JP2018073958A - Cantilever piezoelectric element, sensor and vibration element using piezoelectric element, and manufacturing method of piezoelectric element - Google Patents

Cantilever piezoelectric element, sensor and vibration element using piezoelectric element, and manufacturing method of piezoelectric element Download PDF

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周介 金澤
Shusuke Kanazawa
周介 金澤
靖之 日下
Yasuyuki Kusaka
靖之 日下
山本 典孝
Noritaka Yamamoto
典孝 山本
洋史 牛島
Yoji Ushijima
洋史 牛島
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a cantilever piezoelectric element suitable for large area, a high resolution and high accuracy sensor or vibration element capable of increasing the area, and a manufacturing method of cantilever piezoelectric element capable of reducing waste of material and environmental load.SOLUTION: A cantilever piezoelectric element includes a first electrode, an insulation layer having an opening and a through hole, a second electrode insulated by the insulation layer, and a cantilever. The cantilever includes a structure consisting of first and second conductive layers and a piezoelectric material layer sandwiched by the first and second conductive layers, where any one or more of the conductive layers and the piezoelectric material layer are resin-containing layers. The cantilever constitutes a displacement part in such a state that the first and second conductive layers are connected conductively with the first or second electrode directly or by an interconnect line, while partially floating above the opening.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、カンチレバー型圧電素子、該圧電素子を用いたセンサ及び振動素子、並びに該圧電素子の製造方法に関する。   The present invention relates to a cantilever piezoelectric element, a sensor and a vibration element using the piezoelectric element, and a method for manufacturing the piezoelectric element.

近年、生活空間のあらゆる場所にセンサデバイスを設置し生活環境や生活状況を認識することにより、その結果をフィードバックするサービスの展開が図られている。例えば、高齢者等の見守り等のためには住居に、在庫管理や流通管理のためには各商品に、健康管理のためには人体に、多種多様にセンサを展開することにより、より安心安全な社会の実現が期待される。これを背景として年間1兆個ものセンサの生産が予測されている(非特許文献1参照)とともに、より一層のセンサ性能の向上が求められている。特に、センサを大面積に展開することにより、広い範囲にわたって目的の事象を検出しマッピングするセンサマトリクスが注目されている。大面積展開の利点としては、センシングの頻度と精度が挙げられる。頻度向上の例としては、住居の床にセンサを大面積に敷き詰めることにより、途切れることなく対象者の行動を検知できることが挙げられる。精度向上の例としては、人間の筋肉の動きから活動量を検出する際に、ある狭い一点のみではノイズと信号を切り分けることが困難であるが、広い面積で平均化することでより信頼性の高いセンシングができることが挙げられる。これらを実現するために、シート化又はマトリクス化されて大面積化が可能なセンサが提案されている(特許文献1、2参照)。   In recent years, the development of services that feed back the results by installing sensor devices in every place of the living space and recognizing the living environment and living situation has been attempted. For example, it is safer and safer by deploying a wide variety of sensors in residences for watching over the elderly, in each product for inventory management and distribution management, and in the human body for health management. Realization of a new society is expected. Against this backdrop, production of 1 trillion sensors per year is predicted (see Non-Patent Document 1), and further improvement in sensor performance is required. In particular, a sensor matrix that detects and maps a target event over a wide range by spreading a sensor over a large area has attracted attention. The advantage of large area deployment is the frequency and accuracy of sensing. As an example of improving the frequency, it is possible to detect the behavior of the subject without interruption by laying sensors on the floor of a residence over a large area. As an example of accuracy improvement, when detecting the amount of activity from the movement of human muscles, it is difficult to separate noise and signal from only one narrow point, but it is more reliable by averaging over a wide area It is possible to perform high sensing. In order to realize these, sensors that can be made into a sheet or matrix and have a large area have been proposed (see Patent Documents 1 and 2).

汎用性が高く、高感度なセンシングができる構造として、カンチレバー構造が知られている。カンチレバー構造は、基板に接しない浮遊部を持つ。該浮遊部が検知対象に応じて動作することがセンサ機構として広く利用可能である。カンチレバー構造は、物理現象と化学現象のどちらにも応用できるセンサデバイスのコア構造である。例えば、カンチレバー構造の浮遊部の表面に特定の物質が吸着する官能基を持たせる構造として、その物質が吸着した際に生じる重量の変化によってカンチレバーがたわむことをセンサに応用できることが報告されている(非特許文献2参照)。また、カンチレバー構造の浮遊部に圧電材料を導入した構造として、歪みが加わった時に電圧を発生させることで歪みセンサとして動作できることが報告されている(非特許文献3参照)。   A cantilever structure is known as a structure that is highly versatile and capable of highly sensitive sensing. The cantilever structure has a floating portion that does not contact the substrate. It is widely available as a sensor mechanism that the floating portion operates according to a detection target. The cantilever structure is the core structure of a sensor device that can be applied to both physical and chemical phenomena. For example, as a structure having a functional group that adsorbs a specific substance on the surface of the floating part of the cantilever structure, it has been reported that the cantilever can be applied to a sensor due to a change in weight caused when the substance adsorbs. (Refer nonpatent literature 2). It has also been reported that a structure in which a piezoelectric material is introduced into a floating portion of a cantilever structure can operate as a strain sensor by generating a voltage when strain is applied (see Non-Patent Document 3).

特に、非特許文献3のように、圧電材料を使ったカンチレバーは、電圧が検知信号として用いられるために、例えば、浮遊部と基板の間の距離を利用した静電容量式よりもノイズの影響を受けにくく、高精度なセンサが実現できる。また、圧電材料であるために、電圧を掛けることにより、カンチレバー部を振動あるいは変形させることも可能である。   In particular, as in Non-Patent Document 3, a cantilever using a piezoelectric material uses a voltage as a detection signal. Therefore, for example, the influence of noise is higher than that of a capacitance type using a distance between a floating portion and a substrate. Highly accurate sensor can be realized. Further, since the piezoelectric material is used, the cantilever portion can be vibrated or deformed by applying a voltage.

また、基板に形成した凹部の内部を中空空間とし、該中空空間の上に、カンチレバー形状の層を配置した中空構造素子が知られている(特許文献3参照)。特許文献3では、音響機器が例示され、カンチレバー形状の層は、下部電極と圧電体膜と上部電極を積層した構造からなる。また、特許文献3では、中空構造素子として、中空構造を備える各種デバイス、例えば加速度センサや圧力センサ等も挙げられている。   Also, a hollow structure element is known in which the inside of a recess formed in a substrate is a hollow space, and a cantilever-shaped layer is disposed on the hollow space (see Patent Document 3). In Patent Document 3, an acoustic device is exemplified, and the cantilever-shaped layer has a structure in which a lower electrode, a piezoelectric film, and an upper electrode are stacked. Moreover, in patent document 3, various devices provided with a hollow structure, for example, an acceleration sensor, a pressure sensor, etc. are mentioned as a hollow structure element.

カンチレバー形状のセンサについて先行文献調査をしたところ、次の特許文献4が公知であった。特許文献4では、圧電カンチレバー圧力センサに関し、基板の一端に装着され、キャビティ上に伸びる圧電カンチレバーを備え、前記圧電カンチレバーは、第1の電極と、第2の電極と、前記第1の電極と前記第2の電極の間でこれらに電気接続された圧電素子とを備える構造が示されている。また、複数の圧電カンチレバーセンサをマトリクスに並べたセンサアレイが示されている。   As a result of a prior literature search for a cantilever-shaped sensor, the following Patent Document 4 was known. Patent Document 4 relates to a piezoelectric cantilever pressure sensor, and includes a piezoelectric cantilever that is attached to one end of a substrate and extends on a cavity. The piezoelectric cantilever includes a first electrode, a second electrode, and the first electrode. A structure comprising a piezoelectric element electrically connected to these between the second electrodes is shown. Also shown is a sensor array in which a plurality of piezoelectric cantilever sensors are arranged in a matrix.

また、転写技術について先行文献調査をしたところ、次の特許文献5が公知であった。特許文献5では、封止のために、凹部を備えた基板の上に、凹部の空間が維持された状態に薄膜を形成する薄膜形成方法が示されている。具体的には、薄膜材料となる薄膜原料とこの薄膜原料より表面エネルギーの小さい有機化合物からなる有機材料を含む塗布液を、基材の主表面に塗布して塗布膜を形成した後、前記塗布膜を基板の主表面に当接させて、加重及び加熱を加えた後、基材を離型して、前記基板の主表面に薄膜を形成する方法が示されている。   Further, when a prior literature search was conducted on the transfer technology, the following patent document 5 was known. Patent Document 5 discloses a thin film forming method for forming a thin film in a state where a space of a concave portion is maintained on a substrate provided with a concave portion for sealing. Specifically, a coating liquid containing a thin film raw material to be a thin film material and an organic material composed of an organic compound having a surface energy smaller than that of the thin film raw material is applied to the main surface of the substrate to form a coating film, and then the coating is performed. A method is shown in which a thin film is formed on the main surface of the substrate by bringing the film into contact with the main surface of the substrate, applying load and heating, and then releasing the base material.

特開平8−154903号公報JP-A-8-154903 特開2005−150146号公報JP-A-2005-150146 特開2005−342817号公報JP 2005-342817 A 特開2005−249785号公報JP 2005-249785 A 特開2008−251816号公報JP 2008-251816 A

R. Bogue, Sens. Rev. 34, 137 (2014).R. Bogue, Sens. Rev. 34, 137 (2014). H. Hou, X. Bai, C. Xing, N. Gu, B. Zhang and J. Tang, Anal. Chem, 85, 2010 (2013).H. Hou, X. Bai, C. Xing, N. Gu, B. Zhang and J. Tang, Anal. Chem, 85, 2010 (2013). L. Gammelgaard, P. A. Rasmussen, M. Calleja, P. Vettiger, and A. Boisen, Appl. Phys. Lett. 88, 113508 (2006).L. Gammelgaard, P. A. Rasmussen, M. Calleja, P. Vettiger, and A. Boisen, Appl. Phys. Lett. 88, 113508 (2006).

従来、種々のセンサや音響機器に利用可能なカンチレバー構造は、その変位部分が金属やSi系無機化合物や酸化物等で作成されてきた(特許文献3、4参照)。変位部材の変位量はヤング率により決まり、ヤング率は変位部材の材料により決定される。変位部材の材料が無機化合物膜のみに限定されると、ヤング率の選択性の幅が狭くなってしまい、センサの場合は感度調整が制限されるという問題があり、振動素子の場合は大きな変位量の形成ができないという問題がある。   Conventionally, the cantilever structure that can be used for various sensors and acoustic devices has been made with a displacement portion made of metal, Si-based inorganic compound, oxide, or the like (see Patent Documents 3 and 4). The displacement amount of the displacement member is determined by the Young's modulus, and the Young's modulus is determined by the material of the displacement member. If the material of the displacement member is limited only to the inorganic compound film, the range of Young's modulus selectivity becomes narrow, and there is a problem that sensitivity adjustment is limited in the case of a sensor, and large displacement in the case of a vibration element. There is a problem that the amount cannot be formed.

カンチレバー構造を、大面積に展開した高機能センサマトリクスに適用するには、未だ問題が多い。   There are still many problems in applying the cantilever structure to a high-performance sensor matrix developed over a large area.

まず、カンチレバー形状のような3次元形状の微細加工を、大面積に展開し製造することが困難であることが挙げられる。カンチレバー構造体の変位部分は、基体から浮遊した状態で変位させるために、基体とカンチレバーとの間に中空部を形成する必要がある。従来、中空とする箇所に犠牲層を設けた状態で工程を進めた後に、その犠牲層をエッチング除去することで中空部を形成する方法により製造されていた(特許文献3、4参照)。従来の製造方法では、犠牲層を使用するので、中空構造体を形成する工程が煩雑であり、大面積化が困難であり、また材料とエネルギーの浪費を生むという問題がある。   First, it is difficult to develop and manufacture a three-dimensional microfabrication such as a cantilever shape over a large area. In order to displace the displacement portion of the cantilever structure in a floating state from the base body, it is necessary to form a hollow portion between the base body and the cantilever. Conventionally, it has been manufactured by a method in which a hollow portion is formed by etching and removing a sacrificial layer after a process is performed in a state where a sacrificial layer is provided in a hollow portion (see Patent Documents 3 and 4). In the conventional manufacturing method, since a sacrificial layer is used, there are problems that the process of forming the hollow structure is complicated, it is difficult to increase the area, and waste of materials and energy is generated.

また、高機能のセンサマトリクスにするには、広い面積において高精度であること、高解像度であることが望まれる。そのため、特に、カンチレバー構造体を用いたセンサのマトリクス化において、カンチレバーの梁方向を同方向に多数を配列する形態(一軸と呼ぶ。)のほかに、複数の方向に多数を配列する形態(多軸と呼ぶ。)が必要であると考えられる。即ち、多軸とは、カンチレバーの梁方向が2以上の方向になるように、カンチレバー構造体をマトリクス状に配置することである。カンチレバー形状は、その構造ゆえに感度に異方性を有することが多い。ここで検知対象にも異方性がある場合、その異方性がカンチレバーの低感度な軸と合致してしまうとセンシングの精度が低下する。よって多軸化にも適した形のカンチレバーマトリクスの構造の開発が望まれる。   Further, in order to obtain a high-performance sensor matrix, it is desired that the sensor matrix has high accuracy over a wide area and high resolution. Therefore, in particular, in forming a sensor matrix using a cantilever structure, in addition to a configuration in which a large number of cantilever beams are arranged in the same direction (referred to as a single axis), a configuration in which a large number is arranged in a plurality of directions (multiple configurations). Called the axis). That is, multi-axis means that the cantilever structures are arranged in a matrix so that the beam direction of the cantilever becomes two or more directions. The cantilever shape often has anisotropy in sensitivity due to its structure. Here, when the detection target has anisotropy, if the anisotropy coincides with the low-sensitivity axis of the cantilever, the sensing accuracy decreases. Therefore, it is desired to develop a cantilever matrix structure suitable for multi-axis.

本発明は、これらの問題を解決しようとするものであり、カンチレバー部材が新規で、シンプルな構造を有し大面積化に適するカンチレバー型圧電素子、及び該圧電素子を用いた、高解像度及び高精度で大面積化が可能なセンサ及び振動素子、並びに、材料の浪費及び環境負荷を軽減できる前記圧電素子の製造方法を提供することを目的とする。   The present invention is intended to solve these problems. The cantilever member is novel, has a simple structure and is suitable for increasing the area, and a high resolution and high performance using the piezoelectric element. It is an object of the present invention to provide a sensor and a vibration element capable of increasing the area with high accuracy, and a method for manufacturing the piezoelectric element capable of reducing waste of materials and environmental load.

本発明は、前記目的を達成するために、以下の特徴を有する。
(1) 第1の電極と、前記第1の電極上の、開口部とスルーホールを備える絶縁層と、前記第1の電極と一部が積層され、前記絶縁層により絶縁される第2の電極と、第1及び第2の導電層と該導電層に挟まれる圧電材料層からなる構造を備え、前記導電層及び圧電材料層のうちのいずれか1以上が樹脂含有層であるカンチレバー部とを備え、前記カンチレバー部は、前記導電層のそれぞれが、前記第1の電極又は第2の電極に、直接又は接続線より導電接続されるとともに、一部が前記開口部上で浮遊した状態であることを特徴とするカンチレバー型圧電素子。
(2) 前記絶縁層から遠い側の導電層を第1の導電層、近い側の導電層を第2の導電層とするとき、第1の導電層は、前記第2の電極から延びる接続線を介して、第2の電極と電気接続され、第2の導電層は、前記スルーホールと接続線を介して、前記第1の電極と電気接続されていることを特徴とする(1)記載のカンチレバー型圧電素子。
(3) 前記絶縁層から遠い側の導電層を第1の導電層、近い側の導電層を第2の導電層とするとき、第2の導電層は、前記第2の電極から延びる接続線を介して、第2の電極と電気接続され、第1の導電層は、前記スルーホールと接続線を介して、前記第1の電極と電気接続されていることを特徴とする(1)記載のカンチレバー型圧電素子。
(4) 前記絶縁層から遠い側の導電層を第1の導電層、近い側の導電層を第2の導電層とするとき、第1の導電層は、前記第2の電極から延びる接続線を介して、第2の電極と電気接続され、第2の導電層は、前記スルーホール内の導電接続部を介して、前記第1の電極と電気接続されていることを特徴とする(1)記載のカンチレバー型圧電素子。
(5) 前記絶縁層から遠い側の導電層を第1の導電層、近い側の導電層を第2の導電層とするとき、第2の導電層は、直接前記第2の電極と電気接続され、第1の導電層は、スルーホールと接続線とを介して、前記第1の電極と電気接続されていることを特徴とする(1)記載のカンチレバー型圧電素子。
(6) 前記第1の電極と前記第2の電極が、前記絶縁層を介して交差するマトリクス構造を備え、前記カンチレバー部が複数の前記交差する領域に配置され、前記絶縁層はメッシュ状であることを特徴とする(1)乃至(5)のいずれか1項記載のカンチレバー型圧電素子。
(7) 前記第1の電極と前記第2の電極が、前記絶縁層を介して交差するマトリクス構造を備え、前記カンチレバー部が複数の前記交差する領域に配置され、前記絶縁層はメッシュ状であり、複数の前記交差する領域のカンチレバー部は、長尺方向が一以上の軸方向に配列されていることを特徴とする(1)乃至(5)のいずれか1項記載のカンチレバー型圧電素子。
(8) (1)乃至(7)のいずれか1項記載のカンチレバー型圧電素子を備えることを特徴とするセンサ。
(9) (1)乃至(7)のいずれか1項記載のカンチレバー型圧電素子を備えることを特徴とする振動素子。
(10) 素子用基材に、第1の電極と、開口部とスルーホールを備える絶縁層と、前記第1の電極と一部が積層され、前記絶縁層を介して絶縁される第2の電極と形成し、転写用基材の表面の低表面エネルギー材料上に、第1の導電層、圧電材料層を順に形成し、該圧電材料層上に樹脂を含有する第2の導電層を溶液プロセスで形成し、該第2の導電層が完全に硬化しない状態で、素子用基材の前記絶縁層側に、前記第2の導電層の一部を接触させることにより、前記第1の導電層と前記圧電材料層と前記第2の導電層を、低表面エネルギー材料上から素子用基材側に転写して、カンチレバー部を形成することを特徴とする(1)記載のカンチレバー型圧電素子の製造方法。
(11) 素子用基材に、第1の電極と、開口部とスルーホールを備える絶縁層と、前記第1の電極と一部が積層され、前記絶縁層を介して絶縁される第2の電極と形成し、転写用基材の表面に設けた低表面エネルギー材料上に、第1の導電層、圧電材料層、第2の導電層を順に形成し、該第2の導電層の一部の上に、樹脂を含有する接着層兼導電層を形成し、該接着層兼導電層が完全に硬化しない状態で、素子用基材の前記絶縁層側に接着層兼導電層を接触させることにより、第1の導電層と圧電材料層と第2の導電層を、低表面エネルギー材料上から素子用基材側に転写して、カンチレバー部を形成することを特徴とする(1)記載のカンチレバー型圧電素子の製造方法。
In order to achieve the above object, the present invention has the following features.
(1) a first electrode, an insulating layer provided with an opening and a through hole on the first electrode, and a second layer that is partially laminated with the first electrode and is insulated by the insulating layer A cantilever portion having a structure comprising an electrode, a first and second conductive layer, and a piezoelectric material layer sandwiched between the conductive layers, wherein at least one of the conductive layer and the piezoelectric material layer is a resin-containing layer; Each of the conductive layers is conductively connected to the first electrode or the second electrode directly or from a connection line, and a part of the conductive layer is floated on the opening. A cantilever-type piezoelectric element characterized by being.
(2) When the conductive layer far from the insulating layer is the first conductive layer and the conductive layer near is the second conductive layer, the first conductive layer is a connection line extending from the second electrode. (2), wherein the second conductive layer is electrically connected to the first electrode via the through hole and a connection line. Cantilever type piezoelectric element.
(3) When the conductive layer far from the insulating layer is the first conductive layer, and the close conductive layer is the second conductive layer, the second conductive layer is a connection line extending from the second electrode. (1), wherein the first conductive layer is electrically connected to the first electrode via the through hole and a connection line. Cantilever type piezoelectric element.
(4) When the conductive layer far from the insulating layer is the first conductive layer, and the close conductive layer is the second conductive layer, the first conductive layer is a connection line extending from the second electrode. And the second conductive layer is electrically connected to the first electrode via the conductive connection portion in the through hole (1). The cantilever piezoelectric element described in the above.
(5) When the conductive layer far from the insulating layer is the first conductive layer and the conductive layer closer to the insulating layer is the second conductive layer, the second conductive layer is directly electrically connected to the second electrode. The cantilever type piezoelectric element according to (1), wherein the first conductive layer is electrically connected to the first electrode through a through hole and a connection line.
(6) The first electrode and the second electrode have a matrix structure that intersects via the insulating layer, the cantilever portions are arranged in a plurality of intersecting regions, and the insulating layer is mesh-shaped. The cantilever type piezoelectric element according to any one of (1) to (5), wherein the cantilever type piezoelectric element is provided.
(7) The first electrode and the second electrode have a matrix structure that intersects with the insulating layer interposed therebetween, the cantilever portions are arranged in the plurality of intersecting regions, and the insulating layer has a mesh shape The cantilever type piezoelectric element according to any one of (1) to (5), wherein the plurality of cantilever portions in the intersecting region are arranged in one or more axial directions in the longitudinal direction. .
(8) A sensor comprising the cantilever piezoelectric element according to any one of (1) to (7).
(9) A vibrating element comprising the cantilever piezoelectric element according to any one of (1) to (7).
(10) A first electrode, an insulating layer having an opening and a through-hole, and a part of the first electrode are laminated on the element base material, and the second is insulated through the insulating layer. A first conductive layer and a piezoelectric material layer are formed in this order on the low surface energy material on the surface of the transfer substrate, and a second conductive layer containing a resin is formed on the piezoelectric material layer. By forming a part of the second conductive layer in contact with the insulating layer side of the element base material in a state where the second conductive layer is not completely cured, the first conductive layer is formed by a process. The cantilever piezoelectric element according to (1), wherein the layer, the piezoelectric material layer, and the second conductive layer are transferred from the low surface energy material to the element substrate side to form a cantilever part. Manufacturing method.
(11) A first electrode, an insulating layer having an opening and a through-hole, and a part of the first electrode are laminated on the element base material, and the second is insulated via the insulating layer. A first conductive layer, a piezoelectric material layer, and a second conductive layer are formed in order on a low surface energy material that is formed with an electrode and provided on the surface of the transfer substrate, and a part of the second conductive layer An adhesive layer / conductive layer containing a resin is formed thereon, and the adhesive layer / conductive layer is brought into contact with the insulating layer side of the element substrate in a state where the adhesive layer / conductive layer is not completely cured. (1), wherein the first conductive layer, the piezoelectric material layer, and the second conductive layer are transferred from the low surface energy material to the element substrate side to form a cantilever portion. Manufacturing method of cantilever type piezoelectric element.

本発明では、カンチレバー部を構成する部材が樹脂含有層を含むので、目的とするセンサや振動素子の用途に応じて、所望のヤング率等を有するカンチレバー部を設計可能である。従来技術(特許文献4等)のように、カンチレバー型圧電素子では、カンチレバー部が無機材料のみからなるので、硬く、また、弾性層(無機材料)をさらに設ける必要があるが、本発明では、導電層/絶縁圧電材料層/導電層の最小限の構造にすることが可能である。   In this invention, since the member which comprises a cantilever part contains a resin content layer, the cantilever part which has a desired Young's modulus etc. can be designed according to the use of the target sensor or vibration element. As in the prior art (Patent Document 4 etc.), in the cantilever type piezoelectric element, since the cantilever part is made only of an inorganic material, it is hard and it is necessary to further provide an elastic layer (inorganic material). It is possible to have a minimum structure of conductive layer / insulating piezoelectric material layer / conductive layer.

本発明のカンチレバー型圧電素子は、そのカンチレバー部の梁方向を一方向又は複数方向に揃えて、かつ、2つの互いに絶縁された電極の上に複数のカンチレバー構造体を配置して、大面積化することができる。本発明の複数のカンチレバー構造体をマトリクス化することにより、高解像化、高精度のセンサマトリクスや振動素子マトリクスが得られる。   The cantilever type piezoelectric element of the present invention has a large area by aligning the beam direction of the cantilever part in one direction or a plurality of directions and arranging a plurality of cantilever structures on two mutually insulated electrodes. can do. By forming a plurality of cantilever structures of the present invention into a matrix, a high-resolution, high-accuracy sensor matrix or vibration element matrix can be obtained.

本発明では、マトリクス化する際には、絶縁層の開口部が、ちょうど網の目になるので、絶縁層をメッシュ状絶縁層とすることにより、カンチレバー部の浮遊部である変位部分と素子基材上とのギャップを大きくとることができる。   In the present invention, when the matrix is formed, the opening portion of the insulating layer is just a mesh, so that the insulating layer is a mesh-like insulating layer, so that the displacement portion and the element base that are the floating portion of the cantilever portion are formed. A large gap with the material can be obtained.

カンチレバー部の梁方向を複数方向に揃えて、複数のカンチレバー構造体を配置した場合は、検出対象が、異方性の圧力や複数方向の圧力であっても、複数の軸方向の検出を行うことができるので、センシング機能の精度の向上、異方性の方向の検出、及びマップ化が可能である。また、多軸方向の検出により、より高解像度化、高頻度化による検出が可能となる。   When multiple cantilever structures are arranged with the beam direction of the cantilever part aligned in multiple directions, multiple axial directions are detected even if the detection target is anisotropic pressure or multidirectional pressure Therefore, it is possible to improve the accuracy of the sensing function, detect the direction of anisotropy, and map. Moreover, detection by higher resolution and higher frequency can be performed by detecting in the multi-axis directions.

本発明によれば、従来のように犠牲層を形成した後に不要な部分を除去するのではなく、転写によるので、必要な部分に膜を付加的(アディティブ)に形成する方法により、カンチレバー型圧電素子を実現することができる。よって、本発明によれば、圧電素子を低環境負荷で製造でき、また省工程で形成できる。   According to the present invention, since the unnecessary portion is not removed after forming the sacrificial layer as in the prior art, but by transfer, a cantilever-type piezoelectric element is formed by a method of additionally forming a film on the necessary portion. An element can be realized. Therefore, according to the present invention, the piezoelectric element can be manufactured with a low environmental load and can be formed in a reduced process.

第1の実施形態の、カンチレバー型圧電素子の基本構造の模式図で、上部電極側の上から見た平面図である。It is a schematic diagram of the basic structure of the cantilever type piezoelectric element of the first embodiment, and is a plan view seen from above the upper electrode side. (a)は図1のA−A’線の断面図で、(b)はB−B’線の断面図である。(A) is sectional drawing of the A-A 'line of FIG. 1, (b) is sectional drawing of a B-B' line. 第1の実施形態の、カンチレバー部の図であり、(a)はカンチレバー部を上からみた平面図で、(b)は(a)の点線の断面図である。It is a figure of the cantilever part of 1st Embodiment, (a) is the top view which looked at the cantilever part from the top, (b) is sectional drawing of the dotted line of (a). 第3の実施形態の、カンチレバー型圧電素子の変形例を、上部電極側の上から見た平面図ある。It is the top view which looked at the modification of the cantilever type piezoelectric element of 3rd Embodiment from the upper electrode side. (a)は図4のA−A’線の断面図で、(b)はB−B’線の断面図である。(A) is sectional drawing of the A-A 'line | wire of FIG. 4, (b) is sectional drawing of a B-B' line | wire. 第4の実施形態の、カンチレバー型圧電素子の変形例を、上部電極側の上から見た平面図ある。It is the top view which looked at the modification of the cantilever type piezoelectric element of 4th Embodiment from the upper electrode side. (a)は図6のA−A’線の断面図で、(b)はB−B’線の断面図である。(A) is sectional drawing of the A-A 'line of FIG. 6, (b) is sectional drawing of a B-B' line. 第5の実施形態の、カンチレバー型圧電素子の変形例を、上部電極側の上から見た平面図ある。It is the top view which looked at the modification of the cantilever type piezoelectric element of 5th Embodiment from the upper electrode side. (a)は図8のA−A’線の断面図で、(b)はB−B’線の断面図である。(A) is sectional drawing of the A-A 'line of FIG. 8, (b) is sectional drawing of a B-B' line. 第6の実施形態の、1軸方向でマトリクス化されたカンチレバー型圧電素子を説明する平面図である。It is a top view explaining the cantilever type | mold piezoelectric element made into the matrix by the uniaxial direction of 6th Embodiment. 第7の実施形態の、多軸方向でマトリクス化されたカンチレバー型圧電素子を説明する平面図である。It is a top view explaining the cantilever type piezoelectric element formed into a matrix in the multi-axis direction according to the seventh embodiment.

本発明の実施形態について以下説明する。   Embodiments of the present invention will be described below.

本発明者は、カンチレバー構造の技術開発を進める研究過程で、センサ等に利用可能な片持ち梁状の変位部材において、次の点に着目した。第1に、変位部材の材料の選択の幅を従来の無機化合物のみ限定するのでなく、新規な選択肢を実現すること、及び、第2に、センサマトリクスを実現するのに相応しいカンチレバー構造を実現することである。そこで、本実施形態では、カンチレバー型の圧電素子において、カンチレバー部を、樹脂含有層を少なくとも含む構造とすることにより、新規なカンチレバー部を実現した。また、マトリクス化と多軸化が可能なカンチレバー型圧電素子を実現した。   The present inventor paid attention to the following points in a cantilever-shaped displacement member that can be used for a sensor or the like in a research process for developing a cantilever structure. First, the range of selection of the material for the displacement member is not limited to the conventional inorganic compounds, but a new option is realized, and second, a cantilever structure suitable for realizing a sensor matrix is realized. That is. Therefore, in the present embodiment, in the cantilever type piezoelectric element, the cantilever part has a structure including at least the resin-containing layer, thereby realizing a novel cantilever part. In addition, a cantilever-type piezoelectric element that can be made into a matrix and multi-axis has been realized.

カンチレバーとは、片持ち梁の形状のものをいい、長尺の一端が固定され、他端が可動である。カンチレバー構造体は、カンチレバー部を含む構造体をいう。   The cantilever means a cantilever shape, with one long end fixed and the other end movable. The cantilever structure refers to a structure including a cantilever part.

本発明のカンチレバー型圧電素子は、第1の電極と、前記第1の電極上の、開口部とスルーホールを備える絶縁層と、前記第1の電極と一部が積層され、前記絶縁層により絶縁される第2の電極と、本発明の特徴の1つであるカンチレバー部を備える。本発明のカンチレバー部は、第1及び第2の導電層と該導電層に挟まれる圧電材料層からなる構造を備え、前記導電層及び圧電材料層のうちのいずれか1以上が樹脂含有層である。例えば、圧電材料層を樹脂層で形成するとよい。または、前記絶縁層から遠い側の導電層を第1の導電層、近い側の導電層を第2の導電層とするとき、前記第2の導電層を樹脂含有層で形成するとよい。または、これらの組み合わせや、全ての層を樹脂含有層で形成してもよい。即ち、導電層及び圧電材料層のうちのいずれか1以上が樹脂含有層であれば、特に限定されない。前記カンチレバー部は、前記導電層のそれぞれが、前記第1の電極又は第2の電極に、直接又は接続線より導電接続されるとともに、一部が前記開口部上で浮遊した状態である。   The cantilever piezoelectric element of the present invention includes a first electrode, an insulating layer having an opening and a through hole on the first electrode, and a part of the first electrode laminated, and the insulating layer A second electrode to be insulated and a cantilever part which is one of the features of the present invention are provided. The cantilever part of the present invention has a structure composed of first and second conductive layers and a piezoelectric material layer sandwiched between the conductive layers, and at least one of the conductive layer and the piezoelectric material layer is a resin-containing layer. is there. For example, the piezoelectric material layer may be formed of a resin layer. Alternatively, when the conductive layer far from the insulating layer is the first conductive layer and the close conductive layer is the second conductive layer, the second conductive layer may be formed of a resin-containing layer. Or you may form these combinations and all the layers by a resin content layer. That is, there is no particular limitation as long as one or more of the conductive layer and the piezoelectric material layer is a resin-containing layer. In the cantilever portion, each of the conductive layers is electrically connected to the first electrode or the second electrode directly or through a connection line, and a part of the cantilever portion is floated on the opening.

(第1の実施形態)
本実施形態を、図1乃3を参照して以下説明する。
(First embodiment)
This embodiment will be described below with reference to FIGS.

図1は、本実施形態におけるカンチレバー型圧電素子の基本構造の模式図である。図1は上部電極側の上から見た平面図ある。本実施形態のカンチレバー構造体は、素子用基材(図示省略)と、素子用基材上に形成された下部電極1と、下部電極1上に形成された絶縁層2と、絶縁層2上に形成され絶縁層2により下部電極1と絶縁される上部電極3と、カンチレバー部7とからなる。カンチレバー部7は、その一方の端部が、絶縁層2上で支持されると共に上部電極又は下部電極に導電接続されている。カンチレバー部7は、他方の端部を含め、前記一方の端部以外の部分が、素子用基材側から浮遊した状態で、変位部分を構成する。絶縁層2には、絶縁層の存在しない領域(「開口部」ともいう。)と、スルーホール12が設けられている。カンチレバー部7の変位部分は、前記開口部の上に位置する。   FIG. 1 is a schematic diagram of a basic structure of a cantilever piezoelectric element in the present embodiment. FIG. 1 is a plan view seen from above the upper electrode side. The cantilever structure of the present embodiment includes an element substrate (not shown), a lower electrode 1 formed on the element substrate, an insulating layer 2 formed on the lower electrode 1, and an insulating layer 2 The upper electrode 3 is formed by the insulating layer 2 and is insulated from the lower electrode 1 by the insulating layer 2, and the cantilever portion 7. One end of the cantilever part 7 is supported on the insulating layer 2 and electrically connected to the upper electrode or the lower electrode. The cantilever part 7 comprises a displacement part in the state which other than said one edge part including the other edge part floated from the base material side for elements. The insulating layer 2 is provided with a region where no insulating layer exists (also referred to as “opening”) and a through hole 12. The displacement part of the cantilever part 7 is located on the opening.

図2(a)は、図1のA−A’線の断面図で、(b)は、B−B’線の断面図である。
図3(a)は、カンチレバー部7を上からみた平面図で、(b)は(a)の点線の断面図である。
2A is a cross-sectional view taken along the line AA ′ in FIG. 1, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the line BB ′.
3A is a plan view of the cantilever portion 7 as viewed from above, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along the dotted line in FIG.

図3のように、カンチレバー部7は、第2の導電層71、圧電材料層72、第1の導電層73の積層構造を有する。圧電材料層72を上下方向から2つの導電層(71、73)で挟んだ構造にすることにより、圧電材料をセンサ材料として動作させる場合には、圧電材料が発する電圧を上下の導電層を使って検出することができる。また振動素子として用いる場合にも、上下の導電層から圧電材料層に電圧を印加することができる。   As shown in FIG. 3, the cantilever part 7 has a laminated structure of a second conductive layer 71, a piezoelectric material layer 72, and a first conductive layer 73. When the piezoelectric material layer 72 is sandwiched between two conductive layers (71, 73) from above and below to operate the piezoelectric material as a sensor material, the voltage generated by the piezoelectric material is used for the upper and lower conductive layers. Can be detected. Also when used as a vibration element, a voltage can be applied to the piezoelectric material layer from the upper and lower conductive layers.

図2(a)のように、A−A’線の断面において、カンチレバー部7(第2の導電層71、圧電材料層72、第1の導電層73)は、素子用基材側から浮遊した状態であり、絶縁層2から空気の層を挟んで位置している。第1の導電層の上には、上部電極から延びる上部電極用接続線13が位置し、第1の導電層は上部電極用接続線13を介して上部電極3に導電接続されている。   As shown in FIG. 2A, the cantilever portion 7 (second conductive layer 71, piezoelectric material layer 72, first conductive layer 73) floats from the element substrate side in the cross section taken along the line AA ′. In this state, the air layer is located between the insulating layer 2 and the air layer. An upper electrode connection line 13 extending from the upper electrode is located on the first conductive layer, and the first conductive layer is conductively connected to the upper electrode 3 through the upper electrode connection line 13.

図2(b)のように、B−B’線の断面において、カンチレバー部7(第2の導電層71、圧電材料層72、第1の導電層73)は、素子用基材側に固定された状態であり、下部電極1上の絶縁層2の上に設けられた下部電極用接続線11上に、カンチレバー部7(71、72、73)が位置している。第2の導電層71は、絶縁層2上の下部電極用接続線11及びスルーホール12内の導電体(下部電極用接続線の一部を兼用してもよい)を介して、下部電極1に導電接続されている。   As shown in FIG. 2B, the cantilever portion 7 (second conductive layer 71, piezoelectric material layer 72, first conductive layer 73) is fixed to the element substrate side in the cross section taken along line BB ′. In this state, the cantilever portion 7 (71, 72, 73) is positioned on the lower electrode connection line 11 provided on the insulating layer 2 on the lower electrode 1. The second conductive layer 71 is connected to the lower electrode 1 via the lower electrode connection line 11 on the insulating layer 2 and the conductor in the through hole 12 (a part of the lower electrode connection line may also be used). Conductive connection is made.

下部電極、絶縁層、上部電極の材料は、それぞれ公知の材料を使用することができる。カンチレバー部の材料は、上述したように、導電層及び圧電材料層のうちのいずれか1以上が樹脂含有層であれば、特に限定されない。樹脂材料は目的や製造上の都合で適宜選定できるが、例えばフェノール樹脂、メラミン樹脂、ポリエステル樹脂、フラン樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、アリル樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂、ABS樹脂、アクリル樹脂、ノボラック樹脂、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリブチレン、フッ素樹脂などを挙げることができる。目的に応じてこれらの樹脂材料に機能性粒子が分散されていてもよい。例えば導電性を付与する場合は金、銀、銅、アルミなどの粒子が分散されていてもよい。また圧電材料層として用いられる樹脂はポリフッ化ビニリデン、及びポリフッ化ビニリデンとポリテトラフルオロエチレンが挙げられる。またこれら以外の樹脂に圧電性の機能性粒子が分散されていてもよい。圧電性の機能性粒子としては例えば、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸塩、チタン酸鉛、ニオブ酸カリウム、酸化亜鉛、タンタル酸リチウム、チタン酸ビスマス、窒化アルミニウムなどが挙げられる。導電層として、後述するような、樹脂を含む導電性インク等の樹脂含有層を用いることができる。   Known materials can be used for the material of the lower electrode, the insulating layer, and the upper electrode, respectively. As described above, the material of the cantilever part is not particularly limited as long as any one or more of the conductive layer and the piezoelectric material layer is a resin-containing layer. The resin material can be appropriately selected depending on the purpose and production convenience. For example, phenol resin, melamine resin, polyester resin, furan resin, epoxy resin, polyurethane resin, allyl resin, polyimide resin, silicone resin, ABS resin, acrylic resin, novolac Examples thereof include resin, polystyrene, polyethylene, polybutylene, and fluororesin. Depending on the purpose, functional particles may be dispersed in these resin materials. For example, in the case of imparting conductivity, particles such as gold, silver, copper, and aluminum may be dispersed. Examples of the resin used as the piezoelectric material layer include polyvinylidene fluoride, and polyvinylidene fluoride and polytetrafluoroethylene. In addition, piezoelectric functional particles may be dispersed in other resins. Examples of the piezoelectric functional particles include barium titanate, zirconate titanate, lead titanate, potassium niobate, zinc oxide, lithium tantalate, bismuth titanate, and aluminum nitride. As the conductive layer, a resin-containing layer such as a conductive ink containing a resin as described later can be used.

(第2の実施形態)
本実施形態を、図1及び2を参照して以下説明する。
(Second Embodiment)
This embodiment will be described below with reference to FIGS.

第1の実施形態で示した図1及び2は、カンチレバー型圧電素子単体部分の図であるが、該単体部分を、複数個配列することにより、アレイ化、マトリクス化を実現することができる。カンチレバー型圧電素子単体を、パッシブマトリクスと組み合わせることにより、マトリクス化された圧電カンチレバーを形成することができる。マトリクス化のメリットは、対象をマッピングしながらセンシングできることであり、一点のみで補足する場合よりも、格段に高度な情報を取得することができる。また、マトリクス化した振動素子の用途は現在は示されていないが、例えば振動を音として出力するマイクロフォンマトリクスの駆動によって従来にはなかった複雑な音色を再現できるなどの、先進的なデバイスが実現できる。   1 and 2 shown in the first embodiment are views of a single cantilever type piezoelectric element, and an array and a matrix can be realized by arranging a plurality of the single portions. By combining a single cantilever piezoelectric element with a passive matrix, a matrix cantilevered piezoelectric cantilever can be formed. The advantage of matrixing is that sensing can be performed while mapping the target, and much more advanced information can be acquired than when supplementing with only one point. In addition, the application of the matrix vibration element is not shown at present, but advanced devices such as the ability to reproduce complex tones that were not possible by driving a microphone matrix that outputs vibration as sound have been realized. it can.

1以上の下部電極線(X方向)と1以上の上部電極線(Y方向)を、絶縁層を介して形成し、X方向とY方向の交差する箇所に、カンチレバー部を配置し、単体の例と同様に電気接続する。図1、2の下部電極1(下部電極線ともいう。)及び上部電極3(上部電極線ともいう。)を、それぞれ、いわゆるパッシブマトリクスを応用した構成とする。電極の非存在部は、絶縁層を開口させて開口部とする。マトリクス化する場合、絶縁層に、開口部が網目のように縦横に配列した形状になるので、これをメッシュ状(網目状)の絶縁層と呼ぶことができる。メッシュ状の絶縁層の開口部に、カンチレバー部の変位部分を引き出すことにより、中空状態のカンチレバー部をマトリクス化することができ、変位量を大きくできる。   One or more lower electrode lines (X direction) and one or more upper electrode lines (Y direction) are formed through an insulating layer, and a cantilever portion is arranged at a position where the X direction and the Y direction intersect, Make electrical connections as in the example. The lower electrode 1 (also referred to as a lower electrode line) and the upper electrode 3 (also referred to as an upper electrode line) in FIGS. The non-existing portion of the electrode is formed by opening an insulating layer. In the case of forming a matrix, since the openings are arranged in the insulating layer vertically and horizontally like a mesh, this can be called a mesh-like (network-like) insulating layer. By pulling out the displacement portion of the cantilever portion into the opening of the mesh-like insulating layer, the hollow cantilever portion can be made into a matrix, and the displacement amount can be increased.

図1、2では、カンチレバー部の第1の導電層73を、パッシブマトリクスの上部電極3と(上部電極用接続線を介して)導電接続し、カンチレバー部の第2の導電層71をスルーホールを介してパッシブマトリクスの下部電極1と接続させたが、第3、4、5の実施形態で説明する接続の組合せでもよい。   1 and 2, the first conductive layer 73 of the cantilever part is conductively connected to the upper electrode 3 of the passive matrix (via the connection line for the upper electrode), and the second conductive layer 71 of the cantilever part is through-holed. However, a combination of the connections described in the third, fourth, and fifth embodiments may be used.

(第3の実施形態)
本実施形態を、図4及び5を参照して以下説明する。図4及び図5の単体を第2の実施形態と同様にマトリクス化することができる。
(Third embodiment)
This embodiment will be described below with reference to FIGS. 4 and 5 can be formed into a matrix in the same manner as in the second embodiment.

図4は、カンチレバー型圧電素子の変形例を、上部電極側の上から見た平面図ある。図5(a)は、図4のA−A’線の断面図で、(b)は、B−B’線の断面図である。本実施形態は、第1の導電層73を下部電極1と、第2の導電層71を上部電極と接続させたものである。   FIG. 4 is a plan view of a modified example of the cantilever piezoelectric element viewed from above the upper electrode side. 5A is a cross-sectional view taken along line A-A ′ of FIG. 4, and FIG. 5B is a cross-sectional view taken along line B-B ′. In the present embodiment, the first conductive layer 73 is connected to the lower electrode 1, and the second conductive layer 71 is connected to the upper electrode.

図5(a)のように、A−A’線の断面において、カンチレバー部7(第2の導電層71、圧電材料層72、第1の導電層73)は、素子用基材側に固定された状態であり、絶縁層2の上に設けられた上部電極用接続線13上に、カンチレバー部7(71、72、73)が位置している。第2の導電層71は、上部電極用接続線13を介して、上部電極3に導電接続されている。   As shown in FIG. 5A, the cantilever portion 7 (second conductive layer 71, piezoelectric material layer 72, first conductive layer 73) is fixed to the element substrate side in the cross section taken along line AA ′. In this state, the cantilever portion 7 (71, 72, 73) is positioned on the upper electrode connection line 13 provided on the insulating layer 2. The second conductive layer 71 is conductively connected to the upper electrode 3 through the upper electrode connection line 13.

図5(b)のように、B−B’線の断面において、カンチレバー部7(第2の導電層71、圧電材料層72、第1の導電層73)は、素子用基材側から浮遊した状態であり、絶縁層2から空気の層を挟んで位置している。第1の導電層73の上には、下部電極から延びる下部電極用接続線11が位置し、第1の導電層73は下部電極用接続線11を介してスルーホールを経由して下部電極1に導電接続されている。   As shown in FIG. 5B, the cantilever portion 7 (second conductive layer 71, piezoelectric material layer 72, first conductive layer 73) floats from the element substrate side in the cross section taken along line BB ′. In this state, the air layer is located between the insulating layer 2 and the air layer. The lower electrode connection line 11 extending from the lower electrode is positioned on the first conductive layer 73, and the first conductive layer 73 passes through the lower electrode connection line 11 and passes through the lower electrode 1. Conductive connection is made.

(第4の実施形態)
本実施形態を、図6及び7を参照して以下説明する。図6及び図7の単体を第2の実施形態と同様にマトリクス化することができる。
(Fourth embodiment)
This embodiment will be described below with reference to FIGS. 6 and 7 can be matrixed as in the second embodiment.

図6は、カンチレバー型圧電素子の変形例を、上部電極側の上から見た平面図ある。図7(a)は、図6のA−A’線の断面図で、(b)は、B−B’線の断面図である。本実施形態は、スルーホールの直上にカンチレバー部7が配置され第2の導電層71と接続し、第1の導電層73と上部電極3が接続されたものである。   FIG. 6 is a plan view of a modified example of the cantilever piezoelectric element viewed from above the upper electrode side. 7A is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ of FIG. 6, and FIG. 7B is a cross-sectional view taken along the line B-B ′. In the present embodiment, the cantilever portion 7 is disposed immediately above the through hole, is connected to the second conductive layer 71, and the first conductive layer 73 and the upper electrode 3 are connected.

図7(a)のように、A−A’線の断面において、カンチレバー部7(第2の導電層71、圧電材料層72、第1の導電層73)は、素子用基材側に固定された状態であり、絶縁層2の上に位置している。第1の導電層73の上には、上部電極から延びる上部電極用接続線13が位置し、第1の導電層73は上部電極用接続線13を介して上部電極3に導電接続されている。   As shown in FIG. 7A, the cantilever part 7 (second conductive layer 71, piezoelectric material layer 72, first conductive layer 73) is fixed to the element substrate side in the cross section taken along the line AA ′. And is located on the insulating layer 2. An upper electrode connection line 13 extending from the upper electrode is positioned on the first conductive layer 73, and the first conductive layer 73 is conductively connected to the upper electrode 3 through the upper electrode connection line 13. .

図7(b)のように、B−B’線の断面において、カンチレバー部7(第2の導電層71、圧電材料層72、第1の導電層73)は、素子用基材側に固定された状態であり、絶縁層2の上にカンチレバー部7(71、72、73)が位置し、絶縁層2に設けられたスルーホールを貫通する導電接続部である下部電極用接続線11により、第2の導電層71は下部電極1に導通接続されている。下部電極用接続線11は、カンチレバー型圧電素子を転写により製造する場合は、後述する接着層兼導電層で構成することができる。   As shown in FIG. 7B, the cantilever portion 7 (second conductive layer 71, piezoelectric material layer 72, first conductive layer 73) is fixed to the element substrate side in the cross section taken along line BB ′. The cantilever part 7 (71, 72, 73) is positioned on the insulating layer 2 and is connected to the lower electrode connecting line 11 which is a conductive connecting part penetrating the through hole provided in the insulating layer 2. The second conductive layer 71 is conductively connected to the lower electrode 1. When the cantilever piezoelectric element is manufactured by transfer, the lower electrode connection line 11 can be constituted by an adhesive layer / conductive layer described later.

(第5の実施形態)
本実施形態を、図8及び9を参照して以下説明する。図8及び図9の単体を第2の実施形態と同様にマトリクス化することができる。
(Fifth embodiment)
This embodiment will be described below with reference to FIGS. 8 and 9 can be matrixed as in the second embodiment.

図8は、カンチレバー型圧電素子の変形例を、上部電極側の上から見た平面図ある。図9(a)は、図8のA−A’線の断面図で、(b)は、B−B’線の断面図である。本実施形態は、上部電極3に直接カンチレバー部7を接触させるように配置し、第2の導電層71と上部電極3を接続し、第1の導電層73と下部電極1を接続させたものである。   FIG. 8 is a plan view of a modified example of the cantilever piezoelectric element viewed from above the upper electrode side. 9A is a cross-sectional view taken along line A-A ′ of FIG. 8, and FIG. 9B is a cross-sectional view taken along line B-B ′. In the present embodiment, the cantilever portion 7 is disposed so as to contact the upper electrode 3 directly, the second conductive layer 71 and the upper electrode 3 are connected, and the first conductive layer 73 and the lower electrode 1 are connected. It is.

図9(a)のように、A−A’線の断面において、カンチレバー部7(第2の導電層71、圧電材料層72、第1の導電層73)は、素子用基材側から浮遊した状態であり、絶縁層2から空気の層を挟んで位置している。第1の導電層73の上には、下部電極から延びる下部電極用接続線11が位置し、第1の導電層73は下部電極用接続線11を介して絶縁層2に開けられたスルーホールを経由して下部電極1に導電接続されている。   As shown in FIG. 9A, the cantilever portion 7 (second conductive layer 71, piezoelectric material layer 72, first conductive layer 73) floats from the element substrate side in the cross section taken along the line AA ′. In this state, the air layer is located between the insulating layer 2 and the air layer. A lower electrode connection line 11 extending from the lower electrode is positioned on the first conductive layer 73, and the first conductive layer 73 is a through hole opened in the insulating layer 2 through the lower electrode connection line 11. Is electrically conductively connected to the lower electrode 1.

図9(b)のように、B−B’線の断面において、カンチレバー部7(第2の導電層71、圧電材料層72、第1の導電層73)は、素子用基材側に固定された状態であり、絶縁層2の上に設けられた上部電極3上に、カンチレバー部7(71、72、73)が位置している。第2の導電層71は、上部電極3に接して導電接続されている。   As shown in FIG. 9B, the cantilever portion 7 (second conductive layer 71, piezoelectric material layer 72, first conductive layer 73) is fixed to the element substrate side in the cross section taken along line BB ′. In this state, the cantilever portion 7 (71, 72, 73) is positioned on the upper electrode 3 provided on the insulating layer 2. The second conductive layer 71 is conductively connected in contact with the upper electrode 3.

(第6の実施形態)
第2の実施形態においては、複数のカンチレバー部の長尺(「梁」「ビーム」ともいう。)方向について特に限定されていないが、本実施形態では、1軸でマトリクス化した場合、即ち、複数のカンチレバー部を縦横に配列した際の、前記長尺方向を、一方向に揃えた場合について説明する。
(Sixth embodiment)
In the second embodiment, there is no particular limitation on the length (also referred to as “beam” or “beam”) direction of the plurality of cantilevers, but in this embodiment, when the matrix is formed with one axis, that is, A case where the long direction is aligned in one direction when a plurality of cantilever portions are arranged vertically and horizontally will be described.

図10は、第1の実施形態で示した基本構造のカンチレバー型圧電素子7をマトリクス化したものを模式的に示す図である。図10は、基本構造を、X方向とY方向にそれぞれ配列させてマトリクス化したものを、上からみた図である。図10では、基板(図示省略)上に、1以上の線状下部電極1(X方向)と1以上の線状上部電極3(Y方向)を、絶縁層2を介して形成し、下部電極と上部電極の交差する箇所の近傍に、カンチレバー部7を配置している。配列されたカンチレバー部7のそれぞれの第1の導電層73は、それぞれの上部電極用接続線により、並列する線状の上部電極3のそれぞれに電気接続されている。配列されたカンチレバー部7のそれぞれの第2の導電層71は、それぞれの下部電極用接続線により、1本の線状の下部電極3に電気接続されている。   FIG. 10 is a diagram schematically showing the cantilever piezoelectric element 7 having the basic structure shown in the first embodiment in a matrix form. FIG. 10 is a top view of a basic structure in which the basic structure is arranged in the X direction and the Y direction to form a matrix. In FIG. 10, one or more linear lower electrodes 1 (X direction) and one or more linear upper electrodes 3 (Y direction) are formed on a substrate (not shown) with an insulating layer 2 interposed therebetween. A cantilever portion 7 is disposed in the vicinity of the intersection of the upper electrode and the upper electrode. Each of the first conductive layers 73 of the arranged cantilevers 7 is electrically connected to each of the linear upper electrodes 3 arranged in parallel by the upper electrode connection lines. Each of the second conductive layers 71 of the arranged cantilevers 7 is electrically connected to one linear lower electrode 3 by each lower electrode connection line.

(第7の実施形態)
本実施形態では、多軸でマトリクス化した場合、即ち、複数のカンチレバー部を縦横に配列した際の、長尺方向を2以上の方向に揃えた場合について説明する。例えば、長尺方向を、直交する2方向(2つの直交する軸方向)に配列することができる。
(Seventh embodiment)
In the present embodiment, a case where a multi-axis matrix is formed, that is, a case where a plurality of cantilevers are arranged vertically and horizontally, the longitudinal direction is aligned in two or more directions will be described. For example, the longitudinal direction can be arranged in two orthogonal directions (two orthogonal axial directions).

図11は、カンチレバー部7を多軸化してマトリクス化した2軸対応マトリクスを模式的に示す図であり、上部電極側からみた平面図である。図11では、カンチレバー部の梁方向が複数の方向に揃って配列されている。図11では、図1で示した基本構造と図8で示した構造とを、X方向とY方向に並列して配列し、その際に、隣合う列のカンチレバー部の梁方向が互いに直交するように配列してマトリクス化されている。図11は図10と比べ、向きを変えたカンチレバー部を配列に加えることにより、多軸対応させたものである。図11では、基板(図示省略)上に、1以上の線状下部電極1(X方向)と1以上の線状上部電極3(Y方向)を、絶縁層2を介して形成し、下部電極と上部電極の交差する箇所の近傍に、カンチレバー部7を配置している。配列されたカンチレバー部7のそれぞれは、図1と図8に示すように、それぞれ上部電極と下部電極に電気接続されている   FIG. 11 is a diagram schematically showing a two-axis correspondence matrix in which the cantilever portions 7 are multi-axially formed into a matrix, and is a plan view seen from the upper electrode side. In FIG. 11, the beam directions of the cantilever portions are aligned in a plurality of directions. In FIG. 11, the basic structure shown in FIG. 1 and the structure shown in FIG. 8 are arranged in parallel in the X direction and the Y direction, and at this time, the beam directions of the cantilever portions in adjacent rows are orthogonal to each other. Are arranged in a matrix. Compared to FIG. 10, FIG. 11 is made to correspond to multiple axes by adding a cantilever portion whose direction is changed to the array. In FIG. 11, one or more linear lower electrodes 1 (X direction) and one or more linear upper electrodes 3 (Y direction) are formed on a substrate (not shown) with an insulating layer 2 interposed therebetween. A cantilever portion 7 is disposed in the vicinity of the intersection of the upper electrode and the upper electrode. Each of the arranged cantilever portions 7 is electrically connected to the upper electrode and the lower electrode, respectively, as shown in FIGS.

図11では、X方向Y方向に向いたカンチレバー部が交互に配列しているが、配列の組み合わせ方はこの限りではない。またカンチレバー部の梁の方向のなす角度も、センサの目的に応じて適宜設計することができる。   In FIG. 11, the cantilever portions facing in the X direction and the Y direction are alternately arranged, but the combination of the arrangements is not limited to this. In addition, the angle formed by the beam direction of the cantilever portion can be appropriately designed according to the purpose of the sensor.

(第8の実施形態)
本実施形態では、第1の実施形態で示した圧電素子の基本構造、及びセンサ又は振動素子として利用する場合について、実際に製造した具体例に沿って述べる。
(Eighth embodiment)
In the present embodiment, the basic structure of the piezoelectric element shown in the first embodiment and the case where the piezoelectric element is used as a sensor or a vibration element will be described along with a concrete example actually manufactured.

素子用基材に、第1の電極(下部電極に相当)と、前記第1の電極の上に一部重なるメッシュ状の絶縁層と、前記第1の電極と一部が積層され、前記絶縁層を介して絶縁される第2の電極(上部電極に相当)とを形成する。一方、転写用基材の表面に設けた低表面エネルギー材料上に、第1の導電層を形成し、該第1の導電層を被覆する圧電材料層を形成し、該圧電材料層上に樹脂を含有する第2の導電層を溶液プロセスで形成する。該第2の導電層が完全に硬化しない状態で、前記絶縁層側(図1の場合では下部電極用接続線を含む)に、前記第2の導電層の一部を接触させることにより、第1の導電層と圧電材料層と第2の導電層を、低表面エネルギー材料上から素子用基材側に転写し、[第2の導電層71/圧電材料層72/第1の導電層73]構造を有するカンチレバー部を形成する。図1の場合では、第2の導電層が完全に硬化しない状態で、第2の導電層の一部が、主に下部電極用接続線に接触し、また絶縁層にも接着する。   A first electrode (corresponding to a lower electrode), a mesh-like insulating layer partially overlapping on the first electrode, and a part of the first electrode are laminated on the element base material, and the insulation A second electrode (corresponding to the upper electrode) that is insulated through the layer is formed. On the other hand, a first conductive layer is formed on a low surface energy material provided on the surface of the transfer substrate, a piezoelectric material layer covering the first conductive layer is formed, and a resin is formed on the piezoelectric material layer. A second conductive layer containing is formed by a solution process. In a state where the second conductive layer is not completely cured, a part of the second conductive layer is brought into contact with the insulating layer side (including the lower electrode connection line in the case of FIG. 1). The first conductive layer, the piezoelectric material layer, and the second conductive layer are transferred from the low surface energy material to the element substrate side, and [second conductive layer 71 / piezoelectric material layer 72 / first conductive layer 73 are transferred. ] A cantilever part having a structure is formed. In the case of FIG. 1, in a state where the second conductive layer is not completely cured, a part of the second conductive layer mainly contacts the lower electrode connection line and also adheres to the insulating layer.

転写用基材は、表面に低表面エネルギー材料を均一に積層できるものであれば特に限定はされない。具体例としては、ガラス、アルミやステンレスなどからなる金属板や金属箔、板状のプラスチックや薄膜状のプラスチックフィルム、紙、などが挙げられる。   The substrate for transfer is not particularly limited as long as the low surface energy material can be uniformly laminated on the surface. Specific examples include metal plates and metal foils made of glass, aluminum, stainless steel, etc., plate-like plastics, thin-film plastic films, paper, and the like.

転写用基材を覆う低表面エネルギー材料は、転写用基材の上層のインクを後の工程で剥離しやすいものが好ましい。具体的には、ポリジメチルシロキサンおよびその誘導体と共重合体、ポリテトラフルオロエチレンのように末端基をフッ素置換された樹脂材料、フッ素化オルガノポリシロキサンのように末端基をフッ素置換された表面処理剤、フッ素化オルガノシランやフッ素化アルカンチオールなどの表面修飾剤が挙げられる。   The low surface energy material that covers the transfer substrate is preferably a material that easily peels off the ink of the upper layer of the transfer substrate in a later step. Specifically, polydimethylsiloxane and its derivatives and copolymers, resin materials whose terminal groups are fluorine-substituted, such as polytetrafluoroethylene, and surface treatments whose terminal groups are fluorine-substituted, such as fluorinated organopolysiloxanes And surface modifiers such as fluorinated organosilanes and fluorinated alkanethiols.

転写されるカンチレバー部の層、例えば第2の導電層に、樹脂を含むインクを用いるのは、高い凝集力を有するためであり、接触する際に、一部分の接触にも関わらず非接触部分を含む層全体を転写することを可能とするためである。樹脂を含まない層を用いた場合、接触部のみが転写され、浮遊部の形成が不可能となる。ここで、樹脂とは、乾燥又は硬化させた際に膜状になるものであれば特に限定はされない。例として挙げるならば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリビニルアルコール、ポリスチレン、ポリビニルピロリドン、ポリビニルフェノール、ポリイミド、ポリアミド、ポリフタルアミド、ポリフッ化ビニル、ポリメタクリル酸メチル、ポリ塩化ビニル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂、ブチルゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレンブタジエンゴム、天然ゴム、等があげられる。また、列挙したこれらの樹脂は、いずれも絶縁性(誘電性)の素材だが、導電性あるいは半導体性の樹脂であってもよい。導電性の材料としてはPEDOTおよびPEDOT/PSS、半導体性の材料としてはポリチオフェンおよびその誘導体等が挙げられる。これらの樹脂材料は単独であっても、複数種類が混合されていてもよい。   The ink containing resin is used for the layer of the cantilever part to be transferred, for example, the second conductive layer because it has a high cohesive force. This is because it is possible to transfer the entire layer including it. When a layer not containing resin is used, only the contact portion is transferred, and the floating portion cannot be formed. Here, the resin is not particularly limited as long as it becomes a film when dried or cured. Examples include polyethylene, polypropylene, polyvinyl alcohol, polystyrene, polyvinyl pyrrolidone, polyvinyl phenol, polyimide, polyamide, polyphthalamide, polyvinyl fluoride, polymethyl methacrylate, polyvinyl chloride, polytetrafluoroethylene, and polyvinylidene fluoride. Epoxy resin, acrylic resin, urethane resin, silicone resin, butyl rubber, isoprene rubber, butadiene rubber, styrene butadiene rubber, natural rubber, and the like. These listed resins are all insulating (dielectric) materials, but may be conductive or semiconductive resins. Examples of the conductive material include PEDOT and PEDOT / PSS, and examples of the semiconductor material include polythiophene and derivatives thereof. These resin materials may be used alone or a plurality of types may be mixed.

インクには、導電性の発現のためには、金、銀、銅、アルミ、ニッケル、ケイ素(シリコン)、炭化シリコン、カーボンナノチューブ、グラフェン、ITO、IZOなどを混合することができる。   Ink can be mixed with gold, silver, copper, aluminum, nickel, silicon (silicon), silicon carbide, carbon nanotube, graphene, ITO, IZO, etc., in order to develop conductivity.

樹脂含有層を形成する工程は、樹脂を含むインクの塗布層を、乾燥又は硬化することにより、樹脂含有層を形成することができる。樹脂含有層は、例えば樹脂膜と呼ぶこともできるものであり、樹脂となる材料が溶媒によって溶解または分散されることで、液体となっていたインクが、乾燥による溶媒除去によって固体となった状態をさす。この時完全に樹脂の重合反応や縮合反応が完了していなくともよい。後から重合や縮合処理(露光など)をする場合も含む。   In the step of forming the resin-containing layer, the resin-containing layer can be formed by drying or curing the coating layer of the ink containing the resin. The resin-containing layer can also be referred to as, for example, a resin film, and the liquid ink is dissolved or dispersed in a solvent so that the liquid ink becomes a solid by removing the solvent by drying. Point. At this time, the resin polymerization reaction or condensation reaction may not be completely completed. This includes cases where polymerization or condensation treatment (exposure, etc.) is performed later.

転写する工程において、樹脂含有層を含むカンチレバー部全体が、転写用基材表面の低表面エネルギー材料の表面から剥離するのは、カンチレバー部と素子用基材側の絶縁層(図1の場合では下部電極用接続線を含む)との間で形成される付着力が、低表面エネルギー材料とカンチレバー部との間で形成される付着力よりも大きいことによる。転写法を用いることにより、真空装置を使用せず、工程に犠牲層を用いず、効率的にカンチレバー型圧電素子の構成、およびマトリクス構造が作製できる。また本実施形態の方法は、大型転写装置に適用でき、大面積化が容易である。   In the transferring step, the entire cantilever part including the resin-containing layer is peeled off from the surface of the low surface energy material on the surface of the transfer substrate. The insulating layer on the cantilever part and the element substrate side (in the case of FIG. 1) This is because the adhesive force formed with the lower electrode connecting line is larger than the adhesive force formed between the low surface energy material and the cantilever part. By using the transfer method, a configuration of a cantilever piezoelectric element and a matrix structure can be efficiently manufactured without using a vacuum apparatus and without using a sacrificial layer in the process. In addition, the method of the present embodiment can be applied to a large transfer apparatus and can easily increase the area.

以下に、詳しく実施例を述べる。   Examples will be described in detail below.

〈下部電極の形成〉
基板としてガラスを用い、該ガラスの表面にAgを200nmスパッタ法で成膜し、フォトリソグラフィ法で、Agを、幅500μmで長さ100mmの線が、線の長手方向と平行に5mmのピッチで10本配列する形状にパターニングして、下部電極を形成した。
<Formation of lower electrode>
Glass is used as a substrate, Ag is formed on the surface of the glass by a 200 nm sputtering method, Ag is formed by a photolithography method, and a line having a width of 500 μm and a length of 100 mm is parallel to the longitudinal direction of the wire at a pitch of 5 mm. The lower electrode was formed by patterning into a shape in which 10 lines were arranged.

〈絶縁層の形成〉
下部電極が形成された基板上に、ネガ型フォトレジストであるSU−8(日本火薬社)をスピンコート法で成膜し、フォトリソグラフィ法でパターン化し、下部電極の全ての線を被覆しかつその被覆面に5mmピッチ間隔で500μm四方のスルーホールが形成された幅700μmの線10本の下部電極被覆線(絶縁層の一部を構成する)を形成した。さらに、下部電極被覆線と直交する幅700μm、長さ100mmの線が、5mmピッチで10本配列した線10本からなる絶縁層(「以下「直交絶縁層線」という。絶縁層の一部を構成する)を200μmの厚みで形成した。前記下部電極被覆線と前記直交絶縁層線により、メッシュ状の絶縁層が構成される。
<Formation of insulating layer>
On the substrate on which the lower electrode is formed, SU-8 (Nippon Explosives), which is a negative photoresist, is formed by spin coating, patterned by photolithography, and covers all the lines of the lower electrode; Ten lower electrode covered wires (constituting a part of the insulating layer) having a width of 700 μm and 500 μm square through holes formed at intervals of 5 mm on the covered surface were formed. Furthermore, an insulating layer composed of 10 wires in which 10 wires having a width of 700 μm and a length of 100 mm orthogonal to the lower electrode covering wire are arranged at a pitch of 5 mm (hereinafter referred to as “orthogonal insulating layer wire”). To a thickness of 200 μm. The lower electrode covered wire and the orthogonal insulating layer wire constitute a mesh-like insulating layer.

〈下部電極用接続線の形成〉
絶縁層を形成した前記基板上に、ノズルジェット法でナノAgインク(シグマアルドリッチ社809462)をパターンし、前記絶縁層内のすべてのスルーホールから下部電極の導通を絶縁層表面に引き出す下部電極用接続線を形成し、オーブンで180℃1時間焼成した。基板に形成された下部電極用接続線の数は100本であった。
<Formation of connecting wire for lower electrode>
For the lower electrode, nano-Ag ink (Sigma Aldrich 809462) is patterned by the nozzle jet method on the substrate on which the insulating layer is formed, and the conduction of the lower electrode is drawn out from all through holes in the insulating layer to the surface of the insulating layer. A connecting line was formed and baked in an oven at 180 ° C. for 1 hour. The number of lower electrode connection lines formed on the substrate was 100.

〈上部電極の形成〉
絶縁層を形成した前記基板上に、Auを100nmの厚みでスパッタし、メッシュ状の絶縁層の、下部電極と直交する全ての線の表面に、フォトリソグラフィ法で幅500μm、長さ100mmの線を形成し、上部電極とした。
<Formation of upper electrode>
On the substrate on which the insulating layer is formed, Au is sputtered to a thickness of 100 nm, and a line having a width of 500 μm and a length of 100 mm is formed on the surface of all lines perpendicular to the lower electrode of the mesh-like insulating layer by photolithography. To form an upper electrode.

〈カンチレバー部の形成〉
厚さ50μmのポリエチレンナフタレートフィルム(PENフィルム)(帝人デュポン社、Q65HA)に低表面エネルギー材料であるポリジメチルシロキサン(PDMS)(信越シリコーン社、KE106)を塗布、硬化させた。その表面に導電性カーボンペースト(十条ケミカル社、JELCON CH−8)をスクリーン印刷し、幅、奥行きがそれぞれ100μm、2mmの矩形をX方向Y方向それぞれに5mmピッチで10個ずつ、計100個形成し、オーブンで150℃30分加熱し、厚み10μmの第1の導電層を形成した。該第1の導電層の表面に、シクロヘキサノン(関東化学社)に10wt%で溶解させたポリフッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン共重合体(クレハ化学社)をフレキソ印刷し、幅、奥行きがそれぞれ150μm、2.05mmの圧電材料層を、第1の導電層が被覆されるように同じ配列で形成し、オーブンで150℃30分加熱し、厚み10μmの圧電材料層を形成した。該圧電材料層の表面に、第1の導電層と同じ材料及び形状で、第2の導電層を、第1の導電層に重なるように、同じ配列でスクリーン印刷し、厚み10μmの第2の導電層を形成した。この第2の導電層を120℃5分間オーブンで加熱し、半乾燥状態にした後、各層が形成されたPENフィルムの表面と、前記基板上の絶縁層の表面が接触し、かつ前記下部電極用接続線と第2の導電層が接触するように位置を合わせて押し当てた。これにより、網目に相当する開口部を有するメッシュ状の絶縁層の表面において、下部電極用接続線に固定され、かつ絶縁層の開口部に1.3mmの長さで浮遊部が形成されたカンチレバー構造[第2の導電層71/圧電材料層72/第1の導電層73]を形成した。レーザー顕微鏡(キーエンス社VK−X120)を用いた3次元形状観察から、浮遊遊部と基板の間には195μmの空気のギャップが形成されていることを確認した。この状態で半乾燥状態の第2の導電層を硬化させるために、オーブンで150℃30分加熱した。
<Formation of cantilever part>
Polydimethylsiloxane (PDMS) (Shin-Etsu Silicone Co., KE106), which is a low surface energy material, was applied to a 50 μm thick polyethylene naphthalate film (PEN film) (Teijin DuPont, Q65HA) and cured. Conductive carbon paste (Jujo Chemical Co., Ltd., JELCON CH-8) is screen-printed on the surface to form 100 rectangles with a width and depth of 100 μm and 2 mm, respectively, with a pitch of 5 mm in each of the X and Y directions. And heated in an oven at 150 ° C. for 30 minutes to form a first conductive layer having a thickness of 10 μm. The surface of the first conductive layer is flexographically printed with a polyvinylidene fluoride-tetrafluoroethylene copolymer (Kureha Chemical Co., Ltd.) dissolved in cyclohexanone (Kanto Chemical Co., Ltd.) at 10 wt%, each having a width and depth of 150 μm, A 2.05 mm piezoelectric material layer was formed in the same arrangement so as to cover the first conductive layer, and heated in an oven at 150 ° C. for 30 minutes to form a piezoelectric material layer having a thickness of 10 μm. On the surface of the piezoelectric material layer, a second conductive layer having the same material and shape as the first conductive layer is screen-printed in the same arrangement so as to overlap the first conductive layer. A conductive layer was formed. After the second conductive layer is heated in an oven at 120 ° C. for 5 minutes to be in a semi-dry state, the surface of the PEN film on which each layer is formed and the surface of the insulating layer on the substrate are in contact with each other, and the lower electrode The connecting wire and the second conductive layer were pressed so as to be aligned with each other. Thereby, on the surface of the mesh-like insulating layer having the opening corresponding to the mesh, the cantilever is fixed to the lower electrode connecting line and the floating portion is formed in the opening of the insulating layer with a length of 1.3 mm. The structure [second conductive layer 71 / piezoelectric material layer 72 / first conductive layer 73] was formed. From observation of a three-dimensional shape using a laser microscope (Keyence VK-X120), it was confirmed that a 195 μm air gap was formed between the floating floating portion and the substrate. In order to cure the semiconductive second conductive layer in this state, it was heated in an oven at 150 ° C. for 30 minutes.

〈上部電極用接続線の形成〉
次に、基板上に、ノズルジェット法でナノAgインクをパターンし、転写されたカンチレバー部7の表面と上部電極3を繋ぐ上部電極用接続線13を形成し、オーブンで180℃1時間焼成した。基板に形成された上部電極用接続線の数は100本であった。これにより図1乃至3に示したカンチレバーの基本構造が、5mmピッチでXY方向にそれぞれ10個配列し、基板全面で計100個となるカンチレバー型圧電素子のマトリクスを形成した。
<Formation of connection line for upper electrode>
Next, the nano Ag ink is patterned on the substrate by the nozzle jet method to form the upper electrode connection line 13 connecting the surface of the transferred cantilever portion 7 and the upper electrode 3, and baked in an oven at 180 ° C. for 1 hour. . The number of upper electrode connection lines formed on the substrate was 100. As a result, the basic structure of the cantilever shown in FIGS. 1 to 3 was arranged in the XY direction at a pitch of 5 mm, and a matrix of 100 cantilever piezoelectric elements was formed on the entire surface of the substrate.

〈触覚センサとしての評価〉
作製したカンチレバー型圧電素子のマトリクス構造を有する基板に、上部電極と下部電極それぞれの端部に接続するようにFPCを接続し、FPCを介してドライバー回路と測定用のPCと接続した。これによりマトリクス化された各カンチレバー型圧電素子の第1の導電層と第2の導電層の間に発生する電圧を計測できる測定システムを組んだ。この状態で、マトリクス上において直径3cmのゴムボールを弾ませたところ、5mm感覚で配列したマトリクスのうちXY方向にそれぞれ2素子のみが0.5Vの電圧を発生させた。これにより、ボールが弾む動作によって接触する面積はおよそ1cmであることがわかった。
<Evaluation as tactile sensor>
An FPC was connected to the manufactured substrate having a matrix structure of cantilever piezoelectric elements so as to be connected to the ends of the upper electrode and the lower electrode, and the driver circuit and the measurement PC were connected via the FPC. As a result, a measurement system capable of measuring a voltage generated between the first conductive layer and the second conductive layer of each cantilever type piezoelectric element formed into a matrix was assembled. In this state, when a rubber ball having a diameter of 3 cm was bounced on the matrix, only two elements in the XY direction of the matrix arranged in a sense of 5 mm generated a voltage of 0.5V. Thereby, it was found that the contact area by the movement of the ball was about 1 cm.

〈振動素子としての評価〉
作製したカンチレバー型圧電素子のマトリクス構造を有する基板に、上部電極と下部電極それぞれの端部に接続するようにFPCを接続し、FPCを介して周波数発生のためのパルスジェネレーター(Tektronix社)と電源供給のためのソースメーター(Tektronix社)に接続した。この状態ですべての上部電極と下部電極の間に50Vの交流電圧を100kHzの周波数で印加したところ、カンチレバー部の第1の導電層73と第2の導電層71の間に発生した交流電圧によってカンチレバーは振動し、20dBの音が発生していることをサウンドメーター(Smart Tools社)で計測した。
<Evaluation as vibration element>
An FPC is connected to the manufactured substrate having a matrix structure of a cantilever type piezoelectric element so as to be connected to the ends of the upper electrode and the lower electrode, and a pulse generator (Tektronix) for generating a frequency and a power source via the FPC It was connected to a source meter (Tektronix) for supply. In this state, when an AC voltage of 50 V is applied between all the upper electrodes and the lower electrodes at a frequency of 100 kHz, the AC voltage generated between the first conductive layer 73 and the second conductive layer 71 of the cantilever part is used. The cantilever vibrated and a sound of 20 dB was generated with a sound meter (Smart Tools).

(第9の実施形態)
本実施形態では、第4の実施形態で示したカンチレバー型圧電素子の構造(図6、7参照)を、センサ又は振動素子として利用する場合について、実際に製造した具体例に沿って述べる。
(Ninth embodiment)
In the present embodiment, a case where the structure of the cantilever piezoelectric element shown in the fourth embodiment (see FIGS. 6 and 7) is used as a sensor or a vibration element will be described along a concrete example actually manufactured.

第8の実施形態と同様に、素子用基材に、第1の電極(下部電極に相当)と、前記第1の電極の上に一部重なるメッシュ状の絶縁層と、前記第1の電極と一部が積層され、前記絶縁層を介して絶縁される第2の電極(上部電極に相当)とを形成する。一方、転写用基材の表面に設けた低表面エネルギー材料上に、第1の導電層を形成し、該導電層を被覆する圧電材料層を形成し、該圧電材料層上に第2の導電層を積層形成する。例えば、該第2の導電層は樹脂を含む層で形成する。該第2の導電層の一部の上に、樹脂を含有する接着層兼導電層を形成する。該接着層兼導電層が完全に硬化しない状態で、前記接着層兼導電層をスルーホールに位置合わせをして、接着層兼導電層を素子用基材上の前記絶縁層及び下部電極に接触させることにより、第1の導電層と圧電材料層と第2の導電層を、低表面エネルギー材料上から素子用基材側に転写し、[第2の導電層71/圧電材料層72/第1の導電層73]構造を有するカンチレバー部を形成する。   Similarly to the eighth embodiment, the element base material includes a first electrode (corresponding to a lower electrode), a mesh-like insulating layer partially overlapping the first electrode, and the first electrode. And a second electrode (corresponding to the upper electrode) insulated from each other through the insulating layer. On the other hand, a first conductive layer is formed on a low surface energy material provided on the surface of the transfer substrate, a piezoelectric material layer covering the conductive layer is formed, and a second conductive layer is formed on the piezoelectric material layer. Layers are formed. For example, the second conductive layer is formed of a layer containing a resin. An adhesive layer / conductive layer containing a resin is formed on part of the second conductive layer. With the adhesive layer / conductive layer not completely cured, the adhesive layer / conductive layer is aligned with the through hole, and the adhesive layer / conductive layer is in contact with the insulating layer and the lower electrode on the element substrate. Thus, the first conductive layer, the piezoelectric material layer, and the second conductive layer are transferred from the low surface energy material to the element substrate side, and [second conductive layer 71 / piezoelectric material layer 72 / second 1 conductive layer 73] to form a cantilever portion.

接着層兼導電層としては、一般的に使用されている接着性の材料で、導電性を付与したものを幅広く用いることができ、本実施形態のカンチレバー部と素子用基材上の絶縁層や下部電極等とを適切に接合できるものであれば、特に限定はされない。具体例としては、酢酸ビニールエマルジョンのような水溶性接着剤、ニトリルゴムなどのゴム系接着剤、エポキシ系接着剤、アクリル系接着剤、ビニル系接着剤、シリコーンゴム系接着剤、ABS樹脂、ポリカーボネート、ポリアミド、アクリルなどの樹脂系接着剤が挙げられる。また導電性接着剤(例:藤倉化成社 ドータイトFA−705BN)等を用いることもできる。   As the adhesive layer / conductive layer, it is possible to use a wide range of commonly used adhesive materials that have been imparted with conductivity, such as an insulating layer on the cantilever portion and the element substrate of the present embodiment, There is no particular limitation as long as it can appropriately join the lower electrode and the like. Specific examples include water-soluble adhesives such as vinyl acetate emulsion, rubber adhesives such as nitrile rubber, epoxy adhesives, acrylic adhesives, vinyl adhesives, silicone rubber adhesives, ABS resins, and polycarbonates. Resin adhesives such as polyamide and acrylic. In addition, a conductive adhesive (eg, Fujikura Kasei Co., Ltd. Dotite FA-705BN) or the like can also be used.

以下に、詳しく実施例を述べる。   Examples will be described in detail below.

〈下部電極の形成〉については、第8の実施形態と同様に行った。
〈絶縁層の形成〉については、絶縁層の厚みを100μmとしたこと以外は第8の実施形態と同様に行った。
〈上部電極の形成〉については、第8の実施形態と同様に行った。なお、第8の実施形態とは異なり、下部電極用接続線は形成しなかった。
<Formation of the lower electrode> was performed in the same manner as in the eighth embodiment.
<Formation of insulating layer> was performed in the same manner as in the eighth embodiment except that the thickness of the insulating layer was 100 μm.
<Formation of the upper electrode> was performed in the same manner as in the eighth embodiment. Unlike the eighth embodiment, the lower electrode connection line was not formed.

〈カンチレバー部の形成〉
厚さ50μmのポリエチレンナフタレートフィルム(PENフィルム)(帝人デュポン社、Q65HA)に低表面エネルギー材料であるポリジメチルシロキサン(PDMS)(信越シリコーン社、KE106)を塗布、硬化させた。その表面に導電性カーボンペースト(十条ケミカル社、JELCON CH−8)をスクリーン印刷し、幅、奥行きがそれぞれ100μm、2mmの矩形をX方向Y方向それぞれに5mmピッチで10個ずつ、計100個形成し、オーブンで150℃30分加熱し、厚み10μmの第1の導電層を形成した。該第1の導電層の表面に、シクロヘキサノン(関東化学社)に10wt%で溶解させたポリフッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン共重合体(クレハ化学社)をフレキソ印刷し、幅、奥行きがそれぞれ150μm、2.05mmの圧電材料層を第1の導電層が被覆されるように同じ配列で形成し、オーブンで150℃30分加熱し、厚み10μmの圧電材料層を形成した。該圧電材料層の表面に、第1の導電層と同じ材料及び形状で、第2の導電層を第1の導電層に重なるように、同じ配列でスクリーン印刷し、厚み10μmの第2の導電層を形成した。この第2の導電層を150℃30分間オーブンで加熱し、完全に硬化させた。続いて、第2の導電層の端部に大きさが1mm四方で厚み100μmの導電性カーボンペーストをスクリーン印刷し、接着層兼導電層を形成した。これを120℃5分間オーブンで加熱することで接着層兼導電層を半乾燥状態とした。この状態で、接着層兼導電層が、基板上の絶縁層のスルーホールと重なるように位置合わせをして、PENフィルムと、基板上の絶縁層の表面を接触させた。これにより、網目に相当する開口部を有するメッシュ状の絶縁層の表面において、下部電極用接続線(接着層兼導電層)に固定され、かつ絶縁層の開口部に1.3mmの長さで浮遊部が形成されたカンチレバー部を形成するとともに、スルーホールを半乾燥状態の接着層兼導電層が充填し、カンチレバー部の第2の導電層71と基板上の下部電極1が電気的に接続された。レーザー顕微鏡(キーエンス社VK−X120)を用いた3次元形状観察から、浮遊部と基板の間には95μmの空気のギャップが形成されていることを確認した。この状態で半乾燥状態の第2の導電層を硬化させるために、オーブンで150℃30分加熱した。
<Formation of cantilever part>
Polydimethylsiloxane (PDMS) (Shin-Etsu Silicone Co., KE106), which is a low surface energy material, was applied to a 50 μm thick polyethylene naphthalate film (PEN film) (Teijin DuPont, Q65HA) and cured. Conductive carbon paste (Jujo Chemical Co., Ltd., JELCON CH-8) is screen-printed on the surface to form 100 rectangles with a width and depth of 100 μm and 2 mm, respectively, with a pitch of 5 mm in each of the X and Y directions. And heated in an oven at 150 ° C. for 30 minutes to form a first conductive layer having a thickness of 10 μm. The surface of the first conductive layer is flexographically printed with a polyvinylidene fluoride-tetrafluoroethylene copolymer (Kureha Chemical Co., Ltd.) dissolved in cyclohexanone (Kanto Chemical Co., Ltd.) at 10 wt%, each having a width and depth of 150 μm, A piezoelectric material layer having a thickness of 2.05 mm was formed in the same arrangement so as to cover the first conductive layer, and heated in an oven at 150 ° C. for 30 minutes to form a piezoelectric material layer having a thickness of 10 μm. On the surface of the piezoelectric material layer, a second conductive layer having the same material and shape as the first conductive layer is screen-printed in the same arrangement so as to overlap the first conductive layer. A layer was formed. This second conductive layer was heated in an oven at 150 ° C. for 30 minutes to be completely cured. Subsequently, a conductive carbon paste having a size of 1 mm square and a thickness of 100 μm was screen-printed at the end of the second conductive layer to form an adhesive layer / conductive layer. This was heated in an oven at 120 ° C. for 5 minutes to make the adhesive layer / conductive layer semi-dry. In this state, the PEN film and the surface of the insulating layer on the substrate were brought into contact with each other so that the adhesive layer / conductive layer overlapped with the through hole of the insulating layer on the substrate. Thereby, on the surface of the mesh-like insulating layer having an opening corresponding to the mesh, it is fixed to the lower electrode connecting line (adhesive layer / conductive layer), and the opening of the insulating layer has a length of 1.3 mm. A cantilever portion with a floating portion is formed, and the through hole is filled with a semi-dried adhesive layer / conductive layer, so that the second conductive layer 71 of the cantilever portion and the lower electrode 1 on the substrate are electrically connected. It was done. From observation of a three-dimensional shape using a laser microscope (Keyence VK-X120), it was confirmed that a 95 μm air gap was formed between the floating portion and the substrate. In order to cure the semiconductive second conductive layer in this state, it was heated in an oven at 150 ° C. for 30 minutes.

〈上部電極用接続線〉については、第8の実施形態と同様に行った。
〈触覚センサとしての評価〉については、第8の実施形態と同様に行い、同様の特性を得た。
〈振動素子としての評価〉については、第8の実施形態と同様に行い、同様の特性を得た。
<Upper electrode connection line> was performed in the same manner as in the eighth embodiment.
<Evaluation as a tactile sensor> was performed in the same manner as in the eighth embodiment, and similar characteristics were obtained.
<Evaluation as a vibrating element> was performed in the same manner as in the eighth embodiment, and similar characteristics were obtained.

上述の実施の形態等で示した例は、発明を理解しやすくするために記載したものであり、この形態に限定されるものではない。   The examples shown in the above-described embodiment and the like are described for easy understanding of the invention, and are not limited to this embodiment.

本発明のカンチレバー型圧電素子は、大面積化が可能であるので、高解像度で精度のよいセンサマトリクス等や振動素子マトリクスを実現でき、産業上有用である。また、本発明の製造方法により、環境負荷を軽減できるので、産業上有用である。   Since the cantilever type piezoelectric element of the present invention can have a large area, a sensor matrix or the like or a vibration element matrix with high resolution and high accuracy can be realized, which is industrially useful. Moreover, since the environmental load can be reduced by the manufacturing method of the present invention, it is industrially useful.

1 下部電極(第1の電極)
2 絶縁層
3 上部電極(第2の電極)
7 カンチレバー部
11 下部電極用接続線
12 スルーホール
13 上部電極用接続線
71 第2の導電層
72 圧電材料層
73 第1の導電層
1 Lower electrode (first electrode)
2 Insulating layer 3 Upper electrode (second electrode)
7 Cantilever part 11 Lower electrode connection line 12 Through hole 13 Upper electrode connection line 71 Second conductive layer 72 Piezoelectric material layer 73 First conductive layer

Claims (11)

第1の電極と、
前記第1の電極上の、開口部とスルーホールを備える絶縁層と、
前記第1の電極と一部が積層され、前記絶縁層により絶縁される第2の電極と、
第1及び第2の導電層と該導電層に挟まれる圧電材料層からなる構造を備え、前記導電層及び圧電材料層のうちのいずれか1以上が樹脂含有層であるカンチレバー部とを備え、
前記カンチレバー部は、前記導電層のそれぞれが、前記第1の電極又は第2の電極に、直接又は接続線より導電接続されるとともに、一部が前記開口部上で浮遊した状態であることを特徴とするカンチレバー型圧電素子。
A first electrode;
An insulating layer comprising an opening and a through hole on the first electrode;
A second electrode partially laminated with the first electrode and insulated by the insulating layer;
A structure comprising a first and second conductive layer and a piezoelectric material layer sandwiched between the conductive layers, and a cantilever portion in which any one or more of the conductive layer and the piezoelectric material layer is a resin-containing layer,
In the cantilever portion, each of the conductive layers is electrically connected to the first electrode or the second electrode directly or through a connection line, and a part of the conductive layer is floated on the opening. A cantilever-type piezoelectric element.
前記絶縁層から遠い側の導電層を第1の導電層、近い側の導電層を第2の導電層とするとき、
第1の導電層は、前記第2の電極から延びる接続線を介して、第2の電極と電気接続され、
第2の導電層は、前記スルーホールと接続線を介して、前記第1の電極と電気接続されていることを特徴とする請求項1記載のカンチレバー型圧電素子。
When the conductive layer on the side far from the insulating layer is the first conductive layer and the conductive layer on the near side is the second conductive layer,
The first conductive layer is electrically connected to the second electrode through a connection line extending from the second electrode,
The cantilever piezoelectric element according to claim 1, wherein the second conductive layer is electrically connected to the first electrode through the through hole and a connection line.
前記絶縁層から遠い側の導電層を第1の導電層、近い側の導電層を第2の導電層とするとき、
第2の導電層は、前記第2の電極から延びる接続線を介して、第2の電極と電気接続され、
第1の導電層は、前記スルーホールと接続線を介して、前記第1の電極と電気接続されていることを特徴とする請求項1記載のカンチレバー型圧電素子。
When the conductive layer on the side far from the insulating layer is the first conductive layer and the conductive layer on the near side is the second conductive layer,
The second conductive layer is electrically connected to the second electrode via a connection line extending from the second electrode,
The cantilever piezoelectric element according to claim 1, wherein the first conductive layer is electrically connected to the first electrode through the through hole and a connection line.
前記絶縁層から遠い側の導電層を第1の導電層、近い側の導電層を第2の導電層とするとき、
第1の導電層は、前記第2の電極から延びる接続線を介して、第2の電極と電気接続され、
第2の導電層は、前記スルーホール内の導電接続部を介して、前記第1の電極と電気接続されていることを特徴とする請求項1記載のカンチレバー型圧電素子。
When the conductive layer on the side far from the insulating layer is the first conductive layer and the conductive layer on the near side is the second conductive layer,
The first conductive layer is electrically connected to the second electrode through a connection line extending from the second electrode,
2. The cantilever piezoelectric element according to claim 1, wherein the second conductive layer is electrically connected to the first electrode through a conductive connection portion in the through hole.
前記絶縁層から遠い側の導電層を第1の導電層、近い側の導電層を第2の導電層とするとき、
第2の導電層は、直接前記第2の電極と電気接続され、
第1の導電層は、スルーホールと接続線とを介して、前記第1の電極と電気接続されていることを特徴とする請求項1記載のカンチレバー型圧電素子。
When the conductive layer on the side far from the insulating layer is the first conductive layer and the conductive layer on the near side is the second conductive layer,
The second conductive layer is electrically connected directly to the second electrode;
2. The cantilever piezoelectric element according to claim 1, wherein the first conductive layer is electrically connected to the first electrode through a through hole and a connection line.
前記第1の電極と前記第2の電極が、前記絶縁層を介して交差するマトリクス構造を備え、前記カンチレバー部が複数の前記交差する領域に配置され、前記絶縁層はメッシュ状であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項記載のカンチレバー型圧電素子。   The first electrode and the second electrode have a matrix structure that intersects with the insulating layer interposed therebetween, the cantilever portions are arranged in a plurality of intersecting regions, and the insulating layer has a mesh shape. The cantilever piezoelectric element according to claim 1, wherein the cantilever piezoelectric element is characterized in that: 前記第1の電極と前記第2の電極が、前記絶縁層を介して交差するマトリクス構造を備え、前記カンチレバー部が複数の前記交差する領域に配置され、前記絶縁層はメッシュ状であり、
複数の前記交差する領域のカンチレバー部は、長尺方向が一以上の軸方向に配列されていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項記載のカンチレバー型圧電素子。
The first electrode and the second electrode have a matrix structure that intersects via the insulating layer, the cantilever portions are arranged in a plurality of the intersecting regions, and the insulating layer is mesh-shaped,
6. The cantilever piezoelectric element according to claim 1, wherein the plurality of cantilever portions in the intersecting region are arranged in one or more axial directions in the longitudinal direction.
請求項1乃至7のいずれか1項記載のカンチレバー型圧電素子を備えることを特徴とするセンサ。   A sensor comprising the cantilever piezoelectric element according to claim 1. 請求項1乃至7のいずれか1項記載のカンチレバー型圧電素子を備えることを特徴とする振動素子。   A vibration element comprising the cantilever piezoelectric element according to claim 1. 素子用基材に、第1の電極と、開口部とスルーホールを備える絶縁層と、前記第1の電極と一部が積層され、前記絶縁層を介して絶縁される第2の電極と形成し、
転写用基材の表面の低表面エネルギー材料上に、第1の導電層、圧電材料層を順に形成し、該圧電材料層上に樹脂を含有する第2の導電層を溶液プロセスで形成し、
該第2の導電層が完全に硬化しない状態で、素子用基材の前記絶縁層側に、前記第2の導電層の一部を接触させることにより、前記第1の導電層と前記圧電材料層と前記第2の導電層を、低表面エネルギー材料上から素子用基材側に転写して、カンチレバー部を形成することを特徴とする請求項1記載のカンチレバー型圧電素子の製造方法。
Formed on a substrate for an element are a first electrode, an insulating layer having an opening and a through hole, and a second electrode that is partially laminated with the first electrode and insulated through the insulating layer And
A first conductive layer and a piezoelectric material layer are sequentially formed on the low surface energy material on the surface of the transfer substrate, and a second conductive layer containing a resin is formed on the piezoelectric material layer by a solution process.
By bringing the second conductive layer into contact with the insulating layer side of the element base material in a state where the second conductive layer is not completely cured, the first conductive layer and the piezoelectric material are brought into contact with each other. 2. The method of manufacturing a cantilever piezoelectric element according to claim 1, wherein the layer and the second conductive layer are transferred from the low surface energy material to the element substrate side to form a cantilever part.
素子用基材に、第1の電極と、開口部とスルーホールを備える絶縁層と、前記第1の電極と一部が積層され、前記絶縁層を介して絶縁される第2の電極と形成し、
転写用基材の表面に設けた低表面エネルギー材料上に、第1の導電層、圧電材料層、第2の導電層を順に形成し、該第2の導電層の一部の上に、樹脂を含有する接着層兼導電層を形成し、
該接着層兼導電層が完全に硬化しない状態で、素子用基材の前記絶縁層側に接着層兼導電層を接触させることにより、第1の導電層と圧電材料層と第2の導電層を、低表面エネルギー材料上から素子用基材側に転写して、カンチレバー部を形成することを特徴とする請求項1記載のカンチレバー型圧電素子の製造方法。
Formed on a substrate for an element are a first electrode, an insulating layer having an opening and a through hole, and a second electrode that is partially laminated with the first electrode and insulated through the insulating layer And
A first conductive layer, a piezoelectric material layer, and a second conductive layer are sequentially formed on a low surface energy material provided on the surface of the transfer substrate, and a resin is formed on a part of the second conductive layer. Forming an adhesive layer / conductive layer containing
The first conductive layer, the piezoelectric material layer, and the second conductive layer are brought into contact with the insulating layer side of the element base material in a state where the adhesive layer / conductive layer is not completely cured. 2. The method of manufacturing a cantilever piezoelectric element according to claim 1, wherein the cantilever part is formed by transferring the material from the low surface energy material to the element substrate side.
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