压电元件、角速度传感器、以及压电元件的制造方法

专利名称：压电元件、角速度传感器、以及压电元件的制造方法
技术领域：
本发明涉及用在压电传感器、压电致动器和热电红外线传感器 中的压电元件、包括该压电元件的角速度传感器、以及压电元件的
制造方法。
背景技术：
过去，锆钛酸铅(Pb!+x(ZivTh-Y)03+x)(下文中，称为PZT)被 用作用于诸如角速度传感器、喷墨头等的压电传感器的压电薄膜的 压电材料。为了改善PZT的压电特性、铁^磁材料特性、热电特性等 提出了各种技术(例如，见日本专利申请公开第Hei 06-350154号 (第(0030) ~ (0044)段、第(0060) ~ (0073 )段，图3、图 4等)和曰本专利申请公开第Hei 09-298324号(第(0007 ) ~ ( 0009 ) 段，图5);下文中，将分别称为专利文件1和专利文件2)。专利文件1公开了一种晶体结构为菱形的PZT薄膜，其中，当 通过(Ph+y(ZrxTh-x)03+y)表示锆钛酸铅时，PbO的过量组成比Y在 的范围内，并且Zr的组成比X在0SX^0.55的范围内。 专利文件1的PZT薄膜展示了良好的压电特性。此外，同时/>开了 一种晶体结构为四方晶的PZT薄膜，其中，PbO的过量组成比Y 在0<Y<0.5的范围内，并且Zr的组成比X在0.55 <X<1的范围内。
专利文件2公开了一种具有大于等于ljim且小于等于10pm的 厚度、小于等于0.55pm的晶粒大小、以及Rmax小于等于l|am的 表面粗糙度的压电薄膜。该压电薄膜可用作用于需要大于等于预定 ' 膜厚度的喷墨型存储装置的压电薄膜。

发明内容
另外，众所周知，当加热时，压电材料的压电性能劣化，这种 劣化被称为去极化。然而，因为通常在包含压电材料的电子装置的 制造过程中执行通过回流焊接等进行的加热处理，所以存在由于加 热而使压电材料的压电性能劣化的问题。
特别在近些年，考虑到环境问题而采用无铅焊接，导致回流焊 ^接温度增加，而由回流焊4妄引起的热导致压电材料的压电性能劣 化，这种劣化是难以解决的。然而，以上的专利文件1和专利文件 2都没有考虑热影响。
I 此外，还存在一个问题当压电构件具有如专利文件2所述的
大于等于lpm的膜厚度时，导致裂紋或结晶性劣化的可能性增加。 结晶性的劣化也可能成为由于加热处理所致的去才及化的原因。
鉴于上述情况，需要一种压电特性和耐热性优良的压电元件、 包括该种压电元件的角速度传感器、以及压电元件的制作方法。根据本发明的实施例，提供了 一种包括压电膜和电极膜的压电
元件。压电膜由Pbh+x(ZiVIVY)03+x表示的锆钛酸铅构成，其中，X 大于等于0且小于等于0.3,并且Y大于等于0且小于等于0.55， 压电膜具有4立伸应力。电才及膜向压电膜施加电压。
通过将PZT的PbO过量组成比X设置为大于等于0且小于等 于0.3并且将Zr组成比Yi殳置为大于等于0且小于等于0.55,可 以获得压电特性优良的压电元件。如果Zr组成比大于等于0且小 于等于0.55,则4艮难发生去极化并且可以获得优良的耐热性。
另外，通过<吏压电力莫具有4立伸应力，可以获得耐热性进一步改 善的压电元件。
在才艮据本发明的实施例的压电元件中，压电膜的拉伸应力可以 大于等于50MPa且小于等于500MPa。因此，可以获得耐热性进一 步改善的压电元4牛。
在才艮据本发明的实施例的压电元件中，压电膜可以具有大于等 于400nm且小于等于1000nm的膜厚度。
因此，可以获得压电特性进一步改善的压电元件。
在根据本发明的实施例的压电元件中，电极膜可以具有大于等 于500MPa且小于等于1500MPa的拉伸应力。
因此，可以获得耐热性进一步改善的压电元件。
在根据本发明的实施例的压电元件中，压电膜在<111〉方向可 以具有大于等于80%的耳又向。
因此，可以获得耐热性进一步改善的压电元件。在根据本发明的实施例的压电元件中，压电膜可以包括选自由
Cr、 Mn、 Fe、 Ni、 Mg、 Sn、 Cu、 Ag、 Nb、 Sb以及N纟且成的纟且中 的至少一种添力口元素。
在根据本发明的实施例的压电元件中，电极膜可以由Ti和Pt 中的至少一种形成。电极膜也可以由Ir、 Au和Ru形成，或者由Ti、 Pt、 Ir、 Au和Ru的氧化物形成。
根据本发明的另 一实施例，提供了 一种包括压电膜和电极膜的 压电元件。压电膜由Pb^x(ZrYTh-Y)03+x表示的锆钛酸铅构成，其 中，X大于等于0且小于等于0.3,并且Y大于等于0且小于等于 0.55。电4及膜具有大于等于500MPa且小于等于1500MPa的^^立伸应 力并向压电膜施力口电压。
通过将PZT的PbO过量组成比X i殳置为大于等于0且小于等 于0.3并JM寻Zr组成比Y^殳置为大于等于0且小于等于0.55,可 获得压电特性优良的压电元件。如果Zr组成比Y大于等于0且小 于等于0.55，则很难发生去极化并且可以获得优良的耐热性。
另外，通过4吏电才及膜具有大于等于500MPa且小于等于 1500MPa的^立伸应力，可以获得耐热性进一步改善的压电元件。
在根据本发明的实施例的压电元件中，压电膜可以具有大于等 于400nm且小于等于1000nm的膜厚度。
因此，可以获得压电特性进一步改善的压电元件。
在才艮据本发明的实施例的压电元件中，压电膜可以具有大于等 于50MPa且小于等于500MPa的才立4申应力。
因此，可以获得耐热性进一步改善的压电元件。在才艮据本发明的实施例的压电元件中，压电膜在<111>方向可
以具有大于等于80%的取向。
因此，可以获得耐热性进一步改善的压电元件。
在根据本发明的实施例的压电元件中，压电膜可以包括选自由 Cr、 Mn、 Fe、 Ni、 Mg、 Sn、 Cu、 Ag、 Nb、 Sb以及N组成的纟且中 的至少一种添力口元素。
在根据本发明的实施例的压电元件中，电极膜可以由Ti和Pt 中的至少一种形成。电才及月莫也可以由Ir、 Au和Ru形成，或者由Ti、 Pt、 Ir、 Au、和Ru的fU匕物形成。
根据本发明的另 一实施例，提供了 一种包括压电膜和电极膜的 压电元件。压电膜由PbKx(ZryTh—Y)03+x表示的锆钛酸铅构成，其 中，X大于等于O且小于等于0.3以及Y大于等于O且小于等于0.55， 压电膜具有大于等于400nm且小于等于1000nm的膜厚度。电极膜 向压电力莫施加电压。
通过将PZT的PbO过量组成比Xi殳置为大于等于0且小于等 于0.3并且将Zr组成比Yi殳置为大于等于0且小于等于0.55，可 以获得压电特性优良的压电元件。如果Zr组成比Y大于等于0且 小于等于0.55,则^艮难发生去才及化并且可以获得优良的耐热性。
另外，通过将膜厚度设置为大于等于400nm且小于等于 1000nm,可以获得压电特性进一步改善的压电元件。
在根据本发明的实施例的压电元件中，压电膜在<111>方向可 以具有大于等于80%的取向。
因此，可以获得耐热性进一步改善的压电元件。在根据本发明的实施例的压电元件中，压电膜可以包括选自由
Cr、 Mn、 Fe、 Ni、 Mg、 Sn、 Cu、 Ag、 Nb、 Sb以及N组成的纟且中 的至少一种添力口元素。
在才艮据本发明的实施例的压电元件中，电极膜可以由Ti和Pt 中的至少一种形成。电才及膜也可以由Ir、 Au和Ru形成，或者由Ti、 Pt、 Ir、 Au和Ru的氧化物形成。
根据本发明的另一实施例，提供了一种包括基板、第一电极膜、 压电膜和第二电极膜的角速度传感器。第 一 电极膜形成在基板上。 压电膜由Pb!+x(ZryTVY)03+x表示的锆钛酸铅构成，其中，X大于等 于0且小于等于0.3，并且Y大于等于O且小于等于0.55，压电膜 具有拉伸应力并且形成在第 一电极膜上。第二电极膜形成在压电膜 上。
根据本发明的另一实施例，提供了一种包括基板、第一电极膜、 压电膜和第二电极膜的角速度传感器。第一电极膜具有大于等于 500MPa且小于等于1500MPa的拉伸应力并且形成在基板上。压电 膜由Pbbx(ZivTVY)03+x表示的锆钛酸铅构成，其中，X大于等于O 且小于等于0.3，并且Y大于等于0且小于等于0.55,压电膜形成 在第一电极膜上。第二电极膜形成在压电膜上。
根据本发明的另一实施例，提供了一种包括基板、第一电极膜、 压电膜和第二电极膜的角速度传感器。第 一 电极膜形成在基板上。 压电膜由Ph^+x(ZryTh-Y)03+x表示的锆钛酸铅构成，其中，X大于等 于0且小于等于0.3,并且Y大于等于0且小于等于0.55，压电膜 具有大于等于400nm且小于等于1000nm的膜厚度，并且形成在第 一电极膜上。第二电极膜形成在压电膜上。才艮据本发明的实施例，可以提供压电特性和耐热性优良的压电 元件、包括该种压电元件的角速度传感器、以及压电元件的制造方法。
如附图所示，根据下文对最佳方式的实施例的详细描述，本发 明的这些和其它目的、特^正及优点将更显而易见。


图1是示出根据本发明的第 一实施例的压电元件和包括该压电
元件的角速度传感器的示图2是示出PZT薄膜的XRD (X-射线衍射)图的示图3是示出PZT薄膜的膜厚度(100nm~ 1400nm)和压电常数 d31之间的关系的示图4是示出PZT薄膜的PbO过量组成比X ( - 0.1 ~ 0.5 )与压 电常凄td31和损失率tanS的关系的示图5是示出PZT薄膜的Zr组成比Y (0.35 —0.65 )和压电常数 d31之间的关系的示图6是示出PZT薄膜的Zr组成比Y ( 0.35 ~ 0.7 )和在力口热之 后的振动臂的衰减率之间的关系的示图7是示出加热时间和在加热温度#皮_没置为240°C的情况下加 热之后的4展幅衰减率之间的关系的示图8是示出加热温度和在加热之后的振幅衰减率之间的关系的 示图；图9是示出PZT薄膜的应力(-100MPa~ 600MPa)和在加热 之后的振幅衰减率之间关系的示图10是示出第一电极膜的应力(-500MPa ~ 2000MPa )和在
施加热之后的l展幅衰减率之间的关系的示图ll是示出PZT在〈111〉面方向的取向度和在加热之后的才展动 臂的振幅衰减率之间关系的示(矫顽电场Ec的1 20倍)和在加热之后的振动臂的振幅衰减率之 间的关系的示图13是示出PZT薄膜的耐受电压相只于于矫顽电场的比率和才及 化温度之间的关系的示图14是示出在才及化处理中的才及化温度相对于居里温度的比率 (居里温度Tc的1/16 ~ 5/4倍)和在加热之后的4展幅衰减率之间的 关系的示图15是示出预焙温度相对于居里温度的比率(居里温度Tc的 1/2 ~ 5/4倍)与在加热之后的振幅衰减率和予贞火咅后M H匕后振幅衰减 率的关系的示图16是示出根据本发明的第二实施例的角速度传感器的平面 示图17是图16所示的角速度传感器的示意性示图；以及 图18是沿着图16的线A-A所作的截面图。
具体实施例方式
下文中，将参照附图描述本发明的实施例。 (第一实施例)
首先，将描述本发明的第一实施例。图l是示出才艮据本发明的 第 一 实施例的压电元件和包括该压电元件的角速度传感器的示图。
角速度传感器31包括基体130和从基体130延伸并能振动的 振动臂132。图1B是与振动臂132的纵轴(Z轴)垂直的表面的截面图。
角速度传感器31包括例如由硅制成的半导体臂基底133、以及 设置在臂基底133上的压电元件139。如图1B所示，例如，在硅 基才反上层压作为共用电才及的第一电才及膜34a，以及在第一电才及膜34a 上层压压电力莫33。在作为压电膜33的上表面的第一表面33a上， 形成每个均具有预定的细长形状的第二电极膜34b、第一检测电极 34c和第二检观'J电极34d。
此外，在基体130上，形成包括引线136、电才及板138、凸台 134a ~ 134d等的铅电极。凸台134a连接至第二电极膜34b,凸台 134b和134c分别连4妄至第一4企测电才及34c和第二冲企测电才及34d， 而凸台134d连4妻至第一电才及膜34a。经由凸台134a ~ 134d夕卜部连 接至诸如IC的控制电路(未示出)。例如，凸台134a 134d均由 金属形成， <旦并不<又限于》匕。
如上所述地形成第一电极膜34a、第二电极膜34b、第一4企测 电才及34c、第二才企测电极34d、引线136等之后，从石圭晶片切割具 有如图1A所示的形状的角速度传感器31。接下来，将描述角速度传感器31的操作的典型实例。
压电元件139的第一电极膜34a连接至DC电源，并且在第一 电极膜34a和第二电极膜34b之间连接AC电源。因此，将电压施 加纟合i殳置在第一电4及月莫34a和第二电才及月莫34b之间的压电膜33,从 而仅i展动^f 132在垂直方向(Y方向)作弯曲运动。
当在弯曲运动期间将角速度①o施加给振动臂132，在振动臂 132生成科里奥利力。沿着与振动臂132的弯曲运动的方向(Y方 向)垂直的方向(X方向)生成科里奥利力，其大小与施加的角速 度a)o的值成比例。通过压电膜33将科里奥利力转换为电信号，并 且由第 一检测电才及34c和第二冲企测电极34d冲全测转换的信号。
接下来，在描述角速度传感器31的制造方法的同时将描述压 电元件139的压电性能和耐热性能。应当注意，将主要对形成在臂 基底133上的压电元件139的形成方法进行描述。
首先，预备好硅晶片。可以通过热氧化处理在硅晶片上形成氧
化保护膜。
例如，通过使用'减射法在硅晶片上沉积30nm的Ti来形成第一 电极膜34a,然后，在其上沉积100nm的Pt。第一电极膜34a的沉 积法并不仅限于溅射法，而是也可以使用真空气相沉积法或其他沉 积法。此外，构成第一电极膜34a的金属材料并不仅限于Ti和Pt， 其实例还包4舌Ir、 Au和Ru,或者Ti、 Pt、 Ir、 Au和Ru的氧化物。 第二电极膜34b也可以由这些金属材料构成。
随后，通过使用例如溅射法在第一电极膜34a上形成PZT薄膜 来形成压电膜33。压电膜33的沉积法并不l又限于溅射法，而是也 可以使用诸如真空气相沉积法、PLD (脉冲激光沉积)法、溶胶-凝胶法、气溶胶沉积法等。沉积PZT薄膜33时的基板温度可以为 室温或者高温。
在PZT薄膜33的沉积中，将PbO过量组成比X设置为大于等 于-0.1且小于等于0.5,并且将Zr组成比Yi殳置为大于等于0.35 且小于等于0.65。为了实现这种PZT组成比，要适当i殳置目标组成、 溅射条件、退火条件等。在第一电4及膜34a上形成PZT薄膜33之 后，为了增加PZT的钙钬矿结构，例如，可以将PZT薄膜33在700°C 下加热处理。在这种情况下，PZT薄膜33的晶体结构为四方晶。
如上所述形成的PZT薄膜33的膜厚度为100nm ~ 1400nm。
在形成PZT薄膜33之后，通过'减射法在PZT薄膜33上沉积 200nm的Pt，因此形成第二电极膜34b。在这种情况下的第二电极 月莫34b的沉积法并不限于溅射法，也可以4吏用真空气相沉^积法或其
他沉积法。
接下来，在加热至240。C的空气中，将电压施加在第一电极膜 34a和第二电极膜34b之间，并且在PZT薄膜33上执行极化处理。 施加在第一电才及膜34a和第二电才及力莫34b之间的电压为矫顽电场 Ec的l 20倍。此外，与居里温度相比较，在极化处理中的极化温 度为1/16-5/4的居里温度。应当注意，极化处理可以在空气、氧 气氛和氮气氛中的任意一种气氛下执行。
在极化处理之后，在沉积的PZT薄膜33上执行预焙处理。预 焙处理的预焙温度为1/2-5/4的居里温度。
上述的PZT薄膜33可以具有拉伸应力。为了使PZT薄膜33 具有拉伸应力，PZT薄膜33在第一电极膜34a上形成之后，可将 其在例如650。C ~ 750。C下进4亍加热处理。因此，PZT薄月莫33的结晶加速，从而获得了拉伸应力。另外，在这种情况下，适当设置目
标组成、'减射条件、退火条件等，例如，4吏得PZT的PbO过量组 成比X变成0.04，其Zr纟且成比Y变成0.35 — 0.65,以及才立伸应力 变成-励MPa ~ 600MPa。
此外，上述的第一电极膜34a也可以具有拉伸应力。为了使第 一电才及膜34a具有拉伸应力，在第一电极膜34a上形成PZT薄膜 33之后，可以将第一电极膜33在例如100。C ~ 800。C下进4亍加热处 理。或者，也可以不是在第一电极膜34a和PZT薄膜33的沉积之 后，而是在沉积期间进行加热处理，使得第一电极膜34a具有拉伸 应力。通过改变沉积条件、力o热处理条件等，可以使第一电极膜34a 具有宽范围的^立伸应力。如上所述形成的第一电4及膜34a的^立伸应 力为- 200MPa ~ 2000MPa。
(压电特性的评价)
接下来，将对如此形成在硅晶片上的压电元件139的压电特性
进行描述。
图2是示出PZT薄膜33的XRD( X-射线衍射)图的示图。PZT 耳又向至<111〉面并且具有97%的取向度。在图2中，已经测量了其 XRD图的PZT薄膜33的膜厚度为900nm,用在才及化处理中的电压 为矫顽电场的6倍，并且极化温度为240°C。另外，预焙温度为持 续100s的200°C。
应当注意，在以下对附图所作的描述中，除非另有i兌明，否则 PZT薄膜33的膜厚度均为900nm。
图3是示出PZT薄膜33的膜厚度(lOOnm ~ 1400nm )和压电 常数d31之间的关系的示图。如图3所示，当膜厚度为400nm~1000nm时，PZT薄膜33显示出了良好的压电特性。因此，当膜厚 度在400nm ~ 1 OOOnm的范围内时，可以获得对于角速度传感器31 的压电元4牛139来i兌充分的压电4争寸生。
当PZT薄膜33的膜厚度大于等于1000nm时，压电常数d31 减小。这可能是因为当膜厚度大于等于1000nm时，晶体在不同于 <111>面的方向(例如<001>面方向)生长，因此，<111>面方向 的峰强度饱和。因此，通过将PZT薄膜33的膜厚度设置为小于 1000nm，可以抑制不同于<111>面方向的峰生长。应当注意，主要 是晶体的主峰赋予压电特性。
同时，小于400nm的膜厚度导致漏电流增加，从而，变得很难 获得对于压电元件139来i兌充分的压电特性。
图4是示出PZT薄月莫33的PbO过量纟且成比X ( - 0.1 ~ 0.5 ) 与压电常数d31和损失率tanS的关系的示图。PZT薄膜33在<111> 面方向的的取向度为大于等于80%且小于100%,并且Zr组成比Y 为0.5。
从图4中可以看出，当PbO过量组成比X在0-0.3的范围内 时，压电常数d31和损失率tanS都是良好的。当PbO过量组成比X 小于0时，压电特性劣化。这可能是因为当PbO过量组成比X很 小时，PZT结晶性劣化。另一方面，当PbO过量组成比X大于等 于0.3时，损失率tan5增加并且压电特性劣化。这可能是因为当PbO 过量组成比X较大时，PZT薄膜33的绝缘特性劣化，因此导致压 电特性降低。
图5是示出PZT薄膜33的Zr组成比Y ( 0.35 ~ 0.65 )和压电 常凄t d31之间的关系的示图。如图5所示，当Zr组成比Y为0.51 时，PZT薄膜33显示出最大压电特性，而当Zr组成比Y大于等于0.4且小于等于0.55时，显示出良好的压电特性。只要Zr组成比Y 大于等于0.4且小于等于0.55,就可以获得对于角速度传感器31的 压电元件139来i兌充分的压电特性。
顺便提一下，众所周知，当其Zr组成比Y大于等于0.5且小 于等于0.53时，大量PZT显示出良好的压电特性。然而，当Zr组 成比Y变成小于0.5时，大量PZT的压电特性急剧劣化。另一方面， 如图5所示，即使当Zr组成比Y大于等于0.4且小于等于0.5时， 通过例如賊射法沉积的PZT薄膜也显示出良好的压电特性。
(耐热性的评价)
接下来，将描述耐热性的评Y介，Y旦是首先，将对耐热性评价方 法进行描述。
从形成了包括第一电极膜34a、 PZT薄膜33以及第二电极膜 34b的压电元件139、引线136等的石圭晶片切割具有如图1A所示的 形状的角速度传感器31。通常采用MEMS (微电子机械系统)技 术切割硅晶片。应当注意，振动臂132的长度、宽度和厚度分别为 例如2000pm、 150|am和150jim。
通过测量如此形成的角速度传感器31的振动臂132在Y方向 的振幅来评价耐热性。具体地，通过测量振动臂132在Y方向的振 幅，向PZT薄膜33施加考虑了在制造元件时的加热处理(例如回 流焊4妄)的热，此后，再次测量振动臂132在Y方向的振幅来评《介 压电元件139的耐热性。应当注意，考虑到在制造元件时的加热处 理，对PZT薄膜33的加热温度为180。C~300。C，并且其加热时间 为30s 300s。另外，施加在第一电才及膜34a和第二电才及膜34b之 间的电压为例如1kHz, IV的AC电压。图6是示出PZT薄膜33的Zr组成比Y ( 0.35 ~ 0.7 )和加热之 后的l展动臂132的衰减率之间的关系的示图。加热温度和加热时间 分别为240。C和90s。
/人图6中可以看出，当Zr组成比Y超过0.55时，在加热之后 的振动臂132的振幅的衰减增加，然而当Zr组成比Y小于等于0.55 时4艮难观察到其衰减。换句话说，具有小于等于0.55的Zr组成比 Y的PZT薄膜33具有优良的耐热性。
图7是示出加热时间和加热(加热温度设置为240°C)之后的 振幅衰减率之间的关系的示图。PZT薄膜33的Zr组成比Y在0.35 ~ 0.60的范围内。乂人图7中可以看出，当Zr组成比Y小于等于0.55 时，即使当延长加热时间时，加热之后的振幅衰减也很难发生，这 意味着优良的耐热性。
图8是示出加热温度和在加热之后的才展幅衰减率之间的关系的 示图。PZT薄膜33的Zr组成比Y在0.35 ~ 0.60的范围内。从图8 可以看出，当Zr组成比Y小于等于0.55时，即4吏当加热时间增加 时，加热之后的纟展幅衰减也;f艮难发生，这意p木着优良的耐热性。
图9是示出PZT薄月莫33的应力(-100MPa-600MPa)和在 加热之后的4^幅衰减率之间的关系的示图。在这种情况下，第一电 才及膜34a的^立伸应力为lOOOMPa。另夕卜，PZT薄月莫33的加热温度 和加热时间分别为240。C和90s。应当注意，在图9中，正的应力 4直表示4立伸应力，而负的应力4直表示压缩应力。
现在，将描述PZT薄膜33的应力测量方法。X-射线倒易点阵 图测量方法被用作PZT薄膜33的应力测量方法，并使用来自 PANalytical (注册商标)的X射线书f射装置X'pert PRO MRD (注 册商标)作为测量装置。在倒易点阵图技术中，在与0轴垂直的cp轴附近倾斜测量目标样品，并检测来自样品的晶体表面的衍射。基 于检测到的衍射峰来进行测量目标样品的识别。
例如，在测量目标样品的晶体中不存在畸变或应力的情况下，
对于PZT〈111〉衍射的主取向峰(在(20， cp) = (38。， 0°)， (20, cp) = (38°， 70°)附近)，在任意cp角处都不会产生衍射角的改变。然而，在测量 目标样品中存在拉伸应力的情况下，当9 = 70°时的衍射角比当cp = 0时的衍射角在低角侧的偏移更大。另一方面，在测量目标样品中 存在压缩应力的情况下，当(|> = 70°时的衍射角比当cp-0时的衍射 角在宽角侧的偏移更大。通过评^介偏移大小，可以测量出PZT薄膜 33的应力。
PZT薄膜33的应力测量方法并不仅限于X射线倒易点阵图测 量方法，也可以使用其它方法代替。例如，如在以下参考文件中所 述的，在测量沉积了膜的基板的翘曲之后，可以通过使用Stoney公 式(Stoney Expression)来评价应力值(参考文件由 Hiroshi Ichim跳Masaru Ikenaga, THE NIKKAN KOGYO SHIMBUN, LTD. 所著的 "Basics and Application of Thin Films by a Plasma Process", 2005年)。为了测量应力推导所必需的杨氏才莫量，例如，如在参考 中所述，使用纳米压痕法。X射线倒易点阵图测量法、在参考文件 中所述的测量法等也被用作稍后描述的第一电极膜34a的测量法。
如图9所示，当PZT薄膜33的^立伸应力大于等于50MPa且小 于等于500MPa时，在加热之后的4展幅没有衰减。换句话i兌，具有 50MPa ~ 500MPa的^立伸应力的PZT薄膜33具有良好的耐热性。特 另'J地，具有100MPa ~ 300MPa的拉伸应力的PZT薄膜33具有良好
的耐热斗生。
使其具有上述范围内的拉伸应力时，PZT薄膜33具有良好耐 热性的原因是PZT的晶格畸变因而抑制了畴的运动。如图9所示，当PZT薄膜33的4立伸应力超过500MPa时，加 热之后的振幅衰减。这可能是因为由于PZT薄膜33的应力导致裂 紋增加，并且因此消除了晶格的畸变。另一方面，当拉伸应力小于 50MPa时，力口热之后的振幅衰减。这可能是因为，由于PZT薄月莫 33的低应力而使在晶格中不存在畸变，所以使得畴容易运动。
图10是示出第一电才及膜34a的应力(-500MPa~ 2000MPa) 和在加热之后的振幅衰减率之间的关系的示图。在这种情况下，PZT 薄膜33的拉伸应力为200MPa。另外，PZT薄膜33的加热温度和 加热时间分别为240°C和90s 。
如图IO所示，当第一电极膜34a的拉伸应力大于等于500MPa 且小于等于1500MPa时，在加热之后的净展幅没有衰减。换句话i兌， 可以看出，包括具有500MPa~ 1500MPa的拉伸应力的第一电极膜 34a的压电元件139具有良好的耐热性。特别地，可能看出，当第 一电才及月莫34a具有700MPa 1200MPa的拉伸应力时，形成在第一 电极膜34a上的PZT薄膜33具有良好的耐热性。
使第 一电4及膜34a具有在上述范围内的4i伸应力时，压电元件 139具有良好耐热性的原因是，第一电极膜34a的拉伸应力使PZT 薄膜33的晶格畸变至合适的程度，因此抑制了畴的运动。
当第一电才及膜34a的4立伸应力超过1500MPa时，在力口热之后 的振幅衰减。这可能是因为第一电极膜34a的拉伸应力使得PZT薄 膜33的裂紋增加，并且因此消除了晶格的畸变。在这种情况下， 实际上已经观察到了在PZT薄膜33的表面上的裂紋。此外，在具 有大于1500MPa的拉伸应力的第 一电极膜34a和臂基底133之间已 经观察到了剥离。另一方面，当第一电极膜34a的拉伸应力小于500MPa时，在 加热之后的振幅也衰减了。这可能是因为，由于第一电极膜34a的 低应力而使在晶格中不存在畸变，晶格所以使得畴容易运动。
图ll是示出PZT在〈111〉面方向的取向度和在加热之后的振动 臂132的振幅衰减率之间的关系的示图。PZT薄膜33的PbO过量 组成比X和Zr组成比Y分别为0.04和0.48。,人图11中可以看出， 当PZT在〈111〉面方向的取向度大于80%时，加热之后很难发生振 幅衰减，这意味着优良的耐热性。另一方面，可以看出，当PZT在 <111>面方向的取向度小于80%时，加热之后容易发生振幅衰减。
*接下来，将对加热之后的振动臂132的振幅衰减率与才及化处理 条件和预焙条件之间关系进行描述。应当注意，在以下对图12 图 15的描述中，PZT薄膜33的PbO过量组成比X和Zr组成比Y分 别为0.04和0.48。而且，PZT薄膜33的力口热温度和力口热时间分别 为240。C和90s。
图12是示出在极化处理中的极化电压相对于矫顽电场的比率 (矫顽电场Ec的1 ~20倍)和在加热之后的振动臂132的振幅衰 减率之间的关系的示图。如图12所示，当极化电压是倍矫顽电场 Ec的2 20时，加热之后很难发生振幅衰减，这意味着优良的耐热 性。图13示出PZT薄膜33的耐受电压相对于头斧顽电场的比率和招^ 化温度之间的关系。如图13所示，扨H匕温度的增高导致PZT的耐 受电压相对于矫顽电场的比率降低。当在大于等于180。C的极化温 度下将大于等于20倍的矫顽电场的极化电压施加给PZT时，发生 PZT的介质击穿。因此，可以看出，将大于等于20倍的矫顽电场 Ec的极化电压施加给PZT是不合适的，而合适的极化电压是矫顽 电场Ec的2 ~ 20倍的电压。图14是示出在极化处理中的极化温度相对于居里温度的比率 (居里温度Tc的1/16-5/4)和在加热之后的振幅衰减率之间的关 系的示图。如图14所示，当极化温度大于等于1/4的居里温度Tc 且小于等于居里温度Tc时，加热之后很难发生振幅衰减，这意味 着良好的耐热性。当极化温度小于1/4的居里温度Tc时，振幅衰减 较大的原因可能是因为，由于不充分的极化处理抑制了 PZT薄膜 33的畴的运动。另一方面，当极化温度超过居里温度Tc时，振幅 衰减较大的原因可能是因为，由于PZT薄膜33的立方晶体结构在 才及化处理之后〗吏得畴容易运动。
图15是示出预焙温度Ta相对于居里温度的比率(居里温度Tc 的1/2-5/4)与在加热之后的振幅衰减率(横轴和右手侧纵轴)和 预焙后/4及化后振幅衰减率"黄轴和左手侧皇从轴)的关系的示图。
具体地，在图15中，通过在才及化处理之后测量4展动臂132的 振幅并在预焙处理(1/2 ~ 5/4的居里温度Tc )之后再次测量4展动臂 132的4展幅U黄轴和左手侧纵轴)来评〗介在预焙处理中的"t展幅衰减 率。此后，将考虑了在制造装置时的加热处理的热施加给预焙处理 后的PZT薄膜33，测量在加热之后的振动臂132的振幅，由此测 量在加热之后的"t展幅衰减率U黄轴和右手侧纟从轴)。应当注意，相^ 化电压为矫顽电场Ec的6倍，并且极化温度为260°C。
如图15所示，可以看出，当预焙温度Ta小于等于3/4的居里 温度Tc时，振动臂132的振幅在预焙处理之后与在极化处理之后 一样没有衰减。此外，可以看出，当预焙温度Ta大于等于1/4的居 里温度Tc时，在加热之后的振幅与在极化处理之后的振幅一样没 有衰减，这表明压电元件139具有优良的耐热性。因此，通过将在 预焙处理中的预焙温度Ta设置为大于等于1/4的居里温度Tc且小 于等于3/4的居里温度Tc，就可以获得具有优良耐热性的压电元件 139。(第二实施例)
接下来，将描述本发明的第二实施例。
图16是示出根据本发明的角速度传感器的平面示图。另外， 图17是根据本实施例的角速度传感器的示意性示图，以及图18是 沿着图16的线A-A所作的截面图。
如图所示，角速度传感器200包括基体214、 i殳置在基体214 的一侧上的臂保持部215、以及"i殳置在臂保持部215的末端侧上的 振动臂部216。
振动臂部216包4舌第一振动臂211、第二振动臂212和第三振 动臂213，第一振动臂211在后两者之间。第一振动臂211由臂基 底210a和形成在其上的压电元件239a构成，第二振动臂212由臂 基底210b和形成在其上的压电元件239b构成，以及第三振动臂213 由臂基底210c和形成在其上的压电元件239c构成。才灸句话i兌，才艮 据本实施例的角速度传感器200是所谓的三音叉型角速度传感器。
例如，第一至第三振动臂211-213具有相同的宽度和厚度。 此外，第 一才展动臂211和第二振动臂212之间的间隙与第 一才展动臂 211和第三振动臂213之间的间隙是相同的。
如图18所示，在臂基底210a 210c上分别形成第一电^l膜 221 223,在第一电极膜221 -223上分别形成均作为压电膜的PZT 薄膜231-233。此夕卜，在PZT薄膜231 233上分别形成均作为驱 动电极的第二电极膜241-243。此外，在振动臂部216的中间的第 一振动臂211的压电薄膜231上形成第一检测电极251和第二检测 电极252。PZT薄膜231 ~ 233各自的膜厚度和PZT的PbO过量组成比X 以及Zr组成比Y与根据第一实施例的PZT薄膜33的都相同。此 外，PZT薄膜231 ~ 233均具有与PZT薄膜33相同水平的拉伸应力。 此外，第 一 电极膜221 ~ 223也具有与第 一 实施例的第 一 电极膜34a
相同水平的才立伸应力。
包括在各个压电元件239中的多个电极221 ~223、 241 ~ 243、 251、以及252分另'J连4妄至引纟戋261 268。引纟戋261 ~ 268穿过^,^f呆 持部215的表面以分别连接至设置在基体214的表面上的引线端子 271 -278。引线端子271 ~ 278在基体214的表面上的X方向的两 侧上均i殳置有四个。
接下来，将描述根据本实施例的角速度传感器200的操作。
当将电压施加给第一电极膜221和第二电极膜241时，使第一 振动臂211在图18的垂直方向作弯曲运动。同时，当将电压施加 给第一电极膜222和223以及第二电极膜242和243时，使第二振 动臂212和第三振动臂213在垂直方向作相位与第一振动臂211相 反的弯曲运动。
具体地，当第一振动臂211向上移动时，第二振动臂212和第 三"^展动臂213向下移动，而当第一振动臂211向下移动时，第二才展 动臂212和第三振动臂213向上移动。此外，通过使第二振动臂212 和第三振动臂213作振幅为第一振动臂211的振幅的一半的弯曲运 动，可以消除通过第一至第三振动臂211-213所生成的力矩。
通过以与图2~图15相同的方式评^f介如此构成的角速度传感 器200的压电元件239,确认了每个压电元件239均具有与根据第 一实施例的角速度传感器31的压电元件139相同的压电特性和耐热性。应当注意，尽管对在该实施例中的各个振动臂均设置了用于驱
动各个振动臂的第二电极膜241 ~ 243，但也可以例如仅在第一振动 臂211上形成第二电才及膜。在这种情况下，通过对第一振动臂211 的振动的反作用，第二振动臂212和第三振动臂213以与第一振动 臂211相反的相位进行振动。
或者，也可以-f又在第二4展动臂212和第三振动臂213上形成第 二电极膜。在这种情况下，通过对第二振动臂212和第三振动臂213 的振动的反作用，第一振动臂211以与第二振动臂212和第三振动 臂213相反的相位进4亍4展动。
上述的压电元件和角速度传感器并不^又限于上述的实施例，而 是可以进行各种变化。
例如，在上述PZT薄膜33的沉积中，尽管PZT被形成为具有 在<111>面方向的取向，^f旦本发明并不Y义限于此，而是PZT也可以 #皮沉积为具有在<100>面方向或<001>面方向的取向。即<吏当如上所 述地沉积PZT时，也仍然可以获得具有优良压电特性和耐热性的压 电元4牛139。
在以上实施例中，已经给出了 PZT薄膜33的晶体结构为四方 晶的情况的描述。然而，PZT薄膜33的晶体结构也可以为菱形、 伪四方形、伪菱形等。此夕卜，PZT薄膜33可以包括选自由Cr、 Mn、 Fe、 Ni、 Mg、 Sn、 Cu、 Ag、 Nb、 Sb和N纟且成的组中的至少一种 添力口元素。
除了角速度传感器31，压电元件139还可以应用于例如热电红 外线传感器、液体喷射装置、半导体存储装置等。应当注意，在这 种情况下，压电元件139〗又需要i殳置有第一和第二电才及膜中的至少 一个，并且不一定要"i殳置第一和第二4企测电才及。以上实施例分别说明了所谓的单音叉型角速度传感器31和三 音叉型角速度传感器200。然而，振动臂的数目可以为2个或者3 个以上。或者，尽管角速度传感器31和200各自具有悬臂结构， ^旦这些传感器也可以具有中心叶4仑(center impeller)结构。
权利要求
1. 一种压电元件，包括压电膜，由Pb1+X(ZrYTi1-Y)O3+X表示的锆钛酸铅构成，其中，X大于等于0且小于等于0.3，并且Y大于等于0且小于等于0.55，所述压电膜具有拉伸应力；以及电极膜，将电压施加给所述压电膜。
2. 4艮据4又利要求1所述的压电元件，其中，所述压电膜的所述扭」 伸应力大于等于50MPa且小于等于500MPa。
3. 根据权利要求1所述的压电元件，其中，所述压电膜具有大于 等于400nm且小于等于1000nm的膜厚度。
4. 根据权利要求1所述的压电元件，其中，所述电极膜具有大于 等于500MPa且小于等于1500MPa的拉伸应力。
5. 根据权利要求1所述的压电元件，其中，所述压电膜在<111> 方向具有大于等于80%的取向。
6. 根据权利要求1所述的压电元件，其中，所述压电膜包括选自 由Cr、 Mn、 Fe、 Ni、 Mg、 Sn、 Cu、 Ag、 Nb、 Sb和N组成 的纟且中的至少 一种添力口元素。
7. 根据权利要求1所述的压电元件，其中，所述电极膜由Ti和 Pt中的至少一种形成。
8. —种压电元件，包括压电膜，由Pbi+x(ZrvTh-Y)03+x表示的锆钛酸铅构成，其 中，X大于等于0且小于等于0.3,并且Y大于等于O且小于 等于0.55;以及电极膜，具有大于等于500MPa且小于等于1500MPa的 拉伸应力，并且将电压施加给所述压电膜。
9. 根据权利要求8所述的压电元件，其中，所述压电膜具有大于 等于400nm且小于等于lOOOnm的膜厚度，
10. 根据权利要求8所述的压电元件，其中，所述压电膜具有大于 等于50MPa且小于等于500MPa的4立伸应力。
11. 根据权利要求8所述的压电元件，其中，所述压电膜在<111> 方向具有大于等于80%的取向。
12. 根据权利要求8所述的压电元件，其中，所述压电膜包括选自 由Cr、 Mn、 Fe、 Ni、 Mg、 Sn、 Cu、 Ag、 Nb、 Sb和N组成 的纟且中的至少——种添力口元素。
13. 根据权利要求8所述的压电元件，其中，所述电极膜由Ti和 Pt中的至少一种形成。
14. 一种压电元件，包括压电膜，由Pbi+x(ZrvTh-Y)03+x表示的锆钛酸铅构成，其 中，X大于等于0且小于等于0.3，并且Y大于等于O且小于 等于0.55,所述压电膜具有大于等于400nm且小于等于 1000nm的膜厚度；以及电极膜，将电压施加给所述压电膜。
15. 根据权利要求14所述的压电元件，其中，所述压电膜在<111> 方向具有大于等于80%的取向。
16. 根据权利要求14所述的压电元件，其中，所述压电膜包括选 自由Cr、 Mn、 Fe、 Ni、 Mg、 Sn、 Cu、 Ag、 Nb、 Sb和N纟且 成的纟且中的至少 一种添力口元素。
17. 根据权利要求14所述的压电元件，其中，所述电极膜由Ti 和Pt中的至少一种形成。
18. —种角速度传感器，包括基板；第一电极膜，形成在所述基板上；压电膜，由Pb!+x(ZrYTi!-Y)03+x表示的锆钛酸铅构成，其 中，X大于等于0且小于等于0.3，并且Y大于等于O且小于 等于0.55 ，所述压电膜具有拉伸应力并且形成在所述第一电招^ 月莫上；以及第二电极膜，形成在所述压电膜上。
19. 一种角速度传感器，包括基板；第一电极膜，具有大于等于500MPa且小于等于1500MPa 的拉伸应力并且形成在所述基板上；压电膜，由Pb^x(ZrYTh-Y)03+x表示的锆钛酸铅构成，其 中，X大于等于0且小于等于0.3，并且Y大于等于O且小于 等于0.55,所述压电膜形成在所述第一电极膜上；以及第二电极膜，形成在所述压电膜上。
20.—种角速度传感器，包括 基板；第一电极膜，形成在所述基板上；压电膜，由Pb!+x(ZlVIVY)03+x表示的锆钛酸铅构成，其中，X大于等于0且小于等于0.3，并且Y大于等于O且小于 等于0.55，所述压电膜具有大于等于400nm且小于等于 1000nm的膜厚度并且形成在所述第一电极膜上；以及第二电极膜，形成在所述压电膜上。
全文摘要
本发明提供压电特性和耐热性优良的压电元件、角速度传感器以及压电元件的制造方法。压电元件包括压电膜和电极膜。压电膜由Pb_1+X(Zr_YTi_1-Y)O_3+X表示的锆钛酸铅构成，其中，X大于等于0且小于等于0.3，Y大于等于0且小于等于0.55，压电膜具有拉伸应力。电极膜将电压施加给压电膜。
文档编号H01L41/18GK101436642SQ20081018147
公开日2009年5月20日 申请日期2008年11月14日 优先权日2007年11月15日
发明者小池伸幸, 田村孝 申请人:索尼株式会社