JP7060615B2 - 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。図1は、本発明の第1実施形態に係る共振装置1の外観を概略的に示す斜視図である。また、図2は、本発明の第1実施形態に係る共振装置1の構造を概略的に示す分解斜視図である。
共振子10と上蓋30とは、後述する接合部Hを介して接合されている。また、共振子10と下蓋20は、それぞれSi基板を用いて形成されており、Si基板同士が互いに接合されている。この上蓋30と下蓋20と、後述する共振子10の保持部140と、接合部Hとにより、共振子10が封止され、気密な振動空間が形成される。なお、共振子10及び下蓋20は、SOI基板を用いて形成されてもよい。
(1-1.パッケージ50)
(A.上蓋30)
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。また、上蓋30には複数の貫通電極(図1,2においては不図示。)が形成されている。なお、上蓋30は凹部31を有さず、平板状の構成でもよい。また、上蓋30の凹部31側の面にはゲッター層が形成されてもよい。
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。上述した上蓋30と下蓋20と保持部140と接合部Hによって、この振動空間は気密に封止され、真空状態が維持される。この振動空間には、例えば不活性ガス等の気体が充填されてもよい。なお、下蓋20は凹部21を有さず、平板状の構成でもよい。また、下蓋20の凹部21の共振子10側の面にはゲッター層が形成されてもよい。
図3は、本実施形態に係る、共振子10の構造を概略的に示す平面図である。共振子10は、MEMS技術を用いて製造されるMEMS振動子であり、図3の直交座標系におけるXY平面内で面外振動する。なお、共振子10は図3に示される面外屈曲振動モードを用いた共振子に限定されず、広がり振動モード、厚み縦振動モード、ラム波振動モード、面内屈曲振動モード、表面波振動モードに用いられても良い。これらはタイミングデバイス、RFフィルタ、デュプレクサ、超音波トランスデューサー、ジャイロセンサ、加速度センサに応用される。さらに、アクチュエーター機能を持った圧電ミラーや圧電ジャイロ、圧力センサ機能を持った圧電マイクロフォンや超音波振動センサ等に用いられても良い。さらに静電MEMS素子、電磁駆動MEMS素子、ピエゾ抵抗MEMS素子等に適用してもよい。
図4Bを用いて共振装置1の積層構造について説明する。図4Bは、図1のAA’断面図である。なお、図1のAA’断面は図3のAA’断面に対応している。図4Bに示すように、本実施形態に係る共振装置1では、下蓋20の側壁23上に共振子10の保持部140が接合され、さらに共振子10の保持部140と上蓋30の側壁33とが接合される。このように下蓋20と上蓋30との間に共振子10が保持され、下蓋20と上蓋30と共振子10の保持部140とによって、振動腕135が振動する振動空間が形成される。
上蓋30は、所定の厚みのSi(シリコン)ウエハL3により形成されている。図4Bに示すように、上蓋30はその周辺部(側壁33)で後述する接合部Hにより共振子10の保持部140と接合されている。上蓋30における、共振子10に対向する表面、裏面及び貫通電極V3の側面は、酸化ケイ素膜L31に覆われていることが好ましい。酸化ケイ素膜L31は、例えばSiウエハL3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L3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L1により、一体的に形成されている。また、下蓋20は、側壁23の上面によって、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L1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、振動腕135、保持腕110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(基板の一例である。)の上に、絶縁膜F4が積層され、絶縁膜F4の上に下部電極E1A,E1B(以下「金属層E1」ともいう。)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が積層されており、さらに、圧電薄膜F3の上には、上部電極E2A、E2B、配線WA,WB、電圧印加部142A,142B(以下、まとめて「金属層E2」ともいう。)が積層されている。なお、金属層E2の上には、金属層E2を覆うように、保護膜が積層されてもよい。
接合部Hは、共振子10と上蓋30との間において、XY平面に沿って矩形の環状に形成される。接合部Hは、共振子10と上蓋30とを共晶結合し、共振子10の振動空間を封止する。例えば接合部Hは、Al層とGe層とから形成される。
次に、図5乃至図8を参照して、本実施形態に係る共振装置1の作用について説明する。図5A,図5B、図6A,図6Bは本実施形態に係る共振子10の接続構成を説明するための図である。図5Aは図3のCC’断面を模式的に示す図である、図5Bは図5Aの等価回路を示している。他方図6Aは図5Aに対応し、比較例の共振子10’の接続構成を示し、図6Bは図6Aの等価回路を示している。なお、比較例の共振子10’は共振子10のSi基板F2が接地されていない点が共振子10と異なるが、その他の構成は共振子10と同様である。
第2の実施形態以降では第1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。
図11、図12を用いて第3実施形態に係る共振子12のうち、第1実施形態との差異点について説明する。図11は、本実施形態に係る、共振子12の平面図を示し、図12は図11のEE'の断面の構造の一例を概略的に示す図である。なお、図12の断面は図11のEE'断面に対応している。
その他の構成・機能は第1実施形態と同様である。
図13、図14を用いて第4実施形態に係る共振子13のうち、第1実施形態との差異点について説明する。図13は、本実施形態に係る共振子13のCC’断面を示す模式図であり、図14は図1のAA’断面を示す模式図である。
その他の構成、機能は第1実施形態と同様である。
本発明の一実施形態に係る共振装置1は、基板と、基板上に形成された絶縁膜F4と、絶縁膜F4上に形成された複数の振動領域であって、各振動領域が、絶縁膜F4上に形成された下部電極E1、下部電極E1上に形成された圧電膜F3、及び、圧電膜F3上に形成された上部電極E2を有し、少なくとも1つの振動領域が他の振動領域とは逆相で振動するように、絶縁膜F4上に形成された複数の下部電極E1のうち、少なくとも1つの下部電極E1が他の下部電極E1とは異なる電位となる、複数の振動領域と、基板、絶縁膜F4、複数の振動領域を有する共振子10を封止するパッケージ50であって、基板を接地させる接地用端子Gを有する、パッケージ50と、を備える。この構成によれば、本実施形態に係る共振装置1では、共振子10において、基板が接地されるよう構成されている。これによって、絶縁膜F4に発生する浮遊容量を付加容量として利用することができる。この結果、共振子10としての容量の増大を抑制することで、結合係数の低減を防ぐことができるため、発振の余裕度を増大させることができる。
10、11、12 共振子
20 下蓋
21 凹部
22 底板
23 側壁
30 上蓋
31 凹部
33 側壁
50 パッケージ
110A、110B 保持腕
120、121,122 振動部
130 基部
131a 長辺
131A 前端
131b 長辺
131B 後端
131c 短辺
131d 短辺
135A、135B、135C、135D、135E、135F 振動腕
140 保持部
140a 枠体
140b 枠体
140c 枠体
140d 枠体
141A、141B、141G、142A、142B
235 保護膜
Claims (13)
- 基板と、
前記基板上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜上に形成された複数の振動領域であって、各振動領域が、前記絶縁膜上に形成された下部電極、前記下部電極上に形成された圧電膜、及び、前記圧電膜上に形成された上部電極を有し、少なくとも1つの振動領域が他の振動領域とは逆相で振動するように、前記絶縁膜上に形成された複数の前記下部電極のうち、少なくとも1つの前記下部電極が他の前記下部電極とは異なる電位となる、複数の振動領域と、
前記基板、前記絶縁膜、前記複数の振動領域を有する共振子を封止するパッケージであって、前記基板を接地させる接地用端子を有する、パッケージと、
を備え、
前記上部電極および前記下部電極の各々は、接地させるための接地用端子と接続されていない、
共振装置。 - 前記基板は、半導体基板である、請求項1に記載の共振装置。
- 前記基板は、
絶縁体又は半導体からなる第1層と、当該第1層と前記絶縁膜の間に形成された導電体からなる第2層とを有し、
前記接地用端子は、前記第2層を接地させる、
請求項1に記載の共振装置。 - 前記パッケージは、
前記基板に対向して設けられた下蓋と、
前記上部電極に対向して設けられた上蓋と、
を備える、請求項1乃至3の何れか一項に記載の共振装置。 - 前記共振子は、
固定端と開放端とを有し屈曲振動する2本以上の振動腕、並びに、前記振動腕の固定端に接続される前端及び当該前端に対向する後端を有する基部、
を有し、
前記2本以上の振動腕は、前記複数の振動領域である、
請求項1乃至4の何れか一項に記載の共振装置。 - 前記共振子は、
前記圧電膜が当該圧電膜に印加された電圧に応じて輪郭振動を行うように構成され、
前記複数の振動領域はそれぞれ、前記複数の振動領域が形成されている振動部の短辺に平行な長辺と、前記圧電膜の輪郭振動の半波長に相当する短辺とを有する矩形の形状である、
請求項1乃至4の何れか一項に記載の共振装置。 - 前記絶縁膜は、
前記基板より導電率の低い膜である、
請求項1乃至6の何れか一項に記載の共振装置。 - 前記絶縁膜は、
窒化シリコン、窒化アルミニウム、二酸化ケイ素、ダイヤモンド、及びサファイアのいずれかから成る、
請求項1乃至7の何れか一項に記載の共振装置。 - 前記絶縁膜は、
熱伝導率が20W/mk以上の高熱伝導率の材料から成る層を含む、
請求項1乃至8の何れか一項に記載の共振装置。 - 前記高熱伝導率の材料は、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、ダイヤモンド、及びサファイアの何れかからなる、
請求項9に記載の共振装置。 - 基板と、
前記基板上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜上に形成された複数の振動領域であって、各振動領域が、前記絶縁膜上に形成された下部電極、前記下部電極上に形成された圧電膜、及び、前記圧電膜上に形成された上部電極を有し、少なくとも1つの振動領域が他の振動領域とは逆相で振動するように、前記絶縁膜上に形成された複数の前記下部電極のうち、少なくとも1つの前記下部電極が他の前記下部電極とは異なる電位となる、複数の振動領域と、
を備え、
前記基板は、
接地させるための接地用端子と接続されるよう構成され、
前記上部電極および前記下部電極の各々は、接地させるための接地用端子と接続されていない、
共振子。 - 前記基板は、半導体からなる請求項11に記載の共振子。
- 前記基板は、
絶縁体又は半導体からなる第1層と、当該第1層と前記絶縁膜の間に形成された導電体からなる第2層とを有し、
前記接地用端子は、前記第2層を接地させる、
請求項11に記載の共振子。
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