WO2007123278A1 - 圧電/電歪膜型素子 - Google Patents
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- H10N30/875—Further connection or lead arrangements, e.g. flexible wiring boards, terminal pins
Definitions
- the present invention relates to a piezoelectric electrostrictive film element utilizing vibration characteristics of a thin diaphragm portion.
- the bending displacement of the thin diaphragm portion can be reduced.
- sensors that detect the characteristics (eg, fluid characteristics, sound pressure, minute weight, acceleration, etc.) of the medium close to the thin diaphragm section for example, microphone mouthphone and viscosity sensor.
- JP-A-8-20 1265 (Patent Document 1), JP-A-2002-261347 (Patent Document 2) and JP-A-2005-322890 (Patent Document 3) include The piezoelectric Z electrostrictive membrane element is disclosed.
- This piezoelectric electrostrictive film type sensor utilizes the fact that there is a correlation between the amplitude of the piezoelectric / electrostrictive film type vibrator and the viscosity resistance of the fluid in contact with the vibrator. It is configured to measure properties such as viscosity.
- the vibrator when the vibrator is vibrated in the presence of the fluid, the vibrator receives a mechanical resistance due to the viscosity of the fluid.
- the mechanical vibration form of the vibrator can be replaced with an equivalent electric circuit. Therefore, the electrical constant of the equivalent circuit of the piezoelectric / electrostrictive film constituting the vibrator changes based on the viscous resistance that the vibrator receives. By detecting this change in electrical constant, properties such as viscosity, density, and concentration of the fluid can be measured.
- the fluid whose characteristics can be measured by such a piezoelectric Z electrostrictive film type sensor includes both liquid and gas.
- the liquid to be measured naturally includes, for example, a single component liquid consisting only of a main medium selected from water, alcohol, oil and the like. Not only soluble in such a main medium, poorly soluble, or insoluble Liquids to be measured can also be added (slurry, paste, etc.) with other soluble media added (dissolved, mixed, dispersed, or suspended).
- the above-mentioned electrical constants include loss factor, phase, resistance, reactance, conductance, susceptance, inductance, capacitance, and the like.
- a loss coefficient or phase having one maximum or minimum change point near the resonance frequency of the equivalent circuit is preferably used.
- the viscosity of the fluid but also the density and concentration can be measured.
- the sulfuric acid concentration in a sulfuric acid aqueous solution can be measured.
- a change in resonance frequency can be used in addition to the electrical constant as described above, unless there is a particular problem from the viewpoint of measurement accuracy and durability.
- an object of the present invention is to provide a piezoelectric electrostrictive membrane element having more excellent element characteristics and durability.
- a piezoelectric electrostrictive film type element of the present invention includes a substrate, a lower electrode, a piezoelectric electrostrictive film, and an upper electrode.
- the substrate includes a thin diaphragm part and a thick part formed around the diaphragm part.
- the lower electrode is formed on the substrate so as to straddle the thin diaphragm portion and the thick portion.
- the piezoelectric Z electrostrictive film is formed on the lower electrode.
- the upper electrode is provided on the piezoelectric / electrostrictive film so as to face the thin diaphragm portion.
- a feature of the present invention is that the upper electrode in the piezoelectric z electrostrictive film type element including the substrate, the lower electrode, the piezoelectric Z electrostrictive film, and the upper electrode includes the thin diaphragm portion.
- An upper electrode body formed in a planar shape substantially similar to the planar shape of And a connecting portion provided to connect to the upper electrode main body portion of the.
- the upper electrode main body portion is provided so as to face the thin diaphragm portion.
- the connection portion is formed to have a narrower width than the upper electrode main body portion.
- the piezoelectric electrostrictive membrane element of the present invention corresponds to the upper electrode main body based on a predetermined input voltage applied between the upper electrode main body and the lower electrode.
- the thin diaphragm portion that vibrates vibrates.
- a predetermined output is generated between the upper electrode main body and the lower electrode in accordance with the vibration state of the thin diaphragm portion and Z or a change thereof.
- the planar shape of the upper electrode main body is formed into a planar shape substantially similar to the planar shape of the thin diaphragm portion.
- the vibration state of the thin diaphragm portion can be more efficiently set to a predetermined state based on the input voltage.
- the vibration state of the thin diaphragm portion can be more efficiently reflected in the output.
- high output can be obtained without increasing the input voltage. Therefore, according to the present invention, generation of cracks in the piezoelectric electrostrictive film can be suppressed, and durability can be improved, so that a more excellent piezoelectric Z electrostrictive film type element can be obtained.
- the piezoelectric / electrostrictive membrane element of the present invention may further be provided with a trapping electrode.
- the auxiliary electrode is formed on the substrate so as to straddle the end of the thin diaphragm portion and the thick portion and to be separated from the lower electrode. And this auxiliary electrode is connected with the said connection part.
- a piezoelectric / electrostrictive film type element is configured as follows.
- the lower electrode is formed on the substrate from the thick part adjacent to one end of the thin diaphragm part, one at a position closer to the one end than the other end facing the one end of the thin diaphragm part. ing. Further, the auxiliary electrode is separated from the lower electrode from the thick part adjacent to the other end of the thin diaphragm part to a position closer to the one end than the other end of the thin diaphragm part. As described above, it is formed on the substrate. That is, the lower electrode and the auxiliary electrode are substantially the same. It is formed on the plane with a predetermined gap. And this gap
- the thin-walled diaphragm portion is formed on the one-end side of the thin-walled diaphragm portion, in other words, on the thin-walled diaphragm portion.
- the piezoelectric electrostrictive film is formed on the lower electrode and the auxiliary electrode so that the end portion of the lower electrode and the end portion of the auxiliary electrode are exposed on the thick portion.
- the upper electrode main body is provided so as to face the thin diaphragm portion with the lower electrode and the piezoelectric / electrostrictive film interposed therebetween.
- the connection part is provided on the piezoelectric electrostrictive film and the assisting electrode so as to connect the upper electrode main body part and the auxiliary electrode.
- the bending stress becomes maximum at the connection portion between the thin diaphragm portion and the thick portion, that is, at the one end and the other end of the thin diaphragm portion. If a defect such as a notch or a microcrack consisting of a discontinuous material is present at this location, stress concentration occurs at the defect, and fatigue cracks develop in the piezoelectric / electrostrictive film starting from the defect. It becomes. However, in the above-described configuration, the gap is not formed at positions corresponding to the one end and the other end of the thin diaphragm portion.
- the piezoelectric / electrostrictive film is connected to the auxiliary electrode having the same potential in the vicinity of the other end of the thin diaphragm portion across the thin diaphragm portion and the thick portion. Provided between the upper electrode. That is, a portion (inactive portion) where an electric field is not applied to the piezoelectric z electrostrictive film is generated in the vicinity of the other end of the thin diaphragm portion. In other words, the position where the thin diaphragm portion is bent and deformed by the application of the electric field is the “inner side” of the thin diaphragm portion than the other end.
- the thin diaphragm portion can be excited efficiently.
- the vibration state of the thin diaphragm portion between the upper electrode and the lower electrode is at the center of the thin diaphragm portion where the stretching stress in the plane direction of the piezoelectric / electrostrictive film is maximized.
- the corresponding output is generated efficiently.
- the piezoelectric z electrostrictive membrane element of the present invention may be further provided with a catching connection portion.
- the auxiliary connection portion is provided so as to connect the upper electrode main body portion and the auxiliary electrode.
- the upper electrode main body and the auxiliary electrode are electrically connected through two mutually independent paths, that is, the connecting portion and the assisting connecting portion.
- the electrical connection between the upper electrode main body and the auxiliary electrode can be more reliably maintained. Therefore, the durability of the piezoelectric z electrostrictive membrane element can be further improved.
- the piezoelectric electrostrictive active portion which is a portion of the piezoelectric electrostrictive film sandwiched between the upper electrode main body portion and the lower electrode, has the above thin wall. It is preferable to be provided only on the diaphragm portion.
- the piezoelectric electrostrictive active portion which is a portion to which an electric field is applied, of the piezoelectric / electrostrictive film exists only on the thin diaphragm portion. Therefore, according to such a configuration, the acquisition of the output between the upper electrode and the lower electrode according to the excitation of the thin diaphragm portion or the vibration state of the thin diaphragm portion can be performed more efficiently. .
- the value of the ratio of the dimension of the piezoelectric electrostrictive film to the dimension of the thin diaphragm portion in the width direction or the length direction perpendicular to the width direction is 0.95 or less. It is further preferable that That is, when the width or length of the thin diaphragm portion is set to 1, the piezoelectric / electrostrictive film has a main width of the piezoelectric / electrostrictive film of 0.95 or less. It is further preferable that such a portion is formed inside the outer shape of the thin diaphragm portion in plan view.
- the bending deformation of the end portion of the thin diaphragm portion located outside the piezoelectric / electrostrictive film is mechanically affected by the piezoelectric Z electrostrictive film. It can occur in a relatively free state from restraint.
- the excitation of the thin diaphragm portion or the acquisition of the output between the electrodes can be performed more efficiently.
- the piezoelectric z electrostrictive film By suppressing the generation of cracks, the durability of the piezoelectric / electrostrictive membrane element can be further improved.
- the upper electrode main body may be formed with an inactive portion composed of a through hole or a notch.
- a region having a weak applied electric field is formed in the piezoelectric electrostrictive active portion, which is a portion sandwiched between the upper electrode main body portion and the lower electrode in the piezoelectric electrostrictive film. Is done.
- the stress in the piezoelectric film is reduced due to the expansion / contraction of the piezoelectric / electrostrictive film. Therefore, the generation of cracks in the piezoelectric / electrostrictive film is suppressed, and the durability of the piezoelectric / electrostrictive film type element can be further improved.
- the thin diaphragm portion and the upper electrode main body portion are formed so that the value of the aspect ratio, which is the ratio of width to length, is approximately 1.2 or more. According to this configuration, more excellent element characteristics can be obtained by increasing the bending displacement in the thin diaphragm portion.
- FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a piezoelectric electrostrictive membrane element for a fluid sensor according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 1 (A) is a plan view of the piezoelectric / electrostrictive film type element of the present embodiment.
- FIG. 1 (B) is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. 1 (A).
- Figure 1 (A) is a diagram showing a configuration of a piezoelectric electrostrictive membrane element for a fluid sensor according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 1 (A) is a plan view of the piezoelectric / electrostrictive film type element of the present embodiment.
- FIG. 1 (B) is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. 1 (A).
- Figure 1 (B) is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. 1 (A).
- C) is a cross-sectional view taken along the line CC in Fig. 1 (A).
- FIG. 2 is a plan view of the piezoelectric Z electrostrictive membrane element shown in FIG.
- FIG. 3 is a plan view showing the configuration of one modification of the upper electrode shown in FIG.
- FIG. 4 is a plan view showing another modification of the configuration of the upper electrode shown in FIG. 3.
- FIG. 5 is a plan view showing the configuration of still another modification of the upper electrode shown in FIG. It is a figure.
- FIG. 6 shows the lower electrode and auxiliary power in the piezoelectric electrostrictive membrane element shown in Fig. 1.
- FIG. 10 is a cross-sectional view showing one modification of the configuration around the gap between the poles.
- FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a piezoelectric electrostrictive membrane element 10 for a fluid sensor according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 1 (A) is a plan view of the piezoelectric / electrostrictive film type element 10 of the present embodiment.
- FIG. 1 (B) is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. 1 (A).
- FIG. 1 (C) is a cross-sectional view taken along line C-C in FIG. 1 (A).
- the piezoelectric / electrostrictive film type element 10 includes a substrate 11.
- the substrate 11 is provided with a thin diaphragm portion 1 1 a.
- the thin diaphragm portion 1 1 a is formed in a substantially rectangular planar shape in order to simplify the excited resonance mode.
- Thin diaphragm portion 1 1 a of this includes a distal end 1 1 a 1 and a proximal end 1 1 a 2 in the length direction L, as a fixed end side edge 1 1 a 3 on both sides in the width direction W, and bending deformation Configured to get.
- the thin diaphragm portion 11 a is formed to a thickness of 50 m or less, preferably 30 ⁇ m or less, more preferably 15 ⁇ m or less.
- a thick portion 1 1 b is formed around the thin diaphragm portion 1 1 a on the substrate 11 1.
- the thick part lib is formed integrally with the thin diaphragm part 1 1 a.
- the thick part 1 1 b is formed to be sufficiently thicker than the thin diaphragm part 1 1 a.
- the substrate ll may be subjected to a heat treatment process in the manufacturing process of the piezoelectric Z electrostrictive membrane element 10 and may sense the characteristics of the corrosive fluid, It is made of a material with stability and insulation.
- the substrate 11 is made of a material selected from, for example, aluminum oxide, magnesium oxide, mullite, aluminum nitride, silicon nitride, glass, stabilized zirconium oxide, and the like.
- stabilized zirconium oxide is used as a material for the substrate 11 because it has high mechanical strength and excellent toughness even when the thin diaphragm portion 11 a is formed thin. It can be particularly suitably used.
- the substrate 11 has a cavity 1 1 c and a through hole 1 1 d.
- the cavity 11 c is a cavity portion that accommodates a fluid that is a sensing object in the piezoelectric / electrostrictive membrane element 10 of the present embodiment, and is formed at a position corresponding to the thin diaphragm portion 11 a. ing.
- the through hole 11 d is formed along the thickness direction of the substrate 11.
- the through hole l i d is provided so as to open on the lower surface of the substrate 11, and is formed so that the rear surface side and the cavity 11 c can communicate with each other.
- the lower electrode 12 is formed on the upper surface of the substrate 11 1 so as to straddle the thin diaphragm portion 11a and the thick portion 11b.
- the lower electrode 1 2 is formed from the thin-walled diaphragm portion 1 1 a by the thick-walled portion 1 1 a 1 adjacent to the tip 1 1 a 1 of the thin-walled diaphragm portion 1 1 a, Is also formed over the position on the tip 1 1 a 1 side.
- the lower electrode 12 is fixed to the upper surface of the substrate 11 1 and is provided integrally with the substrate 11.
- the lower electrode 12 is made of an electrode material mainly composed of platinum, palladium, rhodium, silver, or an alloy thereof.
- the lower electrode 12 is formed by various known film formation methods (specifically, for example, ion beam, sputtering, vacuum deposition, CVD, ion plating, plating, thin film formation methods, screen printing, spraying, dating, etc. Etc.).
- the auxiliary electrode 13 is formed on the upper surface of the substrate 11 1 so as to straddle the base end 11 a 2 and the thick portion 11 b of the thin diaphragm portion 11 a.
- the auxiliary electrode 1 3 has a base part 1 1 a 2 of the thin diaphragm part 1 1 a 2, and a base part 1 1 a 2 of the thin diaphragm part 1 1 a 2. Rather than the tip 1 1 a 1 side.
- the auxiliary electrode 13 is also provided integrally with the substrate 11 by being fixed on the upper surface of the substrate 11.
- the auxiliary electrode 13 is provided on substantially the same plane as the lower electrode 12.
- a predetermined gap 14 is provided between the auxiliary electrode 13 and the lower electrode 12 in order to electrically insulate them from each other. That is, the assisting electrode 13 is provided so as to be separated from the lower electrode 12 with a gap 14 therebetween.
- the gap 14 is provided at a position closer to the distal end 11a1 than the proximal end 1la2 of the thin diaphragm portion 11a, in other words, on the thin diaphragm portion 11a.
- the auxiliary electrode 13 is composed of an electrode material mainly composed of platinum, palladium, rhodium, silver, or an alloy thereof.
- the auxiliary electrode 13 is formed by various known film forming techniques as described above.
- the piezoelectric / electrostrictive film 15 is formed on the lower electrode 12 and the auxiliary electrode 13 so as to straddle the lower electrode 12 and the auxiliary electrode 13.
- the piezoelectric electrostrictive film 15 is provided so as to cover both ends in the width direction W of the lower electrode 12.
- the piezoelectric / electrostrictive film 15 is integrally provided on the lower electrode 12 and the auxiliary electrode 13 by being fixed on the lower electrode 12 and the auxiliary electrode 13.
- the piezoelectric electrostrictive film 15 is formed by various known film forming methods similar to the lower electrode 12 and the auxiliary electrode 13 as described above.
- the piezoelectric / electrostrictive film 15 is so exposed that the end of the lower electrode 12 and the end of the trapping electrode 13 are exposed on the thick part 11 b at both ends along the length direction L. Is formed.
- a lead terminal is constituted by the end portions of the lower electrode 12 and the auxiliary electrode 13 exposed on the thick portion 11 b in this manner.
- the piezoelectric / electrostrictive film 15 is made of any material exhibiting a piezoelectric / electrostrictive effect. Specifically, the piezoelectric electrostrictive film 15 is composed of lead zirconate, lead titanate, zirconate titanate.
- Lead-based ceramic piezoelectric / electrostrictive materials such as lead zirconate (P ZT), barium titanate and chitapari-based ceramic ferroelectrics based on this, polymers represented by polyvinylidene fluoride (PVD F) piezoelectric material or, (Bi .. 5 Na., 5) in Ti_ ⁇ 3 is constructed from a material selected from the represented Ru Bi-based ceramic piezoelectric material or the like.
- the PZT piezoelectric material is most preferably used because of its high piezoelectric characteristics and high sensitivity detection.
- the piezoelectric / electrostrictive film 15 includes a piezoelectric electrostrictive active part 15 a, an incompletely connected part 15 b, an overhang part 15 c, and an incompletely connected part 15 d. .
- the piezoelectric electrostrictive active portion 15 a is formed between the lower electrode 12 and the upper electrode main body portion 16 a which is a main part of the upper electrode 16 formed on the piezoelectric Z electrostrictive film 15. It consists of the part between.
- the piezoelectric Z electrostrictive active portion 15 a is provided only on the thin diaphragm portion 11 a.
- the incompletely coupled portion 15 b is provided so as to protrude into the gap 14.
- This incompletely bonded portion 15 b is a portion where the bonding state to the substrate 11 is incomplete (incompletely bonded state). Specifically, the incompletely bonded portion 15 b is incompletely bonded to the substrate 1 1 so that the peel strength from the substrate 1 1 is 0.5 kgZ ⁇ 2 or less. Has been.
- the overhanging portion 15 c is an end portion of the piezoelectric film 15 in the width direction W, and is provided so as to protrude from the upper electrode 16 to the side. It is.
- An incompletely coupled portion 15 d is provided below the projecting portion 15 c so as to cover the lower electrode 12 from the side. This incompletely coupled portion 15 d is also a portion where the coupling state with respect to the substrate 11 is incomplete, like the incompletely coupled portion 15 b described above.
- the upper electrode 16 described above is provided so as to extend from the piezoelectric electrostrictive film 15 to the auxiliary electrode 13.
- the upper electrode 16 is integrally provided with the piezoelectric / electrostrictive film 15 and the auxiliary electrode 13 by being fixed on the piezoelectric electrostrictive film 15 and the auxiliary electrode 13.
- the upper electrode 16 is made of a conductive material having high bonding properties with the piezoelectric / electrostrictive film 15. It is formed by the same film formation method as the lower electrode 12 and the capture electrode 13.
- the upper electrode 16 is composed of an upper electrode body portion 16 a and a connection portion 16 b.
- the upper electrode main body portion 16 a is disposed so as to face the thin diaphragm portion 11 a with the lower electrode 12 and the piezoelectric electrostrictive film 15 interposed therebetween.
- the upper electrode body portion 16 a is formed in a planar shape that is substantially similar to the planar shape of the thin diaphragm portion 11 a.
- the connecting portion 16 b is formed to have a narrower width than the upper electrode body portion 16 a.
- the connecting portion 16 b is provided on the piezoelectric electrostrictive film 15 and the auxiliary electrode 13 so as to connect the upper electrode main body portion 16 a and the auxiliary electrode 13. That is, one end of the connection portion 16 is formed integrally with the upper electrode main body portion 16 a so as to be connected to the upper electrode main body portion 16 a. Further, the other end of the connecting portion 16 b is electrically connected to the auxiliary electrode 13 by being joined to the capturing electrode 13.
- FIG. 2 is a plan view of the piezoelectric Z electrostrictive membrane element 10 shown in FIG. 1, and corresponds to FIG. 1 (A).
- the upper electrode body portion 16 a (and the thin diaphragm portion 1 la) has an aspect ratio value of approximately 1.2 or more, which is a ratio of width to length. It is formed as follows.
- An electrode main body 16a is formed.
- the ratio of the piezoelectric / electrostrictive film width Wp to the thin diaphragm portion width Wd (Wd / Wp) is 0.95 or less, and Thin diaphragm part 1 1 a and piezoelectric / electrostrictive film so that the ratio (L d / L p) of piezoelectric electrostrictive film length L p to thin diaphragm part length L d is 0.95 or less. 1 5 is formed. That is, the main part of the piezoelectric / electrostrictive film 15 (see Fig. 1 Piezoelectric electrostrictive active portion 15 5 a) Force is formed inside the outer shape of the thin diaphragm portion 11 1 a in plan view.
- the auxiliary connecting portion 17 is provided to electrically connect the upper electrode body portion 16 a and the auxiliary electrode 13 independently of the connecting portion 16 b. Yes. That is, in the piezoelectric electrostrictive membrane element 10 of the present embodiment, the upper electrode 16 and the auxiliary electrode 13 are electrically connected via a plurality of mutually independent paths.
- the auxiliary connection portion 17 is disposed at a position as far as possible from the connection portion 16 b.
- the lower electrode 12 and the auxiliary electrode 13 are formed by screen printing on the upper surface of the substrate 11 formed in the predetermined shape as described above.
- the piezoelectric / electrostrictive film 15 and the substrate 11 are not in direct contact with each other at the position corresponding to the incompletely coupled portions 15 b and 15 d on the upper surface of the substrate 11.
- a dummy layer is formed by a screen printing method. This dummy layer is a film made of a synthetic resin material that disappears by combustion in a heat treatment step described later when a piezoelectric electrostrictive film 15 described later is fired.
- the piezoelectric Z electrostrictive film 15 is formed through a coating process by a screen printing method and a heat treatment process for baking the coating film by the coating process.
- the above-described dummy layer disappears, so that incompletely coupled portions 15 b and 15 d are formed.
- the upper electrode 16 is formed by a screen printing method. Then, the laminate of the upper electrode 16, the piezoelectric / electrostrictive film 15, the auxiliary electrode 13, the lower electrode 12, and the substrate 11 is heat-treated. As a result, the layers of the laminate are integrated by being firmly fixed to each other.
- the piezoelectric Z electrostrictive film 15 is polarized by applying a predetermined high voltage between the upper electrode 16 and the lower electrode 12.
- the fluid to be measured is introduced into the cavity 11 c through the through hole l i d. Also, the measured fluid in the cavity 11c is discharged from the cavity 11c through the through hole 11d.
- the piezoelectric / electrostrictive active portion 15 a in the piezoelectric Z electrostrictive film 15 is deformed by the piezoelectric inverse effect. Due to the deformation of the piezoelectric electrostrictive film 15, the thin diaphragm portion 11 a is bent and deformed. The thin diaphragm portion 11 a is excited at a predetermined resonance frequency by applying the drive voltage described above.
- the vibration of the thin diaphragm portion 1 1 a is subjected to viscous resistance by the fluid in the cavity 1 1 c. Based on this viscous resistance, the vibration state of the thin-walled diaphragm portion 1 1 a and its change are the result of the piezoelectric Z electrostrictive active portion 15 5 a of the piezoelectric / electrostrictive film 15 between the upper electrode 16 and the lower electrode 12 It appears as a stretched state and its change.
- the expansion / contraction state of the piezoelectric / electrostrictive active portion 15 a and its change appear as a waveform of the output voltage between the upper electrode 16 and the lower electrode 12 and its change. By analyzing the waveform of the output voltage and its change, the characteristics of the fluid to be measured introduced into the cavity 11 c can be determined.
- the gap 14 and the incompletely coupled portion 15 constituting the material discontinuous portion have a bending stress in the thin diaphragm portion 11a. It is not formed so as to straddle the maximum tip 1 1 a 1 and the base end 1 1 a 2.
- the generation of stress concentration at the distal end 11a1 and the proximal end 11a2 and the development of fatigue cracks in the piezoelectric / electrostrictive film 15 due to the stress concentration are effectively suppressed. Can be done. Therefore, the durability of the piezoelectric / electrostrictive film type element 10 is improved.
- the vibration state of the thin diaphragm portion 11a can be set to the predetermined state more efficiently based on the drive voltage described above.
- the vibration state of the thin diaphragm portion 11a can be more efficiently reflected in the output voltage described above. Therefore, by suppressing the generation of cracks in the piezoelectric Z electrostrictive film 15, it is possible to improve the durability and improve the device characteristics.
- the piezoelectric electrostrictive active portion 15 a is provided only on the thin diaphragm portion 11 a. Also, incompletely coupled portions 15 b and 15 d are provided around the piezoelectric electrostrictive active portion 15 a.
- the coupling between the substrate 11 and the piezoelectric electrostrictive film 15 in the overhanging portion 15 c and the gap 14 is relaxed, and sufficient bending displacement amount and amplitude in the thin diaphragm portion 11 a are obtained. It is done.
- the excitation of the thin diaphragm part 11a or the acquisition of the output between the upper electrode 16 and the lower electrode 12 according to the vibration state of the thin diaphragm part 11a can be obtained more efficiently. Can be done. Therefore, more excellent device characteristics (sensor sensitivity) can be obtained.
- the piezoelectric / electrostrictive membrane element 10 of the present embodiment in the vicinity of the base end 1 1 a 2 in the thin diaphragm portion 1 1 a, which straddles the thin diaphragm portion 1 1 a and the thick portion 1 1 b Thus, the piezoelectric / electrostrictive film 15 is provided between the auxiliary electrode 13 and the upper electrode 16 having the same potential. That is, a portion (inactive portion) where an electric field is not applied to the piezoelectric electrostrictive film 15 is generated in the vicinity of the base end 11 a 2 in the thin diaphragm portion 11 a.
- the position where the thin diaphragm portion 1 la is bent and deformed by the application of an electric field is the “inner side” of the thin diaphragm portion 11 a than the base end 11 a 2.
- excitation of the thin diaphragm portion 11a can be performed efficiently.
- the output voltage according to the vibration state of the diaphragm section 1 1 a is efficiently generated. Therefore, more excellent device characteristics can be obtained.
- the generation of cracks in the piezoelectric / electrostrictive film 15 is suppressed, and the durability of the piezoelectric / electrostrictive film type element 10 can be further improved.
- the thin diaphragm portion 1 1 a and the piezoelectric electrostrictive film 15 are formed so that the ratio (L d ZL p) of the thickness L p to the thin diaphragm portion length L d is 0.95 or less.
- the bending deformation of the end portion of the thin diaphragm portion 11 a located outside the piezoelectric Z electrostrictive film 15 is affected by the piezoelectric Z electrostriction. It can occur in a relatively free state from mechanical constraints by the membrane 15. Therefore, excitation of the thin diaphragm portion 11a or acquisition of output between the electrodes can be performed more efficiently. In addition, the generation of cracks in the piezoelectric / electrostrictive film 15 is suppressed, and the durability of the piezoelectric electrostrictive film type element 10 can be further improved.
- the upper electrode body portion 16 a and the auxiliary electrode 13 are connected to the connecting portion 16 b and the auxiliary connecting portion 17, respectively, and are independent from each other. It is electrically connected via two paths.
- the electrical connection between the upper electrode main body 16a and the auxiliary electrode 13 can be maintained via the catching connection 17.
- the electrical connection between the upper electrode main body 16a and the auxiliary electrode 13 can be more reliably maintained. Therefore, the durability of the piezoelectric / electrostrictive film type element 10 can be improved more so.
- the piezoelectric Z electrostrictive film 15 is provided so as to cover both ends in the width direction W of the lower electrode 12. This eliminates the need for precise alignment between the lower electrode 12 and the piezoelectric Z electrostrictive film 15 and can reduce manufacturing costs. In addition, a short circuit between the lower electrode 12 and the upper electrode 16 can be effectively suppressed with a simple device configuration.
- the present invention (especially expressed in terms of action and function in each component constituting the means for solving the problems of the present invention) includes the description of the above-described embodiment and the following modifications. (Such a limited interpretation would unfairly harm the interests of an applicant who rushes an application under the priority of the prior application, but unfairly imitates an imitator. Contrary to the purpose of patent law for the purpose of protection and use, it is not allowed) 0
- the subject of the present invention is not limited to the sensor element as in the above-described embodiment.
- the present invention can be applied to an actuator.
- any shape such as a rectangle, a square, a triangle, an ellipse, or a perfect circle can be applied.
- a rectangle or a true circle is selected as necessary.
- the shape of the cavity 11 1 c and the number, arrangement, and structure of the through holes 1 I d formed in the cavity 11 1 c are not particularly limited.
- the cavity 11 c may be formed so that almost all of the thin diaphragm portion 11 a is exposed to the lower surface side of the substrate 11. That is, one through hole 11 d having an opening shape in a plan view substantially the same as the planar shape of the thin diaphragm portion 11 a may be formed.
- the lower electrode 12, the capture electrode 13, and the upper electrode 16 may be formed of different materials, or all may be formed of the same material.
- a conductive material having good bonding properties to both the substrate 11 and the piezoelectric Z electrostrictive film 15 is most preferably used.
- white gold and an alloy containing this as a main component are preferably used.
- a conductive material having good bondability for both the auxiliary electrode 13 and the piezoelectric Z electrostrictive film 15 is most preferably used.
- the piezoelectric electrostrictive film 15 may be formed so as not to straddle the thick part 11 b. That is, the end of the piezoelectric / electrostrictive film 15 on the side of the auxiliary electrode 13 is closer to the front end 1 than the base end 1 1 a 2 which is the end of the thin diaphragm portion 11 a on the side of the auxiliary electrode 13
- the piezoelectric Z electrostrictive film 15 may be formed so as to be on the 1 a 1 side (inside the thin diaphragm portion 1 1 a).
- the material of the piezoelectric / electrostrictive film 15 As the material of the piezoelectric / electrostrictive film 15, those shown in the above-described embodiment may be used alone or in combination for improving the piezoelectric Z electrostrictive characteristics. Alternatively, other additives may be added as appropriate to improve the piezoelectric / electrostrictive characteristics.
- the composite material as described above can be used in the form of a mixture or a solid solution.
- the piezoelectric / electrostrictive film 15 is made of a material mainly composed of at least one selected from lead titanate, lead zirconate, lead magnesium niobate, and lead nickel niobate
- the substrate 1 This is suitable because the reactivity with the material constituting 1 is low and the component is not easily bent during the heat treatment, so that the intended composition and crystal structure can be easily obtained.
- the heat treatment process is performed at a temperature of 900 ° C. to 140 ° C., preferably 1 000 ° C. to 1300 ° C. (the material of the piezoelectric electrostrictive film 15). The same applies when using PZT materials).
- heat treatment is preferably performed while controlling the atmosphere together with the evaporation source of the piezoelectric electrostrictive material so that the piezoelectric / electrostrictive film 15 does not become unstable at high temperatures.
- the staging method, the inkjet method, etc. are suitable in addition to the screen printing method. Can be used.
- the dummy layer is formed using a material (synthetic resin, etc.) that dissolves in water or an organic solvent. Can be done. In this case, after forming the piezoelectric electrostrictive film 15 or after forming the upper electrode 16, the dummy layer is dissolved and removed with water, an organic solvent, or the like, so that an incompletely coupled portion 15 b is formed. Is done.
- the incompletely coupled portion 15 b can be formed without using the dummy layer as described above.
- the incompletely bonded portion 15 b or the like may be in an unbonded state where there is no portion bonded to the substrate 11.
- FIG. 3 is a plan view showing the configuration of one modification of the upper electrode 16 shown in FIG.
- the upper electrode main body portion 16 a is formed with an inactive portion 16 c composed of a notch portion.
- the inactive portion 16 c is formed so as to cut out both ends of the upper electrode main body portion 16 a in the width direction (direction substantially perpendicular to the extending direction of the connecting portion 16 b).
- the piezoelectric electrostrictive film 15 is a portion sandwiched between the upper electrode main body 16 a and the lower electrode 12 in the piezoelectric electrostrictive film 15. A region having a weak applied electric field is formed inside the active portion 15 a.
- the stress in the piezoelectric Z electrostrictive film 15 due to expansion and contraction of the piezoelectric electrostrictive film 15 is reduced. Therefore, the generation of cracks in the piezoelectric / electrostrictive film 15 is suppressed, and the durability of the piezoelectric electrostrictive film type element 10 can be further improved.
- FIG. 4 is a plan view showing the configuration of another modification of the upper electrode 16 shown in FIG.
- the upper electrode main body portion 16 a may be formed with an inactive portion 16 c composed of a through hole.
- the inactive portion 16 c including the through hole is provided at both end portions of the upper electrode main body portion 16 a in the length direction (the direction along the extending direction of the connection portion 16 b). It has been.
- FIG. 5 is a plan view showing a configuration of still another modified example of the upper electrode 16 shown in FIG. As shown in FIG. 5, an inactive portion 16c formed of a through hole may be formed.
- the inactive portion 16 c composed of the through hole is formed at both end portions of the upper electrode main body portion 16 a in the width direction (direction substantially perpendicular to the extending direction of the connecting portion 16 b). Is provided.
- the generation of cracks in the piezoelectric Z electrostrictive film 15 is suppressed, and the durability of the piezoelectric / electrostrictive film type element 10 is further improved. It can be improved.
- FIG. 6 shows a variation of the configuration around the gap 14 between the lower electrode 1 2 and the auxiliary electrode 1 3 in the piezoelectric electrostrictive membrane element 10 shown in Fig. 1. It is a sectional view showing an example. Referring to FIG. 6, in this modified example, the piezoelectric electrostrictive film 15 and the thin diaphragm portion 1 1 a are coupled to the gap 14 between the lower electrode 1 2 and the auxiliary electrode 1 3.
- the coupling layer 18 is provided.
- the coupling layer 18 is made of an insulator.
- the piezoelectric electrostrictive film 15 and the substrate 11 are in a completely coupled state at the position of the gap 14 between the lower electrode 12 and the auxiliary electrode 13. Thereby, the vibration state of the thin diaphragm portion 11a can be stabilized. Therefore, the element characteristics of the piezoelectric / electrostrictive film type element 10 can be further improved.
- the bonding layer 18 is formed on the gap 14 prior to the formation of the piezoelectric / electrostrictive film 15.
- a normal thick film technique can be used to form this bonding layer 18.
- the ink jet method can be preferably used when the size of the portion to be formed is about several tens ⁇ m to several hundred ⁇ in the stamping method, the screen printing method, or the portion to be formed. Then, after the piezoelectric electrostrictive film 15 is formed, heat treatment is performed as necessary, so that the piezoelectric electrostrictive film 15, the lower electrode 12, the auxiliary electrode 13, and the coupling layer 18 are Integrated.
- a material having high adhesion and bonding properties to both the piezoelectric electrostrictive film 15 and the substrate 11 can be suitably used.
- inorganic materials such as glass
- organic materials can also be suitably used.
- a glass material can be used as a material constituting the bonding layer 18.
- the thermal expansion coefficient of the material constituting the bonding layer 18 has an intermediate value between the thermal expansion coefficient of the substrate 11 and the thermal expansion coefficient of the piezoelectric electrostrictive film 15. It is more preferable because of its properties.
- the bonding layer As the material of 1 8 (1 1 x) (Bi .. 5 Na .. 5 ) Ti0 3 — xKNbO 3 (x is a molar fraction of 0.008 ⁇ ⁇ ⁇ 0.5.) can be suitably selected.
- the bonding layer 18 and the piezoelectric / electrostrictive film 15 are composed of materials containing similar components. Accordingly, the adhesion between the bonding layer 18 and the piezoelectric electrostrictive film 15 is improved. Further, in this case, there are fewer problems due to diffusion of different elements as compared with the case where a glass material is used as the bonding layer 18.
- the binding layer 1 8 is a number containing Mukoto the KNb_ ⁇ 3, high reactivity with the substrate 1 1, the bond between the substrate 1 1 becomes stronger.
- the lower electrode 12, the auxiliary electrode 13, the piezoelectric electrostrictive film 15, the upper electrode 16, and the (bonding layer 18) are firmly bonded by heat treatment to form an integrated structure.
- This heat treatment may be performed each time each layer is formed. Alternatively, heat treatment may be performed at once after all layers are formed. In the heat treatment, it goes without saying that the heat treatment temperature is appropriately set in order to suppress good bondability and deterioration due to diffusion of constituent elements.
- the heat treatment may be performed before the next piezoelectric / electrostrictive film 15 forming step.
- heat treatment may be performed simultaneously with the piezoelectric electrostrictive film 15.
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Abstract
圧電/電歪膜型素子10は、基板11と、下部電極12と、圧電/電歪膜15と、上部電極16と、を備えている。基板11は、薄肉ダイヤフラム部11aと、その周囲に形成された厚肉部11bと、を備えている。下部電極12は、薄肉ダイヤフラム部11aと厚肉部11bとに跨るように、基板11の上に形成されている。圧電/電歪膜15は、下部電極12の上に形成されている。上部電極16は、薄肉ダイヤフラム部11aと対向するように、圧電/電歪膜15の上に設けられている。この上部電極16は、上部電極本体部16aと、接続部16bと、を備えている。上部電極本体部16aは、薄肉ダイヤフラム部11aの平面形状と略相似形の平面形状に形成されている。
Description
圧電 電歪膜型素子
技 術 分 野
本発明は、 薄肉ダイヤフラム部の振動特性を利用した圧電 電歪膜型素子に関 する。
背明景 技 術
この種の圧電 /電歪膜型素子として、 前記薄肉ダイヤフラム部の屈曲変位を利 田
用したァクチユエータや、 当該薄肉ダイヤフラム部に近接する媒体の特性 (例え ば、 流体特性、 音圧、 微小重量、 加速度等) を検知するセンサ (例えば、 マイク 口ホンや粘度センサ) 等が知られている。
特開平 8— 20 1 26 5号公報 (特許文献 1 ) 、 特開 2002— 26 1 347 号公報 (特許文献 2) 、 特開 2005— 322890号公報 (特許文献 3 ) には、 前記センサとしての前記圧電 Z電歪膜型素子が開示されている。 この圧電 電歪 膜型センサは、 圧電 /電歪膜型振動子の振幅と当該振動子に接触する流体の粘性 抵抗との間に相関関係があることを利用して、 当該流体の密度、 濃度、 粘度等の 特性を測定し得るように構成されている。
具体的には、 この圧電ノ電歪膜型センサにおいては、 前記流体の存在下で前記 振動子を振動させた場合に、 当該振動子が、 当該流体の粘性によって、 力学的な 抵抗を受ける。 ここで、 当該振動子の機械的な振動形態は、 等価的な電気回路に 置換され得る。 よって、 当該振動子が受ける粘性抵抗に基づいて、 当該振動子を 構成する圧電/電歪膜の等価回路の電気的定数が変化する。 この電気的定数の変 化を検出することで、 流体の粘度、 密度、 濃度等の特性が測定され得る。
かかる圧電 Z電歪膜型センサによって特性の測定が可能な流体としては、 液体 及び気体のいずれもが含まれる。 測定対象となる液体としては、 例えば、 水、 ァ ルコール、 油等のうちから選択される主たる媒質のみからなる単一成分の液体は 当然含まれる。 のみならず、 かかる主たる媒質に対して可溶、 難溶、 あるいは不
溶な他の媒質が添加 (溶解、 混合、 分散、 あるいは懸濁) されたもの (スラリー、 ペース ト等) も、 測定対象液体に含まれ得る。
また、 上述の電気的定数としては、 損失係数、 位相、 抵抗、 リアクタンス、 コ ンダクダンス、 サセプタンス、 インダクタンス、 キャパシタンス等が挙げられる。 特に、 等価回路の共振周波数近傍で極大または極小の変化点を 1つ有する損失係 数、 または位相が、 好ましく用いられる。 これにより、 前記流体の粘度のみなら ず、 密度や濃度も測定可能となる。 例えば、 硫酸水溶液中の硫酸濃度を測定する ことができる。 なお、 振動形態の変化を検出する指標としては、 測定精度や耐久 性の観点から特に問題が無ければ、 上述のような電気的定数の他に、 共振周波数 の変化も用いられ得る。
発 明 の 開 示
この種の圧電ノ電歪膜型素子において、 従来、 前記薄肉ダイヤフラム部の屈曲 変位量や内部応力値をより大きくする等により、 素子特性 (センサ感度等) を向 上しようとすると、 前記圧電 Z電歪膜にクラックが生じる等、 耐久性に問題が生 じていた。
本発明は、 かかる問題を解決するためになされたものである。 すなわち、 本発 明の目的は、 より優れた素子特性及び耐久性を有する圧電ノ電歪膜型素子を提供 することにある。
本発明の圧電ノ電歪膜型素子は、 基板と、 下部電極と、 圧電 電歪膜と、 上部 電極と、 を備えている。 前記基板は、 薄肉ダイヤフラム部と、 その周囲に形成さ れた厚肉部と、 を備えている。 前記下部電極は、 前記薄肉ダイヤフラム部と前記 厚肉部とに跨るように、 前記基板の上に形成されている。 前記圧電 Z電歪膜は、 前記下部電極の上に形成されている。 前記上部電極は、 前記薄肉ダイヤフラム部 と対向するように、 前記圧電 /電歪膜の上に設けられている。
本発明の特徴は、 前記基板と、 前記下部電極と、 前記圧電 Z電歪膜と、 前記上 部電極と、 を備えた圧電 z電歪膜型素子における前記上部電極が、 前記薄肉ダイ ャフラム部の平面形状と略相似形の平面形状に形成された上部電極本体部と、 そ
の上部電極本体部と接続するように設けられた接続部と、 を備えたことにある。 ここで、 前記上部電極本体部は、 前記薄肉ダイヤフラム部と対向するように設け られている。 また、 前記接続部は、 前記上部電極本体部よりも狭い幅に形成され ている。
かかる構成を備えた本発明の圧電 電歪膜型素子においては、 前記上部電極本 体部と前記下部電極との間に印加される所定の入力電圧に基づいて、 当該上部電 極本体部に対応する前記薄肉ダイヤフラム部が振動する。 あるいは、 前記薄肉ダ ィャフラム部の振動状態、 及び Z又はその変化に応じて、 前記上部電極本体部と 前記下部電極との間に、 所定の出力が生じる。
ここで、 本発明においては、 前記上部電極本体部の平面形状が、 前記薄肉ダイ ャフラム部の平面形状と略相似形の平面形状に形成されている。
よって、 かかる構成によれば、 前記入力電圧に基づいて、 前記薄肉ダイヤフラ ム部の振動状態が、 より効率よく、 所定の状態に設定され得る。 あるいは、 前記 薄肉ダイヤフラム部の振動状態が、 より効率よく、 前記出力に反映され得る。 こ れにより、 入力電圧を大きくすることなく、 高出力が得られる。 したがって、 本 発明によれば、 前記圧電ノ電歪膜におけるクラックの発生を抑制することが可能 となり、 耐久性を向上させることができるので、 より優れた圧電 Z電歪膜型素子 が得られる。
本発明の圧電/電歪膜型素子には、 捕助電極がさらに設けられていてもよい。 この補助電極は、 前記薄肉ダイヤフラム部の端部と前記厚肉部とに跨るように、 且つ前記下部電極と離隔するように、 前記基板の上に形成されている。 そして、 この補助電極は、 前記接続部と接続されている。 具体的には、 かかる圧電 /電歪 膜型素子は、 以下の通り構成されている。
前記下部電極は、 前記薄肉ダイヤフラム部の一端と隣接する前記厚肉部から、 前記薄肉ダイヤフラム部の前記一端と対向する他端よりも前記一端側の位置に 1 つて、 前記基板の上に形成されている。 また、 前記補助電極は、 前記薄肉ダイヤ フラム部の前記他端と隣接する前記厚肉部から、 前記薄肉ダイャフラム部の前記 他端よりも前記一端側の位置に亘つて、 前記下部電極と離隔するように、 前記基 板の上に形成されている。 すなわち、 前記下部電極と前記補助電極とは、 略同一
平面上にて、 所定のギャップを隔てて形成されている。 そして、 このギャップは
、 前記薄肉ダイヤフラム部の前記他端よりも前記一端側の位置、 換言すれば、 前 記薄肉ダイヤフラム部上に形成されている。
前記圧電 電歪膜は、 前記厚肉部上にて前記下部電極の端部及び前記補助電極 の端部を露出させるように、 当該下部電極及ぴ当該補助電極の上に形成されてい る。 また、 前記上部電極本体部は、 前記下部電極及び前記圧電 /電歪膜を挟んで 、 当該薄肉ダイヤフラム部と対向するように設けられている。 さらに、 前記接続 部は、 前記上部電極本体部と前記補助電極とを接続するように、 前記圧電 電歪 膜及び前記捕助電極の上に設けられている。
前記薄肉ダイヤフラムの振動あるいは変位に伴って、 当該薄肉ダイヤフラム部 と前記厚肉部との接続箇所、 すなわち、 当該薄肉ダイヤフラム部の前記一端及び 前記他端にて、 曲げ応力が最大となる。 この箇所に、 材質の不連続部分からなる ノッチや微小亀裂等の欠陥が存在すると、 当該欠陥にて応力集中が生じ、 当該欠 陥を起点として前記圧電 /電歪膜に疲労亀裂が進展することとなる。 しかしなが ら、 上述の構成においては、 前記薄肉ダイヤフラム部の前記一端及び前記他端に 対応する位置には、 前記ギャップが形成されない。
よって、 かかる構成によれば、 前記ギャップを起点として前記圧電ノ電歪膜に クラックが生じることが、 効果的に抑制され得る。
また、 かかる構成においては、 前記薄肉ダイヤフラム部と前記厚肉部とに跨る 、 前記薄肉ダイヤフラム部の前記他端の近傍部にて、 前記圧電 /電歪膜が、 同電 位の前記補助電極と前記上部電極との間に設けられる。 すなわち、 前記薄肉ダイ ャフラム部の前記他端の近傍部にて、 前記圧電 z電歪膜に対して電界が印加され ない部分 (不活性部) が生じる。 換言すれば、 前記電界の印加により前記薄肉ダ ィャフラム部を屈曲変形させる位置が、 前記他端よりも前記薄肉ダイヤフラム部 の 「内側」 となる。
よって、 かかる構成によれば、 前記薄肉ダイヤフラム部の励振が、 効率よく行 われ得る。 あるいは、 前記圧電 /電歪膜の面方向の伸縮応力が最大となる当該薄 肉ダイヤフラム部の中央部にて、 前記上部電極と前記下部電極との間の、 当該薄 肉ダイヤフラム部の振動状態に応じた出力が、 効率よく生じる。
また、 本発明の圧電 z電歪膜型素子には、 捕助接続部がさらに設けられていて もよい。 この補助接続部は、 前記上部電極本体部と前記補助電極とを接続するよ うに設けられている。
かかる構成においては、 前記上部電極本体部と前記補助電極とは、 前記接続部 と前記捕助接続部という、 互いに独立した 2つの経路を介して、 電気的に接続さ れる。
よって、 かかる構成によれば、 前記上部電極本体部と前記補助電極との電気的 接続が、 より確実に維持され得る。 したがって、 本圧電 z電歪膜型素子の耐久性 がよりいっそう向上し得る。
本発明の圧電ノ電歪膜型素子においては、 前記圧電 電歪膜のうちの、 前記上 部電極本体部と前記下部電極とに挟まれる部分である、 圧電 電歪活性部が、 前 記薄肉ダイヤフラム部上にのみ設けられていることが好ましい。
かかる構成においては、 前記圧電 /電歪膜のうちの、 電界が印加される部分で ある、 前記圧電 電歪活性部が、 前記薄肉ダイヤフラム部上にだけ存在する。 よって、 かかる構成によれば、 前記薄肉ダイヤフラム部の励振、 あるいは、 当 該薄肉ダイヤフラム部の振動状態に応じた前記上部電極と前記下部電極との間の 出力の取得が、 より効率よく行われ得る。
本発明の圧電 電歪膜型素子においては、 幅方向又は当該幅方向と垂直な長さ 方向における、 前記薄肉ダイヤフラム部の寸法に対する前記圧電 電歪膜の寸法 の比の値が 0 . 9 5以下であることが、 さらに好ましい。 すなわち、 前記薄肉ダ ィャフラム部の幅又は長さを 1とした場合に、 前記圧電/ /電歪膜の幅又は長さが 0 . 9 5以下となるように、 前記圧電 Z電歪膜の主要な部分が、 平面視にて前記 薄肉ダイヤフラム部の外形の内側に形成されていることが、 さらに好ましい。 かかる構成においては、 前記圧電 /電歪膜 (特に前記圧電 Z電歪活性部) の外 側に位置する前記薄肉ダイヤフラム部の端部の屈曲変形が、 当該圧電 Z電歪膜に よる機械的な拘束から比較的自由な状態で生じ得る。
よって、 かかる構成によれば、 前記薄肉ダイヤフラム部の励振、 あるいは、 電 極間の出力の取得が、 より効率よく行われ得る。 また、 前記圧電 z電歪膜におけ
るクラックの発生を抑制することで、 本圧電 /電歪膜型素子の耐久性をより向上 することが可能になる。
また、 前記上部電極本体部には、 貫通孔又は切欠部から構成された不活性部が 形成されていてもよい。
かかる構成においては、 前記圧電 電歪膜のうちの、 前記上部電極本体部と前 記下部電極とに挟まれる部分である、 前記圧電ノ電歪活性部の内部に、 印加電界 の弱い領域が形成される。
よって、 かかる構成によれば、 前記圧電 /電歪膜の伸縮に伴う当該圧電 電歪 膜内の応力が低減される。 したがって、 当該圧電 /電歪膜内のクラックの発生が 抑制され、 本圧電 /電歪膜型素子の耐久性がより向上され得る。
前記薄肉ダイャフラム部及び前記上部電極本体部は、 幅と長さとの比であるァ スぺタ ト比の値が、 略 1 . 2以上となるように形成されていることが好ましい。 かかる構成によれば、 前記薄肉ダイヤフラム部における屈曲変位をより大きく することで、 より優れた素子特性が得られる。
図 面 の 簡 単 な 説 明
図 1は、 本発明の一実施形態である、 流体センサ用の圧電 電歪膜型素子の構 成を示す図である。 ここで、 図 1 ( A) は、 本実施形態の圧電 /電歪膜型素子の 平面図である。 図 1 ( B ) は、 図 1 ( A ) における B— B断面図である。 図 1 (
C ) は、 図 1 ( A) における C— C断面図である。
図 2は、 図 1に示されている圧電 Z電歪膜型素子の平面図である。
図 3は、 図 1に示されている上部電極の一つの変形例の構成を示す平面図であ る。
図 4は、 図 3に示されている上部電極の構成の他の変形例を示す平面図である 図 5は、 図 3に示されている上部電極のさらに別の変形例の構成を示す平面図 である。
図 6は、 図 1に示されている圧電 電歪膜型素子における、 下部電極と補助電
極との間のギヤップの周辺の構成の、 一つの変形例を示す断面図である。
発明の実施するための最良の形態
以下、 本発明の実施形態 (本願の出願時点において取り敢えず出願人が最良と 考えている実施形態) について、 図面を参照しつつ説明する。 なお、 本実施形態 の各構成要素における、 具体的な構造等の記述については、 とりあえず代表的な
1つの実施形態を理解しやすく首尾一貫して説明する便宜上、 単なる 1つの代表 例が例示的に示されているものである。 本実施形態の各構成要素の構造等に関す る変形例は、 実施形態の構成、 作用、 効果の説明の後に、 末尾にまとめて記述さ れている。
<センサ用圧電 Z電歪膜型素子の構成 >
図 1は、 本発明の一実施形態である、 流体センサ用の圧電ノ電歪膜型素子 1 0 の構成を示す図である。 ここで、 図 1 ( A ) は、 本実施形態の圧電 /電歪膜型素 子 1 0の平面図である。 図 1 ( B ) は、 図 1 ( A) における B— B断面図である。 図 1 ( C ) は、 図 1 (A ) における C一 C断面図である。
< <基板 > >
圧電 /電歪膜型素子 1 0は、 基板 1 1を備えている。 基板 1 1には、 薄肉ダイ ャフラム部 1 1 aが設けられている。 薄肉ダイヤフラム部 1 1 aは、 励起される 共振モードを単純化させるために、 略長方形状の平面形状に形成されている。 こ の薄肉ダイヤフラム部 1 1 aは、 その長さ方向 Lにおける先端 1 1 a 1及び基端 1 1 a 2と、 幅方向 Wにおける両側の側端 1 1 a 3を固定端として、 屈曲変形し 得るように構成されている。 薄肉ダイヤフラム部 1 1 aは、 5 0 m以下、 好ま しくは 3 0 μ m以下、 さらに好ましくは 1 5 μ m以下の厚さに形成されている。 基板 1 1における薄肉ダイヤフラム部 1 1 aの周囲には、 厚肉部 1 1 bが形成 されている。 厚肉部 l i bは、 薄肉ダイヤフラム部 1 1 aと継ぎ目なく一体に成 形されている。 この厚肉部 1 1 bは、 薄肉ダイヤフラム部 1 1 aよりも充分厚く 形成されている。
基板 l lは、 当該圧電 Z電歪膜型素子 l 0の製造工程にて熱処理工程が行われ 得ることや、 腐食性流体の特性をセンシングすることがあり得ること等に鑑み、 耐熱性、 化学的安定性、 絶縁性を有する材質から構成されている。 具体的には、 基板 1 1は、 例えば、 酸化アルミニウム、 酸化マグネシウム、 ムライ ト、 窒化ァ ルミ二ゥム、 窒化珪素、 ガラス、 安定化された酸化ジルコニウム、 等のうちから 選択された材質から構成されている。 これらのうち、 安定化された酸化ジルコ二 ゥムは、 薄肉ダイヤフラム部 1 1 aを薄く形成した場合にも機械的強度を高く保 てること、 靭性に優れること等から、 基板 1 1の材質として特に好適に用いられ 得る。
基板 1 1には、 キヤビティ 1 1 c及ぴ貫通孔 1 1 dが形成されている。 キヤビ ティ 1 1 cは、 本実施形態の圧電 /電歪膜型素子 1 0におけるセンシング対象物 である流体が収容される空洞部であって、 薄肉ダイヤフラム部 1 1 aに対応する 位置に形成されている。 貫通孔 1 1 dは、 基板 1 1の厚さ方向に沿って形成され ている。 この貫通孔 l i dは、 基板 1 1の下側表面にて開口するように設けられ ていて、 当該裏面側とキヤビティ 1 1 cとを連通させ得るように形成されている。 < <下部電極 > >
下部電極 1 2は、 基板 1 1の上側表面の上に、 薄肉ダイヤフラム部 1 1 aと厚 肉部 1 1 bとに跨るように形成されている。 具体的には、 下部電極 1 2は、 薄肉 ダイヤフラム部 1 1 aにおける先端 1 1 a 1と隣接する厚肉部 1 1 b力ゝら、 薄肉 ダイヤフラム部 1 1 aの基端 1 1 a 2よりも先端 1 1 a 1側の位置に亘つて形成 されている。 この下部電極 1 2は、 基板 1 1の上側表面の上に固着することで、 当該基板 1 1と一体的に設けられている。
下部電極 1 2は、 白金、 パラジウム、 ロジウム、 銀、 あるいはこれらの合金を 主成分とする電極材料から構成されている。 この下部電極 1 2は、 公知の各種の 膜形成手法 (具体的には、 例えば、 イオンビーム、 スパッタリング、 真空蒸着、 C V D、 イオンプレーティング、 メツキ等の薄膜形成手法や、 スクリーン印刷、 スプレー、 デイツビング等の厚膜形成手法等) によって形成されている。
く <補助電極 > >
補助電極 1 3は、 薄肉ダイヤフラム部 1 1 aの基端 1 1 a 2と厚肉部 1 1 bと に跨るように、 基板 1 1の上側表面の上に形成されている。 具体的には、 補助電 極 1 3は、 薄肉ダイヤフラム部 1 1 aの基端 1 1 a 2と隣接する厚肉部 1 1 b力 ら、 薄肉ダイヤフラム部 1 1 aの基端 1 1 a 2よりも先端 1 1 a 1側の位置に亘 つて形成されている。 この補助電極 1 3も、 基板 1 1の上側表面の上に固着する ことで、 当該基板 1 1と一体的に設けられている。
補助電極 1 3は、 下部電極 1 2と略同一平面上に設けられている。 この補助電 極 1 3と下部電極 1 2との間には、 両者を電気的に絶縁するために、 所定のギヤ ップ 1 4が設けられている。 すなわち、 捕助電極 1 3は、 ギャップ 1 4を隔てて 下部電極 1 2と離隔するように設けられている。 このギャップ 1 4は、 薄肉ダイ ャフラム部 1 1 aの基端 1 l a 2よりも先端 1 1 a 1側の位置に、 換言すれば、 薄肉ダイヤフラム部 1 1 a上に設けられている。
補助電極 1 3は、 白金、 パラジウム、 ロジウム、 銀、 あるいはこれらの合金を 主成分とする電極材料から構成されている。 この補助電極 1 3は、 上述したよう な公知の各種の膜形成手法によつて形成されている。
< <圧電ノ電歪膜 > >
圧電 /電歪膜 1 5は、 下部電極 1 2及び補助電極 1 3を跨るように、 当該下部 電極 1 2及び補助電極 1 3の上に形成されている。 この圧電^ 電歪膜 1 5は、 下 部電極 1 2の幅方向 Wにおける両端部を覆うように設けられている。
圧電 /電歪膜 1 5は、 下部電極 1 2及び補助電極 1 3の上に固着することで、 当該下部電極 1 2及び補助電極 1 3と一体的に設けられている。 圧電ノ電歪膜 1 5は、 上述のような下部電極 1 2や補助電極 1 3と同様の、 公知の各種膜形成法 によって形成されている。
圧電 /電歪膜 1 5は、 その長さ方向 Lに沿った両端部にて、 下部電極 1 2の端 部及び捕助電極 1 3の端部を厚肉部 1 1 b上で露出させるように形成されている。 このようにして厚肉部 1 1 b上にて露出された下部電極 1 2及ぴ捕助電極 1 3の 端部によって、 リード用端子が構成されている。
圧電 /電歪膜 1 5は、 圧電 /電歪効果を示す任意の材料から構成されている。 具体的には、 圧電ノ電歪膜 1 5は、 ジルコン酸鉛, チタン酸鉛, チタン酸ジルコ
ン酸鉛 (P ZT) 等の鉛系セラミック圧電/電歪材料、 チタン酸バリウム及びこ れを主成分とするチタパリ系セラミック強誘電体、 ポリ弗化ビニリデン (PVD F) に代表される高分子圧電体材料、 あるいは (Bi。.5Na。,5) Ti〇3に代表され る Bi系セラミック圧電体材料等から選択された材料から構成されている。 本実 施形態のようなセンサ用途の場合、 P ZT系圧電体が、 圧電特性が高く高感度検 出が可能であるために、 最も好適に用いられる。
圧電 /電歪膜 1 5は、 圧電 電歪活性部 1 5 aと、 不完全結合部 1 5 bと、 張 り出し部 1 5 cと、 不完全結合部 1 5 dと、 を備えている。
圧電ノ電歪活性部 1 5 aは、 圧電 Z電歪膜 1 5の上に形成された上部電極 1 6 における主要な部分である上部電極本体部 1 6 aと、 下部電極 1 2との間に挟ま れた部分から構成されている。 この圧電 Z電歪活性部 1 5 aは、 薄肉ダイヤフラ ム部 1 1 aの上にのみ設けられている。
不完全結合部 1 5 bは、 ギャップ 14内に突出するように設けられている。 こ の不完全結合部 1 5 bは、 基板 1 1に対する結合状態が不完全 (不完全結合状 態) となっている部分である。 具体的には、 不完全結合部 1 5 bは、 基板 1 1か らのピール(引き剥がし)強度で、 0. 5 kgZ讓 2以下となるように、 基板 1 1に 対して不完全に結合されている。
張り出し部 1 5 cは、 図 1 (C) に示されているように、 幅方向 Wにおける圧 電 電歪膜 1 5の端部であって、 上部電極 1 6から側方にはみ出すように設けら れている。 この張り出し部 1 5 cの下方には、 下部電極 1 2を側方から覆うよう に、 不完全結合部 1 5 dが設けられている。 この不完全結合部 1 5 dも、 上述の 不完全結合部 1 5 bと同様に、 基板 1 1に対する結合状態が不完全となっている 部分である。
<く上部電極 > >
上述の上部電極 1 6は、 圧電ノ電歪膜 1 5から補助電極 1 3に跨るように設け られている。 この上部電極 1 6は、 圧電 電歪膜 1 5及び補助電極 1 3の上に固 着することで、 当該圧電 /電歪膜 1 5及び補助電極 1 3と一体的に設けられてい る。 上部電極 16は、 圧電 /電歪膜 1 5との接合性の高い導電性材料から構成さ
れていて、 下部電極 1 2及び捕助電極 1 3と同様の膜形成法により形成されてい る。
上部電極 1 6は、 上部電極本体部 1 6 aと、 接続部 1 6 bと、 から構成されて レ、る。
上部電極本体部 1 6 aは、 下部電極 1 2及ぴ圧電 電歪膜 1 5を挟んで、 薄肉 ダイヤフラム部 1 1 aと対向するように配置されている。 この上部電極本体部 1 6 aは、 薄肉ダイヤフラム部 1 1 aの平面形状と略相似形の平面形状に形成され ている。
接続部 1 6 bは、 上部電極本体部 1 6 aよりも狭い幅に形成されている。 接続 部 1 6 bは、 上部電極本体部 1 6 aと補助電極 1 3とを接続するように、 圧電 電歪膜 1 5及ぴ補助電極 1 3の上に設けられている。 すなわち、 接続部 1 6 の 一端部は、 上部電極本体部 1 6 aと接続するように、 当該上部電極本体部 1 6 a と継ぎ目なく一体に形成されている。 また、 接続部 1 6 bの他端部は、 捕助電極 1 3と接合されることで、 当該補助電極 1 3と電気的に接続されている。
図 2は、 図 1に示されている圧電 Z電歪膜型素子 1 0の平面図であって、 図 1 (A) に相当する図である。 この図 2を参照すると、 上部電極本体部 1 6 a (及 ぴ薄肉ダイヤフラム部 1 l a) は、 幅と長さとの比であるァスぺク ト比の値が、 略 1. 2以上となるように形成されている。
すなわち、 上部電極本体部幅 Weと上部電極本体部長さ L eとの比である電極 アスペク ト比 R e = L e /Weの値が、 略 1. 2以上となり、 且つ、 薄肉ダイヤ フラム部幅 Wdと薄肉ダイヤフラム部長さ L dとの比であるダイヤフラム部ァス ぺク ト比 R d = L dZWdの値が、 略 1. 2以上となるように、 薄肉ダイヤフラ ム部 1 1 a及ぴ上部電極本体部 1 6 aが形成されている。
また、 本実施形態の圧電 Z電歪膜型素子 1 0においては、 圧電/電歪膜幅 Wp と薄肉ダイヤフラム部幅 Wdとの比 (Wd/Wp) の値が 0. 9 5以下となり、 且つ圧電 電歪膜長さ L pと薄肉ダイヤフラム部長さ L dとの比 (L d/L p) の値が 0. 9 5以下となるように、 薄肉ダイヤフラム部 1 1 a及び圧電 /電歪膜 1 5が形成されている。 すなわち、 圧電 /電歪膜 1 5の主要な部分 (図 1におけ
る圧電ノ電歪活性部 1 5 a ) 力 平面視にて薄肉ダイヤフラム部 1 1 aの外形の 内側に形成されている。
< <補助接続部 > >
再ぴ図 1を参照すると、 補助接続部 1 7は、 接続部 1 6 bとは独立に、 上部電 極本体部 1 6 aと補助電極 1 3とを電気的に接続するように設けられている。 す なわち、 本実施形態の圧電ノ電歪膜型素子 1 0においては、 上部電極 1 6と補助 電極 1 3とは、 互いに独立した複数の経路を介して、 電気的に接続されている。 補助接続部 1 7は、 接続部 1 6 bから可及的に離れた位置に配置されている。 <実施形態の圧電/電歪膜型素子の製造方法の一例 >
次に、 本実施形態の圧電ノ電歪膜型素子 1 0の製造方法の一例について説明す る。
まず、 上述のような所定の形状に形成された基板 1 1の上側表面の上に、 下部 電極 1 2及び補助電極 1 3力 スクリーン印刷法によって形成される。
次に、 基板 1 1の上側表面における、 不完全結合部 1 5 b及び 1 5 dに対応す る位置にて、 圧電 /電歪膜 1 5と基板 1 1とが直接的に接しないように、 ダミー 層が、 スクリーン印刷法によって形成される。 このダミー層は、 後述する圧電ノ 電歪膜 1 5を焼成する際の、 後述する熱処理工程において燃焼により消失する合 成樹脂材料からなる膜である。
続いて、 圧電 Z電歪膜 1 5が、 スクリーン印刷法による塗布工程、 及び当該塗 布工程による塗布膜を焼成する熱処理工程を経て形成される。 このとき、 上述の ダミー層が消失することで、 不完全結合部 1 5 b及ぴ 1 5 dが形成される。
さらに、 上部電極 1 6が、 スクリーン印刷法によって形成される。 そして、 上 部電極 1 6、 圧電 /電歪膜 1 5、 補助電極 1 3、 下部電極 1 2、 及び基板 1 1の 積層体が熱処理される。 これにより、 当該積層体の各層が、 互いに強固に固着す ることで一体化する。
最後に、 上部電極 1 6と下部電極 1 2との間に所定の高電圧を印加することで、 圧電 Z電歪膜 1 5が分極処理される。
<実施形態の圧電 Z電歪膜型素子の動作 >
次に、 上述のように構成された、 本実施形態の圧電 /電歪膜型素子 1 0の動作
について、 各図面を参照しつつ説明する。
被測定流体は、 貫通孔 l i dを介して、 キヤビティ 1 1 c内に導入される。 ま た、 キヤビティ 1 1 c内の測定済みの流体は、 貫通孔 1 1 dを介してキヤビティ 1 1 cから排出される。
上部電極 1 6と下部電極 1 2との間に、 所定の駆動電圧が印加されると、 圧電 Z電歪膜 1 5における圧電 /電歪活性部 1 5 aが、 圧電逆効果によって変形する 。 この圧電 電歪膜 1 5の変形により、 薄肉ダイヤフラム部 1 1 aが屈曲変形す る。 この薄肉ダイヤフラム部 1 1 aは、 上述の駆動電圧の印加により、 所定の共 振周波数にて励振される。
ここで、 キヤビティ 1 1 c内の流体によって、 薄肉ダイヤフラム部 1 1 aの振 動は、 粘性的な抵抗を受ける。 この粘性抵抗に基づく薄肉ダイヤフラム部 1 1 a の振動状態及びその変化は、 上部電極 1 6と下部電極 1 2との間の圧電 /電歪膜 1 5における圧電 Z電歪活性部 1 5 aの伸縮状態及びその変化となって現れる。 この圧電 /電歪活性部 1 5 aの伸縮状態及びその変化は、 上部電極 1 6と下部電 極 1 2との間の出力電圧の波形及ぴその変化となって現れる。 この出力電圧の波 形及びその変化を解析することで、 キヤビティ 1 1 c内に導入された被測定流体 の特性が判定され得る。
<実施形態の構成による作用 ·効果 > ·
次に、 上述のように構成された、 本実施形態の圧電 /電歪膜型素子 1 0の構成 による作用 ·効果について、 各図面を参照しつつ説明する。
,本実施形態の圧電 電歪膜型素子 1 0においては、 材質的な不連続部分を構 成する、 ギャップ 1 4及び不完全結合部 1 5 が、 薄肉ダイヤフラム部 1 1 aに おける曲げ応力が最大となる先端 1 1 a 1及び基端 1 1 a 2に跨るようには形成 されていない。
かかる構成によれば、 先端 1 1 a 1及ぴ基端 1 1 a 2における応力集中の発生 、 及び当該応力集中による圧電 /電歪膜 1 5内の疲労亀裂の進展が、 効果的に抑 制され得る。 よって、 圧電 /電歪膜型素子 1 0の耐久性が向上する。
•本実施形態の圧電 Z電歪膜型素子 1 0においては、 薄肉ダイヤフラム部 1 1 a及ぴ上部電極本体部 1 6 aは、 略相似形の平面形状に形成されている。 また、
電極ァスぺク ト比 R e = L e /W eの値、 及びダイヤフラム部ァスぺク ト比 R d = L d ZW dの値が、 略 1 . 2以上となるように、 薄肉ダイヤフラム部 1 1 a及 ぴ上部電極本体部 1 6 aが形成されている。
かかる構成によれば、 薄肉ダイヤフラム部 1 1 aにおける屈曲変位をより大き くすることで、 より優れた素子特性 (センサ感度) が得られる。 すなわち、 かか る構成によれば、 上述の駆動電圧に基づいて、 薄肉ダイヤフラム部 1 1 aの振動 状態が、 より効率よく、 所定の状態に設定され得る。 あるいは、 薄肉ダイヤフラ ム部 1 1 aの振動状態が、 より効率よく、 上述の出力電圧に反映され得る。 した がって、 圧電 Z電歪膜 1 5におけるクラックの発生を抑制することで耐久性を向 上させつつ、 より優れた素子特性が得られる。
•本実施形態の圧電 Z電歪膜型素子 1 0においては、 圧電 電歪活性部 1 5 a が、 薄肉ダイヤフラム部 1 1 a上にのみ設けられている。 また、 圧電 電歪活性 部 1 5 aの周囲に、 不完全結合部 1 5 b及ぴ 1 5 dが設けられている。
かかる構成によれば、 張り出し部 1 5 c及びギヤップ 1 4における基板 1 1と 圧電ノ電歪膜 1 5との結合が緩和され、 薄肉ダイヤフラム部 1 1 aにおける充分 な屈曲変位量や振幅が得られる。 また、 薄肉ダイヤフラム部 1 1 aの励振、 ある いは、 当該薄肉ダイヤフラム部 1 1 aの振動状態に応じた上部電極 1 6と下部電 極 1 2との間の出力の取得が、 より効率よく行われ得る。 したがって、 より優れ た素子特性 (センサ感度) が得られる。
•本実施形態の圧電/電歪膜型素子 1 0においては、 薄肉ダイヤフラム部 1 1 aと厚肉部 1 1 bとに跨る、 薄肉ダイヤフラム部 1 1 aにおける基端 1 1 a 2の 近傍部にて、 圧電 /電歪膜 1 5が、 同電位の補助電極 1 3と上部電極 1 6との間 に設けられる。 すなわち、 薄肉ダイヤフラム部 1 1 aにおける基端 1 1 a 2の近 傍部にて、 圧電 電歪膜 1 5に対して電界が印加されない部分 (不活性部) が生 じる。 換言すれば、 電界の印加により薄肉ダイヤフラム部 1 l aを屈曲変形させ る位置が、 基端 1 1 a 2よりも薄肉ダイヤフラム部 1 1 aの 「内側」 となる。 かかる構成によれば、 薄肉ダイヤフラム部 1 1 aの励振が、 効率よく行われ得 る。 あるいは、 圧電ノ電歪膜 1 5の面方向の伸縮応力が最大となる、 薄肉ダイヤ フラム部 1 1 aの中央部にて、 上部電極 1 6と下部電極 1 2との間の、 薄肉ダイ
ャフラム部 1 1 aの振動状態に応じた出力電圧が、 効率よく生じる。 したがって、 より優れた素子特性が得られる。 また、 圧電 /電歪膜 1 5におけるクラックの発 生が抑制され、 圧電/電歪膜型素子 1 0の耐久性がよりいつそう向上し得る。
•本実施形態の圧電 Z電歪膜型素子 1 0においては、 圧電 電歪膜幅 W pと薄 肉ダイヤフラム部幅 W dとの比 (W d ZW p ) 、 及ぴ圧電ノ電歪膜長さ L pと薄 肉ダイヤフラム部長さ L dとの比 (L d Z L p ) の値が 0 . 9 5以下となるよう に、 薄肉ダイヤフラム部 1 1 a及び圧電 電歪膜 1 5が形成されている。
かかる構成によれば、 圧電 Z電歪膜 1 5 (特に圧電ノ電歪活性部 1 5 a ) の外 側に位置する薄肉ダイヤフラム部 1 1 aの端部の屈曲変形が、 当該圧電 Z電歪膜 1 5による機械的な拘束から比較的自由な状態で生じ得る。 よって、 薄肉ダイヤ フラム部 1 1 aの励振、 あるいは、 電極間の出力の取得が、 より効率よく行われ 得る。 また、 圧電 /電歪膜 1 5におけるクラックの発生が抑制され、 圧電ノ電歪 膜型素子 1 0の耐久性がよりいっそう向上し得る。
•本実施形態の圧電 /電歪膜型素子 1 0においては、 上部電極本体部 1 6 aと 補助電極 1 3とは、 接続部 1 6 bと補助接続部 1 7とレヽう、 互いに独立した 2つ の経路を介して、 電気的に接続されている。
かかる構成によれば、 例えば、 圧電 /電歪膜 1 5の絶縁性の低下に起因して、 上部電極 1 6の一部が破損し、 上部電極本体部 1 6 aと接続部 1 6 bとが断線し た場合であっても、 捕助接続部 1 7を介して、 上部電極本体部 1 6 aと補助電極 1 3との電気的接続が維持され得る。 このように、 本実施形態の構成によれば、 上部電極本体部 1 6 a と補助電極 1 3との電気的接続が、 より確実に維持され得 る。 したがって、 当該圧電 /電歪膜型素子 1 0の耐久性が、 よりいつそう向上し 得る。
•本実施形態の圧電 Z電歪膜型素子 1 0においては、 圧電 Z電歪膜 1 5が、 下 部電極 1 2の幅方向 Wにおける両端部を覆うように設けられている。 これにより 、 下部電極 1 2と圧電 Z電歪膜 1 5との精密な位置合わせが不要となり、 製造コ ストが低減され得る。 また、 下部電極 1 2と上部電極 1 6とのの短絡が、 簡略な 装置構成で効果的に抑制され得る。
<変形例の例示列挙 >
なお、 上述の実施形態は、 上述した通り、 出願人が取り敢えず本願の出願時点 において最良であると考えた本発明の代表的な実施形態を単に例示したものにす ぎない。 よって、 本発明はもとより上述の実施形態に何ら限定されるものではな い。 したがって、 本発明の本質的部分を変更しない範囲内において、 上述の実施 形態に対して種々の変形が施され得ることは、 当然である。
以下、 代表的な変形例について、 幾つか例示する。 以下の変形例の説明におい て、 上述の実施形態にて説明されているものと同様の構成及び機能を有する部材 に対しては、 上述の実施形態と同様の符号が付されているものとする。 そして、 かかる部材の説明については、 技術的に矛盾しない範囲内において、 上述の実施 形態における説明が援用され得るものとする。
もっとも、 言うまでもなく、 変形例とて、 以下に列挙されたもの限定されるも のではない。 また、 複数の変形例が、 技術的に矛盾しない範囲内において、 適宜 、 複合的に適用され得る。
本発明 (特に、 本発明の課題を解決するための手段を構成する各構成要素にお ける、 作用的 ·機能的に表現されているもの) は、 上述の実施形態や、 下記変形 例の記載に基づいて限定解釈されてはならない (このような限定解釈は、 先願主 義の下で出願を急ぐ出願人の利益を不当に害する反面、 模倣者を不当に利するも のであって、 発明の保護及ぴ利用を目的とする特許法の目的に反し、 許されない ) 0
( 1 ) 本発明の対象は、 上述の実施形態のような、 センサ素子に限定されない。 例えば、 本発明は、 ァクチユエータに対しても適用され得る。
( 2 ) 薄肉ダイヤフラム部 1 1 a及び上部電極本体部 1 6 aの平面形状として は、 長方形、 正方形、 三角形、 楕円形、 真円形等、 いかなる形状も適用され得る。 もっとも、 励起される共振モードを単純化させる必要がある場合の、 センサ素子 としての圧電 /電歪膜型素子 1 0においては、 長方形や真円形が、 必要に応じて 選択される。
( 3 ) キヤビティ 1 1 cの形状、 及ぴキヤビティ 1 1 cに形成された貫通孔 1 I dの個数、 配置、 構造は、 特に限定されない。
あるいは、 キヤビティ 1 1 cは、 薄肉ダイヤフラム部 1 1 aのほぼ全部を基板 1 1の下側表面側に露出するように形成されていてもよい。 すなわち、 平面視に おける開口形状が薄肉ダイヤフラム部 1 1 aの平面形状と略同一な、 1つの貫通 孔 1 1 dが形成されていてもよい。
( 4 ) 下部電極 1 2、 捕助電極 1 3、 及び上部電極 1 6は、 互いに異なる材質 で形成されていてもよいし、 すべて同一の材質で形成されていてもよい。
下部電極 1 2及び補助電極 1 3の材質としては、 基板 1 1 と圧電 Z電歪膜 1 5 とのいずれとも接合性のよい導電性材料が、 最も好適に用いられる。 特に、 圧電 ノ電歪膜 1 5を形成する際に、 焼結のための熱処理工程が行われる場合には、 白 金、 及ぴこれを主成分とする合金が好適に用いられる。
また、 上部電極 1 6の材質としては、 補助電極 1 3と圧電 Z電歪膜 1 5とのい ずれとも接合性のよい導電性材料が、 最も好適に用いられる。
( 5 ) 圧電ノ電歪膜 1 5は、 厚肉部 1 1 bに跨らないように形成されていても よい。 すなわち、 圧電 /電歪膜 1 5における、 補助電極 1 3側の端部が、 薄肉ダ ィャフラム部 1 1 aにおける補助電極 1 3側の端部である基端 1 1 a 2よりも、 先端 1 1 a 1側 (薄肉ダイヤフラム部 1 1 aの内側) になるように、 圧電 Z電歪 膜 1 5が形成されていてもよい。
( 6 ) 圧電 /電歪膜 1 5の材質としては、 上述の実施形態で示されているよう なものが、 単独で、 又は圧電 Z電歪特性の改善のために複合して用いられる。 あ るいは、 圧電 /電歪特性の改善のために、 他の添加物が適宜添加され得る。 上述 のような複合材料は、 混合物、 あるいは固溶体の状態で用いられ得る。
特に、 圧電 /電歪膜 1 5が、 チタン酸鉛、 ジルコン酸鉛、 マグネシウムニオブ 酸鉛、 ニッケルニオブ酸鉛から選ばれた少なくとも 1種以上を主成分とする材料 で構成された場合、 基板 1 1を構成する材料との反応性が低いこと、 熱処理中の 成分の偏折が起き難いことから、 目的とする組成や結晶構造が得られやすいため、 好適である。
また、 下部電極 1 2及び補助電極 1 3の材質として、 白金または白金を主成分 とする合金が用いられる場合には、 素子の特性のばらつきが小さくなり高い信頼 性が得られることから、 これらとの接合性がより高い、 (B i0.5Na0.5) T i 03ま
たはこれを主成分とする材料が好適に用いられる。 これらの中でも、 特に、 (1 — X ) (Bi。.5Na。.5)TiO3— xKNb03 ( Xはモル分率で 0≤ χ≤0· 0 6)また はこれを主成分とする材料が、 比較的高い圧電特性を有することから、 より好適 に用いられる。
この場合、 9 00 °Cから 1 40 0°C、 好ましくは 1 000 °Cから 1 3 0 0 °Cの 温度で熱処理工程が行われることが好ましい (圧電 電歪膜 1 5の材質と.して P Z T系材料を用いた場合も同様である) 。 このとき、 高温時に圧電 /電歪膜 1 5 が不安定にならないように、 圧電ノ電歪材料の蒸発源とともに雰囲気制御を行い ながら熱処理することが好ましい。
(7) 不完全結合部 1 5 b等における、 上述のような不完全結合状態の形成の 際の、 上述のダミー層は、 スクリーン印刷法の他、 スタンビング法、 インクジェ ッ ト法等が好適に用いられ得る。
圧電 /電歪膜 1 5や上部電極 1 6等の形成の際に熱処理工程が行われない場合 には、 ダミー層は、 水や有機溶媒等に溶解する材料 (合成樹脂等) を用いて形成 され得る。 この場合、 圧電ノ電歪膜 1 5を形成後、 あるいは上部電極 1 6を形成 後、 水や有機溶媒等によってダミー層が溶解 ·除去されることで、 不完全結合部 1 5 b等が形成される。
また、 基板 1 1及び圧電 Z電歪膜 1 5の材質及び成膜条件を適宜調整すること で、 上述のようなダミー層を用いることなく、 不完全結合部 1 5 b等が形成され 得る。
(8) 不完全結合部 1 5 b等においては、 基板 1 1と結合した部分が全く無い 未結合状態であってもよい。
(9) 張り出し部 1 5 c及び当該張り出し部 1 5 cの下方の不完全結合部 1 5 dは、 省略され得る。 すなわち、 素子特性としての電気的定数の、 ばらつきや経 時変化をより小さくすることが求められる場合には、 下部電極 1 2と圧電 /電歪 膜 1 5は、 ほぼ同等の大きさとされる場合がある。 この場合、 張り出し部 1 5 c は形成されない。 また、 下部電極 1 2が、 圧電 Z電歪膜 1 5より大きく形成され ていてもよい。
( 10) 図 3は、 図 1に示されている上部電極 1 6の一つの変形例の構成を示す 平面図である。 図 3に示されているように、 上部電極本体部 1 6 aには、 切欠部 から構成された不活性部 1 6 cが形成されている。 この不活性部 1 6 cは、 幅方 向 (接続部 1 6 bの延設方向と略垂直な方向) における、 上部電極本体部 1 6 a の両端を切り欠くように形成されている。
図 1及ぴ図 3を参照すると、 かかる構成においては、 圧電ノ電歪膜 1 5のうち の、 上部電極本体部 1 6 aと下部電極 1 2とに挟まれる部分である、 圧電ノ電歪 活性部 1 5 aの内部に、 印加電界の弱い領域が形成される。
よって、 かかる構成によれば、 圧電ノ電歪膜 1 5の伸縮に伴う当該圧電 Z電歪 膜 1 5内の応力が低減される。 したがって、 当該圧電 /電歪膜 1 5内のクラック の発生が抑制され、 圧電ノ電歪膜型素子 1 0の耐久性がより向上され得る。
( 11) 図 4は、 図 3に示されている上部電極 1 6の他の変形例の構成を示す平 面図である。 図 4に示されているように、 上部電極本体部 1 6 aには、 貫通孔か ら構成された不活性部 1 6 cが形成されていてもよい。 この変形例においては、 貫通孔からなる不活性部 1 6 cは、 長さ方向 (接続部 1 6 bの延設方向に沿った 方向) における、 上部電極本体部 1 6 aの両端部に設けられている。
かかる構成によれば、 上述の図 3の変形例と同様に、 圧電ノ電歪膜 1 5内のク ラックの発生が抑制され、 圧電 /電歪膜型素子 1 0の耐久性がより向上され得る。
( 12) 図 5は、 図 3に示されている上部電極 1 6のさらに別の変形例の構成を 示す平面図である。 図 5に示されているように、 貫通孔からなる不活性部 1 6 c が形成されていてもよい。 この変形例においては、 貫通孔からなる不活性部 1 6 cは、 幅方向 (接続部 1 6 bの延設方向と略垂直な方向) における、 上部電極本 体部 1 6 aの両端部に設けられている。
かかる構成によれば、 上述の図 3や図 4の変形例と同様に、 圧電 Z電歪膜 1 5 内のクラックの発生が抑制され、 圧電 /電歪膜型素子 1 0の耐久性がより向上さ れ得る。
( 13) 図 6は、 図 1に示されている圧電 電歪膜型素子 1 0における、 下部電 極 1 2と補助電極 1 3との間のギャップ 1 4の周辺の構成の、 一つの変形例を示 す断面図である。
図 6を参照すると、 この変形例においては、 下部電極 1 2と補助電極 1 3との 間のギャップ 1 4には、 圧電ノ電歪膜 1 5と薄肉ダイヤフラム部 1 1 aを結合さ せるための結合層 1 8が設けられている。 この結合層 1 8は、 絶縁体から構成さ れている。
かかる構成においては、 下部電極 1 2と補助電極 1 3との間のギャップ 1 4の 位置にて、 圧電ノ電歪膜 1 5と基板 1 1とが完全結合状態となる。 これにより、 薄肉ダイヤフラム部 1 1 aの振動状態が安定化され得る。 よって、 圧電 /電歪膜 型素子 1 0の素子特性がさらに向上され得る。
この結合層 1 8が設けられる場合には、 圧電 /電歪膜 1 5の形成に先立ち、 ギ ヤップ 1 4に結合層 1 8が形成される。 この結合層 1 8の形成には、 通常の厚膜 手法が用いられ得る。 特に、 スタンビング法、 スクリーン印刷法、 あるいは、 形 成すべき部分の大きさが数十 μ m〜数 1 0 0 μ πι程度の場合には、 インクジエツ ト法が好適に用いられ得る。 そして、 圧電 電歪膜 1 5の形成後に、 必要に応じ て熱処理を行うことで、 圧電ノ電歪膜 1 5と、 下部電極 1 2、 補助電極 1 3、 及 ぴ結合層 1 8とが、 一体化される。
結合層 1 8の材質としては、 圧電ノ電歪膜 1 5及び基板 1 1の双方との密着性、 結合性が高いものが好適に用いられ得る。 例えば、 ガラス等の無機材料の他に、 有機材料も好適に用いられ得る。 圧電 /電歪膜 1 5の形成の際に、 焼結のための 熱処理工程が用いられる場合には、 結合層 1 8を構成する材料として、 ガラス材 料が用いられ得る。 特に、 圧電 /電歪膜 1 5の熱処理温度以上の軟化点を有する ガラス材料が、 圧電 /電歪膜 1 5と基板 1 1とをより強固に結合させ、 また、 軟 化点が高いために熱処理による変形を抑制できることから、 より好適に用いられ る。
また、 結合層 1 8を構成する材質の熱膨張係数は、 基板 1 1の熱膨張係数と、 圧電 Ζ電歪膜 1 5の熱膨張係数の中間の値を有することが、 信頼性の高い結合性 が得られるため、 より好ましい。
さらに、 圧電 /電歪膜 1 5が、 上述のような、 (B i。.5N a。.5) T i 03またはこれ を主成分とする材料で構成される場合には、 結合層 1 8の材質として、 (1一
x) (Bi。.5Na。.5)Ti03— xKNbO3 (xはモル分率で 0. 08≤ χ^0. 5)を 主成分とする材料が好適に選択され得る。
この場合、 結合層 1 8と圧電 /電歪膜 1 5とが、 同様の成分を含む材質から構 成されることとなる。 よって、 結合層 1 8と圧電 電歪膜 1 5との密着性が向上 する。 また、 この場合、 結合層 18としてガラス材料が用いられた場合と比較し て、 異種元素の拡散による問題が少ない。 また、 結合層 1 8が KNb〇3を多く含 むことから、 基板 1 1との反応性が高くなり、 基板 1 1との結合が強固となる。
さらに、 結合層 1 8を構成する、 (l _x) (Bi0.5Na0.5)TiO3- xKNbO3 ( Xはモル分率で 0. 08≤ x≤0. 5)は、 圧電特性をほとんど示さない。 よ つて、 使用時に下部電極 1 2と補助電極 1 3との間に生じる電界による、 結合層 18における振動、 変位、 応力の発生が抑制される。 したがって、 安定した素子 特性が得られる。
(14) 下部電極 1 2、 補助電極 13、 圧電 電歪膜 1 5、 上部電極 1 6、 (結 合層 1 8) は、 熱処理により、 強固に接合され、 一体構造となる。 この熱処理は、 各層を形成した都度行われてもよい。 あるいは、 すべての層が形成された後に、 一度に熱処理が行われてもよい。 熱処理に際しては、 良好な接合性や構成元素の 拡散による変質を抑制するために、 熱処理温度が適切に設定されるのは言うまで もない。
結合層 1 8に対する熱処理が必要な場合には、 次の圧電 /電歪膜 1 5の形成ェ 程の前に熱処理されてもよい。 あるいは、 圧電/電歪膜 1 5の形成後に、 圧電 電歪膜 1 5と同時に熱処理されてもよい。
(15) その他、 本発明の課題を解決するための手段を構成する各要素における、 作用 ·機能的に表現されている要素は、 上述の実施形態や変形例にて開示されて いる具体的構造の他、 当該作用 ·機能を実現可能な、 いかなる構造をも含む。
Claims
1 . 薄肉ダイヤフラム部と、 その周囲に形成された厚肉部と、 を備えた基板と、 前記薄肉ダイャフラム部と前記厚肉部とに跨るように、 前記基板の上に形成さ れた下部電極と、
前記下部電極の上に形成された圧電 Z電歪膜と、
前記薄肉ダイヤフラム部の平面形状と略相似形の平面形状に形成されていて、 前記薄肉ダイヤフラム部と対向するように前記圧電 Z電歪膜の上に設けられた上 部電極本体部と、 その上部電極本体部と接続するように前記圧電 電歪膜の上に 設けられていて、 前記上部電極本体部よりも狭い幅に形成された接続部と、 を備 えた上部電極と、
を備えたことを特徴とする圧電 /電歪膜型素子。
2 . 請求の範囲 1に記載の圧電 /電歪膜型素子において、
前記薄肉ダイャフラム部の端部と前記厚肉部とに跨るように、 且つ前記下部電 極と離隔するように、 前記基板の上に形成されていて、 前記接続部と接続された 補助電極と、
前記上部電極本体部と前記補助電極とを接続するように設けられた補助接続部 と、
をさらに備えたことを特徴とする圧電 Z電歪膜型素子。
3 . 請求の範囲 1又は請求の範囲 2に記載の圧電 /電歪膜型素子であって、 幅方向又は当該幅方向と垂直な長さ方向における、 前記薄肉ダイヤフラム部の 寸法に対する前記圧電 Z電歪膜の寸法の比の値が、 0 . 9 5以下となるように、 前記圧電ノ電歪膜が形成されていることを特徴とする圧電 電歪膜型素子。
4 . 請求の範囲 1ないし請求の範囲 3のいずれかに記載の圧電 /電歪膜型素子で あって、
前記上部電極本体部には、 貫通孔又は切欠部から構成された不活性部が形成さ
れていることを特徴とする圧電 /電歪膜型素子
5 . 請求の範囲 1ないし請求の範囲 4のいずれかに記載の圧電ノ電歪膜型素子で あって、
前記薄肉ダイヤフラム部及ぴ前記上部電極本体部は、 幅と長さとの比であるァ スぺタ ト比の値が、 略 1 . 2以上となるように形成されていることを特徴とする 圧電 /電歪膜型素子。
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