JPH06291589A

JPH06291589A - 圧電振動子とその製造方法

Info

Publication number: JPH06291589A
Application number: JP9505892A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Eda; 和生江田; Takashi Nagata; 隆永田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1992-04-15
Filing date: 1992-04-15
Publication date: 1994-10-18
Anticipated expiration: 2014-05-17
Also published as: JP2892882B2

Abstract

(57)【要約】【目的】圧電振動子、例えば、水晶振動子の高周波特
性、特に共振周波数が高くても、共振のＱの優れた圧電
振動子の構造とその製造方法を提供することを目的とす
る。【構成】振動時にも前記圧電基板振動部に直接触れな
いだけの空隙をあけて励振用電極を備えたことを特徴と
する圧電振動子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高周波特性に優れた圧
電振動子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、移動体通信技術の進歩発展によ
り、通信機器の小型、高周波化が進んでいる。これらの
機器には、必ず発振器や高周波のフィルタが必要であ
り、またこれらの発振器や高周波フィルタに圧電振動子
が用いられている。

【０００３】従来の圧電振動子、例えば水晶振動子は、
水晶基板を所定の形状に加工した後、その上下両面に電
極を形成し、その電極に交流電界を加えることによって
振動を励振している。移動体通信機器に使用するために
は、高周波で特性の良い水晶振動子が必要である。水晶
振動子の高周波特性として重要なのは、発振周波数と共
振のＱ（損失の逆数に対応）である。水晶の厚み滑り振
動を用いた場合、発振周波数は、水晶振動子の厚みに反
比例する。従来、容易に得られるのは、基本モードで５
０ＭＨｚの以下の発振周波数、水晶振動子の厚みで４０
ミクロン程度である。発振周波数を高めるためには、水
晶振動子の厚みを薄くしてやれば良い。たとえば５ミク
ロン程度の厚みにすると、４００ＭＨｚ程度での発振が
可能となる。しかし高周波になるに従い、共振のＱが低
下する。これは一つには、高周波になるに従い電極で表
皮効果が生じ、電極損失が増すことによる。またもう一
つの原因は、振動部分が薄くなるにつれ、電極の重み
が、損失に効いてくることによる。したがって、単に研
磨などにより、水晶を薄く加工しても、発振周波数は高
くなるが、共振のＱが低下するため、高周波における性
能の良好なものが得られない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の圧電振動子の構
造では、高周波化のため、圧電振動子の厚みを薄くする
と、損失が増すため、共振のＱが低下し、実質的に、５
００ＭＨｚを越えるような高周波で動作する特性の良好
な圧電振動子を得ることが困難であった。

【０００５】

【課題を決するための手段】上記課題を解決するため、
一部に凹部を有する圧電基板の凹部上に、振動時にも前
記圧電基板凹部に直接触れないだけの空隙をあけて励振
用電極を備え、該励振用電極の保持を前記圧電基板振動
部以外の部分で行ったり、圧電基板とそれに固定された
励振用電極保持部を有し、前記圧電基板上に、振動時に
も前記圧電基板に直接触れないだけの空隙をあけて励振
用電極を備え、該励振用電極の保持を前記励振用電極保
持部で行うようにしたものである。

【０００６】

【作用】上記のような構成とすることにより、高周波に
おいても共振のＱの優れた圧電振動子が得られる。

【０００７】

【実施例】以下本発明の実施例の圧電振動子の構成とそ
の製造方法について、図面を参照しながら説明する。

【０００８】（実施例１）本実施例の圧電振動子の構造
の第１の例を図１に示す。図１（ａ）において、１は圧
電基板で、例えば水晶基板、２は水晶基板に設けられた
凹部、３は水晶振動子励振用の浮き電極であり、その保
持は、水晶基板１の肉厚部で行われている。４は、水晶
基板凹部と励振用浮き電極３の間の空隙である。図１
（ｂ）は、図１（ａ）の構成例を上から見た図である。
上下の電極３は、振動部では対向し、周辺保持部では、
対向しないように引出す構成となっている。

【０００９】浮き電極３は、空隙４により振動時にも水
晶凹部に直接接触しない構成となっており、かつ水晶基
板肉厚部よりは上下電極間の距離が狭くなっているの
で、上下電極間に電界を加えると、水晶凹部に強電界が
加わるようになっている。このような構造とすることに
より、高周波でも共振のＱの極めて良い水晶振動子が得
られた。例えば、各部分の寸法として、水晶基板１の肉
厚部の厚みを４０ミクロン、凹部２の厚みを２ミクロ
ン、励振用浮き電極３の厚みを、０．５ミクロン、空隙
４を、１ミクロンとした場合、共振周波数約１ＧＨｚ、
Ｑとして、約１，０００が得られた。空隙４を設けなか
った場合のＱは、約２００であり、このような構造とす
ることにより、高周波の損失が大幅に改善された。

【００１０】（実施例２）本実施例の圧電振動子の構造
の第２の例を図２に示す。図において、１は水晶などの
圧電基板、３は励振用浮き電極、４は水晶基板１と励振
用浮き電極３との間の空隙、５はシリコンまたはガラス
で形成した励振用浮き電極保持部である。このような構
造とすることにより、浮き電極３は、空隙４により、振
動時にも水晶振動子に直接接触せず、かつその部分に強
電界が加わる構造となっている。その結果、実施例１と
ほぼ同様の効果が得られた。例えば、実施例１と同様の
寸法にした場合、共振周波数はやはり約１ＧＨｚ、Ｑと
して、約９５０が得られた。空隙４を用いなかった場合
のＱは、約２００であり、この場合も、このような構造
とすることにより、高周波の損失が大幅に改善された。

【００１１】（実施例３）本実施例の圧電振動子の構造
の第３の例を図３に示す。図において、１から４までの
構成要素の名称と機能は実施例１と同様である。６は励
振用浮き電極３の外側に形成された補強層である。この
ような構造とすることにより、高周波特性は実施例１と
ほぼ同様でありながら、素子の落下や振動などに対する
信頼性を大幅に向上させることができた。補強層６に
は、例えば有機の樹脂であるポリイミドの熱硬化膜や金
などの金属メッキ膜などを用いた。

【００１２】（実施例４）本実施例の圧電振動子の構造
の第４の例を図４に示す。図において、１から４までと
６の構成要素の名称と機能は実施例１と同様である。ま
た５は実施例２と同様シリコンまたはガラスの基板であ
る。６の補強層があるため、高周波特性は実施例２とほ
ぼ同様でありながら、素子の落下や振動などに対する信
頼性を大幅に向上させることができた。補強層６には、
実施例３と同様、ポリイミドの熱硬化膜や金などの金属
メッキ膜などを用いた。

【００１３】（実施例５）本実施例の製造方法の第１の
例を示す。まず厚み４０ミクロンの水晶基板を用意し、
振動子を形成する部分以外を両面から金属膜、例えばＣ
ｒなどでマスクした。このＣｒマスクを用い、弗酸系の
エッチング液で、水晶基板に凹部を形成した。エッチン
グ時の温度と時間を厳密に制御することにより、凹部の
厚みを、例えば２ミクロンに加工することができた。次
に全体に感光性ポリイミドをスピンコートし、ホトリソ
グラフィー技術により、凹部を被う形で、ポリイミド膜
を凹部上に形成した。次に真空蒸着法により金を全面に
蒸着し、通常のホトリソグラフィーおよびエッチング法
により、所定の励振電極形状および保持部の電極構造に
なるように形状を加工した。この時ポリイミド膜の一部
が露出するようにしておくことにより、ポリイミドの溶
剤に浸すことにより、凹部を被っていたポリイミド膜を
除去した。これにより凹部では電極と水晶が直接接触す
ることなく、水晶基板肉厚部で電極の保持された構造が
得られた。この処理を上下両面でそれぞれ行うことによ
り、実施例１で示す構造の圧電振動子が得られた。浮き
電極と水晶振動部との空隙は、スピンコートするポリイ
ミド膜の厚みを変えることにより、０．１ミクロンから
５ミクロンの間で自由に制御することができた。電極と
して用いる金の厚みは例えば０．５ミクロンとした。

【００１４】（実施例６）本実施例の製造方法の他の例
を示す。水晶基板に厚み２ミクロンの凹部を形成すると
ころまでは実施例５と同様である。次に全体にアルミニ
ウムを真空蒸着法により水晶基板全面に蒸着し、通常の
ホトリソグラフィー技術とエッチング法により、凹部を
被う形でアルミニウム膜を、凹部上に形成した。エッチ
ングは塩酸などにより容易に行えた。次に真空蒸着法に
より金を全面に蒸着し、通常のホトリソグラフィーおよ
びエッチング法により、所定の励振電極形状および保持
部の電極構造になるように形状を加工した。この時アル
ミニウム膜の一部が露出するようにしておくことによ
り、アルミニウムは溶解するが、金および水晶基板は溶
解しないエッチング液、例えば塩酸に浸すことにより、
凹部を被っていたアルミニウム膜を除去した。これによ
り、凹部では電極である金と水晶が直接接触することな
く、水晶基板肉厚部で電極の保持された浮き電極構造が
得られた。この処理を上下両面でそれぞれ行うことによ
り、実施例１で示す構造の圧電振動子が得られた。空隙
の間隔は、アルミニウム膜の厚みを、真空蒸着時に制御
することにより、０．１ミクロンから５ミクロンの範囲
で自在に制御することができた。

【００１５】（実施例７）本実施例の製造方法の他の例
を示す。まず厚み４０ミクロンの水晶基板を用意し、シ
リコンウェーハの直接接合した。水晶基板およびシリコ
ンウェーハ表面を酸などで極めて清浄にし、最後に純水
洗浄し、水晶基板とシリコンウェーハを重ね合わせ、そ
のまま３００ー５００度Ｃの空気中で加熱することによ
り、シリコンに水晶を直接接合した状態が得られた。次
にシリコン部分ををＣｒでマスクし、実施例５と同様の
方法により、水晶基板のみを２ミクロンまでエッチング
により薄板化した。次にシリコンウェーハの水晶が接合
されていない側から、通常のホトリソグラフィー法とエ
ッチングにより、水晶直下部のシリコン部をエッチング
によりくり抜き、水晶の裏面を露出させた。シリコンの
エッチングは、弗酸ー硝酸混合液、水酸化カリウムなど
により容易に行えた。次に全体に感光性ポリイミドをス
ピンコートし、ホトリソグラフィー技術により、水晶部
を被う形で、ポリイミド膜を形成した。以下実施例５と
同様の方法により、水晶振動子部分では電極と水晶が直
接接触することなく、シリコン基板部で電極の保持され
た浮き電極構造、すなわち、実施例２で示す構造の圧電
振動子が得られた。

【００１６】（実施例８）本実施例の製造方法の他の例
を示す。まず厚み４０ミクロンの水晶基板を用意し、ガ
ラス基板の上に直接接合した。直接接合の方法は、実施
例７と同様である。この接合基板を用いて、以下実施例
７と同様の方法により、水晶振動子の部分では電極と水
晶が直接接触することなく、ガラス基板部で電極の保持
された浮き電極構造、すなわち、実施例２で示す構造の
圧電振動子が得られた。ガラスのくり抜きエッチング
は、弗酸系エッチング液により行った。

【００１７】（実施例９）本実施例の製造方法の他の例
を示す。実施例５と同様の方法により、凹部を金で被っ
た構造まで形成した後、金メッキにより金の膜厚を厚く
した。たとえば１０ミクロンとした。この後、ポリイミ
ド膜を除去することにより、励振電極の機械的強度がが
金属メッキ層によって補強された、すなわち、実施例３
で示す構造の圧電振動子が得られた。補強層の膜厚はメ
ッキする材料とメッキ厚みを変えることにより、さらに
厚くすることも可能であり、ニッケルメッキを用いいれ
ば３０ミクロンまでは容易に厚くすることができた。

【００１８】（実施例１０）本実施例の製造方法の他の
例を示す。実施例６と同様の方法により、凹部を金で被
った構造まで形成した後、感光性ポリイミドを塗布、ホ
トリソグラフィーとエッチングにより、ポリイミド膜お
よび金を所定の励振用電極および電極保持部の構造にな
るような形状を加工した後、ポリイミド膜を熱硬化さ
せ、空隙形成用アルミニウムを湿式エッチング除去する
ことにより、実施例３で示す浮き電極をポリイミド層で
補強された、補強層を有する浮き電極構造の圧電振動子
が得られた。

【００１９】（実施例１１）本実施例の製造方法の他の
例を示す。実施例７と同様の方法により、金で被った構
造まで形成した後、ポリイミドを、空隙形成用のアルミ
ニウムが一部露出する部分を残して塗布、その後ポリイ
ミドを熱硬化させ、露出部から湿式エッチングによりア
ルミニウムを除去することにより、実施例４で示す浮き
電極をポリイミドで補強された構造の圧電振動子が得ら
れた。ポリイミドの膜厚は、塗布する時の粘性を高めた
り、また繰り返し塗布することにより、２０ミクロンま
では容易に得られた。

【００２０】（実施例１２）本実施例の構造および製造
方法の他の例を示す。図５において、１、３、４の各構
成要素の機能と名称は、実施例１と同様である。２’
は、その周辺部よりも厚みの厚い肉厚水晶振動部、２”
は、肉厚水晶振動部よりも厚みの薄い水晶振動部保持部
である。このような構造とすることにより、水晶振動部
で振動する波が周辺で急速に減衰するため、Ｑの向上、
スプリアスの低減などの効果が得られた。製造方法は、
実施例５の方法において、水晶凹部形成後、さらにホト
リソグラフィーとエッチングにより、周辺部のみを薄く
なるように加工することによって得られた。薄い水晶振
動部保持部の厚みは、肉厚水晶振動部の厚みよりも１０
％以上薄くすれば効果が得られた。

【００２１】（実施例１３）本実施例の構造および製造
方法の他の例を示す。図６において、３、４、５の各構
成要素の機能と名称は、実施例２と同様である。１’
は、その周辺部よりも厚みの厚い肉厚水晶振動部、１”
は、肉厚水晶振動部よりも厚みの薄い水晶振動部保持部
である。このような構造とすることにより、水晶振動部
で振動する波が周辺で急速に減衰するため、やはりＱの
向上、スプリアスの低減などの効果が得られた。製造方
法は、実施例６の方法において、水晶基板にホトリソグ
ラフィーとエッチングにより、周辺部のみを薄くなるよ
うに加工することによって得られた。薄い水晶振動部保
持部の厚みは、肉厚水晶振動部の厚みよりも１０％以上
薄くすれば効果が得られた。

【００２２】実施例では、電極として金を用い、代表的
な膜厚として、０．５ミクロンとしたが、電極として
は、これ以外にも通常の金属、例えばチタン、白金、
銅、銀、タングステン、ニッケルなどを用いても同じよ
うに構成できるし、また空隙形成にアルミニウムを用い
ない場合には、アルミニウムも使用可能であった。また
電極の厚みは、真空蒸着時に制御することにより、０．
１ー５ミクロンの範囲で自在に制御できた。

【００２３】励振用電極の上下の位置関係は、実施例１
でのみ示したが、いずれの実施例においてもほぼ同様な
構成とした。

【００２４】空隙の厚みは、実施例で述べた如く、０．
１−５ミクロンの間で自在に制御できた。電界強度の関
係から空隙は狭いほど好ましいが、振動部の面積が大き
くなると、電極のたわみがでる場合もあり、ある程度空
隙を広くする必要があったが、実質的に用いる寸法で
は、最大５ミクロン程度で十分であった。

【００２５】水晶基板の最初の厚みは、実施例では４０
ミクロンを用いたが、もちろんこれに限定されるわけで
はなく、もっと厚くても、また取扱いに支障をきたさな
い範囲で、もっと薄くても良かった。また水晶振動子部
分の厚みとして、実施例では、２ミクロンの例を示した
が、さらに厚くても、薄くても同じような構造を形成す
ることができた。しかし、水晶振動子部分の厚みが５ミ
クロンを越えると、浮き電極にした効果が少なく、した
がって適当な水晶振動子部分の厚みは、５ミクロン以下
であった。

【００２６】また本実施例では、空隙形成の例として、
有機材料の場合、感光性ポリイミドの例を、また無機材
料の場合、アルミニウムの例を示したが、基本的には、
水晶、電極、保持基板と異なる材料で、それらを溶解せ
ずに、それ自身が容易に溶解する溶剤、あるいはエッチ
ング液のあるものであれば良い。例えば通常のホトレジ
ストなどの有機材料、酸化珪素や窒化珪素などの酸化物
や窒化物、チタンやクロムなどの金属などでも可能であ
った。

【００２７】また本実施例では、圧電基板の例として水
晶を示したが、空隙形成材料として適当な材料を用いれ
ば、いずれの圧電材料にたいしても、同様な構造と効果
を得ることができた。例えば空隙形成用材料として感光
性ポリイミドを用いた場合、ニオブ酸リチウム、タンタ
ル酸リチウム、酸化亜鉛、ほう酸リチウムでも同じよう
な構成と効果が得られた。

【００２８】また本実施例では、保持基板として、シリ
コンおよびガラスの例を示したが、ホトリソグラフィー
やエッチングプロセスに耐え得る材料であれば同様の効
果の得られることは明かである。また保持基板と圧電基
板を直接接合する例を示したが、やはりホトリソグラフ
ィーとエッチングプロセスに耐え得る接着方法であれば
他の接着方法を用いても良い。

【００２９】

【発明の効果】本発明は、以上説明したような構成と製
造方法から成るので、以下に記載されるような効果を示
す。

【００３０】いずれの実施例においても、まず第１に、
圧電振動部分と励振用電極が直接接触しないだけの空隙
をあけて設けられているので、高周波になっても電極に
まつわる共振のＱの低下が少なく、高周波共振特性が大
幅に向上した。

【００３１】また実施例３、４等に示した、浮き電極補
強層を設けることにより、高周波共振特性を良好に保っ
たまま、振動や落下に対する信頼性を大幅に向上させる
ことができた。

【００３２】また実施例１２、１３の構造にした場合、
Ｑのより一層の向上およびスプリアスの低減が見られ
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の構成図

【図２】本発明の第２の実施例の構成図

【図３】本発明の第３の実施例の構成図

【図４】本発明の第４の実施例の構成図

【図５】本発明の第５の実施例の構成図

【図６】本発明の第６の実施例の構成図

【符号の説明】

１水晶基板２水晶基板凹部３励振用浮き電極４空隙５保持基板６補強層１’ 肉厚水晶振動部１” 厚みの薄い水晶振動部保持部２’ 肉厚水晶振動部２” 厚みの薄い水晶振動部保持部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】交流電界印加により振動する部分を、少な
くとも一部に有する圧電基板の振動部上に、振動時にも
前記振動部に直接触れないだけの空隙をあけて励振用電
極を備え、前記励振用電極の保持を前記振動部以外の圧
電基板部分で行ったことを特徴とする圧電振動子。
【請求項２】圧電基板とそれに固定された励振用電極保
持部を有し、前記圧電基板振動部上に、振動時にも前記
圧電基板に直接触れないだけの空隙をあけて励振用電極
を備え、前記励振用電極の固定を前記励振用電極保持部
で行ったことを特徴とする圧電振動子。
【請求項３】圧電振動子として水晶を用いたことを特徴
とする請求項１または２記載の圧電振動子。
【請求項４】圧電振動子の厚みとして、５ミクロン以下
であることを特徴とする請求項１または２記載の圧電振
動子。
【請求項５】空隙として０．１から５ミクロンとしたこ
とを特徴とする請求項１または２記載の圧電振動子。
【請求項６】励振用電極に機械的強度を向上させるため
の補強層を有することを特徴とする請求項１または２記
載の圧電振動子。
【請求項７】電極保持部として、シリコンまたはガラス
を用いたことを特徴とする請求項２記載の圧電振動子。
【請求項８】振動部の厚みを周辺部よりも厚くすること
により、振動エネルギーを閉じこめたことを特徴とする
請求項１または２記載の圧電振動子。
【請求項９】圧電基板の一部に凹部を形成した後、前記
凹部上を前記圧電基板と異なる物質で被覆し、前記圧電
基板凹部以外の少なくとも一部、および被覆膜上を、流
体により前記被覆膜の溶解除去が可能な空隙を残して、
前記被覆物質と異なる物質からなる金属膜で被い、その
後前記被覆膜を溶解除去することによって、前記凹部上
に、振動時にも前記凹部に直接触れないだけの空隙を有
する励振用電極を形成し、前記励振用電極の保持を前記
圧電基板の振動部以外の部分で行うようにしたことを特
徴とする圧電振動子の製造方法。
【請求項１０】圧電基板の一部に保持部を形成した後、
振動させる部分の圧電基板上を、前記圧電基板と異なる
物質で被い、前記保持部の少なくとも一部、および前記
被覆膜上を、流体により前記被覆膜の溶解除去が可能な
空隙を残して、前記被覆物質と異なる物質からなる金属
膜で被い、その後前記被覆膜を溶解除去することによっ
て、前記圧電基板振動部上に、振動時にも前記圧電基板
に直接触れないだけの空隙を有する励振用電極を形成
し、該励振用電極の固定を前記励振用電極保持部で行う
ようにしたことを特徴とする圧電振動子の製造方法。
【請求項１１】圧電振動子として水晶を用いたことを特
徴とする請求項９または１０記載の圧電振動子の製造方
法。
【請求項１２】水晶振動子の厚みとして、５ミクロン以
下であることを特徴とする請求項９または１０記載の圧
電振動子の製造方法。
【請求項１３】空隙として０．１から５ミクロンとした
ことを特徴とする請求項９または１０記載の圧電振動子
の製造方法。
【請求項１４】被覆物質として有機材料を用いたことを
特徴とする請求項９または１０記載の圧電振動子の製造
方法。
【請求項１５】被覆物質として、感光性ポリイミドを用
いたことを特徴とする請求項９または１０記載の圧電振
動子の製造方法。
【請求項１６】被覆物質として、アルミニウムを用いた
ことを特徴とする請求項９または１０記載の圧電振動子
の製造方法。
【請求項１７】金属膜を形成した後、金属メッキにより
電極の機械的強度を向上させる補強層を備えたことを特
徴とする請求項９または１０記載の圧電振動子の製造方
法。
【請求項１８】金属膜を形成した後、その上に有機膜を
形成、硬化させることにより電極の機械的強度を向上さ
せる補強層を備えたことを特徴とする請求項９または１
０記載の圧電振動子の製造方法。
【請求項１９】電極保持部として、シリコンまたはガラ
スを用いたことを特徴とする請求項９記載の圧電振動
子。
【請求項２０】振動部の厚みを周辺部よりも厚くなるよ
う加工したことを特徴とする請求項９または１０記載の
圧電振動子。