JP2012151583A - Piezoelectric type actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電型アクチュエータに関する。 The present invention relates to a piezoelectric actuator.
特許文献1には、音放射方向に対して前後となるように交互に設けられた伸縮部と隣り合う伸縮部の端部を連結する立ち上がり部とからなる波形の振動膜を有し、伸縮部の両面に電極が形成されている圧電膜スピーカについて記載されている。特許文献2には、表裏表面を電極で挟み込まれ、断面が波形形状となるように成形された圧電膜を用いたスピーカについて記載されている。
特許文献1,2では振動板にポリフッ化ビニリデン(PVDF)等の高分子樹脂圧電材が使用されており、無機圧電材と比較して大きな音圧を得られないという問題があった。また、特許文献2においては、波形形状の各中間部が当該部分の振動を阻止するための保持体によって保持されているため、変位量が小さくなり、大きな音圧が得られない。特許文献1の圧電膜スピーカは、一枚の圧電シートを成形して波形の形状を作り出すため、応力が残存し、性能や歩留まりが安定しない。また小型化も難しい。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、小さな実装面積で大きな出力を得ることができる圧電型アクチュエータを提供することを目的とする。
In
The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a piezoelectric actuator that can obtain a large output with a small mounting area.
(1)上記目的を達成するための圧電型アクチュエータは、基板の厚さ方向に直交する前記基板の主面に平行な第一方向に薄い板状の第一可撓部であって、互いに平行に前記第一方向に配列された複数の第一可撓部と、隣り合う二つの前記第一可撓部を一組として、一組ずつ前記第一可撓部の前記厚さ方向(基板の厚さ方向)の一方の端部同士を連結する第二可撓部と、前記第二可撓部が連結する前記第一可撓部の組み合わせにおいて異なる組に属す隣り合う二つの前記第一可撓部を一組として、一組ずつ前記第一可撓部の前記厚さ方向(基板の厚さ方向)の他方の端部同士を連結する第三可撓部と、前記第二可撓部および前記第三可撓部の少なくともいずれか一方の前記基板の主面と平行な面に形成され、二層の電極層と当該二層の電極層に挟み込まれた無機圧電材料からなる圧電層とを有する圧電素子と、矩形枠形態の枠部であって、対向する一対の内壁面において、前記厚さ方向(基板の厚さ方向)および前記第一方向に直交する第二方向における前記第一可撓部の両端部と前記第二可撓部の両端部と前記第三可撓部の両端部と結合している枠部と、を備える。 (1) A piezoelectric actuator for achieving the above object is a thin plate-like first flexible portion in a first direction parallel to the main surface of the substrate orthogonal to the thickness direction of the substrate, and is parallel to each other. A plurality of first flexible portions arranged in the first direction and two adjacent first flexible portions as a set, and one set of the first flexible portions in the thickness direction (of the substrate). Two adjacent first belongings belonging to different sets in the combination of the second flexible part that connects one end in the thickness direction) and the first flexible part that the second flexible part connects. A third flexible part that connects the other ends of the first flexible part in the thickness direction (thickness direction of the substrate) one by one with the flexible part as a set, and the second flexible part And at least one of the third flexible portions formed on a plane parallel to the main surface of the substrate, and two electrode layers and the two electrode layers A piezoelectric element having a piezoelectric layer made of an sandwiched inorganic piezoelectric material and a frame portion in the form of a rectangular frame, and a pair of inner wall surfaces facing each other in the thickness direction (thickness direction of the substrate) and the first A frame portion coupled to both end portions of the first flexible portion, both end portions of the second flexible portion, and both end portions of the third flexible portion in a second direction orthogonal to the direction.
本発明によると、基板の厚さ方向の面をも振動板として利用することができるので、小さな実装面積であっても振動面の面積を広くできる。したがって圧電型アクチュエータを小型化することが容易である。また、スピーカに適用する場合、小型であっても低域での音圧を向上させることができる。さらに、小型化することで1枚のウエハから製造できる圧電型アクチュエータの個数が増加するためコスト低減に寄与する。また、無機圧電材料からなる圧電層を使用するため、有機圧電材料を用いる場合と比較して大きな出力を得ることができる。 According to the present invention, since the surface in the thickness direction of the substrate can also be used as the diaphragm, the area of the vibration surface can be widened even with a small mounting area. Therefore, it is easy to reduce the size of the piezoelectric actuator. In addition, when applied to a speaker, the sound pressure in the low range can be improved even if it is small. Further, downsizing increases the number of piezoelectric actuators that can be manufactured from one wafer, contributing to cost reduction. In addition, since a piezoelectric layer made of an inorganic piezoelectric material is used, a large output can be obtained as compared with the case of using an organic piezoelectric material.
(2)上記目的を達成するための圧電型アクチュエータは、前記第二可撓部または前記第三可撓部の前記圧電素子が形成されている面の前記第二方向の長さは、前記圧電素子の前記第二方向の長さより長くてもよい。
第二可撓部または第三可撓部の圧電素子が形成されている面の第二方向の長さが圧電素子の第二方向の長さと同じか短い場合、圧電素子の収縮や膨張によって第二可撓部または第三可撓部と枠部との結合部分に応力が集中し破損しやすくなる。そのため圧電素子の変形量を大きくしづらい。本発明の構成によると、結合部分に応力が集中することを防ぐことができるので、前述の場合と比較すると圧電素子を大きく変形させることができ、各可撓部の変位幅を大きくすることができる。
(2) In the piezoelectric actuator for achieving the above object, the length in the second direction of the surface of the second flexible part or the third flexible part on which the piezoelectric element is formed is the piezoelectric It may be longer than the length of the element in the second direction.
When the length in the second direction of the surface of the second flexible portion or the third flexible portion on which the piezoelectric element is formed is the same as or shorter than the length in the second direction of the piezoelectric element, the first flexible portion contracts or expands. Stress concentrates on the joint portion between the second flexible portion or the third flexible portion and the frame portion, and breaks easily. Therefore, it is difficult to increase the deformation amount of the piezoelectric element. According to the configuration of the present invention, it is possible to prevent the stress from concentrating on the coupling portion, so that the piezoelectric element can be greatly deformed compared to the case described above, and the displacement width of each flexible portion can be increased. it can.
(3)上記目的を達成するための圧電型アクチュエータは、前記第一可撓部は、前記基板を構成するシリコン層を前記基板の一方の主面側と他方の主面側の両側から異方性エッチングで深掘りすることによって形成された薄板を含んで構成されていてもよい。
この場合、第一可撓部の残留応力が少ないため、性能・歩留まりが安定する。
(3) In the piezoelectric actuator for achieving the above object, the first flexible portion is configured such that the silicon layer constituting the substrate is anisotropic from both the main surface side and the other main surface side of the substrate. It may be configured to include a thin plate formed by deep digging by reactive etching.
In this case, since the residual stress of the first flexible portion is small, the performance and yield are stabilized.
(4)上記目的を達成するための圧電型アクチュエータは、前記第一可撓部は、蒸着重合法またはCVD法によって形成された無機化合物または有機化合物の膜で構成されてもよい。
第一可撓部の振動方向(第一方向)においてより薄い膜を使用することができるので、第一可撓部の変位幅を大きくすることができる。
(4) In the piezoelectric actuator for achieving the above object, the first flexible portion may be composed of a film of an inorganic compound or an organic compound formed by a vapor deposition polymerization method or a CVD method.
Since a thinner film can be used in the vibration direction (first direction) of the first flexible portion, the displacement width of the first flexible portion can be increased.
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。尚、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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in the following order with reference to the accompanying drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the corresponding component in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
1.第一実施形態
(構成)
図1および図2は本発明の一実施形態にかかる圧電型スピーカを示す図である。図1Aは圧電型スピーカの上面図、図1Bは図1Aの1B−1B線における断面図、図1Cは図1Aの1C−1C線における断面図である。図2Aは圧電型スピーカの底面図、図2Bは図1Aの破線の楕円で囲んだ領域2Bの拡大図である。各図においては、説明の便宜のために互いに直交するxyz軸を規定する。基板の厚さ方向がz軸に平行な方向に相当し、第一方向がx軸に平行な方向に相当し、第二方向がy軸と平行な方向に相当する。xy平面が基板の主面と平行な平面に相当する。
1. First embodiment (Configuration)
1 and 2 are views showing a piezoelectric speaker according to an embodiment of the present invention. 1A is a top view of the piezoelectric speaker, FIG. 1B is a cross-sectional view taken along
ハイル型のスピーカである圧電型スピーカはMEMS製造プロセスを用いて形成される積層構造体である。圧電型スピーカを構成する積層構造体は、主に次に述べる複数の層が積層されてなる。ベース層10は厚さ625μmのシリコン(Si)からなる。第一絶縁層11および第二絶縁層12は厚さ1μmの酸化シリコンからなる。第一SOI層13および第二SOI層14は厚さ10μmのシリコンからなる。第三絶縁層15および第四絶縁層16は厚さ0.5μmの酸化シリコンからなる。
A piezoelectric speaker, which is a Heil-type speaker, is a laminated structure formed using a MEMS manufacturing process. A laminated structure constituting a piezoelectric speaker is mainly formed by laminating a plurality of layers described below. The
圧電型スピーカは、枠部Sと、複数の第一可撓部F1と、複数の第二可撓部F2と、複数の第三可撓部F3と、複数の圧電素子Pとを備えている。枠部Sは矩形枠形態である。枠部Sは、第三絶縁層15と第一SOI層13と第一絶縁層11とベース層10と第二絶縁層12と第二SOI層14と第四絶縁層16とからなる。第一可撓部F1はx軸方向に薄く、x軸方向に複数配列されている。第一可撓部F1は互いに平行に配列されている。第一可撓部F1のy軸方向の両端部は枠部Sのxz平面に平行な一対の内壁面と結合している。第一可撓部F1は第一絶縁層11とベース層10と第二絶縁層12とからなる。
The piezoelectric speaker includes a frame portion S, a plurality of first flexible portions F1, a plurality of second flexible portions F2, a plurality of third flexible portions F3, and a plurality of piezoelectric elements P. . The frame portion S has a rectangular frame shape. The frame S includes a third
第二可撓部F2はz軸方向に薄い。第二可撓部F2は、隣り合う二つの第一可撓部F1を一組として、一組ずつ第一可撓部F1のz軸方向の一端同士を連結する。また、第二可撓部F2のy軸方向の両端部は枠部Sのxz平面に平行な一対の内壁面と結合している。隣り合う第二可撓部F2は溝部H1によって隔てられている。第二可撓部F2は、第二SOI層14と第四絶縁層16とからなる。
The second flexible portion F2 is thin in the z-axis direction. The second flexible portion F2 connects two first flexible portions F1 adjacent to each other, and connects one end of the first flexible portion F1 in the z-axis direction one by one. Further, both end portions of the second flexible portion F2 in the y-axis direction are coupled to a pair of inner wall surfaces parallel to the xz plane of the frame portion S. Adjacent second flexible portions F2 are separated by a groove H1. The second flexible portion F <b> 2 includes the
第三可撓部F3は、隣り合う二つの第一可撓部F1であって、第二可撓部F2が連結する組み合わせにおいては異なる組に属する二つの第一可撓部F1を一組として、一組ずつ第一可撓部F1のz軸方向の他端同士を連結する。すなわち、第一可撓部F1と第二可撓部F2と第三可撓部F3とでハイル型の構造が形成されている。また、第三可撓部F3は、最も外側の第一可撓部F1と枠部Sのyz平面に平行な内壁面とを連結する。また、第三可撓部F3のy軸方向の両端部は枠部Sのxz平面に平行な一対の内壁面と結合している。隣り合う第三可撓部F3は溝部H2によって隔てられている。第三可撓部F3はz軸方向に薄い。第三可撓部F3は、第三絶縁層15と第一SOI層13とからなる。
The 3rd flexible part F3 is two adjacent 1st flexible parts F1, Comprising: In the combination which the 2nd flexible part F2 connects, two 1st flexible parts F1 which belong to a different set are made into one set. The other ends of the first flexible part F1 in the z-axis direction are connected one by one. That is, the first flexible part F1, the second flexible part F2, and the third flexible part F3 form a heil type structure. The third flexible portion F3 connects the outermost first flexible portion F1 and the inner wall surface parallel to the yz plane of the frame portion S. Further, both end portions in the y-axis direction of the third flexible portion F3 are coupled to a pair of inner wall surfaces parallel to the xz plane of the frame portion S. Adjacent third flexible portions F3 are separated by a groove H2. The third flexible portion F3 is thin in the z-axis direction. The third flexible portion F <b> 3 includes the third insulating
溝部H1,H2のy軸方向の長さ、すなわち、第二可撓部F2と第三可撓部F3のy軸方向の長さは、圧電素子Pのy軸方向の長さより長いことが望ましい。その結果、後述するように第二可撓部F2や第三可撓部F3が変位するとき、その運動を妨げにくくすることができる。また図2Bに示すように、圧電素子Pのy軸方向の長さより延長されている第二可撓部F2の部分(延長部という)の溝部H1に面している面と、溝部H1に面している枠部Sの内壁面とは、曲面を有する波形の形状を有している。第三可撓部F3の延長部の溝部H2に面している面と、溝部H2に面している枠部の内壁面とも、同様に波形の形状を有していてもよい。その結果、さらに第二可撓部F2や第三可撓部F3を変位しやすくすることができる。 The length in the y-axis direction of the grooves H1, H2, that is, the length in the y-axis direction of the second flexible portion F2 and the third flexible portion F3 is preferably longer than the length in the y-axis direction of the piezoelectric element P. . As a result, when the second flexible part F2 or the third flexible part F3 is displaced as will be described later, it is possible to make it difficult to prevent the movement. Further, as shown in FIG. 2B, a surface facing the groove portion H1 of a portion (referred to as an extension portion) of the second flexible portion F2 extended from the length of the piezoelectric element P in the y-axis direction, and a surface facing the groove portion H1 The inner wall surface of the frame portion S has a corrugated shape having a curved surface. The surface facing the groove portion H2 of the extension portion of the third flexible portion F3 and the inner wall surface of the frame portion facing the groove portion H2 may similarly have a corrugated shape. As a result, the second flexible portion F2 and the third flexible portion F3 can be further easily displaced.
第二可撓部F2の第一可撓部F1と結合する面と平行な表面上には、圧電素子Pが形成されている。圧電素子Pは、第一電極層17と圧電層18と第二電極層19とがこの順に積層されてなる。第一電極層17および第二電極層19は例えば厚さ0.1μmの白金(Pt)からなる。圧電層18は、厚さ3μmのチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)からなる。配線部21aは各圧電素子Pの第二電極層19同士を接続する。配線部21aは第五絶縁層20によって第一電極層17と絶縁されている。配線部21bは各圧電素子Pの第一電極層17同士を接続する。配線部21a・配線部21bは厚さ0.5μmのアルミニウム(Al)からなる。
A piezoelectric element P is formed on the surface of the second flexible portion F2 that is parallel to the surface coupled to the first flexible portion F1. The piezoelectric element P is formed by laminating a
(動作)
図3は圧電型スピーカの動作を説明するための図である。各図は、y軸方向の中央付近におけるxz平面に平行な面の簡易的な断面図である。第一電極層17および第二電極層19に印加する電圧の極性によって、圧電層18は膨張または圧縮する。圧電層18が膨張する場合、図3Aおよび図3Bに示すように第二可撓部F2が+z方向に凸となるように撓む。第二可撓部F2がこのように撓むことによって第一可撓部F1は溝部H1のx軸方向の幅が広がるように撓む。第一可撓部F1がこのように撓むことによって第三可撓部F3は、+z方向に凸となるように撓む。各可撓部がこのように変形するとき、溝部H1には外部から空気が吸引され溝部H2から空気が外部に放出される。
(Operation)
FIG. 3 is a diagram for explaining the operation of the piezoelectric speaker. Each figure is a simplified cross-sectional view of a plane parallel to the xz plane near the center in the y-axis direction. The
圧電層18が圧縮した場合、図3Cおよび図3Dに示すように第二可撓部F2が−z方向に凸となるように撓む。第二可撓部F2がこのように撓むことによって第一可撓部F1は溝部H2のx軸方向の幅が広がるように撓む。第一可撓部F1がこのように撓むことによって第三可撓部F3は−z方向に凸となるように撓む。各可撓部がこのように変形するとき、溝部H2から空気が外部に放出され溝部H2には外部から空気が吸引される。
When the
以上のように圧電素子Pに印加する電圧の極性を周期的に変えることにより、気圧の振動を生じさせることができ、スピーカとして機能させることができる。また、基板の厚さ方向の面も振動板として機能させることができるので、スピーカの小型化が可能である。さらに、無機圧電材料からなる圧電層を用いるので有機圧電材料からなる圧電層を用いる場合よりも大きな音圧を得ることができる。 As described above, by periodically changing the polarity of the voltage applied to the piezoelectric element P, it is possible to generate atmospheric pressure vibration and to function as a speaker. In addition, since the surface in the thickness direction of the substrate can also function as a diaphragm, the speaker can be downsized. Furthermore, since a piezoelectric layer made of an inorganic piezoelectric material is used, a larger sound pressure can be obtained than when a piezoelectric layer made of an organic piezoelectric material is used.
(製造方法)
本実施形態における圧電型スピーカの製造方法を図4を用いて説明する。図4は、図1Aの1B−1B線に対応する断面図である。はじめに、図4Aに示すように、SOI基板100の表裏両面に第三絶縁層15および第四絶縁層16を形成する。SOI基板100は、ベース層10と、ベース層10の一方の主面に順に積層されている第一絶縁層11・第一SOI層13と、ベース層10の他方の主面に順に積層されている第二絶縁層12・第二SOI層14と、からなる。第三絶縁層15および第四絶縁層16は、SOI基板100を熱酸化することによって形成された酸化シリコンの層である。
(Production method)
A method of manufacturing the piezoelectric speaker according to this embodiment will be described with reference to FIG. 4 is a cross-sectional view corresponding to the
続いて図4Bに示すように、第四絶縁層16の表面上に第一電極層17・圧電層18・第二電極層19を順に形成する。第一電極層17および第二電極層19として、スパッタ法によって厚さ0.1μmの白金(Pt)層を成膜する。圧電層18としては、PZTをスパッタ法または水熱合成法により3μm成膜する。続いて図4Cに示すように、第二電極層19・圧電層18・第一電極層17を順に一層ずつエッチングし、第一電極層17と圧電層18と第二電極層19とが積層されてなる圧電素子を複数形成する。具体的には、図示しないフォトレジストからなる保護層を用いて例えばArイオンを用いたミリング法によって第二電極層19をエッチングし、エッチング後、保護層を除去する。圧電層18および第一電極層17についても同様の方法でエッチングする。
Subsequently, as shown in FIG. 4B, a
続いて、図1Cおよび図4Dに示すように、圧電素子Pのy方向の一端に第五絶縁層20を形成し、その後、圧電素子Pの第一電極層17同士を接続する21bと第二電極層19同士を接続する配線部21aを形成する。第五絶縁層20としては、例えば厚さ5μmの感光性ポリイミドを用いる。他にも例えば、CVD(Chemical Vapor Deposition)法によって二酸化シリコン膜を成膜した後、図示しないフォトレジストからなる保護層を用いてエッチングするようにしてもよい。また、スクリーン印刷法を用いて第五絶縁層20を圧電素子のy軸方向の一端を覆う領域に形成してもよい。配線層21は、例えばスパッタ法によって厚さ0.5μmのアルミニウム(Al)からなる配線層21を成膜し、図示しないフォトレジストからなる保護層を用いて、Cl2ガスを用いて配線層21を反応性イオンエッチングすることによって形成される。エッチング後保護層を除去する。
Subsequently, as shown in FIG. 1C and FIG. 4D, the fifth insulating
続いて図4Eに示すように、フォトレジストからなる図示しない保護層を用いて、第四絶縁層16・第二SOI層14・第二絶縁層12・ベース層10・第一絶縁層11をエッチングし溝部H1を形成する。例えば、第四絶縁層16・第二絶縁層12・第一絶縁層11のエッチングとしては、CHF3ガスを用いた反応性イオンエッチング法を用いる。第二SOI層14のエッチングには、CF4ガスおよびO2ガスを用いた反応性イオンエッチング法を用いる。反応性イオンエッチング法の他に、フッ酸や緩衝フッ酸によるウェットエッチング法を用いてもよい。ベース層10のDeep−RIE(Reactive Ion Etching)は、パッシベーション(C4F8プラズマ)とエッチング(SF6プラズマ)のステップを短く交互に繰り返す、所謂ボッシュプロセスを用いる。エッチング終了後、図示しない保護層を除去する。この時点での上面図は図1Aとなる。なお、溝部H1を形成する際に用いる保護層の形状によって、前述の延長部の溝部H1に面する面と、溝部H1に面する枠部Sの内壁面とに波形形状を形成することができる。
Subsequently, as shown in FIG. 4E, the fourth insulating
続いて、フォトレジストからなる図示しない保護層をマスクに用いて、第三絶縁層15・第一SOI層13・第一絶縁層11・ベース層10・第二絶縁層12をエッチングし、図1Bおよび図2Aに示すように溝部H2を形成する。第三絶縁層15・第一絶縁層11・第二絶縁層12のエッチングは、第四絶縁層16・第二絶縁層12・第一絶縁層11のエッチングと同様の方法で行うことができる。また、第一SOI層13のエッチングは第二SOI層14のエッチングと同様の方法で行うことができる。ベース層10のエッチングも図4Eの工程と同様に行うことができる。エッチング後、保護層を除去する。その後、ダイシングし、セラミック(または金属、シリコン)製のパッケージに実装する。
Subsequently, the third insulating
以上の工程により、図1および図2に示す圧電型スピーカを製造することができる。基板の厚さ方向の面も振動板として機能させることができるので、スピーカの小型化が可能である。その結果、1枚のウエハから多くのスピーカ素子を製造することができ、コスト削減に寄与することができる。 Through the above steps, the piezoelectric speaker shown in FIGS. 1 and 2 can be manufactured. Since the surface in the thickness direction of the substrate can also function as a diaphragm, the speaker can be miniaturized. As a result, many speaker elements can be manufactured from one wafer, which can contribute to cost reduction.
2.第二実施形態
(構成)
本発明の第二実施形態にかかる圧電型スピーカの構成を図5を用いて説明する。図5Aは圧電型スピーカの上面図、図5Bは図5Aの5B−5B線における断面図、図5Cは図5Aの5C−5C線における断面図である。枠部Sは第一SOI層13と第一絶縁層11とベース層10と第二絶縁層12と第二SOI層14と第四絶縁層16と第六絶縁層22とからなる。第六絶縁層22は、厚さ3μmの窒化シリコン(SiN)からなる。第一可撓部F1は第六絶縁層22からなる。第二可撓部F2は第二絶縁層12と第二SOI層14と第四絶縁層16とからなる。第三可撓部F3は第六絶縁層22からなる。第二可撓部F2の表面上には圧電素子Pが形成されている。
2. Second embodiment (Configuration)
The configuration of the piezoelectric speaker according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 5A is a top view of the piezoelectric speaker, FIG. 5B is a cross-sectional view taken along
(動作)
圧電素子Pに周期的に極性が反転する所定電圧を印加することで、第一実施形態と同様に各可撓部を振動させることができ、スピーカとして機能させることができる。また、第一可撓部F1は後述する製造方法によって薄く形成することができるため、変位幅を大きくすることができる。
(Operation)
By applying a predetermined voltage whose polarity is periodically reversed to the piezoelectric element P, each flexible portion can be vibrated similarly to the first embodiment, and can function as a speaker. Moreover, since the 1st flexible part F1 can be formed thinly with the manufacturing method mentioned later, the displacement width | variety can be enlarged.
(製造方法)
図6を用いて第二実施形態にかかる圧電型スピーカの製造方法を説明する。図6Aに示すように、第一実施形態と同様のSOI基板100を準備し、SOI基板100の表裏両面に第三絶縁層15および第四絶縁層16を形成する。なお、ベース層10・第二絶縁層12・第二基板層14がこの順に積層されてなるSOI基板を準備し、厚さ0.2mmのテンパックスガラスをベース層10と陽極接合により貼り合わせてもよい。続いて第一実施形態の図4Bおよび図4Cで示した工程と同様に、第四絶縁層16の表面上に第一電極層17・圧電層18・第二電極層19を形成し、各層をエッチングして複数の圧電素子Pを形成する。
(Production method)
A method for manufacturing a piezoelectric speaker according to the second embodiment will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 6A, an
続いて図6Bに示すように、フォトレジストからなる図示しない保護層をマスクに用いて、第四絶縁層16・第二SOI層14・第二絶縁層12・ベース層10・第一絶縁層11をエッチングし溝部H1を形成する。各層のエッチングは図4Eで説明した方法と同様の方法を用いることができる。その後、保護層を除去する。続いて図6Cに示すように、第六絶縁層22をコンフォーマルに形成し、図示しない保護層をマスクに用いて第六絶縁層22をエッチングすることによってコンタクトホールH3を形成し、第二電極層19および第一電極層17を露出させる。第六絶縁層22としては、例えばCVD法により、厚さ3μmの窒化シリコン(SiN)膜を形成する。例えばBMR社製のCVD装置「HiDep」を用いると100℃未満のプロセス温度でSi3N4を成膜することができる。SiNの代わりに、オゾン(O3)とテトラエトキシシラン(TEOS)とを用いてCVD法によりSiO2膜を形成してもよい。なおその場合、当該SiO2膜の下面に(すなわちSiO2膜の成膜前に)SiN膜が薄く形成されていることが望ましい。SiNやSiO2等の無機膜の代わりに、有機膜を用いても良い。例えば、蒸着重合法を用いてポリイミドを成膜してもよい。あるいはCVD法を用いてパリレンを成膜してもよい。第六絶縁層22のエッチングには、例えばCHF3ガスを用いた反応性イオンエッチング法を用いる。エッチング後、保護層を除去する。
Subsequently, as shown in FIG. 6B, the fourth insulating
続いて図6Dに示すように、配線部21a・21bを形成する。具体的には例えば、メタルマスクを用いてAlを厚さ1μmで蒸着する。あるいは、Agペーストを用いたスクリーン印刷法によって配線部21a、21bを形成してもよい。また、Agナノインクを用いてインクジェット法によって配線部21a、21bを形成してもよい。続いて、図示しないフォトレジストからなる保護層(枠部Sの裏面を覆い枠部Sの内側の領域全体を露出させる一つの開口が形成された保護層)をマスクに用いて第三絶縁層15・第一SOI層13・第一絶縁層11・ベース層10をエッチングにより除去することによって、溝部H2を形成する。具体的には例えば、第三絶縁層15・第一絶縁層11のエッチングには、CHF3ガスを用いた反応性イオンエッチング法を用いる。第一SOI層13のエッチングにはCF4ガスおよびO2ガスを用いた反応性イオンエッチング法を用いる。反応性イオンエッチング法の他に、フッ酸や緩衝フッ酸によるウェットエッチング法を用いてもよい。ベース層10のDeep−RIE(Reactive Ion Etching)は、パッシベーション(C4F8プラズマ)とエッチング(SF6プラズマ)のステップを短く交互に繰り返す、所謂ボッシュプロセスを用いる。第六絶縁層22には、上記エッチング方法を用いてエッチングする上記した各層とエッチング選択性のある材料(SiN膜や有機膜)が採用されているため、第六絶縁層22を残存させることができる。また、上記の各エッチング時には枠部Sの裏面を覆い枠部Sの内側の領域全体を露出させる一つの開口が形成された保護層を用いる。したがって、各溝部H2の形成領域に合わせて開口が形成された保護層を用いる場合と比較すると本実施形態の上記の保護層はフォトリソグラフィの位置精度に関してそれほど高精度である必要がないため、コスト削減にもつながる。エッチング後、保護層を除去し、ダイシングすることによって図5に示す圧電型スピーカを製造することができる。
Subsequently, as shown in FIG. 6D,
3.他の実施形態
尚、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、上記実施形態で示した材質や形状や寸法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。なお本発明は、スピーカに限らず様々なアクチュエータに適用することができる。
3. Other Embodiments The technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and it goes without saying that various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, the materials, shapes, dimensions, film formation methods, and pattern transfer methods shown in the above embodiment are merely examples, and the addition and deletion of processes and the replacement of process order that are obvious to those skilled in the art are described. It is omitted. The present invention can be applied not only to a speaker but also to various actuators.
圧電型スピーカを構成する各部は図7Aに示すような層で構成されていてもよい。枠部Sは第一絶縁層11とベース層10と第二絶縁層12とからなる。第一可撓部F1はベース層10からなる。第二可撓部F2は第二絶縁層12からなる。第三可撓部F3は第二絶縁層12からなる。
また、上記した実施形態では第二可撓部F2の表面上に圧電素子Pが設けられている構成を説明したが、第二可撓部F2と第三可撓部F3の両方に圧電素子Pが設けられていても良い。両側に圧電素子Pが設けられていると、第一可撓部F1の変位幅を大きくすることができ、大きな音圧を得ることができる。
さらに、無機圧電材料としてはPZTの他に、チタン酸バリウム(BaTiO2)、ニオブ酸リチウム(LiNbO2)などを用いてもよい。
Each part constituting the piezoelectric speaker may be composed of layers as shown in FIG. 7A. The frame portion S includes a first insulating
In the above-described embodiment, the configuration in which the piezoelectric element P is provided on the surface of the second flexible portion F2 has been described. However, the piezoelectric element P is provided in both the second flexible portion F2 and the third flexible portion F3. May be provided. When the piezoelectric elements P are provided on both sides, the displacement width of the first flexible portion F1 can be increased, and a large sound pressure can be obtained.
In addition to PZT, barium titanate (BaTiO 2 ), lithium niobate (LiNbO 2 ), or the like may be used as the inorganic piezoelectric material.
F1:第一可撓部、F2:第二可撓部、F3:第三可撓部、H1:溝部、H2:溝部、P:圧電素子 F1: first flexible part, F2: second flexible part, F3: third flexible part, H1: groove part, H2: groove part, P: piezoelectric element
Claims (4)
隣り合う二つの前記第一可撓部を一組として、一組ずつ前記第一可撓部の前記厚さ方向の一方の端部同士を連結する第二可撓部と、
前記第二可撓部が連結する前記第一可撓部の組み合わせにおいて異なる組に属す隣り合う二つの前記第一可撓部を一組として、一組ずつ前記第一可撓部の前記厚さ方向の他方の端部同士を連結する第三可撓部と、
前記第二可撓部および前記第三可撓部の少なくともいずれか一方の、前記基板の主面と平行な面に形成され、二層の電極層と当該二層の電極層に挟み込まれた無機圧電材料からなる圧電層とを有する圧電素子と、
矩形枠形態の枠部であって、対向する一対の内壁面において、前記厚さ方向および前記第一方向に直交する第二方向における前記第一可撓部の両端部と前記第二可撓部の両端部と前記第三可撓部の両端部と結合している枠部と、
を備える圧電型アクチュエータ。 A plurality of first flexible portions, which are thin plate-like first flexible portions in a first direction parallel to the main surface of the substrate perpendicular to the thickness direction of the substrate, and are arranged in the first direction parallel to each other. And
A pair of two adjacent first flexible portions, a second flexible portion that connects one end of the first flexible portion in the thickness direction one by one;
In the combination of the first flexible parts to which the second flexible part is connected, two adjacent first flexible parts belonging to different sets are taken as one set, and the thickness of the first flexible part is set one by one. A third flexible portion that connects the other ends in the direction;
At least one of the second flexible part and the third flexible part is formed on a plane parallel to the main surface of the substrate, and is sandwiched between two electrode layers and the two electrode layers A piezoelectric element having a piezoelectric layer made of a piezoelectric material;
A rectangular frame-shaped frame portion, in a pair of opposed inner wall surfaces, both end portions of the first flexible portion and the second flexible portion in a second direction orthogonal to the thickness direction and the first direction Frame portions coupled to both end portions of the third flexible portion and both end portions of the third flexible portion;
A piezoelectric actuator comprising:
請求項1に記載の圧電型アクチュエータ。 The length in the second direction of the surface on which the piezoelectric element of the second flexible part or the third flexible part is formed is longer than the length of the piezoelectric element in the second direction.
The piezoelectric actuator according to claim 1.
請求項1または請求項2に記載の圧電型アクチュエータ。 The first flexible part includes a thin plate formed by deeply digging a silicon layer constituting the substrate from both the main surface side and the other main surface side of the substrate by anisotropic etching. It is configured,
The piezoelectric actuator according to claim 1 or 2.
請求項1または請求項2に記載の圧電型アクチュエータ。 The first flexible portion is made of an inorganic compound or organic compound film formed by vapor deposition polymerization or CVD.
The piezoelectric actuator according to claim 1 or 2.
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