JP5057148B2

JP5057148B2 - 圧電振動装置

Info

Publication number: JP5057148B2
Application number: JP2007269154A
Authority: JP
Inventors: 健一上坂; 始神藤
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2007-10-16
Filing date: 2007-10-16
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2027-10-16
Also published as: JP2009100196A

Description

本発明は圧電振動装置に関し、詳しくは、バルク波の輪郭振動モードを利用する圧電振動装置に関する。

バルク波を利用する圧電振動装置には、バルク波の中の厚み振動モードを利用するタイプや、バルク波の中の拡がり振動モード、長さ振動モード又は幅振動モードなどの輪郭振動モードを利用するタイプがある。

後者の輪郭振動モードを利用する圧電振動装置において、図５の断面図に示すように、電極５，７間に圧電膜６が挟まれてなり、空隙３を介して基板２から浮いている圧電振動部９の上下に、温度補償膜４，８を備えることが提案されている。例えば、温度補償膜４，８として、ＳｉＯ_２膜が１層ずつ形成される（例えば、特許文献１参照）。
ＷＯ２００７／０８８６９６号公報

このように温度補償膜を備える圧電振動装置は、例えば図６に示すように、ヒステリシス現象が起きる。図６は、厚さ１．６μｍのＡｌＮ膜の圧電膜を含む圧電振動部の上に、厚さ３．３μｍのＳｉＯ_２膜の温度補償膜を形成し、圧電振動部の下に厚さ１．７μｍのＳｉＯ_２膜の温度補償膜を形成した圧電振動装置について、振動数とインピーダンスの関係を示すグラフである。実線は、周波数の高い方から低い方へスイープしたときのインピーダンス特性を示す。破線は、周波数の低い方から高い方へスイープしたときのインピーダンス特性を示す。破線と実線が重なっていない部分があり、測定時の周波数のスイープ方向によってインピーダンス波形が異なるというヒステリシス現象が起きることが分かる。

このタイプの圧電振動装置で小型化し、かつヒステリシス現象を抑制しようとすると、圧電膜のＡｌＮ膜より音速の小さいＳｉＯ_２膜を厚くすることが望ましい。しかし、温度補償膜であるＳｉＯ_２膜を厚くすると、温度特性が劣化してしまう。

本発明は、かかる実情に鑑み、温度特性を維持しつつ、小型化とヒステリシス現象の抑制との実現が可能である、圧電振動装置を提供しようとするものである。

本発明は、上記課題を解決するために、以下のように構成した圧電振動装置を提供する。

圧電振動装置は、（ａ）基板と、（ｂ）圧電膜と前記圧電膜の両主面にそれぞれ配置された第１及び第２の電極とを含み、前記圧電膜の膜厚方向から透視したときに前記第１及び第２の電極が前記圧電膜を介して重なり合う圧電振動部が前記基板から浮いた状態で、前記圧電振動部以外の支持部が前記基板に支持された、圧電薄膜部とを備え、前記圧電振動部の輪郭振動を利用するタイプの圧電振動装置である。圧電振動装置は、（ｃ）少なくとも前記圧電振動部上に、温度補償膜及び補強膜をさらに備える。前記補強膜は、前記圧電膜の音速より小さい音速を有し、かつ、温度特性の符号が前記温度補償膜の温度特性の符号と異なる。

上記構成によれば、圧電振動部の上に、圧電膜の音速より小さい音速を有する補強膜を形成すると、圧電振動部上に形成された補強膜も圧電振動部と連動して面方向に振動するため、素子の縦波音速を小さくすることができ、振動子の小型化が可能となる。

圧電振動部上に温度補償膜及び補強膜が形成されると、膜厚が厚くなり、振動変位が小さくなるため、ヒステリシス現象が抑制される。

補強膜の温度特性の符号が温度補償膜の温度特性の符号と異なるので、温度特性を維持することができる。

好ましくは、前記温度補償膜及び前記補強膜の少なくとも一方が等方体である。

この場合、等方振動が励起されるため、共振特性が劣化しない。

好ましくは、前記補強膜がＴａ_２Ｏ_５である。

この場合、音速が特に小さいＴａ_２Ｏ_５を補強膜に用いるため、より小型化が可能である。

本発明によれば、温度特性を維持しつつ、小型化とヒステリシス現象の抑制との実現が可能である。

以下、本発明の実施の形態について、図１〜図４を参照しながら説明する。

＜実施例＞図１は、本発明の圧電振動装置１０の断面図である。図２は、圧電振動装置１０の膜構成を模式的に示す分解斜視図である。

図１及び図２に示すように、本発明の圧電振動装置１０は圧電共振子であり、基板１２上に、支持膜１４、下部電極１５、圧電膜１６、上部電極１７、補強膜１８、温度補償膜１９が積層され、各膜１４〜１９の矩形の本体部１４ａ〜１９ａが順に積層されている。電極１５，１７の本体部１５ａ，１７ａの間に圧電膜１６の本体部１６ａが挟まれている圧電振動部２０は、その上に、補強膜１８及び温度補償膜１９の本体部１８ａ，１９ａが配置され、その下に、支持膜１４の本体部１４ａが配置されている。

支持膜１４、圧電膜１６、補強膜１８、温度補償膜１９には、膜厚方向に貫通する貫通溝１４ｘ，１６ｘ，１８ｘ，１９ｘが形成され、貫通溝１４ｘ，１６ｘ，１８ｘ，１９ｘで囲まれた内側に、本体部１４ａ，１６ａ，１８ａ，１９ａが形成されている。

下部電極１５及び上部電極１７は、矩形の本体部１５ａ，１７ａと、パッド１５ｂ，１７ｂとの間が、接続部１５ｓ，１７ｓを介して接続されている。図１に示すように、パッド１５ｂ，１７ｂ上には、何も積層されておらず、外部と電気的に接続できるようになっている。

図１に示すように、圧電振動部２０は、基板１２から空隙１３を介して浮いた状態である。圧電振動部２０は、基板１２に支持された支持部２２との間が接続部２４を介して接続されている。

圧電膜１６は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、水晶などの圧電膜を用いることができる。実施例ではＡｌＮを用いている。

電極１５，１７は、圧電膜１６に電圧を印加する役割を持ち、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｉ、エリンバー、インバーなど導電性を持つ材料、あるいはこれらの積層体を使用する。下部電極１５と支持膜１４の間や、電極１５，１７と圧電膜１６の間には、密着性を高めるために、Ｔｉ、Ｃｒなどの材料を用いて密着層を形成してもよい。また、電極１５，１７は、圧電振動部２０からの引き出し電極（接続部１５ｓ，１７ｓ及びパッド１５ｂ，１７ｂ）に、配線抵抗を下げるための厚付け配線を別途形成してもよい。

圧電振動部２０の上下に付加した膜１４，１８，１９は、共振周波数の温度補償、パッシペーション、共振周波数の調整などの役割を持つ。温度補償として、縦波音速の温度係数の符号が圧電膜１６と逆の膜を形成するが、ＳｉＯ_２が用いられることが多い。パッシペーションとしての機能を果たすため、なるべく電極１５，１７及び圧電膜１６の表面及び側壁まで覆うように形成する。

共振周波数の調整では、圧電振動部２０の上に形成した膜をミリングやエッチングで薄くする手法が知られている。材料は、主に、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、Ｔａ_２Ｏ_５などの誘電体膜を用いることができるが、Ａｌ、Ｃｕ、エリンバー、インバーのような導電性材料、ＺｎＯ、ＡｌＮ、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）のような圧電材料、Ｓｉのような半導体材料であってもよく、これらの中から所望の材料を選択する。

また、圧電振動部２０の上の膜１８，１９は、横方向の振動のみが励起されないことがないよう、等方体であることが望ましい。等方体は特定の結晶構造をもたず、一般的に形成温度が低い。圧電振動部２０の上の膜１８，１９は、圧電振動部２０と連動して振動するため、圧電振動部２０と十分な密着強度を有することが望ましく、テープ剥離試験で剥がれないことが望ましい。できればセロハンテープの接着力のＪＩＳ規格（Ｚ１５２２）に記載の強度以上の密着強度を有することが好ましい。

実施例では、圧電振動部２０の上側に、ＳｉＯ_２の温度補償膜１９と、Ｔａ_２Ｏ_５の補強膜１８を形成し、下側にＳｉＯ_２の支持膜１４を形成している。ＳｉＯ_２は縦波音速の温度特性の符号がＡｌＮと反対であること、Ｔａ_２Ｏ_５は、次の表１に示すように音速がＡｌＮの半分以下で、縦波音速の温度特性の符号がＳｉＯ_２の逆であることから、温度特性の調整と素子の小型化が可能となる。これらの薄膜は、例えばＰＶＤ法もしくはＣＶＤ法によって成膜する。

圧電振動部２０を含む基板１２から浮いている部分が基板１２に接触しないよう、薄膜の応力調整をすることが望ましい。例えば、圧電膜１６の膜応力が圧縮応力のとき、圧電振動部２０の上下に付加する膜１４，１８，１９の少なくともひとつの膜応力を、逆の引張応力にすることで、圧電振動部２０の反りが抑制できる。

膜１４〜１９のパターニングは、ドライエッチング、ウェットエッチング、あるいはリフトオフ法により行う。その中でも、リフトオフ法はパターニング精度がよく、振動子の寸法ばらつきを小さくできるので好ましい。また、圧電振動部２０の上下の膜１４，１８，１９の形成では、構成膜間の位置ずれをなくすため、同じマスクパターンを用いて一括形成することが望ましい。

空隙１３は、基板１２上に犠牲層を配置し、その上に支持膜１４等を積層した後に、犠牲層を除去することによって形成する。

基板１２は、Ｓｉのような半導体基板、もしくはガラスのような絶縁体基板を用いる。あるいは表面に酸化膜や窒化膜が形成された基板でもよい。

本発明の圧電振動装置１０は、圧電膜１６より縦波音速が小さく、縦波音速の温度係数の符号が温度補償膜１９と逆の補強膜１８を形成することによって、温度特性を維持しつつ、素子の小型化とヒステリシス現象の抑制の実現が可能となる。以下、詳しく説明する。

薄膜による輪郭振動を用いた従来例の圧電振動装置は、図６に示したように、測定時の周波数のスイープ方向によってインピーダンス波形が異なるというヒステリシス現象が起きる。

ヒステリシス現象は、圧電膜が強く振動すると振動変位が大きくなり、変位と応力の関係が比例ではなくなり非線形領域に入り、この非線形領域ではスイープ方向によってインピーダンス波形が変わるために起きると推測される。ヒステリシス現象を抑制するには、振動変位を小さくすることが望ましい。

圧電振動部に付加する膜の膜厚が厚いほど、振動変位が小さくなるので、ヒステリシス現象は、圧電振動部に付加する膜の膜厚が厚いほど、抑制できる。

また、一般に、長さ振動モード、幅振動モード、拡がり振動モードなど、主としてＸＹ方向の輪郭振動を用いた振動子は、共振周波数が幅、長さなどの平面寸法によって決定される。振動モードの様子を、図４に示す。図４は、上下の電極で挟まれた領域（圧電振動部）の圧電膜を、電極側から見た平面図である。

式（１）に長さ方向に一様な長さモード振動子の共振周波数ｆｒの理論式を示す。

ｆｒ＝２Ｌ／Ｖｐ・・・（１）
ここで、Ｌ：振動子長さ、Ｖｐ：素子の縦波音速
この式（１）から、共振周波数（ｆｒ）を一定に保ちながら振動子を小型化する、つまり、振動子長さ（Ｌ）を小さくするには、素子の縦波音速（Ｖｐ）を小さくすればよいことが分かる。素子の縦波音速を小さくするには、縦波音遠の小さい圧電材料を用いることが考えられる。しかし、圧電膜の材料を変えるには、形成方法の条件出しにかなりの手間がかかり、容易ではない。

そこで、圧電膜の材料を変えずに、共振子上に圧電膜より縦波音速の小さい材料を形成すると、圧電振動部上に形成された材料も圧電振動部と連動して面方向に振動するため、素子の音速が、圧電膜の縦波音速より小さくなり、共振子上に形成された膜の縦波音速より大きくなる。よって、素子の縦波音速を小さくすることができ、振動子の小型化が可能となる。

同時に、共振子上に形成された膜で膜厚が厚くなるため、ヒステリシス現象が抑制される。

以上より、従来構造に対して素子を小型化し、かつヒステリシス現象を抑制しようとすると、圧電膜１６のＡｌＮより縦波音速の小さい温度補償膜１９のＳｉＯ_２を厚くするのが望ましい。しかし、温度補償膜１９のＳｉＯ_２を厚くすると、温度特性が劣化してしまう。

そこで、ＳｉＯ_２とは逆の温度係数の符号を持つＴａ_２Ｏ_５の補強膜１８を新たに形成すると、温度特性を維持しつつ、ヒステリシス現象の抑制が可能となる。また、新たに形成した補強膜１８の音速を、圧電膜１６の音速より小さくすることで、素子の小型化も可能となる。

圧電膜、温度補償膜、補強膜が上記のＡｌＮ，ＳｉＯ２，Ｔａ_２Ｏ_５の組み合わせ以外でも、同様の効果が得られる。例えば、圧電膜、温度補償膜、補強膜の他の組み合わせとして、ＡｌＮ，ＳｉＯ_２，ＺｎＯや、ＺｎＯ，ＳｉＯ_２，Ｔａ_２Ｏ_５が挙げられる。

＜作製例＞次に、作製例について説明する。

図１及び図２に示した実施例の作製例の膜構成は、基板：Ｓｉ、支持膜：ＳｉＯ_２（膜厚３．０μｍ）、下部電極及び上部電極：Ｐｔ（各膜厚０．１μｍ）、圧電膜：ＡｌＮ（膜厚１．６μｍ）、補強膜：Ｔａ_２Ｏ_５（膜厚２．０μｍ）、温度補償膜：ＳｉＯ_２（膜厚３．７μｍ）である。

図５に示した従来構造の比較例の膜構成は、基板：Ｓｉ、支持膜：ＳｉＯ_２（膜厚１．７μｍ）、下部電極及び上部電極：Ｐｔ（各膜厚０．１μｍ）、圧電膜：ＡｌＮ（膜厚１．６μｍ）、温度補償膜：ＳｉＯ_２（膜厚３．３μｍ）である。

実施例は、ＳｉＯ_２（支持膜、温度補償膜）の合計膜厚が比較例の５．０μｍから６．７μｍになり、１．７μｍ厚くなっている。また、実施例は、Ｔａ_２Ｏ_５が比較例の０μｍから２．０μｍになり、２．０μｍ厚くなっている。

上記の２種類の構造について、ＦＥＭにて長さモードの共振周波数が約１３ＭＨｚになるように振動子の面積を計算した。結果を、次の表２に示す。

また、図３にインピーダンス特性のグラフを示す。実線は実施例、破線は比較例を示す。実施例は、インピーダンス特性が比較例よりも若干劣化するものの、実用上は問題がない特性といえる。

実施例は、補強膜のＴａ_２Ｏ_５の音速が圧電膜のＡｌＮの半分以下であるため、圧電振動部の面積比で従来構造の比較例の約７２％に小型化が可能である。

実施例は、圧電振動部に付加される膜の厚さの合計が比較例よりも大きいため、ヒステリシス現象の抑制効果が高まる。

実施例は、縦波音速の温度係数の符号がＳｉＯ_２とは逆のＴａ_２Ｏ_５を新たに形成することにより、ＳｉＯ_２の膜厚が増えたことによる温度特性の悪化を補うことができる。

＜まとめ＞以上に説明した圧電振動装置１０は、圧電膜１６より縦波音速が小さく、縦波音速の温度係数の符号が温度補償膜１９と逆の補強膜１８を形成することによって、温度特性を維持しつつ、素子の小型化とヒステリシス現象の抑制の実現が可能となる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変更を加えて実施することが可能である。

圧電振動装置の断面図である。（実施例）圧電振動装置の膜構成を示す分解斜視図である。（実施例）インピーダンス特性を示すグラフである。（実施例、比較例）面方向の振動モードの様子を示す平面図である。圧電振動装置の断面図である。（従来例）インピーダンス特性を示すグラフである。（従来例）

符号の説明

１０圧電振動装置
１２基板
１３空隙
１４支持膜
１５下部電極
１６圧電膜
１７上部電極
１８補強膜
１９温度補償膜
２０圧電振動部

Claims

基板と、
圧電膜と前記圧電膜の両主面にそれぞれ配置された第１及び第２の電極とを含み、前記圧電膜の膜厚方向から透視したときに前記第１及び第２の電極が前記圧電膜を介して重なり合う圧電振動部が前記基板から浮いた状態で、前記圧電振動部以外の支持部が前記基板に支持された、圧電薄膜部と、
を備え、
前記圧電振動部の輪郭振動を利用する、圧電振動装置であって、
少なくとも前記圧電振動部上に、温度補償膜及び補強膜をさらに備え、
前記補強膜は、前記圧電膜の音速より小さい音速を有し、かつ、温度特性の符号が前記温度補償膜の温度特性の符号と異なることを特徴とする、圧電振動装置。
前記温度補償膜及び前記補強膜の少なくとも一方が等方体であることを特徴とする、請求項１に記載の圧電振動装置。
前記補強膜がＴａ_２Ｏ_５であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の圧電振動装置。