JP6819002B2 - Piezoelectric element - Google Patents
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Description
本発明は圧電素子に関し、特に、高感度、低雑音の圧電素子に関するものである。 The present invention relates to a piezoelectric element, and more particularly to a piezoelectric element having high sensitivity and low noise.
近年、急速に需要が拡大しているスマートフォンには、小型、薄型で、組立のハンダリフロー工程の高温処理耐性を有するMEMS(Micro Electro Mechanical System)技術を用いたマイクロフォンが多く使われている。また、MEMSマイクロフォンに限らず、その他のMEMS素子が様々な分野で急速に普及してきている。 In recent years, smartphones, whose demand is rapidly expanding, are often used for microphones that are small and thin and use MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology that is resistant to high temperature processing in the solder reflow process of assembly. Further, not only MEMS microphones but also other MEMS elements are rapidly becoming widespread in various fields.
この種のMEMS素子の多くは、音響圧力等による振動板の振動変位を対向する固定板との容量変化としてとらえ、電気信号に変換して出力する容量素子である。しかし容量素子は、振動板と固定板との間隙の空気の流動によって生じる音響抵抗のために、信号雑音比の改善が限界になりつつある。 Most of these types of MEMS elements are capacitive elements that capture the vibration displacement of the diaphragm due to acoustic pressure or the like as a capacitance change with the opposing fixed plate, convert it into an electric signal, and output it. However, the improvement of the signal-to-noise ratio of the capacitive element is becoming a limit due to the acoustic resistance caused by the flow of air in the gap between the diaphragm and the fixing plate.
そこで、圧電薄膜で構成される単一の振動板の歪みにより音響圧力等を電圧変化として取り出すことができる圧電素子が注目されている。 Therefore, a piezoelectric element capable of extracting acoustic pressure or the like as a voltage change due to distortion of a single diaphragm composed of a piezoelectric thin film has been attracting attention.
ところで圧電素子では、音響圧力等がない場合に圧電薄膜の残留応力や温度変動が不要な信号として出力され特性を劣化させることが知られている。そこで、圧電薄膜の一端を自由端とする片持ち梁構造を採用することによって残留応力を解放する技術が開示されている(例えば特許文献1)。 By the way, it is known that in a piezoelectric element, when there is no acoustic pressure or the like, the residual stress and temperature fluctuation of the piezoelectric thin film are output as unnecessary signals to deteriorate the characteristics. Therefore, a technique for releasing residual stress by adopting a cantilever structure in which one end of a piezoelectric thin film is a free end is disclosed (for example, Patent Document 1).
図9に、片持ち梁構造の圧電素子の断面図を示す。図9に示すように、支持基板となるシリコン基板1に、絶縁膜2を介して多層構造の圧電薄膜3a、3bが固定され、圧電薄膜3aは上下から電極4aと電極4bにより、圧電薄膜3bは電極4bと電極4cによりそれぞれ挟み込まれた構造となっている。圧電薄膜および電極はそれぞれ長方形の平面形状を有しており、一端がシリコン基板1に固定され、他端が自由端となっている。また電極4aと電極4cは一方の配線電極5aに接続し、電極4bは別の配線金属5bに接続されている。
FIG. 9 shows a cross-sectional view of the piezoelectric element having a cantilever structure. As shown in FIG. 9, the piezoelectric
このような圧電素子では、音響圧力等を受けて圧電薄膜3aが歪むとその内部に分極が起こり、電極4aに接続する配線金属5aと、電極4bに接続する配線金属5bから電圧信号を取り出すことが可能となる。同様に圧電薄膜3bが歪むとその内部に分極が起こり、電極4cに接続する配線金属5aと、電極4bに接続する配線金属5bから電圧信号を取り出すことが可能となる。
In such a piezoelectric element, when the piezoelectric
ところで、片持ち梁構造とすることで圧電薄膜の残留応力が解放されるが、その結果圧電薄膜が反り、隣接する圧電薄膜の間隙(梁間ギャップG)や圧電薄膜(梁)側面と支持基板の実質的間隙の寸法が広がってしまう。このような設計値以上の間隙の発生は、圧電素子をマイクロフォンとして使用した場合、音響抵抗を低下させ、低周波感度低下等の特性劣化を招いてしまう。 By the way, the cantilever structure releases the residual stress of the piezoelectric thin film, but as a result, the piezoelectric thin film warps, and the gap between adjacent piezoelectric thin films (inter-beam gap G) and the side surface of the piezoelectric thin film (beam) and the support substrate The size of the substantial gap is widened. When the piezoelectric element is used as a microphone, the occurrence of a gap larger than the design value reduces the acoustic resistance and causes deterioration of characteristics such as a decrease in low frequency sensitivity.
そこでこの問題を解消するため、圧電薄膜の形状を長方形とする代わりに三角形とし、例えば4個の三角形のそれぞれの頂点が中心に位置するように配置とすることで、圧電薄膜が反った場合でも、隣接する圧電薄膜にも同様の反りが発生し、結果的に隣接する圧電薄膜の間隙の寸法を大きく変化させない技術が開示されている(特許文献2)。 Therefore, in order to solve this problem, the shape of the piezoelectric thin film is not a rectangle but a triangle, for example, by arranging the piezoelectric thin films so that the vertices of each of the four triangles are located in the center, even if the piezoelectric thin film is warped. (Patent Document 2) discloses a technique in which similar warpage occurs in adjacent piezoelectric thin films, and as a result, the dimensions of gaps between adjacent piezoelectric thin films are not significantly changed (Patent Document 2).
圧電薄膜の残留応力に起因する特性劣化を防止するため、従来の圧電素子では圧電薄膜の形状を三角形とし、4個の三角形の頂点を中心に集めるように配置することで圧電薄膜の間隙の寸法を大きく変化させないことを可能とした。しかしながら、各三角形の梁それぞれの共振周波数を合わせるため、同一形状の三角形を組み合わせる必要があり、圧電型MEMS素子の外形が正方形に制限され、設計の自由度がなくなるという問題があった。本発明は、圧電薄膜の残留応力の影響を抑制するとともに外形が制限される問題を解消し、高感度で信号雑音比を改善した圧電素子を提供することを目的とする。 In order to prevent the deterioration of characteristics due to the residual stress of the piezoelectric thin film, the shape of the piezoelectric thin film is triangular in the conventional piezoelectric element, and the dimensions of the gap between the piezoelectric thin films are arranged so that the vertices of the four triangles are centered. It was made possible not to change significantly. However, in order to match the resonance frequencies of the beams of each triangle, it is necessary to combine triangles having the same shape, and the outer shape of the piezoelectric MEMS element is limited to a square, which causes a problem that the degree of freedom in design is lost. An object of the present invention is to provide a piezoelectric element having high sensitivity and an improved signal-to-noise ratio by suppressing the influence of residual stress of a piezoelectric thin film and solving the problem of limiting the outer shape.
上記目的を達成するため、本願請求項1に係る発明は、支持基板に両端が固定された圧電薄膜と、該圧電薄膜を挟んで配置する一対の電極とを備えた圧電素子において、前記圧電薄膜は、少なくとも第1の圧電薄膜と第2の圧電薄膜を含む積層構造からなることと、前記第1の圧電薄膜の一部を挟んで配置する前記一対の電極を複数組備え、少なくとも第1の圧電素子、第2の圧電素子および第3の圧電素子が形成されていることと、前記第2の圧電薄膜の一部を挟んで配置する前記一対の電極を複数組備え、少なくとも第4の圧電素子、第5の圧電素子および第6の圧電素子が形成されていることと、前記第1の圧電素子、第2の圧電素子および前記第3の圧電素子は、前記両端の一端側から他端側へ順に並べて配置していることと、前記第4の圧電素子、前記第5の圧電素子および第6の圧電素子は、前記両端の一端側から他端側へ順に並べて配置していることと、前記第1の圧電素子と前記第4の圧電素子、前記第2の圧電素子と前記第5の圧電素子、あるいは前記第3の圧電素子と前記第6の圧電素子の組の圧電素子が並列に接続し、前記並列に接続した圧電素子が直列に接続していることと、前記第1の圧電素子と前記第2の圧電素子と前記第3の圧電素子が直列に接続し、前記第4の圧電素子と前記第5の圧電素子と前記第6の圧電素子が直列に接続し、前記直列に接続した2組の圧電素子が並列に接続していることと、前記第1の圧電素子と前記第4の圧電素子とが上下対称に積層形成され、前記第2の圧電素子と前記第5の圧電素子とが上下対称に積層形成され、前記第3の圧電素子と前記第6の圧電素子とが上下対称に積層形成されていることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the invention according to
本願請求項2に係る発明は、請求項1記載の圧電素子において、前記並列に接続した圧電素子の組は、前記第1の圧電薄膜あるいは前記第2の圧電薄膜の表面、裏面あるいは膜間に配置された前記圧電素子の電極から連続する延長部により直列接続されていることを特徴とする。
The invention according to
本願請求項3に係る発明は、請求項1又は2いずれか記載の圧電素子において、振動により前記圧電薄膜が湾曲変位した場合に、該変位の変曲点により区画される領域毎に、少なくとも前記上下対称に積層形成された前記第1の圧電素子と前記第4の圧電素子、前記第2の圧電素子と前記第5の圧電素子あるいは前記第3の圧電素子と前記第6の圧電素子のいずれかが配置されていることを特徴とする。
According to the third aspect of the present application, in the piezoelectric element according to any one of
本願請求項4に係る発明は、請求項1乃至3いずれか記載の圧電素子において、
前記圧電薄膜は、音響圧力によって振動する膜であることを特徴とする。
The invention according to claim 4 of the present application is the piezoelectric element according to any one of
The piezoelectric thin film is characterized in that it is a film that vibrates due to acoustic pressure .
本発明の圧電素子は、第1の圧電薄膜に形成する圧電素子と第2の圧電薄膜に形成する圧電素子とを上下対称に重なり合うように配置することで、重なり合う圧電薄膜の残留応力や温度変動に起因して発生する圧電電圧を相互に相殺して圧電薄膜の残留応力の影響を低減した上で、音響圧力等によって生じる第1の圧電薄膜による圧電電圧と第2の圧電薄膜による圧電電圧を重畳させることで出力信号のレベルを上げることを可能としている。 In the piezoelectric element of the present invention, the piezoelectric element formed on the first piezoelectric thin film and the piezoelectric element formed on the second piezoelectric thin film are arranged so as to overlap vertically symmetrically, so that the residual stress and temperature fluctuation of the overlapping piezoelectric thin films After canceling each other out the piezoelectric voltage generated due to the above to reduce the influence of the residual stress of the piezoelectric thin film, the piezoelectric voltage generated by the first piezoelectric thin film and the piezoelectric voltage generated by the second piezoelectric thin film are combined. It is possible to raise the level of the output signal by superimposing it.
また本発明によれば、圧電薄膜の両端を支持基板に固定する両持ち梁構造とすることで、圧電薄膜が大きく変形することが抑えられ、その形状も正方形に限定されず、設計の自由度を確保することを可能としている。 Further, according to the present invention, by adopting a double-sided beam structure in which both ends of the piezoelectric thin film are fixed to the support substrate, the piezoelectric thin film is suppressed from being significantly deformed, and the shape is not limited to a square shape, and the degree of freedom in design It is possible to secure.
さらにまた本発明によれば、圧電薄膜が振動により湾曲変形する際、その変位の変曲点により区画される領域毎に第1の圧電薄膜に形成する圧電素子と第2の圧電薄膜に形成する圧電素子との組を配置することで、区画された領域毎に、梁の延伸方向で生じる引張応力領域と圧縮応力領域とでそれぞれ圧電素子を分離し、それぞれの領域で発生する電圧信号を重畳するように接続することで、効率的に電気エネルギーに変換して取り出すことが可能となる。 Furthermore, according to the present invention, when the piezoelectric thin film is curved and deformed by vibration, the piezoelectric element is formed on the first piezoelectric thin film and the second piezoelectric thin film is formed on each region defined by the bending point of the displacement. By arranging the pair with the piezoelectric element, the piezoelectric element is separated in the tensile stress region and the compressive stress region generated in the stretching direction of the beam for each partitioned region, and the voltage signals generated in each region are superimposed. By connecting them in such a way, it is possible to efficiently convert them into electrical energy and take them out.
本発明によれば、圧電素子間の接続は圧電素子の電極を延長して行うことができ、圧電薄膜の変位に影響を与えるスルーホール等の接続手段を必要としない点でも、効率的に電気エネルギーに変換できるという利点がある。 According to the present invention, the connection between the piezoelectric elements can be performed by extending the electrodes of the piezoelectric elements, and electricity is efficiently applied in that a connecting means such as a through hole that affects the displacement of the piezoelectric thin film is not required. It has the advantage of being able to be converted into energy.
特に、本発明の圧電素子の圧電薄膜を音響圧力によって振動する厚さに設定し、音響トランスデューサとして使用した場合、高感度で信号雑音比の改善が期待される。 In particular, when the piezoelectric thin film of the piezoelectric element of the present invention is set to a thickness that vibrates due to acoustic pressure and is used as an acoustic transducer, high sensitivity and improvement in the signal-to-noise ratio are expected.
本発明の圧電素子は、支持基板に圧電薄膜の両端を固定した両持ち梁構造としている。圧電薄膜は少なくとも2層の圧電薄膜を含む積層構造とする。それぞれの圧電薄膜には、その一部を挟み込むように電極を配置した圧電素子が複数個形成され、各圧電素子を並列あるいは直列に接続する構成としている。特に本発明では、各圧電素子は上下対称に重なり合うように配置している。本発明は上記の構成とすることで、上下対称に重なり合う圧電素子の出力により残留応力や温度変動により生じる圧電電圧が相互に相殺され、信号雑音比の向上を図っている。さらにまた、上下対称に重なり合う圧電素子の組を所定の位置に配置することにより、信号を効率的に取り出すことができる構成となっている。以下、本発明の圧電素子を音響トランスデューサとして構成する場合を例にとり詳細に説明する。 The piezoelectric element of the present invention has a double-sided beam structure in which both ends of the piezoelectric thin film are fixed to a support substrate. The piezoelectric thin film has a laminated structure including at least two layers of piezoelectric thin films. Each piezoelectric thin film is formed with a plurality of piezoelectric elements in which electrodes are arranged so as to sandwich a part thereof, and each piezoelectric element is connected in parallel or in series. In particular, in the present invention, the piezoelectric elements are arranged so as to be vertically symmetrically overlapped with each other. By adopting the above configuration, the present invention aims to improve the signal-to-noise ratio by mutually canceling the piezoelectric voltage generated by the residual stress and the temperature fluctuation due to the output of the piezoelectric elements overlapping vertically. Furthermore, by arranging a set of piezoelectric elements that are vertically symmetrically overlapped at a predetermined position, the signal can be efficiently extracted. Hereinafter, a case where the piezoelectric element of the present invention is configured as an acoustic transducer will be described in detail as an example.
図1は発明の第1の実施例の圧電素子の平面図を、図2は図1に示す圧電素子のA-A面における断面図をそれぞれ示している。図2に示すように、支持基板となるシリコン基板1上に、シリコン酸化膜(SiO2)からなる絶縁膜2を介して、圧電薄膜3a、3bが積層形成している。本実施例では、両持ち梁構造とするため、図1に示すように図面横方向に延びるスリット6が形成されている。圧電薄膜は、例えば、窒化アルミニウム(AlN)を用いることができ、その結晶方位(圧電配向)は、積層形成されたそれぞれの圧電薄膜で同一方向となるように形成している。
FIG. 1 shows a plan view of the piezoelectric element according to the first embodiment of the invention, and FIG. 2 shows a cross-sectional view of the piezoelectric element shown in FIG. 1 on the AA plane. As shown in FIG. 2, piezoelectric
本実施例の圧電素子の構造について詳細に説明すると、圧電薄膜3aの裏面側に電極4a1と電極4a2が形成されており、電極4a1は配線電極5aに接続している。電極4a2は、配線電極5aやその他の電極には接続せず、フローティング状態となっている。また圧電薄膜3aの上面側であり圧電素子3bの下面側(膜間に相当)には、電極4b1と電極4b2が形成されており、電極4b2は配線電極5bに接続している。電極4b1は、配線電極5bやその他の電極には接続せず、フローティング状態となっている。さらに圧電薄膜3bの上面側には、電極4c1と電極4c2が形成されており、電極4c1は、配線電極5aに接続しており、電極4c2は、配線電極5aやその他の電極には接続せず、フローティング状態となっている。電極は、モリブデン(Mo)、プラチナ(Pt)、チタン(Ti)、イリジウム(Ir)、ルテニウム(Ru)等の金属薄膜で形成することができる。
Explaining the structure of the piezoelectric element of this embodiment in detail, the electrodes 4a1 and 4a2 are formed on the back surface side of the piezoelectric
このように構成すると、電極4a1、圧電薄膜3a(第1の圧電薄膜に相当)および電極4b1が重なり合う領域で圧電素子C1(第1の圧電素子に相当)が形成される。同様に、電極4a2、圧電薄膜3aおよび電極4b1が重なり合う領域で圧電素子C2(第2の圧電素子に相当)、電極4a2、圧電薄膜3aおよび電極4b2が重なり合う領域で圧電素子C3(第3の圧電素子に相当)が、電極4c1、圧電薄膜3b(第2の圧電薄膜に相当)および電極4b1が重なり合う領域で圧電素子C4(第4の圧電素子に相当)、電極4c2、圧電薄膜3bおよび電極4b1が重なりある領域で圧電素子C5(第5の圧電素子に相当)、電極4c2、圧電薄膜3bおよび電極4b2が重なりある領域で圧電素子C6(第6の圧電素子に相当)が形成される。
With this configuration, the piezoelectric element C1 (corresponding to the first piezoelectric element) is formed in the region where the electrode 4a1, the piezoelectric
その結果、第1の圧電素子C1と第4の圧電素子C4とが並列接続し、第2の圧電素子C2と第3の圧電素子C3の直列接続と第5の圧電素子C5と第6の圧電素子C6の直列接続とが並列接続する構成となり、配線電極5aと配線金属5bとの間に、これら並列接続された圧電素子が直列に接続した構成となっている。
As a result, the first piezoelectric element C1 and the fourth piezoelectric element C4 are connected in parallel, the second piezoelectric element C2 and the third piezoelectric element C3 are connected in series, and the fifth piezoelectric element C5 and the sixth piezoelectric element are connected in series. The series connection of the elements C6 is connected in parallel, and these parallel-connected piezoelectric elements are connected in series between the
ここで、例えば第1の圧電素子C1と第2の圧電素子C2は、圧電素子を構成する電極4b1を共通に使用することで、対向する電極(それぞれ電極4a1、4a2)と重なり合っていない電極4b1の領域(延長部に相当)によって接続している。同様に第4の圧電素子C4と第5の圧電素子C5は、圧電素子を構成する電極4b1を共通に使用することで、対向する電極(それぞれ電極4c1、4c2)と重なり合っていない電極4b1の領域(延長部に相当)によって接続している。また第2の圧電素子C2と第3の圧電素子C3とは電極4a2により、第5の圧電素子C5と第6の圧電素子C6とは電極4c2により、それぞれ対向する電極と重なり合っていない電極4a2(延長部に相当)によって、あるいは電極4c2領域(延長部に相当)によってそれぞれ接続している。このような接続とすることで、圧電薄膜内にスルーホール等の圧電薄膜の変位に影響を与える接続手段を形成する必要がなくなる。 Here, for example, the first piezoelectric element C1 and the second piezoelectric element C2 commonly use the electrodes 4b1 constituting the piezoelectric element, so that the electrodes 4b1 do not overlap with the opposing electrodes (electrodes 4a1 and 4a2, respectively). It is connected by the area (corresponding to the extension). Similarly, the fourth piezoelectric element C4 and the fifth piezoelectric element C5 commonly use the electrodes 4b1 constituting the piezoelectric element, so that the regions of the electrodes 4b1 that do not overlap with the opposing electrodes (electrodes 4c1 and 4c2, respectively) It is connected by (corresponding to the extension). Further, the second piezoelectric element C2 and the third piezoelectric element C3 are provided by an electrode 4a2, and the fifth piezoelectric element C5 and the sixth piezoelectric element C6 are provided by an electrode 4c2, respectively, so that the electrodes 4a2 do not overlap with the opposing electrodes. They are connected by an extension (corresponding to an extension) or by an electrode 4c2 region (corresponding to an extension). With such a connection, it is not necessary to form a connecting means that affects the displacement of the piezoelectric thin film such as a through hole in the piezoelectric thin film.
また図2から明らかなように、第1の圧電素子C1と第4の圧電素子C4、第2の圧電素子C2と第5の圧電素子C5、第3の圧電素子C3と第6の圧電素子C6は、少なくとも各圧電素子を形成する領域においてそれぞれ、電極4b1および電極4b2の厚さ方向の中心を通る面に対し、上下対称となっている。 Further, as is clear from FIG. 2, the first piezoelectric element C1 and the fourth piezoelectric element C4, the second piezoelectric element C2 and the fifth piezoelectric element C5, the third piezoelectric element C3 and the sixth piezoelectric element C6 Is vertically symmetrical with respect to the plane passing through the center in the thickness direction of the electrodes 4b1 and 4b2, respectively, at least in the region forming each piezoelectric element.
シリコン基板1の裏面側は、その一部を除去し空孔7が形成され、この空孔7内に電極4a1、4a2及び圧電薄膜3aが露出する構造となっている。この空孔7は、図1に示すスリット6を通して、シリコン基板1の表面側と連通している。
A part of the back surface side of the
このように構成することで本実施例の圧電素子は、シリコン基板1(支持基板)に両端が支持された圧電薄膜に複数の電極対が形成された両持ち梁構造となっている。 With this configuration, the piezoelectric element of this embodiment has a double-sided beam structure in which a plurality of electrode pairs are formed on a piezoelectric thin film in which both ends are supported on a silicon substrate 1 (support substrate).
本発明の圧電素子を音響トランスデューサとして構成する場合、シリコン基板1に形成された空孔7から音響圧力が加わる。音響圧力を受けた圧電薄膜を含む梁構造は、上方に湾曲変位する。その結果、圧電薄膜を構成する窒化アルミニウムに引張応力と圧縮応力が発生することになる。
When the piezoelectric element of the present invention is configured as an acoustic transducer, acoustic pressure is applied from the
図3は、音響圧力信号が印加され、圧電薄膜は変位した場合の一例を示している。この場合、2つの変曲点が発生し、圧電薄膜に対する応力の向きによって3つの領域に分けられる。例えば、領域1と領域3では下向きの凸状に湾曲変位し、第1の圧電薄膜3aには引張応力が、第2の圧電薄膜3bには引張応力が発生する。一方、領域2では上向きの凸状に湾曲変位し、第1の圧電薄膜3aには圧縮応力が、第2の圧電薄膜3bには引張応力が発生する。
FIG. 3 shows an example when an acoustic pressure signal is applied and the piezoelectric thin film is displaced. In this case, two inflection points are generated and divided into three regions according to the direction of stress on the piezoelectric thin film. For example, in the
ところで、本実施例の圧電素子は、図2に示すように、圧電素子C1と圧電素子C4とが、圧電素子C2と圧電素子C3の直列接続と圧電素子C5と圧電素子C6の直列接続とが、それぞれ並列に接続しており、さらに上下対称な構造としている。そのため、各領域1〜3それぞれで発生する電圧は、極性が逆で、同一の値となるため、残留応力や温度変動に起因する同相の電圧は相殺される。
By the way, in the piezoelectric element of this embodiment, as shown in FIG. 2, the piezoelectric element C1 and the piezoelectric element C4 have a series connection of the piezoelectric element C2 and the piezoelectric element C3 and a series connection of the piezoelectric element C5 and the piezoelectric element C6. , Each is connected in parallel, and has a vertically symmetrical structure. Therefore, the voltages generated in each of the
その結果、音響圧力信号が印加されることに基づく各領域の出力信号(電圧)は、残留応力や温度変動に起因する信号を含まずに重畳加算され、音響圧力(Pa)に対する出力電圧(Vout)の比(Vout/Pa)で定義される音響トランスデューサとしての感度の増大を図ることが可能となる。 As a result, the output signal of each region based on the acoustic pressure signal is applied (voltage) is superimposed added without the signal due to residual stresses and temperature change, the output voltage for the acoustic pressure (P a) ( It is possible to increase the sensitivity as an acoustic transducer defined by the ratio of V out ) (V out / P a ).
なお、各電極の大きさ等は信号雑音比を最大化する観点から最適化されることが望ましい。これは配線電極5a、5bから見た等価的キャパシタの容量をCoutとした場合に、この等価的キャパシタに蓄えられるエネルギー(Cout・Vout 2/2)を最大化するように各電極の大きさを決めればよい。
It is desirable that the size of each electrode is optimized from the viewpoint of maximizing the signal-to-noise ratio. This
具体的には、長方形の両持ち梁の場合の寸法、各圧電薄膜の膜厚、電極の大きさの一設計例を示す。例えば、入力する信号が人間の音声とし、両持ち梁の共振周波数を20kHzとする。また、スマートフォンのような電子機器に搭載することを想定した平面寸法とする。両持ち梁の長さ(図1のスリットの長さに相当)を0.7mm、幅(図1の上下)を1.4mmとする。窒化アルミニウムからなる圧電薄膜3a、3bの厚さはともに0.5μm、モリブデンからなる電極4a1〜4c1、4a2〜4c2の厚さはいずれも0.1μmとする。電極4a1、4c1および4b2の支持端(空孔7の端部)からの延出長さは共に90μm、電極4b1、4a2および4c2の支持端から電極端までの長さは共に500μmとする。また、スリット6の幅は1μmとする。
Specifically, a design example of the dimensions in the case of a rectangular double-sided beam, the film thickness of each piezoelectric thin film, and the size of the electrodes is shown. For example, the input signal is human voice, and the resonance frequency of the double-sided beam is 20 kHz. In addition, the plane dimensions are set so that they can be mounted on electronic devices such as smartphones. The length of the double-sided beam (corresponding to the length of the slit in FIG. 1) is 0.7 mm, and the width (upper and lower in FIG. 1) is 1.4 mm. The thickness of the piezoelectric
圧電薄膜3a、3bの厚さと両持ち梁(スリット)の長さは、次のように決定することができる。図4は、信号雑音比の窒化アルミニウムからなる圧電薄膜の膜厚依存性を示すグラフである。なお、共振周波数を一定(20kHz)とし、梁の幅は1.4mm、スリット幅は1μmとした。またスマートフォンのような電子機器に実装する際に実装筐体の大きさにより制限されることを考慮し、空孔の容積は、3mm2と比較的小さい値とした。また、スマートフォンのような小型の筐体の中に、本発明の圧電素子(音響トランスデューサ)の他に圧電素子の出力信号を処理するための増幅回路を実装する必要がある。そのため、許容される圧電素子のチップ寸法を考慮し、梁の長さは0.6mm、0.7mm、0.8mmとした場合について以下の検討を行った。
The thickness of the piezoelectric
図4に示すように、窒化アルミニウムからなる各圧電薄膜の膜厚を0.4μmより薄くした場合、信号雑音比は僅かではあるが改善する。しかしながら、空孔の音響コンプライアンスのために実質的音響電気変換係数が制限されるため、薄層化による改善効果は顕著ではなく、梁の長さに対する依存性は大きくないことがわかる。逆に圧電薄膜の厚さを厚くすると、信号雑音比は急激に低下する。また梁の長さに対する依存性も顕著となってくる。つまり、共振周波数を一定に保つためには、圧電薄膜の厚さを厚くする場合には梁の長さを長くする必要があることがわかる。図4に示す例では、圧電薄膜の厚さを0.5μmとする場合には梁の長さを0.7mmとし、圧電薄膜の厚さを0.6μmとする場合には梁の長さを0.8mmとするのが好ましいことがわかる。 As shown in FIG. 4, when the film thickness of each piezoelectric thin film made of aluminum nitride is made thinner than 0.4 μm, the signal-to-noise ratio is slightly improved. However, since the substantial acoustic-electric conversion coefficient is limited due to the acoustic compliance of the holes, the improvement effect by the thinning layer is not remarkable, and it can be seen that the dependence on the beam length is not large. On the contrary, when the thickness of the piezoelectric thin film is increased, the signal-to-noise ratio drops sharply. In addition, the dependence on the length of the beam becomes remarkable. That is, in order to keep the resonance frequency constant, it is necessary to increase the length of the beam when increasing the thickness of the piezoelectric thin film. In the example shown in FIG. 4, when the thickness of the piezoelectric thin film is 0.5 μm, the length of the beam is 0.7 mm, and when the thickness of the piezoelectric thin film is 0.6 μm, the length of the beam is set. It can be seen that 0.8 mm is preferable.
次に、スリット幅について説明する。図5は、マイクロフォンの主要な特性の一つである1kHzの感度を基準として100Hzの感度の低下割合とスリット幅との関係を示すグラフである。上記同様に、両持ち梁の共振周波数を20kHzとし、梁の長さを0.7mm、幅を1.4mm、空孔の容積は3mm2とする。窒化アルミニウムからなる圧電薄膜の厚さは0.4μm、0.5μm、0.6μmの場合について、スリット幅をとの関係を検討した。 Next, the slit width will be described. FIG. 5 is a graph showing the relationship between the rate of decrease in sensitivity of 100 Hz and the slit width with reference to the sensitivity of 1 kHz, which is one of the main characteristics of the microphone. Similarly to the above, the resonance frequency of the double-sided beam is 20 kHz, the length of the beam is 0.7 mm, the width is 1.4 mm, and the volume of the holes is 3 mm 2 . When the thickness of the piezoelectric thin film made of aluminum nitride was 0.4 μm, 0.5 μm, and 0.6 μm, the relationship with the slit width was examined.
図5に示すように、圧電薄膜の厚さに対する依存性はほとんど見られず、スリット幅が1μmを超えると100Hzでの感度低下が顕著となってくる。周波数を100Hzより下げるとこの感度低下はさらに激しくなる。つまり、低周波数での感度低下を抑えるためには、スリット幅を1μm以下にする必要があることがわかる。 As shown in FIG. 5, almost no dependence on the thickness of the piezoelectric thin film is observed, and when the slit width exceeds 1 μm, the sensitivity decreases significantly at 100 Hz. When the frequency is lowered below 100 Hz, this decrease in sensitivity becomes even more severe. That is, it can be seen that the slit width needs to be 1 μm or less in order to suppress the decrease in sensitivity at low frequencies.
以上のように、感度の増大を図るため、両持ち梁の長さや圧電薄膜の厚さ、スリット幅等を適宜調整して設定すればよい。 As described above, in order to increase the sensitivity, the length of the double-sided beam, the thickness of the piezoelectric thin film, the slit width, and the like may be appropriately adjusted and set.
本発明の圧電素子は、通常の半導体装置の製造方法を用いて形成することができる。図6は、本実施例の圧電素子の製造方法の説明図である。まず、シリコン基板1上に熱酸化法によりシリコン酸化膜(SiO2)からなる絶縁膜2を形成する。絶縁膜2上に、厚さ0.1μmのモリブデン(Mo)膜をスパッタ法により積層し、通常のリソグラフ法によりパターニングを行い、電極4a1と電極4a2を形成する(図6a)。
The piezoelectric element of the present invention can be formed by using a conventional method for manufacturing a semiconductor device. FIG. 6 is an explanatory diagram of a method for manufacturing the piezoelectric element of this embodiment. First, an insulating
その後全面に、厚さ0.5μmの窒化アルミニウム膜をスパッタ法により積層し、第1の圧電薄膜に相当する圧電薄膜3aを形成する。その後、圧電薄膜3a上に、厚さ0.1μmのモリブデン(Mo)膜をスパッタ法により積層し、通常のリソグラフ法によりパターニングを行い、電極4b1と電極4b2を形成する。さらに全面に、厚さ0.5μmの窒化アルミニウム膜をスパッタ法により積層し、第2の圧電薄膜に相当する圧電薄膜3bを形成する。厚さ0.1μmのモリブデン(Mo)膜をスパッタ法により積層し、通常のリソグラフ法によりパターニングを行い、電極4c1と電極4c2を形成する(図6b)。
After that, an aluminum nitride film having a thickness of 0.5 μm is laminated on the entire surface by a sputtering method to form a piezoelectric
圧電薄膜3a、3bの一部をエッチング除去し、電極4a1と電極4c1に接続する配線電極5aと、電極4b2に接続する配線電極5bを形成する。この配線電極5a、5bはアルミニウムからなり、通常のリソグラフ法により形成することができる(図6c)。
圧電薄膜3a、3bの一部をエッチング除去する際、図1に示すスリット6に相当する部分の圧電薄膜3a、3bの一部もエッチング除去して凹部を形成し、その底部に絶縁膜2を露出させておく。
A part of the piezoelectric
When a part of the piezoelectric
最後に、シリコン基板1の裏面の一部をドライエッチング法により除去し、露出する絶縁膜2の一部も除去することにより空孔7を形成する。空孔7内には、先に形成した電極4a1、電極4b1および圧電薄膜3aの一部を露出させる。この空孔7の形成により、スリット6を形成するために形成した凹部の底部に露出する絶縁膜2も除去され、圧電薄膜の表面側と裏面側とが貫通したスリット6が形成される。このスリット6により、圧電薄膜は、両持ち梁構造となる(図6d)。
Finally, a part of the back surface of the
以上、本実施例の圧電素子とその製造方法について説明したが、本発明は、圧電薄膜として窒化アルミニウムに限定されるものでないことは言うまでもない。表1は、代表的な圧電材料である窒化アルミニウム、窒化スカンジウムアルミニウム(Al1-xScxN)、酸化亜鉛(ZnO)、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)について圧電型マイクロフォンの特性に影響を与えるヤング率、横圧電歪係数などの材料定数を比較した表である。
Although the piezoelectric element of the present embodiment and the manufacturing method thereof have been described above, it goes without saying that the present invention is not limited to aluminum nitride as the piezoelectric thin film. Table 1 affects the characteristics of piezoelectric microphones for typical piezoelectric materials such as aluminum nitride, scandium aluminum nitride (Al 1-x Sc x N), zinc oxide (ZnO), and lead zirconate titanate (PZT). It is a table comparing material constants such as Young's modulus and transverse piezoelectric strain coefficient.
表1に示す信号雑音比に対応する性能指数(FOM)は、結合係数(k31 2)と損失角(tanδ)の比で表され、その値が大きい程、その値にほぼ比例した形で信号雑音比の向上が期待できる。表1に示すように、酸化亜鉛及びチタン酸ジルコン酸鉛に比べると窒化アルミニウムは6〜40倍性能指数が大きく、圧電トランスデューサに適した材料であることがわかる。また、窒化アルミニウムにスカンジウムを添加した窒化スカンジウムアルミニウム(Al1-xScxN)は、窒化アルミニウムより横圧電歪係数が向上することが知られており、例えば、スカンジウムの比率を35%にした場合、性能指数が窒化アルミニウムより7倍程度向上することが期待できる。
Performance index corresponding to the signal-to-noise ratio shown in Table 1 (FOM) is represented by the ratio of the coupling coefficient (k 31 2) and the loss angle (tan [delta), as the value is larger, at approximately proportional to the form to the value Improvement of signal-to-noise ratio can be expected. As shown in Table 1, aluminum nitride has a figure of
図7は、信号雑音比の窒化スカンジウムアルミニウム(Al1-xScxN:x=0.35)からなる圧電薄膜の膜厚依存性を示すグラフである。図4に示す窒化アルミニウムからなる圧電薄膜の膜厚依存性を示すグラフと比較すると、性能指数の7倍に相当する約8dBの信号雑音比の改善が期待できることがわかる。なお、膜厚依存性については、圧電薄膜の種類によらず同様の傾向を示すことも確認できた。具体的には、圧電薄膜の厚さを0.4μmとする場合には、梁の長さを0.6mm、圧電薄膜の厚さを0.6μmとする場合には梁の長さを0.7mm、圧電薄膜の厚さを0.7μmとする場合には梁の長さを0.8mmとするのが好ましいことがわかる。 FIG. 7 is a graph showing the film thickness dependence of the piezoelectric thin film made of scandium aluminum nitride (Al 1-x Sc x N: x = 0.35) having a signal-to-noise ratio. Comparing with the graph showing the film thickness dependence of the piezoelectric thin film made of aluminum nitride shown in FIG. 4, it can be seen that an improvement in the signal-to-noise ratio of about 8 dB, which corresponds to 7 times the figure of merit, can be expected. It was also confirmed that the film thickness dependence shows the same tendency regardless of the type of piezoelectric thin film. Specifically, when the thickness of the piezoelectric thin film is 0.4 μm, the length of the beam is 0.6 mm, and when the thickness of the piezoelectric thin film is 0.6 μm, the length of the beam is 0. It can be seen that when the thickness of the piezoelectric thin film is 7 mm and the thickness of the piezoelectric thin film is 0.7 μm, the length of the beam is preferably 0.8 mm.
次に本発明の第2の実施例について説明する。図8は本発明の第2の実施例の圧電素子の断面図である。先に説明した図2に示す圧電素子と比較して、誘電体膜8、電極4d1および電極4d2等を備えている点で相違している。
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 8 is a cross-sectional view of the piezoelectric element of the second embodiment of the present invention. Compared with the piezoelectric element shown in FIG. 2 described above, it is different in that it includes a
すなわち、図8に示すように、支持基板となるシリコン基板1上に、シリコン酸化膜(SiO2)からなる絶縁膜2を介して、圧電薄膜3a、誘電体膜8および圧電薄膜3bが積層形成されている。本実施例では、両持ち梁構造とするため、前述の図1で説明したように図面横方向に延びるスリット6が形成されている。圧電薄膜は、例えば、窒化アルミニウム(AlN)を用いることができ、その結晶方位(圧電配向)は、同一方向となるように形成している。
That is, as shown in FIG. 8, the piezoelectric
本実施例の圧電素子は、圧電薄膜3aの裏面側に電極4a1と電極4a2が形成されており、電極4a1は、配線電極5aに接続している。電極4a2は、配線電極5aやその他の電極には接続せず、フローティング状態となっている。また圧電薄膜3aの上面側には、電極4b1と電極4b2が形成されており、電極4b2は、配線電極5bに接続している。電極4b1は、配線電極5bやその他の電極には接続せず、フローティング状態となっている。
In the piezoelectric element of this embodiment, electrodes 4a1 and 4a2 are formed on the back surface side of the piezoelectric
圧電薄膜3aおよび電極4b1、4b2上に、誘電体膜8が積層され、誘電体膜8上に電極4d1と電極4d2が形成されている。この電極4d1、4d2は、先に形成した電極4b1、4b2と同一の形状となっている。また電極4d2は、配線電極5bに接続し、電極4d1は、配線電極5bやその他の電極には接続せず、フローティング状態となっている点も同一である。
The
具体的には、誘電体膜8の上面側であり圧電素子3bの下面側(膜間に相当)には、電極4d1と電極4d2が形成されており、電極4d2は、配線電極5bに接続している。電極4d1は、配線電極5bやその他の電極には接続せず、フローティング状態となっている。さらに圧電薄膜3bの上面側には、電極4c1と電極4c2が形成されており、電極4c1は、配線電極5aに接続しており、電極4c2は、配線電極5aやその他の電極には接続せず、フローティング状態となっている。電極は、モリブデン(Mo)、プラチナ(Pt)、チタン(Ti)、イリジウム(Ir)、ルテニウム(Ru)等の金属薄膜で形成することができる。
Specifically, the electrode 4d1 and the electrode 4d2 are formed on the upper surface side of the
このように構成すると、電極4a1、圧電薄膜3a(第1の圧電薄膜に相当)および電極4b1が重なり合う領域で圧電素子C1(第1の圧電素子に相当)が形成される。同様に、電極4a2、圧電薄膜3aおよび電極4b2が重なりある領域で圧電素子C2(第2の圧電素子に相当)が、電極4a2、圧電薄膜3aおよび電極4b2が重なり合う領域で圧電素子C3(第3の圧電素子に相当)が、電極4c1、圧電薄膜3b(第2の圧電薄膜に相当)および電極4d1が重なり合う領域で圧電素子C4(第4の圧電素子に相当)が、電極4c2、圧電薄膜3bおよび電極4d1が重なりある領域で圧電素子C5(第5の圧電素子に相当)が、電極4c2、圧電薄膜3bおよび電極4d2が重なりある領域で圧電素子C6(第6の圧電素子に相当)が形成される。
With this configuration, the piezoelectric element C1 (corresponding to the first piezoelectric element) is formed in the region where the electrode 4a1, the piezoelectric
その結果、配線電極5aと配線金属5bとの間に、第1の圧電素子C1、第2の圧電素子C2および第3の圧電素子C3が直列接続する構成となる。同様に配線電極5aと配線金属5bに間に、第4の圧電素子C4、第5の圧電素子C5および第6の圧電素子C6が直列接続する構成となる。さらにこれらの直列接続された圧電素子の組が、並列接続した構成ともなっている。
As a result, the first piezoelectric element C1, the second piezoelectric element C2, and the third piezoelectric element C3 are connected in series between the
このように形成しても、図8から明らかなように、第1の圧電素子C1と第4の圧電素子C4、第2の圧電素子C2と第5の圧電素子C5、第3の圧電素子C3と第6の圧電素子C6は、少なくとも各圧電素子を形成する領域においてそれぞれ、誘電体膜8の厚さ方向の中心を通る面に対し、上下対称となる構造となっている。
Even if it is formed in this way, as is clear from FIG. 8, the first piezoelectric element C1 and the fourth piezoelectric element C4, the second piezoelectric element C2 and the fifth piezoelectric element C5, and the third piezoelectric element C3 The sixth piezoelectric element C6 has a structure that is vertically symmetrical with respect to a surface passing through the center of the
シリコン基板1の裏面側には、その一部を除去された空孔7が形成され、この空孔7内に電極4a1、4a2及び圧電薄膜3aが露出する構造となっている。この空孔7は、図1に示すスリット6を通して、シリコン基板1の表面側と連通している。
On the back surface side of the
このように構成することで本実施例の圧電素子でも、シリコン基板1(支持基板)に両端が支持された圧電薄膜に複数の電極対が形成された両持ち梁構造とすることができる。 With this configuration, the piezoelectric element of this embodiment can also have a double-sided beam structure in which a plurality of electrode pairs are formed on a piezoelectric thin film in which both ends are supported by a silicon substrate 1 (support substrate).
本実施例の圧電素子を音響トランスデューサとして構成する場合、シリコン基板1に形成された空孔7から音響圧力が加わる。音響圧力を受けた圧電薄膜を含む梁構造は、上方に湾曲変位する。その結果、圧電薄膜を構成する窒化アルミニウムに引張応力と圧縮応力が発生することになる。
When the piezoelectric element of this embodiment is configured as an acoustic transducer, acoustic pressure is applied from the
しかし、第1の実施例同様、圧電素子C1と圧電素子C4が、圧電素子C2と圧電素子C5が、圧電素子C3と圧電素子C6が、それぞれ上下対称な構造となっているため、図2で説明した場合と同様に、各領域それぞれで発生する電圧は、極性が逆で、同一の値となるため、残留応力や温度変動に起因する同相の電圧は相殺することが可能となる。 However, as in the first embodiment, the piezoelectric element C1 and the piezoelectric element C4, the piezoelectric element C2 and the piezoelectric element C5, and the piezoelectric element C3 and the piezoelectric element C6 have vertically symmetrical structures, respectively. As in the case described above, the voltages generated in each region have opposite polarities and have the same value, so that in-phase voltages caused by residual stress and temperature fluctuations can be canceled out.
その結果、音響圧力信号が印加されることに基づく各領域の出力信号(電圧)は、残留応力や温度変動に起因する信号を含まずに重畳加算され、音響圧力(Pa)に対する出力電圧(Vout)の比(Vout/Pa)で定義される音響トランスデューサとしての感度の増大を図ることが可能となる。特に積層構造の最上層の圧電薄膜3bと最下層の圧電薄膜3aから圧電信号を取り出す構成となり、応力が相対的に大きな部分から圧電信号を取り出すため、信号雑音比はさらに改善されることが期待される。
As a result, the output signal of each region based on the acoustic pressure signal is applied (voltage) is superimposed added without the signal due to residual stresses and temperature change, the output voltage for the acoustic pressure (P a) ( It is possible to increase the sensitivity as an acoustic transducer defined by the ratio of V out ) (V out / P a ). In particular, the piezoelectric signal is extracted from the top layer piezoelectric
なお、各電極の大きさ等は信号雑音比を最大化する観点から最適化されることが望ましい。これは配線電極5a、5bから見た等価的キャパシタの容量をCoutとした場合に、この等価的キャパシタに蓄えられるエネルギー(Cout・Vout 2/2)を最大化するように各電極の大きさを決めればよいことも同様である。また、誘電体膜の厚さや材質は、所望の特性を得るために適宜選択すればよい。誘電体膜は窒化アルミニウムであっても良い。窒化アルミニウムを三層積層する場合には、それぞれの厚さは、0.33μmとすればよい。
It is desirable that the size of each electrode is optimized from the viewpoint of maximizing the signal-to-noise ratio. This
圧電薄膜の振動により湾曲変位するとき、変位の変曲点が2以上となるような場合には、上記実施例に限定されず、変曲点により区画される領域毎に圧電素子の数を増やしたり、各領域に複数の素子を配置するようにしても良い。 When the bending displacement is caused by the vibration of the piezoelectric thin film, when the inflection point of the displacement is 2 or more, the number of piezoelectric elements is increased for each region partitioned by the inflection point, not limited to the above embodiment. Alternatively, a plurality of elements may be arranged in each region.
ところで、本発明のような圧電素子を音響トランスデューサとして使用する場合、圧電素子から出力される信号を処理するための増幅回路が必要となる。一般的には別のシリコン基板上に集積回路を形成し、それぞれ別々の素子として実装基板に搭載される。本発明の圧電素子は、支持基板に例えば信号処理のための素子を形成しても何ら問題ない。その場合、圧電薄膜は層間絶縁膜として使用し、電極を配線金属して使用すれば良い。 By the way, when a piezoelectric element as in the present invention is used as an acoustic transducer, an amplifier circuit for processing a signal output from the piezoelectric element is required. Generally, integrated circuits are formed on different silicon substrates and mounted on the mounting substrate as separate elements. In the piezoelectric element of the present invention, there is no problem even if an element for signal processing is formed on a support substrate, for example. In that case, the piezoelectric thin film may be used as an interlayer insulating film, and the electrodes may be used as wiring metal.
1:シリコン基板、2:絶縁膜、3a、3b:圧電薄膜、4a、4b、4c、4d:電極、5a、5b:配線電極、6:スリット、7:空孔、8:誘電体膜 1: Silicon substrate 2: Insulating film, 3a, 3b: Piezoelectric thin film, 4a, 4b, 4c, 4d: Electrode, 5a, 5b: Wiring electrode, 6: Slit, 7: Pore, 8: Dielectric film
Claims (4)
前記圧電薄膜は、少なくとも第1の圧電薄膜と第2の圧電薄膜を含む積層構造からなることと、
前記第1の圧電薄膜の一部を挟んで配置する前記一対の電極を複数組備え、少なくとも第1の圧電素子、第2の圧電素子および第3の圧電素子が形成されていることと、
前記第2の圧電薄膜の一部を挟んで配置する前記一対の電極を複数組備え、少なくとも第4の圧電素子、第5の圧電素子および第6の圧電素子が形成されていることと、
前記第1の圧電素子、第2の圧電素子および前記第3の圧電素子は、前記両端の一端側から他端側へ順に並べて配置していることと、
前記第4の圧電素子、前記第5の圧電素子および第6の圧電素子は、前記両端の一端側から他端側へ順に並べて配置していることと、
前記第1の圧電素子と前記第4の圧電素子、前記第2の圧電素子と前記第5の圧電素子、あるいは前記第3の圧電素子と前記第6の圧電素子の組の圧電素子が並列に接続し、 前記並列に接続した圧電素子が直列に接続していることと、
前記第1の圧電素子と前記第2の圧電素子と前記第3の圧電素子が直列に接続し、前記第4の圧電素子と前記第5の圧電素子と前記第6の圧電素子が直列に接続し、前記直列に接続した2組の圧電素子が並列に接続していることと、
前記第1の圧電素子と前記第4の圧電素子とが上下対称に積層形成され、前記第2の圧電素子と前記第5の圧電素子とが上下対称に積層形成され、前記第3の圧電素子と前記第6の圧電素子とが上下対称に積層形成されていることを特徴とする圧電素子。 In a piezoelectric element provided with a piezoelectric thin film having both ends fixed to a support substrate and a pair of electrodes arranged so as to sandwich the piezoelectric thin film.
The piezoelectric thin film has a laminated structure including at least a first piezoelectric thin film and a second piezoelectric thin film.
A plurality of sets of the pair of electrodes arranged so as to sandwich a part of the first piezoelectric thin film are provided, and at least the first piezoelectric element, the second piezoelectric element, and the third piezoelectric element are formed.
A plurality of sets of the pair of electrodes arranged so as to sandwich a part of the second piezoelectric thin film are provided, and at least a fourth piezoelectric element, a fifth piezoelectric element, and a sixth piezoelectric element are formed.
The first piezoelectric element, the second piezoelectric element, and the third piezoelectric element are arranged side by side in order from one end side to the other end side of both ends.
The fourth piezoelectric element, the fifth piezoelectric element, and the sixth piezoelectric element are arranged side by side in order from one end side to the other end side of both ends.
The first piezoelectric element and the fourth piezoelectric element, the second piezoelectric element and the fifth piezoelectric element, or the third piezoelectric element and the sixth piezoelectric element pair of piezoelectric elements are arranged in parallel. That the piezoelectric elements that are connected and connected in parallel are connected in series,
The first piezoelectric element, the second piezoelectric element, and the third piezoelectric element are connected in series, and the fourth piezoelectric element, the fifth piezoelectric element, and the sixth piezoelectric element are connected in series. However, the two sets of piezoelectric elements connected in series are connected in parallel, and
The first piezoelectric element and the fourth piezoelectric element are vertically symmetrically laminated, and the second piezoelectric element and the fifth piezoelectric element are vertically symmetrically laminated to form the third piezoelectric element. A piezoelectric element characterized in that the sixth piezoelectric element and the sixth piezoelectric element are vertically symmetrically laminated.
前記並列に接続した圧電素子の組は、前記第1の圧電薄膜あるいは前記第2の圧電薄膜の表面、裏面あるいは膜間に配置された前記圧電素子の電極から連続する延長部により直列接続されていることを特徴とする圧電素子。 In the piezoelectric element according to claim 1,
The set of piezoelectric elements connected in parallel is connected in series by an extension portion continuous from the electrodes of the piezoelectric elements arranged on the front surface, the back surface, or between the films of the first piezoelectric thin film or the second piezoelectric thin film. the piezoelectric element characterized by there.
振動により前記圧電薄膜が湾曲変位した場合に、該変位の変曲点により区画される領域毎に、少なくとも前記上下対称に積層形成された前記第1の圧電素子と前記第4の圧電素子、前記第2の圧電素子と前記第5の圧電素子あるいは前記第3の圧電素子と前記第6の圧電素子のいずれかが配置されていることを特徴とする圧電素子。 In the piezoelectric element according to any one of claims 1 or 2.
When the piezoelectric thin film is curved and displaced due to vibration, the first piezoelectric element and the fourth piezoelectric element, which are formed by stacking at least vertically symmetrically for each region defined by the bending point of the displacement, the said. A piezoelectric element characterized in that any one of the second piezoelectric element and the fifth piezoelectric element or the third piezoelectric element and the sixth piezoelectric element is arranged .
前記圧電薄膜は、音響圧力によって振動する膜であることを特徴とする圧電素子。 In the piezoelectric element according to any one of claims 1 to 3,
The piezoelectric thin film is a piezoelectric element that vibrates due to acoustic pressure .
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