压电薄膜元件、微机电系统和超声波换能器的制作方法

本发明涉及一种压电薄膜元件、微机电系统和超声波换能器。

背景技术：

1、压电体根据各种目的而被加工成各种压电元件。例如，压电致动器通过对压电体施加电压而使压电体变形的逆压电效应，将电压转换为力。另外，压电传感器通过对压电体施加压力而使压电体变形的压电效应，将力转换为电压。这些压电元件搭载于各种电子设备中。在近年来的市场中，由于要求电子设备的小型化和性能的提高，所以正在积极地研究使用了压电薄膜的压电元件(压电薄膜元件)。然而，压电体越薄，越难以得到压电效应和逆压电效应，所以期待开发在薄膜的状态下具有优异的压电特性的压电体。

2、一直以来，具有钙钛矿结构的钛酸铅(pbtio3)或锆钛酸铅(pb(zr,ti)o3)多用于压电薄膜元件。例如，下述非专利文献1公开了一种使用由钛酸铅构成的外延薄膜的换能器。下述非专利文献1还公开了在由钛酸铅构成的外延薄膜的厚度纵向振动模式下产生的ghz频带的超声波用于指纹的成像。但是，钛酸铅和锆钛酸铅包含损害人体、环境的铅，所以期待无铅(lead-free)的压电体的开发。例如，下述专利文献1中，作为构成压电薄膜的压电体，公开了含有铋、钾、钛、铁和元素m，元素m为镁和镍中的至少一种，并且具有钙钛矿结构的金属氧化物。

3、现有技术文献

4、专利文献

5、专利文献1：日本特开2020-113649号公报

6、非专利文献

7、非专利文献1：佐藤等，pbtio3外延薄膜的基板背面的使用了反射率测量的ghz频带指纹成像(epitaxial pbtio3 ultrasonic transducer for fingerprint imaging inthe giga-hertz range using the reflectometry of back side of substrate)，第六十八届应用物理学会春季学术演讲会演讲预备稿集，2021年2月26日发行，01-073页

技术实现思路

1、发明要解决的技术问题

2、根据对高精度的传感和高通信速度的需求的增加，对传感器和通信设备等中使用的压电薄膜元件要求高频带(例如ghz频带)的谐振频率。随着压电薄膜的厚度的减少，谐振频率增加。但是，在使用了钛酸铅或锆钛酸铅等现有的压电体的压电薄膜元件的情况下，随着压电薄膜的厚度的减少，压电薄膜的压电特性(铁电性)容易劣化，压电薄膜元件的介电损耗(tanδ)容易增加。例如，伴随压电薄膜的厚度的减少的压电薄膜的压电特性(铁电性)的劣化起因于电极层和压电薄膜的界面中的无效层(dead layer)和尺寸效应等。根据上述理由，难以在高频带(例如ghz频带)中使用现有的使用了压电体的压电薄膜元件。

3、本发明的一个方面的目的在于提供一种具有高谐振频率且抑制介电损耗的压电薄膜元件、包含压电薄膜元件的微机电系统(micro electro mechanical systems；mems)和包含压电薄膜元件的超声波换能器(ultrasonic transducer)。

4、用于解决技术问题的手段

5、例如，本发明涉及以下的[1]～[10]。

6、[1]一种压电薄膜元件，其包括：

7、第一电极层；

8、压电薄膜，其与第一电极层重叠；和

9、第二电极层，其与压电薄膜重叠，

10、压电薄膜的性能指数p被定义为(d33,f)2×y/ε，

11、d33,f为压电薄膜的厚度纵向振动的压电应变常数，

12、y为压电薄膜的杨氏模量，

13、ε为压电薄膜的介电常数(permittivity)，

14、性能指数p为10％以上且80.1％以下。

15、[2]根据[1]所述的压电薄膜元件，其中，压电薄膜的-e31,f/e33大于0且为0.80以下。

16、[3]根据[1]或[2]所述的压电薄膜元件，其中，还包含至少一个中间层，

17、中间层配置在第一电极层与压电薄膜之间，

18、中间层包含srruo3和lanio3中的至少任一者。

19、[4]根据[1]～[3]中任一项所述的压电薄膜元件，其中，压电薄膜包含具有钙钛矿结构的金属氧化物，

20、金属氧化物包含铋、钾、钛、铁和元素m，

21、元素m为镁和镍中的至少一种元素。

22、[5]根据[4]所述的压电薄膜元件，其中，压电薄膜包含金属氧化物的四方晶，

23、四方晶的(001)面在压电薄膜的厚度方向上取向。

24、[6]根据[5]所述的压电薄膜元件，其中，四方晶的(001)面的间隔为c，

25、四方晶的(100)面的间隔为a，

26、c/a为1.05以上且1.20以下。

27、[7]根据[1]～[6]中任一项所述的压电薄膜元件，其中，压电薄膜的厚度为0.3μm以上且10μm以下。

28、[8]根据[1]～[7]中任一项所述的压电薄膜元件，其中，压电薄膜的厚度纵向振动的谐振频率为0.10ghz以上且2ghz以下。

29、[9]一种微机电系统，其包含[1]～[8]中任一项所述的压电薄膜元件。

30、[10]一种超声波换能器，其包含[1]～[8]中任一项所述的压电薄膜元件。

31、发明的效果

32、根据本发明的一个方面，提供一种具有高谐振频率并抑制介电损耗的压电薄膜元件、包含压电薄膜元件的微机电系统和包含压电薄膜元件的超声波换能器。

技术特征：

1.一种压电薄膜元件，其中，

2.如权利要求1所述的压电薄膜元件，其中，

3.如权利要求1所述的压电薄膜元件，其中，

4.如权利要求1所述的压电薄膜元件，其中，

5.如权利要求4所述的压电薄膜元件，其中，

6.如权利要求5所述的压电薄膜元件，其中，

7.如权利要求1所述的压电薄膜元件，其中，

8.如权利要求1所述的压电薄膜元件，其中，

9.一种微机电系统，其中，

10.一种超声波换能器，其中，

技术总结
压电薄膜元件包括第一电极层、与第一电极层重叠的压电薄膜、以及与压电薄膜重叠的第二电极层。压电薄膜的性能指数P被定义为(d<subgt;33,f</subgt;)<supgt;2</supgt;×Y/ε。d<subgt;33,f</subgt;是压电薄膜的厚度纵向振动的压电应变常数。Y是压电薄膜的杨氏模量。ε是压电薄膜的介电常数。性能指数P为10％以上且80.1％以下。

技术研发人员：佐藤祐介
受保护的技术使用者：TDK株式会社
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25