JP2008085194A - Ferroelectric device - Google Patents

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剛 森田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a ferroelectric device which can suppress a power consumption without the need for continuing applying a voltage to keep a predetermined piezoelectric deformation, dielectric constant, and refractive index. <P>SOLUTION: A ferroelectric material is provided with a memory function of a piezoelectric deformation, a dielectric constant and a refractive index by the imprinting of an electric field. A piezoelectric device includes the ferroelectric material having the memory function for selectively keeping predetermined binary piezoelectric deformations without applying a voltage. A ferroelectric memory device includes the ferroelectric material having the memory function for selectively keeping predetermined binary dielectric constants without applying a voltage. An electrooptic device includes the ferroelectric material having the memory function for selectively keeping predetermined binary refractive indexes without applying a voltage. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、強誘電体材料を備えた圧電デバイス、強誘電体メモリデバイス、電気光学デバイスなどの強誘電体デバイスに関する。   The present invention relates to a ferroelectric device such as a piezoelectric device, a ferroelectric memory device, and an electro-optical device provided with a ferroelectric material.

強誘電体とは、外部電界による方向制御可能な自発分極を有する材料である。強誘電特性のうち、圧電特性、誘電特性、光学特性は外部電界に対して強い非線形性を示すが、メモリ機能はないというのが常識であった。つまり、外部電界を0に戻すと、自発分極値の方向にかかわらず、同じ圧電歪み、同じ誘電率、同じ屈折率となる。   A ferroelectric is a material having spontaneous polarization that can be controlled by an external electric field. Among the ferroelectric characteristics, piezoelectric characteristics, dielectric characteristics, and optical characteristics show strong non-linearity with respect to an external electric field, but it is common knowledge that there is no memory function. That is, when the external electric field is returned to 0, the same piezoelectric strain, the same dielectric constant, and the same refractive index are obtained regardless of the direction of the spontaneous polarization value.

例えば、屈曲型圧電アクチュエータスイッチは、電圧を印加することで屈曲変形し、スイッチをオン又はオフの状態とする機械的リレーとして機能するが、そのオン又はオフの状態を保持するためには、電圧を印加し続けなくてはならない。同様に、電圧印加による誘電率制御を利用したメモリや、電圧印加による屈折率変化を利用した光プリズムも、その物性値を保持するためには電圧を印加し続けなくてはならない。
特開2000−22091号公報
For example, a bending type piezoelectric actuator switch bends and deforms when a voltage is applied, and functions as a mechanical relay that turns the switch on or off. To maintain the on or off state, Must continue to be applied. Similarly, a memory that uses dielectric constant control by applying a voltage and an optical prism that uses a change in refractive index by applying a voltage must continue to apply a voltage in order to maintain its physical property values.
JP 2000-22091 A

したがって、従来の強誘電体を利用した圧電デバイス、強誘電体メモリデバイス、電気光学デバイスなどの強誘電体デバイスでは、所定の圧電歪み、誘電率、屈折率を保持するためには、電圧を印可し続けなくてはならず、電力の消費量が大きくなってしまうという問題があった。   Therefore, in ferroelectric devices such as conventional piezoelectric devices, ferroelectric memory devices, and electro-optic devices that use a ferroelectric material, a voltage is applied to maintain a predetermined piezoelectric strain, dielectric constant, and refractive index. There was a problem that the power consumption would be increased.

そこで、本発明は上記問題点に鑑み、所定の圧電歪み、誘電率、屈折率を保持するために電圧を印加し続ける必要がなく、電力の消費量を抑えることのできる強誘電体デバイスを提供することを目的とする。   Therefore, in view of the above problems, the present invention provides a ferroelectric device capable of suppressing power consumption without having to continue to apply a voltage in order to maintain predetermined piezoelectric strain, dielectric constant, and refractive index. The purpose is to do.

本発明の請求項1記載の強誘電体デバイスは、電界インプリントにより圧電歪み、誘電率、屈折率、圧電定数、電気機械結合係数、ヤング率、又は焦電定数のメモリ機能を付与された強誘電体材料を備えたことを特徴とする。   The ferroelectric device according to claim 1 of the present invention is a ferroelectric device provided with a memory function of piezoelectric distortion, dielectric constant, refractive index, piezoelectric constant, electromechanical coupling coefficient, Young's modulus, or pyroelectric constant by electric field imprinting. A dielectric material is provided.

本発明の請求項2記載の強誘電体デバイスは、請求項1において、前記強誘電体材料はチタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、チタン酸バリウム、ニオブ酸リチウム、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛のいずれかであることを特徴とする。   The ferroelectric device according to claim 2 of the present invention is the ferroelectric device according to claim 1, wherein the ferroelectric material is composed of lead zirconate titanate, lead titanate, barium titanate, lithium niobate, lead lanthanum zirconate titanate. It is either.

本発明の請求項3記載の圧電デバイスは、電圧を印加せずとも所定の2値の圧電歪みを選択的に保持するメモリ機能を有する強誘電体材料を備え、このメモリ機能は電界インプリントにより付与されたものであることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, there is provided a piezoelectric device comprising a ferroelectric material having a memory function for selectively holding a predetermined binary piezoelectric strain without applying a voltage, and the memory function is achieved by electric field imprinting. It is what was given.

本発明の請求項4記載の誘電率検波型強誘電体メモリデバイスは、電圧を印加せずとも所定の2値の誘電率を選択的に保持するメモリ機能を有する強誘電体材料を備え、このメモリ機能は電界インプリントにより付与されたものであることを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a dielectric constant detection type ferroelectric memory device comprising a ferroelectric material having a memory function of selectively holding a predetermined binary dielectric constant without applying a voltage. The memory function is provided by electric field imprinting.

本発明の請求項5記載の電気光学デバイスは、電圧を印加せずとも所定の2値の屈折率を選択的に保持するメモリ機能を有する強誘電体材料を備え、このメモリ機能は電界インプリントにより付与されたものであることを特徴とする。   According to a fifth aspect of the present invention, there is provided an electro-optical device comprising a ferroelectric material having a memory function that selectively retains a predetermined binary refractive index without applying a voltage. It is given by.

本発明の強誘電体デバイスによれば、所定の圧電歪み、誘電率、屈折率を維持するために電圧を印加し続ける必要がなく、電力の消費量を抑えることのできる強誘電体デバイスを提供することができる。また、強誘電体材料の圧電特性、誘電特性、光学特性に新たにメモリ機能を付与することにより、今までに全くない強誘電体デバイスを提供することができる。   According to the ferroelectric device of the present invention, it is not necessary to continue to apply a voltage in order to maintain a predetermined piezoelectric strain, dielectric constant, and refractive index, and a ferroelectric device capable of suppressing power consumption is provided. can do. In addition, by adding a memory function to the piezoelectric characteristics, dielectric characteristics, and optical characteristics of the ferroelectric material, it is possible to provide an unprecedented ferroelectric device.

本発明の強誘電体デバイスは、電界インプリントにより圧電歪み、誘電率、屈折率、圧電定数、電気機械結合係数、ヤング率、又は焦電定数のメモリ機能を付与された強誘電体材料を備えたものである。   The ferroelectric device of the present invention includes a ferroelectric material provided with a memory function of piezoelectric distortion, dielectric constant, refractive index, piezoelectric constant, electromechanical coupling coefficient, Young's modulus, or pyroelectric constant by electric field imprinting. It is a thing.

ここで、強誘電体デバイスとは、強誘電体材料を応用したすべてのデバイスのことをいい、圧電デバイス、強誘電体メモリデバイス、電気光学デバイス等を広く含む。   Here, the ferroelectric device refers to all devices to which a ferroelectric material is applied, and widely includes piezoelectric devices, ferroelectric memory devices, electro-optical devices, and the like.

また、強誘電体材料としては、特定のものに限定されるものではないが、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸鉛、チタン酸バリウム、ニオブ酸リチウム、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛(PLZT)が挙げられる。   Further, the ferroelectric material is not limited to a specific one, but for example, lead zirconate titanate (PZT), lead titanate, barium titanate, lithium niobate, lead lanthanum zirconate titanate. (PLZT).

また、本発明の圧電デバイスは、電界インプリントにより圧電歪みのメモリ機能を付与された強誘電体材料を備えたものである。そして、このメモリ機能は、電圧を印加せずとも所定の2値の圧電歪みを選択的に保持する。   The piezoelectric device according to the present invention includes a ferroelectric material provided with a memory function of piezoelectric distortion by electric field imprinting. This memory function selectively holds a predetermined binary piezoelectric strain without applying a voltage.

また、本発明の誘電率検波型強誘電体メモリデバイスは、電界インプリントにより誘電率のメモリ機能を付与された強誘電体材料を備えたものである。そして、このメモリ機能は、電圧を印加せずとも所定の2値の誘電率を選択的に保持する。   The dielectric constant detection type ferroelectric memory device of the present invention includes a ferroelectric material provided with a dielectric constant memory function by electric field imprinting. This memory function selectively holds a predetermined binary dielectric constant without applying a voltage.

また、本発明の電気光学デバイスは、電界インプリントにより屈折率のメモリ機能を付与された強誘電体材料を備えたものである。そして、このメモリ機能は、電圧を印加せずとも所定の2値の屈折率を選択的に保持する。   The electro-optic device of the present invention includes a ferroelectric material provided with a memory function of refractive index by electric field imprinting. This memory function selectively holds a predetermined binary refractive index without applying a voltage.

本発明は、強誘電体デバイスにおいて、電圧を印加しない状態でも圧電歪み、誘電率、屈折率を所定の値に保持することのできる機構を提案するものである。以下、その原理について説明する。   The present invention proposes a mechanism capable of maintaining a piezoelectric strain, a dielectric constant, and a refractive index at predetermined values even when no voltage is applied in a ferroelectric device. Hereinafter, the principle will be described.

図1の左側に従来の強誘電体の概念として、電界(E)に対する電束密度(D)の関係を表すグラフで示すように、強誘電体は、正の電界を印加してから電界をゼロとしたときの電束密度は正の値P+をとり、負の電界を印加してから電界をゼロとしたときの電束密度は負の値P−をとる。このような電束密度の変化は分極方向の反転によって起こる。このように、自発分極の向きを記憶するメモリ機能を有することから、強誘電体は、不揮発性メモリであるFeRAMに応用されている。なお、上記の正の値P+と負の値P−の絶対値は同じになっている。   As shown in the graph representing the relationship between the electric flux density (D) and the electric field (E) as a concept of the conventional ferroelectric substance on the left side of FIG. 1, the ferroelectric substance applies the electric field after applying a positive electric field. The electric flux density when it is zero takes a positive value P +, and the electric flux density when the electric field is zero after applying a negative electric field takes a negative value P−. Such a change in the electric flux density is caused by the reversal of the polarization direction. Thus, since it has a memory function of storing the direction of spontaneous polarization, the ferroelectric is applied to FeRAM which is a nonvolatile memory. The absolute value of the positive value P + and the negative value P- is the same.

一方、強誘電体へ印加する電界に対する圧電歪み(S)、誘電率(ε)、屈折率(n)のそれぞれの関係を表すグラフは左右対称となり、強誘電体の分極方向を反転させても、これらの物性値は一定となる。そして、正の電界を印加してから入力電圧をゼロとしたときと、負の電界を印加してから入力電圧をゼロとしたときのこれらの物性値は、それぞれ同一となる。したがって、強誘電体は、圧電歪み、誘電率、屈折率についてはメモリ機能を有しない。   On the other hand, the graph showing the relationship between the piezoelectric strain (S), the dielectric constant (ε), and the refractive index (n) with respect to the electric field applied to the ferroelectric is symmetric, and even if the polarization direction of the ferroelectric is reversed. These physical property values are constant. These physical property values are the same when the input voltage is zero after applying a positive electric field and when the input voltage is zero after applying a negative electric field. Therefore, the ferroelectric does not have a memory function with respect to piezoelectric distortion, dielectric constant, and refractive index.

つぎに、誘電印加方向にオフセット電界を付与、すなわち電界インプリントを施したものは、図1の右側に示すように、それぞれのグラフは左右方向にずれている。そして、分極方向の反転によって、電束密度(D)、圧電歪み(S)、誘電率(ε)、屈折率(n)が分極反転前とは異なる値を示す。このように、電界インプリントによって強誘電体にメモリ機能が付与される。そして、このメモリ機能により、電界を印加せずとも所定の2値の圧電歪み、誘電率、屈折率を選択的に保持したままとなる。このような自発分極による2つの安定な圧電歪み、誘電率、屈折率を有する強誘電体材料は、消費電力を抑えた各種スイッチをはじめとする種々の強誘電体デバイスに応用することができる。   Next, in the case where an offset electric field is applied in the dielectric application direction, that is, an electric field imprint is applied, the respective graphs are shifted in the horizontal direction as shown on the right side of FIG. Then, due to the reversal of the polarization direction, the electric flux density (D), the piezoelectric strain (S), the dielectric constant (ε), and the refractive index (n) show different values from those before the polarization reversal. Thus, the memory function is imparted to the ferroelectric by electric field imprinting. This memory function selectively retains predetermined binary piezoelectric strain, dielectric constant, and refractive index without applying an electric field. Ferroelectric materials having two stable piezoelectric strains, dielectric constants, and refractive indices due to such spontaneous polarization can be applied to various ferroelectric devices including various switches with reduced power consumption.

電界インプリントとは、電界の印加による分極反転の繰り返しによって強誘電体の分極に癖がつき、反転しにくくなる現象として知られており、従来から電界インプリントに関する現象は、強誘電体メモリに用いられる強誘電体薄膜における実験において観測されていた。この電界インプリントは、分極反転を用いたビット書き込み時に必要となる電圧(”0”書き込み時と”1”書き込み時)を変化させる。強誘電体メモリでは、電界に対して対称に分極反転させるため、電界インプリントをなくすことが求められる。したがって、いかにして電界インプリントをなくすかという研究がされ、基板界面層を除去する試みなどが行われてきた。   Electric field imprinting is known as a phenomenon in which the polarization of a ferroelectric substance becomes wrinkled by repeated polarization inversion due to the application of an electric field, making it difficult to invert. It has been observed in experiments on the ferroelectric thin film used. This electric field imprinting changes the voltage (at the time of “0” writing and at the time of “1” writing) required at the time of bit writing using polarization inversion. In a ferroelectric memory, it is required to eliminate the electric field imprint in order to reverse the polarization symmetrically with respect to the electric field. Accordingly, research has been conducted on how to eliminate electric field imprinting, and attempts have been made to remove the substrate interface layer.

なお、現在、電界インプリントの原因として、(1)駆動電極界面付近の非反転強誘電体層、(2)強誘電体薄膜と駆動電極との格子ミスマッチング、(3)強誘電体の基板界面付近の格子欠陥による空間電荷層などが理由とされているが、まだ不明の点は多い。   Currently, the causes of electric field imprint are (1) a non-inverted ferroelectric layer near the drive electrode interface, (2) lattice mismatching between the ferroelectric thin film and the drive electrode, and (3) a ferroelectric substrate. The reason is the space charge layer due to lattice defects near the interface, but there are still many unclear points.

本発明は、この電界インプリントを積極的に用いて強誘電体材料の圧電歪み、誘電率、屈折率にメモリ効果を付与し、このメモリ効果を付与した強誘電体材料を利用した、今までに全くない各種の強誘電体デバイスを提供する。   In the present invention, this electric field imprint is actively used to impart a memory effect to the piezoelectric strain, dielectric constant, and refractive index of the ferroelectric material, and the ferroelectric material to which this memory effect is imparted has been used. The present invention provides various ferroelectric devices that are completely absent from the above.

このような強誘電体デバイスの例としては、電力供給なしでその位置を保持し続けるスマート圧電スイッチが挙げられる。メモリ効果を付与した強誘電体材料を利用してメモリ保持機能付き圧電アクチュエータを構成することにより、RF−MEMSスイッチなどに応用することが可能である。   An example of such a ferroelectric device is a smart piezoelectric switch that keeps its position without power supply. By configuring a piezoelectric actuator with a memory holding function using a ferroelectric material imparted with a memory effect, it can be applied to an RF-MEMS switch or the like.

従来の圧電アクチュエータでは、ある圧電変位を維持するためには、電圧を印可し続けなくてはならなかったが、本発明による圧電アクチュエータでは、電圧を0としてもある形状を保持し続けることができる。この駆動には、パルス電圧で駆動することが可能で、外部コンデンサに蓄えた電荷を駆動源とすることにより、小さい消費電力で駆動できるようになる。また、圧電駆動部を複数重ねる等の構造により、多値形状記憶とすることもできる。   In the conventional piezoelectric actuator, in order to maintain a certain piezoelectric displacement, it was necessary to continue to apply a voltage. However, in the piezoelectric actuator according to the present invention, it is possible to continue to maintain a certain shape even when the voltage is zero. . This drive can be driven with a pulse voltage. By using the electric charge stored in the external capacitor as a drive source, the drive can be performed with low power consumption. Further, a multi-value shape memory can be obtained by a structure in which a plurality of piezoelectric driving units are stacked.

なお、本発明による圧電アクチュエータは、バイモルフ圧電素子や積層圧電素子など、あらゆる形状タイプのものに応用ができる。また、圧電材料に関しても、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)だけにとどまらず、チタン酸鉛やチタン酸バリウム、ニオブ酸リチウム、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛(PLZT)など多結晶、単結晶にかかわらずあらゆる材料に用いることができる。   The piezoelectric actuator according to the present invention can be applied to any shape type such as a bimorph piezoelectric element and a laminated piezoelectric element. Also, regarding piezoelectric materials, not only lead zirconate titanate (PZT), but also polycrystals and single crystals such as lead titanate, barium titanate, lithium niobate, and lead lanthanum zirconate titanate (PLZT) It can be used for any material.

また、誘電率変化を記録データとして保持する新しい原理の記録デバイスに応用できる。すなわち、交流電圧を印加した場合の電流値をデータとして検波することによる新しい原理のメモリが実現される。従来の電荷記録型のFeRAMとは異なり、誘電率検波となるために、極めて単純な構造とすることができ、その結果、デバイスの高密度化に貢献することができる。   In addition, the present invention can be applied to a recording device based on a new principle that holds a change in dielectric constant as recording data. That is, a memory based on a new principle is realized by detecting the current value when AC voltage is applied as data. Unlike the conventional charge recording type FeRAM, since the dielectric constant detection is performed, a very simple structure can be obtained, and as a result, it is possible to contribute to higher density of the device.

また、屈折率変化による光スマートスイッチに応用できる。現在、強誘電体の上部に三角形の電極を配置し、電圧を印加することにより光の伝搬方向を制御する光スイッチが研究されている。この場合、電圧の大きさにともない、光の伝搬方向が変化することになるが、メモリ効果を付与した強誘電体材料を利用することにより、電圧を印加しなくとも、ある方向に光の伝搬方向を保持することが可能となる。   Moreover, it can be applied to an optical smart switch based on a change in refractive index. At present, an optical switch in which a triangular electrode is arranged on the top of a ferroelectric and the light propagation direction is controlled by applying a voltage has been studied. In this case, the propagation direction of light changes with the magnitude of the voltage, but by using a ferroelectric material with a memory effect, the propagation of light in a certain direction can be achieved without applying a voltage. It becomes possible to maintain the direction.

さらに、光記憶素子に応用できる。上記の光スマートスイッチの光の伝搬方向に光検出器を用意しておけば、強誘電体の分極方向を検出することが可能になるために、光記憶素子として応用することができる。   Furthermore, it can be applied to an optical storage element. If a photodetector is prepared in the light propagation direction of the above-mentioned optical smart switch, it becomes possible to detect the polarization direction of the ferroelectric, so that it can be applied as an optical storage element.

本発明の強誘電体デバイスは、上記のほか、加速度やジャイロなどのセンサとして用いられる圧電センサとしても応用できる。ここでは圧電定数がメモリされることにより、感度の異なる圧電センサとすることができる。これは、電気機械結合係数、すなわち電気エネルギーと機械エネルギーの変換効率がメモリされることと同じである。さらに、圧電定数のヤング率は、電気機械結合係数の関数であるので、ヤング率もメモリされる。   In addition to the above, the ferroelectric device of the present invention can also be applied as a piezoelectric sensor used as a sensor for acceleration, gyro and the like. Here, piezoelectric sensors having different sensitivities can be obtained by storing the piezoelectric constants. This is the same as storing the electromechanical coupling coefficient, that is, the conversion efficiency between electric energy and mechanical energy. Further, since the Young's modulus of the piezoelectric constant is a function of the electromechanical coupling coefficient, the Young's modulus is also stored in memory.

また、強誘電体において、温度変化に伴い分極値が変化し、表面に電荷が励起される焦電効果という効果があるが、本発明の強誘電体デバイスでは、この焦電効果においてもメモリ効果を有するため、焦電定数がメモリされることにより、感度の異なる温度センサを構成することが可能である。   In addition, in the ferroelectric material, the polarization value changes with temperature change, and there is an effect of a pyroelectric effect in which electric charges are excited on the surface. Therefore, it is possible to configure temperature sensors having different sensitivities by storing the pyroelectric constants.

このような電界インプリントを応用したメモリ機能付き強誘電体デバイスは、特に消費電力を抑えて小型軽量化することが求められているモバイル機器などへの応用が期待される。   Such a ferroelectric device with a memory function to which electric field imprinting is applied is expected to be applied to mobile devices and the like that are particularly required to be reduced in size and weight while suppressing power consumption.

つぎに、電界インプリントを施す方法について説明する。なお、電界インプリントを施す方法は以下の方法に限定されるものではない。   Next, a method for applying electric field imprint will be described. The method for applying electric field imprinting is not limited to the following method.

図1の中央に示すように、導電性材料からなる導電性基板1上に、強誘電体材料からなる強誘電体膜2を形成し、強誘電体膜2上に電極3を置く。そして、好ましくは100℃以上の環境下で1kV/mm以上の電界を1時間以上印加しつづけることにより、強誘電体膜2に電界インプリントが施される。電界インプリントが施された強誘電体膜2への印加電界に対する電束密度(D)、圧電歪み(S)、誘電率(ε)、屈折率(n)のそれぞれの関係を表すグラフは、図1の右側に示すように、左右方向にずれる。   As shown in the center of FIG. 1, a ferroelectric film 2 made of a ferroelectric material is formed on a conductive substrate 1 made of a conductive material, and an electrode 3 is placed on the ferroelectric film 2. An electric field imprint is applied to the ferroelectric film 2 by continuously applying an electric field of 1 kV / mm or more for 1 hour or more in an environment of 100 ° C. or more. Graphs representing respective relationships of electric flux density (D), piezoelectric strain (S), dielectric constant (ε), and refractive index (n) with respect to an electric field applied to the ferroelectric film 2 subjected to electric field imprinting are as follows: As shown on the right side of FIG.

なお、この電界インプリントの程度は、温度、電界、時間で制御可能であり、温度、電界、時間を制御することによって、強誘電体デバイスの目的や用途に応じた電界インプリントを施すことができる。温度が高いほど、電界が強いほど、時間が長いほど、電界インプリントの程度は大きくなり、図1に示すグラフのずれも大きくなる。また、強誘電体膜2を薄くすれば同じ電圧でも強い電界をかけることができる。   The degree of electric field imprinting can be controlled by temperature, electric field, and time. By controlling temperature, electric field, and time, electric field imprinting can be performed according to the purpose and application of the ferroelectric device. it can. The higher the temperature, the stronger the electric field, and the longer the time, the greater the degree of electric field imprinting, and the greater the deviation of the graph shown in FIG. Further, if the ferroelectric film 2 is thinned, a strong electric field can be applied even at the same voltage.

さらに、上記のような高温下で強電界を付与する処理を施さず、強誘電体材料の合成条件を変えることによっても、電界インプリントを施したのと同様な状態をつくりだし、その程度を制御することができる。例えば、強誘電体材料の結晶をエピタキシャル成長させることで、電界インプリントの原因となる(1)駆動電極界面付近の非反転強誘電体層、(2)強誘電体薄膜と駆動電極との格子ミスマッチング、(3)強誘電体の基板界面付近の格子欠陥による空間電荷層、などを生じさせ、電界インプリントが施されたのと同様な状態にすることができる。   In addition, by changing the synthesis conditions of the ferroelectric material without applying a treatment to apply a strong electric field at a high temperature as described above, a state similar to that in which electric field imprinting is performed is created and the degree of control is controlled. can do. For example, epitaxial growth of a ferroelectric material crystal causes electric field imprinting. (1) Non-inverted ferroelectric layer in the vicinity of the drive electrode interface, (2) Lattice error between the ferroelectric thin film and the drive electrode Matching, (3) a space charge layer due to lattice defects in the vicinity of the substrate interface of the ferroelectric, and the like can be generated, and a state similar to that in which electric field imprinting is performed can be obtained.

あるいは、一方向に分極処理しておいた強誘電体材料において、駆動電界を調節することで部分的に分極反転を行わせることにより、電界インプリントが施されたのと同様のメモリ効果を付与することができる。   Alternatively, in a ferroelectric material that has been polarized in one direction, a memory effect similar to that applied to electric field imprinting can be achieved by partially inverting the polarization by adjusting the driving electric field. can do.

なお、本発明において、「電界インプリント」とは、合成条件を変えることによって電界インプリントを施したのと同様な状態をつくりだすこと、一方向に分極処理した強誘電体材料において、駆動電界を適当に調節することで部分的に分極反転を行わせることによって電界インプリントを施したのと同様の状態をつくりだすことを含む。   In the present invention, “electric field imprint” means to create a state similar to that in which electric field imprinting is performed by changing the synthesis conditions, and in a ferroelectric material polarized in one direction, the driving electric field is It includes creating a state similar to that in which electric field imprinting is performed by performing polarization reversal partially by appropriately adjusting.

以下、具体例を挙げてさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されることなく、種々の変形実施が可能である。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with specific examples, but the present invention is not limited to the following examples, and various modifications can be made.

電界インプリントによりメモリ機能を付与した強誘電体材料を、圧電デバイスとしての屈曲型圧電アクチュエータに応用した例について説明する。   An example in which a ferroelectric material provided with a memory function by electric field imprinting is applied to a bending type piezoelectric actuator as a piezoelectric device will be described.

図2の左側に示すように、従来の強誘電体を用いた屈曲型圧電アクチュエータは、電圧の印加時には強誘電体の圧電歪みの変化により屈曲するが、電圧を印加しないと圧電歪みがもとの値に戻り、もとの直線状の形状となる。このように、従来の強誘電体を用いた屈曲型圧電アクチュエータはメモリ機能を有しない。   As shown on the left side of FIG. 2, a conventional bending type piezoelectric actuator using a ferroelectric material bends due to a change in the piezoelectric distortion of the ferroelectric material when a voltage is applied. It returns to the value of and becomes the original linear shape. Thus, the conventional bending type piezoelectric actuator using a ferroelectric does not have a memory function.

これに対し、電界インプリントによりメモリ機能を与えた強誘電体を用いた屈曲型圧電アクチュエータは、例えば図2の右側に示すように、正の電圧を与えた後は、電圧の印加を停止しても所定のメモリ機能安定点で屈曲した形状を保持する。つぎに、負の電圧を与えた後は、電圧の印加を停止すると、別のメモリ機能安定点で形状を保持する。このように、電界インプリントによりメモリ機能を与えた強誘電体を用いた屈曲型圧電アクチュエータは、メモリ機能を有する。   On the other hand, a bending type piezoelectric actuator using a ferroelectric material provided with a memory function by electric field imprinting stops application of voltage after applying a positive voltage as shown on the right side of FIG. However, the bent shape is maintained at a predetermined memory function stable point. Next, after applying a negative voltage, when the application of the voltage is stopped, the shape is held at another memory function stable point. As described above, the bending type piezoelectric actuator using the ferroelectric material provided with the memory function by the electric field imprint has a memory function.

なお、従来の圧電アクチュエータでは、分極反転しない外部電界範囲での駆動が行われていた。これは、外部電界と圧電歪みによる変位の関係を示すグラフ、いわゆる圧電歪みバタフライ曲線が圧電歪み軸に対して対称である場合には、分極反転しても圧電歪みは変化しないということと、分極反転すると外部電界に対する分極歪み方向が逆転してしまうためである。   In the conventional piezoelectric actuator, driving is performed in an external electric field range where polarization is not reversed. This is a graph showing the relationship between the external electric field and the displacement due to piezoelectric strain, that is, when the so-called piezoelectric strain butterfly curve is symmetric with respect to the piezoelectric strain axis, the piezoelectric strain does not change even if the polarization is reversed. This is because the direction of polarization distortion with respect to the external electric field is reversed when reversed.

実際に、市販の屈曲型圧電アクチュエータ(日本セラテック社製LPD3713X)に電界インプリントによりメモリ機能を与えた。   Actually, a memory function was given to a commercially available bending type piezoelectric actuator (LPD3713X manufactured by Nippon Ceratech) by electric field imprinting.

用いた屈曲型圧電アクチュエータは、図3に示すように、全体の厚さが0.6mmで、厚さ0.2mmの金属シム11の上下に厚さ0.2mmのチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)12が貼り付けてあり、幅は13.4mm、全体の長さ37mmの内、28mmにPZTがあり、残りの9mmの金属のみの部分を固定するバイモルフ構造となっている。PZTの上には駆動用の電極13が設けられており、表裏面を導線14で接続している。本実施例では、この導線14を切断し、片面のPZTのみを駆動するユニモルフとして用いた。また、このアクチュエータは予め分極処理されているが、電界インプリントに先立ち5Hzの180Vの比較的大きな電圧を印可することにより、分極のされていない初期状態にした。   As shown in FIG. 3, the bending type piezoelectric actuator used has an overall thickness of 0.6 mm, and 0.2 mm thick lead zirconate titanate (PZT) 12 on top and bottom of a metal shim 11 having a thickness of 0.2 mm. Attached, 13.4 mm wide, 37 mm in total length, 28 mm PZT, and a bimorph structure that fixes the remaining 9 mm metal-only part. A driving electrode 13 is provided on the PZT, and the front and back surfaces are connected by a conductive wire 14. In this embodiment, the conductive wire 14 is cut and used as a unimorph that drives only one side of PZT. In addition, this actuator has been previously polarized, but by applying a relatively large voltage of 180 V at 5 Hz prior to electric field imprinting, the actuator was brought into an unpolarized initial state.

予め150℃にしてある電気炉(ヤマト科学社製DKN302)中にアクチュエータを入れ、電気炉外の高電圧電源(メス−テック社製 M-2601)と接続して、700Vの直流電圧を印可した。2時間の後に、電源をはずして短絡させた後に、電気炉から取り出し、印加電圧と圧電歪みによる変位の関係、いわゆる圧電歪みバタフライ曲線を測定した。その結果を図4に示す。   The actuator was placed in an electric furnace (DKN302 manufactured by Yamato Scientific Co., Ltd.) that had been set to 150 ° C in advance, and connected to a high-voltage power supply (M-2601 manufactured by Mestech) outside the electric furnace, and a DC voltage of 700 V was applied. . After 2 hours, the power supply was disconnected and short-circuited, and then removed from the electric furnace, and the relationship between applied voltage and displacement due to piezoelectric strain, the so-called piezoelectric strain butterfly curve was measured. The result is shown in FIG.

なお、圧電歪みバタフライ曲線を測定するときの印加電圧は、ファンクションジェネレータ(NF1946)からの出力を高速アンプ(NF4010)で増幅してバイモルフに印加した。圧電歪みによる変位はレーザー変位計(キーエンス社製 LC2400)により測定した。そして、印加電圧をCh1、圧電歪みによる変位をCh2として、オシロスコープにより印加電圧と圧電歪みによる変位の関係を求めた。   The voltage applied to measure the piezoelectric strain butterfly curve was applied to the bimorph after the output from the function generator (NF1946) was amplified by a high-speed amplifier (NF4010). Displacement due to piezoelectric strain was measured with a laser displacement meter (LC2400 manufactured by Keyence Corporation). The relationship between the applied voltage and the displacement due to the piezoelectric strain was obtained using an oscilloscope, where the applied voltage was Ch1 and the displacement due to the piezoelectric strain was Ch2.

図4に示す結果から、圧電歪みバタフライ曲線が、電圧軸のプラス方向にシフトしていることがわかった。このグラフでは、電圧軸すなわち横軸のプラス方向は電界方向が下部電極としての中央の金属シム11から上部の電極13に向かう方向を取っている。したがって、上部の電極13に与えた電圧を反転させたものが横軸である。電界インプリントの処理では、上部の電極13に700Vを加えた状態で保持したために、分極方向は下向きが安定な状態になる。したがって、マイナス方向の分極が安定になるように電界インプリントが生じることになる。この結果、圧電歪みバタフライ曲線は、右にシフトすることが予想されるが、これは図2に示す結果と一致した。   From the results shown in FIG. 4, it was found that the piezoelectric strain butterfly curve was shifted in the positive direction of the voltage axis. In this graph, the positive direction of the voltage axis, that is, the horizontal axis, takes the direction of the electric field from the central metal shim 11 as the lower electrode toward the upper electrode 13. Therefore, the horizontal axis represents the inversion of the voltage applied to the upper electrode 13. In the electric field imprint process, 700 V is applied to the upper electrode 13 and the polarization direction is stable downward. Therefore, the electric field imprint is generated so that the polarization in the negative direction becomes stable. As a result, the piezoelectric strain butterfly curve is expected to shift to the right, which coincides with the result shown in FIG.

150℃の温度でさらに2時間、同じ700Vの直流電圧を印加した結果、圧電歪みバタフライ曲線は図5に示すように、さらに右にシフトした。また、新たなアクチュエータを用いて150℃の温度で逆方向の700Vの直流電圧を2時間印可した場合の圧電歪みバタフライ曲線は図6に示すように、逆向きの左にシフトした。   As a result of applying the same 700 V DC voltage at 150 ° C. for another 2 hours, the piezoelectric strain butterfly curve was further shifted to the right as shown in FIG. Further, when a DC voltage of 700 V in the reverse direction was applied for 2 hours at a temperature of 150 ° C. using a new actuator, the piezoelectric strain butterfly curve shifted to the left in the reverse direction as shown in FIG.

以上のように、本実施例では、電界の向き、電圧を印加する時間により、電界インプリントの大きさと向きを制御できることが確認された。   As described above, in this example, it was confirmed that the magnitude and direction of the electric field imprint can be controlled by the direction of the electric field and the time for applying the voltage.

つぎに、上記の150℃の環境で700Vの直流電圧を計4時間印加したアクチュエータを用いて、その形状記憶メモリ特性を評価した。パルス幅は0.1秒として、プラスパルスとマイナスパルスを交互に印可することにより、圧電歪みによる変位を測定した。なお、分極反転をさせるためのこれらのパルス印加の後は、駆動電圧を0とした。図7に示す結果から、分極反転をしたのちに電圧を0とすると、分極反転をする前と比べて0.12mm程度の変位を維持し続けていることがわかった。すなわち、電界インプリントにより、分極方向に伴って2つの圧電歪み安定点を有するようになり、形状記憶圧電アクチュエータとして機能することが確認された。   Next, the shape memory memory characteristics were evaluated using an actuator to which a DC voltage of 700 V was applied for a total of 4 hours in the environment of 150 ° C. Displacement due to piezoelectric strain was measured by applying a positive pulse and a negative pulse alternately with a pulse width of 0.1 seconds. Note that the drive voltage was set to 0 after application of these pulses for inversion of polarization. From the results shown in FIG. 7, it was found that when the voltage was set to 0 after polarization reversal, the displacement of about 0.12 mm was maintained compared to before the polarization reversal. That is, it has been confirmed by electric field imprinting that it has two piezoelectric strain stable points along the polarization direction and functions as a shape memory piezoelectric actuator.

なお、本実施例においては、PZTユニモルフを例にとって説明したが、この構造に限定されるものではなく、全ての構造の圧電アクチュエータに応用が可能である。電圧0としても圧電変位を維持し続けることから、RF-MEMSスイッチなどの小型スイッチやマイクロ流路バルブなどに適用することで、消費電力を抑制することに貢献できる。また、パルス駆動による駆動電圧の低減を図ることができ、さらにアクチュエータの構造を工夫することによって、多値形状記憶型のアクチュエータに適用することもできる。   In this embodiment, the PZT unimorph has been described as an example. However, the present invention is not limited to this structure, and can be applied to piezoelectric actuators of all structures. Since the piezoelectric displacement is maintained even at a voltage of 0, it can contribute to suppressing power consumption by applying to a small switch such as an RF-MEMS switch or a micro-channel valve. Further, the driving voltage can be reduced by pulse driving, and further, the invention can be applied to a multi-value shape memory type actuator by devising the structure of the actuator.

強誘電体材料の合成条件により電界インプリントが施されたのと同様な状態となる例について説明する。   An example in which the electric field imprint is performed according to the synthesis condition of the ferroelectric material will be described.

(1)チタン酸鉛薄膜(合成条件1)
水熱合成法により、チタン酸鉛(PTO)のエピタキシャル薄膜をSrRuO3基板上に形成した。反応温度は150℃、反応時間は24時間、原料として、硝酸鉛(Pb(NO3)2)2.26g、酸化チタン(TiO2)0.393g、10NのKOH水溶液15mlを用いた。得られたPTO薄膜の厚さは100nmであり、さらに、この薄膜上にプラチナ電極を蒸着により形成した。
(1) Lead titanate thin film (Synthesis condition 1)
An epitaxial thin film of lead titanate (PTO) was formed on a SrRuO 3 substrate by a hydrothermal synthesis method. The reaction temperature was 150 ° C., the reaction time was 24 hours. As raw materials, 2.26 g of lead nitrate (Pb (NO 3 ) 2 ), 0.393 g of titanium oxide (TiO 2 ), and 15 ml of 10N KOH aqueous solution were used. The obtained PTO thin film had a thickness of 100 nm, and a platinum electrode was formed on the thin film by vapor deposition.

得られたPTO薄膜の印加電圧に対する分極、誘電率の関係を表すヒステリス曲線を、それぞれ図8、図9に示す。   FIG. 8 and FIG. 9 show the hysteresis curves representing the relationship between polarization and dielectric constant with respect to the applied voltage of the obtained PTO thin film, respectively.

本実施例のPTO薄膜は、高温下で強電界を付与する処理を施さずとも、左方向にずれたヒステリス曲線を示した。   The PTO thin film of this example showed a hysteresis curve shifted in the left direction without being subjected to a treatment for applying a strong electric field at a high temperature.

(2)チタン酸鉛薄膜(合成条件2)
水熱合成法により、チタン酸鉛(PTO)のエピタキシャル薄膜を、SrTiO3(STO)(100)単結晶上のエピタキシャルSrRuO3薄膜上に形成した。反応温度は150℃、反応時間は24時間、原料として、硝酸鉛1.0g、酸化チタン0.2g、10NのKOH水溶液15mlを用いた。得られたPTO薄膜の厚さは430nmであり、さらに、この薄膜上にプラチナ電極を蒸着により形成した。
(2) Lead titanate thin film (Synthesis condition 2)
An epitaxial thin film of lead titanate (PTO) was formed on an epitaxial SrRuO 3 thin film on a SrTiO 3 (STO) (100) single crystal by a hydrothermal synthesis method. The reaction temperature was 150 ° C., the reaction time was 24 hours, and 1.0 g of lead nitrate, 0.2 g of titanium oxide, and 15 ml of 10N aqueous KOH solution were used as raw materials. The obtained PTO thin film had a thickness of 430 nm, and a platinum electrode was formed on the thin film by vapor deposition.

得られたPTO薄膜の印加電圧に対する変位、分極、誘電率の関係を表すヒステリス曲線は、それぞれ図10、図11、図12に示すように、上記合成条件(1)の場合よりもさらに左方向にずれたものであった。   As shown in FIGS. 10, 11, and 12, the hysteresis curves representing the relationship of displacement, polarization, and dielectric constant with respect to the applied voltage of the obtained PTO thin film are further to the left than in the case of the above synthesis condition (1). It was something that shifted.

(3)チタン酸ジルコン酸鉛薄膜
水熱合成法により、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)のエピタキシャル薄膜を、SrTiO3(STO)(100)単結晶上のエピタキシャルSrRuO3薄膜上に形成した。反応温度は150℃、反応時間は9時間、原料として、硝酸鉛2.64g、オキシ塩化ジルコニウム八水和物(ZrOCl48H2O)0.74g、酸化チタン0.2g、10NのKOH水溶液15mlを用いた。得られたPZT薄膜の厚さは500nmであり、さらに、この薄膜上にプラチナ電極を蒸着により形成した。
(3) Lead zirconate titanate thin film An epitaxial thin film of lead zirconate titanate (PZT) was formed on an epitaxial SrRuO 3 thin film on a SrTiO 3 (STO) (100) single crystal by a hydrothermal synthesis method. The reaction temperature was 150 ° C, the reaction time was 9 hours, and 2.64 g of lead nitrate, 0.74 g of zirconium oxychloride octahydrate (ZrOCl 4 8H 2 O), 0.2 g of titanium oxide, and 15 ml of a 10N aqueous KOH solution were used. . The obtained PZT thin film had a thickness of 500 nm, and a platinum electrode was formed on the thin film by vapor deposition.

得られたPZT薄膜の印加電圧に対する分極の関係を表すヒステリス曲線は、図13に示すように、右方向にずれたものであった。   The hysteresis curve representing the polarization relationship with respect to the applied voltage of the obtained PZT thin film was shifted to the right as shown in FIG.

以上のように、高温下で強電界を付与する処理を施さずとも、強誘電体材料の合成条件を変えることによって電界インプリントを施したのと同様な状態とし、或いはその程度を制御することができることが確認された。   As described above, even if a process for applying a strong electric field at a high temperature is not performed, by changing the synthesis condition of the ferroelectric material, a state similar to that in which the electric field imprint is performed or the degree thereof is controlled. It was confirmed that

電界インプリントにより圧電歪み、誘電率、屈折率のメモリ機能を付与された強誘電体材料の特性を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the characteristic of the ferroelectric material to which the memory function of the piezoelectric distortion, the dielectric constant, and the refractive index was provided by the electric field imprint. 電界インプリントにより圧電歪みのメモリ機能を付与された強誘電体材料を備えた本発明の圧電アクチュエータの動作を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows operation | movement of the piezoelectric actuator of this invention provided with the ferroelectric material to which the memory function of the piezoelectric distortion was provided by the electric field imprint. 実施例1で用いた屈曲型圧電アクチュエータを示す上面図及び側面図である。It is the upper side figure and side view which show the bending type piezoelectric actuator used in Example 1. FIG. 実施例1における電界インプリント処理2時間の圧電歪みバタフライ曲線を示すグラフである。3 is a graph showing a piezoelectric strain butterfly curve for 2 hours of electric field imprint processing in Example 1. FIG. 実施例1における電界インプリント処理4時間の圧電歪みバタフライ曲線を示すグラフである。3 is a graph showing a piezoelectric strain butterfly curve for 4 hours of electric field imprint processing in Example 1. FIG. 実施例1における電界インプリント処理を逆方向に行った場合の圧電歪みバタフライ曲線を示すグラフである。It is a graph which shows the piezoelectric distortion butterfly curve at the time of performing the electric field imprint process in Example 1 in the reverse direction. 実施例1の圧電アクチュエータの駆動を示すグラフである。3 is a graph showing driving of the piezoelectric actuator of Example 1. 実施例2のチタン酸鉛薄膜(合成条件1)の電圧−分極ヒステリス曲線を示すグラフである。It is a graph which shows the voltage-polarization hysteresis curve of the lead titanate thin film of Example 2 (synthesis condition 1). 実施例2のチタン酸鉛薄膜(合成条件1)の電圧−誘電率ヒステリス曲線を示すグラフである。It is a graph which shows the voltage-dielectric-constant hysteresis curve of the lead titanate thin film of Example 2 (synthesis condition 1). 実施例2のチタン酸鉛薄膜(合成条件2)の電圧−変位ヒステリス曲線を示すグラフである。It is a graph which shows the voltage-displacement hysteresis curve of the lead titanate thin film (synthesis condition 2) of Example 2. 実施例2のチタン酸鉛薄膜(合成条件2)の電圧−分極ヒステリス曲線を示すグラフである。It is a graph which shows the voltage-polarization hysteresis curve of the lead titanate thin film of Example 2 (synthesis condition 2). 実施例2のチタン酸鉛薄膜(合成条件2)の電圧−誘電率ヒステリス曲線を示すグラフである。It is a graph which shows the voltage-dielectric-constant hysteresis curve of the lead titanate thin film (synthesis condition 2) of Example 2. 実施例2のチタン酸ジルコン酸鉛薄膜の電圧−分極ヒステリス曲線を示すグラフである。3 is a graph showing a voltage-polarization hysteresis curve of a lead zirconate titanate thin film of Example 2.

Claims (5)

電界インプリントにより圧電歪み、誘電率、屈折率、圧電定数、電気機械結合係数、ヤング率、又は焦電定数のメモリ機能を付与された強誘電体材料を備えたことを特徴とする強誘電体デバイス。 A ferroelectric material comprising a ferroelectric material provided with a memory function of piezoelectric distortion, dielectric constant, refractive index, piezoelectric constant, electromechanical coupling coefficient, Young's modulus, or pyroelectric constant by electric field imprinting device. 前記強誘電体材料はチタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、チタン酸バリウム、ニオブ酸リチウム、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛のいずれかであることを特徴とする請求項1記載の強誘電体デバイス。 2. The ferroelectric device according to claim 1, wherein the ferroelectric material is any one of lead zirconate titanate, lead titanate, barium titanate, lithium niobate, and lead lanthanum zirconate titanate. 電圧を印加せずとも所定の2値の圧電歪みを選択的に保持するメモリ機能を有する強誘電体材料を備え、このメモリ機能は電界インプリントにより付与されたものであることを特徴とする圧電デバイス。 A piezoelectric material comprising a ferroelectric material having a memory function for selectively holding a predetermined binary piezoelectric strain without applying a voltage, the memory function being provided by electric field imprinting device. 電圧を印加せずとも所定の2値の誘電率を選択的に保持するメモリ機能を有する強誘電体材料を備え、このメモリ機能は電界インプリントにより付与されたものであることを特徴とする誘電率検波型強誘電体メモリデバイス。 A dielectric material comprising a ferroelectric material having a memory function that selectively retains a predetermined binary dielectric constant without applying a voltage, the memory function being provided by electric field imprinting Rate detection type ferroelectric memory device. 電圧を印加せずとも所定の2値の屈折率を選択的に保持するメモリ機能を有する強誘電体材料を備え、このメモリ機能は電界インプリントにより付与されたものであることを特徴とする電気光学デバイス。 A ferroelectric material having a memory function for selectively holding a predetermined binary refractive index without applying a voltage, the memory function being provided by electric field imprinting Optical device.
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