JP7004268B2 - Piezoelectric element - Google Patents
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Description
本発明は圧電素子に関し、特に、高感度、低雑音の横圧電効果を利用した圧電素子に関するものである。 The present invention relates to a piezoelectric element, and more particularly to a piezoelectric element utilizing a high-sensitivity, low-noise transverse piezoelectric effect.
近年、急速に需要が拡大しているスマートフォンには、小型、薄型で、組立のハンダリフロー工程の高温処理耐性を有するMEMS(Micro Electro Mechanical System)技術を用いたマイクロフォンが多く使われている。また、MEMSマイクロフォンに限らず、その他のMEMS素子が様々な分野で急速に普及してきている。 In recent years, smartphones, whose demand is rapidly expanding, are often used for microphones using MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology, which are small and thin and have high temperature processing resistance in the assembly solder reflow process. Further, not only the MEMS microphone but also other MEMS devices are rapidly becoming widespread in various fields.
この種のMEMS素子の多くは、音響圧力等による振動板の振動変位を対向する固定板との容量変化としてとらえ、電気信号に変換して出力する容量素子である。しかし容量素子は、振動板と固定板との間隙の空気の流動によって生じる音響抵抗のために、信号雑音比の改善が限界になりつつある。 Most of these types of MEMS elements are capacitive elements that capture the vibration displacement of the diaphragm due to acoustic pressure or the like as a capacitance change with the facing fixed plate, convert it into an electric signal, and output it. However, in the capacitive element, the improvement of the signal-to-noise ratio is becoming a limit due to the acoustic resistance caused by the flow of air in the gap between the diaphragm and the fixed plate.
そこで、圧電材料からなる薄膜(圧電膜)で構成される単一の振動板の歪みにより音響圧力等を電圧変化として取り出すことができる圧電素子が注目されている。 Therefore, a piezoelectric element capable of extracting acoustic pressure or the like as a voltage change due to distortion of a single diaphragm made of a thin film (piezoelectric film) made of a piezoelectric material has been attracting attention.
ところで圧電素子では、音響圧力等がない場合に圧電膜の残留応力や温度変動が不要な信号として出力され特性を劣化させることが知られている。そこで、圧電膜の一端を自由端とする片持ち梁構造を採用することによって残留応力を解放する技術が開示されている(例えば特許文献1)。 By the way, it is known that in a piezoelectric element, when there is no acoustic pressure or the like, residual stress or temperature fluctuation of the piezoelectric film is output as an unnecessary signal and its characteristics are deteriorated. Therefore, a technique for releasing residual stress by adopting a cantilever structure having one end of a piezoelectric film as a free end is disclosed (for example, Patent Document 1).
図8に、片持ち梁構造の圧電素子の断面図を示す。図8に示すように、支持基板となるシリコン基板1上に、絶縁膜6を介して下部電極7と上部電極9に挟み込まれた圧電膜8が固定され、最上面に保護膜10が形成された構造となっている。絶縁膜6、下部電極7、圧電膜8、上部電極9および保護膜10からなる振動板は、図示しない別のスリットを形成することで長方形の平面形状を有しており、一端がシリコン基板1に固定され、他端(図に示すスリット12を構成する端部)が自由端となっている。また下部電極7は配線金属11aに接続し、上部電極9は別の配線金属11bに接続されている。
FIG. 8 shows a cross-sectional view of a piezoelectric element having a cantilever structure. As shown in FIG. 8, a
このような圧電素子では、音響圧力等を受けて振動板が振動すると、圧電膜8が歪みその内部に分極が起こり、下部電極7に接続する配線金属11aと、上部電極9に接続する配線金属11bとから電圧信号を取り出すことが可能となる。
In such a piezoelectric element, when the vibrating plate is vibrated by receiving acoustic pressure or the like, the
ところで、図8に示すような片持ち梁構造とすることで圧電膜8の残留応力が解放されるが、その結果圧電膜が反り、隣接する圧電膜の間隙(スリット12)や圧電膜(梁)側面と支持基板の実質的間隙の寸法が広がってしまう。このような設計値以上の間隙の発生は、圧電素子をマイクロフォンとして使用した場合、音響抵抗を低下させ、低周波感度低下等の特性劣化を招いてしまう。
By the way, by adopting the cantilever structure as shown in FIG. 8, the residual stress of the
そこでこの問題を解消するため、支持基板に正方形のバックチャンバーを形成し、図9に示すような十字状のスリット12を形成することで三角形の圧電膜に分離した構造の圧電素子が提案されている。このような構造の圧電素子では、4個の三角形のそれぞれの頂点が圧電膜8の中心に位置するような配置とすることで、残留応力によって圧電膜が反った場合でも、隣接する圧電膜にも同様の反りが発生し、結果的に隣接する圧電膜の間隙(スリット12)の寸法を大きく変化させないようにする技術が開示されている(特許文献2)。
Therefore, in order to solve this problem, a piezoelectric element having a structure separated into a triangular piezoelectric film by forming a square back chamber on a support substrate and forming a
圧電膜の残留応力に起因する特性劣化を防止するため、従来の圧電素子では圧電膜の形状を三角形とし、4個の三角形の頂点を中心に集めるように配置することで隣接する圧電膜の間隙の幅の寸法を大きく変化させないことを可能とした。しかしながら、各三角形の圧電膜それぞれの共振周波数を合わせるため、同一形状の三角形を組み合わせる必要があり、圧電素子の外形が正方形に制限され、設計の自由度がないという問題があった。また、製造工程上一つの圧電素子内でも残留応力のばらつきが発生してしまい、4個の三角形の反りの程度がそれぞれ異なり、隣接する圧電膜の間隙の幅が設計値以上に広がってしまう等、量産レベルで隣接する圧電膜の間隙の幅を制御することは非常に困難であった。そこで本発明は、圧電膜の残留応力の影響を抑制するとともに外形が制限される問題を解消し、低周波感度の低下を抑制した圧電素子を提供することを目的とする。 In order to prevent the deterioration of characteristics due to the residual stress of the piezoelectric film, in the conventional piezoelectric element, the shape of the piezoelectric film is triangular, and by arranging it so as to collect the vertices of the four triangles in the center, the gap between the adjacent piezoelectric films. It is possible not to change the size of the width of. However, in order to match the resonance frequency of each of the piezoelectric films of each triangle, it is necessary to combine triangles having the same shape, the outer shape of the piezoelectric element is limited to a square, and there is a problem that there is no degree of freedom in design. In addition, due to the manufacturing process, the residual stress varies even within one piezoelectric element, the degree of warpage of the four triangles differs, and the width of the gap between adjacent piezoelectric films expands beyond the design value. It was very difficult to control the width of the gap between adjacent piezoelectric films at the mass production level. Therefore, an object of the present invention is to provide a piezoelectric element that suppresses the influence of residual stress of the piezoelectric film, solves the problem that the outer shape is limited, and suppresses the decrease in low frequency sensitivity.
上記目的を達成するため、本願請求項1に係る発明は、少なくとも一端が支持され他端が自由端となる圧電膜と、該圧電膜を挟んで配置する一対の電極とを備えた圧電素子において、バックチャンバーを備えた支持基板と、周縁部が前記支持基板上に固定され、前記圧電膜に対向配置した可動膜と、前記圧電膜に一端が接合し他端を前記可動膜に接合し、前記可動膜の変位を前記圧電膜に伝達する伝達部と、を備えていることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the invention according to
本願請求項2に係る発明は、請求項1記載の圧電素子において、前記伝達部は、一端を前記可動膜の中心側に、他端を前記圧電膜の前記自由端側に、それぞれ接合していることを特徴とする。
The invention according to
本発明の圧電素子は、バックチャンバー上に可動膜を形成することで、音響抵抗等の低い経路が形成されないため、低周波感度の低下等を抑制することができる。そのため、圧電膜に形成するスリットの数を多くしたり、スリット幅を広くすることができ、圧電素子の設計の自由度が高くなるという利点がある。 In the piezoelectric element of the present invention, by forming a movable film on the back chamber, a low path such as acoustic resistance is not formed, so that a decrease in low frequency sensitivity can be suppressed. Therefore, there is an advantage that the number of slits formed in the piezoelectric film can be increased and the slit width can be widened, and the degree of freedom in designing the piezoelectric element is increased.
また本発明の伝達部を、可動膜の中心側と圧電膜の自由端側にそれぞれ接合するように形成することで、可動膜の大きな変位が伝達部を介して圧電膜に伝達され、大きな出力信号を得ることができる。 Further, by forming the transmission portion of the present invention so as to be joined to the center side of the movable membrane and the free end side of the piezoelectric membrane, a large displacement of the movable membrane is transmitted to the piezoelectric membrane via the transmission portion, and a large output is obtained. You can get a signal.
さらにまた、従来の圧電素子で課題とされた音響圧力等がない場合の圧電膜の残留応力や温度変動による不要な信号の出力は、伝達部により圧電膜の変形がある程度制限されるものの伝達部の面積が圧電膜の面積と比較して小さいため、圧電膜の残留応力の影響を抑制することが可能となる。さらに、伝達部により圧電膜が固定されることで、複数の圧電膜の反りを抑えることができ、それぞれの圧電膜の特性を揃えることが可能となる。 Furthermore, the output of unnecessary signals due to the residual stress and temperature fluctuations of the piezoelectric film when there is no acoustic pressure, which has been a problem with conventional piezoelectric elements, is the transmission unit, although the deformation of the piezoelectric film is limited to some extent by the transmission unit. Since the area of the piezoelectric film is smaller than the area of the piezoelectric film, it is possible to suppress the influence of the residual stress of the piezoelectric film. Further, by fixing the piezoelectric film by the transmission portion, it is possible to suppress the warp of the plurality of piezoelectric films, and it is possible to make the characteristics of each piezoelectric film uniform.
また、本発明の圧電素子は、エアーギャップ内において、空気の流動によりノイズが発生し、S/N値が低下するが、可動膜と圧電膜の間の寸法(エアーギャップの間隔)を大きく形成することで、ノイズの影響を小さくすることができる。また、伝達部が可動膜と圧電膜に接合している構造により、可動膜と圧電膜の間の寸法を大きく形成しても、可動膜の変位は縮小されることなく圧電膜に伝達されるため、S/N値の低下を抑制することができる。 Further, in the piezoelectric element of the present invention, noise is generated by the flow of air in the air gap and the S / N value is lowered, but the dimension (interval between the air gaps) between the movable film and the piezoelectric film is large. By doing so, the influence of noise can be reduced. Further, due to the structure in which the transmission portion is bonded to the movable membrane and the piezoelectric membrane, even if the dimension between the movable membrane and the piezoelectric membrane is formed large, the displacement of the movable membrane is transmitted to the piezoelectric membrane without being reduced. Therefore, it is possible to suppress a decrease in the S / N value.
本発明の圧電素子は、少なくとも一端を支持基板に支持固定し、スリットを形成することで他端が自由端となる圧電膜と、支持基板との間に、振動膜を構成する可動膜を備える構成とする。この可動膜は、周縁部を支持基板に支持固定されており、音響圧力等を受けて振動する。この可動膜の変位は、可動膜に一端が接合し、圧電膜に他端が接合する伝達部により、圧電膜に伝わり、圧電膜が振動して信号が出力される構成となっている。 The piezoelectric element of the present invention includes a piezoelectric film having at least one end supported and fixed to a support substrate and having a free end at the other end by forming a slit, and a movable film constituting a vibration film between the support substrate. It shall be configured. The peripheral portion of this movable film is supported and fixed to a support substrate, and vibrates in response to acoustic pressure or the like. The displacement of the movable membrane is transmitted to the piezoelectric membrane by a transmission portion in which one end is bonded to the movable membrane and the other end is bonded to the piezoelectric film, and the piezoelectric film vibrates to output a signal.
このように構成すると、音響圧力等がバックチャンバーへ抜ける音響抵抗等の低い経路が形成されていないため、低周波感度の低下等を抑制することが可能となる。以下、本発明の圧電素子について詳細に説明する。 With such a configuration, since a low path such as acoustic resistance through which acoustic pressure or the like escapes to the back chamber is not formed, it is possible to suppress a decrease in low frequency sensitivity or the like. Hereinafter, the piezoelectric element of the present invention will be described in detail.
本発明の第1の実施例について、その製造工程に従い説明する。まず、支持基板となる結晶方位(100)面の厚さ420μmのシリコン基板1上に、熱酸化法により厚さ0.3~1.0μm程度のシリコン酸化膜からなる絶縁膜2を形成し、さらに絶縁膜2上に、CVD(Chemical Vapor Deposition)法により厚さ0.2~1.0μm程度のポリシリコン膜を積層し、通常のフォトリソグラフ法によりパターニングを行い、可動膜3を形成する。その後、可動膜3上に、CVD法により厚さ0.5~1.0μm程度のシリコン酸化膜からなる絶縁膜4を積層形成する(図1)。
The first embodiment of the present invention will be described according to the manufacturing process thereof. First, an
通常のフォトリソグラフ法によりパターニングし、伝達部形成予定領域の絶縁膜4をエッチング除去し、可動膜3を露出させる。ここで伝達部は、可動膜3の振動を圧電膜に伝えることができ、また可動膜3の振動が大きく振動するように音響圧力等を可動膜3全体で受けることが可能な形状とするのが好ましい。例えば、一例として円柱状とするため、伝達部形成予定領域は円柱状の凹部とすることができる。ここで伝達部形成予定領域は、以下に説明するように4か所とする。
Patterning is performed by a normal photolithography method, the insulating
エッチング除去された伝達部形成予定領域内を充填し、絶縁膜4上に表面が平坦化されたポリシリコンを形成した後、エッチバックし、絶縁膜4の表面を露出することで、伝達部形成予定領域内に選択的にポリシリコンを充填することができる。このポリシリコンが伝達部5となる。次に、伝達部5および絶縁膜4上にCVD法により厚さ0.1~1.0μm程度のシリコン窒化膜からなる絶縁膜6を積層形成する(図2)。
The area to be formed of the transmission portion that has been removed by etching is filled to form a polysilicon whose surface is flattened on the insulating
その後、絶縁膜6上にスパッタ法により厚さ0.1~1.0μm程度のモリブデン等を積層し、通常のフォトリソグラフ法によりパターニングを行い、下部電極7を形成する。次に、全面にスパッタ法により厚さ0.1~1.0μm程度の窒化アルミニウム等からなる圧電膜8を積層形成する。さらに圧電膜8上にスパッタ法により厚さ0.1~1.0μm程度のモリブデン等を積層し、通常のフォトリソグラフ法によりパターニングを行い、上部電極9を形成する(図3)。
Then, molybdenum or the like having a thickness of about 0.1 to 1.0 μm is laminated on the insulating
全面にCVD法により厚さ1.0μm程度シリコン窒化膜からなる保護膜10を堆積した後、保護膜10と圧電膜8の一部をエッチング除去し、下部電極7に接続する配線電極11aと上部電極9に接続する配線電極11bを形成する。この配線電極11a、11bはアルミニウムからなり、通常のフォトリソグラフ法により形成することができる(図4)。
After depositing a
通常のフォトリソグラフ法によりスリット形成予定領域の保護膜10、圧電膜8および絶縁膜6の一部をドライエッチング法により除去してスリット12を形成し、絶縁膜4露出させる。その後、スリット12を通してシリコン酸化膜からなる絶縁膜4の一部を除去し、エアーギャップ13を形成する(図5)。スリット12の平面形状は、例えば図9に示すように十字状に開口する構造とし、4つの圧電膜に分離されるものとする。
A part of the
図5に示すように伝達部5は、一方の端部を可動膜3に接合し、他端は絶縁膜6、下部電極7を介して圧電膜8に接合する形状となることがわかる。さらに圧電膜の自由端側に接合していることがわかる。なお、スリット12によって分離された4つの圧電膜8に先に形成した4つの伝達部5がそれぞれ一つずつ接合する構成とする。
As shown in FIG. 5, it can be seen that the
最後に、シリコン基板1の裏面一部をドライエッチング法により除去し、露出する絶縁膜2の一部も除去することによりバックチャンバー14を形成する(図6)。
Finally, a part of the back surface of the
図6に示すようにバックチャンバー14が形成されると、可動膜3は周縁部がシリコン基板(支持基板)に固定され、振動可能な状態となる。また伝達部5と可動膜3との接合部は、バックチャンバー14の中心近傍(中心側)となり、可動膜3の変位が大きい位置となっている。
When the
このように形成された本発明の圧電素子は、スリット12が形成している表面側から音響圧力等を受けると、圧電膜8が直接音響圧力等を受け変位し、伝達部5を介して可動膜3を変位させる。同時に、スリット12からエアーギャップ13内に音響圧力等が伝わり、可動膜3が変位する。この可動膜3の変位は、伝達部5を介して圧電膜8に伝達される。
When the piezoelectric element of the present invention formed in this way receives acoustic pressure or the like from the surface side formed by the
その結果、圧電膜8が歪みその内部に分圧が起こり、下部電極7に接する配線金属11aと上部電極9に接続する配線金属11bから出力信号として電圧信号を取り出すことが可能となる。
As a result, the
特に本実施例では、スリット12からエアーギャップ13内に伝わる音響圧力等が全て可動膜3を振動させるエネルギーとなり、可動膜3を大きく振動させることができ、大きな出力信号を得ることが可能となる。
In particular, in this embodiment, all the acoustic pressure and the like transmitted from the
また伝達部5の面積は圧電膜8の面積と比較して小さく、圧電膜の残留応力を解放しながら、圧電膜の反りのばらつきを抑制することで、圧電素子の特性向上を図ることができる。
Further, the area of the
ところで、エアーギャップ13内では、空気の流動によりノイズが発生し、S/N値が低下するが、可動膜3と圧電膜8の間の寸法(エアーギャップ13の間隔)を大きく形成することで、ノイズの影響を小さくすることができる。また、伝達部5が可動膜3と圧電膜8に接合している構造により、可動膜3と圧電膜8の間の寸法を大きく形成しても、可動膜3の変位は縮小されることなく圧電膜8に伝達されるため、S/N値の低下を抑制することができる。
By the way, in the
次に第2の実施例について説明する。上記第1の実施例で説明したように、本発明の圧電素子は、スリット12の幅や数の増加、換言するとスリット12の開口面積を増加させても大きな出力信号を得ることが可能となる。従って、スリット12の形状を図7に示すようにしても問題ない。なおこの場合、それぞれの圧電膜8に可動膜3の変位が伝達するように伝達部5を配置する必要がある。図7に示すように複数の伝達部5を形成した場合でも、隣接する伝達部5との間には間隙が残り、可動膜全体で音響圧力等を受けることができ、大きな出力信号を得ることができる。
Next, a second embodiment will be described. As described in the first embodiment, the piezoelectric element of the present invention can obtain a large output signal even if the width and the number of the
次に第3の実施例について説明する。上記第1および第2の実施例では、可動膜3はバックチャンバー14の上面を全て覆う構造として説明した。しかしながら、バックチャンバー14を密閉した空間となるように構成することは、圧電素子を実装基板に実装する際、支持基板となるシリコン基板を実装基板に固着するために、加熱とその後冷却されるという製造工程を経る必要があり好ましくない。そこで、可動膜3の一部に貫通孔を形成しておくことも可能である。この場合、スリット12からエアーギャップ13内に伝わる音響圧力等が貫通孔を通り、可動膜3の変位に寄与しない状態となることは好ましくない。そこで、貫通孔の開口面積をスリットの開口面積より十分に小さくするように設定するのが好ましい。この貫通孔の形成は、圧電素子の周囲環境の気圧の変化があった場合でも圧電素子の破損を防止できる点からも好ましい。
Next, a third embodiment will be described. In the first and second embodiments, the
以上本発明の実施例について説明したが、本発明の上記実施例に限定されるものでないことは言うまでもなく、具体的には空洞の形状やスリットの数、延出方向等は適宜変更可能である。スリットは直線に限らず、曲線で構成することで、不要な応力の集中を緩和することも可能である。さらに可動膜のバネ性を変化させるために、その材料、製造方法等適宜変更可能である。したがって、圧電素子の設計の自由度が高くなり、例えば共振周波数を自由に設定することも可能となる。 Although the embodiments of the present invention have been described above, it goes without saying that the embodiments are not limited to the above embodiments of the present invention, and specifically, the shape of the cavity, the number of slits, the extending direction, and the like can be appropriately changed. .. The slit is not limited to a straight line, but can be configured to be a curved line to alleviate unnecessary stress concentration. Further, in order to change the springiness of the movable film, the material, manufacturing method and the like can be appropriately changed. Therefore, the degree of freedom in designing the piezoelectric element is increased, and for example, the resonance frequency can be freely set.
1: シリコン基板、2:絶縁膜、3:可動膜、4:絶縁膜、5:伝達部、6:絶縁膜、7:下部電極、8:圧電膜、9:上部電極、10:保護膜、11a、11b:配線電極、12:スリット、13:エアーギャップ、14:バックチャンバー 1: Silicon substrate, 2: Insulating film, 3: Moving film, 4: Insulating film, 5: Transmission part, 6: Insulation film, 7: Lower electrode, 8: Piezoelectric film, 9: Upper electrode, 10: Protective film, 11a, 11b: wiring electrode, 12: slit, 13: air gap, 14: back chamber
Claims (2)
バックチャンバーを備えた支持基板と、
周縁部が前記支持基板上に固定され、前記圧電膜に対向配置した可動膜と、
前記圧電膜に一端が接合し他端を前記可動膜に接合し、前記可動膜の変位を前記圧電膜に伝達する伝達部と、を備えていることを特徴とする圧電素子。 In a piezoelectric element provided with a piezoelectric membrane in which at least one end is supported and the other end is a free end, and a pair of electrodes arranged so as to sandwich the piezoelectric membrane.
A support board with a back chamber and
A movable film having a peripheral edge fixed on the support substrate and arranged to face the piezoelectric film,
A piezoelectric element comprising: one end bonded to the piezoelectric film, the other end bonded to the movable membrane, and a transmission unit for transmitting the displacement of the movable membrane to the piezoelectric film.
前記伝達部は、一端を前記可動膜の中心側に、他端を前記圧電膜の前記自由端側に、それぞれ接合していることを特徴とする圧電素子。 In the piezoelectric element according to claim 1,
The piezoelectric element is characterized in that one end thereof is joined to the center side of the movable membrane and the other end thereof is joined to the free end side of the piezoelectric membrane.
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