JPS6382100A - 圧電素子およびその製造方法 - Google Patents
圧電素子およびその製造方法Info
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- JPS6382100A JPS6382100A JP61225935A JP22593586A JPS6382100A JP S6382100 A JPS6382100 A JP S6382100A JP 61225935 A JP61225935 A JP 61225935A JP 22593586 A JP22593586 A JP 22593586A JP S6382100 A JPS6382100 A JP S6382100A
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Classifications
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- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
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-
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、圧電素子およびその製造方法に関し、特に圧
電性の浸れたチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）薄膜を用いた
複合共振子およびその製造方法に関するものである。
電性の浸れたチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）薄膜を用いた
複合共振子およびその製造方法に関するものである。
従来、超音波を送受する圧電材料としては電気機械結合
係数ｋｔが０．５以上のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ
）、ｆ ’３７ ｍ鉛（Ｐ ｂ’ｒ ｔｏ ３） （７
） セラばツクが数百Ｋ Ｈｚ〜十Ｍ Ｈｚの超音波用
として使用されている。一方、百ＭＨｚ以上の超高周波
用としては、電気機械結合係数ｋｔは０．３以下で小さ
いが薄膜化しやすい酸化亜鉛（Ｚｏｏ）、硫化カドばラ
ム（ＣｄＳ）などが使用されている。
係数ｋｔが０．５以上のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ
）、ｆ ’３７ ｍ鉛（Ｐ ｂ’ｒ ｔｏ ３） （７
） セラばツクが数百Ｋ Ｈｚ〜十Ｍ Ｈｚの超音波用
として使用されている。一方、百ＭＨｚ以上の超高周波
用としては、電気機械結合係数ｋｔは０．３以下で小さ
いが薄膜化しやすい酸化亜鉛（Ｚｏｏ）、硫化カドばラ
ム（ＣｄＳ）などが使用されている。
圧電体の厚みで共振する周波数に対して最も感度が高く
なるため、目的に応じて対応する厚みに加工して使用さ
れているものである。
なるため、目的に応じて対応する厚みに加工して使用さ
れているものである。
上記圧電体単体で使用する場合には、セラミクスに関し
ては研磨の加工限界（〜１００μｍ）が有り、薄膜プロ
セスでは良質の数十μｍの膜を形成するのが難しいとい
う問題がある。そこで薄膜と基板との複合共振を利用し
た共振器も考えられている。この種の共振器としては例
えば１９８０アイ・イー・イー・イー、ウルトラソニッ
ク シンポジウム プロシーディングズ、第８３４頁か
ら第８３７頁（１９８０Ｉ ＥＥＥ Ｕｌｔｒａｓｏ
ｎ−ｉｃｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎ
ｇｓ、 ｐ ８３４−８３７）において論じられてい
る酸化亜鉛（ＺｎＯ）薄膜とシリコン（８ｉ）の複合共
振子がある。
ては研磨の加工限界（〜１００μｍ）が有り、薄膜プロ
セスでは良質の数十μｍの膜を形成するのが難しいとい
う問題がある。そこで薄膜と基板との複合共振を利用し
た共振器も考えられている。この種の共振器としては例
えば１９８０アイ・イー・イー・イー、ウルトラソニッ
ク シンポジウム プロシーディングズ、第８３４頁か
ら第８３７頁（１９８０Ｉ ＥＥＥ Ｕｌｔｒａｓｏ
ｎ−ｉｃｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎ
ｇｓ、 ｐ ８３４−８３７）において論じられてい
る酸化亜鉛（ＺｎＯ）薄膜とシリコン（８ｉ）の複合共
振子がある。
複合共振を用いた超音波上ンサにおいては、実効的な電
気機械結合係数ｋｅｆｆは薄膜と基板との厚さに依存す
るが、薄膜自身のｋｔよりも低下する。これまで薄膜圧
電体としてはｋｔ７５１Ｑ、２〜０．３の酸化亜鉛（Ｚ
ｏＯ）が主流であり、複合共振子を形成するとさらに感
度が低下するためＷ＆度の点で問題があった。
気機械結合係数ｋｅｆｆは薄膜と基板との厚さに依存す
るが、薄膜自身のｋｔよりも低下する。これまで薄膜圧
電体としてはｋｔ７５１Ｑ、２〜０．３の酸化亜鉛（Ｚ
ｏＯ）が主流であり、複合共振子を形成するとさらに感
度が低下するためＷ＆度の点で問題があった。
本発明の目的は実効的感度も比較的高く、シかも１０〜
１００ＭＨｚの超音波を送受する圧電素子を提供するこ
とにある。
１００ＭＨｚの超音波を送受する圧電素子を提供するこ
とにある。
上記目的は、圧電性の非常に大きい軸配向チタン酸鉛（
ｐｂ’ｒｉｏ３）膜を比較的薄い基板上に形成すること
により達成される。
ｐｂ’ｒｉｏ３）膜を比較的薄い基板上に形成すること
により達成される。
チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ１）は強誘電相（正方晶系）に
おいて大きな結晶格子異方性と自発分極を有することが
知られている。また、チタン亜鉛の微細な単結晶を用い
た実験において、Ｃ軸方向の電気機械結合係数が０．７
０を越えると報告されている。
おいて大きな結晶格子異方性と自発分極を有することが
知られている。また、チタン亜鉛の微細な単結晶を用い
た実験において、Ｃ軸方向の電気機械結合係数が０．７
０を越えると報告されている。
しかし、チタン酸鉛セラミクスにおいては、結晶軸がラ
ンダムな方向を向いた結晶粒の集まりとなってしまい、
Ｃ軸方向の圧電性が大きいきいうチタン酸鉛（ＰｂＴｉ
Ｏ３）の特性を充分活かせない０ 薄膜として形成する場合には、基板を選択することによ
り配向膜の形成が可能である。本発明になる圧電素子は
、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）と格子定数音響インピー
ダンスの近いチよン酸ストロンチウム（８ｒＴｉ０３
）ｓ 酸化マグネシウム（ＭｇＯ）上に開口部を設けた
電極を形成し、その上にタチン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）薄
膜を形成しているため、チタン酸鉛（ｐｂ’ｒｉｏ３）
薄膜はＣ軸配向膜となり圧電性が非常に高い。
ンダムな方向を向いた結晶粒の集まりとなってしまい、
Ｃ軸方向の圧電性が大きいきいうチタン酸鉛（ＰｂＴｉ
Ｏ３）の特性を充分活かせない０ 薄膜として形成する場合には、基板を選択することによ
り配向膜の形成が可能である。本発明になる圧電素子は
、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）と格子定数音響インピー
ダンスの近いチよン酸ストロンチウム（８ｒＴｉ０３
）ｓ 酸化マグネシウム（ＭｇＯ）上に開口部を設けた
電極を形成し、その上にタチン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）薄
膜を形成しているため、チタン酸鉛（ｐｂ’ｒｉｏ３）
薄膜はＣ軸配向膜となり圧電性が非常に高い。
それによって、複合共振子としても実効的な結合係数の
高いものを提供することができる。
高いものを提供することができる。
以下、本発明の実施例を第１図により説明する。
第１図（ａ） 、 （ｂ）は、本発明の第一の実施例を
示す圧電素子の平面図および断面図である。図中１はチ
タン酸ストロンチウム（８ｒＴ＋０３）等よりなる単結
晶基板、２は下部電極、３は開口部、４はチタン酸鉛を
主成分とする薄膜、５は上部電極を示している。
示す圧電素子の平面図および断面図である。図中１はチ
タン酸ストロンチウム（８ｒＴ＋０３）等よりなる単結
晶基板、２は下部電極、３は開口部、４はチタン酸鉛を
主成分とする薄膜、５は上部電極を示している。
両端面を光学研磨したチタン酸ストロンチウム単結晶（
１００）板（３ｍｍφＸ０．１ｍｍｊ）１の片端面に、
ホトリソグラフィ技術を用いて１μｍ幅のライン、１μ
ｍ幅のスペースのレジストパターンを形成する。レジス
トをマスクとしてイオンミリングにより深さ１００ ｎ
ｍのグレーティング２を形成する。さらに蒸着法により
白金（Ｐｔ）膜３を蒸着した後レジストを除去するこき
により、グレーティングを埋める様な電極が形成される
。
１００）板（３ｍｍφＸ０．１ｍｍｊ）１の片端面に、
ホトリソグラフィ技術を用いて１μｍ幅のライン、１μ
ｍ幅のスペースのレジストパターンを形成する。レジス
トをマスクとしてイオンミリングにより深さ１００ ｎ
ｍのグレーティング２を形成する。さらに蒸着法により
白金（Ｐｔ）膜３を蒸着した後レジストを除去するこき
により、グレーティングを埋める様な電極が形成される
。
続いて、白金電極膜パターン３上に圧電体としてチタン
酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）薄膜４を高周波マグネトロンスパ
ッタリングによって形成する。スパッタリング条件は基
板温度が６００°ＣでＡｒ−０２ガス（９０％−１０％
）の圧力が３Ｐａで、形成された膜厚が約２０μｍであ
る。Ｘ線回折の結果、（００ｊ）の強いピークが現われ
、Ｃ軸配向膜となついいる。（ただし、上記１は１，２
．３である。） 続いて、チタン酸鉛薄＠４上に上部電極としてクロム（
Ｃｒ）と金（Ａｕ）を蒸着する。その後、試料の温度を
１５０″Ｃに保ちながら両電極間に１００ ｋＶ／ Ｃ
ｍ の直流電圧を１０分間印加し、分極処理を行う。
酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）薄膜４を高周波マグネトロンスパ
ッタリングによって形成する。スパッタリング条件は基
板温度が６００°ＣでＡｒ−０２ガス（９０％−１０％
）の圧力が３Ｐａで、形成された膜厚が約２０μｍであ
る。Ｘ線回折の結果、（００ｊ）の強いピークが現われ
、Ｃ軸配向膜となついいる。（ただし、上記１は１，２
．３である。） 続いて、チタン酸鉛薄＠４上に上部電極としてクロム（
Ｃｒ）と金（Ａｕ）を蒸着する。その後、試料の温度を
１５０″Ｃに保ちながら両電極間に１００ ｋＶ／ Ｃ
ｍ の直流電圧を１０分間印加し、分極処理を行う。
上記の方法で作製した圧電素子の電気的インピーダンス
をインピーダンスメ−４ＨＰ４１９１Ａにより測定する
。インピーダンスの周波数特性は、周期的１７ＭＨｚの
共振−反共振特性を示す。この周波数特性からＰｂＴｉ
Ｏ３薄膜の電気機械結合係数を計算する。＆ ０．７と
いう値が得られた。この値はセラミクスに対する値（０
，５０）を上回っており、チタン酸鉛をＣ軸配向させた
ことの効果が現われている。
をインピーダンスメ−４ＨＰ４１９１Ａにより測定する
。インピーダンスの周波数特性は、周期的１７ＭＨｚの
共振−反共振特性を示す。この周波数特性からＰｂＴｉ
Ｏ３薄膜の電気機械結合係数を計算する。＆ ０．７と
いう値が得られた。この値はセラミクスに対する値（０
，５０）を上回っており、チタン酸鉛をＣ軸配向させた
ことの効果が現われている。
複合共振子としての実効的な結合係数を１〜４次のモー
ドについて測定した結果を図２に示した。
ドについて測定した結果を図２に示した。
２次のモードではｋｅｆｆが０．４を越えぞおり、実用
的な感度を有している。
的な感度を有している。
上記実施例では単結晶基板としてチタン酸ストロンチウ
ムを用いたが、この他のチタン酸鉛をエピタキシャル成
長させることが可能な酸化マグネシウム（Ｍｇ Ｏ）等
の単結晶基板を用いてもよい。
ムを用いたが、この他のチタン酸鉛をエピタキシャル成
長させることが可能な酸化マグネシウム（Ｍｇ Ｏ）等
の単結晶基板を用いてもよい。
また電極材としては、６００℃程度の温度に耐える金属
、例えばパラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロ
ジウム（Ｒｈ）、４７グステン（Ｗ）などを用いても良
い。
、例えばパラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロ
ジウム（Ｒｈ）、４７グステン（Ｗ）などを用いても良
い。
第３図は、上述と同様の方法で製作したアレー変換器の
平面図および断面図である。
平面図および断面図である。
第３図において、１１はチタン酸ストロンチウムの基板
、１２はグレーティング、１３は白金電極膜、１４はチ
タン酸鉛薄膜、１５は上部電極、１６はバッキング材で
ある。
、１２はグレーティング、１３は白金電極膜、１４はチ
タン酸鉛薄膜、１５は上部電極、１６はバッキング材で
ある。
アレー変換器を製作する場合には、上述と同様の方法で
グレーティング１２を形成する。次にグレーティング内
に白金電極膜１３を蒸着してレジストを除去することに
より、白金電極膜の埋め込まれた基板が形成される。こ
の基板上にチタン酸鉛薄膜１４を形成するとＣ軸配向膜
となる。さらに上部電極１５を蒸着し、バッキング材に
接着した後１つのエレメントに対応する部分を残したメ
タルマスクを用いて、戻応性イオンエツチングにより上
部電極、チタン酸鉛薄膜、チタン酸ストロンチウム基板
を順次エツチングする。上記のプロセスにより、各エレ
メントを独立に動作させることのできるアレー変換器が
得られる。
グレーティング１２を形成する。次にグレーティング内
に白金電極膜１３を蒸着してレジストを除去することに
より、白金電極膜の埋め込まれた基板が形成される。こ
の基板上にチタン酸鉛薄膜１４を形成するとＣ軸配向膜
となる。さらに上部電極１５を蒸着し、バッキング材に
接着した後１つのエレメントに対応する部分を残したメ
タルマスクを用いて、戻応性イオンエツチングにより上
部電極、チタン酸鉛薄膜、チタン酸ストロンチウム基板
を順次エツチングする。上記のプロセスにより、各エレ
メントを独立に動作させることのできるアレー変換器が
得られる。
また、上記の方法に従って最終段階のエツチング時のマ
スクパターンを変えることにより、第４図に示した２次
元アレイも形成するこ吉もできる。
スクパターンを変えることにより、第４図に示した２次
元アレイも形成するこ吉もできる。
以上説明したように、本発明によれば、チタン酸ストロ
ンチウム等の単結晶基板上にグレーティングを形成して
その内部に白金電極を形成し、単結晶基板上から成長す
るチタン酸鉛単結晶を電極上へもＯｖｅｒｇｒｏｗｔｈ
させることにより、圧電性の優れたチタン酸鉛薄膜を電
極上に形成することができる。したがって、薄膜と基板
とを組合わせた複合共振を利用しても高い変換効率を有
する素子が形成可能である。この複合共振を用いれば、
セラミクス、薄膜単体では作成しにくい数＋ＭＨｚ帯用
の圧電センサも形成可能となる。
ンチウム等の単結晶基板上にグレーティングを形成して
その内部に白金電極を形成し、単結晶基板上から成長す
るチタン酸鉛単結晶を電極上へもＯｖｅｒｇｒｏｗｔｈ
させることにより、圧電性の優れたチタン酸鉛薄膜を電
極上に形成することができる。したがって、薄膜と基板
とを組合わせた複合共振を利用しても高い変換効率を有
する素子が形成可能である。この複合共振を用いれば、
セラミクス、薄膜単体では作成しにくい数＋ＭＨｚ帯用
の圧電センサも形成可能となる。
第１図（ａ） 、 （ｂ）は、本発明の実施例を示す圧
電素子の外観および断面図、第２図は複合共振の実効的
な電気機械結合係数ｋｅｆｆの周波数依存性を示す図１
．ｉｇ３図は本発明の実施例になるアレー変換器の平面
図および断面図、第４図は２次元アレー変換器の外観図
である。 １．１１．２１・・・基板、２，１２．２２・・・グレ
ーティング、３，１３．２３・・・白金（Ｐｔ）電極膜
、４，１４．２４・・・チタン酸鉛を主成分とする薄膜
、５，１５．２５・・・上部電極、１６．２＋５・・・
バッキング材 隼 ７ 図 （ＯＬ） （１
）ン茶２ 圓 λ１ ３皮 （ら七 （ＭＨｚ〕 多 ４ 口
電素子の外観および断面図、第２図は複合共振の実効的
な電気機械結合係数ｋｅｆｆの周波数依存性を示す図１
．ｉｇ３図は本発明の実施例になるアレー変換器の平面
図および断面図、第４図は２次元アレー変換器の外観図
である。 １．１１．２１・・・基板、２，１２．２２・・・グレ
ーティング、３，１３．２３・・・白金（Ｐｔ）電極膜
、４，１４．２４・・・チタン酸鉛を主成分とする薄膜
、５，１５．２５・・・上部電極、１６．２＋５・・・
バッキング材 隼 ７ 図 （ＯＬ） （１
）ン茶２ 圓 λ１ ３皮 （ら七 （ＭＨｚ〕 多 ４ 口
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ＿３）または
酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板上に開口部を設けた電
極膜パターンが形成され、このパターン電極上にペロブ
スカイト型の結晶構造を有する圧電薄膜が形成され、さ
らに上部電極が形成されている圧電素子で、薄膜と基板
との複合共振を用いることを特徴とする圧電素子。 ２、前記電極膜パターンに白金（Ｐｔ）を用いることを
特徴とする特許請求の範囲第１項記載の圧電素子。 ３、前記圧電薄膜の主成分がチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ＿
３）であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
の圧電素子。 ４、基板表面上の電極膜パターンが、基板面内に埋め込
んで形成されていることを特徴とする特許請求の範囲第
１項記載の圧電素子。 ５、基板上に開口部を有する下部電極膜パターンを形成
し、該電極膜パターンの形成された基板上に圧電体の薄
膜を高周波スパッタリング法によって形成することを特
徴とする圧電素子の製造方法。 ６、前記圧電体の薄膜は、高周波スパッタリング法によ
つて形成した後、熱処理することを特徴とする特許請求
の範囲第５項記載の圧電素子の製造方法。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61225935A JPS6382100A (ja) | 1986-09-26 | 1986-09-26 | 圧電素子およびその製造方法 |
| US07/086,488 US4803392A (en) | 1986-09-26 | 1987-08-18 | Piezoelectric transducer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61225935A JPS6382100A (ja) | 1986-09-26 | 1986-09-26 | 圧電素子およびその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6382100A true JPS6382100A (ja) | 1988-04-12 |
Family
ID=16837200
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61225935A Pending JPS6382100A (ja) | 1986-09-26 | 1986-09-26 | 圧電素子およびその製造方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4803392A (ja) |
| JP (1) | JPS6382100A (ja) |
Families Citing this family (20)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| DE4000362C2 (de) * | 1990-01-09 | 1993-11-11 | Wolf Gmbh Richard | Ultraschallwandler mit piezoelektrischen Wandlerelementen |
| JP3216683B2 (ja) * | 1993-10-08 | 2001-10-09 | 宇部興産株式会社 | セラミックス複合材料 |
| US5866238A (en) * | 1994-05-05 | 1999-02-02 | Minolta Co., Ltd. | Ferroelectric thin film device and its process |
| US5759753A (en) * | 1995-07-19 | 1998-06-02 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Piezoelectric device and method of manufacturing the same |
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| US7293411B2 (en) * | 2004-12-20 | 2007-11-13 | Palo Alto Research Center Incorporated | Energy scavengers which adjust their frequency by altering liquid distributions on a beam |
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| WO2012141682A1 (en) | 2011-04-11 | 2012-10-18 | Halliburton Energy Services, Inc. | Piezoelectric element and method to remove extraneous vibration modes |
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| US9766328B2 (en) | 2014-07-15 | 2017-09-19 | Garmin Switzerland Gmbh | Sonar transducer array assembly and methods of manufacture thereof |
| US9812118B2 (en) | 2014-07-15 | 2017-11-07 | Garmin Switzerland Gmbh | Marine multibeam sonar device |
| US9784826B2 (en) | 2014-07-15 | 2017-10-10 | Garmin Switzerland Gmbh | Marine multibeam sonar device |
| US10514451B2 (en) | 2014-07-15 | 2019-12-24 | Garmin Switzerland Gmbh | Marine sonar display device with three-dimensional views |
| US9784825B2 (en) | 2014-07-15 | 2017-10-10 | Garmin Switzerland Gmbh | Marine sonar display device with cursor plane |
| US10605913B2 (en) | 2015-10-29 | 2020-03-31 | Garmin Switzerland Gmbh | Sonar noise interference rejection |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3688222A (en) * | 1971-03-18 | 1972-08-29 | Us Army | Matched ultrasonic delay line with solderable transducer electrodes |
| US4117074A (en) * | 1976-08-30 | 1978-09-26 | Tiersten Harry F | Monolithic mosaic piezoelectric transducer utilizing trapped energy modes |
| JPS5941602B2 (ja) * | 1978-04-18 | 1984-10-08 | 松下電器産業株式会社 | 表面弾性波素子 |
| US4511816A (en) * | 1982-03-11 | 1985-04-16 | Nobuo Mikoshiba | Surface acoustic wave device using an elastic substrate and an aluminum nitride piezoelectric film |
| JPS59231911A (ja) * | 1983-06-14 | 1984-12-26 | Clarion Co Ltd | 表面弾性波素子 |
| US4484098A (en) * | 1983-12-19 | 1984-11-20 | United Technologies Corporation | Environmentally stable lithium niobate acoustic wave devices |
-
1986
- 1986-09-26 JP JP61225935A patent/JPS6382100A/ja active Pending
-
1987
- 1987-08-18 US US07/086,488 patent/US4803392A/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US4803392A (en) | 1989-02-07 |
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