JP2014060330A - 圧電デバイス及びその使用方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】圧電デバイス(10)は、圧電材料のバイポーラ分極−電界(Pr-E)ヒステリシス特性が非対称となる偏りを持ち、絶対値の小さい方の第1の抗電界をEc1、絶対値の大きい方の第2の抗電界をEc2とし、抗電界の偏り率を〔(Ec2+Ec1)/(Ec2−Ec1)〕×100[%]と定義するとき、偏り率が20%以上である圧電体膜(42)が用いられ、第1の抗電界よりも小さい電界強度で動作する圧電素子部(28)を備える。また、圧電デバイス(10)は、当該デバイスの動作性能を保つために、デバイスを動作させる電界強度よりも大きく、かつ第1の抗電界の絶対値|Ec1|の3倍以下の電界強度となる電圧を印加して圧電体膜(42)の分極状態を回復させるリフレッシュ電圧印加回路(36)を備える。
【選択図】図1
Description
(式(P−1)中、XはV族及びVI族の元素群より選ばれた少なくとも1種の金属元素である。a>0、b1>0、b2>0、b3≧0。a≧1.0であり、かつb1+b2+b3=1.0である場合が標準であるが、これらの数値はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で1.0からずれてもよい。)
かかる材料は、良好な圧電特性を示し、センサ用途、アクチュエータ用途のデバイスに好適である。
図1では各圧電素子20、22、26が素子単位で個別に分離加工された形態を示し、下部電極40、圧電体膜42、上部電極44について素子単位で分離されている構成を示したが、下部電極40や圧電体膜42については素子毎に個別に分離加工しない形態も可能である。例えば、図1に示した複数の圧電素子20、22、26について共通の下部電極(パターニングされていない共通の電極層)とすることができる。また、圧電体膜42についても複数の圧電素子20、22、26について個別に分離加工されていない一体の圧電体膜として構成することができる(例えば、特許文献2の図1、図3参照)。圧電素子20、22、26に対応して上部電極44がパターニング(分離形成)されていることにより、上部電極44と対向する下部電極40との間に挟まれる圧電体膜42の部分が圧電活性部として機能する。
図1では、センサ素子部28として、2つの駆動用の圧電素子20、22と、1つの検出用の圧電素子26とを組み合わせた構成を記載したが、圧電素子の個数、駆動用と検出用の組み合わせの有無やその個数比率、圧電素子の配置形態などについては本例に限定されず、デバイスの用途や仕様に応じて様々な設計が可能である。例えば、後述する音叉型のジャイロセンサ(図3及び図4)では、図1に示した構成の振動部12を複数備えている。また、特許文献2に記載されているジャイロセンサのように、中央部に駆動用の電極を配置し、その両側に検出用の電極を配置する形態も可能である。
圧電体膜42としては、下記一般式(P−1)で表される1種又は複数種のペロブスカイト型酸化物からなる(不可避不純物を含んでいてもよい。)圧電体膜が用いられる。
式(P−1)中、XはV族及びVI族の元素群より選ばれた少なくとも1種の金属元素である。a>0、b1>0、b2>0、b3≧0。a≧1.0であり、かつb1+b2+b3=1.0である場合が標準であるが、これらの数値はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で1.0からずれてもよい。
圧電体膜42の成膜方法としては気相成長法が好ましい。例えば、スパッタ法の他、イオンプレーティング法、MOCVD法(有機金属気相成長法)、PLD法(パルスレーザー堆積法)など、各種の方法を適用し得る。また、気相成長法以外の方法(例えば、ゾルゲル法など)を用いることも考えられる。
図2は、圧電体膜42のバイポーラ分極−電界ヒステリシス(Pr−Eヒステリシス)特性を示したものである。図2の横軸は駆動電圧(電界)、縦軸は分極を示す。なお、横軸の駆動電圧は、圧電体膜の電圧印加方向の厚みと電界の積で表されるため、駆動電圧の値を圧電体の厚みで除算すれば電界の値となる。図2中の「V1」は、正電界側の抗電界と圧電体膜の電圧印加方向の厚みとの積であり、「V2」は、負電界側の抗電界と圧電体膜の電圧印加方向の厚みとの積である。
このように、Pr−Eヒステリシス曲線が全体的に右に(正電界側に)偏った形となる圧電体膜42は分極処理を実施しない状態で、予め分極されている。
基板14としてのSOIウエハ上に下部電極を形成し、下部電極の上に重ねてNbを12%ドープしたPZT(NbドープPZT)を2μm厚形成した。さらに、NbドープPZT膜の上に上部電極を形成し、ドライエッチングなどの半導体加工プロセスを用いて目的のデバイス形状に加工を行い予備実験用の角速度センサ素子(ジャイロセンサ)を作製した。
作製したジャイロセンサの分極度を調べるために、当該作製したデバイスについて、初期の分極処理を実施しないまま、駆動電極6に0.14Vの駆動電圧を印加して駆動しながら、検出電極7より得られる出力電圧を検出した。検出電極に印加する電圧(リフレッシュ電圧)を変化させながら、出力される電圧をプロットして、−20V(−100kV/cm)の電界強度の時の出力を「1」として規格化した。
次に、予備実験1で用いた圧電体膜を逆方向に分極処理して、同様の実験を行った。すなわち、初期状態で得られている分極の方向とは逆方向に+20Vの電圧を1分間印加した後、上記予備実験1と同様の実験を行った。これは、初期状態(未分極処理状態)で分極状態が揃っている圧電体膜を予め故意に逆分極させた状態とし(脱分極状態に相当)、これにリフレッシュ電圧を印加して分極状態が回復するか否かを調べる実験となっている。図5中の三角形印で示したプロット点が予備実験2の実験結果を示すものである。
本実施形態で用いる圧電体膜は上記のように初期の状態で(成膜したままの未分極処理状態で)予め分極状態が整っており、従来の分極処理を実施することなく、所要の圧電性能が実現されている。ただし、圧電体膜を加工する際のプロセスにおいて、様々な要因で脱分極する可能性がある。例えば、ウエハを吸着する静電チャックを用いると、膜面に大きな電界が印加されるため逆分極される可能性がある。あるいは、プラズマ中に晒されることにより、条件によっては膜面に電位が印加され逆分極される可能性がある。さらに、デバイス化された後にリフロー処理にて高温に晒されている状態では少なくとも脱分極のリスクがある。
(従来方法)
図6は従来の圧電体膜(真性PZT)のPr−Eヒステリシス特性を示す図である。横軸は電界(単位は[kV/cm])、縦軸は残留分極(単位は[μC/cm2])を示す。図6に示すように、従来のPZT膜のPr−Eヒステリシス特性は、限定に対して概ね対称である。
これに対し、本実施形態では、図2で説明したように、Pr−Eヒステリシス特性が非対称に偏っている圧電体を用いており、従来のものより、はるかに低い電圧で分極処理が可能となっている。また、図1で説明したとおり、最終製品の電子回路部30にリフレッシュ電圧印加のための機能を組み入れることで使用環境に依存せずに長期間安定した性能を発揮できる。
リフレッシュ処理で印加する電圧(リフレッシュ電圧)は、図5の実験結果において、分極度の変化の傾きが急激に変化する10kV/cm以上の大きさの電界を印加するものであることが好ましい。この電界強度以上の大きな値の電界を印加することで80%以上の分極度が期待できる。
予備実験と同様に、基板14としてのSOIウエハ上に下部電極を形成し、下部電極の上に重ねてNbを12%ドープしたPZT(NbドープPZT)を2μm厚形成した。この圧電体膜は、P−Eヒステリシスの偏り率が75%であり(図9参照)、予め分極されているものであった。この圧電体膜をそのまま(分極処理を行わずに)用い、上部電極を形成した後、リソグラフィー、アッシング、Si深掘り等のデバイス加工を行い、図3及び図4で説明した形態のジャイロセンサに加工した。
デバイスの性能を保つために印加する電界強度は圧電材料のPr−Eヒステリシスの偏りと関係がある。リフレッシュ処理で印加する電界強度は、デバイス駆動する電圧側(本例ではマイナス側)の抗電界値|Ec1|の3倍以下であることが好ましい。電界強度でいうと概ね30kV/cm程度以下となる。リフレッシュ処理で印加する電界強度の上限は抗電界値|Ec1|の3倍以下とすることが目安であるが、ASICで対処できる範囲であれば、3倍を超える値であってもよい。
実施例1の圧電体膜に代えて、Nbのドープ量を8at%とし、Pr−Eヒステリシスの偏り率が23%、負側の抗電界が「−30kV/cm」の圧電体膜を2μm厚で作製し、他の条件は実施例1と同様のジャイロセンサを作製した。駆動電圧は0.14Vとし、下部電極を接地し、上部電極にマイナス電圧を印加して駆動したところ、良好に動作することが確認できた。
比較例1として、Nbのドープ量を3at%とし、P−Eヒステリシスの偏り率が4%、負側の抗電界が−46kV/cmの圧電体膜を2μm厚で作製した。この圧電体膜は予め十分に分極されていないため、成膜後にAl電極を圧電体膜の全面に形成し、分極処理を実施した。その後、Al電極はエッチングして剥離し、上部電極を形成した。その後、リソグラフィー、アッシング、Si深掘り等のデバイス加工を行い、図3及び図4と同様の形態のジャイロセンサを作製した。
比較例2として、Nbのドープ量を0at%とし、P−Eヒステリシスの偏り率が3%、負側の抗電界が−48kV/cmの圧電体膜を2μm厚で作製した。この圧電体膜は予め分極されていないため、成膜後にAl電極を圧電体膜の全面に形成し、分極処理を実施した。その後、Al電極はエッチングして剥離し、上部電極を形成した。その後、リソグラフィー、アッシング、Si深掘り等のデバイス加工を行い、図3及び図4と同様の形態のジャイロセンサを作製した。
図12は、本発明の他の実施形態を示す構成図である。図12中、図1に示した構成と同一又は類似する要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。
本発明は、上記に例示した角速度センサ、ジャイロセンサに限らず、様々な形態のセンサデバイスやアクチュエータデバイスに適用することができる。図1で例示した駆動用アクチュエータ(逆圧電効果を利用)と、センサ用圧電体(圧電効果を利用)とが組み合わされた構成のセンサに限らず、圧電効果のみを利用するセンサ素子や、逆圧電効果のみを利用するアクチュエータ素子についても本発明を適用することも可能である。
Claims (14)
- 圧電体膜の圧電効果及び逆圧電効果の少なくとも一方を利用して動作する圧電デバイスにおいて、
圧電材料のバイポーラ分極−電界(Pr−E)ヒステリシス特性がゼロ電界の軸を基準としたときに非対称となる偏りを持ち、
前記圧電材料における抗電界のうち、絶対値の小さい方の第1の抗電界をEc1、絶対値の大きい方の第2の抗電界をEc2とし、
抗電界の偏り率を〔(Ec2+Ec1)/(Ec2−Ec1)〕×100[%]と定義するとき、
前記抗電界の偏り率が20%以上である前記圧電体膜が用いられ、前記第1の抗電界よりも小さい電界強度で動作する圧電素子部と、
前記圧電体膜の分極状態を回復させて前記圧電デバイスの動作性能を保つために、前記動作させる前記電界強度よりも大きく、かつ前記第1の抗電界の絶対値|Ec1|の3倍以下の電界強度となる電圧を印加するリフレッシュ電圧印加回路と、
を備える圧電デバイス。 - 前記圧電体膜の前記偏り率が70%以上である請求項1に記載の圧電デバイス。
- 前記圧電素子部を駆動する駆動電圧を前記圧電素子部に供給する駆動回路及び前記圧電素子部から得られる電圧信号を検出する検出回路のうち少なくとも一方の回路を備える請求項1又は2に記載の圧電デバイス。
- 前記リフレッシュ電圧印加回路は、前記駆動回路及び前記検出回路のうち少なくとも一方の回路に組み込まれている請求項3に記載の圧電デバイス。
- 前記駆動回路及び前記検出回路のうち少なくとも一方の回路と、前記リフレッシュ電圧印加回路とを含んだ電子回路部が集積回路で構成される請求項3又は4に記載の圧電デバイス。
- 前記リフレッシュ電圧印加回路から前記圧電素子部に供給する電圧の大きさは5V以下である請求項1から5のいずれか1項に記載の圧電デバイス。
- 前記圧電素子部は、第1電極と、前記圧電体膜と、第2電極とが積層された積層構造を有し、
前記リフレッシュ電圧印加回路は、前記第1電極を接地したときに、前記第2電極にマイナス電圧を印加する請求項1から6のいずれか1項に記載の圧電デバイス。 - 前記圧電体膜がペロブスカイト型の酸化物である請求項1から7のいずれか1項に記載の圧電デバイス。
- 前記圧電体膜が、次の一般式(P−1)で表される1種又は複数種のペロブスカイト型酸化物(不可避不純物を含んでいても良い。)からなる請求項1から8のいずれか1項に記載の圧電デバイス。
一般式 Pba(Zrb1Tib2Xb3)O3・・・(P−1)
(式(P−1)中、XはV族及びVI族の元素群より選ばれた少なくとも1種の金属元素である。a>0、b1>0、b2>0、b3≧0。a≧1.0であり、かつb1+b2+b3=1.0である場合が標準であるが、これらの数値はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で1.0からずれてもよい。) - 前記圧電体膜のXがNbであり、b3が0.05以上0.3以下である請求項9に記載の圧電デバイス。
- 前記圧電体膜のXがNb、Biのうち少なくとも1種の金属元素である請求項9又は10に記載の圧電デバイス。
- 前記圧電体膜の前記一般式(P−1)中のaが1.1以上である請求項9から11のいずれか1項に記載の圧電デバイス。
- 前記圧電素子部は、前記逆圧電効果を利用して動作する駆動用の圧電素子と、前記圧電効果を利用して動作する検出用の圧電素子と、を含み、
前記駆動用の圧電素子を所定の駆動電圧で駆動したときに前記検出用の圧電素子から出力される検出電圧が基準値よりも低い場合に前記リフレッシュ電圧印加回路から前記圧電素子部に電圧を印加する制御手段を備える請求項1から12のいずれか1項に記載の圧電デバイス。 - 圧電材料のバイポーラ分極−電界(Pr−E)ヒステリシス特性がゼロ電界の軸を基準としたときに非対称となる偏りを持ち、
前記圧電材料における抗電界のうち、絶対値の小さい方の第1の抗電界をEc1、絶対値の大きい方の第2の抗電界をEc2とし、
抗電界の偏り率を〔(Ec2+Ec1)/(Ec2−Ec1)〕×100[%]と定義するとき、
前記抗電界の偏り率が20%以上である圧電体膜を用い、
前記圧電体膜の圧電効果及び逆圧電効果の少なくとも一方を利用して前記第1の抗電界よりも小さい電界強度で動作させる圧電デバイスの使用方法であって、
前記圧電デバイスの動作性能を保つために、前記動作させる前記電界強度よりも大きく、かつ前記第1の抗電界の絶対値|Ec1|の3倍以下の電界強度となる電圧を印加して前記圧電体膜の分極状態を回復させる圧電デバイスの使用方法。
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