JPH0818115A

JPH0818115A - 複合圧電デバイス

Info

Publication number: JPH0818115A
Application number: JP6152157A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Eda; 和生江田; Yoshihiro Tomita; 佳宏冨田; Osamu Kawasaki; 修川崎
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1994-07-04
Filing date: 1994-07-04
Publication date: 1996-01-19

Abstract

(57)【要約】【目的】電気機械結合係数、Ｑ、共振周波数の組合わ
せの自由度が大きく、とくに電気機械結合係数が大き
く、Ｑに優れ、共振周波数の制御性に優れた複合圧電デ
バイスを提供することを目的とする。【構成】少なくとも一つの圧電基板と一つの機械的振
動基板を有し、前記圧電基板には、電気信号と機械的振
動を変換するための少なくとも一対の電極を有し、前記
圧電基板と前記機械的振動基板の少なくとも一部が、表
面を水酸基で終端した後、重ね合わせ熱処理することに
より接着剤を介さず原子レベルで直接接合されており、
前記圧電基板と前記機械的振動基板との間の機械的振動
の伝達が、前記直接接合された部位を通して行われるよ
うにしたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、アクチュエータやセン
サ、フィルタや共振子などに用いる圧電デバイスに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、小型、高性能のアクチュエータや
センサ、発振器やフィルタに対する要求がさらに高まっ
ている。

【０００３】従来、これらの用途には、例えば、ジルコ
ンチタン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電セラミックスやニオ
ブ酸リチウムなどの単結晶圧電基板に対向電極を形成
し、その電極に電界を加えることによって、圧電による
機械的変位または振動を励起し、これをアクチュエータ
に用いたり、また圧電素子に加わった機械的振動を電気
信号に変換して、機械量検出のセンサなどに用いられて
いる。またその電気機械的共振現象は、フィルタや共振
器にも用いられている。さらに単一の圧電基板を用いる
だけではなく、各種機械的共振子を圧電素子で駆動し
て、その共振特性を利用する各種複合圧電デバイスも用
いられている。

【０００４】これらの圧電デバイスの性能を小型で更に
高性能なものにしていくためには、さらに電気機械特性
の優れたものが必要である。

【０００５】圧電デバイスとして、有用な性能は、形状
寸法と実現できる共振周波数の関係、電気機械結合係
数、共振のＱなどである。アクチュエータやセンサとし
ての感度には、電気機械結合係数とＱが重要であり、用
途面からは適当な形状寸法で、所定の共振周波数の得ら
れることである。

【０００６】電気機械結合係数、Ｑ、共振周波数はいず
れも材料に大きく依存する。電気機械結合係数の面から
いうと、ジルコンチタン酸鉛やニオブ酸リチウムが一般
的に望ましい。しかしながらセラミックはＱの点で不十
分であり、単結晶圧電体は、適当な形状寸法で、所望の
共振周波数が得られる範囲が限られるなど、用途に対し
ていずれも十分でない。

【０００７】設計の自由度の観点から言うと、電気機械
結合係数、Ｑ、共振周波数のさらに異なる圧電デバイス
が望まれている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来の単一材料からな
る圧電基板を用いたのでは、電気機械結合係数、Ｑ、共
振周波数の組合せが限られており、設計の自由度が少な
い。また電気機械結合係数が大きく、Ｑが大きく、共振
周波数を高精度に設定することができないなどの課題が
あった。

【０００９】これらの課題を解決する方法の一つとし
て、機械的共振基板の上に、圧電素子を形成し複合化す
る方法が知られている。

【００１０】複合化の方法としては、圧電体と機械的振
動基板を接着剤を用いて接着する方法、溶着、溶接、圧
電薄膜を機械的振動基板上に、スパッタリング、真空蒸
着、化学気相成長法などにより成膜する方法などが知ら
れている。

【００１１】接着剤としては、有機系の接着剤や、無機
材料としてガラスなどが用いられる。しかしこれら接着
剤を用いる方法では、いずれも接着剤のために、圧電基
板の機械的振動が機械的振動基板に伝達される部位での
損失が大きくなる。また接着剤の厚みのバラツキが共振
周波数のバラツキを与えるため、共振周波数を高精度で
制御することができない。また半田耐熱性や長期の安定
性が十分でないなどの課題があった。このことはガラス
を用いた接着においてもほぼ同様である。

【００１２】溶着、溶接などができるのは、金属など特
殊な材料に限定され、また非常に高温を用いなければな
らないという生産上の難点があった。

【００１３】薄膜を機械的振動基板上に成膜する方法
は、上記難点が大幅に改善される。そのため多くの研究
開発が進められており、また実際にも用いられている。
この方法の難点は、成膜できる圧電薄膜の種類と圧電特
性が限られていることである。良好な圧電特性を得るた
めには、単結晶であることが望ましい。もしくは結晶方
位が少なくとも一定方向にそろっていることが望まし
い。しかしながら現在までのところ、これらの薄膜技術
で得られるのは、ｃ軸配向ＺｎＯ膜が最も良好なもので
あるが、その圧電特性は、バルクの単結晶ニオブ酸リチ
ウムや単結晶タンタル酸リチウム、バルクの圧電セラミ
ックスであるジルコンチタン酸鉛（ＰＺＴ）などに比べ
非常に不十分なものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、少なくとも一つの圧電基板と一つの機械的振動基板
を有し、前記圧電基板には、電気信号と機械的振動を変
換するための少なくとも一対の電極を有し、前記圧電基
板と前記機械的振動基板の少なくとも一部が、表面を水
酸基で終端した後、重ね合わせ熱処理することにより直
接接合されており、前記圧電基板と前記機械的振動基板
との間の機械的振動の伝達が、前記直接接合された部位
を通して行われるようにしたものである。

【００１５】また少なくとも一つの圧電基板と一つの機
械的振動基板を有し、前記圧電基板には、電気信号と機
械的振動を変換するための少なくとも一対の電極を有
し、さらに前記電極の少なくとも一方の上部に、無機薄
膜層を有し、前記無機薄膜層と前記機械的振動基板の少
なくとも一部が、表面を水酸基で終端した後、重ね合わ
せ熱処理することにより直接接合されており、前記圧電
基板と前記機械的振動基板との間の機械的振動の伝達
が、前記直接接合された部位を通して行われるようにし
たものである。

【００１６】また前記複合圧電デバイスの共振周波数
が、機械的振動基板の形状および寸法により実質的に与
えられるようにしたものである。

【００１７】また前記機械的振動基板が、同一材料から
なる保持部に一体に形成されており、前記機械的振動基
板と前記保持部の接続部の幅または厚みが、前記機械的
振動基板の幅よりも狭くなっているか、または前記機械
的振動基板の厚みよりも薄くなっていることにより、前
記機械的振動基板における機械的振動が前記機械的振動
基板内に閉じ込められる構造としたものである。

【００１８】また前記圧電基板は、単結晶圧電体を用い
ることができる。また前記圧電基板が圧電セラミックス
であってもよい。

【００１９】また前記機械的振動基板は、単結晶体を用
いることができる。また前記機械的振動基板は、ガラス
を用いることができる。

【００２０】また前記無機薄膜層は、珪素または珪素化
合物を用いることができる。

【００２１】

【作用】上記のような構成とすることにより、複合圧電
デバイスとして、電気機械結合係数、Ｑに優れ、適当な
寸法形状で所望の共振周波数が得られ、また高精度で共
振周波数が制御でき、機械的、熱的にも安定なものが得
られる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の実施例の複合圧電デバイスの
構成とその製造方法について、図面を参照しながら説明
する。

【００２３】（実施例１）本発明の複合圧電デバイスの
構造の第１の実施例を、図１に示す。

【００２４】図１（ａ）は、断面構造を示したものであ
り、図１（ｂ）は、その斜視図を示したものである。

【００２５】図１において、１０は圧電基板、２０は機
械的振動基板、３０、３０’は、前記圧電基板１０の上
下面に対向して設けた電極であり、３０’は、前記圧電
基板１０と前記機械的振動基板２０との界面に設けられ
た電極である。

【００２６】前記圧電基板１０と前記機械的振動基板２
０は、前記電極部以外の界面で、接着剤を介さずに原子
レベルで直接接合されている。

【００２７】次に本直接接合の製造方法およびその内容
について説明する。図２は、図１の構造の複合圧電デバ
イスの製造工程を示したものである。まず少なくとも１
枚ずつの圧電基板と機械的振動基板を用意する。両基板
はあらかじめ所定の形状に加工し、接合予定部位は、平
坦化、鏡面化しておく。次に圧電基板の両面に少なくと
も１対の対向電極を形成する。電極の形成は、通常の真
空蒸着やスパッタリングなどの薄膜技術と、ホトリソグ
ラフィー、エッチングにより形成することができる。電
極材料としては、例えば、クロム−金電極などを用いる
ことができる。厚みは０．１から数μｍ程度である。

【００２８】次に両基板の接合予定部位を水酸基（ＯＨ
基）で終端する。具体的には基板表面を過酸化水素−ア
ンモニアの混合液などに浸すことにより、表面が親水化
され、ついで純水に浸すことにより、水酸基で終端され
る。終端された水酸基は、１分子層程度である。この状
態で重ね合わせると、表面を終端している水酸基同士の
ファンーデアーワールス力により基板同士が強く吸着す
る。この場合、吸着は電極のない部分で行われるため、
電極の厚み分だけ電極の端の部分で浮きが生ずる。この
浮きの部分を、図２では５２で表示してある。接合は電
極のない部分５０の部分で行われる。電極部との段差は
接合剥離の応力を発生するが、電極の厚みを薄くし、直
接接合部の面積を電極部の面積よりも大きくすれば、こ
の剥離の応力に打ち勝って接合が可能となる。この状態
で重ね合わせたまま１００℃以上の温度で、数１０分か
ら数１０時間熱処理を行うと、水酸基から水素が次第に
離脱していくとともに、基板構成元素との結合が進み結
合が強化される。特に基板に珪素や酸素がある場合、共
有結合が進み、結合が強化される。

【００２９】熱処理温度としては、特に２００−１００
０℃の範囲で、用いる圧電体や機械的振動基板の圧電特
性、機械的特性が失われない範囲が好ましい。

【００３０】このようにして接合したものの接合界面
は、１分子層程度の水酸基またはそこから水素が離脱
し、酸素が基板構成元素と結合した層となり、厚みは１
０ｎｍ程度またはそれ以下となる。これは種々の組合せ
において、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）により確認した。

【００３１】通常のアラルダイトなどの接着剤を用いて
接合した場合、接着剤の厚みは、圧力を加えなければ１
０μｍ程度、圧力を加えても２−３μｍ程度であり、そ
のため機械的振動の伝搬を著しく減衰させ、好ましくな
い。

【００３２】本実施例で述べた直接接合に適しているの
は、圧電基板としては、単結晶では、ニオブ酸リチウ
ム、タンタル酸リチウム、水晶、ほう酸リチウム、セラ
ミックスではジルコンチタン酸鉛、ランタンを含むジル
コンチタン酸鉛、チタン酸鉛、チタン酸バリウムなどで
あり、機械的振動基板としては、ＳｉやＧａＡｓなどの
単結晶半導体、ガラスなどの非晶質でとくに珪素を含む
もの、サファイア、ＭｇＯ、ガーネットなどの酸化物単
結晶基板などである。

【００３３】次に圧電デバイスとしての動作を説明す
る。図１において、前記対向電極３０、３０’に電圧を
加えることにより、前記圧電基板１０に圧電効果により
機械的変位あるいは振動が励起される。この機械的変位
または振動は、前述の直接接合部位５０を経て、機械的
振動基板に伝えられる。これにより圧電基板と機械的振
動基板の形状寸法、材料の圧電定数、密度、ヤング率、
スティフネスなどできまる特性の機械的共振特性が得ら
れる。

【００３４】したがって、圧電基板に電気機械結合係数
の優れた材料、例えば、単結晶圧電体であるニオブ酸リ
チウム、タンタル酸リチウム、ほう酸リチウム、水晶、
また圧電セラミックスであるジルコンチタン酸鉛、チタ
ン酸鉛、ランタンを添加したジルコンチタン酸鉛、チタ
ン酸バリウムなどを用い、機械的振動基板に機械的共振
のＱの高いシリコンなどの単結晶半導体、サファイアな
どの単結晶酸化物を用いることにより、電気機械結合係
数に優れ、Ｑにも優れた複合圧電デバイスが得られる。
また機械的振動基板にガラスを用いた場合、機械的特性
を広範囲で変えられることから、共振周波数の選択の自
由度が増す。

【００３５】しかしながらこの複合圧電デバイスの機械
的共振特性は、直接接合部の状態に極めて強く依存す
る。まず直接接合部の厚みのバラツキが、共振周波数の
バラツキに影響するが、本実施例の構造においては、前
述の如く、原子レベルでの接合になっており、その界面
層は１０ｎｍ程度以下であることから、ほとんど無視で
きる。また直接接合部における不要層の存在は、機械的
振動の伝搬に損失を与えるため、Ｑに関係するが、これ
もやはり原子レベルでの接合のため、接合によるＱの劣
化はほとんどないという優れた特性が得られる。

【００３６】図３は、前記直接接合界面の電極３０’
を、圧電基板内に埋め込み、直接接合時に電極の端で浮
きが生じなようにした構造の製造工程を示したものであ
る。

【００３７】図３において、あらかじめ圧電基板１０の
電極形成予定部に凹部１１を形成しておく。凹部の形成
は、通常のホトリソグラフィーとエッチング技術により
可能である。凹部の深さを、設ける電極の厚みと同じ
か、わずかに深くなるようにしておき、凹部内部に電極
を形成し、図２と同様の製造方法により複合圧電デバイ
スを得る。この場合、図２の実施例に比べて、電極の厚
み分の段差が直接接合界面に生じないため、前記圧電基
板１０と前記機械的振動基板２０の直接接合が、図２の
場合よりも容易となり、製造する上で好ましい。

【００３８】本実施例の直接接合技術を用いれば、単結
晶圧電体や、焼結した圧電セラミックス材料において、
バルクの優れた性質を保ったまま、複合圧電デバイス化
できるものである。

【００３９】また直接接合前もしくは直接接合後に、圧
電基板を研磨などの加工により薄板化し、低電圧駆動化
することが容易にできる。

【００４０】（実施例２）本発明の複合圧電デバイスの
第２の実施例を図４に示す。図４（ａ）は、断面構造
図、図４（ｂ）は、その斜視図を示したものである。

【００４１】図４において、１０、２０、３０、３０’
は、実施例１の図１と同様、それぞれ圧電基板、機械的
振動基板、および対向電極である。４０は、前記圧電基
板１０、前記電極３０’と前記機械的振動基板２０の間
に形成された無機薄膜層である。

【００４２】前記圧電基板１０と前記機械的振動基板２
０は、前記無機薄膜層４０との界面５１で、接着剤を介
さずに原子レベルで直接接合されている。

【００４３】図５は、図４に示す本実施例の構造の複合
圧電デバイスの製造工程を示したものである。基本的に
は実施例１と同様であるが、直接接合界面の電極３０’
形成後、無機薄膜層を形成する工程が入っている点が異
なる。

【００４４】無機薄膜層は、珪素、酸化珪素や窒化珪素
などの珪素化合物、ほう珪酸化合物などの珪酸化合物が
適している。無機薄膜層の形成は、スパッタリング、真
空蒸着、化学気相成長法などにより行う。成膜後研磨な
どにより平坦化、ならびに鏡面化を行う。以降の製造工
程は、実施例１図２と同様である。

【００４５】無機薄膜層の厚みは、上記成膜技術とエッ
チングなどにより精度よく制御可能である。膜厚は、電
極を埋め込んで平坦化するためには、電極厚み同等以上
が好ましい。

【００４６】圧電振動子としての機能は、基本的には、
実施例１と同様である。本実施例の特徴は、実施例１と
比べて、直接接合界面に無機薄膜層があることである。
このことにより、２つの利点が得られる。

【００４７】まず第１に、電極部を含む全面で、直接接
合されているため、実施例１のものに比べて、面積的に
機械的変位または振動の伝達面積が増すという効果が得
られる。

【００４８】第２に、接合時に界面に多少のゴミがあっ
ても、直接接合時に、ゴミがこの無機薄膜層の中にとり
こまれるため、接合時の製造歩留まりが向上するという
効果がある。

【００４９】（実施例３）本発明の第３の実施例の複合
圧電デバイスの斜視図を図６に示す。図６は、保持部を
含めた構造の具体的実施例を示すものである。

【００５０】図６において、１０、２０、３０は、それ
ぞれ実施例１と同様、圧電基板、機械的振動基板、圧電
基板上の電極である。前記電極３０に対向する電極３
０’は実施例１と同様直接接合界面に設けてあるが、図
６には表示してない。３１は、前記電極３０に電気的接
続を行うための電気配線、３１’は、図示してない直接
接合界面の電極３０’に接続された電気配線、２１は、
前記機械的振動基板２０と保持部との接続部、２２は保
持部であり、２３は空隙である。前記保持部２２と前記
機械的振動基板２０は同一材料で構成し、一体に形成す
ることができる。

【００５１】図６において、前記圧電基板１０に励起さ
れた機械的変位や振動は、実施例１で説明したように、
直接接合部位を経て、前記機械的振動基板２０に伝達さ
れ、機械的共振を起こす。機械的共振は、前記接続部２
１の構造の部分で前記機械的振動基板２０内に閉じ込め
られるようになっている。機械的振動の閉じ込めは、機
械的振動基板の幅方向の振動を用いる共振の場合には、
前記接続部２１の幅を、前記機械的振動基板２０の幅よ
りも狭くすることによって可能となる。また機械的振動
基板の厚み方向の共振を用いる場合は、前記接続部２１
の厚みを前記機械的振動基板２０の厚みよりも薄くする
ことによって可能となる。

【００５２】前記空隙２０はホトリソグラフィーとエッ
チングにより精度よく形成することができる。とくに機
械的振動基板としてＳｉなどの単結晶を用いた場合、結
晶方位に依存した各種異方性エッチングを行うことがで
きることから、極めて高精度で形状、寸法を加工するこ
ととができるため、共振周波数の高精度の設定に適して
いる。また機械的振動基板部分の微細なエッチングや、
機械的振動基板部分へ質量を付加することにより、高精
度で共振周波数を調整し合わすことが可能となる。

【００５３】また図６では、空隙２３を設けたが、機械
的振動基板部分のみを保持部から浮かせた構造にするこ
とも可能である。

【００５４】また実施例ではいずれも１組の圧電基板と
機械的振動基板ならびに１対の電極の例で示したが、当
然、各基板の枚数を増したり、電極の対数をますことも
可能である。

【００５５】

【発明の効果】上記のような構成とすることにより、電
気機械結合係数に優れた圧電基板と、Ｑに優れた機械的
振動基板の間を、損失がほとんどない状態で機械振動を
伝達できるため、従来にない電気機械結合係数、Ｑを有
し、形状寸法と共振周波数の関係をより広くとれる複合
圧電デバイスが得られる。また共振周波数を高精度で制
御できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の構成図

【図２】本発明の第１の実施例の第１の製造工程図

【図３】本発明の第１の実施例の第２の製造工程図

【図４】本発明の第２の実施例の構成図

【図５】本発明の第２の実施例の製造工程図

【図６】本発明の第３の実施例の構成図

【符号の説明】１０圧電基板２０機械的振動基板３０対向電極３０’ 対向電極２１機械的振動基板接続部２２機械的振動基板保持部２３空隙３１電気配線３１’ 電気配線４０無機薄膜層５０電極端部空隙５１直接接合部位５２直接接合部位

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０３Ｈ 9/17 Ｆ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも一つの圧電基板と一つの機械的
振動基板を有し、前記圧電基板には、電気信号と機械的
振動を変換するための少なくとも一対の電極を有し、前
記圧電基板と前記機械的振動基板の少なくとも一部が、
表面を水酸基で終端した後、重ね合わせ熱処理すること
により接着剤を介さず原子レベルで直接接合されてお
り、前記圧電基板と前記機械的振動基板との間の機械的
振動の伝達が、前記直接接合された部位を通して行われ
ることを特徴とする複合圧電デバイス。
【請求項２】複合圧電デバイスの共振周波数が、機械的
振動基板の形状および寸法により実質的に与えられるこ
とを特徴とする請求項１記載の複合圧電デバイス。
【請求項３】機械的振動基板が、同一材料からなる保持
部に一体に形成されており、前記機械的振動基板と前記
保持部の接続部の幅または厚みが、前記機械的振動基板
の幅よりも狭くなっているか、前記機械的振動基板の厚
みよりも薄くなっていることにより、前記機械的振動基
板における機械的振動が前記機械的振動基板内に閉じ込
められる構造となっていることを特徴とする請求項１記
載の複合圧電デバイス。
【請求項４】圧電基板が単結晶圧電体であることを特徴
とする請求項１記載の複合圧電デバイス。
【請求項５】圧電基板が圧電セラミックスであることを
特徴とする請求項１記載の複合圧電デバイス。
【請求項６】機械的振動基板が単結晶体であることを特
徴とする請求項１記載の複合圧電デバイス。
【請求項７】機械的振動基板がガラスであることを特徴
とする請求項１記載の複合圧電デバイス。
【請求項８】少なくとも一つの圧電基板と一つの機械的
振動基板を有し、前記圧電基板には、電気信号と機械的
振動を変換するための少なくとも一対の電極を有し、さ
らに前記電極の少なくとも一方の表面部に、無機薄膜層
を有し、前記無機薄膜層と前記機械的振動基板の少なく
とも一部が、表面を水酸基で終端した後、重ね合わせ熱
処理することにより直接接合されており、前記圧電基板
と前記機械的振動基板との間の機械的振動の伝達が、前
記直接接合された部位を通して行われることを特徴とす
る複合圧電デバイス。
【請求項９】複合圧電デバイスの共振周波数が、機械的
振動基板の形状および寸法により実質的に与えられるこ
とを特徴とする請求項８記載の複合圧電デバイス。
【請求項１０】機械的振動基板が、同一材料からなる保
持部に一体に形成されており、前記機械的振動基板と前
記保持部の接続部の幅または厚みが、前記機械的振動基
板の幅よりも狭くなっているか、前記機械的振動基板の
厚みよりも薄くなっていることにより、前記機械的振動
基板における機械的振動が前記機械的振動基板内に閉じ
込められる構造となっていることを特徴とする請求項８
記載の複合圧電デバイス。
【請求項１１】圧電基板が単結晶圧電体であることを特
徴とする請求項８記載の複合圧電デバイス。
【請求項１２】圧電基板が圧電セラミックスであること
を特徴とする請求項８記載の複合圧電デバイス。
【請求項１３】機械的振動基板が単結晶体であることを
特徴とする請求項８記載の複合圧電デバイス。
【請求項１４】機械的振動基板がガラスであることを特
徴とする請求項８記載の複合圧電デバイス。
【請求項１５】無機薄膜層が珪素または珪素化合物であ
ることを特徴とする請求項８記載の複合圧電デバイス。