諧振器以及諧振裝置的制作方法

本發明涉及諧振器以及諧振裝置。

背景技術：

在電子設備中，作為用于實現計時功能的設備，使用諧振器。隨著電子設備的小型化，諧振器也被要求小型化，從而使用MEMS(Micro Electro Mechanical Systems：微機電系統)技術制造的諧振器(以下，稱為“MEMS振子”。)備受關注。

在這樣的諧振器中，將振動部構成為經由連結部被保持體保持為能夠振動。以往，在這樣的諧振器中，為了避免振動部的振動對于保持體傳遞為泄露振動，實施了各種方法。

例如，在專利文獻1中，對于使用了寬度擴展振動的諧振器，在與節點連接的保持臂形成動態減震構造來抑制朝向保持體的振動的泄漏。另外，在專利文獻2中，在輪廓振子與保持體之間附加輔助臂和連結部，由此防止振動的泄漏。

專利文獻1：日本特開平7-7361號公報

專利文獻2：日本特開2008-166903號公報

然而，在專利文獻1以及專利文獻2中，均是利用連結部來抑制來自振動部的不必要振動的結構，通過設置使連結部吸收振動的輔助部來防止從振動部朝向保持體的振動泄漏。因此，連結部的形狀復雜且尺寸增大，諧振器整體的小型化較困難。另外，也存在連結部的強度降低這樣的課題。

技術實現要素：

本發明是鑒于這樣的情況而完成的，其目的在于提供一種抑制由振動部的不必要振動引起的保持體的振動，并且能夠實現振動部的小型化的諧振器以及諧振裝置。

本發明的一個方面所涉及的諧振器具備：振動部，其具有半導體層、形成在半導體層上的第一壓電膜、和形成于第一壓電膜的上部的第一上部電極；保持體，其將振動部保持為能夠振動；連結部，其連結振動部和保持體；以及振動抑制部，其形成在保持體上，具有第二壓電膜和形成于第二壓電膜的上部的第二上部電極。

根據本發明，能夠提供一種抑制由振動部的不必要振動引起的保持體的振動，并且能夠實現小型化的諧振器以及諧振裝置。

附圖說明

圖1是表示第一實施方式的壓電諧振器的整體結構的立體圖。

圖2是表示第一實施方式的壓電諧振器的其它方式的A-A剖視圖。

圖3是圖1的壓電諧振器的保持體與振動抑制部的局部剖視圖。

圖4是表示用于對第一實施方式的壓電諧振器的效果進行說明的比較例的圖。

圖5是表示第一實施方式的壓電諧振器的效果的圖。

圖6是第二實施方式的壓電諧振器的保持體與振動抑制部的局部剖視圖。

圖7是表示第三實施方式的壓電諧振裝置的整體結構的立體分解圖。

圖8是表示其它實施方式的壓電諧振器的結構的俯視示意圖。

圖9是表示其它實施方式的壓電諧振器的結構的俯視示意圖。

圖10是表示其它實施方式的壓電諧振器的結構的立體圖。

圖11是圖10的B-B剖視圖。

具體實施方式

以下，參照附圖對本發明的一實施方式進行說明。

[第一實施方式]

(結構)

圖1是表示第一實施方式的壓電諧振器100(諧振器的一個例子。)的整體結構的立體圖。另外，圖2是圖1的A-A剖視圖，表示構成壓電諧振器100的振動部110的其它方式。另外，圖3是表示構成壓電諧振器100的保持體120的一部分與振動抑制部140的層疊構造的側面剖視圖。

如圖1所示，壓電諧振器100具備振動部110、保持體120、連接振動部110和保持體120的兩個連結部130、以及設置在保持體120上的振動抑制部140。

振動部110是在俯視時具有矩形形狀的寬度擴展振動諧振器。振動部110在半導體層111上，從下層開始層疊下部電極112(第一下部電極的一個例子。)、壓電膜113(第一壓電膜的一個例子。)以及上部電極114(第一壓電膜的一個例子。)而形成。在本實施方式中，半導體層111是由硅形成的簡并半導體。半導體層111例如形成為厚度為10μm、短邊方向的寬度為140μm、長邊方向的長度為200μm。下部電極112例如使用鉬(Mo)、鋁(Al)等金屬形成，厚度為0.1μm。另外，壓電膜113是將所施加的電壓轉換為振動的壓電體的薄膜，例如，厚度為0.8μm。壓電膜113例如能夠將氮化鋁等氮化物、氧化物作為主要成分。具體而言，壓電膜113能夠由氮化鋁鈧(ScAlN)形成。ScAlN是將氮化鋁(AlN)中的鋁(Al)的一部分置換為鈧(Sc)而成的。另外，上部電極114與下部電極112相同，例如，使用鉬(Mo)、鋁(Al)等金屬來形成，厚度為0.1μm。振動部110在振動部110中的寬度擴展振動諧振器的振動方向的中心線的端部(節點)，經由連結部130與保持體120連結，并被保持體120保持。振動部110對長邊方向的長度和短邊方向的寬度的比率進行控制，由此能夠實現不必要振動較小的、寬度擴展振動的基波諧振器。

此外，如圖2的A-A剖視圖所示，振動部110也能夠形成頻率調整用的膜而構成。即，在上部電極114的上層形成頻率調整膜115而構成。由此，能夠進行高效的頻率調整。另外，如該圖所示，也可以在由硅形成的半導體層111的下層且是與壓電膜113相反的面形成氧化硅(例如SiO₂)的溫度特性修正膜117。由此，能夠實現良好的溫度特性。

保持體120形成為俯視呈矩形的框狀。保持體120與半導體層111相同，能夠利用由硅形成的簡并半導體形成。

連結部130與振動部110的半導體層111以及保持體120同時形成。如上述那樣，連結部130是在寬度擴展振動諧振器的振動方向的節點對振動部110和保持體120進行連結的部件。連結部130與半導體層111以及保持體120相同，能夠利用由硅形成的簡并半導體形成。

如圖1所示，振動抑制部140形成于保持體120上的一部分。對于振動抑制部140，只要是在保持體120的表面上就可以設置于任意位置，但優選設置于連結部130的附近。

如圖1以及圖3的剖視圖所示，振動抑制部140層疊下部電極141(第二下部電極的一個例子。)、壓電膜142(第二壓電膜的一個例子。)、上部電極143(第二上部電極的一個例子。)而構成。下部電極141、壓電膜142以及上部電極143由與下部電極112、壓電膜113以及上部電極114相同的結構構成。即，下部電極141例如使用鉬(Mo)、鋁(Al)形成，厚度為0.1μm。另外，下部電極141可以形成為與下部電極112相同的層。另外，壓電膜142是將所施加的電壓轉換成振動的壓電體的薄膜，厚度為0.8μm。壓電膜142例如能夠以氮化鋁為主要成分。具體而言，壓電膜142能夠由氮化鋁鈧(ScAlN)形成。另外，上部電極143與下部電極141相同，例如，使用鉬(Mo)、鋁(Al)來形成，厚度為0.1μm。另外，上部電極143也可以形成為與上部電極114相同的層。

在此，如已經描述的那樣，振動部110的半導體層111、保持體120以及連結部130均是由硅形成的簡并半導體。更具體而言，半導體層111、保持體120以及連結部130通過光刻以及蝕刻等工序對高摻雜簡并硅基板進行加工而一體地形成。另外，作為高摻雜簡并硅基板，例如，使用摻雜有P(磷)的n型簡并硅基板，由此頻率的溫度特性變得良好。

另外，振動部110中的下部電極112、壓電膜113以及上部電極114、振動抑制部140中的下部電極141、壓電膜142以及上部電極143均是通過光刻、蝕刻等對通過濺射等成膜方法形成的膜進行圖案化而形成的。一般地，從振蕩的穩定性考慮，優選振動部的上下部電極、壓電膜是整面電極，若考慮由電極端部的絕緣性降低引起的可靠性惡化，則也可以局部地形成電極。

另外，振動部110的下部電極112、壓電膜113以及上部電極114、與振動抑制部140的下部電極141、壓電膜142以及上部電極143也可以同時形成。通過同時形成這些壓電膜以及上下部電極，能夠簡化壓電諧振器100的制造工序。另外，由于在振動部110以及振動抑制部140中，上下部電極以及壓電膜為相同高度，所以如后面參照圖7說明的那樣，使蓋體與壓電諧振器100的上下接合而密封時容易進行高度的管理。

(作用效果)

根據以上的結構的壓電諧振器100，通過在保持體120上形成振動抑制部140，即使在振動部110中產生的振動經由連結部130作為不必要振動傳遞至保持體120的情況下，也能夠抑制振動。

即，若振動抑制部140的壓電膜142因來自振動部110的振動而彎曲振動，則在壓電膜142上產生與振動應變相應的電荷。由于該振動是基于振動部110的矩形板的寬度擴展振動的彎曲振動，所以彎曲振動的高次諧波容易被激發而在振動抑制部140的壓電膜142上交替地產生正電荷和負電荷。因此，通過形成于壓電膜142的上下的下部電極141和上部電極143使電荷相互抵消，由此能夠消耗不必要振動的能量，抑制振動。

在圖4以及圖5中，對基于FEM模擬(Finite Element Method，有限元法)的寬度擴展振動諧振器的三次諧波，表示由振動抑制部140的電荷抵消引起的振動抑制的效果。

圖4是未設置振動抑制部140的實施例，圖5是將振動抑制部140形成于保持體120的長邊方向上的與連結部130的連接部那一側的附近的實施例。

在圖4以及圖5中，對于厚度方向的振動位移，將色調換成灰度來表示。具體而言，作為振幅G1表示藍色的負方向的最大位移(振幅-1.0nm～-0.5nm)，作為振幅G2用紅色表示正方向的最大位移(振幅0.5nm～1.0nm)，作為振幅G0用綠色表示中間位移(振幅-0.5nm～0.5nm，以下稱為振幅G0。)。如圖4所示，在寬度擴展振動的三次諧波中，在振動部中央厚度方向的彎曲位移較大，該振動位移經過連結部，保持體也向厚度方向彎曲振動。

對圖4以及圖5進行比較，顯然，就設置有振動抑制部140的圖5而言，與未設置振動抑制部140的圖4相比，保持體120中的顯示振幅G1和振幅G2的范圍減少，來自振動部110的振動被抑制。

根據本實施方式的壓電諧振器100，能夠提供一種不對連結部的形狀、構造進行變更，就抑制保持體因振動部的不必要振動而振動，并且能夠實現小型化的壓電諧振器以及壓電諧振裝置。

[第二實施方式]

參照圖6對第二實施方式的壓電諧振器進行說明。圖6與圖3相同，是表示構成壓電諧振器的保持體的一部分和振動抑制部的層疊構造的側剖視圖。此外，對于與第一實施方式相同的結構標注相同的附圖標記，并省略說明。

如圖6所示，在壓電諧振器200中，在保持體120的上層形成振動抑制部240。振動抑制部240由壓電膜241和上部電極242形成。振動抑制部240還在上部電極242連接有接地線243，通過該接地線243接地。

另外，與第一實施方式相同，振動部110的半導體層111(在圖6中未圖示。參照圖1。)、保持體120以及連結部130(在圖6中未圖示。參照圖1。)能夠利用由硅形成的簡并半導體，形成為一體。

在本實施方式的壓電諧振器200中，將振動部110的半導體層111、保持體120以及連結部130由硅形成并且由簡并半導體形成，由此能夠改善頻率溫度特性，無需形成下部電極。因此，能夠簡化壓電諧振器200的制造工序。另外，由于能夠在振動抑制部240中去掉下部電極，所以能夠使壓電諧振器200薄層化。

進一步通過從振動抑制部240的上部電極242與接地線243連接，能夠更加高效地使電荷抵消，并能夠提高不必要振動的抑制效果。

此外，在本實施方式的壓電諧振器200中，優選形成在保持體120上的壓電膜241上的上部電極242和振動部110的上部電極114(在圖6中未圖示。參照圖1。)不進行電容耦合。因為特性(k)會因兩個導體間的電容耦合而降低。因此，對于保持體120上的壓電膜241上的上部電極242而言，優選在不喪失效果的范圍內，將保持體120上的配置面積構成為較小，高效地使電荷抵消。

[第三實施方式]

第三實施方式涉及使用第一以及第二實施方式的壓電諧振器形成的壓電諧振裝置，參照圖7對其進行說明。圖7是表示壓電諧振裝置300(諧振裝置的一個例子。)的整體結構的分解立體圖。此外，對于與第一以及第二實施方式相同的結構，標注相同的附圖標記，并省略說明。

壓電諧振裝置300具備壓電諧振器100、以及對壓電諧振器100從上下進行覆蓋而對壓電諧振器100進行密封的上蓋體310和下蓋體320。上蓋體310和下蓋體320均是由硅構成的基板。

上蓋體310俯視呈矩形，在中央具備腔310C。上蓋體310在長邊側的中央端部且是在上下位置與壓電諧振器100的連結部130對應的位置具備一對輸入輸出端子311。另外，在與壓電諧振器100的形成有振動抑制部140的位置對應的位置，具備用于使振動抑制部140的上部電極143(圖7中未圖示。參照圖1、3。)與接地線連接地設置的端子312。另一方面，下蓋體320在中央具備腔320C。

壓電諧振器100在被上蓋體310以及下蓋體320密封的狀態下，儲存于腔310C以及320C。在壓電諧振器100的連結部130上形成從振動部110的上部電極114或下部電極112電引出的引出部121，該引出部121與上蓋體310的輸入輸出端子311電連接。

此外，從壓電諧振器100朝向上蓋體310的輸入輸出端子311的引出也可以通過在上蓋體310形成通孔來進行。

根據以上的壓電諧振裝置300，形成在保持體120上的電極的一端144能夠通過形成于對保持體120進行保持的上蓋體310的通孔等引出至形成于上蓋體310的外表面的端子312。因此，從振動抑制部240的上部電極242朝向接地線的連接變得容易，并能夠更加高效地使電荷抵消，能夠提高不必要振動抑制效果。

[其它實施方式]

本發明并不限于以上述各實施方式示出的方式，例如，也包含如下的方式。在第二實施方式所示的壓電諧振器200中示出，由于特性(k)會因形成在保持體120上的壓電膜241上的上部電極242與振動部110的上部電極114電容耦合而降低，所以優選保持體120上的壓電膜241上的上部電極242在不喪失效果的范圍內，將保持體120上的配置面積構成為較小。另一方面，在壓電諧振器中，由于電荷分布按每個不必要振動的模式發生變化，所以優選將電極配置為盡可能能夠抵消多種電荷分布。

例如，在圖8中以保持體120的一部分和振動抑制部140A示出的那樣，也能夠在壓電膜142A上將上部電極143A配置為：在長邊方向中心配置帶狀電極143Aa，在與帶狀電極143Aa相垂直的短邊方向上配置多個棒狀電極143Ab。這樣，通過連續并且較長地構成壓電膜142A上的上部電極143A，能夠與不必要振動的模式的變化對應地抵消多種電荷分布。

另外，例如在圖9中以保持體120的一部分和振動抑制部140B示出的那樣，在壓電膜142B上將上部電極143B配置為使一個帶狀體折回。該情況下，由于也能夠連續并且較長地構成壓電膜142B上的上部電極143B，所以能夠與多個不必要振動的模式對應地抵消多種電荷分布。此外，在這樣的方式中，通過從壓電膜142B上的上部電極143B的兩端向在圖7中所示的形成于上蓋體310的外部端子引出，也能夠作為它們的溫度傳感器來使用。

另外，在上述各實施方式中，也可以使保持體120上的壓電膜142的結晶性降低。例如，在形成下部電極141后，對下部電極141進行蝕刻，由此使表面變粗糙，并在其上形成壓電膜142，由此能夠構成劣化的壓電膜142。該情況下，能夠使搖擺曲線中的半值寬度擴大。這樣，若保持體120上的壓電膜142的結晶性降低，則Q值降低。雖然泄漏于保持體120的振動包含各種彎曲的高次諧波，但由于Q值降低，能夠實現針對更寬的頻帶的振動抑制。

在上述各實施方式中，示出了采用通過一對連結部130保持矩形形狀的振動部110的兩端的擴展振動模式的例子，但本發明并不限于這樣的方式。例如像圖10中示出的立體圖、圖11中示出的圖10的B-B剖視圖那樣，也能夠通過由與保持體120C的連結部130C延伸出的彎曲振子形成，并通過彎曲振動模式構成振動部110C等其它振動模式構成。

具體而言，如圖10以及圖11所示，在構成矩形的框的保持體120C的一端側形成連結部130C，從該連結部130C延伸出而形成多個(在此是4個)由棒狀的彎曲振子構成的振動部110C。振動部110C的與被連結部130C保持的一側的相反側為自由端。振動部110C通過層疊半導體層111C、下部電極112C、壓電膜113C以及上部電極114C而形成，在中央的2個振動部110C共用地形成上部電極114C。如圖11所示，對于外側的2個振動部110C也同樣地，上部電極114C彼此短路，通過對中央2個與外側2個的上部電極之間施加驅動信號，中央2個與外側2個以相反的相位進行面外彎曲振動。另外，在連結部130C側的保持體120C上，振動抑制部140C形成為帶狀。即使在采用了以上那樣的其它振動模式的壓電諧振器中，也能夠得到與上述實施方式相同的效果。

另外，連結部130的形狀也不限定于各實施方式所示的形狀，也可以是各種構造。例如，連結部130并不限定于在相互對置的區域彼此對振動部110和保持體120進行連接的結構。連結部130也可以為在中途彎曲，與保持體120中的未與振動部110和連結部130的連接位置對置的區域連接的結構。

此外，以上說明的各實施方式是用于使本發明的理解變得容易的內容，并不是用于對本發明進行限定并解釋的內容。本發明能夠不脫離其宗旨地進行變更/改進，并且本發明也包含其等效物。即，對于本領域技術人員對各實施方式適當地施加了設計變更后得到的方式，只要具備本發明的特征，則也包含于本發明的范圍。例如，上述的各實施方式所具備的各要素及其配置、材料、條件、形狀、尺寸等并不限于例示出的內容，能夠適當地變更。另外，上述的各實施方式所具備的各要素只要在技術上可行就能夠組合，對它們進行組合而得到的方式只要包含本發明的特征也包含于本發明的范圍。

附圖標記說明

100…壓電諧振器；110…振動部；111…半導體層；112…下部電極；113…壓電膜；114…上部電極；120…保持體；130…連結部；140…振動抑制部；141…下部電極；142…壓電膜；143…上部電極。