JP2010135595A - Piezoelectric element and method of manufacturing the same, and angular velocity sensor using the piezoelectric element - Google Patents

Piezoelectric element and method of manufacturing the same, and angular velocity sensor using the piezoelectric element Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an angular velocity sensor using a piezoelectric sensor that prevents short circuit between a first electrode and a second electrode without reducing Q value of the piezoelectric element. <P>SOLUTION: The piezoelectric element 30 has such a structure that a piezoelectric material 14 whose cross section in the direction of thickness is formed trapezoidal is pinched with a first electrode 13a and a second electrode 15a. The first electrode 13a is provided on a first face F1 on the side of a substrate 10 in the piezoelectric material 14, and the second electrode 15a is provided on a second face F2. An inclined section 14a inclined to the substrate 10 is formed on the side face of the piezoelectric material 14. In addition, a flat section 14b parallel to the substrate 10 is formed in the remaining section excluding the inclined section 14a, on the side face of the piezoelectric material 14. In the piezoelectric material 30, a distance between the first electrode 13a and the second electrode 15a is large, so that shortcircuiting is hard to occur, and a section not contributing to resonance in the piezoelectric material 14 is removed, thereby increasing Q value. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、電圧を印加することで圧電体の収縮運動を機械的な運動に変化させる圧電体素子及びその製造方法、並びに該圧電体素子を用いた角速度センサに関する。   The present invention relates to a piezoelectric element that changes a contraction movement of a piezoelectric body into a mechanical movement by applying a voltage, a manufacturing method thereof, and an angular velocity sensor using the piezoelectric element.

電圧を印加することで圧電体の収縮運動を機械的な運動に変化させる薄膜状の圧電体素子は、角速度センサ用の薄膜微小共振子として、広く用いられている(例えば、特許文献1、2)。   A thin film piezoelectric element that changes a contraction movement of a piezoelectric body into a mechanical movement by applying a voltage is widely used as a thin film microresonator for an angular velocity sensor (for example, Patent Documents 1 and 2). ).

図12は、従来の角速度センサの模式図、図13は図12のA−A断面図である。
従来の角速度センサ100は、矩形状の基板110に、4つの駆動用圧電体素子120と4つの検出用圧電体素子130とが搭載されたものである。
基板110は、SOI(Silicon On Insulator)などから形成されている。基板110の中心部上面には、肉厚が薄い可撓部110aが形成されている。可撓部110aの周囲には肉厚が厚い固定部110bが形成されている。可撓部110aの下面の中心には重錘体が備えられた錘部140が形成されている。
4つの駆動用圧電体素子120と4つの検出用圧電体素子130とは、可撓部110a上面に搭載されている。
検出用圧電体素子130は、それぞれが同じ扇状に形成されている。検出用圧電体素子130は、可撓部110aの中央部に、互いに隙間をあけた状態で向き合うように配置されている。駆動用圧電体素子120は、それぞれが同じ円弧状に形成されている。駆動用圧電体素子120は、4つの検出用圧電体素子130の外側に、それぞれを対応させた同心円状に配置されている。
4つの駆動用圧電体素子120は可撓部110aをその厚み方向に振動させ、4つの検出用圧電体素子130は、可撓部110aの厚み方向への変形を検出する。
FIG. 12 is a schematic view of a conventional angular velocity sensor, and FIG. 13 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG.
The conventional angular velocity sensor 100 includes a rectangular substrate 110 on which four driving piezoelectric elements 120 and four detection piezoelectric elements 130 are mounted.
The substrate 110 is made of SOI (Silicon On Insulator) or the like. A thin flexible portion 110 a is formed on the upper surface of the central portion of the substrate 110. A thick fixing portion 110b is formed around the flexible portion 110a. In the center of the lower surface of the flexible part 110a, a weight part 140 provided with a weight body is formed.
The four driving piezoelectric elements 120 and the four detecting piezoelectric elements 130 are mounted on the upper surface of the flexible portion 110a.
Each of the detection piezoelectric elements 130 is formed in the same fan shape. The detection piezoelectric element 130 is disposed in the central portion of the flexible portion 110a so as to face each other with a gap therebetween. Each of the driving piezoelectric elements 120 is formed in the same arc shape. The driving piezoelectric elements 120 are arranged concentrically on the outside of the four detecting piezoelectric elements 130 so as to correspond to each other.
The four driving piezoelectric elements 120 vibrate the flexible portion 110a in the thickness direction, and the four detecting piezoelectric elements 130 detect deformation of the flexible portion 110a in the thickness direction.

図13の120は駆動用圧電体素子である。この駆動用圧電体素子120は、それぞれ可撓部110aの上に第1電極121、圧電体122及び第2電極123の順に積層された積層膜であり、それぞれ互いに対向する第1電極121及び第2電極123に挟まれてなる圧電体122を備えた薄膜圧電体素子である。130は検出用圧電体素子である。この検出用圧電体素子130は、それぞれ可撓部110aの上に第1電極131、圧電体132及び第2電極133の順に積層された積層膜であり、それぞれ互いに対向する第1電極131及び第2電極133に挟まれてなる圧電体132を備えた薄膜圧電体素子である。なお、駆動用圧電体素子120の第1電極121及び第2電極123、そして検出用圧電体素子130の第1電極131及び第2電極133にはそれぞれリード線(図示せず)が接続されている。   Reference numeral 120 in FIG. 13 denotes a driving piezoelectric element. The driving piezoelectric element 120 is a laminated film in which the first electrode 121, the piezoelectric body 122, and the second electrode 123 are laminated in this order on the flexible portion 110a, and the first electrode 121 and the first electrode facing each other. The thin film piezoelectric element includes a piezoelectric body 122 sandwiched between two electrodes 123. Reference numeral 130 denotes a detection piezoelectric element. The detection piezoelectric element 130 is a laminated film in which a first electrode 131, a piezoelectric body 132, and a second electrode 133 are laminated in this order on the flexible portion 110a, and the first electrode 131 and the first electrode 131 that face each other. The thin film piezoelectric element includes a piezoelectric body 132 sandwiched between two electrodes 133. Lead wires (not shown) are connected to the first electrode 121 and the second electrode 123 of the driving piezoelectric element 120 and the first electrode 131 and the second electrode 133 of the detecting piezoelectric element 130, respectively. Yes.

以上のように構成される従来の角速度センサ100の動作を説明する。4つの駆動用圧電体素子120の各第1電極121と第2電極123に所定の周波数fの交流電圧を印加すると、圧電体122が周波数fに応じて電極面に沿って伸縮運動する。この伸縮変動に伴い駆動用圧電体素子120が搭載された可撓部110aが振動する。この振動により基板110の中央に形成された重錘体140が、可撓部110aの面と垂直な軸z方向に周波数fで振動する。一方、各検出用圧電体素子130には、重錘体140の振動に基づく圧電力が第1電極132と第2電極133の間に生成される。このように重錘体140が軸z方向に振動しているときに軸z方向と直行する軸xの回りに角速度が加わると、重錘体140には、軸zおよび軸xと直交する軸y方向のコリオリ力が働き、その分力が重錘体140の周囲の可撓部110aに歪みとして伝わる。そして、各検出用圧電体素子130にはその歪みに応じた出力が表れる。この出力は、コリオリ力の大きさと相関がある。そこで、それぞれの検出用圧電体素子130の第1電極132と第2電極133から出力される電圧の差を検出することにより、コリオリ力の大きさ、すなわち角速度を検出することができる。   The operation of the conventional angular velocity sensor 100 configured as described above will be described. When an AC voltage having a predetermined frequency f is applied to the first electrode 121 and the second electrode 123 of the four driving piezoelectric elements 120, the piezoelectric body 122 expands and contracts along the electrode surface according to the frequency f. Along with the expansion / contraction variation, the flexible portion 110a on which the driving piezoelectric element 120 is mounted vibrates. Due to this vibration, the weight body 140 formed at the center of the substrate 110 vibrates at the frequency f in the axis z direction perpendicular to the surface of the flexible portion 110a. On the other hand, in each detection piezoelectric element 130, a piezoelectric power based on the vibration of the weight body 140 is generated between the first electrode 132 and the second electrode 133. Thus, when an angular velocity is applied around the axis x orthogonal to the axis z direction when the weight body 140 is vibrating in the axis z direction, the weight body 140 has an axis orthogonal to the axis z and the axis x. The Coriolis force in the y direction works, and the component force is transmitted as distortion to the flexible portion 110a around the weight body 140. An output corresponding to the distortion appears on each detection piezoelectric element 130. This output correlates with the magnitude of the Coriolis force. Therefore, the magnitude of the Coriolis force, that is, the angular velocity can be detected by detecting the difference between the voltages output from the first electrode 132 and the second electrode 133 of each detection piezoelectric element 130.

特開2003−227719号公報JP 2003-227719 A 特開2006−194911号公報JP 2006-194911 A

このような薄膜状の圧電体素子において、振動特性の良否の指標の一つであるQ値を高くするためには、第1電極、圧電体及び第2電極のそれぞれの平面形状が同一形状であることが望ましい。これは、圧電体において電圧印加によって伸縮運動が起こるのは第1電極と第2電極に挟まれた部分のみだからである。
ところが、エッチングなどの処理により基板上に微小共振子である薄膜圧電体素子を形成する場合、第1電極、圧電体及び第2電極を同一形状にすることは、以下の理由で大きな問題がある。
すなわち、圧電体素子は、面積が小さく、また、電極及び圧電体の膜厚が数μm程度の薄膜であるため、圧電体の上面に第2電極を正確に形成することが難しく、圧電体上に第2電極を形成するときにおいて、電極パターンの位置ずれにより第2電極が圧電体からはみ出してしまう。その結果、圧電体側面に導電性の不純物が付着したりすることで第2電極と第1電極とがショートしやすい。
また、同一形状を有する電極パターンと圧電体パターンの位置を正確に合わせたとしても圧電体が薄膜であるため、第1電極と第2電極の距離が近くなり、沿面放電によるショートを起こしやすい。
In such a thin film piezoelectric element, in order to increase the Q value, which is one of the indicators of the quality of vibration characteristics, the planar shapes of the first electrode, the piezoelectric body, and the second electrode are the same. It is desirable to be. This is because, in the piezoelectric body, the expansion and contraction motion occurs when a voltage is applied only in the portion sandwiched between the first electrode and the second electrode.
However, when a thin film piezoelectric element that is a microresonator is formed on a substrate by a process such as etching, making the first electrode, the piezoelectric body, and the second electrode in the same shape has a big problem for the following reason. .
That is, since the piezoelectric element has a small area and the electrode and the piezoelectric film are thin films of about several μm, it is difficult to accurately form the second electrode on the upper surface of the piezoelectric element. When the second electrode is formed, the second electrode protrudes from the piezoelectric body due to the displacement of the electrode pattern. As a result, the second electrode and the first electrode are easily short-circuited by conductive impurities adhering to the side surface of the piezoelectric body.
Further, even if the positions of the electrode pattern and the piezoelectric pattern having the same shape are accurately aligned, the piezoelectric body is a thin film, so the distance between the first electrode and the second electrode is close, and a short circuit due to creeping discharge is likely to occur.

この対策として、特許文献1では、圧電体を第2電極より十分大きくなるように形成することで絶縁性を確保し第1電極と第2電極とのショートを防止している。
しかしながら、上記したように、圧電体において、伸縮運動が起こるのは電圧が印加される、すなわち両電極に挟まれた部分のみであるので、電圧が印加されない圧電体における第2電極からはみ出した余分な圧電体の部分は、圧電体の伸縮運動に寄与しないだけでなく、むしろ、基板の可撓部の共振運動の妨げになり、その結果Q値が小さくなる。
As a countermeasure, in Patent Document 1, the piezoelectric body is formed to be sufficiently larger than the second electrode to ensure insulation and prevent a short circuit between the first electrode and the second electrode.
However, as described above, in the piezoelectric body, the expansion / contraction movement occurs only when the voltage is applied, that is, the portion sandwiched between the two electrodes, so that the extra portion protruding from the second electrode in the piezoelectric body to which no voltage is applied. Such a piezoelectric portion does not contribute to the expansion and contraction motion of the piezoelectric material, but rather hinders the resonance motion of the flexible portion of the substrate, resulting in a low Q value.

本発明者はかかる課題を解決するために、鋭意研究の結果「共振の妨げになる圧電体のはみ出し部分の一部」をエッチング処理することで、ショート防止効果を維持しつつかつ高いQ値を維持することに思い至った。   In order to solve such a problem, the present inventor conducted etching processing on “a part of the protruding portion of the piezoelectric body that hinders resonance” as a result of intensive research, thereby maintaining a short-circuit preventing effect and a high Q value. I came up with it.

一般に、圧電体のエッチング工程において、圧電体の不要部分を除去するエッチング方法として、圧電体のみを溶解する溶液を使用したウェットエッチングが多用されている。このエッチング工程では、電極をレジストでマスクすることで必要な部分以外をエッチングすることを回避している。このウェットエッチングは、等方性エッチングであるので、圧電体の厚み方向だけでなく、表面に平行な方向にもエッチングされる。
すなわち、水平方向へ余分にエッチングされるいわゆるサイドエッチングで、このサイドエッチングがあるウェットエッチングでは圧電体の水平方向の寸法制御が困難であり、本発明に適用するのは好ましくない。
In general, in an etching process of a piezoelectric body, wet etching using a solution that dissolves only the piezoelectric body is frequently used as an etching method for removing unnecessary portions of the piezoelectric body. In this etching process, the electrode is masked with a resist to avoid etching other than necessary portions. Since this wet etching is isotropic etching, it is etched not only in the thickness direction of the piezoelectric body but also in a direction parallel to the surface.
That is, so-called side etching that is excessively etched in the horizontal direction, and wet etching with side etching makes it difficult to control the size of the piezoelectric body in the horizontal direction, and is not preferable for application to the present invention.

これに対し、異方性エッチングであるドライエッチング(特に反応性イオンエッチング、RIE)では、サイドエッチングを起こすことなく圧電体の不要部分を除去することができる。しかしながら、一般的に使用されるイオンミリングによるドライエッチングでは選択性が低いため、圧電体部分のみでなく、圧電体素子として必要な第1電極までを過分にエッチングしてしまうという問題がある。   On the other hand, in dry etching (particularly reactive ion etching, RIE) that is anisotropic etching, unnecessary portions of the piezoelectric body can be removed without causing side etching. However, since dry etching by ion milling generally used has low selectivity, there is a problem that not only the piezoelectric portion but also the first electrode necessary as the piezoelectric element is excessively etched.

本発明は、圧電体素子の共振性能を低下させることなく、電極間のショートを効果的に防止することが可能な圧電体素子を提供すること、またエッチング法を用いたこの圧電体素子の有効な製造方法を提供することを目的とする。   The present invention provides a piezoelectric element capable of effectively preventing a short circuit between electrodes without degrading the resonance performance of the piezoelectric element, and also provides an effective use of this piezoelectric element using an etching method. An object of the present invention is to provide a simple manufacturing method.

前記課題を解決する第1の発明は、互いに平行な第1面と第2面を有する圧電体の前記第1面に第1電極を、前記第2面に第2電極をそれぞれ形成した圧電体素子において、前記第1面は、前記第2面を第1面に投影した輪郭よりも外側に輪郭を有する形状とし、前記第1電極は、前記第1面の輪郭と同じか大きい形状であり、前記第2電極は前記第2面の輪郭と同じか小さい形状である圧電体素子に係るものである。   According to a first aspect of the present invention for solving the above-mentioned problems, a piezoelectric body having a first surface and a second surface parallel to each other, wherein the first electrode is formed on the first surface and the second electrode is formed on the second surface. In the element, the first surface has a shape having a contour outside the contour projected from the second surface on the first surface, and the first electrode has a shape that is the same as or larger than the contour of the first surface. The second electrode relates to a piezoelectric element having a shape that is the same as or smaller than the contour of the second surface.

このように、第1電極が設けられた圧電体の第1面を、第2電極が設けられた圧電体の第2面を第1面に投影した輪郭よりも外側に輪郭を有する形状とすることにより、共振に寄与しない部分が減少するため、Q値を大きくすることができる。
さらに上述の形状の圧電体に形成された電極は、前記第1電極が、前記第1面の輪郭と同じか大きい形状であり、前記第2電極が前記第2面の輪郭と同じか小さい形状であるため、両電極の端縁間の距離が長くなり、電極間のショートを効果的に防止することができる。
As described above, the first surface of the piezoelectric body provided with the first electrode is shaped to have a contour outside the contour projected from the second surface of the piezoelectric body provided with the second electrode on the first surface. As a result, the portion that does not contribute to resonance is reduced, so that the Q value can be increased.
Further, in the electrode formed on the piezoelectric body having the above shape, the first electrode has a shape that is the same as or larger than the contour of the first surface, and the second electrode has a shape that is the same or smaller than the contour of the second surface. Therefore, the distance between the edges of both electrodes becomes long, and a short circuit between the electrodes can be effectively prevented.

第2の発明は、第1の発明において、前記圧電体の厚み方向の断面が、台形状であることを規定したものである。なお、「台形状」とは、前記第1電極側から第2電極側に向かうにつれて、圧電体における厚み方向に直交する断面が小さくなる形状を意味し、圧電体の側部が、直線状、円弧状、階段状、あるいはこれらが組み合わされた形状に広がっていることを含む。
このような構成とすることで、特に共振に寄与しない部分が減少するため、Q値をより大きくすることができる。
According to a second invention, in the first invention, the cross section in the thickness direction of the piezoelectric body is defined as a trapezoid. The “trapezoidal shape” means a shape in which the cross section perpendicular to the thickness direction of the piezoelectric body becomes smaller from the first electrode side to the second electrode side, and the side portion of the piezoelectric body is linear, Including arcs, steps, or a combination of these.
By adopting such a configuration, the portion that does not particularly contribute to resonance is reduced, so that the Q value can be further increased.

この第3の発明では、第2の発明において、圧電体の前記第1面側に平坦部を有する構造としたものである。
ここで、「平坦部」とは、圧電体側面の第1面と平行である部分を意味する。このような構成とすることにより、共振時のQ値を維持しつつ、第2電極と第1電極とのショートをさらに回避することができる。
In the third invention, in the second invention, a structure having a flat portion on the first surface side of the piezoelectric body is provided.
Here, the “flat portion” means a portion parallel to the first surface of the side surface of the piezoelectric body. With such a configuration, it is possible to further avoid a short circuit between the second electrode and the first electrode while maintaining the Q value at the time of resonance.

また、本発明の圧電体素子の第1の製造方法は、互いに平行な第1面と第2面を有する圧電体の前記第1面に第1電極を、前記第2面に第2電極をそれぞれ形成した圧電体素子において、前記第1面は、前記第2面を第1面に投影した輪郭よりも外側に輪郭を有する形状とし、前記第1電極は、前記第1面の輪郭と同じか大きい形状であり、前記第2電極は前記第2面の輪郭と同じか小さい形状である圧電体素子を製造する方法であって、基板の主面に第1電極膜と、圧電体膜と、第2電極膜を順に形成する工程と、第2電極膜から前記第2電極を形成する工程と、圧電体膜を、第2電極側の第2面から第1電極側の第1面に至る部分が前記圧電体の形状になるようにエッチングする工程と、前記第1電極膜を、前記圧電体の第1面と同じか大きい形状となるように形成する工程とからなる圧電体素子の製造方法に係るものである。
すなわち、本発明の第1の製造方法は、圧電体膜を形成した後にエッチング法を用いて、第1の発明の形状の圧電体を形成することを特徴とするものである。
According to the first method of manufacturing a piezoelectric element of the present invention, the first electrode is provided on the first surface of the piezoelectric body having the first surface and the second surface parallel to each other, and the second electrode is provided on the second surface. In each of the formed piezoelectric elements, the first surface has a shape having a contour outside the contour projected from the second surface on the first surface, and the first electrode has the same contour as the first surface. A method of manufacturing a piezoelectric element having a large shape, wherein the second electrode has a shape that is the same as or smaller than the contour of the second surface, the first electrode film on the main surface of the substrate, a piezoelectric film, The step of forming the second electrode film in sequence, the step of forming the second electrode from the second electrode film, and the piezoelectric film from the second surface on the second electrode side to the first surface on the first electrode side The etching is performed so that the portion to reach the shape of the piezoelectric body, and whether the first electrode film is the same as the first surface of the piezoelectric body Those of the manufacturing method of the piezoelectric element and a step of forming such a hearing shape.
That is, the first manufacturing method of the present invention is characterized in that a piezoelectric body having the shape of the first invention is formed by using an etching method after forming a piezoelectric film.

さらに本発明の第2の製造方法は、第1の製造方法においる前記圧電体膜をエッチングする工程において、ドライエッチングによって、前記圧電体を、その厚み方向の断面が、台形状に形成する製造方法である。
すなわち、圧電体膜を形成した後にドライエッチングを用いて、第2の発明の形状の圧電体を形成することを特徴とするものである。
Furthermore, in the second manufacturing method of the present invention, in the step of etching the piezoelectric film in the first manufacturing method, the piezoelectric body is formed into a trapezoidal cross section in the thickness direction by dry etching. It is a manufacturing method.
That is, the piezoelectric film having the shape of the second invention is formed by using dry etching after forming the piezoelectric film.

ドライエッチングの方法としては、イオンミリングあるいは圧電体のみを選択的にエッチングするガスを用いる反応性イオンエッチング(RIE)があり、前者の場合はRIEに比べて有毒な反応性ガスを使用する必要がなく、さらに安価という利点がある。   As a dry etching method, there are ion milling or reactive ion etching (RIE) using a gas that selectively etches only a piezoelectric body. In the former case, it is necessary to use a reactive gas that is more toxic than RIE. There is also an advantage that it is cheaper.

さらに本発明の他の製造方法は、上記第2の製造方法において、前記圧電体を台形状に形成した後に、ウェットエッチングにより前記圧電体の側面の前記第1面側に平坦部を形成する工程を含むものである。平坦部を形成せず、ドライエッチングだけでエッチングを完了した場合と比べて、圧電体の端面寸法が安定するため、絶縁特性が安定する。   Furthermore, in another manufacturing method of the present invention, in the second manufacturing method, after the piezoelectric body is formed in a trapezoidal shape, a flat portion is formed on the first surface side of the side surface of the piezoelectric body by wet etching. Is included. Compared to the case where the etching is completed only by dry etching without forming a flat portion, the end face dimensions of the piezoelectric body are stabilized, so that the insulating characteristics are stabilized.

なお、本発明の圧電体素子は、可撓性を有する基板上に、駆動用圧電体素子及び検出用圧電体素子として搭載された角速度センサに好適に使用することができ、該圧電体素子を備えた角速度センサは、角速度に対する高い検出感度を有する。   The piezoelectric element of the present invention can be suitably used for an angular velocity sensor mounted as a driving piezoelectric element and a detecting piezoelectric element on a flexible substrate. The provided angular velocity sensor has a high detection sensitivity for the angular velocity.

本発明の圧電体素子は、製造時における第1電極と第2電極との間でのショートが生じにくくなり、さらに、圧電体における共振に寄与しない部分が除去された形となるので、作動時にQ値を大きくすることができる。   The piezoelectric element of the present invention is less likely to cause a short circuit between the first electrode and the second electrode at the time of manufacture, and further, a portion that does not contribute to resonance in the piezoelectric body is removed. The Q value can be increased.

以下、本発明の実施形態に係る圧電体素子及びこの圧電体素子を備えた薄膜微小共振子を図面に基づいて説明する。図1に本発明の実施形態に係る圧電体素子を備えた微小共振子の断面図を示す。
本発明の実施形態に係る薄膜微小共振子40は、基板10の片面上に圧電体素子30を設けたものである。
基板10は、外力に応じた撓みが発生する可撓部11aと、固定されることで変動しない固定部11bとを備えている。
圧電体素子30は、基板10上全体に形成された絶縁膜12上に搭載されている。圧電体素子30は、第1電極13aと第2電極15aとにより、圧電体14が挟まれた構造を有している。
Hereinafter, a piezoelectric element according to an embodiment of the present invention and a thin film microresonator including the piezoelectric element will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a cross-sectional view of a microresonator including a piezoelectric element according to an embodiment of the present invention.
A thin film microresonator 40 according to an embodiment of the present invention is obtained by providing a piezoelectric element 30 on one surface of a substrate 10.
The substrate 10 includes a flexible portion 11a that is bent according to an external force, and a fixed portion 11b that is not changed by being fixed.
The piezoelectric element 30 is mounted on the insulating film 12 formed on the entire substrate 10. The piezoelectric element 30 has a structure in which the piezoelectric body 14 is sandwiched between the first electrode 13a and the second electrode 15a.

圧電体14は、互いに平行な一方の主面である第1面F1と、一方の主面の反対側となる第2面F2を有している。基板10側である第1面F1には第1電極13aが設けられ、第2面F2には第2電極が設けられている。
圧電体14は、厚み方向の断面が台形状に形成されていることで、第2面F2を第1面F1に投影した輪郭よりも外側に輪郭を有する形状をしている。圧電体14の側面には、基板10に対して傾斜した傾斜部14aが形成されている。また、圧電体14の側面であって、傾斜部14aを除く残余部分には、基板10に対して平行とした平坦部14bが形成されている。さらに平坦部14bは、その端面が第1電極13aの端面より内側に位置することで、第1電極13aとの間に段差Sができている。
第1電極13aは、その輪郭が第1面F1の輪郭と同じか大きい形状であり、また、第2電極15aは、その輪郭が第2面F2の輪郭と同じか小さい形状とすることができる。本実施形態では、第1電極13aは第1面F1の輪郭より大きく、第2電極15aは第2面F2の輪郭より小さく形成されている。
なお、圧電体14の側面は、第2面F2側から第1面F1側に向かうに従って下る傾斜面であればよい。従って、圧電体14の側面の断面形状は、直線状や、円弧状、または階段状とすることができる。圧電体14の側面を円弧状とするときは、外側に対して凹状とするのが望ましい。また、圧電体14の側面は、図2に示すような平坦な平坦部14bを設けずに、傾斜部14aのみとしてもよい。また、段差Sの形状も任意の形状でよい。
The piezoelectric body 14 has a first surface F1 that is one main surface parallel to each other and a second surface F2 that is opposite to the one main surface. A first electrode 13a is provided on the first surface F1 on the substrate 10 side, and a second electrode is provided on the second surface F2.
The piezoelectric body 14 has a shape having a contour outside the contour projected from the second surface F2 on the first surface F1 because the cross section in the thickness direction is formed in a trapezoidal shape. An inclined portion 14 a that is inclined with respect to the substrate 10 is formed on the side surface of the piezoelectric body 14. In addition, a flat portion 14b that is parallel to the substrate 10 is formed on the side surface of the piezoelectric body 14 except for the inclined portion 14a. Furthermore, the flat part 14b has a step S between itself and the first electrode 13a because its end face is located inside the end face of the first electrode 13a.
The first electrode 13a can have a shape that is the same as or larger than the contour of the first surface F1, and the second electrode 15a can have a shape that is the same or smaller than the contour of the second surface F2. . In the present embodiment, the first electrode 13a is formed larger than the contour of the first surface F1, and the second electrode 15a is formed smaller than the contour of the second surface F2.
In addition, the side surface of the piezoelectric body 14 should just be an inclined surface which falls as it goes to the 1st surface F1 side from the 2nd surface F2 side. Therefore, the cross-sectional shape of the side surface of the piezoelectric body 14 can be a linear shape, an arc shape, or a staircase shape. When the side surface of the piezoelectric body 14 has an arc shape, it is desirable that the piezoelectric body 14 be concave with respect to the outside. Further, the side surface of the piezoelectric body 14 may be provided with only the inclined portion 14a without providing the flat flat portion 14b as shown in FIG. Moreover, the shape of the level | step difference S may be arbitrary shapes.

圧電体素子30において、第1電極13a及び第2電極15aには、両電極間に電圧を印加するために、たとえば、アルミニウムから形成された配線(図示せず)が接続されている。   In the piezoelectric element 30, a wiring (not shown) made of, for example, aluminum is connected to the first electrode 13a and the second electrode 15a in order to apply a voltage between both electrodes.

本実施形態では、可撓部11a、固定部11bとして、Si板を使用しているが、適度な弾性を有する物質であればよく、金属や金属酸化物やガラスなどを使用することもできる。さらには、絶縁膜12としてSi板を酸化して形成したSiO2を絶縁膜として使用しているが、絶縁体であればよく、非導電性樹脂膜などを使用してもよい。なお、絶縁膜12は、可撓部11aと圧電体素子30との間の絶縁性を保つために0.1〜5μm程度の厚みが必要である。また、本実施形態では、固定部11bを基板10の一端のみに形成した例を示すが、基板10の両端に形成してもよく、また、圧電体素子30の伸縮運動を制御するために、可撓部11aに錘を設けてもよい。 In the present embodiment, Si plates are used as the flexible portion 11a and the fixed portion 11b. However, any material having appropriate elasticity may be used, and metal, metal oxide, glass, or the like can also be used. Further, although SiO 2 formed by oxidizing a Si plate is used as the insulating film 12 as the insulating film, any insulating material may be used, and a non-conductive resin film or the like may be used. The insulating film 12 needs to have a thickness of about 0.1 to 5 μm in order to maintain the insulation between the flexible portion 11 a and the piezoelectric element 30. Further, in the present embodiment, an example is shown in which the fixing portion 11b is formed only at one end of the substrate 10, but it may be formed at both ends of the substrate 10, and in order to control the expansion and contraction motion of the piezoelectric element 30, You may provide a weight in the flexible part 11a.

第1電極13a及び第2電極15aの材料としては、本実施形態ではPtを使用しているが、これに限定されず、Pt、Ir、Pd、Ru、Auに代表される貴金属、または貴金属を含む合金を使用することができる。また、電極の製造方法も特に限定されず、スパッタリング、めっき法などの方法を利用することができる。   As the material of the first electrode 13a and the second electrode 15a, Pt is used in this embodiment, but is not limited to this, and noble metals represented by Pt, Ir, Pd, Ru, Au, or noble metals are used. Including alloys can be used. Further, the method for producing the electrode is not particularly limited, and a method such as sputtering or plating can be used.

圧電体14としては、本実施形態ではチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を使用しているが、これに限定されず、例えば、チタン酸バリウムなど圧電体から適宜選択できる。圧電体14の厚さは、特に限定されないが、本実施形態の圧電体素子をその好適な適用例である角速度センサ用に駆動電圧を最適範囲で使用するため、すなわち、絶縁耐圧を確保しつつ高電圧の使用を実現するためには、第1電極13a及び第2電極15aで挟まれた最も厚い部分の厚み(以下、「圧電体の中央部の厚みT」と称す。)で、0.1〜10μm(好ましくは1〜5μm)の厚みが好適である。   As the piezoelectric body 14, lead zirconate titanate (PZT) is used in the present embodiment, but is not limited thereto, and can be appropriately selected from piezoelectric bodies such as barium titanate. The thickness of the piezoelectric body 14 is not particularly limited, but the piezoelectric element according to the present embodiment is used in an optimum range of the driving voltage for an angular velocity sensor which is a preferred application example thereof, that is, while ensuring the withstand voltage. In order to realize the use of a high voltage, the thickness of the thickest portion sandwiched between the first electrode 13a and the second electrode 15a (hereinafter referred to as “the thickness T of the central portion of the piezoelectric body”) is set to 0. A thickness of 1 to 10 μm (preferably 1 to 5 μm) is suitable.

ここで、圧電体14において、平坦部14bの厚みtが、圧電体の中央部の厚みT(図8参照)の0.5倍以下、好ましくは0.3倍以下であり、傾斜部14aの幅Wが圧電体14の中央部の厚みTの1〜6倍、好ましくは2〜5倍であることが望ましい。
幅Wが圧電体の中央部の厚みTの1倍未満であると、圧電体素子30の使用状態において圧電体14を伸縮運動させると、傾斜部14aの下端部側において応力が集中し、破損することがあるため好ましくない。また、傾斜部14aの幅Wが6倍を超えると圧電体14のうち伸縮運動しない部分が多く、Q値が小さくなるため好ましくない。なお、平坦部14bの厚みtは、上記した具体例では0.01〜1μm(好ましくは1〜5μm)である。
Here, in the piezoelectric body 14, the thickness t of the flat portion 14b is 0.5 times or less, preferably 0.3 times or less of the thickness T (see FIG. 8) of the central portion of the piezoelectric body, and the inclined portion 14a The width W is desirably 1 to 6 times, preferably 2 to 5 times the thickness T of the central portion of the piezoelectric body 14.
If the width W is less than 1 times the thickness T of the central portion of the piezoelectric body, when the piezoelectric body 14 is expanded and contracted in the usage state of the piezoelectric element 30, stress concentrates on the lower end side of the inclined portion 14a and breaks. This is not preferable. Further, if the width W of the inclined portion 14a exceeds 6 times, there are many portions of the piezoelectric body 14 that do not expand and contract, and this is not preferable because the Q value becomes small. In addition, the thickness t of the flat part 14b is 0.01-1 micrometer (preferably 1-5 micrometers) in the above-mentioned specific example.

以下、本発明に係る圧電体素子の好適な製造方法の具体例を図面に基づいて説明する。   Hereinafter, a specific example of a preferred method for manufacturing a piezoelectric element according to the present invention will be described with reference to the drawings.

(1)基板の作製
図3に本実施形態の圧電体素子形成に使用される基板を示す。本実施形態における基板10には、シリコン(Si)板からなる基部11の一方の表面に、酸化シリコン(SiO2)からなる絶縁膜12を形成したものが使用される。
(1) Production of Substrate FIG. 3 shows a substrate used for forming the piezoelectric element of the present embodiment. As the substrate 10 in this embodiment, a substrate in which an insulating film 12 made of silicon oxide (SiO 2 ) is formed on one surface of a base 11 made of a silicon (Si) plate is used.

(2)成膜基板の作製
次に、図4に示すように、基板10上に第1電極膜13、圧電体膜14cおよび第2電極膜15を順次成膜する。先ず、基板10上にスパッタあるいは蒸着等の方法により、電極用金属材料、たとえば、Ptからなる0.1〜1μmの第1電極膜13を成膜する。なお、基板10のSiO2絶縁膜12と上記第1電極膜13の間に密着層としてTiからなる0.02μm程度の膜を形成してもよい。
(2) Production of Film Formation Substrate Next, as shown in FIG. 4, the first electrode film 13, the piezoelectric film 14 c, and the second electrode film 15 are sequentially formed on the substrate 10. First, a 0.1 to 1 μm first electrode film 13 made of an electrode metal material, for example, Pt, is formed on the substrate 10 by a method such as sputtering or vapor deposition. A film of about 0.02 μm made of Ti may be formed as an adhesion layer between the SiO 2 insulating film 12 of the substrate 10 and the first electrode film 13.

次いで、第1電極膜13上にスパッタ等の方法によりPZTからなる圧電体膜14cを成膜する。圧電体膜14cの厚みTは0.1〜10μmである。さらに、この圧電体膜14c上に、スパッタあるいは蒸着等の方法によりPtからなる0.1〜1μmの第2電極膜15を成膜することにより成膜基板20を作製する。   Next, a piezoelectric film 14c made of PZT is formed on the first electrode film 13 by a method such as sputtering. The thickness T of the piezoelectric film 14c is 0.1 to 10 μm. Furthermore, a film formation substrate 20 is manufactured by forming a 0.1 to 1 μm second electrode film 15 made of Pt on the piezoelectric film 14c by a method such as sputtering or vapor deposition.

(3)第2電極膜のエッチング
図5(a)に示すように、上記成膜基板20にレジスト16aをパターニング後、イオンミリングあるいは反応性イオンエッチング(RIE)等のPtエッチング方法により第2電極膜15のエッチングを行う。その後、図5(b)に示すようにレジスト16aを除去することにより、第2電極15aが形成される。なお、レジスト16aの除去は必ずしも行うことなく次の圧電体膜14cのエッチング工程に移行することができる。
(3) Etching of Second Electrode Film As shown in FIG. 5A, after patterning the resist 16a on the film formation substrate 20, the second electrode is formed by a Pt etching method such as ion milling or reactive ion etching (RIE). The film 15 is etched. Thereafter, as shown in FIG. 5B, the resist 16a is removed to form the second electrode 15a. The resist 16a can be removed without moving to the next etching process of the piezoelectric film 14c.

(4)圧電体膜のエッチング
本実施形態においては、圧電体膜のエッチングを次の2工程で行う。
(4−1)圧電体膜のドライエッチング(第1エッチング工程)
図6(a),(b)は第1エッチング工程である、圧電体膜のドライエッチングの説明図である。先ず、上記で得られた第2電極15aを覆うようにレジスト16bをパターニング後、Arプラズマのイオンミリング等によるドライエッチングによって、レジスト16bでマスクされた部分を除いて、圧電体膜14cの削り込みを行う。ここで、第2電極15aを覆うように形成されたレジスト16bによって、ドライエッチングが阻害されるため、レジスト16bの側端の近傍ほどエッチング速度が低下する。その結果、正面視で圧電体膜14の側面に第2電極15a側から第1電極膜13側に向かうにつれて広がる傾斜部14aが形成される。
また、レジスト16bによるエッチング速度の低下効果は、レジスト16bから離れるほど小さくなるため、レジスト16bから遠い領域では、圧電体膜14は一様にエッチングされ、均一厚みの圧電体膜のスキン層14dが形成される。
(4) Etching of Piezoelectric Film In the present embodiment, etching of the piezoelectric film is performed in the following two steps.
(4-1) Dry etching of piezoelectric film (first etching step)
6A and 6B are explanatory views of the dry etching of the piezoelectric film, which is the first etching step. First, after patterning the resist 16b so as to cover the second electrode 15a obtained above, the piezoelectric film 14c is etched by dry etching such as Ar plasma ion milling except for the portion masked by the resist 16b. I do. Here, since the dry etching is hindered by the resist 16b formed so as to cover the second electrode 15a, the etching rate decreases in the vicinity of the side edge of the resist 16b. As a result, an inclined portion 14a that widens from the second electrode 15a side toward the first electrode film 13 side is formed on the side surface of the piezoelectric film 14 in front view.
Further, since the effect of decreasing the etching rate by the resist 16b becomes smaller as the distance from the resist 16b increases, the piezoelectric film 14 is uniformly etched in a region far from the resist 16b, and the piezoelectric film skin layer 14d having a uniform thickness is formed. It is formed.

ここで、ドライエッチングの条件(イオンやエッチングガスの放射方向、強度など)を変えることで、傾斜部14aの形状及び幅Wを変化させることが可能である。図6(a)はドライエッチングの照射角度を90°(基板に対して垂直)にした例であるが、ドライエッチングは直進性が高いため、急傾斜で幅Wが小さい傾斜部14aが形成される。
一方、図6(b)のようにドライエッチングを基板に対して傾斜させてドライエッチングを行うと、レジストの陰となる部分はエッチングされないため、傾斜が緩やかで幅Wが大きい傾斜部14aを形成することができる。ここで、ドライエッチングの照射角度を30°〜60°とすると、傾斜部14aの形状を容易に好適制御可能であり、また、エッチング中の発熱が最小限のため、レジスト16aの変質が少なく、後工程のレジスト16aの除去が容易という利点もある。
Here, the shape and the width W of the inclined portion 14a can be changed by changing the dry etching conditions (radiation direction and intensity of ions and etching gas). FIG. 6A shows an example in which the dry etching irradiation angle is set to 90 ° (perpendicular to the substrate). However, since dry etching has high straightness, an inclined portion 14a having a steep inclination and a small width W is formed. The
On the other hand, when dry etching is performed with the dry etching inclined with respect to the substrate as shown in FIG. 6B, the shadowed portion of the resist is not etched, so that an inclined portion 14a having a gentle inclination and a large width W is formed. can do. Here, when the irradiation angle of the dry etching is 30 ° to 60 °, the shape of the inclined portion 14a can be easily and suitably controlled, and the heat generation during the etching is minimized, so that the resist 16a is less altered, There is also an advantage that the removal of the resist 16a in the subsequent process is easy.

好適な幅Wは、圧電体膜の中央部の厚み(図6(a),(b)におけるT)の1〜6倍(特に好適は2〜5倍)である。幅Wが圧電体膜の中央部の厚みの1倍未満であると、圧電体素子を形成した後に圧電体14を伸縮運動させた際に傾斜部14aと平坦部14bとの境界部分に応力が集中し、該境界部分が破損することがあるため好ましくなく、幅Wが6倍を超えると圧電体のうち伸縮運動しない部分が多くなって、Q値が小さくなるため好ましくない。   The preferred width W is 1 to 6 times (particularly preferably 2 to 5 times) the thickness of the central portion of the piezoelectric film (T in FIGS. 6A and 6B). If the width W is less than 1 times the thickness of the central portion of the piezoelectric film, stress is applied to the boundary portion between the inclined portion 14a and the flat portion 14b when the piezoelectric body 14 is expanded and contracted after the piezoelectric element is formed. This is not preferable because the boundary portion may be broken and the boundary portion may be damaged. If the width W exceeds six times, the portion that does not expand and contract in the piezoelectric body increases, and the Q value becomes small.

このようにドライエッチングを行ったのちに、レジスト16bの除去を行う。なお、本工程においてレジストパターニングおよびレジストの除去は必須ではなく、省略して次の工程へ進むことができる。また、圧電体の側面は、その第2電極側から第1電極側に向かうにつれて、広がった形状であればよく、レジスト16bの形成及び除去方法を適当にすることで、直線状、円弧状、階段状とすることもできる。   After performing dry etching in this way, the resist 16b is removed. In this step, resist patterning and resist removal are not essential, and the process can be omitted and proceed to the next step. Further, the side surface of the piezoelectric body only needs to have a shape that expands from the second electrode side to the first electrode side. By appropriately forming and removing the resist 16b, a linear shape, an arc shape, It can also be stepped.

(4−2)圧電体膜のウェットエッチング(第2エッチング工程)
図7は第2エッチング工程である、圧電体膜のウェットエッチングの説明図である。
ドライエッチングを行った後に前記第2電極部分および前記圧電体の側面部を覆うようにレジスト16cを作製し、150℃のポストベーク処理を行う。
次に、フッ酸と硝酸の混合液からなるウェットエッチング液によりウェットエッチングをおこない、基板上に平坦に残存していた圧電体膜のスキン層14dのうち傾斜部14aに接合する一部を残し、それ以外の部分を除去する。これにより、圧電体膜の平坦部14bが形成される。この方法によると、残存圧電体膜の残膜が僅かな為(0.01〜1μm)にウェットエッチング時間が短く、また、圧電体の側面の大部分がレジストで保護されているため、図7に示すようにサイドエッチが最小限ですむという利点を有する。なお、レジスト除去工程は必須ではなく、場合により省略して次の工程へ進むことができる。なお、ウェットエッチング後の平坦部14bの長さLは、レジスト16cの大きさ及びウェットエッチング液の組成、温度、ウェッチング時間によりコントロール可能である。また、平坦部14bの厚みtは、圧電体素子としての特性とエッチング等の圧電体素子製法上の観点から、圧電体14の中央部の厚みTの0.5倍以下、または、0.01μmから1μmであることが望ましい。平坦部14bの厚みtが圧電体14の中央部の厚みTの0.5倍を超えるとQ値が急激に低くなって、圧電体素子としての特性が阻害される。また、エッチング等の圧電体素子製法上の観点から、0.01μm未満では第1電極膜13までドライエッチングしてしまう問題があり好ましくない。また、1μmを超えるとウェットエッチング時のサイドエッチングが起こりやすくなり寸法制御が困難である。なお、本実施例ではウェットエッチング後に圧電体に平坦部が残存するようにレジスト16cの大きさを決めたが、ウェットエッチング後に圧電体に平坦部が残存せず、第一の電極側で段差Sを有する傾斜部のみが残存するようにレジスト16cの大きさを決めてもよい。
(4-2) Wet etching of piezoelectric film (second etching step)
FIG. 7 is an explanatory diagram of the wet etching of the piezoelectric film, which is the second etching step.
After dry etching, a resist 16c is formed so as to cover the second electrode portion and the side surface portion of the piezoelectric body, and post-baking treatment at 150 ° C. is performed.
Next, wet etching is performed with a wet etching solution composed of a mixed solution of hydrofluoric acid and nitric acid, and a part of the skin layer 14d of the piezoelectric film that remains flat on the substrate is left to be bonded to the inclined portion 14a. Remove other parts. Thereby, the flat portion 14b of the piezoelectric film is formed. According to this method, since the remaining film of the remaining piezoelectric film is small (0.01 to 1 μm), the wet etching time is short, and most of the side surface of the piezoelectric body is protected by the resist. As shown in FIG. 4, there is an advantage that side etching is minimized. Note that the resist removal step is not essential, and may be omitted in some cases and proceed to the next step. Note that the length L of the flat portion 14b after the wet etching can be controlled by the size of the resist 16c, the composition of the wet etching solution, the temperature, and the wetting time. Further, the thickness t of the flat portion 14b is 0.5 times or less of the thickness T of the central portion of the piezoelectric body 14 or 0.01 μm from the viewpoint of the piezoelectric element characteristics such as the characteristics of the piezoelectric element and the manufacturing method of the piezoelectric element. To 1 μm is desirable. When the thickness t of the flat portion 14b exceeds 0.5 times the thickness T of the central portion of the piezoelectric body 14, the Q value is drastically lowered and the characteristics as a piezoelectric element are hindered. Further, from the viewpoint of the piezoelectric element manufacturing method such as etching, if it is less than 0.01 μm, there is a problem that the first electrode film 13 is dry-etched, which is not preferable. On the other hand, when the thickness exceeds 1 μm, side etching at the time of wet etching is likely to occur and dimensional control is difficult. In this embodiment, the size of the resist 16c is determined so that the flat portion remains in the piezoelectric body after the wet etching. However, the flat portion does not remain in the piezoelectric body after the wet etching, and the step S on the first electrode side. The size of the resist 16c may be determined so that only the sloped portion having the above remains.

(5)第1電極膜のエッチング
図8に示すように、レジスト16cを除去した後に、第2電極、圧電体膜および第1電極膜上に上記成膜基板をレジスト16dをパターニンク後、イオンミリングあるいはRIE等のPtエッチング方法により第1電極膜13のエッチングを行い、レジスト除去により第1電極13aを形成することで、基板10上に圧電体素子30が製造される。
(5) Etching of First Electrode Film As shown in FIG. 8, after removing the resist 16c, the resist film 16d is patterned on the second electrode, the piezoelectric film and the first electrode film, and then ion milling is performed. Alternatively, the piezoelectric element 30 is manufactured on the substrate 10 by etching the first electrode film 13 by a Pt etching method such as RIE and forming the first electrode 13a by removing the resist.

なお、上記(1)から(5)の工程により得られた圧電体素子30は、薄膜微小共振子として利用できるが、そのためには更に次のシリコンエッチング工程に付される。   The piezoelectric element 30 obtained by the steps (1) to (5) can be used as a thin film microresonator. For this purpose, it is further subjected to the next silicon etching step.

(6)シリコンエッチング工程
図9に示すように基板10において、圧電体素子30を設けた面の反対面の端部をレジスト16eでマスクした後に、前記反対面のエッチングを行う。なお、この工程はドライエッチングでも、ウェットエッチングでもよい。この工程により、レジスト16eでマスクした部分以外がエッチングされる。
その後、レジスト16eを除去することにより、図1に示した薄膜微小共振子40を得ることができる。なお、梁部の厚さの精度を向上させるために基板10としてSOI(Silicon on Insulator)を用いてもよい。
(6) Silicon Etching Step As shown in FIG. 9, in the substrate 10, the end of the surface opposite to the surface on which the piezoelectric element 30 is provided is masked with a resist 16 e, and then the opposite surface is etched. This step may be dry etching or wet etching. By this step, portions other than the portion masked by the resist 16e are etched.
Thereafter, the thin film microresonator 40 shown in FIG. 1 can be obtained by removing the resist 16e. Note that an SOI (Silicon on Insulator) may be used as the substrate 10 in order to improve the accuracy of the thickness of the beam portion.

なお、本実施形態の製造工程では、第1エッチング工程にドライエッチング、第2エッチング工程にウェットエッチングを採用したが、両工程をドライエッチングのみあるいはウェットエッチングのみでおこなってもよい。ただし、圧電体膜14cの形状を好適に制御し、かつ、上述したドライエッチングによると圧電体膜14cが薄膜化した後に、第1電極膜までを過分にエッチングされるという問題が生じる場合があるため、第1エッチング工程にドライエッチング、第2エッチング工程にウェットエッチングを採用した本実施形態の製造方法が特に好適である。   In the manufacturing process of the present embodiment, dry etching is employed for the first etching process and wet etching is employed for the second etching process. However, both processes may be performed only by dry etching or only by wet etching. However, the shape of the piezoelectric film 14c is preferably controlled, and the dry etching described above may cause a problem that the first electrode film is excessively etched after the piezoelectric film 14c is thinned. Therefore, the manufacturing method of this embodiment that employs dry etching for the first etching step and wet etching for the second etching step is particularly suitable.

以上のように作製される本実施形態に係る圧電体素子30を用いた薄膜微小共振子40の動作について説明する。薄膜微小共振子40は、第1電極13a及び第2電極15aの間に所定の周波数の交流電圧を印加すると、所定の周波数に応じて圧電体14が電極面に沿って伸縮運動する。この伸縮運動に応じて第1電極13aが撓み、この撓みが可撓部11aに伝わることで、可撓部11aに縦方向(圧電体14の厚み方向)の振幅運動が起きる。
本実施形態に係る圧電体素子30は、圧電体14は厚み方向の断面が台形状に形成され、圧電体14の第1面F1に第1面F1の輪郭より大きい輪郭の第1電極13aが形成され、第2面F2に第2面F2の輪郭より小さい輪郭の第2電極15aが形成されているので、電圧の印加に伴う伸縮運動が、第1電極13aと、第1電極13aと比較して面積の小さい第2電極15aとの間に位置する圧電体14の一部にしか起きなくても、圧電体14の共振に寄与しない側部部分が除去されているため、高いQ値を確保することができる。従って、圧電体素子30は、図13に示す従来の、圧電体の厚み方向の断面が矩形状の圧電体素子である駆動用圧電体素子120や、検出用圧電体素子130の厚み方向の断面が矩形状の圧電体122,123と比較して、高いショート防止効果と高い振動特性を得ることができる。
The operation of the thin film microresonator 40 using the piezoelectric element 30 according to this embodiment manufactured as described above will be described. In the thin film microresonator 40, when an AC voltage having a predetermined frequency is applied between the first electrode 13a and the second electrode 15a, the piezoelectric body 14 expands and contracts along the electrode surface according to the predetermined frequency. The first electrode 13a bends in response to the expansion / contraction movement, and this bending is transmitted to the flexible portion 11a, whereby an amplitude movement in the vertical direction (thickness direction of the piezoelectric body 14) occurs in the flexible portion 11a.
In the piezoelectric element 30 according to the present embodiment, the piezoelectric body 14 is formed in a trapezoidal cross section in the thickness direction, and the first electrode 13a having a contour larger than the contour of the first surface F1 is formed on the first surface F1 of the piezoelectric body 14. The second electrode 15a having a smaller contour than the contour of the second surface F2 is formed on the second surface F2, so that the expansion and contraction movement due to the application of voltage is compared with the first electrode 13a and the first electrode 13a. Even if it occurs only in a part of the piezoelectric body 14 located between the second electrode 15a having a small area, the side portion that does not contribute to the resonance of the piezoelectric body 14 is removed, and therefore a high Q value is obtained. Can be secured. Accordingly, the piezoelectric element 30 has a cross section in the thickness direction of the driving piezoelectric element 120, which is a piezoelectric element having a rectangular cross section in the thickness direction of the piezoelectric body shown in FIG. Compared with the rectangular piezoelectric bodies 122 and 123, a high short-circuit prevention effect and high vibration characteristics can be obtained.

次に、本発明の実施形態に係る圧電体素子の好適な応用例として、圧電体素子を備えた角速度センサについて、図面に基づいて説明する。
図10は本実施形態に係る角速度センサの模式図、図11は図10のB−B断面図である。なお、この角速度センサについて、その作動方式は、図12で示した従来の角速度センサと、同様であるので説明を省略する。
Next, as a suitable application example of the piezoelectric element according to the embodiment of the present invention, an angular velocity sensor including the piezoelectric element will be described with reference to the drawings.
FIG. 10 is a schematic view of the angular velocity sensor according to the present embodiment, and FIG. 11 is a cross-sectional view taken along the line BB of FIG. The operation method of this angular velocity sensor is the same as that of the conventional angular velocity sensor shown in FIG.

角速度センサ200は、基板210と、駆動用圧電体素子220と、検出用圧電体素子230とを備えている。
基板210は、肉厚が薄い板状の可撓部210aと、肉厚が厚い固定部210bと、肉厚が厚い錘部240とが形成された矩形状のシリコン板である。固定部210bは、駆動用圧電体素子220と検出用圧電体素子230とが設けられた搭載面側とは反対側となる裏面に、周縁部に沿って矩形状に設けられている。錘部240は、基板210の裏面の中心部に設けられている。そして、基板210の固定部210bと錘部240を除く残余部分が可撓部210aである。
4つの駆動用圧電体素子220と4つの検出用圧電体素子230とは、可撓部210a上面に搭載されている。
検出用圧電体素子230は、それぞれが同じ扇状に形成されている。検出用圧電体素子230は、可撓部210aの中央部に、互いに隙間をあけた状態で向き合うように配置されている。駆動用圧電体素子220は、それぞれが同じ円弧状に形成されている。駆動用圧電体素子220は、4つの検出用圧電体素子230の外側に、それぞれを対応させた同心円状に配置されている。
The angular velocity sensor 200 includes a substrate 210, a driving piezoelectric element 220, and a detecting piezoelectric element 230.
The substrate 210 is a rectangular silicon plate on which a thin plate-like flexible portion 210a, a thick fixing portion 210b, and a thick weight portion 240 are formed. The fixing portion 210b is provided in a rectangular shape along the peripheral edge on the back surface opposite to the mounting surface side on which the driving piezoelectric element 220 and the detection piezoelectric element 230 are provided. The weight portion 240 is provided at the center of the back surface of the substrate 210. And the remaining part except the fixing | fixed part 210b and the weight part 240 of the board | substrate 210 is the flexible part 210a.
The four driving piezoelectric elements 220 and the four detecting piezoelectric elements 230 are mounted on the upper surface of the flexible portion 210a.
Each of the detection piezoelectric elements 230 is formed in the same fan shape. The detection piezoelectric element 230 is disposed in the central portion of the flexible portion 210a so as to face each other with a gap therebetween. The driving piezoelectric elements 220 are each formed in the same arc shape. The driving piezoelectric elements 220 are arranged concentrically on the outside of the four detecting piezoelectric elements 230 so as to correspond to each other.

この駆動用圧電体素子220および検出用圧電体素子230は、圧電体素子30と形状が異なるだけで、基本構成は同じである。
4つの駆動用圧電体素子220は可撓部210aをその厚み方向に振動させるためのものである。4つの駆動用圧電体素子220は、可撓部110aの厚み方向への変形を検出するためのものである。
駆動用圧電体素子220は、それぞれ可撓部210aの上に第1電極221、圧電体222及び第2電極223の順に積層された積層膜であり、それぞれ互いに対向する第1電極221及び第2電極223に圧電体222が挟まれている。また、230は検出用圧電体素子で、この検出用圧電体素子230は、それぞれ可撓部210aの上に第1電極231、圧電体232及び第2電極233の順に積層された積層膜であり、それぞれ互いに対向する第1電極231及び第2電極233に圧電体232が挟まれている。
The driving piezoelectric element 220 and the detecting piezoelectric element 230 are the same in basic configuration except for the shape of the piezoelectric element 30.
The four driving piezoelectric elements 220 are for vibrating the flexible portion 210a in the thickness direction. The four driving piezoelectric elements 220 are for detecting deformation of the flexible portion 110a in the thickness direction.
The driving piezoelectric element 220 is a laminated film in which a first electrode 221, a piezoelectric body 222, and a second electrode 223 are sequentially laminated on the flexible portion 210 a, and the first electrode 221 and the second electrode facing each other. A piezoelectric body 222 is sandwiched between the electrodes 223. Reference numeral 230 denotes a detection piezoelectric element. The detection piezoelectric element 230 is a laminated film in which a first electrode 231, a piezoelectric body 232, and a second electrode 233 are laminated in this order on a flexible portion 210a. The piezoelectric body 232 is sandwiched between the first electrode 231 and the second electrode 233 that face each other.

駆動用圧電体素子220および検出用圧電体素子230は、それぞれ圧電体素子30と同様に、圧電体222,232が、厚み方向の断面が台形状に形成されていることで、互いに平行な第1面F1a,F1bと、第2面F2a,F2bとにおいて、第1面F1a,F1bは、第2面F2a,F2bを第1面F1a,F1bに投影した輪郭よりも外側に輪郭を有する形状を有している。
圧電体222,232は、第2面側F2a,F2bから第1面F1a,F1b側に向かうにつれて山の裾野が広がるような台形状に形成され、その側面には傾斜部が設けられ、かつ傾斜部の端部に第1電極221,231の端部を露出させる段差S1,S2が形成されている。また、圧電体222,232の傾斜部を除く残余部分には、基板210に対して平行とした平坦部が形成されている。
第1電極221,231は、第1面F1a,F1bに、第1面F1a,F1bの輪郭と同じか大きい形状で形成されている。第2電極223,233は、第2面F2a,F2bに、第2面F2a,F2bの輪郭と同じか小さい形状で形成されている。
Similarly to the piezoelectric element 30, each of the driving piezoelectric element 220 and the detecting piezoelectric element 230 has a piezoelectric body 222, 232 having a trapezoidal cross section in the thickness direction. Among the first surfaces F1a and F1b and the second surfaces F2a and F2b, the first surfaces F1a and F1b have a shape having a contour outside the contour projected from the second surfaces F2a and F2b on the first surfaces F1a and F1b. Have.
The piezoelectric bodies 222 and 232 are formed in a trapezoidal shape such that the skirt of the mountain spreads from the second surface side F2a and F2b toward the first surface F1a and F1b side. Steps S <b> 1 and S <b> 2 that expose the end portions of the first electrodes 221 and 231 are formed at the end portions. In addition, flat portions parallel to the substrate 210 are formed in the remaining portions excluding the inclined portions of the piezoelectric bodies 222 and 232.
The first electrodes 221 and 231 are formed on the first surfaces F1a and F1b in the same or larger shape as the contours of the first surfaces F1a and F1b. The second electrodes 223 and 233 are formed on the second surfaces F2a and F2b in the same or smaller shape as the contours of the second surfaces F2a and F2b.

以上のように構成される角速度センサ200の動作および使用状態を説明する。
4つの駆動用圧電体素子220に所定の交流電圧を印加する。この所定の交流電圧の印加は、各第1電極221と第2電極223に接続された図示しないリード線を介して行われる。所定の周波数fの交流電圧を、各第1電極221と第2電極223に印加すると、圧電体222が周波数fに応じて電極面に沿って伸縮運動する。
圧電体222が伸縮運動することで、圧電体222の伸縮に連れて第1電極221に撓みが発生する。第1電極221の撓みは、可撓部210aを厚み方向に振動させる。この振動により基板210の中央に形成された重錘体240が、可撓部210aの面と垂直な軸z方向に周波数fで振動する。
各検出用圧電体素子230には、振動が可撓部210aを介して伝わる。検出用圧電体素子230へ振動が伝わることで、第1電極231が撓み、この撓みが圧電体232への応力となる。これにより圧電体232に応力に基づく圧電力が第1電極221と第2電極231の間に発生する。
そして、外力としてY軸回りの角速度が加わると、X軸方向にコリオリ力が発生し、重錘体240がX軸方向に振動する。この振動により生じる撓みを検出用圧電体素子230が電位差として検出する。これにより、角速度が決定される。
The operation and use state of the angular velocity sensor 200 configured as described above will be described.
A predetermined AC voltage is applied to the four driving piezoelectric elements 220. The application of the predetermined alternating voltage is performed via lead wires (not shown) connected to the first electrodes 221 and the second electrodes 223. When an AC voltage having a predetermined frequency f is applied to each of the first electrode 221 and the second electrode 223, the piezoelectric body 222 expands and contracts along the electrode surface according to the frequency f.
As the piezoelectric body 222 expands and contracts, the first electrode 221 bends as the piezoelectric body 222 expands and contracts. The bending of the first electrode 221 causes the flexible portion 210a to vibrate in the thickness direction. Due to this vibration, the weight body 240 formed at the center of the substrate 210 vibrates at the frequency f in the axis z direction perpendicular to the surface of the flexible portion 210a.
Vibration is transmitted to each detection piezoelectric element 230 via the flexible portion 210a. When the vibration is transmitted to the detecting piezoelectric element 230, the first electrode 231 is bent, and this bending becomes a stress to the piezoelectric body 232. As a result, piezoelectric power based on stress is generated between the first electrode 221 and the second electrode 231 in the piezoelectric body 232.
When an angular velocity around the Y axis is applied as an external force, a Coriolis force is generated in the X axis direction, and the weight body 240 vibrates in the X axis direction. The piezoelectric element 230 for detection detects the bending produced by this vibration as a potential difference. Thereby, the angular velocity is determined.

本実施形態に係る角速度センサ200は、圧電体222,232が厚み方向の断面が台形状に形成された駆動用圧電体素子220と検出用圧電体素子230とを備えている。従って、圧電体222,232の共振に寄与しない側部部分が除去されているため、駆動用圧電体素子220及び検出用圧電体素子230は高いQ値を確保することができる。従って、角速度センサ200は、高いショート防止性を有する高感度の角度センサとすることができる。   The angular velocity sensor 200 according to this embodiment includes a driving piezoelectric element 220 and a detecting piezoelectric element 230 in which the piezoelectric bodies 222 and 232 are formed in a trapezoidal cross section in the thickness direction. Accordingly, since the side portions that do not contribute to the resonance of the piezoelectric bodies 222 and 232 are removed, the driving piezoelectric element 220 and the detecting piezoelectric element 230 can ensure a high Q value. Therefore, the angular velocity sensor 200 can be a highly sensitive angle sensor having high short-circuit prevention.

本発明の圧電体素子は、角速度センサなど様々な用途で好適に適用できるため、工業的に極めて有望である。   Since the piezoelectric element of the present invention can be suitably applied for various uses such as an angular velocity sensor, it is extremely promising industrially.

本発明の実施形態に係る圧電体素子を備えた微小共振子の断面図を示す図である。It is a figure which shows sectional drawing of the microresonator provided with the piezoelectric element which concerns on embodiment of this invention. 圧電体の側面形状が異なる他の実施形態の圧電体素子を使用した薄膜微小共振子を示す図である。It is a figure which shows the thin film microresonator using the piezoelectric material element of other embodiment from which the side surface shape of a piezoelectric material differs. 本発明の実施形態に係る圧電体素子の基板の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the board | substrate of the piezoelectric element which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る圧電体素子の成膜基板の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the film-forming board | substrate of the piezoelectric element which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る圧電体素子の第2電極膜のエッチングの説明図であり、(a)は第2電極部分にレジストパターンを作製した図であり、(b)はレジスト除去後を示す図である。It is explanatory drawing of the etching of the 2nd electrode film of the piezoelectric element which concerns on embodiment of this invention, (a) is the figure which produced the resist pattern in the 2nd electrode part, (b) shows after resist removal FIG. 本発明の実施形態に係る圧電体素子の第1エッチング工程である、圧電体膜のドライエッチングの説明図であり、(a)はドライエッチングの入射角度が90°の例、(b)はドライエッチングの入射角度が45°の例である。4A and 4B are explanatory views of dry etching of a piezoelectric film, which is a first etching process of a piezoelectric element according to an embodiment of the present invention, where FIG. 5A is an example in which an incident angle of dry etching is 90 °, and FIG. This is an example in which the incident angle of etching is 45 °. 本発明の実施形態に係る圧電体素子の第2エッチング工程である、圧電体膜のウェットエッチングの説明図である。It is explanatory drawing of the wet etching of a piezoelectric film which is the 2nd etching process of the piezoelectric element which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る圧電体素子の第1電極膜のエッチングの説明図である。It is explanatory drawing of the etching of the 1st electrode film of the piezoelectric element which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る圧電体素子を使用した薄膜微小共振子の製造工程におけるSi基板のエッチングの説明図である。It is explanatory drawing of the etching of Si substrate in the manufacturing process of the thin film microresonator using the piezoelectric element which concerns on embodiment of this invention. 本発明の圧電体素子が設けられた薄膜微小共振子を備えた角速度センサの模式図である。It is a schematic diagram of the angular velocity sensor provided with the thin film microresonator provided with the piezoelectric element of the present invention. 図10のB−B断面図である。It is BB sectional drawing of FIG. 従来の圧電体素子が設けられた薄膜微小共振子を備えた角速度センサの模式図である。It is a schematic diagram of an angular velocity sensor provided with a thin film microresonator provided with a conventional piezoelectric element. 図12のA−A断面図である。It is AA sectional drawing of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

10:基板、11:基部、11a:可撓部、11b:固定部、12:絶縁膜、13:第1電極膜、13a:第1電極、14:圧電体、14a:傾斜部、14b:平坦部、14c:圧電体膜、14d:圧電体膜のスキン層、15:第2電極膜、15a:第2電極、16a,16b,16c,16d,16e:レジスト、17:ドライエッチング照射方向、20:成膜基板、30:圧電体素子、40:薄膜微小共振子、200:角速度センサ210:基板、210a:可撓部、210b:固定部、220:駆動用圧電体素子、221,231:第1電極、222,232:圧電体、223,233:第2電極、230:検出用圧電体素子、240:錘部、F1,F1a,F1b:第1面、F2,F2a,F2b:第2面、L:平坦部の長さ、T:圧電体の中央部の厚み、t:平坦部の厚み、W:傾斜部の幅、S:段差。   10: substrate, 11: base, 11a: flexible part, 11b: fixed part, 12: insulating film, 13: first electrode film, 13a: first electrode, 14: piezoelectric body, 14a: inclined part, 14b: flat Part, 14c: piezoelectric film, 14d: skin layer of piezoelectric film, 15: second electrode film, 15a: second electrode, 16a, 16b, 16c, 16d, 16e: resist, 17: direction of dry etching irradiation, 20 : Film formation substrate, 30: Piezoelectric element, 40: Thin film microresonator, 200: Angular velocity sensor 210: Substrate, 210a: Flexible part, 210b: Fixed part, 220: Piezoelectric element for driving, 221, 231: First 1 electrode, 222, 232: piezoelectric body, 223, 233: second electrode, 230: piezoelectric element for detection, 240: weight portion, F1, F1a, F1b: first surface, F2, F2a, F2b: second surface , L: length of the flat part, T: Conductor of the central portion of the thickness, t: thickness of the flat portions, W: inclined portion of the width, S: step.

Claims (7)

互いに平行な第1面と第2面を有する圧電体の前記第1面に第1電極を、前記第2面に第2電極をそれぞれ形成した圧電体素子において、
前記第1面は、前記第2面を第1面に投影した輪郭よりも外側に輪郭を有する形状とし、
前記第1電極は、前記第1面の輪郭と同じか大きい形状であり、
前記第2電極は、前記第2面の輪郭と同じか小さい形状であることを特徴とする圧電体素子。
In the piezoelectric element in which the first electrode is formed on the first surface and the second electrode is formed on the second surface of the piezoelectric body having a first surface and a second surface parallel to each other,
The first surface is shaped to have a contour outside the contour projected from the second surface on the first surface,
The first electrode has the same or larger shape as the contour of the first surface,
The piezoelectric element, wherein the second electrode has a shape that is the same as or smaller than an outline of the second surface.
前記圧電体の厚み方向の断面が、台形状である請求項1記載の圧電体素子。   The piezoelectric element according to claim 1, wherein a cross section in the thickness direction of the piezoelectric body is trapezoidal. 前記圧電体が、前記第1面側に平坦部を有する請求項1または2記載の圧電体素子。   The piezoelectric element according to claim 1, wherein the piezoelectric body has a flat portion on the first surface side. 請求項1から3のいずれかに記載の圧電体素子が、可撓性を有する基板上に、駆動用圧電体素子及び検出用圧電体素子として搭載されたことを特徴とする角速度センサ。   4. An angular velocity sensor, wherein the piezoelectric element according to claim 1 is mounted on a flexible substrate as a driving piezoelectric element and a detecting piezoelectric element. 互いに平行な第1面と第2面を有する圧電体の前記第1面に第1電極を、前記第2面に第2電極をそれぞれ形成した圧電体素子において、前記第1面は、前記第2面を第1面に投影した輪郭よりも外側に輪郭を有する形状とし、前記第1電極は、前記第1面の輪郭と同じか大きい形状であり、前記第2電極は前記第2面の輪郭と同じか小さい形状である圧電体素子を製造する方法であって、
基板の主面に第1電極膜と、圧電体膜と、第2電極膜を順に形成する工程と、
第2電極膜から前記第2電極を形成する工程と、
圧電体膜を、第2電極側の第2面から第1電極側の第1面に至る部分が前記圧電体の形状になるようにエッチングする工程と、
前記第1電極膜を、前記圧電体の第1面と同じか大きい形状となるように形成する工程とからなる圧電体素子の製造方法。
In the piezoelectric element in which a first electrode is formed on the first surface and a second electrode is formed on the second surface of the piezoelectric body having a first surface and a second surface that are parallel to each other, the first surface is the first surface. The first surface has a shape having a contour outside the contour projected on the first surface, the first electrode has a shape that is the same as or larger than the contour of the first surface, and the second electrode has a shape that is larger than the contour of the second surface. A method of manufacturing a piezoelectric element having a shape that is the same as or smaller than a contour,
Forming a first electrode film, a piezoelectric film, and a second electrode film in order on the main surface of the substrate;
Forming the second electrode from a second electrode film;
Etching the piezoelectric film so that a portion from the second surface on the second electrode side to the first surface on the first electrode side has the shape of the piezoelectric body;
A method of manufacturing a piezoelectric element comprising: forming the first electrode film so as to have a shape that is the same as or larger than the first surface of the piezoelectric body.
前記圧電体膜をエッチングする工程において、ドライエッチングによって、前記圧電体を、その厚み方向の断面が、台形状に形成する請求項5に記載の圧電体素子の製造方法。   6. The method of manufacturing a piezoelectric element according to claim 5, wherein in the step of etching the piezoelectric film, the piezoelectric body is formed in a trapezoidal shape in the thickness direction by dry etching. 前記圧電体を台形状に形成した後に、ウェットエッチングにより前記圧電体の側面の前記第1面側に平坦部を形成する工程を含む請求項6に記載の圧電体素子の製造方法。   The method of manufacturing a piezoelectric element according to claim 6, further comprising forming a flat portion on the first surface side of the side surface of the piezoelectric body by wet etching after forming the piezoelectric body in a trapezoidal shape.
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