本發(fā)明涉及多個振動臂以面外彎曲振動模式進行振動的共振裝置。

背景技術(shù)：

以往，使用了MEMS(Micro Electro Mechanical Systems：微機電系統(tǒng))技術(shù)的共振裝置例如作為定時器件被使用。該共振裝置被安裝在設(shè)置于智能手機等電子設(shè)備內(nèi)的印刷電路基板上。共振裝置具備下側(cè)基板、與下側(cè)基板之間形成腔室的上側(cè)基板、以及在下側(cè)基板以及上側(cè)基板之間被配置于腔室內(nèi)的共振子。

共振子具備向形成在下側(cè)基板以及上側(cè)基板之間的腔室內(nèi)延伸的基部、和在腔室內(nèi)從與基部的一端連接的固定端朝向自由端并列地延伸的多個振動臂。各振動臂根據(jù)被施加的電場的方向，在垂直方向朝向下側(cè)基板或者上側(cè)基板振動。例如在具備三個振動臂的共振子中，對中央的一個振動臂、和其兩外側(cè)的兩根振動臂施加相反方向的電場，中央的振動臂與外側(cè)兩根振動臂相互以相反相位振動。

專利文獻1：日本特開2003－204240號公報

隨著近年來的電子設(shè)備的小型化而要求共振裝置的小型化，因此，例如期望降低在上述的垂直方向規(guī)定的共振裝置的厚度來實現(xiàn)薄型化。鑒于此，為了充分地確保振動臂的振動空間并降低共振裝置的厚度，可考慮降低下側(cè)基板、上側(cè)基板的厚度。然而，基板的厚度的降低會導(dǎo)致基板的剛性的降低，可想象到基板會產(chǎn)生翹曲等變形、由于電子設(shè)備的落下時的沖擊而基板破損的情況。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是鑒于這樣的情況而完成的，其目的在于，在共振裝置中實現(xiàn)薄型化并且抑制變形、破損。

本發(fā)明的一個方面所涉及的共振裝置具備：下側(cè)基板；上側(cè)基板，與下側(cè)基板之間形成振動空間；突起部，形成在下側(cè)基板或者上側(cè)基板的內(nèi)面，并向振動空間突出；以及共振子，被配置在振動空間內(nèi)，且具有基部、和從基部并列地沿下側(cè)基板或者上側(cè)基板的內(nèi)面延伸并朝向內(nèi)面在垂直方向進行振動的多個振動臂。

根據(jù)本發(fā)明，在共振裝置中，能夠?qū)崿F(xiàn)薄型化并且抑制變形、破損。

附圖說明

圖1是簡要地表示本發(fā)明的第一實施方式所涉及的共振裝置的外觀的立體圖。

圖2是簡要地表示本發(fā)明的第一實施方式所涉及的共振裝置的結(jié)構(gòu)的分解立體圖。

圖3是取下了上側(cè)基板的本發(fā)明的第一實施方式所涉及的共振裝置的俯視圖。

圖4是沿圖3的4－4線的剖視圖。

圖5是用于說明本發(fā)明的第一實施方式所涉及的共振裝置的制造方法的剖視圖。

圖6是用于說明本發(fā)明的第一實施方式所涉及的共振裝置的制造方法的剖視圖。

圖7是表示內(nèi)側(cè)的振動臂彼此之間的間隔相對于外側(cè)的振動臂以及內(nèi)側(cè)的振動臂之間的間隔的比率與k²Q的關(guān)系的圖。

圖8是簡要地表示本發(fā)明的第二實施方式所涉及的共振裝置的結(jié)構(gòu)的俯視圖。

圖9是簡要地表示本發(fā)明的第三實施方式所涉及的共振裝置的結(jié)構(gòu)的剖視圖。

圖10是簡要地表示本發(fā)明的第四實施方式所涉及的共振裝置的結(jié)構(gòu)的剖視圖。

圖11是簡要地表示本發(fā)明的第五實施方式所涉及的共振裝置的結(jié)構(gòu)的剖視圖。

圖12是簡要地表示本發(fā)明的第六實施方式所涉及的共振裝置的結(jié)構(gòu)的剖視圖。

圖13是簡要地表示本發(fā)明的第七實施方式所涉及的共振裝置的結(jié)構(gòu)的剖視圖。

具體實施方式

以下，參照附圖對本發(fā)明的第一實施方式進行說明。圖1是簡要地表示本發(fā)明的第一實施方式所涉及的共振裝置10的外觀的立體圖。該共振裝置10具備下側(cè)基板11、與下側(cè)基板11之間形成振動空間的上側(cè)基板12、以及夾在下側(cè)基板11以及上側(cè)基板12之間而被保持的共振子13。共振子13是使用MEMS技術(shù)制造的MEMS振子。

圖2是簡要地表示本發(fā)明的第一實施方式所涉及的共振裝置10的結(jié)構(gòu)的分解立體圖。如圖2所示，共振子13具備沿圖2的正交坐標系上的XY平面擴展為矩形的框狀的支承框14、在支承框14內(nèi)從支承框14的一端沿XY平面擴展為平板狀的基部15、以及從與基部15的一端連接的固定端朝向自由端沿XY平面延伸的多個振動臂16a～16d。在本實施方式中，四根振動臂16a～16d與Y軸平行地延伸。此外，振動臂的數(shù)目并不限定于四個，例如可設(shè)定為四個以上的任意的數(shù)目。

圖3是取下了上側(cè)基板12的共振裝置10的俯視圖。若一并參照圖2以及圖3，則各振動臂16a～16d形成為棱柱形狀，且分別具有相同的尺寸。根據(jù)圖3可知，在沿X軸方向配置于外側(cè)兩根振動臂16a、16d之間的內(nèi)側(cè)兩根振動臂16b、16c之間沿X軸方向規(guī)定的間隔W1被設(shè)定得比在外側(cè)的振動臂16a(16d)和與該外側(cè)的振動臂16a(16d)鄰接的內(nèi)側(cè)的振動臂16b(16c)之間沿X軸方向規(guī)定的間隔W2大。

下側(cè)基板11具備沿XY平面擴展的平板狀的底板17、和從底板17的周緣部向Z軸方向立起的側(cè)壁18。通過下側(cè)基板11的內(nèi)面即底板17的表面和側(cè)壁18的內(nèi)面形成凹部19。凹部19形成振動臂16a～16d的振動空間的一部分。在凹部19內(nèi)，在底板17的表面形成有向振動空間內(nèi)突出的突起部20。根據(jù)圖3可知，突起部20在與內(nèi)側(cè)的振動臂16b、16c之間的間隙相對的位置形成于底板17。在本實施方式中，突起部20形成為與各振動臂16a～16d平行地延伸的棱柱形狀。

圖4是沿圖3的4－4線的剖視圖。若一并參照圖4，則在本實施方式所涉及的共振裝置10中，共振子13的支承框14在下側(cè)基板11的側(cè)壁18上被架住，上側(cè)基板12覆蓋在共振子13上。這樣一來共振子13被保持在下側(cè)基板11與上側(cè)基板12之間，通過下側(cè)基板11、上側(cè)基板12以及共振子13的支承框14形成振動臂16a～16d的振動空間。該振動空間保持氣密，維持真空狀態(tài)。上側(cè)基板12例如形成為平板狀。

下側(cè)基板11的底板17、側(cè)壁18以及突起部20由Si(硅)一體地形成。在側(cè)壁18的上表面以及突起部20的上表面形成有氧化硅(例如SiO₂(二氧化硅))膜21，該氧化硅膜21為了下側(cè)基板11與共振子13的支承框14之間的接合而被使用。在Z軸方向規(guī)定的下側(cè)基板11的厚度例如被設(shè)定為150μm，凹部19的深度例如被設(shè)定為50μm。另外，對于突起部20，在Y軸方向規(guī)定的長度例如被設(shè)定為400μm左右，在X軸方向規(guī)定的寬度例如被設(shè)定為20μm左右，在Z軸方向規(guī)定的高度例如被設(shè)定為50μm左右。

在共振子13中，支承框14、基部15、振動臂16a～16d由Si(硅)層22、和層疊在Si層22上的AlN(氮化鋁)層23形成。Si層22由作為簡并半導(dǎo)體的n型Si半導(dǎo)體形成，作為n型摻雜劑，能夠包含P(磷)、As(砷)、Sb(銻)等。對于振動臂16a～16d，在Y軸方向規(guī)定的長度例如被設(shè)定為500μm左右，在X軸方向規(guī)定的寬度例如被設(shè)定為50μm左右，在Z軸方向規(guī)定的厚度例如被設(shè)定為6μm左右。內(nèi)側(cè)的振動臂16b、16c的間隔W1例如被設(shè)定為30μm左右。

各振動臂16a～16d具備在上述的AlN層23的上表面以及下表面以夾持AlN層23的方式形成的第一以及第二Mo(鉬)層24、25。第一以及第二Mo層24、25形成第一以及第二電極。第一以及第二Mo層24、25例如與設(shè)在共振子13的外部的交流電源(未圖示)連接。在連接時，使用例如形成在上側(cè)基板12的外面的電極(未圖示)、形成在上側(cè)基板12內(nèi)的硅通孔(TSV)(未圖示)。

AlN層23是將被施加的電壓轉(zhuǎn)換為振動的壓電膜。也可以代替AlN層23，而使用例如以Sc置換了Al的一部分的AlN層亦即氮化鈧鋁層。AlN層23根據(jù)通過第一以及第二Mo層24、25施加給AlN層23的電場，向XY平面的面內(nèi)方向即Y軸方向伸縮。通過該AlN層23的伸縮，振動臂16a～16d向相對于XY平面垂直的方向(Z軸方向)彎曲位移。即，振動臂16a～16d使其自由端朝向下側(cè)基板11以及上側(cè)基板12的內(nèi)面位移，以面外彎曲振動模式進行振動。

在本實施方式中，根據(jù)圖4可知，通過設(shè)定為施加給外側(cè)的振動臂16a、16d的電場的相位與施加給內(nèi)側(cè)的振動臂16b、16c的電場的相位相互為相反相位，外側(cè)的振動臂16a、16d與內(nèi)側(cè)的振動臂16b、16c向相互相反的方向位移。例如若外側(cè)的振動臂16a、16d使自由端朝向上側(cè)基板12的內(nèi)面位移，則內(nèi)側(cè)的振動臂16b、16c使自由端朝向下側(cè)基板11的內(nèi)面位移。

上側(cè)基板12由沿XY平面擴展的規(guī)定的厚度的平板狀的Si(硅)形成。根據(jù)圖4可知，上側(cè)基板12通過其周緣部被架在共振子13的支承框14上。這樣一來上側(cè)基板12與下側(cè)基板11之間夾入共振子13的支承框14來支承共振子13。在上側(cè)基板12的周緣部與支承框14之間夾有用于上側(cè)基板12與支承框14的接合的Au(金)膜26以及Sn(錫)膜27。

根據(jù)以上那樣的共振裝置10，在下側(cè)基板11的內(nèi)面形成有向振動空間突出的突起部20。由于通過該突起部20能夠提高下側(cè)基板11的剛性，所以即使在實現(xiàn)共振裝置10的薄型化時降低了下側(cè)基板11的厚度，也能夠與以往相同或者在以往以上地確保下側(cè)基板11的剛性。因此，能夠抑制下側(cè)基板11的翹曲的產(chǎn)生，并且可防止因被組裝共振裝置10的電子設(shè)備的落下所引起的下側(cè)基板11的破損。

并且，由于突起部20形成在與內(nèi)側(cè)的振動臂16b、16c之間的間隙對置的下側(cè)基板11的內(nèi)面，所以不會妨礙振動臂16a～16d的振動。結(jié)果，能夠如以往那樣確保振動臂16a～16b的振動的振幅。另外，由于通過在下側(cè)基板11形成凹部19使得振動臂16a～16d的振動空間在垂直方向增大，所以即便使振動臂16a～16d的振動的振幅增大也能夠防止振動臂16a～16d與下側(cè)基板11以及上側(cè)基板12之間的接觸。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)振動臂16a～16d的穩(wěn)定的振動。

接下來，以下對共振裝置10的制造方法進行說明。圖5是用于說明本發(fā)明的第一實施方式所涉及的共振裝置10的制造方法的剖視圖。如圖5(a)所示，首先，準備平板狀的Si基板31。接下來，如圖5(b)所示，例如通過蝕刻在Si基板31的平坦的上面形成規(guī)定的深度的凹部19。與凹部19的形成同時地形成突起部20，由此形成下側(cè)基板11。從底板17的上表面開始的突起部20的高度與從底板17的上表面開始的側(cè)壁18的高度一致。

然后，如圖5(c)所示，在側(cè)壁18的上表面以及突起部20的上表面圖案化形成接合用的氧化硅膜21。接下來，如圖5(d)所示，在氧化硅膜21上例如通過共晶來接合平板狀的簡并Si基板32。接著，如圖5(e)所示，例如通過濺射在簡并Si基板32上依次使第一Mo膜33、AlN膜34以及第二Mo膜35成膜。此時，第一Mo膜33以及第二Mo膜35不需要形成在簡并Si基板32的上表面的整體，例如僅形成在包含第一以及第二電極的形成位置的區(qū)域。

然后，如圖6(a)所示，例如通過干式蝕刻或者濕式蝕刻將簡并Si基板32、第一Mo膜33、AlN膜34以及第二Mo膜35形成為上述的支承框14、基部15以及振動臂16a～16d的形狀。這樣一來，形成被支承框14支承在下側(cè)基板11的側(cè)壁18上的共振子13。然后，如圖6(b)所示，使接合用的Au膜26在與上側(cè)基板12的接合位置亦即支承框14的上表面成膜。

另一方面，準備上側(cè)基板12。如圖6(c)所示，例如通過濺射在上側(cè)基板12的與支承框14的接合位置使Sn膜27預(yù)先成膜。通過將該Sn膜27與支承框14上的Au膜26接合，使得上側(cè)基板12與支承框14接合。這樣一來，通過下側(cè)基板11、共振子13以及上側(cè)基板12形成振動臂16a～16d的振動空間。此時，振動空間為真空狀態(tài)而保持氣密。這樣一來，制造了共振裝置10。

本發(fā)明人們驗證了相互鄰接的振動臂16a～16d的間隔W1、W2與表示振動的性能的k²Q的關(guān)系。在振動臂16a～16d中，將Si層22的厚度設(shè)定為10μm，將第一以及第二Mo層24、25的厚度設(shè)定為0.1μm，將AlN層23的厚度設(shè)定為0.8μm。此外，在Si層22上形成了具有1.5μm的厚度的氧化硅層。在圖3中的正交坐標軸上，在Y軸方向規(guī)定的振動臂16a～16d的長度被設(shè)定為650μm，在X軸方向規(guī)定的各振動臂16a～16d的寬度W被設(shè)定為30μm。

測量了在上述條件下，使間隔W1相對于寬度w的比率(W1/W)變動時的、間隔W1相對于間隔W2的比率(W1/W2)與k²Q的關(guān)系。結(jié)果，如圖7所示，確認了不管W1/W的值如何，若W1/W2的值被設(shè)定在0.5以上，則k²Q比較高。特別是，確認了若W1/W2的值被設(shè)定在1.0以上，則k²Q穩(wěn)定地提高。即，確認了若間隔W2被設(shè)定為間隔W1以上的大小，則振動的性能進一步提高。

根據(jù)該驗證結(jié)果，在上述的第一實施方式所涉及的共振裝置10中，由于將間隔W1設(shè)定得比間隔W2大，所以振動的性能相對提高。該情況下，由于將間隔W2設(shè)定得比以往大，會使得在X軸方向規(guī)定的共振裝置10的寬度增大。該情況下，認為下側(cè)基板11、上側(cè)基板12的寬度增大，會導(dǎo)致下側(cè)基板11、上側(cè)基板12的剛性的降低。本發(fā)明對解決由于這樣的下側(cè)基板11、上側(cè)基板12的剛性的降低而產(chǎn)生的課題特別有用。

圖8是簡要地表示本發(fā)明的第二實施方式所涉及的共振裝置10的結(jié)構(gòu)的俯視圖。其中，在第二實施方式以后省略對與第一實施方式共同的事情的記述，僅對不同的點進行說明。特別是，相同的構(gòu)成所帶來的相同的作用效果不在每個實施方式依次提及。如圖8所示，突起部20在與內(nèi)側(cè)的振動臂16b、16c之間的空隙對置的下側(cè)基板11的內(nèi)面向Y軸方向延伸形成這一點與第一實施方式相同。在該第二實施方式中，突起部20的一端與下側(cè)基板11的一端的側(cè)壁18連接。根據(jù)這樣的構(gòu)成，通過突起部20與側(cè)壁18的連接，能夠進一步提高下側(cè)基板11的剛性。

圖9是簡要地表示本發(fā)明的第三實施方式所涉及的共振裝置10的結(jié)構(gòu)的剖視圖。如圖9所示，可以除了下側(cè)基板11的突起部20之外，還在上側(cè)基板12的內(nèi)面形成突起部40。突起部40與突起部20相同，形成為向Y軸方向延伸的棱柱形狀。在本實施方式中，突起部40在與突起部20對置的位置形成在上側(cè)基板12，突起部40與突起部20連接。因此，突起部40進入內(nèi)側(cè)的振動臂16b、16c之間的間隙內(nèi)。

根據(jù)圖9可知，期望突起部20與突起部40通過接合用的Au膜26以及Sn膜27接合。根據(jù)該第二實施方式的結(jié)構(gòu)，由于在下側(cè)基板11以及上側(cè)基板12雙方形成突起部，所以能夠使基板的剛性進一步增大。此外，突起部20與突起部40并不需要形成在Z軸方向上相互完全對置的位置，也可以在偏移的位置相互對置且其一部分彼此接合。另外，突起部20和突起部40也可以并不一定形成在對置的位置。

在圖9所示的第三實施方式中，上側(cè)基板12的突起部40與平板上的Si一體地形成。也可以代替該結(jié)構(gòu)，而在圖10所示的第四實施方式中，突起部40在上側(cè)基板12的內(nèi)面例如通過氧化硅形成。換言之，突起部40既可以由與上側(cè)基板12的材料相同的材料形成，或者，也可以由不同的材料形成。另外，在本發(fā)明的共振裝置10中，也可以省略下側(cè)基板11的突起部20的形成，而僅在上側(cè)基板12形成突起部40。此時，突起部40例如也可以與下側(cè)基板11的內(nèi)面接合。

圖11是簡要地表示本發(fā)明的第五實施方式所涉及的共振裝置10的結(jié)構(gòu)的剖視圖。在該共振裝置10中，在除了與第三實施方式同樣地形成突起部20以及突起部40之外，還在上側(cè)基板12的內(nèi)面形成凹部41這一點與第三實施方式的結(jié)構(gòu)不同。具體而言，上側(cè)基板12具備沿XY平面擴展的平板狀的底板42、和從底板42的周緣部立起的側(cè)壁43。底板42的表面與上側(cè)基板12的內(nèi)面對應(yīng)。

在這樣的共振裝置10中，例如通過除了在下側(cè)基板11形成凹部20之外在上側(cè)基板12也形成凹部41，能夠在垂直方向進一步增大振動臂16a～16d的振動空間。結(jié)果，即便使振動臂16a～16d的振動的振幅增大也能夠防止振動臂16a～16d與下側(cè)基板11以及上側(cè)基板12之間的接觸。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)振動臂16a～16d的穩(wěn)定的振動。

圖12是簡要地表示本發(fā)明的第六實施方式所涉及的共振裝置10的結(jié)構(gòu)的剖視圖。在該共振裝置10中，突起部20與上側(cè)基板12的內(nèi)面連接。該突起部20通過在下側(cè)基板11的突起部20的形成位置上利用蝕刻將簡并Si基板32、第一Mo膜33、AlN膜34以及第二Mo膜35殘留而形成。突起部20通過Au膜26以及Sn膜27與上側(cè)基板12連接。根據(jù)這樣的構(gòu)成，由于下側(cè)基板11以及上側(cè)基板12通過突起部20連接，所以能夠使基板的剛性進一步增大。

圖13是簡要地表示本發(fā)明的第七實施方式所涉及的共振裝置10的結(jié)構(gòu)的剖視圖。在該共振裝置10中，振動臂16a～16d的各間隔被形成得全部相等(例如30μm左右)，并在振動臂16a～16d的各間隔形成與第六實施方式的突起部20相同的突起部20A～20C。突起部20A形成在底板17上的與外側(cè)的振動臂16a和內(nèi)側(cè)的振動臂16b之間的間隔相對的位置上，并與上側(cè)基板12的內(nèi)面連接。突起部20B形成在底板17上的與內(nèi)側(cè)的振動臂16b、16c之間的間隔相對的位置上，并與上側(cè)基板12的內(nèi)面連接。另外，突起部20C形成在底板17上的與外側(cè)的振動臂16d和內(nèi)側(cè)的振動臂16c之間的間隔相對的位置上，并與上側(cè)基板12的內(nèi)面連接。根據(jù)這樣的構(gòu)成，由于下側(cè)基板11以及上側(cè)基板12通過突起部20A～20C連接，所以能夠使基板的剛性進一步增大。

此外，以上說明的各實施方式是為了使本發(fā)明的理解變得容易的實施方式，并不是用于對本發(fā)明進行限定解釋的實施方式。本發(fā)明在不脫離其主旨的范圍內(nèi)，能夠進行變更/改進，并且在本發(fā)明中也包含其等效物。即，本領(lǐng)域技術(shù)人員對各實施方式施加了適當(dāng)?shù)脑O(shè)計變更后的實施方式只要具備本發(fā)明的特征便包含于本發(fā)明的范圍。例如，各實施方式具備的各要素以及其配置、材料、條件、形狀、尺寸等并不限定于例示而能夠適當(dāng)?shù)刈兏?。另外，各實施方式具備的各要素只要在技術(shù)上可行則能夠進行組合，組合了這些要素的實施方式只要包含本發(fā)明的特征則包含于本發(fā)明的范圍。

符號說明

10…共振裝置，11…下側(cè)基板，12…上側(cè)基板，13…共振子，15…基部，16a～16d…振動臂，19…凹部，20…突起部(下側(cè)突起部)，40…突起部(上側(cè)突起部)，41…凹部，42…底板，43…側(cè)壁。