(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、第１の電極層、第１の圧電薄膜層、第２の電極層、第２の圧電薄膜層、第３の電極層の順に積層されて成り、前記第１及び第２の圧電薄膜層は厚み方向に伸縮しないよう束縛されており、前記第１の電極層及び第２の電極層の間に任意の電圧波形を入力し、前記第２の電極層及び第３の電極層の間に増幅された前記任意の電圧波形を出力することを特徴とする、薄膜圧電トランス。
【請求項２】
前記第１乃至第３の電極層が白金とチタンの多層構造により形成されていることを特徴とする、請求項１記載の薄膜圧電トランス。
【請求項３】
前記第１乃至第２の圧電薄膜層がチタン酸ジルコン酸鉛系圧電材料により形成されていることを特徴とする、請求項１記載の薄膜圧電トランス。
【請求項４】
空洞が形成された支持基台上に、振動板、第１の電極層、圧電薄膜層、第２の電極層が形成されて成り、前記第２の電極層は、前記空洞上に位置する圧電薄膜層上に間隔をもって一対に形成されていることを特徴とする、薄膜圧電トランス。
【請求項５】
前記一対に形成される第２の電極層の一方は、前記圧電薄膜層の端面にまたがって形成されていることを特徴とする、請求項４記載の薄膜圧電トランス。
【請求項６】
前記空洞が形成された支持基台が単結晶珪素基板であることを特徴とする、請求項４記載の薄膜圧電トランス。
【請求項７】
前記振動板がジルコニア薄膜により形成されていることを特徴とする、請求項４記載の薄膜圧電トランス。
【請求項８】
前記第１及び第２の電極層が白金とチタンの多層構造により形成されていることを特徴とする、請求項４記載の薄膜圧電トランス。
【請求項９】
前記圧電薄膜層が、チタン酸ジルコン酸鉛系圧電材料により形成されていることを特徴とする、請求項４記載の薄膜圧電トランス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
近年、圧電効果を有するＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）系薄膜及びそれらを用いたマイクロアクチュエーター等のデバイスの研究開発が盛んに行われている。
【０００２】
本発明は、これらの圧電体薄膜を用いた圧電トランスに関するものである。
【０００３】
【従来の技術】
従来の圧電トランスとしては、特開平８−１２５２４７号公報、特開平９−１６２４５６号公報に記載の技術が開示されている。それぞれ実施形態は異なるものの、いずれもバルク圧電セラミックスを用いた技術が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記背景技術においては、以下に述べるような課題を有する。
【０００５】
特開平８−１２５２４７号公報、特開平９−１６２４５６号公報に記載の圧電トランスにおいては、上述の如く、それぞれ実施形態は異なるものの、いずれもバルク圧電セラミックスを用いた技術が開示されている。バルク圧電セラミックスを用いた圧電トランスは、小型化が困難である。例えば、特開平９−１６２４５６号公報記載の圧電トランスは、４０ｍｍ×１０ｍｍ×１．５ｍｍの大きさである。
【０００６】
本発明は上記背景技術の問題点に鑑みてなされたものであり、小型化が容易な圧電トランスを実現することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため、本発明の薄膜積層圧電トランスは、
（１）基板上に、第１の電極層、第１の圧電薄膜層、第２の電極層、第２の圧電薄膜層、第３の電極層の順に積層されて成り、前記第１及び第２の圧電薄膜層は厚み方向に伸縮しないよう束縛されていることを特徴とする。
【０００８】
上記構成によれば、圧電薄膜層を２層形成することにより圧電トランスを構成することができるため、立体的かつ平面的に小型化が可能で、かつ取り出し電荷量の大きな圧電トランスを実現することが可能となる。また、圧電薄膜層を厚み方向に伸縮しないように束縛することにより、直流的な電圧増幅の可能な圧電トランスを実現することが可能となる。
【０００９】
（２）前記第１乃至第３の電極層が白金とチタンの多層構造により形成されていることを特徴とする。
【００１０】
上記構成によれば、それぞれ基板と電極層及び電極層と圧電薄膜層の密着力を向上することが可能となる。
【００１１】
（３）前記第１乃至第２の圧電薄膜層がチタン酸ジルコン酸鉛系圧電材料により形成されていることを特徴とする。
【００１２】
上記構成によれば、大きな電気機械結合定数を持つ圧電材料を圧電薄膜層に用いることにより、大きな電圧増幅率を持つ圧電トランスを実現することが可能となる。
【００１３】
（４）前記第１の電極層及び第２の電極層の間に任意の電圧波形を入力し、前記第２の電極層及び第３の電極層の間に増幅された前記任意の電圧波形を出力することを特徴とする。
【００１４】
上記構成によれば、第１の圧電薄膜層の厚みと第２の圧電薄膜層の厚みの比で、直流的な電圧増幅率を決定することが可能となる。
【００１５】
（５）空洞が形成された支持基台上に、振動板、第１の電極層、圧電薄膜層、第２の電極層が形成されて成り、前記第２の電極層は、前記空洞上に位置する圧電薄膜層上に間隔をもって一対に形成されていることを特徴とする。
【００１６】
上記構成によれば、小型の圧電トランスを形成することが可能となる。
【００１７】
（６）前記一対に形成される第２の電極層の一方は、前記圧電薄膜層の端面にまたがって形成されていることを特徴とする。
【００１８】
上記構成によれば、第２の電極層の間隔を大きくすることができるため、電圧増幅率の大きな薄膜圧電トランスを形成することが可能となる。
【００１９】
（７）前記空洞が形成された支持基台が単結晶珪素基板であることを特徴とする。
【００２０】
上記構成によれば、異方性エッチング等の手段で容易に空洞を形成することが可能となる。
【００２１】
（８）前記振動板がジルコニア薄膜により形成されていることを特徴とする。
【００２２】
上記構成によれば、比較的低残留応力で破壊しにくい振動板を形成することが可能となる。
【００２３】
（９）前記第１及び第２の電極層が白金とチタンの多層構造により形成されていることを特徴とする。
【００２４】
上記構成によれば、それぞれ振動板と電極層及び電極層と圧電薄膜層の密着力を向上することが可能となる。
【００２５】
（１０）前記圧電薄膜層が、チタン酸ジルコン酸鉛系圧電材料により形成されていることを特徴とする。
【００２６】
上記構成によれば、大きな電気機械結合定数を持つ圧電材料を圧電薄膜層に用いることにより、大きな電圧増幅率を持つ圧電トランスを実現することが可能となる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【００２８】
（実施例１）
図１は、本発明の実施例における、積層型薄膜圧電トランスの断面図である。基板１０１上に、第１の電極層１０２、第１の圧電薄膜層１０３、第２の電極層１０４、第２の圧電薄膜層１０５、第３の電極層１０６の順に積層形成されている。第３の電極層１０６の上部からは、圧力Ｐが印加され、第１及び第２の圧電薄膜層１０３及び１０５が厚み方向に伸縮しないように束縛している。
【００２９】
基板１０１としては、熱酸化法で形成した二酸化珪素膜付きの単結晶珪素基板を用いた。その上に第１の電極層として、チタン、白金、チタンの順に３層から成る電極層をスパッタ法で、それぞれ２０ｎｍ、２００ｎｍ、５ｎｍの厚みで形成した。そして、第１の圧電薄膜層１０３として、ジルコン酸鉛５２モル％−チタン酸鉛４８モル％の組成のチタン酸ジルコン酸鉛（以下、ＰＺＴと記す）薄膜を２００ｎｍの厚みで、ゾルゲル法により形成した。更に、第２の電極層１０４として、チタン、白金、チタンの順に３層から成る電極層をスパッタ法で、それぞれ２０ｎｍ、２００ｎｍ、５ｎｍの厚みで形成した。そして、第２の圧電薄膜層１０５として、前記組成のＰＺＴ薄膜をゾルゲル法により、２μｍの厚みに形成した。更に、第３の電極層１０６として、チタン、白金の順に２層から成る電極層をスパッタ法で、それぞれ２０ｎｍ、２００ｎｍの厚みで形成した。
【００３０】
この、積層型薄膜圧電トランスの昇圧動作は、以下のようになる。第２の電極層１０４は、接地電位となっている。まず、第１の圧電薄膜層１０３の膜厚方向に電界Ｅ１がかかった時の、第１の圧電薄膜層１０３における膜厚方向の応力Ｔ１は、圧電ひずみ定数をｄｉｊ、印加電界０の時の弾性コンプライアンスをｓｉｊＥとすると、
Ｔ１＝−（ｄ３３／ｓ３３Ｅ）・Ｅ１    （１）
この積層型薄膜圧電トランスは、上部から束縛されていて、また、充分硬い金属の電極を用いているため、第２の圧電薄膜層にかかる膜厚方向の応力Ｔ２は、
Ｔ２＝Ｔ１    （２）
この時、第２の圧電薄膜層１０５の膜厚方向に発生する電界Ｅ２は、応力０の時の誘電率をεｉｊＴとすると、
Ｅ２＝−（ｄ３３／ε３３Ｔ）・Ｔ２    （３）
（１）、（２）式を（３）式に代入すると、
0003636353.tif 000002
ここで、ｋｉｊは圧電薄膜層の電気機械結合定数である。第１の圧電薄膜層１０３の膜厚方向、即ち第１の電極層１０２と第２の電極層１０４間に印加される電圧をＶ１、第１の圧電薄膜層１０３の膜厚をｔ１とすると、
Ｅ１＝Ｖ１／ｔ１    （５）
また、第２の圧電薄膜層１０５の膜厚方向、即ち第２の電極層１０４及び第３の電極層１０６間に出力される電圧をＶ２、第２の圧電薄膜層１０５の膜厚をｔ２とすると、
Ｅ２＝Ｖ２／ｔ２    （６）
（４）、（５）、（６）式より、
Ｖ２＝ｋ３３２・Ｖ１・ｔ２／ｔ１    （７）
となる。即ち、第１の圧電薄膜層に電圧Ｖ１を印加した場合、第２の圧電薄膜層に出力される電圧Ｖ２は、電気機械結合定数ｋ３３の２乗と、２層の圧電薄膜層の膜厚比に比例する。
【００３１】
本実施例の構成の積層型薄膜圧電トランスは、立体的かつ平面的に小型で、また、出力側にも圧電薄膜による容量を用いているため、取り出し電荷量が大きい。また、静的な圧電効果による圧電薄膜への加圧を用いるため、直流的な電圧増幅が可能である。実際に、本発明者らは、Ｖ１として振幅１０Ｖのパルス波を入力した場合、Ｖ２として振幅４５Ｖのパルス波を得ることができた。（７）式から逆算すると、本実施例の圧電薄膜として用いたＰＺＴ薄膜のｋ３３は、０．６７程度と推定される。
【００３２】
また、上記構成の積層型薄膜圧電トランスは、電極層が白金とチタンの多層構造により形成されているため、それぞれ基板と電極層及び電極層と圧電薄膜層の密着力は充分なものとなっている。また、２層の圧電薄膜層がＰＺＴにより形成されている。ＰＺＴは比較的大きな電気機械結合定数を持つため、大きな電圧増幅率をもつ積層型薄膜圧電トランスが実現された。この、圧電薄膜層に用いる材料は、さらに大きな電気機械結合定数を持つ、マグネシウムニオブ酸鉛（以下、ＰＭＮと記す）を含んだＰＺＴなどの、ＰＺＴ系の圧電材料であってもよい。また、第１の圧電薄膜層１０３に大きな圧力を発生する材料、第２の圧電薄膜層１０５に印加圧力に対し大きな電圧を発生する材料を用いて、積層型薄膜圧電トランスを構成してもよい。
【００３３】
（実施例２）
図２は、本発明の実施例における、ローゼン型圧電トランスを圧電薄膜を用いて構成した薄膜圧電トランスの斜視図である。空洞２０１が形成された支持基台２０２上に、振動板２０３、第１の電極層２０４、圧電薄膜層２０５、第２の電極層２０６及び２０７が形成されている。第２の電極層２０６及び２０７は空洞２０１上に位置する圧電薄膜層上に間隔をもって一対に形成されている。また、第２の電極層２０７は、圧電薄膜層２０５の端面にまたがって形成されている。
【００３４】
基台２０２としては、熱酸化法で形成した二酸化珪素膜付きの単結晶珪素基板を用いた。その上に振動板２０３としてジルコニア薄膜を、金属ジルコニウムをスパッタ法で成膜し、熱酸化することにより５００ｎｍの厚みに形成した。その上に、第１の電極層２０４としてチタン、白金、チタンの順に３層から成る電極層をスパッタ法で、それぞれ２０ｎｍ、２００ｎｍ、５ｎｍの厚みで成膜し、パターニングを行い形成した。そして、圧電薄膜層２０５として、ジルコン酸鉛５２モル％−チタン酸鉛４８モル％の組成のＰＺＴ薄膜を、ゾルゲル法により成膜し、パターニングすることにより形成した。更に、第２の電極層２０６及び２０７として、チタン、白金の順に２層から成る電極層をスパッタ法でそれぞれ２０ｎｍ、２００ｎｍの厚みに成膜し、パターニングすることにより形成した。そして、単結晶珪素基板２０２をドライエッチング法で異方性エッチングすることにより、空洞２０１を形成することにより、ローゼン型薄膜圧電トランスを形成した。
【００３５】
この、ローゼン型薄膜圧電トランスの動作は、Ｋｅｎｊｉ  Ｕｃｈｉｎｏ著Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ  Ａｎｄ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  Ｍｏｔｏｒｓ（Ｋｌｕｗｅｒ  Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ）１９９７年、３０９−３１０ページに記述されているごとく、その電圧増幅率ｒは、以下の式で表される。
【００３６】
ｒ＝（４／π２）・ｋ３１・ｋ３３・Ｑｍ・（Ｌ２／ｔ）・［２・（ｓ３３Ｅ／ｓ１１Ｅ）１／２／｛１＋（ｓ３３Ｄ／ｓ１１Ｅ）１／２｝］
第１の電極層２０４と第２の電極層２０６間に交流電圧を印加し、第１の電極層２０４と第２の電極層２０７間から増幅された電圧が出力される。
【００３７】
ここで、ｋｉｊは圧電薄膜層２０５の電気機械結合定数、Ｑｍは圧電薄膜層２０５の機械的Ｑ、Ｌ２は一対に形成される第２の電極層２０６及び２０７の間隔、ｔは圧電薄膜層２０５の厚み、ｓｉｊＥは電界０の時の弾性コンプライアンス、ｓｉｊＤは電束密度０の時の弾性コンプライアンスである。例えば、ジルコン酸鉛５２モル％−チタン酸鉛４８モル％のＰＺＴの場合、ｋ３１＝０．３１３、ｋ３３＝０．６７０、Ｑｍ＝８６０、ｓ３３Ｅ＝１７．１×１０ー１２ｍ２／Ｎ、ｓ１１Ｅ＝１３．８×１０ー１２ｍ２／Ｎ、ｓ３３Ｄ＝９．３５×１０ー１２ｍ２／Ｎである。Ｌ２＝１μｍ、ｔ＝２００ｎｍの場合、電圧増幅率ｒ＝４５０程度と、非常に大きなものを得ることができる。
【００３８】
本実施例の構成の薄膜圧電トランスは、圧電薄膜を用いているため、立体的かつ平面的に小型のものとなる。例えば、上記実施例の場合、第２の電極層２０６及び２０７の間隔は１μｍである。また、第２の電極層の一方２０７が圧電薄膜層２０５の端面にまたがって形成されることにより、平面的により小さな領域で圧電トランスを構成することができる。また、支持基台２０２に単結晶珪素基板を用いることにより、比較的容易に異方性エッチングして空洞２０１を形成することができる。また、振動板２０３をジルコニア薄膜にて形成することにより、靭性があり破壊しにくい振動板を形成することができる。また、第１の電極層２０４及び第２の電極層２０６及び２０７を白金とチタンの多層構造により形成することにより、それぞれ振動板と第１の電極層、圧電薄膜と第１及び第２の電極層の密着力は充分なものとなっている。また、圧電薄膜層２０５をＰＺＴ薄膜により形成することにより、大きな電気機械結合定数を持った薄膜を形成することが可能となり、大きな電圧増幅率をもつ薄膜圧電トランスを実現することができた。圧電薄膜層２０５に用いる材料は、更に大きな電気機械結合定数を持つ、ＰＭＮを含んだＰＺＴなどの、ＰＺＴ系の圧電材料であってもよい。
【００３９】
【発明の効果】
以上述べたごとく、本発明の積層型薄膜圧電トランスは、圧電薄膜層を２層積層し、厚み方向に伸縮しないように束縛することにより、小型化が容易で、かつ、直流的にも電圧増幅が可能なものとなる。
【００４０】
また、本発明の圧電薄膜を用いたローゼン型圧電トランスは、空洞が形成された支持基台上に圧電薄膜を用いて形成されることにより、小型化が容易で、電圧増幅率の大きなものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例における、積層型薄膜圧電トランスの断面図。
【図２】本発明の実施例における、ローゼン型圧電トランスを圧電薄膜を用いて構成した薄膜圧電トランスの斜視図。
【符号の説明】
１０１  基板
１０２  第１の電極層
１０３  第１の圧電薄膜層
１０４  第２の電極層
１０５  第２の圧電薄膜層
１０６  第３の電極層
【図１】
0003636353.tif 000003
【図２】
0003636353.tif 000004