JP2011103451A - 組み込まれたピエゾ抵抗ひずみゲージを含む圧電作動構造及びその製作方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】組み込まれたピエゾ抵抗ひずみゲージを含む圧電作動構造及びその製作方法を提供する。
【解決手段】少なくとも１つのひずみゲージと、下部の電極層４３と上部の電極層との間に配置された少なくとも１つの層の圧電材料４２の基板表面上における、堆積から作られた少なくとも１つのアクチュエーターと、基板内に作られた空洞の上部に配置されているアクチュエーターを形成する、少なくとも一部分の堆積とを含む圧電作動構造であって、ひずみゲージが、上部の電極層及び／又は下部の電極層４３内に位置するピエゾ抵抗ゲージであり、前記層が前記ピエゾ抵抗ゲージ４４ｊの実現を可能にする、電極の不連続性を含む圧電作動構造。
【選択図】図４ｃ
【解決手段】少なくとも１つのひずみゲージと、下部の電極層４３と上部の電極層との間に配置された少なくとも１つの層の圧電材料４２の基板表面上における、堆積から作られた少なくとも１つのアクチュエーターと、基板内に作られた空洞の上部に配置されているアクチュエーターを形成する、少なくとも一部分の堆積とを含む圧電作動構造であって、ひずみゲージが、上部の電極層及び／又は下部の電極層４３内に位置するピエゾ抵抗ゲージであり、前記層が前記ピエゾ抵抗ゲージ４４ｊの実現を可能にする、電極の不連続性を含む圧電作動構造。
【選択図】図４ｃ
Description
本発明の分野は、高度に集積された装置の製作を可能にする、固定端−自由端の梁又は固定端−固定端の梁を有する、膜型の圧電アクチュエーターに関する。
一般にこれらの装置において、用いられる圧電効果は可逆的であり、たわみは圧電ゲージにより測定され得る。圧電アクチュエーターにおけるそのようなゲージの実現はフォトリソグラフィーによって利用され得る。上部電極の一部分はセンサーとして役立ち、別の部分はアクチュエーターとして役立つ。これはＴ．Ｋｏｂａｙａｓｈｉ ｅｔ ａｌ． "Ａ ｆａｔｉｇｕｅ ｔｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍｓ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＭＥＭＳ−ｂａｓｅｄ ｓｅｌｆ−ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｉｃｒｏｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｓ“， Ｋｏｂａｙａｓｈｉ Ｔ．， Ｍａｅｄａ Ｒ．， Ｉｔｏｈ Ｔ．， Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， １８ （２００８）， １１５００７， ６ｐａｇｅｓ（Ｔ．小林他「ＭＥＭＳに基づく自己検知型圧電微小片持ち梁を用いた、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３薄膜のための疲労試験方法」、独立行政法人 産業技術総合研究所（ＡＩＳＴ）、小林健、前田龍太郎、伊藤寿浩、マイクロメカニクス及びマイクロ工学ジャーナル、第１８号（２００８）、１１５００７、６頁）により作成され、圧電アクチュエーター１０に関連する、圧電ゲージ１１を示す図１に例示されているものである。
圧電材料により生成される電荷の密度は、材料に加えられる応力に比例する。最大応力は固定端に位置する。さらに、回収される電荷の全体量もまた電極の表面積に比例する。固定されたレベルの応力において最大の電荷を回収するためには、それゆえ固定端に位置し、できる限り大きい電極の表面積を有することが必須である。しかしながら、たわみ測定専用の表面積が増大すると、それに従って作動用に用いられる表面積は減少する。さらに、最大たわみが必要な場合、固定端における圧電作動が促進されなければならない。
この構成において、たわみ測定とその作動は強く競合する。作動とたわみ測定とが双方とも完全に統合された装置を実現するため、たわみ測定用に別のタイプのゲージを用いる必要がある。
このため、統合されたピエゾ抵抗ゲージによるたわみ測定は、マイクロ及びナノ電子機械式システム（ＭＥＭＳ及びＮＥＭＳ）が完全に統合されることができ、従って製作することが容易であるため、該システムにおけるそのようなひずみゲージの使用は、とりわけ非常に有利だということもまた知られている。これらのゲージは全ての種類（化学的、生物学的、慣性的など）のセンサーに使用され、信号はもはやゲージの表面積に比例せずその長さに比例するため、寸法を縮減することができる。
「ピエゾ抵抗ゲージ」の表現は、その電気抵抗が変形による機械的応力の作用で変えられるゲージを意味すると理解されるべきである。
大部分の用途は、ｐ型ドーピングされたシリコンに基づくピエゾ抵抗ゲージを用いる。ゲージはシリコン基板上に直接作られる。この材料は、（典型的には２０を超える）非常に高いゲージ率を持つことを可能にする。しかしながら、それらは熱的ノイズを増加させる、温度変化に非常に敏感である。それらの抵抗もまた非常に大きく、これらのゲージを通過できる電流を制限する。さらに、これらのゲージの実現は、複雑で高価な製造技術（イオン及び／又はエピタキシャル注入）を要する。Ｊ．Ｌｕ ｅｔ ａｌ．， “Ｈｉｇｈ−Ｑ ａｎｄ ＣＭＯＳ ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌ ｓｉｌｉｃｏｎ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ｗｉｔｈ ｓｅｐａｒａｔｅｄ ｏｎ−ｃｈｉｐ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｃｔｕａｔｏｒ ｆｏｒ ｕｌｔｒａ−ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｍａｓｓ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ”， Ｌｕ Ｊ．， Ｉｋｅｈａｒａ Ｔ．， Ｚｈａｎｇ Ｙ．， Ｍｉｈａｒａ Ｔ．， Ｉｔｏｈ Ｔ．， Ｍａｅｄａ Ｒ．， Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ, ＭＥＭＳ ２００８， Ｊａｎｕａｒｙ １３−１７， ２００８， Ｔｕｃｓｏｎ， ＡＺ， ＵＳＡ，（Ｊ．Ｌｕ他、「超高感度な質量検出用の分離したチップ上の圧電アクチュエーターを有する、高−Ｑ及びＣＭＯＳに適合する単結晶シリコン片持ち梁」独立行政法人 産業技術総合研究所（ＡＩＳＴ）、Ｌｕ Ｊ．、池原毅、Ｚｈａｎｇ Ｙ．、三原敏行、伊藤寿浩、前田龍太郎、ＭＥＭＳ ２００８年１月１３〜１７日、米国アリゾナ州トゥーソン）で使用され、そして図２に表わされているのは、このタイプのゲージである。より明確には、ピエゾ抵抗ゲージを用いるこのタイプの装置によれば、アクチュエーターは下部電極２３と上部電極２４との間に含まれる圧電材料２２を備え、シリコン基板は例えばホウ素イオンにより局部的にドーピングされた領域２５内にあり、全ての接点２６は一般に金／クロムの二重層により確保されることができ、アクチュエーターはＳｉＯ２タイプの層２７により保護される。
金属ひずみゲージは既に一定の用途に対して提案されている。ゲージ率はそのときシリコン・ゲージよりも小さい（典型的には２のオーダー）が、ゲージの抵抗は小さく、それは電流密度を増すことを可能にする。従ってシリコン・ゲージと同じ信号レベルが得られる。得られる測定ノイズもまた制限され、それはピエゾ抵抗ゲージと等価な感度を得ることを可能にする。そのようなものは特に、その例示的用途が図３に表わされている原子間力顕微鏡である、Ｈ．Ｔａｎｇ他による米国特許出願公開第２００９／００３８０４号明細書「マイクロ機械装置とナノ機械装置における金属薄膜ピエゾ抵抗変換、及び自己検知型ＳＰＭプローブにおけるその適用」、カリフォルニア工科大学、Ｔａｎｇ Ｈ．， Ｌｉ Ｍ．， Ｒｏｕｋｅｓ Ｍ．Ｌ．（Ｈ．Ｔａｎｇ ｅｔ ａｌ．：“Ｍｅｔａｌｌｉｃ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｐｉｅｚｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｔｒａｎｓｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ ｎａｎｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｓｅｌｆ−ｓｅｎｓｉｎｇ ＳＰＭ ｐｒｏｂｅｓ"， ＴａｎｇＨ．， ＬｉＭ．， ＲｏｕｋｅｓＭ．Ｌ．， Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）、及び米国特許出願公開第２００９／００３８４０４ Ａ１号明細書の主題である。
図３は、圧電作動５を用いた原子間力顕微鏡の先端、及び金属ひずみゲージ９による先端１のたわみ測定の図である。
これらゲージの製作は、しかしながら装置に影響を与え得る、高価なマイクロ電子製作ステップを必要とする。
従って、その製作を決してより困難にしない全て統合された装置を実現するための、圧電アクチュエーターのたわみを測定する方法を見出すことが最良である。
実際には、要約すると先行技術の解決策は、図１に例示されるような次のタイプの圧電アクチュエーターの堆積：弾性層／下部電極／圧電材料／上部電極と、そしてたわみ測定を統合するため、該圧電スタックを作動用に使われる領域と測定用に使われる領域に分離するか、又はシリコンで作られ得る圧電ゲージを使用することを提案する。
図１に例示されるもののような圧電ゲージの場合、測定専用の表面領域と作動専用の表面領域との間で妥協を行うことが最良である。
さらに、圧電ゲージ及び金属ひずみゲージは特定の高価な技術的工程により製作され、堆積を複合的にしている。実際に、金属ひずみゲージを含む既知の圧電アクチュエーターは、アクチュエーターとひずみゲージを別々に製作している層の堆積によって実現される。ひずみゲージは、例えば圧電アクチュエーターを作っている堆積の、弾性層の下に配置された金属層により実現される。
これに関連して、及び出来る限り集積された装置を得るため、本発明はピエゾ抵抗ひずみゲージが、巧妙で単純な技術により製作される解決策を提案する。
より明確には、本発明の主題は、少なくとも１つのひずみゲージと、下部の電極層と上部の電極層との間に配置された少なくとも１つの層の圧電材料の基板表面上における、堆積から作られた少なくとも１つのアクチュエーターと、基板内に作られた空洞の上部に配置されているアクチュエーターを形成する、少なくとも一部分の堆積とを含む圧電作動構造であって、ひずみゲージが、上部の電極層及び／又は下部の電極層内に位置するピエゾ抵抗ゲージであり、前記層が前記ピエゾ抵抗ゲージの実現を可能にする、電極の不連続性を含むことを特徴とする圧電作動構造である。
本発明の一つの変形によれば、ピエゾ抵抗ゲージは空洞の上部に位置する、上部電極層及び／又は下部電極層の少なくとも一部分に作られる。
本発明の一つの変形によれば、前記ピエゾ抵抗ゲージは上部電極及び／又は下部電極の周囲の少なくとも一部分に作られる。
そのような変形は、実際的な接触の繰り返しの理由によって有利である。しかしながら、それは特にアクチュエーターの中央にゲージを作る、別の実施形態においても有利であり得る。
さらに、基板は一つの層又は一組の層を含んでもよく、空洞は（例えば、基板の犠牲層をエッチングすることにより）基板の少なくとも一つの層の全部又は一部に作られてもよい。
本発明の一つの変形によれば、作動構造はそこに下部電極が位置する前記空洞の上方に、弾性の基板層もまた含む。
本発明の一つの変形によれば、作動構造は三方に自由な突出部を含む、いわゆる固定端−自由端構造を含む。
本発明の一つの変形によれば、作動構造はその周囲の全て又は一部にわたり、固定された構造を含む。本発明の一つの変形によれば、作動構造はまた少なくとも一つの圧電ゲージを含み、ピエゾ抵抗ゲージと該圧電ゲージは上部電極層及び下部電極層から選ばれた、共通の層を含む。
本発明の一つの変形によれば、ピエゾ抵抗ひずみゲージは、電極層の少なくとも一つの中に位置するピエゾ抵抗ゲージに接続された、少なくとも２つの固定接点電極と、電極層の少なくとも一つの中に位置する圧電アクチュエーターの、少なくとも２つの固定接点電極とを含む。
本発明の一つの変形によれば、ピエゾ抵抗ゲージは下部及び上部の電極層内に作られる。
本発明の一つの変形によれば、作動構造はピエゾ抵抗ゲージをホイートストンブリッジ構造内に組み込むことを可能にする、一組の抵抗線を含む。
本発明の一つの変形によれば、圧電材料はジルコン酸チタン酸鉛もしくはＰＺＴタイプか、又は窒化アルミニウムタイプ、あるいは酸化亜鉛（ＺｎＯ）タイプである。
下部及び／又は上部の電極層は、プラチナ（Ｐｔ）、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、ルテニウム（Ｒｕ）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ２）、イリジウム（Ｉｒ）、酸化イリジウム（ＩｒＯ２）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、又はクロム（Ｃｒ）タイプの材料か、あるいはこれらのタイプの金属の合金で作られることが有利であり得る。
弾性の基板層は、シリコン（Ｓｉ）タイプ又は酸化ケイ素（ＳｉＯ２）タイプ、あるいは窒化ケイ素（ＳｉｘＮｙ）タイプの材料、又は導電性ポリマーで作られることが有利であり得る。
本発明の別の主題は、本発明による圧電作動構造を作るための方法であり、基板上での以下のステップ：
―下部電極層の堆積と、
―圧電材料の層の堆積と、
―上部電極層の堆積と、
―少なくとも１つのピエゾ抵抗ひずみゲージ及び少なくとも１つのアクチュエーターを明確にするように、マスクを通じた少なくとも１つの電極層のエッチングとを含む。
―下部電極層の堆積と、
―圧電材料の層の堆積と、
―上部電極層の堆積と、
―少なくとも１つのピエゾ抵抗ひずみゲージ及び少なくとも１つのアクチュエーターを明確にするように、マスクを通じた少なくとも１つの電極層のエッチングとを含む。
一つの変形によれば、本方法は又その上に下部電極層が堆積される基板上での、弾性層の堆積も含む。
一つの変形によれば、本方法はまた：
―メサ（台地）を明確にする弾性層／下部電極層／圧電材料層の堆積のエッチングと、
―メサ及び基板上での上部電極層の堆積と
を含む。
―メサ（台地）を明確にする弾性層／下部電極層／圧電材料層の堆積のエッチングと、
―メサ及び基板上での上部電極層の堆積と
を含む。
一つの変形によれば、本方法は上部電極層からピエゾ抵抗ゲージを明確にするように、上部電極をエッチングすることを含む。
一つの変形によれば、本方法は：
―より小さい寸法の圧電材料のメサを明確にするように、下部電極層上の圧電材料の層をエッチングすることと、
―圧電材料の層及び下部電極層の上への上部電極層の堆積と、
―２つの電極層の堆積内でピエゾ抵抗ゲージを明確にするように、上部電極層及び下部電極層の双方をエッチングすることと
を含む。
―より小さい寸法の圧電材料のメサを明確にするように、下部電極層上の圧電材料の層をエッチングすることと、
―圧電材料の層及び下部電極層の上への上部電極層の堆積と、
―２つの電極層の堆積内でピエゾ抵抗ゲージを明確にするように、上部電極層及び下部電極層の双方をエッチングすることと
を含む。
本発明は制限されない例として与えられている、以下の記述を読むことにより、及び添付図のおかげでより良く理解され、他の利点が明らかになるであろう。
本発明は従って、下部の電極と上部の電極との間に配置された、少なくとも１つの圧電層の、基板層上に配置されている堆積と、上部及び／又は下部電極として同じ層内に作られた少なくとも１つのピエゾ抵抗ひずみゲージとを含む、圧電作動構造を提案する。ピエゾ抵抗ゲージは、一方又は両方の電極のフォトリソグラフィーにより作られる。
従って、追加の技術的ステップを加えない、圧電作動を用いる構造に対する金属ひずみゲージの組み込みは、その作動とたわみ測定が、追加の費用なし及び追加の技術的ステップなしで完全に統合される装置の実現を可能にする。圧電ゲージの代わりにひずみゲージを用いることにより、作動と関連する表面積は、たわみ測定のために使用される領域を低下させずに最大化される。
有利なことに、そして本発明の一つの変形によれば、作動構造はいわゆる弾性層の表面上に作られ、また構造の平面に直角な方向（平面外）の変形を許容する。しかしながら本発明は、何ら弾性層の存在なしで２つの電極層レベルの間に挿入される圧電層の場合においても適用され得る。
一般に、該ゲージを作るための方法は、とりわけ以下のステップ：
１）弾性層及び下部電極の堆積と、
２）圧電材料の堆積と、
３）圧電材料のエッチングと、
４）上部電極の堆積と、
５）ゲージを製作するための１つ又は両方の電極層のエッチングと
を含む。
１）弾性層及び下部電極の堆積と、
２）圧電材料の堆積と、
３）圧電材料のエッチングと、
４）上部電極の堆積と、
５）ゲージを製作するための１つ又は両方の電極層のエッチングと
を含む。
従って、ゲージの製作はステップ５に含まれる。その実施は抵抗線をマスクに加える以外、他の追加ステップを必要としない。圧電作動専用の表面積を最大化する最善の方法は、該構造の周囲においてゲージを構成するピエゾ抵抗線を作ることである。
この構造は固定端−自由端タイプであり、それは三方において自由な突出部に関係し得る。
この構造はまた固定端−固定端タイプであることもでき、従って二方において自由な梁又は膜であり得る。
図４ａ〜４ｄに例示されている本発明の第１の変形によれば、ピエゾ抵抗ゲージは上部の電極内に作られる。
より明確には、表わされていない基板の表面上には、次の層が堆積される：
―弾性層４５と、
―下部電極層４３と、
―圧電材料の層４２。
―弾性層４５と、
―下部電極層４３と、
―圧電材料の層４２。
図４ａに例示されているように、その上に上部電極層４４が堆積されるメサを明確にするため、全体がエッチングされる。
フォトリソグラフィー・マスクを用いて、フォトリソグラフィー作業は図４ｂに例示されるように行われる。単純化のため、この図は層４４上に堆積され、次にマスク４６を通じて絶縁され、次に前記層４４がエッチングされ得るように展開される樹脂の層を例示しておらず、この樹脂はエッチング後に除去される。
図４ｃに例示されているように、不連続部を作り出し、従ってピエゾ抵抗ゲージを構成する要素４４ｊを明確にするように、上部電極層内に切り込みが得られる。
図４ｄは各種の要素：アクチュエーター及びピエゾ抵抗ゲージを示す、そのような構造の平面図を例示する。ピエゾ抵抗ゲージ部分４４ｊは、固定接点電極Ｐｃｉ１及びＰｃｉ２に接続されている。アクチュエーター部分は、固定接点電極Ｐｃｋ１及びＰｃｋ２に接続されている。
より明確には、固定接点電極Ｐｃｋ１は下部電極とつながり、固定接点電極Ｐｃｋ２は上部電極とつながっている。ハッチングされた部分は圧電材料の層４３に関し、下部電極層は上部電極との接触の繰り返しを可能にするため、局部的に切欠かれている。ピエゾ抵抗ゲージの周囲には、固定端／自由端の梁タイプのアクチュエーターを作るために用いられる、エッチングされた基板領域に対応する、ハッチングされた部分Ｓｅｔｃｈｅｄが表わされている。実際上は、電極層がエッチングされるべき基板上の中間層の上に堆積され得る。基板用の、次に続くエッチングのマスク製作もまた可能にする開口がこの層内に作られる。
図５は、ピエゾ抵抗ゲージがまた上部電極層内に作られる、本発明の変形の平面図を例示し、前記作動構造はまた中央部に圧電ゲージを含む。図５に示されているように、作動構造は２つの金属ゲージ４４ｊ及び中央の圧電ゲージ４４ｐｉｅｚｏを有し、圧電材料Ｅｓｕｐの作動電極及びエッチングされた金属領域は、圧電材料４２の表面に対応している。圧電ゲージ及び金属ゲージは同じ電極内に作られている。１つのタイプのゲージ又はその他のタイプのゲージは、通常「パッド（端子領域）」（“ｐａｄｓ”）と呼ばれる電気接点の配線に応じて使用される。双方のタイプのゲージを組み合わせる利点は、状況に応じて１つ又は別の検出方法を選択できることである。動的な動作において、ひずみゲージからの測定はノイズによって制限されるであろうため、圧電ゲージを選ぶことが可能である。静的応力が作用する場合、圧電材料により生成される電荷は徐々に消散させられるであろう。しかしながら、ひずみゲージの抵抗は時間と共に変動しないであろう。静的モードにおいては、従ってひずみゲージを使うことが最善である。
本発明の別の変形において、２つの電極層４３及び４４を使用することにより金属ひずみゲージを作ることが提案される。そうすれば、抵抗線の厚さが増加し、その抵抗が減少する。上部の電極層４４を堆積する前に、図６ｂに示されるように２つの電極を構造の表面上で接触させるため、圧電材料４２は図６ａに示されるようにエッチングされる。ゲージが第１の変形にのみ従って上部電極の上に作られるときと同様に、抵抗線は（図４ｂに対して記述されている、表示されていない同じステップに従って）図６ｃに示されるように、フォトリソグラフィー・マスク４６を通して、構造に沿ってそのまま残される。得られた構造は図６ｄに例示され、ピエゾ抵抗ゲージ要素４３／４４ｊを目立たせている。
本発明の別の変形によれば、圧電作動構造はホイートストンブリッジの組立構造内に組み込まれたピエゾ抵抗ゲージを含み得る。そのような構成はひずみゲージの分解能の増大を可能にする。
該ブリッジの別の抵抗は、ピエゾ抵抗ゲージ４４ｊを構成している領域と異なり、空いていない領域における基板上に抵抗線４４Ｒｉをそのまま残すことによって、フォトリソグラフィーにより同じやり方で作られ得る。図７は従ってそのような圧電作動構造を例示する。
一般に、圧電作動構造を用いる測定の原理は次の通りである。
金属線の抵抗変化は、その伸びに比例する。
ここで、Ｋはゲージ率、Ｌはゲージの長さ、そしてＲはその抵抗である。
本発明の場合、ゲージは通常「片持ち梁」と呼ばれる突出部を囲んでいる。抵抗の変化はそれがゲージの双方の分岐で生じるため、従って２倍の大きさである。
ポアソン効果により、Ｌが増加すると梁の幅は減少する。片持ち梁の縁に位置する線の部分は収縮する。片持ち梁の伸びの関数としての抵抗変化は、従って次のようになる：
ここでνＣＥは弾性層のポアソン比である。
片持ち梁の伸びは次のように表わされ得る：
ここで、ｅはゲージと中立素分との間の距離、Ｒｃは片持ち梁の曲率半径である。曲率半径が梁全体の長さにわたり一様と想定される場合：
であり、ここでＺは梁端部のたわみである。
たわみと抵抗変化との関係は、従って次のようになる：
単純なホイートストンブリッジ組立品の場合、出力電圧は：
であり、ここでＶｉｎはブリッジのバイアス電圧、そしてＶｏｕｔは出力電圧である。
製作の例
本発明の構造によれば、ピエゾ抵抗ひずみゲージは固定端−自由端の梁に対して組み込まれる。
本発明の構造によれば、ピエゾ抵抗ひずみゲージは固定端−自由端の梁に対して組み込まれる。
この構造は、シリコン基板の表面上に以下の層の堆積を含む：
―シリコン基板と、
―厚さ１μｍのＳｉＮの弾性層と、
―厚さ２ｎｍのＴｉＯ２で作られた連結層と、
―厚さ５０ｎｍのプラチナ製の下部電極と、
―厚さ１２０ｎｍのＰＺＴ層と、
―厚さ２５ｎｍのプラチナ製の上部電極層。
―シリコン基板と、
―厚さ１μｍのＳｉＮの弾性層と、
―厚さ２ｎｍのＴｉＯ２で作られた連結層と、
―厚さ５０ｎｍのプラチナ製の下部電極と、
―厚さ１２０ｎｍのＰＺＴ層と、
―厚さ２５ｎｍのプラチナ製の上部電極層。
図８に例示されているように、本構造はシリコン基板４０上に作られ、弾性層４１を用いる。弾性層はＳｉＯ２よりも好ましいＳｉＮで作られ、解放された構造における残留応力の補償を可能にする。
圧電材料４２はＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）製である。ＳｉＮ領域はシリコン基板が存在しない状況下のエッチングを実現できるように解放され、従って表わされているような梁構造を得る。
ＰＺＴの膜は連結層４８上の下部電極４３を形成する標準の堆積上に、ゾル・ゲル技術により堆積される。ゾル・ゲル膜は、再結晶化焼き鈍し作業の間の鉛不足を避けるために、１０％を超える鉛の前駆体を含む市販の溶液から作られる。スピンコーティングによるＰＺＴの層の各堆積は、プロセスの最後には５０〜６０ｎｍのＰＺＴの厚さを与える。ＰＺＴの最終厚さは、スピンコーティングによる堆積の数を調整することにより得られる。ＰＺＴ用の標準的方法は：
―スピンコーティングによる堆積と、
―空気中における４００℃、５分間の焼成と、
―酸素中における７００℃、１分間のＰＺＴの急速な再結晶化焼き鈍しと
である。
―スピンコーティングによる堆積と、
―空気中における４００℃、５分間の焼成と、
―酸素中における７００℃、１分間のＰＺＴの急速な再結晶化焼き鈍しと
である。
再結晶化焼き鈍しは、ＰＺＴのペロブスカイト相を得ることを可能にする。堆積されたＰＺＴ膜は数ｎｍ〜数μｍまで、例えば１μｍを形成する。上部の電極４４は従ってスパッタリングにより堆積されたプラチナで作られる。
そうすれば、梁の形状は非常に平坦である。圧電物質の堆積Ｐｔ／ＰＺＴ／Ｐｔの全ての層は、ＰＺＴの焼き鈍し後に引張り応力を有する。プラチナの残留応力は１．１ＧＰａであり、ＰＺＴのそれは２００ＭＰａである。これらの残留応力を補償する唯一の方法は、引張り応力を受ける材料に対応する、その応力が引張りであろう層を用いることである。
最終のエッチング放出方法は、（シリコンをエッチングするために）ＸｅＦ２ガスと共に適用されるため、シリコンは弾性層として使用できない。ＳｉＯ２は常に圧縮応力を有する。ＳｉＮはそれが引張り応力を持つことが出来るため、そのとき（該圧縮）応力を補償するための、より良い選択である。Ｓｉが豊富なＳｉＮは４００ＭＰａの応力を有する。
本発明の圧電作動構造に用いられるゲージの性能に関する便益を確認するため、出願者は前述のピエゾ抵抗ゲージを用いてたわみ測定を行ない、これらの測定値を、白色光干渉計を用いて行われた、従来の光学式たわみ測定法によって得られた測定値と比較した。
測定は抵抗変化の直接的測定によって、及びゲージ電流を制限するため１Ｖのブリッジ電圧を用いたホイートストンブリッジによって行われた。それらは図９及び１０に例示されている。曲線９ａ及び１０ａは光学的測定に関し、曲線９ｂ及び１０ｂはピエゾ抵抗ゲージによる測定に関し、バイアス電圧の関数としてのたわみの値を与える。
たわみ測定値は、抵抗変化の測定に基づいて説明される方程式から推定される。これらの曲線は、従来の光学的測定と同じ程度の精度を達成可能であることを示し、これは非常に直接的な技術の全てが統合された構成を用いることによってである。
１ 先端
５ 圧電作動
９ 金属ひずみゲージ
９ａ 曲線
９ｂ 曲線
１０ 圧電アクチュエーター
１０ａ 曲線
１０ｂ 曲線
１１ 圧電ゲージ
２２ 圧電材料
２３ 下部電極
２４ 上部電極
２５ 局部的にドーピングされた領域
２６ 接点
２７ ＳｉＯ２タイプの層
４１ 弾性基板層
４２ 圧電材料の層
４３ 下部電極層
４４ 上部電極層
４４ｊ ピエゾ抵抗ゲージ
４４ｐｉｅｚｏ 圧電ゲージ
４４Ｒｉ 抵抗線
４５ 弾性層
４６ マスク
４８ 連結層
５ 圧電作動
９ 金属ひずみゲージ
９ａ 曲線
９ｂ 曲線
１０ 圧電アクチュエーター
１０ａ 曲線
１０ｂ 曲線
１１ 圧電ゲージ
２２ 圧電材料
２３ 下部電極
２４ 上部電極
２５ 局部的にドーピングされた領域
２６ 接点
２７ ＳｉＯ２タイプの層
４１ 弾性基板層
４２ 圧電材料の層
４３ 下部電極層
４４ 上部電極層
４４ｊ ピエゾ抵抗ゲージ
４４ｐｉｅｚｏ 圧電ゲージ
４４Ｒｉ 抵抗線
４５ 弾性層
４６ マスク
４８ 連結層
Claims (18)
- 少なくとも１つのひずみゲージと、下部の電極層（４３）と上部の電極層（４４）との間に配置された少なくとも１つの層の圧電材料（４２）の基板表面上における、堆積から作られた少なくとも１つのアクチュエーターと、基板内に作られた空洞の上部に配置されているアクチュエーターを形成する、少なくとも一部分の堆積とを含む圧電作動構造であって、ひずみゲージが、上部の電極層及び／又は下部の電極層（４４ｊ，４３／４４ｊ）内に位置するピエゾ抵抗ゲージであり、前記層が前記ピエゾ抵抗ゲージの実現を可能にする、電極の不連続性を含むことを特徴とする圧電作動構造。
- ピエゾ抵抗ゲージが、上部電極層及び／又は空洞の上部に位置する下部電極層の少なくとも一部分において作られることを特徴とする、請求項１に記載の作動構造。
- 前記ピエゾ抵抗ゲージが上部電極及び／又は下部電極の周りの、少なくとも一部分に作られることを特徴とする、請求項２に記載の作動構造。
- その上に下部電極が位置する、前記空洞上方の弾性基板層（４１）をまた含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧電作動構造。
- 三方において自由な突出部を含む、いわゆる固定端−自由端構造を含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の圧電作動構造。
- その周囲の全て又は一部分にわたって固定構造を含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の圧電作動構造。
- 少なくとも１つの圧電ゲージ（４４ｐｉｅｚｏ）、ピエゾ抵抗ゲージ、及び上部電極層と下部電極層から選ばれた共通の層がある圧電ゲージをさらに含むことを特徴とする、請求項６に記載の圧電作動構造。
- ピエゾ抵抗ひずみゲージが、電極層の少なくとも１つに位置するピエゾ抵抗ゲージに接続された、少なくとも２つの固定接点電極（Ｐｃｉ１，Ｐｃｉ２）と、電極層の少なくとも１つに位置する圧電アクチュエーター（Ｐｃｋ１，Ｐｃｋ２）の少なくとも２つの固定接点電極とを含むことを特徴とする、請求項１に記載の圧電作動構造。
- ピエゾ抵抗ゲージが下部及び上部の電極層内に作られることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の圧電作動構造。
- ホイートストンブリッジ構造においてピエゾ抵抗ゲージの組み込みを可能にする、一組の抵抗線（４４Ｒｉ）を含むことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の圧電作動構造。
- 圧電材料がジルコン酸チタン酸鉛もしくはＰＺＴタイプ、又は窒化アルミニウムタイプ、あるいは酸化亜鉛（ＺｎＯ）タイプであることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の圧電作動構造。
- 下部及び／又は上部の電極層が、プラチナ（Ｐｔ）、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、ルテニウム（Ｒｕ）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ２）、イリジウム（Ｉｒ）、酸化イリジウム（ＩｒＯ２）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、又は金属合金タイプの材料で作られることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の圧電作動構造。
- 弾性の基板層が、シリコン（Ｓｉ）タイプ又は酸化ケイ素（ＳｉＯ２）タイプ、あるいは窒化ケイ素（ＳｉｘＮｙ）タイプの材料、又は導電性ポリマータイプの材料で作られることを特徴とする、請求項４に記載の圧電作動構造。
- 基板に対する以下のステップ：
―下部電極層の堆積と、
―圧電材料の層の堆積と、
―上部電極層の堆積と、
―少なくとも１つのピエゾ抵抗ひずみゲージ及び少なくとも１つのアクチュエーターを明確にするように、マスクを通じた少なくとも１つの層のエッチングと
を含むことを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の圧電作動構造を作るための方法。 - その上に下部電極層が堆積されている、基板上の弾性層の堆積をさらに含むことを特徴とする、請求項１４に記載の圧電作動構造を作るための方法。
- ―メサを明確にする、弾性層／下部電極層／圧電材料層の堆積のエッチングと、
―メサ及び基板上での上部電極層の堆積と
を又含むことを特徴とする、請求項１５に記載の圧電アクチュエーターを作るための方法。 - 上部電極層からピエゾ抵抗ゲージを明確にするように、上部電極のエッチングを含むことを特徴とする、請求項１４あるいは１５に記載の圧電作動構造を作るための方法。
- ―より小さい寸法の圧電材料のメサを明確にするような、下部電極層上の圧電材料の層のエッチングと、
―圧電材料の層及び下部電極層の上への上部電極層の堆積と、
―２つの電極層の堆積においてピエゾ抵抗ゲージを明確にするような、上部電極層及び下部電極層の双方のエッチングと
を含むことを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の圧電作動構造を作るための方法。
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