WO2020066936A1 - 圧電デバイス、及び圧電デバイスの製造方法 - Google Patents

圧電デバイス、及び圧電デバイスの製造方法 Download PDF

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piezoelectric
conductive film
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adhesive layer
piezoelectric device
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直樹 永岡
中村 大輔
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日東電工株式会社
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    • H10N30/853Ceramic compositions

Definitions

  • the present invention relates to a piezoelectric device and a method for manufacturing the same.
  • a piezoelectric element utilizing the piezoelectric effect of a substance has been used.
  • the piezoelectric effect refers to a phenomenon in which a substance is applied with pressure to obtain polarization proportional to the pressure.
  • Various sensors such as a pressure sensor, an acceleration sensor, and an AE (acoustic emission) sensor for detecting an elastic wave using the piezoelectric effect have been manufactured.
  • touch panels have been used as input interfaces for electronic devices such as smartphones, and piezoelectric elements are often applied to touch panels.
  • the touch panel is integrally formed with the display device of the electronic device, and is required to have high transparency to visible light in order to enhance visibility.
  • the piezoelectric layer has high pressure responsiveness.
  • Piezoelectric elements generally have a laminated structure in which a piezoelectric layer is sandwiched between a pair of electrodes.
  • the piezoelectric layer has a certain thickness to improve the crystal orientation of the piezoelectric layer, but when the piezoelectric layer is thicker, cracks and pinholes are likely to occur. Become. If there is a foreign substance or a crystal grain boundary at the interface between the piezoelectric layer and the electrode, a leak path is formed between the electrodes due to cracks and pinholes, and the charge generated in the piezoelectric layer disappears.
  • it is desired to reduce the thickness of the piezoelectric layer in order to reduce the size of the device, it is desired to reduce the thickness of the piezoelectric layer. However, as the thickness of the piezoelectric layer decreases, the problem of leakage between the electrodes becomes more significant.
  • the object of the present invention is to provide a piezoelectric device having good piezoelectric characteristics by suppressing leakage between electrodes and a method for manufacturing the same.
  • the present invention by providing an adhesive layer between the piezoelectric layer and the electrode, it is possible to prevent a leak path that short-circuits between the electrodes from being formed in the piezoelectric layer.
  • a piezoelectric device is provided on a first substrate.
  • the second conductive film is arranged in this order.
  • an amorphous orientation control film may be disposed between the first conductive film and the piezoelectric layer.
  • a method of manufacturing a piezoelectric device includes: A first portion in which a first conductive film and a piezoelectric layer of an inorganic material are laminated in this order on a first base material, and a second portion in which a second conductive film is formed on a second base material And make A step of bonding the first portion and the second portion with an adhesive layer with the piezoelectric layer and the second conductive film facing each other.
  • FIG. 2 is a manufacturing process diagram of the piezoelectric device of FIG. 1.
  • FIG. 2 is a manufacturing process diagram of the piezoelectric device of FIG. 1. It is a modification of a piezoelectric device.
  • FIG. 4 is a manufacturing process diagram of the piezoelectric device of FIG. 3.
  • FIG. 4 is a manufacturing process diagram of the piezoelectric device of FIG. 3. It is a figure showing the evaluation result of the piezoelectric device of an embodiment with a comparative example.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a piezoelectric device 10A of the embodiment.
  • the piezoelectric device 10A is used, for example, as a piezoelectric sensor that extracts an electric signal proportional to the pressure applied from the outside.
  • a conductive film 12, a piezoelectric layer 13, an adhesive layer 14, a conductive film 15, and a base material 16 are arranged on a base material 11 in this order.
  • the adhesive layer 14 between the piezoelectric layer 13 and the conductive film 15 formation of a leak path between the conductive film 15 and the conductive film 12 is suppressed.
  • the base material 11 may be a glass substrate or a plastic substrate.
  • the substrate may be a flexible substrate that can impart flexibility to the piezoelectric device 10A.
  • the plastic substrate for example, polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polycarbonate (PC), acrylic resin, cycloolefin polymer, polyimide (PI), or the like can be used.
  • polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polycarbonate (PC), acrylic resin, and cycloolefin polymer are colorless and transparent materials, and the piezoelectric device 10A is required to have light transmittance. Suitable if When the piezoelectric device 10A is not required to have optical transparency, that is, when applied to a health care product such as a pulse meter and a heart rate monitor, or a pressure detection sheet mounted on a vehicle, a translucent or opaque plastic material may be used.
  • the conductive film 12 functions as a lower electrode in this configuration example.
  • the conductive film 12 is a transparent oxide conductive film such as ITO (Indium Tin Oxide), IZO (Indium Zinc Oxide), IZTO (Indium Zinc Tin Oxide), and IGZO (Indium Gallium Zinc Oxide).
  • ITO Indium Tin Oxide
  • IZO Indium Zinc Oxide
  • IZTO Indium Zinc Tin Oxide
  • IGZO Indium Gallium Zinc Oxide
  • the oxide conductive film may be an amorphous film.
  • an amorphous film irregularities on the surface of the conductive film 12 and crystal grain boundaries which cause a leak path can be prevented.
  • the upper piezoelectric layer 13 can be grown with good crystal orientation without being affected by the crystal orientation of the conductive film 12.
  • the piezoelectric layer 13 is formed of an inorganic piezoelectric material and has, for example, a wurtzite-type crystal structure.
  • the thickness of the piezoelectric layer 13 is, for example, 50 nm to 400 nm. By setting the thickness of the piezoelectric layer 13 in this range, generation of cracks and cracks can be suppressed. If the thickness of the piezoelectric layer 13 exceeds 400 nm, cracks and cracks are more likely to occur, which affects transparency or haze (cloudiness). If the thickness of the piezoelectric layer 13 is less than 50 nm, it will be difficult to realize sufficient piezoelectric characteristics (or polarization proportional to pressure).
  • the wurtzite crystal has a hexagonal unit cell and a polarization vector in a direction parallel to the c-axis.
  • wurtzite type piezoelectric materials zinc oxide (ZnO), zinc sulfide (ZnS), zinc selenide (ZnSe), zinc telluride (ZnTe), aluminum nitride (AlN), gallium nitride (GaN), cadmium selenide ( CdSe), cadmium telluride (CdTe), and silicon carbide (SiC) can be used, and only these components or a combination of two or more thereof may be used. In the case of a combination of two or more components, each component can be laminated. Alternatively, these components or a combination of two or more of these components may be used as a main component, and other components may be optionally included.
  • Metals that do not exhibit conductivity when added to a wurtzite-type crystal material such as silicon (Si), magnesium (Mg), vanadium (V), titanium (Ti), zirconium (Zr), and lithium (Li). It may be added as a dopant. One kind of dopant may be used, or two or more kinds of dopants may be combined. By adding these metals, generation of cracks in the piezoelectric layer 13 can be suppressed.
  • the content of the ⁇ dopant ⁇ is, for example, 0.1 at.% Or more and 20 at.% Or less, preferably 0.1 at.% Or more and 10 at.% Or less. If the amount of the dopant is less than 0.1 at.%, The effect of suppressing cracks cannot be sufficiently obtained. If it exceeds 20 at.%, The piezoelectric properties of the piezoelectric layer 13 will be affected.
  • the adhesive layer 14 may be an insulating adhesive layer or a conductive adhesive layer. When a conductive adhesive is used, the adhesive layer 14 may function as a part of the upper electrode together with the conductive film 15.
  • the adhesive layer 14 is a layer of, for example, an acrylic adhesive or a silicone adhesive. These adhesives have transparency and can be used even when the piezoelectric device 10A is applied to a display.
  • an adhesive containing an ultraviolet curable component and a binder polymer may be used as the adhesive layer 14.
  • the ultraviolet curing component is, for example, an ultraviolet curing resin such as an oligoester acrylate or a urethane acrylate oligomer.
  • a photopolymerization initiator may be mixed with these ultraviolet curable resins.
  • thermosetting component may be used in place of the ultraviolet curing component.
  • thermosetting component include an epoxy resin, a phenol resin, a melamine resin, a urea resin, a polyester resin, a urethane resin, an acrylic resin, a polyimide resin, a benzoxazine resin, and the like, and a mixture thereof.
  • the binder polymer is, for example, an acrylic polymer, a polyester resin, a urethane resin, a silicone resin, a rubber polymer, or the like.
  • the above-mentioned transparent pressure-sensitive adhesive may be made of a material containing metal nanoparticles as a dopant. If the thickness of the adhesive layer 14 is too large, the charge generated in the piezoelectric layer 13 is attenuated. Therefore, the thickness of the adhesive layer 14 is desirably 10 ⁇ m or less, and more desirably 5 ⁇ m or less.
  • the conductive film 15 is used as an upper electrode.
  • the conductive film 15 may be a transparent oxide conductive film such as ITO, IZO, IZTO, or IGZO, or a metal electrode such as Al or Pt.
  • a transparent conductive film such as ITO, IZO, IZTO, or IGZO is desirable.
  • the piezoelectric device 10A even when the piezoelectric layer 13 is formed of a crystalline inorganic material, formation of a leak path between the conductive film 12 and the conductive film 15 is suppressed, and excellent piezoelectric characteristics are maintained. Can be.
  • FIGS. 2A and 2B are manufacturing process diagrams of the piezoelectric device 10A of FIG.
  • a first portion 101 and a second portion 102 constituting the piezoelectric device 10A are manufactured.
  • a conductive film 12 is formed on a base material 11, and a piezoelectric layer 13 is formed on the conductive film 12.
  • an ITO film is formed as a conductive film 12 on a PET substrate 11 having a thickness of 50 to 100 ⁇ m by sputtering at room temperature.
  • a ZnO layer having a thickness of 50 to 400 nm is formed as the piezoelectric layer 13 on the conductive film 12.
  • the ZnO layer may be formed by RF magnetron sputtering or DC magnetron sputtering in a mixed gas atmosphere of argon (Ar) and a small amount of oxygen (O 2 ) using a ZnO target. As a result, a first portion is manufactured.
  • the second portion 102 is formed by forming the conductive film 15 on the base material 16 and disposing the adhesive layer 14 on the conductive film 15.
  • an ITO film is formed as a conductive film 15 on a PET substrate 16 having a thickness of 50 to 100 ⁇ m by sputtering at room temperature.
  • An adhesive layer 14 having a thickness of 1 to 5 ⁇ m is formed on the conductive film 15.
  • an ITO film with a transparent conductive adhesive layer may be used as the conductive film 15 and the adhesive layer 14.
  • the piezoelectric layer 13 of the first portion 101 and the adhesive layer 14 of the second portion 102 face each other, and the first portion 101 and the second portion 102 are bonded with the adhesive layer 14. Thereby, the piezoelectric device 10A is obtained. Since the adhesive layer 14 exists between the piezoelectric layer 13 and the conductive film 15, a leak path is formed between the conductive film 12 and the conductive film 15 even when a pinhole or a crack occurs in the piezoelectric layer 13. Can be prevented. Thereby, the piezoelectric layer 13 can maintain the piezoelectric characteristics in the thickness direction.
  • FIG. 3 shows a piezoelectric device 10B as a modification.
  • the piezoelectric device 10B has an amorphous orientation control layer 17 as a base layer of the piezoelectric layer 13.
  • a conductive film 12, an orientation control layer 17, a piezoelectric layer 13, an adhesive layer 14, a conductive film 15, and a substrate 16 are arranged on a substrate 11 in this order.
  • the adhesive layer 14 between the piezoelectric layer 13 and the conductive film 15 is suppressed.
  • the amorphous orientation control layer 17 under the piezoelectric layer 13, the crystal orientation of the piezoelectric layer is improved.
  • the base material 11 may be a glass substrate or a plastic substrate.
  • the substrate may be a flexible substrate that can impart flexibility to the piezoelectric device 10A.
  • the plastic substrate for example, polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polycarbonate (PC), acrylic resin, cycloolefin polymer, polyimide (PI), or the like can be used.
  • polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polycarbonate (PC), acrylic resin, and cycloolefin polymer are colorless and transparent materials, and the piezoelectric device 10A is required to have light transmittance. Suitable if When the piezoelectric device 10A is not required to have optical transparency, that is, when applied to a health care product such as a pulse meter and a heart rate monitor, or a pressure detection sheet mounted on a vehicle, a translucent or opaque plastic material may be used.
  • the conductive film 12 functions as a lower electrode in this configuration example.
  • the conductive film 12 is a transparent oxide conductive film such as ITO (Indium Tin Oxide), IZO (Indium Zinc Oxide), IZTO (Indium Zinc Tin Oxide), and IGZO (Indium Gallium Zinc Oxide).
  • ITO Indium Tin Oxide
  • IZO Indium Zinc Oxide
  • IZTO Indium Zinc Tin Oxide
  • IGZO Indium Gallium Zinc Oxide
  • the orientation control layer 17 is formed of an inorganic substance, an organic substance, or a mixture of an inorganic substance and an organic substance.
  • the inorganic material silicon oxide (SiOx), silicon nitride (SiN), aluminum nitride (AlN), aluminum oxide (Al 2 O 3), gallium nitride (GaN), be used gallium oxide (Ga 2 O 3), etc. it can.
  • SiOx silicon oxide
  • SiN silicon nitride
  • AlN aluminum nitride
  • Al 2 O 3 aluminum oxide
  • GaN gallium nitride
  • ZnO to which Al 2 O 3 and SiO x are added hereinafter referred to as “SAZO”
  • GaN, AlN to which at least one of Al 2 O 3 , Ga 2 O 3 , SiO x and SiN is added, ZnO or the like may be used.
  • the organic substance examples include an organic substance such as an acrylic resin, a urethane resin, a melamine resin, an alkyd resin, and a siloxane-based polymer.
  • an organic substance such as an acrylic resin, a urethane resin, a melamine resin, an alkyd resin, and a siloxane-based polymer.
  • a thermosetting resin composed of a mixture of a melamine resin, an alkyd resin, and an organic silane condensate as the organic substance.
  • An amorphous film can be formed using the above materials by a vacuum evaporation method, a sputtering method, an ion plating method, a coating method, or the like.
  • the orientation control layer 17 may be a single layer, or a laminate of two or more layers. In the case of stacking, a stack of an inorganic thin film and an organic thin film may be used.
  • the amorphous orientation control layer 17 using these materials has excellent surface smoothness and can orient the c-axis of the upper wurtzite type material in the vertical direction (stacking direction). Further, the gas barrier property is high, and the influence of gas derived from the plastic layer during film formation can be reduced.
  • thermosetting resins are amorphous and have high smoothness. Melamine resin has a high density and a high barrier property due to a three-dimensional crosslinked structure.
  • the orientation control layer according to the present invention is formed of amorphous, but the entire orientation control layer does not necessarily need to be amorphous, and has a non-amorphous region as long as the effects of the present invention are exhibited. You may.
  • the ratio of the region formed from an amorphous component is preferably 90% or more, more preferably 95% or more, and further preferably 100%.
  • the piezoelectric layer 13 is formed of a crystalline inorganic piezoelectric material, like the piezoelectric layer 13 used in the piezoelectric device 10A of FIG. 1, and has, for example, a wurtzite-type crystal structure.
  • zinc oxide (ZnO), zinc sulfide (ZnS), zinc selenide (ZnSe), zinc telluride (ZnTe), aluminum nitride (AlN), gallium nitride (GaN), cadmium selenide ( CdSe), cadmium telluride (CdTe), and silicon carbide (SiC) can be used, and these components or a combination of two or more thereof may be used. In the case of a combination of two or more components, each component can be laminated. Alternatively, these components or a combination of two or more of these components may be used as a main component, and other components may be optionally included.
  • the c-axis orientation of the piezoelectric layer 13 is excellent because the amorphous orientation control layer 17 is disposed as a base.
  • Metals that do not exhibit conductivity when added to a wurtzite-type crystal material such as silicon (Si), magnesium (Mg), vanadium (V), titanium (Ti), zirconium (Zr), and lithium (Li). It may be added as a dopant. One kind of dopant may be used, or two or more kinds of dopants may be combined. By adding these metals, generation of cracks in the piezoelectric layer 13 can be suppressed.
  • the adhesive layer 14 is an insulating or conductive adhesive layer, and an acrylic adhesive, a silicone adhesive, or the like can be used as in FIG. When a conductive adhesive is used, the adhesive layer 14 may function as a part of the upper electrode together with the conductive film 15.
  • the conductive film 15 is used as an upper electrode.
  • the conductive film 15 is a transparent oxide conductive film such as ITO, IZO, IZTO, or IGZO.
  • ITO, IZO, IZTO, or IGZO is desirable.
  • the piezoelectric device 10B has the amorphous orientation control layer 17 as the base of the piezoelectric layer 13, so that the piezoelectric layer 13 has excellent c-axis orientation and good polarization characteristics in the thickness direction. Further, by inserting the adhesive layer 14, the formation of a leak path between the conductive film 12 and the conductive film 15 can be suppressed, and good piezoelectric characteristics can be maintained.
  • FIGS. 4A and 4B are manufacturing process diagrams of the piezoelectric device 10B of FIG.
  • a first portion 201 and a second portion 202 constituting the piezoelectric device 10B are manufactured.
  • a conductive film 12 is formed on a base material 11, and an orientation control layer 17 and a piezoelectric layer 13 are formed on the conductive film 12 in this order.
  • the conductive film 12, the orientation control layer 17, and the piezoelectric layer 13 may be formed continuously by sputtering at room temperature.
  • the conductive film 15 is formed on the base material 16, and the adhesive layer 14 is disposed on the conductive film 15.
  • the conductive film 15 and the adhesive layer 14 an ITO film with a transparent conductive adhesive layer may be used.
  • the piezoelectric layer 13 of the first part 201 and the adhesive layer 14 of the second part 202 are opposed to each other, and the first part 201 and the second part 202 are attached to each other with the adhesive layer 14, whereby the piezoelectric device 10B Is produced. Since the orientation control layer 17 is disposed under the piezoelectric layer 13, the c-axis orientation of the piezoelectric layer is improved. Further, since the adhesive layer 14 is inserted between the piezoelectric layer 13 and the conductive film 15, even if a crack occurs due to a fine pinhole or the like, a leak path exists between the conductive films 12. It can be prevented from being formed.
  • FIG. 5 is a diagram showing evaluation results of the piezoelectric device of the embodiment together with evaluation results of the comparative example.
  • Example a sample 30 having the configuration of the piezoelectric device of FIG. 3 is manufactured, and the resistance value is measured.
  • Comparative Example a sample 40 in which no adhesive layer is used is prepared, and the resistance value is measured.
  • an ITO film having a thickness of 50 nm is formed as a lower electrode 32 on a PET substrate 31.
  • an amorphous SAZO (ZnO to which Al 2 O 3 and SiO x is added) film having a thickness of 10 nm is formed as an orientation control layer 37 by sputtering at room temperature.
  • Two types of first portions are prepared by forming a 200 nm thick ZnO layer as the piezoelectric layer 33 and a 400 nm thick ZnO layer on the orientation control layer 37.
  • an Al film having a thickness of 100 nm is formed as an upper electrode 35 on a PET base material 36, and an adhesive material having a thickness of 5 ⁇ m is attached on the Al film to form an adhesive layer 34. Make two 2 parts.
  • the first portion and the second portion are attached to each other with the adhesive layer 34, and two kinds of samples 30 having different thicknesses of the piezoelectric layer 33 are manufactured.
  • the sample 40 of the comparative example is made of the same material and the same size as the sample 30 except that the adhesive layer 34 is not used.
  • an ITO film as the lower electrode 42 is formed, and on the ITO film, a 10-nm-thick orientation control layer 47 is formed of SAZO.
  • the orientation control layer 47 as the piezoelectric layer 43, a two-layered structure is prepared, in which a 200 nm thick ZnO film is formed and a 400 nm thick ZnO film is formed.
  • An Al film having a thickness of 100 nm is formed as an upper electrode 45 on each of the stacked bodies.
  • the resistance between the upper electrode and the lower electrode of the two types of sample 30 and the two types of sample 40 for the comparative example is measured by an insulation resistance meter.
  • the measurable needle up to megaohm (M ⁇ ) was swung off in any sample, and no value could be obtained.
  • An electric resistance of at least a unit of megaohm is maintained between the lower electrode 32 and the upper electrode 35, and almost no leak current occurs.
  • the sample 40 has a resistance of 214 ⁇ when the thickness of the piezoelectric layer 43 is 200 nm, and 228 ⁇ when the thickness of the piezoelectric layer 43 is 400 nm. Although the resistance value is slightly increased by the thickness of the piezoelectric layer 43, a considerable leakage current still occurs.
  • thin film glass may be used for at least one of the substrate 11 and the substrate 16.
  • the second portion 102 (or 202) of the piezoelectric device 10 a configuration in which the conductive film 15 and the adhesive layer 14 are arranged in advance on the base material 16 is adopted. May not be included in As the second portion, a configuration in which only the conductive film 15 is disposed on the base material 16 may be used. In this case, the first portion of the piezoelectric layer 13 and the second portion of the conductive film 15 may be opposed to each other, and an adhesive layer may be disposed between the first and second portions during the bonding to perform the bonding.
  • the piezoelectric devices 10A and 10B of the embodiment can also be used as a piezoelectric actuator using the inverse piezoelectric effect. In this case, application to an inkjet head or the like is possible.
  • 10A, 10B piezoelectric device 11 base material (first base material), 12 conductive film (first conductive film) 13 piezoelectric layer 14 adhesive layer 15 conductive film (second conductive film) 16 Base material (second base material) 17 orientation control layers 101, 201 first part 102, 202 second part

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Abstract

圧電デバイスで電極間のリークを抑制して良好な圧電特性を維持する。圧電デバイスは、第1基材の上に、第1の導電膜と、無機材料の圧電体層と、粘着層と、第2の導電膜がこの順で配置されている。

Description

圧電デバイス、及び圧電デバイスの製造方法
 本発明は、圧電デバイスとその製造方法に関する。
 従来から、物質の圧電効果を利用した圧電素子が用いられている。圧電効果は、物質に圧力が加えられることにより、圧力に比例した分極が得られる現象をいう。圧電効果を利用して、圧力センサ、加速度センサ、弾性波を検出するAE(アコースティック・エミッション)センサ等の様々なセンサが作製されている。
 近年では、スマートフォン等の電子機器の入力インターフェースとしてタッチパネルが用いられ、圧電素子のタッチパネルへの適用も多い。タッチパネルは電子機器の表示装置と一体に構成され、視認性を高めるために可視光に対する高い透明性が求められる。一方で、指の操作を正確に検出するために、圧電体層は高い圧力応答性を備えていることが望まれる。
 透明圧電シートとして、有機重合体の透明圧電体膜と、透明平板電極を接着剤層で張り合わせた構成が知られている(たとえば、特許文献1参照)。
 圧電素子は、一般的に一対の電極の間に圧電体層を挟んだ積層構造を有する。結晶性の圧電体材料を用いる場合、圧電体層の結晶配向性を良くするために、圧電体層にある程度の厚みをもたせているが、圧電体層が厚くなると、クラックやピンホールが生じやすくなる。圧電体層と電極の界面に異物や結晶粒界があると、クラックやピンホールに起因して電極と電極の間にリークパスが形成され、圧電層に生じた電荷が消失してしまう。一方、デバイスの小型化の要請から、圧電体層の厚さを薄くすることが望まれているが、圧電体層の厚さが薄くなるほど、電極間のリークの問題は顕著になる。
 本発明は、電極間のリークを抑制して良好な圧電特性を有する圧電デバイスとその製造方法を提供することを目的とする。
 本発明では、圧電体層と電極の間に粘着層を配置することで、電極間を短絡するリークパスが圧電体層に形成されることを防止する。
 ひとつの態様では、圧電デバイスは、第1基材の上に、
 第1の導電膜と、
 無機材料の圧電体層と、
 粘着層と、
 第2の導電膜
がこの順で配置されている。
 好ましい構成例のひとつとして、第1の導電膜と圧電体層の間に非晶質の配向制御膜が配置されていてもよい。
 別の態様では、圧電デバイスの製造方法は、
 第1基材の上に第1の導電膜と無機材料の圧電体層がこの順で積層された第1部分と、第2基材の上に第2の導電膜が形成された第2部分を作製し、
 前記圧電体層と前記第2の導電膜を対向させて、前記第1部分と前記第2部分を粘着層で貼り合わせる工程を含む。
 上記の構成と手法により、電極間のリークが抑制された圧電デバイスが実現される。
実施形態の圧電デバイスの概略図である。 図1の圧電デバイスの作製工程図である。 図1の圧電デバイスの作製工程図である。 圧電デバイスの変形例である。 図3の圧電デバイスの作製工程図である。 図3の圧電デバイスの作製工程図である。 実施形態の圧電デバイスの評価結果を比較例とともに示す図である。
 図1は、実施形態の圧電デバイス10Aの概略構成図である。圧電デバイス10Aは、たとえば外部から加えられる圧力に比例した電気信号を取り出す圧電センサとして用いられる。
 圧電デバイス10Aは、基材11の上に、導電膜12、圧電体層13、粘着層14、導電膜15、及び基材16がこの順で配置されている。圧電体層13と導電膜15の間に粘着層14を配置することで、導電膜15と導電膜12の間にリークパスが形成されることを抑制する。
 基材11は、ガラス基板であってもよいし、プラスチック基板であってもよい。プラスチック基板を用いる場合は、圧電デバイス10Aに屈曲性を与えることのできる可撓性の基板であってもよい。プラスチック基板として、たとえば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリカーボネート(PC)、アクリル系樹脂、シクロオレフィン系ポリマー、ポリイミド(PI)等を用いることができる。
 これらの材料の中で、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリカーボネート(PC)、アクリル系樹脂、シクロオレフィン系ポリマーは無色透明な材料であり、圧電デバイス10Aに光透過性が求められる場合に、適している。圧電デバイス10Aに光透過性を要求されない場合、すなわち脈拍計、心拍計などのヘルスケア用品や、車載圧力検知シートなどに適用される場合は、半透明または不透明のプラスチック材料を用いてもよい。
 導電膜12は、この構成例では下部電極として機能する。導電膜12は、たとえば、ITO(Indium Tin Oxide)、IZO(Indium Zinc Oxide)、IZTO(Indium Zinc Tin Oxide)、IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide)などの透明な酸化物導電膜である。導電膜12の透明性は必須ではないが、圧電デバイス10Aをタッチパネル等のディスプレイに適用する場合は、ITO、IZO、IZTO、IGZO等の透明な導電膜が望ましい。
 導電膜12と圧電体層13の間の界面の凹凸や結晶粒界を抑制する観点からは、酸化物導電体の膜を、非晶質の膜としてもよい。非晶質の膜とすることで、導電膜12の表面の凹凸や、リークパスの要因となる結晶粒界を防止することができる。また、上層の圧電体層13が導電膜12の結晶配向の影響を受けずに、良好な結晶配向性で成長することができる。
 圧電体層13は、無機圧電材料で形成されており、たとえば、ウルツ鉱型の結晶構造を有する。圧電体層13の厚さは、たとえば50nm~400nmである。圧電体層13の厚さをこの範囲にすることで、クラックや割れの発生を抑制することができる。圧電体層13の厚さが400nmを超えると、クラック・割れが発生する蓋然性が高くなり、透明度またはヘイズ(曇り度)に影響する。圧電体層13の厚さが50nm未満になると、十分な圧電特性(または圧力に比例した分極)を実現することが困難になる。
 ウルツ鉱型の結晶は六方晶の単位格子を持ち、c軸と平行な方向に分極ベクトルを有する。ウルツ鉱型の圧電材料として、酸化亜鉛(ZnO)、硫化亜鉛(ZnS)、セレン化亜鉛(ZnSe)、テルル化亜鉛(ZnTe)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ガリウム(GaN)、セレン化カドミウム(CdSe)、テルル化カドミウム(CdTe)、炭化ケイ素(SiC)を用いることができ、これらの成分またはこれらの中の2以上の組み合わせのみを用いてもよい。2成分以上の組み合わせの場合は、それぞれの成分を積層させることができる。あるいは、これらの成分またはこれらの中の2以上の組み合わせを主成分として用い、その他の成分を任意に含めることもできる。
 ウルツ鉱型の結晶材料に、ケイ素(Si)、マグネシウム(Mg)、バナジウム(V)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、リチウム(Li)等、添加した際に導電性が発現しない金属をドーパントとして添加してもよい。ドーパントの種類は1種類でもよいし、2種類以上のドーパントを組み合わせてもよい。これらの金属を添加することで、圧電体層13におけるクラックの発生を抑制することができる。
 ドーパントの含有量は、たとえば、0.1 at.%以上、20 at.%以下、好ましくは、0.1 at.%以上、10 at.%以下である。ドーパントの量が0.1 at.%よりも少ないと、クラック抑制効果が十分に得られない。20 at.%を超えると、圧電体層13の圧電特性に影響する。
 圧電体層13へのドーパントの添加は必須ではない。後述するように、圧電体層13と導電膜15の間に粘着層14が挿入されているので、圧電体層13の表面にピンホールやクラックが発生しても、導電膜12と導電膜15の間にリークパスが形成されることを防止できるからである。
 粘着層14は、絶縁性の粘着層であってもよいし、導電性の粘着層であってもよい。導電性の粘着剤を用いる場合は、粘着層14は導電膜15とともに上部電極の一部として機能してもよい。
 粘着層14は、たとえば、アクリル系粘着剤、シリコーン系粘着剤などの層である。これらの粘着剤は透明性を有し、圧電デバイス10Aがディスプレイに適用される場合でも使用可能である。粘着層14として、紫外線硬化成分とバインダーポリマーを含む接着剤を用いてもよい。紫外線硬化成分は、たとえば、オリゴエステルアクリレート、ウレタンアクリレートオリゴマー等の紫外線硬化樹脂である。これらの紫外線硬化型樹脂に、光重合開始剤を混合してもよい。
 紫外線硬化成分に替えて、熱硬化成分を用いてもよい。熱硬化成分として、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、ポリエステル樹脂、ウレタン樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、ベンゾオキサジン樹脂等、及びこれらの混合物がある。
 バインダーポリマーは、たとえば、アクリル系ポリマー、ポリエステル樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂、ゴム系ポリマーなどである。
 粘着層14を導電性の透明粘着層とする場合は、上述した透明粘着剤に金属ナノ粒子をドーパントとして含む材料を用いてもよい。粘着層14の厚さが大きすぎると圧電体層13で発生した電荷の減衰が発生するため、粘着層14の厚さとしては、10μm以下が望ましく、更に好ましくは5μm以下が望ましい。
 導電膜15は、上部電極として用いられる。粘着層14が導電性の場合は、粘着層14とともに上部電極を構成する。導電膜15は、導電膜12は、ITO、IZO、IZTO、IGZOなどの透明な酸化物導電膜としてもよいし、Al、Pt等の金属電極としてもよい。圧電デバイス10Aをタッチパネル等のディスプレイに適用する場合は、ITO、IZO、IZTO、IGZO等の透明な導電膜であることが望ましい。
 この圧電デバイス10Aは、圧電体層13を結晶性の無機材料で形成する場合でも、導電膜12と導電膜15の間にリークパスが形成されることを抑制し、良好な圧電特性を維持することができる。
 図2Aと図2Bは、図1の圧電デバイス10Aの作製工程図である。図2Aにおいて、圧電デバイス10Aを構成する第1部分101と、第2部分102を作製する。第1部分101は、基材11の上に、導電膜12を形成し、導電膜12の上に圧電体層13を形成する。一例として、厚さ50~100μmのPETの基材11の上に、導電膜12としてITO膜を室温のスパッタリングで形成する。
 導電膜12の上に、圧電体層13として厚さ50~400nmのZnO層を形成する。ZnO層は、ZnOターゲットを用いて、アルゴン(Ar)と微量の酸素(O2)の混合ガス雰囲気中で、RFマグネトロンスパッタで形成してもよいし、DCマグネトロンスパッタで形成してもよい。これにより第1部分が作製される。
 第2部分102は、基材16の上に、導電膜15を形成し、導電膜15の上に粘着層14を配置して作製される。一例として、厚さ50~100μmのPETの基材16の上に、導電膜15としてITO膜を室温のスパッタリングで形成する。導電膜15上に、厚さ1~5μmの粘着層14を形成する。導電膜15と粘着層14として、透明導電接着層付きのITO膜を利用してもよい。
 図2Bで、第1部分101の圧電体層13と、第2部分102の粘着層14を対向させて、第1部分101と第2部分102を粘着層14で貼り合わせる。これにより、圧電デバイス10Aが得られる。圧電体層13と導電膜15の間に粘着層14が存在するので、圧電体層13にピンホールやクラックが生じた場合でも、導電膜12と導電膜15の間にリークパスが形成されることを防止できる。これにより、圧電体層13は、厚さ方向の圧電特性を維持することができる。
 <変形例>
 図3は、変形例として、圧電デバイス10Bを示す。圧電デバイス10Bは、圧電体層13の下地層として、非晶質の配向制御層17を有する。圧電デバイス10Bは、基材11の上に、導電膜12、配向制御層17、圧電体層13、粘着層14、導電膜15、及び基材16がこの順で配置されている。圧電体層13と導電膜15の間に粘着層14を配置することで、導電膜15と導電膜12の間にリークパスが形成されることを抑制する。圧電体層13の下地に、非晶質の配向制御層17を配置することで、圧電体層の結晶配向性を向上する。
 基材11は、ガラス基板であってもよいし、プラスチック基板であってもよい。プラスチック基板を用いる場合は、圧電デバイス10Aに屈曲性を与えることのできる可撓性の基板であってもよい。プラスチック基板として、たとえば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリカーボネート(PC)、アクリル系樹脂、シクロオレフィン系ポリマー、ポリイミド(PI)等を用いることができる。
 これらの材料の中で、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリカーボネート(PC)、アクリル系樹脂、シクロオレフィン系ポリマーは無色透明な材料であり、圧電デバイス10Aに光透過性が求められる場合に、適している。圧電デバイス10Aに光透過性を要求されない場合、すなわち脈拍計、心拍計などのヘルスケア用品や、車載圧力検知シートなどに適用される場合は、半透明または不透明のプラスチック材料を用いてもよい。
 導電膜12は、この構成例では下部電極として機能する。導電膜12は、たとえば、ITO(Indium Tin Oxide)、IZO(Indium Zinc Oxide)、IZTO(Indium Zinc Tin Oxide)、IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide)などの透明な酸化物導電膜である。導電膜12の透明性は必須ではないが、圧電デバイス10Aをタッチパネル等のディスプレイに適用する場合は、ITO、IZO、IZTO、IGZO等の透明な導電膜が望ましい。
 配向制御層17は、無機物、有機物、あるいは無機物と有機物の混合物により形成される。無機物としては、酸化ケイ素(SiOx)、窒化ケイ素(SiN)、窒化アルミニウム(AlN)、酸化アルミニウム(Al23)、窒化ガリウム(GaN)、酸化ガリウム(Ga23)等を用いることができる。あるいは、Al23とSiOxが添加されたZnO(以下、「SAZO」と称する)、もしくは、Al23、Ga23、SiOx、SiNの少なくとも1種が添加されたGaN、AlN、ZnO等を用いてもよい。
 有機物としては、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、メラミン樹脂、アルキド樹脂、シロキサン系ポリマーなどの有機物が挙げられる。特に、有機物として、メラミン樹脂とアルキド樹脂と有機シラン縮合物の混合物からなる熱硬化型樹脂を使用することが好ましい。
 上記の材料を用いて、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、塗工法などにより非晶質の膜を形成することができる。配向制御層17は1層でもよいし、2層あるいはそれ以上の積層としてもよい。積層にする場合は、無機物の薄膜と有機物の薄膜の積層にしてもよい。
 これらの材料を用いた非晶質の配向制御層17は、表面平滑性に優れ、上層のウルツ鉱型材料のc軸を垂直方向(積層方向)に配向させることができる。また、ガスバリア性が高く、成膜中のプラスチック層由来のガスの影響を低減することができる。特に、熱硬化型樹脂は非晶質で平滑性が高い。メラミン樹脂は3次元架橋構造により密度が高く、バリア性が高い。本発明にかかる配向制御層は、非晶質で形成されるが、必ずしも配向制御層全体が非晶質である必要はなく、本発明の効果を奏する範囲で、非晶質でない領域を有してもよい。配向制御層の領域のうち、非晶質(アモルファス)成分から形成されている領域の割合が、好ましくは90%以上、より好ましくは95%以上、更に好ましくは100%である。
 圧電体層13は、図1の圧電デバイス10Aで用いられる圧電体層13と同様に、結晶性の無機圧電材料で形成されており、たとえば、ウルツ鉱型の結晶構造を有する。ウルツ鉱型の圧電材料として、酸化亜鉛(ZnO)、硫化亜鉛(ZnS)、セレン化亜鉛(ZnSe)、テルル化亜鉛(ZnTe)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ガリウム(GaN)、セレン化カドミウム(CdSe)、テルル化カドミウム(CdTe)、炭化ケイ素(SiC)を用いることができ、これらの成分またはこれらの中の2以上の組み合わせを用いてもよい。2成分以上の組み合わせの場合は、それぞれの成分を積層させることができる。あるいは、これらの成分またはこれらの中の2以上の組み合わせを主成分として用い、その他の成分を任意に含めることもできる。
 いずれの圧電材料を用いる場合も、下地に非晶質の配向制御層17が配置されているため圧電体層13のc軸配向性が良好である。
 ウルツ鉱型の結晶材料に、ケイ素(Si)、マグネシウム(Mg)、バナジウム(V)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、リチウム(Li)等、添加した際に導電性が発現しない金属をドーパントとして添加してもよい。ドーパントの種類は1種類でもよいし、2種類以上のドーパントを組み合わせてもよい。これらの金属を添加することで、圧電体層13におけるクラックの発生を抑制することができる。
 粘着層14は絶縁性または導電性の粘着層であり、図1と同様に、アクリル系粘着剤、シリコーン系粘着剤などを用いることができる。導電性の粘着剤を用いる場合は、粘着層14は導電膜15とともに上部電極の一部として機能してもよい。
 導電膜15は、上部電極として用いられる。粘着層14が導電性の場合は、粘着層14とともに上部電極を構成する。導電膜15は、導電膜12は、ITO、IZO、IZTO、IGZOなどの透明な酸化物導電膜である。導電膜15の透明性は必須ではないが、圧電デバイス10Aをタッチパネル等のディスプレイに適用する場合は、ITO、IZO、IZTO、IGZO等の透明な導電膜が望ましい。
 圧電デバイス10Bは、圧電体層13の下地として非晶質の配向制御層17を配置したことで、圧電体層13のc軸配向性に優れ、厚さ方向への分極特性が良好である。また、粘着層14を挿入したことで、導電膜12と導電膜15の間にリークパスが形成されることを抑制し、良好な圧電特性を維持することができる。
 図4Aと図4Bは、図3の圧電デバイス10Bの作製工程図である。図3Aにおいて、圧電デバイス10Bを構成する第1部分201と、第2部分202を作製する。第1部分101は、基材11の上に、導電膜12を形成し、導電膜12の上に配向制御層17と圧電体層13をこの順で形成する。導電膜12、配向制御層17、及び圧電体層13は、室温のスパッタリングで、連続して形成してもよい。
 第2部分202は、基材16の上に、導電膜15を形成し、導電膜15の上に粘着層14を配置する。導電膜15と粘着層14として、透明導電接着層付きのITO膜を利用してもよい。
 図4Bで、第1部分201の圧電体層13と、第2部分202の粘着層14を対向させて、第1部分201と第2部分202を粘着層14で貼り合わせることで、圧電デバイス10Bが作製される。圧電体層13の下地に配向制御層17が配置されているので、圧電体層のc軸配向が向上する。また、圧電体層13と導電膜15の間に粘着層14が挿入されているので、微細なピンホール等に起因してクラックが生じても、導電膜12と導電膜12の間にリークパスが形成されることを防止できる。
 図5は、実施形態の圧電デバイスの評価結果を、比較例の評価結果とともに示す図である。図5の「実施例」では、図3の圧電デバイスの構成を有するサンプル30を作製し、抵抗値を測定する。図5の「比較例」では、粘着層が用いられないサンプル40を作製し、抵抗値を測定する。
 サンプル30として、圧電体層の厚さを変えた2種類のサンプルを、次のようにして作製する。PETの基材31の上に、下部電極32として厚さ50nmのITO膜を形成する。ITO膜の上に、配向制御層37として厚さ10nmの非晶質のSAZO(Al23とSiOxが添加されたZnO)膜を室温のスパッタリングで形成する。配向制御層37の上に、圧電体層33として厚さ200nmのZnO層を形成したものと、厚さ400nmのZnO層を形成したものを作製して、2種類の第1部分を用意する。
 一方、PETの基材36の上に、上部電極35として厚さ100nmのAl膜を形成し、Al膜上に厚さ5μmの粘着材を貼り付けて粘着層34を形成し、同じ構成の第2部分を2つ作製する。
 第1部分と第2部分を粘着層34で貼り合わせ、圧電体層33の厚さが異なる2通りのサンプル30を作製する。
 比較例のサンプル40は、粘着層34が用いられていないことを除いて、サンプル30を同じ材料、同じ寸法で作製されている。基材41の上に、下部電極42としてのITO膜を形成し、ITO膜の上に厚さ10nmの配向制御層47をSAZOで形成する。配向制御層47の上に、圧電体層43として、厚さ200nmのZnO膜を形成したものと、厚さ400nmのZnO膜を形成したものの、2通りの積層体を作製する。それぞれの積層体の上に、上部電極45として厚さ100nmのAl膜を成膜する。
 2種類のサンプル30と、2種類の比較例のためのサンプル40で、上部電極と下部電極の間の抵抗を絶縁抵抗計で測定する。サンプル30では、圧電体層33の厚さにかかわらず、いずれのサンプルでもメガオーム(MΩ)まで測定可能な針が振り切れて、値を得ることができなかった。下部電極32と上部電極35の間に、少なくともメガオームの単位の電気抵抗が維持されており、リーク電流がほとんど生じていない。
 これに対して、サンプル40は、圧電体層43の厚さが200nmの場合の抵抗値は214Ω、圧電体層43の厚さが400nmの場合の抵抗値は228Ωである。圧電体層43の厚さが厚い分、わずかに抵抗値が高くなっているが、かなりのリーク電流が生じていることに変わりはない。
 実施形態の構成で、圧電体層と電極の間に粘着層を配置することで、電極間のリークパスが抑制され、外部からの圧力に比例した分極を精度良く検出することできることが確認された。
 以上、特定の実施例に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した構成例に限定されない。たとえば、基材11と基材16の少なくとも一方に薄膜ガラスを用いてもよい。
 実施例では、圧電デバイス10の第2部分102(または202)として、基材16の上に導電膜15と粘着層14があらかじめ配置された構成を採用したが、必ずしも粘着層14を第2部分に含めなくてもよい。第2部分として、基材16の上に導電膜15のみが配置された構成を用いてもよい。この場合は、第1部分の圧電体層13と第2部分の導電膜15を対向させ、貼り合わせ時に第1部分と第2部分の間に粘着層を配置して貼り合わせてもよい。
 実施形態の圧電デバイス10A、10Bは、逆圧電効果を利用して圧電アクチュエータとしても利用可能である。この場合は、インクジェットヘッド等への適用が可能である。
 本出願は、2018年9月28日に出願された日本国特許出願第2018-185551号に基づき、その優先権を主張するものであり、これらの日本国特許出願の全内容を含む。
10A、10B 圧電デバイス
11 基材(第1基材)、
12 導電膜(第1の導電膜)
13 圧電体層
14 粘着層
15 導電膜(第2の導電膜)
16 基材(第2基材)
17 配向制御層
101、201 第1部分
102、202 第2部分
特開2011-222679号公報

Claims (10)

  1.  第1基材の上に、
     第1の導電膜と、
     無機材料の圧電体層と、
     粘着層と、
     第2の導電膜
    がこの順で配置されている圧電デバイス。
  2.  前記第1の導電膜と前記圧電体層の間に配置される配向制御層、
    をさらに有することを特徴とする請求項1に記載の圧電デバイス。
  3.  前記圧電体層はウルツ鉱型の結晶構造を有することを特徴とする請求項1または2に記載の圧電デバイス。
  4.  前記圧電体層の厚さは50nm~400nmであることを特徴とする請求項1~3のいずれか1項に記載の圧電デバイス。
  5.  積層方向で前記第2の導電膜の上に配置される第2基材、
    をさらに有し、
     前記第1基材と前記第1の導電膜と前記圧電体層を含む第1部分と、前記第2基材と前記第2の導電膜を含む第2部分が前記粘着層で貼り合わせられていることを特徴とする請求項1~4のいずれか1項に記載の圧電デバイス。
  6.  前記粘着層は導電性の粘着層であることを特徴とする請求項1~5のいずれか1項に記載の圧電デバイス。
  7.  前記第2の導電膜は透明電極膜であり、
     前記粘着層は、絶縁性または導電性の透明粘着層であることを特徴とする請求項1~5のいずれか1項に記載の圧電デバイス。
  8.  第1基材の上に第1の導電膜と無機材料の圧電体層がこの順で積層された第1部分と、第2基材の上に第2の導電膜が形成された第2部分を作製し、
     前記圧電体層と前記第2の導電膜を対向させて、前記第1部分と前記第2部分を粘着層で貼り合わせる、
     ことを特徴とする圧電デバイスの製造方法。
  9.  前記第2部分を、前記第2基材の上に前記第2の導電膜と前記粘着層をこの順に配置して作製し、
     前記圧電体層と前記粘着層を対向させて、前記第1部分と前記第2部分を前記粘着層で貼り合わせることを特徴とする請求項8に記載の圧電デバイスの製造方法。
  10.  前記第1部分の作製は、前記第1の導電膜と前記圧電体層の間に配向制御層を形成する工程を含むことを特徴とする請求項8または9に記載の圧電デバイスの製造方法。
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