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JP3750446B2 - Piezoelectric film and method of manufacturing the same - Google Patents
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JP3750446B2 - Piezoelectric film and method of manufacturing the same - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧電体膜及び圧電アクチュエータに係り、特に、所定の優先配向方向によって、高い圧電特性を有する圧電体膜、及びこれを利用して大きな変位を得ることができる圧電アクチュエータに関する。
【0002】
【従来の技術】
圧電体膜は、電界を加えると歪みを発生し(逆圧電効果)、この性質を利用して種々の圧電アクチュエータに応用されている。従来より、圧電アクチュエータにおける変位量を向上させるため、圧電特性の高い圧電体を得る努力が続けられてきた。
【0003】
例えば、特開平10−81016号公報には、圧電体膜の結晶構造が菱面体晶であり、面方位(111)の結晶面、あるいは面方位(100)の結晶面、あるいはその両方に強く配向している圧電体薄膜素子が記載されている。また、圧電体膜の結晶構造が正方晶であり、面方位(001)の結晶面に強く配向している圧電体薄膜素子が記載されている。
【0004】
また、特開平11−238921号公報には、圧電体層が正方晶系であって、(001)面方位と(111)面方位とが混在しており、全面方位に対する前記(111)面方位の割合が前記(001)面方位の割合より大きく設定されている圧電体素子が記載されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術によって、高い圧電特性を有する圧電体膜を得ることができる。しかしながら、これからの圧電アクチュエータには、より大きな変位量、低電力化、小型化が求められており、より高い圧電特性を有する圧電体膜が望まれる。
【0006】
本発明は、より高い圧電特性を有する圧電体膜、及び、より大きな変位量を実現する圧電アクチュエータを提供することを目的とする。また、このような圧電体膜を製造する方法を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本願発明の圧電体膜は、結晶が{221}面に優先配向していることを特徴とする。
【0008】
この圧電体膜は、多結晶であっても良く、単結晶であっても良い。
【0009】
基板に平行な結晶面が{221}面となる結晶粒の割合を多くすることにより、高い圧電特性を達成することができる。特に、変位量の大きな圧電体膜を提供することができる。
【0010】
また、本願発明の圧電体膜は、前記結晶は疑似立方晶系であるか、又は疑似立方晶系、菱面体晶系若しくは正方晶系のうち少なくとも二つが混在している結晶系であることを特徴とする。
【0011】
疑似立方晶系(psudocubic)である場合、又は、疑似立方晶系、菱面体晶系(rhombohedoral)若しくは正方晶系(tetragonal)の結晶相境界(morphotropic phase boundary:以下、MPBという)のように複数の晶系が混在している場合は、更に高い圧電特性を得られることが判明している。
【0012】
また、本願発明の圧電体膜は、前記結晶はABO型のペロブスカイト結晶構造を有することを特徴とする。
【0013】
この結晶構造を有する複合酸化物は、高い圧電特性を有する。なお、(A)BOのように添加物を含んだり、A(B)Oのように多成分系としてもよい。
【0014】
また、本願発明の圧電体膜は、前記結晶は、チタン酸バリウム(BaTiO:BTO)、チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr、Ti)O:PZT)、亜鉛ニオブ酸鉛(Pb(Zn、Nb)O)とチタン酸鉛(PbTiO)との固溶体(PZN−PT)、又はマグネシウムニオブ酸鉛(Pb(Mg、Nb)O)とチタン酸鉛(PbTiO)との固溶体(PMN−PT)の何れかを主成分とすることを特徴とする。
【0015】
また、本願発明の圧電体膜は、前記結晶は、基板上において{221}面方位にエピタキシャル成長して形成されたことを特徴とする。
【0016】
エピタキシャル成長させることで、{221}面方位の配向度を高めることができる。
【0017】
また、本願発明の圧電体膜は、前記基板は、主面が(221)面である単結晶シリコン(Si)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO:STO)、又は酸化マグネシウム(MgO)のいずれかであることを特徴とする。
【0018】
また、本願発明の圧電アクチュエータは、上述した圧電体膜を備え、前記圧電体膜に対し膜厚方向に電圧を印加可能に構成したことを特徴とする。
【0019】
圧電アクチュエータの例としては、例えば、(位置決め)ポジショナ、圧電ファン、圧電モータ、圧電ポンプ、圧電リレー、圧電バルブ等の駆動素子がある。圧電アクチュエータに応用することにより、高い変位を得ることのできるアクチュエータを得ることができる。
【0020】
また、本願発明の電気機器は、上述した圧電体膜を備え、前記圧電体膜に対し膜厚方向に電圧を印加可能に構成したことを特徴とする。
【0021】
電気機器とは電気で駆動される機械器具一般をいい、例としては圧電ファン、圧電モータ、圧電ポンプ、圧電リレー、圧電バルブ等が挙げられる。
【0022】
また、本願発明の圧電体膜の製造方法は、基板上において圧電体結晶を{221}面方位にエピタキシャル成長して形成することを特徴とする。
【0023】
圧電体結晶を{221}面方位にエピタキシャル成長させることによって、結晶配向性に優れ、高い圧電特性を有する圧電体膜を提供することができる。
【0024】
また、本願発明の圧電体膜の製造方法は、前記基板は、主面が(221)面である単結晶シリコン(Si)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO:STO)、又は酸化マグネシウム(MgO)のいずれかであることを特徴とする。
【0025】
基板として(221)面配向の単結晶シリコン、チタン酸ストロンチウム、又は酸化マグネシウムを用いて圧電体結晶をエピタキシャル成長させることにより、圧電体膜の(221)面を優先配向させることができる。
【0026】
また、本願発明の圧電体膜の製造方法は、前記基板上に{221}優先配向のセリア/セリアジルコニア(CeO/Ce・ZrO)を形成し、その上に圧電体結晶をエピタキシャル成長させることを特徴とする。
【0027】
【発明の実施の形態】
(原理説明)
圧電材料に電界を加えると歪みを発生する逆圧電効果において、歪みは、自発歪みが伸長することに起因するもの(圧電効果の本来的な部分)と、自発歪みが回転することに起因するもの(本来的ではない部分)との和で表される。大きな変位量を得るためには、自発歪みの伸長とともに、自発歪みの回転を利用することが有効である。
【0028】
図1は、あるPZT圧電体膜について、電圧印加前後のX線回折強度を測定して得られたグラフである。この圧電体は{111}面に優先配向しているが、他の面に配向している結晶粒も存在する。このグラフから、{221}面に配向した結晶粒は、他の結晶面に配向した結晶粒より、電圧印加前後における回折強度の変化率が大きいことがわかる。
【0029】
なお、このグラフでは、図示2θ=68°付近に{221}面配向の結晶の回折強度と{300}面配向の結晶の回折強度とが重なって表示されている。しかし{300}面配向の結晶の回折強度の変化率は、図示2θ=44°付近の{200}面配向の結晶の回折強度の変化率と同一のはずであり、{200}面配向の結晶の回折強度の変化率は、図示されるように極めて小さい。このため、{300}面配向の結晶の回折強度の変化率は小さく、{221}面配向の結晶の回折強度の変化率が大きいことがわかる。
【0030】
このことから、{221}面配向結晶は、最も自発歪みの回転が生じ易いことを導くことができる。従って、{221}面に優先配向した圧電体膜は、高い圧電特性を有し、これを使用した圧電アクチュエータは、大きな変位特性を得ることができる。
【0031】
なお、自発歪みの回転が生じる場合は、自発歪みの回転が生じない場合と比べると、形状変化に時間がかかり、例えばメガヘルツ(MHz)以上のオーダーの高周波で駆動させると応答性が劣る可能性もある。しかし、比較的低周波で駆動させる場合には、圧電アクチュエータとして十分実用に堪える程度の応答性を得ることができ、むしろ大きな変位を得られることによる利点が大きい。
【0032】
(結晶構造)
図2は、圧電体の結晶構造の一種であるABO型のペロブスカイト結晶構造の模式図である。この結晶構造において、元素Aは2価の金属元素(Pb等)であり、元素Bは4価の金属元素(TiやZr等)であり、元素Oは通常酸素(O)である。なお、(A)BOのように添加物を含んだり、A(B)Oのように多成分系としてもよい。
【0033】
図中、三角形の枠内に斜線で示した面が(221)面であり、その法線は図中矢印で示すように[221]方向を向いている。本発明の圧電体膜は、基板に平行な結晶面が{221}面、すなわち(221)面、(212)面、又は(122)面となる結晶粒の割合が多くなるように配向制御されて製造される。
【0034】
(製造方法)
図3は、本実施形態による圧電体膜の製造方法を説明する工程図である。図3(A)に示すように、面方位(221)、厚さ220μmの単結晶シリコン(s−Si)基板1上に、バッファ層(下地層)5として{221}優先配向のセリア/セリアジルコニア(CeO/Ce・ZrO)を0.5μmの厚さに電子線蒸着法でエピタキシャル形成する。なお、基板1の組成は上記単結晶シリコンに限らず、面方位(221)の単結晶STO(SrTiO)基板やMgO基板であっても良い。STO基板やMgO基板を用いる場合、基板上に直接、又は下部電極6(後述)を介して、圧電体膜7(後述)を成膜しても良い。
【0035】
次に、バッファ層5上に、下部電極6となる{221}優先配向の白金(Pt)膜をエピタキシャル成長させて100nmの厚みに成膜する。なお、下部電極6として、白金膜を成膜せずにバッファ層5上に直接圧電体膜7を成膜しても良い。また、白金膜の代わりに、エピタキシャル成長できる他の導電性材料、例えばイリジウム(Ir)、酸化イリジウム等を下部電極6としても良い。
【0036】
次に、図3(B)に示すように、圧電体材料を構成する有機金属原料を気化した原料ガスと酸素含有ガス、キャリアガス等の供給量を適宜調整しながら、CVD法により、{221}優先配向の圧電体膜7となるPZT結晶をエピタキシャル成長させて1μm程度の厚みに成膜する。
【0037】
一般にバルクのPZTの場合、室温付近の結晶系はX線回折測定による結晶相同定の結果、ペロブスカイト構造におけるBサイトの構成元素比、即ち、Zr/Tiのモル比が0/1以上で0.53/0.47未満の範囲にあるときは正方晶系を構成し、0.53/0.47を超えて0.90/0.10以下の範囲にあるときは菱面体晶系を構成し、Zr/Tiのモル比が0.53/0.47近傍においては正方晶/菱面体晶の結晶相境界、即ち、MPBが存在することが結晶学的に判明している。そこで、本実施例ではZr/Tiのモル比を0.56/0.44とし、圧電体膜7をMPB近傍の結晶構造とした。
【0038】
なお、圧電体膜7の結晶系は疑似立方晶系でも良く、疑似立方晶系、菱面体晶系若しくは正方晶系のうち少なくとも二つが混在している結晶系でも良い。
【0039】
上記の通り基板1、下地層5及び下部電極6は(221)面方位に優先配向しているため、これらの上にエピタキシャル成長した圧電体膜7も、(221)面方位に優先配向されることになる。
【0040】
なお、CVD法に限らず、エピタキシャル成長により圧電体膜を形成できる他の方法、例えば、ゾルゲル法等によって圧電体膜を成膜しても良い。ゾルゲル法は、圧電体膜を構成する金属成分の水酸化物の水和錯体(ゾル)を基板上に塗布し、乾燥、脱脂させた後、結晶化熱処理を行う方法である。
【0041】
なお、本実施形態では圧電体としてPZTを用いたが、これに限らず、チタン酸バリウム(BaTiO:BTO)、亜鉛ニオブ酸鉛とチタン酸鉛との固溶体(PZN−PT)、又はマグネシウムニオブ酸鉛とチタン酸鉛との固溶体(PMN−PT)を用いてもよい。
【0042】
さらに、図3(C)に示すように、圧電体膜7上に上部電極8として白金を100nmの膜厚にDCスパッタ法で成膜する。その後上部電極8上にレジストを塗布して所定形状にパターニングし、残ったレジストをマスクとして上部電極8、圧電体膜7をエッチングすることにより、圧電体素子が形成される。
【0043】
本実施形態によれば、エピタキシャル成長により圧電体膜7は(221)面に強く配向し、且つMPB近傍の結晶構造を有しているため、圧電体素子をアクチュエータとして使用する場合に高い変位特性を得ることができる。
【0044】
(圧電体膜の応用例)
図4は、本発明により製造される圧電体膜を用いた圧電ポンプの概略断面図である。圧電ポンプ20には、圧電素子21、ポンプ室26、吸入側逆止弁27a、吐出側逆止弁27b、吸入口28a、吐出口28bが形成されている。圧電素子21は、2層の圧電体膜22、3層の電極23、信号線24、被覆材25を備えている。
【0045】
信号線24に電圧が供給されると、圧電体膜22の膜厚方向に電圧が印加され、圧電体素子21に歪みが生じる。このため、ポンプ室26内の圧力が変化し、逆止弁27a、27bの働きによって流体が吸入口28aからポンプ内に流れ、排出口28bから外部に排出される。
【0046】
かかる圧電ポンプでは、圧電素子の変形が大きいことが強く要求される一方、高周波に対する応答性はあまり要求されない。そのため、本発明の圧電体膜の特徴を生かし、流体搬送効率の高い圧電ポンプを提供することができる。
【0047】
また、本発明の圧電体膜は上記の他に、(位置決め)ポジショナ、圧電ファン、圧電モータ、圧電リレー、圧電バルブ等、種々の電気機器に用いることができ、その圧電特性の高さを利用して効率の高い電気機器を作成することができる。また、本発明の圧電体膜は、フィルタ、リードセレクタ、音叉発振子、音叉時計、トランシーバ、圧電ピックアップ、圧電イヤホン、圧電マイクロフォン、SAWフィルタ、RFモジュレータ、共振子、遅延素子、マルチストリップカプラ、圧電加速度計、圧電スピーカ等に応用することもできる。
【0048】
【発明の効果】
本発明によれば、より高い圧電特性を有する圧電体膜、及び、より大きな変位量を実現する圧電アクチュエータを提供することができる。また、このような圧電体膜を製造する方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】PZT圧電体膜について、電圧印加前後のX線回折強度を示すグラフである。
【図2】ABO型のペロブスカイト結晶構造の模式図である。
【図3】本実施形態による圧電体膜の製造方法を説明する工程図である。
【図4】本発明により製造される圧電体膜を用いた圧電ポンプの概略断面図である。
【符号の説明】
1…基板、5…バッファ層、6…下部電極、7…圧電体膜、8…上部電極、20…圧電ポンプ、21…圧電素子、22…圧電体膜、23…電極、24…信号線、25…被覆材、26…ポンプ室、27a…吸入側逆止弁、27b…吐出側逆止弁、28a…吸入口、28b…吐出口
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a piezoelectric film and a piezoelectric actuator, and more particularly, to a piezoelectric film having high piezoelectric characteristics according to a predetermined preferred orientation direction, and a piezoelectric actuator capable of obtaining a large displacement using the piezoelectric film.
[0002]
[Prior art]
Piezoelectric films generate distortion when an electric field is applied (reverse piezoelectric effect), and are applied to various piezoelectric actuators using this property. Conventionally, efforts have been made to obtain a piezoelectric body having high piezoelectric characteristics in order to improve the amount of displacement in the piezoelectric actuator.
[0003]
For example, in Japanese Patent Laid-Open No. 10-81016, the crystal structure of the piezoelectric film is a rhombohedral crystal and is strongly oriented in the crystal plane of the plane orientation (111), the crystal plane of the plane orientation (100), or both. A piezoelectric thin film element is described. In addition, a piezoelectric thin film element is described in which the crystal structure of the piezoelectric film is a tetragonal crystal and is strongly oriented in the crystal plane of the plane orientation (001).
[0004]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-238921 discloses that the piezoelectric layer has a tetragonal system and (001) plane orientation and (111) plane orientation are mixed, and the (111) plane orientation with respect to the entire plane orientation. Describes a piezoelectric element in which the ratio is set larger than the ratio of the (001) plane orientation.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
According to the above conventional technique, a piezoelectric film having high piezoelectric characteristics can be obtained. However, future piezoelectric actuators are required to have a larger displacement, lower power, and smaller size, and a piezoelectric film having higher piezoelectric characteristics is desired.
[0006]
An object of the present invention is to provide a piezoelectric film having higher piezoelectric characteristics and a piezoelectric actuator that realizes a larger displacement. It is another object of the present invention to provide a method for manufacturing such a piezoelectric film.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the piezoelectric film of the present invention is characterized in that crystals are preferentially oriented in the {221} plane .
[0008]
The piezoelectric film may be polycrystalline or single crystal.
[0009]
High piezoelectric characteristics can be achieved by increasing the proportion of crystal grains in which the crystal plane parallel to the substrate is the {221} plane. In particular, a piezoelectric film having a large displacement can be provided.
[0010]
In the piezoelectric film of the present invention, the crystal is a pseudo cubic system or a crystal system in which at least two of a pseudo cubic system, a rhombohedral system, or a tetragonal system are mixed. Features .
[0011]
In the case of pseudo-cubic (psudocubic), or plural such as pseudo-cubic, rhombohedoral or tetragonal crystal phase boundary (hereinafter referred to as MPB) It has been found that even higher piezoelectric properties can be obtained when the crystal system is mixed.
[0012]
The piezoelectric film of the present invention is characterized in that the crystal has an ABO 3 type perovskite crystal structure .
[0013]
The complex oxide having this crystal structure has high piezoelectric characteristics. In addition, an additive may be included such as (A 1 A 2 ) BO 3 or a multi-component system such as A (B 1 B 2 ) O 3 may be used.
[0014]
In the piezoelectric film of the present invention, the crystal is composed of barium titanate (BaTiO 3 : BTO), lead zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) O 3 : PZT), lead zinc niobate (Pb (Zn)). , Nb) O 3 ) and lead titanate (PbTiO 3 ) solid solution (PZN-PT) or lead magnesium niobate (Pb (Mg, Nb) O 3 ) and lead titanate (PbTiO 3 ) PMN-PT) as a main component .
[0015]
In the piezoelectric film of the present invention, the crystal is formed by epitaxial growth in a {221} plane orientation on a substrate .
[0016]
By epitaxial growth, the degree of orientation in the {221} plane orientation can be increased.
[0017]
In the piezoelectric film of the present invention, the substrate is made of any one of single crystal silicon (Si), strontium titanate (SrTiO 3 : STO), or magnesium oxide (MgO) whose principal surface is the (221) plane. It is characterized by being.
[0018]
In addition, a piezoelectric actuator according to the present invention includes the above-described piezoelectric film, and is configured such that a voltage can be applied to the piezoelectric film in a film thickness direction .
[0019]
Examples of piezoelectric actuators include drive elements such as (positioning) positioners, piezoelectric fans, piezoelectric motors, piezoelectric pumps, piezoelectric relays, and piezoelectric valves. By applying to a piezoelectric actuator, an actuator capable of obtaining a high displacement can be obtained.
[0020]
In addition, an electric device according to the present invention includes the above-described piezoelectric film, and is configured such that a voltage can be applied to the piezoelectric film in a film thickness direction .
[0021]
An electrical device generally refers to a mechanical instrument driven by electricity, and examples thereof include a piezoelectric fan, a piezoelectric motor, a piezoelectric pump, a piezoelectric relay, a piezoelectric valve, and the like.
[0022]
The method for manufacturing a piezoelectric film of the present invention is characterized in that a piezoelectric crystal is epitaxially grown in a {221} plane orientation on a substrate .
[0023]
By epitaxially growing a piezoelectric crystal in the {221} plane orientation, a piezoelectric film having excellent crystal orientation and high piezoelectric characteristics can be provided.
[0024]
In the piezoelectric film manufacturing method of the present invention, the substrate is made of single crystal silicon (Si), strontium titanate (SrTiO 3 : STO), or magnesium oxide (MgO) whose principal surface is the (221) plane. It is either .
[0025]
By epitaxially growing a piezoelectric crystal using (221) -oriented single crystal silicon, strontium titanate, or magnesium oxide as a substrate, the (221) plane of the piezoelectric film can be preferentially oriented.
[0026]
In the method for manufacturing a piezoelectric film of the present invention , {221} preferentially oriented ceria / ceria zirconia (CeO 2 / Ce · ZrO 2 ) is formed on the substrate, and a piezoelectric crystal is epitaxially grown thereon. It is characterized by.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(Principle explanation)
In the inverse piezoelectric effect that generates strain when an electric field is applied to the piezoelectric material, the strain is caused by the spontaneous strain stretching (the original part of the piezoelectric effect) and the spontaneous strain rotating. It is expressed as the sum of (unnatural part). In order to obtain a large amount of displacement, it is effective to use the rotation of the spontaneous strain together with the extension of the spontaneous strain.
[0028]
FIG. 1 is a graph obtained by measuring the X-ray diffraction intensity before and after voltage application for a certain PZT piezoelectric film. This piezoelectric body is preferentially oriented in the {111} plane, but there are also crystal grains oriented in other planes. From this graph, it can be seen that the crystal grains oriented in the {221} plane have a higher rate of change in diffraction intensity before and after voltage application than the crystal grains oriented in other crystal planes.
[0029]
In this graph, the diffraction intensity of the {221} plane oriented crystal and the diffraction intensity of the {300} plane oriented crystal are displayed in the vicinity of 2θ = 68 ° in the figure. However, the change rate of the diffraction intensity of the {300} plane oriented crystal should be the same as the change rate of the diffraction intensity of the {200} plane oriented crystal in the vicinity of 2θ = 44 ° shown in the figure, and the {200} plane oriented crystal The change rate of the diffraction intensity is extremely small as shown in the figure. Therefore, it can be seen that the change rate of the diffraction intensity of the {300} plane oriented crystal is small and the change rate of the diffraction intensity of the {221} plane oriented crystal is large.
[0030]
From this, it can be derived that the {221} plane oriented crystal is most likely to rotate spontaneously. Accordingly, the piezoelectric film preferentially oriented in the {221} plane has high piezoelectric characteristics, and a piezoelectric actuator using the piezoelectric film can obtain a large displacement characteristic.
[0031]
When spontaneous distortion occurs, it takes longer to change the shape than when spontaneous distortion does not occur. For example, when driven at a high frequency on the order of megahertz (MHz) or more, the response may be inferior. There is also. However, when driven at a relatively low frequency, it is possible to obtain responsiveness enough for practical use as a piezoelectric actuator, and the advantage is that a large displacement can be obtained.
[0032]
(Crystal structure)
FIG. 2 is a schematic diagram of an ABO 3 type perovskite crystal structure which is a kind of crystal structure of a piezoelectric body. In this crystal structure, element A is a divalent metal element (such as Pb), element B is a tetravalent metal element (such as Ti or Zr), and element O is usually oxygen (O). In addition, an additive may be included such as (A 1 A 2 ) BO 3 or a multi-component system such as A (B 1 B 2 ) O 3 may be used.
[0033]
In the figure, the surface indicated by diagonal lines in the triangular frame is the (221) plane, and the normal line is directed to the [221] direction as indicated by the arrow in the figure. The piezoelectric film of the present invention is controlled in orientation so that the proportion of crystal grains whose crystal plane parallel to the substrate is the {221} plane, that is, the (221) plane, the (212) plane, or the (122) plane increases. Manufactured.
[0034]
(Production method)
FIG. 3 is a process diagram illustrating the method for manufacturing the piezoelectric film according to the present embodiment. As shown in FIG. 3A, a {221} preferentially oriented ceria / ceria as a buffer layer (underlayer) 5 is formed on a single crystal silicon (s-Si) substrate 1 having a plane orientation (221) and a thickness of 220 μm. Zirconia (CeO 2 / Ce · ZrO 2 ) is epitaxially formed by electron beam evaporation to a thickness of 0.5 μm. The composition of the substrate 1 is not limited to the single crystal silicon, but may be a single crystal STO (SrTiO 3 ) substrate or an MgO substrate having a plane orientation (221). When an STO substrate or an MgO substrate is used, a piezoelectric film 7 (described later) may be formed directly on the substrate or via a lower electrode 6 (described later).
[0035]
Next, a {221} preferentially oriented platinum (Pt) film to be the lower electrode 6 is epitaxially grown on the buffer layer 5 to a thickness of 100 nm. As the lower electrode 6, the piezoelectric film 7 may be formed directly on the buffer layer 5 without forming a platinum film. Further, instead of the platinum film, another conductive material that can be epitaxially grown, for example, iridium (Ir), iridium oxide, or the like may be used as the lower electrode 6.
[0036]
Next, as shown in FIG. 3B, {221} is obtained by a CVD method while appropriately adjusting the supply amounts of a source gas, an oxygen-containing gas, a carrier gas, and the like, which are vaporized organic metal sources constituting the piezoelectric material. } A PZT crystal to be the preferentially oriented piezoelectric film 7 is epitaxially grown to a thickness of about 1 μm.
[0037]
In general, in the case of bulk PZT, as a result of crystal phase identification by X-ray diffraction measurement for a crystal system near room temperature, the constituent element ratio of the B site in the perovskite structure, that is, the molar ratio of Zr / Ti is 0/1 or more and 0. When it is in the range of less than 53 / 0.47, it constitutes a tetragonal system, and when it is in the range of more than 0.53 / 0.47 and not more than 0.90 / 0.10, it constitutes a rhombohedral system. It has been found crystallographically that a tetragonal / rhombohedral crystal phase boundary, that is, MPB exists when the molar ratio of Zr / Ti is around 0.53 / 0.47. Therefore, in this example, the Zr / Ti molar ratio was 0.56 / 0.44, and the piezoelectric film 7 had a crystal structure near the MPB.
[0038]
The crystal system of the piezoelectric film 7 may be a pseudo cubic system or a crystal system in which at least two of a pseudo cubic system, a rhombohedral system, and a tetragonal system are mixed.
[0039]
As described above, since the substrate 1, the base layer 5 and the lower electrode 6 are preferentially oriented in the (221) plane orientation, the piezoelectric film 7 epitaxially grown thereon is also preferentially oriented in the (221) plane orientation. become.
[0040]
Note that the piezoelectric film may be formed not only by the CVD method but also by another method capable of forming the piezoelectric film by epitaxial growth, such as a sol-gel method. The sol-gel method is a method in which a hydrated complex (sol) of a metal component hydroxide constituting a piezoelectric film is applied on a substrate, dried and degreased, and then subjected to a crystallization heat treatment.
[0041]
In the present embodiment, PZT is used as the piezoelectric body. However, the present invention is not limited to this, but barium titanate (BaTiO 3 : BTO), solid solution of lead zinc niobate and lead titanate (PZN-PT), or magnesium niobium A solid solution (PMN-PT) of lead acid and lead titanate may be used.
[0042]
Further, as shown in FIG. 3C, platinum is deposited on the piezoelectric film 7 as the upper electrode 8 to a thickness of 100 nm by DC sputtering. Thereafter, a resist is applied on the upper electrode 8 and patterned into a predetermined shape, and the upper electrode 8 and the piezoelectric film 7 are etched using the remaining resist as a mask, thereby forming a piezoelectric element.
[0043]
According to the present embodiment, since the piezoelectric film 7 is strongly oriented in the (221) plane by epitaxial growth and has a crystal structure near the MPB, high displacement characteristics are obtained when the piezoelectric element is used as an actuator. Obtainable.
[0044]
(Application example of piezoelectric film)
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a piezoelectric pump using a piezoelectric film manufactured according to the present invention. The piezoelectric pump 20 includes a piezoelectric element 21, a pump chamber 26, a suction-side check valve 27a, a discharge-side check valve 27b, a suction port 28a, and a discharge port 28b. The piezoelectric element 21 includes a two-layer piezoelectric film 22, a three-layer electrode 23, a signal line 24, and a covering material 25.
[0045]
When a voltage is supplied to the signal line 24, a voltage is applied in the film thickness direction of the piezoelectric film 22, and the piezoelectric element 21 is distorted. For this reason, the pressure in the pump chamber 26 changes, the fluid flows from the suction port 28a into the pump by the action of the check valves 27a and 27b, and is discharged to the outside from the discharge port 28b.
[0046]
Such a piezoelectric pump is strongly required to have a large deformation of the piezoelectric element, but is not so required to respond to a high frequency. Therefore, it is possible to provide a piezoelectric pump with high fluid conveyance efficiency by taking advantage of the characteristics of the piezoelectric film of the present invention.
[0047]
In addition to the above, the piezoelectric film of the present invention can be used in various electrical devices such as (positioning) positioners, piezoelectric fans, piezoelectric motors, piezoelectric relays, piezoelectric valves, etc. Thus, highly efficient electrical equipment can be created. The piezoelectric film of the present invention includes a filter, a lead selector, a tuning fork oscillator, a tuning fork clock, a transceiver, a piezoelectric pickup, a piezoelectric earphone, a piezoelectric microphone, a SAW filter, an RF modulator, a resonator, a delay element, a multistrip coupler, and a piezoelectric. It can also be applied to accelerometers, piezoelectric speakers, and the like.
[0048]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide a piezoelectric film having higher piezoelectric characteristics and a piezoelectric actuator that realizes a larger displacement. In addition, a method for manufacturing such a piezoelectric film can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a graph showing X-ray diffraction intensities before and after voltage application for a PZT piezoelectric film.
FIG. 2 is a schematic diagram of an ABO 3 type perovskite crystal structure.
FIG. 3 is a process diagram illustrating the method of manufacturing the piezoelectric film according to the present embodiment.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a piezoelectric pump using a piezoelectric film manufactured according to the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Substrate, 5 ... Buffer layer, 6 ... Lower electrode, 7 ... Piezoelectric film, 8 ... Upper electrode, 20 ... Piezoelectric pump, 21 ... Piezoelectric element, 22 ... Piezoelectric film, 23 ... Electrode, 24 ... Signal line, 25 ... Coating material, 26 ... Pump chamber, 27a ... Suction side check valve, 27b ... Discharge side check valve, 28a ... Suction port, 28b ... Discharge port

Claims (7)

圧電体膜であって、A piezoelectric film,
前記圧電体膜の結晶が{221}面に優先配向しており、  The crystals of the piezoelectric film are preferentially oriented in the {221} plane,
前記結晶は、疑似立方晶系であるか、又は疑似立方晶系、菱面体晶系若しくは正方晶系のうち少なくとも二つが混在している結晶系であって、ABO  The crystal is a pseudo-cubic system or a crystal system in which at least two of a pseudo-cubic system, a rhombohedral system, and a tetragonal system are mixed, and ABO 3 型のペロブスカイト結晶構造を有し、基板上において{221}面方位にエピタキシャル成長してなることを特徴とする圧電体膜。A piezoelectric film having a type perovskite crystal structure and epitaxially grown in a {221} plane orientation on a substrate.
前記結晶は、
チタン酸バリウム(BaTiO:BTO)、
チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr、Ti)O:PZT)、
亜鉛ニオブ酸鉛(Pb(Zn、Nb)O)とチタン酸鉛(PbTiO)との固溶体(PZN−PT)、又は
マグネシウムニオブ酸鉛(Pb(Mg、Nb)O)とチタン酸鉛(PbTiO)との固溶体(PMN−PT)のいずれかを主成分とすることを特徴とする請求項に記載の圧電体膜。
The crystal is
Barium titanate (BaTiO 3 : BTO),
Lead zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) O 3 : PZT),
Solid solution (PZN-PT) of lead zinc niobate (Pb (Zn, Nb) O 3 ) and lead titanate (PbTiO 3 ), or lead magnesium niobate (Pb (Mg, Nb) O 3 ) and lead titanate 2. The piezoelectric film according to claim 1 , wherein any one of a solid solution (PMN-PT) with (PbTiO 3 ) is a main component.
前記基板は、主面が(221)面である単結晶シリコン(Si)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO:STO)、又は酸化マグネシウム(MgO)のいずれかであることを特徴とする請求項に記載の圧電体膜。The substrate is a single crystal silicon is a major surface (221) plane (Si), strontium titanate (SrTiO 3: STO), or is any one of magnesium oxide (MgO) in claim 1, wherein The piezoelectric film according to the description. 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の圧電体膜を備え、前記圧電体膜に対し当該圧電体膜の両側にそれぞれ形成された各電極を介して膜厚方向に電圧を印加可能に構成したことを特徴とする圧電アクチュエータ。It comprising a piezoelectric film according to any one of claims 1 to 3, energizable to the through each electrode respectively formed on both sides of the piezoelectric film in the thickness direction with respect to the piezoelectric film A piezoelectric actuator characterized by comprising. 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の圧電体膜を備え、前記圧電体膜に対し当該圧電体膜の両側にそれぞれ形成された各電極を介して膜厚方向に電圧を印加可能に構成したことを特徴とする電気機器。Comprising a piezoelectric film according to any one of claims 1 to 3, energizable to the through each electrode respectively formed on both sides of the piezoelectric film in the thickness direction with respect to the piezoelectric film An electric device characterized by comprising. 圧電体膜の製造方法であって、
主面が(221)面である基板上に圧電体結晶を{221}面方位にエピタキシャル成長させる工程を含み、
前記基板は、主面が(221)面である単結晶シリコン(Si)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO :STO)、又は酸化マグネシウム(MgO)のいずれかであり、
前記結晶は、疑似立方晶系であるか、又は疑似立方晶系、菱面体晶系若しくは正方晶系のうち少なくとも二つが混在している結晶系であって、ABO 型のペロブスカイト結晶構造を有する、
ことを特徴とする圧電体膜の製造方法。
A method of manufacturing a piezoelectric film,
A step of epitaxially growing a piezoelectric crystal in a {221} plane orientation on a substrate whose principal surface is a (221) plane ,
The substrate is one of single crystal silicon (Si), strontium titanate (SrTiO 3 : STO), or magnesium oxide (MgO) whose principal surface is a (221) plane ,
The crystal is a pseudo-cubic crystal system or a crystal system in which at least two of a pseudo-cubic crystal system, a rhombohedral system, or a tetragonal system are mixed, and has an ABO 3 type perovskite crystal structure. ,
A method of manufacturing a piezoelectric film characterized by the above.
前記基板上に{221}優先配向のセリア/セリアジルコニア(CeO/Ce・ZrO)を形成し、その上に前記圧電体結晶をエピタキシャル成長させることを特徴とする請求項に記載の圧電体膜の製造方法。The piezoelectric body according to claim 6, wherein the forming the {221} preferred orientation ceria / ceria zirconia (CeO 2 / Ce · ZrO 2 ) on a substrate, epitaxially growing the piezoelectric crystal thereon A method for producing a membrane.
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