JP4078157B2 - 複合機能装置、複合機能センサ及び複合機能装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、温度及び圧力を同時又は別々に検出する技術に関し、特に、各種プリンタや複写機、ＬＢＰ等の記録メディア判別或いはパソコン、ＰＤＡ、携帯電話に代表される情報機器のタッチパネルを始めとして、食品用ロボット、医療用ロボット、各種産業用ロボット、或いは各種セキュリティシステム等で凹凸、摩擦、圧力や温度を単独又はこれらを組み合わせた触覚情報を検出することが可能な技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の触覚デバイスは、多くが圧力情報を電気信号に変換するものであり、その代表的なデバイスとしては、感圧導電性エラストマーなどを用いた容量検知や電気抵抗変化を検出するものである。例えば、特開平５−８１９７７号公報には、感圧導電性エラストマーの一方には電極を設け、他方に接触用凸部を有する接触子を配置して、該接触子に圧力が印加されると感圧導電性エラストマーの電気抵抗が変化することを利用した触覚センサが提案されている。
【０００３】
また、特開平５−２１５６２５号公報においては、コンデンサの原理を利用し、電極間にエラストマーを配置し、圧力によりエラストマーが変形することによる容量変化を検出する触覚センサが提案されている。特開平９−２０３６７１号公報には、圧電体を用いた温度及び３軸方向の圧力を検出する触覚センサが提案されている。
【０００４】
さらに、特開平５−２１６５６８号公報には、温度と圧力を同時に取り扱うことのできる触覚入出力装置が記載されている。これは、圧力センサ、圧力アクチュエータ及び温度センサを針状形状とし、これらを１組にしたものを１素子として高密度に配列して、コンピュータとのインタフェースとして用いるものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平５−８１９７７号公報及び特開平５−２１５６２５号公報に開示された発明では、触覚センサは１方向の圧力を検知することはできるが、３次元方向の圧力を検出することができない。また、特開平９−２０３６７１号公報に開示された発明においては、垂直方向と水平方向の圧力検知は可能であるが、垂直方向と水平方向の圧電物性を同じにするための、具体的な方法の開示はない。デバイスの製造において、垂直方向と水平方向の圧力検出感度のばらつきを低減するために異なる材料を同一基板上に形成する場合には、製造プロセスが複雑になってしまうという問題点がある。
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、垂直方向と水平方向の圧力検出感度のばらつきを低減することを可能とするとともに、製造プロセスを簡略化することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
斯かる目的を達成するために、本発明の第１の態様は、基板と、前記基板上に形成されたチタン酸ジルコン酸ランタン鉛からなるＰＬＺＴ膜と、前記ＰＬＺＴ膜を介して、前記基板の面に対して垂直方向に対向するように配置され、前記垂直方向に印加された圧力を検出する第１の電極対と、前記ＰＬＺＴ膜を介して、前記基板の面に対して水平方向に対向するように配置され、前記水平方向に印加された圧力を検出する第２の電極対とを有する複合機能装置であって、前記ＰＬＺＴ膜は、（１１１）結晶面が前記基板の面に平行に配向していることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の第２の態様は、基板と、前記基板上に形成され、（１１１）結晶面が前記基板の面に平行に配向したチタン酸ジルコン酸ランタン鉛からなるＰＬＺＴ膜と、前記ＰＬＺＴ膜を介して、前記基板の面に対して垂直方向に対向するように配置され、前記垂直方向に印加された圧力を検出する第１の電極対と、前記ＰＬＺＴ膜を介して、前記基板の面に対して水平方向に対向するように配置され、前記水平方向に印加された圧力を検出する第２の電極対とを有する複合機能装置の製造方法において、前記ＰＬＺＴ膜を構成する金属元素を含有する物質と酸素元素を含有する物質とを交互に基板に到達させてＰＬＺＴ膜を形成することを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した好適な実施形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
＜第１の実施形態＞
先ず、本発明の第１の実施形態に係る複合機能装置の構成を図１を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る複合機能装置の概略構成を示した図である。
１は、基板であり、シリコン、ガラス、金属、プラスチックなどの材料である。ただし、金属、半導体など電気伝導性のある材料の場合には、基板１と接する電極３，５及び金属酸化物材料２と基板１との間に絶縁体を設けることが望ましい。また、この図では電極対３，５は、それぞれ分離しているが、電極対のどちらか一方の電極が共通になっていてもかまわない。
【００１１】
また、Ｂ部分であるが、図１では記載してないが、電極３，５をパターニングする際に、この部分にも電極を残しても問題はない。ただし、Ｂ部分では残した電極材料と電極対４とが電気的に分離されている必要がある。２は、強誘電性あるいは焦電性を示す金属酸化物材料である。本発明では、金属酸化物材料として強誘電性を示す材料であるチタン酸ジルコン酸ランタン鉛を用いる。
【００１２】
上記金属酸化物材料の厚さや大きさは、用途により任意に設定すればよい。例えば、モバイル用情報機器への搭載を想定した場合、ある物体が０．４から１．０ｋｇ／ｃｍ２程度の圧力で接触し、かつ室温から±２０℃程度の温度を測定するような場合には、金属酸化物材料の厚さは、０．１μｍから１．０ｍｍ程度であればよい。３，４，５はそれぞれ金属酸化物材料２の厚さ方向の圧力、水平方向の圧力及び温度を測定するための電極対である。この電極材料は、導電性材料であって、基板１、金属酸化物材料２に形成でき、かつ実用的な密着強度が得られるものであれば何でもよい。
【００１３】
図１において、金属酸化物材料をチタン酸ジルコン酸ランタン鉛（以下、ＰＬＺＴと称す）のような強誘電体とした場合、電極３と金属酸化物材料ＰＬＺＴ２が積層された部分（以下、部分Ａと称す）は、ＰＬＺＴ２の垂直方向の圧電物性を利用することにより、ＰＬＺＴ２に垂直方向に印加された圧力を検知することが出来る。また、電極４でＰＬＺＴ２がはさまれた分（以下、部分Ｂと称す）は、ＰＬＺＴ２の水平方向の圧電物性を利用することにより、ＰＬＺＴ２膜の面内方向に印加された圧力を検知することが可能である。電極５とＰＬＺＴ２が積層された部分（以下、部分Ｃと称す）は、部分Ａと同じ構成であるが、この部分はＰＬＺＴ２の有する焦電性を利用することにより温度を検知することが出来る。この部分Ｃで温度を高感度に検出するために、この部分には温度の吸収体を電極５の上に形成してもよく、また特定の波長だけを検出するための波長フィルタを設けてもよい。
【００１４】
次に、本実施形態に係る複合機能装置の製造方法について図８の一部（図８（ａ）から（ｅ）又は（ｆ）まで）を用いて説明する。
基板１に２μｍの厚さの絶縁体である熱酸化膜（酸化シリコン）を有するシリコンウエハーを用いた。（図８では、シリコンと酸化シリコンを分離して記述していない）まず、下電極３０としてPt/Ti（Pt:５００ｎｍ、Ti:８ｎｍ厚さ）をPFスパッタ法で形成(図８(ａ))し、次いで金属酸化物として（Pb、La）（Zr、Ti）O3(以下、PLZT２と略す)をRFスパッタ法で形成した(図８（ｂ）)。本実施形態では、Pb/La=９５／５atomic%、Zr/Ti=３０／７０atomic%となるように組成制御し、膜厚は４μｍとした。次にレジスト（例えば、AZ4620など）を用いて、PLZT２をフッ酸と硝酸の混合水溶液で図８（ｃ）のようにパターニングする。PLZT２のエッチングによる深さは５００ｎｍとした。酸素プラズマでレジストを除去してから、上電極４０を形成する(図８(ｄ))。上電極４０は、下電極３０と同じ材料を用い、膜厚も同じとした。次いで、上電極４０をパターニングし、レジストを除去することにより図１に示す本実施形態の複合機能装置の１素子を製造することができる（図８(ｅ)）。また、上電極４０、PLZT２（金属酸化膜）及び下電極３０を順次パターニングすることにより、図８(ｆ)に示した構造にしてもよいことは言うまでもない。
尚、図１では下電極が分離された構成となっているが、これと同じ構成とするには図８の（ａ）の製造工程により形成された下電極をパターニングする工程を追加すればよい。
【００１５】
一般に、強誘電体の場合には、圧電物性は結晶方位により変化し、その差は数倍程度になることが良く見られる。このことは、強誘電体の結晶配向性によっては垂直方向と水平方向では圧力の検出感度が異なることを意味する。紙や布などの表面の微妙な凹凸感覚を検出するためには、垂直、水平方向の検出感度が同じ方が望ましい。したがって、本発明では、強誘電体であるＰＬＺＴを、垂直方向と水平方向の圧電物性が均一になるように製造する。
【００１６】
この場合には、図８（ｂ）に示す製造工程を以下のように行う。ＰＬＺＴを構成する金属（Ｐｂ，Ｌａ，Ｚｒ，Ｔｉの４金属元素）を独立の蒸発源から蒸発させる。例えば、ＲＦスパッタ法であれば、各構成金属を含むターゲット（例えば、金属、金属酸化物、有機金属化合物及びハロゲン化金属など）と、酸素、オゾン、酸化窒素等の酸素元素を含有する物質を供給する酸素供給源を同一成膜装置内に設置し、それらを独立に動作させる。
【００１７】
成膜は、基板に対して酸素元素を含有する物質（酸素成分）と金属元素を含有する物質（金属成分）を交互に到達させることにより、基板上に堆積させていく。ＰＬＺＴの場合には、Ｐｂ，Ｌａ，Ｚｒ，Ｔｉの組成比が所望の値（例えば、Ｐｂ／Ｌａ＝９５／５ａｔｏｍｉｃ％、Ｚｒ／Ｔｉ＝３０／７０ａｔｏｍｉｃ％）になるように制御する。この制御方法には制限はない。例えば、各ターゲットと基板の間にスリットとシャッターを設け、このスリットの幅により組成を制御でき、シャッターの開閉により交互堆積ができる。このようにして、ＰＬＺＴを成膜することにより、基板に対して垂直方向に１１１結晶面が成長することになる。これは、ＰＬＺＴの分極方向が基板に対して４５度傾斜していることに対応し、このことにより垂直、水平のどちらの方向からの圧力に対しても、ほぼ同じ圧電物性を示すことができる。
【００１８】
このような成膜方法は、RFスパッタ法に限定されるものではなく、MOCVD法であれば各原料ガスを独立に供給すればよい。一般にMOCVD法の場合には、原料に有機金属化合物を使用するので金属成分と有機成分の分離が課題になる。このためには、本実施形態では各原料ガスを成膜容器に入れる際に原料ガスをイオン化したり、加熱することにより分解し、また、このように処理した原料ガスの金属成分を必要に応じて電極により加速して、基板に到達する金属成分を活性化させる。
【００１９】
このようなイオン化、加熱、加速による活性化を行うことにより、金属成分は主として正の電荷をもった物質が基板に到達することになる。この結果、分解により発生した有機物成分の混入も少なくなり、また、活性化条件（例えば、加速の電圧）により運動エネルギーを制御された金属成分は結晶成長に必要な適正エネルギーを有するため、得られる金属酸化物材料は成膜温度も低くなり、また結晶性／配向性も制御できる。また、酸素に関しても加熱、イオン化やプラズマ化することにより活性化して、得られる金属酸化物の成膜温度を低温化し、結晶性/配向性を制御する。
【００２０】
このようにして製造された素子を単独、１次元、２次元あるいは３次元的に配列することにより、温度、圧力という触覚情報を検出する。ここでは、図２に示したように２次元に配列する場合について述べる。尚、６は、図１のＡの部位に相当し、７は、図１のＢの部位に相当し、８は、図１のＣの部位に相当する。
【００２１】
２次元に配列した多数の素子１０のある部分１１に何らかの物体が接触し、その後、矢印で示したようないろいろな方向に概物体が移動する場合、各素子の出力を順次読み取ることにより、接触面積、移動方向と温度、圧力情報を検出できる。すなわち、図９に示したように、各素子をｍ×ｎ個を配列した複合機能装置からの出力（ステップＳ９１）はアドレスコントローラを経て（ステップＳ９２）、入力制御回路で増幅やノイズ処理などの処理を行った後（ステップＳ９３）、メモリ／信号処理回路で圧縮など必要な信号処理を行って保存される（ステップＳ９４）。保存されたデータは、不図示のコンピュータなどでさらに各種処理をしたり、インターネットなどの通信手段やフレキシブルディスクなどのメモリ媒体を用いて、他のコンピュータに転送することができる。
【００２２】
図２において素子サイズ９は、用途により決定すればよい。例えば、人間の指紋を圧力で検出する場合には、圧力を検出する部分の幅は概ね５０μｍ程度であればよい。また、接触する材料の表面状態を調べるような場合には、素子サイズ９は０．１μｍから１０ｍｍ程度であればよい。
【００２３】
＜第２の実施形態＞
図３に本発明の第２の実施形態に係る複合機能装置の構成を示した図である。
本実施形態では、金属酸化物２は、弾性体１２に電極を介して取り付けられている。この弾性体は、電極３，４，５または基板１と同じ材料でもよく、異なる材料でも良い。弾性体１２が電極３，５と同じ材料の場合には、対向するどちらか１方の電極（３，５）を厚くすればよい。基板１と同じ材料の場合には、宙空構造を形成する際に必要な厚さだけ除去しないでおけばよい。この弾性体は、各部分の機械的強度を改善するとともに、垂直方向の圧力に対しては振動板として作用して検出感度の改善、温度検出部分では、熱の蓄積を防止する放熱板としての機能を有する。このような用途に適する材料であれば、弾性体には絶縁体、半導体、単結晶、他結晶、非晶質などの制限はなく、有機材料、無機材料の制限もない。
【００２４】
図３（ａ）では、温度及び圧力を検知する部分がすべて宙空構造の弾性体に取り付けられているが、必ずしもすべての部分を宙空構造にする必要はなく任意の部分に宙空構造を形成することができる。たとえば、図３（ｂ）のように水平方向の圧力検知部分Bは、機械的強度を考えた場合には宙空構造にしなくてもよい。用途によりどちらかを選択すればよい。
【００２５】
垂直方向の圧力を検知する部分の電極（両側電極厚さの和）と金属酸化物積層体全体の厚さと弾性体の厚さの比は、一般には電極／積層体＝０．５程度以上であれば良く、両側の電極の厚さは必ずしも同じである必要はない。小さな圧力を検知する場合には宙空構造の方が同じ圧力でも変位量が０大きくなるために検出感度が良くなる。温度を検知する部分は、素子内に熱が蓄積されやすいので、宙空構造として検出部分の熱容量を少なくすることにより高速測定が可能になる。
【００２６】
図８に第１の実施形態に係る複合機能装置の製造方法を示した。第２の実施形態に係る複合機能装置の製造方法は、図８（ｅ）までは前述した方法と基本的には同じであるが、ここでは、図８（ｂ）の金属酸化物２をMOCVD法で製造した。図１０に本実施形態で使用する原料ガスの活性化の原理を示した。
【００２７】
１９は真空容器であり不図示の真空排気装置で内部を減圧状態に保ってある。２１は基板ホルダーであり、必要により不図示の回路により、回転、加熱することができる。１６は、金属酸化物２を構成する金属原料材料容器である。１７は、１６から流れ出た原料ガスが流れるパイプである。原料ガスの活性化は、以下のようにして行う。１８はヒータであり、１７を流れてくる原料ガスを熱分解させる役割を持つ。この１８は、ヒータだけでなく、例えば、プラズマ源、あるいはイオン化源でもよく、この場合には、加速電極２０と原料ガスパイプ１７の先端部の間にプラズマ源やイオン化源を設置する。２０は加速電極であり、基板に対して正の電位になるようにした。２２は電源である。
【００２８】
図１０では、原料容器１６は１種類しか示していないが、通常は、この容器を金属成分にあわせて複数個用いる。このような場合には、各金属成分に最適な活性化を行うためには、加速電圧を独立に制御できることが望ましいため、基板ホルダーをアース電位とする。もちろん、すべてを逆電位にして用いても良いことは言うまでもない。各金属成分は、単独成分とすることが望ましいが、金属酸化物２によっては、構成金属が多くなることも珍しくない。このときには、結晶構造を考えて、同じ結晶サイトに位置するものや、原料ガスの熱分解温度が類似しているものなどを混合しても良い。
【００２９】
原料ガスは、通常、ビスジピヴァロイルメタナート鉛、テトラｔ−ブトキシジルコニウム、テトライソプロポキシチタン、ランタンのシクロペンタジエニル錯体などの有機金属化合物を用いるが、これ以外の材料でも良いことは言うまでもない。このような原料を不図示の装置から１６に導入したアルゴンなどのキャリアガスを用いて真空容器内に導入する。この際に、例えば、ヒータ１８により、原料ガスを熱分解させ、さらに分解により生成した金属を含む化学種を加速電圧２０で加速する。このことにより、熱分解で生成した金属を含む正の電荷を有する化学種は運動エネルギーを付与されて基板に到達することができる。
【００３０】
本実施形態では、Ｐｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｌａという金属成分をすべて独立の原料容器１６に入れ、２０の加速電圧、１８の加熱温度をすべて独立に制御した。加速電圧は、通常、０−１０ｋＶ程度、１８の加熱温度は、通常、１００−１０００℃である。また、酸素源は、酸素ボンベからの酸素ガスを図１０の１７に導入し、ヒータ１８により５００℃に加熱したが、オゾン、チッ化酸素等でもよい。酸素源材料は、加熱だけでなく、プラズマ化、イオン化しても良い。成膜は、例えば酸素源は連続して、Ｐｂ、Ｌａ、Ｚｒ、Ｔｉ原料ガスを周期的に不図示の電磁弁で真空容器に導入して行う。この際に、金属成分の導入時間により、金属酸化物の組成を制御して、基板ホルダー２１に取り付けた基板には、結晶構造を有する金属酸化物材料が形成される。この構造は、ＰＬＺＴ２の場合には（１１１）結晶面が基板に平行になるように成長したものに相当する。
【００３１】
図８（ｅ）以降の工程であるが、図８（ｅ）の工程で使用したレジストを剥離し、金属酸化物２をパターニングするためのレジストを塗布した後、ドライエッチングで上電極４０、金属酸化物２及び下電極３０を順次パターニングした（図８(ｆ)）。パターニング条件は、上電極４０及び下電極３０はＡｒプラズマによるドライエッチングでPLZT２はフッ酸と硝酸の混合水溶液を用いたウエットエッチングで行った。
【００３２】
このときに使用したレジストを除去した後、シリコン基板１のエッチングを行った(図８(ｇ))。このときのマスクとしては窒化シリコン膜をLPCVDで形成し、レジスト（AZ1500）でパターニングしてから、CF4プラズマでエッチングした。その後、水酸化カリウム水溶液でシリコン基板１を除去した。マスクパターンにより、デバイス構造は、図３（Ａ）または（Ｂ）のどちらかを選択すればよい。このようにして、作製した素子を例えば、図２に示すようにｍ×ｎのマトリックス上に配列することにより、本実施形態に係る複合機能装置を製造した。デバイス表面には、磨耗などに対する耐久性を改善するために、保護膜を形成してもよい。
【００３３】
以上のような複合機能装置を用いて、図９に示したようにアドレスコントローラ、入力制御回路、メモリ／信号処理回路で測定系を構成する。この状態で複合機能装置に、紙、布、皮、プラスチック、金属、あるいはこれらの加工品などの物体を押し付けたりこすったりすることにより、接触した物体の表面状態を調べることが出来る。もちろん、タッチパネルや手書き入力装置として使うことも可能である。また、温度検出部分では、物体が接触しない場合には、その周辺の温度を計測する温度計としても使用可能である。さらに、温度検出部分のみを２次元温度センサとして、接触させた物体の温度分布を測定することもできる。
【００３４】
＜第３の実施形態＞
図４は、本発明の第３の実施形態に係る複合機能装置の構成を示した図である。
１３は映像情報を表示するための表示デバイスである。このデバイスには、銀塩写真やポスターをはじめとする各種静止画、CRT、有機EL、無機EL、各種液晶デバイスなど動画表示をするものなど何を用いてもよい。また、断面形状は図４に示した平面状である必要はなく、半球状など曲面を有していてもよい。
【００３５】
１４は、温度、圧力情報を検出する複合機能センサ部である。１４の断面構造としては、図１あるいは図３に示したものやこれらの変形構造のどれであってもかまわない。例えば、１３の映像ディスプレイが液晶カラーディスプレイの場合、代表的な１画素サイズは３３０μｍ×３３０μｍである。基板１はガラスなどの透明材料であり、電極はＩＴＯやＺｎＯなどの透明電極、金属酸化物は透明な強誘電体を用いる。
【００３６】
複合機能センサ部は、映像ディスプレイの映像表示面に積層され、映像表示面では、複合機能センサ部を用いて検出された情報に基づく映像表示がなされる。
【００３７】
電極はスパッタ法など通常の薄膜形成方法で製造し、これを所望のパターンにパターニングする。例えば、金属酸化物を３部分に分割し、１３の１画素サイズにあわせて、３分割し、温度、圧力検知部分の大きさを各部分１１０μｍ×３３０μｍとした。各部分は、垂直方向及び水平方向の圧力及び温度を検知する。もちろん、用途により温度、圧力の検知部分は、これ以外のサイズに分割しても良いこと言うまでもない。
【００３８】
このような構成にすることにより、例えば、温度検知部分により人物が近づくとその体温を検知して、映像ディスプレイ-のスイッチを入れたり、映像ディスプレイに表示された物体と同じ物を温度、圧力検知部分に接触させることにより、その物体の表面情報を検知することが出来る。
【００３９】
以下、上記各実施形態について具体的に説明する。なお、第２及び第３の実施形態については金属酸化物２を３部分に分割した場合について記述するが、例えば２又は４部分に分割しても良いことは言うまでもない。また、デバイス製造方法についても、以下に説明する手段に限定されることはなく、デバイスを構成する材料にあわせて選択すればよい。
【００４０】
図１に本発明の第１の実施形態における１素子の断面構造原理図を示した。この図において、１はシリコンウエハー（基板）であり、ここでは１００面を切り出したものを用いた。２は金属酸化物で、（Pb、La）（Zr、Ti）O3(以下、PLZTと略す)を用いた。本実施形態では、Pb/La=９５／５atomic%、Zr/Ti=３０／７０５atomic%になるように組成を調整した。
【００４１】
製造方法については、図８（ａ）から（ｅ）に示した。まず、シリコンウエハーの表面を熱酸化して酸化シリコン膜を形成した後、チタン及び白金の積層電極をRFスパッタ法でそれぞれ１５nm、１５０nm形成した。その後、電極３及び５の部分のみを残すように、通常の半導体加工技術によりパターニングした。
【００４２】
ついで、MOCVD法でPLZT膜を３μｍ形成した。各金属成分の原料ガスは、ビスジピヴァロイルメタナート鉛、テトラｔ−ブトキシジルコニウム、テトライソプロポキシチタン、ランタンのシクロペンタジエニル錯体を用いた。図１０の原料容器は４個準備し、それぞれに上記有機金属を個別に充填した。
【００４３】
Ｔｉ、Ｚｒ成分に対しては、１８として３００℃に加熱したヒータを用いた。Ｐｂ，Ｌａ成分に対しては、１８は４００℃に設定した。加速電圧は、Ｐｂ，Ｌａ成分に対しては、２ｋＶ、Ｚｉ，Ｔｉ成分に関しては、３ｋＶとした。原料容器１６内に導入したアルゴンガスの流量を制御して金属組成の制御を行った。基板温度を６００℃とし、毎分１０回転で回転させながら、金属酸化膜（ＰＬＺＴ膜）２を成膜した。このようにして作成した金属酸化膜（ＰＬＺＴ膜）２は、Ｘ線回折により１１１結晶面が基板に垂直に成長（１１１配向膜）していることが確認された。一方、すべての金属成分に対して加速電圧を印加しなかった場合には、００１結晶面が基板に垂直に成長（００１配向膜）していた。
【００４４】
次いで、１１１配向膜の電極４を形成する部分をフッ硝酸を用いた湿式エッチングにより、２．５μｍの深さになるようにエッチングした。その後、前記チタンと白金から成る上電極をRFスパッタ法で全面に形成し、上電極をパターニングすることにより各電極３、４、５を分離させる。そして、各電極３，４，５を不図示の配線を用いて図９のようにアドレスコントローラ、入力制御回路及びメモリ／演算回路と接続して、本実施形態に係る複合機能装置を製造した。素子全体の表面に絶縁性の保護膜を形成してもかまわないことは言うまでもない。なお、本実施形態においては、３つの部分の大きさは、幅が５０μｍ、長さが３００μｍであり、この素子を３００個を１次元に配列した。したがって、製造された複合機能装置のセンサ部分は、４５ｍｍの幅になる。
【００４５】
このセンサ部に図５、図６に示したようなシリコンウエハーをエッチングして幅a=３００μｍ、高さ５μｍ、間隔b=1ｍｍ、θ＝45度の直線パターンを形成したものを圧力０．９ｋｇ／ｃｍ2の圧力で接触させた。このとき、図５のB点（パターンのエッジ部）が、本実施形態の複合機能装置の左端の素子の垂直方向の圧力検知部と一致するようにして、センサを５０μｍ／秒の速度で図５の矢印の方向に移動させた。このとき左端の素子の垂直方向の圧力検知部分（圧力検出素子）からの出力は、図７に示したように変化し、直線パターンが垂直方向の圧力を検出する部分に接触している面積に比例した出力が得られていることが確認された。一方、水平方向の圧力検出部分からの出力電圧は、垂直方向の圧力検出部分の約８０％であったが、その相対出力は図７と同じ傾向を示した。また、シリコンパターンの押し圧を０．１ｋｇ／ｃｍ2まで小さくしても、垂直、水平方向ともに信号の検出が可能であった。
【００４６】
比較のために、００１配向膜についても１１１配向膜と同じ方法でデバイスを作成し、同様の実験を行った。垂直方向、水平方向ともに相対出力は図７と同じであるが、水平方向からの出力電圧は、垂直方向の約１／３であり、シリコンのパターンの押し圧を０．３ｋｇ／ｃｍ2以下とすると、水平方向の圧力検出ができなくなった。
【００４７】
以上のように、ＰＬＺＴの配向性を制御することにより、圧力の検出限界を補正できることも確認できた。
【００５３】
図４に本発明の第３の実施形態に係る複合機能センサの断面構成図を示した。１３は、映像情報を表示するための表示デバイスであり、１４は温度、圧力情報を同時に検出できる複合機能センサ部であり、この部分の１素子の断面構造原理図を図３に示した。１３は液晶あるいは有機ＥＬなどの有機材料を用いた映像表示デバイス、通常のＣＲＴなど映像情報を表示できるディスプレイであれば何でもかまわない。形状も図４のような断面形状が矩形方である必要はなく、積層してあればよい。本実施形態では、映像情報の表示には１画素が３３０μｍ×３３０μｍの液晶カラーディスプレイを用いた。画面サイズは１２インチである。
【００５４】
図３において、１は感光性ガラス、２は金属酸化物（Pb、La）（Zr、Ti）O3を用いた。本実施形態では、Pb/La=９５／５atomic%、Zr/Ti=３０／７０atomic%になるように組成を調整した。１２は１と同じ感光性ガラスである。また、電極材料３、４，５は、いずれも酸化亜鉛にガリウムを３％添加した材料を用い、RFスパッタ法で１５０ｎｍの厚さに形成した。
【００５５】
次いで、前記金属酸化物２を、電子ビーム蒸着で独立に各金属成分を蒸発させながら、プラズマ処理した酸素ガスを同時に基板１に吹き付けながら成膜した。金属成分の組成制御は、電子ビームを照射する時間を変化させることにより行った。膜厚は１０μｍとした。その後、イオンミリングで金属酸化物および下電極を１００μｍ×３００μｍの大きさになるようにパターニングした。
【００５６】
さらに、水平方向の圧力を検出する部分には、イオンミリングで深さ５μｍの溝を形成した。この溝は図３では幅方向の中に形成してあるが、長さ方向に形成しても良い。本実施形態では、幅方向に金属酸化物の縁から１５μｍの位置に２ヶ所溝を形成し、溝の大きさは、１０μｍ×２５０μｍとした。次に、PFスパッタ法でガリウムをドーピングした酸化亜鉛膜を上電極として全面に形成し、上電極、金属酸化膜２及び下電極を順次パターニングすることにより、垂直方向の圧力、水平方向の圧力及び温度を検出する部分を夫々形成した。
【００５７】
最後に、温度、圧力を検知部分の基板１の裏側を湿式エッチングで除去して、宙空構造を形成した。この際、感光性ガラスの1部を弾性体として使用するために電極３、５が剥き出しにならないようにした。図３に示した圧力、温度を検出するためのセンサ部とこれらからの信号を処理する不図示のIC回路とは、電極３，４，５と同じガリウム添加の酸化亜鉛を用いた配線により、映像ディスプレイの映像表示部と重ならない部分で接続した。また、図４において液晶カラーディスプレイ１３と温度、圧力を検知する複合機能センサ部１４は、接着剤で１３の各素子が重なるように接着した。
【００５８】
このようにして製造した本実施形態の温度圧力検知部分１０に、絵画作成に使う絵筆で線を描くと各部分での検出信号を処理することにより筆に加える圧力と動きに応じて、筆圧と線幅、及び筆の移動方向が検出できた。筆圧の強い部分は、摩擦による熱の発生も大きいために、垂直方向の圧力と温度の検出出力を組み合わせることにより、より微妙な筆圧変化が検出できる。そして、この情報を映像ディスプレイ１３上で表示させることもできる。
【００５９】
以上、説明したような本発明の実施形態に係る複合機能装置を用いることにより、温度と垂直方向および水平方向の圧力を同時に検出することができるようになった。このことにより、各種の凹凸パターン、紙などの表面状態、情報機器への入力デバイスなど、異なる分野の幅広い用途に使用可能な複合機能装置を提供することが可能となった。
【００６０】
また、本発明の実施形態に係る複合機能装置は、温度及び圧力のどちらに対しても応答する強誘電体であるＰＬＺＴを用い、これに電極対を設けることで各部分において必要とする情報を取り扱うことを可能とするものである。さらに、温度、垂直方向及び水平方向の圧力を検出するための検出素子を同一層に構成することによって、それぞれの検出素子を別の材料で検出する場合に比べるとデバイス製造のプロセスを簡略化することができる。
【００６１】
さらに、強誘電体或いは焦電体の結晶配向性を制御してデバイスを製造することにより異なる方向からの圧力に対する感度のばらつきも低減することもできる。また、強誘電体或いは焦電体は、一般的に可視光に対しては透明に近いため、温度、圧力という触覚情報と映像情報を重ね合わせて取り扱うことも可能となる。
【００６３】
【発明の効果】
本発明によれば、基板と、前記基板上に形成されたチタン酸ジルコン酸ランタン鉛からなるＰＬＺＴ膜と、前記ＰＬＺＴ膜を介して、前記基板の面に対して垂直方向に対向するように配置され、前記垂直方向に印加された圧力を検出する第１の電極対と、前記ＰＬＺＴ膜を介して、前記基板の面に対して水平方向に対向するように配置され、前記水平方向に印加された圧力を検出する第２の電極対とを有する複合機能装置であって、前記ＰＬＺＴ膜は、結晶面が前記基板の面に平行に配向しているように構成したので、垂直方向と水平方向の圧力検出感度のばらつきを低減できるとともに、各電極対間のＰＬＺＴを同一材料で形成したことにより製造プロセスを簡略化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る複合機能装置の構成を示した図である。
【図２】検出素子群が２次元に配列された構成された複合機能センサ部を示した図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る複合機能装置の構成を示した図である。
【図４】 本発明の第３の実施形態に係る複合機能センサの構成を示した図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る複合機能装置の特性を検証するためのウエハーパターンを示した平面図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る複合機能装置の特性を検証するためのウエハーパターンを示した断面図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る複合機能装置の圧力検知部（圧力検出素子）の特性を示した図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る複合機能装置の製造方法の流れを示した図である。
【図９】温度及び圧力情報の検出処理の流れを示した図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係る金属酸化膜を生成する際に使用する原料ガスの活性化の原理を示した図である。
【符号の説明】
１ 基板
２ 金属酸化膜、ＰＬＺＴ膜
３、４、５ 電極、電極対
６ Ａ部位
７ Ｂ部位
８ Ｃ部位
９ 素子サイズ
１２ 弾性体
１３ 表示デバイス
１１、１４ 複合機能センサ部
１６ 金属原料材料容器
１７ パイプ
１８ ヒータ
１９ 真空容器
２０ 加速電極
２１ 基板ホルダー
２２ 電源
３０ 下電極
４０ 上電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、温度及び圧力を同時又は別々に検出する技術に関し、特に、各種プリンタや複写機、ＬＢＰ等の記録メディア判別或いはパソコン、ＰＤＡ、携帯電話に代表される情報機器のタッチパネルを始めとして、食品用ロボット、医療用ロボット、各種産業用ロボット、或いは各種セキュリティシステム等で凹凸、摩擦、圧力や温度を単独又はこれらを組み合わせた触覚情報を検出することが可能な技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の触覚デバイスは、多くが圧力情報を電気信号に変換するものであり、その代表的なデバイスとしては、感圧導電性エラストマーなどを用いた容量検知や電気抵抗変化を検出するものである。例えば、特開平５−８１９７７号公報には、感圧導電性エラストマーの一方には電極を設け、他方に接触用凸部を有する接触子を配置して、該接触子に圧力が印加されると感圧導電性エラストマーの電気抵抗が変化することを利用した触覚センサが提案されている。
【０００３】
また、特開平５−２１５６２５号公報においては、コンデンサの原理を利用し、電極間にエラストマーを配置し、圧力によりエラストマーが変形することによる容量変化を検出する触覚センサが提案されている。特開平９−２０３６７１号公報には、圧電体を用いた温度及び３軸方向の圧力を検出する触覚センサが提案されている。
【０００４】
さらに、特開平５−２１６５６８号公報には、温度と圧力を同時に取り扱うことのできる触覚入出力装置が記載されている。これは、圧力センサ、圧力アクチュエータ及び温度センサを針状形状とし、これらを１組にしたものを１素子として高密度に配列して、コンピュータとのインタフェースとして用いるものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平５−８１９７７号公報及び特開平５−２１５６２５号公報に開示された発明では、触覚センサは１方向の圧力を検知することはできるが、３次元方向の圧力を検出することができない。また、特開平９−２０３６７１号公報に開示された発明においては、垂直方向と水平方向の圧力検知は可能であるが、垂直方向と水平方向の圧電物性を同じにするための、具体的な方法の開示はない。デバイスの製造において、垂直方向と水平方向の圧力検出感度のばらつきを低減するために異なる材料を同一基板上に形成する場合には、製造プロセスが複雑になってしまうという問題点がある。
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、垂直方向と水平方向の圧力検出感度のばらつきを低減することを可能とするとともに、製造プロセスを簡略化することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
斯かる目的を達成するために、本発明の第１の態様は、基板と、前記基板上に形成されたチタン酸ジルコン酸ランタン鉛からなるＰＬＺＴ膜と、前記ＰＬＺＴ膜を介して、前記基板の面に対して垂直方向に対向するように配置され、前記垂直方向に印加された圧力を検出する第１の電極対と、前記ＰＬＺＴ膜を介して、前記基板の面に対して水平方向に対向するように配置され、前記水平方向に印加された圧力を検出する第２の電極対とを有する複合機能装置であって、前記ＰＬＺＴ膜は、（１１１）結晶面が前記基板の面に平行に配向していることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の第２の態様は、基板と、前記基板上に形成され、（１１１）結晶面が前記基板の面に平行に配向したチタン酸ジルコン酸ランタン鉛からなるＰＬＺＴ膜と、前記ＰＬＺＴ膜を介して、前記基板の面に対して垂直方向に対向するように配置され、前記垂直方向に印加された圧力を検出する第１の電極対と、前記ＰＬＺＴ膜を介して、前記基板の面に対して水平方向に対向するように配置され、前記水平方向に印加された圧力を検出する第２の電極対とを有する複合機能装置の製造方法において、前記ＰＬＺＴ膜を構成する金属元素を含有する物質と酸素元素を含有する物質とを交互に基板に到達させてＰＬＺＴ膜を形成することを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した好適な実施形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
＜第１の実施形態＞
先ず、本発明の第１の実施形態に係る複合機能装置の構成を図１を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る複合機能装置の概略構成を示した図である。
１は、基板であり、シリコン、ガラス、金属、プラスチックなどの材料である。ただし、金属、半導体など電気伝導性のある材料の場合には、基板１と接する電極３，５及び金属酸化物材料２と基板１との間に絶縁体を設けることが望ましい。また、この図では電極対３，５は、それぞれ分離しているが、電極対のどちらか一方の電極が共通になっていてもかまわない。
【００１１】
また、Ｂ部分であるが、図１では記載してないが、電極３，５をパターニングする際に、この部分にも電極を残しても問題はない。ただし、Ｂ部分では残した電極材料と電極対４とが電気的に分離されている必要がある。２は、強誘電性あるいは焦電性を示す金属酸化物材料である。本発明では、金属酸化物材料として強誘電性を示す材料であるチタン酸ジルコン酸ランタン鉛を用いる。
【００１２】
上記金属酸化物材料の厚さや大きさは、用途により任意に設定すればよい。例えば、モバイル用情報機器への搭載を想定した場合、ある物体が０．４から１．０ｋｇ／ｃｍ２程度の圧力で接触し、かつ室温から±２０℃程度の温度を測定するような場合には、金属酸化物材料の厚さは、０．１μｍから１．０ｍｍ程度であればよい。３，４，５はそれぞれ金属酸化物材料２の厚さ方向の圧力、水平方向の圧力及び温度を測定するための電極対である。この電極材料は、導電性材料であって、基板１、金属酸化物材料２に形成でき、かつ実用的な密着強度が得られるものであれば何でもよい。
【００１３】
図１において、金属酸化物材料をチタン酸ジルコン酸ランタン鉛（以下、ＰＬＺＴと称す）のような強誘電体とした場合、電極３と金属酸化物材料ＰＬＺＴ２が積層された部分（以下、部分Ａと称す）は、ＰＬＺＴ２の垂直方向の圧電物性を利用することにより、ＰＬＺＴ２に垂直方向に印加された圧力を検知することが出来る。また、電極４でＰＬＺＴ２がはさまれた分（以下、部分Ｂと称す）は、ＰＬＺＴ２の水平方向の圧電物性を利用することにより、ＰＬＺＴ２膜の面内方向に印加された圧力を検知することが可能である。電極５とＰＬＺＴ２が積層された部分（以下、部分Ｃと称す）は、部分Ａと同じ構成であるが、この部分はＰＬＺＴ２の有する焦電性を利用することにより温度を検知することが出来る。この部分Ｃで温度を高感度に検出するために、この部分には温度の吸収体を電極５の上に形成してもよく、また特定の波長だけを検出するための波長フィルタを設けてもよい。
【００１４】
次に、本実施形態に係る複合機能装置の製造方法について図８の一部（図８（ａ）から（ｅ）又は（ｆ）まで）を用いて説明する。
基板１に２μｍの厚さの絶縁体である熱酸化膜（酸化シリコン）を有するシリコンウエハーを用いた。（図８では、シリコンと酸化シリコンを分離して記述していない）まず、下電極３０としてPt/Ti（Pt:５００ｎｍ、Ti:８ｎｍ厚さ）をPFスパッタ法で形成(図８(ａ))し、次いで金属酸化物として（Pb、La）（Zr、Ti）O3(以下、PLZT２と略す)をRFスパッタ法で形成した(図８（ｂ）)。本実施形態では、Pb/La=９５／５atomic%、Zr/Ti=３０／７０atomic%となるように組成制御し、膜厚は４μｍとした。次にレジスト（例えば、AZ4620など）を用いて、PLZT２をフッ酸と硝酸の混合水溶液で図８（ｃ）のようにパターニングする。PLZT２のエッチングによる深さは５００ｎｍとした。酸素プラズマでレジストを除去してから、上電極４０を形成する(図８(ｄ))。上電極４０は、下電極３０と同じ材料を用い、膜厚も同じとした。次いで、上電極４０をパターニングし、レジストを除去することにより図１に示す本実施形態の複合機能装置の１素子を製造することができる（図８(ｅ)）。また、上電極４０、PLZT２（金属酸化膜）及び下電極３０を順次パターニングすることにより、図８(ｆ)に示した構造にしてもよいことは言うまでもない。
尚、図１では下電極が分離された構成となっているが、これと同じ構成とするには図８の（ａ）の製造工程により形成された下電極をパターニングする工程を追加すればよい。
【００１５】
一般に、強誘電体の場合には、圧電物性は結晶方位により変化し、その差は数倍程度になることが良く見られる。このことは、強誘電体の結晶配向性によっては垂直方向と水平方向では圧力の検出感度が異なることを意味する。紙や布などの表面の微妙な凹凸感覚を検出するためには、垂直、水平方向の検出感度が同じ方が望ましい。したがって、本発明では、強誘電体であるＰＬＺＴを、垂直方向と水平方向の圧電物性が均一になるように製造する。
【００１６】
この場合には、図８（ｂ）に示す製造工程を以下のように行う。ＰＬＺＴを構成する金属（Ｐｂ，Ｌａ，Ｚｒ，Ｔｉの４金属元素）を独立の蒸発源から蒸発させる。例えば、ＲＦスパッタ法であれば、各構成金属を含むターゲット（例えば、金属、金属酸化物、有機金属化合物及びハロゲン化金属など）と、酸素、オゾン、酸化窒素等の酸素元素を含有する物質を供給する酸素供給源を同一成膜装置内に設置し、それらを独立に動作させる。
【００１７】
成膜は、基板に対して酸素元素を含有する物質（酸素成分）と金属元素を含有する物質（金属成分）を交互に到達させることにより、基板上に堆積させていく。ＰＬＺＴの場合には、Ｐｂ，Ｌａ，Ｚｒ，Ｔｉの組成比が所望の値（例えば、Ｐｂ／Ｌａ＝９５／５ａｔｏｍｉｃ％、Ｚｒ／Ｔｉ＝３０／７０ａｔｏｍｉｃ％）になるように制御する。この制御方法には制限はない。例えば、各ターゲットと基板の間にスリットとシャッターを設け、このスリットの幅により組成を制御でき、シャッターの開閉により交互堆積ができる。このようにして、ＰＬＺＴを成膜することにより、基板に対して垂直方向に１１１結晶面が成長することになる。これは、ＰＬＺＴの分極方向が基板に対して４５度傾斜していることに対応し、このことにより垂直、水平のどちらの方向からの圧力に対しても、ほぼ同じ圧電物性を示すことができる。
【００１８】
このような成膜方法は、RFスパッタ法に限定されるものではなく、MOCVD法であれば各原料ガスを独立に供給すればよい。一般にMOCVD法の場合には、原料に有機金属化合物を使用するので金属成分と有機成分の分離が課題になる。このためには、本実施形態では各原料ガスを成膜容器に入れる際に原料ガスをイオン化したり、加熱することにより分解し、また、このように処理した原料ガスの金属成分を必要に応じて電極により加速して、基板に到達する金属成分を活性化させる。
【００１９】
このようなイオン化、加熱、加速による活性化を行うことにより、金属成分は主として正の電荷をもった物質が基板に到達することになる。この結果、分解により発生した有機物成分の混入も少なくなり、また、活性化条件（例えば、加速の電圧）により運動エネルギーを制御された金属成分は結晶成長に必要な適正エネルギーを有するため、得られる金属酸化物材料は成膜温度も低くなり、また結晶性／配向性も制御できる。また、酸素に関しても加熱、イオン化やプラズマ化することにより活性化して、得られる金属酸化物の成膜温度を低温化し、結晶性/配向性を制御する。
【００２０】
このようにして製造された素子を単独、１次元、２次元あるいは３次元的に配列することにより、温度、圧力という触覚情報を検出する。ここでは、図２に示したように２次元に配列する場合について述べる。尚、６は、図１のＡの部位に相当し、７は、図１のＢの部位に相当し、８は、図１のＣの部位に相当する。
【００２１】
２次元に配列した多数の素子１０のある部分１１に何らかの物体が接触し、その後、矢印で示したようないろいろな方向に概物体が移動する場合、各素子の出力を順次読み取ることにより、接触面積、移動方向と温度、圧力情報を検出できる。すなわち、図９に示したように、各素子をｍ×ｎ個を配列した複合機能装置からの出力（ステップＳ９１）はアドレスコントローラを経て（ステップＳ９２）、入力制御回路で増幅やノイズ処理などの処理を行った後（ステップＳ９３）、メモリ／信号処理回路で圧縮など必要な信号処理を行って保存される（ステップＳ９４）。保存されたデータは、不図示のコンピュータなどでさらに各種処理をしたり、インターネットなどの通信手段やフレキシブルディスクなどのメモリ媒体を用いて、他のコンピュータに転送することができる。
【００２２】
図２において素子サイズ９は、用途により決定すればよい。例えば、人間の指紋を圧力で検出する場合には、圧力を検出する部分の幅は概ね５０μｍ程度であればよい。また、接触する材料の表面状態を調べるような場合には、素子サイズ９は０．１μｍから１０ｍｍ程度であればよい。
【００２３】
＜第２の実施形態＞
図３に本発明の第２の実施形態に係る複合機能装置の構成を示した図である。
本実施形態では、金属酸化物２は、弾性体１２に電極を介して取り付けられている。この弾性体は、電極３，４，５または基板１と同じ材料でもよく、異なる材料でも良い。弾性体１２が電極３，５と同じ材料の場合には、対向するどちらか１方の電極（３，５）を厚くすればよい。基板１と同じ材料の場合には、宙空構造を形成する際に必要な厚さだけ除去しないでおけばよい。この弾性体は、各部分の機械的強度を改善するとともに、垂直方向の圧力に対しては振動板として作用して検出感度の改善、温度検出部分では、熱の蓄積を防止する放熱板としての機能を有する。このような用途に適する材料であれば、弾性体には絶縁体、半導体、単結晶、他結晶、非晶質などの制限はなく、有機材料、無機材料の制限もない。
【００２４】
図３（ａ）では、温度及び圧力を検知する部分がすべて宙空構造の弾性体に取り付けられているが、必ずしもすべての部分を宙空構造にする必要はなく任意の部分に宙空構造を形成することができる。たとえば、図３（ｂ）のように水平方向の圧力検知部分Bは、機械的強度を考えた場合には宙空構造にしなくてもよい。用途によりどちらかを選択すればよい。
【００２５】
垂直方向の圧力を検知する部分の電極（両側電極厚さの和）と金属酸化物積層体全体の厚さと弾性体の厚さの比は、一般には電極／積層体＝０．５程度以上であれば良く、両側の電極の厚さは必ずしも同じである必要はない。小さな圧力を検知する場合には宙空構造の方が同じ圧力でも変位量が０大きくなるために検出感度が良くなる。温度を検知する部分は、素子内に熱が蓄積されやすいので、宙空構造として検出部分の熱容量を少なくすることにより高速測定が可能になる。
【００２６】
図８に第１の実施形態に係る複合機能装置の製造方法を示した。第２の実施形態に係る複合機能装置の製造方法は、図８（ｅ）までは前述した方法と基本的には同じであるが、ここでは、図８（ｂ）の金属酸化物２をMOCVD法で製造した。図１０に本実施形態で使用する原料ガスの活性化の原理を示した。
【００２７】
１９は真空容器であり不図示の真空排気装置で内部を減圧状態に保ってある。２１は基板ホルダーであり、必要により不図示の回路により、回転、加熱することができる。１６は、金属酸化物２を構成する金属原料材料容器である。１７は、１６から流れ出た原料ガスが流れるパイプである。原料ガスの活性化は、以下のようにして行う。１８はヒータであり、１７を流れてくる原料ガスを熱分解させる役割を持つ。この１８は、ヒータだけでなく、例えば、プラズマ源、あるいはイオン化源でもよく、この場合には、加速電極２０と原料ガスパイプ１７の先端部の間にプラズマ源やイオン化源を設置する。２０は加速電極であり、基板に対して正の電位になるようにした。２２は電源である。
【００２８】
図１０では、原料容器１６は１種類しか示していないが、通常は、この容器を金属成分にあわせて複数個用いる。このような場合には、各金属成分に最適な活性化を行うためには、加速電圧を独立に制御できることが望ましいため、基板ホルダーをアース電位とする。もちろん、すべてを逆電位にして用いても良いことは言うまでもない。各金属成分は、単独成分とすることが望ましいが、金属酸化物２によっては、構成金属が多くなることも珍しくない。このときには、結晶構造を考えて、同じ結晶サイトに位置するものや、原料ガスの熱分解温度が類似しているものなどを混合しても良い。
【００２９】
原料ガスは、通常、ビスジピヴァロイルメタナート鉛、テトラｔ−ブトキシジルコニウム、テトライソプロポキシチタン、ランタンのシクロペンタジエニル錯体などの有機金属化合物を用いるが、これ以外の材料でも良いことは言うまでもない。このような原料を不図示の装置から１６に導入したアルゴンなどのキャリアガスを用いて真空容器内に導入する。この際に、例えば、ヒータ１８により、原料ガスを熱分解させ、さらに分解により生成した金属を含む化学種を加速電圧２０で加速する。このことにより、熱分解で生成した金属を含む正の電荷を有する化学種は運動エネルギーを付与されて基板に到達することができる。
【００３０】
本実施形態では、Ｐｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｌａという金属成分をすべて独立の原料容器１６に入れ、２０の加速電圧、１８の加熱温度をすべて独立に制御した。加速電圧は、通常、０−１０ｋＶ程度、１８の加熱温度は、通常、１００−１０００℃である。また、酸素源は、酸素ボンベからの酸素ガスを図１０の１７に導入し、ヒータ１８により５００℃に加熱したが、オゾン、チッ化酸素等でもよい。酸素源材料は、加熱だけでなく、プラズマ化、イオン化しても良い。成膜は、例えば酸素源は連続して、Ｐｂ、Ｌａ、Ｚｒ、Ｔｉ原料ガスを周期的に不図示の電磁弁で真空容器に導入して行う。この際に、金属成分の導入時間により、金属酸化物の組成を制御して、基板ホルダー２１に取り付けた基板には、結晶構造を有する金属酸化物材料が形成される。この構造は、ＰＬＺＴ２の場合には（１１１）結晶面が基板に平行になるように成長したものに相当する。
【００３１】
図８（ｅ）以降の工程であるが、図８（ｅ）の工程で使用したレジストを剥離し、金属酸化物２をパターニングするためのレジストを塗布した後、ドライエッチングで上電極４０、金属酸化物２及び下電極３０を順次パターニングした（図８(ｆ)）。パターニング条件は、上電極４０及び下電極３０はＡｒプラズマによるドライエッチングでPLZT２はフッ酸と硝酸の混合水溶液を用いたウエットエッチングで行った。
【００３２】
このときに使用したレジストを除去した後、シリコン基板１のエッチングを行った(図８(ｇ))。このときのマスクとしては窒化シリコン膜をLPCVDで形成し、レジスト（AZ1500）でパターニングしてから、CF4プラズマでエッチングした。その後、水酸化カリウム水溶液でシリコン基板１を除去した。マスクパターンにより、デバイス構造は、図３（Ａ）または（Ｂ）のどちらかを選択すればよい。このようにして、作製した素子を例えば、図２に示すようにｍ×ｎのマトリックス上に配列することにより、本実施形態に係る複合機能装置を製造した。デバイス表面には、磨耗などに対する耐久性を改善するために、保護膜を形成してもよい。
【００３３】
以上のような複合機能装置を用いて、図９に示したようにアドレスコントローラ、入力制御回路、メモリ／信号処理回路で測定系を構成する。この状態で複合機能装置に、紙、布、皮、プラスチック、金属、あるいはこれらの加工品などの物体を押し付けたりこすったりすることにより、接触した物体の表面状態を調べることが出来る。もちろん、タッチパネルや手書き入力装置として使うことも可能である。また、温度検出部分では、物体が接触しない場合には、その周辺の温度を計測する温度計としても使用可能である。さらに、温度検出部分のみを２次元温度センサとして、接触させた物体の温度分布を測定することもできる。
【００３４】
＜第３の実施形態＞
図４は、本発明の第３の実施形態に係る複合機能装置の構成を示した図である。
１３は映像情報を表示するための表示デバイスである。このデバイスには、銀塩写真やポスターをはじめとする各種静止画、CRT、有機EL、無機EL、各種液晶デバイスなど動画表示をするものなど何を用いてもよい。また、断面形状は図４に示した平面状である必要はなく、半球状など曲面を有していてもよい。
【００３５】
１４は、温度、圧力情報を検出する複合機能センサ部である。１４の断面構造としては、図１あるいは図３に示したものやこれらの変形構造のどれであってもかまわない。例えば、１３の映像ディスプレイが液晶カラーディスプレイの場合、代表的な１画素サイズは３３０μｍ×３３０μｍである。基板１はガラスなどの透明材料であり、電極はＩＴＯやＺｎＯなどの透明電極、金属酸化物は透明な強誘電体を用いる。
【００３６】
複合機能センサ部は、映像ディスプレイの映像表示面に積層され、映像表示面では、複合機能センサ部を用いて検出された情報に基づく映像表示がなされる。
【００３７】
電極はスパッタ法など通常の薄膜形成方法で製造し、これを所望のパターンにパターニングする。例えば、金属酸化物を３部分に分割し、１３の１画素サイズにあわせて、３分割し、温度、圧力検知部分の大きさを各部分１１０μｍ×３３０μｍとした。各部分は、垂直方向及び水平方向の圧力及び温度を検知する。もちろん、用途により温度、圧力の検知部分は、これ以外のサイズに分割しても良いこと言うまでもない。
【００３８】
このような構成にすることにより、例えば、温度検知部分により人物が近づくとその体温を検知して、映像ディスプレイ-のスイッチを入れたり、映像ディスプレイに表示された物体と同じ物を温度、圧力検知部分に接触させることにより、その物体の表面情報を検知することが出来る。
【００３９】
以下、上記各実施形態について具体的に説明する。なお、第２及び第３の実施形態については金属酸化物２を３部分に分割した場合について記述するが、例えば２又は４部分に分割しても良いことは言うまでもない。また、デバイス製造方法についても、以下に説明する手段に限定されることはなく、デバイスを構成する材料にあわせて選択すればよい。
【００４０】
図１に本発明の第１の実施形態における１素子の断面構造原理図を示した。この図において、１はシリコンウエハー（基板）であり、ここでは１００面を切り出したものを用いた。２は金属酸化物で、（Pb、La）（Zr、Ti）O3(以下、PLZTと略す)を用いた。本実施形態では、Pb/La=９５／５atomic%、Zr/Ti=３０／７０５atomic%になるように組成を調整した。
【００４１】
製造方法については、図８（ａ）から（ｅ）に示した。まず、シリコンウエハーの表面を熱酸化して酸化シリコン膜を形成した後、チタン及び白金の積層電極をRFスパッタ法でそれぞれ１５nm、１５０nm形成した。その後、電極３及び５の部分のみを残すように、通常の半導体加工技術によりパターニングした。
【００４２】
ついで、MOCVD法でPLZT膜を３μｍ形成した。各金属成分の原料ガスは、ビスジピヴァロイルメタナート鉛、テトラｔ−ブトキシジルコニウム、テトライソプロポキシチタン、ランタンのシクロペンタジエニル錯体を用いた。図１０の原料容器は４個準備し、それぞれに上記有機金属を個別に充填した。
【００４３】
Ｔｉ、Ｚｒ成分に対しては、１８として３００℃に加熱したヒータを用いた。Ｐｂ，Ｌａ成分に対しては、１８は４００℃に設定した。加速電圧は、Ｐｂ，Ｌａ成分に対しては、２ｋＶ、Ｚｉ，Ｔｉ成分に関しては、３ｋＶとした。原料容器１６内に導入したアルゴンガスの流量を制御して金属組成の制御を行った。基板温度を６００℃とし、毎分１０回転で回転させながら、金属酸化膜（ＰＬＺＴ膜）２を成膜した。このようにして作成した金属酸化膜（ＰＬＺＴ膜）２は、Ｘ線回折により１１１結晶面が基板に垂直に成長（１１１配向膜）していることが確認された。一方、すべての金属成分に対して加速電圧を印加しなかった場合には、００１結晶面が基板に垂直に成長（００１配向膜）していた。
【００４４】
次いで、１１１配向膜の電極４を形成する部分をフッ硝酸を用いた湿式エッチングにより、２．５μｍの深さになるようにエッチングした。その後、前記チタンと白金から成る上電極をRFスパッタ法で全面に形成し、上電極をパターニングすることにより各電極３、４、５を分離させる。そして、各電極３，４，５を不図示の配線を用いて図９のようにアドレスコントローラ、入力制御回路及びメモリ／演算回路と接続して、本実施形態に係る複合機能装置を製造した。素子全体の表面に絶縁性の保護膜を形成してもかまわないことは言うまでもない。なお、本実施形態においては、３つの部分の大きさは、幅が５０μｍ、長さが３００μｍであり、この素子を３００個を１次元に配列した。したがって、製造された複合機能装置のセンサ部分は、４５ｍｍの幅になる。
【００４５】
このセンサ部に図５、図６に示したようなシリコンウエハーをエッチングして幅a=３００μｍ、高さ５μｍ、間隔b=1ｍｍ、θ＝45度の直線パターンを形成したものを圧力０．９ｋｇ／ｃｍ2の圧力で接触させた。このとき、図５のB点（パターンのエッジ部）が、本実施形態の複合機能装置の左端の素子の垂直方向の圧力検知部と一致するようにして、センサを５０μｍ／秒の速度で図５の矢印の方向に移動させた。このとき左端の素子の垂直方向の圧力検知部分（圧力検出素子）からの出力は、図７に示したように変化し、直線パターンが垂直方向の圧力を検出する部分に接触している面積に比例した出力が得られていることが確認された。一方、水平方向の圧力検出部分からの出力電圧は、垂直方向の圧力検出部分の約８０％であったが、その相対出力は図７と同じ傾向を示した。また、シリコンパターンの押し圧を０．１ｋｇ／ｃｍ2まで小さくしても、垂直、水平方向ともに信号の検出が可能であった。
【００４６】
比較のために、００１配向膜についても１１１配向膜と同じ方法でデバイスを作成し、同様の実験を行った。垂直方向、水平方向ともに相対出力は図７と同じであるが、水平方向からの出力電圧は、垂直方向の約１／３であり、シリコンのパターンの押し圧を０．３ｋｇ／ｃｍ2以下とすると、水平方向の圧力検出ができなくなった。
【００４７】
以上のように、ＰＬＺＴの配向性を制御することにより、圧力の検出限界を補正できることも確認できた。
【００５３】
図４に本発明の第３の実施形態に係る複合機能センサの断面構成図を示した。１３は、映像情報を表示するための表示デバイスであり、１４は温度、圧力情報を同時に検出できる複合機能センサ部であり、この部分の１素子の断面構造原理図を図３に示した。１３は液晶あるいは有機ＥＬなどの有機材料を用いた映像表示デバイス、通常のＣＲＴなど映像情報を表示できるディスプレイであれば何でもかまわない。形状も図４のような断面形状が矩形方である必要はなく、積層してあればよい。本実施形態では、映像情報の表示には１画素が３３０μｍ×３３０μｍの液晶カラーディスプレイを用いた。画面サイズは１２インチである。
【００５４】
図３において、１は感光性ガラス、２は金属酸化物（Pb、La）（Zr、Ti）O3を用いた。本実施形態では、Pb/La=９５／５atomic%、Zr/Ti=３０／７０atomic%になるように組成を調整した。１２は１と同じ感光性ガラスである。また、電極材料３、４，５は、いずれも酸化亜鉛にガリウムを３％添加した材料を用い、RFスパッタ法で１５０ｎｍの厚さに形成した。
【００５５】
次いで、前記金属酸化物２を、電子ビーム蒸着で独立に各金属成分を蒸発させながら、プラズマ処理した酸素ガスを同時に基板１に吹き付けながら成膜した。金属成分の組成制御は、電子ビームを照射する時間を変化させることにより行った。膜厚は１０μｍとした。その後、イオンミリングで金属酸化物および下電極を１００μｍ×３００μｍの大きさになるようにパターニングした。
【００５６】
さらに、水平方向の圧力を検出する部分には、イオンミリングで深さ５μｍの溝を形成した。この溝は図３では幅方向の中に形成してあるが、長さ方向に形成しても良い。本実施形態では、幅方向に金属酸化物の縁から１５μｍの位置に２ヶ所溝を形成し、溝の大きさは、１０μｍ×２５０μｍとした。次に、PFスパッタ法でガリウムをドーピングした酸化亜鉛膜を上電極として全面に形成し、上電極、金属酸化膜２及び下電極を順次パターニングすることにより、垂直方向の圧力、水平方向の圧力及び温度を検出する部分を夫々形成した。
【００５７】
最後に、温度、圧力を検知部分の基板１の裏側を湿式エッチングで除去して、宙空構造を形成した。この際、感光性ガラスの1部を弾性体として使用するために電極３、５が剥き出しにならないようにした。図３に示した圧力、温度を検出するためのセンサ部とこれらからの信号を処理する不図示のIC回路とは、電極３，４，５と同じガリウム添加の酸化亜鉛を用いた配線により、映像ディスプレイの映像表示部と重ならない部分で接続した。また、図４において液晶カラーディスプレイ１３と温度、圧力を検知する複合機能センサ部１４は、接着剤で１３の各素子が重なるように接着した。
【００５８】
このようにして製造した本実施形態の温度圧力検知部分１０に、絵画作成に使う絵筆で線を描くと各部分での検出信号を処理することにより筆に加える圧力と動きに応じて、筆圧と線幅、及び筆の移動方向が検出できた。筆圧の強い部分は、摩擦による熱の発生も大きいために、垂直方向の圧力と温度の検出出力を組み合わせることにより、より微妙な筆圧変化が検出できる。そして、この情報を映像ディスプレイ１３上で表示させることもできる。
【００５９】
以上、説明したような本発明の実施形態に係る複合機能装置を用いることにより、温度と垂直方向および水平方向の圧力を同時に検出することができるようになった。このことにより、各種の凹凸パターン、紙などの表面状態、情報機器への入力デバイスなど、異なる分野の幅広い用途に使用可能な複合機能装置を提供することが可能となった。
【００６０】
また、本発明の実施形態に係る複合機能装置は、温度及び圧力のどちらに対しても応答する強誘電体であるＰＬＺＴを用い、これに電極対を設けることで各部分において必要とする情報を取り扱うことを可能とするものである。さらに、温度、垂直方向及び水平方向の圧力を検出するための検出素子を同一層に構成することによって、それぞれの検出素子を別の材料で検出する場合に比べるとデバイス製造のプロセスを簡略化することができる。
【００６１】
さらに、強誘電体或いは焦電体の結晶配向性を制御してデバイスを製造することにより異なる方向からの圧力に対する感度のばらつきも低減することもできる。また、強誘電体或いは焦電体は、一般的に可視光に対しては透明に近いため、温度、圧力という触覚情報と映像情報を重ね合わせて取り扱うことも可能となる。
【００６３】
【発明の効果】
本発明によれば、基板と、前記基板上に形成されたチタン酸ジルコン酸ランタン鉛からなるＰＬＺＴ膜と、前記ＰＬＺＴ膜を介して、前記基板の面に対して垂直方向に対向するように配置され、前記垂直方向に印加された圧力を検出する第１の電極対と、前記ＰＬＺＴ膜を介して、前記基板の面に対して水平方向に対向するように配置され、前記水平方向に印加された圧力を検出する第２の電極対とを有する複合機能装置であって、前記ＰＬＺＴ膜は、結晶面が前記基板の面に平行に配向しているように構成したので、垂直方向と水平方向の圧力検出感度のばらつきを低減できるとともに、各電極対間のＰＬＺＴを同一材料で形成したことにより製造プロセスを簡略化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る複合機能装置の構成を示した図である。
【図２】検出素子群が２次元に配列された構成された複合機能センサ部を示した図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る複合機能装置の構成を示した図である。
【図４】 本発明の第３の実施形態に係る複合機能センサの構成を示した図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る複合機能装置の特性を検証するためのウエハーパターンを示した平面図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る複合機能装置の特性を検証するためのウエハーパターンを示した断面図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る複合機能装置の圧力検知部（圧力検出素子）の特性を示した図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る複合機能装置の製造方法の流れを示した図である。
【図９】温度及び圧力情報の検出処理の流れを示した図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係る金属酸化膜を生成する際に使用する原料ガスの活性化の原理を示した図である。
【符号の説明】
１ 基板
２ 金属酸化膜、ＰＬＺＴ膜
３、４、５ 電極、電極対
６ Ａ部位
７ Ｂ部位
８ Ｃ部位
９ 素子サイズ
１２ 弾性体
１３ 表示デバイス
１１、１４ 複合機能センサ部
１６ 金属原料材料容器
１７ パイプ
１８ ヒータ
１９ 真空容器
２０ 加速電極
２１ 基板ホルダー
２２ 電源
３０ 下電極
４０ 上電極
Claims (10)
- 基板と、前記基板上に形成されたチタン酸ジルコン酸ランタン鉛からなるＰＬＺＴ膜と、前記ＰＬＺＴ膜を介して、前記基板の面に対して垂直方向に対向するように配置され、前記垂直方向に印加された圧力を検出する第１の電極対と、前記ＰＬＺＴ膜を介して、前記基板の面に対して水平方向に対向するように配置され、前記水平方向に印加された圧力を検出する第２の電極対とを有する複合機能装置であって、前記ＰＬＺＴ膜は、（１１１）結晶面が前記基板の面に平行に配向していることを特徴とする複合機能装置。
- 前記ＰＬＺＴ膜を介して、前記基板の面に対して垂直方向に対向するように配置され、温度を検出する第３の電極対を有していることを特徴とする請求項 1 に記載の複合機能装置。
- 各電極対の少なくとも１対が宙空構造に取り付けられた弾性体の上に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の複合機能装置。
- 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の複合機能装置を１素子として、この素子を１次元または２次元に並べたことを特徴とする複合機能センサ。
- 請求項４に記載の複合機能センサが映像情報を表示する表示装置の上に積層されていることを特徴とする複合機能センサ。
- 各電極対が透明電極であることを特徴とする請求項５に記載の複合機能センサ。
- 基板と、前記基板上に形成され、（１１１）結晶面が前記基板の面に平行に配向したチタン酸ジルコン酸ランタン鉛からなるＰＬＺＴ膜と、前記ＰＬＺＴ膜を介して、前記基板の面に対して垂直方向に対向するように配置され、前記垂直方向に印加された圧力を検出する第１の電極対と、前記ＰＬＺＴ膜を介して、前記基板の面に対して水平方向に対向するように配置され、前記水平方向に印加された圧力を検出する第２の電極対とを有する複合機能装置の製造方法において、前記ＰＬＺＴ膜を構成する金属元素を含有する物質と酸素元素を含有する物質とを交互に基板に到達させてＰＬＺＴ膜を形成することを特徴とする複合機能装置の製造方法。
- 前記金属元素を含有する物質が、金属、金属酸化物、有機金属化合物及びハロゲン化金属の群から選ばれた物質であり、前記酸素元素を含有する物質が、酸素、オゾン及び酸化窒素から選ばれた物質であることを特徴とする請求項７に記載の複合機能装置の製造方法。
- 前記金属元素を含有する物質を供給する装置には、加熱装置、イオン化装置、プラズマ化装置及び荷電物質を加速するための加速電極の少なくとも１種類が取り付けられており、これらにより前記金属元素を含有する物質からなるガスを分解及び／又は加速しながら前記基板に到達させることを特徴とする請求項８に記載の複合機能装置の製造方法。
- 前記酸素元素を含有する物質を供給する装置には、加熱装置、イオン化装置及びプラズマ発生装置の少なくとも１装置が取り付けられており、これらにより酸素元素を含有する物質からなるガスを活性化しながら前記基板に到達させることを特徴とする請求項８に記載の複合機能装置の製造方法。
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