CN100380699C - 压电/电致伸缩膜元件 - Google Patents

压电/电致伸缩膜元件 Download PDF

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Abstract

本发明的目的是提供灵敏度高的传感器元件。本发明提供的压电/电致伸缩膜元件是由在周边部上拥有较厚部的较薄隔板部的陶瓷形成的基板上，顺次叠置下部电极及辅助电极、压电/电致伸缩膜、和上部电极形成。其中，上部电极的长度为较薄隔板部的长度的30%以上(含30%)70%以下(含70%)。

Description

压电/电致伸缩膜元件
技术领域
本发明涉及压电/电致伸缩膜元件，涉及在利用弯曲位移的驱动装置(actuator)例如麦克风，或流体特性或声压、微重量、加速度等的传感器例如粘度传感器中使用的压电/电致伸缩膜元件。
背景技术
压电/电致伸缩膜元件，历来作为驱动装置(actuator)或各种传感器使用。作为传感器使用的压电/电致伸缩膜元件，如专利文献1所示的那样，用于对流体的密度、浓度、粘度等的特性测定。这样的元件是利用压电体的振子的振幅和与振子接触的流体的粘性阻抗相关的原理，作为传感器来使用的元件。
一般来说，在振子的振动那样的机械系统中的振动形态，能够置换成为电气系统中的等价回路，在流体中使压电/电致伸缩膜振子振动，通过根据流体的粘性阻抗该振子受到的机械阻抗检测出构成振子的压电体的等价回路的电气常数的变化，能够测定流体的粘度、密度、浓度等特性。作为可能测定的流体，是气体及液体，不仅包含由水、酒精、油等单一的成分组成的液体，还包含在这些液体中溶解了或混合了或悬浮浊了可溶和/或不可溶的媒质的液体、料浆、糊膏。
另外，作为检测出的电气常数，可以列举出：损失系数、相位、电阻、电抗、电导、电纳、电感及电容，特别理想的是使用在等价回路的共振频率附近具有一个极大值或极小值的损失系数和/或相位。由此不仅可以测定流体的粘度，而且可以测定密度或浓度，如可以测定硫酸水溶液中的硫酸浓度。此外，作为检测出振动形态的变化的指标在电气常数以外，从测定精度、耐久性的观点出发，如果没有其他特别的问题时，也可以利用共振频率的变化。
这样的压电/电致伸缩膜元件，如专利文献2公开展示的那样，如图1所示，在和具有在周边部上有较厚部3的较薄隔板的陶瓷板形成的基板上叠置的下部电极4独立的位置上形成辅助电极8，使该辅助电极的一部分进入压电/电致伸缩膜5下方的一部分那样形成。通过这样的构成，可以在辅助电极8及压电/电致伸缩膜5的面上无断线连续形成上部电极6，提高了上部电极6连接的可靠性。此外，在图1中，被测定流体存在于空洞部10中，通过贯通空9被导入。而且，由于辅助电极8在从较薄的隔板部3到较厚部3上连续形成，因此得到了稳定的元件特性和在什么使用条件下都能适用的元件。
专利文献1：日本特开平8--201265号公报
专利文献2：日本特开2002-261347号公报
在通过检测基于这样振动的电气特性而进行传感检测的传感器用元件中，在例如通过相位的峰值检测共振频率变化的场合，希望得到如图2所示在共振频率中相位的峰值尖锐的元件，来作为识别能力或灵敏度高的传感器用元件。但是现有技术不能得到峰值的尖锐度很充分的元件，成为在进行高精度检测时的障碍。
在图1所示的现有的压电/电致伸缩膜元件中，如图4所示的那样，相对于理想的振动变形形状，实际的振动变形是偏离的，这点的原因与检测出被测定流体的各种各样的噪音的事实有关，结果是得不到尖锐的电气特性的变化。
发明内容
本发明是针对此问题进行的发明。即，本发明的目的是，提供能够使理想的振动变形形状和实际振动变形形状一致的压电/电致伸缩膜元件。另外，由此提供灵敏度高的传感器元件。
即，有关本发明的压电/电致伸缩膜元件的特征在于，其在由在周边部上拥有较厚部的较薄隔板部的陶瓷形成的基板上顺次叠置下部电极及辅助电极、压电/电致伸缩膜、和上部电极形成，上述上部电极的长度为较薄隔板部的长度的30％以上(含30％)70％以下(含70％)。
另外，有关本发明的压电/电致伸缩膜元件的特征在于，其由在周边部上拥有较厚部的较薄隔板部的陶瓷形成的基板上顺次叠置下部电极及辅助电极、压电/电致伸缩膜、和上部电极形成，上述上部电极的宽度是较薄隔板部3的宽度的70％或以上。
此外，这里所说的上述上部电极的长度及上述较薄隔板部的长度，指的是与空洞部10的长边方向相平行的方向中的各部件两端间的距离，上述上部电极的宽度及上述较薄隔板部的宽度，指的是与空洞部10的短边方向相平行的方向中的各部件两端间的距离。
根据本发明提供的压电/电致伸缩膜元件由于理想的振动变形形状与实际振动变形形状一致，所以能够得到尖锐的电气特性的变化，因此能够提供识别能力或灵敏度高的传感器元件。
附图说明
图1是展示了现有的压电/电致伸缩膜元件的实施形态的说明图；
图2是展示了作为压电/电致伸缩膜元件希望得到的峰值形状的说明图；
图3是展示了在现有的压电/电致伸缩膜元件中的峰值形状的说明图；
图4是展示了现有的振动变形形状的说明图；
图5是展示了有关本发明的压电/电致伸缩膜元件的实施形态的说明图；
图6是展示了在图5中的振动变形形状的说明图；
图7是展示了有关本发明的压电/电致伸缩膜元件的其他实施形态的说明图；
图8是展示了在图7中的振动变形形状的说明图；
图9是展示了有关本发明的压电/电致伸缩膜元件的其他实施形态的说明图；
图10是展示了在图9中的振动变形形状的说明图。
具体实施方式
以下，关于本发明的最佳实施形态进行说明，但是应该理解，本发明不限于以下的实施形态，在不脱离本发明的目的范围内，根据从业者的通常的知识，可以适当添加设计的变更、改良等。
有关本发明的压电/电致伸缩膜型元件，如图1所示的那样，在由较薄的隔板部3和较厚部2组成的陶瓷基板1的上面，通过通常的膜形成的方法，顺次叠置下部电极4、压电/电致伸缩膜5及上部电极6，成为一体结构而形成。
下部电极4的辅助电极8侧的一端，具有到不超过较薄隔板部3的位置的长度形成。在和下部电极4同一面上的、与其独立的位置上，辅助电极8在进入压电/电致伸缩膜5这样的位置上，具有从与下部电极4反对侧的较厚部1开始到较薄隔板部3为止的一定的长度连续形成。压电/电致伸缩膜5跨越下部电极4和辅助电极8那样形的，上部电极6跨越压电/电致伸缩膜5和辅助电极8，与辅助电极8接通形成。
上部电极6的长度Lu为隔板部3的长度Ld的30％到70％，此外，关于上部电极6中为了接通与辅助电极8的连接部分，因为不提供压电/电致伸缩膜元件的实质的动作，这里就不包含在长度Lu里了。
该长度，在长度超过70％的时候，就得不到作为结果的尖形的峰值，另外，在长度比30％短的时候，电气常数的值就变得很小，导致灵敏度降低。
此外，为了得到尖锐的峰值，对上部电极6的长度Lu有作用的上部电极6的长度方向的形状，最好使用线对称的形式。因为采用对称形状，就能够产生仅仅强调固有振动的振动。
作为陶瓷基板1的材料，最好选用具有耐热性、化学稳定性、绝缘性的材料。这点是因为如后所述，在将下部电极4、压电/电致伸缩膜5、上部电极6进行一体化处理时，有时采用热处理，作为传感器元件的压电/电致伸缩膜元件在检测液体的特性时，该液体有时具有导电性、腐蚀性。
作为从此观点出发能够使用的陶瓷可以举出稳定的氧化锆、氧化铝、氧化镁、氮化铝、氮化硅及玻璃等例子。其中因为在用稳定的氧化锆薄薄地形成较薄隔板部的场合也可以高度保持机械强度柔韧性优良，所以很适合使用。
作为陶瓷基板1的较薄隔板部3的厚度，为了不使驱动振幅变小，一般为50um或以下，较好的是30um或以下，最好是15um或以下。
而，作为较薄隔板部的表面形状，长方形、正方形、三角形、椭圆形、圆形等任何形状都可以。为了得到理想的变形形状，最好使用长宽比为1.5或以上的长方形、长圆形、椭圆形。
在这样的陶瓷基板1的表面上形成下部电极4及辅助电极8。
此时，下部电极4的宽度可以比隔板部3的宽度大，另一方面，也可以比压电/电致伸缩膜5的宽度小。
另一方面，辅助电极8从与陶瓷基板1的下部电极4反对侧的端部到较薄隔板部3上一定的位置连续形成。下部电极4及辅助电极8在较厚部上的端部分别与不同端子电极11连接。
下部电极4及辅助电极8，不管是不同材料，还是同种材料，使用与陶瓷基板1和压电/电致伸缩膜5任何一个结合性好的导电材料。
具体说，最好使用以白金、钯、铹、银、或这些元素的合金为主要成分的电极材料，特别是，在形成压电/电致伸缩膜的时候要进行以烧结为目的的热处理的场合，最好使用白金或以白金为主要成分的合金。
为形成下部电极4和辅助电极8，使用公知的各种膜形成方法。具体说，可以适当选择离子束、溅射、真空镀膜、CVD、离子电镀、电镀等薄膜形成方法，或丝网印刷、喷射、浸渍(dipping)等厚膜形成方法，不过其中特别适宜选用溅射法及丝网印刷法。
在下部电极4和辅助电极8之间设置使压电/电致伸缩膜5和较薄隔板部3结合的结合层时，在压电/电致伸缩膜5的形成前，可以在如图1所示的位置上，形成结合层7。
通过形成结合层7，在得到理想的振动变形形状之外，使隔板部3上的刚度均匀。
作为由绝缘体组成的结合层7，只要压电/电致伸缩膜5和陶瓷基板1双方的密接性、结合性高，不管是有机材料，还是无机材料，任何材料都可以使用。
作为结合层7使用的材料的热膨胀系数，最好具有基板材料的热膨胀系数及压电/电致伸缩膜5中使用的材料的热膨胀系数的中间的值，因为能得到可靠性高的结合性。在为烧结而对压电/电致伸缩膜5进行热处理时，作为构成结合层7的材料，因为要使压电/电致伸缩膜5和陶瓷基板1双方的密接性、结合性提高，最好使用向压电/电致伸缩膜5中使用的材料中添加微量的玻璃成分的材料，或是具有压电/电致伸缩膜5的热处理温度以上的软化点的玻璃材料。
而且，当由下文的(Bi0.5Na0.5)TiO3或以其为主要成分的材料、或由(1-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3-xKNbO3(x是摩尔比率0≤x≤0.06)和/或以其为主要成分的材料构成压电/电致伸缩膜5时，因为能够使压电/电致伸缩膜5和陶瓷基板1的双方的密接性、结合性提高；抑制热处理时的对压电/电致伸缩膜5及基本1的不良影响，所以最好使用向(1-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3-xKNbO3(x是摩尔比率0≤x≤0.5)为主要成分的材料中添加微量玻璃成分的结合层7。
即，由于通过用向(1-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3-xKNbO3(x是摩尔比率0≤x≤0.5)微量添加玻璃成分后的材料来形成结合层7，而具有与压电/电致伸缩膜5同样的成分，所以和压电/电致伸缩膜5的紧密接触性高，没有单独使用玻璃时容易产生异种元素扩散的问题，又因含有KNbO3，所以能够产生与基板1的反应性很高的坚固的结合。另外，由于取(1-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3-xKNbO3(x是摩尔比率0.08≤x≤0.5)作为结合层的主要成分，因为结合层几乎不显示压电特性，使用时对于在下部电极4和辅助电极8上产生的电场并不发生振动或位移及应力，因此可以得到稳定的元件特性。
为形成这些结合层7，在使用通常的厚膜生成手法，特别是如压印法、丝网印刷法，或当要形成的部分的尺寸为数10μm-数100μm程度时，最好使用喷墨法。另外，当结合层7的热处理必要时，可以在接下来的压电/电致伸缩膜5的形成前进行热处理，也可以在压电/电致伸缩膜5的形成后同时进行热处理。
压电/电致伸缩膜5是跨越了下部电极4、辅助电极8及结合层7形成的。作为压电/电致伸缩膜的材料，只要显示了压电/电致伸缩效果的材料中的任何一种材料都可以，作为这样的材料，可以举出，锆酸铅、钛酸铅、钛酸锆酸铅(PZT)等铅系陶瓷压电/电致伸缩材料，或钛酸钡及以其为主要成分的钛钡系陶瓷强电介质，或以聚偏二氟乙烯(PVDF)为代表的高分子压电体，或以(Bi0.5Na0.5)TiO3为代表的Bi系陶瓷压电体，Bi层状陶瓷。当然，不用说也可以使用改善了压电/电致伸缩特性的、这些物质的混合物或固溶体及向这些物质中添加了添加物的材料。
作为压电特性高、能够高灵敏度检测的材料，优选使用PZT系压电体。在本发明中，特别优选使用从钛酸铅、锆酸铅、铌镁酸铅、镍铌酸铅中选择的至少一种或一种以上为主要成分而构成的压电体，因为容易得到能和构成基板的材料的反应性低、很难发生热处理中的成分分布不均、顺利地进行为保持组成的处理为目的的组成、结晶结构。
另外在下部电极4及辅助电极8中使用白金或以白金为主要成分的合金时，因为与这些材料的结合性更高，且元件的特性分布不均的现象减少，能够得到高可靠性，所以优选使用(Bi0.5Na0.5)TiO3或以其为主要成分的材料。这些材料中，特别是(1-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3-xKNbO3(x是摩尔比率0≤x≤0.06)或以其为主要成分的材料，因为具有较高的压电特性，所以最好使用此种材料。
作为压电/电致伸缩膜5，这样的压电/电致伸缩材料，和下部电极4和辅助电极8一样，通过公知的各种膜形成法来形成。其中从低成本的观点出发，最好采用丝网印刷的方法。
通过这样形成的压电/电致伸缩膜5根据需要进行热处理，和下部电极4、辅助电极8及结合层7一起被一体化。为了抑制元件的特性分布不均，提高可靠性，在需要使压电/电致伸缩膜5和下部电极4及辅助电极8、结合层7的结合性更加加强时，最好使用(Bi0.5Na0.5)TiO3和/或以其为主要成分的材料、特别是(1-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3-xKNbO3(x是摩尔比率0≤x≤0.06)和/或以其为主要成分的材料，在900℃到1400℃最好为1000℃到1300℃的温度下进行热处理。使用PZT系材料时也是一样的。此时，为了不使压电/电致伸缩膜5在高温时不安定，最好一边对压电/电致伸缩材料的蒸发源与大气一起进行控制，一边进行热处理。
进而，在这样形成的压电/电致伸缩膜5的上面，上部电极6跨越压电/电致伸缩膜5和辅助电极8连续形成。
作为该上部电极6的材质，使用与压电/电致伸缩膜5结合性高的导电性材料，通过与下部电极4及辅助电极8同样的膜形成法来形成。
而且，上部电极6在膜形成后根据需要进行热处理，与压电/电致伸缩膜5及辅助电极8结合，形成一体结构。这样的热处理不是非必要不可的，与下部电极4的情况相同。
为了成为理想的变形形状，希望隔板部3上的刚性是均一的，为了这个目的，比起通过使用粘结剂来结合下部电极4、辅助电极8、结合层7、压电/电致伸缩膜5、上部电极6，通过热处理与隔板部3一体化的方法就更好些。
上部电极6的长度Lu为隔板部3的长度Ld的30％到70％。为了得到理想的变形形状，上部电极6的宽度，对于隔板部3的宽度，应为其70％或以上。此外，比较上部电极6和隔板部3的宽度时，在各自的宽度的长度内用最长的部分进行比较。
为了得到尖锐的峰值，上部电极6的宽度方向的形状，希望是线对称的形状。这是因为采用对称形状，能够产生仅强调固有振动的振动。
进而，希望能使上部电极6和隔板部3的中心一致，但是如果从中心的偏离，在隔板部3的长度方向上对隔板部3的长度在5％或以下，在宽度方向上对隔板部3的宽度10％或以下的话，由于能够得到理想的变形形状没有问题。
此外，对于隔板部3的面积，对上部电极6的动作有效的部分所占的面积的比例最好是15％(含15％)以上40％(含40％)以下。该比例如果是15％或以上的话就能得到检测所必要的振动，而如果是40％或以下的话就能得到对振动有利的刚性。
图5展示了作为本发明的一个实施例的传感器用压电/电致伸缩膜元件。在图6中表示了取上部电极的形状是长方形、Lu/Ld为0.42时及为0.57(实施例1)时的实际的振动变形形状。
从图6可知，接近理想的振动变形形状，与这些元件的频率对应的相位峰值成为图2那样，得到了尖锐的峰值。
另外，如图7所示，在上部电极的形状是菱形，Lu/Ld为0.57(实施例2)时，实际的振动变形形状如图8所示，接近理想的振动变形形状，与这些元件的频率对应的相位峰值成为图2那样，得到了尖锐的峰值。
另外，如图9所示，上部电极的形状是圆形，Lu/Ld为0.42(实施例3)时，实际的振动变形形状如图10所示，比较现有的例子更加接近理想的振动变形形状，与这些元件的频率对应的相位峰值成为图2那样，得到了尖锐的峰值。
此外，下部电极4、结合层7、压电/电致伸缩膜5、上部电极6通过热处理结合时，可以在各自形成的每次进行热处理，也可以顺次把各自形成膜后，同时进行热处理。不用说，在热处理时，为了得到良好的结合性和抑制因构成元素扩散引起的变质，要选择适宜的热处理温度。
另外，图1中在空洞部10上形成了贯通孔9，但是元件与流体接触的空洞部10以下的结构，没有盖的单纯的空腔结构等，什么样的结构都可以，这里不作限定。
而且，压电/电致伸缩膜5的长度方向的端部，可以配置成没有超过较薄隔板部3那样，也可以为压电/电致伸缩膜5没有跨过较厚部2的结构。

Claims (2)

1.一种压电/电致伸缩膜元件，其由在具有薄隔板部和周边厚部的陶瓷基板上设有下部电极和辅助电极、并且在下部电极和辅助电极上顺次叠置压电/电致伸缩膜、上部电极形成，其特征在于，
上述上部电极的长度为薄隔板部的长度的30％以上70％以下，并且该上部电极的长度不包含用于接通与辅助电极的连接部分的长度。
2.权利要求1所述压电/电致伸缩膜元件，其特征在于，
上述上部电极的宽度是薄隔板部(3)的宽度的70％或以上。
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