。また半導体基板２０の第１面２１及び第２面２２は、ＸＹ平面に沿った面であり、Ｚ軸に直交する面である。なお「直交」は、９０°で交わっているものの他、９０°から若干傾いた角度で交わっている場合も含むものとする。

振動デバイス１は例えば発振器である。具体的には振動デバイス１は、シンプルパッケージ水晶発振器（ＳＰＸＯ）、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）、温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ）、恒温槽付き水晶発振器（ＯＣＸＯ）、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）発振器、電圧制御型ＳＡＷ発振器、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）発振器等の発振器である。ＭＥＭＳ発振器は、シリコン基板等の基板に圧電膜及び電極を配置したＭＥＭＳの振動素子により実現できる。但し振動デバイス１は、加速度センサー、角速度センサーのような慣性センサーや、傾斜センサーのような力センサー等であってもよい。

ベース２は、半導体基板２０により構成される。好適例では、半導体基板２０はシリコン基板である。但し半導体基板２０は、シリコン基板には限定されず、Ｇｅ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等の半導体基板であってもよい。

またベース２は、集積回路１０を含む。半導体回路である集積回路１０は、半導体基板２０の第２面２２に形成されている。集積回路１０は複数の回路素子により構成される。回路素子は、例えばトランジスターなどの能動素子や、或いはキャパシターや抵抗などの受動素子である。具体的には集積回路１０は、各回路ブロックが複数の回路素子を含む複数の回路ブロックにより構成される。また集積回路１０は、半導体基板２０に対して不純物をドーピングすることで形成される不純物領域である拡散領域と、金属層と絶縁層が積層された配線層とにより形成される。拡散領域により、集積回路１０の回路素子であるトランジスターのソース領域及びドレイン領域が形成され、配線領域により、回路素子間を接続する配線が形成される。

またベース２は、貫通電極４０を含む。貫通電極４０は、半導体基板２０の第１面２１と第２面２２を貫通する導電性材料により構成される。例えば半導体基板２０に対して貫通孔を形成し、この貫通孔を導電性材料で埋めることにより貫通電極４０が形成される。導電性材料は、銅などの金属であってもよいし、導電性のポリシリコンなどであってもよい。導電性のポリシリコンとは、例えばリン（Ｐ）、ボロン（Ｂ）、砒素（Ａｓ）等の不純物をドープして導電性を付与したポリシリコンのことを言う。導電性材料としてポリシリコンを用いると、集積回路１０の形成工程において加わる熱に対して十分な耐性を有する貫通電極４０の実現が可能になる。

貫通電極４０の第１面２１側の一端には、実装端子６３が設けられる。そして、実装端子６３上には、導電性の接合部材６０が配置され、振動素子５と電気的に接続される。また、貫通電極４０の第２面２２側の他端には、コンタクトパッド３６が設けられており、集積回路１０に電気的に接続される。なお、実装端子６３と対となる実装端子６４（図３）も、同様の構成となっている。このようにすることで、貫通電極４０を介して振動素子５と集積回路１０とを電気的に接続できるようになる。

リッド７は、蓋体であり、平面的には長方形のトレイ状の形状をなしており、断面的には図１に示すように、当該トレイ形状における凹形状を伏せた状態で周縁部がベース２に接合される。リッド７の材料は、好適例としてコバールを採用している。なお、コバールに限定するものではなく、４２アロイ、アルミ、銅、ジュラルミンなどの金属、またはそれらのいずれかを含む合金を用いても良い。リッド７は、接合部材７１を介してベース２に接合される。好適例では、接合部材７１として金を用いており、金を熱圧着してベース２とリッド７との間を接合している。なお、金に限定するものではなく、接合部材７１とベース２との間、および、接合部材７１とリッド７との間で拡散接合され、ベース２とリッド７との間の電気的導通が確保できる金属や、合金であれば良い。
そしてベース２とリッド７とにより、気密性を有する収容空間ＳＰが形成され、振動素子５は、この収容空間ＳＰ内に収容される。好適例において、収容空間ＳＰ内は減圧状態に気密封止される。なお、収容空間ＳＰ内が不活性ガス雰囲気で気密封止されることであっても良い。

＊＊＊センサー素子によるリーク検査の概要＊＊＊
半導体基板２０の第１面２１には、センサー素子３が設けられている。センサー素子３の上には、間隙を介して振動素子５が配置されている。センサー素子３は、振動素子５を収容する収容空間ＳＰ内の気密状態を検出するセンサー素子である。センサー素子３は、抵抗素子であり、酸化性の高い金属材料からなる配線から構成される。金属材料としては、ニクロム、チタン、タングステン、アルミなどが好適である。
センサー素子３の一端は、第１面２１に設けられた接続ランドである端子６５に電気的に接続している。端子６５は、貫通電極４６を介して第２面２２のコンタクトパッド８３と電気的に接続される。貫通電極４６は、貫通電極４０と同じビアホールであり、第１面２１と第２面２２との間との導通を取る。なお、貫通電極４７も同様である。
センサー素子３の他端は、端子６６に電気的に接続している。端子６６は、貫通電極４７を介して第２面２２のコンタクトパッド８４と電気的に接続される。

センサー素子３は、集積回路１０のスイッチ回路１５（図４）に接続しており、リーク検査時には、センサー素子３に検出電流が印加される。気密封止が不十分で、収容空間ＳＰ内に空気が浸入している場合、酸化性の高い材料からなるセンサー素子３は、電流により発熱し、酸素と反応して抵抗値が変化する。この抵抗値変化と相関性のある検出電流値を測定することにより、リーク検査を行うことができる。なお、詳細なリーク検査方法については、後述する。

再配置配線層８は、半導体基板２０の第２面２２側に設けられ、絶縁層８０と、再配置配線用の配線８２とを含む。絶縁層８０は例えばポリイミド等の樹脂層により実現され、配線８２は例えば銅箔などの金属配線により実現される。絶縁層８０は、振動デバイス１の実装の際の半田付けに耐えられる耐熱性を有する必要があり、ポリイミドを用いることが好適である。また配線８２の材料は、銅以外にも銀などの金属材料を用いてもよい。また再配置配線層８での配線層や端子の厚みは例えば５０μｍ程度である。
再配置配線層８を設けることで、集積回路１０に形成されるコンタクトパッド３８、３９と、外部接続端子９１、９２とを電気的に接続できるようになる。そして、振動デバイス１の外部接続端子９１、９２を、振動デバイス１が実装される回路基板等の端子や配線に接続する実装を行うことで、振動デバイス１を電子機器に組み込むことが可能になる。またこのような再配置配線層８を設けることで、集積回路１０の部分の機械的な保護や、振動デバイス１の実装の際の半田付け工程における熱から集積回路１０等を熱的に保護することが可能になる。

＊＊＊振動デバイスの詳細な構成＊＊＊
図２は、図１におけるｊ部の拡大図である。図３は、振動デバイスの一例における平面図である。まず、図３を用いて振動素子５の詳細について説明する。

振動素子５は、電気的な信号により機械的な振動を発生する素子である。例えば図３に示すように、振動素子５は、振動基板５０と、振動基板５０の表面に配置された電極と、を有する。振動基板５０は、厚みすべり振動モードを有し、本実施形態ではＡＴカット水晶基板から形成されている。ＡＴカット水晶基板は、三次の周波数温度特性を有しているため、優れた温度特性を有する振動素子５となる。
また電極は、振動基板５０の上面に配置された励振電極５２と、励振電極５２と対向して下面に配置された励振電極５３と、を有する。上面はＺプラス側の面であり、下面はＺマイナス側の面である。また電極は、振動基板５０の下面に配置された一対の端子５６、５７と、端子５６と励振電極５２とを電気的に接続する配線５４と、端子５７と励振電極５３とを電気的に接続する配線５５と、を有する。

なお、振動素子５の構成は、上述の構成に限定されない。例えば、振動素子５は、励振電極５２、５３に挟まれた振動領域がその周囲から突出したメサ型となっていても良いし、逆に、振動領域がその周囲から凹没した逆メサ型となっていてもよい。また、振動基板５０の周囲を研削するベベル加工や、上面および下面を凸曲面とするコンベックス加工が施されていても良い。また振動素子５は、厚みすべり振動モードで振動するものに限定されない。例えば振動素子５は、複数の振動腕が面内方向に屈曲振動する音叉型振動素子、複数の振動腕が面外方向に屈曲振動する音叉型振動素子、駆動振動する駆動腕及び検出振動する検出腕を備えて角速度を検出するジャイロセンサー素子、又は加速度を検出する検出部を備えた加速度センサー素子であっても良い。また振動基板５０は、ＡＴカット水晶基板から形成されたものに限定されず、ＡＴカット水晶基板以外の水晶基板、例えば、Ｘカット水晶基板、Ｙカット水晶基板、Ｚカット水晶基板、ＢＴカット水晶基板、ＳＣカット水晶基板、ＳＴカット水晶基板等から形成されていても良い。また、本実施形態では、振動基板５０が水晶で構成されているが、これに限定されず、例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、四ホウ酸リチウム、ニオブ酸カリウム、リン酸ガリウム等の圧電単結晶体により構成されていてもよいし、これら以外の圧電単結晶体で構成されていてもよい。また振動素子５は、圧電駆動型の振動素子に限らず、静電気力を用いた静電駆動型の振動素子であっても良い。

図２、図３に示すように、振動素子５は、半導体基板２０の第１面２１に設けられた実装端子６３，６４の上に配置された、接合部材６０，６１を介して、振動可能に実装される。図３に示すように例えばＹ軸の延在方向に沿って２つの接合部材６０，６１が設けられる。
図２、図３に示すように、貫通電極４０の一端は、実装端子６３、接合部材６０、振動素子５の端子５６、及び配線５４を介して、振動素子５の励振電極５２に電気的に接続される。同様に、貫通電極４０と対となる貫通電極４１の一端は、実装端子６４、接合部材６１、振動素子５の端子５７、及び配線５５を介して、振動素子５の励振電極５３に電気的に接続される。そして貫通電極４０，４１の他端は集積回路１０に電気的に接続される。これにより振動素子５と集積回路１０は貫通電極４０，４１を介して電気的に接続される。詳しくは、図２に示すように、貫通電極４０の他端は、コンタクトパッド３６を介して、集積回路１０の発振回路１１（図５）に電気的に接続される。貫通電極４１の他端も同様である。これにより振動素子５と発振回路１１とは、貫通電極４０，４１を介して電気的に接続される。

接合部材６０，６１は、導電性と接合性とを兼ね備えていれば、特に限定されず、例えば、金バンプ、銀バンプ、銅バンプ、はんだバンプ、樹脂コアバンプ等の各種の導電性のバンプにより実現できる。或いは、接合部材６０，６１として、ポリイミド系、エポキシ系、シリコーン系、アクリル系の各種接着剤に銀フィラー等の導電性フィラーを分散させた導電性接着剤等を用いても良い。接合部材６０，６１として導電性のバンプを用いれば、接合部材６０，６１からのガスの発生を抑制でき、収容空間ＳＰの環境変化、特に圧力の上昇を効果的に抑制することができる。一方、接合部材６０，６１として導電性接着剤を用いれば、接合部材６０，６１が導電性のバンプである場合に比べて柔らかくなり、振動素子５に応力が伝わりにくくなるという利点がある。

また、半導体基板２０は、貫通孔が形成された後に熱酸化されることで、半導体基板２０の第１面２１や貫通孔の内面に、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ₂）からなる絶縁膜である絶縁層４４が形成される。熱酸化により絶縁層４４を形成することにより、半導体基板２０の表面に緻密で均質な絶縁層４４を形成することができる。また絶縁層４４と半導体基板２０との線膨張係数差を小さくすることもできる。そのため、熱応力が生じにくくなり、優れた発振特性を有する振動デバイス１を実現できる。絶縁層４４の構成材料は、特に限定されず、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）により構成されていても良いし、樹脂で構成されていてもよい。また、絶縁層４４の形成方法としては、熱酸化に限定されず、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）によって形成しても良い。

そして貫通孔の絶縁層４４の内側に、銅又は導電性ポリシリコン等の導電性材料を充填することにより、貫通電極４０が形成される。即ち、貫通孔内を導電性材料で埋めることで貫通電極４０を形成する。なお、貫通電極４１、貫通電極４６，４７についても同様である。

＊＊＊センサー素子の平面態様＊＊＊
図３に示すように、センサー素子３は、振動デバイス１の略中央において、Ｘ軸の延在方向に沿って直線状に配置されている。センサー素子３の一端は、端子６５に接続し、貫通電極４６を介してコンタクトパッド８３（図２）に電気的に接続される。センサー素子３の他端は、端子６６に接続し、貫通電極４７を介してコンタクトパッド８４（図１）に電気的に接続される。そして、コンタクトパッド８３，８４は、集積回路１０に電気的に接続される。
また、図２に示すように、センサー素子３の一端と接続する貫通電極４６の内面にも、絶縁層４４が設けられている。センサー素子３の他端と接続する貫通電極４７も同様である。そして、貫通電極４６の上に設けられる端子６５、及び、端子６５に接続するセンサー素子３は、半導体基板２０の第１面２１に設けられた絶縁層４４の上に設けられている。同様に、貫通電極４７の上に設けられる端子６６も、絶縁層４４の上に設けられる。

なお、センサー素子３の形成位置は、振動デバイス１の略中央に限定するものではなく、ベース２の第１面２１における絶縁層４４の上であれば良く、例えば、外部接続端子９３と重なる角部であっても良い。また、センサー素子３を直線状に形成することに、限定するものではなく、センサーとして機能し得る長さや、幅であれば良く、例えば、ジグザグ配線、つづら折り配線や、渦巻き配線であっても良い。

図１に戻る。
また、前述したように、振動素子５は、複数の貫通電極のうち、２つの貫通電極４０，４１により集積回路１０に接続される。
そして、センサー素子３は、複数の貫通電極のうち前記２つの貫通電極４０，４１とは異なる他の貫通電極４６，４７を介して集積回路１０のスイッチ回路（図５）に電気的に接続される。

図２に示すように、集積回路１０は、例えばＮ型のトランジスター２３やＰ型のトランジスター２４により構成される。これらのトランジスター２３、２４は、半導体基板２０に形成された拡散領域であるソース領域及びドレイン領域と、ゲート電極と、ゲート酸化膜とにより構成される。トランジスター２３、２４は、ＬＯＣＯＳ（LOCal Oxidationof Silicon）と呼ばれる素子分離膜２５により素子分離される。また集積回路１０は、トランジスター２３、２４等の複数の回路素子間の接続配線を実現する配線層３０を含む。例えば、配線層３０は、金属層３１，３２、絶縁層３３，３４，３５を含む。金属層３１は、絶縁層３３と絶縁層３４の間に形成され、金属層３２は、絶縁層３４と絶縁層３５の間に形成される。これらの金属層３１，３２は例えばアルミニウムなどの金属により実現される。また最上層の絶縁層３５によりパシベーション膜が形成される。

金属層３１と金属層３２とは、ビアコンタクトと呼ばれるコンタクトにより電気的に接続され、金属層３１とトランジスター２３、２４のソース領域やドレイン領域はコンタクトにより電気的に接続される。そして、貫通電極４０の他端に電気的に接続されるコンタクトパッド３６は、下層の金属層３１により形成される。コンタクトパッド３７，８３，８４も同様である。また、外部接続端子９２に電気的に接続されるコンタクトパッド３９は、上層の金属層３２により形成される。
なお、配線層３０では、集積回路１０においてトランジスター２３、２４に近い側の層を下層とし、遠い側の層を上層としている。また、図２では、配線層３０が２層の金属層３１、３２を有する場合について示しているが、本実施形態はこれに限定されず、配線層３０は３層以上の金属層を有しても良い。この場合には、複数の金属層のうちの最下層の金属層によりコンタクトパッド３６，３７が形成され、最上層の金属層によりコンタクトパッド３９が形成される。また最上層の絶縁層によりパシベーション膜が形成される。

また再配置配線層８は、ポリイミド等の樹脂層により実現される絶縁層８０と、銅箔等により実現される配線８２を含む。そしてコンタクトパッド３９は、配線８２を介して外部接続端子９２に電気的に接続されている。
また図２では外部接続端子９２は、第１金属層１０５と第２金属層１０６を有する２層構造になっている。他の外部接続端子も同様である。ポリイミドの絶縁層８０側の第１金属層１０５としては、例えばポリイミドとの密着性を高めるためにチタンタングステン層が用いられる。第２金属層１０６としては、例えば外部の端子や配線との半田付け等が容易な銅又は金等の金属層が用いられる。

＊＊＊振動デバイスの回路ブロック構成＊＊＊
図４は、集積回路の回路ブロック構成図である。
次に、振動デバイス１における集積回路１０の回路ブロック構成について説明する。

集積回路１０は、発振回路１１、出力回路１２、制御回路１３、電源回路１４、スイッチ回路１５などから構成されている。前述の通り、これらの回路は、半導体基板２０の第２面２２に配置されている。
発振回路１１は、発振信号ＯＳＣを生成する発振回路であり、振動素子５が接続されている。詳しくは、実装端子６３，６４に、振動素子５が接続される。なお、実装端子６３，６４は、電気的には端子ＴＸＡ、端子ＴＸＢともいう。発振回路１１は、発振用の駆動回路と、キャパシターや抵抗などの受動素子により実現できる。駆動回路は、例えばＣＭＯＳのインバーター回路やバイポーラートランジスターにより実現できる。駆動回路は、発振回路１１のコア回路であり、駆動回路が、振動素子５を電圧駆動又は電流駆動することで、振動素子５を発振させる。

発振回路１１としては、例えばインバーター型、ピアース型、コルピッツ型、又はハートレー型などの種々のタイプの発振回路を用いることができる。また発振回路１１には、可変容量回路が設けられ、この可変容量回路の容量の調整により、発振周波数を調整できるようになっている。可変容量回路は、例えばバラクターなどの可変容量素子により実現できる。或いは可変容量回路を、キャパシターアレイと、キャパシターアレイに接続されるスイッチアレイとにより実現してもよい。例えば可変容量回路を、容量値がバイナリーに重み付けされた複数のキャパシターを有するキャパシターアレイと、各スイッチが、キャパシターアレイの各キャパシターと端子ＴＸＡ又は端子ＴＸＢとの間の接続のオン、オフを行う複数のスイッチを有するスイッチアレイとにより構成してもよい。なお本実施形態における接続は電気的な接続である。電気的な接続は、電気信号が伝達可能に接続されていることであり、電気信号による情報の伝達が可能となる接続である。電気的な接続は能動素子等を介した接続であっても良い。

出力回路１２は、出力バッファー回路であり、発振信号ＯＳＣに基づくクロック信号ＣＫを出力する。例えば出力回路１２は、発振信号ＯＳＣをバッファリングして、クロック信号ＣＫとして端子ＴＣＫに出力する。例えば出力回路１２は、シングルエンドのＣＭＯＳの信号形式でクロック信号ＣＫを出力する。例えば端子ＴＯＥからの出力イネーブル信号がアクティブである場合には、制御回路１３からのイネーブル信号がアクティブになって、出力回路１２は発振信号ＯＳＣをバッファリングしたクロック信号ＣＫを出力する。一方、出力イネーブル信号が非アクティブである場合には、出力回路１２は、クロック信号ＣＫを例えばローレベルなどの電圧レベルに設定する。これにより端子ＴＣＫの電圧レベルが固定電圧レベルに設定される。なお信号がアクティブとは、例えば正論理の場合にはハイレベルであり、負論理の場合にはローレベルである。また信号が非アクティブとは、例えば正論理の場合にはローレベルであり、負論理の場合にはハイレベルである。なお出力回路１２が、ＣＭＯＳ以外の信号形式でクロック信号ＣＫを出力するようにしてもよい。

制御回路１３は、ロジック回路を含む制御回路であり、種々の制御処理を行う。例えば制御回路１３は、集積回路１０の全体の制御を行ったり、集積回路１０の動作シーケンスの制御を行う。また制御回路１３は、発振回路１１の制御のための各種の処理を行ったり、電源回路１４の制御を行ってもよい。制御回路１３は、例えばゲートアレイ等の自動配置配線によるＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）の回路により実現できる。また、制御回路１３は、端子ＴＯＥからモード切替え信号が入力されると、図４に示すように、スイッチ回路１５をセンサー素子３側に切替える。

電源回路１４は、集積回路１０の各内部回路用の電源電圧を各内部回路に供給する電源回路である。電源回路１４には、端子ＶＤＤから電源電圧ＶＤＤが供給され、端子ＧＮＤからグランド電圧であるＧＮＤが供給される。
また、電源回路１４は、集積回路１０において用いられる基準電圧や基準電流などの生成を行っても良い。例えば電源回路１４はレギュレーターを有し、レギュレーターにより生成されたレギュレート電圧を、発振回路１１や出力回路１２、制御回路１３に供給する。この場合に電源回路１４は、発振回路１１に供給されるレギュレート電圧を生成するレギュレーターと、出力回路１２や制御回路１３に供給されるレギュレート電圧を生成するレギュレーターを有していても良い。

＊＊＊スイッチ回路の構成＊＊＊
スイッチ回路１５は、電源端子の接続先をセンサー素子３または電源回路１４の何れか一方に選択的に切り換えるスイッチ回路であり、２つのスイッチ１５ａ，１５ｂを備えている。スイッチ１５ａは、電源電圧ＶＤＤの入力端子である外部接続端子９２からの接続先を、センサー素子３の一端か、電源回路１４の入力端子かを切替える単極双投式の切替えスイッチである。スイッチ１５ｂは、グランド電圧ＧＮＤの入力端子である外部接続端子９３からの接続先を、センサー素子３の他端か、電源回路１４の入力端子かを切替える単極双投式の切替えスイッチである。

スイッチ１５ａ，１５ｂは連動しており、図４に示すように、センサー素子３側への切替えと、電源回路１４側への切替えとを、制御回路１３からの制御信号に従って実行する。換言すれば、スイッチ回路１５は、電源電圧ＶＤＤ側のスイッチ１５ａの切り換え状態に対応して、グランド電圧ＧＮＤ側のスイッチ１５ｂの接続先をセンサー素子３または電源回路１４の何れか一方に選択的に切り換え、スイッチ１５ａと同一の切換先に切り換える。なお、スイッチ回路１５は、初期状態において電源回路１４の入力端子側となっており、発振可能な状態となっている。

また、集積回路１０は、上記の構成に加えて、温度センサーを含む温度検出回路や、検出された温度に基づいて発振信号ＯＳＣの温度補償を行う温度補償回路、及び、温度補償処理方法や、各種データを記憶するメモリー回路などを、さらに備えても良い。

＊＊＊集積回路における各回路の平面配置＊＊＊
図５は、集積回路における各回路の平面レイアウト図であり、図３、図４に対応している。図５は、集積回路１０における各回路の平面配置の一例を示す平面図である。

図５に示すように、発振回路１１は、Ｘマイナス方向における２つのコンタクトパッド３６，３７の隣にレイアウトされる。前述の通り、コンタクトパッド３６は貫通電極４０と接続し、コンタクトパッド３７は貫通電極４１と接続している。発振回路１１と重なる振動デバイス１の下面には、Ｙプラス方向に外部接続端子９４が、Ｙマイナス方向に外部接続端子９２が、それぞれ設けられている。外部接続端子９４は、イネーブル信号、及び、モード切替え信号の入力端子である。外部接続端子９２は、電源電圧ＶＤＤの入力端子である。

出力回路１２は、Ｘプラス方向で、Ｙマイナス方向となる右下に配置されている。また、出力回路１２と重なる振動デバイス１の下面には、外部接続端子９１が設けられている。外部接続端子９１は、クロック信号ＣＫの出力端子である。
制御回路１３は、Ｘプラス方向で、Ｙプラス方向となる右上に配置されている。また、制御回路１３と重なる振動デバイス１の下面には、外部接続端子９３が設けられている。外部接続端子９３は、グランド電圧ＧＮＤの入力端子である。
電源回路１４は、Ｙプラス方向で、発振回路１１と制御回路１３との間に配置されている。なお、上記レイアウトに限定するものではなく、各回路が機能すれば良く、集積回路１０の領域内で適宜レイアウトを変更しても良い。

外部接続端子９１は、略長方形をなしており、その長辺は、略長方形の振動デバイス１と同じ向きとなっている。外部接続端子９２～９４も、同様である。
４つの外部接続端子９１～９４は、略長方形の振動デバイス１の４隅に対応して配置されている。座標軸の原点近くには、外部接続端子９２が配置されている。外部接続端子９２のＸプラス方向には外部接続端子９１が設けられ、Ｙプラス方向には外部接続端子９４が設けられている。外部接続端子９２の対角には、外部接続端子９３が設けられている。
振動デバイス１の底は、４つの外部接続端子９１～９４で略占められている。

＊＊＊スイッチ回路からセンサー素子への配線態様＊＊＊
図５に示すように、スイッチ回路１５とコンタクトパッド８３との間は、配線８５により電気的に接続されている。コンタクトパッド８３とセンサー素子３の一端との間は、貫通電極４６を介して電気的に接続されている。同様に、スイッチ回路１５とコンタクトパッド８４との間は、配線８６により電気的に接続されている。コンタクトパッド８４とセンサー素子３の他端との間は、貫通電極４７を介して電気的に接続されている。
ここで、センサー素子３の配線幅は、配線８５，８６の幅よりも細く設定されている。これは、検出精度を高めるためである。

＊＊＊リーク検査方法＊＊＊
ここでは、図４、図５を用いて、収容空間ＳＰ内のリーク検査方法について説明する。
まず、制御回路１３は、端子ＴＯＥである外部接続端子９４からモード切替え信号が入力されると、図４に示すように、スイッチ回路１５をセンサー素子３側に切替える。
これにより、外部接続端子９２，９３間に、センサー素子３が電気的に接続される。
この状態で、外部の検査装置から外部接続端子９２，９３間に、検出電流を印加してリーク検査を行う。気密封止が不十分で、収容空間ＳＰ内に空気が浸入している場合、酸化性の高い材料からなるセンサー素子３は、電流により発熱し、酸素と反応して抵抗値が変化する。この抵抗値変化と相関性のある検出電流値を測定することにより、リーク検査を行う。

なお、リーク検査の結果、問題がなかった場合は、外部接続端子９４からモード切替え（復帰）信号を入力することにより、スイッチ回路１５を電源回路１４側に切替えて、初期状態に戻すことができる。

以上述べた通り、本実施形態の振動デバイス１によれば、以下の効果を得ることができる。
振動デバイス１は、第１面２１と第１面２１と表裏関係にある第２面２２とを有するベース２と、第１面２１側に配置される振動素子５と、振動素子５を収容するようにベース２に接合されるリッド７と、第２面２２に配置され、電源電圧ＶＤＤが供給される外部接続端子９２、およびグランド電圧ＧＮＤが供給される外部接続端子９３と、第１面２１側に配置され、振動素子５を収容する収容空間ＳＰの気密状態を検出するセンサー素子３と、振動素子５に電気的に接続され、振動素子５を発振させて発振信号ＯＳＣを生成し、発振信号を出力する発振回路１１と、発振回路１１に駆動電圧を供給する電源回路１４と、電源端子としての外部接続端子９２の接続先をセンサー素子３または電源回路１４の何れか一方に選択的に切り換えるスイッチ回路１５と、を含んで構成される。

これによれば、リーク検査専用の外部接続端子を追加で設ける必要があった従来技術と異なり、外部接続端子の接続先をセンサー素子３または電源回路１４の何れか一方に選択的に切り換えるスイッチ回路を設けることで、振動デバイス１の大型化を抑えながら、リーク検査も行うことができる。
従って、小型で、リーク検査を確実に行える振動デバイス１を提供することができる。

また、振動デバイス１において、ベース２は、第１面２１と第２面２２とを有する半導体基板２０と、第１面２１と第２面２２との間を貫通する複数の貫通電極とを含み、発振回路１１およびスイッチ回路１５は、第２面２２に配置され、発振回路１１は、複数の貫通電極のうち２つの貫通電極４０，４１を介して振動素子５に電気的に接続され、センサー素子３は、複数の貫通電極のうち２つの貫通電極４０，４１とは異なる他の貫通電極４６，４７を介してスイッチ回路１５に電気的に接続される。

これによれば、振動デバイス１の底面を構成するベース２の第２面２２に、複数の回路を備えたコンパクトな発振器構造においても、振動デバイス１の大型化を抑えながら、リーク検査も行うことができる。

また、スイッチ回路１５は、さらにＧＮＤ端子である外部接続端子９３の接続先をセンサー素子３または電源回路１４の何れか一方に選択的に切り換え、外部接続端子９２の切り換え状態に対応して、外部接続端子９２と同一の切換先に切り換える。

これによれば、センサー素子３を電気的に切り離すことができるので、振動デバイス１の通常動作時において、センサー素子３や、配線のインピーダンスが発振特性に与える影響を抑制することができる。

また、センサー素子３は、抵抗素子である。

これによれば、リーク検査に用いることが可能なセンサー素子３を容易に形成することができる。センサー素子３に検出電流を印加することにより、電流により発熱し、酸素と反応して抵抗値が変化する。この抵抗値変化と相関性のある検出電流値を測定することにより、リーク検査を行うことができる。

また、センサー素子３は、ニクロム、チタン、タングステン、アルミのいずれかで形成される。

これらの材料は、酸化による電気抵抗変化が比較的大きいため、検出電流値の検出レンジが広がり、精度の高い検出が可能となる。

実施形態２
＊＊＊スイッチ回路の異なる態様＊＊＊
図６は、本実施形態に係る集積回路の回路ブロック構成図であり、図４に対応している。図７は、振動デバイスの断面図であり、図１に対応している。

実施形態１では、スイッチ回路１５は、スイッチ１５ａ，１５ｂを備える２回路構成として説明したが、センサー素子３に検出電流を印加可能な構成であれば良く、例えば、スイッチ１つの１回路構成であっても良い。以下、実施形態１と同じ構成部位には、同一の付番を付し、重複する説明は省略する。

図６に示すように、本実施形態の振動デバイス８１のスイッチ回路１６は、スイッチ１５ａのみの１回路構成となっている。センサー素子３の他端は、ＧＮＤ端子である外部接続端子９３に電気的に接続している。詳しくは、図７に示すように、センサー素子３の他端は、配線６７の一端に電気的に接続され、配線６７の他端は、接合部材７１に電気的に接続されている。換言すれば、センサー素子３は、スイッチ回路１６を介して電源電圧ＶＤＤが供給される第１端子としての外部接続端子９２と、ＧＮＤ電圧が供給される第２端子としての外部接続端子９３とを有する。なお、配線６７は、第１面２１における絶縁層４４（図２）の上に設けられる。これらの点以外は、実施形態１での説明と同様である。

この構成の場合、制御回路１３は、端子ＴＯＥである外部接続端子９４からモード切替え信号が入力されると、図６に示すように、スイッチ回路１６のスイッチ１５ａをセンサー素子３側に切替える。これにより、外部接続端子９２，９３間に、センサー素子３が電気的に接続される。なお、外部接続端子９３に変えて、外部に露出している半導体基板２０や、リッド７をＧＮＤ端子として用いても良い。
この構成であっても、実施形態１と同様にリーク検査を行うことができる。

以上述べた通り、本実施形態の振動デバイス８１によれば、実施形態１での効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
振動デバイス８１によれば、ベース２とリッド７とは接合部材７１を介して接合されており、センサー素子３は、スイッチ回路１６を介して電源電圧ＶＤＤが供給される第１端子としての外部接続端子９２と、ＧＮＤ電圧が供給される第２端子としての外部接続端子９３とを有し、外部接続端子９２は他の貫通電極４６に接続され、外部接続端子９３は接合部材７１に接続される。

これによれば、スイッチ１５ｂや、貫通電極４７を省略することができるため、構成がシンプルになり、振動デバイス８１をより小型化することができる。
従って、より小型で、リーク検査を確実に行える振動デバイス８１を提供することができる。

実施形態３
＊＊＊センサー素子の異なる配置態様－１＊＊＊
図８は、本実施形態に係るセンサー素子の配置態様を示す平面図であり、図３に対応している。図９は、振動デバイスの断面図であり、図１に対応している。

実施形態１では、センサー素子３は、ベース２の上に設けられるとして説明したが、この構成に限定するものではなく、収容空間ＳＰ内に設けられれば良く、例えば、リッドの裏側にセンサー素子３を設けることであっても良い。以下、実施形態１と同じ構成部位には、同一の付番を付し、重複する説明は省略する。

図９に示すように、本実施形態の振動デバイス１０１では、センサー素子３がリッド７７の裏側である第３面１２３に設けられている。そして、第３面１２３と表裏関係にある表面の第４面１２４には、第１検出端子１１２、および第２検出端子１２２が設けられている。換言すれば、リッド７７は、第３面側１２３に配置され、収容空間ＳＰの気密状態を検出するセンサー素子３と、第４面１２４に配置され、センサー素子３に電気的に接続される第１検出端子１１２、および第２検出端子１２２とを有している。

リッド７７の第３面１２３の表面には絶縁層１４４が設けられており、絶縁層１４４の上に、端子１１０、センサー素子３、端子１２０が形成されている。絶縁層１４４は、絶縁層４４と同様の絶縁膜である。端子１１０の上には、貫通電極１１１が設けられている。貫通電極１１１は、貫通電極４６と同様の貫通電極である。同様に、端子１２０の上には、貫通電極１２１が設けられている。
リッド７７の第４面１２４の表面には絶縁層１４５が設けられており、絶縁層１４５の上に、端子１１２が形成されている。センサー素子３の一端と第１検出端子１１２との間は、電気的に接続されている。センサー素子３の他端と第２検出端子１２２との間も、電気的に接続されている。

この振動デバイス１０１でリーク検査を行う際には、外部の検査装置からリッド７７の表面の第１検出端子１１２と、第２検出端子１２２との間に、検出電流を印加してリーク検査を行う。
この構成であっても、実施形態１と同様にリーク検査を行うことができる。

以上述べた通り、本実施形態の振動デバイス１０１によれば、実施形態１での効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
振動デバイス１０１は、第１面２１と、第１面２１と表裏関係にある第２面２２とを有するベース２と、第１面側２１に配置される振動素子５と、第３面１２３と、第３面１２３と表裏関係にある第４面１２４とを有し、振動素子５を収容するように第３面１２３がベース２に接合されているリッド７７と、第２面２２に配置され、電源電圧ＶＤＤが供給される外部接続端子９２、およびグランド電圧ＧＮＤが供給される外部接続端子９３と、振動素子５に電気的に接続され、振動素子５を発振させて発振信号ＯＳＣを生成し、発振信号を出力する発振回路１１と、発振回路１１に駆動電圧を供給する電源回路１４と、を含み、リッド７７は、第３面側１２３に配置され、収容空間ＳＰの気密状態を検出するセンサー素子３と、第４面１２４に配置され、センサー素子３に電気的に接続される第１検出端子１１２、および第２検出端子１２２とを有する。

これによれば、センサー素子３に検知電流を印加するための第１検出端子１１２、第２検出端子１２２を、既に複数の外部端子で占有されているベース２側ではなくリッド７７側に設けたので、振動デバイス１０１の大型化を抑えながら、リーク検査を行うことができる。さらに、スイッチ回路も省略できるので、コンパクトな構成とすることができる。
従って、小型で、リーク検査を確実に行える振動デバイス１０１を提供することができる。

実施形態４
＊＊＊センサー素子の異なる配置態様－２＊＊＊
図１０は、本実施形態に係るセンサー素子の配置態様を示す平面図であり、図８に対応している。図１１は、振動デバイスの断面図であり、図９に対応している。

実施形態３では、リッド７７の表面には、第１検出端子１１２と第２検出端子１２２との２つの検出用端子を設けるとして説明したが、センサー素子３に検出電流を印加可能な構成であれば良く、例えば、検出用端子は１つであっても良い。以下、実施形態１と同じ構成部位には、同一の付番を付し、重複する説明は省略する。

図１０に示すように、本実施形態の振動デバイス１０２では、リッド７７に設ける検出用端子は第１検出端子１１２の１つのみの構成となっている。つまり、第２検出端子１２２を省略した構成となっている。
図１１に示すように、センサー素子３の他端は、ＧＮＤ電位となっているリッド７７の側面と電気的に接続している。詳しくは、センサー素子３の他端は、配線１６７の一端に電気的に接続され、配線１６７の他端は、リッド７７の内壁の側面に電気的に接続されている。なお、配線１６７は、第３面１２３における絶縁層１４４の上に設けられる。これらの点以外は、実施形態３での説明と同様である。

この振動デバイス１０２でリーク検査を行う際には、外部の検査装置からリッド７７の表面の第１検出端子１１２と、ＧＮＤ電位の外部接続端子９３との間に、検出電流を印加してリーク検査を行う。なお、外部接続端子９３に代えて、外部に露出している半導体基板２０や、リッド７７をＧＮＤ端子として用いても良い。
この構成であっても、実施形態１と同様にリーク検査を行うことができる。

以上述べた通り、本実施形態の振動デバイス１０２によれば、実施形態３での効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
これによれば、第２検出端子１２２や、貫通電極１２１を省略することができるため、構成がシンプルになり、振動デバイス１０２をより小型化することができる。
従って、より小型で、リーク検査を確実に行える振動デバイス１０２を提供することができる。

１…振動デバイス、２…ベース、３…センサー素子、５…振動素子、７…リッド、８…再配置配線層、１０…集積回路、１１…発振回路、１２…出力回路、１３…制御回路、１４…電源回路、１５…スイッチ回路、１５ａ…スイッチ、１５ｂ…スイッチ、１６…スイッチ回路、２０…半導体基板、２１…第１面、２２…第２面、２３…トランジスター、２４…トランジスター、２５…素子分離膜、４０…貫通電極、４１…貫通電極、４４…絶縁層、４６…貫通電極、４７…貫通電極、５４…配線、５５…配線、５６…端子、５７…端子、６０…接合部材、６１…接合部材、６３…実装端子、６４…実装端子、６５…端子、６６…端子、６７…配線、７１…接合部材、７７…リッド、８０…絶縁層、８１…振動デバイス、８２…配線、８３…コンタクトパッド、８４…コンタクトパッド、８５…配線、８６…配線、９１…外部接続端子、９２…外部接続端子、９３…外部接続端子、９４…外部接続端子、１０１…振動デバイス、１０２…振動デバイス、１１０…端子、１１１…貫通電極、１１２…第１検出端子、１２０…端子、１２１…貫通電極、１２２…第２検出端子、１２３…第３面、１２４…第４面、１４４…絶縁層、１４５…絶縁層、１６７…配線。

Claims (7)

1. 第１面と前記第１面と表裏関係にある第２面とを有するベースと、
   前記第１面側に配置される振動素子と、
   前記振動素子を収容するように前記ベースに接合されるリッドと、
   前記第２面に配置され、電源電圧が供給される電源端子、およびグランド電圧が供給されるグランド端子と、
   前記第１面側に配置され、前記振動素子を収容する収容空間の気密状態を検出するセンサー素子と、
   前記振動素子に電気的に接続され、前記振動素子を発振させて発振信号を生成し、前記発振信号を出力する発振回路と、
   前記発振回路に駆動電圧を供給する電源回路と、
   前記電源端子の接続先を前記センサー素子または前記電源回路の何れか一方に選択的に切り換えるスイッチ回路と、
   を含む振動デバイス。
2. 前記ベースは、前記第１面と前記第２面とを有する半導体基板と、前記第１面と前記第２面との間を貫通する複数の貫通電極とを含み、
   前記発振回路および前記スイッチ回路は、前記第２面に配置され、
   前記発振回路は、前記複数の貫通電極のうち２つの貫通電極を介して前記振動素子に電気的に接続され、
   前記センサー素子は、前記複数の貫通電極のうち前記２つの貫通電極とは異なる他の貫通電極を介して前記スイッチ回路に電気的に接続される、
   請求項１に記載の振動デバイス。
3. 前記スイッチ回路は、さらに前記グランド端子の接続先を前記センサー素子または前記電源回路の何れか一方に選択的に切り換え、
   前記電源端子の切り換え状態に対応して、前記電源端子と同一の切換先に切り換える、
   請求項１または２に記載の振動デバイス。
4. 前記ベースと前記リッドとは接合部材を介して接合されており、
   前記センサー素子は、前記スイッチ回路を介して前記電源端子に接続される第１端子と、前記グランド電圧が供給される第２端子と、を有し、
   前記第１端子は、前記他の貫通電極に接続され、前記第２端子は前記接合部材に接続される、
   請求項２に記載の振動デバイス。
5. 第１面と前記第１面と表裏関係にある第２面とを有するベースと、
   前記第１面側に配置される振動素子と、
   第３面と前記第３面と表裏関係にある第４面とを有し、前記振動素子を収容するように前記第３面が前記ベースに接合されているリッドと、
   前記第２面に配置され、電源電圧が供給される電源端子、およびグランド電圧が供給されるグランド端子と、
   前記振動素子に電気的に接続され、前記振動素子を発振させて発振信号を生成し、前記発振信号を出力する発振回路と、
   前記発振回路に駆動電圧を供給する電源回路と、を含み、
   前記リッドは、
   前記第３面側に配置され、前記振動素子を収容する収容空間の気密状態を検出するセンサー素子と、
   前記第４面に配置され、前記センサー素子に電気的に接続される第１検出端子、および第２検出端子と、を有する、
   振動デバイス。
6. 前記センサー素子は、抵抗素子である、
   請求項１～５のいずれか一項に記載の振動デバイス。
7. 前記抵抗素子は、ニクロム、チタン、タングステン、アルミのいずれかで形成される、
   請求項６に記載の振動デバイス。

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