JPWO2016063863A1 - 共振子及び共振装置 - Google Patents

Abstract

振動部の不要振動による保持体の振動を抑制するとともに、小型化を可能にした共振子及び共振装置を提供する。半導体層と、半導体層上に形成された第１の圧電膜と、第１の圧電膜の上部に形成された第１の上部電極と、を有する振動部と、振動部を振動可能に保持する保持体と、振動部と保持体とを連結する連結部と、保持体上に形成された第２の圧電膜と、第２の圧電膜の上部に形成された第２の上部電極とを有する振動抑制部と、を備える。

Description

本発明は、共振子及び共振装置に関する。

電子機器において計時機能を実現するためのデバイスとして、共振子が用いられている。電子機器の小型化に伴い、共振子も小型化が要求されており、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術を用いて製造される共振子（以下、「ＭＥＭＳ振動子」という。）が注目されている。

このような共振子では、振動部を、連結部を介して保持体に振動可能に保持させて構成されている。従来、このような共振子では、振動部の振動が保持体に対して漏れ振動として伝わらないようにするため、様々な工夫が施されてきた。

例えば、特許文献１では、幅広がり振動を用いた共振子について、ノードに接続された保持腕に動吸振構造を形成し、保持体への振動の漏れを抑制している。また、特許文献２では、輪郭振動子と保持体との間に、補助アームと連結部を付加することで振動の漏れを防いでいる。

特開平７−７３６１号公報 特開２００８−１６６９０３号公報

しかしながら、特許文献１及び２では、いずれも振動部からの不要振動を連結部で抑制する構成であり、連結部に振動吸収させる補助部を設けることにより、振動部から保持体への振動漏れを防止している。そのため、連結部の形状が複雑で寸法が大きくなり、共振子全体の小型化が困難であった。また、連結部の強度が低下するという課題もあった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、振動部の不要振動による保持体の振動を抑制するとともに、振動部の小型化を可能にした共振子及び共振装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る共振子は、半導体層と、半導体層上に形成された第１の圧電膜と、第１の圧電膜の上部に形成された第１の上部電極と、を有する振動部と、振動部を振動可能に保持する保持体と、振動部と保持体とを連結する連結部と、保持体上に形成され、第２の圧電膜と第２の圧電膜の上部に形成された第２の上部電極とを有する振動抑制部と、を備える。

本発明によれば、振動部の不要振動による保持体の振動を抑制するとともに、小型化を可能にした共振子及び共振装置を提供することが可能となる。

第１実施形態の圧電共振子の全体構成を示す斜視図である。 第１実施形態の圧電共振子の他の態様を示すＡ−Ａ断面図である。 図１の圧電共振子の保持体と振動抑制部の部分断面図である。 第１実施形態の圧電共振子の効果を説明するための比較例を示す図である。 第１実施形態の圧電共振子の効果を示す図である。 第２実施形態の圧電共振子の保持体と振動抑制部の部分断面図である。 第３実施形態の圧電共振装置の全体構成を示す斜視分解図である。 他の実施形態の圧電共振子の構成を示す平面模式図である。 他の実施形態の圧電共振子の構成を示す平面模式図である。 他の実施形態の圧電共振子の構成を示す斜視図である。 図１０のＢ−Ｂ断面図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。
［第１実施形態］
（構成）
図１は、第１実施形態の圧電共振子１００（共振子の一例である。）の全体構成を示す斜視図である。また、図２は、図１におけるＡ−Ａ断面図であり、圧電共振子１００を構成する振動部１１０の他の態様を表している。また、図３は、圧電共振子１００を構成する保持体１２０の一部と振動抑制部１４０の積層構造を示す側面断面図である。

図１に示すとおり、圧電共振子１００は、振動部１１０と、保持体１２０と、振動部１１０と保持体１２０とを接続する２つの連結部１３０と、保持体１２０上に設けられた振動抑制部１４０と、を備える。

振動部１１０は、平面視で矩形形状を有する幅広がり振動共振子である。振動部１１０は、半導体層１１１上に、下層から下部電極１１２（第１の下部電極の一例である。）と、圧電膜１１３（第１の圧電膜の一例である。）と、上部電極１１４（第１の圧電膜の一例である。）が積層されて形成される。本実施形態では、半導体層１１１は、シリコンにより形成された縮退半導体である。半導体層１１１は、例えば、厚さ１０μｍ、短尺方向の幅１４０μｍ、長尺方向の長さ２００μｍで形成される。下部電極１１２は、例えば、モリブデン（Ｍｏ）やアルミニウム（Ａｌ）等の金属を用いて形成され、厚さ０．１μｍである。また、圧電膜１１３は、印加される電圧を振動に変換する圧電体の薄膜であり、例えば、厚さ０．８μｍである。圧電膜１１３は、例えば、窒化アルミニウム等の窒化物や酸化物を主成分とすることができる。具体的には、圧電膜１１３は、窒化スカンジウムアルミニウム（ＳｃＡｌＮ）により形成することができる。ＳｃＡｌＮは、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）におけるアルミニウム（Ａｌ）の一部をスカンジウム（Ｓｃ）に置換したものである。また、上部電極１１４は、下部電極１１２と同様、例えば、モリブデン（Ｍｏ）やアルミニウム（Ａｌ）等の金属を用いて形成され、厚さ０．１μｍである。振動部１１０は、振動部１１０における、幅拡がり振動共振子の振動方向の中心線の端部（ノード点）において、連結部１３０を介して保持体１２０に連結され、保持体１２０により保持されている。振動部１１０は、長尺方向の長さと短尺方向の幅の比率を制御することで、不要振動の小さい、幅拡がり振動の基本波共振子を実現できる。

なお、振動部１１０は、図２のＡ−Ａ断面図に示すとおり、周波数調整用の膜を形成して構成することも可能である。すなわち、上部電極１１４の上層に、周波数調整膜１１５を形成して構成する。これにより、効率的な周波数調整が可能になる。また、同図に示すとおり、シリコンにより形成される半導体層１１１の下層であって、圧電膜１１３とは反対の面に、酸化ケイ素（例えばＳｉＯ₂）の温度特性補正膜１１７が形成されていてもよい。これにより、良好な温度特性が実現できる。

保持体１２０は、平面視矩形の枠状に形成される。保持体１２０は、半導体層１１１と同様に、シリコンにより形成された縮退半導体により形成することができる。

連結部１３０は、振動部１１０の半導体層１１１及び保持体１２０と同時に形成される。連結部１３０は、上述のように、幅拡がり振動共振子の振動方向のノード点において振動部１１０と保持体１２０とを連結するものである。連結部１３０は、半導体層１１１及び保持体１２０と同様に、シリコンにより形成された縮退半導体により形成することができる。

振動抑制部１４０は、図１に示すとおり、保持体１２０上の一部に形成される。振動抑制部１４０は、保持体１２０の表面上であればいずれの個所に設けても良いが、好ましくは、連結部１３０の近傍に設けるのが良い。

振動抑制部１４０は、図１及び図３の断面図に示すとおり、下部電極１４１（第２の下部電極の一例である。）と、圧電膜１４２（第２の圧電膜の一例である。）と、上部電極１４３（第２の上部電極の一例である。）とを積層して構成される。下部電極１４１、圧電膜１４２及び上部電極１４３は、下部電極１１２、圧電膜１１３及び上部電極１１４と同一の構成からなる。すなわち、下部電極１４１は、例えば、モリブデン（Ｍｏ）やアルミニウム（Ａｌ）を用いて形成され、厚さ０．１μｍである。また、下部電極１４１は、下部電極１１２と同一の層として形成されてもよい。また、圧電膜１４２は、印加される電圧を振動に変換する圧電体の薄膜であり、厚さ０．８μｍである。圧電膜１４２は、例えば、窒化アルミニウムを主成分とすることができる。具体的には、圧電膜１４２は、窒化スカンジウムアルミニウム（ＳｃＡｌＮ）により形成することができる。また、上部電極１４３は、下部電極１４１と同様、例えば、モリブデン（Ｍｏ）やアルミニウム（Ａｌ）を用いて形成され、厚さ０．１μｍである。また、上部電極１４３は、上部電極１１４と同一の層として形成されてもよい。

ここで、既に述べたように、振動部１１０の半導体層１１１、保持体１２０及び連結部１３０は、いずれもシリコンにより形成された縮退半導体である。より具体的には、半導体層１１１、保持体１２０及び連結部１３０は、ハイドープ縮退シリコン基板をフォトリソ及びエッチング等のプロセスで加工して一体で形成される。また、ハイドープ縮退シリコン基板として、例えば、Ｐ（リン）をドープしたｎ型縮退シリコン基板を用いることで、周波数の温度特性が良好になる。

また、振動部１１０における下部電極１１２、圧電膜１１３及び上部電極１１４と、振動抑制部１４０における下部電極１４１、圧電膜１４２及び上部電極１４３は、いずれもスパッタなどの成膜方法により形成された膜を、フォトリソやエッチングなどによりパターニングして形成される。一般的に、振動部の上下部電極や圧電膜は、発振の安定性から全面電極が望ましいが、電極端部での絶縁性低下による信頼性劣化を考慮すると、電極を部分的に形成してもよい。

また、振動部１１０の下部電極１１２、圧電膜１１３及び上部電極１１４と、振動抑制部１４０の下部電極１４１、圧電膜１４２及び上部電極１４３とは、同時に形成してもよい。これらの圧電膜及び上下部電極を同時に形成することにより、圧電共振子１００の製造工程を簡略化できる。また、振動部１１０及び振動抑制部１４０において、上下部電極及び圧電膜が同一高さとなるため、後に図７を参照して説明するように、圧電共振子１００の上下に蓋体を接合させ、封止する際に高さの管理が容易になる。

（作用効果）
以上の構成の圧電共振子１００によれば、保持体１２０上に振動抑制部１４０を形成することにより、振動部１１０において生じた振動が、連結部１３０を介して不要振動として保持体１２０に伝わった場合でも、振動を抑制することが可能になる。

すなわち、振動抑制部１４０の圧電膜１４２が、振動部１１０からの振動により屈曲振動すると、圧電膜１４２には振動歪に応じた電荷が発生する。この振動は、振動部１１０の矩形板の幅拡がり振動に基づく屈曲振動であるため、屈曲振動の高調波が励振され易く、振動抑制部１４０の圧電膜１４２には交互に＋電荷と−電荷が発生する。このため、圧電膜１４２の上下に形成した下部電極１４１と上部電極１４３により、電荷を打ち消し合うことで、不要振動のエネルギーを消費させ、振動を抑制することが可能になる。

図４及び図５に、ＦＥＭシミュレーション（Finite Element Method、有限要素法）に基づく、幅拡がり振動共振子の３次高調波について、振動抑制部１４０による電荷相殺による振動抑制の効果を示す。

図４は、振動抑制部１４０を設けない実施例であり、図５は、振動抑制部１４０を、保持体１２０の長尺方向における、連結部１３０との接続部の一方の近傍に形成した実施例である。

図４及び図５では、厚み方向の振動変位について、色調をグレースケールに置き換えて表現したものである。具体的には、振幅Ｇ１として青色の−方向の最大変位（振幅−１．０ｎｍ〜−０．５ｎｍ）を示し、振幅Ｇ２として赤色で＋方向の最大変位（振幅０．５ｎｍ〜１．０ｎｍ）を示し、振幅Ｇ０として緑色で中間変位（振幅−０．５ｎｍ〜０．５ｎｍ、以下、振幅Ｇ０という。）を示した。図４に示すように、幅拡がり振動の３次高調波に於いては、振動部中央に於いて厚み方向の屈曲変位が大きく、この振動変位が連結部を通り、保持体も厚み方向に屈曲振動している。

図４及び図５を比較すれば明らかなとおり、振動抑制部１４０を設けた図５においては振動抑制部１４０を設けない図４に比べて、保持体１２０における振幅Ｇ１と振幅Ｇ２の表れる範囲が減少し、振動部１１０からの振動が抑制されていることがわかる。

本実施形態の圧電共振子１００によれば、連結部の形状や構造を変更することなく、振動部の不要振動により保持体が振動することを抑制しつつ、小型化を可能にした圧電共振子及び圧電共振装置を提供することができる。

［第２実施形態］
第２実施形態の圧電共振子について、図６を参照して説明する。図６は、図３と同様、圧電共振子を構成する保持体の一部と振動抑制部の積層構造を示す側断面図である。なお、第１実施形態と同様の構成については、同様の符号を付し、説明は省略する。

図６に示すとおり、圧電共振子２００では、保持体１２０の上層に、振動抑制部２４０が形成される。振動抑制部２４０は、圧電膜２４１と、上部電極２４２とにより形成される。振動抑制部２４０は、また、上部電極２４２にはアース線２４３が接続され、このアース線２４３により接地される。

また、第１実施形態同様、振動部１１０の半導体層１１１（図６において不図示。図１参照。）、保持体１２０及び連結部１３０（図６において不図示。図１参照。）は、シリコンにより形成された縮退半導体により、一体に形成することができる。

本実施形態の圧電共振子２００では、振動部１１０の半導体層１１１、保持体１２０及び連結部１３０を、シリコンにより形成するとともに、縮退半導体により形成することで、周波数温度特性を改善でき、下部電極を形成することが不要になる。したがって、圧電共振子２００の製造工程を簡略化できる。また、振動抑制部２４０において下部電極をなくすことができるので、圧電共振子２００を薄層化できる。

さらに振動抑制部２４０の上部電極２４２からアース線２４３に接続することにより、より効率的に電荷を相殺することができ、不要振動抑制効果を向上させることができる。

なお、本実施形態の圧電共振子２００では、保持体１２０上に形成した圧電膜２４１上の上部電極２４２と、振動部１１０の上部電極１１４（図６において不図示。図１参照。）とは容量結合しないことが望ましい。両導体間の容量結合により、特性（ｋ）が低下するからである。そこで、保持体１２０上の圧電膜２４１上の上部電極２４２は、効果を喪失しない範囲で、保持体１２０上における配置面積を小さく構成し、効果的に電荷を相殺することが望ましい。

［第３実施形態］
第３実施形態は、第１及び第２実施形態の圧電共振子を用いて形成した圧電共振装置に関するものであり、図７を参照して説明する。図７は、圧電共振装置３００（共振装置の一例である。）の全体構成を示す分解斜視図である。なお、第１及び第２実施形態と同様の構成については、同様の符号を付し、説明は省略する。

圧電共振装置３００は、圧電共振子１００と、圧電共振子１００に対して上下から覆って圧電共振子１００を封止する上蓋体３１０と下蓋体３２０とを備える。上蓋体３１０と下蓋体３２０とは、いずれもシリコンからなる基板である。

上蓋体３１０は、平面視矩形状で、中央にキャビティ３１０Ｃを備える。上蓋体３１０は、長尺側の中央端部であって、圧電共振子１００の連結部１３０に上下位置で対応する位置に一対の入出力端子３１１を備える。また、圧電共振子１００の振動抑制部１４０が形成された位置に対応する位置に、振動抑制部１４０の上部電極１４３（図７に不図示。図１，３参照。）をアース線に接続して設置させるための端子３１２を備える。一方、下蓋体３２０は、中央にキャビティ３２０Ｃを備える。

圧電共振子１００は、上蓋体３１０及び下蓋体３２０により封止された状態において、キャビティ３１０Ｃ及び３２０Ｃに格納される。圧電共振子１００の連結部１３０上には、振動部１１０の上部電極１１４もしくは下部電極１１２から電気的に引き出された引出し部１２１が形成され、この引出し部１２１が上蓋体３１０の入出力端子３１１と電気的に接続される。

なお、上蓋体３１０の入出力端子３１１への圧電共振子１００からの引き出しは、上蓋体３１０にスルーホールを形成することにより行っても良い。

以上の圧電共振装置３００によれば、保持体１２０上に形成した電極の一端１４４が、保持体１２０を保持する上蓋体３１０に形成されたスルーホールなどにより、上蓋体３１０の外面に形成された端子３１２に引き出すことが可能になる。従って、振動抑制部２４０の上部電極２４２からアース線への接続が容易になり、より効率的に電荷を相殺することができ、不要振動抑制効果を向上させることができる。

［他の実施形態］
本発明は、上記の各実施形態として示した態様に限られず、例えば、次のような態様も包含する。第２実施形態において示した圧電共振子２００において、保持体１２０上に形成した圧電膜２４１上の上部電極２４２と、振動部１１０の上部電極１１４とが容量結合することにより、特性（ｋ）が低下することから、保持体１２０上の圧電膜２４１上の上部電極２４２は、効果を喪失しない範囲で、保持体１２０上における配置面積を小さく構成することが望ましいことを示した。反面、圧電共振子において、電荷分布は不要振動のモード毎に変化するため、なるべく多様な電荷分布を相殺できる様に電極を配置することが望ましい。

例えば、図８に、保持体１２０の一部と振動抑制部１４０Ａとして示すとおり、圧電膜１４２Ａ上に、上部電極１４３Ａを、長尺方向中心に帯状電極１４３Ａａを配し、帯状電極１４３Ａａに直行する短尺方向に複数の棒状電極１４３Ａｂを配することも可能である。このように、圧電膜１４２Ａ上の上部電極１４３Ａを、連続かつ長く構成することにより、不要振動のモードの変化に対応して多様な電荷分布を相殺することができるようになる。

また、例えば、図９に、保持体１２０の一部と振動抑制部１４０Ｂとして示すとおり、圧電膜１４２Ｂ上に、上部電極１４３Ｂを、一本の帯状体を折り返しながら配置することも可能である。この場合も、圧電膜１４２Ｂ上の上部電極１４３Ｂを、連続かつ長く構成することができるので、複数の不要振動のモードに対応して多様な電荷分布を相殺することが可能になる。なお、このような態様では、圧電膜１４２Ｂ上の上部電極１４３Ｂの両端から、図７において示した上蓋体３１０に形成した外部端子へ引き出すことで、これらの温度センサとして使用することも可能である。

また、上記各実施形態において、保持体１２０上の圧電膜１４２の結晶性を低下させても良い。例えば、下部電極１４１を形成した後、下部電極１４１をエッチングすることで、表面を荒らし、その上に圧電膜１４２を形成することで変質した圧電膜１４２を構成することができる。この場合、ロッキングカーブでの半値幅を広げることができる。このように、保持体１２０上の圧電膜１４２の結晶性が低下すると、Ｑ値が低下する。保持体１２０に漏れる振動は、各種ベンディングの高調波が含まれるが、Ｑ値が低下することで、より広い周波数帯域に対する振動抑制が可能になる。

上記各実施形態では、矩形形状の振動部１１０の両端を一対の連結部１３０により保持した拡がり振動モードを採用した例を示したが、本発明はこのような態様に限られない。例えば、図１０に斜視図を、図１１に図１０のＢ−Ｂ断面図を示すとおり、保持体１２０Ｃとの連結部１３０Ｃから延出する屈曲振動子により形成し、振動部１１０Ｃを屈曲振動モードにより構成するなど、他の振動モードによっても構成可能である。

具体的には、図１０及び図１１に示すとおり、矩形状の枠をなす保持体１２０Cの一端側に、連結部１３０Ｃが形成され、この連結部１３０Ｃから棒状の屈曲振動子からなる振動部１１０Ｃが複数（ここでは４つ）延出して形成される。振動部１１０Ｃの連結部１３０Ｃにより保持される側と反対側は、自由端になっている。振動部１１０Ｃは、半導体層１１１Ｃ、下部電極１１２Ｃ、圧電膜１１３Ｃ及び上部電極１１４Ｃが積層して形成されており、中央の２本の振動部１１０Ｃにおいて上部電極１１４Ｃは共通に形成される。図１１に示す様に、外側の２本の振動部１１０Ｃについても同様に上部電極１１４Ｃどうしが短絡され、中央２本と、外側２本の上部電極との間に駆動信号を印加する事により、中央２本と、外側２本が逆相で面外屈曲振動する。また、連結部１３０Ｃ側の保持体１２０Ｃ上には、振動抑制部１４０Ｃが帯状に形成される。以上のような他の振動モードを採用した圧電共振子においても、上記実施形態と同様の効果が得られる。
また連結部１３０の形状も、各実施形態に示した形状に限定されるものではなく、種々の構造であっても良い。例えば、連結部１３０は、振動部１１０と保持体１２０とを互いに対向する領域同士で接続する構成に限定されない。連結部１３０は、途中で屈曲し、保持体１２０における、振動部１１０と連結部１３０との接続箇所と対向しない領域と接続する構成でもよい。

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、前述した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、前述し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。

１００ 圧電共振子
１１０ 振動部
１１１ 半導体層
１１２ 下部電極
１１３ 圧電膜
１１４ 上部電極
１２０ 保持体
１３０ 連結部
１４０ 振動抑制部
１４１ 下部電極
１４２ 圧電膜
１４３ 上部電極

Claims (9)

1. 半導体層と、前記半導体層上に形成された第１の圧電膜と、前記第１の圧電膜の上部に形成された第１の上部電極と、を有する振動部と、
   前記振動部を振動可能に保持する保持体と、
   前記振動部と前記保持体とを連結する連結部と、
   前記保持体上に形成された第２の圧電膜と、前記第２の圧電膜の上部に形成された第２の上部電極とを有する振動抑制部と、
   を備えた共振子。
2. 前記第１の圧電膜と前記半導体層との間に形成された第１の下部電極をさらに備えた、請求項１に記載の共振子。
3. 前記第２の圧電膜と前記保持体との間に形成された第２の下部電極をさらに備えた、請求項１または２に記載の共振子。
4. 前記保持体は、シリコンにより形成された縮退半導体である、
   請求項１〜３の何れか一項に記載の共振子。
5. 前記第１の圧電膜は、前記第２の圧電膜と同一材料により形成され、
   前記第１の上部電極は、前記第２の上部電極と同一材料により形成された、
   請求項１〜４の何れか一項に記載の共振子。
6. 前記共振子は、
   前記第２の圧電膜と前記保持体との間に形成された第２の下部電極をさらに備え、
   前記第１の下部電極は、前記第２の下部電極と同一材料により形成された、
   請求項２に記載の共振子。
7. 前記第２の上部電極は接地されている、請求項１〜６の何れか一項に記載の共振子。
8. 前記第２の圧電膜は、前記第１の圧電膜よりも結晶性が低い、請求項１〜７の何れか一項に記載の共振子。
9. 請求項１〜８の何れか一項に記載の共振子と、
   前記共振子を覆う蓋体と、
   前記共振子に電気的に接続された外部端子と、
   を備えた共振装置。