WO2016052260A1 - 共振装置 - Google Patents

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WO2016052260A1
WO2016052260A1 PCT/JP2015/076690 JP2015076690W WO2016052260A1 WO 2016052260 A1 WO2016052260 A1 WO 2016052260A1 JP 2015076690 W JP2015076690 W JP 2015076690W WO 2016052260 A1 WO2016052260 A1 WO 2016052260A1
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lower substrate
resonance device
upper substrate
protrusion
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後藤　雄一
和香奈 廣田
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株式会社村田製作所
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    • H03H2009/02291—Beams
    • H03H2009/02299—Comb-like, i.e. the beam comprising a plurality of fingers or protrusions along its length

Definitions

  • the present invention relates to a resonance device in which a plurality of vibrating arms vibrate in an out-of-plane bending vibration mode.
  • a resonance apparatus using a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology is used as a timing device, for example.
  • This resonance device is mounted on a printed circuit board incorporated in an electronic device such as a smartphone.
  • the resonance device includes a lower substrate, an upper substrate that forms a cavity between the lower substrate, and a resonator that is disposed in the cavity between the lower substrate and the upper substrate.
  • the resonator includes a base portion that extends into the cavity formed between the lower substrate and the upper substrate, and a plurality of vibrating arms that extend in parallel in the cavity from the fixed end connected to one end of the base portion toward the free end; It has.
  • Each vibrating arm vibrates in the vertical direction toward the lower substrate or the upper substrate according to the direction of the applied electric field.
  • an electric field in a reverse direction is applied to one central vibrating arm and two outer vibrating arms on both sides, so that the central vibrating arm and the two outer vibrations are vibrated.
  • the arms vibrate in opposite phases.
  • the resonance device With the recent miniaturization of electronic devices, it is required to reduce the size of the resonance device. Therefore, for example, it is required to reduce the thickness of the resonance device defined in the above-described vertical direction to realize a reduction in thickness. Therefore, it is conceivable to reduce the thickness of the lower substrate and the upper substrate in order to reduce the thickness of the resonance device while sufficiently securing the vibration space of the vibrating arm.
  • a reduction in the thickness of the substrate causes a decrease in the rigidity of the substrate, and it is assumed that the substrate is deformed such as warping or that the substrate is damaged by an impact when the electronic device is dropped.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to reduce the thickness and reduce deformation and breakage of the resonance device.
  • a resonance apparatus includes a lower substrate, an upper substrate that forms a vibration space between the lower substrate, and a protrusion that is formed on the lower substrate or the inner surface of the upper substrate and protrudes into the vibration space.
  • a resonator disposed in the vibration space, and a plurality of vibrating arms extending in parallel from the base along the inner surface of the lower substrate or the upper substrate and vibrating in a vertical direction toward the inner surface And a resonator having.
  • the resonance device can be thinned and can be prevented from being deformed or damaged.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing an appearance of a resonance device according to a first embodiment of the present invention.
  • 1 is an exploded perspective view schematically showing a structure of a resonance device according to a first embodiment of the present invention. It is a top view of the resonance apparatus concerning a 1st embodiment of the present invention which removed the upper substrate.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line 4-4 of FIG. It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the resonance apparatus which concerns on 1st Embodiment of this invention. It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the resonance apparatus which concerns on 1st Embodiment of this invention.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing an appearance of a resonance device 10 according to the first embodiment of the present invention.
  • the resonance device 10 includes a lower substrate 11, an upper substrate 12 that forms a vibration space between the lower substrate 11, and a resonator 13 that is sandwiched and held between the lower substrate 11 and the upper substrate 12.
  • the resonator 13 is a MEMS vibrator manufactured using MEMS technology.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view schematically showing the structure of the resonance device 10 according to the first embodiment of the present invention.
  • the resonator 13 includes a support frame 14 that extends in a rectangular frame shape along the XY plane in the orthogonal coordinate system of FIG. 2, and an end of the support frame 14 that extends from the end of the support frame 14 into the support frame 14 along the XY plane.
  • a plurality of vibrating arms 16a to 16d extending along the XY plane from a fixed end connected to one end of the base 15 toward the free end.
  • four vibrating arms 16a to 16d extend in parallel to the Y axis.
  • the number of vibrating arms is not limited to four, and is set to an arbitrary number of four or more, for example.
  • FIG. 3 is a plan view of the resonance device 10 with the upper substrate 12 removed.
  • the vibrating arms 16a to 16d are formed in a prismatic shape and have the same size.
  • the interval W1 defined in the X-axis direction between the inner two vibrating arms 16b and 16c arranged between the outer two vibrating arms 16a and 16d in the X-axis direction is: It is set larger than the interval W2 defined in the X-axis direction between the outer vibrating arm 16a (16d) and the inner vibrating arm 16b (16c) adjacent to the outer vibrating arm 16a (16d).
  • the lower substrate 11 includes a flat bottom plate 17 extending along the XY plane, and a side wall 18 rising from the peripheral edge of the bottom plate 17 in the Z-axis direction.
  • a recess 19 is formed by the inner surface of the lower substrate 11, that is, the surface of the bottom plate 17 and the inner surface of the side wall 18.
  • the recess 19 forms part of the vibration space of the vibrating arms 16a to 16d.
  • a protrusion 20 that protrudes into the vibration space is formed on the surface of the bottom plate 17 in the recess 19.
  • the protrusion 20 is formed on the bottom plate 17 at a position facing the gap between the inner vibrating arms 16b and 16c.
  • the projecting portion 20 is formed in a prismatic shape extending in parallel with each of the vibrating arms 16a to 16d.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line 4-4 of FIG.
  • the support frame 14 of the resonator 13 is received on the side wall 18 of the lower substrate 11, and the upper substrate 12 covers the resonator 13.
  • the resonator 13 is held between the lower substrate 11 and the upper substrate 12, and the vibration spaces of the vibrating arms 16a to 16d are formed by the lower substrate 11, the upper substrate 12, and the support frame 14 of the resonator 13. .
  • This vibration space is kept airtight and a vacuum state is maintained.
  • the upper substrate 12 is formed in a flat plate shape, for example.
  • the bottom plate 17, the side wall 18, and the protrusion 20 of the lower substrate 11 are integrally formed from Si (silicon).
  • a silicon oxide (for example, SiO 2 (silicon dioxide)) film 21 is formed on the upper surface of the side wall 18 and the protrusion 20, and the silicon oxide film 21 is formed on the lower substrate 11 and the support frame 14 of the resonator 13. Used for joining between.
  • the thickness of the lower substrate 11 defined in the Z-axis direction is set to 150 ⁇ m, for example, and the depth of the recess 19 is set to 50 ⁇ m, for example.
  • the length defined in the Y-axis direction of the protrusion 20 is set to about 400 ⁇ m
  • the width defined in the X-axis direction is set to about 20 ⁇ m
  • the height defined in the Z-axis direction is set to about 50 ⁇ m, for example.
  • the support frame 14, the base portion 15, and the vibrating arms 16 a to 16 d are formed from a Si (silicon) layer 22 and an AlN (aluminum nitride) layer 23 stacked on the Si layer 22.
  • the Si layer 22 is formed of an n-type Si semiconductor that is a degenerate semiconductor, and can contain P (phosphorus), As (arsenic), Sb (antimony), or the like as an n-type dopant.
  • the length defined in the Y-axis direction is set to, for example, about 500 ⁇ m
  • the width defined in the X-axis direction for example, about 50 ⁇ m
  • the thickness defined in the Z-axis direction for example, set to about 6 ⁇ m.
  • the interval W1 between the inner vibrating arms 16b and 16c is set to about 30 ⁇ m, for example.
  • Each of the vibrating arms 16a to 16d includes first and second Mo (molybdenum) layers 24 and 25 formed so as to sandwich the AlN layer 23 between the upper and lower surfaces of the AlN layer 23 described above.
  • the first and second Mo layers 24 and 25 form first and second electrodes.
  • the first and second Mo layers 24 and 25 are connected to, for example, an AC power supply (not shown) provided outside the resonator 13.
  • an electrode (not shown) formed on the outer surface of the upper substrate 12 or a through silicon via (TSV) (not shown) formed in the upper substrate 12 is used.
  • TSV through silicon via
  • the AlN layer 23 is a piezoelectric film that converts an applied voltage into vibration.
  • a scandium aluminum nitride layer that is an AlN layer in which a part of Al is replaced with Sc may be used.
  • the AlN layer 23 expands and contracts in the in-plane direction of the XY plane, that is, the Y-axis direction, according to the electric field applied to the AlN layer 23 by the first and second Mo layers 24 and 25. Due to the expansion and contraction of the AlN layer 23, the vibrating arms 16a to 16d are bent and displaced in the direction perpendicular to the XY plane (Z-axis direction). That is, the vibrating arms 16a to 16d displace their free ends toward the inner surfaces of the lower substrate 11 and the upper substrate 12, and vibrate in an out-of-plane bending vibration mode.
  • the phase of the electric field applied to the outer vibrating arms 16a and 16d is opposite to the phase of the electric field applied to the inner vibrating arms 16b and 16c.
  • the outer vibrating arms 16a and 16d and the inner vibrating arms 16b and 16c are displaced in directions opposite to each other.
  • the inner vibrating arms 16 b and 16 c displace the free ends toward the inner surface of the lower substrate 11.
  • the upper substrate 12 is made of flat Si (silicon) having a predetermined thickness extending along the XY plane. As is clear from FIG. 4, the upper substrate 12 is received on the support frame 14 of the resonator 13 at the periphery. In this manner, the upper substrate 12 supports the resonator 13 by sandwiching the support frame 14 of the resonator 13 between the upper substrate 12 and the lower substrate 11. An Au (gold) film 26 and an Sn (tin) film 27 for joining the upper substrate 12 and the support frame 14 are sandwiched between the peripheral edge portion of the upper substrate 12 and the support frame 14.
  • the protrusion 20 protruding into the vibration space is formed on the inner surface of the lower substrate 11. Since the rigidity of the lower substrate 11 can be increased by the protrusions 20, even if the thickness of the lower substrate 11 is reduced in realizing the thinning of the resonance device 10, the rigidity of the lower substrate 11 is the same as before. Or more than ever. Accordingly, it is possible to prevent the lower substrate 11 from being warped and to prevent the lower substrate 11 from being damaged due to a drop of an electronic device in which the resonance device 10 is incorporated.
  • the protrusion 20 is formed on the inner surface of the lower substrate 11 facing the gap between the inner vibrating arms 16b and 16c, it does not hinder the vibration of the vibrating arms 16a to 16d. As a result, the vibration amplitude of the vibrating arms 16a to 16b can be ensured as before.
  • the vibration space of the vibrating arms 16a to 16d is increased in the vertical direction by forming the concave portion 19 in the lower substrate 11, the vibration arms 16a to 16d and the vibrating arms 16a to 16d Contact between the lower substrate 11 and the upper substrate 12 can be prevented. Therefore, stable vibration of the vibrating arms 16a to 16d can be realized.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining the method for manufacturing the resonance device 10 according to the first embodiment of the present invention.
  • a flat Si substrate 31 is prepared.
  • a recess 19 having a predetermined depth is formed on the flat upper surface of the Si substrate 31 by etching, for example.
  • the protrusion 20 is formed simultaneously with the formation of the recess 19, and the lower substrate 11 is formed.
  • the height of the protrusion 20 from the upper surface of the bottom plate 17 matches the height of the side wall 18 from the upper surface of the bottom plate 17.
  • a bonding silicon oxide film 21 is patterned on the upper surface of the side wall 18 and the upper surface of the protruding portion 20.
  • a flat plate-like degenerated Si substrate 32 is bonded onto the silicon oxide film 21 by eutectic crystal, for example.
  • a first Mo film 33, an AlN film 34, and a second Mo film 35 are sequentially formed on the degenerated Si substrate 32 by sputtering, for example.
  • the first Mo film 33 and the second Mo film 35 do not need to be formed on the entire upper surface of the degenerated Si substrate 32, and are formed only in a region including the positions where the first and second electrodes are formed, for example.
  • the degenerated Si substrate 32, the first Mo film 33, the AlN film 34, and the second Mo film 35 are dry-etched or wet-etched, for example, so that the above-described support frame 14, base 15 and The shapes of the vibrating arms 16a to 16d are formed.
  • the resonator 13 supported by the support frame 14 is formed on the side wall 18 of the lower substrate 11.
  • a bonding Au film 26 is formed on the upper surface of the support frame 14 that is a bonding portion with the upper substrate 12.
  • the upper substrate 12 is prepared.
  • an Sn film 27 is formed in advance at the junction between the upper substrate 12 and the support frame 14 by sputtering, for example.
  • the upper substrate 12 is bonded to the support frame 14.
  • vibration spaces of the vibrating arms 16a to 16d are formed by the lower substrate 11, the resonator 13, and the upper substrate 12.
  • the vibration space is kept airtight in a vacuum state. In this way, the resonance device 10 is manufactured.
  • the inventors verified the relationship between the distances W1 and W2 between the vibrating arms 16a to 16d adjacent to each other and k 2 Q representing the vibration performance.
  • the thickness of the Si layer 22 was set to 10 ⁇ m
  • the thickness of the first and second Mo layers 24 and 25 was set to 0.1 ⁇ m
  • the thickness of the AlN layer 23 was set to 0.8 ⁇ m.
  • a silicon oxide layer having a thickness of 1.5 ⁇ m was formed on the Si layer 22. 3
  • the length of the vibrating arms 16a to 16d defined in the Y-axis direction is set to 650 ⁇ m
  • the width W of each vibrating arm 16a to 16d defined in the X-axis direction is set to 30 ⁇ m.
  • the interval W1 is set to be larger than the interval W2, so that the vibration performance is relatively improved.
  • the width of the resonance device 10 defined in the X-axis direction increases.
  • the widths of the lower substrate 11 and the upper substrate 12 are increased and the rigidity of the lower substrate 11 and the upper substrate 12 is reduced.
  • the present invention is particularly useful for solving the problems caused by the lowering of the rigidity of the lower substrate 11 and the upper substrate 12.
  • FIG. 8 is a plan view schematically showing the structure of the resonance device 10 according to the second embodiment of the present invention.
  • the protrusion 20 is formed so as to extend in the Y-axis direction on the inner surface of the lower substrate 11 facing the gap between the inner vibrating arms 16b and 16c, as in the first embodiment. It is the same.
  • one end of the protrusion 20 is connected to the side wall 18 at one end of the lower substrate 11. According to such a configuration, the rigidity of the lower substrate 11 can be further enhanced by the connection between the protruding portion 20 and the side wall 18.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the resonance device 10 according to the third embodiment of the present invention.
  • a protrusion 40 may be further formed on the inner surface of the upper substrate 12 in addition to the protrusion 20 of the lower substrate 11. Similar to the protrusion 20, the protrusion 40 is formed in a prismatic shape extending in the Y-axis direction.
  • the protrusion 40 is formed on the upper substrate 12 at a position facing the protrusion 20, and the protrusion 40 is connected to the protrusion 20. Accordingly, the protrusion 40 enters the gap between the inner vibrating arms 16b and 16c.
  • the protrusion 20 and the protrusion 40 are bonded by the bonding Au film 26 and Sn film 27.
  • the rigidity of the substrate can be further increased.
  • the protrusion 20 and the protrusion 40 do not need to be formed at positions that completely face each other in the Z-axis direction, and may be partly joined to face each other at a shifted position. Further, the protruding portion 20 and the protruding portion 40 do not necessarily have to be formed at positions facing each other.
  • the protrusion 40 of the upper substrate 12 is formed integrally with Si on a flat plate.
  • the protrusion 40 may be formed on the inner surface of the upper substrate 12 by, for example, silicon oxide.
  • the protrusion 40 may be formed from the same material as that of the upper substrate 12 or may be formed from a different material.
  • the protrusions 20 of the lower substrate 11 may be omitted, and the protrusions 40 may be formed only on the upper substrate 12. At this time, the protrusion 40 may be bonded to the inner surface of the lower substrate 11, for example.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the resonance device 10 according to the fifth embodiment of the present invention.
  • the recess 41 is formed on the inner surface of the upper substrate 12 in the third embodiment. It is different from the structure.
  • the upper substrate 12 includes a flat bottom plate 42 that extends along the XY plane, and side walls 43 that rise from the peripheral edge of the bottom plate 42. The surface of the bottom plate 42 corresponds to the inner surface of the upper substrate 12.
  • the vibration space of the vibrating arms 16a to 16d can be further increased in the vertical direction. Can do. As a result, contact between the vibrating arms 16a to 16d and the lower substrate 11 and the upper substrate 12 can be prevented even if the vibration amplitude of the vibrating arms 16a to 16d is increased. Therefore, stable vibration of the vibrating arms 16a to 16d can be realized.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the resonance device 10 according to the sixth embodiment of the present invention.
  • the protrusion 20 is connected to the inner surface of the upper substrate 12.
  • This protrusion 20 is formed by leaving the degenerated Si substrate 32, the first Mo film 33, the AlN film 34, and the second Mo film 35 on the formation position of the protrusion 20 of the lower substrate 11 by etching.
  • the protrusion 20 is connected to the upper substrate 12 by the Au film 26 and the Sn film 27. According to such a configuration, since the lower substrate 11 and the upper substrate 12 are connected by the protrusions 20, the rigidity of the substrate can be further increased.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the resonance device 10 according to the seventh embodiment of the present invention.
  • the intervals between the vibrating arms 16a to 16d are all formed to be equal (for example, about 30 ⁇ m), and the protruding portions 20A to 20C similar to the protruding portion 20 of the sixth embodiment are provided to the vibrating arms 16a to 16d. Formed at intervals.
  • the protrusion 20 ⁇ / b> A is formed on the bottom plate 17 at a position facing the space between the outer vibrating arm 16 a and the inner vibrating arm 16 b and is connected to the inner surface of the upper substrate 12.
  • the protrusion 20 ⁇ / b> B is formed on the bottom plate 17 at a position facing the space between the inner vibrating arms 16 b and 16 c and connected to the inner surface of the upper substrate 12.
  • the protruding portion 20 ⁇ / b> C is formed on the bottom plate 17 at a position facing the space between the outer vibrating arm 16 d and the inner vibrating arm 16 c and connected to the inner surface of the upper substrate 12.
  • each embodiment described above is for facilitating understanding of the present invention, and is not intended to limit the present invention.
  • the present invention can be changed / improved without departing from the spirit thereof, and the present invention includes equivalents thereof.
  • those obtained by appropriately modifying the design of each embodiment by those skilled in the art are also included in the scope of the present invention as long as they include the features of the present invention.
  • each element included in each embodiment and its arrangement, material, condition, shape, size, and the like are not limited to those illustrated, and can be changed as appropriate.
  • each element included in each embodiment can be combined as much as technically possible, and combinations thereof are included in the scope of the present invention as long as they include the features of the present invention.

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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

共振装置
　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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