JP2001165785A - Pressure sensor and its manufacturing method - Google Patents

Pressure sensor and its manufacturing method

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JP2001165785A
JP2001165785A JP35476899A JP35476899A JP2001165785A JP 2001165785 A JP2001165785 A JP 2001165785A JP 35476899 A JP35476899 A JP 35476899A JP 35476899 A JP35476899 A JP 35476899A JP 2001165785 A JP2001165785 A JP 2001165785A
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JP
Japan
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electrode
piezoelectric
pressure sensor
diaphragm
piezoelectric body
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JP35476899A
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Japanese (ja)
Inventor
Zenichi Akiyama
善一 秋山
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Ricoh Co Ltd
Original Assignee
Ricoh Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a mechanical-electrical conversion element for maximizing the features of split electrode structure. SOLUTION: In the pressure sensor and its manufacturing method, a first electrode (a), a piezoelectric body (c), and a second electrode (b) are laminated on a vibration plate that is made of insulation ceramic substrate, the first electrode (a) and the second electrode (b) are provided with each split pattern, and a piezoelectric body capacitor that is made of the first electrode (a), the piezoelectric body (c), and the second electrode (b) is connected in series according to the number of divisions of the electrode.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、機械的エネルギー
を電気的エネルギーに変換するトランスデューサーであ
る圧力センサに関する。
[0001] 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to a pressure sensor which is a transducer for converting mechanical energy into electrical energy.

【0002】[0002]

【従来技術】圧力センサなどの機械的エネルギーを電気
的信号に変換する素子、いわゆる圧力センサは、圧電セ
ラミックスの応用として古くから製品化がなされてい
る。近年、この圧電セラミックスの圧電効果、すなわ
ち、機械−電気変換を用いた素子は、小型化、高感度化
の要請、更には水中での超音波の受信や、医療機分野に
おける心音センサとしての用途や、流体振動を利用した
流体流量計の振動検知素子などの用途があり、その仕様
としては、超低周波マイクロホンから超音波にいたる、
幅広い周波数領域での高感度化が必要とされている。圧
電セラミックスを用いたこれら素子の動作原理は、圧電
素子に接合された振動板に応力を与え、圧電効果により
電荷を出力させるものであるが、古典力学の与える振動
板に印可される応力の大きさは、振動板の直径の3乗に
比例し、また振動板厚さの4乗に反比例する。従って、
高感度化の要請に対しては、素子の直径を増やすことが
考えられるものの、小型化には反するため、他の工夫が
必須となる。
2. Description of the Related Art An element for converting mechanical energy into an electric signal such as a pressure sensor, that is, a pressure sensor, has been commercialized for a long time as an application of piezoelectric ceramics. In recent years, elements using the piezoelectric effect of piezoelectric ceramics, that is, devices using electromechanical conversion, have been demanded for miniaturization and high sensitivity, as well as for receiving ultrasonic waves in water and as heart sound sensors in the field of medical equipment. There are also applications such as vibration detection elements of fluid flow meters that use fluid vibration, and their specifications range from very low frequency microphones to ultrasonic waves.
There is a need for high sensitivity in a wide frequency range. The principle of operation of these elements using piezoelectric ceramics is to apply stress to the diaphragm bonded to the piezoelectric element and output electric charges by the piezoelectric effect.However, the magnitude of the stress applied to the diaphragm given by classical mechanics The height is proportional to the cube of the diaphragm diameter and inversely proportional to the diaphragm thickness to the fourth power. Therefore,
In response to the demand for higher sensitivity, it is conceivable to increase the diameter of the element, but this is contrary to miniaturization, so other contrivances are required.

【0003】ここで簡単に圧電効果について記す。分極
処理を施した圧電セラミックスは応力に比例した電荷を
発生する。この効率を示す指標として圧電定数が定義さ
れており、そのディメンジョンはC(クーロン)/N
(ニュートン)である。従って高い機械−電気変換素子
としては高い圧電定数を示す材料を開発すればよい。と
ころが電気信号として出力を得る場合、電荷量はその静
電容量で除した値が出力電圧になるため、高い圧電定数
と低い比誘電率を持ち合わせる材料の開発が必要にな
る。ただし高い圧電定数を有する材料は高い比誘電率を
持ち合わすため、結果としてこの両立は困難である。ま
た高い圧電定数を有する材料は特性の温度依存性も高
く、通常の環境下−20〜80℃にて変動の少ない特性
を示すのは極めて困難である。材料自身の特性をあげる
のではなく、構造的に工夫を施すのも好適である。圧電
セラミックスに意図的に空隙を付与した、所謂圧電コン
ポジットがある。圧電コンポジットの概念は1980年
に提案され、そのマトリックス形態より9種類に分類さ
れている。当初の試作としては3−3コンポジットを天
然植物の構造を利用した作製法により製造され、圧電定
数を下げることなく、比誘電率の低下に成功している。
しかし機械的強度から見た信頼性の点で劣るため、本発
明では圧電コンポジットは強く採用しない。また他の方
法として分割電極の採用により、分割数に応じて分割さ
れた個々の圧電体容量素子が直列接続した構成を取るこ
とで、見かけ上の静電容量の低下に成功している。
Here, the piezoelectric effect will be briefly described. Piezoelectric ceramics that have undergone polarization processing generate charges proportional to the stress. A piezoelectric constant is defined as an index indicating this efficiency, and its dimension is C (coulomb) / N
(Newton). Therefore, a material exhibiting a high piezoelectric constant may be developed as a high electromechanical transducer. However, when an output is obtained as an electric signal, a value obtained by dividing the amount of electric charge by the capacitance becomes an output voltage, and therefore, it is necessary to develop a material having a high piezoelectric constant and a low relative dielectric constant. However, a material having a high piezoelectric constant has a high relative permittivity, so that it is difficult to achieve both. Further, a material having a high piezoelectric constant also has a high temperature dependence of characteristics, and it is extremely difficult to exhibit characteristics with little fluctuation at −20 to 80 ° C. in a normal environment. It is also preferable to devise not only the characteristics of the material itself but also its structure. There is a so-called piezoelectric composite in which a void is intentionally added to piezoelectric ceramics. The concept of the piezoelectric composite was proposed in 1980, and is classified into nine types according to the matrix form. As an initial prototype, the 3-3 composite was manufactured by a manufacturing method using the structure of a natural plant, and the dielectric constant was successfully reduced without lowering the piezoelectric constant.
However, piezoelectric composites are not strongly employed in the present invention because of their poor reliability in terms of mechanical strength. As another method, by adopting a configuration in which individual piezoelectric capacitance elements divided according to the number of divisions are connected in series by employing divided electrodes, the apparent capacitance has been successfully reduced.

【0004】本発明に関連しては、例えば以下の従来技
術がある。特開平7−225168、特願平4−160
204、特願平5−87997、日本音響学会誌49巻
9号(1993)629,JJAP,vol.24(1
985)Supplement 24−2,p.416
[0004] In connection with the present invention, for example, there is the following prior art. JP-A-7-225168, Japanese Patent Application No. 4-160
204, Japanese Patent Application No. 5-87997, Journal of the Acoustical Society of Japan 49, 9 (1993) 629, JJAP, vol. 24 (1
985) Supplement 24-2, p. 416

【0005】前記特開平7−225168に於いては分
割電極圧力センサを用いてかつ、作動増幅したときに問
題となる個々のセンサ素子のばらつきを低減できるよう
に素子構造体に工夫を施している。前記特願平4−16
0204、特願平5―87997は絶縁性セラミックス
を基板上に圧電膜を配置させ、圧電体の逆圧電効果を利
用した電気−機械変換素子を提案してるが、これらには
正圧電効果を用いる。本発明の様な発展性は列挙されて
いない。またJJAP,vo1.24(1985)Su
pplement24−2,p.416に絶縁性セラミ
ックス基板上に圧電ブザーを形成した報告がある。
In Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 7-225168, an element structure is devised so as to use a divided electrode pressure sensor and reduce variations in individual sensor elements which are problematic when operation is amplified. . The aforementioned Japanese Patent Application No. 4-16
0204 and Japanese Patent Application No. 5-87997 propose an electro-mechanical conversion element in which an insulating ceramic is provided with a piezoelectric film on a substrate and an inverse piezoelectric effect of a piezoelectric body is used. . The development like the present invention is not listed. Also, JJAP, vo1.24 (1985) Su
pplement 24-2, p. No. 416 reports that a piezoelectric buzzer was formed on an insulating ceramic substrate.

【0006】以下、前記従来技術の問題点を示す。JJ
AP,vo1.24(1985)Supplement
24−2,p.416に示されている方法では、本発
明のような工夫がない限り、高性能な素子は実現されな
い。上述の日本音響学会誌や特開平7−225168に
記述されている分割電極方式は、厚さの制御された圧電
セラミックスの両面に第1の電極、第2の電極を配置
し、その後振動板としてガラスフィラー強化エポキシ板
に接着剤を介して接合している。振動板に要求される特
性は、応力による撓み変形から導かれる圧電体に印可さ
れる応力を効率よく発生させるため、機械的強度の高い
材料が用いられ、一般には真鍮やNi系の42アロイが
用いられる。分割電極の機能を果たすためには振動板は
絶縁性が要求され、従って、真鍮、42アロイは適さ
ず、ガラスフィラー強化エポキシ板を採用している。し
かしこの様な有機系材料では強度が不十分であり、圧電
体に効率よく応力を伝えることは出来ない。またアクリ
ル系嫌気性接着剤を介して振動板と圧電セラミックスを
接合しているが、これも同様な理由により好ましくな
い。具体的にいえば、接着層の厚さのばらつきにより、
センサ感度が変動するほか、弾性コンプライアンスの高
い接着層は、応力の吸収体として振る舞い、周波数特性
の劣化を招く。更に、両面の電極の重ね合わせは同一平
面状に形成する場合より精度が低下し、こまかい分割電
極の配置が困難になる。
[0006] The problems of the prior art will be described below. JJ
AP, vo 1.24 (1985) Supplement
24-2, p. In the method shown by reference numeral 416, a high-performance device cannot be realized unless the invention is devised. According to the split electrode method described in the above-mentioned Journal of the Acoustical Society of Japan and Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-225168, a first electrode and a second electrode are arranged on both sides of a piezoelectric ceramic whose thickness is controlled, and then the diaphragm is used as a diaphragm. It is bonded to a glass filler reinforced epoxy plate via an adhesive. The characteristic required for the diaphragm is to use a material with high mechanical strength in order to efficiently generate stress applied to the piezoelectric body derived from bending deformation due to stress, and generally use 42 alloy of brass or Ni-based. Used. In order to fulfill the function of the split electrode, the diaphragm needs to have insulating properties. Therefore, brass and 42 alloy are not suitable, and a glass filler reinforced epoxy plate is used. However, such organic materials have insufficient strength, and cannot efficiently transmit stress to the piezoelectric body. Further, the diaphragm and the piezoelectric ceramics are joined via an acrylic anaerobic adhesive, but this is not preferable for the same reason. Specifically, due to variations in the thickness of the adhesive layer,
In addition to the sensor sensitivity fluctuating, the adhesive layer having high elastic compliance behaves as a stress absorber, causing deterioration of frequency characteristics. Furthermore, the accuracy of the superposition of the electrodes on both surfaces is lower than in the case where the electrodes are formed on the same plane, and it is difficult to arrange finely divided electrodes.

【0007】すなわち、従来の分割電極方式の圧力セン
サの欠点は、機械的強度の不十分な絶縁性基板を用いて
いること、圧電体と絶縁性基板を接着剤を介して接合し
ていること、さらに圧電層の両面に分割電極を形成しな
ければならなかった点にあり、結果として十分な高性能
化につながらなかった点にある。本発明は分割電極の上
述の問題を解決し、分割電極構造の特徴を最大限に引き
出した機械−電気変換素子および該変換素子の提供を目
的とする。
That is, the disadvantages of the conventional split electrode type pressure sensor are that an insulating substrate having insufficient mechanical strength is used, and the piezoelectric body and the insulating substrate are joined via an adhesive. In addition, a split electrode has to be formed on both sides of the piezoelectric layer, and as a result, it has not led to a sufficient performance enhancement. An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the split electrode, and to provide a mechanical-electrical conversion element that maximizes the features of the split electrode structure, and to provide the conversion element.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、絶縁性
セラミックス基板からなる振動板上に第1の電極、圧電
体および第2の電極が積層して構成され、かつ第1、2
の電極はそれぞれ分割されたパターンを有し、該電極の
分割数に応じて第1の電極、圧電体および第2の電極か
らなる圧電体容量素子が直列に接続した構成をとるよう
に配置されたことを特徴とする圧力センサにある。本発
明の分割電極方式圧力センサは、セラミックス振動板に
直接圧電層が形成されているので、センサ感度・周波数
帯域の改善が可能である。
A feature of the present invention is that a first electrode, a piezoelectric body and a second electrode are laminated on a diaphragm made of an insulating ceramic substrate,
Have a divided pattern, and are arranged so as to take a configuration in which a piezoelectric capacitor composed of a first electrode, a piezoelectric body, and a second electrode is connected in series according to the number of divisions of the electrode. And a pressure sensor. In the split electrode type pressure sensor of the present invention, since the piezoelectric layer is directly formed on the ceramics diaphragm, the sensor sensitivity and the frequency band can be improved.

【0009】本発明の分割電極方式圧力センサは、絶縁
性セラミックスを振動板として、その上に第1の電極、
圧電体、第2の電極を積層して形成する、いわゆるビル
ドアップ方式で形成されたもの(図3)が好ましい。分
割電極方式圧力センサの作製をビルドアップ方法で作り
込むため、有効に素子の小型化・高い分割電極化ができ
る。振動板上に第1の電極および圧電体は、スクリーン
印刷並びに焼成により形成されるので、このためにも振
動板は高い耐熱性を有する基板に限定される。具体的に
は電極層や圧電層のスクリーン印刷、その後の焼成工程
は最大1300℃を上限としているため、それ以上の耐
熱性を持っていなければならない。
The split electrode type pressure sensor according to the present invention comprises an insulating ceramic as a diaphragm, a first electrode on the diaphragm,
It is preferable to use a so-called build-up method (FIG. 3) in which a piezoelectric body and a second electrode are stacked and formed. Since the split electrode type pressure sensor is manufactured by a build-up method, it is possible to effectively reduce the size of the element and increase the number of split electrodes. Since the first electrode and the piezoelectric body are formed on the diaphragm by screen printing and baking, the diaphragm is also limited to a substrate having high heat resistance. Specifically, the screen printing of the electrode layer and the piezoelectric layer and the subsequent sintering step are performed at a maximum of 1300 ° C., and therefore must have heat resistance higher than that.

【0010】振動板としては、圧電膜形成プロセスに対
し、優れた耐性を有しているので圧電特性の安定性、再
現性や、センサ素子としての信頼性の高いものを提供す
ることが可能な絶縁性セラミックス基板が好ましい。絶
縁性セラミックス材料として、アルミナ、部分安定化ジ
ルコニアなどが好適である。特に珪素はSiOとし
て、従来のセラミックス材料に含まれているが、この珪
素は鉛系圧電セラミックスを形成する上で大変好ましく
なく、例えばアルミナを主成分とする、SiO−Al
セラミックスでは少なくとも99%以上のアルミ
ナでなければいけない。またジルコニアの安定剤とし
て、セリア、イットリア、マグネシアで部分安定化させ
たものが好ましく、特にイットリア部分安定化(4mo
l%)が好適である。これらセラミックス原料粉を周知
のシート形成技術、例えばドクターブレード法により、
焼成後、10−100μmの厚さになるように調整、作
製すればよい。またこの様な手法にて作製されるグリー
ンシートは、シートの段階で円盤上に型取りしてもよ
い。一般にこれらセラミックスグリーンシートは150
0℃以上の温度にて焼成される。
Since the diaphragm has excellent resistance to the process of forming a piezoelectric film, it is possible to provide a diaphragm having high stability and reproducibility of piezoelectric characteristics and high reliability as a sensor element. Insulating ceramic substrates are preferred. As the insulating ceramic material, alumina, partially stabilized zirconia, and the like are preferable. In particular, silicon is included in conventional ceramic materials as SiO 2 , but this silicon is not very preferable in forming lead-based piezoelectric ceramics. For example, SiO 2 —Al
For 2 O 3 ceramics, it must be at least 99% alumina. As the zirconia stabilizer, those partially stabilized with ceria, yttria, and magnesia are preferable, and in particular, yttria partially stabilized (4 mo).
1%) is preferred. These ceramic raw material powders are formed by a well-known sheet forming technique, for example, a doctor blade method.
After firing, it may be adjusted and manufactured to have a thickness of 10 to 100 μm. The green sheet produced by such a method may be cast on a disk at the stage of the sheet. Generally, these ceramic green sheets are 150
It is fired at a temperature of 0 ° C. or more.

【0011】この様な基板を用いて、第1の電極層をス
クリーン印刷・焼成により形成する。スクリーン印刷に
よる電極材料の形成は、#320ステンレスメッシュに
て行えば、膜厚5μm、解像度80μmラインおよびス
ペースのものが得られるので、素子全体の大きさ(振動
板直径)が5mmほどの小型になり、12分割したとし
ても解像度の点で何ら問題にならない。市販の白金ペー
ストや銀−パラジウム合金(20/80)を用いる。こ
の時の焼成温度は最も高温をようする白金材料でも13
00℃で焼成され、言うまでもなくセラミックス振動板
は耐熱許容範囲内である。
Using such a substrate, a first electrode layer is formed by screen printing and firing. If the electrode material is formed by screen printing using a # 320 stainless steel mesh, a film having a film thickness of 5 μm and a resolution of 80 μm lines and spaces can be obtained, so that the size of the entire device (diaphragm diameter) is as small as 5 mm. That is, even if the image is divided into 12, there is no problem in terms of resolution. A commercially available platinum paste or a silver-palladium alloy (20/80) is used. The firing temperature at this time is 13 mm even for the platinum material having the highest temperature.
Fired at 00 ° C., it goes without saying that the ceramic diaphragm is within the allowable range of heat resistance.

【0012】次に圧電材料の印刷・焼成を行う。印刷に
おける重ね合わせ精度は概ね±50μmであり、この点
からもビルドアップ方式は微細パターン形成に優れてい
る(従来の圧電素子両面に部分電極を配置する場合、±
50μm以下の精度を実行するには、大掛かりな装置だ
てが必要となる)。後述する分極処理のために圧電パタ
ーンの直径は、第1の電極パターンの外周径より小さく
しておく。圧電材料としては、ジルコン酸チタン酸鉛
(PZT)セラミックスが古くから用いられている。分
極処理後のエージング特性が良好であることを考慮し
て、ここではPZT(52/48)に0.3mol%の
Nbと0.1mol%のマンガンを添加したもの
を用いる。また既報のセラミックス組成を用いても構わ
ない。印刷用のペースト処方は一般の有機ビヒクルにて
混練する。これら圧電セラミックスの焼成は概ね125
0℃以下にて実施される。
Next, printing and firing of the piezoelectric material are performed. The overlay accuracy in printing is approximately ± 50 μm, and from this point, the build-up method is also excellent in forming a fine pattern.
Extensive equipment is required to achieve an accuracy of 50 μm or less). The diameter of the piezoelectric pattern is made smaller than the outer diameter of the first electrode pattern for the polarization process described later. As the piezoelectric material, lead zirconate titanate (PZT) ceramics has been used for a long time. In consideration of good aging characteristics after the polarization treatment, here, PZT (52/48) obtained by adding 0.3 mol% of Nb 2 O 5 and 0.1 mol% of manganese is used. Also, a previously reported ceramic composition may be used. The paste formulation for printing is kneaded with a general organic vehicle. The firing of these piezoelectric ceramics is approximately 125
It is carried out at 0 ° C. or lower.

【0013】次に分極処理用の電極をいったん形成す
る。この電極は分極処理のみのために配置するものであ
り、その後除去し、最終的に第2の分割電極を配置させ
る。分極処理の電極はあと工程で容易に除去でき、かつ
簡便な膜形成法にて作製することが望ましい。一般に金
のスパッタ法により、約50nm堆積させれば十分であ
る。分極処理後、このようにすれば簡単な研磨(ラップ
仕上げ)のみで除去可能である特徴を有している。分極
処理は第1の電極パターン全てを共通の片電界側に、ま
た対抗する面の電極を対抗電極として直流電界にて、電
界強度30kV/cmの強度、温度125℃で20分印
可させる。この処理により各セクションの圧電セラミッ
クス素子は同一方向に対し分極処理がなされる。分極処
理用に配置させた電極を除去し、圧電セラミックスの脱
分極が生じない低温にて第2の電極を配置させる。今回
のPZT組成でのキュリー点は340℃であり、概ね2
00℃以下での電極膜の形成が好ましい。例えば、スク
リーン印刷にて有機ビヒクルのみからなる層を開孔形成
し、その後メタルマスク蒸着により形成させてもよい。
Next, an electrode for polarization processing is once formed. This electrode is disposed only for the polarization treatment, and is thereafter removed, and finally the second divided electrode is disposed. It is desirable that the electrodes subjected to the polarization treatment can be easily removed in a later step, and are manufactured by a simple film forming method. Generally, it is sufficient to deposit about 50 nm by gold sputtering. After the polarization treatment, it can be removed only by simple polishing (lap finishing). In the polarization process, the entire first electrode pattern is applied to the common one electric field side, and the electrode on the opposing surface is applied as an opposing electrode by a DC electric field at an electric field intensity of 30 kV / cm at a temperature of 125 ° C. for 20 minutes. By this process, the piezoelectric ceramic elements of each section are polarized in the same direction. The electrode arranged for the polarization treatment is removed, and the second electrode is arranged at a low temperature at which depolarization of the piezoelectric ceramic does not occur. The Curie point of this PZT composition is 340 ° C.
Preferably, the electrode film is formed at a temperature of 00 ° C. or lower. For example, a layer made of only the organic vehicle may be formed by screen printing, and then formed by metal mask evaporation.

【0014】電極の分割セクション数をnとした場合の
圧電体容量素子を直列に接続した構成を図1に示す。ま
た、分割方式による素子の静電容量の低減化を下記数1
によって示す。
FIG. 1 shows a configuration in which piezoelectric capacitance elements are connected in series when the number of divided sections of an electrode is n. Further, the reduction of the capacitance of the element by the division method is expressed by the following equation (1).
Indicated by

【0015】[0015]

【数1】 (Equation 1)

【0016】前式において、C〜Cは図2に示す分
割電極方式の全体図の1〜nの分割セクションの各静電
容量、Cは分割前の静電容量、nは電極のセクション
数をそれぞれ表わす。電極のセクション数をnとすれ
ば、n個のセクションが直列接続されるため、合成静電
容量は(1/n)Cとなる。ただし各セクションの
発生電荷は1/nとなるため合成出力電圧は、分割数n
に正比例した値となる。仮にn=10を採用すれば、出
力電圧は10倍もの値が得られる。
In the above formula, C 1 to C n are the respective capacitances of the divided sections 1 to n in the overall view of the divided electrode system shown in FIG. 2, C 0 is the capacitance before division, and n is the capacitance of the electrode. Indicates the number of sections respectively. Assuming that the number of electrode sections is n, n sections are connected in series, so that the combined capacitance is (1 / n 2 ) C 0 . However, since the generated charge of each section is 1 / n, the composite output voltage is the number of divisions n
Becomes a value directly proportional to. If n = 10 is adopted, the output voltage can be ten times as large.

【0017】[0017]

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0018】実施例1 図2の(イ)〜(ニ)に作製した分割電極方式の電極パ
ターン図を示す。振動板セラミックスの直径は10m
m、厚さ30μm、分割電極の外周径を8mm、厚さ4
μm、圧電セラミックス層の直径は7mm、その厚さを
30μmに、第2の分割電極の外周径を6.2mmとし
た。またこの分配は振動板(d)を周辺固定させたと
き、応力分布の相殺がなされない、最適化された分配で
ある。また、小型化を想定し、同様の分配則に従い、振
動板(d)外径5mmを作製した。分割数の増加に従
い、全体の静電容量は減少するが、実際の電極リードを
考えた場合、最大直径φ5mmでは分割数12におい
て、電極リードに与えられる面積が1mmになり、こ
れ以上の分割は実装面での制約があることがわかる。先
述の直径10mmの素子において、SANYO社製2S
K596E(FET)を用いてセンサ感度を計測した。
分割電極を持たない試料は220mV/mmHOであ
るのに対し分割数12の試料では2.6V/mmH
に至った。これは分割電極間の絶縁部面積を考慮しなか
ったためであり、この面積換算をするとほぼ分割数に等
しい12倍の感度の増加にいたっている。
Example 1 FIGS. 2 (a) to 2 (d) show electrode patterns of the divided electrode system manufactured. Diameter of diaphragm ceramic is 10m
m, thickness 30 μm, outer diameter of split electrode 8 mm, thickness 4
μm, the diameter of the piezoelectric ceramic layer was 7 mm, the thickness was 30 μm, and the outer diameter of the second divided electrode was 6.2 mm. This distribution is an optimized distribution in which the stress distribution is not canceled when the diaphragm (d) is fixed at the periphery. Further, assuming miniaturization, a diaphragm (d) having an outer diameter of 5 mm was manufactured according to the same distribution rule. As the number of divisions increases, the overall capacitance decreases. However, when considering the actual electrode lead, the area given to the electrode lead becomes 1 mm 2 in the division number 12 when the maximum diameter is φ5 mm, and the further division is performed. Indicates that there are restrictions on the mounting aspect. In the above-mentioned element having a diameter of 10 mm, 2S manufactured by SANYO
The sensor sensitivity was measured using K596E (FET).
The sample without a split electrode has a voltage of 220 mV / mmH 2 O, whereas the sample with 12 splits has a voltage of 2.6 V / mmH 2 O.
Reached. This is because the area of the insulating portion between the divided electrodes was not taken into consideration, and when this area was converted, the sensitivity was increased by a factor of 12 which is almost equal to the number of divisions.

【0019】従来のガラスフィラー強化エポキシ振動板
を用いた分割電極方式圧力センサと、このセラミックス
振動板センサを比較した。従来のものは(株)プリモ社
製の圧力センサである。市販の形状にあわせ込み(φ1
0mm)、形状に起因する共振特性に差がでないように
工夫を施した。これは、振動板直径に共振周波数が依存
してしまうためである。また用いている圧電体が異なる
ため単位圧力に対する出力(V/mmHO)での評価
はふさわしくなく、ここでは交流の圧力変動(正弦波形
状)を与え、その周波数特性を評価した。ガラスフィラ
ー強化エポキシ振動板の場合、0.5Hz〜600Hz
まで一定の出力であり、約1.5kHzに共振点を有し
た。一方、本発明のセンサは0.5Hz〜1.2kHz
まで出力の信号強度は一定であり、同様の1.5kHz
に共振点を持ち、帯域の大幅な改善にいたった。すなわ
ち絶縁性セラミックス基板を用いて分割電極方式圧力セ
ンサを得た。センサ感度は理論計算に合致し、分割電極
をとらない通常センサと比較し、12倍の感度が得られ
た。またガラスフィラー強化エポキシ振動板や接着剤に
よる接合を必要としないため、周波数帯域の向上を実現
した。
A split electrode type pressure sensor using a conventional glass filler reinforced epoxy diaphragm and this ceramic diaphragm sensor were compared. The conventional one is a pressure sensor manufactured by Primo Corporation. Fit to commercially available shape (φ1
0 mm), and were devised so that there was no difference in resonance characteristics due to the shape. This is because the resonance frequency depends on the diaphragm diameter. In addition, since the piezoelectric materials used are different, the evaluation of the output (V / mmH 2 O) with respect to the unit pressure is not appropriate. Here, an AC pressure fluctuation (sinusoidal shape) was given, and the frequency characteristics were evaluated. 0.5Hz to 600Hz for glass filler reinforced epoxy diaphragm
The output was constant up to and had a resonance point at about 1.5 kHz. On the other hand, the sensor of the present invention has a frequency of 0.5 Hz to 1.2 kHz.
The output signal strength is constant up to 1.5 kHz
Has a resonance point, leading to a significant improvement in bandwidth. That is, a split electrode type pressure sensor was obtained using an insulating ceramic substrate. The sensor sensitivity matched the theoretical calculation, and a sensitivity 12 times higher than that of a normal sensor not using a split electrode was obtained. In addition, since it does not require bonding with a glass filler reinforced epoxy diaphragm or adhesive, the frequency band has been improved.

【0020】実施例2 林化学社製部分安定化ジルコニアセラミックス仮焼粉を
用い、ドクターブレード法により焼成後30μmの厚さ
になるようにグリーンシートを形成する。処方は、ポリ
ビニルブチラール樹脂にエチルセロソルブ、トルエンの
溶媒を加え、また可塑剤にフタル酸ジブチルを用いた。
電極1(a)は田中貴金属社製白金ペーストをもちい、
#325ステンレスメッシュのスクリーン印刷版にて形
成、この時得られる最小パターンは50μmであった。
スキージ後、乾燥・1300℃、2時間の焼成を実施し
た。次にPZT圧電セラミックスの組成は先述の通り。
この仮焼粉に対し、エチルセルロースをバインダーと
し、α−テルピネオールとセロソルブ系の溶媒、さらに
界面活性剤を加え、3本ロールミルにて混練し、所望す
るセラミックスのペーストを作製する。
Example 2 A partially stabilized zirconia ceramics calcined powder manufactured by Hayashi Chemical Co., Ltd. is used to form a green sheet having a thickness of 30 μm after firing by a doctor blade method. The formulation was such that a solvent of ethyl cellosolve and toluene was added to a polyvinyl butyral resin, and dibutyl phthalate was used as a plasticizer.
Electrode 1 (a) uses platinum paste made by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.
Formed on a screen printing plate of # 325 stainless mesh, the minimum pattern obtained at this time was 50 μm.
After the squeegee, drying and firing at 1300 ° C. for 2 hours were performed. Next, the composition of the PZT piezoelectric ceramic is as described above.
To this calcined powder, ethyl cellulose as a binder, α-terpineol, a cellosolve-based solvent, and a surfactant are added, and the mixture is kneaded with a three-roll mill to produce a desired ceramic paste.

【0021】スクリーン印刷はステンレスメッシュ(#
200)を用い、パターン転写し、乾燥、脱脂、焼成に
て厚膜セラミックス焼結体を得る。この時焼成時の高温
に際して、セラミックス中の鉛成分が揮発してしまうた
め、マグネシアの気密性の良いるつぼ、またセッターを
活用して、鉛雰囲気での焼成を行う。焼成条件は120
0℃程度、2時間で行った。印刷条件の最適化により出
来上がるパターン化された圧電体厚膜は、100μmL
&Sの寸法に仕上がった。金のスパッタリングにより分
極処理用の電極を50nm形成し、電界強度25kV/
cm、処理温度125℃、処理時間20分を実施後、こ
の金電極をポリッシングにて除去した。最後にメタルマ
スクデポによるパターン化された電極2(b)を形成
し、電極リードのはんだ接合の良好な金を用いた。この
様にして、絶縁性セラミックス基板(d)上に分割電極
方式を持つ圧力センサが接着層を介さずに形成できた。
また、要求される感度にも依存するが、この手法による
最小センサ素子寸法はφ3mmまで作り込むことが可能
である。すなわちビルドアップ方式により作り込まれる
本発明の圧力センサは、その形成精度が飛躍的に向上
し、素子の小型化を実現した。結果として外形寸法φ3
mmの12分割電極圧力センサの開発にいたった。
Screen printing is performed using stainless mesh (#
200) to obtain a thick-film ceramic sintered body by pattern transfer, drying, degreasing, and firing. At this time, at a high temperature during firing, the lead component in the ceramics is volatilized. Therefore, the firing is performed in a lead atmosphere using a crucible having good airtightness of magnesia or a setter. Firing conditions are 120
Performed at about 0 ° C. for 2 hours. 100 μmL of patterned piezoelectric film formed by optimizing printing conditions
Finished to & S dimensions. An electrode for polarization processing is formed to a thickness of 50 nm by gold sputtering, and the electric field strength is 25 kV /
cm, a processing temperature of 125 ° C., and a processing time of 20 minutes, the gold electrode was removed by polishing. Finally, an electrode 2 (b) patterned by a metal mask deposition was formed, and gold having good solder joint of the electrode lead was used. In this way, a pressure sensor having a split electrode system could be formed on the insulating ceramic substrate (d) without using an adhesive layer.
Although it depends on the required sensitivity, the minimum sensor element size by this method can be made up to φ3 mm. That is, in the pressure sensor of the present invention which is manufactured by the build-up method, the formation accuracy is dramatically improved, and the size of the element is reduced. As a result, external dimensions φ3
mm 12-electrode pressure sensor was developed.

【0022】実施例3 周辺固定の円盤の撓み変形は直径の3乗に比例し、厚さ
の4乗に反比例する。素子の大きさをφ5mmとした
時、振動板(d)の厚さは30μmの変位を基準とした
場合(変形量は発生応力に比例する)、100μm厚で
は変位量が1/120まで減少してしまう。これについ
ては振動板(d)直径を20mmにすることで100μ
m厚でも、その低減量は1/2に収まり、素子に要求さ
れる寸法にもよるが、概ねドクターブレードにて安定に
作り込むことの出来る20μm〜100μmの厚さが振
動板(d)厚さとして好ましいことが言える。振動板セ
ラミックスの材質として、各種セラミックスを用意し、
印刷PZTを作製した。特に問題となる点は、電極1
(a)が分割されているために、部分的に振動板セラミ
ックスとPZTが直接接触する部位が存在し、PZT焼
成中に、両者間での反応が進み、十分な圧電性を示さな
いことが考えられる。各種セラミックスを試験したとこ
ろ、特に好適なのがアルミナとイットリア部分安定化ジ
ルコニアセラミックスであった。昭和電工社製のアルミ
ナ−シリカ複合材料にて、シリカ含有量を、10%、1
%、0.4%、0%と変えたものにPZT反応性を評価
したところ、1%以上シリカを含む場合、圧電性の劣化
が認められた。この結果より、シリカ含有量は0.4%
以下のアルミナセラミックスが好ましい。また部分安定
化ジルコニアはPZTセラミックスを構成するZrO
からなっており、焼成後、PZT/ZrO 界面で強固
な接合が得られた。窯業的知見からマグネシアセラミッ
クスは酸化鉛との反応性が低く、焼成後のPZT特性は
優れているものの、界面での密着強度が不十分なため、
使用には適さなかった。すなわち振動板(d)のセラミ
ックス部材として好適な材料抽出を行い、圧電特性の安
定性、再現性や、センサ素子としての信頼性の高いもの
を提供するに至った。
Example 3 The flexural deformation of a peripherally fixed disk is proportional to the cube of the diameter,
Is inversely proportional to the fourth power of. Element size was φ5mm
At this time, the thickness of the diaphragm (d) was based on a displacement of 30 μm.
Case (the amount of deformation is proportional to the generated stress),
The displacement amount decreases to 1/120. About this
The diaphragm (d) has a diameter of 20 mm, and
Even if the thickness is m, the reduction amount is reduced to half, and
Depends on the size of the blade, but generally stable with a doctor blade
The thickness of 20 μm to 100 μm that can be built
It can be said that it is preferable as the thickness of the moving plate (d). Diaphragm
Prepare various ceramics as Lamix material,
Printed PZT was made. A particular problem is that the electrode 1
Because (a) is divided, diaphragm ceramic
There is a part where PZT comes into direct contact with
During formation, the reaction between the two proceeds, and it does not show sufficient piezoelectricity.
It is thought that it is not. After testing various ceramics
In particular, alumina and yttria partially stabilized
It was Luconia ceramics. Showa Denko Aluminum
In the silica composite material, the silica content is 10%, 1
%, 0.4%, 0%
As a result, when 1% or more of silica is contained, the piezoelectricity deteriorates.
Was observed. From this result, the silica content was 0.4%
The following alumina ceramics are preferred. Also partially stable
Zirconia is ZrO which constitutes PZT ceramics2
After firing, PZT / ZrO 2Strong at the interface
A good bond was obtained. Magnesia ceramics from ceramics knowledge
Has low reactivity with lead oxide and the PZT characteristics after firing
Although excellent, the adhesion strength at the interface is insufficient,
Not suitable for use. That is, the ceramic of the diaphragm (d)
Extraction of suitable materials for the housing material
Highly qualitative, reproducible and highly reliable sensor elements
Came to offer.

【0023】[0023]

【効果】請求項1 セラミックス振動板に直接圧電体が形成されているの
で、センサ感度・周波数帯域の改善が出来る圧力センサ
が提供される。 請求項2 絶縁性セラミックス基材は圧電膜形成プロセスに対し、
優れた耐性を有しているので圧電特性の安定性、再現性
や、センサ素子としての信頼性の高い圧力センサが提供
される。 請求項3 分割電極方式圧力センサの作製方法としてビルドアップ
法を使用するため素子の小型化・高い分割電極化が出来
る。
According to the present invention, since a piezoelectric body is directly formed on a ceramic diaphragm, a pressure sensor capable of improving sensor sensitivity and a frequency band is provided. Claim 2 The insulating ceramic substrate is used for a piezoelectric film forming process.
Because of its excellent resistance, a pressure sensor having high stability and reproducibility of piezoelectric characteristics and high reliability as a sensor element is provided. [Claim 3] Since a build-up method is used as a manufacturing method of the split electrode type pressure sensor, the element can be downsized and the split electrodes can be made high.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】電極の分割セクション数をnとした場合の圧電
体容量素子を直列に接続した構成を示す図である。
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration in which piezoelectric capacitance elements are connected in series when the number of divided sections of an electrode is n.

【図2】電極の分割セクション数を4とした場合の各分
割された圧電気体容量素子を示す図である。 (イ)電極の各分割セクション数を示す図である。 (ロ)電極の各分割セクション数を示す図である。 (ハ)電極の各分割セクション数を示す図である。 (ニ)電極の各分割セクション数を示す図である。
FIG. 2 is a view showing each divided piezoelectric gas capacitive element when the number of divided sections of an electrode is four. (A) is a diagram showing the number of each section of the electrode. (B) is a diagram showing the number of each divided section of the electrode. (C) A diagram showing the number of each section of the electrode. (D) is a diagram showing the number of each divided section of the electrode.

【図3】圧力センサの模式的断面図である。FIG. 3 is a schematic sectional view of a pressure sensor.

【図4】第1の電極パターンと第2の電極パターンおよ
び分割数を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a first electrode pattern, a second electrode pattern, and the number of divisions.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

a 電極1 b 電極2 c 圧電体 d 振動板 a electrode 1 b electrode 2 c piezoelectric body d diaphragm

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 絶縁性セラミックス基板からなる振動板
上に第1の電極、圧電体および第2の電極が積層して構
成され、かつ第1、2の電極はそれぞれ分割されたパタ
ーンを有し、該電極の分割数に応じて第1の電極、圧電
体および第2の電極からなる圧電体容量素子が直列に接
続した構成をとるように配置されたことを特徴とする圧
力センサ。
1. A first electrode, a piezoelectric body and a second electrode are laminated on a vibration plate made of an insulating ceramic substrate, and the first and second electrodes each have a divided pattern. A pressure sensor, wherein a piezoelectric capacitor composed of a first electrode, a piezoelectric body, and a second electrode is arranged in series according to the number of divisions of the electrode.
【請求項2】 絶縁性セラミックス基板の主たる組成
が、アルミナやジルコニアで構成されたものであること
を特徴とする請求項1記載の分割電極方式圧力センサ。
2. The split electrode type pressure sensor according to claim 1, wherein a main composition of the insulating ceramic substrate is made of alumina or zirconia.
【請求項3】 振動基板上に第1の電極および圧電体を
スクリーン印刷ならびに焼成により形成し、その後、第
2の電極を任意の方法により形成することを特徴とする
請求項1〜2のいずれかに記載の圧力センサの製造方
法。
3. The method according to claim 1, wherein the first electrode and the piezoelectric body are formed on the vibrating substrate by screen printing and baking, and thereafter, the second electrode is formed by an arbitrary method. Or a method for manufacturing a pressure sensor.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006267050A (en) * 2005-03-25 2006-10-05 Kyocera Kinseki Corp Formation method for annular electrode film and sensor element
JP2010019629A (en) * 2008-07-09 2010-01-28 Yokogawa Denshikiki Co Ltd Pressure sensor and pressure sensor unit
US7765686B2 (en) 2005-03-14 2010-08-03 Ricoh Company, Ltd. Multilayer wiring structure and method of manufacturing the same

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