JP6577206B2 - 圧電デバイス及び圧電デバイスの製造方法 - Google Patents

圧電デバイス及び圧電デバイスの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、圧電振動子又は圧電発振器等の圧電デバイス及び圧電デバイスの製造方法に関する。
一般に、圧電振動子乃至は圧電発振器は、圧電体(例えば圧電素板)と、その表面(例えば圧電素板の両主面)に設けられた1対の励振電極とを有している。1対の励振電極に交流電圧が印加されると、1対の励振電極間に電界が形成され、圧電素板は、発振信号の生成に利用可能な振動を生じる。
一方、圧電素板の両主面に1対の励振電極を設けることに代えて、圧電素板の両主面とギャップを介して1対の励振電極を配置すること(エアギャップ式の圧電振動子)も提案されている(特許文献1及び2)。このような構成によっても、1対の励振電極に交流電圧が印加されると、1対の励振電極間に電界が形成されることから、圧電素板は、発振信号の生成に利用可能な振動を生じる。
圧電素板に1対の励振電極を設ける圧電振動子においても、エアギャップ式の圧電振動子においても、圧電素板の平面視において、励振電極は、圧電素板の中央側の一部にのみ配置されている。このようにすることにより、いわゆるエネルギーの閉じ込めが生じ、特性が向上することが知られている。なお、特に文献を挙げないが、エネルギーの閉じ込め効果を向上させるために圧電素板の外周部をベベル加工する技術も知られている。
特開平2−53313号公報 特開2000−269777号公報
特許文献1及び2におけるエネルギーの閉じ込め効果を得る方法では、種々の不都合が生じる。例えば、圧電素板には、励振電極に電圧を印加するための配線も設けられており、この配線の電位が圧電素板における電界に影響を及ぼすおそれがある。そこで、より好適にエネルギーの閉じ込め効果が得られるエアギャップ式の圧電デバイス及びその製造方法が提供されることが望まれる。
本発明の一態様に係る圧電振動子は、振動部を有する圧電基板と、前記振動部の一方の主面とギャップを介して対向する第1対向面を有する第1絶縁基板と、前記振動部の他方の主面とギャップを介して対向する第2対向面を有する第2絶縁基板と、前記第1対向面に設けられた層状の第1励振電極と、前記第2対向面に設けられた層状の第2励振電極と、を有し、前記第1対向面及び第2対向面は、前記振動部の外周側部分に対向する領域同士の距離よりも前記振動部の中央側部分に対向する領域同士の距離が短い。
好適には、前記第1対向面及び前記第2対向面それぞれは、前記振動部の外周側部分に対向する領域よりも前記振動部の中央側部分に対向する領域が前記振動部に近づく形状である。
好適には、前記第1励振電極は、前記第1対向面の全体を覆っている。
好適には、前記第1絶縁基板の前記圧電基板側の全面を覆い、前記第1励振電極を含む絶縁側金属層を更に有する。
好適には、前記圧電基板の前記第1絶縁基板側の面に設けられ、前記振動部を囲む圧電側金属層を更に有し、前記絶縁側金属層と前記圧電側金属層とが直接に接合されている。
好適には、前記第1対向面は、前記振動部の中央側ほど前記振動部に近づく曲面を有する。
好適には、前記第1対向面は、前記振動部の中央側部分と平行に対向する平面を有する。
好適には、前記第1対向面は、前記振動部の中央側部分と対向する領域に突部を有する。
本発明の一態様に係る圧電デバイスの製造方法は、振動部を有する圧電基板と、前記振動部の一方の主面とギャップを介して対向する第1対向面を有する第1絶縁基板と、前記振動部の他方の主面とギャップを介して対向する第2対向面を有する第2絶縁基板と、前記第1対向面に設けられた層状の第1励振電極と、前記第2対向面に設けられた層状の第2励振電極と、を有する圧電デバイスの製造方法であって、前記振動部の外周側部分に対向する領域よりも前記振動部の中央側部分に対向する領域が前記振動部に近づく形状である前記第1対向面を形成するステップと、前記第1絶縁基板の、前記第1対向面が形成された側の面の全面に、前記第1励振電極を含む絶縁側金属層を形成するステップと、前記圧電基板の、前記第1絶縁基板側の面に前記振動部を囲む圧電側金属層を形成するステップと、前記圧電側金属層と、前記第1対向面が形成された側の面の全面に形成されている前記絶縁側金属層とを原子拡散接合により接合するステップと、を有する。
上記の構成又は手順によれば、エアギャップ式の圧電デバイスにおいてエネルギーの閉じ込め効果が好適に得られる。
本発明の第1実施形態に係る水晶振動子の外観を示す斜視図。 図1の水晶振動子の分解斜視図。 図1のIII−III線における断面図。 図4(a)〜図4(e)は図1の水晶振動子における導電層のパターンを示す図。 図5(a)〜図5(d)は第2〜第5実施形態の構成を示す断面図。
以下、本発明の実施形態に係る水晶振動子について、図面を参照して説明する。なお、以下の説明で用いられる図は模式的なものであり、図面上の寸法比率等は現実のものとは必ずしも一致していない。
また、以下の図面では、図面相互の対応関係を明確にするために、xyz直交座標系を付すことがある。この直交座標系のx軸、y軸及びz軸は、水晶振動子の形状に基づいて定義されており、電気軸、機械軸及び光学軸を示すものではない。
水晶振動子は、いずれの方向が上方又は下方とされてもよいものであるが、以下では、説明の便宜上、z軸方向の正側を上方として、上面、下面等の語を用いることがある。
<第1実施形態>
(水晶振動子の構成)
図1は、本発明の第1実施形態に係る水晶振動子1(以下、「水晶」は省略することがある。)の外観を示す斜視図である。
振動子1は、例えば、全体として概略直方体状の電子部品である。その寸法は適宜に設定されてよい。例えば、比較的小さいものでは、x方向又はy方向においては1辺の長さが1〜2mmであり、z方向においては1辺の長さが0.2〜0.4mmである。
振動子1は、例えば、外部端子3A、3B(以下、A、Bを省略することがある。)を有している。1対の外部端子3は、例えば、金属等の導電体からなり、振動子1の下面に層状に設けられている。1対の外部端子3と不図示の回路基板の1対のパッドとが不図示の導電性のバンプ(例えば半田)によって接着されることにより、振動子1は、回路基板に固定されるとともに電気的に接続される。
図2は、振動子1の分解斜視図である。
振動子1は、例えば、概略3つの部材からなる。すなわち、振動子1は、ベース5と、ベース5の上に重ねられる中間部材7と、中間部材7の上に重ねられるリッド9とを有している。ベース5、中間部材7及びリッド9は、例えば、それぞれ概略平板状であり、その外縁は互いに一致する矩形である。これらの部材が積層されることによって、概略直方体状の振動子1が構成される。
中間部材7は、ベース5の一対の外部端子3から電界が印加されることによって振動する振動部11を有する部材である。ベース5及びリッド9は、振動部11に印加される電界を形成する部分である。また、中間部材7の外周部分、ベース5及びリッド9は、振動部11のパッケージとしても機能する。
ベース5、中間部材7及びリッド9はそれぞれ、概略、絶縁性の基板と、その主面に設けられた導電層(例えば金属層)とを有する構成である。導電層は、振動部11に印加される電界の形成、及び、部材同士の接合等に利用される。
具体的には、ベース5は、絶縁性のベース基板13と、その下面に設けられた既述の外部端子3と、ベース基板13の上面に設けられたベース金属層15とを有している。中間部材7は、圧電基板17と、その両主面に設けられた中間金属層19J及び19K(以下、J、Kを省略することがある)とを有している。リッド9は、絶縁性のリッド基板21と、その下面に設けられたリッド金属層23とを有している。
ベース基板13及びリッド基板21は、例えば、水晶、セラミック又は樹脂からなる。圧電基板17は、例えば、水晶の基材から適宜なカット角で切り出されたものであり、例えば、ATカット板である。
ベース金属層15、中間金属層19及びリッド金属層23は、1層の金属層から構成されてもよいし、2種以上の金属層から構成されてもよい。金属層を構成する材料は、例えば、Cu、Ti、Auである。なお、ベース基板13、リッド基板21又は圧電基板17が水晶からなる場合、金属層は、水晶との密着性が高いクロム(Cr)、ニッケル(Ni)又はニクロム(NiCr)からなる下地層と、この下地層に重ねられた、導電性が高い金(Au)又は銀(Ag)からなる層とを有していることが好ましい。なお、導電層は、水晶との密着性及び導電性の双方が高い適宜な合金からなる単層であってもよい。
図3は、図1のIII−III線における断面図である。
ベース基板13及びリッド基板21は、例えば、概略、一定の厚みの平板において、中間部材7側に凹部13a及び21aが形成された形状とされている。凹部13a及び21aが形成されていることから、圧電基板17の中央側部分は、ギャップを介してベース基板13及びリッド基板21と対向している。これにより、圧電基板17の中央側部分は、振動可能な振動部11となっている。凹部13a及び21aの形状は、例えば、振動部11に対して面対称の形状とされている。凹部13a及び21aの平面形状は、適宜な形状とされてよいが、例えば、矩形である。
振動部11は、例えば、圧電基板17において振動部11の周囲3方に溝が形成されることによって(図2参照)、一端側が支持され、他端側が自由端とされている。すなわち、圧電基板17は、枠部17aと、枠部17aに支持された振動部11とを有している。なお、このように圧電基板17自体の形状によって振動しやすい部分(振動部11)が形成されている場合、振動部11は、凹部13a及び21a(ベース基板13及びリッド基板21による振動の拘束位置)によってではなく、振動部11自体の形状によってその範囲が定義されてよい。枠部17aの平面形状は適宜な形状とされてよいが、例えば、その内縁は凹部13a及び21aに一致する。振動部11の平面形状は適宜な形状とされてよいが、例えば、矩形である。振動部11の厚さは、例えば、枠部17aの厚さと同一である。
凹部13a及び21aの底面は、ギャップを介して振動部11と対向する対向面13b及び21bを有している。本実施形態では、振動部11は、枠部17aとの間に溝が形成されることにより、平面視において凹部13a及び21aの底面よりも若干小さい。従って、厳密には、ギャップを介して振動部11と対向する対向面13b及び21bは、凹部13a及び21aの底面よりも若干小さい。ただし、対向面13b及び21bと凹部13a及び21aの底面とは概略同等であるので、以下の説明では両者を区別しないことがある。
凹部13a及び21aの底面は、例えば、その中央側ほど振動部11に近づくように膨らむ曲面により構成されている。換言すれば、対向面13b及び21bは、振動部11の外周側部分に対向する領域よりも振動部11の中央側部分に対向する領域が振動部11に近づく形状である。従って、対向面13b及び21bは、振動部11の外周側部分に対向する領域同士の(対向方向の)距離よりも振動部11の中央側部分に対向する領域同士の距離が短い。
なお、図では、曲面の頂点は、凹部13a及び21aの中央位置となっているが、振動部11の中央位置とされてもよい。曲面は、球の表面のようにその全体に亘って曲率が一定のものであってもよいし、曲率が位置によって変化するものであってもよい。また、曲率の大きさは適宜に設定されてよい。
ベース金属層15は、例えば、ベース基板13の圧電基板17側の面の概ね全面を覆っている。具体的には、例えば、ベース金属層15は、凹部13aの底面(対向面13b)及び内周面の全体を覆い、また、凹部13aの周囲の枠状の面については一部を除いて概ね全体を覆っている。そして、ベース金属層15のうち対向面13b上に位置する部分は、振動部11とギャップを介して対向する励振電極25Aを構成している。
同様に、リッド金属層23は、例えば、リッド基板21の圧電基板17側の面の概ね全面を覆っている。具体的には、例えば、リッド金属層23は、凹部21aの底面(対向面21b)及び内周面の全体を覆い、また、凹部21aの周囲の枠状の面についてもその全体を覆っている。そして、リッド金属層23のうち対向面21b上に位置する部分は、振動部11とギャップを介して対向する励振電極25Bを構成している。
励振電極25A及び25B(以下、A、Bを省略することがある。)に交流電圧が印加されることによって、これらの電極間に電界が形成される。これにより、振動部11に電界が印加され、振動部11が振動する。
励振電極25は、層状電極であることから、対向面13b及び21bの上述した膨らみにより、励振電極25は、振動部11の外周側部分に対向する領域よりも振動部11の中央側部分に対向する領域が振動部11に近い。また、1対の励振電極25は、振動部11の外周側部分に対向する領域同士の距離よりも振動部11の中央側部分に対向する領域同士の距離が短い。電界は電荷間の距離が短いほど強くなるから、1対の励振電極25間における電界は、振動部11の中央側部分の方が振動部11の外周側部分よりも大きくなる。
振動部11と励振電極25(対向面13b及び21b)との距離、及び、1対の励振電極25間(対向面13b及び21b)の距離等は、適宜に設定されてよい。例えば、振動部11と励振電極25との最短距離(振動部11の主面の略中央における距離)は、振動部11が所定の振幅で振動したときに振動部11が励振電極25に接触しない範囲で、できるだけ小さくされる。また、振動部11と励振電極25との最長距離(振動部11の外縁位置における距離)は、例えば、ベース基板13又はリッド基板21の強度を確保でき、また、振動子1が大型化し過ぎない範囲で、できるだけ大きくされる。
上述のように、ベース金属層15は、ベース基板13の圧電基板17側の面の概ね全体を覆っており、ひいては、凹部13aを囲んでいる。同様に、リッド金属層23は、リッド基板21の圧電基板17側の面の全体を覆っており、ひいては、凹部21aを囲んでいる。一方、中間金属層19は、圧電基板17の各主面において、振動部11を除いて概ね全体を覆っており、ひいては、振動部11を囲んでいる。
従って、ベース金属層15と中間金属層19Jとは振動部11の周囲において互いに対向する。また、中間金属層19Kとリッド金属層23とは振動部11の周囲において互いに対向する。これらの互いに対向する金属層同士は、全周に亘って互いに接合されている。これにより、ベース5、中間部材7及びリッド9は互いに固定され、また、振動部11を収容する空間(凹部13a及び21a等からなる空間)は密閉される。振動部11を収容する空間は、例えば、不活性ガスで満たされていてもよいし、真空とされていてもよい。金属層同士の接続は、例えば、原子拡散接合によってなされる。
1対の外部端子3と1対の励振電極25とは、例えば、スルーホール導体27A,27B及び27C(以下、A、B及びCを省略することがある)によって互いに接続されている。具体的には、以下のとおりである。
スルーホール導体27Aは、外部端子3Aと重なる位置にてベース基板13を貫通する貫通孔の内周面に形成されている。そして、スルーホール導体27Aは、下端が外部端子3Aに接続され、上端がベース金属層15のうちの、励振電極25Aを含むパターンに接続されている。これにより、外部端子3Aと励振電極25Aとは電気的に接続されている。
スルーホール導体27Bは、外部端子3Bと重なる位置にてベース基板13を貫通する貫通孔の内周面に形成されている。スルーホール導体27Cは、スルーホール導体27Bの貫通孔と重なる位置にて圧電基板17を貫通する貫通孔の内周面に形成されている。そして、スルーホール導体27Bの下端は外部端子3Bに接続され、スルーホール導体27Bの上端はスルーホール導体27Cの下端に接続され、スルーホール導体27Cの上端はリッド金属層23に接続されている。これにより、外部端子3Bとリッド金属層23に含まれる励振電極25Bとは電気的に接続されている。
図4(a)〜図4(e)は、上述した各種の導電層の平面形状の一例を示すための図である。具体的には、図4(a)はリッド9の下面図、図4(b)は中間部材7の上面図、図4(c)は中間部材7の下面図、図4(d)はベース5の上面図、図4(e)はベース5の下面図である。
図4(e)に示すように、1対の外部端子3は、例えば、ベース基板13の下面の長手方向両側において、矩形状に形成されている。スルーホール導体27は、例えば、凹部13a及び21aよりも外側に位置するように、外部端子3の配置領域のうち前記長手方向の外側に位置している。なお、図では、スルーホール導体27は、ベース基板13の短辺に対してその中央付近に位置しているが、ベース基板13の角部付近に位置するなどしてもよい。外部端子3とスルーホール導体27とは、例えば、スルーホール導体27の全周に亘って接続されている。
図4(d)に示すように、ベース金属層15は、例えば、スルーホール導体27Aに接続されるメインパターン15aと、スルーホール導体27Bに接続されるサブパターン15bとを有している。
メインパターン15aは、例えば、ベース基板13の上面の大部分を覆っており、励振電極25Bを含むとともに凹部13aを囲む枠状部分を有している。メインパターン15aの凹部13aを囲む枠状部分は、例えば、スルーホール導体27Aの全周に接続されているとともに励振電極25Bの全周に接続されている。
サブパターン15bは、例えば、スルーホール導体27Bの上端を囲む環状パターンであり、その外縁は、メインパターン15aから切り離されている。また、サブパターン15bは、例えば、スルーホール導体27Bの全周に接続されている。
図4(c)に示すように、中間金属層19Jは、例えば、ベース金属層15のメインパターン15aと接合されるメインパターン19aと、ベース金属層15のサブパターン15bと接合されるサブパターン19bとを有している。
メインパターン19aは、例えば、メインパターン15aから凹部13aに対応する部分を除いた形状である。サブパターン19bは、例えば、サブパターン15bと同一の形状である。サブパターン19bは、例えば、スルーホール導体27Cの全周に接続されている。サブパターン19bとサブパターン15bとの接合によって、スルーホール導体27Bと27Cとは接続される。
図4(b)に示すように、中間金属層19Kは、例えば、一のパターンからなり、振動部11及びスルーホール導体27Cの配置領域を除く全面に形成されている。中間金属層19Kは、例えば、スルーホール導体27Cの全周に接続されている。
図4(a)に示すように、リッド金属層23は、例えば、一のパターンからなり、リッド基板21の下面の全面を覆っている。リッド金属層23は、中間金属層19Kと接合され、これにより、スルーホール導体27Cと電気的に接続され、ひいては、外部端子3Bと電気的に接続される。
(水晶振動子の製造方法)
振動子1の製造においては、特に図示しないが、まず、ベース基板13、圧電基板17及びリッド基板21を作製する。例えば、各基板が多数個取りされるウェハに対してエッチング加工及び/又はブラスト加工を行うことにより、凹部13a及び21a、並びに、振動部11の周囲の溝等が形成される。なお、加工精度の観点からは、フォトリソグラフィーにより形成されたレジストマスクを利用したエッチングが好ましい。スルーホール導体27用の貫通孔は、レーザー加工やドリル加工によって形成されてもよい。
この各基板を作製する工程において、中央側部分が膨らむ対向面13b及び21bも形成される。本実施形態のように曲面からなる対向面13b及び21bは、例えば、ウェハから複数の微小なレンズ(例えばマイクロレンズ)を形成する方法に倣って形成されてよい。例えば、レンズ形状のレジストをウェハ上に形成し、このレジストとともにウェハをエッチングすることによってレンズ形状をウェハに転写してよい。レンズ形状のレジストは、例えば、熱フローを利用したり、グレースケールマスクを利用したりして形成される。
次に、各基板が多数個取りされる各ウェハに対して各種の金属層(3、15、19及び23)を形成する。具体的には、例えば、公知の成膜方法によって金属層を形成した後、フォトリソグラフィーによって形成したレジストマスクを介してエッチングする。又は、フォトリソグラフィーによって形成したレジストマスクを介して公知の成膜方法によって金属層を成膜する。
ただし、図4(a)に示したように、リッド金属層23は、リッド基板21の下面の全面に形成されることから、その形成にあたってパターニングは不要である。すなわち、金属層形成後のレジストマスクの形成及び金属層のエッチング、又は、金属層形成前のレジストマスクの形成は不要である。
金属層の成膜には、めっき法(無電解めっき、電解めっき)や蒸着法(真空蒸着やスパッタリング)等の公知の方法又はその組み合わせが適宜に選択されてよい。なお、比較的高い真空度の雰囲気下において、スパッタリング等によって金属層を形成すれば、金属層の形成に引き続いて、同一の真空雰囲気下にて、後述する原子拡散接合による接合を行うことができ、好適である。
次に、原子拡散接合によりウェハ同士を貼り合わせる。具体的には、例えば、ベース5、中間部材7及びリッド9が多数個取りされる3枚のウェハを真空中又は不活性ガス中で重ね合わせ、必要に応じて加圧及び加熱を行う。ただし、加熱は、ベース金属層15、中間金属層19及びリッド金属層23がこれらの融点以下の温度となるように行われる。接合前に、金属層にイオン照射を行って金属膜表面を清浄化及び活性化してもよい。このような方法により、ベース金属層15と中間金属層19Jとの間で原子が拡散してこれらの層が接合され、また、中間金属層19Kとリッド金属層23との間で原子が拡散してこれらの層が接合される。その後、接合された3枚のウェハがダイシングされ、複数の振動子1が切り出される。
以上のとおり、本実施形態では、水晶振動子1は、振動部11を有する圧電基板17と、振動部11の一方の主面とギャップを介して対向する対向面21bを有するリッド基板21と、振動部11の他方の主面とギャップを介して対向する対向面13bを有するベース基板13と、対向面21bに設けられた層状の励振電極25Bと、対向面13bに設けられた層状の励振電極25Aと、を有している。対向面13b及び21bは、振動部11の外周側部分に対向する領域同士の距離よりも振動部11の中央側部分に対向する領域同士の距離が短い。
従って、例えば、圧電基板17が原子拡散接合されていない部分、つまり、上下にギャップのある振動部11の中央側部分において、ベース金属層15とリッド金属層23との距離(1対の励振電極25間の距離)を相対的に短くし、電界の強度を高くすることができる。その結果、エネルギーの閉じ込め効果が生じ、振動部11の特性を向上させることができる。その一方で、振動部11の外周側部分においては、ベース金属層15とリッド金属層23との距離を相対的に長くすることができる。その結果、例えば、励振電極25に電圧を印加するためのパターンによって振動部11に電界が印加されることが抑制され、振動部11の特性が向上する。
また、本実施形態では、対向面13b及び21bそれぞれは、振動部11の外周側部分に対向する領域よりも振動部11の中央側部分に対向する領域が振動部11に近づく形状である。
従って、例えば、対向面13b及び21bのうち一方のみを振動部11に近づく形状とする態様(この態様も本願発明に含まれる)に比較して、対向面13b及び21bにおいて、振動部11の外周側部分に対向する領域同士の距離よりも振動部11の中央側部分に対向する領域同士の距離を短くしやすい。その結果、エネルギーの閉じ込め効果等が増大する。また、1対の励振電極25の位置乃至は形状が振動部11に対して面対称に近づくから、振動部11の振動の対称性が向上する。
また、本実施形態では、励振電極25Aは対向面13bの全体を覆い、励振電極25Bは対向面21bの全体を覆っている。
すなわち、従来のように、励振電極を振動部11よりも小さくして電界を振動部11の中央側部分に集中させるのではなく、1対の励振電極25を局所的に互いに近づけ、振動部11の中央側部分における電界の強度を相対的に高くし、擬似的に電界を振動部11の中央側部分に集中させる。従って、例えば、励振電極25の全周に亘って外部端子3との接続を確保することができる。これにより、例えば、励振電極25と外部端子3との間の抵抗値を小さくし、ひいては、クリスタルインピーダンスを小さくし、振動子1の特性を向上させることができる。また、例えば、電界の強度の精度は、励振電極の平面形状ではなく、対向面13b及び21bの形状に依存するから、パターニングの精度を緩和することができる。
また、本実施形態では、振動子1は、リッド基板21の圧電基板17側の全面を覆い、励振電極25Bを含むリッド金属層23を更に有している。
上述のように1対の励振電極25を局所的に近づけてエネルギーの閉じ込め効果を得る構成であることから、このような全面を覆うリッド金属層23によって励振電極25Bを構成することができる。その結果、例えば、既に述べたように、パターニングの必要がなく、製造方法が簡素化される。
また、本実施形態では、振動子1は、圧電基板17のリッド基板21側の面に設けられ、振動部11を囲む中間金属層19Kを更に有している。リッド金属層23と中間金属層19Kとは直接に接合されている。
従って、例えば、半田等の接着剤を介して中間部材7とリッド9とを接合する態様(この態様も本願発明に含まれる)に比較して、中間部材7とリッド9との距離の精度が向上する。さらに、上記のように、1対の励振電極25を局所的に近づけてエネルギーの閉じ込め効果を得る構成であることから、励振電極25を含むリッド金属層23のパターニングは不要であり、パターニングしないことによって生じるリッド金属層23の外周側部分を前記の高精度な接合に利用することができる。
また、本実施形態では、対向面13b及び21bは、振動部11の中央側ほど振動部11に近づく曲面を有している。
従って、例えば、振動部11において、エネルギーが漏れにくい中央側ほど電界を大きくすることができる。その結果、例えば、滑らかに電界強度を変化させることができ、効率的に特性を向上させることができる。また、例えば、後述する他の実施形態の対向面に比較して対向面13b及び21bが滑らかであり、層状の励振電極25を対向面13b及び21bの全体に均一の厚さに成膜することが容易である。その結果、特異点が生じるおそれが低減される。
また、本実施形態では、振動子1の製造方法は、振動部11の外周側部分に対向する領域よりも振動部11の中央側部分に対向する領域が振動部11に近づく形状である対向面21bを形成するステップと、リッド基板21の、対向面21bが形成された側の面の全面に、励振電極25Bを含むリッド金属層23を形成するステップと、圧電基板17の、リッド基板21側の面に振動部11を囲む中間金属層19Kを形成するステップと、中間金属層19Kと、対向面21bが形成された側の面の全面に形成されているリッド金属層23とを原子拡散接合により接合するステップと、を有している。
従って、既に述べたように、1対の励振電極25を局所的に近づけてエネルギーの閉じ込め効果を得る構成であることから、励振電極25を含むリッド金属層23のパターニングは不要であり、製造方法が簡素である。さらに、パターニングしないことによって生じるリッド金属層23の外周側部分を原子拡散接合に利用することができる。原子拡散接合を利用することから、中間金属層19K及びリッド金属層23の厚さによって振動部11と励振電極25との距離を高精度に制御することができる。
<第2〜第5実施形態>
図5(a)〜図5(d)は、第2〜第5実施形態に係る振動子を示す図3に相当する断面図である。
なお、第2〜第5実施形態の説明において、既に説明された実施形態の構成と同一又は類似の構成については、既に説明された実施形態の構成に付された符号と同一の符号を付し、また、説明を省略することがある。既に説明された実施形態の構成と対応(類似)する構成について、既に説明された構成に付された符号とは異なる符号を付した場合において、特に断りがない事項については、既に説明された実施形態の構成と同様である。
第2〜第5実施形態に係る振動子は、第1実施形態と同様に、振動部を挟んで対向する1対の対向面を有し、この1対の対向面は、振動部の中央側部分に対向する領域同士の距離が振動部の外周側部分に対向する領域同士の距離よりも短くされている。ただし、第2実施形態(図5(a))は、圧電基板の具体的形状が第1実施形態と異なり、第3〜第5実施形態(図5(b)〜図5(d))は、対向面の具体的形状が第1実施形態と異なる。具体的には、以下のとおりである。
第2実施形態(図5(a))に係る振動子201では、中間部材207の圧電基板217は、振動部211がその外周部分(ベース5及びリッド9に挟持される部分)よりも薄くなるように形成されている。これにより、振動部211と対向面13b及び21b(励振電極25)との間のギャップが確保されている。振動部211は、第1実施形態と同様に、片持ち梁状に支持されるものであってもよいが、図5(a)では、外周全体が支持されている態様を図示している。振動部211は、例えば、凹部13a等の形成と同様に、フォトリソグラフィーを利用したエッチング等によって薄く形成される。
第1実施形態では、圧電基板17の厚さが振動部11及びその外周部分に亘って一定であったことから、対向面13b及び21bの頂面は、振動部11に当接しないように、ベース基板13及びリッド基板21の外周部分の表面よりも低い位置になければならなかった。これに対して、本実施形態では、振動部211が相対的に薄くされていることから、対向面13b及び21bの頂面は、外周部分の表面と同じ高さにあってもよい。従って、例えば、凹部13a及び21aを浅く、又は、不要とすることができる。その結果、例えば、ベース基板13及びリッド基板21の強度を確保することができる。
第3実施形態(図5(b))の振動子301では、ベース305(ベース基板313)の対向面313b及びリッド309(リッド基板321)の対向面321bは、振動部11側へ突出する突部313e及び321eを有している。これにより、対向面313b及び321bは、振動部11の中央側部分に対向する領域同士の距離が振動部11の外周側部分に対向する領域同士の距離よりも短くされている。突部313e及び321eの表面は、例えば、中央側ほど振動部11に近づく曲面である。
このような対向面313b及び321bは、第1実施形態の対向面13b及び21bと同様に、微小なレンズを形成する方法に倣って形成されてよい。ただし、本実施形態では、例えば、レンズ形状のレジストの径は、対向面313b及び321bの径よりも小さくされる。
このように突部313e及び321eを設けた場合においては、第1実施形態に比較して、1対の励振電極25間の距離を中央側部分において急激に短くすることができる。その結果、振動部11の中央側部分に電界を集中させやすくなる。
第4実施形態(図5(c))の振動子401では、ベース405(ベース基板413)の対向面413b及びリッド409(リッド基板421)の対向面421bは、第3実施形態と同様に、振動部11側へ突出する突部413e及び421eを有している。ただし、突部413e及び421eは、頂面が振動部11に平行な平面とされている。突部413e及び421の側面は、例えば、傾斜面とされている。ただし、側面は、鉛直面とされてもよい。
このような対向面413d及び421dは、例えば、突部413e及び421eの頂面を形成するエッチング(ただし、第2実施形態のように振動部11を薄くする場合は不要)と、その外周のエッチングとを別個に行うことによって形成される。突部413e及び421eの傾斜面は、例えば、エッチングガスを特定の方向に吹き付ける異方性エッチング(斜めエッチング)によって形成可能である。
このように突部413e及び421eの頂面を振動部11に平行な平面とした場合においては、例えば、振動部11の中央側の所定の範囲において電界強度が一定となる。その結果、例えば、振動部11の中央側に励振電極を設けた場合と同様の振動が生じやすく、従来のノウハウを利用しやすい。なお、この効果の観点では、突部413e及び421eの側面は鉛直であることが好ましい。
また、突部413e及び421eの側面が傾斜していることから、例えば、中央側ほど振動部に近づく曲面を対向面が有する第1〜第3実施形態と同様に、エネルギーが漏れにくい中央側ほど電界を強くして効率的に特性を向上させることができる。
第5実施形態(図5(d))の振動子501では、ベース505(ベース基板513)の対向面513b及びリッド509(リッド基板521)の対向面521bは、第4実施形態と同様に、頂面が振動部11に平行な突部513e及び521eを有している。ただし、突部513e及び521eは、側面が階段状に形成されている。このような対向面513d及び521dは、例えば、突部513e及び521eを形成するエッチングを複数段階に分けて行うことにより形成可能である。
このような構成では、例えば、第4実施形態のように斜めエッチングを行う必要はなく、既存の設備で突部513e及び521eを形成することができる。
なお、以上の実施形態において、リッド基板21、321、421及び521それぞれは第1絶縁基板の一例であり、対向面21b、321b、421b及び521bそれぞれは第1対向面の一例であり、ベース基板13、321、421及び521それぞれは第2絶縁基板の一例であり、対向面13b、321b、421b及び521bそれぞれは第2対向面の一例であり、励振電極25Bは第1励振電極の一例であり、励振電極25Aは第2励振電極の一例であり、リッド金属層23は絶縁側金属層の一例であり、中間金属層19Kは圧電側金属層の一例である。
本発明は、以上の実施形態に限定されず、種々の態様で実施されてよい。
圧電デバイスは、圧電振動子に限定されない。例えば、発振回路を有する圧電発振器であってもよい。また、圧電振動子は、サーミスタ等の適宜な電気素子を含んでいてもよい。なお、発振回路(IC)又はサーミスタ等の部品は、例えば、ベース等の下面又は上面に適宜に凹部を形成して配置されてよい。
振動部を有する圧電基板、第1絶縁基板及び第2絶縁基板は、互いに積層且つ接合されて振動部を封止するパッケージを構成するものでなくてもよい。例えば、特許文献2の振動子のように、第1絶縁基板及び第2絶縁基板からなるパッケージの内部に、その全体が振動部である圧電基板がバンプによって固定される構成であってもよい。
また、圧電基板、第1絶縁基板及び第2絶縁基板が互いに積層される場合、その接合は、原子拡散接合に限定されない。例えば、金属層を介さずに、直接接合又は陽極接合によって接合されてもよいし、接着剤が用いられてもよい。また、例えば、金属層同士を接合する場合において、既に言及したように接着剤が用いられてもよい。また、例えば、金属層同士を直接的に接合する場合においても、シーム溶接などが利用されてもよい。
振動部は、既に言及したように、片持ち梁状に支持されるものに限定されず、全周が支持されてもよいし、対角線上において支持されてもよい。振動部乃至は電極の形状は、矩形に限定されず、例えば、円形であってもよい。
振動部の中央側部分及び外周側部分の語は、1対の対向面間の距離を比較するときにおける相対的な位置関係を示すものであり、その境界は明確でなくてもよい。ただし、便宜的に、振動部の中央位置と外縁との中間を基準として中央側部分と外周側部分とを定義して、1対の対向面同士の距離を比較してもよい。
1…振動子、11…振動部、17…圧電基板、13…ベース基板(第2絶縁基板)、13b…対向面(第2対向面)、21…リッド基板(第1絶縁基板)、21b…対向面(第2対向面)、25A…励振電極(第2励振電極)、25B…励振電極(第1励振電極)。

Claims (9)

  1. 平面視において、振動部と、当該振動部の周囲に位置している貫通溝と、当該貫通溝の外側で前記振動部の全周を囲んでいるとともに、前記貫通溝が形成されていない部分で振動部と連結されている枠部とを有し、前記振動部が、1対の主面と、当該1対の主面同士をつなぐ側面とを有する圧電基板と、
    前記1対の主面のうちの一方の主面の全体とギャップを介して対向する第1対向面を有する第1絶縁基板と、
    前記1対の主面のうちの他方の主面の全体とギャップを介して対向する第2対向面を有する第2絶縁基板と、
    前記第1対向面に設けられた層状の第1励振電極を含み、前記第1絶縁基板の前記圧電基板側の面を覆っている絶縁側金属層と、
    前記第2対向面に設けられた層状の第2励振電極と、
    を有し、
    前記第1対向面及び第2対向面は、前記振動部の外周側部分に対向する領域同士の距離よりも前記振動部の中央側部分に対向する領域同士の距離が短く、
    前記絶縁側金属層は、平面透視において、前記振動部の全体に重なっているとともに、前記振動部の全周に亘って前記振動部から枠部に重なる位置まで広がっている
    圧電デバイス。
  2. 前記第1対向面及び前記第2対向面それぞれは、前記振動部の外周側部分に対向する領域よりも前記振動部の中央側部分に対向する領域が前記振動部に近づく形状である
    請求項1に記載の圧電デバイス。
  3. 前記第1絶縁基板は、前記圧電基板側の面に凹部を有しており、
    前記凹部の底面は、前記第1対向面を含んでいるとともに、平面視において前記側面よりも前記一方の主面の外側に広がっており、
    前記絶縁側金属層は、前記凹部の底面の全体を覆っている
    請求項1又は2に記載の圧電デバイス。
  4. 前記絶縁側金属層は、前記第1絶縁基板の前記圧電基板側の全面を覆っている
    請求項1〜3のいずれか1項に記載の圧電デバイス。
  5. 前記圧電基板の前記第1絶縁基板側の面に設けられ、前記振動部を囲む圧電側金属層を更に有し、
    前記絶縁側金属層と前記圧電側金属層とが直接に接合されている
    請求項4に記載の圧電デバイス。
  6. 前記第1対向面は、前記振動部の中央側ほど前記振動部に近づく曲面を有する
    請求項1〜5のいずれか1項に記載の圧電デバイス。
  7. 前記第1対向面は、前記振動部の中央側部分と平行に対向する平面を有する
    請求項1〜5のいずれか1項に記載の圧電デバイス。
  8. 前記第1対向面は、前記振動部の中央側部分と対向する領域に突部を有する
    請求項1〜7のいずれか1項に記載の圧電デバイス。
  9. 請求項5に記載の圧電デバイスの製造方法であって、
    前記振動部の外周側部分に対向する領域よりも前記振動部の中央側部分に対向する領域が前記振動部に近づく形状である前記第1対向面を形成するステップと、
    前記第1絶縁基板の、前記第1対向面が形成された側の面の全面に、前記第1励振電極を含む前記絶縁側金属層を形成するステップと、
    前記圧電基板の、前記第1絶縁基板側の面に前記振動部を囲む前記圧電側金属層を形成するステップと、
    前記圧電側金属層と、前記第1対向面が形成された側の面の全面に形成されている前記絶縁側金属層とを原子拡散接合により接合するステップと、
    を有する圧電デバイスの製造方法。
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