JP3138299B2 - 最大電圧測定装置 - Google Patents

最大電圧測定装置

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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D1/00Measuring arrangements giving results other than momentary value of variable, of general application
    • G01D1/12Measuring arrangements giving results other than momentary value of variable, of general application giving a maximum or minimum of a value
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N15/00Thermoelectric devices without a junction of dissimilar materials; Thermomagnetic devices, e.g. using the Nernst-Ettingshausen effect
    • H10N15/10Thermoelectric devices using thermal change of the dielectric constant, e.g. working above and below the Curie point

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は最大電圧測定装置、特に
光センサや熱センサ、圧力センサ等の電位を発生させる
装置の出力最大電圧を無電源で測定する装置に関する。
【0002】
【従来の技術】光センサや熱センサ、圧力センサや風力
センサ等は測定すべき光や熱あるいは圧力の量に応じた
電位を発生させるが、これらの電位が所定値以上になっ
たか否かをモニタするためには、例えば図12に示され
るようなコンパレータ10が用いられる。コンパレータ
10は通常カレントミラー回路10a及び差動回路10
bを含んで構成され、非反転入力端子と反転入力端子と
の差に応じた電圧が出力として取り出される。そして、
非反転入力端子に光センサや熱センサ等の電位を発生す
る装置を接続し、反転入力端子に基準電圧を印加するこ
とにより光センサや熱センサ等の外部電圧が基準電圧以
上になったか否かがモニタされる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
コンパレータ等の電圧測定装置は、外部から電源10c
が供給されないと動作できない問題があり、また常時最
大電圧をモニタするためには、コンパレータの出力に更
に外部メモリを接続しなければならず装置構成が複雑化
してしまう問題があった。
【0004】本発明は上記従来技術の有する課題に鑑み
なされたものであり、その目的は無電源かつ不揮発で最
高到達電圧を測定することが可能な最大電圧測定装置を
提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る最大電圧測定装置は、位置によってそ
の厚さが順次異なる強誘電体素子と、この強誘電体素子
に所定電圧を印加して最大自発分極を生じさせるリセッ
ト回路と、最大自発分極を有する前記強誘電体素子に前
記所定電圧と逆極性で測定すべき外部電圧を印加するこ
とにより前記強誘電体素子に生じた残留分極を測定する
分極測定回路とを有し、前記強誘電体素子の前記残留分
極のうちの反転分極量により前記外部電圧の最大電圧を
得ることを特徴とする。
【0006】
【作用】本発明の最大電圧測定装置はこのような構成を
有しており、強誘電体素子の自発分極を利用して最大電
圧を測定するものである。
【0007】周知の如く、強誘電体は永久双極子モーメ
ントに基づく自発分極を有する誘電体のうち、電界を加
えることにより分極方向の反転可能なものであり、強磁
性体のB−H曲線と極めて類似した特性を示すことが知
られている(強誘電体のP−Eヒステリシスループ)。
【0008】そこで、本発明の最大電圧測定装置では強
誘電体素子を一方向に自発分極させ、この自発分極を外
部電圧により反転させて残留分極を生ぜしめ、最大電圧
を測定するものである。
【0009】ここで、強磁性体素子の厚さが異なる場
合、自発分極を反転させるために必要な抗電界の値は強
誘電体素子の厚さに比例して増大することが知られてい
る。従って、厚さが変化する強誘電体素子に電圧を印加
した場合、薄い領域では抗電界以上の電界が印加されて
反転分極が生じる一方、厚い領域では抗電界の値が大き
いため反転分極は生じない。
【0010】従って、厚さが変化する強誘電体素子のう
ち、どの厚さの領域が反転分極したかを測定することに
より、外部印加電圧の値を知ることが可能となる。
【0011】
【実施例】以下、図面を用いながら本発明に係る最大電
圧測定装置の一実施例を説明する。
【0012】図1には本実施例の全体構成図が示されて
いる。強誘電体素子20は図2に示されるように厚さが
順次変化するPZT(ジルコン酸チタン酸鉛)強誘電体
20bをPt電極20a、20cで挟んだ構成を有して
いる。そして、厚さが順次変化するこの強誘電体素子2
0を自発分極させるためのリセット回路22が設けら
れ、このリセット回路22内の直流電源22aにより強
誘電体素子20のPt電極20a、20cを介してPZ
T強誘電体20bに直流電圧を印加して最大自発分極P
rを生じさせる。なお、直流電源22aの電圧はPZT
の膜厚に応じて変化させる必要があり、従って直流電源
22aの電圧はPZTの最大膜厚に応じて設定される。
要は、最大自発分極を生じさせるに十分な電界を印加で
きればよい。
【0013】この様に、強誘電体素子20に最大自発分
極を生じさせた後、測定すべき外部電圧をこの強誘電体
素子20に逆極性となるように接続し、外部電圧の最大
値を測定する。以下、この最大電圧値算出プロセスを風
力センサからの電圧を測定する場合を例にとり説明す
る。
【0014】図3には本実施例の測定プロセスのフロー
チャートが示されている。まず、S101にて前述した
リセット回路22を用いて強誘電体素子20に最大自発
分極Prを生じさせる。次に、S102にて風力センサ
から出力された電圧をリセット回路22の極性と逆極性
になるように強誘電体素子20に接続する。図4には風
力センサからの出力電圧特性の一例が示されており、横
軸は時間、縦軸は出力電圧を表わしており、時間t1
2 、t3 でそれぞれピーク値d、e、fを出力する。
そして、このような特性を有する外部電圧が強誘電体素
子20に印加されることになる。
【0015】ここで、本実施例においては前述したよう
に強誘電体素子20の厚さは順次変化しており、従っ
て、その抗電界の値も順次変化する特性を示す。図5に
は種々の膜厚を有する強誘電体素子のP−Eヒステリシ
スループが示されている。図において、強誘電体素子F
1 ,F2 , … Fn-1 ,Fn の順にその膜厚が増大し
ている。図から解るように、最大自発分極Prの大きさ
は膜厚が変化してもほとんど変化しないが、反転分極が
生じる電界である抗電界の値は強誘電体素子の膜厚が増
大するにしたがって増大することが解る。図6には強誘
電体素子の膜厚と抗電界との関係が示されており、膜厚
にほぼ比例して抗電界が増大することが理解される。
【0016】従って、本実施例に示すように膜厚が順次
変化する強誘電体素子20に外部電圧を印加した場合、
膜厚が薄い領域ではそれに応じて抗電界の値も低いた
め、低い外部電圧で反転分極を生じ、一方、膜厚が厚い
領域で抗電界が大きいため、反転分極を生じる外部電圧
も高くなる。すると、印加される外部電圧の値によっ
て、 (1)まったく反転分極を生じない (2)強誘電体素子の膜厚が薄い領域で反転分極が生
じ、厚い領域では反転分極が生じない (3)全ての領域で反転分極が生じる の3つの態様が生じることになる。
【0017】図7及び図8には外部印加電圧によって強
誘電体素子20に反転分極が生じる様子が模式的に示さ
れている。外部印加電圧がV1 の場合、この印加電圧よ
りも抗電界が低い領域Aでは自発分極が反転して、反転
分極P1を示すこととなり、外部印加電圧がV2 の場合
にはより大きな領域Bが反転して、反転分極P2を示す
ようになる。
【0018】このように、外部印加電圧の値に応じて強
誘電体素子20に生じる反転分極の量が変化するため、
あらかじめ印加電圧と反転分極との関係を求めておき、
外部印加電圧によって強誘電体素子20に生じた残留分
極を分極測定回路24で測定し、残留分極のうちでどれ
だけ反転分極が生じているかを知ることで外部印加電圧
の最大値を測定することが可能となる。
【0019】図9には本実施例における分極測定回路2
4の回路図及び分極測定原理説明図が示されている。分
極測定回路24は強誘電体素子20に最大自発分極を生
じさせる直流電源24a(リセット回路22の直流電源
22aと同様の電圧でよい)及び抵抗24bから構成さ
れ、BC間の電圧ないし電流をモニタすることにより残
留分極が検出される。
【0020】すなわち、強誘電体素子20を最大自発分
極させるべくAB間に電圧を印加し、その時のBC間の
電圧変動を測定すると、強誘電体素子20が分極反転し
てすでに最大自発分極Prを有している場合には図9
(B)においてイのような変化となるが、強誘電体素子
の残留分極が例えば図8の場合にはロのような変化を示
すことになる。これは強誘電体素子20がすでに最大自
発分極を有している場合にはP−Eヒステリシスループ
上で変化を示し、そうでない場合、すなわち最大自発分
極以外の残留分極を生じている場合にはP−Eヒステリ
シスループに沿わずに変化するからである。
【0021】従って、最大自発分極以外の残留分極が生
じている場合にはロのような電圧(あるいは電流)変化
を示すので、AB間に2回所定の電圧を印加し、その2
回の電圧(あるいは電流)変化の差(図中斜線部分)を
求めることにより、残留分極の値を測定することができ
る(すでに最大自発分極Prのときは差は0となり、そ
うでない場合は残留分極に応じた差を示すことにな
る)。
【0022】図10には本実施例において用いた厚さが
変化する強誘電体素子の製造方法が示されている。ま
ず、図10(A)に示されるようにシリコン基板100
上にシリコン窒化膜102をCVD法などにより積層す
る。そして、図10(B)に示されるようにシリコン基
板100を熱酸化させ、シリコン窒化膜102の両側に
シリコン酸化膜104を形成する。
【0023】その後、図10(C)に示されるように、
シリコン窒化膜102をエッチング除去してシリコン酸
化膜表面を露出させ、図10(D)に示されるようにシ
リコン酸化膜104の傾斜領域に電極となるPt膜10
6をスパッタ等により形成する。そして、このPt膜1
06上に強誘電体であるPZTを塗布し、所定温度でベ
イキングを行う。その後、表面をエッチングして平坦化
し、更に図10(E)に示されるように強誘電体全体P
ZT膜108上にスパッタ等によりPt膜110を形成
する。このようにして、厚さが変化する強誘電体PZT
をPt電極で挟んだ強誘電体素子が形成される。
【0024】図11には、本実施例の強誘電体素子の更
に別の製造方法が示されている。この製造方法において
は、ホトマスクに特殊な形状を有するCrマスクを用い
て強誘電体PZTに厚さ変化を持たせている。すなわ
ち、図11(A)に示されるようにまずシリコン基板2
00上に熱酸化等によりシリコン酸化膜202を形成す
る。そして、このシリコン酸化膜202上に下部電極と
なるPt膜をスパッタ等により形成し、更に強誘電体P
ZTを塗布する。その後、所定温度でベイキングを行
い、ポジ型レジスト208を塗布形成する。
【0025】次に、図11(B)に示されるように一平
面が階段上に形成され、そのため厚さが段階的に変化す
るCrマスクを用いてポジ型レジスト208の露光を行
う。この時、Crマスク210の厚さが段階的に変化し
ているため、このCrマスク210を透過する光量をも
段階的に変化することとなり、従ってポジ型レジスト2
08にはその露光量に段階的な変化が生じることとな
る。従って、露光後現像を行うと図11(C)に示され
るようにCrマスク210の厚さが薄く、従って十分露
光された領域ではポジ型レジストが多く除去され、一方
Crマスク210の厚さが大きな領域ではポジ型レジス
ト208は十分露光されず、従って除去されずに残るこ
とになる。その結果、図11(C)に示されるように厚
さが連続的に変化するポジ型レジスト208が得られる
こととなる。
【0026】最後に、図11(D)に示されるように、
このポジ型レジスト208をレジスとしてシリコン酸化
膜202が表面に露出されるまでエッチンングを行い、
上部電極となるPt膜210をスパッタ等により形成す
る。このようにして、本実施例の厚さが変化する強誘電
体素子20が得られることとなる。
【0027】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る最大
電圧測定装置によれば、光センサや熱センサ等の電位を
発生させる装置と連動させ、無電源で最大電圧を測定す
ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の全体構成図である。
【図2】同実施例の強誘電体素子の構成図である。
【図3】同実施例の測定フロチャートである。
【図4】同実施例の風力センサの出力特性図である。
【図5】同実施例の強誘電体素子のP−Eヒステリシス
ループ図である。
【図6】同実施例の強誘電体素子の膜厚と抗電界との関
係を示すグラフ図である。
【図7】同実施例の印加電圧と反転分極との関係を示す
グラフ図である。
【図8】同実施例の強誘電体素子の反転分極の様子を示
す説明図である。
【図9】同実施例の強誘電体素子の残留分極測定の説明
図である。
【図10】同実施例の強誘電体素子の製造方法を示す説
明図である。
【図11】同実施例の強誘電体素子の他の製造方法を示
す説明図である。
【図12】従来装置の回路図である。
【符号の説明】
20 強誘電体素子 22 リセット回路 24 分極測定回路

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 位置によってその厚さが順次異なる強誘
    電体素子と、 この強誘電体素子に所定電圧を印加して最大自発分極を
    生じさせるリセット回路と、 最大自発分極を有する前記強誘電体素子に前記所定電圧
    と逆極性で測定すべき外部電圧を印加することにより
    記強誘電体素子に生じた残留分極を測定する分極測定回
    路と、 を有し、前記強誘電体素子の前記残留分極のうちの反転
    分極量により前記外部電圧の最大電圧を得ることを特徴
    とする最大電圧測定装置。
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