(57)【要約】【課題】窒化アルミニウムを用いて音圧レベルを向上させたマイクロスピーカー及び超音波発振器、また音や超音波を高感度で検出できるマイクロフォンや超音波センサなどのトランスデューサを提供する。【解決手段】シリコン基板１と、このシリコン基板１上に支持層２と第一の電極３と窒化アルミニウムからなる圧電体層４と第二の電極５とがこの順に積層された積層体とを有する。第一の電極３のヤング率は、第二の電極５のヤング率より高くなっている。第二の電極５の材料のヤング率に対する第一の電極３の材料のヤング率の比が、２．３以上であることが好ましい。【選択図】図１
2009260723.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板と、該シリコン基板上に形成された積層体とを有するトランスデューサであって、
前記積層体が、
窒化アルミニウムからなる圧電体層と、該圧電体層の両面に各々形成された第一の電極及び第二の電極と、前記第一の電極側に形成された支持層とから構成され、
前記第一の電極の材料のヤング率が、前記第二の電極の材料のヤング率より高いことを特徴とするトランスデューサ。
【請求項２】
前記第一の電極は、タングステン，白金，ルテニウム，モリブデンのいずれかを含むことを特徴とする請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項３】
前記第二の電極は、アルミニウム，チタン，ポリシリコン，金のいずれかを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のトランスデューサ。
【請求項４】
前記第二の電極の材料のヤング率に対する前記第一の電極の材料のヤング率の比が、２．３以上であることを特徴とする請求項１，２又は３に記載のトランスデューサ。
【請求項５】
前記支持層が、シリコン化合物からな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トランスデューサ。
【請求項６】
前記第二の電極の面積と前記支持層の面積とが、異なることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のトランスデューサ。
【請求項７】
前記支持層の面積に対する前記第二の電極の面積の比が、２５〜９２％であることを特徴とする請求項６に記載のトランスデューサ。
【請求項８】
前記圧電体層の面積と前記支持層の面積とが、異なることを特徴とする請求項６又は７に記載のトランスデューサ。
【請求項９】
前記第一の電極の面積と前記支持層の面積とが、異なることを特徴とする請求項６乃至８のいずれかに記載のトランスデューサ。
【請求項１０】
前記積層体の平面形状が、長方形であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載のトランスデューサ。
【請求項１１】
前記積層体の長方形の短辺に対する長辺の比が、１．１〜２．０であることを特徴とする請求項１０に記載のトランスデューサ。
【請求項１２】
前記積層体の平面形状が、楕円形であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかいに記載のトランスデューサ。
【請求項１３】
前記積層体の楕円形の短軸に対する長軸の比が、１．１〜２．０であることを特徴とする請求項１２に記載のトランスデューサ。
【請求項１４】
前記積層体が、マイクロマシンプロセスにより形成されたものであることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載のトランスデューサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン基板上に形成された積層体を有するトランスデューサに関し、より詳細には、マイクロマシンプロセスを用いて形成された小型スピーカーやマイクロフォンなどの音響トランスデューサ及び超音波発振や検出用超音波トランスデューサに好適なトランスデューサに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、音響トランスデューサは、音波を電気信号に変換し、あるいは電気信号を音波に変換するものである。一般的に知られている音響トランスデューサには、マイクロフォンとスピーカーがある。また、２０ｋＨｚ以上の周波数で駆動及び検出する様にすれば超音波発振、検出用超音波トランスデューサとして用いることができる。
【０００３】
近年、小型マイクロフォンの分野では、マイクロマシンプロセス技術で製造された静電容量型マイクロフォン（例えば、特許文献１参照）が普及している。しかし、音声品質を一層向上させた高感度な小型マイクロフォンが望まれている。
【０００４】
一方、スピーカーの分野では、空気を振動させて音波を送出する機能を実現するため、多くの場合駆動力が必要になる。上述した特許文献１には、静電容量型マイクロマシンプロセスで作製されたマイクロスピーカーが記載されている。しかし、駆動力が不十分なため必ずしも実用的ではない。
【０００５】
これに対して、酸化亜鉛を用いた圧電薄膜型のマイクロスピーカー（例えば、非特許文献１参照）や、窒化アルミニウムを用いた圧電薄膜マイクロマシン型マイクロスピーカー（例えば、非特許文献２参照）の研究も試みられている。これらの圧電薄膜型のスピーカーは、静電容量型より大きな駆動力が得られる。実用的には、電磁力を用いたダイナミック型スピーカー、及びチタン酸ジルコン酸鉛（以下、ＰＺＴという）のようなセラミック焼成で形成した薄板、又は強誘電体セラミックスや圧電体結晶をカットした薄板の両側に電極を形成して張り合わせたバルク圧電型スピーカーが使用されている。
【０００６】
【特許文献１】特表２００３−５０９９８４号公報
【非特許文献１】“Piezoelectric Microspeaker with Compressive Nitride Diaphragm” Seung Hwan Yi, Eun Sok Kim, IEEE 16. th. Internaional Micro Electro Mechanical Conference (MEMS ’02), pp. 260-263, 2002.
【非特許文献２】“Micromachined Piezoelectric Microspeakers Fabricated with High Quality AlN Thin Film” KyongWon Seo, et.al. Integrated Ferroelectrics, 95, p74-82, 2007
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ダイナミック型は、磁石を主要構成要素とするため小型化及び薄型化が困難である。また、バルク圧電型スピーカーは、ＰＺＴ薄板を用いて薄型化は既に実現できているが、小型化に関しては不十分である。ＰＺＴは、大きな駆動力を有する長所はあるが、温度特性が悪く、主成分元素である鉛は人体への影響が懸念されることから、できれば使用を避ける方が好ましい材料である。
【０００８】
一方、窒化アルミニウムは人体への影響は無く、温度特性も良好な材料である。上述した非特許文献２に記載のマイクロスピーカーは、窒化シリコンの絶縁層の上にチタンの密着層を設け、その上に、モリブデンの下部電極と、窒化アルミニウムの圧電体層と、モリブデンの上部電極層とを積層したものである。充分小型のものは実現できるが、窒化アルミニウムの圧電係数がＰＺＴに比べて１桁小さいこともあり、ダイアフラムの変位量を充分大きくして大きな音圧の音を送り出すことができず、実用的なマイクロスピーカーとしての駆動力は、まだ不十分であるという課題があった。
【０００９】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、窒化アルミニウムを用いて大きなダイアフラム変位量、即ち充分な大きさの音圧を送り出せるマイクロスピーカー及び超音波発振器、また音や超音波を高感度で検出できるマイクロフォンや超音波センサなどのトランスデューサを提供することにある。
【００１０】
また、トランスデューサは周波数特性も重要であり、本発明は良好な周波数特性のトランスデューサを提供することも目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、シリコン基板と、該シリコン基板上に形成された積層体とを有するトランスデューサであって、前記積層体が、窒化アルミニウムからなる圧電体層と、該圧電体層の両面に各々形成された第一の電極及び第二の電極と、前記第一の電極側に形成された支持層とから構成され、前記第一の電極の材料のヤング率が、前記第二の電極の材料のヤング率より高いことを特徴とする。
【００１２】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第一の電極は、タングステン，白金，ルテニウム，モリブデンのいずれかを含むことを特徴とする。
【００１３】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記第二の電極は、アルミニウム，チタン，ポリシリコン，金のいずれかを含むことを特徴とする。
【００１４】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１，２又は３に記載の発明において、前記第二の電極の材料のヤング率に対する前記第一の電極の材料のヤング率の比が、２．３以上であることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明において、前記支持層が、シリコン化合物からなることを特徴とする。
【００１６】
また、請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の発明において、前記第二の電極の面積と前記支持層の面積とが、異なることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、前記支持層の面積に対する前記第二の電極の面積の比が、２５〜９２％であることを特徴とする。
【００１８】
また、請求項８に記載の発明は、請求項６又は７に記載の発明において、前記圧電体層の面積と前記支持層の面積とが、異なることを特徴とする。
【００１９】
また、請求項９に記載の発明は、請求項６乃至８のいずれかに記載の発明において、前記第一の電極の面積と前記支持層の面積とが、異なることを特徴とする。
【００２０】
また、請求項１０に記載の発明は、請求項１乃至９のいずれかに記載の発明において、前記積層体の平面形状が、長方形であることを特徴とする。
【００２１】
また、請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載の発明において、前記積層体の長方形の短辺に対する長辺の比が、１．１〜２．０であることを特徴とする。
【００２２】
また、請求項１２に記載の発明は、請求項１乃至１１のいずれかに記載の発明において、前記積層体の平面形状が、楕円形であることを特徴とする。
【００２３】
また、請求項１３に記載の発明は、請求項１２に記載の発明において、前記積層体の楕円形の短軸に対する長軸の比が、１．１〜２．０であることを特徴とする。
【００２４】
また、請求項１４に記載の発明は、請求項１乃至１３のいずれかに記載の発明において、前記積層体が、マイクロマシンプロセスにより形成されたものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、窒化アルミニウムを用いて大きなダイアフラムの変位量を実現できる、即ち充分大きな音圧が得られるトランスデューサを提供することができる。もしくは、ダイアフラム径を大きくすることなく目標とする音圧を得ることができる。また、同じ音圧を得る場合に、より駆動電圧を低くすることができる。さらには、良好な周波数特性が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面を参照して本発明の各実施例について説明する。  
＜実施例１＞
図１は、本発明に係るトランスデューサの実施例１を説明するための断面構成図で、図中符号１はシリコン基板、２は支持層、３は第一の電極、４は窒化アルミニウムからなる圧電体層、５は第二の電極、６は積層体のうちダイアフラムとなる領域を示している。なお、積層体とは、支持層２と第一の電極３と窒化アルミニウムからなる圧電体層４と第二の電極５からなっている。
【００２７】
本発明に係るトランスデューサは、シリコン基板１と、このシリコン基板１上に支持層２と第一の電極３と窒化アルミニウムからなる圧電体層４と第二の電極５とがこの順に積層された積層体とを有するトランスデューサである。つまり、積層体は、窒化アルミニウムからなる圧電体層4と、この圧電体層４を両面から挟むようにして形成された第一の電極３及び第二の電極５と、第一の電極３側に形成された支持層２とから構成されている。
【００２８】
また、支持層２と第一の電極３の間に密着性を改善するための薄い層を挿入してもよい。また、第二の電極５上に表面保護層を形成してもよい。
【００２９】
また、第一の電極３のヤング率は、第二の電極５のヤング率より高くなっている。これにより、圧電効果による歪みを高効率で振幅変化に変換することが可能となる。ダイアフラムの振幅値或いは変位量が大きくなれば、振動の最大速度も増大し、送出可能な音圧レベルも向上する。電極の厚みは、圧電特性に影響するので最適な厚みから大きく変えることはデメリットを伴う。そのため、膜の剛性率を制御するにはヤング率の異なる最適な材料の組み合わせを選ぶことが重要になる。例えば、第二の電極５の材料のヤング率に対する第一の電極３の材料のヤング率の比が、２．３以上であることが好ましい。
【００３０】
第一の電極３の材料は、タングステン，白金，ルテニウム，モリブデンのいずれかを含む材料を用いることができる。また、第一の電極３は、圧電係数が大きく結晶性の良い窒化アルミニウムを成膜するために、適切な結晶面が規則正しく形成されている必要がある。タングステン，白金，ルテニウム，モリブデンは、ヤング率が大きいことに加え、このような性質も兼ね備えた第一の電極３に適した材料である。
【００３１】
また、第二の電極５の材料は、アルミニウム，チタン，ポリシリコン，金のいずれかを含む材料を用いることができる。また、電極を構成するこれらの材料を主成分として含んでいれば、合金等であってもよい。なお、電極を構成する材料のうち、５０％以上を占める材料を、電極を構成する材料の主成分とする。また、支持層２にはシリコン酸化膜やシリコン窒化膜等のシリコン化合物の膜又はその積層膜を用いることが好ましい。
【００３２】
また、窒化アルミニウムは、アルミニウムをターゲットとし、窒素雰囲気下の反応性スパッタ技術を用いて、４００℃以下の基板温度で、結晶性の良い圧電係数の高い膜を成膜することが可能である。また第二の電極５上及びエッチング面上に配線絶縁層、配線層などが成膜されパターン形成される。第二の電極５に配線するためには、通常、ダイアフラムの外側で配線絶縁層をエッチング除去してコンタクト部を形成する。第一の電極３に配線するためには、通常、ダイアフラムの外側で配線絶縁層、第二の電極５と圧電体層４の一部をエッチング除去してコンタクト部を形成する。配線を済ませた後に表面保護層を形成すると信頼性、耐久性が向上する。シリコン基板１上に、支持層と電極と圧電体層と配線とを形成した後に、ディープ反応性イオンエッチングなどの深堀りマイクロマシンプロセス技術を用いて、シリコン基板１の背面側からダイアフラム６の形成領域内のシリコン基板１をエッチング除去してダイアフラム６を形成する。
【００３３】
図２乃至図５は、本発明に係るトランスデューサの実施例２乃至５を説明するための断面構成図で、支持層上２で、電極３，５や圧電体層４がパターン形成されたダイアフラム６の断面図を示している。なお、図１と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。
【００３４】
＜実施例２＞
図２は、本発明に係るトランスデューサの実施例２を説明するための断面構成図で、圧電体層４上に第二の電極５をパターン形成したものである。したがって、第二の電極５の面積と支持層２の面積とは異なるものである。
【００３５】
＜実施例３＞
図３は、本発明に係るトランスデューサの実施例３を説明するための断面構成図で、圧電体層４上に第二の電極５をパターン形成するとともに、支持層２上に第一の電極３をパターン形成したものである。したがって、第一の電極３の面積と支持層２の面積とは異なるものである。
【００３６】
＜実施例４＞
図４は、本発明に係るトランスデューサの実施例４を説明するための断面構成図で、第一の電極３上に窒化アルミニウムからなる圧電体層４をパターン形成するとともに、その圧電体層４上に第二の電極５をパターン形成したものである。したがって、圧電体層４の面積と支持層２の面積とは異なるものである。
【００３７】
＜実施例５＞
図５は、本発明に係るトランスデューサの実施例５を説明するための断面構成図で、支持層２上に第一の電極３をパターン形成するとともに、その第一の電極３上に窒化アルミニウムからなる圧電体層４とさらにその上に第二の電極５をパターン形成したものである。
【００３８】
図２乃至図５のパターン形状としては、円形，楕円形，正方形，長方形，リング形状，単純メッシュ形状，バネ構造を基本要素とするメッシュ構造及びその組み合わせを用いることができる。いずれの場合も変位量を増加させることができる。
【００３９】
電極や圧電体層の面積を支持層の面積と異ならせるように、電極や圧電体層をパターン形成することで、電界印加による圧電体の変形を効率良く膜に垂直な方向への変位に変換させ、ダイアフラムの変位量を増大させることができる。
【００４０】
パターン形成しない場合、すなわち、圧電体層上に一様な電極が形成されている場合、電極は等電位面を形成して、ダイアフラムの変形曲率に制限が加わり、一定以上の振幅が抑制されることとなる。これに対して、上述したようなパターン形成をすることで、電極の無い部分が剛性をやや低下させ、等電位面に由来する変形極率の制限を無くし、変位の自由度を増強させることができる。
【００４１】
なお、これらの効果は、熱印加の場合には、逆に反りとして悪影響を与える傾向もある。その悪影響を緩和させるためには、アルミニウムのような大きな熱膨張係数の材料ではなく、ポリシリコンやチタンのようなシリコンや窒化アルミニウムに近い熱膨張係数を有する材料を使用することが対策の１つになる。また、メッシュ状の電極パターンと組み合わせて、熱変形歪みを局所的に吸収させることも有効な対策の一つである。
【００４２】
＜実施例６＞
図６は、本発明に係るトランスデューサの実施例６を説明するための断面構成図で、表面マイクロマシン技術を用いて作製する場合を示している。図中符号１１はシリコン基板、１２は支持層、１３は第一の電極、１４は窒化アルミニウムからなる圧電体層、１５は第二の電極、１８はキャビティ（空洞領域）をつくりこむための層、１９はキャビティ、２０は犠牲層を抜くためのビアホールを示している。
【００４３】
本実施例６と上述した実施例１乃至５との相違は、シリコン基板１１と支持層１２との間にキャビティ層１８が設けられている点である。
【００４４】
シリコン基板１１上に、キャビティをつくりこむための層１８が成膜される。ダイアフラム直下のキャビティをつくりこむための領域は、支持層１２の形成前に一旦エッチングされて犠牲層で埋められる。その後、支持層１２と第一の電極１３と窒化アルミニウムからなる圧電体層１４と第二の電極１５とがこの順に積層される。
【００４５】
上部の層がエッチングされた後、犠牲層を抜くためのビアホール２０が設けられる。ビアホール２０は、キャビティ１９と外部をつなぐ小さな貫通孔であるため、支持層１２は、ビアホール以外の部分で周囲の構造とシリコン基板１１に繋がっている。ガスなどを用いた選択的エッチング技術を用いて犠牲層を抜くことによりキャビティ１９が形成される。
【００４６】
図７及び図８は、本発明に係るトランスデューサの平面形状を示す平面図で、上述した図２乃至図６の断面構造を有するトランスデューサの平面図である。なお、符号６はダイアフラム、７は電極領域、又は電極と圧電体の両方をパターン形成した場合の電極及び圧電体層領域を示している。図７は、ダイアフラムの平面形状が長方形の場合を示し、電極や圧電体層も相似の長方形である。積層体（ダイアフラム）の長方形の短辺に対する長辺の比が、１．１〜２．０であることが好ましい。
【００４７】
図８は、ダイアフラムの平面形状が楕円形の場合を示し、電極や圧電体層はリング状の形状である。積層体（ダイアフラム）の楕円形の短軸に対する長軸の比が、１．１〜２．０であることが好ましい。
【００４８】
このように、ダイアフラムや圧電体層を長方形又は楕円形とすることで、正方形や円の場合と比較して共振ピーク数を増加させることができる。この増加した共振ピークを、ダイアフラムの背面側にキャビティ又は小型のバッフル状構造を作りこみ、その空気抵抗を利用してピークを鈍らせ減衰させると共に広幅化することによってトランスデューサの周波数特性を平坦化することができる。
【００４９】
図９は、支持層に対する第二の電極の面積比と１次共振の最大変位と３次共振の最大変位の関係を示した図である。ここで最大変位は、図２に示した構造を用い、シミュレーションにより算出している。それぞれ、横軸は、支持層２に対する第二の電極５の面積比、縦軸は、ダイアフラムの中心点での変位量の相対値である。このとき、支持層２と第二の電極５の面積が等しい時の変位量を１としている。これにより、第二の電極５の面積と、支持層２の面積との比が、２５〜９２％の時、１次の共振と３次の共振における変位量が増大していることが分かる。
【００５０】
また、本発明では、第二の電極５の面積と支持層２の面積との比を２５〜９２％にすることで、変位量が高くなるため好ましい。より変位量を高くするために３６〜９２％であることが好ましい。
【００５１】
図１０は、図１に示した断面構造を有するトランスデューサにおいて、ダイアフラムの平面形状を長方形形状とした場合の、共振ピークの周波数特性を示した図である。ダイアフラムの平面形状を、５ｍｍ正方形及び５×４．６、５×３．０、５×２．５、５×１［ｍｍ2］とした場合のシミュレーション結果を、それぞれを、実線、点線、破線等で示している。横軸は周波数、縦軸は音圧の対数であり、５ｍｍ正方形の第一ピークの値を１としたときの相対値である。
【００５２】
本シミュレーションでは、音圧をダイアフラムの各位置での速度の二乗和平方根によって計算している。長方形の短辺に対する長辺の比は、１．１、１．７、２、５となっている。これにより、５×４．６、５×３．０、５×２．５ｍｍ2の長方形を用いた場合、正方形に対し、ピークの数が増え、周波数応答がより平坦化しやすいことが分かる。すなわち、長方形の短辺に対する長辺の比を、１．１、１．７、２とすることで、周波数特性が向上することが分かる。
【００５３】
一方、長方形の短辺に対する長辺の比をさらに大きくした場合は、５×１ｍｍ2の長方形を用いた場合のように、ピークが大きくシフトして好ましくない。
【００５４】
図１１は、図１に示した断面構造を有するトランスデューサにおいて、ダイアフラムの平面形状を５×５ｍｍ2の正方形形状と７×３．５ｍｍ2の長方形形状とした場合の、共振ピークの周波数特性を示した図である。５×５、７×３．５ｍｍ2とした場合のシミュレーション結果を、それぞれ実線、破線で示している。７×３．５ｍｍ2とした場合の長方形の短辺に対する長辺の比は２であるが、同様に短辺に対する長辺の比が２である図１０に示した５×２．５ｍｍ2の場合と比べ面積を大きくし、一次の共振周波数を５×５ｍｍ2の正方形の場合の一次の共振周波数に近づけるとピーク数が増えている事がよく分かる。
【００５５】
図１２は、図１に示した断面構造を有するトランスデューサにおいて、ダイアフラムの平面形状を楕円形形状とした場合の、共振ピークの周波数特性を示した図である。楕円形形状を、半径５ｍｍの円、及び楕円の長軸の長さ×短軸の長さを、それぞれ５×４．６、５×３．０、５×２．５、５×１とした場合のシミュレーション結果を、それぞれを、実線、点線、破線等で示している。横軸は周波数、縦軸は音圧の対数であり、半径５ｍｍの円の第一ピークの値を１としたときの相対値である。
【００５６】
本シミュレーションでは、音圧をダイアフラムの各位置での速度の二乗和平方根によって計算している。楕円の短軸に対する長軸の比は、１．１、１．７、２、５となっている。これにより、長軸の長さ×短軸の長さを、それぞれ５×４．６、５×３．０、５×２．５の楕円形を用いた場合、円形に対し、ピークの数が増え、周波数応答がより平坦化しやすいことが分かる。すなわち、長方形の短軸に対する長軸の比を、１．１、１．７、２とすることで、周波数特性が向上することが分かる。
【００５７】
一方、長方形の短辺に対する長辺の比をさらに大きくした場合は、楕円の長軸の長さ×短軸の長さが、５×１となっている楕円を用いた場合のように、ピークが大きくシフトして好ましくない。従って、ダイアフラムの平面形状が楕円形状の場合、楕円形の長軸と短軸の比には最適範囲があり、その比が１．１〜２．０であることが好ましい。
【００５８】
図１３は、図１に示した断面構造を有するトランスデューサにおいて、ダイアフラムの平面形状を半径５ｍｍの円形形状と長軸の長さ×短軸の長さを７×３．５とした楕円形形状の場合の、共振ピークの周波数特性を示した図である。半径５ｍｍの円形形状、長軸の長さ×短軸の長さを７×３．５とした場合の楕円形形状のシミュレーション結果を、それぞれ実線、破線で示している。楕円の短軸に対する長軸の比は、２であるが、同様に短辺に対する長辺の比が２である図１０に示した５×２．５の場合と比べ面積を大きくし、一次の共振周波数を半径５ｍｍの円形の場合の一次の共振周波数に近づけるとピーク数が増えている事がよく分かる。
【００５９】
【表１】
2009260723.tif 000003
【００６０】
表１は、図１に示した構造において、シミュレーションを用いて、第二の電極と第一の電極の組み合わせを変更した場合に得られる１次共振の最大変位の比較したものである。両方の電極を０．２μ厚のモリブデンとした場合を基準値１とした相対値で表示している。
【００６１】
第一の電極の材料のヤング率を、第二の電極の材料のヤング率よりも高くすることで、大きな変位を得られることが分かる。また、本発明では、第二の電極の材料のヤング率に対する第一の電極の材料のヤング率の比が、２．３以上であることが好ましい。より好ましくは、５．５以上であり、さらに好ましくは、６．６以上である。また、ヤング率の比を高くするという観点から、第一の電極を白金とし、第二の電極をアルミニウムとすることが好ましい。より好ましくは第一の電極をタングステンとし、第二の電極をアルミニウムとし、さらに好ましくは第一の電極をルテニウムとし、第二の電極をアルミニウムとするとよい。
【００６２】
【表２】
2009260723.tif 000004
【００６３】
表２は、支持層と、パターン形成した電極及び窒化アルミニウム圧電体層との面積比を一定に保持した場合の、１次共振の最大変位を示したものである。図１乃至図５に示したそれぞれの構造について、シミュレーションを用いて比較した。第一の電極にはタングステンを用い、第二の電極にはアルミニウムを用いている。パターン形成しない場合（図１の構造）に比べ、パターン形成した場合（図２乃至図５の構造）が、より大きな変位を得ることができる。
【００６４】
【表３】
2009260723.tif 000005
【００６５】
表３は、図２に示した構造において、シミュレーションを用いて、第一の電極と第二の電極の組み合わせを変更して得られた１次共振の最大変位を比較したものである。両方の電極を０．２μ厚のモリブデンとした場合を基準値１とした相対値で表示している。これにより、第一の電極材料のヤング率を第二の電極材料のヤング率よりも高くすることで、より変位が増大していることが分かる。
【００６６】
以上の説明では、図１乃至図５の基板背面側からのエッチングを用いてダイアフラムを形成するバルクマイクロマシンプロセスを使用した例を示したが、図６のように、基板表面側から犠牲層を抜いてダイアフラムを形成する表面マイクロマシンの場合でも同様の効果を得ることができる。
【００６７】
以上、主にマイクロスピーカーとしての性能向上について記述してきたが、音圧振動を電気信号に変換するマイクロフォンの場合も、感度の向上に利用することができる。感度は窒化アルミニウム圧電体の圧電係数が高いことが重要になる。圧電係数を向上させるには、プロセス技術に加えて下地電極材料即ち第一の電極材料の選択が重要になるが、好ましい下地電極は第一の電極として挙げた白金、タングステン、モリブデン、ルテニウム等いずれもヤング率の高い材料になる。膜厚を薄くすることで硬さを押さえようとすると、抵抗成分が増大してノイズの原因になるので、厚みは少なくとも0.1μ以上は必要になる。圧電体層の上下を高いヤング率の材料で挟むよりも、第二の電極材料をヤング率の低い材料を選択する、及び第一の電極、第二の電極、圧電体層の面積を支持層の面積とは異なるものとしてダイアフラムをより柔らかくして、同じ音圧を受けた場合に大きく変位する様にすることができる。そのより大きな変位を、より大きな圧電係数の圧電体層で変換することで信号対雑音比を改善したマイクロフォンを提供することが可能となる。
【００６８】
また、２０ｋＨｚ以上の周波数領域でも、同様の効果を利用することで送信性能や受信性能を改善した小型の超音波発振器や超音波センサを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明に係るトランスデューサの実施例１を説明するための断面構成図である。
【図２】本発明に係るトランスデューサの実施例２を説明するための断面構成図である。
【図３】本発明に係るトランスデューサの実施例３を説明するための断面構成図である。
【図４】本発明に係るトランスデューサの実施例４を説明するための断面構成図である。
【図５】本発明に係るトランスデューサの実施例５を説明するための断面構成図である。
【図６】本発明に係るトランスデューサの実施例６を説明するための断面構成図である。
【図７】本発明に係るトランスデューサの平面形状を示す平面図で、ダイアフラムの平面形状が長方形の場合を示している。
【図８】本発明に係るトランスデューサの平面形状を示す平面図で、ダイアフラムの平面形状が楕円形の場合を示している。
【図９】支持層に対する第二の電極の面積比と１次共振の最大変位と３次共振の最大変位の関係を示した図である。
【図１０】図１に示した断面構造を有するトランスデューサにおいて、ダイアフラムの平面形状を長方形形状とした場合の、共振ピークの周波数特性を示した図である。
【図１１】図１に示した断面構造を有するトランスデューサにおいて、ダイアフラムの平面形状を５×５ｍｍ2の正方形形状と７×３．５ｍｍ2の長方形形状とした場合の、共振ピークの周波数特性を示した図である。
【図１２】図１に示した断面構造を有するトランスデューサにおいて、ダイアフラムの平面形状を楕円形形状とした場合の、共振ピークの周波数特性を示した図である。
【図１３】図１に示した断面構造を有するトランスデューサにおいて、ダイアフラムの平面形状を半径５ｍｍの円形形状と長軸の長さ×短軸の長さを７×３．５とした楕円形形状の場合の、共振ピークの周波数特性を示した図である。
【符号の説明】
【００７０】
１，１１  シリコン基板
２，１２  支持層
３，１３  第一の電極
４，１４  窒化アルミニウム圧電体層
５，１５  第二の電極
６，１６  ダイアフラム
７  電極領域、又は電極領域及び窒化アルミニウム圧電体領域
１８  キャビティをつくりこむための層
１９  キャビティ（空洞領域）
２０  犠牲層を抜くためのビアホール
【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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