JP6872966B2 - 圧電膜を有する積層基板、圧電膜を有するデバイスおよび圧電膜を有するデバイスの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、圧電膜を有する積層基板、圧電膜を有するデバイスおよび圧電膜を有するデバイスの製造方法に関する。
圧電体は、センサやアクチュエータ等の機能性電子部品に広く利用されている。圧電体の材料としては、例えばニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ）が用いられている（例えば特許文献１，２参照）。近年、より汎用性が高い圧電体が強く求められるようになっている。
本発明の目的は、汎用性を高めた圧電膜を有する積層基板およびその関連技術を提供することにある。
本発明の一態様によれば、
基板と、
前記基板上に製膜された圧電膜と、
所定の粒子を捕獲するトラップ部と、を備え、
前記基板および前記圧電膜は、所定の電圧が印加されると所定の周波数で撓み振動する共振部を有し、
前記共振部を撓み振動させた状態で、前記トラップ部が粒子を捕獲すると、前記共振部の周波数が変化する圧電膜を有する積層基板およびその関連技術が提供される。
基板と、
前記基板上に製膜された圧電膜と、
所定の粒子を捕獲するトラップ部と、を備え、
前記基板および前記圧電膜は、所定の電圧が印加されると所定の周波数で撓み振動する共振部を有し、
前記共振部を撓み振動させた状態で、前記トラップ部が粒子を捕獲すると、前記共振部の周波数が変化する圧電膜を有する積層基板およびその関連技術が提供される。
本発明によれば、汎用性を高めた圧電膜を有する積層基板およびその関連技術を提供することが可能となる。
＜本発明の一実施形態＞
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
（１）積層基板の構成
図１に示すように、本実施形態にかかる積層基板１０は、基板１と、基板１上に製膜された下部電極膜２と、下部電極膜２上に製膜された圧電膜（圧電薄膜）３と、圧電膜３上に製膜された上部電極膜４と、を備えた積層体として構成されている。
図１に示すように、本実施形態にかかる積層基板１０は、基板１と、基板１上に製膜された下部電極膜２と、下部電極膜２上に製膜された圧電膜（圧電薄膜）３と、圧電膜３上に製膜された上部電極膜４と、を備えた積層体として構成されている。
基板１としては、熱酸化膜やＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）酸化膜等の表面酸
化膜（ＳｉＯ２膜）１ｂが形成された単結晶シリコン（Ｓｉ）基板１ａ、すなわち、表面酸化膜を有するＳｉ基板を好適に用いることができる。また、基板１としては、図２に示すように、その表面にＳｉＯ２以外の絶縁性材料により形成された絶縁膜１ｄを有するＳｉ基板１ａを用いることもできる。また、基板１としては、表面にＳｉ（１００）面やＳｉ（１１１）面等が露出したＳｉ基板１ａ、すなわち、表面酸化膜１ｂや絶縁膜１ｄを有さないＳｉ基板を用いることもできる。また、基板１としては、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板、石英ガラス（ＳｉＯ２）基板、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板、ステンレス等の金属材料により形成された金属基板を用いることもできる。単結晶Ｓｉ基板１ａの厚さは例えば３００〜１０００μｍ、表面酸化膜１ｂの厚さは例えば５〜３０００ｎｍとすることができる。
化膜（ＳｉＯ２膜）１ｂが形成された単結晶シリコン（Ｓｉ）基板１ａ、すなわち、表面酸化膜を有するＳｉ基板を好適に用いることができる。また、基板１としては、図２に示すように、その表面にＳｉＯ２以外の絶縁性材料により形成された絶縁膜１ｄを有するＳｉ基板１ａを用いることもできる。また、基板１としては、表面にＳｉ（１００）面やＳｉ（１１１）面等が露出したＳｉ基板１ａ、すなわち、表面酸化膜１ｂや絶縁膜１ｄを有さないＳｉ基板を用いることもできる。また、基板１としては、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板、石英ガラス（ＳｉＯ２）基板、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板、ステンレス等の金属材料により形成された金属基板を用いることもできる。単結晶Ｓｉ基板１ａの厚さは例えば３００〜１０００μｍ、表面酸化膜１ｂの厚さは例えば５〜３０００ｎｍとすることができる。
基板１の裏面（圧電膜３が設けられる面とは反対側の面）に、裏面側から表面側に向かって、所定深さＤの凹部７が形成されることで、基板１は、その厚さが薄くなっている領域（以下、薄肉領域とも称する）を有している。薄肉領域の平面形状、すなわち凹部７の平面形状は円形である。凹部７の平面形状は、矩形等種々の形状であってもよい。凹部７は、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥやウエットエッチング等の手法を用いて基板１の一部を除去することで形成することができる。
下部電極膜２は、例えば、白金（Ｐｔ）を用いて製膜することができる。下部電極膜２は、単結晶膜や多結晶膜（以下、これらをＰｔ膜とも称する）となる。Ｐｔ膜を構成する結晶は、基板１の表面に対して（１１１）面方位に優先配向していることが好ましい。すなわち、Ｐｔ膜の表面（圧電膜３の下地となる面）は、主にＰｔ（１１１）面により構成されていることが好ましい。Ｐｔ膜は、スパッタリング法、蒸着法等の手法を用いて製膜することができる。下部電極膜２は、Ｐｔ以外に、金（Ａｕ）やルテニウム（Ｒｕ）やイリジウム（Ｉｒ）等の各種金属、これらを主成分とする合金、ルテニウム酸ストロンチウム（ＳｒＲｕＯ３）やニッケル酸ランタン（ＬａＮｉＯ３）等の金属酸化物等を用いて製膜することもできる。なお、基板１と下部電極膜２との間には、これらの密着性を高めるため、例えば、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、ニッケル（Ｎｉ）等を主成分とする密着層６が設けられている。密着層６は、スパッタリング法、蒸着法等の手法を用いて製膜することができる。下部電極膜２の厚さは例えば１００〜４００ｎｍ、密着層６の厚さは例えば１〜２００ｎｍとすることができる。
圧電膜３は、例えば、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、ニオブ（Ｎｂ）を含み、組成式（Ｋ１−ｘＮａｘ）ＮｂＯ３で表されるアルカリニオブ酸化物、すなわち、ニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ）を用いて製膜することができる。上述の組成式中の係数ｘ［＝Ｎａ／（Ｋ＋Ｎａ）］は、０＜ｘ＜１、好ましくは０．４≦ｘ≦０．７の範囲内の大きさとする。圧電膜３は、ＫＮＮの多結晶膜（以下、ＫＮＮ膜（ＫＮＮ薄膜）３とも称する）となる。ＫＮＮの結晶構造は、ペロブスカイト構造となる。
ＫＮＮ膜３を構成する結晶は、基板１の表面に対して（００１）面方位に優先配向していることが好ましい。すなわち、ＫＮＮ膜３の表面（上部電極膜４の下地となる面）は、主にＫＮＮ（００１）面により構成されていることが好ましい。基板１の表面に対して（
１１１）面方位に優先配向させたＰｔ膜上にＫＮＮ膜３を直接製膜することで、ＫＮＮ膜３を構成する結晶を、基板１の表面に対して（００１）面方位に優先配向させることが容易となる。例えば、ＫＮＮ膜３を構成する結晶群のうち８０％以上の結晶を基板１の表面に対して（００１）面方位に配向させ、ＫＮＮ膜３の表面のうち８０％以上の領域をＫＮＮ（００１）面とすることが可能となる。ＫＮＮ膜３の厚さは例えば０．５〜５μｍとすることができる。
１１１）面方位に優先配向させたＰｔ膜上にＫＮＮ膜３を直接製膜することで、ＫＮＮ膜３を構成する結晶を、基板１の表面に対して（００１）面方位に優先配向させることが容易となる。例えば、ＫＮＮ膜３を構成する結晶群のうち８０％以上の結晶を基板１の表面に対して（００１）面方位に配向させ、ＫＮＮ膜３の表面のうち８０％以上の領域をＫＮＮ（００１）面とすることが可能となる。ＫＮＮ膜３の厚さは例えば０．５〜５μｍとすることができる。
ＫＮＮ膜３は、スパッタリング法、ＰＬＤ（Pulsed Laser Deposition）法、ゾルゲル
法等の手法を用いて製膜することができる。ＫＮＮ膜３の組成比は、例えば、スパッタリング製膜時に用いるターゲット材の組成を制御することで調整可能である。ターゲット材は、例えば、Ｋ２ＣＯ３粉末、Ｎａ２ＣＯ３粉末、Ｎｂ２Ｏ５粉末等を混合させて焼成すること等により作製することができる。この場合、ターゲット材の組成は、Ｋ２ＣＯ３粉末、Ｎａ２ＣＯ３粉末、Ｎｂ２Ｏ５粉末等の混合比率を調整することで制御することができる。
法等の手法を用いて製膜することができる。ＫＮＮ膜３の組成比は、例えば、スパッタリング製膜時に用いるターゲット材の組成を制御することで調整可能である。ターゲット材は、例えば、Ｋ２ＣＯ３粉末、Ｎａ２ＣＯ３粉末、Ｎｂ２Ｏ５粉末等を混合させて焼成すること等により作製することができる。この場合、ターゲット材の組成は、Ｋ２ＣＯ３粉末、Ｎａ２ＣＯ３粉末、Ｎｂ２Ｏ５粉末等の混合比率を調整することで制御することができる。
ＫＮＮ膜３は、銅（Ｃｕ）、マンガン（Ｍｎ）、リチウム（Ｌｉ）、Ｔａ、アンチモン（Ｓｂ）等のＫ、Ｎａ、Ｎｂ以外の元素を、５ａｔ％以下の範囲内で含んでいてもよい。
上部電極膜４は、例えば、Ｐｔ、Ａｕ、アルミニウム（Ａｌ）、Ｃｕ等の各種金属やこれらの合金を用いて製膜することができる。上部電極膜４は、スパッタリング法、蒸着法、メッキ法、金属ペースト法等の手法を用いて製膜することができる。上部電極膜４は、下部電極膜２のようにＫＮＮ膜３の結晶構造に大きな影響を与えるものではない。そのため、上部電極膜４の材料、結晶構造、製膜手法は特に限定されない。なお、ＫＮＮ膜３と上部電極膜４との間には、これらの密着性を高めるため、例えば、Ｔｉ、Ｔａ、ＴｉＯ２、Ｎｉ等を主成分とする密着層が設けられていてもよい。上部電極膜４の厚さは例えば１００〜５０００ｎｍ、密着層を設ける場合にはその厚さは例えば１〜２００ｎｍとすることができる。
積層基板１０は、所定の粒子（微粒子）Ｐを捕獲（トラップ、確保）するトラップ部を備えている。所定の粒子Ｐの一例として、におい粒子や、ＰＭ２．５、花粉等の粉塵が挙げられる。
トラップ部は、基板１の薄肉領域の上部に位置するＫＮＮ膜３上に感応膜（粘着膜）９を設けることにより構成されている。感応膜９は、その直径が凹部７の直径よりも小さくなるように形成されており、感応膜９の周縁が基板１の薄肉領域の上部に位置している。感応膜９の平面形状は、凹部７の平面形状と相似形状であることが好ましく、例えば円形である。感応膜９は、例えばその中心が基板１の薄肉領域の中心とほぼ一致するように配置されている。感応膜９としては、捕獲対象の粒子Ｐに応じて種々の材料により形成した膜を用いることができる。感応膜９は、貼り付け等の手法を用いて製膜することができる。
捕獲対象がＰＭ２．５である場合、図３（ａ）に例示するように、基板１の薄肉領域に、基板１を厚さ方向に貫通する１つまたは複数の貫通孔８を形成し、下部電極膜２およびＫＮＮ膜３のそれぞれに、貫通孔８を露出させる開口２ａ，３ａを形成することで、トラップ部を構成してもよい。密着層６を設ける場合には密着層６にも貫通孔８を露出させる開口６ａを形成する。
貫通孔８は、基板１の薄肉領域の一部、例えば薄肉領域の少なくとも中心部に形成されている。貫通孔８を形成する場合、図３（ｂ）に例示するように、貫通孔８の平面形状を円形とし、貫通孔８がドットパターンを構成するように複数形成することが好ましい。ま
た、図３（ｃ）に例示するように、貫通孔８の平面形状を矩形とし、貫通孔８がメッシュパターンを構成するように複数形成してもよい。また、複数の貫通孔８の平面形状は円形、矩形の他、楕円、長円、三角形等であってもよく、上述の形状が混在していてもよい。図３（ｂ）（ｃ）に例示する場合、複数の貫通孔８は、それぞれ、平面形状における差し渡し最大幅（直径）が捕獲対象である粒子Ｐのサイズよりも小さい。また、貫通孔８は、図３（ｄ）に例示するようにストライプパターンを構成するように複数形成されていてもよい。貫通孔８が図３（ｄ）に例示するパターンを構成する場合、複数の貫通孔８として、差し渡し最小幅が捕獲対象である粒子Ｐのサイズよりも小さい貫通孔を形成する。貫通孔８は、レーザ光の照射（レーザ光による打ち抜き）やエッチング等の手法を用いて形成することができる。
た、図３（ｃ）に例示するように、貫通孔８の平面形状を矩形とし、貫通孔８がメッシュパターンを構成するように複数形成してもよい。また、複数の貫通孔８の平面形状は円形、矩形の他、楕円、長円、三角形等であってもよく、上述の形状が混在していてもよい。図３（ｂ）（ｃ）に例示する場合、複数の貫通孔８は、それぞれ、平面形状における差し渡し最大幅（直径）が捕獲対象である粒子Ｐのサイズよりも小さい。また、貫通孔８は、図３（ｄ）に例示するようにストライプパターンを構成するように複数形成されていてもよい。貫通孔８が図３（ｄ）に例示するパターンを構成する場合、複数の貫通孔８として、差し渡し最小幅が捕獲対象である粒子Ｐのサイズよりも小さい貫通孔を形成する。貫通孔８は、レーザ光の照射（レーザ光による打ち抜き）やエッチング等の手法を用いて形成することができる。
貫通孔８の差し渡し最大幅または差し渡し最小幅（以下、これらをまとめて「貫通孔８の幅」とも称する）は、捕獲対象である粒子Ｐによって適宜設定される。捕獲対象がＰＭ２．５である場合、貫通孔８の幅は例えば２μｍ以下、好ましくは１μｍ程度とすることができる。
下部電極膜２、ＫＮＮ膜３および密着層６に形成される開口２ａ，３ａ，６ａ（以下、これらを総称して開口３ａ等とも称する）の平面形状は、それぞれ、同一形状であり、例えば円形である。これらの開口３ａ等は、これらの直径がそれぞれ凹部７の直径よりも小さくなるように形成されており、開口３ａ等の周縁が薄肉領域の上部に位置している。開口３ａ等の平面形状は、上述の凹部７の平面形状と相似形状であることが好ましい。開口３ａ等は、エッチング等の手法を用いて形成することができる。
積層基板１０は、後述の圧電膜デバイス３０において電圧印加手段１１ａにより下部電極膜２と上部電極膜４との間に電圧が印加されると、ＫＮＮ膜３が撓み振動する（撓みモードで振動する）ように構成されている。ＫＮＮ膜３は下部電極膜２を介して基板１上に固定されているため、ＫＮＮ膜３が撓み振動することで、基板１、特に基板１の薄肉領域および薄肉領域の周辺部も、ＫＮＮ膜３と一緒に撓み振動する。このように、積層基板１０は、電圧印加手段１１ａによる電圧の印加により振動する共振部を有している。主に、ＫＮＮ膜３、基板１の薄肉領域およびその周辺部により共振部（振動部）が構成される。下部電極膜２および上部電極膜４を共振部に含めて考えてもよい。
本実施形態では、共振部は撓み振動することから、共振部の周波数設計は、共振部（の振動の伝搬方向）の長さおよび共振部の厚さのうち少なくともいずれかを調整することで行うことができる。後述の電圧印加手段１１ａにより印加される電圧の大きさを一定とする場合、共振部の長さを長くしたり、共振部の厚さを厚くしたりすることで、共振部の周波数（以下、共振周波数とも称する）を低くでき、共振部の長さを短くしたり、共振部の厚さを薄くしたりすることで、共振周波数を高くできる。共振部の長さは、例えば薄肉領域の直径、すなわち凹部７の直径Ｌを調整することで行うことができる。共振部の厚さは、例えば薄肉領域における基板１の厚さＴ、すなわち上述の凹部７の深さＤを調整することで行うことができる。凹部７の深さＤは、例えば凹部７を形成する際のエッチング条件（エッチング量）を制御することで調整可能である。共振部の周波数は例えば１０ｋＨｚより高く１ＧＨｚ未満、好ましくは１００ｋＨｚ程度とすることができる。
上述の積層基板１０の製造方法の一例について説明する。まず、基板１のいずれかの主面上に下部電極膜２を製膜する。いずれかの主面上に下部電極膜２が予め製膜された基板１を用意してもよい。下部電極膜２上に、ＫＮＮ膜３を例えばスパッタリング法を用いて製膜する。そして、基板１の裏面に、例えばウエットエッチングにより所定深さＤおよび所定直径Ｌを有する凹部７を形成し、基板１に薄肉領域を形成する。続いて、基板１の薄肉領域の上部に位置するＫＮＮ膜３上に感応膜を貼り付け等により製膜し、トラップ部を
形成する。なお、下部電極膜２、ＫＮＮ膜３および密着層６の所定箇所を例えばエッチングによりそれぞれ除去して開口３ａ等を形成し、基板１の薄肉領域の一部の表面を露出させた後、開口３ａ等から露出した基板１の薄肉領域に例えばレーザ光を照射して貫通孔８を形成することでトラップ部を形成してもよい。その後、ＫＮＮ膜３上に上部電極膜４を製膜することで、積層基板１０が得られる。
形成する。なお、下部電極膜２、ＫＮＮ膜３および密着層６の所定箇所を例えばエッチングによりそれぞれ除去して開口３ａ等を形成し、基板１の薄肉領域の一部の表面を露出させた後、開口３ａ等から露出した基板１の薄肉領域に例えばレーザ光を照射して貫通孔８を形成することでトラップ部を形成してもよい。その後、ＫＮＮ膜３上に上部電極膜４を製膜することで、積層基板１０が得られる。
（２）圧電膜素子および圧電膜デバイスの構成
上述の積層基板１０を所定の形状に成形することで、圧電膜を有する素子（以下、圧電膜素子とも称する）２０が得られる。そして、圧電膜素子２０に電圧印加手段１１ａおよび周波数検出手段１１ｂを接続することで、圧電膜デバイス３０が得られる。図４に、本実施形態における圧電膜を有するデバイス（以下、圧電膜デバイスとも称する）３０の概略構成図を示す。圧電膜デバイス３０は、圧電膜素子２０と、圧電膜素子２０に接続される電圧印加手段１１ａおよび周波数検出手段１１ｂと、を少なくとも備えて構成される。
上述の積層基板１０を所定の形状に成形することで、圧電膜を有する素子（以下、圧電膜素子とも称する）２０が得られる。そして、圧電膜素子２０に電圧印加手段１１ａおよび周波数検出手段１１ｂを接続することで、圧電膜デバイス３０が得られる。図４に、本実施形態における圧電膜を有するデバイス（以下、圧電膜デバイスとも称する）３０の概略構成図を示す。圧電膜デバイス３０は、圧電膜素子２０と、圧電膜素子２０に接続される電圧印加手段１１ａおよび周波数検出手段１１ｂと、を少なくとも備えて構成される。
電圧印加手段１１ａを、圧電膜素子２０の下部電極膜２と上部電極膜４との間に接続し、電圧印加手段１１ａにより下部電極膜２と上部電極膜４との間に電圧を印加することで、圧電膜素子２０（積層基板１０）の共振部を所定の周波数で撓み振動させることができる。
周波数検出手段１１ｂを、圧電膜素子２０の下部電極膜２と上部電極膜４との間に接続することで、圧電膜デバイス３０をセンサとして機能させることができる。電圧印加手段１１ａにより下部電極膜２と上部電極膜４との間に一定の電圧を印加して共振部を撓み振動させた状態で、トラップ部が粒子Ｐを捕獲すると、共振部の周波数（共振周波数）が変化する。この共振周波数の変化を周波数検出手段１１ｂによって検出することで、トラップ部による粒子Ｐの捕獲を検出することができる。周波数検出手段１１ｂは、共振部のうち少なくともＫＮＮ膜３の共振部の周波数の変化を検出する。周波数検出手段１１ｂとして、インピーダンス測定により周波数を検出する手段等の公知の種々の手段を用いることができる。
以下では、上述の圧電膜デバイス３０を用いた粒子Ｐの検出方法について説明する。まず、電圧印加手段１１ａにより下部電極膜２と上部電極膜４との間に所定の電圧を印加し、圧電膜素子２０の共振部を所定の周波数で撓み振動させる。電圧印加手段１１ａによる一定の電圧の印加を維持した状態で、すなわち共振部を撓み振動させた状態で、トラップ部が粒子Ｐを捕獲すると、上述のように共振部の周波数が変化する。この共振周波数の変化を周波数検出手段１１ｂが検出することで、トラップ部による粒子Ｐの捕獲を検出することができる。なお、トラップ部が捕獲した粒子Ｐは、電圧印加手段１１ａにより所定の電圧を印加して、共振部の振動を大きくする（共振部を大振幅で振動させる）ことで吹き飛ばすことができる。これにより、トラップ部の粒子Ｐの捕獲による上述の共振周波数の変化をリセットすることができる。
（３）本実施形態により得られる効果
本実施形態によれば、以下に示す１つまたは複数の効果が得られる。
本実施形態によれば、以下に示す１つまたは複数の効果が得られる。
（ａ）本実施形態では、共振部が撓み振動（屈曲振動）するように構成されていることから、共振部の周波数設計を、ＫＮＮ膜３の設計（例えば厚さや長さ）を変更することなく、上述のように凹部７の直径Ｌや、薄肉領域の基板１の厚さＴ、すなわち凹部７の深さＤを変更するだけで行うことができる。このため、本実施形態では、例えば厚み振動する共振部よりも周波数設計を容易に行うことができる。
本実施形態に対し、図５に示すような、水晶振動子や、いわゆるＦＢＡＲ（Ｆｉｌｍ
Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）と呼ばれる圧電膜共振子を用いて作製したセンサがある。これらのセンサでは、水晶振動子やＦＢＡＲのセンシング領域に検出対象が付着すると、水晶振動子が備える水晶片や、ＦＢＡＲが備える圧電膜が厚み振動する。一般的な水晶振動子の共振周波数は１０ｋＨｚ程度であり、一般的なＦＢＡＲの共振周波数は１ＧＨｚ程度である。水晶振動子やＦＢＡＲの周波数設計は、水晶片や圧電膜の厚さを変更することで行われ、水晶片や圧電膜の厚さが厚くなると、共振周波数が低くなり、水晶片や圧電膜の厚さが薄くなると、共振周波数が高くなる。
Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）と呼ばれる圧電膜共振子を用いて作製したセンサがある。これらのセンサでは、水晶振動子やＦＢＡＲのセンシング領域に検出対象が付着すると、水晶振動子が備える水晶片や、ＦＢＡＲが備える圧電膜が厚み振動する。一般的な水晶振動子の共振周波数は１０ｋＨｚ程度であり、一般的なＦＢＡＲの共振周波数は１ＧＨｚ程度である。水晶振動子やＦＢＡＲの周波数設計は、水晶片や圧電膜の厚さを変更することで行われ、水晶片や圧電膜の厚さが厚くなると、共振周波数が低くなり、水晶片や圧電膜の厚さが薄くなると、共振周波数が高くなる。
例えば、水晶振動子の共振周波数を１００ｋＨｚにしようとすると、水晶片の厚さを５０〜１００μｍ程度まで薄くする必要がある。水晶片の厚さが薄いと、水晶振動子を作製する際や、水晶振動子をデバイスに実装する際あるいは実装後に、水晶片に衝撃や振動が加わることで、水晶片が破損しやすい。このように、水晶振動子を用いる場合、水晶片の厚さを充分に薄くすることが難しいことから、周波数設計が行いにくい。
一方、ＦＢＡＲでは、圧電膜の厚さを１μｍ程度と充分に薄くすることができ、上述のように共振周波数を充分に高くすることができる。しかしながら、一般的なＦＢＡＲでは共振周波数が高すぎるため、共振周波数の変化をとらえる周辺回路が高価になり、汎用性が低くなる。このため、ＦＢＡＲにおいて共振周波数を例えば１００ｋＨｚ程度まで低くしようとすると、圧電膜の厚さを厚くする必要があり、ＦＢＡＲの製造コストが高くなったり、生産性が低下したりすることがある。このように、ＦＢＡＲを用いる場合、圧電膜の厚さを適切に厚くすることが難しいことから、周波数設計が行いにくい。
（ｂ）本実施形態によれば、上述のように共振部の周波数設計を容易に行うことができることから、例えば一般的な水晶振動子の共振周波数（１０ｋＨｚ）と一般的なＦＢＡＲの共振周波数（１ＧＨｚ）との間の共振周波数を有する共振部を容易に形成することができる。その結果、圧電膜３を有する積層基板１０を加工することで作製される圧電膜デバイス３０の汎用性を高めることができる。
（ｃ）本実施形態によれば、共振部の周波数を例えば１００ｋＨｚ程度にすることができる。本実施形態にかかる積層基板１０を加工することで、圧電膜デバイス３０として例えばセンサが作製される場合、センサの感度は、共振周波数に依存し、共振周波数が高いほど、高感度のセンサとなる。共振周波数が１００ｋＨｚ程度であると、充分に高感度なセンサとすることができ、上述の周辺回路も安価にできる点で、特に好ましい。
（ｄ）感応膜９を設けたり、基板１に所定の貫通孔８を設けたりすることでフィルタ部を形成し、粒子Ｐを捕獲することから、粒子Ｐのふるい分けをすることができ、複数種類の粒子のうち、捕獲対象である所定の粒子Ｐのみを選別することできる。
＜他の実施形態＞
以上、本発明の実施形態を具体的に説明した。但し、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
以上、本発明の実施形態を具体的に説明した。但し、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
＜本発明の好ましい態様＞
以下、本発明の好ましい態様について付記する。
以下、本発明の好ましい態様について付記する。
（付記１）
本発明の一態様によれば、
基板と、
前記基板上に製膜された圧電膜と、
所定の粒子を捕獲するトラップ部と、を備え、
前記基板および前記圧電膜は、所定の電圧が印加されると所定の周波数で撓み振動する共振部を有し、
前記共振部を撓み振動させた状態で、前記トラップ部が粒子を捕獲すると、前記共振部の周波数が変化する圧電膜を有する積層基板が提供される。
本発明の一態様によれば、
基板と、
前記基板上に製膜された圧電膜と、
所定の粒子を捕獲するトラップ部と、を備え、
前記基板および前記圧電膜は、所定の電圧が印加されると所定の周波数で撓み振動する共振部を有し、
前記共振部を撓み振動させた状態で、前記トラップ部が粒子を捕獲すると、前記共振部の周波数が変化する圧電膜を有する積層基板が提供される。
（付記２）
付記１の基板であって、好ましくは、
前記トラップ部は、前記圧電膜上に所定の粒子を捕獲する感応膜を設けることで形成されている。
付記１の基板であって、好ましくは、
前記トラップ部は、前記圧電膜上に所定の粒子を捕獲する感応膜を設けることで形成されている。
（付記３）
付記１の基板であって、好ましくは、
前記トラップ部は、前記基板に、前記基板を厚さ方向に貫通し、差し渡し最大幅又は差し渡し最小幅の少なくともいずれかが捕獲対象である粒子のサイズよりも小さい貫通孔を設け、前記圧電膜に、前記貫通孔を露出させる開口を設けることで形成されている。
付記１の基板であって、好ましくは、
前記トラップ部は、前記基板に、前記基板を厚さ方向に貫通し、差し渡し最大幅又は差し渡し最小幅の少なくともいずれかが捕獲対象である粒子のサイズよりも小さい貫通孔を設け、前記圧電膜に、前記貫通孔を露出させる開口を設けることで形成されている。
（付記４）
付記３の基板であって、好ましくは、
前記貫通孔はドットパターンを構成するように複数形成されており、前記貫通孔の差し渡し最大幅が捕獲対象である粒子のサイズよりも小さい。
付記３の基板であって、好ましくは、
前記貫通孔はドットパターンを構成するように複数形成されており、前記貫通孔の差し渡し最大幅が捕獲対象である粒子のサイズよりも小さい。
（付記５）
付記３の基板であって、好ましくは、
前記貫通孔はストライプパターンを構成するように複数形成されているか、または、格子パターンを構成するように形成されており、前記貫通孔の差し渡し最小幅が捕獲対象である粒子のサイズよりも小さい。
付記３の基板であって、好ましくは、
前記貫通孔はストライプパターンを構成するように複数形成されているか、または、格子パターンを構成するように形成されており、前記貫通孔の差し渡し最小幅が捕獲対象である粒子のサイズよりも小さい。
（付記６）
付記１〜５のいずれかの基板であって、好ましくは、
前記共振部の周波数の調整は、前記基板の厚さを調整することで行う。
付記１〜５のいずれかの基板であって、好ましくは、
前記共振部の周波数の調整は、前記基板の厚さを調整することで行う。
（付記７）
付記１〜５のいずれかの基板であって、好ましくは、
前記基板の裏面には、裏面側から表面側に向かって所定深さの凹部が形成されており、
前記共振部の周波数の調整は、前記凹部の深さおよび前記共振部の振動の伝搬方向における前記凹部の長さのうち少なくともいずれかを調整することで行う。
付記１〜５のいずれかの基板であって、好ましくは、
前記基板の裏面には、裏面側から表面側に向かって所定深さの凹部が形成されており、
前記共振部の周波数の調整は、前記凹部の深さおよび前記共振部の振動の伝搬方向における前記凹部の長さのうち少なくともいずれかを調整することで行う。
（付記８）
付記１〜７のいずれかの基板であって、好ましくは、
前記共振部の周波数は１０ｋＨｚより高く１ＧＨｚ未満である。
付記１〜７のいずれかの基板であって、好ましくは、
前記共振部の周波数は１０ｋＨｚより高く１ＧＨｚ未満である。
（付記９）
付記１〜８のいずれかの基板であって、好ましくは、
前記粒子は、におい粒子、粉塵（ＰＭ２．５、花粉等）である。
付記１〜８のいずれかの基板であって、好ましくは、
前記粒子は、におい粒子、粉塵（ＰＭ２．５、花粉等）である。
（付記１０）
付記１〜９のいずれかの基板であって、好ましくは、
前記圧電膜は、組成式（Ｋ１−ｘＮａｘ）ＮｂＯ３（０＜ｘ＜１）で表されるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物からなる膜である。
付記１〜９のいずれかの基板であって、好ましくは、
前記圧電膜は、組成式（Ｋ１−ｘＮａｘ）ＮｂＯ３（０＜ｘ＜１）で表されるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物からなる膜である。
（付記１１）
本発明の他の態様によれば、
基板と、
前記基板上に製膜された電極膜と、
前記電極膜上に製膜された圧電膜と、
所定の粒子を捕獲するトラップ部と、を備え、
前記基板および前記圧電膜は、所定の電圧が印加されると所定の周波数で撓み振動する共振部を有し、
前記共振部を撓み振動させた状態で、前記トラップ部が粒子を捕獲すると、前記共振部の周波数が変化する圧電膜を有する素子が提供される。
本発明の他の態様によれば、
基板と、
前記基板上に製膜された電極膜と、
前記電極膜上に製膜された圧電膜と、
所定の粒子を捕獲するトラップ部と、を備え、
前記基板および前記圧電膜は、所定の電圧が印加されると所定の周波数で撓み振動する共振部を有し、
前記共振部を撓み振動させた状態で、前記トラップ部が粒子を捕獲すると、前記共振部の周波数が変化する圧電膜を有する素子が提供される。
（付記１２）
本発明のさらに他の態様によれば、
基板と、
前記基板上に製膜された下部電極膜と、
前記下部電極膜上に製膜された圧電膜と、
前記圧電膜上に製膜された上部電極膜と、
所定の粒子を捕獲するトラップ部と、
前記下部電極膜と前記上部電極膜との間に接続され、前記下部電極膜と前記上部電極膜との間に電圧を印加することで、前記基板および前記圧電膜が有する共振部を所定の周波数で撓み振動させる電圧印加手段と、
前記下部電極膜と前記上部電極膜との間に接続され、少なくとも前記共振部の周波数を検出する周波数検出手段と、を備え、
前記電圧印加手段により一定の電圧を印加して前記共振部を撓み振動させた状態で、前記トラップ部が粒子を捕獲した際、前記共振部の周波数（共振周波数）の変化を前記周波数検出手段により検出する圧電膜を有するデバイスが提供される。
本発明のさらに他の態様によれば、
基板と、
前記基板上に製膜された下部電極膜と、
前記下部電極膜上に製膜された圧電膜と、
前記圧電膜上に製膜された上部電極膜と、
所定の粒子を捕獲するトラップ部と、
前記下部電極膜と前記上部電極膜との間に接続され、前記下部電極膜と前記上部電極膜との間に電圧を印加することで、前記基板および前記圧電膜が有する共振部を所定の周波数で撓み振動させる電圧印加手段と、
前記下部電極膜と前記上部電極膜との間に接続され、少なくとも前記共振部の周波数を検出する周波数検出手段と、を備え、
前記電圧印加手段により一定の電圧を印加して前記共振部を撓み振動させた状態で、前記トラップ部が粒子を捕獲した際、前記共振部の周波数（共振周波数）の変化を前記周波数検出手段により検出する圧電膜を有するデバイスが提供される。
（付記１３）
本発明のさらに他の態様によれば、
基板上に下部電極膜を製膜する工程と、
前記下部電極膜上に圧電膜を製膜する工程と、
前記圧電膜上に上部電極膜を製膜する工程と、
所定の粒子を捕獲するトラップ部を形成する工程と、
前記下部電極膜と前記上部電極膜との間に電圧を印加して前記基板および前記圧電膜が有する共振部を撓み振動させる電圧印加手段を、前記下部電極膜と前記上部電極膜との間に接続する工程と、
前記電圧印加手段により一定の電圧を印加して前記共振部を撓み振動させた状態で、前記トラップ部が粒子を捕獲した際、前記共振部の周波数（共振周波数）の変化を検出する周波数検出手段を前記下部電極膜と前記上部電極膜との間に接続する工程と、を備える圧電膜を有するデバイスの製造方法が提供される。
本発明のさらに他の態様によれば、
基板上に下部電極膜を製膜する工程と、
前記下部電極膜上に圧電膜を製膜する工程と、
前記圧電膜上に上部電極膜を製膜する工程と、
所定の粒子を捕獲するトラップ部を形成する工程と、
前記下部電極膜と前記上部電極膜との間に電圧を印加して前記基板および前記圧電膜が有する共振部を撓み振動させる電圧印加手段を、前記下部電極膜と前記上部電極膜との間に接続する工程と、
前記電圧印加手段により一定の電圧を印加して前記共振部を撓み振動させた状態で、前記トラップ部が粒子を捕獲した際、前記共振部の周波数（共振周波数）の変化を検出する周波数検出手段を前記下部電極膜と前記上部電極膜との間に接続する工程と、を備える圧電膜を有するデバイスの製造方法が提供される。
１ 基板
３ 圧電膜（ＫＮＮ膜）
１０ （圧電膜を有する）積層基板
２０ 圧電膜素子
３０ 圧電膜デバイス
３ 圧電膜（ＫＮＮ膜）
１０ （圧電膜を有する）積層基板
２０ 圧電膜素子
３０ 圧電膜デバイス
Claims (6)
- 基板と、
前記基板上に製膜された圧電膜と、
所定の粒子を捕獲するトラップ部と、を備え、
前記圧電膜は、組成式（Ｋ １−ｘ Ｎａ ｘ ）ＮｂＯ ３ （０＜ｘ＜１）で表されるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物からなり、
前記圧電膜を構成する結晶群のうち８０％以上の結晶が前記基板の表面に対して（００１）面方位に配向してなり、
少なくとも前記基板の一部および前記圧電膜により共振部が構成され、
前記共振部は、所定の電圧が印加されると所定の周波数で撓み振動するように構成されており、
前記トラップ部は、前記共振部に設けられており、
前記共振部を撓み振動させた状態で、前記トラップ部が粒子を捕獲すると、前記共振部の周波数が変化する、圧電膜を有する積層基板。 - 前記トラップ部は、前記圧電膜上に所定の粒子を捕獲する感応膜を設けることで形成されている請求項１に記載の圧電膜を有する積層基板。
- 前記トラップ部は、前記基板に、前記基板を厚さ方向に貫通し、差し渡し最大幅又は差し渡し最小幅の少なくともいずれかが捕獲対象である粒子のサイズよりも小さい貫通孔を設け、前記圧電膜に、前記貫通孔を露出させる開口を設けることで形成されている請求項１に記載の圧電膜を有する積層基板。
- 前記共振部の周波数は１０ｋＨｚより高く１ＧＨｚ未満である請求項１〜３のいずれかに記載の圧電膜を有する積層基板。
- 基板と、
前記基板上に製膜された下部電極膜と、
前記下部電極膜上に製膜された圧電膜と、
前記圧電膜上に製膜された上部電極膜と、
所定の粒子を捕獲するトラップ部と、
前記下部電極膜と前記上部電極膜との間に接続される電圧印加手段と、
前記下部電極膜と前記上部電極膜との間に接続される周波数検出手段と、を備え、
前記圧電膜は、組成式（Ｋ １−ｘ Ｎａ ｘ ）ＮｂＯ ３ （０＜ｘ＜１）で表されるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物からなり、
前記圧電膜を構成する結晶群のうち８０％以上の結晶が前記基板の表面に対して（００１）面方位に配向してなり、
少なくとも前記基板の一部および前記圧電膜により共振部が構成され、
前記共振部は、前記電圧印加手段により前記下部電極膜と前記上部電極膜との間に所定の電圧が印加されると、所定の周波数で撓み振動するように構成されており、
前記トラップ部は、前記共振部に設けられており、
前記電圧印加手段により一定の電圧を印加して前記共振部を撓み振動させた状態で、前記トラップ部が粒子を捕獲した際、前記共振部の周波数の変化を前記周波数検出手段により検出する圧電膜を有するデバイス。 - 基板上に下部電極膜を製膜する工程と、
前記下部電極膜上に、圧電膜を製膜する工程と、
前記圧電膜上に上部電極膜を製膜する工程と、
所定の粒子を捕獲するトラップ部を形成する工程と、
前記下部電極膜と前記上部電極膜との間に電圧を印加して少なくとも前記基板の一部および前記圧電膜により構成され、撓み振動するように構成された共振部を撓み振動させる電圧印加手段を、前記下部電極膜と前記上部電極膜との間に接続する工程と、
前記電圧印加手段により一定の電圧を印加して前記共振部を撓み振動させた状態で、前記トラップ部が粒子を捕獲した際、前記共振部の周波数の変化を検出する周波数検出手段を前記下部電極膜と前記上部電極膜との間に接続する工程と、を備え、
前記圧電膜を製膜する工程では、前記圧電膜として、組成式（Ｋ １−ｘ Ｎａ ｘ ）ＮｂＯ ３ （０＜ｘ＜１）で表されるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物からなり、前記圧電膜を構成する結晶群のうち８０％以上の結晶が前記基板の表面に対して（００１）面方位に配向してなる膜を製膜する、
圧電膜を有するデバイスの製造方法。
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