專利名稱：包含電容器的壓電諧振單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包含靜電電容器的壓電諧振器，特別涉及包含電容器的壓電諧振單元，該單元具有限定電容器和空間的改進(jìn)電極布局，使得壓電諧振器振動(dòng)部分自由和不受阻礙地振動(dòng)。
背景技術(shù)：
通常情況下，包含電容器的壓電諧振單元被廣泛用作壓電振動(dòng)體。例如日本未經(jīng)審查的專利申請公開No.7-94997揭示了如圖32所示包含電容器的壓電諧振單元201。在包含電容器的壓電諧振單元201中，介電基片203和204分別設(shè)置在壓電諧振單元202的上下表面。壓電諧振單元202利用屬于能量捕獲型振動(dòng)模式的厚度垂直振動(dòng)模式和厚度延伸滑移模式中的一種。振動(dòng)空間205和206的排列使得壓電諧振單元202振動(dòng)部分可以自由和不受阻礙地振動(dòng)。在普通實(shí)例中，每個(gè)振動(dòng)空間205和206由形成于介電基片203和204其中一個(gè)主表面內(nèi)的凹面部分限定。
在諧振單元201中，電容器形成電極207-209設(shè)置在由堆疊的介電基片203-204限定的層狀體外表面上以限定電容。電容器形成電極208與接地電勢相連。電容器單獨(dú)位于電容器形成電極207(熱側(cè))與208之間和電容器形成電極209(熱側(cè))與208之間。
此外，日本未經(jīng)審查的專利申請公開No.3-240311揭示了如圖33所示的包含電容器的壓電諧振單元211。在包含電容器的壓電諧振單元211中，介電基片213和214位于壓電諧振單元212的上下表面。在普通實(shí)例中，介電基片213和214分別經(jīng)絕緣粘合層215和216單獨(dú)粘合在壓電諧振單元212上。振動(dòng)空間217和218由各自的絕緣粘合層215與216內(nèi)的開孔構(gòu)成。與包含電容器的壓電諧振單元201一樣，在包含堆疊介電基片213和214的層狀體外表面上設(shè)置了包含電容器的電極219-221以限定電容。
在每個(gè)包含電容器的壓電諧振單元201和211中，電容經(jīng)預(yù)設(shè)間隔G被單獨(dú)限定在過渡的電容器形成電極208和220(它們與接地電勢相連)與相對放置的電容器形成電極207和219之間以及經(jīng)預(yù)設(shè)間隔G被單獨(dú)限定在過渡的電容器形成電極208和220與相對放置的電容器形成電極209和221之間。在這些情況下，每個(gè)電容器的靜電電容依賴于介電基片的相對介電常數(shù)、電容器形成電極之間的間隔G的尺寸和其他因素。
但是在上述包含電容器的壓電諧振單元201和211中，產(chǎn)生的問題是電容的靜電電容隨電容器形成電極208和220位置的變化而變化。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述問題，本發(fā)明較佳實(shí)施例提供了包含電容器的壓電諧振單元，它使靜電電容的變化最小并且予以消除。
按照本發(fā)明的較佳實(shí)施例，包含電容器的壓電諧振單元包括能量捕獲型壓電諧振單元，它具有壓電板和單獨(dú)設(shè)置在壓電板兩個(gè)主表面部分上從而使得上下表面經(jīng)壓電板相對的第一和第二振動(dòng)電極。介電基片設(shè)置在至少一個(gè)壓電諧振單元表面上，振動(dòng)空間被限定在其中，使得振動(dòng)部分可以自由和不受阻礙地振動(dòng)。介電層設(shè)置在壓電諧振單元與介電基片之間并且包括限定了至少一部分振動(dòng)空間的開孔。第一和第二電容器形成電極放置在介電基片上，從而沿基本平行于介電基片主表面的方向相距間隔G。當(dāng)G’表示第二電容器形成電極的端部與振動(dòng)空間端部之間沿第一和第二電容器形成電極相對的方向的距離，ε1表示介電基片的相對介電常數(shù)而ε2表示介電層的相對介電常數(shù)時(shí)，至少滿足下列一個(gè)表達(dá)式ε2/ε1＞0.063和G’/G＞0.2183log(ε2/ε1)+1.0682或者ε2/ε1＞0.063和G’/G≤-0.3756log(ε2/ε1)-0.5734。
按照上述獨(dú)特的構(gòu)造，由于比率ε2/ε1和G’/G在所需范圍內(nèi)，所以即使第一和第二電容器形成電極的位置變化，使比率G’/G落在特定范圍內(nèi)可以使靜電電容的變化最小并予以消除。在第二電容器形成電極的位置變化時(shí)特別有效。因此很容易獲得性能出色的包含電容器的壓電諧振單元。此外，由于無需改進(jìn)電容器形成電極的制造精度，所以極大提高了包含電容器的壓電諧振單元的生產(chǎn)率。
在上述包含電容器的壓電諧振單元內(nèi)，可以放置一對第一電容器形成電極，從而沿一對第一電容器形成電極和第二構(gòu)成電容電極相對的方向夾住第二構(gòu)成電容電極以電學(xué)連接壓電諧振單元，并且第二電容器形成電極與接地電勢相連。
按照上述獨(dú)特的構(gòu)造，包含電容器的壓電諧振單元比較好的是三端子類型，其中一個(gè)端子與接地端相連。因此，提供的包含電容器的壓電諧振單元極大抑制了靜電電容的變化。
在本發(fā)明各種較佳實(shí)施例的包含電容器的壓電諧振單元中，介電基片可以放置在壓電諧振單元兩個(gè)主表面上，可靠地提供了振動(dòng)空間。
上述獨(dú)特的構(gòu)造使得交疊型包含電容器的壓電諧振單元能夠?qū)㈧o電電容的變化減少到最小。
而且，上述包含電容器的壓電諧振單元可以進(jìn)一步包括類似蓋子的外罩部件，其中介電基片大于電基片壓電諧振單元，并且類似蓋子的外罩部件固定在介電基片上從而包含壓電諧振單元。
上述布局提供了蓋子型包含電容器的壓電諧振單元，它使靜電電容的變化最小。
此外，上述包含電容器的壓電諧振單元可以進(jìn)一步包含大于介電基片和壓電諧振單元的外罩基片和限定壓電諧振單元和介電基片的類似蓋子的外罩部件，其中壓電諧振單元與介電基片交疊的結(jié)構(gòu)固定在外罩基片上，并且類似蓋子的外罩部件粘合在外罩基片上。
上述構(gòu)造還可以提供包含電容器的壓電諧振單元，消除并使靜電電容的變化最小，并具有穩(wěn)定出色的性能。在這種情況下，包含電容器的壓電諧振單元包含了包括外罩基片和類似蓋子的外罩部件的封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)的壓電諧振單元和介電基片限定的電容。
而且在上述包含電容器的壓電諧振單元中，可以使第一和第二電容器形成電極相隔預(yù)設(shè)間隔G相對放置在介電基片的外表面上。
在這種情況下，由于電容器形成電極比較好的是只形成于介電基片外表面之上，所以很容易形成電容器形成電極。
而且在上述包含電容器的壓電諧振單元中，第一和第二電容器形成電極中的至少一個(gè)可以位于介電基片內(nèi)中等高度以限定內(nèi)部電極。
在這種情況下，通過控制內(nèi)部電極所在的位置，可以提供各種內(nèi)置電容器，并且實(shí)現(xiàn)了具有高度防潮特性的包含電容器的壓電諧振單元。
而且，在上述包含電容器的壓電諧振單元內(nèi)，可以在交疊在壓電諧振單元上的介電基片表面上放置第一和第二電容器形成電極中的至少一個(gè)。
在這種情況下，由于電容器形成電極可以只形成于介電基片的外表面上，所以可以很容易形成電容器形成電極。


圖1A和1B分別是按照本發(fā)明第一較佳實(shí)施例的包含電容器的壓電諧振單元的垂直剖視圖和本發(fā)明第一較佳實(shí)施例重要部分的局部放大剖面圖；圖2為按照本發(fā)明第一較佳實(shí)施例的包含電容器的壓電諧振單元外觀的透視圖；圖3為第一較佳實(shí)施例內(nèi)包含的介電基片和壓電諧振單元的分解視圖；圖4為第一較佳實(shí)施例內(nèi)包含的壓電諧振單元下表面上電極的底視圖；圖5A和5B為普通包含電容器的壓電諧振單元的局部剖視圖，每張圖示出了電容器形成電極位置改變時(shí)的電力線；圖6示出了本發(fā)明第一較佳實(shí)施例包含電容器的壓電諧振單元內(nèi)比率G’/G變化時(shí)靜電電容的變化；圖7A-7D為用來解釋第二電容器形成電極位于圖1所示包含電容器的壓電諧振單元內(nèi)不同位置時(shí)G與G’之間關(guān)系的局部剖面圖；圖8為按照本發(fā)明第一較佳實(shí)施例的包含電容器的壓電諧振單元改進(jìn)實(shí)例的剖面圖；圖9A-9E為示出了按照本發(fā)明第一較佳實(shí)施例的包含電容器的壓電諧振單元改進(jìn)實(shí)例的局部剖面圖；圖10A和10B分別是按照本發(fā)明第二較佳實(shí)施例的包含電容器的壓電諧振單元的分解透視圖和本發(fā)明第二較佳實(shí)施例外觀的透視圖；圖11為按照本發(fā)明第二較佳實(shí)施例的包含電容器的壓電諧振單元的垂直剖面圖；圖12A和12B分別是按照本發(fā)明第三較佳實(shí)施例的包含電容器的壓電諧振單元的分解透視圖和本發(fā)明第三較佳實(shí)施例外觀的透視圖；圖13為包含在本發(fā)明第三較佳實(shí)施例內(nèi)的介電基片的垂直剖面圖；圖14為圖12所示本發(fā)明第三實(shí)施例的包含電容器的壓電諧振單元內(nèi)電容器形成電極與振動(dòng)空間之間關(guān)系的局部剖面圖；
圖15為圖13所示介電基片改進(jìn)實(shí)例的垂直剖面圖；圖16A和16B分別是按照本發(fā)明第四較佳實(shí)施例的包含電容器的壓電諧振單元的分解透視圖和本發(fā)明第四較佳實(shí)施例外觀的透視圖；圖17為圖16A和16B所示包含電容器的壓電諧振單元的垂直剖面圖；圖18A和18B分別是按照本發(fā)明第五較佳實(shí)施例的包含電容器的壓電諧振單元的分解透視圖和本發(fā)明第五較佳實(shí)施例外觀的透視圖；圖19為圖18A和18B所示包含電容器的壓電諧振單元的垂直剖面圖；圖20為按照本發(fā)明第五較佳實(shí)施例的包含電容器的壓電諧振單元內(nèi)比率G/G’與靜電電容之間關(guān)系的曲線圖；圖21為按照本發(fā)明第五較佳實(shí)施例的包含電容器的壓電諧振單元內(nèi)比率G/G’與ε2/ε1之間關(guān)系的曲線圖；圖22A-22C為按照本發(fā)明第五較佳實(shí)施例的包含電容器的壓電諧振單元改進(jìn)實(shí)例的局部剖面圖；圖23為在按照本發(fā)明第五較佳實(shí)施例的包含電容器的正電諧振單元中形成如圖22A所示電容器形成電極時(shí)比率G/G’與靜電電容之間關(guān)系的曲線圖；圖24為在按照本發(fā)明第五較佳實(shí)施例中形成如圖22B所示電容器形成電極時(shí)比率G/G’與靜電電容之間關(guān)系的曲線圖；圖25為在按照本發(fā)明第五較佳實(shí)施例中形成如圖22C所示電容器形成電極時(shí)比率G/G’與靜電電容之間關(guān)系的曲線圖；圖26為按照本發(fā)明第五較佳實(shí)施例的包含電容器的壓電諧振單元改進(jìn)實(shí)例的分解示意圖；圖27為圖26所示包含電容器的壓電諧振單元內(nèi)重要部分的局部剖面圖；圖28為按照本發(fā)明第五較佳實(shí)施例的包含電容器的壓電諧振單元另一改進(jìn)實(shí)例的分解示意圖；圖29為圖28所示包含電容器的壓電諧振單元內(nèi)重要部分的局部剖面圖；圖30為按照本發(fā)明另一較佳實(shí)施例的包含電容器的壓電諧振單元改進(jìn)實(shí)例的分解示意圖；圖31為按照本發(fā)明另一較佳實(shí)施例的包含電容器的壓電諧振單元的另一改進(jìn)實(shí)例的分解示意圖；圖32為普通包含電容器的壓電諧振單元的剖面圖；以及圖33為另一普通的包含電容器的壓電諧振單元的剖面圖。
具體實(shí)施例方式
以下借助附圖描述本發(fā)明的較佳實(shí)施例。
圖1A是按照本發(fā)明第一較佳實(shí)施例的包含電容器的壓電諧振單元1的剖視圖，而圖1B為本發(fā)明第一較佳實(shí)施例重要部分的放大剖面圖。圖2為包含電容器的壓電諧振單元1外觀的透視圖。
在片型包含電容器的壓電諧振單元1內(nèi)，介電基片3和4分別放置在板狀壓電諧振單元2的上下表面。
如圖3和4所示，壓電諧振單元2比較好的是包含基本為矩形的壓電板2a和諧振電極2b和2c。諧振電極2b和2c置成使得互相交疊，壓電板2a位于其間。諧振電極2b和2c互相交疊的部分限定了能量捕獲型振動(dòng)部分。
壓電板2a由合適的壓電材料構(gòu)成，例如諸如鈦酸鉛鋯基陶瓷之類的壓電陶瓷和諸如石英之類的壓電單晶材料。在第一實(shí)施例中，比較好的是采用壓電陶瓷構(gòu)成諧振板2a。壓電陶瓷沿厚度方向極化，從而構(gòu)成以厚度垂直振動(dòng)模式振動(dòng)的能量捕獲型壓電諧振單元2。
介電基片3和4的每一個(gè)比較好的是在內(nèi)表面具有凹面部分。凹面部分單獨(dú)限定空間5和6，使得諧振單元振動(dòng)部分的振動(dòng)自由而不受阻礙。介電基片3和4利用絕緣粘合劑(未畫出)固定在壓電諧振單元2上。介電基片3和4由例如氧化鋁介電陶瓷構(gòu)成。在這種情況下，比較好的是采用相對介電常數(shù)高的鈦酸鋇陶瓷或鈦酸鍶陶瓷在下述電容器形成電極之間獲得大的靜電電容。
如上所述，介電基片3和4分別放置在壓電諧振單元2的上下表面。但是按照本發(fā)明的較佳實(shí)施例，介電基片可以只形成于壓電諧振單元一個(gè)主表面上。
如圖1A所示，在包含電容器的壓電諧振單元1內(nèi)，在包括介電基片3和4的層狀體外表面上提供第一電容器形成電極7和第二電容器形成電極8。如圖2所示，在層狀體的端部，第一電容器形成電極7排列為覆蓋上表面部分、一對側(cè)面部分和下表面部分。在縱向?qū)訝铙w的中心附近，第二電容器形成電極8排列為圍繞上表面部分、一對側(cè)面部分和下表面部分。而且第二電容構(gòu)成電極8排列為經(jīng)介電基片3與振動(dòng)空間5交疊。如圖1B所示，第一和第二電容構(gòu)成電極7和8經(jīng)間隔G相對。
按照本發(fā)明第一實(shí)施例的包含電容器的壓電諧振單元1具有如下特性。在這種結(jié)構(gòu)中，G’代表振動(dòng)空間5的端部5a與第二電容器形成電極8的端部8a之間沿第一電容器形成電極7與第二電容器形成電極8相對的方向的距離。在這種情況下，G’與G之間關(guān)系用下列表達(dá)式表示G’/G≥1和G’/G≤-0.4。端部5a與端部8a限定為在端部5a為上述相對方向上振動(dòng)空間5其中一個(gè)端部時(shí)，第二電容器形成電極8的端部8a(位于端部5a一側(cè))限定了上述距離G’。
因此在包含電容器的壓電諧振單元1中，由于G’/G比率落在上述所需范圍內(nèi)，所以形成于第一電容器形成電極7與第二電容器形成電極8之間的電容器的靜電電容的變化最小減少至±1％以下?？紤]上述較佳實(shí)施例，以下借助圖5A、5B、6和7A-7D作詳細(xì)描述。
圖5A和5B為用來解釋靜電電容如何隨第二電容器形成電極208的位置變化而變化的局部剖面圖。
如圖5A和5B所示，在第一電容器形成電極207和第二電容器形成電極208放置在介電基片203的外表面上時(shí)，其間的電勢差導(dǎo)致電力線如實(shí)線A所示分布。這表明電力線受下振動(dòng)空間205的影響。這表明根據(jù)位于下振動(dòng)空間205之上的第二電容器形成電極208與下振動(dòng)空間205之間沿第一電容器形成電極207和第二電容器形成電極208相對的方向的位置變化，獲得的靜電電容發(fā)生了變化。
發(fā)明人發(fā)現(xiàn)基于上述原因，普通包含電容器的壓電諧振單元201和211(相關(guān)技術(shù)中描述)中的靜電電容是變化的。這激發(fā)了發(fā)明人研究本發(fā)明的各種較佳實(shí)施例。
按照上述發(fā)現(xiàn)，對于圖1所示包含電容器的壓電諧振單元1，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)可以控制比率G’/G以將靜電電容的變化減小到最低程度。圖6示出了結(jié)果。
在圖6中，水平軸表示G’/G比率，而垂直軸表示第一電容器形成電極7和第二電容器形成電極8之間的靜電電容(相對值)。在曲線圖中，對于G’/G＝1的情況，假定靜電電容為1.00，并且標(biāo)出了相對G’/G＝1時(shí)靜電電容的比值，即在G’/G比率不為1時(shí)，標(biāo)為靜電電容(相對值)。
對于壓電諧振單元2的測量，采用尺寸大約為2.5mm×2.0mm×0.25mm(厚度)的等價(jià)壓電諧振單元。對于每個(gè)基本為圓形的諧振電極2b和2c，采用直徑大約為0.7mm的等價(jià)諧振電極。對于介電基片3和4，采用由鈦酸鋇基陶瓷構(gòu)成的等價(jià)介電基片，其尺寸大約為2.5mm×2.0mm×0.40mm。
圖1B和7A-7D示出了各種G’/G比率下電容器形成電極與振動(dòng)空間之間的位置關(guān)系。圖1B示出了G’G＞1時(shí)的關(guān)系。圖7A示出了G’/G＝1時(shí)的關(guān)系。圖7B示出了G’/G＞0并且G’G＜1時(shí)的關(guān)系。圖7C示出了G’/G＝0時(shí)的關(guān)系。圖7D示出了G’/G＜0(負(fù)數(shù))時(shí)的關(guān)系。
如圖6所示，當(dāng)G’/G≥1并且G’/G＜-0.4時(shí)，獲得的靜電電容非常穩(wěn)定。因此布局具有上述關(guān)系G’/G≥1和G’/G≤-0.4的結(jié)構(gòu)，可以提供消除和使靜電電容變化最小的包含電容器的壓電諧振單元1。
在上述情況下，由于下述原因，靜電電容的變化最小。在G’/G≥1的情況下，如圖1B所示，振動(dòng)空間被排列為沿相對于第一和第二電容器形成電極7和8互相面對的區(qū)域兩側(cè)的上述相對方向延伸。在這種情況下，第一和第二電容器形成電極7和8之間獲得的靜電電容非常穩(wěn)定，即靜電電容的變化最小。另一方面，在G’/G≤-0.4的情況下，如圖7D所示，由于振動(dòng)空間5僅僅位于第二電容器形成電極8之下，所以第一和第二電容器形成電極7和8之間獲得的靜電電容的變化最小。
在本發(fā)明第一較佳實(shí)施例的包含電容器的壓電諧振單元1中，上述比率G’/G落在上述規(guī)定范圍內(nèi)。因此，很容易提供消除和使靜電電容變化最小的包含負(fù)載電容器的壓電諧振器。例如，將包含電容器的壓電諧振單元1用作壓電振動(dòng)體，大大減小了振蕩頻率的變化。
圖8為按照本發(fā)明第一較佳實(shí)施例的包含電容器的壓電諧振單元1的改進(jìn)實(shí)例的剖面圖。
在改進(jìn)的片式包含電容器的壓電諧振單元11中，第一電容器形成電極17a和17b以及第二電容器形成電極18排列為限定內(nèi)部電極。外部電極12、13和14與第一電容器形成電極17a、第二電容器形成電極18和第一電容器形成電極17b分別電學(xué)相連。第二電容器形成電極18導(dǎo)向介電基片3的至少一側(cè)表面部分并且與外部電極13相連。
外部電極12和14的每一個(gè)排列為不僅延伸至包含負(fù)載電容器的壓電諧振單元11的端面部分，而且延伸至上表面、一對側(cè)面部分和下表面部分。在這種改進(jìn)實(shí)例中，第一電容器形成電極17a和17b和第二電容構(gòu)成電極18可以排列為限定內(nèi)部電極。而且在這種情況下，通過確保G’/G比率落在本發(fā)明第一較佳實(shí)施例所述具體范圍內(nèi)使靜電電容的變化最小。
另外，如圖9A-9E所示，第一和第二電容器形成電極7和8可以位于介電基片3的各種高度上。在圖9A所示的實(shí)例中，第一電容器形成電極7c排列為限定介電基片3內(nèi)中等高度上的內(nèi)部電極，并且第一電容器形成電極7c的端部暴露在振動(dòng)空間5內(nèi)。第二電容器形成電極8b位于介電基片3凹面部分的內(nèi)表面從而限定振動(dòng)空間5的表面。
在圖9B所示的實(shí)例中，除了第二電容器形成電極8c設(shè)置于介電基片3上表面部分以外與圖9A的相同。如圖9C所示，第一電容器形成電極7d或第二電容器形成電極8d可以是位于介電基片3不同高度上的內(nèi)部電極。而且如圖9D所示，第一電容器形成電極7可以位于介電基片3的上表面，并且第二電容器形成電極8b可以位于介電基片3的凹面部分內(nèi)從而暴露在振動(dòng)空間5內(nèi)。而且如圖9E所示，第一電容器形成電極7e和7f可以經(jīng)介電基片層交疊，同樣，第二電容器形成電極8e和8f可以經(jīng)介電基片層交疊。
參見圖10A、10B和11，描述了按照本發(fā)明第二較佳實(shí)施例的包含電容器的壓電諧振單元21。
第二較佳實(shí)施例的包含電容器的壓電諧振單元21具有的封裝包括比較好的由介電材料制成的基本為矩形的外罩基片23和比較好的是由介電材料制成并且具有向下開口的蓋子24。封裝存儲(chǔ)壓電諧振單元22。
壓電諧振單元22構(gòu)造為諧振電極22b位于基本為矩形的壓電板22a的上表面，并且諧振電極位于下表面上從而經(jīng)縱向中心附近的壓電板22a與諧振電極22b相對。由于壓電板22a沿縱向極化，所以壓電諧振單元22是能量捕獲型諧振器，以厚度延伸滑移模式振動(dòng)。
作為外罩基片23和蓋子24的材料，可以選擇采用合適的介電材料，例如氧化鋁介電陶瓷和樹脂。在外罩基片23上，端電極23a-23c的每一個(gè)排列為圍繞上表面部分、一對側(cè)面部分和下表面部分。壓電諧振單元22的諧振電極22b經(jīng)導(dǎo)電粘合劑25a與端電極23a電學(xué)相連。壓電諧振單元2的其他諧振電極經(jīng)導(dǎo)電粘合劑25b與端電極23c電學(xué)相連。雖然圖10不是很清楚，但是如圖11所示，諧振電極22b排列為從壓電板22a的上表面經(jīng)側(cè)面部分延伸至下表面部分。因此諧振電極22b的下部與導(dǎo)電粘合劑25a電學(xué)相連。
蓋子24具有排列為在上表面部分延伸至一對側(cè)面部分的外部電極26-28。利用絕緣粘合劑(未畫出)將蓋子24粘附在外罩基片23上。
在第二較佳實(shí)施例中，第一電容器形成電極29a和29b以及第二電容器形成電極29c由外部電極26-28和端電極23a-23c限定。具體而言，如圖10B所示，第一電容器形成電極29a通過將外部電極26與端電極23a互相電學(xué)連接起來限定。其他第一電容器形成電極29b通過將外部電極28與端電極23c互相電學(xué)連接起來限定。第二電容器形成電極29c通過將外部電極27與端電極23b互相連接起來限定。
如圖11所示，在第二較佳實(shí)施例中，外罩基片23和蓋子24排列為限定振動(dòng)空間30，使得壓電諧振單元22能夠自由和不受阻礙地振動(dòng)。因此與第一較佳實(shí)施例類似，在第一電容器形成電極29a和29b其中一個(gè)與第二電容器形成電極29c之間的相對距離用G表示，并且沿上述第二電容器形成電極29c的端部與振動(dòng)空間30的端部30a之間的相對方向的尺寸(距離)用G’表示時(shí)，滿足下列表達(dá)式G’/G≥1。因此靜電電容的變化最小。
以下描述本發(fā)明的第三較佳實(shí)施例。
圖12A和12B分別是按照本發(fā)明第三較佳實(shí)施例的包含電容器的壓電諧振單元31的分解透視圖和外觀透視圖。
在包含電容器的壓電諧振單元31中，壓電諧振單元22經(jīng)導(dǎo)電粘合劑33a和33b位于基本為矩形的介電基片32上。介電基片32在上表面中心附近具有凹面部分32a并且用來形成電容器。
如圖13的剖面圖所示，在介電基片32的相對端部內(nèi)提供了第一電容器形成電極34和35。第一電容器形成電極34和35中的一個(gè)位于介電基片32的一個(gè)端部，從而從上表面部分經(jīng)側(cè)面部分延伸至下表面部分。同樣，在其他側(cè)面部分提供其他第一電容器形成電極35。第二電容器形成電極36位于介電基片32下表面的中間。因此在第三實(shí)施例中，電容被單獨(dú)形成于第一與第二電容器形成電極34與36之間和第一與第二電容器形成電極35與36之間。
在壓電諧振單元22被交疊的情況下，介電基片32的凹面部分32a限定了振動(dòng)空間，從而使壓電諧振單元22可以自由和不受阻礙地振動(dòng)。
第三較佳實(shí)施例具有大于壓電諧振單元22的外罩基片37。通過交疊介電基片32與壓電諧振單元22形成的層狀體經(jīng)導(dǎo)電粘合劑38a-38c粘合到外罩基片37上。而且在外罩基片37上提供了端電極39a-39c。端電極39a、39b和39c分別經(jīng)導(dǎo)電粘合劑38a、38b和38c電學(xué)連接到電容器形成電極34、36和35上。絕緣蓋子40經(jīng)絕緣粘合劑(未畫出)固定在外罩基片37上，從而限定壓電諧振單元22和介電基片32。
而且在上述第三較佳實(shí)施例中，如圖14的局部剖面圖所示，當(dāng)振動(dòng)空間41的端部41a與第二電容器形成電極36的端部36a之間的尺寸用G’表示，并且第一電容器形成電極34的端部與第二電容器形成電極36之間間隔用G表示時(shí)，比率G’/G具有與第一較佳實(shí)施例相同的數(shù)值。因此靜電電容的變化最小。
對于介電基片32，在下表面上比較好地提供了第一和第二電容器形成電極34-36。但是構(gòu)造可以如圖15所示。在圖15中，第一和第二電容器形成電極34a和35a以及第二電容器形成電極36a單獨(dú)位于介電基片32的中間高度上以限定內(nèi)部電極。在該實(shí)例中，第二電容器形成電極36a經(jīng)通孔電極41與位于介電基片32的下表面部分的連接電極42電學(xué)相連。
而且在該實(shí)例中，第一電容器形成電極34a和35a導(dǎo)向介電基片32的每個(gè)端部。因此第一電容器形成電極34a和35a與各個(gè)外部電極43和44電學(xué)連接，外部電極覆蓋介電基片32的端面部分并延伸至下表面部分。
以下描述本發(fā)明的第四較佳實(shí)施例。
圖16A和16B分別是按照本發(fā)明第四較佳實(shí)施例的包含電容器的壓電諧振單元51的分解透視圖和外觀透視圖。
在包含電容器的壓電諧振單元51中，介電基片53和54分別經(jīng)絕緣粘合劑(未畫出)交疊在壓電諧振單元52的上表面和下表面。壓電諧振單元52是以厚度垂直振動(dòng)模式振動(dòng)的能量捕獲型。
如圖16B所示，在包含電容器的壓電諧振單元51中，第一和第二電容器形成電極55和56位于層狀體的兩個(gè)端部。第一和第二電容器形成電極55和56排列為圍繞層狀體的上表面部分、一對側(cè)面部分和下表面部分。如圖16A所示，第二電容器形成電極56與諧振電極52a電學(xué)相連。放置在壓電諧振單元52下表面部分的諧振電極(未畫出)與第一電容器形成電極55電學(xué)相連。
因此，壓電諧振器和電容器并聯(lián)在第一和第二電容器形成電極55和56之間。此外，第一和第二電容器形成電極55和56還相當(dāng)于與外部單元電學(xué)連接的端電極。
在第四較佳實(shí)施例中，如圖17所示，第一和第二電容器形成電極55和56相隔間隔G。因此在G’代表沿第二電容器形成電極56的端部和振動(dòng)空間57的端部57a的方向上的尺寸時(shí)，結(jié)構(gòu)使得G’/G比率落在上述具體范圍內(nèi)。因此，靜電電容的變化最小。
以下描述本發(fā)明的第五較佳實(shí)施例。
圖18A和18B分別是按照本發(fā)明第五較佳實(shí)施例的包含電容器的壓電諧振單元61的分解透視圖和外觀透視圖。
在包含電容器的壓電諧振單元61中，介電基片65和66分別經(jīng)介電層63和64疊蓋在壓電諧振單元62的上表面和下表面。介電層63具有開口63a而介電層64具有開口64a。介電層63和64排列為限定振動(dòng)空間，從而使得能量捕獲振動(dòng)部分自由和不受阻礙地振動(dòng)。
壓電諧振單元62的結(jié)構(gòu)與按照第一較佳實(shí)施例的包含電容器的壓電諧振單元1的壓電諧振單元2類似。介電層63和64比較好的是由合適的介電材料制成，例如樹脂或絕緣陶瓷。
壓電諧振單元62、介電層63、介電層64、介電基片65和介電基片66利用粘合劑(未畫出)互相粘合并且交疊。而且第一電容器的電極67和68以及第二電容器的電極69設(shè)置在包含電容器的壓電諧振單元61的外表面。電容器的電極67-69的每一個(gè)排列為圍繞上表面部分、一對側(cè)面部分和下表面部分。
如圖19所示，介電層63的開口63a限定了振動(dòng)空間70而開口64a限定了振動(dòng)空間71。而且在較佳實(shí)施例中，如圖19所示，第一電容器形成電極67和第二電容器形成電極69互相面對的距離用G表示，而沿著振動(dòng)空間70端部與第二電容器形成電極69端部相互面對方向的距離用G’表示。
在第五較佳實(shí)施例中，構(gòu)成外罩基片65和66(介電基片)的介電材料的相對介電常數(shù)用ε1表示，而構(gòu)成介電層63和64的介電材料的相對介電常數(shù)用ε2表示。當(dāng)結(jié)構(gòu)滿足ε2/ε1≤0.063時(shí)，不管比率G’/G如何，可以減少靜電電容的變化。
以下借助圖20、21、22A-22C、23和24作詳細(xì)描述。
發(fā)明人改變了包含電容器的壓電諧振單元61內(nèi)的比率ε2/ε1和比率G’/G并且評(píng)估了獲得的靜電電容。結(jié)果示于圖20中。在圖20中，水平軸代表G’/G比率，而垂直軸代表靜電電容(相對值)。靜電電容(相對值)表示相對1.00的靜電電容值的比率(假定G’/G＝1.00，而ε2/ε1＝1.00)。對于壓電諧振單元62，采用產(chǎn)生圖6所示結(jié)果的同一壓電諧振單元。對于介電基片65和66，采用尺寸大約為2.5mm×2.0mm×0.30mm(厚度)的基本為矩形并且由鈦酸鍶基陶瓷構(gòu)成的基片部件。每個(gè)介電層63和64具有近似的尺寸2.5mm×2.0mm×0.05mm，并且采用環(huán)氧樹脂作為材料。
如圖20所示，靜電電容在ε2/ε1＝1.0以外的區(qū)域也是穩(wěn)定的。由此，對于各種ε2/ε1比率，選擇在靜電電容穩(wěn)定的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生極限值的比率G’/G并且檢驗(yàn)相對ε2/ε1比率的關(guān)系。圖21示出了結(jié)果。
在圖21中，對角陰影線區(qū)域表示靜電電容穩(wěn)定區(qū)域。這表明作為對數(shù)函數(shù)，ε2/ε1比率(＝Y(jié))和G’/G比率可以互相靠近。而且在ε2/ε1＝0.063時(shí)，逼近曲線C和D相互交疊。這表明在ε2/ε1≤0.063時(shí)，G’/G比率的變化對靜電電容幾乎沒有影響。
因此在結(jié)構(gòu)為介電層63和64分別交疊在介電基片65和66的包含電容器的壓電諧振單元61內(nèi)，無論G’/G比率變化如何，滿足ε2/ε1≤0.063的結(jié)構(gòu)可以在每個(gè)第一電容器形成電極67和68與第二電容器形成電極69之間形成高精度靜電電容器。
在這種結(jié)構(gòu)中，對于介電層63和64，可以通過集成烘干處理制備集成單元。另外，介電層63和64的分離部件可以分別粘合至介電基片65和66。
在圖18所示的第五較佳實(shí)施例中，電容器形成電極67、68和69設(shè)置在包含電容器的壓電諧振單元61的外表面上。但是如圖22A-22C所示，它們的形成方式不同。例如第一電容器形成電極67和68可以位于外罩基片65(介電基片)的下表面部分。另外，第一電容器形成電極67和68中至少一個(gè)可以位于外罩基片65的上表面部分或下表面部分。另外，電容器形成電極67、68和69中的至少一個(gè)可以是在介電層63和/或介電層64內(nèi)形成的內(nèi)部電極。另外，電容器形成電極67、68和69中的至少一個(gè)可以是位于介電基片65和/或介電基片66內(nèi)中間高度的內(nèi)部電極。
圖23-25示出了在電容器形成電極如圖22A-22C所示排列在包含電容器的壓電諧振單元61內(nèi)時(shí)G’/G比率與獲得的靜電電容的關(guān)系。例如，圖23示出了電容器形成電極如圖22A所示排列時(shí)G’/G比率與靜電電容的關(guān)系。在圖中，實(shí)線E表示ε2/ε1＝1.00時(shí)的關(guān)系，而實(shí)線F表示ε2/ε1＝0.025時(shí)的關(guān)系。同樣，在圖24和25中，實(shí)線G和I以及實(shí)線H和J分別表示ε2/ε1＝1.00和ε2/ε1＝0.025時(shí)的關(guān)系。
由圖23-25可見，根據(jù)電容器形成電極67-69的布局類型，靜電電容變化區(qū)域的變化程度發(fā)生一定的變化。但是，代表靜電電容穩(wěn)定區(qū)域與靜電電容變化區(qū)域之間閾值的G’/G比率幾乎不變化。
圖21示出了1≤ε2/ε1≤0.063的情況，比較好的是使得結(jié)構(gòu)滿足其中一個(gè)表達(dá)式G’/G＞0.2183log(ε2/ε1)+1.0682或G’/G≤-0.3756log(ε2/ε1)-0.5734。比較好的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生具有較高精度的靜電電容。
如上所述，第五較佳實(shí)施例的包含電容器的壓電諧振單元61具有交疊結(jié)構(gòu)，其中介電基片65和66經(jīng)介電層63和64交疊在板狀壓電諧振單元62上。但是按照本發(fā)明各種較佳實(shí)施例的包含電容器的壓電諧振單元并不局限于交疊型。
圖26-31示出了按照本發(fā)明第五較佳實(shí)施例的壓電諧振單元的改進(jìn)實(shí)例。
在圖26所示的片型壓電諧振單元81中，利用厚度延伸滑移模式的能量捕獲壓電諧振單元82存儲(chǔ)在封裝內(nèi)。封裝比較好的是包括開口83a向上的外罩部件83、具有開口84a的框架狀介電層84和介電基片85。壓電諧振單元82經(jīng)導(dǎo)電粘合劑86和87粘附在外罩部件83上，并且還與端電極電學(xué)連接。在封裝的組裝狀態(tài)下，第一電容器形成電極88和90以及第二電容器形成電極89設(shè)置在壓電諧振單元81的外表面。
而且在改進(jìn)的結(jié)構(gòu)中，與第五較佳實(shí)施例類似，ε2/ε1比率的控制使得可以在第一和第二電容器形成電極88和89之間以及第二與第一電容器形成電極89與90之間形成高精度電容。如圖27所示，振動(dòng)空間由介電層84的開口84a形成。在這種結(jié)構(gòu)中，當(dāng)ε1表示限定介電層84的介電材料的相對介電常數(shù)而ε2表示限定介電基片85的介電材料的相對介電常數(shù)時(shí)，與第五較佳實(shí)施例中一樣控制ε2/ε1比率。因此靜電電容的變化最小。
同樣，在圖28所示的片型壓電諧振單元91中，提供了利用厚度延伸滑移模式的能量捕獲壓電諧振單元92，并且具有介電基片94的電容單元95經(jīng)導(dǎo)電粘合劑93a和93b疊蓋在諧振電極92上。在圖中，100表示外罩基片，101表示蓋子。
使得壓電諧振單元92可以自由和不受阻礙地振動(dòng)的空間由導(dǎo)電粘合劑93a與93b之間的空間限定。因此，通過使結(jié)構(gòu)具有圖29所示使G’/G比率落在與第一較佳實(shí)施例同一范圍內(nèi)的尺寸G和G’，靜電電容的變化最小。電容器形成電極97-99比較好的是設(shè)置在介電基片94的下表面部分。
在上述第一-第五較佳實(shí)施例中，以三端型包含電容器的壓電諧振單元為例作了描述。但是本發(fā)明還可以應(yīng)用于兩端型包含電容器的壓電諧振單元。圖30為兩端包含電容器的壓電諧振單元實(shí)例的分解透視圖。兩端型包含電容器的壓電諧振單元具有板狀能量捕獲壓電諧振單元102。在壓電諧振單元102的上表面部分下表面部分，介電基片105和106經(jīng)框狀介電基片103和104疊加。介電層103和104具有開口103a和104a。電容器限定在電容器形成電極107和108之間。至少滿足按照第一較佳實(shí)施例的G’/G比率或者按照第五實(shí)施例的ε2/ε1比率。因此，上述靜電電容具有極高的精度。
如圖31所示，可以采用基本為矩形的開口103a和104a的介電層。另外，在圖30和31所示包含電容器的壓電諧振單元中，可以在外罩基片105和106的內(nèi)表面上形成凹面部分代之以具有開口的介電層103和104。
雖然本發(fā)明借助較佳實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是本發(fā)明的精神和范圍由所附權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種包含電容器的壓電諧振單元，其特征在于包含能量捕獲型壓電諧振單元，它具有壓電板和設(shè)置在壓電板兩個(gè)主表面部分上從而使得上下表面經(jīng)壓電板相對的第一和第二振動(dòng)電極；設(shè)置在至少一個(gè)壓電諧振單元表面上的介電基片，振動(dòng)空間被限定在其中，使得諧振單元的振動(dòng)部分可以自由和不受阻礙地振動(dòng)；設(shè)置在壓電諧振單元與介電基片之間并且包括形成至少一部分振動(dòng)空間的開孔的介電層；及第一和第二電容器形成電極放置在介電基片上，從而沿基本平行于介電基片主表面的方向相距間隔G；其中當(dāng)G’表示第二電容器形成電極的端部與振動(dòng)空間的端之間沿第一和第二電容器形成電極相對方向的距離，ε1表示介電基片的相對介電常數(shù)而ε2表示介電層的相對介電常數(shù)時(shí)，至少滿足下列一個(gè)表達(dá)式ε2/ε1＞0.063和G’/G＞0.2183log(ε2/ε1)+1.0682或者ε2/ε1＞0.063和G’/G≤-0.3756log(ε2/ε1)-0.5734。
2.如權(quán)利要求1所述的包含電容器的壓電諧振單元，其特征在于放置一對第一電容器形成電極，從而沿一對第一電容器形成電極和第二電容器形成電極相對的方向夾住第二電容器形成電極而以電學(xué)連接壓電諧振單元，并且第二電容器形成電極與接地電勢相連。
3.如權(quán)利要求1所述的包含電容器的壓電諧振單元，其特征在于介電基片放置在壓電諧振單元兩個(gè)主表面上而確保了振動(dòng)空間。
4.如權(quán)利要求1所述的包含電容器的壓電諧振單元，其特征在于進(jìn)一步包括外罩部件，其中介電基片大于壓電諧振單元，并且外罩部件固定在介電基片上，從而限定壓電諧振單元。
5.如權(quán)利要求1所述包含電容器的壓電諧振單元，其特征在于進(jìn)一步包含大于介電基片和壓電諧振單元的外罩基片和限定壓電諧振單元和介電基片的外罩部件，其中設(shè)置壓電諧振單元與介電基片的結(jié)構(gòu)固定在外罩基片上，并且外罩部件裝在外罩基片上。
6.如權(quán)利要求1所述的包含電容器的壓電諧振單元，其特征在于第一和第二電容器形成電極相隔預(yù)設(shè)間隔G相對放置在介電基片的外表面上。
7.如權(quán)利要求1所述的包含電容器的壓電諧振單元，其特征在于第一和第二電容器形成電極中的至少一個(gè)位于介電基片內(nèi)中等高度以限定內(nèi)部電極。
8.如權(quán)利要求1所述的包含電容器的壓電諧振單元，其特征在于在交疊在壓電諧振單元上設(shè)置介電基片一側(cè)的介電基片表面上放置第一和第二電容器形成電極中的至少一個(gè)。
全文摘要
一種包含電容器的壓電諧振單元，包含能量捕獲型壓電諧振單元，它具有壓電板和設(shè)置在壓電板兩個(gè)主表面部分上從而使得上下表面經(jīng)壓電板相對的第一和第二振動(dòng)電極；設(shè)置在至少一個(gè)壓電諧振單元表面上的介電基片，振動(dòng)空間被限定在其中，使得諧振單元的振動(dòng)部分可以自由和不受阻礙地振動(dòng)；設(shè)置在壓電諧振單元與介電基片之間并且包括形成至少一部分振動(dòng)空間的開孔的介電層；及第一和第二電容器形成電極放置在介電基片上，從而沿基本平行于介電基片主表面的方向相距間隔G；其中當(dāng)G’表示第二電容器形成電極的端部與振動(dòng)空間的端之間沿第一和第二電容器形成電極相對方向的距離，ε
文檔編號(hào)H03H9/10GK1533032SQ20031012337
公開日2004年9月29日 申請日期2000年10月13日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月15日
發(fā)明者輪島正哉 申請人:株式會(huì)社村田制作所