JP3755283B2 - Piezoelectric element and manufacturing method thereof, vibration sensor using piezoelectric element, piezoelectric actuator, optical scanner, strain sensor, piezoelectric vibration gyro - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電材料としてPZTを用いた歪みセンサや圧電アクチュエータ、ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ(DRAM)等の圧電素子に関する。また、その製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
圧電材料は、歪みを与えると電荷が生じ、電圧を加えると歪みが生じる物質であって、この性質(圧電性)を用いて歪みセンサや圧電アクチュエータ等が作製されている。また、最近では、この電圧−歪み特性をDRAM等へ応用する研究・開発も多数なされている。この圧電材料の性質を利用する場合には、低い電圧で大きな歪みが得られ、また小さな歪みで大きな発生電荷が得られることが必要であり、しかも、この性質が顕著なことが望ましい。そのためには、圧電定数の大きな材料を用いる必要がある。
【0003】
PZT[=Pb(ZrXTi1-X)O3;チタン酸ジルコン酸鉛]は、圧電材料のうちでも比較的研究・開発が活発で、よく知られた圧電材料であって、大きな圧電定数を有している。PZTは、Pb、Zr、TiとO(酸素)から構成される物質で、チタン酸鉛とジルコン酸鉛の固溶体である。
【0004】
従来においては、PZTの電圧−歪み特性を最大限に引き出すためには、組成が正方晶と菱面体晶の相境界(Morphotropic Phase Boundary;以下、MPBと記す)付近となる状態でPZTを焼結させ、ペロブスカイト構造の[111]方向に結晶配向させることが必要であるとされていた。すなわち、PZTは、図1に示すPb(ZrXTi1-X)O3系の相図から分かるように、室温では、ZrとTiの組成比によって正方晶と菱面体晶に結晶構造が分かれており、大きな圧電定数を得るためには、この正方晶と菱面体晶の相境界(MPB)でPZTを焼結させていた。また、PZTは[111]方向(以下においては、この方向をZ軸方向ということがある)に自発分極しており、大きな圧電定数を得るためには自発分極の方向が電極面と垂直になるように[111]方向に結晶配向させる必要があると考えられていたので、[111]配向を得るため、PZTの結晶配向性を支配する下地金属層(下地電極)の表面を(111)面とし、その下地金属層上に形成されるPZTの組成比が正方晶と菱面体晶の相境界付近になるように制御していた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、PZTの応用分野が広がり、PZT薄膜を利用した歪みセンサ、圧電アクチュエータ、DRAM等が広く使用されるにつれ、より圧電定数の大きなPZTの開発が求められている。
【0006】
また、従来のPZTは、その組成が正方晶と菱面体晶の相境界付近になるように形成されていたので、実際にできあがったPZT薄膜の構造は、正方晶に歪んだペロブスカイト構造か、菱面体晶に歪んだペロブスカイト構造かのどちらかで、その構造のばらつきによって圧電定数もばらつくという問題があった。
【0007】
本発明は叙上の従来例の欠点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、PZTを用いた圧電素子において、PZTの圧電定数を従来よりさらに大きな値にし、また相境界付近における結晶構造のばらつきに由来する圧電定数のばらつきをなくすことにより、圧電素子の特性を安定かつ良好にすることにある。
【0008】
【発明の開示】
請求項1に記載の圧電素子は、PZTと電極を備えた圧電素子であって、前記電極は、(100)面、(010)面又は(001)面配向しており、前記PZTは、そこに含まれるZrとTiが室温において菱面体晶となる組成比のペロブスカイト構造であって、その立方晶系の結晶軸方向を基準とした[100]方向、[010]方向又は[001]方向が前記電極面にほぼ垂直となるように結晶配向していることを特徴としている。
【0009】
室温において菱面体晶となる組成からなるPZTは、ペロブスカイト構造の[100]、[010]又は[001]方向のいずれかの方向の付近で非常に大きな圧電定数を持つことが分かった。よって、当該配向方向のいずれかが電極面とほぼ垂直となるように結晶配向させれば、[111]配向方向を電極面と垂直に向けていた従来の圧電素子と比較して、電界方向(つまり、電極面に垂直な方向)で非常に大きな圧電定数を持つことになる。このようなPZTを用いることにより、歪みセンサや圧電アクチュエータ、DRAM等の圧電素子の特性をより高くすることができる。
【0010】
しかも、菱面体晶とすれば、正方晶と菱面体晶の境界組成を用いた従来のPZTのように組成の片寄りが発生しにくく、組成の片寄りに起因する特性ばらつきを抑制し、その特性を安定させることができる。
【0013】
さらに、請求項2に記載の実施態様は、請求項1記載の圧電素子において、前記PZTに、Ba,Sr,La,Bi,Mg,W,Nb,Znのうち少なくとも一つが添加されていることを特徴としている。
【0014】
この実施態様のように、PZTに、Ba,Sr,La,Bi,Mg,W,Nb,Znのいずれかの添加物を加えることにより、温度によるPZTの特性ばらつきを抑制することができる。
【0015】
請求項3に記載した圧電素子の製造方法は、単結晶基板の表面に(100)面、(010)面又は(001)面配向した下地金属層を成膜し、次いで、前記中間金属層とは異なる金属を用いて、前記中間金属層の前記単結晶基板に接していない側の表面に(100)面、(010)面又は(001)面配向した下地金属層を成膜し、次いで、前記下地金属層の前記中間金属層に接していない側の表面に菱面体晶組成のPZT膜を形成した後、このPZT膜を焼結させることにより、その立方晶系の結晶軸方向を基準とした[100]方向、[010]方向又は[001]方向が下地金属層の表面とほぼ垂直となるように結晶配向させることを特徴としている。
【0016】
この製造方法によれば、請求項1に記載した圧電素子を製造することができ、しかも、結晶配向性の良好なPZT膜を得ることができる。
【0017】
また、本願発明の圧電素子は、請求項4〜8に記載したように振動センサ、圧電アクチュエータ、光スキャナ、歪みセンサ及び圧電式振動ジャイロなどに組み込んで用いることができる。
【0019】
【発明の実施の形態】
(発明の要旨)
PZT[=Pb(ZrXTi1-X)O3]の2つの結晶系(正方晶、菱面体晶)でそれぞれの圧電定数を3次元的に計算した結果、高い圧電定数を得るためには、従来の定説のように正方晶と菱面体晶の相境界(MPB)付近の組成で[111]配向とするよりも、菱面体晶の組成でペロブスカイト構造の[100]配向、[010]配向または[001]配向にする方が最も大きな圧電定数を得られることがわかった。また、正方晶の組成でペロブスカイト構造の[001]配向にしても、従来より大きな圧電定数を得られることがわかった。
【0020】
すなわち、PZTの組成のうちでZrとTiの組成比を、常温で菱面体晶となる組成領域(図1参照)に調製し、焼結により菱面体晶に歪んだペロブスカイト構造のPZTを焼成すれば、PZTは[111]方向で自発分極するが、圧電定数は[100]、[010]又は[001]方向で最大となることが分かった。
【0021】
本発明は上記知見に基づいてなされたものであって、その第1の実施形態による圧電素子1は、図2に示すように、菱面体晶組成のペロブスカイト構造を有するPZT2を、その立方晶系の結晶軸方向を基準とした[100]方向、[010]方向又は[001]方向が電極3a,3bの表面に対してほぼ垂直となるように結晶配向させたものである。
【0022】
また、PZTの組成のうちZrとTiの組成比を、常温で正方晶となる組成領域(図1参照)に調製し、焼結により正方晶に歪んだペロブスカイト構造のPZTを焼成すると、[111]方向で自発分極するが、圧電定数は[001]方向で最大となることが分かった。
【0023】
本発明の第2の実施形態による圧電素子4は、上記知見に基づいてなされたものであって、図3に示すように、正方晶組成のペロブスカイト構造を有するPZT5を、その[001]方向が電極3a,3bの表面に対してほぼ垂直となるように結晶配向させたものである。
【0024】
本発明の圧電素子によれば、特別な圧電材料を用いることなく、従来例と比較して非常に大きな圧電定数を利用することができ、特性の良好な各種圧電素子を製作することができる。具体的には、[111]方向の圧電定数を利用する従来の圧電素子と比較すると、菱面体晶組成のPZTにおいて立方晶系の結晶軸方向を基準とした[100]方向、[010]方向又は[001]方向の圧電定数を利用する本発明の圧電素子では、従来例と比較して圧電定数は2.7倍となり、正方晶組成のPZTにおいて[001]方向の圧電定数を利用する本発明の圧電素子では、従来例と比較して2.27倍となる。
【0025】
(理論的説明)
つぎに、本発明の理論的根拠について説明する。図1に示したようなPZTの相図はよく知られており[例えば、B.Jaffe, W.J.Cook and J.Jaffe: Piezoelectric Ceramics(Academic Press, London, 1971)]、PZTは、高温では立方晶系常誘電相を示すが、温度が下がって常温になると、ZrとTiの組成比によって菱面体晶系強誘電相となったり、正方晶系強誘電体相になったりする。例えばTiリッチ側の、例えばPT[=PbTiO3;チタン酸鉛]が60%(x=0.4)のPZTは正方晶PZTが圧電性を示し、Zrリッチ側の、例えばPTが40%(x=0.6)のPZTは菱面体晶PZTが圧電性を示す。
【0026】
ここで、菱面体晶PZTのペロブスカイト構造とは、図4に示すような結晶構造であって、斜線を施した球がPb原子を、網掛けした球がZr又はTiの原子を、白色の球がO(酸素)原子を示している。また、菱面体晶系のペロブスカイト構造では、立方晶系を対角方向(つまり、立方晶系の[111]方向など)に引き伸ばすか、縮めたような形態を有しているため、[100]方向、[010]方向および[001]方向では等価な構造となっている。なお、この明細書においては、菱面体晶系でも正方晶系でも、[100]方向、[010]方向などの結晶軸方向は、図4などからも分るように、立方結晶系の結晶軸方向を示している。
【0027】
また、正方晶PZTのペロブスカイト構造とは、図5に示すような結晶構造であって、格子が[001]方向に少し延びていて、[001]方向の格子定数cが[100]方向および[010]方向の格子定数a,b(a=b)と異なっている。
【0028】
以下での議論の目的は、上記のような菱面体晶系ペロブスカイト構造のPZTと正方晶系ペロブスカイト構造のPZTについて、それぞれ圧電定数が最大となる結晶方位を求めることである。
【0029】
まず、PZTの結晶に電界(ベクトル)E*=(E1,E2,E3)を印加したときに生じるPZTの歪み(ベクトル)をε*=(ε1,ε2,ε3)とすると、この歪みε*は、圧電定数の行列d*={dij}を用いて、つぎの(1)式のように表わされる。ここで、電界成分E1,E2,E3、歪み成分ε1,ε2,ε3、圧電定数のマトリクス成分dij(i,j=1,2,3)は、任意の直交座標系における座標軸X1,X2,X3の方向における成分である。
【0030】
【数1】
【0031】
圧電定数が最大となる方向とは、PZTに印加した電界E*と平行な方向における歪み成分ε//とその電界の強さEとの比[(ε//)/E]が最大となる方向である。いま、座標軸X3と平行な方向に強さEの電界が印加されているとすると、当該電界に平行な方向の歪み成分とはε3であるから、電界の印加方向における歪み成分と電界の強さの比(すなわち、電界印加方向における圧電定数の大きさ)はd33である。
【0032】
ここで、任意方向の電界E*を考えるとともに、座標軸X3´が電界E*の方向と一致し、元の直交座標軸[座標系](X1,X2,X3)と原点を共有する新たな直交座標軸[座標系](X1´,X2´,X3´)を考えると、新たな座標系では、歪みε*、圧電定数{dij}及び電界E*の関係は、新たな座標系においては、つぎの(2)式のように表わされる。
【0033】
【数2】
【0034】
ここで、ダッシュ(´)は、新たな座標系における成分であることを示している。(2)式より、この座標系では、電界E*の印加方向における歪み成分と電界の強さの比(すなわち、圧電定数の大きさ)は、新たな座標系における圧電定数の対角成分d33´であることが分かる。よって、圧電定数が最大となる方向を求めるためには、座標系を回転させたときの、圧電定数の対角成分d33の座標変換を考えて最大の対角成分d33´を求めればよいことになる。
【0035】
新しい座標系における圧電定数d={dij´}は、変換行列A={Aij}及びN={Nij}を用いて元の座標系における圧電定数d={dij}を一次変換することにより求まる。すなわち、その変換式は、つぎの(3)式で表わされる。ここで、右肩の添字tは転置行列を意味する。
【0036】
【数3】
【0037】
また、変換行列A={Aij}およびN={Nij}は、次の行列(4)、(5)で定義される。ここで、{e1,e2,e3}は元の座標系(X1,X2,X3)における基底ベクトル、{e1´,e2´,e3´}は新しい座標系(X1,X2,X3)における基底ベクトルであって、例えば、e1・e2´は座標軸X1と座標軸X2´のなす角度の方向余弦を表している。また、行列(5)で用いられている記号aijはスティフネス定数を表している。
【0038】
【数4】
【0039】
【数5】
【0040】
この計算を実行して任意の方向における圧電定数d33´を具体的に求めるためには、圧電定数dのマトリクス成分dijの値が必要となる。表1は、定電界下における菱面体晶PZT60/40[つまり、Pb(Zr0.6Ti0.4)]の圧電定数d33,d22,d31,d15の値を示す(圧電定数の他のマトリクス成分は0であるとする)。表2は、定電界下における正方晶PZT40/60[つまり、Pb(Zr0.4Ti0.6)O3]の圧電定数d33,d31,d15の値を示す(圧電定数の他のマトリクス成分は0であるとする)。表1、表2は、M.J.Haun, E.Furman, S.J.Jang and L.E.Cross: Ferroelectrics, 99(1989)63に掲載されているデータを用いて計算したものである。
【0041】
【表1】
【0042】
【表2】
【0043】
座標系が3次元空間で回転すると、回転した新たな座標系(X1´,X2´,X3´)における圧電定数dの対角成分d33´(以下、変換前の座標系と変換後の座標系を区別するためのダッシュ記号は省略する)は、上記(3)式と表1又は表2から計算される。
【0044】
菱面体晶PZT60/40に対する結果を図6(a)(b)に示す。図6(a)は圧電定数d33の結晶方向依存性を3次元表示したもの、図6(b)は図6(a)の3次元表示をYZ平面でカットした断面である。なお、Z軸は自発分極の方向である[111]方向、X軸はPZTの鏡面と垂直な方向、Y軸はZ軸及びX軸に垂直な方向であって、座標原点と表示図形上の1点との間の距離は、対応する方向における圧電定数d33の値を表わしている。従来の[111]方向(図6のZ軸)での圧電定数d33は、図6(a)の3次元表示とZ軸との交点にあたり、ちょうど3次元表示の凹みになっている。これに対し、図6(b)によれば、Z軸から56.7゜傾いた方向で圧電定数d33が最大値[=189×10-12C/N]となっている。この圧電定数d33が最大になる方向は、厳密には菱面体晶PZTの立方晶系の結晶軸方向を基準とした[100]方向、[010]方向、[001]方向から2゜ずれているが、実用上はそれぞれ立方晶系の結晶軸方向を基準とした[100]配向、[010]配向、[001]配向と考えて問題ない。
【0045】
正方晶PZT40/60に対して得られた結果を図7に示す。図7(a)は正方晶PZT40/60の圧電定数d33の結晶方向依存性を3次元表示したものであり、図7(b)は図7(a)の3次元表示を(010)面でカットした断面を示す。正方晶PZTでは、Z軸から51.3゜傾いた[001]方向で圧電定数d33が最大値[=162×10-12C/N]となっており、菱面体晶の場合の最大値よりも若干小さいものの、やはり[111]方向での圧電定数d33よりも大きな値となっている。
【0046】
従って、大きな圧電定数を有するPZTを得るためには、菱面体晶の組成比を有するペロブスカイト構造のPZTを、(立方晶ペロブスカイト構造の等価な方向の)[100]方向、[010]方向または[001]方向が電極面とほぼ垂直となるように配向させれば、従来の3倍近い圧電定数を有する圧電素子が得られ、この圧電素子を各種センサ等に適用することにより、その特性を大きく向上させることができる。また、正方晶の組成比を有するペロブスカイト構造のPZTを、(立方晶ペロブスカイト構造の等価な方向の)[001]方向が電極面とほぼ垂直となるように配向させれば、従来の2倍以上の圧電定数を有する圧電素子が得られ、この圧電素子を各種センサ等に適用することにより、その特性を大きく向上させることができる。よって、従来にない大きな力のとれる圧電アクチュエータや感度の高い歪みセンサ等を実現でき、また、歪みを大きくとれるため、マイクロマシンを用いた超小型センサやアクチュエータ等に適用できる。
【0047】
(圧電素子の製造方法)
次に、上記のようなPZT薄膜を用いた圧電素子の製造方法を図8(a)〜(d)により説明する。まずは、菱面体晶組成のPZT薄膜2を用いた圧電素子1を製造する場合について述べる。図8(a)に示すように、Si基板のような単結晶基板(単結晶基板の表面には、SiO2のような酸化膜が形成されていてもよい)6の上に中間金属層としてTi膜7を形成する。ここで、単結晶基板6として(100)基板、(010)基板又は(001)基板を用いることにより、[100]方向、[010]方向又は[001]方向が単結晶基板6の表面と垂直な方向を向くようにTi膜7がエピタキシャル成長される。
【0048】
ついで、図8(b)に示すように、このTi膜7の上に下地金属層としてPt膜8を成膜する。このとき、Ti膜7は[100]方向、[010]方向又は[001]方向が膜厚方向を向くように結晶配向しているので、その上にエピタキシャル成長させられたPt膜8も、[100]方向、[010]方向又は[001]方向が膜厚方向を向くように結晶配向する。こうして、単結晶基板6の上に形成されたTi膜7とPt膜8とによって下面側の電極3aが形成される。また、Pt膜8を直接単結晶基板6の上に形成せず、中間にTi膜7を形成しているのは、Pt膜8と単結晶基板6との密着性を高めて電極3aの剥離を防止するためである。
【0049】
さらに、このPt膜8の上には、図8(c)に示すように、菱面体晶組成となるようにZrとTiの成分組成を制御しながらPZT薄膜2を形成する。
【0050】
このとき、上記圧電素子中のPZT薄膜2には、Ba,Sr,La,Bi,Mg,W,Nb,Zn等の添加物のうち少なくとも一種を微量添加することにより、PZTの温度による特性ばらつきを抑えることができ、圧電素子1の温度特性を安定させることができる。また、このPZT薄膜2の膜厚は、2μm以下とするのが好ましい。膜厚を2μm以下にすれば、マイクロマシニング技術で作製される微小なセンサやアクチュエータなどにも用いることができるからである。
【0051】
こうしてPt膜8の上に形成された菱面体晶組成の未焼成PZT薄膜2はアモルファス構造であるので、ついで、焼結(アニール)によってPZT薄膜2の結晶化を行なう。このとき、焼結方法によってペロブスカイト構造と呼ばれる圧電性を示す結晶構造のPZT膜2が得られるが、このペロブスカイト構造のPZT薄膜2は、ZrとTiの組成比によって決まる結晶の歪みを受ける。すなわち、ZrとTiの組成比が菱面体晶組成であると、菱面体晶に歪んだぺロブスカイト構造のPZT薄膜2が得られる。
【0052】
しかも、この焼結時には、PZT薄膜2は下地金属層であるPt膜8の格子によって結晶配向を支配されるので、Pt膜8の結晶方位に従って[100]方向、[010]方向又は[001]方向が電極3aとほぼ垂直な方向を向くように結晶配向する。
【0053】
従って、PZT薄膜2の形成にあたっては、PZT薄膜2の結晶配向性を支配する下地金属層の結晶配向を[100]方向、[010]方向又は[001]方向にしておくことと、その下地金属層上に形成するPZT薄膜2の組成が菱面体晶となるように組成比を制御することが重要である。
【0054】
こうして菱面体晶のPZT薄膜2を得た後、図8(d)に示すように、PZT薄膜2の上にPt膜などによって上側の電極3bを形成し、圧電素子1の製造を完了する。
【0055】
なお、ここでは、菱面体晶組成のPZT薄膜の場合について説明したが、正方晶組成のPZT薄膜を必要とする場合には、中間金属層であるTi膜と下地金属層であるPt膜の[001]方向を膜厚方向と垂直な方向を向くように形成し、Pt膜の上に形成する未焼成のPZT薄膜を正方晶組成となるように制御すればよい。
【0056】
上記圧電素子の製造方法では、従来の圧電素子の製造工程におけるプロセス条件を変更するだけでよいので、従来のプロセスをそのまま使用でき、新たな設備を必要とせず、製造プロセスの変更に対するコストが掛からない。従って、圧電アクチュエータや歪みセンサ等を製造する場合にも、コストパフォーマンスの良いものを製造することができる。
【0057】
また、上記製造方法では、焼結によりPZTを結晶配向させる方法について説明したが、これ以外の製造方法によって本発明の圧電素子を製造することもできる。例えば、ペロブスカイト構造を有する菱面体晶組成〔あるいは、正方晶組成〕のPZTのバルク結晶を製作した後、このバルク結晶を(100)面、(010)面又は(001)面〔あるいは、正方晶組成の場合には、(001)面〕で切り出し、その切り出した面に電極を形成するようにしてもよい。あるいは、PZT薄膜を下地結晶又は下地金属層の上にエピタキシャル成長させるようにしてもよい。
【0058】
(応用例)
以下においては、上記圧電素子を応用した装置を説明する。そこでは[100]方向を電極面と垂直な方向に向けた菱面体晶PZTを用いた場合を例にとっているが、[010]方向や[001]方向を電極面と垂直な方向に向けた菱面体晶PZTや[001]方向を電極面と垂直な方向に向けた正方晶PZTであってもよい。
【0059】
(振動センサ)
図9は本発明にかかる圧電素子を利用した振動センサ11を示す斜視図である。これは、シリコン基板(ウエハ)を加工することにより形成されたものであって、ウエイト部12がビーム13によりフレーム14に片持ち状に支持されている。また、ビーム13からウエイト部12にわたる領域の上面には圧電素子1が一体に設けられている。
【0060】
しかして、この振動センサ11に振動や加速度が加わると、ウエイト部12が上下に振動ないし変位するので、ビーム13が弾性的に屈曲する。ビーム13が弾性的に屈曲すると、それに応じて圧電素子1も機械的に屈曲させられて圧電素子1の電極3a,3b間には電荷が発生する。従って、この発生した電荷による電圧を計測することによってビーム13の屈曲程度、ひいては振動や加速度を計測することができる。ここで、本発明の圧電素子1を用いると同じ振動や加速度でも、大きな電圧を発生させることが可能になり、検出感度を向上させることができる。
【0061】
この振動センサ11の製造プロセスを図10(a)〜(j)に示す。まず、Si基板(ウエハ)15を準備し〔図10(a)〕、Si基板15の表裏両面を熱酸化により酸化させて酸化膜(SiO2)16を形成する〔図10(b)〕。ついで、Si基板15の下面において、酸化膜16をふっ酸でエッチングしてウエイト部12及びビーム13となるSi基板領域を部分的に露出させ〔図10(c)〕、酸化膜16をエッチング用マスクとしてSi基板15をエッチングし、ウエイト部12及びビーム13となる領域でSi基板15の厚みを薄くする〔図10(d)〕。
【0062】
ついで、Si基板15の厚みを薄くした薄肉領域17において、酸化膜16の上にTi膜(中間金属層)7を形成し〔図10(e)〕、さらにTi膜7の上にPt膜(下地金属層)8を形成して〔図10(f)〕下側の電極3aを作った後、Pt膜8の上に菱面体晶組成のPZT薄膜2を成膜する〔図10(g)〕。この後、PZT薄膜2を焼結(アニール)することによって、PZT薄膜2の[100]方向を電極3aの表面と垂直な方向に結晶配向させる〔図10(h)〕。ついで、PZT薄膜2の上にPt膜等によって上側の電極3bを形成してSi基板15の上に高性能の圧電素子1を形成する〔図10(i)〕。その後、Si基板15及び酸化膜16をエッチングすることによってSi基板15のフレーム14となる部分とウエイト部12及びビーム13となる部分を切り離す開口18を形成して振動センサ11を完成する〔図10(j)〕。
【0063】
(積層型圧電アクチュエータ)
図11は本発明にかかる圧電素子を利用した積層型の圧電アクチュエータ21を示す側面図である。この積層型圧電アクチュエータは、PZT薄膜2と電極3とを交互に積層したものであり、菱面体晶組成のPZT薄膜2の[100]方向が電極3と垂直な方向を向くようにPZT薄膜2が結晶配向されている。また、各PZT薄膜2の自発分極Pの方向は電極3と垂直な方向から傾いているが、さらにPZT薄膜2の分極方向は積層方向に沿って交互に反転している。電極3は、一層おき毎に+側端子22と−側端子23に接続されている。
【0064】
このような圧電アクチュエータ21によれば、電圧を印加したときの伸縮量は各PZT薄膜2の伸縮量の合計となり、しかも、各PZT薄膜2の伸縮量が従来例に比べて大きいので、大きな伸縮量もしくは駆動力を得ることができる。
【0065】
(光スキャナ)
図12は本発明にかかる圧電素子を利用した光スキャナ24を示す斜視図である。この光スキャナ24は、図11に示したような構造の積層型圧電アクチュエータ21の先端(駆動端)に弾性板25を取り付けたものである。弾性板25は、Si基板を加工することにより形成されており、駆動部26から延出されたトーションバー27の先に非対称な形状をしたミラー部28を設けたものであって、駆動部26が圧電アクチュエータ21に固定されている。
【0066】
しかして、圧電アクチュエータ21に交流電圧を印加すると、圧電アクチュエータ21が伸縮して弾性板25の駆動部26を振動させる。駆動部26が微小振動すると、ミラー部28が非対称で、その重心がトーションバー27の軸心から偏心しているために、ミラー部28はトーションバー27を捩らせることによって一定の周期で回転する。従って、光源から出射されたレーザー光をミラー部28に照射すると、ミラー部28で反射された光は往復走査されることになる。
【0067】
このような光スキャナ24において、本発明にかかる圧電アクチュエータ21を用いれば弾性板25を大きな振幅で振動させることができるので、光の走査幅を大きくすることができる。
【0068】
(歪みセンサ)
図13(a)は本発明にかかる圧電素子を利用した歪みセンサ31を示す断面図である。歪みセンサ31は、PZT薄膜2の両面に電極3a,3bを形成した圧電素子1を歪み検出対象物32の上に取り付けたものであり、両電極3a,3b間の電圧をチャージアンプ等の検出器33で検出できるようにしている。
【0069】
しかして、図13(b)に示すように、歪み検出対象物32が変形して歪むと、歪み検出対象物32とともに圧電素子1が歪み、両電極3a,3b間には歪み量に応じた電荷が発生するので、この電荷量を電極3a,3b間の電圧として検出器33により計測する。このような歪みセンサ31に本発明の圧電素子を利用することにより、感度の高い歪みセンサを製作することができる。
【0070】
(圧電式振動ジャイロ)
図14は本発明にかかる圧電素子を利用した圧電式振動ジャイロ34を示す斜視図である。この振動ジャイロ34は、熱膨張の少ないエリンヴァー合金などで作った音叉35に発振駆動用の圧電素子1aを貼り付け、それと直角な面に検出用の圧電振動子1bを貼り付けたものである。このような振動ジャイロ34における両圧電素子1a,1bとしても本発明の圧電素子を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】PZTの組成のうちZr,Tiの2成分における、PZTの相図である。
【図2】本発明の第1の実施形態による圧電素子を示す概略断面図である。
【図3】本発明の第2の実施形態による圧電素子を示す概略断面図である。
【図4】菱面体晶系のペロブスカイト構造を有するPZTの結晶構造を示す図である。
【図5】正方晶系のペロブスカイト構造を有するPZTの結晶構造を示す図である。
【図6】(a)は菱面体晶PZT60/40の圧電定数d33の結晶方向依存性を3次元表示したもの、(b)は(a)の3次元表示をYZ平面でカットした断面である。
【図7】(a)は正方晶PZT40/60の圧電定数d33の結晶方向依存性を3次元表示したもの、(b)は(a)の3次元表示を(010)面でカットした断面である。
【図8】(a)(b)(c)(d)は、本発明にかかる圧電素子の製造工程を示す断面図である。
【図9】本発明にかかる圧電素子を利用した振動センサを示す斜視図である。
【図10】(a)〜(j)同上の振動センサの製造プロセスを示す断面図である。
【図11】本発明にかかる圧電素子を利用した積層型の圧電アクチュエータを示す側面図である。
【図12】本発明にかかる圧電素子を利用した光スキャナを示す斜視図である。
【図13】(a)は本発明にかかる圧電素子を利用した歪みセンサを示す断面図、(b)は歪みセンサに歪みが加わった状態を示す断面図である。
【図14】本発明にかかる圧電素子を利用した圧電式振動ジャイロを示す斜視図である。
【符号の説明】
1 圧電素子
2 菱面体晶組成のPZT
3a,3b 電極
4 圧電素子
5 正方晶組成のPZT[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a piezoelectric element such as a strain sensor, a piezoelectric actuator, or a dynamic random access memory (DRAM) using PZT as a piezoelectric material. Moreover, it is related with the manufacturing method.
[0002]
[Prior art]
A piezoelectric material is a substance that generates an electric charge when a strain is applied and generates a strain when a voltage is applied. A strain sensor, a piezoelectric actuator, or the like is manufactured using this property (piezoelectricity). Recently, many researches and developments have been made to apply this voltage-distortion characteristic to DRAMs and the like. In utilizing the properties of this piezoelectric material, it is necessary to obtain a large strain at a low voltage and to obtain a large generated charge with a small strain, and it is desirable that this property is remarkable. For this purpose, it is necessary to use a material having a large piezoelectric constant.
[0003]
PZT [= Pb (ZrXTi1-X) OThree; Lead zirconate titanate] is a well-known piezoelectric material that is relatively well researched and developed among piezoelectric materials, and has a large piezoelectric constant. PZT is a substance composed of Pb, Zr, Ti and O (oxygen), and is a solid solution of lead titanate and lead zirconate.
[0004]
Conventionally, in order to maximize the voltage-strain characteristics of PZT, PZT is sintered in a state where the composition is near the phase boundary between tetragonal and rhombohedral (Morphotropic Phase Boundary; hereinafter referred to as MPB). Therefore, it has been said that it is necessary to orient the crystal in the [111] direction of the perovskite structure. That is, PZT is represented by Pb (Zr shown in FIG.XTi1-X) OThreeAs can be seen from the phase diagram of the system, at room temperature, the crystal structure is divided into tetragonal and rhombohedral crystals depending on the composition ratio of Zr and Ti, and in order to obtain a large piezoelectric constant, PZT was sintered at the phase boundary (MPB). PZT is spontaneously polarized in the [111] direction (hereinafter, this direction is sometimes referred to as the Z-axis direction), and the direction of spontaneous polarization is perpendicular to the electrode surface in order to obtain a large piezoelectric constant. In order to obtain the [111] orientation, the surface of the base metal layer (base electrode) that governs the crystal orientation of PZT is defined as the (111) plane. And the composition ratio of PZT formed on the underlying metal layer is controlled to be in the vicinity of the phase boundary between the tetragonal crystal and the rhombohedral crystal.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, as the application field of PZT spreads and strain sensors, piezoelectric actuators, DRAMs and the like using PZT thin films are widely used, development of PZT having a larger piezoelectric constant is required.
[0006]
In addition, since the conventional PZT is formed so that the composition is in the vicinity of the phase boundary between tetragonal and rhombohedral, the structure of the PZT thin film actually formed is a perovskite structure distorted to tetragonal or rhombohedral. One of the perovskite structures distorted in the plane crystal has a problem that the piezoelectric constant varies due to the variation in the structure.
[0007]
The present invention has been made in view of the disadvantages of the conventional examples described above. The purpose of the present invention is to increase the piezoelectric constant of PZT in a piezoelectric element using PZT, and near the phase boundary. It is to make the characteristics of the piezoelectric element stable and favorable by eliminating the variation of the piezoelectric constant derived from the variation of the crystal structure.
[0008]
DISCLOSURE OF THE INVENTION
The piezoelectric element according to
[0009]
It was found that PZT having a rhombohedral crystal composition at room temperature has a very large piezoelectric constant in the vicinity of one of the [100], [010], and [001] directions of the perovskite structure. Therefore, if the crystal orientation is made so that any one of the orientation directions is substantially perpendicular to the electrode surface, the electric field direction ( That is, it has a very large piezoelectric constant in the direction perpendicular to the electrode surface. By using such PZT, characteristics of piezoelectric elements such as a strain sensor, a piezoelectric actuator, and a DRAM can be further enhanced.
[0010]
In addition, when the rhombohedral crystal is used, the composition deviation is unlikely to occur as in the conventional PZT using the boundary composition of the tetragonal and rhombohedral crystals, and the characteristic variation due to the composition deviation is suppressed. The characteristics can be stabilized.
[0013]
And claims2Embodiments described in
[0014]
As in this embodiment, by adding any one of Ba, Sr, La, Bi, Mg, W, Nb, and Zn to PZT, the PZT characteristic variation due to temperature can be suppressed.
[0015]
According to a third aspect of the present invention, there is provided a piezoelectric element manufacturing method comprising:On the surface(100) plane, (010) plane or (001) plane-oriented base metal layer is formed,Next, using a metal different from the intermediate metal layer, a base metal layer having a (100), (010) plane, or (001) plane orientation on the surface of the intermediate metal layer that is not in contact with the single crystal substrate. On the surface of the base metal layer that is not in contact with the intermediate metal layer.After forming the rhombohedral PZT film, the PZT film is sintered,Based on cubic crystal axis directionThe crystal orientation is such that the [100] direction, [010] direction, or [001] direction is substantially perpendicular to the surface of the base metal layer.
[0016]
According to this manufacturing method, the piezoelectric element described in
[0017]
In addition, the piezoelectric element of the present invention can be used by being incorporated in a vibration sensor, a piezoelectric actuator, an optical scanner, a strain sensor, a piezoelectric vibration gyro, or the like as described in claims 4-8.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(Summary of the Invention)
PZT [= Pb (ZrXTi1-X) OThreeIn order to obtain a high piezoelectric constant as a result of three-dimensional calculation of the respective piezoelectric constants in the two crystal systems (tetragonal and rhombohedral) of tetragonal and rhombohedral Relative to the composition of the phase boundary (MPB) in the [111] orientation, the rhombohedral composition in the [100] orientation, [010] orientation or [001] orientation has the largest piezoelectric constant. It turns out that it is obtained. It was also found that a piezoelectric constant larger than that of the prior art can be obtained even when the tetragonal composition has a [001] orientation of the perovskite structure.
[0020]
That is, in the composition of PZT, the composition ratio of Zr and Ti is adjusted to a composition region (see FIG. 1) that becomes rhombohedral at normal temperature, and PZT having a perovskite structure distorted to rhombohedral by sintering is fired. For example, PZT spontaneously polarized in the [111] direction, but the piezoelectric constant was found to be maximum in the [100], [010] or [001] direction.
[0021]
The present invention has been made on the basis of the above knowledge, and as shown in FIG. 2, the
[0022]
Further, when the composition ratio of Zr and Ti in the composition of PZT is adjusted to a composition region (see FIG. 1) that becomes tetragonal at room temperature, and PZT having a perovskite structure distorted to tetragonal by sintering is fired, [111 It was found that the piezoelectric constant was maximum in the [001] direction.
[0023]
The
[0024]
According to the piezoelectric element of the present invention, it is possible to use a very large piezoelectric constant as compared with the conventional example without using a special piezoelectric material, and it is possible to manufacture various piezoelectric elements having good characteristics. Specifically, in comparison with the conventional piezoelectric element using the piezoelectric constant in the [111] direction, in the rhombohedral PZTBased on cubic crystal axis directionIn the piezoelectric element of the present invention using the piezoelectric constant in the [100] direction, [010] direction, or [001] direction, the piezoelectric constant is 2.7 times that of the conventional example, and [001] in PZT having a tetragonal composition. ] Of the piezoelectric element of the present invention utilizing the piezoelectric constant in the direction is 2.27 times that of the conventional example.
[0025]
(Theoretical explanation)
Next, the theoretical basis of the present invention will be described. The phase diagram of PZT as shown in FIG. 1 is well known [eg B. Jaffe, WJ Cook and J. Jaffe: Piezoelectric Ceramics (Academic Press, London, 1971)], and PZT is cubic at high temperatures. Although it shows a system paraelectric phase, when the temperature drops to room temperature, it becomes a rhombohedral ferroelectric phase or a tetragonal ferroelectric phase depending on the composition ratio of Zr and Ti. For example, on the Ti rich side, for example, PT [= PbTiOThreePZT with lead titanate] of 60% (x = 0.4) is tetragonal PZT exhibits piezoelectricity, and PZT with Zr rich side, for example, PT of 40% (x = 0.6) is rhombohedral PZT exhibits piezoelectricity.
[0026]
Here, the perovskite structure of rhombohedral PZT is a crystal structure as shown in FIG. 4, in which the slanted spheres indicate Pb atoms, the shaded spheres indicate Zr or Ti atoms, and white spheres. Represents an O (oxygen) atom. In addition, the rhombohedral perovskite structure has a form in which the cubic system is stretched or contracted in a diagonal direction (that is, the [111] direction of the cubic system) [100] The direction, [010] direction, and [001] direction have equivalent structures. In this specification, the crystal axis directions of the [100] direction, [010] direction, etc. in both the rhombohedral system and the tetragonal system are cubic crystal system crystal axes as can be seen from FIG. Shows direction.
[0027]
In addition, the perovskite structure of tetragonal PZT is a crystal structure as shown in FIG. 5, in which the lattice extends slightly in the [001] direction, and the lattice constant c in the [001] direction is the [100] direction and [ 010] direction lattice constants a and b (a = b).
[0028]
The purpose of the discussion below is to determine the crystal orientation that maximizes the piezoelectric constant for PZT having the rhombohedral perovskite structure and PZT having the tetragonal perovskite structure as described above.
[0029]
First, the electric field (vector) E is applied to the PZT crystal.*= (E1, E2, EThree) Is the distortion (vector) of PZT that occurs when*= (Ε1, Ε2, ΕThree), This strain ε*Is a matrix of piezoelectric constants d*= {Dij} is used to express the following equation (1). Here, the electric field component E1, E2, EThree, Distortion component ε1, Ε2, ΕThree, The matrix component dij (i, j = 1, 2, 3) of the piezoelectric constant is represented by a coordinate axis X in an arbitrary orthogonal coordinate system.1, X2, XThreeThe component in the direction of.
[0030]
[Expression 1]
[0031]
The direction in which the piezoelectric constant is maximum is the electric field E applied to PZT.*Component ε in the direction parallel to//And the electric field strength E [(ε//) / E] is the maximum direction. Coordinate axis XThreeIf an electric field of strength E is applied in a direction parallel to the electric field, the distortion component in the direction parallel to the electric field is εThreeTherefore, the ratio of the strain component in the electric field application direction to the electric field strength (that is, the magnitude of the piezoelectric constant in the electric field application direction) is d.33It is.
[0032]
Here, the electric field E in any direction*And coordinate axis XThree'Is the electric field E*The original orthogonal coordinate axis [coordinate system] (X1, X2, XThree) And the new Cartesian coordinate axis [coordinate system] (X1', X2', XThree´), in the new coordinate system, the strain ε*, Piezoelectric constant {dij} and electric field E*This relationship is expressed by the following equation (2) in the new coordinate system.
[0033]
[Expression 2]
[0034]
Here, the dash (') indicates that it is a component in a new coordinate system. From this equation (2), in this coordinate system, the electric field E*The ratio of the distortion component and the electric field strength in the application direction of (ie, the magnitude of the piezoelectric constant) is the diagonal component d of the piezoelectric constant in the new coordinate system.33It turns out that it is'. Therefore, in order to obtain the direction in which the piezoelectric constant becomes maximum, the diagonal component d of the piezoelectric constant when the coordinate system is rotated is used.33Considering the coordinate transformation of the maximum diagonal component d33What is necessary is to obtain '.
[0035]
The piezoelectric constant d = {dij ′} in the new coordinate system is obtained by linearly transforming the piezoelectric constant d = {dij} in the original coordinate system using the transformation matrices A = {Aij} and N = {Nij}. That is, the conversion equation is expressed by the following equation (3). Here, the superscript “t” means a transposed matrix.
[0036]
[Equation 3]
[0037]
The transformation matrices A = {Aij} and N = {Nij} are defined by the following matrices (4) and (5). Where {e1, E2, EThree} Is the original coordinate system (X1, X2, XThree) Basis vectors in {1', E2', EThree'} Is the new coordinate system (X1, X2, XThree), For example, e1・ E2'Represents the direction cosine of the angle formed by the coordinate axis X1 and the coordinate axis X2'. The symbol aij used in the matrix (5) represents the stiffness constant.
[0038]
[Expression 4]
[0039]
[Equation 5]
[0040]
Performing this calculation, the piezoelectric constant d in any direction33In order to specifically obtain ', the value of the matrix component dij of the piezoelectric constant d is required. Table 1 shows rhombohedral PZT60 / 40 [that is, Pb (Zr0.6Ti0.Four)] Piezoelectric constant d33, Dtwenty two, D31, D15(The other matrix components of the piezoelectric constant are assumed to be 0). Table 2 shows tetragonal PZT40 / 60 [that is, Pb (Zr0.FourTi0.6) OThreeThe piezoelectric constant d of33, D31, D15(The other matrix components of the piezoelectric constant are assumed to be 0). Tables 1 and 2 are calculated using data published in M.J.Haun, E.Furman, S.J.Jang and L.E.Cross: Ferroelectrics, 99 (1989) 63.
[0041]
[Table 1]
[0042]
[Table 2]
[0043]
When the coordinate system is rotated in 3D space, the new rotated coordinate system (X1', X2', X3'), the diagonal component d of the piezoelectric constant d33'(Hereinafter, a dash symbol for distinguishing between the coordinate system before conversion and the coordinate system after conversion is omitted) is calculated from the above equation (3) and Table 1 or Table 2.
[0044]
The results for rhombohedral PZT 60/40 are shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b). FIG. 6A is a three-dimensional representation of the crystal orientation dependence of the piezoelectric constant d33, and FIG. 6B is a cross section of the three-dimensional representation of FIG. 6A cut along the YZ plane. The Z axis is the [111] direction, which is the direction of spontaneous polarization, the X axis is the direction perpendicular to the mirror surface of the PZT, the Y axis is the direction perpendicular to the Z axis and the X axis, The distance between one point represents the value of the piezoelectric constant d33 in the corresponding direction. The conventional piezoelectric constant d33 in the [111] direction (Z-axis in FIG. 6) corresponds to the intersection of the three-dimensional display and Z-axis in FIG. On the other hand, according to FIG. 6B, the piezoelectric constant d33 is the maximum value [= 189 × 10 −12 C / N] in the direction inclined 56.7 ° from the Z axis. Strictly speaking, the direction in which the piezoelectric constant d33 is maximum is that of rhombohedral PZT.Based on cubic crystal axis directionIt is shifted by 2 ° from the [100] direction, [010] direction, and [001] direction.Based on cubic crystal axis directionThere is no problem in considering [100] orientation, [010] orientation, and [001] orientation.
[0045]
The results obtained for tetragonal PZT 40/60 are shown in FIG. FIG. 7A shows the piezoelectric constant d of tetragonal PZT40 / 60.33FIG. 7B shows a cross section obtained by cutting the three-dimensional display of FIG. 7A along the (010) plane. In tetragonal PZT, the piezoelectric constant d in the [001] direction tilted 51.3 ° from the Z-axis.33Is the maximum value [= 162 × 10-12C / N], which is slightly smaller than the maximum value in the case of rhombohedral crystals, but is still a piezoelectric constant d in the [111] direction.33It is a bigger value.
[0046]
Therefore, in order to obtain PZT having a large piezoelectric constant, PZT of a perovskite structure having a rhombohedral composition ratio can be obtained by changing the [100] direction, [010] direction, or [010] direction (in the equivalent direction of the cubic perovskite structure) If the orientation is such that the 001] direction is substantially perpendicular to the electrode surface, a piezoelectric element having a piezoelectric constant nearly three times that of the conventional one can be obtained. By applying this piezoelectric element to various sensors, the characteristics can be greatly increased. Can be improved. Further, if PZT having a perovskite structure having a tetragonal composition ratio is oriented so that the [001] direction (in the equivalent direction of the cubic perovskite structure) is substantially perpendicular to the electrode surface, the PZT is more than twice the conventional one. A piezoelectric element having a piezoelectric constant of is obtained. By applying this piezoelectric element to various sensors, the characteristics can be greatly improved. Therefore, it is possible to realize a piezoelectric actuator, a strain sensor with high sensitivity, and the like that can take a large force that has not been available conventionally, and because it can take a large strain, it can be applied to a micro sensor or actuator using a micromachine.
[0047]
(Piezoelectric element manufacturing method)
Next, a method for manufacturing a piezoelectric element using the PZT thin film as described above will be described with reference to FIGS. First, the case where the
[0048]
Next, as shown in FIG. 8B, a
[0049]
Further, on the
[0050]
At this time, the PZT
[0051]
Since the unfired PZT
[0052]
Moreover, during this sintering, the crystal orientation of the PZT
[0053]
Therefore, in forming the PZT
[0054]
After obtaining the rhombohedral PZT
[0055]
Here, the case of a PZT thin film having a rhombohedral composition has been described. However, when a PZT thin film having a tetragonal composition is required, a Ti film as an intermediate metal layer and a Pt film as a base metal layer [ The 001] direction may be oriented in a direction perpendicular to the film thickness direction, and the unfired PZT thin film formed on the Pt film may be controlled to have a tetragonal composition.
[0056]
In the above method for manufacturing a piezoelectric element, since it is only necessary to change the process conditions in the manufacturing process of the conventional piezoelectric element, the conventional process can be used as it is, no new equipment is required, and the cost for changing the manufacturing process is increased. Absent. Therefore, even when a piezoelectric actuator, a strain sensor, or the like is manufactured, a product with good cost performance can be manufactured.
[0057]
In the above manufacturing method, the method of crystal orientation of PZT by sintering has been described. However, the piezoelectric element of the present invention can be manufactured by other manufacturing methods. For example, after producing a PZT bulk crystal having a rhombohedral crystal composition [or tetragonal composition] having a perovskite structure, the bulk crystal is converted into a (100) plane, a (010) plane or a (001) plane [or a tetragonal crystal. In the case of a composition, it may be cut out at (001) plane, and an electrode may be formed on the cut out surface. Alternatively, the PZT thin film may be epitaxially grown on the base crystal or the base metal layer.
[0058]
(Application examples)
Below, the apparatus which applied the said piezoelectric element is demonstrated. In this example, a rhombohedral PZT with the [100] direction oriented perpendicular to the electrode surface is used as an example, but the [010] direction and the [001] direction oriented to the direction perpendicular to the electrode surface. It may be a tetragonal PZT or a tetragonal PZT with the [001] direction oriented in a direction perpendicular to the electrode surface.
[0059]
(Vibration sensor)
FIG. 9 is a perspective view showing a
[0060]
Therefore, when vibration or acceleration is applied to the
[0061]
The manufacturing process of this
[0062]
Next, in the
[0063]
(Laminated piezoelectric actuator)
FIG. 11 is a side view showing a laminated
[0064]
According to such a
[0065]
(Optical scanner)
FIG. 12 is a perspective view showing an
[0066]
Thus, when an AC voltage is applied to the
[0067]
In such an
[0068]
(Strain sensor)
FIG. 13A is a cross-sectional view showing a
[0069]
Thus, as shown in FIG. 13B, when the strain detection target object 32 is deformed and distorted, the
[0070]
(Piezoelectric vibratory gyro)
FIG. 14 is a perspective view showing a
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a phase diagram of PZT in two components of Zr and Ti in the composition of PZT.
FIG. 2 is a schematic sectional view showing the piezoelectric element according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a piezoelectric element according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a crystal structure of PZT having a rhombohedral perovskite structure.
FIG. 5 is a diagram showing a crystal structure of PZT having a tetragonal perovskite structure.
6A is a piezoelectric constant d of rhombohedral PZT60 / 40. FIG.33(B) is a cross section obtained by cutting the three-dimensional display of (a) along the YZ plane.
7A is a piezoelectric constant d of tetragonal PZT40 / 60. FIG.33(B) is a cross section obtained by cutting the three-dimensional display of (a) along the (010) plane.
FIGS. 8A, 8B, 8C, and 8D are cross-sectional views showing the manufacturing process of the piezoelectric element according to the present invention. FIGS.
FIG. 9 is a perspective view showing a vibration sensor using a piezoelectric element according to the present invention.
FIGS. 10A to 10J are cross-sectional views showing a manufacturing process of the vibration sensor of the above.
FIG. 11 is a side view showing a laminated piezoelectric actuator using the piezoelectric element according to the present invention.
FIG. 12 is a perspective view showing an optical scanner using the piezoelectric element according to the present invention.
13A is a cross-sectional view showing a strain sensor using a piezoelectric element according to the present invention, and FIG. 13B is a cross-sectional view showing a state in which strain is applied to the strain sensor.
FIG. 14 is a perspective view showing a piezoelectric vibration gyro using the piezoelectric element according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Piezoelectric element
2 PZT with rhombohedral crystal composition
3a, 3b electrode
4 Piezoelectric elements
5 PZT with tetragonal composition
Claims (8)
前記電極は、(100)面、(010)面又は(001)面配向しており、
前記PZTは、そこに含まれるZrとTiが室温において菱面体晶となる組成比のペロブスカイト構造であって、その立方晶系の結晶軸方向を基準とした[100]方向、[010]方向又は[001]方向が前記電極面にほぼ垂直となるように結晶配向していることを特徴とする圧電素子。A piezoelectric element comprising a PZT and an electrode,
The electrode has a (100) plane, a (010) plane, or a (001) plane orientation,
The PZT is a perovskite structure having a composition ratio in which Zr and Ti contained therein are rhombohedral at room temperature, and the [100] direction, [010] direction or A piezoelectric element characterized in that the crystal orientation is such that the [001] direction is substantially perpendicular to the electrode surface.
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