JP2014071106A - Flow velocity sensor - Google Patents
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Abstract
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).
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−XNaX)NbO3(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.
<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
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
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
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
(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(SiO2)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
圧電薄膜素子20が備える下部電極21は、例えば、SiO2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
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−XNaX)NbO3(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
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
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
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SiO2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
(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
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
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
(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
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
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
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
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
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
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
(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
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
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
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
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
(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
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
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
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
(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
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
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fR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fRとは異なる共振周波数fR’を有することとなる。
As described above, the
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fRと、応力が加わっているときの共振周波数fR’と、の差分ΔfR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。
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
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
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
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
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fR,fR’である。
As shown in FIG. 3C, the amplitude of the voltage generated in the piezoelectric
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fRとして特定される。
That is, as shown in FIG. 3A, when the fluid stagnates, the
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fR’が特定される。
Further, as shown in FIG. 3B, when a flow occurs in the fluid, the
このように特定された共振周波数fR,fR’の差分ΔfR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
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fR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
(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
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
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
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
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
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
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
(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
(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、SiO2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、SiO2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
(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
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
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
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−XNaX)NbO3等からなる圧電薄膜22を形成する。
On the
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
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
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
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
(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
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
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
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
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
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
(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
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,
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SiO2膜43を形成し、更に、SiO2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
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、SiO2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
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
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
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
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SiO2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SiO2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
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SiO2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
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
(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fR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
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fRとは異なる共振周波数fR’を有する。これに伴い、図6(c)に示すように、共振周波数fR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ARとはならず、所定の振幅AR’にまで低下してしまう。
As described above, when the stress is applied to the
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fR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ARを示す。
That is, as shown in FIG. 6 (a), does not interfere with
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fR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ARから所定量低下した振幅AR’を示す。
Further, as shown in FIG. 6 (b), interfere with
このように検知された電圧の振幅AR,AR’の差分ΔAR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
(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
(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fRと、応力が加わっているときの共振周波数fR’と、の差分ΔfR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
(c)また、本実施形態では、ダイアフラム10dの共振周波数fRにおける電圧の振幅AR,AR’の差分ΔAR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fR,fR’を割り出しその差分ΔfRを測定する場合と異なり、共振周波数fR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
(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fR,fR’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
(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
(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
(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
(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
(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
(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
(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
(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(ZrXTi1−X)O3)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
(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−XNaX)NbO3(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
(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
<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
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
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
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(SrRuO3)やニッケル酸ランタン(LaNiO3)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
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
また、上述の実施形態では、ダイアフラム10dはSiO2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
また、上述の実施形態では、SiO2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SiO2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(Al2O3)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(SrTiO3)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
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fR,fR’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fRにおける圧電薄膜素子20の電圧の振幅AR,AR’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
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
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
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)NbO3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)NbO3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(O2)/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SiO2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(SiH4)/窒素(N2)混合ガス及び一酸化二窒素(N2O)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。SiO2膜のウェットエッチングには、フッ化アンモニウム(NH4F)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(SF6)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(C4F8)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 SiO2膜
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
Claims (14)
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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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