(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外形が制限される問題を解消し、低周波感度の低下を抑制した圧電素子を提供する。【解決手段】少なくとも一端を支持基板１に支持固定し、スリット１２を形成することで他端が自由端となる圧電膜８と、支持基板との間に可動膜３を備える。この可動膜は、周縁部を支持基板に支持固定されており、音響圧力等を受けて振動する。可動膜の変位は、圧電膜に一端が接合し、可動膜に他端が接合する伝達部５により圧電膜に伝わり出力信号が出力される。【選択図】図６
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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され他端が自由端となる圧電膜と、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、
バックチャンバーを備えた支持基板と、
周縁部が前記支持基板上に固定され、前記圧電膜に対向配置した可動膜と、
前記圧電膜に一端が接合し他端を前記可動膜に接合し、前記可動膜の変位を前記圧電膜に伝達する伝達部と、を備え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、
前記伝達部は、一端を前記可動膜の中心側に、他端を前記圧電膜の前記自由端側に、それぞれ接合してい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、低雑音の横圧電効果を利用した圧電素子に関するものである。
【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 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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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）。
【０００６】
図８に、片持ち梁構造の圧電素子の断面図を示す。図８に示すように、支持基板となるシリコン基板１上に、絶縁膜６を介して下部電極７と上部電極９に挟み込まれた圧電膜８が固定され、最上面に保護膜１０が形成された構造となっている。絶縁膜６、下部電極７、圧電膜８、上部電極９および保護膜１０からなる振動板は、図示しない別のスリットを形成することで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（図に示すスリット１２を構成する端部）が自由端となっている。また下部電極７は配線金属１１ａに接続し、上部電極９は別の配線金属１１ｂに接続されている。
【０００７】
このような圧電素子では、音響圧力等を受けて振動板が振動すると、圧電膜８が歪みその内部に分極が起こり、下部電極７に接続する配線金属１１ａと、上部電極９に接続する配線金属１１ｂとから電圧信号を取り出すことが可能となる。
【０００８】
ところで、図８に示すような片持ち梁構造とすることで圧電膜８の残留応力が解放されるが、その結果圧電膜が反り、隣接する圧電膜の間隙（スリット１２）や圧電膜（梁）側面と支持基板の実質的間隙の寸法が広がってしまう。このような設計値以上の間隙の発生は、圧電素子をマイクロフォンとして使用した場合、音響抵抗を低下させ、低周波感度低下等の特性劣化を招いてしまう。
【０００９】
そこでこの問題を解消するため、支持基板に正方形のバックチャンバーを形成し、図９に示すような十字状のスリット１２を形成することで三角形の圧電膜に分離した構造の圧電素子が提案されている。このような構造の圧電素子では、４個の三角形のそれぞれの頂点が圧電膜８の中心に位置するような配置とすることで、残留応力によって圧電膜が反った場合でも、隣接する圧電膜にも同様の反りが発生し、結果的に隣接する圧電膜の間隙（スリット１２）の寸法を大きく変化させないようにする技術が開示されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第５７０７３２３号公報
【特許文献２】特表２０１４−５１５２１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
圧電膜の残留応力に起因する特性劣化を防止するため、従来の圧電素子では圧電膜の形状を三角形とし、４個の三角形の頂点を中心に集めるように配置することで隣接する圧電膜の間隙の幅の寸法を大きく変化させないことを可能とした。しかしながら、各三角形の圧電膜それぞれの共振周波数を合わせるため、同一形状の三角形を組み合わせる必要があり、圧電素子の外形が正方形に制限され、設計の自由度がないという問題があった。また、製造工程上一つの圧電素子内でも残留応力のばらつきが発生してしまい、４個の三角形の反りの程度がそれぞれ異なり、隣接する圧電膜の間隙の幅が設計値以上に広がってしまう等、量産レベルで隣接する圧電膜の間隙の幅を制御することは非常に困難であった。そこで本発明は、圧電膜の残留応力の影響を抑制するとともに外形が制限される問題を解消し、低周波感度の低下を抑制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】
【００１２】
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され他端が自由端となる圧電膜と、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、バックチャンバーを備えた支持基板と、周縁部が前記支持基板上に固定され、前記圧電膜に対向配置した可動膜と、前記圧電膜に一端が接合し他端を前記可動膜に接合し、前記可動膜の変位を前記圧電膜に伝達する伝達部と、を備えていることを特徴とする。
【００１３】
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、前記伝達部は、一端を前記可動膜の中心側に、他端を前記圧電膜の前記自由端側に、それぞれ接合していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の圧電素子は、バックチャンバー上に可動膜を形成することで、音響抵抗等の低い経路が形成されないため、低周波感度の低下等を抑制することができる。そのため、圧電膜に形成するスリットの数を多くしたり、スリット幅を広くすることができ、圧電素子の設計の自由度が高くなるという利点がある。
【００１５】
また本発明の伝達部を、可動膜の中心側と圧電膜の自由端側にそれぞれ接合するように形成することで、可動膜の大きな変位が伝達部を介して圧電膜に伝達され、大きな出力信号を得ることができる。
【００１６】
さらにまた、従来の圧電素子で課題とされた音響圧力等がない場合の圧電膜の残留応力や温度変動による不要な信号の出力は、伝達部により圧電膜の変形がある程度制限されるものの伝達部の面積が圧電膜の面積と比較して小さいため、圧電膜の残留応力の影響を抑制することが可能となる。さらに、伝達部により圧電膜が固定されることで、複数の圧電膜の反りを抑えることができ、それぞれの圧電膜の特性を揃えることが可能となる。
【００１７】
また、本発明の圧電素子は、エアーギャップ内において、空気の流動によりノイズが発生し、Ｓ／Ｎ値が低下するが、可動膜と圧電膜の間の寸法（エアーギャップの間隔）を大きく形成することで、ノイズの影響を小さくすることができる。また、伝達部が可動膜と圧電膜に接合している構造により、可動膜と圧電膜の間の寸法を大きく形成しても、可動膜の変位は縮小されることなく圧電膜に伝達されるため、Ｓ／Ｎ値の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施例の圧電素子の製造工程の説明図である。
【図２】本発明の第１の実施例の圧電素子の製造工程の説明図である。
【図３】本発明の第１の実施例の圧電素子の製造工程の説明図である。
【図４】本発明の第１の実施例の圧電素子の製造工程の説明図である。
【図５】本発明の第１の実施例の圧電素子の製造工程の説明図である。
【図６】本発明の第１の実施例の圧電素子の説明図である。
【図７】本発明の第２の実施例の圧電素子の説明図である。
【図８】従来の圧電素子の説明図である。
【図９】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】
【００１９】
本発明の圧電素子は、少なくとも一端を支持基板に支持固定し、スリットを形成することで他端が自由端となる圧電膜と、支持基板との間に、振動膜を構成する可動膜を備える構成とする。この可動膜は、周縁部を支持基板に支持固定されており、音響圧力等を受けて振動する。この可動膜の変位は、可動膜に一端が接合し、圧電膜に他端が接合する伝達部により、圧電膜に伝わり、圧電膜が振動して信号が出力される構成となっている。
【００２０】
このように構成すると、音響圧力等がバックチャンバーへ抜ける音響抵抗等の低い経路が形成されていないため、低周波感度の低下等を抑制することが可能となる。以下、本発明の圧電素子について詳細に説明する。
【実施例１】
【００２１】
本発明の第１の実施例について、その製造工程に従い説明する。まず、支持基板となる結晶方位（１００）面の厚さ４２０μｍのシリコン基板１上に、熱酸化法により厚さ０．３〜１．０μｍ程度のシリコン酸化膜からなる絶縁膜２を形成し、さらに絶縁膜２上に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により厚さ０．２〜１．０μｍ程度のポリシリコン膜を積層し、通常のフォトリソグラフ法によりパターニングを行い、可動膜３を形成する。その後、可動膜３上に、ＣＶＤ法により厚さ０．５〜１．０μｍ程度のシリコン酸化膜からなる絶縁膜４を積層形成する（図１）。
【００２２】
通常のフォトリソグラフ法によりパターニングし、伝達部形成予定領域の絶縁膜４をエッチング除去し、可動膜３を露出させる。ここで伝達部は、可動膜３の振動を圧電膜に伝えることができ、また可動膜３の振動が大きく振動するように音響圧力等を可動膜３全体で受けることが可能な形状とするのが好ましい。例えば、一例として円柱状とするため、伝達部形成予定領域は円柱状の凹部とすることができる。ここで伝達部形成予定領域は、以下に説明するように４か所とする。
【００２３】
エッチング除去された伝達部形成予定領域内を充填し、絶縁膜４上に表面が平坦化されたポリシリコンを形成した後、エッチバックし、絶縁膜４の表面を露出することで、伝達部形成予定領域内に選択的にポリシリコンを充填することができる。このポリシリコンが伝達部５となる。次に、伝達部５および絶縁膜４上にＣＶＤ法により厚さ０．１〜１．０μｍ程度のシリコン窒化膜からなる絶縁膜６を積層形成する（図２）。
【００２４】
その後、絶縁膜６上にスパッタ法により厚さ０．１〜１．０μｍ程度のモリブデン等を積層し、通常のフォトリソグラフ法によりパターニングを行い、下部電極７を形成する。次に、全面にスパッタ法により厚さ０．１〜１．０μｍ程度の窒化アルミニウム等からなる圧電膜８を積層形成する。さらに圧電膜８上にスパッタ法により厚さ０．１〜１．０μｍ程度のモリブデン等を積層し、通常のフォトリソグラフ法によりパターニングを行い、上部電極９を形成する（図３）。
【００２５】
全面にＣＶＤ法により厚さ１．０μｍ程度シリコン窒化膜からなる保護膜１０を堆積した後、保護膜１０と圧電膜８の一部をエッチング除去し、下部電極７に接続する配線電極１１ａと上部電極９に接続する配線電極１１ｂを形成する。この配線電極１１ａ、１１ｂはアルミニウムからなり、通常のフォトリソグラフ法により形成することができる（図４）。
【００２６】
通常のフォトリソグラフ法によりスリット形成予定領域の保護膜１０、圧電膜８および絶縁膜６の一部をドライエッチング法により除去してスリット１２を形成し、絶縁膜４露出させる。その後、スリット１２を通してシリコン酸化膜からなる絶縁膜４の一部を除去し、エアーギャップ１３を形成する（図５）。スリット１２の平面形状は、例えば図９に示すように十字状に開口する構造とし、４つの圧電膜に分離されるものとする。
【００２７】
図５に示すように伝達部５は、一方の端部を可動膜３に接合し、他端は絶縁膜６、下部電極７を介して圧電膜８に接合する形状となることがわかる。さらに圧電膜の自由端側に接合していることがわかる。なお、スリット１２によって分離された４つの圧電膜８に先に形成した４つの伝達部５がそれぞれ一つずつ接合する構成とする。
【００２８】
最後に、シリコン基板１の裏面一部をドライエッチング法により除去し、露出する絶縁膜２の一部も除去することによりバックチャンバー１４を形成する（図６）。
【００２９】
図６に示すようにバックチャンバー１４が形成されると、可動膜３は周縁部がシリコン基板（支持基板）に固定され、振動可能な状態となる。また伝達部５と可動膜３との接合部は、バックチャンバー１４の中心近傍（中心側）となり、可動膜３の変位が大きい位置となっている。
【００３０】
このように形成された本発明の圧電素子は、スリット１２が形成している表面側から音響圧力等を受けると、圧電膜８が直接音響圧力等を受け変位し、伝達部５を介して可動膜３を変位させる。同時に、スリット１２からエアーギャップ１３内に音響圧力等が伝わり、可動膜３が変位する。この可動膜３の変位は、伝達部５を介して圧電膜８に伝達される。
【００３１】
その結果、圧電膜８が歪みその内部に分圧が起こり、下部電極７に接する配線金属１１ａと上部電極９に接続する配線金属１１ｂから出力信号として電圧信号を取り出すことが可能となる。
【００３２】
特に本実施例では、スリット１２からエアーギャップ１３内に伝わる音響圧力等が全て可動膜３を振動させるエネルギーとなり、可動膜３を大きく振動させることができ、大きな出力信号を得ることが可能となる。
【００３３】
また伝達部５の面積は圧電膜８の面積と比較して小さく、圧電膜の残留応力を解放しながら、圧電膜の反りのばらつきを抑制することで、圧電素子の特性向上を図ることができる。
【００３４】
ところで、エアーギャップ１３内では、空気の流動によりノイズが発生し、Ｓ／Ｎ値が低下するが、可動膜３と圧電膜８の間の寸法（エアーギャップ１３の間隔）を大きく形成することで、ノイズの影響を小さくすることができる。また、伝達部５が可動膜３と圧電膜８に接合している構造により、可動膜３と圧電膜８の間の寸法を大きく形成しても、可動膜３の変位は縮小されることなく圧電膜８に伝達されるため、Ｓ／Ｎ値の低下を抑制することができる。
【実施例２】
【００３５】
次に第２の実施例について説明する。上記第１の実施例で説明したように、本発明の圧電素子は、スリット１２の幅や数の増加、換言するとスリット１２の開口面積を増加させても大きな出力信号を得ることが可能となる。従って、スリット１２の形状を図７に示すようにしても問題ない。なおこの場合、それぞれの圧電膜８に可動膜３の変位が伝達するように伝達部５を配置する必要がある。図７に示すように複数の伝達部５を形成した場合でも、隣接する伝達部５との間には間隙が残り、可動膜全体で音響圧力等を受けることができ、大きな出力信号を得ることができる。
【実施例３】
【００３６】
次に第３の実施例について説明する。上記第１および第２の実施例では、可動膜３はバックチャンバー１４の上面を全て覆う構造として説明した。しかしながら、バックチャンバー１４を密閉した空間となるように構成することは、圧電素子を実装基板に実装する際、支持基板となるシリコン基板を実装基板に固着するために、加熱とその後冷却されるという製造工程を経る必要があり好ましくない。そこで、可動膜３の一部に貫通孔を形成しておくことも可能である。この場合、スリット１２からエアーギャップ１３内に伝わる音響圧力等が貫通孔を通り、可動膜３の変位に寄与しない状態となることは好ましくない。そこで、貫通孔の開口面積をスリットの開口面積より十分に小さくするように設定するのが好ましい。この貫通孔の形成は、圧電素子の周囲環境の気圧の変化があった場合でも圧電素子の破損を防止できる点からも好ましい。
【００３７】
以上本発明の実施例について説明したが、本発明の上記実施例に限定されるものでないことは言うまでもなく、具体的には空洞の形状やスリットの数、延出方向等は適宜変更可能である。スリットは直線に限らず、曲線で構成することで、不要な応力の集中を緩和することも可能である。さらに可動膜のバネ性を変化させるために、その材料、製造方法等適宜変更可能である。したがって、圧電素子の設計の自由度が高くなり、例えば共振周波数を自由に設定することも可能となる。
【符号の説明】
【００３８】
１： シリコン基板、２：絶縁膜、３：可動膜、４：絶縁膜、５：伝達部、６：絶縁膜、７：下部電極、８：圧電膜、９：上部電極、１０：保護膜、１１ａ、１１ｂ：配線電極、１２：スリット、１３：エアーギャップ、１４：バックチャンバー
【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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