JP5419488B2 - Piezoelectric element - Google Patents
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Description
本発明は、カメラの手振れ補正システム、ナビゲーションシステム、姿勢制御システム用のジャイロセンサを始めとし、機器の振動衝撃検知や防犯システム用衝撃センサ等に用いられる圧電素子に関するものである。 The present invention relates to a piezoelectric element used for a gyro sensor for a camera shake correction system, a navigation system, and a posture control system, as well as for a vibration shock detection of a device, a shock sensor for a security system, and the like.
圧電材料は電気−機械変換効率が高く、小型で高感度なセンサ用圧電素子を実現できることから、様々なセンサに利用されている。近年では、数μm厚みの圧電膜を大面積の基板に再現性良く成膜する技術や圧電膜を微細に加工する技術も確立され、ますます超小型なセンサ用圧電素子が量産性良く製造できるようになってきた。 Piezoelectric materials have high electro-mechanical conversion efficiency, and can be used for various sensors because they can realize small and highly sensitive piezoelectric elements for sensors. In recent years, a technology to form a piezoelectric film with a thickness of several μm on a large-area substrate with good reproducibility and a technology to finely process the piezoelectric film have been established, and more and more small piezoelectric elements for sensors can be manufactured with high productivity. It has become like this.
こうした中、新たな技術的課題も生じてきている。その一つに電極間の容量結合があげられる。センサ用圧電素子にはしばしば複数の電極が形成されるが、それぞれの電極の間隔が極めて狭くなってきていることと、特に圧電性が高いチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等の圧電体は誘電率が高いことから、各電極間の容量が増大し、一つの電極で取り扱う電気信号が他の電極に飛び込む、いわゆる容量結合が大きくなり、センサ性能への影響が無視できなくなってきている。 Under such circumstances, new technical issues have also arisen. One of them is capacitive coupling between electrodes. A plurality of electrodes are often formed on a piezoelectric element for a sensor. The distance between the electrodes is becoming extremely narrow, and a piezoelectric material such as lead zirconate titanate (PZT), which has particularly high piezoelectricity, is a dielectric. Since the rate is high, the capacitance between the electrodes increases, so-called capacitive coupling in which an electric signal handled by one electrode jumps to the other electrode becomes large, and the influence on the sensor performance cannot be ignored.
容量結合について特許文献1を用いてもう少し詳しく説明する。図8は、従来例1に係る圧電素子の図を示す。図8(a)は斜視図、図8(b)は断面図である。説明をわかりやすくするため圧電素子の構造は、片端側が振動自由であり、片端側が固定されているカンチレバー状の圧電素子とした。斜視図は、片端側が自由である方向から見たものである(片端固定側は図示せず)。基板509上に下部電極504、圧電膜506、上部電極501、502、503が形成されている。尚、圧電膜506は矢印が示す通り厚み方向に予め分極処理が施されている。こうした構成とすることで、下部電極504と上部電極503との間に交流電圧を印加すると、圧電膜成膜面に対し垂直方向に圧電素子を屈曲振動させることができ、また下部電極504と上部電極501及び上部電極502との間に各々逆位相の交流電圧を印加すると、圧電膜成膜面に対し平行な方向に屈曲振動できることが従来から知られている。例えばジャイロ用圧電素子にこの圧電素子を利用するには、組み合わせはいくつか考えられるが、上部電極501及び上部電極502を駆動用電極とし、上部電極503を検出用電極とすることで実現できる。ここで、圧電素子の小型化を考えた場合、振動振幅の大きさを維持するために圧電素子の共振周波数を上げないようにする必要がある。共振周波数は圧電素子の長さの二乗に反比例し、幅や厚みに比例するため、共振周波数を維持したまま小型化すると圧電素子は細長い形状になっていく。一方、配線間容量は隣り合う電極の間隔に反比例し長さに比例するため、圧電素子を小型化すると配線間容量は増大することとなる。即ち、圧電素子を小型化すればするほど容量結合が大きくなり、上部電極501及び上部電極502に加えた交流電圧が、各々の隣に配置された上部電極503に多量に(強く)流れ込むこととなり、検出出力の安定化を損なうことにつながる。
The capacitive coupling will be described in a little more detail with reference to
特許文献1の容量結合の影響に対する対策としては、例えば特許文献2、3記載の容量結合低減の従来技術が知られている。この従来技術は主にジャイロセンサ用圧電素子に関するものであり、圧電素子における圧電膜を離間配置することで容量結合を低減でき、印加された角速度に対する検出出力を安定化できる技術である。
As a countermeasure against the influence of capacitive coupling in
容量結合低減の対策として、圧電素子の横方向に離間配置したことが、特許文献2に記載されている。図9は、従来例2に係る圧電素子の図を示す。図9(a)は斜視図、図9(b)は断面図である。基板519上に下部電極514、圧電膜516、上部電極511、512、513が形成されている。尚、圧電膜516は矢印が示す通り厚み方向に予め分極処理が施されている。上部電極511、512、513の各配線間における圧電膜516及び下部電極514を削りとり、上部電極511、512、513の各々を圧電素子の幅方向に離間配置している。これにより各配線間の間隔が広くなり、配線間容量を抑え、つまりは容量結合が抑えられ、検出出力の安定化につなげている。
更に、容量結合低減の対策として、圧電素子の長手方向に離間配置すると同時に、上部電極の引き回しを絶縁体にすることが、特許文献3に記載されている。図10は、従来例3に係る圧電素子の図を示す。図10(a)は斜視図、図10(b)は断面図である。基板529上に下部電極524、圧電膜526、上部電極521、522、523が形成されている。尚、圧電膜526は矢印が示す通り厚み方向に予め分極処理が施されている。上部電極523は、上部電極521、522と圧電素子の長手方向に離間配置すると同時に、上部電極523の引き回しは絶縁体528上にすることで、配線間容量を抑え、つまりは容量結合が抑えられ、検出出力の安定化につなげている。
Further,
しかしながら、上部電極の離間配置は圧電素子の駆動検出効率の低下を招くこととなる。具体的には、図8〜図9において、上部電極503や上部電極513は圧電膜成膜面に対し垂直方向に生じる圧電素子の屈曲振動を駆動もしくは検出するためのものであるため、圧電素子の幅全面に形成されるのが、効率面においては好ましい。しかし、幅方向に圧電膜を離間配置すれば、その分、検出効率は低下する。また上部電極511、512、513の各配線間における圧電膜516及び下部電極514を削りとると、圧電膜516が加工時のダメージにより性能劣化を起こして、更に圧電素子駆動検出効率を低下させる。
However, the disposition of the upper electrode causes a decrease in the drive detection efficiency of the piezoelectric element. Specifically, in FIGS. 8 to 9, the
また、図10において、上部電極521、522を圧電素子の長手方向に離間配置すると圧電素子の屈曲振動の歪発生箇所に適正に配置できなくなり、これもまた圧電素子の駆動検出効率を低下させることになる。尚、基板の表裏に離間配置することも考えられるが、圧電素子の駆動検出効率の低下や容量結合は防げるものの、基板の表裏に離間した上部電極同士の位置合わせ精度が悪くなり、検出出力の安定化にはつながらない。
Further, in FIG. 10, if the
以上のように上部電極の離間配置は、圧電素子の駆動検出効率の低下につながると言った問題があった。そこで本発明は、圧電素子の駆動検出効率の低下を招くことなく、且つ容量結合を少なくすることで、感度が高く、出力が安定な即ちS/Nに優れるセンサ用圧電素子の提供を目的とする。 As described above, there is a problem that the disposition of the upper electrode leads to a decrease in drive detection efficiency of the piezoelectric element. Therefore, the present invention has an object to provide a piezoelectric element for a sensor that has high sensitivity and stable output, that is, excellent S / N, without reducing the drive detection efficiency of the piezoelectric element and reducing capacitive coupling. To do.
上記の課題を解決するために、本発明の圧電素子は、圧電膜に少なくとも1層の埋め込み電極を設け、埋め込み電極の内の少なくとも1層を電気的に安定な電位である基準電位に接続した基準電極とする点と、圧電膜の成膜面に対し平行な方向の変位を駆動もしくは検出するための電極と圧電膜の成膜面に対し垂直な方向の変位を駆動もしくは検出するための電極によって基準電極を厚み方向に挟んだ状態となるように構成したものである。この構成により、電気的に安定な電位に接続した埋め込み電極を挟んだ電極同士の容量結合は、ほぼ無くすことができると同時に圧電素子の変位歪が発生する箇所に電極を理想的に配置でき、圧電素子の駆動検出効率を低下させずに出力を安定にすることが可能となる。 In order to solve the above-described problems, in the piezoelectric element of the present invention, at least one embedded electrode is provided in the piezoelectric film, and at least one of the embedded electrodes is connected to a reference potential that is an electrically stable potential. A reference electrode, an electrode for driving or detecting displacement in a direction parallel to the film-forming surface of the piezoelectric film, and an electrode for driving or detecting displacement in a direction perpendicular to the film-forming surface of the piezoelectric film Thus, the reference electrode is sandwiched in the thickness direction. With this configuration, the capacitive coupling between the electrodes sandwiching the embedded electrode connected to an electrically stable potential can be almost eliminated, and at the same time, the electrode can be ideally arranged at a location where displacement distortion of the piezoelectric element occurs, The output can be stabilized without reducing the drive detection efficiency of the piezoelectric element.
すなわち、本発明によれば、基板上に、下部電極、圧電膜、上部電極が形成され、前記圧電膜の成膜面に対し平行な方向及び垂直な方向の変位を駆動もしくは検出を可能とした圧電素子であって、前記圧電膜に少なくとも1層の埋め込み電極を設け、前記埋め込み電極の内の少なくとも1層を電気的に安定な電位である基準電位に接続した基準電極とし、前記上部電極と前記基準電極の間に交流電圧を印加して、前記圧電膜の成膜面に対し平行な方向の変位を駆動もしくは検出し、前記下部電極と前記基準電極の間に交流電圧を印加して、前記圧電膜の成膜面に対し垂直な方向の変位を駆動もしくは検出する、または、前記上部電極と前記基準電極の間に交流電圧を印加して、前記圧電膜の成膜面に対し垂直な方向の変位を駆動もしくは検出し、前記下部電極と前記基準電極の間に交流電圧を印加して、前記圧電膜の成膜面に対し平行な方向の変位を駆動もしくは検出することを特徴とする圧電素子が得られる。 That is, according to the present invention, on a substrate, a lower electrode, a piezoelectric film, an upper electrode is formed, to enable the drive or detecting the displacement of the directions parallel and perpendicular to the deposition surface of the piezoelectric film A piezoelectric element, wherein at least one embedded electrode is provided on the piezoelectric film, and at least one of the embedded electrodes is a reference electrode connected to a reference potential which is an electrically stable potential, and the upper electrode and An alternating voltage is applied between the reference electrodes to drive or detect displacement in a direction parallel to the film formation surface of the piezoelectric film, and an alternating voltage is applied between the lower electrode and the reference electrode, Drive or detect a displacement in a direction perpendicular to the surface on which the piezoelectric film is formed , or apply an AC voltage between the upper electrode and the reference electrode so as to be perpendicular to the surface on which the piezoelectric film is formed. Drive or detect directional displacement , By applying an AC voltage between the lower electrode and the reference electrode, the piezoelectric element is obtained, characterized in that the driving or detecting a direction parallel displacement relative to the film formation surface of the piezoelectric film.
本発明は、圧電膜に少なくとも1層の埋め込み電極を設け、厚み方向に圧電膜を2分割以上することで、圧電膜の成膜面に対し平行な方向の変位を駆動もしくは検出するための電極と圧電膜の成膜面に対し垂直な方向の変位を駆動もしくは検出するための電極とを各々別の層に形成することが可能となり、圧電膜の成膜面に対し垂直な方向に生じる圧電素子の屈曲振動において、電極を離間配置する必要がなくなるので、従来よりも広域に電極を形成できる。即ち、効率よく高い感度が得られるセンサ用圧電素子を提供できる。 The present invention provides an electrode for driving or detecting displacement in a direction parallel to the film formation surface of the piezoelectric film by providing at least one embedded electrode in the piezoelectric film and dividing the piezoelectric film into two or more in the thickness direction. And electrodes for driving or detecting displacement in the direction perpendicular to the film formation surface of the piezoelectric film can be formed in different layers, and the piezoelectric generated in the direction perpendicular to the film formation surface of the piezoelectric film. In the bending vibration of the element, it is not necessary to arrange the electrodes apart from each other, so that the electrodes can be formed in a wider area than before. That is, it is possible to provide a piezoelectric element for a sensor that can obtain high sensitivity efficiently.
更に、埋め込み電極の内、少なくとも1層を電気的に安定な電位である基準電位に接続した基準電極とし、圧電膜の成膜面に対し平行な方向の変位を駆動もしくは検出するための電極と圧電膜の成膜面に対し垂直な方向の変位を駆動もしくは検出するための電極によって基準電極を厚み方向に挟んだ構成としたことで、圧電膜の成膜面に対し平行な方向の変位を駆動もしくは検出するための電極と圧電膜の成膜面に対し垂直な方向の変位を駆動もしくは検出するための電極との間に発生する容量結合は、ほぼ無くすことができる。各々の電極の間隔は、圧電膜の厚みで決まるため通常極めて狭くなり、配線間容量は増加することとなるが、各々の電極の間には安定した基準電位を配置させるため、一方の電極が取り扱う信号が発生する電界が基準電極で遮断され、他方の電極に影響を及ぼすことを極めて少なくできる。尚、圧電性の高い材料の代表としてあげられるPZT等の比誘電率は、空気やシリコン等の基板材料と比較し数百倍〜数千倍と高いため、圧電膜にPZTを使用した場合電極間の容量結合による影響が大きく現れる。そこで、特に本発明の容量結合の低減効果は、圧電膜にPZTを使用した時には、極めて大きなものとなる。即ち、出力が安定なセンサ用圧電素子を提供できる。 Further, at least one of the embedded electrodes is a reference electrode connected to a reference potential that is an electrically stable potential, and an electrode for driving or detecting a displacement in a direction parallel to the film formation surface of the piezoelectric film; By adopting a configuration in which the reference electrode is sandwiched in the thickness direction by an electrode for driving or detecting a displacement in a direction perpendicular to the film formation surface of the piezoelectric film, the displacement in a direction parallel to the film formation surface of the piezoelectric film is reduced. Capacitive coupling generated between the electrode for driving or detecting and the electrode for driving or detecting displacement in the direction perpendicular to the film formation surface of the piezoelectric film can be almost eliminated. Since the distance between the electrodes is determined by the thickness of the piezoelectric film, it is usually extremely narrow, and the capacitance between the wirings is increased. However, in order to place a stable reference potential between the electrodes, The electric field generated by the signal to be handled is interrupted by the reference electrode, and the influence on the other electrode can be extremely reduced. The relative dielectric constant of PZT and the like, which is a representative of highly piezoelectric materials, is several hundred to several thousand times higher than that of a substrate material such as air or silicon. Therefore, when PZT is used for the piezoelectric film, an electrode The effect of capacitive coupling between them appears greatly. Therefore, the effect of reducing the capacitive coupling of the present invention is particularly great when PZT is used for the piezoelectric film. That is, it is possible to provide a sensor piezoelectric element with a stable output.
更に、各電極や各圧電膜層の加工形成において、基板の表裏に上部電極を離間して配置する方法が考えられるが、そのためには精度の出しにくい基板両面からの位置合わせ加工が必要となってくる。しかし、本発明は、精度が出し難い両面からの位置合わせを不要とし、片側面から位置合わせのみで加工形成することが可能なため、圧電素子に対し高精度に電極を配置させることができ、出力が安定なセンサ用圧電素子を提供できる。 Furthermore, in processing and forming each electrode and each piezoelectric film layer, a method of arranging the upper electrode separately on the front and back sides of the substrate is conceivable, but this requires alignment processing from both sides of the substrate that is difficult to obtain accuracy. Come. However, the present invention eliminates the need for positioning from both sides, which is difficult to obtain accuracy, and can be processed and formed only by positioning from one side, so that the electrodes can be arranged with high accuracy with respect to the piezoelectric element, A piezoelectric element for a sensor having a stable output can be provided.
本発明の圧電素子は、圧電膜に少なくとも1層の埋め込み電極を設け、埋め込み電極の内少なくとも1層を電気的に安定な電位である基準電位に接続した基準電極とする点と、圧電膜の成膜面に対し平行な方向の変位を駆動もしくは検出するための電極と圧電膜の成膜面に対し垂直な方向の変位を駆動もしくは検出するための電極によって基準電極を厚み方向に挟んだ状態となるように構成している。 The piezoelectric element according to the present invention is characterized in that at least one embedded electrode is provided in the piezoelectric film, and at least one of the embedded electrodes is used as a reference electrode connected to a reference potential which is an electrically stable potential, The reference electrode is sandwiched in the thickness direction by the electrode for driving or detecting the displacement in the direction parallel to the film formation surface and the electrode for driving or detecting the displacement in the direction perpendicular to the film formation surface of the piezoelectric film. It is comprised so that.
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
(実施の形態1)
図1は本発明の実施の形態1に係る圧電素子の図を示す。図1(a)は斜視図、図1(b)は断面図である。基板9上に下部電極3、圧電膜7、埋め込み電極4、圧電膜6、上部電極1、2を形成する。尚、圧電膜6及び圧電膜7は矢印が示す通り厚み方向に予め分極処理を施す。埋め込み電極4は、電気的に安定な電位である基準電位に接続した基準電極とする。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a diagram of a piezoelectric element according to
こうした構成とすることで、電極間の容量結合の影響を少なくすることができる。下部電極3と埋め込み電極4との間に交流電圧を印加すると、圧電膜成膜面に対し垂直方向に圧電素子を屈曲振動させることができ、また埋め込み電極4と上部電極1及び上部電極2との間に各々逆位相の交流電圧を印加すると、圧電膜成膜面に対し平行な方向に屈曲振動できる。
With such a configuration, the influence of capacitive coupling between the electrodes can be reduced. When an AC voltage is applied between the
(実施の形態2)
図2は本発明の実施の形態2に係る圧電素子の図を示す。図2(a)は斜視図、図2(b)は断面図である。基板19上に下部電極11及び下部電極12、圧電膜17、埋め込み電極14、圧電膜16、上部電極13を形成する。尚、圧電膜16及び圧電膜17は矢印が示す通り厚み方向に予め分極処理を施す。埋め込み電極は、電気的に安定な電位である基準電位に接続した基準電極とする。
(Embodiment 2)
FIG. 2 shows a diagram of a piezoelectric element according to
こうした構成とすることで、電極間の容量結合の影響を少なくすることができる。埋め込み電極14と下部電極11及び下部電極12との間に各々逆位相の交流電圧を印加すると、圧電膜成膜面に対し平行な方向に屈曲振動させることができ、また上部電極13と埋め込み電極14との間に交流電圧を印加すると、圧電膜成膜面に対し垂直方向に圧電素子を屈曲振動させることができる。
With such a configuration, the influence of capacitive coupling between the electrodes can be reduced. When an alternating voltage having an opposite phase is applied between the embedded
実施の形態2は実施の形態1とほぼ同等の方法で製造できるが、圧電膜の成膜前に下部電極をパターン加工する必要があるため、成膜前の洗浄工程が増える等、若干工程が長くなる。しかし、圧電膜成膜面に対し垂直方向に圧電素子を屈曲振動させる際には、圧電素子は最表層部が最も歪むため、その箇所の圧電を利用できるようになる。つまり、上部電極を圧電膜成膜面に対し垂直方向に圧電素子を屈曲振動させる電極として利用できるようになる。更に、圧電膜成膜面に対し平行方向に圧電素子を屈曲振動させる際にも、圧電素子は最側壁部が最も歪むため、その箇所の圧電を利用できるようになる。即ち、若干コスト高ではあるが、実施の形態1より感度を向上できる。 Although the second embodiment can be manufactured by almost the same method as the first embodiment, it is necessary to pattern the lower electrode before forming the piezoelectric film. become longer. However, when the piezoelectric element is bent and vibrated in the direction perpendicular to the surface on which the piezoelectric film is formed, the outermost layer portion of the piezoelectric element is most distorted, so that the piezoelectric at that location can be used. That is, the upper electrode can be used as an electrode for bending and vibrating the piezoelectric element in a direction perpendicular to the piezoelectric film forming surface. Further, when the piezoelectric element is bent and vibrated in a direction parallel to the surface on which the piezoelectric film is formed, since the piezoelectric element is most distorted at the side wall portion, the piezoelectric element at that location can be used. That is, although the cost is slightly higher, the sensitivity can be improved than in the first embodiment.
(実施の形態3)
図3は本発明の実施の形態3に係る圧電素子の図を示す。図3(a)は斜視図、図3(b)は断面図である。基板29上に下部電極25、圧電膜28、埋め込み電極21、22、圧電膜27、埋め込み電極24、圧電膜26、上部電極23を形成する。圧電膜26、圧電膜27及び圧電膜28は矢印が示す通り厚み方向に予め分極処理を施す。尚、下部電極25、埋め込み電極24は、電気的に安定な電位である基準電位に接続した基準電極とする。
(Embodiment 3)
FIG. 3 shows a diagram of a piezoelectric element according to
こうした構成とすることで、電極間の容量結合の影響を少なくすることができる。下部電極25及び埋め込み電極24と埋め込み電極21及び埋め込み電極22との間に各々逆位相の交流電圧を印加すると、圧電膜成膜面に対し平行な方向に屈曲振動させることができ、また上部電極23と埋め込み電極24との間に交流電圧を印加すると、圧電膜成膜面に対し垂直方向に圧電素子を屈曲振動させることができる。
With such a configuration, the influence of capacitive coupling between the electrodes can be reduced. When an AC voltage having an opposite phase is applied between the
実施の形態3は実施の形態2とほぼ同等の方法で製造できるが、圧電膜の成膜層数が増える等、若干工程が長くなる。しかし、圧電膜成膜面に対し水平方向に圧電素子を屈曲振動させる際には、圧電膜27と圧電膜28が利用でき、より大きな駆動振幅を得られるようになる。即ち、コスト高ではあるが、実施の形態2より更に感度を向上できる。
The third embodiment can be manufactured by a method substantially equivalent to that of the second embodiment, but the process is slightly longer, such as an increase in the number of piezoelectric film layers. However, when the piezoelectric element is bent and vibrated in the horizontal direction with respect to the surface on which the piezoelectric film is formed, the
実施の形態3のように圧電膜の層数をあげることで感度を向上させることができることは言うまでもないため、これ以上の多層膜についての説明を省略する。 Needless to say, the sensitivity can be improved by increasing the number of layers of the piezoelectric film as in the third embodiment, and thus the description of the multilayer film beyond this is omitted.
ジャイロセンサ用圧電素子に本発明の実施の形態1に係る圧電素子を利用する場合について説明する。図4は本発明の実施例に係る圧電素子の図を示す。図4(a)は上面図及び回路結線図、図4(b)は図4(a)のA−A断面図、図4(c)は図4(a)のB−B断面図である。圧電素子には各電極を回路に結線できるように入出力パッドを形成し、圧電素子の入出力パッドと反対側端部が自由に屈曲振動できるよう圧電素子を浮かせ入出力パッド周辺部10にて支持固定する。埋め込み電極4は、入出力パット周辺部10において埋め込み電極4上の圧電膜6及び上部電極1及び上部電極2を除去し表面に露出させている。同様に、下部電極3も入出力パット周辺部10において表面に露出させている。
The case where the piezoelectric element according to the first embodiment of the present invention is used as the gyro sensor piezoelectric element will be described. FIG. 4 shows a diagram of a piezoelectric element according to an embodiment of the present invention. 4A is a top view and circuit connection diagram, FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 4A, and FIG. 4C is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. . An input / output pad is formed on the piezoelectric element so that each electrode can be connected to a circuit, and the piezoelectric element is floated so that the end opposite to the input / output pad of the piezoelectric element can bend and vibrate freely. Support and fix. The embedded
上部電極1及び上部電極2に各々逆位相で圧電素子の屈曲振動の共振周波数に略一致する交流電圧を印加できるよう自励発信回路101に接続する。下部電極3は電流検出増幅回路102に接続し、下部電極に発生する電荷を電流検出増幅回路102にて増幅した後、同期検波整流回路103を経由し出力端子105を設ける構成とする。尚、同期検波整流回路103では、電流検出増幅回路102にて増幅した信号を自励発信回路101の動作周波数で検波し他の周波数帯域のノイズを除去した後、検出角速度の周波数帯域を考慮したカットオフ周波数のローパスフィルタで整流され、動作周波数を含む高い周波数成分のノイズも除去して出力させる。また、埋め込み電極4は、電気的に安定な電位有する基準電圧回路104に接続する。
The self-excited oscillation circuit 101 is connected to the
このように本発明の実施例に係る圧電素子を前述の回路に結線することで、予め圧電素子を圧電膜の成膜面に対し平行な方向に圧電素子の共振周波数で屈曲振動させることができる。同時に、圧電素子の長手方向を中心とした角速度が加わった際、コリオリ力の作用により新に発生する圧電膜に垂直な方向の屈曲振動の振幅も出力端子105から得られる直流電圧の変化として知ることができ、つまりジャイロセンサとして機能する。 As described above, by connecting the piezoelectric element according to the embodiment of the present invention to the above-described circuit, the piezoelectric element can be bent and vibrated in advance in the direction parallel to the film formation surface of the piezoelectric film at the resonance frequency of the piezoelectric element. . At the same time, when an angular velocity centered on the longitudinal direction of the piezoelectric element is applied, the amplitude of the bending vibration in the direction perpendicular to the piezoelectric film newly generated by the action of the Coriolis force is also known as a change in the DC voltage obtained from the output terminal 105. That is, it functions as a gyro sensor.
本発明の実施の形態1に係る圧電素子の構造は、片持ち支持バリであるカンチレバー形状としたが、本発明の圧電素子の構造は、前述の構造に限定されるものではない。屈曲振動のモードが1波長共振でも何次の共振であっても構わないし、捻り振動でも構わない。更には、各振動を安定化させるために圧電素子を音さ形状としても構わないし、多軸の角速度を検出できるように振動部を複数設ける形状であっても構わない。
Although the structure of the piezoelectric element according to
本発明の構成の重要な点は、圧電膜に少なくとも1層の埋め込み電極を設け、埋め込み電極の内、少なくとも1層を電気的に安定な電位である基準電位に接続した基準電極とする点と、圧電膜の成膜面に対し平行な方向の変位を駆動もしくは検出するための電極と圧電膜の成膜面に対し垂直な方向の変位を駆動もしくは検出するための電極によって基準電極を厚み方向に挟んだ構成とした点にある。 The important point of the structure of the present invention is that a piezoelectric film is provided with at least one buried electrode, and at least one of the buried electrodes is used as a reference electrode connected to a reference potential which is an electrically stable potential. The reference electrode is formed in the thickness direction by an electrode for driving or detecting a displacement in a direction parallel to the film formation surface of the piezoelectric film and an electrode for driving or detecting a displacement in a direction perpendicular to the film formation surface of the piezoelectric film. The point is that it is sandwiched between the two.
即ち、本発明の構成により、圧電膜の成膜面に対し垂直な方向の変位を駆動もしくは検出するための電極が、圧電素子の屈曲振動等による歪範囲に対し広域に形成できている点と、自励発振回路で生成される駆動信号が、比誘電率の高い圧電膜を還しての容量結合で、検出電極に飛び込まないよう基準電極で電界を遮断している点にある。 That is, according to the configuration of the present invention, the electrode for driving or detecting the displacement in the direction perpendicular to the film formation surface of the piezoelectric film can be formed over a wide range with respect to the strain range caused by the bending vibration of the piezoelectric element. The drive signal generated by the self-excited oscillation circuit is that the electric field is blocked by the reference electrode so as not to jump into the detection electrode by capacitive coupling by returning the piezoelectric film having a high relative dielectric constant.
本発明の実施例の製造工程例を以下に説明する。図5は、本発明の実施例に係る圧電素子基板加工後の図を示す。図5(a)は上面図、図5(b)は図5(a)のC−C断面図である。まず、SOI(シリコン・オン・インシュレーター)基板212を用意する。基板サイズは4インチとした。厚みは、活性層(基板)209のSiを100μm、埋め込み酸化膜層210のSiO2を2μm、支持層211のSiを400μmとした。厚みに関しては、活性層209が振動部となるため所望の寸法にする必要があるが、埋め込み酸化膜層210及び支持層211は、工程中での基板の破損やソリによる加工精度劣化、後で述べるエッチングの加工性等を考慮した任意の寸法で構わない。
An example of the manufacturing process of the embodiment of the present invention will be described below. FIG. 5 shows a view after processing the piezoelectric element substrate according to the embodiment of the present invention. 5A is a top view, and FIG. 5B is a cross-sectional view taken along the line CC in FIG. 5A. First, an SOI (silicon on insulator)
次に、SOI基板212に下部電極203、圧電膜207、埋め込み電極204、圧電膜206、上部電極201の順で成膜する。尚、予めSOI基板212の表面は、Siの下部電極層への拡散を防ぐため、熱処理により1μm厚程度のSiO2層を形成しておくのが好ましい。下部電極203は、数十nm厚のTi上に300nm厚のPtをスパッタで成膜した。続いて最初の圧電膜207として2μm厚のPZTをスパッタで成膜した後、埋め込み電極204は、300nm厚のPtをスパッタで成膜した。次の圧電膜206は、最初の圧電膜207と同じ2μm厚のPZTをスパッタで成膜した。最後に上部電極201は、数十nm厚のCr上に400nm厚のAuをスパッタで成膜した。尚、PZT成膜方法に関しては特にスパッタ法に限定されるものではなく、ゾル・ゲル法、MOD法、MOCVD法、エアロゾル堆積法等でも構わない。電極成膜方法についても、蒸着法等でも構わない。
Next, the
成膜後は、レジスト塗布、露光、現像する一般的なフォトリソグラフィー技術を用いレジストを所望のパターンに形成した。露光の際に使用するマスクのパターンは、4インチ基板に数百個の圧電素子を配置させ、各層ごとに所望のレジストパターンに合うマスクを用意する必要がある。レジストパターン形成後は、エッチング加工で不要部を除去した後、レジストを除去、洗浄する工程を各層ごとに繰り返し行うことで所望のパターンに加工した。尚、エッチング方法は、上部電極201をウェットエッチングで、圧電膜206,207、埋め込み電極204、下部電極203、SOI基板212を反応性イオンエッチングで行った。SOI基板212に関しては、活性層209のSi側からボッシュプロセスを用い基板に垂直にディープエッチングし、埋め込み酸化膜層210を利用しエッチングストップさせる。次に、SOI基板212の裏面側、即ち支持層211側から同様に基板に垂直にディープエッチングした。
After the film formation, a resist was formed into a desired pattern using a general photolithography technique for resist application, exposure, and development. As a mask pattern used for exposure, it is necessary to arrange several hundreds of piezoelectric elements on a 4-inch substrate and prepare a mask that matches a desired resist pattern for each layer. After the resist pattern was formed, unnecessary portions were removed by etching, and then the process of removing and cleaning the resist was repeated for each layer to form a desired pattern. The etching method was wet etching for the
これらの工法についても、成膜、フォトリソグラフィー、エッチングの順に行う工法に限定されるものではなく、例えば、上部電極等をフォトリソグラフィー、成膜、リフトオフの順で所望のパターンに加工する工法であっても構わないし、上部電極をドライエッチングで加工する工法や、圧電膜をウェットエッチングやミリングで加工する工法であっても構わない。 These methods are not limited to the methods of film formation, photolithography, and etching in that order. For example, the upper electrode is processed into a desired pattern in the order of photolithography, film formation, and lift-off. Alternatively, a method of processing the upper electrode by dry etching or a method of processing the piezoelectric film by wet etching or milling may be used.
各層のパターン加工後は、ダイシング加工にて個片化した後、入出力用パッドを使用し、下部電極と埋め込み電極間、及び埋め込み電極と上部電極間に各々10Vの電圧を印加することで圧電膜を分極処理した。尚、分極の向きに関しても、図1(a)に示す向きに限定されるものでなく、下部電極と埋め込み電極間、及び埋め込み電極と上部電極間が逆向きにしても構わない。分極処理後、入出力用パッドと駆動検出回路とをワイヤーボンディングにて図4(a)に示す結線で接続した。 After pattern processing of each layer, it is separated into pieces by dicing, and then input / output pads are used to apply a voltage of 10 V between the lower electrode and the embedded electrode, and between the embedded electrode and the upper electrode. The membrane was polarized. The direction of polarization is not limited to the direction shown in FIG. 1A, and the lower electrode and the buried electrode, and the buried electrode and the upper electrode may be reversed. After the polarization treatment, the input / output pad and the drive detection circuit were connected by wire bonding as shown in FIG.
本発明の実施の形態1の効果をより明確にするため、図8及び図9に示す従来技術の構造の圧電素子を、本発明の実施の形態1に係る圧電素子を作製した実施例と同一の4インチSOI基板内にて作製し、それぞれ図4(a)に示す回路に結線後、ジャイロセンサの感度と駆動信号の検出電極への飛び込み量を測定した。先ず、図6に圧電素子の感度測定結果を示す。従来例1の測定値301は図8に示す従来例1の圧電素子のものである。また、従来例2の測定値302は図9に示す従来例2の圧電素子のものであり、駆動電極としての上部電極511及び駆動電極としての上部電極512と、検出電極としての上部電極513との間のPZTの圧電膜516を削りこんだ離間配置の対策が施された場合のものである。本発明の測定値303は図1に示す本発明の実施の形態1に係る圧電素子の実施例のものであり、安定した基準電極としての埋め込み電極4を駆動電極としての上部電極1及び駆動電極としての上部電極2と検出電極としての下部電極3とで挟み込んだ場合のものである。本発明の圧電素子の角速度を加えた際の出力端子105の電圧変化、即ち感度が図8及び図9に示す従来例1、2の構造の圧電素子より3倍近く高く得られることがわかる。この結果は、本発明の検出電極の下部電極3の面積が従来技術の圧電素子の検出電極と比較し3倍程度大きいため感度が3倍程度高くなったものと考えられる。
In order to clarify the effect of the first embodiment of the present invention, the piezoelectric element having the conventional structure shown in FIGS. 8 and 9 is the same as the example in which the piezoelectric element according to the first embodiment of the present invention is manufactured. 4 inch SOI substrate, and after connecting to the circuit shown in FIG. 4A, the sensitivity of the gyro sensor and the amount of drive signal jumping into the detection electrode were measured. First, FIG. 6 shows the sensitivity measurement result of the piezoelectric element. The measured
次に、図7に駆動信号の検出電極への飛び込み量の測定結果を示す。従来例1の測定値401は、図8に示す従来例1の圧電素子のものである。また、従来例2の測定値402は、図9に示す従来例2の圧電素子のものであり、駆動電極としての上部電極511及び駆動電極としての上部電極512と、検出電極としての上部電極513との間のPZTの圧電膜516を削りこんだ離間配置の対策が施された場合のものである。本発明の測定値403は図1に示す本発明の圧電素子のものであり、安定した基準電極としての埋め込み電極4を駆動電極としての上部電極1及び駆動電極としての上部電極2と、検出電極としての下部電極3とで挟み込んだ場合のものである。尚、圧電素子の寸法は、いずれも厚み約100μm、幅90μm、長さ3mmであり、上部電極の幅は20μmである。駆動信号の検出電極への飛び込み量の測定に関しては、常温大気中において各振動子の駆動電極としての上部電極1、上部電極501、上部電極511と、基準電極としての埋め込み電極4、下部電極504、下部電極514との間に各々外部から振幅1Vの信号を0.1kHz〜100kHzまで可変させ入力し、検出電極としての下部電極3、上部電極503、上部電極513に、飛び込み発生する電流を帰還容量5pFのチャージアンプで構成された電流検出増幅回路102(図4(a))で電圧に変換して測定した。図7の横軸は入力した信号の周波数を示し、縦軸はチャージアンプで測定された電圧の入力信号に対するレベルを容量結合レベルとして示す。測定結果が示す通り、図8に示す従来例1の圧電素子の測定値401に対し図1及び図9の圧電素子は約40dB程度の容量結合レベル低減が確認できた。従って、本発明の圧電素子は、従来技術より感度が高く、駆動信号の検出電極への飛び込み量も大幅に低減できると言える。
Next, FIG. 7 shows the measurement result of the amount of drive signal jumping into the detection electrode. The measured
以上、本発明に係る圧電素子を実施の形態、実施例を用いて説明したが、この発明は、これらの具体例にのみ限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても本発明に含まれる。すなわち、当業者であれば、当然なしえるであろう各種変形、修正もまた本発明に含まれる。 As described above, the piezoelectric element according to the present invention has been described using the embodiment and the examples. However, the present invention is not limited to these specific examples, and design changes can be made without departing from the gist of the present invention. Even if it exists, it is included in this invention. That is, various changes and modifications that can be naturally made by those skilled in the art are also included in the present invention.
本発明は、カメラの手振れ補正システム、ナビゲーションシステム、姿勢制御システム用のジャイロセンサを始とし、機器の振動衝撃検知や防犯システム用衝撃センサ等に利用することができる。 The present invention can be used for gyro sensors for camera shake correction systems, navigation systems, and attitude control systems, as well as for detecting vibration shocks in devices, impact sensors for crime prevention systems, and the like.
1、2、13、23、201、501、502、503、511、512、513、
521、522、523 上部電極
3、11、12、25、203、504、514、524 下部電極
4、14、21、22、24、204 埋め込み電極
6、7、16、17、26、27、28、206、207、506、516、526 圧電膜
9、19、29、509、519、529 基板
10 入出力パッド周辺部
101 自励発振回路
102 電流検出増幅回路
103 同期検波整流回路
104 基準電圧回路
105 出力端子
209 活性層(基板)
210 埋め込み酸化膜層
211 支持層
212 SOI基板
301、401 従来例1の測定値
302、402 従来例2の測定値
303、403 本発明の測定値
528 絶縁体
1, 2, 13, 23, 201, 501, 502, 503, 511, 512, 513,
521, 522, 523 Upper electrode
3, 11, 12, 25, 203, 504, 514, 524
210 Embedded oxide layer 211
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