JPH11132873A - Piezoelectric detector and its manufacture - Google Patents

Piezoelectric detector and its manufacture

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JPH11132873A
JPH11132873A JP30150197A JP30150197A JPH11132873A JP H11132873 A JPH11132873 A JP H11132873A JP 30150197 A JP30150197 A JP 30150197A JP 30150197 A JP30150197 A JP 30150197A JP H11132873 A JPH11132873 A JP H11132873A
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JP
Japan
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film
substrate
detector
forming
thin film
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Pending
Application number
JP30150197A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Satoru Fujii
覚 藤井
Isaku Jinno
伊策 神野
Takeshi Kamata
健 鎌田
Ryoichi Takayama
良一 高山
Hirobumi Tajika
博文 多鹿
Kazunari Nishihara
和成 西原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a piezoelectric detector using a piezoelectric thin film that can be compact and highly sensitive with small sensitivity irregularity, by setting on a recess-like part of a detector substrate, a film formation substrate, a lower electrode film, the piezoelectric thin film and an upper electrode film, and providing the film formation substrate with a cantilever beam having an end part fixed to the detector substrate or a beam fixed at both end parts. SOLUTION: A lower electrode film 102, a piezoelectric thin film 103, an upper electrode film 104 and a diaphragm film are set on a recess-like part of a film formation substrate 101. The piezoelectric thin film 103 is constituted in a cantilever having an end part fixed to the film formation substrate 101 or a beam having both ends fixed to the film formation substrate. Since a piezoelectric body is formed of a thin film material, the piezoelectric body can be processed minutely to form a minute detector in a diversified shape easily, and the whole detector can be made compact, thus enabling integration of the detectors. The diaphragm film is formed of a film material directly formed on the film formation substrate 101 or piezoelectric thin film 103. A bond process of a diaphragm and the piezoelectric thin film 103 is eliminated, so that sensitivity irregularities due to the bond process are reduced and reliability can be improved.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は圧電検出器に関し、
特に圧電横効果型の圧電体薄膜を用いることで、小型、
高感度で、微小な加速度と衝撃を検知することが出来る
圧電検出器と、その製造に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piezoelectric detector,
In particular, by using a piezoelectric thin film of the piezoelectric lateral effect type,
The present invention relates to a piezoelectric detector capable of detecting minute acceleration and impact with high sensitivity, and to its manufacture.

【0002】[0002]

【従来の技術】現在、誘電体、特にそのなかでも強誘電
体は、焦電性を用いた焦電型赤外線検出器、圧電性を用
いた加速度センサやアクチュエータ等の圧電体素子、分
極反転を用いた不揮発性メモリ、高誘電率特性を用いた
容量性素子のキーマテリアルとして研究開発が行われて
いる。
2. Description of the Related Art At present, dielectrics, especially ferroelectrics, include pyroelectric infrared detectors using pyroelectricity, piezoelectric elements such as acceleration sensors and actuators using piezoelectricity, and polarization inversion. Research and development are being carried out as key materials for nonvolatile memories used and capacitive elements using high dielectric constant characteristics.

【0003】圧電検出器は、圧電体に力が加わることに
より圧電体が電荷を発生する「圧電効果」を利用して、
力学量(加速度、圧力、等)を検出するものであり、電
圧感度がきわめて大きいといった特徴がある。
[0003] A piezoelectric detector utilizes a "piezoelectric effect" in which a piezoelectric body generates electric charges when a force is applied to the piezoelectric body.
It detects a physical quantity (acceleration, pressure, etc.) and has a feature that the voltage sensitivity is extremely large.

【0004】この、圧電効果による発生電荷量は、圧電
体の分極方向に影響される。従って、素子構造と圧電体
の分極軸配向性は、検出器の高感度化のために重要であ
る。現状の圧電検出器、特に加速度センサでは、焼結体
材料が検出材料として用いられている。焼結体は、グレ
インから構成されているが、各グレインにおける分極方
向はバラバラである。従って、分極処理を実施し、分極
方向を同一方向にそろえる必要がある。
[0004] The amount of charge generated by the piezoelectric effect is affected by the polarization direction of the piezoelectric body. Therefore, the element structure and the polarization axis orientation of the piezoelectric body are important for increasing the sensitivity of the detector. In current piezoelectric detectors, especially acceleration sensors, a sintered material is used as a detection material. The sintered body is composed of grains, but the polarization directions of the grains vary. Therefore, it is necessary to perform a polarization process and align the polarization directions in the same direction.

【0005】また、圧電検出器の構造は、圧電体に加え
られる力の方向で分類され、(1)電気軸に平行(縦効
果型)、(2)電気軸と直角(横効果型)、(3)電気
軸に平行な面内のずれ、の3種類がある。これらの中で
横効果型構造は、片持ち梁、あるいは両端固定梁構造の
弾性板に圧電体を接着した構造であり、小型、高感度で
あり微小な加速度や振動を検出できる特徴がある。ま
た、逆圧電効果により、高性能なアクチュエータとして
も適用できる。
The structure of the piezoelectric detector is classified according to the direction of the force applied to the piezoelectric body. (1) Parallel to the electric axis (vertical effect type), (2) Right angle to the electric axis (lateral effect type), (3) In-plane displacement parallel to the electric axis. Among them, the lateral effect type structure is a structure in which a piezoelectric body is bonded to an elastic plate having a cantilever beam or a beam structure fixed at both ends, and is characterized by being small in size, high in sensitivity, and capable of detecting minute acceleration and vibration. Further, it can be applied as a high-performance actuator by the inverse piezoelectric effect.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
ように焼結体に高電界を印加して分極処理を行う場合、
特に、微小な圧電体エレメントや複数個の圧電体エレメ
ントを分極する場合は、均一に分極することは容易では
ないといった課題があった。
However, when a high electric field is applied to the sintered body to perform the polarization treatment as described above,
In particular, when a minute piezoelectric element or a plurality of piezoelectric elements are polarized, there has been a problem that it is not easy to uniformly polarize.

【0007】また、横効果構造の検出器において、圧電
体を弾性板等に接着する製造方法では、接着方法が不完
全であると、感度バラツキの原因となる課題があった。
Also, in a manufacturing method of bonding a piezoelectric body to an elastic plate or the like in a detector having a lateral effect structure, if the bonding method is incomplete, there is a problem of causing a variation in sensitivity.

【0008】本発明の目的は、圧電検出器ならびにその
製造方法、特に、圧電体薄膜を用いた、小型、高感度化
が可能で、感度バラツキの小さい圧電検出器を形成する
技術を供給することである。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a piezoelectric detector and a method of manufacturing the same, and in particular, to provide a technique for forming a piezoelectric detector using a piezoelectric thin film, which can be reduced in size and sensitivity and has small sensitivity variations. It is.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに本発明の圧電検出器は、凹型形状部を設けた検出器
基板において、前記検出器基板に設けた凹型形状部上
に、成膜基板、下部電極膜、圧電体薄膜、上部電極膜が
設けられており、前記成膜基板はその端部が検出器基板
に固定された片持ち梁、あるいは、両端を固定された両
端固定梁を形成している。
In order to solve the above-mentioned problems, a piezoelectric detector according to the present invention is provided on a detector substrate provided with a concave-shaped portion, which is formed on the concave-shaped portion provided on the detector substrate. A film substrate, a lower electrode film, a piezoelectric thin film, and an upper electrode film are provided, and the film formation substrate is a cantilever having an end fixed to the detector substrate, or a fixed both ends beam having both ends fixed. Is formed.

【0010】また、本発明の圧電検出器は、成膜基板が
貼り合わされた検出器基板において、前記成膜基板に設
けた凹型形状部上に、下部電極膜、圧電体薄膜、上部電
極膜、および振動板膜が設けられており、前記圧電体薄
膜はその端部を成膜基板に固定された片持ち梁、あるい
は、両端を固定された両端固定梁を形成している。
[0010] In the piezoelectric detector of the present invention, a lower electrode film, a piezoelectric thin film, an upper electrode film, a lower electrode film, and a lower electrode portion are provided on a concave portion provided on the film deposition substrate. And a diaphragm film, and the piezoelectric thin film forms a cantilever beam whose ends are fixed to a film-forming substrate, or a fixed-end beam whose both ends are fixed.

【0011】さらに、本発明の圧電検出器は、成膜基板
に設けた凹型形状部上に、下部電極膜、圧電体薄膜、上
部電極膜、および振動板膜が設けられており、前記圧電
体薄膜はその端部を成膜基板に固定された片持ち梁、あ
るいは、両端を固定された両端固定梁を形成している。
Further, in the piezoelectric detector of the present invention, the lower electrode film, the piezoelectric thin film, the upper electrode film, and the diaphragm film are provided on the concave portion provided on the film forming substrate. The thin film forms a cantilever beam whose end is fixed to the film-forming substrate, or a beam having both ends fixed at both ends.

【0012】上記問題点を解決するために本発明の圧電
検出器の製造方法は、成膜基板上に下部電極膜を形成す
る工程、前記下部電極膜上に圧電体薄膜を形成する工
程、前記圧電体薄膜上に上部電極膜を形成する工程、前
記成膜基板を切断する工程、前記切断した成膜基板を検
出器基板上に固定し検出器基板に設けた凹型形状部上に
片持ち梁あるいは両端固定梁を形成する工程、検出器基
板を切断し検出部構造体を作製する工程を有している。
In order to solve the above problems, a method of manufacturing a piezoelectric detector according to the present invention comprises the steps of: forming a lower electrode film on a film forming substrate; forming a piezoelectric thin film on the lower electrode film; Forming an upper electrode film on a piezoelectric thin film, cutting the film-forming substrate, fixing the cut film-forming substrate on a detector substrate, and cantilevering the concave shape portion provided on the detector substrate. Alternatively, the method includes a step of forming fixed beams at both ends, and a step of cutting the detector substrate to produce a detection unit structure.

【0013】また、本発明の圧電検出器の製造方法は、
成膜基板上に下部電極膜を形成する工程、前記下部電極
膜上に圧電体薄膜を形成する工程、前記圧電体薄膜上に
上部電極膜を形成する工程、前記成膜基板を検出器基板
上に固定し、検出器基板に設けた凹型形状部上に圧電体
薄膜を配置させる工程、前記成膜基板および検出器基板
を切断し検出部構造体を作製する工程を有している。
Further, the method of manufacturing the piezoelectric detector according to the present invention comprises:
Forming a lower electrode film on the deposition substrate, forming a piezoelectric thin film on the lower electrode film, forming an upper electrode film on the piezoelectric thin film, placing the deposition substrate on a detector substrate And a step of disposing a piezoelectric thin film on the concave-shaped portion provided on the detector substrate, and a step of cutting the film-forming substrate and the detector substrate to produce a detector structure.

【0014】さらに、本発明の圧電検出器の製造方法
は、検出器基板上に成膜基板を貼り合わせる工程、前記
検出器基板に貼り合わせた成膜基板上に下部電極膜を形
成する工程、前記下部電極膜上に圧電体薄膜を形成する
工程、前記圧電体薄膜上に上部電極膜を形成する工程、
前記上部電極膜上に振動板膜を形成する工程、圧電体薄
膜を形成した表側から前記下部電極膜に設けたエッチン
グホールを介して圧電体薄膜の下に位置する成膜基板部
分ををエッチング除去し凹型形状部を形成する工程、成
膜基板および検出器基板を切断して検出部構造体を作製
する工程を有している。
Further, in the method of manufacturing a piezoelectric detector according to the present invention, a step of bonding a film-forming substrate on a detector substrate, a step of forming a lower electrode film on the film-forming substrate bonded to the detector substrate, Forming a piezoelectric thin film on the lower electrode film, forming an upper electrode film on the piezoelectric thin film,
Forming a diaphragm film on the upper electrode film, and removing a film-forming substrate portion located below the piezoelectric thin film from the front side on which the piezoelectric thin film is formed through an etching hole provided in the lower electrode film by etching. Forming a concave portion, and cutting the film-forming substrate and the detector substrate to produce a detecting portion structure.

【0015】さらにまた、本発明の圧電検出器の製造方
法は、成膜基板上に下部電極膜を形成する工程、前記下
部電極膜上に圧電体薄膜を形成する工程、前記圧電体薄
膜上に上部電極膜を形成する工程、前記上部電極膜上に
振動板膜を形成する工程、圧電体薄膜を形成した表側か
ら前記下部電極膜に設けたエッチングホールを介して圧
電体薄膜の下に位置する成膜基板部分ををエッチング除
去し凹型形状部を形成する工程、成膜基板を切断して検
出部構造体を作製する工程を有している。
Further, in the method of manufacturing a piezoelectric detector according to the present invention, a step of forming a lower electrode film on a film forming substrate, a step of forming a piezoelectric thin film on the lower electrode film, A step of forming an upper electrode film, a step of forming a diaphragm film on the upper electrode film, and a step of positioning the piezoelectric thin film from the front side under the piezoelectric thin film via an etching hole provided in the lower electrode film. The method includes a step of forming a concave-shaped portion by removing a film-forming substrate by etching, and a step of cutting the film-forming substrate to produce a detection unit structure.

【0016】本発明は上記構成により、圧電体が薄膜材
料であるために微細加工が可能であり、微小かつ多様な
形状の検出器を容易に形成できる点や、検出器全体の小
型化を図れる点、検出器の集積化が可能となる点で有効
である。
According to the present invention, since the piezoelectric body is a thin film material, fine processing is possible because of the above-mentioned configuration, and a detector having minute and various shapes can be easily formed, and the size of the entire detector can be reduced. This is effective in that integration of detectors and detectors becomes possible.

【0017】また上記構成では、振動板膜は成膜基板、
あるいは圧電体薄膜上に直接作製された膜材料である。
従って、作製プロセスにおいて、振動板と圧電体薄膜の
接着工程が不要であり、接着工程による感度バラツキが
低減でき、信頼性向上の点で有効である。
Further, in the above configuration, the diaphragm film is a film forming substrate,
Alternatively, it is a film material directly formed on a piezoelectric thin film.
Therefore, in the manufacturing process, a bonding step between the diaphragm and the piezoelectric thin film is not required, and the variation in sensitivity due to the bonding step can be reduced, which is effective in improving reliability.

【0018】さらに、大きな基板が得られない単結晶基
板材料においても、成膜基板を検出器基板に貼り合わせ
た後に成膜する作製方法により、成膜基板の大面積化が
可能である。従って、素子の作製プロセスのスループッ
トの効率化の点で有効であり、検出器の低コスト化の点
でも有効である。
Further, even in the case of a single crystal substrate material from which a large substrate cannot be obtained, the area of the film formation substrate can be increased by a manufacturing method in which the film formation substrate is bonded to the detector substrate and then formed. Therefore, it is effective in increasing the throughput of the element manufacturing process, and is also effective in reducing the cost of the detector.

【0019】さらにまた、圧電体薄膜と電極膜と振動板
薄膜からのみ構成される梁構造の検出器は、梁構造のバ
ネ定数が小さく、高感度で微小な振動を検出できる点で
有効である。
Furthermore, a beam detector having only a piezoelectric thin film, an electrode film, and a diaphragm thin film is effective in that the beam structure has a small spring constant and can detect minute vibration with high sensitivity. .

【0020】また、圧電体薄膜は、その結晶構造の配向
性を制御することが可能であり、分極軸を成膜基板面に
対して垂直に配向させることが可能である。従って、効
果的に発生電荷を検出することが可能である。さらに、
スパッタリング法をはじめとする成膜方法により、分極
処理することなく、自発分極が一方向に揃った圧電体薄
膜を作成することが可能であり、分極処理を行う必要が
ない。従って、均一な圧電特性を持つ薄膜材料を作成で
きる点で有効である。
Further, the orientation of the crystal structure of the piezoelectric thin film can be controlled, and the polarization axis can be oriented perpendicular to the surface of the film formation substrate. Therefore, it is possible to detect the generated charges effectively. further,
By a film formation method such as a sputtering method, a piezoelectric thin film in which spontaneous polarization is aligned in one direction can be formed without performing polarization processing, and it is not necessary to perform polarization processing. Therefore, it is effective in that a thin film material having uniform piezoelectric characteristics can be prepared.

【0021】[0021]

【発明の実施の形態】以下本発明の圧電検出器の製造方
法に関する一実施例について、図面を参照しながら説明
する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of a method for manufacturing a piezoelectric detector according to the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0022】(実施例1)図1に、本発明の一実施例の
圧電検出器を、図2にその作製プロセスの断面図を示
す。成膜基板101として(100)MgO単結晶基板
(厚さ300μm)を用いた。そして、成膜基板101
上に下部電極膜102、圧電体薄膜103および上部電
極膜104を作製した。下部電極膜102および上部電
極膜104としてPt薄膜を、高周波マグネトロンスパ
ッタ法により作製した。スパッタ成膜条件は、基板温度
が600℃、スパッタガスはAr(95%)と酸素(5
%)の混合ガスで、ガス圧は0.5Pa、高周波投入パ
ワー密度は2.5W/cm2(13.56MHz)で、成
膜時間は1時間であった。膜の厚さは0.15μmであ
った。圧電薄膜103として表1に示した材料を、明示
した成膜条件により作製した。表1の条件で成膜するこ
とにより、すべての誘電体は、分極軸が基板面に対して
垂直方向に優先配向したc軸配向単結晶膜を(100)
MgO単結晶基板上で得た。次に、上部電極104を、
スパッタエッチングによりパターニングした(図2
(a))。Pt薄膜のエッチング条件は、真空度0.0
6Torr、Arガス流量10sccm、プラズマパワー170
Wの条件で、15分を要した。続いて、103を、表2
に示したプロセス条件でパターニングを行った。
(Embodiment 1) FIG. 1 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a piezoelectric detector according to an embodiment of the present invention, and FIG. A (100) MgO single crystal substrate (thickness: 300 μm) was used as the deposition substrate 101. Then, the deposition substrate 101
A lower electrode film 102, a piezoelectric thin film 103, and an upper electrode film 104 were formed thereon. Pt thin films were formed as the lower electrode film 102 and the upper electrode film 104 by a high-frequency magnetron sputtering method. The sputtering film forming conditions are as follows: the substrate temperature is 600 ° C., and the sputtering gas is Ar (95%) and oxygen (5
%), The gas pressure was 0.5 Pa, the high frequency power density was 2.5 W / cm 2 (13.56 MHz), and the film formation time was 1 hour. The thickness of the film was 0.15 μm. The materials shown in Table 1 were produced as the piezoelectric thin film 103 under the specified film forming conditions. By forming the films under the conditions shown in Table 1, all the dielectrics are c-axis oriented single crystal films whose polarization axes are preferentially oriented perpendicular to the substrate surface (100).
Obtained on a MgO single crystal substrate. Next, the upper electrode 104 is
Patterned by sputter etching (Fig. 2
(A)). The etching conditions for the Pt thin film are as follows:
6 Torr, Ar gas flow rate 10 sccm, plasma power 170
It took 15 minutes under the condition of W. Next, 103 is shown in Table 2
The patterning was performed under the process conditions shown in FIG.

【0023】[0023]

【表1】 [Table 1]

【0024】[0024]

【表2】 [Table 2]

【0025】続いて、成膜基板101を厚さ10〜20
μm程度に研磨した後に、幅0.1mm長さ2mm程度の短
冊形状に切断した(図2(b))。
Subsequently, the film forming substrate 101 is set to a thickness of 10 to 20.
After polishing to about μm, it was cut into a rectangular shape having a width of about 0.1 mm and a length of about 2 mm (FIG. 2B).

【0026】圧電体薄膜103が、検出器基板105の
凹型形状部106上に配置されるように、切断した成膜
基板101を接着固定した後、点線で切断することによ
り、一括して検出部構造体を作製した。(図2
(c))。 本実施例では、ガラス製の105を用い、
接着には、エポキシ系接着剤を使用した。しかし、ガラ
ス基板とMgO単結晶基板では、直接接合による固定も
可能である。また、105としてSi単結晶基板を用い
ても問題はない。図2(c)では、片持ち梁を形成した
場合を図示しているが、この工程で両端固定梁構造を作
製し、圧電検出器とすることも可能である。接続後、1
05に外部電極接続ホールをサンドブラスト法で形成し
た後、105上に形成されている検出器電極108と1
02および104をボンディングワイヤ109でそれぞ
れ接続した(図2(d))。110、111は、105
に実装したインピーダンス変換用の電界効果トランジス
タおよび抵抗である。最後に、ガラス製の封止用キャッ
プ112を105と直接接合技術により接合し、検出器
全体を封止した(図2(e))。
The cut film-forming substrate 101 is adhered and fixed so that the piezoelectric thin film 103 is disposed on the concave-shaped portion 106 of the detector substrate 105, and then cut along a dotted line to collectively detect the film. A structure was produced. (Figure 2
(C)). In this embodiment, 105 made of glass is used,
An epoxy adhesive was used for adhesion. However, the glass substrate and the MgO single crystal substrate can be fixed by direct bonding. There is no problem even if a single crystal Si substrate is used as 105. FIG. 2C shows a case where a cantilever beam is formed, but it is also possible to manufacture a both-end fixed beam structure in this step and use it as a piezoelectric detector. After connection, 1
After the external electrode connection holes are formed by the sandblasting method at 05, the detector electrodes 108 and 1 formed on the 105 are formed.
02 and 104 were respectively connected by bonding wires 109 (FIG. 2D). 110 and 111 are 105
A field effect transistor and a resistor for impedance conversion, which are mounted on the device. Finally, the sealing cap 112 made of glass was joined to the 105 by a direct joining technique to seal the entire detector (FIG. 2E).

【0027】本発明では、研磨して薄層化した成膜基板
が振動板として機能している。したがって、圧電体薄膜
と振動板を接着する必要がないために、感度バラツキを
低減できるため、信頼性向上の点で有効である。
In the present invention, the film-formed substrate that has been thinned by polishing functions as a diaphragm. Therefore, since there is no need to bond the piezoelectric thin film and the diaphragm, variation in sensitivity can be reduced, which is effective in improving reliability.

【0028】また、本発明では、圧電体薄膜の分極軸が
成膜基板面に対して垂直に配向しているために、分極処
理を行うことなく高い圧電特性が期待できる。従って、
検出器の高感度化の点で有効である。
In the present invention, since the polarization axis of the piezoelectric thin film is oriented perpendicular to the surface of the film-forming substrate, high piezoelectric characteristics can be expected without performing the polarization treatment. Therefore,
This is effective in increasing the sensitivity of the detector.

【0029】(実施例2)図3に、本発明の一実施例の
圧電検出器を、図4に、その作製プロセスの断面図を示
す。
(Embodiment 2) FIG. 3 shows a piezoelectric detector according to an embodiment of the present invention, and FIG.

【0030】成膜基板201として(100)Si単結
晶基板(厚さ400μm)を用いた。そして、成膜基板
201上に下部電極膜202、圧電体薄膜203および
上部電極膜204を作製した。下部電極膜202および
上部電極膜204としてPt薄膜を、高周波マグネトロ
ンスパッタ法により作製した。スパッタ成膜条件は、基
板温度が600℃、スパッタガスはAr(95%)と酸
素(5%)の混合ガスで、ガス圧は0.5Pa、高周波
投入パワー密度は2.5W/cm2(13.56MHz)
で、成膜時間は1時間であった。膜の厚さは0.15μ
mであった。圧電薄膜203として、菱面体結晶構造を
持つ組成のチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を作製し
た。表1に示した正方晶PZTとの作製条件の相違は、
ターゲット組成が、(Pb0.56Zr0.44TiO3+0.
2PbO)であることのみである。これにより、分極軸
が基板面に対して垂直方向に優先配向した(111)面
配向PZT膜を(100)Si単結晶基板上で得た。な
お、Si単結晶基板の結晶面の方位に関わらず、(11
1)面配向PZT膜を得た。次に、Ptを、スパッタエ
ッチングによりパターニングして、204を作製した
(図4(a))。Pt薄膜のエッチング条件は、真空度
0.06Torr、Arガス流量10sccm、プラズマパワー
170Wの条件で、15分を要した。続いて、203
は、表2に示した正方晶PZTのプロセスと同一条件で
パターニングを行った。
As the film forming substrate 201, a (100) Si single crystal substrate (400 μm thick) was used. Then, a lower electrode film 202, a piezoelectric thin film 203, and an upper electrode film 204 were formed on the deposition substrate 201. Pt thin films were formed as the lower electrode film 202 and the upper electrode film 204 by a high-frequency magnetron sputtering method. The sputtering film forming conditions were as follows: the substrate temperature was 600 ° C., the sputtering gas was a mixed gas of Ar (95%) and oxygen (5%), the gas pressure was 0.5 Pa, and the high frequency power density was 2.5 W / cm 2 ( 13.56 MHz)
Thus, the film formation time was 1 hour. The film thickness is 0.15μ
m. As the piezoelectric thin film 203, lead zirconate titanate (PZT) having a composition having a rhombohedral crystal structure was produced. The difference in the production conditions from the tetragonal PZT shown in Table 1 is as follows.
If the target composition is (Pb 0.56 Zr 0.44 TiO 3 +0.
2PbO). As a result, a (111) plane oriented PZT film in which the polarization axis was preferentially oriented perpendicular to the substrate surface was obtained on the (100) Si single crystal substrate. Regardless of the orientation of the crystal plane of the Si single crystal substrate, (11
1) A plane-oriented PZT film was obtained. Next, Pt was patterned by sputter etching to produce 204 (FIG. 4A). The etching conditions for the Pt thin film required 15 minutes under the conditions of a vacuum degree of 0.06 Torr, an Ar gas flow rate of 10 sccm, and a plasma power of 170 W. Then, 203
Was patterned under the same conditions as in the process of tetragonal PZT shown in Table 2.

【0031】続いて、成膜基板201を厚さ10〜20
μm程度に研磨した後に、圧電体薄膜203が、検出器
基板205に設けた凹型形状部206上に配置されるよ
うに、成膜基板201を接合固定した(図4(b))。
本実施例では、ガラス製の205を用い、直接接合技
術により201と205を固定した。205としてSi
単結晶基板を用いても問題はない。また、接着剤による
接着も可能である。接合後、図4(c)の線分α−
α’、β−β’、およびγ−γ’で切断することによ
り、片持ち梁構造の検出部構造体を一括して作製した
(図4(d))。本実施例では、幅0.075mm、長さ
2mmの大きさで切断した。なお、この切断工程で、線分
γ−γ’のみを切断すれば、両端固定梁構造の検出部構
造体を一括して作製することが可能である。
Subsequently, the film forming substrate 201 is set to a thickness of 10 to 20.
After polishing to about μm, the film-forming substrate 201 was bonded and fixed so that the piezoelectric thin film 203 was disposed on the concave portion 206 provided on the detector substrate 205 (FIG. 4B).
In the present embodiment, glass 205 was used, and 201 and 205 were fixed by a direct bonding technique. Si as 205
There is no problem even if a single crystal substrate is used. Further, bonding with an adhesive is also possible. After joining, the line segment α− in FIG.
By cutting at α ′, β−β ′, and γ−γ ′, a cantilever-shaped detection unit structure was manufactured in a lump (FIG. 4D). In the present embodiment, it was cut into a size of 0.075 mm in width and 2 mm in length. In this cutting step, if only the line segment γ-γ ′ is cut, it is possible to collectively manufacture the detection unit structure having the fixed beam structure at both ends.

【0032】最後に、検出器基板205を回路基板20
7に接着固定した後に、各電極をボンディングワイヤ2
10で接続し、金属製のステム212とキャップ213
を溶接により封止した。208、209は、207に実
装したインピーダンス変換用の電界効果トランジスタお
よび抵抗である。
Finally, the detector board 205 is connected to the circuit board 20.
7 are bonded and fixed to the bonding wires 2
10 and the metal stem 212 and the cap 213
Was sealed by welding. Reference numerals 208 and 209 denote field effect transistors and resistors for impedance conversion mounted on 207.

【0033】本発明では、研磨して薄層化した成膜基板
が振動板として機能している。したがって、圧電体薄膜
と振動板を接着する必要がないために、感度バラツキを
低減できるため、信頼性向上の点で有効である。
In the present invention, the film-formed substrate thinned by polishing functions as a diaphragm. Therefore, since there is no need to bond the piezoelectric thin film and the diaphragm, variation in sensitivity can be reduced, which is effective in improving reliability.

【0034】また、本発明では、圧電体薄膜の分極軸が
成膜基板面に対して垂直に配向しているために、分極処
理を行うことなく高い圧電特性が期待できるために、検
出器の高感度化の点で有効である。
Further, in the present invention, since the polarization axis of the piezoelectric thin film is oriented perpendicular to the surface of the film-forming substrate, high piezoelectric characteristics can be expected without performing polarization processing. This is effective in increasing the sensitivity.

【0035】さらに、本発明では、成膜基板を検出器基
板に接合した後に切断することにより、小型の圧電体検
出構造体を、効率よく一括して作製できるために、プロ
セスの効率化および検出器の低コスト化の点で有効であ
る。
Further, according to the present invention, a small-sized piezoelectric detecting structure can be efficiently and collectively manufactured by cutting the film-forming substrate after bonding it to the detector substrate. This is effective in reducing the cost of the vessel.

【0036】(実施例3)図5に、本発明の一実施例の
圧電検出器を、図6に、その作製プロセスの断面図を示
す。
(Embodiment 3) FIG. 5 shows a piezoelectric detector according to an embodiment of the present invention, and FIG.

【0037】成膜基板301として(100)MgO単
結晶基板(厚さ300μm、15mm□)を、検出器基板
302である6インチ(100)Si単結晶ウエハーに
直接接合により貼り合わせた。なお、302としてガラ
ス基板を用いても直接接合は可能である。そして、成膜
基板の厚さが10〜20μm程度になるように研磨した
(図6(a))。成膜基板301の厚さを薄くするため
には、研磨以外に、エッチングによるプロセスも可能で
ある。
A (100) MgO single crystal substrate (thickness: 300 μm, 15 mm square) as a film forming substrate 301 was bonded directly to a 6-inch (100) Si single crystal wafer as a detector substrate 302 by direct bonding. Note that even if a glass substrate is used as 302, direct bonding is possible. Then, the film was polished to a thickness of about 10 to 20 μm (FIG. 6A). In order to reduce the thickness of the deposition substrate 301, a process by etching can be used in addition to polishing.

【0038】次に、成膜基板301上に下部電極膜30
3としてPt薄膜を作製した。作製条件は、高周波マグ
ネトロンスパッタ法により、基板温度が600℃、スパ
ッタガスはAr(95%)と酸素(5%)の混合ガス
で、ガス圧は0.5Pa、高周波投入パワー密度は2.5
W/cm2(13.56MHz)であり、成膜時間は1時
間であった。膜の厚さは0.15μmであった。次に、
下部電極膜303を、スパッタエッチングによりパター
ニングし、エッチングホール304を形成した(図6
(b))。Pt薄膜のエッチング条件は、真空度0.0
6Torr、Arガス流量10sccm、プラズマパワー170
Wの条件で、15分を要した。そして、圧電体薄膜30
5および上部電極膜306を作製した。圧電体薄膜30
5として表1に示した材料を、明示した成膜条件により
作製した。表1の条件で成膜することにより、すべての
誘電体は、分極軸が基板面に対して垂直方向に優先配向
したc軸配向単結晶膜を(100)MgO単結晶基板上
で得た。次に、上部電極306を、下部電極膜303と
同条件でスパッタエッチングによりパターニングした。
続いて、圧電体薄膜305を、表2に示したプロセス条
件でパターニングを行った(図6(b))。さらに、振
動板膜307を上部電極膜306の上に形成した(図6
(c))。307としては、NiCr薄膜を高周波マグ
ネトロンスパッタ法により、作製した。膜厚は圧電体薄
膜305と同じ厚みとした。成膜条件は、基板温度が2
00℃、スパッタガスはArガスで、ガス圧は0.8P
a、高周波投入パワー密度は2.5W/cm2(13.5
6MHz)である。なお、振動板膜307は、Pt,C
r,Alなどのヤング率の高い金属材料が適している
が、SiO2や樹脂膜あるいは、フォトレジストのよう
な絶縁物でも問題はない。また、振動板膜と電極膜が同
じ材料でも問題はない。
Next, the lower electrode film 30 is formed on the film formation substrate 301.
As No. 3, a Pt thin film was prepared. The manufacturing conditions are as follows: a high-frequency magnetron sputtering method, a substrate temperature of 600 ° C., a sputtering gas of a mixed gas of Ar (95%) and oxygen (5%), a gas pressure of 0.5 Pa, and a high-frequency input power density of 2.5.
W / cm 2 (13.56 MHz), and the film formation time was 1 hour. The thickness of the film was 0.15 μm. next,
The lower electrode film 303 was patterned by sputter etching to form an etching hole 304 (FIG. 6).
(B)). The etching conditions for the Pt thin film are as follows:
6 Torr, Ar gas flow rate 10 sccm, plasma power 170
It took 15 minutes under the condition of W. Then, the piezoelectric thin film 30
5 and an upper electrode film 306 were produced. Piezoelectric thin film 30
The materials shown in Table 1 as No. 5 were produced under the specified film forming conditions. By forming the films under the conditions shown in Table 1, all the dielectrics were obtained on a (100) MgO single crystal substrate as c-axis oriented single crystal films in which the polarization axes were preferentially oriented perpendicular to the substrate surface. Next, the upper electrode 306 was patterned by sputter etching under the same conditions as the lower electrode film 303.
Subsequently, the piezoelectric thin film 305 was patterned under the process conditions shown in Table 2 (FIG. 6B). Further, a diaphragm film 307 was formed on the upper electrode film 306 (FIG. 6).
(C)). As 307, a NiCr thin film was produced by a high-frequency magnetron sputtering method. The thickness was the same as that of the piezoelectric thin film 305. The film formation condition is that the substrate temperature is 2
00 ° C, sputtering gas is Ar gas, gas pressure is 0.8P
a, High frequency input power density is 2.5 W / cm 2 (13.5
6 MHz). The diaphragm film 307 is made of Pt, C
A metal material having a high Young's modulus such as r or Al is suitable, but there is no problem with an insulator such as SiO2, a resin film, or a photoresist. There is no problem even if the diaphragm film and the electrode film are made of the same material.

【0039】続いて、圧電体薄膜305の下部に位置す
る成膜基板部分を、下部電極膜に設けたエッチングホー
ル304を介して、ケミカルエッチングにより除去した
(図6(d))。MgO単結晶基板のエッチング除去
は、80℃の熱リン酸水溶液(20wt%)により行っ
た。次に、図6(e)の線分α−α’、β−β’、γ−
γ’、δ−δ’、ε−ε’で切断することにより、片持
ち梁構造の検出部構造体を、一括して作製した(図6
(f))。最後に、検出器基板302を回路基板309
に接着固定した後に、各電極をボンディングワイヤ31
2で接続し、金属製のステム314とキャップ315を
溶接により封止した(図6(g))。310、311
は、309に実装したインピーダンス変換用の電界効果
トランジスタおよび抵抗である。
Subsequently, the film-forming substrate portion located below the piezoelectric thin film 305 was removed by chemical etching via the etching hole 304 provided in the lower electrode film (FIG. 6D). The etching removal of the MgO single crystal substrate was performed using a hot phosphoric acid aqueous solution (20 wt%) at 80 ° C. Next, the line segments α-α ′, β-β ′, γ-
By cutting at γ ′, δ−δ ′, and ε−ε ′, a cantilever-shaped detection unit structure was manufactured in a lump (FIG. 6).
(F)). Finally, the detector board 302 is connected to the circuit board 309.
After bonding and fixing to the bonding wire 31
2 and the metal stem 314 and the cap 315 were sealed by welding (FIG. 6 (g)). 310, 311
Denotes a field effect transistor and a resistor for impedance conversion mounted on 309.

【0040】なお、成膜基板301としてMgO基板を
例示したが、ステンレス金属基板やSi単結晶基板をは
じめ、エッチング可能な基板であれば他の基板も本発明
において有効であることは明らかである。
Although the MgO substrate has been exemplified as the film forming substrate 301, it is clear that other substrates that can be etched, such as a stainless metal substrate and a Si single crystal substrate, are also effective in the present invention. .

【0041】本発明では、検出部の梁構造が、圧電体薄
膜、上下電極膜および振動板膜のみから構成されてい
る。従って、梁構造部全体の厚さが小さいため、梁構造
部のバネ定数の低減化が図れる。従って、小さな振動や
加速度でも、高感度で検出できる点で効果的である。
In the present invention, the beam structure of the detecting section is composed of only the piezoelectric thin film, the upper and lower electrode films, and the diaphragm film. Therefore, since the thickness of the entire beam structure is small, the spring constant of the beam structure can be reduced. Therefore, it is effective in that even small vibration and acceleration can be detected with high sensitivity.

【0042】また、本発明では、振動板膜を直接圧電体
薄膜上に形成している。従って、圧電体薄膜と振動板を
接着する必要がないために、感度バラツキを低減できる
ため、信頼性向上の点で有効である。
In the present invention, the diaphragm film is formed directly on the piezoelectric thin film. Therefore, since it is not necessary to bond the piezoelectric thin film and the diaphragm, variation in sensitivity can be reduced, which is effective in improving reliability.

【0043】さらに、本発明では、圧電体薄膜の分極軸
が成膜基板面に対して垂直に配向しているために、分極
処理を行うことなく高い圧電特性が期待できるために、
検出器の高感度化の点で有効である。
Further, in the present invention, since the polarization axis of the piezoelectric thin film is oriented perpendicular to the surface of the film-forming substrate, high piezoelectric characteristics can be expected without performing the polarization treatment.
This is effective in increasing the sensitivity of the detector.

【0044】さらにまた、本実施例で例示したMgO単
結晶基板等は、大面積化が困難であり、30mm□程度が
限度である。本発明では、成膜基板を検出器基板に貼り
合わせた後に圧電体薄膜を形成している。従って、検出
基板を大面積化することにより、圧電体薄膜形成の効率
化が図れるとともに、検出器の作製プロセスのスループ
ットの効率が向上するために、検出器の低コスト化の点
で有効である。
Further, it is difficult to increase the area of the MgO single crystal substrate or the like exemplified in this embodiment, and the limit is about 30 mm square. In the present invention, the piezoelectric thin film is formed after the deposition substrate is attached to the detector substrate. Accordingly, by increasing the area of the detection substrate, the efficiency of forming the piezoelectric thin film can be increased, and the throughput of the manufacturing process of the detector can be improved, which is effective in reducing the cost of the detector. .

【0045】また、本発明では、エッチングにより検出
器構造体を形成している。従って、小型集積化が可能で
あり、複数の梁構造を並列あるいは2次元に配置した検
出器を作成することも可能である。
In the present invention, the detector structure is formed by etching. Therefore, compact integration is possible, and it is also possible to create a detector in which a plurality of beam structures are arranged in parallel or two-dimensionally.

【0046】なお、実施例1〜3では、表1に明示した
圧電材料を用いたが、本発明が他の圧電体薄膜材料につ
いても有効であることは明らかである。また、実施例1
および3では、成膜基板として(100)MgO単結晶
基板を、実施例2においては(100)Si単結晶基板
を用いたが、成膜基板材料がこれらに限定されないこと
は明らかである。
In Examples 1 to 3, the piezoelectric materials specified in Table 1 were used. However, it is apparent that the present invention is effective for other piezoelectric thin film materials. Example 1
In (3) and (3), a (100) MgO single crystal substrate was used as a film formation substrate, and in Example 2, a (100) Si single crystal substrate was used. However, it is clear that the material of the film formation substrate is not limited to these.

【0047】(実施例4)図7に、本発明の一実施例の
圧電検出器を、図8に、その作製プロセスの断面図を示
す。
(Embodiment 4) FIG. 7 shows a piezoelectric detector according to an embodiment of the present invention, and FIG.

【0048】成膜基板401として(100)Si単結
晶基板(厚さ400μm)を用いた。そして、成膜基板
401上に下部電極膜402として、Pt薄膜を実施例
2と同条件で作製した。膜の厚さは0.15μmであっ
た。次に、402を、スパッタエッチングによりパター
ニングして、エッチングホール403を作製した(図8
(a))。エッチング条件は実施例2と同様である。続
いて、圧電体薄膜404、および上部電極膜405を作
製した。圧電体薄膜404として、菱面体結晶構造を持
つ組成のチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を、実施例2
と同条件で作製した。これにより、分極軸が基板面に対
して垂直方向に優先配向した(111)面配向PZT膜
を(100)Si単結晶基板上で得た。なお、Si単結
晶基板の結晶面の方位に関わらず、(111)面配向P
ZT膜を得た。上部電極膜405は、402と同条件で
作製した。405を402と同条件でスパッタエッチン
グによりパターニングした後、404を、表2に示した
正方晶PZTのプロセスと同一条件でパターニングを行
った(図8(a))。
A (100) Si single crystal substrate (thickness: 400 μm) was used as the film formation substrate 401. Then, a Pt thin film was formed on the film formation substrate 401 as the lower electrode film 402 under the same conditions as in Example 2. The thickness of the film was 0.15 μm. Next, 402 was patterned by sputter etching to form an etching hole 403 (FIG. 8).
(A)). The etching conditions are the same as in Example 2. Subsequently, a piezoelectric thin film 404 and an upper electrode film 405 were formed. As the piezoelectric thin film 404, lead zirconate titanate (PZT) having a rhombohedral crystal structure was used in Example 2.
It was produced under the same conditions as described above. As a result, a (111) plane oriented PZT film in which the polarization axis was preferentially oriented perpendicular to the substrate surface was obtained on the (100) Si single crystal substrate. Note that, regardless of the orientation of the crystal plane of the Si single crystal substrate, the (111) plane orientation P
A ZT film was obtained. The upper electrode film 405 was manufactured under the same conditions as 402. After patterning 405 by sputter etching under the same conditions as 402, patterning 404 was performed under the same conditions as the tetragonal PZT process shown in Table 2 (FIG. 8A).

【0049】さらに、振動板膜406を上部電極膜40
5の上に形成した(図8(b))。406として、Ni
Cr薄膜を、高周波マグネトロンスパッタ法により作製
した。膜厚は圧電体薄膜404と同じ厚みとした。成膜
条件は、基板温度が200℃、スパッタガスはArガス
で、ガス圧は0.8Pa、高周波投入パワー密度は2.5
W/cm2(13.56MHz)である。なお、振動板膜
406は、Pt,Cr,Alなどのヤング率の高い金属
材料が適しているが、SiO2や樹脂膜あるいは、フォ
トレジストのような絶縁物でも問題はない。また、振動
板膜と電極膜が同じ材料でも問題はない。
Further, the diaphragm film 406 is connected to the upper electrode film 40.
5 (FIG. 8B). As 406, Ni
A Cr thin film was produced by a high-frequency magnetron sputtering method. The thickness was the same as that of the piezoelectric thin film 404. The film forming conditions were as follows: the substrate temperature was 200 ° C., the sputtering gas was Ar gas, the gas pressure was 0.8 Pa, and the high frequency input power density was 2.5.
W / cm 2 (13.56 MHz). The diaphragm film 406 is preferably made of a metal material having a high Young's modulus, such as Pt, Cr, or Al. However, there is no problem with an insulator such as a SiO2 film, a resin film, or a photoresist. There is no problem even if the diaphragm film and the electrode film are made of the same material.

【0050】続いて、圧電体薄膜404の下部に位置す
る成膜基板部分を、下部電極膜に設けたエッチングホー
ル403を介して、ケミカルエッチングにより除去した
(図8(c))。Si単結晶基板のエッチング除去は、
フッ酸、硝酸、および酢酸の混合溶液により行った。次
に、図8(d)の線分α−α’、β−β’、γ−γ’、
δ−δ’、ε−ε’で切断することにより、片持ち梁構
造の検出部構造体を、一括して作製した(図8
(e))。最後に、成膜基板401を回路基板408に
接着固定した後に、各電極をボンディングワイヤ411
で接続し、金属製のステム413とキャップ414を溶
接により封止した(図8(f))。409、410は、
408に実装したインピーダンス変換用の電界効果トラ
ンジスタおよび抵抗である。
Subsequently, the film-forming substrate portion located below the piezoelectric thin film 404 was removed by chemical etching through the etching hole 403 provided in the lower electrode film (FIG. 8C). Etching removal of Si single crystal substrate
The test was performed using a mixed solution of hydrofluoric acid, nitric acid, and acetic acid. Next, the line segments α-α ′, β-β ′, γ-γ ′,
By cutting at δ−δ ′ and ε−ε ′, a cantilevered detection unit structure was manufactured in a lump (FIG. 8).
(E)). Finally, after the film formation substrate 401 is bonded and fixed to the circuit substrate 408, each electrode is connected to a bonding wire 411.
And the metal stem 413 and the cap 414 were sealed by welding (FIG. 8 (f)). 409, 410
Reference numeral 408 denotes a field-effect transistor for impedance conversion and a resistor mounted on the transistor 408.

【0051】なお、成膜基板401としてSi基板を例
示したが、401としてMgO基板を用いれば、実施例
3と同様のプロセスで実施例4に示した構造の圧電検出
器が作成可能である。さらに、ステンレス金属基板をは
じめ、エッチング可能な基板であれば他の成膜基板も本
発明において有効であることは明らかである。
Although the Si substrate has been exemplified as the film formation substrate 401, if an MgO substrate is used as the 401, the piezoelectric detector having the structure shown in the fourth embodiment can be manufactured by the same process as the third embodiment. Furthermore, it is clear that other film-forming substrates, such as a stainless metal substrate, are also effective in the present invention as long as they can be etched.

【0052】本発明では、検出部の梁構造が、圧電体薄
膜、上下電極膜および振動板膜のみから構成されてい
る。従って、梁構造部全体の厚さが小さいため、梁構造
部のバネ定数の低減化が図れる。従って、小さな振動や
加速度でも、高感度で検出できる点で効果的である。
In the present invention, the beam structure of the detecting section is composed of only the piezoelectric thin film, the upper and lower electrode films, and the diaphragm film. Therefore, since the thickness of the entire beam structure is small, the spring constant of the beam structure can be reduced. Therefore, it is effective in that even small vibration and acceleration can be detected with high sensitivity.

【0053】また、本発明では、振動板膜を直接圧電体
薄膜上に形成している。従って、圧電体薄膜と振動板を
接着する必要がないために、感度バラツキを低減できる
ため、信頼性向上の点で有効である。
In the present invention, the diaphragm film is formed directly on the piezoelectric thin film. Therefore, since it is not necessary to bond the piezoelectric thin film and the diaphragm, variation in sensitivity can be reduced, which is effective in improving reliability.

【0054】さらに、本発明では、圧電体薄膜の分極軸
が成膜基板面に対して垂直に配向しているために、分極
処理を行うことなく高い圧電特性が期待できるために、
検出器の高感度化の点で有効である。
Furthermore, in the present invention, since the polarization axis of the piezoelectric thin film is oriented perpendicular to the surface of the film-forming substrate, high piezoelectric characteristics can be expected without performing the polarization treatment.
This is effective in increasing the sensitivity of the detector.

【0055】また、本発明では、エッチングにより検出
器構造体を形成している。従って、小型集積化が可能で
あり、複数の梁構造を並列あるいは2次元に配置した検
出器を作成することも可能である。
In the present invention, the detector structure is formed by etching. Therefore, compact integration is possible, and it is also possible to create a detector in which a plurality of beam structures are arranged in parallel or two-dimensionally.

【0056】なお、実施例1〜4では、表1に明示した
圧電材料を用いたが、本発明が他の圧電体薄膜材料につ
いても有効であることは明らかである。また、実施例1
および3では、成膜基板として(100)MgO単結晶
基板を、実施例2および4においては(100)Si単
結晶基板を用いたが、成膜基板材料がこれらに限定され
ないことは明らかである。
Although the piezoelectric materials specified in Table 1 were used in Examples 1 to 4, it is clear that the present invention is effective for other piezoelectric thin film materials. Example 1
In (3) and (3), a (100) MgO single-crystal substrate was used as a film-forming substrate, and in Examples 2 and 4, a (100) Si single-crystal substrate was used. However, it is clear that the material of the film-forming substrate is not limited to these. .

【0057】また、実施例1〜4では、インピーダンス
変換のための電界効果トランジスタおよび抵抗を、検出
器と同じキャップ内に配置した。しかし、電界効果トラ
ンジスタおよび抵抗を、封止用キャップの外に配置する
ことも、本発明において有効であることは明らかであ
る。さらに、圧電体検出部の容量によっては、電界効果
トランジスタを省くことも可能である。
In the first to fourth embodiments, the field effect transistor and the resistor for impedance conversion are arranged in the same cap as the detector. However, it is clear that arranging the field effect transistor and the resistor outside the sealing cap is also effective in the present invention. Further, the field effect transistor can be omitted depending on the capacitance of the piezoelectric detector.

【0058】[0058]

【発明の効果】以上のように本発明は、圧電体が薄膜材
料であるために微細加工が可能であり、微小かつ多様な
形状の検出器を容易に形成できる点や、検出器全体の小
型化を図れる点、検出器の集積化が可能となる点で有効
である。
As described above, according to the present invention, since the piezoelectric body is a thin film material, it is possible to perform fine processing, and it is possible to easily form a detector having minute and various shapes. This is effective in that it is possible to achieve integration and to enable integration of the detector.

【0059】また本発明では、振動板膜は成膜基板、あ
るいは圧電体薄膜上に直接作製された膜材料である。従
って、作製プロセスにおいて、振動板と圧電体薄膜の接
着工程が不要であり、接着工程による感度バラツキが低
減でき、信頼性向上の点で有効である。
In the present invention, the diaphragm film is a film material directly formed on a film-forming substrate or a piezoelectric thin film. Therefore, in the manufacturing process, a bonding step between the diaphragm and the piezoelectric thin film is not required, and the variation in sensitivity due to the bonding step can be reduced, which is effective in improving reliability.

【0060】さらに、大きな基板が得られない単結晶基
板材料においても、成膜基板を検出器基板に固定した後
に成膜する作製方法により、成膜基板の大面積化が可能
である。従って、素子の作製プロセスのスループットの
効率化の点で有効であり、検出器の低コスト化の点でも
有効である。
Further, even in the case of a single crystal substrate material from which a large substrate cannot be obtained, the area of the film formation substrate can be increased by a method of forming a film after fixing the film formation substrate to the detector substrate. Therefore, it is effective in increasing the throughput of the element manufacturing process, and is also effective in reducing the cost of the detector.

【0061】さらにまた、圧電体薄膜と電極膜と振動板
薄膜からのみ構成される梁構造の検出器は、梁構造のバ
ネ定数が小さく、高感度で微小な振動を検出できる点で
有効である。
Furthermore, a beam-structured detector composed only of a piezoelectric thin film, an electrode film, and a diaphragm thin film is effective in that the beam structure has a small spring constant and can detect minute vibrations with high sensitivity. .

【0062】また、圧電体薄膜は、その結晶構造の配向
性を制御することが可能であり、分極軸を成膜基板面に
対して垂直に配向させることが可能である。従って、効
果的に発生電荷を検出することが可能である。さらに、
スパッタリング法をはじめとする成膜方法により、分極
処理することなく、自発分極が一方向に揃った圧電体薄
膜を作成することが可能であり、分極処理を行う必要が
ない。従って、均一な圧電特性を持つ薄膜材料を作成で
きる点で有効である。
The orientation of the crystal structure of the piezoelectric thin film can be controlled, and the polarization axis can be oriented perpendicular to the surface of the film-forming substrate. Therefore, it is possible to detect the generated charges effectively. further,
By a film formation method such as a sputtering method, a piezoelectric thin film in which spontaneous polarization is aligned in one direction can be formed without performing polarization processing, and it is not necessary to perform polarization processing. Therefore, it is effective in that a thin film material having uniform piezoelectric characteristics can be prepared.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】(a)実施例1の圧電検出器の断面図 (b)実施例1の圧電検出器の検出部構造体の平面図FIG. 1A is a cross-sectional view of a piezoelectric detector according to a first embodiment. FIG. 1B is a plan view of a detection unit structure of the piezoelectric detector according to the first embodiment.

【図2】実施例1の圧電検出器の作製プロセスの断面図FIG. 2 is a cross-sectional view of a manufacturing process of the piezoelectric detector according to the first embodiment.

【図3】(a)実施例2の圧電検出器の断面図 (b)実施例2の圧電検出器の検出部構造体の平面図3A is a cross-sectional view of a piezoelectric detector according to a second embodiment. FIG. 3B is a plan view of a detection unit structure of the piezoelectric detector according to the second embodiment.

【図4】実施例2の圧電検出器の作製プロセスの断面図FIG. 4 is a cross-sectional view of a manufacturing process of the piezoelectric detector according to the second embodiment.

【図5】(a)実施例3の圧電検出器の断面図 (b)実施例3の圧電検出器の検出部構造体の平面図5A is a cross-sectional view of a piezoelectric detector according to a third embodiment. FIG. 5B is a plan view of a detection unit structure of the piezoelectric detector according to the third embodiment.

【図6】実施例3の圧電検出器の作製プロセスの断面図FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the piezoelectric detector according to the third embodiment.

【図7】(a)実施例4の圧電検出器の断面図 (b)実施例4の圧電検出器の検出部構造体の平面図7A is a cross-sectional view of a piezoelectric detector according to a fourth embodiment. FIG. 7B is a plan view of a detection unit structure of the piezoelectric detector according to the fourth embodiment.

【図8】実施例4の圧電検出器の作製プロセスの断面図FIG. 8 is a sectional view of a manufacturing process of the piezoelectric detector according to the fourth embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101 成膜基板 102 下部電極膜 103 圧電体薄膜 104 上部電極膜 105 検出器基板 106 凹型形状部 107 外部電極引き出しホール 108 検出器電極 109 ボンディングワイヤ 110 電界効果トランジスタ 111 抵抗 112 封止用キャップ 201 成膜基板 202 下部電極膜 203 圧電体薄膜 204 上部電極膜 205 検出器基板 206 凹型形状部 207 回路基板 208 電界効果トランジスタ 209 抵抗 210 ボンディングワイヤ 211 回路基板電極 212 ステム 213 封止用キャップ 301 成膜基板 302 検出器基板 303 下部電極膜 304 エッチングホール 305 圧電体薄膜 306 上部電極膜 307 振動板膜 308 凹型形状部 309 回路基板 310 電界効果トランジスタ 311 抵抗 312 ボンディングワイヤ 313 回路基板電極 314 ステム 315 封止用キャップ 401 成膜基板 402 下部電極膜 403 エッチングホール 404 圧電体薄膜 405 上部電極膜 406 振動板膜 407 凹型形状部 408 回路基板 409 電界効果トランジスタ 410 抵抗 411 ボンディングワイヤ 412 回路基板電極 413 ステム 414 封止用キャップ DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 Deposition substrate 102 Lower electrode film 103 Piezoelectric thin film 104 Upper electrode film 105 Detector substrate 106 Concave shape part 107 External electrode lead-out hole 108 Detector electrode 109 Bonding wire 110 Field effect transistor 111 Resistance 112 Sealing cap 201 Film formation Substrate 202 Lower electrode film 203 Piezoelectric thin film 204 Upper electrode film 205 Detector substrate 206 Concave shape portion 207 Circuit substrate 208 Field effect transistor 209 Resistance 210 Bonding wire 211 Circuit substrate electrode 212 Stem 213 Sealing cap 301 Deposition substrate 302 Detection Substrate substrate 303 lower electrode film 304 etching hole 305 piezoelectric thin film 306 upper electrode film 307 diaphragm film 308 concave shape part 309 circuit board 310 field effect transistor 311 resistor 3 2 Bonding wire 313 Circuit board electrode 314 Stem 315 Sealing cap 401 Deposition substrate 402 Lower electrode film 403 Etching hole 404 Piezoelectric thin film 405 Upper electrode film 406 Vibration plate film 407 Recessed shape part 408 Circuit board 409 Field effect transistor 410 Resistance 411 Bonding wire 412 Circuit board electrode 413 Stem 414 Sealing cap

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高山 良一 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 多鹿 博文 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 西原 和成 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing from the front page (72) Ryoichi Takayama 1006 Kazuma Kadoma, Kadoma City, Osaka Prefecture Inside Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (72) Inventor Kazunari Nishihara 1006 Kadoma, Kadoma City, Osaka Prefecture Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 凹型形状部を設けた検出器基板におい
て、前記凹型形状部上に、成膜基板、下部電極膜、圧電
体薄膜、及び上部電極膜を設け、前記成膜基板はその端
部が前記検出器基板に固定した片持ち梁、あるいは両端
を固定した両端固定梁を有することを特徴とする圧電検
出器。
In a detector substrate provided with a concave shape portion, a film forming substrate, a lower electrode film, a piezoelectric thin film, and an upper electrode film are provided on the concave shape portion, and the film forming substrate has an end portion. Has a cantilever beam fixed to the detector substrate or a beam fixed at both ends.
【請求項2】 成膜基板を貼り合わせた検出器基板にお
いて、前記成膜基板に設けた凹型形状部上に、下部電極
膜、圧電体薄膜、上部電極膜、および振動板膜を設け、
前記圧電体薄膜はその端部を成膜基板に固定した片持ち
梁、あるいは両端を固定した両端固定梁を有することを
特徴とする圧電検出器。
2. A detector substrate having a film-forming substrate attached thereto, wherein a lower electrode film, a piezoelectric thin film, an upper electrode film, and a diaphragm film are provided on the concave portion provided on the film-forming substrate;
A piezoelectric detector characterized in that the piezoelectric thin film has a cantilever whose end is fixed to a film-forming substrate or a fixed-end beam whose both ends are fixed.
【請求項3】 成膜基板に設けた凹型形状部上に、下部
電極膜、圧電体薄膜、上部電極膜、および振動板膜を設
け、前記圧電体薄膜はその端部を成膜基板に固定した片
持ち梁、あるいは両端を固定した両端固定梁を有するこ
とを特徴とする圧電検出器。
3. A lower electrode film, a piezoelectric thin film, an upper electrode film, and a diaphragm film are provided on a concave portion provided on a film forming substrate, and the piezoelectric thin film has its ends fixed to the film forming substrate. A piezoelectric detector comprising a cantilever beam fixed at both ends or both ends fixed at both ends.
【請求項4】 成膜基板上に下部電極膜を形成する工
程、前記下部電極膜上に圧電体薄膜を形成する工程、前
記圧電体薄膜上に上部電極膜を形成する工程、前記成膜
基板を切断する工程、前記切断した成膜基板を検出器基
板上に固定し検出器基板に設けた凹型形状部上に片持ち
梁あるいは両端固定梁を形成する工程、検出器基板を切
断し検出部構造体を作製する工程を有することを特徴と
する圧電検出器の製造方法。
4. A step of forming a lower electrode film on a deposition substrate, a step of forming a piezoelectric thin film on the lower electrode film, a step of forming an upper electrode film on the piezoelectric thin film, Cutting the film-forming substrate on a detector substrate, and forming a cantilever or both-end fixed beam on the concave-shaped portion provided on the detector substrate, cutting the detector substrate and detecting the detector A method for manufacturing a piezoelectric detector, comprising a step of manufacturing a structure.
【請求項5】 成膜基板上に下部電極膜を形成する工
程、前記下部電極膜上に圧電体薄膜を形成する工程、前
記圧電体薄膜上に上部電極膜を形成する工程、前記成膜
基板を検出器基板上に固定し、検出器基板に設けた凹型
形状部上に圧電体薄膜を配置させる工程、前記成膜基板
および検出器基板を切断し検出部構造体を作製する工程
を有することを特徴とする圧電検出器の製造方法。
5. A step of forming a lower electrode film on a deposition substrate, a step of forming a piezoelectric thin film on the lower electrode film, a step of forming an upper electrode film on the piezoelectric thin film, Fixing on the detector substrate, disposing the piezoelectric thin film on the concave-shaped portion provided on the detector substrate, and cutting the film-forming substrate and the detector substrate to produce a detector structure. The manufacturing method of the piezoelectric detector characterized by the above-mentioned.
【請求項6】 検出器基板上に成膜基板を貼り合わせる
工程、前記検出器基板に貼り合わせた成膜基板上に下部
電極膜を形成する工程、前記下部電極膜上に圧電体薄膜
を形成する工程、前記圧電体薄膜上に上部電極膜を形成
する工程、前記上部電極膜上に振動板膜を形成する工
程、圧電体薄膜を形成した表側から前記下部電極膜に設
けたエッチングホールを介して圧電体薄膜の下に位置す
る成膜基板部分ををエッチング除去し凹型形状部を形成
する工程、成膜基板および検出器基板を切断して検出部
構造体を作製する工程を有することを特徴とする圧電検
出器の製造方法。
6. A step of bonding a film forming substrate on a detector substrate, a step of forming a lower electrode film on the film forming substrate bonded to the detector substrate, and forming a piezoelectric thin film on the lower electrode film. Forming the upper electrode film on the piezoelectric thin film, forming the diaphragm film on the upper electrode film, and etching the lower electrode film from the front side where the piezoelectric thin film is formed. Forming a concave portion by etching away a film-forming substrate portion located below the piezoelectric thin film, and cutting a film-forming substrate and a detector substrate to form a detection unit structure. Manufacturing method of a piezoelectric detector.
【請求項7】 成膜基板上に下部電極膜を形成する工
程、前記下部電極膜上に圧電体薄膜を形成する工程、前
記圧電体薄膜上に上部電極膜を形成する工程、前記上部
電極膜上に振動板膜を形成する工程、圧電体薄膜を形成
した表側から前記下部電極膜に設けたエッチングホール
を介して圧電体薄膜の下に位置する成膜基板部分ををエ
ッチング除去し凹型形状部を形成する工程、成膜基板を
切断して検出部構造体を作製する工程を有することを特
徴とする圧電検出器の製造方法。
7. A step of forming a lower electrode film on a deposition substrate, a step of forming a piezoelectric thin film on the lower electrode film, a step of forming an upper electrode film on the piezoelectric thin film, A step of forming a diaphragm film thereon, and removing a film-forming substrate portion located under the piezoelectric thin film from the front side on which the piezoelectric thin film is formed through an etching hole provided in the lower electrode film by etching to form a concave shape portion. A method of manufacturing a piezoelectric detector, comprising the steps of: forming a substrate; and cutting a film-forming substrate to produce a detection unit structure.
【請求項8】 圧電体薄膜の分極軸が、成膜基板面に対
して垂直に配向していることを特徴とする請求項1、2
または3に記載の圧電検出器。
8. The method according to claim 1, wherein the polarization axis of the piezoelectric thin film is oriented perpendicular to the surface of the film-forming substrate.
Or the piezoelectric detector according to 3.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010014406A (en) * 2008-06-30 2010-01-21 Toshiba Corp Inertial sensor and inertial detector
JP2011250520A (en) * 2010-05-24 2011-12-08 Hayami Kohei Multistage power generation unit
CN114043957A (en) * 2021-11-29 2022-02-15 西安交通大学 Sensing device based on PZT thin film, preparation method and automobile safety airbag system

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JP2011250520A (en) * 2010-05-24 2011-12-08 Hayami Kohei Multistage power generation unit
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