JP5729065B2

JP5729065B2 - 薄膜圧電体デバイス

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Publication number: JP5729065B2
Application number: JP2011064278A
Authority: JP
Inventors: 松田　伸也; 伸也松田
Original assignee: Konica Minolta Inc
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Priority date: 2011-03-23
Filing date: 2011-03-23
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2031-03-23
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Description

本発明は、圧電体を用いたアクチュエータやセンサなどの圧電体デバイスに関し、特に、基板上に成膜される薄膜圧電体を用いた薄膜圧電体デバイスに関するものである。

従来から、圧電体をＳｉ基板上に薄膜形成したカンチレバー構造（片持ち梁）の電気機械変換素子が知られている。この膜状の電気機械変換素子は、薄膜の面に沿う伸縮変形を面に垂直な方向の変位に効率よく変換できるため、感度の高い変換機（センサやアクチュエータ）を構成することができる。

一方、片持ち梁構造であるので、梁の先端が拘束されておらず、剛性が低く、外力による変形や捩れなどが生じやすい。そのために、変位膜の両端を固定した両持ち梁構造や周縁を固定したダイヤフラム（横隔膜）構造にすることにより、膜の剛性を高める工夫が提案されている。

膜の剛性が高くなると、発生圧力を大きくすることができて、外部からの力により安定して変形可能となったり、膜の中心部を基板に平行に移動できたり、密閉構造により気体や液体を輸送するポンプに活用できたりする利点を発揮する。

また、液体インクを吐出する複数のチャネルを備え、用紙や布などの記録メディアに対して相対的に移動しながらインクを吐出することにより、二次元の画像を描画するインクジェットプリンタが知られている。このようなプリンタで画像を高速に描画するには、インクチャネルをメディアの幅全体に並べて、一方向に走査するラインヘッド方式が望ましい。

このラインヘッド方式で、ヘッドの低コスト化、高解像度化を図るためには、チャネルをできるだけ小さくして、ヘッドに小型のチャネルを二次元、高密度に配置することが望ましい。チャネルを小型化して高密度に配置する方法として、円形や正方形など等方的な形状のチャネルを千鳥状に配置する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

例えば、図７Ｂに示すように、従来型の膜型変換器（薄膜圧電体デバイス２Ｄ）は、従動膜Ｂ１ｂと駆動膜（薄膜圧電体２Ｄ）とが積層された構成であり、駆動膜が外部からの電圧印加により伸縮して、変位しない従動膜との間で曲率が生じて、膜に垂直な方向に変位する。すなわち、アクチュエータを構成する。

反対に、膜に外部から圧力が加わると、曲率が生じて駆動膜に応力が働き、圧電効果により膜に電界が生じる。この電界の振幅、周期、位相を検出することにより圧力センサを構成することができる。

このような圧電体アクチュエータや圧電体センサなどの膜型変換器（薄膜圧電体デバイス）の変換効率を向上するためには、圧電定数を高める必要がある。圧電定数には、素子の分極方向、電界を印加する方向、力を取り出す方向、の組み合わせにより様々な種類が存在する。膜型変換器では、分極方向と電界の印加方向を基板に対して垂直な方向とし、変位を面内方向に取り出す方法が一般的である。つまり、径方向に変位させている。

この場合は、電界の印加方向と変位方向が直交しているため、このときの圧電定数（ｄ３１）は、基板に垂直な方向に変位を取り出すもの（縦方向変位の圧電定数ｄ３３）と比較して約半分程度となる。圧電定数は、印加される電界と出力される変位の変換係数であるため、この値が小さいと特性（圧電特性）が低くなってしまう。

そのために、圧電定数の大きい滑り変形（例えば、圧電定数ｄ１５の変形モード）を用いてアクチュエータやセンサを構築することが模索されており、例えば、圧電セラミック層と内部電極層の積層方向に対して垂直な方向に分極して、滑り効果を発揮する積層圧電セラミックを製造し、この圧電セラミックを用いた圧電式インクジェットプリンタヘッドが既に提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平５−２２９１１５号公報特開平３−４９９５７号公報

圧電体デバイスの小型化や高密度化を図るためには、バルク型の圧電体ではなく、積層構成される薄膜型の圧電体（圧電変換膜）を用いることが好ましい。しかしながら、特許文献２に記載された発明では、ブロック状に形成した圧電セラミックを所定の厚みに切断して圧電セラミック薄板を得ているので、始めから薄膜状に積層した薄膜圧電体が有する、小型化、高密度化が可能な特徴を発揮することは困難である。

本発明は、上記問題点に鑑み、デバイスの小型化や高密度化が可能な薄膜圧電体を用い、高い圧電効果を発揮して、高効率で駆動、検出が可能となる薄膜圧電体デバイスを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、基板上にペロブスカイト構造の誘電体材料を成膜した薄膜圧電体を備える薄膜圧電体デバイスであって、前記基板下側に所定形状の凹部として形成される圧力室と、前記圧力室を形成する上面となる薄膜状の従動膜と、この従動膜の上に積層され、所定の部位に電極を備える前記薄膜圧電体と、を備え、当該薄膜圧電体の滑り方向の変形を用いて入力信号を変換して出力信号を出力することを特徴としている。

この構成によると、基板に形成する複数の圧力室の上部にそれぞれ薄膜圧電体を成膜するので、圧電体デバイスの小型化や高密度化を図ることが容易にできる。また、圧電効果が高い滑り変形モードを用いるので、高効率で駆動、検出が可能となる薄膜圧電体デバイスを得ることができる。

また本発明は上記構成の薄膜圧電体デバイスにおいて、前記圧力室が円形であり、前記薄膜圧電体がその積層方向に分極され前記円形と同じか小さい外径の円環状であって、前記電極として、前記円環状の薄膜圧電体の外側面と内側面に、それぞれ外側電極と内側電極を設け、この両電極間に電界を印加して、前記薄膜圧電体への電界印加方向を基板面と平行としたことを特徴としている。この構成によると、断面円形の圧力室を複数備えた構成のダイヤフラム型で、高効率で駆動可能となる薄膜圧電体デバイスを得ることができる。

また本発明は上記構成の薄膜圧電体デバイスにおいて、前記圧力室が円形であり、前記薄膜圧電体がその積層方向に分極され前記円形と同じか小さい外径の円板状であって、前記電極として、前記円板状の薄膜圧電体の外側面に外側電極を設け、前記円板状の薄膜圧電体の上面の中央部領域に中央部上電極を設け、この両電極間に電界を印加して、前記薄膜圧電体の外周領域への電界印加方向を基板面と平行としたことを特徴としている。この構成によると、断面円形の圧力室を複数備えた構成のダイヤフラム型で、高効率で駆動可能となる薄膜圧電体デバイスを得ることができる。

また本発明は上記構成の薄膜圧電体デバイスにおいて、前記電極として、さらに、前記薄膜圧電体の下面の中央部領域に中央部下電極を設け、この中央部下電極と前記中央部上電極間に電界を印加して、前記薄膜圧電体の中央部領域への電界印加方向を基板面と垂直としたことを特徴としている。この構成によると、薄膜圧電体の外周領域を変形させたときに、薄膜圧電体の中央部領域も同時に変形させて、この外周領域の変形を補助することで、薄膜圧電体の駆動を効率よく行うことができる。

また本発明は上記構成の薄膜圧電体デバイスにおいて、前記圧力室が矩形であり、前記薄膜圧電体がその積層方向に分極され前記矩形と同じか小さい外形形状を形成し、中央空隙部を有して対向配置される一対の短冊矩形状であって、前記電極として、前記短冊矩形状の薄膜圧電体の外側面と内側面に、それぞれ外側電極と内側電極を設け、この両電極間に電界を印加して、前記薄膜圧電体への電界印加方向を基板面と平行としたことを特徴としている。この構成によると、断面矩形の圧力室を複数備えた構成のダイヤフラム型で、高効率で駆動可能となる薄膜圧電体デバイスを得ることができる。

また本発明は上記構成の薄膜圧電体デバイスにおいて、前記圧力室が矩形であり、前記薄膜圧電体がその積層方向に分極され前記矩形と同じか小さい矩形状であって、前記電極として、前記矩形状の対向する一対の外側面に外側電極を設け、この一対の外側面に挟まれた前記薄膜圧電体の上面の中央部長手領域に中央部上電極を設け、この両電極間に電界を印加して、前記薄膜圧電体の外側領域への電界印加方向を基板面と平行としたことを特徴としている。この構成によると、断面矩形の圧力室を複数備えた構成のダイヤフラム型で、高効率で駆動可能となる薄膜圧電体デバイスを得ることができる。

また本発明は上記構成の薄膜圧電体デバイスにおいて、前記電極として、さらに、前記中央部上電極に対向する前記薄膜圧電体の下面の中央部長手領域に中央部下電極を設け、この中央部下電極と前記中央部上電極間に電界を印加して、前記薄膜圧電体の中央部領域への電界印加方向を基板面と垂直としたことを特徴としている。この構成によると、薄膜圧電体の外側領域を変形させたときに、矩形状の薄膜圧電体の中央部領域も同時に変形させて、この外側領域の変形を補助することで、薄膜圧電体の駆動を効率よく行うことができる。

また本発明は上記構成の薄膜圧電体デバイスにおいて、前記誘電体材料は、ＰＺＴに所定量の添加物を配合した多元素の複合酸化物からなることを特徴としている。この構成によると、ＰＺＴのＡサイトに配置されるＰｂの一部、または、Ｂサイトに配置されるＺｒもしくはＴｉの一部を所定の添加物と置換することで、所定の圧電特性を発揮する薄膜圧電体を得ることができる。

また本発明は上記構成の薄膜圧電体デバイスにおいて、前記基板がシリコン基板であり、前記添加物がＬａで、前記複合酸化物がＰＬＺＴであって、前記Ｌａの配合濃度は、前記薄膜が所定の圧電特性を発揮可能な濃度であることを特徴としている。この構成によると、配合するＬａ濃度を所定の圧電特性を発揮する所定濃度とすることで、所定の圧電特性を発揮する薄膜圧電体を成膜することができ、所定の圧電特性を発揮する薄膜圧電体デバイスを得ることができる。

また本発明は上記構成の薄膜圧電体デバイスにおいて、前記薄膜圧電体の全厚みを３〜５μｍとしたことを特徴としている。この構成によると、駆動素子としての必要な変位発生力を発揮可能な薄膜圧電体となって、ＭＥＭＳ用アクチュエータ用の薄膜圧電体デバイスとなる。

本発明によれば、薄膜圧電体を用いて圧電体デバイスの小型化や高密度化を図ると共に、薄膜圧電体の滑り変形（ｄ１５モード）を用いているので、高効率な圧電効果を発揮することができる。そのために、高効率で駆動、検出が可能となる薄膜圧電体デバイスを得ることができる。

本発明に係る薄膜圧電体デバイスの構成例を示す平面図である。図１の薄膜圧電体の断面構造を示す断面図である。第一実施形態の薄膜圧電体の分極方向と印加する電界方向を説明する断面図である。第一実施形態の薄膜圧電体への配線構成を説明する断面図である。第二実施形態の薄膜圧電体の分極方向と印加する電界方向を説明する断面図である。第二実施形態の薄膜圧電体への配線構成を説明する断面図である成膜装置の構成を示す概略説明図である。矩形状の第三実施形態の薄膜圧電体を備える薄膜圧電体デバイスの一例を示す平面図である。矩形状の第四実施形態の薄膜圧電体を備える薄膜圧電体デバイスの一例を示す平面図である。従来構成の圧電体をダイヤフラムに応用したときの構成を示す平面図である。図７ＡのVIIＢ−VIIＢ断面図である。

以下に本発明の実施形態を図面を参照して説明する。また、同一構成部材については同一の符号を用い、詳細な説明は適宜省略する。

本実施形態に係る薄膜圧電体デバイス１について図１および図２を用いて説明する。図１は、基板Ｂ１に複数の薄膜圧電体２を備える薄膜圧電体デバイス１の構成例を示す平面図であり、図２は図１のＩＩ−ＩＩ断面を示し、第一実施形態の薄膜圧電体２を備える圧電変換器の断面構造を示す断面図である。この薄膜圧電体デバイス１は、複数の薄膜圧電体２を備える圧電変換器が基板Ｂ１の必要な領域に２次元の千鳥状に配置された構成であって、例えば、ダイヤフラム（振動板）として用いるものである。

基板Ｂ１は、薄膜圧電体２の形成領域に対応する領域に、厚さ方向の一部が所定形状（例えば、断面円形）で除去された凹部Ｂ１ａが形成されている。また、この凹部Ｂ１ａの上部（凹部の底部側）には、薄い板状の層Ｂ１ｂが残っている。また、層Ｂ１ｂの上には薄膜圧電体２が成膜されている。すなわち、薄い板状の層Ｂ１ｂと凹部Ｂ１ａとで圧力室３を形成し、薄膜圧電体２が駆動膜となり、層Ｂ１ｂが従動膜Ｂ１ｂとなり、圧力室３を介して入力信号を変換して出力信号を出力する圧電変換器を構築する。

また、圧力室３が円形の場合は、例えば、薄膜圧電体２は円環状とされ、この円環状の薄膜圧電体２の外側面と内側面に電極を設ける構成としている。このように、本実施形態においては、円環状の薄膜圧電体２の内側面に内側電極Ｄ１を設け、外側面に外側電極Ｄ２を設けて、この内側電極Ｄ１と外側電極Ｄ２間に電界を印加している。すなわち薄膜圧電体２への電界印加方向を基板面と平行としている。

上記の構成であれば、薄膜圧電体２をその積層方向に分極して、この分極方向に対して直交する方向に電界を印加することで、圧電体のｄ１５モードの変形である滑り方向の変位を利用して圧力室３を駆動可能となる。

すなわち、本実施形態に係る薄膜圧電体デバイス１は、基板下側に所定形状の凹部として形成される圧力室３と、圧力室を形成する上面となる薄膜状の従動膜Ｂ１ｂと、この従動膜の上に積層され、所定の部位に電極を備える薄膜圧電体２と、を備え、当該薄膜圧電体２の滑り方向の変形（ｄ１５モード）を用いて入力信号を変換して出力信号を出力する構成である。このような構成であれば、基板Ｂ１に形成する複数の圧力室３にそれぞれ薄膜圧電体２を備える圧電変換器を配設するので、圧電体デバイスの小型化や高密度化を図ることが容易にできる。また、圧電効果が高い滑り変形（ｄ１５モード）を用いるので、高効率で駆動、および、検出が可能となる薄膜圧電体デバイス１を得ることができる。

ここで、基板Ｂ１は、例えば、シリコン基板であって、所定厚みの従動膜Ｂ１ｂを残して一定の深さに除去加工されて千鳥配置される複数の圧力室３が形成される。そして、この圧力室３の上に薄膜圧電体２を成膜する。この圧力室３が円形の場合は、薄膜圧電体２がその積層方向に分極され前記円形と同じか小さい外径の円環状とされる。また、円環状の薄膜圧電体２の外側面と内側面に電極を設け、薄膜圧電体２への電界印加方向を基板面と平行としている。このような構成であれば、断面円形の圧力室３を複数備えた構成のダイヤフラム型で、高効率で入力信号を変換して出力信号を出力可能となる薄膜圧電体デバイス１を得ることができる。

従動膜Ｂ１ｂの厚みは、用途や圧電体の特性により異なるが、概ね１〜１０μｍ程度である。この従動膜Ｂ１ｂの上に薄膜圧電体２を成膜する際には、まず、絶縁層Ｌ１と中間層Ｌ２を形成する。絶縁層Ｌ１は、例えば熱酸化膜であって、基板Ｂ１（シリコン基板）を酸素雰囲気中で８００〜１３００℃程度で加熱することにより形成されるＳｉＯ_２膜からなり、その厚みは例えば０．１μｍ程度である。

中間層Ｌ２は、圧電体の結晶成長を補助するＳＴＯなどペロブスカイト構造の絶縁膜である。この中間層Ｌ２の上に、薄膜圧電体２を、円形あるいは図示するような円環状（リング状）に形成する。この薄膜圧電体２は、例えばＰＺＴやＰＬＺＴであって、その厚みは、用途によって異なるが、例えば、１〜１０μｍ程度であり、アクチュエータでは３〜５μｍ程度が好ましい。なお、薄膜圧電体２の成膜方法の詳細については後述する。

薄膜圧電体２は、積層方向、つまり、基板面に垂直方向に分極されていて、内側面に内側電極Ｄ１を設け、外側面に外側電極Ｄ２を設けていて、図示しない配線により、外部電源や制御回路に接続されている。

次に、薄膜圧電体２と薄膜圧電体デバイス１の動作について図３Ａ、図３Ｂを用いて詳細に説明する。

薄膜圧電体２は、基板面に対して垂直方向に分極されている。すなわち、図３Ａの図中に示す分極方向ＰＺ１に分極されている。また、内側電極Ｄ１と外側電極Ｄ２を介して、薄膜圧電体２は基板面に平行（図中に示す電界印加方向ＥＤ１）に電界が印加される。例えば、図３Ｂに示すように、外部電源４を内側電極Ｄ１と外側電極Ｄ２に接続して電界が印加されると、薄膜圧電体２は滑り変形（図中の矢印ＨＤ１、ＨＤ２方向）を起こし、断面が平行四辺形状になる。これにより、薄膜状の従動膜Ｂ１ｂが上下（例えば、矢印ＦＤ１方向）に移動する。この従動膜Ｂ１ｂの中央部分は薄膜圧電体２が存在しないので、略平面のまま移動する。

このように、薄膜圧電体デバイス１は、電界を印加して従動膜Ｂ１ｂを上下に移動する圧電体アクチュエータを構成することができる。この際に、薄膜圧電体２の圧電効果が高い滑り変形モード（ｄ１５モード）を用いているので、高効率で駆動可能な圧電体アクチュエータとなって好ましい。逆に、外力を印加して電気信号を出力する構成として圧電体センサを構成することができ、この場合には、高効率で検出可能な圧電体センサを構成する。

円環状の中央部分の大きさは、適用する薄膜圧電体デバイス１が求める駆動力や駆動方式により適宜変化させればよく、例えば、所定大きさの平面を保ったまま上下に変位することが求められる場合には、所定大きさとする。また、平面を保つ必要がなく、大きな駆動力が必要な場合には、内側電極Ｄ１を形成できるぎりぎり小さな大きさとする。

次に、図４Ａ、図４Ｂを用いて第二実施形態の薄膜圧電体２Ａを備えた薄膜圧電体デバイス１Ａについて説明する。

第二実施形態の薄膜圧電体２Ａは、円形の圧力室３に対して、その積層方向に分極され前記円形と同じか小さい外径の円板状とされる。また、該円板状の薄膜圧電体２Ａの外側面、および、上面の中央部領域に電極を設け、薄膜圧電体２Ａの外周領域への電界印加方向を基板面と平行としている。すなわち、薄膜圧電体２Ａの外側面に外側電極Ｄ２を設け、上面の中央部領域に中央部上電極Ｄ１Ａを設けて、これらの両電極間に、つまり、図中に示す矢印ＥＤ１Ｂ方向に電界を印加する。これにより、この薄膜圧電体２Ａは基板Ｂ１の面と平行な電界方向ＥＤ１Ｂを実現している。

また、薄膜圧電体２Ａの下面の中央部領域に下電極を設け、この中央部領域の上電極と下電極間に電界を印加可能な構成としてもよい。すなわち、薄膜圧電体２Ａの下面の中央部領域に中央部下電極Ｄ１Ｂを設け、中央部上電極Ｄ１Ａとの間に電界を印加する構成とし、薄膜圧電体２Ａの中央部領域への電界印加方向（図中の矢印ＥＤ１Ｃ方向）を基板面と垂直とする。

それぞれの電極の極性は図４Ｂの配線構成に示すように、外側電極Ｄ２と中央部下電極Ｄ１Ｂとが同じ極性であり、中央部上電極Ｄ１Ａがこれらとは逆の極性とされる。

このような配線構成であれば、外側電極Ｄ２と中央部上電極Ｄ１Ａとの間で、基板の面と平行に、すなわち、圧力室３の径方向に電界が印加され、中央部上電極Ｄ１Ａと中央部下電極Ｄ１Ｂとの間で、基板と垂直な方向に電界が印加される。そのために、電界が印加されると、薄膜圧電体２Ａの外周領域は滑り変形を起こし、断面が平行四辺形なる。一方、薄膜圧電体２Ａの中央部領域はｄ３１モードの変形を起こし、径方向に変形する。

滑り変形（ｄ１５モード）では、薄膜圧電体２Ａの左右方向の長さが若干短くなるため、中央部領域を伸び変形（ｄ３１モード）させて、上下方向の変位を容易とし、変形量を拡大することができる。すなわち、薄膜圧電体２Ａの外周領域を変形させたときに、薄膜圧電体２Ａの中央部領域も同時に変形させて、この外周領域の変形を補助することで、薄膜圧電体２Ａの駆動を効率よく行うことができる。

上記したように、圧電体の外周領域はｄ１５モードの滑り変形を起こし、中央部領域はｄ３１モードの伸び変形を起こす構成の薄膜圧電体２Ａであれば、断面円形の圧力室３を複数備えた構成のダイヤフラム型で、高効率で駆動可能となる薄膜圧電体デバイス１Ａを得ることができて好ましい。

上記の薄膜圧電体２、２Ａは、スパッタ方式の成膜装置を用いて成膜することができる。例えば、誘電体材料や圧電効果を向上するために添加する不純物などを焼成したターゲットや、基板Ｂ１を成膜装置内に設置して、基板Ｂ１（例えば、シリコン基板）の上に所定の材質の層を高周波マグネトロンスパッタリング法により成膜する。

このような成膜装置を用いて、基板Ｂ１上に所定厚みの薄膜圧電体２、ＬＢを成膜することができる。また、一旦円形の薄膜圧電体を成膜した後で、残したい部分をマスクし、不要な部分をエッチング処理して除去することで、所定形状の、例えば、円環状の薄膜圧電体を形成することができる。また、薄膜圧電体を作成した後、電極となるチタン、白金層を成膜し、同様なマスク、エッチング処理により所望の形状の電極を成形する。

例えば、円環状の薄膜圧電体２は、図５に示す製造プロセスにより製造することができる。以下、この製造プロセスについて説明する。

ステップＳ１にて、第一シリコン板Ｂａと第二シリコン板Ｂｂとの間に酸化膜Ｌ０（例えば、ＳｉＯ_２膜）を介装したサンドイッチ構成（所謂ＳＯＩ構造）の基板Ｂ２を準備する。次いで、ステップＳ２で、基板Ｂ２を加熱炉に入れ、１５００℃程度に所定時間保持してシリコン基板の表面に第一の応力膜となる熱酸化膜（ＳｉＯ_２）Ｌ１ａ、Ｌ１ｂを形成する。

次に、ステップＳ３で、基板を常温まで冷却し、中間層Ｌ２となるＳＴＯ（ストロンチウム酸化チタン膜）をスパッタ法で成膜し、ステップＳ４で、この中間層Ｌ２が成膜された基板Ｂ２を６００℃程度に再加熱し、圧電膜２ａ（例えば、チタン酸ジルコン酸鉛：ＰＺＴ）を成膜する。それから、ステップＳ５で、基板を常温まで冷却し、感光性樹脂材料をスピンコート法で塗布してマスクＭ１を形成し、このマスクＭ１を介して露光、エッチングで不要な部分を除去することにより形状を転写する。

次に、ステップＳ６で、感光性樹脂をマスクとして、反応性イオンエッチング法を用いて圧電膜２ａの形状を加工する。すなわち、所望の形状、例えば、円環状のＰＺＴ薄膜圧電体２を形成する。それから、ステップＳ７で、電極となるチタン、白金層Ｄをスパッタ法で成膜し、ステップＳ８で、感光性樹脂材料をスピンコート法で塗布し、マスクＭ２を介して露光、エッチングで不要な部分を除去することにより形状を転写し、ステップＳ９で、感光性樹脂をマスクとして、反応性イオンエッチング法を用いて不要な部分の電極を除去して、内側電極Ｄ１と外側電極Ｄ２を形成する。

次に、ステップ１０で、基板の裏面に感光性樹脂材料をスピンコート法で塗布してマスクＭ３を形成し、このマスクＭ３を介して露光、エッチングで不要な部分を除去することにより形状を転写し、ステップ１１で、感光性樹脂をマスクとして、反応性イオンエッチング法を用いて不要な部分のシリコンの除去加工を行い、所定形状の圧力室３が形成された基板Ｂ１を備える圧電変換器を形成する。

次に、基板と平行に電極膜や誘電体膜を積層する一般的な薄膜圧電体の層構成と高い圧電効果を発揮するペロブスカイト構造について説明する。

ペロブスカイト構造は、立方晶系の単位格子を有している。また、立方晶の各頂点に配置される金属Ａ（例えば、Ｐｂ）、体心に配置される金属Ｂ（例えば、ＴｉやＺｒ）、立方晶の各面心に配置される酸素ＯとからなるＡＢＯ_３と称する３元系の結晶構造となっている。ここで、Ａサイトに位置するＰｂよりも一つ価数の大きい元素であるＬａ（ランタン）で置換することで得られるＰＬＺＴという物質は、高い比誘電率と圧電定数を有することが知られている。

このように、圧電体として用いられるＰＺＴに所定濃度の添加物を配合することで、高い圧電特性を発揮するので、本実施形態では、ＰＺＴに所定量の添加物を配合した多元素の複合酸化物からなる誘電体材料を基板上に成膜した構成の強誘電体薄膜（薄膜圧電体）を用いることとしている。

また、下引き層の上に成膜する際に、下引き層の結晶性が良好であれば、その上に成膜される膜の結晶性が向上することが知られているので、添加物を所定濃度配合した強誘電体薄膜を成膜する下引き層は、結晶性が良好な層であることが好ましい。

以上、円環状の薄膜圧電体２や円板状の薄膜圧電体２Ａを備えた薄膜圧電体デバイスについて説明してきたが、矩形（矩形容器状）の圧力室と、この圧力室に対応した矩形状の薄膜圧電体を用いた薄膜圧電体デバイスでもよい。矩形状の薄膜圧電体、および、この薄膜圧電体を備えた薄膜圧電体デバイスについて以下説明する。

矩形状の薄膜圧電体としては、図６Ｂに示すように、前述した円環状の薄膜圧電体２をそのまま矩形状としたものに対応する第四実施形態の薄膜圧電体２Ｃや、図６Ａに示すように、空隙部を挟んで対向して設けられる一対の短冊状の第三実施形態の薄膜圧電体２Ｂを用いることができる。これらの矩形状の薄膜圧電体を備えた薄膜圧電体デバイス１Ｂ、１Ｃは、いずれも二次元の千鳥状に複数の矩形の圧力室を有し、この圧力室の上に矩形状の薄膜圧電体２Ｂ、２Ｃが成膜される。そのために、これらの薄膜圧電体２Ｂ、２Ｃの断面構造は、先に説明した図２と同様な断面構造となる。また、前述した円板状の薄膜圧電体２Ａに対応した矩形状の一枚ものであってもよい。

また、円環状に対応した矩形状や対向配置される一対の短冊矩形状であれば、電極は、前述した内側電極Ｄ１と外側電極Ｄ２に対応した外側面と内側面に、また、短冊矩形状の薄膜圧電体２Ｂの外側面と内側面に、それぞれ外側電極と内側電極を設けることができ、この両電極間に電界を印加して、前記薄膜圧電体への電界印加方向を基板面と平行とすることができる。

また、一枚ものの矩形状であれば、電極として、矩形状の対向する一対の外側面に外側電極を設け、この一対の外側面に挟まれた薄膜圧電体の上面の中央部長手領域に中央部上電極を設け、この両電極間に電界を印加して、前記薄膜圧電体の外側領域への電界印加方向を基板面と平行とすることができる。

また、円板状の薄膜圧電体２Ａと同様に、電極として、さらに、中央部上電極に対向する薄膜圧電体の下面の中央部長手領域に中央部下電極を設け、この中央部下電極と中央部上電極間に電界を印加して、薄膜圧電体の中央部領域への電界印加方向を基板面と垂直として、薄膜圧電体の外側領域を変形させたときに、薄膜圧電体の中央部領域も同時に変形させて、この外側領域の変形を補助することで、薄膜圧電体の駆動を効率よく行うことができる。

このように、圧力室が矩形であり、薄膜圧電体がその積層方向に分極され、矩形の圧力室と同じか小さい外形形状を形成し、例えば、中央空隙部を有して対向配置される一対の短冊矩形状であって、電極として、短冊矩形状の薄膜圧電体の外側面と内側面に、それぞれ外側電極と内側電極を設け、この両電極間に電界を印加して、薄膜圧電体への電界印加方向を基板面と平行とする。

また、圧力室が矩形であり、薄膜圧電体がその積層方向に分極され、矩形の圧力室と同じか小さい矩形状であって、電極として、矩形状の対向する一対の外側面に外側電極を設け、この一対の外側面に挟まれた薄膜圧電体の上面の中央部長手領域に中央部上電極を設け、この両電極間に電界を印加して、薄膜圧電体の外側領域への電界印加方向を基板面と平行とする。

このような構成であれば、矩形（矩形容器状）の圧力室を複数備えた構成のダイヤフラム型で、高効率で駆動可能となる薄膜圧電体デバイスを得ることができて好ましい。

図７Ａは、基板面と平行に上下の電極層を設けて、基板面に垂直な方向に電界を印加させる従来構成の薄膜圧電体２Ｄを備える薄膜圧電体デバイス１Ｄをダイヤフラム（振動板）に応用したときの構成を示す平面図であり、図７Ｂは、図７ＡのVIIＢ−VIIＢ断面図である。

この薄膜圧電体デバイス１Ｄは、前述した薄膜圧電体デバイス１と同様に、基板Ｂ１の必要な領域に、２次元の千鳥状に薄膜圧電体２Ｄを配置している。基板Ｂ１において薄膜圧電体２Ｄの形成領域に対応する領域は、厚さ方向の一部が断面円形で除去された凹部Ｂ１ａとなっており、基板Ｂ１における凹部Ｂ１ａの上部（凹部Ｂ１ａの底部側）には、薄い板状の従動膜Ｂ１ｂが残っている。薄膜圧電体２Ｄに設ける下部電極層Ｄ１１および上部電極層Ｄ１２は、図示しない配線により、外部の制御回路と接続されている。

制御回路から、下部電極層Ｄ１１と上部電極層Ｄ１２に電気信号を印加することにより、所定の薄膜圧電体２Ｄのみを駆動することができる。つまり、薄膜圧電体２Ｄの上下の電極に所定の電界を加えると、薄膜圧電体２Ｄが左右方向に伸縮し、バイメタルの効果によって薄膜圧電体２Ｄおよび基板Ｂ１の従動膜Ｂ１ｂが上下に湾曲する。したがって、基板Ｂ１の凹部Ｂ１ａにより形成される圧力室３に気体や液体を充填すると、薄膜圧電体デバイス１Ｄをポンプとして用いることができる。

また、所定の薄膜圧電体２Ｄの電荷量を下部電極層Ｄ１１および上部電極層Ｄ１２を介して検出することにより、薄膜圧電体２Ｄの変形量を検出することもできる。つまり、音波や超音波により、薄膜圧電体２Ｄが振動すると、上記と反対の効果によって上下の電極間に電界が発生するため、このときの電界の大きさや検出信号の周波数を検出することにより、薄膜圧電体デバイス１Ｄをセンサとして用いることもできる。

しかし、この従来構成の薄膜圧電体２Ｄは、圧電体を用いて基板を変形させる際に、圧電体の分極方向と電界印加方向を共に基板面に垂直に設定する方法であるので、ｄ３３モードの変形により副次的に生じる基板面内方向（ｄ３１方向）の変形を利用するために効率がよくない。そのために、薄膜圧電体の滑り変形（ｄ１５モード）を利用して高効率で駆動可能となる本実施形態に係る薄膜圧電体デバイス１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃと比較すると低出力であり低効率である。このｄ１５モードの変形はｄ３３モードの変形と同等か、それより大きいので効率がよい。

すなわち、本実施形態に係る薄膜圧電体デバイス１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃを用いると、基板面に垂直な方向に直接変位させる薄膜圧電体の滑り変形（ｄ１５モード）を利用するので、変換効率の向上した膜型変換器を得ることができる。

また、変位が大きく取れるので、センサ感度が良好となる。さらに、振動版を平行移動できるため、湾曲変形する従来技術と比較して、検出できる周波数の帯域が広くなる利点を有する。

本実施形態に係る薄膜圧電体デバイス１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃに設ける薄膜圧電体２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃを製造する際に用いる誘電体材料は、ＰＺＴに所定量の添加物を配合した多元素の複合酸化物からなることが好ましい。これは、不純物を添加することで比誘電率、圧電特性を向上させることができるためであって、本実施形態では、添加物としてＬａ（ランタン）を用いて、ＰＺＴにＬａを添加した複合酸化物であるＰＬＺＴ薄膜からなる薄膜圧電体２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃとしている。

しかし、Ｌａに限らず、圧電特性を発揮可能なその他の添加物を用いることができる。例えば、ＰＺＴにＮｂ、Ｌａ、Ｍｎなど様々な不純物を添加したもの、ＰＭＮ−ＰＴなど特性の高いもの、ＢａＴｉＯ_３など非鉛系材料のものなどを利用することができる。

すなわち、ＰＺＴのＡサイトに配置されるＰｂの一部、または、Ｂサイトに配置されるＺｒもしくはＴｉの一部を所定の添加物と置換することで、所定の圧電特性を発揮する薄膜圧電体を得ることができる。また、ＡサイトとＢサイトの両方に添加物が含まれていてもよい。すなわち、ＰＺＴのＡサイトに配置されるＰｂの一部、または、Ｂサイトに配置されるＺｒもしくはＴｉの一部を所定の添加物と置換することで、所定の圧電特性を発揮する薄膜圧電体を得ることができる。

上記したように、本発明によれば、薄膜圧電体を用いているので、圧電体デバイスの小型化や高密度化を図ることができる。また、薄膜の分極方向を膜の厚み方向（基板面と垂直な方向）とし、薄膜圧電体への電界印加方向を基板面と平行として、薄膜圧電体の滑り変形モード（ｄ１５モード）を用いて入力信号を変換して出力信号を出力する構成としたので、高効率な圧電効果を発揮する圧電変換器を構築可能となる。そのために、この圧電変換器を複数設置して、高効率で駆動、検出が可能となる薄膜圧電体デバイスを構築することができる。

また、薄膜の分極方向と薄膜圧電体への電界印加方向を直交させて、薄膜圧電体の滑り変形モード（ｄ１５モード）を用いて入力信号を変換して出力信号を出力動する構成であればよいので、薄膜圧電体への電界印加方向を基板面と垂直な方向とする場合は、薄膜の分極方向をこの膜面方向（基板面と平行な方向）とした薄膜圧電体を用いるとよい。

すなわち、薄膜圧電体がその積層方向と直交する膜面方向に分極された所定形状（円環状、円板状、矩形状）で、この薄膜圧電体の上面と下面に電極を設けて、電界印加方向を基板面と垂直とすることで、薄膜圧電体の滑り変形モード（ｄ１５モード）を用いて入力信号を変換して出力信号を出力することが可能となる。

このように、所定の外形形状の圧力室の上に、この圧力室の外形形状と同じか小さい外形の所定形状の薄膜圧電体を設置し、薄膜圧電体の滑り変形モード（ｄ１５モード）を用いて圧力室の天面にあたる従動膜を上下に変位するダイヤフラム型とすることで、高い圧電効果を発揮して、高効率で入力信号を変換して出力信号を出力可能となる薄膜圧電体デバイスを得ることができる。

また、誘電体材料は、ＰＺＴに所定量の添加物を配合した多元素の複合酸化物を用いているので、ＰＺＴのＡサイトに配置されるＰｂの一部、または、Ｂサイトに配置されるＺｒもしくはＴｉの一部を所定の添加物と置換することで、さらに高効率な圧電特性を発揮する薄膜圧電体を得ることができる。

また、薄膜圧電体の全厚みは３〜５μｍ程度が好ましい。この厚みであれば、駆動素子としての必要な変位発生力を発揮可能な薄膜圧電体となって、ＭＥＭＳ用アクチュエータ用の薄膜圧電体デバイスとなる。

本発明は、例えばインクジェットヘッド、超音波センサ、赤外線センサ、周波数フィルタなどの種々のデバイスに利用可能であり、特に、小型化、薄型化が要求されるデバイスに利用可能である。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ薄膜圧電体デバイス
２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ薄膜圧電体
３圧力室
４外部電源
Ｂ１基板（シリコン基板）
Ｌ１熱酸化膜
Ｄ１内側電極
Ｄ１Ａ中央部上電極
Ｄ１Ｂ中央部下電極
Ｄ１１下部電極層
Ｄ２外側電極
Ｄ１２上部電極層
ＥＤ１電界印加方向
ＰＺ１分極方向

Claims

基板上にペロブスカイト構造の誘電体材料を成膜した薄膜圧電体を備える薄膜圧電体デバイスであって、
前記基板下側に所定形状の凹部として形成される円形の圧力室と、
前記圧力室を形成する上面となる薄膜状の従動膜と、
この従動膜の上に積層され、所定の部位に電極を備える前記薄膜圧電体と、
を備え、
前記薄膜圧電体は、その積層方向に分極され前記円形と同じか小さい外径の円環状であって、
前記電極として、前記円環状の薄膜圧電体の外側面と内側面に、それぞれ外側電極と内側電極を設け、この両電極間に電界を印加したときの前記薄膜圧電体への電界印加方向は基板面と平行であり、
前記薄膜圧電体の滑り方向の変形を用いて入力信号を変換して出力信号を出力することを特徴とする薄膜圧電体デバイス。
基板上にペロブスカイト構造の誘電体材料を成膜した薄膜圧電体を備える薄膜圧電体デバイスであって、
前記基板下側に所定形状の凹部として形成される円形の圧力室と、
前記圧力室を形成する上面となる薄膜状の従動膜と、
この従動膜の上に積層され、所定の部位に電極を備える前記薄膜圧電体と、
を備え、
前記薄膜圧電体がその積層方向に分極され前記円形と同じか小さい外径の円板状であって、
前記電極として、前記円板状の薄膜圧電体の外側面に外側電極を設け、前記円板状の薄膜圧電体の上面の中央部領域に中央部上電極を設け、この両電極間に電界を印加したときの前記薄膜圧電体の外周領域への電界印加方向は基板面と平行であり、
前記薄膜圧電体の滑り方向の変形を用いて入力信号を変換して出力信号を出力することを特徴とする薄膜圧電体デバイス。
前記電極として、さらに、前記薄膜圧電体の下面の中央部領域に中央部下電極を設け、この中央部下電極と前記中央部上電極間に電界を印加して、前記薄膜圧電体の中央部領域への電界印加方向を基板面と垂直としたことを特徴とする請求項２に記載の薄膜圧電体デバイス。
基板上にペロブスカイト構造の誘電体材料を成膜した薄膜圧電体を備える薄膜圧電体デバイスであって、
前記基板下側に所定形状の凹部として形成される矩形の圧力室と、
前記圧力室を形成する上面となる薄膜状の従動膜と、
この従動膜の上に積層され、所定の部位に電極を備える前記薄膜圧電体と、
を備え、
前記薄膜圧電体がその積層方向に分極され前記矩形と同じか小さい外形形状を形成し、中央空隙部を有して対向配置される一対の短冊矩形状であって、
前記電極として、前記短冊矩形状の薄膜圧電体の外側面と内側面に、それぞれ外側電極と内側電極を設け、この両電極間に電界を印加したときの前記薄膜圧電体への電界印加方向は基板面と平行であり、
前記薄膜圧電体の滑り方向の変形を用いて入力信号を変換して出力信号を出力することを特徴とする薄膜圧電体デバイス。
基板上にペロブスカイト構造の誘電体材料を成膜した薄膜圧電体を備える薄膜圧電体デバイスであって、
前記基板下側に所定形状の凹部として形成される矩形の圧力室と、
前記圧力室を形成する上面となる薄膜状の従動膜と、
この従動膜の上に積層され、所定の部位に電極を備える前記薄膜圧電体と、
を備え、
前記薄膜圧電体がその積層方向に分極され前記矩形と同じか小さい矩形状であって、
前記電極として、前記矩形状の対向する一対の外側面に外側電極を設け、この一対の外側面に挟まれた前記薄膜圧電体の上面の中央部長手領域に中央部上電極を設け、この両電極間に電界を印加したときの前記薄膜圧電体の外側領域への電界印加方向は基板面と平行であり、
前記薄膜圧電体の滑り方向の変形を用いて入力信号を変換して出力信号を出力することを特徴とする薄膜圧電体デバイス。
前記電極として、さらに、前記中央部上電極に対向する前記薄膜圧電体の下面の中央部長手領域に中央部下電極を設け、この中央部下電極と前記中央部上電極間に電界を印加して、前記薄膜圧電体の中央部領域への電界印加方向を基板面と垂直としたことを特徴とする請求項５に記載の薄膜圧電体デバイス。
前記誘電体材料は、ＰＺＴに所定量の添加物を配合した多元素の複合酸化物からなることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の薄膜圧電体デバイス。
前記基板がシリコン基板であり、前記添加物がＬａで、前記複合酸化物がＰＬＺＴであって、前記Ｌａの配合濃度は、前記薄膜が所定の圧電特性を発揮可能な濃度であることを特徴とする請求項７に記載の薄膜圧電体デバイス。
前記薄膜圧電体の全厚みを３〜５μｍとしたことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の薄膜圧電体デバイス。