JP2011139267A

JP2011139267A - 圧電型発音装置

Info

Publication number: JP2011139267A
Application number: JP2009297661A
Authority: JP
Inventors: Hironori Sato; 優典佐藤; Masahiro Sugiura; 正浩杉浦
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2009-12-28
Filing date: 2009-12-28
Publication date: 2011-07-14

Abstract

【課題】ショート不良を発生しにくくする。
【解決手段】振動膜と前記振動膜よりも厚い振動膜外部とを有する基部と、前記振動膜の表面上の全域を含む前記基部の表面上において厚み方向の一方側に形成される下電極層と、肉厚部と前記肉厚部よりも厚みが薄い肉薄部とを有し、前記下電極層の表面上において圧電材料によって形成される圧電層と、前記肉厚部の表面上に形成される上電極層と、を備え、前記振動膜は、前記肉厚部の少なくとも一部と厚み方向に重なる第１領域と、前記第１領域を除く領域であって前記肉薄部の少なくとも一部と厚み方向に重なる第２領域とからなる、圧電型発音装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電型発音装置に関し、特にＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）として構成される圧電型発音装置に関する。

従来、圧電素子を有する振動膜を複数備えたＭＥＭＳが知られている（例えば特許文献１）。特許文献１においては、各振動膜について独立した圧電膜と電極対とを設け、同一層内の櫛歯状の配線パターンによって前記電極対に電圧を印加している。

特開２００８−２０４２９号公報

引用文献１においては、同一層内において配線を引き回すため、配線が細線化する。配線が細線化すると配線が剥離しやすくなり、剥離した配線が面内において短絡するショート不良が生じる問題があった。特に、繰り返し変形させられる振動膜上の配線は剥離しやすくなるという問題があった。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、ショート不良が発生しにくい圧電型発音装置を提供することを目的の１つとする。

（１）前記目的を達成するための圧電型発音装置において、振動膜と前記振動膜よりも厚い振動膜外部とを有する基部と、前記振動膜の表面上の全域を含む前記基部の表面上において厚み方向の一方側に形成される下電極層と、肉厚部と前記肉厚部よりも厚みが薄い肉薄部とを有し、前記下電極層の表面上において圧電材料によって形成される圧電層と、前記肉厚部の表面上に形成される上電極層と、を備え、前記振動膜は、前記肉厚部の少なくとも一部と厚み方向に重なる第１領域と、前記第１領域を除く領域であって前記肉薄部の少なくとも一部と厚み方向に重なる第２領域とからなる。

本発明の圧電型発音装置において、下電極層は少なくとも振動膜の表面の全域上に形成される。したがって下電極層と振動膜との接合面積を広くすることができ、下電極層が振動膜から剥離することが防止できる。振動膜上において下電極層は表面上の全域が圧電層によって覆われる。これにより、振動膜の表面上から下電極層が剥離することを防止できる。さらに、上電極層が振動膜の表面上から剥離した場合でも、圧電層が剥離した下電極層と上電極層との接触を妨げる。したがって圧電型発音装置のショート不良を防止できる。さらに振動膜の第２領域が肉薄部と厚み方向に重なることにより、振動膜の振動を妨げることなく、ショート不良を防止できる。

（２）前記目的を達成するための圧電型発音装置において、前記上電極層の一部と前記肉厚部の一部と前記下電極層の一部と前記振動膜外部の少なくとも一部とが厚み方向に重なる。
振動膜外部と厚み方向に重なる領域において下電極層の一部と上電極層の一部とが厚み方向に重なる場合に、これらの間に肉厚部を介在させることにより、寄生容量を低減できる。

図１Ａは本発明の第一実施形態にかかる平面図、図１Ｂは図１Ａに示す１Ｂ−１Ｂ線断面図、図１Ｃは図１Ｂに示す断面における各層の厚み方向の重なりを示す模式図である。本発明の第一実施形態にかかる断面図である。本発明の第一実施形態にかかる断面図である。本発明の第一実施形態にかかる断面図である。本発明の第一実施形態にかかる断面図である。図６Ａは本発明の第二実施形態にかかる平面図、図６Ｂは図６Ａに示す６Ｂ−６Ｂ線断面図、図６Ｃは図６Ｂに示す断面における各層の厚み方向の重なりを示す模式図である。図７Ａは本発明の第三実施形態にかかる平面図、図７Ｂは図７Ａに示す７Ｂ−７Ｂ線断面図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら以下の順に説明する。なお、各図において対応する構成要素には同一の符号が付され、重複する説明は省略される。

１．第一実施形態
（構成）
図１に本発明による圧電型発音装置の第一実施形態としての圧電スピーカー１を示す。圧電スピーカー１は半導体製造プロセスを用いて製造されるＭＥＭＳであって、博物館展示説明用など、限られたエリアにおいて音声を聴取させるための超指向性スピーカーとして用いられる。また、ＭＥＭＳであるため、例えば厚みが１ｍｍ程度の薄型のケースに組み込むことができる。圧電スピーカー１は素子基板１０と素子基板１０上に形成された圧電素子１１を備えている。素子基板１０に形成された複数の振動膜１２を圧電素子１１によって駆動することによって音波を送波する。本明細書において"上"と"下"が示す方向は、図１Ｂに図示された圧電スピーカー１の方向を基準とする。また、圧電スピーカー１の厚み方向とは、圧電スピーカー１を構成する各層の積層方向を指す。素子基板１０は本発明の基部に相当する。素子基板１０の厚み方向の一方側（上側）に圧電素子１１が積層される。

素子基板１０は相対的に厚い単結晶珪素層１０１と相対的に薄い単結晶珪素層１０３とこれらに挟まれた絶縁膜１０２と二酸化珪素層１０４とからなる。厚い単結晶珪素層１０１の厚さは例えば５００μｍとし、薄い単結晶珪素層１０３の厚さは例えば２５μｍとし、絶縁膜１０２は例えば厚さ０．５μｍの二酸化珪素とし、二酸化珪素層１０４は例えば０．５μｍの二酸化珪素とする。振動膜１２は薄い単結晶珪素層１０３と二酸化珪素層１０４とからなる。素子基板１０には孔１０ａが形成されている。孔１０ａは厚い単結晶珪素層１０１と絶縁膜１０２とを貫通している。孔１０ａは断面が直径１０００μｍの円形のストレート孔とする。複数の振動膜１２は素子基板１０に形成された複数の孔１０ａのそれぞれの上底を構成している部分であり、素子基板１０における振動膜外部１３よりも厚みが薄い。振動膜外部１３とは素子基板１０における振動膜１２以外の部分であって圧電素子１１によって実質的に駆動させられない剛体として振る舞う部分を指す。振動膜１２の振動端（固定端）は孔１０ａの断面形状によって決まる。すなわち、本実施形態の振動膜１２は円形であり、その円周が振動膜１２と振動膜外部１３の境界をなす。

圧電素子１１は、素子基板１０の薄い単結晶珪素層１０３の表面の全域上に形成された二酸化珪素層１０４の表面上に接合されている。圧電素子１１は下電極層１１１、上電極層１１３、および、圧電層１１２とからなる。下電極層１１１、上電極層１１３はそれぞれ例えば厚さが０．１μｍ、０．１μｍであり、白金や金等からなる。圧電層１１２はチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の絶縁性を有する圧電材料からなる。

下電極層１１１は薄い単結晶珪素層１０３の上面の全域上に形成されている。白金は密着性が低いため下電極層１１１が二酸化珪素層１０４から剥離しやすいが、二酸化珪素層１０４と下電極層１１１とが広く接するようにすることにより、薄い単結晶珪素層１０３から下電極層１１１が剥離することが防止できる。特に、繰り返し変形させられる振動膜１２上においても、全域に下電極層１１１と下電極層１１１とが広く形成されるため、振動膜１２の表面上において下電極層１１１が剥離することが防止できる。

次に圧電層１１２と上電極層１１３のパターン形状について説明する。
圧電層１１２は下電極層１１１の上面における通孔１１ｂを除く全域上に形成されている。振動膜１２の全域上において下電極層１１１が圧電層１１２によって覆われる。これにより、振動膜１２の表面上から下電極層１１１が剥離することが防止できる。

圧電層１１２は、肉厚部と、肉厚部よりも厚みが薄い肉薄部Ｔとからなる。さらに肉厚部は圧電部Ｐと配線絶縁部Ｉとからなる。圧電層１１２の圧電部Ｐと配線絶縁部Ｉの厚みは互いに等しく、例えば３μｍとする。肉薄部Ｔの厚みは例えば０．５μｍとする。圧電層１１２の肉厚部と上電極層１１３とは同一のパターン形状を有する。すなわち上電極層１１３は圧電層１１２の肉厚部の表面の全域上に形成されている。そのため圧電層１１２の肉厚部と上電極層１１３のパターン形成を同時に行うことができる。

上電極層１１３は上電極Ｕと配線部Ｌとからなる。配線部Ｌは、外部からの配線を上電極層１１３に接続するための矩形状の接続部１１ｄを有し、この接続部１１ｄと各上電極Ｕとを電気的に接続する配線をなす。圧電層１１２の配線絶縁部Ｉにおける表面の全域上に配線部Ｌが形成される。一方、上電極Ｕは、振動膜１２の外周部Ｏと厚み方向に重なる領域において円環状に形成されている。圧電層１１２の圧電部Ｐにおける表面の全域上に上電極Ｕが形成される。

上電極層１１３と圧電層１１２には断面円形状の孔１１ｃが形成される。孔１１ｃは、振動膜１２の中央部Ｍと厚み方向に重なる領域に形成され、上電極層１１３を貫通し、圧電層１１２を肉薄部Ｔの厚みだけ残した深さとされている。圧電層１１２における孔１１ｃの下底が肉薄部Ｔの一部を構成する。振動膜１２の外周部Ｏにおいてのみ厚い圧電部Ｐ、下電極層１１１および上電極Ｕを厚み方向に重ねることより、圧電部Ｐに生じた歪みによって振動膜１２を振動させることができる。一方、振動膜１２の中央部Ｍが肉薄部Ｔと厚み方向に重なることより、振動膜１２が両端固定梁として振動する際に中央部Ｍが大きく振動することを妨げないようにすることができる。なお振動膜１２の外周部Ｏが本発明の第１領域を構成し、振動膜１２の中央部Ｍが本発明の第２領域を構成する。

圧電層１１２の配線絶縁部Ｉは振動膜外部１３と厚み方向に重なる。振動膜外部１３と厚み方向に重なる圧電層１１２の領域のうち、配線絶縁部Ｉと通孔１１ｂを除く領域が肉薄部Ｔを構成する。配線絶縁部Ｉの表面上の全域において配線部Ｌが重なるため、振動膜外部１３と厚み方向に重なる領域においても、上電極層１１３と圧電層１１２の肉厚部のパターン形状が同一となっている。したがって振動膜外部１３と厚み方向に重なる領域についても、上電極層１１３と圧電層１１２のパターン形成を同時に行うことができる。また、振動膜外部１３と厚み方向に重なる領域において、肉厚部の一部（配線絶縁部Ｉ）のみが下電極層１１１の一部と上電極層１１３の一部（配線部Ｌ）によって厚み方向に挟まれている。すなわち振動膜外部１３と厚み方向に重なる領域において、肉薄部Ｔが下電極層１１１と上電極層１１３によって厚み方向に挟まれることはない。したがって振動膜外部１３と厚み方向に重なる領域において生じる寄生容量を低減することができる。なお振動膜外部１３と厚み方向に重なる領域において、肉薄部Ｔの一部には下電極層１１１の接続部１１ａを露出させるための通孔１１ｂが形成されている。

（製造方法）
次に図２から図５を参照しながら圧電スピーカー１の製造方法を説明する。
はじめに素子基板１０となるＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウエハを用意し、薄い単結晶珪素層１０３の表面を熱酸化させることにより二酸化珪素層１０４を形成する。二酸化珪素層１０４の表面上に下電極層１１１、圧電層１１２、上電極層１１３を図２に示すように順に形成する。下電極層１１１および上電極層１１３は例えば白金をスパッタ法によって、それぞれ素子基板１０および圧電層１１２の上側の表面上に積層することによって形成する。圧電層１１２は例えばチタン酸ジルコン酸鉛をスパッタ法によって下電極層１１１の表面上に積層することによって形成する。

次に図３に示すように上電極層１１３における上電極層Ｕと圧電部Ｐと配線部Ｌの表面にフォトレジストからなる保護膜Ｒ１のパターンを形成し、保護膜Ｒ１を用いたイオンミリングによって上電極層１１３と圧電層１１２をエッチングする。肉薄部Ｔの厚みだけ圧電層１１２を残すようにエッチング深さを制御する。これにより上電極層Ｕと配線部Ｌを除く領域に肉薄部Ｔが形成される。

次に前工程のイオンミリングによって形成された上電極層１１３と圧電層１１２の表面上を図４に示すように覆うとともに保護膜Ｒ２のパターンを上電極層１１３および肉薄部Ｔの表面に形成する。続いて、保護膜Ｒ２を用いたウエットエッチングによって圧電層１１２をエッチングして接続部１１ａにて下電極層１１１を露出させる。これにより、接続部１１ａが形成される。

次に図５に示すように素子基板１０の厚い単結晶珪素層１０１の表面にフォトレジストからなる保護膜Ｒ３のパターンを形成し、保護膜Ｒ３を用いた厚い単結晶珪素層１０１のＤｅｅｐ−ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）、および、絶縁膜１０２のウェットウェットエッチングによって、薄い単結晶珪素層１０３を底とする孔１０ａを厚い単結晶珪素層１０１と絶縁膜１０２とに形成する。これにより、薄い単結晶珪素層１０３と二酸化珪素層１０４とからなる振動膜１２と振動膜１２を上底とする孔１０ａが素子基板１０に形成される。最後に、ダイサーによって素子基板１０を個片へと切り分け、パッケージングなどの後工程を実施すると圧電スピーカー１が完成する。

（動作）
図示しない導線を介して圧電素子１１の下電極層１１１と上電極層１１３に電圧を印加すると、下電極層１１１と上電極層１１３に挟まれた圧電層１１２は面内方向に歪み（収縮・膨張）を生じさせようとする。素子基板１０は振動膜１２以外の振動膜外部１３において十分な厚さを有するため実質的に剛体として振る舞う。したがって圧電層１１２のうち振動膜１２と厚み方向に重なっている圧電部Ｐのみが面内方向に収縮・膨張することができる。なお下電極層１１１の接続部１１ａと上電極層１１３の接続部１１ｄに対して外部からの配線を接続することにより下電極層１１１と上電極層１１３に電圧を印加することができる。

圧電部Ｐの収縮・膨張は、振動膜１２における振動膜１２の外周部Ｏに厚み方向の撓みを生じさせる。振動膜１２の外周部Ｏが厚み方向に撓むと面内方向において固定端から最も遠い振動膜１２の中央部Ｍの変位が最も大きくなる。このように振動膜１２の外周部Ｏを圧電部Ｐの収縮・膨張によって駆動させることにより、振動膜１２を効率よく撓ませることができる。振動膜１２が撓む際には、振動膜１２と厚み方向に重なる肉薄部Ｔも一体となって撓む。なお、圧電部Ｐが面内方向に収縮するとそれぞれの振動膜１２は中央部Ｍが上側に盛り上がるように変形し、反対に圧電部Ｐが面内方向に膨張するとそれぞれの振動膜１２は下側に盛り上がるように変形する。したがって圧電素子１１に超音波振動を発生させると、圧電素子１１と一体に振動する振動膜１２から超音波が送波される。なお、下電極層１１１と上電極層１１３はそれぞれ電気的に一体であるため、各振動膜１２から同相の音波が送波される。

２．第二実施形態
図６は第二実施形態にかかる圧電スピーカー２を示す。第二実施形態の圧電スピーカー２と、第一実施形態の圧電スピーカー１との相違点は、上電極層１１３の配線部Ｌを孔１１ｃと圧電スピーカー２の四辺近傍を除いて面内方向のほぼ全域に形成する点にある。本実施形態でも上電極層１１３の配線部Ｌと圧電層１１２の配線絶縁部Ｉとは同一のパターン形状である。このように配線部Ｌと配線絶縁部Ｉを面内方向に広く形成することにより、配線部Ｌが配線絶縁部Ｉから剥離することを防止できる。本実施形態でも配線部Ｌと配線絶縁部Ｉは同一のパターン形状を有しているため、圧電層１１２と上電極層１１３のパターン形成を同時に行うことができる。さらに第一実施形態よりも圧電層１１２において厚い配線絶縁部Ｉが占める面積比率が増すため、下電極層１１１の剥離や下電極層１１１と上電極層１１３とのショートを確実に防止できる。なお、本実施形態において、圧電層１１２の配線絶縁部Ｉを圧電スピーカー２の面内方向の端部まで形成するのではなく、圧電スピーカー２の四辺から１００μｍだけ内側の矩形枠状部分に肉薄部Ｔを形成している。これにより、圧電層１１２と上電極層１１３の同時のパターン形成により、面内方向における上電極層１１３の配線部Ｌの端部と、下電極層１１１の端部の位置をずらすことができ、圧電スピーカー２の四辺における下電極層１１１と上電極層１１３とのショートを防止できる。本実施形態の圧電スピーカー２は、第一実施形態の保護膜Ｒ１のパターンにおいて通孔１１ｂと孔１１ｃに対応する領域のみを開口させることにより製造できる。

３．第三実施形態
図７は第三実施形態にかかる圧電スピーカー３を示す。第三実施形態の圧電スピーカー３と、第二実施形態の圧電スピーカー２との相違点は、上電極層１１３のパターンである。第三実施形態では圧電層１１２の配線絶縁部Ｉを第二実施形態と同様のパターンとしつつ、上電極層１１３に対して別途パターン形成を行うことにより第一実施形態と同様のパターンの上電極層１１３を形成している。これにより第二実施形態よりも上電極層１１３の面積を減少させることができるため、第二実施形態によりも寄生容量を低減させることができる。

なお、本発明の技術的範囲は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば前記実施形態で示した材質や寸法や形状や成膜方法やパターン転写方法はあくまで例示であるし、当業者であれば自明である工程の追加や削除や工程順序の入れ替えについては説明が省略されている。

第一実施形態の上電極Ｕと圧電部Ｐの外径は振動膜１２と振動膜外部１３との境界の径と厳密に一致しなくてもよく、上電極Ｕと圧電部Ｐの外径が振動膜１２と振動膜外部１３との境界の径と所定量異なっていてもよい。振動膜１２はポリイミド、ＰＶＤＦ（PolyVinylidene DiFluoride）、ゴム等の有機材料から構成してもよいし、酸化珪素、多結晶珪素、セラミック（ジルコニア（ＺｒＯ₂）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）など）、金属（Ｃｕなど）等の無機材料で構成してもよい。また振動膜１２と振動膜外部１３との境界は円形に限らず、矩形であってもよいし、振動膜１２に通孔が形成されていてもよいし、振動膜１２が帯形状であってもよい。振動膜１２と振動膜外部１３との境界を円形としない場合でも、圧電部Ｐの内側に肉薄部Ｔを形成すればよい。また振動膜１２を超音波の周波数で振動させることにより、超音波発生装置やパラメトリックアレイスピーカーとして使用することも勿論可能である。前記実施形態では、圧電部Ｐを振動膜１２の外周部Ｏと厚み方向に重なるように形成したが、圧電部Ｐを振動膜１２の中央部Ｍと厚み方向に重なるように形成してもよい。この場合、肉薄部Ｔは振動膜１２の外周部Ｏと厚み方向に重なる。また振動膜１２は圧電素子１１の駆動によって振動可能な程度に厚みが薄ければよく、振動膜１２が複数または連続的に変化する厚みを有してよい。振動膜外部１３は圧電素子１１の駆動によって振動不能な程度に厚みが厚ければよく、振動膜外部１３が複数または連続的に変化する厚みを有してよい。さらに振動膜１２を単数備えてもよい。振動膜１２を複数備えた場合に、各上電極層Ｕを電気的に独立させることにより各振動膜１２を独立して振動させてもよい。

１〜３…圧電スピーカー、１０…素子基板、１０ａ…孔、１１…圧電素子、１１ａ…接続部、１１ｂ…通孔，１１ｃ…孔、１２…振動膜、１３…振動膜外部、１０１…単結晶珪素層、１０２…絶縁膜、１０３…単結晶珪素層、１０４…二酸化珪素層、１１１…下電極層、１１２…圧電層、１１３…上電極層、Ｃ…空洞、Ｉ…配線絶縁部、Ｔ…肉薄部、Ｐ…圧電部、Ｕ…上電極層、Ｌ…配線部、Ｍ…中央部、Ｏ…外周部、Ｒ１〜Ｒ３…保護膜。

Claims

振動膜と前記振動膜よりも厚い振動膜外部とを有する基部と、
前記振動膜の表面上の全域を含む前記基部の表面上において厚み方向の一方側に形成される下電極層と、
肉厚部と前記肉厚部よりも厚みが薄い肉薄部とを有し、前記下電極層の表面上において圧電材料によって形成される圧電層と、
前記肉厚部の少なくとも一部の表面上に形成される上電極層と、を備え、
前記振動膜は、前記肉厚部の少なくとも一部と厚み方向に重なる第１領域と、前記第１領域を除く領域であって前記肉薄部の少なくとも一部と厚み方向に重なる第２領域とからなる、圧電型発音装置。
前記上電極層の一部と前記肉厚部の一部と前記下電極層の一部と前記振動膜外部の少なくとも一部とが厚み方向に重なる、請求項１に記載の圧電型発音装置。