專利名稱：壓電體元件和陀螺儀傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有無應(yīng)力壓電體膜的壓電體元件和使用了該壓電體元件的陀螺儀傳感器。
背景技術(shù)：
已知壓電體膜的特性，例如介電常數(shù)、居里(curie)溫度、矯頑電場(coercive electric field)和剩余極化等，根據(jù)壓電體膜的內(nèi)部應(yīng)力而發(fā)生變動。通過薄膜制造工藝 成膜的壓電體膜在成膜時容易產(chǎn)生膜面內(nèi)的二維應(yīng)力，所以為了獲得具有卓越壓電特性的 壓電體元件，希望開發(fā)具有較少的內(nèi)部應(yīng)力的晶體結(jié)構(gòu)的壓電體膜。作為具有用于減少內(nèi) 部應(yīng)力的晶體結(jié)構(gòu)的壓電體元件，例如在日本特許2008-28285號公報中提出了以下的壓 電體元件該壓電體元件具有從一個電極向另一個電極層疊第1、第2和第3壓電體膜而成 的層疊結(jié)構(gòu)，并且使第1和第3壓電體膜的壓電常數(shù)小于第2壓電體膜的壓電常數(shù)。利用 如此的器件結(jié)構(gòu)，就能夠降低發(fā)生于電極與壓電體膜之間的界面上的內(nèi)部應(yīng)力。專利文獻(xiàn)1 日本特許2008-28285號公報

發(fā)明內(nèi)容
可是，在上述公報所公開的器件結(jié)構(gòu)中，由于壓電體膜與其基底之間的物性的差 異，例如晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)等的差異，而有可能在高溫成膜后的壓電體膜的冷卻過程 中，在壓電體膜內(nèi)部產(chǎn)生壓縮應(yīng)力或者拉伸應(yīng)力，所以想要充分降低應(yīng)力是困難的。因此，本發(fā)明的技術(shù)問題在于提供具有在無應(yīng)力狀態(tài)下能夠?qū)弘婓w膜進(jìn)行成膜 的晶體結(jié)構(gòu)的壓電體元件。另外，本發(fā)明的技術(shù)問題在于提供使用具有如上述那樣的晶體 結(jié)構(gòu)的壓電體元件的陀螺儀傳感器。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所涉及的壓電體元件在下部電極與上部電極之間 具備壓電體膜，該壓電體膜包含a軸取向晶體和c軸取向晶體，a軸取向晶體的晶格常數(shù)和 c軸取向晶體的晶格常數(shù)之差為0.06人以內(nèi)。本發(fā)明人經(jīng)反復(fù)悉心研究，結(jié)果新發(fā)現(xiàn)了 在 滿足a軸取向晶體的晶格常數(shù)和c軸取向晶體的晶格常數(shù)之差為0.06人以內(nèi)的條件的時 候，能夠在將壓電特性維持在良好的特性值的同時降低積蓄在壓電體膜內(nèi)部的應(yīng)力。關(guān)于 這個機(jī)理還不明確，但是可以認(rèn)為在滿足上述條件的情況下，由于對c軸取向晶體和a軸 取向晶體作適度平衡，從而壓電體膜的晶體顆粒在理想的狀態(tài)下被最密填充于基底上，這 有助于應(yīng)力的降低。另外，優(yōu)選壓電體膜包含c軸方向上晶體生長而成的柱狀晶體顆粒，該柱狀晶體 顆粒的粒徑為49. 8nm以下?？梢哉J(rèn)為如果柱狀晶體顆粒的粒徑小于49. 8nm的話，那么基 底的晶體結(jié)構(gòu)對壓電體膜的影響減弱，所以就變得容易抑制由壓電體膜與其基底之間的晶 格常數(shù)的不一致引起的在壓電體膜內(nèi)部的應(yīng)力積蓄。本發(fā)明所涉及的陀螺儀傳感器是具備基部和連接于該基部的多個臂的音叉振子 型的陀螺儀傳感器，基部和多個臂是由具有上述晶體結(jié)構(gòu)的壓電體元件一體地形成的。
根據(jù)本發(fā)明，因為能夠?qū)⒊赡ず蟮膲弘婓w膜控制在理想的無應(yīng)力狀態(tài)，所以能夠 提供在壓電特性方面表現(xiàn)卓越的壓電體元件。另外，通過使用無結(jié)晶應(yīng)變和波及振動的無 應(yīng)力壓電體元件，來構(gòu)成陀螺儀傳感器，從而就能夠提供在檢測靈敏度方面表現(xiàn)卓越的陀 螺儀傳感器。


圖1是本實施方式所涉及的壓電體元件的截面圖。圖2是在分別使壓電體膜的a軸取向晶體的晶格常數(shù)和c軸取向晶體的晶格常數(shù) 發(fā)生變化的時候所獲得的各種參數(shù)的測定結(jié)果的圖表。圖3是表示壓電體膜的a軸取向晶體的晶格常數(shù)和c軸取向晶體的晶格常數(shù)之差 與壓電常數(shù)和應(yīng)力的關(guān)系的圖表。圖4是表示壓電體膜的組成與晶格常數(shù)之間的關(guān)系的圖表。圖5是在使壓電體膜的結(jié)晶粒徑變化的時候所獲得的各種參數(shù)的測定結(jié)果的圖表。圖6是表示壓電體膜的粒徑與壓電常數(shù)和應(yīng)力之關(guān)系的圖表。圖7是表示壓電體膜的Pb-ratio與壓電常數(shù)和應(yīng)力之關(guān)系的圖表。圖8是本實施方式所涉及的陀螺儀傳感器的平面圖。圖9是圖8的按9-9線的向視截面圖。圖10是用于說明本實施方式所涉及的陀螺儀傳感器的驅(qū)動原理的示意圖。符號說明10壓電體元件20壓電體膜31上部電極32下部電極40中間薄膜50生長基板100陀螺儀傳感器110 基部120、130 臂3la、3lb 驅(qū)動電極31c、31d 檢測電極
具體實施例方式以下參照各圖就本實施方式的壓電體元件10的晶體構(gòu)和其壓電特性加以說明。如圖1所示，壓電體元件10具備壓電體膜20、分別層疊于其表面和背面的上部電 極31和下部電極32。壓電體膜20是例如由化學(xué)式々803表示的鈣鈦礦型復(fù)合氧化物。在 此，A和B是表示陽離子。作為A，優(yōu)選是選自Ca、Ba、Sr、Pb、K、Na、Li、La和Cd中的一種 以上的元素；作為B，優(yōu)選是選自Ti、Zr、Ya和Nb中的一種以上的元素。具體是，作為壓 電體膜20的材質(zhì)，優(yōu)選為鋯鈦酸鉛(PZT)、鈮鎂酸鉛-PZT類(PMN-PZT)、鈮鎳酸鉛-PZT類(PNN-PZT)、鈮鎂酸鉛-PT類(PMN-PT)、或者鈮鎳酸鉛-PT類(PNN-PT)等。作為上部電極31和下部電極32的材質(zhì)，只要是適合于壓電體膜20的晶體取向控 制等的導(dǎo)電性材料即可，并沒有特別的限定，優(yōu)選例如白金(Pt)等。其他還可列舉金(Au)、 銅(Cu)和鈦(Ti)等，另外，也可以組合層疊這些金屬。壓電體元件10是在生長基板50上通過使用公知的薄膜制造工藝來成膜的。作 為生長基板50，優(yōu)選為例如以使(100)面成為基板表面的方式加以準(zhǔn)備的單晶硅基板。作 為用于對壓電體元件10進(jìn)行成膜的薄膜制造工藝，優(yōu)選例如濺射法、等離子CVD法、熱CVD 法、或者M(jìn)0CVD法等的氣相生長方法、或者溶膠凝膠法等的液相生長法。優(yōu)選使中間薄膜40 介于壓電體元件10和生長基板50之間。作為中間薄膜40，優(yōu)選例如氧化鋯(Zr02)。通過 配設(shè)中間薄膜40，從而能夠在防止被成膜于其上的下部電極32的剝離的同時，能夠使壓電 體膜20外延生長(印itaxial growth) 0在本實施方式中，將Si02形成于Si基板上，并將 (100)取向的&02成膜于其上，之后形成(100)取向的Pt下部電極。壓電體膜20主要是由在c軸方向上外延生長而成的柱狀晶體顆粒構(gòu)成的。但是， 其晶體結(jié)構(gòu)并不是完全的(001)單一取向膜，而是以使晶體顆粒理想地最密填充于下部電 極32上的方式適度混合了 c軸取向晶體和a軸取向晶體的薄膜。 壓電體膜20優(yōu)選是其晶體結(jié)構(gòu)被調(diào)整成使得a軸取向晶體的晶格常數(shù)與c軸取 向晶體的晶格常數(shù)之差成為0.06A以內(nèi)的膜。圖2是表示將PZT類薄膜進(jìn)行成膜作為壓電 體膜20并分別使a軸取向晶體的晶格常數(shù)和c軸取向晶體的晶格常數(shù)發(fā)生變化的時候所 獲得的各種參數(shù)的測定結(jié)果。還有，晶格常數(shù)是根據(jù)由X射線衍射而測得的測定結(jié)果，并由 布雷格方程式(Bragg’ s equation)計算出來的。各種參數(shù)的內(nèi)容如以下所述。d(001) = c軸取向晶體的晶格常數(shù)1(001) = (001)面的X射線衍射圖的反射衍射強(qiáng)度d(100) = a軸取向晶體的晶格常數(shù)1(100) = (100)面的X射線衍射圖的反射衍射強(qiáng)度a = I (100)/I (001)d31 =壓電體膜20的壓電常數(shù)應(yīng)力=將成膜后的壓電體膜20冷卻至室溫的時候被積蓄于膜內(nèi)部的應(yīng)力Ad = a軸取向晶體的晶格常數(shù)與c軸取向晶體的晶格常數(shù)之差基于該測定結(jié)果，將晶格常數(shù)差值A(chǔ) d描繪于橫軸上，并將應(yīng)力和d31描繪于縱軸 上，獲得由圖3所表示的圖表。正如根據(jù)該圖表所能夠加以理解的那樣，本發(fā)明人新發(fā)現(xiàn) 了 在滿足a軸取向晶體的晶格常數(shù)和c軸取向晶體的晶格常數(shù)之差為0.06A以內(nèi)的條件 的時候，能夠在將壓電常數(shù)d31維持在良好的值的同時，又能夠降低積蓄在壓電體膜20內(nèi)部 的應(yīng)力。關(guān)于這個機(jī)理還不明確，但是可以考慮為在滿足上述條件的情況下，通過對c軸 取向晶體和a軸取向晶體作適度平衡，從而壓電體膜20的晶體顆粒被理想地最密填充于下 部電極32上，這有助于應(yīng)力的降低。還有，將鋯鈦酸鉛中的鈦酸鉛和鋯酸鉛的固溶體比作 為混合比x并描繪于橫軸，將晶格常數(shù)描繪于縱軸，并圖示A d <0.06人的區(qū)域，則如圖4所
7J\ o優(yōu)選壓電體膜20包含在c軸方向上晶體生長而成的柱狀晶體顆粒，該柱狀晶體顆 粒的粒徑為49. 8nm以下。圖5是表示通過濺射使PZT類薄膜的柱狀晶體顆粒在c軸方向上進(jìn)行外延生長來作為壓電體膜20、并使該晶體粒徑變化成各種各樣值的時候所獲得的各 種參數(shù)的測定結(jié)果。還有，粒徑和粗糙度由AFM(原子間力顯微鏡)進(jìn)行測定，原子數(shù)比根 據(jù)XRF(熒光X射線分析)的組成分析計算出來。另外，粒徑是呈柱狀生長的顆粒的直徑。 各種參數(shù)的內(nèi)容如以下所述。粒徑=壓電體膜20的柱狀晶體的粒徑d31 =壓電體膜20的壓電常數(shù)應(yīng)力=將成膜后的壓電體膜20冷卻至室溫的時候被積蓄于膜內(nèi)部的應(yīng)力Pb-ratio =原子數(shù)比 Pb/(&+Ti)成膜速度=壓電體膜20的成膜速度RMS =壓電體膜20的二次方平均粗糙度Ra =壓電體膜20的算術(shù)平均粗糙度Rmax =壓電體膜20的最大粗糙度Rz =壓電體膜20的十點平均粗糙度還有，在本實施方式中，由濺射法使PZT (鋯鈦酸鉛)膜成膜來作為壓電體膜20。 此時，濺射法的成膜條件是以各種參數(shù)來加以調(diào)整并進(jìn)行成膜。例如，只要調(diào)整工藝氣體壓 力、濺射施加電壓、氧氣分壓、T-S間距離(靶-基板間距離)和VDC/VPP，并且控制顆粒直 徑等即可。根據(jù)該測定結(jié)果，將粒徑描繪于橫軸并且將應(yīng)力和d31描繪于縱軸，獲得由圖6所 表示的圖表。正如根據(jù)該圖表所能夠加以理解的那樣，本發(fā)明人新發(fā)現(xiàn)了 在滿足在c軸 方向上進(jìn)行晶體生長而成的柱狀晶體顆粒的粒徑為49. 8nm以下的條件的時候，能夠在將 壓電常數(shù)d31維持在良好的值的同時，降低積蓄在壓電體膜20內(nèi)部的應(yīng)力。外延生長的晶 體通常受其基底晶體結(jié)構(gòu)的影響而進(jìn)行晶體生長，所以認(rèn)為如果柱狀晶體顆粒的粒徑大于 49. 8nm的話，那么基底晶體結(jié)構(gòu)的影響就會較強(qiáng)地起作用，并且由于壓電體膜20與其基底 之間的晶格常數(shù)的不一致而造成應(yīng)力容易積蓄于壓電體膜內(nèi)部。另一方面，如果柱狀晶體 顆粒的粒徑變得小于49. 8nm的話，那么基底晶體結(jié)構(gòu)對于壓電體膜20的影響就會減弱，所 以認(rèn)為容易控制由壓電體膜20與其基底之間的晶格常數(shù)的不一致所引起的在壓電體膜內(nèi) 部的應(yīng)力積蓄。還有，根據(jù)本發(fā)明人的實驗，就可以確認(rèn)在作為壓電體膜20的基底的中間薄膜 40的最上段膜的材質(zhì)為(100)取向的釕酸鍶的情況下，如果將在c軸方向上進(jìn)行晶體生長 而成的柱狀晶體顆粒的粒徑調(diào)整至49. 8nm以下的話，那么在將成膜后的壓電體膜20控制 在無應(yīng)力狀態(tài)方面是特別有效的。另外，根據(jù)由圖5所表示的上述測定結(jié)果，將Pb-ratio描繪于橫軸并將應(yīng)力和d31 描繪于縱軸，獲得圖7所表示的圖表。分析該圖表則可以理解若Pb-ratio的值為1. 1 1. 2的范圍內(nèi)，則可以保持將壓電常數(shù)d31維持在良好的值，并且能夠降低積蓄在壓電體膜 20內(nèi)部的應(yīng)力。還有，根據(jù)本發(fā)明人的實驗可以確認(rèn)不限于Pb-ratio，在鈣鈦礦型復(fù)合氧 化物AB03的原子數(shù)比A/B的值為1. 1 1. 2的范圍內(nèi)時，能夠獲得同樣的效果。另外，從表面粗糙度的觀點出發(fā)分析由圖5所表示的測定結(jié)果，則為了將壓電常 數(shù)d31維持在良好的值并且同時降低積蓄在壓電體膜20內(nèi)部的應(yīng)力，優(yōu)選壓電體膜20的二 次方平均粗糙度(RMS)為0. 53nm以下，優(yōu)選其算術(shù)平均粗糙度(Ra)為0. 28nm以下，優(yōu)選
6其最大粗糙度(Rmax)為1. 32nm以下，優(yōu)選其十點平均粗糙度(Rz)為1. 30nm以下。還有，為了利用氣相生長法或者液相生長法來將壓電體膜20的晶體粒徑控制在 49. 8nm以下，對成膜條件作適當(dāng)調(diào)整即可。例如，對于由濺射法控制晶體粒徑來說，作為成 膜條件，可以列舉工藝氣體壓力、濺射施加電壓、氧氣分壓、成膜速度、濺射靶-基板間距離 和濺射靶的自偏置(self-bias)等。更為詳細(xì)的是，工藝壓力優(yōu)選為0. lPa l.OPa的范 圍，濺射靶-基板間距離優(yōu)選為150nm以下，成膜速度優(yōu)選為3nm/min 50nm/min的范圍。接著，就有關(guān)本實施方式所涉及的陀螺儀傳感器100的結(jié)構(gòu)和工作原理作如下說 明。圖8是陀螺儀傳感器100的平面圖，圖9是圖8的按9_9線向視截面圖。陀螺儀 傳感器100是具備基部110和連接于基部110的一面的兩個臂120、130的音叉振子型的角 速度檢測元件。該陀螺儀傳感器100是按照音叉型振子的形狀，對構(gòu)成上述壓電體元件10 的壓電體膜20、上部電極31和下部電極32進(jìn)行細(xì)微加工而獲得的，各部(基部110和臂 120,130)由壓電體元件10—體地形成。在一個臂120的第一主面上分別形成有驅(qū)動電極 31a，31b和檢測電極31d。同樣，在另一個臂130的第一主面上，分別形成有驅(qū)動電極31a， 31b和檢測電極31c。這些各個電極31a，31b，31c，3Id是通過將上部電極31蝕刻成規(guī)定的 電極形狀而獲得的。還有，在基部110和臂120，130的各自第二主面(第一主面背側(cè)的主 面)上整面狀地形成的下部電極32，起到作為陀螺儀傳感器100的接地電極的功能。如圖10所示，將各個臂120，130的長邊方向作為Z方向，并將包含兩個臂120，130 的主面的平面作為XZ平面，由此定義XYZ直角坐標(biāo)系。在將驅(qū)動信號提供給驅(qū)動電極31a， 31b之后，兩個臂120，130以面內(nèi)振動模式進(jìn)行激振。所謂面內(nèi)振動模式，是指兩個臂120， 130在平行于兩個臂120，130主面的方向上進(jìn)行激振的振動模式。例如，一個臂120在朝 著-X方向以速度VI進(jìn)行激振的時候，另一個臂130則朝著+X方向以速度V2進(jìn)行激振。 若在該狀態(tài)下將Z軸作為旋轉(zhuǎn)軸并將角速度《的旋轉(zhuǎn)施加給陀螺儀傳感器100，則科里奧 利力(Coriolis force)在垂直于速度方向的方向上分別對于兩個臂120，130起作用，且該 兩個臂以面外振動模式開始激振。所謂面外振動模式，是指兩個臂120，130在垂直于兩個 臂120，130的主面的方向上進(jìn)行激振的振動模式。例如，在作用于一個臂120的科里奧利 力F1為-Y方向的時候，作用于另一個臂130的科里奧利力F2則為+Y方向?？评飱W利力 Fl，F(xiàn)2的大小與角速度《成比例，所以可以由壓電體膜20將取決于科里奧利力Fl，F(xiàn)2的 臂120，130的機(jī)械性形變轉(zhuǎn)換成電信號(檢測信號)，并從檢測電極31c，31d輸出該信號， 從而求得角速度《。通過使用沒有晶體形變和波及振動(tilting vibration)的無應(yīng)力壓電體元件 10來構(gòu)成陀螺儀傳感器100，從而能夠提供在檢測靈敏度方面表現(xiàn)卓越的陀螺儀傳感器 100。還有，在上述的說明中，雖然將面內(nèi)振動模式作為驅(qū)動振動模式，并且將面外振動模式 作為檢測振動模式，但是也可以將面外振動模式作為驅(qū)動振動模式，并且將面內(nèi)振動模式 作為檢測振動模式。另外，臂120，130的根數(shù)并不限定于合計2根，也可以是合計3根以上。產(chǎn)業(yè)上的可利用性本發(fā)明所涉及的壓電體元件能夠應(yīng)用于陀螺儀傳感器、驅(qū)動器、頻率濾波器、非揮 發(fā)性儲存器、光調(diào)制器和音響元件等的所謂的電子器件中。
權(quán)利要求
一種壓電體元件，其特征在于是一種在下部電極與上部電極之間具備壓電體膜的壓電體元件，所述壓電體膜包含a軸取向晶體和c軸取向晶體，所述a軸取向晶體的晶格常數(shù)和所述c軸取向晶體的晶格常數(shù)之差為以內(nèi)。FSA00000077849900011.tif
2.如權(quán)利要求1所述的壓電體元件，其特征在于所述壓電體膜包含在c軸方向上進(jìn)行晶體生長而成的柱狀晶體顆粒， 所述柱狀晶體顆粒的粒徑為49. 8nm以下。
3.如權(quán)利要求1所述的壓電體元件，其特征在于所述壓電體膜是由化學(xué)式abo3表示的鈣鈦礦型復(fù)合氧化物， 原子比A/B為1. 1 1.2。
4.如權(quán)利要求1所述的壓電體元件，其特征在于 所述壓電體膜的算術(shù)平均粗糙度Ra為0. 28nm以下。
5.如權(quán)利要求1所述的壓電體元件，其特征在于在所述下部電極和所述上部電極中的至少一者與所述壓電體膜之間，具有由釕酸鍶構(gòu) 成的層。
6.如權(quán)利要求2所述的壓電體元件，其特征在于 所述柱狀晶體顆粒是在c軸方向上外延生長的。
7.一種陀螺儀傳感器，其特征在于是一種具備基部和連接于所述基部的多個臂的音叉振子型的陀螺儀傳感器， 所述基部和所述多個臂由權(quán)利要求1所述的壓電體元件一體地形成。
全文摘要
本發(fā)明的技術(shù)問題是提供具有在無應(yīng)力狀態(tài)下能夠?qū)弘婓w膜進(jìn)行成膜的壓電體元件和陀螺儀傳感器。壓電體膜包含a軸取向晶體和c軸取向晶體，a軸取向晶體的晶格常數(shù)和c軸取向晶體的晶格常數(shù)之差為0.06以內(nèi)。本發(fā)明人新發(fā)現(xiàn)了在滿足a軸取向晶體的晶格常數(shù)和c軸取向晶體的晶格常數(shù)之差為0.06以內(nèi)的條件的時候，能夠?qū)弘娞匦跃S持在良好的特性值，并且能夠減少積蓄在壓電體膜內(nèi)部的應(yīng)力?？梢哉J(rèn)為在滿足上述條件的情況下，由于對c軸取向晶體和a軸取向晶體作適度平衡，因而壓電體膜的晶體顆粒在理想的狀態(tài)下被最密地填充于基底上，這有助于應(yīng)力的降低。
文檔編號G01C19/56GK101853916SQ20101015501
公開日2010年10月6日 申請日期2010年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月31日
發(fā)明者前川和也, 海野健, 遠(yuǎn)池健一, 野口隆男 申請人:Tdk株式會社