JP2018194483A - センサーユニット、およびセンサーモジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】面内のひずみを感知できるセンサーユニットを低コストで製造可能な方法を提供する。【解決手段】第１の圧電素子１１０ａと第２の圧電素子１１０ｂを有するセンサーユニット１００が開示される。第１の圧電素子１１０ａは、第１の電極１１２と、第１の電極上１１２の第１の圧電体膜１１４ａと、第１の圧電体膜１１４ａ上の第１の対向電極１１６ａとを有する。第２の圧電素子１１０ｂは、第１の電極１１２と、第１の電極１１２上の第２の圧電体膜１１４ｂと、第２の圧電体膜１１４ｂ上の第２の対向電極１１６ｂとを有する。第１の圧電体膜１１４ａの長手方向は、第２の圧電体膜１１４ｂの長手方向と交差する。第１の電極１１２は、第１の圧電素子１１０ａと第２の圧電素子１１０ｂに共有されることができる。【選択図】図１
Description
本開示の実施形態の一つはセンサーユニット、およびセンサーユニットを有するセンサーモジュール、ならびにこれらの製造方法に関する。
センサーの一つとして、ひずみセンサーが知られている。ひずみセンサーは圧電体膜を一対の電極で挟持した構造を有している。圧電体膜が変形する際、圧電体膜に含まれる化合物の結晶内でイオン配置が変化し、これに起因して結晶に分極が生じる。この分極によって圧電体膜内に電位差が生じ、これを一対の電極を介して電気信号として取り出すことができる。このため、一対の電極とそれに挟持される圧電体膜は、ひずみセンサーだけでなく、振動発電デバイスなど、様々な電子デバイスへ応用することができる。例えば特許文献１では、圧電体膜を一対の電極で挟持した構造をカンチレバーとして用い、指紋識別装置へ応用する例が示されている。
本開示における課題の一つは、面内のひずみを感知できるセンサーユニットを提供すること、およびセンサーユニットを低コストで製造可能な方法を提供することである。あるいは本開示における課題の一つは、シート状のセンサーモジュール（センサーシート）を提供することである。
開示される一つの実施形態は、第１の圧電素子と第２の圧電素子を有するセンサーユニットである。第１の圧電素子は、第１の電極と、第１の電極上に位置し、長さと幅が異なる第１の圧電体膜と、第１の圧電体膜上の第１の対向電極を有する。第２の圧電素子は、第１の電極と、第１の電極上に位置し、長さと幅が異なる第２の圧電体膜と、第２の圧電体膜上の第２の対向電極を有する。第１の圧電体膜の長さ方向は、第２の圧電体膜の長さ方向と交差する。
開示される一つの実施形態は、複数のセンサーユニットを有するセンサーモジュールである。複数のセンサーユニットはそれぞれ第１の圧電素子と第２の圧電素子を有する。第１の圧電素子は、第１の電極と、第１の電極上に位置し、長さと幅が異なる第１の圧電体膜と、第１の圧電体膜上の第１の対向電極を有する。第２の圧電素子は、第１の電極と、第１の電極上に位置し、長さと幅が異なる第２の圧電体膜と、第２の圧電体膜上の第２の対向電極を有する。複数のセンサーユニットのそれぞれにおいて、第１の圧電体膜の長さ方向は、第２の圧電体膜の長さ方向と交差する。
開示される一つの実施形態は、複数のセンサーユニットを有するセンサーモジュールの製造方法である。製造方法は、金属シート上に、互いに離間する第１の圧電体膜と第２の圧電体膜を形成すること、および第１の圧電体膜と第２の圧電体膜上に、互いに離間する第１の対向電極と第２の対向電極をそれぞれ形成することを含む。複数のセンサーユニットのそれぞれにおいて、第１の圧電体膜と第２の圧電体膜はそれぞれ長さと幅が異なり、第１の圧電体膜の長さ方向が第２の圧電体膜の長さ方向と交差するように形成される。
以下、本開示の各実施形態について、図面を参照しつつ説明する。但し、本開示は、その要旨を逸脱しない範囲において様々な態様で実施することができ、以下に例示する実施形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
図面は、説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本開示の解釈を限定するものではない。上面図では、見やすさを考慮し、一部の構成要件を省略することがある。本明細書と各図において、既出の図で説明したものと同様の機能を備えた要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省くことがある。符号直後のアルファベットの添え字は、同一の符号を有する構成要件を区別するために使用し、添え字がない符号は、複数の同一の構成要件を区別しない場合に用いられる。
本明細書、および特許請求の範囲において、ある構造体の上に他の構造体を配置する態様を表現するにあたり、単に「上に」と表記する場合、特に断りの無い限りは、ある構造体に接するように、直上に他の構造体を配置する場合と、ある構造体の上方に、さらに別の構造体を介して他の構造体を配置する場合との両方を含むものとする。
本明細書、および特許請求の範囲において、ある構造体と他の構造体が重なるという表現は、これらの構造体の平面視において、少なくとも一部が重なるということを意味する。換言すると、これらの構造体のいずれか一方が他方の上、あるいは下に位置し、かつ、これらの構造体を上面から、あるいは下面から見た場合に、互いに少なくとも一部が重なるということを意味する。
本明細書、および特許請求の範囲において、ある一つの膜を加工して複数の膜を形成した場合、これら複数の膜は異なる機能、役割を有することがある。しかしながら、これら複数の膜は同一の工程で同一層として形成された膜に由来し、同一の層構造、同一の材料を有する。したがって、これら複数の膜は同一層に存在しているものと定義する。
（第１実施形態）
本開示の実施形態の一つであるセンサーユニット１００の模式的上面図と断面図を図１（Ａ）、図１（Ｂ）にそれぞれ示す。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の鎖線Ａ−Ａ’に沿った断面図である。
本開示の実施形態の一つであるセンサーユニット１００の模式的上面図と断面図を図１（Ａ）、図１（Ｂ）にそれぞれ示す。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の鎖線Ａ−Ａ’に沿った断面図である。
センサーユニット１００は、二つの圧電素子（センサー、あるいはセンサー素子）１１０、すなわち、第１の圧電素子１１０ａと第２の圧電素子１１０ｂを有する。第１の圧電素子１１０ａは、第１の電極１１２、第１の電極１１２上の圧電体膜（第１の圧電体膜）１１４ａ、および第１の圧電体膜１１４ａ上の対向電極（第１の対向電極）１１６ａを有している。同様に、第２の圧電素子１１０ｂは、第１の電極１１２、第１の電極１１２上の圧電体膜（第２の圧電体膜）１１４ｂ、および第２の圧電体膜１１４ｂ上の対向電極（第２の対向電極）１１６ｂを有する。第１の電極１１２は第１の圧電素子１１０ａから第２の圧電素子１１０ｂにわたって延伸するように形成されており、第１の圧電素子１１０ａと第２の圧電素子１１０ｂに共有される。これに対し、圧電体膜１１４と対向電極１１６はいずれも、第１の圧電素子１１０ａと第２の圧電素子１１０ｂ間で離間している。第１の電極１１２と対向電極１１６は、可撓性を有してもよい。
センサーユニット１００はさらに、接着層１３４を介し、第１の圧電素子１１０ａと第２の圧電素子１１０ｂ上に基材フィルム１３６を有する。センサーユニット１００が搭載される物体の変形に応じて変形するよう、基材フィルム１３６は可撓性を有することができる。
センサーユニット１００はさらに、接地配線１２０と信号線１２２を有している。接地配線１２０は第１の電極１１２上に設けられ、バンプ１２４を介して第１の電極１１２と電気的に接続される。バンプ１２４は第１の電極１１２、接地配線１２０と直接接してもよく、導電性を有する膜を介して接してもよい。信号線１２２は対向電極１１６上に設けられ、バンプ１２６を介して対向電極１１６と電気的に接続される。バンプ１２４と同様、バンプ１２６も対向電極１１６、信号線１２２と直接接してもよく、導電性を有する膜を介して接してもよい。バンプ１２４、１２６は、一部あるいはすべてが接着層１３４に埋め込まれるよう設置される。図１（Ａ）に示すように、一つのバンプ１２４が第１の圧電素子１１０ａと第２の圧電素子１１０ｂによって共有されるのに対し、バンプ１２６はそれぞれ対応する第１の圧電素子１１０ａ、あるいは第２の圧電素子１１０ｂの対向電極１１６ａ、１１６ｂと接続される。図１（Ａ）に示すように、１つのセンサーユニット１００に対して信号線１２２は複数設けられ、その数は圧電素子１１０の数と同一にすることができる。各信号線１２２は、それぞれ対応する圧電素子１１０に接続される。
図１（Ａ）に示した例では、接地配線１２０は基材フィルム１３６の下に配置され、信号線１２２は基材フィルム１３６上を延伸する。この場合、信号線１２２は基材フィルム１３６を貫通し、バンプ１２６を介して対向電極１１６に接続される。図示していないが、接地配線１２０を基材フィルム１３６の上に延伸し、信号線１２２が基材フィルム１３６の下に配置されるよう、センサーユニット１００を構成してもよい。この場合、接地配線１２０が基材フィルム１３６を貫通し、第１の電極１１２と接続される。
センサーユニット１００はさらに、任意の構成として、センサーユニット１００を保護するためのオーバーコート１３８を基材フィルム１３６上に有してもよい。また、接着層１３２を介し、アンダーコート１３０を設けてもよい。オーバーコート１３８とアンダーコート１３０も可撓性を有することができる。
第１の圧電素子１１０ａと第２の圧電素子１１０ｂの向きは、互いに異なるよう、配置することができる。図１（Ａ）に示したセンサーユニット１００では、第１の圧電素子１１０ａと第２の圧電素子１１０ｂの向きは直交している。
圧電体膜１１４や対向電極１１６の形状は任意に設定することができ、それぞれにおいて長さと幅が異なる。例えば図１（Ａ）に示すように、これらは長方形の形状を有することができる。圧電体膜１１４はそれぞれ長さ（長手）方向と幅（横手）方向を有し、第１の圧電体膜１１４ａと第２の圧電体膜１１４ｂの長さ方向は互いに交差する。図１（Ａ）に示したセンサーユニット１００では、これらの方向は直交し、バンプ１２４はこれらの方向の交点に位置するように設けることができる。対向電極１１６に関しても同様であり、第１の圧電素子１１０ａと第２の圧電素子１１０ｂの対向電極１１６ａ、１１６ｂの長さ方向は互いに交差する。ここで、長さとは、圧電体膜１１４の互いに対向する辺の間の距離のうち最大のものであり、幅とは、長さ方向に交差する方向と交差し、互いに対向する辺の間の距離である。
図１（Ｃ）に、圧電体膜１１４と対向電極１１６の構造例を示す。圧電体膜１１４は、第１の電極１１２と対向電極１１６と接するように設けることができる。圧電体膜１１４上に形成される対向電極１１６は、単層構造でも良く、積層構造でも良い。積層構造の場合、積層される膜の数も任意に設定することができる。図１（Ｃ）では４層の金属膜（第１の金属膜１４０、第２の金属膜１４２、第３の金属膜１４４、第４の金属膜１４６）を有する例が示されている。
本開示の実施形態のセンサーユニットが有する圧電素子１１０の数は任意である。例えば図２（Ａ）や図２（Ｂ）に示すセンサーユニット１０２のように、センサーユニットは複数の枝を含む分枝構造を有することができる。このような分枝構造では、各枝に一つの圧電素子１１０が設けられる。図２（Ａ）に示すセンサーユニット１０２では、第１から第４の圧電素子１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄが四つの枝上にそれぞれ設けられ、これらが十字状に配置される。したがって第１の電極１１２は十字型の形状を有し、センサーユニット１００と同様、第１から第４の圧電素子１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄによって共有される。一つの圧電素子１１０の圧電体膜１１４の長さ方向は、少なくとも二つの圧電素子１１０の圧電体膜１１４の長さ方向と交差、あるいは直交する。同様に、一つの圧電素子１１０の対向電極１１６の長さ方向は、少なくとも二つの圧電素子１１０の対向電極１１６の長さ方向と交差、あるいは直交する。
同様に、図２（Ｂ）に示すセンサーユニット１０４は三つの枝を含む分枝構造を有している。第１から第３の圧電素子１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃがそれぞれ三つの枝上に設けられ、これらが放射状に配置される。第１の電極１１２は三又の形状を有し、第１から第３の圧電素子１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃによって共有される。一つの圧電素子１１０の圧電体膜１１４の長さ方向は、他の二つの圧電素子１１０の圧電体膜１１４の長さ方向と交差する。同様に、一つの圧電素子１１０の対向電極１１６の長さ方向は、他の二つの圧電素子１１０の対向電極１１６の長さ方向と交差する。
センサーユニットが分枝構造を有する場合、二つの圧電素子１１０間において、圧電体膜１１４の長さ方向が平行とならないように、すなわち、長さ方向が交差するよう圧電体膜１１４を設置することができる。、例えば二つの長さ方向がなす角度は３０°以上１８０°未満、６０°以上１８０°未満、９０°以上１２０°以下とすることができ、典型的には９０°や１２０°である。センサーユニット１０２や１０４では、この角度は正確に９０°や１２０°である必要は無く、例えば９０°±１０°や１２０°±１０°でもよい。また、隣接する枝間の角度は、一つのセンサーユニット内で異なっていてもよい。
センサーユニット１００、１０２、１０４のように、複数の圧電素子１１０を互いに異なる方向に配置することにより、測定対象の変形の方向と変形の大きさをより精確に測定することが可能となる。例えば図３（Ａ）に示すように、平面状の測定対象１０６上にセンサーユニット１０４を設ける場合、ｘ軸と平行な軸を中心として測定対象１０６が湾曲すると（図３（Ｂ））、第１の圧電素子１１０ａ、第２の圧電素子１１０ｂと比較し、第３の圧電素子１１０ｃにおいてより大きな圧電効果が発生する。これは、第３の圧電素子１１０ｃの圧電体膜（第３の圧電体膜）１１４ｃの長さ方向は、第１の圧電体膜１１４ａと第２の圧電体膜１１４ｂのそれと比較してｘ軸に対して直交する成分が多く、このため、第３の圧電体膜１１４ｃがより大きな曲率で湾曲するからである。
一方、ｙ軸と平行な軸を中心として測定対象１０６が湾曲すると（図３（Ｃ））、第３の圧電素子１１０ｃと比較し、第１の圧電素子１１０ａ、第２の圧電素子１１０ｂにおいてより大きな圧電効果が発生する。これは、第１の圧電体膜１１４ａと第２の圧電体膜１１４ｂの長さ方向は、第３の圧電体膜１１４ｃのそれと比較してｙ軸に対して直交する成分が多く、このため、第３の圧電体膜１１４ｃと比較し、第１の圧電体膜１１４ａと第２の圧電体膜１１４ｂがより大きな曲率で湾曲するからである。つまり、第1、第２、第３の圧電素子のうち、どの圧電体素子の圧電効果が大きかったのかを解析する事で、変形の向きとその大きさを精確に測定することが可能となる。
したがって、ｘ軸、ｙ軸に平行な軸のいずれを中心として測定対象１０６が湾曲しても、センサーユニット１００、１０２、１０４は十分に大きい圧電効果を発現し、その結果、測定対象１０６の変形、および変形に伴って生じるひずみの方向とその大きさを精確に測定、あるいは見積もることができる。また、ｘ軸、ｙ軸に平行な軸のみならず、様々な方向の軸を中心として湾曲が複合的に生じても、測定対象１０６のひずみの方向とその大きさを精確に測定、あるいは見積もることができる。
（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態で述べたセンサーユニット１００、１０２、あるいは１０４が複数設けられた、シート状のセンサーモジュール（センサーシート）を説明する。第１実施形態で述べた内容に関しては説明を割愛することがある。
本実施形態では、第１実施形態で述べたセンサーユニット１００、１０２、あるいは１０４が複数設けられた、シート状のセンサーモジュール（センサーシート）を説明する。第１実施形態で述べた内容に関しては説明を割愛することがある。
図４（Ａ）、図５、図６に、本実施形態のセンサーモジュール１５０、１５２、１５４の上面模式図をそれぞれ示す。図４（Ｂ）は図４（Ａ）の鎖線Ｂ−Ｂ’に沿った断面模式図である。
図４（Ａ）、図４（Ｂ）に例示したセンサーモジュール１５０は、マトリクス状に配置された９つのセンサーユニット１０４を有する。一つのセンサーモジュール１５０が有するセンサーユニット１０４の数に制約はなく、また、センサーモジュール１５０内で不均一な密度でセンサーユニット１０４が配置されていてもよい。例えば図５に示すセンサーモジュール１５２ように、千鳥配置でセンサーユニット１０４を配置してもよく、センサーユニット１０４の方向が１つのセンサーモジュール内で複数存在するように、センサーユニット１０４を配置してもよい。
図４（Ａ）や図５に示すセンサーモジュール１５０、１５２では、第１の電極１１２は、センサーユニット１０４間で物理的には直接接続されていないが、接地配線１２０によって互いに電気的に接続することができる。したがって、全ての第１の電極１１２に同一の電位を印加することが可能である。接地配線１２０はセンサーモジュール１５０の端部で露出して端子１０８ａを形成する。一方、センサーユニット１０４の対向電極１１６は互いに離散し、かつ、電気的に独立している。各対向電極１１６は信号線１２２と接続され、信号線１２２はセンサーモジュール１５０の端部で露出して端子１０８ｂを形成する。端子１０８ａ、１０８ｂは図示しないコネクタを介して外部回路に接続され、これにより、センサーユニット１０４が制御される。
図４（Ａ）では、信号線１２２は、一つ、あるいは複数の圧電素子１１０と交差するように図示されているが、電気的に接続されない圧電素子１１０と交差しないよう、配置してもよい。また、端子１０８ａや１０８ｂは、センサーモジュール１５０の一辺に遍在するように示されているが、端子１０８ａと端子１０８ｂは異なる辺に沿って設けられてもよい。あるいは、複数の端子１０８ｂが異なる複数の辺に沿って配置されていてもよい。
図６に示すセンサーモジュール１５４のように、一つのセンサーユニット１０４の第１の電極１１２は、異なるセンサーユニット１０４へ延伸してもよい。すなわち、センサーモジュール１５４内において、すべて、あるいは複数のセンサーユニット１０４の第１の電極１１２が一体化されていてもよい。換言すると、すべて、あるいは複数の一つのセンサーユニット１０４の第１の電極１１２が一つの金属シート１２８で構成されていてもよい。
センサーモジュール１５４のセンサーユニット１０４の模式的上面図を図７（Ａ）に、図７（Ａ）の鎖線Ｃ−Ｃ’に沿った断面模式図を図７（Ｂ）に示す。センサーモジュール１５４では、第１の電極１１２が一体化されているため、図７（Ａ）、図７（Ｂ）に示すように、接地配線１２０やバンプ１２４を設けなくても、複数のセンサーユニット１０４の第１の電極１１２を互いに電気的に接続し、等電位にすることができる。このため、配線レイアウトの自由度が向上し、かつ、製造プロセスを短縮することが可能となる。その結果、低コストでセンサーモジュールを提供することができる。
図６や図７（Ａ）に示すように、金属シート１２８は、各センサーユニット１０４において隣接する枝と枝との間に開口部１４８を有してもよい。図７（Ａ）では、第１の電極１１２は三つの枝を含む三又構造を有しており、金属シート１２８が扇型の開口部１４８を隣接する枝の間に有する例が示されている。図示していないが、開口部１４８の形状は任意であり、一つのセンサーユニット１０４内で開口部１４８の形状が互いに異なっていてもよい。このように開口部１４８を設けることで、第１の電極１１２の可撓性が増大する。その結果、各センサーユニット１０４は、センサーモジュール１５２が搭載される測定対象１０６の変形により精密に追従することができ、測定対象１０６の変形とそれに伴って発生するひずみをより高い感度で精確に測定、あるいは見積もることができる。
なお、開口部１４８は必ずしも設ける必要は無い。この場合、金属シート１２８を加工するプロセスを省くことができ、プロセスを短縮することが可能である。
センサーモジュール１５０、１５２、１５４に設けられるセンサーユニットはセンサーユニット１０４に限られず、センサーユニット１００や１０２を複数配置してセンサーモジュールを構成してもよい。あるいは、異なる構造を有するセンサーユニットを混載してセンサーモジュールを構成してもよい。
センサーモジュール１５０や１５２、１５４のように、複数のセンサーユニットを配置することで、広い面積を有する測定対象の変形とひずみ、およびこれらの面内分布を容易に測定、あるいは見積もることができる。また、測定対象の一部が変形しても、それを検知することができる。
（第３実施形態）
本実施形態では、センサーモジュールの製造方法を述べる。センサーモジュールとしては、第２実施形態で述べたセンサーモジュール１５０を例として用い、図８（Ａ）から図１７（Ｂ）を参照しつつ、説明を行う。第１、第２実施形態で述べた内容は割愛することがある。図８（Ａ）、図９（Ａ）、図１０（Ａ）、図１１（Ａ）、図１３（Ａ）、図１４（Ａ）、図１５（Ａ）は、センサーモジュール１５０に設けられる複数のセンサーユニット１０４の製造方法を示す上面図であり、図１６（Ａ）、図１７（Ａ）は対応する底面図である。これらの図の鎖線Ｄ−Ｄ’に沿った断面模式図を図８（Ｂ）、図９（Ｂ）、図１０（Ｂ）、図１１（Ｂ）、図１３（Ｂ）、図１４（Ｂ）、図１５（Ｂ）、図１６（Ｂ）、図１７（Ｂ）にそれぞれ示す。
本実施形態では、センサーモジュールの製造方法を述べる。センサーモジュールとしては、第２実施形態で述べたセンサーモジュール１５０を例として用い、図８（Ａ）から図１７（Ｂ）を参照しつつ、説明を行う。第１、第２実施形態で述べた内容は割愛することがある。図８（Ａ）、図９（Ａ）、図１０（Ａ）、図１１（Ａ）、図１３（Ａ）、図１４（Ａ）、図１５（Ａ）は、センサーモジュール１５０に設けられる複数のセンサーユニット１０４の製造方法を示す上面図であり、図１６（Ａ）、図１７（Ａ）は対応する底面図である。これらの図の鎖線Ｄ−Ｄ’に沿った断面模式図を図８（Ｂ）、図９（Ｂ）、図１０（Ｂ）、図１１（Ｂ）、図１３（Ｂ）、図１４（Ｂ）、図１５（Ｂ）、図１６（Ｂ）、図１７（Ｂ）にそれぞれ示す。
まず図８（Ａ）、図８（Ｂ）に示すように、金属シート１２８上に圧電体膜１１４を形成する。後述するように、金属シート１２８は最終的に第１の電極１１２へ成型される。金属シート１２８には、鉄、クロム、アルミニウム、銅、チタン、マンガン、ニッケル、銀、およびモリブデンなどの金属、あるいはこれらの合金を用いることができる。例えばステンレスなどの鉄を主成分とし、クロムとニッケルを含む合金、あるいはニッケルを主成分とし、鉄やクロム、ニオブ、モリブデンなどの金属から選択される元素を一つ、あるいは複数含有する合金が挙げられる。金属シート１２８の厚さは任意に決定することができる。例えばハンドリング性を確保するとともにセンサーモジュール１５０に可撓性を付与する場合、厚さは１０μｍ以上２００μｍ以下、あるいは２０μｍ以上１００μｍ以下の範囲から選択することができ、典型的には５０μｍ、または８０μｍである。
圧電体膜１１４は、例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ビスマスフェライト、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸ナトリウムカリウム、チタン酸ビスマスなどの混合酸化物のほか、窒化アルミニウムなどの金属窒化物、リン酸ガリウムなどの金属リン酸塩などを含むことができる。金属窒化物は金属を含んでいてもよく、例えばスカンジウム含有窒化アルミニウム、マグネシウムとニオブを含有する窒化アルミニウムでもよい。厚さは１μｍ以上２０μｍ以下、あるいは２μｍ以上１０μｍ以下の範囲から選択することができる。圧電体膜１１４は、スパッタリング法や化学気相堆積法（ＣＶＤ法）、原子層堆積法（ＡＬＤ法）、ゾル―ゲル法などを用いて金属シート１２８上に形成し、その後パターニングすることで形成することができる。この場合、第１から第３の圧電体膜１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃは同一層内に存在する。
圧電体膜１１４を形成する際、ガイドマーク１６０、１６２、１６４を同時に形成してもよい（図８（Ａ）、図８（Ｂ））。ガイドマーク１６０、１６２、１６４は、引き続く成膜プロセスにおけるアライメントマーカーとして、あるいはセンサーモジュール１５０を測定対象１０６に搭載するときのガイドとして利用することができる。
引き続き対向電極１１６を形成する。本実施形態では、４層構造を有する対向電極１１６の形成方法を例示する。最初に、圧電体膜１１４上に第１の金属膜１４０を形成する（図９（Ａ）、図９（Ｂ））。第１の金属膜１４０は、チタン、ニッケル、クロム、銅、あるいはこれらの合金を含むことができる。第１の金属膜１４０は、スパッタリング法やＣＶＤ法などを適用して金属シート１２８や圧電体膜１１４上に金属膜を形成し、これをパターニングすることで形成することができる。第１の金属膜１４０の厚さは、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下、あるいは１５ｎｍ以上２５ｎｍ以下の範囲から任意に選択することができ、典型的には２０ｎｍである。
次に、第１の金属膜１４０をシード層として用い、電解めっき法を用いて第２から第４の金属膜１４２、１４４、１４６を順次形成する（図１０（Ａ）、図１０（Ｂ））。第２の金属膜１４２から第４の金属膜１４２、１４４、１４６は、チタン、アルミニウム、銅、ニッケル、タングステン、モリブデン、金、銀、鉄、クロムなどの金属やこれらの合金を含むことができる。一つの例として、第２から第４の金属膜１４２、１４４、１４６はそれぞれ、銅、ニッケル、金を含む構成が挙げられる。第２、第３の金属膜１４２、１４４の厚さは、１μｍ以上１０μｍ以下、２μｍ以上５μｍ以下、あるいは２μｍ以上３μｍ以下の範囲から任意に選択することができる。第３の金属膜１４４の厚さは、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、あるいは１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲から選択することができ、典型的には２００ｎｍである。なお、第１から第４の金属膜１４０、１４２、１４４、１４６の形成方法は上述した方法に限られず、材料や膜厚を考慮し、ＣＶＤ法、スパッタリング法、電解めっき法、蒸着法などを適宜選択して形成することができる。あるいは、金属ペーストを用い、印刷法やインクジェット法を用いて第１から第４の金属膜１４０、１４２、１４４、１４６のすべて、あるいは一部を形成してもよい。ここまでのプロセスにより、複数の圧電素子１１０が形成される。
次に、バンプ１２４、１２６を形成する（図１１（Ａ）、図１１（Ｂ））。バンプ１２４、１２６は例えば銀や金などの金属を含むペースト（金属ペースト）を印刷法やインクジェット法を用いて塗布し、その後焼成することで形成することができる。あるいは、はんだを用いてバンプ１２４、１２６を形成してもよい。さらに、めっきでバンプ１２４、１２６を形成してもよい。
次に、別途形成した配線シート１７０をバンプ１２４、１２６上に固定する。配線シート１７０の上面模式図を図１２（Ａ）に、図１２（Ａ）の鎖線Ｅ−Ｅ’に沿った断面模式図を図１２（Ｂ）に示す。これらの図に示すように、配線シート１７０は基材フィルム１３６を有し、接地配線１２０が基材フィルム１３６の一方の面（図１２（Ｂ）では下面）を延伸するように設けられる。一方、信号線１２２は、基材フィルム１３６の他方の面を延伸し、端部が基材フィルム１３６を貫通する。基材フィルム１３６にはポリイミドやポリアミド、ポリエステル、ポリカーボネートなどの高分子材料を用いることができる。接地配線１２０や信号線１２２は、チタンやアルミニウム、銅、モリブデン、タングステン、タンタル、銀などの金属やその合金などを用い、単層、あるいは積層構造を有するように形成することができる。
図示しないが、配線シート１７０は、例えば、第１の支持基板上に形成された基材フィルム１３６をエッチング加工し、信号線１２２が基材フィルム１３６を貫通するための開口部を形成する。その後ＣＶＤ法やスパッタリング法、電解めっき法、あるいは印刷法などを利用し、開口部を埋め、かつ覆うように信号線１２２を形成する。その後信号線１２２上に第２の支持基板を形成し、さらに第１の支持基板を分離する。引き続き、第１の支持基板の分離に伴って現れる基材フィルム１３６の面上に信号線１２２の一部と接地配線１２０を形成する。これにより、配線シート１７０が形成される。
配線シート１７０は、接着層１３４を介し、バンプ１２４、１２６上に貼り合わされ、固定される。具体的には、接着層１３４をスピンコート法や印刷法などを用い、バンプ１２４、１２６の一部が露出するように塗布する（図１３（Ａ）、図１３（Ｂ））。その後バンプ１２４が接地配線１２０と、バンプ１２６が信号線と接続されるよう配線シート１７０を配置し、接着層１３４を硬化する（図１４（Ａ）、図１４（Ｂ））。接着層１３４としては、例えばエポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ウレタン樹脂、ポリイミド、ポリシロキサンなどの高分子材料を用いることができる。
なお、配線シート１７０を固定して接地配線１２０と信号線１２２をそれぞれ第１の電極１１２と対向電極１１６に電気的に接続する際、バンプ１２４、１２６の形成と接着層１３４の使用に替わり、異方性導電膜を使用してもよい。この場合、異方性導電膜が配線シート１７０と対向電極１１６に接し、挟持される。
配線シート１７０の形成後、信号線１２２や基材フィルム１３６を保護するためのオーバーコート１３８を形成する（図１５（Ａ）、図１５（Ｂ））。オーバーコート１３８は、ポリエステルやポリカーボネート、ポリイミド、ポリアミドなどの高分子材料を含むことができる。オーバーコート１３８はスピンコート法やインクジェット法などに加え、ラミネート法を適用して形成してもよい。
次に、金属シート１２８を加工する。具体的には、図１６（Ａ）、図１６（Ｂ）に示すように、金属シート１２８を機械的に研磨する、あるいはエッチング加工を行うことにより、三又の分枝構造を有する第１の電極１１２へ成型する。これにより、センサーユニット１０４間において第１の電極１１２が互いに分離される。
引き続き、接着層１３２を介し、第１の電極１１２を保護するためのアンダーコート１３０を第１の電極１１２の下に固定する（図１７（Ａ）、図１７（Ｂ））。接着層１３２は接着層１３４と同様の材料を含むことができる。同様に、アンダーコート１３０にはオーバーコート１３８で使用可能な材料を用いることができる。
図示していないが、オーバーコート１３８の形成後、接地配線１２０と信号線１２２の端部を露出して端子１０８ａ、１０８ｂを形成するよう、オーバーコート１３８の一部をエッチングやレーザー加工によって除去してもよい。
以上の工程により、センサーモジュール１５０が形成される。説明は省くが、センサーモジュール１５２や１５４も同様のプロセスを適用して製造することができる。
上述したように、金属シート１２８を用いることで、複数の圧電素子１１０を有する金属シート１２８、および配線シート１７０の二層で構成されるセンサーモジュール１５０を形成することができる。通常、圧電素子はシリコン基板などの半導体基板を利用して製造されるため、基板の大きさや形状に制約があり、かつ、プロセスコストの高い、半導体基板のエッチングプロセスが必要となる。また、半導体基板は衝撃によって割れる、あるいは欠けが生じることがある。
これに対し、本明細書で開示されるセンサーモジュールは金属シート１２８を用いて形成することができるため、金属の展性や延性に起因し、衝撃に対する高い物理的強度をセンサーモジュールに付与することができる。また、半導体基板を使用する場合と異なり、センサーモジュールの大きさや形状を任意に設計、選択することがでる。したがって、デザイン自由度の高いシート状のセンサーモジュールを提供することができるため、例えば大面積の対象物のひずみ測定に対しても応用が可能である。また、金属のエッチングプロセスは高価な半導体加工・製造装置を必要とせず、低コストで行うことができる。このため、高い信頼性を有するセンサーモジュールを低コストで製造することが可能である。
（第４実施形態）
本実施形態では、第３実施形態で述べたセンサーモジュールの製造方法とは異なる製造方法を、図１８（Ａ）から図２１（Ｂ）を参照しつつ説明する。図１８（Ａ）、図１９（Ａ）、図２０（Ａ）、図２１（Ａ）はセンサーモジュール１５０の製造方法を説明する上面図であり、これらの図の鎖線Ｆ−Ｆ’に沿った断面模式図を図１８（Ｂ）、図１９（Ｂ）、図２０（Ｂ）、図２１（Ｂ）に示す。第１から第３実施形態と同様の構成に関しては、説明を割愛することがある。
本実施形態では、第３実施形態で述べたセンサーモジュールの製造方法とは異なる製造方法を、図１８（Ａ）から図２１（Ｂ）を参照しつつ説明する。図１８（Ａ）、図１９（Ａ）、図２０（Ａ）、図２１（Ａ）はセンサーモジュール１５０の製造方法を説明する上面図であり、これらの図の鎖線Ｆ−Ｆ’に沿った断面模式図を図１８（Ｂ）、図１９（Ｂ）、図２０（Ｂ）、図２１（Ｂ）に示す。第１から第３実施形態と同様の構成に関しては、説明を割愛することがある。
まず、第３実施形態で述べた製造方法に従い、金属シート１２８上に複数の圧電素子１１０を形成する（図１０（Ａ）、図１０（Ｂ））。引き続き、圧電素子１１０を覆うように、絶縁膜１７２を形成する（図１８（Ａ）、図１８（Ｂ））。絶縁膜１７２はエポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド、ポリシロキサンなどの高分子材料を含むことができ、スピンコート法や印刷法、あるいはインクジェット法などで形成することができる。
次に、絶縁膜１７２に対してエッチングを行い、金属シート１２８を露出する開口部１７４を形成する（図１９（Ａ）、図１９（Ｂ））。開口部１７４は、圧電体膜１１４の長手方向同士が交差する点、あるいは対向電極１１６の長手方向同士が交差する点が開口部１７４に含まれるように、形成することができる。エッチングとしては、例えばフッ素含有炭化水素の存在下におけるプラズマエッチングが挙げられる。エッチングの他に、レーザー加工でも良い。
引き続き、開口部１７４を覆うように、ＣＶＤ法やスパッタリング法を用いて接地配線１２０を形成する（図１９（Ａ）、図１９（Ｂ））。接地配線１２０は、チタンやアルミニウム、銅、モリブデン、タングステン、タンタルなどの金属やその合金などを用い、単層、あるいは積層構造を有するように形成することができる。例えばチタンやタングステン、モリブデンなどの比較的高い融点を有する金属でアルミニウムや銅などの導電性の高い金属を挟持する構造を採用することができる。
次に、接地配線１２０と絶縁膜１７２を覆うように、基材フィルム１３６を形成する（図２０（Ａ）、図２０（Ｂ））。基材フィルム１３６は、スピンコート法やインクジェット法、印刷法などの湿式成膜法、あるいはラミネート法などを用いて形成することができる。この時、図２０（Ｂ）に示すように、開口部１７４に起因する凹凸を吸収し、平坦な上面を与えるように基材フィルム１３６を形成してもよい。この場合には、湿式成膜法を適用することで、効果的に開口部１７４を埋め、平坦な上面を形成することができる。
引き続き、基材フィルム１３６と絶縁膜１７２に対してエッチングを行い、対向電極１１６の表面（第４の金属膜１４６の表面）を露出する開口部１７６を形成する（図２１（Ａ）、図２１（Ｂ））。エッチングは、開口部１７４の形成と同様に行うことができる。その後、開口部１７６を覆うように信号線１２２を形成する。信号線１２２は、接地配線１２０で使用可能な金属や合金を含むことができ、ＣＶＤ法やスパッタリング法を用いて形成することができる。信号線１２２は接地配線１２０と同様の層構造を有していてもよい。
こののち、第３実施形態で述べた方法と同様に、オーバーコート１３８の形成、金属シート１２８のエッチング加工による第１の電極１１２への成形、アンダーコート１３０の形成を行うことにより、センサーモジュール１５０が得られる。
第３実施形態と同様、本実施形態で述べた製造方法においても、金属シート１２８を用いてセンサーモジュールを形成することができる。したがって、デザイン自由度の高いシート状のセンサーモジュールを提供することができる。また、高い信頼性を有するセンサーモジュールを低コストで製造することが可能である。
（第５実施形態）
本実施形態では、第２実施形態で述べたセンサーモジュール１５０、１５２、１５４とは構造の異なるセンサーモジュール１５６を図２２を用いて説明する。第１、第２実施形態と同様の構成に関しては、説明を割愛することがある。
本実施形態では、第２実施形態で述べたセンサーモジュール１５０、１５２、１５４とは構造の異なるセンサーモジュール１５６を図２２を用いて説明する。第１、第２実施形態と同様の構成に関しては、説明を割愛することがある。
センサーモジュール１５６は、マトリクス状に配置された複数の圧電素子１１０を有する。圧電素子１１０は、第１実施形態の圧電素子１１０と同様の構造を有することができる。すなわち、各圧電素子１１０は、第１の電極１１２、第１の電極１１２上の対向電極、および第１の電極１１２と第１の電極１１２に挟持される圧電体膜１１４を有する。第１の電極１１２は、圧電素子１１０間で同時に同一の電位を与えられるよう、互いに電気的に接続されていてもよい。センサーモジュール１５６は、図示しないアンダーコート１３０や接着層１３２を介して測定対象１０６上に設置することができる。また、センサーモジュール１５０、１５２、１５４と同様、圧電素子１１０は不均一な密度で配置されてもよく、千鳥配置で配置されてもよい。
センサーモジュール１５０、１５２、１５４と異なりセンサーモジュール１５６では、圧電体膜１１４や対向電極１１６の長さ方向が互いに同一、あるいは平行になるように圧電素子１１０が配置される。このように圧電素子１１０を配置することで、測定対象１０６の特定の一方向の変形とそれに伴うひずみを選択的に精度よく測定、あるいは見積もることができる。
本明細書では、複数の圧電素子を有するセンサーユニット、および複数のセンサーユニットを有するシート状のセンサーモジュールを開示したが、これらのセンサーユニットやセンサーモジュールは発電ユニット、あるいは発電モジュールとして利用することもできる。したがって、同様、あるいは類似する構造を有する発電ユニットや発電モジュールも本開示に含まれると解される。
本開示の実施形態として上述した各実施形態は、相互に矛盾しない限りにおいて、適宜組み合わせて実施することができる。また、各実施形態を基にして、当業者が適宜構成要素の追加、削除もしくは設計変更を行ったものも、本開示の要旨を備えている限り、本開示の範囲に含まれる。
また、上述した各実施形態によりもたらされる作用効果とは異なる他の作用効果であっても、本明細書の記載から明らかなもの、又は、当業者において容易に予測し得るものについては、当然に本開示によりもたらされるものと理解される。
１００：センサーユニット、１０２：センサーユニット、１０４：センサーユニット、１０６：測定対象、１０８ａ：端子、１０８ｂ：端子、１１０：圧電素子、１１０ａ：第１の圧電素子、１１０ｂ：第２の圧電素子、１１０ｃ：第３の圧電素子、１１０ｄ：第４の圧電素子、１１２：第１の電極、１１４：圧電体膜、１１４ａ：第１の圧電体膜、１１４ｂ：第２の圧電体膜、１１４ｃ：第３の圧電体膜、１１６：対向電極、１２０：接地配線、１２２：信号線、１２４：バンプ、１２６：バンプ、１２８：金属シート、１３０：アンダーコート、１３２：接着層、１３４：接着層、１３６：基材フィルム、１３８：オーバーコート、１４０：第１の金属膜、１４２：第２の金属膜、１４４：第３の金属膜、１４６：第４の金属膜、１４８：開口部、１５０：センサーモジュール、１５２：センサーモジュール、１５４：センサーモジュール、１５６：センサーモジュール、１６０：ガイドマーク、１６２：ガイドマーク、１６４：ガイドマーク、１７０：配線シート、１７２：絶縁膜、１７４：開口部、１７６：開口部
Claims (20)
- 第１の圧電素子と第２の圧電素子を有し、
前記第１の圧電素子は、
第１の電極と、
前記第１の電極上に位置し、長さと幅が異なる第１の圧電体膜と、
前記第１の圧電体膜上の第１の対向電極を有し、
前記第２の圧電素子は、
前記第１の電極と、
前記第１の電極上の第２の圧電体膜と、
前記第２の圧電体膜上に位置し、長さと幅が異なる第２の対向電極を有し、
前記第１の圧電体膜の長さ方向は、前記第２の圧電体膜の長さ方向と交差するセンサーユニット。 - 前記第１の電極は、前記第１の圧電素子と前記第２の圧電素子に共有される、請求項１に記載のセンサーユニット。
- 前記第１の電極は、鉄、クロム、アルミニウム、銅、チタン、マンガン、ニッケル、銀、およびモリブデンから選択される金属を含む、請求項１に記載のセンサーユニット。
- 前記第１の電極は鉄とクロムを含む、請求項１に記載のセンサーユニット。
- 前記第１の圧電体膜と前記第２の圧電体膜は、窒化アルミニウムを含む、請求項１に記載のセンサーユニット。
- 前記第１の圧電体膜の前記長さ方向と、前記第２の圧電体膜の前記長さ方向とが交差するように配置された請求項１に記載のセンサーユニット。
- 前記第１の電極と、
前記第１の電極上の第３の圧電体膜と、
前記第３の圧電体膜上の第３の対向電極とを有する第３の圧電素子をさらに有し、
前記第１の圧電体膜の前記長さ方向、前記第２の圧電体膜の前記長さ方向、および前記第３の圧電体膜の長さ方向が互いに交差する、請求項１に記載のセンサーユニット。 - 前記第１の電極は、第１の枝、第２の枝、第３の枝を有する分枝構造を有し、
前記第１の圧電体膜、前記第２の圧電体膜、および前記第３の圧電体膜はそれぞれ、前記第１の枝、前記第２の枝、前記第３の枝の上に位置し、
前記第１の対向電極、前記第２の対向電極、前記第３の対向電極はそれぞれ、前記第１の枝、前記第２の枝、前記第３の枝の上に位置する、請求項７に記載のセンサーユニット。 - バンプと、
前記バンプを介して前記第１の電極と電気的に接続される配線をさらに有し、
前記バンプは、前記第１の圧電体膜の前記長さ方向と前記第２の圧電体膜の前記長さ方向の交点に位置する、請求項１に記載のセンサーユニット。 - 複数のセンサーユニットを有し、
前記複数のセンサーユニットはそれぞれ第１の圧電素子と第２の圧電素子を有し、
前記第１の圧電素子は、
第１の電極と、
前記第１の電極上に位置し、長さと幅が異なる第１の圧電体膜と、
前記第１の圧電体膜上の第１の対向電極を有し、
前記第２の圧電素子は、
前記第１の電極と、
前記第１の電極上に位置し、長さと幅が異なる第２の圧電体膜と、
前記第２の圧電体膜上の第２の対向電極を有し、
前記複数のセンサーユニットのそれぞれにおいて、前記第１の圧電体膜の長さ方向は、前記第２の圧電体膜の長さ方向と交差するセンサーモジュール。 - 前記複数のセンサーユニットのそれぞれにおいて、前記第１の電極は、前記第１の圧電素子と前記第２の圧電素子に共有される、請求項１０に記載のセンサーモジュール。
- 前記第１の電極は、鉄、クロム、アルミニウム、銅、チタン、マンガン、ニッケル、銀、およびモリブデンから選択される金属を含む、請求項１０に記載のセンサーモジュール。
- 前記第１の電極は鉄とクロムを含む、請求項１０に記載のセンサーモジュール。
- 前記第１の圧電体膜と前記第２の圧電体膜は、窒化アルミニウムを含む、請求項１０に記載のセンサーモジュール。
- 前記複数のセンサーユニットのそれぞれにおいて、前記第１の圧電体膜の前記長さ方向と、前記第２の圧電体膜の前記長さ方向が交差するように配置された、請求項１０に記載のセンサーモジュール。
- 前記複数のセンサーユニットは各々、
前記第１の電極上に位置し、長さと幅が異なる第３の圧電体膜と、
前記第３の圧電体膜上の第３の対向電極とを有する第３の圧電素子をさらに有し、
前記複数のセンサーユニットのそれぞれにおいて、前記第１の圧電体膜の前記長さ方向、前記第２の圧電体膜の前記長さ方向、および前記第３の圧電体膜の長さ方向が互いに交差する、請求項１０に記載のセンサーモジュール。 - 前記複数のセンサーユニットのそれぞれにおいて、
前記第１の電極は、第１の枝、第２の枝、第３の枝を有する分枝構造を有し、
前記第１の圧電体膜、前記第２の圧電体膜、および前記第３の圧電体膜はそれぞれ、前記第１の枝、前記第２の枝、前記第３の枝の上に位置し、
前記第１の対向電極、前記第２の対向電極、前記第３の対向電極はそれぞれ、前記第１の枝、前記第２の枝、前記第３の枝の上に位置する、請求項１６に記載のセンサーモジュール。 - 前記複数のセンサーユニットの各々は、
バンプと、
前記バンプを介して前記第１の電極と電気的に接続される配線とを有し、
前記バンプは、前記第１の圧電体膜の前記長さ方向と前記第２の圧電体膜の前記長さ方向との交点に位置する、請求項１０に記載のセンサーモジュール。 - 前記複数のセンサーユニットの第１の電極は金属シートに含まれ、前記センサーユニット間で互いに直接接続される、請求項１７に記載のセンサーモジュール。
- 前記複数のセンサーユニットのそれぞれにおいて、
前記金属シートは、前記第１の枝と前記第２の枝の間、前記第２の枝と前記第３の枝の間、および前記第３の枝と前記第１の枝の間に開口部を有する、請求項１９に記載のセンサーモジュール。
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