WO2023085348A1 - 水晶素子及び水晶デバイス - Google Patents

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WO2023085348A1
WO2023085348A1 PCT/JP2022/041864 JP2022041864W WO2023085348A1 WO 2023085348 A1 WO2023085348 A1 WO 2023085348A1 JP 2022041864 W JP2022041864 W JP 2022041864W WO 2023085348 A1 WO2023085348 A1 WO 2023085348A1
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less
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crystal element
excitation
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Kyocera Corp
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    • H03H9/13—Driving means, e.g. electrodes, coils for networks consisting of piezoelectric or electrostrictive materials
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    • H03H9/17—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator
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    • H03H9/17—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator

Definitions

  • the present disclosure relates to crystal elements and crystal devices.
  • a crystal element that obtains a signal by resonating a crystal blank at a predetermined frequency has a characteristic (DLD: Drive Level Dependency, excitation level dependency) in which the frequency increases as the excitation level (drive level) increases.
  • DLD Drive Level Dependency, excitation level dependency
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2020-25344 discloses a technique for improving the structure and shape of the electrodes in order to improve the DLD characteristics.
  • One aspect of the present disclosure is as follows.
  • a crystal element comprising A crystal element in which the DLD characteristic of the crystal element includes a positive direction (+) portion and a reverse direction ( ⁇ ) portion.
  • [A3] The crystal element according to [A1] or [A2], wherein the crystal element has a resonance frequency of 40 MHz or more and 400 MHz or less.
  • [A4] The crystal element according to any one of [A1] to [A3], wherein the conductive layer of the crystal element has a thickness of 50 nm or more and 600 nm or less.
  • [A5] The crystal element according to any one of [A1] to [A4], wherein the crystal impedance of the crystal element is less than 30 ⁇ .
  • [A6] Any one of [A1] to [A5], wherein the product of the thickness (mm) of the conductive layer and the resonance frequency (MHz) of the crystal element is 0.017272 or more and 0.019684 or less.
  • [A7] The crystal element according to any one of [A1] to [A6], wherein the pair of electrodes are at the same position in plan view.
  • [A8] A crystal device comprising the crystal element according to any one of [A1] to [A7]. Another aspect of the present disclosure is as follows. [B1] crystal piece; A base layer positioned on both surfaces of the crystal piece at the same position in a plan view, and a conductive layer positioned on the base layer and having a gold content of 90% or more by mass. an electrode having A crystal element comprising The crystal element, wherein the product of the thickness (mm) of the conductive layer and the resonance frequency (MHz) of the crystal element is 0.017272 or more and 0.019684 or less. [B2] The crystal element according to [B1], wherein the value of the product is 0.017933 or more and 0.018363 or less. [B3] The crystal element according to [B1] or [B2], wherein the resonance frequency is 76.8 MHz. [B4] A crystal device comprising the crystal element according to any one of [B1] to [B3].
  • FIG. 4 is a chart showing DLD characteristics according to the thickness of excitation electrodes when a target resonance frequency is specified;
  • FIG. 4 is a schematic diagram for explaining DLD characteristics;
  • FIG. 4 is a graph showing an example of measurement of DLD characteristics according to the thickness of excitation electrodes; It is the figure which expanded a part of FIG. 5A.
  • FIG. 1 is a diagram showing a cross-sectional shape of a crystal device 1 of this embodiment.
  • the crystal device 1 includes a base 11, a crystal vibrating element 12 (crystal element), a conductive adhesive 13, a lid 14, parts 15, and the like.
  • the substrate 11 is not particularly limited, but is, for example, ceramic material, crystal, semiconductor material, glass material, or a combination thereof.
  • the base 11 has a concave portion 11a in the center on the upper surface side.
  • An electrode pad 111 protruding from the bottom surface of the recess 11a is positioned.
  • the electrode pad 111 has a planar upper surface and can be formed by, for example, screen printing. Also, the uppermost surface of the electrode pad 111 may be plated with gold.
  • a crystal vibrating element 12 is adhered to the electrode pad 111 with a conductive adhesive 13 .
  • the conductive adhesive 13 may be, for example, a resin-based adhesive containing silver filler (for example, a silicone-based resin or an epoxy resin). In particular, the conductive adhesive 13 made of silicone resin is soft even after being adhered, so it is less likely to adversely affect vibrations.
  • the crystal vibrating element 12 has a crystal piece 121, a lower electrode 122a and an upper electrode 122b (collectively excitation electrodes 122; electrodes), a mounting electrode 124, and the like.
  • the excitation electrodes 122 are in contact with both surfaces of the crystal blank 121 with the vibrating portion of the crystal blank 121 sandwiched from above and below.
  • the mounting electrodes 124 are connected to the electric circuit inside the base 11 via the electrode pads 111 in order to mount the crystal vibrating element 12 on the base 11 and apply a voltage to the excitation electrodes 122 from the outside of the crystal vibrator 12 . It is an electrode and is adhered with a conductive adhesive 13 .
  • excitation electrodes 122 and mounting electrodes 124 have a laminated structure of a base layer and a conductive layer positioned on the upper surface side of the base layer.
  • the underlayer plays a role of adhering the crystal piece 121 and the conductive layer.
  • Such underlayers are for example Cr, Ni, NiCr, Ti or Mo.
  • Cr is more preferable because it has a relatively low boiling point and can form an underlayer on the crystal piece 121 at a relatively low temperature.
  • the thickness of the underlayer is, for example, 1 nm or more and 20 nm or less, and preferably 10% or less of the thickness of the conductive layer. It is preferable that the thickness of the underlayer is 1 nm or more because, when the crystal resonator 12 is affected by heat, the components of the underlayer diffuse into the conductive layer, thereby suppressing deterioration of adhesion of the conductive layer.
  • the thickness of the underlying layer is 20 nm or less, since the deterioration of the electrical properties of the underlying layer with respect to the conductive layer is suppressed.
  • the conductive layer is not particularly limited as long as it is made of a metal with high electrical conductivity, but the density ⁇ (g cm ⁇ 3 ) of the conductive layer is preferably 15 or more and 25 or less, particularly preferably 18. 20 or less. More preferably, the conductive layer is gold (Au) here.
  • Au gold
  • the term "gold” as used herein means that the content of gold is 90% or more (impurities are less than 10%), preferably 95% or more, and particularly preferably 99% or more, by mass. Gold is preferable in that it is chemically more stable than other materials, does not easily react with oxygen and sulfur in the atmosphere, and as a result hardly causes changes in the frequency of the crystal vibrating element.
  • the conductive layer may contain Ag, Al, or Cu. Note that the number of conductive layers may be two or more.
  • the thickness of the conductive layer is usually 50 nm or more, preferably 75 nm or more, more preferably 100 nm or more, and particularly preferably 200 nm or more. Also, the thickness of the conductive layer is usually 600 nm or less, more preferably 450 nm or less, and particularly preferably 300 nm or less.
  • the excitation electrode 122 and mounting electrode 124 having such a base layer and conductive layer may be formed by, for example, physical adsorption at predetermined positions using a sputtering device or a vapor deposition device.
  • the crystal piece 121 has a substantially rectangular plate-like shape.
  • the crystal piece 121 may be, for example, AT-cut, SC-cut or BT-cut, preferably AT-cut.
  • residues may be left on the side surfaces due to the anisotropy of the etching.
  • the corners of the crystal piece 121 may be rounded.
  • the shape of crystal piece 121 is not particularly limited, but is preferably rectangular.
  • the long side of the rectangular crystal piece 121 is usually 300 ⁇ m or more and 1500 ⁇ m or less, preferably 500 ⁇ m or more and 1200 ⁇ m or less, and particularly preferably 700 ⁇ m or more and 1000 ⁇ m or less.
  • the short side of the rectangular crystal piece 121 is not particularly limited as long as it is shorter than the long side of the crystal piece 121, but it is usually 100 ⁇ m or more and 1100 ⁇ m or less, preferably 250 ⁇ m or more and 900 ⁇ m or less, and particularly preferably 400 ⁇ m or more and 700 ⁇ m or less. be.
  • the ratio of the short side to the long side of the crystal piece 121 is usually 0.07 or more and less than 1, preferably 0.25 or more and 0.9 or less, and particularly preferably 0.5 or more and 0.8 or less.
  • the thickness T1 of the crystal piece 121 is defined according to the resonance frequency of the crystal vibrating element 12 . Note that the thickness T1 of the crystal piece 121 is not limited to being uniform throughout. As long as the thickness of the vibrating portion is defined as above, the portion surrounding the vibrating portion may be thicker/thinner, or the portion of the mounting electrode 124 (one end side of the crystal piece 121). Only the thickness may be increased.
  • the resonance frequency of the crystal vibrating element 12 is usually 40 MHz or higher, preferably 45 MHz or higher, more preferably 50 MHz or higher, and even more preferably 75.8 MHz or higher.
  • the resonance frequency of the crystal resonator 12 is usually 400 MHz or less, preferably 300 MHz or less, more preferably 200 MHz or less, even more preferably 150 MHz or less, particularly preferably 77.8 MHz or less, and particularly preferably 76.8 MHz. .
  • the upper surface side of the concave portion 11a of the base 11, that is, the upper end of the frame 112 surrounding the concave portion 11a is joined to the lid 14 via a conductive sealing member such as gold tin or silver solder, thereby forming the concave portion 11a. is sealed.
  • a conductive frame-shaped metallized layer may be positioned between the base 11 and the lid 14 .
  • the electrode pads 111 can be electrically connected to the outside via signal lines (not shown) penetrating the base 11 (for example, external connection pads located on the bottom surface of the base 11 can be connected to external wiring or the substrate). .
  • a component 15 is positioned on the bottom side of the base 11 .
  • the component 15 may be an electronic component such as an IC chip, or may be a sensor such as a temperature detecting element (thermistor, etc.). Also, the component 15 may be a combination of a plurality of these. These are for outputting supplementary information relating to the adjustment of the oscillation frequency of the crystal oscillator 12, or performing adjustment according to the supplementary information. TCXO) or the like. Note that the position of the component 15 may not be near the center of the bottom surface in plan view, but may be at a deviated position.
  • FIG. 2A to 2C are diagrams for explaining vibration of the crystal vibrating element 12.
  • FIG. The crystal blank 121 of the crystal vibrating element 12 is polarized in accordance with the voltage applied between the upper electrode 122b and the lower electrode 122a, and is polarized in a plane perpendicular to the polarization direction, that is, in the extending direction of the crystal blank 121. thickness-shear vibration occurs along the At this time, as shown in FIG. 2A, the excitation electrode 122 is approximately a rigid body, and is simply weights positioned on the upper and lower surfaces of the crystal blank 121, respectively.
  • the electrode can no longer be approximated as a rigid body, and each accompanies elastic vibration. That is, an electrode material having a different modulus of elasticity, gold in this case, is arranged in series with the crystal piece 121 .
  • the excitation electrode 122 can also vibrate in the same axial direction as the thickness-shear vibration direction of the crystal piece 121 .
  • oscillation occurs in which the crystal element 121, the lower electrode 122a, and the upper electrode 122b are connected in series. That is, since the synthesized spring constant kt is obtained by synthesizing the spring constant k1 of the crystal element 121 and the spring constant k2 of the excitation electrode 122, it is expressed by the following equation (1).
  • k t k 1 ⁇ k 2 /(k 1 +k 2 ) ... (Formula 1)
  • the coefficients i m and j n are values determined by the crystal piece 121 and the excitation electrode 122, respectively. It should be noted that even in non-linear springs, vibrations of very high orders (eg, 4th-7th orders and higher) are usually negligible.
  • the actual crystal vibrating element 12 has weight, and in particular, the weight of gold, which is the excitation electrode 122, cannot be ignored. It is Note that the thickness of the base layer of the excitation electrode 122 is sufficiently smaller (less than 10%) than the thickness of the conductive layer as described above, and its weight is also sufficiently small considering the density ratio. can be neglected.
  • the contact area S between the crystal piece 121 and the excitation electrode 122 is roughly defined by the resonance frequency F. Therefore, with a certain material (that is, with a single density ⁇ ), the mass M is mainly excited It depends on the thickness T 2 of the electrode 122 .
  • the thickness T2 of the excitation electrode 122 is the average thickness of the conductive layer thickness of the lower electrode 122a and the conductive layer thickness of the upper electrode 122b.
  • the force (excitation level) that excites the vibration of the crystal oscillator 12 is determined here by the average value ⁇ P> of the power P applied to the crystal oscillator 12 .
  • the displacement velocity v1 and the displacement acceleration a1 which are differential values of the amplitude u1 , depend on the resonance frequency F of the amplitude u1 in addition to the excitation level.
  • the displacement of the excitation electrode 122 is of course the same as the displacement of the crystal blank 121 at the contact surface between the excitation electrode 122 and the crystal blank 121 .
  • the rigidity and inertia of the excitation electrode 122 mass of gold x contact area with the crystal piece 121 x thickness T2 perpendicular to the contact surface with the crystal piece 121) , and the displacement acceleration a 1 ) of the crystal blank 121 , deformation in the sliding direction (in the same axial direction as the deformation direction of the crystal blank 121 ) is considered to occur so that the displacement of the crystal blank 121 is delayed.
  • the displacement of the excitation electrode 122 on the side opposite to the side in contact with the crystal blank 121 is the displacement of the crystal blank 121 .
  • the displacement acceleration a1 of the surface of the crystal piece 121 the following expression 2 is obtained.
  • u 2 T 2 ⁇ a 1 /V 2 (Equation 2)
  • V2 is a constant that depends on the rigidity and mass, that is, based on the material of the excitation electrode 122, and is the sound velocity of thickness slip in the material.
  • the amplitude u2 thus depends on the excitation level and the resonant frequency F.
  • the resonance frequency F of the crystal vibrating element 12 is expressed as v/ ⁇ by the displacement velocity v and the wavelength ⁇ , and the wavelength ⁇ , that is, the thickness T1 of the crystal piece 121, the resonance frequency F is expressed by the following equation 3.
  • F (k t /M) 1/2 /(2 ⁇ T 1 ) ... (Equation 3)
  • the thickness T1 of the crystal blank 121 is a prescribed value according to the resonance frequency
  • the mass M of the excitation electrode 122 depends on the thickness T2 of the excitation electrode 122 concerned.
  • the synthesized nonlinear spring constant kt has a component dependent on the amplitude u1 of the crystal piece 121 and a component dependent on the amplitude u2 of the excitation electrode 122 as described above. From the above, the amplitude u 1 depends on the excitation level, the amplitude u 2 depends on the excitation level and the thickness T 2 , the excitation level and the resonance frequency F.
  • the oscillation depends only on the amplitude u1 of the former (crystal element 121).
  • the resonance frequency F of the crystal vibrating element 12 also monotonically changes (increases) (hardened spring).
  • the resonance frequency F includes the product of the former term dependent on the amplitude u1 and the latter term dependent on the amplitude u2 .
  • the resonance frequency F depends on the product of the resonance frequency F itself and the thickness T2 of the excitation electrode 122 .
  • the resonance frequency F monotonically increases with an increase in the excitation level depends on the coefficient of the high-order term of the spring constant kt related to the nonlinear vibration (including the influence of the thickness T2 and the resonance frequency F). It is determined by a ratio (mainly the magnitude of coefficients of terms of third or higher order, etc.).
  • the ratio of the thickness T2 of the excitation electrode 122 to the thickness T1 of the crystal piece 121 is usually 0.0110 or more, particularly preferably 0.0114 or more. Also, this ratio is usually 0.0138 or less, particularly preferably 0.0124 or less. Being in the above range is preferable because the DLD characteristics are improved.
  • the excitation electrode 122 may be, for example, circular, elliptical, or polygonal in plan view, or a combination of parts thereof. Also, the excitation electrode 122 may have rounded corners of the polygon. When the excitation electrode 122 is polygonal in plan view (including one with rounded corners), the polygon is preferably rectangular.
  • the long side of the excitation electrode 122 is not particularly limited as long as it is shorter than the long side of the crystal blank 121, but is usually 100 ⁇ m to 1100 ⁇ m, preferably 250 ⁇ m to 900 ⁇ m, and particularly preferably 400 ⁇ m to 700 ⁇ m. .
  • the ratio of the long side of the excitation electrode 122 to the long side of the crystal piece 121 is usually 0.07 or more and less than 1, preferably 0.25 or more and 0.9 or less, and particularly preferably 0.5 or more and 0.8 or less.
  • the ratio of the short side to the long side of the excitation electrode 122 which is rectangular in plan view is usually 0.05 or more and less than 1, preferably 0.2 or more and 0.75 or less, and particularly preferably 0.3 or more and 0.5 or less.
  • the shape and size of the upper electrode 122b and the lower electrode 122a, which are components of the excitation electrode 122, may be the same or different.
  • the excitation electrodes 122 are preferably located at the same positions on both surfaces of the crystal piece 121 in a plan view.
  • the same position in a plan view means that each side of the upper electrode 122b and a corresponding side of the lower electrode 122a are mutually ⁇ in plan view. It refers to being positioned within a range of 5 ⁇ m.
  • FIG. 3 is a chart showing the change tendency of the resonance frequency F according to the excitation level according to the thickness T2 of the excitation electrode 122 when the target resonance frequency F (thickness T1 of the crystal piece 121) is specified.
  • the set resonance frequency F is 76.8 MHz
  • the substantially rectangular crystal blank 121 (AT cut, thickness: 21.5 ⁇ m) has a long side of 805 ⁇ m and a short side of 537 ⁇ m.
  • the excitation electrodes 122 gold content: 99% or more
  • arranged on both sides of the crystal plate 121 have a long side of 559 ⁇ m and a short side of 233 ⁇ m.
  • the measurement results are included when the excitation level is changed in the prototype having the thickness T2 of each excitation electrode 122 .
  • the dimensional tolerance of the excitation electrode 122 and the dimensional tolerance of the crystal blank 121 are each about ⁇ 10 ⁇ m.
  • the DLD characteristic (also referred to as drive level dependence) indicates the increase or decrease in frequency change as the drive level changes.
  • ⁇ F indicates the width of frequency change according to the change in excitation level. Specifically, ⁇ F indicates the difference between the frequency corresponding to the excitation level and the frequency when the excitation level is 0.00 ⁇ W.
  • the excitation level excitation power
  • spurious oscillations are less likely to occur if ⁇ F is 0 ppm or more, which is preferable. I'm judging.
  • the "-" in the DLD characteristics indicates the resonance frequency change width ( ⁇ F) according to the increase in the excitation level, when creating a graph (Y-axis (normal scale): ⁇ F, X-axis (logarithmic scale): excitation level) It shows a monotonically decreasing trend (reverse direction). Specifically, “-” means that the slope of ⁇ F and the excitation level is smaller than 0 in the graph. “+” indicates that ⁇ F monotonically increases (positive direction) as the excitation level rises, and indicates that the slope of ⁇ F and the excitation level is greater than 0 in the graph. " ⁇ ” indicates that a portion where the change width ⁇ F of the resonance frequency decreases (decreases) and a portion where it increases (increases) are mixed as the excitation level rises.
  • the DLD characteristic uses a network analyzer to measure the resonance frequency change width of the crystal resonator element 12 when the excitation level (also referred to as excitation power) is changed from 0.01 to 250 ⁇ W. obtained by It is preferable for the DLD characteristic to include a “+” portion and a “ ⁇ ” portion in terms of stabilizing the frequency at start-up. As for the DLD characteristic, it is preferable that ⁇ F changes according to a third-order or higher function with respect to the excitation level and takes at least a minimum value. More preferably, in the DLD characteristics, ⁇ F monotonously decreases from 0 to a minimum value.
  • the slope (Hz/ ⁇ W) of the straight line connecting the measured value of ⁇ F at 0.01 ⁇ W and the minimum value in the graph is -20.0 or more. More preferably, this slope is -10.0 or more, and particularly preferably -7.5 or more.
  • the slope (Hz/ ⁇ W) of the straight line connecting the minimum value in the graph and the measured value of ⁇ F at 250 ⁇ W is preferably 1.0 ⁇ 10 ⁇ 1 or less. More preferably, the slope is 5.0 ⁇ 10 ⁇ 2 or less, still more preferably 1.0 ⁇ 10 ⁇ 2 or less, and particularly preferably 5.0 ⁇ 10 ⁇ 3 or less.
  • Crystal Impedance is a value corresponding to the series equivalent resistance. If the CI is less than 30 ⁇ , it is judged that the loss is at a practically acceptable level. CI is preferably 25 ⁇ or less, particularly preferably 20 ⁇ or less. There is no particular limitation on the lower limit as long as it is greater than 0. CI according to the present disclosure is specifically measured using a network analyzer.
  • Example 4 Comparative Example 3
  • the resonance frequency F which changes once in one direction as the excitation level rises, is offset by changing in the opposite direction from the middle, and the change in the resonance frequency F is suppressed over a wide range of excitation levels. It will be.
  • the film thickness (thickness T2) of the excitation electrode 122 is smaller than 200 nm (Comparative Example 1) and larger than 300 nm, the effect of secondary vibration becomes large, so Electrical characteristics are degraded.
  • the long side of the crystal blank 121 is 1.2 mm or less, the main vibration and the secondary vibration are easily coupled, and the resonance frequency F changes abruptly. Therefore, if the thickness T2 of the excitation electrode 122 is outside the range of 200 nm or more and 300 nm or less, appropriate electrical characteristics cannot be obtained.
  • FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the frequency change amount characteristic (DLD characteristic) according to the excitation level.
  • ⁇ F which is the amount of change in frequency
  • ⁇ F simply increases monotonically as the excitation level increases, as indicated by the dashed line. That is, the accuracy of the resonance frequency F simply decreases as the excitation level increases.
  • ⁇ F is a cubic function or higher with respect to the excitation level, and has a maximum and a minimum, as indicated by the solid line
  • ⁇ F is A range can be maintained that does not monotonically increase (decrease) and does not significantly degrade accuracy (as long as it does not deviate significantly from this range).
  • ⁇ F is 1.0 ppm or less, which is within a much smaller range than usual (A). That is, even if the excitation level is increased, the resonance frequency F does not change significantly, and practical problems are unlikely to occur.
  • the thickness T2 of the excitation electrode 122 As the thickness T2 of the excitation electrode 122 further increases, the mass M of the excitation electrode 122 increases and the effect as a weight becomes excessive, which hinders the vibration of the crystal blank 121 . As a result, the increase in CI becomes more noticeable than that in ⁇ F.
  • the thickness T2 is 256.3 nm or less (Example 4)
  • a CI of less than 30 ⁇ is obtained (B).
  • the thickness T2 is further increased (Comparative Example 3)
  • CI becomes 30 ⁇ or more, which is inappropriate for transmitting/receiving the resonance frequency signal (C).
  • the gold excitation electrode 122 acts as a softening spring, and the DLD characteristics related to the vibration of the crystal blank 121 offset).
  • the DLD characteristics of the crystal piece 121 can be improved by adjusting the thickness T2 of the excitation electrode 122 to a large value.
  • the product of the thickness T2 and the resonance frequency F is variable other than the parameters related to the physical properties of the gold excitation electrode 122 and the crystal blank 121 . Therefore, by keeping this value within an appropriate value range, it is possible to improve the DLD characteristics of the crystal resonator element 12 and suppress the increase in CI and the like as described above.
  • the thickness T2 is less than 200 nm, i.e., the product value is less than 0.01536, and the thickness T2 is greater than 300 nm, i.e., the product value is 0.02304.
  • the practically acceptable range of the thickness T2 is 224.9 nm or more and 256.3 nm or less
  • the range of the product of these is 0.017272 or more and 0.019684 or less (mm ⁇ MHz). More preferably, since the thickness T2 is 233.5 nm or more and 239.1 nm or less, the product range is 0.017933 or more and 0.018363 or less (mm ⁇ MHz).
  • FIG. 5A shows the results when the thickness T2 is 102.0 nm (Comparative Example 1, open circles and solid line), 220.6 nm (Comparative Example 2, open squares and broken line), and 233.5 nm (Example 2, black circles and broken line).
  • 4 is a graph showing measurement results of ⁇ F (Y axis: normal scale) versus excitation level (X axis: logarithmic scale).
  • FIG. 5B is an enlarged view of the portion surrounded by the dashed line in FIG. 5A.
  • the crystal resonator element 12 (crystal element) of the present embodiment includes the crystal piece 121 and both surfaces of the crystal piece 121 at the same positions in a plan view.
  • an excitation electrode 122 located on the stratum (that is, sandwiching the underlying layer with the crystal piece 121) and having a conductive layer containing gold at a mass ratio of 90% or more.
  • the value of the product of the thickness (mm) of the excitation electrode 122 and the resonance frequency (MHz) of the crystal vibrating element 12 is 0.017272 or more and 0.019684 or less.
  • the value of the product is 0.017933 or more and 0.018363 or less.
  • the DLD characteristics are sufficiently improved as compared with the prior art, the CI can be kept at a small value, and the crystal resonator element 12 can be vibrated efficiently in comparison with the electric power.
  • the resonance frequency F may be 76.8 MHz. At this frequency, the CI can be matched to the optimum range along with the DLD characteristics.
  • the crystal device 1 of this embodiment includes the above-described crystal oscillator 12 . According to this crystal device 1, a stable resonance frequency F can be obtained over a wide range even when the excitation level is changed, so that it can be stably used in electronic equipment with various excitation levels.
  • the crystal vibrating element 12 of the present embodiment includes a crystal piece 121 and a pair of electrodes 122a and 122b having conductive layers located on both sides of the crystal piece 121 and having a gold content of 90% or more in mass ratio. and prepare.
  • the DLD characteristic of the crystal element 12 has both forward (+) and reverse (-) portions. Therefore, the crystal resonator element 12 has improved DLD characteristics, and easily resonates in the vicinity of an appropriate frequency even when the excitation level is changed. As a result, the frequency of the crystal oscillator 12 is stabilized at startup.
  • the crystal vibrating element 12 has an underlying layer between the conductive layer and the crystal piece 121 .
  • the electrodes 122 a and 122 b and the crystal blank 121 can be reliably bonded in the crystal vibrating element 12 .
  • the resonance frequency of the crystal vibrating element 12 is 40 MHz or more and 400 MHz or less.
  • the DLD characteristics can be stabilized by setting the thickness T2 of the electrodes 122a and 122b to an appropriate range thicker than the conventional one as described above. can be improved.
  • the thickness of the conductive layer of the crystal oscillator 12 is 50 nm or more and 600 nm or less.
  • the DLD characteristics include the "+" portion and the "-" portion, and ⁇ F can be suppressed. Therefore, the crystal oscillator 12 has improved DLD characteristics.
  • the crystal impedance of the crystal vibrating element 12 is less than 30 ⁇ . By suppressing the CI to a small value, the crystal resonator element 12 can be vibrated efficiently with low loss.
  • the above-described embodiment is an example, and various modifications are possible.
  • the crystal oscillator 12 which is a part of the crystal device 1, has been described, but the present invention is not limited to this.
  • the crystal vibrating element 12 may be manufactured, sold, or otherwise distributed as a single unit.
  • the appropriate range of the thickness T2 is considered in consideration of only the DLD characteristics and CI, but the present invention is not limited to this. Other parameters may also be considered.
  • the specific configurations, materials, structures, etc. shown in the above embodiments can be changed as appropriate without departing from the scope of the present invention.
  • the scope of the present invention includes the scope of the invention described in the claims and the scope of equivalents thereof.
  • the present disclosure can be used for crystal elements and crystal devices.

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Abstract

よりＤＬＤ特性を改善することのできる水晶素子及び水晶デバイスを提供する。水晶素子は、水晶片（１２１）と、水晶片（１２１）の両面に位置し、金の含有量が質量比で９０％以上である導電層を有する一対の電極（１２２ａ、１２２ｂ）と、を備える。水晶素子のＤＬＤ特性が正方向（＋）の部分と逆方向（－）の部分とが混在する。

Description

水晶素子及び水晶デバイス
　本開示は、水晶素子及び水晶デバイスに関する。
　水晶片を所定の周波数で共振させて信号を得る水晶素子において、励振レベル（ドライブレベル）の増加に応じて周波数が上昇する特性（ＤＬＤ；Ｄｒｉｖｅ　Ｌｅｖｅｌ　Ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｙ、励振レベル依存性）を有することが知られている。特開２０２０－２５３４４号公報では、このＤＬＤ特性を向上させるために、電極の構造及び形状を工夫する技術が開示されている。
　本開示の一の態様は、以下の通りである。
　［Ａ１］水晶片と、
　当該水晶片の両面に位置してなる金の含有量が質量比で９０％以上である導電層とを有する一対の電極と、
を備える水晶素子であって、
　当該水晶素子のＤＬＤ特性が正方向（＋）の部分と逆方向（－）の部分とが混在する、水晶素子。
　［Ａ２］前記導電層と前記水晶片との間に下地層を有するＡ１記載の水晶素子。
　［Ａ３］前記水晶素子の共振周波数が４０ＭＨｚ以上４００ＭＨｚ以下である［Ａ１］又は［Ａ２］記載の水晶素子。
　［Ａ４］前記水晶素子の導電層の厚さが５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下である［Ａ１］～［Ａ３］のいずれか一項に記載の水晶素子。
　［Ａ５］前記水晶素子のクリスタルインピーダンスが３０Ω未満である［Ａ１］～［Ａ４］のいずれか一項に記載の水晶素子。
　［Ａ６］前記導電層の厚さ（ｍｍ）と前記水晶素子の共振周波数（ＭＨｚ）との積の値は、０．０１７２７２以上０．０１９６８４以下である［Ａ１］～［Ａ５］のいずれか一項に記載の水晶素子。
　［Ａ７］前記一対の電極が平面視同一位置にある［Ａ１］～［Ａ６］のいずれか一項に記載の水晶素子。
　［Ａ８］［Ａ１］～［Ａ７］のいずれか一項に記載の水晶素子を備える水晶デバイス。
　本開示の別の態様は、以下の通りである。
　［Ｂ１］水晶片と、
　当該水晶片の両面のそれぞれ平面視同一位置にあり、前記両面上にそれぞれ位置する下地層と、当該下地層上に位置し、金の含有量が質量比で９０％以上である導電層とを有する電極と、
　を備える水晶素子であって、
　前記導電層の厚さ（ｍｍ）と当該水晶素子の共振周波数（ＭＨｚ）との積の値は、０．０１７２７２以上０．０１９６８４以下である水晶素子。
　［Ｂ２］前記積の値は、０．０１７９３３以上０．０１８３６３以下である［Ｂ１］記載の水晶素子。
　［Ｂ３］前記共振周波数は、７６．８ＭＨｚである［Ｂ１］又は［Ｂ２］記載の水晶素子。
　［Ｂ４］［Ｂ１］～［Ｂ３］のいずれか一項に記載の水晶素子を備える水晶デバイス。
本実施形態の水晶デバイスのある断面における形状を示す図である。 水晶素子の振動を説明する図である。 水晶素子の振動を説明する図である。 水晶素子の振動を説明する図である。 目標とする共振周波数を規定した場合の励振電極の厚さに応じたＤＬＤ特性を示す図表である。 ＤＬＤ特性を説明するための模式図である。 励振電極の厚さに応じたＤＬＤ特性の計測例を示すグラフ図である。 図５Ａの一部を拡大した図である。
　以下、実施の形態を図面に基づいて説明する。
　図１は、本実施形態の水晶デバイス１のある断面における形状を示す図である。
　水晶デバイス１は、基体１１と、水晶振動素子１２（水晶素子）と、導電性接着剤１３と、蓋体１４と、部品１５などを備える。
　基体１１は、特には限られないが、例えば、セラミック材料、水晶、半導体材料若しくはガラス材又はこれらの組合せである。基体１１は、上面側中央に凹部１１ａを有する。凹部１１ａの底面には、当該底面から突出する電極パッド１１１が位置する。電極パッド１１１は、上面が平面状であり、例えば、スクリーン印刷などにより形成され得る。また、電極パッド１１１の最上面には、金めっきなどがなされていてもよい。当該電極パッド１１１に対し、導電性接着剤１３により水晶振動素子１２が接着されている。導電性接着剤１３は、例えば、銀フィラーを含有する樹脂系（例えば、シリコーン系樹脂又はエポキシ樹脂など）の接着剤などであってもよい。特に、シリコーン系樹脂の導電性接着剤１３は、接着後にも柔らかいので、振動に対して悪影響を与えづらい。
　水晶振動素子１２は、水晶片１２１と、下側電極１２２ａ及び上側電極１２２ｂ（まとめて励振電極１２２；電極）と、搭載電極１２４などを有する。励振電極１２２は、水晶片１２１の振動部分を上下から挟んで水晶片１２１の両面に接している。搭載電極１２４は、水晶振動素子１２を基体１１に搭載して、水晶振動子１２の外部から励振電極１２２へ電圧を印加するために電極パッド１１１を介して基体１１内の電気回路に接続される電極であり、導電性接着剤１３が接着されている。これにより、振動部分及び励振電極１２２は、凹部１１ａの内壁面に接触せずに浮いた状態で固定されている。これら励振電極１２２及び搭載電極１２４は、下地層及び当該下地層の上面側に位置する導電層の積層構造である。
　下地層は、水晶片１２１と導電層とを密着させる役割を果たす。このような下地層は、例えば、Ｃｒ、Ｎｉ、ＮｉＣｒ、Ｔｉ又はＭｏである。これらのうち、Ｃｒは相対的に沸点が低く、相対的に低温で水晶片１２１に対して下地層を形成することができるのでより好適である。下地層は、例えば、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下であり、導電層の厚みの１割以下であることが好ましい。下地層が１ｎｍ以上であることは、水晶振動子１２が熱の影響を受けた場合に下地層の成分が導電層へ拡散して当該導電層の密着性低下を抑制するので好ましい。一方、下地層が２０ｎｍ以下であることは、当該下地層が導電層に対して及ぼす電気的特性低下を抑制するので好ましい。
　導電層は、電気伝導度の高い金属で構成されていれば特段の限定はないが、導電層の密度ρ（ｇ・ｃｍ－３）が１５以上２５以下であることが好ましく、特に好ましくは１８以上２０以下である。ここでは導電層が金（Ａｕ）であることがより好ましい。ここでいう金とは、金の含有量が質量比で９０％以上（不純物が１０％未満）であり、好ましくは９５％以上、特に好ましくは９９％以上であることをいう。金は、他の材料と比較して科学的に安定しており、大気中の酸素や硫黄と反応しづらく、その結果水晶振動素子の周波数の変化を生じさせにくい点で好ましい。導電層は、Ａｇ、Ａｌ、又はＣｕを含んでいてもよい。なお、導電層は２層以上であってもよい。
　導電層の厚さは、通常５０ｎｍ以上、好ましくは７５ｎｍ以上、より好ましくは１００ｎｍ以上、特に好ましくは２００ｎｍ以上である。また、導電層の厚さは、通常６００ｎｍ以下、より好ましくは４５０ｎｍ以下、特に好ましくは３００ｎｍ以下である。
　このような下地層及び導電層を有する励振電極１２２及び搭載電極１２４は、例えば、スパッタ装置又は蒸着装置により定められた位置に物理吸着させることで形成されればよい。
　水晶片１２１は、略矩形の板状形状である。水晶片１２１は、例えば、ＡＴカット、ＳＣカット又はＢＴカットなどによるものであってよく、好ましくは、ＡＴカットである。水晶片１２１の外形をエッチングによって形成する場合には、エッチングに対する異方性に起因して側面に残渣が生じていてもよい。また、水晶片１２１の角は、丸められていてもよい。
　水晶片１２１の形状は、特に限定するものではないが、長方形が好ましい。長方形の水晶片１２１の長辺は、通常３００μｍ以上１５００μｍ以下、好ましくは５００μｍ以上１２００μｍ以下、特に好ましくは７００μｍ以上１０００μｍ以下である。また、長方形の水晶片１２１の短辺は、水晶片１２１の長辺よりも短ければ特段の制限はないが、通常１００μｍ以上１１００μｍ以下、好ましくは２５０μｍ以上９００μｍ以下、特に好ましくは４００μｍ以上７００μｍ以下である。水晶片１２１の長辺に対する短辺の比は、通常０．０７以上１未満、好ましくは０．２５以上０．９以下、特に好ましくは０．５以上０．８以下である。
　水晶片１２１の厚さＴ１は、水晶振動素子１２の共振周波数に応じて規定されている。なお、水晶片１２１の厚さＴ１は全体で一様であるものに限られない。振動部分の厚さが上記のように規定されていれば、当該振動部分を囲む部分が厚く／薄くなっているものであってもよいし、搭載電極１２４の部分（水晶片１２１の一端側）のみが厚くなっているものであってもよい。
　水晶振動素子１２の共振周波数は、通常４０ＭＨｚ以上、好ましくは４５ＭＨｚ以上、より好ましくは５０ＭＨｚ以上、更に好ましくは７５．８ＭＨｚ以上である。また、水晶振動子１２の共振周波数は、通常４００ＭＨｚ以下、好ましくは３００ＭＨｚ以下、より好ましくは２００ＭＨｚ以下、更に好ましくは１５０ＭＨｚ以下、殊更に好ましくは、７７．８ＭＨｚ以下、特に好ましくは７６．８ＭＨｚである。
　基体１１の凹部１１ａの上面側、すなわち、凹部１１ａを囲う枠体１１２の上端は、金すず又は銀ろうなどの導電性の封止部材を介して蓋体１４と接合され、これにより、凹部１１ａが封止されている。基体１１と蓋体１４との間には、導電性である枠状のメタライズ層が位置していてもよい。
　電極パッド１１１は、基体１１を貫通する図示略の信号線路を経て外部に電気的に接続可能（例えば、基体１１の底面に位置する外部接続パッドから外部配線や基板に接続可能）となっている。
　基体１１の底面側には、部品１５が位置している。部品１５は、ＩＣチップなどの電子部品であってもよいし、検温素子（サーミスタなど）といったセンサなどであってもよい。また、部品１５は、これらの複数個の組合せであってもよい。これらは、水晶振動素子１２の発振周波数の調整に係る付帯情報を出力したり、あるいは、付帯情報に応じた調整を行ったりするものであり、すなわち水晶デバイス１は、例えば、温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ）などであってもよい。なお、部品１５の位置は、底面の平面視中央付近ではなく、偏った位置であってもよい。
　次に、水晶振動素子１２の振動について説明する。
　図２Ａ～図２Ｃは、水晶振動素子１２の振動について説明する図である。
　水晶振動素子１２の水晶片１２１は、上側電極１２２ｂ及び下側電極１２２ａの間に印加される電圧に応じた分極により、当該分極方向に垂直な面内、すなわち、水晶片１２１の延在方向に沿って厚み滑り振動を生じる。このとき、図２Ａに示すように、近似的には励振電極１２２は剛体であり、単に水晶片１２１の上面及び下面にそれぞれ位置する錘である。
　しかしながら、振動の周波数が高く、電圧、すなわち励振レベルＤＬ（Ｄｒｉｖｅ　Ｌｅｖｅｌ）が大きくなると、電極がもはや剛体で近似できなくなり、それぞれ弾性振動を伴うようになる。すなわち、水晶片１２１に対して、これとは弾性率の異なる電極材、ここでは金が直列に並んでいることになる。
　図２Ｂに示すように、高周波数帯の高電圧による駆動により、励振電極１２２にも水晶片１２１の厚み滑り振動方向と同一軸方向への振動が生じ得る。この場合、図２Ｃに模式的に示すように、水晶片１２１と下側電極１２２ａ、上側電極１２２ｂとが直列につながった振動になる。すなわち、合成されたばね定数ｋｔは、水晶片１２１のばね定数ｋ１と励振電極１２２のばね定数ｋ２とが合成されたものであるから、次の数式１で表される。
　ｋｔ＝ｋ１・ｋ２／（ｋ１＋ｋ２）　…　（数式１）
　また、水晶片１２１及び励振電極１２２の直列ばねでは、その弾性率の違いの影響などにより、それぞれ完全な線形振動とはならない。すなわち、非線形ばねとして、例えば、水晶片１２１の振動は、ばね定数のｍ次（ｍは０から無限大まで）の係数をｉｍとしてｋ１＝Σ（ｉｍ・ｕ１ ｍ）と表され、励振電極１２２の振動は、ばね定数のｎ次（ｎは０次から無限大まで）の係数をｊｎとしてｋ２＝Σ（ｊｎ・ｕ２ ｎ）と表される。係数ｉｍ、ｊｎは、それぞれ水晶片１２１及び励振電極１２２により定まる値である。なお、非線形ばねであっても、極めて高次（例えば、４－７次以上など）の振動は通常無視可能である。
　また、実際の水晶振動素子１２には重量があり、特に、励振電極１２２である金の重量を無視することはできないので、ここでは単純に錘としての質量Ｍがばね成分に対して直列に接続されている。なお、励振電極１２２の下地層は、その厚みが上記のように導電層の厚みに比して十分に（１割未満）小さく、密度比を考慮するとその重量も十分に小さいので、励振電極１２２の特性に対する影響を無視することができる。水晶振動素子１２では、水晶片１２１と励振電極１２２との接触面積Ｓは共振周波数Ｆにより概ね規定されるので、ある材質（すなわち密度ρが単一）のもとでは、質量Ｍは主に励振電極１２２の厚さＴ２に依存する。ここで、励振電極１２２の厚さＴ２とは、下側電極１２２ａの導電層の厚さと上側電極１２２ｂの導電層の厚さとの平均厚さのことをいう。
　水晶振動素子１２の振動を励起する力（励振レベル）は、ここでは、この水晶振動素子１２に加えられる電力Ｐの平均値＜Ｐ＞により定まる。水晶振動素子１２の直列抵抗Ｒにより、水晶片１２１の振幅ｕ１＝α（＜Ｐ＞／Ｒ）１／２と表される（αは比例定数）。すなわち、振幅ｕ１は励振レベルに依存する。また、振幅ｕ１の微分値である変位速度ｖ１及び変位加速度ａ１は、励振レベルに加えて、振幅ｕ１の共振周波数Ｆにも依存することになる。
　励振電極１２２の変位は、当該励振電極１２２と水晶片１２１との接触面では、当然水晶片１２１の変位と同一である。励振電極１２２の水晶片１２１から離隔した位置では、励振電極１２２の剛性率と慣性（質量＝金の密度×水晶片１２１との接触面積×水晶片１２１との接触面に垂直な厚さＴ２、及び水晶片１２１の変位加速度ａ１）に応じて水晶片１２１の変位に遅れが生じるような滑り方向（水晶片１２１の変形方向と同一軸方向）の変形が生じると考えられる。したがって、励振電極１２２の水晶片１２１と接する側とは反対側における変位（振動する水晶片１２１との接触面に対する相対的な振幅ｕ２）は、水晶片１２１の変位に対して当該励振電極１２２の厚さＴ２、並びに水晶片１２１の表面の変位加速度ａ１に依存して以下の数式２のようになる。
　ｕ２＝Ｔ２・ａ１／Ｖ２　…　（数式２）
　Ｖ２は、上記剛性率と質量に依存した、すなわち、励振電極１２２の材質に基づく定数であり、当該材質における厚み滑りの音速である。よって、振幅ｕ２は、励振レベル及び共振周波数Ｆに依存する。
　ここで、水晶振動素子１２の共振周波数Ｆは、周知のように、変位速度ｖと波長λとによりｖ／λと表され、波長λは、振動の開放端である水晶片１２１の上面と下面の距離、すなわち水晶片１２１の厚さＴ１によるから、共振周波数Ｆは、次の数式３で表される。
　Ｆ＝（ｋｔ／Ｍ）１／２／（２πＴ１）　…　（数式３）
　上記のように水晶片１２１の厚さＴ１は共振周波数に応じた規定値であり、励振電極１２２の質量Ｍは当該励振電極１２２の厚さＴ２に依存する。合成された非線形のばね定数ｋｔは、上記のように水晶片１２１の振幅ｕ１に依存する成分と、励振電極１２２の振幅ｕ２に依存する成分とを有する。上記から、振幅ｕ１は、励振レベルに依存し、振幅ｕ２は、励振レベル及び厚さＴ２、励振レベル及び共振周波数Ｆに依存する。
　励振電極１２２が剛体であれば、前者（水晶片１２１）の振幅ｕ１だけに依存する振動であり、この場合には従来知られているように、単純に、励振レベルの変化（増大）に従い、水晶振動素子１２の共振周波数Ｆも単調変化（上昇）することになる（硬化ばね）。一方、励振電極１２２も上記のように振動を生じる場合には、共振周波数Ｆは、前者の振幅ｕ１に依存する各項と後者の振幅ｕ２に依存する各項との積が含まれることで、共振周波数Ｆが当該共振周波数Ｆ自身と励振電極１２２の厚さＴ２との積に依存することになる。この場合に、共振周波数Ｆが励振レベルの上昇に応じて単調増加するか否かは、非線形振動に係るばね定数ｋｔの高次項の係数（厚さＴ２及び共振周波数Ｆの影響分を含む）の比（主に３次以上の項の係数の大きさなど）などによって定まる。
　水晶片１２１の厚さＴ１に対する励振電極１２２の厚さＴ２の比は、通常０．０１１０以上、特に好ましくは０．０１１４以上である。また、この比は、通常０．０１３８以下、特に好ましくは０．０１２４以下である。上述の範囲にあることで、ＤＬＤ特性が改善されるので、好ましい。
　励振電極１２２は、例えば、平面視で円形、楕円形若しくは多角形又はこれらの一部ずつの組み合わせであってもよい。また、励振電極１２２は、上記多角形の角が丸められていてもよい。励振電極１２２が平面視で多角形である（角が丸められているものを含む）場合には、当該多角形は長方形が好ましい。この場合、励振電極１２２の長辺は、水晶片１２１の長辺よりも短ければ特段の制限はないが、通常１００μｍ以上１１００μｍ以下、好ましくは２５０μｍ以上９００μｍ以下、特に好ましくは４００μｍ以上７００μｍ以下である。水晶片１２１の長辺に対する励振電極１２２の長辺の比は、通常０．０７以上１未満、好ましくは０．２５以上０．９以下、特に好ましくは０．５以上０．８以下である。平面視長方形の励振電極１２２の長辺に対する短辺の比は、通常０．０５以上１未満、好ましくは０．２以上０．７５以下、特に好ましくは０．３以上０．５以下である。
　励振電極１２２の構成要素である上側電極１２２ｂ及び下側電極１２２ａの形状及び大きさは、同一であってもよいし、互いに異なっていてもよい。励振電極１２２は、水晶片１２１の両面のそれぞれ平面視同一位置にあることが好ましい。ここで、平面視同一位置とは、励振電極１２２が多角形である場合に、上側電極１２２ｂの各辺と、当該各辺にそれぞれ対応する下側電極１２２ａの辺とが、平面視で互いに±５μｍ以内の範囲に位置していることをいう。
　図３は、目標とする共振周波数Ｆ（水晶片１２１の厚さＴ１）を規定した場合の励振電極１２２の厚さＴ２に応じた共振周波数Ｆの励振レベルに応じた変化傾向を示す図表である。
　この図表は、設定された共振周波数Ｆが７６．８ＭＨｚであり、それぞれ略矩形状の水晶片１２１（ＡＴカット、厚み：２１．５μｍ）を長辺が８０５μｍ、短辺が５３７μｍとし、当該水晶片１２１の両面に配置される励振電極１２２（金の含有量：９９％以上）を長辺が５５９μｍ、短辺が２３３μｍとし、水晶片と励振電極の間の下地層を材料がクロム（Ｃｒ）、厚みが４ｎｍとした場合に、各励振電極１２２の厚さＴ２の試作品において励振レベルを変化させたときの計測結果を含んでいる。ここで、励振電極１２２の寸法の公差、及び水晶片１２１の寸法の公差は、それぞれ±１０μｍ程度である。
　ＤＬＤ特性（励振レベル依存性ともいう）は、励振レベルの変化に応じた周波数の変化の増減を示している。
　ΔＦは、励振レベルの変化に応じた周波数の変化幅を示している。具体的には、ΔＦは、励振レベルに応じた周波数と励振レベル０．００μＷ時の周波数との差分を示す。従来の製品との比較上、励振レベル（励振電力）を２５０μＷとした際にΔＦが０ｐｐｍ以上であればスプリアス発振が発生しにくいため好ましく、６ｐｐｍ以下であれば、誤動作を避けて実用に耐えるレベルと判断している。
　ＤＬＤ特性における「－」は、励振レベルの上昇に応じて共振周波数変化幅（ΔＦ）が、グラフ（Ｙ軸（通常目盛）：ΔＦ、Ｘ軸（対数目盛）：励振レベル）を作成した際に単調減少する傾向（逆方向）を示す。具体的には、「－」は、当該グラフにおいてΔＦと励振レベルの傾きが０より小さいことをいう。「＋」は励振レベルの上昇に応じてΔＦが、当該グラフを作成した際に単調増加する傾向（正方向）を示し、当該グラフにおいてΔＦと励振レベルの傾きが０より大きいことをいう。「±」は励振レベルの上昇に応じて共振周波数の変化幅ΔＦが減少（低下）する部分と増加（上昇）する部分とが混在していることを示す。
　本開示に係るＤＬＤ特性は、具体的には、ネットワークアナライザーを用いて、励振レベル（励振電力ともいう）を０．０１～２５０μＷ変化させた際の水晶振動素子１２の共振周波数変化幅を測定することで得られる。ＤＬＤ特性に「＋」の部分と「－」の部分とが混在することは、起動時の周波数が安定する点で好ましい。
　ＤＬＤ特性は、ΔＦが励振レベルに対して３次以上の関数に従って変化して、少なくとも極小値をとることが好ましい。より好ましくは、ＤＬＤ特性において、ΔＦが０から極小値まで単調減少する。更に好ましくは、「－」の部分において、当該グラフにおける０．０１μＷにおけるΔＦの測定値と極小値とを結ぶ直線の傾き（Ｈｚ／μＷ）が－２０．０以上である。より好ましくは、この傾きが－１０．０以上であり、特に好ましくは、傾きが－７．５以上である。一方、「＋」の部分において、当該グラフにおける極小値と２５０μＷでのΔＦの測定値とを結ぶ直線の傾き（Ｈｚ／μＷ）は、１．０×１０－１以下であることが好ましい。より好ましくはこの傾きが５．０×１０－２以下であり、更に好ましくは傾きが１．０×１０－２以下であり、特に好ましくは傾きが５．０×１０－３以下である。
　また、Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ（ＣＩ、クリスタルインピーダンス）は、直列等価抵抗に応じた値である。ＣＩが３０Ω未満では、実用上損失が許容できるレベルであると判断している。ＣＩは、好ましくは２５Ω以下であり、２０Ω以下が特に好ましい。下限については、０より大きければ特段の限定はない。
　本開示に係るＣＩは、具体的には、ネットワークアナライザを用いて測定される。
　この図３から分かるように、励振電極１２２の厚さＴ２が２２４．９ｎｍ以上になると、ＤＬＤ特性において正方向（＋）と逆方向（－）とが混在するようになる（実施例１～実施例４、比較例３）。このような傾向がみられると、励振レベルの上昇に応じて一度一方向へ変化する共振周波数Ｆが途中から反対方向に変化することで相殺され、広い励振レベルで共振周波数Ｆの変化が抑えられることになる。
　なお、励振電極１２２の膜厚（厚さＴ２）が２００ｎｍよりも小さい場合（比較例１）及び３００ｎｍよりも大きい場合には、副次的な振動の影響が大きくなるので、水晶振動子１２の電気的特性が低下する。特に、水晶片１２１の長辺が１．２ｍｍ以下の場合には、主振動と副次的な振動とが結合しやすくなり、共振周波数Ｆが急激に変化する。したがって、励振電極１２２の厚さＴ２が２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲外では、適切な電気的特性は得られない。
　図４は、励振レベルに応じた周波数変化量の特性（ＤＬＤ特性）を説明するための模式図である。周波数の変化量であるΔＦが励振レベルに対して１次関数や２次関数の関係にある場合には、破線で示すように、励振レベルが上昇するに従ってΔＦが単調に大きくなるだけであり、すなわち、励振レベルが大きくなると単純に共振周波数Ｆの精度が落ちる。一方、ΔＦが励振レベルに対して３次関数以上であって、極大と極小をそれぞれとる場合には、実線で示すように、ΔＦは、当該極大と極小の間やその外側の若干の範囲では（この範囲から大きく外れない限り）、単調に大きく（小さく）ならず、精度が大きく悪化しない範囲が維持され得る。
　ここでは、厚さＴ２が２３３．５ｎｍ以上２３９．１ｎｍ以下の範囲（実施例２、実施例３）では、ΔＦが１．０ｐｐｍ以下となって通常よりも非常に小さい範囲に収まる（Ａ）。すなわち、励振レベルを大きくしても共振周波数Ｆが大きく変化せず、実用上問題が生じにくい。
　ただし、励振電極１２２の厚さＴ２が更に大きくなっていくと励振電極１２２の質量Ｍが増大して錘としての効果が過大になり、水晶片１２１の振動を妨げることになる。その結果、ΔＦよりもＣＩの増加が目立つようになる。ここでは、厚さＴ２が２５６．３ｎｍ以下であれば（実施例４）、３０Ω未満のＣＩが得られる（Ｂ）。これよりも厚さＴ２が更に増すと（比較例３）、ＣＩが３０Ω以上となって共振周波数信号を送受信するのに不適切になる（Ｃ）。
　すなわち、上記の通り、金の励振電極１２２が厚ければ、当該励振電極１２２の共振が生じるようになり、当該共振に係るばね係数と水晶片１２１の共振に係るばね係数との組み合わせ（積）に応じて、従来よりも広い励振レベルの変化範囲で励振レベルに応じた共振周波数Ｆの変化が抑えられる傾向がある（金の励振電極１２２が軟化ばねとして水晶片１２１の振動に係るＤＬＤの特性を相殺する）ことが分かった。
　このように、高周波数帯、ここでは７６．８ＭＨｚの共振周波数を有する水晶振動素子１２では、励振電極１２２の厚さＴ２を大きめに調整することで、水晶片１２１のＤＬＤ特性を改善することができる。上記のように、金の励振電極１２２及び水晶片１２１の物性に係るパラメータ以外で可変なものは、上記厚さＴ２と共振周波数Ｆの積である。したがって、この値を適宜な値の範囲に収めることで、水晶振動素子１２のＤＬＤ特性を改善しつつ、上記のようにＣＩなどの上昇も抑えることができる。
　上記のように、共振周波数Ｆが７６．８ＭＨｚにおいて、厚さＴ２が２００ｎｍ未満、すなわち積の値が０．０１５３６未満の範囲、及び厚さＴ２が３００ｎｍより大きい、すなわち積の値が０．０２３０４より大きい範囲では、副次的な振動による影響が抑えられないので、適切な電気的特性が得られない。実用上許容される厚さＴ２の範囲は、２２４．９ｎｍ以上２５６．３ｎｍ以下であるので、これらの積の範囲は、０．０１７２７２以上０．０１９６８４以下（ｍｍ・ＭＨｚ）である。また、より好ましくは、厚さＴ２が２３３．５ｎｍ以上２３９．１ｎｍ以下であるので、積の範囲は、０．０１７９３３以上０．０１８３６３以下（ｍｍ・ＭＨｚ）である。
　なお、周波数が変化しても、これに対応して厚さＴ２が変化すれば、上記と同一の関係が保たれる。ＣＩの上昇への影響を考慮すると、共振周波数Ｆが数十～数百ＭＨｚの範囲、特に４０－４００ＭＨｚの範囲では、上記の関係が適用され得る。また、共振周波数Ｆ＝７６．８ＭＨｚについても、実際には若干（１～２％など）のずれを有するものであってもよい。
　図５Ａは、厚さＴ２が１０２．０ｎｍ（比較例１、白丸と実線）、２２０．６ｎｍ（比較例２、白四角と破線）及び２３３．５ｎｍ（実施例２、黒丸と破線）の場合における励振レベル（Ｘ軸：対数目盛）に対するΔＦ（Ｙ軸：通常目盛）の測定結果を示すグラフである。図５Ｂは、図５Ａの破線で囲んだ部分を拡大した図である。
　厚さＴ２が１０２．０ｎｍ及び２２０．６ｎｍの場合には、測定範囲内において、それぞれΔＦが単調増加及び減少を示している。これに対し、厚さＴ２が２３３．５ｎｍの場合には、「－」の部分において、当該グラフにおける０．０１μＷの測定値と極小値における測定値を結ぶ直線の傾き（Ｈｚ／μＷ）が－５．０５であり、一方、「＋」の部分において、当該グラフにおける極小値における測定値と２５０μＷの測定値とを結ぶ直線の傾き３．８２×１０－３であった。「＋」の部分及び「－」の部分において水晶振動素子１２がそれぞれ上述の値を有することにより、ＤＬＤ特性を改善しつつ、ＣＩなどの上昇も抑えることができることがわかる。
　以上のように、本実施形態の水晶振動素子１２（水晶素子）は、水晶片１２１と、当該水晶片１２１の両面のそれぞれ平面視同一位置にあり、両面上に位置する下地層と、当該下地層上に位置し（すなわち下地層を水晶片１２１との間に挟んで）、金の含有量が質量比で９０％以上である導電層とを有する励振電極１２２と、を備える。励振電極１２２の厚さ（ｍｍ）と水晶振動素子１２の共振周波数（ＭＨｚ）との積の値は、０．０１７２７２以上０．０１９６８４以下である。
　水晶振動素子１２において、共振周波数に対する励振電極１２２の厚さＴ２をこのように定めることによって、ＤＬＤ特性を改善し、励振レベルを上昇させても適正な共振周波数Ｆを保つことができる。
　また、より好ましくは、上記の積の値は、０．０１７９３３以上０．０１８３６３以下である。この範囲であれば、ＤＬＤ特性が従来よりも十分に改善されるとともに、ＣＩも小さい値に留めることができ、電力に比して効率よく水晶振動素子１２を振動させることができる。
　また、共振周波数Ｆは、７６．８ＭＨｚであってよい。この周波数では、ＤＬＤ特性とともにＣＩを最適な範囲に合わせることができる。
　また、本実施形態の水晶デバイス１は、上記の水晶振動素子１２を備える。この水晶デバイス１によれば、励振レベルを変化させても広い範囲で安定した共振周波数Ｆを得ることができるので、多様な励振レベルの電子機器などで安定して利用することができる。
　また、本実施形態の水晶振動素子１２は、水晶片１２１と、当該水晶片１２１の両面に位置し、金の含有量が質量比で９０％以上である導電層を有する一対の電極１２２ａ、１２２ｂと、備える。当該水晶素子１２のＤＬＤ特性は、正方向（＋）の部分と逆方向（－）の部分とが混在する。
　したがって、水晶振動素子１２は、ＤＬＤ特性が改善し、励振レベルを変化させても適正な周波数の近傍で共振させやすい。これにより、水晶振動素子１２は、起動時の周波数が安定する。
　また、水晶振動素子１２は、導電層と水晶片１２１との間に下地層を有する。これにより、水晶振動素子１２において電極１２２ａ、１２２ｂと水晶片１２１とを確実に接合させることができる。
　また、水晶振動素子１２の共振周波数は、４０ＭＨｚ以上４００ＭＨｚ以下である。このような共振周波数帯に対応する水晶片１２１の厚さの場合に、上記のように電極１２２ａ、１２２ｂの厚さＴ２を従来より厚めの適切な範囲とすることで、ＤＬＤ特性を安定して改善することができる。
　また、水晶振動素子１２の導電層の厚さは、５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下である。上記電極１２２ａ、１２２ｂの導電層の厚さをこの範囲に調整することで、ＤＬＤ特性に「＋」の部分と「－」の部分を含み、ΔＦを抑えることができる。よって、この水晶振動素子１２は、ＤＬＤ特性が改善する。
　また、水晶振動素子１２のクリスタルインピーダンスは、３０Ω未満である。ＣＩが小さく抑えられることで、低損失で効率的に水晶振動素子１２を振動させることができる。
　なお、上記実施の形態は例示であって、様々な変更が可能である。
　例えば、上記実施の形態では、水晶デバイス１の一部である水晶振動素子１２について説明したが、これに限られない。水晶振動素子１２が単体で製造販売など頒布されてもよい。
　また、上記実施の形態では、ＤＬＤ特性とＣＩのみを考慮して適切な厚さＴ２の範囲を考慮したが、これに限られない。その他のパラメータが併せて考慮されてもよい。
　その他、上記実施の形態で示した具体的な構成、材質、構造などは、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。本発明の範囲は、特許請求の範囲に記載した発明の範囲とその均等の範囲を含む。
　本開示は、水晶素子及び水晶デバイスに利用することができる。

Claims (12)

  1. 　水晶片と、
    　当該水晶片の両面に位置し、金の含有量が質量比で９０％以上である導電層を有する一対の電極と、
    を備える水晶素子であって、
    　当該水晶素子のＤＬＤ特性が正方向（＋）の部分と逆方向（－）の部分とが混在する、水晶素子。
  2. 　前記導電層と前記水晶片との間に下地層を有する、請求項１に記載の水晶素子。
  3. 　前記水晶素子の共振周波数が４０ＭＨｚ以上４００ＭＨｚ以下である、請求項１又は２に記載の水晶素子。
  4. 　前記水晶素子の導電層の厚さが５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下である、請求項１～３のいずれか一項に記載の水晶素子。
  5. 　前記水晶素子のクリスタルインピーダンスが３０Ω未満である、請求項１～４のいずれか一項に記載の水晶素子。
  6. 　前記導電層の厚さ（ｍｍ）と前記水晶素子の共振周波数（ＭＨｚ）との積の値は、０．０１７２７２以上０．０１９６８４以下である、請求項１～５のいずれか一項に記載の水晶素子。
  7. 　前記一対の電極が平面視同一位置にある、請求項１～６のいずれか一項に記載の水晶素子。
  8. 　請求項１～７のいずれか一項に記載の水晶素子を備える水晶デバイス。
  9. 　水晶片と、
    　当該水晶片の両面のそれぞれ平面視同一位置にあり、前記両面上にそれぞれ位置する下地層と、当該下地層上に位置し、金の含有量が質量比で９０％以上である導電層とを有する電極と、
    を備える水晶素子であって、
    　前記導電層の厚さ（ｍｍ）と当該水晶素子の共振周波数（ＭＨｚ）との積の値は、０．０１７２７２以上０．０１９６８４以下である
    　水晶素子。
  10. 　前記積の値は、０．０１７９３３以上０．０１８３６３以下である請求項９に記載の水晶素子。
  11. 　前記共振周波数は、７６．８ＭＨｚである請求項９又は１０に記載の水晶素子。
  12. 　請求項９～１１のいずれか一項に記載の水晶素子を備える水晶デバイス。
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001251160A (ja) * 2000-03-07 2001-09-14 Seiko Epson Corp 圧電振動片及びその製造方法
JP2007096945A (ja) * 2005-09-29 2007-04-12 Daishinku Corp 水晶振動デバイスおよび水晶振動デバイスの製造方法
JP2013255052A (ja) * 2012-06-06 2013-12-19 Seiko Epson Corp 振動素子、振動子、電子デバイス、電子機器、移動体および振動素子の製造方法
JP2014158149A (ja) * 2013-02-15 2014-08-28 Seiko Epson Corp 振動素子、振動子、電子デバイス、電子機器、及び移動体
JP2015109633A (ja) * 2013-10-22 2015-06-11 株式会社大真空 圧電振動素子と当該圧電振動素子を用いた圧電デバイスおよび、前記圧電振動素子の製造方法と当該圧電振動素子を用いた圧電デバイスの製造方法
JP2020136999A (ja) * 2019-02-22 2020-08-31 京セラ株式会社 水晶素子、水晶デバイス及び電子機器

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001251160A (ja) * 2000-03-07 2001-09-14 Seiko Epson Corp 圧電振動片及びその製造方法
JP2007096945A (ja) * 2005-09-29 2007-04-12 Daishinku Corp 水晶振動デバイスおよび水晶振動デバイスの製造方法
JP2013255052A (ja) * 2012-06-06 2013-12-19 Seiko Epson Corp 振動素子、振動子、電子デバイス、電子機器、移動体および振動素子の製造方法
JP2014158149A (ja) * 2013-02-15 2014-08-28 Seiko Epson Corp 振動素子、振動子、電子デバイス、電子機器、及び移動体
JP2015109633A (ja) * 2013-10-22 2015-06-11 株式会社大真空 圧電振動素子と当該圧電振動素子を用いた圧電デバイスおよび、前記圧電振動素子の製造方法と当該圧電振動素子を用いた圧電デバイスの製造方法
JP2020136999A (ja) * 2019-02-22 2020-08-31 京セラ株式会社 水晶素子、水晶デバイス及び電子機器

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