专利名称：压电体元件和陀螺仪传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有无应力压电体膜的压电体元件和使用了该压电体元件的陀螺仪传感器。
背景技术：
已知压电体膜的特性，例如介电常数、居里(curie)温度、矫顽电场(coercive electric field)和剩余极化等，根据压电体膜的内部应力而发生变动。通过薄膜制造工艺 成膜的压电体膜在成膜时容易产生膜面内的二维应力，所以为了获得具有卓越压电特性的 压电体元件，希望开发具有较少的内部应力的晶体结构的压电体膜。作为具有用于减少内 部应力的晶体结构的压电体元件，例如在日本特许2008-28285号公报中提出了以下的压 电体元件该压电体元件具有从一个电极向另一个电极层叠第1、第2和第3压电体膜而成 的层叠结构，并且使第1和第3压电体膜的压电常数小于第2压电体膜的压电常数。利用 如此的器件结构，就能够降低发生于电极与压电体膜之间的界面上的内部应力。专利文献1 日本特许2008-28285号公报
发明内容
可是，在上述公报所公开的器件结构中，由于压电体膜与其基底之间的物性的差 异，例如晶格常数和热膨胀系数等的差异，而有可能在高温成膜后的压电体膜的冷却过程 中，在压电体膜内部产生压缩应力或者拉伸应力，所以想要充分降低应力是困难的。因此，本发明的技术问题在于提供具有在无应力状态下能够对压电体膜进行成膜 的晶体结构的压电体元件。另外，本发明的技术问题在于提供使用具有如上述那样的晶体 结构的压电体元件的陀螺仪传感器。为了解决上述技术问题，本发明所涉及的压电体元件在下部电极与上部电极之间 具备压电体膜，该压电体膜包含a轴取向晶体和c轴取向晶体，a轴取向晶体的晶格常数和 c轴取向晶体的晶格常数之差为0.06人以内。本发明人经反复悉心研究，结果新发现了 在 满足a轴取向晶体的晶格常数和c轴取向晶体的晶格常数之差为0.06人以内的条件的时 候，能够在将压电特性维持在良好的特性值的同时降低积蓄在压电体膜内部的应力。关于 这个机理还不明确，但是可以认为在满足上述条件的情况下，由于对c轴取向晶体和a轴 取向晶体作适度平衡，从而压电体膜的晶体颗粒在理想的状态下被最密填充于基底上，这 有助于应力的降低。另外，优选压电体膜包含c轴方向上晶体生长而成的柱状晶体颗粒，该柱状晶体 颗粒的粒径为49. 8nm以下。可以认为如果柱状晶体颗粒的粒径小于49. 8nm的话，那么基 底的晶体结构对压电体膜的影响减弱，所以就变得容易抑制由压电体膜与其基底之间的晶 格常数的不一致引起的在压电体膜内部的应力积蓄。本发明所涉及的陀螺仪传感器是具备基部和连接于该基部的多个臂的音叉振子 型的陀螺仪传感器，基部和多个臂是由具有上述晶体结构的压电体元件一体地形成的。
根据本发明，因为能够将成膜后的压电体膜控制在理想的无应力状态，所以能够 提供在压电特性方面表现卓越的压电体元件。另外，通过使用无结晶应变和波及振动的无 应力压电体元件，来构成陀螺仪传感器，从而就能够提供在检测灵敏度方面表现卓越的陀 螺仪传感器。
图1是本实施方式所涉及的压电体元件的截面图。图2是在分别使压电体膜的a轴取向晶体的晶格常数和c轴取向晶体的晶格常数 发生变化的时候所获得的各种参数的测定结果的图表。图3是表示压电体膜的a轴取向晶体的晶格常数和c轴取向晶体的晶格常数之差 与压电常数和应力的关系的图表。图4是表示压电体膜的组成与晶格常数之间的关系的图表。图5是在使压电体膜的结晶粒径变化的时候所获得的各种参数的测定结果的图表。图6是表示压电体膜的粒径与压电常数和应力之关系的图表。图7是表示压电体膜的Pb-ratio与压电常数和应力之关系的图表。图8是本实施方式所涉及的陀螺仪传感器的平面图。图9是图8的按9-9线的向视截面图。图10是用于说明本实施方式所涉及的陀螺仪传感器的驱动原理的示意图。符号说明10压电体元件20压电体膜31上部电极32下部电极40中间薄膜50生长基板100陀螺仪传感器110 基部120、130 臂3la、3lb 驱动电极31c、31d 检测电极
具体实施例方式以下参照各图就本实施方式的压电体元件10的晶体构和其压电特性加以说明。如图1所示，压电体元件10具备压电体膜20、分别层叠于其表面和背面的上部电 极31和下部电极32。压电体膜20是例如由化学式々803表示的钙钛矿型复合氧化物。在 此，A和B是表示阳离子。作为A，优选是选自Ca、Ba、Sr、Pb、K、Na、Li、La和Cd中的一种 以上的元素；作为B，优选是选自Ti、Zr、Ya和Nb中的一种以上的元素。具体是，作为压 电体膜20的材质，优选为锆钛酸铅(PZT)、铌镁酸铅-PZT类(PMN-PZT)、铌镍酸铅-PZT类(PNN-PZT)、铌镁酸铅-PT类(PMN-PT)、或者铌镍酸铅-PT类(PNN-PT)等。作为上部电极31和下部电极32的材质，只要是适合于压电体膜20的晶体取向控 制等的导电性材料即可，并没有特别的限定，优选例如白金(Pt)等。其他还可列举金(Au)、 铜(Cu)和钛(Ti)等，另外，也可以组合层叠这些金属。压电体元件10是在生长基板50上通过使用公知的薄膜制造工艺来成膜的。作 为生长基板50，优选为例如以使(100)面成为基板表面的方式加以准备的单晶硅基板。作 为用于对压电体元件10进行成膜的薄膜制造工艺，优选例如溅射法、等离子CVD法、热CVD 法、或者M0CVD法等的气相生长方法、或者溶胶凝胶法等的液相生长法。优选使中间薄膜40 介于压电体元件10和生长基板50之间。作为中间薄膜40，优选例如氧化锆(Zr02)。通过 配设中间薄膜40，从而能够在防止被成膜于其上的下部电极32的剥离的同时，能够使压电 体膜20外延生长(印itaxial growth) 0在本实施方式中，将Si02形成于Si基板上，并将 (100)取向的&02成膜于其上，之后形成(100)取向的Pt下部电极。压电体膜20主要是由在c轴方向上外延生长而成的柱状晶体颗粒构成的。但是， 其晶体结构并不是完全的(001)单一取向膜，而是以使晶体颗粒理想地最密填充于下部电 极32上的方式适度混合了 c轴取向晶体和a轴取向晶体的薄膜。 压电体膜20优选是其晶体结构被调整成使得a轴取向晶体的晶格常数与c轴取 向晶体的晶格常数之差成为0.06A以内的膜。图2是表示将PZT类薄膜进行成膜作为压电 体膜20并分别使a轴取向晶体的晶格常数和c轴取向晶体的晶格常数发生变化的时候所 获得的各种参数的测定结果。还有，晶格常数是根据由X射线衍射而测得的测定结果，并由 布雷格方程式(Bragg’ s equation)计算出来的。各种参数的内容如以下所述。d(001) = c轴取向晶体的晶格常数1(001) = (001)面的X射线衍射图的反射衍射强度d(100) = a轴取向晶体的晶格常数1(100) = (100)面的X射线衍射图的反射衍射强度a = I (100)/I (001)d31 =压电体膜20的压电常数应力=将成膜后的压电体膜20冷却至室温的时候被积蓄于膜内部的应力Ad = a轴取向晶体的晶格常数与c轴取向晶体的晶格常数之差基于该测定结果，将晶格常数差值A d描绘于横轴上，并将应力和d31描绘于纵轴 上，获得由图3所表示的图表。正如根据该图表所能够加以理解的那样，本发明人新发现 了 在满足a轴取向晶体的晶格常数和c轴取向晶体的晶格常数之差为0.06A以内的条件 的时候，能够在将压电常数d31维持在良好的值的同时，又能够降低积蓄在压电体膜20内部 的应力。关于这个机理还不明确，但是可以考虑为在满足上述条件的情况下，通过对c轴 取向晶体和a轴取向晶体作适度平衡，从而压电体膜20的晶体颗粒被理想地最密填充于下 部电极32上，这有助于应力的降低。还有，将锆钛酸铅中的钛酸铅和锆酸铅的固溶体比作 为混合比x并描绘于横轴，将晶格常数描绘于纵轴，并图示A d <0.06人的区域，则如图4所
7J\ o优选压电体膜20包含在c轴方向上晶体生长而成的柱状晶体颗粒，该柱状晶体颗 粒的粒径为49. 8nm以下。图5是表示通过溅射使PZT类薄膜的柱状晶体颗粒在c轴方向上进行外延生长来作为压电体膜20、并使该晶体粒径变化成各种各样值的时候所获得的各 种参数的测定结果。还有，粒径和粗糙度由AFM(原子间力显微镜)进行测定，原子数比根 据XRF(荧光X射线分析)的组成分析计算出来。另外，粒径是呈柱状生长的颗粒的直径。 各种参数的内容如以下所述。粒径=压电体膜20的柱状晶体的粒径d31 =压电体膜20的压电常数应力=将成膜后的压电体膜20冷却至室温的时候被积蓄于膜内部的应力Pb-ratio =原子数比 Pb/(&+Ti)成膜速度=压电体膜20的成膜速度RMS =压电体膜20的二次方平均粗糙度Ra =压电体膜20的算术平均粗糙度Rmax =压电体膜20的最大粗糙度Rz =压电体膜20的十点平均粗糙度还有，在本实施方式中，由溅射法使PZT (锆钛酸铅)膜成膜来作为压电体膜20。 此时，溅射法的成膜条件是以各种参数来加以调整并进行成膜。例如，只要调整工艺气体压 力、溅射施加电压、氧气分压、T-S间距离(靶-基板间距离)和VDC/VPP，并且控制颗粒直 径等即可。根据该测定结果，将粒径描绘于横轴并且将应力和d31描绘于纵轴，获得由图6所 表示的图表。正如根据该图表所能够加以理解的那样，本发明人新发现了 在满足在c轴 方向上进行晶体生长而成的柱状晶体颗粒的粒径为49. 8nm以下的条件的时候，能够在将 压电常数d31维持在良好的值的同时，降低积蓄在压电体膜20内部的应力。外延生长的晶 体通常受其基底晶体结构的影响而进行晶体生长，所以认为如果柱状晶体颗粒的粒径大于 49. 8nm的话，那么基底晶体结构的影响就会较强地起作用，并且由于压电体膜20与其基底 之间的晶格常数的不一致而造成应力容易积蓄于压电体膜内部。另一方面，如果柱状晶体 颗粒的粒径变得小于49. 8nm的话，那么基底晶体结构对于压电体膜20的影响就会减弱，所 以认为容易控制由压电体膜20与其基底之间的晶格常数的不一致所引起的在压电体膜内 部的应力积蓄。还有，根据本发明人的实验，就可以确认在作为压电体膜20的基底的中间薄膜 40的最上段膜的材质为(100)取向的钌酸锶的情况下，如果将在c轴方向上进行晶体生长 而成的柱状晶体颗粒的粒径调整至49. 8nm以下的话，那么在将成膜后的压电体膜20控制 在无应力状态方面是特别有效的。另外，根据由图5所表示的上述测定结果，将Pb-ratio描绘于横轴并将应力和d31 描绘于纵轴，获得图7所表示的图表。分析该图表则可以理解若Pb-ratio的值为1. 1 1. 2的范围内，则可以保持将压电常数d31维持在良好的值，并且能够降低积蓄在压电体膜 20内部的应力。还有，根据本发明人的实验可以确认不限于Pb-ratio，在钙钛矿型复合氧 化物AB03的原子数比A/B的值为1. 1 1. 2的范围内时，能够获得同样的效果。另外，从表面粗糙度的观点出发分析由图5所表示的测定结果，则为了将压电常 数d31维持在良好的值并且同时降低积蓄在压电体膜20内部的应力，优选压电体膜20的二 次方平均粗糙度(RMS)为0. 53nm以下，优选其算术平均粗糙度(Ra)为0. 28nm以下，优选
6其最大粗糙度(Rmax)为1. 32nm以下，优选其十点平均粗糙度(Rz)为1. 30nm以下。还有，为了利用气相生长法或者液相生长法来将压电体膜20的晶体粒径控制在 49. 8nm以下，对成膜条件作适当调整即可。例如，对于由溅射法控制晶体粒径来说，作为成 膜条件，可以列举工艺气体压力、溅射施加电压、氧气分压、成膜速度、溅射靶-基板间距离 和溅射靶的自偏置(self-bias)等。更为详细的是，工艺压力优选为0. lPa l.OPa的范 围，溅射靶-基板间距离优选为150nm以下，成膜速度优选为3nm/min 50nm/min的范围。接着，就有关本实施方式所涉及的陀螺仪传感器100的结构和工作原理作如下说 明。图8是陀螺仪传感器100的平面图，图9是图8的按9_9线向视截面图。陀螺仪 传感器100是具备基部110和连接于基部110的一面的两个臂120、130的音叉振子型的角 速度检测元件。该陀螺仪传感器100是按照音叉型振子的形状，对构成上述压电体元件10 的压电体膜20、上部电极31和下部电极32进行细微加工而获得的，各部(基部110和臂 120,130)由压电体元件10—体地形成。在一个臂120的第一主面上分别形成有驱动电极 31a，31b和检测电极31d。同样，在另一个臂130的第一主面上，分别形成有驱动电极31a， 31b和检测电极31c。这些各个电极31a，31b，31c，3Id是通过将上部电极31蚀刻成规定的 电极形状而获得的。还有，在基部110和臂120，130的各自第二主面(第一主面背侧的主 面)上整面状地形成的下部电极32，起到作为陀螺仪传感器100的接地电极的功能。如图10所示，将各个臂120，130的长边方向作为Z方向，并将包含两个臂120，130 的主面的平面作为XZ平面，由此定义XYZ直角坐标系。在将驱动信号提供给驱动电极31a， 31b之后，两个臂120，130以面内振动模式进行激振。所谓面内振动模式，是指两个臂120， 130在平行于两个臂120，130主面的方向上进行激振的振动模式。例如，一个臂120在朝 着-X方向以速度VI进行激振的时候，另一个臂130则朝着+X方向以速度V2进行激振。 若在该状态下将Z轴作为旋转轴并将角速度《的旋转施加给陀螺仪传感器100，则科里奥 利力(Coriolis force)在垂直于速度方向的方向上分别对于两个臂120，130起作用，且该 两个臂以面外振动模式开始激振。所谓面外振动模式，是指两个臂120，130在垂直于两个 臂120，130的主面的方向上进行激振的振动模式。例如，在作用于一个臂120的科里奥利 力F1为-Y方向的时候，作用于另一个臂130的科里奥利力F2则为+Y方向。科里奥利力 Fl，F2的大小与角速度《成比例，所以可以由压电体膜20将取决于科里奥利力Fl，F2的 臂120，130的机械性形变转换成电信号(检测信号)，并从检测电极31c，31d输出该信号， 从而求得角速度《。通过使用没有晶体形变和波及振动(tilting vibration)的无应力压电体元件 10来构成陀螺仪传感器100，从而能够提供在检测灵敏度方面表现卓越的陀螺仪传感器 100。还有，在上述的说明中，虽然将面内振动模式作为驱动振动模式，并且将面外振动模式 作为检测振动模式，但是也可以将面外振动模式作为驱动振动模式，并且将面内振动模式 作为检测振动模式。另外，臂120，130的根数并不限定于合计2根，也可以是合计3根以上。产业上的可利用性本发明所涉及的压电体元件能够应用于陀螺仪传感器、驱动器、频率滤波器、非挥 发性储存器、光调制器和音响元件等的所谓的电子器件中。
权利要求
一种压电体元件，其特征在于是一种在下部电极与上部电极之间具备压电体膜的压电体元件，所述压电体膜包含a轴取向晶体和c轴取向晶体，所述a轴取向晶体的晶格常数和所述c轴取向晶体的晶格常数之差为以内。FSA00000077849900011.tif
2.如权利要求1所述的压电体元件，其特征在于所述压电体膜包含在c轴方向上进行晶体生长而成的柱状晶体颗粒， 所述柱状晶体颗粒的粒径为49. 8nm以下。
3.如权利要求1所述的压电体元件，其特征在于所述压电体膜是由化学式abo3表示的钙钛矿型复合氧化物， 原子比A/B为1. 1 1.2。
4.如权利要求1所述的压电体元件，其特征在于 所述压电体膜的算术平均粗糙度Ra为0. 28nm以下。
5.如权利要求1所述的压电体元件，其特征在于在所述下部电极和所述上部电极中的至少一者与所述压电体膜之间，具有由钌酸锶构 成的层。
6.如权利要求2所述的压电体元件，其特征在于 所述柱状晶体颗粒是在c轴方向上外延生长的。
7.一种陀螺仪传感器，其特征在于是一种具备基部和连接于所述基部的多个臂的音叉振子型的陀螺仪传感器， 所述基部和所述多个臂由权利要求1所述的压电体元件一体地形成。
全文摘要
本发明的技术问题是提供具有在无应力状态下能够对压电体膜进行成膜的压电体元件和陀螺仪传感器。压电体膜包含a轴取向晶体和c轴取向晶体，a轴取向晶体的晶格常数和c轴取向晶体的晶格常数之差为0.06以内。本发明人新发现了在满足a轴取向晶体的晶格常数和c轴取向晶体的晶格常数之差为0.06以内的条件的时候，能够将压电特性维持在良好的特性值，并且能够减少积蓄在压电体膜内部的应力。可以认为在满足上述条件的情况下，由于对c轴取向晶体和a轴取向晶体作适度平衡，因而压电体膜的晶体颗粒在理想的状态下被最密地填充于基底上，这有助于应力的降低。
文档编号G01C19/56GK101853916SQ20101015501
公开日2010年10月6日 申请日期2010年3月31日 优先权日2009年3月31日
发明者前川和也, 海野健, 远池健一, 野口隆男 申请人:Tdk株式会社