JPH0738333A - Crystal oscillator - Google Patents

Crystal oscillator

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JPH0738333A
JPH0738333A JP18177893A JP18177893A JPH0738333A JP H0738333 A JPH0738333 A JP H0738333A JP 18177893 A JP18177893 A JP 18177893A JP 18177893 A JP18177893 A JP 18177893A JP H0738333 A JPH0738333 A JP H0738333A
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JP
Japan
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crystal
crystal oscillator
temperature
semiconductor substrate
oscillator
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Pending
Application number
JP18177893A
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Japanese (ja)
Inventor
Tetsuyoshi Ogura
哲義 小掠
Akihiro Kanahoshi
章大 金星
Kazuo Eda
和生 江田
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPH0738333A publication Critical patent/JPH0738333A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To provide a crystal oscillator facilitating miniaturization of the crystal oscillator, and highly stable in temperature change. CONSTITUTION:This crystal oscillator is constituted so that a vibration crystal plate 1 having at least a pair of excitation electrodes 2 on both faces are joined by direct joining on a semiconductor substrate 3 on which an oscillation circuit 4 and a thermosensible element 5 are formed integrally, and the oscillation circuit 4 and the vibration crystal plate 1 are joined by direct joining, and moreover, the thermosensible element 5 is formed integrally.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は小型高安定な水晶発振器
に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a small and highly stable crystal oscillator.

【0002】[0002]

【従来の技術】水晶発振器は、その高い周波数安定性に
より、情報通信において基準信号発振器として用いられ
ている。近年衛星通信や携帯電話などの発達にともな
い、各デバイスの小型化、高性能化が一つの大きな目標
とされているが、水晶発振器も例外ではない。特に高安
定な基準信号を得るには、水晶発振器と感温素子を含む
温度補償回路により水晶発振器の出力信号の温度変化を
可能な限り補償して使用している。
A crystal oscillator is used as a reference signal oscillator in information communication due to its high frequency stability. With the recent development of satellite communication and mobile phones, miniaturization and high performance of each device have been set as one of the major goals, and the crystal oscillator is no exception. In order to obtain a particularly stable reference signal, a temperature compensating circuit including a crystal oscillator and a temperature sensitive element is used by compensating the temperature change of the output signal of the crystal oscillator as much as possible.

【0003】従来の水晶発振器としては、水晶振動子と
発振回路、感温素子を樹脂基板上に作成し、金属ケース
で覆い一体化したものがある。図7にこれらの水晶発振
器の一例を示す。図7において構成要素として8は封止
された水晶振動子であり、9はサーミスタであり、10
はトランジスタであり、11はコンデンサであり、12
は抵抗であり、13は樹脂基板であり、14は水晶発振
器匡体である。
As a conventional crystal oscillator, there is one in which a crystal oscillator, an oscillation circuit, and a temperature sensitive element are formed on a resin substrate and covered with a metal case to be integrated. FIG. 7 shows an example of these crystal oscillators. In FIG. 7, 8 is a sealed crystal unit, 9 is a thermistor, and 10 is a component.
Is a transistor, 11 is a capacitor, and 12
Is a resistor, 13 is a resin substrate, and 14 is a crystal oscillator housing.

【0004】前記水晶振動子8とサーミスタ9とトラン
ジスタ10とコンデンサ11と抵抗12は樹脂基板13
上で電気的に接続されて発振器を構成されている。ま
た、その発振周波数はサーミスタ9の抵抗値が周囲温度
により変化することを利用して一定の周波数になるよう
に温度補償されている。
The crystal unit 8, the thermistor 9, the transistor 10, the capacitor 11 and the resistor 12 are made of a resin substrate 13.
The oscillator is configured by being electrically connected to the above. The oscillation frequency of the thermistor 9 is temperature-compensated so that it has a constant frequency by utilizing the fact that the resistance value of the thermistor 9 changes depending on the ambient temperature.

【0005】このような水晶発振器においては、水晶を
保持しかつ気密封止するために水晶振動子が大きくなる
こと、また水晶発振器を構成する各素子がチップ部品で
構成されており小型化に限界があること、サーミスタが
大きいことなどが原因で、水晶発振器自体の大きさは1
センチ角以上、厚さ5ミリ以上の大きさが必要であっ
た。また、小型化の要求を満たすためにその製造に関し
ては非常に細かな作業が必要であった。また、水晶振動
子8、サーミスタ9、トランジスタ10、コンデンサ1
1、抵抗12などが半田を用いて樹脂基板13に固定さ
れているため、水晶発振器を移動対通信端末などの装置
内部の樹脂基板に半田付けするときに、低温半田を用い
なければならないなどの問題点が存在した。また、感温
素子と水晶振動子が分離しているためにそれぞれの温度
がことなることが原因で厳密な温度補償を行なうことが
できない。さらに、水晶振動子8内部において水晶板の
固定に接着剤を用いるために、その接着剤の劣化によ
る、ガスの発生や応力の発生、また接着剤自身の対熱温
度や接着強度などが原因で水晶振動子の安定性が劣化
し、水晶発振器の特性が劣化するという問題があった。
In such a crystal oscillator, the size of the crystal oscillator is increased in order to hold and hermetically seal the crystal, and each element constituting the crystal oscillator is composed of chip parts, which limits the miniaturization. The size of the crystal oscillator itself is 1 due to the large size and the large thermistor.
A size of not less than a centimeter square and a thickness of not less than 5 mm was required. Further, in order to satisfy the demand for miniaturization, very detailed work has been required for its manufacture. Also, the crystal unit 8, the thermistor 9, the transistor 10, the capacitor 1
1. Since the resistors 12, etc. are fixed to the resin substrate 13 by using solder, low temperature solder must be used when soldering the crystal oscillator to the resin substrate inside the device such as the mobile communication terminal. There was a problem. Further, since the temperature sensitive element and the crystal unit are separated, the respective temperatures are different, so that strict temperature compensation cannot be performed. Further, since the adhesive is used to fix the crystal plate inside the crystal oscillator 8, the deterioration of the adhesive causes the generation of gas and stress, and the heat resistance and adhesive strength of the adhesive itself. There was a problem that the stability of the crystal unit deteriorated and the characteristics of the crystal oscillator deteriorated.

【0006】このような水晶発振器をさらに小型にする
ために、たとえば特許公開公報(昭62−12665
6)に発振回路をICで構成する構造が述べられてい
る。この水晶発振器の構造を図8に示す。図において構
成要素として4は発振回路であり、8は水晶振動子であ
り、15は水晶振動子接続用金属リード端子であり、1
6は水晶振動子固定用金属リード端子であり、17はモ
ールド樹脂である。
In order to further reduce the size of such a crystal oscillator, for example, Japanese Patent Laid-Open Publication No. 62-12665.
6) describes a structure in which an oscillation circuit is composed of an IC. The structure of this crystal oscillator is shown in FIG. In the figure, 4 is an oscillating circuit, 8 is a crystal oscillator, 15 is a metal lead terminal for connecting a crystal oscillator, and 1
6 is a metal lead terminal for fixing a crystal oscillator, and 17 is a mold resin.

【0007】このような構成要素よりなる水晶発振器に
おいてはコンデンサ、抵抗、トランジスタなどが発振回
路上においてIC化されているために、水晶発振器の発
振部分の大きさは先の従来例に対して大幅に小型化され
ている。
In a crystal oscillator having such components, capacitors, resistors, transistors, etc. are integrated into an IC on an oscillating circuit. Therefore, the size of the oscillating portion of the crystal oscillator is significantly larger than that of the conventional example. Has been miniaturized.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら水晶振動
子自体が大きく、発振器と一体化されていないために、
水晶発振器全体の大きさは水晶振動子の大きさに左右さ
れることになっている。また、このような構成をとって
も、水晶発振器を移動対通信端末などの装置内部の樹脂
基板に半田付けするときに、低温半田を用いなければな
らない問題点の存在、また、感温素子と水晶振動子の温
度差が原因で厳密な温度補償ができないという問題点の
存在、さらに、水晶振動子8内部において水晶板の固定
に接着剤を用いるために、その接着剤の劣化による、ガ
スの発生や応力の発生、また接着剤自身の対熱温度や接
着強度などが原因で水晶振動子の安定性が劣化し、水晶
発振器の特性が劣化するという問題は解決できない。
However, since the crystal unit itself is large and is not integrated with the oscillator,
The size of the entire crystal oscillator depends on the size of the crystal unit. Further, even with such a configuration, there is a problem that low temperature solder must be used when soldering the crystal oscillator to the resin substrate inside the device such as the mobile-to-communication terminal. There is a problem that strict temperature compensation cannot be performed due to the temperature difference of the child, and furthermore, since the adhesive is used to fix the crystal plate inside the crystal resonator 8, the generation of gas due to the deterioration of the adhesive, The problem that the stability of the crystal unit deteriorates due to the generation of stress, the heat temperature of the adhesive itself, the adhesive strength, and the like, and the characteristics of the crystal oscillator deteriorate, cannot be solved.

【0009】このように従来の水晶発振器においては、
その水晶振動子の大きさが非常に大きくそのために水晶
発振器全体を小型化することが困難であった。また、感
温素子と水晶振動子の温度差が原因で厳密な温度補償が
できなかった。これは水晶振動子の安定性が水晶発振器
の安定性を決定する一因であるために、良好な振動特性
を持つ水晶振動子を発振器内に内蔵する必要性があるた
めである。この高安定な水晶振動子はその取り扱いが困
難であり、比較的大きな振動部と保持部を持つこと、ま
た、その水晶板を気密パッケージに封止する必要性があ
ることがおおきな原因となっている。
As described above, in the conventional crystal oscillator,
The size of the crystal oscillator is so large that it is difficult to downsize the entire crystal oscillator. Further, strict temperature compensation could not be performed due to the temperature difference between the temperature sensitive element and the crystal unit. This is because the stability of the crystal oscillator is one of the factors that determine the stability of the crystal oscillator, and it is necessary to incorporate a crystal oscillator having good vibration characteristics into the oscillator. This highly stable crystal oscillator is difficult to handle, and it is a major cause that it has a relatively large vibrating part and holding part, and that it is necessary to seal the crystal plate in an airtight package. There is.

【0010】本発明は、水晶発振器の上記欠点を克服す
るためのものであり、小型、高安定の水晶発振器を提供
することを目的とする。
The present invention is intended to overcome the above-mentioned drawbacks of a crystal oscillator, and an object thereof is to provide a small-sized and highly stable crystal oscillator.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に本発明は、半導体基板と振動用水晶板と前記半導体基
板上に作成された発振回路と前記半導体基板上に一体に
形成された少なくとも一つの感温素子とからなり、前記
振動用水晶板と前記半導体基板が直接接合により固定さ
れ、前記感温素子を発振回路の発振周波数の温度変化補
償用とした水晶発振器の構成とする。
In order to achieve the above object, the present invention provides at least a semiconductor substrate, a vibrating crystal plate, an oscillation circuit formed on the semiconductor substrate, and at least one element integrally formed on the semiconductor substrate. The crystal oscillator for vibration is composed of one temperature sensitive element, the crystal plate for vibration and the semiconductor substrate are directly bonded and fixed, and the temperature sensitive element is configured as a crystal oscillator for compensating a temperature change of the oscillation frequency of the oscillation circuit.

【0012】[0012]

【作用】上記の構成により、振動用水晶板と半導体基板
および感温素子を樹脂基板や金属端子、接着剤などを用
いることなく一体化できる。また、直接接合の接着強度
は強固で、振動などに対する安定性が向上し、半田付け
などによる熱に対しても安定で劣化が生じず、気体の発
生による振動特性の劣化も生じない。しかも、振動用水
晶板と半導体回路を一体として封止できるため水晶発振
器全体の小型化が容易で、感温素子との一体化による厳
密な温度補償を可能にする。
With the above structure, the vibrating crystal plate, the semiconductor substrate and the temperature sensitive element can be integrated without using a resin substrate, metal terminals, an adhesive or the like. Further, the adhesive strength of the direct joint is strong, the stability against vibration and the like is improved, it is stable and does not deteriorate with respect to heat due to soldering, and the vibration characteristic does not deteriorate due to generation of gas. Moreover, since the vibrating crystal plate and the semiconductor circuit can be integrally sealed, it is easy to reduce the size of the entire crystal oscillator, and it is possible to perform strict temperature compensation by integrating with the temperature sensitive element.

【0013】[0013]

【実施例】以下本発明の実施例について、図面を参照し
ながら説明する。 (実施例1)図1〜図3において水晶発振器の構成要素
として1は振動用水晶板、2は励振用電極、3は半導体
基板、4は発振回路、5は感温素子、6は電極、7は接
続用ワイヤボンディングである。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. (Embodiment 1) In FIGS. 1 to 3, as components of a crystal oscillator, 1 is a vibrating crystal plate, 2 is an excitation electrode, 3 is a semiconductor substrate, 4 is an oscillation circuit, 5 is a temperature sensitive element, 6 is an electrode, Reference numeral 7 is a wire bonding for connection.

【0014】本実施例において、前記振動用水晶板1の
周辺部の少なくとも一部は、前記半導体基板3に直接接
合により固定され、前記半導体基板3上には発振回路4
および感温素子5が一体に形成されている。また、図3
の回路図に示すように前記振動用水晶板1よりなる水晶
振動子は前記接続用ワイヤボンディング7でもって前記
発振回路4に、前記感温素子5は前記発振回路4に電気
的に接続されていて、前記発振回路4の電源、接地、出
力端子は前記電極6として水晶発振器外に取り出せるよ
うになっている。
In the present embodiment, at least a part of the peripheral portion of the vibrating crystal plate 1 is fixed to the semiconductor substrate 3 by direct bonding, and the oscillator circuit 4 is provided on the semiconductor substrate 3.
And the temperature sensitive element 5 is integrally formed. Also, FIG.
As shown in the circuit diagram of FIG. 3, the crystal oscillator including the vibrating crystal plate 1 is electrically connected to the oscillation circuit 4 by the connection wire bonding 7, and the temperature sensitive element 5 is electrically connected to the oscillation circuit 4. The power supply, ground, and output terminals of the oscillator circuit 4 can be taken out of the crystal oscillator as the electrodes 6.

【0015】本実施例で示した水晶発振器においては、
前記半導体基板上3に作成した前記発振回路4と前記振
動用水晶板1で発振周波数が決定する。しかしながら、
一般に水晶振動子の共振周波数はその温度に依存し、A
Tカット水晶振動子の場合−30℃から80℃の範囲内
で数十ppm変動する。この周波数変化を補正するため
に、前記感温素子5からの入力に応じて前記発振回路4
側の回路定数が変化するようにして発振周波数を一定に
保っている。
In the crystal oscillator shown in this embodiment,
The oscillation frequency is determined by the oscillation circuit 4 and the vibrating crystal plate 1 formed on the semiconductor substrate 3. However,
Generally, the resonance frequency of a crystal unit depends on its temperature.
In the case of a T-cut crystal resonator, it varies by several tens of ppm within the range of -30 ° C to 80 ° C. In order to correct this frequency change, the oscillation circuit 4 is responsive to the input from the temperature sensitive element 5.
The oscillation frequency is kept constant by changing the circuit constant on the side.

【0016】前記半導体基板3上に一体に形成された前
記感温素子5として、ダイオードを用いることにより、
既存の半導体作成プロセスが利用でき、また前記発振回
路4と同時に作成することが可能になる。このとき、半
導体基板3上に作成されたダイオードのツェナー電圧は
通常±数ミリ〜数十ミリV/℃の温度特性を持つ。この
ため、この電圧を測定することにより周囲の温度を測定
することが可能である。水晶発振器の発振周波数fは通
常次の式で与えられる。f=fr(1+C1/(C0+
CL))。frは水晶振動子の共振周波数、C1、C0
は水晶振動子の直列等価容量、並列等価容量、CLは発
振器側の負荷容量である。ATカット水晶振動子の場
合、共振周波数frは水晶振動子の温度に応じて3次関
数に応じた変化を示す。そこで、この変化を打ち消すよ
うにCLの値を変化させることで水晶発振器の発振周波
数fを一定に保つことができる。
By using a diode as the temperature sensitive element 5 integrally formed on the semiconductor substrate 3,
The existing semiconductor manufacturing process can be used, and it can be manufactured simultaneously with the oscillation circuit 4. At this time, the Zener voltage of the diode formed on the semiconductor substrate 3 usually has a temperature characteristic of ± several millimeters to several tens of millimeters V / ° C. Therefore, it is possible to measure the ambient temperature by measuring this voltage. The oscillation frequency f of the crystal oscillator is usually given by the following equation. f = fr (1 + C1 / (C0 +
CL)). fr is the resonance frequency of the crystal unit, C1, C0
Is the series equivalent capacitance and parallel equivalent capacitance of the crystal unit, and CL is the load capacitance on the oscillator side. In the case of an AT-cut crystal unit, the resonance frequency fr changes according to a cubic function according to the temperature of the crystal unit. Therefore, the oscillation frequency f of the crystal oscillator can be kept constant by changing the value of CL so as to cancel this change.

【0017】またこのとき、前記感温素子5と前記発振
回路4と前記振動用水晶板1との間に温度差が存在する
と厳密な温度補償ができないが、本実施例においてはこ
れらが非常に小さな範囲に一体化されていること、また
それぞれが同一の前記半導体基板3上に存在するため、
これらの温度差は無視できるほどに小さなものとなる。
At this time, if there is a temperature difference among the temperature sensitive element 5, the oscillation circuit 4, and the vibrating crystal plate 1, strict temperature compensation cannot be performed. Since they are integrated in a small area, and since they are present on the same semiconductor substrate 3,
These temperature differences are so small that they can be ignored.

【0018】ここで、直接接合について説明する。直接
接合とは、半導体基板どうし、半導体基板と水晶基板な
どを接着剤を介在させずに基板の非固着面上の結晶表面
構成原子と他方の基板の結晶表面構成原子との間の共有
結合を用いて直接的に固着させるという技術で、研磨、
洗浄などの処理を行なった半導体基板や水晶板を清浄雰
囲気中で接触させ、加熱処理を行い、強固な固着を得る
というものである。この固着強度は表面処理後接触させ
られただけの初期段階においても数十kgw/cm2程
度の値を示すが、加熱処理を施すことによってその値は
数百kgw/cm2以上に上昇する。この直接接合を用
いた固定においては、固着強度が高く、接着剤を一切用
いていないので熱処理、振動などに強く、不要な気体が
放出されることもない。
Here, the direct joining will be described. Direct bonding refers to the covalent bond between the crystal surface constituent atoms on the non-fixed surface of the semiconductor substrate and the crystal surface constituent atoms of the other substrate without interposing an adhesive between the semiconductor substrate and the crystal substrate. With the technique of directly fixing using, polishing,
In this method, a semiconductor substrate or a crystal plate that has undergone cleaning or the like is brought into contact with it in a clean atmosphere, and heat treatment is performed to obtain a firm bond. This fixing strength shows a value of about several tens of kgw / cm2 even in the initial stage of contact after the surface treatment, but the value increases to several hundreds kgw / cm2 or more by applying the heat treatment. In the fixing using the direct bonding, the fixing strength is high, and since no adhesive is used, it is resistant to heat treatment, vibration, etc., and unnecessary gas is not released.

【0019】水晶発振器を作成した後、基板上に半田付
けするために二百数十℃でリフローする必要性がある。
しかしながら、前記振動用水晶板1の固定に導電性接着
剤を用いた場合には、半田リフローに対する信頼性が乏
しく、半田リフローの前後で一般的に前記振動用水晶板
1の共振周波数が2〜3ppm変動する。これに対し、
本実施例の構造の水晶発振器では導電性接着剤を用いな
いために前記振動用水晶板1の特性は大きく向上する。
After forming the crystal oscillator, it is necessary to perform reflow at 200 ° C. or more for soldering on the substrate.
However, when a conductive adhesive is used for fixing the vibrating crystal plate 1, the reliability against solder reflow is poor, and the resonance frequency of the vibrating crystal plate 1 is generally 2 to before and after the solder reflow. It varies by 3 ppm. In contrast,
Since the crystal oscillator having the structure of this embodiment does not use a conductive adhesive, the characteristics of the vibrating crystal plate 1 are greatly improved.

【0020】また、本実施例で示した水晶発振器におい
ては、前記半導体基板3上に作成した前記発振回路4と
前記振動用水晶板1で発振周波数が決定する。しかしな
がら、一般に水晶振動子の共振周波数はその温度に依存
し、ATカット水晶振動子の場合−30℃から80℃の
範囲内で数十ppm変動する。この周波数変化を補正す
るために、感温素子5からの入力に応じて発振回路4側
の回路定数が変化するようにして発振周波数を一定に保
っている。本実施例においては前記励振用水晶板1と前
記発振回路4と前記感温素子5とが非常に近接している
のでこれらの間に温度差が生じにくい。このため、温度
変化による発振周波数の変化を前記感温素子5を用いて
厳密に温度補償することが可能である。
Further, in the crystal oscillator shown in this embodiment, the oscillation frequency is determined by the oscillation circuit 4 formed on the semiconductor substrate 3 and the vibrating crystal plate 1. However, generally, the resonance frequency of the crystal unit depends on its temperature, and in the case of the AT-cut crystal unit, it varies by several tens of ppm within the range of -30 ° C to 80 ° C. In order to correct this frequency change, the oscillation frequency is kept constant by changing the circuit constant on the oscillation circuit 4 side in accordance with the input from the temperature sensitive element 5. In this embodiment, since the excitation crystal plate 1, the oscillation circuit 4 and the temperature sensitive element 5 are very close to each other, a temperature difference is unlikely to occur among them. Therefore, it is possible to strictly temperature-compensate the change in the oscillation frequency due to the temperature change by using the temperature sensitive element 5.

【0021】たとえば、具体的な例として12.8[M
Hz]の水晶発振器を従来の水晶発振器の構造で作成す
ると、振動用水晶板として1mm×3mmのATカット
水晶板、チップ型トランジスタ2個、サーミスタ2個、
抵抗およびコンデンサ若干数を用いた場合、樹脂基板の
大きさが15mm×12mm、樹脂基板上における部品
の高さが5mmのものが最小であった。しかしながら、
本実施例の構造を用いた場合、前記振動用水晶板1とし
て0.5mm×1mmのATカット水晶板、半導体基板
として2mm×3mmの半導体基板を用いることによ
り、水晶発振器の大きさは2mm×3mm、高さ2mm
以下の水晶発振器が作成できた。また、それぞれを金属
性の匡体に封入した後、半田リフローを用いて樹脂性の
基板に半田付けした。この結果、発振周波数が0.5p
pm以上変化したものは、従来の水晶発振器のものと比
べて本実施例の水晶振動子では半分以下になった。ま
た、このときの周波数温度変化は−30℃から80℃の
範囲で±1ppmに収まった。
For example, as a concrete example, 12.8 [M
[Hz] crystal oscillator with the structure of a conventional crystal oscillator, an AT-cut crystal plate of 1 mm x 3 mm as a vibration crystal plate, two chip type transistors, two thermistors,
When several resistors and capacitors were used, the size of the resin substrate was 15 mm × 12 mm, and the height of the component on the resin substrate was 5 mm. However,
When the structure of the present embodiment is used, the size of the crystal oscillator is 2 mm × by using the AT-cut crystal plate of 0.5 mm × 1 mm as the vibrating crystal plate 1 and the semiconductor substrate of 2 mm × 3 mm as the semiconductor substrate. 3 mm, height 2 mm
The following crystal oscillator was created. Also, after encapsulating each in a metallic casing, solder reflow was used to solder to a resin substrate. As a result, the oscillation frequency is 0.5p
In the crystal resonator of the present embodiment, the number of changes of pm or more was less than half of that of the conventional crystal oscillator. The frequency temperature change at this time was within ± 1 ppm in the range of -30 ° C to 80 ° C.

【0022】さらに、本実施例においてはダイオードの
ツェナー電圧の変化を用いて周囲温度の変化を測定した
が、同様の効果はトランジスタを用いても得られること
はダイオードとトランジスタの構造より明らかである。
また、半導体基板上に作成される抵抗についても同様に
その抵抗値は温度により変化する。この抵抗の変化分を
測定することにより温度補償をおこなえることも明らか
である。さらには、半導体基板上に作成されるコンデン
サにおいてもその容量値は温度により変化する。同様の
ことはトランジスタの電極間容量についても明らかであ
り、この変化を用いて温度を測定し、発振器の発振周波
数を温度補償できることは明らかである。
Further, in this embodiment, the change in ambient temperature was measured by using the change in the Zener voltage of the diode, but it is clear from the structure of the diode and the transistor that the same effect can be obtained. .
Similarly, the resistance value of a resistor formed on a semiconductor substrate changes with temperature. It is also clear that temperature compensation can be performed by measuring the amount of change in this resistance. Furthermore, the capacitance value of a capacitor formed on a semiconductor substrate also changes with temperature. The same thing is clear for the capacitance between the electrodes of the transistor, and it is clear that this change can be used to measure the temperature and temperature compensate the oscillation frequency of the oscillator.

【0023】さらに、本実施例では半導体基板としてシ
リコン基板を用いたが、これらの材料としてはGaAs
基板を用いても同様に直接接合することが可能であり、
同様の効果が得られることは明らかである。 (実施例2)図4〜図6は本発明の他の実施例を示し、
これらの図において、構成要素として1は複数の振動用
水晶板、2は励振用電極、3は半導体基板、4は発振回
路、6は電極、7は接続用ワイヤボンディングである。
Furthermore, although a silicon substrate is used as the semiconductor substrate in this embodiment, GaAs is used as the material.
Similarly, it is possible to bond directly using a substrate,
It is clear that the same effect can be obtained. (Embodiment 2) FIGS. 4 to 6 show another embodiment of the present invention.
In these figures, 1 is a plurality of vibrating crystal plates, 2 is an excitation electrode, 3 is a semiconductor substrate, 4 is an oscillation circuit, 6 is an electrode, and 7 is wire bonding for connection.

【0024】本実施例において2つの前記振動用水晶板
1のそれぞれの周辺部の少なくとも一部は、前記半導体
基板3に直接接合により固定され、前記半導体基板3上
には発振回路4が作成されている。また、図7の回路図
において前記振動用水晶板1は前記発振回路4に前記接
続用ワイヤボンディング7を通じて電気的に接続されて
いて、前記発振回路4の電源、接地、出力端子は前記電
極6として水晶発振器外に取り出せるようになってい
る。
In this embodiment, at least a part of the peripheral portion of each of the two vibrating crystal plates 1 is fixed to the semiconductor substrate 3 by direct bonding, and the oscillation circuit 4 is formed on the semiconductor substrate 3. ing. Further, in the circuit diagram of FIG. 7, the vibrating crystal plate 1 is electrically connected to the oscillating circuit 4 through the connecting wire bonding 7, and the power supply, ground, and output terminals of the oscillating circuit 4 are the electrodes 6. It can be taken out as a crystal oscillator.

【0025】また、本実施例で示した水晶発振器におい
ては、前記半導体基板3上に作成した前記発振回路4と
前記振動用水晶板1で発振周波数が決定する。しかしな
がら、一般に水晶振動子の共振周波数はその温度に依存
し、ATカット水晶振動子の場合−30℃から80℃の
範囲内で数十ppm変動する。本実施例では前記振動用
水晶板1が2個あるが、それぞれの共振周波数をf1、
f2とする。この2つの共振周波数の温度変化が同じで
あるとすると、両方の共振周波数の差をとりf=f1−
f2を発振周波数とすることにより発振周波数を一定に
保つことができる。また、温度変化の符号が逆の場合、
f=f1+f2を発振周波数とすることにより、発振周
波数を一定に保つことができる。また、この2つの前記
振動用水晶板1と前記発振回路4は非常に近接してい
て、同一の前記半導体基板3上にあるのでこれらの間の
の温度差は無視できるほどに小さいため厳密な温度補償
が可能となる。
Also, in the crystal oscillator shown in this embodiment, the oscillation frequency is determined by the oscillation circuit 4 and the vibrating crystal plate 1 formed on the semiconductor substrate 3. However, generally, the resonance frequency of the crystal unit depends on its temperature, and in the case of the AT-cut crystal unit, it varies by several tens of ppm within the range of -30 ° C to 80 ° C. In this embodiment, there are two vibrating crystal plates 1, each having a resonance frequency of f1,
f2. Assuming that the temperature changes of these two resonance frequencies are the same, the difference between the two resonance frequencies is calculated and f = f1−
By setting f2 as the oscillation frequency, the oscillation frequency can be kept constant. If the temperature change has the opposite sign,
By setting f = f1 + f2 as the oscillation frequency, the oscillation frequency can be kept constant. Further, since the two vibrating crystal plates 1 and the oscillating circuit 4 are very close to each other and are on the same semiconductor substrate 3, the temperature difference between them is so small as to be negligible, which is strict. Temperature compensation becomes possible.

【0026】さらに、前記振動用水晶板1と前記半導体
基板3との接続に直接接合を用いているため、固着強度
が高く、接着剤を一切用いていないので熱処理、振動な
どに強く、不要な気体が放出されることもない。
Furthermore, since direct bonding is used to connect the vibrating crystal plate 1 and the semiconductor substrate 3, the fixing strength is high, and no adhesive is used, so it is strong against heat treatment, vibration, etc. and unnecessary. No gas is released.

【0027】また、水晶発振器を作成した後、基板上に
半田付けするために二百数十℃でリフローする必要性が
ある。しかしながら、振動用水晶板の固定に導電性接着
剤を用いた場合には、半田リフローに対する信頼性が乏
しく、半田リフローの前後で一般的に振動用水晶板の共
振周波数が2〜3ppm変動する。これに対し、本実施
例の構造の水晶発振器では導電性接着剤を用いないため
に振動用水晶板の特性は大きく向上する。
Further, after the crystal oscillator is formed, it is necessary to perform reflow at 200 ° C. or more for soldering on the substrate. However, when a conductive adhesive is used to fix the vibrating crystal plate, the reliability of the solder reflow is poor, and the resonance frequency of the vibrating crystal plate generally varies by 2 to 3 ppm before and after the solder reflow. On the other hand, in the crystal oscillator having the structure of this embodiment, since the conductive adhesive is not used, the characteristics of the vibrating crystal plate are greatly improved.

【0028】たとえば、具体的な例として12.8[M
Hz]の水晶発振器を従来の水晶発振器の構造で作成す
ると、振動用水晶板として1mm×3mmのATカット
水晶板2個、チップ型トランジスタ2個、サーミスタ2
個、抵抗およびコンデンサ若干数を用いた場合、樹脂基
板の大きさが15mm×18mm、樹脂基板上における
部品の高さが5mmのものが最小であった。しかしなが
ら、本実施例の構造を用いた場合、振動用水晶板として
0.5mm×1mmのATカット水晶板2個、半導体基
板として2mm×3mmの半導体基板を用いることによ
り、水晶発振器の大きさは2.5mm×3mm、高さ2
mm以下の水晶発振器が作成できた。また、それぞれを
金属性の匡体に封入した後、半田リフローを用いて樹脂
性の基板に半田付けした。この結果、発振周波数が0.
5ppm以上変化したものは、従来の水晶発振器のもの
と比べて本実施例の水晶振動子では3分の1以下になっ
た。また、このときの周波数温度変化は−30℃から8
0℃の範囲で±1ppmに収まった。
For example, as a concrete example, 12.8 [M
[Hz] crystal oscillator with the structure of a conventional crystal oscillator, two 1 mm × 3 mm AT-cut crystal plates, two chip-type transistors, and thermistors 2 are used as vibration crystal plates.
When several pieces, resistors and capacitors were used, the size of the resin substrate was 15 mm × 18 mm, and the height of the component on the resin substrate was 5 mm. However, when the structure of the present embodiment is used, the size of the crystal oscillator can be reduced by using two 0.5 mm × 1 mm AT-cut crystal plates as the vibration crystal plate and a 2 mm × 3 mm semiconductor substrate as the semiconductor substrate. 2.5mm × 3mm, height 2
A crystal oscillator of mm or less could be created. Also, after encapsulating each in a metallic casing, solder reflow was used to solder to a resin substrate. As a result, the oscillation frequency is 0.
The amount of change of 5 ppm or more was one-third or less in the crystal oscillator of the present example compared to that of the conventional crystal oscillator. The frequency temperature change at this time is from -30 ° C to 8
It was within ± 1 ppm in the range of 0 ° C.

【0029】また、本実施例においては温度特性のほぼ
等しい2個の振動用水晶板を用いたが温度特性が逆の、
もしくは全く異なる温度特性をもつ振動用水晶板を用い
ても2つの共振周波数を適当な関数にあてはめ、発振周
波数を求めることにより発振周波数を一定に保つことが
できることは明らかであり、さらには3個以上の振動用
水晶板を用いてもそれぞれの共振周波数を適当な関数に
あてはめ、発振周波数を求めることにより発振周波数を
一定に保つことができることは明らかである。また、本
実施例においては振動用水晶板を2個用いたが、1つの
水晶板を用いて2つもしくはそれ以上の振動を発生する
こともできる。この場合でもそれぞれの振動の共振周波
数を適当な関数にあてはめ、発振周波数を求めることに
より発振周波数を一定に保つことができることはその原
理より明らかである。
Further, in this embodiment, two vibrating crystal plates having substantially the same temperature characteristics are used, but the temperature characteristics are opposite.
Alternatively, it is clear that the oscillation frequency can be kept constant by applying the two resonance frequencies to an appropriate function and obtaining the oscillation frequency even if a vibrating crystal plate having completely different temperature characteristics is used. It is obvious that the oscillation frequency can be kept constant by applying the respective resonance frequencies to an appropriate function and obtaining the oscillation frequency even if the above vibrating crystal plate is used. Further, although two crystal plates for vibration are used in this embodiment, one crystal plate may be used to generate two or more vibrations. Even in this case, it is clear from the principle that the oscillation frequency can be kept constant by applying the resonance frequency of each vibration to an appropriate function and obtaining the oscillation frequency.

【0030】さらに、複数の前記振動用水晶板1のうち
の少なくとも一つをに前記半導体基板3上に蒸着された
酸化亜鉛などの圧電薄膜素子を用いて共振周波数を得る
ことも可能である。この際、前記振動用水晶板1の発振
周波数を圧電薄膜素子の発振周波数で持って温度補償す
ることが可能であることは明らかである。
Further, it is possible to obtain the resonance frequency by using a piezoelectric thin film element such as zinc oxide deposited on the semiconductor substrate 3 on at least one of the plurality of vibrating crystal plates 1. At this time, it is apparent that the oscillation frequency of the vibrating crystal plate 1 can be held by the oscillation frequency of the piezoelectric thin film element to perform temperature compensation.

【0031】[0031]

【発明の効果】以上の実施例の説明から明らかなよう
に、本発明は振動用水晶板と半導体基板および感温素子
を樹脂基板や金属端子、接着剤などを用いることなく一
体化できるため、接着時の接着剤の伸縮による応力が振
動用水晶板にかかる問題、また十分な接着強度が十分で
なく大きな接着面積が必要であること、導電性接着剤の
耐熱性に問題があるために半田付けにおいて低温での処
理しかできないこと、導電性接着剤の硬化に伴うガスの
放出、機械的振動に対して十分安定でないこと、さらに
は接着剤の劣化の問題、温度および機械的振動に対して
特性が不安定になるなどの問題が存在しない。しかも、
振動用水晶板と半導体回路が一体化できるため水晶発振
器全体の小型化が容易であること、さらに感温素子をも
一体化することにより温度変化に対しさらに小型高安定
な水晶発振器を得られる。
As is apparent from the above description of the embodiments, the present invention allows the vibrating crystal plate, the semiconductor substrate and the temperature sensitive element to be integrated without using a resin substrate, a metal terminal, an adhesive, or the like. Solder due to the problem that the stress due to the expansion and contraction of the adhesive at the time of adhesion is applied to the vibration crystal plate, the sufficient adhesive strength is not enough and a large adhesive area is required, and the heat resistance of the conductive adhesive is a problem. Can only be processed at low temperature during attachment, release of gas due to hardening of conductive adhesive, not sufficiently stable against mechanical vibration, and further deterioration of adhesive, temperature and mechanical vibration There are no problems such as unstable characteristics. Moreover,
Since the vibrating crystal plate and the semiconductor circuit can be integrated, it is easy to reduce the size of the crystal oscillator as a whole, and by integrating the temperature sensitive element, it is possible to obtain a crystal oscillator that is more compact and highly stable against temperature changes.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の第1の実施例の水晶発振器の斜視図FIG. 1 is a perspective view of a crystal oscillator according to a first embodiment of the present invention.

【図2】同水晶発振器の断面図FIG. 2 is a sectional view of the crystal oscillator.

【図3】同水晶発振器の回路図FIG. 3 is a circuit diagram of the crystal oscillator.

【図4】本発明の第2の実施例の水晶発振器の斜視図FIG. 4 is a perspective view of a crystal oscillator according to a second embodiment of the present invention.

【図5】同水晶発振器の断面図FIG. 5 is a sectional view of the crystal oscillator.

【図6】同水晶発振器の回路図FIG. 6 is a circuit diagram of the crystal oscillator.

【図7】従来の水晶振動子の斜視図FIG. 7 is a perspective view of a conventional crystal unit.

【図8】従来の水晶振動子の構成図FIG. 8 is a block diagram of a conventional crystal unit.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 振動用水晶板 2 励振用電極 3 半導体基板 4 発振回路 5 感温素子 6 電極 7 接続用ワイヤボンディング 1 Vibration Crystal Plate 2 Excitation Electrode 3 Semiconductor Substrate 4 Oscillation Circuit 5 Temperature Sensing Element 6 Electrode 7 Wire Bonding for Connection

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半導体基板と振動用水晶板と前記半導体
基板上に作成された発振回路と前記半導体基板上に一体
に形成された少なくとも一つの感温素子とからなり、前
記振動用水晶板と前記半導体基板が直接接合により固定
され、前記感温素子を発振回路の発振周波数の温度変化
補償用としたことを特徴とする水晶発振器。
1. A vibrating crystal plate, comprising: a semiconductor substrate, a vibrating crystal plate, an oscillation circuit formed on the semiconductor substrate, and at least one temperature sensitive element integrally formed on the semiconductor substrate. A crystal oscillator, wherein the semiconductor substrate is fixed by direct bonding, and the temperature sensing element is used for compensating a temperature change of an oscillation frequency of an oscillation circuit.
【請求項2】 感温素子としてダイオード、トランジス
タ、抵抗もしくはコンデンサのうち少なくとも一つを用
いた請求項1記載の水晶発振器。
2. The crystal oscillator according to claim 1, wherein at least one of a diode, a transistor, a resistor and a capacitor is used as the temperature sensitive element.
【請求項3】 感温素子として圧電素子を用いた請求項
1記載の水晶発振器。
3. The crystal oscillator according to claim 1, wherein a piezoelectric element is used as the temperature sensitive element.
【請求項4】 半導体基板としてシリコン基板もしくは
GaAs基板を用いた請求項1記載の水晶発振器。
4. The crystal oscillator according to claim 1, wherein a silicon substrate or a GaAs substrate is used as the semiconductor substrate.
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