(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、音響抵抗を高く保ち、低周波感度の低減や信号雑音比の低減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６を形成することで他端が自由端となる圧電膜３ａ、３ｂにスリット６に沿って板状の突起部７を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電膜と、該圧電膜を挟んで配置する一対の電極と、前記圧電膜あるいは前記圧電膜および前記電極を貫通するスリットを備え、前記圧電膜の少なくとも一端が支持基板に支持され、他端が前記スリットにより自由端となる圧電素子において、
前記圧電膜は、前記スリットに沿った突起部を備え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３に、片持ち梁構造の圧電素子の断面図を示す。図３に示すように、支持基板となるシリコン基板１に、絶縁膜２を介して多層構造の圧電膜３ａ、３ｂが固定され、圧電膜３ａは上下から電極４ａと電極４ｂにより、圧電膜３ｂは電極４ｂと電極４ｃによりそれぞれ挟み込まれた構造となっている。圧電膜および電極はそれぞれ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、他端が自由端となっている。また電極４ａと電極４ｃは一方の配線電極５ａに接続し、電極４ｂは別の配線電極５ｂ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圧電膜３ａが歪むとその内部に分極が起こり、電極４ａに接続する配線電極５ａと、電極４ｂに接続する配線電極５ｂ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３ｂが歪むとその内部に分極が起こり、電極４ｃに接続する配線電極５ａと、電極４ｂに接続する配線電極５ｂ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３に示すような片持ち梁構造とすることで圧電膜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６）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４に示すような十字状のスリット６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３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６）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、低周波感度の低下等の特性劣化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、圧電膜と、該圧電膜を挟んで配置する一対の電極と、前記圧電膜あるいは前記圧電膜および前記電極を貫通するスリットを備え、前記圧電膜の少なくとも一端が支持基板に支持され、他端が前記スリットにより自由端となる圧電素子において、前記圧電膜は、前記スリットに沿った突起部を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の圧電素子はスリットに沿った突起部を圧電膜に形成することで、圧電膜の残留応力の影響を抑制しつつ、音響抵抗を低くする経路の幅を狭くし、音響抵抗を高く維持することができるため、低周波感度の低減や信号雑音比の低減を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【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２の実施例の圧電素子の説明図である。
【図３】従来の圧電素子の説明図である。
【図４】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】
【００１５】
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に、スリットに沿って突起部を形成する。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】
【００１６】
本発明の第１の実施例について説明する。図１は本発明の第１の実施例の説明図で、片持ち梁構造の圧電素子の断面図を示している。図１に示すように本実施例の圧電素子は、従来の圧電素子同様、支持基板となるシリコン基板１に絶縁膜２を介して多層構造の圧電膜３ａ、３ｂが支持固定され、各圧電膜は上下から電極４ａ、４ｂ、４ｃにより挟まれた形状となっている。電極４ａと電極４ｃは一方の配線電極５ａに接続し、電極４ｂは別の配線電極５ｂに接続されている。また、圧電膜はスリット６が形成され、圧電膜および電極はそれぞれ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、他端が自由端となっている。
【００１７】
ここで本発明では、圧電膜の自由端に、スリット６に沿った突起部７を備えたことを特徴としている。図１は、例えば突起部７がバックチャンバー８側に突出する構造を示している。
【００１８】
このような構造の圧電素子は、スリットにより圧電膜の残留応力が解放され、圧電膜が反り、残留応力のばらつきにより隣接する圧電膜の反りの程度が異なってしまうが、圧電膜が反ることで、隣接する圧電膜に備えた突起部間の距離あるいは突起部と隣接する圧電膜との間の距離が実質的なスリットの幅となるため、従来の突起部が無い構造の圧電素子と比較して、実質的なスリットの幅つまり音響抵抗を低くする経路の幅が狭くなる。また、実質的なスリットの深さつまり音響抵抗の高い経路の長さが長くなる。
【００１９】
その結果、音響抵抗を高く保つことができ、圧電膜の残留応力の影響を抑制しつつ、低周波感度の低減や信号雑音比の低減を抑制することができる。
【００２０】
また、突起部をバックチャンバーと反対側に突出する構造としても、突起部と隣接する圧電膜との間の距離が実質的なスリットの幅となるため、従来の突起部が無い構造の圧電素子と比較して、実質的なスリットの幅が狭くなり、音響抵抗を高く維持することができる。
【００２１】
なお、突起部７の長さは、圧電膜３ａ、３ｂ等からなる振動板が振動変位する際、相互に接触しない程度に設定すれば良い。また、図１に示す例では、突起部７は圧電膜がシリコン基板１に固定された一端とは反対側の自由端に形成した例を示しているが、この突起部７の延出方向と垂直に交わる方向に形成されたスリットに、突起部７を形成することができる。ただし、この場合には、突起部７を形成することで振動板の振動変位を妨げない様に配置する必要がある。
【実施例２】
【００２２】
図２は、本発明の第２の実施例の説明図で、例えばスリットの平面形状を十字状に開口する構造の突起部が形成されている圧電膜を表している。図２に示すように、突起部７は、少なくとも圧電素子の中央部付近のスリット６の幅が広がりやすい部分に形成すればよく、必ずしもスリット６全体に沿って形成する必要はない。
このような構造の圧電素子は、スリットにより圧電膜の残留応力が解放され、圧電膜が反り、残留応力のばらつきにより隣接する圧電膜の反りの程度が異なってしまうが、圧電膜が反ることで、隣接する圧電膜に備えた突起部間の距離あるいは突起部と隣接する圧電膜との間の距離が実質的なスリットの幅となるため、従来の突起部が無い構造の圧電素子と比較して、実質的なスリットの幅つまり音響抵抗を低くする経路の幅が狭くなる。また、実質的なスリットの深さつまり音響抵抗の高い経路の長さが長くなる。
【００２３】
その結果、音響抵抗を高く保つことができ、圧電膜の残留応力の影響を抑制しつつ、低周波感度の低減や信号雑音比の低減を抑制することができる。
【００２４】
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、突起部は側面がスリットに沿っていればよく、突起部の幅や形状は適宜変更可能である。また空洞の形状やスリットの数、延出方向等も適宜変更可能である。
【符号の説明】
【００２５】
１： シリコン基板、２：絶縁膜、３、３ａ、３ｂ：圧電膜、４、４ａ、４ｂ、４ｃ：電極、５ａ、５ｂ：配線電極、６：スリット、７：突起部、８：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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