JP2005331485A - 圧電素子および電気機械変換装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 圧電膜の材料組成や結晶構造、切り出し形状等によらずに圧電素子の特性を向上させる。
【解決手段】 電気機械変換装置1を構成する圧電素子2を、支持体4と一体として形成された基板5上に、第1電極14と、圧電膜15と、第2電極16とが積層形成された構成とし、第1電極14と第2電極16との間に電圧が印加されず、かつ動的外力が与えられない初期静止状態で、第2電極16側で凹をなす湾曲面形状を有して形成する。
【選択図】 図1
【解決手段】 電気機械変換装置1を構成する圧電素子2を、支持体4と一体として形成された基板5上に、第1電極14と、圧電膜15と、第2電極16とが積層形成された構成とし、第1電極14と第2電極16との間に電圧が印加されず、かつ動的外力が与えられない初期静止状態で、第2電極16側で凹をなす湾曲面形状を有して形成する。
【選択図】 図1
Description
本発明は、圧電素子および電気機械変換装置に関わる。
圧電素子は、例えば変位、ひずみ、応力、加速等の力学量を電気信号に変換する機能、あるいは電気信号を力学量に変換する機能を有し、その感度がすぐれていることから、各種電気機械変換装置に広く用いられる方向にある。
この電気機械変換装置としては、例えばカメラにおける手ぶれ防止の振動検出を行うジャイロセンサ、あるいは光ディスク等の光記録媒体に対する光記録再生装置における対物レンズや、磁気記録媒体に対する磁気ヘッド等の微小移動調整を行うアクチュエータ等がある。
また、近年、MEMS(Micro-Electro-Mechanical-System)技術の目覚しい発展により、電気機械変換装置の小型化、高精度化とともに、より高い電気機械変換効率を有する圧電素子の必要性が高まっている。
このため、高い圧電効率を有する圧電素子として、種々の提案がなされている。しかし従前において提案されている圧電素子は、圧電膜自体の構成、例えば膜組成、結晶構造、切り出し形状等の選定によるものであり(例えば特許文献1参照)、電気変換効率の改善に限界が生じてきている。
特開平7−113643号公報
そこで、昨今のより高い圧電効率の要求に対し、上述したような材料組成や結晶構造の特定等による圧電効率を高める手法以外の圧電効率の向上の手法が求められている。
これに対し、本発明者は、同一の材料組成、結晶構造及び同一の切り出し形状をもって圧電素子を構成した場合においても、圧電特性に個体差が生じることを見出し、これによって圧電効率の向上を図ることができる圧電素子と、この圧電素子による圧電装置、電気機械変換装置を提供するに至ったものである。
本発明は、圧電素子および電気機械変換装置における上述の諸問題の解決を図るものである。
本発明による圧電素子は、基板上に、第1電極と、圧電膜と、第2電極とが積層形成されて成り、上記第1電極及び第2電極間に電圧が印加されず、かつ動的外力が与えられない初期静止状態で、上記第2電極側で凹をなす湾曲面形状とされたことを特徴とする。
また、本発明は、上記圧電素子において、上記圧電膜上に、上記第2電極とは別に、少なくとも2つ以上の電極が形成されて成ることを特徴とする。
また、本発明は、上記圧電素子において、上記基板が単結晶Si(シリコン)より成ることを特徴とする。
また、本発明は、上記圧電素子において、上記基板の表面に、酸化膜及び窒化膜の少なくとも一方が形成されたことを特徴とする。
また、本発明は、上記圧電素子において、上記圧電膜が、鉛(Pb)、ジルコニウム(Zr)、チタニウム(Ti)、及び酸素(O)を含有することを特徴とする。
また、本発明は、上記圧電素子において、上記電極が、白金(Pt)を含有することを特徴とする。
本発明による電気機械変換装置は、圧電素子と、これを支持する支持体とを有し、上記圧電素子は、基板上に、第1電極と、圧電膜と、第2電極とが積層形成されて成り、上記支持体は、開口部を有し、該開口部の開口周縁から開口内に向けて上記圧電素子が突出形成されて成り、上記圧電素子が、上記第1電極及び第2電極間に電圧が印加されず、かつ動的外力が与えられない初期静止状態で、上記第2電極側で凹をなす湾曲面形状とされたことを特徴とする。
また、本発明は、上記電気機械変換装置において、上記圧電素子が、音片形の片もち梁形状であることを特徴とする。
また、本発明は、上記電気機械変換装置において、上記圧電膜上に、上記第2電極とは別に、少なくとも2つ以上の電極が形成されて成ることを特徴とする。
また、本発明は、上記電気機械変換装置において、上記基板が単結晶Si(シリコン)より成ることを特徴とする。
また、本発明は、上記電気機械変換装置において、上記基板の表面に、酸化膜及び窒化膜の少なくとも一方が形成されたことを特徴とする。
また、本発明は、上記電気機械変換装置において、上記圧電膜が、鉛(Pb)、ジルコニウム(Zr)、チタニウム(Ti)、及び酸素(O)を含有することを特徴とする。
また、本発明は、上記電気機械変換装置において、上記電極が、白金(Pt)を含有することを特徴とする。
上述したように、本発明においては、圧電素子の湾曲形状という、従来の切り出し形状の選定とは異なる形状特定によって圧電素子ないし電気機械変換装置の圧電効率を高めるものであり、従前における圧電膜自体の材料組成や結晶構造、切り出し形状等の選定による圧電効率の改善とは全く異なる要素を見出したことによって、この形状特定により、圧電効率をより向上させることができる。
したがって、圧電素子を具備する電気機械変換装置の感度向上や特性改善を、例えば従前用いられてきた上述の選定と併用することにより、相乗的効果によってより高い圧電効率を有する圧電素子を構成することができるものである。
したがって、圧電素子を具備する電気機械変換装置の感度向上や特性改善を、例えば従前用いられてきた上述の選定と併用することにより、相乗的効果によってより高い圧電効率を有する圧電素子を構成することができるものである。
さらに、この構成による圧電素子を用いた電気機械変換装置によれば、その目的とする高い電気機械変換効率、すなわち電気量から機械量への変換、機械量から電気量変換の仕事がなされ、例えばジャイロセンサやアクチュエータ等を構成することができるものである。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態例を説明するが、本発明は、この実施の形態例に限られるものでない。
図1を参照して本発明による圧電素子を具備する本発明による電気機械変換装置として、ジャイロセンサに適用した実施の形態例を説明する。
図1Aは、本発明による圧電素子2を具備するジャイロセンサを構成、する電気機械変換装置1の概略斜視図を示す。また、図1B及び図1Cは、図1AにおけるY−Y´及びX−X´面の概略断面図を示す。
図1Aは、本発明による圧電素子2を具備するジャイロセンサを構成、する電気機械変換装置1の概略斜視図を示す。また、図1B及び図1Cは、図1AにおけるY−Y´及びX−X´面の概略断面図を示す。
この電気機械変換装置1は、図1Aに示すように、圧電素子2を支持する支持体4を有して成る。
圧電素子2は、図1Bに示すように、基板5上に、少なくとも、第1電極14と、圧電膜15と、第2電極16とが積層形成されて成る積層部3を有して成る。また、この場合、圧電素子2は、音片形、すなわち高い感度をもって振動が可能な、一端が固定された、いわゆる片もち梁形状の振動片として構成される。
そして、この圧電素子2の形状は、第1電極及び第2電極間に電圧が印加されず、かつ動的外力が与えられない初期静止状態において、第2電極側で凹をなす湾曲面形状という特有の形状を有する。
そして、この圧電素子2の形状は、第1電極及び第2電極間に電圧が印加されず、かつ動的外力が与えられない初期静止状態において、第2電極側で凹をなす湾曲面形状という特有の形状を有する。
また、支持体4は開口部6を有し、この開口部6の開口周縁6aから開口6内に向けて圧電素子2が突出形成された構成を有する。
そして、この例においては、圧電素子2の基板5が、支持体4と一体に形成されている。支持体4の上面には、これと一体に形成された圧電素子を構成する基板の上面と共に、図1Cに示すように、支持体4及び基板5の上面に酸化膜12が形成され、支持体4及び基板5の裏面には酸化膜13が形成されて成る。
そして、この例においては、圧電素子2の基板5が、支持体4と一体に形成されている。支持体4の上面には、これと一体に形成された圧電素子を構成する基板の上面と共に、図1Cに示すように、支持体4及び基板5の上面に酸化膜12が形成され、支持体4及び基板5の裏面には酸化膜13が形成されて成る。
このジャイロセンサすなわち電気機械変換装置1は、例えば厚さ300μm、長さ3mm、幅1mmの外形状を有し、また、圧電素子2は例えば厚さ100μm、長さ2.5mm、幅100μmとする。なお、電気機械変換装置1の開口部6のうち、圧電素子2の両側に形成される領域の幅は、例えば200μmとする。
この構成における電気機械変換装置は、ジャイロセンサとして高い感度を有する。
これについて検証する。すなわちジャイロセンサを構成する圧電素子2の感度は、電気機械変換効率の大小に依存することから、この特性を測定する。
具体的には、上述の構成による圧電素子2において、第1電極14と第2電極16との間に電圧を印加すると、圧電素子2は約20kHzの共振周波数で振動した。
これについて検証する。すなわちジャイロセンサを構成する圧電素子2の感度は、電気機械変換効率の大小に依存することから、この特性を測定する。
具体的には、上述の構成による圧電素子2において、第1電極14と第2電極16との間に電圧を印加すると、圧電素子2は約20kHzの共振周波数で振動した。
[表1]に、圧電素子2の上述した湾曲面形状の表面曲率ごとの、電圧印加による振動における振幅の測定結果を示す。振動は、駆動電極すなわち第1電極14と第2電極16とに共振周波数で1Vpp(offset1V)の信号の入力によるものとし、測定はレーザードップラー変位計を用いて行った。
なお、この実施の形態例において、表面曲率は圧電素子2の長手方向すなわち図1AにおけるY−Y´方向の曲率であり、初期静止状態において第2電極側で凹をなす湾曲面の表面曲率を+(プラス)、第2電極側で凸をなす湾曲面の表面曲率を−(マイナス)とする。また、振幅は、表面曲率が+1210mmである場合を1とした相対値で示している。
なお、この実施の形態例において、表面曲率は圧電素子2の長手方向すなわち図1AにおけるY−Y´方向の曲率であり、初期静止状態において第2電極側で凹をなす湾曲面の表面曲率を+(プラス)、第2電極側で凸をなす湾曲面の表面曲率を−(マイナス)とする。また、振幅は、表面曲率が+1210mmである場合を1とした相対値で示している。
一般に、圧電素子の特性としては、同じ電圧の印加による振動の振幅が大とされるほど、センサに適用した場合等においてより小さな変化を検出することができ、検出感度の向上を図ることができるため、好ましいとされている。
[表1]に示すように、この実施の形態例における測定結果からは、表面曲率が+側、すなわち圧電素子2の形状が第2電極側で凹をなし、かつ表面曲率の絶対値が小さいほど圧電素子2の振幅は大となる結果が得られた。
[表1]に示すように、この実施の形態例における測定結果からは、表面曲率が+側、すなわち圧電素子2の形状が第2電極側で凹をなし、かつ表面曲率の絶対値が小さいほど圧電素子2の振幅は大となる結果が得られた。
これは、圧電素子2の形状が第2電極16側で凸をなす場合には、製造時に圧電膜15に対して施す、後述する分極処理における電圧の印加方向と、動的外力が加えられない初期静止状態において湾曲によって生じる電圧の発生方向とが逆になってしまい、各電圧の印加方向が相反することによってロスを生じ、振幅が小さくなるためと考えられる。
すなわち、圧電素子2の形状が第2電極16側で凹をなす場合には、製造時に圧電膜15に対して施す、後述する分極処理における電圧の印加方向と、動的外力が加えられない初期静止状態において湾曲によって生じる電圧の発生方向とが揃うことから、圧電素子2に対する動作電圧の印加において、ロスを生じることなく振動を生じさせることができるため、振幅が大とされると考えられる。
したがって、基板5の上面に圧電膜15を有する積層部3が形成された圧電素子2においては、第1電極14及び第2電極16間に電圧が印加されず、かつ動的外力が与えられない初期静止状態で、第2電極16側で凹をなす湾曲面形状を有することが望ましいと考えられる。
次に、本発明による圧電素子2を具備する電気機械変換装置1の構造を詳細に説明するため、この電気機械変換装置の製造方法の一例を、図2〜図13を参照して説明する。
この製造方法の例においては、多数の電気機械変換装置1を、例えばSi(シリコン)からなる共通の基体11から同時に得る方法を例として説明する。図2〜図5において、各A図は、各工程における概略平面図を示し、各B図は、各A図のX−X´線上の概略断面図を示す。
この製造方法の例においては、多数の電気機械変換装置1を、例えばSi(シリコン)からなる共通の基体11から同時に得る方法を例として説明する。図2〜図5において、各A図は、各工程における概略平面図を示し、各B図は、各A図のX−X´線上の概略断面図を示す。
まず、例えばn型のSiよりなる板状基体11を用意する。この基体11は、例えば3cm×3cm角の大きさを有し、その厚さは、少なくとも最終的に形成する圧電素子2の基板5と、開口部6を形成し得る厚さ以上の例えば300μmとする。しかし、この基体11の厚さや大きさは、製造プロセスに応じて任意に設定でき、少なくとも最終的に形成する圧電素子2を開口部6を有して形成できる寸法であればよい。
そして、この基体11の両主面11a及び11bに、後述する基体11に対する異方性ウェットエッチングのエッチングマスクとして用いることができる、例えば熱酸化によるSiO2酸化膜12及び13を、例えば1μmの厚さに形成する。
そして、この基体11の両主面11a及び11bに、後述する基体11に対する異方性ウェットエッチングのエッチングマスクとして用いることができる、例えば熱酸化によるSiO2酸化膜12及び13を、例えば1μmの厚さに形成する。
次に、酸化膜13に図4で示す開口13aを形成する。この開口13aの形成は、周知のフォトリソグラフィ技術を用いたパターンエッチングによって形成する。すなわち、図3に示すように、酸化膜13上に、フォトレジスト例えば東京応化製OFPR−8600よりなるレジスト膜14を全面的に塗布し、これにパターン露光及び現像処理を行って、酸化膜13に形成する開口13aに対応するレジスト膜開口14aを形成する。
次に、レジスト膜14の開口14aを通じて、酸化膜13をエッチングして開口13aを形成する。
この酸化膜13の開口13aの形成工程におけるエッチングは、イオンエッチング等の物理的エッチングによって行うこともできるが、基体11の平滑性を考慮すると、例えばフッ化アンモニウムによるウェットエッチングによることが望ましい。
この酸化膜13の開口13aの形成工程におけるエッチングは、イオンエッチング等の物理的エッチングによって行うこともできるが、基体11の平滑性を考慮すると、例えばフッ化アンモニウムによるウェットエッチングによることが望ましい。
すなわち、フッ化アンモニウムによるウェットエッチングは化学的エッチングであり、エッチング液の選定によって所定の材料、すなわちこの例では、酸化膜13のみをエッチングすることが可能になるが、イオンエッチング等の物理的エッチングでは、被エッチング材料を選択的に特定することが難しい。したがって、化学的エッチングを用いることによって基体11表面の平滑性の保全が図られるものである。
そして、このエッチングにおいて、開口14aから等方的にエッチングが進んで開口14aの周縁部のレジスト膜14下にもエッチングが進行するいわゆるサイドエッチングの発生を抑えるため、必要最低限のエッチング時間にとどめることが望ましい。
次に、酸化膜13の開口13aに対応する基体11の露出部に対して、選択的にエッチングを施す。この工程におけるエッチングは、例えばTMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)20%溶液を常に撹拌して用い、液温80℃で行うものである。
なお、このエッチングにおいては、上述したように55°の角度をもってエッチングが進行することから、例えばエッチング深さ200μmにおけるエッチング幅は100μmであり、これが最終的に得る圧電素子2の幅に相当することから、この時点でエッチングを停止する。
なお、このエッチングにおいては、上述したように55°の角度をもってエッチングが進行することから、例えばエッチング深さ200μmにおけるエッチング幅は100μmであり、これが最終的に得る圧電素子2の幅に相当することから、この時点でエッチングを停止する。
また、この製法例においてはエッチングが55°の角度で進行するが、エッチングレートの選択比に応じて、TMAH溶液以外の、例えばKOHなどのエッチング液を用いることによって、図6の概略断面図にθ1で示すエッチング角度を任意に選択して基体11に対するエッチングを行うことも可能であり、また、ウェットエッチング以外の手法によることも可能である。
以降の工程の説明では、例えば図5Aに破線bで示すような、最終的に1つの電気機械変換装置1となる領域を対象として、特に詳細に製法例の説明を行う。なお、図7〜図10において、各A図は、各工程における概略平面図を示し、各B図は、各A図のX−X´線上の概略断面図を示す。また、図11〜図13において、各A図は、各工程における概略平面図を示し、各B図は、各A図のY−Y´線上の概略断面図を示す。図13Cは、図13AのX−X´線上の概略断面図である。
まず、図7A及び図7Bに示すように、基体11の表面に形成された酸化膜12上に、例えば厚さ50nmのチタン(Ti)及び厚さ200nmの白金(Pt)による第1電極層14aと、例えば厚さ2μmのPb1+x(Zr0.53Ti0.47)O3−y酸化物ターゲットによる圧電膜層15aと、例えば厚さ200μmのPtによる第2電極層16aとを、それぞれマグネトロンスパッタ装置によって形成する。
なお、第1電極層14aの形成においては、ガス圧0.5Paにおいて1kW(Ti形成時)及び0.5kW(Pt形成時)のRFパワーで形成することができる。また、圧電膜層15aの形成においては、常温で、Ar/O2=1/5〜5/1、ガス圧0.2〜3Paにおいて0.1〜5kWのRFパワーで形成することができ、形成後に例えば電気炉を用いて、例えば酸素雰囲気下、700℃、10分間の結晶化熱処理を行うことが望ましい。また、第2電極層16aの形成においては、ガス圧0.5Paにおいて0.5kWのRFパワーで形成することができる。
この工程において、圧電膜層15aの形成のためのスパッタの条件、例えば温度や出力パワーを適切に選定することによって、後述する開口部6の形成において圧電素子2の形状を上に凹とされた湾曲面形状とすることができる。
また、この圧電膜層15aの形成後に熱処理を施すことによっても、後述する開口部6の形成において圧電素子2の形状を上に凹とされた湾曲面形状とすることができる。
また、この圧電膜層15aの形成後に熱処理を施すことによっても、後述する開口部6の形成において圧電素子2の形状を上に凹とされた湾曲面形状とすることができる。
次の工程においては、先の工程で形成した第2電極層16aの整形を行う。すなわち、図8A及び図8Bに示すように、例えばフォトリソグラフィー及びエッチングによって、第2電極層16aから、第2電極16と検出電極17を形成する。
この検出電極17は、第2電極16を挟んで両側に形成されることから、圧電膜層15aの上面、つまり圧電素子2を構成する圧電膜15の上面には、第2電極16以外に少なくとも2つ以上、この例では2つの電極が形成されるものである。
この検出電極17は、第2電極16を挟んで両側に形成されることから、圧電膜層15aの上面、つまり圧電素子2を構成する圧電膜15の上面には、第2電極16以外に少なくとも2つ以上、この例では2つの電極が形成されるものである。
この製法例においては、第2電極16の幅を50μm、検出電極17の幅を10μm、第2電極16及び検出電極17の長さを2mmとし、第2電極16及び検出電極17間の距離は5μmとした。
なお、この工程のエッチングは物理的なイオンエッチングによって行ったが、化学的なRIE(Reactive Ion Etching)など、他のエッチング手法によることも可能である。
なお、この工程のエッチングは物理的なイオンエッチングによって行ったが、化学的なRIE(Reactive Ion Etching)など、他のエッチング手法によることも可能である。
次の工程においては、図9A及び図9Bに示すように、上述の第2電極層16aの整形に引き続き、圧電膜層15aの整形を行う。すなわち、例えばフォトリソグラフィー及びエッチングによって圧電膜層15aから圧電膜15を形成する。
この製法例においては、圧電膜15を幅90μm、長さ2.2mmとして形成したが、圧電膜15の形状は先に形成した第2電極16及び検出電極17の全体を上面に含んでいればよい。
なお、この工程のエッチングは例えばフッ硝酸溶液によるウェットエッチングが好適であるが、物理的なイオンエッチングや、化学的なRIE(Reactive Ion Etching)によることも可能である。
なお、この工程のエッチングは例えばフッ硝酸溶液によるウェットエッチングが好適であるが、物理的なイオンエッチングや、化学的なRIE(Reactive Ion Etching)によることも可能である。
次の工程においては、上述の圧電膜層15aの整形に引き続き、第1電極層14aの整形を行う。すなわち、図10A及び図10Bに示すように、例えばフォトリソグラフィー及びエッチングによって第1電極層14aから第1電極14を形成する。
この製法例において、第1電極14は、外部との電気的接合を図る目的により接続部14bを有して形成される。第1電極接続部14bは、外部との電気的接合の方式等によって形状を定める必要があり、例えばワイヤーボンディングによる接合方式による場合は、図11Bに示すように面積を確保して形成し、例えば幅100μm、長さ200μmの接合部を設けるなど、最適な形状を選定して形状を定めることができる。
この製法例においては、第1電極を幅94μm、長さ2.3mmとして形成したが、寸法及び形状は図示したものに限られない。ただし、第1電極14の幅方向の中心が最終的に得る圧電素子2の基板5の幅方向の中心と一致し、第1電極14と第1電極接続部14bとの境界は最終的に得る圧電素子2の基板5と支持体4との境界と一致することが望ましい。
また、第1電極14の幅は、最終的に得る圧電素子2の幅以下であることが必要であり、かつ圧電膜15の幅以上、例えば幅方向に左右それぞれ5μmほど大として形成することが望ましい。
また、第1電極14の幅は、最終的に得る圧電素子2の幅以下であることが必要であり、かつ圧電膜15の幅以上、例えば幅方向に左右それぞれ5μmほど大として形成することが望ましい。
次の工程においては、図11A及び図11Bに示すように、後述する工程で形成する、第2電極接続部16aに電気的に連結される配線膜19の、第1電極14bとの接触による短絡と、圧電膜15の端部における段差による配線膜19自身の断線を回避するための、レジスト18の形成を行う。レジストの形状は、これらの目的を好適に達成することができればよく、例えば上面の平坦性を確保して、幅200μm、長さ50μm、厚さ2μmとして形成することができる。
この製法例におけるレジスト18の形成方法としては、フォトリソグラフィーによって行うことができる。すなわち、レジストを塗布し、パターニングした後に硬化させることで形成することができる。
また、レジスト18の厚さは、圧電膜15及び第1電極14の厚さに応じて自由に設計することができるが、圧電膜15及び第1電極14の総厚さ以上の厚さで形成することが望ましい。
また、レジスト18の厚さは、圧電膜15及び第1電極14の厚さに応じて自由に設計することができるが、圧電膜15及び第1電極14の総厚さ以上の厚さで形成することが望ましい。
次の工程においては、図12A及び図12Bに示すように、第2電極16及び検出電極17の外部との電気的接続のために、先に形成したレジスト18を跨ぐ配線膜19を形成する。この配線膜19の形状としては、電気的な接触抵抗を減少させる上で少なくとも5μm四方の断面形状を有することが望ましい。また、配線膜19の、外部との電気的接合に用いられる接続部は、ワイヤーボンディングによって接続を図ることができるよう、例えば長さ200μm、幅100μmとして形成することができる。
配線膜19の形成は、フォトリソグラフィーによるレジストパターンの形成と、スパッタリングによる配線膜19の形成後に、いわゆるリフトオフによって配線膜19の形状を規定するレジストパターンと配線膜19の不要部分を除去することによって行うことができる。
また、この製法例では、第2電極16及び検出電極17のそれぞれに対して個別の配線膜19を同時に形成する例を説明したが、それぞれ別工程によって形成することもできる。
また、この製法例では、第2電極16及び検出電極17のそれぞれに対して個別の配線膜19を同時に形成する例を説明したが、それぞれ別工程によって形成することもできる。
なお、配線膜の構成は、予め配線膜の付着力向上のために200μmの厚さで形成したTi層の上に、300μmの厚さでCu層を形成し、その後ワイヤーボンディングとの接合のために300μmの厚さでAu層を形成した積層構造によるなど、配線膜19の用途によって好適な構成を用いることができる。
次の工程では、図13A及び図13Bに示すように、先に形成した第1電極14と、圧電膜15と、第2電極16とによる積層部3の外側に、酸化膜12と、基体11と、酸化膜13とを貫通する開口部6を形成し、基体11から、圧電装置1を構成する支持体4と圧電素子2を構成する基板5とを分割形成する。
この製法例における具体的な開口形成の方法としては、まず開口部6に対応するレジストパターンをフォトリソグラフィーによって形成し、酸化膜12をイオンエッチングによって除去した後、基体11に対するエッチングを行う。
この製法例における具体的な開口形成の方法としては、まず開口部6に対応するレジストパターンをフォトリソグラフィーによって形成し、酸化膜12をイオンエッチングによって除去した後、基体11に対するエッチングを行う。
この基体11に対するエッチングは、通常のイオンエッチング等ではレジスト膜との選択比がとれない上に、基板5の側面を垂直壁面として形成することが困難であることから、この製法例においては、MEMS(Micro Electro Mechanical System)技術で用いられるICP(Inductively Coupled Plasma;誘導結合型プラズマ)を備えた装置を用い、エッチングと側壁保護膜成膜を繰り返すBoschプロセス(エッチング時ガスSF6、成膜時ガスC4F8)によって、より垂直な側壁を有する圧電素子2を形成した。
このようにして形成した電気機械変換装置1を構成する圧電素子2に対して、第1電極14及び第2電極16間に電圧を印加して圧電膜15の分極処理を行う。
この分極処理は、圧電膜15に対し、例えば室温で10V/μmの電界を印加することによって施すことができる。
この分極処理は、圧電膜15に対し、例えば室温で10V/μmの電界を印加することによって施すことができる。
なお、この製法例においては、上述したように、ジャイロセンサすなわち電気機械変換装置1を、例えば厚さ300μm、長さ3mm、幅1mmとして形成し、この電気機械変換装置1を構成する圧電素子2を、例えば厚さ100μm、長さ2.5mm、幅100μmとして形成するが、上述の基体11に対するウェットエッチングの工程では、エッチングが55°の角度をもって進行することを考慮する必要がある。
すなわち、この基体11に対するウェットエッチングの工程に先立って形成する酸化膜13の開口13aの寸法を、最終的に得る圧電素子2の厚さを除く200μmの深さまでエッチングするための幅(300−100)×tan55°=140μmと、最終的に得る電気機械変換装置1において圧電素子2の両脇に形成される開口部6の幅200μmとを考慮して選定する必要がある。
このため、この製法例においては、エッチング幅を規定する酸化膜開口13aの幅を100+200×2+140×2=780μmに選定し、酸化膜開口13aの長さは2500+200+140×2=2980μmに選定して、これに従って基体11に対するウェットエッチングを行うことが望ましい。
また、この製法例において、最終的に得る圧電素子2を図1に示したように音片形の片もち梁形状として形成するため、開口部6をコの字形に形成する。
そして、この製法例においては、圧電装置1の開口部6のうち、圧電素子2の両側に形成される領域の幅を200μmとして形成するが、開口部6を構成する気体や圧電素子2に求められるQ値などに応じて所定の幅に定めることができる。
そして、この製法例においては、圧電装置1の開口部6のうち、圧電素子2の両側に形成される領域の幅を200μmとして形成するが、開口部6を構成する気体や圧電素子2に求められるQ値などに応じて所定の幅に定めることができる。
このような製法例により、圧電素子2を有する電気機械変換装置1を作製することができる。
なお、本発明による圧電素子および電気機械変換装置は、この実施の形態例に限られるものでないことはいうまでもない。
例えば、基体11の表面に形成される膜は酸化膜でなくとも、例えば窒化膜でも良い。
また、例えば、この実施の形態例では基体11にn型Siによる基体を用いたが、他の材料、或いはp型の基体によることもできる。
例えば、基体11の表面に形成される膜は酸化膜でなくとも、例えば窒化膜でも良い。
また、例えば、この実施の形態例では基体11にn型Siによる基体を用いたが、他の材料、或いはp型の基体によることもできる。
また、図14に示すように、IC(Integrated Circuit;集積回路)22を有するIC基板23上にジャイロセンサ1を載置し、基板端子24を介して電気的接合を図ってジャイロセンサ装置21を形成することにより、本発明による電気機械変換装置1を他の装置と一体としたジャイロセンサ装置21を構成することができる。
更に、この実施の形態例においては、機械的応力を電気信号に変換して角速度センサの動作を行う電気機械変換装置の例について説明したが、本発明による圧電素子によって、電気信号から機械的応力を得る電気機械変換装置、例えばアクチュエータを構成することも可能であるなど、本発明による圧電素子および電気機械変換装置は、種々の変形および変更をなされ得る。
以上の実施の形態例で説明したように、圧電素子の湾曲形状の特定によって圧電効率を高めることができ、圧電素子を具備する電気機械変換装置の感度向上や特性改善を、従前用いられてきた上述の選定の方法と併せて相乗的に図ることができるものである。
1・・・電気機械変換装置、2・・・圧電素子、3・・・積層部、4・・・支持体、5・・・基板、6・・・開口部、6a・・・開口周縁、11・・・基体、12・・・酸化膜、13・・・酸化膜、14・・・第1電極、14a・・・第1電極層、14b・・・第1電極接続部、15・・・圧電膜、15a・・・圧電膜層、16・・・第2電極、16a・・・第2電極層、16b・・・第2電極接続部、17・・・検出電極、17b・・・検出電極接続部、18・・・レジスト、19・・・配線膜、21・・・ジャイロセンサ装置、22・・・IC、23・・・IC基板、24・・・IC基板端子
Claims (13)
- 基板上に、第1電極と、圧電膜と、第2電極とが積層形成されて成り、
上記第1電極及び第2電極間に電圧が印加されず、かつ動的外力が与えられない初期静止状態で、上記第2電極側で凹をなす湾曲面形状とされたことを特徴とする圧電素子。 - 上記圧電膜上に、上記第2電極とは別に、少なくとも2つ以上の電極が形成されて成ることを特徴とする請求項1に記載の圧電素子。
- 上記基板が単結晶Si(シリコン)より成ることを特徴とする請求項1に記載の圧電素子。
- 上記基板の表面に、酸化膜及び窒化膜の少なくとも一方が形成されたことを特徴とする請求項1に記載の圧電素子。
- 上記圧電膜が、鉛(Pb)、ジルコニウム(Zr)、チタニウム(Ti)、及び酸素(O)を含有することを特徴とする請求項1に記載の圧電素子。
- 上記電極が、白金(Pt)を含有することを特徴とする請求項1に記載の圧電素子。
- 圧電素子と、これを支持する支持体とを有し、
上記圧電素子は、基板上に、第1電極と、圧電膜と、第2電極とが積層形成されて成り、
上記支持体は、開口部を有し、該開口部の開口周縁から開口内に向けて上記圧電素子が突出形成されて成り、
上記圧電素子が、上記第1電極及び第2電極間に電圧が印加されず、かつ動的外力が与えられない初期静止状態で、上記第2電極側で凹をなす湾曲面形状とされたことを特徴とする電気機械変換装置。 - 上記圧電素子が、音片形の片もち梁形状であることを特徴とする請求項7に記載の電気機械変換装置。
- 上記圧電膜上に、上記第2電極とは別に、少なくとも2つ以上の電極が形成されて成ることを特徴とする請求項7に記載の電気機械変換装置。
- 上記基板が単結晶Si(シリコン)より成ることを特徴とする請求項7に記載の電気機械変換装置。
- 上記基板の表面に、酸化膜及び窒化膜の少なくとも一方が形成されたことを特徴とする請求項7に記載の電気機械変換装置。
- 上記圧電膜が、鉛(Pb)、ジルコニウム(Zr)、チタニウム(Ti)、及び酸素(O)を含有することを特徴とする請求項7に記載の電気機械変換装置。
- 上記電極が、白金(Pt)を含有することを特徴とする請求項7に記載の電気機械変換装置。
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