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JP4590871B2 - Method for forming piezoelectric element - Google Patents
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Description

本発明は、ダイヤフラム部を有する圧電素子などのように、一方主面側に開口部を有する基板に対して、圧電体素子を形成する方法に関するものである。
The present invention relates to a method of forming a piezoelectric element on a substrate having an opening on one main surface side, such as a piezoelectric element having a diaphragm portion.

この発明にとって興味ある従来の膜形成方法、すなわち、ダイヤフラム部を有する圧電素子などのように、一方主面側に開口部を有する基板に対して膜を形成する方法として、特許文献1に記載のものがあるが、この特許文献1に記載のものを含めて、従来の膜形成方法は、一般的に、次のような膜形成方法が採用されている。   As a conventional film forming method of interest to the present invention, that is, a method of forming a film on a substrate having an opening on one main surface side, such as a piezoelectric element having a diaphragm portion, the method described in Patent Document 1 is described. Although there are some, the conventional film forming method including the one described in Patent Document 1 generally adopts the following film forming method.

すなわち、ダイヤフラム部を有する圧電素子などのように、一方主面側に開口部を有する基板に対して、SiO2薄膜、ZnO圧電薄膜、電極膜などの薄膜を形成させる場合、スパッタリング、リフトオフ蒸着法、および電子ビーム蒸着法などのような薄膜工法を用いている。これにより、ダイヤフラム部を有する圧電素子を作製している(以下、従来技術1とする)。 That is, when a thin film such as a SiO 2 thin film, a ZnO piezoelectric thin film, or an electrode film is formed on a substrate having an opening on one main surface side, such as a piezoelectric element having a diaphragm, sputtering, lift-off evaporation And a thin film method such as an electron beam evaporation method is used. Thereby, a piezoelectric element having a diaphragm portion is manufactured (hereinafter referred to as Conventional Technology 1).

しかしながら、上記従来技術1に記載の方法には、以下に示すような問題点を有していた。   However, the method described in the prior art 1 has the following problems.

従来技術1に記載の方法では、この薄膜工法を用いて作製したダイヤフラム部を有する圧電素子は、圧電膜の厚みが非常に薄いため、圧電体としての駆動力が小さく、大きな駆動力が要求される圧電素子、例えばサウンダ、ブザーやポンプを容易に作製することはできなかった。   In the method described in the prior art 1, a piezoelectric element having a diaphragm portion manufactured by using this thin film construction method has a very small piezoelectric film, so that a driving force as a piezoelectric body is small and a large driving force is required. Piezoelectric elements such as sounders, buzzers and pumps could not be easily manufactured.

また、上記薄膜工法を用いて形成した圧電薄膜やSiO2薄膜などの膜では、その表面が平滑すぎるため、前述の膜と電極膜との接触面積は小さくなり、その接合強度を十分に得ることができなかった。 In addition, since the surface of a film such as a piezoelectric thin film or SiO 2 thin film formed by using the above thin film method is too smooth, the contact area between the above-mentioned film and the electrode film is reduced, and sufficient bonding strength can be obtained. I could not.

さらに、この薄膜工法を用いる場合、使用する原材料および薄膜工法に用いる設備は非常に高価であり、実用上大きな問題となっている。   Furthermore, when this thin film construction method is used, the raw materials used and the equipment used for the thin film construction method are very expensive, which is a serious problem in practice.

そこで、本発明者らによって、安価なスクリーン印刷法のような厚膜工法を用いて、ダイヤフラム部を有する圧電素子などのように、一方主面側に開口部を有する基板に対して膜を形成し、大きな駆動力を要求される圧電素子が作製可能かどうかの検討がなされてきた。   Therefore, the present inventors use a thick film method such as an inexpensive screen printing method to form a film on a substrate having an opening on one main surface side, such as a piezoelectric element having a diaphragm portion. However, studies have been made as to whether or not a piezoelectric element that requires a large driving force can be manufactured.

例えば、本発明者らは、基板の開口部と同等の形をした金型を作製し、その金型を基板の開口部に嵌め込んで、基板の開口部とは反対側の主面に、スクリーン印刷法を用いて、膜を形成する方法を提案している(以下、従来技術2とする)。   For example, the present inventors produce a mold having the same shape as the opening of the substrate, fit the mold into the opening of the substrate, on the main surface opposite to the opening of the substrate, A method of forming a film using a screen printing method has been proposed (hereinafter referred to as Conventional Technology 2).

その他には、開口部を有しない平滑な基板に、スクリーン印刷法を用いて厚膜を形成し、その後に、膜が形成されている側の基板面とは反対側の基板面に、サンドブラストのような微細加工を施して、開口部を形成する方法を提案している。(以下、従来技術3とする)。
特開2001−211053号公報
In addition, a thick film is formed on a smooth substrate having no opening by using a screen printing method, and thereafter, a sandblast is formed on the substrate surface opposite to the substrate surface on which the film is formed. A method of forming an opening by performing such fine processing has been proposed. (Hereinafter referred to as Conventional Technology 3).
JP 2001-211053 A

しかしながら、上記従来技術2および従来技術3の方法では、以下に示すような問題点を有している。   However, the methods of the prior art 2 and the prior art 3 have the following problems.

従来技術2では、金型に基板を嵌め込みやすくために、金型の大きさと基板の開口部との間にある程度の公差を設ける必要がある。この場合、スクリーン印刷にて膜を形成する際に、基板と金型間の密着性が十分でないため、膜形成用の材料ペーストの粘性力により、基板の開口部から金型が外れ、基板自体が破損する場合がしばしば見受けられた。また、逆に、金型の大きさと基板の開口部との間に公差をほとんど設けないと、基板に金型を嵌め込む時や金型を基板から外す時にかかる負荷によって、基板自体を破損させる確率が非常に高くなる。   In Prior Art 2, it is necessary to provide a certain degree of tolerance between the size of the mold and the opening of the substrate in order to easily fit the substrate into the mold. In this case, when the film is formed by screen printing, the adhesion between the substrate and the mold is not sufficient, so the mold is removed from the opening of the substrate due to the viscous force of the material paste for film formation, and the substrate itself Often it was damaged. Conversely, if there is almost no tolerance between the size of the mold and the opening of the board, the board itself is damaged by the load applied when the mold is inserted into the board or removed from the board. The probability is very high.

一方、従来技術3では、厚膜が形成されている側の基板面は、その厚膜の形成によって段差が生じるため、サンドブラストなどの機械を用いて微細加工すると、基板自体が破損する場合がしばしば見受けられた。また、アルカリ溶液によるケミカルエッチング方法を用いて微細加工する場合では、厚膜自体がその溶液によって溶解するため、厚膜の保護が非常に困難であった。   On the other hand, in the prior art 3, the substrate surface on the side on which the thick film is formed has a level difference due to the formation of the thick film. It was seen. In addition, when fine processing is performed using a chemical etching method using an alkaline solution, the thick film itself is dissolved by the solution, and thus it is very difficult to protect the thick film.

そこで、上記問題点を解決するために、ダイヤフラム部を有する圧電素子などのような一方主面側に開口部を有する基板に対して、破損させることなく、スクリーン印刷法などの安価な圧電体膜形成方法を用いて圧電体素子を形成させることが可能な方法を提供することを目的とする。
Therefore, in order to solve the above problems, an inexpensive piezoelectric film such as a screen printing method is used without damaging a substrate having an opening on one main surface side, such as a piezoelectric element having a diaphragm portion. It is an object of the present invention to provide a method capable of forming a piezoelectric element using a forming method.

この発明に係る基板への圧電体素子の形成方法は、第1の主面に対向する第2の主面側に開口部を有する基板において、前記開口部に液状物質を充填・硬化させ、前記の硬化された液状物質によって埋められた前記開口部の面の高さが前記第2の主面側の基板面と同じ位置になるようにし、前記基板の第1の主面側に圧電体膜を形成させた後に、前記基板の開口部から前記の硬化された液状物質を除去させることを特徴とする。
According to a method for forming a piezoelectric element on a substrate according to the present invention, in a substrate having an opening on the second main surface side facing the first main surface, the opening is filled and cured with a liquid material, The height of the surface of the opening filled with the cured liquid material is set to the same position as the substrate surface on the second main surface side, and the piezoelectric film is formed on the first main surface side of the substrate. After the formation, the hardened liquid material is removed from the opening of the substrate.

また、前記液状物質は、アクリル系樹脂もしくはシリコン系樹脂であることが好ましい。   The liquid material is preferably an acrylic resin or a silicon resin.

本発明に係る圧電体素子の形成方法は、基板の開口部は液状物質によって充填・硬化され、かつ、硬化された液状物質によって埋められた開口部の面の高さが、第2の主面側の基板面と同じ位置になるようにしているので、硬化された液状物質と基板との間に隙間を有することなく優れた密着性が得られる。
したがって、スクリーン印刷時において、硬化された液状物質が基板から剥離することがないので、基板を破損させることなく、圧電体膜を形成することができる。
In the method for forming a piezoelectric element according to the present invention, the opening of the substrate is filled and cured with a liquid material, and the height of the surface of the opening filled with the cured liquid material is the second main surface. Since it is located at the same position as the substrate surface on the side, excellent adhesion can be obtained without a gap between the cured liquid material and the substrate.
Accordingly, the cured liquid material is not peeled off from the substrate during screen printing, so that the piezoelectric film can be formed without damaging the substrate.

つまり、ダイヤフラム部を有する圧電素子などのような一方主面側に開口部を有する基板に対して、破損させることなく、スクリーン印刷法という安価な方法を用いて、圧電体膜を形成させることができるという利点がある。
That is, a piezoelectric film can be formed by using an inexpensive method such as a screen printing method without damaging a substrate having an opening on one main surface side such as a piezoelectric element having a diaphragm portion. There is an advantage that you can.

特に、大きな駆動力を要求される素子、例えばサウンダ、ブザーやポンプを作製する場合には有効な方法であり、圧電膜などの膜と電極膜との接合強度を十分に確保することが可能となる。   In particular, it is an effective method for manufacturing elements that require a large driving force, such as sounders, buzzers, and pumps, and it is possible to sufficiently secure the bonding strength between a film such as a piezoelectric film and an electrode film. Become.

以下、図面を参照して、本発明に係る基板への圧電体素子の形成方法に関する最良の実施形態を詳細に説明する。
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of a method for forming a piezoelectric element on a substrate according to the invention will be described in detail with reference to the drawings.

なお、この実施形態を適用できる場合としては、ダイヤフラム部を有する圧電素子などのような一方主面側に開口部を有する基板に対して、圧電体膜を形成する場合に特に有効な方法であるが、前記一方主面側に開口部を有する基板を、表面に何らかの凹凸を有する基板に置き換えた場合でも、適用可能である。
The case where this embodiment can be applied is a particularly effective method when a piezoelectric film is formed on a substrate having an opening on one main surface side, such as a piezoelectric element having a diaphragm. However, the present invention is applicable even when the substrate having the opening on the one main surface side is replaced with a substrate having some unevenness on the surface.

図1は、本発明に係る圧電体素子の形成方法の標準フローを示している断面図である。
なお、圧電体膜を形成する被対象物は、ダイヤフラム部を有する圧電素子などのような一方主面側に開口部を有する基板である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a standard flow of a method for forming a piezoelectric element according to the present invention.
The object to form the piezoelectric film is a substrate having an opening on one main surface side, such as a piezoelectric element having a diaphragm.

まず、所定厚みの基板1、例えばSiO2層が全面に形成されたSi基板を用意する。[図1の(1)参照]
次に、この基板1の第2の主面1b(以下、ウラ面とする)に開口部2を形成し、開口部を有するSi基板を用意する。例えば、以下のように製造される。この基板1のウラ面1bを、フォトリソグラフィ技術を用いて、レジストパターンニングをし、開口部とする部分のSiO2層をバッファードフッ酸液(以下、BHF液とする)でエッチングすることにより、基板エッチング用のマスクを形成する。そしてその後に、上記基板1のウラ面1bを、例えば水酸化テトラメチルアンモニウム液(以下、TMAH液と略する)を用いてケミカルエッチングを行い、所望の厚み、例えば50μm厚の開口部2を形成する。なお、この工程の後に、スパッタリング法を用いて、例えばAl23の中間層やPt電極層を付与してもよい。この場合、Si基板とAl23層との接合性やAl23層とPt電極層との接合性が十分に確保される熱処理条件を採用することに留意する。[図1の(2)参照]
以上により、開口部を有するSi基板を用意する。
First, a substrate 1 having a predetermined thickness, for example, a Si substrate having a SiO 2 layer formed on the entire surface is prepared. [Refer to (1) in Fig. 1]
Next, the opening 2 is formed in the second main surface 1b (hereinafter referred to as a back surface) of the substrate 1, and a Si substrate having the opening is prepared. For example, it is manufactured as follows. The back surface 1b of the substrate 1 is subjected to resist patterning using a photolithographic technique, and the portion of the SiO 2 layer used as the opening is etched with a buffered hydrofluoric acid solution (hereinafter referred to as a BHF solution). Then, a mask for substrate etching is formed. Then, the back surface 1b of the substrate 1 is chemically etched using, for example, a tetramethylammonium hydroxide solution (hereinafter abbreviated as TMAH solution) to form an opening 2 having a desired thickness, for example, 50 μm. To do. Incidentally, after this step, by a sputtering method, for example it may be imparted to the intermediate layer and the Pt electrode layer of Al 2 O 3. In this case, it should be noted that heat treatment conditions that sufficiently secure the bondability between the Si substrate and the Al 2 O 3 layer and the bondability between the Al 2 O 3 layer and the Pt electrode layer are adopted. [See (2) in Fig. 1]
As described above, a Si substrate having an opening is prepared.

次いで、上記基板1のウラ面1bに形成されている開口部2に、液状物質、例えば後述の液状シリコン系樹脂や液状アクリル系樹脂を充填し、所望の条件にて硬化させて、前記液状物質によって埋められた前記開口部2の面の高さが前記ウラ面側の基板面と同じ位置になるようにする。
これにより、開口部2が補強される。
[図1の(3)参照] そしてその後、上記基板1の第1の主面(以下、オモテ面とする)1a側に、スクリーン印刷法を用いて、所望の膜、例えば圧電体、電極などの膜を形成する。
なお、印刷膜の焼成は、後述のように、使用する樹脂によって、若干の工程の相違が見られる。
[図1の(4)参照] 次いで、上記基板1のウラ面1bに形成されている開口部2に充填・硬化された樹脂を除去する。
なお、後述のように、使用する樹脂によって、若干の工程の相違が見られる。
[図1の(5)参照] 以上のように、基板の開口部は液状物質によって充填・硬化され、かつ、この液状物質によって埋められた開口部の面の高さが、ウラ面側の基板面と同じ位置になるようにしているので、液状物質と基板間に隙間を有することなく優れた密着性が得られる。
したがって、スクリーン印刷時において、液状物質が基板から剥離することがないので、基板を破損させることなく、圧電体膜を形成することができる。
Next, a liquid material, for example, a liquid silicon resin or a liquid acrylic resin, which will be described later, is filled in the opening 2 formed on the back surface 1b of the substrate 1 and cured under a desired condition. So that the height of the surface of the opening 2 filled in is the same position as the substrate surface on the back surface side.
Thereby, the opening part 2 is reinforced.
[Refer to (3) in FIG. 1] Then, on the first main surface (hereinafter referred to as a front surface) 1a side of the substrate 1, a desired film, for example, a piezoelectric body, an electrode, or the like, is used by screen printing. The film is formed.
Note that, as will be described later, there are some differences in the process of firing the printed film depending on the resin used.
[Refer to (4) in FIG. 1] Next, the resin filled and cured in the opening 2 formed on the back surface 1b of the substrate 1 is removed.
As will be described later, there are some differences in the process depending on the resin used.
[Refer to (5) in FIG. 1] As described above, the opening of the substrate is filled and hardened with the liquid material, and the height of the surface of the opening filled with the liquid material is the substrate on the back surface side. Since the position is the same as the surface, excellent adhesion can be obtained without a gap between the liquid substance and the substrate.
Accordingly, the liquid material does not peel from the substrate during screen printing, and thus the piezoelectric film can be formed without damaging the substrate.

本発明に係る圧電体素子の形成方法に関する一実施例を示している。
なお、実施例1では、下記で示す充填樹脂として、液状シリコン系樹脂を用いている。
1 shows an embodiment relating to a method of forming a piezoelectric element according to the present invention.
In Example 1, a liquid silicone resin is used as the filling resin shown below.

まず、例えば200μm厚のSi基板において、その全面に、SiO2層の層が形成されたものを用意する。 First, for example, a Si substrate having a thickness of 200 μm is prepared with a SiO 2 layer formed on the entire surface thereof.

次に、このSi基板のウラ面を、フォトリソグラフィ技術を用いて、レジストパターンニングをし、開口部となる部分のSiO2層をBHF液でエッチングすることにより、Siエッチング用のマスクを形成する。 Next, the back surface of the Si substrate is subjected to resist patterning using a photolithographic technique, and the SiO 2 layer at the portion to be the opening is etched with a BHF solution to form a mask for Si etching. .

そしてその後に、上記Si基板のウラ面を、TMAH液を用いてケミカルエッチングを行い、所望の厚み、例えば50μm厚の開口部を形成する。   Then, the back surface of the Si substrate is chemically etched using a TMAH solution to form an opening having a desired thickness, for example, 50 μm.

次に、上記Si基板のオモテ面側に、スパッタリング法を用いて、例えばAl23の中間層を付与し、例えば950℃で熱処理を行ない、上記中間層の焼成膜を形成する。なお、上記熱処理条件は、Si基板とAl23層との接合強度が十分に確保できる条件を採用している。 Next, for example, an Al 2 O 3 intermediate layer is applied to the front surface side of the Si substrate by sputtering, and heat treatment is performed at 950 ° C., for example, to form a fired film of the intermediate layer. Incidentally, the heat treatment conditions, the bonding strength between the Si substrate and the Al 2 O 3 layer have adopted sufficient can condition.

次に、上記Al23層の上に、スパッタリング法を用いて、例えばPt電極層を付与し、例えば950℃で熱処理を行い、Pt電極層の焼成膜を形成する。なお、上記熱処理条件は、Al23層とPt電極層との接合強度が十分に確保できる条件を採用している。 Next, for example, a Pt electrode layer is provided on the Al 2 O 3 layer by sputtering, and heat treatment is performed at 950 ° C., for example, to form a fired film of the Pt electrode layer. The heat treatment conditions are such that the bonding strength between the Al 2 O 3 layer and the Pt electrode layer can be sufficiently secured.

以上により、開口部を有するSi基板を用意する。   As described above, a Si substrate having an opening is prepared.

次いで、上記Si基板のウラ面側に形成されている開口部に、液状シリコン系樹脂を充填し、例えば150℃、10分の条件で加熱硬化させて、この液状シリコン系樹脂によって埋められたこの開口部の面の高さが、ウラ面側の基板面と同じ位置になるようにする。これにより、開口部が補強される。   Next, the opening formed on the back surface side of the Si substrate is filled with a liquid silicon-based resin, for example, heated and cured at 150 ° C. for 10 minutes, and filled with the liquid silicon-based resin. The height of the surface of the opening is set to the same position as the substrate surface on the back surface side. Thereby, an opening part is reinforced.

そしてその後、上記Si基板のオモテ面側に、スクリーン印刷法を用いて、以下に示すような圧電体ペーストを塗布し、圧電体層の未焼成膜を付与する。なお、圧電体ペーストとしては、結晶粉末、ビヒクル、および溶剤を含んだペーストである。また、上記結晶粉末としては、例えば、Pb(Zr,Ti)O3が85モル%、Pb(Zn1/3Nb2/3)O3が15モル%を含有する原料粉末が97重量%、Bi23粉末が2重量%、およびZnO粉末が1重量%で配合された圧電粉末を使用する。また、ビヒクルは、例えばエチルセルロース系のバインダを使用し、溶剤は、例えばジエチレングリコールモノブチルエーテルのような有機溶剤を使用する。 Thereafter, a piezoelectric paste as shown below is applied to the front surface side of the Si substrate using a screen printing method to give an unfired film of the piezoelectric layer. The piezoelectric paste is a paste containing crystal powder, vehicle, and solvent. Examples of the crystal powder include 97% by weight of a raw material powder containing 85 mol% of Pb (Zr, Ti) O 3 and 15 mol% of Pb (Zn 1/3 Nb 2/3 ) O 3 , A piezoelectric powder containing 2% by weight of Bi 2 O 3 powder and 1% by weight of ZnO powder is used. The vehicle uses, for example, an ethyl cellulose binder, and the solvent uses an organic solvent such as diethylene glycol monobutyl ether.

次いで、上記Si基板のウラ面側に形成されている開口部に充填・加熱硬化された液状シリコン系樹脂を手で捲り剥がすことにより除去する。なお、上記樹脂を充填させる際に、開口部の壁面に離型剤を付与すると、上記液状シリコン系樹脂の除去はより容易となる。   Next, the liquid silicon resin filled and heat-cured in the opening formed on the back surface side of the Si substrate is removed by manually scraping and peeling. Note that when the resin is filled, if the release agent is applied to the wall surface of the opening, the removal of the liquid silicon-based resin becomes easier.

そしてその後に、上記Si基板を焼成することにより、例えば10μm厚の圧電体層の焼成膜を形成する。   After that, the Si substrate is fired to form a fired film of a piezoelectric layer having a thickness of, for example, 10 μm.

以上のように、基板の開口部は液状物質によって充填・硬化され、かつ、この液状物質によって埋められた開口部の面の高さが、ウラ面側の基板面と同じ位置になるようにしているので、液状物質と基板間に隙間を有することなく優れた密着性が得られる。
したがって、スクリーン印刷時において、液状物質が基板から剥離することがないので、基板を破損させることなく、圧電体膜を形成することができる。
As described above, the opening of the substrate is filled and cured with the liquid material, and the height of the surface of the opening filled with the liquid material is set at the same position as the substrate surface on the back surface side. Therefore, excellent adhesion can be obtained without a gap between the liquid substance and the substrate.
Accordingly, since the liquid substance does not peel from the substrate during screen printing, the piezoelectric film can be formed without damaging the substrate.

本発明に係る圧電体素子の形成方法に関する一実施例を示している。
なお、実施例2では、下記で示す充填樹脂として、液状アクリル系樹脂を用いている。
1 shows an embodiment relating to a method of forming a piezoelectric element according to the present invention.
In Example 2, a liquid acrylic resin is used as the filling resin shown below.

まず、例えば200μm厚のSi基板において、その全面に、例えばSiO2層の層が形成されたものを用意する。 First, for example, a Si substrate having a thickness of 200 μm, for example, is prepared having a SiO 2 layer formed on the entire surface thereof.

次に、このSi基板のウラ面を、フォトリソグラフィ技術を用いて、レジストパターンニングをし、開口部となる部分のSiO2層をBHF液でエッチングすることにより、Siエッチング用のマスクを形成する。 Next, the back surface of the Si substrate is subjected to resist patterning using a photolithographic technique, and the SiO 2 layer at the portion to be the opening is etched with a BHF solution to form a mask for Si etching. .

そしてその後に、上記Si基板のウラ面を、TMAH液を用いてケミカルエッチングを行い、所望の厚み、例えば50μm厚の開口部を形成する。   Then, the back surface of the Si substrate is chemically etched using a TMAH solution to form an opening having a desired thickness, for example, 50 μm.

次に、上記Si基板のオモテ面側に、スパッタリング法を用いて、例えばAl23の中間層を付与し、例えば950℃で熱処理を行ない、上記中間層の焼成膜を形成する。なお、上記熱処理条件は、Si基板とAl23層との接合強度が十分に確保できる条件を採用している。 Next, for example, an Al 2 O 3 intermediate layer is applied to the front surface side of the Si substrate by sputtering, and heat treatment is performed at 950 ° C., for example, to form a fired film of the intermediate layer. Incidentally, the heat treatment conditions, the bonding strength between the Si substrate and the Al 2 O 3 layer have adopted sufficient can condition.

次に、上記Al23層の上に、スパッタリング法を用いて、Pt電極層を付与し、例えば950℃で熱処理を行い、Pt電極層の焼成膜を形成する。なお、上記熱処理条件は、Al23層とPt電極層との接合強度が十分に確保できる条件を採用している。 Next, a Pt electrode layer is provided on the Al 2 O 3 layer by a sputtering method, and heat treatment is performed at 950 ° C., for example, to form a fired film of the Pt electrode layer. The heat treatment conditions are such that the bonding strength between the Al 2 O 3 layer and the Pt electrode layer can be sufficiently secured.

以上により、開口部を有するSi基板を用意する。   As described above, a Si substrate having an opening is prepared.

次いで、上記Si基板のウラ面側に形成されている開口部に、液状アクリル系樹脂を充填し、UV露光により硬化させて、この液状シリコン系樹脂によって埋められたこの開口部の面の高さが、ウラ面側の基板面と同じ位置になるようにする。これにより、開口部が補強される。   Next, a liquid acrylic resin is filled in the opening formed on the back side of the Si substrate and cured by UV exposure, and the height of the surface of the opening filled with the liquid silicon resin is filled. Is set to the same position as the substrate surface on the back surface side. Thereby, an opening part is reinforced.

そしてその後、上記Si基板のオモテ面に、スクリーン印刷法を用いて、以下に示すような圧電体ペーストを塗布し、圧電体層の未焼成膜を付与する。なお、圧電体ペーストとしては、結晶粉末、ビヒクル、および溶剤を含んだペーストである。また、上記結晶粉末としては、例えば、Pb(Zr,Ti)O3が85モル%、Pb(Zn1/3Nb2/3)O3が15モル%を含有する原料粉末が97重量%、Bi23粉末が2重量%、およびZnO粉末が1重量%で配合された圧電粉末を使用する。また、ビヒクルは、例えばエチルセルロース系のバインダを使用し、溶剤は、例えばジエチレングリコールモノブチルエーテルのような有機溶剤を使用する。 Thereafter, a piezoelectric paste as shown below is applied to the front surface of the Si substrate by screen printing to give an unfired film of the piezoelectric layer. The piezoelectric paste is a paste containing crystal powder, vehicle, and solvent. Examples of the crystal powder include 97% by weight of a raw material powder containing 85 mol% of Pb (Zr, Ti) O 3 and 15 mol% of Pb (Zn 1/3 Nb 2/3 ) O 3 , A piezoelectric powder containing 2% by weight of Bi 2 O 3 powder and 1% by weight of ZnO powder is used. The vehicle uses, for example, an ethyl cellulose binder, and the solvent uses an organic solvent such as diethylene glycol monobutyl ether.

次いで、上記Si基板を100℃で10分乾燥した後、例えば450℃前後で加熱することにより、上記Si基板のウラ面に形成されている開口部に充填・硬化された液状アクリル系樹脂を除去する。なお、450℃前後の条件で加熱しても、厚膜の焼成に悪影響を及ぼすことはなく、厚膜特性は劣化されないことは確認されている。   Next, the Si substrate is dried at 100 ° C. for 10 minutes, and then heated at about 450 ° C., for example, to remove the liquid acrylic resin filled and cured in the opening formed on the back surface of the Si substrate. To do. It has been confirmed that heating under conditions of around 450 ° C. does not adversely affect the firing of the thick film, and the thick film characteristics are not deteriorated.

そしてその後に、上記Si基板を本焼成することにより、例えば10μm厚の圧電体層の焼成膜を形成する。   And after that, the above-mentioned Si substrate is fired to form a fired film of a piezoelectric layer having a thickness of, for example, 10 μm.

以上のように、基板の開口部は液状物質によって充填・硬化され、かつ、この液状物質によって埋められた開口部の面の高さが、ウラ面側の基板面と同じ位置になるようにしているので、液状物質と基板間に隙間を有することなく優れた密着性が得られる。
したがって、スクリーン印刷時において、液状物質が基板から剥離することがないので、基板を破損させることなく、圧電体膜を形成することができる。
As described above, the opening of the substrate is filled and cured with the liquid material, and the height of the surface of the opening filled with the liquid material is set at the same position as the substrate surface on the back surface side. Therefore, excellent adhesion can be obtained without a gap between the liquid substance and the substrate.
Accordingly, since the liquid substance does not peel from the substrate during screen printing, the piezoelectric film can be formed without damaging the substrate.

図2は、本発明に係る圧電体素子の形成方法を用いて、ダイヤフラム部を有する圧電素子(ここでは、圧電ポンプ)を作製した一実施例の標準フローを示している断面図である。
また、図3は作製したダイヤフラム部を有する圧電素子(ここでは、圧電ポンプ)の断面図であり、図4は図3の線A−Aに沿う断面図である。
なお、実施例3では、充填樹脂は、液状アクリル系樹脂を用いている。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a standard flow of an embodiment in which a piezoelectric element (here, a piezoelectric pump) having a diaphragm portion is manufactured by using the piezoelectric element forming method according to the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a piezoelectric element (here, a piezoelectric pump) having a manufactured diaphragm portion, and FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
In Example 3, the filling resin is a liquid acrylic resin.

まず、SiO2層が全面に形成された200μm厚のSi基板(以下、Si基板11)を用意する。[図2の(1)参照]
次に、このSi基板11のウラ面11bを、フォトリソグラフィ技術を用いて、レジストパターンニングをし、開口部となる部分をBHF液でエッチングすることにより、Siエッチング用のマスクを形成する。そしてその後に、上記Si基板11のウラ面11bを、TMAH液を用いてケミカルエッチングを行い、所望の厚み、例えば30μm厚の開口部12を形成する。[図2の(2)参照]
以上により、開口部を有するSi基板11を用意する。
First, a 200 μm thick Si substrate (hereinafter referred to as Si substrate 11) having an SiO 2 layer formed on the entire surface is prepared. [Refer to (1) in Fig. 2]
Next, the back surface 11b of the Si substrate 11 is subjected to resist patterning using a photolithographic technique, and a portion to be an opening is etched with a BHF solution to form a mask for Si etching. Then, the back surface 11b of the Si substrate 11 is chemically etched using a TMAH solution to form an opening 12 having a desired thickness, for example, 30 μm. [Refer to (2) in Fig. 2]
As described above, the Si substrate 11 having the opening is prepared.

次いで、上記Si基板11のウラ面11b側に形成されている開口
部12に、液状アクリル系樹脂13を充填し、UV露光により硬化させて、この液状シリコン系樹脂13によって埋められたこの開口部の面の高さが、上記Si基板11のウラ面11b側の基板面と同じ位置になるようにする。これにより、開口部12が補強される。[図2の(3)参照]
そしてその後、スクリーン印刷法を用いて、上記Si基板11のオモテ面11aの全面に、チタン酸バリウムペーストを塗布し、100℃で乾燥することにより、チタン酸バリウム層14の乾燥膜が形成される。[図2の(4)参照]
次に、上記Si基板11のチタン酸バリウム層14上に、同様にスクリーン印刷法を用いて、引き出し用電極ペーストを塗布し、100℃で乾燥することにより、引き出し用電極層15の乾燥膜が形成される。[図2の(5)参照]
次いで、スクリーン印刷法を用いて、上記Si基板11の引き出し用電極層15上に、チタン酸バリウムペーストを塗布し、100℃で乾燥することにより、チタン酸バリウム層16の乾燥膜が形成される。[図2の(6)参照]
次に、上記Si基板11のチタン酸バリウム層16上に、同様にスクリーン印刷法を用いて、電極ペーストを塗布し、100℃で乾燥することを、電極層17の乾燥膜が形成される。同様にして、上記電極層17上にチタン酸バリウムペーストを付与させて、チタン酸バリウム層16の乾燥膜を形成し、そのチタン酸バリウム層16の乾燥膜上に電極ペーストを付与させて、電極層17の乾燥膜を形成させる。[図2の(7)参照]
そしてその後に、上記Si基板11(図2の(7)参照)を、例えば450℃前後で加熱して気化させることにより、上記Si基板11のウラ面11b側に形成されている開口部12に充填・硬化された液状アクリル系樹脂13を除去する。[図2の(8)参照]
次いで、上記Si基板11(図2の(8)参照)を1000℃で本焼成することにより、上記Si基板11(図2の(8)参照)上に、チタン酸バリウム層および電極層の焼成膜を形成する[図示は省略]。
Next, the opening 12 formed on the side of the back surface 11b of the Si substrate 11 is filled with the liquid acrylic resin 13, cured by UV exposure, and the opening filled with the liquid silicon resin 13. The height of the surface is set to the same position as the substrate surface of the Si substrate 11 on the back surface 11b side. Thereby, the opening part 12 is reinforced. [Refer to (3) in Fig. 2]
Then, using a screen printing method, a barium titanate paste is applied to the entire front surface 11a of the Si substrate 11 and dried at 100 ° C., whereby a dry film of the barium titanate layer 14 is formed. . [Refer to (4) in Fig. 2]
Next, a lead electrode paste is applied onto the barium titanate layer 14 of the Si substrate 11 by the same screen printing method and dried at 100 ° C., so that a dry film of the lead electrode layer 15 is formed. It is formed. [Refer to Fig. 2 (5)]
Next, a dry film of the barium titanate layer 16 is formed by applying a barium titanate paste on the extraction electrode layer 15 of the Si substrate 11 using a screen printing method and drying at 100 ° C. . [Refer to (6) in Fig. 2]
Next, the electrode paste is applied onto the barium titanate layer 16 of the Si substrate 11 in the same manner using a screen printing method, and dried at 100 ° C. to form a dry film of the electrode layer 17. Similarly, a barium titanate paste is applied on the electrode layer 17 to form a dry film of the barium titanate layer 16, and an electrode paste is applied on the dry film of the barium titanate layer 16 to form an electrode. A dry film of layer 17 is formed. [See (7) in Fig. 2]
After that, the Si substrate 11 (see (7) in FIG. 2) is heated and vaporized at, for example, about 450 ° C., thereby opening the opening 12 formed on the side of the back surface 11b of the Si substrate 11. The filled and cured liquid acrylic resin 13 is removed. [Refer to (8) in Fig. 2]
Next, the Si substrate 11 (see (8) in FIG. 2) is subjected to main firing at 1000 ° C., whereby the barium titanate layer and the electrode layer are fired on the Si substrate 11 (see (8) in FIG. 2). A film is formed [not shown].

次いで、上記Si基板11(図2の(8)参照)に、端面電極18をスパッタリング法により形成する。[図2の(9)参照]
そしてこの後に、例えば400℃、75Vの条件で、上記Si基板11(図2の(9)参照)と、流路19aとなる溝およびテーパー弁19bを有する流路19aとなる溝をあらかじめ形成したガラス(図は省略)とを陽極接合して、ダイヤフラム部を有する圧電素子(圧電ポンプ)20を作製する。[図3、図4を参照]
以上のように、基板の開口部は液状物質によって充填・硬化され、かつ、この液状物質によって埋められた開口部の面の高さが、ウラ面側の基板面と同じ位置になるようにしているので、液状物質と基板間に隙間を有することなく優れた密着性が得られる。したがって、スクリーン印刷時において、液状物質が基板から剥離することがないので、基板を破損させることなく、膜を形成することができる。すなわち、開口部を有する基板上に、圧電体厚膜を容易に形成することができる。さらに、Si基板と電極との間において電極が剥離することなく、高抵抗を有した絶縁膜を形成できる。
Next, an end face electrode 18 is formed on the Si substrate 11 (see (8) in FIG. 2) by sputtering. [Refer to (9) in Fig. 2]
Then, after that, for example, under the conditions of 400 ° C. and 75 V, the Si substrate 11 (see (9) in FIG. 2), the groove that becomes the flow path 19a and the groove that becomes the flow path 19a having the taper valve 19b are formed in advance. Glass (not shown) is anodically bonded to produce a piezoelectric element (piezoelectric pump) 20 having a diaphragm portion. [See Figures 3 and 4]
As described above, the opening of the substrate is filled and cured with the liquid material, and the height of the surface of the opening filled with the liquid material is set at the same position as the substrate surface on the back surface side. Therefore, excellent adhesion can be obtained without a gap between the liquid substance and the substrate. Accordingly, since the liquid substance does not peel from the substrate during screen printing, a film can be formed without damaging the substrate. That is, the piezoelectric thick film can be easily formed on the substrate having the opening. Further, an insulating film having high resistance can be formed without peeling off the electrode between the Si substrate and the electrode.

よって、50Vと高い入力電圧においても、Si基板と電極との間で電気的に短絡することなく、大きな駆動力を有する圧電素子を作製することができ、50Vでポンプ内の液が移動することが確認できた。   Therefore, even at an input voltage as high as 50 V, a piezoelectric element having a large driving force can be produced without an electrical short circuit between the Si substrate and the electrode, and the liquid in the pump moves at 50 V. Was confirmed.

本発明に係る圧電体素子の形成方法の標準フローを示している断面図である。It is sectional drawing which shows the standard flow of the formation method of the piezoelectric element which concerns on this invention. 本発明に係る圧電体素子の形成方法を用いて、ダイヤフラム部を有する圧電素子(ここでは、圧電ポンプ)を作製した一実施例の標準フローを示している断面図である。It is sectional drawing which shows the standard flow of one Example which produced the piezoelectric element (here piezoelectric pump) which has a diaphragm part using the formation method of the piezoelectric material element concerning this invention. 作製したダイヤフラム部を有する圧電素子(ここでは、圧電ポンプ)の断面図である。It is sectional drawing of the piezoelectric element (here piezoelectric pump) which has the produced diaphragm part. 図3の線A−Aに沿う断面図である。FIG. 4 is a sectional view taken along line AA in FIG. 3.

符号の説明Explanation of symbols

1 基板
2,12 開口部
3 液状物質(充填用樹脂)
4 厚膜(スクリーン印刷法により形成された膜)
11 SiO2層が形成されたSi基板
13 液状アクリル系樹脂
14,16 BaTiO3
15 引き出し用電極層
17 電極層
18 端面電極
19a 流路
19b テーパー弁
20 ダイヤフラム部を有する圧電素子(圧電ポンプ)
1 Substrate 2,12 Opening 3 Liquid material (filling resin)
4 Thick film (film formed by screen printing method)
11 Si substrate on which SiO 2 layer is formed 13 Liquid acrylic resin 14, 16 BaTiO 3 layer 15 Lead electrode layer 17 Electrode layer 18 End face electrode 19a Flow path 19b Taper valve 20 Piezoelectric element having a diaphragm portion (piezoelectric pump)

Claims (2)

第1の主面に対向する第2の主面側に開口部を有する基板において、前記開口部に液状物質を充填・硬化させ、前記の硬化された液状物質によって埋められた前記開口部の面の高さが前記第2の主面側の基板面と同じ位置になるようにし、前記基板の第1の主面側に圧電体膜を形成させた後に、前記基板の開口部から前記の硬化された液状物質を除去させることを特徴とする、圧電体素子の形成方法。 In the substrate having an opening on the second main surface side facing the first main surface, the surface of the opening filled with the liquid material in the opening and cured, and filled with the hardened liquid material Is set at the same position as the substrate surface on the second main surface side, and after the piezoelectric film is formed on the first main surface side of the substrate, the curing is performed from the opening of the substrate. A method for forming a piezoelectric element , characterized in that the liquid material is removed. 前記液状物質は、アクリル系樹脂もしくはシリコン系樹脂であることを特徴とする、請求項1に記載の圧電体素子の形成方法。 The method for forming a piezoelectric element according to claim 1, wherein the liquid material is an acrylic resin or a silicon resin.
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