谐振装置以及谐振装置制造方法与流程

1.本发明涉及谐振子以及谐振装置。


背景技术：

2.以往，使用mems(micro electro mechanical systems：微电子机械系统)技术而制造的谐振装置正在普及。该设备例如通过将上侧基板与具有谐振子的下侧基板接合而形成。
3.例如，在专利文献1中公开了一种振动装置，其中，振动板设置有多个振动部并以轮廓振动的高次谐波振动，在振动板连结有支承部的第一端部，设置有框状的基部，以便与支承部的第二端部连接且包围振动板，在基部形成有沿与支承部延伸的方向交叉的方向延伸的狭缝，以便设置弯曲振动部，弯曲振动部的两端与基部的剩余的部分连接，连接的部分成为弯曲振动部的固定端，在将振动板中的固有振动的频率所对应的该弯曲振动的波长设为λ时，弯曲振动部的与支承部的第二端部连结的部分到弯曲振动部的固定端的长度为λ/4。在该振动装置中，在基部形成狭缝以便设置弯曲振动部，从而封闭振动板的振动，提高振动特性。
4.专利文献1：国际公开第2016/006433号
5.然而，如专利文献1那样，在包围振动板且保持振动板的基部(保持部)形成狭缝(孔)的情况下，与不形成狭缝(孔)的情况相比，尺寸变大。


技术实现要素：

6.本发明是鉴于这样的情况而完成的，其目的在于提供能够抑制尺寸的增大并且提高谐振子特性的谐振子以及谐振装置。
7.本发明的一个方面所涉及的谐振子具备：振动部，进行轮廓振动；保持部，形成为包围振动部的至少一部分；以及支承部，沿第一方向延伸并连接振动部与保持部，振动部包括通孔，该通孔沿与第一方向正交的第二方向延伸，以便与支承部之间形成连结部，通孔中的第二方向的长度大于连结部中的第一方向的长度。
8.本发明的另一方面所涉及的谐振装置具备上述的谐振子和盖体。
9.根据本发明，能够抑制尺寸的增大，并且提高谐振子特性。
附图说明
10.图1是简要表示本发明的一实施方式所涉及的谐振装置的结构的分解立体图。
11.图2是简要表示图1所示的谐振子的结构的俯视图。
12.图3是简要表示沿着图2所示的谐振子的iii－iii线的截面的结构的剖视图。
13.图4是简要表示图3所示的通孔的周边结构的主要部分放大俯视图。
14.图5是表示偏移量为零时的通孔中的x轴方向的长度与连结部28中的y轴方向的长度的关系的一个例子的图表。
15.图6是表示偏移量为3μm时的通孔中的x轴方向的长度与连结部中的y轴方向的长度的关系的一个例子的图表。
16.图7是表示偏移量为5μm时的通孔中的x轴方向的长度与连结部中的y轴方向的长度的关系的一个例子的图表。
17.图8是表示偏移量为7.5μm时的通孔中的x轴方向的长度与连结部中的y轴方向的长度的关系的一个例子的图表。
18.图9是表示支承部中的x轴方向的中心线与内侧的振动区域中的x轴方向的中心线的偏移量和其方向的关系的一个例子的图表。
19.图10是表示图4所示的通孔的周边的结构的第一变形例的主要部分放大俯视图。
20.图11是表示图4所示的通孔的周边的结构的第二变形例的主要部分放大俯视图。
具体实施方式
21.以下对本发明的实施方式进行说明。在以下的附图的记载中，相同或者类似的构成要素用相同或者类似的附图标记表示。附图是例示，各部的尺寸、形状是示意性的，不应理解为本发明的技术范围限定于该实施方式。
22.＜实施方式＞
23.首先，参照图1，对本发明的一实施方式所涉及的谐振装置的简要结构进行说明。图1是简要表示本发明的一实施方式所涉及的谐振装置10的结构的分解立体图。
24.如图1所示，谐振装置10例如具有平坦的长方体的轮廓形状。谐振装置10具备：下侧基板11、上侧基板12以及夹在下侧基板11与上侧基板12之间并被保持的谐振子13。此外，下侧基板11和上侧基板12相当于本发明的“盖体”的一个例子。
25.在以下，对谐振装置10的各结构进行说明。此外，在以下的说明中，将谐振装置10中的设置有上侧基板12的一侧设为上(或者表面)、将设置有下侧基板11的一侧设为下(或者背面)。
26.谐振子13是使用mems技术而制造的mems振子。谐振子13具备：保持部14、振动部15、将保持部14和振动部15相互连接的两组支承部16a、16a以及16b、16b。
27.保持部14形成为包围振动部15的至少一部分。具体而言，保持部14沿着图1的正交坐标系中的xy平面例如扩展为矩形的框状。保持部14具备沿x轴平行地延伸的一组长边的框体14a、14a、和沿y轴平行地延伸并在其两端分别与框体14a、14a的两端连接的一组短边的框体14b、14b。
28.振动部15配置在保持部14的内侧，与保持部14同样地例如沿xy平面扩展为矩形。振动部15具有沿x轴方向相互平行地延伸的较长的第一边和第二边。振动部15的第一边和第二边分别与框体14a、14a大致平行地延伸。
29.一组支承部16a、16a和一组支承部16b、16b分别在与y轴大致平行的一条直线上延伸并将框体14a、14a和振动部15相互连接。
30.下侧基板11沿xy平面扩展为平板状。在下侧基板11的上表面例如形成有平坦的长方体形状的凹部17。凹部17形成振动部15的振动空间的一部分。
31.上侧基板12与下侧基板11同样地沿xy平面扩展为平板状。在上侧基板12的下表面例如形成有平坦的长方体形状的凹部18。凹部18形成振动部15的振动空间的一部分。在该
振动空间中，被机密地密封以维持真空状态。下侧基板11和上侧基板12例如使用硅(si)基板而形成。
32.接下来，参照图2～图4，对本发明的一实施方式所涉及的谐振子的简要结构进行说明。图2是简要表示图1所示的谐振子13的结构的俯视图。图3是简要表示沿着图2所示的iii－iii线的截面的结构的剖视图。图4是简要表示图3所示的通孔27的周边的结构的主要部分放大俯视图。
33.如图2所示，振动部15具备沿规定的方向即x轴方向排列的四个振动区域15a～15d。各振动区域15a～15d在图2中被虚线分隔。在本实施方式中，各振动区域15a～15d在x轴方向上分别具有相同的宽度，并且在y轴方向上分别具有相同的长度。即，各振动区域15a～15d规定在x轴方向上被四等分的区域。
34.如上所述，振动部15通过两组支承部16a、16a及16b、16b支承于保持部14。一个组支承部16a、16a将比外侧的振动区域15a更靠内侧的振动区域15b和框体14a、14a相互连接。另一组支承部16b、16b将比外侧的振动区域15d更靠内侧的振动区域15c和框体14a、14a相互连接。
35.如图3所示，振动部15由氧化硅(si)膜21、层叠在氧化硅(si)膜21上的活性层、即硅(si)层22、层叠在硅(si)层22上的压电薄膜23、形成在压电薄膜23的下表面的例如一个下侧电极膜24、以及形成在压电薄膜23的上表面的多个上侧电极膜25形成。此外，氧化硅(si)膜21也可以形成在压电薄膜23的上表面及下表面的至少一个面。
36.氧化硅(si)膜21是用于修正谐振子13的频率温度特性的膜，例如使用sio2而形成。氧化硅(si)膜21通过硅(si)层22的表面的氧化、化学气相沉积(cvd：chemical vapor deposition)形成于硅(si)层22的表面。另外，代替sio2，氧化硅(si)膜21也可以使用包含si
a
o
b
层(a和b是正的整数)的适当的组成的氧化硅材料。
37.硅(si)层22由简并状态的n型的硅(si)半导体形成，包含p(磷)、砷(as)、锑(sb)等作为n型掺杂剂。简并的n型硅(si)的电阻值例如小于16mω
·
cm，更优选为1.2mω
·
cm以下。
38.下侧电极膜24跨所有振动区域15a～15d而形成，在所有振动区域15a～15d中成为共用的电极。该下侧电极膜24形成为浮动电极。在各振动区域15a～15d形成一个上侧电极膜25。下侧电极膜24以及上侧电极膜25使用晶体结构为体心立法结构的金属。具体而言，下侧电极膜24以及上侧电极膜25使用mo(钼)、钨(w)等而形成。此外，也可以针对振动区域15a～15d分别形成一个下侧电极膜24，来代替针对振动区域15a～15d形成一个下侧电极膜24。
39.压电薄膜23是将所施加的电压转换为振动的压电体的薄膜。压电薄膜23由晶体结构具有纤锌矿六方晶体结构的材质形成，例如可以以氮化铝(aln)、氮化钪铝(scaln)、氧化锌(zno)、氮化镓(gan)、氮化铟(inn)等氮化物、氧化物为主成分。此外，氮化钪铝是氮化铝中铝的一部分被置换成钪，也可以代替钪而被镁(mg)及铌(nb)、镁(mg)及锆(zr)等两种元素来置换。
40.另外，压电薄膜23相对于硅(si)层22沿c轴、即其厚度方向(z轴方向)取向。
41.对各上侧电极膜25沿厚度方向施加交变电场，以便与相邻的上侧电极膜25相反相位。因此，各振动区域15a～15d机械式地结合，由此振动部15整体以高次谐波进行轮廓振动。即、在振动部15中，在x轴方向上产生反复振动部15伸长的状态和振动部15收缩的状态
的宽度扩展模式的振动。
42.此外，在本说明书中，“轮廓振动”是指扩展振动、宽度方向(x轴方向)的尺寸变化的宽度扩展振动、以及在长度方向(y轴方向)上伸缩的振动的总称。
43.如图2所示，振动部15包括四个通孔27。各通孔27设置在与支承部16a、16a以及支承部16b、16b对应的位置。换言之，连接有支承部16a、16a的振动区域15b以及连接有支承部16b、16b的振动区域15c包括通孔27。各通孔27在z轴方向上贯通振动部15，并沿x轴方向延伸。另外，各通孔27例如具有沿x轴方向较长地延伸的矩形的轮廓。
44.如图4所示，在振动部15中，在通孔27与支承部16a之间形成连结部28。连结部28在与y轴方向正交的x轴方向上较长地延伸。
45.这样，通过振动部15包括沿x轴方向延伸的通孔27，以便在与支承部16a、16a以及支承部16b、16b之间形成连结部28，从而与在保持部、保持部与振动部之间设置通孔的情况相比，能够维持谐振子13的尺寸。因此，能够抑制谐振子13的尺寸的增大。
46.此处，若振动部15的振动传递到连结部28，则振动在连结部28中主要被转换为y轴方向上的弯曲振动。由于图4中点划线所示的连结部28与振动部15之间的界面成为该弯曲振动的固定端，所以连结部28中的弯曲振动在该界面反射，将振动封闭在连结部28中。其结果是，能够有效地抑制振动部15的振动通过支承部16a传递到框体14a。
47.在俯视时，通孔27具有x轴方向的长度sl和小于长度sl的y轴方向的长度sw(长度sl＞长度sw)。连结部28的x轴方向的长度与通孔27中的x轴方向的长度sl大致相同，并具有y轴方向的长度sd。通孔27中的x轴方向的长度sl大于连结部28中的y轴方向的长度sd。
48.更详细而言，优选通孔27中的x轴方向的长度sl相对于连结部28中的y轴方向的长度sd足够大。
49.此外，对于图4所示的通孔27以外的通孔，在与支承部16a或者支承部16b、16b之间形成连结部28，是同样的结构，因此省略图示及其说明。
50.此处，参照图5，对振动部所包含的通孔以及连结部的效果进行说明。此外，在图5中，后述的偏移量sp设为零(没有)进行说明。图5是表示偏移量sp为零时的通孔27中的x轴方向的长度sl与连结部28中的y轴方向的长度sd的关系的一个例子的图表。在图5中，横轴是通孔27中的x轴方向的长度sl相对于连结部28中的y轴方向的长度sd的比率sl/sd。纵轴是使用机电耦合系数k以及q值q来表示并成为谐振子特性的指标的值k2q。图5中的各标绘的比率sl/sd从小到大依次为5.0、6.7、8.3。另外，在图5中，为了比较，用虚线以及白圈示出没有通孔的情况(无孔)下的值k2q。
51.如图5所示，使通孔27中的y轴方向的长度sw从2μm变化到5μm。其结果可知在谐振子特性中，通孔中的y轴方向的长度sw的影响较少。另一方面，可知在5以上的比率sl/sd时，与没有通孔的情况相比，值k2q变大，能够提高谐振子特性。
52.这样，通孔27中的x轴方向的长度sl大于连结部28中的y轴方向的长度sd，从而在振动部15振动时，连结部28容易变形，能够封闭振动部15的振动。因此，能够抑制从振动部15向保持部14传递振动，并能够提高谐振子13的谐振子特性。
53.如图2所示，在各组支承部16a、16a及16b、16b中，x轴方向的中心线l1从内侧的振动区域15b、15c中的x轴方向的中心线l2分别朝向外侧相互分离的方向上偏移地配置。
54.如上所述，振动区域15a、15c与振动区域15b的两侧相邻，振动区域15b、15d与振动
区域15c的两侧相邻。本发明的发明人发现：在内侧的振动区域15b、15c中，分别受到相邻的两侧的振动区域的位移的影响，所以振动区域15b、15c的实际的位移最小点(变形最大点)从被设为有本来的位移最小点(变形最大点)的振动区域15b、15c的x轴方向的中心线l2上分别朝向振动部15的内侧以及外侧偏移。
55.因而，优选分别在各组支承部16a、16a及16b、16b中，x轴方向的中心线l1从内侧的振动区域15b、15c中的x轴方向的中心线l2分别朝向内侧或外侧相互偏移。
56.同样地，优选内侧的振动区域15b、15c的通孔27中的x轴方向的中心线从振动区域15b、15c中的x轴方向的中心线l2分别朝向内侧或外侧相互偏移。该情况下，各组支承部16a、16a及16b、16b的x轴方向的中心线l1与内侧的振动区域15b、15c的通孔27中的x轴方向的中心线一致。
57.其结果是，优选各组支承部16a、16a及16b、16b的x轴方向的中心线l1朝向振动部15的内侧或外侧、即实际的位移最小点偏移，并与实际的位移最小点对位。由此，能够将由支承部16a、16b支承引起的振动区域15b、15c的振动的损失抑制为最小限度。
58.另外，在内侧的振动区域15b、15c中，优选上侧电极膜25的x轴方向的中心线朝向振动部15的内侧或外侧、即实际的位移最小点偏移，上侧电极膜25以实际的变形最大点为中心而形成。由此，能够提高振动部15的振动效率，并能够进一步提高谐振子13的谐振子特性。
59.此处，参照图6～图8，对支承部中的x轴方向的中心线从振动区域中的x轴方向的中心线偏移的效果进行说明。此外，在图6～图8中，使用图4所示的偏移量sp来表示中心线l1与中心线l2的偏移。图6是表示偏移量sp为3μm时的通孔27中的x轴方向的长度sl与连结部28中的y轴方向的长度sd的关系的一个例子的图表。图7是表示偏移量sp为5μm时的通孔中的x轴方向的长度sl与连结部28中的y轴方向的长度sd的关系的一个例子的图表。图8是表示偏移量sp为7.5μm时的通孔27中的x轴方向的长度sl与连结部28中的y轴方向的长度sd的关系的一个例子的图表。在图6～图8中，横轴是通孔27中的x轴方向的长度sl相对于连结部28中的y轴方向的长度sd的比率sl/sd。纵轴是成为谐振子特性的指标的值k2q。此外，图6～图8中的各标绘的比率sl/sd从小到大依次为5.0、6.7、8.3。另外，在图6～图8中，为了比较，用虚线以及白圈示出没有通孔的情况的值k2q。
60.如图6～图8所示，使各通孔27中的y轴方向的长度sw从2μm变化到5μm。其结果可知在谐振子特性中，是偏移量sp越大则谐振子特性越提高的趋势。
61.这样，支承部16a、16b中的x轴方向的中心线l1从连接有支承部16a、16b的内侧的振动区域15b、15c中的x轴方向的中心线l2偏移，由此能够进一步提高谐振子13的谐振子特性。
62.另外，支承部16a、16b中的x轴方向的中心线l1与连接有支承部16a、16b的内侧的振动区域15b、15c的通孔27中的x方向的中心线一致，由此能够进一步提高谐振子13的谐振子特性。
63.另外，与图5同样地，可知在5以上的比率sl/sd时，与没有通孔的情况相比，能够提高谐振子特性。特别是在比率sl/sd为6以上时，谐振子特性的提高显著。
64.这样，通孔27中的x轴方向的长度sl相对于连结部28中的y轴方向的长度sd的比率sl/sd为6以上，由此能够进一步提高谐振子13的谐振子特性。
65.接下来，参照图9，对支承部中的x轴方向的中心线与振动区域中的x轴方向的中心线的偏移的方向进行说明。此外，在图9中，将中心线l1从中心线l2向振动部15的内侧偏移的情况下的偏移量sp设为正值，将中心线l1从中心线l2向振动部15的外侧偏移的情况下的偏移量sp设为负值。图9是表示支承部16a、16b中的x轴方向的中心线l1与内侧的振动区域15b、15c中的x轴方向的中心线l2的偏移量sp和其方向的关系的一个例子的图表。在图9中，横轴是偏移量sp，纵轴是成为谐振子特性的指标的值k2q。
66.如图9所示，在偏移量sp为零、即支承部16a、16b中的x轴方向的中心线l1与内侧的振动区域15b、15c中的x轴方向的中心线l2一致时，谐振子特性最低。另一方面，在偏移量sp为正值、即支承部16a、16b中的x轴方向的中心线l1从内侧的振动区域15b、15c中的x轴方向的中心线l2向振动部15的内侧偏移时、以及偏移量sp为负值、即支承部16a、16b中的x轴方向的中心线l1从内侧的振动区域15b、15c中的x轴方向的中心线l2向振动部15的外侧偏移时两方，谐振子特性提高。因而，可知无论中心线l1与中心线l2的偏移的方向如何，谐振子特性都有提高的趋势。
67.在本实施方式中，示出通过两组支承部16a、16a及16b、16b支承包含四个振动区域15a～15d的振动部15的例子，但并不限定于此。例如，包含四个振动区域15a～15d的振动部15也可以由四组支承部支承。该情况下，各组支承部将振动区域15a～15d的各个连接于框体14a、14a。另外，在振动部15的各振动区域15a～15d设置有八个通孔27，以便在与各组支承部之间形成连结部28。
68.另外，在本实施方式中，示出振动部15包含四个振动区域15a～15d的例子，但并不限定于此。例如，振动部15也可以包括在x轴方向上排列的五个振动区域。该情况下，在振动区域15b与振动区域15c之间、即振动部15中的x轴方向的中央追加振动区域。另外，振动部15由一组支承部16a、16a支承，该支承部16a、16a与所追加的中央的振动区域连接。另外，在该振动区域设置有两个通孔27，以便在与一组支承部16a、16a之间形成连结部28。
69.并且，在本实施方式中，示出各通孔27是一个孔，在俯视时具有矩形的形状的例子，但并不限定于此。例如，各通孔27也可以是矩形以外的形状，或者也可以由多个孔构成。
70.(第一变形例)
71.图10是表示图4所示的通孔27的周边的结构的第一变形例的主要部分放大俯视图。此外，在第一变形例中，对于与图4所示的通孔27相同的结构，标注相同的附图标记，适当省略其说明。另外，对于同样的结构产生的同样的作用效果，没有依次提及。
72.如图10所示，通孔27a的俯视时的形状是沿x轴方向较长地延伸的椭圆形状，而不是矩形。在通孔27a与支承部16a之间形成连结部28a。连结部28a在与y轴方向正交的x轴方向上较长地延伸。在图10中用点划线示出连结部28a与振动部15之间的界面。
73.(第二变形例)
74.图11是表示图4所示的通孔27的周边的结构的第二变形例的主要部分放大俯视图。此外，在第二变形例中，对于与图4所示的通孔27相同的结构，标注相同的附图标记，适当省略其说明。另外，对于同样的结构产生的同样的作用效果，没有依次提及。
75.如图11所示，通孔27b不是一个孔，由多个孔构成。各孔沿x轴方向相互分离地配置。
76.通孔27b中的y轴方向的长度sw与各孔的直径大致相同，通孔27b中的x轴方向的长
度sl是从多个孔中的x轴方向的一端(左端)到另一端(右端)的距离。在通孔27b与支承部16a之间形成连结部28b。连结部28b在与y轴方向正交的x轴方向上较长地延伸。连结部28b中的y轴方向的长度sd是振动部15的外周与最接近该外周的孔的一端(上端)之间的距离。在图11中用点划线示出连结部28b与振动部15之间的界面。
77.以上，对本发明的例示的实施方式进行了说明。在本发明的一实施方式所涉及的谐振子中，振动部包括通孔，该通孔沿x轴方向延伸，以便与支承部之间形成连结部。由此，与在保持部、或保持部与振动部之间设置通孔的情况相比，能够维持谐振子的尺寸。因此，能够抑制谐振子的尺寸的增大。另外，通孔中的x轴方向的长度大于连结部中的y轴方向的长度。由此，在振动部振动时，连结部容易变形，能够封闭振动部的振动。因此，能够抑制从振动部向保持部传递振动，并能够提高谐振子的谐振子特性。
78.另外，在上述的谐振子中，通孔中的x轴方向的长度相对于连结部中的y轴方向的长度的比率为6以上。由此，能够进一步提高谐振子的谐振子特性。
79.另外，在上述的谐振子中，振动部包括：多个振动区域、即各振动区域相对于相邻的其它振动区域以相反相位振动的多个振动区域。由此，能够容易地实现谐振子特性提高的以高次谐波进行轮廓振动的谐振子。
80.另外，在上述的谐振子中，支承部中的x轴方向的中心线从连接有该支承部的内侧的振动区域中的x轴方向的中心线偏移。由此，能够进一步提高谐振子13的谐振子特性。
81.另外，在上述的谐振子中，支承部中的x轴方向的中心线与连接有支承部的内侧的振动区域的通孔中的x方向的中心线一致。由此，能够进一步提高谐振子的谐振子特性。
82.另外，在上述的谐振子中，支承部中的x轴方向的中心线与连接有支承部的振动区域中的位移最小点一致。由此，能够将由支承部支承引起的振动区域的振动的损失抑制为最小限度。
83.另外，在上述的谐振子中，通孔包括沿x轴方向配置的多个孔。即使在该情况下，也能够获得与通孔为一个孔时同样的效果。
84.本发明的一实施方式所涉及的谐振装置具备上述的谐振子和盖体。由此，能够容易地实现抑制尺寸的增大并且提高谐振子特性的谐振装置。
85.此外，以上说明的实施方式是用于容易理解本发明，并不是用于限定解释本发明。本发明可以不脱离其主旨地进行变更/改进，并且其等价物也包含在本发明中。即，本领域技术人员对各实施方式适当地施加了设计变更所得的结构只要具备本发明的特征，则也包含在本发明的范围内。例如，实施方式所具备的各要素及其配置、材料、条件、形状、尺寸等并不限定于例示的而能够适当地变更。另外，实施方式是例示，当然能够进行在不同的实施方式中示出的结构的局部置换或者组合，这些结构只要包含本发明的特征就包含在本发明的范围中。
86.附图标记说明
87.10
…
谐振装置；11
…
下侧基板；12
…
上侧基板；13
…
谐振子；14
…
保持部；14a、14b
…
框体；15
…
振动部；15a、15b、15c、15d
…
振动区域；16a、16b
…
支承部；17、18
…
凹部；21
…
氧化硅(si)膜；22
…
硅(si)层；23
…
压电薄膜；24
…
下侧电极膜；25
…
上侧电极膜；27、27a、27b
…
通孔；28、28a、28b
…
连结部；k
…
机电耦合系数；l1、l2
…
中心线；q
…
q值；sd
…
长度；sl
…
长度；sw
…
长度；sp
…
偏移量。