一种音叉晶体振荡片、制备方法及压电器件

本发明涉及石英音叉晶体谐振器，尤其涉及到一种音叉晶体振荡片、制备方法及压电器件。

背景技术：

1、随着通讯终端电子产品的小型化，超薄型，特别是智能穿戴电子产品对线路安装空间的严格要求，电子器件也要求小尺寸，微型化。作为电子产品中时钟信号产生的音叉型石英晶体谐振器，封装尺寸也逐步减小，这同时意味着音叉型石英振荡片的尺寸也越来越小。因此传统机械加工工艺难以满足要求，针对这样的问题qmems光刻工艺被应用到各向异性材料单晶sio2的加工中，随着石英音叉晶体谐振器的小型化，目前会面临着最大的问题是阻抗问题，其通常包含以下两个方面的限制：

2、一方面，音叉晶片设计好后是通过导电胶固定在陶瓷基座中，然后对基座真空封焊。在设计过程中一般是研究石英晶片的特性，重点考虑到音叉的振动幅值、音叉的频率以及相应的振动阻抗。但是最终晶片固定在陶瓷基座上，臂梁的动能顺着臂梁传递到固定块的区域，最终出现漏振现象导致音叉的整体阻抗过大。因此必须考虑音叉的固定方式，如果固定在音叉的根部必将导致导电胶点对音叉的阻尼从而引起阻抗过大。

3、另一方面，石英晶体具有显著的各向异性，蚀刻速率与侧壁演化会随晶向而变化。在对振动臂的上下表面以名义中心位置进行蚀刻时，即使蚀刻窗口位于几何中心，所得凹槽仍可能出现左右不对称的侧壁外扩、底部偏斜或等效中心偏移，从而导致振动臂左右材料去除量不同，形成左右质量不对称。尤其在同一原料批次的量产条件下，晶向微偏差、温度浓度波动等因素会叠加放大这种不对称，使得简单依靠经验设定或单件反复试刻的方式难以同时兼顾加工效率与一致性。

4、因此，如何从固定的方式出发改变现有技术中对石英音叉谐振器的设计，改善因胶点对音叉振动的影响，从而降低音叉的阻抗，并考虑石英晶体具有的各向异性，在规模化生产阶段提升产线效率与整体，是一个亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明提供一种音叉晶体振荡片、制备方法及压电器件，旨在解决上述至少一个技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供一种音叉晶体振荡片制备方法，包括以下步骤：

3、s1：提供测试石英片叉指样品和待制备石英片叉指样品；其中，所述测试石英片叉指样品和所述待制备石英片叉指样品被配置为具有若干个同一原料批次的标准石英片叉指，每个标准石英片叉指包括基部以及从所述基部延伸出的一对振动臂；

4、s2：在测试石英片叉指样品中，针对每个标准石英片叉指，在所述振动臂上设置用于形成第一凹槽的蚀刻窗口图形；其中，所述第一凹槽的蚀刻窗口图形具有名义中心位置；

5、s3：在测试石英片叉指样品中，针对每个标准石英片叉指，在所述名义中心位置对应的上下表面执行测试蚀刻，得到第一凹槽；

6、s4：获取所述第一凹槽的横截面图像数据，执行包含像素级区域分类、凹槽侧壁与底部边界的轮廓提取以及振动臂臂梁区域的左右外边界提取，计算臂梁中线左侧与右侧的去除体积并求解平均蚀刻偏移量；

7、s5：在待制备石英片叉指样品中，针对每个标准石英片叉指，在所述基部的第一预设位置与第二预设位置分别形成第二凹槽和到基部远离振动臂一侧根部之间预留点胶间隔距离的点胶固定块；

8、s6：在待制备石英片叉指样品中，针对每个标准石英片叉指，基于所述名义中心位置与所述平均蚀刻偏移量，确定实际蚀刻位置，在所述振动臂上设置用于形成第三凹槽的蚀刻窗口图形；其中，所述第三凹槽的蚀刻窗口图形具有所述实际蚀刻位置；

9、s7：在待制备石英片叉指样品中，针对每个标准石英片叉指，在所述实际蚀刻位置对应的上下表面执行测试蚀刻，得到第三凹槽，获得最终的音叉晶体振荡片。

10、可选地，所述名义中心位置被配置为每个振动臂上表面和下表面上沿振动臂中线的第一蚀刻区域，所述实际蚀刻位置为每个振动臂上表面和下表面上沿振动臂中线向垂直于振动臂方向平移平均蚀刻偏移量后的第二蚀刻区域。

11、可选地，步骤s4：获取所述第一凹槽的横截面图像数据，执行包含像素级区域分类、凹槽侧壁与底部边界的轮廓提取以及振动臂臂梁区域的左右外边界提取，计算臂梁中线左侧与右侧的去除体积并求解平均蚀刻偏移量，具体包括：

12、s41：获取所述第一凹槽的横截面图像数据；其中，所述横截面图像数据至少包含第一凹槽区域与振动臂臂梁区域的截面轮廓；

13、s42：对每张横截面图像数据执行包含像素级区域分类、凹槽侧壁与底部边界的轮廓提取以及振动臂臂梁区域的左右外边界提取的图像处理，确定臂梁中线；

14、s43：以所述臂梁中线为分界，在所述横截面图像数据中构建第一凹槽造成的材料去除区域掩膜，并分别计算位于所述臂梁中线左侧的去除体积与位于所述臂梁中线右侧的去除体积，得到左右去除质量差；

15、s44：根据每张横截面图像数据的左右去除质量差求解平均蚀刻偏移量；

16、其中，所述平均蚀刻偏移量用于在正式蚀刻时将凹槽蚀刻窗口相对于所述臂梁中线沿音叉臂宽度方向进行偏移，使正式蚀刻形成凹槽后左右质量差最小或小于所述预设质量差阈值。

17、可选地，所述横截面图像数据被配置为包括沿振动臂方向的多个截面图像数据，所述计算位于所述臂梁中线左侧的去除体积与位于所述臂梁中线右侧的去除体积，通过对多个截面对应的左右去除截面积沿音叉臂长度方向进行离散积分得到。

18、可选地，步骤s42：对每张横截面图像数据执行包含像素级区域分类、凹槽侧壁与底部边界的轮廓提取以及振动臂臂梁区域的左右外边界提取的图像处理，确定臂梁中线，具体包括：

19、s421：对每张横截面图像数据执行预处理；其中，所述预处理包括以下至少一项或多项的组合：畸变校正、去噪滤波、亮度与对比度归一化处理；

20、s422：对预处理后的每张横截面图像数据执行像素级区域分类，输出凹槽去除区域概率图与臂梁区域概率图，并依据阈值生成上表面和下表面的凹槽去除区域掩膜与臂梁区域掩膜；

21、s423：对所述凹槽去除区域掩膜与所述臂梁区域掩膜进行连通域筛选与形态学处理；其中，所述形态学处理包括以下至少一项或多项的组合：开运算、闭运算与孔洞填充；

22、s424：基于所述臂梁区域掩膜提取臂梁区域的左外边界与右外边界，在厚度方向上对左右外边界进行配对求中值，得到臂梁中线，并对厚度方向的离散采样点进行平均得到该截面对应的臂梁中线位置；

23、其中，所述臂梁中线的表达式，具体为：

24、；

25、式中，表示厚度位置z处的中线横向坐标，表示在厚度坐标为z处臂梁左/右外边界的横向坐标；

26、其中，所述臂梁中线位置的表达式，具体为：

27、；

28、式中，表示用于左右分界的臂梁中线位置，表示厚度方向离散采样点，表示离散采样点数量；

29、s425：对所述凹槽去除区域掩膜的边界执行轮廓提取，得到凹槽侧壁边界与底部边界的轮廓点集，并通过曲线拟合输出凹槽轮廓。

30、可选地，步骤s43：以所述臂梁中线为分界，在所述横截面图像数据中构建第一凹槽造成的材料去除区域掩膜，并分别计算位于所述臂梁中线左侧的去除体积与位于所述臂梁中线右侧的去除体积，得到左右去除质量差，具体包括：

31、s431：基于所述凹槽去除区域掩膜与所述臂梁中线位置，将凹槽去除区域划分为左侧去除区域与右侧去除区域，并分别计算每张横截面图像对应的左侧去除截面积与右侧去除截面积；

32、s432：对多个截面对应的左右去除截面积沿振动臂方向执行离散积分，得到左侧去除体积与右侧去除体积；

33、s433：根据石英密度将去除体积换算为去除质量，得到左侧去除质量与右侧去除质量，并计算左右去除质量差；

34、s434：分别计算上表面对应的左右去除质量差与下表面对应的左右去除质量差，求和得到最终左右去除质量差。

35、可选地，步骤s44：根据每张横截面图像数据的左右去除质量差求解平均蚀刻偏移量，具体包括：

36、s441：定义蚀刻偏移量为正式蚀刻时凹槽蚀刻窗口相对于所述臂梁中线沿垂直于振动臂方向的平移量，建立最终左右去除质量差关于所述蚀刻偏移量的一阶近似模型；

37、其中，所述一阶近似模型的表达式，具体为：

38、；

39、式中，表示蚀刻偏移量为时的最终左右去除质量差，表示名义中心位置测试蚀刻得到的最终左右去除质量差，表示蚀刻偏移量，表示最终左右去除质量差对偏移量的灵敏度；

40、s442：对两组候选偏移量计算对应的最终左右去除质量差，通过差分方式估计灵敏度；其中，所述两组候选偏移量的质量差通过对凹槽去除区域掩膜进行等效几何平移并重复执行求取左右去除质量差得到；

41、其中，所述通过差分方式估计灵敏度的表达式，具体为：

42、；

43、式中，、表示两组候选偏移量，、表示两组候选偏移量、对应的最终左右去除质量差；

44、s443：以正式蚀刻后左右质量差为零为目标，计算单个标准石英片叉指对应的蚀刻偏移量；

45、其中，计算单个标准石英片叉指对应的蚀刻偏移量的表达式，具体为：

46、；

47、式中，表示名义中心位置测试蚀刻得到的最终左右去除质量差；

48、s444：对待制备石英片叉指样品中包括的若干个标准石英片叉指对应的蚀刻偏移量进行累加平均计算，得到平均蚀刻偏移量。

49、可选地，步骤s5：在待制备石英片叉指样品中，针对每个标准石英片叉指，在所述基部的第一预设位置与第二预设位置分别形成第二凹槽和到基部远离振动臂一侧根部之间预留点胶间隔距离的点胶固定块，具体包括：

50、s51：在待制备石英片叉指样品中，针对每个标准石英片叉指，在所述基部的第一预设位置，分别蚀刻获得对应于每个振动臂的第二凹槽；

51、其中，所述第一预设位置被配置为两个振动臂沿延伸反方向在基部靠近振动臂的一侧到远离振动臂一侧的振动传输路径中的任意位置，以抑制振动能量向基部远离振动臂一侧传递；

52、s52：在待制备石英片叉指样品中，针对每个标准石英片叉指，在所述基部的第二预设位置，分别形成获得对应于每个振动臂的点胶固定块；

53、其中，所述第二预设位置被配置为两个振动臂沿延伸反方向在第二凹槽到基部远离振动臂一侧之间的任意位置，且第二预设位置到基部远离振动臂一侧根部之间预留点胶间隔距离，以避免点胶动作对基部远离振动臂一侧根部的影响；

54、其中，所述点胶固定块在沿垂直于振动臂延伸方向还具有延伸位置超过基部两侧的延伸凸起，以限位音叉晶体振荡片的安装。

55、此外，为了实现上述目的，本发明还提供了一种音叉晶体振荡片，采用如上任意一项所述的音叉晶体振荡片制备方法制备获得，包括：

56、基部以及从所述基部延伸出的一对振动臂；

57、其中，所述基部的第一预设位置与第二预设位置分别形成第二凹槽和到基部远离振动臂一侧根部之间预留点胶间隔距离的点胶固定块；

58、其中，所述振动臂的实际蚀刻位置上形成有第三凹槽，所述实际蚀刻位置被配置为依据测试石英片叉指样品中每个标准石英片叉指执行名义中心位置的测试蚀刻求解的平均蚀刻偏移量与名义中心位置确定的蚀刻位置。

59、此外，为了实现上述目的，本发明还提供了一种压电器件，包括如上任意一项所述的音叉晶体振荡片制备方法制备的音叉晶体振荡片或包括如上所述的音叉晶体振荡片。

60、本发明的有益效果在于：提出了一种音叉晶体振荡片、制备方法及压电器件，通过设置基部以及从所述基部延伸出的一对振动臂，在基部的第一预设位置与第二预设位置分别形成第二凹槽和到基部远离振动臂一侧根部之间预留点胶间隔距离的点胶固定块，在抑制振动能量向基部远离振动臂一侧传递的同时，避免点胶动作对基部远离振动臂一侧根部的影响，同时，在测试石英片叉指样品上通过测试蚀刻获得横截面图像，利用像素级分类与轮廓提取计算左右去除体积并求得平均蚀刻偏移量，再将该平均蚀刻偏移量应用于待制备石英片叉指样品，保证振动臂凹槽成形后的左右质量对称，从而降低整体阻抗并提升批次一致性与量产效率。