JP6519652B2 - 圧電デバイス、圧電デバイスアレイおよび圧電トランス - Google Patents
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Description
図2を参照して、本発明に基づく実施の形態1における圧電デバイスについて説明する。本実施の形態における圧電デバイス101の斜視図を図1に示す。図1におけるII−II線に関する矢視断面図を図2に示す。図2では、説明の便宜のため、厚み方向の寸法を誇張して表示している。
本実施の形態の一例として、PZT層とAlN層とをそれぞれ主材料とした2つの層が積層された構造の外径500μmの振動膜を想定し、有限要素法を用いて計算した。AlN層が第1圧電体層4に相当し、PZT層が第2圧電体層5に相当する。PZT層とAlN層との厚みの合計が2.0μmとなるようにし、その厚みの内訳を少しずつ変えたものをそれぞれ準備した。これらを実施例1〜8とする。
表1と表2とを比較して明らかなように、振動膜が主にPZT層とAlN層との2層のみで形成されている実施例1〜8では、比較例1〜6に比べて共振周波数を低くすることができている。
表1に明らかなように、PZT層およびAlN層の2層構造で合計厚みが一定であっても、PZT層の厚みとAlN層の厚みとの比率が異なると、発生電圧が変化する。これは、2種類の圧電体を主材料とした振動膜に特有の問題である。
積層順については、製造面での効果、設計面での効果が存在する。それぞれについて述べる。
2層構造の層は基材1としてのSi層に近い側から、AlN層、PZT層の順に積層する。これを逆にすると高い温度で成膜するPZT層は粒子径が大きくなりがちで、PZT層の表面は一般的に粗くなる。このようなPZT層の上に重ねてAlN層を積層すると、AlN層の表面は粗くなってしまう。したがって、圧電性能が劣化する。したがって、基材1としてのSi層に対して、先にAlN層を形成し、次にPZT層を形成することが好ましい。
次に、設計面について述べる。実施例Aとして、Siからなる基材の上に、基材に近い側からAlN層、PZT層の順に積層し、振動膜はAlN層、PZT層を主材料とした圧電デバイスを準備した。振動膜は外径20μmとし、PZT層、AlN層の厚みはいずれも1.0μmとした。
図8および図9を参照して、本発明に基づく実施の形態1における圧電デバイスの変形例について説明する。この変形例としての圧電デバイス101eの斜視図を図8に示す。図8におけるIX−IX線に関する矢視断面図を図9に示す。
図10〜図18を参照して、本発明に基づく実施の形態2における圧電デバイスの製造方法について説明する。この製造方法は、実施の形態1で説明した圧電デバイスを得るために用いることができる製造方法である。
図19を参照して、本発明に基づく実施の形態3における圧電デバイスについて説明する。本実施の形態における圧電デバイス102の断面を図19に示す。本実施の形態における圧電デバイス102の基本的な構成は、実施の形態1で説明した圧電デバイス101と同様であるが、以下の点で異なる。
図20〜図30を参照して、本発明に基づく実施の形態4における圧電デバイスの製造方法について説明する。この製造方法は、実施の形態3で説明した圧電デバイスを得るためのものである。
図31を参照して、本発明に基づく実施の形態5における圧電デバイスについて説明する。本実施の形態における圧電デバイス103の断面を図31に示す。本実施の形態における圧電デバイス103の基本的な構成は、実施の形態1で説明した圧電デバイス101と同様であるが、以下の点で異なる。
図32〜図41を参照して、本発明に基づく実施の形態6における圧電デバイスの製造方法について説明する。この製造方法は、実施の形態5で説明した圧電デバイスを得るためのものである。
図42を参照して、本発明に基づく実施の形態7における圧電デバイスアレイについて説明する。本実施の形態における圧電デバイスアレイ201の断面を図42に示す。圧電デバイスアレイ201の平面図を図43に示す。
高周波の圧電素子の場合、振動子の直径が小さいので、これまでに説明してきた製造方法では、Siからなる基材1の上側と下側のアライメント精度を保つことが極めて困難で、電極の位置ずれなどが発生しやすく、素子間のばらつきが大きくなる傾向があった。したがって、効率の良い圧電素子、設計通りの圧電素子を作製することが極めて困難であった。
圧電体およびMEMS技術を応用した超音波トランスデューサー(pMUT:Piezoelectric Micromachined Ultrasound Transducer)について説明する。pMUTのデバイス特性の一つとして送受信感度があり、これを高めることがしばしば要求される。送受信感度を高めるためには、送信機能における感度および受信機能における感度との積を高める必要がある。そのためには具体的には以下のようなことが求められる。
本発明に基づく実施の形態9における圧電トランスは、上述のいずれかの実施の形態で説明した圧電デバイスまたは圧電デバイスアレイを備える。
AlN層の内部に第1中間電極を設け、PZT層とAlN層の境界に第2中間電極を設けた構造(以下「中間電極2層構造」ともいう。)を利用すると、より良い電力伝送効率が得られる。中間電極2層構造については、実施の形態3でも説明したが、ここでは、より詳しく計算した結果結果について説明する。
本発明に基づく圧電トランスの適用例としては、上述のようなエネルギーハーベスティングの分野以外にも、高電圧が必要な静電MEMSアクチュエータやハプティクス用の圧電セラミックスの駆動用のトランスなども考えられる。さらに、マイクロプラズマ源のプラズマ発生用装置の電圧源、キセノンフラッシュの電圧源としての応用も可能である。
圧電デバイスアレイを備える圧電トランスでは、容量を増大させることができるので、インピーダンスを低くすることができる。以下では、1個の振動部を備える部分を「圧電トランス素子」と呼ぶこととする。以下では、圧電トランス素子のことを略して単に「素子」ともいう。
振動部の屈曲振動を利用した振動モードでは、駆動時に図60に示すように、振動部3の外側すなわち基材1の方へ振動漏れが生じてしまうという問題がある。図60では、理論上の振動のあるべき姿を曲線60で示している。振動部3においては、この振動に従ってある程度変形可能であるので、振動として存在しうるが、基材1においては、ほとんど変形できないので、振動エネルギーは基材1を通じて漏れてしまう。このようなエネルギーのロスを、以下では「振動漏れ」と呼ぶこととする。
(1) 図62に示すように、互いに隣り合う素子の電極には、互いに逆位相かつ同じ周波数の交流電圧が印加されるように配線を施す。上部層2の上面に2つのパッド電極45,46が設けられており、上部電極33がパッド電極45に接続された振動部3と、上部電極33がパッド電極46に接続された振動部3とが、交互に並んでいる。圧電デバイスアレイを駆動する際には、パッド電極45,46にはそれぞれ異なる電位を印加する。たとえばパッド電極45に+、パッド電極46に−の電位を与える。あるいは、互いに隣り合う素子同士で、印加する交流電圧の位相を同じにする場合には、互いに隣り合う素子同士では分極状態を反転させておく。図62におけるLXIII−LXIII線に関する矢視断面図を図63に示す。
(2) 上述のように構成された圧電デバイスアレイを用いて、互いに隣り合う素子は互いに逆位相となるように駆動する。
(3) なお、素子間に存在する支持部の幅は、素子構造の強度を損なわない範囲で出来る限り狭くし、素子間ピッチを短くすることが好ましい。
圧電デバイス101,101e,102,103はそれぞれ振動部3の下面に保護膜6を備えていた。保護膜6の好ましい厚みについて述べる。圧電デバイスにおいて、保護膜6の厚みは、振動部3の厚みの8%以下であることが好ましい。
なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
Claims (15)
- 基材と、
前記基材によって支持された上部層とを備え、
前記上部層は、前記上部層のうち前記基材に重ならない部分である振動部を含み、
前記振動部は、厚み方向に互いに離隔して配置された下部電極、中間電極および上部電極を含み、
前記上部層は、前記下部電極および前記中間電極によって少なくとも一部が挟み込まれるように配置された第1圧電体層と、前記第1圧電体層に重なるように配置されつつ前記中間電極および前記上部電極によって少なくとも一部が挟み込まれるように配置された第2圧電体層とを含み、
前記第1圧電体層および前記第2圧電体層は、前記上部層のうち前記振動部に延在しつつ前記上部層が前記基材に重なる部分に達するまで延在し、
前記第1圧電体層と前記第2圧電体層とでは厚み方向の比誘電率が互いに異なり、
前記第1圧電体層および前記第2圧電体層のうち厚み方向の比誘電率が低い方の圧電体層は、AlN系、ZnO系およびGaN系からなる群から選択されるいずれかの圧電体を主材料とし、
前記第1圧電体層および前記第2圧電体層のうち厚み方向の比誘電率が高い方の圧電体層は、PZT系、KNN系、BT系およびBiアルカリチタン系からなる群から選択されるいずれかの圧電体を主材料とし、
前記第1圧電体層および前記第2圧電体層のうち厚み方向の比誘電率が低い方の圧電体層が、前記厚み方向の比誘電率が高い方の圧電体層より薄い、圧電デバイス。 - 基材と、
前記基材によって支持された上部層とを備え、
前記上部層は、前記上部層のうち前記基材に重ならない部分である振動部を含み、
前記振動部は、厚み方向に互いに離隔して配置された下部電極、中間電極および上部電極を含み、
前記上部層は、前記下部電極および前記中間電極によって少なくとも一部が挟み込まれるように配置された第1圧電体層と、前記第1圧電体層に重なるように配置されつつ前記中間電極および前記上部電極によって少なくとも一部が挟み込まれるように配置された第2圧電体層とを含み、
前記第1圧電体層および前記第2圧電体層は、前記上部層のうち前記振動部に延在しつつ前記上部層が前記基材に重なる部分に達するまで延在し、
前記第1圧電体層と前記第2圧電体層とでは厚み方向の比誘電率が互いに異なり、
前記第1圧電体層と前記第2圧電体層との間に応力中立面を有し、
前記第1圧電体層および前記第2圧電体層のうち厚み方向の比誘電率が低い方の圧電体層は、厚み方向の比誘電率が高い方の圧電体層より薄い、圧電デバイス。 - 基材と、
前記基材によって支持された上部層とを備え、
前記上部層は、前記上部層のうち前記基材に重ならない部分である振動部を含み、
前記振動部は、厚み方向に互いに離隔して配置された下部電極、中間電極および上部電極を含み、
前記上部層は、前記下部電極および前記中間電極によって少なくとも一部が挟み込まれるように配置された第1圧電体層と、前記第1圧電体層に重なるように配置されつつ前記中間電極および前記上部電極によって少なくとも一部が挟み込まれるように配置された第2圧電体層とを含み、
前記第1圧電体層および前記第2圧電体層は、前記上部層のうち前記振動部に延在しつつ前記上部層が前記基材に重なる部分に達するまで延在し、
前記第1圧電体層と前記第2圧電体層とでは厚み方向の比誘電率が互いに異なり、
前記第1圧電体層と前記第2圧電体層との間に応力中立面を有し、
前記第1圧電体層と前記第2圧電体層との間に、前記第1圧電体層とも前記第2圧電体層とも異なる材料を主材料とする中間層を備え、前記応力中立面は、前記中間層に位置している、圧電デバイス。 - 基材と、
前記基材によって支持された上部層とを備え、
前記上部層は、前記上部層のうち前記基材に重ならない部分である振動部を含み、
前記振動部は、厚み方向に互いに離隔して配置された下部電極、中間電極および上部電極を含み、
前記上部層は、前記下部電極および前記中間電極によって少なくとも一部が挟み込まれるように配置された第1圧電体層と、前記第1圧電体層に重なるように配置されつつ前記中間電極および前記上部電極によって少なくとも一部が挟み込まれるように配置された第2圧電体層とを含み、
前記第1圧電体層および前記第2圧電体層は、前記上部層のうち前記振動部に延在しつつ前記上部層が前記基材に重なる部分に達するまで延在し、
前記第1圧電体層と前記第2圧電体層とでは厚み方向の比誘電率が互いに異なり、
前記第1圧電体層と前記第2圧電体層との間に応力中立面を有し、
前記中間電極は、前記下部電極に近い側に配置された第1中間電極と、前記上部電極に近い側に配置された第2中間電極とを含み、
前記応力中立面は、前記第1中間電極もしくは前記第2中間電極に位置しているか、または前記第1中間電極と前記第2中間電極との間に位置している、圧電デバイス。 - 基材と、
前記基材によって支持された上部層とを備え、
前記上部層は、前記上部層のうち前記基材に重ならない部分である振動部を含み、
前記振動部は、厚み方向に互いに離隔して配置された下部電極、中間電極および上部電極を含み、
前記上部層は、前記下部電極および前記中間電極によって少なくとも一部が挟み込まれるように配置された第1圧電体層と、前記第1圧電体層に重なるように配置されつつ前記中間電極および前記上部電極によって少なくとも一部が挟み込まれるように配置された第2圧電体層とを含み、
前記第1圧電体層および前記第2圧電体層は、前記上部層のうち前記振動部に延在しつつ前記上部層が前記基材に重なる部分に達するまで延在し、
前記第1圧電体層と前記第2圧電体層とでは厚み方向の比誘電率が互いに異なり、
前記中間電極は、前記下部電極に近い側に配置された第1中間電極と、前記上部電極に近い側に配置された第2中間電極とを含む、圧電デバイス。 - 前記第1中間電極と前記第2中間電極との間には、中間保護膜が配置されている、請求項4または5に記載の圧電デバイス。
- 前記第1圧電体層および前記第2圧電体層のうち厚み方向の比誘電率が低い方の圧電体層は、AlN系、ZnO系およびGaN系からなる群から選択されるいずれかの圧電体を主材料とし、
前記第1圧電体層および前記第2圧電体層のうち厚み方向の比誘電率が高い方の圧電体層は、PZT系、KNN系、BT系およびBiアルカリチタン系からなる群から選択されるいずれかの圧電体を主材料とする、請求項2から6のいずれかに記載の圧電デバイス。 - 前記第2圧電体層の厚み方向の比誘電率は、前記第1圧電体層の厚み方向の比誘電率よりも高い、請求項1または7に記載の圧電デバイス。
- 前記第1圧電体層および前記第2圧電体層のうち前記厚み方向の比誘電率が高い方の圧電体層が、前記厚み方向の比誘電率が低い方の圧電体層よりも薄い、請求項1または7に記載の圧電デバイス。
- 前記厚み方向の比誘電率が高い方の圧電体層の厚みをaとし、前記厚み方向の比誘電率が低い方の圧電体層の厚みをbとすると、a/bが0.55以上である、請求項9に記載の圧電デバイス。
- 前記第1圧電体層の厚み方向の比誘電率と、前記第2圧電体層の厚み方向の比誘電率とを比較すると、いずれか一方が他方に比べて50倍以上である、請求項1から10のいずれかに記載の圧電デバイス。
- 前記下部電極の下面を覆う保護膜を備える、請求項1から11のいずれかに記載の圧電デバイス。
- 前記保護膜の厚みは、前記振動部の厚みの8%以下である、請求項12に記載の圧電デバイス。
- 請求項1から13のいずれかに記載の圧電デバイスを複数個配列した、圧電デバイスアレイ。
- 請求項14に記載の圧電デバイスアレイを備える、圧電トランス。
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