JP3465675B2 - 圧電／電歪膜型素子 - Google Patents
圧電／電歪膜型素子Info
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- electrostrictive
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- H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
- H10N30/204—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using bending displacement, e.g. unimorph, bimorph or multimorph cantilever or membrane benders
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、圧電／電歪膜型素
子に係り、中でも屈曲変位を利用するアクチュエータ
や、流体特性や音圧、微小重量、加速度等のセンサとし
て、例えばマイクロホンや粘度センサに用いられる圧電
／電歪膜型素子に関する。
子に係り、中でも屈曲変位を利用するアクチュエータ
や、流体特性や音圧、微小重量、加速度等のセンサとし
て、例えばマイクロホンや粘度センサに用いられる圧電
／電歪膜型素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】圧電／電歪電歪膜型素子は、従来よりア
クチュエータや各種センサとして用いられている。セン
サとして用いられる圧電／電歪膜型素子は、例えば特開
平８−２０１２６５号公報に開示されるように、流体の
密度、濃度、粘度等の特性測定に利用される。このよう
な素子にあっては、圧電体振動子の振幅と振動子に接触
する流体の粘性抵抗に相関があることを利用しセンサと
して用いるものである。振動子の振動のような機械系で
の振動形態は、電気系での等価回路に置き換えることが
でき、流体中で圧電／電歪膜型振動子を振動させ、この
振動子が流体の粘性抵抗に基づいて機械的抵抗を受ける
ことにより振動子を構成する圧電体の等価回路の電気的
定数が変化するのを検出し、流体の粘度、密度、濃度等
の特性を測定することが可能となる。測定可能な流体と
しては、液体及び気体を意味し、水、アルコール、油等
単一の成分からなる液体のみならず、これらの液体に可
溶または不溶な媒質を溶解または混合あるいは懸濁せし
めた液体、スラリー、ペーストが含まれる。また、検出
する電気的定数としては、損失係数、位相、抵抗、リア
クタンス、コンダクタンス、サセプタンス、インダクタ
ンス及びキャパシタンス等を挙げることができ、特に等
価回路の共振周波数近傍で極大または極小変化点を1つ
もつ損失係数または位相が好ましく用いられる。これに
より流体の粘度のみならず、密度や濃度をも測定するこ
とができ、例えば、硫酸水溶液中の硫酸濃度を測定する
ことができる。なお、振動形態の変化を検出する指標と
して電気的定数以外に、測定精度、耐久性の観点から特
に問題が無ければ共振周波数の変化を利用することもで
きる。
クチュエータや各種センサとして用いられている。セン
サとして用いられる圧電／電歪膜型素子は、例えば特開
平８−２０１２６５号公報に開示されるように、流体の
密度、濃度、粘度等の特性測定に利用される。このよう
な素子にあっては、圧電体振動子の振幅と振動子に接触
する流体の粘性抵抗に相関があることを利用しセンサと
して用いるものである。振動子の振動のような機械系で
の振動形態は、電気系での等価回路に置き換えることが
でき、流体中で圧電／電歪膜型振動子を振動させ、この
振動子が流体の粘性抵抗に基づいて機械的抵抗を受ける
ことにより振動子を構成する圧電体の等価回路の電気的
定数が変化するのを検出し、流体の粘度、密度、濃度等
の特性を測定することが可能となる。測定可能な流体と
しては、液体及び気体を意味し、水、アルコール、油等
単一の成分からなる液体のみならず、これらの液体に可
溶または不溶な媒質を溶解または混合あるいは懸濁せし
めた液体、スラリー、ペーストが含まれる。また、検出
する電気的定数としては、損失係数、位相、抵抗、リア
クタンス、コンダクタンス、サセプタンス、インダクタ
ンス及びキャパシタンス等を挙げることができ、特に等
価回路の共振周波数近傍で極大または極小変化点を1つ
もつ損失係数または位相が好ましく用いられる。これに
より流体の粘度のみならず、密度や濃度をも測定するこ
とができ、例えば、硫酸水溶液中の硫酸濃度を測定する
ことができる。なお、振動形態の変化を検出する指標と
して電気的定数以外に、測定精度、耐久性の観点から特
に問題が無ければ共振周波数の変化を利用することもで
きる。
【０００３】かかる圧電／電歪膜型素子にあっては、特
開平５−２６７７４２号公報に開示されるように、図２
のように厚肉部２を周縁部に持つ薄肉ダイヤフラム部３
を有するセラミックスからなる基板１に積層した下部電
極４とは独立した位置に、補助電極８を形成し、その補
助電極の一部が前記圧電／電歪膜５の下側の一部に入り
込ませるように形成されている。このような構成によ
り、上部電極６を補助電極８及び圧電／電歪膜５の面上
で断線すること無く連続して形成することが可能とな
り、上部電極６の接続の信頼性が向上する。なお図２に
あっては、被測定流体は空洞部１０に存在し、貫通孔９
により導入される。
開平５−２６７７４２号公報に開示されるように、図２
のように厚肉部２を周縁部に持つ薄肉ダイヤフラム部３
を有するセラミックスからなる基板１に積層した下部電
極４とは独立した位置に、補助電極８を形成し、その補
助電極の一部が前記圧電／電歪膜５の下側の一部に入り
込ませるように形成されている。このような構成によ
り、上部電極６を補助電極８及び圧電／電歪膜５の面上
で断線すること無く連続して形成することが可能とな
り、上部電極６の接続の信頼性が向上する。なお図２に
あっては、被測定流体は空洞部１０に存在し、貫通孔９
により導入される。
【０００４】さらに、かかる圧電／電歪膜型素子にあっ
ては、特開平６−２６０６９４号公報に開示されるよう
に、図２のように、下部電極４上の圧電／電歪膜５を、
下部電極４を覆いかつ圧電／電歪膜５の周囲部がセラミ
ック基板１上に張り出す大きさとされることがある。こ
れにより、下部電極４と圧電／電歪膜５の精密な位置合
わせが不要となり、上下電極間の短絡が容易に防止でき
る。さらに、この圧電／電歪膜５の張り出し部１１を前
記基板１と不完全な結合状態とし、不完全結合部７Ａと
することで、張り出し部１１が基板と結合していないた
めに、十二分な屈曲変位や発生力や振動を発現すること
ができる。不完全結合状態とは、張り出し部の一部がセ
ラミック基板と部分的に結合した状態または、結合した
部分が全く無い未結合状態のことを意味し、具体的に
は、張り出し部とセラミック基板のピール(引き剥がし)
強度で、0.5 kg／mm2以下とされる。このような不完全
結合状態の形成には、基板材料と圧電／電歪材料の相互
の反応性が低くなるように、それらを選択してなされる
ほか、圧電／電歪膜と基板が直接接しないように、ダミ
ー層を形成したうえで、圧電／電歪膜５を形成する場合
もある。このダミー層の形成には、スタンピング法、ス
クリーン印刷法、あるいはインクジェット法が好適に用
いられる。ダミー層は、圧電／電歪膜５が焼結のために
熱処理される場合には、この熱処理により燃焼・消失す
る材料、例えば樹脂材料等で形成され、消失後不完全結
合部７Ａが形成されるのである。または、圧電／電歪膜
及び上部電極が熱処理されない場合には、ダミー層を水
や有機溶媒等に溶解する樹脂材料で形成し、圧電／電歪
膜５を形成後あるいは圧電／電歪膜５と上部電極６を形
成後、水や有機溶媒等により溶解・除去処理され不完全
結合部７Ａが形成される。
ては、特開平６−２６０６９４号公報に開示されるよう
に、図２のように、下部電極４上の圧電／電歪膜５を、
下部電極４を覆いかつ圧電／電歪膜５の周囲部がセラミ
ック基板１上に張り出す大きさとされることがある。こ
れにより、下部電極４と圧電／電歪膜５の精密な位置合
わせが不要となり、上下電極間の短絡が容易に防止でき
る。さらに、この圧電／電歪膜５の張り出し部１１を前
記基板１と不完全な結合状態とし、不完全結合部７Ａと
することで、張り出し部１１が基板と結合していないた
めに、十二分な屈曲変位や発生力や振動を発現すること
ができる。不完全結合状態とは、張り出し部の一部がセ
ラミック基板と部分的に結合した状態または、結合した
部分が全く無い未結合状態のことを意味し、具体的に
は、張り出し部とセラミック基板のピール(引き剥がし)
強度で、0.5 kg／mm2以下とされる。このような不完全
結合状態の形成には、基板材料と圧電／電歪材料の相互
の反応性が低くなるように、それらを選択してなされる
ほか、圧電／電歪膜と基板が直接接しないように、ダミ
ー層を形成したうえで、圧電／電歪膜５を形成する場合
もある。このダミー層の形成には、スタンピング法、ス
クリーン印刷法、あるいはインクジェット法が好適に用
いられる。ダミー層は、圧電／電歪膜５が焼結のために
熱処理される場合には、この熱処理により燃焼・消失す
る材料、例えば樹脂材料等で形成され、消失後不完全結
合部７Ａが形成されるのである。または、圧電／電歪膜
及び上部電極が熱処理されない場合には、ダミー層を水
や有機溶媒等に溶解する樹脂材料で形成し、圧電／電歪
膜５を形成後あるいは圧電／電歪膜５と上部電極６を形
成後、水や有機溶媒等により溶解・除去処理され不完全
結合部７Ａが形成される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】このような振動におけ
る電気的特性を検知することによりセンシングを行うセ
ンサ用素子にあっては、電気的特性がばらつかないのが
望ましいのに対し、従来の圧電／電歪膜型素子の構造に
おいては、初期の電気的定数が素子固体間でばらついた
り、電気的定数の経時変化が生じたりする場合があり、
そのような場合には、微調整の手間をかける必要があっ
た。
る電気的特性を検知することによりセンシングを行うセ
ンサ用素子にあっては、電気的特性がばらつかないのが
望ましいのに対し、従来の圧電／電歪膜型素子の構造に
おいては、初期の電気的定数が素子固体間でばらついた
り、電気的定数の経時変化が生じたりする場合があり、
そのような場合には、微調整の手間をかける必要があっ
た。
【０００６】
【課題を解決するための手段】そこで、研究の結果、従
来の圧電／電歪膜型素子においては、図２に示すよう
に、張り出し部１１の不完全結合部７Ａと同様な不完全
結合状態にある不完全結合部７Ｂが、下部電極４と補助
電極８間で、基板の薄肉ダイヤフラム３上と厚肉部２に
跨り形成され、振動における電気的定数を利用したセン
サ素子等にあっては、かかる不完全結合部７Ｂの不完全
結合状態のばらつきや経時変化が、振動形態の変化ひい
ては電気的定数の変化を引き起こす主原因の一つである
ことを見出した。すなわち、不完全結合状態であるがた
めに、不完全結合状態を再現性よく安定的に形成するこ
とができないほか、実使用時に薄肉ダイヤフラム部が振
動あるいは変位するため、部分的に結合がとれたり、マ
イクロクラックが生じたりするなどの現象が生じる。
来の圧電／電歪膜型素子においては、図２に示すよう
に、張り出し部１１の不完全結合部７Ａと同様な不完全
結合状態にある不完全結合部７Ｂが、下部電極４と補助
電極８間で、基板の薄肉ダイヤフラム３上と厚肉部２に
跨り形成され、振動における電気的定数を利用したセン
サ素子等にあっては、かかる不完全結合部７Ｂの不完全
結合状態のばらつきや経時変化が、振動形態の変化ひい
ては電気的定数の変化を引き起こす主原因の一つである
ことを見出した。すなわち、不完全結合状態であるがた
めに、不完全結合状態を再現性よく安定的に形成するこ
とができないほか、実使用時に薄肉ダイヤフラム部が振
動あるいは変位するため、部分的に結合がとれたり、マ
イクロクラックが生じたりするなどの現象が生じる。
【０００７】本発明は、厚肉部を周縁部に持つ薄肉ダイ
ヤフラム部を有するセラミックスからなる基板に、下部
電極及び補助電極と、圧電／電歪膜と、上部電極を順次
積層させた圧電／電歪膜型素子であって、下部電極と補
助電極間に、絶縁体からなる結合層を設けることによ
り、圧電／電歪膜とセラミック基板を完全結合状態とし
たことを特徴とする圧電／電歪膜型素子である。完全結
合状態とは、基板と結合層と圧電／電歪膜が一体化処理
がなされた後の、圧電／電歪膜のピール（引き剥がし）
強度が２kg/ｍｍ2以上の状態をいう。
ヤフラム部を有するセラミックスからなる基板に、下部
電極及び補助電極と、圧電／電歪膜と、上部電極を順次
積層させた圧電／電歪膜型素子であって、下部電極と補
助電極間に、絶縁体からなる結合層を設けることによ
り、圧電／電歪膜とセラミック基板を完全結合状態とし
たことを特徴とする圧電／電歪膜型素子である。完全結
合状態とは、基板と結合層と圧電／電歪膜が一体化処理
がなされた後の、圧電／電歪膜のピール（引き剥がし）
強度が２kg/ｍｍ2以上の状態をいう。
【０００８】前記圧電／電歪膜としては、チタン酸鉛、
ジルコン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオ
ブ酸鉛から選ばれた少なくとも１種以上を主成分とする
材料で構成されることが好ましい。
ジルコン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオ
ブ酸鉛から選ばれた少なくとも１種以上を主成分とする
材料で構成されることが好ましい。
【０００９】また、前記圧電／電歪膜が、(Bi0.5Na0.5)
TiO3またはこれを主成分とする材料で構成されることが
好ましく、さらには、前記圧電／電歪膜は、（１−ｘ）
(Bi0 .5Na0.5)TiO3−ｘKNbO3（ｘはモル分率で０≦ｘ≦
0.06)またはこれを主成分とする材料で構成されること
がより好ましい。
TiO3またはこれを主成分とする材料で構成されることが
好ましく、さらには、前記圧電／電歪膜は、（１−ｘ）
(Bi0 .5Na0.5)TiO3−ｘKNbO3（ｘはモル分率で０≦ｘ≦
0.06)またはこれを主成分とする材料で構成されること
がより好ましい。
【００１０】前記絶縁体からなる結合層としては、圧電
／電歪膜の熱処理温度以上の軟化点を有するガラスであ
ることがより好ましい。
／電歪膜の熱処理温度以上の軟化点を有するガラスであ
ることがより好ましい。
【００１１】加えて、圧電／電歪膜が、(Bi0.5Na0.5)Ti
O3またはこれを主成分とする材料、または、（１−ｘ）
(Bi0.5Na0.5)TiO3−ｘKNbO3（ｘはモル分率で０≦ｘ≦
0.06)またはこれを主成分とする材料で構成される場合
には、下部電極と補助電極間に、（１−ｘ）(Bi0.5Na
0.5)TiO3−ｘKNbO3（ｘはモル分率で0.08≦ｘ≦0.5)を
主成分とする材料で構成された結合層を設けることによ
り、圧電／電歪膜とセラミック基板を完全結合状態とす
ることができる。
O3またはこれを主成分とする材料、または、（１−ｘ）
(Bi0.5Na0.5)TiO3−ｘKNbO3（ｘはモル分率で０≦ｘ≦
0.06)またはこれを主成分とする材料で構成される場合
には、下部電極と補助電極間に、（１−ｘ）(Bi0.5Na
0.5)TiO3−ｘKNbO3（ｘはモル分率で0.08≦ｘ≦0.5)を
主成分とする材料で構成された結合層を設けることによ
り、圧電／電歪膜とセラミック基板を完全結合状態とす
ることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】図１には、本発明の圧電／電歪膜
型素子の実施形態が示されている。かかる圧電／電歪膜
型素子は、薄肉のダイヤフラム部３と厚肉部２からなる
セラミック基板１の上に、下部電極４及び補助電極８
と、圧電／電歪膜５及び、上部電極６が、通常の膜形成
法によって順次積層されてなる一体構造となって形成さ
れている。下部電極４と補助電極８の間で、絶縁体から
なる結合層７Ｃにより、圧電／電歪膜とセラミック基板
が完全結合状態にある完全結合部となっている。本発明
においては、張り出し部１１は必ずしも必要ではなく、
素子特性としての電気的定数のばらつきや経時変化をよ
り小さくすることが求められる場合には、下部電極４と
圧電／電歪膜５は、ほぼ同等の大きさとされる場合もあ
る。
型素子の実施形態が示されている。かかる圧電／電歪膜
型素子は、薄肉のダイヤフラム部３と厚肉部２からなる
セラミック基板１の上に、下部電極４及び補助電極８
と、圧電／電歪膜５及び、上部電極６が、通常の膜形成
法によって順次積層されてなる一体構造となって形成さ
れている。下部電極４と補助電極８の間で、絶縁体から
なる結合層７Ｃにより、圧電／電歪膜とセラミック基板
が完全結合状態にある完全結合部となっている。本発明
においては、張り出し部１１は必ずしも必要ではなく、
素子特性としての電気的定数のばらつきや経時変化をよ
り小さくすることが求められる場合には、下部電極４と
圧電／電歪膜５は、ほぼ同等の大きさとされる場合もあ
る。
【００１３】セラミック基板１の材質としては、耐熱
性、化学的安定性、絶縁性を有する材質が好ましい。こ
れは、後述するように下部電極４、圧電／電歪膜５、上
部電極６を一体化する際に、熱処理する場合があるこ
と、センサ素子としての圧電／電歪膜型素子が液体の特
性をセンシングする場合、その液体が導電性や、腐食性
を有する場合があるためである。かかる観点から使用で
きるセラミックスとしては、安定化された酸化ジルコニ
ウム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、ムライ
ト、窒化アルミニウム、窒化珪素及びガラス等を例示す
ることができる。これらの内、安定化された酸化ジルコ
ニウムは薄肉ダイヤフラム部を薄く形成した場合にも機
械的強度を高く保てること、靭性に優れることなどか
ら、好適に使用することができる。
性、化学的安定性、絶縁性を有する材質が好ましい。こ
れは、後述するように下部電極４、圧電／電歪膜５、上
部電極６を一体化する際に、熱処理する場合があるこ
と、センサ素子としての圧電／電歪膜型素子が液体の特
性をセンシングする場合、その液体が導電性や、腐食性
を有する場合があるためである。かかる観点から使用で
きるセラミックスとしては、安定化された酸化ジルコニ
ウム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、ムライ
ト、窒化アルミニウム、窒化珪素及びガラス等を例示す
ることができる。これらの内、安定化された酸化ジルコ
ニウムは薄肉ダイヤフラム部を薄く形成した場合にも機
械的強度を高く保てること、靭性に優れることなどか
ら、好適に使用することができる。
【００１４】セラミック基板１の薄肉ダイヤフラム部２
の厚さとしては、圧電／電歪膜の振動を妨げないため
に、一般に５０μｍ以下、好ましくは３０μｍ以下、さ
らに好ましくは１５μｍ以下とされる。また、薄肉ダイ
ヤフラム部の表面形状としては、長方形、正方形、三角
形、楕円形、真円形等いかなる形状もとりうるが、励起
される共振モードを単純化させる必要のあるセンサ素子
の応用では、長方形や真円形が必要に応じて選択され
る。
の厚さとしては、圧電／電歪膜の振動を妨げないため
に、一般に５０μｍ以下、好ましくは３０μｍ以下、さ
らに好ましくは１５μｍ以下とされる。また、薄肉ダイ
ヤフラム部の表面形状としては、長方形、正方形、三角
形、楕円形、真円形等いかなる形状もとりうるが、励起
される共振モードを単純化させる必要のあるセンサ素子
の応用では、長方形や真円形が必要に応じて選択され
る。
【００１５】このようなセラミック基板１の表面上に、
下部電極４及び補助電極８が形成されている。かかる下
部電極４は、セラミック基板の一方の端から、薄肉ダイ
ヤフラム部３上の、圧電／電歪膜５が形成されるべき大
きさと同等か、より小さい所定の大きさで形成される。
下部電極４の一方の端は、リード用端子として用いられ
る。一方、補助電極８は、セラミック基板１の下部電極
４とは反対側の端部から、薄肉ダイヤフラム３に向かっ
て所定の位置まで形成されている。補助電極８の一方の
端部は、リード用端子として用いられる。
下部電極４及び補助電極８が形成されている。かかる下
部電極４は、セラミック基板の一方の端から、薄肉ダイ
ヤフラム部３上の、圧電／電歪膜５が形成されるべき大
きさと同等か、より小さい所定の大きさで形成される。
下部電極４の一方の端は、リード用端子として用いられ
る。一方、補助電極８は、セラミック基板１の下部電極
４とは反対側の端部から、薄肉ダイヤフラム３に向かっ
て所定の位置まで形成されている。補助電極８の一方の
端部は、リード用端子として用いられる。
【００１６】下部電極４及び補助電極８は、異なる材質
でも、同一の材質でもよく、セラミック基板１と圧電／
電歪膜５とのいずれとも接合性のよい導電性材料が用い
られる。具体的には、白金、パラジウム、ロジウム、
銀、あるいはこれらの合金を主成分とする電極材料が好
適に用いられ、特に、圧電／電歪膜を形成する際に焼結
のための熱処理が行われる場合には、白金、及びごれを
主成分とする合金が好適に用いられる。
でも、同一の材質でもよく、セラミック基板１と圧電／
電歪膜５とのいずれとも接合性のよい導電性材料が用い
られる。具体的には、白金、パラジウム、ロジウム、
銀、あるいはこれらの合金を主成分とする電極材料が好
適に用いられ、特に、圧電／電歪膜を形成する際に焼結
のための熱処理が行われる場合には、白金、及びごれを
主成分とする合金が好適に用いられる。
【００１７】下部電極４と補助電極８の形成には、公知
の各種の膜形成手法が用いられる。具体的には、イオン
ビーム、スパッタリング、真空蒸着、ＣＶＤ、イオンプ
レーティング、メッキ等の薄膜形成手法や、スクリーン
印刷、スプレー、ディッピング等の厚膜形成手法が適宜
選択されるが、その中でも特にスパッタリング法及びス
クリーン印刷法が好適に選択される。
の各種の膜形成手法が用いられる。具体的には、イオン
ビーム、スパッタリング、真空蒸着、ＣＶＤ、イオンプ
レーティング、メッキ等の薄膜形成手法や、スクリーン
印刷、スプレー、ディッピング等の厚膜形成手法が適宜
選択されるが、その中でも特にスパッタリング法及びス
クリーン印刷法が好適に選択される。
【００１８】圧電／電歪膜５の形成に先立ち、圧電／電
歪膜５とセラミック基板１を、下部電極４と補助電極８
間で、完全結合状態とするための絶縁体からなる結合層
７Ｃが形成される。絶縁体からなる結合層７Ｃとして
は、圧電／電歪膜５とセラミック基板１の双方と密着
性、結合性が高ければ、有機材料、無機材料のいずれの
材料でもよい。また、結合層７Ｃとして用いる材料の熱
膨張係数が、基板材料の熱膨張係数及び、圧電／電歪膜
５に用いる材料の熱膨張係数の中間の値を有すること
が、信頼性の高い結合性が得られるためより好ましい。
圧電／電歪膜５が焼結のために熱処理される場合には、
結合層７Ｃを構成する材料としてガラス材料が、圧電／
電歪膜５とセラミック基板１の双方と密着性、結合性が
高いので、好適に用いられ、中でも圧電／電歪膜５の熱
処理温度以上の軟化点を有するガラス材料が、圧電／電
歪膜５と基板１をより強固に結合せしめ、また、軟化点
が高いために熱処理による変形を抑制できることから、
より好適に用いられる。
歪膜５とセラミック基板１を、下部電極４と補助電極８
間で、完全結合状態とするための絶縁体からなる結合層
７Ｃが形成される。絶縁体からなる結合層７Ｃとして
は、圧電／電歪膜５とセラミック基板１の双方と密着
性、結合性が高ければ、有機材料、無機材料のいずれの
材料でもよい。また、結合層７Ｃとして用いる材料の熱
膨張係数が、基板材料の熱膨張係数及び、圧電／電歪膜
５に用いる材料の熱膨張係数の中間の値を有すること
が、信頼性の高い結合性が得られるためより好ましい。
圧電／電歪膜５が焼結のために熱処理される場合には、
結合層７Ｃを構成する材料としてガラス材料が、圧電／
電歪膜５とセラミック基板１の双方と密着性、結合性が
高いので、好適に用いられ、中でも圧電／電歪膜５の熱
処理温度以上の軟化点を有するガラス材料が、圧電／電
歪膜５と基板１をより強固に結合せしめ、また、軟化点
が高いために熱処理による変形を抑制できることから、
より好適に用いられる。
【００１９】さらに、圧電／電歪膜５が、後述の(Bi0.5
Na0.5)TiO3またはこれを主成分とする材料、または（１
−ｘ）(Bi0.5Na0.5)TiO3−ｘKNbO3（ｘはモル分率で０
≦ｘ≦0.06)またはこれを主成分とする材料で構成され
る場合には、（１−ｘ）(Bi0. 5Na0.5)TiO3−ｘKNbO
3（ｘはモル分率で0.08≦ｘ≦0.5)を主成分とする材料
で構成された結合層７Ｃが、圧電／電歪膜５とセラミッ
ク基板１の双方との密着性が高く、熱処理の際の圧電／
電歪膜５及び基板１への悪影響を抑制できることから、
より好適に用いられる。すなわち、結合層７Ｃを（１−
ｘ）(Bi0.5Na0.5)TiO3−ｘKNbO3（ｘはモル分率で0.08
≦ｘ≦0.5)とすることで、圧電／電歪膜５と同様の成分
を有することから、圧電／電歪膜５との密着性が高く、
また、ガラスを用いた場合に生じ易い異種元素の拡散に
よる問題が少なく、KNbO3を多く含むことから、基板と
の反応性が高く強固な結合が可能となる。また、（１−
ｘ）(Bi0 .5Na0.5)TiO3−ｘKNbO3（ｘはモル分率で0.08
≦ｘ≦0.5)は、圧電特性をほとんど示さないので、使用
時に下部電極４と補助電極８に生じる電界に対し、振動
や変位及び応力を発生しないため、安定した素子特性を
得ることができる。
Na0.5)TiO3またはこれを主成分とする材料、または（１
−ｘ）(Bi0.5Na0.5)TiO3−ｘKNbO3（ｘはモル分率で０
≦ｘ≦0.06)またはこれを主成分とする材料で構成され
る場合には、（１−ｘ）(Bi0. 5Na0.5)TiO3−ｘKNbO
3（ｘはモル分率で0.08≦ｘ≦0.5)を主成分とする材料
で構成された結合層７Ｃが、圧電／電歪膜５とセラミッ
ク基板１の双方との密着性が高く、熱処理の際の圧電／
電歪膜５及び基板１への悪影響を抑制できることから、
より好適に用いられる。すなわち、結合層７Ｃを（１−
ｘ）(Bi0.5Na0.5)TiO3−ｘKNbO3（ｘはモル分率で0.08
≦ｘ≦0.5)とすることで、圧電／電歪膜５と同様の成分
を有することから、圧電／電歪膜５との密着性が高く、
また、ガラスを用いた場合に生じ易い異種元素の拡散に
よる問題が少なく、KNbO3を多く含むことから、基板と
の反応性が高く強固な結合が可能となる。また、（１−
ｘ）(Bi0 .5Na0.5)TiO3−ｘKNbO3（ｘはモル分率で0.08
≦ｘ≦0.5)は、圧電特性をほとんど示さないので、使用
時に下部電極４と補助電極８に生じる電界に対し、振動
や変位及び応力を発生しないため、安定した素子特性を
得ることができる。
【００２０】これらの結合層７Ｃの形成には、通常の厚
膜手法が用いられ、特にスタンピング法、スクリーン印
刷法、あるいは形成すべき部分の大きさが数十μｍ〜数
100μｍ程度の場合にはインクジェット法が好適に用い
られる。また、結合層７Ｃの熱処理が必要な場合には、
次の圧電／電歪膜５の形成前に熱処理されてもよいし、
圧電／電歪膜５の形成後同時に熱処理されてもよい。
膜手法が用いられ、特にスタンピング法、スクリーン印
刷法、あるいは形成すべき部分の大きさが数十μｍ〜数
100μｍ程度の場合にはインクジェット法が好適に用い
られる。また、結合層７Ｃの熱処理が必要な場合には、
次の圧電／電歪膜５の形成前に熱処理されてもよいし、
圧電／電歪膜５の形成後同時に熱処理されてもよい。
【００２１】圧電／電歪膜５は、下部電極４、補助電極
８及び結合層７Ｃに跨るようにして、また、下部電極４
を覆う大きさで形成されている。圧電／電歪膜の材料と
しては、圧電／電歪効果を示す材料であればいずれの材
料でもよく、このような材料として、ジルコン酸鉛、チ
タン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（PZT）等の鉛系セラ
ミック圧電／電歪材料や、チタン酸バリウム及びこれを
主成分とするチタバリ系セラミック強誘電体や、ポリ弗
化ビニリデン（PVDF）に代表される高分子圧電体、ある
いは（Bi0.5Na0.5）TiO3に代表されるBi系セラミック圧
電体、Bi層状セラミックを挙げることができる。もちろ
ん、圧電／電歪特性を改善した、これらの混合物や、固
溶体及び、これらに添加物を添加せしめたものが用いら
れうることは言うまでもない。PZT系圧電体は、圧電特
性が高く、高感度検出が可能なセンサの材料として好適
に用いられる。本発明にあっては特に、チタン酸鉛、ジ
ルコン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ
酸鉛から選ばれた少なくとも1種以上を主成分とする材
料で構成されることが、基板を構成する材料との反応性
が低く、熱処理中の成分の偏析が起き難く、組成を保つ
ための処理が良好に行われ得、目的とする組成、結晶構
造が得られやすいことから、より好適に用いられる。
８及び結合層７Ｃに跨るようにして、また、下部電極４
を覆う大きさで形成されている。圧電／電歪膜の材料と
しては、圧電／電歪効果を示す材料であればいずれの材
料でもよく、このような材料として、ジルコン酸鉛、チ
タン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（PZT）等の鉛系セラ
ミック圧電／電歪材料や、チタン酸バリウム及びこれを
主成分とするチタバリ系セラミック強誘電体や、ポリ弗
化ビニリデン（PVDF）に代表される高分子圧電体、ある
いは（Bi0.5Na0.5）TiO3に代表されるBi系セラミック圧
電体、Bi層状セラミックを挙げることができる。もちろ
ん、圧電／電歪特性を改善した、これらの混合物や、固
溶体及び、これらに添加物を添加せしめたものが用いら
れうることは言うまでもない。PZT系圧電体は、圧電特
性が高く、高感度検出が可能なセンサの材料として好適
に用いられる。本発明にあっては特に、チタン酸鉛、ジ
ルコン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ
酸鉛から選ばれた少なくとも1種以上を主成分とする材
料で構成されることが、基板を構成する材料との反応性
が低く、熱処理中の成分の偏析が起き難く、組成を保つ
ための処理が良好に行われ得、目的とする組成、結晶構
造が得られやすいことから、より好適に用いられる。
【００２２】また、下部電極４及び補助電極８に白金ま
たは白金を主成分とする合金が用いられる場合には、こ
れらとの接合性がより高く、素子の特性ばらつきを少な
くし、高い信頼性が得られることから、（Bi0.5Na0.5）
TiO3またはこれを主成分とする材料が好適に用いられ
る。これらの中でも、特に、（１−ｘ）(Bi0.5Na0.5)Ti
O3−ｘKNbO3（ｘはモル分率で０≦ｘ≦0.06)またはこれ
を主成分とする材料が、比較的高い圧電特性を有するこ
とから、より好適に用いられる。
たは白金を主成分とする合金が用いられる場合には、こ
れらとの接合性がより高く、素子の特性ばらつきを少な
くし、高い信頼性が得られることから、（Bi0.5Na0.5）
TiO3またはこれを主成分とする材料が好適に用いられ
る。これらの中でも、特に、（１−ｘ）(Bi0.5Na0.5)Ti
O3−ｘKNbO3（ｘはモル分率で０≦ｘ≦0.06)またはこれ
を主成分とする材料が、比較的高い圧電特性を有するこ
とから、より好適に用いられる。
【００２３】このような圧電／電歪材料は、圧電／電歪
膜５として、下部電極４と補助電極８と同様に公知の各
種膜形成法により形成される。中でも、低コストの観点
からスクリーン印刷が好適に用いられる。
膜５として、下部電極４と補助電極８と同様に公知の各
種膜形成法により形成される。中でも、低コストの観点
からスクリーン印刷が好適に用いられる。
【００２４】これにより形成された圧電／電歪膜５は必
要に応じて熱処理され、下部電極４、補助電極８及び結
合層７Ｃと、一体化される。本発明にあっては、素子の
特性ばらつきを抑え、信頼性を高くするために、圧電／
電歪膜４と下部電極５及び補助電極８、結合層７Ｃの接
合性を強固にする必要があるため、（Bi0.5Na0.5）TiO3
またはこれを主成分とする材料、特に、（１−ｘ）(Bi
0.5Na0.5)TiO3−ｘKNbO 3（ｘはモル分率で０≦ｘ≦0.0
6)またはこれを主成分とする材料を用い、900℃から140
0℃好ましくは1000℃から1300℃の温度で熱処理される
ことが好ましい。PZT系材料を用いた場合にも同様であ
る。この際、高温時に圧電／電歪膜５が不安定にならな
いように、圧電／電歪材料の蒸発源とともに雰囲気制御
を行いながら熱処理することが好ましい。
要に応じて熱処理され、下部電極４、補助電極８及び結
合層７Ｃと、一体化される。本発明にあっては、素子の
特性ばらつきを抑え、信頼性を高くするために、圧電／
電歪膜４と下部電極５及び補助電極８、結合層７Ｃの接
合性を強固にする必要があるため、（Bi0.5Na0.5）TiO3
またはこれを主成分とする材料、特に、（１−ｘ）(Bi
0.5Na0.5)TiO3−ｘKNbO 3（ｘはモル分率で０≦ｘ≦0.0
6)またはこれを主成分とする材料を用い、900℃から140
0℃好ましくは1000℃から1300℃の温度で熱処理される
ことが好ましい。PZT系材料を用いた場合にも同様であ
る。この際、高温時に圧電／電歪膜５が不安定にならな
いように、圧電／電歪材料の蒸発源とともに雰囲気制御
を行いながら熱処理することが好ましい。
【００２５】さらに、このようにして形成された圧電／
電歪膜５の上に、上部電極６が、圧電／電歪膜５から補
助電極８にまで跨って連続的に形成されている。この上
部電極６の材質としては、圧電／電歪膜５との接合性の
高い導電性材料が用いられ、下部電極４及び補助電極８
と同様の膜形成法により形成される。さらに、上部電極
６は、膜形成後必要に応じて熱処理され、圧電／電歪膜
５及び補助電極８と接合され、一体構造とされる。この
ような熱処理がかならずしも必要でないことは下部電極
４と同様である。
電歪膜５の上に、上部電極６が、圧電／電歪膜５から補
助電極８にまで跨って連続的に形成されている。この上
部電極６の材質としては、圧電／電歪膜５との接合性の
高い導電性材料が用いられ、下部電極４及び補助電極８
と同様の膜形成法により形成される。さらに、上部電極
６は、膜形成後必要に応じて熱処理され、圧電／電歪膜
５及び補助電極８と接合され、一体構造とされる。この
ような熱処理がかならずしも必要でないことは下部電極
４と同様である。
【００２６】なお、下部電極４、接合層、圧電／電歪膜
５、上部電極６が熱処理により接合される場合には、そ
れぞれを形成の都度熱処理してもよいし、それぞれを順
次膜形成後、同時に熱処理してもよい。熱処理する際、
良好な接合性や構成元素の拡散による変質を抑制するた
めに、熱処理温度が適切に選ばれるのは言うまでもな
い。また、図１では空洞部１０に貫通孔９を形成してい
るが、素子が流体に接触する空洞部１０以下の構造は、
蓋部の無い単純なキャビティ構造等、どのような構造で
もよく、限定しない。
５、上部電極６が熱処理により接合される場合には、そ
れぞれを形成の都度熱処理してもよいし、それぞれを順
次膜形成後、同時に熱処理してもよい。熱処理する際、
良好な接合性や構成元素の拡散による変質を抑制するた
めに、熱処理温度が適切に選ばれるのは言うまでもな
い。また、図１では空洞部１０に貫通孔９を形成してい
るが、素子が流体に接触する空洞部１０以下の構造は、
蓋部の無い単純なキャビティ構造等、どのような構造で
もよく、限定しない。
【００２７】
【発明の効果】本発明による圧電／電歪膜型素子にあっ
ては、下部電極と補助電極間において、圧電／電歪膜と
基板とが完全結合状態であるため、振動のばらつきや経
時変化が無く、振動における電気的定数の検知により流
体特性や液体／気体を判別する素子、あるいは音圧や微
小重量、加速度等の測定素子、さらにはアクチュエータ
素子として、好適な素子が得られることとなる。
ては、下部電極と補助電極間において、圧電／電歪膜と
基板とが完全結合状態であるため、振動のばらつきや経
時変化が無く、振動における電気的定数の検知により流
体特性や液体／気体を判別する素子、あるいは音圧や微
小重量、加速度等の測定素子、さらにはアクチュエータ
素子として、好適な素子が得られることとなる。
【図１】本発明のセンサ用圧電／電歪膜型素子の実施形
態を示す説明図である。
態を示す説明図である。
【図２】従来のセンサ用圧電／電歪膜型素子の実施形態
を示す説明図である。
を示す説明図である。
１・・基板、２・・厚肉部、３・・ダイヤフラム部、４
・・下部電極、５・・圧電／電歪膜、６・・上部電極、
７Ａ，７Ｂ・・不完全結合部、７Ｃ・・結合層、８・・
補助電極、９・・貫通孔、１０・・空洞部。
・・下部電極、５・・圧電／電歪膜、６・・上部電極、
７Ａ，７Ｂ・・不完全結合部、７Ｃ・・結合層、８・・
補助電極、９・・貫通孔、１０・・空洞部。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01L 41/09
Claims (6)
- 【請求項１】 厚肉部を周縁部に持つ薄肉ダイヤフラム
部を有するセラミックスからなる基板に、下部電極及び
補助電極と、圧電／電歪膜と、上部電極を順次積層させ
た圧電／電歪膜型素子であって、 下部電極と補助電極間に、絶縁体からなる結合層を設け
ることにより、圧電／電歪膜とセラミック基板を完全結
合状態としたことを特徴とする圧電／電歪膜型素子。 - 【請求項２】 前記圧電／電歪膜が、チタン酸鉛、ジル
コン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸
鉛から選ばれた少なくとも１種以上を主成分とする材料
で構成された請求項１記載の圧電／電歪膜型素子。 - 【請求項３】 前記圧電／電歪膜が、(Bi0.5Na0.5)TiO3
またはこれを主成分とする材料で構成された請求項１記
載の圧電／電歪膜型素子。 - 【請求項４】 前記圧電／電歪膜が、（１−ｘ）(Bi0.5
Na0.5)TiO3−ｘKNbO 3（ｘはモル分率で０≦ｘ≦0.06)ま
たはこれを主成分とする材料で構成された請求項３記載
の圧電／電歪膜型素子。 - 【請求項５】 前記絶縁体からなる結合層が、該圧電／
電歪膜の熱処理温度以上の軟化点を有するガラスである
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の圧
電／電歪膜型素子。 - 【請求項６】 前記絶縁体からなる結合層が、（１−
ｘ）(Bi0.5Na0.5)TiO3−ｘKNbO3（ｘはモル分率で0.08
≦ｘ≦0.5)を主成分とする材料で構成されていることを
特徴とする請求項３又は４に記載の圧電／電歪膜型素
子。
Priority Applications (4)
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|---|---|---|---|
| JP2000275137A JP3465675B2 (ja) | 2000-09-11 | 2000-09-11 | 圧電／電歪膜型素子 |
| US09/948,077 US6495945B2 (en) | 2000-09-11 | 2001-09-06 | Piezoelectric/electrostrictive element |
| EP01307651A EP1187234B1 (en) | 2000-09-11 | 2001-09-10 | Piezoelectric/electrostrictive element |
| DE60127780T DE60127780T2 (de) | 2000-09-11 | 2001-09-10 | Piezoelektrisches/elektrostriktives Bauelement |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000275137A JP3465675B2 (ja) | 2000-09-11 | 2000-09-11 | 圧電／電歪膜型素子 |
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|---|---|
| JP2002094135A JP2002094135A (ja) | 2002-03-29 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000275137A Expired - Fee Related JP3465675B2 (ja) | 2000-09-11 | 2000-09-11 | 圧電／電歪膜型素子 |
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| EP (1) | EP1187234B1 (ja) |
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| EP1906161A1 (en) * | 2006-09-28 | 2008-04-02 | General Electric Company | Devices for evaluating material properties, and related processes |
| EP2174360A4 (en) | 2007-06-29 | 2013-12-11 | Artificial Muscle Inc | CONVERTER WITH ELECTROACTIVE POLYMER FOR SENSOR REVIEW APPLICATIONS |
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