JPS6188700A - 圧電素子 - Google Patents
圧電素子Info
- Publication number
- JPS6188700A JPS6188700A JP20972584A JP20972584A JPS6188700A JP S6188700 A JPS6188700 A JP S6188700A JP 20972584 A JP20972584 A JP 20972584A JP 20972584 A JP20972584 A JP 20972584A JP S6188700 A JPS6188700 A JP S6188700A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- voltage
- zinc oxide
- thin film
- specific resistance
- piezoelectric element
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
- B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
- B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
- B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
- B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
- B06B1/0644—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element
- B06B1/0662—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element with an electrode on the sensitive surface
- B06B1/0677—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element with an electrode on the sensitive surface and a high impedance backing
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Piezo-Electric Transducers For Audible Bands (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の利用分野〕
本発明は酸化亜鉛ＺｎＯを用いた薄膜圧電素子に関する
ものである。
ものである。
酸化亜鉛（ＺｎＯ）は、厚み縦振動の電気機械結合係数
がバルク単結晶の場合で０．３０ と割合に大きく、比
較的簡単に薄膜化できるために、高周波超音波変換器と
して広く応用されている。酸化亜鉛薄膜の製造方法とし
ては、気相成長（ＣＶＤ）法スパッタ法等があるが、ス
パッタ法が主流である。スパッタ法にも直流スパッタ法
、高周波スパッタ法があり、また酸化亜鉛ＺｎＯ自体を
ターゲットとしてスパッタを行う方法、あるいは亜鉛板
をターゲットとして酸−雰囲気中でスパッタを行う反応
性スパッタ法等の種々の作成方法がある。
がバルク単結晶の場合で０．３０ と割合に大きく、比
較的簡単に薄膜化できるために、高周波超音波変換器と
して広く応用されている。酸化亜鉛薄膜の製造方法とし
ては、気相成長（ＣＶＤ）法スパッタ法等があるが、ス
パッタ法が主流である。スパッタ法にも直流スパッタ法
、高周波スパッタ法があり、また酸化亜鉛ＺｎＯ自体を
ターゲットとしてスパッタを行う方法、あるいは亜鉛板
をターゲットとして酸−雰囲気中でスパッタを行う反応
性スパッタ法等の種々の作成方法がある。
しかしいずれの方法を用いても薄膜化したことによりバ
ルク単結晶の場合に比べて電気音響変換特性は劣下する
。したがって大きな音響出力を得るためには印加する電
圧を高くする必要があり、この印加電圧に対する耐圧の
高い薄膜を作成することが重要となる。酸化亜鉛は酸素
欠陥型半導体であるため、その比抵抗等の電気的特性は
スパッタ時の雰囲気、ガス圧等の作成条件に大きく依存
する。そのため、高比抵抗、高耐圧の酸化亜鉛薄膜の作
成条件の検討が従来より行なわれてきた。しかし、比抵
抗絶縁耐圧等の電気的特性は同一条件で作成した場合で
もばらつきが大きい。そのため、実際に作成した薄膜の
絶縁耐圧が低いことがあり寿命等の安定性の面で問題が
あった。したがって薄膜の絶縁耐圧を非破壊で評価する
必要がある。
ルク単結晶の場合に比べて電気音響変換特性は劣下する
。したがって大きな音響出力を得るためには印加する電
圧を高くする必要があり、この印加電圧に対する耐圧の
高い薄膜を作成することが重要となる。酸化亜鉛は酸素
欠陥型半導体であるため、その比抵抗等の電気的特性は
スパッタ時の雰囲気、ガス圧等の作成条件に大きく依存
する。そのため、高比抵抗、高耐圧の酸化亜鉛薄膜の作
成条件の検討が従来より行なわれてきた。しかし、比抵
抗絶縁耐圧等の電気的特性は同一条件で作成した場合で
もばらつきが大きい。そのため、実際に作成した薄膜の
絶縁耐圧が低いことがあり寿命等の安定性の面で問題が
あった。したがって薄膜の絶縁耐圧を非破壊で評価する
必要がある。
絶縁耐圧を非破壊で評価する試みとしては、絶縁破壊電
圧とｔａｎδ との関係に着目した方法が、電子通信学
会論文誌、Ｊ ６５− Ａ 、 １２１７ （１９８２
年）におけるｆｆ’ Ｚ ｎ Ｏ圧電膜超音波トランス
デューザの励振周波数電圧に対する絶縁破壊特性」と題
する文献において論じられている。しかし、ｔａｎδは
誘電損失及び導電率という２つの情報を含んでおり、し
かも導電率は印加電圧に依存する量であるが、この点に
ついては詳しくふれられていない。
圧とｔａｎδ との関係に着目した方法が、電子通信学
会論文誌、Ｊ ６５− Ａ 、 １２１７ （１９８２
年）におけるｆｆ’ Ｚ ｎ Ｏ圧電膜超音波トランス
デューザの励振周波数電圧に対する絶縁破壊特性」と題
する文献において論じられている。しかし、ｔａｎδは
誘電損失及び導電率という２つの情報を含んでおり、し
かも導電率は印加電圧に依存する量であるが、この点に
ついては詳しくふれられていない。
そこで本発明の目的は、非破壊で酸化亜鉛薄膜の絶縁耐
圧を確実に評価し、その範囲を規定することにより絶縁
耐圧が高く実用上安定に使用できる圧電素子を提供する
ことにある。
圧を確実に評価し、その範囲を規定することにより絶縁
耐圧が高く実用上安定に使用できる圧電素子を提供する
ことにある。
〔発明の概要〕
上記目的を達成するため酸化亜鉛薄膜の電気的特性を詳
細に調べた結果、特定の電界印加時の比抵抗と絶縁破壊
電圧との間に相関のあることが実験により明らかになっ
た。この相関関係を用いて絶縁耐圧を評価、選択するこ
とにより、耐圧の高い薄膜を用いた変換器を提供するこ
とが可能である。
細に調べた結果、特定の電界印加時の比抵抗と絶縁破壊
電圧との間に相関のあることが実験により明らかになっ
た。この相関関係を用いて絶縁耐圧を評価、選択するこ
とにより、耐圧の高い薄膜を用いた変換器を提供するこ
とが可能である。
本発明になる圧電素子は、およそ３Ｖ／μｍの電界印加
時の比抵抗が１０５Ω・■以上であることに特徴がある
。
時の比抵抗が１０５Ω・■以上であることに特徴がある
。
以下、本発明を実験例を参照しながら詳しく説明する。
石英ガラス板１ （２０ｗｌＸ ２０ ｎｖｎ Ｘ ｉ
＋ｎｍ ｔ、 ）の端面を光学研磨し、電極としてク
ロム及び金２を蒸着した。この電極上に高周波マグネＩ
〜ロンスパッタリングにより膜厚約１μｍの酸化亜鉛薄
膜３を形成した。スパッタ条件は、基板温度を１４０〜
３００℃、ガス圧を１〜１０Ｐａの範囲で適宜変えた。
＋ｎｍ ｔ、 ）の端面を光学研磨し、電極としてク
ロム及び金２を蒸着した。この電極上に高周波マグネＩ
〜ロンスパッタリングにより膜厚約１μｍの酸化亜鉛薄
膜３を形成した。スパッタ条件は、基板温度を１４０〜
３００℃、ガス圧を１〜１０Ｐａの範囲で適宜変えた。
さらに、２ｍ角の穴が２０ケあいたモリブデンＭｏマス
クを用いてクロム及び金５を蒸着し上部電極とした。
クを用いてクロム及び金５を蒸着し上部電極とした。
まず両電極間に上部電極４側を十にして０．ＩＶから絶
縁破壊を起すまで直流電圧を徐々に印加し、各電圧印加
時に流れる電流値を測定した。その結果第２図に示すよ
うなＶ−１特性が得られ、電流は電圧に対し非線型であ
ることがわかった。
縁破壊を起すまで直流電圧を徐々に印加し、各電圧印加
時に流れる電流値を測定した。その結果第２図に示すよ
うなＶ−１特性が得られ、電流は電圧に対し非線型であ
ることがわかった。
同一基板上の多数の個所について同様の測定を行ったと
ころ、絶縁破壊電圧には３〜４ｖのばらつきがあった。
ころ、絶縁破壊電圧には３〜４ｖのばらつきがあった。
次に、条件を変えて作成した多数の試料に対して同様の
実験を行い、各々につい一’＜ｖ−ｒ特性を測定した。
実験を行い、各々につい一’＜ｖ−ｒ特性を測定した。
その結果、絶縁破壊電圧は作成条件にも大きく依存する
ことが明らかになった。
ことが明らかになった。
以上得られた結果から、各電界印加時の比抵抗と絶縁破
壊電圧の関係を調べてみたところ、第３図に示すように
、１■印加時では相関はあるもののかなりデータが分散
しているのに対し、４■印加時ではかなり強い相関があ
菖ことがわかった。
壊電圧の関係を調べてみたところ、第３図に示すように
、１■印加時では相関はあるもののかなりデータが分散
しているのに対し、４■印加時ではかなり強い相関があ
菖ことがわかった。
次に各電界印加時での比抵抗ρの対数Ｒｏｇρと絶縁破
壊電圧■との相関係数を計算φた。その結果を第４図に
示しているが、この図かられかるように比抵抗と絶縁破
壊電圧との相関は、比抵抗測定のための印加電圧を３Ｖ
／μｍ以上とすることにより非常に強くなっている。し
たがって、３Ｖ／μｍ以上の電界を印加して比抵抗を測
定することにより、絶縁破壊電圧が予測できることが明
らかになった。
壊電圧■との相関係数を計算φた。その結果を第４図に
示しているが、この図かられかるように比抵抗と絶縁破
壊電圧との相関は、比抵抗測定のための印加電圧を３Ｖ
／μｍ以上とすることにより非常に強くなっている。し
たがって、３Ｖ／μｍ以上の電界を印加して比抵抗を測
定することにより、絶縁破壊電圧が予測できることが明
らかになった。
以上の実験は膜厚を１μｍ一定として実験を行った。そ
こで次に膜厚を３μｍとして同様の実験を行った。その
結果、同電界印加時の比抵抗と絶縁破壊電圧の間には１
μｍの場合と同様の相関関係があることが明らかになっ
た。
こで次に膜厚を３μｍとして同様の実験を行った。その
結果、同電界印加時の比抵抗と絶縁破壊電圧の間には１
μｍの場合と同様の相関関係があることが明らかになっ
た。
そこで実際に比抵抗の異なる酸化亜鉛薄膜を用いた変換
器を多数作成し、超音波パルス発生実験を行った。
器を多数作成し、超音波パルス発生実験を行った。
第５図に、形成した超音波変換器の構造を示した。まず
石英ガラスロッド１０ （１０ｎｗｎφ×１０■）の両
端面を鏡面研磨し、電極としてクロム及び金１１を蒸着
した。この電極上に高周波マグネトロンスパッタリング
により膜厚約４μｍの酸化亜鉛薄膜１２を形成した。ス
パッタ条件は、基板温度を２２０，３００℃としガス圧
を１．３，６Ｐａとして多数の試料を作成した。この薄
膜上に２■φの穴のあいたモリブデンＭｏマスクを用い
て上部電極１３を形成した。
石英ガラスロッド１０ （１０ｎｗｎφ×１０■）の両
端面を鏡面研磨し、電極としてクロム及び金１１を蒸着
した。この電極上に高周波マグネトロンスパッタリング
により膜厚約４μｍの酸化亜鉛薄膜１２を形成した。ス
パッタ条件は、基板温度を２２０，３００℃としガス圧
を１．３，６Ｐａとして多数の試料を作成した。この薄
膜上に２■φの穴のあいたモリブデンＭｏマスクを用い
て上部電極１３を形成した。
これらの試料に対して３Ｖ／μｍの電界を印加し、その
時流れる電流値を測定して比抵抗を求めたところ、その
比抵抗は８×１０３〜Ｉ Ｘ １０７Ω・Ｃまで分散し
ていた。
時流れる電流値を測定して比抵抗を求めたところ、その
比抵抗は８×１０３〜Ｉ Ｘ １０７Ω・Ｃまで分散し
ていた。
上記比抵抗の異なる変換器に対し、両電極間に０．２〜
１ 、２ Ｇ Ｈｚのパース１−波を印加して超音波パ
ルスを発生させる実験を行ったところ、比抵抗の低いも
のは測定を繰り返すうちに絶縁破壊を起した。
１ 、２ Ｇ Ｈｚのパース１−波を印加して超音波パ
ルスを発生させる実験を行ったところ、比抵抗の低いも
のは測定を繰り返すうちに絶縁破壊を起した。
そこで絶縁破壊を起した変換器の割合を調べた。
３Ｖ／μｍ印加時の比抵抗がＩ Ｘ １０’Ω・印以上
の変換器では絶縁破壊を起したものはなく、５ｘ１０５
〜１０６では２％、１０５〜５ Ｘ １０５Ω・印の場
合でも７％と少ないのに対し、５ Ｘ １０’〜１０５
Ω・印では３０％と急激に絶縁破壊を起こすものの数が
増え、１０４〜５Ｘ１０’Ω・■では約５０％となりそ
れ以下では半数以上が絶縁破壊を起こした。したがって
、３Ｖ／μｍ印加時の比抵抗が１０５Ω・（７）以−ヒ
の酸化亜鉛薄膜髪有する変換器であれば、はぼ安定に使
用できることは明らかである。
の変換器では絶縁破壊を起したものはなく、５ｘ１０５
〜１０６では２％、１０５〜５ Ｘ １０５Ω・印の場
合でも７％と少ないのに対し、５ Ｘ １０’〜１０５
Ω・印では３０％と急激に絶縁破壊を起こすものの数が
増え、１０４〜５Ｘ１０’Ω・■では約５０％となりそ
れ以下では半数以上が絶縁破壊を起こした。したがって
、３Ｖ／μｍ印加時の比抵抗が１０５Ω・（７）以−ヒ
の酸化亜鉛薄膜髪有する変換器であれば、はぼ安定に使
用できることは明らかである。
さらに、３Ｖ／μｍ印加時の比抵抗が５Ｘ］ＯＳΩ・■
以上であればさらに安定性が向上し、Ｉ０６Ω・■以」
二であれば尚信頼性が高いことも明らかである。
以上であればさらに安定性が向上し、Ｉ０６Ω・■以」
二であれば尚信頼性が高いことも明らかである。
以上説明したように、本発明によれは、酸化亜鉛薄膜を
用いる圧電素子において、およそ３Ｖ／μｍ印加時の比
抵抗が１０’Ω・■以上の酸化亜鉛薄膜を有するものを
選択したので、絶縁耐圧が亮く印加電圧に対する安定性
に優れた圧電素子を実現することが可能である。
用いる圧電素子において、およそ３Ｖ／μｍ印加時の比
抵抗が１０’Ω・■以上の酸化亜鉛薄膜を有するものを
選択したので、絶縁耐圧が亮く印加電圧に対する安定性
に優れた圧電素子を実現することが可能である。
第１図は比抵抗、絶縁耐圧を評価するために作成した試
料の断面図、第２図は印加電圧と流オｂる電流の関係を
示す図、□第３図は比抵抗と絶縁破壊電圧の関係を示す
図、第４図は比抵抗の対数と絶縁破壊電圧との相関係数
を、比抵抗を評価するための印加電界に対して示した図
、第５図は超音波パルスを発生させるために作成した試
料の断面図。 第１図において、１・・・石英ガラス板、２・・・クロ
ム及び金電極、３・・・酸化亜鉛薄膜、４・・・上部電
極。 第５図において、１０・・・石英ガラスロッド、１１・
・・クロム及び金電極、１２・・・酸化亜鉛薄膜、１３
・・・上部電極。 ￥−２図 ０・Ｉ ＋ １０ ｔｏＤｔｐ １
）ｏ電圧ｔ、ｖ） 茅３目 茅５図 聾４図
料の断面図、第２図は印加電圧と流オｂる電流の関係を
示す図、□第３図は比抵抗と絶縁破壊電圧の関係を示す
図、第４図は比抵抗の対数と絶縁破壊電圧との相関係数
を、比抵抗を評価するための印加電界に対して示した図
、第５図は超音波パルスを発生させるために作成した試
料の断面図。 第１図において、１・・・石英ガラス板、２・・・クロ
ム及び金電極、３・・・酸化亜鉛薄膜、４・・・上部電
極。 第５図において、１０・・・石英ガラスロッド、１１・
・・クロム及び金電極、１２・・・酸化亜鉛薄膜、１３
・・・上部電極。 ￥−２図 ０・Ｉ ＋ １０ ｔｏＤｔｐ １
）ｏ電圧ｔ、ｖ） 茅３目 茅５図 聾４図
Claims (1)
- １、基板上に形成された電極膜、該電極膜上に形成され
た酸化亜鉛薄膜、および該薄膜上に形成された上部電極
を有する圧電素子において、およそ３Ｖ／μｍの直流電
圧を印加したときの上記酸化亜鉛薄膜の比抵抗が１０＾
５Ω・ｃｍ以上であることを特徴とする圧電素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20972584A JPS6188700A (ja) | 1984-10-08 | 1984-10-08 | 圧電素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20972584A JPS6188700A (ja) | 1984-10-08 | 1984-10-08 | 圧電素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6188700A true JPS6188700A (ja) | 1986-05-06 |
| JPH0481398B2 JPH0481398B2 (ja) | 1992-12-22 |
Family
ID=16577607
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP20972584A Granted JPS6188700A (ja) | 1984-10-08 | 1984-10-08 | 圧電素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6188700A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0478471A (ja) * | 1990-07-19 | 1992-03-12 | Shimada Phys & Chem Ind Co Ltd | 超音波振動体及びその製造方法 |
-
1984
- 1984-10-08 JP JP20972584A patent/JPS6188700A/ja active Granted
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0478471A (ja) * | 1990-07-19 | 1992-03-12 | Shimada Phys & Chem Ind Co Ltd | 超音波振動体及びその製造方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0481398B2 (ja) | 1992-12-22 |
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