JP2013201346A - 圧電素子及び圧電素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】大きな発電量を得ることが可能な圧電素子及び圧電素子の製造方法を提供する。
【解決手段】圧電素子1は、下部電極層5と、上部電極層8と、圧電機能層10とを具備する。圧電素子1は、第1の圧電体層61と、第2の圧電体層62とが外力等によって変位し、分極することで、下部電極層5と上部電極層8とから電力を得るための発電素子として用いられる。上部電極層8は、下部電極層5に対向する。圧電機能層10は、下部電極層5上に窒化アルミニウム粒子が堆積することで形成される第1の圧電体層61と、第1の圧電体層61上に形成され金属材料からなる第1の中間層71と、第1の中間層71上に形成され窒化アルミニウム粒子が堆積することで形成される第2の圧電体層62とを有し、下部電極層5と上部電極層8との間に配置される。
【選択図】図1
【解決手段】圧電素子1は、下部電極層5と、上部電極層8と、圧電機能層10とを具備する。圧電素子1は、第1の圧電体層61と、第2の圧電体層62とが外力等によって変位し、分極することで、下部電極層5と上部電極層8とから電力を得るための発電素子として用いられる。上部電極層8は、下部電極層5に対向する。圧電機能層10は、下部電極層5上に窒化アルミニウム粒子が堆積することで形成される第1の圧電体層61と、第1の圧電体層61上に形成され金属材料からなる第1の中間層71と、第1の中間層71上に形成され窒化アルミニウム粒子が堆積することで形成される第2の圧電体層62とを有し、下部電極層5と上部電極層8との間に配置される。
【選択図】図1
Description
本発明は、窒化アルミニウムを用いた圧電素子及び圧電素子の製造方法に関する。
近年、優れた圧電特性を有し、かつ鉛を含まず環境安全性も高い窒化アルミニウム(AlN)が圧電体として着目されている。AlNを含む圧電素子は、例えば振動センサ、圧電スピーカ等としての応用が研究されているが、小型の発電装置としての応用も検討されている。特許文献1には、AlNを含む圧電体薄膜を、例えばモリブデン(Mo)等の電極層で挟んだ圧電素子及びそれを備えた発電装置が記載されている。この圧電素子は、高分子化合物等の薄く歪みやすい基板を用いることで、小型でかつ多量の電荷を発生させる。
一般に、圧電素子における発電量を増加させるためには、特許文献1のように基板等を変位させやすい素子構造とすることに加えて、当該圧電体層の体積を大きく形成することが要求される。しかしながら、窒化アルミニウムからなる圧電体層は、スパッタ法等で形成される際に非常に大きな内部応力を有するため、例えば当該圧電体層を厚くするとクラックが発生し、形成できる膜厚に限界があった。このことから、窒化アルミニウムからなる圧電体層を有する圧電素子において、発電量を向上させることが困難であった。
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、大きな発電量を得ることが可能な圧電素子及び圧電素子の製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る圧電素子は、第1の電極層と、第2の電極層と、圧電機能層とを具備する。
上記第2の電極層は、上記第1の電極層に対向する。
上記圧電機能層は、上記第1の電極層上に窒化アルミニウム粒子が堆積することで形成される第1の圧電体層と、上記第1の圧電体層上に形成され金属材料からなる第1の中間層と、上記第1の中間層上に形成され窒化アルミニウム粒子が堆積することで形成される第2の圧電体層とを有し、上記第1の電極層と上記第2の電極層との間に配置される。
上記第2の電極層は、上記第1の電極層に対向する。
上記圧電機能層は、上記第1の電極層上に窒化アルミニウム粒子が堆積することで形成される第1の圧電体層と、上記第1の圧電体層上に形成され金属材料からなる第1の中間層と、上記第1の中間層上に形成され窒化アルミニウム粒子が堆積することで形成される第2の圧電体層とを有し、上記第1の電極層と上記第2の電極層との間に配置される。
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る圧電素子の製造方法は、基材上に第1の電極層を形成する工程を含む。
上記第1の電極層上に、スパッタ法によって窒化アルミニウム粒子を堆積させることで第1の圧電体層が形成される。
上記第1の圧電体層上に、金属材料からなる第1の中間層が形成される。
上記第1の中間層上に、スパッタ法によって窒化アルミニウム粒子を堆積させることで第2の圧電体層が形成される。
上記第2の圧電体層上に、第2の電極層が形成される。
上記第1の電極層上に、スパッタ法によって窒化アルミニウム粒子を堆積させることで第1の圧電体層が形成される。
上記第1の圧電体層上に、金属材料からなる第1の中間層が形成される。
上記第1の中間層上に、スパッタ法によって窒化アルミニウム粒子を堆積させることで第2の圧電体層が形成される。
上記第2の圧電体層上に、第2の電極層が形成される。
本発明の一実施形態に係る圧電素子は、第1の電極層と、第2の電極層と、圧電機能層とを具備する。
上記第2の電極層は、上記第1の電極層に対向する。
上記圧電機能層は、上記第1の電極層上に窒化アルミニウム粒子が堆積することで形成される第1の圧電体層と、上記第1の圧電体層上に形成され金属材料からなる第1の中間層と、上記第1の中間層上に形成され窒化アルミニウム粒子が堆積することで形成される第2の圧電体層とを有し、上記第1の電極層と上記第2の電極層との間に配置される。
上記第2の電極層は、上記第1の電極層に対向する。
上記圧電機能層は、上記第1の電極層上に窒化アルミニウム粒子が堆積することで形成される第1の圧電体層と、上記第1の圧電体層上に形成され金属材料からなる第1の中間層と、上記第1の中間層上に形成され窒化アルミニウム粒子が堆積することで形成される第2の圧電体層とを有し、上記第1の電極層と上記第2の電極層との間に配置される。
上記圧電素子は、窒化アルミニウム粒子が堆積することで形成される第1の圧電体層と、第2の圧電体層とを有する。一般に、スパッタ法等によって窒化アルミニウム(AlN)粒子を堆積することで形成された圧電体層は、所定の膜厚以上に形成した場合、クラックが発生しやすい。このことから、形成できる膜厚に制限があり、得られる発電量にも限界が生じる。
一方、上記圧電機能層は、第1の圧電体層と第2の圧電体層との間に、第1の中間層が形成された積層構造を有する。第1の中間層により圧電機能層の内部応力を緩和できるため、圧電体層の厚みに応じた圧電特性を安定に得ることができる。また、第1の中間層は金属材料で形成されるため、適度な弾性を有するとともに、第1の圧電体層と第2の圧電体層との間における電荷の移動を許容する。したがって上記圧電素子によれば、外力に応じた圧電機能層の変形特性を損なうことなく、所期の圧電特性を確保することができる。
上記圧電素子は、発電素子として機能させることができる。この場合、第1の圧電体層と第2の圧電体層とをいずれもクラックが発生しない程度の所定の厚みで形成し、かつこれらの圧電体層を第1の中間層を挟んで積層することで、圧電機能層全体として大きな発電量を得ることができる。
上記金属材料は、例えば、モリブデンである。
このことによって、第2の圧電体層に含まれる窒化アルミニウムの結晶配向性が良好となり、窒化アルミニウムの圧電特性を高めることができる。
このことによって、第2の圧電体層に含まれる窒化アルミニウムの結晶配向性が良好となり、窒化アルミニウムの圧電特性を高めることができる。
上記第1の電極層は、例えば、モリブデンで形成される。
このことによって、第1の圧電体層に含まれる窒化アルミニウムの結晶配向性が良好となり、窒化アルミニウムの圧電特性を高めることができる。
このことによって、第1の圧電体層に含まれる窒化アルミニウムの結晶配向性が良好となり、窒化アルミニウムの圧電特性を高めることができる。
上記圧電素子は、固定部に固定されることが可能な第1の端部と、変位することが可能な第2の端部とを有し、上記第1の端部と上記第2の端部との間で上記第1の電極層を支持する基材をさらに具備してもよい。
上記圧電素子は、いわゆる片持ち梁(カンチレバー)構造を有する。すなわち、上記基材は、第2の端部を容易に変位させることができるため、それに応じて、上記第1の電極層上に形成される第1の圧電体層及び第2の圧電体層を変位させることが可能となる。このことから、上記圧電素子をより効率よく発電させることが可能となる。
上記圧電素子は、いわゆる片持ち梁(カンチレバー)構造を有する。すなわち、上記基材は、第2の端部を容易に変位させることができるため、それに応じて、上記第1の電極層上に形成される第1の圧電体層及び第2の圧電体層を変位させることが可能となる。このことから、上記圧電素子をより効率よく発電させることが可能となる。
上記圧電素子は、上記基材と上記第1の電極層との間に配置され、窒化アルミニウムからなる下地層をさらに具備してもよい。
上記下地層によって、第1の電極層の結晶配向性がより良好となる。
上記下地層によって、第1の電極層の結晶配向性がより良好となる。
上記圧電機能層は、3μm以上の厚みを有してもよい。
窒化アルミニウム(AlN)を含む圧電体層の発電量は、一般に、膜厚が大きいほど大きくなることが知られている。上述のように、圧電機能層は、第1の圧電体層と、第1の中間層と、第2の圧電体層との積層構造であるため、圧電機能層全体の発電量についても、膜厚が大きいほど大きくなると考えられる。このことから、例えば、上記圧電機能層が3μm以上の厚みであれば、圧電機能層全体として十分な発電量を得ることができる。
窒化アルミニウム(AlN)を含む圧電体層の発電量は、一般に、膜厚が大きいほど大きくなることが知られている。上述のように、圧電機能層は、第1の圧電体層と、第1の中間層と、第2の圧電体層との積層構造であるため、圧電機能層全体の発電量についても、膜厚が大きいほど大きくなると考えられる。このことから、例えば、上記圧電機能層が3μm以上の厚みであれば、圧電機能層全体として十分な発電量を得ることができる。
上記第1の中間層は、電気的に浮遊していてもよい。
このことによって、第1の電極層と第2の電極層とにのみ外部配線を接続するだけで圧電機能層全体で発生する発電量を得ることが可能となるので、外部回路の構成を簡素化することができる。
このことによって、第1の電極層と第2の電極層とにのみ外部配線を接続するだけで圧電機能層全体で発生する発電量を得ることが可能となるので、外部回路の構成を簡素化することができる。
上記圧電機能層は、
上記第2の圧電体層上に形成され、金属材料からなる第2の中間層と、
上記第2の中間層上に形成され、窒化アルミニウム粒子が堆積することで形成される第3の圧電体層とをさらに有してもよい。
このことによって、圧電機能層は、圧電体層と中間層とが交互に積層された構造とすることができる。すなわち、1層の圧電体層を所定の厚みとし、中間層を挟んでそれらを複数層積層させることによって、圧電機能層全体の膜厚を大きくし、発電量をさらに向上させることが可能となる。
上記第2の圧電体層上に形成され、金属材料からなる第2の中間層と、
上記第2の中間層上に形成され、窒化アルミニウム粒子が堆積することで形成される第3の圧電体層とをさらに有してもよい。
このことによって、圧電機能層は、圧電体層と中間層とが交互に積層された構造とすることができる。すなわち、1層の圧電体層を所定の厚みとし、中間層を挟んでそれらを複数層積層させることによって、圧電機能層全体の膜厚を大きくし、発電量をさらに向上させることが可能となる。
本発明の一実施形態に係る圧電素子の製造方法は、基材上に第1の電極層を形成する工程を含む。
上記第1の電極層上に、スパッタ法によって窒化アルミニウム粒子を堆積させることで第1の圧電体層が形成される。
上記第1の圧電体層上に、金属材料からなる第1の中間層が形成される。
上記第1の中間層上に、スパッタ法によって窒化アルミニウム粒子を堆積させることで第2の圧電体層が形成される。
上記第2の圧電体層上に、第2の電極層が形成される。
上記第1の電極層上に、スパッタ法によって窒化アルミニウム粒子を堆積させることで第1の圧電体層が形成される。
上記第1の圧電体層上に、金属材料からなる第1の中間層が形成される。
上記第1の中間層上に、スパッタ法によって窒化アルミニウム粒子を堆積させることで第2の圧電体層が形成される。
上記第2の圧電体層上に、第2の電極層が形成される。
上述のように、スパッタ法によってAlN粒子を堆積させる場合には、大きな内部応力が発生し、所定の厚み以上に形成されるとクラックが発生する。一方、上記圧電素子の製造方法によれば、第1の圧電体層をクラックが発生しない所定の厚みで形成し、その上に第1の中間層を挟んで、さらに第2の圧電体層を所定の厚みで積層することができる。これによって、各圧電体層にクラックを発生させずに、圧電素子における発電量を容易に向上させることが可能となる。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
<第1の実施形態>
[圧電素子の構成]
図1、図2は、本発明の第1の実施形態に係る圧電素子の構成を示す概略断面図であり、図1では、特に本実施形態に係る圧電素子の要部の構成を示している。圧電素子1は、基材3と、下部電極層(第1の電極層)5と、第1の圧電体層61と、第1の中間層71と、第2の圧電体層62と、上部電極層(第2の電極層)8とを具備し、これらが積層された構造を有する。圧電素子1は、第1の圧電体層61と、第2の圧電体層62とが外力等によって変位し、分極することで、下部電極層5と上部電極層8とから電力を得ることが可能な発電素子として用いられる。
[圧電素子の構成]
図1、図2は、本発明の第1の実施形態に係る圧電素子の構成を示す概略断面図であり、図1では、特に本実施形態に係る圧電素子の要部の構成を示している。圧電素子1は、基材3と、下部電極層(第1の電極層)5と、第1の圧電体層61と、第1の中間層71と、第2の圧電体層62と、上部電極層(第2の電極層)8とを具備し、これらが積層された構造を有する。圧電素子1は、第1の圧電体層61と、第2の圧電体層62とが外力等によって変位し、分極することで、下部電極層5と上部電極層8とから電力を得ることが可能な発電素子として用いられる。
基材3は、図2を参照し、第1の端部31と、第1の端部31とは反対側に形成される第2の端部32とを有し、第1の端部31と第2の端部32との間で下部電極層5及びその上に形成される積層構造を支持することが可能に構成される。基材3としては、例えば円形状または矩形状等のシリコン基板等が採用される。第1の端部31は、圧電素子1とは別部材で構成される固定部Fに固定される固定端として構成され、一方、第2の端部32は固定されず、変位することが可能な自由端として構成される。すなわち、本実施形態において、圧電素子1は、カンチレバー(片持ち梁)構造を有する。
下地層4は、基材3の上に形成される。下地層4は、本実施形態において窒化アルミニウム(AlN)からなり、厚みは例えば約10〜50nmである。下地層4は、基材3と後述する下部電極層5との間に配置され、下部電極層5のモリブデン(Mo)の結晶配向性を高めるために形成される。
下部電極層5は、下地層4上に形成される。下部電極層5は、本実施形態においてMoで形成され、厚みは例えば約50nmである。Moを下部電極層5として用いることによって、下部電極層5上に積層される第1の圧電体層61の結晶配向性が良好となる。
圧電機能層10は、第1の圧電体層61と、第1の中間層71と、第2の圧電体層62とを有する。第1の中間層71は、第1の圧電体層61と第2の圧電体層62とからなる圧電体層6を分割するように、これらの間に配置される。また、圧電機能層10の厚みは、3μm以上である。
第1の圧電体層61は、下部電極層5上に窒化アルミニウム(AlN)が堆積することで形成される。第1の圧電体層61を形成するAlNは、六方晶系のウルツ鉱型の結晶構造を有し、加えられる圧力に応じて分極することが可能な圧電特性を有する。本実施形態において、第1の圧電体層61は、下部電極層5を構成するMoによって良好な結晶配向性を有し、優れた圧電特性を有する。第1の圧電体層61の厚みは、例えば約1.5μmである。
第1の中間層71は、第1の圧電体層61上に形成される。第1の中間層71は、金属材料を用いることができ、本実施形態においてMoで形成される。第1の中間層71を金属材料で形成することによって、圧電機能層10が適度な弾性を有するとともに、圧電機能層10の変形特性を損なうことなく、所期の圧電特性を確保することができる。第1の中間層71をMoで形成することによって、上述のように、積層される第2の圧電体層62の結晶配向性を高めることができる。厚みは特に制限されず、例えば約50nmである。
また、第1の中間層71は、下部電極層5と同様のMoから形成されるが、本実施形態において電気的に浮遊しており、電極等としては機能しない。このことによって、下部電極層5と上部電極層8とにのみ外部配線を接続するだけで圧電機能層10全体で発生する発電量を得ることが可能となり、外部回路の構成を簡素化することができる。
第2の圧電体層62は、第1の圧電体層61と同様の構成を有する。すなわち、第1の中間層71上にAlNが堆積することで形成され、厚みは例えば約1.5μmである。また本実施形態において、第2の圧電体層62は、第1の中間層71を構成するMoによって良好な結晶配向性を有し、第1の圧電体層61と同様に優れた圧電特性を有する。
上部電極層8は、第2の圧電体層62上に形成され、下部電極層5及び第1の中間層71と同様にMoで形成される。上部電極層8の厚みは特に制限されず、例えば約50nmである。また、本実施形態において上部電極層8は厚みが均一な層で形成され、パターン加工されることも可能である。
次に、以上のような構成の圧電素子1の製造方法について説明する。
[圧電素子の製造方法]
圧電素子1の製造方法は、以下の工程を有する。すなわち、(1)下部電極層の形成工程、(2)第1の圧電体層の形成工程、(3)第1の中間層の形成工程、(4)第2の圧電体層の形成工程、(5)上部電極層の形成工程、である。以下、各工程について説明する。
(下部電極層の形成工程)
まず、基材3上に、下地層4が、例えば約10〜50nmの厚みで形成される。下地層4は、後述する第1の圧電体層61及び第2の圧電体層62と同様のスパッタ法等を用いて形成することができる。
まず、基材3上に、下地層4が、例えば約10〜50nmの厚みで形成される。下地層4は、後述する第1の圧電体層61及び第2の圧電体層62と同様のスパッタ法等を用いて形成することができる。
下地層4上には、Moからなる下部電極層5が、例えば真空蒸着法、スパッタ法等を用いて形成される。下部電極層5の成膜条件等は特に限られない。下部電極層5の厚みも特に限定されず、本実施形態においては約50nmに形成される。なお、下部電極層5は、所期の形状にパターン加工されてもよい。
次に、下地層4上に第1の圧電体層61を形成する。
(第1の圧電体層の形成工程)
第1の圧電体層61は、例えば、スパッタ法によって形成することが可能である。本実施形態においては、反応性スパッタ法を採用し、例えば、アルミニウム(Al)ターゲットが配置された真空チャンバ内で、ArとN2の混合ガスを導入することにより行われる。成膜条件は特に限定されず、例えば圧力は0.20Pa、ターゲットに印加されるpulse-DCのパワーは6kW、基板に印加されるRF電源のバイアスパワーは30−50W、基材3を加熱する温度は300℃とすることができる。
第1の圧電体層61は、例えば、スパッタ法によって形成することが可能である。本実施形態においては、反応性スパッタ法を採用し、例えば、アルミニウム(Al)ターゲットが配置された真空チャンバ内で、ArとN2の混合ガスを導入することにより行われる。成膜条件は特に限定されず、例えば圧力は0.20Pa、ターゲットに印加されるpulse-DCのパワーは6kW、基板に印加されるRF電源のバイアスパワーは30−50W、基材3を加熱する温度は300℃とすることができる。
上記条件の下、所定時間成膜を行うことにより、約1.5μmの厚みの第1の圧電体層61が形成される。そして、第1の圧電体層61上に第1の中間層71が形成される。
(第1の中間層の形成工程)
第1の中間層71は、下部電極層5と同様の方法で形成することができる。すなわち、真空蒸着法、スパッタ法等を用いて、約50nmの厚みで形成される。さらに、第1の中間層71の上に第2の圧電体層62が形成される。
第1の中間層71は、下部電極層5と同様の方法で形成することができる。すなわち、真空蒸着法、スパッタ法等を用いて、約50nmの厚みで形成される。さらに、第1の中間層71の上に第2の圧電体層62が形成される。
(第2の圧電体層の形成工程)
第2の圧電体層62は、第1の圧電体層61と同様の方法で形成することができる。すなわち、本実施形態において反応性スパッタ法を採用し、約1.5μmの厚みに形成される。
第2の圧電体層62は、第1の圧電体層61と同様の方法で形成することができる。すなわち、本実施形態において反応性スパッタ法を採用し、約1.5μmの厚みに形成される。
そして、第2の圧電体層62上に上部電極層8を形成する。
(上部電極層の形成工程)
上部電極層8は、例えばMoからなり、例えば真空蒸着法、スパッタ法等を用いて、第2の圧電体層62上に約50nmの厚みで形成される。上部電極層8の成膜条件等は特に限られず、例えば下部電極層5と同様の成膜方法及び条件で形成することができる。
上部電極層8は、例えばMoからなり、例えば真空蒸着法、スパッタ法等を用いて、第2の圧電体層62上に約50nmの厚みで形成される。上部電極層8の成膜条件等は特に限られず、例えば下部電極層5と同様の成膜方法及び条件で形成することができる。
以上の各工程によって、圧電素子1が作製される。なお、比較的大型の円形状または矩形状の基材3を用いた場合には、上記各工程の後、個々の素子領域に分離する工程を行うことも可能である。
さらに、圧電素子1は、別部材からなる固定部Fに基材3の第1の端部31を取り付けることにより、カンチレバー構造の圧電素子とすることができる。すなわち、基材3の第1の端部31は固定部Fに固定され、一方の第2の端部32は固定されず、変位することが可能に構成される。例えば、基材3に図2の矢印方向からの外力を加えることによって、第2の端部32が変位し、第1の圧電体層61と第2の圧電体層62とに歪み等を生じさせる。このことによって、圧電体層6を分極させ、電力を発生させることが可能となる。
ところで、カンチレバー構造の圧電素子における発電量については、一般に、以下の計算式が用いられている。
Pmax=(mYδ 2WS 3Q)/{4(1+1/K4Q2)}・・・(1)
Pmax=(mYδ 2WS 3Q)/{4(1+1/K4Q2)}・・・(1)
上記(1)式において、Pmaxは最大発電量、mは圧電体の質量、Yδは入力変位、WSは固有角振動数(AlNでは7kHz)、Kは電気機械結合係数((|e31|)2/εr(10.5))、QはQ値(1/tanδ)、である。このうち、WS及びQの値は圧電体層の材料によって定まり、Kの値は圧電体層の圧電特性、電気特性等の膜質によって定まる。また、mは、圧電体層の密度と体積とを乗じた値となるため、圧電体層を均一な厚みを持つとした場合には、その厚みに比例する。したがって、(1)式より、カンチレバー型の圧電素子において、同種の材料でかつ同様の膜質からなる圧電体層を有する場合に、一定の変位を加えて得られる最大発電量は、当該圧電体層の厚みにほぼ比例する。
図3は、本実施形態に係る圧電体層と同様の膜質のAlNからなる圧電体層について、(1)式から算出される圧電体層の厚みと発電量との関係を示すグラフであり、横軸は圧電体層の厚みを示し、縦軸は発電量を示している。図3からも、圧電体層における発電量が、圧電体層の厚みに比例することが確認される。また、本実施形態において、第1の圧電体層61と第2の圧電体層62との膜厚は、それぞれ約1.5μmであるから、各々約60μWの発電量を有する。
一方、圧電機能層10は、第1の圧電体層61と第2の圧電体層62との間に、第1の中間層71が形成される。第1の中間層71は、第1の圧電体層と第2の圧電体層とにおける分極の妨げとはならないため、圧電機能層10は、第1の圧電体層61と第2の圧電体層62との合計の厚み分の発電量を得られる。このことから、図3より、本実施形態に係る圧電機能層10は、約3μmの厚みに対応する約120μWの発電量を得ることができる。
一方、スパッタ法等によって約3μmの厚みに形成したAlNからなる圧電体層は、成膜時にクラック等が生じやすい。そこで、本実施形態の実施例に係る圧電素子と、3μmの厚みのAlNからなる圧電体層を有する圧電素子(以下、比較例とする)とを作製し、それぞれの圧電体層の成膜時における内部応力の測定と、圧電体層表面の観察とを行った。
まず、実施例及び比較例の構成について説明する。いずれも、50nmの厚みのAlNからなる下地層と、50nmの厚みのMoからなる下部電極層とが形成された8インチ径のシリコン基板(半径約100mm)(基材)を用意し、その上にAlNからなる圧電体層を形成した。
圧電体層の形成には、反応性スパッタ法を用い、さらに具体的には30kHzの直流電源を用いた平板マグネトロンスパッタ法を採用した。成膜条件については、ターゲットはアルミニウム(Al)、ターゲットに印加されるpulse-DCのパワーは6kW、基板に印加されるRF電源のバイアスパワーは30〜50W、導入ガスはArとN2の混合ガス、圧力は0.20Pa、基材を加熱する温度は300℃とした。
実施例に係る圧電体層は、それぞれ約1.5μmの厚みを有する第1の圧電体層と第2の圧電体層とを有しており、これらの間には、約50nmの厚みのMoからなる第1の中間層が形成されている。一方、比較例に係る圧電体層は、約3μmの厚みを有する。すなわち、圧電体層の合計の厚みは、実施例及び比較例のいずれも3μmとなる。
図4は、本実施形態に係る実施例と、比較例とについて、それぞれ圧電体層の内部応力を測定した結果を示したグラフであり、縦軸は、圧電体層内の内部応力(引っ張り応力)を示す。内部応力の測定には、薄膜表面をスキャニングして反り量を検出し、間接的に薄膜の内部応力を測定することが可能な、薄膜応力測定装置を用いた。
図4より、実施例に係る圧電体層の内部応力は面内引張り方向へ49MPaなのに対し、比較例では面内引張り方向へ431MPaであり、比較例は実施例のおよそ10倍の内部応力を有することが確認された。
図5は、実施例の第2の圧電体層の表面を光学顕微鏡によって観察した結果を示した写真であり、図6は、比較例の圧電体層の表面を光学顕微鏡によって観察した結果を示した写真である。また、図5、図6のいずれにおいても、(A)は圧電体層表面の中央部の結果を示し、(B)は周縁部の結果を示す。なお、図5、図6における顕微鏡写真の拡大倍率は、いずれも300倍である。
図5より、実施例に係る圧電体層の表面には、中央部にも周縁部にもクラック等の発生はなかった。一方、図6より、比較例に係る圧電体層には、中央部にも、周縁部にもクラックの発生が見られ、特に、図6(A)に示す中央部には、図6(B)に示す周縁部よりも多くのクラックが発生する様子が示された。
図4及び図6の結果から、比較例に係る圧電体層は、内部に非常に大きな引っ張り応力を有し、それによって、圧電体層の中央部を中心にクラックが発生した。このことは、AlNの結晶構造内における分子間力等により、膜の厚みが厚くなるにしたがって内部に大きな引っ張り応力が発生したためと考えられる。つまり、比較例においては、クラックの発生による応力緩和が生じていることを鑑みると、実質的に実施例の10倍以上の応力が発生していることが考えられる。
一方、図4及び図5の結果から、本実施形態の実施例に係る第1の圧電体層及び第2の圧電体層は、内部応力は小さく、クラックは発生しないことが示された。
以上の結果から、本実施形態に係る圧電素子1の製造方法においては、クラックを発生させることなく、圧電機能層10を3μm以上に形成できることが確認された。さらに、本実施形態に係る圧電素子1は、圧電体層を3μm以上の厚みで形成した場合と同等の発電量を得ることが可能である。このことから、圧電素子1によれば、スパッタ法を用いてAlNからなる圧電体層6を形成する場合であっても、膜厚の制限を受けることなく所望の発電量を得ることが可能となる。
また、第1の中間層71は金属材料で形成されるため、適度な弾性を有するとともに、第1の圧電体層61と第2の圧電体層62との間における電荷の移動を許容する。したがって圧電素子1によれば、外力に応じた圧電機能層10の変形特性を損なうことなく、所期の圧電特性を確保することができる。
さらに、圧電素子1は、カンチレバー型の構造を有するため、基材3等に加えられた外力が圧電機能層10へ効率よく伝播される。このことから、圧電素子1の発電効率をより高めることができる。
<第2の実施形態>
図7は、本発明の第2の実施形態に係る圧電素子2の要部の構成を示す概略断面図である。なお、図において第1の実施形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略するものとする。
図7は、本発明の第2の実施形態に係る圧電素子2の要部の構成を示す概略断面図である。なお、図において第1の実施形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略するものとする。
本実施形態に係る圧電素子2において圧電素子1と異なる点は、圧電機能層20が、第2の圧電体層62上に形成される第2の中間層72と、第2の中間層72上に形成される第3の圧電体層63とをさらに具備する点である。
第2の中間層72は、金属材料で形成され、本実施形態においてMoからなる。また、第1の中間層71と同様のスパッタ法等を用いて、約50nmの厚みで形成される。
第3の圧電体層63は、第1の圧電体層61、第2の圧電体層62と同様の方法で形成される。例えば、反応性スパッタ法を採用し、窒化アルミニウム粒子が堆積することで、約1.5μmの厚みに形成される。すなわち、第1〜第3の圧電体層61〜63における厚みはそれぞれ約1.5μmである。
以上のような構成の圧電素子2は、クラックを発生させることなく、圧電機能層20全体として発電量を向上させることが可能である。具体的には、圧電機能層20は、約4.5μmの厚みの圧電体層と同等の発電量を発生させる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
以上の実施形態において、圧電機能層が、圧電体層と中間層とを交互に3層または5層積層された構造であると説明したが、これに限られない。例えば、さらに中間層、圧電体層を交互に積層させ、圧電機能層を7層以上の積層構造とすることも可能である。このような構造の圧電素子であっても、クラックを発生させることなく、より大きな発電量を得ることが可能となる。
以上の実施形態において、各電極層5及び中間層とがMoで形成されると説明したが、これに限らない。例えば、それぞれ白金(Pt)で形成することも、その他の金属材料で形成することも可能である。
以上の実施形態では、圧電素子1は、基材3の一方の面のみに積層構造を有する、いわゆるモノモルフ構造として説明したが、これに限られない。例えば、基材3の両面に積層構造を有する、いわゆるバイモルフ構造とすることも可能である。
以上の実施形態では、圧電素子1が片持ち梁構造の圧電素子であると説明したが、これに限られない。例えば、基材における第1の端部と第2の端部とがともに固定され、基材の中央部を変位させる構造とすることも可能である。
以上の実施形態に係る圧電素子1は、小型でかつ発電効率の高い発電装置としての応用が可能である。圧電素子1を用いた発電装置は、例えば、発電床や、小型化が要求されるモバイル機器等の電力供給源等として応用することができる。なお、発電床は、建物の床等に敷設され、人がその上を歩行すること等により歪みが生じて電荷を発生する装置であり、人通りの多い駅や商業施設等における新たな電力供給源として期待される。
1,2・・・圧電素子
3・・・基材
4・・・下地層
5・・・下部電極層(第1の電極層)
6,60・・・圧電体層
61・・・第1の圧電体層
62・・・第2の圧電体層
63・・・第3の圧電体層
71・・・第1の中間層
72・・・第2の中間層
10,20・・・圧電機能層
8・・・上部電極層(第2の電極層)
F・・・固定部
3・・・基材
4・・・下地層
5・・・下部電極層(第1の電極層)
6,60・・・圧電体層
61・・・第1の圧電体層
62・・・第2の圧電体層
63・・・第3の圧電体層
71・・・第1の中間層
72・・・第2の中間層
10,20・・・圧電機能層
8・・・上部電極層(第2の電極層)
F・・・固定部
Claims (9)
- 第1の電極層と、
前記第1の電極層に対向する第2の電極層と、
前記第1の電極層上に窒化アルミニウム粒子が堆積することで形成される第1の圧電体層と、前記第1の圧電体層上に形成され金属材料からなる第1の中間層と、前記第1の中間層上に形成され窒化アルミニウム粒子が堆積することで形成される第2の圧電体層とを有し、前記第1の電極層と前記第2の電極層との間に配置される圧電機能層と
を具備する圧電素子。 - 請求項1に記載の圧電素子であって、
前記金属材料は、モリブデンである
圧電素子。 - 請求項1または2に記載の圧電素子であって、
前記第1の電極層は、モリブデンで形成される
圧電素子。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載の圧電素子であって、
前記圧電素子は、固定部に固定されることが可能な第1の端部と、変位することが可能な第2の端部とを有し、前記第1の端部と前記第2の端部との間で前記第1の電極層を支持する基材をさらに具備する
圧電素子。 - 請求項4に記載の圧電素子であって、
前記圧電素子は、前記基材と前記第1の電極層との間に配置され、窒化アルミニウムからなる下地層をさらに具備する
圧電素子。 - 請求項1〜5のいずれか1項に記載の圧電素子であって、
前記圧電機能層は、3μm以上の厚みを有する
圧電素子。 - 請求項1〜6のいずれか1項に記載の圧電素子であって、
前記第1の中間層は、電気的に浮遊している
圧電素子。 - 請求項1〜7のいずれか1項に記載の圧電素子であって、
前記圧電機能層は、
前記第2の圧電体層上に形成され、金属材料からなる第2の中間層と、
前記第2の中間層上に形成され、窒化アルミニウム粒子が堆積することで形成される第3の圧電体層とをさらに有する
圧電素子。 - 基材上に第1の電極層を形成し、
前記第1の電極層上に、スパッタ法によって窒化アルミニウム粒子を堆積させることで第1の圧電体層を形成し、
前記第1の圧電体層上に、金属材料からなる第1の中間層を形成し、
前記第1の中間層上に、スパッタ法によって窒化アルミニウム粒子を堆積させることで第2の圧電体層を形成し、
前記第2の圧電体層上に、第2の電極層を形成する
圧電素子の製造方法。
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