DE69532174T2

DE69532174T2 - Dünnfilm-Sensorelement sowie Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE69532174T2
Application number: DE69532174T
Authority: DE
Inventors: Hideo Higashiosaka-shi Torii; Takeshi Nara-shi Kamada; Shigenori Gose-shi Hayashi; Ryoichi Suita-Shi Takayama; Takashi Moriguchi-shi Hirao; Masumi Hirakata-shi Hattori
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1994-02-07
Filing date: 1995-01-23
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2015-01-24
Also published as: CN1121999A; KR100262137B1; US5612536A; KR950026041A; EP0667532B1; EP0667532A3; US6105225A; CN1088918C; DE69532174D1; EP0667532A2

Description

Die Erfindung betrifft ein Dünnfilm-Sensorelement, das durch Verwendung eines dielektrischen Dünnfilms als Beschleunigungssensorelement, als pyroelektrisches Sensorelement usw. einsetzbar ist, und betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung des Dünnfilm-Sensorelements.
In letzter Zeit besteht großer Bedarf für einen Beschleunigungssensorelement in den Bereichen des Transportwesens, wie z. B. der Kraftfahrzeug-, Schienenfahrzeug-, Luft- und Raumfahrtindustrie, der medizinischen Betreuung und der industriellen Instrumentierung. Herkömmlicherweise ist ein mechanischer Sensor verwendet worden, aber dieser Gerätetyp wird zunehmend durch einen Krümmungsmessertyp mit Verwendung eines Halbleiters oder durch ein Kapazitätstyp ersetzt, um eine kompakte Größe, hohe Leistung, einen niedrigen Preis und eine hohe Zuverlässigkeit zu erreichen. Ein Beschleunigungssensor vom Halbleitertyp wird mittels halbleitertechnischer Verfahren und durch Mikrobearbeitungsverfahren hergestellt. Ein Beschleunigungssensor vom Krümmungsmessertyp ist wie in dem in 14 dargestellten Beispiel konfiguriert (H. V. Allen et al., Sensors and Actuators, 20 (1989) S. 153–161). In 14 bezeichnet das Bezugszeichen 71 ein Beschleunigungssensorelement vom Krümmungsmessertyp; 22 bezeichnet ein Auslegerteil; 23 bezeichnet ein Meßwiderstandsteil (Piezowiderstandselement); 24 bezeichnet eine Anschlußelektrode; 25 bezeichnet einen oberen Entkopplungswafer; 26 bezeichnet einen Meßwafer; 27 bezeichnet einen unteren Entkopplungswafer; 28 bezeichnet einen Luftspalt und 29 bezeichnet ein Eigengewichtsteil. Wenn an dem Eigengewichtsteil eine Beschleunigung angreift, wird das Auslegerteil gekrümmt oder deformiert, und in Abhängigkeit von Piezowiderstandseffekten ändert sich der Betrag des elektrischen Widerstands der auf dem Auslegerteil ausgebildeten Diffusionsschicht (Meßwiderstandsteil: Piezowiderstandselement). Mit Hilfe einer Wheatstoneschen Brückenschaltung, die vier Stück Piezowiderstandselemente aufweist, kann ein Beschleunigungssignal in Form eines Spannungsausgangssignals erfaßt werden.
Ferner ist ein Beschleunigungssensor vom Kapazitätstyp wie in dem in 15 dargestellten Beispiel konfiguriert (H. Seidel et al., Sensors and Actuators, A21–A23 (1990), S. 312-315). In 15 bezeichnet das Bezugszeichen 81 ein Beschleunigungssensorelement vom Kapazitätstyp; 32 bezeichnet eine obere Zählerelektrode; 33 eine Eigengewichtselektrode (bewegliche Elektrode); 34 bezeichnet eine untere Zählerelektrode; 35 bezeichnet ein oberes Glas; 36 bezeichnet ein Siliconharz; 37 bezeichnet ein unteres Glas, 38 bezeichnet einen Luftspalt, und 39 bezeichnet ein Eigengewichtsteil. Was die Elektroden zur Ausbildung der Kapazität betrifft, ist eine der Elektroden, die als Eigengewichtselektrode 33 dient, auf dem Eigengewichtsteil 31 angeordnet. Durch Erfassen des Betrags der Kapazitätsänderung, die von einer Abstandsänderung zwischen dem festen oberen Gegenelektrodenteil 32 und dem unteren Zählerelektrodenteil 34 begleitet wird, kann man ein Beschleunigungssignal erhalten. Der Kapazitätstyp weist durch die angreifende Beschleunigung eine große Kapazitätsänderung auf, so daß durch Konstruktion einer Detektorschaltung eine Messung mit hoher Genauigkeit möglich ist.
Der Beschleunigungssensor mit Verwendung eines Halbleiters ist dadurch gekennzeichnet, daß auch alle peripheren Schaltungen, wie zum Beispiel ein Verstärker usw., integriert werden können. Daher läßt sich eine kleine Größe und eine hohe Leistung erreichen, indem die Anzahl der Komponenten und der Anschlußpunkte vermindert wird.
Andererseits ist ein pyroelektrischer Infrarotsensor ein thermischer Infrarotsensor mit Anwendung eines dielektrischen Dünnfilms. Dieser Sensor kann bei Raumtemperatur betrieben werden und weist eine geringe Wellenlängenabhängigkeit der Empfindlichkeit auf. Dieser Sensor ist unter den thermischen Sensoren ein hochempfindliches Element. Dieser pyroelektrische Infrarotsensor nutzt Bleilanthantitanat (nachstehend als PLT abgekürzt) als dielektrisches Material mit starken dielektrischen Eigenschaften und wird gewöhnlich unter Verwendung einer PLT-Schicht mit einer Kristallorientierung in Richtung der "c- Achse" hergestellt, d. h einer Kristallorientierung mit dem höchsten pyroelektrischen Koeffizienten. Um einen aufgefangenen Infrarotstrahl mit hohem Wirkungsgrad in ein Sensorausgangssignal umzuwandeln, muß der pyroelektrische Infrarotsensorelement einer PLT-Schicht aufweisen, der empfindlich auf eine thermische Änderung reagiert, die einer Änderung der aufgefangenen Infrarotmenge entspricht. Daher wird eine Trägerstruktur für die PLT-Schicht bezüglich Form und Material so konstruiert, daß sie eine kleine Wärmekapazität und außerdem einen geringen Wärmeverlust durch Wärmeleitung aufweist.
Wenn zum Beispiel ein pyroelektrischer Infrarotsensor als Infrarotpunktsensor verwendet wird, dann wird ein herkömmliches pyroelektrisches Infrarotsensorelement mit einem Mittelteil so konfiguriert, wie in 28 dargestellt. Das heißt, auf den beiden Oberflächen wird eine PLT-Schicht 204 mit einer Dicke von etwa 3 μm zusammen mit einer unteren Zuleitungselektrode 223 und einer oberen Zuleitungselektrode 225 angeordnet. Um die Wärmekapazität und die Wärmeleitung zu reduzieren, wird die Kombination aus der PLT-Schicht 204, der unteren Zuleitungselektrode 223 und der oberen Zuleitungselektrode 225 nur von Polyimidharzschichten 222 und 232 getragen. Außerdem werden die Polyimidharzschichten 222 und 232 am äußeren Umfang durch ein Keramiksubstrat 207 aufgenommen, das aus einer Keramik besteht, die im Mittelteil mit einer Durchgangsbohrung mit rechteckigem Querschnitt versehen ist. Hier bezeichnen die Bezugszeichen 206, 216 und 230 elektrisch leitende Klebstoffe; und 208 und 209 bezeichnen Anschlußelektroden.
Das wie oben konfigurierte pyroelektrische Infrarotsensorelement wurde nach einem in 29(a) bis (f) dargestellten herkömmlichen Verfahren hergestellt (vergleiche z. B. Ryoichi Takayama et al., "Pyroelectric infrared picture image sensor" (Pyroelektrischer Infrarotbildsensor), National Technical Report, Bd. 39 (Nr. 4) (1993), S. 122–133, JP-A-4-170 077).
Zunächst wird ein spiegelpoliertes MgO-Einkristallsubstrat 221 mit einer Spaltungsebene (100) hergestellt. Während das MgO-Einkristallsubstrat 221 auf einer Erhitzungstemperatur von 600°C gehalten wird, wird ein Keramiktarget aus Bleilanthantitanat mit einem HF-Sputterverfahren gesputtert, um auf der Oberfläche des MgO-Einkristallsubstrats 221 die in Richtung der c-Achse orientierte PLT-Schicht 204 auszubilden (29(a)). Als nächstes wird Polyimidharz aufgebracht, außer auf die Oberseite dieser PLT-Schicht 204, und die Polyimidharzschicht wird ausgebildet. Dann wird auf dieser Schicht durch ein Sputterverfahren die untere Zuleitungselektrodenschicht 223 aus Ni-Cr ausgebildet (29(b)). Ferner wird Polyimidharz auf die Oberfläche aufgebracht, um die zweite Schicht des Polyimidharzfilms 232 auszubilden (29(c)). Das darauf angeordnete MgO-Einkristallsubstrat 221 mit der mehrschichtigen Filmzusammensetzung wird umgedreht und auf das Keramiksubstrat 207 aufgesetzt, das aus einer Keramik wie zum Beispiel Aluminiumoxid besteht und im Mittelteil eine Durchgangsbohrung mit rechteckigem Querschnitt aufweist. Dann werden das MgO-Einkristallsubstrat 221 und das Keramiksubstrat 207 durch den Klebstoff 230 verklebt und fixiert (29(d) ). Nach dem Verkleben wird zum Zweck der Verbesserung der Temperaturempfindlichkeit der PLT-Schicht 204 das MgO in dem MgO-Einkristallsubstrat 221 geätzt und vollständig entfernt, mit Ausnahme der auf dem MgO-Einkristallsubstrat 221 ausgebildeten mehrschichtigen Filmzusammensetzung (29(d)). Durch Entfernen des MgO wird die PLT-Schicht 204 von neuem an der Oberfläche freigelegt, und die obere Ni-Cr-Zuleitungselektrodenschicht 225 wird darauf ausgebildet. Außerdem werden die zuvor auf dem Keramiksubstrat 207 ausgebildeten Anschlußelektroden 209 und 208 durch die leitfähige Paste 206 und 216 mit der oberen Zuleitungselektrode 225 und der unteren Zuleitungselektrode 223 verbunden (29(f)). Auf diese Weise kann man das herkömmliche pyroelektrische Infrarotsensorelement erhalten.
Obwohl der obenerwähnte Beschleunigungssensor vom Halbleitertyp unter Anwendung von Halbleitertechniken miniaturisiert werden kann, weist dieser Beschleunigungssensor das Problem komplizierter Fertigungsschritte auf, da ein Eigengewichtsteil oder ein Auslegerteil durch Anwendung von Mikrobearbeitungsverfahren, wie z. B. des anisotropen Ätzens mit einer alkalischen Lösung, ausgebildet werden muß. Zum Beispiel wird bei dem Krümmungsmessertyp ein anisotropes Ätzverfahren zur Ausbildung eines Auslegerteils angewandt, wobei aber die Steuerung der Dicke usw. des Auslegerteils schwierig ist. Um ferner Stoßfestigkeit und Resonanzwiderstand zu erreichen, wenn das Auslegerteil zur Aufnahme eines Eigengewichtsteils mehrere Komponenten aufweist mußte jedes Teil in der Größe usw. genau gefertigt werden, so daß die Fertigungsschritte noch komplizierter wurden.
Bezüglich des oben in Bezug auf 29 erwähnten herkömmlichen pyroelektrischen Infrarotsensorelements wird die PLT-Schicht 204, die eine pyroelektrische dielektrische Oxidschicht aufweist, nur von den Polyimidharzschichten 222 und 223 getragen, und die obenerwähnten Polyimidharzschichten 222 und 223 werden am äußeren Umfang durch das Keramiksubstrat 207 getragen. Daher waren wegen der Kontraktion usw., die durch den Unterschied in den Materialeigenschaften zwischen den Polyimidharzen 222, 223, der PLT-Schicht 204 und dem Keramiksubstrat 207 verursacht wird, die Zuleitungselektroden 223 und/oder 125 empfindlich gegen Unterbrechungen. Ein weiteres Problem war, daß die Polyimidschichten 222 und/oder 223, welche die PLT-Schicht 204 tragen, zur leichten Rißbildung neigten.
Da ferner das Fertigungsverfahren des herkömmlichen pyroelektrischen Infrarotsensorelements ein teures MgO-Einkristallsubstrat mit einer Spaltungsebene (100) verwendet, das spiegelpoliert werden muß, wird das Infrarotsensorelement auch dadurch verteuert. Darüberhinaus mußte nach der Bildung der pyroelektrischen dielektrischen Oxidschicht das direkt unterhalb der PLT-Schicht 204 aufgebrachte MgO-Einkristallsubstrat 221 sorgfältig durch ein Ätzverfahren entfernt werden. Daher weist dieses Fertigungsverfahren das Problem auf, daß es kompliziert ist.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die obenerwähnten Probleme bei den herkömmlichen Systemen durch Bereitstellen eines Dünnfilm-Sensorelements zu lösen, das klein, leicht, hochgenau und kostengünstig ist. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung des Dünnfilm-Sensorelements.
Insbesondere besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Dünnfilm-Sensorelement, das klein, leicht, genau und kostengünstig ist, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines pyroelektrischen Infrarotsensorelements, das kein MgO-Einkristall als Trägersubstrat verwendet und bei dem kein zur Ausbildung des pyroelektrischen Dünnfilmteils verwendetes Trägersubstrat entfernt werden muß, und die Bereitstellung eines Verfahrens zu seiner Herstellung.
Die Aufgaben werden durch die Merkmale der Ansprüche gelöst.
Die in dem erfindungsgemäßen Sensor bereitgestellte Steinsalzgitterstruktur bezieht sich auf eine Struktur, in der zwei verschiedene Atome A und X abwechselnd in einer kubisch dichtesten Kugelpackung vorkommen, wobei jedes Atom von sechs anderen Atomen an den Eckpunkten eines regelmäßigen Oktaeders umgeben ist.
Die Erfindung weist die folgenden Vorteile auf.
Ein erfindungsgemäßes Dünnfilm-Sensorelement weist ein Sensorträgersubstrat mit einem Öffnungsabschnitt und einem darauf aufgeklebten mehrschichtigen Film auf, der zumindest aus einer Elektrodenschicht A, einer Elektrodenschicht B mit Orientierung in der (100)-Ebene und einer piezoelektrischen dielektrischen Oxidschicht zwischen der Elektrodenschicht A und der Elektrodenschicht B besteht. Als Ergebnis kann man ein Dünnfilm-Sensorelement erzielen, das klein, leicht, hochgenau und kostengünstig ist. Mit anderen Worten, da die vorliegende Erfindung kein Ätzen bzw. keine Verstärkung durch Polyimidharz erfordert, kann man ein extrem kleines, leichtes, hochgenaues und kostengünstiges Dünnfilm-Sensorelement erhalten.
Gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weist ein Beschleunigungssensorelement ein Sensorträgersubstrat mit einem Öffnungsabschnitt und einer darauf aufgeklebten mehrschichtigen Filmstruktur auf, die eine Elektrodenschicht A, eine Elektrodenschicht B mit Orientierung in der (100)-Ebene und eine piezoelektrische dielektrische Oxidschicht zwischen der Elektrodenschicht A und der Elektrodenschicht B aufweist. Als Ergebnis kann man einen leichten selbsttragenden Beschleunigungssensor erhalten, der klein, leicht, hochgenau und kostengünstig ist. Mit anderen Worten, durch Verwendung der Elektrodenschicht B mit Orientierung in der (100)-Ebene kann beispielsweise ein Dünnfilm mit einer Dicke von nur etwa 2 bis 10 μm ausgebildet werden. Außerdem weist dieser Film eine hohe Beschleunigungsnachweisempfindlichkeit und außerdem ausreichende Festigkeit für den praktischen Gebrauch auf, so daß der Film durch die kleine Größe, leichtes Gewicht und hohe Genauigkeit gekennzeichnet ist. Überdies kann dieses Beschleunigungssensorelement mit geringeren Kosten gefertigt werden, da es keine modernen Mikrobearbeitungsverfahren erfordert, die bei einem Beschleunigungssensor vom Halbleitertyp zum Erzielen einer genauen Größe erforderlich sind.
Vorzugsweise wird die mehrschichtige Filmstruktur ausgebildet, indem eine piezoelektrische dielektrische Oxidschicht auf die Oberfläche einer in der (100)-Ebene orientierten Elektrodenschicht B und eine Elektrodenschicht A auf die piezoelektrische dielektrische Oxidschicht aufgebracht wird, die Filmstruktur umgedreht und auf ein Sensorträgersubstrat mit einem Öffnungsabschnitt aufgeklebt wird. Dementsprechend kann man ein leichtes, selbsttragendes Beschleunigungssensorelement erhalten, das noch kleiner, leichter, genauer und kostengünstiger ist.
Außerdem wird die in der (100)-Ebene orientierte Elektrodenschicht B vorzugsweise aus der Gruppe ausgewählt, die aus einer Pt-Elektrodenschicht und einer leitfähigen NiO-Elektrodenschicht besteht. Auf diese Weise läßt sich ein leichtes, selbsttragendes Beschleunigungssensorelement erzielen, das noch kleiner, leichter, genauer und kostengünstiger ist.
Ferner ist die in der (100)-Ebene orientierte Elektrodenschicht B vorzugsweise eine in der (100)-Ebene orientierte Pt-Elektrodenschicht auf der Oberfläche einer in der (100)-Ebene orientierten Oxidschicht mit Steinsalzgitterstruktur. Als Ergebnis kann die in der (100)-Ebene orientierte Pt-Elektrodenschicht leicht durch Übertragung der Kristallstruk tur in der Oxidschicht mit Steinsalzgitterstruktur ausgebildet werden.
Ferner ist die in der (100)-Ebene orientierte Elektrodenschicht B vorzugsweise eine in der (100)-Ebene orientierte leitfähige NiO-Elektrodenschicht auf der Oberfläche einer Metallelektrodenschicht. Als Ergebnis kann die in der (100)-Ebene orientierte NiO-Elektrodenschicht leicht durch Übertragung der Kristallstruktur in der Oxidschicht mit Steinsalzgitterstruktur ausgebildet werden.
Vorzugsweise wird das Dünnfilm-Sensorelement ausgebildet, indem eine in der (100)-Ebene orientierte Oxidschicht mit Steinsalzgitterstruktur so auf die Oberfläche eines Sensorträgersubstrats mit Öffnungsabschnitt aufgebracht wird, daß der Öffnungsabschnitt bedeckt wird, darauf eine in der (100)-Ebene orientierte Pt-Elektrodenschicht B aufgebracht wird, darauf eine piezoelektrische dielektrische Oxidschicht aufgebracht wird und auf die piezoelektrische dielektrische Oxidschicht eine Elektrodenschicht A aufgebracht wird. Dementsprechend kann man ein leichtes, selbsttragendes Beschleunigungssensorelement erhalten, das noch kleiner, leichter, genauer und kostengünstiger ist.
Außerdem wird das Dünnfilm-Sensorelement vorzugsweise durch Aufbringen einer Metallelektrodenschicht auf die Oberfläche eines Sensorträgersubstrats mit einem Öffnungsabschnitt, so daß der Öffnungsabschnitt bedeckt wird, Aufbringen einer in der (100)-Ebene orientierten leitfähigen NiO-Schicht B darauf, Aufbringen einer piezoelektrischen dielektrischen Oxidschicht darauf und Aufbringen einer Elektrodenschicht A auf die piezoelektrische dielektrische Oxidschicht ausgebildet. Auf diese Weise kann man ein leichtes, selbsttragendes Beschleunigungssensorelement erhalten, das noch kleiner, leichter, genauer und kostengünstiger ist.
Ferner wird das Dünnfilm-Sensorelement vorzugsweise durch Aufbringen einer leitfähigen NiO-Schicht B auf die Oberfläche eines Sensorträgersubstrats mit einem Öffnungsabschnitt, so daß der Öffnungsabschnitt bedeckt wird, Aufbringen einer piezoelektrischen dielektrischen Oxidschicht darauf und Aufbringen einer Elektrodenschicht A auf die piezoelektrische dielektrische Oxidschicht ausgebildet. Als Ergebnis kann man ein leichtes, selbsttragendes Beschleunigungssensorelement erhalten, das noch kleiner, leichter, genauer und kostengünstiger ist.
Außerdem weist gemäß der bevorzugten Ausführungsform mit einem Sensorträgerelement aus Keramik das Sensorträgerelement eine hervorragende Festigkeit auf und kann auch miniaturisiert werden.
Vorzugsweise ist die Oxidschicht mit Steinsalzgitterstruktur mindestens eine Schicht, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus MgO, NiO und CoO besteht. Daher kann die Orientierung in der (100)-Ebene leicht auf die Elektrode B übertragen werden.
Außerdem weist die piezoelektrische dielektrische Oxidschicht vorzugsweise eine Bleizirkonattitanatschicht (PZT-Schicht) auf. Dementsprechend hat die piezoelektrische dielektrische Oxidschicht hervorragende piezoelektrische Eigenschaften, so daß die Beschleunigungsempfindlichkeit verbessert werden kann.
Ferner wird der NiO-Schicht vorzugsweise Lithium als Dotierungsstoff zugesetzt, um die Funktion als Elektrode zu verbessern. Insbesondere ist Lithium in der NiO-Schicht vorzugsweise in einem Anteil von 2 bis 10 at-% enthalten. Wenn der Anteil weniger als 2 at-% beträgt, zeigt sich eine Tendenz zum Anstieg des spezifischen Widerstands. Beträgt der Anteil mehr als 10 at-%, dann wird die Gitterkonstante gewöhnlich kleiner, obwohl ein niedriger spezifischer Widerstand und eine gute Leitfähigkeit vorhanden sind.
Gemäß dem ersten bis siebenten erfindungsgemäßen Fertigungsverfahren kann das Beschleunigungssensorelement rationell hergestellt werden. Zum Beispiel weist das Fertigungsverfahren die Schritte zur Ausbildung einer Sensorschicht auf der Oberfläche eines wasserlöslichen Substrats über eine Trägerschicht und zum anschließenden Entfernen des Substratteils durch Waschen in Wasser auf. Als Ergebnis kann ein leichtes, selbsttragendes Beschleunigungssensorelement von geringerer Größe und kostengünstiger hergestellt werden.
Wie oben erwähnt, ist das in einem Lösungsmittel lösliche Substratmaterial vorzugsweise ein Alkalihalogenid, und das Lösungsmittel ist vorzugsweise Wasser. Dementsprechend wird das Fertigungsverfahren noch weiter vereinfacht.
Ferner erfordert das erfindungsgemäße pyroelektrische Infrarotsensorelement in keiner Ausführungsform eine Polyimidharzschicht als Träger einer piezoelektrischen dielektrischen Oxidschicht. Statt dessen wird hier eine Oxidschicht oder Metallschicht verwendet, die dünner und härter ist als die Polyimidharzschicht und sich im Kontraktionsgrad kaum von der piezoelektrischen dielektrischen Oxidschicht unterscheidet. Dementsprechend treten gewöhnlich keine Elektrodenunterbrechung bzw. keine Rißbildung in der Trägerschicht auf. Da es außerdem nicht mehr notwendig ist, ein teures MgO-Einkristallsubstrat als Träger zu verwenden, das eine (100)-Aufspaltungsebene aufweist und spiegelpoliert werden muß, kostet das erfindungsgemäße Sensorelement weniger.
Um die Fertigung des erfindungsgemäßen pyroelektrischen Infrarotsensorelements zu bewerkstelligen, hat der Erfinder ein Verfahren zur Herstellung von einkristallinen MgO-, NiO- und CoO-Oxidschichten mit Steinsalzgitterstruktur und Orientierung in der (100)-Ebene entdeckt. Diese Schichten werden unter Verwendung von Rohmaterialgas aus Magnesiumacetylacetonat, Nickelacetylacetonat und Cobaltacetylacetonat mittels eines metallorganischen plasmagestützten Gasphasenabscheidungsverfahrens (plasmagestützten MOCVD-Verfahrens) gebildet (siehe z. B. Eiji Fujii et al., Japanese Journal of Applied Physics, Bd. 32, 1993, S. L414–L416). Ferner wird die obenerwähnte NiO-Schicht ein Material, das als Elektrode dient, wenn der Zusammensetzung ein kleiner Li-Anteil zugesetzt wird (Journal of Physics and Chemistry of Solids, Bd. 17, 1960, S. 7–17).
Mit anderen Worten, das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen pyroelektrischen Infrarotsensorelements weist die folgenden Schritte auf: Bereitstellen eines Alkalihalogenidsubstrats, wie z. B. KBr oder KCl, die in Wasser gut löslich sind, Ausbilden einer mehrschichtigen Filmzusammensetzung darauf, Aufkleben der mehrschichtigen Filmzusammensetzung auf ein Keramiksubstrat mit einem Öffnungsabschnitt in der Nä he der Mitte und Entfernen des obenerwähnten Alkalihalogenidsubstrats durch Abwaschen mit Wasser. Alternativ wird das pyroelektrische Infrarotsensorelement durch Ausfüllen des Öffnungsabschnitts in dem Keramiksubstrat, Glätten der Substratoberfläche, Ausbilden der mehrschichtigen Filmstruktur darauf und Entfernen des obenerwähnten Alkalihalogenids durch Abwaschen mit Wasser hergestellt. Das Alkalihalogenid kann leicht durch Abwaschen mit Wasser entfernt werden, so daß der Schritt zum sorgfältigen Entfernen eines MgO-Einkristallsubstrats durch Ätzen, durch den beim herkömmlichen Fertigungsverfahren nach dem Formen der pyroelektrischen dielektrischen Oxidschicht das Teil direkt unterhalb einer pyroelektrischen dielektrischen Oxidschicht gebildet wird, nicht mehr ausgeführt zu werden braucht. Auf diese Weise kann das Fertigungsverfahren des pyroelektrischen Infrarotsensorelements vereinfacht werden.
1 zeigt eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Beschleunigungssensorelements.
2(a) bis (f) zeigen schematische Ansichten, die Schritte eines Fertigungsverfahrens für ein Beschleunigungssensorelement nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen.
3 zeigt eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Beschleunigungssensorelements.
4(a) bis (e) zeigen schematische Ansichten, die Schritte eines Fertigungsverfahrens für ein Beschleunigungssensorelement nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen.
5 zeigt eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Beschleunigungssensorelements.
6(a) bis (e) zeigen schematische Ansichten, die Schritte eines Fertigungsverfahrens für ein Beschleunigungssensorelement nach einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen.
7 zeigt eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Beschleunigungssensorelements.
8(a) bis (f) zeigen schematische Ansichten, die Schritte eines Fertigungsverfahrens für ein Beschleunigungssensorelement nach einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen.
9 zeigt eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht einer fünften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Beschleunigungssensorelements.
10(a) bis (e) zeigen schematische Ansichten, die Schritte eines Fertigungsverfahrens für ein Beschleunigungssensorelement nach einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen.
11 zeigt eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht einer sechsten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Beschleunigungssensorelements.
12(a) bis (e) zeigen schematische Ansichten, die Schritte eines Fertigungsverfahrens für ein Beschleunigungssensorelement nach einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen.
13 zeigt ein Systemblockschaltbild eines Beschleunigungssensorelements nach einer siebenten Ausführungsform der Erfindung.
14 zeigt eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Halbleiterbeschleunigungssensorelements vom Krümmungsmessertyp.
15 zeigt eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Halbleiterbeschleunigungssensorelements vom Kapazitätstyp.
16 zeigt eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen pyroelektrischen Infrarotelements.
17(a) bis (f) zeigen schematische Ansichten, die Schritte eines Fertigungsverfahrens für ein pyroelektrisches Infrarotelement nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen.
18 zeigt eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen pyroelektrischen Infrarotelements.
19(a) bis (e) zeigen schematische Ansichten, die Schritte eines Fertigungsverfahrens für ein pyroelektrisches Infrarotelement nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen.
20 zeigt eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen pyroelektrischen Infrarotelements.
21(a) bis (e) zeigen schematische Ansichten, die Schritte eines Fertigungsverfahrens für ein pyroelektrisches Infrarotelement nach einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen.
22 zeigt eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen pyroelektrischen Infrarotelements.
23(a) bis (f) zeigen schematische Ansichten, die Schritte eines Fertigungsverfahrens für ein pyroelektrisches Infrarotelement nach einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen.
24 zeigt eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht einer fünften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen pyroelektrischen Infrarotelements.
25(a) bis (e) zeigen schematische Ansichten, die Schritte eines Fertigungsverfahrens für ein pyroelektrisches Infrarotelement nach einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen.
26 zeigt eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht einer sechsten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen pyroelektrischen Infrarotelements.
27(a) bis (e) zeigen schematische Ansichten, die Schritte eines Fertigungsverfahrens für ein pyroelektrisches Infrarotelement nach einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen.
28 zeigt eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht eines herkömmlichen pyroelektrischen Infrarotelements.
29(a) bis (f) zeigen schematische Ansichten, die Schritte eines herkömmlichen Fertigungsverfahrens für ein pyroelektrisches Infrarotelement darstellen.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die folgenden Erläuterungsbeispiele und die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Die Beispiele sollen die Erfindung in keiner Weise einschränken.
Zunächst wird das erfindungsgemäße Beschleunigungssensorelement erläutert.
Beispiel 1
Wie in 1 dargestellt, besteht ein Beschleunigungssensorelement 11 gemäß dieser Ausführungsform aus einer Bleizirkonattitanatschicht (PZT-Schicht) 4 (Größe 0,2 mm², Dicke 3 μm), die auf beiden Seiten mit Zuleitungselektrodenschichten 3 und 5 versehen ist und als Beschleunigungsdetektor verwendet wird. Die PZT-Schicht 4 bildet zusammen mit einer MgO-Schicht 2 eine mehrschichtige Filmstruktur, indem sie auf die MgO-Schicht 2 mit einer Größe von 2 mm² und einer Dicke von 2 μm aufgebracht wird. Dieser Sensor ist so konfiguriert, daß der mehrschichtige Film auf einen Öffnungsabschnitt eines Sensorträgersubstrats 7 aus Aluminiumoxid aufgeklebt wird. Hierbei hat das Sensorträgersubstrat 7 eine Größe von 5 mm², und der Öffnungsabschnitt hat eine Größe von 1 mm².
Nachstehend wird ein Verfahren zur Herstellung des oben konfigurierten Beschleunigungssensorelements 11 unter Bezugnahme auf 2(a) bis (f) erläutert, welche die Fertigungsschritte darstellen.
Zunächst wurde KBr-Pulver unter vermindertem Druck mit 880 kg/cm² formgepreßt. Durch Glätten der Oberfläche mittels Polieren wurde ein plattenförmiges KBr-Substrat 1 mit einer Größe von 3 mm² und einer Dicke von 0,5 mm erzeugt. Auf der Oberfläche dieses Substrats wurde durch eine plasmagestütztes chemisches Aufdampfverfahren (MOCVD-Verfahren) eine MgO-Oxidschicht 2 mit Steinsalzgitterstruktur (Größe 2 mm × 2 mm, Dikke 2 μm) ausgebildet, deren vertikale Richtung gegenüber der Substratoberfläche eine Kristallorientierung in (100)-Richtung aufwies. Diese Schicht wurde durch Verwendung eines Gemischs aus Magnesiumacetylacetonatdampf und Sauerstoff als CVD-Rohmaterialgas und durch Erhitzen des KBr-Substrats 1 auf 400°C ausgebildet. Als nächstes wurde ein Sputterverfahren zur Bildung einer Pt-Schicht auf der Oberfläche der MgO-Oxidschicht 2 durch epitaxiales Aufwachsen angewandt, wodurch eine Pt-Zuleitungselektrodenschicht 3 zur Beschleunigungsdetektion mit einer Kristallorientierung in (100)-Richtung bezüglich der Schichtoberfläche ausgebildet wurde. Dann wurde mit Hilfe eines HF-Magnetronsputterverfahrens auf der Oberfläche der Zuleitungselektrode 3 die PZT-Schicht 4 mit einer Dicke von 3 μm und einer Kristallorientierung in Richtung der c-Achse ausgebildet. Ferner wurde auf dieser Oberfläche durch ein Sputterverfahren eine Ni-Cr-Zuleitungselektrodenschicht 5 zur Beschleunigungsdetektion ausgebildet.
Die auf dem KBr-Substrat aufgebrachte, in den obigen Schritten erhaltene mehrschichtige Filmstruktur wurde umgedreht. Sie wurde so angeordnet, daß die mehrschichtige Filmstruktur einen Öffnungsabschnitt des Sensorträgersubstrats 7 aus Aluminiumoxid bedeckte, das eine Größe von 5 mm² und eine Dicke von 1 mm aufweist, während der durch den Mittelteil hindurchgehende Öffnungsabschnitt eine Größe von 1 mm² hat. Außerdem waren die Zuleitungselektrodenschichten 3 und 5 der obenerwähnten mehrschichtigen Filmstruktur im Kontakt mit Anschlußelektroden 8 bzw. 9, die vorher auf der Oberfläche des Sensorträgersubstrats 7 durch Brennen von Pd-Paste ausgebildet worden waren. In diesem Zustand wurde ein elektrisch leitender Klebstoff 6 aufgebracht. Dann wurde die oben hergestellte Struktur mit Wasser gewaschen und dadurch das KBr-Substrat 1 entfernt. Nach dem Trocknen wurden der Umfangsteil der MgO-Schicht 2 und die Oberfläche des Sensorträgersubstrats 7 zur Verstärkung durch einen Klebstoff 10 von Epoxidharztyp verklebt. Auf diese Weise wurde das Beschleunigungssensorelement 11 fertiggestellt.
Obwohl die PZT-Schicht 4, die pyroelektrische Eigenschaften aufweist, lediglich durch die MgO-Schicht 2 von nur 2 μm Dicke getragen wird, war die Festigkeit ausreichend. Außerdem bestätigte sich, daß überhaupt keine Elektrodenunterbrechnungen infolge Rißbildung usw. auftraten.
Ferner konnten anstelle der MgO-Oxidschicht 2 mit Steinsalzgitterstruktur und einer Kristallorientierung in (100)-Richtung eine NiO-Schicht oder CoO-Schicht mit Kristallorientierung in (100)-Richtung zur Fertigung genau des gleichen Sensorelements eingesetzt werden. Die NiO-Schicht und die CoO-Schicht wurden durch ein Plasma-MOCVD-Verfahren unter Verwendung eines Rohmaterialgases aus Nickelacetylacetonat bzw. Cobaltacetylacetonat hergestellt.
Außerdem wurde bestätigt, daß durch Verwendung eines anderen Substrats anstelle des KBr-Substrats 1, das auch zu den gleichen Alkalihalogenidmaterialien gehört, wie z. B. KCl, KI, CsBr und CsI, Beschleunigungssensorelemente mit der gleichen Leistung hergestellt werden konnten.
Beispiel 2
Wie in 3 dargestellt, besteht ein Beschleunigungssensorelement 21 gemäß dieser Ausführungsform aus einer Ni-Metallschicht 13 mit einer Größe von 2 mm² und einer Dicke von 0,8 μm, die auch als Elektrode dient. Auf die Oberfläche der Ni-Metallschicht 13 wird eine leitfähige NiO-Schicht 12 mit einer Größe von 0,6 mm² und einer Dicke von 0,4 μm aufgebracht. Dann wird nach der Ausbildung einer PZT-Schicht 4 mit einer Größe von 0,2 mm² und einer Dicke von 3 μm auf der Oberseite eine Ni-Cr-Elektrodenschicht 15 darauf aufgebracht, und diese mehrschichtige Filmstruktur wird umgedreht. Ebenso wie in Beispiel 1 ist dieser Sensor so konfiguriert, daß die mehrschichtige Filmstruktur auf einen Öffnungsabschnitt eines Sensorträgersubstrats 7 aus Aluminiumoxid aufgeklebt wird. Hierbei hat das Sensorträgersubstrat 7 eine Größe von 5 mm², eine Dicke von 1 mm, und der durch den Mittelteil hindurchgehende Öffnungsabschnitt hat eine Größe von 1 mm².
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf 4(a) bis (e), welche die Fertigungsschritte zeigen, ein Fertigungsverfahren für das oben konfigurierte Beschleunigungssensorelement 21 erläutert.
Zunächst wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 ein plattenförmiges KBr-Substrat 1 mit einer Größe von 3 mm² und einer Dicke von 0,5 mm erzeugt. Auf der Oberfläche dieses Substrats wurde durch ein HF-Sputterverfahren eine Ni-Metallschicht 13 mit einer Größe von 2 mm² und einer Dicke von 0,8 μm ausgebildet. Als nächstes wurde darauf durch ein plasmagestütztes MOCVD-Verfahren eine leitfähige NiO-Oxidschicht 12 mit Steinsalzgitterstruktur (mit 5 at-% Li-Zusatz) (Größe 0,6 mm × 0,6 mm) aufgebracht, deren vertikale Richtung eine Kristallorientierung in (100)-Richtung bezüglich der Substratoberfläche aufwies. Diese Schicht wurde durch Verwendung eines Mischgases aus Nickelacetylacetonatdampf, Li-Dipivaloylmethanchelat-Dampf und Sauerstoff als CVD-Rohmaterialgas und durch Erhitzen des KBr-Substrats auf 400°C ausgebildet. Dann wurde auf der Oberfläche der leitfähigen NiO-Schicht 12 mittels eines HF-Magnetronsputterverfahrens durch epitaxiales Aufwachsen eine PZT-Schicht 4 (0,2 mm × 0,2 mm) mit einer Dicke von 3 μm und einer Kristallorientierung in Richtung der c-Achse ausgebildet. Ferner wurde auf der Oberfläche durch ein Sputterverfahren eine Ni-Cr-Elektrodenschicht 15 ausgebildet.
Die in den obigen Schritten erhaltene, auf das KBr-Substrat 1 aufgebrachte mehrschichtige Filmstruktur wurde umgedreht. Die mehrschichtige Filmstruktur wurde so angeordnet, daß sie einen Öffnungsabschnitt des Sensorträgersubstrats 7 aus Aluminiumoxid bedeckte, das eine Größe von 5 mm² und eine Dicke von 1 mm und den durch den Mittelteil hindurchgehenden Öffnungsabschnitt mit einer Größe von 1 mm² aufweist, und wurde mit einem Klebstoff 20 angeklebt. Mit Hilfe eines Drahtbondverfahrens wurde die Ni-Cr-Elektrodenschicht 15 durch einen Au-Draht 17 mit einer Anschlußelektrode 19 verbunden, die vorher auf der Oberfläche des Sensorsubstrats 7 durch Brennen von Pd-Paste ausgebildet worden war. Dann wurde die oben hergestellte Struktur mit Wasser gewaschen, wodurch das KBr-Substrat 1 entfernt wurde. Nach dem Trocknen wurde die Ni-Metallschicht 13 durch eine leitfähige Paste 16 mit einer Anschlußelektrode 18 verbunden, die vorher auf dem Sensorsubstrat 7 ausgebildet worden war. Auf diese Weise wurde das Beschleunigungssensorelement 21 fertiggestellt.
Obwohl die PZT-Schicht 4, die pyroelektrische Eigenschaften aufweist, lediglich durch die Ni-Metallschicht 13 von nur 0,8 μm Dicke getragen wird, war die Festigkeit ausrei chend. Außerdem bestätigte sich, daß überhaupt keine Elektrodenunterbrechnungen infolge Rißbildung usw. auftraten.
Ebenso wie in Beispiel 1 wurde bestätigt, daß durch Verwendung eines anderen Substrats anstelle des KBr-Substrats 1, das auch zu den gleichen Alkalihalogenidmaterialien gehört, wie z. B. KCl, KI, CsBr und CsI, Beschleunigungssensorelemente mit der gleichen Leistung hergestellt werden konnten.
Beispiel 3
Wie in 5 dargestellt, besteht ein Beschleunigungssensorelement 31 gemäß dieser Ausführungsform aus einer leitfähigen NiO-Schicht 12 mit einer Größe von 2 mm² und einer Dicke von 2 μm, die auch als Elektrode dient. Auf die Oberfläche der leitfähigen NiO-Schicht 12 wird eine PZT-Schicht 4 mit einer Größe von 0,2 mm² und einer Dicke von 3 μm aufgebracht. Dann wird eine Ni-Cr-Elektrodenschicht 15 darauf ausgebildet, und diese mehrschichtige Filmstruktur wird umgedreht. Ebenso wie in Beispiel 1 ist dieser Sensor so konfiguriert, daß die mehrschichtige Filmstruktur auf einen Öffnungsabschnitt eines Sensorträgersubstrats 7 aus Aluminiumoxid aufgeklebt wird. Hierbei hat das Sensorträgersubstrat 7 eine Größe von 5 mm², eine Dicke von 1 mm, und der durch den Mittelteil hindurchgehende Öffnungsabschnitt hat eine Größe von 1 mm².
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf 6(a) bis (e), welche die Fertigungsschritte zeigen, ein Fertigungsverfahren für das oben konfigurierte Beschleunigungssensorelement 31 erläutert.
Zunächst wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 ein plattenförmiges KBr-Substrat 1 mit einer Größe von 3 mm² und einer Dicke von 0,5 mm erzeugt. Auf der Oberfläche dieses Substrats wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 2 durch ein plasmagestütztes MOCVD-Verfahren eine leitfähige NiO-Oxidschicht 12 mit Steinsalzgitterstruktur (mit 5 at-% Li-Zusatz) (Größe 2 mm × 2 mm, Dicke 2 μm) ausgebildet, deren vertikale Richtung eine Kristallorientierung in (100)-Richtung bezüglich der Substratoberfläche aufwies. Ruf die Oberfläche der leitfähigen NiO-Schicht 12 wurde nach dem gleichen Sputterverfahren wie in Beispiel 1 durch epitaxiales Aufwachsen eine PZT-Schicht 4 (0,2 mm × 0,2 mm) mit einer Dicke von 3 μm und einer Kristallorientierung in Richtung der c-Achse aufgebracht. Ferner wurde auf der Oberfläche durch ein Sputterverfahren eine Ni-Cr-Elektrodenschicht 15 ausgebildet.
Die in den obigen Schritten erhaltene, auf das KBr-Substrat 1 aufgebrachte mehrschichtige Filmstruktur wurde umgedreht. Die mehrschichtige Filmstruktur wurde so angeordnet, daß sie einen Öffnungsabschnitt des Sensorträgersubstrats 7 aus Aluminiumoxid bedeckte, das eine Größe von 5 mm² und eine Dicke von 1 mm und den durch den Mittelteil hindurchgehenden Öffnungsabschnitt mit einer Größe von 1 mm² aufweist, und wurde mit einem Klebstoff 20 angeklebt. Mit Hilfe eines Drahtbondverfahrens wurde die Ni-Cr-Elektrodenschicht 15 durch einen Cu-Draht 30 mit einer Anschlußelektrode 19 verbunden, die vorher auf der Oberfläche des Sensorsubstrats 7 ausgebildet worden war. Dann wurde die oben hergestellte Struktur mit Wasser gewaschen, wodurch das KBr-Substrat 1 entfernt wurde. Nach dem Trocknen wurde die leitfähige NiO-Schicht 12 durch eine leitfähige Paste 16 mit einer Anschlußelektrode 18 verbunden, die vorher auf dem Sensorsubstrat 7 ausgebildet worden war. Auf diese Weise wurde das Beschleunigungssensorelement 31 fertiggestellt.
Obwohl die PZT-Schicht 4, die pyroelektrische Eigenschaften aufweist, lediglich durch die NiO-Schicht 12 von nur 2 μm Dicke getragen wird, war die Festigkeit des Beschleunigungssensorelements 31 ausreichend. Außerdem bestätigte sich, daß überhaupt keine Elektrodenunterbrechnungen infolge Rißbildung usw. auftraten.
Ebenso wie in Beispiel 1 wurde bestätigt, daß durch Verwendung eines anderen Substrats anstelle des KBr-Substrats 1, das auch zu den gleichen Alkalihalogenidmaterialien gehört, wie z. B. KCl, KI, CsBr und CsI, Beschleunigungssensorelemente mit der gleichen Leistung hergestellt werden konnten.
Beispiel 4
Wie in 7 dargestellt, besteht ein Beschleunigungssensorelement 41 gemäß dieser Ausführungsform aus einer PZT-Schicht 4 (Größe 0,2 mm², Dicke 3 μm), die auf beiden Seiten mit Zuleitungselektrodenschichten 3 und 5 versehen ist und ebenso wie in Beispiel 1 zur Beschleunigungsdetektion verwendet wird. Die PZT-Schicht 4 bildet zusammen mit einer MgO-Schicht 2 eine mehrschichtige Filmstruktur, indem sie auf die MgO-Schicht 2 aufgebracht wird, die eine Größe von 2 mm² und einer Dicke von 2 μm aufweist. Dieser Sensor ist so konfiguriert, daß die mehrschichtige Filmstruktur direkt auf einem Öffnungsabschnitt eines Sensorträgersubstrats 7 aus Aluminiumoxid ausgebildet wird. Hierbei hat das Sensorträgersubstrat 7 eine Größe von 5 mm², eine Dicke von 1 mm, und der durch den Mittelteil hindurchgehende Öffnungsabschnitt hat eine Größe von 1 mm².
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf 8(a) bis (e), welche die Fertigungsschritte zeigen, ein Fertigungsverfahren für das oben konfigurierte Beschleunigungssensorelement 41 erläutert.
Ebenso wie in Beispiel 1 wurde auf das Sensorträgersubstrat 7 aus Aluminiumoxid, das eine Größe von 5 mm², eine Dikke von 1 mm und den durch den Mittelteil hindurchgehenden Öffnungsabschnitt mit einer Größe von 1 mm² aufweist, Pd-Paste aufgebracht und bei 1050°C gebrannt, um die Anschlußelektroden 48 und 49 zu bilden. Nach Einfüllen von KBr-Pulver in den Öffnungsabschnitt des obenerwähnten Sensorsubstrats und Härten des Pulvers wurde KBr in diesem Zustand unter vermindertem Druck auf 740°C erhitzt und geschmolzen. Auf diese Weise wurde das Sensorsubstrat mit einem ausgefüllten Öffnungsabschnitt geformt. Der mit KBr gefüllte Teil wurde durch Polieren der Oberfläche geglättet. Ebenso wie in Beispiel 1 wurde auf der Oberfläche des Substrats mit dem mit KBr ausgefüllten Öffnungsabschnitt durch ein plasmagestütztes MOCVD-Verfahren eine MgO-Oxidschicht 2 (Größe 2 mm × 2 mm, Dicke 2 μm) mit Steinsalzgitterstruktur ausgebildet. Die vertikale Richtung der MgO-Schicht 2 hatte eine Kristallorientierung in (100)-Richtung bezüglich der Substratoberfläche.
Als nächstes wurde mit Hilfe eines Sputterverfahrens durch epitaxiales Aufwachsen eine Pt-Schicht zu einer Zuleitungselektrodenschicht 3 zur Beschleunigungsdetektion mit Kristallorientierung in (100)-Richtung bezüglich der Filmoberflä che geformt. Dann wurde auf der Oberfläche der Zuleitungselektrodenschicht 3 unter Anwendung eines HF-Magnetronsputterverfahrens eine PZT-Schicht 4 mit einer Dicke von 3 μm mit Kristallorientierung in Richtung einer c-Achse ausgebildet. Auf der Oberfläche der PZT-Schicht 4 wurde eine Ni-Cr-Zuleitungselektrodenschicht 5 ausgebildet. Die oben hergestellte Struktur wurde mit Wasser gewaschen und dadurch der KBr-gefüllte Teil 101 entfernt. Nach dem Trocknen wurde die Zuleitungselektrodenschicht 3 durch eine leitfähige Paste 16 mit der Anschlußelektrode 49 verbunden, und die Zuleitungselektrodenschicht 5 der Ni-Cr-Schicht wurde durch leitfähige Paste mit der Anschlußelektrode 48 verbunden. Auf diese Weise wurde das Beschleunigungssensorelement 41 fertiggestellt.
Obwohl die PZT-Schicht 4, die pyroelektrische Eigenschaften aufweist, lediglich durch die NiO-Schicht 12 von nur 2 μm Dicke getragen wird, war die Festigkeit des Beschleunigungssensorelements 41 ausreichend. Außerdem bestätigte sich, daß überhaupt keine Elektrodenunterbrechnungen infolge Rißbildung usw. auftraten.
Anstelle der MgO-Schicht 2 konnten eine NiO-Schicht oder eine CoO-Schicht mit Kristallorientierung in (100)-Richtung eingesetzt werden, um genau das gleiche Sensorelement herzustellen. Die NiO-Schicht oder die CoO-Schicht wurden durch ein plasmagestütztes MOCVD-Verfahren unter Verwendung eines Rohmaterialgases aus Nickelacetylacetonat und Cobaltacetylacetonat hergestellt.
Zusätzlich wurde bestätigt, daß durch Verwendung eines anderen Pulvers anstelle von KBr-Pulver, das auch zu den gleichen Alkalihalogenidmaterialien gehört, wie z. B. KCl, KI, CsBr und CsI, Beschleunigungssensorelemente mit der gleichen Leistung hergestellt werden konnten.
Beispiel 5
Wie in 9 dargestellt, besteht ein Beschleunigungssensorelement 51 gemäß dieser Ausführungsform aus einer Ni-Metallschicht 13 mit einer Größe von 2 mm² und einer Dicke von 0,8 μm, die ebenso wie in Beispiel 2 auch als Elektrode dient. Auf die Metalloberfläche der Ni-Schicht 13 wird eine leitfähi ge NiO-Schicht 12 mit einer Größe von 0,6 mm² und einer Dicke von 0,4 μm aufgebracht. Dann wird, nachdem eine PZT-Schicht 4 mit einer Größe von 0,2 mm² und einer Dicke von 3 μm darauf ausgebildet wird, eine Ni-Cr-Elektrodenschicht 15 darauf aufgebracht, wodurch eine mehrschichtige Filmstruktur gebildet wird. Dieser Sensor ist so konfiguriert, daß diese mehrschichtige Filmstruktur direkt auf einen Öffnungsabschnitt eines Sensorträgersubstrats 7 aus Aluminiumoxid aufgeklebt wird. Das Sensorträgersubstrat 7 hat eine Größe von 5 mm², eine Dicke von 1 mm, und der durch den Mittelteil hindurchgehende Öffnungsabschnitt hat eine Größe von 1 mm².
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf 10(a) bis (e), welche die Fertigungsschritte zeigen, ein Fertigungsverfahren für das oben konfigurierte Beschleunigungssensorelement 51 erläutert.
Zunächst wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 4 ein Substrat erzeugt. Auf der Oberfläche dieses Substrats wurde durch ein HF-Sputterverfahren eine Ni-Metallschicht 13 mit einer Größe von 2 mm² und einer Dicke von 0,8 μm ausgebildet. Als nächstes wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 2 durch ein plasmagestütztes MOCVD-Verfahren eine leitfähige NiO-Oxidschicht 12 mit Steinsalzgitterstruktur (5 at-% Li-Zusatz) (Größe 0,6 mm × 0,6 mm, Dicke 0,4 μm) darauf ausgebildet, deren vertikale Richtung eine Kristallorientierung in (100)-Richtung bezüglich der Substratoberfläche aufwies. Dann wurde auf der Oberfläche der leitfähigen NiO-Schicht 12 mit Hilfe eines HF-Magnetronsputterverfahrens eine PZT-Schicht durch epitaxiales Aufwachsen zu einer PZT-Schicht 4 (0,2 mm × 0,2 mm) ausgebildet, die eine Dicke von 3 μm und eine Kristallorientierung in Richtung einer c-Achse aufwies. Ferner wurde auf der Oberfläche durch ein Sputterverfahren eine Ni-Cr-Elektrodenschicht 15 ausgebildet. Mit Hilfe eines Drahtbondverfahrens wurde die Ni-Cr-Elektrodenschicht 15 durch einen Au-Draht 17 mit einer Anschlußelektrode 48 verbunden. Dann wurde die oben hergestellte Struktur mit Wasser gewaschen, wodurch ein mit KBr gefüllter Teil 131 entfernt wurde. Nach dem Trocknen wurde die Ni-Metallschicht 13 durch eine leitfähige Paste 16 mit eine Anschlußelektrode 49 verbunden. Auf diese Weise wurde das Beschleunigungssensorelement 51 fertiggestellt.
Obwohl in dem Beschleunigungssensorelement 51 die PZT-Schicht 4, die pyroelektrische Eigenschaften aufweist, lediglich durch die Ni-Metallschicht 13 von nur 0,8 μm Dicke getragen wird, war die Festigkeit ausreichend. Außerdem bestätigte sich, daß überhaupt keine Elektrodenunterbrechnungen infolge Rißbildung usw. auftraten.
Ebenso wie in Beispiel 4 wurde auch bestätigt, daß durch Verwendung eines anderen Alkalihalogenidmaterials anstelle von KBr, wie z. B. KCl, KI, CsBr und CsI, Beschleunigungssensorelemente mit der gleichen Leistung hergestellt werden konnten.
Beispiel 6
Wie in 11 dargestellt, besteht ein Beschleunigungssensorelement 61 gemäß dieser Ausführungsform aus einer leitfähigen NiO-Schicht 42 mit einer Größe von 2 mm² und einer Dicke von 2 μm, die auch als Elektrode dient. Auf die Oberfläche der leitfähigen NiO-Schicht 42 wird eine PZT-Schicht 4 mit einer Größe von 0,2 mm² und einer Dicke von 3 μm aufgebracht. Dann wird eine Ni-Cr-Elektrodenschicht 15 darauf ausgebildet, wodurch eine mehrschichtige Filmstruktur geformt wird. Wie in Beispiel 4 ist dieser Sensor so konfiguriert, daß die mehrschichtige Filmstruktur direkt auf einem Öffnungsabschnitt eines Sensorträgersubstrats 7 aus Aluminiumoxid ausgebildet wird. Hierbei hat das Sensorträgersubstrat 7 eine Größe von 5 mm², eine Dicke von 1 mm, und der durch den Mittelteil hindurchgehende Öffnungsabschnitt hat eine Größe von 1 mm².
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf 12(a) bis (e), welche die Fertigungsschritte zeigen, ein Fertigungsverfahren für das oben konfigurierte Beschleunigungssensorelement 61 erläutert.
Zunächst wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 4 ein Substrat erzeugt. Auf der Oberfläche dieses Substrats wurde durch ein plasmagestütztes MOCVD-Verfahren eine leitfähige NiO-Schicht 42 (5 at-% Li-Zusatz) (Größe 2 mm × 2 mm, Dicke 2 μm) ausgebildet, deren vertikale Richtung eine Kristallorien tierung in (100)-Richtung bezüglich der Substratoberfläche aufwies. Dann wurde auf der Oberfläche der leitfähigen NiO-Schicht 42 mit Hilfe des gleichen Sputterverfahrens wie in Beispiel 1 eine PZT-Schicht durch epitaxiales Aufwachsen zu einer PZT-Schicht 4 (0,2 mm × 0,2 mm) ausgebildet, die eine Dicke von 3 μm und eine Kristallorientierung in Richtung einer c-Achse aufwies. Ferner wurde auf der Oberfläche eine Ni-Cr-Elektrodenschicht 15 ausgebildet. Mit Hilfe eines Drahtbondverfahrens wurde die Ni-Cr-Elektrodenschicht 15 durch einen Au-Draht 17 mit einer Anschlußelektrode 48 verbunden. Dann wurde die oben hergestellte Struktur mit Wasser gewaschen, wodurch ein mit KBr gefüllter Teil 101 entfernt wurde. Nach dem Trocknen wurde die leitfähige NiO-Schicht 42 durch eine leitfähige Paste 16 mit eine Anschlußelektrode 49 verbunden. Auf diese Weise wurde das Beschleunigungssensorelement 51 fertiggestellt.
Obwohl die PZT-Schicht 4, die pyroelektrische Eigenschaften aufweist, lediglich durch die NiO-Schicht 42 von nur 2 μm Dicke getragen wird, war die Festigkeit des Beschleunigungssensorelements 61 ausreichend. Außerdem bestätigte sich, daß überhaupt keine Elektrodenunterbrechnungen infolge Rißbildung usw. auftraten.
Ebenso wie in Beispiel 4 wurde auch bestätigt, daß durch Verwendung eines anderen Alkalihalogenidmaterials anstelle von KBr, wie z. B. KCl, KI, CsBr und CsI, Beschleunigungssensorelemente mit der gleichen Leistung hergestellt werden konnten.
Beispiel 7
13 zeigt ein Systemblockschaltbild, das eine Ausführungsform eines Beschleunigungssensors darstellt. In 13 bezeichnet das Bezugszeichen 801 ein Beschleunigungssensorelement, 802 bezeichnet eine Eigendiagnosesignalerzeugungsschaltung; 803 bezeichnet eine Bezugsspannungserzeugungsschaltung; 804 bezeichnet eine Temperaturkompensationsschaltung; 805 bezeichnet eine Impedanzwandlerschaltung; 806 bezeichnet eine Filterschaltung; 807 bezeichnet eine Verstärkerschaltung und 811 bezeichnet einen Beschleunigungssensor. Wenn eine Be schleunigung angreift, wird in dem Sensorelement 801, das eine pyroelektrische Dünnschicht aufweist, entsprechend dem Beschleunigungsbetrag eine elektrische Ladung erzeugt. Die erzeugte elektrische Ladungsmenge ist gewöhnlich klein und weist einen breiten Bereich von Frequenzkomponenten auf, so daß durch Verwendung der Impedanzwandlerschaltung 805, der Filterschaltung 806 und der Verstärkerschaltung 807 eine Digitalausgabe erfolgt. Die Eigendiagnosesignalerzeugungsschaltung 802 ist vorgesehen, um zu prüfen, ob das Sensorelement 801 und der Signalverarbeitungsteil in Ordnung sind. Außerdem ist die Temperaturkompensationsschaltung 804 vorgesehen, um die Änderung eines Ausgangssignals zu regeln, die im Gebrauch durch eine Temperaturänderung verursacht wird. Gemäß der obenerwähnten Struktur wurde ein leichter, selbsttragender Beschleunigungssensor erzielt, der klein, leicht, hochgenau und außerdem kostengünstig ist.
Wie oben erwähnt, weisen die in den oben angegebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschriebenen Beschleunigungssensorelemente ein Sensorträgersubstrat mit einem Öffnungsabschnitt und eine darauf aufgeklebte mehrschichtige Filmstruktur auf, die zumindest aus einer Elektrodenschicht A, eines Elektrodenschicht B mit Orientierung in der (100)-Ebene und einer zwischen der Elektrodenschicht A und der Elektrodenschicht B eingefügten piezoelektrischen dielektrischen Oxidschicht besteht. Als Ergebnis kann ein Dünnfilm-Sensorelement erzielt werden, das klein, leicht, hochgenau und kostengünstig ist. Mit anderen Worten, da die vorliegende Erfindung kein Ätzen bzw. keine Verstärkung durch Polyimidharz erfordert, kann man ein äußerst kleines, leichtes, hochgenaues und kostengünstiges Dünnfilm-Sensorelement erhalten.
Außerdem kann nach dem ersten bis siebenten Fertigungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung das Beschleunigungssensorelement rationell hergestellt werden. Zum Beispiel weist das Fertigungsverfahren die Schritte zur Ausbildung einer Sensorschicht auf der Oberfläche eines wasserlöslichen Substrats mittels einer Trägerschicht und zum anschließenden Entfernen des Substratteils durch Waschen in Wasser auf. Als Ergebnis kann die Struktur eines leichten, selbsttragenden Be schleunigungssensorelements von geringerer Größe und zu verminderten Kosten hergestellt werden.
Als nächstes wird das pyroelektrische Sensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert.
Beispiel 8
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die 16 und 17(a) bis (f) eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen pyroelektrischen Infrarotsensorelements und eines Fertigungsverfahrens für dieses pyroelektrische Infrarotsensorelement beschrieben.
16 zeigt eine perspektivische Ansicht des pyroelektrischen Infrarotsensorelements in der ersten Ausführungsform. Wie in 16 dargestellt, ist ein pyroelektrisches Infrarotsensorelement 111 so konfiguriert, daß eine mehrschichtige Filmstruktur 112 durch einen Klebstoff 110 auf der Oberfläche eines Keramiksubstrats 107 fixiert wird und das Keramiksubstrat 107 in der Nähe des Mittelpunkts einen Öffnungsabschnitt 130 von annähernd rechteckigem Querschnitt aufweist.
In diesem Beispiel wird angenommen, daß das Keramiksubstrat 107 eine rechteckige Form von 5 mm × 5 mm, eine Dicke von 1 mm, den Öffnungsabschnitt 130 von 1 mm × 1 mm in der Nähe der Mitte aufweist und aus Aluminiumoxid besteht. Die mehrschichtige Filmstruktur 112 besteht aus einer in der (100)-Ebene orientierten MgO-Oxidschicht 102 mit Steinsalzgitterstruktur (nachstehend als MgO-Schicht 102 bezeichnet), einer in der (100)-Ebene orientierten Pt-Zuleitungselektrodenschicht 103, die unter der MgO-Schicht 102 angeordnet ist, einer pyroelektrischen dielektrischen Oxidschicht 104 aus Bleilanthantitanat als dielektrischem Material (nachstehend als PLT-Schicht 104 bezeichnet), die an einer vorgegebenen Stelle unter der Zuleitungselektrodenschicht 103 angeordnet ist, und einer unter der PLT-Schicht 104 angeordneten Zuleitungselektrodenschicht 105. Der Teil der PLT-Schicht 104 ist so angeordnet, daß er in den Öffnungsabschnitt 130 des Keramiksubstrats 107 paßt. Es wird angenommen, daß die PLT-Schicht 104 eine Größe von 0, 2 mm × 0, 2 mm und eine Dicke von 3 μm hat. Ferner hat die MgO-Schicht 102 eine Größe von 2 mm × 2 mm und eine Dicke von 2 μm. Auf vorgegebenen Oberflächenteilen des Keramiksubstrats 107 sind Anschlußelektroden 108 bzw. 109 angebracht, die durch einen elektrisch leitenden Klebstoff 106 mit den Zuleitungselektrodenschichten 103 bzw. 105 verbunden werden.
Die 17(a) bis (f) zeigen ein Verfahren zur Herstellung des oben konfigurierten pyroelektrischen Infrarotsensorelements 111. Zunächst wurde KBr-Pulvermaterial unter vermindertem Druck mit 800 kg/cm² formgepreßt, und die Oberfläche wurde durch Polieren geglättet. Auf diese Weise wurde ein plattenförmiges KBr-Substrat 101 mit einer Größe von 3 mm × 3 mm und einer Dicke von 0,5 mm geformt. Als nächstes wurde auf der Oberfläche dieses Substrats 101 durch ein plasmagestütztes MOCVD-Verfahren eine MgO-Oxidschicht 102 mit Steinsalzgitterstruktur (Größe 2 mm × 2 mm, Dicke 2 μm) ausgebildet, deren vertikale Richtung eine Kristallorientierung in (100)-Richtung bezüglich der Substratoberfläche aufwies ( 17(a)).
Zur Bildung der MgO-Schicht 102 wurde Magnesiumacetylacetonatdampf als CVD-Rohmaterialgas eingesetzt, und das KBr-Substrat 101 wurde auf 400°C erhitzt. Ferner wurde durch ein Sputterverfahren auf einem vorgegebenen Oberflächenabschnitt dieser MgO-Schicht 102 durch epitaxiales Aufwachsen eine Pt-Schicht ausgebildet, und die Zuleitungselektrodenschicht 103 aus der Pt-Schicht wies eine Kristallorientierung in (100)-Richtung bezüglich der Schichtoberfläche auf (17(b)). Dann wurde, wie auch bei dem Herstellungsverfahren eines herkömmlichen pyroelektrischen Infrarotsensorelements erwähnt, ein HF-Magnetronsputterverfahren angewandt, um eine PLT-Schicht 104 mit einer Dicke von 3 μm mit Kristallorientierung in Richtung einer c-Achse auszubilden. Die PLT-Schicht 104 wurde auf einem vorgegebenen Oberflächenabschnitt der Zuleitungselektrodenschicht 103 und außerdem auf einem vorgegebenen Oberflächenabschnitt der MgO-Schicht 102 ausgebildet, wo keine Zuleitungselektrodenschicht 103 ausgebildet war (17(b)). Dann wurde auf der Oberfläche der PLT-Schicht 104 wie auch auf der Oberfläche der MgO-Schicht 102, wo keine Zuleitungselektrodenschicht 103 ausgebildet war, durch ein Sputterverfahren die Zuleitungselektrodenschicht 105 aus einer Ni-Cr-Schicht ausgebildet (17(c)).
Als nächstes wurde durch Brennen von Pd-Paste das Keramiksubstrat 107 hergestellt, auf dem vorher in vorgegebenen Abschnitten Anschlußelektroden 108 und 109 ausgebildet wurden waren. Die in den obenerwähnten Schritten gebildete, auf dem KBr-Substrat 101 angeordnete mehrschichtige Filmstruktur 112 wurde umgedreht. Sie wurde so angebracht, daß die mehrschichtige Filmstruktur 112 den Öffnungsabschnitt 130 des Keramiksubstrats 107 bedeckte, und außerdem so, daß die Zuleitungselektrodenschichten 103 bzw. 105 im Kontakt mit den Anschlußelektroden 108 bzw. 109 waren. In diesem Zustand wurde der elektrisch leitende Klebstoff 106 aufgebracht (17(d)). Dann wurde die oben hergestellte Struktur mit Wasser gewaschen, wodurch das KBr-Substrat 101 entfernt wurde (17(e) ). Nach dem Trocknen wurden der Umfangsteil der MgO-Schicht 102 und die Oberfläche des Keramiksubstrats 107 zur Verstärkung durch einen Klebstoff 110 vom Epoxidharztyp verklebt. Auf diese Weise wurde das pyroelektrische Infrarotsensorelement 111 fertiggestellt (17(f)).
In dem nach dem oben angegebenen Verfahren erhaltenen pyroelektrischen Infrarotsensorelement 111 wird die PLT-Schicht 104, die pyroelektrische Eigenschaften aufweist, lediglich durch die MgO-Schicht 102 von nur 2 μm Dicke getragen. Bei einem Vergleich dieses Sensorelements mit dem herkömmlichen pyroelektrischen Infrarotsensorelement, bei dem eine PLT-Schicht durch eine Polyimidharzschicht getragen wird, war jedoch die MgO-Schicht 102 dünner und härter als die Polyimidharzschicht, und außerdem war der Kontraktionsgrad annähernd der gleiche wie bei der PLT-Schicht 104. Als Ergebnis bestätigte sich, daß die mechanische Festigkeit ausreichend war und daß überhaupt keine Elektrodenunterbrechung infolge Rißbildung usw. auftrat.
Ferner konnten anstelle der MgO-Oxidschicht 102 mit Steinsalzgitterstruktur, die eine Kristallorientierung in (100)-Richtung aufwies, eine NiO-Schicht oder eine CoO-Schicht mit Kristallorientierung in (100)-Richtung verwendet werden, die durch ein plasmagestütztes MOCVD-Verfahren mit Verwendung von Nickelacetylacetonat und Cobaltacetylacetonat als Rohmaterialgas hergestellt wurden. Auch in diesem Falle wurde bestätigt, daß pyroelektrische Infrarotsensorelemente mit der gleichen Leistung hergestellt werden konnten.
Außerdem wurde bestätigt, daß durch Verwendung eines anderen Substrats anstelle des KBr-Substrats 101, das gleichfalls zu den Alkalihalogenidmaterialien gehört, wie z. B. KCl, KI, CsBr und CsI, pyroelektrische Infrarotsensorelemente mit der gleichen Leistung hergestellt werden konnten.
Beispiel 9
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die 18 und 19(a) bis (e) eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen pyroelektrischen Infrarotsensorelements und eines Fertigungsverfahrens für dieses pyroelektrische Infrarotsensorelement beschrieben.
18 zeigt eine perspektivische Ansicht des pyroelektrischen Infrarotsensorelements in der zweiten Ausführungsform. In 18 sind Elemente mit den gleichen Bezugszeichen wie in der in den 16 und 17(a) bis (f) dargestellten Ausführungsform im wesentlichen die gleichen.
Wie in 18 dargestellt, ist ein pyroelektrisches Infrarotsensorelement 211 so konfiguriert, daß eine mehrschichtige Filmstruktur 113 durch einen Klebstoff 120 auf der Oberfläche eines Keramiksubstrats 107 fixiert wird und das Keramiksubstrat 107 in der Nähe des Mittelpunkts einen Öffnungsabschnitt 130 von annähernd rechteckigem Querschnitt aufweist. Die mehrschichtige Filmstruktur 113 besteht aus einer Ni-Metallelektrodenschicht 114, einer unter der Ni-Metallelektrodenschicht 114 angeordneten, in der (100)-Ebene orientierten leitfähigen NiO-Elektrodenschicht 115, einer in einem vorgegebenen Abschnitt unter der leitfähigen NiO-Elektrodenschicht 115 angeordneten PLT-Schicht 104 und einer unter der PLT-Schicht 104 angeordneten Ni-Cr-Elektrodenschicht 116. Der Teil der PLT-Schicht 104 ist so angeordnet, daß er in den Öffnungsabschnitt 130 paßt. Die Ni-Metallelektrodenschicht 114 hat eine Größe von 2 mm × 2 mm und eine Dicke von 0,8 μm. Die leitfähige NiO-Schicht 112 hat eine Größe von 0,6 mm × 0,6 mm und eine Dicke von 0,4 μm. Ferner hat die PLT-Schicht 104 eine Größe von 0,2 mm × 0,2 mm und eine Dicke von 3 μm. Das Keramiksubstrat 107, das ebenso wie in Beispiel 8 aus Aluminiumoxid besteht, weist eine Größe von 5 mm × 5 mm, eine Dicke von 1 mm und einen Öffnungsabschnitt von 1 mm × 1 mm in der Nähe der Mitte auf. Als Keramiksubstrat 107 können auch andere Keramikarten verwendet werden, wie z. B. Glas, Mullit, Cordierit, Strontiumtitanat, Magnesia (MgO) und Silicium. In einem vorgegebenen Abschnitt des Keramiksubstrats 107, auch auf der gleichen Seite, wo die mehrschichtige Filmstruktur 113 angeklebt wird, wird eine Anschlußelektrode 118 ausgebildet, um durch einen elektrisch leitenden Klebstoff 121 mit der Ni-Metallelektrodenschicht 114 verbunden zu werden. Darüberhinaus wird in einem vorgegebenen Abschnitt des Keramiksubstrats 107 auf der gegenüberliegenden Seite eine Anschlußelektrode 119 ausgebildet, um über einen Au-Draht 117 mit der Ni-Cr-Elektrodenschicht 116 verbunden zu werden.
Die 19(a) bis (e) zeigen ein Verfahren zur Herstellung des oben konfigurierten pyroelektrischen Infrarotsensorelements 211. Zunächst wird auf die gleiche Weise wie in dem obenerwähnten Beispiel 8 ein plattenförmiges KBr-Substrat 101 mit einer Größe von 3 mm × 3 mm und einer Dicke von 0,5 mm geformt. Als nächstes wird auf der Oberfläche dieses KBr-Substrats 101 durch ein HF-Sputterverfahren die Ni-Metallschicht 114 mit einer Größe von 2 mm × 2 mm und einer Dicke von 0,8 μm ausgebildet. Dann wurde durch ein plasmagestütztes MOCVD-Verfahren auf der Oberfläche der Ni-Metallschicht 114 eine NiO-Oxidschicht 115 mit Steinsalzgitterstruktur (mit Li-Zusatz) (Größe 0,6 mm × 0,6 mm, Dicke 0,4 μm) ausgebildet, deren vertikale Richtung eine Kristallorientierung in (100)-Richtung bezüglich der Substratoberfläche aufwies (19(a) ). Zur Bildung der leitfähigen NiO-Schicht 115 wurde ein Gemisch aus Nickelacetylacetonatdampf und Li-Dipivaloylmethanchelatdampf als CVD-Rohmaterialgas eingesetzt, und das KBr-Substrat 101 wurde auf 400°C erhitzt. Dann wurde auf der Oberfläche der leitfähigen NiO-Schicht 115, wie auch bei dem Herstellungsverfahren eines herkömmlichen pyroelektrischen Infrarotsensorelements erwähnt, ein HF-Magnetronsputterverfahren angewandt, um die PLT-Schicht 104 (2 mm × 2 mm) durch epitaxiales Aufwachsen bis zu einer Dicke von 3 μm und mit Kristallorientierung in Richtung einer c-Achse auszubilden ( 19(b)). Auf der Oberfläche der PLT-Schicht 104 wurde durch ein Sputterverfahren die Ni-Cr-Elektrodenschicht 116 ausgebildet (19(c)).
Als nächstes wurde durch Brennen von Pd-Paste das Keramiksubstrat 107 hergestellt, auf dem vorher in vorgegebenen Abschnitten die Anschlußelektroden 118 bzw. 119 ausgebildet worden waren. Die in den obenerwähnten Schritten gebildete, auf dem KBr-Substrat 101 angeordnete mehrschichtige Filmstruktur 113 wurde umgedreht. Sie wurde so angebracht, daß die mehrschichtige Filmstruktur 113 den Öffnungsabschnitt 130 des Keramiksubstrats 107 bedeckte, und der elektrisch leitende Klebstoff 120 wurde aufgebracht (19(d)). Dann wurde unter Anwendung eines Drahtbondverfahrens die Ni-Cr-Elektrodenschicht 116 durch den Au-Draht 117 mit der auf der Oberfläche des Keramiksubstrats 107 ausgebildeten Anschlußelektrode 119 verbunden (19(d)). Als nächstes wurde die oben hergestellte Struktur mit Wasser gewaschen, wodurch das KBr-Substrat 101 entfernt wurde. Nach dem Trocknen wird die Ni-Metallelektrodenschicht 114 durch die leitfähige Paste 121 mit der auf der Oberfläche des Keramiksubstrats 107 ausgebildeten Anschlußelektrode 118 verbunden. Auf diese Weise wurde das pyroelektrische Infrarotsensorelement 211 fertiggestellt (19(e)).
In dem nach dem oben angegebenen Verfahren erhaltenen pyroelektrischen Infrarotsensorelement 211 wird die PLT-Schicht 104, die pyroelektrische Eigenschaften aufweist, lediglich durch die Ni-Metallschicht 114 von nur 0,8 μm Dicke getragen. Bei einem Vergleich dieses Sensorelements mit dem herkömmlichen pyroelektrischen Infrarotsensorelement, bei dem eine PLT-Schicht durch eine Polyimidharzschicht getragen wird, war jedoch die Ni-Metallschicht 114 dünner und härter als die Polyimidharzschicht, und außerdem war der Kontraktionsgrad annähernd der gleiche wie bei der PLT-Schicht 104. Als Ergebnis bestätigte sich, daß die mechanische Festigkeit ausreichend war und daß überhaupt keine Elektrodenunterbrechung infolge Rißbildung usw. auftrat.
Ebenso wie in der obenerwähnten ersten Ausführungsform wurde bestätigt, daß durch Verwendung eines anderen Substrats anstelle des KBr-Substrats 101, das gleichfalls zu den Alkalihalogenidmaterialien gehört, wie z. B. KCl, KI, CsBr und CsI, pyroelektrische Infrarotsensorelemente mit der gleichen Leistung hergestellt werden konnten.
Beispiel 10
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die 20 und 21(a) bis (e) eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen pyroelektrischen Infrarotsensorelements und eines Fertigungsverfahrens für dieses pyroelektrische Infrarotsensorelement beschrieben.
20 zeigt eine perspektivische Ansicht des pyroelektrischen Infrarotsensorelements in der dritten Ausführungsform. In 20 sind Elemente mit den gleichen Bezugszeichen wie in der in den 16 und 17(a) bis (f) dargestellten Ausführungsform oder der in den 18 und 19(a) bis (e) dargestellten zweiten Ausführungsform im wesentlichen die gleichen.
Wie in 20 dargestellt, ist ein pyroelektrisches Infrarotsensorelement 311 in der dritten Ausführungsform so konfiguriert, daß eine mehrschichtige Filmstruktur 122 durch einen Klebstoff 120 auf der Oberfläche eines Keramiksubstrats 107 fixiert wird und das Keramiksubstrat 107 in der Nähe des Mittelpunkts einen Öffnungsabschnitt 130 von annähernd rechteckigem Querschnitt aufweist. Die mehrschichtige Filmstruktur 122 besteht aus einer leitfähigen NiO-Schicht 123, die auch als Elektrode dient, einer unter der leitfähigen NiO-Schicht 123 angeordneten PLT-Schicht 104 und einer unter der PLT-Schicht 104 angeordneten Ni-Cr-Elektrodenschicht 116. Der Teil der PLT-Schicht 104 ist so angeordnet, daß er in den Öffnungsabschnitt 130 paßt. Die leitfähige NiO-Schicht 123 hat eine Größe von 2 mm × 2 mm und eine Dicke von 2 μm, und die PLT-Schicht 104 hat eine Größe von 0,2 mm × 0,2 mm und eine Dicke von 3 μm. Das Keramiksubstrat 107, das ebenso wie in Beispiel 8 aus Aluminiumoxid besteht, weist eine Größe von 5 mm × 5 mm, eine Dicke von 1 mm und einen Öffnungsabschnitt von 1 mm × 1 mm in der Nähe der Mitte auf. In einem vorgegebenen Abschnitt des Keramiksubstrats 107, auch auf der gleichen Seite, wo die mehrschichtige Filmstruktur 122 angeklebt wird, wird eine Anschlußelektrode 118 ausgebildet, um durch einen elektrisch leitenden Klebstoff 121 mit der leitfähigen NiO-Schicht 123 verbunden zu werden. Darüberhinaus wird in einem vorgegebenen Abschnitt des Keramiksubstrats 107 auf der gegenüberliegenden Seite eine Anschlußelektrode 119 ausgebildet, um über einen Au-Draht 117 mit der Ni-Cr-Elektrodenschicht 116 verbunden zu werden.
Die 21(a) bis (e) zeigen ein Verfahren zur Herstellung des oben konfigurierten pyroelektrischen Infrarotsensorelements 311. Zunächst wird auf die gleiche Weise wie in dem obenerwähnten Beispiel 8 ein plattenförmiges KBr-Substrat 101 mit einer Größe von 3 mm × 3 mm und einer Dicke von 0,5 mm geformt. Als nächstes wurde ebenso wie in Beispiel 9 auf der Oberfläche dieses KBr-Substrats 101 durch ein plasmagestütztes MOCVD-Verfahren eine leitfähige NiO-Oxidschicht 123 mit Steinsalzgitterstruktur (mit Li-Zusatz) (Größe 2 mm × 2 mm, Dicke 2 μm) ausgebildet. Die vertikale Richtung der leitfähigen NiO-Schicht 123 wies eine Kristallorientierung in (100)-Richtung bezüglich der Oberfläche des Substrats 101 auf (21(a)). Dann wurde das gleiche Sputterverfahren wie in der ersten Ausführungsform angewandt, um auf der Oberfläche der leitfähigen NiO-Schicht 123 die PLT-Schicht 104 (0,2 mm × 0,2 mm) durch epitaxiales Aufwachsen bis zu einer Dicke von 3 μm und mit Kristallorientierung in Richtung einer c-Achse auszubilden (21(b)). Ferner wurde auf der Oberfläche der PLT-Schicht 104 die Ni-Cr-Elektrodenschicht 116 ausgebildet (21(c)).
Als nächstes wurde durch Brennen von Pd-Paste das Keramiksubstrat 107 hergestellt, auf dem vorher in vorgegebenen Abschnitten die Anschlußelektroden 118 bzw. 119 ausgebildet worden waren. Die in den obenerwähnten Schritten gebildete, auf dem KBr-Substrat 101 angeordnete mehrschichtige Filmstruktur 122 wurde umgedreht. Sie wurde so angebracht, daß die mehrschichtige Filmstruktur 122 den Öffnungsabschnitt 130 des Keramiksubstrats 107 bedeckte, und der elektrisch leitende Klebstoff 120 wurde aufgebracht (21(d)). Dann wurde unter Anwendung eines Drahtbondverfahrens die Ni-Cr-Elektrodenschicht 116 über den Au-Draht 117 mit der auf der Oberfläche des Keramiksubstrats 107 ausgebildeten Anschlußelektrode 119 verbunden (21(d)). Als nächstes wurde die oben hergestellte Struktur mit Wasser gewaschen, wodurch das KBr-Substrat 101 entfernt wurde. Nach dem Trocknen wird die leitfähige NiO-Schicht 123 durch die leitfähige Paste 121 mit der auf der Oberfläche des Keramiksubstrats 107 ausgebildeten Anschlußelektrode 118 verbunden. Auf diese Weise wurde das pyroelektrische Infrarotsensorelement 311 fertiggestellt ( 21(e)).
In dem nach dem oben angegebenen Verfahren erhaltenen pyroelektrischen Infrarotsensorelement 311 wird die PLT-Schicht 104, die pyroelektrische Eigenschaften aufweist, lediglich durch die NiO-Schicht 123 von nur 2 μm Dicke getragen. Bei einem Vergleich dieses Sensorelements mit dem herkömmlichen pyroelektrischen Infrarotsensorelement, bei dem eine PLT-Schicht durch eine Polyimidharzschicht getragen wird, war jedoch die NiO-Schicht 123 dünner und härter als die Polyimidharzschicht, und außerdem war der Kontraktionsgrad annähernd der gleiche wie bei der PLT-Schicht 104. Als Ergebnis bestätigte sich, daß die mechanische Festigkeit ausreichend war und daß überhaupt keine Elektrodenunterbrechung infolge Rißbildung usw. auftrat.
Ferner wurde ebenso wie in der obenerwähnten ersten Ausführungsform bestätigt, daß durch Verwendung eines anderen Substrats anstelle des KBr-Substrats 101, das gleichfalls zu den Alkalihalogenidmaterialien gehört, wie z. B. KCl, KI, CsBr und CsI, pyroelektrische Infrarotsensorelemente mit der gleichen Leistung hergestellt werden konnten.
Beispiel 11
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die 22 und 23(a) bis (f) eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen pyroelektrischen Infrarotsensorelements und eines Fertigungsverfahrens für dieses pyroelektrische Infrarotsensorelement beschrieben.
22 zeigt eine perspektivische Ansicht des pyroelektrischen Infrarotsensorelements in der vierten Ausführungsform. In 22 sind Elemente mit den gleichen Bezugszeichen wie in der in den 16 und 17(a) bis (f) dargestellten Ausführungsform im wesentlichen die gleichen. Wie in 22 dargestellt, ist ein pyroelektrisches Infrarotsensorelement 411 in der vierten Ausführungsform so konfiguriert, daß eine mehrschichtige Filmstruktur 124 direkt auf der Oberfläche eines Keramiksubstrats 107 ausgebildet wird und das Keramiksubstrat 107 in der Nähe des Mittelpunkts einen Öffnungsabschnitt 130 von annähernd rechteckigem Querschnitt aufweist. Ebenso wie in Beispiel 8 wird in diesem Beispiel angenommen, daß das Keramiksubstrat 107 eine rechteckige Form von 5 mm × 5 mm, eine Dicke von 1 mm und den Öffnungsabschnitt 130 von 1 mm × 1 mm in der Nähe der Mitte aufweist und aus Aluminiumoxid besteht. Die mehrschichtige Filmstruktur 124 besteht aus einer MgO-Schicht 102, einer unter der MgO-Schicht 102 angeordneten Zuleitungselektrodenschicht 103, einer in einem vorgegebenen Oberflächenabschnitt der Zuleitungselektrodenschicht 103 angeordneten PLT-Schicht 104 und einer oberhalb der PLT-Schicht 104 angeordneten Zuleitungselektrodenschicht 105. Der Teil der PLT-Schicht 104 ist so angeordnet, daß er in den Öffnungsabschnitt 130 paßt. Die PLT-Schicht 104 hat eine Größe von 0,2 mm × 0,2 mm und eine Dicke von 3 μm, und die MgO-Schicht 102 hat eine Größe von 2 mm × 2 mm und eine Dicke von 2 μm. In einem vorgegebenen Abschnitt des Keramiksubstrats 107 sind die Anschlußelektroden 128 und 129 angeordnet. Die Zuleitungselektrode 105 wird durch eine leitfähige Paste 136 mit der Anschlußelektrode 128 verbunden, und die Zuleitungselektrode 103 wird durch eine leitfähige Paste 137 mit der Anschlußelektrode 129 verbunden.
Die 23(a) bis (e) zeigen ein Verfahren zur Herstellung des oben konfigurierten pyroelektrischen Infrarotsensorelements 411. Vor Beginn des Verfahrens wurde das Keramiksubstrat 107 aus Aluminiumoxid hergestellt, das eine Größe von 5 mm × 5 mm, eine Dicke von 1 mm und den in der Nähe der Mitte hindurchgehenden Öffnungsabschnitt 130 mit einer Größe von 1 mm × 1 mm aufwies. Auf dieses Substrat wurde vorher an einer vorgegebenen Oberfläche Pd-Paste aufgebracht und bei 1050°C gebrannt, um die Anschlußelektroden 128 und 129 zu formen. Nach Einfüllen von KBr-Pulver in den Öffnungsabschnitt 130 des Keramiksubstrats 107 und Härten des Pulvers wurde das KBr unter vermindertem Druck auf 740°C erhitzt und geschmolzen. Auf diese Weise wird das Keramiksubstrat 171 mit ausgefülltem Öffnungsabschnitt geformt (23(a)). Hier wurde ein mit KBr gefüllter Teil 172 durch Polieren der Oberfläche geglättet. Ebenso wie in Beispiel 8 wurde auf der Oberfläche des KBr-Substrats 171 durch ein plasmagestütztes MOCVD-Verfahren eine MgO-Schicht 102 mit Steinsalzgitterstruktur (Größe 2 mm × 2 mm, Dicke 2 μm) ausgebildet. Die vertikale Richtung der MgO-Schicht 102 wies eine Kristallorientierung in (100)-Richtung bezüglich der Oberfläche des Substrats auf (23(b)). Dann wurde durch ein Sputterverfahren in einem vorgegebenen Teil der Oberfläche der MgO-Schicht 102 durch epitaxiales Aufwachsen eine Pt-Schicht geformt, und die Zuleitungselektrodenschicht 103 aus der Pt-Schicht wurde mit einer Kristallorientierung in (100)-Richtung bezüglich der Schichtoberfläche ausgebildet (23(b)). Dann wurde ein HF-Magnetronsputterverfahren angewandt, um eine PLT-Schicht 104 mit einer Dicke von 3 μm und Kristallorientierung in Richtung einer c-Achse auszubilden. Die PLT-Schicht 104 wurde auf einem vorgegebenen Oberflächenabschnitt der Zuleitungselektrode 103 und außerdem auf einem vorgegebenen Oberflächenabschnitt der MgO-Schicht 102 ausgebildet, wo die Zuleitungselektrodenschicht 103 nicht ausgebildet war (23(b)). Dann wurde auf der Oberfläche der PLT-Schicht 104 sowie auf der übrigen Oberfläche der MgO-Schicht 102, wo die Zuleitungselektrode nicht ausgebildet war, die aus einer Ni-Cr-Schicht bestehende Zuleitungselektrodenschicht 105 ausgebildet (23(e)). Als nächstes wurde die oben hergestellte Struktur mit Wasser gewaschen, wodurch der mit KBr gefüllte Teil 172 entfernt wurde (23(e)). Nach dem Trocknen wurde die Zuleitungselektrodenschicht 103 durch die leitfähige Paste 137 mit der Anschlußelektrode 129 verbunden, und die Zuleitungselektroden schicht 105 wurde durch die leitfähige Paste 136 mit der Anschlußelektrode 128 verbunden. Auf diese Weise wurde das pyroelektrische Infrarotsensorelement 411 fertiggestellt ( 23(f)).
In dem nach dem oben angegebenen Verfahren erhaltenen pyroelektrischen Infrarotsensorelement 411 wird die PLT-Schicht 104, die pyroelektrische Eigenschaften aufweist, lediglich durch die MgO-Schicht 102 von nur 2 μm Dicke getragen. Bei einem Vergleich dieses Sensorelements mit dem herkömmlichen pyroelektrischen Infrarotsensorelement, bei dem eine PLT-Schicht durch eine Polyimidharzschicht getragen wird, war jedoch die MgO-Schicht 102 dünner und härter als die Polyimidharzschicht, und außerdem war der Kontraktionsgrad annähernd der gleiche wie bei der PLT-Schicht 104. Als Ergebnis bestätigte sich, daß die mechanische Festigkeit ausreichend war und daß überhaupt keine Elektrodenunterbrechung infolge Rißbildung usw. auftrat.
Ferner wurde bestätigt, daß durch Verwendung einer durch ein plasmagestütztes MOCVD-Verfahren mit Verwendung von Nickelacetylacetonat bzw. Cobaltacetylacetonat als Rohmaterialgas hergestellten NiO-Schicht oder CoO-Schicht mit Kristallorientierung in (100)-Richtung anstelle der MgO-Schicht 102 pyroelektrische Infrarotsensorelemente mit der gleichen Leistung hergestellt werden konnten. Außerdem wurde bestätigt, daß durch Verwendung eines anderen Pulvers anstelle von KBr-Pulver, das gleichfalls zu den Alkalihalogenidmaterialien gehört, wie z. B. KCl, KI, CsBr und CsI, pyroelektrische Infrarotsensorelemente mit der gleichen Leistung hergestellt werden konnten.
Beispiel 12
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die 24 und 25(a) bis (e) eine fünfte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen pyroelektrischen Infrarotsensorelements und eines Fertigungsverfahrens für dieses pyroelektrische Infrarotsensorelement beschrieben.
24 zeigt eine perspektivische Ansicht des pyroelektrischen Infrarotsensorelements in der fünften Ausführungs form. In 24 sind Elemente mit den gleichen Bezugszeichen wie in den obenerwähnten Ausführungsformen im wesentlichen die gleichen. Wie in 24 dargestellt, ist ein pyroelektrisches Infrarotsensorelement 511 in der fünften Ausführungsform so konfiguriert, daß eine mehrschichtige Filmstruktur 125 direkt auf der Oberfläche eines Keramiksubstrats 107 ausgebildet wird und das Keramiksubstrat 107 in der Nähe des Mittelpunkts einen Öffnungsabschnitt 130 von annähernd rechteckigem Querschnitt aufweist. Ebenso wie in den obigen Ausführungsformen wird in diesem Beispiel angenommen, daß das Keramiksubstrat 107 eine rechteckige Form von 5 mm × 5 mm, eine Dicke von 1 mm und den Öffnungsabschnitt 130 von 1 mm × 1 mm in der Nähe der Mitte aufweist und aus Aluminiumoxid besteht. Die mehrschichtige Filmstruktur 125 besteht aus einer Ni-Metallschicht 114, die auch als Elektrode dient, einer auf der Ni-Metallschicht 114 angeordneten leitfähigen NiO-Schicht 115, einer in einem vorgegebenen Oberflächenabschnitt der leitfähigen NiO-Schicht 115 angeordneten PLT-Schicht 104 und einer über der PLT-Schicht 104 angeordneten Ni-Cr-Elektrodenschicht 116. Der Teil der PLT-Schicht 104 ist so angeordnet, daß er in den Öffnungsabschnitt 130 paßt. Die Ni-Metallschicht 114 hat eine Größe von 2 mm × 2 mm und eine Dicke von 3 μm, und die leitfähige NiO-Schicht 115 hat eine Größe von 0,6 mm × 0,6 mm und eine Dicke von 0,4 μm. Außerdem hat die PLT-Schicht 104 eine Größe von 0,2 mm × 0,2 mm und eine Dicke von 3 μm. In einem vorgegebenen Oberflächenabschnitt des Keramiksubstrats 107 sind die Anschlußelektroden 128 und 129 angeordnet. Die Anschlußelektrode 129 wird durch eine leitfähige Paste 137 mit der Ni-Metallschicht 114 verbunden, und die Anschlußelektrode 128 wird durch einen Au-Draht 117 mit der Ni-Cr-Elektrodenschicht 116 verbunden.
Die 25(a) bis (e) zeigen ein Verfahren zur Herstellung des oben konfigurierten pyroelektrischen Infrarotsensorelements 511. Wie in Beispiel 11 wurde zuvor das aus Aluminiumoxid bestehende Keramiksubstrat 107 hergestellt, das eine Größe von 5 mm × 5 mm, eine Dicke von 1 mm und den in der Nähe der Mitte hindurchgehenden Öffnungsabschnitt 130 mit einer Größe von 1 mm × 1 mm aufwies. Auf dieses Substrat wurde vorher in einem vorgegebenen Oberflächenabschnitt Pd-Paste aufgebracht und bei 1050°C gebrannt, um die Anschlußelektroden 128 und 129 zu formen. Nach Einfüllen von KBr-Pulver in den Öffnungsabschnitt 130 des Keramiksubstrats 107 und Härten des Pulvers wurde das KBr unter vermindertem Druck auf 740°C erhitzt und geschmolzen. Auf diese Weise wurde das Keramiksubstrat 107 mit einem ausgefüllten Öffnungsabschnitt geformt (25(a)). Hierbei wurde der mit KBr gefüllte Teil 172 durch Polieren der Oberfläche geglättet. Als nächstes wurde auf der Oberfläche des Substrats 171 mit dem mit KBr ausgefüllten Teil 172 durch ein HF-Sputterverfahren eine Ni-Metallschicht 114 ausgebildet. Dann wurde auf der Oberfläche der Ni-Metallschicht 114 durch ein plasmagestütztes MOCVD-Verfahren eine leitfähige NiO-Oxidschicht 115 mit Steinsalzgitterstruktur (mit Li-Zusatz) ausgebildet (Größe 0,6 mm × 0,6 mm, Dicke 0,4 μm). Wie in Beispiel 2 wies die vertikale Richtung der Ni-Metallschicht 114 eine Kristallorientierung in (100)-Richtung bezüglich der Oberfläche der Ni-Metallschicht 114 auf (25(b)). Dann wurde, wie auch bei dem Herstellungsverfahren eines herkömmlichen pyroelektrischen Infrarotsensorelements erwähnt, ein HF-Magnetronsputterverfahren angewandt, um auf der Oberfläche der leitfähigen NiO-Schicht 115 durch epitaxiales Aufwachsen eine PLT-Schicht 104 (0,2 mm × 0,2 mm) auszubilden. Auf der PLT-Schicht 104, die eine Dicke von 3 μm und eine Kristallorientierung in Richtung einer c-Achse aufwies, wurde durch ein Sputterverfahren eine Ni-Cr-Elektrodenschicht 116 ausgebildet (25(c)). Als nächstes wurde mit Hilfe eines Drahtbondverfahrens die Ni-Cr-Elektrodenschicht 116 durch den Au-Draht 117 mit der Anschlußelektrode 128 verbunden (25(d)). Die oben hergestellte Struktur wurde mit Wasser gewaschen, wodurch der mit KBr gefüllte Teil 172 entfernt wurde, und nach dem Trocknen wurde die Ni-Metallschicht 114 durch die leitfähige Paste 137 mit der Anschlußelektrode 129 verbunden. Auf diese Weise wurde das pyroelektrische Infrarotsensorelement 511 fertiggestellt ( 25(e)).
In dem nach dem oben angegebenen Verfahren erhaltenen pyroelektrischen Infrarotsensorelement 511 wird die PLT- Schicht 104, die pyroelektrische Eigenschaften aufweist, lediglich durch die Ni-Metallschicht 114 von nur 0,8 μm Dicke getragen. Bei einem Vergleich dieses Sensorelements mit dem herkömmlichen pyroelektrischen Infrarotsensorelement, bei dem eine PLT-Schicht durch eine Polyimidharzschicht getragen wird, war jedoch die Ni-Metallschicht 114 dünner und härter als die Polyimidharzschicht, und außerdem war der Kontraktionsgrad annähernd der gleiche wie bei der PLT-Schicht 104. Als Ergebnis bestätigte sich, daß die mechanische Festigkeit ausreichend war und daß überhaupt keine Elektrodenunterbrechung infolge Rißbildung usw. auftrat.
Ferner wurde bestätigt, daß durch Verwendung eines anderen Alkalihalogenidmaterials anstelle von KBr, wie z. B. KCl, KI, CsBr und CsI, pyroelektrische Infrarotsensorelemente mit der gleichen Leistung hergestellt werden konnten.
Beispiel 13
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die 26 und 27(a) bis (e) eine sechste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen pyroelektrischen Infrarotsensorelements und eines Fertigungsverfahrens für dieses pyroelektrische Infrarotsensorelement beschrieben.
26 zeigt eine perspektivische Ansicht des pyroelektrischen Infrarotsensorelements in der sechsten Ausführungsform. In 26 sind Elemente mit den gleichen Bezugszeichen wie in den obenerwähnten Ausführungsformen im wesentlichen die gleichen. Wie in 26 dargestellt, ist ein pyroelektrisches Infrarotsensorelement 611 in der sechsten Ausführungsform so konfiguriert, daß eine mehrschichtige Filmstruktur 126 direkt auf der Oberfläche eines Keramiksubstrats 107 ausgebildet wird und das Keramiksubstrat 107 in der Nähe des Mittelpunkts einen Öffnungsabschnitt 130 von annähernd rechteckigem Querschnitt aufweist. Ebenso wie in den obigen Ausführungsformen wird in diesem Beispiel angenommen, daß das Keramiksubstrat 107 eine rechteckige Form von 5 mm × 5 mm, eine Dicke von 1 mm und den Öffnungsabschnitt 130 von 1 mm × 1 mm in der Nähe der Mitte aufweist und aus Aluminiumoxid besteht. Die mehrschichtige Filmstruktur 126 besteht aus einer leitfähigen NiO-Schicht 127, die auch als Elektrode dient, einer in einem vorgegebenen Oberflächenabschnitt auf der leitfähigen NiO-Schicht 127 angeordneten PLT-Schicht 104 und einer über der PLT-Schicht 104 angeordneten Ni-Cr-Elektrodenschicht 116. Der Teil der PLT-Schicht 104 ist auf dem Öffnungsabschnitt 130 angeordnet. Die leitfähige NiO-Schicht 127 hat eine Größe von 2 mm × 2 mm und eine Dicke von 2 μm, und die PLT-Schicht 104 hat eine Größe von 0,2 mm × 0,2 mm und eine Dicke von 3 μm. In einem vorgegebenen Oberflächenabschnitt des Keramiksubstrats 107 sind Anschlußelektroden 128 und 129 angeordnet. Die Anschlußelektrode 129 wird durch eine leitfähige Paste 137 mit der leitfähigen NiO-Schicht 127 verbunden, und die Anschlußelektrode 128 wird durch einen Au-Draht 117 mit der Ni-Cr-Elektrodenschicht 116 verbunden.
Die 27(a) bis (e) zeigen ein Verfahren zur Herstellung des oben konfigurierten pyroelektrischen Infrarotsensorelements 611. Wie in Beispiel 11 wurde zuvor das aus Aluminiumoxid bestehende Keramiksubstrat 107 hergestellt, das eine Größe von 5 mm × 5 mm, eine Dicke von 1 mm und den in der Nähe der Mitte hindurchgehenden Öffnungsabschnitt 130 mit einer Größe von 1 mm × 1 mm aufwies. Auf dieses Substrat wurde vorher in einem vorgegebenen Oberflächenabschnitt Pd-Paste aufgebracht und bei 1050°C gebrannt, um die Anschlußelektroden 128 und 129 zu formen. Nach Einfüllen von KBr-Pulver in den Öffnungsabschnitt 130 des Keramiksubstrats 107 und Härten des Pulvers wurde das KBr unter vermindertem Druck auf 740°C erhitzt und geschmolzen.
Auf diese Weise wird das Keramiksubstrat 107 mit einem ausgefüllten Öffnungsabschnitt geformt (27(a)). Hierbei wurde ein mit KBr gefüllter Teil 172 durch Polieren der Oberfläche geglättet. Als nächstes wurde auf der Oberfläche des Substrats 171 mit dem mit KBr ausgefüllten Teil 172 durch ein plasmagestütztes MOCVD-Verfahren ebenso wie in Beispiel 10 eine leitfähige NiO-Oxidschicht 127 mit Steinsalzgitterstruktur (mit Li-Zusatz) ausgebildet (Größe 2 mm × 2 mm, Dicke 2 μm). Die vertikale Richtung der leitfähigen NiO-Schicht 127 wies eine Kristallorientierung in (100)-Richtung bezüglich der Oberfläche des Substrats 171 auf (27(b)). Dann wurde auf der Oberfläche der leitfähigen NiO-Schicht 127 unter Anwendung eines Sputterverfahrens wie in Beispiel 8 eine PLT-Schicht 104 (0,2 mm × 0,2 mm) durch epitaxiales Aufwachsen der PLT-Schicht ausgebildet. Auf der PLT-Schicht 104, die eine Dicke von 3 μm und eine Kristallorientierung in Richtung einer c-Achse aufwies, wurde eine Ni-Cr-Elektrodenschicht 116 ausgebildet ( 27(c)). Als nächstes wurde mit Hilfe eines Drahtbondverfahrens die Ni-Cr-Elektrodenschicht 116 durch den Au-Draht 117 mit der Anschlußelektrode 128 verbunden (27(d)). Die oben hergestellte Struktur wurde mit Wasser gewaschen, wodurch der mit KBr gefüllte Teil 172 entfernt wurde, und nach dem Trocknen wurde die leitfähige NiO-Schicht 127 durch die leitfähige Paste 137 mit der Anschlußelektrode 129 verbunden. Auf diese Weise wurde das pyroelektrische Infrarotsensorelement 611 fertiggestellt (27(e)).
In dem nach dem oben angegebenen Verfahren erhaltenen pyroelektrischen Infrarotsensorelement 611 wird die PLT-Schicht 104, die pyroelektrische Eigenschaften aufweist, lediglich durch die leitfähige NiO-Schicht 127 von nur 2 μm Dikke getragen. Bei einem Vergleich dieses Sensorelements mit dem herkömmlichen pyroelektrischen Infrarotsensorelement, bei dem eine PLT-Schicht durch eine Polyimidharzschicht getragen wird, war jedoch die leitfähige NiO-Schicht 127 dünner und härter als die Polyimidharzschicht, und außerdem war der Kontraktionsgrad annähernd der gleiche wie bei der PLT-Schicht 104. Als Ergebnis bestätigte sich, daß die mechanische Festigkeit ausreichend war und daß überhaupt keine Elektrodenunterbrechung infolge Rißbildung usw. auftrat.
Ferner wurde ebenso wie in der vierten Ausführungsform bestätigt, daß durch Verwendung eines anderen Alkalihalogenidmaterials anstelle von KBr, wie z. B. KCl, KI, CsBr und CsI, pyroelektrische Infrarotsensorelemente mit der gleichen Leistung hergestellt werden konnten.
Wie oben erwähnt, erfordern die pyroelektrischen Infrarotsensorelemente, die in den obenerwähnten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, keine herkömmliche Polyimidharzschicht als Träger einer piezoelektrischen dielektrischen Oxidschicht. Statt dessen wird eine Oxidschicht oder eine Metallschicht usw. eingesetzt, die dünner und härter als die Polyimidharzschicht ist und sich im Kontraktionsgrad kaum von der piezoelektrischen dielektrischen Oxidschicht unterscheidet. Dementsprechend treten gewöhnlich keine Elektrodenunterbrechung bzw. keine Risse in der Trägerschicht auf. Da es außerdem nicht mehr notwendig ist, als Substrat ein teures einkristallines MgO-Substrat zu verwenden, das eine (100)-Spaltungsebene aufweist und spiegelpoliert werden muß, kostet dieses Sensorelement weniger. Wie gleichfalls oben erwähnt, verwendet das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen pyroelektrischen Infrarotsensorelements ein Alkalihalogenid, das durch Waschen mit Wasser entfernt werden kann, so daß der Schritt zum sorgfältigen Entfernen eines einkristallinen MgO-Substrats durch Ätzen nicht mehr ausgeführt zu werden braucht. Als Ergebnis kann das pyroelektrische Infrarotsensorelement zu niedrigeren Kosten hergestellt werden.

Claims

Dünnfilm-Sensorelement, mit einem Sensorhaltesubstrat (7) aus Keramik mit Öffnungsabschnitten und einem auf das Sensorhaltesubstrat aufgeklebten mehrschichtigen Film (4), der eine Elektrodenschicht A, eine in der (100)-Ebene orientierte Elektrodenschicht B und eine piezoelektrische dielektrische Oxidschicht zwischen der Elektrodenschicht A und der Elektrodenschicht B aufweist, wobei das Element ferner auf einer Oberfläche des Sensorhaltesubstrats (7) eine in einer (100)-Ebene orientierte Oxidschicht (2) mit Steinsalz-Kristallstruktur aufweist, so daß der Öffnungsabschnitt durch die Oxidschicht (2) mit Steinsalz-Kristallstruktur bedeckt wird, wobei die Elektrodenschicht B Pt enthält und auf der Oxidschicht mit Steinsalz-Kristallstruktur aufgebracht ist, wobei die piezoelektrische dielektrische Oxidschicht auf der Elektrodenschicht B aufgebracht ist, und wobei die Elektrodenschicht A auf der piezoelektrischen dielektrischen Oxidschicht aufgebracht ist.
Dünnfilm-Sensorelement nach Anspruch 1, wobei die in der (100)-Ebene orientierte Oxidschicht (2) mit Steinsalz-Kristallstruktur mindestens eine Schicht ist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus MgO, NiO und CoO besteht.
Verfahren zur Herstellung eines Dünnfilm-Sensorelements, wobei das Dünnfilm-Sensorelement ein Sensorhaltesubstrat (7) mit einem Abschnitt, in dem eine Öffnung angebracht ist, und eine auf das Sensorhaltesubstrat aufgeklebte mehrschichtige Filmstruktur (4) aufweist, wobei die mehrschichtige Filmstruktur eine erste Elektrodenschicht, eine zweite Elektrodenschicht und eine piezoelektrische dielektrische Oxidschicht zwischen der ersten und der zweiten Elektrodenschicht aufweist, wobei die mehrschichtige Filmstruktur so angeordnet ist, daß sie die Öffnung vollständig bedeckt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Formen der mehrschichtigen Filmstruktur durch Ausbilden der in einer (100)-Ebene orientierten ersten Elektrodenschicht auf einer Oberfläche eines Alkalihalogenidsubstrats, Ausbilden des piezoelektrischen dielektrischen Oxids auf der ersten Elektrodenschicht und Ausbilden der zweiten Elektrodenschicht auf dem piezoelektrischen dielektrischen Oxid; Aufkleben der mehrschichtigen Filmstruktur auf die Oberfläche des Sensorhaltesubstrats, so daß die Öffnung vollständig bedeckt wird; und Auflösen und Entfernen des Alkalihalogenidsubstrats mit Wasser.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Alkalihalogenidmaterial ein Steinsalzkristall ist, zusammengesetzt aus mindestens einem Alkalimetallelement, ausgewählt aus der Gruppe, die aus Na, K und Cs besteht, und mindestens einem Halogenelement, ausgewählt aus der Gruppe, die aus F, Cl, Br und I besteht.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Alkalihalogenidmaterial mindestens ein Salz ist, ausgewählt aus der Gruppe, die aus NaF, NaCl, KCl, KBr, CsBr, KI und CsI besteht.
Verfahren nach Anspruch 3, 4 oder 5, wobei die piezoelektrische dielektrische Oxidschicht eine Dicke von 100 nm bis 20 μm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 3, 4, 5 oder 6, wobei das Sensorelement mindestens ein Dünnfilm-Sensorelement ist, ausgewählt aus der Gruppe, die aus einem Beschleunigungssensorelement und einem pyroelektrischen Infrarotsensorelement besteht.
Verfahren nach Anspruch 3, 4, 5, 6 oder 7, wobei der Schritt zum Formen der mehrschichtigen Filmstruktur ferner die folgenden Schritte aufweist: Aufbringen einer in der (100)-Ebene orientierten Oxidschicht mit Steinsalz-Kristallstruktur auf die Oberfläche des Alkalihalogenidsubstrats; Aufbringen einer in der (100)-Ebene orientierten Pt-Elektrodenschicht auf die Oxidschicht; Aufbringen der piezoelektrischen dielektrischen Oxidschicht auf die Pt-Elektrodenschicht.
Verfahren nach Anspruch 3, 4, 5, 6 oder 7, wobei der Schritt zum Formen der mehrschichtigen Filmstruktur ferner die folgenden Schritte aufweist: Aufbringen einer Metallelektrodenschicht auf die Oberfläche des Alkalihalogenidsubstrats; Aufbringen einer in der (100)-Ebene orientierten leitfähigen NiO-Elektrodenschicht auf die Metallelektrodenschicht; Aufbringen der piezoelektrischen dielektrischen Oxidschicht auf die NiO-Elektrodenschicht.
Verfahren nach Anspruch 3, 4, 5, 6 oder 7, wobei der Schritt zum Formen der mehrschichtigen Filmstruktur ferner die folgenden Schritte aufweist: Aufbringen einer in der (100)-Ebene orientierten leitfähigen NiO-Elektrodenschicht auf die Oberfläche des Alkalihalogenidsubstrats; und Aufbringen der piezoelektrischen dielektrischen Oxidschicht auf die NiO-Elektrodenschicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 10, wobei der Schritt zum Formen der mehrschichtigen Filmstruktur ferner die folgenden Schritte aufweist: Füllen der Öffnung des Sensorhaltesubstrats mit Alkalihalogenid und Glätten der Oberfläche des Sensorhaltesubstrats; Aufbringen einer in der (100)-Ebene orientierten Oxidschicht mit Steinsalz-Kristallstruktur auf die Oberfläche des Sensorhaltesubstrats; Aufbringen einer in der (100)-Ebene orientierten Pt-Elektrodenschicht auf die Oxidschicht; Aufbringen der piezoelektrischen dielektrischen Oxidschicht auf die Pt-Elektrodenschicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 10, wobei der Schritt zum Formen der mehrschichtigen Filmstruktur ferner die folgenden Schritte aufweist: Füllen der Öffnung des Sensorhaltesubstrats mit Alkalihalogenid und Glätten der Oberfläche des Sensorhaltesubstrats; Aufbringen einer Metallelektrodenschicht auf die Oberfläche des Sensorhaltesubstrats; Aufbringen einer in der (100)-Ebene orientierten leitfähigen NiO-Schicht auf die Metallelektrodenschicht; Aufbringen der piezoelektrischen dielektrischen Oxidschicht auf die NiO-Schicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 10, wobei der Schritt zum Formen der mehrschichtigen Filmstruktur ferner die folgenden Schritte aufweist: Füllen der Öffnung des Sensorhaltesubstrats mit Alkalihalogenid und Glätten der Oberfläche des Sensorhaltesubstrats; Aufbringen einer leitfähigen NiO-Schicht auf die Oberfläche des Sensorhaltesubstrats; Aufbringen der piezoelektrischen dielektrischen Oxidschicht auf die NiO-Schicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 13, wobei die piezoelektrische dielektrische Oxidschicht eine Bleititanatzirconat-Schicht aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 13, wobei die piezoelektrische dielektrische Oxidschicht eine Bleilanthantitanatschicht aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 15, wobei die in der (100)-Ebene orientierte Oxidschicht mit Steinsalz-Kristallstruktur mindestens eine Schicht ist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus MgO, NiO und CoO besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei die in der (100)-Ebene orientierte leitfähige NiO-Elektrodenschicht eine Dünnschicht ist, der Lithium als Dotierungsstoff zugesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei der Schritt zum Ausbilden der mehrschichtigen Filmstruktur ferner den Schritt zum Aufbringen einer in der (100)-Ebene orientierten Oxidschicht mit Steinsalz-Kristallstruktur auf die Oberfläche des Alkalihalogenidsubstrats aufweist, wobei die in der (100)-Ebene orientierte Oxidschicht mit Steinsalz-Kristallstruktur mindestens eine Schicht ist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus MgO, NiO und CoO besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 18, wobei die in der (100)-Ebene orientierte leitfähige NiO-Elektrodenschicht eine Dünnschicht ist, der Lithium als Dotierungsstoff zugesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 19, wobei der Klebeschritt ferner den Schritt zum Umwenden und Aufkleben der mehrschichtigen Filmstruktur auf das keramische Sensorhaltesubstrat aufweist.