JP3705089B2 - 薄膜圧電素子 - Google Patents
薄膜圧電素子 Download PDFInfo
- Publication number
- JP3705089B2 JP3705089B2 JP2000222269A JP2000222269A JP3705089B2 JP 3705089 B2 JP3705089 B2 JP 3705089B2 JP 2000222269 A JP2000222269 A JP 2000222269A JP 2000222269 A JP2000222269 A JP 2000222269A JP 3705089 B2 JP3705089 B2 JP 3705089B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- thin film
- piezoelectric
- piezoelectric thin
- substrate
- piezoelectric element
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電薄膜材料を用いる圧電素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
一般に圧電体は、種々の目的に応じて様々な圧電素子に加工され、特に電圧を加えて変形を生じさせるアクチュエータや、逆に素子の変形から電圧を発生するセンサなどの機能性電子部品として、広く利用されている。アクチュエータやセンサの用途に利用されている圧電体として、大きな圧電特性を有する鉛系の誘電体、特にPZTと呼ばれるPb(Zr1-xTix)O3系のペロブスカイト型強誘電体がこれまで広く用いられており、通常個々の元素からなる酸化物を焼結することにより形成される。
【0003】
現在、各種電子部品の小型化、高性能化が進むにつれ、圧電素子においても小型化、高性能化が強く求められるようになった。しかし、従来の焼結法を中心とした製造方法により作製した圧電材料は、その厚みを薄くするに連れて、特に厚みが10μm程度の厚さに近づくに連れて、材料を構成する結晶粒の大きさに近づき、その影響が無視できなくなり、特性のばらつきや劣化が顕著になるといった問題点が発生した。それを回避するために、焼結法に変わる薄膜技術等を応用した圧電体の形成法が近年研究されている。
【0004】
これまでに、圧電性を有する薄膜(すなわち圧電薄膜)の形成法としては、圧電体を構成する物質を蒸発、気化させ基板上に堆積させる気相成長法、一般にrfスパッタ法やMOCVD法などが検討されている。
【0005】
しかし、これらの手法を用いて形成した圧電薄膜においても、結晶粒界および結晶配向性の問題から、バルク材料といわれる焼結形成した圧電体の圧電特性と比較して特性のばらつきが大きく、センサやアクチュエータなどの実用に十分な圧電特性を得るまでには未だ至っていない。
【0006】
特に、圧電薄膜を用いたマイクロアクチュエータおよびマイクロセンサを実現するために、バイモルフもしくはユニモルフ構造の圧電素子を形成することがその応用の一つとして考えられるが、その際、圧電特性として圧電定数d31の値が重要である。マイクロ素子として実用化するためには、圧電薄膜として圧電定数d31がバルク材料なみの-100pC/V以上の値を有することが求められている。
【0007】
また、量産性を考慮した場合、圧電薄膜をそれ以外の素子作製プロセスと両立可能な基板を使用する必要があり、高い圧電性の実現と合わせた圧電薄膜の材料開発および製造技術の開発が求められている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、スパッタ法もしくはCVD法などの薄膜形成法を用いてバルク材料と同様の結晶構造および微細構造の圧電薄膜を形成した場合、前述した結晶粒界の影響および結晶配向性の問題から特性のばらつきが大きく、また圧電特性も通常バルク材料の半分以下程度しか得られなかった。この現象は、特に膜厚が10μm以下の薄い薄膜の場合顕著に見られた。
【0009】
圧電薄膜をマイクロアクチュエータもしくはマイクロセンサとして使用する場合、高い圧電特性を実現し、さらに特性のばらつきも低減させる必要がある。通常、圧電薄膜の特性は、薄膜材料の組成構造、およびその結晶構造に大きく依存する。圧電薄膜をアクチュエータやセンサ等の圧電素子として応用する場合、圧電薄膜の微細構造を制御することで、高い圧電特性がばらつきなく得られるようにする技術が必要である。
【0010】
本発明は上記の課題を解決するもので、圧電薄膜材料の微視的結晶構造を最適化することによって、薄膜においても圧電特性のばらつきを抑え、良好な圧電特性を有する圧電薄膜を実現し、実用に耐えうる薄膜圧電素子を提供することを目的とする。
【0011】
また、そのために圧電薄膜の材料組成を最適化し、膜厚方向の組成を変調させることにより、圧電薄膜の微細構造制御が安定に行える手法を開発した。これにより高い圧電特性を有する圧電薄膜を製造条件に大きく左右されることなく製造することができ、マイクロアクチュエータもしくはマイクロセンサとして実用可能な薄膜圧電素子を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる薄膜圧電素子は、基板上に下部電極を形成し、この下部電極上に鉛を含有する圧電薄膜を形成し、この圧電薄膜の上に更に上部電極を配した構造を有しており、圧電薄膜を構成する結晶粒の過半数の結晶粒が、平面方向よりも断面方向に長い結晶粒から構成される柱状構造を有し、かつ圧電薄膜の構成元素の組成が、膜厚方向に連続的もしくは段階的に変化していることを特徴とする薄膜圧電素子である。
【0013】
さらに、圧電薄膜を形成する基板が、シリコン、酸化マグネシウム、アルミナ、酸化ジルコニウムのうち少なくとも一つを主成分とし、更に圧電薄膜を構成する結晶粒について、圧電薄膜の基板に対して平面方向の平均結晶粒径が0.5μm以下であり、加えて圧電薄膜の厚みが8μm以下である薄膜圧電素子であることが好ましい。
【0014】
さらに、基板上に形成した鉛を含有する圧電薄膜の組成において、構成元素としてチタンおよびジルコニウムを含み、かつ表面に近い部分の圧電薄膜のZr/(Zr+Ti)組成比が基板界面に近い部分のZr/(Zr+Ti)組成比よりも10%以上少ないとなお良い。
【0015】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態における圧電素子の構成について、図面を参照しながら説明する。
【0016】
図1に本発明にかかる薄膜圧電素子の一実施例を示す。圧電薄膜1は、組成がPb(Zr1-xTix)O3(0≦x≦1)(以後PZTと呼ぶ)の組成を有し、膜厚が3μmである。まず、これを連続したダイヤフラム構造(太鼓状の構造)を有するシリコン基板6上に形成した。
【0017】
ここで、圧電薄膜1は、形成した圧電薄膜1とほぼ同じ組成を有する焼結体ターゲットを真空槽内に設置し、ターゲット上で酸化雰囲気のガス中でプラズマを発生させて、加熱した基板上に蒸着させるスパッタ法により形成した。
【0018】
使用した基板は、長さ500μm、幅50μmの多数の溝をあらかじめ形成したものであり、その一方の表面を厚み5μmのCrからなる振動層2で覆い、その上に更に厚み0.2μmのPt下部電極層3を形成したものである。
【0019】
圧電薄膜1の上部には、各ダイヤフラムに対応する箇所にダイヤフラムと同じ形状の厚み0.2μmのPt上部電極4を形成した。
【0020】
図1は、形成した圧電薄膜素子の一部を切り出し、断面を見た斜視図である。この素子の上下電極間に電圧を印加することによりアクチュエータ動作する。その際、上下電極間に1kHzのサイン波を印加し、ダイヤフラム上の圧電薄膜1の上下振動を計測し、圧電特性の評価を行った。
【0021】
スパッタ法を用い、組成の異なるいくつかのターゲットを真空槽内に設置し、各ターゲットに印加する電力の割合を適切に制御することによって、圧電薄膜1の組成を膜厚方向に変化させることができた。この構成は、圧電薄膜1の結晶構造を大きく変化させた。形成した圧電薄膜1の断面構造は、電子顕微鏡で観察すると、多くの結晶粒からなる多結晶構造を有していたが、基板に対して水平方向の結晶粒の長さ(A)と垂直方向の結晶粒の長さ(B)が異なっていた。
【0022】
ここで、図2に、形成した薄膜圧電素子の1素子分について、圧電薄膜1の箇所における断面の微細結晶構造を電子顕微鏡で観察した図を示す。図2は垂直方向の結晶粒の長さ(B)が水平方向の結晶粒の長さ(A)よりも長い微細結晶構造から構成された圧電薄膜1の微細結晶構造である。
【0023】
そこで、結晶粒の構造について、特にB/Aの比と圧電特性との依存性を測定した。表1に、図1の薄膜圧電素子の振動特性を圧電薄膜の結晶流の縦横比B/Aで示す。
【0024】
【表1】
【0025】
表1において、圧電薄膜1の上部電極に0〜-10Vのサイン波を印加し、振動量が最大となるダイヤフラムの中央で計測した値で規定した場合の、20素子以上の測定値の平均を振動量とした。振動量は圧電薄膜の圧電特性を反映し、振動量が大きいほど圧電薄膜の特性はよい。
【0026】
また、粒径の縦横比(B/A)は、電子顕微鏡観察で得られた断面の結晶構造の視野内に見られた20以上の結晶についての平均とした。
【0027】
表1より、結晶粒の縦横比(B/A)が大きくなるに連れて徐々に圧電振動が大きくなり、B/Aが1を越えるあたりからほぼ飽和した振動特性が示された。この振動特性は、圧電薄膜1の圧電定数d31に起因する振動である。この結果より、縦横比B/Aが1以上(つまり柱状構造の結晶粒で構成された)圧電薄膜を用いた方が良好な圧電特性が得られることを見出した。
【0028】
圧電特性が向上した原因として、粒径が横方向に長い場合、ダイヤフラムの振動に必要な圧電特性d31が、面内の応力等により制限されるに対して、横の長さが短い所謂柱状構造では、断面方向に印加された電圧に対し、平面方向への圧電薄膜1の伸縮が面内応力に制限されることなく良好な圧電振動を発生させることができたためと考えられる。
【0029】
この圧電薄膜1を用いることにより、薄膜材料においても特性の良いマイクロアクチュエータもしくはマイクロセンサなどの薄膜圧電素子を実現することができた。
【0030】
また、結晶粒の縦横比(B/A)が1以上の値の圧電薄膜1を用いることによって、実用上十分な圧電特性を有する薄膜圧電素子を得ることができた。
【0031】
圧電薄膜1を形成する基板として、シリコンの他、アルミナ、酸化ジルコニウムなどを用いても同様なダイヤフラム構造が得られた。これらの基板においてもシリコン基板と同様の傾向が確認できた。
【0032】
さらに、これらの基板上に形成した圧電薄膜1の振動特性について、各ダイヤフラム上の振動特性のばらつきを調べた。表2に、図1の薄膜圧電素子の振動特性のばらつきを圧電薄膜の結晶粒の縦横比で示した。
【0033】
【表2】
【0034】
ここで、結晶粒の粒径とは、電子顕微鏡観察で得られた断面の結晶構造において、視野内に見られた20以上の結晶についての平面方向の粒径(A)の平均値である。また、振動量のばらつきとは、20素子以上の振動量について、その標準偏差(σ)を振動量の平均(Ha)で割った値(σ/Ha)である。
【0035】
表2に示されるように、結晶粒径が大きい場合、ばらつきの値も10%以上の大きな値であった。しかし、粒径が減少するに連れてばらつきも減少し、特に粒径が0.5μm以下の場合では、ばらつきも5%以下の低い水準となり、薄膜圧電素子の特性安定化を実現することができた。圧電薄膜1の膜厚が8μm以下の場合においてのみ、粒径を0.5μm以下とすることができ、それ以上の膜厚では粒径が大きくなり、結晶粒の制御はできなかった。
【0036】
粒径が0.5μm以下の場合にばらつきが改善された原因として、圧電薄膜を用いた圧電素子の場合、通常の圧電体よりも厚みが薄いため結晶粒の構造を大きく反映することになるためと考えられる。
【0037】
この結晶粒の大きさは圧電薄膜の組成を膜厚方向に変化させることや、スパッタ法等の成膜条件を最適化させることで制御することができ、これらの条件を最適化し、結晶粒径を0.5μm以下とする事によって高い圧電特性を示し、かつ素子間のばらつきの少ない薄膜圧電素子が実現できた。
【0038】
更に、圧電薄膜1としてPZTを用いた場合、ZrとTiとの組成比が圧電特性に大きく影響し、かつ圧電薄膜1の結晶性にも影響を与えることが明らかとなった。前述の通り、圧電薄膜1の圧電特性およびその安定性は、圧電薄膜1の微細結晶構造と大きな関係があるが、この結晶構造は、基板との界面付近で大きく影響することがわかった。
【0039】
そこで、PZTを用いて基板界面付近と表面付近との組成が異なる圧電薄膜1を形成し、その圧電特性を調べた。図3に、形成した薄膜圧電素子の圧電薄膜1の断面構造を示す。圧電薄膜1はZr/(Zr+Ti)組成比の小さい圧電層5と、Zr/(Zr+Ti)組成比の大きい圧電層6とから構成されている。
【0040】
この多層構造の圧電薄膜1の振動特性を調べた結果、Zr/(Zr+Ti)組成比が、基板界面側よりも圧電薄膜1の表面側で大きいほど安定な圧電振動が得られ、特に圧電薄膜1の表面側のZr/(Zr+Ti)組成比が基板界面側より10%以上大きい場合に、安定かつ良好な圧電振動が得られた。これは、Zrを少なくすることによって、圧電薄膜1が、良好な微細結晶構造を有した状態で成長しやすくなったことに起因すると考えられる。
【0041】
本実施形態における圧電薄膜の形成方法は、スパッタ法に限定されず、CVDやゾルゲル法などの成膜方法においても、組成が断面方向に異なる構成とする事によって、圧電薄膜の結晶構造を制御することができ、同様の効果が得られた。
【0042】
以上のように、圧電薄膜1の微細構造を最適化することによりそれを用いた薄膜圧電素子の圧電特性が向上し、かつばらつきの少ない安定な圧電特性を有する圧電素子を実現することができた。
【0043】
【発明の効果】
本発明によって、圧電薄膜材料の組成を膜圧方向に変調させることにより、十分な圧電特性を有し、小型で微細な薄膜圧電素子を提供できた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例における薄膜圧電素子の斜視図
【図2】本発明の一実施例における圧電薄膜の断面構造を示す図
【図3】本発明の一実施例における圧電薄膜の断面構造を示す図
【符号の説明】
1 圧電薄膜
2 振動層
3 下部電極
4 上部電極
5 Zr/(Zr+Ti)組成比の小さい圧電層
6 Zr/(Zr+Ti)組成比の大きい圧電層
Claims (2)
- 基板上に下部電極を形成し、該下部電極上に鉛とチタンとジルコニウムを含有する圧電薄膜を気相成長法により形成し、該圧電薄膜の上に更に上部電極を配した薄膜圧電素子において、
該圧電薄膜を構成する結晶粒の過半数が、平面方向よりも断面方向に長い結晶粒から構成される柱状構造を有し、
該圧電薄膜のZr/(Zr+Ti)組成比が基板界面部から表面部に向かって膜厚方向に連続的
もしくは段階的に増加することにより、表面部が基板界面部よりも10%以上大きいことを特徴とする薄膜圧電素子。 - 圧電薄膜を形成する基板が、シリコン、酸化マグネシウム、アルミナ、酸化ジルコニウムのうち少なくとも一つを主成分とし、該圧電薄膜を構成する結晶粒について、該圧電薄膜の基板に対する平面方向の平均結晶粒径が0.5μm以下であって、該圧電薄膜の厚みが8μm以下であることを特徴とする請求項1に記載の薄膜圧電素子。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000222269A JP3705089B2 (ja) | 2000-07-24 | 2000-07-24 | 薄膜圧電素子 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000222269A JP3705089B2 (ja) | 2000-07-24 | 2000-07-24 | 薄膜圧電素子 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2002043643A JP2002043643A (ja) | 2002-02-08 |
JP3705089B2 true JP3705089B2 (ja) | 2005-10-12 |
Family
ID=18716532
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2000222269A Expired - Fee Related JP3705089B2 (ja) | 2000-07-24 | 2000-07-24 | 薄膜圧電素子 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3705089B2 (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2028702A2 (en) | 2007-08-21 | 2009-02-25 | FUJIFILM Corporation | Piezoelectric device, and liquid discharge device using the piezoelectric device |
US8727505B2 (en) | 2011-06-30 | 2014-05-20 | Ricoh Company, Ltd. | Electromechanical transducer element, droplet discharge head, and droplet discharge device |
Families Citing this family (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4782413B2 (ja) * | 2004-12-24 | 2011-09-28 | 日本碍子株式会社 | 圧電/電歪体、圧電/電歪積層体、及び圧電/電歪膜型アクチュエータ |
JP4782412B2 (ja) * | 2004-12-24 | 2011-09-28 | 日本碍子株式会社 | 圧電/電歪体、圧電/電歪積層体、及び圧電/電歪膜型アクチュエータ |
JP5168443B2 (ja) * | 2006-08-08 | 2013-03-21 | セイコーエプソン株式会社 | 圧電素子、アクチュエータ装置、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 |
JP5152461B2 (ja) * | 2006-12-19 | 2013-02-27 | セイコーエプソン株式会社 | 圧電素子及びその製造方法並びに液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 |
JP2009071113A (ja) * | 2007-09-14 | 2009-04-02 | Fujifilm Corp | 圧電素子の駆動方法 |
JP5497405B2 (ja) * | 2009-11-02 | 2014-05-21 | 富士フイルム株式会社 | 圧電体膜とその成膜方法、圧電素子、液体吐出装置、及び圧電型超音波振動子 |
CN105375812A (zh) | 2014-08-13 | 2016-03-02 | 精工爱普生株式会社 | 压电驱动装置及其驱动方法、机器人及其驱动方法 |
JP7424113B2 (ja) | 2020-03-06 | 2024-01-30 | 株式会社リコー | 圧電体および液体吐出ヘッド |
-
2000
- 2000-07-24 JP JP2000222269A patent/JP3705089B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2028702A2 (en) | 2007-08-21 | 2009-02-25 | FUJIFILM Corporation | Piezoelectric device, and liquid discharge device using the piezoelectric device |
US8727505B2 (en) | 2011-06-30 | 2014-05-20 | Ricoh Company, Ltd. | Electromechanical transducer element, droplet discharge head, and droplet discharge device |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2002043643A (ja) | 2002-02-08 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7323806B2 (en) | Piezoelectric thin film element | |
US7901800B2 (en) | Piezoelectric element | |
JP4424332B2 (ja) | 圧電体薄膜素子の製造方法 | |
US20110175488A1 (en) | Piezoelectric thin film element and piezoelectric thin film device | |
JP2010238856A (ja) | 圧電体素子及びジャイロセンサ | |
WO2012160972A1 (ja) | 圧電素子用下部電極およびそれを備えた圧電素子 | |
JP3705089B2 (ja) | 薄膜圧電素子 | |
JP5056139B2 (ja) | 圧電薄膜素子 | |
US6900579B2 (en) | Thin film piezoelectric element | |
JP6196797B2 (ja) | 圧電体薄膜積層基板及び圧電体薄膜素子 | |
Uchino | Manufacturing methods for piezoelectric ceramic materials | |
JP2002043644A (ja) | 薄膜圧電素子 | |
JP2011109112A (ja) | 圧電体素子およびインクジェット式記録ヘッド | |
WO2012063642A1 (ja) | 強誘電体薄膜、強誘電体薄膜の製造方法、圧電体素子の製造方法 | |
JPH05270912A (ja) | 圧電/電歪膜型素子 | |
WO2017002341A1 (ja) | 積層薄膜構造体の製造方法、積層薄膜構造体及びそれを備えた圧電素子 | |
US8659214B2 (en) | Piezoelectric actuator including double PZT piezoelectric layers with different permitivities and its manufacturing method | |
JP2007116006A (ja) | 圧電体膜及びその製造方法、並びに圧電体膜を備えた液体吐出ヘッド | |
JP6973745B2 (ja) | Pzt薄膜積層体の製造方法 | |
WO2018042946A1 (ja) | 圧電体膜及びそれを備えた圧電素子 | |
JPH0597437A (ja) | 圧電/電歪膜型素子 | |
US10181557B2 (en) | Thin film piezoelectric element and manufacturing method thereof | |
JP7464360B2 (ja) | 圧電積層体、圧電素子および圧電積層体の製造方法 | |
WO2022070521A1 (ja) | 圧電膜付き基板及び圧電素子 | |
JP2006040999A (ja) | 圧電薄膜素子 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20040824 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20041020 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20050315 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20050422 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20050517 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20050606 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
RD01 | Notification of change of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7421 Effective date: 20050630 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20050705 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20050718 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080805 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090805 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090805 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100805 Year of fee payment: 5 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110805 Year of fee payment: 6 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110805 Year of fee payment: 6 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120805 Year of fee payment: 7 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130805 Year of fee payment: 8 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |