JP2012156620A

JP2012156620A - 圧電トランスデューサーおよびその製造方法

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Publication number: JP2012156620A
Application number: JP2011011738A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Yano; 博昭矢野; Masahiro Sugiura; 正浩杉浦
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2011-01-24
Filing date: 2011-01-24
Publication date: 2012-08-16

Abstract

【課題】小型かつ共振周波数の低い圧電トランスデューサーを製造する。
【解決手段】圧電素子にて生じた駆動力により振動する振動膜を備える圧電トランスデューサーの製造方法であって、前記振動膜が形成される領域の少なくとも一部において粒子を混合した液状樹脂を塗布する塗布工程と、前記液状樹脂を硬化させる硬化工程と、前記粒子を除去する除去工程と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電素子にて生じた駆動力により振動する振動膜を備えた圧電トランスデューサーの製造方法、および、その製造方法により製造された圧電トランスデューサーに関する。

従来の圧電トランスデューサーとして、振動膜に発泡樹脂を用いた圧電トランスデューサーが提案されている（特許文献１、参照。）。振動膜に発泡樹脂を用いることにより、振動膜の曲げ弾性係数を小さくすることができ、共振周波数を低くすることができた。

特開昭６３−２６３９００号公報

しかしながら、発泡樹脂は強度を確保しつつ厚みを薄く製造するのが困難であるため、振動膜の厚みを薄くすることができないという問題があった。すなわち、振動膜の厚みを薄くできないため、共振周波数を低くするには振動膜の径を大きくしなければならず、小型かつ共振周波数の低い圧電トランスデューサーを製造できないという問題があった。
本発明はこのような問題を解決するために創作されたものであって、小型かつ共振周波数の低い圧電トランスデューサーの提供を目的の１つとする。

（１）上記目的を達成するための圧電トランスデューサーの製造方法は、圧電素子にて生じた駆動力により振動する振動膜を備える圧電トランスデューサーの製造方法であって、前記振動膜が形成される領域の少なくとも一部において粒子を混合した液状樹脂を塗布する塗布工程と、前記液状樹脂を硬化させる硬化工程と、前記粒子を除去する除去工程と、を含む。

本発明によると、液状樹脂に含まれる粒子を除去することにより、粒子が占めていた空間を空隙とすることができ、曲げ弾性係数の小さい振動膜を形成することができる。さらに、液状樹脂を塗布することにより振動膜を薄く形成することができ、共振周波数の低い振動膜を小型に形成できる。すなわち、小型かつ共振周波数の低い圧電トランスデューサーを提供できる。さらに、液状樹脂に含まれる粒子の量を大きくするほど、あるいは、液状樹脂に含まれる粒子の除去量を大きくするほど、除去工程により形成される空隙の密度を高くすることができる。従って、振動膜の共振周波数を容易に調整できる。

（２）上記目的を達成するための圧電トランスデューサーの製造方法は、前記塗布工程よりも前において、前記液状樹脂を塗布する下地の少なくとも一部において前記粒子をエッチングにより除去するためのエッチャントに対する耐性が前記粒子よりも大きい保護膜を形成する保護膜形成工程を、さらに含む。
かかる構成により、エッチャントに対する耐性が粒子よりも大きい保護膜が液状樹脂を塗布する下地となるため、エッチングにおける液状樹脂の下地の浸食を防止し、液状樹脂の剥離を防止できる。

（３）上記目的を達成するための圧電トランスデューサーの製造方法は、前記塗布工程よりも前において、前記液状樹脂を塗布する下地の少なくとも一部において凹部と凸部の少なくとも一方を形成する下地形成工程を、さらに含む。
かかる構成により、下地が入り組んだ形状となり、液状樹脂と下地の接合面積が増大するため、液状樹脂の剥離を防止できる。特に、エッチングによって粒子を除去する場合には、入り組んだ形状の下地にエッチャントを到達させにくくすることができ、下地の浸食による液状樹脂の剥離が防止できる。

（４）上記目的を達成するための圧電トランスデューサーは、前記トランスデューサーの製造方法によって製造された圧電トランスデューサーであって、前記保護膜の少なくとも一部は前記圧電素子の電極を構成する。
かかる構成により、保護膜と電極の形成を別途行わなくても製造可能な圧電トランスデューサーが提供できる。

（１Ａ）は第１実施形態の圧電トランスデューサーの構造模式図であり、（１Ｂ）は圧電トランスデューサーの断面図である。（２Ａ）〜（２Ｆ）は第１実施形態の圧電トランスデューサーの断面図である。（３Ａ），（３Ｃ）〜（３Ｅ）は第２実施形態の圧電トランスデューサーの断面図、（３Ｂ）は第２実施形態の圧電トランスデューサーの平面図および断面図である。（４Ａ），（４Ｃ）〜（４Ｇ）は第３実施形態の圧電トランスデューサーの断面図、（４Ｂ）は第３実施形態の圧電トランスデューサーの平面図および断面図である。（５Ａ），（５Ｃ）〜（５Ｆ）は第４実施形態の圧電トランスデューサーの断面図、（５Ｂ）は第４実施形態の圧電トランスデューサーの平面図および断面図である。（６Ｂ）〜（６Ｄ），（６Ｆ）〜（６Ｈ）は他の実施形態の圧電トランスデューサーの断面図、（６Ａ），（６Ｅ）は他の実施形態の圧電トランスデューサーの平面図および断面図である。

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）圧電スピーカーの構成：
図１Ａは圧電トランスデューサーとしての圧電スピーカー１の構成を示す構造模式図であり、図１Ｂは圧電スピーカー１の断面図である。なお、簡単のため断面であることを示すハッチングは省略する（図２〜図６において同じ。）。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（Micro Electro Mechanical Systems）である。
なお、本明細書において、基板１０から見た場合に下電極層１１等が積層される側を上側と表記し、上側の反対側を下側と表記する。また、特に示さない限り、厚みと表記した場合には、層間方向の厚みを意味する。

圧電スピーカー１は、基板１０と下電極層１１と圧電層１２と上電極層１３と多孔質樹脂部１４とを備える。基板１０は、下側から順に積層された第１基板層１０１と第２基板層１０２と第３基板層１０３と第４基板層１０４とからなる。第１基板層１０１と第３基板層１０３とは単結晶シリコン（Ｓｉ）で形成され、第２基板層１０２と第４基板層１０４とは二酸化珪素（ＳｉＯ₂）で形成される。なお、第１基板層１０１と第２基板層１０２と第３基板層１０３とは、いわゆるＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を構成する。すなわち、基板１０は、ＳＯＩ基板の表面上に第４基板層１０４を積層することにより用意される。基板１０には、下方から上方に向かって凹む空気室１０ａが形成される。空気室１０ａは、下方部分１０ａ１と上方部分１０ａ２とからなる。下方部分１０ａ１は、基板１０のうち第１基板層１０１と第２基板層１０２の面内方向の中央を貫通し、平面視円形状とされる。上方部分１０ａ２は、基板１０のうち第３基板層１０３と第４基板層１０４とを平面視円環状に貫通し、上方部分１０ａ２の外径は下方部分１０ａ１の外径と一致する。第１基板層１０１と第２基板層１０２の上側に積層された第３基板層１０３と第４基板層１０４と、さらに下電極層１１と多孔質樹脂１４によって、空気室１０ａは上側から閉塞される。
例えば、第１基板層１０１の厚みは５００μｍとされ、第２基板層１０２の厚みは１μｍとされ、第３基板層１０３の厚みは１０μｍとされ、第４基板層１０４の厚みは１μｍとされる。例えば、平面視における空気室１０ａの外縁の径は１０，０００μｍとされ、空気室１０ａの上方部分１０ａ２の内径は９，０００μｍとされる。

下電極層１１は、平面視の外形が第４基板層１０４と一致する平面状に形成されており、第４基板層１０４上に積層されることにより、第４基板層１０４の上側表面の全域を覆う。下電極層１１は、金（Ａｕ）や白金（Ｐｔ）等によって形成される。
例えば、下電極層１１の厚みは０．１μｍとされる。下電極層１１は、厚みが薄く、金属によって構成されるため、下電極層１１の曲げ弾性係数は小さい。

圧電層１２は下電極層１１の表面上に形成される。圧電層１２は、平面視において空気室１０ａと同心の円形状に形成され、圧電層１２の外縁の径は空気室１０ａの外縁の径よりも小さい。圧電層１２は、ジルコニウム酸−チタン酸鉛によって形成される。
上電極層１３は、平面視において圧電層１２とほぼ同一のパターン形状を有し、圧電層１２の表面上に形成される。
例えば、平面視における圧電層１２および上電極層１３の外縁の径はそれぞれ９，０００μｍと８，０００μｍとされる。例えば、圧電層１２と上電極層１３の厚みはそれぞれ３μｍと０．１μｍとされる。

多孔質樹脂部１４は圧電層１２と同様に下電極層１１の表面上に形成される。多孔質樹脂部１４の平面視の中央には圧電層１２と上電極層１３の形状に対応した円形開口が形成されており、この円形開口に圧電層１２と上電極層１３とが嵌り込むように多孔質樹脂部１４が積層される。すなわち、圧電層１２の下側の表面と多孔質樹脂部１４の下側の表面とは面一であり、面内方向おいて圧電層１２と多孔質樹脂部１４とが接続する。多孔質樹脂部１４は、樹脂中に含まれる多数の二酸化珪素（ＳｉＯ₂）の球状粒子をエッチングによって除去することにより形成された多数の空隙を内包する。多孔質樹脂部１４において空隙が占める体積率は、例えば３０％とされる。このように、多孔質樹脂部１４が多数の空隙を内包することにより、空隙を含まないポリイミド樹脂よりも多孔質樹脂部１４の曲げ弾性係数を小さくすることができる。空隙の密度は多孔質樹脂部１４の全域にわたって均一とされている。
また、多孔質樹脂部１４には平面視において正方形状の電極用開口１４ａが形成される。これにより、電極用開口１４ａにおいて下電極層１１が上側に露出し、下電極層１１に対して導線を接続することが可能となる。
例えば、多孔質樹脂部１４の厚みは３〜１２μｍとされる。例えば、平面視における電極用開口１４ａの外縁の一辺の長さは５００μｍとされる。

次に、圧電スピーカー１の動作について説明する。図示しない導線を介して下電極層１１と上電極層１３との間に所定の電圧を印加することにより、層間方向に重なる下電極層１１と圧電層１２と上電極層１３とからなる圧電素子に面内方向の伸縮応力を発生させることができる。多孔質樹脂部１４と下電極層１１のうち空気室１０ａの上方部分１０ａ１と層間方向に重なる平面視円形領域は、厚みが薄く剛性が低いため、圧電層１２にて生じた駆動力により当該圧電層１２と一体となって上側および下側に振動する振動膜Ｓを構成する。振動膜Ｓと圧電素子とが振動することにより、音波を発生させることができる。ここで、振動膜Ｓを構成する下電極層１１と多孔質樹脂部１４とはともに曲げ弾性係数が小さいため、振動膜Ｓの振幅を大きくすることができ、振動膜Ｓの径を大型化せずとも振動膜の共振周波数を低くすることができる。また、多孔質樹脂部１４における空隙の密度は均一であるため、上下方向の対称性に優れた振動膜Ｓの振動を実現できる。

（２）圧電スピーカーの製造方法：
図２Ａ〜２Ｅは、圧電スピーカー１の製造工程を示す断面図である。また、圧電スピーカー１は単一のウェハー上にて複数一括して形成されるが、簡単のため単一の圧電スピーカー１のみ図示する。
図２Ａに示すように、まず各種バルク結晶成長法により第１基板層１０１を作成し、第１基板層１０１の表面の全域上に第２基板層１０２と第３基板層１０３とを積層したＳＯＩ基板を用意し、さらにＳＯＩ基板上に第４基板層１０４を積層することにより、基板１０を形成する。このうち第４基板層１０４は、スパッタ法によって積層されてもよいし、ＳＯＩ基板の表層の熱酸化によって形成されてもよい。次に、図２Ｂに示すように、基板１０の上側の表面上の全域に下電極層１１と圧電層１２と上電極層１３とをそれぞれ例えばスパッタ法によって一様な厚みで形成する。そして、上電極層１３を図示しないレジストマスクとエッチングによってパターニングし、さらに圧電層１２を図示しないレジストマスクとエッチングによってパターニングする。上電極１３のエッチングは例えばミリング法によって行い、圧電膜１２のエッチングは例えばミリング法、フッ酸によるウェットエッチング、又はそれらを併用することによって行う。

次に、図２Ｃに示すように下電極層１１の表面上における圧電層１２と電極用開口１４ａの形成領域を除く領域、および、圧電層１２と上電極層１３の側面を下地として液状樹脂（ワニス）Ｌを塗布する（塗布工程）。この液状樹脂Ｌは、母材がポリイミドの前駆体であるポリアミド酸（ポリアミック酸）であり、前記母材と多数の二酸化珪素の球状粒子Ｐ等を混合したものである。例えば、球状粒子Ｐの平均粒径は０．００５μｍとされる。また、硬化後の液状樹脂Ｌにおける球状粒子Ｐの含有量は３０重量％とされる。液状樹脂Ｌは、例えば圧電層１２と上電極層１３と電極用開口１４ａ以外の領域を開口させた印刷マスクを使用して液状樹脂Ｌを転写することにより塗布される。塗布によれば液状樹脂Ｌの膜厚を正確に調整することができ、液状樹脂Ｌの層厚を薄くすることができる。液状樹脂Ｌを塗布すると、加熱により液状樹脂Ｌを硬化させポリイミドとする（硬化工程）。

次に、図２Ｄに示すように硬化した液状樹脂Ｌに含まれる多数の球状粒子Ｐをエッチングにより除去する（除去工程）。これにより、球状粒子Ｐが除去された空間を空隙Ｖとして内包する多孔質樹脂部１４が形成される。例えば、エッチャントとしてのフッ酸溶液（ＨＦ）溶液にワークを浸漬させることにより、二酸化珪素で形成された球状粒子Ｐを選択的にエッチングする。ポリイミドはフッ酸溶液を内部に浸透させる性質を有するため、フッ酸溶液が硬化した液状樹脂Ｌの内部に浸透し、硬化した液状樹脂Ｌの内部に含まれる球状粒子Ｐも除去することができる。すなわち、液状樹脂Ｌの母材としてポリアミド酸を用いることにより、多孔質樹脂部１４の表面と内部における空隙Ｖの密度を均一とすることできる。

さらに、硬化した液状樹脂Ｌに対して下電極層１１が下側から全面にわたって面接合するため、硬化した液状樹脂Ｌを浸透したフッ酸溶液が二酸化珪素で形成された第４基板層１０４を浸食することが防止でき、多孔質樹脂部１４の剥離が防止できる。ここで、下電極層１１は、球状粒子Ｐのエッチング時に第４基板層１０４の保護膜として機能し、圧電スピーカー１の使用時には圧電素子の電極として機能する。すなわち、第４基板層１０４の保護膜と圧電素子の電極とを別途形成しなくても済む。

次に、第１基板層１０１のうち平面視において空気室１０ａの下方部分１０ａ１に対応する平面視円形状領域をエッチングする。例えば、平面視において空気室１０ａの下方部分１０ａ１に対応する領域を開口させたレジストマスクを第１基板層１０１の下側の表面上に形成し、エッチングガスとしてＣＦ₄ガスを用いたＤｅｅｐＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）を行う。さらに、第２基板層１０２をエッチングすることにより、図２Ｅに示すように空気室１０ａの下方部分１０ａ１を形成する。例えば、第１基板層１０１をエッチングマスクとして、フッ酸溶液による第２基板層１０２のエッチングを行う。次に、第３基板層１０３のうち平面視において空気室１０ａの上方部分１０ａ２に対応する平面視円環状領域をエッチングする。例えば、平面視において空気室１０ａの上方部分１０ａ２に対応する領域を開口させたレジストマスクを第３基板層１０３の下側の表面上、空気室１０ａの下方部分１０ａ１の側面、および、第１基板層１０１の下側の表面上に形成し、エッチングガスとしてＣＦ₄ガスを用いたＤｅｅｐＲＩＥを行う。さらに、第４基板層１０４をエッチングすることにより、図２Ｆに示すように空気室１０ａの上方部分１０ａ２を形成する。例えば、第１基板層１０１と第３基板層１０３とをエッチングマスクとして、フッ酸溶液により第４基板層１０４を垂直方向にエッチングする。以上により、図１Ｂ，図２Ｆに示すように下方部分１０ａ１と上方部分１０ａ２とからなる空気室１０ａが形成できる。なお、第２基板層１０２または第４基板層１０４のエッチングと、硬化した液状樹脂Ｌが内包する粒子Ｐのエッチングとを同時に行うことにより工程数を少なくしてもよい。最後に、ダイサーによって圧電スピーカー１を個片へと切り分けることにより、圧電スピーカー１の製造が完了する。

（３）第２実施形態：
図３Ａ〜３Ｅは、第２実施形態にかかる圧電スピーカー２の製造方法を示す断面図および平面図である。図３Ａに示すように、単結晶シリコンで形成された第１基板層２０１と二酸化珪素で形成された第２基板層２０２とからなる基板２０の上側に、金または白金で形成された下電極層２１と、ジルコニウム酸−チタン酸鉛で形成された圧電層２２と、金または白金で形成された上電極層２３とをそれぞれ面内方向の全域にわたって一様な厚みで積層する。次に図３Ｂに示すように、上電極層２３と圧電層２２と下電極層２１と第２基板層２０２とを上側から順次エッチングすることにより、平面視円環状の凹部Ｄを形成する（下地形成工程）。層間方向おける凹部Ｄの深さは第２基板層２０２と下電極層２１と圧電層２２と上電極層２３との層厚の合計以上であり、第２基板層２０２と下電極層２１と圧電層２２と上電極層２３とは、凹部Ｄの内径よりも内側の平面視円形状の内側領域Ｉと、凹部Ｄの外径よりも外側の外側領域Ｏとに分断される。

次に、図３Ｃに示すように粒子Ｐを含まないポリイミドの保護膜Ｒを圧電層２２の上側の表面上、および、凹部Ｄを形成する壁面の表面上に一様な厚みで形成する。次に、図３Ｄに示すように保護膜Ｒの表面上に粒子Ｐが混合された液状樹脂Ｌを塗布して硬化させる。なお、凹部Ｄには液状樹脂Ｌが入り込み、凹部Ｄは液状樹脂Ｌによって埋められる。そして、硬化した液状樹脂Ｌに内包される粒子Ｐをエッチングにより除去することにより、多数の空隙を内包する多孔質樹脂部２４を形成する。粒子Ｐをフッ酸溶液によってエッチングする際に、圧電層２２と第２基板層２０２とが保護膜Ｒによって保護される。なお、保護膜Ｒはフッ酸溶液が浸透可能なポリイミドで形成されるが、粒子Ｐを内包しないため液状樹脂Ｌよりもフッ酸溶液の浸透速度が遅く、圧電層２２や第２基板層２０２を保護することができる。これにより、第２基板層２０２が浸食されて多孔質樹脂部２４が剥離することを防止できる。また、入り組んだ形状の凹部Ｄではフッ酸溶液の液回りが悪いため、凹部Ｄにおける多孔質樹脂部２４の接合界面の浸食を防止できる。また、凹部Ｄを形成することにより、多孔質樹脂部２４の接合面積を広くすることができるため、多孔質樹脂部２４の剥離を防止できる。なお、保護膜Ｒはフッ酸溶液に対する耐性があればよく、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）のような無機材料で形成されてもよい。

最後に、図３Ｅに示すように、円環状の凹部Ｄと同心、かつ、凹部Ｄの外径と同一の径の平面視円形領域において第１基板層２０１をＤｅｅｐＲＩＥにより除去することにより、空気室２０ａを形成する。空気室２０ａを形成することにより、第２基板層２０２と下電極層２１と圧電層２２と上電極層２３のうち凹部Ｄの内径よりも内側の内側領域Ｉと、凹部Ｄの外径よりも外側領域Ｏとが、凹部Ｄに入り込んだ多孔質樹脂部２４と保護膜Ｒのみによって接続されることとなる。

以上の構成において、内側領域Ｉにおける下電極層２１と上電極層２３との間に、図示しない配線・導線によって電圧を印加することにより、圧電素子としての前記内側領域Ｉを振動させることができる。このとき、凹部Ｄに入り込んだ多孔質樹脂部２４と保護膜Ｒとが内側領域Ｉと一体となって振動する。凹部Ｄに入り込んだ多孔質樹脂部２４と保護膜Ｒとは振動膜Ｓを構成する。この振動膜Ｓを構成する多孔質樹脂部２４の曲げ弾性係数は小さいため、振動膜Ｓの共振周波数を低くすることができる。また、本実施形態においては、平面視において空気室２０ａが形成された領域において、第２基板層２０２によって下電極層２１と圧電層２２と上電極層２３とを保持するため、上電極層２３と下電極層２１に対する導線のボンディングが可能な程度の機械強度を確保できる。なお、上電極層２３と下電極層２１とはそれぞれ導電性を有さない各層Ｒ，２４，２０２によって被覆されるが、上電極層２３と下電極層２１とを露出させる図示しないパターンを各層Ｒ，２３、２４に形成することにより、上電極層２３と下電極層２１に対する導線のボンディングが可能となる。

（４）第３実施形態：
図４Ａ〜４Ｇは、第３実施形態にかかる圧電スピーカー３の製造方法を示す断面図および平面図である。図４Ａに示すように第２実施形態と同様に第１基板層３０１と第２基板層３０２とからなる基板３０の上側に、下電極層３１と圧電層３２と上電極層３３とをそれぞれ面内方向の全域にわたって一様な厚みで積層する。次に図４Ｂに示すように、エッチングにより上電極層３３と圧電層３２と下電極層３１を平面視円形状にパターニングする。また、エッチングにより第２基板層３０２および第１基板層３０１の上側部分を、上電極層３３と圧電層３２と下電極層３１のパターンよりも径の大きい同心の平面視円形状にパターニングする。これにより、第２基板層３０２の外側に深さが第１基板層３０１まで到達する凹部Ｄを形成することができる（下地形成工程）。

次に、図４Ｃに示すように、上電極層３３と圧電層３２と下電極層３１の側面上を覆うようにポリイミドの保護膜Ｒを形成する。保護膜Ｒは平面視において円環状となる。次に、図４Ｄに示すように、平面視において保護膜Ｒの外側の領域における第１基板層３０１と第２基板層３０２の表面上に粒子Ｐが混合された液状樹脂Ｌを塗布して硬化させる。なお、凹部Ｄの深さは第１基板層３０１まで到達するため、第２基板層３０２の外側において液状樹脂Ｌと第１基板層３０１とが直接接合する。次に、図４Ｅに示すように、除去可能なレジストマスクＺを上電極層３３の表面上に形成する。そして、図４Ｆに示すように、ワークをフッ酸溶液に浸漬させることにより、保護膜Ｒの内側の圧電層３２等を保護しつつ硬化した液状樹脂Ｌが内包する粒子Ｐと第２基板層３０２とをエッチングし、エッチング後に前記レジストマスクＺを除去する。

このエッチングにおいて、フッ酸溶液は硬化した液状樹脂Ｌにて粒子Ｐを除去するため、多数の空隙を内包する多孔質樹脂部３４が形成できる。さらに、フッ酸溶液は多孔質樹脂部３４を浸透し、上側から第２基板層３０２に到達する。そして、第２基板層３０２のうち上側外周部近傍の平面視円環状部分がフッ酸溶液によってエッチングされた隙間Ｈ（ハッチングで示す。）を形成することができ、多孔質樹脂部３４を第２基板層３０２から浮かせることができる。一方、凹部Ｄの底面ではフッ酸溶液に対するエッチング耐性が粒子Ｐよりも大きい単結晶シリコンで形成された第１基板層３０１と硬化した液状樹脂Ｌとが直接接合するため、第１基板層３０１から硬化した液状樹脂Ｌが剥離することが防止できる。すなわち、隙間Ｈが形成される領域において多孔質樹脂部３４が第２基板層３０２から浮き、隙間Ｈの外側の領域において多孔質樹脂部３４が第１基板層３０１によって支持される梁構造を粒子Ｐのエッチング同時に形成することができる。
最後に、図４Ｇに示すように、隙間Ｈと同心、かつ、隙間Ｈの内径と外径の間の大きさの径を有する平面視円形領域において第１基板層３０１をＤｅｅｐＲＩＥにより除去する。さらに、前記平面視円形領域においてフッ酸溶液のエッチングにより第２基板層３０２を除去することにより、隙間Ｈと一体となった空気室３０ａを形成する。

以上の構成において、図示しない配線・導線によって下電極層３１と圧電層３２と上電極層３３とからなる圧電素子に電圧を印加することにより、圧電素子が振動する。圧電素子に接続する保護膜Ｒと、多孔質樹脂部３４のうち隙間Ｈの外径よりも内側の部分は、圧電素子と一体となって振動する振動膜Ｓを構成する。本実施形態でも、振動膜Ｓを曲げ弾性係数の小さい多孔質樹脂部３４によって形成することができ、振動膜Ｓの共振周波数を低くすることができる。また、圧電素子を下方から保持する第２基板層３０２を下方からエッチングして第２基板層３０２を薄くしているため、前記実施形態よりも振動膜Ｓの共振周波数を低くできる。また、第２基板層３０２のエッチング量によって振動膜Ｓの共振周波数を調整できる。また、上電極層３３と下電極層３１とに対する導線のボンディングが可能な程度の機械強度を確保するように、第２基板層３０２のエッチング量を制限するのが望ましい。なお、下電極層３１は導電性を有さない第２基板層３０２によって被覆されるが、下電極層３１を露出させる図示しないパターンを第２基板層３０２に形成することにより、下電極層３１に対する導線のボンディングが可能となる。

（５）第４実施形態：
図５Ａ〜５Ｆは、第４実施形態にかかる圧電スピーカー４の製造方法を示す断面図および平面図である。図５Ａに示すように、単結晶シリコンで形成された第１基板層４０１と二酸化珪素で形成された第２基板層４０２と単結晶シリコンで形成された第３基板層４０３と二酸化珪素で形成された第４基板層４０４とからなる基板４０の上側に、金または白金で形成された下電極層４１と、ジルコニウム酸−チタン酸鉛で形成された圧電層４２と、金または白金で形成された上電極層４３とをそれぞれ面内方向の全域にわたって一様な厚みで積層する。次に図５Ｂに示すように、上電極層４３と圧電層４２と下電極層４１とを上側から順次エッチングすることにより、平面視円形状の圧電素子を形成する。なお、圧電素子における下電極層４１の径は、上電極層４３と圧電層４２の径よりも大きくされる。また、上電極層４３と圧電層４２と下電極層４１のパターンは、選択的に上電極層４３と圧電層４２と下電極層４１とを積層することにより形成されてもよい。次に、圧電素子の外側の平面視円環状の領域において第４基板層４０４と第３基板層４０３とを上側から順次エッチングすることにより、平面視円環状の凹部Ｄを形成する（下地形成工程）。層間方向おける凹部Ｄの深さは第３基板層４０３と第４基板層４０４の層厚の合計と同じであり、第３基板層４０３と第４基板層４０４とは、凹部Ｄの内径よりも内側の平面視円形状の内側領域Ｉと、凹部Ｄの外径よりも外側の外側領域Ｏとに分断される。

次に、図５Ｃに示すように、上電極層４３と圧電層４２と下電極層４１の側面上および下電極層４１の上側表面上を覆うようにポリイミドの保護膜Ｒを形成する。保護膜Ｒは平面視において円環状となる。次に、図５Ｄに示すように、平面視において保護膜Ｒの外側側面、凹部Ｄの内部、および、第４基板層４０４の上側表面上に粒子Ｐが混合された液状樹脂Ｌを塗布して硬化させる。次に、ワークをフッ酸溶液に浸漬させることにより、保護膜Ｒの内側の圧電層４２等を保護しつつ硬化した液状樹脂Ｌが内包する粒子Ｐをエッチングする。このエッチングにおいて、フッ酸溶液は硬化した液状樹脂Ｌにて粒子Ｐを除去するため、多数の空隙を内包する多孔質樹脂部４４が形成できる。一方、凹部Ｄの深さは第３基板層４０３まで到達するため、凹部Ｄの側面において、フッ酸溶液に対するエッチング耐性が粒子Ｐよりも大きい単結晶シリコンで形成された第３基板層４０３と硬化した液状樹脂Ｌとが直接接合している。従って、硬化した液状樹脂Ｌが第３基板層４０３から剥離することが防止できる。

次に、図５Ｅに示すように、円環状の凹部Ｄと同心、かつ、凹部Ｄの外径と同一の径の平面視円形領域において第１基板層４０１をＤｅｅｐＲＩＥにより除去する。さらに、第１基板層４０１をエッチングマスクとして第２基板層４０２をフッ酸溶液によりエッチングすることにより、空気室４０ａを形成する。空気室４０ａを形成することにより、第３基板層４０３と第４基板層４０４のうち、凹部Ｄの内径よりも内側の内側領域Ｉと、凹部Ｄの外径よりも外側領域Ｏとが、凹部Ｄに入り込んだ多孔質樹脂部４４のみによって接続されることとなる。

以上の構成において、内側領域Ｉにおける下電極層４１と上電極層４３との間に、図示しない配線・導線によって電圧を印加することにより、圧電素子としての前記内側領域Ｉを振動させることができる。また、本実施形態においては、平面視において空気室４０ａが形成された領域において、第３基板層４０３と第４基板層４０４とによって下電極層４１と圧電層４２と上電極層４３とを保持するため、上電極層４３と下電極層４１とに対する導線のボンディングが可能な程度の機械強度を確保できる。なお、下電極層４１は導電性を有さない第３基板層４０３と第４基板層４０４とによって被覆されるが、下電極層４１を露出させる図示しないパターンを第３基板層４０３と第４基板層４０４に形成することにより、下電極層４１に対する導線のボンディングが可能となる。

（６）他の実施形態：
図６Ａ〜６Ｄは、他の実施形態にかかる圧電スピーカー５の製造方法を示す断面図および平面図である。図６Ａに示すように、まず第１基板層５０１と第２基板層５０２とからなる基板５０を用意し、基板５０上の平面視円環状の領域を上側からエッチングすることにより深さが第１基板層５０１まで到達する凹部Ｄを形成する。図６Ｂに示すように、凹部Ｄを埋めるように基板５０に対して上側から液状樹脂Ｌを塗布し、液状樹脂Ｌを硬化させる。次に、図６Ｃに示すように、硬化した液状樹脂Ｌが内包する粒子Ｐをフッ酸溶液によるエッチングで除去することにより、多孔質樹脂部５４を形成する。このエッチングにおいて、フッ酸溶液は多孔質樹脂部５４を浸透し、多孔質樹脂部５４が接合する第２基板層５０２の表面もエッチングされ、第２基板層５０２の表面が後退する。すなわち、多孔質樹脂部５４と表面が後退した第２基板層５０２との間に隙間が形成され、多孔質樹脂部５４が第２基板層５０２から浮いた状態となる。一方、多孔質樹脂部５４と第１基板層５０１とが直接接合する凹部Ｄの底部においては、多孔質樹脂部５４を浸透したフッ酸溶液が第１基板層５０１に到達しても、第１基板層５０１はフッ酸溶液に対してエッチング耐性が大きいため、第１基板層５０１の表面が浸食されることはなく、多孔質樹脂部５４と第１基板層５０１との接合が維持できる。すなわち、凹部Ｄにおいて多孔質樹脂部５４と第１基板層５０１とを接合し、凹部Ｄ以外の領域においては多孔質樹脂部５４が第２基板層５０２から浮いた梁構造を形成することができる。従って、図６Ｄに示すように梁構造の表面上に圧電素子Ａを形成し、圧電素子Ａの反対側に空気室５０ａを形成することにより、圧電素子Ａと凹部Ｄとの間に介在する多孔質樹脂部５４を振動膜Ｓとすることができる。このように、粒子Ｐのエッチャントに対する耐性の小さい第２基板層５０２に液状樹脂Ｌを塗布する領域と、粒子Ｐのエッチャントに対する耐性の大きい第１基板層５０１に液状樹脂Ｌを塗布する領域とを設けることにより、粒子Ｐのエッチングと同時に前者の領域において多孔質樹脂部５４が第２基板層５０２から浮いた梁構造を形成することができる。

図６Ｅ〜６Ｆは、別の実施形態にかかる圧電スピーカー６の製造方法を示す断面図および平面図である。本実施形態においても、前記実施形態と同様に、液状樹脂Ｌを塗布する下地に粒子Ｐのエッチャントに対する耐性の小さい領域と、粒子Ｐのエッチャントに対する耐性の大きい領域とを設け、粒子Ｐのエッチングと同時に梁構造を形成する構成を採用する。前記実施形態との相違点は、図６Ｅに示すように基板６０の上側表面における平面視円環状の領域上に白金または金で形成された保護膜Ｒを形成することにより、粒子Ｐのエッチャントに対する耐性の大きい領域を設ける点にある。このように保護膜Ｒを形成しておけば、粒子Ｐのエッチングにおいて第２基板層６０２の表面のうち保護膜Ｒの直下の部分はエッチングされず、保護膜Ｒが形成されない領域については表面を後退させることができる（図６Ｆ〜６Ｇ）。従って、保護膜Ｒにおいて多孔質樹脂部６４と第２基板層６０２とを接合し、保護膜Ｒ以外の領域においては多孔質樹脂部６４が第２基板層６０２から浮いた梁構造を形成することができ、図６Ｈに示すように圧電スピーカー６が形成できる。

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。
例えば、本発明をマイクや圧力センサに適用してもよい。

粒子Ｐは硬化した液状樹脂Ｌよりもエッチングレートが大きい粒子であればよく、二酸化珪素で形成されるものに限られない。例えば、粒子Ｐが金属によって形成されてもよい。一方、多孔質樹脂部の母材は粒子Ｐよりもエッチングレートが小さければよく、多孔質樹脂部の母材をＰＶＤＦ（PolyVinylidene DiFluoride）やゴム等の樹脂によって形成してもよい。
さらに、目標とする振動膜の共振周波数に応じて、液状樹脂Ｌに含まれる粒子Ｐの量を調整したり、粒子Ｐのエッチング量を調整するようにしてもよい。すなわち、液状樹脂Ｌに含まれる粒子Ｐの量を増加させたり、粒子Ｐのエッチング量を増加させることにより、振動膜の共振周波数を低下させることができる。
さらに、本発明において振動膜Ｓよりも外側に圧電素子を形成してもよい。すなわち、圧電素子の駆動力が伝達可能な位置に振動膜Ｓが形成されていればよく、必ずしも圧電素子は振動膜Ｓの内側や振動膜Ｓ上に形成されなくてもよい。

粒子Ｐのエッチングにおいて液状樹脂Ｌの剥離を防止する手法として、以下の手法を採用することができる。すなわち、液状樹脂Ｌを塗布する下地が自然酸化等によって酸化膜となっている場合に、酸化膜をバッファードフッ酸（ＢＨＦ）溶液等によって予め除去してから液状樹脂Ｌを塗布してもよい。また、エッチングが液状樹脂Ｌと下地との接合界面まで進行しない程度にエッチング量を調整することによっても、硬化した液状樹脂Ｌが剥離することを防止できる。例えば、液状樹脂Ｌが内包する粒子Ｐのうち所定重量割合の粒子Ｐがエッチングされた時点でエッチングを停止するようにエッチング時間を設定してもよい。この場合、液状樹脂Ｌの表層部と深層部とで粒子Ｐのエッチングの進行度が異なり、多孔質樹脂部が内包する空隙の密度に変化を持たせることができる。さらに、液状樹脂Ｌを塗布する下地に凸部を形成することによっても、液状樹脂Ｌの接合面積を増大させ、下地へエッチャントを到達させ難くすることができ、硬化した液状樹脂Ｌの剥離が防止できる。さらに、粒子Ｐの除去はエッチングのみならず、例えば粒子Ｐの揮発によって実現されてもよい。

１〜６…圧電スピーカー、１０，２０，３０，４０，５０，６０…基板、１０ａ，２０ａ，３０ａ，４０ａ，５０ａ…空気室、１１，２１，３１，４１，５１…下電極層、１２，２２，３２，４２，５２…圧電層，１３，２３，２３，３３，４３，５３…上電極層、１４，２４，３４，４４，５４…多孔質樹脂部、１４ａ…電極用開口、Ｌ…液状樹脂、Ｐ…粒子、Ｒ…保護膜、Ｈ…隙間，Ｖ…空隙，Ｓ…振動膜。

Claims

圧電素子にて生じた駆動力により振動する振動膜を備える圧電トランスデューサーの製造方法であって、
前記振動膜が形成される領域の少なくとも一部において粒子を混合した液状樹脂を塗布する塗布工程と、
前記液状樹脂を硬化させる硬化工程と、
前記粒子を除去する除去工程と、
を含む圧電トランスデューサーの製造方法。
前記塗布工程よりも前において、前記液状樹脂を塗布する下地の少なくとも一部に前記粒子をエッチングにより除去するためのエッチャントに対する耐性が前記粒子よりも大きい保護膜を形成する保護膜形成工程を、
さらに含む請求項１に記載の圧電トランスデューサーの製造方法。
前記塗布工程よりも前において、前記液状樹脂を塗布する下地に凹部と凸部の少なくとも一方を形成する下地形成工程を、
さらに含む請求項１または請求項２に記載の圧電トランスデューサーの製造方法。
請求項２に記載の圧電トランスデューサーの製造方法によって製造された圧電トランスデューサーであって、
前記保護膜の少なくとも一部は前記圧電素子の電極を構成する、
圧電トランスデューサー。