JPH06180326A - 圧電素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 加工および組立が容易で、かつ、圧電特性の
優れた微小の圧電素子およびその製造方法を提供する。 【構成】 上下両面に電極６，７を設けたセラミックス
焼結基板20の下面にガラス層12を形成する。この基板20
を水酸化カリウム溶液中に固定し、レーザを照射して、
照射部分を選択的にエッチング加工し、前記基板20のう
ち、Ｓｉ基板１の変形可能領域の肉薄部３に接合する部
分、すなわち、加速度検出部25となる片持梁状の外周の
穴13部分を取り除く。この基板20とＳｉ基板１とをガラ
ス層12を介して陽極接合した後、基板裏面を異方性エッ
チングして片持梁24を形成し、電極６，７とＦＥＴ16等
の信号処理回路を配線23で接続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は機械量センサやアクチュ
エータに利用される圧電素子およびその製造方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】図３には、従来のカンチレバーを有する
加速度センサが示されている。この加速度センサはカン
チレバーの一部に圧電素子を形成し、この圧電素子の圧
電効果を利用して加速度センサとして形成されたもので
あり、シリコン基板１の裏面をエッチング加工して裏面
中央部に凹部を形成して肉薄部３を設け、左端側に第１
の肉厚部４と右端側に第２の肉厚部５が設けられ、第２
の肉厚部５を質量部としている。これら第１および第２
の肉厚部４と５は肉薄部３によってのみ接続され、カン
チレバー10が形成される。

【０００３】また、ガラス基板２Ａ，２Ｂにはそれぞれ
中央部に凹部が設けられており、このガラス基板２Ａ，
２Ｂが凹部を向い合せて前記カンチレバー10をサンドイ
ッチし、カンチレバー10の左端側の第１の肉厚部４と接
合して一体化されている。

【０００４】前記カンチレバー10の肉薄部３の上側に
は、例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）薄膜８等の圧電材料を
スパッタリングし、圧電素子15を形成している。この加
速度センサに加速度が加わると、カンチレバー10の質量
部５に変位が生ずる。圧電素子15はその質量部５の変位
を電圧変換し、変位量に応じた大きさの電圧を出力し
て、加速度検出信号が取り出されるようになっている。

【０００５】ところで、圧電素子に利用される圧電材料
としては、従来例のように酸化亜鉛（ＺｎＯ）薄膜が最
も多く利用されている。このＺｎＯ薄膜は、半導体製造
技術を用いて形成したカンチレバー10の上面にスパッタ
リングして圧電素子を形成するので、微小な素子へ応用
し易いという特徴があるが、電気量を機械量へ、あるい
は機械量を電気量へ変換する機能である圧電特性が、例
えばセラミックス焼結体であるチタン酸ジルコン酸鉛
（以下、ＰＺＴという）に比べて悪いという問題があ
る。このＰＺＴは他の圧電材料に比べて圧電特性が飛び
抜けて良く、多くの素子に利用されている。

【０００６】この圧電特性の優れたＰＺＴ等のセラミッ
クス焼結体を用いて高感度で、かつ、小形の加速度セン
サ等の出現が従来から望まれていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＰＺＴ
等のセラミックス焼結体の圧電素子の加工には、研削、
切削、切断等の面倒な従来の機械加工技術が必要であ
る。この機械加工した焼結体を用いて圧電素子を形成す
るためには、例えば、前記カンチレバー10上に接着剤等
により面倒な位置合わせ等して接合し、圧電素子を組み
立てなければならなかった。しかし、加速度センサは小
形化傾向にあり、これに伴い、圧電素子の微小化が必須
となるが、この従来の機械加工技術および組立技術では
残念ながら微小な圧電素子を作製することは極めて困難
であり、圧電特性の優れたＰＺＴのセラミックス焼結体
を微小なセンサやアクチュエータ等に適用することがで
きないという問題があった。

【０００８】本発明は上記課題を解決するためになされ
たものであり、その目的は、加工と組立が容易で、か
つ、圧電特性の優れた微小の圧電素子およびその製造方
法を提供するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、次のように構成されている。すなわち、本
発明の圧電素子は、異方性エッチングが可能な半導体等
の単結晶材料によって形成した変形可能領域に圧電材料
のセラミックス焼結体が接合されてなることを特徴とし
て構成されている。

【００１０】また、本発明の圧電素子の製造方法は、異
方性エッチングを含む半導体微細加工技術を用いて半導
体等の単結晶材料に変形可能領域を形成する工程と、セ
ラミックス焼結体にレーザを照射し、そのレーザ照射部
分を選択的にエッチングしてセラミックス焼結体を加工
する工程と、セラミックス焼結体と半導体等の単結晶材
料を接合する工程とを有して半導体等の単結晶材料の変
形可能領域に圧電材料のセラミックス焼結体を接合して
なる圧電素子を製造することを特徴として構成されてい
る。

【００１１】

【作用】異方性エッチングを含む半導体微細加工技術を
利用して半導体等の単結晶材料に変形可能領域（例えば
肉薄部）を形成する。また、セラミックス焼結体にレー
ザを照射してそのレーザ照射部分を選択的にエッチング
加工して圧電特性の優れた圧電素子としてのセラミック
ス焼結体を形成する。このセラミックス焼結体を前記半
導体等の単結晶材料の変形可能領域に、例えば、陽極接
合等の接合方法により接合して微小の圧電素子を形成す
る。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。なお、本実施例の説明において、従来例と同一の
名称部分には同一符号を付し、その詳細な重複説明は省
略する。

【００１３】図１には、本実施例の圧電素子を利用した
加速度センサの構成が示されている。この加速度センサ
は、従来例と同様にカンチレバー10を有する加速度セン
サであり、その特徴的なことは、圧電材料として圧電特
性の優れた、例えば、ＰＺＴ等のセラミックス焼結体を
用いて圧電素子15を形成したことである。

【００１４】前記圧電素子15は、図１に示されるよう
に、カンチレバー10の肉薄部３から第１の肉厚部４にか
けての上面に、例えばＰＺＴ等のセラミックス焼結体20
の薄片をレーザ加工とエッチング作用を組み合わせた画
期的なレーザアシストエッチング技術により形成し、こ
のセラミックス焼結体20をガラス層12を介してＳｉ基板
１の変形可能領域として機能する肉薄部３に陽極接合
し、カンチレバー10を形成したものである。前記セラミ
ックス焼結体20の上・下面には、引き出し電極６，７が
設けられており、ＦＥＴ16の信号処理回路に接続されて
いる。

【００１５】なお、ＰＺＴのセラミックス焼結体20の焦
電効果による温度特性が、加速度検出時に誤差の原因と
なるため、ＰＺＴ基板上の歪の加わらない部分に参照用
信号検出部18を形成し、図１の（ｃ）に示すような回路
に接続することにより、ＰＺＴの焦電効果の影響を打ち
消して取り除いている。

【００１６】次に、本実施例の加速度センサの製造方法
を図２に基づいて説明する。図２の（ａ）には圧電材料
のセラミックス焼結体（ＰＺＴ基板）20が示されてお
り、このＰＺＴ基板20には下面に金属電極パターン６と
ガラス層12が形成されている。このガラス層12はシリコ
ン基板１と陽極接合を行うための中間層としてスパッタ
法等によって形成される。このＰＺＴ基板20の上面に図
２の（ｂ）に示すように上部電極パターン７を形成し、
その上に保護膜を形成する。この基板20のうち、図２の
（ｂ）′に示すように加速度検出部25となる片持梁状の
外周の穴13部分をレーザアシストエッチング技術を利用
して取り除く。このレーザアシストエッチングは、水酸
化カリウム（ＫＯＨ）溶液中にＰＺＴ基板20を固定し、
取り除く部分の外周をＹＡＧレーザで走査して照射部の
ＰＺＴセラミックス焼結体20をエッチングにより除去
し、不要部分をセラミックス基板から取り除くものであ
る。

【００１７】次に、図２の（ｃ）に示すように、加工後
のＰＺＴ基板20とＳｉ基板１をガラス層12を介して陽極
接合する。このＳｉ基板１の上面にはＦＥＴ（電界効果
トランジスタ）回路を設け、裏面に酸化シリコン（Ｓｉ
Ｏ₂ ）膜22を形成する。ＰＺＴ基板20とＳｉ基板１との
陽極接合の温度は400 ℃程度であり、電極、回路等に影
響はなく、熱応力による基板20，１の破損の問題もな
い。

【００１８】次いで、図２の（ｄ）に示すように、ＰＺ
Ｔ基板20の加速度検出部25の外周部をレジストによりマ
スクし、ドライエッチングして、溝14を形成する。図２
の（ｅ）では、基板１，20の表面をプラズマＣＶＤ（Ch
emical Vapor Deposite ）等で作製した酸化シリコンの
保護膜22で覆い、基板裏面よりＴＭＡＨ（Tetra Methyl
Ammonium Hydroxide ）等のエッチング液で異方性エッ
チングしてＳｉ基板１の変形可能領域の肉薄部３を形成
し、ＰＺＴ基板20とＳｉ基板１の肉薄部３よりなる片持
梁24を設ける。そして、ＰＺＴ基板20の両面に形成した
電極６，７とＳｉ基板１上に設けたＦＥＴ回路16部とを
配線23で接続する。上記工程により、前記図１に示すよ
うに圧電材料としてＰＺＴ等のセラミックス焼結体20を
利用した小形の加速度センサを製造することができる。

【００１９】本実施例によれば、レーザ加工技術により
形成した微小のＰＺＴ等のセラミックス焼結体をＳｉ基
板１の変形可能領域に陽極接合して、微小の加速度検出
の圧電素子を高精度に形成したので、従来の酸化亜鉛
（ＺｎＯ）薄膜による圧電素子と比べて、格段に圧電特
性の優れた、かつ、小形の加速度センサを作製すること
ができる。

【００２０】また、本実施例の加速度センサはＰＺＴを
レーザ加工し、Ｓｉ基板を異方性エッチングして、両者
を陽極接合して形成したので、従来のような面倒な研
削、切削、切断等の機械加工や組み立て作業が不要とな
り、加工組立を容易に行うことができる。

【００２１】なお、本発明は上記実施例に限定されるこ
とはなく、様々な実施の態様を採り得る。例えば、上記
実施例では、圧電材料としてチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐ
ＺＴ）を用いたが、チタン酸鉛等のセラミックス焼結体
でもよく、圧電特性の優れた材料ならば、その材料の種
類を限定しない。

【００２２】また、上記実施例では、セラミックス焼結
体の圧電素子およびその製造方法を加速度センサに適用
したが、これをアクチュエータ等の機械量と電気量の変
換部に適用してもよい。

【００２３】さらに、上記実施例では、ＰＺＴの圧電素
子基板20をＳｉ基板１に陽極接合法により接合したが、
例えば、接着剤等を用いてもよく、接合方法は限定しな
い。

【００２４】さらにまた、、上記実施例では、ＰＺＴの
レーザ加工にＹＡＧレーザを用いたが、例えば、アルゴ
ンレーザ等を用いてもよい。

【００２５】さらにまた、上記実施例では半導体材料と
してシリコンを用いたが、異方性エッチングが可能であ
れば、例えば水晶等の他の単結晶材料でもよい。

【００２６】

【発明の効果】本発明は、レーザ加工技術を利用してセ
ラミックス焼結体を加工し、半導体等の単結晶材料の変
形可能領域に圧電材料のセラミックス焼結体を接合して
微小の圧電素子を作製する構成としたので、圧電特性の
極めて優れた圧電素子を製造することが可能となる。

【００２７】また、セラミックス焼結体をレーザ加工技
術を利用して圧電素子を形成したので、従来のような面
倒な研削、切削、切断等の機械加工技術や組立技術が不
要となり、加工、組立を容易に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例の圧電素子を用いた加速度センサの説
明図である。

【図２】本実施例の圧電素子を用いた加速度センサの製
造工程図である。

【図３】従来の加速度センサの説明図である。

【符号の説明】

１ Ｓｉ基板 ８ 酸化亜鉛（ＺｎＯ）薄膜 12 ガラス層 15 圧電素子 20 セラミックス焼結体（ＰＺＴ） 22 酸化シリコン膜 25 加速度検出部

フロントページの続き (72)発明者 長谷川 友保 京都府長岡京市天神二丁目26番10号 株式 会社村田製作所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 異方性エッチングが可能な半導体等の単
   結晶材料によって形成した変形可能領域に圧電材料のセ
   ラミックス焼結体が接合されてなる圧電素子。
2. 【請求項２】 異方性エッチングを含む半導体微細加工
   技術を用いて半導体等の単結晶材料に変形可能領域を形
   成する工程と、セラミックス焼結体にレーザを照射し、
   そのレーザ照射部分を選択的にエッチングしてセラミッ
   クス焼結体を加工する工程と、セラミックス焼結体と半
   導体等の単結晶材料を接合する工程とを有して半導体等
   の単結晶材料の変形可能領域に圧電材料のセラミックス
   焼結体を接合してなる圧電素子を製造する圧電素子の製
   造方法。