專利名稱：包含電容器的壓電諧振單元的制作方法
技術領域：
本發明涉及包含靜電電容器的壓電諧振器，特別涉及包含電容器的壓電諧振單元，該單元具有限定電容器和空間的改進電極布局，使得壓電諧振器振動部分自由和不受阻礙地振動。
通常情況下，包含電容器的壓電諧振單元被廣泛用作壓電振動體。例如日本未經審查的專利申請公開No．7-94997揭示了如圖32所示包含電容器的壓電諧振單元201。在包含電容器的壓電諧振單元201中，介電基片203和204分別設置在壓電諧振單元202的上下表面。壓電諧振單元202利用屬于能量捕獲型振動模式的厚度垂直振動模式和厚度延伸滑移模式中的一種。振動空間205和206的排列使得壓電諧振單元202振動部分可以自由和不受阻礙地振動。在普通實例中，每個振動空間205和206由形成于介電基片203和204其中一個主表面內的凹面部分限定。
在諧振單元201中，電容器形成電極207-209設置在由堆疊的介電基片203-204限定的層狀體外表面上以限定電容。電容器形成電極208與接地電勢相連。電容器單獨位于電容器形成電極207(熱側)與208之間和電容器形成電極209(熱側)與208之間。
此外，日本未經審查的專利申請公開No．3-240311揭示了如圖33所示的包含電容器的壓電諧振單元211。在包含電容器的壓電諧振單元211中，介電基片213和214位于壓電諧振單元212的上下表面。在普通實例中，介電基片213和214分別經絕緣粘合層215和216單獨粘合在壓電諧振單元212上。振動空間217和218由各自的絕緣粘合層215與216內的開孔構成。與包含電容器的壓電諧振單元201一樣，在包含堆疊介電基片213和214的層狀體外表面上設置了包含電容器的電極219-221以限定電容。
在每個包含電容器的壓電諧振單元201和211中，電容經預設間隔G被單獨限定在過渡的電容器形成電極208和220(它們與接地電勢相連)與相對放置的電容器形成電極207和219之間以及經預設間隔G被單獨限定在過渡的電容器形成電極208和220與相對放置的電容器形成電極209和221之間。在這些情況下，每個電容器的靜電電容依賴于介電基片的相對介電常數、電容器形成電極之間的間隔G的尺寸和其他因素。
但是在上述包含電容器的壓電諧振單元201和211中，產生的問題是電容的靜電電容隨電容器形成電極208和220位置的變化而變化。
為了克服上述問題，本發明較佳實施例提供了包含電容器的壓電諧振單元，它使靜電電容的變化最小并且予以消除。
按照本發明的較佳實施例，包含電容器的壓電諧振單元包括能量捕獲型壓電諧振單元，它具有壓電板和單獨設置在壓電板兩個主表面部分上從而使得上下表面經壓電板相對的第一和第二振動電極。介電基片設置在至少一個壓電諧振單元表面上，振動空間被限定使得振動部分可以自由和不受阻礙地振動。第一電容器形成電極和第二電容器形成電極放置在介電基片上從而沿基本平行于介電基片主表面的方向經間隔G相對。當G’表示第二構成電容電極的端部與振動空間端部之間沿第一與第二電容器形成電極相對方向的距離時，至少滿足下列一個表達式G’／G≥1和G’／G≤-0．4。
如上所述，由于比率G’／G在所需范圍內，所以即使第一和第二電容器形成電極的位置變化，使比率G’／G落在特定范圍內可以使靜電電容的變化明顯減小。這在第二構成電容電極的位置變化時特別有效。因此借助這種獨特的構造，很容易獲得性能出色的包含電容器的壓電諧振單元。此外，由于無需改進構成電容電極的制造精度，所以極大提高了包含電容器的壓電諧振單元的生產率。
按照本發明的另一較佳實施例，包含電容器的壓電諧振單元包括能量捕獲型壓電諧振單元，它具有壓電板和單獨設置在壓電板兩個主表面部分上從而使得上下表面經壓電板相對的第一和第二振動電極。介電基片設置在至少一個壓電諧振單元表面上，振動空間被限定在其中，使得諧振單元的振動部分可以自由和不受阻礙地振動。介電層設置在壓電諧振單元與介電基片之間并且包括限定了至少一部分振動空間的開孔。當ε1表示介電基片的相對介電常數而ε2表示介電層的相對介電常數時，滿足ε2／ε1≤0．063的關系式。
如上所述，由于比率ε2／ε1在所需范圍內，所以即使第一和第二電容器形成電極的位置變化，使比率ε2／ε1落在所需范圍內可以使靜電電容的變化明顯減小。在第二構成電容電極的位置變化時特別有效。因此很容易獲得性能出色的包含電容器的壓電諧振單元。此外，由于無需改進構成電容電極的制造精度，所以極大提高了包含電容器的壓電諧振單元的生產率。
按照本發明的另一較佳實施例，包含電容器的壓電諧振單元包括能量捕獲型壓電諧振單元，它具有壓電板和單獨設置在壓電板兩個主表面部分上從而使得上下表面經壓電板相對的第一和第二振動電極。介電基片設置在至少一個壓電諧振單元表面上，振動空間被限定在其中，使得振動部分可以自由和不受阻礙地振動。介電層設置在壓電諧振單元與介電基片之間并且包括限定了至少一部分振動空間的開孔。第一和第二電容器形成電極放置在介電基片上，從而沿基本平行于介電基片主表面的方向相距間隔G。當G’表示第二構成電容電極的端部與振動空間端部之間沿第一和第二電容器形成電極相對的方向的距離，ε1表示介電基片的相對介電常數而ε2表示介電層的相對介電常數時，至少滿足下列一個表達式ε2／ε1＞0．063和G’／G＞0．2183log(ε2／ε1)+1．0682或者ε2／ε1＞0．063和G’／G≤-0．3756log(ε2／ε1)-0．5734。
按照上述獨特的構造，由于比率ε2／ε1和G’／G在所需范圍內，所以即使第一和第二電容器形成電極的位置變化，使比率G’／G落在特定范圍內可以使靜電電容的變化最小并予以消除。在第二構成電容電極的位置變化時特別有效。因此很容易獲得性能出色的包含電容器的壓電諧振單元。此外，由于無需改進構成電容電極的制造精度，所以極大提高了包含電容器的壓電諧振單元的生產率。
在上述包含電容器的壓電諧振單元內，可以放置一對第一電容器形成電極，從而沿一對第一電容器形成電極和第二構成電容電極相對的方向夾住第二構成電容電極以電學連接壓電諧振單元，并且第二構成電容電極與接地電勢相連。
按照上述獨特的構造，包含電容器的壓電諧振單元比較好的是三端子類型，其中一個端子與接地端相連。因此，提供的包含電容器的壓電諧振單元極大抑制了靜電電容的變化。
在本發明各種較佳實施例的包含電容器的壓電諧振單元中，介電基片可以放置在壓電諧振單元兩個主表面上，可靠地提供了振動空間。
上述獨特的構造使得交疊型包含電容器的壓電諧振單元能夠將靜電電容的變化減少到最小。
而且，上述包含電容器的壓電諧振單元可以進一步包括類似蓋子的外罩部件，其中介電基片大于壓電諧振單元，并且類似蓋子的外罩部件固定在介電基片上從而包含壓電諧振單元。
上述布局提供了蓋子型包含電容器的壓電諧振單元，它使靜電電容的變化最小。
此外，上述包含電容器的壓電諧振單元可以進一步包含大于介電基片和壓電諧振單元的外罩基片和限定壓電諧振單元和介電基片的類似蓋子的外罩部件，其中壓電諧振單元與介電基片交疊的結構固定在外罩基片上，并且類似蓋子的外罩部件粘合在外罩基片上。
上述構造還可以提供包含電容器的壓電諧振單元，消除并使靜電電容的變化最小，并具有穩定出色的性能。在這種情況下，包含電容器的壓電諧振單元包含了包括外罩基片和類似蓋子的外罩部件的封裝結構內的壓電諧振單元和介電基片限定的電容。
而且在上述包含電容器的壓電諧振單元中，可以使第一和第二電容器形成電極相隔預設間隔G相對放置在介電基片的外表面上。
在這種情況下，由于電容器形成電極比較好的是只形成于介電基片外表面之上，所以很容易形成電容器形成電極。
而且在上述包含電容器的壓電諧振單元中，第一和第二電容器形成電極中的至少一個可以位于介電基片內中等高度以限定內部電極。
在這種情況下，通過控制內部電極所在的位置，可以提供各種內置電容器，并且實現了具有高度防潮特性的包含電容器的壓電諧振單元。
而且，在上述包含電容器的壓電諧振單元內，可以在交疊在壓電諧振單元上的介電基片表面上放置第一和第二電容器形成電極中的至少一個。
在這種情況下，由于電容器形成電極可以只形成于介電基片的外表面上，所以可以很容易形成電容器形成電極。


圖1A和1B分別是按照本發明第一較佳實施例的包含電容器的壓電諧振單元的垂直剖視圖和本發明第一較佳實施例重要部分的局部放大剖面圖；圖2為按照本發明第一較佳實施例的包含電容器的壓電諧振單元外觀的透視圖；圖3為第一較佳實施例內包含的介電基片和壓電諧振單元的分解視圖；圖4為第一較佳實施例內包含的壓電諧振單元下表面上電極的底視圖；圖5A和5B為普通包含電容器的壓電諧振單元的局部剖視圖，每張圖示出了電容器形成電極位置改變時的電力線；圖6示出了本發明第一較佳實施例包含電容器的壓電諧振單元內比率G’／G變化時靜電電容的變化；圖7A-7D為用來解釋第二電容器形成電極位于圖1所示包含電容器的壓電諧振單元內不同位置時G與G’之間關系的局部剖面圖；圖8為按照本發明第一較佳實施例的包含電容器的壓電諧振單元改進實例的剖面圖；圖9A-9E為示出了按照本發明第一較佳實施例的包含電容器的壓電諧振單元改進實例的局部剖面圖；圖10A和10B分別是按照本發明第二較佳實施例的包含電容器的壓電諧振單元的分解透視圖和本發明第二較佳實施例外觀的透視圖；圖11為按照本發明第二較佳實施例的包含電容器的壓電諧振單元的垂直剖面圖；圖12A和12B分別是按照本發明第三較佳實施例的包含電容器的壓電諧振單元的分解透視圖和本發明第三較佳實施例外觀的透視圖；圖13為包含在本發明第三較佳實施例內的介電基片的垂直剖面圖；圖14為圖12所示本發明第三實施例的包含電容器的壓電諧振單元內構成電容電極與振動空間之間關系的局部剖面圖；圖15為圖13所示介電基片改進實例的垂直剖面圖；圖16A和16B分別是按照本發明第四較佳實施例的包含電容器的壓電諧振單元的分解透視圖和本發明第四較佳實施例外觀的透視圖；圖17為圖16A和16B所示包含電容器的壓電諧振單元的垂直剖面圖；圖18A和18B分別是按照本發明第五較佳實施例的包含電容器的壓電諧振單元的分解透視圖和本發明第五較佳實施例外觀的透視圖；圖19為圖18A和18B所示包含電容器的壓電諧振單元的垂直剖面圖；圖20為按照本發明第五較佳實施例的包含電容器的壓電諧振單元內比率G／G’與靜電電容之間關系的曲線圖；圖21為按照本發明第五較佳實施例的包含電容器的壓電諧振單元內比率G／G’與ε2／ε1之間關系的曲線圖；圖22A-22C為按照本發明第五較佳實施例的包含電容器的壓電諧振單元改進實例的局部剖面圖23為在按照本發明第五較佳實施例的包含電容器的正電諧振單元中形成如圖22A所示電容器形成電極時比率G／G’與靜電電容之間關系的曲線圖；圖24為在按照本發明第五較佳實施例中形成如圖22B所示電容器形成電極時比率G／G’與靜電電容之間關系的曲線圖；圖25為在按照本發明第五較佳實施例中形成如圖22C所示電容器形成電極時比率G／G’與靜電電容之間關系的曲線圖；圖26為按照本發明第五較佳實施例的包含電容器的壓電諧振單元改進實例的分解示意圖；圖27為圖26所示包含電容器的壓電諧振單元內重要部分的局部剖面圖；圖28為按照本發明第五較佳實施例的包含電容器的壓電諧振單元另一改進實例的分解示意圖；圖29為圖28所示包含電容器的壓電諧振單元內重要部分的局部剖面圖；圖30為按照本發明另一較佳實施例的包含電容器的壓電諧振單元改進實例的分解示意圖；圖31為按照本發明另一較佳實施例的包含電容器的壓電諧振單元的另一改進實例的分解示意圖；圖32為普通包含電容器的壓電諧振單元的剖面圖；以及圖33為另一普通的包含電容器的壓電諧振單元的剖面圖。
以下借助附圖描述本發明的較佳實施例。
圖1A是按照本發明第一較佳實施例的包含電容器的壓電諧振單元1的剖視圖，而圖1B為本發明第一較佳實施例重要部分的放大剖面圖。圖2為包含電容器的壓電諧振單元1外觀的透視圖。
在片型包含電容器的壓電諧振單元1內，介電基片3和4分別放置在板狀壓電諧振單元2的上下表面。
如圖3和4所示，壓電諧振單元2比較好的是包含基本為矩形的壓電板2a和諧振電極2b和2c。諧振電極2b和2c置成使得互相交疊，壓電板2a位于其間。諧振電極2b和2c互相交疊的部分限定了能量捕獲型振動部分。
壓電板2a由合適的壓電材料構成，例如諸如鈦酸鉛鋯基陶瓷之類的壓電陶瓷和諸如石英之類的壓電單晶材料。在第一實施例中，比較好的是采用壓電陶瓷構成諧振板2a。壓電陶瓷沿厚度方向極化，從而構成以厚度垂直振動模式振動的能量捕獲型壓電諧振單元2。
介電基片3和4的每一個比較好的是在內表面具有凹面部分。凹面部分單獨限定空間5和6，使得諧振單元振動部分的振動自由而不受阻礙。介電基片3和4利用絕緣粘合劑(未畫出)固定在壓電諧振單元2上。介電基片3和4由例如氧化鋁介電陶瓷構成。在這種情況下，比較好的是采用相對介電常數高的鈦酸鋇陶瓷或鈦酸鍶陶瓷在下述電容器形成電極之間獲得大的靜電電容。
如上所述，介電基片3和4分別放置在壓電諧振單元2的上下表面。但是按照本發明的較佳實施例，介電基片可以只形成于壓電諧振單元一個主表面上。
如圖1A所示，在包含電容器的壓電諧振單元1內，在包括介電基片3和4的層狀體外表面上提供第一電容器形成電極7和第二電容器形成電極8。如圖2所示，在層狀體的端部，第一電容器形成電極7排列為覆蓋上表面部分、一對側面部分和下表面部分。在縱向層狀體的中心附近，第二電容器形成電極8排列為圍繞上表面部分、一對側面部分和下表面部分。而且第二電容構成電極8排列為經介電基片3與振動空間5交疊。如圖1B所示，第一和第二電容構成電極7和8經間隔G相對。
按照本發明第一實施例的包含電容器的壓電諧振單元1具有如下特性。在這種結構中，G’代表振動空間5的端部5a與第二電容器形成電極8的端部8a之間沿第一構成電容電極7與第二電容器形成電極8相對的方向的距離。在這種情況下，G’與G之間關系用下列表達式表示G’／G≥1和G’／G≤-0．4。端部5a與端部8a限定為在端部5a為上述相對方向上振動空間5其中一個端部時，第二電容器形成電極8的端部8a(位于端部5a一側)限定了上述距離G’。
因此在包含電容器的壓電諧振單元1中，由于G’／G比率落在上述所需范圍內，所以形成于第一構成電容電極7與第二構成電容電極8之間的電容器的靜電電容的變化最小減少至±1％以下。考慮上述較佳實施例，以下借助圖5A、5B、6和7A-7D作詳細描述。
圖5A和5B為用來解釋靜電電容如何隨第二電容器形成電極208的位置變化而變化的局部剖面圖。
如圖5A和5B所示，在第一電容器形成電極207和第二電容器形成電極208放置在介電基片203的外表面上時，其間的電勢差導致電力線如實線A所示分布。這表明電力線受下振動空間205的影響。這表明根據位于下振動空間205之上的第二構成電容電極208與下振動空間205之間沿第一電容器形成電極207和第二電容器形成電極208相對的方向的位置變化，獲得的靜電電容發生了變化。
發明人發現基于上述原因，普通包含電容器的壓電諧振單元201和211(相關技術中描述)中的靜電電容是變化的。這激發了發明人研究本發明的各種較佳實施例。
按照上述發現，對于圖1所示包含電容器的壓電諧振單元1，發明人發現可以控制比率G’／G以將靜電電容的變化減小到最低程度。圖6示出了結果。
在圖6中，水平軸表示G’／G比率，而垂直軸表示第一電容器形成電極7和第二電容器形成電極8之間的靜電電容(相對值)。在曲線圖中，對于G’／G=1的情況，假定靜電電容為1．00，并且標出了相對G’／G=1時靜電電容的比值，即在G’／G比率不為1時，標為靜電電容(相對值)。
對于壓電諧振單元2的測量，采用尺寸大約為2．5mm×2．0mm×0．25mm(厚度)的等價壓電諧振單元。對于每個基本為圓形的諧振電極2b和2c，采用直徑大約為0．7mm的等價諧振電極。對于介電基片3和4，采用由鈦酸鋇基陶瓷構成的等價介電基片，其尺寸大約為2．5mm×2．0mm×0．40mm。
圖1B和7A-7D示出了各種G’／G比率下電容器形成電極與振動空間之間的位置關系。圖1B示出了G’G＞1時的關系。圖7A示出了G’／G=1時的關系。圖7B示出了G’／G＞0并且G’G＜1時的關系。圖7C示出了G’／G=0時的關系。圖7D示出了G’／G＜0(負數)時的關系。
如圖6所示，當G’／G≥1并且G’／G＜-0．4時，獲得的靜電電容非常穩定。因此布局具有上述關系G’／G≥1和G’／G≤-0．4的結構，可以提供消除和使靜電電容變化最小的包含電容器的壓電諧振單元1。
在上述情況下，由于下述原因，靜電電容的變化最小。在G’／G≥1的情況下，如圖1B所示，振動空間被排列為沿相對于第一和第二電容器形成電極7和8互相面對的區域兩側的上述相對方向延伸。在這種情況下，第一和第二電容器形成電極7和8之間獲得的靜電電容非常穩定，即靜電電容的變化最小。另一方面，在G’／G≤-0．4的情況下，如圖7D所示，由于振動空間5僅僅位于第二電容器形成電極8之下，所以第一和第二電容器形成電極7和8之間獲得的靜電電容的變化最小。
在本發明第一較佳實施例的包含電容器的壓電諧振單元1中，上述比率G’／G落在上述規定范圍內。因此，很容易提供消除和使靜電電容變化最小的包含負載電容器的壓電諧振器。例如，將包含電容器的壓電諧振單元1用作壓電振動體，大大減小了振蕩頻率的變化。
圖8為按照本發明第一較佳實施例的包含電容器的壓電諧振單元1的改進實例的剖面圖。
在改進的片式包含電容器的壓電諧振單元11中，第一電容器形成電極17a和17b以及第二電容器形成電極18排列為限定內部電極。外部電極12、13和14與第一電容器形成電極17a、第二電容器形成電極18和第一電容器形成電極17b分別電學相連。第二電容器形成電極18導向介電基片3的至少一側表面部分并且與外部電極13相連。
外部電極12和14的每一個排列為不僅延伸至包含負載電容器的壓電諧振單元11的端面部分，而且延伸至上表面、一對側面部分和下表面部分。在這種改進實例中，第一電容器形成電極17a和17b和第二電容構成電極18可以排列為限定內部電極。而且在這種情況下，通過確保G’／G比率落在本發明第一較佳實施例所述具體范圍內使靜電電容的變化最小。
另外，如圖9A-9E所示，第一和第二電容器形成電極7和8可以位于介電基片3的各種高度上。在圖9A所示的實例中，第一電容器形成電極7c排列為限定介電基片3內中等高度上的內部電極，并且第一電容器形成電極7c的端部暴露在振動空間5內。第二電容器形成電極8b位于介電基片3凹面部分的內表面從而限定振動空間5的表面。
在圖9B所示的實例中，除了第二電容器形成電極8c設置于介電基片3上表面部分以外與圖9A的相同。如圖9C所示，第一電容器形成電極7d或第二電容器形成電極8d可以是位于介電基片3不同高度上的內部電極。而且如圖9D所示，第一電容器形成電極7可以位于介電基片3的上表面，并且第二電容器形成電極8b可以位于介電基片3的凹面部分內從而暴露在振動空間5內。而且如圖9E所示，第一電容器形成電極7e和7f可以經介電基片層交疊，同樣，第二電容器形成電極8e和8f可以經介電基片層交疊。
參見圖10A、10B和11，描述了按照本發明第二較佳實施例的包含電容器的壓電諧振單元21。
第二較佳實施例的包含電容器的壓電諧振單元21具有的封裝包括比較好的由介電材料制成的基本為矩形的外罩基片23和比較好的是由介電材料制成并且具有向下開口的蓋子24。封裝存儲壓電諧振單元22。
壓電諧振單元22構造為諧振電極22b位于基本為矩形的壓電板22a的上表面，并且諧振電極位于下表面上從而經縱向中心附近的壓電板22a與諧振電極22b相對。由于壓電板22a沿縱向極化，所以壓電諧振單元22是能量捕獲型諧振器，以厚度延伸滑移模式振動。
作為外罩基片23和蓋子24的材料，可以選擇采用合適的介電材料，例如氧化鋁介電陶瓷和樹脂。在外罩基片23上，端電極23a-23c的每一個排列為圍繞上表面部分、一對側面部分和下表面部分。壓電諧振單元22的諧振電極22b經導電粘合劑25a與端電極23a電學相連。壓電諧振單元2的其他諧振電極經導電粘合劑25b與端電極23c電學相連。雖然圖10不是很清楚，但是如圖11所示，諧振電極22b排列為從壓電板22a的上表面經側面部分延伸至下表面部分。因此諧振電極22b的下部與導電粘合劑25a電學相連。
蓋子24具有排列為在上表面部分延伸至一對側面部分的外部電極26-28。利用絕緣粘合劑(未畫出)將蓋子24粘附在外罩基片23上。
在第二較佳實施例中，第一電容器形成電極29a和29b以及第二電容器形成電極29c由外部電極26-28和端電極23a-23c限定。具體而言，如圖10B所示，第一電容器形成電極29a通過將外部電極26與端電極23a互相電學連接起來限定。其他第一電容器形成電極29b通過將外部電極28與端電極23c互相電學連接起來限定。第二電容器形成電極29c通過將外部電極27與端電極23b互相連接起來限定。
如圖11所示，在第二較佳實施例中，外罩基片23和蓋子24排列為限定振動空間30，使得壓電諧振單元22能夠自由和不受阻礙地振動。因此與第一較佳實施例類似，在第一電容器形成電極29a和29b其中一個與第二電容器形成電極29c之間的相對距離用G表示，并且沿上述第二電容器形成電極29c的端部與振動空間30的端部30a之間的相對方向的尺寸(距離)用G’表示時，滿足下列表達式G’／G≥1。因此靜電電容的變化最小。
以下描述本發明的第三較佳實施例。
圖12A和12B分別是按照本發明第三較佳實施例的包含電容器的壓電諧振單元31的分解透視圖和外觀透視圖。
在包含電容器的壓電諧振單元31中，壓電諧振單元22經導電粘合劑33a和33b位于基本為矩形的介電基片32上。介電基片32在上表面中心附近具有凹面部分32a并且用來形成電容器。
如圖13的剖面圖所示，在介電基片32的相對端部內提供了第一電容器形成電極34和35。第一電容器形成電極34和35中的一個位于介電基片32的一個端部，從而從上表面部分經側面部分延伸至下表面部分。同樣，在其他側面部分提供其他第一電容器形成電極35。第二電容器形成電極36位于介電基片32下表面的中間。因此在第三實施例中，電容被單獨形成于第一與第二電容器形成電極34與36之間和第一與第二電容器形成電極35與36之間。
在壓電諧振單元22被交疊的情況下，介電基片32的凹面部分32a限定了振動空間，從而使壓電諧振單元22可以自由和不受阻礙地振動。
第三較佳實施例具有大于壓電諧振單元22的外罩基片37。通過交疊介電基片32與壓電諧振單元22形成的層狀體經導電粘合劑38a-38c粘合到外罩基片37上。而且在外罩基片37上提供了端電極39a-39c。端電極39a、39b和39c分別經導電粘合劑38a、38b和38c電學連接到電容器形成電極34、36和35上。絕緣蓋子40經絕緣粘合劑(未畫出)固定在外罩基片37上，從而限定壓電諧振單元22和介電基片32。
而且在上述第三較佳實施例中，如圖14的局部剖面圖所示，當振動空間41的端部41a與第二構成電容電極36的端部36a之間的尺寸用G’表示，并且第一電容器形成電極34的端部與第二電容器形成電極36之間間隔用G表示時，比率G’／G具有與第一較佳實施例相同的數值。因此靜電電容的變化最小。
對于介電基片32，在下表面上比較好地提供了第一和第二電容器形成電極34-36。但是構造可以如圖15所示。在圖15中，第一和第二電容器形成電極34a和35a以及第二電容器形成電極36a單獨位于介電基片32的中間高度上以限定內部電極。在該實例中，第二電容器形成電極36a經通孔電極41與位于介電基片32的下表面部分的連接電極42電學相連。
而且在該實例中，第一電容器形成電極34a和35a導向介電基片32的每個端部。因此第一電容器形成電極34a和35a與各個外部電極43和44電學連接，外部電極覆蓋介電基片32的端面部分并延伸至下表面部分。
以下描述本發明的第四較佳實施例。
圖16A和16B分別是按照本發明第四較佳實施例的包含電容器的壓電諧振單元51的分解透視圖和外觀透視圖。
在包含電容器的壓電諧振單元51中，介電基片53和54分別經絕緣粘合劑(未畫出)交疊在壓電諧振單元52的上表面和下表面。壓電諧振單元52是以厚度垂直振動模式振動的能量捕獲型。
如圖16B所示，在包含電容器的壓電諧振單元51中，第一和第二電容器形成電極55和56位于層狀體的兩個端部。第一和第二電容器形成電極55和56排列為圍繞層狀體的上表面部分、一對側面部分和下表面部分。如圖16A所示，第二電容器形成電極56與諧振電極52a電學相連。放置在壓電諧振單元52下表面部分的諧振電極(未畫出)與第一電容器形成電極55電學相連。
因此，壓電諧振器和電容器并聯在第一和第二電容器形成電極55和56之間。此外，第一和第二電容器形成電極55和56還相當于與外部單元電學連接的端電極。
在第四較佳實施例中，如圖17所示，第一和第二電容器形成電極55和56相隔間隔G。因此在G’代表沿第二電容器形成電極56的端部和振動空間57的端部57a的方向上的尺寸時，結構使得G’／G比率落在上述具體范圍內。因此，靜電電容的變化最小。
以下描述本發明的第五較佳實施例。
圖18A和18B分別是按照本發明第五較佳實施例的包含電容器的壓電諧振單元61的分解透視圖和外觀透視圖。
在包含電容器的壓電諧振單元61中，介電基片65和66分別經介電層63和64疊蓋在壓電諧振單元62的上表面和下表面。介電層63具有開口63a而介電層64具有開口64a。介電層63和64排列為限定振動空間，從而使得能量捕獲振動部分自由和不受阻礙地振動。
壓電諧振單元62的結構與按照第一較佳實施例的包含電容器的壓電諧振單元1的壓電諧振單元2類似。介電層63和64比較好的是由合適的介電材料制成，例如樹脂或絕緣陶瓷。
壓電諧振單元62、介電層63、介電層64、介電基片65和介電基片66利用粘合劑(未畫出)互相粘合并且交疊。而且第一電容器的電極67和68以及第二電容器的電極69設置在包含電容器的壓電諧振單元61的外表面。電容器的電極67-69的每一個排列為圍繞上表面部分、一對側面部分和下表面部分。
如圖19所示，介電層63的開口63a限定了振動空間70而開口64a限定了振動空間71。而且在較佳實施例中，如圖19所示，第一電容器形成電極67和第二電容器形成電極69互相面對的距離用G表示，而沿著振動空間70端部與第二電容器形成電極69端部相互面對方向的距離用G’表示。
在第五較佳實施例中，構成外罩基片65和66(介電基片)的介電材料的相對介電常數用ε1表示，而構成介電層63和64的介電材料的相對介電常數用ε2表示。當結構滿足ε2／ε1≤0．063時，不管比率G’／G如何，可以減少靜電電容的變化。
以下借助圖20、21、22A-22C、23和24作詳細描述。
發明人改變了包含電容器的壓電諧振單元61內的比率ε2／ε1和比率G’／G并且評估了獲得的靜電電容。結果示于圖20中。在圖20中，水平軸代表G’／G比率，而垂直軸代表靜電電容(相對值)。靜電電容(相對值)表示相對1．00的靜電電容值的比率(假定G’／G=1．00，而ε2／ε1=1．00)。對于壓電諧振單元62，采用產生圖6所示結果的同一壓電諧振單元。對于介電基片65和66，采用尺寸大約為2．5mm×2．0mm×0．30mm(厚度)的基本為矩形并且由鈦酸鍶基陶瓷構成的基片部件。每個介電層63和64具有近似的尺寸2．5mm×2．0mm×0．05mm，并且采用環氧樹脂作為材料。
如圖20所示，靜電電容在ε2／ε1=1．0以外的區域也是穩定的。由此，對于各種ε2／ε1比率，選擇在靜電電容穩定的區域內產生極限值的比率G’／G并且檢驗相對ε2／ε1比率的關系。圖21示出了結果。
在圖21中，對角陰影線區域表示靜電電容穩定區域。這表明作為對數函數，ε2／ε1比率(=Y)和G’／G比率可以互相靠近。而且在ε2／ε1=0．063時，逼近曲線C和D相互交疊。這表明在ε2／ε1≤0．063時，G’／G比率的變化對靜電電容幾乎沒有影響。
因此在結構為介電層63和64分別交疊在介電基片65和66的包含電容器的壓電諧振單元61內，無論G’／G比率變化如何，滿足ε2／ε1≤0．063的結構可以在每個第一電容器形成電極67和68與第二電容器形成電極69之間形成高精度靜電電容器。
在這種結構中，對于介電層63和64，可以通過集成烘干處理制備集成單元。另外，介電層63和64的分離部件可以分別粘合至介電基片65和66。
在圖18所示的第五較佳實施例中，電容器形成電極67、68和69設置在包含電容器的壓電諧振單元61的外表面上。但是如圖22A-22C所示，它們的形成方式不同。例如第一電容器形成電極67和68可以位于外罩基片65(介電基片)的下表面部分。另外，第一電容器形成電極67和68中至少一個可以位于外罩基片65的上表面部分或下表面部分。另外，電容器形成電極67、68和69中的至少一個可以是在介電層63和／或介電層64內形成的內部電極。另外，電容器形成電極67、68和69中的至少一個可以是位于介電基片65和／或介電基片66內中間高度的內部電極。
圖23-25示出了在電容器形成電極如圖22A-22C所示排列在包含電容器的壓電諧振單元61內時G’／G比率與獲得的靜電電容的關系。例如，圖23示出了電容器形成電極如圖22A所示排列時G’／G比率與靜電電容的關系。在圖中，實線E表示ε2／ε1=1．00時的關系，而實線F表示ε2／ε1=0．025時的關系。同樣，在圖24和25中，實線G和I以及實線H和J分別表示ε2／ε1=1．00和ε2／ε1=0．025時的關系。
由圖23-25可見，根據電容器形成電極67-69的布局類型，靜電電容變化區域的變化程度發生一定的變化。但是，代表靜電電容穩定區域與靜電電容變化區域之間閾值的G’／G比率幾乎不變化。
圖21示出了1≤ε2／ε1≤0．063的情況，比較好的是使得結構滿足其中一個表達式G’／G＞0．2183log(ε2／ε1)+1．0682或G’／G≤-0．3756log(ε2／ε1)-0．5734。比較好的結構產生具有較高精度的靜電電容。
如上所述，第五較佳實施例的包含電容器的壓電諧振單元61具有交疊結構，其中介電基片65和66經介電層63和64交疊在板狀壓電諧振單元62上。但是按照本發明各種較佳實施例的包含電容器的壓電諧振單元并不局限于交疊型。
圖26-31示出了按照本發明第五較佳實施例的壓電諧振單元的改進實例。
在圖26所示的片型壓電諧振單元81中，利用厚度延伸滑移模式的能量捕獲壓電諧振單元82存儲在封裝內。封裝比較好的是包括開口83a向上的外罩部件83、具有開口84a的框架狀介電層84和介電基片85。壓電諧振單元82經導電粘合劑86和87粘附在外罩部件83上，并且還與端電極電學連接。在封裝的組裝狀態下，第一電容器形成電極88和90以及第二電容器形成電極89設置在壓電諧振單元81的外表面。
而且在改進的結構中，與第五較佳實施例類似，ε2／ε1比率的控制使得可以在第一和第二電容器形成電極88和89之間以及第二與第一電容器形成電極89與90之間形成高精度電容。如圖27所示，振動空間由介電層84的開口84a形成。在這種結構中，當ε1表示限定介電層84的介電材料的相對介電常數而ε2表示限定介電基片85的介電材料的相對介電常數時，與第五較佳實施例中一樣控制ε2／ε1比率。因此靜電電容的變化最小。
同樣，在圖28所示的片型壓電諧振單元91中，提供了利用厚度延伸滑移模式的能量捕獲壓電諧振單元92，并且具有介電基片94的電容單元95經導電粘合劑93a和93b疊蓋在諧振電極92上。在圖中，100表示外罩基片，101表示蓋子。
使得壓電諧振單元92可以自由和不受阻礙地振動的空間由導電粘合劑93a與93b之間的空間限定。因此，通過使結構具有圖29所示使G’／G比率落在與第一較佳實施例同一范圍內的尺寸G和G’，靜電電容的變化最小。電容器形成電極97-99比較好的是設置在介電基片94的下表面部分。
在上述第一-第五較佳實施例中，以三端型包含電容器的壓電諧振單元為例作了描述。但是本發明還可以應用于兩端型包含電容器的壓電諧振單元。圖30為兩端包含電容器的壓電諧振單元實例的分解透視圖。兩端型包含電容器的壓電諧振單元具有板狀能量捕獲壓電諧振單元102。在壓電諧振單元102的上表面部分下表面部分，介電基片105和106經框狀介電基片103和104疊加。介電層103和104具有開口103a和104a。電容器限定在電容器形成電極107和108之間。至少滿足按照第一較佳實施例的G’／G比率或者按照第五實施例的ε2／ε1比率。因此，上述靜電電容具有極高的精度。
如圖31所示，可以采用基本為矩形的開口103a和104a的介電層。另外，在圖30和31所示包含電容器的壓電諧振單元中，可以在外罩基片105和106的內表面上形成凹面部分代之以具有開口的介電層103和104。
雖然本發明借助較佳實施例描述了本發明，但是本發明的精神和范圍由所附權利要求限定。
權利要求
1．一種包含電容器的壓電諧振單元，其特征在于包含能量捕獲型壓電諧振單元，它具有壓電板和設置在壓電板兩個主表面部分上從而使得上下表面經壓電板相對的第一和第二振動電極；設置在至少一個壓電諧振單元表面上的介電基片，振動空間被限定在其中，使得諧振單元的振動部分可以自由和不受阻礙地振動；第一電容器形成電極和第二電容器形成電極，放置在介電基片上從而沿基本平行于介電基片主表面的方向相距間隔G相對；其中當G’表示第二構成電容電極的端部與振動空間的端部之間沿第一和第二構成電容電極相對方向的距離時，至少滿足下列一個表達式G’／G≥1和G’／G≤-0．4。
2．如權利要求1所述的包含電容器的壓電諧振單元，其特征在于放置一對第一電容器形成電極，從而沿一對第一和第二構成電容電極相對的方向夾住第二構成電容電極并電學連接壓電諧振單元，并且第二構成電容電極與接地電勢相連。
3．如權利要求1所述的包含電容器的壓電諧振單元，其特征在于介電基片放置在壓電諧振單元兩個主表面上而確保了振動空間。
4．如權利要求1所述的包含電容器的壓電諧振單元，其特征在于進一步包括外罩部件，其中介電基片大于壓電諧振單元，并且外罩部件固定在介電基片上從而限定壓電諧振單元。
5．如權利要求1所述包含電容器的壓電諧振單元，其特征在于進一步包含大于介電基片和壓電諧振單元的外罩基片和限定壓電諧振單元和介電基片的外罩部件，其中設置壓電諧振單元與介電基片的結構固定在外罩基片上，并且外罩部件裝在外罩基片上。
6．如權利要求1所述的包含電容器的壓電諧振單元，其特征在于第一和第二電容器形成電極相隔預設間隔G相對放置在介電基片的外表面上。
7．如權利要求1所述的包含電容器的壓電諧振單元，其特征在于第一和第二電容器形成電極中的至少一個位于介電基片內中等高度以限定內部電極。
8．如權利要求1所述的包含電容器的壓電諧振單元，其特征在于在壓電諧振單元上設置介電基片一側的介電基片表面上放置第一和第二電容器形成電極中的至少一個。
9．一種包含電容器的壓電諧振單元，其特征在于包括能量捕獲型壓電諧振單元，它具有壓電板和設置在壓電板兩個主表面部分上從而使得上下表面經壓電板相對的第一和第二振動電極；設置在至少一個壓電諧振單元表面上的介電基片，振動空間被限定在其中，使得諧振單元的振動部分可以自由和不受阻礙地振動；及設置在壓電諧振單元與介電基片之間并且包括形成至少一部分振動空間的開孔的介電層；其中當ε1表示介電基片的相對介電常數而ε2表示介電層的相對介電常數時，滿足ε2／ε1≤0．063的關系式。
10．如權利要求9所述的包含電容器的壓電諧振單元，其特征在于放置一對第一電容器形成電極，從而沿一對第一電容器形成電極和第二構成電容電極相對的方向夾住第二構成電容電極而以電學連接壓電諧振單元，并且第二構成電容電極與接地電勢相連。
11．如權利要求9所述的包含電容器的壓電諧振單元，其特征在于介電基片放置在壓電諧振單元兩個主表面上而確保了振動空間。
12．如權利要求9所述的包含電容器的壓電諧振單元，其特征在于進一步包括外罩部件，其中介電基片大于壓電諧振單元，并且外罩部件固定在介電基片上，從而限定壓電諧振單元。
13．如權利要求9所述包含電容器的壓電諧振單元，其特征在于進一步包含大于介電基片和壓電諧振單元的外罩基片和限定壓電諧振單元和介電基片的外罩部件，其中設置壓電諧振單元與介電基片的結構固定在外罩基片上，并且外罩部件裝在外罩基片上。
14．如權利要求9所述的包含電容器的壓電諧振單元，其特征在于第一和第二電容器形成電極相隔預設間隔G相對放置在介電基片的外表面上。
15．如權利要求9所述的包含電容器的壓電諧振單元，其特征在于第一和第二電容器形成電極中的至少一個位于介電基片內中等高度以限定內部電極。
16．如權利要求9所述的包含電容器的壓電諧振單元，其特征在于在壓電諧振單元上設置介電基片一側的介電基片表面上放置第一和第二電容器形成電極中的至少一個。
17．一種包含電容器的壓電諧振單元，其特征在于包含能量捕獲型壓電諧振單元，它具有壓電板和設置在壓電板兩個主表面部分上從而使得上下表面經壓電板相對的第一和第二振動電極；設置在至少一個壓電諧振單元表面上的介電基片，振動空間被限定在其中，使得諧振單元的振動部分可以自由和不受阻礙地振動；設置在壓電諧振單元與介電基片之間并且包括形成至少一部分振動空間的開孔的介電層；及第一和第二電容器形成電極放置在介電基片上，從而沿基本平行于介電基片主表面的方向相距間隔G；其中當G’表示第二構成電容電極的端部與振動空間的端之間沿第一和第二構成電容電極相對方向的距離，ε1表示介電基片的相對介電常數而ε2表示介電層的相對介電常數時，至少滿足下列一個表達式ε2／ε1＞0．063和G’／G＞0．2183log(ε2／ε1)+1．0682或者ε2／ε1＞0．063和G’／G≤-0．3756log(ε2／ε1)-0．5734。
18．如權利要求17所述的包含電容器的壓電諧振單元，其特征在于放置一對第一電容器形成電極，從而沿一對第一電容器形成電極和第二構成電容電極相對的方向夾住第二構成電容電極而以電學連接壓電諧振單元，并且第二構成電容電極與接地電勢相連。
19．如權利要求17所述的包含電容器的壓電諧振單元，其特征在于介電基片放置在壓電諧振單元兩個主表面上而確保了振動空間。
20．如權利要求17所述的包含電容器的壓電諧振單元，其特征在于進一步包括外罩部件，其中介電基片大于壓電諧振單元，并且外罩部件固定在介電基片上，從而限定壓電諧振單元。
21．如權利要求17所述包含電容器的壓電諧振單元，其特征在于進一步包含大于介電基片和壓電諧振單元的外罩基片和限定壓電諧振單元和介電基片的外罩部件，其中設置壓電諧振單元與介電基片的結構固定在外罩基片上，并且外罩部件裝在外罩基片上。
22．如權利要求17所述的包含電容器的壓電諧振單元，其特征在于第一和第二電容器形成電極相隔預設間隔G相對放置在介電基片的外表面上。
23．如權利要求17所述的包含電容器的壓電諧振單元，其特征在于第一和第二電容器形成電極中的至少一個位于介電基片內中等高度以限定內部電極。
24．如權利要求17所述的包含電容器的壓電諧振單元，其特征在于在交疊在壓電諧振單元上設置介電基片一側的介電基片表面上放置第一和第二電容器形成電極中的至少一個。
全文摘要
一種包含電容器的壓電諧振單元,包括能量捕獲型壓電諧振單元,它具有壓電板和單獨設置在壓電板兩個主表面部分上的第一和第二振動電極。介電基片設置在至少一個壓電諧振單元表面上,振動空間被限定。第一和第二電容器形成電極放置在介電基片上,從而沿基本平行于介電基片主表面的方向相距間隔G。當G'表示第二構成電容電極的端部與振動空間端部之間的距離時,滿足下列一個表達式:G’/G≥>1和G’/G≤－0.4。
文檔編號H03H9/125GK1293487SQ0013175
公開日2001年5月2日 申請日期2000年10月13日 優先權日1999年10月15日
發明者輪島正哉 申請人:株式會社村田制作所