(57)【要約】【課題】片持ち梁構造の振動板を採用する場合に、各振動板間又は振動板−基板間のギャップによって生じる特性の劣化を解消し、信号雑音比を改善した高感度の量産性に適した圧電素子を得る。【解決手段】圧電薄膜７ａ，７ｂ及び電極薄膜８を含む振動板（１２，１４）を備え、この振動板の一端が基板１に支持されてなる片持ち梁の圧電型ＭＥＭＳマイクロフォンで、振動板の開放端側領域IIを、支持端側領域Ｉより厚くすることにより、振動板の開放端側領域IIの弾性係数を、支持端側領域Ｉの弾性係数より大きくする。また、振動板の領域Ｉに開孔を設けたり、振動板の領域IIの材料の弾性係数を領域Ｉの材料の弾性係数より大きくしたりすることで、開放端側振動板の弾性係数を大きくしてもよい。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電薄膜及びこの圧電薄膜を挟んで配置された一対の電極を含む振動板を備え、この振動板の一端が基板に支持されてなる圧電素子において、
上記振動板の開放端側の弾性係数を、該振動板の支持端側の弾性係数より大きくしたことを特徴とする圧電素子。
【請求項２】
上記振動板の開放端側を上記支持端側より厚くすることにより、上記振動板の開放端側の弾性係数を大きくしたことを特徴とする請求項１記載の圧電素子。
【請求項３】
上記振動板の支持端側に開孔を設けることにより、上記振動板の開放端側の弾性係数を大きくしたことを特徴とする請求項１又は２記載の圧電素子。
【請求項４】
上記振動板の開放端側を構成する材料の弾性係数を、上記支持端側を構成する材料の弾性係数より大きくすることにより、上記振動板の開放端側の弾性係数を大きくしたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の圧電素子。
【請求項５】
上記振動板は、音響圧力によって振動する振動板であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電素子、特に高感度・低雑音となる圧電型ＭＥＭＳマイクロフォン等の圧電素子の構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、巨大な需要のあるスマートフォンには、小型で薄くかつハンダフロー時の高温処理耐性を有するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）が多く使われている。その大部分は、音響圧力による振動板の振動変位を対向する固定板との間の容量の変化を電圧変化に変換して出力する容量型ＭＥＭＳマイクロフォン（音響トランスデューサ）である。しかし、この容量型は、振動板と固定板との隙間の空気の流動で生じる音響的抵抗のために、信号雑音比を改善することが困難になりつつある。そこで注目されているのが、圧電薄膜が用いられ基本的に単一となる振動板の歪により、音響振動を電圧変化として取り出す圧電型ＭＥＭＳマイクロフォンである。
【０００３】
この圧電型ＭＥＭＳマイクロフォンとしては、例えば図８，図９に示されるような片持ち梁構造のものがあり、図８は四角形振動板を持つマイクロフォン、図９は三角形振動板を持つマイクロフォンである。
図８において、符号２は基板に一端が支持され圧電薄膜を有する振動板、３は基板の中央部に開けられた空孔であり、この振動板２は、その一端が基板の空孔３の図の左右端に支持される形で、２つ設けられる。従って、このマイクロフォンの２つの振動板２は、四角形の３辺において開放され、１辺が基板に支持された状態の片持ち梁構造となる。
【０００４】
図９において、符号４は、三角形の振動板であり、この振動板４は、その一端が基板の空孔３の左右端及び上下端に支持される形で、４つ設けられる。従って、このマイクロフォンの４つの振動板４は、三角形の２辺において開放され、１辺がシリコン基板に支持された状態の片持ち梁構造となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第５７０７３２３号公報
【特許文献２】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】
【０００６】
しかしながら、上記圧電型ＭＥＭＳマイクロフォンでは、片持ち梁構造を採用することによって、容量型ＭＥＭＳマイクロフォンに相当する感度や信号雑音比が得られているが、それ以上の特性向上を図るまでには至っていない。
上記片持ち梁構造のマイクロフォンでは、図８において、２つの振動板２の間と振動板−基板間にギャップ（ｇ）があり、図９において、４つの振動板４のそれぞれの間にギャップ（ｇ）があり、これらのギャップを介して音響圧力信号が漏れるために、振動板２，４に対する音響インピーダンスと並列に入るギャップ部分の音響抵抗が小さくなる。このギャップ音響抵抗の低下は、低周波ロールオフ周波数の増大、つまり低周波数での感度劣化をもたらすという不都合があり、更には、信号雑音比を劣化させる要因ともなっている。
【０００７】
図９の三角形の振動板４では、４つのそれぞれの先端が一箇所に集まるような構造を採用することにより、ギャップに起因する問題がある程度改善されるが、十分ではない。
また、このギャップ（ｇ）の幅は、製作時の加工精度と振動板２，４を構成する薄膜の残留応力の面内均一性によって決まり、例えばギャップを挟んで相対する開放端が高さ方向に変形してギャップの幅が広がること等が生じ、量産レベルでマイクロフォンの特性に影響のない範囲に抑えることは容易ではない。
上記のような問題点は、圧電型マイクロフォン以外でも圧力、振動、変位等を扱うデバイスに使用される他の圧電素子において同様に生じる。
【０００８】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、片持ち梁構造の振動板を採用する場合に、各振動板間又は振動板−基板間のギャップによって生じる特性の劣化を解消し、信号雑音比を改善した高感度の量産性に適した圧電素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、圧電薄膜及びこの圧電薄膜を挟んで配置された一対の電極を含む振動板を備え、この振動板の一端が基板に支持されてなる圧電素子において、上記振動板の開放端側の弾性係数を、該振動板の支持端側の弾性係数より大きくしたことを特徴とする。
請求項２の発明は、上記振動板の開放端側を上記支持端側より厚くすることにより、上記振動板の開放端側の弾性係数を大きくしたことを特徴とする。
請求項３の発明は、上記振動板の支持端側に開孔を設けることにより、上記振動板の開放端側の弾性係数を大きくしたことを特徴とする。
請求項４の発明は、上記振動板の開放端側を構成する材料の弾性係数を、上記支持端側を構成する材料の弾性係数より大きくすることにより、上記振動板の開放端側の弾性係数を大きくしたことを特徴とする。
請求項５の発明の上記振動板は、音響圧力によって振動する振動板であることを特徴とする。
【００１０】
以上の構成によれば、振動板の一端が基板に支持された片持ち梁構造において、開放端側の振動板を支持端側より厚くすること等により、振動板の支持端側の弾性係数に対して開放端側の弾性係数を大きくしたので、ギャップによる音響抵抗の低下が小さくなる。
特に、製造における残留応力による変形も問題であり、隣接する振動板同士又は振動板と基板のギャップの幅は、支持固定端から離れる程、つまり振動板の開放端へ行く程大きくなるが、本発明では、この開放端側の弾性係数を大きくするので、残留応力に起因して変形の大きくなる開放端間のギャップの広がりやバラツキが効果的に抑制される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、片持ち構造の振動板を採用する場合に、各振動板間又は振動板−基板間のギャップによって生じる音響抵抗の低下を抑えることができ、これによって制限される低周波ロールオフ周波数の増大、つまり低周波数での感度劣化を効果的に抑制することが可能となる。また、ギャップ音響抵抗の低下による信号雑音比の劣化が抑制され、高感度の量産性に適した圧電素子、圧電型ＭＥＭＳマイクロフォンが得られるという効果がある。
更に、量産製造時の残留応力によるギャップ幅の広がりに伴う特性劣化が解消されると共に、加工精度と振動板を構成する薄膜の残留応力の面内均一性に対する要求条件が緩和されることにより、製造歩留まりの向上も期待できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例に係る圧電型マイクロフォンの四角形振動板タイプの概略構成を示す平面図である。
【図２】実施例に係る圧電型マイクロフォンの三角形振動板タイプの概略構成を示す平面図である。
【図３】第１実施例の圧電型マイクロフォンの構成を示す断面図である。
【図４】第２実施例の圧電型マイクロフォンの構成を示す平面図である。
【図５】第３実施例の圧電型マイクロフォンの構成を示す断面図である。
【図６】実施例における最大応力等のシミュレーション値を従来と比較して示したグラフ図である。
【図７】実施例における規格化されたギャップ音響抵抗軸を示すグラフ図である。
【図８】従来の圧電型マイクロフォンの四角形振動板タイプの概略構成を示す平面図である。
【図９】従来の圧電型マイクロフォンの三角形振動板タイプの概略構成を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１に、実施例の圧電型ＭＥＭＳマイクロフォンの四角形振動板タイプ、図２に、三角形振動板タイプの概略が示されており、符号１２は圧電薄膜を有し中央で２つに分割された振動板、３は基板に開けられた空孔である。この図１のマイクロフォンの２つの振動板１２は、四角形の３辺において開放され、１辺（支持端）が基板に支持された状態の片持ち梁構造である。
また、図２の符号１４は、四角形を対角線で分離した三角形の振動板であり、この振動板１４は、その一端が基板の空孔３の左右端及び上下端に支持される形で、４つ設けられており、このマイクロフォンの４つの振動板１４は、三角形の２辺において開放され、１辺（支持端）が基板に支持された状態の片持ち梁構造である。
【００１４】
図３に、第１実施例の圧電型ＭＥＭＳマイクロフォンの断面の構成（この図３は概念図であり、厚さ方向の縮尺と横方向の縮尺は異なっている）が示されている。符号1はシリコン（Ｓｉ）からなる基板であり、上述した振動板１２，１４は、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）からなる絶縁膜６を挟んで基板１上に作製される。図３において、符号７ａは、下層の圧電薄膜、７ｂは上層の圧電薄膜、８は電極薄膜、９は配線電極、１５は付加薄膜であり、これらによって振動板１２，１４が構成される。上記圧電薄膜７ａ，７ｂは、窒化アルミニウム等、電極薄膜８はモリブデン（Ｍｏ）等からなり、圧電薄膜７ａ，７ｂは３層の電極薄膜８で上下に挟まれる。なお、各電極薄膜８は、各層の電極薄膜８毎に図示しない接続手段により、それぞれ接続されている。
【００１５】
ここで、圧電型マイクロフォンの基本的な動作原理を説明する。
例えば、図３（或いは図５）の下方の基板１に開けられた空孔３から音響圧力（説明のため準直流的圧力を考える）が加わったときには、圧電薄膜７ａ，７ｂを含む振動板１２，１４は上方に湾曲変位する。その結果、下層の圧電薄膜７ａには引張応力が、上層の圧電薄膜７ｂには圧縮応力が発生する。２層の圧電薄膜の圧電性を示す結晶配向を薄膜の延伸方向に垂直で同一向き（例えば図５で上向き）とすると、横圧電効果によって、下層の圧電薄膜７ａと上層の圧電薄膜７ｂに極性の異なる電圧が発生し、３層の電極薄膜８とそれに接続した配線電極９によって外部に取り出すことができる。そして、音響圧力によって発生する応力は、振動板（又は梁）１２，１４の支持端に近づく程大きく、その先端では、開放端であるため応力は開放されて０となる。従って、電極薄膜８は応力の大きい振動板１２，１４の支持端近傍にのみ支持端から延伸させ、その延伸長を、音響圧力によって電極薄膜８間に発生させる信号エネルギー（電圧の自乗×静電容量／２）を最大化するように設定することで、マイクロフォンとしての信号雑音比を最大化することができる。
【００１６】
音響圧力以外に、振動板（梁）１２，１４を構成する圧電薄膜等の薄膜の残留応力の製造上の意図的或いは意図しないアンバランスによっても振動板（梁）１２，１４は変形する。例えば、上層の圧電薄膜７ｂに対して下層の圧電薄膜７ａの圧縮応力がより大きい場合には、振動板１２，１４は上向きに変形する。そのため、振動板−支持基板間のギャップ（ｇ）は実質的に大きくなる。また、残留応力の製造上の意図しない不均一性によって、隣接振動板間の変形の大きさは異なり、その結果として隣接振動板間のギャップ（ｇ）も実効的に大きくなる。当然のことながら、振動板１２，１４の先端程、残留応力による変形は大きい。ギャップ音響抵抗はギャップの幅の３乗に反比例して低下することが知られている。低周波感度の劣化を示す低周波ロールオフ周波数はギャップ抵抗に反比例して大きく、つまりギャップの３乗に比例して大きくなる。
【００１７】
そこで、振動板１２，１４において信号を取り出す領域と変形の大きな領域が異なることを利用し、実施例では、図１，図２に示されるように、片持ち梁構造の支持端側の領域Ｉと支持端の対極にある開放端（先端）側の領域IIを設定し、支持端側の領域Ｉに対し変形の大きい領域IIの弾性係数（弾性率）を実質的に異なる値にすることによって、信号エネルギーとギャップを最適化するようにしている。後述の実施例に示されるように、信号を取り出す領域Ｉは相対的に曲がり易く（実効的弾性率を相対的に小さく）して音響信号による応力を大きく保ち、ギャップに悪影響を与える領域IIは湾曲しづらく（実効的弾性係数を相対的に大きく〕することにより、両者の最適化を図ることが可能となる。
【００１８】
まず、図３の第１実施例では、振動板１２，１４に上述のように付加薄膜１５を形成し、領域IIの膜厚を領域Ｉの膜厚より厚くすることにより、領域IIの実効的な弾性係数を増大させる。湾曲のバネ定数は、振動板１２，１４を構成する薄膜の２次モーメント、つまり膜厚の３乗に比例して増大する。仮に、領域Ｉと領域IIの膜厚が等しいとすると、弾性係数が膜厚比の３乗（同じ材料を仮定した場合）に比例して増大したことと等価である。第１実施例では、領域IIの上層圧電薄膜７ｂの上に、付加薄膜１５を堆積加工することにより、上記弾性係数の増大を実現している。このようにして、製造時の残留応力によるギャップ（ｇ）の広がりをなくすと共に、ギャップの音響抵抗を大きくすることができる。
【００１９】
図６には、ギャップ音響抵抗の増大を試算した結果が示されており、これは、図２に示すような三角形の片持ち梁構造の振動板１４について、振動板１４の長さに対する厚膜の領域IIの長さを変数にして、領域IIがない場合を基準（値１．０）とし、最大応力、共振周波数及び残留応力による変形がどのように変化するかについて、３次元シミュレーター等を使って計算したものである。なお、振動板１４を構成する材料は同一とし、領域IIの膜厚を領域Ｉの膜厚の２倍の厚さにしている。領域IIの長さが長くなるにつれて期待通り残留応力による変形は減少する結果となった。但し、振動板１４の支持端付近の最大応力は漸減し、共振周波数は最初は付加薄膜１５の質量効果によって下がるが、領域IIの長さが長くなると厚膜化によって全体のバネ定数が大きくなり共振周波数が逆に高くなるとの特性を示す。
【００２０】
ところで、領域Ｉの膜厚を一定に保った状態で、出力電圧に相当する最大応力やギャップ音響抵抗に相当するギャップの変化を比較することは必ずしも適当でない。実用上は、共振周波数を一定に保ち（音声の場合は２０ｋＨｚ程度）、かつ信号雑音比を表す電極薄膜間の信号エネルギーとギャップ音響抵抗に相当するギャップの幅の３乗を規格化して比較するのが好ましい。共振数周波数は、領域Ｉと領域IIの膜厚比を一定に保ったまま、領域Ｉの膜厚を調整することによって領域IIの長さの比率に関わらず一定に保つことが可能である。その上で、ギャップ音響抵抗と信号雑音比の積を性能指数（規格化された音響抵抗）として計算し、領域IIの長さの比率に対してプロットしたものが図７に示されている。図６と同様に、領域IIがない場合を基準（値１）とした。この性能指数は領域IIの長さの割合が０．５を超えた辺りから増加し始め、０．７で略３となる。ギャップ音響抵抗をいたずらに大きくする必要はないので、実用上は領域IIの長さの比率を０．６〜０．８程度とすればよい。
【００２１】
以上のように、第１実施例では、領域IIの膜厚を厚くすることによって、実効的な弾性係数を大きくし、残留応力によるギャップの広がり、ギャップ音響抵抗の低下を抑制することができ、低周波数でのロールオフ周波数の増大が抑えられ、信号雑音比を高く保つと共に、量産時のバラツキを抑制することも可能となる。
【００２２】
以下に、図２の三角形振動板タイプの設計例を示す。各支持端の長さは９００μｍで、圧電薄膜７ａ、７ｂとしてそれぞれ０．６μｍで２層の窒化アルミニウム薄膜を用い、電極薄膜８にはそれぞれ厚さ５０ｎｍのモリブデン薄膜を用いる。付加薄膜１５としては、膜厚１．２μｍの窒化アルミニウムを用い、領域IIの長さをそれぞれ３６０μｍとする。薄膜は全てスパッタリング法にて堆積させる。また、ギャップ（ｇ）のパターン幅（残留応力がない場合のギャップの幅）を０．６μｍとする。これにより、共振周波数は約２０ｋＨｚ、ロールオフ周波数は１００Ｈｚ以下にすることができる。但し、残留応力の隣接振動板間のバラツキは２０ＭＰａ程度に抑える必要があるが、これは現状の製造技術で十分達成可能である。なお、圧電薄膜７ａ，７ｂとして、窒化アルミニウムに代えてスカンジウムを添加した横圧電歪係数の大きな窒化スカンジウムアルミニウム（Ａｌ１−ｘＳｃｘＮ）を用いれば、性能はさらに向上する。なお、電極薄膜８の材料は、モリブデン薄膜以外に、プラチナ（Ｐｔ）薄膜、チタン（Ｔｉ）膜膜、イリジウム（Ｉｒ）薄膜、ルテニウム（Ｒｕ）薄膜を用いることもできる。
【００２３】
図４に、第２実施例の構成が示されており、この第２実施例は、領域Ｉの振動板１２に開孔を設けたものである。図４において、領域Ｉと領域IIを持つ振動板１２は、付加薄膜１５が設けられない図３の構成と同様であり、この振動板１２の領域Ｉに空孔３まで貫通する多くの開孔１６、或いは圧電薄膜や電極薄膜の一部を薄膜化した貫通しない孔を設けることによって、領域Ｉの弾性係数を領域IIよりも下げ、この領域IIの実効弾性係数を領域Ｉより高くする。なお、開孔１６の直径を０．５μｍ程度と小さくすることにより、開孔１６を介したギャップ音響抵抗の低下を軽微に抑えることができる。また、第１実施例の構成と併用することも可能であり、その場合には、領域Ｉと領域IIの実効的弾性係数の比をより大きくすることが可能となる。なお、この第２実施例の構成は、三角形振動板(１４)の場合でも同様となる。
【００２４】
図５に、第３実施例の構成（この図５も概念図であり、厚さ方向の縮尺と横方向の縮尺は異なっている）が示されており、この第３実施例は、振動板の領域IIを高弾性係数の材料で構成したものである。図５において、振動板１２，１４の領域Ｉの構成は第１実施例と同様であるが、この領域Ｉの圧電薄膜７ａ，７ｂに例えば酸化亜鉛（ＺｎＯ）を用い、領域IIの振動板部分の材料として窒化シリコン、窒化アルミニウム或いは金属のモリブデンやタングステン等、酸化亜鉛に比べて２〜４倍の弾性係数（弾性率）を有する高弾性率薄膜１８を使用することによって、領域IIの弾性係数を領域Ｉより大きくしている。なお、図５に示した振動板１２，１４の領域Ｉと領域IIの膜厚は等しいが、第１又は第２の実施例と併用することにより実効的弾性係数の比を大きくすることが可能である。また、領域IIとして、下層の電極薄膜８、下層の圧電薄膜７ａ及び高弾性率薄膜１８を誘電体支持薄膜の上に堆積させたものを用いてもよい。
【００２５】
以上のように、実施例によれば、片持ち梁構造の圧電型ＭＥＭＳマイクロフォン等において、各振動板間又は振動板−基板間のギャップ幅の残留応力による増大に伴う特性の劣化を解消し、高感度で信号雑音比を改善し、量産性に適した構造とすることができる。
【００２６】
なお、実施例では、三角形振動板又は四角形振動板の片持ち梁構造の例を示したが、平面の外周形状が六角形や円形となる振動板を複数に分割した振動板を片持ち構造としたものに対しても、上記実施例を同様に適用することができる。
【符号の説明】
【００２７】
１…基板、              ２，４，１２，１４…振動板、
３…空孔、              ６…絶縁膜、
７ａ，７ｂ…圧電薄膜、  ８…電極薄膜、
９…配線電極、          １５…付加薄膜、
１６…開孔、            １８…高弾性率薄膜、
ｇ…ギャップ。
【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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【図９】
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