(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】2024-11-13
(45)【発行日】2024-11-21
(54)【発明の名称】共振装置及びその製造方法
(51)【国際特許分類】
H03H 3/04 20060101AFI20241114BHJP
H03H 9/24 20060101ALI20241114BHJP
【ＦＩ】
H03H3/04 B
H03H9/24 B
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2022578041
(86)(22)【出願日】2021-10-01
(86)【国際出願番号】 JP2021036385
(87)【国際公開番号】W WO2022163020
(87)【国際公開日】2022-08-04
【審査請求日】2023-07-14
(31)【優先権主張番号】P 2021010541
(32)【優先日】2021-01-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000006231
【氏名又は名称】株式会社村田製作所
(74)【代理人】
【識別番号】100079108
【弁理士】
【氏名又は名称】稲葉 良幸
(74)【代理人】
【識別番号】100109346
【弁理士】
【氏名又は名称】大貫 敏史
(74)【代理人】
【識別番号】100117189
【弁理士】
【氏名又は名称】江口 昭彦
(74)【代理人】
【識別番号】100134120
【弁理士】
【氏名又は名称】内藤 和彦
(74)【代理人】
【識別番号】100126480
【弁理士】
【氏名又は名称】佐藤 睦
(72)【発明者】
【氏名】遠藤 史也
(72)【発明者】
【氏名】福光 政和
【審査官】福田 正悟
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０２０／０３９６２７（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２００９－２９０７７８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００１－１９４２０１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－２６６８７６（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１７／２１２６７７（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０３Ｈ ３／０４
Ｈ０３Ｈ ９／２４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
下蓋と、前記下蓋に接合された上蓋と、前記下蓋と前記上蓋との間に設けられた内部空間において屈曲振動可能に構成された振動腕を有する共振子とを備える共振装置を準備することと、前記共振子の周波数を調整することと、
を含み、
前記周波数を調整することは、前記振動腕を屈曲振動させて、前記振動腕の先端部の酸化シリコンを前記下蓋のシリコンに３．５×１０３μｍ／ｓｅｃ以上の衝突速度で衝突させることを含む、共振装置の製造方法。
【請求項2】
前記衝突速度は、４．５×１０３μｍ／ｓｅｃ以上である、請求項１に記載の共振装置の製造方法。
【請求項3】
前記振動腕の前記先端部と前記下蓋との間のギャップＧ１と、前記振動腕の長さＬ１とは、０．１１＜Ｇ１／Ｌ１
の関係を有する、
請求項１又は２に記載の共振装置の製造方法。
【請求項4】
前記振動腕の前記先端部と前記下蓋との間のギャップＧ１と、前記振動腕の長さＬ１とは、Ｇ１／Ｌ１＜０．１６
の関係を有する、
請求項１から３のいずれか１項に記載の共振装置の製造方法。
【請求項5】
前記振動腕の前記先端部と前記下蓋との間のギャップＧ１と、前記振動腕の前記先端部と前記上蓋との間のギャップＧ２とは、Ｇ１＜Ｇ２
の関係を有する、
請求項１から４のいずれか１項に記載の共振装置の製造方法。
【請求項6】
前記振動腕の前記先端部は、前記上蓋の側の表面に金属膜を有する、請求項１から５のいずれか１項に記載の共振装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、共振装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
移動通信端末、通信基地局、家電などの各種電子機器において、タイミングデバイス、センサ、発振器などの様々な用途に共振装置が用いられている。このような共振装置の一種として、下蓋と、下蓋との間で内部空間を形成する上蓋と、当該内部空間で振動可能に保持された振動腕を有する共振子と、を備えた、いわゆるＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）共振装置が知られている。
【0003】
特許文献１には、ＭＥＭＳ共振装置において、励振させた振動腕の先端部を下蓋及び上蓋に衝突させることによって先端部の重量を変化させ、共振子の周波数を調整する周波数調整方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】国際公開第２０１７／２１２６７７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、特許文献１に記載の周波数調整方法によれば、振動腕と下蓋との衝突によって発生した粉塵が共振子へ付着する場合があった。このような粉塵は周波数を変動させるため、必ずしも信頼性が高いとはいえなかった。
【0006】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、信頼性の向上を図ることができる共振装置及びその製造方法の提供である。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の一態様に係る共振装置の製造方法は、下蓋と、下蓋に接合された上蓋と、下蓋と上蓋との間に設けられた内部空間において屈曲振動可能に構成された振動腕を有する共振子とを備える共振装置を準備することと、共振子の周波数を調整することと、含み、周波数を調整することは、振動腕を屈曲振動させて、振動腕の先端部の酸化シリコンを下蓋のシリコンに３．５×１０３μｍ／ｓｅｃ以上の衝突速度で衝突させることを含む。
【0008】
本発明の他の一態様に係る共振装置の製造方法は、下蓋と、下蓋に接合された上蓋と、下蓋と上蓋との間に設けられた内部空間において屈曲振動可能に構成された振動腕を有する共振子とを備える共振装置を準備することと、共振子の周波数を調整することと、含み、共振子の周波数を調整することは、振動腕を屈曲振動させて、下蓋及び振動腕の粉塵が生じるように下蓋と振動腕を互いに衝突させることを含み、下蓋の振動腕に衝突する部分の破壊応力は、振動腕の下蓋に衝突する部分の破壊応力よりも小さく、内部空間において、下蓋から発生した粉塵の体積は、振動腕から発生した粉塵の体積の２．５倍以下である。
【0009】
本発明の他の一態様に係る共振装置は、下蓋と、下蓋に接合された上蓋と、下蓋と上蓋との間に設けられた内部空間において屈曲振動可能に構成された振動腕を有する共振子とを備え、下蓋の振動腕に衝突する部分の破壊応力は、振動腕の下蓋に衝突する部分の破壊応力よりも小さく、内部空間において、下蓋から発生した粉塵の体積は、振動腕から発生した粉塵の体積の２．５倍以下である。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、信頼性の向上を図ることができる共振装置及びその製造方法が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本実施形態に係る共振装置の外観を概略的に示す斜視図である。
【図2】本実施形態に係る共振装置の構造を概略的に示す分解斜視図である。
【図3】本実施形態に係る共振子の構造を概略的に示す平面図である。
【図6】本実施形態に係る共振装置の製造方法を概略的に示すフローチャートである。
【図7】振動腕の先端部の下蓋側の表面を写した写真である。
【図8】衝突速度に対する粉塵体積の変化を示すグラフである。
【図9】寸法比に対する衝突速度の変化及び合計粉塵体積の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。本実施形態の図面は例示であり、各部の寸法や形状は模式的なものであり、本願発明の技術的範囲を当該実施形態に限定して解するべきではない。
【0013】
まず、図１及び図２を参照しつつ、本発明の一実施形態に係る共振装置１の構成について説明する。図１は、本実施形態に係る共振装置の外観を概略的に示す斜視図である。図２は、本実施形態に係る共振装置の構造を概略的に示す分解斜視図である。
【0014】
以下において、共振装置１の各構成について説明する。各々の図面には、各々の図面相互の関係を明確にし、各部材の位置関係を理解する助けとするために、便宜的にＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる直交座標系を付すことがある。Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸と平行な方向をそれぞれ、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向と呼ぶ。Ｘ軸及びＹ軸によって規定される面をＸＹ面と呼び、ＹＺ面及びＺＸ面についても同様とする。
【0015】
この共振装置１は、共振子１０と、共振子１０を挟んで互いに対向するように設けられた下蓋２０及び上蓋３０と、を備えている。下蓋２０、共振子１０、及び上蓋３０がこの順でＺ軸方向に積層されている。共振子１０と下蓋２０とは接合され、ＭＥＭＳ基板５０を構成している。上蓋３０は、ＭＥＭＳ基板５０の共振子１０側に接合されている。言い換えると、上蓋３０は共振子１０を介して下蓋２０に接合されている。下蓋２０及び上蓋３０は、共振子１０を収容するパッケージ構造を構成している。
【0016】
共振子１０は、ＭＥＭＳ技術を用いて製造されるＭＥＭＳ振動素子である。共振子１０は、振動部１１０と、保持部１４０と、保持腕１５０と、を備えている。振動部１１０は、下蓋２０と上蓋３０との間に設けられた内部空間において振動可能に保持されている。振動部１１０は非振動時（電圧が印加されていない状態）にＸＹ面に沿って延在し、振動時（電圧が印加された状態）にはＺ軸方向に屈曲振動する。すなわち、振動部１１０は、面外屈曲振動モードによって振動する。保持部１４０は、例えば振動部１１０を囲むように矩形の枠状に設けられている。保持部１４０は、下蓋２０及び上蓋３０とともに、パッケージ構造の内部空間を形成している。保持腕１５０は、振動部１１０と保持部１４０とを接続している。
【0017】
共振子１０の周波数帯は、例えば、１ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下である。このような周波数帯の共振子１０は、振動部１１０の重量変化による周波数の変動が大きい。このため、共振子１０、下蓋２０及び上蓋３０を接合して内部空間を封止する工程やその工程後に、共振装置１の周波数が所望の周波数から外れることがある。このように周波数が変動しやすい共振装置であっても、本実施形態のように封止後に周波数を調整することで、周波数偏差を小さくできる。
【0018】
下蓋２０は、ＸＹ面に沿って設けられる矩形平板状の底板２２と、底板２２の周縁部から上蓋３０に向かって延びる側壁２３とを有している。側壁２３は、共振子１０の保持部１４０に接合されている。下蓋２０には、共振子１０の振動部１１０と対向する側において、底板２２と側壁２３とによって囲まれたキャビティ２１が形成されている。キャビティ２１は、上向きに開口する直方体状の開口部である。
【0019】
上蓋３０は、ＸＹ平面に沿って設けられる矩形平板状の底板３２と、底板３２の周縁部から下蓋２０に向かって延びる側壁３３とを有している。側壁３３は、共振子１０の保持部１４０に接合されている。上蓋３０には、共振子１０の振動部１１０と対向する側において、底板３２と側壁３３とによって囲まれたキャビティ３１が形成されている。キャビティ３１は、下向きに開口する直方体状の開口部である。キャビティ２１とキャビティ３１とは、共振子１０の振動部１１０を挟んで対向し、パッケージ構造の内部空間を形成している。
【0020】
次に、図３を参照しつつ、ＸＹ面を上蓋３０側から平面視したときの共振子１０の構成（振動部１１０、保持部１４０及び保持腕１５０）について、より詳細に説明する。図３は、本実施形態に係る共振子の構造を概略的に示す平面図である。
【0021】
共振子１０は、例えば、ＹＺ面と平行な仮想平面Ｐに対して面対称に形成されている。すなわち、振動部１１０、保持部１４０及び保持腕１５０のそれぞれは、仮想平面Ｐに対して略面対称に形成されている。
【0022】
振動部１１０は、上蓋３０側からの平面視において、保持部１４０の内側に設けられている。振動部１１０と保持部１４０との間には、所定の間隔で空間が形成されている。振動部１１０は、４本の振動腕１２１Ａ、１２１Ｂ、１２１Ｃ、１２１Ｄからなる励振部１２０と、励振部１２０に接続された基部１３０と、を有している。なお、振動腕の数は４本に限定されるものではなく、１本以上の任意の数に設定され得る。本実施形態において、励振部１２０と基部１３０とは、一体に形成されている。
【0023】
振動腕１２１Ａ～１２１Ｄは、それぞれＹ軸方向に延びており、この順でＸ軸方向に所定の間隔で並んでいる。振動腕１２１Ａ～１２１Ｄは、基部１３０に接続された固定端と、基部１３０から最も離れた開放端とを有している。振動腕１２１Ａ～１２１Ｄのそれぞれは、振動部１１０において変位が相対的に大きい開放端の側に設けられた先端部１２２Ａ～１２２Ｄと、基部１３０と先端部１２２Ａ～１２２Ｄとを繋ぐ腕部１２３Ａ～１２３Ｄとを有している。振動腕１２１Ｂと振動腕１２１Ｃとの間に仮想平面Ｐが位置している。
【0024】
４本の振動腕のうち、振動腕１２１Ａ及び１２１ＤはＸ軸方向の外側に配置された外側振動腕であり、振動腕１２１Ｂ及び１２１ＣはＸ軸方向の内側に配置された内側振動腕である。仮想平面Ｐに対して、内側振動腕１２１Ｂと内側振動腕１２１Ｃとは互いに対称な構造であり、外側振動腕１２１Ａと外側振動腕１２１Ｄとは互いに対称な構造である。内側振動腕１２１Ｂの腕部１２３Ｂと内側振動腕１２１Ｃの腕部１２３Ｃとの間には、幅Ｗ１の間隙が形成されている。外側振動腕１２１Ａの腕部１２３Ａと内側振動腕１２１Ｂの腕部１２３Ｂとの間には幅Ｗ２の間隙が形成され、腕部１２３Ｃと腕部１２３Ｄとの間には幅Ｗ２の間隙が形成されている。幅Ｗ１は幅Ｗ２よりも大きい。これによれば、振動特性や耐久性が改善される。例えば、幅Ｗ１は２５μｍ程度、幅Ｗ２は１０μｍ程度である。但し、幅Ｗ１と幅Ｗ２の大小関係は上記に限定されるものではない。幅Ｗ１は幅Ｗ２以下の大きさであってもよい。
【0025】
先端部１２２Ａ～１２２Ｄは、それぞれ、上蓋３０側の表面に金属膜１２５Ａ～１２５Ｄを備えている。金属膜１２５Ａ～１２５Ｄは、先端部１２２Ａ～１２２ＤのそれぞれのＹ軸方向に沿った単位長さ当たりの質量（以下、単に「質量」とする。）を、腕部１２３Ａ～１２３Ｄのそれぞれの質量よりも大きくする質量付加膜として機能する。これにより、振動腕１２１Ａ～１２１Ｄを短小化しつつ、振動部１１０の振動特性を改善できる。また、金属膜１２５Ａ～１２５Ｄは、その一部を削ることによって共振周波数を調整する、いわゆる周波数調整膜として用いられてもよい。
【0026】
先端部１２２Ａ～１２２ＤのそれぞれのＸ軸方向に沿った幅は、腕部１２３Ａ～１２３ＤのそれぞれのＸ軸方向に沿った幅よりも大きい。これにより、先端部１２２Ａ～１２２Ｄのそれぞれの重量を、さらに大きくできる。但し、先端部１２２Ａ～１２２Ｄのそれぞれの重量が腕部１２３Ａ～１２３Ｄのそれぞれの重量よりも大きければ、先端部１２２Ａ～１２２ＤのそれぞれのＸ軸方向に沿った幅は、腕部１２３Ａ～１２３ＤのそれぞれのＸ軸方向に沿った幅以下の大きさであってもよい。
【0027】
先端部１２２Ａ～１２２Ｄのそれぞれの形状は、四隅に丸みを帯びた曲面形状（例えば、いわゆるＲ形状）を有する略長方形状である。腕部１２３Ａ～１２３Ｄのそれぞれの形状は、基部１３０に接続される根本部付近、及び、先端部１２２Ａ～１２２Ｄのそれぞれに接続される接続部付近にＲ形状を有する略長方形状である。但し、先端部１２２Ａ～１２２Ｄ及び腕部１２３Ａ～１２３Ｄのそれぞれの形状は、上記に限定されるものではない。例えば、先端部１２２Ａ～１２２Ｄのそれぞれの形状は、台形状やＬ字形状であってもよい。また、腕部１２３Ａ～１２３Ｄのそれぞれの形状は、台形状であってもよく、スリット等が形成されていてもよい。
【0028】
基部１３０は、前端部１３１Ａと、後端部１３１Ｂと、左端部１３１Ｃと、右端部１３１Ｄとを有している。前端部１３１Ａ、後端部１３１Ｂ、左端部１３１Ｃ及び右端部１３１Ｄは、それぞれ、基部１３０の外縁部の一部である。前端部１３１Ａは、振動腕１２１Ａ～１２１Ｄ側においてＸ軸方向に延びる端部である。後端部１３１Ｂは、振動腕１２１Ａ～１２１Ｄとは反対側においてＸ軸方向に延びる端部である。左端部１３１Ｃは、振動腕１２１Ｄから視て振動腕１２１Ａ側においてＹ軸方向に延びる端部である。右端部１３１Ｄは、振動腕１２１Ａから視て振動腕１２１Ｄ側においてＹ軸方向に延びる端部である。前端部１３１Ａには振動腕１２１Ａ～１２１Ｄが接続されている。
【0029】
基部１３０の形状は、前端部１３１Ａ及び後端部１３１Ｂを長辺とし、左端部１３１Ｃ及び右端部１３１Ｄを短辺とする、略長方形状である。前端部１３１Ａ及び後端部１３１Ｂそれぞれの垂直二等分線に沿って仮想平面Ｐが規定される。基部１３０は仮想平面Ｐに対して略面対称な構造であれば上記に限定されるものではなく、例えば、前端部１３１Ａ及び後端部１３１Ｂの一方が他方よりも長い台形状であってもよい。また、前端部１３１Ａ、後端部１３１Ｂ、左端部１３１Ｃ及び右端部１３１Ｄの少なくとも１つが屈折又は湾曲してもよい。
【0030】
前端部１３１Ａと後端部１３１Ｂとの間のＹ軸方向における最長距離である基部長は一例として４０μｍ程度である。また、左端部１３１Ｃと右端部１３１Ｄとの間のＸ軸方向における最長距離である基部幅は一例として３００μｍ程度である。なお、図３に示した構成例では、基部長は左端部１３１Ｃ又は右端部１３１Ｄの長さに相当し、基部幅は前端部１３１Ａ又は後端部１３１Ｂの長さに相当する。
【0031】
保持部１４０は、下蓋２０と上蓋３０によって形成される内部空間に振動部１１０を保持するための部分であり、例えば振動部１１０を囲んでいる。図３に示すように、保持部１４０は、上蓋３０側からの平面視において、前枠１４１Ａと、後枠１４１Ｂと、左枠１４１Ｃと、右枠１４１Ｄと、を有している。前枠１４１Ａ、後枠１４１Ｂ、左枠１４１Ｃ及び右枠１４１Ｄは、それぞれ、振動部１１０を囲む略矩形状の枠体の一部である。具体的には、前枠１４１Ａは、基部１３０から視て励振部１２０側においてＸ軸方向に延びる部分である。後枠１４１Ｂは、励振部１２０から視て基部１３０側においてＸ軸方向に延びる部分である。左枠１４１Ｃは、振動腕１２１Ｄから視て振動腕１２１Ａ側においてＹ軸方向に延びる部分である。右枠１４１Ｄは、振動腕１２１Ａから視て振動腕１２１Ｄ側においてＹ軸方向に延びる部分である。前枠１４１Ａ及び後枠１４１Ｂのそれぞれは、仮想平面Ｐによって二等分される。
【0032】
左枠１４１Ｃの両端は、それぞれ、前枠１４１Ａの一端及び後枠１４１Ｂの一端に接続されている。右枠１４１Ｄの両端は、それぞれ、前枠１４１Ａの他端及び後枠１４１Ｂの他端に接続されている。前枠１４１Ａと後枠１４１Ｂとは、振動部１１０を挟んでＹ軸方向において互いに対向している。左枠１４１Ｃと右枠１４１Ｄは、振動部１１０を挟んでＸ軸方向において互いに対向している。なお、保持部１４０は、振動部１１０の周囲の少なくとも一部に設けられていればよく、周方向に連続した枠状の形状に限定されるものではない。
【0033】
保持腕１５０は、保持部１４０の内側に設けられ、基部１３０と保持部１４０とを接続している。図３に示すように、保持腕１５０は、上蓋３０側からの平面視において、左保持腕１５１Ａと、右保持腕１５１Ｂと、を有している。右保持腕１５１Ｂと左保持腕１５１Ａとの間に仮想平面Ｐが位置しており、右保持腕１５１Ｂと左保持腕１５１Ａとは互いに面対称である。
【0034】
左保持腕１５１Ａは、基部１３０の後端部１３１Ｂと保持部１４０の左枠１４１Ｃとを接続している。右保持腕１５１Ｂは、基部１３０の後端部１３１Ｂと保持部１４０の右枠１４１Ｄとを接続している。左保持腕１５１Ａは保持後腕１５２Ａと保持側腕１５３Ａとを有し、右保持腕１５１Ｂは保持後腕１５２Ｂと保持側腕１５３Ｂとを有している。
【0035】
保持後腕１５２Ａ及び１５２Ｂは、基部１３０の後端部１３１Ｂと保持部１４０との間において、基部１３０の後端部１３１Ｂから延びている。具体的には、保持後腕１５２Ａは、基部１３０の後端部１３１Ｂから後枠１４１Ｂに向かって延出し、屈曲して左枠１４１Ｃに向かって延びている。保持後腕１５２Ｂは、基部１３０の後端部１３１Ｂから後枠１４１Ｂに向かって延出し、屈曲して右枠１４１Ｄに向かって延びている。保持後腕１５２Ａ，１５２Ｂのそれぞれの幅は、振動腕１２１Ａ～１２１Ｄのそれぞれの幅よりも小さい。
【0036】
保持側腕１５３Ａは、外側振動腕１２１Ａと保持部１４０との間において、外側振動腕１２１Ａに沿って延びている。保持側腕１５３Ｂは、外側振動腕１２１Ｄと保持部１４０との間において、外側振動腕１２１Ｄに沿って延びている。具体的には、保持側腕１５３Ａは、保持後腕１５２Ａの左枠１４１Ｃ側の端部から前枠１４１Ａに向かって延び、屈曲して左枠１４１Ｃに接続されている。保持側腕１５３Ｂは、保持後腕１５２Ｂの右枠１４１Ｄ側の端部から前枠１４１Ａに向かって延び、屈曲して右枠１４１Ｄに接続されている。保持側腕１５３Ａ，１５３Ｂのそれぞれの幅は、保持後腕１５２Ａ，１５２Ｂのそれぞれの幅と略同等である。
【0037】
なお、保持腕１５０は上記の構成に限定されるものではない。例えば、保持腕１５０は、基部１３０の左端部１３１Ｃ及び右端部１３１Ｄに接続されてもよい。また、保持腕１５０は、保持部１４０の前枠１４１Ａ又は後枠１４１Ｂに接続されてもよい。また、保持腕１５０の数は、１つでもよく、３つ以上でもよい。
【0038】
次に、図４及び図５を参照しつつ、本実施形態に係る共振装置１の積層構造について説明する。図４は、図１に示した共振装置の積層構造を概念的に示すＸ軸に沿った断面図である。図５は、図１に示した共振装置の積層構造を概念的に示すＹ軸に沿った断面図である。なお、図４及び図５は、必ずしも同一平面上の断面を図示したものではない。例えば、図４においては積層構造の説明のために腕部１２３Ａ～１２３Ｄと、引出配線Ｃ２及びＣ３と、貫通電極Ｖ２及びＶ３とを図示しているが、貫通電極Ｖ２及びＶ３は、腕部１２３Ａ～１２３Ｄを切断するＺＸ面から、Ｙ軸方向に離れた位置で形成されていてもよい。
【0039】
共振子１０は、下蓋２０と上蓋３０との間に保持されている。具体的には、共振子１０の保持部１４０が、下蓋２０の側壁２３及び上蓋３０の側壁３３のそれぞれに接合されている。このようにして、下蓋２０と上蓋３０と共振子１０の保持部１４０とによって、振動部１１０が振動可能な内部空間が形成されている。共振子１０、下蓋２０及び上蓋３０は、それぞれ一例としてシリコン（Ｓｉ）基板を用いて形成されている。なお、共振子１０、下蓋２０及び上蓋３０は、それぞれ、シリコン層及びシリコン酸化膜が積層されたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いて形成されてもよい。また、共振子１０、下蓋２０及び上蓋３０は、それぞれ、微細加工技術による加工が可能な基板であればシリコン基板以外の基板、例えば、化合物半導体基板、ガラス基板、セラミック基板、樹脂基板などを用いて形成されてもよい。
【0040】
振動部１１０、保持部１４０及び保持腕１５０は、同一プロセスによって一体的に形成される。共振子１０において、基板の一例であるシリコン基板Ｆ２の上に、金属膜Ｅ１が積層されている。そして、金属膜Ｅ１の上には圧電膜Ｆ３が積層され、圧電膜Ｆ３の上には金属膜Ｅ２が積層されている。金属膜Ｅ２の上には、金属膜Ｅ２を覆うように保護膜Ｆ５が積層されている。先端部１２２Ａ～１２２Ｄにおいては、さらに、保護膜Ｆ５の上にそれぞれ、前述の金属膜１２５Ａ～１２５Ｄが積層されている。振動部１１０、保持部１４０及び保持腕１５０の外形は、上記のシリコン基板Ｆ２、金属膜Ｅ１、圧電膜Ｆ３、金属膜Ｅ２、保護膜Ｆ５などからなる積層体の除去加工によるパターニングによって形成される。当該除去加工は、例えばアルゴン（Ａｒ）イオンビームを照射するドライエッチングである。
【0041】
シリコン基板Ｆ２は、例えば、厚み６μｍ程度の縮退したｎ型シリコン（Ｓｉ）半導体によって形成されており、ｎ型ドーパントとしてリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）などを含むことができる。シリコン基板Ｆ２に用いられる縮退シリコン（Ｓｉ）の抵抗値は、例えば１６ｍΩ・ｃｍ未満であり、より望ましくは１．２ｍΩ・ｃｍ以下である。シリコン基板Ｆ２の下面には、例えばＳｉＯ２などのシリコン酸化膜Ｆ２１が形成されている。シリコン酸化膜Ｆ２１は、下蓋２０のキャビティ２１に対して露出している。
【0042】
シリコン酸化膜Ｆ２１は、共振子１０の共振周波数の温度係数、すなわち単位温度当たりの共振周波数の変化率、を少なくとも常温近傍において低減する温度特性補正層として機能する。すなわち、シリコン酸化膜Ｆ２１は、共振子１０の温度特性を向上させる。なお、温度特性補正層は、シリコン基板Ｆ２の上面に形成されてもよいし、シリコン基板Ｆ２の上面及び下面の両方に形成されてもよい。
【0043】
シリコン酸化膜Ｆ２１は、下蓋２０の底板２２より硬度の低い材料によって形成されている。なお、本明細書における「硬度」は、ビッカース硬度により規定される。シリコン酸化膜Ｆ２１のビッカース硬度は１０ＧＰａ以下であることが望ましく、下蓋２０の底板２２のビッカース硬度は１０ＧＰａ以上であることが望ましい。これは、先端部１２２Ａ～Ｄのシリコン酸化膜Ｆ２１が、周波数を調整する工程において下蓋２０の底板２２に衝突して削られ易くするためである。なお、周波数を調整する工程においてシリコン基板Ｆ２の一部も削られる可能性があるため、シリコン基板Ｆ２のビッカース硬度は、シリコン酸化膜Ｆ２１のビッカース硬度よりも小さいことが望ましく、１０ＧＰａ以下であることがさらに望ましい。
【0044】
図５に示すように、振動腕１２１Ａ～１２１Ｄの先端部１２２Ａ～１２２Ｄの下蓋２０側の縁部では、開放端に向かうにつれてシリコン酸化膜Ｆ２１の厚みが小さくなっている。これは、先端部１２２Ａ～１２２Ｄの下蓋２０側の縁部が、周波数を調整する工程において、下蓋２０の底板２２に接触して削られるためである。なお、先端部１２２Ａ～１２２Ｄの下蓋２０側の縁部では、シリコン酸化膜Ｆ２１が全て削られ、シリコン基板Ｆ２が下蓋２０側に露出していてもよい。
【0045】
金属膜Ｅ１及びＥ２は、それぞれ、振動腕１２１Ａ～１２１Ｄを励振する励振電極として機能する部分と、励振電極を外部電源へと電気的に接続させる引出電極として機能する部分とを有している。金属膜Ｅ１及びＥ２のそれぞれにおいて励振電極として機能する部分は、振動腕１２１Ａ～１２１Ｄの腕部１２３Ａ～１２３Ｄにおいて、圧電膜Ｆ３を挟んで互いに対向している。金属膜Ｅ１及びＥ２の引出電極として機能する部分は、例えば、保持腕１５０を経由し、基部１３０から保持部１４０に導出されている。金属膜Ｅ１は、共振子１０全体に亘って電気的に連続している。金属膜Ｅ２は、外側振動腕１２１Ａ及び１２１Ｄに形成された部分と、内側振動腕１２１Ｂ及び１２１Ｃに形成された部分と、で電気的に離れている。金属膜Ｅ１は下部電極に相当し、金属膜Ｅ２は上部電極に相当する。
【0046】
金属膜Ｅ１及びＥ２それぞれの厚みは、例えば０．１μｍ以上０．２μｍ以下程度である。金属膜Ｅ１及びＥ２は、成膜後に、エッチングなどの除去加工によって励振電極及び引出電極などにパターニングされる。金属膜Ｅ１及びＥ２は、例えば、結晶構造が体心立方構造である金属材料によって形成される。具体的には、金属膜Ｅ１及びＥ２は、Ｍｏ（モリブデン）、タングステン（Ｗ）などによって形成される。シリコン基板Ｆ２が高い導電性を有する縮退半導体基板である場合、金属膜Ｅ１が省略されシリコン基板Ｆ２が下部電極を兼ねてもよい。
【0047】
圧電膜Ｆ３は、電気的エネルギーと機械的エネルギーとを相互に変換する圧電体によって形成された薄膜である。圧電膜Ｆ３は、金属膜Ｅ１及びＥ２によって印加される電場に応じて、ＸＹ平面の面内方向のうちＹ軸方向に伸縮する。この圧電膜Ｆ３の伸縮によって、振動腕１２１Ａ～１２１Ｄは、Ｚ軸方向に屈曲し、下蓋２０の底板２２及び上蓋３０の底板３２に向かってその開放端を変位させる。すなわち、共振子１０は、面外の屈曲振動モードで振動する。
【0048】
圧電膜Ｆ３は、ウルツ鉱型六方晶構造の結晶構造を持つ材質によって形成されており、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化スカンジウムアルミニウム（ＳｃＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）などの窒化物又は酸化物を主成分とすることができる。なお、窒化スカンジウムアルミニウムは、窒化アルミニウムにおけるアルミニウムの一部がスカンジウムに置換されたものであり、スカンジウムの代わりに、マグネシウム（Ｍｇ）及びニオブ（Ｎｂ）、又は、マグネシウム（Ｍｇ）及びジルコニウム（Ｚｒ）、などの２元素で置換されていてもよい。圧電膜Ｆ３の厚みは、例えば１μｍ程度であるが、０．２μｍ～２μｍ程度であってもよい。
【0049】
保護膜Ｆ５は、例えば金属膜Ｅ２を酸化から保護する。保護膜Ｆ５は金属膜Ｅ２の上蓋３０側に設けられており、振動部１１０の先端部１２２Ａ～１２２Ｄを除く部分において、上蓋３０のキャビティ３１に対して露出している。なお、保護膜Ｆ５は金属膜Ｅ２の上蓋３０側に設けられていれば、上蓋３０の底板３２に対して露出していなくてもよい。例えば、共振子１０に形成された配線の容量を低減する寄生容量低減膜が保護膜Ｆ５の上に積層されていてもよい。保護膜Ｆ５の材質は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）又はタンタル（Ｔａ）を含む酸化物、窒化物又は酸窒化物である。
【0050】
金属膜１２５Ａ～１２５Ｄは、先端部１２２Ａ～１２２Ｄにおいて、保護膜Ｆ５の上蓋３０側に設けられており、上蓋３０のキャビティ３１に対して露出している。周波数調整膜としての観点から、金属膜１２５Ａ～１２５Ｄは、エッチングによる質量低減速度が保護膜Ｆ５よりも早い材料によって形成されることが望ましい。質量低減速度は、エッチング速度と密度との積により表される。エッチング速度とは、単位時間あたりに除去される厚みである。保護膜Ｆ５と金属膜１２５Ａ～１２５Ｄとは、質量低減速度の関係が前述の通りであれば、エッチング速度の大小関係は任意である。また、質量付加膜としての観点から、金属膜１２５Ａ～１２５Ｄは、比重の大きい材料によって形成されるのが望ましい。これらの理由により、金属膜１２５Ａ～１２５Ｄは、例えば、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）又はチタン（Ｔｉ）などの金属材料によって形成されている。なお、金属膜１２５Ａ～１２５Ｄのトリミング処理において、保護膜Ｆ５の一部も一緒に除去されてもよい。このような場合、保護膜Ｆ５も周波数調整膜に相当する。
【0051】
金属膜１２５Ａ～１２５Ｄのそれぞれの上面の一部が、封止前に周波数を調整する工程におけるトリミング処理によって除去されている。金属膜１２５Ａ～１２５Ｄのトリミング処理は、例えばアルゴン（Ａｒ）イオンビームを照射するドライエッチングである。イオンビームは広範囲に照射できるため加工効率に優れるが、金属膜１２５Ａ～Ｄを帯電させる恐れがある。金属膜１２５Ａ～１２５Ｄの帯電によるクーロン相互作用によって振動腕１２１Ａ～１２１Ｄの振動軌道が変化し共振子１０の振動特性が劣化するのを防止するため、金属膜１２５Ａ～１２５Ｄは、接地されるのが望ましい。
【0052】
図５に示す構成例において、金属膜１２５Ａは、圧電膜Ｆ３及び保護膜Ｆ５を貫通する貫通電極によって、金属膜Ｅ１に電気的に接続されている。図示を省略した金属膜１２５Ｂ～１２５Ｄについても同様に、貫通電極によって金属膜Ｅ１に電気的に接続されている。なお、金属膜１２５Ａ～１２５Ｄは、例えば先端部１２２Ａ～１２２Ｄの側面に設けられた側面電極によって金属膜Ｅ１に電気的に接続されてもよい。金属膜１２５Ａ～１２５Ｄは、金属膜Ｅ２に電気的に接続されてもよい。
【0053】
保持部１４０の保護膜Ｆ５の上には、引出配線Ｃ１、Ｃ２及びＣ３が形成されている。引出配線Ｃ１は、圧電膜Ｆ３及び保護膜Ｆ５に形成された貫通孔を通して、金属膜Ｅ１と電気的に接続されている。引出配線Ｃ２は、保護膜Ｆ５に形成された貫通孔を通して、金属膜Ｅ２のうち外側振動腕１２１Ａ及び１２１Ｄに形成された部分と電気的に接続されている。引出配線Ｃ３は、保護膜Ｆ５に形成された貫通孔を通して、金属膜Ｅ２のうち内側振動腕１２１Ｂ及び１２１Ｃに形成された部分と電気的に接続されている。引出配線Ｃ１～Ｃ３は、アルミニウム（Ａｌ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、金（Ａｕ）、錫（Ｓｎ）などの金属材料によって形成されている。
【0054】
下蓋２０の底板２２及び側壁２３は、シリコン基板Ｐ１０により、一体的に形成されている。シリコン基板Ｐ１０は、縮退していないシリコン半導体によって形成されており、その抵抗率は例えば１０Ω・ｃｍ以上である。下蓋２０の厚みは、例えば１５０μｍ程度である。非振動時の振動腕１２１Ａ～１２１Ｄの先端部１２２Ａ～１２２Ｄと下蓋２０との間のギャップＧ１は、Ｚ軸方向におけるシリコン酸化膜Ｆ２１と底板２２との間の距離に相当する。
【0055】
なお、共振子１０及び下蓋２０をＭＥＭＳ基板５０としてみた場合、例えば、下蓋２０のシリコン基板Ｐ１０はＳＯＩ基板の支持基板に相当し、共振子１０のシリコン酸化膜Ｆ２１はＳＯＩ基板のＢＯＸ層に相当し、共振子１０のシリコン基板Ｆ２はＳＯＩ基板の活性層に相当する。このとき、共振装置１の外側に延在するＭＥＭＳ基板５０の一部を使用して、各所半導体素子や回路などが形成されてもよい。
【0056】
上蓋３０の底板３２及び側壁３３は、シリコン基板Ｑ１０により、一体的に形成されている。シリコン基板Ｑ１０には、シリコン酸化膜Ｑ１１が備えられている。シリコン酸化膜Ｑ１１は、シリコン基板Ｑ１０の表面のうちキャビティ３１の内壁を除く部分に設けられている。シリコン酸化膜Ｑ１１は、例えばシリコン基板Ｑ１０の熱酸化や、化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって形成される。上蓋３０の厚みは、例えば１５０μｍ程度である。
【0057】
上蓋３０の底板３２には、金属膜７０が備えられている。金属膜７０は、シリコン基板Ｑ１０の共振子１０側のうち、少なくとも振動腕１２１Ａ～１２１Ｄの先端部１２２Ａ～１２２Ｄに対向する領域に設けられている。金属膜７０は、キャビティ２１及び３１によって構成される内部空間のガスを吸蔵して真空度を向上させるゲッターであってもよく、例えば水素ガスを吸蔵する。金属膜７０は、例えば、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）又はこれらのうち少なくとも１つを含む合金を含んでいる。金属膜７０は、アルカリ金属の酸化物又はアルカリ土類金属の酸化物を含んでもよい。シリコン基板Ｑ１０と金属膜７０との間には、例えば、シリコン基板Ｑ１０から金属膜７０への水素の拡散を防止する層や、シリコン基板Ｑ１０と金属膜７０との密着性を向上させる層など、図示しない層が設けられてもよい。非振動時の振動腕１２１Ａ～１２１Ｄの先端部１２２Ａ～１２２Ｄと上蓋３０との間のギャップＧ２は、Ｚ軸方向における金属膜１２５Ａ～１２５Ｄと金属膜７０との間の距離に相当する。
【0058】
上蓋３０側のギャップＧ２は、下蓋２０側のギャップＧ１よりも大きい。したがって、振幅を徐々に増大させていったとき、振動腕１２１Ａ～１２１Ｄは、上蓋３０に接触する前に下蓋２０に接触する。すなわち、振動腕１２１Ａ～１２１Ｄの最大振幅は、下蓋２０側のギャップＧ１と略同じ大きさとなる。
【0059】
なお、上蓋３０側のギャップＧ２が下蓋２０側のギャップＧ１よりも大きければ、共振子１０は非振動時に上又は下に反っていてもよい。「上に反った共振子１０」とは、基部１３０から先端部１２２Ａ～１２２Ｄに向かうにつれて上蓋３０との距離が小さくなるように構成された共振子１０のことである。「下に反った共振子１０」とは、基部１３０から先端部１２２Ａ～１２２Ｄに向かうにつれて下蓋２０との距離が小さくなるように構成された共振子１０のことである。
【0060】
上蓋３０には、端子Ｔ１、Ｔ２及びＴ３が備えられている。端子Ｔ１～Ｔ３は、上蓋３０の共振子１０とは反対側に設けられている。端子Ｔ１～Ｔ３は、シリコン酸化膜Ｑ１１の上に設けられ、互いに絶縁されている。端子Ｔ１は金属膜Ｅ１を接地させる実装端子である。端子Ｔ２は外側振動腕１２１Ａ及び１２１Ｄの金属膜Ｅ２を外部電源に電気的に接続させる実装端子である。端子Ｔ３は、内側振動腕１２１Ｂ及び１２１Ｃの金属膜Ｅ２を外部電源に電気的に接続させる実装端子である。端子Ｔ１～Ｔ３は、例えば、クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）などのメタライズ層（下地層）に、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）などのメッキを施して形成されている。なお、上蓋３０には、寄生容量や機械的強度のバランスを調整する目的で、共振子１０とは電気的に絶縁されたダミー端子が備えられてもよい。
【0061】
上蓋３０には、貫通電極Ｖ１、Ｖ２及びＶ３が備えられている。貫通電極Ｖ１～Ｖ３は、側壁３３をＺ軸方向に貫通する貫通孔の内部に設けられている。貫通電極Ｖ１～Ｖ３は、シリコン酸化膜Ｑ１１に囲まれ、互いに絶縁されている。貫通電極Ｖ１は端子Ｔ１と引出配線Ｃ１とを電気的に接続し、貫通電極Ｖ２は端子Ｔ２と引出配線Ｃ２とを電気的に接続し、貫通電極Ｖ３は端子Ｔ３と引出配線Ｃ３とを電気的に接続している。貫通電極Ｖ１～Ｖ３は、例えば、貫通孔に多結晶シリコン（Ｐｏｌｙ－Ｓｉ）、銅（Ｃｕ）又は金（Ａｕ）などを充填して形成されている。
【0062】
上蓋３０の側壁３３と共振子１０の保持部１４０との間には、接合部Ｈが形成されている。接合部Ｈは、平面視したとき振動部１１０を囲むように周方向に連続した枠状に設けられ、キャビティ２１及び３１によって構成される内部空間を真空状態で気密封止している。接合部Ｈは、例えばアルミニウム（Ａｌ）膜、ゲルマニウム（Ｇｅ）膜及びアルミニウム（Ａｌ）膜がこの順に積層されて共晶接合された金属膜によって形成されている。なお、接合部Ｈは、金（Ａｕ）、錫（Ｓｎ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、チタン（Ｔｉ）、シリコン（Ｓｉ）及びこれらのうち少なくとも１種類を含む合金を含んでもよい。また、共振子１０と上蓋３０との密着性を向上させるために、接合部Ｈは、窒化チタン（ＴｉＮ）や窒化タンタル（ＴａＮ）などの金属化合物からなる絶縁体を含んでもよい。
【0063】
次に、図４及び図５を参照しつつ、共振装置１の動作について説明する。
本実施形態では、端子Ｔ１が接地され、端子Ｔ２と端子Ｔ３には互いに逆位相の交番電圧が印加される。したがって、外側振動腕１２１Ａ及び１２１Ｄの圧電膜Ｆ３に形成される電界の位相と、内側振動腕１２１Ｂ及び１２１Ｃの圧電膜Ｆ３に形成される電界の位相とは互いに逆位相になる。これにより、外側振動腕１２１Ａ及び１２１Ｄと、内側振動腕１２１Ｂ及び１２１Ｃとが互いに逆相に振動する。例えば、外側振動腕１２１Ａ及び１２１Ｄのそれぞれの先端部１２２Ａ及び１２２Ｄが上蓋３０の底板３２に向かって変位するとき、内側振動腕１２１Ｂ及び１２１Ｃのそれぞれの先端部１２２Ｂ及び１２２Ｃが下蓋２０の底板２２に向かって変位する。以上のように、隣り合う振動腕１２１Ａと振動腕１２１Ｂとの間でＹ軸方向に延びる中心軸ｒ１回りに振動腕１２１Ａと振動腕１２１Ｂとが上下逆方向に振動する。また、隣り合う振動腕１２１Ｃと振動腕１２１Ｄとの間でＹ軸方向に延びる中心軸ｒ２回りに振動腕１２１Ｃと振動腕１２１Ｄとが上下逆方向に振動する。これによって、中心軸ｒ１とｒ２とで互いに逆方向の捩れモーメントが生じ、基部１３０においてＸ軸方向に屈曲してＺ軸方向に変位する屈曲振動が発生する。振動腕１２１Ａ～１２１Ｄの最大振幅は例えば５０μｍ程度、通常駆動時の振幅は例えば１０μｍ程度である。
本実施形態では、端子Ｔ１が接地され、端子Ｔ２と端子Ｔ３には互いに逆位相の交番電圧が印加される。したがって、外側振動腕１２１Ａ及び１２１Ｄの圧電膜Ｆ３に形成される電界の位相と、内側振動腕１２１Ｂ及び１２１Ｃの圧電膜Ｆ３に形成される電界の位相とは互いに逆位相になる。これにより、外側振動腕１２１Ａ及び１２１Ｄと、内側振動腕１２１Ｂ及び１２１Ｃとが互いに逆相に振動する。例えば、外側振動腕１２１Ａ及び１２１Ｄのそれぞれの先端部１２２Ａ及び１２２Ｄが上蓋３０の底板３２に向かって変位するとき、内側振動腕１２１Ｂ及び１２１Ｃのそれぞれの先端部１２２Ｂ及び１２２Ｃが下蓋２０の底板２２に向かって変位する。以上のように、隣り合う振動腕１２１Ａと振動腕１２１Ｂとの間でＹ軸方向に延びる中心軸ｒ１回りに振動腕１２１Ａと振動腕１２１Ｂとが上下逆方向に振動する。また、隣り合う振動腕１２１Ｃと振動腕１２１Ｄとの間でＹ軸方向に延びる中心軸ｒ２回りに振動腕１２１Ｃと振動腕１２１Ｄとが上下逆方向に振動する。これによって、中心軸ｒ１とｒ２とで互いに逆方向の捩れモーメントが生じ、基部１３０においてＸ軸方向に屈曲してＺ軸方向に変位する屈曲振動が発生する。振動腕１２１Ａ～１２１Ｄの最大振幅は例えば５０μｍ程度、通常駆動時の振幅は例えば１０μｍ程度である。
【0064】
次に、図６～図９を参照しつつ、本実施形態に係る共振装置１の製造方法について説明する。図６は、本実施形態に係る共振装置の製造方法を概略的に示すフローチャートである。図７は、振動腕の先端部の下蓋側の表面を写した写真である。図８は、衝突速度に対する粉塵体積の変化を示すグラフである。図９は、寸法比に対する衝突速度の変化及び合計粉塵体積の変化を示すグラフである。
【0065】
まず、一対のシリコン基板を準備する（Ｓ１０）。一対のシリコン基板は、シリコン基板Ｐ１０及びＱ１０に相当する。
【0066】
次に、一対のシリコン基板を酸化させる（Ｓ２０）。これにより、シリコン基板Ｑ１０の表面にシリコン酸化膜Ｑ１１を形成し、シリコン基板Ｐ１０の表面にシリコン酸化膜Ｆ２１を形成する。なお、本工程ではシリコン酸化膜Ｑ１１のみを形成し、別工程でシリコン酸化膜Ｆ２１を形成してもよい。
【0067】
次に、一対のキャビティを設ける（Ｓ３０）。シリコン基板Ｐ１０及びシリコン酸化膜Ｆ２１のそれぞれの一部をエッチングによって除去してキャビティ２１を形成し、シリコン酸化膜Ｑ１１及びシリコン基板Ｑ１０のそれぞれの一部をエッチングによって除去してキャビティ３１を形成する。但し、キャビティ２１及び３１の形成方法はエッチング工法に限定されない。また、下蓋２０に共振子１０を接合してからキャビティ２１を形成してもよい。
【0068】
次に、下蓋に共振子を接合する（Ｓ４０）。下蓋２０と共振子１０とを融点を超えないように加熱し、側壁２３と保持部１４０とを加圧して接合する。下蓋２０と共振子１０との接合方法は上記の熱圧着に限定されず、例えば接着剤、ろう材、半田などを用いた接着であってもよい。
【0069】
次に、上蓋のキャビティに金属膜を設ける（Ｓ５０）。例えば、チタン蒸気をシリコン基板Ｑ１０の下面３２Ｂに堆積させて金属膜７０を成膜する。金属膜７０は、メタルマスクを用いてパターン成膜される。なお、金属膜７０のパターニング方法はメタルマスクを用いたパターン成膜に限定されず、フォトレジストを用いたエッチング工法やリフトオフ工法であってもよい。
【0070】
次に、先端部の金属膜をトリミングする（Ｓ６０）。振動腕１２１Ａ～１２１Ｄの先端部１２２Ａ～１２２Ｄにアルゴン（Ａｒ）イオンビームを照射し、金属膜１２５Ａ～１２５Ｄの一部をドライエッチングによって除去加工する。これによれば、先端部１２２Ａ～１２２Ｄの重量が変化し、周波数が調整される。すなわち、本工程Ｓ６０は、封止前の周波数調整工程（第１の周波数調整工程）に相当する。イオンビームは広範囲に照射できるため、封止前の周波数調整工程Ｓ６０は加工効率に優れる。なお、本発明の実施形態においては、封止後に周波数を調整可能なため、封止前の周波数調整工程Ｓ６０は省略してもよい。
【0071】
次に、接合部を設ける（Ｓ７０）。共振子１０及び上蓋３０のそれぞれのメタライズ層を減圧環境下で金属接合する。このとき形成される接合部Ｈは、真空状態の内部空間を気密封止する。すなわち、本工程Ｓ７０は、封止工程に相当する。接合部Ｈは、加熱処理によって設けられる。このような加熱処理は、例えば、加熱温度４００℃以上５００℃以下、加熱時間１分以上３０分以下で行われる。加熱温度４００℃以上及び加熱時間１分以上であれば、充分な接合強度及び封止性が得られる。また、加熱温度５００℃以下及び加熱時間３０分以下であれば、エネルギー効率の向上及び製造工程の短縮が図れる。
【0072】
なお、共振子１０と上蓋３０との接合の前に、金属膜７０をゲッターとして活性化する工程を実施してもよい。金属膜７０をゲッターとして活性化する工程では、例えば、加熱処理によって金属膜７０の表面に付着した水素を脱離させて、水素吸着効果を回復させる。このような加熱処理は、例えば、加熱温度３５０℃以上５００℃以下、加熱時間５分以上３０分以下で行われる。加熱温度３５０℃以上及び加熱時間５分以上であれば、金属膜７０を充分に活性化できる。また、加熱温度５００℃以下及び加熱時間３０分以下であれば、エネルギー効率の向上及び製造工程の短縮が図れる。
【0073】
次に、先端部を下蓋に接触させる（Ｓ８０）。共振子１０に通常駆動の駆動電圧よりも大きな電圧を印加して励振させ、下蓋２０の底板２２に先端部１２２Ａ～１２２Ｄの縁部を衝突させる。この衝突により、図７に示すように、先端部１２２Ａ～１２２Ｄの縁部が削られ、斜め又は円弧状になる。本工程Ｓ８０は、封止後の周波数調整工程（第２の周波数調整工程）に相当する。先端部１２２Ａ～１２２Ｄの質量変化は印加電圧の強度などによって微調整が可能なため、封止後の周波数調整工程Ｓ８０は加工精度に優れる。また、封止後の周波数調整工程Ｓ８０は、封止工程Ｓ７０において変動した周波数を調整できる。封止の前後で２回に分けて別々の方法で周波数を調整することで、高効率且つ高精度の周波数調整が可能となる。
【0074】
工程Ｓ８０において、振動腕１２１Ａ～１２１Ｄの先端部１２２Ａ～１２２Ｄから削り取られるのはシリコン酸化膜Ｆ２１の一部であり、下蓋２０から削り取られるのはシリコン基板Ｐ１０の一部である。振動腕１２１Ａ～１２１Ｄから発生した酸化シリコンからなる粉塵（振動腕由来の粉塵）と、下蓋２０から発生したシリコンからなる粉塵（下蓋由来の粉塵）とは、図７に示すように振動腕１２１Ａ～１２１Ｄに付着する。
【0075】
ＳｉＯ２の破壊応力（７．８ＧＰａ）は、Ｓｉの破壊応力（４．４ＧＰａ）よりも高いため、Ｓｉの方がＳｉＯ２よりも破壊され易い。このため、振動腕１２１Ａ～１２１Ｄと下蓋２０とに同等の外部応力がかかった場合、下蓋由来の粉塵が振動腕由来の粉塵よりも多く発生する。しかし、振動腕１２１Ａ～１２１Ｄと下蓋２０との衝突時、振動腕１２１Ａ～１２１Ｄに作用する外部応力は、下蓋２０に作用する外部応力よりも大きい。また、これらの外部応力は、衝突速度が上がるにつれて大きくなる。このため、衝突速度を制御することで、破壊され易い下蓋２０のＳｉの破壊を抑制しつつ、破壊され難い振動腕１２１Ａ～１２１ＤのＳｉＯ２の破壊を促進することができる。
【0076】
ここで、図８及び図９のグラフを参照しつつ、工程Ｓ８０の望ましい条件について説明する。図８のグラフにおいて、横軸は振動腕１２１Ａ～１２１Ｄと下蓋２０との衝突速度（μｍ／ｓｅｃ）を示し、左縦軸は振動腕１２１Ａ～１２１Ｄと下蓋２０との衝突によって発生した下蓋２０又は振動腕１２１Ａ～１２１Ｄ由来の粉塵体積（μｍ３）を示し、右縦軸は下蓋２０由来の粉塵体積を振動腕１２１Ａ～１２１Ｄ由来の粉塵体積で除した粉塵体積比を示している。図９のグラフにおいて、横軸は下蓋２０側のギャップＧ１を振動腕１２１Ａ～１２１ＤのＹ軸方向の長さＬ１で除した寸法比を示し、左縦軸は合計粉塵体積（μｍ３）を示し、右縦軸は振動腕１２１Ａ～１２１Ｄと下蓋２０との衝突速度（μｍ／ｓ）を示している。
【0077】
図８に示すように、振動腕由来の粉塵体積が５．０×１０２μｍ３となるまで衝突させたとき、衝突速度が大きくなるほど下蓋由来の粉塵体積が小さくなる。特に、衝突速度が３．５×１０３μｍ／ｓｅｃ以上のとき、衝突速度の増加に対する下蓋由来の粉塵体積の減少量は、衝突速度が３．５×１０３μｍ／ｓｅｃよりも小さいときよりも大きくなる。すなわち、衝突速度が３．５×１０３μｍ／ｓｅｃ以上であれば、衝突速度を上げることで内部空間に発生する合計粉塵体積が効率的に小さくできる。したがって、振動腕１２１Ａ～１２１Ｄへの粉塵の脱着による周波数の変動を抑制できる。また、衝突速度が４．５×１０３μｍ／ｓｅｃ以上であれば、下蓋由来の粉塵体積が振動腕由来の粉塵体積を下回ることとなり、合計粉塵体積がさらに小さくなる。
【0078】
なお、図８に示すように、衝突速度が３．５×１０３μｍ／ｓｅｃ以上のとき、粉塵体積比は２．５以下である。したがって、下蓋由来の粉塵体積が振動腕由来の粉塵体積の２．５倍以下であれば、衝突速度を上げることで内部空間に発生する合計粉塵体積が効率的に小さくできる。また、衝突速度が４．５×１０３μｍ／ｓｅｃ以上のとき、粉塵体積比は１以下である。したがって、下蓋由来の粉塵体積が振動腕由来の粉塵体積以下であれば、合計粉塵体積がさらに小さくなる。
【0079】
図９に示すように、衝突速度は寸法比Ｇ１／Ｌ１に比例する。ギャップＧ１と長さＬ１とが０．１１＜Ｇ１／Ｌ１の関係を有するとき、衝突速度が３．５×１０３μｍ／ｓｅｃ以上となるため、合計粉塵体積が小さくなる。しかしながら、共振装置１の寸法増大を抑制する観点から、ギャップＧ１と長さＬ１とは、Ｇ１／Ｌ１＜０．１６の関係を有するのが望ましい。
【0080】
なお、下蓋２０側のギャップＧ１と上蓋３０側のギャップＧ２とはＧ１＜Ｇ２の関係を有するため、先端部１２２Ａ～１２２Ｄは上蓋３０には殆ど接触しない。これによれば、振動腕１２１Ａ～１２１Ｄと上蓋３０との接触に起因した、振動腕１２１Ａ～１２１Ｄと下蓋２０との衝突速度の低下が抑制できる。なお、先端部１２２Ａ～１２２Ｄが上蓋３０に衝突したとしても、金属膜１２５Ａ～１２５Ｄと金属膜７０とが延性変形して衝撃を吸収するため、粉塵の発生を抑制できる。したがって、合計粉塵体積は殆ど増大しない。
【0081】
以下に、本発明の実施形態の一部又は全部を付記し、その効果について説明する。なお、本発明は以下の付記に限定されるものではない。
【0082】
本発明の一態様によれば、下蓋と、下蓋に接合された上蓋と、下蓋と上蓋との間に設けられた内部空間において屈曲振動可能に構成された振動腕を有する共振子とを備える共振装置を準備することと、共振子の周波数を調整することと、を含み、周波数を調整することは、振動腕を屈曲振動させて、振動腕の先端部の酸化シリコンを下蓋のシリコンに３．５×１０３μｍ／ｓｅｃ以上の衝突速度で衝突させることを含む、共振装置の製造方法が提供される。
【0083】
これによれば、衝突速度の増加に対する下蓋由来の粉塵体積の減少量が大きくなるため、衝突速度を上げることで内部空間に発生する合計粉塵体積が効率的に小さくできる。したがって、振動腕への粉塵の脱着による周波数の変動を抑制できる。
【0084】
一態様として、衝突速度は、４．５×１０３μｍ／ｓｅｃ以上である。
【0085】
これによれば、合計粉塵体積がさらに小さくなり、周波数の変動をさらに抑制できる。
【0086】
一態様として、振動腕の先端部と下蓋との間のギャップＧ１と、振動腕の長さＬ１とは、０．１１＜Ｇ１／Ｌ１の関係を有する。
【0087】
これによれば、衝突速度を上げることで内部空間に発生する合計粉塵体積が効率的に小さくできる。
【0088】
一態様として、振動腕の先端部と下蓋との間のギャップＧ１と、振動腕の長さＬ１とは、Ｇ１／Ｌ１＜０．１６の関係を有する。
【0089】
これによれば、共振装置の寸法増大が抑制される。
【0090】
一態様として、振動腕の先端部と下蓋との間のギャップＧ１と、振動腕の先端部と上蓋との間のギャップＧ２とは、Ｇ１＜Ｇ２の関係を有する。
【0091】
これによれば、振動腕と上蓋との接触に起因した、振動腕と下蓋との衝突速度の低下が抑制できる。
【0092】
一態様として、振動腕の先端部は、上蓋の側の表面に金属膜を有する。
【0093】
これによれば、振動腕の先端部が上蓋に衝突したとしても、振動腕の先端部の金属膜が延性変形して衝撃を吸収するため、粉塵の発生を抑制できる。
【0094】
本発明の他の一態様によれば、下蓋と、下蓋に接合された上蓋と、下蓋と上蓋との間に設けられた内部空間において屈曲振動可能に構成された振動腕を有する共振子とを備える共振装置を準備することと、共振子の周波数を調整することと、を含み、共振子の周波数を調整することは、振動腕を屈曲振動させて、下蓋及び振動腕の粉塵が生じるように下蓋と振動腕を互いに衝突させることを含み、下蓋の振動腕に衝突する部分の破壊応力は、振動腕の下蓋に衝突する部分の破壊応力よりも小さく、内部空間において、下蓋から発生した粉塵の体積は、振動腕から発生した粉塵の体積の２．５倍以下である、共振装置の製造方法が提供される。
【0095】
これによれば、衝突速度の増加に対する下蓋由来の粉塵体積の減少量が大きくなるため、衝突速度を上げることで内部空間に発生する合計粉塵体積が効率的に小さくできる。したがって、振動腕への粉塵の脱着による周波数の変動を抑制できる。
【0096】
本発明の他の一態様によれば、下蓋と、下蓋に接合された上蓋と、下蓋と上蓋との間に設けられた内部空間において屈曲振動可能に構成された振動腕を有する共振子とを備え、下蓋の振動腕に衝突する部分の破壊応力は、振動腕の下蓋に衝突する部分の破壊応力よりも小さく、内部空間において、下蓋から発生した粉塵の体積は、振動腕から発生した粉塵の体積の２．５倍以下である、共振装置が提供される。
【0097】
これによれば、衝突速度の増加に対する下蓋由来の粉塵体積の減少量が大きくなるため、衝突速度を上げることで内部空間に発生する合計粉塵体積が効率的に小さくできる。したがって、振動腕への粉塵の脱着による周波数の変動を抑制できる。
【0098】
一態様として、内部空間において、下蓋から発生した粉塵の体積は、振動腕から発生した粉塵の体積以下である。
【0099】
これによれば、合計粉塵体積がさらに小さくなり、周波数の変動をさらに抑制できる。
【0100】
一態様として、下蓋の振動腕に衝突する部分はシリコンからなり、振動腕の下蓋に衝突する部分は酸化シリコンからなる。
【0101】
本発明に係る実施形態は、タイミングデバイス、発音器、発振器、荷重センサなど、圧電効果により電気機械エネルギー変換を行うデバイスであれば、特に限定されることなく適宜適用可能である。
【0102】
以上説明したように、本発明の一態様によれば、信頼性の向上を図ることができる共振装置及びその製造方法が提供できる。
【0103】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更／改良され得るとともに、本発明にはその等価物も含まれる。即ち、各実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、各実施形態が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、各実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
【符号の説明】
【0104】
１…共振装置、
１０…共振子、
２０…下蓋、
３０…上蓋、
７０…金属膜、
１１０…振動部、
１４０…保持部、
１５０…保持腕、
１２１Ａ～１２１Ｄ…振動腕、
１２２Ａ～１２２Ｄ…先端部、
１２３Ａ～１２３Ｄ…腕部、
１２５Ａ～１２５Ｄ…金属膜、
Ｇ１、Ｇ２…ギャップ、
Ｌ１…振動腕の長さ。
１０…共振子、
２０…下蓋、
３０…上蓋、
７０…金属膜、
１１０…振動部、
１４０…保持部、
１５０…保持腕、
１２１Ａ～１２１Ｄ…振動腕、
１２２Ａ～１２２Ｄ…先端部、
１２３Ａ～１２３Ｄ…腕部、
１２５Ａ～１２５Ｄ…金属膜、
Ｇ１、Ｇ２…ギャップ、
Ｌ１…振動腕の長さ。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】