JP5057148B2 - Piezoelectric vibration device - Google Patents
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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。 The present invention relates to a piezoelectric vibration device, and more particularly to a piezoelectric vibration device using a contour vibration mode of a bulk wave.
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。 Piezoelectric vibration devices that use bulk waves use types that use thickness vibration modes in bulk waves, and contour vibration modes such as spreading vibration mode, length vibration mode, and width vibration mode in bulk waves. There are types.
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、SiO2膜が1層ずつ形成される(例えば、特許文献1参照)。
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SiO2膜の温度補償膜を形成し、圧電振動部の下に厚さ1.7μmのSiO2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。 In the piezoelectric vibration device including the temperature compensation film as described above, a hysteresis phenomenon occurs as shown in FIG. 6, for example. In FIG. 6, a temperature compensation film of an SiO 2 film having a thickness of 3.3 μm is formed on a piezoelectric vibration portion including a piezoelectric film of an AlN film having a thickness of 1.6 μm, and a thickness of 1 is formed below the piezoelectric vibration portion. a piezoelectric vibration device forming the temperature compensating film of SiO 2 film .7Myuemu, is a graph showing the relationship between frequency and impedance. The solid line shows the impedance characteristic when sweeping from the higher frequency to the lower frequency. A broken line shows an impedance characteristic when sweeping from a lower frequency to a higher frequency. It can be seen that there is a portion where the broken line and the solid line do not overlap, and a hysteresis phenomenon occurs in which the impedance waveform varies depending on the frequency sweep direction at the time of measurement.
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SiO2膜を厚くすることが望ましい。しかし、温度補償膜であるSiO2膜を厚くすると、温度特性が劣化してしまう。 In order to reduce the size and suppress the hysteresis phenomenon with this type of piezoelectric vibration device, it is desirable to thicken the SiO 2 film having a lower sound speed than the AlN film of the piezoelectric film. However, if the SiO 2 film, which is a temperature compensation film, is thickened, the temperature characteristics deteriorate.
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。 In view of such circumstances, the present invention intends to provide a piezoelectric vibration device capable of realizing miniaturization and suppression of hysteresis phenomenon while maintaining temperature characteristics.
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。 In order to solve the above problems, the present invention provides a piezoelectric vibration device configured as follows.
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。 The piezoelectric vibration device includes (a) a substrate, and (b) a piezoelectric film and first and second electrodes respectively disposed on both main surfaces of the piezoelectric film, and is seen through from the film thickness direction of the piezoelectric film. A piezoelectric thin film portion in which a support portion other than the piezoelectric vibration portion is supported by the substrate in a state where the piezoelectric vibration portion in which the first and second electrodes overlap with each other via the piezoelectric film floats from the substrate; And a piezoelectric vibration device of the type that utilizes contour vibration of the piezoelectric vibration part. The piezoelectric vibration device further includes (c) a temperature compensation film and a reinforcing film on at least the piezoelectric vibration part. The reinforcing film has a sound velocity lower than the sound velocity of the piezoelectric film, and the sign of the temperature characteristic is different from the sign of the temperature characteristic of the temperature compensation film.
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。 According to the above configuration, when a reinforcing film having a sound velocity lower than that of the piezoelectric film is formed on the piezoelectric vibrating portion, the reinforcing film formed on the piezoelectric vibrating portion also vibrates in the plane direction in conjunction with the piezoelectric vibrating portion. Therefore, the longitudinal wave sound velocity of the element can be reduced, and the vibrator can be miniaturized.
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。 When the temperature compensation film and the reinforcing film are formed on the piezoelectric vibration part, the film thickness is increased and the vibration displacement is reduced, so that the hysteresis phenomenon is suppressed.
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。 Since the sign of the temperature characteristic of the reinforcing film is different from the sign of the temperature characteristic of the temperature compensation film, the temperature characteristic can be maintained.
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。 Preferably, at least one of the temperature compensation film and the reinforcing film is isotropic.
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。 In this case, since the isotropic vibration is excited, the resonance characteristics do not deteriorate.
好ましくは、前記補強膜がTa2O5である。 Preferably, the reinforcing film is Ta 2 O 5 .
この場合、音速が特に小さいTa2O5を補強膜に用いるため、より小型化が可能である。 In this case, since Ta 2 O 5 having a particularly low sound velocity is used for the reinforcing film, the size can be further reduced.
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。 According to the present invention, it is possible to reduce the size and suppress the hysteresis phenomenon while maintaining the temperature characteristics.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.
<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。
<Example> FIG. 1: is sectional drawing of the
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。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
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。
The
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。
The
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。
As shown in FIG. 1, the piezoelectric vibrating
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(LiNbO3)、タンタル酸リチウム(LiTaO3)、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。
As the
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。
The
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、SiO2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。
The
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、SiO2、SiN、Ta2O5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(LiNbO3)、タンタル酸リチウム(LiTaO3)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。
For adjusting the resonance frequency, a method is known in which a film formed on the piezoelectric vibrating
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(Z 1522)に記載の強度以上の密着強度を有することが好ましい。
The
実施例では、圧電振動部20の上側に、SiO2の温度補償膜19と、Ta2O5の補強膜18を形成し、下側にSiO2の支持膜14を形成している。SiO2は縦波音速の温度特性の符号がAlNと反対であること、Ta2O5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SiO2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。
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。
Patterning of the
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。
The
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。
As the
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。
The
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。 As shown in FIG. 6, the conventional piezoelectric vibration device using the contour vibration by the thin film has a hysteresis phenomenon that the impedance waveform varies depending on the frequency sweep direction at the time of measurement.
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。 The hysteresis phenomenon is presumed to occur because the vibration displacement increases when the piezoelectric film vibrates strongly, and the relationship between the displacement and the stress becomes non-proportional and enters the non-linear region. In this non-linear region, the impedance waveform changes depending on the sweep direction. In order to suppress the hysteresis phenomenon, it is desirable to reduce the vibration displacement.
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。 As the thickness of the film added to the piezoelectric vibrating portion increases, the vibration displacement decreases. Therefore, the hysteresis phenomenon can be suppressed as the thickness of the film added to the piezoelectric vibrating portion increases.
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。 In general, in a vibrator using contour vibration mainly in the XY directions such as the length vibration mode, the width vibration mode, and the spread vibration mode, the resonance frequency is determined by the planar dimensions such as the width and the length. The state of the vibration mode is shown in FIG. FIG. 4 is a plan view of a piezoelectric film in a region (piezoelectric vibration portion) sandwiched between upper and lower electrodes as viewed from the electrode side.
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。 Equation (1) shows a theoretical formula of the resonance frequency fr of the length mode vibrator which is uniform in the length direction.
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。
fr = 2L / Vp (1)
Here, L: vibrator length, Vp: longitudinal wave sound velocity of the element From this equation (1), the vibrator is downsized while keeping the resonance frequency (fr) constant, that is, the vibrator length (L). It can be seen that the longitudinal wave sound velocity (Vp) of the element should be reduced in order to reduce the. In order to reduce the longitudinal wave sound velocity of the element, it is conceivable to use a piezoelectric material having a small longitudinal wave sound distance. However, changing the material of the piezoelectric film is not easy because it takes a lot of work to determine the conditions for the formation method.
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。 Therefore, if a material having a lower longitudinal acoustic velocity than the piezoelectric film is formed on the resonator without changing the material of the piezoelectric film, the material formed on the piezoelectric vibrating part also vibrates in the plane direction in conjunction with the piezoelectric vibrating part. Therefore, the sound speed of the element is smaller than the longitudinal wave sound speed of the piezoelectric film, and is larger than the longitudinal wave sound speed of the film formed on the resonator. Therefore, the longitudinal wave sound velocity of the element can be reduced, and the vibrator can be miniaturized.
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。 At the same time, the thickness of the film formed on the resonator is increased, so that the hysteresis phenomenon is suppressed.
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SiO2を厚くするのが望ましい。しかし、温度補償膜19のSiO2を厚くすると、温度特性が劣化してしまう。
From the above, in order to reduce the size of the element and suppress the hysteresis phenomenon compared to the conventional structure, it is desirable to increase the thickness of SiO 2 of the
そこで、SiO2とは逆の温度係数の符号を持つTa2O5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。
Therefore, by newly forming a Ta 2 O 5 reinforcing film 18 having a temperature coefficient opposite to that of SiO 2 , the hysteresis phenomenon can be suppressed while maintaining the temperature characteristics. Further, by making the sound velocity of the newly formed reinforcing
圧電膜、温度補償膜、補強膜が上記のAlN,SiO2,Ta2O5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,SiO2,ZnOや、ZnO,SiO2,Ta2O5が挙げられる。 The piezoelectric film, the temperature compensation film, even in the reinforcement layer other than the above combinations of AlN, SiO2, Ta 2 O 5 , the same effect can be obtained. For example, AlN, SiO 2 , ZnO, ZnO, SiO 2 , Ta 2 O 5 can be cited as other combinations of the piezoelectric film, the temperature compensation film, and the reinforcing film.
<作製例> 次に、作製例について説明する。 <Production Example> Next, a production example will be described.
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:SiO2(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:Ta2O5(膜厚2.0μm)、温度補償膜:SiO2(膜厚3.7μm)である。 The film structure of the manufacturing example of the embodiment shown in FIGS. 1 and 2 is as follows: substrate: Si, support film: SiO 2 (film thickness: 3.0 μm), lower electrode and upper electrode: Pt (each film thickness: 0.1 μm) Piezoelectric film: AlN (film thickness 1.6 μm), reinforcing film: Ta 2 O 5 (film thickness 2.0 μm), temperature compensation film: SiO 2 (film thickness 3.7 μm).
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:SiO2(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:SiO2(膜厚3.3μm)である。 The film structure of the comparative example of the conventional structure shown in FIG. 5 is as follows: substrate: Si, support film: SiO 2 (film thickness 1.7 μm), lower electrode and upper electrode: Pt (each film thickness 0.1 μm), piezoelectric film : AlN (film thickness 1.6 μm), temperature compensation film: SiO 2 (film thickness 3.3 μm).
実施例は、SiO2(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、Ta2O5が比較例の0μmから2.0μmになり、2.0μm厚くなっている。 In the example, the total film thickness of SiO 2 (support film, temperature compensation film) is increased from 5.0 μm of the comparative example to 6.7 μm, and is increased to 1.7 μm. In the example, Ta 2 O 5 is changed from 0 μm to 2.0 μm, which is 2.0 μm thick.
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。
実施例は、補強膜のTa2O5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。 In the example, since the sound velocity of the reinforcing film Ta 2 O 5 is less than half that of AlN of the piezoelectric film, the area ratio of the piezoelectric vibrating portion can be reduced to about 72% of the comparative example of the conventional structure.
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。 In the example, since the total thickness of the films added to the piezoelectric vibrating portion is larger than that in the comparative example, the effect of suppressing the hysteresis phenomenon is enhanced.
実施例は、縦波音速の温度係数の符号がSiO2とは逆のTa2O5を新たに形成することにより、SiO2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。 Examples can be the sign of the temperature coefficient of the longitudinal wave acoustic velocity by newly formed opposite Ta 2 O 5 and SiO 2, compensate for the deterioration of the temperature characteristic due to the film thickness of SiO 2 is increased .
<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。
<Summary> In the
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。 The present invention is not limited to the above embodiment, and can be implemented with various modifications.
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
DESCRIPTION OF
Claims (3)
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。 A substrate,
A piezoelectric film and first and second electrodes respectively disposed on both principal surfaces of the piezoelectric film, wherein the first and second electrodes are seen through the piezoelectric film in a film thickness direction. A piezoelectric thin film part in which a support part other than the piezoelectric vibration part is supported by the substrate in a state where the piezoelectric vibration part overlapping with the substrate floats from the substrate,
With
A piezoelectric vibration device that utilizes contour vibration of the piezoelectric vibration unit,
A temperature compensation film and a reinforcing film are further provided on at least the piezoelectric vibration part,
The piezoelectric vibration device, wherein the reinforcing film has a sound velocity lower than that of the piezoelectric film, and a sign of a temperature characteristic is different from a sign of a temperature characteristic of the temperature compensation film.
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