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CN108140723B - 压电元件、压电传声器、压电谐振子以及压电元件的制造方法 - Google Patents

压电元件、压电传声器、压电谐振子以及压电元件的制造方法 Download PDF

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CN108140723B CN201680060519.6A CN201680060519A CN108140723B CN 108140723 B CN108140723 B CN 108140723B CN 201680060519 A CN201680060519 A CN 201680060519A CN 108140723 B CN108140723 B CN 108140723B
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Murata Manufacturing Co Ltd
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Abstract

本发明提供能够高精度地进行相邻的压电体层的极化轴方向的控制的双压电晶片型的压电元件。本发明涉及的压电元件(1)具备：第一压电体层(4)，在厚度方向具有第一极化轴方向(P1)，并且由AlN构成；第二压电体层(5)，堆积在第一压电体层(4)上，具有与第一极化轴方向(P1)相反方向的第二极化轴方向(P2)，并且由GeAlN构成；第一电极(3a)，设置于第一压电体层(4)的与第二压电体层(5)侧相反的一侧；以及第二电极(3b)，设置于第二压电体层(5)的与第一压电体层(4)侧相反的一侧。

Description

压电元件、压电传声器、压电谐振子以及压电元件的制造方法
技术领域
本发明涉及压电元件、压电传声器、压电谐振子以及压电元件的制造方法。
背景技术
以往，使用了双压电晶片型的压电元件的压电传声器、压电发声体等被广泛使用。双压电晶片(bimorph)型的压电元件通过使2片压电陶瓷基板贴合而获得。或者，双压电晶片型的压电元件也可通过对层叠了两层压电陶瓷层的层叠体进行一体烧结而获得。
与此相对，为了节省贴合、一体烧结的工序，在下述的专利文献1中，提出了一种使用单层压电体层而获得的双压电晶片型的压电元件。在上述压电体层中，从厚度方向的中央部朝向一个主面侧的部分的极化轴方向与从该中央部朝向另一个主面侧的部分的极化轴方向相互为相反方向。
专利文献1:日本特开2007－067125号公报
在专利文献1中，在将电极形成于压电体层的两个主面之后，通过从压电体层的两面施加交流电压来进行极化。因此，不能以充分高的精度进行压电体层的极化轴方向的控制。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种无需极化处理等追加的工序，并且能够高精度地使相邻的压电体层的极化轴方向相互成为相反方向的双压电晶片型的压电元件以及压电元件的制造方法。本发明的另一目的在于，提供一种具有上述压电元件的压电传声器以及压电谐振子。
本发明涉及的压电元件具备：第一压电体层，在厚度方向上具有第一极化轴方向，并且由AlN构成；第二压电体层，堆积在上述第一压电体层上，具有与上述第一极化轴方向相反方向的第二极化轴方向，并且由GeAlN构成；第一电极，设置于上述第一压电体层的与上述第二压电体层侧相反的一侧；以及第二电极，设置于上述第二压电体层的与上述第一压电体层侧相反的一侧。
在本发明涉及的压电元件的某个特定的方面中，在上述第一压电体层上直接堆积有上述第二压电体层。此时，能够减少电极等的材料，能够有效地提高生产率。
本发明涉及的压电传声器具备：根据本发明构成的压电元件；和支承体，从上述第一压电体层侧支承上述压电元件，以便具有供上述压电元件振动的空间。
本发明涉及的压电谐振子具备：根据本发明构成的压电元件；和支承基板，设置于上述压电元件的上述第一压电体层侧，以便具有供上述压电元件振动的空间。
本发明涉及的压电元件的制造方法具备：利用堆积法形成由AlN构成的第一压电体层以便在厚度方向具有第一极化轴方向的工序；利用堆积法在上述第一压电体层上形成由GeAlN构成的第二压电体层，以便具有与上述第一极化轴方向相反方向的第二极化轴方向的工序；在上述第一压电体层的与上述第二压电体层侧相反的一侧设置第一电极的工序；以及在上述第二压电体层的与上述第一压电体层侧相反的一侧设置第二电极的工序。
在本发明涉及的压电元件的制造方法的某个特定的方面，在形成上述第二压电体层的工序中，在上述第一压电体层上直接形成上述第二压电体层。在该情况下，能够减少电极等的材料，能够有效地提高生产率。
根据本发明，能够提供一种可使相邻的压电体层的极化轴方向高精度地相互成为相反方向的双压电晶片型的压电元件以及压电元件的制造方法。另外，根据本发明，能够提供一种具有上述压电元件的压电传声器以及压电谐振子。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式涉及的压电传声器的俯视图。
图2(a)是沿着图1中的I－I线的剖视图，图2(b)是沿着图1中的II－II线的剖视图。
图3(a)～图3(d)是用于对本发明的第一实施方式中的压电元件的制造方法进行说明的正面剖视图。
图4是本发明的第二实施方式涉及的压电元件的示意性的正面剖视图。
图5是第一比较例的压电元件的示意性的正面剖视图。
图6是第二比较例的压电元件的示意性的正面剖视图。
图7是表示第二实施方式以及第一比较例、第二比较例的压电体层的厚度与输出电压的关系的图。
图8是本发明的第三实施方式涉及的压电传声器的俯视图。
图9是沿着图8中的III－III线的剖视图。
图10是本发明的第四实施方式涉及的压电谐振子的正面剖视图。
图11是本发明的第五实施方式涉及的弹性波装置的正面剖视图。
具体实施方式
以下，通过参照附图对本发明的具体的实施方式进行说明，来使本发明变得清楚。
此外，本说明书所记载的各实施方式是例示性的内容，并指出能够在不同的实施方式间进行结构的局部的置换或者组合。
图1是本发明的第一实施方式涉及的压电传声器的俯视图。图2(a)是沿着图1中的I－I线的剖视图。图2(b)是沿着图1中的II－II线的剖视图。
如图2(a)所示，压电传声器10具有双压电晶片型的压电元件1。压电元件1是本发明的压电元件的一个实施方式。压电元件1具有第一保护层2a。在本实施方式中，第一保护层2a由AlN构成。此外，第一保护层2a也可以由AlN以外的适当的陶瓷等构成。
在第一保护层2a上设置有第一电极3a。第一电极3a优选由Mo构成。通过利用堆积法在由AlN构成的第一保护层2a上形成由Mo构成的第一电极3a，能够使第一电极3a的取向状态良好。此外，第一电极3a也可以由Mo以外的适当的金属构成。或者，第一电极3a也可以由Si等半导体材料构成。
利用堆积法在第一保护层2a上形成有第一压电体层4，以覆盖第一电极3a。第一压电体层4在厚度方向上具有第一极化轴方向P1。第一压电体层4由AlN构成。
在第一压电体层4上，利用堆积法形成有第二压电体层5。第二压电体层5具有与第一极化轴方向P1相反方向的第二极化轴方向P2。第二压电体层5由GeAlN构成。这样，压电元件1是双压电晶片型的压电元件。
在第二压电体层5上设置有多个第二电极3b。此外，并不对第二电极3b的个数进行特别限定。对于多个第二电极3b并未进行特别限定，但由Mo构成。这样，在第二压电体层5的与第一压电体层4侧相反的一侧设置有第二电极3b。另一方面，在第一压电体层4的与第二压电体层5侧相反的一侧设置有第一电极3a。
在第二压电体层5上层叠有第二保护层2b，以覆盖多个第二电极3b。对于第二保护层2b并未进行特别限定，但由AlN构成。
压电传声器10具有从第一保护层2a侧支承压电元件1的支承体6。优选压电元件1经由第一绝缘体层7设置在支承体6上。支承体6由Si等适当的材料构成。对于第一绝缘体层7并不进行特别限定，但由SiO2构成。
支承体6支承压电元件1，以便具有供压电元件1振动的空间。更具体而言，在本实施方式中，支承体6具有开口部6a。由此，形成上述空间。通过声波从外部传播至压电元件1，使得压电元件1在上述空间内振动。
此外，并不对支承体6的形状、个数进行特别限定。例如，也可以通过多个支承体6来支承压电元件1，并形成上述空间。
在压电元件1的第二保护层2b上设置有第二绝缘体层8。如图1所示，第二绝缘体层8被设置为在俯视时包围多个第二电极3b。对于第二绝缘体层8并未特别限定，但由SiO2构成。
在第二绝缘体层8上设置有多个第一外部电极9a、第二外部电极9b。另一方面，如图2(a)所示，压电元件1具有第一导通孔电极19a。各第一外部电极9a经由第一导通孔电极19a与压电元件1的第一电极3a电连接。
更具体而言，第一外部电极9a具有第一端子9a1、第二端子9a2。第一外部电极9a还具有连接第一端子9a1、第二端子9a2的连接电极9a3。此外，图2(a)中的第一外部电极9a中的虚线表示第一端子9a1、第二端子9a2与连接电极9a3的边界。第一端子9a1与第一导通孔电极19a的一端连接。第一导通孔电极19a为了另一端与第一电极3a连接而贯通第二绝缘体层8、第二保护层2b、第二压电体层5以及第一压电体层4。第二端子9a2与外部电连接。
同样地，如图2(b)所示，压电元件1具有第二导通孔电极19b。各第二外部电极9b经由第二导通孔电极19b与第二电极3b电连接。此外，与第一外部电极9a相同，第二外部电极9b具有第一端子9b1、第二端子9b2。第二外部电极9b还具有连接第一端子9b1、第二端子9b2的连接电极9b3。此外，图2(b)中的第二外部电极9b中的虚线表示第一端子9b1、第二端子9b2与连接电极9b3的边界。
在压电传声器10中，压电元件1因在压电元件1中传播的声波而振动，并从压电元件1将电信号输出至外部。
此外，如图1所示，优选第一电极3a、第二电极3b的一部分被引出为在俯视时与第一外部电极9a、第二外部电极9b重叠。优选该第一电极3a、第二电极3b的被引出的部分与第一外部电极9a、第二外部电极9b连接。因此，难以阻碍压电元件1的振动。
如图2(a)所示，本实施方式的特征在于：在由AlN构成的第一压电体层4上，利用堆积法形成有由GeAlN构成的第二压电体层5，以便具有与第一极化轴方向P1相反方向的第二极化轴方向P2。由此，能够使相邻的第一压电体层4、第二压电体层5的极化轴方向高精度地相互成为相反方向。与本实施方式中的压电元件1的制造方法一起对其进行说明。
图3(a)～图3(d)是用于对第一实施方式中的压电元件的制造方法进行说明的正面剖视图。
如图3(a)所示，准备第一保护层2a。接下来，在第一保护层2a上形成第一电极3a。第一电极3a例如能够通过溅射法、CVD法等来设置。
接下来，如图3(b)所示，在第一保护层2a上形成由AlN构成的第一压电体层4，以覆盖第一电极3a。此时，利用堆积法形成第一压电体层4，以使第一压电体层4具有第一极化轴方向P1。作为堆积法，例如可举出溅射法、CVD法等。由此，在形成了第一压电体层4时，第一压电体层4具有第一极化轴方向P1。
接下来，如图3(c)所示，在第一压电体层4上，形成由GeAlN构成的第二压电层5。此时，利用堆积法形成第二压电体层5，以使第二压电体层5具有与第一极化轴方向P1相反方向的第二极化轴方向P2。由此，在形成了第二压电体层5时，第二压电体层5具有第二极化轴方向P2。作为堆积法，例如可举出溅射法、CVD法等。特别是，对于GeAlN而言，可以使用GeAl合金靶、烧结靶，也可以使用Ge和Al这2个靶。
这里，由GeAlN构成的层的极化轴方向难以受到成为形成该层的基底的、由AlN等构成的层的极化轴方向的影响。因此，即使将上述第二压电体层5形成在第一压电体层4上，也难以产生第二压电体层5的极化反转。因此，能够使第一压电体层4、第二压电体层5的极化轴方向高精度地相互成为相反方向。另外，如上述那样，由于只要利用堆积法在第一压电体层4上形成第二压电体层5即可，所以能够容易地控制极化轴方向。
在本实施方式的压电元件1的制造中，在第一压电体层4上直接形成第二压电体层5。因此，能够减少电极等的材料。此外，由于无需使第一压电体层4、第二压电体层5贴合的工序等，所以能够有效地提高生产率。
然而，第二压电体层5也可以形成在独立准备的第一压电体层4上。该情况下，在得到了第一压电体层4、第二压电体层5的层叠体之后，只要在第一压电体层4的与第二压电体层5侧相反的一侧设置第一电极3a和第一保护层2a即可。
接下来，如图3(d)所示，在第二压电体层5上设置第二电极3b。接下来，在第二压电体层5上设置第二保护层2b，以覆盖第二电极3b。
也可以在第一压电体层4与第二压电体层5之间，层叠由SiO2或Al2O3等构成的电极以外的薄膜。最优选如本实施方式那样，在第一压电体层4上直接形成有第二压电体层5。
图4是第二实施方式涉及的压电元件的示意性的正面剖视图。
压电元件21在不具有第一保护层、第二保护层的点上与第一实施方式中的压电元件1不同。
在这种情况下，也能够高精度地进行第一压电体层4、第二压电体层5的极化轴方向的控制。
更优选如图2(a)和图2(b)所示的第一实施方式那样，设置有第一保护层2a、第二保护层2b。由此，难以发生第一电极3a、第二电极3b的破损、压电元件1的特性的劣化。
这里，将具有第二实施方式的结构的压电元件以及下述的图5和图6所示的第一以及第二比较例的压电元件，使厚度不同而分别制作了多个。通过测定各压电元件的输出电压，对灵敏度进行了比较。
图5是第一比较例的压电元件的示意性的正面剖视图。
在压电元件51中，与第二实施方式中的第一压电体层、第二压电体层相当的部分的结构以及第一电极的配置和第二实施方式不同。更具体而言，压电元件51具有不是压电体的由AlN构成的第一层54。在第一层54上设置有第一电极53a。在第一电极53a上，层叠有作为压电体的由AlN构成的第二层55。第二层55具有第一极化轴方向P1。除了上述的点以外，压电元件51具有与第二实施方式的压电元件21相同的结构。
图6是第二比较例的压电元件的示意性的正面剖视图。
压电元件61在压电体层64是单层的点上与第二实施方式不同。此外，压电体层64由AlN构成并具有第一极化轴方向P1。除了上述以外的点，压电元件61具有与第二实施方式的压电元件21相同的结构。
此外，所制作的具有第二实施方式的结构的压电元件中的第一压电体层、第二压电体层的厚度为相同的厚度。第一比较例的压电元件中的第一层、第二层的厚度也为相同的厚度。
图7是表示第二实施方式以及第一比较例、第二比较例的压电体层的厚度与输出电压的关系的图。菱形的曲线和实线表示第二实施方式的结果。三角形的曲线和虚线表示第一比较例的结果。圆形的曲线和点划线表示第二比较例的结果。此外，图7的横轴的压电体层的厚度在第二实施方式中为第一压电体层、第二压电体层的合计的厚度。在第一比较例中为第一层、第二层的合计的厚度。
如图7所示，在对相同的厚度的压电元件彼此进行比较时，第二实施方式的输出电压比第一比较例、第二比较例高。由此可知，根据第二实施方式，可提高压电元件的灵敏度。
图8是第三实施方式涉及的压电传声器的俯视图。图9是沿着图8中的III－III线的剖视图。
如图9所示，压电传声器30在各压电元件31具有未被支承体36固定的开放端部31a的点上与第一实施方式不同。伴随于此，如图8所示，俯视时的第一外部电极9a、第二外部电极9b的配置以及各压电元件31的平面形状也与第一实施方式不同。除了上述以外的点，压电传声器30具有与第一实施方式的压电传声器10相同的结构。
更具体而言，压电传声器30具有四个压电元件31。各压电元件31具有大致三角形的平面形状。第二电极33b具有大致梯形的平面形状。第二电极33b的上述大致梯形的边中的3条边沿着俯视时的压电元件31的各边延伸。此外，并不对压电元件31和第二电极33b的平面形状进行特别限定。
如图9所示，压电元件31通过悬臂梁支承于支承体36，并具有开放端部31a。因此，能够使压电元件31适当地振动。并且，在本实施方式中，也与第一实施方式相同，能够高精度地进行第一压电体层4、第二压电体层5的极化轴方向的控制。
图10是第四实施方式涉及的压电谐振子的正面剖视图。
压电谐振子40具有支承基板46。支承基板46具有平板状的形状。在本实施方式中，支承基板46是高电阻Si基板。更具体而言，支承基板46的电阻率为1000Ω·cm以上。此外，并不对支承基板的材料进行特别限定。
另一方面，压电谐振子40具有压电元件41。压电元件41与第一实施方式相同，是第一保护层42a、第一电极43a、第一压电体层44、第二压电体层45、第二电极43b以及第二保护层42b层叠而成的层叠体。在压电元件41的第一保护层42a侧设置有支承基板46。此外，如图10所示，支承基板46也可以经由第一绝缘体层7来设置。
对压电元件41和支承基板46进行接合，以便具有供压电元件41振动的空间A。更具体而言，压电元件41具有与支承基板46接合的接合部41a。并且，压电元件41的各层的一部分弯曲，以便该一部分在高度方向远离支承基板46。由此，形成有空间A。压电元件41具有隔着空间A与支承基板46对置的振动部41b。在压电谐振子40中，该压电元件41的振动部41b进行振动。
此外，并不对压电元件41的各层的形状以及支承基板46的形状进行特别限定，只要形成空间A即可。
压电谐振子40也可以具有与第一电极43a连接的第一电极焊盘49a以及与第二电极43b连接的第二电极焊盘49b。能够经由第一电极焊盘49a、第二电极焊盘49b将压电谐振子40与外部电连接。
然而，如图6所示的第二比较例那样，在将压电体层是由AlN构成的单层的压电元件应用于压电谐振子的情况下，利用基波驱动，例如激发厚度纵向振动。与此相对，在本实施方式的压电谐振子40中，在将压电元件41的厚度设为与第二比较例的压电元件的厚度相同的厚度时，能够有效地激发第二比较例中的厚度纵向振动的二次谐波。这样，根据压电谐振子40，能够有效地激发高频。因此，能够良好地将压电谐振子40应用于例如通频带位于5GHz以上的RF滤波器、双工器等。
图11是第五实施方式涉及的弹性波装置的正面剖视图。
弹性波装置70具有压电元件71。在压电元件71中，与第一实施方式中的压电元件1相同，利用堆积法在由AlN构成的第一压电体层4上形成有由GeAlN构成的第二压电体层5。在第二压电体层5上，设置有IDT电极73。
另一方面，弹性波装置70具有支承基板76。对于支承基板76并未进行特别限定，由Si或蓝宝石等构成。支承基板76设置于压电元件71的第一压电体层4侧。
以往，研究出了使用由单层的AlN层构成的压电体、或由单层的ScAlN构成的压电体的弹性波装置。该弹性波装置利用作为瑞利波的二次谐波的西沙瓦(Sezawa)波。
这里，本实施方式的弹性波装置70能够有效地激发作为基准的弹性波的二次谐波。因此，也能够有效地激发西沙瓦波，能够增大耦合系数。
附图标记说明
1…压电元件；2a、2b…第一保护层、第二保护层；3a、3b…第一电极、第二电极；4、5…第一压电体层、第二压电体层；6…支承体；6a…开口部；7、8…第一绝缘体层、第二绝缘体层；9a、9b…第一外部电极、第二外部电极；9a1、9a2…第一端子、第二端子；9a3…连接电极；9b1、9b2…第一端子、第二端子；9b3…连接电极；10…压电传声器(piezoelectricmicrophone)；19a、19b…第一导通孔电极、第二导通孔电极；21…压电元件；30…压电传声器；31…压电元件；31a…开放端部；33b…第二电极；36…支承体；40…压电谐振子；41…压电元件；41a…接合部；41b…振动部；42a、42b…第一保护层、第二保护层；43a、43b…第一电极、第二电极；44、45…第一压电体层、第二压电体层；46…支承基板；49a、49b…第一电极焊盘、第二电极焊盘；51…压电元件；53a…第一电极；54、55…第一层、第二层；61…压电元件；64…压电体层；70…弹性波装置；71…压电元件；73…IDT电极；76…支承基板。

Claims (4)

1.一种压电元件，其中，具备：
第一压电体层，在厚度方向具有第一极化轴方向，并且由AlN构成；
第二压电体层，堆积在上述第一压电体层上，具有与上述第一极化轴方向相反方向的第二极化轴方向，并且由GeAlN构成；
第一电极，设置于上述第一压电体层的与上述第二压电体层侧相反的一侧；以及
第二电极，设置于上述第二压电体层的与上述第一压电体层侧相反的一侧，
在上述第一压电体层上直接堆积有上述第二压电体层。
2.一种压电传声器，其中，具备：
权利要求1所述的压电元件；和
支承体，从上述第一压电体层侧支承上述压电元件，以便具有供上述压电元件振动的空间。
3.一种压电谐振子，其中，具备：
权利要求1所述的压电元件；和
支承基板，设置于上述压电元件的上述第一压电体层侧，以便具有供上述压电元件振动的空间。
4.一种压电元件的制造方法，其中，具备：
利用堆积法形成由AlN构成的第一压电体层，以便在厚度方向具有第一极化轴方向的工序；
利用堆积法在上述第一压电体层上形成由GeAlN构成的第二压电体层，以便具有与上述第一极化轴方向相反方向的第二极化轴方向的工序；
在上述第一压电体层的与上述第二压电体层侧相反的一侧设置第一电极的工序；以及
在上述第二压电体层的与上述第一压电体层侧相反的一侧设置第二电极的工序，
在形成上述第二压电体层的工序中，在上述第一压电体层上直接形成上述第二压电体层。
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