JP4513150B2

JP4513150B2 - 高周波圧電振動子

Info

Publication number: JP4513150B2
Application number: JP2000001433A
Authority: JP
Inventors: 修石井
Original assignee: Miyazaki Epson Corp
Current assignee: Miyazaki Epson Corp
Priority date: 2000-01-07
Filing date: 2000-01-07
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2020-01-07
Also published as: JP2001196890A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高周波圧電振動子に関し、特に圧電振動子の容量比（モーショナルキャパシタンスＣ１に対する静電容量Ｃ０の比）を改善し、スプリアスを抑圧した高周波圧電振動子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電振動子、特に水晶振動子はその周波数が高精度、高安定であるという優れた特性を有するため、携帯電話からパーソナルコンピュータまで広く使用されているが、近年、種々のデータ処理の高速化のため、従来より高周波の圧電振動子の需要が増大している。
図５（ａ）、（ｂ）は従来の高周波水晶振動子の構成を示す平面図と、そのQ−Qにおける断面図である。水晶基板11（以下、基板と称す）の一方の主面をフォトリソグラフィ手段とエッチング手段を用いて凹陥せしめて薄肉部（振動部）12を形成すると共に、平坦側の振動部12のほぼ中央部に電極13と、該電極13から基板11周縁部に延在するリード電極14と、該リード電極14の先端に電極パッド15とを配置する。さらに、基板１１の凹陥側には全面電極16を付着して高周波水晶振動子を構成する。
【０００３】
ＡＴカット水晶振動子の振動モードは厚みすべり振動であり、周知のように、厚みすべり振動モードの共振周波数は水晶基板の厚さに反比例するため、高周波化を図るには水晶基板の厚さを薄くする必要がある。しかし、ＡＴカット水晶基板を通常の平板で作成する場合、基板のマウント方法、基板の耐衝撃性等の機械的強度を考慮すると、基本波振動モードで約５５ＭＨｚ（厚さで約３０μｍ）が上限の周波数であると考えられる。
【０００４】
基本波周波数の上限を高くするために、図５に示すような超高周波ＡＴカット水晶振動子が実用化されており、該水晶振動子の製作手順を工程を追って簡単に説明する。はじめに、図６（ａ）に示すように、厚さ約８０μｍのポリッシュ加工を施したＡＴカット水晶基板21の両面に、例えば金（Au）の薄膜22を付着すると共にその上に重ねてレジスト膜23をそれぞれ塗布する。次に、マスクパターンを介して該レジスト膜23を露光し、剥離剤を用いて所定のレジスト膜23を剥離すると共に、露出した金の薄膜22をエッチング液中でエッチングして、図６（ｂ）に示すように水晶基板面の一部を露出させる。そして、該基板21を水晶のエッチング液の中に浸漬し、露出面21aを時間をかけてエッチングすると、図６（ｃ）に示すように、基板21の断面が台形状にエッチングされる。このとき凹陥部の厚さを所望の厚さ、例えば10μmまでエッチングして、超薄肉の振動部24とする。その後、レジスト膜23を剥離し、金の薄膜22をエッチングして除去し、基板21上に凹陥部がマトリクス状に並んだ基板が得られる。
以上のような工程を経て振動部24と該振動部24の周囲を支持する厚肉の環状囲繞部とを一体的に形成することができる。そのため、平坦側（表面）は当初の切断角度を維持したポリッシュ面であるが、他方の面（裏面）は中央部が凹陥状にエッチング加工された面となる。
そして、基板21に蒸着あるいはスパッタ等の手段を用いて金属の薄膜を付着し、フォトリソグラフィ技法とエッチング技法を用いて所望の電極を形成し、高周波水晶振動子を形成する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、基板形成にエッチング手段を用いた従来の高周波水晶振動子においては、水晶基板は、例えばエッチング加工前の厚さ80μmの表面状態を維持しながら板厚が所望の１０μmとなるまでエッチングされる。そのため板厚８０μmの基板にあってはさほど問題とならなかった平面度、平行度のみだれは、板厚が10μmとなったエッチング基板からみると相対的に極めて大きくなものとなる。現在のポリッシュ加工技術では20mm×20mm程度の基板では、基板内の平行度が0.5μm程度であり、振動領域内では0.025μm／mmとなる。この値を例えば100MHzの基板に換算すると0.15％程度の平行度となって、従来の10ＭＨｚ〜20MHz帯の基板に比べると、平行度のみだれは約１桁大きい値となり、これが振動子の等価定数、例えば容量比γ（＝Ｃ０／Ｃ１）、インダクタンスＬ１等をばらつかせ、振動子の歩留まりを著しく低下させるという問題があった。
本発明は上記問題を解決するためになされたものであって、容量比γ、インダクタンスＬ１等のバラツキを小さくし、共振周波数近傍のスプリアスを抑圧した高周波振動子を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明に係る高周波圧電振動子の請求項１記載の発明は、薄肉の圧電基板上に対向電極を設け、基本波振動モードで５５ＭＨｚ以上の周波数を供する高周波圧電振動子において、前記圧電基板は１０μｍ以上、３０μｍ以下の厚みのＡＴカット水晶基板であって、前記対向電極の一方は全面電極であり、前記対向電極の他方は２つの分割電極であり、これらの分割電極は分割電極３ａと分割電極３ｂとして示すと、前記分割電極３ａと前記全面電極との間の共振周波数と、前記分割電極３ｂと前記全面電極との間の共振周波数と、が実用上一致し、前記分割電極は導通手段によって互いに電気的に導通していることを特徴とする高周波圧電振動子である。
請求項２記載の発明は、前記圧電基板に主面の一方に凹陥部を形成した圧電基板を用いたことを特徴とする請求項１記載の高周波圧電振動子である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下本発明を図面に示した実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１（ａ）、（ｂ）は本発明に係る高周波振動子の構成を示す図であって、同（ａ）は平面図、同（ｂ）はＱ−Ｑにおける断面図である。圧電基板の一方の主面に凹陥部２を形成した基板１の平坦側にほぼ同じ大きさの電極３ａ、３ｂを間隙ｄをおいて併置すると共に、該電極３ａ、３ｂから基板１の端部に向けてそれぞれリード電極４ａ、４ｂを延在し、基板１の端部に設けた電極パッド５ａ、５ｂとそれぞれ接続する。一方、凹陥側には全面電極６を付着して高周波圧電振動子を構成する。尚、間隙ｄはできるだけ狭い方が望ましいが、フォトリソグラフィ技法を用いると10μm程度まで狭くできる。
そして、図１に示した圧電素子を後述するように周波数調整した上で、図２（ａ）に示すようにセラミックパッケージ７に収容すると共に、電極パッド５ａ、５ｂとパッケージ７の端子電極とをそれぞれボンデングワイヤ８、８で接続する。凹陥側の電極６はパッケージの他の端子電極（図示していない）と導電性接着剤を用いて接続する。
ここで、図２（ａ）に示すボンデングワイヤ９は電極３ａと３ｂとを短絡して単一の振動子とするためのものである。また、図２（ｂ）示す電極１０は電極３ａと３ｂとを接続して単一の振動子とすると共に、所望の周波数に調整するために付着した蒸着膜である。
【０００８】
本願発明者は高周波振動子の容量比γ、等価インダクタンスＬ１等のバラツキの原因が基板の平行度にあると想定して、高周波振動子のインダクタンスＬ１とその平行度との関係を調査した。図３は横軸を平行度（μm／mm）とし、縦軸をインダクタンスＬ１として、高周波振動子５０個の平行度とインダクタンスＬ１との関係をプロットしたものである。ここで図１（ａ）に示したような電極構成とすることにより、電極3aと裏面の電極6とで周波数ｆ１を、電極3bと裏面の電極6とで周波数ｆ２を測定し、その周波数差から基板の平行度（μm／mm）のズレを容易に換算できる。
図３より、従来のように電極３ａ、３ｂの呈するそれぞれの周波数を調整しない高周波振動子のインダクタンスＬ１の平均値は0.68mH、標準偏差0.11mHとなり、定数値のバラツキ（標準偏差／平均値）は約１６％であった。
なお、高周波振動子として用いる場合には電極パッド5a、5bは互いに電気的に短絡して用いる。
図３に示すように、平行度のズレが大きくなると、等価インダクタンスＬ１も大きくなる傾向を示している。所望とする高周波振動子の共振周波数を一定とすると、インダクタンスＬ１の増加と共に、等価モーショナルキャパシタンスＣ１が減少するので、容量比γ＝Ｃ０／Ｃ１は増大することになる。
容量比γの増大した高周波振動子を電圧制御型圧電発振器（VCXO）に用いた場合に、周波数可変範囲が狭くなるという欠点がある。
【０００９】
基板の平行度がズレた場合、振動子の等価定数にどのような影響を及ぼすかについて、有限要素法を用いてシミュレーションを行ったところ、振動変位の対称性がくずれることが判明した。即ち、図４（ａ）は基板、電極共に平行にした場合の変位分布αを計算により求めたものである。図４（ｂ）は基板の平行度がズレた場合の変位分布βであり、基板の薄い方へ変位の中心がシフトしていることが分かる。変位によって発生する電荷は、周知のように、変位分布に比例し、また、インダクタンスＬは発生した電荷を電極が如何に効率よく収集できるかによって決まるので、図４（ｂ）のように変位分布が中心よりシフトした場合には発生した電荷の収集効率が劣化し、インダクタンスＬが大きくなることがシミュレーションの結果から判明した。
【００１０】
本願発明者は変位分布を電極の中心に対してほぼ対称にする手段を想致した。即ち、電極3aと電極6とによって励振したときの共振周波数ｆ１と、電極3bと電極6とによって励振したときの共振周波数ｆ２とをほぼ同一にすれば、振動分布も電極の中心に対してほぼ対称に近づくと推論した。
そこで、図２と同様に電極3a、3bの大きさを0.18mm²とし、共振周波数ｆ１とｆ２を一致するように周波数調整した高周波振動子５０個について、インダクタンスＬ１を測定したところその平均値は0.51mH、標準偏差0.005mHとなり、定数値のバラツキ（標準偏差／平均値）は約1.1％となり、１桁改善されることが分かった。このように分割した両電極の周波数をほぼ同一の周波数とすることにより、インダクタンスＬ１が小さい値になる、即ち振動変位により生ずる電荷を効率よく収集できることが実験的にも確認できた。
また、振動変位分布が対称となることにより、斜対称モードの電荷が相殺されて励起されないようになることも確かめられた。
尚、実際には２つの共振周波数ｆ１とｆ２を測定し、両者の周波数が一致するように周波数の高い方の電極３ａもしくは３ｂに蒸着を施し、その後所望の共振周波数が得られるまで、両電極に蒸着を施すことにより周波数を調整する。このとき、電極３ａまたは３ｂと対向する電極６に蒸着を施してもよいし、先に所望の共振周波数に近づけてから両者の周波数を揃えるという手順でも構わない。
【００１１】
以上説明したように、高周波水晶振動子の製作工程を大幅に変えることなく、２つの共振周波数ｆ１とｆ２とを一致させる工程を追加するだけで、容量比γの増大を抑え、等価定数のバラツキの少なくした振動子を得ることができた。また、振動変位をほぼ対称にしたことにより、斜対称系のスプリアスも抑圧できるという効果も得られた。
【００１２】
以上では水晶を用いた高周波圧電振動子について説明したが、本発明はこれのみに限定することなく例えばランガサイト（La₃Ga₅SiO₁₄）あるいは四硼酸リチウム（Li₂B₄O₇）等の圧電材料を用いたものに適用できることは云うまでもない。
【００１３】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成したので、容量比γの増大を抑圧し、等価インダクタンスＬ１のバラツキを低減することができた。従って、本発明に係る高周波水晶振動子を電圧制御型発振器ＶＣＸＯに用いれば周波数の可変範囲が広がり、かつスプリアスによる周波数のジャンプ現象を低減することができるという優れた効果を表す。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る高周波圧電振動子を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【図２】（ａ）は本発明に係る高周波圧電振動素子をパッケージに収容し、ボンデングワイヤにて電気的接続をした平面図、（ｂ）両電極に周波数調整用電極を施した場合を示す。
【図３】平行度のズレとインダクタンスＬ１との関係を示す図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）は基板の平行度と変位分布との関係を示す図である。
【図５】従来の高周波振動子の構成を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【図６】（ａ）〜（ｄ）は凹陥型基板を工程順に示す図である。
【符号の説明】
１・・圧電基板
２・・凹陥部（振動部）
３ａ、３ｂ・・電極（平坦側）
４ａ、４ｂ・・リード電極
５ａ、５ｂ・・電極パッド
６・・電極（凹陥側）
７・・パッケージ
８、９・・ボンディングワイヤ
１０・・周波数調整用電極
α、β・・変位分布

Claims

薄肉の圧電基板上に対向電極を設け、基本波振動モードで５５ＭＨｚ以上の周波数を供する高周波圧電振動子において、
前記圧電基板は１０μｍ以上、３０μｍ以下の厚みのＡＴカット水晶基板であって、
前記対向電極の一方は全面電極であり、前記対向電極の他方は２つの分割電極であり、これらの分割電極は分割電極３ａと分割電極３ｂとして示すと、
前記分割電極３ａと前記全面電極との間の共振周波数と、前記分割電極３ｂと前記全面電極との間の共振周波数と、が実用上一致し、
前記分割電極は導通手段によって互いに電気的に導通していることを特徴とする高周波圧電振動子。
前記圧電基板に主面の一方に凹陥部を形成した圧電基板を用いたことを特徴とする請求項１記載の高周波圧電振動子。