WO2014185282A1 - 振動装置 - Google Patents

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WO2014185282A1
WO2014185282A1 PCT/JP2014/062080 JP2014062080W WO2014185282A1 WO 2014185282 A1 WO2014185282 A1 WO 2014185282A1 JP 2014062080 W JP2014062080 W JP 2014062080W WO 2014185282 A1 WO2014185282 A1 WO 2014185282A1
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tuning fork
fork arms
vibration device
layer
width
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PCT/JP2014/062080
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English (en)
French (fr)
Inventor
西村 俊雄
貴志 長谷
佳介 竹山
開田 弘明
圭一 梅田
武彦 岸
山田 宏
Original Assignee
株式会社村田製作所
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Publication date
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Priority to US14/933,336 priority patent/US9584093B2/en

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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/15Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material
    • H03H9/21Crystal tuning forks

Definitions

  • the present invention relates to a vibration device having a plurality of tuning fork arms as vibration portions.
  • Patent Document 1 a vibration device having three tuning fork arms is disclosed.
  • the width of the central tuning fork arm is twice the width of the tuning fork arms on both sides.
  • Patent Document 2 also discloses a vibration device having three tuning fork arms.
  • Patent Document 2 describes an electrode connection method for vibrating a central tuning fork arm and an outer tuning fork arm in opposite phases.
  • An object of the present invention is to provide a vibration device that can increase the capacitance without lowering k 2 Q and thereby reduce the resonance resistance.
  • the vibration device includes a base, and 2N tuning fork arms that are connected to one end of the base and extend in the Y direction.
  • N is an integer of 2 or more.
  • 2N tuning fork arms are juxtaposed in the X direction orthogonal to the Y direction.
  • Each tuning fork arm is configured to bend and vibrate in the Z direction orthogonal to the X direction and the Y direction.
  • the phase of flexural vibration of the N tuning fork arms on one side with respect to a virtual line passing through the center in the X direction and extending in the Y direction is:
  • the phase of the bending vibration of the N tuning fork arms on the other side is symmetrical.
  • the N is 2 and the two tuning fork arms positioned on the inner side in the X direction are opposite to the two tuning fork arms positioned on the outer side. Bend and vibrate in phase.
  • the tuning fork arm includes a Si layer made of a degenerate semiconductor, a silicon oxide layer, a piezoelectric layer, and first and first voltages that apply a voltage to the piezoelectric layer. 2 electrodes.
  • the Si layer is doped with an n-type doping material.
  • the doping material phosphorus (P) is preferably used.
  • the width of the end portion on the side opposite to the end portion connected to the base portion of each tuning fork arm is an end on the side connected to the base portion. It is larger than the width of the part.
  • a mass is added to the end of each tuning fork arm opposite to the end connected to the base, which is wider than the remaining portion. Is provided.
  • the vibration device of the present invention 2N tuning fork arms are provided, and the phase of bending vibration of the N tuning fork arms on one side with respect to the imaginary line passing through the center in the X direction is N on the other side. Since it is symmetrical with the phase of the bending vibration of the book, the capacitance can be increased without reducing k 2 Q. Thereby, the resonance resistance can be lowered. Therefore, good vibration characteristics can be obtained.
  • FIG. 1A is a perspective view of the vibration device according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 1B is a front sectional view thereof
  • FIG. 1C is the first embodiment. It is a partial notch front sectional drawing of the used excitation part.
  • FIG. 2 is a perspective view of the vibration device according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 3A is a cross-sectional view for explaining the thickness of each layer in the structure in which the silicon oxide layer is laminated on the upper surface of the Si layer
  • FIG. 3B shows the silicon oxide layer on the lower surface of the Si layer. It is a cross-sectional view for demonstrating the thickness of each layer in the laminated structure.
  • FIG. 3A is a cross-sectional view for explaining the thickness of each layer in the structure in which the silicon oxide layer is laminated on the upper surface of the Si layer
  • FIG. 3B shows the silicon oxide layer on the lower surface of the Si layer. It is a cross-sectional view for demonstrating the thickness of each layer in the laminate
  • FIG. 4 is a cross-sectional view for explaining the thickness of each layer in the structure in which the silicon oxide layers are laminated on both sides of the Si layer.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between k 2 Q and W / T, which is the ratio of the width W and thickness of the tuning fork arm.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the resonance resistance and W / T, which is the ratio of the width W and thickness of the tuning fork arm.
  • FIG. 7 is a diagram showing a relationship in which the frequency temperature coefficient TCF is 0 when the TCF when the silicon oxide layer is not provided is X and the thickness ratio T2 / (T1 + T2) is y.
  • TCF frequency temperature coefficient
  • FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the P doping density in the Si layer and the specific resistance of the Si layer.
  • FIG. 9 is a schematic plan view of a vibration device according to a modification of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 shows a vibration apparatus according to a modification of the first embodiment of the present invention, with respect to the distance Wgo between the tuning fork arms on both sides and the tuning fork arms located near the center and adjacent to the tuning fork arms on both sides.
  • the ratio Wgi / Wgo intervals Wgi of tuning fork arms between which is located near the center is a graph showing the relationship between k 2 Q.
  • FIG. 11 is a schematic plan view of a vibration device according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 shows the ratio Wwi / Wi of the width Wwi of the mass adding portion to the width Wi of the tuning fork arm in the tuning fork arm located near the center of the vibration device according to the second embodiment of the present invention, and k 2 Q. It is a figure which shows the relationship.
  • FIG. 13 shows the ratio Wwi / Wi of the width Wwi of the mass addition portion to the width Wi of the tuning fork arm and the resonance resistance in the tuning fork arm located near the center of the vibration device according to the second embodiment of the present invention. It is a figure which shows the relationship with R1.
  • FIG. 1A is a perspective view of the vibration device according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 1B is a front sectional view of the vibration device
  • FIG.1 (c) is a partial notch front sectional drawing of the excitation part used for 1st Embodiment.
  • the vibration device 1 has a base 2. One end of four tuning fork arms 3 to 6 is connected to the base 2.
  • the base 2 has a rectangular plate shape. One side of the base 2 is connected to one end of four tuning fork arms 3 to 6 having a length direction.
  • a support portion 7 is fixed to the lower surface of the base portion 2.
  • the support part 7 is a part for fixing the vibration device 1 to the outside.
  • the extending direction of the tuning fork arms 3 to 6 is defined as the Y direction.
  • a direction orthogonal to the Y direction in a plane parallel to both main surfaces of the base 2 is defined as an X direction.
  • the side surface to which one end of the tuning fork arms 3 to 6 of the base 2 is connected extends in the X direction. Accordingly, the four tuning fork arms 3 to 6 are arranged in parallel in the X direction.
  • the Z direction is a direction orthogonal to a plane defined by the X direction and the Y direction.
  • the four tuning fork arms 3 to 6 bend and vibrate in the Z direction, as will be described later.
  • the support portion 7 is formed integrally with the Si layer 11 of the base portion 2.
  • Support 7 can be configured Si, a semiconductor material or an insulating material such as Al 2 O 3.
  • the support part 7 may be joined to the base 2 with a joining material.
  • the base 2 has a structure in which a silicon oxide layer 12 is laminated on a Si layer 11.
  • the tuning fork arm 4 also has a structure in which the silicon oxide layer 12 is laminated on the Si layer 11. That is, the Si layer 11 and the silicon oxide layer 12 in the tuning fork arm 4 are formed integrally with the Si layer 11 and the silicon oxide layer 12 of the base 2.
  • the tuning fork arms 3, 5 and 6 are configured in the same manner as the tuning fork arm 4.
  • the Si layer 11 is made of a degenerate semiconductor.
  • the Si layer is made of an n-type Si semiconductor. Since it is a degenerate semiconductor, the doping concentration of the n-type dopant is 1 ⁇ 10 19 / cm 3 or more.
  • n-type dopants include Group 15 elements such as P, As, or Sb.
  • P is used as the dopant. In that case, a degenerate semiconductor can be easily manufactured.
  • the Si layer is made of an n-type Si semiconductor doped with phosphorus at a concentration of 5 ⁇ 10 19 / cm 3 .
  • the doping density of phosphorus (P) is 5 ⁇ 10 19 atoms / cm 3
  • the specific resistance is 1.5 m ⁇ ⁇ cm or less, which is a degenerate semiconductor.
  • the silicon oxide layer 12 is made of SiO 2 .
  • a silicon oxide layer 12 made of SiO 2 is laminated on the upper surface of the Si layer 11.
  • the silicon oxide layer 12 may not be provided, but it is desirable to provide the silicon oxide layer 12 as in the present embodiment. Thereby, the manufacturing process can be simplified.
  • the silicon oxide layer 12 is not limited to SiO 2, and can be composed of a silicon oxide-based material having an appropriate composition of SiaOb (a and b are integers).
  • the excitation unit 13 includes a piezoelectric thin film 14, a first electrode 15, and a second electrode 16.
  • the first electrode 15 and the second electrode 16 are provided so as to sandwich a part of the piezoelectric thin film layer 14 a of the piezoelectric thin film 14.
  • the first and second electrodes 15 and 16 are not necessarily embedded in the piezoelectric thin film 14.
  • the first and second electrodes 15 and 16 may be formed on the upper and lower surfaces of the piezoelectric thin film 14.
  • the moisture resistance and the like can be improved by arranging the first and second electrodes 15 and 16 in the piezoelectric thin film 14 as in the present embodiment.
  • the structure in which the first electrode 15 and the second electrode 16 are provided so as to sandwich the piezoelectric thin film layer 14a is easy to manufacture.
  • the direction of the electric field created by the first electrode 15 and the second electrode 16 can be made one direction. Therefore, an excitation unit with high excitation efficiency can be configured.
  • the piezoelectric material which comprises the said piezoelectric thin film 14 is not specifically limited, In the vibration apparatus using a bulk wave, it is preferable that Q value is high. Thus, although the electromechanical coefficient k 2 is small, Q value is high AlN is preferably used.
  • the Sc-substituted AlN film desirably has a Sc concentration of about 0.5 at% to 50 at% when the atomic concentration of Sc and Al is 100 at%.
  • ScAlN has a larger electromechanical coupling coefficient k 2 than AlN, and a larger mechanical Qm than PZT and KNN. Therefore, ScAlN has the following advantages when applied to a resonance type resonator as in the present invention.
  • a signal from a built-in temperature sensor is fed back to a variable capacitance element connected in series with a vibrator to change the capacitance value of the variable capacitance element.
  • the oscillation frequency can be adjusted.
  • ScAlN is used as the piezoelectric thin film instead of AlN, the specific band of the resonant vibrator is expanded. Therefore, the adjustment range of the oscillation frequency can be expanded.
  • the first and second electrodes 15 and 16 can be formed of an appropriate metal such as Mo, Ru, Pt, Ti, Cr, Al, Cu, Ag, Au, or an alloy thereof.
  • the piezoelectric thin film 14 is polarized in the thickness direction. Therefore, by applying an alternating electric field between the first and second electrodes 15 and 16, the excitation unit 13 is excited by the piezoelectric effect. As a result, the tuning fork arms 3 to 6 bend and vibrate in the Z direction.
  • the two tuning fork arms 4 and 5 located at the center and the three and fork arms 6 located on both sides are bent in the Z direction in opposite phases.
  • the polarization method of the piezoelectric thin film layer 14a is the same in the thickness direction, the phase of the alternating electric field for driving the tuning fork arms 4 and 5, and the tuning fork arms 3 and 6 are The phase of the alternating electric field for driving may be reversed.
  • the polarization direction of the piezoelectric thin film layer 14a in the tuning fork arms 4 and 5 and the polarization direction of the piezoelectric thin film layer 14a in the tuning fork arms 3 and 6 are reversed, and an alternating electric field having the same phase is applied to the tuning fork arms 3 to 6. good.
  • the tuning fork arms 4 and 5 located in the center and the tuning fork arms 3 and 6 located on both sides vibrate in opposite phases in the X direction. That is, the number of tuning fork arms 3 and 6 that vibrate in one phase is equal to the number of tuning fork arms 4 and 5 that vibrate in the other phase. Therefore, in the tuning fork arms 3 to 6, even when the width of the tuning fork arm is increased, the capacitance can be increased without causing much decrease in k 2 Q. Thereby, the resonance resistance can be sufficiently reduced. This will be described with reference to FIGS.
  • Vibration device of embodiment A silicon oxide layer 12 having a thickness of 0.5 ⁇ m was formed on a Si layer 11 having a thickness of 10 ⁇ m.
  • the base 2 has this laminated structure.
  • the upper surface has a piezoelectric thin film 14 made of AlN having a thickness of 0.8 ⁇ m, and both surfaces of the piezoelectric thin film 14 are 0.1 ⁇ m and 0.1 ⁇ m, respectively.
  • the tuning fork arms 3 to 6 have a length of 650 ⁇ m and a width of 20 ⁇ m.
  • the thickness was about 11.5 ⁇ m because of the above laminated structure.
  • Comparative Example 1 Same as the above embodiment except that the number of tuning fork arms is three.
  • Comparative Example 2 Three tuning fork arms were provided as in Comparative Example 1. However, the width of the tuning fork arm at the center is twice the width of the tuning fork arms on both sides.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating the relationship between k 2 Q and ratio W / T in the vibration devices of the embodiment and Comparative Examples 1 and 2.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a relationship between the resonance resistance R1 and the ratio W / T in the vibration devices of the embodiment and Comparative Examples 1 and 2.
  • W represents the width of the tuning fork arm
  • T represents the thickness of the tuning fork arm.
  • the embodiment and the comparative example 2 it can be seen that it is possible to increase in comparison with Comparative Example 1, the k 2 Q dramatically. This is because the driving force of the bending vibration in the Z direction is balanced and the excitation efficiency is improved. Further, the above embodiment has a larger k 2 Q as compared with Comparative Example 2. This is because the confinement effect is improved by setting the number of tuning fork arms to four. As a result, in the above embodiment, k 2 Q can be dramatically increased in the range of W / T in the range of 0.5 to 4.8.
  • the resonance resistance can be effectively reduced without significantly reducing k 2 Q, as compared with Comparative Examples 1 and 2 having three tuning fork arms. Therefore, good vibration characteristics can be obtained.
  • the thickness ratio T2 / (T1 + T2) of the silicon oxide layer 12 is set as a specific range, and the frequency The absolute value of the temperature coefficient TCF can be effectively reduced. This will be described with reference to FIG.
  • the horizontal axis in FIG. 7 is the TCF in the vibration device in which the silicon oxide layer 12 is not provided. Depending on the doping concentration, the TCF of the Si layer has a specific value. Let this TCF be x. On the other hand, the thickness ratio T2 / (T1 + T2) is y.
  • TCF frequency temperature coefficient
  • the thickness ratio T2 / (T1 + T2) is in the range of ( ⁇ 0.0002x 2 ⁇ 0.0136x + 0.0014) ⁇ 0.005
  • the frequency temperature coefficient TCF is 0 ⁇ . It has been confirmed that it can be in the range of 5 ppm / ° C. Therefore, the thickness ratio T2 / T1 + T2 of the silicon oxide layer is preferably within this range.
  • tuning fork arms 3 to 6 are provided.
  • the resonance resistance is effectively reduced without causing a significant decrease in k 2 Q. Can be suppressed.
  • Such an effect is not limited to four tuning fork arms, but may be 2N (N is an integer of 2 or more). That is, N tuning fork arms are arranged on one side of the imaginary line A shown in FIG. 1A and N tuning fork arms on the other side, and N tuning fork arms on one side and N tuning fork arms on the other side are arranged.
  • the phase of the bending vibration of the tuning fork arm may be symmetric.
  • the virtual line A is a virtual line that passes through the center of the region where the tuning fork arms 3 to 6 are provided and extends in the Y direction in the X direction of FIG.
  • k 2 Q can be effectively increased by controlling the distance between specific tuning fork arms among the four tuning fork arms 3 to 6. This will be specifically described with reference to FIGS.
  • FIG. 9 is a schematic plan view of a vibration device according to a modification of the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 9, the tuning fork arms 3 and 6 located on both sides, and the tuning fork arms 4 and 5 located adjacent to the tuning fork arms 3 and 6 located on both sides and closer to the center, Each interval was set to Wgo. The interval between the tuning fork arms 4 and 5 located closer to the center is Wgi.
  • FIG. 10 is a graph showing the relationship between the ratio Wgi / Wgo of the Wgi to the Wgo and k 2 Q.
  • the ratio Wgi / Wgo when seek a relation between k 2 Q, to produce a vibration device in the following manner.
  • a silicon oxide layer 12 having a thickness of 1.5 ⁇ m was formed on the Si layer 11 having a thickness of 10 ⁇ m.
  • the base 2 has this laminated structure.
  • the upper surface has a piezoelectric thin film 14 made of AlN having a thickness of 0.8 ⁇ m, and both surfaces of the piezoelectric thin film 14 are 0.1 ⁇ m and 0.1 ⁇ m, respectively.
  • the excitation part 13 formed by forming an electrode made of Mo with a thickness of 5 mm was provided.
  • the length of the tuning fork arms 3 to 6 was 650 ⁇ m. Further, the width Wo of the tuning fork arms 3 and 6 positioned on both sides and the width Wi of the tuning fork arms 4 and 5 positioned closer to the center are both set to 30 ⁇ m. That is, the width W of the tuning fork arms 3 to 6 is set to 30 ⁇ m.
  • the thickness was about 12.5 ⁇ m because of the above laminated structure.
  • FIG. 10 shows that k 2 Q is increased in the region of Wgi / Wgo ⁇ 0.5 regardless of the value of Wgo / W. In particular, it can be seen that k 2 Q is stably increased in the region of Wgi / Wgo ⁇ 1.0.
  • FIG. 2 is a perspective view showing the vibration device of the second embodiment.
  • the vibration device 21 of the second embodiment is the same as that of the first embodiment except that the mass adding portions 22 are provided at the tips of the tuning fork arms 3 to 6, respectively. Therefore, the description of the first embodiment is incorporated by giving the same reference numerals to the same parts.
  • the mass adding portion 22 is configured by making the width of the laminated structure of the Si layer 11 and the silicon oxide layer 12 larger than the width of the remaining tuning fork arm portion. Thereby, a larger mass can be added than in the rest of the tuning fork arm.
  • the resonance frequency can be further lowered by providing the mass adding portion 22 at the tip of the tuning fork arms 3 to 6. Therefore, the overall size of the vibration device can be reduced.
  • the width of the tip side portion of the tuning fork arms 3 to 6, that is, the end portion opposite to the end portion connected to the base portion 2 is connected to the base portion 2. It may be just larger than the width of the side end. In this case, the resonance frequency can be lowered.
  • FIG. 11 is a schematic plan view of the vibration device according to the second embodiment of the present invention.
  • the width of the tuning fork arms 3 and 6 located on both sides is Wo
  • the width of the tuning fork arms 4 and 5 located near the center is Wi.
  • the width of the mass adding portion 22 at the tip of the tuning fork arms 3 and 6 located on both sides is Wwo
  • the width of the mass adding portion 22 at the tip of the tuning fork arms 4 and 5 located near the center is Wwi. did.
  • FIG. 12 is a graph showing the relationship between the ratio Wwi / Wi of Wi to Wi and k 2 Q
  • FIG. 13 is a graph showing the relationship between Wwi / Wi and the resonance resistance R1.
  • a vibration device was manufactured in the following manner.
  • a silicon oxide layer 12 having a thickness of 1.5 ⁇ m was formed on the Si layer 11 having a thickness of 10 ⁇ m.
  • the base 2 has this laminated structure.
  • the upper surface has a piezoelectric thin film 14 made of AlN having a thickness of 0.8 ⁇ m, and both surfaces of the piezoelectric thin film 14 are 0.1 ⁇ m and 0.1 ⁇ m, respectively.
  • the excitation part 13 formed by forming an electrode made of Mo with a thickness of 5 mm was provided. Further, a mass adding portion 22 having a length of 195 ⁇ m was provided at the tip of the tuning fork arms 3 to 6.
  • the silicon oxide layer 12 is laminated on the upper surface of the Si layer 11.
  • the thickness ratio T2 / (T1 + T2) is a ratio of T2 to the total of T1 and T2, as shown in FIG.
  • the present invention is not limited to the structure shown in FIG.
  • a silicon oxide layer 12 may be laminated on the lower surface of the Si layer 11.
  • the thickness ratio T2 / (T1 + T2) is a ratio of T2 to the sum of T1 and T2, as shown in FIG.
  • T1 and T2 may be the sum of the thicknesses of the plurality of layers.
  • the silicon oxide layer 12a may be laminated on the upper surface of the Si layer 11, and the silicon oxide layer 12b may be laminated on the lower surface.
  • T2 T2a + T2b may be set. That is, the total thickness of the plurality of silicon oxide layers may be T2.
  • the total thickness of the plurality of Si layers may be T1.

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Abstract

 kQの低下を招くことなく静電容量を大きくし、共振抵抗を低め得る振動装置を提供する。 Y方向に延びる2N本(Nは2以上の整数)の音叉腕3~6が、X方向に並列されており、2N本の音叉腕3~6が設けられている領域において、X方向中心を通り、かつY方向に延びる仮想線Aに対して、一方側のN本の音叉腕3,4の屈曲振動の位相が、他方側のN本の音叉腕6,5の屈曲振動の位相と対称とされている、振動装置1。

Description

振動装置
 本発明は、振動部分として複数の音叉腕を有する振動装置に関する。
 従来、複数の音叉腕を有する振動装置が種々提案されている。例えば、下記の特許文献1では、3本の音叉腕を有する振動装置が開示されている。特許文献1では中央の音叉腕の幅が、両側の音叉腕の幅の2倍とされている。
 他方、下記の特許文献2にも、3本の音叉腕を有する振動装置が開示されている。特許文献2では、中央の音叉腕と外側の音叉腕とを逆位相で振動させるための電極接続方法が記載されている。
WO2008/043727 特開2009-5022号公報
 複数の音叉腕を有する振動装置において、安定に発振させるには、共振抵抗が小さいことが求められる。従って、kQを大きくすること、及び静電容量を大きくすることが必要である。ところが、音叉腕の幅を大きくして静電容量を大きくした場合には、kQが低下するという問題があった。
 本発明の目的は、kQを低下させることなく静電容量を大きくし、それによって共振抵抗を低め得る、振動装置を提供することにある。
 本発明に係る振動装置は、基部と、前記基部の一端が連ねられており、Y方向に延びる2N本の音叉腕とを備える。本発明では、Nは2以上の整数である。
 本発明では、2N本の音叉腕が、Y方向と直交するX方向に並列されている。各音叉腕は、X方向及びY方向と直交するZ方向に屈曲振動するように構成されている。
 本発明では、前記2N本の音叉腕が設けられている領域において前記X方向中心を通り、かつY方向に延びる仮想線に対して、一方側のN本の音叉腕の屈曲振動の位相が、他方側のN本の音叉腕の屈曲振動の位相と対称とされている。
 本発明に係る振動装置のある特定の局面では、前記Nが2であり、X方向において内側に位置している2本の音叉腕と、外側に位置している2本の音叉腕とが逆位相で屈曲振動する。
 本発明に係る振動装置の他の特定の局面では、前記音叉腕が、縮退半導体からなるSi層と、酸化ケイ素層と、圧電体層と、前記圧電体層に電圧を印加する第1,第2の電極とを含む。
 本発明に係る振動装置のさらに他の特定の局面では、前記Si層が、n型ドーピング材によりドーピングされている。上記ドーピング材としては、好ましくはリン(P)が用いられる。
 本発明に係る振動装置の別の特定の局面では、前記各音叉腕の前記基部に接続されている側の端部とは反対側の端部の幅が、基部と接続されている側の端部の幅よりも大きい。
 本発明に係る振動装置のさらに他の特定の局面では、前記各音叉腕の前記基部と接続されている側の端部とは反対側の端部に、残りの部分よりも幅の大きい質量付加部が設けられている。
 本発明に係る振動装置によれば、2N本の音叉腕が設けられており、上記X方向中心を通る仮想線に対して一方側のN本の音叉腕の屈曲振動の位相が他方側のN本の屈曲振動の位相と対称とされているため、kQを低下させることなく、静電容量を高めることができる。それによって、共振抵抗を低めることが可能となる。従って、良好な振動特性を得ることができる。
図1(a)は、本発明の第1の実施形態に係る振動装置の斜視図であり、図1(b)はその正面断面図であり、図1(c)は第1の実施形態に用いられている励振部の部分切欠正面断面図である。 図2は、本発明の第2の実施形態に係る振動装置の斜視図である。 図3(a)は、Si層上面に酸化ケイ素層が積層されている構造における各層の厚みを説明するための横断面図であり、図3(b)は、Si層下面に酸化ケイ素層が積層されている構造における各層の厚みを説明するための横断面図である。 図4は、Si層の両面に酸化ケイ素層が積層されている構造における各層の厚みを説明するための横断面図である。 図5は、音叉腕の幅Wと厚みの比であるW/Tと、kQとの関係を示す図である。 図6は、音叉腕の幅Wと厚みの比であるW/Tと、共振抵抗との関係を示す図である。 図7は、酸化ケイ素層が設けられていない場合のTCFをX、厚み比T2/(T1+T2)をyとしたときに、周波数温度係数TCFが0となる関係を示す図である。 図8は、Si層におけるPのドープ密度と、Si層の比抵抗との関係を示す図である。 図9は、本発明の第1の実施形態の変形例に係る振動装置の模式的平面図である。 図10は、本発明の第1の実施形態の変形例に係る振動装置において、両側の音叉腕と該両側の音叉腕に隣り合い、中央寄りに位置している音叉腕との間隔Wgoに対する、中央寄りに位置している音叉腕同士の間隔Wgiの比率Wgi/Wgoと、kQとの関係を示す図である。 図11は、本発明の第2の実施形態に係る振動装置の模式的平面図である。 図12は、本発明の第2の実施形態に係る振動装置の中央寄りに位置している音叉腕における、音叉腕の幅Wiに対する質量付加部の幅Wwiの比率Wwi/Wiと、kQとの関係を示す図である。 図13は、本発明の第2の実施形態に係る振動装置の中央寄りに位置している音叉腕における、音叉腕の幅Wiに対する質量付加部部の幅Wwiの比率Wwi/Wiと、共振抵抗R1との関係を示す図である。
 以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。
 図1(a)は、本発明の第1の実施形態に係る振動装置の斜視図であり、(b)は該振動装置の正面断面図である。また、図1(c)は、第1の実施形態に用いられている励振部の部分切欠正面断面図である。
 振動装置1は、基部2を有する。基部2には、4本の音叉腕3~6の一端が連結されている。
 基部2は矩形板状の形状を有する。この基部2の1つの側面に、長さ方向を有する4本の音叉腕3~6の一端が連ねられている。
 基部2の下面には、支持部7が固定されている。支持部7は、振動装置1を外部に固定するための部分である。
 いま、図1(a)に示すように、音叉腕3~6の延びる方向をY方向とする。また、基部2の両主面に並行な面内においてY方向と直交する方向をX方向とする。基部2の音叉腕3~6の一端が連結されている側面はX方向に延びている。従って、4本の音叉腕3~6は、X方向に並列されている。
 Z方向は、X方向及びY方向で規定される平面に直交する方向である。本実施形態では、4本の音叉腕3~6が、後述するように、Z方向において屈曲振動する。
 図1(b)に示すように、支持部7は、基部2のSi層11と一体に形成されている。支持部7は、Si、Alなどの半導体材料や絶縁性材料により構成することができる。
 なお、支持部7は、接合材により基部2に接合されていてもよい。
 基部2は、Si層11上に酸化ケイ素層12が積層された構造を有する。音叉腕4も、Si層11上に酸化ケイ素層12が積層されている構造を有する。すなわち、音叉腕4におけるSi層11及び酸化ケイ素層12は、基部2のSi層11及び酸化ケイ素層12と一体に形成されている。
 音叉腕3,5,6も音叉腕4と同様に構成されている。
 Si層11は、縮退半導体からなる。本実施形態では、Si層はn型Si半導体からなる。縮退半導体であるため、n型ドーパントのドーピング濃度は、1×1019/cm以上である。n型ドーパントとしては、P、AsまたはSbなどの第15族元素を挙げることができる。好ましくは、ドーパントとしてPが用いられる。その場合には、容易に縮退半導体を製造することができる。
 本実施形態では、Si層はリンが5×1019/cmの濃度でドーピングされたn型Si半導体からなる。また、図8に示すように、リン(P)のドープ密度が5×1019個/cmであるため、比抵抗は1.5mΩ・cm以下となり、縮退半導体である。
 酸化ケイ素層12は、本実施形態では、SiOからなる。本実施形態では、上記Si層11の上面にSiOからなる酸化ケイ素層12が積層されている。
 なお、基部2においては、酸化ケイ素層12は設けられずともよいが、本実施形態のように酸化ケイ素層12を設けることが望ましい。それによって、製造工程の簡略化を図ることができる。
 酸化ケイ素層12は、SiOに限らず、SiaOb(a、bは整数)の適宜の組成を有する酸化ケイ素系材料により構成することができる。
 図1(c)に示すように、励振部13は、圧電薄膜14と、第1の電極15と、第2の電極16とを有する。第1の電極15と第2の電極16とは、圧電薄膜14の一部の圧電薄膜層14aを挟むように設けられている。もっとも、第1,第2の電極15,16は圧電薄膜14中に埋設されている必要は必ずしもない。例えば、圧電薄膜14の上面及び下面に、第1,第2の電極15,16を形成してもよい。
 本実施形態のように、圧電薄膜14内に第1,第2の電極15,16を配置することにより、耐湿性などを高めることができる。また、圧電薄膜層14aを挟むように第1の電極15と第2の電極16を設けた構造では、その製造が容易である。加えて、第1の電極15と第2の電極16とによって作られる電界の方向を一方向にできる。従って、励振効率が高い励振部を構成することができる。
 上記圧電薄膜14を構成する圧電材料は特に限定されないが、バルク波を利用した振動装置では、Q値が高いことが好ましい。従って、電気機械結合係数kは小さいが、Q値が高いAlNが好適に用いられる。
 もっとも、ZnO、Sc置換AlN、PZT、KNNなどを用いてもよい。Sc置換AlN膜(ScAlN)は、ScとAlの原子濃度を100at%とした場合、Sc濃度が0.5at%から50at%程度であることが望ましい。
 ScAlNは、AlNよりも電気機械結合係数kが大きく、PZTやKNNよりも機械的なQmが大きい。従って、ScAlNは、本発明のような共振型振動子に適用すると、以下の利点がある。共振型振動子の用途として発振器がある。例えばTCXO(温度補償型発振器)では内蔵する温度センサの信号を、振動子と直列接続された可変容量素子にフィードバックし、可変容量素子の容量値を変化させる。それによって、発振周波数を調整することができる。この時、圧電薄膜としてAlNの代わりにScAlNを用いると、共振型振動子の比帯域が広がる。従って、発振周波数の調整範囲を広げることができる。
 同様にScAlNをVCXO(電圧制御発振器)に用いる場合は、発振周波数の調整範囲が広がる。従って、共振型振動子の初期の周波数ばらつきを可変容量素子で調整することができる。よって、周波数調整工程のコストが大幅に削減できる。
 第1,第2の電極15,16は、Mo、Ru、Pt、Ti、Cr、Al、Cu、Ag、Auまたはこれらの合金などの適宜の金属により形成することができる。
 圧電薄膜14は、厚み方向に分極している。従って、第1,第2の電極15,16間に交番電界を印加することにより、励振部13が圧電効果により励振される。その結果、音叉腕3~6は、Z方向に屈曲振動する。
 本実施形態では、4本の音叉腕3~6において、中央に位置している2本の音叉腕4,5と、両側に位置している3,6とが逆位相でZ方向に屈曲振動する。このような構成は、音叉腕3~6において、圧電薄膜層14aの分極方法を厚み方向において同一方向とし、音叉腕4,5を駆動するための交番電界の位相と、音叉腕3,6を駆動するための交番電界の位相を逆とすればよい。あるいは、音叉腕4,5における圧電薄膜層14aの分極方向と、音叉腕3,6の圧電薄膜層14aの分極方向を逆とし、音叉腕3~6に、同位相の交番電界を印加すれば良い。
 上記のように、本実施形態の振動装置1では、X方向において、中央に位置している音叉腕4,5と、両側に位置している音叉腕3,6とが逆位相で振動する。すなわち、一方の位相で振動する音叉腕3,6の数と、他方の位相で振動する音叉腕4,5の数が等しい。そのため、音叉腕3~6において、音叉腕の幅を大きくした場合であっても、kQの低下をさほど招くことなく、静電容量を高め得る。それによって、共振抵抗を十分に小さくすることができる。これを、図5及び図6を参照して説明する。
 以下の要領で、上記実施形態の振動装置と、音叉腕が3本である第1及び第2の比較例の振動装置を作製した。
 実施形態の振動装置:厚み10μmのSi層11上に厚み0.5μmの酸化ケイ素層12を形成した。基部2は、この積層構造を有し、音叉腕3~6においては、上面に0.8μmの厚みのAlNからなる圧電薄膜14と、該圧電薄膜14の両面にそれぞれ0.1μm、0.1μmの厚みのMoからなる電極を形成してなる励振部13を設けた。
 音叉腕3~6の長さは、650μm、幅は20μmとした。厚みは上記積層構造を有するため、約11.5μmとした。
 比較例1:音叉腕の数を3本としたことを除いては、上記実施形態と同様とした。
 比較例2:比較例1と同様に3本の音叉腕を設けた。もっとも、中央の音叉腕の幅を両側の音叉腕の幅の2倍とした。
 上記のようにして、3種類の振動装置を作製した。
 図5は、上記実施形態及び比較例1,2の振動装置におけるkQと比W/Tとの関係を示す図である。図6は、上記実施形態及び比較例1,2の振動装置における共振抵抗R1と、比W/Tとの関係を示す図である。なお、Wは音叉腕の幅を、Tは音叉腕の厚みを示す。
 図5から明らかなように、上記実施形態及び比較例2は、励振電極面積が大きいため、静電容量を大きくできる。このため、図6から明らかなように、共振抵抗の値を小さくできる。
 また、上記実施形態及び比較例2は、比較例1に比べて、kQを飛躍的に高めることができることがわかる。これは、Z方向への屈曲振動の駆動力がつりあい、励振効率が向上したためである。また、上記実施形態は、比較例2に対して全体的にkQが大きい。これは、音叉腕の数を4本としたことで閉じ込め効果が向上したためである。その結果、上記実施形態では、W/Tが0.5~4.8の範囲でkQを飛躍的に高めることができる。
 図6から明らかなように、共振抵抗60kΩを実現する場合、比較例1では、W/T=3.0、比較例2ではW/T=2.0、実施形態ではW/T=2.0とすればよいことがわかる。この場合、図5から明らかなように、各振動装置におけるkQは、比較例1では、22.2、比較例2では24.9、実施形態では25.2となることがわかる。
 従って、上記実施形態によれば、3本の音叉腕を有する比較例1,2に比べ、kQをさほど低下させることなく、共振抵抗を効果的に低め得ることがわかる。よって良好な振動特性が得られる。
 ここでは共振抵抗の設計値が60kΩの場合で調べた結果であるが、他の設計値で行っても同様の結果が得られる。
 例えば、共振抵抗40kΩを実現する場合、比較例1では、W/T=4.5、比較例2ではW/T=3.0、実施例ではW/T=3.0とすればよく、この場合の各振動装置におけるkQは、比較例1では21.6、比較例2では23.9、実施例では24.5となる。
 また、本実施形態の振動装置1では、酸化ケイ素層12の厚みをT2、Si層11の厚みをT1としたとき、酸化ケイ素層12の厚み比T2/(T1+T2)を特定の範囲として、周波数温度係数TCFの絶対値を効果的に低め得る。これを、図7を参照して説明する。図7の横軸は、酸化ケイ素層12が設けられていない振動装置におけるTCFである。ドーピング濃度に応じてSi層のTCFは特定の値となる。このTCFをxとする。他方、厚み比T2/(T1+T2)をyとする。
 図7においてプロットされている多くの点は、Si層11上に酸化ケイ素層12が設けられている上記実施形態において、周波数温度係数TCFが0である点である。曲線Bは、これらの点の座標をもとに近似により得られたものであり、y=-0.0002x-0.0136x+0.0014で表わされる。この曲線上に位置すれば、TCFを0とし得ることがわかる。
 本願発明者らの実験によれば、厚み比T2/(T1+T2)は、(-0.0002x-0.0136x+0.0014)±0.005の範囲内とすれば、周波数温度係数TCFを0±5ppm/℃の範囲内とし得ることが確かめられている。従って、好ましくは、酸化ケイ素層の厚み比T2/T1+T2をこの範囲内とすることが望ましい。
 第1の実施形態では、4本の音叉腕3~6が設けられており、その場合には、音叉腕の幅を大きくしたとしても、kQの低下をさほど招くことなく共振抵抗を効果的に抑制することができる。このような効果は、音叉腕の数が4本に限らず2N本(Nは2以上の整数)であればよい。すなわち、図1(a)に示す仮想線Aの一方側に、N本、他方側にN本の音叉腕が配置されており、一方側のN本の音叉腕と、他方側のN本の音叉腕の屈曲振動の位相が対称とされておればよい。なお、仮想線Aは、図1(a)のX方向において、音叉腕3~6が設けられている領域の中心を通り、かつY方向に延びる仮想線である。
 また、第1の実施形態においては、4本の音叉腕3~6のうち特定の音叉腕同士の間隔を制御することによって、効果的にkQを高めることができる。これを、図9及び図10を参照して具体的に説明する。
 図9は、本発明の第1の実施形態の変形例に係る振動装置の模式的平面図である。図9に示すように、両側に位置している音叉腕3,6と、該両側に位置している音叉腕3,6に隣り合い、かつ中央寄りに位置している音叉腕4,5との間隔をそれぞれWgoとした。また、中央寄りに位置している音叉腕4,5同士の間隔をWgiとした。
 図10は、上記Wgiの上記Wgoに対する比率Wgi/Wgoと、kQとの関係を示すグラフである。なお、図10において、比率Wgi/Wgoと、kQとの関係を求めるにあたっては、以下の要領で振動装置を作製した。
 厚み10μmのSi層11上に厚み1.5μmの酸化ケイ素層12を形成した。基部2は、この積層構造を有し、音叉腕3~6においては、上面に0.8μmの厚みのAlNからなる圧電薄膜14と、該圧電薄膜14の両面にそれぞれ0.1μm、0.1μmの厚みのMoからなる電極を形成してなる励振部13を設けた。
 音叉腕3~6の長さは650μmとした。また、両側に位置している音叉腕3,6の幅Wo及び中央寄りに位置している音叉腕4,5の幅Wiをいずれも30μmとした。すなわち、音叉腕3~6の幅Wは、いずれも30μmとした。厚みは上記積層構造を有するため、約12.5μmとした。
 図10から、Wgo/Wの値に関わらず、Wgi/Wgo≧0.5の領域において、kQが高められていることがわかる。特に、Wgi/Wgo≧1.0の領域においては、kQが安定的に高められていることがわかる。
 このように、第1の実施形態の変形例においては、Wgi/Wgo≧0.5とすることでkQを高めることができ、特にWgi/Wgo≧1.0とすることでkQを安定的に高めることができる。
 図2は第2の実施形態の振動装置を示す斜視図である。第2の実施形態の振動装置21は、音叉腕3~6の先端に質量付加部22がそれぞれ設けられていることを除いては第1の実施形態と同様である。従って、同一の部分については同一の参照番号を付与することにより、第1の実施形態の説明を援用することとする。質量付加部22は、本実施形態では、Si層11及び酸化ケイ素層12の積層構造の幅を、残りの音叉腕部分の幅よりも大きくすることにより構成されている。それによって、音叉腕の残りの部分のよりも大きな質量を付加することができる。
 このように、音叉腕3~6の先端に質量付加部22を設けることにより、共振周波数をより一層低めることができる。従って、振動装置の全体の小型化を図ることができる。
 なお、質量付加部22に代えて、音叉腕3~6の先端側部分、すなわち、基部2と連結されている側の端部と反対側の端部の幅を、基部2に連結されている側の端部の幅よりも大きくするだけでもよい。その場合にも共振周波数を低めることが可能である。
 また、本実施形態においては、音叉腕3~6の幅に対する、質量付加部22の幅の比率を特定の範囲に制御することにより、共振抵抗R1をより一層低く保ちながらkQを高めることができ、発振の安定性を効果的に高めることができる。これを、図11~図13を参照してより具体的に説明する。
 図11は、本発明の第2の実施形態に係る振動装置の模式的平面図である。図11に示すように、両側に位置している音叉腕3,6の幅をWoとし、中央寄りに位置している音叉腕4,5の幅をWiとした。また、両側に位置している音叉腕3,6の先端の質量付加部22の幅をWwoとし、中央寄りに位置している音叉腕4,5の先端の質量付加部22の幅をWwiとした。
 図12は、WwiのWiに対する比率Wwi/Wiと、kQとの関係を示すグラフであり、図13は、Wwi/Wiと、共振抵抗R1との関係を示すグラフである。なお、図12及び図13において、Wwi/Wiと、kQ又は共振抵抗R1との関係を求めるにあたっては、以下の要領で振動装置を作製した。
 厚み10μmのSi層11上に厚み1.5μmの酸化ケイ素層12を形成した。基部2は、この積層構造を有し、音叉腕3~6においては、上面に0.8μmの厚みのAlNからなる圧電薄膜14と、該圧電薄膜14の両面にそれぞれ0.1μm、0.1μmの厚みのMoからなる電極を形成してなる励振部13を設けた。また、音叉腕3~6の先端に長さ195μmの質量付加部22を設けた。
 図12及び図13においては、Wi=Wo=0.01mm又はWi=Wo=0.02mmとしたときのWwi/Wiと、kQ又は共振抵抗R1との関係を求めた。
 図12及び図13に示すように、1≦Wwi/Wi≦2の範囲においては、より一層効果的に共振抵抗R1が低められるとともに、kQが高められていることがわかる。
 このように、本実施形態では、WwiのWiに対する比率Wwi/Wiを、1≦Wwi/Wi≦2の範囲内とすることで、共振抵抗R1をより一層低く保ちながらkQを高めることができ、発振の安定性をより一層効果的に高めることができる。
 なお、上記実施形態では、Si層11の上面に酸化ケイ素層12が積層されていた。この場合の厚み比T2/(T1+T2)は、図3(a)に示すように、T2のT1とT2との合計に対する割合となる。
 もっとも、本発明においては、図3(a)の構造に限らない。Si層11の下面に酸化ケイ素層12が積層されていてもよい。この場合においても厚み比T2/(T1+T2)は、図3(b)に示すように、T2のT1とT2との合計に対する割合となる。
 さらに、本発明においては、Si層11及び酸化ケイ素層12は少なくとも一方が複数層積層されていてもよい。その場合には、T1及びT2は、複数の層の厚みの総和とすればよい。例えば、図4に示すように、Si層11の上面に酸化ケイ素層12aが積層されており、下面に酸化ケイ素層12bが積層されていてもよい。その場合には、T2=T2a+T2bとすればよい。すなわち、複数の酸化ケイ素層の厚みの総和をT2とすればよい。同様に、複数のSi層が積層されている場合には、複数のSi層の厚みの総和をT1とすればよい。
1…振動装置
2…基部
3~6…音叉腕
7…支持部
11…Si層
12,12a,12b…酸化ケイ素層
13…励振部
14…圧電薄膜
14a…圧電薄膜層
15…第1の電極
16…第2の電極
21…振動装置
22…質量付加部

Claims (7)

  1.  基部と、
     前記基部の一端が連ねられており、Y方向に延びる2N本の音叉腕とを備え、Nが2以上の整数であり、
     2N本の前記音叉腕が、前記Y方向と直交するX方向に並列されており、各音叉腕が前記X方向及び前記Y方向と直交するZ方向に屈曲振動するように構成されており、
     前記2N本の音叉腕が設けられている領域において前記X方向中心を通り、かつ前記Y方向に延びる仮想線に対して一方側のN本の音叉腕の屈曲振動の位相が、他方側のN本の音叉腕の屈曲振動の位相と対称とされている、振動装置。
  2.  前記Nが2であり、前記X方向において内側に位置している2本の音叉腕と、外側に位置している2本の音叉腕とが逆位相で屈曲振動する、請求項1に記載の振動装置。
  3.  前記音叉腕が、縮退半導体からなるSi層と、酸化ケイ素層と、圧電体層と、前記圧電体層に電圧を印加する第1,第2の電極とを含む、請求項1または2に記載の振動装置。
  4.  前記Si層が、n型ドーピング材によりドーピングされている、請求項3に記載の振動装置。
  5.  前記ドーピング材がリン(P)である、請求項4に記載の振動装置。
  6.  前記各音叉腕の前記基部に接続されている側の端部とは反対側の端部の幅が、前記基部と接続されている側の端部の幅よりも大きい、請求項1~5に記載のいずれか一項に記載の振動装置。
  7.  前記各音叉腕の前記基部と接続されている側の端部とは反対側の端部に、残りの部分よりも幅の大きい質量付加部が設けられている、請求項6に記載の振動装置。
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