專利名稱：壓電共振器以及使用它的電子元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓電共振器和使用它的電子元件，特別是涉及利用壓電部件機械共振的壓電共振器以及使用該壓電共振器的電子元件，例如振蕩器、鑒別器和濾波器。本發(fā)明還涉及壓電共振器的制造方法。
圖39是普通壓電共振器的透視圖。壓電共振器1包括例如從從頂部看呈矩形平板狀的壓電基片2。壓電基片2在厚度方向上被極化。在壓電基片2的兩個表面上形成有電極3。當信號在電極3之間輸入時，電場沿厚度方向施加在壓電基片2上并且壓電基片2沿縱向振動。在圖40中，示出了在從頂部看呈正方形的兩個表面上形成有電極3的壓電基片2的壓電共振器1。壓電共振器1的壓電基片沿厚度方向極化。當信號在壓電共振器1的電極3之間輸入時，電場沿厚度方向施加在壓電基片2上并且壓電基片2以正方形振動模式(沿平面方向)振動。
這些壓電共振器是非剛性的，其振動方向與極化方向和電場方向不一致。這種非剛性壓電共振器的機電學-械耦合系數(shù)小于振動方向、極化方向和電場施加方向一致的剛性壓電共振器。非剛性壓電共振器的共振頻率與反共振頻率之間的頻差ΔF較小。這帶來的缺點是當非剛性頻率共振器用作振蕩器或濾波器時使用的頻率帶寬較窄。因此這樣的壓電共振器和使用它的電子元件在性能設(shè)計上限制較多。
圖39所示的壓電共振器采用的是縱向模式中的第一階共振。由于其結(jié)構(gòu)上的特點，它在奇數(shù)階諧振模式(例如第三、第五階模式)和寬度模式中還產(chǎn)生較大的偽共振。為了抑制這些偽共振，可以考慮采取一些措施，例如拋光、增加質(zhì)量和改變電極的形狀。這些措施都提升了制造成本。
此外，由于從頂部看壓電基片呈矩形平板狀，所以受強度的限制基片無法減薄。因此電極之間的距離無法做小而端子之間的電容無法做大。這對于實現(xiàn)與外部電路的阻抗匹配來說是極其不方便的。為了能通過將大量壓電共振器交替串聯(lián)和并聯(lián)在一起而構(gòu)成梯狀濾波器，串聯(lián)共振器與并聯(lián)共振器的電容比需要做得較大以加大衰程度。但是由于壓電共振器受到如上所述形狀的限制，所以無法得到大的衰減。
在圖40所示壓電共振器中，產(chǎn)生了諸如在平面方向上厚度模式和三重波模式中出現(xiàn)的較大偽共振。由于與用于縱向振動的壓電共振器相比，為了獲得同樣的共振頻率，這樣的壓電共振器在尺寸上需要做得較大，所以它的尺寸難以減小。當利用多個壓電共振器構(gòu)成梯狀濾波器時，為了提高串聯(lián)共振器與并聯(lián)共振器的電容比，串聯(lián)的共振器要做得薄并且只在壓電基片的一部分區(qū)域形成電極以使電容也同樣地小。在這種情況下，由于只制備了電極的一部分，所以共振頻率與反共振頻率之間的頻差ΔF以及電容都有所減小。并聯(lián)共振器的ΔF同樣需要做得較小。這樣，壓電基片的壓電特性就不能充分利用，而濾波器的通過帶寬就無法增加。
因此，本發(fā)明的主要目標是提供一種壓電共振器，它具有較小的偽共振，共振頻率與反共振頻率之間的頻差ΔF較大，電容和ΔF可調(diào)節(jié)，并且在性能設(shè)計上受到的限制較少。
本發(fā)明的一個目標是提供一種壓電共振器，其特征在于包括縱向基體部件；構(gòu)成至少一部分所述基體部件的激活區(qū)域，所述激活區(qū)域由壓電部件構(gòu)成；以及至少一對設(shè)置在所述激活區(qū)域內(nèi)的外部電極；其中不會在電場作用下極化和/或儲能的非激活區(qū)域構(gòu)成所述基體部件的其它區(qū)域。
比較好的是在壓電共振器中，所述非激活區(qū)域形成于所述激活區(qū)域的兩端，并且所述激活區(qū)域占據(jù)所述基體部件50％或以上的長度。
在所述壓電共振器中，至少有一對內(nèi)部電極在所述激活區(qū)域內(nèi)放置成與所述基體部件縱向垂直并分別與所述的一對外部電極相連，所述激活區(qū)域沿所述基體部件縱向極化，以及當電場經(jīng)所述外部電極沿所述基體部件縱向施加時所述基體部件激發(fā)縱向模式的基本振動。
所述壓電共振器可以進一步包括沿縱向放置在所述基體部件中心區(qū)域的支撐部件。
通過提供一種使用上述壓電共振器的電子元件，在本發(fā)明的另一個方面實現(xiàn)了前述的目標，其中支撐部件由上面形成有圖形電極的絕緣基片構(gòu)成；基體部件通過固定部件固定在絕緣基片上；并且在絕緣基片上放置一個帽子以覆蓋基體部件。
通過提供一種使用上述壓電共振器的電子元件，在本發(fā)明還在另一個方面內(nèi)實現(xiàn)了前述的目標，其中支撐部件由上面形成有圖形電極的絕緣基片構(gòu)成；多個基體部件通過固定部件在絕緣基片上串聯(lián)和并聯(lián)成梯狀；并且在絕緣基片上放置一個帽子以覆蓋基體部件。
本發(fā)明提供一種使用上述壓電共振器的電子元件，其特征在于所述支撐部件提供于絕緣襯底上，而圖案電極提供于所述絕緣襯底上并與所述壓電共振器的所述外部電極相連。
上述的電子元件可以是梯狀濾波器，其中多個圖案電極提供于所述絕緣襯底上并與多個所述壓電共振器的所述外部電極相連從而使所述壓電共振器互聯(lián)為梯狀。
上述電子元件還可以提供有安裝部件，并且所述壓電共振器通過所述安裝部件固定在殼體內(nèi)。
本發(fā)明還提供一種制造上述壓電共振器的方法，其特征在于包括以下步驟1)制備由多層壓電層和內(nèi)部電極層疊而成的疊層部件；2)在所述疊層部件表面暴露所述內(nèi)部電極的位置形成外部電極；3)沿著垂直于所述疊層部件表面的方向切割所述疊層部件。
在上述方法中，所述疊層部件的制造方式為將所述內(nèi)部電極交替暴露于所述壓電層的相對側(cè)，一對極化電極形成于所述壓電層的所述相對側(cè)并分別與各個所述內(nèi)部電極電學連接，所述壓電層通過經(jīng)所述極化電極和所述內(nèi)部電極施加直流電壓而極化，并且沿著垂直于層疊方向切割所述壓電部件和內(nèi)部電極。
按照本發(fā)明，與普通壓電共振器相比，這里的共振頻率與反共振頻率之間的頻差ΔF較大，因此得到了寬頻帶的共振器。由于通過調(diào)節(jié)非激活區(qū)域可以調(diào)整頻差ΔF，所以壓電共振器的頻帶寬度可以改變。此外，在該壓電共振器中不可能發(fā)生除基本振動模式以外的其它振動模式，并且實現(xiàn)了極佳的性能。而且，由于可以調(diào)節(jié)壓電共振器的電容，所以當壓電共振器安裝在電路板上時很容易實現(xiàn)其與外部電路的阻抗匹配。
按照本發(fā)明的壓電共振器是剛性的，并且包括一個振動方向、極化方向與電場施加方向一致的激活區(qū)域。因此，同振動方向與極化方向和電場施加方向不一致的非剛性壓電共振器相比，剛性壓電共振器具有較大的-機電耦合系數(shù)和共振頻率與反共振頻率之間較大的頻差ΔF。此外，在剛性壓電共振器中不可能發(fā)生與基本振動不同的寬度和厚度模式的振動。而且，通過改變在激活區(qū)域施加電場的電極數(shù)量、電極之間的距離和尺寸大小來調(diào)節(jié)電容。通過修整非激活區(qū)域或增加該區(qū)域的質(zhì)量可以調(diào)節(jié)頻差ΔF。
當制造使用本壓電共振器的電子元件(例如振蕩器、鑒別器和濾波器)時，壓電共振器被固定在形成有圖形電極并且覆蓋有帽子的絕緣基片上，以形成芯片型(表面封裝)電子元件。
由于可以做成使用壓電共振器的芯片型電子元件，所以比較容易將該元件固定在電路板上。通過調(diào)節(jié)壓電共振器的電容可以比較容易地實現(xiàn)電子元件與外部電路之間的阻抗匹配。此外，在通過將多個壓電共振器交替串聯(lián)和并聯(lián)連接起來構(gòu)成的梯狀濾波器中，通過改變串聯(lián)壓電共振器與并聯(lián)壓電共振器的電容比可以調(diào)節(jié)濾波器中的衰減程度。
通過以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的描述可以進一步理解本發(fā)明的目標、特點和優(yōu)點。


圖1為按照本發(fā)明的壓電共振器的透視圖。
圖2為表示圖1所示壓電共振器結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖3為表示為了制造如圖1所示壓電共振器如何將生陶瓷片層疊在一起的透視圖。
圖4為表示由圖3所示生陶瓷片構(gòu)成的層疊塊的示意圖。
圖5為表示被切割的圖4所示層疊塊部分的示意圖。
圖6為表示通過切割圖5所示層疊塊制成的板形塊的示意圖。
圖7為表示將樹脂絕緣材料涂覆在圖6所示板形塊并形成外部電極的示意圖。
圖8為作為比較的沿縱向振動的非剛性壓電共振器的透視圖。
圖9為沿縱向振動的剛性壓電共振器的透視圖。
圖10為作為比較的沿平面方向振動(正方形振動)的非剛性壓電共振器的透視圖。
圖11為表示按照本發(fā)明的頻率與壓電共振器阻抗之間關(guān)系的示意圖。
圖12為表示普通壓電共振器頻率與阻抗之間關(guān)系的示意圖。
圖13為改變基體部件內(nèi)激活區(qū)域與非激活區(qū)域分布的壓電共振器的示意圖。
圖14為表示激活區(qū)域的分布和電容之間的關(guān)系以及ΔF/Fa的示意圖。
圖15為表示激活區(qū)域比與ΔF之間關(guān)系的示意圖。
圖16為表示按照本發(fā)明改進的壓電共振器的示意圖。
圖17為表示按照本發(fā)明另一改進的壓電共振器的示意圖。
圖18為表示按照本發(fā)明又一個改進的壓電共振器示意圖。
圖19為表示圖18所示壓電共振器中內(nèi)部電極端部與基體部件側(cè)面之間的間隔。
圖20為表示電容、ΔF與內(nèi)部電極和基體部件側(cè)面之間間隔的關(guān)系的示意圖。
圖21為表示圖18所示壓電共振器改進的壓電層的平面圖。
圖22為表示具有圖21所示壓電層的壓電共振器的示意圖。
圖23為表示改進的壓電共振器非激活區(qū)域的示意圖。
圖24為表示另一改進的壓電共振器非激活區(qū)域的示意圖。
圖25為表示形成于基體部件端部的電極的示意圖。
圖26為使用上述壓電共振器的電子元件的透視圖。
圖27為圖26所示電子元件中所用絕緣基片的透視圖。
圖28圖26所示電子元件分解透視圖。
圖29為表示另一種將壓電共振器安裝在絕緣基片上的方法的示意圖。
圖30為表示圖29所示壓電共振器安裝方法的側(cè)視圖。
圖31為表示另一種將壓電共振器安裝在絕緣基片上的方法的示意圖。
圖32為表示圖31所示壓電共振器安裝方法的側(cè)視圖。
圖33為采用按照本發(fā)明的壓電共振器的梯狀濾波器的分解透視圖。
圖34為圖33所示梯狀濾波器內(nèi)絕緣基片和壓電共振器的透視圖。
圖35為圖33所示梯狀濾波器的等價電路圖。
圖36為表示電子元件的示意圖，其中具有不同形狀外部電極的壓電共振器安裝在絕緣基片上。
圖37為兩端電子元件的分解透視圖。
圖38為表示Cf、ΔF/Fa與其它參數(shù)之間關(guān)系的示意圖。
圖39為普通非剛性壓電共振器示意圖。
圖40為另一種普通非剛性壓電共振器的示意圖。
圖1為按照本發(fā)明實施例的壓電共振器的透視圖。圖2表示該壓電共振器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。壓電共振器10包括一個例如呈立方體的基體部件12?；w部件12例如由壓電、陶瓷材料構(gòu)成。在基體部件12內(nèi)多個電極14的形成方式是使電極14垂直于基體部件12的縱向。基體部件12沿縱向極化從而使得在電極14兩側(cè)極化方向的相反。
在基體部件12的相對側(cè)面上，分別形成多個絕緣薄膜16和18。在基體部件12其中一個側(cè)面上，絕緣薄膜16覆蓋住其它電極14的暴露區(qū)域。在基體部件12的另一個側(cè)面上，絕緣薄膜覆蓋住在前述側(cè)面上未被絕緣薄膜16覆蓋的其它電極14的暴露區(qū)域。但是，有些靠近基體部件12兩端放置的電極14被絕緣薄膜16和18連續(xù)覆蓋。在本實施例中，絕緣薄膜16覆蓋住從基體部件12各端開始的連續(xù)三個電極14，而絕緣薄膜18覆蓋住從基體部件12開始的連續(xù)兩個電極?；w部件12上形成有絕緣薄膜16和18的側(cè)面用作與下面將要描述的與外部電極的連接區(qū)域。
在這些連接區(qū)域中，即在形成有絕緣薄膜16和18的基體部件12的側(cè)面上，形成有外部電極20和22。電極20與沒有被絕緣薄膜16覆蓋的電極14相連，電極22與沒有被絕緣薄膜18覆蓋的電極14相連。換句話說，除了放置在基體部件12兩端的一些電極14未與外部電極20和22連接以外，兩個相鄰的電極14分別連接至電極20和22。
壓電共振器10采用外部電極20和22作為輸入和輸出電極。在基體部件12的中心，由于電場施加在相鄰電極14之間，所以基體部件12是壓電激活的。由于電極14是絕緣的而使得電場未能施加在相鄰電極14之間，所以基體部件12在兩端是非激活的。因此如圖2陰影所示在基體部件中心形成有供輸入信號用的激活區(qū)域24。在基體部件12的兩端也形成有供輸入信號用的非激活區(qū)域26。
為了制造壓電共振器10，首先要制備如圖3所示的由壓電陶瓷生片30。在每塊生片的其中一個表面，涂覆有例如包含銀、鈀和有機黏合劑的導電膠以在生片30端部以外的整個區(qū)域上形成導電膠層32。多塊生片30層疊在一起使得未形成導電膠層32的端部沿相反方向交替放置。在相對側(cè)面涂覆有導電膠的層疊部件經(jīng)過烘干形成圖4所示的層疊塊34。
層疊塊34包括多個由導電膠32制成的內(nèi)部電極36。由于內(nèi)部電極36交替出現(xiàn)在層疊塊34相對側(cè)面上，所以形成于相對側(cè)面上的外部電極38和40分別與其它內(nèi)部電極36相連。當直流電源施加在外部電極38和40上時，層疊塊被極化。在層疊塊34的內(nèi)部，在相鄰內(nèi)部電極之間沿相反方向交替施加強直流電場。因此，層疊塊34在圖4中箭頭所指內(nèi)部電極36的兩端沿相反方向極化。
由于共振器的反共振頻率由層疊塊34的厚度決定，所以層疊塊34被磨至需要的厚度。利用切割機沿圖5虛線所示的方向切割層疊塊34，從而使得切割平面垂直于多個內(nèi)部電極36。隨后得到了圖6所示板形塊42。如圖7所示，樹脂絕緣材料44被涂覆在板形塊42的兩個表面上從而使得材料44涂覆于一個表面上每個相隔的內(nèi)部電極36和另一表面上材料44未涂覆的內(nèi)部電極36上。在板形塊42的兩端，樹脂絕緣材料44被集中涂覆在內(nèi)部電極36上。外部電極48形成于板形塊42上。隨后整個塊垂直于內(nèi)部電極36切割以形成圖1所示的壓電共振器。
當信號施加在壓電共振器10的外部電極20和22上時，由于電壓沿著與激活區(qū)域24內(nèi)壓電層極化相反的方向施加，所以壓電層沿同一方向整體膨脹和收縮。因此，壓電共振器10沿縱向以基本模式振動，基體部件12的中心為節(jié)點。
在壓電共振器10中，激活區(qū)域24的極化方向、信號產(chǎn)生的施加電場的方向以及激活區(qū)域24的振動方向是一致的。換句話說，壓電共振器10是剛性的。剛性壓電共振器10具有比振動方向與極化和電場方向不一致的非剛性壓電共振器更大的-機電耦合系數(shù)。因此，壓電共振器10具有比普通壓電共振器更大的共振頻率與反共振頻率之間的頻差ΔF。這意味著壓電共振器10具有寬頻帶特性。
為了衡量剛性壓電共振器與非剛性壓電共振器之間的差別，制備了圖8、9和10所示的壓電共振器。圖8所示壓電共振器通過在4.0×1.0×0.38mm的壓電基片厚度方向的兩個表面上形成電極制成。當信號施加在電極上時，這種壓電共振器沿厚度方向極化并沿縱向振動。圖9所示壓電共振器具有與圖8所示壓電共振器相同的尺寸。電極形成于壓電基片縱向上的兩個表面。當信號施加到電極上時，壓電共振器沿縱向極化和振動。圖10所示壓電共振器通過在4.7×4.7×0.38mm的壓電基片厚度方向的兩個表面上形成電極制成。當信號施加在電極上時，這種壓電共振器沿厚度方向極化并沿平面方向振動。圖8和10所示的壓電共振器是非剛性的而圖9所示的壓電共振器是剛性的。
測量了每個壓電共振器的共振頻率Fr和-機電學耦合系數(shù)k，并且結(jié)果示于表1、2和3。表1表示的是圖8所示壓電共振器的測量結(jié)果。表2表示的是圖9所示壓電共振器的測量結(jié)果，表3表示的是圖10所示壓電共振器的測量結(jié)果。
表1
表2
表3
從測量結(jié)果可見，剛性壓電共振器具有比非剛性壓電共振器更大的電學-機械耦合系數(shù)k，因此具有更大的共振頻率與反共振頻率之間的頻差ΔF。剛性壓電共振器中最大的偽共振是縱向三重波型的并且在振動期間-機電學耦合系數(shù)k為12.1％。在不同于基本振動寬度振動模式期間，-機電學耦合系數(shù)為4.0％。相反，在非剛性縱向振動的壓電共振器中，寬度模式振動期間的-機電學耦合系數(shù)為25.2％。在非剛性正方形振動的壓電共振器中，厚度模式振動期間的-機電學-耦合系數(shù)為23.3％。由此可見剛性壓電共振器具有比非剛性壓電共振器更小的偽共振。
在壓電共振器10中，非激活區(qū)域形成于基體部件12的兩端。改變非激活區(qū)域來調(diào)整共振頻率和共振頻率與反共振頻率之間的頻差ΔF。換句話說，通過沿基體部件12的縱向打磨端面或者增加質(zhì)量，可以調(diào)節(jié)壓電共振器的帶寬。
在壓電共振器10中，通過例如改變激活區(qū)域24的層數(shù)可以調(diào)整共振器的電容。在激活區(qū)域24，壓電層和電極14交替堆砌并且并聯(lián)連接。當層數(shù)改變而激活區(qū)域24的總厚度不變時，由于層厚反比于層數(shù)，所以滿足下列關(guān)系。
共振器的電容∝(激活區(qū)域?qū)訑?shù)/層厚)∝(激活區(qū)域?qū)訑?shù))2共振器的電容正比于激活區(qū)域24層數(shù)的平方。因此，改變激活區(qū)域24的層數(shù)來調(diào)整壓電共振器10的頻率。這意味著壓電共振器10在電容設(shè)計上具有更大的自由度。因此當壓電共振器10安裝在電路板上時較容易與外部電路實現(xiàn)阻抗匹配。
在由壓電陶瓷生片上涂覆例如包含銀、鈀和有機黏合劑的導電膠。多塊生片30交替堆砌并在1200℃下烘干以形成20×30×3.9mm的層疊塊。通過濺射形成外部電極38和40。強直流電場施加在相鄰的內(nèi)部電極36之間以使層疊塊極化從而使相鄰壓電層的極化方向交替相反。層疊塊34的厚度發(fā)生了變化。切割層疊塊以形成1.5×30×3.8mm的板形塊42。樹脂絕緣材料44覆蓋住平板塊42側(cè)面上露出的電極36而銀電極通過濺射形成。整個塊利用切割機切割成1.5×1.5×3.8mm的壓電共振器10。
壓電共振器10在基體部件12上有19個電極14，電極14以幾乎相等的0.19mm間隔放置。形成絕緣薄膜16和18從而避免在位于基體部件12兩端的三個壓電層上施加電場。激活區(qū)域24包括位于基體部件12中心的14層壓電層，而非激活區(qū)域26在兩端具有三層壓電層。壓電共振器10的電容為830pF而頻率特性如圖11所示。為比較起見，圖12示出了正方形振動壓電共振器的頻率特性。從圖11和12發(fā)現(xiàn)，按照本發(fā)明的壓電共振器10具有比正方形壓電共振器更小的偽振動。
根據(jù)激活區(qū)域24和非激活區(qū)域26形成的位置，改變了共振頻率與反共振頻率之間的頻差ΔF?？梢栽诨w部件12的兩端和中心形成如圖13所示的非激活區(qū)域26。采用有限元方法計算了壓電共振器中電容和頻差隨激活區(qū)域位置的變化，這里“a”表示壓電共振器10中心與端部之間的距離，“b”表示激活區(qū)域24中心與作用中心之間的距離，“c”表示激活區(qū)域24的長度，W表示基體部件12的寬度。圖14示出了b/a、ΔF與反共振頻率Fa的比率ΔF/Fa以及電容Cf之間的關(guān)系，這里“a”等于1.89mm，W和T等于0.8mm，“c”等于0.86mm，而b/a是變化的。由圖14可見，不管激活區(qū)域24形成的位置如何變化電容Cf都不變化。相反，ΔF隨著激活區(qū)域24靠近基體部件12的端部而減小。
通過改變激活區(qū)域24與非激活區(qū)域26的比率可以改變壓電共振器10中的頻差ΔF。隨著激活區(qū)域比率(即圖1和2所示壓電共振器中激活區(qū)域24的長度與基體部件12長度之比)的變化，測量了共振頻率Fr、反頻率Fa、頻差ΔF及其變化速率，并且結(jié)果示于表4和圖15中。
表4
圖15表示當ΔF設(shè)定為100％而激活區(qū)域比率設(shè)定為100％時(即非激活區(qū)域不存在時)激活區(qū)域比率與ΔF變化之間的關(guān)系。由圖15可見，ΔF在激活區(qū)域比率為65-85％之間時較大，并且在激活區(qū)域比率為75％時有一個峰位。峰值比激活區(qū)域為100％(即不存在非激活區(qū)域時)時的ΔF大10％。在50％和100％的激活區(qū)域比率處ΔF一樣大。因此，為了獲得具有較大ΔF的壓電共振器，必須將激活區(qū)域比率設(shè)定為50％。
在壓電共振器10中，當20層中有14層壓電層構(gòu)成激活區(qū)域24時，電容為830pF。相反，當激活區(qū)域設(shè)定為100％時(這意味著只利用一壓電層)，換句話說，當電極形成于尺寸和材料相同的基體部件12的兩端時，電容為3.0pF。當所有24層壓電層構(gòu)成激活區(qū)域24時，電容為1185.6pF。通過改變壓電共振器10中的層數(shù)，可以在最小值與最大值相差400倍的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電容。因此通過改變壓電共振器10的層疊結(jié)構(gòu)，可以在較寬的范圍內(nèi)選擇電容。
為了將形成于基體部件12內(nèi)部的電極14連接到外部電極20和22，暴露出來提供了開有窗口50的絕緣薄膜16和18，從而使得每個相隔電極14如圖16所示。外部電極20和22形成于絕緣薄膜16和18上，并且電極14交替連接至兩個外部電極20和22上。如圖17所示，兩個外部電極20和22可以形成于基體部件12的側(cè)面上。絕緣薄膜16和18以兩行的方式形成于基體部件12的一個側(cè)面上并形成兩行連接區(qū)域。這兩行絕緣薄膜16和18分別形成于每個相隔的電極14上。在兩行絕緣薄膜16和18上分別形成兩行外部電極20和22。作了這樣改進的壓電共振器同樣也實現(xiàn)了上述壓電共振器的優(yōu)點。
如圖18所示，內(nèi)部電極14可以延伸到基體部件的相對側(cè)面。在基體部件12的相對側(cè)面上，必須形成外部電極20和22。在這樣一種壓電共振器中，既然內(nèi)部形成的電極是交替暴露的，所以通過在基體部件12的側(cè)面形成外部電極20和22使內(nèi)部電極14與外部電極20和22連接起來。因此沒有必要在基體部件12的側(cè)面形成絕緣薄膜。
電極14沒有形成于壓電共振器10中基體部件12的整個橫截面上。因此，相鄰電極14對著的面積小于在整個橫截面內(nèi)形成的相鄰電極14的面積。利用相對著的面積，可以調(diào)整壓電共振器10的電容和ΔF。采用有限元方法，在改變厚度方向上電極14端部與基體部件12側(cè)面之間間隔G的情況下，計算了壓電共振器的反共振頻率Fa、電容Cf和ΔF，該壓電共振器包括一個長3.74mm、寬為0.8mm而厚為1.0mm的基體部件12，并包括長為3.6mm的激活區(qū)域24、位于兩端的長為0.07mm的非激活區(qū)域以及20層厚度為0.18mm的壓電層。結(jié)果示于表5和圖20。由表5和圖20可見，隨著間隔G的增大，換句話說，隨著電極14相對著的面積變小，Cf和ΔF變小。
表5
電極14以如下的方式形成使得它們延伸至經(jīng)過改進的壓電共振器中如圖21所示壓電層同側(cè)不同的端面上。通過將兩種類型的壓電層層疊在一起，如圖22所示，兩行電極14暴露于基體部件12的一個側(cè)面上。因此，通過在電極14暴露的部位形成外部電極20和22，電極14交替地連接至外部電極20和22。
在每個電極14形成于如圖2所示的基體部件12的整個橫截面上的壓電共振器10中，由于電場施加在基帶部件12的整個橫截面上，所以共振器的-機電學耦合系數(shù)較大因而ΔF較大。壓電共振器10的電容也較大。當切割層疊塊以制造多個壓電共振器時，由于每個電極已經(jīng)事先形成于層疊塊幾乎整個橫截面上，所以即使切割位置偏移，每個壓電共振器在整個橫截面上包含電極。因此沒有必要精確確定層疊塊切割的位置。通過改變切割的方向，從同樣的壓電陶瓷層疊塊得到了具有不同橫截面、面積和電容的共振器。按照具有絕緣薄膜的電極端部區(qū)域的不同，可以獲得具有各種電容和ΔF的共振器。如上所述，從同樣的層疊塊可以獲得許多類型的壓電共振器。
相反，為了制造如圖18所示每個內(nèi)部電極端部與基體部件側(cè)面之間有間隔的壓電共振器，需要在未形成電極的位置切割層疊塊。但是在這種壓電共振器中，不需要在基體部件的側(cè)面形成絕緣薄膜，并且減少了制造環(huán)節(jié)。
如圖23所示的基體部件12的端部不形成電極，從而沒有電場施加，形成非激活區(qū)域26基體部件12的端部可以被極化或者不被極化。如圖24所示，只有基體部件12的端部可以不被極化。在這種情況下，即使電場施加于電極14之間，未極化部分也是壓電非激活的。換句話說，只有當壓電層被極化并施加電場時，層才變?yōu)閴弘娂せ畹?，否則是非激活的。在這種結(jié)構(gòu)下，電容形成于非激活區(qū)域，并且電容有所增大。為了調(diào)整頻率或者與外部電路相連，如圖25所示在基體部件12的端面形成了小電極52。
采用這樣的壓電共振器10，制造出了諸如振蕩器和鑒別器之類的電子元件。圖26為電子元件60的透視圖。電子元件60包括一個絕緣基片62。在絕緣基片62的相對端部，分別形成兩個缺口64。在絕緣基片62的一個表面，形成有如圖27所示兩種圖形的電極66和68。一種圖形電極66形成于相對的缺口之間并從靠近一端的點向絕緣基片62的中心呈L形延伸。其它的圖案電極68形成于相對的缺口64之間并且從靠近另一端的點向絕緣基片62的中心筆直延伸。形成從絕緣基片62的端部向相對的端部迂回圖形電極66和68。
在位于絕緣基片62中心的圖案電極66的一端，用導電黏合劑形成了凸起70。如圖28所示，上述壓電共振器安裝在凸起70的方式是使得基體部件12的中心位于凸起70上。其它的外部電極20用導線72與圖案電極68相連。導線72與壓電共振器10的外部電極20的中心相連。
金屬蓋子74放置在絕緣基片62上以構(gòu)成完整的電子元件60。為了避免金屬蓋子74與圖案電極66和68短路，絕緣樹脂預先涂覆在絕緣基片62和圖案電極66和68上。電子元件60采用了圖案電極66和68作為連接外部電極的輸入和輸出端，而它們的形成方式是從絕緣基片62的端部繞至后表面。
由于在這種電子元件中壓電共振器10的中心與凸起70相連，壓電共振器10的端部與絕緣基片62分升，所以振動沒被阻止。由于作為節(jié)點的壓電共振器的中心固定在凸起70上并且與導線72相連，所以不會削弱激發(fā)的縱向振動。
電子元件60與IC芯片和其它元件一起安裝在電路板上以形成振蕩器和鑒別器。由于電子元件60金屬帽密封和保護，所以它可以用作由流水線焊接的芯片型(表面安裝)元件。
當電子元件60用于振蕩器時，由于電子元件60中所用壓電共振器10的特點，偽振動被抑制在低水平上并且防止了偽振動引起的不尋常振動。由于壓電共振器10的電容可以設(shè)定為任何所需的數(shù)值，所以也較容易實現(xiàn)與外部電路的阻抗匹配。特別是當電子元件用于電壓控制振蕩的振蕩器時，由于共振器較大的ΔF，所以獲得了普通無法獲得的寬頻率范圍。
當電子元件60用于鑒別器時，由于共振器較大的ΔF，所以提供了較寬的峰值間隔范圍。此外，由于共振器提供了寬的電容范圍，所以較容易實現(xiàn)與外部電路的阻抗匹配。
壓電共振器10可以安裝在絕緣基片上從而使得由導電材料(例如導電膠)制成的兩個凸起70形成于兩個圖形電極66和68上，并且壓電共振器10的外部電極20和22如圖29和30所示與兩個凸起70相連。壓電共振器10也可以圖31和32的方式安裝在絕緣基片62上，其中由諸如導電黏合劑之類的導電材料制成的兩個凸起70形成于絕緣基片62上而外部電極20和22通過導線72與圖案電極66和68相連。
可以利用多個壓電共振器制得梯狀濾波器。如圖33和34所示，三種圖形電極76、78和80形成于電子元件60的絕緣基片62上。由導電黏合劑制成的凸起82和86形成于圖案電極76和80兩端的上。在中心圖案電極78上，形成兩個由導電黏合劑制成的凸起84和88。
用于壓電共振器10a、10b、10c和10d中每一個的外部電極22分別安裝在凸起82、84、86和88上。用于壓電共振器10a、10b、10c的另外的外部電極20由導線互相連接。壓電共振器10d用的外部電極20由導線72與圖案電極80相連。金屬帽放置在絕緣基片62上面。
電子元件60被用作具有如圖35所示梯狀電路的梯狀濾波器。兩個壓電共振器10a和10c用作串聯(lián)壓電共振器而兩個壓電共振器10b和10d用作并聯(lián)壓電共振器。在這樣的梯狀濾波器中，并聯(lián)的壓電共振器10b和10d被設(shè)計成比串聯(lián)的壓電共振器10a和10c具有更大的電容。
梯狀濾波器的衰減由串聯(lián)壓電共振器與并聯(lián)壓電共振器之間的電容比決定，在這種電子元件60中，通過改變壓電共振器10a-10d中所用層疊層的數(shù)量可以調(diào)整電容。因此與采用普通的非剛性壓電共振器相比，通過改變壓電共振器的電容實現(xiàn)了采用較少壓電共振器達到較大衰減的梯狀濾波器。由于壓電共振器10a-10d具有比普通壓電共振器更大的ΔF，所以與普通的壓電共振器相比實現(xiàn)了較寬的發(fā)射頻率帶。圖36示出了這樣一種電子元件60，其中兩個電極14形成于壓電共振器10基體部件12的內(nèi)部。非激活區(qū)域26占據(jù)基體部件12長度的25％(每個12.5％)。外部電極20和22的形成方式是它們分別從內(nèi)部電極14延伸至基體部件12側(cè)面的中心。外部電極20和22的形狀按照內(nèi)部電極14的數(shù)量和形成條件調(diào)整。
可以利用如圖37所示的壓電共振器制造出諸如陶瓷共振器和陶瓷鑒別器之類的兩端電子元件60。制備了由導電材料制成的兩個端子90以制造這樣的兩端元件60。這些端子90從鋼片92延伸出來。實踐中，每個鋼片92上形成多個成直線的端子90。端子90提供有位于中間位置的折疊區(qū)域94和位于端部的H形支撐部件96。支撐部件96是彎曲的以在中心提供有凸起的安裝部件98。兩個端子90的放置方式使得安裝部件98互相面對。
壓電共振器10支撐于安裝部件98之間。安裝部件98靠近壓電共振器縱向中心上的外部電極20和22。由于端子90包括用作彈簧部件的折疊區(qū)域94，所以壓電共振器10由端子90彈性支撐。一端開口的罩體100放置在壓電共振器上。罩體100的開口由紙封住并隨后用樹脂密封。端子90從鋼片92上切割下列以最終形成電子元件60。由此可以制造出除了芯片型以外形狀的電子元件60。
由于本發(fā)明采用剛性壓電共振器，所以與普通的非剛性壓電共振器相比，共振器具有較大的ΔF和較寬的頻帶。此外，剛性壓電共振器具有較小的偽振動。由于基體部件12具有層狀結(jié)構(gòu)，所以電容可以設(shè)定為任何所需的值并且較容易與外部電路實現(xiàn)阻抗匹配。而且，通過調(diào)節(jié)激活區(qū)域與非激活區(qū)域的尺寸和位置，可以改變ΔF。由于按照本發(fā)明的電子元件60具有簡單的結(jié)構(gòu)，所以可以以較低的成本制造出具有上述特點的壓電共振器10。
由于按照本發(fā)明的壓電共振器10包括比普通壓電共振器更多的設(shè)計參數(shù)，所以可以實現(xiàn)各種特性。圖38示出了這些參數(shù)(ΔF/Fa和電容Cf)之間的關(guān)系。由圖38可見，這些參數(shù)為壓電共振器的性能設(shè)計提供了較大的自由度。
權(quán)利要求
1.一種壓電共振器，其特征在于包括縱向基體部件；構(gòu)成至少一部分所述基體部件的激活區(qū)域，所述激活區(qū)域由壓電部件構(gòu)成；以及至少一對設(shè)置在所述激活區(qū)域內(nèi)的外部電極；其中不會在電場作用下極化和/或儲能的非激活區(qū)域構(gòu)成所述基體部件的其它區(qū)域。
2.如權(quán)利要求2所述的壓電共振器，其特征在于所述非激活區(qū)域形成于所述激活區(qū)域的兩端，并且所述激活區(qū)域占據(jù)所述基體部件50％或以上的長度。
3.如權(quán)利要求1或2所述的壓電共振器，其特征在于至少有一對內(nèi)部電極在所述激活區(qū)域內(nèi)放置成與所述基體部件縱向垂直并分別與所述的一對外部電極相連，所述激活區(qū)域沿所述基體部件縱向極化，以及當電場經(jīng)所述外部電極沿所述基體部件縱向施加時所述基體部件激發(fā)縱向模式的基本振動。
4.如權(quán)利要求1-3中任一項所述的壓電共振器，其特征在于進一步包括沿縱向放置在所述基體部件中心區(qū)域的支撐部件。
5.一種使用權(quán)利要求4所述壓電共振器的電子元件，其特征在于所述支撐部件提供于絕緣襯底上，而圖案電極提供于所述絕緣襯底上并與所述壓電共振器的所述外部電極相連。
6.如權(quán)利要求5所述的電子元件，其特征在于所述電子元件為梯狀濾波器，其中多個圖案電極提供于所述絕緣襯底上并與多個所述壓電共振器的所述外部電極相連從而使所述壓電共振器互聯(lián)為梯狀。
7.一種使用權(quán)利要求4所述壓電共振器的電子元件，其特征在于所述部件提供有安裝部件，并且所述壓電共振器通過所述安裝部件固定在殼體內(nèi)。
8.一種制造如權(quán)利要求3-5中任一項所述壓電共振器的方法，其特征在于包括以下步驟1)制備由多層壓電層和內(nèi)部電極層疊而成的疊層部件；2)在所述疊層部件表面暴露所述內(nèi)部電極的位置形成外部電極；3)沿著垂直于所述疊層部件表面的方向切割所述疊層部件。
9.如權(quán)利要求8所述的制造方法，其特征在于所述疊層部件的制造方式為將所述內(nèi)部電極交替暴露于所述壓電層的相對側(cè)，一對極化電極形成于所述壓電層的所述相對側(cè)并分別與各個所述內(nèi)部電極電學連接，所述壓電層通過經(jīng)所述極化電極和所述內(nèi)部電極施加直流電壓而極化，并且沿著垂直于層疊方向切割所述壓電部件和內(nèi)部電極。
全文摘要
壓電共振器具有由疊層壓電層和電極組成的基體部件?；w部件在兩極兩邊以不同方向極化。電極交替地為分別處于基體相對側(cè)面的絕緣膜16和18所覆蓋。絕緣膜16覆蓋沒被18覆蓋的電極，反之亦然。外部電極20,22形成在基體的相對側(cè)表面，內(nèi)部電極分別當它們相連。在基體的兩端，由于多個連續(xù)電極為絕緣膜16和18所覆蓋，電場不能加高基體上，從而形成非激活區(qū)。基體中心有電場施加，形成激活區(qū)。
文檔編號H03H9/56GK1167368SQ9710499
公開日1997年12月10日 申請日期1997年4月4日 優(yōu)先權(quán)日1996年4月5日
發(fā)明者宇波俊彥, 井上二郎 申請人:株式會社村田制作所