JP2014071106A - Flow velocity sensor - Google Patents

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JP2014071106A
JP2014071106A JP2012220335A JP2012220335A JP2014071106A JP 2014071106 A JP2014071106 A JP 2014071106A JP 2012220335 A JP2012220335 A JP 2012220335A JP 2012220335 A JP2012220335 A JP 2012220335A JP 2014071106 A JP2014071106 A JP 2014071106A
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piezoelectric thin
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Fumimasa Horikiri
文正 堀切
Kenji Shibata
憲治 柴田
Kazufumi Suenaga
和史 末永
Kazutoshi Watanabe
和俊 渡辺
Akira Nomoto
明 野本
Masaki Noguchi
将希 野口
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Proterial Ltd
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Hitachi Metals Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a flow velocity sensor which is excellent in time resolution at low costs.SOLUTION: The flow velocity sensor includes: a piezoelectric thin film element 20 configured such that a lower electrode 21 and a piezoelectric thin film 22 made of non-lead materials are laminated in this order on a substrate 11, and an upper electrode 23 is formed at a predetermined position on the piezoelectric thin film, and which oscillates according as an AC voltage is applied between the lower electrode 21 and the upper electrode 23; a columnar structure 11b formed so as to be protruded from the plane of oscillation of the piezoelectric thin film element, which adds a stress to the plane of oscillation by interfering with fluid; and a detection electrode 30 formed on the piezoelectric thin film 22, to which detection means for detecting piezoelectric effects to be generated in the piezoelectric thin film when the plane of oscillation receives the stress is connected.

Description

本発明は、流速センサに関し、特に圧電薄膜素子を用いた流速センサに関する。   The present invention relates to a flow rate sensor, and more particularly to a flow rate sensor using a piezoelectric thin film element.

近年、省エネルギー対策として、例えば各種コンピュータやデータ通信等のデータセンタ内の空調を最適化するため、センタ内の室温や気流の監視が求められている。また、ヒートアイランド現象の対策として、気温や風速などの各種環境モニタリングの重要性も指摘されている。このような事例においては安価なセンサへの要求がある。この点、温度の測定に関しては、低コストの半導体温度センサ等が知られている。   In recent years, as an energy saving measure, for example, in order to optimize air conditioning in a data center such as various computers and data communication, monitoring of room temperature and airflow in the center is required. In addition, the importance of various environmental monitoring such as temperature and wind speed has been pointed out as a countermeasure for the heat island phenomenon. In such cases, there is a need for inexpensive sensors. In this regard, a low-cost semiconductor temperature sensor or the like is known for measuring temperature.

一方、風速等の測定に関しては、オリフィスを用いた差圧式センサや、発熱源を用いた熱移送(熱輸送)を利用する熱式センサ、機械的な変位を利用する機械式センサ等の高コストの流速センサが主流であった。最近では、これらに代えて、集積化が容易な微小電気機械システム(MEMS:Micro Electro Mechanical Systems)技術を用い、熱式や機械式等の低コストの流速センサが開発されている(例えば、特許文献1を参照)。   On the other hand, for measuring wind speed, etc., high cost such as differential pressure sensor using orifice, thermal sensor using heat transfer (heat transport) using heat source, mechanical sensor using mechanical displacement, etc. The flow rate sensor was the mainstream. Recently, instead of these, a low-cost flow rate sensor such as a thermal type or a mechanical type has been developed using a micro electro mechanical system (MEMS) technology that is easy to integrate (for example, patents). Reference 1).

特開2005−121631号公報JP 2005-121631 A

しかしながら、上記のような熱式の流速センサは、流速に対する分解能は極めて高いが、時間分解能に劣る。また、空気等の流体の流れる向き(方位)を測定可能な多軸検知式とするのが困難であった。流速に対する分解能がある程度得られ、時間分解能に優れる機械式の流速センサについても、低コストで多軸検知式の流速センサは知られていない。   However, the thermal flow rate sensor as described above has a very high resolution with respect to the flow rate, but is inferior in time resolution. In addition, it has been difficult to adopt a multi-axis detection type capable of measuring the flow direction (azimuth) of a fluid such as air. A low-cost multi-axis detection type flow rate sensor is not known as a mechanical type flow rate sensor that provides a certain degree of resolution with respect to the flow rate and is excellent in time resolution.

本発明の目的は、低コストで時間分解能に優れる流速センサを提供することにある。   An object of the present invention is to provide a flow rate sensor that is low in cost and excellent in time resolution.

本発明の第1の態様によれば、
基板上に下部電極、非鉛材料からなる圧電薄膜がこの順に積層され、前記圧電薄膜上の所定位置に上部電極が形成されてなり、前記下部電極と前記上部電極との間に交流電圧が印加されることで振動する圧電薄膜素子と、
前記圧電薄膜素子の振動面から突出するように形成され、流体と干渉することにより前記振動面に応力を加える柱状構造体と、
前記圧電薄膜上に形成され、前記振動面が応力を受けることで前記圧電薄膜に発生する圧電効果を検知する検知手段が接続される検知電極と、を備える
流速センサが提供される。
According to a first aspect of the invention,
A lower electrode and a piezoelectric thin film made of a non-lead material are laminated in this order on the substrate, an upper electrode is formed at a predetermined position on the piezoelectric thin film, and an AC voltage is applied between the lower electrode and the upper electrode. Piezoelectric thin film element that vibrates by being
A columnar structure that is formed so as to protrude from the vibration surface of the piezoelectric thin film element and applies stress to the vibration surface by interfering with a fluid;
There is provided a flow rate sensor comprising a detection electrode formed on the piezoelectric thin film and connected to a detection means for detecting a piezoelectric effect generated in the piezoelectric thin film when the vibration surface receives stress.

本発明の第2の態様によれば、
前記柱状構造体と流体とが干渉していないときに前記検知電極を介して検知される電圧の振幅が所定の大きさとなる振動周波数と、前記柱状構造体と流体とが干渉しているときに前記検知電極を介して検知される電圧の振幅が所定の大きさとなる振動周波数と、の差分を測定することで、前記柱状構造体に干渉する流体の流速を検出するよう構成される
第1の態様に記載の流速センサが提供される。
According to a second aspect of the invention,
When the columnar structure and the fluid interfere with each other and the vibration frequency at which the amplitude of the voltage detected through the detection electrode becomes a predetermined magnitude when the columnar structure and the fluid do not interfere with each other A first configuration configured to detect a flow velocity of a fluid interfering with the columnar structure by measuring a difference between a vibration frequency at which an amplitude of a voltage detected via the detection electrode becomes a predetermined magnitude. A flow rate sensor according to an aspect is provided.

本発明の第3の態様によれば、
前記交流電圧の所定の周波数において、前記柱状構造体と流体とが干渉していないときに前記検知電極を介して検知される電圧の振幅と、前記柱状構造体と流体とが干渉しているときに前記検知電極を介して検知される電圧の振幅と、の差分を測定することで、前記柱状構造体に干渉する流体の流速を検出するよう構成される
第1の態様に記載の流速センサが提供される。
According to a third aspect of the invention,
When the columnar structure and the fluid interfere with each other at the predetermined frequency of the AC voltage, the amplitude of the voltage detected through the detection electrode when the columnar structure and the fluid do not interfere with each other. The flow rate sensor according to the first aspect is configured to detect a flow rate of a fluid that interferes with the columnar structure by measuring a difference between the amplitude of the voltage detected via the detection electrode. Provided.

本発明の第4の態様によれば、
前記圧電薄膜上には複数の前記検知電極が形成され、
前記柱状構造体と流体とが干渉しているときに前記複数の検知電極を介して検知される電圧の正負をそれぞれ判別し、前記複数の電圧の大小関係と前記複数の検知電極の位置関係とから、前記柱状構造体に干渉する流体の流れる向きを検出するよう構成される
第1〜第3の態様のいずれかに記載の流速センサが提供される。
According to a fourth aspect of the invention,
A plurality of the detection electrodes are formed on the piezoelectric thin film,
The positive and negative voltages detected through the plurality of detection electrodes when the columnar structure and the fluid interfere with each other are determined, and the magnitude relationship between the plurality of voltages and the positional relationship between the plurality of detection electrodes The flow rate sensor according to any one of the first to third aspects configured to detect a flow direction of a fluid that interferes with the columnar structure is provided.

本発明の第5の態様によれば、
前記検知電極は、前記上部電極を通る対称軸に対称となるよう、前記上部電極から離間して2つ以上形成されている
第4の態様に記載の流速センサが提供される。
According to a fifth aspect of the present invention,
The flow rate sensor according to a fourth aspect is provided, wherein two or more detection electrodes are formed apart from the upper electrode so as to be symmetric with respect to an axis of symmetry passing through the upper electrode.

本発明の第6の態様によれば、
前記検知電極は、前記上部電極を対称中心として対称となるように、前記上部電極から離間して2対以上形成されている
第4の態様に記載の流速センサが提供される。
According to a sixth aspect of the present invention,
The flow rate sensor according to a fourth aspect, in which the detection electrodes are formed in two or more pairs apart from the upper electrode so as to be symmetric with respect to the upper electrode as a center of symmetry.

本発明の第7の態様によれば、
前記柱状構造体は長手方向を回転軸として一周させたときに2回以上の回転対称性を有する
第1〜第6の態様のいずれかに記載の流速センサが提供される。
According to a seventh aspect of the present invention,
The flow rate sensor according to any one of the first to sixth aspects is provided, wherein the columnar structure has a rotational symmetry of two or more times when the columnar structure is rotated around the longitudinal direction as a rotation axis.

本発明の第8の態様によれば、
前記圧電薄膜素子の振動面には、中央部がくり抜かれた枠状の前記基板にて周囲を支持されたダイアフラムが形成されている
第1〜第7の態様のいずれかに記載の流速センサが提供される。
According to an eighth aspect of the present invention,
The flow rate sensor according to any one of the first to seventh aspects, wherein a diaphragm whose periphery is supported by the frame-shaped substrate with a hollowed central portion is formed on the vibration surface of the piezoelectric thin film element. Provided.

本発明の第9の態様によれば、
前記柱状構造体の流体に対する抵抗係数は0.63以上2.01以下である
第1〜第8の態様のいずれかに記載の流速センサが提供される。
According to a ninth aspect of the present invention,
The flow rate sensor according to any one of the first to eighth aspects, in which a resistance coefficient of the columnar structure with respect to a fluid is 0.63 or more and 2.01 or less.

本発明の第10の態様によれば、
前記圧電薄膜は、アルカリニオブ酸化物系ペロブスカイト構造を有する
第1〜第9の態様のいずれかに記載の流速センサが提供される。
According to a tenth aspect of the present invention,
The flow rate sensor according to any one of the first to ninth aspects, in which the piezoelectric thin film has an alkali niobium oxide-based perovskite structure.

本発明の第11の態様によれば、
前記アルカリニオブ酸化物系ペロブスカイト構造は、擬立方晶となっている
第10の態様に記載の流速センサが提供される。
According to an eleventh aspect of the present invention,
The flow rate sensor according to the tenth aspect, wherein the alkali niobium oxide-based perovskite structure is pseudo-cubic.

本発明の第12の態様によれば、
前記圧電薄膜の主表面が、(001)面に優先配向している
第10又は第11の態様に記載の流速センサが提供される。
According to a twelfth aspect of the present invention,
The flow rate sensor according to the tenth or eleventh aspect is provided, wherein the main surface of the piezoelectric thin film is preferentially oriented in the (001) plane.

本発明の第13の態様によれば、
前記圧電薄膜は、組成式が(K1−XNa)NbO(但し、0.400≦X≦0.730)で表わされるニオブ酸カリウムナトリウムからなる
第1〜第12の態様のいずれかに記載の流速センサが提供される。
According to a thirteenth aspect of the present invention,
The piezoelectric thin film, composition formula (K 1-X Na X) NbO 3 ( where, 0.400 ≦ X ≦ 0.730) any of the first to twelfth aspects comprising a potassium sodium niobate represented by Is provided.

本発明の第14の態様によれば、
前記下部電極は、主表面が(111)面に優先配向したPt膜からなる
第1〜第13の態様のいずれかに記載の流速センサが提供される。
According to a fourteenth aspect of the present invention,
The flow velocity sensor according to any one of the first to thirteenth aspects, wherein the lower electrode is made of a Pt film whose main surface is preferentially oriented in the (111) plane.

本発明によれば、低コストで時間分解能に優れる流速センサが提供される。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the flow velocity sensor which is low cost and excellent in time resolution is provided.

(a)は本発明の一実施形態に係る流速センサの平面図であり、(b)は(a)のA−A断面図である。(A) is a top view of the flow velocity sensor which concerns on one Embodiment of this invention, (b) is AA sectional drawing of (a). 本発明の一実施形態に係る流速センサがプリント基板に実装されてなる流速センサパッケージの動作説明図であって、(a)は流体との干渉が起きていない状態の流速センサパッケージの断面図であり、(b)は流体との干渉が起きている状態の流速センサパッケージの断面図である。It is operation | movement explanatory drawing of the flow rate sensor package by which the flow rate sensor which concerns on one Embodiment of this invention is mounted in the printed circuit board, Comprising: (a) is sectional drawing of the flow rate sensor package in the state which has not interfered with the fluid. FIG. 6B is a cross-sectional view of the flow rate sensor package in a state where interference with the fluid occurs. 本発明の一実施形態に係る流速センサの圧電薄膜素子に発生する圧電効果の説明図であって、(a)は流体との干渉が起きていない状態での流速センサにおける圧電効果を示す図であり、(b)は流体との干渉が起きている状態での流速センサにおける圧電効果を示す図であり、(c)は交流電圧の周波数に応じて変化する圧電薄膜素子の電圧の振幅を示すグラフである。It is explanatory drawing of the piezoelectric effect which generate | occur | produces in the piezoelectric thin film element of the flow rate sensor which concerns on one Embodiment of this invention, Comprising: (a) is a figure which shows the piezoelectric effect in the flow rate sensor in the state which has not interfered with the fluid. FIG. 6B is a diagram showing the piezoelectric effect in the flow velocity sensor in a state where interference with the fluid occurs, and FIG. 5C shows the amplitude of the voltage of the piezoelectric thin film element that changes according to the frequency of the AC voltage. It is a graph. 本発明の一実施形態に係る流速センサの製造方法を断面図で示す工程図(その1)である。It is process drawing (the 1) which shows the manufacturing method of the flow rate sensor which concerns on one Embodiment of this invention with sectional drawing. 本発明の一実施形態に係る流速センサの製造方法を断面図で示す工程図(その2)である。It is process drawing (the 2) which shows the manufacturing method of the flow rate sensor which concerns on one Embodiment of this invention with sectional drawing. 本発明の一実施形態の変形例に係る流速センサの圧電薄膜素子に発生する圧電効果の説明図であって、(a)は流体との干渉が起きていない状態での流速センサにおける圧電効果を示す図であり、(b)は流体との干渉が起きている状態での流速センサにおける圧電効果を示す図であり、(c)は交流電圧の周波数に応じて変化する圧電薄膜素子の電圧の振幅を示すグラフである。It is explanatory drawing of the piezoelectric effect which generate | occur | produces in the piezoelectric thin film element of the flow velocity sensor which concerns on the modification of one Embodiment of this invention, Comprising: (a) is a piezoelectric effect in the flow velocity sensor in the state which has not interfered with the fluid. (B) is a figure which shows the piezoelectric effect in the flow velocity sensor in the state which has interfered with the fluid, (c) is a figure of the voltage of the piezoelectric thin film element which changes according to the frequency of an alternating voltage. It is a graph which shows an amplitude.

<本発明の一実施形態>
(1)流速センサの構造
本発明の一実施形態に係る流速センサは、例えば圧電薄膜素子を用いた微小電気機械システム(MEMS:Micro Electro Mechanical Systems)として構成される機械式の流速センサである。本実施形態に係る流速センサについて、図1を用いて説明する。図1の(a)は、本実施形態に係る流速センサ1の平面図であり、(b)は(a)のA−A断面図である。
<One Embodiment of the Present Invention>
(1) Structure of Flow Rate Sensor A flow rate sensor according to an embodiment of the present invention is a mechanical flow rate sensor configured as, for example, a micro electro mechanical system (MEMS) using a piezoelectric thin film element. The flow rate sensor according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1A is a plan view of a flow velocity sensor 1 according to the present embodiment, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line AA of FIG.

図1に示すように、流速センサ1は、例えば矩形状に形成されたシリコン(Si)基板等の基板11上に、ダイアフラム10dを介して、下部電極21、非鉛材料からなる圧電薄膜22がこの順に積層され、圧電薄膜22上の所定位置に上部電極23が形成されてなる圧電薄膜素子20を備える。圧電薄膜素子20は、下部電極21と上部電極23との間に、例えば高周波電圧等の交流電圧が印加されることで振動するよう構成されている。   As shown in FIG. 1, the flow rate sensor 1 includes a lower electrode 21 and a piezoelectric thin film 22 made of a non-lead material on a substrate 11 such as a silicon (Si) substrate formed in a rectangular shape, via a diaphragm 10d. A piezoelectric thin film element 20 is provided which is laminated in this order and has an upper electrode 23 formed at a predetermined position on the piezoelectric thin film 22. The piezoelectric thin film element 20 is configured to vibrate when an AC voltage such as a high frequency voltage is applied between the lower electrode 21 and the upper electrode 23.

また、流速センサ1は、ダイアフラム10dを介して、圧電薄膜素子20の振動面20sから突出するように形成される柱状構造体11bを備える。柱状構造体11bは、例えば気体や液体等の流体と干渉することにより圧電薄膜素子20の振動面20sに応力を加えるよう構成されている。   The flow rate sensor 1 includes a columnar structure 11b formed so as to protrude from the vibration surface 20s of the piezoelectric thin film element 20 through the diaphragm 10d. The columnar structure 11b is configured to apply stress to the vibration surface 20s of the piezoelectric thin film element 20 by interfering with a fluid such as gas or liquid.

また、流速センサ1は、圧電薄膜22上に形成される検知電極30を備える。検知電極30には、圧電薄膜素子20の振動面20sが、柱状構造体11bからダイアフラム10dを介して応力を受けることで、圧電薄膜22に発生する圧電効果を検知する後述の検知手段54(図2参照)が接続されている。   The flow velocity sensor 1 includes a detection electrode 30 formed on the piezoelectric thin film 22. The sensing electrode 30 receives a stress from the vibrating surface 20s of the piezoelectric thin film element 20 via the diaphragm 10d from the columnar structure 11b, thereby detecting a piezoelectric effect described later that detects the piezoelectric effect generated in the piezoelectric thin film 22. 2) is connected.

(圧電薄膜素子)
圧電薄膜素子20が形成される基板11は、例えばSi等からなり、中央部が円形にくり抜かれた枠状となっている。基板11上には、例えばシリコン酸化(SiO)膜12と、シリコン(Si)膜13とがこの順に積層されている。
(Piezoelectric thin film element)
The substrate 11 on which the piezoelectric thin film element 20 is formed is made of, for example, Si, and has a frame shape with a central portion cut out in a circular shape. On the substrate 11, for example, a silicon oxide (SiO 2 ) film 12 and a silicon (Si) film 13 are stacked in this order.

圧電薄膜素子20が備える下部電極21は、例えば、SiO膜12とSi膜13とを介して、基板11上に形成された白金(Pt)膜等からなる。Pt膜の主表面としての上面、つまり、圧電薄膜22が形成される側の面は、(111)面に優先配向している。また、下部電極21は、シリコン(Si)膜13との間に、図示しない密着層を備えていてもよい。密着層は、例えばチタン(Ti)、タンタル(Ta)等からなる。 The lower electrode 21 provided in the piezoelectric thin film element 20 is made of, for example, a platinum (Pt) film formed on the substrate 11 via the SiO 2 film 12 and the Si film 13. The upper surface as the main surface of the Pt film, that is, the surface on which the piezoelectric thin film 22 is formed is preferentially oriented to the (111) plane. The lower electrode 21 may include an adhesion layer (not shown) between the lower electrode 21 and the silicon (Si) film 13. The adhesion layer is made of, for example, titanium (Ti), tantalum (Ta), or the like.

圧電薄膜素子20が備える圧電薄膜22は、例えば非鉛圧電薄膜である。係る非鉛系の圧電薄膜22は、例えばアルカリニオブ酸化物系ペロブスカイト構造を有し、係る構造は、例えば擬立方晶となっている。この場合、圧電薄膜22の主表面としての上面、つまり、上部電極23が形成される側の面は、例えば(001)面に優先配向している。或いは、圧電薄膜22は、例えば組成式が(K1−XNa)NbO(但し、0.400≦X≦0.730)で表わされるニオブ酸カリウムナトリウム(KNN)からなる。なお、例えば矩形状に形成された圧電薄膜22の一角には、下地である下部電極21が露出した開口部22hが形成されている。 The piezoelectric thin film 22 included in the piezoelectric thin film element 20 is, for example, a lead-free piezoelectric thin film. The lead-free piezoelectric thin film 22 has, for example, an alkali niobium oxide-based perovskite structure, and the structure is, for example, a pseudo cubic crystal. In this case, the upper surface as the main surface of the piezoelectric thin film 22, that is, the surface on which the upper electrode 23 is formed is preferentially oriented to, for example, the (001) plane. Alternatively, the piezoelectric thin film 22 is made of, for example, potassium sodium niobate (KNN) represented by a composition formula of (K 1-X Na X ) NbO 3 (where 0.400 ≦ X ≦ 0.730). For example, in one corner of the piezoelectric thin film 22 formed in a rectangular shape, an opening 22h is formed through which the lower electrode 21 serving as a base is exposed.

圧電薄膜素子20が備える上部電極23は、圧電薄膜22上の所定位置、例えば中央部等に形成されている。つまり、上部電極23は、枠状となった基板11のくり抜かれた中央部上に位置する。また、上部電極23には、例えば矩形状に形成された圧電薄膜22の対角線上を、基板11の枠上へと延びる引き出し配線23wが接続されている。引き出し配線23wは、基板11の枠上に形成される電極パッド23pに接続されている。上部電極23、引き出し配線23w、および電極パッド23pは、例えばPt膜等からなる。これらは、TiやTa等からなる密着層を介して形成されていてもよい。   The upper electrode 23 provided in the piezoelectric thin film element 20 is formed at a predetermined position on the piezoelectric thin film 22, for example, at the center. That is, the upper electrode 23 is located on the hollowed central portion of the frame-like substrate 11. In addition, the upper electrode 23 is connected to a lead-out wiring 23 w that extends on a diagonal line of the piezoelectric thin film 22 formed in a rectangular shape, for example, onto the frame of the substrate 11. The lead wiring 23 w is connected to an electrode pad 23 p formed on the frame of the substrate 11. The upper electrode 23, the lead wiring 23w, and the electrode pad 23p are made of, for example, a Pt film. These may be formed through an adhesion layer made of Ti, Ta, or the like.

圧電薄膜素子20の下面側、つまり、下部電極21の圧電薄膜22が形成される側とは反対の面は、交流電圧等を印加されて振動する圧電薄膜素子20の振動面20sとなっている。   The lower surface side of the piezoelectric thin film element 20, that is, the surface opposite to the side on which the piezoelectric thin film 22 of the lower electrode 21 is formed is a vibration surface 20s of the piezoelectric thin film element 20 that vibrates when applied with an AC voltage or the like. .

圧電薄膜素子20の振動面20sには、例えば基板11上に積層された上述のSiO膜12とSi膜13とからなるダイアフラム10dが形成されている。ダイアフラム10dは、枠状の基板11にて周囲を支持され、例えば応力のない定常状態にて所定の共振周波数を有している。 On the vibration surface 20 s of the piezoelectric thin film element 20, for example, a diaphragm 10 d made of the above-described SiO 2 film 12 and Si film 13 stacked on the substrate 11 is formed. The diaphragm 10d is supported by a frame-shaped substrate 11 and has a predetermined resonance frequency in a steady state without stress, for example.

(柱状構造体)
柱状構造体11bは、例えば周囲を基板11で支持されるダイアフラム10dの中央部であって、ダイアフラム10dの振動面20sと接する面とは反対側の面に、略垂直に接続されている。つまり、柱状構造体11bは上部電極23の下方に設けられている。
(Columnar structure)
The columnar structure 11b is connected substantially perpendicularly to, for example, the central portion of the diaphragm 10d that is supported by the substrate 11 around the columnar structure 11b, and the surface opposite to the surface in contact with the vibration surface 20s of the diaphragm 10d. That is, the columnar structure 11 b is provided below the upper electrode 23.

また、柱状構造体11bは、例えば長手方向を回転軸として一周させたときに2回以上の回転対称性を有する横断面形状となっている。具体的には、柱状構造体11bの横断面形状は、円形や正方形、正六角形等である。   In addition, the columnar structure 11b has a cross-sectional shape having a rotational symmetry of two or more times, for example, when the longitudinal direction is taken as a rotation axis. Specifically, the cross-sectional shape of the columnar structure 11b is a circle, a square, a regular hexagon, or the like.

また、柱状構造体11bは、例えばSi等から構成され、流体に対する抵抗係数が0.63以上2.01以下である。柱状構造体11bの横断面形状が円形のとき、抵抗係数は0.63以上1.20以下程度であり、柱状構造体11bの横断面形状が正方形のとき、抵抗係数は1.12以上2.01以下程度である。柱状構造体11bの径に対する高さの比、つまり、アスペクト比が1以上であれば、柱状構造体11bの抵抗係数は上記範囲内となり、それほど大きく変化しない。   The columnar structure 11b is made of, for example, Si and has a resistance coefficient with respect to fluid of 0.63 or more and 2.01 or less. When the cross-sectional shape of the columnar structure 11b is circular, the resistance coefficient is about 0.63 or more and 1.20 or less, and when the cross-sectional shape of the columnar structure 11b is square, the resistance coefficient is 1.12 or more. It is about 01 or less. If the ratio of the height to the diameter of the columnar structure 11b, that is, the aspect ratio is 1 or more, the resistance coefficient of the columnar structure 11b is within the above range and does not change so much.

(検知電極)
検知電極30は、例えばダイアフラム10dの上方位置に配置され、流体の流速の検知に係る流速検知電極31と、流体の流れる向き(方位)の検知に係る方位検知電極32x,32yとを備える。
(Detection electrode)
The detection electrode 30 is arranged, for example, at a position above the diaphragm 10d, and includes a flow velocity detection electrode 31 related to detection of the flow velocity of the fluid and azimuth detection electrodes 32x and 32y related to detection of the direction (direction) of the fluid flow.

流速検知電極31は、圧電薄膜22上の所定位置、例えばダイアフラム10d上の中央部等に形成されている。つまり、本実施形態においては、圧電薄膜素子22の中央部であって、枠状となった基板11のくり抜かれた中央部上に位置する上部電極23が、流速検知電極31としても用いられる。圧電薄膜22上の中央部に位置する円板状の電極に上部電極23と流速検知電極31との両方の機能を実現するには、係る電極を、例えば電気的に分離された2枚の電極に分ければよい。あるいは、上部電極23の機能と流速検知電極31の機能とを所定時間ごとに分割した時分割式の電極としてもよい。同様に、上部電極23が備える引き出し配線23w、電極パッド23pも、流速検知電極31の引き出し配線31w、電極パッド31pとして用いることができる。   The flow velocity detection electrode 31 is formed at a predetermined position on the piezoelectric thin film 22, for example, at the center portion on the diaphragm 10d. That is, in the present embodiment, the upper electrode 23 located on the central portion of the piezoelectric thin film element 22 and on the central portion of the frame-shaped substrate 11 is also used as the flow velocity detection electrode 31. In order to realize the functions of both the upper electrode 23 and the flow velocity detection electrode 31 on the disk-shaped electrode located at the central portion on the piezoelectric thin film 22, the electrode is divided into, for example, two electrically separated electrodes. It can be divided into Or it is good also as a time-division type electrode which divided | segmented the function of the upper electrode 23 and the function of the flow velocity detection electrode 31 for every predetermined time. Similarly, the lead-out wiring 23w and the electrode pad 23p included in the upper electrode 23 can also be used as the lead-out wiring 31w and the electrode pad 31p of the flow velocity detection electrode 31.

方位検知電極32x,32yは、圧電薄膜22上の上部電極23(流速検知電極31)から離間した位置に、複数、例えば1対ずつ形成されている。   A plurality of, for example, a pair of azimuth detection electrodes 32x and 32y are formed at positions separated from the upper electrode 23 (flow velocity detection electrode 31) on the piezoelectric thin film 22.

方位検知電極32xは、例えば矩形状に形成された流速センサ1の一辺に平行な方向をx軸方向とし、他方の辺に平行な方向をy軸方向としたとき、上部電極23を挟んだダイアフラム10d上に、x軸方向に等距離離間して1つずつ形成されている。よって、方位検知電極32xは、上部電極23を通りy軸に平行な対称軸に対して対称、つまり、線対称となっている。同様に、方位検知電極32yは、上部電極23を挟んだダイアフラム10d上に、y軸方向に等距離離間して1つずつ形成されている。よって、方位検知電極32yは、上部電極23を通りx軸に平行な対称軸に対して対称、つまり、線対称となっている。   The direction detection electrode 32x is, for example, a diaphragm sandwiching the upper electrode 23 when the direction parallel to one side of the flow velocity sensor 1 formed in a rectangular shape is the x-axis direction and the direction parallel to the other side is the y-axis direction. 10d are formed one by one at equal distances in the x-axis direction. Therefore, the azimuth detection electrode 32x is symmetric with respect to an axis of symmetry passing through the upper electrode 23 and parallel to the y axis, that is, line symmetric. Similarly, the azimuth detection electrodes 32y are formed one by one on the diaphragm 10d with the upper electrode 23 sandwiched therebetween at equal distances in the y-axis direction. Therefore, the azimuth detection electrode 32y is symmetric with respect to an axis of symmetry passing through the upper electrode 23 and parallel to the x axis, that is, line symmetric.

すなわち、本実施形態においては、流体の方位検知に係る検知電極30(32x,32y)が、上部電極23を対称中心として対称となるように、つまり、点対称に2対形成されている。このように、流速センサ1は、多軸検知式センサ(ここでは、2軸検知式センサ)として構成される。   In other words, in the present embodiment, two pairs of detection electrodes 30 (32x, 32y) relating to fluid orientation detection are formed symmetrically with respect to the upper electrode 23 as a center of symmetry, that is, in point symmetry. Thus, the flow velocity sensor 1 is configured as a multi-axis detection sensor (here, a biaxial detection sensor).

また、1対の方位検知電極32xは、x軸方向に基板11の枠上へと延びる引き出し配線32wと、基板11の枠上に形成され、引き出し配線32wが接続される電極パッド32pとをそれぞれ備える。また、1対の方位検知電極32yは、y軸方向に基板11の枠上へと延びる引き出し配線32wと、基板11の枠上に形成され、引き出し配線32wが接続される電極パッド32pとをそれぞれ備える。   The pair of azimuth detection electrodes 32x includes an extraction wiring 32w extending on the frame of the substrate 11 in the x-axis direction and an electrode pad 32p formed on the frame of the substrate 11 and connected to the extraction wiring 32w. Prepare. The pair of azimuth detection electrodes 32y includes a lead wiring 32w extending on the frame of the substrate 11 in the y-axis direction and an electrode pad 32p formed on the frame of the substrate 11 and connected to the lead wiring 32w. Prepare.

方位検知電極32x,32y、引き出し配線32w、および電極パッド32pは、例えばPt膜等からなる。   The direction detection electrodes 32x and 32y, the lead wiring 32w, and the electrode pad 32p are made of, for example, a Pt film.

(2)流速センサの動作
続いて、本実施形態に係る流速センサ1の動作について、図2,3を用いて説明する。図2は、本実施形態に係る流速センサ1がプリント基板51に実装されてなる流速センサパッケージ2の動作説明図であって、(a)は流体との干渉が起きていない状態の流速センサパッケージ2の断面図であり、(b)は流体との干渉が起きている状態の流速センサパッケージ2の断面図である。図3は、本実施形態に係る流速センサ1の圧電薄膜素子20に発生する圧電効果の説明図であって、(a)は流体との干渉が起きていない状態での流速センサ1における圧電効果を示す図であり、(b)は流体との干渉が起きている状態での流速センサ1における圧電効果を示す図であり、(c)は交流電圧の周波数に応じて変化する圧電薄膜素子20の電圧の振幅を示すグラフである。
(2) Operation of Flow Rate Sensor Subsequently, the operation of the flow rate sensor 1 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is an operation explanatory diagram of the flow rate sensor package 2 in which the flow rate sensor 1 according to the present embodiment is mounted on the printed circuit board 51, and (a) is a flow rate sensor package in a state where no interference with the fluid occurs. FIG. 2B is a cross-sectional view of the flow velocity sensor package 2 in a state where interference with a fluid occurs. FIG. 3 is an explanatory diagram of the piezoelectric effect generated in the piezoelectric thin film element 20 of the flow rate sensor 1 according to the present embodiment. FIG. 3A is a piezoelectric effect in the flow rate sensor 1 in a state where no interference with the fluid occurs. (B) is a figure which shows the piezoelectric effect in the flow velocity sensor 1 in the state which has interfered with the fluid, (c) is the piezoelectric thin film element 20 which changes according to the frequency of an alternating voltage. It is a graph which shows the amplitude of voltage.

図2に示すように、流速センサ1は、例えば流速センサ1がプリント基板51に実装された流速センサパッケージ2の状態で使用される。プリント基板51に実装された状態では、流速センサ1の上部電極23等が形成された面は、プリント基板51側に向いている。また、流速センサ1の上部電極23、流速検知電極31、方位検知電極32x,32yが備える電極パッド23p,31p,32pと、圧電薄膜22の開口部22h内に露出した下部電極21とは、例えばハンダボール52を介してプリント基板51上の所定の電極等(図示せず)に接続されている。   As shown in FIG. 2, the flow rate sensor 1 is used in a state of a flow rate sensor package 2 in which the flow rate sensor 1 is mounted on a printed circuit board 51, for example. When mounted on the printed circuit board 51, the surface on which the upper electrode 23 and the like of the flow rate sensor 1 are formed faces the printed circuit board 51 side. The electrode pads 23p, 31p, 32p provided in the upper electrode 23, the flow velocity detection electrode 31, the direction detection electrodes 32x, 32y of the flow velocity sensor 1 and the lower electrode 21 exposed in the opening 22h of the piezoelectric thin film 22 are, for example, The solder balls 52 are connected to predetermined electrodes or the like (not shown) on the printed circuit board 51.

流速センサ1が備える上部電極23の電極パッド23pが接続されるプリント基板51上の電極は、例えば圧電薄膜素子20に高周波電圧等の交流電圧を印加する交流電源53に電気的に接続されている。また、流速センサ1が備える検知電極30の電極パッド31p,32pが接続されるプリント基板51上の電極は、例えば圧電薄膜素子20に発生した圧電効果を検知する検知手段54に電気的に接続されている。検知手段54は、電圧検出回路や電圧信号処理回路等から構成され、検知した電圧信号等を解析するコンピュータ等から構成される制御部(図示せず)に更に接続されている。また、流速センサ1の下部電極21が接続されるプリント基板51上の電極は、例えば接地されている。   The electrode on the printed circuit board 51 to which the electrode pad 23p of the upper electrode 23 provided in the flow velocity sensor 1 is connected is electrically connected to an AC power source 53 that applies an AC voltage such as a high frequency voltage to the piezoelectric thin film element 20, for example. . Further, the electrodes on the printed circuit board 51 to which the electrode pads 31p, 32p of the detection electrode 30 provided in the flow velocity sensor 1 are connected are electrically connected to, for example, detection means 54 that detects the piezoelectric effect generated in the piezoelectric thin film element 20. ing. The detection means 54 includes a voltage detection circuit, a voltage signal processing circuit, and the like, and is further connected to a control unit (not shown) including a computer that analyzes the detected voltage signal and the like. Moreover, the electrode on the printed circuit board 51 to which the lower electrode 21 of the flow velocity sensor 1 is connected is grounded, for example.

このように構成される流速センサパッケージ2は、測定に係る流体中に流速センサ1が備える柱状構造体11bを突出させた状態で設置される。このとき、流速センサパッケージ2は、図2に示すように柱状構造体11bを上方に向けた状態で所定の場所に静置してもよく、或いは、柱状構造体11bを水平方向に向けた状態で壁面等から下げたり、柱状構造体11bを下方に向けた状態で天井等から吊り下げたりしてもよい。   The flow rate sensor package 2 configured as described above is installed in a state in which the columnar structure 11b included in the flow rate sensor 1 is protruded from the measurement fluid. At this time, as shown in FIG. 2, the flow rate sensor package 2 may be left at a predetermined position with the columnar structure 11b facing upward, or the columnar structure 11b is directed horizontally. May be hung from the wall or the like, or suspended from the ceiling or the like with the columnar structure 11b facing downward.

以下に説明するように、流体中に置かれた柱状構造体11bは、流体の干渉を受けて流体の流れる向きに傾く。これにより、ダイアフラム10dに撓みが生じる。また、撓みの生じたダイアフラム10dは、その共振周波数に変化を生じる。圧電薄膜素子20は、ダイアフラム10d全体の共振周波数の変化から、流体の流速を検出する。また、圧電薄膜素子20は、ダイアフラム10dの撓みによる各点の応力状態から、流体の流れる向きを検出する。   As described below, the columnar structure 11b placed in the fluid is tilted in the direction in which the fluid flows due to the interference of the fluid. As a result, the diaphragm 10d is bent. Moreover, the diaphragm 10d in which the bending has occurred changes its resonance frequency. The piezoelectric thin film element 20 detects the fluid flow velocity from the change in the resonance frequency of the entire diaphragm 10d. In addition, the piezoelectric thin film element 20 detects the direction of fluid flow from the stress state at each point due to the deflection of the diaphragm 10d.

(柱状構造体と流体との干渉)
まずは、流体の干渉を受けた柱状構造体11bが傾く様子について説明する。
(Interference between columnar structure and fluid)
First, a state in which the columnar structure 11b that receives fluid interference is tilted will be described.

図2(a)に示すように、流速センサパッケージ2が設置された流体中に動きがないとき、つまり、「無風」状態等で流体が停滞しているようなときは、流速センサ1が備える柱状構造体11bと流体とに干渉は生じない。また、柱状構造体11bが接続されたダイアフラム10dには、柱状構造体11bからの応力はほとんど加わっていない。   As shown in FIG. 2A, when there is no movement in the fluid in which the flow rate sensor package 2 is installed, that is, when the fluid is stagnating in a “no wind” state or the like, the flow rate sensor 1 is provided. There is no interference between the columnar structure 11b and the fluid. Moreover, the stress from the columnar structure 11b is hardly applied to the diaphragm 10d to which the columnar structure 11b is connected.

図2(b)に示すように、流速センサパッケージ2が設置された流体に流れが生じているときは、流速センサ1が備える柱状構造体11bと流体とに干渉が生じる。例えば流体が、流速センサ1のx軸方向に沿って、図2(b)の紙面の左から右へと流れているときは(図中の白抜き矢印)、柱状構造体11bは、流体との干渉により曲げ変形を起こし、紙面右方向へと傾く。   As shown in FIG. 2B, when a flow is generated in the fluid in which the flow rate sensor package 2 is installed, interference occurs between the columnar structure 11b included in the flow rate sensor 1 and the fluid. For example, when the fluid flows from the left to the right of the sheet of FIG. 2B along the x-axis direction of the flow velocity sensor 1 (the white arrow in the figure), the columnar structure 11b It causes bending deformation due to interference and tilts to the right of the page.

このように柱状構造体11bが傾くと、柱状構造体11bが接続されたダイアフラム10dには撓みが生じる。よって、柱状構造体11bを挟んで流体の上流側(紙面左側)では、ダイアフラム10dは、流体の下流側(紙面右側)へと引っ張られて引張応力を受ける。また、柱状構造体11bを挟んで流体の下流側では、ダイアフラム10dは流体の上流側から圧縮されて圧縮応力を受ける。   When the columnar structure 11b is tilted in this way, the diaphragm 10d to which the columnar structure 11b is connected is bent. Therefore, on the upstream side (the left side of the drawing) of the fluid across the columnar structure 11b, the diaphragm 10d is pulled toward the downstream side (the right side of the drawing) of the fluid and receives tensile stress. Further, on the downstream side of the fluid across the columnar structure 11b, the diaphragm 10d is compressed from the upstream side of the fluid and receives a compressive stress.

(流体の流速の検出)
ダイアフラム10dに応力が加わっていない状態と、加わっている状態とを、圧電薄膜素子20に発生する圧電効果として検出する様子を示したのが図3である。上述の通り、圧電効果から判別されるダイアフラム10dの状態には、ダイアフラム10dの共振周波数の変化と、ダイアフラム10dの撓みによる各点の応力状態とがある。
(Detection of fluid flow rate)
FIG. 3 shows a state in which a state in which no stress is applied to the diaphragm 10d and a state in which the diaphragm 10d is applied are detected as a piezoelectric effect generated in the piezoelectric thin film element 20. As described above, the state of the diaphragm 10d determined from the piezoelectric effect includes a change in the resonance frequency of the diaphragm 10d and a stress state at each point due to the deflection of the diaphragm 10d.

まずは、圧電効果によりダイアフラム10dの共振周波数の変化を検出する場合について、図3(a)〜(c)を用いて説明する。   First, a case where a change in the resonance frequency of the diaphragm 10d is detected by the piezoelectric effect will be described with reference to FIGS.

上述のように、ダイアフラム10dは、応力が加わっていない状態で所定の共振周波数fを有する。また、柱状構造体11bと流体とが干渉することで上記のような引張応力および圧縮応力が加わると、ダイアフラム10dは、ダイアフラム10d全体としての応力の状態に応じて、上記所定の共振周波数fとは異なる共振周波数f’を有することとなる。 As described above, the diaphragm 10d has a predetermined resonant frequency f R in a state where stress is not applied. Further, when the tensile stress and the compressive stress as described above are applied by the interference between the columnar structure 11b and the fluid, the diaphragm 10d has the predetermined resonance frequency f R according to the state of the stress of the diaphragm 10d as a whole. And have a different resonance frequency f R ′.

本実施形態に係る流速センサ1は、ダイアフラム10dに応力が加わっていないときの共振周波数fと、応力が加わっているときの共振周波数f’と、の差分Δfを測定することで、流体の流速を検出するよう構成される。 Flow sensor 1 according to this embodiment, by measuring the resonance frequency f R when no stress is applied to the diaphragm 10d, the resonance frequency f R 'when stress is applied, the difference Delta] f R, It is configured to detect the flow rate of the fluid.

具体的には、交流電源53から上部電極23を介して圧電薄膜素子20に交流電圧を印加し、その周波数を変化させていくと、圧電薄膜素子20は印加される交流電圧の周波数に応じた振動周波数で自身が振動する。これにより、圧電薄膜素子20は、ダイアフラム10dを振動させる。   Specifically, when an AC voltage is applied from the AC power source 53 to the piezoelectric thin film element 20 via the upper electrode 23 and the frequency is changed, the piezoelectric thin film element 20 corresponds to the frequency of the applied AC voltage. Vibrates itself at the vibration frequency. Thereby, the piezoelectric thin film element 20 vibrates the diaphragm 10d.

ダイアフラム10dは、圧電薄膜素子20の振動周波数に応じて自身の振動の大きさ、つまり振幅を変化させていく。圧電薄膜素子20の振動周波数がダイアフラム10dの共振周波数と等しくなったとき、振幅が最大となる。   The diaphragm 10d changes the magnitude of its own vibration, that is, the amplitude, according to the vibration frequency of the piezoelectric thin film element 20. When the vibration frequency of the piezoelectric thin film element 20 becomes equal to the resonance frequency of the diaphragm 10d, the amplitude becomes maximum.

そして今度は、ダイアフラム10dの振幅が圧電薄膜素子20に伝わる。つまり、ダイアフラム10dの振動により、圧電薄膜素子20の振動面20sがその振動の振幅に応じた大きさの応力を受けることで、圧電薄膜素子20に圧電効果が発生する。これが、圧電薄膜素子20が備える流速検知電極31を介し、振動の振幅に応じた電圧の振幅として検知手段54により検知される。   This time, the amplitude of the diaphragm 10 d is transmitted to the piezoelectric thin film element 20. That is, the vibration effect of the diaphragm 10d causes the vibration surface 20s of the piezoelectric thin film element 20 to receive a stress having a magnitude corresponding to the amplitude of the vibration, thereby generating a piezoelectric effect in the piezoelectric thin film element 20. This is detected by the detection means 54 as the amplitude of the voltage corresponding to the amplitude of vibration through the flow velocity detection electrode 31 provided in the piezoelectric thin film element 20.

図3(c)に、圧電薄膜素子20に印加する交流電圧の周波数に応じて、圧電薄膜素子20に発生する電圧の振幅が変化するグラフを示す。グラフの横軸は、圧電薄膜素子20に印加される交流電圧の周波数であり、縦軸は、圧電薄膜素子20に発生する電圧の振幅である。また、ダイアフラム10dに応力が加わっていないときの電圧の振幅の変化を実線で示し、応力が加わっているときの電圧の振幅の変化を破線で示す。   FIG. 3C shows a graph in which the amplitude of the voltage generated in the piezoelectric thin film element 20 changes according to the frequency of the AC voltage applied to the piezoelectric thin film element 20. The horizontal axis of the graph is the frequency of the alternating voltage applied to the piezoelectric thin film element 20, and the vertical axis is the amplitude of the voltage generated in the piezoelectric thin film element 20. A change in voltage amplitude when no stress is applied to the diaphragm 10d is indicated by a solid line, and a change in voltage amplitude when a stress is applied is indicated by a broken line.

図3(c)に示すように、圧電薄膜素子20に印加する交流電圧の周波数に応じて、圧電薄膜素子20に発生する電圧の振幅が変化していく。係る電圧の振幅が最大となる振動周波数が、それぞれの応力状態におけるダイアフラム10dの共振周波数f,f’である。 As shown in FIG. 3C, the amplitude of the voltage generated in the piezoelectric thin film element 20 changes according to the frequency of the alternating voltage applied to the piezoelectric thin film element 20. The vibration frequency at which the amplitude of the voltage is maximum is the resonance frequencies f R and f R ′ of the diaphragm 10d in each stress state.

すなわち、図3(a)に示すように、流体が停滞して柱状構造体11bと流体とが干渉しておらず、ダイアフラム10dに応力が加わっていないとき、圧電薄膜素子20の流速検知電極31を介して検知される電圧の振幅が最大となる振動周波数が、共振周波数fとして特定される。 That is, as shown in FIG. 3A, when the fluid stagnates, the columnar structure 11b does not interfere with the fluid, and no stress is applied to the diaphragm 10d, the flow velocity detection electrode 31 of the piezoelectric thin film element 20 the amplitude of the voltage sensed via the vibration frequency becomes maximum, it is identified as the resonance frequency f R.

また、図3(b)に示すように、流体に流れが生じて柱状構造体11bと流体とが干渉し、ダイアフラム10dに応力が加わっているとき、圧電薄膜素子20の流速検知電極31を介して検知される電圧の振幅が最大となる振動周波数、つまり、共振周波数f’が特定される。 Further, as shown in FIG. 3B, when a flow occurs in the fluid, the columnar structure 11b interferes with the fluid, and stress is applied to the diaphragm 10d, the flow rate detection electrode 31 of the piezoelectric thin film element 20 is interposed. The vibration frequency at which the amplitude of the detected voltage is maximum, that is, the resonance frequency f R ′ is specified.

このように特定された共振周波数f,f’の差分Δfを測定することで、ダイアフラム10dに加わる応力の大きさを算出する。また、算出されたダイアフラム10dの応力の大きさから、流体の干渉を受けた柱状構造体11bの傾きが判り、柱状構造体11bに干渉する流体の流速を検出することができる。 The magnitude of the stress applied to the diaphragm 10d is calculated by measuring the difference Δf R between the resonance frequencies f R and f R ′ thus specified. Further, the inclination of the columnar structure 11b that has received the fluid interference can be determined from the calculated magnitude of the stress of the diaphragm 10d, and the flow velocity of the fluid that interferes with the columnar structure 11b can be detected.

なお、ダイアフラム10dに応力が加わっていないときの共振周波数fや、図3(c)に実線で示す周波数変化と電圧の振幅との関係は、既知の値として、予め、検知手段54に接続される制御部等に記憶されていてもよい。流速を測定する際には、係る既知の値を、実際の測定値と比較することで、そのときの流速を算出することができる。 Note that the resonance frequency f R when no stress is applied to the diaphragm 10d and the relationship between the frequency change and the voltage amplitude indicated by the solid line in FIG. 3C are connected to the detection means 54 in advance as known values. May be stored in a control unit or the like. When measuring the flow velocity, the flow velocity at that time can be calculated by comparing the known value with an actual measurement value.

(流体の方位の検出)
次に、圧電効果によりダイアフラム10dの撓みによる各点の応力状態を検出する場合について、図3(a)、(b)を用いて説明する。
(Detection of fluid direction)
Next, the case where the stress state at each point due to the deflection of the diaphragm 10d is detected by the piezoelectric effect will be described with reference to FIGS.

上述のように、流体と干渉して柱状構造体11bが傾き、撓みが生じたダイアフラム10dは、柱状構造体11bを挟んで流体の上流側が下流側へと引っ張られ、下流側が上流側から圧縮された状態となっている。これが、振動面20sを介して圧電薄膜素子20に伝わり、流体の上流側に置かれた方位検知電極32x近傍の圧電薄膜22は、引張応力を受ける。また、流体の下流側に置かれた方位検知電極32x近傍の圧電薄膜22は、圧縮応力を受ける。   As described above, in the diaphragm 10d in which the columnar structure 11b is tilted due to interference with the fluid and is bent, the upstream side of the fluid is pulled to the downstream side across the columnar structure 11b, and the downstream side is compressed from the upstream side. It is in the state. This is transmitted to the piezoelectric thin film element 20 through the vibration surface 20s, and the piezoelectric thin film 22 near the orientation detection electrode 32x placed on the upstream side of the fluid receives tensile stress. Further, the piezoelectric thin film 22 in the vicinity of the orientation detection electrode 32x placed on the downstream side of the fluid receives compressive stress.

本実施形態に係る流速センサ1は、圧電薄膜素子20に発生する圧電効果として方位検知電極32x,32yを介して検知される電圧の正負をそれぞれ判別することで、流体の流れる向きを検出するよう構成される。なお、流体の流速の検出と流れる方向の検出とは、時間を分けて別々に行うことができる。或いは、並行して行ってもよい。   The flow velocity sensor 1 according to the present embodiment detects the direction in which the fluid flows by discriminating between positive and negative voltages detected via the direction detection electrodes 32x and 32y as the piezoelectric effect generated in the piezoelectric thin film element 20. Composed. The detection of the flow rate of the fluid and the detection of the direction of flow can be performed separately at different times. Or you may carry out in parallel.

圧電薄膜素子20を構成する圧電薄膜22は、図3(a)に示すように、応力を受けていない状態では電圧を生じない。よって、方位検知電極32xから検知される電圧は、ゼロ電圧Vx(0)である。もしくは、各方位検知電極32x間の電圧差がゼロ(0)である。また、流速の検出と並行して流体の流れる方向の検出を行う場合、ダイアフラム10d自体が振動しているため、方位検知電極32xは、厳密には、この振動に応じた正もしくは負の電圧を発生する。しかし、流体による応力を受けていない状態においては、ダイアフラム10dの振動の対称性がx軸上、y軸上等の各所で保たれているため、対となる電極間の電圧差はゼロ(0)となる。   As shown in FIG. 3A, the piezoelectric thin film 22 constituting the piezoelectric thin film element 20 does not generate a voltage when it is not subjected to stress. Therefore, the voltage detected from the direction detection electrode 32x is the zero voltage Vx (0). Alternatively, the voltage difference between the orientation detection electrodes 32x is zero (0). Further, when detecting the direction in which the fluid flows in parallel with the detection of the flow velocity, since the diaphragm 10d itself vibrates, the direction detection electrode 32x strictly applies a positive or negative voltage corresponding to the vibration. Occur. However, in a state where the stress due to the fluid is not received, since the symmetry of the vibration of the diaphragm 10d is maintained in various places such as on the x axis and the y axis, the voltage difference between the paired electrodes is zero (0 )

一方で、図3(b)に示すように、圧電薄膜22が所定の応力を受けるとx軸上における対称性が崩れる。すなわち、圧電薄膜22は、引張応力を受けると圧電効果により例えば負の電圧Vx(−)を生じ、方位検知電極32xから検知されるよう構成される。また、圧縮応力を受けると圧電効果により例えば正の電圧Vx(+)を生じ、方位検知電極32xから検知されるよう構成される。なお、引張応力および圧縮応力により生じる電圧は、上記とは正負が逆になるよう構成されていてもよい。   On the other hand, as shown in FIG. 3B, when the piezoelectric thin film 22 receives a predetermined stress, the symmetry on the x-axis is lost. That is, the piezoelectric thin film 22 is configured to generate, for example, a negative voltage Vx (−) due to the piezoelectric effect when it receives a tensile stress, and to be detected from the orientation detection electrode 32x. Further, when a compressive stress is applied, for example, a positive voltage Vx (+) is generated due to the piezoelectric effect and is detected from the direction detection electrode 32x. The voltage generated by the tensile stress and the compressive stress may be configured so that the positive and negative are reversed.

なお、上記の例のように、流体の流れる向きが流速センサ1のx軸と平行であれば、y軸上における対称性は保たれる。すなわち、x軸に平行な対称軸に対して対称に、上部電極23を挟んで形成された1対の方位検知電極32yからは、正負の符号が同一で、大きさが等しい電圧値が検知される。   As in the above example, if the direction of fluid flow is parallel to the x-axis of the flow velocity sensor 1, symmetry on the y-axis is maintained. That is, voltage values having the same positive and negative signs and the same magnitude are detected from a pair of azimuth detection electrodes 32y formed across the upper electrode 23 symmetrically with respect to the symmetry axis parallel to the x axis. The

以上のことから、流体の流れる向き、つまり、この場合においては、流速センサ1のx軸方向に沿って、図3(b)の紙面の左から右へと流体が流れていることが検出される。流体の流れる向きが、x軸やy軸と平行ではない場合であっても、方位検知電極32x,32yを介して検知される電圧の大小関係について、方位検知電極32x,32yの位置関係に照らしてベクトル合成等を行うことで、流体の流れる向きを検出することができる。また、流体の流れる向きが、流速センサパッケージ2の設置面に対して水平ではないとき(z成分を有するとき)、つまり、流体が柱状構造体の長手方向と垂直に当たっていないときには、方位検知電極32x,32yを介して検知される電圧のベクトル合成等から得た流速の見積もり値と、上述の流速検知電極31を介して検知される電圧から得た流速のより正確な値と、を比較することで、流体の流れる向きのz成分を割り出すことができる。これにより、流体の流れる向きを検出することができる。   From the above, it is detected that the fluid flows from the left to the right of the paper surface of FIG. 3B along the flow direction of the fluid, that is, in this case, along the x-axis direction of the flow velocity sensor 1. The Even when the direction in which the fluid flows is not parallel to the x-axis or y-axis, the magnitude relationship between the voltages detected via the direction detection electrodes 32x and 32y is in light of the positional relationship between the direction detection electrodes 32x and 32y. By performing vector synthesis etc., the direction of fluid flow can be detected. Further, when the direction in which the fluid flows is not horizontal with respect to the installation surface of the flow velocity sensor package 2 (when it has a z component), that is, when the fluid does not hit the longitudinal direction of the columnar structure, the orientation detection electrode 32x , 32y is compared with the estimated value of the flow velocity obtained from the vector synthesis of the voltage detected via 32y and the more accurate value of the flow velocity obtained from the voltage detected via the flow velocity detection electrode 31 described above. Thus, the z component in the direction in which the fluid flows can be determined. Thereby, the direction in which the fluid flows can be detected.

(3)流速センサの製造方法
次に、本実施形態に係る流速センサ1の製造方法について、図4,5を用いて説明する。図4,5はそれぞれ、本実施形態に係る流速センサ1の製造方法を断面図で示す工程図(その1、その2)である。
(3) Manufacturing method of flow velocity sensor Next, the manufacturing method of the flow velocity sensor 1 which concerns on this embodiment is demonstrated using FIG. 4 and 5 are process diagrams (part 1 and part 2) illustrating the method of manufacturing the flow velocity sensor 1 according to the present embodiment in cross-sectional views.

(基板の準備工程)
まず、図4(a)に示すように、例えばSi等からなり、SiO膜12とSi膜13とがこの順に積層された基板11を準備する。このとき、SiO膜12とSi膜13とを備える基板11として、例えばSi基板上に絶縁膜としてのシリコン熱酸化膜と、上面が(001)面等である単結晶Si膜と、を備えたSOI(Silicon On Insulator)ウエハを用いてもよい。
(Preparation process of substrate)
First, as shown in FIG. 4A, a substrate 11 made of, for example, Si and having a SiO 2 film 12 and a Si film 13 laminated in this order is prepared. At this time, the substrate 11 including the SiO 2 film 12 and the Si film 13 includes, for example, a silicon thermal oxide film as an insulating film on a Si substrate, and a single crystal Si film whose upper surface is a (001) plane or the like. Alternatively, an SOI (Silicon On Insulator) wafer may be used.

(積層膜の形成工程)
図4(b)に示すように、準備した基板11上に、下部電極21と圧電薄膜22とをこの順に積層して、積層基板3を製造する。
(Laminated film formation process)
As shown in FIG. 4B, the lower substrate 21 and the piezoelectric thin film 22 are laminated in this order on the prepared substrate 11 to manufacture the laminated substrate 3.

具体的には、高周波(RF:Radio Frequency)と磁石とを用いてプラズマを励起させるRFマグネトロンスパッタリング法などにより、基板11のSi膜13上にPt膜等からなる下部電極21を形成する。このとき、TiやTa等からなる密着層を、スパッタリング法などによりSi膜13上に予め形成しておいてもよい。   Specifically, the lower electrode 21 made of a Pt film or the like is formed on the Si film 13 of the substrate 11 by, for example, an RF magnetron sputtering method in which plasma is excited using a radio frequency (RF) and a magnet. At this time, an adhesion layer made of Ti, Ta, or the like may be formed on the Si film 13 in advance by a sputtering method or the like.

例えば、上面が(001)面である単結晶Si膜からSi膜13を構成し、この上にPt膜を成膜することで、Ptの自己配向性により、上面が(111)面に優先配向した下部電極21が得られ易い。また、予め密着層を形成しておくことで、Si膜13と下部電極21との密着性を高めることができる。   For example, by forming the Si film 13 from a single crystal Si film whose upper surface is the (001) plane and forming a Pt film thereon, the upper surface is preferentially oriented to the (111) plane due to the self-orientation property of Pt. The lower electrode 21 is easily obtained. Further, by forming an adhesion layer in advance, the adhesion between the Si film 13 and the lower electrode 21 can be enhanced.

このように形成された下部電極21上に、RFマグネトロンスパッタリング法などにより、例えば(K1−XNa)NbO等からなる圧電薄膜22を形成する。 On the lower electrode 21 thus formed, a piezoelectric thin film 22 made of, for example, (K 1-X Na X ) NbO 3 or the like is formed by an RF magnetron sputtering method or the like.

このとき、例えばペロブスカイト構造を有し、上面が(001)面に優先配向した圧電薄膜22が得られるよう、基板温度や、高周波による放電電力、スパッタリング用ガスの種類や混合比、スパッタリング用チャンバ内の圧力等の条件を調整する。本実施形態においては、下地の下部電極21を上面が(111)面に優先配向したPt膜から構成しているので、所望の結晶構造を有する圧電薄膜22が、いっそう得られ易い。   At this time, for example, the substrate temperature, the discharge power due to the high frequency, the type and mixing ratio of the sputtering gas, the inside of the sputtering chamber, so as to obtain the piezoelectric thin film 22 having a perovskite structure and the upper surface preferentially oriented to the (001) plane. Adjust the pressure and other conditions. In the present embodiment, since the underlying lower electrode 21 is composed of a Pt film whose upper surface is preferentially oriented in the (111) plane, the piezoelectric thin film 22 having a desired crystal structure is more easily obtained.

次に、圧電薄膜22に開口部22hを設けて下部電極21を露出させる。   Next, an opening 22 h is provided in the piezoelectric thin film 22 to expose the lower electrode 21.

具体的には、圧電薄膜22上にレジストパターンを形成し、スパッタリング及びリフトオフ等により、図4(c)に示すように、クロム(Cr)等からなるマスクパターン41mを形成する。   Specifically, a resist pattern is formed on the piezoelectric thin film 22, and a mask pattern 41m made of chromium (Cr) or the like is formed by sputtering, lift-off, or the like as shown in FIG.

続いて、マスクパターン41mをマスクとするウェットエッチング等により、図4(d)に示すように、下部電極21が露出した開口部22hを圧電薄膜22に形成する。開口部22hを形成した後、マスクパターン41mを除去する。   Subsequently, as shown in FIG. 4D, an opening 22h where the lower electrode 21 is exposed is formed in the piezoelectric thin film 22 by wet etching or the like using the mask pattern 41m as a mask. After the opening 22h is formed, the mask pattern 41m is removed.

(上部電極および検知電極の形成工程)
次に、上部電極23(流速検知電極31)および方位検知電極32x,32yを、圧電薄膜22上の所定位置にそれぞれ形成する。
(Upper electrode and detection electrode formation process)
Next, the upper electrode 23 (flow velocity detection electrode 31) and the orientation detection electrodes 32x and 32y are formed at predetermined positions on the piezoelectric thin film 22, respectively.

具体的には、図4(e)に示すように、開口部22hが設けられた圧電薄膜22上に、開口部22hを覆うようにレジストパターン42rを形成する。   Specifically, as shown in FIG. 4E, a resist pattern 42r is formed on the piezoelectric thin film 22 provided with the opening 22h so as to cover the opening 22h.

このレジストパターン42rをマスクとするPt等のスパッタリング及びリフトオフ等により、図4(f)に示すように、上部電極23(流速検知電極31)、方位検知電極32x,32yと、これらに接続される引き出し配線23w,31w,32wおよび電極パッド23p,31p,32pとをそれぞれ形成する(一部のみ図示)。   As shown in FIG. 4 (f), the upper electrode 23 (flow velocity detection electrode 31) and the orientation detection electrodes 32x and 32y are connected to these by sputtering and lift-off of Pt or the like using the resist pattern 42r as a mask. Lead wires 23w, 31w, 32w and electrode pads 23p, 31p, 32p are formed respectively (only a part is shown).

以上により、上部電極23(流速検知電極31)および方位検知電極32x,32yが形成されると共に、圧電薄膜素子20が形成される。   Thus, the upper electrode 23 (flow velocity detection electrode 31) and the orientation detection electrodes 32x and 32y are formed, and the piezoelectric thin film element 20 is formed.

なお、上部電極23等の形成工程に先駆けて、TiやTaからなる密着層を形成しておいてもよい。   Prior to the formation process of the upper electrode 23 and the like, an adhesion layer made of Ti or Ta may be formed.

また、図4(f)には、各電極23(31),32x,32yや電極パッド23p,31p,32pを明示するため、これらを引き出し配線23w,31w,32wよりも高く描き表わしたが(23(31),32p,32wのみ図示)、これらの構成は、全て略同じ高さとなっていてもよい。あるいは、各電極23,31,32x,32yや電極パッド23p,31p,32p上にのみ、さらにスパッタリングやメッキ等を施して、図4(f)に示すように、引き出し配線23w,31w,32wから突出させ、電気的接続を一層向上させてもよい。例えば、圧電素子20とプリント基板51との接続に、一般的なワイヤボンディング等を用いる場合には、一般的な例に倣って、電極パッド23p,31p,32pに金(Au)等を蒸着する。   Further, in FIG. 4F, the electrodes 23 (31), 32x, 32y and the electrode pads 23p, 31p, 32p are shown to be higher than the lead wires 23w, 31w, 32w in order to clearly show them. 23 (31), 32p, and 32w only), all of these configurations may be substantially the same height. Alternatively, sputtering or plating is further performed only on the electrodes 23, 31, 32x, 32y and the electrode pads 23p, 31p, 32p, and the lead wires 23w, 31w, 32w are used as shown in FIG. It may be projected to further improve the electrical connection. For example, when general wire bonding or the like is used for connection between the piezoelectric element 20 and the printed circuit board 51, gold (Au) or the like is deposited on the electrode pads 23p, 31p, and 32p according to a general example. .

(柱状構造体の形成工程)
続いて、基板11を枠状にくり抜いて、圧電薄膜素子20の振動面22sから突出する柱状構造体11bを形成する。また、このとき、枠状の基板11に周囲を支持されたダイアフラム10dも形成される。係る工程は、例えば、Siの深掘りエッチング等、バルクマイクロマシニング技術を用いて行われる。
(Columnar structure forming process)
Subsequently, the substrate 11 is cut out in a frame shape to form a columnar structure 11 b protruding from the vibration surface 22 s of the piezoelectric thin film element 20. At this time, a diaphragm 10d whose periphery is supported by the frame-shaped substrate 11 is also formed. Such a process is performed using a bulk micromachining technique such as deep Si etching.

まずは、柱状構造体11bや枠状の基板11を所定形状に仕上げるため、マスクパターン43m,46mを形成する。   First, mask patterns 43m and 46m are formed in order to finish the columnar structure 11b and the frame-shaped substrate 11 into a predetermined shape.

具体的には、図5(a)に示すように、基板11の下面、つまり、圧電薄膜素子20の形成面とは反対側の面に、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)等によりSiO膜43を形成し、更に、SiO膜43上にレジストパターン44rを形成する。 Specifically, as shown in FIG. 5A, the SiO 2 film 43 is formed on the lower surface of the substrate 11, that is, on the surface opposite to the surface on which the piezoelectric thin film element 20 is formed, by plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) or the like. Further, a resist pattern 44 r is formed on the SiO 2 film 43.

引き続き、図5(b)に示すように、レジストパターン44rをマスクとするウェットエッチング等により、SiO膜43をエッチングしてマスクパターン43mを形成する。その後、レジストパターン44rを除去する。 Subsequently, as shown in FIG. 5B, the SiO 2 film 43 is etched by wet etching or the like using the resist pattern 44r as a mask to form a mask pattern 43m. Thereafter, the resist pattern 44r is removed.

次に、図5(c)に示すように、基板11の下面側に、レジストパターン45rを形成し、このレジストパターン45rをマスクとするスパッタリング及びリフトオフ等により、マスクパターン43m上および基板11の露出した下面に、Cr等からなるマスクパターン46mを形成する。マスクパターン46mの形成後、レジストパターン45rを除去した後(リフトオフ後)の様子を、図5(d)に示す。   Next, as shown in FIG. 5C, a resist pattern 45r is formed on the lower surface side of the substrate 11, and the exposure on the mask pattern 43m and the substrate 11 is performed by sputtering, liftoff, or the like using the resist pattern 45r as a mask. A mask pattern 46m made of Cr or the like is formed on the lower surface. FIG. 5D shows a state after the mask pattern 46m is formed and the resist pattern 45r is removed (after lift-off).

続いて、このように形成されたマスクパターン43m,46mを用いて柱状構造体11bや枠状の基板11を形成する。   Subsequently, the columnar structure 11b and the frame-shaped substrate 11 are formed using the mask patterns 43m and 46m thus formed.

具体的には、図5(e)に示すように、マスクパターン46mをマスクとするSiの深掘りエッチングにより、柱状構造体11bの形成予定箇所を保護しつつ、基板11の中央部を厚さ方向の途中までエッチングする。   Specifically, as shown in FIG. 5E, the central portion of the substrate 11 is thickened while protecting the planned formation portion of the columnar structure 11b by deep etching of Si using the mask pattern 46m as a mask. Etch halfway in the direction.

ここで、図5(f)に示すように、マスクパターン46mを除去した後、引き続き、マスクパターン43mをマスクとするSiの深掘りエッチングにより、柱状構造体11bの形成予定箇所を除く、基板11の下面全面をエッチングする。このとき、基板11の上面に形成されたSiO膜12を下地エッチストップ膜として用い、基板11の中央部のSiO膜12が露出するまでエッチングを継続する。 Here, as shown in FIG. 5 (f), after removing the mask pattern 46m, the substrate 11 is continuously removed by Si deep etching using the mask pattern 43m as a mask, except for the portions where the columnar structures 11b are to be formed. Etch the entire lower surface of. At this time, the SiO 2 film 12 formed on the upper surface of the substrate 11 is used as a base etch stop film, and etching is continued until the SiO 2 film 12 at the center of the substrate 11 is exposed.

これにより、図5(g)に示すように、基板11は、中央部がくり抜かれた枠状となる。基板11の中央部には、エッチングされずに残ったSiO膜12とSi膜13とからなるダイアフラム10dが形成される。また、当初、マスクパターン46mにより保護されていた基板11の外周部が途中までエッチングされることで、基板11の外周部の高さより突出した柱状構造体11bが形成される。 As a result, as shown in FIG. 5G, the substrate 11 has a frame shape with the central portion cut out. A diaphragm 10 d composed of the SiO 2 film 12 and the Si film 13 remaining without being etched is formed at the center of the substrate 11. Moreover, the columnar structure 11b which protrudes from the height of the outer peripheral part of the board | substrate 11 is formed by etching the outer peripheral part of the board | substrate 11 protected by the mask pattern 46m to the middle.

以上により、本実施形態に係る流速センサ1が製造される。   As described above, the flow rate sensor 1 according to the present embodiment is manufactured.

(4)本実施形態の変形例
本実施形態の変形例に係る流速センサでは、流体の流速の検出時、ダイアフラムの共振周波数の変化ではなく、交流電圧の所定周波数におけるダイアフラムの振幅の変化により流体の流速を検出する点が、上述の実施形態とは異なる。
(4) Modified example of the present embodiment In the flow rate sensor according to the modified example of the present embodiment, when detecting the flow rate of the fluid, not the change in the resonance frequency of the diaphragm but the change in the amplitude of the diaphragm at the predetermined frequency of the alternating voltage. The point which detects the flow velocity of is different from the above-mentioned embodiment.

本変形例に係る流速センサの動作について、図6を用いて説明する。図6は、本変形例に係る流速センサの圧電薄膜素子に発生する圧電効果の説明図であって、(a)は流体との干渉が起きていない状態での流速センサにおける圧電効果を示す図であり、(b)は流体との干渉が起きている状態での流速センサにおける圧電効果を示す図であり、(c)は交流電圧の周波数に応じて変化する圧電薄膜素子の電圧の振幅を示すグラフである。   The operation of the flow velocity sensor according to this modification will be described with reference to FIG. FIG. 6 is an explanatory diagram of the piezoelectric effect generated in the piezoelectric thin film element of the flow rate sensor according to this modification, and FIG. 6A is a diagram showing the piezoelectric effect in the flow rate sensor in a state where no interference with the fluid occurs. (B) is a diagram showing the piezoelectric effect in the flow velocity sensor in a state where interference with the fluid occurs, and (c) shows the amplitude of the voltage of the piezoelectric thin film element that changes according to the frequency of the AC voltage. It is a graph to show.

本変形例においても、上述の実施形態と同様の構成を備える流速センサ1や流速センサパッケージ2を用い、流体の流速を検出することができる。具体的には、応力がないときのダイアフラム10dの共振周波数fにあたる周波数の電圧を、交流電源53から上部電極23を介して圧電薄膜素子20に印加する。圧電薄膜素子20には、係る周波数に応じた圧電効果、すなわち、電圧の振幅が生じ、これが流速検知電極31を介して検知手段54により検知される。 Also in this modification, the flow velocity of the fluid can be detected using the flow velocity sensor 1 and the flow velocity sensor package 2 having the same configuration as that of the above-described embodiment. Specifically, the frequency of the voltage corresponding to the resonance frequency f R of the diaphragm 10d of the absence stress, applied to the piezoelectric thin film element 20 from the AC power supply 53 via an upper electrode 23. A piezoelectric effect corresponding to the frequency, that is, a voltage amplitude is generated in the piezoelectric thin film element 20, and this is detected by the detection means 54 via the flow velocity detection electrode 31.

上述の通り、ダイアフラム10dに応力が加わると、応力がないときのダイアフラム10dの共振周波数fとは異なる共振周波数f’を有する。これに伴い、図6(c)に示すように、共振周波数fにあたる周波数の電圧を印加しても、圧電薄膜素子20の電圧は、応力がないときの最大の振幅Aとはならず、所定の振幅A’にまで低下してしまう。 As described above, when the stress is applied to the diaphragm 10d, having different resonant frequencies f R 'is a resonant frequency f R of the diaphragm 10d of the absence stress. Accordingly, as shown in FIG. 6 (c), even by applying a voltage having a frequency corresponding to the resonance frequency f R, the voltage of the piezoelectric thin-film element 20 is not the maximum amplitude A R of the absence stress To a predetermined amplitude A R ′.

すなわち、図6(a)に示すように、流体が停滞して柱状構造体11bと流体とが干渉しておらず、ダイアフラム10dに応力が加わっていないとき、共振周波数fの電圧が印加された圧電薄膜素子20の流速検知電極31を介して検知される電圧は最大の振幅Aを示す。 That is, as shown in FIG. 6 (a), does not interfere with columnar structure 11b and the fluid fluid is stagnant, when no stress is applied to the diaphragm 10d, a voltage of the resonance frequency f R is applied voltage sensed through the flow velocity sensing electrodes 31 of the piezoelectric thin-film element 20 exhibits a maximum amplitude a R.

また、図6(b)に示すように、流体に流れが生じて柱状構造体11bと流体とが干渉し、ダイアフラム10dに応力が加わっているとき、共振周波数fの電圧が印加された圧電薄膜素子20の流速検知電極31を介して検知される電圧は最大の振幅Aから所定量低下した振幅A’を示す。 Further, as shown in FIG. 6 (b), interfere with columnar structure 11b and fluid flow occurs in the fluid, when the stress is applied to the diaphragm 10d, a piezoelectric voltage of the resonance frequency f R is applied voltage sensed through the flow velocity sensing electrodes 31 of the thin film element 20 shows the amplitude a R 'with a reduced predetermined amount from the maximum amplitude a R.

このように検知された電圧の振幅A,A’の差分ΔAを測定することで、ダイアフラム10dに加わる応力の大きさを算出し、柱状構造体11bに干渉する流体の流速を検出することができる。 By measuring the difference .DELTA.A R such that the amplitude A R of the sensed voltage, A R ', and calculates the magnitude of the stress applied to the diaphragm 10d, for detecting the flow rate of the interfering fluid columnar structure 11b be able to.

(5)本実施形態に係る効果
本実施形態やその変形例によれば、以下に示す1つ又は複数の効果を奏する。
(5) Effects according to the present embodiment According to the present embodiment and its modifications, the following one or more effects are achieved.

(a)すなわち、本実施形態では、圧電薄膜素子20と、柱状構造体11bと、検知電極30と、により、MEMS技術を用いた機械式の流速センサ1を構成する。これにより、低コストで時間分解能に優れる流速センサ1が提供される。よって、例えば時間分解能が重視される環境モニタリングの用途等において、好適に用いられる。 (A) That is, in the present embodiment, the piezoelectric thin film element 20, the columnar structure 11b, and the detection electrode 30 constitute a mechanical flow velocity sensor 1 using the MEMS technology. Thereby, the flow velocity sensor 1 excellent in time resolution at low cost is provided. Therefore, it is suitably used in environmental monitoring applications where time resolution is important.

(b)また、本実施形態では、ダイアフラム10dに応力が加わっていないときの共振周波数fと、応力が加わっているときの共振周波数f’と、の差分Δfを測定することで、流体の流速を検出する。これにより、流体の流速を精度よく検出することができる。 (B) Further, in the present embodiment, by measuring the resonance frequency f R when no stress is applied to the diaphragm 10d, the resonance frequency f R 'when stress is applied, the difference Delta] f R, Detect the fluid flow rate. Thereby, the flow velocity of the fluid can be detected with high accuracy.

(c)また、本実施形態では、ダイアフラム10dの共振周波数fにおける電圧の振幅A,A’の差分ΔAを測定することで、流体の流速を検出する。これにより、流体の流速を精度よく検出することができる。また、共振周波数f,f’を割り出しその差分Δfを測定する場合と異なり、共振周波数f等の所定電圧を印加すればよく、交流電源53等の構成を簡易化できるほか、測定時間を短縮して測定効率を高めることができる。 (C) Further, in the present embodiment, the amplitude A R of the voltage at the resonance frequency f R of the diaphragm 10d, by measuring the difference .DELTA.A R of A R ', which detects the flow velocity of the fluid. Thereby, the flow velocity of the fluid can be detected with high accuracy. Further, unlike the case where the resonance frequencies f R and f R ′ are calculated and the difference Δf R is measured, a predetermined voltage such as the resonance frequency f R may be applied, and the configuration of the AC power supply 53 and the like can be simplified and the measurement can be performed. Measurement time can be increased by shortening the time.

(d)このように、本実施形態では、電圧の振幅が最大となる共振周波数f,f’の変化を利用して、流体の流速を検出する。これにより、充分な強度の電圧信号が得られ、測定の精度を向上させることができる。 (D) As described above, in the present embodiment, the flow velocity of the fluid is detected by using the change in the resonance frequencies f R and f R ′ at which the voltage amplitude becomes maximum. Thereby, a sufficiently strong voltage signal can be obtained, and the measurement accuracy can be improved.

(e)また、本実施形態では、複数の検知電極30を介して検知される電圧の正負をそれぞれ判別し、複数の電圧の大小関係と複数の検知電極30の位置関係とから、流体の流れる向きを検出する。これにより、流体の流れる向きを高精度に検出できる流速センサ1が提供される。 (E) In the present embodiment, the positive and negative voltages detected through the plurality of detection electrodes 30 are discriminated, and the flow of the fluid is determined based on the magnitude relationship between the plurality of voltages and the positional relationship between the plurality of detection electrodes 30. Detect orientation. Thereby, the flow velocity sensor 1 which can detect the flow direction of the fluid with high accuracy is provided.

(f)また、本実施形態では、検知電極30は、上部電極23を通る対称軸に対称となるよう、上部電極23から離間して2つ以上形成されている。或いは、検知電極30は、上部電極23を対称中心として対称となるように、上部電極23から離間して2対以上形成されている。これにより、低コストで時間分解能に優れる多軸検知式の流速センサ1が提供される。 (F) In this embodiment, two or more detection electrodes 30 are formed apart from the upper electrode 23 so as to be symmetric with respect to an axis of symmetry passing through the upper electrode 23. Alternatively, two or more pairs of detection electrodes 30 are formed apart from the upper electrode 23 so as to be symmetric with respect to the upper electrode 23 as a center of symmetry. Thereby, the multi-axis detection type flow velocity sensor 1 which is low cost and excellent in time resolution is provided.

(g)また、本実施形態では、柱状構造体11bは長手方向を回転軸として一周させたときに2回以上の回転対称性を有する。これにより、柱状構造体11bが、例えば正方形の横断面であれば2方位、正六角形であれば3方位、円形であれば全方位、というように、流体の流れる向きに対する所定方位の感度を略等しくすることができる。 (G) Further, in the present embodiment, the columnar structure 11b has two or more rotational symmetries when the longitudinal direction is taken as one rotation around the rotation axis. Thus, the sensitivity of the predetermined direction with respect to the direction of fluid flow is substantially reduced, for example, the columnar structure 11b has two orientations if it is a square cross section, three orientations if it is a regular hexagon, and all orientations if it is a circle. Can be equal.

(h)また、本実施形態では、圧電薄膜素子20の振動面20sには、中央部がくり抜かれた枠状の基板11にて周囲を支持されたダイアフラム10dが形成されている。このように、柱状構造体11bの傾きによる応力や圧電薄膜素子20振動を受け易いダイアフラム構造とすることで、流速センサ1の感度をいっそう向上させることができる。 (H) In this embodiment, the diaphragm 10d is supported on the vibration surface 20s of the piezoelectric thin film element 20 with the periphery supported by the frame-shaped substrate 11 with the center portion hollowed out. Thus, the sensitivity of the flow rate sensor 1 can be further improved by adopting a diaphragm structure that is susceptible to stress due to the inclination of the columnar structure 11b and vibration of the piezoelectric thin film element 20.

(i)また、本実施形態では、柱状構造体11bは、ダイアフラム10dの中央部に、基板11の高さよりも突出して形成されている。これにより、流体との干渉による応力を、ダイアフラム10dや圧電薄膜素子20に、より均等に感度良く伝達することができる。 (I) Moreover, in this embodiment, the columnar structure 11b is formed in the center part of the diaphragm 10d so as to protrude from the height of the substrate 11. Thereby, the stress due to the interference with the fluid can be transmitted to the diaphragm 10d and the piezoelectric thin film element 20 more equally and with high sensitivity.

(j)また、本実施形態では、上部電極23が、ダイアフラム10d上の中央部に形成されている。これにより、圧電薄膜素子20の振動を略均等にダイアフラム10dに伝えることができる。また、流速検知電極31が、ダイアフラム10d上の中央部に形成されることで、ダイアフラム10d全体の振動を偏りの少ない状態で検知することができる。 (J) In the present embodiment, the upper electrode 23 is formed at the center of the diaphragm 10d. Thereby, the vibration of the piezoelectric thin film element 20 can be transmitted to the diaphragm 10d substantially evenly. Further, since the flow velocity detection electrode 31 is formed at the central portion on the diaphragm 10d, the vibration of the entire diaphragm 10d can be detected in a state with little bias.

(k)また、本実施形態では、検知電極30がダイアフラム10d上に形成されている。これにより、ダイアフラム10dから伝達される撓みや振動を感度良く検知することができる。 (K) In the present embodiment, the detection electrode 30 is formed on the diaphragm 10d. Thereby, the bending and vibration transmitted from the diaphragm 10d can be detected with high sensitivity.

(l)また、本実施形態では、電極パッド23p,31p,32pや圧電薄膜22の開口部22h等のその他の構成が、基板11の枠上に形成されている。これにより、ダイアフラム10dの撓みや振動による動きが妨げられてしまうのを抑制することができる。 (L) In the present embodiment, other configurations such as the electrode pads 23p, 31p, 32p and the opening 22h of the piezoelectric thin film 22 are formed on the frame of the substrate 11. Thereby, it can suppress that the movement by the bending and vibration of the diaphragm 10d will be prevented.

(m)また、本実施形態では、圧電薄膜22は、非鉛圧電薄膜である。これにより、流速センサ1が例えば環境モニタリング用途等に用いられた場合であっても、例えばチタン酸ジルコン酸鉛(PZT:Pb(ZrTi1−X)O)等の他の材料から構成される圧電薄膜と比較して、環境に対する影響を低減することができる。ただし、非鉛系、鉛系の別は、検出の精度や感度、分解能等の流速センサとしての特性自体に影響を与えるものではない。 (M) In this embodiment, the piezoelectric thin film 22 is a lead-free piezoelectric thin film. Thus, even when used in flow sensor 1 is, for example, environmental monitoring applications, etc., for example, lead zirconate titanate (PZT: Pb (Zr X Ti 1-X) O 3) constructed from other materials such as The influence on the environment can be reduced as compared with the piezoelectric thin film. However, the distinction between lead-free and lead-based does not affect the characteristics as a flow rate sensor such as detection accuracy, sensitivity, and resolution.

(n)また、本実施形態では、圧電薄膜22は、アルカリニオブ酸化物系ペロブスカイト構造を有する。係る構造は擬立方晶である。また、圧電薄膜22の上面が(001)面に優先配向している。また、組成式が(K1−XNa)NbO(但し、0.400≦X≦0.730)で表わされるニオブ酸カリウムナトリウムからなる。これにより、結晶性に優れ、圧電効果の高い圧電薄膜22を得ることができる。 (N) In the present embodiment, the piezoelectric thin film 22 has an alkali niobium oxide perovskite structure. Such a structure is pseudo cubic. Further, the upper surface of the piezoelectric thin film 22 is preferentially oriented in the (001) plane. Also, composition formula (K 1-X Na X) NbO 3 ( where, 0.400 ≦ X ≦ 0.730) consisting of potassium sodium niobate represented by. Thereby, the piezoelectric thin film 22 having excellent crystallinity and high piezoelectric effect can be obtained.

(o)また、本実施形態では、下部電極21は、上面が(111)面に優先配向したPt膜からなる。これにより、いっそう結晶性に優れ、圧電効果の高い圧電薄膜22を得ることができる。 (O) In the present embodiment, the lower electrode 21 is made of a Pt film whose upper surface is preferentially oriented in the (111) plane. As a result, it is possible to obtain the piezoelectric thin film 22 which is further excellent in crystallinity and has a high piezoelectric effect.

<本発明の他の実施形態>
以上、本発明の実施形態について具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
<Other Embodiments of the Present Invention>
As mentioned above, although embodiment of this invention was described concretely, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, It can change variously in the range which does not deviate from the summary.

例えば、上述の実施形態では、上部電極23と流速検知電極31とが、電気的に分離された電極、或いは、時分割式の電極として構成されることとしたが、上部電極と流速検知電極とが物理的に分離し、また、圧電薄膜上の離間した位置に配置されていてもよい。或いは、方位検知電極の少なくともいずれかに、流速検知電極としての機能を持たせてもよい。   For example, in the above-described embodiment, the upper electrode 23 and the flow velocity detection electrode 31 are configured as an electrically separated electrode or a time-division type electrode. May be physically separated and may be arranged at spaced positions on the piezoelectric thin film. Alternatively, at least one of the orientation detection electrodes may have a function as a flow velocity detection electrode.

図1(a)等に示した各電極の配置も任意のものであり、種々変更可能である。例えば、各電極は、必ずしもダイアフラム上に形成されていなくともよい。また例えば、方位検知電極は2つ以上あればよく、線対称や点対称の配置になっていなくともよい。   The arrangement of the electrodes shown in FIG. 1A and the like is also arbitrary and can be variously changed. For example, each electrode does not necessarily have to be formed on the diaphragm. Further, for example, two or more azimuth detection electrodes are sufficient, and the line-symmetrical or point-symmetrical arrangement is not necessary.

また、例えば、上述の実施形態では、柱状構造体11bは2回以上の回転対称性を有することとしたが、これに限られず、柱状構造体の横断面形状は、例えば楕円形や流線型、三角形、長方形や菱形等の他の形状であってもよい。柱状構造体は、ダイアフラムの中央部以外の位置に形成されていてもよい。   For example, in the above-described embodiment, the columnar structure 11b has two or more rotational symmetry. However, the present invention is not limited to this, and the cross-sectional shape of the columnar structure may be, for example, an ellipse, streamline, or triangle. Other shapes such as a rectangle and a rhombus may be used. The columnar structure may be formed at a position other than the central portion of the diaphragm.

このように、方位検知電極や柱状構造体の配置、柱状構造体の横断面形状等に変化をつけることで、流体の流れる向きに対する所定方位の感度に指向性を持たせることができる。   In this way, by changing the arrangement of the orientation detection electrodes and the columnar structures, the cross-sectional shape of the columnar structures, and the like, it is possible to impart directivity to the sensitivity in a predetermined direction with respect to the direction in which the fluid flows.

また、上述の実施形態では、上部電極23や検知電極30はPt膜から構成されることとしたが、これらの電極は、圧電薄膜の結晶性等には直接影響しない。よって、これ以外の種々の材料であっても用いることができる。Pt以外には、例えばタングステン(W)、Ta、Au、銀(Ag)、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、Ti、銅(Cu)、コバルト(Co)、インジウム(In)、マグネシウム(Mg)等がある。   In the above-described embodiment, the upper electrode 23 and the detection electrode 30 are made of a Pt film, but these electrodes do not directly affect the crystallinity of the piezoelectric thin film. Therefore, various other materials can be used. Other than Pt, for example, tungsten (W), Ta, Au, silver (Ag), aluminum (Al), nickel (Ni), Ti, copper (Cu), cobalt (Co), indium (In), magnesium (Mg) ) Etc.

また、上述の実施形態では、下部電極21はPt膜から構成されることとしたが、Ptを含む合金や、Au、Ru、Ir、スズ(Sn)、Inなどの金属、または、ルテニウム酸ストロンチウム(SrRuO)やニッケル酸ランタン(LaNiO)などの金属酸化物等を用いることもできる。 In the above-described embodiment, the lower electrode 21 is made of a Pt film. However, an alloy containing Pt, a metal such as Au, Ru, Ir, tin (Sn), In, or strontium ruthenate. Metal oxides such as (SrRuO 3 ) and lanthanum nickelate (LaNiO 3 ) can also be used.

また、上部電極や下部電極は、密着層を有していなくともよい。   Further, the upper electrode and the lower electrode may not have an adhesion layer.

また、上述の実施形態では、圧電薄膜22はニオブ酸カリウムナトリウムであるとしたが、これに他の元素が添加されていてもよい。他の元素として、例えばリチウム(Li)、Ta、アンチモン(Sb)、カルシウム(Ca)、Cu、バリウム(Ba)Ti等を5%以下添加することができる。   In the above embodiment, the piezoelectric thin film 22 is potassium sodium niobate, but other elements may be added thereto. As other elements, for example, lithium (Li), Ta, antimony (Sb), calcium (Ca), Cu, barium (Ba) Ti, or the like can be added at 5% or less.

また、上述の実施形態では、ダイアフラム10dはSiO膜12とSi膜13とからなることとしたが、これ以外の材料や膜構成であってもよく、例えばシリコン窒化(SiN)膜やシリコンカーバイド(SiC)膜等を適宜組み合わせて用いることができる。 In the above-described embodiment, the diaphragm 10d is composed of the SiO 2 film 12 and the Si film 13. However, other materials and film configurations may be used, for example, a silicon nitride (SiN) film or a silicon carbide. (SiC) films or the like can be used in appropriate combination.

また、上述の実施形態では、SiO膜12とSi膜13とを有する基板11をSOIウエハから構成することとしたが、これに限定されない。Si等の基板にSiO膜やSi膜等を、スパッタリングやCVDなどにより成膜して用いてもよい。このとき、石英ガラス基板、ガリウムヒ素(GaAs)基板、サファイア(Al)基板、ステンレス等の金属基板、酸化マグネシウム(MgO)基板、チタン酸ストロンチウム(SrTiO)基板等の基板を用いてもよい。陽極接合や機械的接合により形成された基板であってもよい。 In the above-described embodiment, the substrate 11 having the SiO 2 film 12 and the Si film 13 is made of an SOI wafer. However, the present invention is not limited to this. A SiO 2 film, Si film, or the like may be formed on a substrate such as Si by sputtering or CVD. At this time, a quartz glass substrate, a gallium arsenide (GaAs) substrate, a sapphire (Al 2 O 3 ) substrate, a metal substrate such as stainless steel, a magnesium oxide (MgO) substrate, a strontium titanate (SrTiO 3 ) substrate, or the like is used. Also good. A substrate formed by anodic bonding or mechanical bonding may be used.

また、上述の実施形態では、圧電薄膜素子20の電圧の振幅が最大となるダイアフラム10dの共振周波数f,f’を検出することとしたが、電圧の振幅が所定の大きさとなる任意の振動周波数を検出してもよい。また、上述の変形例では、ダイアフラム10dの共振周波数fにおける圧電薄膜素子20の電圧の振幅A,A’を検出することとしたが、他の所定周波数における電圧の振幅を検出してもよい。 In the above-described embodiment, the resonance frequencies f R and f R ′ of the diaphragm 10d at which the amplitude of the voltage of the piezoelectric thin film element 20 is maximized are detected. The vibration frequency may be detected. In the above-described modification, the voltage amplitudes A R and A R ′ of the piezoelectric thin film element 20 at the resonance frequency f R of the diaphragm 10d are detected, but the amplitudes of the voltages at other predetermined frequencies are detected. Also good.

また、上述の実施形態では、上部電極23と流速検知電極31と方位検知電極32x,32yとを備えることとしたが、方位検知電極32x,32yを廃して上部電極および流速検知電極のみを有する構成とし、主に流体の流速のみを検出することとしてもよい。   In the above-described embodiment, the upper electrode 23, the flow velocity detection electrode 31, and the direction detection electrodes 32x and 32y are provided. However, the direction detection electrodes 32x and 32y are eliminated and only the upper electrode and the flow velocity detection electrode are provided. It is good also as detecting only the flow velocity of fluid mainly.

或いは、上部電極23と流速検知電極31とを廃して方位検知電極のみを有する構成とし、主に流体の流れる向きのみを検出することとしてもよい。この場合であっても、複数の方位検知電極から得られる電圧をベクトル合成等することで、流体の流速を見積もることも可能である。   Alternatively, the upper electrode 23 and the flow velocity detection electrode 31 may be eliminated so that only the direction detection electrode is provided, and only the direction in which the fluid flows is mainly detected. Even in this case, it is possible to estimate the flow velocity of the fluid by vector synthesis of voltages obtained from a plurality of orientation detection electrodes.

次に、本発明に係る実施例について以下に説明する。   Next, examples according to the present invention will be described below.

(流速センサの製作)
まずは、本実施例に係る流速センサを以下のように製作した。
(Production of flow rate sensor)
First, a flow rate sensor according to this example was manufactured as follows.

厚さが500μmのSi基板上に、厚さが2μmのシリコン熱酸化膜と、(001)面を備え、上面に205nm厚の熱酸化膜を有する厚さが10μmの単結晶Si膜と、が積層された4インチのSOIウエハを準備した。SOIウエハの厚さは規格値で500μm±25μmである。   A silicon thermal oxide film having a thickness of 2 μm on a Si substrate having a thickness of 500 μm, and a single crystal Si film having a thickness of 10 μm having a (001) plane and a thermal oxide film having a thickness of 205 nm on the upper surface. A stacked 4-inch SOI wafer was prepared. The thickness of the SOI wafer is a standard value of 500 μm ± 25 μm.

係るSOIウエハ上に、RFマグネトロンスパッタリング法により、Ptからなる厚さ212nmの下部電極を形成した。このとき、RFマグネトロンスパッタリング法により、Tiからなる厚さ2.3nmの密着層を予め形成しておいた。   A lower electrode made of Pt and having a thickness of 212 nm was formed on the SOI wafer by RF magnetron sputtering. At this time, a 2.3 nm-thick adhesion layer made of Ti was previously formed by RF magnetron sputtering.

密着層および下部電極の成膜条件は、基板温度100℃〜350℃、放電電力200W、スパッタリング用ガスとしてアルゴン(Ar)ガス雰囲気下で、スパッタリング用チャンバ内の圧力を2.5Paとした。密着層の成膜時間を1分〜3分、下部電極の成膜時間を10分とした。   The deposition conditions for the adhesion layer and the lower electrode were a substrate temperature of 100 ° C. to 350 ° C., a discharge power of 200 W, an argon (Ar) gas atmosphere as a sputtering gas, and a pressure in the sputtering chamber of 2.5 Pa. The deposition time for the adhesion layer was 1 to 3 minutes, and the deposition time for the lower electrode was 10 minutes.

係る下部電極上に、RFマグネトロンスパッタリング法により、(K0.45Na0.55)NbOからなる厚さ約2μmの圧電薄膜を形成した。圧電薄膜の成膜には(K0.35Na0.65)NbO焼結体からなるターゲット材を用いた。成膜条件は、基板温度520℃、放電電力700W、スパッタリング用ガスとして混合比0.005の酸素(O)/Ar混合ガス雰囲気下で、スパッタリング用チャンバ内の圧力を1.3Paとした。成膜時間は、圧電薄膜の厚さが約2μmとなる時間とした。 A piezoelectric thin film having a thickness of about 2 μm made of (K 0.45 Na 0.55 ) NbO 3 was formed on the lower electrode by RF magnetron sputtering. A target material made of a (K 0.35 Na 0.65 ) NbO 3 sintered body was used for forming the piezoelectric thin film. The film forming conditions were as follows: the substrate temperature was 520 ° C., the discharge power was 700 W, and the pressure in the sputtering chamber was 1.3 Pa in an oxygen (O 2 ) / Ar mixed gas atmosphere having a mixing ratio of 0.005 as a sputtering gas. The film formation time was set to a time when the thickness of the piezoelectric thin film was about 2 μm.

圧電薄膜に開口部を設ける工程では、レジストパターンに用いるレジストを日本ゼオン株式会社製のZPN−1150とし、Crからなるマスクパターンの厚さを400nmとした。圧電薄膜のウェットエッチングには、濃度49体積%のフッ酸(HF水溶液)を用い、エッチング時間は10分〜20分程度とした。   In the step of providing an opening in the piezoelectric thin film, the resist used for the resist pattern was ZPN-1150 manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd., and the thickness of the mask pattern made of Cr was 400 nm. For wet etching of the piezoelectric thin film, hydrofluoric acid (HF aqueous solution) having a concentration of 49% by volume was used, and the etching time was about 10 to 20 minutes.

上部電極および検知電極を形成する工程では、レジストパターンに用いるレジストを東京応化工業株式会社製のOFPR−800とした。また、Tiからなる厚さ2nmの密着層上に、厚さ100nmのPt膜を形成し、上部電極および検知電極を得た。   In the step of forming the upper electrode and the detection electrode, the resist used for the resist pattern was OFPR-800 manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd. A Pt film having a thickness of 100 nm was formed on a 2 nm-thick adhesion layer made of Ti to obtain an upper electrode and a detection electrode.

柱状構造体のマスクパターンを形成する工程では、一方のマスクパターンとなる厚さ約2.5μmのSiO膜をプラズマCVDにより形成した。成膜条件は、基板温度300℃、シラン(SiH)/窒素(N)混合ガス及び一酸化二窒素(NO)ガスを原料ガスとして、プラズマCVD用チャンバ内の圧力を0.35Torr(46.6628Pa)とした。SiO膜のウェットエッチングには、フッ化アンモニウム(NHF)水溶液を用いた。もう一方のマスクパターンには、Crを用いた。 In the step of forming the columnar structure mask pattern, an SiO 2 film having a thickness of about 2.5 μm serving as one mask pattern was formed by plasma CVD. The film forming conditions are as follows: substrate temperature is 300 ° C., silane (SiH 4 ) / nitrogen (N 2 ) mixed gas and dinitrogen monoxide (N 2 O) gas are used as source gases, and the pressure in the plasma CVD chamber is 0.35 Torr. (46.6628 Pa). An ammonium fluoride (NH 4 F) aqueous solution was used for wet etching of the SiO 2 film. Cr was used for the other mask pattern.

柱状構造体等を形成する工程では、上述の実施形態と同様、2つのマスクパターンの切り替えによる二段階エッチングを行い、前半の工程では基板を深さ方向に300μm程度エッチングし、後半の工程では残りの200μm程度をエッチングした。エッチングには、いわゆるボッシュプロセスを使用した。   In the step of forming a columnar structure or the like, as in the above-described embodiment, two-stage etching is performed by switching between two mask patterns, the substrate is etched by about 300 μm in the depth direction in the first half process, and the remaining in the second half process. About 200 μm was etched. For the etching, a so-called Bosch process was used.

ボッシュプロセスは、Siの深掘りエッチング等で汎用され、六フッ化イオウ(SF)ガスを用いてSiを深さ方向にエッチングするステップと、パーフルオロシクロブタン(C)ガスを用いてSiのエッチングされた側壁に保護膜を形成するステップと、を交互に繰り返すことで、異方性のあるエッチング形状を得ることができる。なお、エッチング側壁には2つのステップの切り替えタイミングに対応する横筋が複数刻まれ、深さ方向に3μm程度の所定周期の波型を有する、いわゆるスキャロプ形状となる。 The Bosch process is widely used for deep etching of Si and the like, and includes a step of etching Si in the depth direction using sulfur hexafluoride (SF 6 ) gas, and a perfluorocyclobutane (C 4 F 8 ) gas. By alternately repeating the step of forming a protective film on the sidewall etched with Si, an anisotropic etching shape can be obtained. Note that a plurality of horizontal streaks corresponding to the switching timing of the two steps are engraved on the etching side wall, and a so-called scallop shape having a waveform with a predetermined period of about 3 μm in the depth direction is formed.

なお、上記2つのマスクパターンのサイズを種々に異ならせ、柱状構造体およびダイアフラムの径が異なる複数の流速センサを得た。具体的には、柱状構造体の横断面を円形とし、直径をそれぞれ、50μm,100μm,250μmとした。基板の中央部のダイアフラムの形状を円形とし、直径をそれぞれ、0.4mm,0.5mm,0.6mm,0.8mm,1.0mm,1.2mm,1.8mmとした。   A plurality of flow velocity sensors having different columnar structures and diaphragm diameters were obtained by varying the sizes of the two mask patterns. Specifically, the cross-section of the columnar structure was circular, and the diameters were 50 μm, 100 μm, and 250 μm, respectively. The shape of the diaphragm at the center of the substrate was circular, and the diameters were 0.4 mm, 0.5 mm, 0.6 mm, 0.8 mm, 1.0 mm, 1.2 mm, and 1.8 mm, respectively.

(流速センサの評価)
以上のように製作した流速センサを、ハンダボールを用いてプリント基板上に実装し、以下の評価を行った。
(Evaluation of flow velocity sensor)
The flow velocity sensor manufactured as described above was mounted on a printed board using a solder ball, and the following evaluation was performed.

本実施例のダイアフラムは、上記の通り、厚さ10μmのSi膜を備え、直径が0.4mm以上1.8mm以下に構成されている。応力のない定常状態において、係るダイアフラムの共振周波数を評価したところ、約20kHz以上170kHz以下の範囲内であった。   As described above, the diaphragm of the present example includes a Si film having a thickness of 10 μm, and has a diameter of 0.4 mm to 1.8 mm. When the resonance frequency of the diaphragm was evaluated in a steady state without stress, it was within a range of about 20 kHz to 170 kHz.

本実施例の柱状構造体は、初期の基板厚さに相当する高さ、つまり、約500μmの高さを備え、直径が50μm以上250μm以下に構成されている。このように、アスペクト(高さ/直径)比が変化しても、流体としての空気に対する柱状構造体の抵抗係数は0.63以上1.20以下程度の範囲内で変化するのみであり、いずれも良好な動作特性を示した。また、粘性の高い空気を流体として用いたので、高さ約500μmの柱状構造体においては、レイノルズ数は10−2以上10−4以下程度となる。よって、柱状構造体は、粘性の高い層流中に置かれていると考えられる。このため、ボッシュプロセスにより側面に残ったスキャロプ形状の影響は、それほど大きくないと考えられる。 The columnar structure of this example has a height corresponding to the initial substrate thickness, that is, a height of about 500 μm, and a diameter of 50 μm to 250 μm. Thus, even if the aspect (height / diameter) ratio changes, the resistance coefficient of the columnar structure against air as a fluid only changes within the range of about 0.63 to 1.20. Also showed good operating characteristics. In addition, since highly viscous air is used as the fluid, the Reynolds number is about 10 −2 or more and 10 −4 or less in a columnar structure having a height of about 500 μm. Therefore, the columnar structure is considered to be placed in a laminar flow with high viscosity. For this reason, it is considered that the influence of the scalop shape remaining on the side surface by the Bosch process is not so great.

本実施例の流速センサにおいては、流体の流速に対する感度が10m/sあたり数十Hzと、良好な結果が得られた。   In the flow velocity sensor of this example, the sensitivity to the flow velocity of the fluid was several tens Hz per 10 m / s, and a good result was obtained.

1 流速センサ
2 流速センサパッケージ
10d ダイアフラム
11 基板
11b 柱状構造体
12 SiO
13 Si膜
20 圧電薄膜素子
21 下部電極
22 圧電薄膜
23 上部電極
30 検知電極
31 流速検知電極
32x,32y 方位検知電極
51 プリント基板
52 ハンダボール
53 交流電源
54 検知手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Flow velocity sensor 2 Flow velocity sensor package 10d Diaphragm 11 Substrate 11b Columnar structure 12 SiO 2 film 13 Si film 20 Piezoelectric thin film element 21 Lower electrode 22 Piezoelectric thin film 23 Upper electrode 30 Detection electrode 31 Flow velocity detection electrode 32x, 32y Orientation detection electrode 51 Print Substrate 52 Solder ball 53 AC power supply 54 Detection means

Claims (14)

基板上に下部電極、非鉛材料からなる圧電薄膜がこの順に積層され、前記圧電薄膜上の所定位置に上部電極が形成されてなり、前記下部電極と前記上部電極との間に交流電圧が印加されることで振動する圧電薄膜素子と、
前記圧電薄膜素子の振動面から突出するように形成され、流体と干渉することにより前記振動面に応力を加える柱状構造体と、
前記圧電薄膜上に形成され、前記振動面が応力を受けることで前記圧電薄膜に発生する圧電効果を検知する検知手段が接続される検知電極と、を備える
ことを特徴とする流速センサ。
A lower electrode and a piezoelectric thin film made of a non-lead material are laminated in this order on the substrate, an upper electrode is formed at a predetermined position on the piezoelectric thin film, and an AC voltage is applied between the lower electrode and the upper electrode. Piezoelectric thin film element that vibrates by being
A columnar structure that is formed so as to protrude from the vibration surface of the piezoelectric thin film element and applies stress to the vibration surface by interfering with a fluid;
A flow rate sensor comprising: a detection electrode formed on the piezoelectric thin film and connected to detection means for detecting a piezoelectric effect generated in the piezoelectric thin film when the vibration surface receives stress.
前記柱状構造体と流体とが干渉していないときに前記検知電極を介して検知される電圧の振幅が所定の大きさとなる振動周波数と、前記柱状構造体と流体とが干渉しているときに前記検知電極を介して検知される電圧の振幅が所定の大きさとなる振動周波数と、の差分を測定することで、前記柱状構造体に干渉する流体の流速を検出するよう構成される
ことを特徴とする請求項1に記載の流速センサ。
When the columnar structure and the fluid interfere with each other and the vibration frequency at which the amplitude of the voltage detected through the detection electrode becomes a predetermined magnitude when the columnar structure and the fluid do not interfere with each other The flow velocity of the fluid that interferes with the columnar structure is detected by measuring the difference between the vibration frequency at which the amplitude of the voltage detected through the detection electrode becomes a predetermined magnitude. The flow rate sensor according to claim 1.
前記交流電圧の所定の周波数において、前記柱状構造体と流体とが干渉していないときに前記検知電極を介して検知される電圧の振幅と、前記柱状構造体と流体とが干渉しているときに前記検知電極を介して検知される電圧の振幅と、の差分を測定することで、前記柱状構造体に干渉する流体の流速を検出するよう構成される
ことを特徴とする請求項1に記載の流速センサ。
When the columnar structure and the fluid interfere with each other at the predetermined frequency of the AC voltage, the amplitude of the voltage detected through the detection electrode when the columnar structure and the fluid do not interfere with each other. 2. The apparatus according to claim 1, wherein the flow velocity of the fluid that interferes with the columnar structure is detected by measuring a difference between the amplitude of the voltage detected through the detection electrode and the amplitude of the voltage. Flow rate sensor.
前記圧電薄膜上には複数の前記検知電極が形成され、
前記柱状構造体と流体とが干渉しているときに前記複数の検知電極を介して検知される電圧の正負をそれぞれ判別し、前記複数の電圧の大小関係と前記複数の検知電極の位置関係とから、前記柱状構造体に干渉する流体の流れる向きを検出するよう構成される
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の流速センサ。
A plurality of the detection electrodes are formed on the piezoelectric thin film,
The positive and negative voltages detected through the plurality of detection electrodes when the columnar structure and the fluid interfere with each other are determined, and the magnitude relationship between the plurality of voltages and the positional relationship between the plurality of detection electrodes The flow rate sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein a flow direction of a fluid that interferes with the columnar structure is detected.
前記検知電極は、前記上部電極を通る対称軸に対称となるよう、前記上部電極から離間して2つ以上形成されている
ことを特徴とする請求項4に記載の流速センサ。
5. The flow rate sensor according to claim 4, wherein two or more detection electrodes are formed apart from the upper electrode so as to be symmetric with respect to an axis of symmetry passing through the upper electrode.
前記検知電極は、前記上部電極を対称中心として対称となるように、前記上部電極から離間して2対以上形成されている
ことを特徴とする請求項4に記載の流速センサ。
5. The flow rate sensor according to claim 4, wherein two or more pairs of the detection electrodes are separated from the upper electrode so as to be symmetric with respect to the upper electrode as a center of symmetry.
前記柱状構造体は長手方向を回転軸として一周させたときに2回以上の回転対称性を有する
ことを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の流速センサ。
The flow rate sensor according to any one of claims 1 to 6, wherein the columnar structure has a rotational symmetry of two or more times when it makes one turn around the longitudinal direction as a rotation axis.
前記圧電薄膜素子の振動面には、中央部がくり抜かれた枠状の前記基板にて周囲を支持されたダイアフラムが形成されている
ことを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の流速センサ。
8. The diaphragm of which the periphery is supported by the frame-shaped substrate having a hollowed central portion is formed on the vibration surface of the piezoelectric thin film element. 9. Flow rate sensor.
前記柱状構造体の流体に対する抵抗係数は0.63以上2.01以下である
ことを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の流速センサ。
The flow rate sensor according to any one of claims 1 to 8, wherein a resistance coefficient of the columnar structure to a fluid is 0.63 or more and 2.01 or less.
前記圧電薄膜は、アルカリニオブ酸化物系ペロブスカイト構造を有する
ことを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の流速センサ。
The flow rate sensor according to claim 1, wherein the piezoelectric thin film has an alkali niobium oxide-based perovskite structure.
前記アルカリニオブ酸化物系ペロブスカイト構造は、擬立方晶となっている
ことを特徴とする請求項10に記載の流速センサ。
The flow rate sensor according to claim 10, wherein the alkali niobium oxide-based perovskite structure is a pseudo cubic crystal.
前記圧電薄膜の主表面が、(001)面に優先配向している
ことを特徴とする請求項10又は11に記載の流速センサ。
The flow rate sensor according to claim 10 or 11, wherein the main surface of the piezoelectric thin film is preferentially oriented in the (001) plane.
前記圧電薄膜は、組成式が(K1−XNa)NbO(但し、0.400≦X≦0.730)で表わされるニオブ酸カリウムナトリウムからなる
ことを特徴とする請求項1〜12のいずれかに記載の流速センサ。
The piezoelectric thin film according to claim, characterized in that it consists of potassium sodium niobate represented by the composition formula (K 1-X Na X) NbO 3 ( where, 0.400 ≦ X ≦ 0.730) 1~12 The flow rate sensor according to any one of the above.
前記下部電極は、主表面が(111)面に優先配向したPt膜からなる
ことを特徴とする請求項1〜13のいずれかに記載の流速センサ。
The flow rate sensor according to claim 1, wherein the lower electrode is made of a Pt film having a main surface preferentially oriented in a (111) plane.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104155472A (en) * 2014-07-18 2014-11-19 苏州能斯达电子科技有限公司 Hot-film wind speed and wind direction sensor and preparation method thereof
JP2018189584A (en) * 2017-05-10 2018-11-29 株式会社サイオクス Multi-layered substrate having piezoelectric film, device having piezoelectric film, and method for manufacturing device having piezoelectric film
WO2019242346A1 (en) * 2018-06-21 2019-12-26 东南大学 Ultrawide range anemometer and manufacturing method
CN113884701A (en) * 2021-09-28 2022-01-04 东南大学 Wind speed and direction sensor for improving measurement range and full-range precision

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104155472A (en) * 2014-07-18 2014-11-19 苏州能斯达电子科技有限公司 Hot-film wind speed and wind direction sensor and preparation method thereof
JP2018189584A (en) * 2017-05-10 2018-11-29 株式会社サイオクス Multi-layered substrate having piezoelectric film, device having piezoelectric film, and method for manufacturing device having piezoelectric film
WO2019242346A1 (en) * 2018-06-21 2019-12-26 东南大学 Ultrawide range anemometer and manufacturing method
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