JPWO2016052260A1 - 共振装置 - Google Patents

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Abstract

共振装置において、薄型化を実現するとともに変形や破損を抑制する。共振装置は、下側基板と、下側基板との間に振動空間を形成する上側基板と、下側基板又は上側基板の内面に形成され、振動空間に突出する突起部と、振動空間内に配置された共振子と、を備える。共振子は、基部と、基部から並列に下側基板又は上側基板の内面に沿って延び、内面に向かって垂直方向に振動する複数の振動腕と、を有する。

Description

本発明は、複数の振動腕が面外の屈曲振動モードで振動する共振装置に関する。
従来、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術を用いた共振装置が例えばタイミングデバイスとして用いられている。この共振装置は、スマートフォンなどの電子機器内に組み込まれるプリント基板上に実装される。共振装置は、下側基板と、下側基板との間でキャビティを形成する上側基板と、下側基板及び上側基板の間でキャビティ内に配置された共振子と、を備えている。
共振子は、下側基板及び上側基板の間に形成されたキャビティ内に延びる基部と、基部の一端に接続される固定端から自由端に向かってキャビティ内で並列に延びる複数の振動腕と、を備えている。各振動腕は、印加される電界の向きに応じて、下側基板又は上側基板に向かって垂直方向に振動する。例えば3本の振動腕を備える共振子では、中央の1本の振動腕と、その両外側の2本の振動腕とに逆方向の電界が印加され、中央の振動腕と外側2本の振動腕とが互いに逆位相で振動する。
特開2003−204240号公報
近年の電子機器の小型化に伴って共振装置の小型化が要求されており、従って、例えば前述の垂直方向に規定される共振装置の厚みを低減して薄型化を実現することが求められる。そこで、振動腕の振動空間を十分に確保しつつ共振装置の厚みを低減するため、下側基板や上側基板の厚みを低減することが考えられる。しかしながら、基板の厚みの低減は基板の剛性の低下を招き、基板に反りなどの変形が生じたり、電子機器の落下時の衝撃によって基板が破損したりすることが想定される。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、共振装置において、薄型化を実現するとともに変形や破損を抑制することを目的とする。
本発明の一側面に係る共振装置は、下側基板と、下側基板との間に振動空間を形成する上側基板と、下側基板又は上側基板の内面に形成され、振動空間に突出する突起部と、振動空間内に配置された共振子であって、基部と、基部から並列に下側基板又は上側基板の内面に沿って延び、内面に向かって垂直方向に振動する複数の振動腕と、を有する共振子と、を備える。
本発明によれば、共振装置において、薄型化を実現するとともに変形や破損を抑制することができる。
本発明の第1実施形態に係る共振装置の外観を概略的に示す斜視図である。 本発明の第1実施形態に係る共振装置の構造を概略的に示す分解斜視図である。 上側基板を取り外した本発明の第1実施形態に係る共振装置の平面図である。 図3の4−4線に沿った断面図である。 本発明の第1実施形態に係る共振装置の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の第1実施形態に係る共振装置の製造方法を説明するための断面図である。 外側の振動腕及び内側の振動腕の間の間隔に対する内側の振動腕同士の間の間隔の比率とk2Qとの関係を示すグラフである。 本発明の第2実施形態に係る共振装置の構造を概略的に示す平面図である。 本発明の第3実施形態に係る共振装置の構造を概略的に示す断面図である。 本発明の第4実施形態に係る共振装置の構造を概略的に示す断面図である。 本発明の第5実施形態に係る共振装置の構造を概略的に示す断面図である。 本発明の第6実施形態に係る共振装置の構造を概略的に示す断面図である。 本発明の第7実施形態に係る共振装置の構造を概略的に示す断面図である。
以下、添付の図面を参照して本発明の第1実施形態について説明する。図1は、本発明の第1実施形態に係る共振装置10の外観を概略的に示す斜視図である。この共振装置10は、下側基板11と、下側基板11との間に振動空間を形成する上側基板12と、下側基板11及び上側基板12の間に挟み込まれて保持される共振子13と、を備えている。共振子13は、MEMS技術を用いて製造されるMEMS振動子である。
図2は、本発明の第1実施形態に係る共振装置10の構造を概略的に示す分解斜視図である。図2に示すように、共振子13は、図2の直交座標系におけるXY平面に沿って矩形の枠状に広がる支持枠14と、支持枠14の一端から支持枠14内にXY平面に沿って平板状に広がる基部15と、基部15の一端に接続された固定端から自由端に向かってXY平面に沿って延びる複数の振動腕16a〜16dと、を備えている。本実施形態では、Y軸に平行に4本の振動腕16a〜16dが延びている。なお、振動腕の数は、4本に限定されず、例えば4本以上の任意の数に設定される。
図3は、上側基板12を取り外した共振装置10の平面図である。図2及び図3を併せて参照すると、各振動腕16a〜16dは、角柱形状に形成され、それぞれ同一のサイズを有している。図3から明らかなように、X軸方向に外側2本の振動腕16a、16dの間に配置された内側2本の振動腕16b、16cの間でX軸方向に規定される間隔W1は、外側の振動腕16a(16d)とその外側の振動腕16a(16d)に隣接する内側の振動腕16b(16c)との間でX軸方向に規定される間隔W2よりも大きく設定される。
下側基板11は、XY平面に沿って広がる平板状の底板17と、底板17の周縁部からZ軸方向に立ち上がる側壁18と、を備えている。下側基板11の内面すなわち底板17の表面と側壁18の内面とによって凹部19が形成される。凹部19は振動腕16a〜16dの振動空間の一部を形成する。凹部19内で底板17の表面には振動空間内に突出する突起部20が形成される。図3から明らかなように、突起部20は、内側の振動腕16b、16cの間の間隙に向き合う位置で底板17に形成される。本実施形態では、突起部20は各振動腕16a〜16dに平行に延びる角柱形状に形成されている。
図4は、図3の4−4線に沿った断面図である。図4を併せて参照すると、本実施形態に係る共振装置10では、下側基板11の側壁18上に共振子13の支持枠14が受け止められ、共振子13上に上側基板12が覆い被さる。こうして下側基板11と上側基板12との間に共振子13が保持され、下側基板11と上側基板12と共振子13の支持枠14とによって振動腕16a〜16dの振動空間が形成される。この振動空間は気密に保持され、真空状態が維持されている。上側基板12は例えば平板状に形成されている。
下側基板11の底板17、側壁18及び突起部20はSi(シリコン)から一体的に形成されている。側壁18の上面及び突起部20の上面には酸化ケイ素(例えばSiO2(二酸化ケイ素))膜21が形成されており、この酸化ケイ素膜21は、下側基板11と共振子13の支持枠14との間の接合のために用いられる。Z軸方向に規定される下側基板11の厚みは例えば150μm、凹部19の深さは例えば50μmに設定される。また、突起部20について、Y軸方向に規定される長さは例えば400μm程度、X軸方向に規定される幅は例えば20μm程度、Z軸方向に規定される高さは例えば50μm程度に設定される。
共振子13では、支持枠14や基部15、振動腕16a〜16dは、Si(シリコン)層22と、Si層22上に積層されたAlN(窒化アルミニウム)層23とから形成されている。Si層22は、縮退半導体であるn型Si半導体から形成されており、n型ドーパントとしてP(リン)やAs(ヒ素)、Sb(アンチモン)などを含むことができる。振動腕16a〜16dについて、Y軸方向に規定される長さは例えば500μm程度、X軸方向に規定される幅例えば50μm程度、Z軸方向に規定される厚みは例えば6μm程度に設定される。内側の振動腕16b、16cの間隔W1は例えば30μm程度に設定される。
各振動腕16a〜16dは、前述のAlN層23の上面及び下面にAlN層23を挟み込むように形成された第1及び第2Mo(モリブデン)層24、25を備えている。第1及び第2Mo層24、25は第1及び第2電極を形成する。第1及び第2Mo層24、25は、例えば共振子13の外部に設けられた交流電源(図示せず)に接続されている。接続にあたって、例えば上側基板12の外面に形成された電極(図示せず)や上側基板12内に形成されたスルーシリコンビア(TSV)(図示せず)が用いられる。
AlN層23は、印加される電圧を振動に変換する圧電膜である。AlN層23に代えて、例えばAlの一部がScで置換されたAlN層である窒化スカンジウムアルミニウム層が用いられてもよい。AlN層23は、第1及び第2Mo層24、25によってAlN層23に印加される電界に応じて、XY平面の面内方向すなわちY軸方向に伸縮する。このAlN層23の伸縮によって、振動腕16a〜16dは、XY平面に対して垂直方向(Z軸方向)に屈曲変位する。すなわち、振動腕16a〜16dは、下側基板11及び上側基板12の内面に向かってその自由端を変位させ、面外の屈曲振動モードで振動する。
本実施形態では、図4から明らかなように、外側の振動腕16a、16dに印加される電界の位相と、内側の振動腕16b、16cに印加される電界の位相とが互いに逆位相になるように設定されることによって、外側の振動腕16a、16dと内側の振動腕16b、16cとが互いに逆方向に変位する。例えば外側の振動腕16a、16dが上側基板12の内面に向かって自由端を変位させると、内側の振動腕16b、16cは下側基板11の内面に向かって自由端を変位させる。
上側基板12は、XY平面に沿って広がる所定の厚みの平板状のSi(シリコン)から形成されている。図4から明らかなように、上側基板12はその周縁部で共振子13の支持枠14上に受け止められている。このようにして上側基板12は下側基板11との間に共振子13の支持枠14を挟み込んで共振子13を支持している。上側基板12の周縁部と支持枠14との間には、上側基板12と支持枠14との接合のためのAu(金)膜26及びSn(錫)膜27とが挟み込まれている。
以上のような共振装置10によれば、下側基板11の内面に振動空間に突出する突起部20が形成されている。この突起部20によって下側基板11の剛性を高めることができるので、共振装置10の薄型化の実現にあたって下側基板11の厚みを低減したとしても、下側基板11の剛性をこれまでと同様に又はこれまで以上に確保することができる。従って、下側基板11の反りの発生を抑制するとともに、共振装置10が組み込まれる電子機器の落下による下側基板11の破損を防止することができる。
しかも、突起部20は、内側の振動腕16b、16cの間の間隙に対向する下側基板11の内面に形成されるので、振動腕16a〜16dの振動を妨げることはない。その結果、振動腕16a〜16bの振動の振幅をこれまで通りに確保することができる。また、下側基板11に凹部19を形成することによって振動腕16a〜16dの振動空間が垂直方向に増大するので、振動腕16a〜16dの振動の振幅を増大させても振動腕16a〜16dと下側基板11及び上側基板12との間の接触を防止することができる。従って、振動腕16a〜16dの安定的な振動を実現することができる。
次に、共振装置10の製造方法について以下に説明する。図5は、本発明の第1実施形態に係る共振装置10の製造方法を説明するための断面図である。図5(a)に示すように、まず、平板状のSi基板31を用意する。次に、図5(b)に示すように、Si基板31の平坦な上面に例えばエッチングによって所定の深さの凹部19を形成する。凹部19の形成と同時に突起部20が形成され、下側基板11が形成される。底板17の上面からの突起部20の高さは底板17の上面からの側壁18の高さに一致する。
その後、図5(c)に示すように、側壁18の上面及び突起部20の上面に接合用の酸化ケイ素膜21をパターニングする。次に、図5(d)に示すように、酸化ケイ素膜21上に平板状の縮退Si基板32を例えば共晶によって接合する。続いて、図5(e)に示すように、縮退Si基板32上に例えばスパッタリングによって第1Mo膜33、AlN膜34及び第2Mo膜35が順次成膜される。このとき、第1Mo膜33及び第2Mo膜35は、縮退Si基板32の上面の全体に形成される必要はなく、例えば第1及び第2電極の形成位置を含む領域のみに形成される。
その後、図6(a)に示すように、縮退Si基板32、第1Mo膜33、AlN膜34及び第2Mo膜35を例えばドライエッチング又はウェットエッチングすることによって、前述の支持枠14、基部15及び振動腕16a〜16dの形状が形成される。このようにして、下側基板11の側壁18上に支持枠14によって支持された共振子13が形成される。その後、図6(b)に示すように、上側基板12との接合箇所である支持枠14の上面に接合用のAu膜26が成膜される。
その一方で、上側基板12が用意される。図6(c)に示すように、上側基板12の支持枠14との接合箇所に例えばスパッタリングによってSn膜27が予め成膜されている。このSn膜27を支持枠14上のAu膜26に接合することによって、上側基板12が支持枠14に接合される。こうして下側基板11、共振子13及び上側基板12によって振動腕16a〜16dの振動空間が形成される。このとき、振動空間は真空状態で気密に保持される。こうして共振装置10が製造される。
本発明者らは、互いに隣接する振動腕16a〜16dの間隔W1、W2と振動の性能を表すk2Qとの関係を検証した。振動腕16a〜16dにおいて、Si層22の厚みを10μm、第1及び第2Mo層24、25の厚みを0.1μm、AlN層23の厚みを0.8μmに設定した。なお、Si層22上に1.5μmの厚みを有する酸化ケイ素層を形成した。図3における直交座標軸において、Y軸方向に規定される振動腕16a〜16dの長さは650μm、X軸方向に規定される各振動腕16a〜16dの幅Wは30μmに設定した。
上記条件のもと、幅wに対する間隔W1の比率(W1/W)を変動させたときの、間隔W2に対する間隔W1の比率(W1/W2)と、k2Qと、の関係を計測した。その結果、図7に示すように、W1/Wの値に関わらず、W1/W2の値が0.5以上に設定されると、k2Qが比較的高められることが確認された。特に、W1/W2の値が1.0以上に設定されると、k2Qが安定的に高まることが確認された。すなわち、間隔W2が間隔W1以上の大きさに設定されると、振動の性能が一層高まることが確認された。
この検証結果によれば、上述した第1実施形態に係る共振装置10では、間隔W1を間隔W2よりも大きく設定しているので、振動の性能は相対的に高められる。この場合、間隔W2をこれまでよりも大きく設定することによって、X軸方向に規定される共振装置10の幅が増大する。この場合、下側基板11や上側基板12の幅が増大して、下側基板11や上側基板12の剛性の低下を招くことが想定される。本発明は、こうした下側基板11や上側基板12の剛性の低下によって生じる課題を解決することに特に有用である。
図8は、本発明の第2実施形態に係る共振装置10の構造を概略的に示す平面図である。なお、第2の実施形態以降では第1の実施形態と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については実施形態毎には逐次言及しない。図8に示すように、突起部20が、内側の振動腕16b、16cの間の空隙に対向する下側基板11の内面でY軸方向に延びて形成されている点は第1実施形態と同様である。この第2実施形態では、突起部20の一端が下側基板11の一端の側壁18に接続されている。こうした構成によれば、突起部20と側壁18との接続によって、下側基板11の剛性をより一層高めることができる。
図9は、本発明の第3実施形態に係る共振装置10の構造を概略的に示す断面図である。図9に示すように、下側基板11の突起部20に加えて、上側基板12の内面に突起部40がさらに形成されてもよい。突起部40は、突起部20と同様に、Y軸方向に延びる角柱形状に形成される。本実施形態では、突起部40は、突起部20に対向する位置で上側基板12に形成され、突起部40は突起部20に接続される。従って、突起部40は内側の振動腕16b、16cの間の間隙内に進入する。
図9から明らかなように、突起部20と突起部40とは、接合用のAu膜26及びSn膜27によって接合されることが望ましい。この第2実施形態の構造によれば、下側基板11及び上側基板12の両方に突起部が形成されているので、基板の剛性をより一層増大させることができる。なお、突起部20と突起部40とは、Z軸方向において互いに完全に対向する位置に形成される必要はなく、ずれた位置で互いに対向してその一部同士が接合されていてもよい。また、突起部20と突起部40とは、必ずしも対向する位置に形成されなくてもよい。
図9に示す第3実施形態では、上側基板12の突起部40は平板上のSiに一体的に形成される。この構造に代えて、図10に示す第4実施形態では、突起部40は、上側基板12の内面に例えば酸化ケイ素によって形成されてもよい。言い替えれば、突起部40は、上側基板12の材料と同一の材料から形成されてもよく、又は、異なる材料から形成されてもよい。また、本発明の共振装置10において、下側基板11の突起部20の形成を省略して、上側基板12のみに突起部40を形成するようにしてもよい。このとき、突起部40は例えば下側基板11の内面に接合されてもよい。
図11は、本発明の第5実施形態に係る共振装置10の構造を概略的に示す断面図である。この共振装置10では、第3実施形態と同様に突起部20及び突起部40が形成されていることに加えて、上側基板12の内面に凹部41が形成されている点で第3実施形態の構造とは異なる。具体的には、上側基板12は、XY平面に沿って広がる平板状の底板42と、底板42の周縁部から立ち上がる側壁43と、を備えている。底板42の表面が上側基板12の内面に対応する。
こうした共振装置10では、例えば下側基板11に凹部20を形成することに加えて上側基板12にも凹部41を形成することによって、振動腕16a〜16dの振動空間を垂直方向にさらに増大することができる。その結果、振動腕16a〜16dの振動の振幅を増大させても振動腕16a〜16dと下側基板11及び上側基板12との間の接触を防止することができる。従って、振動腕16a〜16dの安定的な振動を実現することができる。
図12は、本発明の第6実施形態に係る共振装置10の構造を概略的に示す断面図である。この共振装置10では、突起部20が上側基板12の内面に接続される。この突起部20は、下側基板11の突起部20の形成位置上に縮退Si基板32、第1Mo膜33、AlN膜34及び第2Mo膜35をエッチングによって残すことによって形成される。突起部20は、Au膜26及びSn膜27によって上側基板12に接続される。こうした構成によれば、下側基板11及び上側基板12が突起部20によって接続されるので、基板の剛性をより一層増大させることができる。
図13は、本発明の第7実施形態に係る共振装置10の構造を概略的に示す断面図である。この共振装置10では、振動腕16a〜16dの各間隔はすべて等しく(例えば30μm程度)形成され、第6実施形態の突起部20と同様の突起部20A〜20Cが、振動腕16a〜16dの各間隔に形成される。突起部20Aは、底板17における、外側の振動腕16aと内側の振動腕16bとの間の間隔に向き合う位置上に形成され、上側基板12の内面に接続される。突起部20Bは、底板17における、内側の振動腕16b、16cとの間の間隔に向き合う位置上に形成され、上側基板12の内面に接続される。また、突起部20Cは、底板17における、外側の振動腕16dと内側の振動腕16cとの間の間隔に向き合う位置上に形成され、上側基板12の内面に接続される。こうした構成によれば、下側基板11及び上側基板12が突起部20A〜20Cによって接続されるので、基板の剛性をより一層増大させることができる。
なお、以上説明した各実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更/改良され得るととともに、本発明にはその等価物も含まれる。即ち、各実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、各実施形態が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、各実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
10 共振装置
11 下側基板
12 上側基板
13 共振子
15 基部
16a〜16d 振動腕
19 凹部
20 突起部(下側突起部)
40 突起部(上側突起部)
41 凹部
42 底板
43 側壁

Claims (9)

  1. 下側基板と、
    前記下側基板との間に振動空間を形成する上側基板と、
    前記下側基板又は前記上側基板の内面に形成され、前記振動空間に突出する突起部と、
    前記振動空間内に配置された共振子であって、基部と、前記基部から並列に前記下側基板又は前記上側基板の内面に沿って延び、前記内面に向かって垂直方向に振動する複数の振動腕と、を有する共振子と、を備える共振装置。
  2. 前記突起部は、前記複数の振動腕のうちの隣接する2本の前記振動腕同士の間の間隙に対向する、請求項1に記載の共振装置。
  3. 4本の前記振動腕を備え、前記突起部は、外側2本の前記振動腕同士の間に配置された内側2本の前記振動腕同士の間の間隙に対向する、請求項1又は2に記載の共振装置。
  4. 内側2本の前記振動腕同士の間の第1間隔は、前記外側の前記振動腕と当該外側の前記振動腕に隣接する内側の前記振動腕との間の第2間隔と同じか、当該第2間隔よりも大きい、請求項3に記載の共振装置。
  5. 前記下側基板又は前記上側基板は、前記内面を規定する底板と、前記底板から前記垂直方向に立ち上がって前記底板とともに凹部を形成する側壁と、を備える、請求項1〜4のいずれか1項に記載の共振装置。
  6. 前記突起部は少なくとも一端で前記側壁に接続される、請求項5に記載の共振装置。
  7. 前記突起部は、前記下側基板の内面に形成された下側突起部と、前記上側基板の内面に形成された上側突起部と、を備え、前記下側突起部は前記上側突起部に接続される、請求項1〜6のいずれか1項に記載の共振装置。
  8. 前記下側基板の内面に形成された突起部は、少なくとも一端で前記上側基板の内面に接続される、請求項1〜6のいずれか1項に記載の共振装置。
  9. 前記上側基板の内面に形成された突起部は、少なくとも一端で前記下側基板の内面に接続される、請求項1〜6のいずれか1項に記載の共振装置。
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