TW201414026A - 壓電元件及其使用方法 - Google Patents

壓電元件及其使用方法 Download PDF

Info

Publication number
TW201414026A
TW201414026A TW102133380A TW102133380A TW201414026A TW 201414026 A TW201414026 A TW 201414026A TW 102133380 A TW102133380 A TW 102133380A TW 102133380 A TW102133380 A TW 102133380A TW 201414026 A TW201414026 A TW 201414026A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
piezoelectric
electric field
voltage
film
circuit
Prior art date
Application number
TW102133380A
Other languages
English (en)
Inventor
Takamichi Fujii
Original Assignee
Fujifilm Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fujifilm Corp filed Critical Fujifilm Corp
Publication of TW201414026A publication Critical patent/TW201414026A/zh

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/802—Circuitry or processes for operating piezoelectric or electrostrictive devices not otherwise provided for, e.g. drive circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01—Manufacture or treatment
    • H10N30/04—Treatments to modify a piezoelectric or electrostrictive property, e.g. polarisation characteristics, vibration characteristics or mode tuning
    • H10N30/045—Treatments to modify a piezoelectric or electrostrictive property, e.g. polarisation characteristics, vibration characteristics or mode tuning by polarising
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/101—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical and mechanical input and output, e.g. having combined actuator and sensor parts
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
    • H10N30/853—Ceramic compositions
    • H10N30/8548—Lead-based oxides
    • H10N30/8554—Lead-zirconium titanate [PZT] based
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/87—Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
    • H10N30/872—Interconnections, e.g. connection electrodes of multilayer piezoelectric or electrostrictive devices

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Gyroscopes (AREA)

Abstract

壓電元件包括壓電器件部，該壓電器件部的壓電材料的雙極性極化-電場(Pr-E)遲滯特性具有非對稱的偏置性，在將絕對值小的第1矯頑電場設為Ec1、絕對值大的第2矯頑電場設為Ec2且將矯頑電場的偏置率定義為[(Ec2+Ec1)/(Ec2-Ec1)]×100[%]時，壓電器件部使用偏置率為20%以上的壓電體膜，且以比第1矯頑電場小的電場強度進行動作。而且，壓電元件包括更新電壓施加電路，該更新電壓施加電路為了保持該元件的動作性能，施加比使元件動作的電場強度大且為第1矯頑電場的絕對值| Ec1 |的3倍以下的電場強度的電壓，從而使壓電體膜的極化狀態恢復。

Description

壓電元件及其使用方法
本發明是有關於一種壓電元件及其使用方法，特別是有關於一種使用了壓電器件的元件的構成及用以保持該壓電元件的動作性能的方法，上述壓電器件為利用壓電體膜的壓電效果或逆壓電效果而進行動作的壓電致動器(actuator)、加速度感測器、角速度感測器等。
使用了鋯鈦酸鉛(Lead Zirconate Titanate，PZT)等壓電體膜的壓電致動器或壓電感測器已廣為人知。先前的PZT膜為了獲得所需的壓電性能，必須在元件的製造製程中進行極化處理。專利文獻1中揭示了如下內容：為了將壓電零件中使用的壓電體極化，而在壓電零件的製造步驟中進行加熱(老化)，藉由為矯頑電場(coercive electric field)的2倍~2.5倍的施加電壓而進行處理(專利文獻1的申請專利範圍第1項)。而且，記載了如下內容：一般來說作為壓電材料的極化處理的條件，為矯頑電場的3倍以上的施加電壓為必需(專利文獻1第1頁右欄)。
專利文獻2中記載了一種壓電振動陀螺儀(gyro)用振子的極化方法。根據該文獻2，提出對電極間施加高電場而在空氣中實施極化處理(專利文獻2的申請專利範圍第2項、申請專利範圍第3項)。
專利文獻3中，記載了在使壓電器件零件的極化處理的溫度比迴焊溫度高的溫度下進行該極化處理(專利文獻3的技術方案1)。
專利文獻4中，提出了使用壓電體膜的壓電致動器及其驅動方法，該壓電體膜具有非對稱的雙極性(bipolar)極化-電場曲線(Pr-E遲滯)的極化特性。
先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本專利特開平4-82309號公報
專利文獻2：日本專利特開2007-40879號公報
專利文獻3：日本專利特開2005-340631號公報
專利文獻4：日本專利特開2011-78203號公報
在如專利文獻1~專利文獻3所示的先前的壓電材料中，若在元件化後經過迴流焊步驟等，則壓電體膜去極化(depolarize)。因此，必須以儘可能低的溫度展開迴焊等製程步驟，而將壓電體的特性降低抑制為最小限度，或者在迴焊等高溫製程後進行再一次的極化處理。
另一方面，如專利文獻4所示，摻雜了鈮(Nb)的PZT 膜未經極化處理(處於未極化處理狀態)而壓電常數良好(專利文獻4)。該材料具有如下優點：即便經加熱亦不容易去極化，因而成膜後的製程中無溫度限制而容易處理。
然而，即便為使用了摻雜有Nb的PZT膜的元件，亦會出現如下情況：因例如在中途的製程中，在去極化的方向上進行電漿處理，或意外地被施加逆極化方向的電場(例如，真空裝置內的靜電吸盤)，或高溫的使用環境或長時間的使用下的劣化等而去極化，從而無法發揮充分的性能。
而且，專利文獻4提出了施加具有相比於壓電體膜的矯頑電場而充分大的電場強度的驅動電壓的致動器的驅動方法，但並未對用作感測器的情況下的驅動方法或微小電位下的驅動作出記載。進而，亦未對具有非對稱的極化特性的感測器驅動與迴焊的關係作出記載。
本發明鑒於上述情況而完成，且著眼於上述課題，其目的在於提供如下的壓電元件及其使用方法，即，不再需要先前為必要的藉由高電壓的施加而進行的極化處理，防止由使用環境或隨時間經過而引起的極化劣化，從而可確保穩定的動作性能，且可靠性高。
為了達成上述目的，而提供如下的發明。
(第1形態)：第1形態的壓電元件利用壓電體膜的壓電效果及逆壓電效果中的至少一個進行動作，且包括：壓電器件 部，壓電材料的雙極性極化-電場(Pr-E)遲滯特性具有在以零電場的軸為基準時為非對稱的偏置性，在將壓電材料的矯頑電場中的絕對值小的第1矯頑電場設為Ec1、絕對值大的第2矯頑電場設為Ec2且將矯頑電場的偏置率定義為[(Ec2+Ec1)/(Ec2-Ec1)]×100[%]時，該壓電器件部使用矯頑電場的偏置率為20%以上的壓電體膜，且以比第1矯頑電場小的電場強度進行動作；以及更新電壓施加電路，為了使壓電體膜的極化狀態恢復而保持壓電元件的動作性能，施加比上述動作中的上述電場強度大且為上述第1矯頑電場的絕對值| Ec1 |的3倍以下的電場強度的電壓。
根據該形態，不再需要先前為必要的藉由高電壓的施加而進行的極化處理，從而即便在因使用環境或隨時間經過而發生去極化的情況下，亦可藉由相對低的電壓的電壓施加而恢復極化狀態。藉此，可維持/恢復元件的性能，從而可確保穩定的動作性能。
(第2形態)：第1形態所述的壓電元件中，較佳為壓電體膜的偏置率為70%以上。
偏置率越大，則第1矯頑電場的值為越小的值。根據該形態，能夠以更低的電壓進行極化狀態的恢復處理(更新處理)。
(第3形態)：第1形態或第2形態所述的壓電元件中，可包括驅動電路及檢測電路中的至少一個電路，上述驅動電路將驅動壓電器件部的驅動電壓供給至壓電器件部，上述檢測電路對 自壓電器件部獲得的電壓信號進行檢測。
致動器元件包括利用逆壓電效果而進行動作的壓電器件及其驅動電路。感測器元件包括利用壓電效果而進行動作的壓電器件及其檢測電路。而且，亦可為根據感測器元件的種類，而包括壓電器件部、驅動電路及檢測電路的構成，該壓電器件部組合有利用逆壓電效果而進行動作的驅動用的壓電器件、及利用壓電效果而進行動作的檢測用的壓電器件。
(第4形態)第3形態所述的壓電元件中，更新電壓施加電路可設為合併至驅動電路及檢測電路中的至少一個電路的構成。
可設為將輸出更新電壓的功能合併至驅動電路或檢測電路中的電路構成。
(第5形態)第3形態或第4形態所述的壓電元件中，可設為電子電路部包含積體電路而構成，該電子電路部包含驅動電路及檢測電路中的至少一個電路、及更新電壓施加電路。
例如，可由應用專用積體電路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)構成電子電路部。
(第6形態)第1形態至第5形態中任一形態所述的壓電元件中，較佳為自更新電壓施加電路供給至壓電器件部的電壓的大小為5V以下。
若考慮ASIC的設計，則更新電壓的大小較佳為5V以下，更佳為3V以下，進而較佳為1.5V以下。
(第7形態)第1形態至第6形態中任一形態所述的壓電元件中，可設為如下構成：壓電器件部具有積層著第1電極、壓電體膜、第2電極的積層構造，更新電壓施加電路在將第1電極接地時，對第2電極施加負電壓。
可根據壓電體膜的極化方向而適當選擇施加的電壓的極性，例如，可設為如下構成：在基板上積層著下部電極(相當於第1電極)、壓電體膜、上部電極(相當於第2電極)的壓電器件構造中，將下部電極接地，對上部電極施加負電壓而進行更新處理(使極化狀態恢復的處理)。
(第8形態)第1形態至第7形態中任一形態所述的壓電元件中，可設為壓電體膜為鈣鈦礦型的氧化物的構成。
(第9形態)：第1形態至第8形態中任一形態所述的壓電元件中，可設為如下構成：壓電體膜包含由以下的通式(P-1)表示的一種或多種鈣鈦礦型氧化物(亦可包含不可避免的雜質)：通式Pba(Zrb1Tib2Xb3)O3…(P-1)
(式(P-1)中，X為選自V族及VI族的元素群中的至少一種金屬元素；a>0，b1>0，b2>0，b3≧0；a≧1.0且b1+b2+b3=1.0的情況為標準，但該些數值在可取得鈣鈦礦構造的範圍內亦可偏離1.0)。
該材料顯示出良好的壓電特性，從而適合於感測器用 途、致動器用途的元件。
(第10形態)：第9形態所述的壓電元件中，較佳為壓電體膜的X為Nb，b3為0.05以上、0.3以下。
(第11形態)：第9形態或第10形態所述的壓電元件中，較佳為壓電體膜的X為Nb、鉍(Bi)中的至少一種金屬元素。
(第12形態)：第9形態至第11形態中任一形態所述的壓電元件中，較佳為壓電體膜的通式(P-1)中的a為1.1以上。
(第13形態)：第1形態至第12形態中任一形態所述的壓電元件中，可設為如下構成：壓電器件部包含利用逆壓電效果而進行動作的驅動用的壓電器件、及利用壓電效果而進行動作的檢測用的壓電器件，且上述壓電元件包括控制裝置，上述控制裝置在以規定的驅動電壓來對驅動用的壓電器件進行驅動時，在自檢測用的壓電器件輸出的檢測電壓低於基準值的情況下，自更新電壓施加電路對壓電器件部施加電壓。
根據該形態，可自動地判別由去極化引起的性能劣化，從而可控制是否要實施更新處理，且可保持一定的元件性能。
(第14形態)：第14形態的壓電元件的使用方法，壓電材料的雙極性極化-電場(Pr-E)遲滯特性具有在以零電場的軸為基準時為非對稱的偏置性，在將壓電材料的矯頑電場中的絕對值小的第1矯頑電場設為Ec1、絕對值大的第2矯頑電場設為Ec2且將矯頑電場的偏置率定義為[(Ec2+Ec1)/(Ec2-Ec1)]×100[%]時，使用矯頑電場的偏置率為20%以上的壓電體膜，利用壓電體 膜的壓電效果及逆壓電效果中的至少一個，以比第1矯頑電場小的電場強度使上述壓電元件進行動作，且上述壓電元件的使用方法為了保持壓電元件的動作性能，施加比使壓電元件動作的電場強度大且為第1矯頑電場的絕對值| Ec1 |的3倍以下的電場強度的電壓，而使壓電體膜的極化狀態恢復。
根據該方法，可防止由去極化引起的壓電元件的性能劣化，且可維持元件的動作性能從而確保穩定的性能。
根據本發明，不再需要先前為必要的藉由高電壓的施加而進行的極化處理，防止由使用環境或隨時間經過而引起的極化劣化，從而可保持元件性能。藉此，可提供穩定性及可靠性高的壓電元件。
1‧‧‧基板
2‧‧‧振動部
3‧‧‧固著部
4‧‧‧下部電極
5‧‧‧壓電體
6‧‧‧驅動電極
7‧‧‧檢測電極
8‧‧‧保護膜
9‧‧‧連接電極
10‧‧‧壓電元件
12‧‧‧振動部
14‧‧‧基板
20、22、26‧‧‧壓電器件
28‧‧‧感測器器件部
30‧‧‧電子電路部
32‧‧‧驅動電路
34‧‧‧檢測電路
36‧‧‧更新電壓施加電路
38‧‧‧控制電路
40‧‧‧下部電極
42‧‧‧壓電體膜
44‧‧‧上部電極
A、B‧‧‧箭頭
S210~S240‧‧‧步驟
V1‧‧‧正電場側的矯頑電場與壓電體膜的電壓施加方向上的厚度的積
V2‧‧‧負電場側的矯頑電場與壓電體膜的電壓施加方向上的厚度的積
圖1是表示本發明的實施形態的壓電元件的構成例的圖。
圖2是表示壓電體膜的雙極性極化-電場遲滯(Pr-E遲滯)特性的一例的圖。
圖3是製作的陀螺儀感測器的平面圖。
圖4是圖3的IV-IV放大剖面圖。
圖5是總結預備實驗的結果的圖表。
圖6是表示先前的壓電體膜(本徵PZT)的Pr-E遲滯特性的圖。
圖7是表示使用先前的壓電體膜(本徵PZT)的電子機器的製造製程的順序的流程圖。
圖8是表示使用先前的壓電體膜(本徵PZT)的電子機器的製造製程的順序的流程圖。
圖9是表示本實施形態的壓電體膜(Nb-PZT)的Pr-E遲滯特性的圖。
圖10是表示本實施形態的壓電元件的製造方法及其使用方法的流程圖。
圖11是總結關於實施例1、實施例2及比較例1、比較例2所獲得的結果的圖表。
圖12是表示本發明的其他實施形態的構成圖。
以下，依據隨附圖式對本發明的實施形態進行詳細說明。
圖1是表示本發明的實施形態的壓電元件的構成例的圖。此處，例示用作陀螺儀感測器或角速度感測器的感測器元件的主要部分的構成。該壓電元件10包括感測器器件部28(相當於「壓電器件部」)，該感測器器件部28在構成振動部12的基板14上設置著驅動用的壓電器件20、驅動用的壓電器件22、及檢測用的壓電器件26。而且，壓電元件10包括與感測器器件部28電性連接的電子電路部30。壓電元件10作為包含感測器器件部28及電子電路部30的經封裝化的(由未圖示的封裝構件所覆蓋)感測 器單元而構成。
感測器器件部28中的驅動用的壓電器件20、驅動用的壓電器件22利用逆壓電效果而進行動作，並自電信號(驅動電壓)轉換為機械應力。檢測用的壓電器件26利用壓電效果而進行動作，將機械應力轉換成電信號。
電子電路部30包括：對驅動用的壓電器件20、驅動用的壓電器件22供給驅動電壓的驅動電路32，對自檢測用的壓電器件26獲得的電壓信號(檢測電壓)進行感測的檢測電路34，以及供給更新處理(極化恢復處理)用的電壓(本說明書中稱作「更新電壓」)的更新電壓施加電路36，該更新處理是用於為了保持元件的動作性能而對壓電器件20、壓電器件22、壓電器件26維持/恢復極化狀態。
電子電路部30可包含以ASIC(Application Specific Integrated Circuit)為代表的積體電路。圖1中，為了方便說明，將驅動電路32、檢測電路34、更新電壓施加電路36分別記載作為各自不同的區塊，但也可將更新電壓施加功能合併至驅動電路32，亦可將更新電壓施加功能合併至檢測電路34。
感測器器件部28的壓電器件20、壓電器件22、壓電器件26具有如下的積層構造，即，在作為支持層的基板14上，依序積層著下部電極40(相當於「第1電極」)、壓電體膜42、及上部電極44(相當於「第2電極」)。另外，為了方便說明，圖1或其他圖式所示的各層的膜厚或該些的比率為適當地進行變更後而 描繪，未必反映實際的膜厚或比率。而且，本說明書中，每當表述積層構造時，將自基板14的表面向基板厚度方向離開的方向表述為「上」。圖1中成為如下構成，即，在將基板14保持為水平的狀態下，在基板14的上表面依次重疊著下部電極40、壓電體膜42、上部電極44，因而與將重力的方向(圖1的下方)設為下方向時的上下關係一致。然而，亦可使基板14的姿勢傾斜或反轉。在依存於基板14的姿勢的積層構造的堆積方向未必與以重力的方向為基準的上下方向一致的情況下，為了不混亂地表述積層構造的上下關係，亦以基板14的面為基準，而將自該面朝向厚度方向離開的方向表述為「上」。例如，即便在將圖1的上下反轉的情況下，亦由在基板14上形成著下部電極40，在該下部電極40上積層著壓電體膜42這樣的表述來進行記述。
關於基板14的材料，未作特別限制，例如可使用矽(Si)、氧化矽、玻璃、不鏽鋼(SUS)、釔穩定化氧化鋯(YSZ)、氧化鋁、藍寶石、SiC、及SrTiO3等。而且，作為基板14，亦可使用在矽基板上依次積層著SiO2膜與Si活性層的絕緣體上矽(Silicon on Insulator，SOI)基板等積層基板。
關於下部電極40或上部電極44的組成，亦未作特別限制，例如，可使用Au(金)、Pt(鉑)、Ag(銀)、lr(銥)、Al(鋁)、Mo(鉬)、Ru(釕)、TiN(氮化鈦)、IrO2、RuO2、LaNiO3及SrRuO3等金屬或金屬氧化物及該些的組合物等。
其中，下部電極40包含鉑族的金屬的構成尤佳。而且， 為了提高與基板14的密接性，較佳為使用鈦(Ti)或TiW等作為密接層的構成，進而較佳為在該密接層上積層鉑族金屬而形成的形態。
上部電極44利用打線接合或異向性導電膜(ACF；anisotropic conductive film)等，與ASIC(電子電路部30)或其他電子電路(包含導線配線圖案等)進行電性連接。因此，上部電極44的最上層(最表面層)理想的是打線接合性優良的材料。作為其條件，較佳為相對低熔點的金屬。作為標準，理想的是熔點為1500度以下的金屬，例如較佳為包含Al、Au、Ti、銅(Cu)、鉻(Cr)、Ni中的任一個的金屬的構成。
<關於元件構造的變形例1>
圖1中表示各壓電器件20、壓電器件22、壓電器件26以器件為單位而被個別地進行分離加工的形態，且表示關於下部電極40、壓電體膜42、上部電極44則以器件為單位而被分離的構成，但關於下部電極40或壓電體膜42，亦可為不針對每個器件而個別地進行分離加工的形態。例如，可設為對於圖1所示的多個壓電器件20、壓電器件22、壓電器件26為共用的下部電極(未圖案化的共用的電極層)。而且，關於壓電體膜42，亦可作為未將多個壓電器件20、壓電器件22、壓電器件26個別地進行分離加工的一體的壓電體膜而構成(例如，參照專利文獻2的圖1、圖3)。藉由與壓電器件20、壓電器件22、壓電器件26相對應地將上部電極44圖案化(分離形成)，上部電極44與對向的下部電極40 之間夾著的壓電體膜42的部分作為壓電活性部而發揮功能。
<關於元件構造的變形例2>
圖1中記載了作為感測器器件部28，而組合著2個驅動用的壓電器件20、驅動用的壓電器件22及一個檢測用的壓電器件26的構成，但關於壓電器件的個數、驅動用與檢測用的組合的有無或其個數比率、壓電器件的配置形態等並不限定於本例，可根據元件的用途或規格來進行各種設計。例如，在後述的音叉型的陀螺儀感測器(圖3及圖4)中，包括多個圖1所示的構成的振動部12。而且，如專利文獻2所記載的陀螺儀感測器般，亦可為如下形態：在中央部配置驅動用的電極，在其兩側配置檢測用的電極。
無論構造如何均可適用於各種壓電元件。
或者，而且，亦可為自圖1的構成中省略驅動用的壓電器件20、驅動用的壓電器件22及驅動電路32的壓電感測器元件的形態。而且，亦可為自圖1的構成中省略了檢測用的壓電器件26或檢測電路34的壓電致動器元件的形態。
<關於壓電材料>
作為壓電體膜42，使用包含由下述通式(P-1)表示的一種或多種鈣鈦礦型氧化物(亦可包含不可避免的雜質)的壓電體膜。
Pba(Zrb1Tib2Xb3)O3…(P-1)
式(P-1)中，X為選自V族及VI族的元素群中的至少 一種金屬元素。a>0，b1>0，b2>0，b3≧0。a≧1.0且b1+b2+b3=1.0的情況為標準，但該些數值在獲取鈣鈦礦構造的範圍內亦可偏離1.0。另外，本實施形態並不限定於a≧1.0的情況。而且，本實施形態並不限定於(b1+b2+b3)=1.0的情況。只要在壓電體膜中所含的鈣鈦礦型氧化物可取得鈣鈦礦構造的範圍內，a亦可小於1.0，而且，(b1+b2+b3)的值與1.0之間可存在容許差。
由通式(P-1)表示的鈣鈦礦型氧化物在b3=0時為鋯鈦酸鉛(PZT)，在b3>0時，為以作為選自V族及VI族的元素群組中的至少一種金屬元素的X來取代PZT的B位置的一部分所得的氧化物。
X可為VA族、VB族、VIA族、及VIB族中的任一個金屬元素，較佳為選自由釩(V)、鉭Nb、(Ta)、Cr、Mo、鎢(W)、及Bi所組成的群組中的至少一種金屬元素。
眾所周知，在添加了具有比被取代離子的價數高的價數的各種施體離子的PZT中，相比於本徵PZT，壓電性能等特性提高。
例如，在X為Nb的情況下，較佳為b3為0.05以上、0.3以下。
作為本實施形態中的壓電體膜42的一具體例，例如可使用以原子組成百分率計摻雜了12%的Nb的鋯鈦酸鉛(PZT)薄膜。藉由濺射法等使摻雜了12%的Nb的PZT成膜，由此可穩定地製作具有壓電常數d31=250pm/V的高壓電特性的薄膜。另外， 可將塊狀的壓電體接合到基板上並進行研磨，但該方法中因難以將壓電體薄膜化故位移量減小。進而，存在因研磨中的破壞等而引起良率小的問題。鑒於上述情況，較佳為藉由氣相成長法或溶膠凝膠(Sol-Gel method)法等在基板上將壓電薄膜直接成膜的構成。尤其作為本實施形態的壓電體膜42，較佳為膜厚為5μm以下的厚度的薄膜。膜厚越薄則越可降低施加電壓，因而更佳為膜厚設為3μm以下。在後述的預備實驗或實施例1中，作為壓電體膜，使用藉由濺射法而成膜的2μm厚的壓電薄膜，但並不限定於此。亦可將壓電體膜的膜厚設為1μm~1.5μm。
<關於成膜方法>
作為壓電體膜42的成膜方法，較佳為氣相成長法。例如除濺射法之外，可適用離子電鍍法、有機金屬氣相成長法(metallo-organic chemical vapor deposition，MOCVD)、脈衝雷射堆積法(pulsed laser deposition，PLD)等各種方法。而且，亦可考慮使用氣相成長法以外的方法(例如，溶膠凝膠法等)。
本實施形態中，對使用摻雜了Nb的PZT膜的例子進行說明。以下，有時將壓電體膜42稱作「摻雜Nb的PZT膜」。
<關於壓電體膜的特性>
圖2表示壓電體膜42的雙極性極化-電場遲滯(Pr-E遲滯)特性。圖2的橫軸表示驅動電壓(電場)，縱軸表示極化。另外，橫軸的驅動電壓由壓電體膜的電壓施加方向上的厚度與電場的積來表示，因而若將驅動電壓的值除以壓電體的厚度，則為電場的 值。圖2中的「V1」是正電場側的矯頑電場與壓電體膜的電壓施加方向上的厚度的積，「V2」是負電場側的矯頑電場與壓電體膜的電壓施加方向上的厚度的積。
如圖2所示，摻雜Nb的PZT膜在負電場側與正電場側分別具有矯頑電場點，且具有相對於表示殘留極化的y軸(零電場的位置)為非對稱的(向正電場側偏離)Pr-E遲滯特性。圖2中，負電場側的矯頑電場Ec1與正電場側的矯頑電場Ec2具有| Ec1 |<Ec2的關係。具有如此般向正電場側偏離的非對稱Pr-E遲滯的壓電體膜中，在施加了正電場的情況下因矯頑電場Ec2大故難以極化，在施加了負電場的情況下因矯頑電場Ec1的絕對值小，故容易極化。
亦即，藉由施加正負矯頑電場中矯頑電場值的絕對值小的一側的極性的電場而進行驅動(在圖2的情況下，藉由負電場進行驅動)，可獲得大的壓電性能。在使用了具有如圖2般的P-E遲滯特性的偏置性的壓電材料的壓電元件10中，在比絕對值小的矯頑電場(Ec1)小的值範圍內使壓電器件動作。
若將Pr-E遲滯的「偏置率」按照以下的[式1]來定義，則圖2所示的P-E遲滯的偏置率約為75%。
[式1][(Ec2+Ec1)/(Ec2-Ec1)]×100[%]…(1)
如此，成為Pr-E遲滯曲線整體向右(向正電場側)偏離的形 態的壓電體膜42在未實施極化處理的狀態下，預先被極化。
另外，本實施形態中，因具有向正電場側偏離的Pr-E遲滯特性，故根據[式1]計算的值為「偏置率」，相反在具有向負電場側偏離的Pr-E遲滯特性的壓電體中，偏置率為由[式1]所獲得的值的絕對值。
另外，在具有向正電場側偏離的Pr-E遲滯特性的情況下，驅動電壓的方向與具有向負電場側偏離的Pr-E遲滯特性的情況為相反方向。
Pr-E遲滯的偏置率與壓電體膜的Nb摻雜量(亦即，通式(P-1)中的「X」元素的摻雜量)具有相關關係。若增加Nb或Bi等元素的摻雜量，則偏置率增加。而且，顯示出通式(P-1)中的「Pb」的量越多則偏置率越增加的傾向。較佳為通式(P-1)的「a」的值為1.1以上的Pb過量的狀態。
另外，關於壓電材料中的Nb量的上限，則根據是否能夠形成適於實用的壓電體膜的觀點來設定。一般來說，Nb的摻雜量越增加則壓電性能越提高，但若Nb摻雜量過於增多，則存在因應力的關係而容易產生裂紋的傾向。若膜厚薄則不易產生裂紋，因而亦根據實際使用的壓電體膜的膜厚來設定Nb的摻雜量。在設想壓電致動器或壓電感測器為適用於行動電話或噴墨印表機等普通的電子機器的情況下，壓電體膜的膜厚約為1μm~5μm左右，Nb摻雜量的上限設為約20 at%(原子組成百分率；at%)左右。亦即，作為壓電體膜42的Nb摻雜量，較佳為6 at%以上、20 at% 以下。
<預備實驗的內容>
在作為基板14的SOI晶圓上形成下部電極，在下部電極上重疊形成2μm厚的摻雜了12%的Nb的PZT(摻雜Nb的PZT)。進而，在摻雜Nb的PZT膜上形成上部電極，使用乾式蝕刻等半導體加工製程，進行加工而成為目標元件形狀，從而製作預備實驗用的角速度感測器器件(陀螺儀感測器)。
圖3是為了進行預備實驗而製作的陀螺儀感測器的平面圖，圖4是圖3的IV-IV放大剖面圖。該陀螺儀感測器與日本專利特開2011-59125號公報所揭示的構造為相同的構造。圖3及圖4為引用該公報中的圖1及圖2的圖式，關於圖式的符號，亦使用與該公報的記載為相同的符號。符號1為基板，符號2為振動部，符號3為支持振動部2的固著部。符號4為下部電極，符號5為壓電體，符號6為驅動電極，符號7為檢測電極，符號8為保護膜，符號9為用以與外部的電性電路(圖3中未圖示，相當於圖1的電子電路部30)連接的連接電極。
圖3的基板1、振動部2、下部電極4、壓電體5分別與圖1的基板14、振動部12、下部電極40、壓電體膜42相對應。而且，圖3的驅動電極6與圖1的驅動用的壓電器件20、驅動用的壓電器件22的上部電極相對應，圖3的檢測電極7與圖1的檢測用的壓電器件26的上部電極相對應。
亦如日本專利特開2011-59125號公報中所記載般，該陀 螺儀感測器包括2個呈一對柱狀的振動部2、以及支持振動部2的固著部3，在各個振動部2的上表面形成著2個驅動電極6及1個檢測電極7。
藉由對各振動部2的2個驅動電極6施加交流電壓，而能以固有振動數進行彎曲運動。藉由設法使對1根振動部2的2根驅動電極6的施加電壓的相位錯開180度等，而可使振動部2向圖3的紙面左右方向激振。並非使2根振動部2以大致平行的狀態振動，而是以閉合、打開的方式振動。當進行此種振動時，若將該陀螺儀感測器繞與振動部2的長度方向平行的軸進行角速度運動，則藉由科里奧利力(Coriolis force)，而振動部2發生應變，藉此在檢測電極7中產生電位。藉由將該信號利用外部的電路進行放大處理，而可檢測角速度。
(預備實驗1)
為了對所製作的陀螺儀感測器的極化度進行調查，對該製作的元件不實施初始的極化處理，而直接一邊對驅動電極6施加0.14V的驅動電壓並進行驅動，一邊檢測自檢測電極7獲得的輸出電壓。一邊使施加至檢測電極的電壓(更新電壓)變化，一邊對輸出的電壓作圖(plot)，並將-20V(-100kV/cm)的電場強度時的輸出標準化為「1」。
圖5中的塗黑四邊形標記所示的點表示標準化後的極化度的描點。根據該預備實驗1的結果可知，本例的壓電體膜在未實施極化處理的狀態下(未極化處理的狀態下)，被大致極化(初 始狀態下極化大致一致)。亦即，藉由使用此種壓電材料，不再需要先前為必要的極化處理(用以表現壓電性能的初始的極化處理)。
(預備實驗2)
其次，對預備實驗1中使用的壓電體膜向逆方向進行極化處理，並進行相同的實驗。亦即，在向初始狀態下獲得的極化的方向為相反的方向施加1分鐘的+20V的電壓後，進行與上述預備實驗1相同的實驗。這成為如下實驗，即，將初始狀態(未極化處理狀態)下極化狀態一致的壓電體膜設為預先有意地使其逆極化的狀態(相當於去極化狀態)，對其施加更新電壓而調查極化狀態是否恢復。圖5中的三角形標記所示的描點表示預備實驗2的實驗結果。
根據圖5，在該圖中虛線所示的-10kV/cm的電場的附近，極化度急遽變化，若施加具有10kV/cm以上的電場強度的電場，則極化度超過0.8(極化狀態恢復80%以上)。亦即，可知藉由施加具有小於10kV/cm的電場強度的電場無法充分恢復極化狀態，若未施加具有10kV/cm以上的電場強度的電場則80%以上的極化未恢復。該10kV/cm的值是充分低於先前的壓電材料(本徵PZT)的極化處理中所必需的電場強度的值。另外，將極化處理的持續時間設為1分鐘，但實際上極化處理的電壓的施加持續時間只要為1秒左右便足夠。
<關於用於壓電元件的性能維持/恢復的再極化的處理>
本實施形態中使用的壓電體膜如上述般在初始的狀態下(成膜後的未極化處理狀態下)預先使極化狀態一致，不實施先前的極化處理便可實現所需的壓電性能。然而，在加工壓電體膜時的製程中，存在因各種因素而去極化的可能性。例如，若使用吸附晶圓的靜電吸盤，則因對膜面施加大的電場而存在逆極化的可能性。或者，因暴露於電漿中，而存在根據條件的不同對膜面施加電位而逆極化的可能性。進而，在元件化後的迴焊處理中暴露於高溫的狀態下至少存在去極化的危險。
而且，若將作為最終商品而完成的壓電元件作為元件而長期使用，則存在根據其使用方法或使用環境的不同，即便少量且逐漸地但亦會去極化的可能性。若壓電體膜去極化，則感測器感度或致動器特牲(亦即，作為元件的動作特性)發生變化，因而必須作一些校正。
為了避免如以上般的由去極化所致的性能劣化，本實施形態的壓電元件中，具備對壓電器件施加更新電壓而恢復極化狀態並保持元件性能的功能。
<與先前的構成的比較> (先前方法)
圖6是表示先前的壓電體膜(本徵PZT)的Pr-E遲滯特性的圖。橫軸表示電場(單位為[kV/cm])，縱軸表示殘留極化(單位為[μC/cm2])。如圖6所示，先前的PZT膜的Pr-E遲滯特性相對於限定為大致對稱。
在將使用此種先前的PZT膜的壓電器件例如用作噴墨印表機的噴出能量產生器件的情況下，如圖6中的箭頭A所示，施加稍微超過負極側的矯頑電場(作為絕對值的大的)的電場而進行驅動。在發生去極化的狀態下即便施加此種驅動電壓(電場)，極化狀態亦不會充分恢復(回不到原來的極化狀態)。亦即，為了使去極化的狀態回到原來的極化狀態，而必須施加為矯頑電場的2倍~3倍的絕對值的大小的電場(電壓)(專利文獻1)。
另一方面，在為陀螺儀感測器等以微小電壓驅動的用途的情況下，如圖6中的箭頭B所示，使用以非常小的電場而進行動作的ASIC。無法以與此種微小電壓相對應的ASIC進行極化處理，為了進行極化處理而需要比該驅動電壓大許多的電壓。
圖7及圖8是表示是使用了先前的壓電體膜(PZT)的電子機器的製造製程的順序的流程圖。圖7是在矽(Si)元件加工後實施極化處理的流程，圖8是在PZT膜剛形成後實施極化處理的流程。
圖7的例中，在矽(Si)的基板上形成下部電極後(步驟S210~步驟S212)，在下部電極上形成PZT膜(步驟S214)。在該PZT膜上形成上部電極而進行圖案化，形成目標積層構造後(步驟S216)，將矽層加工成所需的形狀及厚度(步驟S218)。然後進行極化處理(步驟S220)，達成所需的極化狀態。極化處理後，藉由切晶而自晶圓分離為個別的器件單位(步驟S222)，進行藉由打線接合而實現的與積體電路的連接(步驟S224)，並進行封裝化 (步驟S226)。經封裝化的元件安裝於電子電路基板上，並進行迴流焊處理(步驟S228)。如此，製作搭載了元件的電子電路基板，然後經過組裝步驟，而製造出最終商品(電子機器)(步驟S230)。
圖8中對與圖7中說明的流程相同或類似的步驟附上相同的步驟編號。圖8的例中，在步驟S214所示的PZT膜形成步驟後，實施極化處理(步驟S215)，然後，進行上部電極的形成及圖案化的步驟(步驟S216)。以後的處理與圖7相同。
如圖7、圖8所示，先前，極化處理(圖7的步驟S220、圖8的步驟S215)在即將形成最終商品(電子機器)前進行。
然而，若為上述般，則因最終商品的使用環境(例如，放置於高溫下、長期的使用等)而發生去極化，從而成為元件的性能差異的原因。而且，最終商品中為了進行極化處理而必須施加數十伏特至數百伏特左右的大電壓，難以藉由驅動用ASIC供給此種高電壓且存在會超過配線的耐壓的問題。
一般而言，驅動用的ASIC因消耗電力的關係而在行動電話等行動機器用途中消耗電力較低者較佳。ASIC的輸出電壓根據各公司的規格而有所不同，例如在行動機器用途中一般而言使用5V以下的電壓。因此，假如為了在該機器內施加5V以上的電壓而必需電荷泵(charge pump)等特別的設計，從而成為成本上升的因素。進而，用以輸出高電壓的ASIC的尺寸增大，或成為問題。
(本發明的實施形態)
與此相對，本實施形態中，如圖2中所說明般，使用Pr-E遲滯特性為非對稱地偏離的壓電體，從而相比於先前，能夠以更低的電壓進行極化處理。而且，如圖1中所說明般，藉由在最終製品的電子電路部30中併入用於施加更新電壓的功能而可不依存於使用環境地長期發揮穩定的性能。
圖9是表示本實施形態的壓電體膜(Nb-PZT)的Pr-E遲滯特性的圖。在將使用具有此種非對稱的遲滯特性的摻雜Nb的PZT膜的壓電器件用作例如噴墨印表機的噴出能量產生器件的情況下，施加相比於負極側的矯頑電場充分大的(絕對值大的)電場而使用。作為一例，對膜厚3μm的壓電體膜以20V大小(電位差)的驅動電壓進行驅動。該驅動電壓超過矯頑電場，無去極化的擔心。
另一方面，在為陀螺儀感測器等感測器用途的情況下，以比負極側的矯頑電場小的微小電壓(例如，1V以下或0.5V以下的小的電壓)進行驅動。當去極化時，藉由施加該微小電壓的驅動電壓無法使極化狀態復原，但與先前的PZT相比矯頑電場的絕對值非常小，因而可進行1V至數V左右的相對低的電壓施加下的極化處理(進行極化狀態的恢復的處理，稱作「更新處理」)。普通的元件驅動用的ASIC的電源為5V或3V左右，因而可進行對於元件驅動用的ASIC的輸出電壓程度而言充分的極化(極化狀態的恢復)處理。
圖10是作為流程圖而對本實施形態的壓電元件的製造 製程、與最終商品完成後的更新處理(亦稱作「再極化處理」、或「極化狀態的恢復處理」)加以表示。圖10中，對與圖6中說明的先前的流程相同或類似的步驟附上相同的步驟編號。參照圖10對本實施形態的壓電元件的製造方法及其使用方法進行說明。
(步驟1)：首先，準備基板(圖10的步驟S210)。可使用單晶的塊狀矽基板(Si晶圓)，亦可使用SOI(Silicon On Insulator，絕緣體上矽)基板。
(步驟2)：其次，在基板的單側面形成下部電極(相當於「第1電極」)(步驟S212，「下部電極形成步驟」)。例如，藉由濺射法將TiW形成20nm膜厚，並在其上重疊形成Ir 150nm膜厚。該TiW(20nm)/Ir(150nm)的積層膜為下部電極。另外，下部電極的材料或各層的膜厚並不限於上述例，可進行各種設計。
(步驟3)：然後，在下部電極上形成摻雜Nb的PZT膜(壓電體膜42)(步驟S214，「壓電體膜形成步驟」)。例如，在下部電極上，以500℃的成膜溫度並藉由濺射法而形成2μm的膜厚的摻雜了Nb的PZT薄膜。
(步驟4)：進而在該PZT薄膜上形成上部電極，並圖案化為目標形狀(步驟S216，「上部電極形成步驟」)。例如，上部電極具有IrO/Ir/Au的積層構造。另外，每當表述積層構造時，將自下層朝向上層，按照A材料層、B材料層、C材料層的順序積層的構成由「A/B/C」的表述來表示。亦即，「/」前所記載的材料表述為構成下層者，「/」之後記載的材料表述為構成上層者。
(步驟5)：然後，將基板加工成所需的形狀及厚度(步驟S218，「Si元件加工步驟」)。使用微影、灰化、Si深挖等元件加工技術進行加工。
(步驟6)：然後，藉由切晶自晶圓分離為個別的器件單位(步驟S222，「切晶步驟」)。
(步驟7)：然後，將個別分離出的器件藉由打線接合而與積體電路進行電性連接(步驟S224，「打線接合步驟」)。
(步驟8)：然後，藉由封裝構件進行元件的封裝化(步驟S226，「封裝步驟」)。這樣，獲得封裝化的感測器元件。
(步驟9)：封裝化的元件安裝在電子電路基板上(「安裝步驟」)，進行迴焊處理(「迴焊步驟」，步驟S228)。迴焊作為表面安裝技術而為公知的技術，且是如下步驟：當在印刷基板等電路基板上安裝電子零件時，將電子零件載置於預先塗佈了焊膏(soldering paste)的基板上，進行加熱處理而一體進行焊接。當然，不限於本例的元件，電子電路基板上可安裝其他各種電子零件，各電子零件藉由迴焊而固定(焊接)於電子電路基板上。這樣，製作出搭載了元件的電子電路基板。然後，藉由電子機器的組裝步驟而進行電子電路基板的裝配(步驟S228)，製造出最終商品(電子機器)(步驟S230)。
在直至最終商品完成為止的製程中，不需要進行極化處理(相當於圖7的步驟S220、圖8的步驟S215的處理)。
另外，作為此處提及的電子機器，例如可為行動電話、 數位照相機、個人電腦、數位音樂播放器、遊戲機、電子內視鏡等醫療機器及其他各種機器，機器的對象不作特別限定。
若使用作為最終製品的電子機器，則因其使用環境或長期的使用而引起的經年劣化等，壓電體膜上可能發生去極化。本實施形態中，為了應對此種去極化引起的性能下降，而進行圖10的步驟S240中所示的極化處理。此處提及的極化處理的步驟(步驟S240)是為了將去極化的極化狀態恢復為原來的極化狀態而進行更新電壓的施加的步驟(更新處理步驟)。藉由該更新處理，可維持/恢復元件的性能。
為了實現用以保持元件性能的更新處理，作為壓電體，Pr-E遲滯的偏置性為必需。壓電體的Pr-E遲滯特性的偏置性可藉由在PZT中添加Nb或Bi而實現。而且，Pb量越多則偏置率越大。
藉由如此使用偏置率大的壓電體，而在成為最終製品後，亦能以低電壓(例如，5V以下)進行極化處理。根據本實施形態，在元件的長期使用後進行更新處理，可使元件的感度穩定。而且，在高溫下等嚴酷的環境中使用後發生去極化的情況下，可進行更新處理，而將極化狀態復原。
<更新電壓的設定>
更新處理中施加的電壓(更新電壓)在圖5的實驗結果中，較佳為施加具有極化度的變化的傾斜急遽變化的10kV/cm以上的大小的電場。藉由施加該電場強度以上的大數值的電場而可期待80%以上的極化度。
作為感測器用途或致動器用途中的壓電體膜的膜厚，例如設想為：1μm以上、5μm以下，較佳為4μm以下，進而較佳為3μm以下。理想的是膜厚儘可能薄者，例如，設為如下構成，即，對1μm~2μm的膜厚的壓電體膜施加2V~3V左右的更新電壓而進行更新處理。
進行該更新用的極化處理的時機可為任何時候。在將元件安裝於智慧型電話或行動電話、遊戲機、數位照相機等電子機器後定期或不定期地進行更新處理，藉此可一直維持良好的性能。
更新處理的實施有如下形態等各種形態，即，在元件的啟動時或機器的重置時等自動進行的形態，藉由軟體強制實施的形態，根據用戶操作而在適當的時機實施的形態，從而可在任何時機實施。而且，在為包含多個壓電器件的元件的情況下，可對各個電極個別地施加更新電壓，亦可所有通道同時實施。而且，極化處理時間只要為1秒左右便足夠。根據實驗資料，若施加更新電壓1秒左右，則可達到施加更新電壓1分鐘的情況下的80%以上的性能。因此，施加1秒左右的短時間的更新電壓便足夠。
<實施例1>
與預備實驗同樣地，在作為基板14的SOI晶圓上形成下部電極，在下部電極上重疊形成2μm厚的摻雜了12%Nb的PZT(摻雜Nb的PZT)。該壓電體膜的P-E遲滯的偏置率為75%(參照圖9)，且為預先極化者。直接(未進行極化處理)使用該壓電體膜，在形成上部電極後，進行微影、灰化、Si深挖等元件加工，從而 加工成圖3及圖4中所說明的形態的陀螺儀感測器。
壓電體膜的矯頑電場的值| Ec1 |(絕對值小的矯頑電場Ec1的值)為6kV/cm，該實施例1的陀螺儀感測器為以矯頑電場的值| Ec1 |=6kV/cm以下的電場強度進行驅動的元件。
驅動電壓設為0.14V，將下部電極接地，並對上部電極施加負電壓而進行驅動後，結果可確認良好地進行動作。
進而，設想長期使用該壓電體膜，而有意地向逆方向進行極化處理(逆極化處理)。藉由該逆極化處理，形成由去極化引起的性能劣化的狀態。然後，以施加電場強度為10kV/cm的電場的方式，自ASIC(圖1的電子電路部30)施加2V左右的電壓約1秒(將下部電極接地，對上部電極施加負電壓)。
在該更新處理後，再次進行以0.14V的驅動，結果以雖比剛才的驅動時稍低但實用上無問題的級別而良好地進行動作(參照圖11的「實施例1」)。
該實施例1中，是藉由逆極化處理而發生去極化的狀態，但實際藉由元件的長期使用而引起的經時劣化或使用環境而發生去極化，可藉由更新處理(更新電壓的施加)使極化狀態恢復，而維持/恢復元件的動作性能。
另外，雖無法說根據更新處理可必定完全地回到原來的極化狀態，但能夠在元件的實用性能上無問題的容許範圍內保持性能。
<關於更新電壓的條件>
為了保持元件的性能而施加的電場強度與壓電材料的Pr-E遲滯的偏置性存在關係。更新處理中施加的電場強度較佳為進行元件驅動的電壓側(本例中為負側)的矯頑電場值| Ec1 |的3倍以下。提及電場強度，大約為30kV/cm左右以下。更新處理中施加的電場強度的上限標準為矯頑電場值| Ec1 |的3倍以下，但只要在能夠以ASIC應對的範圍內，則亦可為超過3倍的值。
本實施例1中，負側的矯頑電場值| Ec1 |約為6kV/cm(參照圖9)，因而若施加其3倍的為18kV/cm的電場強度則可充分地進行極化處理(更新處理)。
作為具體的更新處理的電壓，根據ASIC的設計，電壓值較佳為5V以下，更佳為3V以下，進而較佳為1.5V以下。
關於更新電壓的下限，設為比以微小電壓進行動作的元件的驅動電壓大的電壓。亦即，更新電壓設為施加具有比使元件動作的電場強度大的電場強度的電場的電壓值，且，藉由更新電壓的施加而施加至壓電體膜的電場強度較佳為矯頑電場的值| Ec1 |的3倍以下。
為了實現以此種低電壓進行的極化處理，可藉由如下而實現：對進一步減小進行元件驅動的極性側(本實施例中為負側)的矯頑電場的值的材料進行設計，或使壓電體膜的厚度變薄。
壓電材料的選擇或膜厚的設計為實施發明時的設計參數。
<實施例2>
製作2μm厚的將Nb的摻雜量設為8 at%、Pr-E遲滯的偏置率為23%、負側的矯頑電場為「-30kV/cm」的壓電體膜來代替實施例1的壓電體膜，從而製作其他條件與實施例1相同的陀螺儀感測器。驅動電壓設為0.14V，將下部電極接地，並對上部電極施加負電壓而進行驅動後，結果可確認良好地動作。
該實施例2的壓電體膜中，經逆極化處理後極化度達到80%的電場強度為15kV/cm。
進而，設想長期使用該壓電體膜，而有意地向逆方向進行極化處理(逆極化處理)。藉由該逆極化處理，形成由去極化引起性能劣化的狀態。然後，以施加電場強度為15kV/cm的電場的方式，自ASIC(圖1的電子電路部30)施加3V左右的電壓約1秒(將下部電極接地，對上部電極施加負電壓)。
在該更新處理後，再次進行0.14V的驅動，結果以雖比剛才的驅動時稍低但實用上無問題的級別良好地進行動作(參照圖11的「實施例2」)。
<比較例1>
作為比較例1，製作2μm厚的Nb的摻雜量設為3 at%、P-E遲滯的偏置率為4%、負側的矯頑電場為-46kV/cm的壓電體膜。該壓電體膜預先未得到充分極化，因而成膜後在壓電體膜的整個面形成Al電極，並實施極化處理。然後，Al電極經蝕刻而剝離，從而形成上部電極。然後，進行微影、灰化、Si深挖等元件加工，製作與圖3及圖4相同形態的陀螺儀感測器。
對所獲得的元件的特性進行調查後，結果存在被認為極化不充分而去極化的器件。無法明確弄清楚該器件是在何步驟中去極化。
該比較例1的壓電體膜中，逆極化處理後極化度達到80%的電場強度為30kV/cm。為了對該比較例1的元件進行再極化處理，必須施加6V以上的電壓，無法進行藉由ASIC的極化處理(參照圖11的「比較例1」)。
<比較例2>
作為比較例2，製作2μm厚的Nb的摻雜量設為0 at%、P-E遲滯的偏置率為3%、負側的矯頑電場為-48kV/cm的壓電體膜。該壓電體膜並未被預先極化，因而成膜後在壓電體膜的整個面形成Al電極，並實施極化處理。然後，Al電極經蝕刻而剝離，從而形成上部電極。然後，進行微影、灰化、Si深挖等元件加工，製作與圖3及圖4相同形態的陀螺儀感測器。
對所獲得的元件的特性進行調查後，結果存在被認為極化不充分而去極化的器件。該比較例2的壓電體膜中，經逆極化處理後極化度達到80%的電場強度為60kV/cm。為了對該比較例2的元件進行再極化處理，必須施加12V以上的電壓，無法進行藉由ASIC的極化處理(參照圖11的「比較例2」)。
將關於上述實施例1、實施例2及比較例1、比較例2所獲得的結果總結於圖11的表中。圖11的表中的判定欄中「A」為表示良好的評估的記號，「C」為表示不良或不適當的評估的記 號。
圖11中表示實施例1(偏置率75%)，實施例2(偏置率23%)，而關於偏置率為20%以上者，可獲得良好的結果。尤其關於偏置率為70%以上者，能夠以更低的更新電壓進行極化狀態的恢復。進而初始狀態下的極化狀況良好，因而作為材料較佳。
若根據實施例1(偏置率75%)的結果而考慮條件的差異等，則認為只要偏置率為70%以上便足夠。
<關於角速度感測器(陀螺儀感測器)的自動更新功能>
圖12是表示本發明的其他實施形態的構成圖。圖12中，對與圖1所示的構成相同或類似的要素附上相同的符號，並省略其說明。
如已說明般，用作角速度感測器或陀螺儀感測器等的壓電元件10包括組合著驅動用的壓電器件20、驅動用的壓電器件22、檢測用的壓電器件26的構成，當對驅動用的壓電器件20、驅動用的壓電器件22進行驅動時可自檢測用的壓電器件26獲得檢測電壓。因此，藉由將以某特定的驅動電壓驅動時輸出的檢測電壓與基準值(預先規定的臨界值)比較，可判別是否發生因去極化而引起的性能下降。
圖12所示的實施形態是包括控制電路38(相當於「控制裝置」)的構成，該控制電路38自動判別有無因去極化而引起性能下降並控制更新處理的執行。
亦即，控制電路38包括如下的控制電路38，即該控制 電路38在以規定的驅動電壓對驅動用的壓電器件20、驅動用的壓電器件22進行驅動時自檢測用的壓電器件26輸出的檢測電壓比基準值低的情況下，自更新電壓施加電路36對感測器器件部28施加電壓。
控制電路38對驅動電路32發送指令，以某特定的(規定的)驅動電壓對驅動用的壓電器件20、驅動用的壓電器件22進行驅動，並獲取在該驅動時自檢測用的壓電器件26獲得的檢測電壓的資訊。在該檢測電壓比預先規定的基準值低的情況下，可判斷發生了由去極化而引起的性能低下。控制電路38根據該判定結果，自動判別是否進行更新處理，在必要的情況下向更新電壓施加電路36發送指令，並自更新電壓施加電路36供給更新電壓。
作為控制電路38可進行如下形態等的各種設計，例如使用將自檢測電路34獲得的信號與規定的基準值進行比較，而輸出該比較結果的比較器的形態，或使用中央運算處理裝置(Central Processing Unit，CPU)的形態。
可將實現此種控制功能的控制電路38搭載於ASIC(電子電路部30)。另外，控制電路38不限於搭載於電子電路部30的形態，亦可搭載於外部的電路部或裝置。
<其他應用例>
本發明不限於上述例示的角速度感測器、陀螺儀感測器，可適用於各種形態的感測器元件或致動器元件。不限於圖1中例示的組合著驅動用致動器(利用逆壓電效果)及感測器用壓電體(利 用壓電效果)的構成的感測器，關於僅利用壓電效果的感測器器件或僅利用逆壓電效果的致動器器件，亦可適用本發明。
另外，在不具備驅動用的壓電器件的感測器元件的情況下，與檢測用的壓電器件的電極間產生的電位差相對應的電場強度相當於使該元件「動作的電場強度」。
本發明的壓電體元件的用途可具有角速度感測器、加速度感測器、壓力感測器、致動器、發電元件等各種用途，尤其對於用於微小的電壓驅動領域或微小電壓的感測中者而發揮效果。
本發明並不限定於以上說明的實施形態，具有該領域的通常的知識的人員可在本發明的技術思想內進行多種變形。
10‧‧‧壓電元件
12‧‧‧振動部
14‧‧‧基板
20‧‧‧壓電器件
22‧‧‧壓電器件
26‧‧‧壓電器件
28‧‧‧感測器器件部
30‧‧‧電子電路部
32‧‧‧驅動電路
34‧‧‧檢測電路
36‧‧‧更新電壓施加電路
40‧‧‧下部電極
42‧‧‧壓電體膜
44‧‧‧上部電極

Claims (14)

  1. 一種壓電元件，利用壓電體膜的壓電效果及逆壓電效果中的至少一個進行動作，且包括：壓電器件部，壓電材料的雙極性極化-電場(Pr-E)遲滯特性具有在以零電場的軸為基準時為非對稱的偏置性，在將上述壓電材料的矯頑電場中的絕對值小的第1矯頑電場設為Ec1，絕對值大的第2矯頑電場設為Ec2，且將上述矯頑電場的偏置率定義為[(Ec2+Ec1)/(Ec2-Ec1)]×100[%]時，使用上述矯頑電場的偏置率為20%以上的上述壓電體膜，且以比上述第1矯頑電場小的電場強度進行動作；以及更新電壓施加電路，為了使上述壓電體膜的極化狀態恢復而保持上述壓電元件的動作性能，施加比上述動作中的上述電場強度大且為上述第1矯頑電場的絕對值| Ec1 |的3倍以下的電場強度的電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的壓電元件，其中上述壓電體膜的上述偏置率為70%以上。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的壓電元件，其包括驅動電路及檢測電路中的至少一個電路，上述驅動電路將驅動上述壓電器件部的驅動電壓供給至上述壓電器件部，上述檢測電路對自上述壓電器件部獲得的電壓信號進行檢測。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的壓電元件，其中 上述更新電壓施加電路合併至上述驅動電路及上述檢測電路中的至少一個電路中。
  5. 如申請專利範圍第3項或第4項所述的壓電元件，其中電子電路部包含積體電路，上述電子電路部包含上述驅動電路及上述檢測電路中的至少一個電路、及上述更新電壓施加電路。
  6. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述的壓電元件，其中自上述更新電壓施加電路供給至上述壓電器件部的電壓的大小為5V以下。
  7. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述的壓電元件，其中上述壓電器件部具有積層著第1電極、上述壓電體膜、第2電極的積層構造，上述更新電壓施加電路在將上述第1電極接地時，對上述第2電極施加負電壓。
  8. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述的壓電元件，其中上述壓電體膜為鈣鈦礦型的氧化物。
  9. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述的壓電元件，其中上述壓電體膜包含由以下的通式(P-1)表示的一種或多種鈣鈦礦型氧化物(亦可包含不可避免的雜質)： 通式Pba(Zrb1Tib2Xb3)O3…(P-1)(式(P-1)中，X為選自V族及VI族的元素群中的至少一種金屬元素；a>0，b1>0，b2>0，b3≧0；a≧1.0且b1+b2+b3=1.0的情況為標準，但該些數值在可取得鈣鈦礦構造的範圍內亦可偏離1.0)。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的壓電元件，其中上述壓電體膜的X為Nb，b3為0.05以上、0.3以下。
  11. 如申請專利範圍第9項所述的壓電元件，其中上述壓電體膜的X為Nb、Bi中的至少一種金屬元素。
  12. 如申請專利範圍第9項所述的壓電元件，其中上述壓電體膜的上述通式(P-1)中的a為1.1以上。
  13. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述的壓電元件，其中上述壓電器件部包含利用上述逆壓電效果而進行動作的驅動用的壓電器件、及利用上述壓電效果而進行動作的檢測用的壓電器件，且上述壓電元件包括控制裝置，上述控制裝置在以規定的驅動電壓來驅動上述驅動用的壓電器件時，在自上述檢測用的壓電器件輸出的檢測電壓低於基準值的情況下，自上述更新電壓施加電路對上述壓電器件部施加電壓。
  14. 一種壓電元件的使用方法， 壓電材料的雙極性極化-電場(Pr-E)遲滯特性具有在以零電場的軸為基準時為非對稱的偏置性，在將上述壓電材料的矯頑電場中的絕對值小的第1矯頑電場設為Ec1，絕對值大的第2矯頑電場設為Ec2，且將上述矯頑電場的偏置率定義為[(Ec2+Ec1)/(Ec2-Ec1)]×100[%]時，使用上述矯頑電場的偏置率為20%以上的壓電體膜，利用上述壓電體膜的壓電效果及逆壓電效果中的至少一個，且以比上述第1矯頑電場小的電場強度使上述壓電元件進行動作，上述壓電元件的使用方法為了保持上述壓電元件的動作性能，施加比上述動作的上述電場強度大且為上述第1矯頑電場的絕對值| Ec1 |的3倍以下的電場強度的電壓，而使上述壓電體膜的極化狀態恢復。
TW102133380A 2012-09-19 2013-09-14 壓電元件及其使用方法 TW201414026A (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012205691A JP5756786B2 (ja) 2012-09-19 2012-09-19 圧電デバイス及びその使用方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
TW201414026A true TW201414026A (zh) 2014-04-01

Family

ID=50341229

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW102133380A TW201414026A (zh) 2012-09-19 2013-09-14 壓電元件及其使用方法

Country Status (5)

Country Link
US (1) US9437801B2 (zh)
EP (1) EP2899766B1 (zh)
JP (1) JP5756786B2 (zh)
TW (1) TW201414026A (zh)
WO (1) WO2014045914A1 (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112350612A (zh) * 2019-08-07 2021-02-09 台湾积体电路制造股份有限公司 用于恢复或防止压电装置的劣化装置性能的方法及其系统
TWI725528B (zh) * 2018-09-20 2021-04-21 台灣積體電路製造股份有限公司 壓電元件、恢復壓電元件的劣化元件性能的方法及系統

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012111972A1 (de) * 2012-12-07 2014-06-12 Epcos Ag Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauteils
JP6258241B2 (ja) 2015-02-27 2018-01-10 富士フイルム株式会社 圧電アクチュエータ
US10369787B2 (en) 2015-05-25 2019-08-06 Konica Minolta, Inc. Piezoelectric thin film, piezoelectric actuator, inkjet head, inkjet printer, and method for manufacturing piezoelectric actuator
JP2017094615A (ja) 2015-11-25 2017-06-01 株式会社リコー 液体吐出ヘッド、液体吐出ユニット及び液体を吐出する装置
KR101823628B1 (ko) * 2016-11-17 2018-01-31 한국과학기술원 압전체 편극 장치 및 이를 이용한 편극 방법
JP6972768B2 (ja) * 2017-08-22 2021-11-24 株式会社デンソー 可変焦点ミラーシステム
JP7201603B2 (ja) * 2017-09-12 2023-01-10 日本碍子株式会社 圧電素子の製造方法
US11439015B2 (en) * 2019-10-10 2022-09-06 International Business Machines Corporation Surface mount device placement to control a signal path in a printed circuit board
JP7316927B2 (ja) * 2019-12-05 2023-07-28 富士フイルム株式会社 圧電ｍｅｍｓデバイス、製造方法および駆動方法
JP7316926B2 (ja) * 2019-12-05 2023-07-28 富士フイルム株式会社 圧電ｍｅｍｓデバイス、製造方法および駆動方法
JP2022040711A (ja) 2020-08-31 2022-03-11 株式会社ジャパンディスプレイ 圧力センサ
JP2023038732A (ja) * 2021-09-07 2023-03-17 株式会社東芝 磁気ディスク装置及びマイクロアクチュエータのバイアス電圧及び駆動電圧の切り替え方法

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0482309A (ja) 1990-07-24 1992-03-16 Murata Mfg Co Ltd 圧電体の分極方法
JPH082309A (ja) 1994-06-20 1996-01-09 Kyokuto Kaihatsu Kogyo Co Ltd 貨物自動車における牽引装置
JP3805837B2 (ja) * 1996-08-12 2006-08-09 トヨタ自動車株式会社 角速度検出装置
DE60237587D1 (de) * 2001-04-06 2010-10-21 Ricoh Printing Sys Ltd Tintenstrahlausstossvorrichtung
US7230597B2 (en) * 2001-07-13 2007-06-12 Tpo Hong Kong Holding Limited Active matrix array devices
JP3788759B2 (ja) * 2001-11-02 2006-06-21 リコープリンティングシステムズ株式会社 インクジェットプリンタ用ライン型記録ヘッド
JP4288908B2 (ja) * 2002-07-26 2009-07-01 リコープリンティングシステムズ株式会社 インクジェット記録装置
US7141911B2 (en) * 2002-11-15 2006-11-28 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Driving method of piezoelectric actuator, piezoelectric actuator, and disk recording and reproducing apparatus using the same
JP4487536B2 (ja) * 2002-11-15 2010-06-23 パナソニック株式会社 圧電体アクチュエータの駆動方法および圧電体アクチュエータ並びにこれを用いたディスク記録再生装置
JP4403707B2 (ja) * 2003-03-25 2010-01-27 リコープリンティングシステムズ株式会社 インク滴吐出状態検知装置及びインクジェット記録装置
JP2004338326A (ja) * 2003-05-19 2004-12-02 Kyocera Corp インクジェット記録装置およびその制御方法
JP2005340631A (ja) 2004-05-28 2005-12-08 Sony Corp 圧電素子部品及び電子装置
JP2007040879A (ja) 2005-08-04 2007-02-15 Nec Tokin Corp 圧電振動ジャイロ用振動子の分極方法
EP2306539A4 (en) * 2008-06-27 2013-06-12 Panasonic Corp PIEZOELECTRIC ELEMENT AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF
JP5497394B2 (ja) 2009-09-30 2014-05-21 富士フイルム株式会社 圧電アクチュエータとその駆動方法、液体吐出装置、圧電型超音波振動子
JP5506031B2 (ja) * 2009-12-28 2014-05-28 富士フイルム株式会社 アクチュエータ素子の駆動方法、及びデバイス検査方法
JP5506035B2 (ja) * 2010-02-23 2014-05-28 富士フイルム株式会社 アクチュエータの製造方法
JP4775502B2 (ja) 2010-10-28 2011-09-21 パナソニック株式会社 角速度センサ素子

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI725528B (zh) * 2018-09-20 2021-04-21 台灣積體電路製造股份有限公司 壓電元件、恢復壓電元件的劣化元件性能的方法及系統
CN112350612A (zh) * 2019-08-07 2021-02-09 台湾积体电路制造股份有限公司 用于恢复或防止压电装置的劣化装置性能的方法及其系统
TWI737025B (zh) * 2019-08-07 2021-08-21 台灣積體電路製造股份有限公司 用於恢復或防止壓電裝置的劣化裝置性能的方法及其系統

Also Published As

Publication number Publication date
JP2014060330A (ja) 2014-04-03
US20150194591A1 (en) 2015-07-09
JP5756786B2 (ja) 2015-07-29
EP2899766A4 (en) 2016-06-08
EP2899766A1 (en) 2015-07-29
EP2899766B1 (en) 2017-04-05
US9437801B2 (en) 2016-09-06
WO2014045914A1 (ja) 2014-03-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5756786B2 (ja) 圧電デバイス及びその使用方法
JP5539430B2 (ja) 電子機器の製造方法
JP2665106B2 (ja) 圧電／電歪膜型素子
KR101382516B1 (ko) 강유전체 디바이스
EP1703253A1 (en) Angular velocity sensor and manufacturing method thereof
EP1437570B1 (en) Angular-velocity sensor
JP4691614B1 (ja) 圧電体薄膜、インクジェットヘッド、インクジェットヘッドを用いて画像を形成する方法、角速度センサ、角速度センサを用いて角速度を測定する方法、圧電発電素子ならびに圧電発電素子を用いた発電方法
JP5275698B2 (ja) 圧電体膜の分極方法および圧電素子構造体の製造方法
US20130162106A1 (en) Vibration power generation element and vibration power generation device including same
JP2008265289A (ja) 液体吐出ヘッド及び液体吐出装置
JP5070813B2 (ja) 電子部品およびその製造方法
JP2011138925A5 (zh)
JP2009123973A (ja) 圧電素子、角速度センサ、及び圧電素子の製造方法
JP6111849B2 (ja) 圧電デバイスの製造方法
JP2009206329A (ja) 圧電素子およびその製造方法、圧電アクチュエータ、並びに、液体噴射ヘッド
JP2013247216A (ja) 圧電素子およびそれを備えたインクジェットヘッド
JP5407250B2 (ja) 角速度センサ素子、角速度センサ素子の製造方法、角速度センサ及び電子機器
JP2018190890A (ja) 圧電膜を有する積層基板、圧電膜を有する素子および圧電膜を有する積層基板の製造方法
JP2009123974A (ja) 圧電素子、角速度センサ、及び圧電素子の製造方法
JP2009170631A (ja) 圧電素子とその製造方法およびこれを用いた圧電応用デバイス
JP4815743B2 (ja) 圧電素子の製造方法
JP2009123972A (ja) 圧電素子、角速度センサ、及び圧電素子の製造方法
JP6193599B2 (ja) 角速度センサ及びその製造方法
JP2015224893A (ja) 角速度センサ
JP2007281338A (ja) 圧電素子および圧電材料