(57)【要約】【課題】  圧電膜の材料組成や結晶構造、切り出し形状等によらずに圧電素子の特性を向上させる。【解決手段】  電気機械変換装置１を構成する圧電素子２を、支持体４と一体として形成された基板５上に、第１電極１４と、圧電膜１５と、第２電極１６とが積層形成された構成とし、第１電極１４と第２電極１６との間に電圧が印加されず、かつ動的外力が与えられない初期静止状態で、第２電極１６側で凹をなす湾曲面形状を有して形成する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、第１電極と、圧電膜と、第２電極とが積層形成されて成り、
上記第１電極及び第２電極間に電圧が印加されず、かつ動的外力が与えられない初期静止状態で、上記第２電極側で凹をなす湾曲面形状とされたことを特徴とする圧電素子。
【請求項２】
上記圧電膜上に、上記第２電極とは別に、少なくとも２つ以上の電極が形成されて成ることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
【請求項３】
上記基板が単結晶Ｓｉ（シリコン）より成ることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
【請求項４】
上記基板の表面に、酸化膜及び窒化膜の少なくとも一方が形成されたことを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
【請求項５】
上記圧電膜が、鉛（Ｐｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタニウム（Ｔｉ）、及び酸素（Ｏ）を含有することを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
【請求項６】
上記電極が、白金（Ｐｔ）を含有することを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
【請求項７】
圧電素子と、これを支持する支持体とを有し、
上記圧電素子は、基板上に、第１電極と、圧電膜と、第２電極とが積層形成されて成り、
上記支持体は、開口部を有し、該開口部の開口周縁から開口内に向けて上記圧電素子が突出形成されて成り、
上記圧電素子が、上記第１電極及び第２電極間に電圧が印加されず、かつ動的外力が与えられない初期静止状態で、上記第２電極側で凹をなす湾曲面形状とされたことを特徴とする電気機械変換装置。
【請求項８】
上記圧電素子が、音片形の片もち梁形状であることを特徴とする請求項７に記載の電気機械変換装置。
【請求項９】
上記圧電膜上に、上記第２電極とは別に、少なくとも２つ以上の電極が形成されて成ることを特徴とする請求項７に記載の電気機械変換装置。
【請求項１０】
上記基板が単結晶Ｓｉ（シリコン）より成ることを特徴とする請求項７に記載の電気機械変換装置。
【請求項１１】
上記基板の表面に、酸化膜及び窒化膜の少なくとも一方が形成されたことを特徴とする請求項７に記載の電気機械変換装置。
【請求項１２】
上記圧電膜が、鉛（Ｐｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタニウム（Ｔｉ）、及び酸素（Ｏ）を含有することを特徴とする請求項７に記載の電気機械変換装置。
【請求項１３】
上記電極が、白金（Ｐｔ）を含有することを特徴とする請求項７に記載の電気機械変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子および電気機械変換装置に関わる。
【背景技術】
【０００２】
圧電素子は、例えば変位、ひずみ、応力、加速等の力学量を電気信号に変換する機能、あるいは電気信号を力学量に変換する機能を有し、その感度がすぐれていることから、各種電気機械変換装置に広く用いられる方向にある。
【０００３】
この電気機械変換装置としては、例えばカメラにおける手ぶれ防止の振動検出を行うジャイロセンサ、あるいは光ディスク等の光記録媒体に対する光記録再生装置における対物レンズや、磁気記録媒体に対する磁気ヘッド等の微小移動調整を行うアクチュエータ等がある。
【０００４】
また、近年、ＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical-System）技術の目覚しい発展により、電気機械変換装置の小型化、高精度化とともに、より高い電気機械変換効率を有する圧電素子の必要性が高まっている。
【０００５】
このため、高い圧電効率を有する圧電素子として、種々の提案がなされている。しかし従前において提案されている圧電素子は、圧電膜自体の構成、例えば膜組成、結晶構造、切り出し形状等の選定によるものであり（例えば特許文献１参照）、電気変換効率の改善に限界が生じてきている。
【特許文献１】特開平７−１１３６４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、昨今のより高い圧電効率の要求に対し、上述したような材料組成や結晶構造の特定等による圧電効率を高める手法以外の圧電効率の向上の手法が求められている。
【０００７】
これに対し、本発明者は、同一の材料組成、結晶構造及び同一の切り出し形状をもって圧電素子を構成した場合においても、圧電特性に個体差が生じることを見出し、これによって圧電効率の向上を図ることができる圧電素子と、この圧電素子による圧電装置、電気機械変換装置を提供するに至ったものである。
【０００８】
本発明は、圧電素子および電気機械変換装置における上述の諸問題の解決を図るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による圧電素子は、基板上に、第１電極と、圧電膜と、第２電極とが積層形成されて成り、上記第１電極及び第２電極間に電圧が印加されず、かつ動的外力が与えられない初期静止状態で、上記第２電極側で凹をなす湾曲面形状とされたことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、上記圧電素子において、上記圧電膜上に、上記第２電極とは別に、少なくとも２つ以上の電極が形成されて成ることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、上記圧電素子において、上記基板が単結晶Ｓｉ（シリコン）より成ることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、上記圧電素子において、上記基板の表面に、酸化膜及び窒化膜の少なくとも一方が形成されたことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、上記圧電素子において、上記圧電膜が、鉛（Ｐｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタニウム（Ｔｉ）、及び酸素（Ｏ）を含有することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明は、上記圧電素子において、上記電極が、白金（Ｐｔ）を含有することを特徴とする。
【００１５】
本発明による電気機械変換装置は、圧電素子と、これを支持する支持体とを有し、上記圧電素子は、基板上に、第１電極と、圧電膜と、第２電極とが積層形成されて成り、上記支持体は、開口部を有し、該開口部の開口周縁から開口内に向けて上記圧電素子が突出形成されて成り、上記圧電素子が、上記第１電極及び第２電極間に電圧が印加されず、かつ動的外力が与えられない初期静止状態で、上記第２電極側で凹をなす湾曲面形状とされたことを特徴とする。
【００１６】
また、本発明は、上記電気機械変換装置において、上記圧電素子が、音片形の片もち梁形状であることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明は、上記電気機械変換装置において、上記圧電膜上に、上記第２電極とは別に、少なくとも２つ以上の電極が形成されて成ることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明は、上記電気機械変換装置において、上記基板が単結晶Ｓｉ（シリコン）より成ることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明は、上記電気機械変換装置において、上記基板の表面に、酸化膜及び窒化膜の少なくとも一方が形成されたことを特徴とする。
【００２０】
また、本発明は、上記電気機械変換装置において、上記圧電膜が、鉛（Ｐｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタニウム（Ｔｉ）、及び酸素（Ｏ）を含有することを特徴とする。
【００２１】
また、本発明は、上記電気機械変換装置において、上記電極が、白金（Ｐｔ）を含有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
上述したように、本発明においては、圧電素子の湾曲形状という、従来の切り出し形状の選定とは異なる形状特定によって圧電素子ないし電気機械変換装置の圧電効率を高めるものであり、従前における圧電膜自体の材料組成や結晶構造、切り出し形状等の選定による圧電効率の改善とは全く異なる要素を見出したことによって、この形状特定により、圧電効率をより向上させることができる。
したがって、圧電素子を具備する電気機械変換装置の感度向上や特性改善を、例えば従前用いられてきた上述の選定と併用することにより、相乗的効果によってより高い圧電効率を有する圧電素子を構成することができるものである。
【００２３】
さらに、この構成による圧電素子を用いた電気機械変換装置によれば、その目的とする高い電気機械変換効率、すなわち電気量から機械量への変換、機械量から電気量変換の仕事がなされ、例えばジャイロセンサやアクチュエータ等を構成することができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態例を説明するが、本発明は、この実施の形態例に限られるものでない。
【００２５】
図１を参照して本発明による圧電素子を具備する本発明による電気機械変換装置として、ジャイロセンサに適用した実施の形態例を説明する。
図１Ａは、本発明による圧電素子２を具備するジャイロセンサを構成、する電気機械変換装置１の概略斜視図を示す。また、図１Ｂ及び図１Ｃは、図１ＡにおけるＹ−Ｙ´及びＸ−Ｘ´面の概略断面図を示す。
【００２６】
この電気機械変換装置１は、図１Ａに示すように、圧電素子２を支持する支持体４を有して成る。
【００２７】
圧電素子２は、図１Ｂに示すように、基板５上に、少なくとも、第１電極１４と、圧電膜１５と、第２電極１６とが積層形成されて成る積層部３を有して成る。また、この場合、圧電素子２は、音片形、すなわち高い感度をもって振動が可能な、一端が固定された、いわゆる片もち梁形状の振動片として構成される。
そして、この圧電素子２の形状は、第１電極及び第２電極間に電圧が印加されず、かつ動的外力が与えられない初期静止状態において、第２電極側で凹をなす湾曲面形状という特有の形状を有する。
【００２８】
また、支持体４は開口部６を有し、この開口部６の開口周縁６ａから開口６内に向けて圧電素子２が突出形成された構成を有する。
そして、この例においては、圧電素子２の基板５が、支持体４と一体に形成されている。支持体４の上面には、これと一体に形成された圧電素子を構成する基板の上面と共に、図１Ｃに示すように、支持体４及び基板５の上面に酸化膜１２が形成され、支持体４及び基板５の裏面には酸化膜１３が形成されて成る。
【００２９】
このジャイロセンサすなわち電気機械変換装置１は、例えば厚さ３００μｍ、長さ３ｍｍ、幅１ｍｍの外形状を有し、また、圧電素子２は例えば厚さ１００μｍ、長さ２．５ｍｍ、幅１００μｍとする。なお、電気機械変換装置１の開口部６のうち、圧電素子２の両側に形成される領域の幅は、例えば２００μｍとする。
【００３０】
この構成における電気機械変換装置は、ジャイロセンサとして高い感度を有する。
これについて検証する。すなわちジャイロセンサを構成する圧電素子２の感度は、電気機械変換効率の大小に依存することから、この特性を測定する。
具体的には、上述の構成による圧電素子２において、第１電極１４と第２電極１６との間に電圧を印加すると、圧電素子２は約２０ｋＨｚの共振周波数で振動した。
【００３１】
[表１]に、圧電素子２の上述した湾曲面形状の表面曲率ごとの、電圧印加による振動における振幅の測定結果を示す。振動は、駆動電極すなわち第１電極１４と第２電極１６とに共振周波数で１Ｖｐｐ（ｏｆｆｓｅｔ１Ｖ）の信号の入力によるものとし、測定はレーザードップラー変位計を用いて行った。
なお、この実施の形態例において、表面曲率は圧電素子２の長手方向すなわち図１ＡにおけるＹ−Ｙ´方向の曲率であり、初期静止状態において第２電極側で凹をなす湾曲面の表面曲率を＋（プラス）、第２電極側で凸をなす湾曲面の表面曲率を−（マイナス）とする。また、振幅は、表面曲率が＋１２１０ｍｍである場合を１とした相対値で示している。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
一般に、圧電素子の特性としては、同じ電圧の印加による振動の振幅が大とされるほど、センサに適用した場合等においてより小さな変化を検出することができ、検出感度の向上を図ることができるため、好ましいとされている。
[表１]に示すように、この実施の形態例における測定結果からは、表面曲率が＋側、すなわち圧電素子２の形状が第２電極側で凹をなし、かつ表面曲率の絶対値が小さいほど圧電素子２の振幅は大となる結果が得られた。
【００３４】
これは、圧電素子２の形状が第２電極１６側で凸をなす場合には、製造時に圧電膜１５に対して施す、後述する分極処理における電圧の印加方向と、動的外力が加えられない初期静止状態において湾曲によって生じる電圧の発生方向とが逆になってしまい、各電圧の印加方向が相反することによってロスを生じ、振幅が小さくなるためと考えられる。
【００３５】
すなわち、圧電素子２の形状が第２電極１６側で凹をなす場合には、製造時に圧電膜１５に対して施す、後述する分極処理における電圧の印加方向と、動的外力が加えられない初期静止状態において湾曲によって生じる電圧の発生方向とが揃うことから、圧電素子２に対する動作電圧の印加において、ロスを生じることなく振動を生じさせることができるため、振幅が大とされると考えられる。
【００３６】
したがって、基板５の上面に圧電膜１５を有する積層部３が形成された圧電素子２においては、第１電極１４及び第２電極１６間に電圧が印加されず、かつ動的外力が与えられない初期静止状態で、第２電極１６側で凹をなす湾曲面形状を有することが望ましいと考えられる。
【００３７】
次に、本発明による圧電素子２を具備する電気機械変換装置１の構造を詳細に説明するため、この電気機械変換装置の製造方法の一例を、図２〜図１３を参照して説明する。
この製造方法の例においては、多数の電気機械変換装置１を、例えばＳｉ（シリコン）からなる共通の基体１１から同時に得る方法を例として説明する。図２〜図５において、各Ａ図は、各工程における概略平面図を示し、各Ｂ図は、各Ａ図のＸ−Ｘ´線上の概略断面図を示す。
【００３８】
まず、例えばｎ型のＳｉよりなる板状基体１１を用意する。この基体１１は、例えば３ｃｍ×３ｃｍ角の大きさを有し、その厚さは、少なくとも最終的に形成する圧電素子２の基板５と、開口部６を形成し得る厚さ以上の例えば３００μｍとする。しかし、この基体１１の厚さや大きさは、製造プロセスに応じて任意に設定でき、少なくとも最終的に形成する圧電素子２を開口部６を有して形成できる寸法であればよい。
そして、この基体１１の両主面１１ａ及び１１ｂに、後述する基体１１に対する異方性ウェットエッチングのエッチングマスクとして用いることができる、例えば熱酸化によるＳｉＯ２酸化膜１２及び１３を、例えば１μｍの厚さに形成する。
【００３９】
次に、酸化膜１３に図４で示す開口１３ａを形成する。この開口１３ａの形成は、周知のフォトリソグラフィ技術を用いたパターンエッチングによって形成する。すなわち、図３に示すように、酸化膜１３上に、フォトレジスト例えば東京応化製ＯＦＰＲ−８６００よりなるレジスト膜１４を全面的に塗布し、これにパターン露光及び現像処理を行って、酸化膜１３に形成する開口１３ａに対応するレジスト膜開口１４ａを形成する。
【００４０】
次に、レジスト膜１４の開口１４ａを通じて、酸化膜１３をエッチングして開口１３ａを形成する。
この酸化膜１３の開口１３ａの形成工程におけるエッチングは、イオンエッチング等の物理的エッチングによって行うこともできるが、基体１１の平滑性を考慮すると、例えばフッ化アンモニウムによるウェットエッチングによることが望ましい。
【００４１】
すなわち、フッ化アンモニウムによるウェットエッチングは化学的エッチングであり、エッチング液の選定によって所定の材料、すなわちこの例では、酸化膜１３のみをエッチングすることが可能になるが、イオンエッチング等の物理的エッチングでは、被エッチング材料を選択的に特定することが難しい。したがって、化学的エッチングを用いることによって基体１１表面の平滑性の保全が図られるものである。
【００４２】
そして、このエッチングにおいて、開口１４ａから等方的にエッチングが進んで開口１４ａの周縁部のレジスト膜１４下にもエッチングが進行するいわゆるサイドエッチングの発生を抑えるため、必要最低限のエッチング時間にとどめることが望ましい。
【００４３】
次に、酸化膜１３の開口１３ａに対応する基体１１の露出部に対して、選択的にエッチングを施す。この工程におけるエッチングは、例えばＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）２０％溶液を常に撹拌して用い、液温８０℃で行うものである。
なお、このエッチングにおいては、上述したように５５°の角度をもってエッチングが進行することから、例えばエッチング深さ２００μｍにおけるエッチング幅は１００μｍであり、これが最終的に得る圧電素子２の幅に相当することから、この時点でエッチングを停止する。
【００４４】
また、この製法例においてはエッチングが５５°の角度で進行するが、エッチングレートの選択比に応じて、ＴＭＡＨ溶液以外の、例えばＫＯＨなどのエッチング液を用いることによって、図６の概略断面図にθ１で示すエッチング角度を任意に選択して基体１１に対するエッチングを行うことも可能であり、また、ウェットエッチング以外の手法によることも可能である。
【００４５】
以降の工程の説明では、例えば図５Ａに破線ｂで示すような、最終的に１つの電気機械変換装置１となる領域を対象として、特に詳細に製法例の説明を行う。なお、図７〜図１０において、各Ａ図は、各工程における概略平面図を示し、各Ｂ図は、各Ａ図のＸ−Ｘ´線上の概略断面図を示す。また、図１１〜図１３において、各Ａ図は、各工程における概略平面図を示し、各Ｂ図は、各Ａ図のＹ−Ｙ´線上の概略断面図を示す。図１３Ｃは、図１３ＡのＸ−Ｘ´線上の概略断面図である。
【００４６】
まず、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、基体１１の表面に形成された酸化膜１２上に、例えば厚さ５０ｎｍのチタン（Ｔｉ）及び厚さ２００ｎｍの白金（Ｐｔ）による第１電極層１４ａと、例えば厚さ２μｍのＰｂ１＋ｘ（Ｚｒ０．５３Ｔｉ０．４７）Ｏ３−ｙ酸化物ターゲットによる圧電膜層１５ａと、例えば厚さ２００μｍのＰｔによる第２電極層１６ａとを、それぞれマグネトロンスパッタ装置によって形成する。
【００４７】
なお、第１電極層１４ａの形成においては、ガス圧０．５Ｐａにおいて１ｋＷ（Ｔｉ形成時）及び０．５ｋＷ（Ｐｔ形成時）のＲＦパワーで形成することができる。また、圧電膜層１５ａの形成においては、常温で、Ａｒ／Ｏ２＝１／５〜５／１、ガス圧０．２〜３Ｐａにおいて０．１〜５ｋＷのＲＦパワーで形成することができ、形成後に例えば電気炉を用いて、例えば酸素雰囲気下、７００℃、１０分間の結晶化熱処理を行うことが望ましい。また、第２電極層１６ａの形成においては、ガス圧０．５Ｐａにおいて０．５ｋＷのＲＦパワーで形成することができる。
【００４８】
この工程において、圧電膜層１５ａの形成のためのスパッタの条件、例えば温度や出力パワーを適切に選定することによって、後述する開口部６の形成において圧電素子２の形状を上に凹とされた湾曲面形状とすることができる。
また、この圧電膜層１５ａの形成後に熱処理を施すことによっても、後述する開口部６の形成において圧電素子２の形状を上に凹とされた湾曲面形状とすることができる。
【００４９】
次の工程においては、先の工程で形成した第２電極層１６ａの整形を行う。すなわち、図８Ａ及び図８Ｂに示すように、例えばフォトリソグラフィー及びエッチングによって、第２電極層１６ａから、第２電極１６と検出電極１７を形成する。
この検出電極１７は、第２電極１６を挟んで両側に形成されることから、圧電膜層１５ａの上面、つまり圧電素子２を構成する圧電膜１５の上面には、第２電極１６以外に少なくとも２つ以上、この例では２つの電極が形成されるものである。
【００５０】
この製法例においては、第２電極１６の幅を５０μｍ、検出電極１７の幅を１０μｍ、第２電極１６及び検出電極１７の長さを２ｍｍとし、第２電極１６及び検出電極１７間の距離は５μｍとした。
なお、この工程のエッチングは物理的なイオンエッチングによって行ったが、化学的なＲＩＥ（Reactive Ion Etching）など、他のエッチング手法によることも可能である。
【００５１】
次の工程においては、図９Ａ及び図９Ｂに示すように、上述の第２電極層１６ａの整形に引き続き、圧電膜層１５ａの整形を行う。すなわち、例えばフォトリソグラフィー及びエッチングによって圧電膜層１５ａから圧電膜１５を形成する。
【００５２】
この製法例においては、圧電膜１５を幅９０μｍ、長さ２．２ｍｍとして形成したが、圧電膜１５の形状は先に形成した第２電極１６及び検出電極１７の全体を上面に含んでいればよい。
なお、この工程のエッチングは例えばフッ硝酸溶液によるウェットエッチングが好適であるが、物理的なイオンエッチングや、化学的なＲＩＥ（Reactive Ion Etching）によることも可能である。
【００５３】
次の工程においては、上述の圧電膜層１５ａの整形に引き続き、第１電極層１４ａの整形を行う。すなわち、図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、例えばフォトリソグラフィー及びエッチングによって第１電極層１４ａから第１電極１４を形成する。
【００５４】
この製法例において、第１電極１４は、外部との電気的接合を図る目的により接続部１４ｂを有して形成される。第１電極接続部１４ｂは、外部との電気的接合の方式等によって形状を定める必要があり、例えばワイヤーボンディングによる接合方式による場合は、図１１Ｂに示すように面積を確保して形成し、例えば幅１００μｍ、長さ２００μｍの接合部を設けるなど、最適な形状を選定して形状を定めることができる。
【００５５】
この製法例においては、第１電極を幅９４μｍ、長さ２．３ｍｍとして形成したが、寸法及び形状は図示したものに限られない。ただし、第１電極１４の幅方向の中心が最終的に得る圧電素子２の基板５の幅方向の中心と一致し、第１電極１４と第１電極接続部１４ｂとの境界は最終的に得る圧電素子２の基板５と支持体４との境界と一致することが望ましい。
また、第１電極１４の幅は、最終的に得る圧電素子２の幅以下であることが必要であり、かつ圧電膜１５の幅以上、例えば幅方向に左右それぞれ５μｍほど大として形成することが望ましい。
【００５６】
次の工程においては、図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、後述する工程で形成する、第２電極接続部１６ａに電気的に連結される配線膜１９の、第１電極１４ｂとの接触による短絡と、圧電膜１５の端部における段差による配線膜１９自身の断線を回避するための、レジスト１８の形成を行う。レジストの形状は、これらの目的を好適に達成することができればよく、例えば上面の平坦性を確保して、幅２００μｍ、長さ５０μｍ、厚さ２μｍとして形成することができる。
【００５７】
この製法例におけるレジスト１８の形成方法としては、フォトリソグラフィーによって行うことができる。すなわち、レジストを塗布し、パターニングした後に硬化させることで形成することができる。
また、レジスト１８の厚さは、圧電膜１５及び第１電極１４の厚さに応じて自由に設計することができるが、圧電膜１５及び第１電極１４の総厚さ以上の厚さで形成することが望ましい。
【００５８】
次の工程においては、図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、第２電極１６及び検出電極１７の外部との電気的接続のために、先に形成したレジスト１８を跨ぐ配線膜１９を形成する。この配線膜１９の形状としては、電気的な接触抵抗を減少させる上で少なくとも５μｍ四方の断面形状を有することが望ましい。また、配線膜１９の、外部との電気的接合に用いられる接続部は、ワイヤーボンディングによって接続を図ることができるよう、例えば長さ２００μｍ、幅１００μｍとして形成することができる。
【００５９】
配線膜１９の形成は、フォトリソグラフィーによるレジストパターンの形成と、スパッタリングによる配線膜１９の形成後に、いわゆるリフトオフによって配線膜１９の形状を規定するレジストパターンと配線膜１９の不要部分を除去することによって行うことができる。
また、この製法例では、第２電極１６及び検出電極１７のそれぞれに対して個別の配線膜１９を同時に形成する例を説明したが、それぞれ別工程によって形成することもできる。
【００６０】
なお、配線膜の構成は、予め配線膜の付着力向上のために２００μｍの厚さで形成したＴｉ層の上に、３００μｍの厚さでＣｕ層を形成し、その後ワイヤーボンディングとの接合のために３００μｍの厚さでＡｕ層を形成した積層構造によるなど、配線膜１９の用途によって好適な構成を用いることができる。
【００６１】
次の工程では、図１３Ａ及び図１３Ｂに示すように、先に形成した第１電極１４と、圧電膜１５と、第２電極１６とによる積層部３の外側に、酸化膜１２と、基体１１と、酸化膜１３とを貫通する開口部６を形成し、基体１１から、圧電装置１を構成する支持体４と圧電素子２を構成する基板５とを分割形成する。
この製法例における具体的な開口形成の方法としては、まず開口部６に対応するレジストパターンをフォトリソグラフィーによって形成し、酸化膜１２をイオンエッチングによって除去した後、基体１１に対するエッチングを行う。
【００６２】
この基体１１に対するエッチングは、通常のイオンエッチング等ではレジスト膜との選択比がとれない上に、基板５の側面を垂直壁面として形成することが困難であることから、この製法例においては、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術で用いられるＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma；誘導結合型プラズマ）を備えた装置を用い、エッチングと側壁保護膜成膜を繰り返すＢｏｓｃｈプロセス（エッチング時ガスＳＦ６、成膜時ガスＣ４Ｆ８）によって、より垂直な側壁を有する圧電素子２を形成した。
【００６３】
このようにして形成した電気機械変換装置１を構成する圧電素子２に対して、第１電極１４及び第２電極１６間に電圧を印加して圧電膜１５の分極処理を行う。
この分極処理は、圧電膜１５に対し、例えば室温で１０Ｖ／μｍの電界を印加することによって施すことができる。
【００６４】
なお、この製法例においては、上述したように、ジャイロセンサすなわち電気機械変換装置１を、例えば厚さ３００μｍ、長さ３ｍｍ、幅１ｍｍとして形成し、この電気機械変換装置１を構成する圧電素子２を、例えば厚さ１００μｍ、長さ２．５ｍｍ、幅１００μｍとして形成するが、上述の基体１１に対するウェットエッチングの工程では、エッチングが５５°の角度をもって進行することを考慮する必要がある。
【００６５】
すなわち、この基体１１に対するウェットエッチングの工程に先立って形成する酸化膜１３の開口１３ａの寸法を、最終的に得る圧電素子２の厚さを除く２００μｍの深さまでエッチングするための幅（３００−１００）×ｔａｎ５５°=１４０μｍと、最終的に得る電気機械変換装置１において圧電素子２の両脇に形成される開口部６の幅２００μｍとを考慮して選定する必要がある。
【００６６】
このため、この製法例においては、エッチング幅を規定する酸化膜開口１３ａの幅を１００＋２００×２＋１４０×２＝７８０μｍに選定し、酸化膜開口１３ａの長さは２５００＋２００＋１４０×２＝２９８０μｍに選定して、これに従って基体１１に対するウェットエッチングを行うことが望ましい。
【００６７】
また、この製法例において、最終的に得る圧電素子２を図１に示したように音片形の片もち梁形状として形成するため、開口部６をコの字形に形成する。
そして、この製法例においては、圧電装置１の開口部６のうち、圧電素子２の両側に形成される領域の幅を２００μｍとして形成するが、開口部６を構成する気体や圧電素子２に求められるＱ値などに応じて所定の幅に定めることができる。
【００６８】
このような製法例により、圧電素子２を有する電気機械変換装置１を作製することができる。
【００６９】
なお、本発明による圧電素子および電気機械変換装置は、この実施の形態例に限られるものでないことはいうまでもない。
例えば、基体１１の表面に形成される膜は酸化膜でなくとも、例えば窒化膜でも良い。
また、例えば、この実施の形態例では基体１１にｎ型Ｓｉによる基体を用いたが、他の材料、或いはｐ型の基体によることもできる。
【００７０】
また、図１４に示すように、ＩＣ（Integrated Circuit；集積回路）２２を有するＩＣ基板２３上にジャイロセンサ１を載置し、基板端子２４を介して電気的接合を図ってジャイロセンサ装置２１を形成することにより、本発明による電気機械変換装置１を他の装置と一体としたジャイロセンサ装置２１を構成することができる。
【００７１】
更に、この実施の形態例においては、機械的応力を電気信号に変換して角速度センサの動作を行う電気機械変換装置の例について説明したが、本発明による圧電素子によって、電気信号から機械的応力を得る電気機械変換装置、例えばアクチュエータを構成することも可能であるなど、本発明による圧電素子および電気機械変換装置は、種々の変形および変更をなされ得る。
【００７２】
以上の実施の形態例で説明したように、圧電素子の湾曲形状の特定によって圧電効率を高めることができ、圧電素子を具備する電気機械変換装置の感度向上や特性改善を、従前用いられてきた上述の選定の方法と併せて相乗的に図ることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】図１Ａは、本発明による圧電素子を具備する電気機械変換装置の一例の構造を示す概略斜視図で、図１Ｂ及び図１Ｃは、それぞれ図１ＡのＹ−Ｙ´線上及びＸ−Ｘ´線上における概略断面図である。
【図２】図２Ａおよび図２Ｂは、それぞれ、本発明による圧電素子を具備する電気機械変換装置の一例の説明に供する、製法例の一工程における概略平面図、およびこの概略平面図のＸ−Ｘ´線上における概略断面図である。
【図３】図３Ａおよび図３Ｂは、それぞれ、本発明による圧電素子を具備する電気機械変換装置の一例の説明に供する、製法例の一工程における概略平面図、およびこの概略平面図のＸ−Ｘ´線上における概略断面図である。
【図４】図４Ａおよび図４Ｂは、それぞれ、本発明による圧電素子を具備する電気機械変換装置の一例の説明に供する、製法例の一工程における概略平面図、およびこの概略平面図のＸ−Ｘ´線上における概略断面図である。
【図５】図５Ａおよび図５Ｂは、それぞれ、本発明による圧電素子を具備する電気機械変換装置の一例の説明に供する、製法例の一工程における概略平面図、およびこの概略平面図のＸ−Ｘ´線上における概略断面図である。
【図６】本発明による圧電素子を具備する電気機械変換装置の一例の説明に供する製法例の、エッチングの説明に供する概略断面図である。
【図７】図７Ａおよび図７Ｂは、それぞれ、本発明による圧電素子を具備する電気機械変換装置の一例の説明に供する、製法例の一工程における概略平面図、およびこの概略平面図のＸ−Ｘ´線上における概略断面図である。
【図８】図８Ａおよび図８Ｂは、それぞれ、本発明による圧電素子を具備する電気機械変換装置の一例の説明に供する、製法例の一工程における概略平面図、およびこの概略平面図のＸ−Ｘ´線上における概略断面図である。
【図９】図９Ａおよび図９Ｂは、それぞれ、本発明による圧電素子を具備する電気機械変換装置の一例の説明に供する、製法例の一工程における概略平面図、およびこの概略平面図のＸ−Ｘ´線上における概略断面図である。
【図１０】図１０Ａおよび図１０Ｂは、それぞれ、本発明による圧電素子を具備する電気機械変換装置の一例の説明に供する、製法例の一工程における概略平面図、およびこの概略平面図のＸ−Ｘ´線上における概略断面図である。
【図１１】図１１Ａおよび図１１Ｂは、それぞれ、本発明による圧電素子を具備する電気機械変換装置の一例の説明に供する、製法例の一工程における概略平面図、およびこの概略平面図のＹ−Ｙ´線上における概略断面図である。
【図１２】図１２Ａおよび図１２Ｂは、それぞれ、本発明による圧電素子を具備する電気機械変換装置の一例の説明に供する、製法例の一工程における概略平面図、およびこの概略平面図のＹ−Ｙ´線上における概略断面図である。
【図１３】図１３Ａ〜図１３Ｃは、それぞれ、本発明による圧電素子を具備する電気機械変換装置の一例の説明に供する、製法例の一工程における概略平面図、およびこの概略平面図のＹ−Ｙ´線上とＸ−Ｘ´線上とにおける概略断面図である。
【図１４】本発明による圧電素子を具備する電気機械変換装置の一例であるジャイロセンサの適用例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００７４】
１・・・電気機械変換装置、２・・・圧電素子、３・・・積層部、４・・・支持体、５・・・基板、６・・・開口部、６ａ・・・開口周縁、１１・・・基体、１２・・・酸化膜、１３・・・酸化膜、１４・・・第１電極、１４ａ・・・第１電極層、１４ｂ・・・第１電極接続部、１５・・・圧電膜、１５ａ・・・圧電膜層、１６・・・第２電極、１６ａ・・・第２電極層、１６ｂ・・・第２電極接続部、１７・・・検出電極、１７ｂ・・・検出電極接続部、１８・・・レジスト、１９・・・配線膜、２１・・・ジャイロセンサ装置、２２・・・ＩＣ、２３・・・ＩＣ基板、２４・・・ＩＣ基板端子
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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