JP2013201194A - Ｐｚｔデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】ＰＺＴデバイスのノイズを低減する。
【解決手段】少なくとも表層に厚さ１μｍ以上の鉛吸収層を含む基板と，前記鉛吸収層に結合し，互いに離間している複数の電極領域を有する第一電極膜と，前記複数の電極領域の間に露出した前記鉛吸収層と前記第一電極膜とに結合しているＰＺＴ膜と，前記第一電極膜と前記ＰＺＴ膜とに重なり前記ＰＺＴ膜に結合している第二電極膜と，を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は，ＰＺＴデバイスに関する。

従来，圧電体、焦電体および強誘電体として機能するＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）が知られている。ＰＺＴを用いたデバイスとしては、特許文献１に記載されているような振動トランデューサーの他、圧電センサ、圧電アクチュエータ、特許文献２に記載されているような焦電センサ、強誘電体メモリ等が知られている。

特開２０１０−１６５３４１号公報 特開昭６３−２３８５２９号公報

ところでＰＺＴ膜を形成する際には、ＰＺＴの機能が必要な領域のみに離散的にＰＺＴ膜を形成する方法と、ＰＺＴの機能が必要でない領域を含めてＰＺＴ膜を形成し、電極のパターンでＰＺＴの機能が発揮される領域を限定する方法がある。ＰＺＴの機能が必要な領域のみに離散的にＰＺＴ膜を形成する場合には、ＰＺＴ膜の有無によって生ずる段差がＰＺＴ膜を下地とする膜の形成を困難にするという問題がある。さらに、離散したＰＺＴ膜は大気に触れる面積が大きく、アニール時にＰＺＴ膜に含まれる鉛が蒸発しやすい問題がある。またＰＺＴの機能が必要でない領域を含めてＰＺＴ膜を形成する場合には、たとえ電極をその領域に設けないとしても、ＰＺＴの機能が必要でない領域がノイズの発生源となるという問題がある。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので，ＰＺＴデバイスのノイズを低減することを目的の１つとする。

上記課題を解決するため，本発明によるＰＺＴデバイスは，少なくとも表層に厚さ１μｍ以上の鉛吸収層を含む基板と，前記鉛吸収層に結合し，互いに離間している複数の電極領域を有する第一電極膜と，前記複数の電極領域の間に露出した前記鉛吸収層と前記第一電極膜とに結合しているＰＺＴ膜と，前記第一電極膜と前記ＰＺＴ膜とに重なり前記ＰＺＴ膜に結合している第二電極膜と，を備える。
本発明によると，複数の電極領域の間のＰＺＴから鉛吸収層に鉛が吸収されることによって，複数の電極領域の間においてＰＺＴの圧電効果が下がる。これにより複数の電極領域の間においてＰＺＴが機能することによるノイズ成分が低減されるため，ＰＺＴデバイスのノイズを低減することができる。

鉛吸収層が厚いほどＰＺＴからより多くの鉛を吸収できるため，前記基板の全部が前記鉛吸収層を構成しても良い。

前記鉛吸収層はジルコニアであっても良い。ジルコニアはＰＺＴを結晶化するためのアニールを実施しても十分な強度を保つ。

ＰＺＴからなるＰＺＴ膜を結晶化するためのアニール工程を経ると，鉛吸収層はＰＺＴ膜との界面から約１０μｍの深さまで鉛を取り込む。したがって，前記鉛吸収層の厚さを１０μｍ以上にしても良い。

前記第二電極膜は、互いに離間している複数の対向電極領域を有し、前記複数の電極領域と前記複数の対向電極領域とが１対１に対向していてもよい。これにより、ノイズをさらに低減できる。

図１Ａは本発明の一実施例にかかる断面図である。図１Ｂ、図１Ｃは本発明の一実施例にかかる平面図である。 本発明の一実施例にかかる断面図である。 図３Ａは本発明の一実施例にかかる断面図である。図３Ｂは本発明の一実施例にかかる平面図である。 本発明の一実施例にかかる断面図である。 本発明の一実施例にかかる第一電極膜と第二電極膜のパターンを示す斜視図である。

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．第一実施例
図１Ａは本発明の一実施例としての圧電トランスデューサー１を示している。圧電トランスデューサー１は，スクリーン印刷技術，半導体製造技術等の厚膜および薄膜形成技術を応用して製造される積層構造体であって、基板１００，第一電極膜１１，ＰＺＴ膜１２および第二電極膜１３を備えている。圧電トランスデューサー１は、圧力センサ、加速度センサ、振動センサ、スピーカー、マイクロフォン等に用いられる。

基板１００には，鉛を吸収する性質と，ＰＺＴ膜１２に対する熱処理などの製造工程における熱負荷に耐える耐熱性が求められる。例えば，セラミックス，ガラス，ガラスセラミックス等の鉛を吸収する素材が基板１００の材料になり得る。基板１００の材質としては特にジルコニア（ＺｒＯ_２），例えばイットリアを含有する部分安定化ジルコニアが好適である。ジルコニアは耐熱性が高いため，ＰＺＴからなるＰＺＴ膜１２を結晶化するための熱処理に十分耐えることができる。またジルコニアで基板１００を形成する場合には，基板１００の靭性が高くなるため，耐久性が高くなるとともに，圧電トランスデューサー１を曲げた状態で使用することも可能になる。基板１００の厚さは、ＰＺＴ膜１２から鉛を十分吸収できる厚さが有れば良く、少なくとも１μｍ以上、望ましくは１０μｍ以上とする。

基板１００の上面に重ねられている第一電極膜１１は、白金（Ｐｔ）等の金属からなる。第一電極膜１１は基板１００の上面に直接結合している。第一電極膜１１は，互いに離間している電極領域１１ａ，１１ｂ，１１ｃを有する。電極領域１１ａ，１１ｂ，１１ｃの間からは基板１００が露出している。電極領域１１ａ，１１ｂ，１１ｃは、ＰＺＴ膜１２の分極に応じた電気信号を取り出そうとする領域に限定して形成される。すなわち電極領域１１ａ，１１ｂ，１１ｃは、ＰＺＴ膜１２の分極に応じた電気信号を取り出したくない領域を避けて形成される。

図１Ｂに示すように電極領域１１ａ，１１ｂ，１１ｃは線状の導線領域１１ｘによって相互に接続されている。導線領域１１ｘの端部は図示しない外部電極領域に接続している。すなわち，電極領域１１ａ，１１ｂ，１１ｃは導線領域１１ｘを介して外部回路に電気的に接続される。

第一電極膜１１の上面に重ねられているＰＺＴ膜１２は，例えば厚さ３５μｍのＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）からなる。電極領域１１ａ，１１ｂ，１１ｃの間からは基板１００が露出しているため，ＰＺＴ膜１２は電極領域１１ａ，１１ｂ，１１ｃの間において基板１００に直接結合している。したがって，ＰＺＴ膜１２のアニール工程において，電極領域１１ａ，１１ｂ，１１ｃの間においてＰＺＴ膜１２から基板１００に鉛が吸収される。このため電極領域１１ａ，１１ｂ，１１ｃの間の領域１００ａ，１００ｂにおいて基板１００は鉛を含有する。一方、第一電極膜１１は、鉛のバリア層として機能する。したがってＰＺＴ膜１２の鉛含有量は電極領域１１ａ，１１ｂ，１１ｃの間の領域が他の領域に比べて低くなっている。

第二電極膜１３は導電性材料からなり、ＰＺＴ膜１２の上面に直接結合している。図１Ｃに示す第二電極膜１３のパターンはＰＺＴ膜１２の頂面全体のパターンとほぼ一致する。第一電極膜１１が第一電極膜１１と対向していない領域を含んでいても、第一電極膜１１が第一電極膜１１と対向していない領域においては鉛含有量が低く、ＰＺＴ膜１２の圧電効果が低いため、ノイズは低減される。

次に，圧電トランスデューサー１の製造方法を図２に基づいて説明する。
はじめに図２Ａに示すように基板１００の表面に第一電極膜１１を形成する。第一電極膜１１はスクリーン印刷法，スパッタリング法等の薄膜形成技術によって形成される。

次に図２Ｂに示すように第一電極膜１１の上にＰＺＴ膜１２を形成する。ＰＺＴ膜１２はゾルゲル法，スパッタリング法，ＣＶＤ法，スクリーン印刷法等の薄膜形成技術を用いて形成される。その後にＰＺＴ膜１２のアニール工程を５００℃から１３００℃の温度条件で実施する。アニール工程ではＰＺＴ膜１２から基板１００に鉛が吸収される。例えば、１２００℃のアニールを実施する場合，ＰＺＴ膜１２との界面から１０μｍの深さまでジルコニアからなる基板１００に鉛が拡散する。スクリーン印刷法によってＰＺＴ膜１２を形成することによってＰＺＴ膜１２の端面を傾斜させることができる。スクリーン印刷法を用いてＰＺＴ膜１２の端面を傾斜させると，ＰＺＴ膜１２の端面と第一電極膜１１または基板１００の上面とを下地面として形成される層の段差被覆性が向上し密着強度が高まる。

次に図２Ｃに示すようにＰＺＴ膜１２の上に第二電極膜１３を形成する。第二電極膜１３はスクリーン印刷法，スパッタリング法等の薄膜形成技術によって形成される。その後，基板１００をダイサーで分断すると圧電トランスデューサー１が完成する。

本実施例によると，第一電極膜１１の電極領域１１ａ，１１ｂ，１１ｃの間においてＰＺＴ膜１２の鉛含有量が低くなるため，第一電極膜１１の電極領域１１ａ，１１ｂ，１１ｃの間においてＰＺＴ膜１２の圧電効果が低くなる。すなわち，ＰＺＴ膜１２自体の感度が，電極領域１１ａ，１１ｂ，１１ｃの真上において高く，電極領域１１ａ，１１ｂ，１１ｃの間において低い。したがって，圧電トランスデューサー１の出力のうち，電極領域１１ａ，１１ｂ，１１ｃの間におけるＰＺＴ膜１２から生じる成分（ノイズ）が低減される。

２．第二実施例
図３Ａは本発明の第二実施例としての焦電センサ２を示している。焦電センサ２の第二電極膜１３互いに離間している複数の対向電極領域１３ａ、１３ｂ、１３ｃを備える。対向電極領域１３ａは、図３Ｂに示すように、電極領域１１ａと、対向電極領域１３ｂは電極領域１１ｂと、対向電極領域１３ｃは電極領域１１ｃと、同一のパターンを有し、それぞれ対向している。対向電極領域１３ａ、１３ｂ、１３ｃのそれぞれに導線領域１３ｘが接続されている。導線領域１３ｘの端部は図示しない外部回路に接続される。

ＰＺＴ膜１２の上に第二電極膜１３を形成する際、ＰＺＴ膜１２の上面が平坦に連続しているため、互いに離間している複数の対向電極領域１３ａ、１３ｂ、１３ｃのパターンを正確に形成することができる。またＰＺＴ膜１２は対向電極領域１３ａ、１３ｂ、１３ｃの間において感度が低く抑えられているため、対向電極領域１３ａ、１３ｂ、１３ｃの間にＰＺＴ膜１２が存在してもノイズを抑えることができる。

３．他の実施形態
尚，本発明の技術的範囲は，上述した実施例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。
たとえば図４に示す圧電トランスデューサー３のように、基板９９の表層に鉛吸収層９８を含めてもよい。鉛吸収層９８は，ジルコニアの他，セラミックス，ガラス，ガラスセラミックス等の鉛を吸収する素材であればよい。基板９９の鉛吸収層９８以外の部分は鉛を吸収しない素材で構成することができる。電極領域１１ａ，１１ｂ，１１ｃの間においてＰＺＴ膜１２の感度を効果的に低下させるためには，鉛吸収層９８の厚さは１μｍ以上とする必要があり，１０μｍ以上とすることが好ましい。

また例えば，第一導電膜および第二導電膜のパターンはデバイスの種類や仕様に応じてどのように設計しても良い。たとえば、図５Ａに示すように第一電極膜１１の電極領域１１ｙをマトリクス型に配置しても良いし、それに応じて第二電極膜１３の対向電極領域１３ｙをマトリクス型に配置しても良い。また複数の電極領域１１ｙのそれぞれから独立した導線領域１１ｘを引き延ばしても良いし、マトリクス型に配置された全ての対向電極領域１３ｙを導線領域１３ｘで短絡しても良い。

また図５Ｂに示すように、第一電極膜１１の複数の電極領域１１ｙのそれぞれから独立した導線領域１１ｘを引き延ばすとともに、第二電極膜１３の複数の対向電極領域１３ｙのそれぞれからも独立した導線領域１３ｘを引き延ばしても良い。第一電極膜１１の複数の電極領域１１ｙからも、第二電極膜１３の複数の対向電極領域１３ｙからも、それぞれ独立した導線領域１１ｘ、１３ｘを引き延ばすことにより、対向する１組の電極領域１１ｙと対向電極領域１３ｙとその間に挟まれるＰＺＴ膜とで機能的に独立した単位を構成し、全体としてＰＺＴアレイデバイスを構成することができる。そして、このようなＰＺＴアレイデバイスにおいては、対向する１組の電極領域１１ｙと対向電極領域１３ｙとその間に挟まれるＰＺＴ膜とで構成される機能単位と、隣の１組の電極領域１１ｙと対向電極領域１３ｙとその間に挟まれるＰＺＴ膜とで構成される機能単位とを、電極領域の間のＰＺＴ膜の鉛含有量が低いために、電気的に高いレベルで分離することができる。例えばこのような構成を焦電アレイセンサに適用した場合、分解能が高いセンサを実現することができる。

１…圧電トランスデューサー，２…焦電センサ，３…圧電トランスデューサー，１１…第一電極膜，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ…電極領域，１１ｘ…導線領域，１１ｙ…電極領域，１２…ＰＺＴ膜，１３…第二電極膜，１３ａ…対向電極領域，１３ｂ…対向電極領域，１３ｃ…対向電極領域，１３ｘ…導線領域，１３ｙ…対向電極領域，９８…鉛吸収層，９９…基板，１００…基板

Claims (5)

1. 少なくとも表層に厚さ１μｍ以上の鉛吸収層を含む基板と，
   前記鉛吸収層に結合し，互いに離間している複数の電極領域を有する第一電極膜と，
   前記複数の電極領域の間に露出した前記鉛吸収層と前記第一電極膜とに結合しているＰＺＴ膜と，
   前記第一電極膜と前記ＰＺＴ膜とに重なり前記ＰＺＴ膜に結合している第二電極膜と，
   を備えるＰＺＴデバイス。
2. 前記基板の全部が前記鉛吸収層を構成する，
   請求項１に記載のＰＺＴデバイス。
3. 前記鉛吸収層はジルコニアからなる，
   請求項１又は２に記載のＰＺＴデバイス。
4. 前記鉛吸収層の厚さは１０μｍ以上である，
   請求項１から３のいずれか一項に記載のＰＺＴデバイス。
5. 前記第二電極膜は、互いに離間している複数の対向電極領域を有し、
   前記複数の電極領域と前記複数の対向電極領域とが１対１に対向している、
   請求項１から４のいずれか一項に記載のＰＺＴデバイス。

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