JP4736021B2 - 圧電素子 - Google Patents
圧電素子 Download PDFInfo
- Publication number
- JP4736021B2 JP4736021B2 JP2004382102A JP2004382102A JP4736021B2 JP 4736021 B2 JP4736021 B2 JP 4736021B2 JP 2004382102 A JP2004382102 A JP 2004382102A JP 2004382102 A JP2004382102 A JP 2004382102A JP 4736021 B2 JP4736021 B2 JP 4736021B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- conductive substrate
- piezoelectric element
- piezoelectric
- layer
- insulating layer
- 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
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Description
これに応えるものとして、フィルム状の基板に薄膜化した圧電体層を形成した圧電素子の開発が行われている(例えば、特許文献1参照)。
このような圧電素子は、現在、300℃を超える高温で使用できる圧電素子が取引者から要望されてきており、特に工業用に安全に用いる場合は、500℃以上での使用に耐え得る圧電素子が要求されている。
というのは、近年、電子機器が小型化するに伴い圧電体層も薄膜化が進んでいるが、両電極間の絶縁抵抗が低下し、短絡の可能性が増してきているからである。
短絡の原因は、ピンホール等の欠陥が発生しない均一な一定厚さの薄い圧電体層を形成することが困難なためである。
特に膜厚が1μm程度以下になると、電極間の短絡がない圧電素子を歩留まり良く製造することは、極めて困難である。
しかし、絶縁性は良いがフィルムが有機物であるので、300℃程度までしか耐熱性がなく、それ以上、例えば、工業用に必要とされる例えば500℃の雰囲気中での利用には、供し得ない。
ゾル−ゲル法や気相成長法等を用いて薄い酸化絶縁膜をコーティング層として電極と圧電素子との間に導入する方法(例えば特許文献2参照)が挙げられる。
すなわち、絶縁膜がコーティングによる薄い膜なので、圧電素子の微細な凹凸を覆うことはできても、絶縁膜の表面には微細な凹凸が残ることとなり、必ずしも均一な膜厚の絶縁性のある酸化絶縁膜とはならない。
そのため高温度での使用は、熱膨張率による界面応力の発生が歪を生み熱疲労を起こすことから、絶縁層にクラックが発生したり、破断したり、或いは基板から剥離したりするのである。
そのため絶縁性の低下が起こって、十分な信頼性が得られなかった。
すなわち、本発明は、高い信頼性を持った酸化絶縁膜を適用して圧電素子の短絡の防止性能を向上させ、従来に比べて、より高温を含む幅広い温度領域でも問題なく使用できる圧電素子を提供することを目的とする。
また、導電性基板が半導体素子の外周面側にくるように折り返せば、導電性基板は絶縁層で覆われているので、電極材料の酸化の問題と、圧電材料に非酸化物を適用した場合の酸化の問題とを解消することができる。
図1は、本発明の一実施形態に係る圧電素子を示している。
この実施形態の圧電素子は、薄膜状の屈曲性があるもので、導電性基板1上に各種の層が形成されたものである。
このような構成にする場合には、導電性基板1の材料や厚さを適宜選択して可撓性を有する材料とすることが必要である。
当然、導電性基板1だけでなく、後述する絶縁層2、圧電体層3及び電極層4にも可撓性を持たせなければならない。
雰囲気ガスとしては、酸素を含むガス、例えば空気が採用されるが、この点については後述する。
この導電性基板1の材質としては、導電性金属が用いられている。
導電性金属を用いる場合は、軽量化、小型化、可撓性の観点から金属箔とすることが好ましい。
例えば、CrやNiを適量含有したFe系合金、具体的には、Fe−Ni、Fe−Ni−Cr、Fe−Ni−Co、Fe−Co−Crを主成分とする合金を用いることができる。
このような金属を用いると、酸化により導電性基板1の表層部に耐酸化性を有する酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化クロム(Cr2O3)又は酸化シリコン(SiO2)を主成分とする酸化膜が形成される。
酸化膜は、導電性基板1との界面応力の発生を防ぐために熱膨張係数が導電性基板1と近いものとなることが好ましい。
また酸化膜は、その上に形成される圧電体層とのより近い熱膨張係数を有するものが好ましい。
これらの雰囲気の環境条件を考慮して適宜、酸化膜の膜厚を決定することとなる。
なお、酸化膜の膜厚は、容器内の雰囲気中の酸化条件、すなわち温度や酸素分圧の調整で容易に制御できる。
このように酸化膜の厚みは非常に薄いので、外部から電気的に導通する場合は機械的な研磨等により除去でき、具体的に圧力センサー等の導通に適用できる。
圧電体層3の材質は、圧電性を有する物質であれば特に限定されるものではないが、例えばペロブスカイト構造(ABO3)の複合酸化物を主成分とする材料が挙げられる。
ここでペロブスカイト系複合酸化物の上記Aサイトとしては、通常、Pb,Ba,Ca,Sr,La,Li,Biの中から選択される少なくとも1種の元素が採用される。
また、このような複合酸化物の具体例としては、チタン酸ジルコン酸鉛[Pb(Zr,Ti)O3](PZTともいう)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、ニオブ酸タンタル酸カリウム[K(Ta,Nb)O3]、チタン酸バリウム(BaTiO3)、鉄酸ビスマス(BiFeO3)、鉄酸バリウム(BaFeO3)、タンタル酸リチウム(LiTaO3)、ニッケル酸ランタン(LaNiO3)、チタン酸鉛(PbTiO3)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)等が挙げられ、これらの中から選択すれば良い。
ウルツ鉱型構造としては、具体的には、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ガリウム(GaN)、窒化インジウム(InN)、酸化ベリリウム(BeO)、酸化亜鉛(ZnO)、硫化カドミウム(ZnCd)、硫化亜鉛(ZnS)及びヨウ化銀(AgI)等があり、これらの中から選択すれば良い。
圧電体層3の膜厚は、通常、0.1μm〜100μmが好ましく、特に0.5μm〜30μmが好ましい。
すなわち、厚みが0.1μm未満では、例えばセンサーやアクチュエータ等に用いた場合に十分な出力が得られにくく、逆に100μmを超えると可撓性が乏しくなりクラックや剥離を引き起こす恐れがあるからである。
電極層4の材質としては、Al,Ni,Pt,Au,Ag,Cu,Nb,Cr,Rh,Ir,Mo,W等の金属やこれらの合金を用いることができる他、金属酸化物や金属窒化物を用いることもできる。
電極層4の形成方法は特に限定されるものではなく、例えば塗布処理、メッキ法、スパッタリング法、又は真空蒸着法等の物理蒸着法、等があり、この中から選択することができる。
一方、導電性基板1と電極層4とを相互に近接される方向に荷重を加えると、導電性基板1と電極層4との間で荷重に応じた電圧が生じる。
以上は、酸化膜による絶縁層2について述べたが、窒化膜による絶縁層2を形成することも可能である。
窒化膜は、高温の大気雰囲気又は窒素雰囲気下で熱酸化させて形成され、窒化膜の膜厚は、容器内の雰囲気中の窒化条件、すなわち温度や窒素分圧の調整で容易に制御できる。 窒化膜の厚みは、圧電素子の短絡を防止することができれば特に限定されないが、酸化膜と同じように、圧電体層3の駆動による変形に支障のない程度の厚さ、例えば0.01μm〜100μmの厚さであることが好ましい。
上述した実施形態では、導電性基板1の片面に圧電体層3を形成した例について説明したが、図2に示すように両面に形成しても良い。
また、絶縁層2は雰囲気ガスとの反応により導電性基板全面に形成されるので、1回の絶縁層の形成で両面に圧電素子を形成することができ、絶縁性のある圧電素子の製造を効率的に行うことができる。
この場合は導電性基板1の材料として積極的に屈曲性のある材料を用いることが好ましい。
もっとも1回だけ折り返すのではなく、多数回折り返すことも可能である。
このような構成にすれば、圧力センサとしての容量が更に大きくなる上、感度も更に向上する。
通常、導電性基板1を変形させても圧電素子に影響を与えない。
しかし屈曲性の点を考慮すると0.01μm〜100μmが好ましく、更に好ましくは0.01μm〜1μmである。
圧電体層3や電極層4も、その厚さを調節することで可撓性を確保することができる。
すなわち、導電性基板1の基板材料として導電性高分子や導電性セラミックスを使って、その導電性高分子に含まれる成分元素、或いは導電性セラミックスに含まれる少なくとも一つの成分元素と雰囲気ガスとの化学反応により絶縁層を形成するのである。
実験装置の作成は、以下のように行った。
先ず、導電性基板1として厚さ100μmの18−8ステンレス箔を準備した。
次いで、この導電性基板1を500℃の大気中に1時間保持し、表面にクロム酸化膜(CrO3)からなる緻密な絶縁層2を形成した。
この絶縁層2の膜厚は0.2μmであった。
そして、導電性基板1の一部をサンドペーパーで軽く擦ることにより酸化膜を剥がして外部から導通可能な状態にした(図4参照)。
比較例として、酸化処理を行っていない導電性基板1(厚さ100μmの18−8ステンレス箔導電性基板)を用いた他は、上記実施例と同じ窒化アルミニウムの圧電層3及び白金の電極層4を形成して圧電素子を作成し、同様な実験を行った。
その結果、20個中、13個において短絡が見られ、歩留まりが非常に低かった。
比較例として、厚さ100μmの18−8ステンレス箔の上にゾルーゲル法によって酸化膜(クロム酸化膜)を形成した以外は同様な実験を行った。
その結果、20個中、10個において短絡が見られ、歩留まりが低かった。
実施例1の20個の圧電素子(試料)を用いて温度サイクルによる特性劣化を調べた。 実験は、500℃に保持した電気炉へ各圧電素子を出し入れし、温度サイクルによる特性劣化を調べた。
実験では、各圧電素子を500℃まで3分で昇温し、10分間保持後に、その後3分の周期で炉外(室温)と炉内(500℃)とに交互に出し入れし、熱サイクルを負荷した。 その結果、100サイクルの後も短絡は発生しなかった。
比較例1の20個の圧電素子(試料)において短絡が生じなかった7個の圧電素子を使って温度サイクルによる特性劣化を調べた。
実験は、上記実施例2と同じようにして温度サイクルによる特性劣化を調べた。
その結果、平均して20サイクル程度で短絡した。
比較例2の20個の圧電素子(試料)において短絡が生じなかった10個の圧電素子を使って温度サイクルによる特性劣化を調べた。
実験は、上記実施例2と同じようにして温度サイクルによる特性劣化を調べた。
その結果、平均して10サイクル程度で短絡した。
2 絶縁層
3 圧電体層
4 電極層
Claims (7)
- 導電性基板上に圧電体層及び電極層を形成する圧電素子において、
導電性基板の一方の面に該導電性基板の基板材料を構成する少なくとも一つの成分元素と雰囲気ガスとの化学反応により、絶縁層を形成し、
導電性基板の一方の面に形成された絶縁層の上に圧電体層を形成し、
前記導電性基板は、Fe−Ni−Coを主成分とする合金であり、
前記絶縁層は、窒化によって形成された窒化膜であり、且つ
前記絶縁層は、窒化ケイ素及び窒化アルミニウムのいずれか1種を主成分に含み、
前記窒化膜の厚さが0.01μm〜100μmであることを特徴とする圧電素子。 - 導電性基板の他方の面に該導電性基板の基板材料を構成する少なくとも一つの成分元素と雰囲気ガスとの化学反応により、絶縁層を形成し、
導電性基板の他方の面に形成された絶縁層の上に圧電体層を形成したことを特徴とする請求項1記載の圧電素子。 - 前記導電性基板が可撓性を有する材料からなり、導電性基板の幅方向に沿って1回以上折り返して重ね、導電性基板又は電極層を外周面としたことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の圧電素子。
- 前記圧電体層が、複合酸化物を主成分とすることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の圧電素子。
- 前記複合酸化物は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル酸カリウム、チタン酸バリウム、鉄酸ビスマス、鉄酸バリウム、タンタル酸リチウム、ニッケル酸ランタン、チタン酸鉛又はチタン酸ストロンチウムのいずれか1種であることを特徴とする請求項4に記載の圧電素子。
- 前記圧電体層が、ウルツ鉱型構造の化合物を主成分とすることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の圧電素子。
- 前記ウルツ鉱型構造の化合物は、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化インジウム、酸化ベリリウム、酸化亜鉛、硫化カドミウム、硫化亜鉛及びヨウ化銀のいずれか1種であることを特徴とする請求項6に記載の圧電素子。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004382102A JP4736021B2 (ja) | 2004-12-28 | 2004-12-28 | 圧電素子 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004382102A JP4736021B2 (ja) | 2004-12-28 | 2004-12-28 | 圧電素子 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2006190720A JP2006190720A (ja) | 2006-07-20 |
JP4736021B2 true JP4736021B2 (ja) | 2011-07-27 |
Family
ID=36797670
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2004382102A Expired - Fee Related JP4736021B2 (ja) | 2004-12-28 | 2004-12-28 | 圧電素子 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4736021B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4911669B2 (ja) * | 2005-12-13 | 2012-04-04 | 富士フイルム株式会社 | 圧電アクチュエータ、液体吐出ヘッドの製造方法及び液体吐出ヘッド並びに画像形成装置 |
JP5355148B2 (ja) * | 2008-03-19 | 2013-11-27 | キヤノン株式会社 | 圧電材料 |
WO2012111279A1 (ja) * | 2011-02-18 | 2012-08-23 | パナソニック株式会社 | 圧電素子 |
DE102012211314A1 (de) * | 2012-06-29 | 2014-02-20 | Siemens Aktiengesellschaft | Verfahren zum Herstellen eines polykristallinen Keramikfilms |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS625601A (ja) * | 1985-07-02 | 1987-01-12 | 株式会社村田製作所 | 薄膜抵抗体 |
JPH1131857A (ja) * | 1997-07-14 | 1999-02-02 | Tokai Rubber Ind Ltd | 圧電体構造物およびその製造方法 |
JP2000349362A (ja) * | 1999-06-02 | 2000-12-15 | Japan Fine Ceramics Center | 圧電デバイスおよびその製造方法 |
JP2004184274A (ja) * | 2002-12-04 | 2004-07-02 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 薄膜型圧電センサ |
JP2005354650A (ja) * | 2004-02-05 | 2005-12-22 | Seiko Epson Corp | 弾性表面波デバイス |
-
2004
- 2004-12-28 JP JP2004382102A patent/JP4736021B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS625601A (ja) * | 1985-07-02 | 1987-01-12 | 株式会社村田製作所 | 薄膜抵抗体 |
JPH1131857A (ja) * | 1997-07-14 | 1999-02-02 | Tokai Rubber Ind Ltd | 圧電体構造物およびその製造方法 |
JP2000349362A (ja) * | 1999-06-02 | 2000-12-15 | Japan Fine Ceramics Center | 圧電デバイスおよびその製造方法 |
JP2004184274A (ja) * | 2002-12-04 | 2004-07-02 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 薄膜型圧電センサ |
JP2005354650A (ja) * | 2004-02-05 | 2005-12-22 | Seiko Epson Corp | 弾性表面波デバイス |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2006190720A (ja) | 2006-07-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4218350B2 (ja) | 強誘電体薄膜素子およびその製造方法、これを用いた薄膜コンデンサ並びに圧電アクチュエータ | |
JP2014187094A (ja) | 圧電体薄膜積層基板、圧電体薄膜素子、およびそれらの製造方法 | |
JP5444662B2 (ja) | 圧電デバイスの製造方法 | |
JP4736021B2 (ja) | 圧電素子 | |
US9705070B2 (en) | Ferroelectric thin film, method of manufacturing same and method of manufacturing piezoelectric element | |
JP2002043644A (ja) | 薄膜圧電素子 | |
TWI389360B (zh) | 壓電裝置、角速度感測器及製造壓電裝置之方法 | |
JP7044600B2 (ja) | 圧電積層体、圧電積層体の製造方法および圧電デバイス | |
JP6934746B2 (ja) | 圧電膜を有する積層基板、圧電膜を有する素子および圧電膜を有する積層基板の製造方法 | |
JP2003347613A (ja) | 圧電体薄膜素子 | |
CN110832655A (zh) | 压电薄膜元件 | |
JP2001156351A (ja) | 積層構造電極、その形成方法、及び圧電アクチュエータ | |
JP7268487B2 (ja) | 薄膜状圧電素子およびその製造方法 | |
JPH0670258U (ja) | 圧電体素子 | |
JP4737185B2 (ja) | 圧電素子、角速度センサ、及び圧電素子の製造方法 | |
US20210005805A1 (en) | Piezoelectric laminate, piezoelectric element and method of manufacturing the piezoelectric laminate | |
JPH11233305A (ja) | Ptcサーミスタ薄膜素子 | |
TWI395825B (zh) | 多層膜形成方法及裝置 | |
WO2022004068A1 (ja) | 圧電積層体、圧電素子および圧電積層体の製造方法 | |
WO2022070523A1 (ja) | 圧電素子 | |
EP3276687B1 (en) | Ferroelectric thin-film laminate substrate, ferroelectric thin-film element, and manufacturing method of ferroelectric thin-film laminate substrate | |
JP2022084768A (ja) | 圧電積層体、圧電積層体の製造方法および圧電デバイス | |
JP5526704B2 (ja) | 圧電アクチュエータ | |
JPH11284242A (ja) | 圧電性薄膜およびその製造方法 | |
TW202239026A (zh) | 壓電積層體、壓電元件及壓電積層體的製造方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20061101 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20100527 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20100615 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20100813 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20100910 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20101104 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20101124 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20110112 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20110112 |
|
A911 | Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911 Effective date: 20110201 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20110325 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20110414 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 4736021 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140513 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140513 Year of fee payment: 3 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |