JP2020191359A

JP2020191359A - 圧電素子

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Publication number: JP2020191359A
Application number: JP2019095198A
Authority: JP
Inventors: 竹内　治; Osamu Takeuchi; 治竹内; 利克菊池; Toshikatsu Kikuchi; 博行口地; Hiroyuki Kouchi; 尚己桝本; Naomi Masumoto
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2019-05-21
Filing date: 2019-05-21
Publication date: 2020-11-26
Anticipated expiration: 2039-05-21
Also published as: JP7349090B2

Abstract

【課題】出力特性のばらつきを抑え、より感度の高い圧電素子を提供する。【解決手段】圧電素子は、凸状あるいは凹状の振動板を備える。振動板は少なくとも２層の圧電膜３、４からなり、それぞれの圧電膜を挟んで電極５ａ１、５ｂ、５ｃ１を備えている。重畳する圧電膜の一方から検知信号を出力させ、他方の圧電膜には所望の応力が発生するようにバイアス電圧を印加する。振動板に音響信号を印加すると、第１の圧電膜３の応力が変化して第１の電極５ａ１と第２の電極５ｂ間から検知信号が得られ、同時に第２の圧電膜４の応力が変化して第２の電極５ｂと第３の電極５ｃ２間からも検知信号が得られる。【選択図】図１

Description

本発明は圧電素子に関し、特に高感度、低雑音となる圧電型ＭＥＭＳマイクロフォン等に利用可能な圧電素子に関する。

近年、急速に需要が拡大しているスマートフォンには、小型、薄型で、組立のハンダリフロー工程の高温処理耐性を有するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いたマイクロフォンが多く使われている。さらにＭＥＭＳマイクロフォンに限らず、その他のＭＥＭＳ素子が様々な分野で急速に普及してきている。

この種のＭＥＭＳ素子の多くは、音響圧力等による振動板の変位を、対向する固定板との容量変化としてとらえ、電気信号に変換して出力する容量素子である。しかし容量素子は、振動板と固定板との間隙の空気の流動によって生じる音響抵抗のために、信号雑音比の改善が限界になりつつある。そこで、圧電材料からなる薄膜（圧電膜）で構成される単一の振動板の歪みにより音響圧力等を電圧変化として取り出すことができる圧電素子が注目されている。

また、湾曲した（ドーム状の）圧電膜を備えた圧電素子は、平坦な（平板状の）圧電膜より大きな出力信号が得られることも知られている（特許文献１）。

特開２０１７−１１２６１２号公報

従来のドーム状の圧電膜を備えた圧電素子は、平板状の圧電膜を備えた圧電素子と比較して大きな出力信号を得ることができる。しかしながらドーム状の圧電膜を備えた圧電素子を製造する場合、製造プロセスのばらつきによりドーム状の圧電膜の残留応力のばらつきをなくすことができなかった。その結果、残留応力に起因する出力特性のばらつきが大きくなってしまうという問題があった。本発明はこのような問題点を解消し、出力特性のばらつきを抑え、より感度の高い圧電素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本願請求項１に係る発明は、凸状あるいは凹状の圧電膜からなる振動板と、前記圧電膜を挟んで配置する一対の電極とを備えた圧電素子において、前記振動板は、第１の圧電膜と第２の圧電膜を含み、前記電極は、前記第１の圧電膜を挟んで配置する第１の電極と第２の電極と、前記第２の圧電膜を挟んで配置する前記第２の電極と第３の電極とを含み、前記第１の圧電膜あるいは前記第２の圧電膜の少なくともいずれか一方の圧電膜に加わる応力により前記第１の電極と前記第２の電極間、あるいは前記第２の電極と前記第３の電極間から検知信号を出力する手段と、前記一方の圧電膜に重畳する他方の前記第２の圧電膜あるいは前記第１の圧電膜のいずれかに、応力が加わるように前記第２の電極と前記第３の電極間、あるいは前記第１の電極と前記第２の電極間に制御信号を印加する制御手段と、を備えたことを特徴とする。

本願請求項２に係る発明は、請求項１記載の圧電素子において、前記振動板は、円形の空孔を備えた基板に支持され、前記第１の電極は、前記基板と前記振動板との接合部に沿ったドーナツ形状の外形を有する第４の電極部と、該第４の電極部から離間し、前記ドーナツ形状の前記第４の電極部の内部に配置した円形の外形を有する第５の電極部を含み、前記第３の電極は、前記基板と前記振動板との接合部に沿ったドーナツ形状の外形を有する第６の電極部と、該第６の電極部から離間し、前記ドーナツ形状の前記第６の電極部の内部に配置した円形の外形を有する第７の電極部を含み、前記第２の電極は、前記第４乃至前記第７の電極部とそれぞれ重畳する第２の電極部を含み、前記第４の電極部と前記第１の圧電膜と前記第２の電極部が積層した第１の振動板部と、前記第１の振動板部に重畳する前記第２の電極部と前記第２の圧電膜と前記第６の電極部が積層した第２の振動板部と、前記第５の電極部と前記第１の圧電膜と前記第２の電極部が積層した第３の振動板部と、前記第３の振動板部に重畳する前記第２の電極部と前記第２の圧電膜と前記第７の電極部が積層した第４の振動板部とを備え、前記第１の振動板部と前記第４の振動板部から前記検知信号を出力するとき、前記第２の振動板部と前記第３の振動板部に前記制御信号を印加し、あるいは前記第２の振動板部と前記第３の振動板部から前記検知信号を出力するとき、前記第１の振動板部と前記第４の振動板部に前記制御信号を印加することを特徴とする。

本願請求項３に係る発明は、請求項１または２いずれか記載の圧電素子において、前記制御手段は、前記検知信号の大きさを変化させる前記制御信号を印加することを特徴とする。

本発明の圧電素子は、凸状あるいは凹状のドーム状の圧電膜からなる振動板を備えることで、平板状の圧電膜からなる振動板を備えた圧電素子に比べて大きな出力信号を得ることが可能となる。特に本発明では、振動板を構成する圧電膜を多層構造として、圧電膜の応力変化により検知信号を得ると同時に、この検知信号が得られる圧電膜と重畳する圧電膜に制御信号を加え所定の応力となるように構成することで、大きな検知信号を得ることができる。あるいは所定の大きさの検知信号が得られるように構成することも可能となる。

また円形の空孔を有する基板上に振動板を形成する際、電極の形状をドーナツ形状の電極の組と、このドーナツ形状の電極の内側に配置した円形の電極の組とを配置することで、簡便に大きな検知信号が得られる圧電素子を得ることが可能となる。

その結果、出力特性のばらつきが抑えられ、感度の高い圧電素子を提供することが可能となる。

本発明の圧電素子の断面図である。本発明の圧電素子の電極の形状を説明する図である。

本発明に係る圧電素子は、凸状あるいは凹状の振動板を備えている。この振動板は、少なくとも２層の圧電膜からなり、それぞれの圧電膜を挟んで電極が形成されている。特に本発明では、重畳する圧電膜の一方から検知信号を出力させ、他方の圧電膜には所望の応力を発生させる構成とし、所望の検知信号が得られる圧電素子としている。以下、本発明の実施例について詳細に説明する。

本発明の第１の実施例について、凸状の球面形状の振動板を有する圧電素子を例にとり説明する。図１は、本実施例の圧電素子の断面図を示す図である。シリコン基板からなる支持基板１上に二酸化シリコンからなる絶縁膜２を介して、第１の圧電膜３と第２の圧電膜４が積層形成している。また第１の圧電膜３の表面と裏面には、それぞれ第１の電極５ａ、第２の電極５ｂが積層形成されており、第２の圧電膜４の表面と裏面には、それぞれ第２の電極５ｂ、第３の電極５ｃが積層形成されている。

電極の模式的な平面形状を図２に示す。図２（ａ）に示すように、第１の電極５ａは、ドーナツ形状の電極５ａ１（第４の電極部に相当）と、その内部に配置された円形の電極５ａ２（第５の電極部に相当）とで構成されている。電極５ａ１と電極５ａ２は、電気的に分離している。同様に図２（ｃ）に示すように第３の電極５ｃは、ドーナツ形状の電極５ｃ１（第６の電極部に相当）と、その内部に配置された円形の電極５ｃ２（第７の電極部に相当）とで構成されている。電極５ｃ１と電極５ｃ２は、電気的に分離している。図２（ｂ）は第２の電極（第２の電極部に相当）で、円形としている。なおそれぞれの電極には、図示しない引出用電極が接続している。

支持基板１には、円形の空孔６が形成されており、凸状の球面形状の圧電膜が振動板として機能することになる。

このような構造の圧電素子は、次のように形成される。シリコンからなる支持基板１表面に厚さ５００ｎｍ程度の二酸化シリコンからなる絶縁膜２を形成する。第１の電極となるモリブデン（Ｍｏ）を厚さ５０ｎｍ程度形成し、通常のフォトリソグラフ法によりパターニングして第１の電極５ａ１、５ａ２を形成する。全面に第１の圧電膜３として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を厚さ５００ｎｍ程度積層する。さらに第２の電極となるモリブデンを厚さ５０ｎｍ程度形成し、通常のフォトリソグラフ法によりパターニングして第２の電極５ｂを形成する。全面に第２の圧電膜４として窒化アルミニウムを厚さ５００ｎｍ程度積層する。さらに第３の電極となるモリブデンを厚さ５０ｎｍ程度形成し、通常のフォトリソグラフ法によりパターニングして第３の電極５ｃ１、５ｃ２を形成する。各電極には図示しない引出電極が接続している。

支持基板１の裏面側からＤｅｅｐＲＩＥ法により直径１ｍｍ程度の空孔６を形成し、絶縁膜２を露出させ、その後、この露出する絶縁膜２を除去する。

第１の圧電膜３と第２の圧電膜４は、それぞれその成膜条件により、振動板の残留応力が変わる。具体的には、圧電膜をスパッタ法により堆積する場合は、圧力や放電電力を制御することで残留応力を制御することができる。

振動板の残留応力は、圧電素子の動作時に所望の残留応力となるように制御すればよい。例えば、第１の圧電膜３と第２の圧電膜４を積層した状態（電極も形成した状態）で、残留応力が５０ＭＰａ以下（好ましくは３０ＭＰａ以下）の引張応力となるように圧電膜等を形成する。

図１に示す構造の圧電素子では、第１の電極５ａ２と第２の電極５ｂ間と、第２の電極５ｂと第３の電極５ｃ１間に図示しない電圧印加手段（制御手段に相当）から所定のバイアス電圧（制御信号に相当）を印加する。このバイアス電圧の印加により第１の圧電膜３と第２の圧電膜４からなる振動板は、凸状の球面形状となる。あるいはこのバイアス電圧を印加することで平板状から凸状の球面形状が変形する。

図１に示す圧電素子では、第１の電極５ａ１と第１の圧電膜３と第２の電極５ｂとからなる振動板（第１の振動板部に相当）と、さらにその上に第２の電極５ｂと第２の圧電膜４と第３の電極５ｃ１とからなる振動板（第２の振動板部に相当）が形成されている。また第１の電極５ａ２と第１の圧電膜３と第２の電極５ｂとからなる振動板（第３の振動板部に相当）と、さらにその上に第２の電極５ｂと第２の圧電膜４と第３の電極５ｃ２とからなる振動板（第４の振動板部に相当）が形成されている。

このような状態で、振動板に例えば音響信号を印加すると、第１の圧電膜３の応力が変化して第１の電極５ａ１と第２の電極５ｂ間から検知信号が得られ、同時に第２の圧電膜４の応力が変化して第２の電極５ｂと第３の電極５ｃ２間からも検知信号が得られる。

この検知信号は、バイアス電圧の大きさによって変化する。そこで、たとえば最も大きな検知信号が得られる状態のバイアス電圧を図示しない記憶手段に記憶しておき、圧電素子の動作時にそのバイアス電圧を印加するように構成すれば、最も大きな検知信号が得られる状態で圧電素子を動作させることが可能となる。

なお、第１の電極５ａ１と第２の電極５ｂ間と、第２の電極５ｂと第３の電極５ｃ２間に所定のバイアス電圧を印加し、第２の電極５ｂと第３の電極５ｃ１間と、第１の電極５ａ２と第２の電極５ｂ間から検知信号を出力する構成とすることもできる。

このような動作により最も大きな検知信号が得られる部分に振動板部を形成するため、図１および図２に示すような電極の配置とするのが好ましい。すなわち、一方の圧電膜から出力信号を得るとき、その圧電膜に重畳する他方の圧電膜に制御信号を与える構造とし、複数の領域から出力信号を得ることができる構造とするのが好ましい。

次に第２の実施例について説明する。本発明は、最も大きな検知信号を得るための圧電素子を提供するだけでなく、複数の圧電素子のそれぞれから出力される検知信号の大きさを所定の値に調整することも可能である。例えば、圧電膜の残留応力は、成膜条件により変化する。そこで、そのばらつきに起因する出力のばらつきを抑制するようにバイアス電圧を設定する。

具体的には、所定の音響信号を印加したとき、所定の大きさの検知信号が出力されるようにバイアス電圧を印加すればよい。

このように構成すると、圧電膜の残留応力のばらつきがあっても出力特性の揃った圧電素子を提供することができ好適である。

次に第３の実施例について説明する。本発明は、バイアス電圧の設定を変えることで、圧電膜の共振周波数を変えることも可能である。例えば本発明の圧電素子を音声用のマイクロフォンとして使用する場合、共振周波数を１５〜２０ｋＨｚに設定するのが好ましい。また超音波用マイクロフォンとして使用する場合は、共振周波数を１００ｋＨｚに設定するのが好ましい。なお、共振周波数を変えるため、空孔６の大きさや圧電膜の厚さ等は適宜最適となるように設定し、その上でバイアス電圧を可変して所望の共振周波数が得られるようにすれば良い。

以上本発明の圧電素子の実施例について説明したが本発明は上記実施例に限定されず、種々変更可能である。例えば、圧電膜は窒化アルミニウムに限定されるものではない。また電極は、２組の振動板部を構成するように配置する構成に限らず、少なくとも１組の振動板部（例えば第１の振動板部と第２の振動板部の組）を備え、さらに複数の振動板部を備える構成とすることが可能である。振動板は凸形状に限らず、凹形状とすることも可能である。空孔６の形状も円形に限定されない。

１：支持基板、２：絶縁膜、３：第１の圧電膜、４：第２の圧電膜、５ａ：第１の電極、５ｂ：第２の電極、５ｃ：第３の電極、６：空孔

Claims

凸状あるいは凹状の圧電膜からなる振動板と、前記圧電膜を挟んで配置する一対の電極とを備えた圧電素子において、
前記振動板は、第１の圧電膜と第２の圧電膜を含み、
前記電極は、前記第１の圧電膜を挟んで配置する第１の電極と第２の電極と、前記第２の圧電膜を挟んで配置する前記第２の電極と第３の電極とを含み、
前記第１の圧電膜あるいは前記第２の圧電膜の少なくともいずれか一方の圧電膜に加わる応力により前記第１の電極と前記第２の電極間、あるいは前記第２の電極と前記第３の電極間から検知信号を出力する手段と、
前記一方の圧電膜に重畳する他方の前記第２の圧電膜あるいは前記第１の圧電膜のいずれかに、応力が加わるように前記第２の電極と前記第３の電極間、あるいは前記第１の電極と前記第２の電極間に制御信号を印加する制御手段と、を備えたことを特徴とする圧電素子。
請求項１記載の圧電素子において、
前記振動板は、円形の空孔を備えた基板に支持され、
前記第１の電極は、前記基板と前記振動板との接合部に沿ったドーナツ形状の外形を有する第４の電極部と、該第４の電極部から離間し、前記ドーナツ形状の前記第４の電極部の内部に配置した円形の外形を有する第５の電極部を含み、
前記第３の電極は、前記基板と前記振動板との接合部に沿ったドーナツ形状の外形を有する第６の電極部と、該第６の電極部から離間し、前記ドーナツ形状の前記第６の電極部の内部に配置した円形の外形を有する第７の電極部を含み、
前記第２の電極は、前記第４乃至前記第７の電極部とそれぞれ重畳する第２の電極部を含み、
前記第４の電極部と前記第１の圧電膜と前記第２の電極部が積層した第１の振動板部と、
前記第１の振動板部に重畳する前記第２の電極部と前記第２の圧電膜と前記第６の電極部が積層した第２の振動板部と、
前記第５の電極部と前記第１の圧電膜と前記第２の電極部が積層した第３の振動板部と、
前記第３の振動板部に重畳する前記第２の電極部と前記第２の圧電膜と前記第７の電極部が積層した第４の振動板部とを備え、
前記第１の振動板部と前記第４の振動板部から前記検知信号を出力するとき、前記第２の振動板部と前記第３の振動板部に前記制御信号を印加し、あるいは前記第２の振動板部と前記第３の振動板部から前記検知信号を出力するとき、前記第１の振動板部と前記第４の振動板部に前記制御信号を印加することを特徴とする圧電素子。
請求項１または２いずれか記載の圧電素子において、
前記制御手段は、前記検知信号の大きさを変化させる前記制御信号を印加することを特徴とする圧電素子。