JP2005228838A - Piezoelectric thin film element - Google Patents

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Kenji Shibata
憲治 柴田
Tsunehiro Unno
恒弘 海野
Ayano Yamada
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a piezoelectric thin film element having a PZT piezoelectric thin film, where a piezoelectric constant equivalent to bulk ceramics PZT can be obtained. <P>SOLUTION: In the piezoelectric thin film element having a piezoelectric thin film 3 of a metallic oxide having a perovskite structure sandwiched between upper and lower electrodes 4 and 2 on a substrate 1, the sum of an orientation rate in the direction of an (a) axis of the piezoelectric thin film 3 and that in the direction of (a) (b) axes is ≥90% to a direction vertical to the surface of the substrate 1. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、圧電アクチュエータや圧電センサに用いられる圧電薄膜素子、特にペロブスカイト型構造を有する金属酸化物の圧電薄膜を用いた圧電薄膜素子の構造に関するものである。   The present invention relates to a piezoelectric thin film element used for a piezoelectric actuator or a piezoelectric sensor, and more particularly to a structure of a piezoelectric thin film element using a metal oxide piezoelectric thin film having a perovskite structure.

電気信号が与えられると機械的動作を行うアクチュエータとして、上部電極と下部電極の間に圧電体が設けられている圧電アクチュエータが知られている。   2. Description of the Related Art A piezoelectric actuator in which a piezoelectric body is provided between an upper electrode and a lower electrode is known as an actuator that performs a mechanical operation when an electric signal is applied.

圧電アクチュエータは、例えば、インクジェット式記録装置のヘッド等のアクチュエータ、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）用位置決め制御用アクチュエータ、圧電ブザー等に幅広く利用されている。圧電体としては、その圧電定数の高さから、主にチタン酸ジルコン酸鉛（以下、ＰＺＴと記載する）が用いられている。一般に、これらの圧電体は、熱処理により得られた焼結体を切削、研磨などの工程により種々の形状に加工された後、得られた圧電体の対向する表面に一対の電極を形成して圧電素子が得られる。   Piezoelectric actuators are widely used, for example, in actuators such as heads of ink jet recording apparatuses, positioning control actuators for HDDs (hard disk drives), piezoelectric buzzers, and the like. As the piezoelectric body, lead zirconate titanate (hereinafter referred to as PZT) is mainly used because of its high piezoelectric constant. In general, these piezoelectric bodies are formed by processing a sintered body obtained by heat treatment into various shapes by processes such as cutting and polishing, and then forming a pair of electrodes on the opposing surfaces of the obtained piezoelectric body. A piezoelectric element is obtained.

近年、圧電アクチュエータの小型化が望まれており、そのためには圧電体の薄膜化が必要である。これまでのように圧電セラミックスを切削などの機械的な方法により加工した場合、素子の小型化において限界があり、その形状も限られたものとなってくる。もし、圧電体を薄膜化した圧電薄膜を薄膜成長できれば、小型化及び任意の形状に加工することが可能になる。このような背景のもと、圧電薄膜に関する研究が多数行われている。   In recent years, miniaturization of piezoelectric actuators has been desired, and for that purpose, it is necessary to reduce the thickness of the piezoelectric body. When a piezoelectric ceramic is processed by a mechanical method such as cutting as in the past, there is a limit in miniaturization of the element, and its shape is also limited. If a piezoelectric thin film obtained by thinning a piezoelectric body can be grown, it can be miniaturized and processed into an arbitrary shape. With this background, many studies on piezoelectric thin films have been conducted.

しかし、現状、薄膜成長によって得られた圧電薄膜は、圧電セラミックス焼結体（バルクセラミックスＰＺＴ）と比較して、圧電定数が小さい（半分以下）という問題を抱えている。   However, at present, the piezoelectric thin film obtained by thin film growth has a problem that the piezoelectric constant is small (less than half) compared to the piezoelectric ceramic sintered body (bulk ceramic PZT).

一般的に、ＰＺＴ薄膜を（００１）面に高い割合で配向させることで、高い圧電定数が得られると言われている（例えば、特許文献１参照）。
特開平６−３５０１５４号公報 Generally, it is said that a high piezoelectric constant can be obtained by orienting a PZT thin film at a high ratio to the (001) plane (see, for example, Patent Document 1).
JP-A-6-350154

しかしながら、これまで盛んに、高い割合で（００１）面に配向したＰＺＴ薄膜の形成が試されているが、バルクセラミックスＰＺＴの圧電定数に匹敵する圧電定数のＰＺＴ圧電薄膜が得られたという報告は殆どない。現在もＰＺＴ圧電薄膜の圧電定数を向上せんとする研究は盛んに行われている最中である。   However, the formation of PZT thin films oriented in the (001) plane at a high rate has been actively tried so far. However, it has been reported that a PZT piezoelectric thin film having a piezoelectric constant comparable to that of bulk ceramic PZT has been obtained. Almost no. At present, research to improve the piezoelectric constant of PZT piezoelectric thin films is being actively conducted.

ちなみに、本発明明細書中では、（００１）面の配向を「ｃ軸配向」と呼び、（１００）面の配向を「ａ軸配向」、（０１０）面の配向を「ｂ軸配向」と呼ぶ。   Incidentally, in the present specification, the orientation of the (001) plane is called “c-axis orientation”, the orientation of the (100) plane is “a-axis orientation”, and the orientation of the (010) plane is “b-axis orientation”. Call.

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、バルクセラミックスＰＺＴに匹敵する圧電定数が得られる金属酸化物の圧電薄膜を備えた圧電薄膜素子を得ることにある。   Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-described problems and to obtain a piezoelectric thin film element including a metal oxide piezoelectric thin film that can obtain a piezoelectric constant comparable to that of bulk ceramic PZT.

上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。   In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.

請求項１の発明に係る圧電薄膜素子は、基板上に、上部電極と下部電極に挟まれたペロブスカイト構造を有する金属酸化物の圧電薄膜を備える圧電薄膜素子において、基板の表面に垂直な方向に対して、圧電薄膜のａ軸方向の配向率とｂ軸方向の配向率の合計が９０％以上であることを特徴とする。   According to a first aspect of the present invention, there is provided a piezoelectric thin film element including a metal oxide piezoelectric thin film having a perovskite structure sandwiched between an upper electrode and a lower electrode on a substrate in a direction perpendicular to the surface of the substrate. On the other hand, the total of the orientation rate in the a-axis direction and the orientation rate in the b-axis direction of the piezoelectric thin film is 90% or more.

請求項２の発明は、請求項１に記載の圧電薄膜素子において、前記ペロブスカイト構造を有する金属酸化膜の圧電薄膜として、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）、ジルコン酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ3）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ3）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）、マグネシウムニオブジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ3）のいずれかを用いたことを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the piezoelectric thin film element according to the first aspect, as the piezoelectric thin film of the metal oxide film having the perovskite structure, lead titanate (PbTiO 3 ), lead zirconate titanate (Pb (Zr, Ti ) O 3 ), lead zirconate (PbZrO 3 ), lead lanthanum titanate ((Pb, La) TiO 3 ), lead lanthanum zirconate titanate ((Pb, La) (Zr, Ti) O 3 ), magnesium niobium Any one of lead zirconate (Pb (Zr, Ti) (Mg, Nb) O 3 ) is used.

請求項３の発明は、請求項２に記載の圧電薄膜素子において、前記圧電薄膜を、塗布法、スプレー法、スパッタリング法、レーザーアブレーション法、エアロゾルデポジション法、ＭＯＣＶＤ法のいずれかの方法によって形成したことを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the piezoelectric thin film element according to the second aspect, the piezoelectric thin film is formed by any one of a coating method, a spray method, a sputtering method, a laser ablation method, an aerosol deposition method, and an MOCVD method. It is characterized by that.

請求項４の発明は、請求項１または２に記載の圧電薄膜素子において、前記基板として、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3）、シリコン（Ｓｉ）、ガラス、サファイヤ、ステンレス、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）のいずれかを用いたことを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the piezoelectric thin film element according to the first or second aspect, as the substrate, magnesium oxide (MgO), strontium titanate (SrTiO 3 ), silicon (Si), glass, sapphire, stainless steel, gallium Any one of arsenic (GaAs) is used.

請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の圧電薄膜素子において、前記下部電極及び前記上部電極として、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）のいずれかの金属または金属酸化物を用いたことを特徴とする。   According to a fifth aspect of the present invention, in the piezoelectric thin film element according to any one of the first to fourth aspects, as the lower electrode and the upper electrode, platinum (Pt), ruthenium (Ru), iridium (Ir), titanium (Ti ), Tantalum (Ta), gold (Au), aluminum (Al), nickel (Ni), or a metal oxide.

請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の圧電薄膜素子が、焦電薄膜素子として構成されていることを特徴とする。   The invention according to claim 6 is characterized in that the piezoelectric thin film element according to any one of claims 1 to 5 is configured as a pyroelectric thin film element.

請求項７の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の圧電薄膜素子が、不揮発性メモリとして構成されていることを特徴とする。   The invention according to claim 7 is characterized in that the piezoelectric thin film element according to any one of claims 1 to 5 is configured as a nonvolatile memory.

本発明の圧電薄膜素子は、基板上に、少なくとも、圧電薄膜を第１電極薄膜と第２電極薄膜で挟んだ多層膜を有する構造として構成することができる。   The piezoelectric thin film element of the present invention can be configured as a structure having at least a multilayer film in which a piezoelectric thin film is sandwiched between a first electrode thin film and a second electrode thin film on a substrate.

本発明の圧電薄膜素子の構成要素の好ましい組み合わせを掲げれば、例えばＭｇＯ基板上に、ペロブスカイト構造を有するＰＺＴ圧電薄膜をＰｔ上部電極とＰｔ下部電極で挟んだ積層構造を備える圧電体薄膜素子において、ＭｇＯ基板の表面に垂直な方向に対して、ＰＺＴ圧電薄膜のａ軸方向の配向率とｂ軸方向の配向率の合計が９０％以上であることを特徴とする圧電薄膜素子がある。   For example, in a piezoelectric thin film element having a laminated structure in which a PZT piezoelectric thin film having a perovskite structure is sandwiched between a Pt upper electrode and a Pt lower electrode on an MgO substrate. There is a piezoelectric thin film element in which the total of the orientation ratio in the a-axis direction and the orientation ratio in the b-axis direction of the PZT piezoelectric thin film is 90% or more with respect to the direction perpendicular to the surface of the MgO substrate.

本発明の圧電薄膜素子の用途は他方面に及ぶが、上記の焦電薄膜素子や不揮発性メモリの他、マイクロスイッチ等にも用いることができる。   The use of the piezoelectric thin film element of the present invention extends to the other side, but it can also be used for a microswitch and the like in addition to the pyroelectric thin film element and the nonvolatile memory described above.

＜発明の要点＞
ＰＺＴ圧電薄膜がバルクセラミックスＰＺＴと比べて圧電定数が低い理由については幾つかの説があり、現在も論議されている最中であるが、その中の１つに次のような説がある。 <Key points of the invention>
There are several theories as to why the PZT piezoelectric thin film has a lower piezoelectric constant than the bulk ceramic PZT. Currently, there is the following theory.

圧電体の電界誘起ひずみは、主に（Ｉ）圧電ひずみと、（II）非１８０度分域の回転による強弾性ひずみ、により生じている。（Ｉ）圧電ひずみは、電界による分極の変化に伴う結晶の伸び縮みに起因する（図３（ａ）参照）。（II）非１８０度分域の回転による強弾性ひずみは、結晶が伸びている角度が変化することに起因し、大きな寸法変化を起こす（図３（ｂ）参照）。ただし、この寸法変化は電界に比例せず、ある電界で急激な寸法変化を起こすという特徴を持つ。バルクの圧電体では、電界の変化によって（Ｉ）と（II）の両方が生じ、大きな寸法変化を生じているが、圧電薄膜では、（II）が生じず、（Ｉ）のみしか生じていないため、バルクの圧電体に比べて寸法変化が小さくなっている。   The electric field induced strain of the piezoelectric body is mainly caused by (I) piezoelectric strain and (II) ferroelastic strain due to rotation in a non-180 degree domain. (I) Piezoelectric strain is caused by the expansion and contraction of crystals accompanying changes in polarization due to an electric field (see FIG. 3A). (II) The ferroelastic strain caused by the rotation in the non-180 degree domain causes a large dimensional change due to a change in the angle at which the crystal extends (see FIG. 3B). However, this dimensional change is not proportional to the electric field, and has a characteristic that a sudden dimensional change occurs in a certain electric field. In the bulk piezoelectric material, both (I) and (II) are generated due to the change in the electric field, resulting in a large dimensional change, but in the piezoelectric thin film, (II) does not occur and only (I) occurs. Therefore, the dimensional change is smaller than that of the bulk piezoelectric body.

圧電薄膜において（II）が生じない理由は以下のように考えられている。   The reason why (II) does not occur in the piezoelectric thin film is considered as follows.

バルクの圧電体は、多結晶であり、各結晶粒の結晶面方位はランダムになっている。そのため、分極方向が基板の表面に垂直な方向に対して大きな角度を持っている（つまり、横方向に分極している）領域が多数存在している。   The bulk piezoelectric body is polycrystalline, and the crystal plane orientation of each crystal grain is random. Therefore, there are many regions where the polarization direction has a large angle with respect to the direction perpendicular to the surface of the substrate (that is, the region is polarized in the lateral direction).

これに対して、圧電薄膜は、成長後そのままの状態で、結晶粒がある面方位の方向に揃うという特徴を持っている。成長方法、成長条件、下地の基板や金属薄膜（下部電極）の種類にもよるが、基板の表面に垂直な方向に対して、（００１）面または（１１１）面に配向しやすい傾向がある。その結果、圧電薄膜では、基板の表面に平行な方向に分極している結晶粒の割合がバルクに比べて非常に少なくなっており、その結果、非１８０度分域の回転による強弾性ひずみが殆ど生じず、圧電定数が小さくなっていると考えられる。   On the other hand, the piezoelectric thin film has a characteristic that crystal grains are aligned in a certain plane orientation as it is after growth. Depending on the growth method, growth conditions, and type of the underlying substrate or metal thin film (lower electrode), it tends to be oriented to the (001) plane or the (111) plane with respect to the direction perpendicular to the substrate surface. . As a result, in the piezoelectric thin film, the proportion of crystal grains polarized in the direction parallel to the surface of the substrate is very small compared to the bulk, and as a result, the ferroelastic strain due to rotation in the non-180 degree domain is reduced. It is considered that the piezoelectric constant is small with almost no occurrence.

上記の説に基いて思考した結果、圧電薄膜において、基板の表面に平行な方向に分極している領域を多くすること（つまり、ａ軸配向またはｂ軸配向させること）で、非１８０度分域の回転による強弾性ひずみが生じる割合を増加できるという発想に至った。これによって、バルクの圧電体と同レベルまたはそれ以上の圧電定数を有する圧電薄膜を得ることができるようになる。   As a result of thinking based on the above theory, by increasing the number of regions polarized in the direction parallel to the surface of the substrate in the piezoelectric thin film (that is, by a-axis or b-axis orientation), It came to the idea that the rate of ferroelastic strain caused by rotation of the region can be increased. As a result, a piezoelectric thin film having a piezoelectric constant equal to or higher than that of the bulk piezoelectric body can be obtained.

補足説明になるが、配向率は、Ｘ線回折測定によって行い、各面方位に対応する回折ピークの高さの割合がそのまま配向率を示すと考えた。   As a supplementary explanation, the orientation rate was measured by X-ray diffraction measurement, and it was considered that the ratio of the height of the diffraction peak corresponding to each plane orientation shows the orientation rate as it is.

本発明によれば、基板上に、上部電極と下部電極に挟まれたペロブスカイト構造を有する金属酸化物の圧電薄膜を備える圧電薄膜素子において、圧電薄膜がａ軸方向の配向率とｂ軸方向の配向率の合計が９０％以上である構造としたので、基板の表面に平行な方向に分極している結晶粒の割合が多くなり、その結果、非１８０度分域の回転による強弾性ひずみが顕著に生じて、バルクの圧電体と同レベルまたはそれ以上の圧電定数が得られる。従来にない大きな圧電定数が得られることから、本発明の圧電体薄膜素子は、焦電薄膜素子や不揮発性メモリ、マイクロスイッチ等に適する。   According to the present invention, in a piezoelectric thin film element comprising a metal oxide piezoelectric thin film having a perovskite structure sandwiched between an upper electrode and a lower electrode on a substrate, the piezoelectric thin film has an orientation ratio in the a-axis direction and a b-axis direction. Since the structure has a total orientation ratio of 90% or more, the proportion of crystal grains polarized in a direction parallel to the surface of the substrate increases. As a result, the ferroelastic strain due to rotation in the non-180 degree domain is reduced. Remarkably, a piezoelectric constant equal to or higher than that of the bulk piezoelectric body can be obtained. The piezoelectric thin film element of the present invention is suitable for a pyroelectric thin film element, a non-volatile memory, a microswitch, and the like because a large piezoelectric constant that is not conventionally obtained can be obtained.

以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。   Hereinafter, the present invention will be described based on the illustrated embodiments.

図１に示す圧電薄膜素子は、Ｐｔ下部電極２とＰｔ上部電極４に挟まれたＰＺＴ圧電薄膜３を備えて構成されており、ＭｇＯ基板１上に形成されている。それぞれの膜厚は、下部電極２が１００nm、圧電薄膜３が２μｍ、上部電極４が１００nmである。   The piezoelectric thin film element shown in FIG. 1 includes a PZT piezoelectric thin film 3 sandwiched between a Pt lower electrode 2 and a Pt upper electrode 4 and is formed on an MgO substrate 1. The thicknesses of the lower electrode 2 are 100 nm, the piezoelectric thin film 3 is 2 μm, and the upper electrode 4 is 100 nm.

本実施形態では、圧電薄膜３としては、高い圧電定数を有するチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を使用する。ただし、圧電薄膜３はＰＺＴに限定されるものではなく、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）、ジルコン酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ3）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ3）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）、マグネシウムニオブジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ3）などの金属酸化物から、圧電薄膜素子の特性、用途等を考慮して任意の組成を適宜選択できる。また、上部電極４、下部電極２の材料としては、白金（Ｐｔ）の他、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）のいずれかの金属または金属酸化物も選択的に用いることができる。また、基板１としては、酸化マグネシウム（ＨｇＯ）の他に、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3）、シリコン、ガラス、サファイヤ、ステンレス、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）のいずれかを選択することもできる。 In the present embodiment, as the piezoelectric thin film 3, lead zirconate titanate (PZT) having a high piezoelectric constant is used. However, the piezoelectric thin film 3 is not limited to PZT, but is lead titanate (PbTiO 3 ), lead zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) O 3 ), lead zirconate (PbZrO 3 ), lead titanate. Lanthanum ((Pb, La) TiO 3 ), lead lanthanum zirconate titanate ((Pb, La) (Zr, Ti) O 3 ), lead magnesium niobium zirconate (Pb (Zr, Ti) (Mg, Nb) O Any composition can be appropriately selected from metal oxides such as 3 ) in consideration of the characteristics and applications of the piezoelectric thin film element. The material of the upper electrode 4 and the lower electrode 2 is platinum (Pt), ruthenium (Ru), iridium (Ir), titanium (Ti), tantalum (Ta), gold (Au), aluminum (Al). Any metal or metal oxide of nickel (Ni) can also be used selectively. In addition to magnesium oxide (HgO), any of strontium titanate (SrTiO 3 ), silicon, glass, sapphire, stainless steel, and gallium arsenide (GaAs) can be selected as the substrate 1.

この構造を、Ｐｔ下部電極２、Ｐｔ上部電極４はスパッタリング法で、ＰＺＴ圧電薄膜３はＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法で形成した。この時、ＭＯＣＶＤ法での成長温度を３５０℃という低温で、且つ成長速度を０．１nm／ｍｉｎ以下という低い成長速度で成長することで、ａ軸方向及びｂ軸方向に優先配向したＰＺＴ圧電薄膜３を得た。この圧電薄膜３の配向状況をＸ線回折測定で評価した結果、ａ軸配向とｂ軸配向を合計した割合は９５％であった。   In this structure, the Pt lower electrode 2 and the Pt upper electrode 4 were formed by sputtering, and the PZT piezoelectric thin film 3 was formed by MOCVD (metal organic chemical vapor deposition). At this time, the PZT piezoelectric thin film is preferentially oriented in the a-axis direction and the b-axis direction by growing at a low growth temperature of 350 ° C. by the MOCVD method and at a low growth rate of 0.1 nm / min or less. 3 was obtained. As a result of evaluating the orientation state of the piezoelectric thin film 3 by X-ray diffraction measurement, the total ratio of the a-axis orientation and the b-axis orientation was 95%.

この本発明の圧電薄膜素子と、従来技術を用いたｃ軸優先配向ＰＺＴ圧電薄膜素子の両方の圧電特性を測定した。結果を図２に示す。横軸は圧電薄膜素子（圧電マイクロアクチュエータ）に印加した電圧（Ｖ）、縦軸は梁の長さの変位（μｍ）である。   The piezoelectric characteristics of both the piezoelectric thin film element of the present invention and the c-axis preferentially oriented PZT piezoelectric thin film element using the prior art were measured. The results are shown in FIG. The horizontal axis represents the voltage (V) applied to the piezoelectric thin film element (piezoelectric microactuator), and the vertical axis represents the displacement (μm) of the beam length.

図２から分かるように、従来技術を用いたものは印加電圧に対して比例した変位が得られているが、その変位は小さく、その圧電定数ｄ３１（添字の３１は膜厚方向の値であることを意味する。）は６０ｐｍ／Ｖであった。それに対して、本発明の圧電特性は、印加電圧３５Ｖ以下では殆ど変位が得られないが、３５Ｖを超えたところで急に大きな変位が得られていることが分かる。印加電圧５０Ｖ時の圧電定数ｄ３１は２２ｐｍ／Ｖであった。   As can be seen from FIG. 2, in the case of using the conventional technique, a displacement proportional to the applied voltage is obtained, but the displacement is small, and the piezoelectric constant d31 (subscript 31 is a value in the film thickness direction). ) Was 60 pm / V. In contrast, in the piezoelectric characteristics of the present invention, almost no displacement is obtained when the applied voltage is 35 V or less, but it is understood that a large displacement is suddenly obtained when the applied voltage exceeds 35 V. The piezoelectric constant d31 at an applied voltage of 50 V was 22 pm / V.

上記の通り、ある閾電圧の前後で大きな変位が得られるため、本発明は、ＯＮ／ＯＦＦ切替用のマイクロスイッチに適する。   As described above, since a large displacement is obtained before and after a certain threshold voltage, the present invention is suitable for a microswitch for ON / OFF switching.

このような急峻な特性を得るには、圧電薄膜３の配向として、ａ軸配向とｂ軸配向を合計した割合が９０％以上であれば十分であった。   In order to obtain such steep characteristics, it was sufficient that the ratio of the sum of the a-axis orientation and the b-axis orientation was 90% or more as the orientation of the piezoelectric thin film 3.

本発明の圧電薄膜素子の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the piezoelectric thin film element of this invention. 圧電薄膜素子（圧電マイクロアクチュエータ）に印加した電圧と梁の長さの変位との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the voltage applied to the piezoelectric thin film element (piezoelectric microactuator), and the displacement of the length of a beam. 圧電体の電界誘起ひずみの説明に供する図で、（ａ）は圧電ひずみの場合を、（ｂ）は非１８０度分域の回転による強弾性ひずみの場合を示す。It is a figure where it uses for description of the electric field induced distortion of a piezoelectric material, (a) shows the case of a piezoelectric strain, (b) shows the case of the ferroelastic strain by rotation of a non-180 degree domain.

符号の説明Explanation of symbols

１ 基板
２ 下部電極
３ 圧電薄膜
４ 上部電極 1 Substrate 2 Lower electrode 3 Piezoelectric thin film 4 Upper electrode

Claims (7)

基板上に、上部電極と下部電極に挟まれたペロブスカイト構造を有する金属酸化物の圧電薄膜を備える圧電薄膜素子において、
基板の表面に垂直な方向に対して、圧電薄膜のａ軸方向の配向率とｂ軸方向の配向率の合計が９０％以上であることを特徴とする圧電薄膜素子。 In a piezoelectric thin film element comprising a metal oxide piezoelectric thin film having a perovskite structure sandwiched between an upper electrode and a lower electrode on a substrate,
A piezoelectric thin film element, wherein the total of the orientation ratio in the a-axis direction and the orientation ratio in the b-axis direction of the piezoelectric thin film is 90% or more with respect to the direction perpendicular to the surface of the substrate. 前記ペロブスカイト構造を有する金属酸化物の圧電薄膜として、チタン酸鉛、ジルコン酸チタン酸鉛、ジルコン酸鉛、チタン酸鉛ランタン、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン、マグネシウムニオブジルコン酸鉛のいずれかを用いたことを特徴とする請求項１に記載の圧電薄膜素子。   As the piezoelectric thin film of the metal oxide having the perovskite structure, any one of lead titanate, lead zirconate titanate, lead zirconate, lead lanthanum titanate, lead lanthanum zirconate titanate, and lead magnesium niobate zirconate was used. The piezoelectric thin film element according to claim 1. 前記圧電薄膜を、塗布法、スプレー法、スパッタリング法、レーザーアブレーション法、エアロゾルデポジション法、ＭＯＣＶＤ法のいずれかの方法によって形成したことを特徴とする請求項２に記載の圧電薄膜素子。   The piezoelectric thin film element according to claim 2, wherein the piezoelectric thin film is formed by any one of a coating method, a spray method, a sputtering method, a laser ablation method, an aerosol deposition method, and an MOCVD method. 前記基板として、酸化マグネシウム、チタン酸ストロンチウム、シリコン、ガラス、サファイヤ、ステンレス、ガリウム砒素のいずれかを用いたことを特徴とする請求項１または２に記載の圧電薄膜素子。   3. The piezoelectric thin film element according to claim 1, wherein any one of magnesium oxide, strontium titanate, silicon, glass, sapphire, stainless steel, and gallium arsenide is used as the substrate. 前記下部電極及び前記上部電極として、白金、ルテニウム、イリジウム、チタン、タンタル、金、アルミニウム、ニッケルのいずれかの金属または金属酸化物を用いたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の圧電薄膜素子。   The metal or metal oxide of any one of platinum, ruthenium, iridium, titanium, tantalum, gold, aluminum, and nickel is used as the lower electrode and the upper electrode. The piezoelectric thin film element described. 前記圧電薄膜素子が、焦電薄膜素子として構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の圧電薄膜素子。   The piezoelectric thin film element according to any one of claims 1 to 5, wherein the piezoelectric thin film element is configured as a pyroelectric thin film element. 前記圧電薄膜素子が、不揮発性メモリとして構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の圧電薄膜素子。   The piezoelectric thin film element according to claim 1, wherein the piezoelectric thin film element is configured as a nonvolatile memory.
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