JPH1051262A - Piezoelectric vibrator and its production - Google Patents

Piezoelectric vibrator and its production

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JPH1051262A
JPH1051262A JP9897297A JP9897297A JPH1051262A JP H1051262 A JPH1051262 A JP H1051262A JP 9897297 A JP9897297 A JP 9897297A JP 9897297 A JP9897297 A JP 9897297A JP H1051262 A JPH1051262 A JP H1051262A
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JP
Japan
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piezoelectric
single crystal
thickness
vibrator
piezoelectric single
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP9897297A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Masahito Sugimoto
雅人 杉本
Katsu Takeda
克 武田
Yoshihiro Tomita
佳宏 冨田
Osamu Kawasaki
修 川崎
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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 JPH1051262A publication Critical patent/JPH1051262A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress the spurious by preparing two piezoelectric single crystal plates which are unified together in the direction, almost opposite to the axial direction of spontaneous polarization and the drive electrodes which are formed opposite to each other on both main surfaces of those two single crystal plates that are bonded directly to each other. SOLUTION: Two sheets of piezoelectric single crystal wafers 11 and 12 are made of lithium niobate and have the same thickness with directions of polarization Ps shown by arrows respectively. These wafers 11 and 12 are bonded directly to each other in a single body. Then the drive electrodes 13 are formed on the upper and lower surfaces inverted polarization wafers 11 and 12 bonded to each other. Thus, an energy containment-type piezoelectric vibrator is obtained. When the wafers 11 and 12 are bonded to each other, the bonding surfaces of both wafers 11 and 12 are polished into mirror-finish surfaces and cleaned and undergo hydrophilic treatment. Such two wafers are touched with each other and then heated. From this, both wafers 11 and 12 can be directly bonded to each other at an atomic level without the use of any adhesive whatsoever. Therefore, the elastic loss is very small, when a bulk wave is transmitted. Thus, the mechanical quality counting Q and quality are improved for the vibrator.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、自発分極を有する
圧電性単結晶からなる素子(圧電振動子、圧電フィルタ
など)とその製造方法に関する。
The present invention relates to an element (piezoelectric vibrator, piezoelectric filter, etc.) made of a piezoelectric single crystal having spontaneous polarization and a method of manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、圧電振動子は、発振子とし
て、コンピュータ、各種マイコン内蔵機器、各種ディジ
タル機器などのクロック源として用いられている。これ
らの圧電振動子は、水晶などの圧電性単結晶あるいは圧
電セラミックなどから構成され、これらの圧電材料から
切り出された素体に適当な駆動電極が形成される。圧電
素体の音速と寸法から決まる共振周波数近傍の周波数を
持つ駆動電圧をこの駆動電極に印加すると強い共振が得
られ、この現象を利用して電気信号が発生される。これ
らの圧電振動子は簡便な形状でありながら高性能である
ため広く用いられてきた。これらの圧電振動子では、駆
動電極の直下に振動のエネルギーが閉じこめられる。駆
動電極以外の部分で振動子を保持することにより、振動
に影響を与えることなく振動子をパッケージやプリント
基板などに実装することができる。これらの振動子はエ
ネルギー閉じこめ型振動子と呼ばれている。
2. Description of the Related Art Hitherto, a piezoelectric vibrator has been used as an oscillator as a clock source for a computer, various microcomputer built-in devices, various digital devices, and the like. These piezoelectric vibrators are made of a piezoelectric single crystal such as quartz or a piezoelectric ceramic, and an appropriate drive electrode is formed on a body cut out of these piezoelectric materials. When a drive voltage having a frequency near the resonance frequency determined by the sound speed and the size of the piezoelectric element is applied to the drive electrode, strong resonance is obtained, and an electric signal is generated using this phenomenon. These piezoelectric vibrators have been widely used because of their high performance while having a simple shape. In these piezoelectric vibrators, the energy of vibration is confined immediately below the drive electrode. By holding the vibrator at a portion other than the drive electrode, the vibrator can be mounted on a package or a printed board without affecting the vibration. These vibrators are called energy trap type vibrators.

【0003】近年、パソコンなどに代表される各種情報
機器の高速化にともない、ハードディスクドライブやC
D−ROMドライブなどの周辺機器をも含め、クロック
周波数の高周波化が強く求められている。従来、これら
の機器に求められる十数MHz〜数十MHzの周波数帯で
は、圧電体の厚みに反比例する発振周波数を示す厚み滑
り、厚みねじれ、厚み縦などの厚み振動を用いた振動子
が用いられてきた。しかし、周波数が高くなると圧電体
の厚みは薄くなり、例えば、周波数が40MHzをこえ
ると圧電体の厚みは概ね100μm程度となり、加工の
相対精度及び機械強度の低下、コストの上昇といった各
種の問題を生じていた。
In recent years, with the increase in speed of various information devices represented by personal computers, hard disk drives and C
There is a strong demand for higher clock frequencies, including peripheral devices such as D-ROM drives. Conventionally, in the frequency band of tens of MHz to tens of MHz required for these devices, a vibrator using thickness vibration such as thickness slip, thickness torsion, and thickness vertical indicating an oscillation frequency inversely proportional to the thickness of the piezoelectric body is used. I have been. However, as the frequency increases, the thickness of the piezoelectric body becomes thinner. For example, when the frequency exceeds 40 MHz, the thickness of the piezoelectric body becomes approximately 100 μm, which causes various problems such as a decrease in relative accuracy of processing, a decrease in mechanical strength, and an increase in cost. Had occurred.

【0004】そこで、特開昭63−311808号公報
に開示されているように、ニオブ酸リチウム(LiNb
3)の分極反転層形成現象を用いて、圧電体の厚みをそ
の周波数に対応する従来の振動子の2倍にするような試
みがなされている。図1はその分極反転層形成のための
プロセスを示す。圧電振動子101は、ニオブ酸リチウ
ム単結晶から切りだした圧電体板102の対向主面(上
面と下面、例えばZ面)102a、102bにそれぞれ駆
動電極103、104を形成してなる。図1の(a)にお
いて、ポーリング処理をしたニオブ酸リチウム単結晶を
スライスしたウエハ105、即ち、ポーリング処理によ
って生成された分極方位と適宜角度だけ傾斜する方向に
スライスしたウエハ105に、分極Psの方位が図中の
矢印方向(例えば上向き方向)であるとき、+c軸側の面
(図中上面、+Z'面)にチタン(Ti)の薄膜106を蒸
着する。次いで、ニオブ酸リチウムのキュリー温度(約
1250℃)と1100℃の間の温度で加熱し、ウエハ
105にチタン薄膜106を拡散させると、(b)に拡大
して示すように、分極反転領域109が生成される。分
極反転領域109の深さをtとしたとき、拡散処理中の
ウエハ105に発生する表面電荷は、深さtが厚さT3
1/2でバランス状態となるため、上面から拡張する分
極反転領域109の深さtは、ウエハ107厚さT3の約
1/2で拡張を停止し、分極反転領域109の分極Ps'
は分極Psと方位が逆向きになる。次いで、(c)に示す
ように、ウエハ107の上面と下面とに複数個の駆動電
極103、104をパターニングで形成した後、上下に
対向する動作電極103、104をそれぞれ含むよう
に、図中の一点鎖線でウエハ107を割断する。これに
より、図1の(d)に示すように、圧電振動子101が完
成する。分極Psと逆方向の分極Ps'を有する圧電体板
102の厚さは、発振周波数が同じ場合は従来の圧電体
の厚さの約2倍である。例えば、発振周波数が26MH
zである従来の圧電振動子において、圧電体厚さが約1
50μmであるとき、分極反転層を有する基板の圧電体
厚さは約300μmである。これは、同じ電界により、
前者では半波長共振が励振されるのに対し、後者では1
波長での共振が電気的に励振可能となるためである。
Therefore, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-311808, lithium niobate (LiNb
Attempts have been made to make the thickness of the piezoelectric body twice as large as that of a conventional vibrator corresponding to the frequency by using the polarization inversion layer formation phenomenon of O 3 ). FIG. 1 shows a process for forming the domain-inverted layer. The piezoelectric vibrator 101 is formed by forming drive electrodes 103 and 104 on opposing main surfaces (upper and lower surfaces, for example, Z-plane) 102a and 102b of a piezoelectric plate 102 cut from a lithium niobate single crystal. In FIG. 1 (a), a polarization Ps is applied to a wafer 105 sliced from a poling-processed lithium niobate single crystal, that is, a wafer 105 sliced in a direction inclined by an appropriate angle from the polarization orientation generated by the poling process. When the azimuth is in the direction of the arrow in the drawing (for example, in the upward direction), a thin film of titanium (Ti) is deposited on the surface on the + c-axis side (the upper surface in the drawing, the + Z ′ surface). Then, the lithium thin film 106 is heated at a temperature between the Curie temperature of lithium niobate (about 1250 ° C.) and 1100 ° C. to diffuse the titanium thin film 106 into the wafer 105. As shown in FIG. Is generated. Assuming that the depth of the domain-inverted region 109 is t, the surface charge generated on the wafer 105 during the diffusion process is balanced when the depth t is の of the thickness T 3. depth t of the inverted regions 109, the extension of about half the wafer 107 thickness T 3 stops, polarization Ps of the domain-inverted region 109 '
Has a direction opposite to that of the polarization Ps. Next, as shown in (c), after a plurality of drive electrodes 103 and 104 are formed on the upper and lower surfaces of the wafer 107 by patterning, the operation electrodes 103 and 104 opposing vertically are included in the drawing. The wafer 107 is cut along the dashed line. Thus, as shown in FIG. 1D, the piezoelectric vibrator 101 is completed. The thickness of the piezoelectric plate 102 having the polarization Ps' in the opposite direction to the polarization Ps is about twice the thickness of the conventional piezoelectric when the oscillation frequency is the same. For example, when the oscillation frequency is 26 MHz
z, the thickness of the piezoelectric body is about 1
When the thickness is 50 μm, the thickness of the piezoelectric body of the substrate having the domain-inverted layer is about 300 μm. This is due to the same electric field
In the former, half-wave resonance is excited, whereas in the latter, 1
This is because resonance at a wavelength can be electrically excited.

【0005】また、圧電体としてタンタル酸リチウム
(LiTaO3)を用いるとき、例えば特開平01−158
811号公報に示すように、分極反転を行うためにプロ
トン交換層を形成し、その部分の分極を選択的に反転す
るという方法を用いる。図2の(a)において、タンタル
酸リチウム単結晶の0±10°回転X板より切り出した
圧電体112は、一方の主面(+X'面)112aより他方
の上面(−X'面)112bに向けた分極Psを有する。次
に、(b)に示すように+X'面112aに例えばスピンコ
ートにより厚さ5μm程度のポリイミド層(ポリイミドマ
スク)113を形成したのち、(c)に示すように例えば
250℃に加熱したプロトン交換処理液114に1時間
程度浸漬すると、−X'面112bからプロトン交換層1
15が形成される。次に、処理液114から取り出して
洗浄した圧電体112を、タンタル酸リチウムのキュリ
ー点(600℃)以下の高温、例えば、560〜610℃
の温度で適宜の時間だけ加熱すると、(d)に示すよう
に、−X'面112bから圧電体112の1/2の深さ
に、分極Psと逆向きの分極Ps'が形成された分極反転
層112cが形成される。次に、その圧電体112の対
向主面(+X'面と−X'面)112a、112bに駆動電極
116、117を形成すると、(e)に示す圧電振動子1
11が完成する。これらの振動子の挙動は、先に示した
ニオブ酸リチウムの場合と同様で、周波数の上限を2倍
に拡大しようとするものである。
Further, lithium tantalate is used as a piezoelectric material.
When (LiTaO 3 ) is used, for example, JP-A-01-158
As shown in JP-A-811, a method is used in which a proton exchange layer is formed in order to perform polarization inversion, and the polarization in that portion is selectively inverted. In FIG. 2A, a piezoelectric body 112 cut out from a 0 ± 10 ° rotation X plate of a lithium tantalate single crystal has one main surface (+ X ′ surface) 112a and the other upper surface (−X ′ surface) 112b. To the polarization Ps. Next, as shown in (b), a polyimide layer (polyimide mask) 113 having a thickness of about 5 μm is formed on the + X ′ surface 112a by, for example, spin coating, and then the proton heated to, for example, 250 ° C. as shown in (c). When immersed in the exchange treatment liquid 114 for about one hour, the proton exchange layer 1
15 are formed. Next, the piezoelectric body 112 taken out from the processing liquid 114 and washed is heated to a high temperature equal to or lower than the Curie point (600 ° C.) of lithium tantalate, for example, 560 to 610 ° C.
Is heated for an appropriate period of time at the temperature of (c), as shown in (d), a polarization Ps 'having a direction opposite to the polarization Ps is formed at a half depth of the piezoelectric body 112 from the -X' plane 112b. An inversion layer 112c is formed. Next, when the drive electrodes 116 and 117 are formed on the opposing main surfaces (+ X ′ plane and −X ′ plane) 112a and 112b of the piezoelectric body 112, the piezoelectric vibrator 1 shown in FIG.
11 is completed. The behavior of these vibrators is the same as that of lithium niobate described above, and is intended to double the upper limit of the frequency.

【0006】ニオブ酸リチウムとタンタル酸リチウムの
振動子は、Qが高く、電気機械結合係数も大きいため
に、不要振動モードによるスプリアスを生じやすい。そ
のため、純粋な振動モードを励振するために、厚み方向
に主変位をもつ厚み縦振動、あるいは、板面と平行な方
向に主変位をもつ厚みすべり振動のどちらかの振動モー
ドが強制的に励振されるようなカット角を選択して振動
子が形成される。厚み振動子は他の振動モードとの結合
が少なく、これを利用すると、本来スプリアスの少ない
振動子が得られる。ニオブ酸リチウムとタンタル酸リチ
ウムにおいては、カット角を最適に選ぶことにより、厚
みすべり振動モードの結合係数が0で、厚み縦振動モー
ドのみが励振される圧電体を得ることができる。しか
し、これらのカット角では、1次(基本波)の共振のエネ
ルギーが、電極内に閉じこめられず、3次の共振を利用
した振動子となる。これらは、ニオブ酸リチウムとタン
タル酸リチウムのポアソン比が1/3以下となり、厚み
縦振動モードの1次の共振エネルギーが閉じこめられな
いことによる。3次の共振を利用した振動子において
は、1次の共振である基本波付近の振動は、不要な振動
(スプリアス)として認識されるため、これを充分に低い
レベルに抑えないと、基本波で発振してしまう上、3次
の共振は1次の共振に比べて特性的に劣る。また、その
一方で、厚み縦振動モードが励振されず、厚みすべり振
動モードのみとなるカット角も存在する。厚み滑り振動
モードが厚み縦振動モードの場合と異なる点は、滑りモ
ードの励振される板においては、互いに直行する2つの
厚み滑り振動が同時に存在する点である。そのため、厚
み縦振動子に比べてスプリアスの抑制により工夫を要す
る。厚みすべり振動を利用する振動子は、そのどちらか
一方を主要モードとして用いるため、もう一方のすべり
振動は、不要波(スプリアス)と見なされる。通常、Xカ
ットのタンタル酸リチウムでは、音速が速く、結合係数
の大きいモードを主要モードとして用いる。
[0006] Since the vibrator made of lithium niobate and lithium tantalate has a high Q and a large electromechanical coupling coefficient, spurious due to an unnecessary vibration mode is easily generated. Therefore, in order to excite the pure vibration mode, either the thickness longitudinal vibration with the main displacement in the thickness direction or the thickness shear vibration with the main displacement in the direction parallel to the plate surface is forcibly excited. The vibrator is formed by selecting such a cut angle. The thickness vibrator has little coupling with other vibration modes, and if this is used, a vibrator having originally little spurious can be obtained. In lithium niobate and lithium tantalate, by optimally selecting the cut angle, it is possible to obtain a piezoelectric body having a coupling coefficient of the thickness shear vibration mode of 0 and exciting only the thickness longitudinal vibration mode. However, at these cut angles, the energy of the first-order (fundamental wave) resonance is not confined in the electrode, and the vibrator utilizes the third-order resonance. This is because the Poisson's ratio between lithium niobate and lithium tantalate becomes 1/3 or less, and the primary resonance energy in the thickness longitudinal vibration mode is not confined. In the vibrator using the third resonance, the vibration near the fundamental wave, which is the first resonance, is an unnecessary vibration.
If the level is not suppressed to a sufficiently low level, it will be oscillated by the fundamental wave, and the tertiary resonance will be inferior in characteristics to the primary resonance unless it is suppressed to a sufficiently low level. On the other hand, there is also a cut angle in which the thickness longitudinal vibration mode is not excited and only the thickness shear vibration mode is provided. The difference between the thickness-shear vibration mode and the thickness-longitudinal vibration mode is that two thickness-shear vibrations perpendicular to each other are simultaneously present in a plate excited in the slip mode. Therefore, a device is required to suppress spurious as compared with the thickness longitudinal vibrator. Since one of the vibrators utilizing the thickness shear vibration uses one of them as a main mode, the other shear vibration is regarded as an unnecessary wave (spurious). Normally, in X-cut lithium tantalate, a mode having a high sound velocity and a large coupling coefficient is used as a main mode.

【0007】この他にも輪郭振動に起因する不要波を抑
制するために、素子をその振動空間に比して充分な余裕
をもった大きさの概正方形状にし、さらに吸音材などに
よりスプリアスをダンピングする方法が提案されてい
る。しかし、吸音材のはみ出し部が振動空間にかかる
と、振動特性が著しく劣化するため、小型の素子には向
かない。そのため、特開平5−160659号公報に示
すように、電極側方にアモルファス層を形成したり、絶
縁膜を設けたりする試みもなされている。しかし、これ
らの正方形状の素子では、先に述べた音速の遅い不要波
が主要波とほぼ等しいレベルまで励振されてしまう。こ
れについては、円形状の素子においても同じである。そ
のため、素子の形状を主振動の変位方向に長い矩形状に
とり、音速の遅い方の不要波のレベルを抑制することも
試みられている。温度特性の良いXカットタンタル酸リ
チウム板において、速い音速をもつ厚みすべり振動(主
振動)の変位方向(図3の(a)においてY軸とのなす角θ
で示す)は、−53°(日本電波工業NDK技報No.
6、'79、11、「タンタル酸リチウムを用いた電圧
制御発振器」において)であるとされている。
[0007] In addition, in order to suppress unnecessary waves caused by contour vibration, the element is formed into a substantially square shape having a sufficient margin compared with the vibration space, and spurious components are reduced by a sound absorbing material or the like. A method of damping has been proposed. However, if the protruding portion of the sound absorbing material is applied to the vibration space, the vibration characteristics are remarkably deteriorated, which is not suitable for a small element. For this reason, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. H5-160659, attempts have been made to form an amorphous layer on the side of an electrode or to provide an insulating film. However, in these square-shaped elements, the above-described unnecessary wave having a low sound velocity is excited to a level substantially equal to the main wave. This is the same for a circular element. For this reason, attempts have been made to form the element into a rectangular shape that is long in the displacement direction of the main vibration, and to suppress the level of the unnecessary wave with the slower sound velocity. In the X-cut lithium tantalate plate having good temperature characteristics, the displacement direction of the thickness shear vibration (main vibration) having a high sound velocity (the angle θ with the Y axis in FIG.
) Is -53 ° (Nihon Dempa Kogyo NDK Technical Report No.
6, '79, 11, "Voltage-controlled oscillator using lithium tantalate".

【0008】また、特開昭58−143619号公報に
おいてはニオブ酸リチウム振動子について、特開昭60
−25312号公報においてはニオブ酸リチウム振動子
について示すように、ニオブ酸リチウムあるいはタンタ
ル酸リチウム振動子をストリップ化し、小型化、高性能
化する試みもなされている。ここでいうストリップ型振
動子とは、図3の(b)に示すごとく、振動素子200が
矩形断面をもつ矩形上に切り出され、その幅全体に対向
電極201、201'が設けられているもののことであ
る。この構成とすることで、主振動の変位方向(振動子
の長手方向)と垂直に伝搬する厚みねじれ振動モード及
び音速の遅い厚み滑り振動の励振が抑制され、高Qの振
動子とすることができる。このようなタンタル酸リチウ
ムのX板を用いたストリップ型圧電振動子の長手方向
は、厚みすべり振動の変位方向に平行に近いことが、ス
プリアスの抑制のため望ましく、その最適切り出し角度
(図3においてY軸とのなす角θ)は、−50°±2°
(特開平1−36724号公報において)、−57°±
0.5°(特開平2−13007号公報において)などの
例が開示されている。また、これらの角度の誤差範囲
は、それぞれ±数°であるが、これらは結晶の対称性に
由来しており、この範囲内であれば特性的に変化は少な
く、許容されうる。また、これらの素子それぞれにおい
て、最適な幅Wと厚みHの比W/H、及び、長さLとH
の比L/Hが決定され、幅及び長さに関連したスプリア
スが、主振動である厚みすべり振動モードに重ならない
ようにして用いられている。
In Japanese Patent Application Laid-Open No. 58-143609, a lithium niobate oscillator is disclosed in
As disclosed in Japanese Patent No. 25312, a lithium niobate vibrator is stripped to reduce the size and the performance of the lithium niobate or lithium tantalate vibrator. As shown in FIG. 3 (b), the strip-type vibrator referred to here is a vibrating element 200 which is cut out into a rectangle having a rectangular cross section and provided with opposing electrodes 201 and 201 ′ over its entire width. That is. With this configuration, the thickness torsional vibration mode that propagates perpendicular to the displacement direction of the main vibration (the longitudinal direction of the vibrator) and the excitation of the thickness-shear vibration with a low sound velocity are suppressed, and a high-Q vibrator can be obtained. it can. It is desirable that the longitudinal direction of such a strip-type piezoelectric vibrator using an X-plate of lithium tantalate be nearly parallel to the displacement direction of the thickness shear vibration in order to suppress spurious vibrations.
(The angle θ formed with the Y axis in FIG. 3) is −50 ° ± 2 °.
(In JP-A-1-36724), -57 ° ±
Examples such as 0.5 ° (in JP-A-2-13007) are disclosed. Further, the error ranges of these angles are respectively ± several degrees, but these are derived from the symmetry of the crystal, and if they are within these ranges, there is little change in characteristics and it is acceptable. In each of these elements, the optimum ratio W / H of the width W to the thickness H, and the lengths L and H
Is determined, and the spurs related to the width and the length are used so as not to overlap the thickness shear vibration mode which is the main vibration.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】図1及び図2に示す分
極反転処理を施した圧電振動子101、111が、振動
子として要求される共振周波数、共振抵抗、ダイナミッ
クレンジなどの諸特性を満足するためには、分極反転層
の厚みが等しいこと(つまり、図1および図2に示す分
極Psの層と逆方向の分極Ps'の層の厚さが等しいこと)
が必要である。また、ウエハ107及び112の広い範
囲において、うねりのない均一な分極反転層が形成され
ていなければ圧電振動子としての特性が低下する。しか
し、先に述べたように、分極反転層の形成のために、ニ
オブ酸リチウムの場合には、拡散用チタン薄膜の形成、
タンタル酸リチウムの場合には、選択的なプロトン交換
のためのマスキングなどが必要であり、その膜厚制御、
応力制御など様々なパラメータが介在する。その結果、
分極反転層の深さを正確に圧電板の1/2の厚さに制御
することが困難であり、振動子として要求される共振周
波数、共振抵抗、ダイナミックレンジなどの諸特性が低
下する問題を有していた。
The piezoelectric vibrators 101 and 111 which have been subjected to the polarization reversal processing shown in FIGS. 1 and 2 satisfy various characteristics such as resonance frequency, resonance resistance and dynamic range required for the vibrator. In order to do this, the thickness of the domain-inverted layers must be equal (that is, the layer of the polarization Ps' in the opposite direction to the layer of the polarization Ps shown in FIGS. 1 and 2 must be equal).
is necessary. In addition, if a uniform domain-inverted layer without waviness is not formed in a wide range of the wafers 107 and 112, the characteristics as a piezoelectric vibrator deteriorate. However, as described above, in the case of lithium niobate, the formation of a diffusion titanium thin film,
In the case of lithium tantalate, masking or the like for selective proton exchange is required, and its film thickness control,
Various parameters such as stress control intervene. as a result,
It is difficult to control the depth of the domain-inverted layer accurately to half the thickness of the piezoelectric plate, and the characteristics such as resonance frequency, resonance resistance, and dynamic range required for the vibrator are reduced. Had.

【0010】また、分極反転層を形成するための処理温
度がニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムのキュリー
点近くであり、特にニオブ酸リチウムの場合は、100
0℃付近という高温である。このため、その均熱制御が
難しく、リチウムの脱離を防ぐための雰囲気の管理が必
要であったり、加熱炉管壁からの基板への汚染が生じ、
そのために振動子としての特性が低下するという問題も
あった。さらに、分極反転層は、その作製プロセスにお
いて生じるチタンの拡散層やリチウムの移動など、組成
の変化をともなうために分極反転層間の対称性を損な
い、振動子特性が劣化してしまうという欠点もある。な
お、圧電性材料を用いた圧電フィルタについても以上に
説明した振動子と同様の問題がある。
The processing temperature for forming the domain-inverted layer is close to the Curie point of lithium niobate and lithium tantalate.
The temperature is as high as around 0 ° C. For this reason, it is difficult to control the soaking temperature, it is necessary to control the atmosphere to prevent lithium desorption, and contamination of the substrate from the heating furnace tube wall occurs.
For this reason, there is also a problem that characteristics as a vibrator are reduced. Further, the domain-inverted layer has a disadvantage that the symmetry between the domain-inverted layers is lost due to the change in composition, such as the diffusion layer of titanium and the movement of lithium, which occur in the manufacturing process, and the transducer characteristics are deteriorated. . It should be noted that a piezoelectric filter using a piezoelectric material has the same problem as the vibrator described above.

【0011】この問題を解決するために、我々は、特開
平7−206600号公報において、積層強誘電体の直
接接合という新しい手法により、特性劣化がなく、簡便
に分極反転した積層圧電体を得る方法を提案している。
しかし、この公開公報は、接合方法について言及してい
るのみで、構造体を圧電振動子として用いる際の指針に
ついては、示唆をあたえるものではなかった。また、ニ
オブ酸リチウムとタンタル酸リチウムにおいて、厚み縦
振動モードのみが励振されるカット角を選択しても、こ
れらのカット角では、1次(基本)の共振のエネルギー
が、電極内に閉じこめられず、3次の共振を利用した振
動子となり、場合係数が1/9となる。振動子の特性
は、結合係数の大きさに比例することから、3次高調波
の振動子は、基本波の振動子に比べて特性が劣化してし
まうという問題を有していた。さらに、基本波付近の閉
じ込められない振動が、他の振動モードと結合し、強制
された振動となり、基本波発振を引き起こして、正しく
3次高調波振動素子として動作させるための素子設計が
必要であった。
In order to solve this problem, we have disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 7-206600 a new method of direct bonding of laminated ferroelectrics to obtain a laminated piezoelectric body in which the polarization is inverted without any characteristic deterioration. Suggest a way.
However, this publication only mentions a joining method, and does not give any suggestion about guidelines for using the structure as a piezoelectric vibrator. Also, in lithium niobate and lithium tantalate, even if the cut angles at which only the thickness longitudinal vibration mode is excited are selected, at these cut angles, the energy of the primary (basic) resonance is confined in the electrode. Instead, the vibrator uses the third-order resonance, and the coefficient becomes 1/9 in the case. Since the characteristics of the vibrator are proportional to the magnitude of the coupling coefficient, the vibrator of the third harmonic has a problem that the characteristics are deteriorated as compared with the vibrator of the fundamental wave. Further, an unconfined vibration near the fundamental wave is combined with another vibration mode to become a forced vibration, causing a fundamental wave oscillation, and an element design for properly operating as a third harmonic vibration element is required. there were.

【0012】また、厚み滑りモード振動子においては、
正方形あるいは円形状素子とすると、音速の速い厚み滑
り波(主要波)と音速の遅い厚み滑り波(不要波)が略同一
レベルまで励振されてしまうという課題を有していた。
その特性を改善するために、厚み滑り素子を、主要波の
変位方向に長手方向をとり矩形状にしても、遅い不要波
の抑制に限界があった。さらに、ストリップ化してスプ
リアスの発生を抑制するためには、素子の形状を細い棒
状にしなくてはならず、端面の仕上がりが素子特性に大
きな影響を与える。また、設計どおりの寸法に仕上げて
も、端面の切断形状が悪いと、Qが劣化したり、新たな
スプリアスを生じたりして、所望の特性が得られない場
合が多い。特に高周波の素子において素子が薄くなって
くると、それにともない素子の幅も狭くなって、加工が
困難になり、素子自体が脆弱なものになってしまう。本
発明の目的は、これらの様々な課題を解決して、安定で
対称性の高い分極反転構造を備え良好なスプリアス抑制
効果を有する安価な分極反転型の圧電振動子とその製造
方法を提供することである。
[0012] In the thickness-shear mode oscillator,
When a square or circular element is used, there is a problem that a thickness slip wave having a high sound speed (main wave) and a thickness slip wave having a low sound speed (unnecessary wave) are excited to substantially the same level.
In order to improve the characteristics, even if the thickness-sliding element has a rectangular shape whose longitudinal direction is in the displacement direction of the main wave, there is a limit in suppressing a slow unnecessary wave. Furthermore, in order to suppress the generation of spurious components by stripping, the element must be formed into a thin rod shape, and the finish of the end face greatly affects the element characteristics. Further, even if the dimensions are designed as designed, if the cut shape of the end face is poor, Q is deteriorated or new spurs are generated, and desired characteristics cannot be obtained in many cases. In particular, as the element becomes thinner in a high-frequency element, the width of the element also becomes narrower, which makes processing difficult, and the element itself becomes fragile. An object of the present invention is to solve these various problems and to provide an inexpensive domain-inverted piezoelectric vibrator having a stable and highly symmetric domain-inverted structure and an excellent spurious suppression effect, and a method of manufacturing the same. That is.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】本発明に係る圧電振動子
は、自発分極を有し、自発分極の軸方向が互いにほぼ逆
方向になるように、かつ、その他の結晶軸は互いのなす
角度が0度を含まないある角度をもってずれるように直
接接合により一体化された2枚の圧電性単結晶板と、前
記直接接合された圧電性単結晶板の2つの主面に互いに
対向して形成された駆動電極とからなる。2枚の圧電単
結晶板の厚みをほぼ同じとすることにより、圧電振動子
は、安定で対称性の高い分極反転構造を備える。また、
結晶軸を意図的にずらすことにより、スプリアスを抑制
する。好ましくは、前記圧電性単結晶板がニオブ酸リチ
ウム、タンタル酸リチウムまたはほう酸リチウムからな
る。
The piezoelectric vibrator according to the present invention has spontaneous polarization, and the axes of the spontaneous polarization are substantially opposite to each other, and the other crystal axes are at an angle formed by each other. Are formed by direct bonding so as to be shifted by a certain angle not including 0 degree, and two piezoelectric single crystal plates which are directly bonded to each other are formed facing each other on two main surfaces of the piezoelectric single crystal plate directly bonded to each other. Drive electrode. By making the thicknesses of the two piezoelectric single crystal plates substantially the same, the piezoelectric vibrator has a stable and highly symmetric polarization inversion structure. Also,
The spurious is suppressed by intentionally shifting the crystal axis. Preferably, the piezoelectric single crystal plate is made of lithium niobate, lithium tantalate or lithium borate.

【0014】また、本発明に係る圧電振動子は、好まし
くは、一体化された前記圧電性単結晶板が駆動電極によ
り厚み縦振動の偶数次高調波を励振する形状を備える。
好ましくは、前記2枚の圧電単結晶板は、自発分極の軸
に直交する結晶軸の方位のずれを±5°以内の角度に抑
えて一体化されている。好ましくは、前記2枚の圧電単
結晶板は、ポアソン比が1/3以下であり、かつ、厚み
縦振動モードの電気機械結合係数の値が厚みすべり振動
モードの電気機械結合係数の値よりも充分大きな圧電材
料からなり、前記駆動電極が偶数次高調波エネルギーを
閉じこめるように配置されている。ポアソン比が1/3
以下の圧電単結晶板でも厚み縦モードのエネルギー閉じ
込めが可能になる。好ましくは、前記圧電単結晶板は、
Zカットニオブ酸リチウムあるいはZカットタンタル酸
リチウムからなる。前記駆動電極の各々は、一体化され
た前記圧電単結晶板の厚みをHとすると、少なくとも2
H以上7H以下の長さ及び幅を有する。好ましくは、さ
らに、前記圧電振動子を支持する基板を備え、この基板
上に外部接続用電極が形成され、前記圧電振動子は外部
接続用電極に導電性接着剤で支持され、駆動電極の引き
出し方向及び圧電振動子が支持されている方向が前記単
結晶板のX軸方向にほぼ一致する。これにより、実装基
板への圧電振動子の実装において電極の取り出し方向を
最適化する。好ましくは、前記2枚の圧電単結晶板は同
じ厚みを有し、偶数次高調波のうち厚み縦振動の2次高
調波が主要波として励起される。
The piezoelectric vibrator according to the present invention preferably has a shape in which the integrated piezoelectric single crystal plate excites even harmonics of thickness longitudinal vibration by a drive electrode.
Preferably, the two piezoelectric single crystal plates are integrated so that the deviation of the azimuth of the crystal axis orthogonal to the axis of spontaneous polarization is limited to an angle within ± 5 °. Preferably, the two piezoelectric single crystal plates have a Poisson's ratio of 1/3 or less, and the value of the electromechanical coupling coefficient in the thickness longitudinal vibration mode is larger than the value of the electromechanical coupling coefficient in the thickness shear vibration mode. The drive electrode is made of a sufficiently large piezoelectric material and is arranged so as to confine even-order harmonic energy. Poisson's ratio is 1/3
The following piezoelectric single crystal plate can also confine energy in the thickness longitudinal mode. Preferably, the piezoelectric single crystal plate,
It is made of Z-cut lithium niobate or Z-cut lithium tantalate. Each of the drive electrodes has at least 2 when the thickness of the integrated piezoelectric single crystal plate is H.
It has a length and width of H or more and 7H or less. Preferably, the apparatus further includes a substrate for supporting the piezoelectric vibrator, and an external connection electrode is formed on the substrate. The piezoelectric vibrator is supported by the external connection electrode with a conductive adhesive, and a drive electrode is drawn out. The direction and the direction in which the piezoelectric vibrator is supported substantially coincide with the X-axis direction of the single crystal plate. This optimizes the direction in which the electrodes are taken out when mounting the piezoelectric vibrator on the mounting substrate. Preferably, the two piezoelectric single crystal plates have the same thickness, and the second harmonic of the thickness longitudinal vibration among the even harmonics is excited as the main wave.

【0015】また、本発明に係る圧電振動子は、好まし
くは、一体化された前記圧電性単結晶板が前記駆動電極
により厚みすべり振動の偶数次高調波が励振される形状
を備える。好ましくは、前記2枚の圧電単結晶板は、自
発分極の軸に直交する結晶軸の方位を、0°を除く±1
5°以内の角度で意図的にずらして接合されている。好
ましくは、前記2枚の圧電単結晶板はタンタル酸リチウ
ムのX±10°回転板であり、前記圧電板に励振される
2種の厚みすべり振動モードのうち、電気機械結合係数
の値の大きな主要波を用い、他方の電気機械結合係数の
値の小さな不要波を抑制して用いる厚みすべり振動子に
おいて、前記2枚の圧電単結晶板は、自発分極の向きを
ほぼ逆方向になるように、かつ、それに直交する互いの
結晶方位は0°を除く±15°以内で意図的にずらされ
る。好ましくは、前記2枚の圧電単結晶板は棒状のタン
タル酸リチウムのX±10°回転板であり、前記駆動電
極は、前記振動子のX±10°回転面に平行な2面にそ
れぞれ全幅にわたって形成される。ここで、圧電結晶板
の厚みすべり振動を励振する長手方向を、Y'、Z'平面
内でY'軸から時計方向に38°乃至58°回転した方
向にとり、長手方向の端部を保持する。好ましくは、前
記2枚の圧電単結晶板は同じ厚みを有し、偶数次高調波
のうち厚みすべり振動の2次高調波が主要波として励起
される。
In the piezoelectric vibrator according to the present invention, preferably, the integrated piezoelectric single crystal plate has a shape in which even-order harmonics of thickness shear vibration are excited by the driving electrode. Preferably, the two piezoelectric single crystal plates have an orientation of a crystal axis orthogonal to the axis of spontaneous polarization of ± 1 except for 0 °.
The joints are intentionally shifted at an angle within 5 °. Preferably, the two piezoelectric single crystal plates are X ± 10 ° rotating plates of lithium tantalate, and among the two types of thickness shear vibration modes excited by the piezoelectric plate, the value of the electromechanical coupling coefficient is large. In the thickness-shear oscillator using the main wave and suppressing the unnecessary wave having a small value of the other electromechanical coupling coefficient, the two piezoelectric single crystal plates are arranged so that the directions of the spontaneous polarization are substantially opposite to each other. The crystal orientations perpendicular to each other are intentionally shifted within ± 15 ° excluding 0 °. Preferably, the two piezoelectric single crystal plates are rod-shaped lithium tantalate X ± 10 ° rotating plates, and the driving electrodes are formed on two surfaces parallel to the X ± 10 ° rotating surface of the vibrator, respectively. Formed over Here, the longitudinal direction in which the thickness shear vibration of the piezoelectric crystal plate is excited is taken to be a direction rotated clockwise by 38 ° to 58 ° from the Y ′ axis in the Y ′, Z ′ plane, and the longitudinal end is held. . Preferably, the two piezoelectric single crystal plates have the same thickness, and the second harmonic of the thickness shear vibration among the even harmonics is excited as the main wave.

【0016】本発明に係る圧電振動子の製造方法は、自
発分極を有する2枚の圧電性単結晶板のそれぞれの接合
面を鏡面研磨し、圧電性単結晶板の接合面を清浄化、親
水化し、前記圧電性単結晶板の結晶方位を0度を含まな
いある角度をもってずれるように重ね合わせて、自発分
極の軸方向は反対方向となるように前記接合面を密着
し、密着された前記2枚の圧電性単結晶板を加熱して前
記2枚の圧電性単結晶を一体化し、一体化した前記2枚
の圧電性単結晶板の2つの主面に互いに対向する駆動電
極を形成することを特徴とする。好ましくは、前記2枚
の圧電性単結晶板を一体化した後、前記一体化圧電性単
結晶板の片面を研磨して厚みを揃え、その後に、2つの
主面に互いに対向する前記駆動電極を形成する。好まし
くは、前記2枚の圧電性単結晶板を一体化した後、前記
一体化圧電性単結晶板の両面を研磨して厚みを揃え、そ
の後に、2つの主面に互いに対向する前記駆動電極を形
成する。好ましくは、前記圧電性単結晶板がニオブ酸リ
チウム、タンタル酸リチウムまたはほう酸リチウムから
なる。
In the method of manufacturing a piezoelectric vibrator according to the present invention, the bonding surfaces of two piezoelectric single crystal plates having spontaneous polarization are mirror-polished, and the bonding surfaces of the piezoelectric single crystal plates are cleaned and hydrophilic. And the piezoelectric single crystal plates are superposed so that the crystal orientations thereof are shifted at a certain angle not including 0 °, and the bonding surfaces are adhered so that the axial direction of spontaneous polarization is in the opposite direction, and the adhered Two piezoelectric single crystal plates are heated to integrate the two piezoelectric single crystals, and drive electrodes facing each other are formed on two main surfaces of the two integrated piezoelectric single crystals. It is characterized by the following. Preferably, after the two piezoelectric single crystal plates are integrated, one surface of the integrated piezoelectric single crystal plate is polished to uniform thickness, and then the two main surfaces are opposed to each other by the drive electrode. To form Preferably, after the two piezoelectric single crystal plates are integrated, both surfaces of the integrated piezoelectric single crystal plate are polished to make the thickness uniform, and then the two main surfaces are opposed to each other by the drive electrode. To form Preferably, the piezoelectric single crystal plate is made of lithium niobate, lithium tantalate or lithium borate.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て添付の図面を参照して説明する。 (実施の形態1)図4は、本発明の実施の形態1の圧電振
動子の製造過程を示す。図4において、(a)は、同じ厚
みを有する2枚の圧電単結晶ウエハ11、12の側面図
であり、分極Psの向きを図中の矢印で示してある。圧
電性単結晶ウエハ11、12として、直径2インチで厚
みt=50μmのZカットのニオブ酸リチウムを用いてい
る。これらの2枚の圧電単結晶ウエハ11、12を、
(b)に示すように直接接合して一体化する。最後に、接
合後の分極反転ウエハ11、12の上面と下面に駆動電
極13を形成し、(c)に示したように、エネルギー閉じ
こめ型の圧電振動子が完成する。図5は、こうして得ら
れた圧電振動子の周波数特性を示す。次に直接接合につ
いて詳細に説明する。直接接合は、接着剤を一切用いず
に直接接合により原子レベルで接合が達成されるため、
バルク波伝搬時の弾性的な損失が非常に小さい。そのた
め、本接合体を振動子として用いることにより、機械的
品質係数Qが高く、高品質の振動子を提供できる。ま
た、直接接合面は原子レベルで接合されているために、
接合面は鏡面仕上げと同等の平坦度をもっている。その
ため、上面ウエハ11の板厚と下面ウエハ12の板厚の
精度で分極反転領域の厚さを決定できる。よって、ウエ
ハ全体にわたって分極反転領域の厚みの比が一定である
ため、共振周波数、共振抵抗、ダイナミックレンジなど
の特性の優れた振動子の得られる基板となる。また、機
械的強度もきわめて強いため、接合の後に研磨、研削な
どにより薄板化することも可能である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. Embodiment 1 FIG. 4 shows a process of manufacturing a piezoelectric vibrator according to Embodiment 1 of the present invention. 4A is a side view of two piezoelectric single crystal wafers 11 and 12 having the same thickness, and the direction of polarization Ps is indicated by an arrow in the figure. As the piezoelectric single crystal wafers 11 and 12, Z-cut lithium niobate having a diameter of 2 inches and a thickness t = 50 μm is used. These two piezoelectric single crystal wafers 11 and 12 are
As shown in (b), they are directly joined and integrated. Finally, drive electrodes 13 are formed on the upper and lower surfaces of the bonded domain-inverted wafers 11 and 12, and as shown in (c), an energy trap type piezoelectric vibrator is completed. FIG. 5 shows the frequency characteristics of the piezoelectric vibrator thus obtained. Next, the direct joining will be described in detail. Direct bonding is achieved at the atomic level by direct bonding without using any adhesive,
The elastic loss during bulk wave propagation is very small. Therefore, by using the present bonded body as a vibrator, a high-quality vibrator having a high mechanical quality factor Q can be provided. Also, since the direct bonding surface is bonded at the atomic level,
The joint surface has the same flatness as mirror finish. Therefore, the thickness of the domain-inverted region can be determined with the accuracy of the thickness of the upper wafer 11 and the thickness of the lower wafer 12. Therefore, since the ratio of the thickness of the domain-inverted region is constant over the entire wafer, a substrate can be obtained on which a resonator having excellent characteristics such as resonance frequency, resonance resistance, and dynamic range is obtained. Further, since the mechanical strength is extremely high, it is possible to reduce the thickness of the sheet by polishing or grinding after joining.

【0018】直接接合は、ウエハ11、12の接合する
2面を鏡面研磨した後に清浄にし、表面に親水化処理を
施したものを接触させた後、加熱処理を行うことにより
行われる。その加熱温度は、従来おこなわれている分極
反転層形成処理温度に比べて十分小さく、200から5
00℃程度である。そのため、煩雑な温度管理が不必要
なため、生産設備が簡略化できる。また、高温中で単結
晶基板を変質させることもなくなる。本実施の形態で用
いたニオブ酸リチウムに関しても直接接合による基板の
反り、破損、材料の変質などは見られなかった。
The direct bonding is performed by mirror-polishing the two surfaces of the wafers 11 and 12 to be bonded, cleaning the surfaces, bringing the surfaces of which have been subjected to a hydrophilic treatment into contact, and then performing a heat treatment. The heating temperature is sufficiently lower than the conventional temperature of the domain-inverted layer forming treatment, and is 200 to 5 times.
It is about 00 ° C. Therefore, complicated temperature control is not required, and the production equipment can be simplified. Further, the quality of the single crystal substrate does not deteriorate at high temperatures. Also for the lithium niobate used in the present embodiment, no warping, breakage, or alteration of the material due to direct bonding was observed.

【0019】また、この振動子では、分極軸が板面に垂
直に向いており、これが結晶の3回対称軸となってい
る。分極を反転して接合する際には、平面内での熱膨張
率を合わせることが好ましいので、面内での結晶軸は概
ね合わせて接合している。しかし、例えずれたとしも接
合状態には大きな変化はなく、振動子の特性の低下は小
さい。しかし、このずれが±15°をこえると、図6に
示すごとく、特性が大きく劣化するので、角度のずれ
は、±15°以内に抑える必要がある。より好ましく
は、±3°以内に抑えると、最適な場合と遜色のない特
性が得られる。
In this vibrator, the polarization axis is perpendicular to the plate surface, and this is the axis of symmetry of the crystal. When joining by reversing the polarization, it is preferable to match the coefficient of thermal expansion in a plane, so that the crystal axes in the plane are almost matched. However, even if they are misaligned, there is no significant change in the bonding state, and the deterioration in the characteristics of the vibrator is small. However, if this deviation exceeds ± 15 °, as shown in FIG. 6, the characteristics are greatly degraded. Therefore, it is necessary to suppress the deviation of the angle to within ± 15 °. More preferably, if the angle is kept within ± 3 °, characteristics comparable to those in the optimal case can be obtained.

【0020】図4の(c)に示すエネルギー閉じこめ型の
圧電振動子において、電極13の間の曲線は、1波長の
変位の1例を示す。本振動子は板厚の等しいウエハ1
1、12を接合したため、精度よく厚みT3の1/2の
位置で接合界面=分極反転界面となり、分極反転界面の
平面度が良い。このため、(c)に示すように理想的状態
で1波長の共振を励振することが可能である。図5は、
この振動子の周波数特性を示す。図に示すように、共振
抵抗が小さく、ダイナミックレンジ(振幅レベルの最大
値と最小値の差)が大きく、共振周波数近傍にスプリア
スが極めて少ない特性を得ることができる。従来の1つ
のウエハを用いた振動子では、半波長が基本波の振動モ
ードで厚み方向に励振され、共振周波数は約36MHz
(理論値)である。本実施形態では、50μmの厚みの
2枚のウエハの直接接合により厚さ100μmの振動子
が得られ、基本モードは1波長が厚み方向に励振される
2次振動モードである。したがって、共振周波数は従来
の振動子の2倍の約72MHzである。
In the energy trap type piezoelectric vibrator shown in FIG. 4C, the curve between the electrodes 13 shows an example of displacement of one wavelength. The vibrator is a wafer 1 having the same thickness.
Since Nos. 1 and 12 were bonded, the bonding interface = Polarized Inverted Interface at a position of 1/2 of the thickness T3 with high accuracy, and the flatness of the Polarized Inverted Interface is good. Therefore, it is possible to excite resonance of one wavelength in an ideal state as shown in FIG. FIG.
The frequency characteristics of this vibrator are shown. As shown in the figure, it is possible to obtain characteristics in which the resonance resistance is small, the dynamic range (the difference between the maximum value and the minimum value of the amplitude level) is large, and the spurious is extremely small near the resonance frequency. In a conventional vibrator using one wafer, a half wavelength is excited in a thickness direction in a vibration mode of a fundamental wave, and a resonance frequency is about 36 MHz.
(Theoretical value). In this embodiment, a vibrator having a thickness of 100 μm is obtained by directly bonding two wafers having a thickness of 50 μm, and the fundamental mode is a secondary vibration mode in which one wavelength is excited in the thickness direction. Therefore, the resonance frequency is about 72 MHz, which is twice that of the conventional vibrator.

【0021】このような1波長の共振を励振するエネル
ギー閉じこめ型の厚み縦モード振動子は、従来のはりあ
わせていない無垢の圧電板(以後単板ともいう)の振動子
では達成できないものである。この原理について以下に
説明する。本実施の形態による振動子は厚み縦振動のエ
ネルギー閉じこめを利用している。通常、圧電振動子の
エネルギー閉じこめは、周波数上昇型のエネルギー閉じ
こめと周波数低下型のエネルギー閉じこめを利用して達
成される。図7と図8はそれぞれの場合における構造と
分散曲線を示す。これらは、「弾性波素子技術ハンドブ
ック」、日本学術振興会弾性波素子技術第150委員会
編、オーム社、82〜89ページに詳しい。図7と図8
において、ωoは電極における厚み振動波(厚み滑り、厚
み縦、厚みねじれなど)の角周波数、ωo'は無電極部に
おける厚み振動波の角周波数、kは電極部における板に
沿う方向の波数、k'は無電極部における板に沿う方向
の波数である。図7において、(a)は、Zカットニオブ
酸リチウム板のようなポアソン比が1/3以下の場合の
周波数上昇型閉じ込め振動子の構造を示す。この振動子
の厚み振動波の主振動は、(b)の分散曲線に示すよう
に、板に沿う方向の波数k、k'がカットオフ周波数ω
o、ωo'より高周波側で虚数になる。これに対し、図8
において、(a)は、ポアソン比が1/3以上の場合の周
波数低下型閉じ込め振動子の構造を示す。高調波では、
(b)の分散曲線に示すように、波数k、k'がカットオ
フ周波数ωo、ωo'より低周波側で虚数となる。すなわ
ち、周波数低下型の構造とした場合、高調波では、ωo
からωo'の範囲で、kが実数、k'が虚数となる境界条
件が成立し、電極部へのエネルギー閉じこめが可能であ
る。しかし、主振動では、(c)に示すように、kが実
数、k'が虚数となる境界条件が成立せず、電極部より
振動エネルギーを取り出すことが困難になる。以上のよ
うに、図7と図8から、主共振と高調波は、その振動エ
ネルギーの閉じこめ型の違いにより、いずれか一方のエ
ネルギーの閉じこめを行った場合、それと異なる振動エ
ネルギーの閉じこめ型が必要な振動波は電極外へ漏洩
し、その振動が抑圧される。
Such an energy confined thickness longitudinal mode vibrator that excites resonance of one wavelength cannot be achieved by a conventional vibrator of a solid piezoelectric plate (hereinafter also referred to as a single plate) that is not bonded. . This principle will be described below. The vibrator according to the present embodiment utilizes energy confinement of thickness longitudinal vibration. Usually, energy confinement of the piezoelectric vibrator is achieved by using frequency-increased energy confinement and frequency-decreased energy confinement. 7 and 8 show the structure and dispersion curve in each case. These are described in detail in “Elastic Wave Device Technology Handbook”, edited by the 150th Committee of the JSPS Acoustic Wave Technology, Ohmsha, pages 82 to 89. 7 and 8
In, ωo is the angular frequency of the thickness vibration wave at the electrode (thickness slip, thickness vertical, thickness torsion, etc.), ωo 'is the angular frequency of the thickness vibration wave at the non-electrode portion, k is the wave number of the electrode portion along the plate, k ′ is the wave number in the direction along the plate in the electrodeless part. In FIG. 7, (a) shows the structure of a frequency-increased confinement vibrator such as a Z-cut lithium niobate plate having a Poisson's ratio of 1/3 or less. The main vibration of the thickness vibration wave of the vibrator has a wave number k, k ′ in the direction along the plate as shown by the dispersion curve in FIG.
It becomes an imaginary number on the higher frequency side than o and ωo '. In contrast, FIG.
In (a), the structure of the frequency-reduced confinement oscillator when the Poisson's ratio is 1/3 or more is shown. For harmonics,
As shown in the dispersion curve of (b), the wave numbers k and k ′ are imaginary numbers on the lower frequency side than the cutoff frequencies ωo and ωo ′. That is, in the case of a frequency lowering type structure, ωo
In the range from to ωo ′, the boundary condition that k is a real number and k ′ is an imaginary number is satisfied, and the energy can be confined to the electrode portion. However, in the main vibration, as shown in (c), a boundary condition where k is a real number and k ′ is an imaginary number is not satisfied, and it becomes difficult to extract vibration energy from the electrode unit. As described above, from FIG. 7 and FIG. 8, the main resonance and the harmonics are different in the confinement type of the vibration energy. Therefore, when one of the energies is confined, the confinement type of the vibration energy different from that is required. Such a vibration wave leaks out of the electrode, and its vibration is suppressed.

【0022】周波数低下型で主振動のエネルギー閉じこ
めを行うには、ωo'を下げ、kが実数、k'が虚数とな
る境界条件をつくる必要がある。そこで、主振動のエネ
ルギー閉じ込めの手法として図7の(a)に示したような
周波数上昇型の構造をとる。このような構造は、電極形
成に加えて、圧電体の一部を薄く加工しなくては達成し
得ないため、量産性に劣り、ニオブ酸リチウム、タンタ
ル酸リチウムといった化学的に安定な結晶においては、
その加工すら困難となる。図8の(a)に示すような通常
の周波数低下型の振動子では、基本波(半波長共振)のエ
ネルギーは閉じこめられず、基本波より結合係数の劣る
3次以上の高調波を利用した高調波振動子として用いる
手法が選ばれる。高次の共振としては、通常、3、5、
7、・・・、2n+1次(nは自然数)の共振も同時に電極
下にエネルギー閉じこめされるが、発振回路の周波数特
性が高周波域では低下するので、この場合(ポアソン比
1/3以下の場合)、最も低次の3次高調波で発振する
ことになる。
In order to confine the energy of the main vibration in the frequency lowering type, it is necessary to lower ωo ′ and create a boundary condition where k is a real number and k ′ is an imaginary number. Therefore, as a method of confining the energy of the main vibration, a frequency rising type structure as shown in FIG. Such a structure cannot be achieved without thinning a part of the piezoelectric body in addition to forming the electrodes, so that it is inferior in mass productivity, and in chemically stable crystals such as lithium niobate and lithium tantalate. Is
Even the processing becomes difficult. In an ordinary frequency-reduced vibrator as shown in FIG. 8A, the energy of the fundamental wave (half-wave resonance) is not confined, and a third or higher harmonic having a lower coupling coefficient than the fundamental wave is used. The method used as the harmonic oscillator is selected. Higher order resonances are usually 3, 5,
7,..., 2n + 1 order (n is a natural number) resonance is simultaneously confined under the electrode, but the frequency characteristic of the oscillation circuit is reduced in a high frequency range, so in this case (the Poisson ratio is 1/3 or less) ), And oscillate at the lowest third harmonic.

【0023】ところが、実際の周波数低下型の振動子で
は、基本波の抑制が不十分で、基本波領域に強制な振動
がある場合には基本波発振を引き起こすという問題が生
じる。しかし、本実施の形態による直接接合された圧電
振動子によれば、3倍波よりも大きな結合係数をもつ2
倍波共振(2枚の板が振動にかかわるため、結合係数と
しては基本波と同程度)においてそのエネルギー閉じこ
めが可能となり、基本波も充分に抑制される。図9は、
図5に示す直接接合したZカットニオブ酸リチウム板よ
りなる圧電振動子の主要共振付近の共振特性を示すグラ
フである。一方、図10は、Zカットの単板(比較例)
の主要共振付近の共振特性を示すグラフである。それぞ
れの図において、縦軸は振幅レベル、横軸は周波数を表
し、縦軸の下方向に減衰量が大となる。また、特性曲線
において、上向きのピークをもつ曲線は周波数特性を表
し、下向きのピークを示す曲線は位相特性を示す。
However, in an actual frequency-reduced vibrator, there is a problem that the fundamental wave is insufficiently suppressed, and if there is forced vibration in the fundamental wave region, a fundamental wave oscillation is caused. However, according to the directly joined piezoelectric vibrator of the present embodiment, the piezoelectric vibrator having a coupling coefficient larger than the third harmonic
The energy can be confined at the harmonic resonance (the coupling coefficient is almost the same as the fundamental wave because the two plates are involved in the vibration), and the fundamental wave is also sufficiently suppressed. FIG.
6 is a graph showing resonance characteristics of the piezoelectric vibrator made of the Z-cut lithium niobate plate directly joined shown in FIG. 5 in the vicinity of main resonance. On the other hand, FIG. 10 shows a Z-cut single plate (comparative example).
6 is a graph showing resonance characteristics near the main resonance of FIG. In each figure, the vertical axis represents the amplitude level, the horizontal axis represents the frequency, and the amount of attenuation increases in the downward direction of the vertical axis. In the characteristic curve, a curve having an upward peak indicates frequency characteristics, and a curve indicating a downward peak indicates phase characteristics.

【0024】本実施の形態の振動子(図9)において、
主共振の周波数は、総厚100μmのZカットニオブ酸
リチウムの厚み縦振動の2次高調波(一波長共振)にあた
るピークP1が、基本波の共振にあたるピークP0より
も充分に大きくあらわれている。一方、Zカット単板
(比較例)を用いた振動子においては、最も結合係数の
大なる基本波(半波長共振)のエネルギー閉じこめは達成
されず、図10に示すように、3倍波以降の高周波域に
最も主要な共振を生じる。高次の共振では結合係数が1
/n2になる(ここにnは共振の次数である)。低次の
共振ほど結合係数が大きく、特性の劣化も小さい。図9
と図10により、これらの圧電板に励振される最低次の
モードでの特性を比較すると、本実施形態によるZカッ
トニオブ酸リチウムを直接接合した圧電振動子では、従
来の単板では実現不可能な、より低次の振動モード(1
波長共振)の閉じこめが可能になる。このため、高性能
の振動子が得られる。なお、本実施の形態では、同じ厚
みの圧電性単結晶ウエハを接合した場合について述べた
が、厚みが多少異なる圧電性単結晶ウエハを接合して振
動子を作製しても同様な効果が得られる。
In the vibrator of this embodiment (FIG. 9),
As for the frequency of the main resonance, the peak P1 corresponding to the second harmonic (one wavelength resonance) of the thickness longitudinal vibration of the Z-cut lithium niobate having a total thickness of 100 μm is sufficiently larger than the peak P0 corresponding to the resonance of the fundamental wave. On the other hand, in a resonator using a Z-cut single plate (comparative example), energy trapping of the fundamental wave (half-wave resonance) having the largest coupling coefficient was not achieved, and as shown in FIG. Produces the most significant resonance in the high frequency range of For higher-order resonances, the coupling coefficient is 1
/ N 2 (where n is the order of resonance). The lower the resonance, the larger the coupling coefficient and the smaller the characteristic degradation. FIG.
10 and FIG. 10, comparing the characteristics in the lowest order mode excited by these piezoelectric plates shows that the piezoelectric vibrator directly bonded with Z-cut lithium niobate according to the present embodiment cannot be realized with the conventional single plate. The lower vibration mode (1
Wavelength resonance) can be confined. For this reason, a high-performance vibrator can be obtained. In this embodiment, the case where piezoelectric single crystal wafers having the same thickness are bonded is described. However, similar effects can be obtained by bonding piezoelectric single crystal wafers having slightly different thicknesses to form a vibrator. Can be

【0025】また、本実施の形態では、板面に対向に配
置された駆動電極によって励振される厚みすべり振動の
結合係数が小さく、厚み縦振動のみを励振できるカット
角であるにもかかわらず、ポアソン比が1/3以下であ
るため基本波のエネルギー閉じこめができない例とし
て、ニオブ酸リチウムにおいてはZカット板を用いた
が、同様な特徴を持つ36°Yカット板でも同様の効果
がある。また、同じ結晶系であるタンタル酸リチウム、
ホウ酸リチウム(Li247)においても同様なことがい
える。また、図4には1つの圧電振動子を作成する工程
が示されているが、大面積のウエハを直接接合した後
に、複数個の駆動電極を一括して形成して、切断するこ
とにより1度に多くの圧電振動子を製造することも同様
に可能であることは言うまでもない。
In the present embodiment, the coupling coefficient of the thickness shear vibration excited by the drive electrodes disposed opposite to the plate surface is small, and the cut angle is such that only the thickness longitudinal vibration can be excited. As an example in which the energy of the fundamental wave cannot be confined because the Poisson's ratio is 1/3 or less, a Z-cut plate is used for lithium niobate, but a 36 ° Y-cut plate having similar characteristics has the same effect. Also, lithium tantalate of the same crystal system,
The same can be said for lithium borate (Li 2 B 4 O 7 ). FIG. 4 shows a process of forming one piezoelectric vibrator. After directly bonding a large-area wafer, a plurality of drive electrodes are collectively formed and cut. It goes without saying that it is equally possible to manufacture as many piezoelectric vibrators as possible.

【0026】(実施の形態2)図11は本発明の実施の形
態2の圧電振動子の側面図である。図11において、
(a)は異なる厚みを有する2枚の圧電単結晶ウエハの側
面図である。本実施の形態2では圧電性単結晶ウエハ1
1、12として直径2インチで厚みt=50μmのZカッ
トニオブ酸リチウムと、同じ大きさで厚みが倍の100
μmのものを用いた。次いで、(b)に示すように、これ
らを直接接合して一体化する。その後、(c)に示すよう
に、厚い下面ウエハを片面研磨により薄板化する。最後
に、一体化した分極反転ウエハの上面と下面に駆動電極
13を形成し、図5に示したのと同様の圧電振動子が完
成する。本圧電振動子は板厚の厚いウエハに薄いウエハ
を接合したため、研磨前の全体の厚みが厚くなり機械強
度が大きくなるので取り扱いが容易となる。また、図1
1に示す実施の形態では、1つの圧電振動子を作成する
工程が示されているが、大面積のウエハを直接接合した
後に、複数個の駆動電極を一括して形成して切断するこ
とにより一度に多くの圧電振動子を製造することも同様
に可能である。また、本実施の形態では圧電性単結晶と
してニオブ酸リチウムを用いているが、この他、タンタ
ル酸リチウム、ほう酸リチウムなどの単結晶圧電材料を
用いても同様の効果が得られることは言うまでもない。
(Embodiment 2) FIG. 11 is a side view of a piezoelectric vibrator according to Embodiment 2 of the present invention. In FIG.
(a) is a side view of two piezoelectric single crystal wafers having different thicknesses. In the second embodiment, the piezoelectric single crystal wafer 1
Z-cut lithium niobate having a diameter of 2 inches and a thickness of t = 50 μm as 1 and 12;
μm was used. Next, as shown in (b), these are directly bonded and integrated. Thereafter, as shown in (c), the thick lower wafer is thinned by single-side polishing. Finally, drive electrodes 13 are formed on the upper and lower surfaces of the integrated domain-inverted wafer, and the same piezoelectric vibrator as shown in FIG. 5 is completed. In the present piezoelectric vibrator, since a thin wafer is joined to a thick wafer, the overall thickness before polishing is increased and the mechanical strength is increased, so that the handling becomes easy. FIG.
In the embodiment shown in FIG. 1, a process of forming one piezoelectric vibrator is shown. However, after directly bonding a large-area wafer, a plurality of drive electrodes are collectively formed and cut. It is likewise possible to produce many piezoelectric vibrators at once. Although lithium niobate is used as the piezoelectric single crystal in the present embodiment, it goes without saying that the same effect can be obtained by using a single crystal piezoelectric material such as lithium tantalate and lithium borate. .

【0027】(実施の形態3)図12は本発明の実施の形
態3の圧電振動子の側面図である。図12において、
(a)はほぼ同じ厚みを有する圧電単結晶ウエハ11、1
2の側面図である。本実施の形態3では圧電性単結晶ウ
エハ11、12として直径3インチで厚みt=100μm
のZカットのタンタル酸リチウムを用いた。これらを次
いで(b)に示すように直接接合して一体化して分極反転
ウエハを得る。その後、(c)に示すように、両面研磨に
より薄板化する。最後に、分極反転ウエハの上面と下面
に駆動電極13を形成し、図5と同様の圧電振動子が完
成する。本振動子は板厚の厚めのウエハを接合したた
め、研磨前の全体の厚みが厚くなり、機械強度が大きく
なるので取り扱いが容易となる。さらに厚いウエハは精
度のよい研磨が可能なため、厚いウエハ同士を貼り合わ
せてから加工することで精度の向上が期待できる。ま
た、研磨されるべき面の極性が等しく結晶性も等しいた
め(Ti拡散などによる結晶組成の変化がないので)、両
面の研磨レートがほとんど等しくなる利点もある。
(Third Embodiment) FIG. 12 is a side view of a piezoelectric vibrator according to a third embodiment of the present invention. In FIG.
(a) shows piezoelectric single crystal wafers 11 and 1 having substantially the same thickness.
FIG. 2 is a side view of FIG. In the third embodiment, the piezoelectric single crystal wafers 11 and 12 have a diameter of 3 inches and a thickness t = 100 μm.
Z-cut lithium tantalate was used. These are then directly bonded and integrated as shown in (b) to obtain a domain-inverted wafer. Thereafter, as shown in (c), the sheet is thinned by double-side polishing. Finally, the drive electrodes 13 are formed on the upper and lower surfaces of the domain-inverted wafer, and a piezoelectric vibrator similar to that shown in FIG. 5 is completed. Since the vibrator has a thicker wafer bonded thereto, the overall thickness before polishing increases, and the mechanical strength increases, thereby facilitating handling. Since a thicker wafer can be polished with high accuracy, an improvement in accuracy can be expected by processing the thick wafers after bonding them together. In addition, since the surfaces to be polished have the same polarity and the same crystallinity (because there is no change in crystal composition due to Ti diffusion or the like), there is an advantage that the polishing rates on both surfaces are almost equal.

【0028】なお、基板のカット角については一切限定
はなく、分極軸の向きをほぼ反対にして接合すれば、所
望のモードにおいて1波長共振がえられる。製品に求め
られる温度特性、結合係数などを適宜選ぶことが容易に
できる。また、図12に示す実施の形態では、1つの圧
電振動子を作成する工程が示されているが、大面積のウ
エハを直接接合した後に、複数個の駆動電極を一括して
形成して、切断することにより1度に多くの圧電振動子
を製造することも同様に可能である。また、本実施の形
態では圧電性単結晶としてニオブ酸リチウムを用いてい
るが、この他、タンタル酸リチウム、ほう酸リチウムな
どの単結晶圧電材料を用いても同様の効果が得られるこ
とは言うまでもない。
There is no particular limitation on the cut angle of the substrate, and if the bonding is performed with the directions of the polarization axes substantially reversed, one-wavelength resonance can be obtained in a desired mode. Temperature characteristics, coupling coefficient, and the like required for a product can be easily selected as appropriate. Further, in the embodiment shown in FIG. 12, a process of forming one piezoelectric vibrator is shown, but after directly bonding a large area wafer, a plurality of drive electrodes are collectively formed, It is also possible to manufacture many piezoelectric vibrators at once by cutting. Although lithium niobate is used as the piezoelectric single crystal in the present embodiment, it goes without saying that the same effect can be obtained by using a single crystal piezoelectric material such as lithium tantalate and lithium borate. .

【0029】(実施の形態4)以上に説明したように、本
発明の振動子は、2枚のウエハの直接接合により、共振
周波数の上限を拡大できる上に、従来は閉じ込めが不可
能であった厚み縦振動モードにおいて高性能の振動子を
えることができるという点でも優れている。エネルギー
閉じ込め型の圧電振動子は、駆動電極の交差幅が過大に
なると非調和振動モードと呼ばれる振動が電極内に励起
され、スプリアスとして現れる。しかし、交差幅が過小
となると充分なエネルギーが電極下に閉じ込められず、
振動子の特性が劣化してしまうという相反した特性を有
している。そのため、駆動電極の交差幅を最適化して用
いる必要がある。そこで、実際に駆動電極の交差幅を変
化させ、最適値を実験的に求めた。なお、交差幅は円形
電極の直径で定義している。
(Embodiment 4) As described above, the vibrator of the present invention can increase the upper limit of the resonance frequency by direct bonding of two wafers, and cannot confine it conventionally. It is also excellent in that a high-performance vibrator can be obtained in the thickness longitudinal vibration mode. In the energy trap type piezoelectric vibrator, when the cross width of the drive electrodes becomes excessive, a vibration called an anharmonic vibration mode is excited in the electrodes and appears as spurious. However, if the intersection width is too small, sufficient energy will not be confined under the electrode,
It has contradictory characteristics that the characteristics of the vibrator are deteriorated. Therefore, it is necessary to optimize and use the intersection width of the drive electrodes. Accordingly, the optimum value was experimentally obtained by actually changing the intersection width of the drive electrodes. Note that the intersection width is defined by the diameter of the circular electrode.

【0030】図13は本発明の実施の形態1において示
したプロセスで作製した圧電振動子の駆動電極の交差幅
とスプリアスの関係を示す図である。エネルギー閉じ込
め型圧電振動子の駆動電極の交差幅とスプリアス周波数
の関係を示す図である。横軸は駆動電極の交差幅lを基
板厚みHで規格化したものであり、縦軸はスプリアス周
波数を共振周波数を基準に規格化したものである。ま
た、図14は、実際に作製した圧電振動子の周波数特性
を示している。図13と図14のデータよりわかるよう
に、電極の交差幅を大きくしていくと非調和高次モード
によるスプリアスS1、S2が主共振に近づいて現れて
きているのがわかる。これはエネルギー閉じこめ型振動
子特有の現象であり、本発明による振動子が2次高調波
を良好に閉じ込めていることの証明でもある。この電極
交差幅を最適化することにより、スプリアスの影響の少
ない圧電振動子を得ることができる。
FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the cross width of the driving electrodes of the piezoelectric vibrator manufactured by the process shown in the first embodiment of the present invention and the spurious. FIG. 3 is a diagram illustrating a relationship between a cross width of a drive electrode of an energy trap type piezoelectric vibrator and a spurious frequency. The horizontal axis represents the intersection width l of the drive electrodes normalized by the substrate thickness H, and the vertical axis represents the spurious frequency normalized based on the resonance frequency. FIG. 14 shows the frequency characteristics of an actually manufactured piezoelectric vibrator. As can be seen from the data in FIGS. 13 and 14, as the intersection width of the electrodes is increased, the spurious S1 and S2 due to the nonharmonic higher-order mode appear closer to the main resonance. This is a phenomenon peculiar to the energy trap type vibrator, and also proves that the vibrator according to the present invention satisfactorily confines the second harmonic. By optimizing the electrode crossing width, it is possible to obtain a piezoelectric vibrator that is less affected by spurious.

【0031】図14は、圧電振動子のl/Hが3、4、
5、6の場合について測定した結果であり、l/Hが3
以下において、ほぼ単一モードとなっているのがわか
る。さらにl/Hを変化させ、最適な交差幅を実験的に
求めた結果、2<l/H<7の範囲において主要共振と
最近接スプリアスとなるS1モードのレベル差が10d
B以上となり、良好なスプリアス特性が得られた。本発
明の振動子は、製造の際の再現性がよいため、この条件
が明らかとなり、常に安定して同特性の振動子が得られ
ることが確かめられた。
FIG. 14 shows that the 1 / H of the piezoelectric vibrator is 3, 4,
These are the results measured for cases 5 and 6, where 1 / H is 3
In the following, it can be seen that the mode is almost the single mode. The l / H was further changed, and the optimum intersection width was experimentally obtained. As a result, the level difference between the main resonance and the nearest spurious S1 mode in the range of 2 <l / H <7 was 10d.
B or more, and good spurious characteristics were obtained. Since the vibrator of the present invention has good reproducibility at the time of production, this condition became clear, and it was confirmed that a vibrator having the same characteristics was always stably obtained.

【0032】(実施の形態5)さらに、本発明の振動子
は、実装基板への実装法を最適化することで、さらに高
性能化を図ることができる。図15は本発明の実施の形
態1のプロセスにより作製された圧電振動子を用いたデ
バイスの斜視図である。振動子51は実装基板52上に
ある外部接続用電極53に導電性接着剤54で支持さ
れ、電極の引き出し方向及び支持されている方向が前記
単結晶のX軸方向にほぼ一致している。電極の引き出し
方向をY方向にとると、図16の(b)に示すように、反
共振周波数より高域側にスプリアスが多数現れるため、
X軸方向に取り出し、保持する方が好ましい。このよう
な特性も、製造再現性の高い本発明の振動子を用いたた
めに明らかとなったものである。このように実装するこ
とにより、図16の(a)に示すような単一共振が得られ
る。以上のように、本発明による分極軸を反転させて直
接接合した厚み縦モードの振動子においては、直接接合
によって厚みを従来の倍とし、さらに、駆動電極の交差
幅を最適化し、電極の取りだし方向を最適化すること
で、従来の方法ではえられない高性能、高周波の圧電振
動子とすることが可能となる。
(Embodiment 5) Furthermore, the performance of the resonator of the present invention can be further improved by optimizing the mounting method on the mounting board. FIG. 15 is a perspective view of a device using the piezoelectric vibrator manufactured by the process of the first embodiment of the present invention. The vibrator 51 is supported by an external connection electrode 53 on a mounting substrate 52 with a conductive adhesive 54, and the direction in which the electrode is pulled out and the direction in which the electrode is supported substantially match the X-axis direction of the single crystal. When the electrode is pulled out in the Y direction, as shown in FIG. 16B, many spurious components appear on the higher frequency side than the anti-resonance frequency.
It is preferable to take out and hold in the X-axis direction. Such characteristics have also been made clear by using the vibrator of the present invention having high manufacturing reproducibility. With such mounting, a single resonance as shown in FIG. 16A is obtained. As described above, in the thickness longitudinal mode vibrator directly joined by inverting the polarization axis according to the present invention, the thickness is doubled by the direct joining as compared with the conventional one, and further, the intersection width of the drive electrode is optimized, and the electrode is taken out. By optimizing the direction, a high-performance, high-frequency piezoelectric vibrator that cannot be obtained by the conventional method can be obtained.

【0033】(実施の形態6)さらに、本発明の振動子
は、厚み滑り振動モードを利用した振動子においても格
別の効果を奏する。図17は、厚み滑り振動モードを利
用した本発明の実施の形態6の圧電振動子の側面図であ
る。図17において、(a)は同じ厚みを有する2枚の圧
電単結晶ウエハの側面図であり、分極Psの向きを図中
の矢印で示してある。本実施の形態では圧電性単結晶ウ
エハ11、12として直径2インチで厚みt=100μm
のXカットのタンタル酸リチウムを用いている。次い
で、(b)に示すように、これらの板の分極軸を反転させ
て直接接合して一体化する。その後、(c)に示すよう
に、接合後の分極反転ウエハの上面と下面に駆動電極を
形成し、(d)に示すようにエネルギー閉じこめ型の圧電
振動子が完成する。これらの板では、対向して配置され
た駆動電極により、厚みすべり振動波が励振される。
(Embodiment 6) Further, the vibrator of the present invention has a special effect even in a vibrator utilizing a thickness-shear vibration mode. FIG. 17 is a side view of the piezoelectric vibrator according to the sixth embodiment of the present invention using the thickness-shear vibration mode. In FIG. 17, (a) is a side view of two piezoelectric single crystal wafers having the same thickness, and the direction of polarization Ps is indicated by an arrow in the figure. In this embodiment, the piezoelectric single crystal wafers 11 and 12 have a diameter of 2 inches and a thickness t = 100 μm.
X-cut lithium tantalate is used. Next, as shown in (b), the polarization axes of these plates are reversed, and they are directly joined and integrated. Thereafter, as shown in FIG. 3C, drive electrodes are formed on the upper and lower surfaces of the bonded domain-inverted wafer, and an energy trap type piezoelectric vibrator is completed as shown in FIG. In these plates, the thickness shear vibration wave is excited by the drive electrodes arranged opposite to each other.

【0034】本振動子は板厚の等しいウエハ(単結晶
板)を接合したため、精度よく厚みの1/2の位置で接
合界面=分極反転界面となり、分極反転界面の平面度が
良い。このため、図17で(c)の中に示す変位カーブの
ように理想的状態で1波長の共振を励振することが可能
であり、図5の振動子のような共振抵抗が小さく、ダイ
ナミックレンジが大きく、共振周波数近傍にスプリアス
が極めて少ない特性を得ることができる。X板では、分
極軸が板面に平行であるため、従来の分極反転層形成技
術では、加熱処理及びプロトン交換を経ても、分極反転
に寄与する方向の電界が生じず、本発明のような構造は
実現困難である。さらに、Xカット±10°タンタル酸
リチウム板を用いる場合には、通常、先に述べたよう
な、速い音速をもつ厚みすべり振動(主振動)の変位方向
に垂直方向に変位する音速の遅い厚みすべり波(不要波)
が存在するが、結晶軸を意図的にずらして直接接合する
ことで、この不要波を効果的に抑圧することができる。
In the present oscillator, since a wafer (single crystal plate) having the same plate thickness is bonded, a bonding interface = a polarization reversal interface at a position of 1/2 of the thickness with high accuracy, and the flatness of the polarization reversal interface is good. For this reason, it is possible to excite resonance of one wavelength in an ideal state like the displacement curve shown in (c) of FIG. 17, and the resonance resistance as in the vibrator of FIG. , And a characteristic in which spurious is extremely small near the resonance frequency can be obtained. In the X-plate, since the polarization axis is parallel to the plate surface, the conventional domain-inverted layer forming technique does not generate an electric field in the direction contributing to domain-inversion even after heat treatment and proton exchange, as in the present invention. The structure is difficult to realize. Further, when an X-cut ± 10 ° lithium tantalate plate is used, usually, as described above, a thickness having a high sound velocity and a low thickness having a low sound velocity displaced in a direction perpendicular to the displacement direction of the shear vibration (main vibration). Slip wave (unnecessary wave)
However, this unwanted wave can be effectively suppressed by directly joining the crystal axes while shifting them intentionally.

【0035】図18において(b)に示すのは、結晶軸を
合わせて直接接合した比較例のアドミッタンス特性であ
る。はりあわせた総厚みが200μmであるにもかかわ
らず、100μm厚の単板の厚みすべり波に相当する2
0MHz付近に共振を生じているのがわかる。しかし、
(b)に示すように、単板と同様に、16MHz付近にも
ほぼ同一レベルまで共振が生じている。この2つの共振
は、それぞれ速い音速をもつ厚みすべり波と遅い音速の
厚みすべり波の共振で、互いの変位方向は直交してい
る。これらの共振は、正方形あるいは円形状の素子に、
正方形あるいは円形の電極を形成したときには、本質的
に生じる波であるので、抑制が困難である。そのため、
通常は電極の縦横比を変えて、不要波の閉じこめを悪く
したり、ストリップ化したりして、不要波の励振を抑制
する方法がとられていた。しかし、厚みの薄い高周波の
素子をストリップ化するには、高度な加工技術が要求さ
れ、ストリップ状素子の高周波化の限界は、およそ10
数MHzである。例えば、12MHz帯の素子において
は、最適寸法が、およそW300μm×L2.0mm×H1
50μmのオーダーとなり、取り扱いが非常に困難にな
る。
FIG. 18 (b) shows the admittance characteristics of a comparative example in which the crystal axes are aligned and directly joined. Despite having a total thickness of 200 μm, this corresponds to a thickness shear wave of a 100 μm thick single plate.
It can be seen that resonance occurs near 0 MHz. But,
As shown in (b), similar to the single plate, resonance occurs at about the same level around 16 MHz. These two resonances are resonances of a thickness shear wave having a high sound velocity and a thickness shear wave having a low sound velocity, and their displacement directions are orthogonal to each other. These resonances occur in square or circular elements,
When a square or circular electrode is formed, it is difficult to suppress the wave because it is essentially a generated wave. for that reason,
Usually, a method has been employed in which the aspect ratio of the electrodes is changed to reduce the confinement of unnecessary waves or to strip the unnecessary waves to suppress the excitation of unnecessary waves. However, in order to form a thin high-frequency element into a strip, an advanced processing technique is required.
Several MHz. For example, in a device in the 12 MHz band, the optimum dimension is approximately W300 μm × L2.0 mm × H1.
It is on the order of 50 μm, making handling very difficult.

【0036】この課題は、本実施の形態の圧電振動子に
おいて次のように解決できる。図18において(a)に示
すのは、圧電単結晶板の結晶軸を意図的に1°ずらし、
直接接合した板のアドミッタンス特性である。図からも
わかるように、主要波のレベルがほぼ同一であるのに対
して、不要波である遅い音速を持つすべり波が著しく抑
圧されている。これは、両振動モードの電気機械結合係
数の大きさの違いで説明することができる。音速の速い
厚みすべり振動は、結合係数が大きく、およそ47%で
ある。一方、音速の遅い厚みすべり振動の結合係数はお
よそ6%である。そのため、はりあわせた圧電体の結晶
軸を意図的にずらすと、その結果、各々の圧電体内で励
振される振動の変位方向がずれるため伝搬ロスが生じ、
結合係数の小さい振動波が抑制される。一方、音速の速
い厚みすべり振動波は、結合係数が大きいため、この変
位方向のずれは許容され、特性の劣化も小さくなる。こ
の特性を利用し、本実施の形態の振動子において、これ
までは抑制困難であった不要波を効果的に抑制すること
が可能になる。
This problem can be solved as follows in the piezoelectric vibrator of the present embodiment. In FIG. 18, (a) shows that the crystal axis of the piezoelectric single crystal plate is intentionally shifted by 1 °,
It is the admittance characteristic of the plate joined directly. As can be seen from the figure, while the levels of the main waves are substantially the same, the slip wave having a low sound speed, which is an unnecessary wave, is remarkably suppressed. This can be explained by the difference in the magnitude of the electromechanical coupling coefficient between the two vibration modes. The thickness shear vibration having a high sound velocity has a large coupling coefficient of about 47%. On the other hand, the coupling coefficient of the thickness shear vibration having a low sound velocity is about 6%. Therefore, if the crystal axes of the bonded piezoelectric bodies are intentionally shifted, as a result, the displacement directions of the vibrations excited in the respective piezoelectric bodies shift, resulting in a propagation loss.
Vibration waves having a small coupling coefficient are suppressed. On the other hand, since the thickness shear vibration wave having a high sound velocity has a large coupling coefficient, the displacement in the displacement direction is allowed, and the characteristic deterioration is reduced. By utilizing this characteristic, in the vibrator of the present embodiment, it is possible to effectively suppress unnecessary waves which have been difficult to suppress.

【0037】本実施の形態では、2枚のX板を用い、互
いのZ、Y軸もずらして、スプリアスを抑制したが、X
軸をずらしても同じ効果がえられることはいうまでもな
い。この場合は、X±10°回転板をはりあわせるとよ
い。例えば、X+1°回転板とX−1°回転板をはりあ
わせることで、互いの変位方向がわずかにずれ、不要波
が抑制される。この場合には、互いのX,Y軸方向は、
合わせて接合しても、わずかにずらせて接合しても良
い。この際の角度のずれは、±15°をこえると、厚み
縦振動子において示したのと同様に、特性が著しく劣化
するため、±15°以内に抑えるのが好ましい。より好
ましくは3°以内に抑えることが好ましく、±3°以内
であれば主要振動の劣化が不要波の抑制効果に比べて小
さく、優れた厚みすべり振動子とすることができる。な
お、この構成は、互いの結晶軸がわずかにずれた状態で
もその接合を可能にする直接接合技術特有の効果であ
り、先に述べた従来の分極反転層形成技術では得られな
いものである。先に述べた厚み縦モード振動子において
は、もともとスプリアスが少ないため、接合角度をずら
すことによるスプリアスの抑制効果は目立って得られな
かったが、設計によっては、新たなスプリアスが生じる
可能性がある。しかし、本発明で用いる直接接合では、
角度を所望の角度だけずらして接合することが可能であ
るため、結合係数の小さな不要振動を抑制する効果が期
待できる。なお、厚み縦振動のスプリアスの抑制には
0.1°以上のずれがあれば充分である。
In this embodiment, two X plates are used, and the Z and Y axes are shifted from each other to suppress spurious.
It goes without saying that the same effect can be obtained even if the axis is shifted. In this case, an X ± 10 ° rotating plate may be attached. For example, by laminating the X + 1 ° rotary plate and the X-1 ° rotary plate, the directions of displacement are slightly shifted from each other, and unnecessary waves are suppressed. In this case, the X and Y axis directions of each other are
They may be joined together or slightly shifted. If the angle deviation at this time exceeds ± 15 °, the characteristics are remarkably deteriorated as in the case of the thickness longitudinal vibrator, and therefore, it is preferable to suppress the deviation within ± 15 °. More preferably, the vibration is suppressed to within 3 °, and if it is within ± 3 °, deterioration of main vibration is smaller than the effect of suppressing unnecessary waves, and an excellent thickness shear resonator can be obtained. This configuration is an effect peculiar to the direct bonding technology that enables the bonding even when the crystal axes are slightly shifted from each other, and cannot be obtained by the above-described conventional domain-inverted layer forming technology. . In the above-mentioned thickness longitudinal mode resonator, the spuriousness was originally small, so the effect of suppressing the spuriousness by shifting the joining angle was not conspicuously obtained, but depending on the design, new spuriousness may occur. . However, in the direct joining used in the present invention,
Since the joining can be performed with the angle shifted by a desired angle, an effect of suppressing unnecessary vibration having a small coupling coefficient can be expected. It should be noted that a deviation of 0.1 ° or more is sufficient for suppressing spurious vibrations in the thickness direction.

【0038】(実施の形態7)また、先の厚みすべり分極
反転接合体は、同じ周波数帯において厚みを2倍にでき
るため、素子をストリップ化しても、機械的強度の高い
素子が得られるという点で優れている。ストリップ型振
動子とは、矩形断面を有する長方形の圧電体において、
その幅方向の全体に対向電極を設けた素子である。図1
9において、(a)は、ストリップ型圧電振動子の上面図
である。この振動子では、一方のXカットタンタル酸リ
チウムの結晶軸に対して、もう一方のXカットタンタル
酸リチウムのZ軸(分極軸)が0.4°回転した関係にあ
り、互いのZ軸がほぼ反転し、かつストリップの長手方
向が、はりあわせてあるそれぞれの軸と0.2°ずつ傾
いた軸となっている。X軸の向きは基板のカット面によ
り決まるため、ほぼ一致している。さらに、(b)に示す
ように、圧電振動子71主面の全幅に電極72を形成す
るとともに、長手方向の端部を導電性接着剤73で保持
している。この素子を用いると、例えば、12MHz帯
の素子においては、最適寸法が、およそW300μm×
L2.0mm×H150μmのオーダーであったものを、W
300μm×L2.0mm×H300μmとなり、厚みを倍
にすることができるため、取り扱いが容易になる。さら
に、互いの結晶軸を意図的にずらすことで、スプリアス
特性についても良好な素子が得られ、加工精度を軽減で
きる。
(Embodiment 7) In addition, since the thickness-slip domain-inverted junction can be doubled in the same frequency band, an element having high mechanical strength can be obtained even if the element is stripped. Excellent in point. A strip type vibrator is a rectangular piezoelectric body having a rectangular cross section,
This is an element in which a counter electrode is provided in the entire width direction. FIG.
9A is a top view of the strip-type piezoelectric vibrator. FIG. In this vibrator, the Z axis (polarization axis) of the other X-cut lithium tantalate is rotated by 0.4 ° with respect to the crystal axis of the other X-cut lithium tantalate, and the Z-axis of each other is The strip is substantially inverted, and the longitudinal direction of the strip is an axis inclined by 0.2 ° with respect to each of the axes that are bonded. Since the direction of the X axis is determined by the cut surface of the substrate, they substantially match. Further, as shown in (b), the electrodes 72 are formed over the entire width of the main surface of the piezoelectric vibrator 71, and the ends in the longitudinal direction are held by the conductive adhesive 73. When this element is used, for example, in an element in the 12 MHz band, the optimum dimension is about W300 μm ×
What was on the order of L2.0 mm × H150 μm was changed to W
The thickness is 300 μm × L2.0 mm × H300 μm, and the thickness can be doubled, so that the handling becomes easy. Furthermore, by intentionally displacing the crystal axes of each other, a device having good spurious characteristics can be obtained, and the processing accuracy can be reduced.

【0039】図20は、本発明の実施の形態7の圧電振
動子のアドミッタンス特性を示す。先に述べたように、
この振動子は、互いの結晶軸を意図的に0.4°ずら
し、直接接合した圧電板を各々のX軸の中間の方向(本
実施の形態では48°方向)に切り出してストリップ化
したものである。図からわかるように、不要波の抑制さ
れた良好なスプリアス特性を示している。なお、この切
り出し角度は、これに限るものではなく、主要波の変位
方向に対して、結晶の対称性を考慮し、それぞれのY軸
に対して、時計方向に48°±10°の方向で任意に設
定することが可能である。また、これ以外の互いの結晶
軸のずれ角度も、±15°以内であれば許容される。な
お、上述の実施形態では、直接接合で作成された振動子
が説明されたが、直接接合による分極反転ウエハを用い
る構成が圧電フィルタに適用できることはいうまでもな
い。
FIG. 20 shows admittance characteristics of the piezoelectric vibrator according to the seventh embodiment of the present invention. As mentioned earlier,
This vibrator is obtained by intentionally shifting the crystal axes of each other by 0.4 °, and cutting out a directly joined piezoelectric plate in a direction intermediate to each X axis (48 ° direction in the present embodiment) to form a strip. It is. As can be seen from the figure, a good spurious characteristic in which unnecessary waves are suppressed is shown. Note that the cutout angle is not limited to this, and in consideration of the symmetry of the crystal with respect to the displacement direction of the main wave, a clockwise direction of 48 ° ± 10 ° with respect to each Y axis. It can be set arbitrarily. In addition, other misalignment angles of the crystal axes are allowed if they are within ± 15 °. In the above-described embodiment, the oscillator formed by direct bonding has been described. However, it is needless to say that a configuration using a domain-inverted wafer by direct bonding can be applied to a piezoelectric filter.

【0040】[0040]

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、接着剤
を一切用いない直接接合という簡便な工程によって、分
極反転構造を持つ分極反転ウエハを容易に作製できる。
2次、4次という偶数次の振動モードを励振することに
より、1次、3次という奇数次の振動モードを励振する
従来の圧電振動子に比較し、同じ共振周波数を得ようと
すれば圧電体板の厚さを従来の2倍にすることができ
る。従って、従来の薄板加工技術をもってより高い周波
数まで、しかも周波数精度の高い圧電振動子を得ること
ができる。接合される圧電単結晶板の結晶軸を意図的に
ずらすことによりスプリアスを抑制でき、素子の特性が
向上する。さらに取扱いが容易なため、圧電振動子の生
産性が向上し、素子の歩留まりもあがる。また、直接接
合の採用により、分極反転領域の厚みばらつきを抑え、
分極反転境界の平坦度もあがり、共振抵抗、ダイナミッ
クレンジなどの性能を向上させることができる。さら
に、従来は厚み縦モードのエネルギー閉じこめが不可能
なポアソン比が1/3以下である圧電体においても、分
極反転して直接接合した圧電体では、その閉じこめが可
能になり、他のモードに起因するスプリアスの発生が少
ない。なお、いうまでもないが、このことは、ストリッ
プ形状でない振動子についてもいえることである。さら
に、温度特性のよい厚みモードすべり振動子において
は、直接接合する圧電体の結晶軸を意図的にずらして、
効果的にスプリアスを抑制できる。さらに厚みを稼げる
ため、従来よりも高周波において、強固でスプリアス特
性の良好なストリップ素子を得ることができる。
As described above, according to the present invention, a domain-inverted wafer having a domain-inverted structure can be easily manufactured by a simple process of direct bonding without using any adhesive.
Compared with a conventional piezoelectric vibrator that excites an odd-order vibration mode of primary and tertiary by exciting even-order vibration modes of second and fourth order, if it is attempted to obtain the same resonance frequency, The thickness of the body plate can be doubled compared to the conventional case. Therefore, it is possible to obtain a piezoelectric vibrator having a higher frequency accuracy and a higher frequency accuracy by using the conventional thin plate processing technique. By intentionally shifting the crystal axis of the piezoelectric single crystal plate to be joined, spurious can be suppressed, and the characteristics of the element are improved. Further, since the handling is easy, the productivity of the piezoelectric vibrator is improved, and the yield of the element is also increased. In addition, the adoption of direct bonding suppresses variations in the thickness of the domain-inverted regions,
The flatness of the domain-inverted boundary also increases, and performance such as resonance resistance and dynamic range can be improved. Furthermore, even in a piezoelectric body in which the Poisson's ratio is 1/3 or less, in which the energy cannot be confined in the thickness longitudinal mode in the past, the confinement is possible in the piezoelectric body directly joined by reversing the polarization. The generation of spurious components is small. Needless to say, this can be applied to a vibrator having no strip shape. Furthermore, in the thickness mode slip resonator with good temperature characteristics, the crystal axis of the piezoelectric body directly joined is intentionally shifted,
The spurious can be suppressed effectively. In order to further increase the thickness, it is possible to obtain a strip element which is strong and has excellent spurious characteristics at a higher frequency than in the past.

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

【図1】 従来の方法による第1の圧電振動子の作製プ
ロセスを示す側面図
FIG. 1 is a side view showing a manufacturing process of a first piezoelectric vibrator by a conventional method.

【図2】 従来の方法による第2の圧電振動子の作製プ
ロセスを示す側面図
FIG. 2 is a side view showing a manufacturing process of a second piezoelectric vibrator by a conventional method.

【図3】 従来のストリップ振動子の上面図及び斜視図FIG. 3 is a top view and a perspective view of a conventional strip resonator.

【図4】 本発明の実施の形態1における圧電振動子の
工程を示す側面図
FIG. 4 is a side view showing steps of the piezoelectric vibrator according to the first embodiment of the present invention.

【図5】 本発明の実施の形態1の圧電振動子の周波数
特性のグラフ
FIG. 5 is a graph of a frequency characteristic of the piezoelectric vibrator according to the first embodiment of the present invention.

【図6】 本発明の実施の形態1において好ましくない
構成をとった場合の特性を示す図
FIG. 6 is a diagram showing characteristics when an unfavorable configuration is employed in the first embodiment of the present invention;

【図7】 周波数上昇型閉じ込め振動子とその分散曲線
を示す図
FIG. 7 is a diagram showing a frequency-rising confinement oscillator and its dispersion curve.

【図8】 周波数低下型閉じ込め振動子とその分散曲線
を示す図
FIG. 8 is a diagram showing a reduced-frequency confinement oscillator and its dispersion curve.

【図9】 本発明の実施の形態1により作製された圧電
振動子の周波数特性図
FIG. 9 is a frequency characteristic diagram of the piezoelectric vibrator manufactured according to the first embodiment of the present invention.

【図10】 従来の高調波圧電振動子の周波数特性図FIG. 10 is a frequency characteristic diagram of a conventional harmonic piezoelectric vibrator.

【図11】 本発明の実施の形態2における圧電振動子
の作製工程を示す側面図
FIG. 11 is a side view showing a step of manufacturing a piezoelectric vibrator according to Embodiment 2 of the present invention.

【図12】 本発明の実施の形態3における圧電振動子
の作製工程を示す側面図
FIG. 12 is a side view showing a step of manufacturing a piezoelectric vibrator according to Embodiment 3 of the present invention.

【図13】 本発明の圧電振動子の駆動電極の交差幅と
非調和高次モードとの関係を示す図
FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the intersection width of the drive electrode of the piezoelectric vibrator of the present invention and the higher harmonic mode.

【図14】 圧電振動子の駆動電極の交差幅を変えたと
きの周波数特性図
FIG. 14 is a diagram showing frequency characteristics when the width of intersection of drive electrodes of the piezoelectric vibrator is changed.

【図15】 本発明の実施の形態5における圧電振動子
の実装形態の図
FIG. 15 is a diagram of a mounting form of a piezoelectric vibrator according to a fifth embodiment of the present invention.

【図16】 本発明の実施の形態5における圧電振動子
の周波数特性図
FIG. 16 is a frequency characteristic diagram of the piezoelectric vibrator according to the fifth embodiment of the present invention.

【図17】 本発明の実施の形態6における圧電振動子
の作製工程を示す側面図
FIG. 17 is a side view showing a step of manufacturing a piezoelectric vibrator according to Embodiment 6 of the present invention.

【図18】 本発明の実施の形態6により作製される圧
電振動子の周波数特性図
FIG. 18 is a frequency characteristic diagram of the piezoelectric vibrator manufactured according to the sixth embodiment of the present invention.

【図19】 本発明の実施の形態7における圧電振動子
の上面図及び斜視図
FIG. 19 is a top view and a perspective view of a piezoelectric vibrator according to a seventh embodiment of the present invention.

【図20】 本発明の実施の形態7における圧電振動子
の周波数特性図
FIG. 20 is a frequency characteristic diagram of the piezoelectric vibrator according to the seventh embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 圧電性単結晶(上面ウエハ) 12 圧電性単結晶(下面ウエハ) 13 駆動電極 51 圧電振動子 52 実装基板 53 外部接続用電極 54 導電性接着剤 71 圧電振動子 72 駆動電極 73 導電性接着剤 Reference Signs List 11 piezoelectric single crystal (upper wafer) 12 piezoelectric single crystal (lower wafer) 13 drive electrode 51 piezoelectric vibrator 52 mounting board 53 external connection electrode 54 conductive adhesive 71 piezoelectric vibrator 72 drive electrode 73 conductive adhesive

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川崎 修 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Osamu Kawasaki, Inventor 1006 Ojidoma, Kadoma City, Osaka Prefecture Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.

Claims (17)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 自発分極を有し、自発分極の軸方向が互
いにほぼ逆方向になるように、かつ、その他の結晶軸は
互いのなす角度が0度を含まないある角度をもってずれ
るように直接接合により一体化された2枚の圧電性単結
晶板と、前記直接接合された圧電性単結晶板の2つの主
面に互いに対向して形成された駆動電極とからなること
を特徴とする圧電振動子。
1. Spontaneous polarization, wherein the axis directions of the spontaneous polarization are substantially opposite to each other, and the other crystal axes are directly shifted so that the angle between them is shifted by an angle not including 0 degree. A piezoelectric device comprising: two piezoelectric single crystal plates integrated by bonding; and drive electrodes formed on two main surfaces of the directly bonded piezoelectric single crystal plates so as to face each other. Vibrator.
【請求項2】 前記圧電性単結晶板がニオブ酸リチウ
ム、タンタル酸リチウムまたはほう酸リチウムからなる
ことを特徴とする請求項1記載の圧電振動子。
2. The piezoelectric vibrator according to claim 1, wherein said piezoelectric single crystal plate is made of lithium niobate, lithium tantalate or lithium borate.
【請求項3】 一体化された前記圧電性単結晶板が駆動
電極により厚み縦振動の偶数次高調波を励振する形状を
備えることを特徴とする請求項1記載の圧電振動子。
3. The piezoelectric vibrator according to claim 1, wherein the integrated piezoelectric single crystal plate has a shape for exciting even-order harmonics of thickness longitudinal vibration by a drive electrode.
【請求項4】 前記2枚の圧電単結晶板は、自発分極の
軸に直交する結晶軸の方位のずれを±5°以内の角度に
抑えて一体化されていることを特徴とする請求項3記載
の圧電振動子。
4. The two piezoelectric single crystal plates are integrated so that the deviation of the orientation of a crystal axis orthogonal to the axis of spontaneous polarization is limited to an angle of ± 5 ° or less. 3. The piezoelectric vibrator according to 3.
【請求項5】 前記2枚の圧電単結晶板は、ポアソン比
が1/3以下であり、かつ、厚み縦振動モードの電気機
械結合係数の値が厚みすべり振動モードの電気機械結合
係数の値よりも充分大きな圧電材料からなり、前記駆動
電極が偶数次高調波エネルギーを閉じこめるように配置
されていることを特徴とする請求項3記載の圧電振動
子。
5. The two piezoelectric single crystal plates have a Poisson's ratio of 1/3 or less, and a value of an electromechanical coupling coefficient in a thickness longitudinal vibration mode is a value of an electromechanical coupling coefficient in a thickness shear vibration mode. The piezoelectric vibrator according to claim 3, wherein the piezoelectric vibrator is made of a piezoelectric material that is sufficiently larger than the piezoelectric material, and the driving electrodes are arranged so as to confine even-order harmonic energy.
【請求項6】 前記圧電単結晶板は、Zカットニオブ酸
リチウムあるいはZカットタンタル酸リチウムからな
り、前記駆動電極の各々は、一体化された前記圧電単結
晶板の厚みをHとすると、少なくとも2H以上7H以下
の長さ及び幅を有することを特徴とする請求項3記載の
圧電振動子。
6. The piezoelectric single crystal plate is made of Z-cut lithium niobate or Z-cut lithium tantalate, and each of the drive electrodes is at least assuming that the thickness of the integrated piezoelectric single crystal plate is H. The piezoelectric vibrator according to claim 3, having a length and a width of 2H or more and 7H or less.
【請求項7】 さらに、前記圧電振動子を支持する基板
を備え、この基板上に外部接続用電極が形成され、前記
圧電振動子は外部接続用電極に導電性接着剤で支持さ
れ、駆動電極の引き出し方向及び圧電振動子が支持され
ている方向が前記単結晶板のX軸方向にほぼ一致するこ
とを特徴とする請求項3記載の圧電振動子。
7. A substrate for supporting the piezoelectric vibrator, wherein an electrode for external connection is formed on the substrate, and the piezoelectric vibrator is supported by the external connection electrode with a conductive adhesive, and a driving electrode 4. The piezoelectric vibrator according to claim 3, wherein a pulling-out direction and a direction in which the piezoelectric vibrator is supported substantially coincide with the X-axis direction of the single crystal plate.
【請求項8】 前記2枚の圧電単結晶板は同じ厚みを有
し、偶数次高調波のうち厚み縦振動の2次高調波が主要
波として励起されることを特徴とする請求項3記載の圧
電振動子。
8. The two piezoelectric single crystal plates having the same thickness, and the second harmonic of thickness longitudinal vibration among the even harmonics is excited as a main wave. Piezoelectric vibrator.
【請求項9】 一体化された前記圧電性単結晶板が前記
駆動電極により厚みすべり振動の偶数次高調波が励振さ
れる形状を備えることを特徴とする請求項1記載の圧電
振動子。
9. The piezoelectric vibrator according to claim 1, wherein the integrated piezoelectric single crystal plate has a shape in which an even harmonic of thickness shear vibration is excited by the drive electrode.
【請求項10】 前記2枚の圧電単結晶板は、自発分極
の軸に直交する結晶軸の方位を、0°を除く±15°以
内の角度でずらして接合されていることを特徴とする請
求項9記載の圧電振動子。
10. The two piezoelectric single crystal plates are bonded by shifting the orientation of a crystal axis orthogonal to the axis of spontaneous polarization by an angle within ± 15 ° excluding 0 °. The piezoelectric vibrator according to claim 9.
【請求項11】 前記2枚の圧電単結晶板はタンタル酸
リチウムのX±10°回転板であり、前記圧電板に励振
される2種の厚みすべり振動モードのうち、電極機械結
合係数の値の大きな主要波を用い、他方の電気機械結合
係数の値の小さな不要波を抑制して用いる厚みすべり振
動子において、前記2枚の圧電単結晶板は、自発分極の
向きをほぼ逆方向になるように、かつ、それに直交する
互いの結晶方位は0°を除く±15°以内でずらされて
いることを特徴とする請求項9記載の圧電振動子。
11. The two piezoelectric single crystal plates are lithium tantalate X ± 10 ° rotating plates, and the value of the electrode mechanical coupling coefficient among the two types of thickness shear vibration modes excited by the piezoelectric plates. In the thickness-shear vibrator using the main wave having a large value and suppressing the unnecessary wave having the small value of the other electromechanical coupling coefficient, the two piezoelectric single crystal plates have the spontaneous polarization directions substantially opposite to each other. 10. The piezoelectric vibrator according to claim 9, wherein the crystal orientations orthogonal to each other are shifted within ± 15 ° excluding 0 °.
【請求項12】 前記2枚の圧電単結晶板は棒状のタン
タル酸リチウムのX±10°回転板であり、前記駆動電
極は、前記振動子のX±10°回転面に平行な2面にそ
れぞれ全幅にわたって形成され、圧電結晶板の厚みすべ
り振動を励振する長手方向を、Y'、Z'平面内でY'軸
から時計方向に38°乃至58°回転した方向にとり、
長手方向の端部を保持したことを特徴とする請求項9記
載の圧電振動子。
12. The two piezoelectric single crystal plates are rod-shaped lithium tantalate X ± 10 ° rotating plates, and the driving electrodes are formed on two surfaces parallel to the X ± 10 ° rotating surface of the vibrator. Each is formed over the entire width, and the longitudinal direction of exciting the thickness shear vibration of the piezoelectric crystal plate is taken in a direction rotated clockwise by 38 ° to 58 ° from the Y ′ axis in the Y ′, Z ′ plane,
The piezoelectric vibrator according to claim 9, wherein an end in a longitudinal direction is held.
【請求項13】 前記2枚の圧電単結晶板は同じ厚みを
有し、偶数次高調波のうち厚みすべり振動の2次高調波
が主要波として励起されることを特徴とする請求項9記
載の圧電振動子。
13. The method according to claim 9, wherein the two piezoelectric single crystal plates have the same thickness, and of the even harmonics, the second harmonic of the thickness shear vibration is excited as the main wave. Piezoelectric vibrator.
【請求項14】 自発分極を有する2枚の圧電性単結晶
板のそれぞれの接合面を鏡面研磨し、 圧電性単結晶板の接合面を清浄化、親水化し、前記圧電
性単結晶板の結晶方位を0度を含まないある角度をもっ
てずれるように重ね合わせて、自発分極の軸方向は反対
方向となるように前記接合面を密着し、 密着された前記2枚の圧電性単結晶板を加熱して前記2
枚の圧電性単結晶を一体化し、 一体化した前記2枚の圧電性単結晶板の2つの主面に互
いに対向する駆動電極を形成することを特徴とする圧電
振動子の製造方法。
14. A piezoelectric single crystal plate having two spontaneous polarizations, each of which has a mirror surface polished to a mirror surface, and the bonded surface of the piezoelectric single crystal plate is cleaned and hydrophilized to form a crystal of the piezoelectric single crystal plate. The azimuths are superposed so as to be shifted at a certain angle not including 0 degree, and the bonding surfaces are adhered so that the axial direction of the spontaneous polarization is in the opposite direction, and the two adhered piezoelectric single crystal plates are heated. And said 2
A method for manufacturing a piezoelectric vibrator, comprising: integrating two piezoelectric single crystals; and forming drive electrodes facing each other on two main surfaces of the two integrated piezoelectric single crystal plates.
【請求項15】 前記2枚の圧電性単結晶板を一体化し
た後、前記一体化圧電性単結晶板の片面を研磨して厚み
を揃え、その後に、2つの主面に互いに対向する前記駆
動電極を形成することを特徴とする請求項14記載の圧
電振動子の製造方法。
15. After the two piezoelectric single crystal plates are integrated, one surface of the integrated piezoelectric single crystal plate is polished to uniform thickness, and then the two main surfaces are opposed to each other. The method for manufacturing a piezoelectric vibrator according to claim 14, wherein a driving electrode is formed.
【請求項16】 前記2枚の圧電性単結晶板を一体化し
た後、前記一体化圧電性単結晶板の両面を研磨して厚み
を揃え、その後に、2つの主面に互いに対向する前記駆
動電極を形成することを特徴とする請求項14記載の圧
電振動子の製造方法。
16. After the two piezoelectric single crystal plates are integrated, both surfaces of the integrated piezoelectric single crystal plate are polished to make the thickness uniform, and then the two main surfaces are opposed to each other. The method for manufacturing a piezoelectric vibrator according to claim 14, wherein a driving electrode is formed.
【請求項17】 前記圧電性単結晶板がニオブ酸リチウ
ム、タンタル酸リチウムまたはほう酸リチウムからなる
ことを特徴とする請求項14乃至16記載の圧電振動子
の製造方法。
17. The method according to claim 14, wherein the piezoelectric single crystal plate is made of lithium niobate, lithium tantalate or lithium borate.
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