音叉型晶体振子及其频率调整方法
阅读：148发布：2021-06-09
专利汇可以提供音叉型晶体振子及其频率调整方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种提高 频率 调整 精度 的音叉型晶体振子及其频率调整方法。本发明具有以下构成：在音叉型晶体振子的频率调整方法中，具有第1频率调整工序，即从围绕所述一对音叉腕(2a、2b)的外周面向头部前端面或从头部前端面向外周面照射飞秒激光，形成从所述外周面到头部前端面(8a、8b)的倾斜面，调整振荡频率。所述音叉型晶体振子具有从音叉基部(1)延伸出一对音叉腕(2a、2b)的音叉状晶体片(3)。，下面是音叉型晶体振子及其频率调整方法专利的具体信息内容。
1.一种音叉型晶体振子的频率调整方法，所述音叉型晶体振子具有从音叉基部延伸出一对音叉腕的音叉状晶体片，所述音叉型晶体振子的频率调整方法的特征在于，具有第
1频率调整工序，即从围绕所述一对音叉腕的外周面向头部前端面或从头部前端面向外周面，照射飞秒激光，形成从所述外周面到头部前端面的倾斜面，调整振荡频率。
2.如权利要求1所述的音叉型晶体振子的频率调整方法，所述外周面为所述音叉腕的上端侧主面。
3.如权利要求1所述的音叉型晶体振子的频率调整方法，所述音叉状晶体片是通过蚀刻技术被加工外形，并且在与晶片一体化连结的状态下被调整振荡频率。
4.如权利要求2所述的音叉型晶体振子的频率调整方法，所述音叉状晶体片在所述音叉腕的上端侧主面具有调整用金属膜，通过所述飞秒激光进行的第1频率调整工序之后，具有第2频率调整工序，其通过激光削除所述调整用金属膜的一部分。
5.如权利要求4所述的音叉型晶体振子的频率调整方法，所述第1频率调整工序是在晶片一体化连结的状态下被实施，并且所述第2频率调整工序是在将各个音叉状晶体片收容进凹状剖面的表面安装容器内的状态下被实施。
6.如权利要求4所述的音叉型晶体振子的频率调整方法，所述第2频率调整工序中使用的激光是比所述第1频率调整工序的激光能量低的飞秒激光。
7.如权利要求4所述的音叉型晶体振子的频率调整方法，所述第2频率调整工序是用离子铣去除预先形成于音叉头部的金属膜而进行的。
8.如权利要求7所述的音叉型晶体振子的频率调整方法，形成所述倾斜面的所述飞秒激光相对于所述音叉腕的主面呈30～70°的入射角。
9.一种音叉型晶体振子，具有从音叉基部延伸出一对音叉腕的音叉状晶体片，所述音叉型晶体振子具有以下构造：通过从围绕所述一对音叉腕的外周面向头部前端面或从头部前端面向外周面照射飞秒激光而形成的从所述外周面到头部前端面的倾斜面。
10.如权利要求9所述的音叉型晶体振子，所述外周面为所述音叉腕的主面。
11.如权利要求9或10所述的音叉型晶体振子，所述外周面为所述音叉腕的单侧的主面。
12.如权利要求9或10所述的音叉型晶体振子，所述外周面为所述音叉腕的两侧的主面。
音叉型晶体振子及其频率调整方法
技术领域
背景技术
[0002] (发明背景)
[0003] 音叉型振子，特别是被作为时钟的基准源使用，作为时钟功能部件被内藏于手表、手机和数码照相机等电子设备中。近年来，随着电子产品的普及和小型化，音叉型振子也通过采用照相平板(photolithograph)的蚀刻技术(etching)成形。
[0004] (现有技术)
[0005] 图4为现有例的音叉型振子的除去外壳所见的平面图。另外，图5A及5B为该音叉型振子的详细示图，特别是，图5A为将电极配线也同时表示出的音叉型振子的斜视图，图5B为将沿图5A中线A-A的剖面图与振荡电路同时表示出的剖面图。
[0006] 现有音叉型振子如图4所示，具有从音叉基部1延伸出一对音叉腕2a、2b的音叉状晶体片3。在一对音叉腕2a、2b的除其头部前端面(顶面)的各四面上具有驱动电极4。并且，各驱动电极4、4被如图5B所示接线。即，各音叉腕2a、2b上的两主面间及两侧面间作为同电位、两主面和两侧面作为逆电位，一对音叉腕2a、2b间各两主面间及各两侧面间作为逆电位而接线。
[0007] 所述驱动电极4，各同电位彼此共通连接，如图5A所示，一对电极延伸到音叉基部1的主面下方。通常，如图4所示，调整频率用金属膜5a，5b形成于音叉腕2a、2b的上端侧主面。并且，这些包含驱动电极4等的外形加工是通过例如采用照相平板的蚀刻技术进行的，多数的音叉状晶体片3如后述图2所示与晶片(wafer)9一体化连结。
[0008] 图2所示晶片9分割为各音叉状晶体片3后，如图4所示，音叉状晶体片3为，音叉基部1的主面下方被固定安装并电性、机械连接于，例如剖面为凹状的表面安装容器6的一端侧的具有晶体端子的内壁台阶部7。并且，表面安装容器6的开口端面由图中未示的盖所封闭，密闭装入音叉状晶体片3。通常，装入为真空封装，能抑制小型化导致的晶体阻抗(CI)上升。
[0009] 如此，在音叉状晶体片3一体化连结于晶片9的状态下，通过YAG等激光熔融、飞散并去除上端主面的金属膜5a、5b的一部分。并且，从低到高调整音叉型振子(音叉状晶体片3)的振荡频率。此时，因为能够在晶片级(wafer level)总体调整音叉型振子的频率，所以能提高生产率。
[0010] 或者，将音叉状晶体片3收容进表面安装容器6内后，同样，通过除去金属膜5a、5b的一部分，调整音叉型振子的频率。此时，能够将常温下的振荡频率调整至标准内，所述常温下的振荡频率包含将音叉基部1固定安装在台阶部7后的振荡频率的变化量。另外，也能够在晶片9的状态下粗调各音叉晶体片3的振荡频率，分片(個片)并收容进表面安装容器6内后，微调振荡频率。
[0012] (参考日本特开2004-201105号公报，日本特开2004-289237号公报，日本特开2007-57411号公报以及日本特开2000-278066号公报)
[0013] (现有技术的问题)
[0014] 但是，具有所述结构的现有的音叉型振子中，因调整频率用金属膜5a、5b需形成于音叉腕2a、2b的上端，制造工序复杂。并且，调整频率时，因通过激光的热去除金属膜5a、5b，所以音叉腕2a、2b自身(音叉型振子自身)的温度也会升高。另外，音叉型振子具有常温附近作为极大值的2次函数频率温度特性。
[0015] 因此，尽管在常温下调整音叉型振子的频率，但随音叉腕2a、2b自身的温度上升，实际上成为在比常温高的温度下调整频率。因此，调整频率不足，有调整精度易低下的问题。
[0016] 图6说明所述问题，表示音叉型振子频率温度特性典型例。音叉 型振子的温度特性图，横轴表示温度，并且，纵轴表示各温度相对室温的频率变化量(单位：ppm)。 [0017] 音叉型振子，通常，被设计为25℃附近为顶点温度(温度系数平稳)。并且，要求频率调整精度未满±20ppm。但是，如上所述，通过激光的热去除金属膜的情况下，照射激光时，晶体的温度很高(至少100℃以上)。因此，频率变化为图6的100℃以上区域的值，比室温时的值低数百ppm。从而，激光调整结束晶体冷却后频率变高。结果不能维持频率调整时的频率，不能确保规定的频率调整精度。
[0018] 另外，还存在频率的调整范围受金属膜5a、5b膜厚限制的问题。即，用YAG激光，只能去除这些金属膜，金属膜去除结束就不能调整晶体振子的频率。因此，频率调整幅度受自身限制。所以，要求将由照相平板形成音叉外形后的频率分布控制位较狭窄的范围，所以制造上受到较大制约。
[0019] (发明的目的)
[0020] 本发明的目的在于，提供一种提高频率调整精度的音叉型振子及其频率调整方法。
[0021] 发明内容
[0022] 在音叉型晶体振子的频率调整方法中，所述音叉型晶体振子具有从音叉基部延伸出一对音叉腕的音叉状晶体片，本发明具有第1频率调整工序，即，从围绕所述一对音叉腕的外周面向头部前端面或从头部前端面向外周面照射飞秒激光(femtosecond laser)，形成从所述外周面至头部前端面的倾斜面，调整振荡频率。
[0023] (发明的效果)
[0024] 根据所述结构，因应用飞秒激光(超短脉冲激光：1飞秒(10-15秒))，能够直接切削一对音叉腕的前端面。从而，理论上，能够切削晶体自身调整频率，与去除金属膜的情况相比，频率调整幅度扩大。另外，因为不使用金属膜也能进行频率调整，可无需以前所必须的金属膜(典型为金(Au)膜)，能够缩减金属膜形成工序以及削减金的材料费用。并且，飞秒激光(超短脉冲激光)，几乎不对晶体片造成热损伤，所以调整频率时也不会引起温度上升。即，使用飞秒激光，激光 脉冲狭窄，即在引起向激光照射位置的热传导之前激光照射结束，所以能够防止音叉状晶体片的频率调整时的温度上升。因此，能够提高音叉型振子的频率调整精度。
[0025] 另外，因为从一对音叉腕的外周面侧向头部前端面或从头部前端面向外周侧面照射飞秒激光，在照射时，飞秒激光斜向透过音叉腕。因此，飞秒激光的能量不会滞留在晶体片内部，能够防止或减轻晶体片破裂的发生。
[0026] 与此相对，飞秒激光垂直射入音叉腕主面的情况下，飞秒激光的能量容易滞留在晶体片内部，使晶体表面发生破裂，使晶体内部损伤。
[0027] 本发明中，所述外周面为所述音叉腕的主面。由此，晶片9状态下的音叉状晶体片3或将音叉状晶体片3的分片收容进剖面为凹状的表面安装容器6内后，能容易调整频率。 [0028] 此外，本发明中，所述音叉状晶体片，其外形通过蚀刻技术被加工，能够在与晶片一体化连结的状态下调整振动频率。由此，在晶片级总体调整频率有效率。 [0029] 而且，本发明中，所述音叉状晶体片，在所述音叉腕的上端侧主面具有调整用金属膜，通过所述飞秒激光实现第1频率调整工序之后，具有通过激光去除所述调整用金属膜的一部分的第2频率调整工序。
[0030] 由此，通过第1频率调整工序粗调音叉型振子的频率和第2频率调整工序微调音叉型振子的频率，能够实现高精度调整晶体振子的频率。
[0031] 另外，本发明中，所述第1频率调整工序是在晶片一体化连结的状态下被实施，并且，所述第2频率调整工序是在将各音叉状晶体片收容进剖面为凹状的表面安装容器的状态下被实施。由此，能够在晶片的状态下总体实施第1频率调整工序中的粗调，使频率调整有效率。
[0032] 并且，本发明中，使用比所述第1频率调整工序的激光能量低的飞秒激光作为第2频率调整工序用激光。由此，第1频率调整工序的激光装置能兼用于第2频率调整工序，同时能够进行热影响小的微调。
[0033] 另外，本发明中，形成所述斜面的所述飞秒激光对于音叉主面的入射角为30°～70°。飞秒激光垂直入射的情况下，激光滞留在晶体内部。如此，容易产生激光损伤。斜射的情况下，激光容易逃逸出侧 面，难以滞留在晶体内部，能够防止晶体内部的损伤。 [0034] 此外，在所述第2频率调整工序中，已叙述了去除金属膜的结构，但是，也可以用比第1频率调整工序时的能量小的飞秒激光切削晶体本身。
[0035] 这里，本发明所使用的飞秒激光的脉冲宽度，优选为500fs(飞秒)以下，200fs以下更好，100fs以下甚好。脉冲宽度愈短，飞秒激光的使用效果愈佳，能够减少热损伤。另外，飞秒激光的能量，在数μJ/脉冲～数10μJ/脉冲的能量下，能得到本发明的效果。另外，因为飞秒激光是脉冲激光，脉冲往复频率也是重要的参数。往复频率优选为几百Hz，500Hz以上更好，1000Hz以上甚好。飞秒激光的往复频率愈高，单位时间内照射的脉冲愈多，能够缩短频率调整的时间。
[0036] 并且，本发明中，从围绕音叉腕的外周面到头部前端面或从头部前端面到外周面斜向照射飞秒激光，形成从音叉外周面至头部前端面的倾斜面。所述斜射角度(对音叉主面的入射角)没有被限定，但优选是30°～70°，40°～70°更好，45°～60°甚好。 [0037] 图1表示本发明的音叉型振子的频率调整工序的一实施方式，图1A为音叉状晶体片的正面图，图1B为其局部放大剖面图。
[0038] 图2表示本发明的音叉型振子的频率调整方法的一实施方式，将音叉状晶体片一体化集成的晶片的正面图。
[0039] 图3表示本发明的音叉型振子的频率调整方法的一实施方式，音叉型振子的除去外壳所见的平面图。
[0040] 图4为现有的音叉型振子的除去外壳所见的平面图。
[0041] 图5详细表示现有音叉型振子，图5A为将电极配线也同时表示出的斜视图，图5B为沿图5A中线A-A的剖面图。
[0042] 图6表示音叉型振子频率温度特性的典型例。
[0043] 图7A为概略表示本发明中使用的实验装置100的方框图(blockdiagram)，图7B为表示对晶片进行频率测定时的概略图，图7C为表示对音叉型振子进行探测时的概略图。 [0044] 图1至图3表示本发明一实施方式即音叉型振子的频率调整工序，图1A为音叉状晶体片的正面图，图1B为局部放大剖面图。图2为将音叉状晶体片一体化的晶片的正面图(一部分晶体片省略)，图3为音叉型振子的除去外壳所见的平面图。
[0045] 如图1A所示，本发明的音叉型振子具有从音叉基部1延伸出一对音叉腕2a，2b的音叉状晶体片3。一对音叉腕2a、2b的除其头部前端面的各四面上具有驱动电极4，各音叉腕2a、2b上的两主面间及两侧面间为同电位，另外两主面和两侧面为逆电位，一对音叉腕2a、2b各间各两主面间及各两侧面作为逆电位而接线。
[0046] 所述驱动电极4，各同电位彼此共通连接，一对电极延伸出至音叉基部1的主面下方。并且，调整频率用金属膜5a、5b形成于音叉腕2a、2b的上端侧主面。这里的金属膜5a、5b形成为比现有技术方案的金属膜高度低，前端侧主面的上方设有基板露出部8a、8b。这些包含驱动电极4等的外形加工，例如通过采用照相平板的蚀刻技术被实施，多数的音叉状晶体片3一体化集成并被连结于晶片9(参考图2)。另外，金属膜5a、5b也可延伸至音叉腕2a、2b的前端。
[0047] 并且，本发明的音叉型振子的频率调整方法由第1频率调整工序和第2频率调整工序构成。首先，在第1频率调整工序中，在晶片9(参考图2)的状态下，从各音叉状晶体片3的音叉腕2a、2b的基板露出部8a、8b即上端侧两主面到头部前端面(顶面)，或者从头部前端面到上端侧两主面，照射飞秒激光(超短脉冲激光)Pf。由此，形成从金属膜5a、5b上方的音叉腕2a、2b的上端侧两主面至头部前端面的倾斜面，粗调频率。 [0048] 本次实验中，使用厚度为120μm的晶片。并且，飞秒激光的照射条件为，脉冲宽度约70^，能量30μJ/脉冲，脉冲往复频率100Hz。当然，这仅仅是一实施例。另外，采用以下图7A～图7C所说明的结构作为实验装置。这里，图7A为概略表示本发明中使用的实验装置100的方框图，图7B为表示对晶片进行频率测定时的概略图，图7C为表示对音叉型振子进行探测时的图。
[0049] 实验装置100，如图7A和图7B所示，具有以下结构：飞秒激光 光源101；电流镜(galvanic mirror)103；X、Y、Z台105；具有探针(probe pin)107a的振荡电路107；频率测定器109；以及控制装置111。
[0050] 光源101发出所需的飞秒激光。电流镜103使飞秒激光按预定扫描音叉振子的腕部的头部而切削晶体。而且，作为进行调整飞秒激光束焦点的结构，该电流镜103的顶端设有fθ镜片103a。X、Y、Z台105能够载置晶片9，晶片9能够在X、Y、Z的3个方向上任意移动。振荡电路107依次探测晶片9上的各音叉状晶体片3使各音叉片振荡，同时，将音叉片的频率信号传达至频率测定器109。该振荡电路107的结构为能够相对晶片在Z方向上下移动。频率测定器109从振荡电路107的信号中读取音叉片的频率。控制装置111控制所述各要素103～109，通过飞秒激光进行音叉的频率调整。
[0051] 当然，该实验装置100仅仅是一实施例。本次的实验装置，使用电流镜扫描激光束，也可以使X、Y、Z台微动，用激光束加工晶片，使光线不是仅作为通过对物镜的扫描。 [0052] 并且，本次实验中，通过实验者将晶片9翻里作面，实施从晶片9的表里照射激光。 [0053] 另外，本次实验中，音叉状晶体片3上设有基板露出部8a、8b。该基板露出部8a、8b非必须，但因实验表明设置基板露出部8a、8b，向这里照射飞秒激光更易于进行激光加工(易于进行晶体切削)，所以优选设置基板露出部8a、8b，向这里照射飞秒激光。 [0054] 其次，在第2频率调整工序中，如上所述，从晶片9切割分离出各音叉状晶体片3，将音叉状晶体片3收容进表面安装容器6内。表面安装容器6的内壁台阶部7上固定安装有音叉状晶体片3的音叉基部1。并且，该实施方式中，与第1频率调整工序相同，用飞秒激光照射各个音叉状晶体片3，去除音叉上端主面的金属膜5a、5b，微调音叉型振子的振荡频率。
[0055] 根据所述频率调整方法，在使用飞秒激光Pf的第1频率调整工序中粗调频率，在调整频率时温度不会上升，能够在常温下标准内进行调整。此时，粗调的频率调整量，增多至大约数千～数万ppm，因为是通过飞秒激光进行调整，是在实际上没有温度影响的状态下调整的，能够减小相对标准的偏差(不达标率)。
[0056] 并且，本发明的音叉型振子的振荡频率的调整是，在音叉状晶体片3连结于晶片9的状态下进行的，所以容易确保各音叉状晶体片3的位置精度和被加工部的水平度，使加工性良好。另外，本发明中从音叉腕2a、2b的两主面侧切削，能够维持音叉状晶体片3的对称性并且能够维持音叉振荡良好。而且，与从音叉状晶体片3的一面切削的情况相比，能够增加晶体的切削量。结果，能够使得到的频率调整幅度宽，并且能够使单位加工时间内的频率变化量大。即能够使加工时间缩短。
[0057] 此外，特别是向音叉腕的主面斜射飞秒激光(超短脉冲激光)Pf而切削音叉腕，飞秒激光Pf透过音叉腕，不会因激光能造成损伤。
[0058] 并且，在第1频率调整工序(粗调)后，通过将分片的音叉状晶体片3收容进表面安装容器6内的第2频率调整工序进行微调，能够使微调时的频率调整量小。此情况下的调整量为，例如数十～数百ppm。即使调整量多的情况下，因为使用飞秒激光，激光Pf产生的热量小，能够在常温时将振动频率调整至标准内。
[0059] 所述本发明的实施方式中，在第1频率调整工序中从音叉腕2a、2b的两主面侧照射飞秒激光，但也可以只从音叉腕2a、2b的一主面侧照射飞秒激光。此情况下，能够使飞秒激光装置的配置结构等简化。在第2频率调整工序中用飞秒激光去除金属膜5a、5b，但也可以不切削金属膜5a，5b而切削晶体本身。由此，能够省略形成音叉头部的金属膜5a、5b的工序。
[0060] 另外，本发明中，在使用飞秒激光的第1频率调整工序中，从音叉腕2a、2b的两主面侧切削，但也可以从音叉腕的侧面侧切削。总之，只要能形成从围绕音叉腕2a、2b的外周面向头部前端面的斜面，就会得到同样的效果。并且，与现有方式相同用YAG激光、甚至用离子铣进行第2频率调整工序也可。
[0061] 产业上的可利用性
[0062] 本发明的音叉型晶体振子的频率调整方法，能够广泛适用于其他型式的晶体振子的频率调整。
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