JP2010212968A - Piezoelectric acoustic element - Google Patents

Piezoelectric acoustic element Download PDF

Info

Publication number
JP2010212968A
JP2010212968A JP2009056509A JP2009056509A JP2010212968A JP 2010212968 A JP2010212968 A JP 2010212968A JP 2009056509 A JP2009056509 A JP 2009056509A JP 2009056509 A JP2009056509 A JP 2009056509A JP 2010212968 A JP2010212968 A JP 2010212968A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
piezoelectric
acoustic element
electrodes
electrode
thin film
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP2009056509A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takeshi Tanaka
健 田中
Yoshihiko Watanabe
佳彦 渡邉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Original Assignee
Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Asahi Kasei Electronics Co Ltd filed Critical Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Priority to JP2009056509A priority Critical patent/JP2010212968A/en
Publication of JP2010212968A publication Critical patent/JP2010212968A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric acoustic element capable of obtaining frequency characteristics of a plurality of sound pressure levels in only one diaphragm about the piezoelectric acoustic element made of a laminated body including a piezoelectric thin film formed on a silicon substrate. <P>SOLUTION: In the piezoelectric acoustic element in which a piezoelectric thin film 403 is formed in the diaphragm 421 provided in the silicon substrate 411, upper electrodes 404a and 404b and a lower electrode 402 are provided vertically on the top surface and the bottom surface of the piezoelectric thin film 403, respectively to give voltage to the piezoelectric thin film 403. The upper electrode 404a and the lower electrode 402 form one pair of electrodes, and further, the upper electrode 404b and the lower electrode 402 form another pair of electrodes. It is possible to obtain frequency characteristics of the plurality of sound pressure levels by providing two pairs or more of electrodes provided vertically on the piezoelectric thin film. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、シリコン基板上に形成された圧電薄膜を含む積層体からなる圧電音響素子に関する。   The present invention relates to a piezoelectric acoustic element formed of a laminate including a piezoelectric thin film formed on a silicon substrate.

現在、携帯電話、パソコン、PDA等の電子機器や、ヘッドホン、イヤホン等の中で、小型のスピーカーが多く使用されている。ここで使用されている小型のスピーカーは、主に2種類のスピーカーに分類される。1つはダイナミックスピーカーで、ボイスコイルと永久磁石の磁気カップリングによりダイアフラムを振動させて、音を発生させるものである(例えば、非特許文献1参照。)。もう1つは、圧電スピーカーで、圧電体が有する逆圧電効果を利用するもので、圧電体に電圧を与えて、圧電体が変形する現象を利用して、音を発生させるものである(例えば、非特許文献2参照。)。また、近年では、マイクロマシン技術により、さらに小型にしたスピーカーを試みる開発が散見される(例えば、非特許文献3参照。)。いずれの場合も、概して小型のスピーカーは、1つの電極の対が設けられており、この電極の対に信号電圧を与えることにより、唯一の音圧レベルの周波数特性に応じた音が発生する。   Currently, small speakers are often used in electronic devices such as mobile phones, personal computers, PDAs, headphones, and earphones. The small speakers used here are mainly classified into two types of speakers. One is a dynamic speaker, which generates sound by vibrating a diaphragm by a magnetic coupling of a voice coil and a permanent magnet (for example, see Non-Patent Document 1). The other is a piezoelectric speaker that uses the inverse piezoelectric effect of a piezoelectric body, and applies a voltage to the piezoelectric body to generate sound using a phenomenon that the piezoelectric body deforms (for example, Non-patent document 2). In recent years, there have been some developments that try to make speakers even smaller by micromachine technology (see Non-Patent Document 3, for example). In any case, a generally small speaker is provided with one electrode pair, and by applying a signal voltage to this electrode pair, a sound corresponding to the frequency characteristic of a single sound pressure level is generated.

一方で、可撓性圧電フィルムの両面に形成された電極を、フィルムの表面でそれぞれ複数の部位に分割することにより、分割された各電極に信号を供給して、部分的に小区画の圧電フィルムスピーカを形成して、分割振動域を高めて、広帯域化を可能にしたスピーカーがある(特許文献1参照。)。これは、複数のダイアフラムを有し、各々のダイアフラムに1対の電極対が設けられて、各々の異なる周波数特性を形成して、広帯域化を可能にした圧電音響素子である。   On the other hand, by dividing the electrodes formed on both sides of the flexible piezoelectric film into a plurality of parts on the surface of the film, a signal is supplied to each of the divided electrodes, and a piezoelectric in a small section is partially provided. There is a speaker in which a film speaker is formed and a divided vibration region is increased to enable a wide band (see Patent Document 1). This is a piezoelectric acoustic element having a plurality of diaphragms, each of which is provided with a pair of electrodes to form a different frequency characteristic, thereby enabling a wide band.

特開2003−143694号公報JP 2003-143694 A

Sonion A/S, “Product data sheet of MX20”, pp.1-2, 2004Sonion A / S, “Product data sheet of MX20”, pp.1-2, 2004 Murata Manufacturing Co., Ltd.,“Catalog of Piezoelectric Sound Components”, pp.5-6 , 2006Murata Manufacturing Co., Ltd., “Catalog of Piezoelectric Sound Components”, pp.5-6, 2006 K.W.Cho, S.H.Yi, Y.H.Son, and S.Y.Kweon, “Characteristics of Piezoelectric Micro-Speaker Fabricated with ZnO Thin Film”, Integrated Ferroelectrics, 89, pp.141-149, 2007K.W.Cho, S.H.Yi, Y.H.Son, and S.Y.Kweon, “Characteristics of Piezoelectric Micro-Speaker Fabricated with ZnO Thin Film”, Integrated Ferroelectrics, 89, pp.141-149, 2007

これまでのスピーカーは、発音源となるダイアフラム1つに対して、ダイアフラムの振動を制御する電極の対が1つしか設けられていなかった。そのため、スピーカーの制御信号に対する音圧レベルの周波数特性は、唯一つの特性しか得られなかった。アプリケーションが複数の周波数帯域を有する音源を必要とする場合は、複数のダイアフラムと、それと同数の電極の対が必要となり、アプリケーションの小型化を阻害し、さらには、コスト上昇の問題が生じる。具体的な例を挙げて説明すると、現在、携帯電話にはレシーバーとサウンダーと呼ばれる2種類のスピーカーが搭載されている。レシーバーは、通話時の受話音を出し、サウンダーは受信時の呼び出し音を発する。レシーバーは300Hzから5kHz位の音声周波数帯域を有し、サウンダーは音楽を発するため10kHz位までの周波数帯域を有する。両者の周波数特性は異なっている。   Conventional speakers have only one electrode pair for controlling the vibration of the diaphragm for one diaphragm as a sound source. Therefore, only one frequency characteristic of the sound pressure level with respect to the control signal of the speaker can be obtained. When an application requires a sound source having a plurality of frequency bands, a plurality of diaphragms and the same number of electrode pairs are necessary, which hinders the downsizing of the application and raises the problem of cost increase. To explain with specific examples, mobile phones are currently equipped with two types of speakers called receivers and sounders. The receiver emits a reception sound during a call, and the sounder emits a ringing sound during reception. The receiver has an audio frequency band of about 300 Hz to 5 kHz, and the sounder has a frequency band of up to about 10 kHz to emit music. Both frequency characteristics are different.

本発明は、小型であり、且つ、スピーカーの数を増やすことなく、シリコン基板に設けた唯一つのダイアフラムで、電極の対を複数に設けて、これらに与える信号電圧を制御することにより、複数の音圧レベルの周波数特性が得られることのできる圧電音響素子を提供することを目的とする。   The present invention is small, and without increasing the number of speakers, a single diaphragm provided on a silicon substrate, and a plurality of electrode pairs are provided, and a plurality of pairs of electrodes are controlled to control a plurality of signals. An object of the present invention is to provide a piezoelectric acoustic element capable of obtaining a frequency characteristic of a sound pressure level.

本発明者は、上記課題を解決するために、唯一つのダイアフラムに形成された圧電薄膜を制御する電極の対を複数に設けて、それぞれの電極の対に信号電圧を与えると、それぞれに異なる音圧レベルの周波数特性があることを見い出し、本発明をなすに至った。   In order to solve the above problems, the present inventor provides a plurality of electrode pairs for controlling a piezoelectric thin film formed on a single diaphragm, and gives a signal voltage to each electrode pair. It has been found that there is a frequency characteristic of the pressure level, and the present invention has been made.

請求項1に記載の発明は、シリコン基板と、該シリコン基板上に形成された積層体とを有する圧電音響素子であって、上記積層体が、圧電薄膜と、該圧電薄膜の両面の各々に形成された上部電極および下部電極と、上記下部電極側に形成された支持層とから構成され、上記下部電極が、同一平面内に単一層で形成され、上記上部電極が、同一平面内に2以上の部位に分割して形成されることを特徴としている。   The invention according to claim 1 is a piezoelectric acoustic element having a silicon substrate and a laminate formed on the silicon substrate, the laminate being provided on each of the piezoelectric thin film and both surfaces of the piezoelectric thin film. The upper electrode and the lower electrode are formed, and the support layer is formed on the lower electrode side. The lower electrode is formed as a single layer in the same plane, and the upper electrode is formed in two in the same plane. It is characterized by being divided into the above parts.

請求項2に記載の発明は、上記上部電極の少なくとも1つと、上記下部電極とで構成される電極の対に信号電圧が与えられることを特徴としている。   The invention described in claim 2 is characterized in that a signal voltage is applied to a pair of electrodes constituted by at least one of the upper electrodes and the lower electrode.

請求項3に記載の発明は、上記電極の対を駆動する信号処理回路が供することを特徴としている。   The invention described in claim 3 is characterized in that a signal processing circuit for driving the pair of electrodes is provided.

これらの発明によれば、シリコン基板に設けた唯一つのダイアフラムにおいて、信号電圧を与える電極の対の選び方しだいで、異なる音圧レベルの周波数特性が得られる。従って、複数の周波数帯域の音源を必要とするアプリケーションにおいては、特性の異なる複数のスピーカーを必要とせず、アプリケーションの小型化、省スペース化に寄与し、さらには、コスト低減を図ることができる。また、下部電極を単一層にして、電極対の一方を共通化することで、信号電圧を与える配線の簡素化ができる。さらに、下部電極のパターニングが不要なため、製造コストやマスク費用を抑えることができる。   According to these inventions, in a single diaphragm provided on a silicon substrate, frequency characteristics of different sound pressure levels can be obtained depending on how to select a pair of electrodes for applying a signal voltage. Therefore, in an application that requires sound sources in a plurality of frequency bands, a plurality of speakers having different characteristics are not required, contributing to downsizing and space saving of the application, and further reducing costs. Moreover, the wiring which gives a signal voltage can be simplified by making a lower electrode into a single layer and making one of electrode pairs common. Further, since the patterning of the lower electrode is unnecessary, manufacturing costs and mask costs can be suppressed.

従来技術による圧電音響素子の一例100を示す図である。It is a figure which shows an example 100 of the piezoelectric acoustic element by a prior art. 図1に示した圧電音響素子100を上面から見た図である。It is the figure which looked at the piezoelectric acoustic element 100 shown in FIG. 1 from the upper surface. 図1に示した圧電音響素子100のダイアフラム中心のz軸方向の振動変位と上部電極104の被覆率の関係を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the vibration displacement in the z-axis direction at the center of the diaphragm of the piezoelectric acoustic element 100 shown in FIG. 本発明の実施例1による2つの電極の対を有する圧電音響素子の一例400を示す図である。It is a figure which shows an example 400 of the piezoelectric acoustic element which has a pair of two electrodes by Example 1 of this invention. 図4に示した圧電音響素子400を上面から見た図である。It is the figure which looked at the piezoelectric acoustic element 400 shown in FIG. 4 from the upper surface. 図4に示した圧電音響素子400のシミュレーションによる周波数特性の計算結果を示す図である。It is a figure which shows the calculation result of the frequency characteristic by simulation of the piezoelectric acoustic element 400 shown in FIG. 本発明の実施例2による3つの電極の対を有する圧電音響素子の一例700を示す図である。It is a figure which shows the example 700 of a piezoelectric acoustic element which has a pair of three electrodes by Example 2 of this invention. 図7に示した圧電音響素子700を上面から見た図である。It is the figure which looked at the piezoelectric acoustic element 700 shown in FIG. 7 from the upper surface. 図7に示した圧電音響素子700のシミュレーションによる周波数特性の計算結果を示す図である。It is a figure which shows the calculation result of the frequency characteristic by simulation of the piezoelectric acoustic element 700 shown in FIG. 本発明の実施例3によるn個の電極の対を有する圧電音響素子1031を制御する信号処理回路1041の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the signal processing circuit 1041 which controls the piezoelectric acoustic element 1031 which has a pair of n electrodes by Example 3 of this invention.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して、詳細に説明する。
図1は、従来技術による圧電音響素子の一例100を示す図であり、その断面を示したものである。
シリコン基板111に設けたダイアフラム121に、圧電薄膜103が形成されている。圧電薄膜103の上下には、上部電極104と下部電極102が設けられている。この場合、上部と下部の電極で構成する電極の対は1つになる。ダイアフラム121は、素子全体を支持する厚いシリコン基板111が取り除かれ、支持層101と圧電薄膜103、上部電極104、下部電極102から構成される。上部電極104と下部電極102にAC信号電圧を与えて、圧電薄膜103が周期的な変形をすることによって、ダイアフラム121が振動して、音が発生する。とくに、圧電薄膜103に与えるAC信号電圧の周波数が、ダイアフラム121の構造から決まる共振周波数となった時には、ダイアフラムが強く振動して、大きな音を発生する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a view showing an example 100 of a piezoelectric acoustic element according to the prior art, and shows a cross section thereof.
A piezoelectric thin film 103 is formed on a diaphragm 121 provided on the silicon substrate 111. An upper electrode 104 and a lower electrode 102 are provided above and below the piezoelectric thin film 103. In this case, there is one electrode pair composed of the upper and lower electrodes. The diaphragm 121 includes a support layer 101, a piezoelectric thin film 103, an upper electrode 104, and a lower electrode 102 from which the thick silicon substrate 111 that supports the entire element is removed. When an AC signal voltage is applied to the upper electrode 104 and the lower electrode 102 and the piezoelectric thin film 103 is periodically deformed, the diaphragm 121 vibrates and generates a sound. In particular, when the frequency of the AC signal voltage applied to the piezoelectric thin film 103 becomes a resonance frequency determined by the structure of the diaphragm 121, the diaphragm vibrates strongly and generates a loud sound.

図2は、図1に示した従来技術による圧電音響素子100を上面から見たものである。上部電極104は、ダイアフラム121の中央に配置されている。   FIG. 2 is a top view of the conventional piezoelectric acoustic element 100 shown in FIG. The upper electrode 104 is disposed at the center of the diaphragm 121.

図3は、図1、図2におけるダイアフラム121の中心点が1次共振と3次共振のときにz軸方向に振動する変位と、上部電極104の被覆率の関係をシミュレーションで計算した結果である。上部電極の被覆率とは、ダイアフラムの面積に対して、上部電極の占める面積の割合のことを表わす。シミュレーションに使用したダイアフラム121のサイズは、5[mm]×5[mm]の正方形とし、支持層101に酸化膜1.0[μm]、圧電薄膜103に窒化アルミニウム1.2[μm]、上部電極104にアルミニウム0.15[μm]、下部電極104にタングステン0.2[μm]として計算を行った。この構造から、1次の共振周波数は1[kHz]で、3次の共振周波数は3.5[kHz]が得られた。図3の結果をみると、上部電極104の被覆率が41[%]のとき、1次共振の変位が最大となり、3次共振の変位が小さくなることが分かった。また、上部電極104の被覆率が64[%]のとき、3次共振の変位は最大となり、1次共振の変位が被覆率41[%]に比べて2割ほど低くなることが分かった。本発明者は、上部電極104の被覆率しだいで、複数ある共振ピークの大きさをそれぞれに変えることができることに気づき、唯一つのダイアフラムに、上部電極を複数配置することにより、複数の音圧レベルの周波数特性が得られることを見い出した。以下より、本発明の具体的な実施例を示す。   FIG. 3 is a result of calculating the relationship between the displacement oscillating in the z-axis direction when the center point of the diaphragm 121 in FIGS. 1 and 2 is the primary resonance and the tertiary resonance and the coverage of the upper electrode 104 by simulation. is there. The coverage of the upper electrode represents the ratio of the area occupied by the upper electrode to the area of the diaphragm. The size of the diaphragm 121 used in the simulation is a square of 5 [mm] × 5 [mm], the support layer 101 has an oxide film of 1.0 [μm], the piezoelectric thin film 103 has an aluminum nitride of 1.2 [μm], and the upper part. The calculation was performed assuming that the electrode 104 was aluminum 0.15 [μm] and the lower electrode 104 was tungsten 0.2 [μm]. From this structure, the primary resonant frequency was 1 [kHz], and the tertiary resonant frequency was 3.5 [kHz]. 3 shows that when the coverage of the upper electrode 104 is 41 [%], the displacement of the primary resonance becomes the maximum and the displacement of the tertiary resonance becomes small. Further, it was found that when the coverage of the upper electrode 104 is 64 [%], the displacement of the third resonance is the maximum, and the displacement of the primary resonance is about 20% lower than the coverage 41 [%]. The present inventor has realized that the size of a plurality of resonance peaks can be changed depending on the coverage of the upper electrode 104, and by arranging a plurality of upper electrodes on a single diaphragm, a plurality of sound pressure levels can be obtained. It has been found that the frequency characteristics can be obtained. Specific examples of the present invention will be described below.

図4は、本発明の実施例1による2つの電極の対を有する圧電音響素子の一例400を示す図であり、シリコン基板411に設けたダイアフラム421に、圧電薄膜403を形成した圧電音響素子400の断面を示したものである。圧電薄膜403に電圧を与えるために、圧電薄膜403の上下に、上部電極404a、404bと下部電極402が設けられている。上部電極404aと下部電極402で一つの電極の対を形成して、さらに、上部電極404bと下部電極402で別の電極の対を形成している。この場合、電極の対は2つある。   FIG. 4 is a view showing an example of a piezoelectric acoustic element 400 having two electrode pairs according to the first embodiment of the present invention. The piezoelectric acoustic element 400 in which a piezoelectric thin film 403 is formed on a diaphragm 421 provided on a silicon substrate 411. The cross section of is shown. In order to apply a voltage to the piezoelectric thin film 403, upper electrodes 404a and 404b and a lower electrode 402 are provided above and below the piezoelectric thin film 403. The upper electrode 404a and the lower electrode 402 form one electrode pair, and the upper electrode 404b and the lower electrode 402 form another electrode pair. In this case, there are two electrode pairs.

図5は、上部電極404a、404bの配置関係が分かりやすいように、図4に示した圧電音響素子400を上面から見たものである。ここで示すダイアフラム421の形状は正方形であるが、正方形に限らず、この形状は長方形、円形、楕円形等の形状であってもよい。上部電極404aは、ダイアフラム421の中央に配置され、それを囲むように上部電極404bが配置されている。   FIG. 5 is a top view of the piezoelectric acoustic element 400 shown in FIG. 4 so that the positional relationship between the upper electrodes 404a and 404b can be easily understood. The shape of the diaphragm 421 shown here is a square, but is not limited to a square, and the shape may be a rectangle, a circle, an ellipse, or the like. The upper electrode 404a is disposed at the center of the diaphragm 421, and the upper electrode 404b is disposed so as to surround it.

図6は、シミュレーションにより計算した上部電極404aと下部電極402に信号電圧を与えたときの周波数特性と、上部電極404aと404bを同電位にして下部電極402との間に信号電圧を与えたときの周波数特性を示す。ここで、図6の縦軸は、音圧の2乗としているが、これはダイアフラムの各位置でのz軸方向の速度を2乗して総和したものから得たものであり、速度2乗の総和は音圧の2乗と相関している。シミュレーションでは、上部電極404aの被覆率は41[%]とし、上部電極404aと404bの和の被覆率が64[%]となるようにして計算している。図6の計算結果から、上部電極404aの結果と、上部電極404aと404bを同電位にした結果は、1次共振の音圧の2乗は共に同じ程度の大きさになっているが、3次共振の音圧の2乗の大きさは、上部電極404aの結果では1次共振よりやや大きくなり、上部電極404aと404bを同電位にした結果では1次共振より低くなっていることが分かる。この結果より、例えば、高い周波数の音圧を下げたい場合は、上部電極404aと404bを同電位にして下部電極との間に信号電圧を与えた組合せを選ぶとよいことが分かる。ここで、音圧の2乗のピークが離散的に立っているが、ダンピングの度合いを強くすると、それぞれのピークは下がり、その半値幅が大きくなる傾向を示す。即ち、ダンピングの度合いを強くすると、周波数特性が平坦になっていく傾向を示す。   FIG. 6 shows the frequency characteristics when a signal voltage is applied to the upper electrode 404a and the lower electrode 402 calculated by simulation, and when the signal voltage is applied between the lower electrode 402 with the upper electrodes 404a and 404b at the same potential. The frequency characteristics of are shown. Here, the vertical axis in FIG. 6 represents the square of the sound pressure, which is obtained by squaring and summing the speed in the z-axis direction at each position of the diaphragm. Is correlated with the square of the sound pressure. In the simulation, the calculation is performed such that the coverage of the upper electrode 404a is 41 [%] and the total coverage of the upper electrodes 404a and 404b is 64 [%]. From the calculation result of FIG. 6, the result of the upper electrode 404a and the result of setting the upper electrodes 404a and 404b to the same potential both have the same magnitude of the square of the sound pressure of the primary resonance. It can be seen that the square of the sound pressure of the secondary resonance is slightly larger than the primary resonance in the result of the upper electrode 404a and lower than the primary resonance in the result of setting the upper electrodes 404a and 404b to the same potential. . From this result, for example, when it is desired to lower the sound pressure at a high frequency, it is preferable to select a combination in which the upper electrodes 404a and 404b are set to the same potential and a signal voltage is applied between the lower electrodes. Here, the peak of the square of the sound pressure stands discretely. However, when the degree of damping is increased, each peak decreases and the half-value width tends to increase. That is, when the degree of damping is increased, the frequency characteristic tends to become flat.

図7は、本発明の実施例2による3つの電極の対を有する圧電音響素子の一例700を示す図である。実施例2は、上記実施例1とは異なる例であり、シリコン基板711に設けたダイアフラム721に、圧電薄膜703を形成した圧電音響素子の断面を示したものである。圧電薄膜703に電圧を与えるために、圧電薄膜703の上下に、上部電極704c、704d、704eと下部電極702が設けられている。上部電極704c、704d、704eのそれぞれが下部電極702と電極の対を形成し、電極の対は3つある。   FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a piezoelectric acoustic element 700 having three electrode pairs according to Embodiment 2 of the present invention. The second embodiment is an example different from the first embodiment, and shows a cross section of a piezoelectric acoustic element in which a piezoelectric thin film 703 is formed on a diaphragm 721 provided on a silicon substrate 711. In order to apply a voltage to the piezoelectric thin film 703, upper electrodes 704c, 704d, and 704e and a lower electrode 702 are provided above and below the piezoelectric thin film 703. Each of the upper electrodes 704c, 704d, and 704e forms an electrode pair with the lower electrode 702, and there are three electrode pairs.

図8は、上部電極704c、704d、704eの配置関係が分かりやすいように、図7に示した圧電音響素子を上面から見たものである。ここで示すダイアフラム721の形状は正方形であるが、正方形に限らず、この形状は長方形、円形、楕円形等の形状であってもよい。上部電極704cが、ダイアフラム721の中央に配置され、上部電極704dと704eが、上部電極704cを挟むように配置されている。   FIG. 8 is a top view of the piezoelectric acoustic element shown in FIG. 7 so that the positional relationship between the upper electrodes 704c, 704d, and 704e can be easily understood. The shape of the diaphragm 721 shown here is a square, but is not limited to a square, and this shape may be a rectangle, a circle, an ellipse, or the like. The upper electrode 704c is disposed at the center of the diaphragm 721, and the upper electrodes 704d and 704e are disposed so as to sandwich the upper electrode 704c.

図9は、シミュレーションにより計算した上部電極704cと下部電極702に信号電圧を与えたときの周波数特性と、上部電極704dと下部電極702に信号電圧を与えたときの周波数特性と、上部電極704c、704d、704eを同電位にして下部電極702との間に信号電圧を与えたときの周波数特性を示す。シミュレーションでは、上部電極704c、704d、704eの和の被覆率が64[%]となるようにして、それぞれの電極面積は、3等分として計算している。図9の計算結果から、上部電極704c、704d、704eを同電位にした結果は、13[kHz]以上の周波数で音圧の2乗のピークが見られないことが分かる。一方で、上部電極704dの結果と、上部電極704cの結果は、13[kHz]以上の周波数でもピークが見られる。上部電極704dの結果においては、13[kHz]以下のピークの数が多いことも分かる。いずれのケースにおいても周波数特性が異なり、アプリケーションの必要とする周波数特性に合わせて、適当な電極の対を選び、信号電圧を与えればよい。   9 shows frequency characteristics when a signal voltage is applied to the upper electrode 704c and the lower electrode 702 calculated by simulation, frequency characteristics when a signal voltage is applied to the upper electrode 704d and the lower electrode 702, and the upper electrode 704c, Frequency characteristics when 704d and 704e are set to the same potential and a signal voltage is applied to the lower electrode 702 are shown. In the simulation, the total electrode area is calculated as three equal parts so that the total coverage of the upper electrodes 704c, 704d, and 704e is 64 [%]. From the calculation result of FIG. 9, it can be seen that the peak of the square of the sound pressure is not seen at a frequency of 13 [kHz] or higher in the result of setting the upper electrodes 704c, 704d, and 704e to the same potential. On the other hand, the result of the upper electrode 704d and the result of the upper electrode 704c show a peak even at a frequency of 13 [kHz] or higher. It can also be seen that the number of peaks of 13 [kHz] or less is large in the result of the upper electrode 704d. In any case, the frequency characteristics are different, and an appropriate electrode pair is selected according to the frequency characteristics required by the application, and a signal voltage may be applied.

図10は、n個の電極の対を有する圧電音響素子1031を制御する信号処理回路1041の一例である。信号処理回路1041は、信号電圧源1051、スイッチ群1052とこれらを制御する制御装置1053から構成される。圧電音響素子1031は、唯一のダイアフラム上に、n枚の上部電極と1枚の下部電極を有し、ダイアフラム上でn個の電極の対を構成している。上部電極は、それぞれに信号電圧が与えられるように、それぞれに信号端子を有している。信号処理回路1041は、電圧信号源1051で音源となる信号電圧をつくり、制御装置1053からの指令によりスイッチ群1041の適当なスイッチが閉じられて、圧電音響素子1031の選ばれた信号端子に信号電圧が与えられる。信号電圧源1051は、選択された電極の対のもつ周波数特性に好適な信号電圧を発生するように制御装置1053から制御される。ここで実用的な例を示すと、圧電音響素子1031がレシーバーとサウンダーの特性を備えるとき、制御装置1053からレシーバーの周波数特性に適した上部電極を選択するように、スイッチ群1041のスイッチが閉じられて、信号電圧源1051より低域の周波数特性を強調した信号電圧を発生させて、選択された上部電極に信号電圧が与えられる。また、サウンダーとして動作させたい場合は、サウンダーの周波数特性に適した上部電極を選択するように、スイッチ群1041のスイッチが閉じられて、信号電圧源1051より高域の周波数特性を強調した信号電圧を発生させて、選択された上部電極に信号電圧が与えられる。   FIG. 10 is an example of a signal processing circuit 1041 that controls a piezoelectric acoustic element 1031 having a pair of n electrodes. The signal processing circuit 1041 includes a signal voltage source 1051, a switch group 1052, and a control device 1053 for controlling them. The piezoelectric acoustic element 1031 has n upper electrodes and one lower electrode on a single diaphragm, and constitutes a pair of n electrodes on the diaphragm. Each of the upper electrodes has a signal terminal so that a signal voltage is applied to each of the upper electrodes. The signal processing circuit 1041 generates a signal voltage serving as a sound source by the voltage signal source 1051, an appropriate switch of the switch group 1041 is closed by a command from the control device 1053, and a signal is sent to a selected signal terminal of the piezoelectric acoustic element 1031. A voltage is given. The signal voltage source 1051 is controlled by the controller 1053 so as to generate a signal voltage suitable for the frequency characteristic of the selected electrode pair. As a practical example, when the piezoelectric acoustic element 1031 has the characteristics of the receiver and the sounder, the switches of the switch group 1041 are closed so as to select the upper electrode suitable for the frequency characteristics of the receiver from the controller 1053. Then, a signal voltage in which a frequency characteristic in a lower frequency range is emphasized than the signal voltage source 1051 is generated, and the signal voltage is applied to the selected upper electrode. When it is desired to operate as a sounder, the switch of the switch group 1041 is closed so that the upper electrode suitable for the frequency characteristic of the sounder is selected, and the signal voltage that emphasizes the frequency characteristics in the higher range than the signal voltage source 1051. And a signal voltage is applied to the selected upper electrode.

これまでに述べてきたダイアフラムを構成する材料に関しては、圧電薄膜103、403、703は、窒化アルミニウムに限らず、酸化亜鉛やチタン酸ジルコン酸鉛であってもよい。下部電極102、402、702、上部電極104、404a、404b、704c、704d、704eは、アルミニウム、チタン、ポリシリコン、金、白金、タングステン、モリブデンのいずれかの金属材料、または、上記金属材料を主成分に含む合金が好ましい。支持層101、401、701は、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜等のシリコン化合物の膜又はその積層膜を用いることが好ましい。ダイアフラム121、421、721を形成するために、シリコン基板111、411、711は、圧電薄膜103、403、703とは反対の面となる裏面から掘削してもよいし、ダイアフラム121、421、721に適当なスルーホールを開けて、圧電薄膜103、403、703と同じ面となる表面から掘削してもよい。   Regarding the materials constituting the diaphragm described so far, the piezoelectric thin films 103, 403, and 703 are not limited to aluminum nitride but may be zinc oxide or lead zirconate titanate. The lower electrode 102, 402, 702 and the upper electrode 104, 404a, 404b, 704c, 704d, 704e are made of any metal material of aluminum, titanium, polysilicon, gold, platinum, tungsten, molybdenum, or the above metal material. An alloy containing the main component is preferable. For the support layers 101, 401, and 701, a silicon compound film such as a silicon oxide film or a silicon nitride film or a laminated film thereof is preferably used. In order to form the diaphragms 121, 421, 721, the silicon substrates 111, 411, 711 may be excavated from the back surface opposite to the piezoelectric thin films 103, 403, 703, or the diaphragms 121, 421, 721 may be formed. Alternatively, an appropriate through hole may be opened and excavated from a surface that is the same surface as the piezoelectric thin films 103, 403, and 703.

信号処理回路1041は、ディスクリートの電子部品で構成してもよいし、半導体ICとして集積化してもよい。また、ICとして集積化された信号処理回路1041は、圧電音響素子1031とは別々にパッケージングして構成してもよいし、圧電音響素子1031と同一のパッケージングに構成してもよい。信号処理回路1041と圧電音響素子1031が同一パッケージングされる場合、それぞれを別々に作り上げてもよいし、圧電音響素子1031のシリコン基板上に信号処理回路1041を作りこんでもよい。   The signal processing circuit 1041 may be composed of discrete electronic components, or may be integrated as a semiconductor IC. Further, the signal processing circuit 1041 integrated as an IC may be packaged separately from the piezoelectric acoustic element 1031 or may be configured in the same packaging as the piezoelectric acoustic element 1031. In the case where the signal processing circuit 1041 and the piezoelectric acoustic element 1031 are packaged in the same package, they may be formed separately, or the signal processing circuit 1041 may be formed on the silicon substrate of the piezoelectric acoustic element 1031.

以上のように、本発明における実施形態を示したが、本発明は、さらに種々の形態で実現できることは明らかであり、上述した実施の形態に制約されるものではない。   As mentioned above, although embodiment in this invention was shown, it is clear that this invention can be implement | achieved with a various form further, and is not restrict | limited to embodiment mentioned above.

本発明の圧電音響素子は、システムの小型化、または、複数の音圧レベルの周波数帯域を必要とする音響部品の分野や、上記音響部品を搭載する製品の分野で好適に利用できる。   The piezoelectric acoustic element of the present invention can be suitably used in the field of acoustic parts that require a reduction in the size of the system or a plurality of sound pressure level frequency bands, and the field of products in which the acoustic parts are mounted.

101,401,701 支持層
102,402,702 下部電極
103,403,703 圧電薄膜
104,404a、404b、704c,704d,704e 上部電極
111,411,711 シリコン基板
121,421,721 ダイアフラム
1031 圧電音響素子
1041 信号処理回路
1051 信号電圧源
1052 スイッチ群
1053 制御装置
101, 401, 701 Support layer 102, 402, 702 Lower electrode 103, 403, 703 Piezoelectric thin film 104, 404a, 404b, 704c, 704d, 704e Upper electrode 111, 411, 711 Silicon substrate 121, 421, 721 Diaphragm 1031 Piezoelectric acoustic Element 1041 Signal processing circuit 1051 Signal voltage source 1052 Switch group 1053 Control device

Claims (3)

シリコン基板と、
該シリコン基板上に形成された積層体とを有する圧電音響素子であって、
前記積層体が、圧電薄膜と、
該圧電薄膜の両面の各々に形成された上部電極および下部電極と、
前記下部電極側に形成された支持層とから構成され、
前記下部電極が、同一平面内に単一層で形成され、
前記上部電極が、同一平面内に2以上の部位に分割して形成されることを特徴とした圧電音響素子。
A silicon substrate;
A piezoelectric acoustic element having a laminate formed on the silicon substrate,
The laminate is a piezoelectric thin film;
An upper electrode and a lower electrode formed on each of both surfaces of the piezoelectric thin film;
A support layer formed on the lower electrode side,
The lower electrode is formed of a single layer in the same plane;
2. The piezoelectric acoustic element according to claim 1, wherein the upper electrode is divided into two or more parts in the same plane.
前記上部電極の少なくとも1つと、
前記下部電極とで構成される電極の対に信号電圧が与えられることを特徴とする請求項1に記載の圧電音響素子。
At least one of the upper electrodes;
2. The piezoelectric acoustic element according to claim 1, wherein a signal voltage is applied to a pair of electrodes composed of the lower electrode.
前記電極の対を駆動する信号処理回路が供することを特徴とする請求項1又は2に記載の圧電音響素子。   The piezoelectric acoustic element according to claim 1, wherein a signal processing circuit that drives the pair of electrodes is provided.
JP2009056509A 2009-03-10 2009-03-10 Piezoelectric acoustic element Withdrawn JP2010212968A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009056509A JP2010212968A (en) 2009-03-10 2009-03-10 Piezoelectric acoustic element

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009056509A JP2010212968A (en) 2009-03-10 2009-03-10 Piezoelectric acoustic element

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2010212968A true JP2010212968A (en) 2010-09-24

Family

ID=42972703

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2009056509A Withdrawn JP2010212968A (en) 2009-03-10 2009-03-10 Piezoelectric acoustic element

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2010212968A (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014127749A (en) * 2012-12-25 2014-07-07 Kyocera Corp Acoustic generator, acoustic generating device, and electronic apparatus
CN113132875A (en) * 2021-04-25 2021-07-16 广州蜂鸟传感科技有限公司 Self-calibration micromechanical loudspeaker
WO2021235080A1 (en) * 2020-05-20 2021-11-25 ローム株式会社 Transducer, method for driving same, and system
RU2804238C1 (en) * 2022-04-01 2023-09-26 Шэньчжэнь Шокз Ко., Лтд. Acoustic devices

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014127749A (en) * 2012-12-25 2014-07-07 Kyocera Corp Acoustic generator, acoustic generating device, and electronic apparatus
WO2021235080A1 (en) * 2020-05-20 2021-11-25 ローム株式会社 Transducer, method for driving same, and system
CN113132875A (en) * 2021-04-25 2021-07-16 广州蜂鸟传感科技有限公司 Self-calibration micromechanical loudspeaker
RU2804238C1 (en) * 2022-04-01 2023-09-26 Шэньчжэнь Шокз Ко., Лтд. Acoustic devices

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102356794B1 (en) Display apparatus
JP6563248B2 (en) Display device
US8148876B2 (en) Piezoelectric actuator and electronic apparatus
JP2019110588A (en) Flat panel speaker and display unit
US20160157020A1 (en) Electroacoustic transducer
JP2004524574A (en) Display substrate with integrated acoustic transducer
EP2597894A1 (en) Vibration device and electronic device
JP2004023436A (en) Piezoelectric loudspeaker
JPWO2009063905A1 (en) Piezoelectric acoustic element and electronic device
WO2019131041A1 (en) Display apparatus
US9392373B2 (en) Acoustic generator, acoustic generation device, and electronic device
US8913767B2 (en) Electro-acoustic transducer, electronic apparatus, electro-acoustic conversion method, and sound wave output method of electronic apparatus
US20210144482A1 (en) Mems device and process
JP2004147077A (en) Composite speaker
JP4564879B2 (en) Piezoelectric vibration element and voice conversion device including the piezoelectric vibration element
JP2003219499A (en) Piezoelectric speaker
EP2884765B1 (en) Acoustic generator, acoustic generation device, and electronic apparatus
JP2010212968A (en) Piezoelectric acoustic element
JP5627824B1 (en) SOUND GENERATOR, SOUND GENERATOR, AND ELECTRONIC DEVICE
US20230023306A1 (en) Manufacturing method of device
JP7293350B2 (en) Enhanced Actuator for Distributed Mode Loudspeakers
JP6215746B2 (en) SOUND GENERATOR AND SOUND GENERATION DEVICE, ELECTRONIC DEVICE, AND PORTABLE TERMINAL HAVING THE SAME
JP2011228794A (en) Electro-acoustic transducer
KR101715767B1 (en) Piezoelectric element for Piezoelectric Speaker
JP2012100048A (en) Electronic apparatus

Legal Events

Date Code Title Description
A300 Withdrawal of application because of no request for examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300

Effective date: 20120605