JP3891190B2 - 圧電素子、圧電装置および角速度センサ - Google Patents

Description

本発明は、各種電気機械変換装置に用いて好適な圧電素子、圧電装置および角速度センサに関わる。

圧電素子は、例えば変位、ひずみ、応力、加速等の力学量を電気信号に変換する機能、あるいは電気信号を力学量に変換する機能を有し、その感度がすぐれていることから、角速度センサ等の各種電気機械変換装置に広く用いられる方向にある。

この電気機械変換装置、すなわち圧電装置としては、例えば歪み検出装置、カメラにおける手ぶれ防止の振動検出を行うジャイロセンサ、あるいは光ディスク等の光記録媒体に対する光記録再生装置における対物レンズの微小移動調整や、磁気記録媒体に対する磁気ヘッド等の微小移動調整を行うアクチュエータ等がある。

これらの圧電装置を構成する圧電素子の圧電膜は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が代表的であり、このＰＺＴ組成は、Pb_１＋ｙ（Zr_ｘTi_１−ｘ）O_３＋ｙで表されており、この場合、酸素イオンが金属イオンに対して全く不足するものではない。
そして、ＰＺＴにおいて、Nb、La、Ta、Nd、W、Mo、Mn、Ba、Sr、Ca、Biのうち少なくとも１種類を不純物として含有する組成による圧電素子の提案もなされている（例えば特許文献１）。
特許第３３４１３５７号公報

ところで、PZTによる圧電膜は一般にスパッタ法、ゾルゲル法、CVD（Chemical Vapor Deposition）法等の成膜手法によって形成されることから、成膜時や結晶化アニール時に加熱される。そのため、酸素の過不足がない完全結晶、すなわち欠陥のない、ＰＺＴによる圧電膜を得ることは難しい。

また、ＰＺＴはＡＢＯ_３で表されるペロブスカイト構造であり、上述したNb、La、Ta、Nd、W、Mo、Mn、Ba、Sr、Ca、Biのうち少なくとも１種類を不純物として含有する場合、これら不純物が圧電膜に含有される場合には、不純物元素イオンによって、Ｐｂイオンが位置するＡサイト或いはＺｒイオン及びＴｉイオンが位置するＢサイトに置換することから、上記Pb_１＋ｙ（Zr_ｘTi_１−ｘ）O_３＋ｙが成り立たなくなる。

本発明は、鋭意、研究考察、実験を行った結果、上述した酸素の完全な過不足のない組成が成り立たないＰＺＴにおいても、高い圧電定数を示す圧電素子を提供することができるに至ったものである。

本発明による圧電素子は、基板上に、第１電極と、酸化物圧電膜と、第２電極とが積層形成されて成り、上記酸化物圧電膜の材料組成が下記［化４］の化学式（１）で表され、ＭがＺｎ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｍｇの少なくとも１種以上より成り、ＮがＮｂ、Ｔａの少なくとも１種以上より成り、０≦ｘ≦０．１、０．４≦ｙ≦０．５、０＜ｚ≦０．１、ａ＝ｂ＝０、０≦ｃ＜０．０５であることを特徴とする。

また、本発明は、上記圧電素子において、上記〔化４〕において、ａ＝ｂ＝ｃ＝０であり、上記酸化物圧電膜に対する広角Ｘ線回折の、全ての面のピーク強度の総和Ｉ_ａｌｌのうち、｛１１１｝結晶面のピーク強度Ｉ_{｛１１１｝}の割合Ｉ_{｛１１１｝}／Ｉ_ａｌｌが９０％以上であることを特徴とする。

また、本発明は、上記圧電素子において、上記第１電極及び上記第２電極が金属薄膜電極であり、第１電極および第２電極のそれぞれがＰｔを含むことを特徴とする。

また、本発明は、上記圧電素子において、上記基板がＳｉ（シリコン）単結晶から成り、該Ｓｉ基板上に、Ｓｉ酸化物もしくはＳｉ窒化物が形成されてなることを特徴とする。

本発明による圧電装置は、支持体に、圧電素子が支持されてなり、上記圧電素子が、基板上に、第１電極と、酸化物圧電膜と、第２電極とが積層形成されて成り、上記酸化物圧電膜の材料組成が下記［化５］の化学式（１）で表され、ＭがＺｎ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｍｇの少なくとも１種以上より成り、ＮがＮｂ、Ｔａの少なくとも１種以上より成り、０≦ｘ≦０．１、０．４≦ｙ≦０．５、０＜ｚ≦０．１、ａ＝ｂ＝０、０≦ｃ＜０．０５であることを特徴とする。

本発明による角速度センサは、支持体に、角速度を検出する圧電素子が支持されてなり、 上記圧電素子が、基板上に、第１電極と、酸化物圧電膜と、第２電極とが積層形成されて成り、上記酸化物圧電膜の材料組成が下記［化６］の化学式（１）で表され、ＭがＺｎ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｍｇの少なくとも１種以上より成り、ＮがＮｂ、Ｔａの少なくとも１種以上より成り、０≦ｘ≦０．１、０．４≦ｙ≦０．５、０＜ｚ≦０．１、ａ＝ｂ＝０、０≦ｃ＜０．０５であることを特徴とする。

また、本発明は、上記角速度センサにおいて、上記〔化６〕において、ａ＝ｂ＝ｃ＝０であり、上記酸化物圧電膜に対する広角Ｘ線回折の、全ての面のピーク強度の総和Ｉ_ａｌｌのうち、｛１１１｝のピーク強度Ｉ_{｛１１１｝}の割合Ｉ_{｛１１１｝}／Ｉ_ａｌｌが９０％以上であることを特徴とする。

また、本発明は、上記角速度センサにおいて、上記第１電極及び上記第２電極が金属薄膜電極であり、第１電極および第２電極のそれぞれがＰｔを含むことを特徴とする。

また、本発明は、上記角速度センサにおいて、上記基板がＳｉ（シリコン）単結晶から成り、Ｓｉ酸化物もしくはＳｉ窒化物が形成されてなることを特徴とする。

上述の構成による本発明の圧電素子によれば、酸素の過不足を伴うＰＺＴによる圧電膜を有する圧電素子を、高い圧電定数をもって構成することができる。
このように、本発明によれば、酸素イオンが酸素の過不足がない完全結晶を必要とせずに高い圧電定数を有する圧電素子を形成することができることから、その製造条件等の厳密性を緩和することができ、歩留まりの向上、生産性の向上を図ることができる。したがって、廉価な圧電素子を得ることができるものである。

そして、前述したように、ＡＢＯ_３で表されるペロブスカイト構造のＰＺＴによる圧電膜を構成する上で、Nb、La、Ta、Nd、W、Mo、Mn、Ba、Sr、Ca、B等の不純物イオンを前述したＡサイト或いはＢサイトに置換した場合においても高い圧電定数を得ることができるものである。

また、上述したように、圧電素子の基板としてＳｉ基板を用いるときは、その熱酸化、あるいは窒化処理によるＳｉ酸化膜、あるいは窒化膜を容易に形成することができることから、製造の簡易化が図られる。

また、本発明による角速度センサによれば、上述した高い圧電定数を有する圧電素子を用いることから、高感度の角速度検出を行うことができ、また、上述したように、圧電素子自体が廉価となることから、廉価に角速度センサを得ることができる。

以下、図面を参照して本発明による圧電素子とこれを用いた角速度センサの実施の形態例を説明するが、本発明は、この実施の形態例に限られるものでない。

図１Ａ、及び図１Ｂに、本発明による圧電素子２を用いた本発明による圧電装置例えば振動型の角速度センサ１の概略斜視図、及びこの概略斜視図のＸ−Ｘ´を断面とする概略断面図を示す。

この実施の形態例において、本発明による圧電装置１、例えばジャイロセンサは、図１Ａの概略斜視図に示すように音片形の片持ち梁形状を有し、支持体４によって支持されてなる。支持体４は開口部６を有し、この開口部６の開口周縁６ａから開口６内に向けて圧電素子２が突出形成された構成を有する。
なお、この実施の形態例においては、圧電素子２を構成する基板５と支持体４とが一体として形成される。

また、圧電素子２は、図１Ｂの概略断面図に示すように、例えばＳｉよりなる基板５の上面に、例えば熱酸化によってＳｉＯ_２による酸化膜１２が形成され、酸化膜１２の上に、例えば５０μｍの厚さを有するＴｉ層及び例えば２００μｍの厚さを有するＰｔ層によって構成される第１電極１４と、例えば１μｍの厚さを有するＰＺＴによる圧電膜１５と、例えば２００μｍの厚さを有するＰｔ層による第２電極１６及び検出電極１７とが積層形成された構成を有する。

この圧電装置１の構造を更に詳細に説明するため、圧電素子１の製造方法の一例について、図２〜図４を参照して説明する。図２〜図４において、各Ａ図は、各工程における概略平面図を示し、各Ｂ図は、各Ａ図のＸ−Ｘ´線上の概略断面図を示す。

まず、図２に示すように、例えばＳｉによる基体１１を用意して、その両主面１１ａと１１ｂとに例えば熱酸化によってＳｉＯ_２による酸化膜１２と酸化膜１３とを形成する。
そして、基板１１の主面１１ｂ側から、中央に凹部１１ｃを形成する。この凹部１１ｃの形成は、例えば酸化膜１３の凹部１１ｃの形成部を、例えばフォトリソグラフィによるパターンエッチングによって除去し、次にこの酸化膜１３をエッチングマスクとして酸化膜の除去部において基板１１をエッチングすることによって形成することができる。
そして、酸化膜１３が形成された主面１１ｂの凹部１１ｃが下部に形成された部分を最終的に得る圧電素子２の形成部とする。

その後、酸化膜１２上に、例えば厚さ５０μｍのＴｉ層と例えば厚さ２００μｍのＰｔ層とによる第１電極層１４ａを形成し、この上に例えば厚さ１μｍのＰＺＴによる圧電膜層１５ａと、例えば厚さ２００μｍのＰｔ層とによる第２電極層１６ａを積層形成する。
なお、第１電極層１４ａと、圧電膜層１５ａと、第２電極層１６ａとは、例えばマグネトロンスパッタ装置を用いて連続的に形成することができる。

例えば、マグネトロンスパッタ装置により、第１電極層１４ａの形成を、ガス圧０．５Ｐａ、投入電力１ｋＷ（Ｔｉ層形成時）及び０．５ｋＷ（Ｐｔ層形成時）で行うことができ、第２電極層１６ａの形成を、ガス圧０．５Ｐａ、投入電力０．５ｋＷで、それぞれ行うことができる。
また、圧電膜１５ａの形成は、常温のＡｒとＯ_２との混合ガス中で、ＰＺＴ酸化物ターゲットを用い、任意のガス圧及び投入電力で行うことができる。

次に、図３に示すように、第２電極層１６ａと、圧電膜層１５ａと、第１電極層１４ａとに対して、それぞれフォトリソグラフィを用いたパターンエッチングを行うことにより、第２電極層１６ａによる第２電極１６と検出電極１７とを形成し、圧電膜層１５ａによる圧電膜１５を形成し、第１電極層１４ａによる第１電極１４とを、それぞれ所定の形状、例えば帯状に形成する。
また、外部との電気的接合のために、第１電極１４、第２電極１６及び検出電極１７の形成と同時に、第１電極接続部１４ｂ、第２電極接続部１６ｂ及び検出電極１７ｂを形成する。

次に、図４に示すように、第２電極１６及び検出電極１７の接続部１６ｂ及び１７ｂの上にレジスト１８を形成して第１電極接続部１４ｂとの短絡防止を図り、続いてレジスト１８上を跨いで、第２接続部１６ｂ及び１７ｂと外部との電気的接合のための配線膜１９を形成する。

その後、第１電極１４の周囲に酸化膜１２が露出した領域を一定以上残して開口部３を形成し、図１Ａ及び図１Ｂに示す、圧電素子１及び支持体２を形成する。
このようにして、基板１１と支持体２とが一体として構成された目的とする、圧電素子２が形成された圧電装置１を形成することができるものである。

上述した本発明による角速度センサ１を構成する本発明による圧電素子２における圧電膜１４の組成は、前記化学式（１）で示した組成に選定され、ＭがＺｎ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｍｇの少なくとも１種以上より成り、ＮがＮｂ、Ｔａの少なくとも１種以上より成り、 ０≦ｘ≦０．１、０．４≦ｙ≦０．５、０＜ｚ≦０．１、０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ＜０．０５とされる。

この組成について説明する。
まず、前記化学式（１）による圧電膜組成において、不純物を導入しない、すなわちａ、ｂ、ｃがいずれも０とした場合の、０≦ｘ≦０．１、０．４≦ｙ≦０．５におけるｚの値を変えたときの圧電素子１の圧電定数ｄ３１の測定結果を図５に示す。
この測定結果によれば、０＜ｚ≦０．１の範囲で、圧電定数ｄ３１が高い値を示すことがわかる。

次に、前記化学式（１）による圧電膜組成において、不純物を導入しない、すなわちａ、ｂ、ｃがいずれも０とした場合の、０≦ｘ≦０．５、０＜ｚ≦０．１におけるｙの値を変えたときの圧電素子１の圧電定数ｄ３１の測定結果を図６に示す。
この測定結果によれば、０．４≦ｙ≦０．５の範囲で、圧電定数ｄ３１が高い値を示すことがわかる。

次に、前記化学式（１）による圧電膜組成において、不純物を導入しない、すなわちａ、ｂ、ｃがいずれも０とした場合の、０．４≦ｙ≦０．５、０＜ｚ≦０．１におけるｘの値を変化させたときの圧電素子１の圧電定数ｄ３１の測定結果を図７に示す。
この測定においては、０≦ｘ≦０．１の範囲で、圧電定数ｄ３１が高い値を示すことがわかる。

次に、前記化学式（１）による圧電膜組成において、不純物を導入しない、すなわちａ、ｂ、ｃがいずれも０とした場合の、ｘ＝０．０２、ｙ＝０．４７、０＜ｚ≦０．１における、圧電膜に対する広角Ｘ線回折の、全ての面のピーク強度の総和Ｉ_ａｌｌに占める｛１１１｝のピーク強度Ｉ_{｛１１１｝}の割合Ｉ_{｛１１１｝}／Ｉ_ａｌｌすなわち｛１１１｝配向度と、圧電定数ｄ３１との関係の測定結果を図８に示す。
この測定結果によれば、｛１１１｝配向度が９０％以上の領域では、圧電定数ｄ３１は安定して高い値を示すことがわかる。

また、前記化学式（１）による圧電膜組成において、不純物を導入した場合の、０≦ｘ≦０．１、０．４≦ｙ≦０．５、０＜ｚ≦０．１、ａ＝ｂ＝０におけるｃの値と圧電素子１の圧電定数ｄ３１との関係の測定結果を図９に示す。この測定においては、０≦ｃ＜０．０５の範囲で、圧電定数ｄ３１が高い値を示すことがわかる。
なお、前記［化３］の化学式（１）におけるａ及びｂは、ａ≧０、ｂ≧０で、かつ１−ａ≧０、１−ｂ≧０であることが必要であることから、本発明においては、ともに０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１に選定される。

なお、本発明による圧電素子及びこれを用いた圧電装置例えば角速度センサは、上述の実施の形態例に限られるものではない。
例えば、この実施の形態例では、基板上への第１電極の形成に先立って基板表面に酸化膜を形成する例を説明したが、酸化膜のかわりに窒化膜を形成して圧電素子を構成して、Ｓｉ基板と、基板上に形成される積層部等との間の電気的結合を回避することができる。

また、例えば、この実施の形態例においては機械的応力を電気信号に変換して角速度センサとしての圧電装置の例について説明したが、本発明による圧電そしによって、例えば磁気記録再生装置における磁気ヘッドの磁気記録媒体に対する微少位置調整を行うアクチュエータを構成することも可能である。

また、上述の実施の形態例では、ａ＝ｂ＝０である例を説明したが、これらのパラメータは０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１の範囲で適宜選定し得るものであり、これに伴って［化３］の化学式（１）におけるＭをＺｎ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｍｇの少なくとも１種類以上とするとか、ＮをＮｂ、Ｔａの少なくとも１種類以上とするなどの構成をとることができるなど、種々の変形及び変更をなされ得る。

以上、本発明による圧電素子と、この圧電素子を有する圧電装置、例えば角速度センサの実施の形態例について説明したように、本発明によれば、酸素の過不足を伴うＰＺＴによる圧電膜を有する圧電素子を、高い圧電定数をもって構成することができ、ＡＢＯ_３で表されるペロブスカイト構造のＰＺＴによる圧電膜を構成する上で、Nb、La、Ta、Nd、W、Mo、Mn、Ba、Sr、Ca、Bi等の不純物元素イオンによるサイト置換による場合にも高い圧電定数を得ることができるものである。

また、本発明によれば、高い圧電定数を有する圧電素子を構成することによって、種々の圧電装置、例えば上述した振動型の角速度センサにおいて、高い圧電定数に基く励起振動振幅の増大によって感度の向上を図ることができるものである。

図１Ａ及び図１Ｂは、それぞれ、本発明による圧電素子と、この圧電素子を有する本発明による圧電装置の概略斜視図及び概略断面図である。 図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれ、本発明による圧電素子の説明に供する製法例の一工程における概略上面図及び概略断面図である。 図３Ａ及び図３Ｂは、それぞれ、本発明による圧電素子の説明に供する製法例の一工程における概略上面図及び概略断面図である。 図４Ａ及び図４Ｂは、それぞれ、本発明による圧電素子の説明に供する製法例の一工程における概略上面図及び概略断面図である。 本発明による圧電素子の、圧電膜組成の一例における圧電定数のパラメータｚの依存性の測定結果を示す図である。 本発明による圧電素子の、圧電膜組成の一例における圧電定数のパラメータｙ値の依存性の測定結果を示す図である。 本発明による圧電素子の、圧電膜組成の一例における圧電定数のパラメータｘ値の依存性の測定結果を示す図である。 本発明による圧電素子の、圧電膜組成の一例における（１１１）配向度と圧電定数との関係の測定結果を示す図である。 本発明による圧電素子の、パラメータｃの依存性の測定結果を示す図である。

符号の説明

１・・・圧電装置（角速度センサ）、２・・・圧電素子、３・・・積層部、４・・・支持体、５・・・基板、６・・・開口部、６ａ・・・開口周縁、１１・・・基体、１１ａ・・・基体主面、１１ｂ・・・基体主面、１２・・・酸化膜、１３・・・酸化膜、１４・・・第１電極、１４ａ・・・第１電極層、１４ｂ・・・第１電極接続部、１５・・・圧電膜、１５ａ・・・圧電膜層、１６・・・第２電極、１６ａ・・・第２電極層、１６ｂ・・・第２電極接続部、１７・・・検出電極、１８・・・レジスト、１９・・・配線膜

Claims (9)

1. 基板上に、第１電極と、酸化物圧電膜と、第２電極とが積層形成されて成り、
   上記酸化物圧電膜の材料組成が下記［化１］で表され、
   ＭがＺｎ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｍｇの少なくとも１種以上より成り、ＮがＮｂ、Ｔａの少なくとも１種以上より成り、
   ０≦ｘ≦０．１、０．４≦ｙ≦０．５、０＜ｚ≦０．１、ａ＝ｂ＝０、０≦ｃ＜０．０５であることを特徴とする圧電素子。
   
2. 上記〔化１〕において、ａ＝ｂ＝ｃ＝０であり、
   上記酸化物圧電膜に対する広角Ｘ線回折の、全ての面のピーク強度の総和Ｉ_ａｌｌのうち、｛１１１｝結晶面のピーク強度Ｉ_{｛１１１｝}の割合Ｉ_{｛１１１｝}／Ｉ_ａｌｌが９０％以上であることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
3. 上記第１電極及び上記第２電極が金属薄膜電極であり、第１電極および第２電極のそれぞれがＰｔを含むことを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
4. 上記基板がＳｉ（シリコン）単結晶から成り、該Ｓｉ基板上に、Ｓｉ酸化物もしくはＳｉ窒化物が形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
5. 支持体に、圧電素子が支持されてなり、
   上記圧電素子が、基板上に、第１電極と、酸化物圧電膜と、第２電極とが積層形成されて成り、
   上記酸化物圧電膜の材料組成が下記［化２］で表され、
   ＭがＺｎ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｍｇの少なくとも１種以上より成り、ＮがＮｂ、Ｔａの少なくとも１種以上より成り、
   ０≦ｘ≦０．１、０．４≦ｙ≦０．５、０＜ｚ≦０．１、ａ＝ｂ＝０、０≦ｃ＜０．０５であることを特徴とする圧電装置。
   
6. 支持体に、角速度を検出する圧電素子が支持されてなり、
   上記圧電素子が、基板上に、第１電極と、酸化物圧電膜と、第２電極とが積層形成されて成り、
   上記酸化物圧電膜の材料組成が下記［化３］で表され、
   ＭがＺｎ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｍｇの少なくとも１種以上より成り、ＮがＮｂ、Ｔａの少なくとも１種以上より成り、
   ０≦ｘ≦０．１、０．４≦ｙ≦０．５、０＜ｚ≦０．１、ａ＝ｂ＝０、０≦ｃ＜０．０５であることを特徴とする角速度センサ。
   
7. 上記〔化３〕において、ａ＝ｂ＝ｃ＝０であり、
   上記酸化物圧電膜に対する広角Ｘ線回折の、全ての面のピーク強度の総和Ｉ_ａｌｌのうち、｛１１１｝のピーク強度Ｉ_{｛１１１｝}の割合Ｉ_{｛１１１｝}／Ｉ_ａｌｌが９０％以上であることを特徴とする請求項６に記載の角速度センサ。
8. 上記第１電極及び上記第２電極が金属薄膜電極であり、第１電極および第２電極のそれぞれがＰｔを含むことを特徴とする請求項６に記載の角速度センサ。
9. 上記基板がＳｉ（シリコン）単結晶から成り、Ｓｉ酸化物もしくはＳｉ窒化物が形成されてなることを特徴とする請求項６に記載の角速度センサ。