KR20220043126A - 압전 소자 - Google Patents

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KR20220043126A
KR20220043126A KR1020227003680A KR20227003680A KR20220043126A KR 20220043126 A KR20220043126 A KR 20220043126A KR 1020227003680 A KR1020227003680 A KR 1020227003680A KR 20227003680 A KR20227003680 A KR 20227003680A KR 20220043126 A KR20220043126 A KR 20220043126A
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히로유키 구치지
나오키 마스모토
히데오 야마다
아키히코 데시가하라
아츠시 미즈타니
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니신보 마이크로 디바이즈 인크.
가부시키가이샤 덴소
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Abstract

압전 소자(10)는, 압전막(14)과, 압전막(14)이 두께 방향 Z로 개재되는 전극(16)을 갖는 압전 소자부(12)와, 압전 소자부(12)의 주연부 E1을 지지하는 지지부(18)와, 신축막(22)을 구비한다. 신축막(22)은, 압전 소자부(12)의 주연부 E1의 내측의 진동 영역 E2에 마련되어 있다. 또한, 신축막(22)은, 압전 소자부(12)보다 신축성이 높다.

Description

압전 소자
본 발명의 실시 형태는, 압전 소자에 관한 것이다.
전극막 사이에 끼여 지지된 압전막의 변형을, 전압 변화로서 도출하는 압전 소자가 알려져 있다. 또한, 주연부가 지지 기판 등에 의해 고정된 압전막의 잔류 응력을 억제하기 위해, 압전막에 슬릿을 형성한 구성이 개시되어 있다.
그러나, 종래 기술에서는, SN비가 저하되는 경우가 있었다.
일본 특허 제5707323호 공보
본 발명은, 상기를 감안하여 이루어진 것이며, SN비의 저하를 억제할 수 있는, 압전 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
실시 형태의 압전 소자는, 압전 소자부와, 지지부와, 신축막을 구비한다. 압전 소자부는, 압전막과, 상기 압전막이 두께 방향으로 개재되는 전극을 갖는다. 지지부는, 상기 압전 소자부의 주연부를 지지한다. 신축막은, 상기 압전 소자부의 상기 주연부의 내측의 진동 영역에 마련되며, 상기 압전 소자부보다 신축성이 높다.
본 발명에 따르면, SN비의 저하를 억제할 수 있다.
도 1a는 압전 소자의 상면도이다.
도 1b는 압전 소자의 단면도이다.
도 1c는 압전 소자의 일례를 도시하는 모식도이다.
도 1d는 압전 소자의 일례를 도시하는 모식도이다.
도 1e는 압전 소자의 일례를 도시하는 모식도이다.
도 1f는 압전 소자의 일례를 도시하는 모식도이다.
도 1g는 압전 소자의 일례를 도시하는 모식도이다.
도 1h는 압전 소자의 상면도이다.
도 1i는 압전 소자의 단면도이다.
도 1j는 진동 영역의 직경에 대한 관통 구멍의 개구 직경의 비와 압전 소자부의 수신 감도 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 2a는 압전 소자의 상면도이다.
도 2b는 압전 소자의 단면도이다.
도 2c는 압전 소자의 상면도이다.
도 3a는 압전 소자의 상면도이다.
도 3b는 압전 소자의 단면도이다.
도 4는 압전 소자의 상면도이다.
이하에 첨부 도면을 참조하여, 본 실시 형태의 상세를 설명한다. 또한, 이하의 실시 형태 및 변형예에 있어서, 동일한 구성 및 기능을 나타내는 부분에는, 동일한 부호를 붙이고, 상세한 설명을 생략하는 경우가 있다.
(제1 실시 형태)
도 1a는 본 실시 형태의 압전 소자(10)의 상면도의 일례이다. 도 1b는 도 1a에 도시한 압전 소자(10)의, A-A' 단면도이다.
압전 소자(10)는, 압전 소자부(12)와, 지지부(18)와, 신축막(22)을 구비한다.
압전 소자부(12)는, 압전막(14)과, 압전막(14)이 두께 방향(화살표 Z 방향)으로 개재되는 전극(16)을 갖는다.
압전막(14)은, 전기 기계 변환 효과를 나타내는 막이다. 압전막(14)은, 공지의 압전 재료로 구성된다. 전극(16)은, 압전막(14)이, 해당 압전막(14)의 두께 방향(화살표 Z 방향)으로 개재되도록 배치되어 있다.
또한, 이하에서는, 압전막(14)의 두께 방향을, 두께 방향 Z로 칭하여 설명하는 경우가 있다. 즉, 두께 방향 Z는, 압전막(14)의 두께 방향에 일치하는 방향이다. 또한, 두께 방향 Z에 직교하는 방향을, X 방향 및 Y 방향이라 칭하여 설명한다. 또한, 두께 방향 Z에 직교하는 이차원 평면(XY 평면)을 두께 방향 Z의 교차 방향이라 칭하여 설명한다.
압전 소자부(12)는, 복수의 압전막(14)을 두께 방향 Z로 적층한 적층체여도 된다. 이 경우, 도 1b에 도시한 바와 같이, 적층체를 구성하는 압전막(14)의 각각이, 전극(16)에 의해 두께 방향 Z로 개재된 구성으로 하면 된다. 즉, 압전 소자부(12)는, 바이모르프 구조여도 된다.
지지부(18)는, 압전 소자부(12)의 주연부 E1을 지지한다. 지지부(18)는, 예를 들어 판 형상의 지지 기판에, 해당 지지 기판을 두께 방향 Z로 관통하는 공공(19)을 형성함으로써 제작된다. 지지부(18)의 두께 방향 Z의 단부면이 압전 소자부(12)의 주연부 E1에 접촉 배치됨으로써, 지지부(18)는 압전 소자부(12)의 주연부 E1을 지지한다.
주연부 E1이 지지부(18)에 의해 지지됨으로써, 압전 소자부(12)에 있어서의 주연부 E1의 내측의 진동 영역 E2가, 진동 가능한 영역이 된다. 주연부 E1의 내측의 진동 영역 E2란, 압전 소자부(12)의 두께 방향 Z에 교차하는 교차 방향을 따른 이차원 평면에 있어서의, 주연부 E1의 내측의 영역이다. 바꾸어 말하면, 진동 영역 E2는, 압전 소자부(12)를 두께 방향 Z를 따른 방향으로부터 시인한 평면에서 보아, 공공(19)에 겹치는 영역이다. 이 때문에, 진동 영역 E2는, 압전 소자부(12)에 있어서의, 지지부(18)에 저해되지 않고 진동 가능하다.
한편, 압전 소자부(12)의 주연부 E1은, 지지부(18)에 의해 진동 불가능하게 고정된 영역이다. 또한, 이하에서는, 압전 소자(10)를 압전 소자부(12)의 두께 방향 Z를 따른 방향으로부터 시인한 평면에서 본 것을, 간단히, 평면에서 보아라고 칭하여 설명한다.
본 실시 형태에서는, 압전 소자부(12)의 진동 영역 E2는, 평면에서 보아 원 형상인 경우를 일례로서 설명한다. 즉, 본 실시 형태에서는, 지지부(18)는, 평면에서 보아 원 형상의 공공(19)을 갖는, 원형의 프레임상 부재인 경우를 일례로서 설명한다. 이 때문에, 본 실시 형태에서는, 압전 소자부(12)의 주연부 E1은, 평면에서 보아 원형의 프레임상의 영역인 경우를 일례로서 설명한다. 이 때문에, 본 실시 형태에서는, 압전 소자부(12)의 진동 영역 E2는, 평면에서 보아 원 형상의 영역인 경우를, 일례로서 설명한다.
본 실시 형태에서는, 압전 소자부(12)에는, 슬릿(20)이 마련되어 있다.
슬릿(20)은, 압전 소자부(12)에 있어서의 진동 영역 E2에 마련되어 있다. 슬릿(20)은, 압전 소자부(12)의 진동 영역 E2를 두께 방향 Z로 관통한다.
도 1a에 도시한 바와 같이, 예를 들어 슬릿(20)은, 평면에서 보아 원 형상의 진동 영역 E2의, 원의 중앙 C를 지나고 또한 원주 상의 2점을 연결하는 직선을 따라서 형성되어 있다.
또한, 슬릿(20)은, 압전 소자부(12)의 적어도 진동 영역 E2에 형성된 관통 구멍이면 되고, 슬릿(20)의 위치, 형상, 형성 범위, 및 수는 한정되지는 않는다.
또한, 슬릿(20)의 연신 방향은 한정되지는 않는다. 예를 들어, 슬릿(20)은, 압전 소자부(12)의 주연부 E1로부터 진동 영역 E2를 향하는 방향으로 연신되어 있어도 된다. 또한, 슬릿(20)은, 압전 소자부(12)의 진동 영역 E2에 있어서의, 주연부 E1과의 경계로부터 진동 영역 E2의 중앙 C를 향하여 연신되어 있는 것이 바람직하다.
예를 들어, 도 1a에 도시한 바와 같이, 슬릿(20)은, 복수의 제1 슬릿(20A)과, 관통 구멍(20B)으로 구성해도 된다.
제1 슬릿(20A)은, 압전 소자부(12)의 주연부 E1과 진동 영역 E2의 경계에, 해당 주연부 E1의 둘레 방향(화살표 R 참조)을 따라서 등간격으로 배치된 제1 점 P1로부터 중앙 C를 향하여 연신된 슬릿(20)이다. 주연부 E1의 둘레 방향이란, 평면에서 보아 주연부 E1의 연신 방향을 따른 방향이다(화살표 R 참조). 중앙 C란, 압전 소자부(12)의 진동 영역 E2에 있어서의, 두께 방향 Z에 교차하는 교차 방향(XY 방향)의 중앙이다. 또한, 둘레 방향으로 인접하는 제1 점 P1 간의 거리는, 등간격이어도 되고, 달라도 된다. 단, 제1 점 P1 간의 거리는, 등간격인 것이 바람직하다.
본 실시 형태에서는, 제1 슬릿(20A)의 폭 L은, 제1 슬릿(20A)의 연신 방향(화살표 W 방향 참조)을 따라서 일정한 경우를 일례로서 설명한다. 제1 슬릿(20A)의 폭 L이란, 제1 슬릿(20A)에 있어서의, 평면에서 보아 연신 방향(화살표 W 방향)에 직교하는 방향의 거리를 나타낸다. 바꾸어 말하면, 제1 슬릿(20A)의 폭 L이란, 제1 슬릿(20A)을 통해 인접하는, 제1 슬릿(20A)에 의해 분단된 진동 영역 E2의 측면끼리의 사이의 간극의 길이이다. 이하, 제1 슬릿(20A)의 연신 방향을, 연신 방향 W라 칭하여 설명하는 경우가 있다.
관통 구멍(20B)은, 압전 소자부(12)의 진동 영역 E2의 중앙 C에 마련되며, 주연부 E1로부터 중앙 C를 향하여 연신된 복수의 제1 슬릿(20A)의 각각에 연속한다.
다음에, 신축막(22)에 대하여 설명한다.
신축막(22)은, 신축성을 갖는 막이다. 신축막(22)이 신축성을 갖는다란, 신축막(22)의 신축성이, 압전 소자부(12)의 신축성보다 높은 것을 의미한다. 바꾸어 말하면, 신축막(22)이 신축성을 갖는다란, 압전 소자부(12)보다 영률이 낮거나, 또는, 압전 소자부(12)보다 휘기 쉬운 것을 의미한다.
신축막(22)은, 압전 소자부(12)의 주연부 E1의 내측의, 진동 영역 E2에 마련되어 있다. 신축막(22)은, 압전 소자부(12)의 진동 영역 E2의 일부를 구성해도 된다. 또한, 신축막(22)은, 압전 소자부(12)의 진동 영역 E2 상에 마련되어 있어도 된다.
신축막(22)이, 압전 소자부(12)의 진동 영역 E2 상에 마련되어 있는 경우에는, 신축막(22)은, 압전 소자부(12)의 두께 방향 Z의 적어도 한쪽의 단부면에 있어서의, 주연부 E1의 내측의 진동 영역 E2에 마련되어 있으면 된다.
도 1b에는, 일례로서, 신축막(22)이, 압전 소자부(12)의 진동 영역 E2에 있어서의, 지지부(18)의 반대측의 단부면에 마련되어 있는 형태를 일례로서 나타냈다. 그러나, 신축막(22)은, 압전 소자부(12)의 진동 영역 E2에 있어서의, 지지부(18)측의 단부면(즉, 공공(19) 내)에 배치되어 있어도 된다.
도 1c는 압전 소자(10A)의 일례를 도시하는 모식도이다. 압전 소자(10A)는, 압전 소자(10)의 일례이다. 도 1c에 도시한 바와 같이, 압전 소자(10A)는, 신축막(22)이, 압전 소자부(12)의 진동 영역 E2에 있어서의, 지지부(18)측의 단부면(즉, 공공(19) 내)에 배치되어 있어도 된다. 압전 소자(10A)의 구성은, 신축막(22)의 위치가 다른 점 이외는, 압전 소자(10)와 동일한 구성이다. 또한, 신축막(22)은, 압전 소자부(12)의 진동 영역 E2에 있어서의, 두께 방향 Z의 양쪽의 단부면에 마련되어 있어도 된다.
또한, 상술한 바와 같이, 신축막(22)은, 압전 소자부(12)의 진동 영역 E2의 일부를 구성해도 된다.
도 1d는 압전 소자(10A1)의 일례를 도시하는 모식도이다. 도 1e는 압전 소자(10A2)의 일례를 도시하는 모식도이다. 압전 소자(10A1) 및 압전 소자(10A2)는, 압전 소자(10)의 일례이다.
도 1d 및 도 1e에 도시한 바와 같이, 신축막(22)은, 압전 소자부(12)의 진동 영역 E2의 일부를 구성해도 된다. 이 경우, 신축막(22)을, 압전막(14)에 있어서의, 압전막(14)의 두께 방향 Z에 교차하는 교차 방향(XY 방향)의 측면에 접촉하여 배치한 구성으로 하면 된다. 바꾸어 말하면, 진동 영역 E2에 마련된 슬릿(20)의 적어도 일부를 매립하도록, 신축막(22)을 마련한 구성으로 해도 된다.
도 1f는 압전 소자(10A3)의 일례를 도시하는 모식도이다. 도 1g는 압전 소자(10A4)의 일례를 도시하는 모식도이다. 압전 소자(10A3) 및 압전 소자(10A4)는, 압전 소자(10)의 일례이다.
도 1f 및 도 1g에 도시한 바와 같이, 진동 영역 E2에 마련된 슬릿(20)의 적어도 일부를 매립하도록 신축막(22)의 일부가 슬릿(20)에 들어가 있어도 된다. 즉, 신축막(22)은, 압전 소자부(12)의 두께 방향 Z의 한쪽의 단부면에 있어서의, 주연부 E1의 내측의 진동 영역 E2에 신축막(22)이 마련되고, 또한 압전 소자부(12)의 진동 영역 E2의 일부를 구성해도 된다.
도 1a 및 도 1b로 되돌아가, 설명을 계속한다. 본 실시 형태에서는, 신축막(22)이, 압전 소자부(12)의 진동 영역 E2에 있어서의, 지지부(18)의 반대측의 단부면에 마련되어 있고, 또한 슬릿(20)에는 들어가 있지 않은 경우를, 일례로서 설명한다.
신축막(22)은, 평면에서 보아 압전 소자부(12)의 진동 영역 E2에 겹치는 위치에 배치되어 있으면 된다. 단, 신축막(22)은, 압전 소자부(12)의 진동 영역 E2에 있어서의, 보다 탄성률이 높은 영역을 매립하거나 또는 덮도록 배치되어 있는 것이 바람직하다.
예를 들어, 진동 영역 E2의 일부의 영역의 압전막(14)의 두께가 다른 영역보다 얇은 경우나, 진동 영역 E2의 일부의 영역의 압전막(14)의 구성 재료가, 다른 영역보다 탄성률이 높은 재료로 구성되어 있는 경우 등이 있다. 이와 같은 경우, 진동 영역 E2는, 진동 영역 E2 내의 다른 영역보다 탄성률이 높은 영역을 포함하게 된다.
예를 들어, 압전 소자부(12)의 진동 영역 E2에 있어서의, 중앙 C 부분의 탄성률이, 해당 중앙 C 이외의 영역의 탄성률보다 높다고 상정한다. 이 경우, 신축막(22)은, 압전 소자부(12)의 진동 영역 E2에 있어서의, 중앙 C의 적어도 일부를 덮는 영역에 배치되어 있으면 된다.
또한, 신축막(22)을, 진동 영역 E2에 마련된 슬릿(20)의 적어도 일부를 매립하도록 배치한 경우, 슬릿(20)의 신축막(22)에 의해 매립된 영역이, 탄성률이 높은 영역이 된다. 이 때문에, 이 경우, 슬릿(20)의 신축막(22)에 의해 매립된 영역을 더 덮도록, 신축막(22)을 더 배치해도 된다.
또한, 압전 소자부(12)의 진동 영역 E2에, 신축막(22)에 의해 매립되어 있지 않은 슬릿(20)이 마련되어 있는 경우에는, 압전 소자부(12)에 있어서의 해당 슬릿(20)이 마련된 영역이, 보다 탄성률이 높은 영역에 상당하게 된다. 이 때문에, 이 경우, 신축막(22)은, 진동 영역 E2에 있어서의 이하의 위치에 배치되어 있는 것이 바람직하다.
상세하게는, 신축막(22)은, 압전 소자부(12)의 진동 영역 E2에 있어서의, 슬릿(20)의 개구의 적어도 일부를 덮도록 배치되어 있다.
도 1a에는 신축막(22)이, 진동 영역 E2에 있어서의 슬릿(20)의 개구의 일부를 덮도록 배치되어 있는 경우를 일례로서 나타냈다.
신축막(22)이, 진동 영역 E2에 있어서의 슬릿(20)의 개구의 일부를 덮도록 배치됨으로써, 슬릿(20)의 신축막(22)에 의한 비피복의 영역이, 공공(19) 내의 공기의 배출 구멍으로서 기능한다. 이 때문에, 이 경우, 압전 소자부(12)의 균열을 억제할 수 있다.
또한, 음향 저항의 저하에 의한 감도 특성의 저하의 억제, 및 S/N비의 저하의 억제를 효과적으로 도모하는 관점에서는, 신축막(22)은, 진동 영역 E2에 있어서의 슬릿(20)의 개구 모두를 덮도록 배치되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 신축막(22)은, 압전 소자부(12)에 있어서의 진동 영역 E2에 배치되어 있으면 되지만, 주연부 E1의 두께 방향 Z의 적어도 한쪽의 단부면을 비피복한 것이 바람직하다.
또한, 신축막(22)은, 진동 영역 E2의 중앙 C에 마련된 관통 구멍(20B)과, 관통 구멍(20B)에 연속하는 복수의 제1 슬릿(20A)의 각각의 일부를 연속하여 덮도록 배치되어 있는 것이 바람직하다. 신축막(22)이 슬릿(20)의 개구의 일부를 덮음으로써, 슬릿(20)에 의해 분리된 압전 소자부(12)를 일체화할 수 있다. 이 경우, 제1 슬릿(20A)에 있어서의, 신축막(22)에 의한 비피복의 개구 영역 D는, 제1 슬릿(20A)에 있어서의 주연부 E1측의 단부인 것이 바람직하다.
신축막(22)을, 진동 영역 E2의 중앙 C에 마련된 관통 구멍(20B)을 덮도록 배치함으로써, 중앙 C 이외를 덮도록 배치한 경우에 비해, 음향 압력에 의한 진동 영역 E2의 진동, 또는, 전극(16)에 인가된 교류 전압에 의한 진동 영역 E2의 진동을, 보다 크게 할 수 있다.
신축막(22)의 두께는, 압전 소자부(12)의 진동 영역 E2의 진동을 저해하지 않는 두께이면 되고, 신축막(22)의 구성 재료 등에 따라서 적절히 조정하면 된다.
신축막(22)의 구성 재료는, 압전 소자부(12)보다 신축성이 높은 재료이면 되고, 한정되지는 않는다. 예를 들어, 신축막(22)은, 유기막 또는 금속막으로 구성하면 된다.
신축막(22)을 유기막으로 구성하는 경우, 신축막(22)에는, 예를 들어 폴리우레탄을 사용하는 것이 바람직하다.
유기막의 영률은, 압전 소자부(12)에 비해 매우 작다. 이 때문에, 신축막(22)을 유기막으로 구성함으로써, 신축막(22)의 잔류 응력이 압전 소자부(12)의 진동 영역 E2의 공진 주파수에 영향을 주는 것을 억제할 수 있다.
신축막(22)을 금속막으로 구성하는 경우, 신축막(22)에는, 예를 들어 반도체 장치의 제조 공정에서 일반적으로 사용되고 있는 재료가 바람직하고, 그 중에서도 Al, Ti, Au, Ag, Cu, Ni, Mo, Pt 혹은 이들을 포함하는 합금인 것이 바람직하다.
신축막(22)을 금속막으로 구성함으로써, 신축막(22)을 유기막으로 구성한 경우에 비해, 슬릿(20)의 폭 L을 크게 할 수 있다. 또한, 금속막은, 압전 소자부(12)의 제조 프로세스(예를 들어, MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 프로세스)와의 친화성이 높기 때문에, 공정 설계의 자유도가 증가된다. 또한, 신축막(22)을 금속막으로 구성한 경우, 유기막으로 구성한 경우에 비해, 가수 분해 등에 의한 경년 열화가 억제되어, 내열성, 내광성도 우수하다. 이 때문에, 이 경우, 압전 소자부(12)의 신뢰성의 향상을 도모할 수 있다. 또한, 목적으로 하는 신축성을 실현하기 위해, 신축막(22)의 두께 및 형상 중 적어도 한쪽을 더 조정해도 된다.
또한, 신축막(22)이 압전 소자부(12)로부터 박리되는 것을 억제하는 관점에서, 압전 소자부(12)에 있어서의, 신축막(22)과의 접촉면 S는, 요철을 갖는 것이 바람직하다. 요철로 된 접촉면 S의 표면 조도는, 압전 소자부(12)로부터의 박리를 억제 가능하게 되도록, 신축막(22)의 구성 재료 등에 따라서, 적절히 조정하면 된다. 또한, 접촉면 S의 요철은, 접촉면 S에 구멍부, 오목부, 또는 구멍부를 복수 마련함으로써 형성하면 된다.
다음에, 압전 소자(10)의 작용에 대하여 설명한다.
압전 소자부(12)에서는, 압전 소자부(12)의 진동 영역 E2가 진동한다. 압전 소자부(12)의 진동 영역 E2는, 예를 들어 가청음 또는 초음파 영역 등의 음향 압력에 의해 진동한다. 또한, 압전 소자부(12)의 진동 영역 E2는, 전극(16)에 인가된 교류 전압에 의해 진동한다. 교류 전압의 주파수는, 예를 들어 가청음 또는 초음파 영역의 주파수이다. 또한, 음향 압력은, 가청음 및 초음파 영역에 의한 음향 압력에 한정되지는 않는다. 마찬가지로, 전극(16)에 인가되는 교류 전압의 주파수는, 가청음 및 초음파 영역의 주파수에 한정되지는 않는다.
음향 압력 등에 의해 압전 소자부(12)의 진동 영역 E2가 변형되면, 횡압전 효과에 의해 내부에 분극이 일어나, 전극(16)을 통해 전기 신호가 도출된다.
본 실시 형태에서는, 압전 소자부(12)의 진동 영역 E2에, 신축막(22)이 마련되어 있다. 신축막(22)을 마련함으로써, 압전 소자부(12)의 진동 영역 E2의 만곡을 억제할 수 있다. 이 때문에, 신축막(22)의 잔류 응력이 억제된다. 따라서, 압전 소자(10)의 SN비의 저하를 억제할 수 있다. 또한, 신축막(22)에 슬릿(20)이 마련되어 있는 경우에는, 진동 영역 E2에 있어서의, 슬릿(20)을 통해 대향하는 영역간의 갭이 커지는 것에 기인하는, 음향 저항의 저하를 억제할 수 있다. 이 때문에, 진동 영역 E2에 슬릿(20)이 마련되어 있는 경우에 대해서도, 신축막(22)을 마련함으로써, 압전 소자(10)의 SN비의 저하를 억제할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태의 압전 소자(10)는, 압전막(14)과, 압전막(14)이 두께 방향 Z로 개재되는 전극(16)을 갖는 압전 소자부(12)와, 압전 소자부(12)의 주연부 E1을 지지하는 지지부(18)와, 신축막(22)을 구비한다. 신축막(22)은, 압전 소자부(12)의 주연부 E1의 내측의 진동 영역 E2에 마련되어 있다. 또한, 신축막(22)은, 압전 소자부(12)보다 신축성이 높다.
여기서, 종래에서는, 주연부가 고정된 압전막은, 잔류 응력에 의해 공진 주파수가 변화되어, SN비의 저하나 감도 특성의 저하를 초래하는 경우가 있었다. 또한, 압전막에 슬릿을 마련하여 외팔보 구조로 한 종래의 압전 소자에서는, 압전막 또는 전극막의 만곡에 의해, 실질적인 빔간의 갭이 커져, 음향 저항이 저하되는 경우가 있었다. 이 때문에, 종래의 압전 소자에서는, SN비의 저하를 초래하는 경우가 있었다. 또한, 종래의 압전 소자에서는, 감도 특성의 저하를 초래하는 경우가 있었다.
한편, 본 실시 형태의, 압전 소자(10)는, 압전 소자부(12)에 있어서의, 지지부(18)에 의해 지지된 주연부 E1의 내측의 진동 영역 E2에, 압전 소자부(12)보다 신축성이 높은 신축막(22)이 마련되어 있다.
이 때문에, 본 실시 형태의 압전 소자(10)는, 압전 소자부(12)의 잔류 응력 저감을 도모할 수 있어, SN비의 저하를 억제할 수 있다.
따라서, 본 실시 형태의 압전 소자(10)는, SN비의 저하를 억제할 수 있다.
또한, 본 실시 형태의 압전 소자(10)는, 상기 효과 외에, 감도 특성의 저하를 억제할 수 있다.
또한, 본 실시 형태의 압전 소자(10)는, 진동 영역 E2에 슬릿(20)이 마련되어 있는 경우에도, 신축막(22)을 마련함으로써 진동 영역 E2의 만곡이 억제된다. 이 때문에, 진동 영역 E2에 있어서의 슬릿(20)을 통해 대향하는 영역간의 갭(즉 폭 L)의 증대가 억제된다. 또한, 설령 진동 영역 E2가 만곡한 경우라도, 슬릿(20)의 적어도 일부를 덮도록 신축막(22)을 배치함으로써, 음향 저항의 저하의 억제를 도모할 수 있다.
이 때문에, 본 실시 형태의 압전 소자(10)는, 음향 저항의 저하를 억제할 수 있어, SN비의 저하의 억제 및 감도 특성의 저하를 억제할 수 있다.
또한, 신축막(22)은, 압전 소자부(12)보다 신축성이 높다. 이 때문에, 신축막(22)의 잔류 응력에 의한 공진 주파수에 대한 악영향을 억제할 수 있다. 또한, 압전 소자부(12)에 있어서의 진동 영역 E2의 진동에 의해, 신축막(22)이 파손되는 것도 억제된다.
또한, 본 실시 형태의 압전 소자(10)에는, 진동 영역 E2에 신축막(22)을 마련함으로써, SN비의 저하 및 감도 특성의 저하를 용이하게 억제할 수 있기 때문에, 압전 소자부(12)의 제조 시의 수율 저하를 용이하게 억제하는 것도 가능하다.
또한, 본 실시 형태의 압전 소자(10)는, 신축막(22)을 구비하기 때문에, 특히 저주파 영역의 교류 전압 또는 음향 압력에 대한 감도 향상을 도모할 수 있다.
또한, 관통 구멍(20B)의 개구 형상 및 개구 치수는, 임의로 조정 가능하다.
도 1h는 압전 소자(10A5)의 상면도의 일례이다. 도 1i는 도 1h에 도시한 압전 소자(10A5)의, A-A' 단면도이다. 또한, 압전 소자(10A5)는, 압전 소자(10)의 일례이다.
도 1h 및 도 1i에 도시한 바와 같이, 압전 소자(10A5)의 관통 구멍(20B)은, 도 1a 및 도 1b에 도시한 압전 소자(10)의 관통 구멍(20B)에 비해 큰 개구 형상을 갖고 있다. 구체적으로는, 도 1h 및 도 1i에 도시한 예에서는, 관통 구멍(20B)은, 개구 직경이 LO인 원 형상의 개구 형상을 갖고 있다.
관통 구멍(20B)의 개구 직경 LO는, 임의로 조정 가능하다.
일례에서는, 개구 직경 LO는, 진동 영역 E2의 사이즈와, 감도 특성에 따라서 조정될 수 있다. 보다 상세하게는, 설계자는, 진동 영역 E2의 사이즈, 즉 여기에서는 진동 영역 E2의 직경 LD에 대한 개구 직경 LO의 비와, 압전 소자부(12)의 수신 감도 사이의 관계에 기초하여, 개구 직경 LO를 결정할 수 있다.
도 1j는 진동 영역 E2의 직경 LD에 대한 관통 구멍(20B)의 개구 직경 LO의 비 LO/LD와 압전 소자부(12)의 수신 감도 사이의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 1j로부터는, 비 LO/LD가 0.01부터 0.1까지의 범위에서 수신 감도가 거의 일정하고, 비 LO/LD가 0.01부터 0.1까지의 범위로부터 벗어나면, 수신 감도가 유의미하게 저하되어 있음을 간파할 수 있다. 따라서, 설계자가, 비 LO/LD가 0.01부터 0.1까지의 범위에 들어가도록 개구 직경 LO를 설정하면, 높은 감도 특성을 갖는 압전 소자(10A5)를 얻을 수 있다.
또한, 도 1h에서 원형의 개구 형상을 예시하였지만, 다각형 형상에서 LO를 외접원의 직경으로 교체해도 동등한 효과가 얻어진다. 또한 도 1i에서는 관통 구멍(20B) 내부에 신축막(22)이 매립되어 있지 않지만, 관통 구멍(20B) 내에 들어가 있어도 된다.
또한, 관통 구멍(20B)의 개구 직경 LO의 결정 방법은 이것에 한정되지는 않는다. 진동 영역 E2의 직경 LD에 대한 관통 구멍(20B)의 개구 직경 LO의 비 LO/LD는, 0.01부터 0.1까지의 범위에 들어가 있지 않아도 된다. 또한, 관통 구멍(20B)의 개구 형상은, 원 형상에 한정되지는 않는다.
(제2 실시 형태)
상기 실시 형태에서는, 제1 슬릿(20A)의 폭 L이, 제1 슬릿(20A)의 연신 방향(화살표 W 방향)을 따라서 일정한 경우를 일례로서 설명하였다. 본 실시 형태에서는, 제1 슬릿(20A)의 폭 L이, 상기 실시 형태와는 다른 경우를 설명한다.
도 2a는 본 실시 형태의 압전 소자(10B)의 상면도의 일례이다. 도 2b는 도 2a에 도시한 압전 소자(10B)의, A-A' 단면도이다.
압전 소자(10B)는, 슬릿(20)의 폭 L이 제1 실시 형태와 다른 점 이외는, 제1 실시 형태의 압전 소자(10)와 마찬가지의 구성이다.
압전 소자(10B)는, 압전 소자부(13B)와, 지지부(18)와, 신축막(22)을 구비한다. 압전 소자부(13B)는, 압전막(14)과, 전극(16)을 갖는다. 압전 소자부(13B)에는, 슬릿(21)이 마련되어 있다. 압전 소자부(13B)는, 슬릿(20) 대신에 슬릿(21)을 구비하는 점 이외는, 상기 실시 형태의 압전 소자부(12)와 마찬가지이다.
슬릿(21)은, 복수의 제1 슬릿(21A)과, 관통 구멍(20B)으로 구성되어 있다. 관통 구멍(20B)은, 상기 실시 형태와 마찬가지이다. 제1 슬릿(21A)은, 폭 L이 다른 점 이외는, 상기 실시 형태의 제1 슬릿(20A)과 마찬가지이다.
본 실시 형태에서는, 신축막(22)은, 복수의 제1 슬릿(21A)의 각각의 일부와, 관통 구멍(20B)을 연속하여 덮도록 배치되어 있다.
여기서, 본 실시 형태에서는, 제1 슬릿(21A)에 있어서의, 신축막(22)에 의해 덮인 피복 영역(21A1)의 슬릿 폭 L1은, 신축막(22)에 의한 비피복의 비피복 영역(21A2)의 슬릿 폭 L2보다 크다.
슬릿(21)에 있어서의 피복 영역(21A1)의 슬릿 폭 L1을, 비피복 영역(21A2)의 슬릿 폭 L2보다 크게 함으로써, 신축막(22)에 걸리는 응력의 저감을 도모할 수 있다.
또한, 제1 슬릿(21A)의 폭 L은, 진동 영역 E2와 주연부 E1의 경계로부터 중앙 C에 접근할수록, 단계적 또는 연속적으로 큰 것이 바람직하다.
도 2c는 압전 소자(10C)의 일례를 도시하는 모식도이다. 압전 소자(10C)는, 압전 소자부(13C)와, 지지부(18)와, 신축막(22)을 구비한다. 압전 소자부(13C)는, 압전막(14)과, 전극(16)을 갖는다. 압전 소자부(13C)에는, 슬릿(23)이 마련되어 있다. 압전 소자부(13C)는, 슬릿(21) 대신에 슬릿(23)을 구비하는 점 이외는, 압전 소자부(13B)(도 2a, 도 2b 참조)와 마찬가지이다.
슬릿(23)은, 복수의 제1 슬릿(23A)과, 관통 구멍(20B)으로 구성되어 있다. 관통 구멍(20B)은, 상기 실시 형태와 마찬가지이다. 제1 슬릿(23A)은, 폭 L이 다른 점 이외는, 상기 실시 형태의 제1 슬릿(20A)과 마찬가지이다.
도 2c에 도시한 바와 같이, 제1 슬릿(23A)의 폭 L은, 중앙 C에 접근할수록 큰 구성이어도 된다.
도 2a 및 도 2b로 되돌아가, 설명을 계속한다. 상술한 바와 같이, 본 실시 형태의 압전 소자(10B)에서는, 제1 슬릿(21A)에 있어서의, 신축막(22)에 의해 덮인 피복 영역(21A1)의 슬릿 폭 L1이, 신축막(22)에 의한 비피복의 비피복 영역(21A2)의 슬릿 폭 L2보다 크다.
제1 슬릿(21A)에 있어서의 피복 영역(21A1)의 슬릿 폭 L1을, 비피복 영역(21A2)의 슬릿 폭 L2보다 크게 함으로써, 본 실시 형태의 압전 소자(10B, 10C)는, 상기 실시의 효과에 더하여, 신축막(22)에 걸리는 응력의 저감을 도모할 수 있다.
(변형예 1)
또한, 신축막(22)의 형상은, 두께 방향 Z에 대하여 교차하는 교차 방향(XY 평면을 따른 방향)을 따른 평면 형상에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 신축막(22)의 적어도 일부의 영역이, 벨로우즈상이어도 된다.
도 3a는 본 변형예의 압전 소자(10D)의 상면도의 일례이다. 도 3b는 도 3a에 도시한 압전 소자(10D)의, A-A' 단면도이다.
압전 소자(10D)는, 압전 소자부(13D)와, 지지부(18)와, 신축막(25)을 구비한다. 압전 소자(10D)는, 상기 제2 실시 형태의 압전 소자(10C)(도 2c 참조)의 신축막(22) 대신에, 신축막(25)을 구비한다. 신축막(25)은, 형상이 신축막(22)과 다른 점 이외는, 신축막(22)과 마찬가지이다.
신축막(25)의 적어도 일부의 영역은, 두께 방향 Z에 대하여 교차하는 교차 방향(XY 방향)으로 신축 가능한 벨로우즈상으로 되어 있다.
예를 들어, 신축막(25)은, 벨로우즈 영역(25A)과, 평면 영역(25B)으로 이루어진다. 벨로우즈 영역(25A)은, 교차 방향(XY 방향)으로 신축 가능하게 되도록, 산접기와 골접기의 반복으로 이루어지는 벨로우즈상으로 된 영역이다. 평면 영역(25B)은, 교차 방향(XY 방향)을 따른 이차원 평면 형상의 영역이다. 신축막(25)은, 평면에서 보아 슬릿(23)의 개구에 겹치는 영역이 벨로우즈 영역(25A)으로 되고, 압전 소자부(13D)의 진동 영역 E2와의 접촉 영역이 평면 영역(25B)으로 되어 있다.
이와 같이, 신축막(25)을, 벨로우즈상의 벨로우즈 영역(25A)을 포함하는 구성으로 함으로써, 신축막(25)의 신축성의 향상을 용이하게 도모할 수 있다.
또한, 신축막(25)에 금속막 등을 사용함으로써, 목적으로 하는 신축성이 얻어지지 않을 가능성이 있는 경우에도, 신축막(25)의 형상을 벨로우즈상으로 조정함으로써, 목적으로 하는 신축성을 얻을 수 있다.
또한, 벨로우즈 영역(25A)을, 진동 영역 E2에 있어서의 평면에서 보아 슬릿(23)의 개구가 겹치는 영역에 배치함으로써, 압전 소자부(13D)의 감도 특성의 향상을 효과적으로 도모할 수 있다.
또한, 신축막(25)은, 신축막(25)의 신축성의 향상을 도모하는 것이 가능한 형상이면 되고, 벨로우즈상에 한정되지는 않는다. 즉, 신축막(25)의 적어도 일부의 영역의 형상이, 두께 방향 Z에 대하여 교차하는 교차 방향(XY 방향)으로 신축 가능한 형상이면 된다.
(변형예 2)
상기 실시 형태 및 변형예에서는, 진동 영역 E2가, 평면에서 보아 원 형상인 경우를 일례로서 설명하였다. 또한, 상기 실시 형태 및 변형예에서는, 지지부(18)는, 평면에서 보아 원 형상의 공공(19)을 갖고, 원형의 프레임상 부재인 경우를 일례로서 설명하였다. 이 때문에, 상기 실시 형태 및 변형예에서는, 주연부 E1이 평면에서 보아 원형의 프레임상의 영역이며, 진동 영역 E2가 평면에서 보아 원형의 영역인 경우를, 일례로서 설명하였다.
그러나, 지지부(18), 지지부(18)의 공공(19), 주연부 E1, 및 진동 영역 E2의 형상은, 원 형상에 한정되지는 않는다.
예를 들어, 진동 영역 E2는, 평면에서 보아 직사각 형상 또는 다각형이어도 된다. 도 4는 압전 소자(10E)의 일례를 도시하는 상면도이다.
압전 소자(10E)는, 압전 소자부(12)와, 지지부(18)와, 신축막(22)을 구비한다. 신축막(22)에는, 슬릿(20)이 마련되어 있다. 압전 소자(10E)는, 형상이 다른 점 이외는, 상기 실시 형태의 압전 소자(10)와 마찬가지이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 압전 소자(10E)는, 평면에서 보아 직사각 형상의 압전 소자부(12)와, 평면에서 보아 직사각 형상의 프레임 부재인 지지부(18)에 의해 지지된 직사각 형상의 주연부 E1과, 평면에서 보아 직사각형 형상의 진동 영역 E2와, 평면에서 보아 직사각 형상의 신축막(22)을 구비한 구성이어도 된다.
또한, 상기 실시 형태 및 변형예에서 설명한, 압전 소자(10), 압전 소자(10B), 압전 소자(10C), 압전 소자(10D), 및 압전 소자(10E)의 적용 범위는 한정되지 않는다. 예를 들어, 상기 실시 형태 및 변형예에서 설명한, 압전 소자(10), 압전 소자(10B), 압전 소자(10C), 압전 소자(10D), 및 압전 소자(10E)는, 압전 소자를 구비한 미소 전기 기계 시스템(MEMS) 등에 적절하게 적용할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 형태 및 변형예를 설명하였지만, 이들 실시 형태 및 변형예는, 예로서 제시한 것이며, 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하고 있지 않다. 이들 신규의 실시 형태 및 변형예는, 그 밖의 다양한 형태로 실시되는 것이 가능하고, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 다양한 생략, 치환, 변경을 행할 수 있다. 이들 실시 형태 및 변형예는, 발명의 범위나 요지에 포함됨과 함께, 청구범위에 기재된 발명과 그 균등의 범위에 포함된다.
10, 10A, 10A1, 10A2, 10B, 10C, 10D, 10E: 압전 소자
12, 13B, 13C, 13D: 압전 소자부
14: 압전막
16: 전극
18: 지지부
20, 21, 23: 슬릿
20A, 21A, 23A: 제1 슬릿
20B: 관통 구멍
22: 신축막
E1: 주연부
E2: 진동 영역

Claims (10)

  1. 압전막과, 상기 압전막이 두께 방향으로 개재되는 전극을 갖는 압전 소자부와,
    상기 압전 소자부의 주연부를 지지하는 지지부와,
    상기 압전 소자부의 상기 주연부의 내측의 진동 영역에 마련되며, 상기 압전 소자부보다 신축성이 높은 신축막을
    구비하는, 압전 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 신축막은,
    상기 압전 소자부의 상기 진동 영역에 있어서의, 상기 두께 방향의 적어도 한쪽의 단부면에 마련되어 이루어지는, 압전 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 신축막은,
    상기 주연부의 상기 두께 방향의 적어도 한쪽의 단부면을 비피복하는, 압전 소자.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전 소자부에 있어서의 상기 진동 영역에 마련되며, 상기 진동 영역을 상기 두께 방향으로 관통하는 슬릿을 구비하고,
    상기 신축막은,
    상기 진동 영역에 있어서의, 상기 슬릿의 개구의 적어도 일부를 덮어, 상기 슬릿에 의해 분리된 상기 진동 영역을 일체화시키도록 배치되어 이루어지는, 압전 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 슬릿은,
    상기 주연부로부터 상기 진동 영역의 중앙을 향하는 방향으로 연신되어 이루어지는, 압전 소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 슬릿은,
    상기 신축막에 의해 덮인 피복 영역의 슬릿 폭이, 상기 신축막에 의한 비피복의 비피복 영역의 슬릿 폭보다 큰, 압전 소자.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 슬릿의 슬릿 폭은,
    상기 주연부로부터 상기 중앙에 접근할수록 큰, 압전 소자.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 신축막은, 유기막 또는 금속막인, 압전 소자.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 신축막은,
    적어도 일부의 영역이, 상기 두께 방향에 대하여 교차하는 교차 방향으로 신축 가능한 벨로우즈상인, 압전 소자.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전 소자부에 있어서의, 상기 신축막과의 접촉면이 요철을 갖는, 압전 소자.
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