CN101427393A - 压电/电致伸缩膜型元件 - Google Patents
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Abstract
本发明的压电/电致伸缩膜型元件(10)具备基板(11)、下部电极(12)、压电/电致伸缩膜(15)以及上部电极(16)。基板(11)具备薄壁隔膜部(11a)和形成于其周围的厚壁部(11b)。下部电极(12)以横跨薄壁隔膜部(11a)和厚壁部(11b)的方式形成于基板(11)之上。压电/电致伸缩膜(15)形成于下部电极(12)之上。上部电极(16)以与薄壁隔膜部(11a)相对的方式形成于压电/电致伸缩膜(15)之上。该上部电极(16)具备上部电极主体部(16a)和连接部(16b)。上部电极主体部(16a)形成为与薄壁隔膜部(11a)的平面形状大致相似的平面形状。
Description
技术领域
本发明涉及利用了薄壁隔膜部的振动特性的压电/电致伸缩性元件。
背景技术
作为这种压电/电致伸缩性元件，已知的有利用了上述薄壁隔膜部的弯曲变位的促动器和检测接近该薄壁隔膜部的介质的特性(例如，流体特性、音压、微小重量、加速度等)的传感器(如麦克风和粘度传感器)等。
在特开平8-201265号公报(专利文献1)、特开2002-261347号公报(专利文献2)、特开2005-322890号公报(专利文献3)中公布了作为上述传感器的上述压电/电致伸缩膜型元件。该压电/电致伸缩膜型传感器构成为利用压电/电致伸缩型振子的振幅和与该振子接触的流体的粘性阻力之间具有的相关关系，可测定该流体的密度、浓度、粘度等特性。
具体地说，在该压电/电致伸缩膜型传感器中，在上述流体的存在下，使上述振子振动的场合，该振子因该流体的粘性而受到力学的阻力。在此，该振子的机械的振动方式可置换到等效的电子回路中。因此，基于该振子受到的粘性阻力，构成该振子的压电/电致伸缩膜的等效电路的电常数发生变化。通过检测出该电常数的变化，可测定流体的粘度、密度、浓度等特性。
作为可通过该压电/电致伸缩膜型传感器进行特性测量的流体，还包含液体以及气体的任一种。作为测定对象的液体，当然包含从例如水、酒精、油脂中选择的仅由主要的介质组成的单一成分的液体。不仅如此，添加(溶解、混合、分散、或悬浊)了相对于该主要的介质可溶、难溶、或不溶的其他介质的液体(浆、胶等)也可包含在测定对象液体中。
此外，作为上述电常数，可例举出损耗系数、位相、阻力、电抗、电导、电纳、电感、电容等。尤其优选使用在等效电路的共振频率附近具有一个极大或极小变化电的损失系数或者相位。由此，不仅可测定流体粘度还可测定密度和浓度，例如，可测定硫酸水溶液中的硫酸浓度。再有，作为检测振动方式的变化的指标，电常数以外，从测定精度、耐久性的观点出发如果没有特别问题，还可利用共振频率的变化。
在这种压电/电致伸缩膜型元件中，原来，通过使上述薄壁隔膜部的弯曲变位量和内部应力值更大等来提高元件特性(传感器感度等)的话，会产生在上述压电/电致伸缩膜中产生裂纹等、及耐久性的问题。
发明内容
本发明是为了解决以上问题而提出的。即，本发明的目的是提供具有更优良的元件特性以及耐久性的压电/电致伸缩膜型元件。
本发明的压电/电致伸缩膜型元件具备基板、下部电极、压电/电致伸缩膜和上部电极。上述基板具备薄壁隔膜部和形成于其周围的厚壁部。上述下部电极以跨越上述薄壁隔膜部和上述厚壁部的方式形成于上述基板之上。上述压电/电致伸缩膜形成于上述下部电极之上。上述上部电极与上述薄壁隔膜部相对而形成于上述压电/电致伸缩膜之上。
本发明的特征在于，在具备上述基板、上述下部电极、上述压电/电致伸缩膜和上述上部电极的压电/电致伸缩膜型元件中，上述上部电极具备形成为与上述薄壁隔膜部的平面形状大致相似的平面形状的上部电极主体部和与该上部电极主体部连接而设置的连接部。在此，上述上部电极主体部设置成与上述薄壁隔膜部相对。此外，上述连接部形成为比上述上部电极主体部更窄的宽度。
在具备该结构的本发明的压电/电致伸缩膜型元件中，基于在上述电极主体部和上述电极之间施加的规定的输入电压，与该上部电极主体部对应的上述薄壁隔膜部进行振动。或者，根据上述薄壁隔膜部的振动状态以及/或者其变化，在上述上部电极主体部和上述下部电极之间产生规定的输出。
在此，在本发明中，上述上部电极主体部的平面形状形成为与上述薄壁隔膜部的平面形状大致相似的平面形状。
因此，根据该结构，基于上述输入电压，上述薄壁隔膜部的振动状态可效率更好地设定成规定的状态。或者，上述薄壁隔膜部的振动状态可效率更好地反映到上述输出。这样，不增大输入电压就得到高输出。因此，根据本发明，可抑制在压电/电致伸缩膜中裂纹的发生，提高耐久性，因此，得到更加优良的压电/电致伸缩膜型元件。
在本发明的压电/电致伸缩膜型元件中，也可还设置辅助电极。该辅助电极以跨越上述薄壁隔膜部和上述厚壁部且与上述下部电极隔离的方式形成于上述基板之上。并且，该辅助电极与上述连接部连接。具体地说，该压电/电致伸缩型元件如下构成。
上述下部电极从与上述薄壁隔膜部的一端相邻的上述厚壁部横跨至比上述薄壁隔膜部的上述一端相对的另一端更靠上述一端侧的位置而形成于上述基板之上。此外，上述辅助电极从与上述薄壁隔膜部的上述另一端相邻的上述厚壁部横跨至比上述薄壁隔膜部的上述另一端更靠上述一端侧的位置且与上述下部电极隔离地形成于上述基板之上。即，上述下部电极和上述辅助电极在大致同一平面上隔开规定的间隙而形成。并且，该间隙形成于比上述薄壁隔膜部的上述另一端更靠上述一端侧的位置，换言之，形成于上述薄壁隔膜部上。
上述压电/电致伸缩膜以在上述厚壁部使上述下部电极的端部以及上述辅助电极的端部露出的方式形成于该下部电极以及该辅助电极之上。而且，上述上部电极主体部设置成隔着上述下部电极以及上述压电/电致伸缩膜而与该薄壁隔膜部相对。再有，上述连接部以连接上述上部主体部和上述辅助电极的方式设置在上述压电/电致伸缩膜以及上述辅助电极之上。
伴随着上述薄壁隔膜的振动或变位，在该薄壁隔膜部和上述厚壁部的连接部位，即该薄壁隔膜部的上述一端以及上述另一端，弯曲应力为最大。若在该部位存在由材质的不连续部分构成的凹口或微小龟裂等凹陷的话，则在该凹陷上产生应力集中，以该凹陷为起点疲劳龟裂发展到上述压电/电致伸缩膜。然而，在上述的结构中，在与上述薄壁隔膜部的上述一端以及上述另一端对应的位置不形成上述间隙。
因此，根据用该结构，以上述间隙为起点在上述压电/电致伸缩膜上产生裂纹的情况可被有效地抑制。
此外，在该构成中，跨越上述薄壁隔膜部和上述厚壁部，在上述薄壁隔膜部的上述另一端的附近部，上述压电/电致伸缩膜设于同电位的上述辅助电极和上述上部电极之间。即，在上述薄壁隔膜部的上述另一端的附近部，产生不对上述压电/电致伸缩膜施加电场的部分(惰性部)。换言之，通过上述电场的施加使上述薄壁隔膜部弯曲变形的位置成为比上述另一端更靠上述薄壁隔膜部的“内侧”。
因此，根据该结构，可效率良好地进行上述薄壁隔膜部的激励。或者，在上述压电/电致伸缩膜的面方向的伸缩应力为最大的该薄壁隔膜部的中央部，效率良好地产生上述上部电极和上述下部电极之间的与该薄壁隔膜部的振动状态相应的输出。
此外，在本发明的压电/电致伸缩膜中，也可以还设置辅助连接部。该辅助连接部设置成连接上述上部电极主体部和上述辅助电极。
在该结构中，上述上部电极主体部和上述辅助电极称为上述连接部和上述辅助连接部，通过相互独立的两个路径电连接。
因此，根据该结构，上述上部电极主体部和上述辅助电极的电连接可更可靠地维持。因此，可进一步提高该压电/电致伸缩膜的耐久性。
在本发明的压电/电致伸缩膜型元件中，最好是上述压电/电致伸缩膜之中夹在上述电极主体部和上述下部电极的部分即压电/电致伸缩活性部仅设在上述薄壁隔膜部上。
在该结构中，上述压电/电致伸缩膜之中的施加了电场的部分即上述压电/电致伸缩活性部仅存在于上述薄壁隔膜部上。
因此，根据该结构，可更加效率良好地进行上述薄壁隔膜部的激励，或与该薄壁隔膜部的振动状态相应的上述上部电极和上述下部电极之间的输出的取得。
在本发明的压电/电致伸缩膜型元件中，在宽度方向或与该宽度方向垂直的长度方向上的上述压电/电致伸缩膜的尺寸相对于上述薄壁隔膜部的尺寸之比的值为0.95以下则更好。即，以上述薄壁隔膜部的宽度或长度为1的场合，使得上述压电/电致伸缩膜的宽度或长度为0.95以下，上述压电/电致伸缩膜的主要部分俯视时形成于上述薄壁隔膜部的外形的内侧则更好。
在该结构中，位于上述压电/电致伸缩膜(特别是上述压电/电致伸缩活性部)的外侧的上述薄壁隔膜部的端部的弯曲变形，可在从该压电/电致伸缩膜的机械的拘束至比较自由的状态下产生。
因此，根据该结结构，可更加有效地进行上述薄壁隔膜部的激励，或电极间的输出的取得。而且，通过抑制上述压电/电致伸缩膜中的裂纹的产生，可以进一步提高该压电/电致伸缩膜型元件的耐久性。
此外，在上述电极主体部也可以形成由贯通孔或凹槽部构成的惰性部。
在该结构中，上述压电/电致伸缩膜之中的在夹在上述上部电极主体部和上述下部电极的部分即上述压电/电致伸缩活性部的内部形成有施加电场弱的区域。
因此，根据该结构，伴随着上述压电/电致伸缩膜的伸缩的该压电/电致伸缩膜内的应力减小。因此，该压电/电致伸缩膜内的裂纹的发生被抑制，可进一步提高该压电/电致伸缩膜型元件的耐久性。
上述薄壁隔膜部以及上述上部电极主体部最好是形成为宽度与长度之比即纵横比的值大致为1.2以上。
根据该结构，通过使上述薄壁隔膜部中的弯曲变位更大，得到更加优良的元件特性。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施方式，流体传感器用的压电/电致伸缩膜型元件的结构的图。这里，图1(A)是本实施方式的压电/电致伸缩膜型元件的俯视图。图1(B)是图1(A)中的B-B剖视图。图1(C)是图1(A)中的C-C剖视图。
图2是图1所示的压电/电致伸缩膜型元件的俯视图。
图3是表示图1所示的压电/电致伸缩膜型元件的一个变形例的结构的俯视图。
图4是表示图3所示的上部电极的结构的其他变形例的俯视图。
图5是表示图3所示的上部电极的别的其他变形例的结构的俯视图。
图6是表示图1所示的压电/电致伸缩膜型元件的下部电极和辅助电极之间的间隙的周边结构的一个变形例的剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式(在申请本申请的时候申请人暂且认为最佳的实施方式)进行说明。还有，对于本实施方式的各构成单元的具体的构造等的记述，暂且为了易于理解有代表性的一个实施方式且便于始终如一地进行说明，仅例示地表示了一个代表例。与本实施方式的各构成单元的构造等有关的变形例，在说明了实施方式的结构、作用、效果之后，将在末尾进行综合叙述。
<传感器用压电/电致伸缩膜型元件的结构>
图1是本发明的一个实施方式，是表示流体传感器用的压电/电致伸缩膜型元件10的结构的图。这里，图1(A)是本发明的压电/电致伸缩膜型元件10的俯视图。图1(B)是图1(A)中的B-B剖视图。图1(C)是图1(A)中的C-C剖视图。
<<基板>>
压电/电致伸缩膜型元件10具备基板11。在基板11上设有薄壁隔膜部11a。薄壁隔膜部11a为了使被激励的共振模式单纯化而形成为大致长方形状的平面形状。该薄壁隔膜部11a构成为以其长度方向L的前端11a1以及基端11a2、宽度方向W的两侧的侧端11a3为固定端而可弯曲变形。薄壁隔膜部11a的厚度形成为50μm以下、较好是30μm以下、更好是15μm以下。
在基板11的薄壁隔膜部11a的周围形成有厚壁部11b，厚壁部11b与薄壁隔膜部11a没有接缝地形成为一体。该厚壁部11b形成为比薄壁隔膜部11a厚很多。
基板11鉴于在压电/电致伸缩膜型元件10的制造工序中存在可进行热处理工序或对腐蚀性流体的特性进行传感的情况等，而由具有耐热性、化学稳定性及绝缘性的材质构成。具体地说，基板11由从例如氧化铝、氧化镁、富铝红柱石、氮化铝、氮化硅、玻璃及稳定化后的氧化锆等之中选择的材质构成。这其中稳定化后的氧化锆由于在较薄地形成薄壁隔膜部11a的情况下也可确保较高的机械强度、韧性优良等，所以可优选使用作为基板11的材质。
在基板11上形成有空腔11c及贯通孔11d。空腔11c是本实施方式的压电/电致伸缩膜型元件10的容纳作为传感对象物的流体的孔洞部，形成在与薄壁隔膜部11a对应的位置。贯通孔11d沿着基板11的厚度方向而形成。该贯通孔11d设置成在基板11的下侧表面开口，并形成为可连通该里面侧和空腔11c。
<<下部电极>>
下部电极12以跨越薄壁隔膜部11a和厚壁部11b的方式形成于基板11的上侧表面之上，具体地说，下部电极12从与薄壁隔膜部11a的前端11a1邻接的厚壁部11b横跨比薄壁隔膜部11a的基端11a2更靠前端11a1侧的位置而形成。该下部电极12通过紧固在基板11的上侧表面之上而与该基板11设为一体。
下部电极12由以铂、钯、铑、银或它们的合金为主要成分的电极材料构成。该下部电极12通过公知的各种膜形成方法而形成(具体地，例如，离子束、溅射、真空蒸镀、CVD、离子镀、电镀等的薄膜形成方法、网板印刷、喷射、浸渍等的厚膜形成方法等)。
<<辅助电极>>
辅助电极13以跨越薄壁隔膜部11a基端11a2和厚壁部11b的方式形成于极板11的上侧表面之上。具体地说，辅助电极13从与薄壁隔膜部11a的基端11a2邻接的厚壁部11b横跨比薄壁隔膜部11a的基端11a2更靠前端11a1侧的位置而形成。通过该辅助电极13也紧固在基板11的上侧表面之上而与该基板11设为一体。
辅助电极13设置在与下部电极12大致同一平面上。为了使两者电绝缘在该辅助电极13和下部电极12之间设有规定的间隙14。即辅助电极13设置成隔着间隙14而与下部电极12隔离。该间隙14设置在比薄壁隔膜部11a的基端11a2更靠前端11a1侧的位置，换言之，设置在薄壁隔膜部11a上。
辅助电极13由以铂、钯、铑、银、或它们的合金为主要成分的电极材料构成。该辅助电极13通过上述那样的公知的各种膜形成方法而形成。<<压电/电致伸缩膜>>
压电/电致伸缩膜15以跨越下部电极12以及辅助电极13的方式形成于该下部电极12以及辅助电极13之上。该压电/电致伸缩膜15以覆盖下部电极12的宽度方向W的两端部的方式而设置。
压电/电致伸缩膜15通过紧固在下部电极12以及辅助电极13之上而与该下部电极12以及辅助电极13设为一体。压电/电致伸缩膜15通过与上述那样的下部电极12或辅助电极13同样的公知的各种膜形成方法而形成。
压电/电致伸缩膜15以在沿其长度方向L的两端部使下部电极12的端部以及辅助电极13的端部露出于厚壁部11b上的方式而形成。这样，通过露出于厚壁部11b上的下部电极12以及辅助电极13的端部构成引线用端子。
压电/电致伸缩膜15由表示压电/电致伸缩效果的任意材料构成。具体地说，压电/电致伸缩膜15由从锆酸铅、钛酸铅、钛酸锆酸铅(PZT)等的铅系陶瓷压电/电致伸缩材料、钛酸钡以及以它为主要成分的钛酸钡系陶瓷强电介质体或聚氟化亚乙烯基(PVDF)所代表的高分子压电体材料、或者(Bi0.5Na0.5)TiO3所代表的Bi系陶瓷压电材料等中选择的材料构成。本实施方式那样的传感器用途的场合，PZT系压电体由于其压电特性高，可高灵敏度检测，所以最适合于使用。
压电/电致伸缩膜15具备压电/电致伸缩活性部15a、不完全结合部15b、伸出部15c以及不完全结合部15d。
压电/电致伸缩活性部15a包括：形成于压电/电致伸缩膜15之上的上部电极16的主要部分即上部电极主体部16a；以及夹在与下部电极12之间的部分。该压电/电致伸缩活性部15a只设在薄壁隔膜部11a之上。
不完全结合部15b设置成向间隙14内突出。该不完全结合部15b是对基板11的结合状态不完全(不完全结合状态)的部分。具体地说，按照不完全结合部15b从基板11的剥除(剥离)强度为0.5kg/mm2，相对于基板11不完全结合。
伸出部15c如图1(C)所示，在宽度方向W的压电/电致伸缩膜15的端部，设置成从上部电极16向侧方露出。在该伸出部15c的下方，以从侧方覆盖下部电极12的方式设有不完全结合部15d。该不完全结合部15d也与上述的不完全结合部15b同样，是对基板11的结合状态不完全的部分。
<<上部电极>>
上述的上部电极16以从压电/电致伸缩膜15跨越辅助电极13的方式设置。该上部电极16通过紧固在压电/电致伸缩膜15以及辅助电极13之上而与该压电/电致伸缩膜15以及辅助电极13一体地设置。上部电极16由与压电/电致伸缩膜15的接合性高的导电性材料构成。利用与下部电极12以及辅助电极13同样的膜形成方法而形成。
上部电极16由上部电极主体部16a和连接部16b构成。
上部电极主体部16a配置成隔着下部电极12以及压电/电致伸缩膜15而与薄壁隔膜部11a相对。该上部电极主体部16a形成为与薄壁隔膜部11a的平面形状大致相似的平面形状。
连接部16b以比上部电极主体部16a更窄的宽度而形成。连接部16b以连接上部电极主体部1616a和辅助电极13的方式设置在压电/电致伸缩膜15以及辅助电极13之上。即，连接部16b的一端部与上部电极主体部16a无缝隙地形成为一体，从而与上部电极主体部16a连接。而且连接部16b的另一端部通过与辅助电极13接合，从而与该辅助电极13电连接。
图2是图1所示的压电/电致伸缩膜型元件10的俯视图。是相当于图1(A)的图。参照图2，上部电极主体部16a(以及薄壁隔膜部11a)做成宽度与长度之比、即纵横比的值为大致1.2以上。
即，以上部电极主体部宽度We和上部电极主体部长度Le之比即电极纵横比Re＝Le/We的值为大致1.2以上，而且薄壁隔膜部宽度Wd和薄壁隔膜长度Ld之比即隔膜部纵横比Rd＝Ld/Wd的值为1.2以上的方式，形成薄壁隔膜部11a以及上部电极主体部16a。
另外，在本实施方式的压电/电致伸缩膜型元件10中，以压电/电致伸缩膜宽度Wp和薄壁隔膜部宽度Wd之比(Wd/Wp)的值为0.95以下，而且压电/电致伸缩膜长度Lp和薄壁隔膜部长度Ld之比(Ld/Lp)的值为0.95的方式，形成薄壁隔膜部11a以及压电/电致伸缩膜15。即压电/电致伸缩膜15的主要部分(图1中的压电/电致伸缩活性部15a)形成于俯视时薄壁隔膜部11a的外形的内侧。
<<辅助连接部>>
再次参照图1，辅助连接部17设置成与连接部16独立地电连接上部电极主体部16a和辅助电极13。即，在本实施方式的压电/电致伸缩膜型元件10中，上部电极16和辅助电极13通过相互独立的多个路径电连接。辅助连接部17配置在尽可能远离连接部16b的位置。
<实施方式的压电/电致伸缩膜型元件的制造方法的一个例子>
其次，对本实施方式的压电/电致伸缩膜型元件的制造方法的一个例子进行说明。
首先，在形成为上述那样的规定形状的基板11的上侧表面之上，通过网板印刷法形成下部电极12以及辅助电极13。
其次，在基板11的上侧表面的对应于不完全结合部15b及15d的位置，通过网板印刷法形成虚拟层以免压电/电致伸缩膜15和基板11直接连接。该虚拟层是在后述的烧成压电/电致伸缩膜15时的后述的热处理工序中通过燃烧而消失的由合成树脂材料构成的膜。
接着，压电/电致伸缩膜15经过由网板印刷法形成的涂敷工序以及烧成由该涂敷工序形成的涂敷膜的热处理工序而形成。此时，通过使上述的虚拟层消失，从而形成不完全结合部15b以及15d。
然后，上述电极16通过网板印刷法而形成。并且，上部电极16、压电/电致伸缩膜15、辅助电极13、下部电极12以及基板11的层叠体被实行热处理。由此，该层叠体的各层通过相互牢固地紧固而一体化。
最后，通过在上部电极16和下部电极12之间施加规定的高电压，从而压电/电致伸缩膜15被实行极化处理。
<实施方式的压电/电致伸缩膜型元件的动作>
其次，参照各附图对上述那样构成的本实施方式的压电/电致伸缩膜型元件10的动作进行说明。
被测定流体通过贯通孔11d而被导入空腔11c内。而且，空腔11c内的已完成测定的流体通过贯通孔11d从空腔11c排出。
若在上部电极16和下部电极12之间施加规定的驱动电压，则压电/电致伸缩膜15中的压电/电致伸缩活性部15a因逆压电效应而变形。由于该压电/电致伸缩膜15的变形，薄壁隔膜部11a弯曲变形。该薄壁隔膜部11a通过施加上述的驱动电压而以规定的共振频率被激励。
这里，薄壁隔膜部11a的振动通过空腔11c内的流体而受到粘性的阻力。基于该粘性阻力的薄壁隔膜部11a的振动状态及其变化表现为上部电极16和下部电极12之间的压电/电致伸缩膜15中的压电/电致伸缩活性部15a的伸缩状态及其变化。该压电/电致伸缩活性部15a的伸缩状态及其变化变现为上部电极16和下部电极12之间的输出电压的波形及其变化。通过分析该输出电压的波形及其变化，可判定导入空腔11c内的被测定流体的特性。
<根据实施方式的结构的作用·效果>
其次，参照各附图对根据上述那样构成的本实施方式的压电/电致伸缩膜型元件10的结构的作用·效果进行说明。
·在本实施方式的压电/电致伸缩膜型元件10中，构成材质的不连续部分的空腔14以及不完全结合部15b形成为不跨越在薄壁隔膜部11a中的弯曲应力成为最大的前端11a1以及基端11a2。
根据该结构，可有效地抑制前端11a1及基端11a2的应力集中的发生、以及因该应力集中引起的压电/电致伸缩膜15内的疲劳龟裂的进展。因而，提高了压电/电致伸缩膜型元件10的耐久性。
·在本实施方式的压电/电致伸缩膜型元件10中，薄壁隔膜部11a以及上部电极主体部16a形成为大致相似的平面形状。而且，以电极纵横比Re＝Le/We的值、以及隔膜部纵横比Rd＝Ld/Wd的值为1.2以上的方式，形成薄壁隔膜部11a以及上部电极主体部16a。
根据该结构，通过进一步加大薄壁隔膜11a的弯曲变位，得到更优良的元件特性(传感器灵敏度)。即，根据该结构，薄壁隔膜部11a的驱动状态基于上述的驱动电压可更加有效地设定成规定的状态。或者，薄壁隔膜部11a的振动状态可更加有效地反映在输出电压上。因此，通过抑制压电/电致伸缩15中的裂纹的发生，提高耐久性的同时可得到更加优良的元件特性。
·在本实施方式的压电/电致伸缩膜型元件10中，压电/电致伸缩活性部15a仅设置在薄壁隔膜部11a上。而且，在压电/电致伸缩活性部15a的周围设有不完全结合部15b及15d。
根据该结构，伸出部15c及空腔14中的基板11和压电/电致伸缩膜15的结合被缓和，可得到薄壁隔膜11a中的充分的弯曲变位量和振幅。而且，可更加有效地进行薄壁隔膜部11a的激励或与该薄壁隔膜部11a的振动状态相应的上部电极16和下部电极12之间输出的取得。因而，可得到更加优良的元件特性(传感器灵敏度)。
·在本实施方式的压电/电致伸缩膜型元件10中，跨越薄壁隔膜部11a和厚壁隔膜部11b，在薄壁隔膜部11a中的基端11a2的附近部，压电/电致伸缩膜15被设置在同电位的辅助电极13和上部电极16之间。即，在薄壁隔膜部11a中的基端11a2的附近部产生了不对压电/电致伸缩膜15施加电场的部分(惰性部)。换言之，通过电场的施加而使薄壁隔膜部11a弯曲变形的位置成为比基端11a2更靠薄壁隔膜部11a的“内侧”。
根据该结构，可有效地进行薄壁隔膜部11a的激励。或者，在压电/电致伸缩膜15的面方向的伸缩应力为最大的薄壁隔膜部11a的中央部，有效地产生上部电极16和下部电极12之间的与薄壁隔膜部11的振动状态相应的输出电压。因此，可得到更加优良的元件特性。而且，压电/电致伸缩膜15中的裂纹的产生被抑制，可进一步提高压电/电致伸缩膜型元件10的耐久性。
·在本实施方式的压电/电致伸缩膜型元件10中，以压电/电致伸缩膜宽度Wp和薄壁隔膜部宽度Wd之比(Wd/Wp)以及压电/电致伸缩膜长度Lp和薄壁隔膜部长度Ld之比(Ld/Lp)的值为0.95以下的方式，形成薄壁隔膜部11a以及压电/电致伸缩膜15。
根据该结构，位于压电/电致伸缩膜15(特别是压电/电致伸缩活性部15a)的外侧的薄壁隔膜部11a的端部的弯曲变形，可在从该压电/电致伸缩膜15形成的机械的拘束至比较自由的状态下产生。因而，可更加有效地进行薄壁隔膜部11a的激励或电极间的输出的取得。而且，压电/电致伸缩膜15中的裂纹的发生被抑制，可进一步提高压电/电致伸缩膜型元件10的耐久性。
·在本实施方式的压电/电致伸缩膜型元件10中，上部电极主体部16a和辅助电极13称为连接部16b和辅助连接部17，通过相互独立的两个路径电连接。
根据该结构，即使在例如起因于压电/电致伸缩膜15的绝缘性下降而致使上述电极16的一部分破损，且上部电极主体部16a和连接部16b断线的场合，也可通过辅助连接部17来维持上部电极主体部16a和辅助电极13的电连接。这样，根据本实施方式的结构，上部电极主体部16a和辅助电极13的电连接可更加可靠地维持。因此，可进一步提高该压电/电致伸缩膜型元件10的耐久性。
·在本实施方式的压电/电致伸缩膜型元件10中，压电/电致伸缩膜15设置成覆盖下部电极12的宽度方向W的两端部。这样，不需要下部电极12和压电/电致伸缩膜15的精确对位，可降低制造成本。而且，可用简单的装置结构有效地抑制下部电极12和上部电极16的短路。
<列举变形例的例示>
还有，如上所述，上述的实施方式只不过是仅简单地例示了在申请本申请的时候申请人暂且认为最佳的本发明的有代表性的实施方式。因而，本发明自然不受上述实施方式的任何限制。因此，在不变更本发明的本质的部分的范围内，当然可对上述实施方式实行各种变更。
以下，对有代表性的变形例举出几个例子。在以下的变形例的说明中，对于具有与上述实施方式中所说明的部件同样的结构以及功能的部件，附注与上述实施方式同样的符号。并且，对于该部件的说明，在没有技术上的矛盾的范围内可引用上述实施方式中的说明。
当然，不言而喻，作为变形例，并不限定于以下列举的例子。而且，在没有技术上的矛盾的范围内，多个变形例可复合地应用。
本发明(特别是构成用于解决本发明的问题的机构的各种构成单元的表现在作用的、功能的)并非基于下述变形例的记载而被限定解释(这种限定解释，在先申请主义下，不公正地损害急于申请的申请人的利益，另一方面，不公正地有利于模仿者，违反以保护及利用发明为目的的专利法的目的是不允许的)。
(1)本发明的对象并不限定于如上述实施方式那样的传感器元件。例如本发明也可以应用于促动器。
(2)作为薄壁隔膜部11a以及上部电极主体部16a的平面形状也可使用长方形、正方形、三角形、椭圆形、正圆形等任意形状。但是，在有必要使被激励的共振模式单纯化的场合的作为传感器元件的压电/电致伸缩膜型元件10中，根据需要选择长方形或正圆形。
(3)空腔11c的形状以及形成于空腔11c上的贯通孔11d的个数、配置、构造没有特别限定。
或者，空腔11c也可以形成为使薄壁隔膜部11a的大致全部露出于基板11的下侧表面侧。即，俯视时的开口形状也可以形成与薄壁隔膜部11a的平面形状大致相同的一个贯通孔11d。
(4)下部电极12、辅助电极13、以及上部电极16既可以用相互不同的材质形成，也可以全部用同一材质形成。
作为下部电极12以及辅助电极13的材质，最好使用与基板11和压电/电致伸缩膜15的哪一个接合性均良好的导电性材料。尤其在形成压电/电致伸缩膜15之际进行用于烧结的热处理的情况，适合使用以铂及以它为主要成分的合金。
而且，作为上部电极16的材质，最好使用与基板11和压电/电致伸缩膜15的哪一个接合性均良好的导电性材料。
(5)压电/电致伸缩膜15不跨于越厚壁部11b地形成也可以。即，以在压电/电致伸缩膜15中的辅助电极13侧的端部比薄壁隔膜部11a中的辅助电极13侧的端部即基端11a2还靠前端11a1侧(薄壁隔膜部11a的内侧)的方式形成压电/电致伸缩膜15也可以。
(6)作为压电/电致伸缩膜15的材质，虽然是如上述的实施方式中所示的材质，但可单独使用或为了改善压电/电致伸缩特性而复合使用。或者，为了改善压电/电致伸缩的特性而可适当添加其他添加物。上述那样的复合材料可在混合物或固溶体的状态下使用。
特别是在压电/电致伸缩膜15由以从钛酸铅、锆酸铅、镁铌酸铅、镍铌酸铅选择出的至少一种以上为主要成分的材料构成的场合，由于与构成陶瓷基板11的材料的反应性低，很难发生热处理中的成分的偏析，容易得到作为目的的组成或结晶结构，因而非常适合。
另外，作为下部电极12以及辅助电极13的材质，在使用了铂或以铂为主要成分的合金的场合，减小元件特性的波动，得到较高可靠性，所以与它们的接合性更高，适合使用(Bi0.5Na0.5)TiO3或以它为主要成分的材料。在这些材料之中，尤其是(1-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3-xKNbO3(x为摩尔分数，0≤x≤0.06)或以它为主要成分的材料由于具有比较高的压电特性，所以更适合使用。
该场合，以900℃～1400℃、最好是以1000℃～1300℃的温度进行热处理工序为宜(作为压电/电致伸缩膜15的材质，使用PZT系材料的场合也同样)。此时，为了使压电/电致伸缩膜15在高温时不会不稳定，最好是与压电/电致伸缩材料的蒸发源一同进行环境控制的同时进行热处理。
(7)不完全结合部15b等中的上述那种不完全结合状态形成时的上述虚拟层除了网板印刷法外还可适当使用冲压成形法、喷墨法等。
在形成压电/电致伸缩膜15或上部电极16时不进行热处理工序的场合，虚拟层可使用溶解于水或有机溶媒等中的材料(合成树脂等)来形成。该场合，形成压电/电致伸缩膜15后或形成上部电极16后，通过水或有机溶媒等溶解·去除虚拟层，从而形成不完全结合部15b等。
而且，通过适当调整基板11及压电/电致伸缩膜15的材质以及成膜条件，不使用上述那样的虚拟层就可形成不完全结合部15b等。
(8)在不完全结合部15b等中，也可以是完全没有与基板11结合的部分的未结合状态。
(9)可省略伸出部15c以及该伸出部15c的下方的不完全结合部15d。即，在要求进一步减小作为元件特性的电常数的波动或随时间变化的情况下，存在下部电极12和压电/电致伸缩膜15被做成大致同等大小的情况。该场合不形成伸出部15c。而且，下部电极12也可以做成比压电/电致伸缩膜15大。
(10)图3是表示图1所示的上部电极16的一个变形例的结构的俯视图。如图3所示，在上部电极主体部16a上形成由凹槽构成的惰性部16c。该惰性部16c以切去宽度方向(连接部16b的延伸设置方向)的上部电极主体部16a的两端的方式而形成。
参照图1以及图3，在该结构中，在压电/电致伸缩膜15之中的夹在上部电极主体部16a和下部电极12中的部分即压电/电致伸缩活性部15a的内部，形成施加电场弱的区域。
因而，根据该结构，伴随压电/电致伸缩膜15的伸缩的该压电/电致伸缩膜15内的应力被降低。因此，该压电/电致伸缩膜15内的裂纹的产生被抑制，可进一步提高压电/电致伸缩膜型元件10的耐久性。
(11)图4是表示图3所示的上部电极16的其他变形例的结构的俯视图。如图4所示，在上部电极主体部16a上也可以形成由贯通孔构成的惰性部16c。在该变形例中，由贯通孔构成的惰性部16c设置在沿长度方向(连接部16b的延伸设置方向的方向)的上部电极主体部16a的两端部。
根据该结构，与上述的图3的变形例同样，压电/电致伸缩膜15内的裂纹的产生被抑制，可进一步提高压电/电致伸缩膜型元件10的耐久性。
(12)图5是表示图3所示的上部电极16的别的变形例的结构的俯视图。如图5所示，也可以形成由贯通孔构成的惰性部16c。在该变形例中，由贯通孔构成的惰性部16c设置在宽度方向(与连接部16b的延伸设置方向大致垂直的方向)的上部电极主体部16a的两端部。
根据该结构，与上述的图3和图4的变形例同样，压电/电致伸缩膜15内的裂纹的产生被抑制，可进一步提高压电/电致伸缩膜型元件10的耐久性。
(13)图6是表示图1所示的压电/电致伸缩膜型元件10中的下部电极12和辅助电极13之间的间隙14周边的结构的一个变形例的剖视图。
参照图6，在该变形例中，在下部电极12和辅助电极13之间的间隙14中，设有用于使压电/电致伸缩膜15和薄壁隔膜部11a结合的结合层18。该结合层18由绝缘体构成。
在该结构中，在下部电极12和辅助电极13之间的间隙14的位置，压电/电致伸缩膜15和基板11成为完全结合状态。由此，可使薄壁隔膜部11a的振动状态稳定。因而可进一步提高压电/电致伸缩膜型元件10的元件特性。
在设有该结合层18的场合，在形成压电/电致伸缩膜15之前，在间隙14中形成结合层18。该结合层18的形成可使用普通的厚膜方法。特别是在冲压成形法、网板印刷法或应该形成的部分的大小为数十μm～数百μm程度的场合，可适当地使用喷墨法。并且，在形成压电/电致伸缩膜15之后，通过根据需要而进行热处理，从而压电/电致伸缩膜15、下部电极12、辅助电极13以及结合层18被一体化。
作为结合层18的材质，可适当使用与压电/电致伸缩膜15及基板11双方的粘合性高的材质。例如。除了玻璃等的无机材料之外，还可适当地使用有机材料。在形成压电/电致伸缩膜15时，在使用烧结用的热处理工序的场合，作为构成结合层18的材料可使用玻璃材料。特别是具有压电/电致伸缩膜15的热处理温度以上的软化点的玻璃材料，由于使压电/电致伸缩膜15和基板11更牢固地结合，而且能够抑制软化点高导致的热处理中的变形，所以更适合使用。
另外，构成结合层18的材质的热膨胀系数具有基板11的热膨胀系数与压电/电致伸缩膜15的热膨胀系数的中间值，由于得到可靠性高的结合性所以更为优选。
再有，压电/电致伸缩膜15在由上述那样的(Bi0.5Na0.5)TiO3或以它为主要成分的材料构成的场合，作为结合层18的材质，可适当地选择以(1-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3-xKNbO3(x为摩尔分数，0.08≤x≤0.5)为主要成分的材料。
该场合，结合层18和压电/电致伸缩膜15由包含同样成分的材质构成。因而提高了结合层18和压电/电致伸缩膜15的粘合性。而且，该场合与使用玻璃材料作为结合层18的场合相比较，异种元素的扩散引起的问题极少。而且，由于结合层18较多地含有KnbO3，所以与基板11的反应性变高，且与基板11的结合变得牢固。
再有，构成结合层18的(1-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3-xKNbO3(x为摩尔分数，0.08≤x≤0.5)几乎不显示压电特性。因而，在使用时在下部电极12和辅助电极13之间产生的电场引起的结合层18的振动、变位、应力的产生被抑制。因此可得到稳定的元件特性。
(14)下部电极12、辅助电极13、压电/电致伸缩膜15、上部电极16(结合层18)通过热处理被牢固地接合而成为一体构造。该热处理也可以在形成各层时每次都进行。或者在形成所有的层之后进行一次热处理。在进行热处理时，为了抑制因良好的接合性和构成元件的扩散引起的变质，当然可以适当地设定热处理温度。
在需要对结合层18进行热处理的场合，也可以在形成下一个压电/电致伸缩膜15的工序前进行热处理。或者在形成压电/电致伸缩膜15后与压电/电致伸缩膜15同时进行热处理。
(15)此外，在构成用于解决本发明的课题的机构的各单元中的表现在作用·功能方面的单元除了在上述实施方式和变形例中公开的具体的构造之外还包含可实现该作用·功能的任何构造。
Claims (5)
1.一种压电/电致伸缩膜型元件，其特征在于，具备：
基板，其具备薄壁隔膜部和形成于其周围的厚壁部；
下部电极，其以横跨上述薄壁隔膜部和上述厚壁部的方式形成于上述基板之上；
压电/电致伸缩膜，其形成于上述下部电极之上；以及，
上部电极，其具备形成为与上述薄壁隔膜部的平面形状大致相似的平面形状且以与上述薄壁隔膜部相对的方式设置于上述压电/电致伸缩膜之上的上部电极主体部、以与该上部电极主体部连接的方式设置在上述压电/电致伸缩膜之上且形成为比上述上部电极主体部更窄的宽度的连接部。
2.根据权利要求1所述的压电/电致伸缩膜型元件，其特征在于，还具备：
辅助电极，其以横跨上述薄壁隔膜部的端部和上述厚壁部且与上述下部电极隔离的方式形成于上述基板之上，并与上述连接部连接；以及，
辅助连接部，其设置成连接上述上部电极主体部和上述辅助电极。
3.根据权利要求1或2所述的压电/电致伸缩膜型元件，其特征在于，
上述压电/电致伸缩膜形成为：在宽度方向或与该宽度方向垂直的长度方向上，上述压电/电致伸缩膜的尺寸相对于上述薄壁隔膜部的尺寸之比的值为0.95以下。
4.根据权利要求1至3任一项所述的压电/电致伸缩膜型元件，其特征在于，
在上述上部电极主体部形成有由贯通孔或凹槽部构成的惰性部。
5.根据权利要求1至4任一项所述的压电/电致伸缩膜型元件，其特征在于，
上述薄壁隔膜部以及上述上部电极主体部的宽度与长度之比即纵横比的值大致为1.2以上。
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