TWI419466B - 具短路防止機構的壓電共振器 - Google Patents

Description

具短路防止機構的壓電共振器

本發明係關於壓電共振器，且特別是關於小尺寸的共振器，其通常用於製造頻率產生器，特別是用於如計時學(horology)、資訊科技、電信(telecommunication)及醫療等數種領域中之可攜式電子裝備的頻率產生器。

這種小尺寸的共振器揭示於美國之習知技術文件US4384232中，為供參考而將其納於本文。此文件揭示一種音叉共振器，由一基底及兩個從基底突出的振動臂(vibrating arms)所構成。各個振動臂承載(carry)金屬化部份，金屬化部份在兩個相對的主要表面上構成中央電極及沿著各個振動臂邊緣構成側面電極。一個震動臂的兩個中央電極連結至另一個震動臂的側面電極，並連結至電源供應器的一極(apole)。另一個中央及側面電極則同樣的連結至電源供應器的另一極(apole)。電極被施加電場使振動臂振動。

以固定間距排列中央及側面電極使彼此不短路。然而，為了讓共振器有較佳之晶體阻抗(crystal impedance)，此間距越小越好。如此一來，即使只是少量的灰塵落於中央及側面電極之間、或者有些氣體存在於鄰近電極之處時，容易發生短路，結果使振動臂的振動作用不良。

習知技術的既有解決方案在於以絕緣膜形式在各個振動臂的中央及側面電極之間構成防止短路的部分，此部分可以位在中央及側面電極之間、或是經排列以覆蓋中央及側面電極兩者。然而，雖然這些先前的解決方案有效地防止中央及側面電極之間的短路，這些方案存有一些缺點，特別是，為了要能維持相同的特性，如共振器的電阻性及晶體阻抗，需要重新調整共振器的整個設計。這種必要的設計調整使得程序更為昂貴，這對於這種大量生產的元件而言並不適合。

本發明的主要目標在於不但提出一種音叉共振器，在各個震動臂的中央及側面電極之間具有防止短路之機構，而且提出不會影響共振器特性的這種機構的簡單施行方法。為此目的，本發明係關於一種音叉壓電共振器，包括基底部分、從基底部分延伸出的第一及第二平行震動臂，該第一及第二平行震動臂乘載一組激發電極(excitation electrode)使其振動，該組激發電極由導電性的沉積物所構成，並包括位在相對之主要表面上的中央電極與包覆於各個振動之側向表面的側面電極。該第一震動臂之該等中央電極與第二震動臂之該等側面電極連接至電子激發源(electrical excitation source)的第一極；該第一震動臂之該等側面電極與該第二震動臂之該等中央電極連接至該電子激發源的第二極；其中在各個震動臂上，構成該等中央電極及該等側面電極的該導電性沉積物，一者由可氧化之金屬所製成，另一者由不可氧化之金屬所製成，或者相反。

具優點之實施例定義於申請專利範圍內。

以下利用一個與圖1及圖2相關之非限制性的例子將本發明說明於後。

圖1中所示之較佳實施例中，共振器，以參考標號1標示，包含音叉形狀部分，具有利用基底部分4相連接之兩個震動臂2、3，整個組件由單一件壓電材料，如石英所製。基底4及震動臂2及3乘載金屬化部分，亦即導電性沉積物，在震動臂上構成一組電極5及6，該組電極使震動臂在施加之電場下振動；連接片7及8連接在基底4上，在基底4的一邊上連接至一組電極，以及在基底4的另一邊上連接至電子激發源、或電源供應器(未示出)的第一及第二極。或者，連接片7及8可以配置在介於震動臂2及3之間的第三中央震動臂(未示出)上。

如圖1之A－A剖面視角所示，呈現各個震動臂的四個面：兩個相對的主要表面9a、9b及兩個側向表面10a、10b。激發電極由導電性沉積物所構成，並包括在兩個相對的主要表面9a、9b上的中央電極6a、6b，及包含包覆各個震動臂2及3之兩個側向側面10a、10b的側面電極5a、5b。

為了優化共振器的特性，中央電極6a、6b及側面電極5a、5b之間的間隙11要非常小。如此小的間隙或縫隙可能被灰塵或氣體所填充；因此中央及側面電極可能互相短路。為了避免這種短路發生，在各個震動臂上，構成中央電極及側面電極的導電性沉積物所暴露出的表面，一者由可氧化之金屬製成，另一者由不可氧化之金屬製成，或者相反。

事實上，如同稍後更為詳細之說明者，為了進一步簡化製造共振器的方法，震動臂2及3兩者之中央電極6a及6b之所暴露出的表面應該最好由不可氧化之金屬(例如金)製成，震動臂2及3兩者之側面電極5a及5b之所暴露出的表面應該最好由可氧化之金屬(例如鉻)製成。但是，依照另有之製造過程的施行方式，亦可以提供用於中央電極之可氧化之金屬，及提供用於側面電極之不可氧化之金屬，或者提供用於第一震動臂之側面電極及用於第二震動臂之中央電極之可氧化的金屬，而提供用於第一震動臂之中央電極及用於第二震動臂之側面電極之不可氧化的金屬。

依據本發明，必須在其氧化物具有電性絕緣性質的金屬中選擇可氧化的金屬，因此，當氧化層形成於共振器之電極上方時，此氧化物層將作為電性絕緣體。已知多種金屬可形成電性絕緣氧化物。

較佳的情況是，應該在那些在含氧環境下可立即形成氧化物表面層的金屬中選取可氧化之金屬。因此，可氧化之金屬可以在如鉻、銅、鋁等之間選取；而不可氧化之金屬可在銀及金之間選取。較佳的情況是，中央電極由連結層(tie layer)構成，例如鉻，鍍上不可氧化之金屬的金屬層。

現在參考圖2，下文將說明一種在圖1中所示之晶體共振器之特定實施例的可能製造方法。

晶體基板20首先以預定厚度製成。而後，在基板20上形成由鉻所製成之第一金屬膜22。此金屬膜22可利用真空沉積方法、或濺鍍、或任何其他熟悉此技術之人士所熟知之適當方法形成。在第一金屬膜上形成由金所製成之第二金屬膜23。而後金屬膜的整個表面包覆光阻25，因此製造出結構，其剖面概略繪於圖2A中(金屬膜的實際厚度應遠小於圖中所示)。

光阻25而後經由光罩(未示)曝光，因此經由顯影程序後可被圖案化。經圖案化後的光阻如圖2B所示。

利用圖案化的光阻25來作為光罩，金屬膜22及23經蝕刻以形成音叉共振器1之輪廓(圖2C)。而後其餘之光阻25第二次被圖案化，以便形成用於中央電極(6a，6b)之蝕刻光罩(圖2D)。

利用金屬膜22及23來作為蝕刻光罩，利用精熟此項技術之人士所知之任何的適當蝕刻溶液使壓電基板20蝕刻。特別是，選擇蝕刻溶液使其不會移除剩餘光阻25、或者金膜23。蝕刻步驟的結果會使共振器得到音叉形狀(圖2E)。

接著，為了形成中央電極6a、6b及在壓電基板20表面上)(圖2F)的連接片(7，8)(示於圖1中)，利用剩餘的光阻25作為光罩，將金屬膜22及23加以蝕刻。而後去除光阻層25(例如將其浸置於溶液中)。去除光阻後暴露出金屬化部份(6a，6b，7，8)。

最後，使用如氣相沉積光罩(未示)，使側面電極5a、5b形成於震動臂2及3之側面(圖2G)。選取沉積光罩中之孔徑的尺寸及位置，使得在任一震動臂上之中央及側面電極6及5之間得以維持狹窄的間隙(或空間)，因此這些電極不再互相短路。

依照本發明，一振動臂之中央電極6a、6b連結至另一震動臂之側面電極5a、5b；而另一震動臂之中央電極6a、6b連結至第一震動臂之側面電極5a、5b。依照本發明，一種形成這些連結的可行方法是以此方式設計沉積光罩，當形成側面電極5a、5b後，較佳的情況是側面電極5a、5b會在基底部分4的區域內與中央電極6a、6b些微重疊，以便產生如圖1中所示之金屬化圖案。

依照本發明之可行實施例，側面電極5a、5b之所暴露出之表面可以由不可氧化之金屬所構成。在此例中，在製造方法的進一步步驟中，側面電極可以由如第一鉻層所構成，第二金層鍍於其上方。然而，如前述，依照本發明之較佳實施例，側面電極從可氧化之金屬所製成。在此第二例中，可以由如前述般，僅利用直接在壓電材料上形成鉻層來製成側面電極。如同此例，構成側面電極之鉻層不必接著由金層加以覆蓋，音叉共振器的製造方法可以具優勢地縮短一個步驟。

鉻為可氧化之金屬，「鉻－氧化物」層形成於側面電極5a、5b之表面。此「鉻－氧化物」層作用為覆蓋於側面電極之絕緣層，並防止短路。

已經以某些特定實施例說明本發明，應被理解的是，這些實施例並非意味本發明之限制。事實上，對於經熟此項技術的人而言，對於實施例的不同的變化、修正、或實施例間的組合並不會遠離申請專利範圍的範疇。例如，可以沿著各個振動臂之縱向軸切割凹槽。

1．．．共振器

2．．．震動臂

3．．．震動臂

4．．．基底部分

5、5a、5b．．．側面電極

6、6a、6b．．．中央電極

7．．．連接片

8．．．連接片

9、9a、9b．．．主要表面

10、10a、10b．．．側向表面

11．．．間隙

20．．．基板

22．．．第一金屬膜

23．．．第二金屬膜/金膜

25．．．光阻

在閱讀參照附圖之以下說明後，本發明之其他特色及優點將顯而易見。

圖1代表依照本發明之較佳實施例的音叉共振器。

圖2描繪圖1中所示之較佳實施例之音叉共振器的製造方法。

1．．．共振器

2．．．震動臂

3．．．震動臂

4．．．基底部分

5、5a、5b．．．側面電極

6、6a、6b．．．中央電極

7．．．連接片

8．．．連接片

9、9a、9b．．．主要表面

10、10a、10b．．．側向表面

11．．．間隙

Claims (5)

1. 一種音叉壓電共振器(1)，包含：基底部分(4)，自該基底部分延伸出第一及第二平行振動臂(2，3)，該第一及第二平行的振動臂承載使該第一及第二振動臂振動之一組激發電極(5，6)，其中該組激發電極由包含外側金屬化層的導電性沉積物所構成，且該組激發電極包括位在各振動臂相對之主要表面(9a，9b)上的中央電極(6a，6b)與包覆於各個振動臂之側向表面(10a，10b)的側面電極(5a，5b)，其中該第一臂之該等中央電極與該第二臂之該等側面電極連接至電子激發源的第一極，且該第一臂之該等側面電極與該第二臂之該等中央電極連接至該電子激發源的第二極，其中，在各個振動臂上，該包含該外側金屬化層的導電性沉積物構成第一電極及第二電極，其中該等第一電極的該外側金屬化層覆蓋有自發形成的原生氧化表面層，且該等第二電極的該外側金屬化層由不氧化之金屬所構成，其中當該等第一電極為該等中央電極時，該等第二電極為該等側面電極，且當該等第一電極為該等側面電極時，該等第二電極為該等中央電極，且其中該原生氧化表面層具有電性絕緣性質能使該原生氧化表面層作為電性絕緣體。
2. 如申請專利範圍第1項之音叉壓電共振器，其中該兩振動臂之該等側面電極覆蓋有該自發形成的原生氧化表面層，且該兩振動臂之該等中央電極為不氧化之金屬。
3. 如申請專利範圍第1項之音叉壓電共振器，其中 該等第一電極的該外側金屬化層係選自包含鉻、銅、鋁、鈦之群組。
4. 如申請專利範圍第1項之音叉壓電共振器，其中該不氧化之金屬係選自包含銀和金之群組。
5. 如申請專利範圍第4項之音叉壓電共振器，其中該等中央電極由金或銀所塗覆之連結層所構成。