一種利于微型化的石英諧振元件的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種利于微型化的石英諧振元件，包括基部和兩諧振梁，諧振梁的正面和背面中至少有一個(gè)面上設(shè)有凹槽，凹槽由兩側(cè)平行的深凹槽和位于兩個(gè)深凹槽之間且與兩個(gè)深凹槽連為一體的淺凹槽構(gòu)成。在凹槽的內(nèi)壁以及諧振梁的兩側(cè)壁上分別覆蓋有電極，兩根諧振梁通過(guò)與激勵(lì)電源不同極性的連接使之振動(dòng)方向相反。本石英諧振元件通過(guò)設(shè)置深凹槽，增加凹槽的側(cè)壁陡直度，激勵(lì)電極對(duì)之間的作用距離更短，諧振梁內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)增大，電極的激勵(lì)效率提高，適于諧振器微型化制作。此外，設(shè)置深凹槽后，單個(gè)諧振梁左右兩端的對(duì)稱性得到有效提升，左右兩個(gè)諧振梁為反向振動(dòng)，諧振元件諧振的穩(wěn)定性增強(qiáng)。
【專利說(shuō)明】—種利于微型化的石英諧振元件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及諧振器【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是一種應(yīng)用于微型諧振器上的石英諧振元件。
【背景技術(shù)】
[0002]微型諧振器作為一種輸出固定頻率的器件，在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。諧振元件是諧振器的核心元件，其尺寸大小及性能將直接決定諧振器的尺寸及性能。石英晶體品質(zhì)因數(shù)高、溫度穩(wěn)定性好、可采用微加工工藝加工，常作為高穩(wěn)定性諧振元件的基體材料。隨著石英諧振元件體積的不斷減小，其諧振時(shí)的動(dòng)態(tài)阻抗值也隨之增加，穩(wěn)定性下降，功耗增大。
[0003]為降低石英諧振元件的動(dòng)態(tài)阻抗值，提高諧振效率，美國(guó)專利《Resonatorelement and oscillator)) (US20100219898A1)公開(kāi)了一種 “H” 形截面諧振梁結(jié)構(gòu)的音叉式石英諧振元件，通過(guò)在諧振梁內(nèi)部設(shè)置凹槽，提高了諧振梁內(nèi)部的激勵(lì)電場(chǎng)強(qiáng)度和電極激勵(lì)效率，使得元件的尺寸得到了進(jìn)一步的縮小。但由于石英晶體存在各向異性，凹槽+X方向的側(cè)壁陡直性和單個(gè)諧振梁的左右兩端的對(duì)稱性較差，電場(chǎng)強(qiáng)度的提升幅度有限，諧振元件的諧振穩(wěn)定性不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本實(shí)用新型的目的是提供一種提高側(cè)壁陡直度和對(duì)稱性、激振效率高、諧振穩(wěn)定性好、更易于微型化的石英諧振元件。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下:
[0006]一種利于微型化的石英諧振元件，包括基部和具有相同結(jié)構(gòu)且工作于寬度彎曲諧振模態(tài)的兩平行的諧振梁，兩諧振梁的一端與基部連接。所述諧振梁的正面和背面中至少有一個(gè)面上設(shè)有沿長(zhǎng)度方向的凹槽，該凹槽的開(kāi)口方向與諧振梁的振動(dòng)方向垂直；所述凹槽由兩側(cè)平行的深凹槽和位于兩個(gè)深凹槽之間且與兩個(gè)深凹槽連為一體的淺凹槽構(gòu)成；在凹槽的內(nèi)壁以及諧振梁的兩側(cè)壁上分別覆蓋有用于連接激勵(lì)電源的電極，兩根諧振梁通過(guò)與激勵(lì)電源不同極性的連接使之振動(dòng)方向相反；其中深凹槽底面及兩側(cè)壁覆蓋電極，淺凹槽只在底面左右兩端覆蓋彼此斷開(kāi)的電極，深凹槽上的電極與淺凹槽底面對(duì)應(yīng)端上的電極連為一體。
[0007]所述諧振梁另一端在正面或背面某一面設(shè)置有用于頻率調(diào)節(jié)的金屬質(zhì)量塊，金屬質(zhì)量塊所在的諧振梁該面設(shè)置有所述凹槽。
[0008]所述諧振梁與基部連接的左右兩側(cè)根部設(shè)置有倒角以與基部平滑連接。
[0009]所述諧振梁正面和背面均設(shè)置有所述凹槽且正面和背面對(duì)稱設(shè)置。本實(shí)用新型諧振梁上的凹槽既可以正面和背面均設(shè)置，也可以單面設(shè)置，諧振梁較薄時(shí)單面設(shè)置即可，避免刻蝕穿透。
[0010]本實(shí)用新型在諧振梁的前后兩個(gè)面中至少一個(gè)面上制作凹槽，諧振梁的側(cè)壁和凹槽的內(nèi)壁分別覆蓋電極，在電極上施加電壓，使得兩根諧振梁內(nèi)部產(chǎn)生電場(chǎng)方向相反的激勵(lì)電場(chǎng)，由逆壓電效應(yīng)激勵(lì)兩根諧振梁產(chǎn)生反向彎曲振動(dòng)。
[0011]與現(xiàn)有“H”形截面的諧振梁結(jié)構(gòu)不同，本石英諧振元件的諧振梁表面制作的凹槽由一對(duì)深凹槽及與兩個(gè)與深凹槽連為一體的淺凹槽構(gòu)成，通過(guò)設(shè)置深凹槽，增加凹槽的側(cè)壁陡直度，激勵(lì)電極對(duì)之間的作用距離更短，諧振梁內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)增大，電極的激勵(lì)效率提高，即使減小元件的尺寸，諧振梁的激勵(lì)振幅下降也較小，更適于諧振器微型化制作。
[0012]此外，設(shè)置深凹槽后，單個(gè)諧振梁左右兩端的對(duì)稱性得到有效提升，左右兩個(gè)諧振梁為反向振動(dòng)，諧振元件諧振的穩(wěn)定性增強(qiáng)。
[0013]本元件可采用光刻和化學(xué)溶液腐蝕的制作方法在一塊基片上同時(shí)制作多個(gè)，各石英諧振元件一致性好，制作工藝簡(jiǎn)單，成本低，適于大批量生產(chǎn)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1a是本實(shí)用新型實(shí)施例1石英諧振元件的結(jié)構(gòu)示意圖，圖1b是其A-A理想剖視圖，圖1c是考慮晶體各向異性的A-A實(shí)際劑視圖；
[0015]圖2a是本實(shí)用新型實(shí)施例2石英諧振元件的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2b是其A-A理想剖視圖。
[0016]其中:1-石英諧振元件；2_基部；3_諧振梁；4a_深凹槽；4b_淺凹槽；5a_第一電極；5b_第二電極；6-倒角；7_質(zhì)量塊。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0018]實(shí)施例1:
[0019]如圖1a和圖1b所示，本實(shí)用新型的石英諧振元件I，包括用于安裝固定的基部2和兩根諧振梁3，兩根諧振梁3沿Y方向平行對(duì)稱設(shè)置且工作于寬度彎曲諧振模態(tài)。兩諧振梁3 —端與該基部2連接，所述諧振梁與基部連接的左右兩側(cè)根部設(shè)置有倒角6以與基部平滑連接，以提高石英諧振元件I的可靠性。所述諧振梁3的前后兩個(gè)面分別設(shè)置有對(duì)稱的凹槽，該凹槽的開(kāi)口方向與諧振梁的振動(dòng)方向垂直。所述凹槽由兩側(cè)平行的深凹槽4a和位于兩個(gè)深凹槽4a之間且與兩個(gè)深凹槽連為一體的淺凹槽4b構(gòu)成。在凹槽的內(nèi)壁以及諧振梁的兩側(cè)壁上分別覆蓋有用于連接激勵(lì)電源的電極，兩根諧振梁通過(guò)與激勵(lì)電源不同極性的連接使之振動(dòng)方向相反。電極具體設(shè)置如下:其中深凹槽底面及兩側(cè)壁覆蓋電極，淺凹槽只在底面左右兩端覆蓋彼此斷開(kāi)的電極，深凹槽上的電極與淺凹槽底面對(duì)應(yīng)端上的電極連為一體。
[0020]所述諧振梁3另一端在正面或背面某一面(即單面)設(shè)置有用于調(diào)節(jié)石英諧振元件I諧振頻率的金屬質(zhì)量塊7，金屬質(zhì)量塊7突出于諧振梁3表面，金屬質(zhì)量塊所在的諧振梁該面設(shè)置有所述凹槽且金屬質(zhì)量塊不能覆蓋凹槽。由于實(shí)施例1正面和背面均設(shè)置有凹槽，所以金屬質(zhì)量塊在其中一面設(shè)置即可。
[0021]從圖1b上的電場(chǎng)分布可以看出，諧振梁3設(shè)置的連接激勵(lì)電源的一對(duì)電極:第一電極5a和第二電極5b，該兩個(gè)電極之間施加一定的電壓并在諧振梁3內(nèi)部產(chǎn)生激勵(lì)電場(chǎng)，由逆壓電效應(yīng)激勵(lì)諧振梁3產(chǎn)生寬度彎曲振動(dòng)。如圖1b所示，左、右兩側(cè)的諧振梁3的第一電極5a和第二電極5b電動(dòng)勢(shì)相反，因此諧振梁內(nèi)電場(chǎng)方向相反，兩根諧振梁3振動(dòng)方向相反。諧振梁3通過(guò)設(shè)置凹槽使兩個(gè)電極之間的作用距離縮短，在一定電壓下，諧振梁內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度更大。
[0022]如圖1c所示，由于石英晶體各向異性的特點(diǎn)，經(jīng)刻蝕后的凹槽截面為非理想矩形，側(cè)壁為與Z方向呈一定夾角的多個(gè)晶面連接而成，這就導(dǎo)致諧振梁3左右兩端的電場(chǎng)強(qiáng)度變?nèi)?。深凹?a可通過(guò)刻蝕諧振梁3時(shí)進(jìn)行初步刻蝕，再通過(guò)刻蝕淺凹槽4b時(shí)刻蝕得到所需的刻蝕深度，深凹槽4a的刻蝕時(shí)間較長(zhǎng)，側(cè)壁陡直性更好。與現(xiàn)有的“H”形截面的諧振梁相比，本石英諧振元件的諧振梁3通過(guò)在兩端分別設(shè)置深凹槽4a，增加了其左右兩側(cè)壁的陡直度，電極的激勵(lì)效率更高，即使減小元件的尺寸，諧振梁的激勵(lì)振幅下降也較小，更適于傳感器的微型化制作。此外，設(shè)置深凹槽4a后，單個(gè)諧振梁3左右兩端的對(duì)稱性得到有效提升，石英諧振元件I的左右兩個(gè)諧振梁3為反向振動(dòng)，諧振元件諧振的穩(wěn)定性增強(qiáng)。
[0023]諧振梁3諧振過(guò)程中，處于壓縮狀態(tài)下的一端溫度升高，處于拉伸狀態(tài)下的一端溫度降低，左右兩端存在溫度差，溫度高的一端的熱量流向溫度低的一端，熱量的平衡流動(dòng)耗散部分振動(dòng)能量，導(dǎo)致諧振穩(wěn)定性下降。在圖1c中，在上述深凹槽內(nèi)填充有與淺凹槽底面左右兩端的電極一體連接的電極，電極未全部覆蓋淺凹槽底面，金屬電極的熱導(dǎo)率明顯高于石英晶體，淺凹槽上表面電極面積的減少降低了諧振梁諧振過(guò)程中熱量流動(dòng)速率，增加了諧振的穩(wěn)定性。
[0024]與“H”形截面的諧振梁相比，在同等激勵(lì)電壓條件下，制作有深凹槽結(jié)構(gòu)的諧振梁3的有效激勵(lì)電場(chǎng)強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，諧振梁3的振蕩強(qiáng)度增大，動(dòng)態(tài)阻抗值降低，有利于諧振元件結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步微型化。
[0025]實(shí)施例2:
[0026]如圖2a和圖2b所示,該實(shí)施例的石英諧振元件與實(shí)施例1的石英諧振元件結(jié)構(gòu)類似，不同的是諧振梁3只在前后面中一個(gè)面設(shè)置凹槽。為突出表面凹槽的形狀，圖2a并沒(méi)有示出電極。
[0027]對(duì)于厚度較薄的諧振梁，雙面同時(shí)制作凹槽時(shí)，深凹槽4a處易刻蝕穿，降低了諧振梁3的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度，同時(shí)諧振梁3諧振時(shí)的動(dòng)態(tài)阻抗會(huì)增大，降低石英諧振元件的穩(wěn)定性。本實(shí)施例中的單面制作凹槽的諧振梁3結(jié)構(gòu)，更適合于微型化且基于厚度較薄基片的石英諧振元件I的制作。由于凹槽單面設(shè)置，因此金屬質(zhì)量塊只能在該面設(shè)置。
[0028]本產(chǎn)品可以采用光刻和化學(xué)溶液腐蝕的方法在同一塊基片上同時(shí)制作多個(gè)石英諧振元件，制作工藝簡(jiǎn)單，成本低，各產(chǎn)品一致性好，適于大批量生產(chǎn)。
[0029]本實(shí)用新型的上述實(shí)施例僅僅是為說(shuō)明本實(shí)用新型所作的舉例，而并非是對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其他不同形式的變化和變動(dòng)。這里無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。凡是屬于本實(shí)用新型的技術(shù)方案所引申出的顯而易見(jiàn)的變化或變動(dòng)仍處于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之列。
【權(quán)利要求】
1.一種利于微型化的石英諧振元件，包括基部(2)和具有相同結(jié)構(gòu)且工作于寬度彎曲諧振模態(tài)的兩平行的諧振梁(3)，兩諧振梁(3)的一端與基部連接，其特征在于:所述諧振梁(3)的正面和背面中至少有一個(gè)面上設(shè)有沿長(zhǎng)度方向的凹槽，該凹槽的開(kāi)口方向與諧振梁(3)的振動(dòng)方向垂直；所述凹槽由兩側(cè)平行的深凹槽(4a)和位于兩個(gè)深凹槽(4a)之間且與兩個(gè)深凹槽連為一體的淺凹槽(4b)構(gòu)成；在凹槽的內(nèi)壁以及諧振梁(3)的兩側(cè)壁分別覆蓋有用于連接激勵(lì)電源的電極，兩根諧振梁(3)通過(guò)與激勵(lì)電源不同極性的連接使之振動(dòng)方向相反，其中深凹槽底面及兩側(cè)壁覆蓋電極，淺凹槽只在底面左右兩端覆蓋彼此斷開(kāi)的電極，深凹槽上的電極與淺凹槽底面對(duì)應(yīng)端上的電極連為一體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石英諧振元件，其特征在于:所述諧振梁(3)另一端在正面或背面某一面設(shè)置有用于頻率調(diào)節(jié)的金屬質(zhì)量塊(7)，金屬質(zhì)量塊所在的諧振梁該面設(shè)置有所述凹槽。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的石英諧振元件，其特征在于:所述諧振梁(3)與基部(2)連接的左右兩側(cè)根部設(shè)置有倒角(6)以與基部平滑連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的石英諧振元件，其特征在于:所述諧振梁(3)正面和背面均設(shè)置有所述凹槽且正面和背面對(duì)稱設(shè)置。
【文檔編號(hào)】H03H9/02GK203466786SQ201320635044
【公開(kāi)日】2014年3月5日 申請(qǐng)日期:2013年10月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月15日
【發(fā)明者】林丙濤, 林日樂(lè), 班亞娟, 趙建華 申請(qǐng)人:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所