JPWO2019211926A1 - 共振子及び共振装置 - Google Patents
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Abstract
Description
ところが、特許文献1に記載されるような従来の共振子は、振動腕の外縁と電極の外縁との間の幅は、リリース幅によらず一定となっている。この場合、リリース幅の広い箇所においては狭い箇所よりも圧電膜が多くエッチングされるため、電極同士が短絡してしまうおそれがある。
また上部電極を保護膜で覆う構成とした場合でも、リリース幅が広いところでは同様に保護膜が多く除去されるため、上部電極が露出してしまう。
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1の外観を概略的に示す斜視図である。また、図2は、本発明の第1実施形態に係る共振装置1の構造を概略的に示す分解斜視図である。さらに図3は、図2のAA’線に沿った共振装置1の断面図である。
以下、共振装置1の各構成について詳細に説明する。
上蓋30はXY平面に沿って平板状に広がっており、その裏面側に例えば平たい直方体形状の凹部31が形成されている。凹部31は、側壁33及び底板32に囲まれており、共振子10が振動する空間である振動空間の一部を形成する。
下蓋20は、XY平面に沿って設けられる矩形平板状の底板22と、底板22の周縁部から上蓋30(共振子10)に向けて延びる側壁23とを有する。下蓋20には、表面側において、底板22の表面と側壁23の内面とによって形成される凹部21が設けられる。凹部21は、共振子10の振動空間の一部を形成する。上述した上蓋30と下蓋20とによって、この振動空間は気密に封止され、真空状態が維持される。この振動空間には、例えば不活性ガス等の気体が充填されてもよい。
次に、図1〜3に加え、図4を参照して共振子10の構成について説明する。
図4は、本実施形態に係る、共振子10の構造を概略的に示す平面図である。共振子10は、振動部120と、保持部140と、保持腕110とを備えている。振動部120は、基部130と、当該基部130に接続された固定端及び当該基部130から離れて設けられた開放端を有し、固定端から開放端まで延在する複数の振動腕135A〜135D(以下、まとめて「複数の振動腕135」ともいう。)と、を有している。さらに振動部120には、金属層E21〜E24(以下、金属層E21〜E24をまとめて「金属層E2」とも呼ぶ。)が形成されている。以下の説明では、金属層E2のうち、複数の振動腕135に形成されている金属層E21〜E24を特に上部電極E21〜E24ともいう。また、図4においては上部電極E21〜E24を外部の駆動電源に電気的に接続させるための配線や端子等は、記載を省略している。
まず図3を参照して、共振子10の積層構造について説明する。共振子10では、保持部140、基部130、複数の振動腕135、保持腕110は、同一プロセスで一体的に形成される。共振子10では、まず、Si(シリコン)基板F2の上に、金属層E1(下部電極の一例である。)が積層されている。そして、金属層E1の上には、金属層E1を覆うように、圧電薄膜F3(圧電膜の一例である。)が積層されており、さらに、圧電薄膜F3の表面には、金属層E21〜E24が積層されている。金属層E21〜E24の上には、金属層E21〜E24を覆うように、保護膜235が積層されている。複数の振動腕135のそれぞれの先端(後述する錘部G)においては、さらに、保護膜235上に、導電膜236が積層されている。図4に示すような上蓋30側からの平面視において、錘部Gに設けられた上部電極E21のX軸方向において対向する一対の端部は、振動腕135Aの導電膜236の内側に位置している。振動腕135B〜Dについても同様である。本実施例では、金属層E21〜E24は、複数の振動腕135の先端まで延在しているが(図4参照)、先端までは延在しない構成でもよい。先端までは延在しない構成の場合、金属層E1や導電膜236との短絡による特性変化を抑制することができる。
なお、低抵抗となる縮退シリコン基板をSi基板F2として用いる事で、Si基板F2自体が下部電極を兼ねる事が可能となるため、金属層E1を省略する事も可能である。また、Si基板F2と金属層E1との間には任意の層が形成されてもよい。
また、Si基板F2に用いられる縮退Siの抵抗値は、例えば1.6mΩ・cm未満であり、より好ましくは1.2mΩ・cm以下である。さらにSi基板F2の下面には、温度特性補正層に相当する酸化ケイ素(例えばSiO2)層F21が形成されている。これにより、温度特性を向上させることが可能になる。
また、金属層E1は、保持腕111,112や保持部140においては、共振子10の外部に設けられた交流電源に下部電極(印加電極)を電気的に接続するための下部配線、またはアースに下部電極(グランド電極)を電気的に接続するための下部配線として機能するように形成される。
次に、図4を参照して共振子10の平面構造について説明する。
振動部120は、図4の直交座標系におけるXY平面に沿って広がる櫛歯形状の輪郭を有している。振動部120は、保持部140の内側に設けられており、振動部120と保持部140との間には、所定の間隔で空間が形成されている。図4の例では、振動部120は、基部130と4本の振動腕135A〜135Dとを有している。なお、振動腕の数は、4本に限定されず、例えば1本以上の任意の数に設定される。本実施形態において、複数の振動腕135と、基部130とは、一体に形成されている。
保持部140は、XY平面に沿って矩形の枠状に形成される。保持部140は、平面視において、XY平面に沿って振動部120の外側を囲むように設けられる。なお、保持部140は、振動部120の周囲の少なくとも一部に設けられていればよく、枠状の形状に限定されない。例えば、保持部140は、振動部120を保持し、また、上蓋30及び下蓋20と接合できる程度に、振動部120の周囲に設けられていればよい。
保持腕110は、保持部140の内側に設けられ、基部130の後端131Bと枠体140bとを接続する。図4に示すように、保持腕110は、基部130のX軸方向の中心線に沿ってYZ平面に平行に規定される仮想平面Pに対して略面対称に形成される。なお、保持腕110の形状は図4の例に限定されず、例えば、複数回屈曲してから他端がそれぞれ枠体140c、140dに接続される一対の保持腕でもよい。
図3、4を参照し、ギャップ幅とリリース幅との関係について説明する。
振動部120の周囲には、Si基板F2の主面の平面視における所定の方向(第1方向の一例である。)に異なる幅を有する開口溝が設けられている。本実施形態では、所定の方向はX軸方向として説明するが、これに限定されずY軸方向の他、図4のXY平面内の任意の方向でもよい。
図7を参照して共振子10の機能について説明する。図7は、図4のDD’線に沿った複数の振動腕135の断面であり、複数の振動腕135の電気的な接続態様を模式的に示している。圧電薄膜F3は、金属層E21〜E24、E1によって圧電薄膜F3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。この圧電薄膜F3の伸縮によって、複数の振動腕135は、下蓋20及び上蓋30の内面に向かってその開放端を変位させ、面外の屈曲振動モードで振動する。
次に、図8A〜図8Cを参照して、共振装置1のプロセスフローについて説明する。図8A〜図8Cは、図4のDD'線の延長線に沿った共振装置の断面のプロセスフローである。
第2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10、11を用いて第3実施形態に係る共振装置3の構成、機能について説明する。図10は、図2に対応し、本実施形態における共振装置3の分解斜視図である。図10に示すように共振装置3は、第1実施形態における下蓋20、共振子10に代えて、下蓋25、共振子12を有している。また図11は、図4に対応し、本実施形態における共振装置3が有する共振子12の平面構造を概略的に示す平面図である。
図12を用いて第4実施形態に係る共振子13の構成、機能について説明する。図12は、図4に対応し、本実施形態における共振子13の平面図である。共振子13は、振動部120、保持腕110、及び金属層E21〜E24に代えて、振動部121、及び金属層E5を有している。
その他の振動部121の構成は振動部120と同様である。
その他の共振子13の構成は第1実施形態における共振子10の構成と同様である。
図13、図14及び図15を用いて第5実施形態に係る共振子14の構成、機能について、第1実施形態との差異点を中心に説明する。
W4、W5、W6<W1、W2、W3(錘部のリリース幅が狭い)
言い換えると、リリース幅W4、W5、W6の少なくとも1つが、リリース幅W1、W2、W3の少なくとも1つよりも小さい。この場合、リリース幅W4、W5、W6のいずれもが、リリース幅W1、W2、W3のいずれよりも小さくてもよい。また、1つの振動腕で見たとき、例えば、振動腕135Dにおいて、リリース幅W4はリリース幅W3よりも小さく、リリース幅W5はリリース幅W1よりも小さくてもよい。この点は、他の振動腕135A〜135Cについても同様であってもよい。なお、本実施形態においては、リリース幅W3はリリース幅W1よりも小さくなるように設定され、リリース幅W1はリリース幅W2と等しくなるように設定されている(W1=W2>W3)。
このとき、ギャップ幅L9、L10、L11は以下の関係になるように設定される。
L9,L10,L11<L1,L2,L3
言い換えると、ギャップ幅L9,L10,L11の少なくとも1つが、ギャップ幅L1,L2,L3の少なくとも1つよりも小さい。この場合、ギャップ幅L9,L10,L11のいずれもが、ギャップ幅L1,L2,L3のいずれよりも小さくてもよい。また、1つの振動腕で見たとき、例えば、振動腕135Dにおいて、ギャップ幅L9はギャップ幅L3よりも小さく、ギャップ幅L10はギャップ幅L1よりも小さくてもよい。この点は、他の振動腕135A〜135Cについても同様であってもよい。
なお、W4=W5=W6の場合には、L9=L10=L11<L1、L2、L3が望ましい。言い換えると、ギャップ幅L9,L10,L11の何れもが、ギャップ幅L1,L2,L3の少なくとも1つよりも小さく設定されるのが望ましく、ギャップ幅L1,L2,L3のいずれよりも小さく設定されるのが望ましい。
さらに図14に示すように、錘部Gに形成された導電膜236のギャップ幅L9,L10よりも、錘部G以外の部位に形成された上部電極E28のギャップ幅L1,L3のほうが広くなるように設定されている。具体的には、L9=L10<L3<L1となるように設定されている。導電膜236は、下部電極E1に電気的に接続することで、電荷を逃がす効果がある。この効果は、導電膜236の成膜面積が広い方が高くなる。一方で、端部まで導電膜236を形成した場合、異電位の電極との間で短絡するリスクが発生する。本実施形態に係る共振子14においては、錘部Gに形成された導電膜236のギャップ幅L9,L10を、当該導電膜236の端部が面するリリース幅W4,W5の大きさに応じて設定し、かつ、錘部G近傍に形成された上部電極E28のギャップ幅L1,L3よりも小さくなるように設定することで、錘部Gの導電膜236と錘部G近傍の上部電極E28との短絡のリスクを低減させつつ、電荷を逃がす効果を十分に得ることができる。
10〜12 共振子
30 上蓋
20、25 下蓋
140 保持部
140a〜d 枠体
110 保持腕
120、121 振動部
130 基部
135A〜D 振動腕
F2 Si基板
F21 酸化ケイ素層(温度特性補正層)
235 保護膜
236 導電膜
また、金属層E1は、保持腕110や保持部140においては、共振子10の外部に設けられた交流電源に下部電極(印加電極)を電気的に接続するための下部配線、またはアースに下部電極(グランド電極)を電気的に接続するための下部配線として機能するように形成される。
図6を参照して共振子10の機能について説明する。図6は、図4のDD'線に沿った複数の振動腕135の断面であり、複数の振動腕135の電気的な接続態様を模式的に示している。圧電薄膜F3は、金属層E21〜E24、E1によって圧電薄膜F3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。この圧電薄膜F3の伸縮によって、複数の振動腕135は、下蓋20及び上蓋30の内面に向かってその開放端を変位させ、面外の屈曲振動モードで振動する。
次に、図7A〜図7Cを参照して、共振装置1のプロセスフローについて説明する。図7A〜図7Cは、図4のDD'線の延長線に沿った共振装置の断面のプロセスフローである。
図9、10を用いて第3実施形態に係る共振装置3の構成、機能について説明する。図9は、図2に対応し、本実施形態における共振装置3の分解斜視図である。図9に示すように共振装置3は、第1実施形態における下蓋20、共振子10に代えて、下蓋25、共振子12を有している。また図10は、図4に対応し、本実施形態における共振装置3が有する共振子12の平面構造を概略的に示す平面図である。
図11を用いて第4実施形態に係る共振子13の構成、機能について説明する。図11は、図4に対応し、本実施形態における共振子13の平面図である。共振子13は、振動部120、保持腕110、及び金属層E21〜E24に代えて、振動部121、及び金属層E5を有している。
図12、図13及び図14を用いて第5実施形態に係る共振子14の構成、機能について、第1実施形態との差異点を中心に説明する。
さらに図13に示すように、錘部Gに形成された導電膜236のギャップ幅L9,L10よりも、錘部G以外の部位に形成された上部電極E28のギャップ幅L1,L3のほうが広くなるように設定されている。具体的には、L9=L10<L3<L1となるように設定されている。導電膜236は、下部電極E1に電気的に接続することで、電荷を逃がす効果がある。この効果は、導電膜236の成膜面積が広い方が高くなる。一方で、端部まで導電膜236を形成した場合、異電位の電極との間で短絡するリスクが発生する。本実施形態に係る共振子14においては、錘部Gに形成された導電膜236のギャップ幅L9,L10を、当該導電膜236の端部が面するリリース幅W4,W5の大きさに応じて設定し、かつ、錘部G近傍に形成された上部電極E28のギャップ幅L1,L3よりも小さくなるように設定することで、錘部Gの導電膜236と錘部G近傍の上部電極E28との短絡のリスクを低減させつつ、電荷を逃がす効果を十分に得ることができる。
Claims (9)
- 主面を有する基板、前記基板の主面上に形成された下部電極、前記下部電極上に形成された圧電膜、及び、前記圧電膜上に形成された上部電極を有する振動部と、
前記振動部の少なくとも一部を囲むように設けられた保持部と、
を備え、
前記振動部の周囲には、前記基板の主面の平面視における第1方向に異なる幅を有する開口溝が設けられ、
前記基板の主面の平面視において、前記上部電極は、前記基板の外縁から前記第1方向に沿ったギャップを空けて設けられ、かつ、前記開口溝の幅が大きい領域の前記上部電極のギャップの長さが前記開口溝の幅が小さい領域の前記上部電極のギャップの長さよりも大きくなるように形成された、
共振子。 - 前記振動部は、前記上部電極を覆うように設けられた絶縁膜を有する、
請求項1に記載の共振子。 - 前記振動部は、前記絶縁膜の少なくとも一部を覆う導電膜を有し、
前記基板の主面の平面視において、前記導電膜は、前記基板の外縁から前記第1方向に沿ったギャップを空けて設けられ、かつ、前記開口溝の幅が大きい領域の前記上部電極のギャップの長さが前記開口溝の幅が小さい領域の前記導電膜のギャップの長さよりも大きくなるように形成された、
請求項2に記載の共振子。 - 前記開口溝の幅が大きい領域の前記上部電極のギャップの長さは、前記開口溝の幅が大きい領域の前記導電膜のギャップの長さより大きくなるように形成され、前記開口溝の幅が小さい領域の前記上部電極のギャップの長さは前記開口溝の幅が小さい領域の前記導電膜のギャップの長さよりも大きくなるように形成された、
請求項3に記載の共振子。 - 前記振動部は、
基部と、当該基部に接続された固定端及び当該基部から離れて設けられた開放端を有し、前記固定端から前記開放端まで延在する複数の振動腕とを備える
請求項1乃至4の何れか一項に記載の共振子。 - 前記複数の振動腕は、4本以上の偶数本であり、
前記開口溝の幅が大きい領域は、前記複数の振動腕のうち最も内側に配置された2本の振動腕の間の領域であり、
前記開口溝の幅が小さい領域は、当該最も内側に配置された2本の振動腕以外のいずれかの隣り合う2本の振動腕の間の領域である、
請求項5に記載の共振子。 - 前記基板の主面の平面視において、前記複数の振動腕は、前記開放端に向かって前記複数の振動腕が延在する方向と直交する方向の幅が広がるテーパー形状を有し、
前記開口溝の幅が大きい領域は、前記複数の振動腕のうち隣り合う2本の振動腕の前記固定端に近い側の領域であり、
前記開口溝の幅が小さい領域は、当該隣り合う2本の振動腕の前記開放端に近い側の領域である、
請求項5又は6に記載の共振子。 - 請求項5乃至7のいずれかに記載の共振子と、
前記共振子の前記主面に対向して設けられた上蓋と、
前記共振子の前記主面に対向して設けられ、前記複数の振動腕のうち隣り合う2つの振動腕の間に突起する突起部を有する下蓋と、
を備え、
前記開口溝の幅が小さい領域は、前記複数の振動腕のうち隣り合う2本の振動腕のいずれか1本の振動腕と、前記突起部との間の領域である、
共振装置。 - 前記保持部は、前記振動部の周囲を囲んで設けられ、
前記振動部は、輪郭振動を行う第1領域と、当該第1領域を前記保持部に接続させる第2領域とを有し、
前記開口溝の幅が大きい領域は、前記第2領域と前記保持部との間の領域であり、
前記開口溝の幅が小さい領域は、前記第1領域と前記保持部との間の領域である、
請求項1に記載の共振子。
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