石英諧振元件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種石英諧振元件，包括基部和兩諧振梁，諧振梁的正面和背面中至少有一個面上設有凹槽，凹槽由兩側平行的深凹槽和位于兩個深凹槽之間且與兩個深凹槽連為一體的淺凹槽構成。在凹槽的內壁以及諧振梁的兩側壁上分別覆蓋有電極，兩根諧振梁通過與激勵電源不同極性的連接使之振動方向相反。本石英諧振元件通過設置深凹槽，增加凹槽的側壁陡直度，激勵電極對之間的作用距離更短，諧振梁內的場強增大，電極的激勵效率提高，適于諧振器微型化制作。此外，設置深凹槽后，單個諧振梁左右兩端的對稱性得到有效提升，左右兩個諧振梁為反向振動，諧振元件諧振的穩(wěn)定性增強。
【專利說明】石英諧振元件
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及諧振器【技術領域】，尤其是一種應用于微型諧振器上的石英諧振元件。
[0002]
【背景技術】
[0003]微型諧振器作為一種輸出固定頻率的器件，在多個領域得到了廣泛的應用。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，其諧振時的動態(tài)阻抗值也隨之增加，穩(wěn)定性下降，功耗增大。
[0004]為降低石英諧振元件的動態(tài)阻抗值，提高諧振效率，美國專利《Resonatorelement and oscillator)) (US20100219898A1)公開了一種 “H” 形截面諧振梁結構的音叉式石英諧振元件，通過在諧振梁內部設置凹槽，提高了諧振梁內部的激勵電場強度和電極激勵效率，使得元件的尺寸得到了進一步的縮小。但由于石英晶體存在各向異性，凹槽+X方向的側壁陡直性和單個諧振梁的左右兩端的對稱性較差，電場強度的提升幅度有限，諧振元件的諧振穩(wěn)定性不高。
[0005]

【發(fā)明內容】

[0006]針對現(xiàn)有技術存在的上述不足，本發(fā)明的目的是提供一種提高側壁陡直度和對稱性、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。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案如下:
一種石英諧振元件，包括基部和具有相同結構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面上設有沿長度方向的凹槽，該凹槽的開口方向與諧振梁的振動方向垂直；所述凹槽由兩側平行的深凹槽和位于兩個深凹槽之間且與兩個深凹槽連為一體的淺凹槽構成；在凹槽的內壁以及諧振梁的兩側壁上分別覆蓋有用于連接激勵電源的電極，兩根諧振梁通過與激勵電源不同極性的連接使之振動方向相反；其中深凹槽底面及兩側壁覆蓋電極，淺凹槽只在底面左右兩端覆蓋彼此斷開的電極，深凹槽上的電極與淺凹槽底面對應端上的電極連為一體。
[0008]所述諧振梁另一端在正面或背面某一面設置有用于頻率調節(jié)的金屬質量塊，金屬質量塊所在的諧振梁該面設置有所述凹槽。
[0009]所述諧振梁與基部連接的左右兩側根部設置有倒角以與基部平滑連接。
[0010]所述諧振梁正面和背面均設置有所述凹槽且正面和背面對稱設置。本發(fā)明諧振梁上的凹槽既可以正面和背面均設置，也可以單面設置，諧振梁較薄時單面設置即可，避免刻蝕穿透。
[0011]本發(fā)明在諧振梁的前后兩個面中至少一個面上制作凹槽，諧振梁的側壁和凹槽的內壁分別覆蓋電極，在電極上施加電壓，使得兩根諧振梁內部產(chǎn)生電場方向相反的激勵電場，由逆壓電效應激勵兩根諧振梁產(chǎn)生反向彎曲振動。
[0012]與現(xiàn)有“H”形截面的諧振梁結構不同，本石英諧振元件的諧振梁表面制作的凹槽由一對深凹槽及與兩個與深凹槽連為一體的淺凹槽構成，通過設置深凹槽，增加凹槽的側壁陡直度，激勵電極對之間的作用距離更短，諧振梁內的場強增大，電極的激勵效率提高，即使減小元件的尺寸，諧振梁的激勵振幅下降也較小，更適于諧振器微型化制作。
[0013]此外，設置深凹槽后，單個諧振梁左右兩端的對稱性得到有效提升，左右兩個諧振梁為反向振動，諧振元件諧振的穩(wěn)定性增強。
[0014]本元件可采用光刻和化學溶液腐蝕的制作方法在一塊基片上同時制作多個，各石英諧振元件一致性好，制作工藝簡單，成本低，適于大批量生產(chǎn)。
[0015]
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1a是本發(fā)明實施例1石英諧振元件的結構示意圖，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實際剖視圖；
圖2a是本發(fā)明實施例2石英諧振元件的結構示意圖，圖2b是其A-A理想剖視圖。
[0017]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_質量塊。
[0018]
【具體實施方式】
[0019]下面結合具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0020]實施例1:
如圖1a和圖1b所示，本發(fā)明的石英諧振元件1，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方向平行對稱設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根部設置有倒角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的前后兩個面分別設置有對稱的凹槽，該凹槽的開口方向與諧振梁的振動方向垂直。所述凹槽由兩側平行的深凹槽4a和位于兩個深凹槽4a之間且與兩個深凹槽連為一體的淺凹槽4b構成。在凹槽的內壁以及諧振梁的兩側壁上分別覆蓋有用于連接激勵電源的電極，兩根諧振梁通過與激勵電源不同極性的連接使之振動方向相反。電極具體設置如下:其中深凹槽底面及兩側壁覆蓋電極，淺凹槽只在底面左右兩端覆蓋彼此斷開的電極，深凹槽上的電極與淺凹槽底面對應端上的電極連為一體。
[0021]所述諧振梁3另一端在正面或背面某一面(即單面)設置有用于調節(jié)石英諧振元件I諧振頻率的金屬質量塊7，金屬質量塊7突出于諧振梁3表面，金屬質量塊所在的諧振梁該面設置有所述凹槽且金屬質量塊不能覆蓋凹槽。由于實施例1正面和背面均設置有凹槽，所以金屬質量塊在其中一面設置即可。
[0022]從圖1b上的電場分布可以看出，諧振梁3設置的連接激勵電源的一對電極:第一電極5a和第二電極5b，該兩個電極之間施加一定的電壓并在諧振梁3內部產(chǎn)生激勵電場，由逆壓電效應激勵諧振梁3產(chǎn)生寬度彎曲振動。如圖1b所示，左、右兩側的諧振梁3的第一電極5a和第二電極5b電動勢相反，因此諧振梁內電場方向相反，兩根諧振梁3振動方向相反。諧振梁3通過設置凹槽使兩個電極之間的作用距離縮短，在一定電壓下，諧振梁內的電場強度更大。
[0023]如圖1c所示，由于石英晶體各向異性的特點，經(jīng)刻蝕后的凹槽截面為非理想矩形，側壁為與Z方向呈一定夾角的多個晶面連接而成，這就導致諧振梁3左右兩端的電場強度變弱。深凹槽4a可通過刻蝕諧振梁3時進行初步刻蝕，再通過刻蝕淺凹槽4b時刻蝕得到所需的刻蝕深度，深凹槽4a的刻蝕時間較長，側壁陡直性更好。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通過在兩端分別設置深凹槽4a，增加了其左右兩側壁的陡直度，電極的激勵效率更高，即使減小元件的尺寸，諧振梁的激勵振幅下降也較小，更適于傳感器的微型化制作。此外，設置深凹槽4a后，單個諧振梁3左右兩端的對稱性得到有效提升，石英諧振元件I的左右兩個諧振梁3為反向振動，諧振元件諧振的穩(wěn)定性增強。
[0024]諧振梁3諧振過程中，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，熱量的平衡流動耗散部分振動能量，導致諧振穩(wěn)定性下降。在圖1c中，在上述深凹槽內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程中熱量流動速率，增加了諧振的穩(wěn)定性。
[0025]與“H”形截面的諧振梁相比，在同等激勵電壓條件下，制作有深凹槽結構的諧振梁3的有效激勵電場強度明顯增強，諧振梁3的振蕩強度增大，動態(tài)阻抗值降低，有利于諧振元件結構的進一步微型化。
[0026]實施例2:
如圖2a和圖2b所示，該實施例的石英諧振元件與實施例1的石英諧振元件結構類似，不同的是諧振梁3只在前后面中一個面設置凹槽。為突出表面凹槽的形狀，圖2a并沒有示出電極。
[0027]對于厚度較薄的諧振梁，雙面同時制作凹槽時，深凹槽4a處易刻蝕穿，降低了諧振梁3的動態(tài)強度，同時諧振梁3諧振時的動態(tài)阻抗會增大，降低石英諧振元件的穩(wěn)定性。本實施例中的單面制作凹槽的諧振梁3結構，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。由于凹槽單面設置，因此金屬質量塊只能在該面設置。
[0028]本產(chǎn)品可以采用光刻和化學溶液腐蝕的方法在同一塊基片上同時制作多個石英諧振元件，制作工藝簡單，成本低，各產(chǎn)品一致性好，適于大批量生產(chǎn)。
[0029]本發(fā)明的上述實施例僅僅是為說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其他不同形式的變化和變動。這里無法對所有的實施方式予以窮舉。凡是屬于本發(fā)明的技術方案所引申出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護范圍之列。
【權利要求】
1.一種石英諧振元件，包括基部(2)和具有相同結構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面上設有沿長度方向的凹槽，該凹槽的開口方向與諧振梁(3)的振動方向垂直；所述凹槽由兩側平行的深凹槽(4a)和位于兩個深凹槽(4a)之間且與兩個深凹槽連為一體的淺凹槽(4b)構成；在凹槽的內壁以及諧振梁(3)的兩側壁分別覆蓋有用于連接激勵電源的電極，兩根諧振梁(3)通過與激勵電源不同極性的連接使之振動方向相反，其中深凹槽底面及兩側壁覆蓋電極，淺凹槽只在底面左右兩端覆蓋彼此斷開的電極，深凹槽上的電極與淺凹槽底面對應端上的電極連為一體。
2.根據(jù)權利要求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置有用于頻率調節(jié)的金屬質量塊(7)，金屬質量塊所在的諧振梁該面設置有所述凹槽。
3.根據(jù)權利要求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)連接的左右兩側根部設置有倒角(6)以與基部平滑連接。
4.根據(jù)權利要求3所述的石英諧振元件，其特征在于:所述諧振梁(3)正面和背面均設置有所述凹槽且正面和背面對稱設置。
【文檔編號】H03H9/02GK103501166SQ201310480793
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年10月15日 優(yōu)先權日:2013年10月15日
【發(fā)明者】林丙濤, 林日樂, 班亞娟, 趙建華 申請人:中國電子科技集團公司第二十六研究所