(57)【要約】      （修正有）【課題】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】圧電素子は、支持基板３（シリコン基板）に支持された圧電膜５ａ、５ｂを所望の形状のスリット１で区画した振動板２を備え、この振動板２の開放端と対向する位置に壁面部９を配置している。この壁面部９は、振動板２の振動状態でもその開放端と対向するように所望の厚さを有している。【選択図】図２
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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固定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を備えた圧電素子において、
前記振動板は、前記圧電膜を貫通するスリットにより区画され、
前記スリットを介して前記振動板の開放端と対向する位置に壁面部が配置されている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、
対向配置する振動板を複数備え、
前記振動板に区画する２つの前記スリット間に、前記スリットを介して前記振動板の開放端と対向する位置にそれぞれ前記壁面部が配置されている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、前記壁面部は、前記支持基板の一部、あるいは前記支持基板の一部と該支持基板上に形成された積層膜からなる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】
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、圧電膜の一端を開放端（自由端）とする片持ち梁構造の振動板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。片持ち梁構造の振動板は、圧電膜に図５に示すような所望の形状のスリット１を形成し、圧電膜の一部を区画して形成している。図５（ａ）では四角形の２枚の振動板２が、図５（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、特許文献１に記載されている。
【０００５】
図６は圧電素子の断面図である。図６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】
このように圧電膜を多層構造とし、さらに複数の振動板から出力を得る構造とすることで、大きな出力信号を得ることができる構造となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第５９３６１５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来の圧電素子の振動板は、スリット１を挟んで対向配置する構造となっているため、圧電膜５ａ、５ｂにスリット１を形成して残留応力を開放すると、振動板に反りが発生し、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。本発明はこのような課題を解決し、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】
【００１０】
上記目的を達成するため、本願請求項１に係る発明は、少なくとも一端が支持基板に固定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を備えた圧電素子において、前記振動板は、前記圧電膜を貫通するスリットにより区画され、前記スリットを介して前記振動板の開放端と対向する位置に壁面部が配置されていることを特徴とする。
【００１１】
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、対向配置する振動板を複数備え、前記振動板に区画する２つの前記スリット間に、前記スリットを介して前記振動板の開放端と対向する位置にそれぞれ前記壁面部が配置されていることを特徴とする。
【００１２】
本願請求項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、前記壁面部は、前記支持基板の一部、あるいは前記支持基板の一部と該支持基板上に形成された積層膜からなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の圧電素子は、圧電膜に反りが発生した場合でも、振動板の開放端が振動する範囲において対向する位置に壁面部を配置するため、スリットの開口幅は、振動板の先端と対向する壁面部との最短寸法となり、従来よりスリットの開口幅の広がりを抑えることができる。
【００１４】
特に振動板が対向配置する構造の従来の圧電素子では、それぞれの振動板の変形によるスリットの開口幅の広がりが加算され大きな特性劣化の原因となっていたが、本発明の圧電素子では、振動板毎に区画するスリットを形成し、スリット毎に壁面部を配置することで、各スリットの開口幅の広がりを抑え、圧電素子の特性劣化の影響を小さくできるという効果がある。
【００１５】
本発明の圧電素子を音響トランスデューサとして使用した場合、残留応力による悪影響を緩和し、音響抵抗を高く維持することができるため、低周波領域の感度低下や信号雑音比の低減を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明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】従来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。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の圧電素子は、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、この振動板の開放端と対向する位置に壁面部を配置している。この壁面部は、振動板の振動状態でもその開放端と対向するように所望の厚さを有している。以下本発明の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。本実施例の圧電素子は、先に従来例で説明したように所望の形状のスリット１を形成し、片持ち梁構造の圧電素子としている。但し、本発明では図１に示すように、振動板２を区画するスリット１は独立した配置となっている。そしてスリット１とスリット１との間に壁面部を備えた突起部１０が配置されている点が相違している。
【００１９】
図２は、本実施例の圧電素子の断面図である。図２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１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１に固定され、他端が開放端（自由端）となる振動板２を構成することになる。
【００２０】
本実施例では、振動板２の先端の開放端は、突起部１０の側面の壁面部９に対向するように配置している。具体的には図２に示すように、壁面部９の高さ方向の寸法（突起部１０の高さ、圧電膜５ｂの表面より上方向に突出する寸法）は、振動状態の振動板２の開放端が壁面部９に対向する高さか、それ以上に設定している。一方、壁面部９の深さ方向の寸法（圧電膜５ａの裏面より下方向に延出する寸法）も振動状態の振動板２の開放端が壁面部９に対向する深さか、それ以上に設定している。このような壁面部９は、一例としてシリコン基板３の一部を残し、このシリコン基板３上に絶縁膜４、圧電膜５ａおよび５ｂが積層し、さらにポリイミド膜等の絶縁膜１１を積層した構造とすることができる。
【００２１】
このように構成することで、振動板２が空孔７と逆方向（上側）に反った場合、振動板２の先端と壁面部９との間の寸法は大きくなるものの、壁面部９は変形しないため、スリット１の開口幅は振動板２の先端と対向する壁面部９との最短寸法となり、当初のスリットの開口幅からの変化はわずかとなる。
【００２２】
同様に、対向するように配置した複数の振動板２のスリット１の開口幅の変化も、それぞれ当初のスリットの開口幅からわずかな変化に留まる。また本実施例のスリット１は独立した構造となっているため、特性劣化の影響は小さい。これは、従来例のようにスリット１を構成する振動板２のそれぞれが開口幅を広げるように変化する結果、スリット１の開口幅の変化が加算され、当初のスリットの開口幅から大きく変化する場合と比較して大きな効果となる。
【００２３】
また、圧電膜５ａ、５ｂが空孔７側に反った場合、あるいはさらに振動板２が振動している場合も、本実施例の当初のスリットの開口幅からの変化はわずかで、スリットの開口幅の変化が加算されることはなく、圧電素子の特性劣化の影響を小さくすることができる。
【００２４】
圧電素子の動作は従来の圧電素子と同様で、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。
【００２５】
本実施例では、突起部１０を配置することで、従来例より振動板２の面積が小さくなる。しかしながら圧電素子の出力として電圧信号を出力可能な領域は、振動板２がシリコン基板３に固定された領域となるため、突起部１０を追加することで、圧電素子の出力信号が小さくなることはない。
【００２６】
なお壁面部９を備えた突起部１０は、必ずしも振動板２のすべての開放端に対向配置する必要はなく、少なくとも残留応力が開放され大きく反り、特性劣化に影響を与える領域に配置すれば良い。
【実施例２】
【００２７】
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、突起部１０の先端の絶縁膜１１の断面形状を矩形とした。このような場合、振動板２の反りが大きい程振動板２の先端と壁面部９との間の寸法が大きくなってしまう。そこで、図３に示すように、絶縁膜１１の断面形状を逆テーパー状にすることで少なくとも振動板２が空孔７と逆側に反った場合に、振動板２の先端と壁面部９との間の寸法の変化をより小さくすることが可能となる。
【００２８】
なお、図３に示す形状の絶縁膜１１は、ポリイミド膜を用いることにより容易に形成することができる。
【実施例３】
【００２９】
次に第３の実施例について説明する。本実施例は、上述の第１の実施例で説明した突起部１０の構造が相違する。具体的には図４に示すように、圧電膜５ａ、５ｂを支持するシリコン基板３より厚いシリコン基板３の一部、絶縁膜４、圧電膜５ａおよび圧電膜５ｂを積層した構造の突起部１０としている。このような構造としても上記第１の実施例同様、壁面部９を形成することができ、圧電素子の特性劣化を抑えることができる。
【００３０】
なお、本実施例の突起部１０は、突起部１０の形成予定領域を除き、シリコン基板３表面を除去したシリコン基板３を用いることで、上記第１の実施例同様、通常の圧電素子の製造工程に従い形成することが可能である。
【００３１】
以上本発明について説明したが本発明はこれらに限定されるものでないことは言うまでもない。例えば、突起部１０を構成するシリコン基板３を全て残し、壁面部９の深さ方向の寸法を振動状態の振動板２の開放端が壁面部９に対向する深さ以上に大幅に延出する構造としているが、必要な長さのシリコン基板３の一部を残す構造としてもよい。また、突起部１０の構成は、実施例で説明した構成に限定されず、適宜選定することができる。本発明が適用可能な圧電素子は、上記実施例で説明した多層構造の圧電膜（５ａ、５ｂ）に限るものでもない。
【符号の説明】
【００３２】
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：壁面部、１０：突起部、１１：絶縁膜
【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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