一种石英晶体谐振器及其制造方法与流程

1.本发明涉谐振器制造技术领域，尤其是指一种石英晶体谐振器及其制造方法。


背景技术：

2.石英晶体谐振器是利用石英的压电效应而产生高精度振荡频率信号的被动电子器件，具有频率分布范围广、较强的物理化学稳定性和抗干扰能力，广泛应用于各类电子产品中。
3.现有技术中，传统“h”型音叉谐振器，在谐振器振动臂的两面开设凹槽，由于自身结构原因，贴近凹槽底部的激励电场方向不是水平的，从而导致整体的压电效率低。
4.因此，需要设计一种石英晶体谐振器及其制造方法，改变原有的结构，提高压电效率。


技术实现要素：

5.为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中谐振器振动臂激励电极的分布结构对电场的方向，压电效率低的问题。
6.为解决上述技术问题，本发明提供了一种石英晶体谐振器，包括振动部和基部，所述振动部呈音叉状，所述振动部包括第一振动臂和第二振动臂，所述第一振动臂与第二振动臂交接处与所述基部连接；所述第一振动臂与第二振动臂的端部均设置有调频部，所述第一振动臂与第二振动臂上对称设置有通孔，所述通孔在所述第一振动臂与第二振动臂上沿轴向阵列分布；且所述第一振动臂与第二振动臂上设置有激励电极。
7.在本发明的一个实施例中，所述通孔为方形孔，所述方形孔的宽度占所述第一振动臂与第二振动臂宽度的60％-90％。
8.在本发明的一个实施例中，所述通孔的形状包括但不限于：正方形、三角形、菱形和梯形，以及多种几何图形的组合。
9.在本发明的一个实施例中，所述振动部与基部连接处对称设置有缺口，所述缺口将振动部与基部分隔开。
10.在本发明的一个实施例中，所述第一振动臂与第二振动臂上对称设置有双排方孔，且所述双排方孔沿轴向阵列分布。
11.一种谐振器的制造方法，包括以下步骤：
12.(1)将石英晶体片的表面杂质清洗干净并烘干；
13.(2)在烘干后的石英晶体片表面蒸镀第一耐腐蚀金属膜；
14.(3)在第一耐腐蚀金属膜表面旋涂正性光刻胶；
15.(4)将光刻胶通过光刻、曝光和显影的步骤，暴露出音叉外形和方形孔所处区域的形貌；
16.(5)利用金属蚀刻液将暴露出的金属膜去除，得到暴露出石英的音叉外形和阵列的矩形孔图案；
17.(6)利用石英晶体蚀刻液将裸漏出音叉外形和方形孔结构蚀刻出来，得到最终带有方形孔的音叉形石英片；
18.(7)利用蒸镀的方法，在蚀刻后带有方形孔的音叉形的石英片表面蒸镀金属电极；
19.(8)利用有机溶液去除表面残留的正性光刻胶，利用金属蚀刻液将金属膜去除，剩下带隔离电极的音叉结构。
20.在本发明的一个实施例中，所述耐腐蚀金属膜为金属cr膜，与所述金属cr对应的金属蚀刻液为硝酸铈铵溶液和高氯酸的混合液。
21.在本发明的一个实施例中，所述金属电极为au/ni或au/ti。
22.在本发明的一个实施例中，去除所述光刻胶的有机溶剂为高纯度丙酮溶液。
23.在本发明的一个实施例中，得到所述带隔离电极的音叉形石英片后，在第一振动臂和第二振动臂远离基部的一端采用激光刻蚀的方式得到调频部，调节谐振器的频率。
24.本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
25.本发明所述的一种石英晶体谐振器及其制造方法，谐振器的外形设计成音叉状，且在振动臂上开设通孔。对比现有的谐振器，由于在振动臂上开设通孔，将激励电场的方向改为横向水平方向，具有高效的电场；其次，多个通孔阵列，激励电场的面积增大，降低了晶体阻抗ci值，进而提升了质量因子q值，提高了压电效率。
附图说明
26.为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
27.图1是本发明实施例一的结构示意图；
28.图2是本发明通孔横截面的电场示意图；
29.图3是h形音叉双面凹槽横截的电场示意图；
30.图4是本发明制作工艺流程图；
31.图5是本发明实施例二的结构示意图；
32.图6是本发明实施例三的结构示意图；
33.图7是本发明实施例四的结构示意图；
34.说明书附图标记说明：1、调频部；2、振动部；3、基部；4、电极；5、石英晶体片；6、耐腐蚀金属膜；7、正性光刻胶；21、第一振动臂；22、第二振动臂；23、方形孔；24、双排方形孔；25、双排长条孔；26、双排梯形孔。
具体实施方式
35.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
36.实施例一：
37.参照图1所示，本发明的结构示意图，包括振动部2和基部3，振动部2呈音叉状，振动部2包括第一振动臂21和第二振动臂22，第一振动臂21与第二振动臂22交接处与基部3连接；第一振动臂21与第二振动臂22的端部均设置有调频部1，第一振动臂21与第二振动臂22上对称设置有通孔，通孔在第一振动臂21与第二振动臂22上沿轴向阵列分布；第一振动臂
21与第二振动臂22上设置有激励电极4。
38.具体的，通过在第一振动臂21与第二振动臂22上开设通孔，将振动部2的两侧连通，相比相对开设凹槽的振动部2，整个振动部2的表面积增大，相对附着在表面的激励电极4的面积也增大，电场效率就高；其次，阵列通孔的结构，自身质量也相对较轻。
39.进一步的，通孔为方形孔23，方形孔23的宽度占第一振动臂21与第二振动臂22宽度的60％-90％，将通孔做成方形孔23，为保证整个谐振器结构的刚性，孔的大小不易过大，优选的，这里做成振动臂宽度的60％-90％，既保证了结构的刚性，又增大了通孔侧壁的面积。
40.具体的，参照图2-3所示，通过观察本发明方形孔23横截面电场的分布与双面凹槽振动臂横截面电场的分布图，可以看出，方形孔23的激励电场分布为横向水平方向，双面凹槽振动臂横截面电场的分布由于不是贯穿孔，电场在槽底与槽壁之间会有拐弯。将两者横截面的电场对比，可以得出，本发明方形孔23的结构具有更高效的电场，导致更好的压电效率。
41.进一步的，整个振动臂表面阵列形的通孔，使电极4具有较大的激励面积，使得音叉的动态电阻较小，进而提升质量因子q值，充分的降低晶体阻抗ci值。音叉驱动电流消耗小，电池电量消耗慢、使用时间长，更节能。
42.进一步的，本发明的结构简单，相比传统h型音叉谐振器结构，无需正反面对准光刻操作，避免了对光刻设备套刻精度的苛刻要求，以及多次光刻的多个步骤操作。本发明结构只需一面光刻，蚀刻出呈贯通方孔阵列分布的音叉结构。制备步骤简练，工艺简单，具有节约成本和时间的优势。
43.进一步的，本发明结构刚性高，稳定性好。振动臂带有贯通方孔阵列分布的、类似梯子状的结构，具有较好的刚性，不易破损。
44.进一步的，振动部2与基部3连接处对称设置有缺口，缺口将振动部2与基部3分隔开，具体的，缺口的设置，将振动部2与基部3之间的分隔，能够抑制振动臂的振动泄漏到基部3，影响振动的频率。
45.实施例二：
46.参照图5所示，本发明的另一种结构，在第一振动臂21与第二振动臂22上对称设置双排方形孔24，振动臂的横截面与实施例一相比，增加了两组，激励电极4的面积比实施例一的面积大，在激励电场的分布方面与实施例一中激励电场的分布一样，呈横向水平方向；其次更大的激励面积，有利于优化提升质量因子q的值，降低晶体阻抗ci的值。
47.实施例三：
48.参照图6所示，本发明的另一种结构，在第一振动臂21与第二振动臂22上对称设置双排长条孔25，振动臂的横截面与实施例二的横截面相同，所产生的激励电场分布与实施例二相同；相比实施例二双排方形孔24的分布，双排长条孔25的分布，由于两个孔之间的连接部分，能够增强刚性；其次整个长条孔的制作工艺相比多个孔的制作过程简单很多。
49.实施例四：
50.参照图7所示，本发明的另一种结构，在第一振动臂21与第二振动臂22上对称设置有中心对称的双排梯形孔26，双排梯形孔26的振动臂的横截面与双排方孔的横截面相同，则产生的激励电场与双排通孔的方向相同；进一步的，双排梯形孔26电极4的附着面积与双
排通孔也相等。
51.进一步的，通孔的形状包括但不限于：正方形、三角形、菱形和梯形，以及多种几何图形的组合；具体的，在振动臂上设置不同几何图形的通孔，其横截面的形状及电极4的分布，均能够产生横向水平的激励电场。因此，在本发明的基础上，对于振动臂上的通孔做出其他形式的变化，或者多种几何图形组合的通孔，均在本发明保护范围中。
52.参照图4所示，一种谐振器的制造方法，包括以下步骤：
53.(1)将石英晶体片5的表面杂质清洗干净并烘干；
54.(2)在烘干后的石英晶体片5表面蒸镀第一耐腐蚀金属膜6；
55.(3)在第一耐腐蚀金属膜6表面旋涂正性光刻胶7；
56.(4)将光刻胶通过光刻、曝光和显影的步骤，暴露出音叉外形和方形孔23所处区域的形貌；
57.(5)利用金属蚀刻液将暴露出的金属膜去除，得到暴露出石英的音叉外形和阵列的矩形孔图案；
58.(6)利用石英晶体蚀刻液将裸漏出音叉外形和方形孔23结构蚀刻出来，得到最终带有方形孔23的音叉形石英片；
59.(7)利用蒸镀的方法，在蚀刻后带有方形孔23的音叉形的石英片表面蒸镀金属电极4；
60.(8)利用有机溶液去除表面残留的正性光刻胶7，利用金属蚀刻液将金属膜去除，剩下带隔离电极4的音叉结构。
61.具体的，步骤(2)与步骤(7)均采用蒸镀的方法，是因为，蒸镀的成膜方法简单、薄膜纯度和致密性高；步骤(3)中采用旋涂的方法在金属膜外侧涂正性光刻胶7，能够涂抹的更均匀。
62.进一步的，耐腐蚀金属膜6为金属cr膜，与金属cr对应的金属蚀刻液为硝酸铈铵溶液和高氯酸的混合液。具体的，由于金属cr价格低，制造成本低，其次cr作为蚀刻的掩膜，可以得到高精度垂直石英蚀刻面，有利于石英音叉工作时频率的稳定。硝酸铈铵溶液和高氯酸的混合液为金属cr膜的蚀刻液，其配比浓度参照半导体工艺行业标准，为现有技术，在此不做详细叙述。对于耐腐蚀金属膜6我们也可以用ni-p膜，其蚀刻液为盐酸溶液，配比盐酸溶液的浓度为业内常用用于清洗ni-p合金膜的溶液，为现有技术。
63.进一步的，金属电极4为au/ni或au/ti；去除正性光刻胶7的有机溶剂为高纯度丙酮溶液；具体的，由于ni和ti粘附性较强，可以让au紧紧贴附在石英表面，稳定性高，延长电极4的使用寿命。采用高纯度丙酮溶液去除正性光刻胶7，可以将粘贴在金属膜外的正性光刻胶7清理干净，避免残留。
64.进一步的，在得到带隔离电极4的音叉形石英片后，在第一振动臂21和第二振动臂22远离基部3的一端采用激光刻蚀的方式得到调频部1，调节谐振器的频率；具体的，本发明在制作步骤上是将振动臂的振动频率做到低于目标频率，通过将振动部2顶部没有通孔的地方进行激光雕刻，将一部分石英去除，将振动部2的频率调至目标频率；其次，去除一部分石英，能过够减轻整个谐振器的质量。
65.综上，本发明通过在音叉形石英谐振器的振动臂上开设贯穿通孔，改变原有的双面凹槽横截面为“h”形的振动臂。其激励电场的分布全部为横向水平方向，该结构具有更高
效的电场，导致更好的压电效率，使得音叉谐振器具有优良的质量因子q值；本发明的电极4具有较大的激励面积，使得音叉的动态电阻较小，进而提升质量因子q值，充分的降低晶体阻抗ci值。音叉驱动电流消耗小，电池电量消耗慢、使用时间长，更节能；其次，本发明的结构具有较好的刚性，并且结构简单，通孔的蚀刻相比双面凹槽结构更容易实现，避免了对光刻设备套刻精度的苛刻要求。
66.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术特征：
1.一种石英晶体谐振器，其特征在于，包括振动部和基部，所述振动部呈音叉状，所述振动部包括第一振动臂和第二振动臂，所述第一振动臂与第二振动臂交接处与所述基部连接；所述第一振动臂与第二振动臂的端部均设置有调频部，所述第一振动臂与第二振动臂上对称设置有通孔，所述通孔在所述第一振动臂与第二振动臂上沿轴向阵列分布；且所述第一振动臂与第二振动臂上设置有激励电极。2.根据权利要求1所述的石英晶体谐振器，其特征在于：所述通孔为方形孔，所述方形孔的宽度占所述第一振动臂与第二振动臂宽度的60％-90％。3.根据权利要求1所述的石英晶体谐振器，其特征在于：所述振动部与基部连接处对称设置有缺口，所述缺口将振动部与基部分隔开。4.根据权利要求1所述的石英晶体谐振器，其特征在于：所述第一振动臂与第二振动臂上对称设置有双排方孔，且所述双排方孔沿轴向阵列分布。5.根据权利要求1所述的石英晶体谐振器，其特征在于：所述通孔的形状包括但不限于：正方形、三角形、菱形和梯形，以及多种几何图形的组合。6.一种谐振器的制造方法，包括权利要求1-5任意一项所述的石英晶体谐振器，其特征在于，包括以下步骤：(1)将石英晶体片的表面杂质清洗干净并烘干；(2)在烘干后的石英晶体片表面蒸镀耐腐蚀金属膜；(3)在耐腐蚀金属膜表面旋涂正性光刻胶；(4)将光刻胶通过光刻、曝光和显影的步骤，暴露出音叉外形和方形孔所处区域的形貌；(5)利用金属蚀刻液将暴露出的金属膜去除，得到暴露出石英的音叉外形和阵列的通孔图案；(6)利用石英晶体蚀刻液将裸漏出音叉外形和方形孔结构蚀刻出来，得到最终带有方形孔的音叉形石英片；(7)利用蒸镀的方法，在蚀刻后带有方形孔的音叉形的石英片表面蒸镀金属电极；(8)利用有机溶液去除表面残留的正性光刻胶，利用金属蚀刻液将金属膜去除，剩下带隔离电极的音叉结构。7.根据权利要求6所述的谐振器的制造方法，其特征在于：所述耐腐蚀金属膜为金属cr膜，与所述金属cr对应的金属蚀刻液为硝酸铈铵溶液和高氯酸的混合液。8.根据权利要求6所述的谐振器的制造方法，其特征在于：所述金属电极为au/ni或au/ti。9.根据权利要求6所述的谐振器的制造方法，其特征在于：去除所述光刻胶的有机溶剂为高纯度丙酮溶液。10.根据权利要求5所述的谐振器的制造方法，其特征在于：得到所述带隔离电极的音叉形石英片后，在第一振动臂和第二振动臂远离基部的一端采用激光刻蚀的方式得到调频部，调节谐振器的频率。

技术总结
本发明涉及一种石英晶体谐振器，包括振动部和基部，振动部呈音叉状，振动部包括第一振动臂和第二振动臂，第一振动臂与第二振动臂交接处与基部连接；第一振动臂与第二振动臂的端部均设置有调频部，第一振动臂与第二振动臂上对称设置有通孔，通孔在第一振动臂与第二振动臂上沿轴向阵列分布；第一振动臂与第二振动臂上设置有激励电极。本发明的结构相比现有技术，能够产生更多的横向水平方向的电场，电场效率高，有较好的压电效率，使谐振器有优良的质量因子Q值；其次方形孔的结构简单且刚性强，制造工艺简单，对蚀刻精度要求低。对蚀刻精度要求低。对蚀刻精度要求低。


技术研发人员：李京波 韩理想 谢亮 康俊
受保护的技术使用者：苏州亿波达光电子科技有限公司
技术研发日：2021.12.06
技术公布日：2022/3/8