JP2892882B2 - 圧電振動子とその製造方法 - Google Patents

圧電振動子とその製造方法

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JP2892882B2 JP4095058A JP9505892A JP2892882B2 JP 2892882 B2 JP2892882 B2 JP 2892882B2 JP 4095058 A JP4095058 A JP 4095058A JP 9505892 A JP9505892 A JP 9505892A JP 2892882 B2 JP2892882 B2 JP 2892882B2
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  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、高周波特性に優れた圧
電振動子に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、移動体通信技術の進歩発展によ
り、通信機器の小型、高周波化が進んでいる。これらの
機器には、必ず発振器や高周波のフィルタが必要であ
り、またこれらの発振器や高周波フィルタに圧電振動子
が用いられている。
【0003】従来の圧電振動子、例えば水晶振動子は、
水晶基板を所定の形状に加工した後、その上下両面に電
極を形成し、その電極に交流電界を加えることによって
振動を励振している。移動体通信機器に使用するために
は、高周波で特性の良い水晶振動子が必要である。水晶
振動子の高周波特性として重要なのは、発振周波数と共
振のQ(損失の逆数に対応)である。水晶の厚み滑り振
動を用いた場合、発振周波数は、水晶振動子の厚みに反
比例する。従来、容易に得られるのは、基本モードで5
0MHzの以下の発振周波数、水晶振動子の厚みで40
ミクロン程度である。発振周波数を高めるためには、水
晶振動子の厚みを薄くしてやれば良い。たとえば5ミク
ロン程度の厚みにすると、400MHz程度での発振が
可能となる。しかし高周波になるに従い、共振のQが低
下する。これは一つには、高周波になるに従い電極で表
皮効果が生じ、電極損失が増すことによる。またもう一
つの原因は、振動部分が薄くなるにつれ、電極の重み
が、損失に効いてくることによる。したがって、単に研
磨などにより、水晶を薄く加工しても、発振周波数は高
くなるが、共振のQが低下するため、高周波における性
能の良好なものが得られない。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従来の圧電振動子の構
造では、高周波化のため、圧電振動子の厚みを薄くする
と、損失が増すため、共振のQが低下し、実質的に、5
00MHzを越えるような高周波で動作する特性の良好
な圧電振動子を得ることが困難であった。
【0005】
【課題を決するための手段】上記課題を解決するため、
本発明の圧電振動子は、圧電基板と、前記圧電基板の振
動部を除く一方の面に、界面に有機物を介さずに直接接
合することによって、固定された励振用電極保持部を有
し、前記圧電基板の振動部を、前記振動部の振動時に前
記圧電基板に直接触れないだけの空隙をあけて2つの励
振用電極で挟 み込み、前記励振用電極の両端が前記励振
用電極保持部で固定されていることを特徴とする。
【0006】
【作用】上記のような構成とすることにより、高周波に
おいても共振のQの優れた圧電振動子が得られる。
【0007】
【実施例】以下本発明の実施例の圧電振動子の構成とそ
の製造方法について、図面を参照しながら説明する。
【0008】 (実施例1) 本実施例の圧電振動子の構造の第1の例を図1に示す。
図において、1は水晶などの圧電基板、3は励振用浮き
電極、4は水晶基板1と励振用浮き電極3との間の空
隙、5はシリコンまたはガラスで形成した励振用浮き電
極保持部であり、圧電基板1の振動部を除く一方の面
に、界面に有機物を介さずに直接接合することによっ
て、固定されている。このような構造とすることによ
り、浮き電極3は、空隙4により、振動時にも水晶振動
子に直接接触せず、かつその部分に強電界が加わる構造
となっている。その結果、高周波でも共振のQの極めて
良い水晶振動子が得られた。例えば、各部分の寸法とし
て、励振用浮き電極3の厚みを、0.5ミクロン、空隙
4を、1ミクロンとした場合、共振周波数は約1GH
z、Qとして、約950が得られた。空隙4を設けなか
った場合のQは、約200であり、このような構造とす
ることにより、高周波の損失が大幅に改善された。
【0009】 (実施例2) 本実施例の圧電振動子の構造の第2の例を図2に示す。
図において、1から5までの構成要素の名称と機能は実
施例1と同様である。6は励振用浮き電極3の外側に形
成された補強層である。6の補強層があるため、高周波
特性は実施例1とほぼ同様でありながら、素子の落下や
振動などに対する信頼性を大幅に向上さ せることができ
た。補強層6には、ポリイミドの熱硬化膜や金などの金
属メッキ膜などを用いた。
【0010】 (実施例3) 本実施例の製造方法の例を示す。まず厚み40ミクロン
の水晶基板を用意し、シリコンウェーハの上に直接接合
した。水晶基板およびシリコンウェーハ表面を酸などで
極めて清浄にし、最後に純水洗浄し、水晶基板とシリコ
ンウェーハを重ね合わせ、そのまま300ー500度C
の空気中で加熱することにより、シリコンに水晶を直接
接合した状態が得られた。次にシリコン部分をCrでマ
スクし、水晶基板のみを2ミクロンまでエッチングによ
り薄板化した。次にシリコンウェーハの水晶が接合され
ていない側から、通常のホトリソグラフィー法とエッチ
ングにより、水晶直下部のシリコン部をエッチングによ
りくり抜き、水晶の裏面を露出させた。シリコンのエッ
チングは、弗酸ー硝酸混合液、水酸化カリウムなどによ
り容易に行えた。次に全体に感光性ポリイミドをスピン
コートし、ホトリソグラフィー技術により、水晶部を被
う形で、ポリイミド膜を形成した。次に真空蒸着法によ
り金を全面に蒸着し、通常のホトリソグラフィーおよび
エッチング法により、所定の励振電極形状になるように
加工した。この時ポリイミド膜の一部を露出するように
しておくことにより、ポリイミドの溶剤に浸すことによ
り、水晶部を被っていたポリイミド膜を除去した。これ
により水晶振動子部分では電極と水晶が直接接触するこ
となく、シリコン基板部で電極の保持された浮き電極構
造、すなわち、実施例1で示す構造の圧電振動子が得ら
れた。
【0011】 (実施例4) 本実施例の製造方法の他の例を示す。まず厚み40ミク
ロンの水晶基板を用意し、ガラス基板の上に直接接合し
た。直接接合の方法は、実施例3と同様である。この接
合基板を用いて、以下実施例3と同様の方法により、水
晶振動子の部分では電極と水晶が直接接触することな
く、ガラス基板部で電極の保持された浮き電極構造、す
なわち、実施例1で示す構造の圧電振動子が得られた。
ガラスのくり抜きエッチングは、弗酸系エッチング液に
より行った。
【0012】 (実施例5) 本実施例の製造方法の他の例を示す。実施例3と同様の
方法により、金で被った構造まで形成した後、ポリイミ
ドを、空隙形成用のアルミニウムが一部露出する部分を
残して塗布、その後ポリイミドを熱硬化させ、露出部か
ら湿式エッチングによりアルミニウムを除去することに
より、実施例2で示す浮き電極をポリイミドで補強され
た構造の圧電振動子が得られた。ポリイミドの膜厚は、
塗布する時の粘性を高めたり、また繰り返し塗布するこ
とにより、20ミクロンまでは容易に得られた。
【0013】 (実施例6) 本実施例の構造および製造方法の他の例を示す。図3に
おいて、3、4、5の各構成要素の機能と名称は、実施
例1と同様である。1’は、その周辺部よりも厚みの厚
い肉厚水晶振動部、1”は、肉厚水晶振動部よりも厚み
の薄い水晶振動部保持部である。このような構造とする
ことにより、水晶振動部で振動する波が周辺で急速に減
衰するため、やはりQの向上、スプリアスの低減などの
効果が得られた。製造方法は、実施例3の方法におい
て、水晶基板にホトリソグラフィーとエッチングによ
り、周辺部のみを薄くなるように加工することによって
得られた。薄い水晶振動部保持部の厚みは、肉厚水晶振
動部の厚みよりも10%以上薄くすれば効果が得られ
た。
【0014】実施例では、電極として金を用い、代表的
な膜厚として、0.5ミクロンとしたが、電極として
は、これ以外にも通常の金属、例えばチタン、白金、
銅、銀、タングステン、ニッケルなどを用いても同じよ
うに構成できるし、また空隙形成にアルミニウムを用い
ない場合には、アルミニウムも使用可能であった。また
電極の厚みは、真空蒸着時に制御することにより、0.
1ー5ミクロンの範囲で自在に制御できた。
【0015】励振用電極の上下の位置関係は、実施例1
でのみ示したが、いずれの実施例においてもほぼ同様な
構成とした。
【0016】空隙の厚みは、実施例で述べた如く、0.
1−5ミクロンの間で自在に制御できた。電界強度の関
係から空隙は狭いほど好ましいが、振動部の面積が大き
くなると、電極のたわみがでる場合もあり、ある程度空
隙を広くする必要があったが、実質的に用いる寸法で
は、最大5ミクロン程度で十分であった。
【0017】水晶基板の最初の厚みは、実施例では40
ミクロンを用いたが、もちろんこれに限定されるわけで
はなく、もっと厚くても、また取扱いに支障をきたさな
い範囲で、もっと薄くても良かった。また水晶振動子部
分の厚みとして、実施例では、2ミクロンの例を示した
が、さらに厚くても、薄くても同じような構造を形成す
ることができた。しかし、水晶振動子部分の厚みが5ミ
クロンを越えると、浮き電極にした効果が少なく、した
がって適当な水晶振動子部分の厚みは、5ミクロン以下
であった。
【0018】また本実施例では、空隙形成の例として、
有機材料の場合、感光性ポリイミドの例を、また無機材
料の場合、アルミニウムの例を示したが、基本的には、
水晶、電極、保持基板と異なる材料で、それらを溶解せ
ずに、それ自身が容易に溶解する溶剤、あるいはエッチ
ング液のあるものであれば良い。例えば通常のホトレジ
ストなどの有機材料、酸化珪素や窒化珪素などの酸化物
や窒化物、チタンやクロムなどの金属などでも可能であ
った。
【0019】また本実施例では、圧電基板の例として水
晶を示したが、空隙形成材料として適当な材料を用いれ
ば、いずれの圧電材料にたいしても、同様な構造と効果
を得ることができた。例えば空隙形成用材料として感光
性ポリイミドを用いた場合、ニオブ酸リチウム、タンタ
ル酸リチウム、酸化亜鉛、ほう酸リチウムでも同じよう
な構成と効果が得られた。
【0020】また本実施例では、保持基板として、シリ
コンおよびガラスの例を示したが、ホトリソグラフィー
やエッチングプロセスに耐え得る材料であれば同様の効
果の得られることは明かである。また保持基板と圧電基
板を直接接合する例を示したが、やはりホトリソグラフ
ィーとエッチングプロセスに耐え得る接着方法であれば
他の接着方法を用いても良い。
【0021】
【発明の効果】本発明は、以上説明したような構成と製
造方法から成るので、以下に記載されるような効果を示
す。
【0022】いずれの実施例においても、まず第1に、
圧電振動部分と励振用電極が直接接触しないだけの空隙
をあけて設けられているので、高周波になっても電極に
まつわる共振のQの低下が少なく、高周波共振特性が大
幅に向上した。
【0023】また実施例に示した、浮き電極補強層を
設けることにより、高周波共振特性を良好に保ったま
ま、振動や落下に対する信頼性を大幅に向上させること
ができた。
【0024】また実施例の構造にした場合、Qのより
一層の向上およびスプリアスの低減が見られた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例の構成図
【図2】本発明の第2の実施例の構成図
【図3】本発明の第3の実施例の構成図
【符号の説明】
1 水晶基板 3 励振用浮き電極 4 空隙 5 保持基板 6 補強層 1’ 肉厚水晶振動部 1” 厚みの薄い水晶振動部保持部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−41215(JP,A) 特開 昭61−63107(JP,A) 特開 昭61−218215(JP,A) 特開 昭60−189307(JP,A) 特公 昭46−25580(JP,B1)

Claims (18)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 圧電基板と、前記圧電基板の振動部を除
    く一方の面に、界面に有機物を介さずに直接接合するこ
    とによって、固定された励振用電極保持部を有し、前記
    圧電基板の振動部を、前記振動部の振動時に前記圧電基
    板に直接触れないだけの空隙をあけて2つの励振用電極
    で挟み込み、前記励振用電極の両端が前記励振用電極保
    持部で固定されていることを特徴とする圧電振動子。
  2. 【請求項2】 圧電振動子として水晶を用いたことを特
    徴とする請求項記載の圧電振動子。
  3. 【請求項3】 圧電振動子の厚みとして、5ミクロン以
    下であることを特徴とする請求項記載の圧電振動子。
  4. 【請求項4】 空隙として0.1から5ミクロンとした
    ことを特徴とする請求項記載の圧電振動子。
  5. 【請求項5】 励振用電極に機械的強度を向上させるた
    めの補強層を設けたことを特徴とする請求項記載の圧
    電振動子。
  6. 【請求項6】 電極保持部として、シリコンまたはガラ
    スを用いたことを特徴とする請求項記載の圧電振動
    子。
  7. 【請求項7】 振動部の厚みを周辺部よりも厚くするこ
    とにより、振動エネルギーを閉じこめたことを特徴とす
    る請求項記載の圧電振動子。
  8. 【請求項8】 圧電基板の振動部を除く一方の面に、界
    面に有機物を介さずに直接接合することによって、励
    用電極保持部を固定した後、前記圧電基板の振動部上
    を、前記圧電基板と異なる物質で被って被覆膜を形成
    し、前記保持部の少なくとも一部、および前記被覆膜上
    を、流体により前記被覆膜の溶解除去が可能な空隙を残
    して、前記被覆膜の物質と異なる物質からなる金属膜で
    被い、その後前記被覆膜を溶解除去することによって、
    前記圧電基板振動部を、前記振動部の振動時に前記圧
    電基板に直接触れないだけの空隙をあけて2つの励振用
    電極で挟み込み、前記励振用電極の両端を前記励振用電
    極保持部で固定するようにしたことを特徴とする圧電振
    動子の製造方法。
  9. 【請求項9】 圧電振動子として水晶を用いたことを特
    徴とする請求項記載の圧電振動子の製造方法。
  10. 【請求項10】 水晶振動子の厚みとして、5ミクロン
    以下であることを特徴とする請求項記載の圧電振動子
    の製造方法。
  11. 【請求項11】 空隙として0.1から5ミクロンとし
    たことを特徴とする請求項記載の圧電振動子の製造方
    法。
  12. 【請求項12】 被覆物質として有機材料を用いたこと
    を特徴とする請求項記載の圧電振動子の製造方法。
  13. 【請求項13】 被覆物質として、感光性ポリイミドを
    用いたことを特徴とする請求項記載の圧電振動子の製
    造方法。
  14. 【請求項14】 被覆物質として、アルミニウムを用い
    たことを特徴とする請求項記載の圧電振動子の製造方
    法。
  15. 【請求項15】 金属膜を形成した後、金属メッキによ
    り電極の機械的強度を向上させる補強層を備えたことを
    特徴とする請求項記載の圧電振動子の製造方法。
  16. 【請求項16】 金属膜を形成した後、その上に有機膜
    を形成、硬化させることにより電極の機械的強度を向上
    させる補強層を備えたことを特徴とする請求項記載の
    圧電振動子の製造方法。
  17. 【請求項17】 電極保持部として、シリコンまたはガ
    ラスを用いたことを特徴とする請求項記載の圧電振動
    子の製造方法。
  18. 【請求項18】 振動部の厚みを周辺部よりも厚くなる
    よう加工したことを特徴とする請求項記載の圧電振動
    子の製造方法。
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