(57)【要約】      （修正有）【課題】圧電膜の残留応力の影響を抑制するとともに、高感度で信号雑音比を改善した圧電素子を提供する。【解決手段】支持基板３に支持された圧電膜５ａ，５ｂからなる振動板２と、圧電膜を貫通し該圧電膜を振動板として区画するスリット１で区画した振動板２とを備え、スリット内にイオン液体１１を充填する。イオン液体は、圧電膜の振動に追従してスリットを塞ぐ状態を保つことができ、特性劣化のない圧電素子を構成することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一端が支持基板に支持された圧電膜からなる振動板と、前記圧電膜を挟んで配置する一対の電極と、前記圧電膜を貫通し該圧電膜を前記振動板として区画するスリットとを備えた圧電素子において、
前記スリット内にイオン液体を充填したことを特徴とする圧電素子。
【請求項２】
請求項１記載の圧電素子において、
前記スリットに沿ってダム部を配置し、該ダム部で挟まれた前記スリット内、あるいは前記ダム部で囲まれた前記スリット内にイオン液体を充填したことを特徴とする圧電素子。
【請求項３】
請求項１または２いずれか記載の圧電素子において、
前記スリットの対向する側面に連通する液溜を配置し、該液溜を含む前記スリット内にイオン液体を充填したことを特徴とする圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電素子に関し、特に高感度、低雑音となる圧電型ＭＥＭＳマイクロフォン等に利用可能な圧電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
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 Systems）技術を用いたマイクロフォンが多く使われている。さらに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。
【０００３】
この種のＭＥＭＳ素子の多くは、音響圧力等による振動板の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。
【０００４】
従来の圧電素子は、圧電膜に図６に示すような所望の形状のスリット１を形成して片持ち梁構造の振動板を形成している。図６（ａ）では四角形の２枚の振動板２が、図６（ｂ）では三角形の４枚の振動板２が形成されている。この種の圧電素子は、例えば特許文献１に開示されている。
【０００５】
図７は圧電素子の断面図である。図７に示すように支持基板となるシリコン基板３上に絶縁膜４を介して多層構造の圧電膜５ａ、５ｂが支持固定され、圧電膜５ａは電極６ａと電極６ｂにより、圧電膜５ｂは電極６ｂと電極６ｃによりそれぞれ挟み込まれた構造となっている。シリコン基板３には空孔７が形成されており、スリット１により区画された圧電膜および電極は、一端がシリコン基板３に固定され、他端が開放端となる振動板２を構成している。
【０００６】
このような圧電素子では、振動板２が音響圧力等を受けると圧電膜５ａが歪み、その内部に分極が起こり、電極６ａに接続する配線金属８ａと、電極６ｂに接続する配線金属８ｂ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５ｂが歪むとその内部に分極が起こり、電極６ｃに接続する配線金属８ａと、電極６ｂに接続する配線金属８ｂから電圧信号を取り出すことが可能となる。
【０００７】
ところで、このような片持ち梁構造の圧電膜は、残留応力が解放され反りが生じ、スリット１の開口幅が広がってしまう。このような反りによりスリットの開口幅が設計値以上となった状態の圧電素子をマイクロフォンとして使用すると、音響抵抗が低下し、低周波感度低下等の特性劣化を招いてしまう。
【０００８】
そこで本願出願人は、図８に示すように振動板上に薄膜９を積層形成した圧電素子を提案した（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第５９３６１５４号公報
【特許文献２】特開２０１８−１３７２９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本願出願人が先に提案した圧電素子は、薄膜９を備える構造とすることで圧電膜の残留応力に起因するスリット１の開口幅の広がりと、それに伴う特性劣化を抑制することができる。しかしながら、その製造工程においては、スリット１を形成した後、そのスリット１に連通するように薄膜９の開口を形成するため、製造工程のばらつき（位置合わせのずれ）を考慮し、薄膜９の開口幅をスリット１の開口幅より広く形成してしまうと、薄膜９は振動板の弾性係数を大きくすることにより振動板の変形を抑制するという効果は得られるものの、薄膜９を形成しても振動板の変形が完全に抑えられない場合には、スリット１の開口幅が設計値以上となってしまう。このような圧電素子をマイクロフォンとして使用した場合に、音響抵抗を低下させ、低周波感度低下等の特性劣化を完全に抑制することができなかった。本発明はこのような課題を解決し、圧電膜の残留応力の影響を抑制するとともに、高感度で信号雑音比を改善した圧電素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、少なくとも一端が支持基板に支持された圧電膜からなる振動板と、前記圧電膜を挟んで配置する一対の電極と、前記圧電膜を貫通し該圧電膜を前記振動板として区画するスリットとを備えた圧電素子において、前記スリット内にイオン液体を充填したことを特徴とする。
【００１２】
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、前記スリットに沿ってダム部を配置し、該ダム部で挟まれた前記スリット内、あるいは前記ダム部で囲まれた前記スリット内にイオン液体を充填したことを特徴とする。
【００１３】
請求項３に係る発明は、請求項１または２いずれか記載の圧電素子において、前記スリットの対向する側面に連通する液溜を配置し、該液溜を含む前記スリット内にイオン液体を充填したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の圧電素子は、スリット内にイオン液体を充填させることで、圧電膜の振動に追従して変形するイオン液体によりスリットを塞いだ状態を保つことができ、所望の特性の圧電素子を提供することが可能となる。
【００１５】
スリットに沿って配置したダム部で囲まれた領域にイオン液体を充填することで、確実にスリットを塞ぐことが可能となる。また、スリットに連通する液溜を配置し、この液溜を含むスリット内にイオン液体を充填することでも、確実にスリットを塞ぐことが可能となる。また、スリットの一部をイオン液体を充填しない空隙としても、圧電素子の特性改善を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施例の圧電素子の説明図である。
【図２】本発明の第１の実施例の圧電素子の説明図である。
【図３】本発明の第２の実施例の圧電素子の説明図である。
【図４】本発明の第３の実施例の圧電素子の説明図である。
【図５】本発明の第４の実施例の圧電素子の説明図である。
【図６】従来の圧電素子の説明図である。
【図７】従来の圧電素子の説明図である。
【図８】従来の別の圧電素子の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明に係る圧電素子は、支持基板に支持された圧電膜を所望の形状のスリットで区画した振動板を備え、スリット内にイオン液体を充填した構成としている。イオン液体は、圧電膜の振動に追従してスリットを塞ぐ状態を保つことができ、特性劣化のない圧電素子を構成することができる。イオン液体は、スリット上にイオン液体を滴下することでスリット内に充填することができる。また、スリットとその近傍の形状を種々変更することで、スリット内へのイオン液体の充填を簡便にすることができる。以下、スリットとその近傍の形状を変更した実施例について詳細に説明する。
【実施例１】
【００１８】
本発明の第１の実施例について説明する。本発明の圧電素子は、先に従来例で説明した図６に示すような所望の形状のスリット１を形成して、片持ち梁構造の圧電素子としている。さらに本発明は、スリット１上からスリット１内にイオン液体を滴下することでスリット１内にイオン液体を充填するため、ダム部１０を備えた構成としている。
【００１９】
図１は、本実施例の圧電素子の断面図である。図１に示すように、支持基板となるシリコン基板３上に絶縁膜４を介して多層構造の圧電膜５ａ、５ｂが支持固定され、圧電膜５ａは電極６ａと電極６ｂにより、圧電膜５ｂは電極６ｂと電極６ｃによりそれぞれ挟み込まれた構造となっている。シリコン基板３には空孔７が形成されているので、スリット１により区画された圧電膜および電極は、一端がシリコン基板３に固定され、他端が開放端となる振動板２を構成することになる。
【００２０】
このような圧電素子では、振動板２が音響圧力等を受けて変位すると圧電膜５ａが歪み、その内部に分極が起こり、電極６ａに接続する配線金属８ａと、電極６ｂに接続する配線金属８ｂ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５ｂが歪むとその内部に分極が起こり、電極６ｃに接続する配線金属８ａと、電極６ｂに接続する配線金属８ｂから電圧信号を取り出すことが可能となる。
【００２１】
ここで本実施例では、スリット１に沿って圧電膜上にダム部１０を配置している。図１に示すようにダム部１０は、内部にイオン液体１１が充填できる程度の高さに設定されている。
【００２２】
ダム部１０は、図２に示すように配置することができる。図２（ａ）に示す圧電素子は、四角形の２枚の振動板２を形成するスリット１の周囲にダム部１０を配置し、その内側にイオン液体１１を充填した構造となっている。また図２（ｂ）に示す圧電素子は、三角形の４枚の振動板２を形成するスリット１の周囲にダム部１０を配置し、その内側にイオン液体１１を充填した構造となっている。
【００２３】
スリット１に充填されるイオン液体は、不揮発性、難燃性、高耐熱性を有している。イオン液体は、構成するカチオンとアニオンにより所望の粘度とすることができる。またイオン液体を含む混合液として、スリット内に充填するのに好適な特性に調整することも可能である。スリット１内に充填されたイオン液体は、振動板２の動きに追従して変形し、スリット１を塞いだ状態に保つことができる。
【００２４】
図２に示すようにスリット１全体をイオン液体１１で塞ぐ構成とすると、スリット１の幅が変動することに起因する特性変動等がなくなる。このような圧電素子をマイクロフォンとして使用した場合、音響抵抗の低下や低周波感度低下等の特性劣化のないマイクロフォンを構成でき好ましい。
【実施例２】
【００２５】
次に第２の実施例について説明する。上述の第１の実施例では、スリット１の周囲全体を囲むようにダム部１０を形成した例を説明した。しかしながらスリット１を完全に塞がない構造であっても、圧電素子の特性改善を図ることができる。例えば図３に示すようにダム部１０をスリット１の一部を残して配置することも可能である。図３（ａ）に示す圧電素子は、四角形の２枚の振動板２を形成するスリット１のうち、図面上下方向に延出するスリット１を挟んで両端にダム部１０を配置し、その内側のみにイオン液体１１を充填した構造となっている。この場合、図面左右方向に延出するスリット１にはイオン液体が充填されておらず、空隙１２が残ることになる。また図３（ｂ）に示す圧電素子は、三角形の４枚の振動板２を形成するスリット１を挟んで両端にダム部１０を配置し、その内側のみにイオン液体１１を充填する構造となっている。この場合、スリット１の端部にはイオン液体が充填されておらず、空隙１２が残ることになる。
【００２６】
スリット１に空隙１２を残すように充填されるため、イオン液体あるいはイオン液体を含む混合液は適宜選択あるいは調整すれば良い。
【００２７】
図３に示すようにスリット１をイオン液体１１で塞ぐ構成とすると、スリット１の幅が変動することに起因する特性変動等が抑制される。このような圧電素子をマイクロフォンとして使用した場合、音響抵抗の低下や低周波感度低下等の特性劣化を抑制したマイクロフォンを構成でき好ましい。特に本実施例では空隙１２を備える構成とすることができ、この空隙１２をベントホールとして機能させることができる。
【実施例３】
【００２８】
次に第３の実施例について説明する。図４は、本実施例の圧電素子の断面図である。図４に示すようにスリット１内へ充填されるイオン液体１１の量を多くするため、スリット１に液溜１３を配置することも可能である。この液溜１３は、振動板２の間に形成することができる。例えば一例として、圧電膜５ａを形成した後、一部を除去し液溜形成予定領域に犠牲膜を形成し、この犠牲膜上に圧電膜５ｂを形成する。スリット１を形成した後、犠牲膜を選択的に除去すれば、液溜１３を形成することができる。あるいは圧電膜５ａの一部を除去することなく、犠牲層を形成し、その後除去しても良い。
【００２９】
本実施例の液溜１３は、振動板２の内部に、スリット１に連通するように形成することができ、第１の実施例のダム部の配置のようにスリット１全体に形成したり、第２の実施例のダム部の配置のようにスリット１の一部に形成したりすることができる。あるいは独立した液溜１３を複数形成する構成とすることもできる。
【００３０】
このような液溜１３を配置することで、スリット１内に留まるイオン液体１１の量を多くすることができ、振動板２の大きな動きに対しても追従して変形し、スリット１を塞いだ状態を保つことが可能となる。
【実施例４】
【００３１】
次の第４の実施例について説明する。図５は、本実施例の圧電素子の断面図である。図５に示すようにスリット１内へのイオン液体１１の充填を簡便にするため、スリット１に形成する液溜１３を振動板２の表面に配置することも可能である。この液溜１３は、振動板２の表面の一部を除去することで形成することができる。例えば一例として、圧電膜５ｂを形成した後、表面の一部を除去し液溜１３を形成した後、スリット１を形成すれば良い。あるいはスリット１を形成した後、液溜１３を形成しても良い。
【００３２】
本実施例の液溜１３も、スリット１に連通するように形成することができ、第１の実施例のダム部の配置のようにスリット１全体に形成したり、第２の実施例のダム部の配置のようにスリット１の一部に形成したりすることができる。あるいは独立した液溜１３を複数形成する構成とすることもできる。
【００３３】
このような液溜１３を配置することで、スリット１内に留まるイオン液体１１の量を多くすることができ、振動板２の大きな動きに対しても追従して変形し、スリット１を塞いだ状態を保つことが可能となる。
【００３４】
以上本発明の実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではない。例えば、ダム部と液溜とを両方備える構成としても良い。
【符号の説明】
【００３５】
１： スリット、２：振動板、３：シリコン基板、４：絶縁膜、５ａ、５ｂ：圧電膜、６ａ、６ｂ、６ｃ：電極、７：空孔、８ａ、８ｂ：配線金属、９：薄膜、１０：ダム部、１１：イオン液体、１２：空隙、１３：液溜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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