JP2011181764A - Piezoelectric-body element and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
【課題】鉛を含有せず、且つ、圧電特性の温度依存性を改善することができる圧電体素子を提供する。
【解決手段】圧電体素子10は、圧電体層20と、その表裏面のそれぞれに積層された上部電極31及び下部電極32を備えるものである。圧電体層20は、その膜厚方向において、組成が異なる5つの層である圧電体膜21〜25が積層されてなり、それらの組成は、段階的に異なっており、且つ、その中心面(図2の一点鎖線Cで示すレベル面)に対して対称となるように形成されたものである。これらの圧電体膜21〜25のうち、例えば、圧電体膜21,25は、BZT−50%BCTからなり、圧電体膜22,24は、BZT−45%BCTからなり、圧電体膜23は、BZT−40%BCTからなる。かかる構成により、圧電体層20の圧電特性の温度依存性が平均化されて有意に改善される。
【選択図】図2Provided is a piezoelectric element that does not contain lead and can improve the temperature dependence of piezoelectric characteristics.
A piezoelectric element includes a piezoelectric layer and an upper electrode and a lower electrode stacked on the front and back surfaces thereof. The piezoelectric layer 20 is formed by laminating five piezoelectric layers 21 to 25 having different compositions in the film thickness direction, the compositions of which differ stepwise, and the center plane ( It is formed so as to be symmetric with respect to a level plane indicated by a one-dot chain line C in FIG. Among these piezoelectric films 21 to 25, for example, the piezoelectric films 21 and 25 are made of BZT-50% BCT, the piezoelectric films 22 and 24 are made of BZT-45% BCT, and the piezoelectric film 23 is BZT-40% BCT. With this configuration, the temperature dependence of the piezoelectric characteristics of the piezoelectric layer 20 is averaged and significantly improved.
[Selection] Figure 2
Description
本発明は、圧電体素子及びその製造方法、並びにそれらを用いた種々のセンサ等に関する。 The present invention relates to a piezoelectric element, a manufacturing method thereof, various sensors using the same, and the like.
圧電材料は、電気エネルギーと機械エネルギーを有意に変換できる物質として、一般に、種々の分野で広く使用されている。現状、かかる圧電材料としては、その圧電特性や生産性等の種々の観点における優位性から、実用化されているものの殆どが、PZT(Pb(Ti,Zr)O3:チタン酸ジルコン酸鉛)を利用したものと言っても過言ではない。しかし、PZTは、有害な重金属である鉛をその組成中に大量に含むため、環境問題の観点からその使用が近年厳しく規制されつつあり、圧電材料に対してもかかる規制の適用が求められつつある。そのため、PZTに匹敵する優れた特性を有する鉛を含まない(非鉛)の圧電材料の開発が、喫緊の課題となっており、これまで種々の提案がなされてきたが、実用的にPZTを代替できるような圧電材料は、未だに世界的に広く認知され且つ浸透しているとは言えない。かかる状況下、特許文献1には、鉛に代わる元素として、Ba(バリウム)及びCa(カルシウム)を含む酸化物固溶体からなる非鉛圧電材料が提案されている。 Piezoelectric materials are generally widely used in various fields as substances that can significantly convert electrical energy and mechanical energy. At present, most of such piezoelectric materials that have been put into practical use due to their superiority in various viewpoints such as piezoelectric characteristics and productivity are PZT (Pb (Ti, Zr) O 3 : lead zirconate titanate). It is not an exaggeration to say that it was used. However, since PZT contains a large amount of lead, which is a harmful heavy metal, in its composition, its use has been severely regulated in recent years from the viewpoint of environmental problems, and the application of such regulation is also demanded for piezoelectric materials. is there. For this reason, the development of lead-free (non-lead) piezoelectric materials having excellent characteristics comparable to PZT has become an urgent issue, and various proposals have been made so far. Piezoelectric materials that can be substituted are not yet widely recognized and permeated worldwide. Under such circumstances, Patent Document 1 proposes a lead-free piezoelectric material made of an oxide solid solution containing Ba (barium) and Ca (calcium) as elements instead of lead.
ここで、特許文献1において提案されている非鉛圧電材料であるBZT−δ%BCT(特許文献1においてかかる略称にて記載されている。)は、その圧電係数(d33)が極めて大きく、いわゆるソフトPZTを凌ぐ性能を有している。しかし、その圧電特性は、結晶層境界(Morphotropic Phase Boundary:MPB、引用文献1の図1に示す如く、状態図における正方晶の相と菱面体晶の相との境界)に相当する温度で最大値を示すが、そのMPBに相当する温度は、同文献の図1に記載された状態図に示されているとおり、BZT−δ%BCTにおけるBZT及びBCTの含有割合(組成比)に対する変化率が過大な傾向にある。これに起因して、BZT及びBCTの組成比が若干異なっただけでも、BZT−δ%BCTの圧電係数(d33)の温度依存性が変化してしまい、換言すれば、圧電特性が温度変化に敏感であり、周囲(雰囲気)温度が変動するような使用環境においては、その圧電特性を所望に制御することは困難である。 Here, BZT-δ% BCT (described in abbreviations in Patent Document 1), which is a lead-free piezoelectric material proposed in Patent Document 1, has an extremely large piezoelectric coefficient (d 33 ). It has performance that surpasses so-called soft PZT. However, the piezoelectric property is maximum at a temperature corresponding to a crystal layer boundary (Morphotropic Phase Boundary: MPB, a boundary between a tetragonal phase and a rhombohedral phase in a phase diagram as shown in FIG. 1 of Cited Reference 1). The temperature corresponding to the MPB is a rate of change with respect to the content ratio (composition ratio) of BZT and BCT in BZT-δ% BCT as shown in the phase diagram described in FIG. Tend to be excessive. Due to this, even if the composition ratios of BZT and BCT are slightly different, the temperature dependence of the piezoelectric coefficient (d 33 ) of BZT-δ% BCT changes. In other words, the piezoelectric characteristics change with temperature. In a use environment where the ambient (atmosphere) temperature varies, it is difficult to control the piezoelectric characteristics as desired.
そこで、本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、鉛を含有せず(非鉛で)、且つ、圧電特性の温度依存性を改善することができる圧電体素子及びその製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of such circumstances, and provides a piezoelectric element that does not contain lead (with no lead) and that can improve the temperature dependence of piezoelectric characteristics, and a method for manufacturing the same. The purpose is to do.
上記課題を解決するため、本発明による圧電体素子は、結晶相境界(Morphotropic Phase Boundary:MPB)を有する非鉛系圧電材料(特に、複数の化合物を含む混合物、混合組成物、固溶体、複合体)からなる圧電体層を備えており、その圧電体層は、組成が互いに異なる複数の部位を含むものである。 In order to solve the above problems, a piezoelectric element according to the present invention is a lead-free piezoelectric material having a crystal phase boundary (Morphotropic Phase Boundary: MPB) (particularly, a mixture, a mixed composition, a solid solution, and a composite including a plurality of compounds) ), And the piezoelectric layer includes a plurality of portions having different compositions.
このような構成においては、圧電体層が、組成の異なる複数の部位を含むもの、例えば、多層薄膜(積層薄膜)であって、各膜(各層:以下同様)を構成する化合物や組成物の組成(比)が互いに異なるものから形成されているので、上記特許文献1に記載された圧電材料の如く組成比によって圧電特性の温度依存性が異なる非鉛系圧電材料を用いたとしても、各膜の圧電特性の温度依存性が互いに異なるが故に、圧電体層全体としての圧電特性は平均化(温度変化に対して平坦化)され、その結果、圧電特性の温度依存性が軽減され得る。 In such a configuration, the piezoelectric layer includes a plurality of parts having different compositions, for example, a multilayer thin film (laminated thin film), and a compound or a composition of each film (each layer: the same shall apply hereinafter) Since the composition (ratio) is formed of materials different from each other, even if a lead-free piezoelectric material having a temperature dependency of piezoelectric characteristics depending on the composition ratio is used, such as the piezoelectric material described in Patent Document 1, Since the temperature dependence of the piezoelectric characteristics of the films is different from each other, the piezoelectric characteristics of the entire piezoelectric layer are averaged (flattened against temperature changes), and as a result, the temperature dependence of the piezoelectric characteristics can be reduced.
具体的には、圧電体層の組成がその厚さ方向において連続的に又は断続的に異なるように形成されたもの、例えば、圧電体層として境界が明確ではない1つの膜であっても、その組成(比)が厚さ方向において連続的に変化しているものや、上述の如く、圧電体層がその厚さ方向(積層方向)に複数の薄膜が積層された多層薄膜であり、且つ、各膜の組成が互いに異なる(例えば、段階的に徐々に異なる)ものが挙げられる。 Specifically, even when the piezoelectric layer is formed so that the composition of the piezoelectric layer is continuously or intermittently different in the thickness direction, for example, a single layer whose boundary is not clear as the piezoelectric layer, The composition (ratio) is continuously changing in the thickness direction, or as described above, the piezoelectric layer is a multilayer thin film in which a plurality of thin films are laminated in the thickness direction (stacking direction), and , Films having different compositions (for example, gradually different in stages) can be mentioned.
また、圧電体層の組成が、その厚さ方向の中心面に対して対称となるように形成されたものであると好適である。 Further, it is preferable that the composition of the piezoelectric layer is formed so as to be symmetric with respect to the center plane in the thickness direction.
一般に、圧電体素子(圧電体層)の特性、例えば、誘電率、キュリー温度、抗電界、及び残留分極等は、圧電体層の内部応力によって変動する傾向にあるのに対し、例えば、薄膜プロセスによって半導体基板等の基板上に成膜形成された圧電体層は、成膜時にその面内の二次元応力が発生し易く、すなわち、圧電体層とその下地との物性の相違、例えば、格子定数や熱膨張係数等の相違により、高温成膜後の膜の冷却過程において、膜内部に圧縮応力又は引張応力が発生し得る。こうなると、所望の特性を有する圧電体層を形成することが困難なことがあり、また、圧電体素子を基板から剥離して用いる場合(個片化又は個品化した場合)、そのような膜内部に残留した応力が解放され、圧電体素子が反ってしまうような形状変化(変形)が生じてしまうことがある。 In general, characteristics of a piezoelectric element (piezoelectric layer), such as dielectric constant, Curie temperature, coercive electric field, and remanent polarization, tend to vary depending on internal stress of the piezoelectric layer. A piezoelectric layer formed on a substrate such as a semiconductor substrate is likely to generate in-plane two-dimensional stress during film formation, that is, a physical property difference between the piezoelectric layer and its base, for example, a lattice Due to differences in constants, thermal expansion coefficients, etc., compressive stress or tensile stress may be generated inside the film during the film cooling process after high-temperature film formation. In this case, it may be difficult to form a piezoelectric layer having desired characteristics, and when the piezoelectric element is used after being separated from the substrate (individualized or individualized), In some cases, the stress remaining inside the film is released, and a shape change (deformation) that causes the piezoelectric element to warp may occur.
これに対し、圧電体層を形成する膜の組成(比)が、その厚さ方向(圧電体層の面方向に垂直な方向)において異なると、結晶構造、結晶子構造、ドメイン構造等の相違に起因して、各膜の内部に生じ得る圧縮応力又は引張応力も、圧電体層の厚さ方向において異なり得る(但し、作用機序はこれに限定されない。)。よって、本発明の如く、圧電体層の組成が、その厚さ方向の中心面に対して対称となるように形成されたものであれば、圧電体層全体としては、圧縮応力又は引張応力がその中心面に対して厚さ方向において打ち消され得る(キャンセルされ得る)。これにより、圧電体層ひいては圧電体素子全体の特性を平均化し、且つ、その形状変化を抑制することが可能となる。 In contrast, if the composition (ratio) of the film forming the piezoelectric layer differs in the thickness direction (direction perpendicular to the surface direction of the piezoelectric layer), the crystal structure, crystallite structure, domain structure, etc. Therefore, the compressive stress or tensile stress that can be generated inside each film can also be different in the thickness direction of the piezoelectric layer (however, the mechanism of action is not limited to this). Therefore, as in the present invention, if the composition of the piezoelectric layer is formed so as to be symmetric with respect to the center plane in the thickness direction, the piezoelectric layer as a whole has a compressive stress or tensile stress. It can be canceled (can be canceled) in the thickness direction with respect to the center plane. As a result, it is possible to average the characteristics of the piezoelectric layer, and thus the entire piezoelectric element, and to suppress the shape change.
或いは、圧電体層は、X線回折分析における2θピークの半値幅が互いに異なる複数の部位を含むように構成してもよい。 Alternatively, the piezoelectric layer may be configured to include a plurality of portions having different half-value widths of 2θ peaks in X-ray diffraction analysis.
このように構成した場合、本発明者の知見によれば、圧電体層において、X線回折分析により、同一の反射面における2θピークの半値幅が異なる部位(多層薄膜の場合、X線回折分析における2θピークの半値幅が異なる膜)においては、その内部に生じ得る応力(圧縮応力又は引張応力)が異なり、特に、X線回折分析における2θピークの半値幅がより大きい程、内部に生じる応力は軽減される傾向にある。したがって、圧電体層における収縮し易い部位(膜)が、X線回折分析における2θピークの半値幅がより大きくなるように形成すれば、その部位の内部応力をより小さくすることができ、これによっても、圧電体層ひいては圧電体素子に生じ得る反りといった形状変化を抑制することができる。 In this case, according to the knowledge of the present inventor, in the piezoelectric layer, the X-ray diffraction analysis shows that the half-value width of the 2θ peak on the same reflecting surface is different (in the case of a multilayer thin film, the X-ray diffraction analysis). (Films having different half-widths of 2θ peaks in the film) have different stresses (compressive stress or tensile stress) that can be generated therein, and in particular, the greater the half-width of the 2θ peaks in the X-ray diffraction analysis, Tend to be alleviated. Therefore, if the portion (film) that easily contracts in the piezoelectric layer is formed so that the half-value width of the 2θ peak in the X-ray diffraction analysis is larger, the internal stress of the portion can be further reduced. However, it is possible to suppress a shape change such as a warp that may occur in the piezoelectric layer and thus the piezoelectric element.
換言すれば、本発明による圧電体素子は、そのような形状変化が有効に抑制される観点から、結晶相境界を有する非鉛系圧電材料からなる圧電体層を有しており、その圧電体層は、X線回折分析における2θピークの半値幅が互いに異なる複数の部位を含むものであっても有用である。 In other words, the piezoelectric element according to the present invention has a piezoelectric layer made of a lead-free piezoelectric material having a crystal phase boundary from the viewpoint of effectively suppressing such a change in shape. The layer is useful even if it includes a plurality of portions having different half-widths of 2θ peaks in X-ray diffraction analysis.
より具体的には、圧電体層のX線回折分析における2θピークの半値幅が、その厚さ方向において、一方面から他方面に向かって大きくなるように形成されたものを例示できる。例えば、半導体基板(圧電体層に接するように形成された下地膜を有していてもよい)上に圧電体膜を成膜して圧電体層を形成する場合、一般に、膜の上部、つまり、半導体基板から遠い部位(後から成膜された部位)ほど、収縮の度合いが大きく、逆に、基板面に近い部位(先に成膜された部位)は、基板面によって収縮が規制される。よって、この場合には、圧電体層を構成する膜の上部に向かって、その部位のX線回折分析における2θピークの半値幅が大きくなるように成膜することにより、圧電体素子を基板から剥離して個片化したときの反り(形状変化)を一層有効に抑制することができる。 More specifically, it is possible to exemplify those formed such that the half width of the 2θ peak in the X-ray diffraction analysis of the piezoelectric layer increases in the thickness direction from one surface to the other surface. For example, when a piezoelectric film is formed by forming a piezoelectric film on a semiconductor substrate (which may have a base film formed so as to be in contact with the piezoelectric layer), generally, the upper part of the film, that is, The part farther from the semiconductor substrate (part formed later) has a higher degree of contraction, and conversely, the part closer to the substrate surface (part formed earlier) is restricted by the substrate surface. . Therefore, in this case, the piezoelectric element is removed from the substrate by forming the film so that the full width at half maximum of the 2θ peak in the X-ray diffraction analysis of the portion is increased toward the top of the film constituting the piezoelectric layer. Warpage (shape change) when peeled and separated into pieces can be more effectively suppressed.
更に具体的には、非鉛系圧電材料としては、二元系化合物又は擬二元系化合物(例えば、2種類の異なる化合物を含むペロブスカイト型複合酸化物、又は、その酸化物を主成分とする組成物)、例えば、Ba(Ti1-xZrx)O3及び(Ba1-yMy)TiO3(但し、Mは、Mg、Ca、Srのうち少なくとも1種の元素を示す。)を含み、且つ、状態図(Ba(Ti1-xZrx)O3及び(Ba1-yMy)TiO3の組成比を一軸(例えば横軸)とし、温度を他軸(例えば縦軸)とした状態図)において、立方晶、菱面体晶、及び正方晶の3相のうち各2相の相境界を有するものが挙げられる。 More specifically, as a lead-free piezoelectric material, a binary compound or a pseudo-binary compound (for example, a perovskite complex oxide containing two different compounds, or an oxide thereof as a main component) composition), for example, Ba (Ti 1-x Zr x) O 3 and (Ba 1-y M y) TiO 3 ( where, M represents, Mg, Ca, at least one element of Sr.) And the phase diagram (Ba (Ti 1-x Zr x ) O 3 and (Ba 1- y My ) TiO 3 has a composition ratio as one axis (for example, the horizontal axis), and temperature is the other axis (for example, the vertical axis) In the state diagram)), those having a phase boundary between two phases among the three phases of cubic, rhombohedral and tetragonal are mentioned.
また、本発明による圧電体素子の製造方法は、本発明による圧電体素子を有効に製造するための方法であり、半導体基板上に、結晶相境界を有する非鉛系圧電材料からなり、且つ、組成(比)が互いに異なる複数の部位(膜)を含む圧電体層を形成する工程を含む。 The method for manufacturing a piezoelectric element according to the present invention is a method for effectively manufacturing the piezoelectric element according to the present invention, which is made of a lead-free piezoelectric material having a crystal phase boundary on a semiconductor substrate, and Forming a piezoelectric layer including a plurality of portions (films) having different compositions (ratio).
具体的には、圧電体層を形成する工程においては、圧電体層として、二元系化合物又は擬二元系化合物からなる部位(膜)を形成し、且つ、その二元系化合物又は擬二元系化合物の原料として、その化合物を構成する第1化合物及び第2化合物のそれぞれからなる2種類の材料を用いるようにしてもよい。このとき、二元系化合物又は擬二元系化合物の原料は、特に制限されず、圧電体層を形成する非鉛系圧電材料が、例えば、上述したBa(Ti1-xZrx)O3及び(Ba1-yMy)TiO3であり、その圧電体層を例えば種々の気相堆積(成長)法等で成膜する場合、Ba(Ti1-xZrx)O3からなるターゲット材料と、(Ba1-yMy)TiO3からなるターゲット材料とを、別々に準備して用いてもよいし、単一の又は種々の組成(組成比、ストイキオメトリ)を有するBa(Ti1-xZrx)O3及び(Ba1-yMy)TiO3を含む焼結体を用いてもよい。 Specifically, in the step of forming the piezoelectric layer, a portion (film) made of a binary compound or a pseudo binary compound is formed as the piezoelectric layer, and the binary compound or pseudo binary is formed. As the raw material of the ternary compound, two kinds of materials composed of the first compound and the second compound constituting the compound may be used. At this time, the raw material of the binary compound or the pseudo-binary compound is not particularly limited, and the lead-free piezoelectric material forming the piezoelectric layer is, for example, the Ba (Ti 1-x Zr x ) O 3 described above. and (Ba 1-y M y) is a TiO 3, consists case of depositing its piezoelectric layer, for example, various vapor deposition (growth) method, etc., Ba (Ti 1-x Zr x) O 3 target and materials, and a target material consisting of (Ba 1-y M y) TiO 3, may be used to prepare separately, single or various compositions (composition ratio, stoichiometry) Ba having a ( A sintered body containing Ti 1-x Zr x ) O 3 and (Ba 1- y My ) TiO 3 may be used.
また、圧電体層を形成する工程においては、その圧電体層の形成レート(成膜レート:例えば、単位がÅ/sec)を調節するようにしても好適であり、半導体基板等の基板上に圧電体層を成膜形成する場合、その形成レートを連続的に又は断続的に徐々に小さくするようにすれば、先述した圧電体層のX線回折分析における2θピークの半値幅が、その厚さ方向において、一方面から他方面に向かって大きくなるように形成された圧電体層を備える圧電体素子をより有効に製造し得る。 In the step of forming the piezoelectric layer, it is also preferable to adjust the formation rate of the piezoelectric layer (deposition rate: for example, the unit is Å / sec). When the piezoelectric layer is formed into a film, if the formation rate is gradually decreased intermittently or intermittently, the half width of the 2θ peak in the X-ray diffraction analysis of the piezoelectric layer described above becomes the thickness of the piezoelectric layer. A piezoelectric element including a piezoelectric layer formed so as to increase from one surface to the other surface in the vertical direction can be more effectively manufactured.
なお、ここで、「圧電体層の形成レートを調節する」とは、圧電体層の形成レートを変化(可変)させることにより、圧電体層全体の組成を均一に(一定に)せずに互いに組成が異なる部位を形成せしめ、或いは、圧電体層において、X線回折分析における2θピークの半値幅が異なる部位を形成せしめることを意味する。また、圧電体層の形成レートを調節する方法としては、例えば、種々の気相堆積法を用いて圧電薄膜からなる圧電体層を形成する場合、前述した圧電体層の各形成材料(ターゲット材料)から単位時間に生成される各材料イオン、化学種、蒸気等の量を変化させたり、圧電体層が形成される基板への各材料蒸気の到達量を変化させたりする方法が挙げられ、更に例示すれば、スパッタ等の物理的気相堆積法(PVD)を用いる場合、その成膜条件の各種パラメータ、例えば、成膜用チャンバ内のプロセス(雰囲気)ガスの種類や組成(例えば、酸素分圧)、スパッタリング印加電圧、高周波電力の出力、T−S間距離(ターゲット−基板間距離)を調整する方法が挙げられる。 Here, “adjusting the formation rate of the piezoelectric layer” means changing (variing) the formation rate of the piezoelectric layer without making the composition of the entire piezoelectric layer uniform (constant). This means that portions having different compositions from each other are formed, or portions having different half-widths of 2θ peaks in the X-ray diffraction analysis are formed in the piezoelectric layer. In addition, as a method for adjusting the formation rate of the piezoelectric layer, for example, when forming a piezoelectric layer made of a piezoelectric thin film using various vapor deposition methods, each of the above-described piezoelectric layer forming materials (target materials) ) To change the amount of each material ion, chemical species, vapor, etc. generated per unit time, or to change the amount of each material vapor reaching the substrate on which the piezoelectric layer is formed, For example, when physical vapor deposition (PVD) such as sputtering is used, various parameters of the film formation conditions, for example, the type and composition of process (atmosphere) gas in the film formation chamber (for example, oxygen (Partial pressure), sputtering applied voltage, high-frequency power output, and T-S distance (target-substrate distance).
また、本発明による圧電体素子の製造方法は、上述の如く、圧電体素子の形状変化を有効に抑制する観点から、半導体基板上に、結晶相境界を有する非鉛系圧電材料からなる圧電体層を形成する工程を含み、その圧電体層を形成する工程においては、圧電体層の形成レートを調節する方法であってもよい。 In addition, as described above, the method for manufacturing a piezoelectric element according to the present invention is a piezoelectric body made of a lead-free piezoelectric material having a crystal phase boundary on a semiconductor substrate from the viewpoint of effectively suppressing the shape change of the piezoelectric element. In the step of forming the piezoelectric layer including the step of forming the layer, a method of adjusting the formation rate of the piezoelectric layer may be used.
本発明の圧電体素子及びその製造方法によれば、結晶相境界(MPB)を有する非鉛系圧電材料からなる圧電体層に、組成が互いに異なる複数の部位が含まれるので、圧電体層全体としての圧電特性が平均化されてその温度依存性を改善することができ、これにより、周囲温度が変動するような使用環境においても、圧電体素子の優れた圧電特性を安定に維持し且つ所望に制御することが可能となる。 According to the piezoelectric element and the manufacturing method thereof of the present invention, since the piezoelectric layer made of a lead-free piezoelectric material having a crystal phase boundary (MPB) includes a plurality of portions having different compositions, the entire piezoelectric layer As a result, the piezoelectric properties of the piezoelectric element can be averaged to improve the temperature dependence thereof, so that the excellent piezoelectric properties of the piezoelectric element can be stably maintained and desired even in an environment where the ambient temperature fluctuates. It becomes possible to control to.
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。また、図面の寸法比率は、図示の比率に限定されるものではない。さらに、以下の実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をその実施の形態のみに限定する趣旨ではない。またさらに、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな変形が可能である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. The positional relationship such as up, down, left, and right is based on the positional relationship shown in the drawings unless otherwise specified. Further, the dimensional ratios in the drawings are not limited to the illustrated ratios. Furthermore, the following embodiment is an illustration for explaining the present invention, and is not intended to limit the present invention only to the embodiment. Furthermore, the present invention can be variously modified without departing from the gist thereof.
図1は、本発明による圧電体素子の一実施形態の構成を示す概略断面図である。圧電体素子10は、圧電体層20と、その表面及び裏面のそれぞれに積層された上部電極31及び下部電極32を備える。上部電極31及び下部電極32の材質としては、特に制限されず、圧電体層20の結晶配向制御等に適した導電性材料であればよく、例えば、Pt(白金)、Au(金)、Cu(銅)、Ti(チタン)等が挙げられ、それらは単独で用いられてもよく、複数組み合わせて(混合して)用いられてもよい。
FIG. 1 is a schematic sectional view showing the configuration of an embodiment of a piezoelectric element according to the present invention. The
一方、圧電体層20は、例えば、化学式ABO3−CDO3(それぞれ第1及び第2化合物)で表される非鉛系(Pbを含有しない)のペロブスカイト型複合酸化物を主成分とする二元系化合物又は擬二元系化合物からなるものである。ここで、A乃至Dは陽イオンを示し、A及びCとしては、Mg(マグネシウム)、Ca(カルシウム)、Ba(バリウム)、Sr(ストロンチウム)、K(カリウム)、Na(ナトリウム)、Li(リチウム)、La(ランタン)及びCd(カドミウム)から選択される少なくともいずれか1種の元素が挙げられ、B及びDとしては、Ti(チタン)、Zr(ジルコニウム)、Ta(タンタル)及びNb(ニオブ)から選択される少なくとも1種の元素が挙げられる。
On the other hand, the
より具体的には、圧電体層20の材質としては、Ba(Ti1-xZrx)O3及び(Ba1-yMy)TiO3(但し、Mは、Mg、Ca、Srのうち少なくとも1種の元素を示す。)からなるもの、又は、それらを主成分として含むものが好ましく、更に具体的には、Ba(Ti0.8Zr0.2)O3−(Ba0.7Ca0.3)TiO3(以下、「BZT−αBCT」と略記し、このBZT−αBCTを、圧電体層20の代表例として記載する。)からなるもの、又は、それを主成分として含むものが挙げられる。なお、このBZT−αBCTの場合、化学式「ABO3−CDO3」において、「A」がBaであり、「B」がTi及びZrであり、「C」がBa及びCaであり、「D」がTiである。 More specifically, as the material of the piezoelectric layer 20, Ba (Ti 1-x Zr x) O 3 and (Ba 1-y M y) TiO 3 ( where, M is, Mg, Ca, among Sr At least one kind of element.) Or those containing them as a main component are preferred. More specifically, Ba (Ti 0.8 Zr 0.2 ) O 3 — (Ba 0.7 Ca 0.3 ) TiO 3 ( Hereinafter, it is abbreviated as “BZT-αBCT”, and this BZT-αBCT is described as a representative example of the piezoelectric layer 20), or one containing it as a main component. In this BZT-αBCT, in the chemical formula “ABO 3 -CDO 3 ”, “A” is Ba, “B” is Ti and Zr, “C” is Ba and Ca, and “D”. Is Ti.
また、圧電体層20は、その状態図(上述の例では、BZT−αBCTの組成比を一軸(例えば横軸)とし、温度を他軸(例えば縦軸)とした状態図;特許文献1の図1に記載されたものと同様の状態図)において、立方晶、菱面体晶、及び正方晶の3相のうち各2相の相境界を有するものであり、すなわち、結晶相境界(MPB)を有する材料で形成されている。
Further, the
さらに、圧電体層20は、例えば、その膜厚方向(厚さ方向;圧電体層20の延在面に垂直な方向、つまり、図示上下方向)において、その組成、すなわち、BZT−αBCTの例においては、「BZT」と「BCT」(それぞれ第1及び第2化合物)の含有割合(混合割合、組成比;以下、例えば、BZTを60質量%、BCTを40質量%含むもの、換言すれば、α=40質量%のものを「BZT−40%BCT」のように記す。)が互いに異なる複数の部位を含むものである。
Further, the
また、図2は、本発明による圧電体素子の他の一実施形態の構成を示す概略断面図であり、本実施形態の圧電体素子10は、圧電体層20が、圧電体膜21〜25が積層された5層構造の積層薄膜からなること以外は、図1に示す圧電体素子10と同様に構成されたものである。これらの圧電体膜21〜25のうち、圧電体膜21,25は、BZT−50%BCTからなり、圧電体膜22,24は、BZT−45%BCTからなり、圧電体膜23は、BZT−40%BCTからなる。すなわち、圧電体層20は、その膜厚方向において、組成が異なる5つの層である圧電体膜21〜25が積層されたものであり、それらの組成は、段階的に(不連続に)異なっており、且つ、その膜厚方向において、その中心面(図2において、仮想的な一点鎖線Cで示すレベル面)に対して対称となるように形成されたものである。換言すれば、圧電体層20の基準となる膜(圧電体膜23)を中心に圧電体膜21,25と圧電体膜22,24はそれぞれ互いに対称となるように形成されている。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of another embodiment of the piezoelectric element according to the present invention. The
ここで、図4は、圧電体膜21〜25及びそれらから構成される圧電体層20の圧電係数d33の温度特性(温度に対する変化)を示すグラフであり、圧電体膜21,25(BZT−50%BCT)、圧電体膜22,24(BZT−45%BCT)、及び圧電体膜23(BZT−40%BCT)、及び圧電体層20の圧電係数d33を、温度20℃〜70℃の範囲で10℃毎にプロットしたものであり、目安としてそれらのプロットデータを結んだ折線グラフを、それぞれ、線L50、線L45、線L40、及び線Lvで示す。これらのデータから、個々の圧電体膜21〜25は、組成が異なると、圧電係数の温度依存性が比較的大きいのに対し、それらの積層体(多層薄膜)である圧電体層20は、全体として圧電係数の温度依存性が平均化(平坦化)されて小さくなっており、これにより、圧電体層20の圧電特性に対する温度の影響が有意に改善されていることが理解される。
Here, FIG. 4 is a graph showing the temperature characteristic of the piezoelectric coefficient d 33 of the
かかる作用効果に基づき、例えば、図1に示す圧電体素子10に設けられた圧電体層20を、その膜厚方向の組成が連続的に変化すること以外は、図2に示す圧電体素子10に設けられた圧電体層20と同様に、その組成が膜厚方向の中心面に対して対称となるように形成すれば、圧電体層20全体としての圧電特性の温度依存性を有意に軽減することが可能となる。
Based on this action and effect, for example, the
このような構成を有する圧電体素子10は、成長基板50(半導体基板)上に公知の薄膜プロセスを用いて成膜される。成長基板50としては、例えば、(100)面が基板表面となるように用意されたシリコン単結晶基板を好適に用いることができる。また、圧電体素子10を成膜するための薄膜プロセスとしては、例えば、スパッタリング法等のPVD法や、プラズマCVD法、熱CVD法、或いはMOCVD法といった化学的気相堆積法(CVD法)等の気相堆積方法、又はゾルゲル法等の液相成長法が好適である。
The
なかでも、スパッタリング法等のPVD法を実施することによりBZT−αBCTからなる圧電体層20を形成する場合には、例えば、本出願人による特開2009−256721号公報の図1(a)及び(b)に記載された形状のスパッタリングターゲットを用い、同図2(a)及び(b)に記載されたカルーセル型スパッタ装置を使用することができる。この場合、スパッタリングターゲットとして、BZT用のスパッタリングターゲットと、BCT用のスパッタリングターゲットをそれぞれ個別に用意し、カルーセル型スパッタ装置のチャンバの側壁にそれらを設置するようにしても好適である。
In particular, when the
これらの個別のBZT用及びBCT用のスパッタリングターゲットを用い、図1及び図2に示す圧電体素子10に備わる膜厚方向に組成が異なる圧電体層20を形成するには、各スパッタリングターゲットのスパッタリングレート(単位時間に生成される各材料イオンや化学種の量)を変化させる適宜の手法を用いることができる。
In order to form the
かかる手法としては、例えば、成膜用のカルーセル型スパッタ装置のチャンバ内のプロセス(雰囲気)ガスの種類や組成(例えば、酸素分圧)を変化させたり、成膜のために印加するスパッタリング電圧や高周波出力、さらには、T−S間距離(ターゲット−基板間距離)を変化させたりする方法が挙げられる。また、BZT用及びBCT用のスパッタリングターゲットがスパッタリングされる面積(表層の体積)を、それぞれ変化させてもよく、この場合、各スパッタリングターゲットの一部又は全部を例えば開閉シャッター等を用いて遮蔽したり、各スパッタリングターゲットをスパッタリングされる位置とスパッタリングされない位置との間で移動させたりしてもよく、或いは、そのような位置間で移動できるような可動又は回動可能なスパッタリングターゲット(例えば、それぞれ半円盤状のBZT用及びBCT用のスパッタリングターゲットを接合して形成した円盤状回転スパッタリングターゲット等)を用いても好ましい。なお、BZT−αBCTの焼結体からなるスパッタリングターゲットを使用しても構わず、この場合、αが異なる組成を有する複数のBZT−αBCTの焼結体スパッタリングターゲットを使用してもよい。 Such techniques include, for example, changing the type and composition (for example, oxygen partial pressure) of process (atmosphere) gas in the chamber of a carousel type sputtering apparatus for film formation, sputtering voltage applied for film formation, Examples include a method of changing the high-frequency output, and further the T-S distance (target-substrate distance). Further, the area (volume of the surface layer) on which the sputtering targets for BZT and BCT are sputtered may be changed. In this case, a part or all of each sputtering target is shielded by using, for example, an open / close shutter or the like. Or each sputtering target may be moved between a sputtered position and a non-sputtered position, or a movable or rotatable sputtering target that can be moved between such positions (e.g., respectively It is also preferable to use a disc-shaped rotating sputtering target formed by bonding semi-disc-shaped sputtering targets for BZT and BCT. A sputtering target made of a sintered body of BZT-αBCT may be used. In this case, a plurality of sintered sputtering targets of BZT-αBCT having compositions having different αs may be used.
また、上述したように、スパッタリングターゲットのスパタリングレートを変化させることにより、圧電体層20の成膜レート(形成レート)を適宜且つ逐次変化させることも可能である。ここで、図3は、本発明による圧電体素子の更に他の一実施形態の構成を示す概略断面図であり、本実施形態の圧電体素子10は、圧電体層20が、圧電体膜26〜30が積層された5層構造の積層薄膜からなること以外は、図1及び図2に示す圧電体素子10,10と同様に構成されたものである。この圧電体層20は、成長基板50に近い圧電体膜26から、成長基板50と最も離間した圧電体膜30に向かって、それぞれの成膜レートが段階的に小さく(遅く)なるように、それらの圧電体膜26〜30が順次積層されたものである。
Further, as described above, the film formation rate (formation rate) of the
本発明者の知見によれば、このように成膜レートが調節されて積層形成された圧電体膜26〜30からなる圧電体層20では、圧電体膜26から圧電体膜30に向かって、それら各々のX線回折分析における2θピークの半値幅が、段階的に徐々に大きくされている。これは、各圧電体膜26〜30の組成が同じ又は略同じ場合でも、それぞれの成膜レートが異なることにより、結晶子やドメインの構造やサイズ、或いは、a軸配向及びc軸配向の度合い(割合)が異なることが要因の一つとして推察される(但し、作用はこれに限定されない。)。このように形成された各圧電体膜26〜30においては、X線回折分析における2θピークの半値幅が段階的に徐々に大きくされていることにより、各膜の内部に生じる応力(内部応力)が徐々に小さくなり、圧電体素子10を成長基板50から剥離して個片化した場合でも、圧電体層20全体を同じ成膜レートで形成した場合に比して、膜上部(圧電体膜30側の部位)の収縮を格段に低減することができ、圧電体素子10の反りといった変形を抑止することができる。
According to the knowledge of the present inventor, in the
かかる作用効果に基づき、例えば、図1に示す圧電体素子10に設けられた圧電体層20を、その膜厚方向の成膜レートを連続的に徐々に小さくすること以外は、図3に示す圧電体素子10に設けられた圧電体層20と同様に形成すれば、X線回折分析における2θピークの半値幅が、その圧電体層20の一方面(圧電体層20の底面、成長基板50側、下部電極32側)から他方面(圧電体層20の上面)に向かって、上部電極31側に連続的に徐々に大きくなるように構成することができるので、圧電体層20を成長基板50から剥離して個片化したときの形状変化を防止することができる。
Based on this effect, for example, the
また、図1〜図3に示す各圧電体素子10と成長基板50との間には、中間薄膜40(下地膜)を介在させてもよい。かかる中間薄膜40としては、例えば、ZrO2(酸化ジルコニウム)が挙げられる。このように中間薄膜40を設けることにより、その上に成膜される下部電極32の剥離を防止できるとともに、圧電体層20をエピタキシャル成長させ易くなる利点がある。例えば、各実施形態の圧電体素子10では、成長基板50としてのSi基板上にSiO2を形成し、その上に(100)配向を有するZrO2を成膜した後、(100)配向を有する下部電極32としての例えばPt電極を形成することができる。また、圧電体層20の下地となる中間薄膜40の最上段膜の材料として、例えば(100)配向を有するSrRuO3(ルテニウム酸ストロンチウム)を用いた場合、圧電体層20をc軸方向に結晶成長させて得られる柱状結晶粒子の粒径を所定値以下に調整し易くなり、こうすれば、成膜後の圧電体層20の応力を格段に低減することができることがある。
Further, an intermediate thin film 40 (underlying film) may be interposed between each
なお、上述したとおり、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない限度において様々な変形が可能である。例えば、各圧電体層20は、主としてc軸方向にエピタキシャル成長した柱状結晶粒子によって構成されていてもよい。但し、その結晶構造は完全な(001)単一配向膜ではなく、結晶粒子が下部電極32上に理想的に最密充填されるようにc軸配向結晶とa軸配向結晶とが適度に混在した薄膜であってもよい。また、各圧電体層20においては、a軸配向結晶の格子定数とc軸配向結晶の格子定数との差が適宜の範囲となるように結晶構造が調整されていてもよい。
In addition, as above-mentioned, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation is possible in the limit which does not change the summary. For example, each
さらに、図2に示す圧電体層20と図3に示す圧電体層20の構成を組み合わせて適用してもよい。すなわち、図2に示す圧電体層20を構成する圧電体膜21〜25を、圧電体膜21から圧電体膜25に向かって、それらの成膜レートが徐々に小さく(遅く)なるように形成し、圧電体膜21から圧電体膜25に向かってX線回折分析における2θピークの半値幅が徐々に大きくなるように構成してもよい。またさらに、上部電極31上に収縮規制用の基板を貼合させても構わない。
Further, the
加えて、圧電体層20が、キュリー点(温度)が異なる複数の化合物を含む組成物である場合、キュリー点がより高い化合物の含有量を、キュリー点がより低い化合物の含有量よりも多くすると有用である。例えば、BZT−αBCTの場合、α>50質量%とすることが好適である。さらにまた、圧電体層20の各膜のX線回折分析における2θピークの半値幅が、狙いどおり(設定どおり)の所望の値になっているか否かを検証する手段としては、特に制限されず、例えば、図3において、各圧電体膜30,29,28,27を順に除去していき、各膜の除去過程毎に、X線回折分析における2θピークの値(適宜のフィッティング等によりピークの定性・定量が可能である。)を測定し、それぞれの測定値の差分を求めることにより各圧電体膜のX線回折分析における2θピークの半値幅を推定する方法が挙げられる。
In addition, when the
以上説明した通り、本発明の圧電体素子及びその製造方法によれば、圧電体層の厚さ方向の組成を適宜異ならしめることにより、圧電体層ひいては圧電体素子の圧電特性の温度依存性を改善することができ、また、圧電体素子を基板から剥離して個片化したときの形状変化を防止することができるので、圧電体素子を搭載したジャイロセンサ、アクチュエータ、周波数フィルタ、不揮発性メモリ、光変調器、音響素子等のあらゆる機器、装置、モジュール、システム、デバイス等、及びそれらの製造に広く且つ有効に利用することができ、また、鉛を含有しないので、環境対策に資することができ、環境問題上の規制にも十分に対応することができる。 As described above, according to the piezoelectric element and the manufacturing method thereof of the present invention, the temperature dependency of the piezoelectric characteristics of the piezoelectric layer and thus the piezoelectric element can be improved by appropriately changing the composition in the thickness direction of the piezoelectric layer. It can be improved, and the shape change when the piezoelectric element is separated from the substrate and separated into pieces can be prevented, so that the gyro sensor, actuator, frequency filter, and nonvolatile memory equipped with the piezoelectric element are mounted. It can be widely and effectively used for all kinds of equipment, devices, modules, systems, devices, etc., such as light modulators and acoustic elements, and their production, and does not contain lead, thus contributing to environmental measures It is possible to fully respond to environmental regulations.
10…圧電体素子
20…圧電体層
21〜25…圧電体膜
26〜30…圧電体膜
31…上部電極
32…下部電極
40…中間薄膜(下地膜)
50…成長基板(半導体基板、基板)
L40、L45、L50、Lv…圧電係数の温度変化を示す目安線
DESCRIPTION OF
50 ... Growth substrate (semiconductor substrate, substrate)
L 40 , L 45 , L 50 , L v ... Reference line indicating temperature change of piezoelectric coefficient
Claims (14)
前記圧電体層は、組成が互いに異なる複数の部位を含む、
圧電体素子。 Comprising a piezoelectric layer made of a lead-free piezoelectric material having a crystal phase boundary;
The piezoelectric layer includes a plurality of portions having different compositions.
Piezoelectric element.
請求項1記載の圧電体素子。 The piezoelectric layer is formed such that the composition is continuously or intermittently different in the thickness direction of the piezoelectric layer.
The piezoelectric element according to claim 1.
請求項1又は2記載の圧電体素子。 The piezoelectric layer is formed so that the different compositions are symmetric with respect to the center plane in the thickness direction of the piezoelectric layer.
The piezoelectric element according to claim 1 or 2.
請求項1〜3のいずれか1項記載の圧電体素子。 The piezoelectric layer includes a plurality of portions having different half-value widths of 2θ peaks in X-ray diffraction analysis.
The piezoelectric element according to claim 1.
前記圧電体層は、X線回折分析における2θピークの半値幅が互いに異なる複数の部位を含む、
圧電体素子。 It has a piezoelectric layer made of a lead-free piezoelectric material having a crystal phase boundary,
The piezoelectric layer includes a plurality of portions having different half-value widths of 2θ peaks in X-ray diffraction analysis.
Piezoelectric element.
請求項1〜5のいずれか1項記載の圧電体素子。 The piezoelectric layer is formed such that the half width of the 2θ peak in the X-ray diffraction analysis increases from one surface to the other surface in the thickness direction of the piezoelectric layer.
The piezoelectric element according to claim 1.
請求項1〜6のいずれか1項記載の圧電体素子。 The lead-free piezoelectric material is a binary compound or a pseudo binary compound,
The piezoelectric element according to claim 1.
請求項1〜7のいずれか1項記載の圧電体素子。 The lead-free piezoelectric material, Ba (Ti 1-x Zr x) O 3 and (Ba 1-y M y) TiO 3 ( where, M represents, Mg, Ca, at least one of Sr.) And in the phase diagram, each of the three phases of cubic, rhombohedral and tetragonal has a phase boundary of two phases.
The piezoelectric element according to claim 1.
前記圧電体層と前記半導体基板との間に形成された下地膜を備える、
請求項1〜8のいずれか1項記載の圧電体素子。 The piezoelectric layer is formed on a semiconductor substrate,
A base film formed between the piezoelectric layer and the semiconductor substrate;
The piezoelectric element according to claim 1.
を含む圧電体素子の製造方法。 Forming a piezoelectric layer made of a lead-free piezoelectric material having a crystal phase boundary and including a plurality of portions having different compositions on a semiconductor substrate;
The manufacturing method of the piezoelectric element containing this.
請求項10記載の圧電体素子の製造方法。 In the step of forming the piezoelectric layer, as the piezoelectric layer, a portion made of a binary compound or a pseudo binary compound is formed, and as a raw material of the binary compound or pseudo binary compound , Using two kinds of materials comprising each of the first compound and the second compound constituting the binary compound or pseudo-binary compound,
The method for manufacturing a piezoelectric element according to claim 10.
請求項10又は11記載の圧電体素子の製造方法。 In the step of forming the piezoelectric layer, the formation rate of the piezoelectric layer is adjusted.
The method for manufacturing a piezoelectric element according to claim 10 or 11.
前記圧電体層を形成する工程においては、該圧電体層の形成レートを変化させる、
圧電体素子の製造方法。 Forming a piezoelectric layer made of a lead-free piezoelectric material having a crystal phase boundary on a semiconductor substrate;
In the step of forming the piezoelectric layer, the formation rate of the piezoelectric layer is changed.
A method for manufacturing a piezoelectric element.
請求項12又は13記載の圧電体素子の製造方法。 In the step of forming the piezoelectric layer, the formation rate is gradually or continuously reduced gradually.
The method for manufacturing a piezoelectric element according to claim 12 or 13.
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