JP2014157095A - 圧電センサ及び角速度センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】高いセンサ特性を有する圧電センサ及び角速度センサを提供する。
【解決手段】基板100と、基板100の上に設けられた下部電極120と、下部電極120の上に設けられ、第1誘電率を有する駆動領域140aおよび第1誘電率よりも低い第2誘電率を有する検知領域140bを有する圧電膜140と、圧電膜140の駆動領域140aの上に設けられ圧電膜140を振動させる電圧を印加する駆動電極160と、圧電膜140の検知領域140bの上に設けられ圧電膜140の歪によって生じた電圧を検出する検知電極170と、を有する。
【選択図】図1
【解決手段】基板100と、基板100の上に設けられた下部電極120と、下部電極120の上に設けられ、第1誘電率を有する駆動領域140aおよび第1誘電率よりも低い第2誘電率を有する検知領域140bを有する圧電膜140と、圧電膜140の駆動領域140aの上に設けられ圧電膜140を振動させる電圧を印加する駆動電極160と、圧電膜140の検知領域140bの上に設けられ圧電膜140の歪によって生じた電圧を検出する検知電極170と、を有する。
【選択図】図1
Description
本発明は、圧電センサ及び角速度センサに関する。
近年、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)による、圧電膜を用いた圧電センサとして、角速度センサ、加速度センサ、または圧力センサが開発されている。例えば、MEMSによる振動式の圧電センサとしては、回転座標系の中で移動する物質に加わるコリオリ力を利用したものがある(例えば、特許文献1を参照)。
上記のようなMEMSによる圧電センサでは、駆動電極から圧電膜に電圧を印加して振動部を振動させた状態で、振動部に加わったコリオリ力を圧電膜の歪みによって生じる電圧として検知電極から検出する。
このような圧電センサにおいて高いセンサ特性を得るためには、駆動電極から圧電膜に印加される電圧が小さくとも、圧電膜が大きく変位することが望まれる。一方で、コリオリ力によって生じた圧電膜の変位量が小さくとも、検知電極から出力される電圧が大きいことが望まれる。
本発明の目的は、高いセンサ特性を有する圧電センサ及び角速度センサを提供することにある。
本発明の第1の態様によれば、
基板と、
前記基板の上に設けられた下部電極と、
前記下部電極の上に設けられ、第1誘電率を有する駆動領域および前記第1誘電率よりも低い第2誘電率を有する検知領域を有する圧電膜と、
前記圧電膜の前記駆動領域の上に設けられ、前記圧電膜を振動させる電圧を印加する駆動電極と、
前記圧電膜の前記検知領域の上に設けられ、前記圧電膜の歪によって生じた電圧を検出する検知電極と、
を有する
圧電センサが提供される。
基板と、
前記基板の上に設けられた下部電極と、
前記下部電極の上に設けられ、第1誘電率を有する駆動領域および前記第1誘電率よりも低い第2誘電率を有する検知領域を有する圧電膜と、
前記圧電膜の前記駆動領域の上に設けられ、前記圧電膜を振動させる電圧を印加する駆動電極と、
前記圧電膜の前記検知領域の上に設けられ、前記圧電膜の歪によって生じた電圧を検出する検知電極と、
を有する
圧電センサが提供される。
本発明の第2の態様によれば、
前記下部電極は、
前記基板の上に設けられ、第1金属を含む第1金属層と、
前記第1金属層の上に設けられ、前記第1金属と異なる第2金属を含む第2金属層と、
を有し、
前記駆動領域の下の位置における前記第2金属層の厚さに対する前記第1金属層の厚さの比率は、前記検知領域の下の位置における前記第2金属層の厚さに対する前記第1金属層の厚さの比率よりも高い
第1の態様に記載の圧電センサが提供される。
前記下部電極は、
前記基板の上に設けられ、第1金属を含む第1金属層と、
前記第1金属層の上に設けられ、前記第1金属と異なる第2金属を含む第2金属層と、
を有し、
前記駆動領域の下の位置における前記第2金属層の厚さに対する前記第1金属層の厚さの比率は、前記検知領域の下の位置における前記第2金属層の厚さに対する前記第1金属層の厚さの比率よりも高い
第1の態様に記載の圧電センサが提供される。
本発明の第3の態様によれば、
前記検知領域の結晶配向度は、前記駆動領域の結晶配向度よりも高い
第1または第2の態様に記載の圧電センサが提供される。
前記検知領域の結晶配向度は、前記駆動領域の結晶配向度よりも高い
第1または第2の態様に記載の圧電センサが提供される。
本発明の第4の態様によれば、
前記検知領域の(001)配向度は、前記駆動領域の(001)配向度よりも高い
第3の態様に記載の圧電センサが提供される。
前記検知領域の(001)配向度は、前記駆動領域の(001)配向度よりも高い
第3の態様に記載の圧電センサが提供される。
本発明の第5の態様によれば、
前記圧電膜は、(K1−xNax)NbO3(ただし、0<x<1)である
第1〜第4の態様のいずれかに記載の圧電センサが提供される。
前記圧電膜は、(K1−xNax)NbO3(ただし、0<x<1)である
第1〜第4の態様のいずれかに記載の圧電センサが提供される。
本発明の第6の態様によれば、
前記基板は、Si基板、熱酸化膜付きSi基板、SOI(Silicon On Insulator)基板、MgO基板、SrTiO3基板、SrRuO3基板、GaAs基板、サファイア基板、Ge基板、ステンレス基板、ガラス基板、石英ガラス基板のいずれか一つの基板、又はこれらのいずれか一つ以上を含む複合基板である
第1〜第5の態様のいずれかに記載の圧電センサが提供される。
前記基板は、Si基板、熱酸化膜付きSi基板、SOI(Silicon On Insulator)基板、MgO基板、SrTiO3基板、SrRuO3基板、GaAs基板、サファイア基板、Ge基板、ステンレス基板、ガラス基板、石英ガラス基板のいずれか一つの基板、又はこれらのいずれか一つ以上を含む複合基板である
第1〜第5の態様のいずれかに記載の圧電センサが提供される。
本発明の第7の態様によれば、
前記基板は、
長尺に設けられた一対の振動部と、
前記一対の振動部を支持する支持部と、
を有し、
前記下部電極、前記圧電膜、前記駆動電極及び前記検知電極の少なくとも一部は、前記振動部の上に設けられた
第1〜第6の態様のいずれかに記載の圧電センサが提供される。
前記基板は、
長尺に設けられた一対の振動部と、
前記一対の振動部を支持する支持部と、
を有し、
前記下部電極、前記圧電膜、前記駆動電極及び前記検知電極の少なくとも一部は、前記振動部の上に設けられた
第1〜第6の態様のいずれかに記載の圧電センサが提供される。
本発明の第8の態様によれば、
基板と、
前記基板の上に設けられた下部電極と、
前記下部電極の上に設けられ、第1誘電率を有する駆動領域および前記第1誘電率よりも低い第2誘電率を有する検知領域を有する圧電膜と、
前記圧電膜の前記駆動領域の上に設けられ、前記圧電膜を振動させる電圧を印加する駆動電極と、
前記圧電膜の前記検知領域の上に設けられ、前記圧電膜の歪によって生じた電圧を検出する検知電極と、
を有する
ことを特徴とする角速度センサが提供される。
基板と、
前記基板の上に設けられた下部電極と、
前記下部電極の上に設けられ、第1誘電率を有する駆動領域および前記第1誘電率よりも低い第2誘電率を有する検知領域を有する圧電膜と、
前記圧電膜の前記駆動領域の上に設けられ、前記圧電膜を振動させる電圧を印加する駆動電極と、
前記圧電膜の前記検知領域の上に設けられ、前記圧電膜の歪によって生じた電圧を検出する検知電極と、
を有する
ことを特徴とする角速度センサが提供される。
本発明によれば、高いセンサ特性を有する圧電センサ及び角速度センサが提供される。
<発明者等の得た知見>
まず、発明者等が得た知見について説明する。
まず、発明者等が得た知見について説明する。
ここで、圧電センサは、例えば、基板上に設けられた下部電極と、下部電極の上に設けられた圧電膜と、圧電膜の上に設けられた駆動電極および検知電極と、を有する。このとき、例えば、同一の基板上に、圧電膜を連続的に成膜し、駆動電極および検知電極を複数設けて、一枚の基板から多数の圧電センサが製造される場合がある。
このような圧電センサにおいて高いセンサ特性を得るためには、駆動電極から圧電膜に印加される電圧が小さくとも、圧電膜が大きく変位することが望まれる。一方で、コリオリ力によって生じた圧電膜の変位量が小さくとも、検知電極から出力される電圧が大きいことが望まれる。
しかしながら、圧電膜が駆動電極の下の位置から検知電極の下の位置まで連続して設けられる場合では、上記した二つの圧電膜特性を両立することは困難である可能性がある。
そこで、本発明者等は、圧電膜の特性を表す指標として、誘電率ε、電圧特性の評価指標として圧電歪定数d、および圧電検知能力の評価指標として圧電出力定数gを用い、上記課題を解決する手段について鋭意研究を行った結果、以下のような知見を得た。
ここで、圧電膜の誘電率をεとしたとき、圧電歪定数dおよび圧電出力定数gは下記の関係式(1)で表される。
g=d/ε ・・・(1)
なお、圧電歪定数dは、逆圧電定数とも呼ばれる。
g=d/ε ・・・(1)
なお、圧電歪定数dは、逆圧電定数とも呼ばれる。
また、圧電膜140の比誘電率をεr、真空の誘電率をε0、電荷をQ、自発分極をPrとしたとき、圧電歪定数dは、下記の式(2)で表される。
d=2Qεrε0Pr ・・・(2)
なお、圧電膜140の誘電率εは以下の式で表される。
ε=εrε0 ・・・(3)
d=2Qεrε0Pr ・・・(2)
なお、圧電膜140の誘電率εは以下の式で表される。
ε=εrε0 ・・・(3)
上記式(2)から、圧電歪定数dが高い場合、圧電膜に印加される電圧が小さくとも、圧電膜が大きく変位する。上記式(1)から、圧電出力定数gが高い場合、コリオリ力によって生じた圧電膜の変位量が小さくとも、検知電極から出力される電圧が大きい。
しかしながら、上述のように、高い圧電歪定数dと、高い圧電出力定数gと、を両立することは困難である可能性がある。
本発明者等は、鋭意研究の結果、圧電膜に、互いに異なる誘電率を有する二つの領域を設けることで、上記課題を解決することができることを見出した。
さらに、本発明者等は、圧電膜の下に位置する下部電極の構成を調整することにより、圧電膜に互いに異なる誘電率を有する二つの領域を容易に設けることができることを見出した。以下の実施形態は、上記知見に基づくものである。
<本発明の一実施形態>
(1)角速度センサの構造
本発明の一実施形態に係る圧電センサは、例えば圧電膜を用いたMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)として構成される振動式の角速度センサである。以下、本実施形態に係る圧電センサは角速度センサであるとして、図1を用いて説明する。
(1)角速度センサの構造
本発明の一実施形態に係る圧電センサは、例えば圧電膜を用いたMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)として構成される振動式の角速度センサである。以下、本実施形態に係る圧電センサは角速度センサであるとして、図1を用いて説明する。
図1(a)は本発明の一実施形態に係る角速度センサの平面図であり、図1(b)は図1(a)のA−A’線断面図である。
本実施形態に係る角速度センサ10は、基板100と、基板100の上に設けられた下部電極120と、下部電極120の上に設けられ、第1誘電率を有する駆動領域140aおよび第1誘電率よりも低い第2誘電率を有する検知領域140bを有する圧電膜140と、駆動領域140aの上に設けられた駆動電極160と、検知領域140bの上に設けられた検知電極170と、を有する。以下詳細を説明する。
基板100は、例えば、Si基板、熱酸化膜付きSi基板、SOI(Silicon On Insulator)基板、MgO基板、SrTiO3基板、SrRuO3基板、GaAs基板、サファイア基板、Ge基板、ステンレス基板、ガラス基板、石英ガラス基板のいずれか一つの基板、又はこれらのいずれか一つ以上を含む複合基板である。
ここでは、基板100は熱酸化膜付きSi基板であり、基板100の主面は(100)面である。また、基板100の厚さは例えば0.525mmであり、基板100の熱酸化膜の厚さは200nmである。
基板100は、例えば、いわゆる音叉形状に加工されている。具体的には、基板100は、長尺に設けられた一対の振動部102と、一対の振動部102を支持する支持部104と、を有する。
基板100の上には、下部電極120が設けられている。下部電極120は、例えば、一対の振動部102および支持部104の上に設けられている。
下部電極120は、例えば二層構造を有している。下部電極120は、基板100の上に設けられ第1金属を含む第1金属層122と、第1金属層122の上に設けられ第1金属と異なる第2金属を含む第2金属層124と、を有する。下部電極120の機能は、第1金属層122と第2金属層124とによって分けられる。例えば、第1金属層122は、基板100との密着性を向上させる。また、第2金属層124の結晶配向度は、後述する圧電膜140の結晶配向度に影響する。さらに後述するように、第2金属層124の厚さに対する第1金属層122の厚さの比率に応じて、圧電膜140の誘電率ε等が変化する。
第1金属は、例えばTi、Ta、及びこれらの合金の少なくともいずれかである。すなわち、第1金属層122は、例えばTi、Ta、及びこれらの合金、及びこれらの酸化物並びにこれらの窒化物の少なくともいずれかを含む。これらの材料のいずれかを含む第1金属層122が基板100と第2金属層124との間に介在することにより、基板100と第2金属層124との密着性が向上する。第1金属層122の厚さは、例えば0より大きく10nm以下である。
第1金属層122は、第1金属を含んでいれば必ずしも連続した膜でなくてもよく、島状の層であってもよい。また、第1金属層122は、第1金属および第2金属が混合した部分を有していてもよい。この場合、第1金属を含む領域が第1金属層122である。
第2金属は、例えばPtである。すなわち、第2金属層124は、例えばPt、又はPtの合金を含む。第2金属層124の上面は(111)面に優先配向している。これにより、後述する圧電膜140の結晶配向度が向上する。第2金属層124の厚さは、例えば50nm以上500nm以下である。
なお、駆動領域140aの下に位置する第1金属層122aおよび第2金属層124aは、それぞれ検知領域140bの下に位置する第1金属層122bおよび第2金属層124bと連続的に形成されていてもよい。
また、第1金属層122の厚さおよび第2金属層124の厚さの比率等については、詳細を後述する。
下部電極120の上には、圧電膜140が設けられている。圧電膜140の少なくとも一部は、振動部102の上に設けられている。
圧電膜140は、例えば、アルカリニオブ酸化物系ペロブスカイト構造を有する。この構造は擬立方晶である。圧電膜140は、例えば(K1−xNax)NbO3(ただし、0<x<1)(以下、KNN)である。なお、より好ましくは、0.4≦x≦0.7である。圧電膜140は、例えば(001)面に優先配向している。圧電膜140の厚さは、例えば0.1μm以上10μm以下である。
ここで、圧電膜140は、互いに異なる誘電率を有する二つの領域に分かれている。圧電膜140は、第1誘電率を有する駆動領域140aと、第1誘電率よりも低い第2誘電率を有する検知領域140bと、を有する。
駆動領域140aは、平面視で検知領域140bと異なる位置に設けられ、検知領域140bに接している。なお、「平面視で」とは、基板100の上に積層する方向から見た場合のことをいう。
一方で、駆動領域140aおよび検知領域140bは、連続した一つの層として形成されている。駆動領域140aの組成は、検知領域140bの組成と等しい。また、駆動領域140aの圧電膜140の厚さは、検知領域140bの圧電膜140の厚さと等しい。
圧電膜140の上には、駆動電極160および検知電極170が設けられている。駆動電極160は、圧電膜140の駆動領域140aの上に設けられている。検知電極170は、圧電膜140の検知領域140bの上に設けられている。
検知電極170および駆動電極160の少なくとも一部は、振動部102の上に設けられている。駆動電極160は、検知電極170から離間して設けられている。駆動電極160は、検知電極170よりも支持部104側に設けられている。
駆動電極160および検知電極170は例えば二層構造である。駆動電極160は、圧電膜140の上に設けられ第3金属を含む第3金属層162と、第3金属層162の上に設けられ第3金属と異なる第4金属を含む第4金属層164と、を有する。駆動電極160と同様にして、検知電極170は、第3金属層172と、第4金属層174と、を有する。
例えば、駆動領域140a上の第3金属層162および検知領域140b上の第3金属層172のそれぞれの厚さ、組成等は、互いに等しい。また、第4金属層164および第4金属層174のそれぞれの厚さ、組成等も、互いに等しい。第3金属は、例えばTi、Ta、これらの合金、及びこれらの酸化物並びにこれらの窒化物の少なくともいずれかである。第4金属は、例えばPtである。
駆動電極160には、駆動領域140aを変位させる電圧が印加される。例えば駆動電極160に電圧が印加されることによって、振動部102が振動する。検知電極170からは、検知領域140bの歪によって生じた電圧が検出される。例えば駆動電極160から圧電膜140に電圧を印加して振動部102を振動させた状態で、振動部102に加わったコリオリ力を圧電膜140の歪みによって生じる電圧として検知電極170から検出する。
ここで、質量をm、移動速度をv、角速度をΩとしたとき、コリオリ力Fcは、下記の式(4)で表される。
Fc=2mvΩ ・・・(4)
Fc=2mvΩ ・・・(4)
検知電極170から検出された電荷に基づいてコリオリ力Fcを求め、式(4)により角速度Ωを求めることができる。
なお、基板100が音叉形状である場合に限らず、基板100、下部電極120、圧電膜140、駆動電極160および検知電極170を含めて、単に「圧電素子」と呼ぶ。
(圧電膜の誘電率について)
圧電膜140は、例えば以下のようにして互いに異なる誘電率を有する二つの領域に分けられる。
圧電膜140は、例えば以下のようにして互いに異なる誘電率を有する二つの領域に分けられる。
本発明者等は、圧電膜140が駆動電極160の下の位置から検知電極170の下の位置まで連続して設けられる場合において、圧電膜140の誘電率εを領域によって(駆動領域140aと検知領域140bとで)異ならせる手段として、それぞれの位置において、例えば第2金属層124の厚さに対する第1金属層122の厚さの比率を異ならせればよいとの知見を得た。
本発明者等は、第2金属層124の厚さに対する第1金属層122の厚さの比率を(駆動領域140a下と検知領域140b下とで)変化させることにより、圧電膜140の結晶配向度が変化するとともに、二つの領域(140a、140b)で圧電膜140の誘電率も変化することを見出した。以下、詳細を説明する。
第2金属層124の厚さに対する第1金属層122の厚さの比率を変化させるには、例えば、それぞれの領域における第1金属層122の厚さを異ならせ、第2金属層124の厚さを同一とする。
第2金属層124は、駆動領域140aの下に位置する第2金属層124aと、検知領域140bの下に位置する第2金属層124bと、を有する。さらに、第1金属層122は、駆動領域140a下に位置し第2金属層124aの下層に設けられた第1金属層122aと、検知領域140bの下に位置し第2金属層124bの下層に設けられた第1金属層122bと、を有する。
第1金属層122aおよび第2金属層124aは、それぞれ第1金属層122bおよび第2金属層124bと電気的に接続されている。
駆動領域140aの下の位置における第2金属層124aの厚さに対する第1金属層122aの厚さの比率(raとする)は、検知領域140bの下の位置における第2金属層124bの厚さに対する第1金属層122bの厚さの比率(rbとする)よりも高い。すなわち、ra>rbである。
具体的には、例えば、駆動領域140a下の第2金属層124aの厚さは、検知領域140b下の第2金属層124bの厚さと等しく、第2金属層124aの下層の第1金属層122aの厚さは、第2金属層124bの下層の第1金属層122bの厚さよりも厚い。これにより、ra>rbとなっている。
駆動領域140aおよび検知領域140bにおける第1金属層122および第2金属層124の厚さは、前述したようにra>rbを満たすものであれば良いが、例えば、駆動領域140aの下に位置する第1金属層122aの厚さは、2nm以上10nm以下である。検知領域140bの下に位置する第1金属層122bの厚さは、0より大きく4nm未満が好適である。また、駆動領域140aの下に位置する第2金属層124aの厚さ、および検知領域140bの下に位置する第2金属層124bの厚さは、50nm以上500nm以下、好適には100nm以上300nm以下である。
なお、図1において、駆動領域140aの下に位置する下部電極120aと、検知領域140bの下に位置する下部電極120bと、の間で段差が生じているように図示されている。しかしながら、実際の下部電極120の段差は10nm程度である。一方で、圧電膜140自体の表面粗さは数十nm以上である。例えば圧電膜140がKNN膜である場合、表面粗さは60nm程度である。したがって、下部電極120の段差による圧電膜140の特性への影響は小さい。
このとき、ra>rbであることにより、検知領域140bの結晶配向性は、駆動領域140aの結晶配向性よりも向上する。すなわち、検知領域140bの結晶配向度は、駆動領域140aの結晶配向度よりも高い。「結晶配向度」とは、所定の結晶面の配向率をいう。
具体的には、圧電膜140がKNNである場合、検知領域140bにおける(001)配向度は、駆動領域140aにおける(001)配向度よりも高い。なお、(001)配向度とは、X線回折(XRD)測定におけるKNNの(001)面の回折ピーク強度の相対的比率である。
ここで、圧電膜140の結晶配向度が高いほど、圧電膜140の誘電率は低くなる傾向を示す。したがって、検知領域140bの第2誘電率は、駆動領域140aの第1誘電率よりも低くなる。
上述のように、駆動領域140aおよび検知領域140bは、連続した一つの層として形成されている。本実施形態では、下部電極120に応じて圧電膜140の中で結晶配向度が変化することによって、駆動領域140aおよび検知領域140bが平面視でそれぞれ異なる位置に配置されている。
ここで、検知領域140bの下の位置における第2金属層124bの厚さに対する第1金属層122bの厚さの比率rbに対して、圧電膜140の誘電率εは下に凸の関係となる。rbは誘電率εの極小点を挟んで一定の範囲内にあることが好ましい。なお、式(3)により、誘電率εが極小点であるとき、比誘電率εrも極小点となる。
例えば、圧電膜140がKNNである場合、KNN膜の誘電率をε33としたとき、上記式(3)により下記の式(5)で表される。
ε33=εrε0 ・・・(5)
ε33=εrε0 ・・・(5)
圧電膜140がKNNである場合、好ましくは、比誘電率εrが1000以下となるように、例えばrbは0%より大きく2%未満とする。より好ましくは、比誘電率εrが800以下となるように、例えばrbは0.5%以上1.5%以下とする。
また、駆動領域140aの下の位置における第2金属層124aの厚さに対する第1金属層122aの厚さの比率raに対して、圧電歪定数dは上に凸の関係となる。raは圧電歪定数dの極大点を挟んで一定の範囲内にあることが好ましい。
また、KNN膜の圧電歪定数d31および圧電出力定数g31は、上記式(1)より、下記の式(6)で表される。
g33=d31/ε33 ・・・(6)
g33=d31/ε33 ・・・(6)
圧電膜140がKNNである場合、好ましくは、圧電歪定数d31が50以上となるように、例えばraは0.65%以上4.1%以下とする。より好ましくは、圧電歪定数d31が70以上となるように、例えばraは1.3%以上2.4%以下とする。
(2)角速度センサの製造方法
次に、本実施形態に係る角速度センサの製造方法について、図2から図8を用いて説明する。図2(a)から図8(a)は本発明の一実施形態に係る角速度センサの製造方法の工程を示す平面図であり、図2(b)から図8(b)は、それぞれ図2(a)から図8(a)のA−A’線断面図である。なお、以下で説明する製造方法は、本実施形態の角速度センサ10を製造する方法の一例であって、この方法や工程順に限定されるものではない。
次に、本実施形態に係る角速度センサの製造方法について、図2から図8を用いて説明する。図2(a)から図8(a)は本発明の一実施形態に係る角速度センサの製造方法の工程を示す平面図であり、図2(b)から図8(b)は、それぞれ図2(a)から図8(a)のA−A’線断面図である。なお、以下で説明する製造方法は、本実施形態の角速度センサ10を製造する方法の一例であって、この方法や工程順に限定されるものではない。
本実施形態では、MEMS技術を用いた高精度の加工により、一枚の基板から多数の角速度センサ10を製造する。以下詳細を説明する。
図2(a)および図2(b)に示すように、基板100の上に第1金属層122aおよび第2金属層124aを形成する。すなわち、基板100の上にフォトレジスト層(不図示)を塗布する。次に、露光及び現像により、少なくとも検知領域140bが形成される領域を覆うフォトレジストパターン(不図示)を形成する。
次に、例えばRFマグネトロンスパッタ法により、基板100の上に第1金属を含む層(以下、第1金属含有層)を形成し、第1金属含有層の上に第2金属を含む層(以下、第2金属含有層)を形成する。このとき、駆動領域140aの下の位置における第2金属層124aの厚さに対する第1金属層122aの厚さの比率raとなるように、第1金属含有層および第2金属含有層を形成する。
次に、リフトオフにより、フォトレジストパターンとともにフォトレジストパターンの上に形成された第1金属含有層および第2金属含有層を除去する。これにより、基板100の上に、第1金属層122aおよび第2金属層124aが形成される。
次に、図3(a)および図3(b)に示すように、基板100の上に、第1金属層122bおよび第2金属層124bを形成する。すなわち、基板100および第2金属層124aの上にフォトレジスト層(不図示)を塗布する。次に、露光及び現像により、少なくとも駆動領域140aが形成される領域を覆うフォトレジストパターン(不図示)を形成する。
次に、例えばRFマグネトロンスパッタ法により、基板100およびフォトレジストパターンの上に第1金属含有層を形成し、第1金属含有層の上に第2金属含有層を形成する。このとき、検知領域140bの下の位置における第2金属層124bの厚さに対する第1金属層122bの厚さの比率rbとなるように、第1金属含有層および第2金属含有層を形成する。
次に、リフトオフにより、フォトレジストパターンとともにフォトレジストパターンの上に形成された第1金属含有層および第2金属含有層を除去する。これにより、基板100の上に第1金属層122bおよび第2金属層124bが形成される。
次に、図4(a)および図4(b)に示すように、例えばRFマグネトロンスパッタ法により、下部電極120の上に圧電膜140を形成する。このとき、第2金属層124bの上には、第2金属層124aの上の圧電膜よりも結晶配向度が高い圧電膜が形成される。すなわち、第2金属層124aの上には、第1誘電率を有する駆動領域140aが形成され、第2金属層124bの上には、第1誘電率よりも低い第2誘電率を有する検知領域140bが形成される。
次に、図5(a)および図5(b)に示すように、圧電膜140の上に、駆動電極160および検知電極170を形成する。すなわち、圧電膜140の上にフォトレジスト層(不図示)を塗布する。次に、露光及び現像により、駆動電極160および検知電極170が形成される領域を露出したフォトレジストパターン(不図示)を形成する。
次に、例えばRFマグネトロンスパッタ法により、圧電膜140およびフォトレジストパターンの上に第3金属を含む層(以下、第3金属含有層)を形成し、第3金属含有層の上に第4金属を含む層(以下、第4金属含有層)を形成する。
次に、リフトオフにより、フォトレジストパターンとともにフォトレジストパターンの上に形成された第3金属含有層および第4金属含有層を除去する。これにより、圧電膜140の上に、第3金属層162および第4金属層164を有する駆動電極160と、第3金属層172および第4金属層174を有する検知電極170が形成される。
次に、図6(a)および図6(b)に示すように、圧電膜140をパターニングする。すなわち、圧電膜140、駆動電極160および検知電極170の上にフォトレジスト層(不図示)を塗布する。次に、露光及び現像により、振動部102が形成される領域を覆うフォトレジストパターン(不図示)を形成する。
次に、ドライエッチングまたはウェットエッチングにより、フォトレジストパターンをマスクとして、圧電膜140を除去する。次に、例えばアッシング又は洗浄により、フォトレジストパターンを除去する。
次に、図7(a)および図7(b)に示すように、下部電極120をパターニングする。すなわち、下部電極120の露出領域、圧電膜140、駆動電極160および検知電極170の上にフォトレジスト層(不図示)を塗布する。次に、露光及び現像により、下部電極120となる領域を覆うフォトレジストパターン(不図示)を形成する。
次に、ドライエッチングまたはウェットエッチングにより、フォトレジストパターンをマスクとして、下部電極120を除去する。次に、例えばアッシング又は洗浄により、フォトレジストパターンを除去する。
次に、図8(a)および図8(b)に示すように、ダイシングにより音叉形状に個片化する。なお、以下のようにして基板100を音叉形状に加工してもよい。例えば、Deep RIE(Deep Reactive Ion Etching)等により、基板100に支持部104のみを残して振動部102を切り出す。次に、基板100をダイシングして、個々の角速度センサ10に個片化する。
以上により、本実施形態に係る角速度センサ10が製造される。
なお、図6および図7の工程を省略してもよい。すなわち、駆動電極160および検知電極170以外の下部電極120および圧電膜140が基板100の全面に形成された角速度センサ10であってもよい。
また、個々の角速度センサ10に個片化した後に、パッケージ材等にダイボンドおよびワイヤボンドを行うことにより、角速度センサ10をパッケージ材に実装してもよい。
(5)本実施形態に係る効果 本実施形態やその変形例によれば、以下に示す1つ又は複数の効果を奏する。
(a)本実施形態によれば、圧電膜140は、下部電極120の上に設けられ、第1誘電率を有する駆動領域140aと、第1誘電率よりも低い第2誘電率を有する検知領域140bと、を有する。これにより、駆動領域140aの圧電歪定数dを高くすることと、検知領域140bの圧電出力定数gを高くすることと、を両立することができる。すなわち、駆動電極160から圧電膜140に印加される電圧が小さくとも、圧電膜140の大きい変位量を得ることができるとともに、コリオリ力によって生じた圧電膜140の変位量が小さくとも、検知電極170から大きい電圧を出力することができる。
(b)本実施形態によれば、下部電極120は、基板100の上に設けられ第1金属を含む第1金属層122と、第1金属層122の上に設けられ第1金属と異なる第2金属を含む第2金属層124と、を有する。検知領域140bの下の位置における第2金属層124bの厚さに対する第1金属層122bの厚さの比率rbを、駆動領域140aの下の位置における第2金属層124aの厚さに対する第1金属層122aの厚さの比率raよりも低くする。このとき、検知領域140bの結晶配向度は、駆動領域140aの結晶配向度よりも高くなる。これにともなって、検知領域140bの第2誘電率は、駆動領域140aの第1誘電率よりも低くなる。このように、同じ圧電素子内で、高い圧電歪定数dと、高い圧電出力定数gと、を容易に且つ同時に実現することができる。
(c)本実施形態によれば、駆動領域140aの組成は、検知領域140bの組成と等しい。圧電膜140の組成等を変更することなく、下部電極120の構成のみを変更することによって、圧電膜140の誘電率等を容易に調整することができる。また、例えば駆動領域140aおよび検知領域140bを別々に形成する場合よりも工程数を低減することができるため、製造コストを低減することができる。
(d)本実施形態によれば、圧電膜140はペロブスカイト構造を有する。圧電膜140は(K1−xNax)NbO3(ただし、0<x<1)である。これにより、環境への影響を低減することができる。
ここで、最近、高精細インクジェットプリンタのヘッドやハードディスクドライブのヘッド等に用いられるアクチュエータや、小型低価格のジャイロセンサの分野において、Pb(Zr1−xTix)O3(ただし、0<x<1)(以下、PZT)系の圧電膜が既に実用化されている。
しかし、PZTは、鉛(Pb)を60重量%から70重量%程度含有している。このため、生態系や環境へ影響するおそれがある。加えて、欧州で推進されているRoHS(Restriction of Hazardous Substances)指令等でPbは規制対象となっている。このため、近い将来に、PZTは規制される可能性がある。
そこで、Pbを含有しない圧電材料の開発が強く望まれている。現在、多種にわたる非鉛の圧電材料が研究されており、その中でもKNNで表されるニオブ酸カリウムナトリウムは、PZTと同様の一般式ABO3で表されるペロブスカイト構造(K及びNaがAサイト元素であり、NbがBサイト元素である)を有する材料であり、特に非鉛系圧電膜として有力な候補として期待されている。
したがって、本実施形態のように、圧電膜140がKNNであることにより、環境への影響を低減することができる。なお、PZTに比べKNNの結晶配向度又は圧電特性等を安定的に制御することは困難であるため、本実施形態のように下部電極120の構成によって圧電膜140の特性を調整することは、圧電膜140としてKNN膜を用いる場合に特に有効である。
<本発明の他の実施形態>
以上、本発明の実施形態について具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
以上、本発明の実施形態について具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
また、上述の実施形態では、例えば、駆動領域140aの下に位置する第1金属層122aの厚さが、検知領域140bの下に位置する第1金属層122bの厚さよりも厚く、駆動領域140aの下に位置する第2金属層124aの厚さは、検知領域140bの下に位置する第2金属層124bの厚さと等しい場合について説明した。しかし、検知領域の下の位置における第2金属層の厚さに対する第1金属層の厚さの比率rbが駆動領域の下の位置における第2金属層の厚さに対する第1金属層の厚さの比率raよりも低ければ、それぞれの膜厚は限定されない。第1金属層122の厚さを一定として、第2金属層124の厚さをそれぞれの領域において異ならせてもよい。また、それぞれの領域において、第1金属層122の厚さ、および第2金属層124の厚さの両方を異ならせてもよい。
また、上述の実施形態では、角速度センサ10において駆動領域140aおよび検知領域140bが連続した一つの層である場合について説明した。しかし、駆動領域は検知領域から離間して設けられていてもよい。
また、上述の実施形態では、図1(a)に示すように、一つの振動部102に一つの駆動電極160が設けられている場合について説明した。しかし、駆動電極160や検知電極170の配置はこの場合に限られない。
例えば、図9(a)は本発明の変形例に係る角速度センサ10’の平面図であり、図9(b)は(a)のA−A’線断面図である。図9(a)に示すように、例えば、一つの振動部102に一対の駆動電極160a,160bが設けられていてもよい。一対の駆動電極160a,160bは、振動部102の延在方向に延びる中心軸に対して対称に配置されている。この場合でも、本実施形態と同様の効果を得ることができる。
また、上述の実施形態では、角速度センサ10の振動部が音叉形状である場合について説明したが、それに限られるものではない。振動部が錘状、音片形状、リング形状であってもよい。
また、上述の実施形態では、圧電膜140は(K1−xNax)NbO3(ただし、0<x<1)である場合について説明した。しかし、圧電膜140は、例えば、Pb(Zr1−xTix)O3(ただし、0<x<1)、AlN、PVDF(PolyVinylidene DiFluoride)等であってもよい。
また、圧電膜140は、(K1−xNax)NbO3(ただし、0<x<1)に、他の元素が添加されていてもよい。他の元素として、例えばリチウム(Li)、タンタル(Ta)、アンチモン(Sb)、カルシウム(Ca)、銅(Cu)、バリウム(Ba)、Ti等を5%以下添加することができる。
また、上述の実施形態では、第2金属層124は第2金属としてPtを含む場合について説明した。しかし、第2金属層124の材料としては、例えば、金(Au)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、スズ(Sn)、インジウム(In)などの金属、または、ルテニウム酸ストロンチウム(SrRuO3)やニッケル酸ランタン(LaNiO3)などの金属酸化物等を用いることもできる。
また、上述の実施形態では、第4金属層164および第4金属層174は第4金属としてPtを含む場合について説明した。しかし、第4金属は、例えばタングステン(W)、Ta、Au、銀(Ag)、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、Ti、Cu、コバルト(Co)、In、マグネシウム(Mg)等であってもよい。
また、上述の実施形態では、駆動領域140aの組成が検知領域140bの組成と等しく、また下部電極120における第2金属層124の厚さに対する第1金属層122の厚さの比率を変化させることによって圧電膜140の誘電率等が調整されている場合について説明した。しかし、圧電膜140の誘電率εを制御するには、駆動領域の組成比を、検知領域の組成比と異ならせてもよい。または、駆動領域の材料を、検知領域の材料と異ならせてもよい。駆動領域および検知領域のいずれか一方に金属元素を添加してもよい。圧電膜140が固溶体材料である場合には、その材料比を変更してもよい。または、第1金属層の成膜条件(成膜雰囲気および成膜温度)を変化させることにより、圧電膜の誘電率等を調整してもよい。
また、上述の実施形態では、圧電センサが角速度センサ10である場合について説明した。しかし、圧電センサは、角速度センサに限られるものではない。圧電センサは振動式であれば、本実施形態を適用することができる。具体的には、例えば、圧電センサは、角速度センサの他、加速度センサやダイヤフラム構造等を有する圧力センサ等であってもよい。
次に、本発明に係る実施例について以下に説明する。
(測定用試料の製作)
図10(a)は実施例に係る測定用試料の平面図であり、図10(b)は図10(a)のA−A’線断面図である。本実施例に係る測定用試料20を以下のように製作した。
図10(a)は実施例に係る測定用試料の平面図であり、図10(b)は図10(a)のA−A’線断面図である。本実施例に係る測定用試料20を以下のように製作した。
基板としてのウエハ200は、熱酸化膜付きSiウエハを用いた。ウエハ200の上面は(100)面であり、ウエハ200の厚さ0.525mmであり、熱酸化膜の厚さは200nmであり、またウエハ200の直径は4インチである。なお、ウエハ200の両面は鏡面となっているものを用いた。
ウエハ200の上に、ネガ型のフォトレジストZPN1150(日本ゼオン製)を塗布して、露光及び現像によりフォトレジストパターンを形成する。
ウエハ200およびフォトレジストパターン上に、第1金属層としてのTi層222を形成した。Ti層222の成膜は、RFマグネトロンスパッタ法を用い、基板温度200℃、放電電力300W、Ar雰囲気、圧力1.0Paから2.0Paの条件で行った。
次に、Ti層222の上に、第2金属層としてのPt層224を形成した。Pt層224の成膜は、RFマグネトロンスパッタ法を用い、基板温度200℃、放電電力1.2kW、Ar雰囲気、圧力1.0Paから2.0Paの条件で行った。
なお、ウエハ200上にTi層222の厚さが1nmから8.2nmの範囲で異なる複数の領域を、スパッタ時間を適宜変更して形成した。また、Pt層224の厚さはウエハ200内で200nmに統一した。この段階で後述する結晶配向性の評価を行った。
次に、フォトレジストパターンをリフトオフにより除去して、下部電極220を形成した。
次に、Pt層224の上に、圧電膜としてKNN膜240を形成した。KNN膜240の成膜は、RFマグネトロンスパッタ法を用い、ターゲット(K1−xNax)NbO3(x=0.70)、基板温度520℃から660℃、放電電力2.2kW、O2/Ar混合比0.01から0.04、圧力0.05Paから0.5Paの条件で行った。なお、スパッタ時間を調整して、KNN膜240の厚さは2μmである。
次に、KNN膜240の上に、フォトレジストZPN1150をスピンコートにより塗布した。なお、スピンコートは3000rpm60secの条件で行った。次に、フォトレジスト層を90℃2minの条件でプリベークを行った。次に、Crからなる所定のパターンが形成された露光マスクを用い、210mJ/cm2の条件で露光した。次に、フォトレジスト層を110℃2minの条件でPEB(Post Exposure Bake)を行った。次に、所定の現像液で、90sec現像した。
次に、KNN膜240の上に、第3金属層としてのTi層を形成した。Ti層の成膜は、RFマグネトロンスパッタ法を用い、基板温度を室温、放電電力300W、Ar雰囲気(80sccm)、圧力1.0Paから2.0Paの条件で行った。なお、Ti層の厚さを成膜時間で制御して2nmとした。
次に、Ti層の上に、第4金属層としてのPt層を形成した。Pt層の成膜は、RFマグネトロンスパッタ法を用い、基板温度を室温、放電電力1.2kW、Ar雰囲気(80sccm)、圧力1.0Paから2.0Paの条件で行った。なお、Pt層の厚さを成膜時間で制御して100nmとした。
次に、フォトレジストパターンをリフトオフにより除去して、Pt層/Ti層からなる評価用電極280および評価用電極290を形成した。
次に、評価用電極290の上から罫書き、評価用電極290からウエハ200まで貫通する開口を形成した。この開口にAgペースト292を流し込み、Agペースト292を焼成して硬化させた。これにより、下部電極220および評価用電極290を導通させた。次に、ウエハ200をダイシングして、短冊状の片持ち梁に加工した。以上により、測定用試料20を製作した。
なお、測定用試料20のサイズは、図10に示したとおりである。
(下部電極における結晶配向度の評価)
X線回折装置を用い、Pt層224まで形成したウエハ200の各領域におけるPt層224の結晶配向度を評価した。Ti層222の厚さが1nmから8.2nmの範囲で形成したそれぞれの領域において、Pt層224は、上面が(111)面に優先配向していた。また、それぞれの測定用試料20において、下部電極220に起因する回折ピークは、(111)ピークと(222)ピークのみが確認された。
X線回折装置を用い、Pt層224まで形成したウエハ200の各領域におけるPt層224の結晶配向度を評価した。Ti層222の厚さが1nmから8.2nmの範囲で形成したそれぞれの領域において、Pt層224は、上面が(111)面に優先配向していた。また、それぞれの測定用試料20において、下部電極220に起因する回折ピークは、(111)ピークと(222)ピークのみが確認された。
(圧電膜における結晶配向度の評価)
X線回折装置を用い、片持ち梁とした測定用試料20を用い、KNN膜240の結晶配向度を評価した。Ti層222の厚さが1nmから8.2nmの範囲で製作したそれぞれの測定用試料20において、KNN膜240は、上面が(001)面に優先配向していた。また、それぞれの測定用試料20において、(001)配向度を測定した。なお、上述のように、(001)配向度とは、X線回折(XRD)測定におけるKNNの(001)面の回折ピーク強度の相対的比率である。
X線回折装置を用い、片持ち梁とした測定用試料20を用い、KNN膜240の結晶配向度を評価した。Ti層222の厚さが1nmから8.2nmの範囲で製作したそれぞれの測定用試料20において、KNN膜240は、上面が(001)面に優先配向していた。また、それぞれの測定用試料20において、(001)配向度を測定した。なお、上述のように、(001)配向度とは、X線回折(XRD)測定におけるKNNの(001)面の回折ピーク強度の相対的比率である。
(圧電膜における圧電歪定数の評価)
まず、図11を用い、レーザドップラ変位計について説明する。図11は、実施例に係る測定用のレーザドップラ変位計を示す模式図である。図11に示すように、測定用試料20は、除振台709の上に載置された固定台708によって、上下を挟み込んで固定されている。ファンクションジェネレータ712は、オペアンプ711および配線710を介して測定用試料20の評価用電極280および評価用電極290に接続されている。
まず、図11を用い、レーザドップラ変位計について説明する。図11は、実施例に係る測定用のレーザドップラ変位計を示す模式図である。図11に示すように、測定用試料20は、除振台709の上に載置された固定台708によって、上下を挟み込んで固定されている。ファンクションジェネレータ712は、オペアンプ711および配線710を介して測定用試料20の評価用電極280および評価用電極290に接続されている。
レーザドップラ変位計は、本体部(計測部)714と、本体部714に接続され測定用試料20に向けてレーザ光716を照射するレーザヘッド715とを有している。本体部714は、配線(符号不図示)を介してオシロスコープ713に接続されている。また、オシロスコープ713には、配線(符号不図示)を介してオペアンプ711が接続されている。
ファンクションジェネレータ712から出力された電圧は、オペアンプ711によって増幅されて測定用試料20に印加される。これにより、測定用試料20はKNN膜240の圧電効果により一定の周期で振動する。なお、ファンクションジェネレータ712から出力された電圧は、オペアンプ711を介して、オシロスコープ713にも送信される。
このとき、レーザヘッド715からのレーザ光716は、測定用試料20の先端に照射される。レーザ光716と、測定用試料20から反射された光と、の差分により、測定用試料20の変位量が測定される。この測定用試料20の変位量からKNN膜240の圧電歪定数d31が算出される。
(圧電膜における比誘電率の評価)
LCRメータを用い、KNN膜240のキャパシタンス(静電容量)を測定し、比誘電率εrを求めた。また、求めた比誘電率εrから、式(5)を用いて、KNN膜240の誘電率ε33を求めた。さらに、式(6)を用いて、KNN膜240の圧電出力定数g33を求めた。
LCRメータを用い、KNN膜240のキャパシタンス(静電容量)を測定し、比誘電率εrを求めた。また、求めた比誘電率εrから、式(5)を用いて、KNN膜240の誘電率ε33を求めた。さらに、式(6)を用いて、KNN膜240の圧電出力定数g33を求めた。
(結果)
表1は、上記した実施例の測定結果を示している。表1には、下部電極220におけるTi/Pt比r、KNN膜240の(001)配向度、圧電歪定数d31、比誘電率εr、圧電出力定数g31が示されている。
表1は、上記した実施例の測定結果を示している。表1には、下部電極220におけるTi/Pt比r、KNN膜240の(001)配向度、圧電歪定数d31、比誘電率εr、圧電出力定数g31が示されている。
また、図12(a)は下部電極のTi/Pt比に対するKNN膜の(001)配向度を示すグラフであり、図12(b)は下部電極のTi/Pt比に対するKNN膜の比誘電率を示すグラフであり、図12(c)は下部電極のTi/Pt比に対するKNN膜の圧電歪定数を示すグラフである。
図12(a)に示すように、Ti/Pt比r(%)、すなわちPt層224の厚さに対するTi層222の厚さの比率に対して、KNN膜240の(001)配向度(a.u.:任意単位)は上に凸の関係となる。r=1%のときに、KNN膜240の(001)配向度は極大値となる。
また、図12(b)に示すように、Ti/Pt比r(%)、すなわちPt層224の厚さに対するTi層222の厚さの比率に対して、KNN膜240の比誘電率εrは下に凸の関係となる。r=0.75%のときに、εrは極小値(316)となる。
また、図12(c)に示すように、Ti/Pt比r(%)、すなわちPt層224の厚さに対するTi層222の厚さの比率に対して、圧電歪定数d31(−pm/V)は上に凸の関係となる。r=2%のときに、d31は極大値(―93pm/V)となる。
図12(a)および図12(b)を比較したとき、KNN膜240の(001)配向度の極大点におけるTi/Pt比rは、KNN膜240の比誘電率εrの極小点におけるTi/Pt比rとほぼ一致する。このことから、KNN膜240の結晶配向度が高いほど、KNN膜240の比誘電率εrが低下することが分かる。
一方で、図12(a)および図12(c)を比較したとき、KNN膜240の(001)配向度の極大点におけるTi/Pt比rは、KNN膜240の圧電歪定数d31の極大点におけるTi/Pt比rよりも低い。このため、高い圧電歪定数d31と、高い圧電出力定数g31と、を同時に実現することは困難であると考えられる。
そこで、上述の実施形態では、検知領域140bの下の位置における第2金属層124bの厚さに対する第1金属層122bの厚さの比率rbを、駆動領域140aの下の位置における第2金属層124aの厚さに対する第1金属層122aの厚さの比率raよりも低くする。これにより、駆動領域の圧電歪定数d31を高くすることと、検知領域の圧電出力定数g31を高くすることと、を両立することが可能となる。
また、図12(c)から分かるように、rを変更することにより、確かに、圧電歪定数d31も変化することが分かる。rを0.65%以上4.1%以下とすることで、圧電歪定数d31が50(−pm/V)以上となる。また、高いセンサ特性を有する角速度センサとするためには、圧電歪定数d31が70(−pm/V)以上となることが好ましいので、駆動領域140a下の位置におけるraが1.3%以上2.4%以下であることが良いことが分かる。
また、図12(b)から分かるように、rを変更することにより、確かに比誘電率εrも変化することが分かる。また、検知領域における比誘電率εrはおよそ1000以下となることが好ましいので、検知領域140b下に位置するrbは0.5%以上2%未満であるとよいことが分かる。したがって、検知領域140bが低い比誘電率εrを有することにより、検知領域140bの圧電出力定数g31は高くなる。
このようにして、連続する圧電膜140において、高い圧電歪定数d31と、高い圧電出力定数g31と、を容易に且つ同時に実現することができる。
<本発明の好ましい態様>
以下に、本発明の好ましい態様について付記する。
以下に、本発明の好ましい態様について付記する。
(付記1)
本発明の一態様によれば、
基板と、
前記基板の上に設けられた下部電極と、
前記下部電極の上に設けられ、第1誘電率を有する駆動領域および前記第1誘電率よりも低い第2誘電率を有する検知領域を有する圧電膜と、
前記圧電膜の前記駆動領域の上に設けられ、前記圧電膜を変位させる電圧を印加する駆動電極と、
前記圧電膜の前記検知領域の上に設けられ、前記圧電膜の歪によって生じた電圧を検出する検知電極と、
を有する
圧電センサが提供される。
本発明の一態様によれば、
基板と、
前記基板の上に設けられた下部電極と、
前記下部電極の上に設けられ、第1誘電率を有する駆動領域および前記第1誘電率よりも低い第2誘電率を有する検知領域を有する圧電膜と、
前記圧電膜の前記駆動領域の上に設けられ、前記圧電膜を変位させる電圧を印加する駆動電極と、
前記圧電膜の前記検知領域の上に設けられ、前記圧電膜の歪によって生じた電圧を検出する検知電極と、
を有する
圧電センサが提供される。
(付記2)
付記1記載の圧電センサであって、好ましくは、
前記下部電極は、
前記基板の上に設けられ、第1金属を含む第1金属層と、
前記第1金属層の上に設けられ、前記第1金属と異なる第2金属を含む第2金属層と、
を有し、
前記駆動領域の下の位置における前記第2金属層の厚さに対する前記第1金属層の厚さの比率は、前記検知領域の下の位置における前記第2金属層の厚さに対する前記第1金属層の厚さの比率よりも高い
圧電センサが提供される。
付記1記載の圧電センサであって、好ましくは、
前記下部電極は、
前記基板の上に設けられ、第1金属を含む第1金属層と、
前記第1金属層の上に設けられ、前記第1金属と異なる第2金属を含む第2金属層と、
を有し、
前記駆動領域の下の位置における前記第2金属層の厚さに対する前記第1金属層の厚さの比率は、前記検知領域の下の位置における前記第2金属層の厚さに対する前記第1金属層の厚さの比率よりも高い
圧電センサが提供される。
(付記3)
付記1または2に記載の圧電センサであって、好ましくは、
前記検知領域の結晶配向度は、前記駆動領域の結晶配向度よりも高い
圧電センサが提供される。
付記1または2に記載の圧電センサであって、好ましくは、
前記検知領域の結晶配向度は、前記駆動領域の結晶配向度よりも高い
圧電センサが提供される。
(付記4)
付記3記載の圧電センサであって、好ましくは、
前記検知領域の(001)配向度は、前記駆動領域の(001)配向度よりも高い
圧電センサが提供される。
付記3記載の圧電センサであって、好ましくは、
前記検知領域の(001)配向度は、前記駆動領域の(001)配向度よりも高い
圧電センサが提供される。
(付記5)
付記1〜4のいずれかに記載の圧電センサであって、好ましくは、
前記駆動領域の組成は、前記検知領域の組成と等しい
圧電センサが提供される。
付記1〜4のいずれかに記載の圧電センサであって、好ましくは、
前記駆動領域の組成は、前記検知領域の組成と等しい
圧電センサが提供される。
(付記6)
付記1〜5のいずれかに記載の圧電センサであって、好ましくは、
前記基板の上に設けられ、第1金属を含む第1金属層と、
前記第1金属層の上に設けられ、前記第1金属と異なる第2金属を含む第2金属層と、
を有し、
前記駆動領域の下の位置における前記第2金属層の厚さに対する前記第1金属層の厚さの比率は、1.3%以上2.4%以下である
圧電センサが提供される。
付記1〜5のいずれかに記載の圧電センサであって、好ましくは、
前記基板の上に設けられ、第1金属を含む第1金属層と、
前記第1金属層の上に設けられ、前記第1金属と異なる第2金属を含む第2金属層と、
を有し、
前記駆動領域の下の位置における前記第2金属層の厚さに対する前記第1金属層の厚さの比率は、1.3%以上2.4%以下である
圧電センサが提供される。
(付記7)
付記1〜6のいずれかに記載の圧電センサであって、好ましくは、
前記下部電極は、
前記基板の上に設けられ、第1金属を含む第1金属層と、
前記第1金属層の上に設けられ、前記第1金属と異なる第2金属を含む第2金属層と、
を有し、
前記検知領域の下の位置における前記第2金属層の厚さに対する前記第1金属層の厚さの比率は、0.5%以上2%未満である
圧電センサが提供される。
付記1〜6のいずれかに記載の圧電センサであって、好ましくは、
前記下部電極は、
前記基板の上に設けられ、第1金属を含む第1金属層と、
前記第1金属層の上に設けられ、前記第1金属と異なる第2金属を含む第2金属層と、
を有し、
前記検知領域の下の位置における前記第2金属層の厚さに対する前記第1金属層の厚さの比率は、0.5%以上2%未満である
圧電センサが提供される。
(付記8)
付記1〜7のいずれかに記載の圧電センサであって、好ましくは、
前記圧電膜は、ペロブスカイト構造を有する
圧電センサが提供される。
付記1〜7のいずれかに記載の圧電センサであって、好ましくは、
前記圧電膜は、ペロブスカイト構造を有する
圧電センサが提供される。
(付記9)
付記1〜8のいずれかに記載の圧電センサであって、好ましくは、
前記圧電膜は、(K1−xNax)NbO3(ただし、0<x<1)である
圧電センサが提供される。
付記1〜8のいずれかに記載の圧電センサであって、好ましくは、
前記圧電膜は、(K1−xNax)NbO3(ただし、0<x<1)である
圧電センサが提供される。
(付記10)
付記1〜9のいずれかに記載の圧電センサであって、好ましくは、
前記下部電極は、
前記基板の上に設けられ、第1金属を含む第1金属層と、
前記第1金属層の上に設けられ、前記第1金属と異なる第2金属を含む第2金属層と、
を有し、
前記第1金属はTi、Ta、これらの合金、及びこれらの酸化物並びにこれらの窒化物の少なくともいずれかである
圧電センサが提供される。
付記1〜9のいずれかに記載の圧電センサであって、好ましくは、
前記下部電極は、
前記基板の上に設けられ、第1金属を含む第1金属層と、
前記第1金属層の上に設けられ、前記第1金属と異なる第2金属を含む第2金属層と、
を有し、
前記第1金属はTi、Ta、これらの合金、及びこれらの酸化物並びにこれらの窒化物の少なくともいずれかである
圧電センサが提供される。
(付記11)
付記1〜10のいずれかに記載の圧電センサであって、好ましくは、
前記下部電極は、
前記基板の上に設けられ、第1金属を含む第1金属層と、
前記第1金属層の上に設けられ、前記第1金属と異なる第2金属を含む第2金属層と、
を有し、
前記第2金属はPtである
圧電センサが提供される。
付記1〜10のいずれかに記載の圧電センサであって、好ましくは、
前記下部電極は、
前記基板の上に設けられ、第1金属を含む第1金属層と、
前記第1金属層の上に設けられ、前記第1金属と異なる第2金属を含む第2金属層と、
を有し、
前記第2金属はPtである
圧電センサが提供される。
(付記12)
付記11記載の圧電センサであって、好ましくは、
前記第2金属層の上面は、(111)に優先配向している
圧電センサが提供される。
付記11記載の圧電センサであって、好ましくは、
前記第2金属層の上面は、(111)に優先配向している
圧電センサが提供される。
(付記13)
付記1〜12のいずれかに記載の圧電センサであって、好ましくは、
前記基板は、Si基板、熱酸化膜付きSi基板、SOI(Silicon On Insulator)基板、MgO基板、SrTiO3基板、SrRuO3基板、GaAs基板、サファイア基板、Ge基板、ステンレス基板、ガラス基板、石英ガラス基板のいずれか一つ以上を含む複合基板である
圧電センサが提供される。
付記1〜12のいずれかに記載の圧電センサであって、好ましくは、
前記基板は、Si基板、熱酸化膜付きSi基板、SOI(Silicon On Insulator)基板、MgO基板、SrTiO3基板、SrRuO3基板、GaAs基板、サファイア基板、Ge基板、ステンレス基板、ガラス基板、石英ガラス基板のいずれか一つ以上を含む複合基板である
圧電センサが提供される。
(付記14)
付記1〜13のいずれかに記載の圧電センサであって、好ましくは、
前記基板は、
長尺に設けられた一対の振動部と、
前記一対の振動部を支持する支持部と、
を有し、
前記下部電極、前記圧電膜、前記駆動電極及び前記検知電極の少なくとも一部は、前記振動部の上に設けられた
圧電センサが提供される。
付記1〜13のいずれかに記載の圧電センサであって、好ましくは、
前記基板は、
長尺に設けられた一対の振動部と、
前記一対の振動部を支持する支持部と、
を有し、
前記下部電極、前記圧電膜、前記駆動電極及び前記検知電極の少なくとも一部は、前記振動部の上に設けられた
圧電センサが提供される。
(付記15)
本発明の一態様によれば、
基板と、
前記基板の上に設けられた下部電極と、
前記下部電極の上に設けられ、第1誘電率を有する駆動領域および前記第1誘電率よりも低い第2誘電率を有する検知領域を有する圧電膜と、
前記圧電膜の前記駆動領域の上に設けられ、前記圧電膜を振動させる電圧を印加する駆動電極と、
前記圧電膜の前記検知領域の上に設けられ、前記圧電膜の歪によって生じた電圧を検出する検知電極と、
を有する
ことを特徴とする角速度センサが提供される。
本発明の一態様によれば、
基板と、
前記基板の上に設けられた下部電極と、
前記下部電極の上に設けられ、第1誘電率を有する駆動領域および前記第1誘電率よりも低い第2誘電率を有する検知領域を有する圧電膜と、
前記圧電膜の前記駆動領域の上に設けられ、前記圧電膜を振動させる電圧を印加する駆動電極と、
前記圧電膜の前記検知領域の上に設けられ、前記圧電膜の歪によって生じた電圧を検出する検知電極と、
を有する
ことを特徴とする角速度センサが提供される。
10 角速度センサ(圧電センサ)
100 基板
120 下部電極
122 第1金属層
124 第2金属層
140 圧電膜
140a 駆動領域
140b 検知領域
160 駆動電極
170 検知電極
100 基板
120 下部電極
122 第1金属層
124 第2金属層
140 圧電膜
140a 駆動領域
140b 検知領域
160 駆動電極
170 検知電極
また、KNN膜の圧電歪定数d31および圧電出力定数g31は、上記式(1)より、下記の式(6)で表される。
g31 =d31/ε33 ・・・(6)
g31 =d31/ε33 ・・・(6)
(圧電膜における比誘電率の評価)
LCRメータを用い、KNN膜240のキャパシタンス(静電容量)を測定し、比誘電率εrを求めた。また、求めた比誘電率εrから、式(5)を用いて、KNN膜240の誘電率ε33を求めた。さらに、式(6)を用いて、KNN膜240の圧電出力定数g31 を求めた。
LCRメータを用い、KNN膜240のキャパシタンス(静電容量)を測定し、比誘電率εrを求めた。また、求めた比誘電率εrから、式(5)を用いて、KNN膜240の誘電率ε33を求めた。さらに、式(6)を用いて、KNN膜240の圧電出力定数g31 を求めた。
Claims (8)
- 基板と、
前記基板の上に設けられた下部電極と、
前記下部電極の上に設けられ、第1誘電率を有する駆動領域および前記第1誘電率よりも低い第2誘電率を有する検知領域を有する圧電膜と、
前記圧電膜の前記駆動領域の上に設けられ、前記圧電膜を振動させる電圧を印加する駆動電極と、
前記圧電膜の前記検知領域の上に設けられ、前記圧電膜の歪によって生じた電圧を検出する検知電極と、
を有する
ことを特徴とする圧電センサ。 - 前記下部電極は、
前記基板の上に設けられ、第1金属を含む第1金属層と、
前記第1金属層の上に設けられ、前記第1金属と異なる第2金属を含む第2金属層と、
を有し、
前記駆動領域の下の位置における前記第2金属層の厚さに対する前記第1金属層の厚さの比率は、前記検知領域の下の位置における前記第2金属層の厚さに対する前記第1金属層の厚さの比率よりも高い
ことを特徴とする請求項1記載の圧電センサ。 - 前記検知領域の結晶配向度は、前記駆動領域の結晶配向度よりも高い
ことを特徴とする請求項1または2に記載の圧電センサ。 - 前記検知領域の(001)配向度は、前記駆動領域の(001)配向度よりも高い
ことを特徴とする請求項3記載の圧電センサ。 - 前記圧電膜は、(K1−xNax)NbO3(ただし、0<x<1)である
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の圧電センサ。 - 前記基板は、Si基板、熱酸化膜付きSi基板、SOI(Silicon On Insulator)基板、MgO基板、SrTiO3基板、SrRuO3基板、GaAs基板、サファイア基板、Ge基板、ステンレス基板、ガラス基板、石英ガラス基板のいずれか一つの基板、又はこれらのいずれか一つ以上を含む複合基板である
ことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の圧電センサ。 - 前記基板は、
長尺に設けられた一対の振動部と、
前記一対の振動部を支持する支持部と、
を有し、
前記下部電極、前記圧電膜、前記駆動電極及び前記検知電極は、少なくとも前記振動部の上に設けられた
ことを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の圧電センサ。 - 基板と、
前記基板の上に設けられた下部電極と、
前記下部電極の上に設けられ、第1誘電率を有する駆動領域および前記第1誘電率よりも低い第2誘電率を有する検知領域を有する圧電膜と、
前記圧電膜の前記駆動領域の上に設けられ、前記圧電膜を振動させる電圧を印加する駆動電極と、
前記圧電膜の前記検知領域の上に設けられ、前記圧電膜の歪によって生じた電圧を検出する検知電極と、
を有する
ことを特徴とする角速度センサ。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013028393A JP2014157095A (ja) | 2013-02-15 | 2013-02-15 | 圧電センサ及び角速度センサ |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publications (1)
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ID=51578040
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Country | Link |
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JP (1) | JP2014157095A (ja) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2016092089A (ja) * | 2014-10-31 | 2016-05-23 | 富士フイルム株式会社 | 圧電素子の製造方法、圧電素子 |
US11255736B2 (en) | 2018-05-25 | 2022-02-22 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Vibration sensor and sensor module |
JP7439415B2 (ja) | 2019-08-28 | 2024-02-28 | 住友金属鉱山株式会社 | 圧電性基板、圧電性基板の製造方法、及び複合基板 |
WO2024042819A1 (ja) * | 2022-08-25 | 2024-02-29 | 住友精密工業株式会社 | 振動型角速度検出器 |
-
2013
- 2013-02-15 JP JP2013028393A patent/JP2014157095A/ja active Pending
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---|---|---|---|---|
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US11255736B2 (en) | 2018-05-25 | 2022-02-22 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Vibration sensor and sensor module |
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