JP6844747B2 - 共振子及び共振装置 - Google Patents
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Description
以下、添付の図面を参照して本発明の第1実施形態について説明する。なお、各図においては、共振装置1の構造における特徴の少なくとも一部を説明するのに必要な構成を抽出して記載しているが、共振装置1が不図示の構成を備えることを妨げるものではない。
以下、共振装置1の各構成について詳細に説明する。
上蓋30はXY平面に沿って平板状に広がっており、その裏面に例えば平たい直方体形状の凹部31が形成されている。凹部31は、側壁33に囲まれており、共振子10が振動する空間である振動空間の一部を形成する。
下蓋20は、XY平面に沿って設けられる矩形平板状の底板22と、底板22の周縁部からZ軸方向(すなわち、下蓋20と共振子10との積層方向)に延びる側壁23とを有する。下蓋20には、共振子10と対向する面において、底板22の表面と側壁23の内面とによって形成される凹部21が設けられる。凹部21は、共振子10の振動空間の一部を形成する。
図3は、上蓋30を取り外した共振装置1の平面図である。図3を用いて本実施形態に係る共振子10の、各構成について説明する。共振子10は、振動部120と、保持部140と、保持腕111、112と、ビアV1、V2、V3、V4とを備えている。
振動部120は、図3の直交座標系におけるXY平面に沿って広がる櫛歯形状の輪郭を有している。振動部120は、保持部140の内側に設けられており、振動部120と保持部140との間には、所定の間隔で空間が形成されている。図3の例では、振動部120は、基部130と、4本の振動腕135A〜135D(まとめて「複数の振動腕135」とも呼ぶ。)とを有している。なお、振動腕の数は、4本に限定されず、例えば2本以上の任意の数に設定される。本実施形態において、複数の振動腕135と、基部130とは、一体に形成されている。
保持部140は、XY平面に沿って矩形の枠状に形成される。保持部140は、平面視において、XY平面に沿って振動部120の外側を囲むように設けられる。なお、保持部140は、振動部120の周囲の少なくとも一部、具体的には基部130から視て複数の振動腕135の開放端側に延在して設けられていればよく、枠状の形状に限定されない。例えば、保持部140は、振動部120を保持し、また、上蓋30及び下蓋20と接合できる程度に、振動部120の周囲に設けられていればよい。
保持腕111及び保持腕112は、保持部140の内側に設けられ、基部130の後端131Bと枠体140c、140dとを接続する。図3に示すように、保持腕111と保持腕112とは、基部130のX軸方向の中心線に沿ってYZ平面に平行に規定される仮想平面Pに対して略面対称に形成される。
ビアV1、V2、V3、V4は複数の振動腕135における先端部近傍に形成された金属(図7Cの導電体237である。)が充填された孔であり、振動腕135A〜135Dそれぞれに形成された導電膜236と、後述する金属層E1(図6参照)とを電気的に接続させる。このため、振動腕135A〜135Dそれぞれの表面に発生する電荷をキャンセルすることができる。特に、振動腕135A〜135Dそれぞれに形成された導電膜236が金属層E1を通してアースされる場合、振動腕135A〜135Dそれぞれの導電膜236表面に発生する電荷をキャンセルできる。図6においては、二点鎖線は電気的な接続を示しており、破線は、特にビアV1、V2、V3、V4による電気的な接続を示している。
突起部50は、隣り合う振動腕135Bと振動腕135Cの間に突起するように下蓋20に形成されている。本実施形態では、突起部50は、振動腕135B、135Cに平行に延びる角柱形状に形成されている。突起部50の振動腕135B、135Cに沿った方向の長さは240μm程度、当該方向に直交する長さ(幅)は15μm程度である。下蓋20に突起部50が形成されることで、例えば共振装置1を薄型化するために、下蓋20の厚さを低減したとしても、下蓋20の反りの発生を抑制することが可能になる。図3では、一例として、振動腕135B、135Cそれぞれの錘部Gと突起部50とがY軸方向において対向している、すなわち、X軸方向(複数の振動腕135の延在方向に直交する方向)に重なる領域を有している例を示しているが、必ずしもこの態様に限定されない。
図4を用いて共振子10の積層構造について説明する。図4は、図2のAA'断面図である。AA'断面は、枠体140bに平行であり、ビアV5をとおる断面である。
上蓋30は、所定の厚みのSi(シリコン)ウエハS1により形成されている。図4に示すように、上蓋30はその周辺部(側壁33)での裏面によって、後述する接合層40により共振子10の保持部140と接合されている。上蓋30の裏面は、酸化ケイ素膜(不図示)に覆われていることが好ましい。酸化ケイ素膜は、例えばSiウエハS1の表面の酸化や、化学気相蒸着(CVD: Chemical Vapor Deposition)によって、SiウエハS1の表面に形成される。
下蓋20の底板22及び側壁23は、Si(シリコン)ウエハS2により、一体的に形成されている。また、下蓋20は、側壁23の表面によって、共振子10の保持部140と接合されている。Z軸方向に規定される下蓋20の厚みは例えば、150μm、凹部21の深さは例えば50μmである。なお、SiウエハS2は、縮退されていないシリコンから形成されており、その抵抗率は例えば16mΩ・cm以上である。
共振子10では、保持部140、基部130、複数の振動腕135、保持腕111,112は、同一プロセスで一体的に形成される。共振子10では、まず、Si(シリコン)基板F2の上に、金属層E1(下部電極の一例である。)が積層されている。そして、金属層E1の上には、金属層E1を覆うように、圧電薄膜F3(圧電膜の一例である。)が積層されており、さらに、圧電薄膜F3の表面には、金属層E2(上部電極の一例である。)が積層されている。すなわち、金属層E1と金属層E2が圧電薄膜F3を挟んで対向するように設けられ、金属層E1には下蓋20が対向して設けられ、金属層E2には上蓋30が対向して設けられている。金属層E2の上には、金属層E2を覆うように、保護膜235が積層されている。複数の振動腕135のそれぞれの錘部Gにおいては、さらに、保護膜235の上に、導電膜236が積層されている。本実施例では、金属層E2は、複数の振動腕135の先端まで延在しない構成になっている。これによって、金属層E1や導電膜236との短絡による特性変化を抑制することができる。このように金属層E2は、複数の振動腕135の先端まで延在させない様にパターニングする方が望ましいが、先端まで延在させてもよい。尚、低抵抗となる縮退シリコン基板をSi基板F2として用いる場合、Si基板F2自体が下部電極の機能を兼ねる事で、金属層E1を省略する事も可能である。
図4に戻り、共振装置1の積層構造の続きを説明する。
突起部50は、下蓋20のSiウエハS2と一体形成される第1層51と、共振子10と同一プロセスで形成される第2層52とを有している。第2層52には、上述の酸化ケイ素層F21と、Si基板F2と、金属層E1と、圧電薄膜F3と、金属層E2と、保護膜235と、導電膜236とがこの順に積層されて形成される。
上蓋30の周縁部と保持部140との間には、接合層40が形成されており、この接合層40によって、上蓋30が保持部140と接合される。接合層40は、例えばAu(金)膜及びSn(錫)膜から形成されている。
次に、図7A乃至図7Cを参照して、共振装置1のプロセスフローについて説明する。図7Aは、図3のDD'断面のプロセスフローである。
図8、図9を参照して、突起部50から錘部Gまでの距離L2を、複数の振動腕135の開放端から保持部140までの距離L1よりも長く設定することの効果について説明する。
図8に結果を示す検証では、距離L1を10μmに固定し、距離L2を共振装置のサンプルごとに49μm(A−1,A−2)、25μm(B−1)、19μm(C−1)、9μm(D−1)、5μm(E−1,E−2,E−3)の間で変動させている。A−1,B−1,C−1,D−1,E−1のサンプルでは、突起部50に形成した導電膜236を接地させている。A−2、E−2のサンプルでは、突起部50に形成した導電膜236をフロート状態にしている。さらにE−3のサンプルでは、突起部50には導電膜236は形成されていない。各サンプルにおけるその他の構成は、上述のとおりである。
第2実施形態以降では第1の実施形態と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については実施形態毎には逐次言及しない。
その他の共振装置2の構成・機能は、共振装置1と同様である。同様に、第1層51上の、半導体層、下部電極、圧電膜、上部電極、絶縁膜、導電膜は、それぞれ、必要に応じて、あっても無くてもよい。
図11を用いて第3実施形態に係る共振装置3の構成、機能について説明する。図11は、図3に対応し、本実施形態における共振装置3から上蓋30を取り外した平面図の一部を抜粋した図である。共振装置3は、共振装置1の振動腕135A乃至135D、突起部50に代えて、振動腕136A乃至136D(複数の振動腕136)、突起部70を有している。
その他の共振装置3の構成は第1実施形態における共振装置1の構成と同様である。
図12を用いて第4実施形態に係る共振装置4の構成、機能について説明する。図14は、図3に対応し、本実施形態における共振装置4から上蓋30を取り外した平面図の一部を抜粋した図である。共振装置4は、共振装置1の振動腕135A乃至135D、突起部50に代えて、振動腕137A乃至137C(複数の振動腕137)、突起部80A、80Bを有している。
その他の共振装置4の構成・機能は、共振装置1と同様である。
本発明の一実施形態に係る共振装置1は、基部130と、当該基部130に接続された固定端及び当該基部130から離れて設けられた開放端を有し、固定端から開放端まで延在する複数の振動腕135とを備え、基部130及び複数の振動腕135は、圧電膜F3と、当該圧電膜F3を間に挟んで対向するように設けられた下部電極E1及び上部電極E2と、上部電極E2を覆うように設けられた絶縁膜235と、を有する振動部120と複数の振動腕135の前記開放端側に延在して設けられた保持部140と、振動部120と保持部140とを接続する保持腕111、112と、を有する共振子10と、共振子10の上部電極E2に対向して設けられた上蓋30と、共振子10の下部電極E1に対向して設けられた下蓋20と、を備え、下蓋20は、複数の振動腕135のうち隣り合う2つの振動腕135B、135Cの間に突起する突起部50を有し、突起部50は絶縁膜235を有し、振動腕135は、開放端側に設けられかつ振動腕135における他の部位よりも幅が広い錘部Gを有し、錘部Gは、絶縁膜235上に形成された導電膜236を有し、下蓋20における下部電極E1と対向する面を平面視したときに、複数の振動腕135が延在する方向において、隣り合う2つの振動腕135B、135Cのいずれか1つの錘部Gと保持部140との間の第1距離L1よりも、当該錘部Gと突起部50との間の第2距離L2のほうが大きい。第2距離L2は、より好ましく第1距離L1の2倍以上である。これにより、保護膜235または導電膜236にチャージされた電荷によるクーロン力が共振子10の周波数の変動に与える影響を低減することができる。
10 共振子
20 下蓋
30 上蓋
50、60、70、80A、80B 突起部
111、112 保持腕
120 振動部
130 基部
135(135A〜135D)、136、137 振動腕
140 保持部
235 保護膜
236 導電膜
Claims (9)
- 基部と、当該基部に接続された固定端及び当該基部から離れて設けられた開放端を有し、前記固定端から前記開放端まで延在する複数の振動腕とを備え、前記基部及び前記複数の振動腕は、圧電膜と、当該圧電膜を間に挟んで対向するように設けられた下部電極及び上部電極と、前記上部電極を覆うように設けられた絶縁膜と、を有する振動部と、
前記複数の振動腕の前記開放端側に延在して設けられた保持部と、
前記振動部と前記保持部とを接続する保持腕と、
を有する共振子と、
前記共振子の前記上部電極に対向して設けられた上蓋と、
前記共振子の前記下部電極に対向して設けられた下蓋と、
を備え、
前記下蓋は、前記複数の振動腕のうち隣り合う2つの振動腕の間に突起する突起部を有し、前記突起部は絶縁膜を有し、
前記振動腕は、前記開放端側に設けられかつ前記振動腕における他の部位よりも幅が広い錘部を有し、前記錘部は、前記絶縁膜上に形成された導電膜を有し、
前記下蓋における前記下部電極と対向する面を平面視したときに、前記複数の振動腕が延在する方向において、前記隣り合う2つの振動腕のいずれか1つの前記錘部と前記保持部との間の第1距離よりも、当該錘部と前記突起部との間の第2距離のほうが大きい、
共振装置。 - 前記第2距離は、前記第1距離の2倍以上である、
請求項1に記載の共振装置。 - 前記第2距離は20μm以上である、
請求項1又は2に記載の共振装置。 - 前記複数の振動腕は、
3本の振動腕であり、中央の振動腕と外側の振動腕とは、逆相で振動する、
請求項1乃至3の何れか一項に記載の共振装置。 - 前記複数の振動腕は、
4本の振動腕であり、内側の2本の振動腕と外側の2本の振動腕とは、逆相で振動する、
請求項1乃至3の何れか一項に記載の共振装置。 - 前記錘部に形成された前記導電膜は、前記上部電極又は前記下部電極と電気的に接続される、
請求項1乃至5の何れか一項に記載の共振装置。 - 前記保持部は、絶縁膜と当該絶縁膜上に形成された導電膜とを有し、
前記保持部の前記導電膜は、前記上部電極又は前記下部電極と電気的に接続される、
請求項1乃至6の何れか一項に記載の共振装置。 - 前記突起部は、前記絶縁膜上に形成された導電膜をさらに有し、
前記突起部の前記導電膜は、前記上部電極又は前記下部電極と電気的に接続される、
請求項1乃至7の何れか一項に記載の共振装置。 - 前記突起部は、前記隣り合う2つの振動腕のうち前記錘部以外の部位同士の間に突起しており、
前記突起部と前記振動腕における前記錘部以外の部位までの第3距離は、前記第1距離よりも小さい、
請求項1乃至8の何れか一項に記載の共振装置。
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