JP4333883B2 - モーションセンサ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
ピエゾ抵抗型、静電容量型は、加速度に対してそれぞれ、抵抗値変化、静電容量変化として信号を出力する。そのため、抵抗値または静電容量を電圧に変換する回路が必要となる。一方、圧電型は、加速度に対して電圧で信号を出力するため、電圧変換回路が不要である。
すなわち、圧電膜に有機材料を用いることで、耐衝撃性に非常に優れたセンサを製作することができる。
すなわち、圧電膜に有機材料を用いることで、耐衝撃性に非常に優れたセンサを製作することができる。また、梁を片持ち状態に支持することにより、1軸加速度を検出することができる。
さらに、前記錘は前記梁の先端部上に固着されていてもよい。
この実施形態のモーションセンサ1は、3軸加速度検出装置に用いられるものであり、図1及び図2に示すように、基板2と、その基板2に支持された平板状の梁3と、この梁3の中央部に設けられた錘4と、梁3の上面のほぼ全面に形成された圧電膜5と、この圧電膜5の上に形成された4個の電極6A〜6Dとを備える構成とされている。
前記基板2は、例えば硼珪酸ガラスにより、正方形の枠状に形成され、中央部に開口部7が形成されている。
前記梁3は、基板2の外形と同じ正方形の厚さが例えば5μmの板状に形成され、基板2の上面に、その開口部7を覆うように固着されている。この梁3の材料としては、Niが用いられるが、Niの他に、NiFe等のNi合金でも良い。
前記電極6A〜6Dは、梁3の上面における錘4Aの回りに該錘4Aを中心とする点対称に4個形成されている。この場合、各電極6A〜6Dは、ほぼ方形に形成されるとともに、錘4を介して2個ずつが対峙するようにかつ正方形の梁3のX軸及びY軸上に並んで配置されている。この電極6A〜6Dは、Al、Cu、Au、Pt、Ag、AlSi等の導電材料により、圧電膜5の上面に例えば1000Åの厚さでそれぞれ形成されている。
次に、このように構成したモーションセンサ1の製造方法について説明する。
図3から図17は、その製造方法を工程順に示す断面図である。
まず図3に示すように基板2を用意する。
次に図4に示すように、フォトリソグラフィー技術を用いて第1のレジスト11からなる所望のパターンを形成する。
次に図6に示すように、前記第1のレジスト11を有機溶媒で除去する。
次に図8に示すように、犠牲層15を前記第1のメッキシード層14上に成膜する。前記犠牲層15として例えば、Cuを厚さ300μm電解メッキを用いて成膜する。
次に図9に示すように、研削、研磨のうち少なくとも一方を用いて、基板2上の前記犠牲層15及び前記第1のメッキシード層14を除去し、前記基板2の表面を露出させる。
次に図11に示すように、前記基板2の裏面から研削、研磨の少なくとも一方を行い、前記第1のメッキシード層14(又は犠牲層15)を露出する。この工程により、前記凸部13は下部錘4Bとして形成される。
そして、図12に示すように、第2のメッキシード層3の上にフォトリソグラフィー技術で前記凸部13の上方に空間を形成するように第2のレジスト16からなる所望のパターンを形成する。
次に図14に示すように、前記第2のレジスト16を有機溶剤で除去する。
次に図15に示すように、前記梁3及び上部錘4Aの上に圧電膜5の層を成膜する。この圧電膜5の層としては、例えば蒸着重合法を用いて、ポリ尿素を1μmの厚さを成膜する。
このようにしてポリ尿素による圧電膜5の層を形成した後、図16に示すように、前記圧電膜5の層の上に電極の層17を成膜する。この電極の層17としては、例えば、Alを蒸着法にて1000Å成膜する。Alの代わりに、Cu、Au、Pt、Ag、AlSi等を用いても良い。
次に、この第3のレジスト18をマスクにして露出した電極の層17を除去することにより、図18に示すように、前記電極6A〜6Dを複数、この場合は4個のパターンに分離し、最後に、前記犠牲膜15、第1のメッキシード層14及び第3のレジスト18を除去すると、下部錘4Bが梁3(第2のメッキシード層)の中央に形成される。なお、図1では省略したが、この図18では圧電膜5は上部錘4Aの表面にも形成されている。
この状態で、電界と温度をかけて前記圧電膜5を分極させる。例えば、前記電極6A〜6Dに引き出し配線19を導電ペースト20等を用いて接続し、前記引き出し配線19を用いて、前記圧電膜5に電圧を80V印加するとともに、例えば180℃まで加熱することにより、分極化して圧電膜5となる。
このように本実施形態のモーションセンサであると、静電容量型に比べて、浮き電極構造を必要としないため、MEMSプロセスが簡素かつ低コストなものとなる。
さらに、この錘として、上部錘と下部錘とを梁の上下に配設した構成としたが、下部錘だけを設ける構成でもよい。
この一連の製造工程中におけるポリ尿素からなる圧電膜の層を成膜する方法について詳細に説明すると、このポリ尿素の成膜には蒸着重合法を用いる。芳香族ジアミン(4,4´−ジアミノジフェニルエーテル(ODA))と芳香族ジイソシアナート(4,4´ジフェニルメタンジイソシアナート(MDI))を真空中でそれぞれ加熱して蒸発させ、基板上に蒸着させる。
[化1]にODAとMDIの縮重合反応を示す。蒸着直後のポリ尿素はオリゴマーと呼ばれる同種の分子が数個〜数十個結合した重合体である。この時に電界を印加した状態で加熱すると約80℃からオリゴマー同士が重合反応を起こし100℃で数分加熱するとほぼ重合が終わり高分子膜となり、配向が固定され圧電性が発現する。
ポリ尿素蒸着槽22において、ODAとMDIとそれぞれ加熱、蒸発させ、上方に配置した基板2上に蒸着する。ポリ尿素を良好な圧電膜とするためにはモル比1:1でODAとMDIを供給する必要があることが確認されている。ここで用いる蒸着装置21においては、ODA及びMDIの加熱温度はそれぞれ62℃、122℃とすることで、モル比1:1でODAとMDIを供給できることが確認されている。基板2の温度は、基板2上部に設置したペルチェ素子24により15〜18℃に制御されている。
一方、電極蒸着槽23では、電子ビームを用いてAl電極を蒸着する。
なお、図19において、符号27は蒸着金属の量を計測する水晶発振子マイクロバランス(Quartz Microbalance)、符号28は基板を搬送するベルトコンベア、符号29は搬出入室、符号30は各蒸着槽及び搬出入室を区画するためのシャッターを示す。
また、感度も高く、例えば、ポリ尿素の圧電定数g280×10−3[Vm/N]は、セラミックス圧電膜PZT−4の圧電定数gに比べて、1桁以上大きなものとなる。
このように構成したモーションセンサ1において、梁3は、中央部に開口部7を有する基板2に支持されているので、いわゆる両持ち状態に支持されることになり、梁3の中央部を上下に変位させるようにして撓むことができる。
この梁3が下方に向けて凸となるように撓む場合、図20(a)にモデル化して示したように梁3の上面の圧電膜5には圧縮応力が作用する。この圧縮応力による圧電膜5上面の電極6の出力を+とする。一方、梁3が上方に向けて凸となるように撓む場合には、図20(b)に示すように梁3の上面の圧電膜5には引っ張り応力が作用する。この引っ張り応力による圧電膜5上面の電極6の出力を−(マイナス)とする。
図1に示すモーションセンサ1において、梁3の錘4を中心とするX方向、Y方向、Z方向を図のように規定する。
まず、図1のX方向に加速度が加わった場合、上下の錘4A、4Bの質量の相違により重心Gが梁3の中心よりも下方に配置されているため、梁3は図21(a)に示すように変形する。すなわち、錘4の重心位置GはX方向に対して反対の−(マイナス)方向に移動し、このX方向に沿って錘4の両側に配置される圧電膜5の一方の部分(X方向に対して+側の部分)には圧縮応力が働き、その部分に形成されている電極6Aには+の電荷が生じ、出力電圧は+となり、錘4に対して圧電膜5の他方の部分(X方向に対して−(マイナス)側の部分)には引っ張り応力が働き、その部分の上の電極6Cには−(マイナス)の電荷が生じ、出力電圧は−(マイナス)となる。なお、Y方向に沿う錘4の両側の部分には応力が働かず、その上の両電極6B,6Dの出力電圧は0となる。各電極6A〜6Dの出力電圧を図21(b)に示す。
また、Z方向に加速度が加わった場合は、Z軸の+方向の加速度の場合は、図22(a)に示すように、錘4がZ軸の−(マイナス)方向に移動して梁3が下方に向けて凸となるように撓むことにより、その梁3の上の圧電膜5には圧縮応力が働き、その上の各電極6A〜6Dには+の電荷が生じ、出力電圧は図22(b)に示すように全て+となる。Z軸の−(マイナス)方向の加速度の場合は、各出力電圧は全て−(マイナス)となる。
このように梁3の変形の方向と大きさを検出することにより、3軸の加速度を検出することができる。
図23には、3軸加速度を検出するための加速度検出装置を示す。
この加速度検出装置31は、図1に示すモーションセンサ1において、X軸に沿う電極6A,6C間の差動回路32を有するX軸加速度検知部33と、Y軸に沿う電極6B,6D間の差動回路34を有するY軸加速度検知部35と、すべての電極6A〜6Dの加算回路36を有するZ軸加速度検知部37とを備えた構成とされ、各軸の加速度を独立して検出することができるようになっている。すなわち、これら差動回路32,34、加算回路36、各加速度検知部33,35,37により出力検知手段38が構成される。
図24は、この加速度検出装置31において各軸の加速度による電極6A〜6Dの出力電圧を示しており、表中の「±」は上段が各軸の+方向に加速度が作用した場合、下段が−(マイナス)方向に作用した場合を示している。
このように、この加速度検出装置は、各電極の出力電圧から加速度の3軸の向き、大きさを的確に検出することができる。
図25及び図26は、第2実施形態のモーションセンサを示している。以下、前記第1実施形態の構成要素と同じ部分には同一符号を付して説明を簡略化する。
この実施形態のモーションセンサ41は、1軸加速度検出装置に用いられるものである。このモーションセンサ41においては、基板42と、その基板42に支持された梁43と、梁43の上面に形成された絶縁膜48と、この絶縁膜48の上に形成された下側電極49と、この下側電極49の上に形成された圧電膜44と、この圧電膜44の上に形成された電極45とを備える構成とされている。前記3軸加速度検出用の場合は梁3は両持ち状態に支持されていたのに対して、この1軸加速度検出用の場合は、梁43は基板42に片持ち状態に設けられている。
すなわち、基板42は、図示例の場合は、枠体部46の一つの辺に、中央の開口部47に延びるように前記梁43が一体に形成され、その梁43の上にポリイミドのフィルムからなる絶縁膜48を介して下側電極49が形成され、この下側電極49の上にポリ尿素からなる有機圧電膜44が形成され、この有機圧電膜44の上面に上側の電極45が形成されている。
また、図26に示すように、梁43は下側電極49よりも突出していることにより、その突出端部43aが錘として機能するようになっており、この錘43aによって梁43が上下に動くことにより、梁43の基端部に歪が発生し、その基端部付近に大面積で設けられた圧電膜44によってその歪を容易に検出することができるものである。
この例のように、錘は梁の上又は下に設けてもよいし、梁の延長上に設ける構成としてもよい。
このモーションセンサ41を製造する場合は、ポリイミドのフィルム48上に電極49、圧電膜44、電極45を積層した後、そのポリイミドのフィルム48を基板42に貼り付けることにより製造される。
すなわち、厚さ25μmのポリイミドのフィルム48に下部Al電極49を0.1μmの厚さで蒸着する。その上にポリ尿素の圧電膜44を3.5μmの厚さで形成し、上部Al電極45を1μmの厚さで蒸着する。ポリ尿素が圧電膜44として機能する範囲は上部電極45と下部電極49とが重なる範囲である。製作した素子50をバネ性を持つベリリウム銅からなる片持ちの梁43の固定部付近に接着し加速度センサとする。
このモーションセンサ41に加速度を付与すると、梁43の変形とともに圧電膜44が変形するので、この変形により電極45,49から電圧が出力される。その動作検証のために、以下のような実験を行った。
1軸加速度検出用モーションセンサ41を図28に示す測定装置61に固定し、衝撃を与えて衝撃加速度を印加した。
この測定装置61では、ジグ62の間にモーションセンサ41を挟み、EMIC社製加振器(512−D/A)63にNF社製発振器(WF1966)64を用いて正弦波を入力し、ポリテック社製レーザドップラ振動計(CLV1000)65を用いてセンサジグ62の振動速度を測定し、測定した値から振動加速度を算出する。印加する振動加速度が1g(9.8m/s2)で一定となるように、発振器64及びアンプ66の出力を調整した。符号67はオシロスコープを示す。
図30には、この図29に示された減衰振動のFFT解析結果を示す。FFT解析は、図29に示す時間波形の0.03〜0.031sの範囲に適用した。機械的共振周波数は約320Hzであった。
図31にモーションセンサ41の周波数特性を示す。共振周波数は313Hzであり、図30のFFT解析結果からの得られた共振周波数とほぼ一致している。また非共振周波数での出力電圧は約10mV/gであった。
図32及び図33は第3実施形態のモーションセンサを示している。
この実施形態のモーションセンサ71も、1軸加速度検出用であり、基板72と、その基板72に片持ち状態に支持された導電性材料からなる梁73と、この梁73に設けられた錘74と、梁73の上面に形成された圧電膜75と、この圧電膜75の上に形成された電極76とを備える構成とされている。
この場合、梁73は、その基端部がV字状に分岐されており、その分岐端部73a,73bの一方では梁73が露出され、この露出状態の梁73の分岐端部73aと、他方の分岐端部73bにおける梁73の上面の電極76とがそれぞれ外部の検出回路に接続される。
すなわち、この例では、梁73が導電性材料からなり、この梁73及びメッキシード層78が圧電膜75に対する下側電極を兼ねた構成とされている。
図34に示すように、例えばガラスセラミックスからなる基板72に凹部77を形成する。
次に、図35に示すように、第1のメッキシード層81を成膜する。この第1のメッキシード層81として、例えばCuをスパッタ法にて3000Å成膜する。また、前記第1のメッキシード層81を成膜する前に密着層として、Crを500Aを成膜しても良い。
次に、図36に示すように、犠牲層82を前記第1のメッキシード層81上に成膜する。前記犠牲層82として、例えばCuを厚さ300μmで電解メッキを用いて成膜する。
次に図37及び図38に示すように、研削、研磨のうち少なくとも一方を用いて、基板72上の前記犠牲層82及び前記第1のメッキシード層81を除去し、前記基板72の表面を露出させる。
次に図40に示すように、前記基板72上に第1のレジスト84を所望のパターンで形成する。
次に図41に示すように、前記第1のレジスト84をマスクにして、梁73を第2のメッキシード層83上にメッキする。この梁73としては、例えばNiを電界メッキ法にて50μm成膜する。Niの他に、NiFe等のNi合金を用いても良い。この梁73は図42に示すように、基端部がV字状に分岐して、二つの分岐端部73a,73bが形成されている。
次に図44に示すように、フォトリソグラフィー技術で第2のレジスト85を梁73の先端部を除く所望のパターンに形成する。
そして図45及び図46に示すように、前記第2のレジスト85をマスクにして、前記梁73上に錘74をメッキする。この錘74としては、例えばNiを電界メッキ法にて50μm成膜する。Niの他に、NiFe等のNi合金を用いても良い。
次に図47に示すように、前記第2のレジスト85を有機溶剤で除去する。
尚、図44から図47の錘74を形成する工程を省略しても良い。
次に図48及び図49に示すように、前記梁73及び前記錘74をマスクにして、不要な第2のメッキシード層83を除去することにより、梁73の下側に形成されるメッキシード層78とする。
次に図50及び図51に示すように、前記犠牲膜82及び第1のメッキシード層81をウエットエッチングで除去すると、梁73が片持ち状態に支持された構成となる。
尚、梁73の片持ち状態が維持されるのであれば、梁73の下方の部分で基板72の一部(下部)を切断しても良く、図50の鎖線で示す位置でダイサー等で切断することも可能である。
次に図54及び図55に示すように、前記圧電膜75上に前記電極76を成膜する。この電極76としては、例えばAlを蒸着法にて1000Å成膜する。Alの代わりに、Cu、Au、Pt、Ag、AlSi等を用いても良い。
そして、前記マスク84を除去すると図32及び図33に示すように梁73の一方の分岐端部73aが露出する。この露出した分岐端部73aと他方の分岐端部73bの上の電極76との間に、電界と温度をかけて前記圧電膜75を分極させる。例えば、前記分岐端部73aと電極76とに引き出し配線19を導電ペースト20(いずれも図32,図33参照)等を用いて接続し、前記圧電膜75に電圧を80V印加するとともに、180℃まで加熱することにより、圧電膜75を分極する。
また、この工程を用いると、梁を先端部から見たときに、電極の幅が最も大きく、次いで有機圧電膜の幅、梁の幅の順となり、電極幅>有機圧電膜の幅>梁の幅の関係が成立することになる。
速度Vで運動する質量Mの物体が角速度Ωで回転すると、速度Vと垂直の方向にコリオリの力Fcが働く。フーコーの振り子は、振動している振り子に外部から回転を与えると、振り子は円を描きながら振れ出すが、これは振り子の振動方向に垂直な「コリオリの力」が働くからである。このコリオリの力Fcは、Fc=2MV・Ωで与えられる。
このコリオリの力を利用した回転速度検出装置が図56である。
この回転速度検出装置91は、図1及び図2に示した第1の実施形態のモーションセンサ1が用いられ、その4個の電極6A〜6Dのうち、例えばX軸に沿って並ぶ二つの電極6A,6Cの間に励振電圧印加手段として交流電源92が接続され、他の二つの電極6B,6Dの間に、出力検知手段93が接続され、この出力検知手段93には差動回路94と回転速度検出部95とが備えられている。
励振のための電極と検出のための電極をX軸、Y軸逆にして用いても、同様にコリオリの力を測定でき、Z軸周りの回転速度を検出することができる。
図58は傾斜角検出装置の実施形態を示している。
この傾斜角検出装置101に用いられるモーションセンサ102は、4個の電極103A〜103DがいずれもX軸に沿って配置されており、錘4の両側に2個ずつ配置されている。そして、その外側の電極103A,103D間に励振電圧印加手段として交流電源92が接続され、内側の電極103B,103C間に、出力検知手段104として、差動回路105を介して傾斜角検出部106が接続されている。
なお、図61に示す傾斜角検出装置107のようにY軸に沿って電極103A〜103Dを並べて配置することにより、Y軸方向の傾斜角を検出することができる。
図62は圧力検出装置の実施形態を示している。
この圧力検出装置111は、検出部を除き図56の回転速度検出装置と同様な構成とされている。すなわち、モーションセンサは図1及び図2のものと同じモーションセンサ1が用いられており、錘4を介して対向する2個の電極6A,6C間に励振電圧印加手段として交流電源92が接続され、他の2個の電極6B,6D間に出力検知手段112が接続され、この出力検知手段112は、差動回路93を介して圧力検出部113が接続された構成とされている。
この場合、図64に示す圧力検出装置115のように、このモーションセンサ116は、錘4とその周りの4個の電極6A〜6Dとのユニットをアレイ状に複数配置した構成とすることにより、圧力の大きさや向きだけでなく、分布も検出することができる。この図64中、励振電圧印加手段、出力検知手段の部分は図示を省略する。
また、図62及び図64の圧力検出装置111,115において、振動している錘4を触る場合、静止している錘4を触るときとは異なった「手触り感」がある。この手触り感は、振動の周波数の変化と入力電圧の強度とにより、変化させることができる。
図65は、そのような触覚制御装置の実施形態を示しており、この触覚制御装置121は、図62等と同じモーションセンサ1を用い、錘4を介して対向する2個の電極6A,6C間に励振用の交流電源92が接続され、他の2個の電極6B,6D間に、出力検知手段112として、差動回路93を介して圧力検出部113が接続され、この圧力検出部113と交流電源92との間に、検出結果に基づき入力を制御する制御部122が設けられた構成とされている。
この場合も、図64の圧力検出装置115と同様に、錘4とその周りの4個の電極6A〜6Dとのユニットをアレイ状に複数配置したモーションセンサ116を用いることにより、点字ディスプレイ状の触覚制御装置を構成することができる。
また、X軸、Y軸の2つの振動を組み合わせて、上部錘4A先端に楕円振動軌跡となるような振動を生じさせると、その錘4に触った指に「送られる」感じを与えることができる。
また、有機圧電膜をポリ尿素によって構成しているが、ポリ尿素の代わりに、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)等の圧電高分子やAlNやZnO等の圧電セラミックスを用いることを除外するものではなく、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)、P(VDF/TrFE)=VDF(フッ化ビニリデン)とTrFE(三フッ化エチレン)の共重合体、P(VDF/TeFE)=VDF(フッ化ビニリデン)とTeFE(四フッ化エチレン)の共重合体、P(VDCN/ VAc)=VDCN(シアン化ビニリデン)とVAc酢酸ビニルの交互共重合体の少なくともいずれかを含むものとしてもよい。
Claims (5)
- 平板状の基板にその表面から窪む凹部を形成する第1工程と、
前記基板の表面及び凹部内にわたって犠牲層を成膜する第2工程と、
前記基板の表面が露出するように、当該表面上の前記犠牲層を研削及び研磨のうち少なくとも一方により除去することで、前記凹部内の前記犠牲層が前記基板の表面と共に同一平面をなす第3工程と、
前記基板の表面及び前記犠牲層上にわたって、基端部が前記基板の表面に固着されると共に先端部が前記凹部の上方に臨む梁を導電性材料により形成する第4工程と、
前記凹部内の前記犠牲層を除去する第5工程と、
蒸着重合法により、前記梁の上及び前記基板の上にわたって、有機圧電材料からなる圧電膜を成膜する第6工程と、
蒸着法により、前記梁の上面に形成された前記圧電膜上に金属材料からなる電極を成膜する第7工程とを順番に実施し、
前記第4工程において、前記梁の基端部がV字状に分岐して二つの分岐端部として形成され、
前記第5工程と前記第6工程との間に、一方の分岐端部をマスクで保護し、
前記第7工程後に、前記マスクを除去して前記一方の分岐端部を露出させることを特徴とするモーションセンサの製造方法。 - 前記第4工程と前記第5工程との間に、前記梁の先端部上に錘を形成することを特徴とする請求項1に記載のモーションセンサの製造方法。
- 表面から窪む凹部が形成された基板と、基端部が前記凹部の周辺に位置する前記基板の表面に固着されると共に先端部が前記凹部の上方に臨ませられることで、前記基板に片持ち状態に支持された梁と、当該梁に設けられた錘とを備え、
前記梁が導電性材料からなり、
前記梁の上及び前記基板の上にわたって有機圧電材料からなる圧電膜が形成され、
前記梁の上面に形成された前記圧電膜上に電極が形成され、
前記梁の基端部がV字状に分岐され、
一方の分岐端部では前記梁が外方に露出し、
他方の分岐端部における前記梁の上面には前記圧電膜及び前記電極が重ねて形成されていることを特徴とするモーションセンサ。 - 前記有機圧電材料がポリ尿素であることを特徴とする請求項3に記載のモーションセンサ。
- 前記錘が前記梁の先端部上に固着されていることを特徴とする請求項3または請求項4に記載のモーションセンサ。
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