特許 7565633 新型音叉型水晶発振片、その製造方法及び圧電デバイス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-03

(45)【発行日】2024-10-11

(54)【発明の名称】新型音叉型水晶発振片、その製造方法及び圧電デバイス

(51)【国際特許分類】

   H03H 9/19 20060101AFI20241004BHJP

   H03H 3/02 20060101ALI20241004BHJP

   H03H 9/215 20060101ALI20241004BHJP

【ＦＩ】

H03H9/19 K

H03H3/02 B

H03H9/215

H03H9/19 J

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2023030879

(22)【出願日】2023-03-01

(65)【公開番号】P2024074745

(43)【公開日】2024-05-31

【審査請求日】2023-03-01

(31)【優先権主張番号】202211462516.9

(32)【優先日】2022-11-21

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN

(73)【特許権者】

【識別番号】516360775

【氏名又は名称】成都泰美克晶体技術有限公司

【氏名又は名称原語表記】ＣＨＥＮＧＤＵ ＴＩＭＥＭＡＫＥＲ ＣＲＹＳＴＡＬ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＣＯ．， ＬＴＤ

【住所又は居所原語表記】Ｎｏ． １０３， Ｔｉａｎｙｉｎｇ Ｒｏａｄ， Ｈｉ－ｔｅｃｈ Ｚｏｎｅ（Ｗｅｓｔ Ｐａｒｋ）Ｃｈｅｎｇｄｕ， Ｓｉｃｈｕａｎ ６１００４１， Ｃｈｉｎａ

(74)【代理人】

【識別番号】110000291

【氏名又は名称】弁理士法人コスモス国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】李 輝

(72)【発明者】

【氏名】叶 竹之

(72)【発明者】

【氏名】劉 ▲ユー▼剣

(72)【発明者】

【氏名】陸 旺

(72)【発明者】

【氏名】李 歓

【審査官】石田 昌敏

(56)【参考文献】

【文献】特開２００８－１１３２３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１６１１０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－２３２７７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－０８８０５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－３２０７３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００５／０９６４９３（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０３Ｈ ９／００－ ９／７４

Ｈ０３Ｈ ３／００７－３／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基部と、基部から延設された１対の振動腕（１）と、を含む新型音叉型水晶発振片であって、
前記振動腕（１）の表裏面共に、厚さ方向においてフォトリソグラフィーにより形成された段差状座ぐり溝を有し、前記段差状座ぐり溝は振動腕（１）の長さ方向に沿ってフォトリソグラフィーにより形成されたものであり、
前記段差状座ぐり溝はｎ回のフォトリソグラフィーにより形成されたｎ段の段差を有し、ｎは自然数であって且つｎ≧３であり、
前記段差状座ぐり溝の外面全体にわたって電極がメッキされていることを特徴とする新型音叉型水晶発振片。

【請求項2】

前記段差状座ぐり溝は中部段差（２）と少なくとも２組の縁部段差（３）と、を含み、前記中部段差（２）は１つであり、前記縁部段差（３）はｎ－１組であり、各組の縁部段差（３）は２つの同じ段差であり、かつ中部段差（２）の両側に対称に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の新型音叉型水晶発振片。

【請求項3】

前記段差状座ぐり溝は２組の縁部段差（３）又は３組の縁部段差（３）を有することを特徴とする請求項２に記載の新型音叉型水晶発振片。

【請求項4】

縁部段差（３）が２組である場合、２組の縁部段差（３）の幅が同じであり、同側にある２つの縁部段差（３）の幅の和が段差の全幅Ｗの２８％～３２％であり、２組の縁部段差（３）のいずれの高さも中部段差（２）の高さと同じであり、
縁部段差（３）が３組である場合、３組の縁部段差（３）の幅が同じであり、同側にある３つの縁部段差（３）の幅の和が段差の全幅Ｗの２８％～３２％であり、３組の縁部段差（３）のいずれの高さも中部段差（２）の高さと同じであることを特徴とする請求項２に記載の新型音叉型水晶発振片。

【請求項5】

縁部段差（３）が２組である場合、２組の縁部段差（３）の幅が同じであり、同側にある２つの縁部段差（３）の幅の和が段差の全幅Ｗの３０％であり、２組の縁部段差（３）のいずれの高さも中部段差（２）の高さと同じであり、
縁部段差（３）が３組である場合、３組の縁部段差（３）の幅が同じであり、同側にある３つの縁部段差（３）の幅の和が段差の全幅Ｗの３０％であり、３組の縁部段差（３）のいずれの高さも中部段差（２）の高さと同じであることを特徴とする請求項４に記載の新型音叉型水晶発振片。

【請求項6】

請求項１～５のいずれか１項に記載の新型音叉型水晶発振片を含むことを特徴とする圧電デバイス。

【請求項7】

請求項１～５のいずれか１項に記載の新型音叉型水晶発振片の製造方法であって、
水晶片フィンガーの表裏面に金属膜をメッキするステップＳ１と、
フォトリソグラフィーで１層目の溝を形成するステップであって、
金属膜がメッキされた水晶片フィンガーの表裏面に感光性フォトレジスト材料を塗布するステップＳ２１と、
感光性フォトレジスト材料が塗布された水晶片に対して、１層目の溝のフォトリソグラフィーを受けた位置にパターン露光現像を行い、所望のパターンを形成するステップＳ２２と、
露出させた領域に対して金属エッチングをエッチング液で行い、腐食対象の水晶片表面を露出させるステップＳ２３と、
水晶片表面のフォトレジストを剥離して除去するステップＳ２４と、
腐食溶液で腐食し、金属エッチングにより露出させた領域を下方へ腐食し、１層目の溝の初期輪郭形態を形成するステップＳ２５と、を含むステップＳ２と、
フォトリソグラフィーで２層目の溝を形成するステップであって、
フォトリソグラフィーで１層目の溝を形成した水晶片フィンガーの表裏面に感光性フォトレジスト材料を塗布するステップＳ３１と、
感光性フォトレジスト材料が塗布された水晶片に対して、２層目の溝のフォトリソグラフィーを受けた位置にパターン露光現像を行い、所望のパターンを形成するステップＳ３２と、
露出させた領域に対して金属エッチングをエッチング液で行い、腐食対象の水晶片表面を露出させるステップＳ３３と、
水晶片表面のフォトレジストを剥離して除去するステップＳ３４と、
腐食溶液で腐食し、金属エッチングにより露出させた腐食対象の水晶片表面を下方へ腐食し、このとき、１層目の溝と２層目の溝の構造が全て腐食により形成されたため、段差状座ぐり溝構造を腐食により形成し、
段差状座ぐり溝がｎ段の段差を有し、ｎ≧３であり、ステップＳ３をｎ－２回繰り返すステップＳ３５と、を含むステップＳ３と、
エッチング液を用いて水晶片表面の金属を除去し、新型音叉型水晶発振片を得るステップＳ４と、を含むことを特徴とする製造方法。

【請求項8】

前記ステップＳ１では、金属膜をメッキするときに、マグネトロンスパッタリング又は蒸発により膜をメッキし、クロムを下地層として、金属膜の厚さを５～５０ｎｍとし、トップ層は金を材料とし、厚さを１００ｎｍよりも大きくし、
前記ステップＳ２３及びステップＳ３３では、露出させた領域に対して金属エッチングをエッチング液で行うときに、金エッチング液とクロムエッチング液を用いて金属エッチングを順次行うことを特徴とする請求項７に記載の新型音叉型水晶発振片の製造方法。

【請求項9】

前記ステップＳ２５及びステップＳ３５では、腐食溶液で腐食するときに、腐食溶液の流速は８～２０Ｌ／ｍｉｎ、腐食温度は３０～９０℃、腐食時間は１５～１３０ｍｉｎとすることを特徴とする請求項７に記載の新型音叉型水晶発振片の製造方法。

【請求項10】

前記ステップＳ２５及びステップＳ３５では、腐食溶液で腐食するときに、腐食溶液の流速は１５～２０Ｌ／ｍｉｎ、腐食温度は５０～７０℃とすることを特徴とする請求項７に記載の新型音叉型水晶発振片の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は圧電デバイスの分野に関し、具体的には、新型音叉型水晶発振片、その製造方法及び圧電デバイスに関する。

【背景技術】

【0002】

音叉型水晶共振子は、圧電水晶の逆圧電効果を利用して、電場駆動により高精度の振動周波数を発生させる電子素子である。該音叉型水晶共振子は、音叉型水晶発振片、ベース、筐体、銀ペーストなどの構成要素で構成される。現在、電子情報に応用されている音叉は周波数が３２．７６８ＫＨｚで、１５回分周した後に標準的な１秒パルス信号を発生させ、電子システムのクロックの計時に用いられる場合、電子システムの重要なクロックユニットモジュールである。音叉型水晶共振子は携帯電話、コンピュータ、ワイヤレスイヤホン、スマートブレスレット、スマート家電、ヘルスケアデバイス、腕時計、クロックに広く使われている。通信端末の電子製品の小型化や超薄型化に伴い、特にスマートウェアラブル電子製品では、回線装着スペースが厳しく要求され、電子デバイスにも小寸法化や小型化が求められている。電子製品におけるクロック信号生成用の音叉型水晶共振子としても、パッケージサイズがますます小さくなり、これによって、水晶共振子における音叉型水晶発振片のサイズも小さくなる。

【0003】

小型音叉型発振子を設計する際には、パッケージベースに収納するように小型化する必要があり、現在は振動腕に溝を設けた形態が使用されており、図１に示すような構造では、溝内に電極を構成することで電極面積を増加させ、電場効率を向上させ、抵抗値を低減する。また、小型音叉型水晶共振子のサイズの減少に伴い、従来の機械加工では要求を満たすことが困難になるため、現在、小型パッチ型ＳＭＤ型音叉型水晶共振子のコア部品である水晶音叉型発振片の加工はすべてフォトリソグラフィープロセス（エッチングプロセスと略称）を用いて加工されている。

【0004】

圧電水晶は異方性材料を採用しているため、水晶のエッチング過程においては、水晶の軸方向に沿って腐食速度が異なり、その結果、音叉腕の溝の腐食断面図は図２（ａ）に示すようになり、図２（ａ）に示した場合、電場分布と振動分析は図２（ｂ）に示すようになる。従来設計されている音叉振動腕は四面に電極をメッキする必要があり、上面と下面の電極に正の電場が印加され、側面の電極に負の電場が印加され、その電場分布が図３に示される。上記図３に示す電場分布では、振動腕の受力分析を図４に示し、図４に示すように、Ｔ１はＸ方向の受力、Ｔ２はＹ方向の受力、Ｔ４はＸＺ方向のせん断力を表している。ｚカットの水晶の発生するＴ１とＴ２の圧電係数ｄ１１とｄ１２は２．３１ｅ～１２Ｎ／Ｃであり、発生するＴ４応力に対応する圧電係数ｄ１４は７．３０ｅ～１３Ｎ／Ｃであるため、Ｔ４の受ける力は非常に小さく、無視される場合が多い。図４の受力分析からわかるように、Ｘ方向のＴ１は方向が反対向きで、モーメントが０であって変形は生じず、Ｚ方向の力Ｔ４はバランスを取っているが、モーメントが０ではないため、ねじれ変形が生じ、Ｙ方向の力Ｔ２はバランスを取っており、モーメントが０ではなく、バランスを取っていないモーメントにより曲げが発生する。このため、電場Ｅ１の作用によりＸ方向に曲げ変形が発生する。図４の受力分析原理に基づいて、図２の受力分析は図５に示すようになる。図５に示すように、Ｔ^ｍ _１とＴ^ｎ _１の受ける力が対称ではなくなり、Ｘ方向の伸縮振動が出現し、図６に示すように、単腕Ｔ^ｍ _２とＴ^ｎ _２の受ける力が非対称であって、Ｙ方向の曲げ振動が非対称となり、さらに、音叉の振動腕全体にＸ方向の曲げだけでなく、Ｚ方向の捩れ成分が出現した。さらに、音叉の２本の振動腕の腐食対称性は図２に示すようになっているので、受ける力の非対称性により、図７に示すように、Ｘ方向の電場Ｅ１の作用によりＴ^ｍ _２はＴ^ｎ _２よりも大きくなり、Ｔ^ｍ _２により振動腕の側面が圧縮され、Ｔ^ｎ _２により振動腕の側面が引っ張られるため、２本の音叉振動腕は図７に示すように非対称に曲げられる。したがって、この結果、音叉全体の振動インピーダンスが過大になり、インピーダンスが過大になると、圧電デバイスのＱ値が影響を受け、さらに周波数の精度が損なわれ、エネルギー消費量が増加してしまう。

【0005】

本出願人は、従来技術に少なくとも次の技術的課題が存在することを発見した。

【0006】

従来技術における音叉型水晶発振片には高インピーダンスの欠陥が存在し、インピーダンスが過大になると、圧電デバイスのＱ値が影響を受け、さらに周波数の精度が損なわれ、エネルギー消費量が増加してしまう。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明の目的は、従来技術における音叉型水晶発振片に高インピーダンスの欠陥が存在し、インピーダンスが過大になると、圧電デバイスのＱ値が影響を受け、周波数の精度が損なわれ、エネルギー消費量が増加するという技術的課題を解決する新型音叉型水晶発振片、その製造方法及び圧電デバイスを提供することである。本発明による多くの技術的解決手段のうち、好ましい技術的解決手段により生じ得る多くの技術的効果を以下で詳しく説明する。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記の目的を達成させるために、本発明は以下の技術的解決手段を提供する。

【0009】

本発明による新型音叉型水晶発振片は、
基部と、基部から延設された１対の振動腕と、を含み、
前記振動腕の表裏面共に、厚さ方向においてフォトリソグラフィーにより形成された段差状座ぐり溝を有し、前記段差状座ぐり溝は振動腕の長さ方向に沿ってフォトリソグラフィーにより形成されたものであり、
前記段差状座ぐり溝はｎ回のフォトリソグラフィーにより形成されたｎ段の段差を有し、ｎは自然数であって且つｎ≧３であり、
前記段差状座ぐり溝の外面全体にわたって電極がメッキされている。

【0010】

さらに、前記段差状座ぐり溝は中部段差と少なくとも２組の縁部段差と、を含み、前記中部段差は１つであり、前記縁部段差はｎ－１組であり、各組の縁部段差は２つの同じ段差であり、かつ中部段差の両側に対称に設けられている。

【0011】

さらに、前記段差状座ぐり溝は２組の縁部段差又は３組の縁部段差を有する。

【0012】

さらに、縁部段差が２組である場合、２組の縁部段差の幅が同じであり、同側にある２つの縁部段差の幅の和が段差の全幅Ｗの２８％～３２％であり、２組の縁部段差のいずれの高さも中部段差の高さと同じであり、
縁部段差が３組である場合、３組の縁部段差の幅が同じであり、同側にある３つの縁部段差の幅の和が段差の全幅Ｗの２８％～３２％であり、３組の縁部段差のいずれの高さも中部段差の高さと同じである。

【0013】

さらに、縁部段差が２組である場合、２組の縁部段差の幅が同じであり、同側にある２つの縁部段差の幅の和が段差の全幅Ｗの３０％であり、２組の縁部段差のいずれの高さも中部段差の高さと同じであり、
縁部段差が３組である場合、３組の縁部段差の幅が同じであり、同側にある３つの縁部段差の幅の和が段差の全幅Ｗの３０％であり、３組の縁部段差のいずれの高さも中部段差の高さと同じである。

【0014】

本発明による圧電デバイスは、上記の新型音叉型水晶発振片を含む。

【0015】

本発明による新型音叉型水晶発振片の製造方法は、
水晶片フィンガーの表裏面に金属膜をメッキするステップＳ１と、
フォトリソグラフィーで１層目の溝を形成するステップであって、
金属膜がメッキされた水晶片フィンガーの表裏面に感光性フォトレジスト材料を塗布するステップＳ２１と、
感光性フォトレジスト材料が塗布された水晶片に対して、１層目の溝のフォトリソグラフィーを受けた位置にパターン露光現像を行い、所望のパターンを形成するステップＳ２２と、
露出させた領域に対して金属エッチングをエッチング液で行い、腐食対象の水晶片表面を露出させるステップＳ２３と、
水晶片表面のフォトレジストを剥離して除去するステップＳ２４と、
腐食溶液で腐食し、金属エッチングにより露出させた領域を下方へ腐食し、１層目の溝の初期輪郭形態を形成するステップＳ２５と、を含むステップＳ２と、
フォトリソグラフィーで２層目の溝を形成するステップであって、
フォトリソグラフィーで１層目の溝を形成した水晶片フィンガーの表裏面に感光性フォトレジスト材料を塗布するステップＳ３１と、
感光性フォトレジスト材料が塗布された水晶片に対して、２層目の溝のフォトリソグラフィーを受けた位置にパターン露光現像を行い、所望のパターンを形成するステップＳ３２と、
露出させた領域に対して金属エッチングをエッチング液で行い、腐食対象の水晶片表面を露出させるステップＳ３３と、
水晶片表面のフォトレジストを剥離して除去するステップＳ３４と、
腐食溶液で腐食し、金属エッチングにより露出させた腐食対象の水晶片表面を下方へ腐食し、このとき、１層目の溝と２層目の溝の構造が全て腐食により形成されたため、段差状座ぐり溝構造を腐食により形成し、
段差状座ぐり溝がｎ段の段差を有し、ｎ≧３であり、ステップＳ３をｎ－２回繰り返すステップＳ３５と、を含むステップＳ３と、
エッチング液を用いて水晶片表面の金属を除去し、新型音叉型水晶発振片を得るステップＳ４と、を含む。

【0016】

さらに、前記ステップＳ１では、金属膜をメッキするときに、マグネトロンスパッタリング又は蒸発により膜をメッキし、クロムを下地層として、金属膜の厚さを５～５０ｎｍとし、トップ層は金を材料とし、厚さを１００ｎｍよりも大きくし、
前記ステップＳ２３及びステップＳ３３では、露出させた領域に対して金属エッチングをエッチング液で行うときに、金エッチング液とクロムエッチング液を用いて金属エッチングを順次行う。

【0017】

さらに、前記ステップＳ２５及びステップＳ３５では、腐食溶液で腐食するときに、腐食溶液の流速は８～２０Ｌ／ｍｉｎ、腐食温度は３０～９０℃、腐食時間は１５～１３０ｍｉｎとする。

【0018】

さらに、前記ステップＳ２５及びステップＳ３５では、腐食溶液で腐食するときに、腐食溶液の流速は１５～２０Ｌ／ｍｉｎ、腐食温度は５０～７０℃とする。

【発明の効果】

【0019】

上記の技術的解決手段によれば、本発明の実施例は少なくとも以下のような技術的効果を奏する。

【0020】

本発明による新型音叉型水晶発振片、その製造方法、及び製造された圧電発振片では、振動腕の表裏面共にフォトリソグラフィーにより形成された段差状座ぐり溝を有し、前記段差状座ぐり溝は振動腕の長さ方向に沿ってフォトリソグラフィーにより形成されたものであり、段差状座ぐり溝構造は、分極電場の面積を増大し、振動インピーダンスの改善に有利である一方、段差状座ぐり溝は複数回のフォトリソグラフィーにより形成されたため、１回の腐食によるＸ方向の腐食角を改善し、座ぐり溝がＸ方向において左右対称となることを確保し、音叉の両腕の振動対称性の改善に有利であり、しかも、Ｘ方向の伸縮振動を回避し、インピーダンスをさらに低下させ、圧電デバイスに用いられると、周波数の精度を向上させ、エネルギー消費量を減少させることができる。

【0021】

本発明による圧電デバイスは本発明における新型音叉型水晶発振片を含み、本発明で製造された圧電発振片では、振動腕の表裏面共にフォトリソグラフィーにより形成された段差状座ぐり溝を有し、前記段差状座ぐり溝は振動腕の長さ方向に沿ってフォトリソグラフィーにより形成されたものであり、段差状座ぐり溝構造は、分極電場の面積を増大し、振動インピーダンスの改善に有利である一方、段差状座ぐり溝は複数回のフォトリソグラフィーにより形成されたため、１回の腐食によるＸ方向の腐食角を改善し、座ぐり溝がＸ方向において左右対称となることを確保し、音叉の両腕の振動対称性の改善に有利であり、しかも、Ｘ方向の伸縮振動を回避し、インピーダンスをさらに低下させ、このため、本発明による圧電デバイスは、周波数精度が高く、エネルギー消費量が小さいというメリットを有する。

【0022】

本発明の実施例又は従来技術における技術的解決手段をより明確に説明するために、以下では、実施例又は従来技術を説明するために使用する必要がある図面を簡単に説明するが、明らかに、以下で説明される図面は本発明の一部の実施例に過ぎず、当業者であれば、創造的な労働をせずにこれらの図面に基づいて他の図面を得ることもできる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】従来技術における音叉型水晶発振片の設計図である。

【図2】従来技術における音叉型水晶発振片の振動腕が腐食されたときの断面構造模式図及び電場模式図である。

【図3】従来技術において溝が開けられていない振動腕の電場分布の模式図である。

【図4】図３における振動腕の応力分析図である。

【図5】図２に示す構造振動腕の電場駆動及び振動方向を分析した図である。

【図6】図２に示す構造のＸ方向の伸縮振動の模式図である。

【図7】図２に示す構造の受力分析及び振動の模式図である。

【図8】 比較例１における音叉型水晶発振片の設計図である。

【図9】 比較例１における設計図と従来技術の音叉型水晶発振片の設計図の電場分布を比較した図である。

【図10】 比較例１で製造された新型音叉型水晶発振片の振動腕の断面構造図及び電場分布図である。

【図11】 比較例１で製造された新型音叉型水晶発振片の振動腕の受力分析図である。

【図12】 比較例１及び従来技術における音叉型水晶発振片の変位分布を比較した図である。

【図13】 比較例１及び従来技術における音叉型水晶発振片の電荷分布を比較した図である。

【図14】 比較例１及び従来技術における音叉型水晶発振片のインピーダンスを分析して比較した図である。

【図15】 比較例１～比較例４、実施例３、実施例４における単一の振動腕の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

本発明の目的、技術的解決手段及び利点をさらに明確にするために、以下では、本発明の技術的解決手段について詳細に説明する。明らかに、説明する実施例は本発明の一部の実施例に過ぎず、すべての実施例ではない。本発明に係る実施例に基づいて、当業者が創造的な労働をせずに得る他の全ての実施形態は本発明が保護する範囲に属する。

【実施例1】

【0025】

本発明による新型音叉型水晶発振片は、基部と、基部から延設された１対の振動腕１と、を含むものであり、
前記振動腕１の表裏面共に、厚さ方向においてフォトリソグラフィーにより形成された段差状座ぐり溝を有し、前記段差状座ぐり溝は振動腕１の長さ方向に沿ってフォトリソグラフィーにより形成されたものであり、
前記段差状座ぐり溝はｎ回のフォトリソグラフィーにより形成されたｎ段の段差を有し、ｎは自然数であって且つｎ≧３であり、
前記段差状座ぐり溝の外面全体にわたって電極がメッキされていることを特徴とする。

【0026】

本発明による新型音叉型水晶発振片、その製造方法、及び製造された圧電発振片では、振動腕１の表裏面共にフォトリソグラフィーにより形成された段差状座ぐり溝を有し、前記段差状座ぐり溝は振動腕１の長さ方向に沿ってフォトリソグラフィーにより形成されたものであり、段差状座ぐり溝構造は、分極電場の面積を増大し、振動インピーダンスの改善に有利である一方、段差状座ぐり溝は複数回のフォトリソグラフィーにより形成されたため、１回の腐食によるＸ方向の腐食角を改善し、座ぐり溝がＸ方向において左右対称となることを確保し、音叉の両腕の振動対称性の改善に有利であり、しかも、Ｘ方向の伸縮振動を回避し、インピーダンスをさらに低下させ、圧電デバイスに用いられると、周波数の精度を向上させ、エネルギー消費量を減少させることができる。

【0027】

好ましい実施形態としては、前記段差状座ぐり溝は中部段差２と少なくとも２組の縁部段差３と、を含み、前記中部段差２は１つであり、前記縁部段差３はｎ－１組であり、各組の縁部段差３は２つの同じ段差であり、かつ中部段差２の両側に対称に設けられている。

【0028】

好ましい実施形態としては、前記段差状座ぐり溝は２組の縁部段差３又は３組の縁部段差３を有する。

【0029】

好ましい実施形態としては、
縁部段差３が２組である場合、２組の縁部段差３の幅が同じであり、同側にある２つの縁部段差３の幅の和が段差の全幅Ｗの２８％～３２％であり、２組の縁部段差３のいずれの高さも中部段差２の高さと同じであり、
縁部段差３が３組である場合、３組の縁部段差３の幅が同じであり、同側にある３つの縁部段差３の幅の和が段差の全幅Ｗの２８％～３２％であり、３組の縁部段差３のいずれの高さも中部段差２の高さと同じである。

【0030】

好ましい実施形態としては、
縁部段差３が２組である場合、２組の縁部段差３の幅が同じであり、同側にある２つの縁部段差３の幅の和が段差の全幅Ｗの３０％であり、２組の縁部段差３のいずれの高さも中部段差２の高さと同じであり、
縁部段差３が３組である場合、３組の縁部段差３の幅が同じであり、同側にある３つの縁部段差３の幅の和が段差の全幅Ｗの３０％であり、３組の縁部段差３のいずれの高さも中部段差２の高さと同じである。

【実施例2】

【0031】

本発明による圧電デバイスは、上記の新型音叉型水晶発振片を含む。

【0032】

本発明による圧電デバイスは本発明における新型音叉型水晶発振片を含み、本発明で製造された圧電発振片では、振動腕１の表裏面共にフォトリソグラフィーにより形成された段差状座ぐり溝を有し、前記段差状座ぐり溝は振動腕１の長さ方向に沿ってフォトリソグラフィーにより形成されたものであり、段差状座ぐり溝構造は、分極電場の面積を増大し、振動インピーダンスの改善に有利である一方、段差状座ぐり溝は複数回のフォトリソグラフィーにより形成されたため、１回の腐食によるＸ方向の腐食角を改善し、座ぐり溝がＸ方向において左右対称となることを確保し、音叉の両腕の振動対称性の改善に有利であり、しかも、Ｘ方向の伸縮振動を回避し、インピーダンスをさらに低下させ、このため、本発明による圧電デバイスは、周波数精度が高く、エネルギー消費量が小さいというメリットを有する。

【比較例１】

【0033】

図８を設計図として新型音叉型水晶発振片を製造し、段差状座ぐり溝構造は図１５（ａ）に示され、縁部段差３は１組であり、縁部段差３の幅Ｗ１は段差の全幅Ｗの２０％であり、縁部段差３の高さＨ１と中部段差２の高さＨ２との比は１：１．５であり、その製造には、具体的には、下記のステップが含まれている。
Ｓ１、水晶片フィンガーの表裏面に金属膜をメッキする。
Ｓ２、フォトリソグラフィーで１層目の溝を形成する。
Ｓ２１、金属膜がメッキされた水晶片フィンガーの表裏面に感光性フォトレジスト材料を塗布する。
Ｓ２２、感光性フォトレジスト材料が塗布された水晶片に対して、１層目の溝のフォトリソグラフィーを受けた位置にパターン露光現像を行い、所望のパターンを形成する。
Ｓ２３、金エッチング液とクロムエッチング液を用いて、露出させた領域に対して金属エッチングを順次行い、腐食対象の水晶片表面を露出させる。
Ｓ２４、水晶片表面のフォトレジストを剥離して除去する。
Ｓ２５、腐食溶液で腐食し、金属エッチングにより露出させた領域を下方へ腐食し、腐食溶液で腐食するときに、腐食溶液の流速を１８Ｌ／ｍｉｎ、腐食温度を６０℃、腐食時間を６０ｍｉｎとし、１層目の溝の初期輪郭形態を形成する。
Ｓ３、フォトリソグラフィーで２層目の溝を形成する。
Ｓ３１、フォトリソグラフィーで１層目の溝を形成した水晶片フィンガーの表裏面に感光性フォトレジスト材料を塗布する。
Ｓ３２、感光性フォトレジスト材料が塗布された水晶片に対して、２層目の溝のフォトリソグラフィーを受けた位置にパターン露光現像を行い、所望のパターンを形成する。
Ｓ３３、金エッチング液とクロムエッチング液を用いて、露出させた領域に対して金属エッチングを順次行い、腐食対象の水晶片表面を露出させる。
Ｓ３４、水晶片表面のフォトレジストを剥離して除去する。
Ｓ３５、腐食溶液で腐食し、金属エッチングにより露出させた腐食対象の水晶片表面を下方へ腐食し、腐食溶液で腐食するときに、腐食溶液の流速を１８Ｌ／ｍｉｎ、腐食温度を６０℃、腐食時間を９０ｍｉｎとし、このとき、１層目の溝と２層目の溝構造が全て腐食により形成されたため、段差状座ぐり溝構造を腐食により形成する。
段差状座ぐり溝がｎ段の段差を有し、ｎ≧３である場合（後述する実施例３、実施例４）、ステップＳ３をｎ回繰り返す。
Ｓ４、エッチング液を用いて水晶片表面の金属を除去し、新型音叉型水晶発振片を得る。

【0034】

比較例１で製造された新型音叉型水晶発振片について有限要素分析計算を行う。

【0035】

図９には、電場分布の模式図が示されており、図９（ａ）は図１に示す構造の電場分布の模式図であり、図９（ｂ）は図８に示す構造の電場分布の模式図である。

【0036】

図１０には、比較例１で得られた新型音叉型水晶発振片の振動腕１の断面構造模式図及び電場分布図が示されており、図１０から、腐食グルーブの左右対称性は図２よりも大幅に改善したことが認められ、Ｘ方向の対称性が確保できた。

【0037】

図１１には、比較例１における構造の受力及び振動の分析が示されており、図１１に示すように、Ｔ２応力が電場Ｅ１（ｘ方向電場）の駆動作用を受けて、振動方向の偏向角度βが極めて小さくなり、また、Ｘ方向のＴ１応力も対称になる傾向を示し、図７のような伸縮振動が生じない。

【0038】

図１２には、変位分布を比較した図が示されており、１２（ａ）は図２に示す構造の変位分布図であり、１２（ｂ）は図９に示す構造の変位分布図であり、図１２（ａ）における有限要素分析計算の結果、図１２（ａ）では、矩形溝のＸ方向の振動変位が５．８ｅ～５ｍｍであり、一方、図（ｂ）では、段差状座ぐり溝の振動変位が５．６ｅ～４ｍｍであり、このことから、振動変位が１桁だけ増大することが明らかとなっており、振動インピーダンスの低下が示唆された。

【0039】

図１３には、電荷分布を比較した図が示されており、１３（ａ）は図２に示す構造の電荷分布図であり、１３（ｂ）は図１０に示す構造の電荷分布図であり、図１４には、インピーダンスを分析して比較した図が示されており、１４（ａ）は図２に示す構造のインピーダンス分析図であり、１４（ｂ）は図１０に示す構造のインピーダンス分析図であり、図１３の電荷分布図及び図１４のインピーダンス分析図から、インピーダンスの大きさが分かり、図２に示す構造のインピーダンスは３５ＫΩであり、一方、図９に示す構造のインピーダンスは１８．６ＫΩであり、全体的にはインピーダンスは半分低下した。このため、段差状座ぐり溝は、電場の分極面積を増大することや腐食溝を対称的なものとすることによって、音叉の振動インピーダンスに非常に有利である。

【比較例２】

【0040】

段差状座ぐり溝構造は図１５（ｂ）に示されており、縁部段差３は１組であり、縁部段差３の幅Ｗ１は段差の全幅Ｗの５％であり、縁部段差３の高さＨ１と中部段差２の高さＨ２との比が１：１であり、段差状座ぐり溝を製造するステップは比較例１と同様であるが、本比較例では、具体的な腐食パラメータ（腐食溶液の流速、腐食温度、腐食時間）が以下の表１に示される点は比較例１と相違する。

【0041】

新型音叉型水晶発振片が得られる。

【比較例３】

【0042】

段差状座ぐり溝構造は図１５（ｃ）に示されており、縁部段差３は１組であり、縁部段差３の幅Ｗ１は段差の全幅Ｗの３０％であり、縁部段差３の高さＨ１と中部段差２の高さＨ２との比が１：２であり、段差状座ぐり溝構造を製造するステップは実施例３と同様であるが、本比較例では、具体的な腐食パラメータ（腐食溶液の流速、腐食温度、腐食時間）が以下の表１に示される点は比較例１と相違する。

【0043】

新型音叉型水晶発振片が得られる。

【比較例４】

【0044】

段差状座ぐり溝構造は図１５（ｄ）に示されており、縁部段差３は１組であり、縁部段差３の幅Ｗ１は段差の全幅Ｗの３０％であり、縁部段差３の高さＨ１と中部段差２の高さＨ２との比が１：３であり、段差状座ぐり溝構造を製造するステップは比較例１と同様であるが、本実施例では、具体的な腐食パラメータ（腐食溶液の流速、腐食温度、腐食時間）が以下の表１に示される点は比較例１と相違する。

【0045】

新型音叉型水晶発振片が得られる。

【実施例3】

【0046】

段差状座ぐり溝構造は図１５（ｅ）に示されており、縁部段差３は２組であり、縁部段差３の幅Ｗ１とＷ２は等しく、かつＷ１＋Ｗ２の和は段差の全幅Ｗの２０％であり、縁部段差３の高さＨ１とＨ２は等しく、かつ中部段差２の高さＨ３とＨ１は等しく、段差状座ぐり溝構造を製造するステップは比較例１と同様であるが、本実施例では、縁部段差３が２組であるため、ステップＳ３をもう一度繰り返し、３層目の溝のフォトリソグラフィーを行う必要がある点、本実施例の具体的な腐食パラメータ（腐食溶液の流速、腐食温度、腐食時間）が以下の表１に示される点は比較例１と相違する。

【0047】

新型音叉型水晶発振片が得られる。

【実施例4】

【0048】

段差状座ぐり溝構造は図１５（ｆ）に示されており、縁部段差３は３組であり、縁部段差３の幅Ｗ１とＷ２とＷ３は等しく、かつＷ１＋Ｗ２＋Ｗ３の和は段差の全幅Ｗの３０％であり、縁部段差３の高さＨ１とＨ２とＨ３は等しく、中部段差２の高さＨ４とＨ１は等しく、段差状座ぐり溝構造を製造するステップは比較例１と同様であるが、本実施例では、縁部段差３が３組であるため、ステップＳ３をもう２回繰り返し、３回目の溝のフォトリソグラフィーと４回目の溝のフォトリソグラフィーを行う必要がある点や、本実施例の具体的な腐食パラメータ（腐食溶液の流速、腐食温度、腐食時間）が以下の表１に示される点は比較例１と相違する。

【0049】

新型音叉型水晶発振片が得られる。

【0050】

上記の比較例１～比較例４、実施例３、実施例４、及び図１に示す従来技術では、
（１）段差の全幅Ｗは全て同じであり、また、従来技術における溝の幅と同じである。
（２）段差の全深さ（すなわち、中部段差の深さ）は全て同じであり、また、従来技術における溝の深さと同じである。

【0051】

有限要素分析によって比較例１～比較例４、実施例３、実施例４、及び従来技術における音叉型水晶発振片の振動インピーダンスを算出し、結果を以下の表１に示す。

【0052】

【表1】

【0053】

表１から分かるように、本発明で製造された新型音叉型水晶発振片の振動インピーダンスは従来技術における音叉型水晶発振片の振動インピーダンスよりも明らかに低く、特に、実施例３及び実施例４では、振動インピーダンスの低下の度合が大きく、明らかなメリットがあり、これらの音叉型水晶発振片は圧電デバイスに用いられると、周波数の精度を大幅に向上させ、エネルギー消費量を大幅に減らすことができる。

【0054】

以上は本発明の具体的な実施形態であるが、本発明の保護範囲はこれらに限定されるものではなく、当業者であれば、本発明で開示された技術的範囲を逸脱することなく容易に想到し得る変化や置換は本発明の保護範囲に含まれるものとする。

【符号の説明】

【0055】

１ 振動腕
２ 中部段差
３ 縁部段差

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】