JP6801928B2 - 圧電素子 - Google Patents

Description

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。

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。

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。

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。

図７に、従来の圧電素子の断面図を示す。図７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が支持固定され、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。シリコン基板の一部は、例えば円形状に除去された空孔６が形成され、残されたシリコン基板１に圧電膜３ａ、３ｂの周縁部が支持固定されている。空孔６上の圧電膜３ａ、３ｂが振動板となる。この振動板を構成する圧電膜３ａ、３ｂを挟んで配置する電極４ａ〜４ｃは、それぞれドーナツ状に配置されている。

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、横圧電効果により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。

しかし、シリコン基板１に周縁部が支持固定されている構造では、振動板を構成する圧電膜３ａ、３ｂの残留効力の影響により、振動板を構成する圧電膜が実効的に固くなり、共振周波数が上がってしまうため、音響圧力信号等を電気信号に変換する変換率（感度）が満足できるレベルには達していないという問題があった。また、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れることが知られている。

そこで、圧電膜に生じたエネルギーを有効に活用し、残留応力を開放するため、図８に示すような圧電素子が提案されている（特許文献１）。図８に示す圧電素子は、四角形の空孔６を有するシリコン基板１上に、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、圧電膜３ａは上下から電極４ａと電極４ｂにより、圧電膜３ｂは上下から電極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。圧電膜はスリットを形成することで長方形の平面構造を有し、一端がシリコン基板１に固定され、他端が自由端となる片持ち梁構造となっている。

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から圧電信号を取り出すことが可能となる。

ところで、片持ち梁構造とすることで圧電膜の残留応力は解放されるが、その結果圧電薄膜が反り、隣接する圧電膜の間隙（ギャップＧ）や圧電膜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。

そこでこの問題を解消するため、支持基板に正方形の空孔を形成し、図９に示すようなギャップＧを形成することで三角形の圧電膜３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振動板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３が反った場合でも、隣接する圧電膜３にも同様の反りが発生し、結果的に隣接する圧電膜３の間隙の寸法を大きく変化させないとする技術が開示されている（特許文献２）。

特許第５７０７３２３号公報 特表２０１４−５１５２１４号公報

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振動板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圧電膜の間隙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、各三角形の振動板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、ギャップＧの幅が設計値以上に広がってしまう等、量産レベルでギャップＧ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、高感度で信号雑音比を改善した圧電素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本願請求項１に係る発明は、支持基板に周縁部が支持固定され振動板を構成する圧電膜と、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、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、前記スリットは、複数のスリットからなる第１のスリット群からなり、該第１のスリット群のスリットは、前記周縁部から前記振動板の中央側に向かって延出し、相互に交わらず、延長線が１点に収束しないことと、前記圧電素子の一部は、連結部を構成することを特徴とする。

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、前記スリットは、前記第１のスリット群と、複数のスリットからなる第２のスリット群からなり、該第２のスリット群のスリットは、前記周縁部に沿う方向に延出し、該第２のスリット群のスリットの一つは、前記第１のスリット群のスリットの一つと一端が連結していることを特徴とする。

本願請求項３に係る発明は、請求項２記載の圧電素子において、前記スリットは、前記第１のスリット群と、前記第２のスリット群と、複数のスリットからなる第３のスリット群からなり、該第３のスリット群のスリットは、前記周縁部方向に延出し、該第３のスリット群のスリットの一つは、前記第１のスリット群のスリットの一つと一端で連結する前記第２のスリット群のスリットの一つの他端と一端が連結し、他端が前記周縁部方向に延出していることを特徴とする。

本願請求項４に係る発明は、請求項１乃至３いずれか記載の圧電素子において、前記第１のスリット群のスリットは、該スリットの前記周縁部側の端部から前記振動板の中心に向かう線上から同じ方向に傾斜した延長線となるように配置していることを特徴とする。

本願請求項５に係る発明は、請求項１乃至４いずれか記載の圧電素子において、前記圧電膜を含む振動板は、音響圧力によって振動する膜であることを特徴とする。

本発明の圧電素子は、振動板を構成する圧電膜が周縁部で支持基板に支持固定され、所定の形状のスリットを備えることで、残留応力を解放することができる。さらに、従来の片持ち梁構造の振動板の一部が相互に連結したような連結部を備えることで、残留応力による反り等を効果的に抑制することができる。その結果、圧電膜に形成されたスリットの間隔（ギャップＧの幅）を所定の範囲で制御することが可能となる。

特に本発明の圧電素子のスリットは、周縁部から振動板の中央側に向かって延出し、相互に交わらず、延長線が１点に収束しないように配置するとともに、各スリットを所定の方向に傾斜した延長線となるように配置することで、圧縮応力あるいは引張応力が振動板に加わった場合に、残留応力を振動板の中央部分を回転させる回転モーメントとすることで、ギャップＧの幅が広がる等の変形を大幅に抑えることが可能となる。

そのため本発明の圧電素子を音響トランスデューサとして使用した場合、残留応力による悪影響を緩和し、高感度で高信号雑音比を実現できるとともに、設計通りのギャップＧとなり音響抵抗の低下が抑制され低周波ロールオフ周波数が高くなり、低周波領域の感度低下を効果的に抑制することが可能となる。

また、本発明の圧電素子は、スリットにより振動板が分離されていないので、振動板の形状を自由に設計することができるという利点もある。

本発明の第１の実施例の説明図である。 本発明の第１の実施例の説明図である。 振動板の変形について概念的に説明した図である。 本発明の第２の実施例の説明図である。 本発明の第３の実施例の説明図である。 本発明の第４の実施例の説明図である。 従来の圧電素子の説明図である。 従来の別の圧電素子の説明図である。 従来のさらに別の圧電素子の説明図である。

本発明の圧電素子は、支持基板に周縁部が支持固定された振動板を構成する圧電膜に、圧電膜を部分的に分断するように所望の形状の複数のスリットを形成する。以下、本発明の圧電素子について詳細に説明する。

図１および図２は本発明の第１の実施例の説明図で、図１は圧電素子の平面図を、図２は図１の圧電素子の中央部分の断面図をそれぞれ示している。図２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。図１に示す圧電素子は、シリコン基板１の一部に正方形に除去された空孔６が形成されており、残されたシリコン基板１に圧電膜３ａ、３ｂの周縁部が支持固定されている。図１および図２では、配線電極５ａ、５ｂの記載は省略している。

ここで本発明では、スリット７の形状に大きな特徴を有している。即ち、本発明のスリット７は、周縁部から振動板の中央側に向かって延出し、相互に交わらず、延長線が１点に収束しない構成としている。図１の示す例では、正方形の振動板の各頂点から、４本のスリット７が振動板の中央方向に向かって延出している。また各スリット７は相互に交わらない。さらにそれぞれの延長線（図１で破線で示す）が１点に収束しない形状となっている。具体的には、各スリット７は振動板の中心に向かって延出するスリット７が左方向に傾斜する位置に配置され、相互に交わらない長さとなっている。図１に示すスリットが第１のスリット群に相当する。

このようにスリット７が相互に交わらず、その延長線も１点に収束しない構造とすることで、振動板は分離独立することなく、従来例の片持ち梁構造の振動板の一部が相互に連続したような一体構造となる。図１で丸く囲まれた領域が連結部８となり、振動板を一体構造としている。

このような構造の圧電素子では、圧電膜３ａ、３ｂの残留応力はスリット７を形成することで解放される。その結果、圧電膜３ａ、３ｂは変形するが、連結部８によりその変形は抑制される。また、スリット７の形状を圧電膜の中心から傾いた方向に延出させることで、変形しようとする応力は、振動板の中央部分（図１の連結部８となる部分）を回転させる回転モーメントとなり、スリットのギャップが広がるような変形が抑制される。その結果、高感度で高信号雑音比を保持するとともに、スリット７の形成による特性劣化を抑制した圧電素子を形成することができる。

図３は振動板の変形について概念的に説明する図である。図３（ａ）において、１０ａ〜１０ｄは支持基板であるシリコン基板に支持固定された固定部であり、図１に示す構造の圧電素子の２つのスリット７の間の圧電膜の領域を示している。また１１は連結部８に相当する。スリット７の延出方向は、図１に示すように圧電膜の中心を向かずに傾いている。

このように構成とすると、４つの固定部１０ａ〜１０ｄはバネとして働き、残留応力を中央の連結部１１に伝え、連結部１１を回転変位させることで、残留応力を解放あるいは緩和する。たとえば圧電膜に圧縮応力が残留する場合、図３（ｂ）に矢印で示す方向に固定部１０ａ〜１０ｄから加わる力は、連結部１１を反時計まわりに回転変位させる。このとき、各スリット７に加わる力をみてみると、連結部１１の対向する辺に加わる力は相互に反対方向となるから、一方の力がスリットを広げる方向に作用したとしても他方の力はスリットを狭くする方向に作用することになり、結果的にスリット幅を大幅に変化させることはない。

同様に圧電膜に引張効力が残留する場合、図３（ｃ）に矢印で示す方向に固定部１０ａ〜１０ｄから加わる力は、連結部１１を時計回りに回転変位させる。このとき、各スリット７に加わる力をみてみると、連結部１１の対向する辺に加わる力は相互に反対方向となるから、一方の力がスリットを狭くする方向に作用したとしても他方の力はスリットを広げる方向に作用することになり、結果的にスリット幅を大幅に変化させることはない。

さらに振動板は、従来の片持ち梁構造と異なり一体構造となっているため、図面に垂直方向のずれも抑制されることからも、スリット幅を大幅に変化させることはない。

なお、固定部１０ａ〜１０ｄのバネの強さは、その長さや幅によって適宜設定可能であり、想定される残留応力の大きさ、振動板の平面寸法、振動板を構成する膜の厚さや弾性率等を考慮し、適宜設定すればよい。そのため、以下のようにスリット形状を変更することも有効な方法となる。以下、スリットの形状等を変更した実施例について以下に詳細に説明する。

図４は本発明の第２の実施例の説明図である。本実施例のスリットは、上述の第１の実施例で説明したスリット７に相当するスリット７ａの先端に、スリット７ｂが連結した形状となっている。スリット７ｂは、図４に示すように周縁部に沿う方向に延びている。図４に示すスリット７ａが第１のスリット群に、スリット７ｂが第２のスリット群に相当する。

このような形状とすると、図１に示す第１の実施例で説明したスリット構造に比べて、スリットの長さが長くなり、圧電膜３ａ、３ｂの残留応力を解放する効果が大きくなる。さらに、スリット７ｂと隣接するスリット７ｂとの間に残る圧電膜が、図３で説明した固定部に相当し圧縮応力あるいは引張応力がこの固定部に集中し、連結部に相当する圧電膜の中央部分に対して大きな回転モーメントが加わることになる。

図５は、本発明の第３の実施例の説明図である。本実施例のスリットは、上述の第２の実施例で説明したスリット７ｂの先端に、スリット７ｃが連結した形状となっている。スリット７ｃは、図５に示すようにスリット７ｂと平行で、周縁部方向に延びている。図５に示すスリット７ａが第１のスリット群に、スリット７ｂが第２のスリット群に、スリット７ｃが第３のスリット群に相当する。

このような形状とすると、図４に示す第２の実施例で説明したスリット構造に比べて、さらにスリットの長さが長くなり、圧電膜３ａ、３ｂの残留応力を解放する効果がさらに大きくなる。またスリット７ｃと隣接するスリット７ｂとの間に残る圧電膜が、図３で説明した固定部に相当し、圧縮応力あるいは引張応力がさらに固定部に集中することになり、連結部に相当する圧電膜の中央部分に対して大きな回転モーメントが加わることになる。

図６は、本発明の第４の実施例の説明図である。図６に示す本実施例は、上記第３の実施例と比較して、支持基板となるシリコン基板に形成する空孔の形状を円形とし、スリットの数も６本に増やした例を示している。さらにスリット７ｃは、スリット７ａと平行で、周縁部方向に延びている。図６に示すスリット７ａが第１のスリット群に、スリット７ｂが第２のスリット群に、スリット７ｃが第３のスリット群に相当する。

このような形状とすると、図５に示す第３の実施例で説明したスリット構造に比べて、さらにスリットの長さが長くなり、圧電膜３ａ、３ｂの残留応力を解放する効果が大きくなる。さらにスリット７ｃと隣接するスリット７ａとの間に残る圧電膜が、図３で説明した固定部に相当し圧縮応力あるいは引張応力が固定部に集中することになり、連結部に相当する圧電膜の中央部分に対して大きな回転モーメントを加わることになる。特に本実施例では、連結部分に対し、より回転方向に沿った回転モーメントが加わり効果が大きい。

本発明の圧電素子を音響トランスデューサとして構成する場合、シリコン基板１に形成された空洞６から音響圧力が加わる。音響圧力を受けた振動板を構成する圧電膜３ａ、３ｂは、上方に湾曲変位する。その結果圧電膜３ａは、横圧電効果によりその内部に分極が起こり、図示しない配線電極にそれぞれ接続する電極４ａと電極４ｂ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では、図示しない配線電極にそれぞれ接続する電極４ｃと電極４ｂから電圧信号を取り出すことが可能となる。

またスリット７を設けることで残留応力が緩和され、スリット幅はほぼ設計値となり、高感度で信号雑音比を保持し、さらにスリットの幅は設計通りとなり、音響抵抗の低下や低周波感度の低下等の特性劣化を招くことのない音響トランスデューサを提供することが可能となる。

以上、本発明の実施例について説明した、本発明は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い。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。さらに固定部に相当する部分のバネ性を変化させるために、圧電膜の膜厚を薄くしたり、貫通孔を形成する等、種々変更可能である。

１： シリコン基板、２：絶縁膜、３、３ａ、３ｂ：圧電膜、４、４ａ、４ｂ：電極、５ａ、５ｂ：配線電極、６：空孔、７：スリット、８：連結部、
１０ａ〜１０ｄ：固定部、１１:連結部

Claims (5)

1. 支持基板に周縁部が支持固定され振動板を構成する圧電膜と、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、
   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、
   前記スリットは、複数のスリットからなる第１のスリット群からなり、
   該第１のスリット群のスリットは、前記周縁部から前記振動板の中央側に向かって延出し、相互に交わらず、延長線が１点に収束しないことと、
   前記圧電素子の一部は、連結部を構成することを特徴とする圧電素子。
2. 請求項１記載の圧電素子において、
   前記スリットは、前記第１のスリット群と、複数のスリットからなる第２のスリット群からなり、
   該第２のスリット群のスリットは、前記周縁部に沿う方向に延出し、該第２のスリット群のスリットの一つは、前記第１のスリット群のスリットの一つと一端が連結していることを特徴とする圧電素子。
3. 請求項２記載の圧電素子において、
   前記スリットは、前記第１のスリット群と、前記第２のスリット群と、複数のスリットからなる第３のスリット群からなり、
   該第３のスリット群のスリットは、前記周縁部方向に延出し、該第３のスリット群のスリットの一つは、前記第１のスリット群のスリットの一つと一端で連結する前記第２のスリット群のスリットの一つの他端と一端が連結し、他端が前記周縁部方向に延出していることを特徴とする圧電素子。
4. 請求項１乃至３いずれか記載の圧電素子において、
   前記第１のスリット群のスリットは、該スリットの前記周縁部側の端部から前記振動板の中心に向かう線上から同じ方向に傾斜した延長線となるように配置していることを特徴とする圧電素子。
5. 請求項１乃至４いずれか記載の圧電素子において、
   前記圧電膜を含む振動板は、音響圧力によって振動する膜であることを特徴とする圧電素子。

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