JP6460387B2 - 圧電薄膜素子、圧電アクチュエータ、圧電センサ、並びにハードディスクドライブ、及びインクジェットプリンタ装置 - Google Patents

圧電薄膜素子、圧電アクチュエータ、圧電センサ、並びにハードディスクドライブ、及びインクジェットプリンタ装置 Download PDF

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Description

本発明は、圧電薄膜を用いた圧電薄膜素子、その圧電薄膜素子を用いた圧電アクチュエータ、及び圧電センサ、並びにその圧電アクチュエータを備えたハードディスクドライブ、及びインクジェットプリンタ装置に関する。
近年、バルク圧電材料に代わって、圧電薄膜を用いた圧電素子の実用化が進んでいる。一例としては、圧電薄膜に加えられた力を電圧に変換する圧電効果を利用した圧電センサとしての、ジャイロセンサ、圧力センサ、脈波センサ、ショックセンサや、マイクロフォンなどが挙げられる。一方、圧電薄膜に電圧を印加した際に圧電薄膜が変形する逆圧電効果を利用した圧電アクチュエータとして、ハードディスクドライブヘッドアセンブリ、インクジェットプリントヘッド、あるいは同様に逆圧電効果を利用したスピーカー、ブザー、レゾネータなどが挙げられる。
圧電材料を薄膜化すると、素子の小型化が可能になり、応用できる分野が広がるとともに、基板上に多数の素子を一括して作製することができるため量産性が増す。またセンサにした場合の感度の向上など性能面での利点も多い。
圧電薄膜素子を構成する圧電薄膜はスパッタリングや化学気相成長（ＣＶＤ）といった成膜方法により形成されるが、その成膜過程において圧電薄膜中に酸素欠陥を発生させ、これらの構造欠陥がその圧電特性に大きく影響を及ぼすことがある。
特許文献１では酸素欠陥の生じやすい圧電薄膜の電極層界面での結晶構造を制御し、膜厚方向で結晶構造の状態の変化が小さい圧電薄膜を形成し、圧電特性の向上が得られたとしている。
特開２０１４−０３６０３５号公報
特許文献１に示されているように、圧電薄膜の圧電特性を向上させるための手法として、圧電薄膜の結晶構造を制御し、酸素欠陥を補う方法がある。
即ち、圧電薄膜は構成する元素と酸素の最適な結合状態により、より高い圧電特性を得ることが可能となる。
しかし、それでも圧電薄膜素子を構成する圧電薄膜は、スパッタリングやＣＶＤ等の成膜工程における酸素欠陥の発生や、隣接する電極層との反応により酸素欠陥を発生させ、その結果、圧電特性の向上が抑制される。
また、圧電薄膜素子を駆動させた場合、この酸素欠陥は圧電薄膜の内部にリークパスを生じさせ、リーク電流密度が増加される。
本発明はこのような問題を鑑みなされたものであり、圧電薄膜素子を構成する圧電薄膜の酸素欠陥を補償し、圧電特性の向上およびリーク電流密度の低減を可能にするものである。
本発明に係わる圧電薄膜素子は、一対の電極層と前記一対の電極層に挟まれた圧電薄膜とを備え、前記一対の電極層が白金（Ｐｔ）からなり、少なくともいずれか一方の前記電極層に酸化物粒子を含有し、前記酸化物粒子は、前記圧電薄膜を構成する少なくともいずれか一つの元素の酸化物粒子もしくはＰｔの酸化物粒子である。ここで白金（Ｐｔ）とは、純金属の白金あるいは、白金を主成分とする白金系合金を指す。なお、この白金からなる電極層は、不可避な不純物を含みうる。また、ここで主成分とは不純物を含め電極層内で最も含有量の多い元素をいう。
電極層に前記酸化物粒子を含有させることにより、圧電薄膜から電極層への還元による圧電薄膜の酸素欠陥や、成膜工程における圧電薄膜の酸素欠陥を電極層に含有する酸化物粒子からの酸素分子の補償により圧電薄膜の結晶構造をより最適化させ、圧電特性の向上、およびリーク電流密度の低減が可能となる。
また、前記酸化物粒子は前記電極層内に分散された状態を有し、前記圧電薄膜の膜厚方向を含む断面における単位面積当たりの前記酸化物粒子の含有比率は５％以上２０％以下とすることができる。この構成とすることにより、電極層内において前記酸化物粒子による抵抗が偏在することなく、圧電薄膜への電界を均一に印加することが可能となる。ここで分散された状態とは、前記酸化物粒子が連続的に隣接しておらず、ひとつの粒子の外周に別の粒子が接していない状態を指す。また、上記の含有比率は前記単位面積内を１００×１００以上のメッシュに分割し、酸化物粒子が占めるメッシュ数を電極層が占める全メッシュ数で除して求めたものである。
さらに、前記電極層に含有される前記酸化物粒子の含有量は５ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下とすることができる。含有量の単位であるｗｔ％は電極層内の酸化物粒子の質量を電極層の質量で除して百分率で表した重量百分率である。
ここで、酸化物粒子の含有量が２０ｗｔ％を超えると、電極層における電場が印加される領域の減少により圧電薄膜に十分な電界が印加されず、圧電特性が低下する場合がある。
また酸化物粒子の含有量が５ｗｔ％より少ない場合、電極層の酸化による圧電薄膜の還元から酸素欠陥が増加し、本発明の効果が発生しづらい傾向がある。
前記酸化物粒子の含有量は前記電極層の膜厚方向に勾配を持ち、その最大値が前記圧電薄膜側との界面層に存在する態様とすることもできる。ここで界面層とは、前記電極層の前記圧電薄膜側の表面から前記電極層を構成する物質の結晶格子面間隔の３倍以内の厚さの領域を指す。
前記圧電薄膜の酸素欠陥は電極層界面からの還元に起因することから、前記酸化物粒子は電極層の膜厚方向に対して前記圧電薄膜側に勾配を持ち、電極層界面側に最大値を持つことが好ましい。その場合の前記最大値、すなわち圧電薄膜の膜厚方向を含む断面における前記電極層界面側の単位面積当たりの前記酸化物粒子の最大含有比率は５％以上２０％以下が好適である。また、前記電極層界面側の最大含有量は５ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下が好適である。
本発明に係わる圧電薄膜素子の圧電薄膜は、その圧電特性により機械的変位を発生させ、圧電薄膜の結晶構造を最適化することにより高い圧電特性を得られる圧電薄膜素子に適しており、さらにチタン酸ジルコン鉛（ＰＺＴ）に比べて酸素欠陥によるリーク電流密度が大きいニオブ酸カリウムナトリウム系の圧電薄膜を有する圧電薄膜素子に有用である。ここでニオブ酸カリウムナトリウム系の圧電薄膜とは、ペロブスカイト構造を有し、ニオブ、カリウム、ナトリウムを含む金属酸化物の圧電薄膜であり、ニオブ、カリウム、ナトリウム以外にＬｉ（リチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｍｎ（マンガン）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｃａ（カルシウム）、Ｃｕ（銅）などの添加物を含むことができる。
本発明によれば、圧電薄膜の酸素欠陥を補償し、圧電特性をより向上させること、およびリーク電流密度をより低減させることが可能な圧電薄膜素子が提供される。
また、本発明により最適化された圧電薄膜を有する圧電薄膜素子においては、より大きな変位量を実現することが可能となりこの圧電薄膜素子を用いた圧電アクチュエータ、及び圧電センサ、並びにその圧電アクチュエータを備えたハードディスクドライブ、及びインクジェットプリンタ装置において性能向上を図ることが可能となる。
本発明に係わる第１の実施態様の圧電薄膜素子の構成図である。 本発明に係わる第２の実施態様の圧電薄膜素子の構成図である。 本発明に係わる圧電アクチュエータの構造図である。 本発明に係わる圧電センサの構造図である。 本発明に係わるハードディスクドライブの構造図である。 本発明に係わるインクジェットプリンタ装置の構造図である。
本発明の好適な実施の形態について、図を参照して詳細に説明する。
（圧電薄膜素子）
（第１の実施態様）
図１に本実施形態の圧電薄膜素子１０の構成を示す。
基板１としては、単結晶シリコン基板、Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ（ＳＯＩ）基板、石英ガラス基板、ＧａＡｓ等からなる化合物半導体基板、サファイア基板、ステンレス等からなる金属基板、ＭｇＯ基板、ＳｒＴｉＯ３基板等が採用可能であり、特に基板コストやプロセスでの取り扱いの観点から単結晶シリコン基板が好適である。基板１の厚さは通常１０〜１０００μｍである。
基板１上に下部電極層２を形成する。下部電極層２はＰｔと含有させる酸化物材料との同時成膜により形成され、Ｐｔターゲットと酸化物材料ターゲットとの二元スパッタリングや２つの材料による二元蒸着における成膜条件の調整により、下部電極層２中の酸化物含有量の細かな調整が可能となり、酸素雰囲気中アニールといった熱処理に比べて前記酸化物含有量の最適制御が可能となる。下部電極層２の膜厚は５０〜１０００ｎｍとすることができる。本実施態様では、一定の成膜条件で下部電極層２を形成する。
電極層中の酸化物粒子の含有量は、電極層の膜厚方向の断面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により観察し、任意の面積においてエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＳ）により含有する元素分析から酸化物粒子とＰｔとの比率を算出することで得られる。本実施態様での下部電極層２中の酸化物粒子の含有量に制限はないが、５ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下とすることができる。ここで、下部電極層２に含有される酸化物粒子は電極層内で連続的に隣接しておらず、ひとつの粒子の外周に別の粒子が接しておらず、下部電極層２の膜厚方向において酸化物粒子とＰｔの含有比率が一定の状態である。本実施態様での下部電極層２中の酸化物粒子の含有比率に制限はないが、含有比率を５％以上２０％以下とすることができる。
さらに下部電極層２上に圧電薄膜３を形成する。圧電薄膜３の形成方法はスパッタリング法においてアルゴンガスと酸素ガスとの混合雰囲気中にて高周波電源を用いて成膜する。膜厚は特に限定されないが、２２０ｎｍ以上３０００ｎｍ以下とすることができる。
上述したように圧電薄膜３としては、ペロブスカイト構造を有し鉛を含有しないニオブ酸カリウムナトリウム系の圧電薄膜が好ましい。そして、ニオブ酸カリウムナトリウム系の圧電薄膜３にＬｉ（リチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｍｎ（マンガン）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｃａ（カルシウム）、Ｃｕ（銅）などの添加元素を加えることにより、圧電薄膜３の圧電特性の一層の向上やリーク電流密度の更なる低減も可能である。
次に、圧電薄膜３上に上部電極層４を形成する。上部電極層４は下部電極層２と同様にＰｔと酸化物材料との同時成膜により形成され、膜厚は５０〜１０００ｎｍとすることができる。
次に、フォトリソグラフィおよびドライエッチング法、ウェットエッチング法により圧電薄膜３を含む積層体を２５ｍｍ×５ｍｍのサイズにパターニングし、最後に基板１を切断加工することで、個片化した圧電薄膜素子１０を得る。
なお、この圧電薄膜素子１０の基板１を除去することで、積層体のみからなる圧電薄膜素子を作製することもできる。また積層体をパターニングした後に、ポリイミド等で保護膜を形成することもできる。
（第２の実施態様）
圧電薄膜素子の圧電特性向上およびリーク電流抑制をさらに向上させる場合は以下の態様とすることができる。図２に本実施形態の圧電薄膜素子１０’の構成を示す。
基板１としては、単結晶シリコン基板、Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ（ＳＯＩ）基板、石英ガラス基板、ＧａＡｓ等からなる化合物半導体基板、サファイア基板、ステンレス等からなる金属基板、ＭｇＯ基板、ＳｒＴｉＯ３基板等が採用可能であり、特に基板コストやプロセスでの取り扱いの観点から単結晶シリコン基板が好適である。基板１の厚さは通常１０〜１０００μｍである。
基板１上に第一下部電極層２ａを形成する。第一下部電極層２ａはＰｔと含有させる酸化物材料との同時成膜により形成され、Ｐｔターゲットと酸化物材料ターゲットとの二元スパッタリングや２つの材料による二元蒸着における成膜条件の調整により、第一下部電極層２ａ中の酸化物含有量の細かな調整が可能となり、酸素雰囲気中アニールといった熱処理に比べて前記酸化物含有量の最適制御が可能となる。第一下部電極層２ａの膜厚は２０〜２００ｎｍとすることができる。
次に第一下部電極層２ａ上に第二下部電極層２ｂを形成する。第二下部電極層２ｂは第一下部電極層２ａと同様にＰｔと酸化物材料との同時成膜により形成され、酸化物含有量が第一下部電極層２ａより多い成膜条件とすることで、酸素雰囲気中アニールといった熱処理に比べ前記酸化物含有量の最適制御とリーク電流抑制が可能となる。第二下部電極層２ｂの膜厚は３０〜８００ｎｍとすることができる。
電極層中の酸化物粒子の含有量は、電極層の膜厚方向の断面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により観察し、任意の面積においてエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＳ）により含有する元素分析から酸化物粒子とＰｔとの比率を算出することで得られる。本実施態様での下部電極層２ａ、２ｂ中の酸化物粒子の含有量に制限はないが、第一下部電極層２ａで５ｗｔ％以上１０ｗｔ％以下、第二下部電極層２ｂで１４ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下とすることができる。このように、第一下部電極層２ａ中の酸化物粒子の含有量よりも第二下部電極層２ｂ中の酸化物粒子の含有量をより多くして、下部電極層全体として組成勾配を持たせている。ここで、下部電極層２ａ、２ｂに含有される酸化物粒子は電極層内で連続的に隣接しておらず、ひとつの粒子の外周に別の粒子が接しておらず、下部電極層２ａおよび２ｂの各々の膜厚方向において酸化物粒子とＰｔの含有比率が一定の状態である。本実施態様での下部電極層２ａ、２ｂ中の酸化物粒子の含有比率に制限はないが、含有比率が第一下部電極層２ａで５％以上１０％以下、第二下部電極層２ｂで１４％以上２０％以下とすることができる。
次に、第二下部電極層２ｂ上に圧電薄膜３を形成する。圧電薄膜３の構造、組成などは第１の実施態様と同様である。
次に、圧電薄膜３上に第一上部電極層４ａを形成する。第一上部電極層４ａは第二下部電極層２ｂと同様にＰｔと酸化物材料との同時成膜により形成され、膜厚は３０〜８００ｎｍとすることができる。
さらに第一上部電極層４ａ上に第二上部電極層４ｂを形成する。第二上部電極層４ｂは第一下部電極層２ａと同様にＰｔと酸化物材料との同時成膜により形成され、酸化物含有量が第一上部電極層４ｂより少なくなる成膜条件にて形成される。膜厚は２０〜２００ｎｍとすることができる。
次に、フォトリソグラフィおよびドライエッチング法、ウェットエッチング法により圧電薄膜３を含む積層体を２５ｍｍ×５ｍｍのサイズにパターニングし、最後に基板１を切断加工することで、個片化した圧電薄膜素子１０’を得る。
なお、この圧電薄膜素子１０’の基板１を除去することで、積層体のみからなる圧電薄膜素子を作製することもできる。また積層体をパターニングした後に、ポリイミド等で保護膜を形成することもできる。
（第３の実施態様）
圧電薄膜素子の抵抗値減少を優先させる場合は以下の態様も好適である。図２に本実施形態の圧電薄膜素子１０’の構成を示す。
基板１としては、単結晶シリコン基板、Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ（ＳＯＩ）基板、石英ガラス基板、ＧａＡｓ等からなる化合物半導体基板、サファイア基板、ステンレス等からなる金属基板、ＭｇＯ基板、ＳｒＴｉＯ３基板等が採用可能であり、特に基板コストやプロセスでの取り扱いの観点から単結晶シリコン基板が好適である。基板１の厚さは通常１０〜１０００μｍである。
基板１上に第一下部電極層２ａを形成する。前記第一下部電極層２ａの材料は酸化物材料を含まないＰｔで、形成方法はスパッタリング法や蒸着法である。第一下部電極層２ａの膜厚は２０〜２００ｎｍとすることができる。
次に、第一下部電極層２ａ上に第二下部電極層２ｂを形成する。第二下部電極層２ｂはＰｔと含有させる酸化物材料との同時成膜により形成され、Ｐｔターゲットと酸化物材料ターゲットとの二元スパッタリングや２つの材料による二元蒸着における成膜条件の調整により、下部電極層２中の酸化物含有量の細かな調整が可能となり、酸素雰囲気中アニールといった熱処理に比べて酸化物含有量の最適制御が可能となる。第二下部電極層２ｂの膜厚は３０〜８００ｎｍとすることができる。
電極層中の酸化物粒子の含有量は電極層の膜厚方向の断面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により観察し、任意の面積においてエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＳ）により含有する元素分析から酸化物粒子とＰｔとの比率を算出することで得られる。本実施態様での第二下部電極層２ｂ中の酸化物粒子の含有量に制限はないが、５ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下とすることができる。ここで第二下部電極層２ｂに含有される酸化物粒子は電極層内で連続的に隣接しておらず、ひとつの粒子の外周に別の粒子が接しておらず、第二下部電極層２ｂの膜厚方向において酸化物粒子とＰｔの含有比率が一定の状態である。本実施態様での第二下部電極層２ｂ中の酸化物粒子の含有比率に制限はないが、含有比率を５％以上２０％以下とすることができる。さらに、第２の実施態様における第一下部電極層２ａ、第二下部電極層２ｂのように、本実施例における第二下部電極層２ｂに組成勾配を持たせることもできる。
次に、第二下部電極層２ｂ上に圧電薄膜３を形成する。圧電薄膜３の構造、組成などは第１の実施態様と同様である。
次に、圧電薄膜３上に第一上部電極層４ａを形成する。第一上部電極層４ａは第二下部電極層２ｂと同様にＰｔと酸化物材料との同時成膜により形成され、膜厚は３０〜８００ｎｍとすることができる。
さらに第一上部電極層４ａ上に第二上部電極層４ｂを形成する。第二上部電極層４ｂは第一下部電極層２ａと同様にＰｔからなり、スパッタリング法、蒸着法などで形成され、膜厚は２０〜２００ｎｍとすることができる。
次に、フォトリソグラフィおよびドライエッチング法、ウェットエッチング法により圧電薄膜３を含む積層体を２５ｍｍ×５ｍｍのサイズにパターニングし、最後に基板１を切断加工することで、個片化した圧電薄膜素子１０’を得る。
なお、この圧電薄膜素子１０’の基板１を除去することで、積層体のみからなる圧電薄膜素子を作製することもできる。また積層体をパターニングした後に、ポリイミド等で保護膜を形成することもできる。
（圧電薄膜素子の評価方法）
以上の実施形態における圧電薄膜素子１０、１０’の評価方法は、以下のとおりである。
（１） 変位量の測定：
作製した圧電薄膜素子１０、１０’の上下部電極層２（２ａ）、４（４ｂ）間に７００Hz、３Vp-pおよび２０Vp-pを印加し、レーザードップラー振動計とオシロスコープを用いて圧電薄膜素子１０、１０’の先端部における変位を測定する。
（２） リーク電流密度の測定：
圧電薄膜素子１０、１０’をフレキシブルケーブルによる配線を有する厚さ１８μｍのステンレスの薄板に固定した後、圧電薄膜素子１０、１０’に印加電圧１２０Ｈｚ±２７ｋＶ／ｃｍにて通電してリーク電流密度を測定する。
（３） 酸化物含有量の測定：
下部電極層２、第二下部電極層２ｂ、第一上部電極層４ａの膜厚方向の断面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により観察し、１μｍ×１μｍの面積においてエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＳ）により含有する元素分析から酸化物粒子の重量百分率（ｗｔ％）で算出する。
（圧電アクチュエータ）
図３（ａ）は、これらの圧電薄膜素子を用いた圧電アクチュエータの一例としてのハードディスクドライブ（以下ＨＤＤとも呼ぶ）に搭載されたヘッドアセンブリの構成図である。この図に示すように、ヘッドアセンブリ２００は、その主なる構成要素として、ベースプレート９、ロードビーム１１、フレクシャ１７、駆動素子である第１及び第２の圧電薄膜素子１３、及びヘッド素子１９ａを備えたスライダ１９を備えている。
そして、ロードビーム１１は、ベースプレート９に例えばビーム溶接などにより固着されている基端部１１ｂ、この基端部１１ｂから先細り状に延在された第１及び第２の板バネ部１１ｃ及び１１ｄ、第１及び第２の板バネ部１１ｃ及び１１ｄの間に形成された開口部１１ｅ、第１及び第２の板バネ部１１ｃ及び１１ｄに連続して直線的かつ先細り状に延在するビーム主部１１ｆらを備えている。
第１及び第２の圧電薄膜素子１３は、所定の間隔をもってフレクシャ１７の一部である配線用フレキシブル基板１５上にそれぞれ配置されている。スライダ１９はフレクシャ１７の先端部に固定されており、第１及び第２の圧電薄膜素子１３の伸縮に伴って回転運動する。
第１及び第２の圧電薄膜素子１３は、上部電極層、下部電極層およびこの上部および下部電極層に挟まれた圧電薄膜から構成されており、この圧電薄膜として大きな変位量を有する本発明に係わる圧電薄膜素子の圧電薄膜を用いることで、十分な変位量を得ることができる。
図３（ｂ）は、上記の圧電薄膜素子を用いた圧電アクチュエータの他の例としてのインクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータの構成図である。
圧電アクチュエータ３００は、基材２０上に、絶縁膜２３、下部電極層２４、圧電薄膜２５および上部電極層２６を積層して構成されている。
所定の吐出信号が供給されず下部電極層２４と上部電極層２６との間に電圧が印加されていない場合、圧電薄膜２５には変形を生じない。吐出信号が供給されていない圧電薄膜素子が設けられている圧力室２１には、圧力変化が生じず、そのノズル２７からインク滴は吐出されない。
一方、所定の吐出信号が供給され、下部電極層２４と上部電極層２６との間に一定電圧が印加された場合、圧電薄膜２５に変形を生じる。吐出信号が供給された圧電薄膜素子が設けられている圧力室２１ではその絶縁膜２３が大きくたわむ。このため圧力室２１内の圧力が瞬間的に高まり、ノズル２７からインク滴が吐出される。
ここで、圧電薄膜として、大きな変位量を有する本発明に係わる圧電薄膜素子の圧電薄膜を用いることで、十分な変位量を得ることができる。
（圧電センサ）
図４（ａ）は、上記の圧電薄膜素子を用いた圧電センサの一例としてのジャイロセンサの構成図（平面図）であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図である。
ジャイロセンサ４００は、基部１１０と、基部１１０の一面に接続する二つのアーム１２０、１３０を備える音叉振動子型の角速度検出素子である。このジャイロセンサ４００は、上述の圧電薄膜素子を構成する圧電薄膜３０、上部電極層３１、及び下部電極層３２を音叉型振動子の形状に則して微細加工して得られたものであり、各部（基部１１０、及びアーム１２０、１３０）は、圧電薄膜素子によって一体的に形成されている。
一方のアーム１２０の第一の主面には、駆動電極層３１ａ、３１ｂ、及び検出電極層３１ｄがそれぞれ形成されている。同様に、他方のアーム１３０の第一の主面には、駆動電極層３１ａ、３１ｂ、及び検出電極層３１ｃがそれぞれ形成されている。これらの各電極層３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄは、上部電極層３１を所定の電極形状にエッチングすることにより得られる。
なお、基部１１０、及びアーム１２０、１３０のそれぞれの第二の主面（第一の主面の裏側の主面）にべた状に形成されている下部電極層３２は、ジャイロセンサ４００のグランド電極として機能する。
ここで、それぞれのアーム１２０、１３０の長手方向をＺ方向とし、二つのアーム１２０、１３０の主面を含む平面をＸＺ平面とした上で、ＸＹＺ直交座標系を定義する。
駆動電極層３１ａ、３１ｂに駆動信号を供給すると、二つのアーム１２０、１３０は、面内振動モードで励振する。面内振動モードとは、二つのアーム１２０、１３０の主面に平行な向きに二つのアーム１２０、１３０が励振する振動モードのことを称する。例えば、一方のアーム１２０が−Ｘ方向に速度Ｖ１で励振しているとき、他方のアーム１３０は＋Ｘ方向に速度Ｖ２で励振する。
この状態でジャイロセンサ４００にＺ軸を回転軸として角速度ωの回転が加わると、二つのアーム１２０、１３０のそれぞれについて振動方向に直交する向きにコリオリ力が作用し、面外振動モードで励振し始める。面外振動モードとは、二つのアーム１２０、１３０の主面に直交する向きに二つのアーム１２０、１３０が励振する振動モードのことを称する。例えば、一方のアーム１２０に作用するコリオリ力Ｆ１が−Ｙ方向であるとき、他方のアーム１３０に作用するコリオリ力Ｆ２は＋Ｙ方向である。
コリオリ力Ｆ１、Ｆ２の大きさは、角速度ωに比例するため、コリオリ力Ｆ１、Ｆ２によるアーム１２０、１３０の機械的な歪みを圧電薄膜３０によって電気信号（検出信号）に変換し、これを検出電極層３１ｃ、３１ｄから取り出すことにより角速度ωを求めることができる。
この圧電薄膜として、大きな変位量を有する本発明に係わる圧電薄膜素子の圧電薄膜を用いることで、十分な検出感度を得ることができる。
図４（ｃ）は、上記の圧電薄膜素子を用いた圧電センサの第二の例としての圧力センサの構成図である。
圧力センサ５００は、圧力を受けたときに対応するための空洞４５を有するとともに、圧電薄膜素子４０を支える支持体４４と、電流増幅器４６と、電圧測定器４７とから構成されている。圧電薄膜素子４０は共通電極層４１と圧電薄膜４２と個別電極層４３とからなり、この順に支持体４４に積層されている。ここで、外力がかかると圧電薄膜素子４０がたわみ、電圧測定器４７で電圧が検出される。
この圧電薄膜として、大きな変位量を有する、本発明に係わる圧電薄膜素子の圧電薄膜を用いることで、十分な検出感度を得ることができる。
図４（ｄ）は、上記の圧電薄膜素子を用いた圧電センサの第三の例としての脈波センサの構成図である。
脈波センサ６００は、基材５１上に送信用圧電薄膜素子、及び受信用圧電薄膜素子を搭載した構成となっており。ここで、送信用圧電薄膜素子では送信用圧電薄膜５２の厚み方向の両面には電極層５４ａ、５５ａが形成されており、受信用圧電薄膜素子では受信用圧電薄膜５３の厚み方向の両面にも電極層５４ｂ、５５ｂが形成されている。また、基材５１には、電極５６、上面用電極５７が形成されており、電極層５４ａ、５４ｂと上面用電極５７とはそれぞれ配線５８で電気的に接続されている。
生体の脈を検出するには、先ず脈波センサ６００の基板裏面（圧電薄膜素子が搭載されていない面）を生体に当接させる。そして、脈の検出時に、送信用圧電薄膜素子の両電極層５４ａ、５５ａに特定の駆動用電圧信号を出力させる。送信用圧電薄膜素子は両電極層５４ａ、５５ａに入力された駆動用電圧信号に応じて励振して超音波を発生し、該超音波を生体内に送信する。生体内に送信された超音波は血流により反射され、受信用圧電薄膜素子により受信される。受信用圧電薄膜素子は、受信した超音波を電圧信号に変換して、両電極層５４ｂ、５５ｂから出力する。
この両圧電薄膜として、大きな変位量を有する本発明に係わる圧電薄膜素子の圧電薄膜を用いることで、十分な検出感度を得ることができる。
（ハードディスクドライブ）
図５は、図３（ａ）に示したヘッドアセンブリを搭載したハードディスクドライブの構成図である。
ハードディスクドライブ７００は、筐体６０内に、記録媒体としてのハードディスク６１と、これに磁気情報を記録及び再生するヘッドスタックアセンブリ６２とを備えている。ハードディスク６１は、図示を省略したモータによって回転させられる。
ヘッドスタックアセンブリ６２は、ボイスコイルモータ６３により支軸周りに回転自在に支持されたアクチュエータアーム６４と、このアクチュエータアーム６４に接続されたヘッドアセンブリ６５とから構成される組立て体を、図の奥行き方向に複数個積層したものである。ヘッドアセンブリ６５の先端部には、ハードディスク６１に対向するようにスライダ１９が取り付けられている（図３（ａ）参照）。
ヘッドアセンブリ６５（２００）は、ヘッド素子１９ａ（図３（ａ）参照）を２段階で変動させる形式を採用している。ヘッド素子１９ａの比較的大きな移動はボイスコイルモータ６３によるヘッドアセンブリ６５、及びアクチュエータアーム６４の全体の駆動で制御し、微小な移動はヘッドアセンブリ６５の先端部によるスライダ１９の駆動により制御する。
このヘッドアセンブリ６５に用いられる圧電薄膜素子において、圧電薄膜として、大きな変位量を有する本発明に係わる圧電薄膜素子の圧電薄膜を用いることで、十分なアクセス性を得ることができる。
（インクジェットプリンタ装置）
図６は、図３（ｂ）に示したインクジェットプリンタヘッドを搭載したインクジェットプリンタ装置の構成図である。
インクジェットプリンタ装置８００は、主にインクジェットプリンタヘッド７０、本体７１、トレイ７２、ヘッド駆動機構７３を備えて構成されている。圧電アクチュエータ３００はインクジェットプリンタヘッド７０に備えられている。
インクジェットプリンタ装置８００は、イエロー、マゼンダ、シアン、ブラックの計４色のインクカートリッジを備えており、フルカラー印刷が可能なように構成されている。また、このインクジェットプリンタ装置８００は、内部に専用のコントローラボード等を備えており、インクジェットプリンタヘッド７０のインク吐出タイミング及びヘッド駆動機構７３の走査を制御する。また、本体７１は背面にトレイ７２を備えるとともに、その内部にオートシートフィーダ（自動連続給紙機構）７６を備え、記録用紙７５を自動的に送り出し、正面の排出口７４から記録用紙７５を排紙する。
このインクジェットプリンタヘッド７０の圧電アクチュエータに用いられる圧電薄膜素子において、圧電薄膜として、大きな変位量を有する本発明に係わる圧電薄膜素子の圧電薄膜を用いることで、高い安全性を有するインクジェットプリンタ装置を提供することができる。
以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
（１００）面方位を有する厚さ４００μｍのシリコン基板１を４００℃に加熱し、ＰｔターゲットとＰｔＯ２ターゲットとの二元スパッタリングによる同時成膜にて、下部電極層２を２００ｎｍ、シリコン基板１の面方位にエピタキシャル成長させながらシリコン基板１上に成膜した。ここでＰｔターゲットおよびＰｔＯ２ターゲットは外径φ１５０ｍｍのスパッタリングターゲットで印加電源に高周波電源を用い、Ｐｔターゲットの印加出力は１５０Ｗ、ＰｔＯ２ターゲットの印加出力は５０Ｗとし、アルゴン（Ａｒ）ガスを用いガス圧は０．２Ｐａとした。
次にシリコン基板１を５５０℃に加熱し、圧電薄膜３として、酸素（Ｏ２）濃度５％のアルゴン酸素混合（Ａｒ＋Ｏ２）ガスを用いガス圧０．２Ｐａにてニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ）を２０００ｎｍスパッタリング法によりエピタキシャル成長させて成膜した。印加電源は高周波電源を用い、φ１５０ｍｍのスパッタリングターゲットを用い、印加出力は８００Ｗとした。用いたスパッタリングターゲットの組成は（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３である。
次に上部電極層４を下部電極層２と同様に二元スパッタリングにより同条件にて２００ｎｍ成膜した。
上部電極層４を形成後、フォトリソグラフィおよびドライエッチング、ウェットエッチングにより圧電薄膜３、下部電極層２および上部電極層４をパターニングし、さらにシリコン基板１を切断加工することで可動部分寸法が２５ｍｍ×５ｍｍである実施例１の圧電薄膜素子１０を作製した。
（実施例２）
下部電極層２および上部電極層４における二元スパッタリングによる同時成膜において、ＰｔＯ２ターゲットへの高周波電源の印加出力を１５０Ｗとした以外は実施例１と同様の条件にて実施例２の圧電薄膜素子１０を作製した。
（実施例３）
（１００）面方位を有する厚さ４００μｍのシリコン基板１を４００℃に加熱し、ＰｔターゲットとＰｔＯ２ターゲットの二元スパッタリングによる同時成膜にて、下部電極層２を２００ｎｍ、シリコン基板１の面方位にエピタキシャル成長させながらシリコン基板１上に成膜した。ここでＰｔターゲットおよびＰｔＯ２ターゲットは外径φ１５０ｍｍのスパッタリングターゲットで印加電源に高周波電源を用い、Ｐｔターゲットの印加出力は２５０Ｗ、ＰｔＯ２ターゲットの印加出力は８０Ｗとし、酸素（Ｏ２）濃度１０％のアルゴン酸素混合（Ａｒ＋Ｏ２）ガスを用いガス圧は０．２Ｐａとした。
次にシリコン基板１を５５０℃に加熱し、圧電薄膜３として、酸素（Ｏ２）濃度５％のアルゴン酸素混合（Ａｒ＋Ｏ２）ガスを用いガス圧０．２Ｐａにてニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ）を２０００ｎｍスパッタリング法によりエピタキシャル成長させて成膜した。印加電源は高周波電源を用い、φ１５０ｍｍのスパッタリングターゲットを用い、印加出力は８００Ｗとした。用いたスパッタリングターゲットの組成は（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３である。
次に上部電極層４を下部電極層２と同様に二元スパッタリングにより同条件にて２００ｎｍ成膜した。
上部電極層４を形成後、フォトリソグラフィおよびドライエッチング、ウェットエッチングにより圧電薄膜３、下部電極層２および上部電極層４をパターニングし、さらにシリコン基板１を切断加工することで可動部分寸法が２５ｍｍ×５ｍｍである実施例３の圧電薄膜素子１０を作製した。
（実施例４）
下部電極層２および上部電極層４における二元スパッタリングによる同時成膜において、ＰｔＯ２ターゲットへの高周波電源の印加出力を２００Ｗとした以外は実施例３と同様の条件にて実施例４の圧電薄膜素子１０を作製した。
（実施例５）
（１００）面方位を有する厚さ４００μｍのシリコン基板１を４００℃に加熱し、ＰｔターゲットとＰｔＯ２ターゲットの二元スパッタリングによる同時成膜にて、第一下部電極層２ａを７５ｎｍ、シリコン基板１の面方位にエピタキシャル成長させながらシリコン基板１上に成膜した。ここでＰｔターゲットおよびＰｔＯ２ターゲットは外径φ１５０ｍｍのスパッタリングターゲットで印加電源に高周波電源を用い、Ｐｔターゲットの印加出力は２５０Ｗ、ＰｔＯ２ターゲットの印加出力は８０Ｗとし、酸素（Ｏ２）濃度１０％のアルゴン酸素混合（Ａｒ＋Ｏ２）ガスを用いガス圧は０．２Ｐａとした。
次にＰｔターゲットとＰｔＯ２ターゲットの二元スパッタリングによる同時成膜にて、第二下部電極層２ｂを１２５ｎｍ、第一下部電極層２ａ上に成膜した。ここでＰｔターゲットおよびＰｔＯ２ターゲットは外径φ１５０ｍｍのスパッタリングターゲットで印加電源に高周波電源を用い、Ｐｔターゲットの印加出力は２５０Ｗ、ＰｔＯ２ターゲットの印加出力は２００Ｗとし、酸素（Ｏ２）濃度１０％のアルゴン酸素混合（Ａｒ＋Ｏ２）ガスを用いガス圧は０．２Ｐａとした。
次にシリコン基板１を５５０℃に加熱し、圧電薄膜３として、酸素（Ｏ２）濃度５％のアルゴン酸素混合（Ａｒ＋Ｏ２）ガスを用いガス圧０．２Ｐａにてニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ）を２０００ｎｍスパッタリング法によりエピタキシャル成長させて成膜した。印加電源は高周波電源を用い、φ１５０ｍｍのスパッタリングターゲットを用い、印加出力は８００Ｗとした。用いたスパッタリングターゲットの組成は（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３である。
次に第一上部電極層４ａを第二下部電極層２ｂと同様に二元スパッタリングにより同条件にて１２５ｎｍ成膜した。
さらに第二上部電極層４ｂを第一下部電極層２ａと同様に二元スパッタリングにより同条件にて７５ｎｍ成膜した。
第二上部電極層４ｂを形成後、フォトリソグラフィおよびドライエッチング、ウェットエッチングにより圧電薄膜３、下部電極層２および上部電極層４をパターニングし、さらにシリコン基板１を切断加工することで可動部分寸法が２５ｍｍ×５ｍｍである実施例５の圧電薄膜素子１０’を作製した。
（実施例６）
第一下部電極層２ａおよび第二上部電極層４ｂにおける二元スパッタリングによる同時成膜において、ＰｔＯ２ターゲットへの高周波電源の印加出力を６５Ｗ、第一上部電極層２ｂおよび第二下部電極層４ａにおける二元スパッタリングによる同時成膜において、ＰｔＯ２ターゲットへの高周波電源の印加出力を２５０Ｗとした以外は実施例５と同様の条件にて実施例６の圧電薄膜素子１０’を作製した。
（実施例７）
第一下部電極層２ａおよび第二上部電極層４ｂの膜厚を１５０ｎｍ、第二下部電極層２ｂおよび第一上部電極層４ａの膜厚を５０ｎｍとした以外は実施例６と同様の条件にて実施例７の圧電薄膜素子１０’を作製した。
（実施例８）
（１００）面方位を有する厚さ４００μｍのシリコン基板１を４００℃に加熱し、ＰｔターゲットとＮａＮｂＯ３ターゲットの二元スパッタリングによる同時成膜にて、第一下部電極層２ａを１５０ｎｍ、シリコン基板１の面方位にエピタキシャル成長させながらシリコン基板１上に成膜した。ここでＰｔターゲットおよびＮａＮｂＯ３ターゲットは外径φ１５０ｍｍのスパッタリングターゲットで印加電源に高周波電源を用い、Ｐｔターゲットの印加出力は２５０Ｗ、ＮａＮｂＯ３ターゲットの印加出力は７５Ｗとし、酸素（Ｏ２）濃度１０％のアルゴン酸素混合（Ａｒ＋Ｏ２）ガスを用いガス圧は０．２Ｐａとした。
次にＰｔターゲットとＮａＮｂＯ３ターゲットの二元スパッタリングによる同時成膜にて、第二下部電極層２ｂを５０ｎｍ、第一下部電極層２ａ上に成膜した。ここでＰｔターゲットおよびＮａＮｂＯ３ターゲットは外径φ１５０ｍｍのスパッタリングターゲットで印加電源に高周波電源を用い、Ｐｔターゲットの印加出力は２５０Ｗ、ＮａＮｂＯ３ターゲットの印加出力は２８０Ｗとし、酸素（Ｏ２）濃度１０％のアルゴン酸素混合（Ａｒ＋Ｏ２）ガスを用いガス圧は０．２Ｐａとした。
次にシリコン基板１を５５０℃に加熱し、圧電薄膜３として、酸素（Ｏ２）濃度５％のアルゴン酸素混合（Ａｒ＋Ｏ２）ガスを用いガス圧０．２Ｐａにてニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ）を２０００ｎｍスパッタリング法によりエピタキシャル成長させて成膜した。印加電源は高周波電源を用い、φ１５０ｍｍのスパッタリングターゲットを用い、印加出力は８００Ｗとした。用いたスパッタリングターゲットの組成は（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３である。
次に第一上部電極層４ａを第二下部電極層２ｂと同様に二元スパッタリングにより同条件にて５０ｎｍ成膜した。
さらに第二上部電極層４ｂを第一下部電極層２ａと同様に二元スパッタリングにより同条件にて１５０ｎｍ成膜した。
第二上部電極層４ｂを形成後、フォトリソグラフィおよびドライエッチング、ウェットエッチングにより圧電薄膜３、下部電極層２および上部電極層４をパターニングし、さらにシリコン基板１を切断加工することで可動部分寸法が２５ｍｍ×５ｍｍである実施例８の圧電薄膜素子１０’を作製した。
（実施例９）
（１００）面方位を有する厚さ４００μｍのシリコン基板１を４００℃に加熱し、ＰｔターゲットとＫＮｂＯ３ターゲットの二元スパッタリングによる同時成膜にて、第一下部電極層２ａを１５０ｎｍ、シリコン基板１の面方位にエピタキシャル成長させながらシリコン基板１上に成膜した。ここでＰｔターゲットおよびＫＮｂＯ３ターゲットは外径φ１５０ｍｍのスパッタリングターゲットで印加電源に高周波電源を用い、Ｐｔターゲットの印加出力は２５０Ｗ、ＫＮｂＯ３ターゲットの印加出力は８５Ｗとし、酸素（Ｏ２）濃度１０％のアルゴン酸素混合（Ａｒ＋Ｏ２）ガスを用いガス圧は０．２Ｐａとした。
次にＰｔターゲットとＫＮｂＯ３ターゲットの二元スパッタリングによる同時成膜にて、第二下部電極層２ｂを５０ｎｍ、第一下部電極層２ａ上に成膜した。ここでＰｔターゲットおよびＫＮｂＯ３ターゲットは外径φ１５０ｍｍのスパッタリングターゲットで印加電源に高周波電源を用い、Ｐｔターゲットの印加出力は２５０Ｗ、ＫＮｂＯ３ターゲットの印加出力は３００Ｗとし、酸素（Ｏ２）濃度１０％のアルゴン酸素混合（Ａｒ＋Ｏ２）ガスを用いガス圧は０．２Ｐａとした。
次にシリコン基板１を５５０℃に加熱し、圧電薄膜３として、酸素（Ｏ２）濃度５％のアルゴン酸素混合（Ａｒ＋Ｏ２）ガスを用いガス圧０．２Ｐａにてニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ）を２０００ｎｍスパッタリング法によりエピタキシャル成長させて成膜した。印加電源は高周波電源を用い、φ１５０ｍｍのスパッタリングターゲットを用い、印加出力は８００Ｗとした。用いたスパッタリングターゲットの組成は（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３である。
次に第一上部電極層４ａを第二下部電極層２ｂと同様に二元スパッタリングにより同条件にて５０ｎｍ成膜した。
さらに第二上部電極層４ｂを第一下部電極層２ａと同様に二元スパッタリングにより同条件にて１５０ｎｍ成膜した。
第二上部電極層４ｂを形成後、フォトリソグラフィおよびドライエッチング、ウェットエッチングにより圧電薄膜３、下部電極層２および上部電極層４をパターニングし、さらにシリコン基板１を切断加工することで可動部分寸法が２５ｍｍ×５ｍｍである実施例９の圧電薄膜素子１０’を作製した。
（実施例１０）
（１００）面方位を有する厚さ４００μｍのシリコン基板１を４００℃に加熱し、ＰｔターゲットとＮｂ２Ｏ５ターゲットの二元スパッタリングによる同時成膜にて、第一下部電極層２ａを１５０ｎｍ、シリコン基板１の面方位にエピタキシャル成長させながらシリコン基板１上に成膜した。ここでＰｔターゲットおよびＮｂ２Ｏ５ターゲットは外径φ１５０ｍｍのスパッタリングターゲットで印加電源に高周波電源を用い、Ｐｔターゲットの印加出力は２５０Ｗ、Ｎｂ２Ｏ５ターゲットの印加出力は９０Ｗとし、酸素（Ｏ２）濃度１０％のアルゴン酸素混合（Ａｒ＋Ｏ２）ガスを用いガス圧は０．２Ｐａとした。
次にＰｔターゲットとＮｂ２Ｏ５ターゲットの二元スパッタリングによる同時成膜にて、第二下部電極層２ｂを５０ｎｍ、第一下部電極層２ａ上に成膜した。ここでＰｔターゲットおよびＮｂ２Ｏ５ターゲットは外径φ１５０ｍｍのスパッタリングターゲットで印加電源に高周波電源を用い、Ｐｔターゲットの印加出力は２５０Ｗ、Ｎｂ２Ｏ５ターゲットの印加出力は３２０Ｗとし、酸素（Ｏ２）濃度１０％のアルゴン酸素混合（Ａｒ＋Ｏ２）ガスを用いガス圧は０．２Ｐａとした。
次にシリコン基板１を５５０℃に加熱し、圧電薄膜３として、酸素（Ｏ２）濃度５％のアルゴン酸素混合（Ａｒ＋Ｏ２）ガスを用いガス圧０．２Ｐａにてニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ）を２０００ｎｍスパッタリング法によりエピタキシャル成長させて成膜した。印加電源は高周波電源を用い、φ１５０ｍｍのスパッタリングターゲットを用い、印加出力は８００Ｗとした。用いたスパッタリングターゲットの組成は（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３である。
次に第一上部電極層４ａを第二下部電極層２ｂと同様に二元スパッタリングにより同条件にて５０ｎｍ成膜した。
さらに第二上部電極層４ｂを第一下部電極層２ａと同様に二元スパッタリングにより同条件にて１５０ｎｍ成膜した。
第二上部電極層４ｂを形成後、フォトリソグラフィおよびドライエッチング、ウェットエッチングにより圧電薄膜３、下部電極層２および上部電極層４をパターニングし、さらにシリコン基板１を切断加工することで可動部分寸法が２５ｍｍ×５ｍｍである実施例１０の圧電薄膜素子１０’を作製した。
（実施例１１）
（１００）面方位を有する厚さ４００μｍのシリコン基板１を４００℃に加熱し、スパッタリングにより第一下部電極層２ａとしてＰｔを７５ｎｍ、シリコン基板１の面方位にエピタキシャル成長させながらシリコン基板１上に成膜した。ここでＰｔターゲットは外径φ１５０ｍｍのスパッタリングターゲットで印加電源に高周波電源を用い、印加出力は１５０Ｗとし、アルゴン（Ａｒ）ガスを用いガス圧は０．２Ｐａとした。
次にＰｔターゲットとＰｔＯ２ターゲットの二元スパッタリングによる同時成膜にて、第二下部電極層２ｂを１２５ｎｍ、第一下部電極層２ａ上に成膜した。ここでＰｔターゲットおよびＰｔＯ２ターゲットは外径φ１５０ｍｍのスパッタリングターゲットで印加電源に高周波電源を用い、Ｐｔターゲットの印加出力は２５０Ｗ、ＰｔＯ２ターゲットの印加出力は２５０Ｗとし、酸素（Ｏ２）濃度１０％のアルゴン酸素混合（Ａｒ＋Ｏ２）ガスを用いガス圧は０．２Ｐａとした。
次にシリコン基板１を５５０℃に加熱し、圧電薄膜３として、酸素（Ｏ２）濃度５％のアルゴン酸素混合（Ａｒ＋Ｏ２）ガスを用いガス圧０．２Ｐａにてニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ）を２０００ｎｍスパッタリング法によりエピタキシャル成長させて成膜した。印加電源は高周波電源を用い、φ１５０ｍｍのスパッタリングターゲットを用い、印加出力は８００Ｗとした。用いたスパッタリングターゲットの組成は（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３である。
次に第一上部電極層４ａを第二下部電極層２ｂと同様に二元スパッタリングにより同条件にて１２５ｎｍ成膜した。
さらに第二上部電極層４ｂを第一下部電極層２ａと同様にスパッタリングにより同条件にて７５ｎｍ成膜した。
第二上部電極層４ｂを形成後、フォトリソグラフィおよびドライエッチング、ウェットエッチングにより圧電薄膜３、下部電極層２および上部電極層４をパターニングし、さらにシリコン基板１を切断加工することで可動部分寸法が２５ｍｍ×５ｍｍである実施例１１の圧電薄膜素子１０’を作製した。
（比較例１）
比較例１として、酸化物ターゲットを使用せずにＰｔターゲットのみでアルゴン（Ａｒ）ガスを用い、ガス圧０．２Ｐａにてスパッタリングにより下部電極層および上部電極層を２００ｎｍ成膜した以外は実施例１と同様に圧電薄膜素子を作製した。
（比較例２）
比較例２として、二元スパッタリングによる同時成膜において、酸化物ターゲットを圧電薄膜が構成する元素の酸化物ではないＡｌ２Ｏ３ターゲットとし、高周波電源のＰｔターゲットへの印加出力を１８０Ｗ、Ａｌ２Ｏ３ターゲットへの印加出力を７０Ｗとし、アルゴン酸素混合（Ａｒ＋Ｏ２）ガスのＯ２濃度を５％として下部電極層および上部電極層を２００ｎｍ成膜した以外は実施例３と同様に圧電薄膜素子を作製した。
（比較例３）
比較例３として、二元スパッタリングによる同時成膜において、酸化物ターゲットを圧電薄膜が構成する元素の酸化物ではないＡｌ２Ｏ３ターゲットとし、高周波電源のＰｔターゲットへの印加出力を１８０Ｗ、Ａｌ２Ｏ３ターゲットへの印加出力を１８０Ｗとし、アルゴン酸素混合（Ａｒ＋Ｏ２）ガスのＯ２濃度を５％として下部電極層および上部電極層を２００ｎｍ成膜した以外は実施例３と同様に圧電薄膜素子を作製した。
（比較例４）
比較例４として、二元スパッタリングによる同時成膜において、酸化物ターゲットを圧電薄膜が構成する元素の酸化物ではないＣｒ２Ｏ３ターゲットとし、高周波電源のＰｔターゲットへの印加出力を１７５Ｗ、Ｃｒ２Ｏ３ターゲットへの印加出力を６０Ｗとし、アルゴン酸素混合（Ａｒ＋Ｏ２）ガスのＯ２濃度を４％として下部電極層および上部電極層を２００ｎｍ成膜した以外は実施例３と同様に圧電薄膜素子を作製した。
（比較例５）
比較例５として、二元スパッタリングによる同時成膜において、酸化物ターゲットを圧電薄膜が構成する元素の酸化物ではないＣｒ２Ｏ３ターゲットとし、高周波電源のＰｔターゲットへの印加出力を１７５Ｗ、Ｃｒ２Ｏ３ターゲットへの印加出力を１７５Ｗとし、アルゴン酸素混合（Ａｒ＋Ｏ２）ガスのＯ２濃度を４％として下部電極層および上部電極層を２００ｎｍ成膜した以外は実施例３と同様に圧電薄膜素子を作製した。
実施例１〜１１、および比較例１〜５の圧電薄膜素子をフレキシブルケーブルによる配線を有する厚さ１８μｍのステンレスの薄板に固定した後、圧電薄膜素子に印加電圧１２０Ｈｚ±２７ｋＶ／ｃｍにて通電して測定した変位量およびリーク電流密度を、各圧電薄膜素子の下部電極層の構成と共に表１に示す。
Figure 0006460387
比較例１においては酸化物粒子を含有しないため、変位量は比較的良好ではあるが、圧電薄膜と下部電極層との反応による圧電薄膜の酸素欠陥が促進されリーク電流密度が高いことが確認できた。
実施例１において酸化物粒子の含有量に対し含有比率が小さくなっており、下部電極層の膜厚方向において酸化物粒子が偏在していることが考えられる。
実施例２において酸化物粒子の含有量に対し含有比率が大きくなっており、下部電極層の膜厚方向において酸化物粒子が偏在していることが考えられる。
実施例３および４において酸化物粒子の含有量に対し含有比率が比較的等しく、下部電極層の膜厚方向において酸化物粒子が均一に含有されていることが考えられる。
実施例１〜４および比較例１より酸化物粒子が下部電極層に含有されることにより圧電薄膜の下部電極層との反応が抑制され、圧電薄膜の酸素欠陥が減少することにより、リーク電流密度が低減されたと考えられる。また下部電極層内の酸化物粒子がより均一に分散されると、圧電薄膜と下部電極層の反応を抑え、よりリーク電流密度の低減に効果があると思われる。さらに実施例３および４において、実施例４がリーク電流密度、変位量の結果がより良好であるため、酸化物粒子の含有量および含有比率に最適な範囲があることが確認できた。
実施例５においては圧電薄膜側に隣接する第二下部電極層の酸化物粒子の含有量が第一下部電極層より多く、実施例１〜４と比較し、リーク電流密度がより低減され、変位量もより増加していることが確認できた。これは圧電薄膜側の第二下部電極層に含有する酸化物粒子が圧電薄膜の酸素欠陥を補償しつつ、第一下部電極層の酸化物粒子の含有量を抑え、圧電薄膜素子の抵抗を低減されることで、より大きな電界が印加され変位量も増加していると考えられる。
さらに実施例６において実施例５に対し、よりリーク電流密度の低減と変位量の向上が見られることから、第一下部電極層、第二下部電極層の酸化物粒子の含有量および含有比率に最適な範囲が存在することが確認できた。
また実施例７より圧電薄膜に隣接する、第一下部電極層より酸化物粒子の含有量が多い第二下部電極層の膜厚を小さくすることで圧電薄膜素子の抵抗をより低減させ、さらに大きな電界により変位量を増加させられることが確認できた。
実施例８〜１０において酸化物粒子ターゲットがそれぞれＮａＮｂＯ３ターゲット、ＫＮｂＯ３ターゲット、Ｎｂ２Ｏ５ターゲットであっても、酸化物粒子の含有量がＰｔＯ２ターゲットを用いた場合と同程度であると、リーク電流密度の低減および変位量向上が得られ、圧電薄膜を構成する元素の酸化物粒子でも同様の効果があることが確認できた。
実施例１１においては第一下部電極層に酸化物粒子が含有していないことから圧電薄膜素子の抵抗値が低減されることで、より大きな電界が印加されることから変位量の向上が得られているが、酸化物粒子の含有量は実施例４と同様であるためリーク電流密度も実施例４と同様であることが確認できた。
比較例２〜５においては酸化物粒子ターゲットが圧電薄膜を構成する元素ではない酸化物粒子ターゲットを用いた場合、下部電極層に含有する酸化物粒子が圧電薄膜の酸素欠陥を十分に補償していないためリーク電流密度が高いと考えられる。また下部電極層内の前記酸化物粒子が圧電薄膜を構成する元素の酸化物粒子でないため圧電薄膜の圧電特性を向上させられないことが確認できた。
以上の実施例、比較例においては、所定の圧電薄膜、電極層材料および酸化物粒子を用いて本発明の効果を説明したが、他の種々の圧電薄膜、電極層材料および酸化物粒子を用いた場合でも、本発明に示したような電極層への酸化物粒子の含有が達成されれば、圧電薄膜の酸素欠陥が補償され、本発明と同様の効果が得られることは明らかである。
１…基板、２…下部電極層、３…圧電薄膜、４…上部電極層、１０…圧電薄膜素子、２００…ヘッドアセンブリ、３００…圧電アクチュエータ、４００…ジャイロセンサ、５００……圧力センサ、６００…脈波センサ、７００…ハードディスクドライブ、８００…インクジェットプリンタ装置

Claims (11)

  1. 一対の電極層と、前記一対の電極層に挟まれた圧電薄膜とを備えた圧電薄膜素子であって、前記圧電薄膜がニオブ酸カリウムナトリウム系であり、前記一対の電極層がＰｔ（白金）からなり、少なくともいずれか一方の前記電極層に酸化物粒子を含有し、前記酸化物粒子は、Ｋ、Ｎａ、Ｎｂの少なくともいずれか一つの元素の酸化物粒子もしくはＰｔの酸化物粒子であることを特徴とする圧電薄膜素子。
  2. 前記酸化物粒子は前記電極層内に分散された状態を有し、前記圧電薄膜の膜厚方向を含む断面における単位面積当たりの前記酸化物粒子の含有比率が５％以上２０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の圧電薄膜素子。
  3. 前記電極層に含有される前記酸化物粒子の含有量が５ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下であることを特徴とする請求項１に記載の圧電薄膜素子。
  4. 前記酸化物粒子の含有量が前記電極層の膜厚方向に勾配を持ち、その最大値が前記圧電薄膜側との界面層に存在することを特徴とする請求項１に記載の圧電薄膜素子。
  5. 前記最大値が、前記圧電薄膜の膜厚方向を含む断面における単位面積当たりの前記酸化物粒子の含有比率で５％以上２０％以下であることを特徴とする請求項４に記載の圧電薄膜素子。
  6. 前記最大値が、前記電極層に含有される前記酸化物粒子の含有量で５ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下であることを特徴とする請求項４に記載の圧電薄膜素子。
  7. 前記酸化物粒子は、ＮａＮｂＯ ３ 、ＫＮｂＯ ３ 、Ｎｂ ２ Ｏ ５ 、もしくはＰｔＯ ２ である請求項１〜６いずれか一項に記載の圧電薄膜素子。
  8. 請求項１〜７いずれか一項に記載の圧電薄膜素子を用いた圧電アクチュエータ。
  9. 請求項１〜７いずれか一項に記載の圧電薄膜素子を用いた圧電センサ。
  10. 請求項８に記載の圧電アクチュエータを備えたハードディスクドライブ。
  11. 請求項８に記載の圧電アクチュエータを備えたインクジェットプリンタ装置。
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