WO2019211926A1 - 共振子及び共振装置 - Google Patents

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WO2019211926A1
WO2019211926A1 PCT/JP2018/047346 JP2018047346W WO2019211926A1 WO 2019211926 A1 WO2019211926 A1 WO 2019211926A1 JP 2018047346 W JP2018047346 W JP 2018047346W WO 2019211926 A1 WO2019211926 A1 WO 2019211926A1
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vibrating
vibrating arms
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PCT/JP2018/047346
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河合 良太
西村 俊雄
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株式会社村田製作所
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    • H03H9/02448Means for compensation or elimination of undesired effects of temperature influence

Definitions

  • the present invention relates to a resonator and a resonance device.
  • a resonator such as a piezoelectric vibrator is used as a device for realizing a timekeeping function in an electronic device.
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • Patent Document 1 discloses a resonator having three vibrating arms in which a lower electrode, a piezoelectric film, and an upper electrode are formed in this order on a Si (silicon) substrate.
  • an electrode or a piezoelectric film is usually formed on a Si substrate and then patterned (released) by etching or the like. At this time, the wider the release width (ie, the width removed by etching), the faster the etching rate.
  • the etching rate affects not only the thickness direction but also the horizontal etching amount.
  • the width between the outer edge of the vibrating arm and the outer edge of the electrode is constant regardless of the release width. In this case, since the piezoelectric film is etched more in the portion having the wide release width than in the narrow portion, the electrodes may be short-circuited. Even when the upper electrode is covered with the protective film, the protective film is removed in the same manner where the release width is wide, so that the upper electrode is exposed.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to prevent a short circuit of an electrode due to etching in a resonator.
  • a resonator includes a substrate having a main surface, a lower electrode formed on the main surface of the substrate, a piezoelectric film formed on the lower electrode, and an upper electrode formed on the piezoelectric film. And an opening having different widths in the first direction in a plan view of the main surface of the substrate.
  • the upper electrode is provided with a gap along the first direction from the outer edge of the substrate, and the gap length of the region where the width of the opening groove is large is provided.
  • the opening groove was formed to be larger than the gap length in the region where the width was small.
  • 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.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the resonance device taken along line AA ′ of FIG. 2. It is a top view of the resonator which concerns on 1st Embodiment of this invention which removed the upper cover. It is a photograph of the section of a vibrating arm. It is a graph which shows the relationship between release width and etching amount.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a plurality of vibrating arms along the line DD ′ in FIG. 4.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view of the vibrating arm along the line EE ′ in FIG. 13.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view of the vibrating arm along the line FF ′ in FIG. 13.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing the appearance of the resonance device 1 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view schematically showing the structure of the resonance device 1 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the resonance device 1 taken along the line AA ′ in FIG.
  • the resonance device 1 includes a resonator 10 and an upper lid 30 and a lower lid 20 provided to face each other with the resonator 10 interposed therebetween. That is, the resonance device 1 is configured by stacking the lower lid 20, the resonator 10, and the upper lid 30 in this order.
  • the resonator 10 is sealed by joining the resonator 10 and the lower lid 20 and joining the resonator 10 and the upper lid 30, thereby forming a vibration space of the resonator 10.
  • the resonator 10, the lower lid 20, and the upper lid 30 are each formed using a Si (silicon) substrate.
  • the Si substrates of the resonator 10 and the lower lid 20 are bonded to each other, and the Si substrates of the resonator 10 and the upper lid 30 are bonded to each other.
  • the resonator 10 and the lower lid 20 may be formed using an SOI substrate. Note that the lower lid 20 and the upper lid 30 may be joined to each other, and the resonator 10 may be stored inside a vibration space formed by the lower lid 20 and the upper lid 30.
  • the resonator 10 is a MEMS resonator manufactured using MEMS technology.
  • the resonator 10 is described as an example formed using a Si substrate.
  • a surface facing the resonator 10 is a front surface, and a surface facing the surface is a back surface.
  • a surface facing the resonator 10 is a back surface, and a surface facing the back surface is a surface.
  • a surface facing the lower lid 20 is a back surface
  • a surface facing the upper lid 30 is a surface.
  • a surface facing each lower lid 20 is a back surface
  • a surface facing each upper lid 30 is a surface.
  • the direction from the lower lid 20 toward the upper lid 30 is the upper side, and the opposite direction is the lower side.
  • the upper lid 30 extends in a flat plate shape along the XY plane, and a flat rectangular parallelepiped concave portion 31 is formed on the back side thereof.
  • the recess 31 is surrounded by the side wall 33 and the bottom plate 32 and forms part of a vibration space that is a space in which the resonator 10 vibrates.
  • the upper lid 30 is formed of a Si (silicon) wafer S1 having a predetermined thickness.
  • the upper lid 30 has a rectangular flat plate-like bottom plate 32 provided along the XY plane, and side walls 33 extending from the peripheral edge of the bottom plate 32 toward the lower lid 20 (resonator 10).
  • the upper lid 30 is bonded to the holding portion 140 of the resonator 10 by a bonding layer 40 described later by the back surface of the side wall 33.
  • the front and back surfaces of the upper lid 30 are preferably covered with a silicon oxide film (not shown).
  • the silicon oxide film is formed on the surface of the Si wafer S1 by, for example, oxidation of the surface of the Si wafer S1 or chemical vapor deposition (CVD: “Chemical Vapor Deposition”).
  • terminals are formed on the surface of the upper lid 30.
  • a through-hole formed in the upper lid 30 is filled with a conductive material such as impurity-doped polycrystalline silicon (Poly-Si), Cu (copper), Au (gold), or impurity-doped single crystal silicon. It is formed.
  • the terminal is connected to a wiring that electrically connects the external power supply and the resonator 10.
  • the terminal may be formed on the back surface of the lower lid 20 or on the side surface of the upper lid 30 or the lower lid 20.
  • the lower lid 20 includes a rectangular flat plate-like bottom plate 22 provided along the XY plane, and side walls 23 extending from the peripheral edge of the bottom plate 22 toward the upper lid 30 (resonator 10).
  • the lower lid 20 is provided with a concave portion 21 formed by the surface of the bottom plate 22 and the inner surface of the side wall 23 on the front surface side.
  • the recess 21 forms part of the vibration space of the resonator 10.
  • the vibration space is hermetically sealed by the upper lid 30 and the lower lid 20 described above, and a vacuum state is maintained.
  • the vibration space may be filled with a gas such as an inert gas.
  • the bottom plate 22 and the side wall 23 of the lower lid 20 are integrally formed of a Si (silicon) wafer S2 having a predetermined thickness.
  • the lower lid 20 is joined to the holding part 140 of the resonator 10 by the surface of the side wall 23.
  • the thickness of the lower lid 20 defined in the Z-axis direction is, for example, 150 ⁇ m, and the depth of the recess 21 defined in the Z-axis direction is, for example, 50 ⁇ m.
  • the Si wafer S2 is made of non-degenerate silicon and has a resistivity of, for example, 16 m ⁇ ⁇ cm or more.
  • FIG. 4 is a plan view schematically showing the structure of the resonator 10 according to the present embodiment.
  • the resonator 10 includes a vibrating unit 120, a holding unit 140, and a holding arm 110.
  • the vibration part 120 has a base part 130, a fixed end connected to the base part 130 and an open end provided away from the base part 130, and a plurality of vibrating arms 135A to 135D extending from the fixed end to the open end. (Hereinafter collectively referred to as “a plurality of vibrating arms 135”).
  • metal layers E21 to E24 are formed in the vibration unit 120.
  • the metal layers E21 to E24 formed on the plurality of vibrating arms 135 are also specifically referred to as upper electrodes E21 to E24.
  • the wirings and terminals for electrically connecting the upper electrodes E21 to E24 to an external drive power supply are not shown.
  • the laminated structure of the resonator 10 will be described with reference to FIG.
  • the holding unit 140, the base 130, the plurality of vibrating arms 135, and the holding arm 110 are integrally formed by the same process.
  • a metal layer E1 (an example of a lower electrode) is first laminated on a Si (silicon) substrate F2.
  • a piezoelectric thin film F3 (which is an example of a piezoelectric film) is laminated on the metal layer E1 so as to cover the metal layer E1, and the metal layers E21 to E21 are formed on the surface of the piezoelectric thin film F3.
  • E24 is laminated.
  • a protective film 235 is laminated on the metal layers E21 to E24 so as to cover the metal layers E21 to E24.
  • a conductive film 236 is further laminated on the protective film 235 at the tip (weight part G described later) of each of the plurality of vibrating arms 135.
  • the pair of end portions opposed to each other in the X-axis direction of the upper electrode E21 provided on the weight portion G are positioned inside the conductive film 236 of the vibrating arm 135A. ing.
  • the metal layers E21 to E24 extend to the tips of the plurality of vibrating arms 135 (see FIG.
  • the Si substrate F2 itself can also serve as the lower electrode, and therefore the metal layer E1 can be omitted. Further, an arbitrary layer may be formed between the Si substrate F2 and the metal layer E1.
  • the Si substrate F2 is formed of, for example, a degenerate n-type Si semiconductor having a thickness of about 6 ⁇ m, and can include P (phosphorus), As (arsenic), Sb (antimony), and the like as n-type dopants.
  • the rotation angle formed by the [100] crystal axis of the plurality of vibrating arms 135 and the Si substrate F2 composed of the n-type Si semiconductor or an equivalent crystal axis is greater than 0 degree and not more than 15 degrees (or 0 degree). It may be 15 degrees or less), or is preferably in the range of 75 degrees or more and 90 degrees or less.
  • the rotation angle means an angle in a direction in which the holding arm 110 extends with respect to a line segment along the [100] crystal axis of the Si substrate F2 or a crystal axis equivalent thereto.
  • the resistance value of degenerate Si used for the Si substrate F2 is, for example, less than 1.6 m ⁇ ⁇ cm, and more preferably 1.2 m ⁇ ⁇ cm or less.
  • a silicon oxide (for example, SiO 2 ) layer F21 corresponding to the temperature characteristic correction layer is formed on the lower surface of the Si substrate F2. This makes it possible to improve temperature characteristics.
  • the temperature characteristic correction layer refers to a layer having a function of reducing the temperature coefficient of the frequency in the vibration unit 120 (that is, the rate of change per temperature) at least near normal temperature.
  • the vibration unit 120 includes the silicon oxide layer F21 corresponding to the temperature characteristic correction layer, for example, the resonance of the laminated structure including the Si substrate F2, the metal layers E1 and E2, the piezoelectric thin film F3, and the silicon oxide layer F21. A change in frequency with temperature can be reduced.
  • the silicon oxide layer F21 is desirably formed with a uniform thickness.
  • uniform thickness means that the dispersion
  • the silicon oxide layer F21 may be formed on the upper surface of the Si substrate F2, or may be formed on both the upper surface and the lower surface of the Si substrate F2. In the holding unit 140, the silicon oxide layer F21 may not be formed on the lower surface of the Si substrate F2.
  • the metal layers E21 to E24, E1 are formed using, for example, Mo (molybdenum), aluminum (Al) or the like having a thickness of about 0.1 to 0.2 ⁇ m.
  • the metal layers E21 to E24, E1 are formed in a desired shape by etching or the like.
  • the metal layer E1 is, for example, the lower electrode formed so as to function as a float electrode or a grounded ground electrode electrically isolated from an application electrode to which a voltage is applied or other electrodes in the vibration unit 120. .
  • the lower electrode is a float electrode.
  • the metal layer E1 is a lower wiring for electrically connecting a lower electrode (applied electrode) to an AC power source provided outside the resonator 10, or a ground. Are formed so as to function as a lower wiring for electrically connecting the lower electrode (ground electrode).
  • the metal layers E21 to E24 are formed so as to function as an upper electrode in the vibration part 120. Further, the metal layers E21 to E24 function as upper wirings for electrically connecting the upper electrode to a circuit or an AC power supply provided outside the resonator 10 in the holding arm 110 and the holding unit 140. It is formed.
  • an extraction electrode is formed at the junction between the upper lid 30 and the resonator 10, and the extraction electrode is connected to the inside and outside of the resonance device 1.
  • a via is formed in the upper lid 30, a via electrode is provided by filling the inside of the via with a conductive material, and the via electrode electrically connects the inside and the outside of the resonance device 1.
  • a connecting configuration may be used.
  • Such electrical connection using the lead electrode and via electrode can be similarly applied to electrical connection from an external circuit or an AC power source to the upper wiring.
  • the functions of the metal layer E1 and the metal layer E2 may be interchanged. That is, the metal layer E2 (upper electrode) may be electrically connected to an external AC power source or ground, and the metal layer E1 (lower electrode) may be electrically connected to an external circuit or AC power source.
  • the piezoelectric thin film F3 is a piezoelectric thin film that converts an applied voltage into vibration, and can be mainly composed of a nitride or oxide such as AlN (aluminum nitride). Specifically, the piezoelectric thin film F3 can be formed of ScAlN (scandium aluminum nitride). ScAlN is obtained by replacing a part of aluminum in aluminum nitride with scandium.
  • the thickness of the piezoelectric thin film F3 is, for example, about 1 ⁇ m, but may be about 0.2 ⁇ m to 2 ⁇ m.
  • the piezoelectric thin film F3 has a shape that gradually narrows from the metal layer E1 toward the metal layers E21 to E24 due to the influence of etching when releasing the plurality of vibrating arms 135.
  • the release width W6 between the weight portions G of the inner vibrating arms 135B and 135C adjacent to each other, or the release width W4 between the weight portion G of the outer vibrating arm 135A (135D) and the holding portion 140 As the value increases, the inclination from the metal layer E1 to the metal layers E21 to E24 in the piezoelectric thin film F3 increases.
  • the release width W6 is larger than the release widths W4 and W5, the end of the vibrating arm 135B on the vibrating arm 135C side (that is, the side facing the release width W6) and the vibrating arm 135B side of the vibrating arm 135C.
  • the inclination of the end portion (that is, the side facing the release width W6) is the end portion on the opposite side (that is, the side facing the release width W5) and both end portions of the vibrating arms 135A and 135D (facing the release width W4).
  • the slope is larger than the side and the side facing the release width W5.
  • the protective film 235 is an insulating layer and is formed of a material whose mass reduction rate by etching is slower than that of the conductive film 236.
  • the protective film 235 is formed of a nitride film such as AlN or SiN, or an oxide film such as Ta 2 O 5 (tantalum pentoxide) or SiO 2 .
  • the mass reduction rate is represented by the product of the etching rate (thickness removed per unit time) and the density.
  • the thickness of the protective film 235 is less than half the thickness of the piezoelectric thin film F3 (C-axis direction), and is about 0.2 ⁇ m in this embodiment, for example.
  • a more preferable thickness of the protective film 235 is about one quarter of the thickness of the piezoelectric thin film F3. Furthermore, when the protective film 235 is formed of a piezoelectric material such as AlN, it is preferable to use a piezoelectric material having the same orientation as the piezoelectric thin film F3.
  • the conductive film 236 is a conductor layer, and is formed of a material whose mass reduction rate by etching is faster than that of the protective film 235.
  • the conductive film 236 is formed of a metal such as molybdenum (Mo), tungsten (W), gold (Au), platinum (Pt), nickel (Ni), aluminum (Al), or titanium (Ti), for example.
  • the protective film 235 and the conductive film 236 can have any relationship in the etching rate as long as the relationship in mass reduction rate is as described above.
  • the conductive film 236 is formed on substantially the entire surface of the vibration part 120 and then formed only in a predetermined region by processing such as etching.
  • Etching of the protective film 235 and the conductive film 236 is performed, for example, by simultaneously irradiating the protective film 235 and the conductive film 236 with an ion beam (for example, an argon (Ar) ion beam).
  • the ion beam can be irradiated over a wider range than the resonator 10.
  • an example is shown in which etching is performed using an ion beam, but the etching method is not limited to that using an ion beam.
  • the vibration unit 120 has a comb-shaped outline extending along the XY plane in the orthogonal coordinate system of FIG.
  • the vibrating unit 120 is provided inside the holding unit 140, and a space is formed between the vibrating unit 120 and the holding unit 140 at a predetermined interval.
  • the vibration unit 120 includes a base 130 and four vibration arms 135A to 135D.
  • the number of vibrating arms is not limited to four, and is set to an arbitrary number of one or more, for example.
  • the plurality of vibrating arms 135 and the base 130 are integrally formed.
  • the base 130 has long sides 131a and 131b extending along the X-axis direction and short sides 131c and 131d extending along the Y-axis direction in plan view.
  • the long side 131a is one side of the front end surface 131A (hereinafter also referred to as “front end 131A”) of the base 130
  • the long side 131b is the rear end surface 131B (hereinafter referred to as “rear end 131B”) of the base 130. It is also called one side.
  • the front end 131A and the rear end 131B are provided to face each other.
  • the base 130 is connected to the plurality of vibrating arms 135 at the front end 131A, and is connected to the holding arms 111 and 112 at the rear end 131B.
  • the base portion 130 has a substantially rectangular shape in plan view in the example of FIG. 4, but is not limited to this, and the base portion 130 is on a virtual plane P defined along the vertical bisector of the long side 131 a.
  • the base 130 may be, for example, a trapezoid in which one of the long side 131b and the long side 131a is shorter than the other, or a semicircular shape having the long side 131a or the long side 131b as a diameter.
  • the long sides 131a and 131b and the short sides 131c and 131d are not limited to straight lines, and at least a part of each may be a curve.
  • the base length (the length of the short sides 131c and 131d in FIG. 4) that is the longest distance between the front end 131A and the rear end 131B in the direction from the front end 131A to the rear end 131B is about 40 ⁇ m.
  • the base width (the length of the long sides 131a and 131b in FIG. 4), which is the width direction orthogonal to the base length direction and is the longest distance between the side ends of the base 130, is about 285 ⁇ m.
  • the plurality of vibrating arms 135 extend in the Y-axis direction and have the same size.
  • Each of the plurality of vibrating arms 135 is provided between the base portion 130 and the holding portion 140 in parallel with the Y-axis direction, and one end is connected to the front end 131A of the base portion 130 to be a fixed end, and the other end is Open end.
  • the plurality of vibrating arms 135 are provided in parallel at predetermined intervals in the X-axis direction.
  • Each of the plurality of vibrating arms 135 has, for example, a width in the X-axis direction of about 50 ⁇ m and a length in the Y-axis direction of about 420 ⁇ m.
  • Each of the plurality of vibrating arms 135 has a weight portion G at the open end.
  • the weight part G is wider in the X-axis direction than other parts of the plurality of vibrating arms 135.
  • the weight G has a width in the X-axis direction of about 70 ⁇ m.
  • the weight portion G is integrally formed by the same process as other portions of the plurality of vibrating arms 135. By forming the weight portion G, the weight per unit length in each of the plurality of vibrating arms 135 is heavier on the open end side than on the fixed end side. Accordingly, the plurality of vibrating arms 135 each have the weight portion G on the open end side, whereby the amplitude of the vertical vibration in each of the plurality of vibrating arms 135 can be increased.
  • two vibrating arms 135A and 135D are arranged on the outside in the X-axis direction, and two vibrating arms 135B and 135C are arranged on the inside.
  • Upper electrodes E21 to E24 are formed on the vibrating arms 135A to 135D from the vicinity of the fixed ends of the plurality of vibrating arms 135 to the vicinity of the portion where the weight portion G is formed. Further, a protective film 235 is formed on the entire surface of the vibrating portion 120 (the surface facing the upper lid 30). Further, a conductive film 236 is formed on a part of the surface of the protective film 235 in each of the plurality of vibrating arms 135. The resonance frequency of the vibration unit 120 can be adjusted by the protective film 235 and the conductive film 236. The protective film 235 is not necessarily provided over the entire surface of the vibration unit 120. However, in order to protect the underlying upper electrodes E21 to E24 and the piezoelectric thin film F3) from damage in adjusting the resonance frequency, It is desirable to be provided over the entire surface.
  • the conductive film 236 is formed on the protective film 235 so that the surface thereof is exposed in at least a part of a region of the vibration unit 120 where the average displacement due to vibration is larger than other regions. Specifically, the conductive film 236 is formed on the protective film 235 at the tips of the plurality of vibrating arms 135, that is, at the weight part G. On the other hand, the surface of the protective film 235 is exposed in a region other than the weight portion G in the plurality of vibrating arms 135. In this embodiment, the conductive film 236 is formed up to the tips of the plurality of vibrating arms 135, and the protective film 235 is not exposed at the tips.
  • the conductive film 236 may not be formed on at least one tip portion of the plurality of vibrating arms 135 so that a part of the protective film 235 is exposed at at least one tip portion of the plurality of vibrating arms 135.
  • a second conductive film may be formed on each root side (side connected to the base portion 130) of the plurality of vibrating arms 135. Such a second conductive film is formed on the protective film 235, for example. Is done. In this case, it is possible to suppress a change in the temperature characteristic of the frequency accompanying the resonance frequency adjustment.
  • the holding part 140 is formed in a rectangular frame shape along the XY plane.
  • the holding unit 140 is provided so as to surround the outside of the vibrating unit 120 along the XY plane in plan view.
  • maintenance part 140 should just be provided in at least one part of the circumference
  • the holding unit 140 may be provided around the vibrating unit 120 to such an extent that the holding unit 140 holds the vibrating unit 120 and can be joined to the upper lid 30 and the lower lid 20.
  • the holding portion 140 is formed of prismatic frame bodies 140a to 140d that are integrally formed.
  • the frame body 140 a faces the open ends of the plurality of vibrating arms 135 and has a longitudinal direction parallel to the X axis.
  • the frame 140b faces the rear end 131B of the base 130, and the longitudinal direction is provided in parallel with the X axis.
  • the frame body 140c faces the side end (short side 131c) of the base portion 130 and the vibrating arm 135A, the longitudinal direction is provided in parallel to the Y axis, and is connected to one end of each of the frame bodies 140a and 140b at both ends thereof. .
  • the frame body 140d faces the side end (short side 131d) of the base portion 130 and the vibrating arm 135D, and the longitudinal direction is provided parallel to the Y axis, and is connected to the other ends of the frame bodies 140a and 140b at both ends thereof.
  • the holding part 140 is described as having a protective film 235 formed on substantially the entire surface, but the present invention is not limited to this, and the protective film 235 is formed on the surface of the holding part 140. It does not have to be.
  • the holding arm 110 is provided inside the holding portion 140 and connects the rear end 131B of the base portion 130 and the frame body 140b. As shown in FIG. 4, the holding arm 110 is formed in a substantially plane symmetry with respect to a virtual plane P defined parallel to the YZ plane along the center line of the base portion 130 in the X-axis direction. Note that the shape of the holding arm 110 is not limited to the example of FIG. 4. For example, the holding arm 110 may be a pair of holding arms whose ends are connected to the frame bodies 140 c and 140 d after being bent a plurality of times.
  • the predetermined direction is described as the X-axis direction, but is not limited to this, and may be any direction in the XY plane of FIG. 4 in addition to the Y-axis direction.
  • the release width refers to a width along a predetermined direction of the opening groove (that is, the X-axis direction in the present embodiment). More specifically, it refers to a distance along a predetermined direction (that is, the X-axis direction in the present embodiment) between the Si substrates F2 forming the side walls of the opening grooves when the Si substrate F2 is viewed in plan. Note that the distance along the predetermined direction between the Si substrates F2 is, for example, the distance between the edges of the lower surface (the lower lid 20 side) of the Si substrate F2.
  • the release width is the release width W5 of the opening groove formed between the weights G of the vibrating arm 135A and the vibrating arm 135B (or the vibrating arm 135C and the vibrating arm 135D) shown in FIGS.
  • an opening groove having a release width W1 is formed between portions other than the weight portion G of the vibrating arm 135A and the vibrating arm 135B (or the vibrating arm 135D and the vibrating arm 135C).
  • An opening groove having a release width W2 is formed between the arm 135B and the portion other than the weight portion G of the vibrating arm 135C, and the portion other than the weight portion G of the vibrating arm 135A and the frame 140c (or the weight portion G of the vibrating arm 135D).
  • An opening groove having a release width W3 is formed between the other portion and the frame 140d).
  • the release width may be a distance between edges of the upper surface (upper lid side) of the Si substrate when the Si substrate is viewed from the upper lid side.
  • the release width W2 is set to be larger than the release width W1, the release width W2 is about 35 ⁇ m, for example, and the release width W1 is about 25 ⁇ m, for example.
  • the release width W2 between the vibrating arm 135B and the vibrating arm 135C in the X-axis direction is adjacent to the outer vibrating arm 135A (135D) and the outer vibrating arm 135A (135D) in the X-axis direction. It is set to be larger than the release width W1 between the inner vibrating arm 135B (135C).
  • the release width W2 may be set smaller than the release width W1 or may be equally spaced so that the resonance device 1 can be downsized.
  • the release width W6 is set larger than the release widths W4 and W5, and the release width W4 is set larger than the release width W5.
  • the release width W6 is set smaller than the release width W2
  • the release width W5 is set smaller than the release width W1
  • the release width W4 is set smaller than the release width W3.
  • the release width W3 is set to the same width as the release width W1, but the present invention is not limited to this, and the magnitude relationship between the release widths W3 and W1 is arbitrary.
  • the gap width of the upper electrode refers to the distance between the outer edge of the upper electrodes E21 to E24 and the outer edge of the Si substrate F2 on which the upper electrodes E21 to E24 are formed when the Si substrate F2 is viewed in plan.
  • the gap width of the conductive film refers to the distance between the outer edge of the conductive film 236 and the outer edge of the Si substrate F2 on which the conductive film 236 is formed when the Si substrate F2 is viewed in plan.
  • the outer edge of the Si substrate F2 refers to, for example, the edge of the lower surface (the lower lid 20 side) of the Si substrate F2.
  • the outer edge of the upper electrodes E21 to E24 refers to, for example, the edge of the lower surface (lower lid 20 side) of the upper electrodes E21 to E24.
  • the outer edge of the conductive film 236 refers to, for example, the edge of the lower surface (the lower lid 20 side) of the conductive film 236.
  • the “outer edges” of the Si substrate, the conductive film, and the upper electrode are also simply referred to as “edges”.
  • the outer edge of the Si substrate F2 may be the edge of the upper surface (on the upper lid 30 side) of the Si substrate F2.
  • the gap width L2 is an edge facing the vibrating arm 135C in the upper electrode E22 formed in a portion other than the weight portion G of the vibrating arm 135B.
  • the gap width L1 is equal to the edge of the upper electrode E22 and the edge of the vibrating arm 135B (that is, the upper electrode formed at a portion other than the weight portion G of the vibrating arm 135B on the side opposite to the edge where the gap width L2 is set. This is the distance between the edge of E22 facing the vibrating arm 135A and the edge of the vibrating substrate 135B facing the vibrating arm 135A of the Si substrate F2 formed at a portion other than the weight G.
  • the gap width L6 includes an edge facing the vibrating arm 135C in the upper electrode E22 formed in the weight portion G of the vibrating arm 135B, and a weight portion of the vibrating arm 135B. This is the distance between the edge facing the vibrating arm 135C in the Si substrate F2 formed on G.
  • the gap width L5 is defined between the edge of the upper electrode E22 formed on the weight G of the vibrating arm 135B facing the vibrating arm 135A and the vibrating arm 135A of the Si substrate F2 formed on the weight G of the vibrating arm 135B. The distance between the opposing edges.
  • the gap width L11 includes an edge facing the vibrating arm 135C in the conductive film 236 formed in the weight portion G of the vibrating arm 135B, and a weight portion of the vibrating arm 135B. This is the distance between the edge facing the vibrating arm 135C in the Si substrate F2 formed on G. Further, the gap width L10 is defined between the edge of the conductive film 236 formed on the weight G of the vibrating arm 135B and the vibrating arm 135A of the Si substrate F2 formed on the weight G of the vibrating arm 135B. The distance between the opposing edges.
  • the gap width L1 of the upper electrode is formed in a portion facing the release width W1 (a region where the release width W1 is set) in a portion other than the weight portion G of the vibrating arm 135B and faces the release width W2.
  • the gap width L2 of the upper electrode is formed in the part.
  • the upper electrode gap width L5 and the conductive film gap width L10 are formed in the portion facing the release width W5
  • the upper electrode gap width L6 is formed in the portion facing the release width W6.
  • a gap width L11 of the conductive film is formed.
  • the gap width L3 faces the frame body 140c of the upper electrode E21 formed in a portion other than the weight portion G of the vibrating arm 135A. This is the distance between the edge and the edge facing the frame body 140c of the Si substrate F2 formed in a part other than the weight part G of the vibrating arm 135A.
  • the gap width L1 is equal to the edge of the upper electrode E21 and the edge of the vibrating arm 135A (that is, the upper electrode formed at a portion other than the weight G of the vibrating arm 135A on the side opposite to the edge where the gap width L3 is set. This is the distance between the edge facing the vibrating arm 135B of E21 and the edge facing the vibrating arm 135B of the Si substrate F2 formed in a part other than the weight portion G of the vibrating arm 135A.
  • the gap width L4 includes an edge facing the frame 140c of the upper electrode E21 formed in the weight portion G of the vibrating arm 135A, and a weight portion of the vibrating arm 135A. This is the distance between the edge of the Si substrate F2 formed on G and facing the frame 140c.
  • the gap width L5 is defined between the edge of the upper electrode E21 that is formed on the weight G of the vibrating arm 135A and the vibrating arm 135B of the Si substrate F2 that is formed on the weight G of the vibrating arm 135A. The distance between the opposing edges.
  • the gap width L9 includes an edge facing the frame 140c of the conductive film 236 formed in the weight portion G of the vibrating arm 135A, and a weight portion of the vibrating arm 135A. This is the distance between the edge of the Si substrate F2 formed on G and facing the frame 140c.
  • the gap width L10 is defined between the edge of the conductive film 236 formed on the weight G of the vibrating arm 135A and the vibrating arm 135B of the Si substrate F2 formed on the weight G of the vibrating arm 135A. The distance between the opposing edges.
  • the gap width L1 of the upper electrode is formed in a portion facing the release width W1 (a region where the release width W1 is set) in a portion other than the weight portion G of the vibrating arm 135A and faces the release width W3.
  • the gap width L3 of the upper electrode is formed in the part.
  • the upper electrode gap width L5 and the conductive film gap width L10 are formed in the portion facing the release width W5, and the upper electrode gap width L4 is formed in the portion facing the release width W4.
  • a gap width L10 of the conductive film is formed.
  • the gap width of the vibrating arms 135C and 135D is symmetrical to the vibrating arms 135B and 135A, and thus the description thereof is omitted.
  • the gap width L1 is preferably about 0.3 ⁇ m to 10 ⁇ m, and the gap width L2 is preferably about 0.5 ⁇ m to 10 ⁇ m.
  • the gap width L3 is preferably about 0.3 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less.
  • FIG. 5 is a photograph showing the cross-sectional structure of the vibrating arm.
  • the etching amount refers to the amount of the piezoelectric thin film F3 etched more than the release width when the Si substrate F2 is released by etching.
  • the etching amount refers to the end of the Si substrate F2 on the metal layer E1 side (the edge of the upper surface of the Si substrate F2) and the end of the piezoelectric thin film F3 on the metal layer E21 side (piezoelectric thin film). A difference in position A from the upper edge of F3).
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the release width and the etching amount.
  • the horizontal axis indicates the width released by etching
  • the vertical axis indicates the etching amount.
  • FIG. 6 shows two types of measurement results obtained by changing conditions such as the etching time and the concentration of reaction gas used for etching. As shown in FIG. 6, in any condition, the larger the release width, the larger the etching amount.
  • the piezoelectric thin film F3 may be scraped to the inner side of the region where the upper electrode is formed depending on the etching amount.
  • the upper electrode may be short-circuited with the lower electrode. Therefore, in the resonator 10 according to the present embodiment, the gap width of the upper electrode in the region where the release width is large is set larger than the gap width of the upper electrode in the region where the release width is small.
  • the release width W2 is set to be the largest of the release widths W1, W2, and W3. Therefore, the gap width L2 in the region where the release width W2 is set is set to be larger than the gap widths L1 and L3 in the region where the release widths W1 and W3 are set.
  • the gap width L1 of the region where the release width W1 is set and the gap width L3 of the region where the release width W3 is set are substantially the same.
  • the size is set.
  • the release width W6 is set to be larger than the release width W4, and the release width W4 is set to be larger than the release width W5 (W6> W4> W5). Therefore, it is desirable that the gap width L6 is set larger than the gap width L4 and the gap width L4 is set larger than the gap width L5 (L6> L4> L5).
  • the width of the upper electrode is formed to be constant, whereas the width of the vibrating arm is formed wide at the weight portion G at the tip. Therefore, the release width W6 is set smaller than the release width W2, but the gap width L6 is set larger than the gap width L2 (W6 ⁇ W2 and L6> L2). Similarly, W5 ⁇ W1 and L5> L1, and W4 ⁇ W3 and L4> L3 are set.
  • the conductive film may be short-circuited with the upper electrode depending on the etching amount. Therefore, in the resonator 10 according to the present embodiment, from the viewpoint of preventing a short circuit between the conductive film and the upper electrode, the gap width of the upper electrode in the region where the release width is large is the gap of the conductive film in the region where the release width is small. It is desirable to set it smaller than the width.
  • the gap width L2 of the upper electrodes E22 and E23 in the region where the release width W2 is set is the conductive film 236 in the region where the release width W6 smaller than the release width W2 is set. Is set larger than the gap width L11.
  • the gap width L1 of the upper electrodes E21 to E24 in the region where the release width W1 is set is set larger than the gap width L10 of the conductive film 236 in the region where the release width W5 is smaller than the release width W1.
  • the gap width L3 of the upper electrodes E21 and E24 in the region where the release width W3 is set is set larger than the gap width L9 of the conductive film 236 in the region where the release width W4 is set smaller than the release width W3. Yes.
  • the gap width L6 of the upper electrodes E22 and E23 in the region where the release width W6 is set is the gap width L9 and L10 of the conductive film 236 in the region where the release widths W4 and W5 are set smaller than the release width W6. Is set larger than.
  • the gap width L4 of the upper electrodes E21 and E24 in the region where the release width W4 is set is set larger than the gap width L10 of the conductive film 236 in the region where the release width W5 is set smaller than the release width W4. Yes.
  • the gap width of the upper electrode is larger than the gap width of the conductive film in a region where the release width is large, and the release width is small. Also in the region, it is desirable that the gap width of the upper electrode is set larger than the gap width of the conductive film.
  • the gap width L2 of the upper electrodes E22 and E23 is set larger than the gap width L11 of the conductive film 236.
  • the gap width L5 of the upper electrodes E21 to E24 is set larger than the gap width L10 of the conductive film 236.
  • the gap width L4 of the upper electrodes E21 and E24 is set larger than the gap width L9 of the conductive film 236.
  • the gap width of the upper electrode in the region where the release width is large is set larger than the gap width of the upper electrode in the region where the release width is small.
  • a short circuit with the lower electrode can be prevented.
  • a short circuit between the conductive film and the upper electrode can be prevented by setting the gap width of the upper electrode in the region with the large release width to be larger than the gap width of the conductive film in the region with the small release width.
  • the gap width of the upper electrode is set larger than the gap width of the conductive film in the region where the release width is large, and the gap width of the upper electrode is set larger than the gap width of the conductive film even in the region where the release width is small.
  • a short circuit between the conductive film and the upper electrode can be prevented.
  • FIG. 7 is a cross-section of the plurality of vibrating arms 135 along the line DD ′ in FIG. 4, and schematically shows an electrical connection mode of the plurality of vibrating arms 135.
  • the piezoelectric thin film F3 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 piezoelectric thin film F3 by the metal layers E21 to E24, E1.
  • the expansion and contraction of the piezoelectric thin film F3 causes the plurality of vibrating arms 135 to displace the open ends toward the inner surfaces of the lower lid 20 and the upper lid 30 and vibrate in an out-of-plane bending vibration mode.
  • the phase of the electric field applied to the outer vibrating arms 135A and 135D and the phase of the electric field applied to the inner vibrating arms 135B and 135C are set to be opposite to each other.
  • the outer vibrating arms 135A and 135D and the inner vibrating arms 135B and 135C are displaced in directions opposite to each other.
  • the inner vibrating arms 135 ⁇ / b> B and 135 ⁇ / b> C displace the open end toward the inner surface of the lower lid 20.
  • twisting moments in opposite directions are generated between the central axes r 1 and r 2
  • bending vibration is generated at the base 130.
  • the upper electrodes E21 to E24 are divided and electrically connected to an AC power source, respectively.
  • a voltage having a phase opposite to that of the upper electrodes E22 and E23 of the inner vibrating arms 135B and 135C is applied to the upper electrodes E21 and E24 of the outer vibrating arms 135A and 135D.
  • the inner vibrating arms 135B and 135C and the outer vibrating arms 135A and 135D are configured to bend and vibrate in opposite directions, but the number of vibrating arms and the vibration modes are limited to this.
  • the embodiment according to the present invention may have, for example, one to three vibrating arms or five or more vibrating arms, or may vibrate in an in-plane bending vibration mode.
  • FIGS. 8A to 8C are process flows of a cross section of the resonance device along an extension line of the DD ′ line in FIG.
  • a handle Si (Si wafer S2) to be the lower lid 20 is prepared (STEP 1).
  • a cavity is formed in the handle Si by etching, a lower lid 20 is formed (STEP 2), and thermally bonded to an SOI substrate (Si substrate F2 on which a silicon oxide film F21 is formed) separately prepared in STEP 3 (STEP 4).
  • a metal layer E1, a piezoelectric thin film F3, and a metal layer E2 are formed in this order on the SOI substrate (STEP 5).
  • a seed layer may be formed between the metal layer E1 and the Si substrate F2.
  • the seed layer is, for example, an aluminum nitride layer. In this case, the crystallinity of the piezoelectric thin film F3 formed on the metal layer E1 can be improved.
  • the metal layer E2 is patterned by etching or the like to form upper electrodes E21 to E24 (STEP 6).
  • the gap widths (L4 to L6) of the upper electrodes E21 to E24 are set based on the release widths (W4 to W6) of the weights G of the plurality of vibrating arms 135 where the upper electrodes E21 to E24 are formed.
  • the gap width L6 of the region where the release width W6 is set is set larger than the gap width L5 of the region where the release width W5 is set.
  • the metal layer E2 formed in the region where the vibrating arm 135B is formed is removed by the gap width L6 from the end of the vibrating substrate 135B on the vibrating arm 135C side of the Si substrate F2, and the Si layer in the vibrating arm 135B.
  • the gap F5 is removed from the end of the substrate F2 on the vibrating arm 135A side, and the substrate F2 is formed into the upper electrode E22.
  • the metal layer E2 formed in the region where the vibrating arm 135A is formed is removed by the gap width L5 from the end on the vibrating arm 135B side of the Si substrate F2 in the vibrating arm 135A, and in the vibrating arm 135A.
  • the gap width L4 is removed from the end of the Si substrate F2 on the frame 140c side, and the upper electrode E21 is formed. Since the upper electrodes E23 and E24 are symmetrical with the upper electrodes E22 and E21, detailed description thereof is omitted.
  • the conductive film 236 is patterned (STEP 9). Specifically, the conductive film 236 is removed from other regions so that the conductive film 236 remains on the weight portion G of each of the plurality of vibrating arms 135. At this time, the conductive film 236 may be left in the holding portion 140 for wiring.
  • the space between each of the plurality of vibration arms 135 or between the plurality of vibration arms 135 and the holding part 140 is released by etching or the like (STEP 10).
  • the patterned conductive film 236 is used as a mask.
  • the cross-sectional shape of each of the plurality of vibrating arms 135 is a tapered shape whose width increases from the conductive film 236 toward the Si substrate F2. Accordingly, in the vibrating arm 135A, a gap width L9 is formed on the frame 140c side adjacent in the X-axis direction, and a gap width L10 on the vibrating arm 135B side adjacent in the X-axis direction is formed.
  • a gap width L10 is formed on the vibrating arm 135A side adjacent in the X-axis direction
  • a gap width L11 is formed on the vibrating arm 135C side adjacent in the X-axis direction. Since the vibrating arms 135C and 135D are symmetrical with the vibrating arms 135B and 135A, detailed descriptions are omitted. Thereafter, it is joined to a separately prepared upper lid 30 to form the resonance device 1.
  • FIG. 9 corresponds to FIG. 4 and schematically shows an example of a planar structure of the resonator 11 according to the present embodiment. Below, it demonstrates centering on difference with 1st Embodiment among the structures of the resonator 11 which concerns on this embodiment.
  • the resonator 11 includes vibrating arms 136A to 136D and metal layers E31 to E34 instead of the vibrating arms 135A to 135D and the metal layers E21 to E24 described in the first embodiment.
  • the vibrating arm 136A has a shape in which the width (that is, the size along the direction in which the vibrating arms 136A to 136D are arranged) gradually widens from the fixed end toward the open end. Therefore, the opening groove between the vibrating arm 136A and the adjacent vibrating arm 136B is set such that the release width W4 on the open end side is smaller than the release width W5 on the fixed end side. For example, the release width W5 is about 35 ⁇ m, and the release width W4 is about 25 ⁇ m.
  • the vibrating arm 136A does not have the weight portion G, but the weight portion G may be formed at the open end of the vibrating arm 136A.
  • the other configuration of the vibrating arm 136A is the same as that of the vibrating arm 135A.
  • the configuration of the vibrating arms 136B to 136D is the same as that of the vibrating arm 136A, and the description thereof is omitted.
  • the metal layer E31 is formed on the vibrating arm 136A.
  • the gap width from the edge of the metal layer E31 to the edge of the vibrating arm 136A is set so that the gap width L5 at the fixed end of the vibrating arm 136A is larger than the gap width L4 at the open end of the vibrating arm 136A.
  • the gap width L5 is about 1.0 ⁇ m
  • the gap width L4 is about 0.5 ⁇ m.
  • Other configurations of the metal layer E31 are the same as those of the metal layer E21.
  • the configuration of the metal layers E32 to E34 is the same as that of the metal layer E31, and thus the description thereof is omitted.
  • FIG. 10 corresponds to FIG. 2 and is an exploded perspective view of the resonance device 3 in the present embodiment.
  • the resonance device 3 includes a lower lid 25 and a resonator 12 in place of the lower lid 20 and the resonator 10 in the first embodiment.
  • FIG. 11 corresponds to FIG. 4 and is a plan view schematically showing a planar structure of the resonator 12 included in the resonance device 3 in the present embodiment.
  • Projections 51 to 53 projecting into the vibration space are formed on the inner surface of the lower lid 25, that is, the surface of the bottom plate 22.
  • the protrusion 51 is formed on the lower lid 25 so as to protrude between the vibrating arm 135A and the vibrating arm 135B.
  • the protrusion 52 is formed on the lower lid 25 so as to protrude between the vibrating arm 135B and the vibrating arm 135C.
  • the protruding portion 53 is formed on the lower lid 25 so as to protrude between the vibrating arm 135C and the vibrating arm 135D.
  • the protrusions 51 to 53 are formed in a prismatic shape extending in parallel with the vibrating arms 135A to 135D.
  • the length of the projections 51 to 53 in the direction along the vibrating arms 135A to 135D is about 240 ⁇ m, and the length (width) orthogonal to the direction is about 15 ⁇ m.
  • the resonator 12 has metal layers E41 to 44 instead of the metal layers E21 to E24.
  • the resonator 12 is formed by protruding portions 51 to 53 protruding between the vibrating arms 135A to 135D. Therefore, the release width of the vibrating arm 135 ⁇ / b> A is the release width W ⁇ b> 7 of the opening groove formed between the vibrating arm 135 ⁇ / b> A and the protruding portion 51 in the region facing the protruding portion 51, and the region not facing the protruding portion 51. Is the release width W6 of the opening groove formed between the vibrating arm 135B. Therefore, the release width W6 is larger than the release width W7.
  • the release width W6 is about 25 ⁇ m, and the release width W7 is about 5 ⁇ m. Since the release width of the vibrating arms 135B to 135D is the same as that of the vibrating arm 135A, detailed description thereof is omitted.
  • the metal layer E41 is formed on the vibrating arm 135A.
  • the gap width from the edge of the metal layer E41 to the edge of the vibrating arm 135A is set to be larger in the gap width L6 in the region not facing the protruding portion 51 than in the gap width L7 in the region facing the protruding portion 51.
  • the gap width L6 is about 1.0 ⁇ m
  • the gap width L7 is about 0.5 ⁇ m.
  • Other configurations of the metal layer E41 are the same as those of the metal layer E21. Since the configuration of the metal layers E42 to E44 is the same as that of the metal layer E41, detailed description thereof is omitted.
  • FIG. 12 corresponds to FIG. 4 and is a plan view of the resonator 13 in the present embodiment.
  • the resonator 13 includes a vibrating part 121 and a metal layer E5 instead of the vibrating part 120, the holding arm 110, and the metal layers E21 to E24.
  • the vibration unit 121 has a first region 122 and second regions 123 and 124.
  • the first region 122 has a substantially rectangular outline extending in a flat plate shape along the XY plane of FIG.
  • the first region 122 has short sides 121a and 121b extending along the X-axis direction and long sides 121c and 121d extending along the Y-axis direction.
  • the first region 122 is connected to and held by the holding unit 140 by the second regions 123 and 124 on the short sides 121a and 121b, respectively.
  • a protective film 235 is formed so as to cover the entire surface of the vibration part 121.
  • Each of the second regions 123 and 124 has a substantially rectangular shape having a pair of long sides extending along the X-axis direction and a pair of short sides extending along the Y-axis direction.
  • the second regions 123 and 124 each have one end connected to the vicinity of the center of the short sides 121a and 121b in the first region 122, and from there along the Y-axis direction, that is, substantially perpendicular to the short sides 121a and 121b, It extends.
  • the other ends of the second regions 123 and 124 are connected to the vicinity of the centers of the frame bodies 140a and 140b in the holding unit 140, respectively.
  • the shape of the second regions 123 and 124 is not limited to the above, and may be a substantially rectangular shape having a pair of long sides facing each other in the Y-axis direction. Moreover, circular shape, elliptical shape, polygonal shape, or the shape which combined them may be sufficient. Other configurations of the vibration unit 121 are the same as those of the vibration unit 120.
  • the metal layer E5 is formed on substantially the entire surface of the first region 122 of the vibration part 121. Further, the metal layer E ⁇ b> 5 is formed from the first region 122 to the second regions 123 and 124, and is drawn out to the holding unit 140. Note that the metal layer E5 is electrically connected to a terminal (not shown) that is electrically connected to an external power source in the holding unit 140.
  • the release width W9 of the opening groove along the X-axis direction between the first area of the vibration part 121 and the holding part 140 is X between the second areas 123 and 124 and the frame bodies 140c and 140d of the holding part 140. It is set smaller than the release width W8 of the opening groove along the axial direction.
  • the release width W9 is about 10 ⁇ m
  • the release width W8 is about 70 ⁇ m. Therefore, the edge of the metal layer E5 on the second regions 123 and 124 and the second region are larger than the gap width L9 between the edge of the metal layer E5 in the first region 122 and the edge of the Si substrate F2 in the first region 122.
  • the gap width L8 between the edges 123 and 124 of the Si substrate F2 is larger.
  • the gap width L9 is about 0.5 ⁇ m
  • the gap width L8 is about 1.0 ⁇ m.
  • the other configuration of the resonator 13 is the same as the configuration of the resonator 10 in the first embodiment.
  • FIG. 13 is a plan view of the resonator 14 according to the present embodiment.
  • Upper electrodes E25 to E28 are formed on the vibrating arms 135A to 135D of the resonator 14 according to the present embodiment, respectively.
  • the upper electrodes E25 to E28 are formed from the vicinity of the connection portion between the plurality of vibrating arms 135 and the base 130 to the vicinity of the rear end of the weight G (the end on the base 130 side).
  • a plurality of vias V1 to V4 are formed in the rear end region of the weight portion G.
  • the other planar structure of the resonator 14 is the same as that of the resonator 10.
  • the release width between the weight portion G of the outer vibrating arms 135A and 135D and the holding portion 140 is W4, the weight portion G of the adjacent inner vibrating arm 135B (135C) and the outer vibrating arm.
  • the release width between the weight portions G of 135A (135D) is referred to as W5
  • the release width between the weight portions G of the inner vibrating arms 135B and 135C is referred to as W6.
  • the gap width of the conductive film 236 is a region facing the release width W4 (that is, a region on the side facing the holding portion 140 of the conductive film 236 formed on the respective weight portions G of the outer vibrating arms 135A and 135D).
  • L10 Side region and the gap width between the outer vibrating arms 135A and 135D of the conductive film 236 formed on the weight G of each of the inner vibrating arms 135B and 135C) is referred to as L10, and the release width Region facing W6 (that is, a region on the opposite side of the conductive film 236 formed on the weight G of each of the inner vibrating arms 135B and 135C) That the gap width L11.
  • the release widths W4, W5, and W6 are preferably in the following relationship.
  • at least one of the release widths W4, W5, and W6 is smaller than at least one of the release widths W1, W2, and W3.
  • any of the release widths W4, W5, and W6 may be smaller than any of the release widths W1, W2, and W3.
  • the release width W4 may be smaller than the release width W3, and the release width W5 may be smaller than the release width W1. This may be the same for the other vibrating arms 135A to 135C.
  • the gap widths L9, L10, and L11 are set to have the following relationship. L9, L10, L11 ⁇ L1, L2, L3
  • at least one of the gap widths L9, L10, and L11 is smaller than at least one of the gap widths L1, L2, and L3.
  • any of the gap widths L9, L10, and L11 may be smaller than any of the gap widths L1, L2, and L3.
  • the gap width L9 may be smaller than the gap width L3, and the gap width L10 may be smaller than the gap width L1. This may be the same for the other vibrating arms 135A to 135C.
  • any of the gap widths L9, L10, and L11 is preferably set smaller than at least one of the gap widths L1, L2, and L3, and is set smaller than any of the gap widths L1, L2, and L3. Is desirable.
  • FIG. 14 is a schematic view showing a cross section of the vibrating arm 135D along the line EE ′ in FIG. 13.
  • FIG. 15 is a schematic view showing a cross section of the vibrating arm 135D along the line FF ′ in FIG.
  • the via V ⁇ b> 4 is not a cross-sectional configuration, but is shown by a broken line for the sake of explanation.
  • the via V4 in the vibrating arm 135D has the piezoelectric thin film F3, the metal layer (upper electrode) E28, and the protective film 235 removed so that the metal layer E1 is exposed.
  • the formed holes are filled with a metal material.
  • the conductive film 236 has an effect of releasing charges by being electrically connected to the lower electrode E1. This effect becomes higher as the conductive film 236 has a larger film formation area.
  • the gap widths L9 and L10 of the conductive film 236 formed in the weight portion G are set according to the release widths W4 and W5 that the end portions of the conductive film 236 face.
  • the configuration of the vibrating arms 135A to 135C in the resonator 14 is the same as that of the vibrating arm 135D, and thus the description thereof is omitted.
  • a resonator 10 includes a substrate F2 having a main surface, a lower electrode E1 formed on the main surface of the substrate F2, a piezoelectric film F3 formed on the lower electrode E1, and a piezoelectric film.
  • the vibration unit 120 may include an insulating film 235 provided so as to cover the upper electrode E2. According to this aspect, the insulation resistance between the upper electrode E2 and the lower electrode E1 is further improved, and a short circuit can be further prevented.
  • the vibration unit 120 includes a conductive film 236 that covers at least a part of the insulating film 235, and the conductive film 236 has a gap in the first direction from the outer edge of the substrate F2 in a plan view of the main surface of the substrate F2. And the gap length of the upper electrode E2 in the region where the width of the opening groove is large is larger than the gap length of the conductive film 236 in the region where the width of the opening groove is small. Good. At this time, the gap length of the upper electrode E2 in the region where the width of the opening groove is large is formed to be larger than the gap length of the conductive film 236 in the region where the width of the opening groove is large, and the width of the opening groove is small.
  • the gap length of the upper electrode E2 in the region may be formed to be larger than the gap length of the conductive film 236 in the region where the width of the opening groove is small. According to this aspect, a short circuit between the conductive film 236 and the upper electrode E2 can be prevented.
  • the vibrating unit 120 includes a base 130, a fixed end connected to the base 130, and an open end provided away from the base 130, and a plurality of vibrating arms 135 extending from the fixed end to the open end. And may be provided.
  • the plurality of vibrating arms 135 is an even number of four or more, and the region where the width of the opening groove is large is the two innermost vibrating arms 135B and 135C among the plurality of vibrating arms 135.
  • the area between the two vibrating arms 135B and 135C other than the two innermost vibrating arms 135B and 135C may be an area between them and the area where the width of the opening groove is small. According to this aspect, since the release width between the inner vibrating arms is set larger than the release width of the outer vibrating arms, the vibration characteristics can be improved.
  • the plurality of vibrating arms 135 have a tapered shape in which the width in the direction orthogonal to the direction in which the plurality of vibrating arms 135 extends toward the open end, and the opening grooves
  • the region having a large width is a region on the side close to the fixed end of two adjacent vibrating arms among the plurality of vibrating arms 135, and the region having a small width of the opening groove is the area of the two vibrating arms adjacent to each other. It may be a region near the open end.
  • the release width on the fixed end side is set wider than the open end side of the vibrating arm 135, the coupling coefficient can be increased, and as a result, the oscillation characteristics can be improved.
  • the vibrating arm on the open end side is heavier than the fixed end side.
  • the length in the extending direction of the vibrating arm can be shortened while maintaining a desired frequency, and the resonator 10 can be downsized.
  • the resonance device 3 includes the resonator 10 according to any one of the above, the upper lid 30 provided to face the main surface of the resonator 10, and the main surface of the resonator 10.
  • a lower lid 25 having a protrusion protruding between two adjacent vibrating arms 135 of the plurality of vibrating arms 135, and the region where the width of the opening groove is small is a plurality of vibrations This is a region between one of the two vibrating arms adjacent to each other among the arms 135 and the protrusion.
  • the protrusion is formed on the lower lid 25, even if the thickness of the lower lid 25 is reduced in order to reduce the thickness of the resonance device 3, for example, the warpage of the lower lid 25 is suppressed. It becomes possible to do.
  • the holding unit 140 is provided so as to surround the vibration unit 121, and the vibration unit 121 includes a first region 122 that performs contour vibration and the first region.
  • the second region 123, 124 that connects 122 to the holding unit 140, and the region where the width of the opening groove is large is a region between the second region 123, 124 and the holding unit 140, and the width of the opening groove
  • the region having a small is a region between the first region 122 and the holding unit 140. According to this aspect, it is possible to prevent a short circuit between the upper electrode E2 and the lower electrode E1 while maintaining the capacitance.
  • each embodiment described above is for facilitating the 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 embodiment is an exemplification, and it is needless to say that a partial replacement or combination of configurations shown in different embodiments is possible, and these are also included in the scope of the present invention as long as they include the features of the present invention. .

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Abstract

共振子(10)は、主面を有する基板(F2)、基板(F2)の主面上に形成された下部電極(E1)、下部電極(E1)上に形成された圧電膜(F3)、及び、圧電膜(F3)上に形成された上部電極(E2)を有する振動部(120)と、振動部(120)の少なくとも一部を囲むように設けられた保持部(140)と、を備えている。振動部(120)の周囲には、基板(F2)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ている。基板(F2)の主面の平面視において、上部電極(E2)は、基板(F2)の外縁から第1方向に沿ったギャップを空けて設けられ、かつ、開口溝の幅が大きい領域のギャップの長さが開口溝の幅が小さい領域のギャップの長さよりも大きくなるように形成されている。

Description

共振子及び共振装置
 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、圧電振動子等の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」ともいう。)が注目されている。
 例えば、特許文献1には、Si(シリコン)基板上に、下部電極、圧電膜、及び上部電極がこの順で形成された3本の振動腕を有する共振子が開示されている。
特許第5552878号
 共振子において、振動腕を形成する際、通常、Si基板上に電極や圧電膜を形成した後にエッチング等によってパターニング(リリース)する。このとき、リリース幅(すなわちエッチングによって除去される幅)が広いほどエッチング速度は速くなる。エッチング速度は厚み方向のみならず水平方向のエッチング量にも影響を与える。
 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。
 本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、共振子において、エッチングによる電極の短絡を防止することを目的とする。
 本発明の一側面に係る共振子は、主面を有する基板、基板の主面上に形成された下部電極、下部電極上に形成された圧電膜、及び、圧電膜上に形成された上部電極を有する振動部と、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、振動部の周囲には、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、基板の主面の平面視において、上部電極は、基板の外縁から第1方向に沿ったギャップを空けて設けられ、かつ、開口溝の幅が大きい領域のギャップの長さが開口溝の幅が小さい領域のギャップの長さよりも大きくなるように形成された。
 本発明によれば、共振子において、エッチングによる電極の短絡を防止することができる。
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。 図2のAA’線に沿った共振装置の断面図である。 上蓋を取り外した本発明の第1実施形態に係る共振子の平面図である。 振動腕の断面の写真である。 リリース幅とエッチング量の関係を示すグラフである。 図4のDD’線に沿った複数の振動腕の断面図である。 本発明の第1実施形態に係る共振装置のプロセスフローの一例を示す図である。 本発明の第1実施形態に係る共振装置のプロセスフローの一例を示す図である。 本発明の第1実施形態に係る共振装置のプロセスフローの一例を示す図である。 本発明の第2実施形態に係る共振子の平面図である。 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分解斜視図である。 本発明の第3実施形態に係る共振子の平面図である。 本発明の第4実施形態に係る共振子の平面図である。 本発明の第5実施形態に係る共振子の平面図である。 図13のEE’線に沿った振動腕の断面図である。 図13のFF’線に沿った振動腕の断面図である。
[第1実施形態]
 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。
 この共振装置1は、共振子10と、共振子10を挟んで互いに対向するように設けられた上蓋30及び下蓋20と、を備えている。すなわち、共振装置1は、下蓋20と、共振子10と、上蓋30とがこの順で積層されて構成されている。
 また、共振子10と下蓋20との接合、及び共振子10と上蓋30との接合により、共振子10が封止され、共振子10の振動空間が形成される。共振子10、下蓋20及び上蓋30は、それぞれSi(シリコン)基板を用いて形成されている。共振子10及び下蓋20のそれぞれのSi基板同士が互いに接合され、また、共振子10及び上蓋30のそれぞれのSi基板同士は互いに接合されている。共振子10及び下蓋20は、SOI基板を用いて形成されてもよい。なお、下蓋20と上蓋30とが互いに接合され、下蓋20及び上蓋30によって形成される振動空間の内部に共振子10が格納されてもよい。
 共振子10は、MEMS技術を用いて製造されるMEMS共振子である。なお、本実施形態においては、共振子10はSi基板を用いて形成されるものを例として説明する。以下の説明では、下蓋20において、共振子10と対向する面を表面、当該表面と対向する面を裏面とする。さらに上蓋30において、共振子10と対向する面を裏面、当該裏面に対向する面を表面とする。共振子10において、下蓋20と対向する面を裏面、上蓋30と対向する面を表面とする。同様に、共振子10の構成要素において、それぞれの下蓋20と対向する面を裏面、それぞれの上蓋30と対向する面を表面とする。下蓋20から上蓋30に向かう方向を上とし、その反対方向を下とする。
 以下、共振装置1の各構成について詳細に説明する。
(1.上蓋30)
 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。
 上蓋30は、所定の厚みのSi(シリコン)ウエハS1により形成されている。上蓋30は、XY平面に沿って設けられる矩形平板状の底板32と、底板32の周縁部から下蓋20(共振子10)に向けて延びる側壁33とを有する。図3に示すように、上蓋30はその側壁33の裏面によって、後述する接合層40により共振子10の保持部140と接合されている。上蓋30の表面及び裏面は、酸化ケイ素膜(不図示)に覆われていることが好ましい。酸化ケイ素膜は、例えばSiウエハS1の表面の酸化や、化学気相蒸着(CVD: Chemical Vapor Deposition)によって、SiウエハS1の表面に形成される。
 なお、図3には示さないが、上蓋30の表面には、端子が形成されている。端子は上蓋30に形成された貫通孔に不純物ドープされた多結晶シリコン(Poly-Si)やCu(銅)やAu(金)や不純物ドープされた単結晶シリコン等の導電性材料が充填されて形成される。端子は、外部電源と共振子10とを電気的に接続させる配線と接続されている。端子は、下蓋20の裏面や、上蓋30又は下蓋20の側面に形成されてもよい。
(2.下蓋20)
 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。
 図3に示すように、下蓋20の底板22及び側壁23は、所定の厚みのSi(シリコン)ウエハS2により、一体的に形成されている。また、下蓋20は、側壁23の表面によって、共振子10の保持部140と接合されている。Z軸方向に規定される下蓋20の厚みは例えば150μm、Z軸方向に規定される凹部21の深さは例えば50μmである。なお、SiウエハS2は、縮退されていないシリコンから形成されており、その抵抗率は例えば16mΩ・cm以上である。
(3.共振子10)
 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。
(3-1.積層構造)
 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。
 Si基板F2は、例えば、厚さ6μm程度の縮退した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。特に、複数の振動腕135とn型Si半導体から構成されたSi基板F2の[100]結晶軸またはこれと等価な結晶軸とのなす回転角は、0度より大きく15度以下(又は0度以上15度以下でもよい)、または75度以上90度以下の範囲内にあることが好ましい。なお、ここで回転角とは、Si基板F2の[100]結晶軸またはこれと等価な結晶軸に沿った線分に対して保持腕110が伸びる方向の角度をいう。
 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SiO)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。
 本実施形態において、温度特性補正層とは、振動部120における周波数の温度係数(すなわち、温度当たりの変化率)を、少なくとも常温近傍において低減する機能を持つ層をいう。振動部120が温度特性補正層に相当する酸化ケイ素層F21を有することにより、例えば、Si基板F2と、金属層E1、E2と、圧電薄膜F3と、酸化ケイ素層F21とによる積層構造体の共振周波数の、温度に伴う変化を低減することができる。
 共振子10においては、酸化ケイ素層F21は、均一の厚みで形成されることが望ましい。なお、均一の厚みとは、酸化ケイ素層F21の厚みのばらつきが、厚みの平均値から±20%以内であることをいう。
 なお、酸化ケイ素層F21は、Si基板F2の上面に形成されてもよいし、Si基板F2の上面と下面の双方に形成されてもよい。また、保持部140においては、Si基板F2の下面に酸化ケイ素層F21が形成されなくてもよい。
 金属層E21~E24、E1は、例えば厚さ0.1~0.2μm程度のMo(モリブデン)やアルミニウム(Al)等を用いて形成される。金属層E21~E24、E1は、エッチング等により、所望の形状に形成される。金属層E1は、例えば振動部120においては、電圧が印加される印加電極または他の電極から電気的に分離されたフロート電極またはアースされたグランド電極として機能するように形成された下部電極である。本実施例では、下部電極はフロート電極となっている。
 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。
 他方で、金属層E21~E24は、振動部120においては、上部電極として機能するように形成される。また、金属層E21~E24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回路または交流電源に上部電極を電気的に接続するための上部配線として機能するように形成される。
 なお、外部の交流電源またはアースから下部配線への電気的な接続にあたっては、上蓋30と共振子10との接合部分に引出電極を形成して、当該引出電極が共振装置1の内部と外部とを電気的に接続する構成や、上蓋30にビアを形成し、当該ビアの内部に導電性材料を充填してビア電極を設け、当該ビア電極が共振装置1の内部と外部とを電気的に接続する構成が用いられてもよい。このような引出電極やビア電極を用いた電気的接続は、外部の回路または交流電源から上部配線への電気的な接続についても同様に適用することができる。なお、金属層E1及び金属層E2の機能は入れ替わっていてもよい。すなわち、金属層E2(上部電極)が外部の交流電源またはアースに電気的に接続され且つ金属層E1(下部電極)が外部の回路または交流電源に電気的に接続されてもよい。
 圧電薄膜F3は、印加された電圧を振動に変換する圧電体の薄膜であり、例えば、AlN(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、圧電薄膜F3は、ScAlN(窒化スカンジウムアルミニウム)により形成することができる。ScAlNは、窒化アルミニウムにおけるアルミニウムの一部をスカンジウムに置換したものである。また、圧電薄膜F3の厚さは、例えば、1μm程度であるが、0.2μm~2μm程度であってもよい。
 圧電薄膜F3は、図3の断面図において、複数の振動腕135をリリースする際のエッチングの影響により、金属層E1から金属層E21~E24に向かうにつれて、徐々に狭まる形状となっている。特に、外側の振動腕135A(135D)とそれに隣接する内側の振動腕135B(135C)とのそれぞれの錘部Gの間に形成された開口溝の幅(以下、「リリース幅」という。)W5、互いに隣接する内側の振動腕135B,135Cのそれぞれの錘部G同士の間のリリース幅W6、または外側の振動腕135A(135D)の錘部Gと保持部140との間のリリース幅W4が大きいほど、圧電薄膜F3における金属層E1から金属層E21~E24に向かう斜度は大きくなる。図3の例では、リリース幅W6はリリース幅W4,W5より大きいため、振動腕135Bにおける振動腕135C側(すなわちリリース幅W6に面する側)の端部、及び振動腕135Cにおける振動腕135B側(すなわちリリース幅W6に面する側)の端部の斜度は、反対側(すなわちリリース幅W5に面する側)の端部、及び振動腕135A,135Dの両端部(リリース幅W4に面する側及びリリース幅W5に面する側)よりも斜度が大きくなっている。
 保護膜235は、絶縁体の層であり、エッチングによる質量低減の速度が導電膜236より遅い材料により形成される。例えば、保護膜235は、AlNやSiN等の窒化膜やTa25(5酸化タンタル)やSiO2等の酸化膜により形成される。なお、質量低減速度は、エッチング速度(単位時間あたりに除去される厚み)と密度との積により表される。保護膜235の厚さは、圧電薄膜F3の厚さ(C軸方向)の半分以下で形成され、本実施形態では、例えば0.2μm程度である。なお、保護膜235のより好ましい厚さは、圧電薄膜F3の厚さの4分の1程度である。さらに、保護膜235がAlN等の圧電体によって形成される場合には、圧電薄膜F3と同じ配向を持った圧電体が用いられることが好ましい。
 導電膜236は、導電体の層であり、エッチングによる質量低減の速度が保護膜235より速い材料により形成される。導電膜236は、例えば、モリブデン(Mo)やタングステン(W)や金(Au)、白金(Pt)、ニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)等の金属により形成される。
 なお、保護膜235と導電膜236とは、質量低減速度の関係が上述のとおりであれば、エッチング速度の大小関係は任意である。
 導電膜236は、振動部120の略全面に形成された後、エッチング等の加工により所定の領域のみに形成される。
 保護膜235及び導電膜236に対するエッチングは、例えば、保護膜235及び導電膜236に同時にイオンビーム(例えば、アルゴン(Ar)イオンビーム)を照射することによって行われる。イオンビームは共振子10よりも広い範囲に照射することが可能である。なお、本実施形態では、イオンビームによりエッチングを行う例を示すが、エッチング方法は、イオンビームによるものに限られない。
(3-2.平面構造)
 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。
(a)振動部120
 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。
 基部130は、平面視において、X軸方向に沿って延びる長辺131a、131b、Y軸方向に沿って延びる短辺131c、131dを有している。長辺131aは、基部130の前端の面131A(以下、「前端131A」とも呼ぶ。)の一つの辺であり、長辺131bは基部130の後端の面131B(以下、「後端131B」とも呼ぶ。)の一つの辺である。基部130において、前端131Aと後端131Bとは、互いに対向するように設けられている。
 基部130は、前端131Aにおいて、複数の振動腕135に接続され、後端131Bにおいて、保持腕111、112に接続されている。なお、基部130は、図4の例では平面視において、略長方形の形状を有しているがこれに限定されず、長辺131aの垂直二等分線に沿って規定される仮想平面Pに対して略面対称に形成されていればよい。基部130は、例えば、長辺131b及び長辺131aの一方が他方より短い台形や、長辺131a又は長辺131bを直径とする半円の形状であってもよい。また、長辺131a、131b及び短辺131c、131dは直線に限定されず、それぞれの少なくとも一部が曲線であってもよい。
 基部130において、前端131Aから後端131Bに向かう方向における、前端131Aと後端131Bとの最長距離である基部長(図4においては短辺131c、131dの長さ)は40μm程度である。また、基部長方向に直交する幅方向であって、基部130の側端同士の最長距離である基部幅(図4においては長辺131a、131bの長さ)は285μm程度である。
 複数の振動腕135は、Y軸方向に延び、それぞれ同一のサイズを有している。複数の振動腕135は、それぞれが基部130と保持部140との間にY軸方向に平行に設けられ、一端は、基部130の前端131Aと接続されて固定端となっており、他端は開放端となっている。また、複数の振動腕135は、それぞれ、X軸方向に所定の間隔で、並列して設けられている。なお、複数の振動腕135は、それぞれ、例えばX軸方向の幅が50μm程度、Y軸方向の長さが420μm程度である。
 複数の振動腕135はそれぞれ開放端に、錘部Gを有している。錘部Gは、複数の振動腕135の他の部位よりもX軸方向の幅が広い。錘部Gは、例えば、X軸方向の幅が70μm程度である。錘部Gは、複数の振動腕135の他の部位と同一プロセスによって一体形成される。錘部Gが形成されることで、複数の振動腕135のそれぞれにおける単位長さ当たりの重さが、固定端側よりも開放端側の方で重くなっている。従って、複数の振動腕135が開放端側にそれぞれ錘部Gを有することで、複数の振動腕135のそれぞれにおける上下方向の振動の振幅を大きくすることができる。
 本実施形態の振動部120では、X軸方向において、外側に2本の振動腕135A、135Dが配置されており、内側に2本の振動腕135B、135Cが配置されている。
 複数の振動腕135の固定端近傍から錘部Gが形成される箇所近傍に亘って、振動腕135A~135Dにはそれぞれ上部電極E21~E24が形成されている。さらに、振動部120の表面(上蓋30に対向する面)側には、その全面に亘って保護膜235が形成されている。さらに、複数の振動腕135における保護膜235の表面の一部には、それぞれ、導電膜236が形成されている。保護膜235及び導電膜236によって、振動部120の共振周波数を調整することができる。尚、必ずしも保護膜235は振動部120の全面に亘って設けられる必要はないが、共振周波数調整において下地の上部電極E21~E24及び圧電薄膜F3)をダメージから保護する上で、振動部120の全面に亘って設けられる方が望ましい。
 導電膜236は、振動部120における、他の領域よりも振動による平均変位の大きい領域の少なくとも一部において、その表面が露出するように、保護膜235上に形成されている。具体的には、導電膜236は、複数の振動腕135のそれぞれの先端、即ち錘部Gにおいて、保護膜235上に形成される。他方、保護膜235は、複数の振動腕135における錘部G以外の領域において、その表面が露出している。この実施例では、複数の振動腕135のそれぞれの先端まで導電膜236が形成され、先端部では保護膜235は全く露出していない。しかし、保護膜235の一部が複数の振動腕135の少なくとも1つの先端部で露出する様に、導電膜236が複数の振動腕135の少なくとも1つの先端部には形成されなくてもよい。なお、複数の振動腕135のそれぞれの根本側(基部130と接続する側)に第2の導電膜が形成されてもよく、このような第2の導電膜は、例えば保護膜235上に形成される。この場合、共振周波数調整に伴う、周波数の温度特性の変化を抑制する事ができる。
(b)保持部140
 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。
 本実施形態においては、保持部140は一体形成される角柱形状の枠体140a~140dからなる。枠体140aは、図4に示すように、複数の振動腕135の開放端に対向して、長手方向がX軸に平行に設けられる。枠体140bは、基部130の後端131Bに対向して、長手方向がX軸に平行に設けられる。枠体140cは、基部130の側端(短辺131c)及び振動腕135Aに対向して、長手方向がY軸に平行に設けられ、その両端で枠体140a、140bの一端にそれぞれ接続される。枠体140dは、基部130の側端(短辺131d)及び振動腕135Dに対向して、長手方向がY軸に平行に設けられ、その両端で枠体140a、140bの他端にそれぞれ接続される。
 本実施形態においては、保持部140には、その略全面に亘って保護膜235が形成されているとして説明するが、これに限定されず、保護膜235は、保持部140の表面には形成されていなくてもよい。
(c)保持腕110
 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。
(3-3.ギャップ幅とリリース幅との関係)
 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。
 リリース幅は、開口溝の所定の方向(つまり本実施形態ではX軸方向)に沿った幅をいう。より詳細には、Si基板F2を平面視したときの、開口溝の側壁を形成するSi基板F2間の所定の方向(つまり本実施形態ではX軸方向)に沿った距離をいう。なお、Si基板F2間の所定の方向に沿った距離は、例えば、Si基板F2の下面(下蓋20側)の縁の間の距離をいう。例えばリリース幅は、図3及び図4に示した振動腕135Aと振動腕135B(又は振動腕135Cと振動腕135D)のそれぞれの錘部Gの間に形成された開口溝のリリース幅W5や、振動腕135Bと振動腕135Cのそれぞれの錘部Gの間に形成された開口溝のリリース幅W6、振動腕135Aの錘部Gと枠体140c(又は振動腕135Dの錘部Gと枠体140d)の間に形成された開口溝のリリース幅W4である。また、図4に示すように、振動腕135Aと振動腕135B(又は振動腕135Dと振動腕135C)のそれぞれの錘部G以外の部位の間にはリリース幅W1の開口溝が形成され、振動腕135Bと振動腕135Cの錘部G以外の部位の間にはリリース幅W2の開口溝が形成され、振動腕135Aの錘部G以外の部位と枠体140c(又は振動腕135Dの錘部G以外の部位と枠体140d)の間にはリリース幅W3の開口溝が形成されている。なお、リリース幅は、上蓋側からSi基板を平面視したときの、Si基板の上面(上蓋側)の縁の間の距離であってもよい。
 本実施形態では、リリース幅W2はリリース幅W1より大きく設定されており、リリース幅W2は例えば35μm程度、リリース幅W1は例えば25μm程度である。言い換えると、X軸方向における、振動腕135Bと振動腕135Cとの間のリリース幅W2は、X軸方向における、外側の振動腕135A(135D)と当該外側の振動腕135A(135D)に隣接する内側の振動腕135B(135C)との間のリリース幅W1よりも大きく設定される。リリース幅W2をリリース幅W1より大きく設定することにより、振動特性が改善される。なお、共振装置1を小型化できるように、リリース幅W2をリリース幅W1よりも小さく設定してもよいし、等間隔にしてもよい。また、本実施形態では、例えば、リリース幅W6はリリース幅W4,W5よりも大きく、リリース幅W4はリリース幅W5よりも大きく設定されている。また、リリース幅W6はリリース幅W2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、リリース幅W4はリリース幅W3よりも小さく設定されている。
 また本実施形態では、リリース幅W3はリリース幅W1と同じ幅で設定されているが、これに限定されず、リリース幅W3,W1の大小関係は任意である。
 他方、上部電極のギャップ幅は、Si基板F2を平面視したときの、上部電極E21~E24の外縁と、当該上部電極E21~E24が形成されたSi基板F2の外縁との間の距離をいう。また、導電膜のギャップ幅は、Si基板F2を平面視したときの、導電膜236の外縁と、当該導電膜236が形成されたSi基板F2の外縁との間の距離をいう。なお、Si基板F2の外縁は、例えば、Si基板F2の下面(下蓋20側)の縁をいう。上部電極E21~E24の外縁は、例えば、上部電極E21~E24の下面(下蓋20側)の縁をいう。導電膜236の外縁は、例えば、導電膜236の下面(下蓋20側)の縁をいう。以下、Si基板、導電膜及び上部電極のそれぞれの「外縁」は、単に「縁」ともいう。なお、Si基板F2の外縁は、Si基板F2の上面(上蓋30側)の縁であってもよい。
 例えば振動腕135Bの錘部G以外の部位における上部電極のギャップ幅について、ギャップ幅L2は、振動腕135Bの錘部G以外の部位に形成された上部電極E22における振動腕135Cに対向する縁と、振動腕135Bの錘部G以外の部位に形成されたSi基板F2における振動腕135Cに対向する縁との間の距離である。また、ギャップ幅L1は、ギャップ幅L2が設定された縁と反対側における、上部電極E22の縁と振動腕135Bの縁(すなわち、振動腕135Bの錘部G以外の部位に形成された上部電極E22の振動腕135Aに対向する縁と、振動腕135Bの錘部G以外の部位に形成されたSi基板F2の振動腕135Aに対向する縁)との間の距離である。
 振動腕135Bの錘部Gにおける上部電極のギャップ幅について、ギャップ幅L6は、振動腕135Bの錘部Gに形成された上部電極E22における振動腕135Cに対向する縁と、振動腕135Bの錘部Gに形成されたSi基板F2における振動腕135Cに対向する縁との間の距離である。また、ギャップ幅L5は、振動腕135Bの錘部Gに形成された上部電極E22における振動腕135Aに対向する縁と、振動腕135Bの錘部Gに形成されたSi基板F2における振動腕135Aに対向する縁との間の距離である。
 振動腕135Bの錘部Gにおける導電膜のギャップ幅について、ギャップ幅L11は、振動腕135Bの錘部Gに形成された導電膜236における振動腕135Cに対向する縁と、振動腕135Bの錘部Gに形成されたSi基板F2における振動腕135Cに対向する縁との間の距離である。また、ギャップ幅L10は、振動腕135Bの錘部Gに形成された導電膜236における振動腕135Aに対向する縁と、振動腕135Bの錘部Gに形成されたSi基板F2における振動腕135Aに対向する縁との間の距離である。
 言い換えると、振動腕135Bの錘部G以外の部位において、リリース幅W1に面する部分(リリース幅W1が設定されている領域)に上部電極のギャップ幅L1が形成され、リリース幅W2に面する部分に上部電極のギャップ幅L2が形成されている。また、振動腕135Bの錘部Gにおいて、リリース幅W5に面する部分に上部電極のギャップ幅L5及び導電膜のギャップ幅L10が形成され、リリース幅W6に面する部分に上部電極のギャップ幅L6及び導電膜のギャップ幅L11が形成されている。
 同様に、振動腕135Aの錘部G以外の部位における上部電極のギャップ幅について、ギャップ幅L3は、振動腕135Aの錘部G以外の部位に形成された上部電極E21の枠体140cに対向する縁と、振動腕135Aの錘部G以外の部位に形成されたSi基板F2の枠体140cに対向する縁との間の距離である。また、ギャップ幅L1は、ギャップ幅L3が設定された縁と反対側における、上部電極E21の縁と振動腕135Aの縁(すなわち、振動腕135Aの錘部G以外の部位に形成された上部電極E21の振動腕135Bに対向する縁と、振動腕135Aの錘部G以外の部位に形成されたSi基板F2の振動腕135Bに対向する縁)との間の距離である。
 振動腕135Aの錘部Gにおける上部電極のギャップ幅について、ギャップ幅L4は、振動腕135Aの錘部Gに形成された上部電極E21の枠体140cに対向する縁と、振動腕135Aの錘部Gに形成されたSi基板F2の枠体140cに対向する縁との間の距離である。また、ギャップ幅L5は、振動腕135Aの錘部Gに形成された上部電極E21の振動腕135Bに対向する縁と、振動腕135Aの錘部Gに形成されたSi基板F2の振動腕135Bに対向する縁との間の距離である。
 振動腕135Aの錘部Gにおける導電膜のギャップ幅について、ギャップ幅L9は、振動腕135Aの錘部Gに形成された導電膜236の枠体140cに対向する縁と、振動腕135Aの錘部Gに形成されたSi基板F2の枠体140cに対向する縁との間の距離である。また、ギャップ幅L10は、振動腕135Aの錘部Gに形成された導電膜236の振動腕135Bに対向する縁と、振動腕135Aの錘部Gに形成されたSi基板F2の振動腕135Bに対向する縁との間の距離である。
 言い換えると、振動腕135Aの錘部G以外の部位において、リリース幅W1に面する部分(リリース幅W1が設定されている領域)に上部電極のギャップ幅L1が形成され、リリース幅W3に面する部分に上部電極のギャップ幅L3が形成されている。また、振動腕135Aの錘部Gにおいて、リリース幅W5に面する部分に上部電極のギャップ幅L5及び導電膜のギャップ幅L10が形成され、リリース幅W4に面する部分に上部電極のギャップ幅L4及び導電膜のギャップ幅L10が形成されている。
 なお、振動腕135C,135Dのギャップ幅は、振動腕135B,135Aと対称な構成であるため説明は省略する。
 なお、リリース幅W2が35μm程度、リリース幅W1、W3が25μmに設定されている場合、ギャップ幅L1は0.3μm以上10μm以下程度が好ましく、ギャップ幅L2は0.5μm以上10μm以下程度が好ましく、ギャップ幅L3は、0.3μm以上10μm以下程度が好ましい。
 ここで、図5及び図6を用いて、リリース幅とエッチング量との関係について説明する。図5は振動腕の断面構造を示す写真である。エッチング量とは、エッチングによってSi基板F2をリリースした際に、リリース幅より多くエッチングされた圧電薄膜F3の量をいう。例えば、図5の写真においてエッチング量とは、金属層E1側でのSi基板F2の端部(Si基板F2の上面の縁)と、金属層E21側での圧電薄膜F3の端部(圧電薄膜F3の上面の縁)との位置の差Aをいう。
 図6は、リリース幅とエッチング量との関係を示すグラフである。図6のグラフにおいて、横軸はエッチングによってリリースする幅を示し、縦軸はエッチング量を示している。図6では、エッチング時間やエッチングに利用する反応ガス濃度等の条件を変えて行った2種類の測定結果を示している。図6に示すように、いずれの条件においても、リリース幅が大きいほど、エッチング量が大きくなる。
 このため、リリース幅に関わらず、ギャップ幅を一定にして上部電極を形成した場合、エッチング量によっては、圧電薄膜F3が上部電極が形成される領域よりも内側まで削られてしまうことがある。この場合、上部電極が下部電極と短絡してしまう場合がある。そこで、本実施形態に係る共振子10においては、リリース幅が大きい領域の上部電極のギャップ幅が、リリース幅が小さい領域の上部電極のギャップ幅よりも大きく設定されている。
 具体的には、本実施形態では、リリース幅W1,W2,W3のうちリリース幅W2が最も大きく設定されている。そのため、リリース幅W2が設定されている領域のギャップ幅L2は、リリース幅W1,W3が設定されている領域のギャップ幅L1,L3より大きく設定されている。他方、本実施形態ではリリース幅W1,W3は同じ大きさであるため、リリース幅W1が設定されている領域のギャップ幅L1と、リリース幅W3が設定されている領域のギャップ幅L3はほぼ同じ大きさで設定されている。また、本実施形態ではリリース幅W6がリリース幅W4よりも大きく且つリリース幅W4がリリース幅W5よりも大きく設定されている(W6>W4>W5)。そのため、ギャップ幅L6がギャップ幅L4よりも大きく且つギャップ幅L4がギャップ幅L5よりも大きく設定されることが望ましい(L6>L4>L5)。
 本実施形態では、上部電極の幅が一定に形成されているのに対して、振動腕の幅は先端の錘部Gで広幅に形成されている。そのため、リリース幅W6はリリース幅W2よりも小さく設定されているが、ギャップ幅L6はギャップ幅L2よりも大きく設定されている(W6<W2且つL6>L2)。同様に、W5<W1且つL5>L1、及びW4<W3且つL4>L3と設定されている。
 導電膜についても、下部電極と同様に、エッチング量によっては上部電極と短絡する場合がある。そこで、本実施形態に係る共振子10においては、導電膜と上部電極との短絡を防止する観点から、リリース幅が大きい領域の上部電極のギャップ幅が、リリース幅が小さい領域の導電膜のギャップ幅よりも小さく設定されることが望ましい。
 具体的には、本実施形態では、リリース幅W2が設定されている領域の上部電極E22,E23のギャップ幅L2は、リリース幅W2よりも小さなリリース幅W6が設定されている領域の導電膜236のギャップ幅L11よりも大きく設定されている。リリース幅W1が設定されている領域の上部電極E21~E24のギャップ幅L1は、リリース幅W1よりも小さなリリース幅W5が設定されている領域の導電膜236のギャップ幅L10よりも大きく設定されている。リリース幅W3が設定されている領域の上部電極E21,E24のギャップ幅L3は、リリース幅W3よりも小さなリリース幅W4が設定されている領域の導電膜236のギャップ幅L9よりも大きく設定されている。
 また、リリース幅W6が設定されている領域の上部電極E22,E23のギャップ幅L6は、リリース幅W6よりも小さなリリース幅W4,W5が設定されている領域の導電膜236のギャップ幅L9,L10よりも大きく設定されている。リリース幅W4が設定されている領域の上部電極E21,E24のギャップ幅L4は、リリース幅W4よりも小さなリリース幅W5が設定されている領域の導電膜236のギャップ幅L10よりも大きく設定されている。
 本実施形態に係る共振子10においては、導電膜と上部電極との短絡を防止する観点から、リリース幅が大きい領域において上部電極のギャップ幅が導電膜のギャップ幅よりも大きく、リリース幅が小さい領域においても上部電極のギャップ幅が導電膜のギャップ幅よりも大きく設定されることが望ましい。
 具体的には、本実施形態では、リリース幅W6が設定されている領域において、上部電極E22,E23のギャップ幅L2は、導電膜236のギャップ幅L11よりも大きく設定されている。また、リリース幅W5が設定されている領域において、上部電極E21~E24のギャップ幅L5は、導電膜236のギャップ幅L10よりも大きく設定されている。また、リリース幅W4が設定されている領域において、上部電極E21,E24のギャップ幅L4は、導電膜236のギャップ幅L9よりも大きく設定されている。
 このように、本実施形態に係る共振子10では、リリース幅が大きい領域の上部電極のギャップ幅が、リリース幅が小さい領域の上部電極のギャップ幅よりも大きく設定されることで、上部電極が下部電極と短絡することを防ぐことができる。また、リリース幅が大きい領域の上部電極のギャップ幅が、リリース幅が小さい領域の導電膜のギャップ幅よりも大きい設定されることで、導電膜と上部電極との短絡を防ぐことができる。また、リリース幅が大きい領域において上部電極のギャップ幅は導電膜のギャップ幅よりも大きく設定され、リリース幅が小さい領域においても上部電極のギャップ幅は導電膜のギャップ幅よりも大きく設定されることで、導電膜と上部電極との短絡を防ぐことができる。
(3-4.共振子の機能)
 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。
 本実施形態では、外側の振動腕135A、135Dに印加される電界の位相と、内側の振動腕135B、135C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。これにより、外側の振動腕135A、135Dと内側の振動腕135B、135Cとが互いに逆方向に変位する。例えば、外側の振動腕135A、135Dが上蓋30の内面に向かって開放端を変位すると、内側の振動腕135B、135Cは下蓋20の内面に向かって開放端を変位する。
 これによって、本実施形態に係る共振子10では、逆位相の振動時、すなわち、図7に示す振動腕135Aと振動腕135Bとの間でY軸に平行に延びる中心軸r1回りに振動腕135Aと振動腕135Bとが上下逆方向に振動する。また、振動腕135Cと振動腕135Dとの間でY軸に平行に延びる中心軸r2回りに振動腕135Cと振動腕135Dとが上下逆方向に振動する。これによって、中心軸r1とr2とで互いに逆方向の捩れモーメントが生じ、基部130で屈曲振動が発生する。
 なお、本実施形態では、4本の振動腕135を備えて面外屈曲振動モードを主要振動とする共振子10において、上部電極E21~E24を分割して、それぞれ交流電源に電気的に接続する。外側の振動腕135A,135Dの上部電極E21,E24には、内側の振動腕135B,135Cの上部電極E22,E23とは逆相の電圧を印加する。これにより、本実施形態は、内側の振動腕135B,135Cと外側の振動腕135A,135Dとが互いに逆方向に屈曲振動する構成となっているが、振動腕の数や振動モードはこれに限定されない。本発明に係る実施形態は、例えば、振動腕が1~3本の構成や5本以上の構成でもよく、面内屈曲振動モードで振動する構成でもよい。
(6.プロセスフロー)
 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。
 まず図8Aを参照して、最初の工程では、下蓋20となるハンドルSi(SiウエハS2)を用意する(STEP1)。次に、ハンドルSiにエッチングでキャビティを形成し、下蓋20を形成し(STEP2)、STEP3で別途用意したSOI基板(酸化ケイ素膜F21が形成されたSi基板F2)と熱接合する(STEP4)。次に、SOI基板上に、金属層E1、圧電薄膜F3、金属層E2をこの順で成膜する(STEP5)。なお、金属層E1とSi基板F2との間にシード層を成膜してもよい。シード層は、例えば、窒化アルミニウム層等である。この場合、金属層E1上に形成される圧電薄膜F3の結晶性を向上させることができる。
 次に図8Bを参照して、上述のSTEP5に続くSTEP6では、金属層E2をエッチング等によってパターニングし、上部電極E21~E24を形成する(STEP6)。このとき、上部電極E21~E24が形成された複数の振動腕135の錘部Gにおけるリリース幅(W4~W6)に基づいて、各上部電極E21~E24のギャップ幅(L4~L6)が設定される。
 具体的には、リリース幅W6が設定される領域のギャップ幅L6をリリース幅W5が設定される領域のギャップ幅L5よりも大きく設定する。そして、振動腕135Bが形成される領域に形成された金属層E2は、振動腕135BにおけるSi基板F2の振動腕135C側の端部よりもギャップ幅L6分除去され、また、振動腕135BにおけるSi基板F2の振動腕135A側の端部よりもギャップ幅L5分除去されて、上部電極E22へと成形される。同様に、振動腕135Aが形成される領域に形成された金属層E2は、振動腕135AにおけるSi基板F2の振動腕135B側の端部よりもギャップ幅L5分除去され、また、振動腕135AにおけるSi基板F2の枠体140c側の端部よりもギャップ幅L4分除去されて、上部電極E21へと成形される。なお、上部電極E23,E24は上部電極E22、E21と対称な構成のため詳細な説明は省略する。
 なお、STEP5において金属層E1、圧電薄膜F3、金属層E2を成膜する際に、金属層E1、圧電薄膜F3をパターニングしてもよい。次に、保護膜235、導電膜236をこの順で成膜する(STEP7、STEP8)。
 次に図8Cを参照し、続くステップでは、導電膜236をパターニングする(STEP9)。具体的には複数の振動腕135のそれぞれにおける錘部Gに導電膜236が残存するようにその他の領域から導電膜236を除去する。このとき保持部140には配線用に導電膜236を残存させてもよい。
 さらに、振動部120の外形を形成するため、エッチング等により複数の振動腕135のそれぞれの間や、複数の振動腕135と保持部140との間をリリースする(STEP10)。エッチングによるリリースでは、例えば、パターニングされた導電膜236をマスクとして使用する。このとき、複数の振動腕135のそれぞれの断面形状は、導電膜236からSi基板F2に向かうにつれて幅が大きくなるテーパー形状となる。これにより、振動腕135Aにおいて、X軸方向に隣接する枠体140c側にギャップ幅L9が形成され、X軸方向に隣接する振動腕135B側のギャップ幅L10が形成される。同様に、振動腕135Bにおいて、X軸方向に隣接する振動腕135A側にギャップ幅L10が形成され、X軸方向に隣接する振動腕135C側にギャップ幅L11が形成される。なお、振動腕135C,Dはそれぞれ振動腕135B,Aと対称な構造のため、詳細な説明は省略する。その後別途用意した上蓋30と接合され、共振装置1が形成される。
[第2実施形態]
 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9は、図4に対応し、本実施形態に係る共振子11の平面構造の一例を概略的に示している。以下に、本実施形態に係る共振子11の構成のうち、第1実施形態との差異点を中心に説明する。共振子11は、第1実施形態で説明した振動腕135A~135D、及び金属層E21~E24に代えて、振動腕136A~136D及び金属層E31~E34を有している。
 振動腕136Aは、固定端から開放端に向かうにつれて徐々に幅(すなわち、振動腕136A~136Dが並ぶ方向に沿った大きさ)が広がる形状をしている。そのため、振動腕136Aとそれに隣接する振動腕136Bとの間の開口溝は、開放端側のリリース幅W4の方が固定端側のリリース幅W5よりも小さく設定されている。例えばリリース幅W5は35μm程度であり、リリース幅W4は25μm程度である。また、図9の例では、振動腕136Aは錘部Gを有していないが、振動腕136Aの開放端に錘部Gが形成される構成でもよい。振動腕136Aのその他の構成は、振動腕135Aと同様である。なお、振動腕136B~136Dの構成は振動腕136Aと同様のため説明を省略する。
 金属層E31は、振動腕136Aに形成されている。金属層E31の縁から振動腕136Aの縁までのギャップ幅は、振動腕136Aの固定端におけるギャップ幅L5の方が、振動腕136Aの開放端におけるギャップ幅L4よりも大きく設定されている。例えばギャップ幅L5は1.0μm程度であり、ギャップ幅L4は0.5μm程度である。金属層E31のその他の構成は金属層E21と同様である。なお、金属層E32~E34の構成は、金属層E31と同様のため説明を省略する。
 その他の共振子11の構成、機能は共振子10と同様である。
[第3実施形態]
 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。
 下蓋25の内面、すなわち底板22の表面には、振動空間に突出する突起部51~53が形成されている。突起部51は、振動腕135Aと振動腕135Bの間に突起するように下蓋25に形成されている。突起部52は、振動腕135Bと振動腕135Cの間に突起するように下蓋25に形成されている。突起部53は、振動腕135Cと振動腕135Dの間に突起するように下蓋25に形成されている。本実施形態では、突起部51~53は、振動腕135A~135Dに平行に延びる角柱形状に形成されている。突起部51~53の振動腕135A~135Dに沿った方向の長さは240μm程度、当該方向に直交する長さ(幅)は15μm程度である。下蓋25に突起部51~53が形成されることで、例えば共振装置3を薄型化するために、下蓋25の厚さを低減したとしても、下蓋25の反りの発生を抑制することが可能になる。
 共振子12は、金属層E21~E24に代えて金属層E41~44を有している。共振子12は、突起部51~53が振動腕135A~135Dの間に突起して形成されている。そのため、振動腕135Aのリリース幅は、突起部51と対向する領域においては、振動腕135Aと突起部51との間に形成された開口溝のリリース幅W7であり、突起部51と対向しない領域においては、振動腕135Bとの間に形成された開口溝のリリース幅W6となる。そのため、リリース幅W6は、リリース幅W7より大きくなる。例えばリリース幅W6は25μm程度であり、リリース幅W7は5μm程度である。振動腕135B~135Dのリリース幅は振動腕135Aと同様であるため詳細な説明は省略する。
 金属層E41は、振動腕135Aに形成されている。金属層E41の縁から振動腕135Aの縁までのギャップ幅は、突起部51と対向する領域におけるギャップ幅L7よりも、突起部51と対向しない領域におけるギャップ幅L6の方が大きく設定されている。例えばギャップ幅L6は1.0μm程度であり、ギャップ幅L7は0.5μm程度である。金属層E41のその他の構成は金属層E21と同様である。なお、金属層E42~E44の構成は金属層E41と同様であるため詳細な説明は省略する。
 その他の共振装置3の構成は第1実施形態における共振装置1の構成と同様である。
[第4実施形態]
 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。
 振動部121は、第1領域122と、第2領域123、124とを有している。第1領域122は、図12のXY平面にそって平板状に広がる略長方形の輪郭を有している。また、第1領域122は、X軸方向に沿って延びる短辺121a、121bを有し、Y軸方向に沿って延びる長辺121c、121dを有している。第1領域122は、短辺121a、121bにおいて、それぞれ第2領域123、124によって保持部140に接続され、保持されている。また、振動部121の全面を覆うように、保護膜235が形成されている。
 第2領域123、124は、それぞれ、X軸方向に沿って延びる一対の長辺と、Y軸方向に沿って延びる一対の短辺とを有する略矩形の形状を有している。第2領域123、124は、それぞれ一端が第1領域122における短辺121a、121bの中心近傍と接続し、そこからY軸方向に沿って、つまり短辺121a、121bに対して略垂直に、延びている。また、第2領域123、124の他端は、それぞれ保持部140における枠体140a、140bの中心近傍と接続している。なお、第2領域123、124の形状は上記に限定されるものではなく、Y軸方向において対向する一対の長辺を有する略矩形の形状であってもよい。また、円形状、楕円形状、多角形状、又はそれらを組み合わせた形状であってもよい。
 その他の振動部121の構成は振動部120と同様である。
 金属層E5は、振動部121の第1領域122の略全面に形成されている。さらに金属層E5は、第1領域122から第2領域123、124に亘って形成され、保持部140に引き出されている。なお、金属層E5は、保持部140において、外部電源と電気的に接続する端子(不図示)と電気的に接続されている。
 振動部121の第1領域と保持部140との間のX軸方向に沿った開口溝のリリース幅W9は、第2領域123、124と保持部140の枠体140c、140dとの間のX軸方向に沿った開口溝のリリース幅W8よりも小さく設定されている。例えばリリース幅W9は10μm程度であり、リリース幅W8は70μm程度である。したがって、第1領域122の金属層E5の縁と当該第1領域122のSi基板F2の縁とのギャップ幅L9よりも、第2領域123、124上の金属層E5の縁と当該第2領域123、124のSi基板F2の縁とのギャップ幅L8の方が大きい。例えばギャップ幅L9は0.5μm程度であり、ギャップ幅L8は1.0μm程度である。
 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。
[第5実施形態]
 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。
 図13は本実施形態に係る共振子14の平面図である。本実施形態に係る共振子14の振動腕135A~135Dには、それぞれ、上部電極E25~E28が形成されている。上部電極E25~E28は、複数の振動腕135と基部130との接続箇所近傍から、錘部Gの後端(基部130側の端部)近傍に亘って形成されている。また、錘部Gにおける後端側の領域には、複数のビアV1~V4が形成されている。その他の共振子14の平面構造は、共振子10と同様である。
 なお、以下の説明では、外側の振動腕135A,135Dの錘部Gと保持部140との間のリリース幅をW4、隣接する内側の振動腕135B(135C)の錘部Gと外側の振動腕135A(135D)の錘部Gとの間のリリース幅をW5、内側の振動腕135B,135Cのそれぞれの錘部G同士のリリース幅をW6という。
 また、導電膜236のギャップ幅について、リリース幅W4に面する領域(すなわち、外側の振動腕135A,135Dのそれぞれの錘部Gに形成された導電膜236の保持部140と対向する側の領域)のギャップ幅をL9といい、リリース幅W5に面する領域(すなわち、外側の振動腕135A,135Dのそれぞれの錘部Gに形成された導電膜236の内側の振動腕135B,135Cと対向する側の領域、及び内側の振動腕135B,135Cのそれぞれの錘部Gに形成された導電膜236の外側の振動腕135A、135Dと対向する側の領域)のギャップ幅をL10といい、リリース幅W6に面する領域(すなわち、内側の振動腕135B,135Cのそれぞれの錘部Gに形成された導電膜236の互いに対向する側の領域)のギャップ幅をL11という。
 リリース幅W4、W5、W6は例えば、以下の関係にあることが好ましい。
 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。
 ただし、幅方向(X方向)に小型する場合、W4=W5=W6が望ましい。
 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。
 次に、複数の振動腕135のそれぞれの構造について、振動腕135を例に挙げて説明する。図14は図13のEE’線に沿った振動腕135Dの断面を示す概略図であり、図15は図13のFF’線に沿った振動腕135Dの断面を示す概略図である。なお、図14において、ビアV4は断面の構成ではないが、説明のために破線で示している。図14及び図15に示すように、共振子14において、振動腕135DにおけるビアV4は、金属層E1が露出するように圧電薄膜F3、金属層(上部電極)E28、保護膜235が除去されて形成された孔に金属材料が充填されて形成されている。本実施形態に係る振動腕135Dにおいては、ビアV4によって、導電膜236と金属層(下部電極)E1とが電気的に接続されている。
 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。
 なお、共振子14における振動腕135A~135Cの構成は振動腕135Dと同様であるため説明を省略する。
 以上、本発明の例示的な実施形態について説明した。本発明の一実施形態に係る共振子10は、主面を有する基板F2、基板F2の主面上に形成された下部電極E1、下部電極E1上に形成された圧電膜F3、及び、圧電膜F3上に形成された上部電極E2を有する振動部120と、振動部120の少なくとも一部を囲むように設けられた保持部140と、振動部120と保持部140とを接続する保持腕110と、を備え、振動部120の周囲には、基板F2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、基板F2の主面の平面視において、上部電極E2は、基板F2の外縁から第1方向に沿ったギャップを空けて設けられ、かつ、開口溝の幅が大きい領域のギャップの長さが開口溝の幅が小さい領域のギャップの長さよりも大きくなるように形成された。この態様によると、上部電極E2と下部電極E1間の絶縁抵抗が向上し、短絡を防止することができる。
 また、振動部120は、上部電極E2を覆うように設けられた絶縁膜235を有してもよい。この態様によると、上部電極E2と下部電極E1間の絶縁抵抗がより向上し、短絡をより防止することができる。
 また、振動部120は、絶縁膜235の少なくとも一部を覆う導電膜236を有し、基板F2の主面の平面視において、導電膜236は、基板F2の外縁から第1方向に沿ったギャップを空けて設けられ、かつ、開口溝の幅が大きい領域の上部電極E2のギャップの長さが開口溝の幅が小さい領域の導電膜236のギャップの長さよりも大きくなるように形成されてもよい。このとき、開口溝の幅が大きい領域の上部電極E2のギャップの長さは、開口溝の幅が大きい領域の導電膜236のギャップの長さより大きくなるように形成され、開口溝の幅が小さい領域の上部電極E2のギャップの長さは開口溝の幅が小さい領域の導電膜236のギャップの長さよりも大きくなるように形成されてもよい。この態様によると、導電膜236と上部電極E2との短絡を防止することができる。
 また、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135とを備えてもよい。このとき、複数の振動腕135は、4本以上の偶数本であり、開口溝の幅が大きい領域は、複数の振動腕135のうち最も内側に配置された2本の振動腕135B,135Cの間の領域であり、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135B、135C以外のいずれかの隣り合う2本の振動腕の間の領域でもよい。この態様によると、内側の振動腕間のリリース幅が外側の振動腕のリリース幅よりも大きく設定されため振動特性を改善することができる。
 また基板F2の主面の平面視において、複数の振動腕135は、開放端に向かって複数の振動腕135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、開口溝の幅が大きい領域は、複数の振動腕135のうち隣り合う2本の振動腕の固定端に近い側の領域であり、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ってもよい。この態様によると、振動腕135の開放端側より固定端側のリリース幅が広く設定されるため、結合係数を大きくでき、その結果、発振特性を向上させることができる。さらに振動腕の幅が開放端側に向かって広がる形状であるため、開放端側の振動腕の重さが固定端側よりも重くなる。これによって、所望の周波数を維持したまま振動腕の延在方向の長さ短くできるため、共振子10の小型化を図ることができる。
 また、本発明の一実施形態に係る共振装置3は、上述のいずれかに記載の共振子10と、共振子10の主面に対向して設けられた上蓋30と、共振子10の主面に対向して設けられ、複数の振動腕135のうち隣り合う2つの振動腕135の間に突起する突起部を有する下蓋25と、を備え、開口溝の幅が小さい領域は、複数の振動腕135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、突起部との間の領域である。この態様によると、下蓋25に突起部が形成されることで、例えば共振装置3を薄型化するために、下蓋25の厚さを低減したとしても、下蓋25の反りの発生を抑制することが可能になる。
 また、本発明の一実施形態に係る共振子12は、保持部140が、振動部121の周囲を囲んで設けられ、振動部121は、輪郭振動を行う第1領域122と、当該第1領域122を保持部140に接続させる第2領域123,124とを有し、開口溝の幅が大きい領域は、第2領域123,124と保持部140との間の領域であり、開口溝の幅が小さい領域は、第1領域122と保持部140との間の領域である。この態様によると、容量を維持しつつ、上部電極E2と下部電極E1との短絡を防ぐことができる。
 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/改良され得ると共に、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、各実施形態は例示であり、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもなく、これらも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
 1~3             共振装置
 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

Claims (9)

  1.  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。
  2.  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。
  3.  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。
  4.  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。
  5.  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。
  6.  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。
  7.  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。
  8.  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。
  9.  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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