JP6168486B2

JP6168486B2 - 圧電振動子及び圧電振動装置

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Publication number: JP6168486B2
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Inventors: 西村　俊雄; 俊雄西村; 圭一梅田; ヴィレカーヤカリ
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Description

本発明は、圧電振動子及び圧電振動装置に関する。

電子機器において計時機能を実現するためのデバイスとして、圧電振動子が用いられている。電子機器の小型化に伴い、圧電振動子も小型化が要求されており、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）技術を用いて製造される圧電振動子（以下、「ＭＥＭＳ振動子」という。）が注目されている。

ＭＥＭＳ振動子としては、ある振動部と別の振動部とを互いに逆位相で振動させる構成がある。例えば、特許文献１には、３本の振動腕を有するＭＥＭＳ振動子が開示されている。このＭＥＭＳ振動子においては、中央の振動腕に印加される電界の向きと、外側２本の振動腕に印加される電界の向きとを逆方向とすることにより、中央の振動腕と外側２本の振動腕とが互いに逆位相で屈曲振動する。

国際公開第２００８／０４３７２７号

振動部に印加される電界の向きを逆方向とする一般的な構成として、パラレル接続構成及びシリーズ接続構成がある。図１８は、パラレル接続構成における電気的接続の一例を示す図である。また、図１９は、シリーズ接続における電気的接続の一例を示す図である。なお、ＭＥＭＳ振動子においては、特許文献１に開示されるように３本以上の振動腕を有する構成が一般的であるが、図１８及び図１９においては、説明を簡略にするために２本の振動腕のみを示している。なお、図１８及び図１９は、２本の振動腕における、シリコン層、上部電極、下部電極、絶縁層、及び圧電層の電気的接続関係を示すものであり、実際の断面図ではない。

まず、パラレル接続構成について説明する。図１８に示すように、ＭＥＭＳ振動子１８００は、シリコン層１８１０、絶縁層１８１１、及び振動腕１８１２，１８１３を有している。振動腕１８１２は、上部電極１８２０、下部電極１８２１、及び圧電層１８２２を有している。同様に、振動腕１８１３は、上部電極１８３０、下部電極１８３１、及び圧電層１８３２を有している。そして、振動腕１８１２に印加される電界と振動腕１８１３に印加される電界の向きとが逆方向となるように、各電極の電位が制御される。このようなパラレル接続構成においては、ＭＥＭＳ振動子１８００の合成容量Ｃｆは、振動腕１８１２の静電容量Ｃａ１と振動腕１８１３の静電容量Ｃａ２との和（Ｃｆ＝Ｃａ１＋Ｃａ２）となる。従って、合成容量Ｃｆを大きくすることができるというメリットがある。

ところで、パラレル接続構成においては、振動腕１８１２の下部電極１８２１の電位と、振動腕１８１３の下部電極１８３１の電位とが異なる。シリコン層１８１０は抵抗率が低いため、下部電極１８２１，１８３１をシリコン層１８１０上に直接配設すると、短絡状態となってしまう。そこで、下部電極１８２１，１８３１とシリコン層１８１０との間には、絶縁層１８１１が設けられている。そのため、下部電極１８２１とシリコン層１８１０との間の浮遊容量Ｃｂ１と、下部電極１８３１とシリコン層１８１０との間の浮遊容量Ｃｂ２とによる浮遊容量Ｃｓ（＝１／（１／Ｃｂ１＋１／Ｃｂ２））が発生し、特性低下を招くことがある。

次に、シリーズ接続構成について説明する。図１９に示すように、ＭＥＭＳ振動子１９００は、シリコン層１８１０及び振動腕１８１２，１８１３を有している。そして、振動腕１８１２に印加される電界と振動腕１８１３に印加される電界の向きとが逆方向となるように、各電極の電位が制御される。なお、図１９に示す構成においては、振動腕１８１２の下部電極１８２１と、振動腕１８１３の下部電極１８３１とは、フローティング電極であり、同電位である。従って、図１８に示したＭＥＭＳ振動子１８００のように絶縁層１８１１を設ける必要がなく、浮遊容量Ｃｓの影響を受けない。しかしながら、ＭＥＭＳ振動子１９００の合成容量Ｃｆ（＝１／（１／Ｃａ１＋１／Ｃａ２））は、パラレル接続構成の場合よりも小さくなる。そのため、共振インピーダンスが大きくなり、特性低下を招くことがある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、圧電振動子において、静電容量を比較的大きくするとともに、浮遊容量の影響を抑制することを目的とする。

本発明の一側面に係る圧電振動子は、互いに逆位相で振動する第１及び第２の振動部を有する圧電振動子であって、第１及び第２の振動部の各々は、シリコン層と、シリコン層の上に配設される第１の圧電層と、第１の圧電層の上に配設される第１の電極と、第１の電極の上に配設され、第１の圧電層と逆方向の分極を有する第２の圧電層と、第２の圧電層の上に配設される第２の電極と、を備え、第１の振動部の第１の電極と、第２の振動部の第２の電極とに第１の電位が印加され、第１の振動部の第２の電極と、第２の振動部の第１の電極とに第２の電位が印加されるように構成される。

本発明によれば、圧電振動子において、静電容量を比較的大きくするとともに、浮遊容量の影響を抑制することができる。

本発明の一実施形態である圧電振動装置の概略構造の一例を示す図である。圧電振動子の構成例を示す図である。圧電振動子の屈曲振動の様子の一例を示す図である。図２に示すＡ−Ａ’断面における電気的接続の一例を示す図である。一般的な構成との特性の差異を説明するために２本の振動腕のみを示した図である。圧電振動子の特性を示すシミュレーション結果である。圧電振動子の等価回路を示す図である。圧電振動子の他の構成例を示す図である。圧電振動子の他の構成例を示す図である。圧電振動子の他の構成例を示す図である。図１０に示すＢ−Ｂ’断面における電気的接続の一例を示す図である。圧電振動子の他の構成例を示す図である。図１２に示すＣ−Ｃ’断面における電気的接続の一例を示す図である。圧電振動子の特性を示すシミュレーション結果である。圧電振動装置の概略構造の他の一例を示す図である。圧電振動子の他の構成例を示す図である。圧電振動子の他の構成例を示す図である。パラレル接続構成における電気的接続の一例を示す図である。シリーズ接続における電気接続の一例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態である圧電振動装置の概略構造の一例を示す図である。図１に示すように、圧電振動装置１００は、基板１１０、圧電振動子１２０、蓋体１３０、及び外部電極１４０を含む圧電振動装置である。圧電振動子１２０は、ＭＥＭＳ技術を用いて製造されるＭＥＭＳ振動子である。蓋体１３０は、例えばシリコンにより形成されており、圧電振動子１２０を覆っている。外部電極１４０は、圧電振動装置１００外部の素子と圧電振動子１２０とを電気的に接続するための金属電極である。以下、圧電振動子１２０の例示的な実施形態について説明する。

図２は、圧電振動子１２０の構成例を示す図である。圧電振動子１２０Ａは、保持部２００及び振動腕２１０（２１０Ａ〜２１０Ｄ）を備えている。保持部２００は、例えば、シリコンにより形成される。各振動腕２１０は、保持部２００から所定方向（図２におけるＹ軸方向）に延伸する矩形状の振動部であり、振動腕２１０Ａ〜２１０Ｄを含む平面（図２におけるＸＹ平面）に対して垂直方向（図２におけるＺ軸方向）に屈曲振動する。振動腕２１０Ａ〜２１０Ｄの振動によって保持部２００に捩れモーメントが発生することを抑制するために、図３に示すように、中央側２本の振動腕２１０Ｂ，２１０Ｃと、外側２本の振動腕２１０Ａ，２１０Ｄとは、互いに逆位相で振動する。なお、振動腕の数は４つに限られず、任意の数とすることができる。

図４は、図２に示すＡ−Ａ’断面における電気的接続の一例を示す図である。図２及び図４を参照して、振動腕２１０の構成の一例を説明する。振動腕２１０は、シリコン層２２０、電極２２１〜２２３、及び圧電層２２４，２２５を有している。

シリコン層２２０は、例えば、ｎ型ドーパント（ドナー）としてリン（Ｐ）やヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）を含むことができる。なお、シリコン層２２０は、ｐ型ドーパント（アクセプタ）を含むものでもよい。

電極２２１〜２２３は、金属電極であり、例えば、モリブデンにより形成される。電極２２２（第１の電極）及び電極２２３（第２の電極）は、圧電振動子１２０Ａの外部に設けられた交流電源４００に電気的に接続されている。なお、電極２２１（第３の電極）は、電位が与えられない浮き電極となっている。また、振動腕２１０Ａ〜２１０Ｄの電極２２１は、例えば各振動腕の保持部側の領域を経由するなどして、互いに電気的に接続されていてもよい。以下に示す他の構成においても同様に、全ての電極２２１は、互いに電気的に接続されていてもよい。

圧電層２２４（第１の圧電層）は、印加される電圧を振動に変換する圧電体の薄膜であり、例えば、窒化アルミニウムを主成分とすることができる。具体的には、例えば、圧電層２２４は、窒化スカンジウムアルミニウム（ＳｃＡｌＮ）により形成することができる。ＳｃＡｌＮは、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）におけるアルミニウム（Ａｌ）の一部をスカンジウム（Ａｃ）に置換したものである。例えば、圧電層２２４に用いるＳｃＡｌＮは、Ａｌの原子数とＳｃの原子数を合計した原子濃度を１００原子％としたときに、Ｓｃが４０原子％程度となるようにＡｌをＳｃに置換したものとすることができる。圧電層２２４は、電極２２１，２２２間の電圧に応じて、振動腕２１０Ａ〜２１０Ｄを含む平面（ＸＹ平面）の面内方向（Ｙ軸方向）に伸縮する。そして、圧電層２２４の伸縮により、振動腕２１０はＸＹ平面に対して垂直方向（Ｚ軸方向）に屈曲変位する。

圧電層２２５（第２の圧電層）は、分極の向きが圧電層２２４と逆方向である点を除き、圧電層２２４と同等の構成である。

圧電振動子１２０Ａでは、圧電層２２４，２２５の分極の向きが逆方向であるとともに、振動腕毎に、圧電層２２４に印加される電界の向きと圧電層２２５に印加される電界の向きとが逆方向となっている。具体的には、図４に示すように、例えば、振動腕２１０Ａ（第１の振動腕）において、電極２２３に正電位が印加され、電極２２２に負電位が印加されている状態では、圧電層２２５に印加される電界の向きは、図４における下方向となる。この時、振動腕２１０Ｂ（第２の振動腕）においては、電極２２２に正電位が印加され、電極２２３に負電位が印加されるため、圧電層２２５に印加される電界の向きは、図４における上方向となる。ここで、振動腕２１０Ａの電極２２１と２１０Ｂの電極２２１とは、直接的に電気的接続されることにより、もしくは、保持部２００で共通するシリコン層２２０を介して間接的に電気的接続されることにより、同電位となる。そのため、振動腕２１０Ａの電極２２２に負電位が印加され、振動腕２１０Ｂの電極２２２に正電位が印加されることにより、振動腕２１０Ａにおける圧電層２２４に印加される電界の向きは、図４における上方向、振動腕２１０Ｂにおける圧電層２２４に印加される電界の向きは、図４における下方向となる。これにより、各振動腕における圧電層２２４，２２５の変位方向は同一で、振動腕２１０Ａと振動腕２１０Ｂとは互いに逆方向に変位するようになる。

振動腕２１０Ａは振動腕２１０Ｄと同様に電位が印加され、振動腕２１０Ｂは振動腕２１０Ｃと同様に電位が印加されるため、圧電振動子１２０Ａの振動腕２１０Ａ，２１０Ｄと、振動腕２１０Ｂ，２１０Ｃとは、交流電源４００に応じて、図３に示すように互いに逆位相で上下方向（Ｚ軸方向）に振動する。

図５は、一般的な構成との特性の差異を説明するために２本の振動腕２１０Ａ，２１０Ｂのみを示した図である。なお、図５は、図１８及び図１９と同様に、２本の振動腕における、シリコン層、上部電極、下部電極、絶縁層、及び圧電層の電気的接続関係を示すものであり、実際の断面図ではない。図５に示すように、圧電振動子１２０Ａにおいては、圧電層２２５はパラレル接続、圧電層２２４はシリーズ接続となっている。従って、振動腕２１０Ａ，２１０Ｂの合成容量Ｃｆは、Ｃａ１＋Ｃａ２＋（１／（１／Ｃｂ１＋１／Ｃｂ２））となる。なお、Ｃａ１は、振動腕２１０Ａの電極２２２，２２３間の静電容量、Ｃａ２は、振動腕２１０Ｂの電極２２２，２２３間の静電容量、Ｃｂ１は、振動腕２１０Ａの電極２２１，２２２間の静電容量、Ｃｂ２は、振動腕２１０Ｂの電極２２１，２２２間の静電容量である。

このように、圧電振動子１２０Ａにおいては、図１８及び図１９に示した一般的な構成と比較して静電容量を大きくすることができる。また、圧電振動子１２０Ａにおいては、各振動腕２１０の電極２２１は同電位（浮き電位）であるため、シリコン層２２０と電極２２１の間に絶縁層を配設する必要がない。そのため、シリコン層２２０と電極２２１の間に浮遊容量が発生することがない。これにより、一般的な構成と比較して、静電容量を比較的大きくするとともに、浮遊容量の影響を抑制することが可能となる。

図６は、圧電振動子の特性を示すシミュレーション結果である。図６において「本実施形態」と示されているのは、圧電振動子１２０Ａの特性を示している。また、図６において「パラレル接続」と示されているのは、一般的なパラレル接続を採用した圧電振動子の特性を示している。また、図６において「シリーズ接続」と示されているのは、一般的なシリーズ接続を採用した圧電振動子の特性を示している。なお、図６に示すＣ０、Ｃ１、及びＲ１は、圧電振動子を図７に示す等価回路で表した場合の各要素の値である。

図６に示すように、圧電振動子１２０Ａにおいては、静電容量Ｃ０が、一般的な構成の値よりも大きくなっている。また、圧電振動子１２０においては、振動の性能を表すｋ^２Ｑも、一般的な構成の値よりも大きくなっている。即ち、シミュレーション結果からも、圧電振動子１２０Ａは、一般的な構成よりも良い特性を有していることがわかる。

図８は、圧電振動子１２０の他の構成例を示す図である。なお、図２及び図４に示した圧電振動子１２０Ａと同一の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。図８に示すように、圧電振動子１２０Ｂは、圧電振動子１２０Ａにおける電極２２１を備えていない点を除き、圧電振動子１２０Ａと同一の構成である。圧電振動子１２０Ｂにおいては、導体であるシリコン層２２０が電極として機能する。このように、圧電振動子１２０Ｂは、圧電振動子１２０Ａにおける電極２２１を有しないため、圧電振動子１２０Ａと比較して、振動腕２１０を薄くすることができる。また、以下に示す他の構成においても同様に、シリコン層と圧電層の間に電極を設けないこととしてもよい。なお、導体としての性能は、シリコン層よりも金属電極の方が高いため、効率の観点においては、シリコン層と圧電層の間に金属電極を設ける方が好ましい。

図９は、圧電振動子１２０の他の構成例を示す図である。なお、図２及び図４に示した圧電振動子１２０Ａと同一の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。図９に示すように、圧電振動子１２０Ｃは、電極２２３の上に絶縁層９００が配設されている点を除き、圧電振動子１２０Ａと同一の構成である。

絶縁層９００は、シリコン酸化物（例えばＳｉＯ_２）により形成される。シリコン酸化物は、ある温度範囲における周波数温度特性の変化がシリコンとは逆である。従って、振動腕２１０に絶縁層９００を配設することにより、シリコン層２２０の周波数特性の変化が、絶縁層９００の周波数特性の変化によって相殺される。これにより、周波数温度特性を向上させることが可能となる。なお、以下に示す他の構成においても同様に、表面側の電極上に絶縁層を設けることにより、周波数温度特性を向上させることが可能となる。

図１０は、圧電振動子１２０の他の構成例を示す図である。なお、図２に示した圧電振動子１２０Ａと同一の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。図１０に示すように、圧電振動子１２０Ｄは、圧電振動子１２０Ａにおける振動腕２１０Ａ〜２１０Ｄの代わりに、保持部２００から、互いに平行に所定方向（図１０におけるＹ軸方向）に延伸する２本の振動腕１０００Ａ，１０００Ｂを有している。振動腕１０００Ａは、互いに隣接して平行に配設された振動部１１００Ａ（第１の振動部）及び振動部１１００Ｂ（第２の振動部）を有している。振動腕１０００Ｂも同様に、互いに隣接して平行に配設置された振動部１１００Ａ（第１の振動部）及び振動部１１００Ｂ（第２の振動部）を有している。振動腕１０００Ａの振動部１１００Ａ，１１００Ｂは、振動腕１０００Ａの延伸方向（図１０におけるＹ軸方向）において、互いに逆位相で伸縮振動する。これにより、振動腕１０００Ａは、振動腕１０００Ａ，１０００Ｂを含む平面（図１０におけるＸＹ平面）の面内方向（図１０におけるＸ軸方向）において屈曲振動する。振動腕１０００Ｂも同様に、振動腕１０００Ａ，１０００Ｂを含む平面（図１０におけるＸＹ平面）の面内方向（図１０におけるＸ軸方向）において屈曲振動する。なお、振動腕１０００Ａ，１０００Ｂは、振動腕１０００Ａ，１０００Ｂを含む平面（図１０におけるＸＹ平面）の面内方向（図１０におけるＸ軸方向）において、互いに逆位相で屈曲振動する。

図１１は、図１０に示すＢ−Ｂ’断面における電気的接続の一例を示す図である。なお、図４に示した圧電振動子１２０Ａと同一の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。図１０及び図１１を参照して、振動腕１０００の構成の一例を説明する。振動腕１０００は、シリコン層２２０、電極２２１，２２２Ａ，２２２Ｂ，２２３Ａ，２２３Ｂ、圧電層１０１０，１０１１を有している。

圧電層１０１０は、圧電振動子１２０Ａにおける圧電層２２４と同様に、印加される電圧を振動に変換する圧電体の薄膜である。圧電層１０１０では、一方の側１１００Ａ（図１１におけるプラスＸ側）（第１の振動部）と他方の側１１００Ｂ（図１１におけるマイナスＸ側）（第２の振動部）とが、電極２２１，２２２間の電圧に応じて、振動腕１０００Ａ，１０００Ｂを含む平面（ＸＹ平面）の面内方向（Ｙ軸方向）に逆方向に伸縮する。この圧電層１０１０の伸縮により、振動腕１０００Ａ，１０００ＢがＸＹ面内において屈曲変位する。

圧電層１０１１は、分極の向きが圧電層１０１０と逆方向である点を除き、圧電層１０１０と同等の構成である。

電極２２２Ａ，２２３Ａは、振動腕１０００Ａにおける一方の側１１００Aにおいて、圧電層１０１１を挟むように配設されている。また、電極２２２Ｂ，２２３Ｂは、振動腕１０００Ａにおける他方の側１１００Bにおいて、圧電層１０１１を挟むように配設されている。電極２２２Ａ，２２３Ａ，２２２Ｂ，２２３Ｂに、図１１に示すような結線にて電位が印加される場合、圧電層１０１１では、圧電層１０１１の一方の側１１００Aに印加される電界の向きが、圧電層１０１１の他方の側１１００Bに印加される電界の向きと逆になる。

また、電極２２１が振動腕１０００Ａ内で同電位であるため、圧電層１０１０でも、圧電層１０１０の一方の側１１００Aに印加される電界の向きが、圧電層１０１０の他方の側１１００Bに印加される電界の向きと逆になる。

さらに、振動腕１０００Ａでは、圧電層１０１０，１０１１の分極の向きが逆方向であるが、圧電層１０１０に印加される電界の向きが、圧電層１０１１に印加される電界の向きと逆である。

これにより、圧電層１０１０，１０１１の変位方向は同一となり、振動腕１０００Ａは、交流電源４００に応じて図１１に示す左右方向（Ｘ軸方向）に振動する。振動腕１０００Ｂについても同様である。ただし、振動腕１０００Ａにおける電界の向きと、振動１０００Ｂにおける電界の向きは逆となっているため、振動腕１０００Ａ，１０００Ｂは、互いに逆位相で振動する。

このような圧電振動子１２０Ｄにおいても、圧電振動子１２０Ａの場合と同様に、一般的なパラレル接続又はシリーズ接続の構成と比較して、静電容量を大きくすることができる。また、圧電振動子１２０Ｄにおいては、各振動腕１０００の電極２２１は同電位（浮き電位）であるため、シリコン層２２０と電極２２１の間に絶縁層を配設する必要がない。そのため、シリコン層２２０と電極２２１の間に浮遊容量が発生することがない。これにより、一般的な構成と比較して、静電容量を比較的大きくするとともに、浮遊容量の影響を抑制することが可能となる。

図１２は、圧電振動子１２０の他の構成例を示す図である。図１２に示すように、圧電振動子１２０Ｅは、シリコン層１２００及び圧電層１２１０，１２１１が積層された構造となっている。また、圧電振動子１２０Ｅには、表面から裏面に貫通する、略コの字状の貫通部１２２０Ａ，１２２０Ｂが形成されている。なお、貫通部の形状は略コの字状に限られず、例えば略U字状など、任意の形状とすることができる。貫通部１２２０Ａ，１２２０Ｂで囲われる領域は、連結部１２２５Ａ，１２２５Ｂによって外周部１２２６に連結された、５つの振動部１２３０Ａ〜１２３０Ｅを有している。なお、振動部の数は５つに限られず、任意の数とすることができる。

５つの振動部１２３０Ａ〜１２３０Ｅは、所定方向（図１２のＸ軸方向）において互いに隣接して配設されている。なお、５つの振動部１２３０Ａ〜１２３０Ｅは、シリコン層１２００及び圧電層１２１０，１２１１を共有しており、一体的に形成されている。各振動部１２３０は、振動部１２３０Ａ〜１２３０Ｅの隣接方向（図１２のＸ軸方向）において伸縮振動する。なお、圧電振動子１２０Ｅにおいては、隣接する２つの振動部１２３０（第１及び第２の振動部）が互いに逆位相で振動することにより、振動部１２３０Ａ〜１２３０Ｅ全体が伸縮振動する。

図１３は、図１２に示すＣ−Ｃ’断面における電気的接続の一例を示す図である。図１２及び図１３を参照して、振動部１２３０の構成の一例を説明する。各振動部１２３０は、シリコン層１２００、圧電層１２１０，１２１１、及び電極１２４０〜１２４２を有している。

シリコン層１２００は、圧電振動子１２０Ａのシリコン層２２０と同等である。また、電極１２４０〜１２４２は、金属電極であり、例えば、モリブデンにより形成される。電極１２４１（第１の電極）及び電極１２４２（第２の電極）は、圧電振動子１２０Ｅの外部に設けられた交流電源４００に電気的に接続されている。電極１２４２は、図１２に示すように、例えば矩形状であり、振動部１２３０Ａ〜１２３０Ｅの隣接方向（図１２におけるＸ軸方向）において、直線上に配設されている。電極１２４１は、電極１２４２と同様の形状を有し、電極１２４２に対向する位置に、直線上に配設されている。なお、電極１２４０（第３の電極）は電位が与えられない浮き電極となっている。

圧電層１２１０（第１の圧電層）は、圧電振動子１２０Ａにおける圧電層２２４と同様に、印加される電圧を振動に変換する圧電体の薄膜である。圧電層１２１０は、電極１２４０，１２４１間の電圧に応じて、振動部１２３０Ａ〜１２３０Ｄの隣接方向（図１３のＸ軸方向）に変位（伸縮）する。

圧電層１２１１（第２の圧電層）は、分極の向きが圧電層１２１０と逆方向である点を除き、圧電層１２１０と同等の構成である。

電極１２４０〜１２４２は、各振動部１２３０において、圧電層１２１０に印加される電界の向きと、圧電層１２１１に印加される電界の向きとが逆になるように、交流電源４００に電気的に接続されている。また、電極１２４０〜１２４２は、隣接する２つの振動部１２３０間において電界の向きが逆となるように、交流電源４００に電気的に接続されている。

これにより、圧電振動子１２０Ｅにおいては、隣接する２つの振動部１２３０が、隣接方向（図１３のＸ軸方向）において、互いに逆位相で伸縮振動する。従って、圧電振動子１２０Ｅ全体が、振動部１２３０Ａ〜１２３０Ｅの隣接方向（図１３のＸ軸方向）において伸縮振動する。

このような圧電振動子１２０Ｅにおいても、圧電振動子１２０Ａの場合と同様に、一般的なパラレル接続又はシリーズ接続の構成と比較して、静電容量を大きくすることができる。また、圧電振動子１２０Ｅにおいては、各振動部１２３０の電極１２４０は同電位（浮き電位）であるため、シリコン層１２００と電極１２４０の間に絶縁層を配設する必要がない。そのため、シリコン層１２００と電極１２４０の間に浮遊容量が発生することがない。これにより、一般的な構成と比較して、静電容量を比較的大きくするとともに、浮遊容量の影響を抑制することが可能となる。

図１４は、圧電振動子の特性を示すシミュレーション結果である。図１４において「本実施形態」と示されているのは、圧電振動子１２０Ｅの特性を示している。また、図１４において「パラレル接続」と示されているのは、一般的なパラレル接続を採用した圧電振動子の特性を示している。また、図１４において「シリーズ接続」と示されているのは、一般的なシリーズ接続による圧電振動子の特性を示している。

図１４に示すように、圧電振動子１２０Ｅにおいては、静電容量Ｃ０が、一般的な構成の値よりも大きくなっている。また、圧電振動子１２０Ｅにおいては、振動のしやすさを表すｋ^２Ｑも、一般的な構成の値よりも大きくなっている。即ち、シミュレーション結果からも、圧電振動子１２０Ｅは、一般的な構成よりも良い特性を有していることがわかる。

以上、本実施形態について説明した。本実施形態によれば、シリコン層の上に配設される第１の圧電層をシリーズ接続とし、第１の圧電層の上に配設される第２の圧電層をパラレル接続とすることにより、一般的なパラレル接続構成やシリーズ接続構成と比較して、静電容量を大きくするとともに、浮遊容量の影響を抑制することができる。

また、本実施形態によれば、シリコン層と第１の圧電層との間に電極を設けることにより、シリコン層を電極の代わりとして用いる場合と比較して、効率を向上させることができる。

また、本実施形態によれば、第２の圧電層の上に配設された電極の上に、シリコン酸化物により形成される絶縁層を設けることにより、シリコン層の周波数温度特性の変化がキャンセルされ、周波数温度特性を向上させることができる。

なお、本実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更／改良され得るととともに、本発明にはその等価物も含まれる。

例えば、圧電振動子を含む圧電振動装置は、図１の構成に限られず、任意の構成とすることができる。具体的には、例えば、圧電振動装置は図１５に示す構成とすることができる。図１５に示す例では、圧電振動装置１５００は、シリコンのハンドル層１５１０及びキャップ層１５２０で圧電振動子１２０が挟まれたチップサイズパッケージ（ＣＳＰ：ＣｈｉｐＳｉｚｅＰａｃｋａｇｅ）タイプの圧電振動装置とすることができる。なお、外部電極１４０は、例えば、キャップ層１５２０の外部に設けることができる。

また例えば、周波数温度特性を向上させるための絶縁層９００は、図９に示した位置に限られず、振動部における任意の位置に配設することができる。具体的には、例えば、図１６に示すように、絶縁層９００を配設することができる。図１６に示す圧電振動子１２０Ｆでは、絶縁層９００が、シリコン層２２０の下に配設されている。また、例えば、図１７に示すように、絶縁層９００を配設することができる。図１７に示す圧電振動子１２０Ｇでは、絶縁層９００が、シリコン層２２０と電極２２１の間に配設されている。なお、屈曲振動の構成においては、図９又は図１６に示したように、振動部の最外部に絶縁層９００を設けることが好ましい。

１００圧電振動装置
１１０基板
１２０圧電振動子
１３０蓋体
１４０外部電極
２００保持部
２１０，１０００，１８１２，１８１３振動腕
２２０，１２００，１８１０シリコン層
２２１〜２２３，１２４０〜１２４２，１８２０，１８２１電極
２２４，２２５，１０１０，１０１１，１２１０，１２１１圧電層
４００交流電源
９００，１８１１絶縁層
１２２０貫通部
１２２５連結部
１２２６外周部
１２３０振動部

Claims

互いに逆位相で振動する第１及び第２の振動部を有する圧電振動子であって、
前記第１及び第２の振動部の各々は、
シリコン層と、
前記シリコン層の上に配設される第１の圧電層と、
前記第１の圧電層の上に配設される第１の電極と、
前記第１の電極の上に配設され、前記第１の圧電層と逆方向の分極を有する第２の圧電層と、
前記第２の圧電層の上に配設される第２の電極と、
を備え、
前記第１の振動部の前記第１の電極と、前記第２の振動部の前記第２の電極とに第１の電位が印加され、前記第１の振動部の前記第２の電極と、前記第２の振動部の前記第１の電極とに第２の電位が印加されるように構成される、
圧電振動子。
請求項１に記載の圧電振動子であって、
シリコンにより形成される保持部をさらに備え、
前記第１の振動部は、前記保持部から所定方向に延伸する矩形状の第１の振動腕を形成し、
前記第２の振動部は、前記保持部から前記所定方向に延伸する矩形状の第２の振動腕を形成し、
前記第１及び第２の振動腕は、前記第１及び第２の振動腕を含む平面に対して垂直方向に、互いに逆位相で振動するように構成される、
圧電振動子。
請求項１に記載の圧電振動子であって、
シリコンにより形成される保持部と、
前記第１及び第２の振動部は、互いに隣接して配設され、前記保持部から所定方向に延伸する矩形状の振動腕を形成し、
前記振動腕は、前記第１及び第２の振動部が前記所定方向において互いに逆位相で振動することにより、前記第１及び第２の振動部を含む平面の面内方向において振動するように構成される、
圧電振動子。
請求項１に記載の圧電振動子であって、
前記第１及び第２の振動部は、所定方向に互いに隣接して配設され、前記所定方向において互いに逆位相で振動するように構成される、
圧電振動子。
請求項１〜４の何れか一項に記載の圧電振動子であって、
前記第１及び前２の振動部の各々は、前記シリコン層と前記第１の圧電層との間に配設された第３の電極をさらに備える、
圧電振動子。
請求項５に記載の圧電振動子であって、
前記第１の振動部の前記第３の電極の電位と、前記第２の振動部の前記第３の電極の電位とは同じである、
圧電振動子。
請求項６に記載の圧電振動子であって、
前記第３の電極は浮き電極である、
圧電振動子。
請求項１〜７の何れか一項に記載の圧電振動子であって、
前記第１及び第２の振動部の各々は、シリコン酸化物により形成される絶縁層をさらに備える、
圧電振動子。
請求項１〜８の何れか一項に記載の圧電振動子と、
前記圧電振動子を覆う蓋体と、
外部電極と、
を備える圧電振動装置。