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。
特開2005−249786号公報
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。
一実施形態のセンサーユニットの模式的上面図と断面図。 一実施形態のセンサーユニットの模式的上面図。 一実施形態のセンサーユニットの動作を説明する図。 一実施形態のセンサーモジュールの模式的上面図と断面図。 一実施形態のセンサーモジュールの模式的上面図。 一実施形態のセンサーモジュールの模式的上面図。 一実施形態のセンサーモジュールの模式的上面図と断面図。 一実施形態のセンサーモジュールの製造方法を説明する模式的上面図と断面図。 一実施形態のセンサーモジュールの製造方法を説明する模式的上面図と断面図。 一実施形態のセンサーモジュールの製造方法を説明する模式的上面図と断面図。 一実施形態のセンサーモジュールの製造方法を説明する模式的上面図と断面図。 一実施形態のセンサーモジュールの製造方法を説明する模式的上面図と断面図。 一実施形態のセンサーモジュールの製造方法を説明する模式的上面図と断面図。 一実施形態のセンサーモジュールの製造方法を説明する模式的上面図と断面図。 一実施形態のセンサーモジュールの製造方法を説明する模式的上面図と断面図。 一実施形態のセンサーモジュールの製造方法を説明する模式的底面図と断面図。 一実施形態のセンサーモジュールの製造方法を説明する模式的底面図と断面図。 一実施形態のセンサーモジュールの製造方法を説明する模式的上面図と断面図。 一実施形態のセンサーモジュールの製造方法を説明する模式的上面図と断面図。 一実施形態のセンサーモジュールの製造方法を説明する模式的上面図と断面図。 一実施形態のセンサーモジュールの製造方法を説明する模式的上面図と断面図。 一実施形態のセンサーモジュールの模式的上面図。
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。
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。
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。
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。
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。
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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。
  9. 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。
  10. 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。
  11. 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。
  12. 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。
  13. 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。
  14. 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。
  15. 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。
  16. 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。
  17. 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。
  18. 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。
  19. 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。
  20. 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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