JP6844911B2

JP6844911B2 - 圧電素子

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Publication number: JP6844911B2
Application number: JP2016234285A
Authority: JP
Inventors: 王義山崎
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2016-12-01
Filing date: 2016-12-01
Publication date: 2021-03-17
Anticipated expiration: 2036-12-01
Also published as: JP2018093028A

Description

本発明は圧電素子に関し、特に、高感度、低雑音の圧電素子に関するものである。

近年、急速に需要が拡大しているスマートフォンには、小型、薄型で、組立のハンダリフロー工程の高温処理耐性を有するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を用いたマイクロフォンが多く使われている。また、ＭＥＭＳマイクロフォンに限らず、その他のＭＥＭＳ素子が様々な分野で急速に普及してきている。

この種のＭＥＭＳ素子の多くは、音響圧力等による振動板の振動変位を対向する固定板との容量変化としてとらえ、電気信号に変換して出力する容量素子である。しかし容量素子は、振動板と固定板との間隙の空気の流動によって生じる音響抵抗のために、信号雑音比の改善が限界になりつつある。

そこで、圧電材料からなる薄膜（圧電膜）で構成される単一の振動板の歪みにより音響圧力等を電圧変化として取り出すことができる圧電素子が注目されている。

ところで圧電素子では、音響圧力等がない場合に圧電膜の残留応力や温度変動が不要な信号として出力され特性を劣化させることが知られている。そこで、圧電膜の一端を自由端とする片持ち梁構造を採用することによって残留応力を解放する技術が開示されている（例えば特許文献１等）。

図１０に、片持ち梁構造の圧電素子の断面図を示す。図１０に示すように、支持基板となるシリコン基板１に絶縁膜２を介して多層構造の圧電膜３ａ、３ｂが固定され、圧電膜３ａは上下から電極４ａと電極４ｂにより、圧電膜３ｂは電極４ｂと電極４ｃによりそれぞれ挟み込まれた構造となっている。圧電膜および電極はそれぞれ長方形の平面形状を有しており、一端がシリコン基板１に固定され、他端が自由端となっている。また電極４ａと電極４ｃは一方の配線電極５ａに接続し、電極４ｂは別の配線電極５ｂに接続されている。

このような圧電素子では、音響圧力等を受けて圧電膜３ａが歪むとその内部に分極が起こり、電極４ａに接続する配線電極５ａと、電極４ｂに接続する配線電極５ｂから電圧信号を取り出すことが可能となる。同様に圧電膜３ｂが歪むとその内部に分極が起こり、電極４ｃに接続する配線電極５ａと、電極４ｂに接続する配線電極５ｂから電圧信号を取り出すことが可能となる。

ところで、この種の圧電型ＭＥＭＳマイクロフォンでは、音響圧力に対する出力電圧の比、即ち感度が、容量型ＭＥＭＳマイクロフォンに比べて低いことが知られている。一般的に前者の感度は、後者の感度のおよそ１０分の１以下に留まる。

そのため、増幅回路が必要となる。しかしながら、一般的なＣＭＯＳ半導体装置の製造方法に従い製造される増幅回路を備える構成とすると、信号雑音比は増幅回路に制限されてしまう。また微細化に優れたＣＭＯＳ技術により圧電素子を形成すると、微細化を必要としない圧電素子が占める面積が大きく、製造コストの増大を招いてしまう。そのため、圧電素子の感度向上が望まれている。

特許第５７０７３２３号公報特表２０１４−５１５２１４号公報

従来の圧電型ＭＥＭＳ素子は、容量型ＭＥＭＳ素子の感度と比較して感度が低いという問題点があった。本発明はこのような問題点を解消し、感度の高い圧電素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本願請求項１に係る発明は、支持基板に両端が固定された圧電膜と、該圧電膜を挟んで配置する一対の電極とを備えた圧電素子において、前記圧電膜は、少なくとも第１の圧電膜と第２の圧電膜を含む積層構造からなることと、前記第１の圧電膜を挟んで配置する前記一対の電極を備えた圧電素子が複数形成されていることと、前記第２の圧電膜を挟んで配置する前記一対の電極を備えた圧電素子が複数形成されていることと、前記圧電素子は、少なくとも、第１の列と第２の列とを構成し、前記第１の列の圧電素子は、前記第１の圧電膜の一部を挟んで配置する前記一対の電極を備えた第１の圧電素子、第２の圧電素子および第３の圧電素子と、前記第２の圧電膜の一部を挟んで配置する前記一対の電極を備えた第４の圧電素子、第５の圧電素子および第６の圧電素子とを備え、前記両端の一端側から他端側へ順に前記第１の圧電素子、前記第２の圧電素子および前記第３の圧電素子が順に並んで配置しているとともに、前記両端の前記一端側から前記他端側へ順に前記第４の圧電素子、前記第５の圧電素子および前記第６の圧電素子が順に並んで配置していることと、前記第１の圧電素子と前記第４の圧電素子が並列に接続し、前記第２の圧電素子と前記第５の圧電素子が並列に接続し、前記第３の圧電素子と前記第６の圧電素子が並列に接続するとともに、それぞれ並列に接続した圧電素子が直列に接続していることと、前記第２の列の圧電素子は、前記第１の圧電膜の一部を挟んで配置する前記一対の電極を備えた第７の圧電素子、第８の圧電素子および第９の圧電素子と、前記第２の圧電膜の一部を挟んで配置する前記一対の電極を備えた第１０の圧電素子、第１１の圧電素子および第１２の圧電素子とを備え、前記両端の前記他端側から前記一端側へ順に前記第７の圧電素子、前記第８の圧電素子および前記第９の圧電素子が順に並んで配置しているとともに、前記両端の前記他端側から前記一端側へ順に前記第１０の圧電素子、前記第１１の圧電素子および前記第１２の圧電素子が順に並んで配置していることと、前記第７の圧電素子と前記第１０の圧電素子が並列に接続し、前記第８の圧電素子と前記第１１の圧電素子が並列に接続し、前記第９の圧電素子と前記第１２の圧電素子が並列に接続するとともに、それぞれ並列に接続した圧電素子が直列に接続していることと、並列接続した前記第３の圧電素子と前記第６の圧電素子の組と、並列接続した前記第７の圧電素子と前記第１０の圧電素子の組とを直列に接続していることと、前記第１の圧電素子と前記第４の圧電素子が上下対称に積層形成され、前記第２の圧電素子と前記第５の圧電素子が、前記第３の圧電素子と前記第６の圧電素子が、前記第７の圧電素子と前記第１０の圧電素子が上下対称に積層形成され、前記第８の圧電素子と前記第１１の圧電素子が上下対称に積層形成され、前記第９の圧電素子と前記第１２の圧電素子が上下対称に積層形成されていることを特徴とする。

本願請求項２に係る発明は、請求項１記載の圧電素子において、前記第１又は前記第２の列を構成する圧電素子間、および前記第１の列と第２の列間は、前記第１の圧電膜あるいは前記第２の圧電膜の表面、裏面あるいは膜間に配置された前記圧電素子の電極から連続する延長部により接続していることを特徴とする。

本願請求項３に係る発明は、請求項１又は２いずれか記載の圧電素子において、前記第１の列の圧電素子の組と前記第２の列の圧電素子の組を交互に複数個接続配置していることを特徴とする。

本願請求項４に係る発明は、請求項１乃至３いずれか記載の圧電素子において、振動により前記圧電膜が湾曲変位した場合に、該変位の変曲点により区画される領域毎に、少なくとも前記上下対称に積層形成された前記第１の圧電素子と前記第４の圧電素子と前記第９の圧電素子と前記第１２の圧電素子、前記第２の圧電素子と前記第５の圧電素子と前記第８の圧電素子と前記第１１の圧電素子、前記第３の圧電素子と前記第６の圧電素子と前記第７の圧電素子と前記第１０の圧電素子のいずれかが配置されていることを特徴とする。

本願請求項５に係る発明は、請求項１乃至４いずれか記載の圧電素子において、前記圧電膜は、音響圧力によって振動する膜であることを特徴とする。

本発明の圧電素子は、第１の圧電膜に形成する圧電素子と第２の圧電膜に形成する圧電素子とを上下対称に重なり合うように配置することで、重なり合う圧電膜の残留応力や温度変動に起因して発生する圧電電圧を相互に相殺して圧電膜の残留応力の影響を低減した上で、音響圧力等によって生じる第１の圧電膜による圧電電圧と第２の圧電膜による圧電電圧を重畳させることで出力信号のレベルを上げることを可能としている。

特に本発明では、複数の圧電素子を接続した圧電素子の列を複数列接続する構成とすることで、圧電電圧を重畳させることで、出力信号のレベルを上げることを可能としている。

さらにまた本発明によれば、圧電膜が振動により湾曲変形する際、その変位の変曲点により区画される領域毎に第１の圧電膜に形成する圧電素子と第２の圧電膜に形成する圧電素子との組を配置することで、区画された領域毎に、梁の延伸方向で生じる引張応力領域と圧縮応力領域とでそれぞれ圧電素子を分離し、それぞれの領域で発生する電圧信号を重畳するように接続することで、効率的に電気エネルギーに変換して取り出すことが可能となる。

本発明によれば、圧電素子間、圧電素子の列間の接続は圧電素子の電極を延長して行うことができ、圧電膜の変位に影響を与えるスルーホール等の接続手段を必要としない点でも、効率的に電気エネルギーに変換できるという利点がある。

特に、本発明の圧電素子の圧電膜を音響圧力によって振動する厚さに設定し、音響トランスデューサとして使用した場合、高感度で信号雑音比の改善が期待される。

本発明の第１の実施例の圧電素子の電極の平面図である。本発明の第１の実施例の圧電素子の一部断面図である。本発明の第１の実施例の圧電素子の一部断面図である。本発明の第１の実施例の圧電素子の一部断面図である。本発明の第１の実施例の圧電素子の一部断面図である。本発明の第１の実施例の説明図である。本発明の第１の実施例の説明図である。本発明の第２の実施例の圧電素子の電極の平面図である。本発明の第２の実施例の説明図である。従来の圧電型ＭＥＭＳ素子の説明図である。

本発明の圧電素子は、支持基板に圧電材料からなる薄膜（圧電膜）の両端を固定した両持ち梁構造としている。圧電膜は少なくとも２層の圧電膜を含む積層構造とする。それぞれの圧電膜には、その一部を挟み込むように電極を配置した圧電素子が複数個形成され、各圧電素子を並列あるいは直列に接続する構成としている。特に本発明では、各圧電素子は上下対称に重なり合うように配置している。このような構成とすることで、上下対称に重なり合う圧電素子の出力により残留応力や温度変動により生じる圧電電圧が相互に相殺され、信号雑音比の向上を図っている。また、上下対称に重なり合う圧電素子の組を所定の位置に配置することにより、信号を効率的に取り出すことができる構成となっている。さらに本発明では、圧電素子の列を接続している。このように構成することで、所望の出力電圧を得ることができる。以下、本発明の圧電素子を音響トランスデューサとして構成する場合を例にとり詳細に説明する。

本発明の第１の実施例について説明する。図１は発明の第１の実施例の圧電素子を構成する下層電極（図１ａ）、中間層電極（図１ｂ）及び上層電極（図１ｃ）の平面図を、それぞれ模式的に示す。図１（ａ）に示すように、下層電極は複数の電極４ａ０１〜４ａ１６からなり、その一部は隣接する２つの電極が接続した構造となっている。たとえば電極４ａ０２と電極４ａ０３が接続している。同様に、図１（ｂ）に示すように中間層電極も複数の電極４ｂ０１〜４ｂ１６からなり、その一部は隣接する２つの電極が接続した構造となっている。一方図１（ｃ）に示すように上層電極も複数の電極４ｃ０１〜４ｃ１６からなり、その一部は隣接する２つの電極が接続した構造となっている。ここで、下層電極と上層電極は、後述する配線電極に接続するために形成する引出電極部を除き、ほぼ同一の形状とし、中間層電極とは異なる形状としている。

図２に、圧電膜を挟んで図１に示す圧電素子の下層電極、中間層電極及び上層電極を積層形成したＡ−Ａ面の断面図を示す。図２に示すように、支持基板となるシリコン基板１上に、シリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）からなる絶縁膜２を介して、圧電膜３ａ、３ｂが積層形成している。本実施例では、両持ち梁構造とするため、図１に示すように図面横方向に延びるスリット６が形成されている。圧電膜は、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いることができ、その結晶方位（圧電配向）は、積層形成されたそれぞれの圧電膜で同一方向となるように形成している。

このＡ−Ａ面に形成された圧電素子は、圧電膜３ａの裏面側に電極４ａ０１と電極４ａ０２を形成し、電極４ａ０１が引出電極部を介して配線電極５ａに接続している。電極４ａ０２はフローティング状態となっている。また圧電膜３ａの上面側であり圧電膜３ｂの下面側（膜間に相当）には、電極４ｂ０１と電極４ｂ０２を形成し、電極４ｂ０１および電極４ｂ０２はフローティング状態となっている。さらに圧電膜３ｂの上面側には、電極４ｃ０１と電極４ｃ０２を形成し、電極４ｃ０１を配線電極５ａに接続している。電極４ｃ０２はフローティング状態となっている。電極は、モリブデン（Ｍｏ）、プラチナ（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）等の金属薄膜で形成することができる。

このように構成すると、電極４ａ０１、圧電膜３ａ（第１の圧電膜に相当）および電極４ｂ０１が重なり合う領域で圧電素子Ｃ１（第１の圧電素子に相当）が形成される。同様に、電極４ａ０２、圧電膜３ａおよび電極４ｂ０１が重なり合う領域で圧電素子Ｃ２（第２の圧電素子に相当）、電極４ａ０２、圧電膜３ａおよび電極４ｂ０２が重なり合う領域で圧電素子Ｃ３（第３の圧電素子に相当）が、電極４ｃ０１、圧電膜３ｂ（第２の圧電膜に相当）および電極４ｂ０１が重なり合う領域で圧電素子Ｃ４（第４の圧電素子に相当）、電極４ｃ０２、圧電膜３ｂおよび電極４ｂ０１が重なり合う領域で圧電素子Ｃ５（第５の圧電素子に相当）、電極４ｃ０２、圧電膜３ｂおよび電極４ｂ０２が重なり合う領域で圧電素子Ｃ６（第６の圧電素子に相当）が形成される。

その結果、第１の圧電素子Ｃ１と第４の圧電素子Ｃ４とが並列接続し、第２の圧電素子Ｃ２と第３の圧電素子Ｃ３の直列接続と第５の圧電素子Ｃ５と第６の圧電素子Ｃ６の直列接続とが並列接続する構成となり、配線電極５ａと電極４ｂ０２との間に、これら並列接続された圧電素子が直列に接続した構成（第１の列に相当）となる。

ここで、例えば第１の圧電素子Ｃ１と第２の圧電素子Ｃ２は、圧電素子を構成する電極４ｂ０１を共通に使用することで、対向する電極（それぞれ電極４ａ０１、電極４ａ０２）と重なり合っていない電極４ｂ０１の領域（延長部に相当）によって接続している。同様に第４の圧電素子Ｃ４と第５の圧電素子Ｃ５は、圧電素子を構成する電極４ｂ０１を共通に使用することで、対向する電極（それぞれ電極４ｃ０１、電極４ｃ０２）と重なり合っていない電極４ｂ０１の領域（延長部に相当）によって接続している。また第２の圧電素子Ｃ２と第３の圧電素子Ｃ３とは電極４ａ０２により、第５の圧電素子Ｃ５と第６の圧電素子Ｃ６とは電極４ｃ０２により、それぞれ対向する電極と重なり合っていない電極４ａ０２（延長部に相当）によって、あるいは電極４ｃ０２領域（延長部に相当）によってそれぞれ接続している。このような接続とすることで、圧電膜内にスルーホール等の圧電膜の変位に影響を与える接続手段を形成する必要がなくなる。

また図２から明らかなように、第１の圧電素子Ｃ１と第４の圧電素子Ｃ４、第２の圧電素子Ｃ２と第５の圧電素子Ｃ５、第３の圧電素子Ｃ３と第６の圧電素子Ｃ６は、少なくとも各圧電素子を形成する領域においてそれぞれ、電極４ｂ１および電極４ｂ２の厚さ方向の中心を通る面に対し、上下対称となっている。

本発明の圧電素子は、上記第１の列に別の第２の列を構成する圧電素子を接続している。図３に、圧電膜を挟んで図１に示す圧電素子の下層電極、中間層電極及び上層電極を積層形成したＢ−Ｂ面の断面図を示す。このＢ−Ｂ面に形成された圧電素子は、圧電膜３ａの裏面側に電極４ａ０３と電極４ａ０４を形成し、電極４ａ０３を電極４ａ０２に接続している。また圧電膜３ａの上面側であり圧電膜３ｂの下面側（膜間に相当）には、電極４ｂ０３と電極４ｂ０４を形成し、電極４ｂ０３を電極４ｂ０２に接続している。さらに圧電膜３ｂの上面側には、電極４ｃ０３と電極４ｃ０４を形成し、電極４ｃ０３を電極４ｃ０２に接続している。これらの電極は、いずれもフローティング状態となっている。電極は、モリブデン（Ｍｏ）、プラチナ（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）等の金属薄膜で形成することができる。

このように構成すると、電極４ａ０３、圧電膜３ａおよび電極４ｂ０３が重なり合う領域で圧電素子Ｃ７（第７の圧電素子に相当）が形成される。同様に、電極４ａ０４、圧電膜３ａおよび電極４ｂ０３が重なり合う領域で圧電素子Ｃ８（第８の圧電素子に相当）、電極４ａ０４、圧電膜３ａおよび電極４ｂ０４が重なり合う領域で圧電素子Ｃ９（第９の圧電素子に相当）が、電極４ｃ０３、圧電膜３ｂおよび電極４ｂ０３が重なり合う領域で圧電素子Ｃ１０（第１０の圧電素子に相当）、電極４ｃ０４、圧電膜３ｂおよび電極４ｂ０３が重なり合う領域で圧電素子Ｃ１１（第１１の圧電素子に相当）、電極４ｃ０４、圧電膜３ｂおよび電極４ｂ０４が重なり合う領域で圧電素子Ｃ１２（第１２の圧電素子に相当）が形成される。

その結果、第７の圧電素子Ｃ７と第１０の圧電素子Ｃ１０とが並列接続し、第８の圧電素子Ｃ８と第９の圧電素子Ｃ９の直列接続と第１１の圧電素子Ｃ１１と第１２の圧電素子Ｃ１２の直列接続とが並列接続する構成となり、第１の列を構成する電極４ａ０２と電極４ｂ０４との間に、これらの並列接続された圧電素子が直列に接続した構成（第２の列に相当）となる。また、第１の列を構成する圧電素子と第２の列を構成する圧電素子が直列に接続した構成となる。すなわち、配線電極５ａと電極４ｂ０４との間に、並列接続され圧電素子が直列に接続した構成となる。

ここで第２の列を構成する圧電素子でも、例えば第７の圧電素子Ｃ７と第８の圧電素子Ｃ８は、圧電素子を構成する電極４ｂ０３を共通に使用することで、対向する電極（それぞれ電極４ａ０３、電極４ｃ０３）と重なり合っていない電極４ｂ０３の領域（延長部に相当）によって接続している。同様に第８の圧電素子Ｃ８と第９の圧電素子Ｃ９は、圧電素子を構成する電極４ａ０４を共通に使用することで、対向する電極（それぞれ電極４ｂ０３、電極４ｂ０４）と重なり合っていない電極４ａ０４の領域（延長部に相当）によって接続している。また第１０の圧電素子Ｃ１０と第１１の圧電素子Ｃ１１は、圧電素子を構成する電極４ｂ０３を共通に使用することで、対向する電極（それぞれ電極４ｃ０３、電極４ｃ０４）と重なり合っていない電極４ｂ０３の領域（延長部に相当）によって接続している。さらに第１１の圧電素子Ｃ１１と第１２の圧電素子Ｃ１２は、圧電素子を構成する電極４ｃ０４を共通に使用することで、対向する電極（それぞれ電極４ｂ０３、電極４ｂ０４）と重なり合っていない電極４ｃ０４の領域（延長部に相当）によって接続している。このような接続とすることで、圧電膜内にスルーホール等の圧電膜の変位に影響を与える接続手段を形成する必要がなくなる。

また図３から明らかなように、第７の圧電素子Ｃ７と第１０の圧電素子Ｃ１０、第８の圧電素子Ｃ８と第１１の圧電素子Ｃ１１、第９の圧電素子Ｃ９と第１２の圧電素子Ｃ１２は、少なくとも各圧電素子を形成する領域においてそれぞれ、電極４ｂ０３および電極４ｂ０４の厚さ方向の中心を通る面に対し、上下対称となっている。

さらに本発明の圧電素子は、上記第１の列と上記第２の列との直列接続に、さらに別の第１の列で説明した構造の圧電素子と同様の構造を有する圧電素子の列に接続している。図４に、圧電膜を挟んで図１に示す圧電素子の下層電極、中間層電極及び上層電極を積層形成したＣ−Ｃ面の断面図を示す。このＣ−Ｃ面に形成される圧電素子は、先に説明したＡ−Ａ面に形成される圧電素子と配線電極５ａに接続する引出電極部を形成されていないことを除き、同一構造となる。図４では、第１３の圧電素子Ｃ１３が第１の圧電素子に、第１４の圧電素子が第２の圧電素子に、第１５の圧電素子が第３の圧電素子に、第１６の圧電素子が第４の圧電素子に、第１７の圧電素子が第５の圧電素子に、第１８の圧電素子が第６の圧電素子に、それぞれ相当するので、詳細な説明は省略する。

さらにまたＣ−Ｃ面に形成される圧電素子は、先に説明したＢ−Ｂ面に形成される圧電素子と同一構造となる圧電素子の列が接続している。

図５は、圧電膜を挟んで図１に示す圧電素子の下層電極、中間層電極及び上層電極を積層形成したＤ−Ｄ面の断面図を示す。このＤ−Ｄ面に形成される圧電素子は、先に説明したＢ−Ｂ面に形成される圧電素子と配線電極５ｂに接続する引出電極部を形成することを除き、同一構造となるので、詳細な説明は省略する。

以上説明したように本実施例の圧電素子は、シリコン基板１（支持基板）に両端が支持された圧電膜に複数の電極対が形成された両持ち梁構造となり、配線電極５ａ、５ｂ間に複数の圧電素子の列が接続した構造となる。具体的には図６に示すように、第１の列と第２の列との直列の組が４組直列接続した構造となっている。

本発明の圧電素子を音響トランスデューサとして構成する場合、シリコン基板１に形成された空孔７から音響圧力が加わる。音響圧力を受けた圧電膜を含む梁構造は、上方に湾曲変位する。その結果、圧電膜を構成する窒化アルミニウムに引張応力と圧縮応力が発生することになる。

図７は、図２で説明した領域の圧電素子に音響圧力信号が印加され、圧電膜が変位した場合の一例を示している。この場合、２つの変曲点が発生し、圧電膜に対する応力の向きによって３つの領域に分けられる。例えば、領域ａと領域ｃでは下向きの凸状に湾曲変位し、第１の圧電膜３ａには引張応力が、第２の圧電膜３ｂには圧縮応力が発生する。一方、領域ｂでは上向きの凸状に湾曲変位し、第１の圧電膜３ａには圧縮応力が、第２の圧電膜３ｂには引張応力が発生する。

ところで、本実施例の圧電素子は、図２に示すように圧電素子Ｃ１と圧電素子Ｃ４とが並列に接続しており、圧電素子Ｃ２と圧電素子Ｃ３の直列接続と圧電素子Ｃ５と圧電素子Ｃ６の直列接続とが並列に接続している。さらに上下対称な構造としている。そのため、各領域ａ〜ｃそれぞれで発生する電圧は、極性が逆で、同一の値となるため、残留応力や温度変動に起因する同相の電圧は相殺される。

同様に図３に示すように、圧電素子Ｃ７と圧電素子Ｃ１０とが並列に接続しており、圧電素子Ｃ８と圧電素子Ｃ９の直列接続と圧電素子Ｃ１１と圧電素子Ｃ１２の直列接続とが並列に接続している。さらに上下対称な構造としている。そのため、各領域ｃ〜ａそれぞれで発生する電圧は、極性が逆で、同一の値となるため、残留応力や温度変動に起因する同相の電圧は相殺される。

さらにこれらの圧電素子の列が交互に接続されており、図６に示すような接続構造となり、それぞれの領域では、残留応力や温度変動に起因する同相の電圧は相殺されることになる。

その結果、音響圧力信号が印加されることに基づく各領域の出力信号（電圧）は、残留応力や温度変動に起因する信号を含まずに重畳加算され、音響圧力（Ｐ_a）に対する出力電圧（Ｖ_out）の比（Ｖ_out／Ｐ_a）で定義される音響トランスデューサとしての感度の増大を図ることが可能となる。

なお、各電極の大きさ等は信号雑音比を最大化する観点から最適化されることが望ましい。これは配線電極５ａ、５ｂから見た等価的キャパシタの容量をＣ_outとした場合に、この等価的キャパシタに蓄えられるエネルギー（Ｃ_out・Ｖ_out ²／２）を最大化するように各電極の大きさを決めればよい。

具体的には、長方形の両持ち梁の場合の寸法、各圧電膜の膜厚、電極の大きさの一設計例は次のようになる。例えば、入力する信号が人間の音声とし、両持ち梁の共振周波数を２０ｋＨｚとする。また、スマートフォンのような電子機器に搭載することを想定した平面寸法とする。両持ち梁の長さ（図１のスリットの長さに相当）を０．７ｍｍ、幅（図１の上下）を１．４ｍｍとし、８列の電極を形成する。窒化アルミニウムからなる圧電膜３ａ、３ｂの厚さはともに０．５μｍ、モリブデンからなる電極４ａ０１〜４ａ１６、４ｂ０１〜４ｂ１６、４ｃ０１〜４ｃ１６の厚さはいずれも０．１μｍとする。また、スリット６の幅は１μｍとする。その結果、配線電極５ａ、５ｂ間に得られる出力は、約１６ｍＶ／Ｐａとなり、容量型ＭＥＭＳトランスデューサとほぼ等しい値が得られた。なお、各電極の大きさ等は信号雑音比を最大化する観点から最適化されることが望ましく、上記実施例の配置、構造は適宜変更可能である。

次に第２の実施例について説明する。図８は、本発明の第２の実施例の説明図で、差動増幅型の圧電型ＭＥＭＳマイクロフォンを構成するために好適な実施例である。先に説明した第１の実施例と比較して、電極の配置と接続方法が相違している。図８は、上記第１の実施例で説明した図１の相当する図面である。なお図８では、上層電極の平面図は、下層電極の平面図と同一のため省略している。以下、相違点について説明する。

図８に示す電極構造を有する圧電素子は、図１で説明した圧電素子の列の直列接続を２つに分割した構成となっている、また図面上、上下対象となるように電極を配置している。その結果、図９に示すように、配線電極５ａ１と配線電極５ｂ１との間に接続された圧電素子列と、配線電極５ａ２と配線電極５ｂ２との間に接続された圧電素子列とを備えた構成となる。

このように形成した圧電素子は、電極５ａ１と電極５ｂ２をグランド端子とし、電極５ｂ１と電極５ａ２を出力端子とすることで差動型の出力を有する音響トランスデューサとして構成することが可能となる。

なお、各電極の大きさ等は信号雑音比を最大化する観点から最適化されることが望ましい。その結果、電極５ｂ１と電極５ａ２から得られる出力は、それぞれ約９ｍＶ／Ｐａとなり、一般的はＣＭＯＳ技術により形成可能な差動型増幅回路に接続して増幅することが可能となる。

以上、本実施例の圧電素子について説明したが、本発明は、圧電膜として窒化アルミニウムに限定されるものでないことは言うまでもない。表１は、代表的な圧電材料である窒化アルミニウム、窒化スカンジウムアルミニウム（Ａｌ_1-xＳｃ_xＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）について圧電型マイクロフォンの特性に影響を与えるヤング率、横圧電歪係数などの材料定数を比較した表である。

表１に示す信号雑音比に対応する性能指数（ＦＯＭ）は、結合係数（ｋ₃₁ ²）と損失角（ｔａｎδ）の比で表され、その値が大きい程、その値にほぼ比例した形で信号雑音比の向上が期待できる。表１に示すように、酸化亜鉛及びチタン酸ジルコン酸鉛に比べると窒化アルミニウムは６〜４０倍性能指数が大きく、圧電トランスデューサに適した材料であることがわかる。また、窒化アルミニウムにスカンジウムを添加した窒化スカンジウムアルミニウム（Ａｌ_1-xＳｃ_xＮ）は、窒化アルミニウムより横圧電歪係数が向上することが知られており、例えば、スカンジウムの比率を３５％にした場合、性能指数が窒化アルミニウムより７倍程度向上することが期待できる。

さらに上記実施例では、中間層電極を共通電極として使用した例について説明したが、圧電膜間に別の誘電体膜を積層し、中間層電極に相当する電極を別々に構成しても良い。このように構成すると、応力の大きい領域に圧電膜を設けることができるため、等価的なキャパシタに蓄えられるエネルギー（Ｃout・Ｖout²／２）をより大きくすることが可能となり、信号雑音比を増大させることができる。

１：シリコン基板、２：絶縁膜、３a、３ｂ：圧電膜、４ａ０１〜４ａ１６、４ｂ０１〜４ｂ１６、４ｃ０１〜４ｃ１６、５ａ１、５ｂ１、５ａ２、５ｂ２：配線電極、６：スリット、７：空孔

Claims

支持基板に両端が固定された圧電膜と、該圧電膜を挟んで配置する一対の電極とを備えた圧電素子において、
前記圧電膜は、少なくとも第１の圧電膜と第２の圧電膜を含む積層構造からなることと、
前記第１の圧電膜を挟んで配置する前記一対の電極を備えた圧電素子が複数形成されていることと、
前記第２の圧電膜を挟んで配置する前記一対の電極を備えた圧電素子が複数形成されていることと、
前記圧電素子は、少なくとも、第１の列と第２の列とを構成し、
前記第１の列の圧電素子は、前記第１の圧電膜の一部を挟んで配置する前記一対の電極を備えた第１の圧電素子、第２の圧電素子および第３の圧電素子と、前記第２の圧電膜の一部を挟んで配置する前記一対の電極を備えた第４の圧電素子、第５の圧電素子および第６の圧電素子とを備え、前記両端の一端側から他端側へ順に前記第１の圧電素子、前記第２の圧電素子および前記第３の圧電素子が順に並んで配置しているとともに、前記両端の前記一端側から前記他端側へ順に前記第４の圧電素子、前記第５の圧電素子および前記第６の圧電素子が順に並んで配置していることと、
前記第１の圧電素子と前記第４の圧電素子が並列に接続し、前記第２の圧電素子と前記第５の圧電素子が並列に接続し、前記第３の圧電素子と前記第６の圧電素子が並列に接続するとともに、それぞれ並列に接続した圧電素子が直列に接続していることと、
前記第２の列の圧電素子は、前記第１の圧電膜の一部を挟んで配置する前記一対の電極を備えた第７の圧電素子、第８の圧電素子および第９の圧電素子と、前記第２の圧電膜の一部を挟んで配置する前記一対の電極を備えた第１０の圧電素子、第１１の圧電素子および第１２の圧電素子とを備え、前記両端の前記他端側から前記一端側へ順に前記第７の圧電素子、前記第８の圧電素子および前記第９の圧電素子が順に並んで配置しているとともに、前記両端の前記他端側から前記一端側へ順に前記第１０の圧電素子、前記第１１の圧電素子および前記第１２の圧電素子が順に並んで配置していることと、
前記第７の圧電素子と前記第１０の圧電素子が並列に接続し、前記第８の圧電素子と前記第１１の圧電素子が並列に接続し、前記第９の圧電素子と前記第１２の圧電素子が並列に接続するとともに、それぞれ並列に接続した圧電素子が直列に接続していることと、
並列接続した前記第３の圧電素子と前記第６の圧電素子の組と、並列接続した前記第７の圧電素子と前記第１０の圧電素子の組とを直列に接続していることと、
前記第１の圧電素子と前記第４の圧電素子が上下対称に積層形成され、前記第２の圧電素子と前記第５の圧電素子が、前記第３の圧電素子と前記第６の圧電素子が、前記第７の圧電素子と前記第１０の圧電素子が上下対称に積層形成され、前記第８の圧電素子と前記第１１の圧電素子が上下対称に積層形成され、前記第９の圧電素子と前記第１２の圧電素子が上下対称に積層形成されていることを特徴とする圧電素子。
請求項１記載の圧電素子において、
前記第１又は前記第２の列を構成する圧電素子間、および前記第１の列と第２の列間は、前記第１の圧電膜あるいは前記第２の圧電膜の表面、裏面あるいは膜間に配置された前記圧電素子の電極から連続する延長部により接続していることを特徴とする圧電素子。
請求項１又は２いずれか記載の圧電素子において、
前記第１の列の圧電素子の組と前記第２の列の圧電素子の組を交互に複数個接続配置していることを特徴とする圧電素子。
請求項１乃至３いずれか記載の圧電素子において、
振動により前記圧電膜が湾曲変位した場合に、該変位の変曲点により区画される領域毎に、少なくとも前記上下対称に積層形成された前記第１の圧電素子と前記第４の圧電素子と前記第９の圧電素子と前記第１２の圧電素子、前記第２の圧電素子と前記第５の圧電素子と前記第８の圧電素子と前記第１１の圧電素子、前記第３の圧電素子と前記第６の圧電素子と前記第７の圧電素子と前記第１０の圧電素子のいずれかが配置されていることを特徴とする圧電素子。
請求項１乃至４いずれか記載の圧電素子において、
前記圧電膜は、音響圧力によって振動する膜であることを特徴とする圧電素子。