JP5141203B2 - 圧電振動装置の共振周波数調整方法、および製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、基板との間に空隙を設けて圧電振動部を支持する構成の圧電振動装置の共振周波数調整方法、およびその製造方法に関するものである。

圧電振動装置は、分極された圧電体に電極対が形成されてなる圧電振動部を備え、圧電体振動部の圧電効果を利用して機械的振動と電気的振動とを変換する。圧電振動部の機械的振動には、その分極方向や電極対の位置などに応じた複数のモードが存在する。例えば、主面の輪郭が振動する拡がり振動モードや、長手方向に振動する長さ振動モードなどが存在し、それぞれのモードは、固有の共振周波数を有する。

このような圧電振動装置は、振動のノード点を一部除去することや、変位の大きいコーナー部を一部除去することや、変位の大きいコーナー部に合成樹脂やゴムにより重量を付加することで、共振周波数が変化することが知られている（特許文献１参照。）。
特開平７−２９７６６２号公報

従来の共振周波数調整方法では、加工位置や加工形状によっては周波数特性に悪影響が及ぶことがある。また、加工量に対する共振周波数変化の感度が高すぎ、共振周波数を精緻に設定することに不向きであった。

そこで、本発明は、周波数特性をほとんど劣化させることなく、共振周波数を精緻に設定できる圧電振動装置の共振周波数調整方法と、その製造方法とを提供することを目的とする。

この発明の圧電振動装置の共振周波数調整方法は、支持状態変更プロセスを行い、支持部による圧電振動部の支持状態を変更して圧電振動部の共振周波数を調整する。ここで、圧電振動部は、圧電層に電極対を設けて、拡がり振動モード、または長さ振動モードで振動するように構成したものである。支持部は、圧電振動部を基板との間に空隙を設けて支持するものである。このように、圧電振動部ではなく支持部に対して形状の変更などを加えて圧電振動部の支持状態を変更することで、圧電振動部の周波数特性に与える影響を抑制しながら、圧電振動部の振動に基づく共振周波数を調整できる。

支持状態変更プロセスは、支持部の一部を取り除くことで支持部による圧電振動部の支持状態を変更するプロセスであってもよく、支持部に補強材を付与することで支持部による圧電振動部の支持状態を変更するプロセスであってもよい。支持部の一部を取り除くことで共振周波数を低下させることができ、補強材を付与することで共振周波数を上昇させることができる。

支持状態変更プロセスの前に、振動部変更プロセスを実施してもよい。これにより、振動部変更プロセスで圧電振動部の共振周波数を粗調整し、支持状態変更プロセスで圧電振動部の共振周波数を精緻に微調整できる。振動部変更プロセスは、圧電振動部の一部を取り除くプロセスであってもよく、圧電振動部に付加材を付与するプロセスであってもよい。

この発明の圧電振動装置の製造方法は、圧電振動装置の主要部を形成するプロセスと、支持部による圧電振動部の支持状態を調整するための調整層を支持部に付設するプロセスと、圧電振動装置の共振周波数を測定するプロセスと、調整層に支持状態変更プロセスを施す上述の圧電振動装置の共振周波数調整方法と、を順に行ってもよい。

この発明によれば、支持部による圧電振動部の支持状態を変更することで、周波数特性をほとんど劣化させることなく、圧電振動部の共振周波数を精緻に設定できる。

まず、本発明により共振周波数が調整された実施形態の圧電振動装置を説明する。

図１は圧電振動装置１０１の主要部の斜視図である。

圧電振動装置１０１は、基板１１と構造体１００とを備える。構造体１００は、振動部２０と支持部２４Ａと支持部２４Ｂとを備える。支持部２４Ａと支持部２４Ｂとは、振動部２０の両端を支持する。なお、ここで示した構造体１００は一例であり、必ずしも両端を支持する構成でなくてもよい。

振動部２０は、矩形状の平板であり、圧電体層と励振電極層とを含む多層構造となっている。励振電極層に交番電圧が印加されることで、圧電体層は拡がり振動モードまたは長さ振動モードで共振する。振動部２０の上面は、周波数調整のために全体が特定の深さで削除されている。この振動部２０の上面の加工によって、圧電振動装置１０１の共振周波数は粗調整されている。なお、ここで示した振動部２０は一例であり、振動部２０の上面の加工は必ずしも施されていなくてもよい。

支持部２４Ａ，２４Ｂはブリッジ２２Ａ，２２Ｂとアーチ２３Ａ，２３Ｂとから構成される。アーチ２３Ａ，２３Ｂは、上に凸な弓形状（アーチ形状）に撓んだ部材であり、その両端Ｐ，Ｐで基板１１に保持されている。アーチ２３Ａ，２３Ｂが振動部２０と基板１１との間のクリアランスを約５μｍ程度に維持する。ブリッジ２２Ａ，２２Ｂはアーチ２３Ａ，２３Ｂの頂点または頂点近傍から基板１１と平行に、且つ、アーチ２３Ａ，２３Ｂの延設方向に略垂直に延びている。ブリッジ２２Ａ，２２Ｂはアーチ２３Ａ，２３Ｂと振動部２０との間に架設されている。なお、ここで示した支持部２４Ａ，２４Ｂの構成は一例であり、支持部はアーチ状以外の構成であってもよい。

ブリッジ２２Ａ，２２Ｂおよびアーチ２３Ａ，２３Ｂの上面は、周波数調整のために全体が特定の深さで削除されている。この上面の加工によって、圧電振動装置１０１の共振周波数は微調整されている。具体的には、圧電振動装置１０１の共振周波数が低下するように微調整されたものになっている。なお、ここで示した支持部２４Ａ，２４Ｂの加工は一例であり、例えば、支持部２４Ａ，２４Ｂの上面全体ではなく、部分領域のみを削除する構成であってもよい。

図２は圧電振動装置１０１の断面図である。

振動部２０は、基板１１側から順に、ＳｉＯ_２層１２、励振電極であるＰｔ層１３、圧電体層であるＡｌＮ層１４、励振電極であるＰｔ層１５、ＡｌＮ層１６、調整層であるＳｉＯ_２層１７が積層された多層構造で構成される。支持部２４Ａは、振動部２０の多層構造からＰｔ層１３とＡｌＮ層１６とを除いた構造である。支持部２４Ｂは、振動部２０の多層構造からＰｔ層１５とＡｌＮ層１６とを除いた構造である。Ｐｔ層１５は支持部２４Ａ側から、引出電極として基板１１上に引き出される。Ｐｔ層１３は支持部２４Ｂ側から引出電極として基板１１上に引き出される。ＳｉＯ_２層１７は、振動部２０と支持部２４Ａ，２４Ｂとで、それぞれ特定の深さで削除されている。なお、基板１１は、抵抗率の高い材料の基材、例えば、ガラス基板、高抵抗Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板などであり、図示を省いているが、その上に、アーチ２３Ａ，２３Ｂと同様の多層構造が形成されている。なお、ここで示した構造体の多層構造は一例であり、上記した以外の多層構造を採用してもよく、また支持部については多層構造を採用しなくてもよい。

本発明の共振周波数調整方法の実施により、このような構成の圧電振動装置１０１が構成される。

振動部２０は支持部２４Ａ，２４Ｂによって両持ち梁構造で支えられ、支持部２４Ａ，２４Ｂは、周波数調整のためにそれぞれ同じ深さだけ削除されている。したがって、構造体１００の形状の対称性が高く保たれ、振動部２０の線対称または点対称の振動モードに悪影響が及ぶことがない。

なお、上記した構成は一例であり、本発明の実施により周波数調整された圧電振動装置は多様な構成となる。

例えば、振動部２０の加工は、振動部２０のコーナー部に合成樹脂やゴムなどの付加材により重量が付加するものであったり、コーナー部やノード部を部分的に削除するものであってもよい。また、支持部２４Ａ，２４Ｂの加工は、共振周波数の上げ調整のために、支持部２４Ａ，２４Ｂに合成樹脂やゴムなどの補強材により重量を付加するものであってもよい。

図３は、本発明の共振周波数調整方法を採用した圧電振動装置の製造工程のフローを示す図である。

ステップＳ１では、構造体形成プロセスが実施され、後に分割されて複数の基板１１となるウェハ上に、複数の構造体１００が形成される。

図４（Ａ）は、同プロセスでの犠牲層４０の除去前の基板１１を上面視した図であり、同図（Ｂ）は犠牲層４０の除去前のアーチ２３Ａの断面図であり、同図（Ｃ）は犠牲層４０の除去後のアーチ２３Ａの断面図である。ここでは説明を簡易にするために、ひとつの基板１１のみを図示している。

構造体１００の形成プロセスでは、まず、基板１１上に所定パターンの犠牲層４０が成膜される。犠牲層の材料としては、Ｇｅ、Ｓｂ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕなどの金属やＳｉやＳｉＯ_２やＺｎＯやリン酸シリケートガラス（ＰＳＧ）や有機性ポリマーを用いることができる。そして、犠牲層４０上と基板１１上に、スパッタ法、ＣＶＤ法、電子ビーム蒸着法などを用いた成膜プロセスにより構造体１００の各層が形成される。犠牲層４０上には、構造体１００のうち、振動部２０、ブリッジ２２Ａ，２２Ｂ、およびアーチ２３Ａ，２３Ｂの中央領域が形成される。基板１１上には、構造体１００のうち、アーチ２３Ａ，２３Ｂの両端領域が形成される。

そして、犠牲層４０がレジスト除去工程などにより除去される。アーチ２３Ａ，２３Ｂは、予め基板と平行な方向に圧縮の残留応力をかけて形成されている。したがって、擬制層の除去により圧縮の残留応力が開放されてアーチ２３Ａ，２３Ｂが伸び、弓形状に変形する。これにより、振動部２０とブリッジ２２Ａ，２２Ｂとアーチ２３Ａ，２３Ｂとの下部にクリアランス４１が形成される。なお、ここで示した支持部は一例であり、支持部をリジッドな構成としてもよい。

図３に示すステップＳ２では、第１の測定プロセスが実施され、複数の構造体１００それぞれの共振周波数が測定される。

ステップＳ３では、第１の測定プロセスで測定された共振周波数が、第１の許容誤差範囲内か否かの判定が行われる。例えば、第１の許容誤差範囲は、共振周波数の設計値から１．０×１０^２ｐｐｍ程度の範囲であり、この範囲よりもずれた共振周波数が測定された構造体１００には、次のステップＳ４で振動部変更プロセスが実施される。

振動部変更プロセスでは、共振周波数が第１の許容誤差範囲からずれている場合にそのずれ量に応じて、振動部２０の上面全体が特定の深さで削除されたり、ノード点の周辺が削除されたり、振動部２０のコーナー部に合成樹脂やゴムが付加されたり、振動部２０のコーナー部の周辺が削除されたりする。これらの加工により、全ての構造体１００の共振周波数が第１の許容誤差範囲内におさめられる。このプロセスを実施する際には、例えば、振動部２０上にレーザなどによる加工を行ったり、振動部２０上に合成樹脂やゴムにより重量を付加したりするとよい。なお、レーザ加工のほかにも、イオンガスエッチングや反応性イオンエッチングなどのエッチング加工を採用してもよい。

ステップＳ５では、第２の測定プロセスが実施され、複数の構造体１００それぞれの共振周波数が測定される。

ステップＳ６では、第２の測定プロセスで測定された共振周波数が、第２の許容誤差範囲内か否かの判定が行われる。例えば、第２の許容誤差範囲は、設計周波数から１．０×１０^１ｐｐｍ程度の範囲であり、この範囲よりもずれた共振周波数が測定された場合には、次にステップＳ７で支持状態変更プロセスが実施される。

支持状態変更プロセスでは、共振周波数が第２の許容誤差範囲よりも高い構造体１００に対して、支持部２４Ａ，２４Ｂの上面全体が特定の深さで削除される。共振周波数が第２の許容誤差範囲よりも低い構造体１００に対して、支持部２４Ａ，２４Ｂに合成樹脂やゴムにより重量が付加される。これにより、圧電振動装置１０１の共振周波数が第２の許容誤差範囲内におさめられる。このプロセスを実施する際には、例えば、支持部２４Ａ，２４Ｂ上にレーザなどによる加工を行ったり、支持部２４Ａ，２４Ｂ上に合成樹脂やゴムにより重量を付加したりするとよい。なお、レーザ加工のほかにも、イオンガスエッチングや反応性イオンエッチングなどのエッチング加工を採用してもよい。

ステップＳ８では、ウェハが複数の基板１１に分割され、複数の圧電振動装置１０１が構成される。

以上の製造工程を経て複数の圧電振動装置１０１が一度に製造される。

支持状態変更プロセスに先立ち、第１の測定プロセスおよび振動部変更プロセスを実施することにより、圧電振動部の共振周波数を粗調整したのちに、支持状態変更プロセスを実施して共振周波数を微調整できる。この支持状態変更プロセスでは、圧電振動部の周波数特性に与える影響を抑制しながら、共振周波数を調整できる。なお、支持部に加工を施す以外にも、振動部を支持する新たな部材を追加することで、振動部の支持状態を変更するようにしてもよい。

３次元有限要素法の１／４モデルを用いたシミュレーションにより、圧電振動装置の振動部と支持部とに上面全体を削除して周波数調整を行った場合の結果を説明する。

以下は、シミュレーションの設定である。
振動部２０の寸法 １４０μｍ×２１０μｍ
ＳｉＯ_２層１７の厚み寸法 ３．３μｍ
ＡｌＮ層１６の厚み寸法 ０．８μｍ
Ｐｔ層１５の厚み寸法 ０．１μｍ
ＡｌＮ層１４の厚み寸法 １．６μｍ
Ｐｔ層１３の厚み寸法 ０．１μｍ
ＳｉＯ_２層１２の厚み寸法 １．７μｍ
アーチ２３Ａ，２３Ｂの幅寸法 ２０μｍ
ブリッジ２２Ａ，２２Ｂの幅寸法 １５μｍ
このような設定の圧電振動装置に対して、支持部の上面全体または振動部の上面全体を深さ１００ｎｍで削除する加工を施した。

シミュレーションの結果を図５に示す。
図５に示す結果によれば、支持部および振動部の加工前の圧電振動装置の共振周波数と比較して、振動部に対して加工を施した場合には、共振周波数が約１６００ｐｐｍ程度高まった。一方、支持部に対して加工を施した場合には、共振周波数が約１０ｐｐｍ程度低下した。

このようにシミュレーション結果からも、支持部に対しての加工により、振動部の共振周波数を微調整できることがわかる。また、支持部に対しての加工による共振周波数の変動方向は、振動部に対しての加工による共振周波数の変動方向と逆方向であることがわかる。また、支持部に対しての加工による共振周波数の変動量は、振動部に対しての加工による共振周波数の変動量に比べて小さいことがわかる。

したがって、圧電振動装置の製造工程では、例えば、共振周波数が少なくとも目標値より高くなるように構造体を形成しておき、振動部上面の加工により共振周波数が少なくとも目標値よりも低くなるように粗調整し、次に、支持部上面の加工により共振周波数が略目標値となるように微調整すると好適である。

実施形態に係る圧電振動装置の主要部の斜視図である。 同圧電振動装置の断面図である。 同圧電振動装置の製造工程のフローを説明する図である。 同圧電振動装置の構造体の形成プロセスを説明する図である。 シミュレーション結果を説明する図である。

符号の説明

１１…基板
１２…ＳｉＯ_２層
１３…Ｐｔ層
１４…ＡｌＮ層
１５…Ｐｔ層
１６…ＡｌＮ層
１７…ＳｉＯ_２層
２０…振動部
２２Ａ，２２Ｂ…ブリッジ
２３Ａ，２３Ｂ…アーチ
２４Ａ，２４Ｂ…支持部
４０…犠牲層
４１…クリアランス
１００…構造体
１０１…圧電振動装置

Claims (4)

1. 圧電体に電極対を設けて、拡がり振動モード、または長さ振動モードで振動するように構成した圧電振動部と、
   前記圧電振動部を基板との間に空隙を設けて支持する支持部と、を備え、
   前記圧電振動部の振動に基づく共振周波数を調整する圧電振動装置の共振周波数調整方法であって、
   前記支持部による前記圧電振動部の支持状態を変更して前記圧電振動部の共振周波数を調整する支持状態変更プロセスを行う圧電振動装置の共振周波数調整方法。
2. 前記支持状態変更プロセスは、前記支持部の一部を取り除いて、または前記支持部に補強材を付与して、前記圧電振動部の支持状態を変更するプロセスである、請求項１に記載の圧電振動装置の共振周波数調整方法。
3. 前記支持状態変更プロセスの前に、前記圧電振動部の一部を取り除く、または前記圧電振動部に付加材を付与する振動部変更プロセスを行う、請求項１または２に記載の圧電振動装置の共振周波数調整方法。
4. 圧電体に電極対を設けた圧電振動部と、前記圧電振動部を基板との間に空隙を設けて支持する支持部と、を備える圧電振動装置の主要部を形成するプロセスと、
   前記支持部による前記圧電振動部の支持状態を調整するための調整層を前記支持部に付設するプロセスと、
   前記圧電振動装置の共振周波数を測定するプロセスと、
   前記調整層に前記支持状態変更プロセスを施す、請求項１〜３のいずれかに記載の圧電振動装置の共振周波数調整方法と、を順に行う圧電振動装置の製造方法。

Images