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本発明は、振動子や圧電アクチュエータなどの駆動素子に関するものである。 The present invention relates to a driving element such as a vibrator or a piezoelectric actuator.
水素センサは、水素を燃料源とする燃料電池システムの安全性を確保するために必要なセンサであり、今後普及が期待されている。水素センサは、水素の漏れを低濃度の段階で確実に検知し、システムの停止や警報を行うために使用される。水素センサは、接触燃焼方式、半導体方式、熱電式、光ファイバ式など種々の検知方式が採用されているが、いずれも、ガス種の選択性、コスト、耐久性に問題がある。 The hydrogen sensor is a sensor necessary for ensuring the safety of a fuel cell system using hydrogen as a fuel source, and is expected to spread in the future. The hydrogen sensor is used to reliably detect hydrogen leakage at a low concentration stage, and to stop or warn the system. The hydrogen sensor employs various detection methods such as a catalytic combustion method, a semiconductor method, a thermoelectric method, and an optical fiber method, but all have problems in gas type selectivity, cost, and durability.
接触燃焼式水素センサにおいては、白金などの触媒上で水素を燃焼させ、その熱や熱に伴う抵抗体の抵抗値変化を利用する。この方式では、水素だけでなく、炭化水素も同時に燃焼するので、ガス種の選択性が悪い。また白金などの高価な材料を使用する必要がある。 In the contact combustion type hydrogen sensor, hydrogen is burned on a catalyst such as platinum, and the change in resistance value of the resistor due to the heat and heat is used. In this method, not only hydrogen but also hydrocarbons are combusted at the same time, so the selectivity of the gas species is poor. Moreover, it is necessary to use expensive materials such as platinum.
半導体式水素センサにおいては、酸化スズなどの金属酸化物半導体の焼結体を加熱しておき、これに水素が接触すると半導体の電気抵抗が変化する。この抵抗値変化を利用して水素濃度を算出する。この方式でも、炭化水素や一酸化炭素でも同様の反応が生ずるので、ガス種の選択性が悪い。また、ヒーターによる半導体の加熱が必須であり、コストが高い。更に酸化スズが使用環境下で劣化するので寿命が短い。 In a semiconductor-type hydrogen sensor, a metal oxide semiconductor sintered body such as tin oxide is heated, and when it comes into contact with hydrogen, the electrical resistance of the semiconductor changes. The hydrogen concentration is calculated using this resistance value change. Even in this method, the same reaction occurs with hydrocarbons and carbon monoxide, so the selectivity of the gas species is poor. In addition, heating of the semiconductor with a heater is essential, and the cost is high. Furthermore, the life of the tin oxide is short because it deteriorates in the usage environment.
また、パラジウム膜をつけた水晶振動子を利用した水素センサが提案されている(特許文献1)。パラジウムは、原子間の隙間に水素が吸蔵される性質を有している。この原子間の隙間に炭化水素や一酸化炭素が入ることは不可能であるので、この水素センサはガス種の選択性が高い。
特許文献1記載の水素センサでは、水晶振動板の両面に電極を設け、電極を被覆するようにパラジウム膜を形成する。そして、電極に交流電圧を供給して振動板を振動させる。このときの振動周波数は振動板と電極の固有共振周波数によって定まる。このパラジウム膜に水素が吸着すると、振動板の周波数が若干変化するので、この周波数変化から水素濃度を算出する。 In the hydrogen sensor described in Patent Document 1, electrodes are provided on both sides of a quartz diaphragm, and a palladium film is formed so as to cover the electrodes. And an alternating voltage is supplied to an electrode and a diaphragm is vibrated. The vibration frequency at this time is determined by the natural resonance frequency of the diaphragm and the electrode. When hydrogen is adsorbed on the palladium film, the frequency of the diaphragm changes slightly, so the hydrogen concentration is calculated from this frequency change.
しかし、特許文献1記載の水素センサでは、ごく微量の付着水素に基づく周波数の変化はごく僅かであり、この周波数変化から精度よく水素濃度を検出することは困難である。水素ガスは大気中では濃度4%程度で爆発するので、できるだけ低濃度で検出する必要があり、少なくとも0.1〜1%で検知することが必要である。できれば100ppm程度の濃度で検出可能であることが望ましい。 However, in the hydrogen sensor described in Patent Document 1, the frequency change based on a very small amount of attached hydrogen is very small, and it is difficult to accurately detect the hydrogen concentration from this frequency change. Since hydrogen gas explodes in the atmosphere at a concentration of about 4%, it is necessary to detect it at the lowest possible concentration, and at least 0.1 to 1%. It is desirable that detection is possible at a concentration of about 100 ppm if possible.
特許文献1記載のような水素センサにおいて、水素の検出感度を向上させるためには、単位面積当たりの水素吸着量を増加させる必要があり、このためにはパラジウム膜の膜厚を大きくする必要がある。しかしパラジウム膜の膜厚を大きくすると、高価なパラジウムの量が増えることからコストが増加する。また、膜内に水素が浸透するまでに必要な時間が長くなるので、水素濃度変化に対する応答性が悪くなる。 In the hydrogen sensor as described in Patent Document 1, in order to improve the hydrogen detection sensitivity, it is necessary to increase the amount of hydrogen adsorption per unit area. For this purpose, it is necessary to increase the thickness of the palladium film. is there. However, when the film thickness of the palladium film is increased, the amount of expensive palladium increases and the cost increases. In addition, since the time required for hydrogen to penetrate into the membrane becomes longer, the responsiveness to changes in hydrogen concentration becomes worse.
このため、本出願人は、特許文献2において、振動子上の吸着膜への水素吸着による振動状態変化を利用して水素濃度を測定する水素センサにおいて、駆動手段と検出手段とを分離し、駆動手段によってセンサに基本振動を励起し、検出手段によって水素吸着による振動状態の変化を検出することを開示した。このように駆動手段と検出手段とを分離することによって、振動状態を反映する所望の振動を精度よく検出しやすくなり、駆動手段と検出手段とをそれぞれ最も効果的な部位に設けることが可能となる。この結果、センサにおける水素濃度の検出感度を向上させることが可能となった。
しかし、このような振動子を実際に製造していく過程で、新たな問題点が生じてくることが判明した。即ち、水素センサを製造するためにはパラジウム膜を振動子表面に成膜する必要がある。パラジウム膜は電極膜としても機能する。しかし、パラジウムは高価であるので、振動子上の電極膜の全体をパラジウムによって形成することは高コストとなり、現実的ではない。従って、振動子を駆動するための電極膜は主として金等の貴金属によって形成する。 However, it has been found that new problems arise in the process of actually manufacturing such a vibrator. That is, in order to manufacture a hydrogen sensor, it is necessary to form a palladium film on the surface of the vibrator. The palladium film also functions as an electrode film. However, since palladium is expensive, it is expensive to form the entire electrode film on the vibrator with palladium, which is not practical. Accordingly, the electrode film for driving the vibrator is mainly formed of a noble metal such as gold.
しかし、振動子は水晶等の圧電性単結晶からなることが好ましい。ここで水晶などの圧電性単結晶と金膜等の金属膜とは密着性が悪いので、金属膜と水晶振動子との間にはクロム膜等の下地膜を形成している。このように振動子表面に下地膜と電極膜とを形成した後、電極膜上にパラジウム膜やパラジウム合金膜を形成することを試みたところ、パラジウム膜やパラジウム合金膜の電極膜に対する密着性が悪く、剥離しやすいことが判明した。これを防止するためには、パラジウム膜やパラジウム合金膜と電極膜との間に更にクロム膜等の下地膜を設けることも検討したが、パラジウム膜等の電極膜に対する密着性を改善することかできず、剥離を防止できないことが判明した。 However, the vibrator is preferably made of a piezoelectric single crystal such as quartz. Here, since a piezoelectric single crystal such as quartz and a metal film such as a gold film have poor adhesion, a base film such as a chromium film is formed between the metal film and the crystal resonator. Thus, after forming the base film and the electrode film on the surface of the vibrator, an attempt was made to form a palladium film or a palladium alloy film on the electrode film. It turned out to be bad and easy to peel off. In order to prevent this, it was also considered to provide a base film such as a chromium film between the palladium film or palladium alloy film and the electrode film, but could it improve the adhesion to the electrode film such as a palladium film? It was not possible to prevent peeling.
本発明の課題は、電圧印加によって駆動可能な基板、電極膜、およびパラジウムまたはパラジウム合金からなる機能膜を備えている駆動素子において、機能膜の電極膜からの剥離を防止し、駆動素子の歩留りを向上させることである。 An object of the present invention is to prevent a peeling of a functional film from an electrode film in a driving element including a substrate that can be driven by voltage application, an electrode film, and a functional film made of palladium or a palladium alloy. It is to improve.
本発明に係る駆動素子は、
電圧印加によって駆動可能な基板、
基板に対して電圧を印加するために基板上に形成され、金、銀、鉛または白金からなる電極膜、
基板上に電極膜と重ならないように形成されたパラジウムまたはパラジウム合金からなる機能膜、
電極膜と基板との間に設けられており、クロム膜、チタン膜またはクロム膜とチタン膜との積層膜からなる電極膜側下地膜、および
機能膜と基板との間に設けられており、チタン膜、クロム膜またはチタン膜とクロム膜との積層膜からなる機能膜側下地膜
を備えていることを特徴とする。
The drive element according to the present invention is:
A substrate that can be driven by applying voltage,
An electrode film formed on the substrate to apply a voltage to the substrate and made of gold, silver, lead or platinum ;
Functional film made of palladium or palladium alloy formed so as not to overlap the electrode film on the substrate,
An electrode film-side base film that is provided between the electrode film and the substrate and is made of a chromium film, a titanium film, or a laminated film of a chromium film and a titanium film; and
A functional film-side base film that is provided between the functional film and the substrate and includes a titanium film, a chromium film, or a laminated film of a titanium film and a chromium film is provided.
本発明によれば、パラジウムまたはパラジウム合金からなる機能膜を、電極膜上に形成するのではなく、基板上に平面的に見て電極膜と重ならないように形成した。言い換えると、基板表面上へと電極膜および機能膜を投射したときに、両方の投射像が重ならないようにした。あるいは、電極膜上に直接あるいは下地膜等の他の膜を介して機能膜が積層されないようにした。この結果、パラジウム膜またはパラジウム合金膜の電極膜からの剥離を防止することができ、駆動素子の歩留りが向上する。 According to the present invention, the functional film made of palladium or a palladium alloy is not formed on the electrode film, but is formed on the substrate so as not to overlap the electrode film when viewed in plan. In other words, when the electrode film and the functional film are projected onto the substrate surface, both projection images are prevented from overlapping. Alternatively, the functional film is prevented from being laminated directly on the electrode film or through another film such as a base film. As a result, peeling of the palladium film or the palladium alloy film from the electrode film can be prevented, and the yield of the drive element is improved.
本発明の駆動素子の用途は特に限定されない。駆動素子は、振動子として機能させることができる。振動子とは、基板が種々の振動モードで振動することを意味する。また、他の実施形態においては、駆動素子が圧電アクチュエータとして機能する。この場合には、駆動素子は振動する必要はなく、所定信号に応じて一方向に動作する場合も含む。このような動作としては、開閉動作を例示できる。 The use of the drive element of the present invention is not particularly limited. The drive element can function as a vibrator. The vibrator means that the substrate vibrates in various vibration modes. In other embodiments, the drive element functions as a piezoelectric actuator. In this case, the drive element does not need to vibrate, and includes a case of operating in one direction in response to a predetermined signal. An example of such an operation is an opening / closing operation.
基板の材質は特に限定するものではない。一例では圧電単結晶や圧電セラミックスを利用できる。圧電単結晶としては、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体(Li(Nb,Ta)O3)単結晶、ホウ酸リチウム単結晶、ランガサイト単結晶を例示できる。水晶は量産技術が確立されており、水素センサの製造コストを低減できる。ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体は、キュリー点が高いので、高温まで使用可能である。圧電セラミックスとしては、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸鉛やそれに添加物を加えたいわゆるPZT系の圧電セラミックスや、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、ビスマス層状化合物などを例示できる。 The material of the substrate is not particularly limited. In one example, a piezoelectric single crystal or a piezoelectric ceramic can be used. Examples of the piezoelectric single crystal include quartz crystal, lithium niobate, lithium tantalate, lithium niobate-lithium tantalate solid solution (Li (Nb, Ta) O 3 ) single crystal, lithium borate single crystal, and langasite single crystal. . Quartz production technology has been established, which can reduce the manufacturing cost of hydrogen sensors. Lithium niobate, lithium tantalate, and lithium niobate-lithium tantalate solid solutions have a high Curie point and can be used up to high temperatures. Examples of piezoelectric ceramics include lead zirconate titanate, lead titanate and so-called PZT-based piezoelectric ceramics with additives added thereto, barium titanate, strontium titanate, bismuth layered compounds, and the like.
また、AlNからなる基板を利用できる。AlNは、還元性雰囲気中では1000℃程度まで動作可能である。更に、シリコンのマイクロマシニングによって形成した基板も利用できる。また、ランガサイトからなる基板を利用できる。例えばランガサイト振動子は、融点が1470℃と高く、1000℃程度まで動作可能である。 Further, a substrate made of AlN can be used. AlN can operate up to about 1000 ° C. in a reducing atmosphere. Furthermore, a substrate formed by silicon micromachining can also be used. In addition, a substrate made of Langasite can be used. For example, the Langasite vibrator has a high melting point of 1470 ° C. and can operate up to about 1000 ° C.
電極膜の材質は金膜、銀膜、鉛膜、白金膜である。電極膜と基板との間には下地膜を設ける。このような下地膜は、クロム膜、チタン層、クロム膜とチタン膜との積層膜である。また、高温で動作させる場合には、電極表面は白金で覆われていることが好ましい。
The material of the electrode film is a gold film, a silver film, a lead film, or a platinum film. A base film is provided between the electrode film and the substrate. Such undercoating film, a chromium film, a titanium layer, Ru multilayer film der the chromium film and a titanium film. When operating at a high temperature, the electrode surface is preferably covered with platinum.
また、機能膜を構成するパラジウム中には不純物が含有されていてもよい。機能膜を構成するパラジウム合金を構成する金属としては、銀、白金、金、ルテニウム、鉄、モリブデン、コバルト、錫、銅、ニッケル、イットリウム、ロジウム、亜鉛、バナジウムを例示できる。 Impurities may be contained in palladium constituting the functional film. Examples of the metal constituting the palladium alloy constituting the functional film include silver, platinum, gold, ruthenium, iron, molybdenum, cobalt, tin, copper, nickel, yttrium, rhodium, zinc, and vanadium.
機能膜の厚さは特に限定されないが、水素センサの検出感度を一層向上させるという観点からは、90オングストローム以上であることが好ましく、500オングストローム以上であることが更に好ましい。吸着膜が厚くなり過ぎると、水素濃度変化に対するセンサの応答性が低下する傾向があるので、応答性の観点からは、吸着膜の厚さは5ミクロン以下であることが好ましく、1ミクロン以下であることが更に好ましい。 The thickness of the functional film is not particularly limited, but is preferably 90 angstroms or more, and more preferably 500 angstroms or more from the viewpoint of further improving the detection sensitivity of the hydrogen sensor. If the adsorption film becomes too thick, the responsiveness of the sensor to changes in hydrogen concentration tends to decrease. From the viewpoint of responsiveness, the thickness of the adsorption film is preferably 5 microns or less, preferably 1 micron or less. More preferably it is.
機能膜と基板との間に下地膜を設ける。こうした下地膜としては、チタン膜、クロム膜、チタン膜とクロム膜との積層膜である。 A base film is provided between the functional film and the substrate. Such a base film is a titanium film, a chromium film, or a laminated film of a titanium film and a chromium film.
電極膜、下地膜、機能膜の形成方法は特に限定されず、物理堆積法(PVD法)や化学堆積法(CVD法)が薄膜の成膜に用いられており、PVD法では真空蒸着法やスパッタリング法が例示できる。 The formation method of the electrode film, the base film, and the functional film is not particularly limited, and a physical deposition method (PVD method) or a chemical deposition method (CVD method) is used for forming a thin film. A sputtering method can be exemplified.
一実施形態においては、前記電極膜と機能膜とが平面的に見て離間されている。この場合には、電極膜と機能膜との間に検出電極を形成することもできる。また、前記機能膜をも電極として利用することができる。この実施形態では、機能膜と電極膜とが離間されているので、両者の成膜が比較的容易である。 In one embodiment, the electrode film and the functional film are separated from each other in plan view. In this case, a detection electrode can be formed between the electrode film and the functional film. The functional film can also be used as an electrode. In this embodiment, since the functional film and the electrode film are separated from each other, the film formation of both is relatively easy.
一実施形態においては、電極膜と機能膜とを平面的に見て連続的に形成する。この場合には、機能膜も前記電極膜と共に電極として機能する。この実施形態では、機能膜の面積を減らし、これによって機能膜を構成する高価なパラジウムやパラジウム合金の量を減らすことができる。 In one embodiment, the electrode film and the functional film are continuously formed in a plan view. In this case, the functional film also functions as an electrode together with the electrode film. In this embodiment, the area of the functional film can be reduced, thereby reducing the amount of expensive palladium or palladium alloy constituting the functional film.
機能膜の機能は特に限定されない。好適な実施形態においては、機能膜が水素吸着膜として機能する。また、機能膜は触媒として機能させることもできる。 The function of the functional film is not particularly limited. In a preferred embodiment, the functional film functions as a hydrogen adsorption film. The functional membrane can also function as a catalyst.
水素センサの実施形態においては、基板の振動に伴う物理量を検出する検出手段を備えており、物理量の検出値に基づいて水素濃度を測定する。検出手段から得られる物理量の種類は限定されないが、感度の点から振動変位が特に好ましい。他の物理量としては電気抵抗、応力、加速度を例示できる。 In the embodiment of the hydrogen sensor, a detection means for detecting a physical quantity accompanying the vibration of the substrate is provided, and the hydrogen concentration is measured based on the detected value of the physical quantity. The type of physical quantity obtained from the detection means is not limited, but vibration displacement is particularly preferable from the viewpoint of sensitivity. Examples of other physical quantities include electrical resistance, stress, and acceleration.
振動変位の検出手段は、前述したような検出電極が好ましいが、これには限定されない。例えば、レーザ変位計で振動子の中心軸およびその付近の変位を計測することができる。 The vibration displacement detection means is preferably the detection electrode as described above, but is not limited thereto. For example, the displacement of the central axis of the vibrator and the vicinity thereof can be measured with a laser displacement meter.
パラジウムの水素吸収量は環境温度に応じて変動する。このような水素吸収量の変化は、水素ガスの漏れ検出用途においてはほとんど影響を与えないが、水素濃度の絶対値を知る必要のある用途や、水素濃度の測定値を使用して制御を行う用途においては、測定誤差の原因となる。従って、このような場合には、以下の方法によって温度変化による吸着量の変化を補正することができる。 The hydrogen absorption amount of palladium varies depending on the environmental temperature. Such a change in the amount of absorbed hydrogen has little effect in applications for detecting leakage of hydrogen gas, but it is necessary to control the application where it is necessary to know the absolute value of the hydrogen concentration or the measured value of the hydrogen concentration. In use, it causes measurement errors. Therefore, in such a case, the change in the adsorption amount due to the temperature change can be corrected by the following method.
(1) 水素センサにヒーターを付加することによって、振動子の温度を一定に保持する。
(2) 温度センサを振動子上あるいは振動子の周辺に設置し、温度を測定する。温度と物理量の検出値との関係を示す検量線を制御装置に格納しておく。温度センサからの測定値と検量線とを照合することにより、物理量の検出値に補正を加える。
(3) 振動子の共振周波数は温度変化に応じて変化する。従って、振動子の共振周波数と物理量の検出値との関係を示す検量線を制御装置に格納しておく。振動子から得られた共振周波数の測定値と検量線とを照合することにより、物理量の検出値に補正を加える。この方法によれば、振動子の温度を直接知ることができるので、温度センサの温度と振動子の温度との間の誤差が生じにくく、一層正確な温度補正が可能である。
(1) The temperature of the vibrator is kept constant by adding a heater to the hydrogen sensor.
(2) Install a temperature sensor on or around the vibrator and measure the temperature. A calibration curve indicating the relationship between the temperature and the detected value of the physical quantity is stored in the control device. The physical value detected value is corrected by collating the measured value from the temperature sensor with the calibration curve.
(3) The resonance frequency of the vibrator changes according to the temperature change. Therefore, a calibration curve indicating the relationship between the resonance frequency of the vibrator and the detected value of the physical quantity is stored in the control device. The detected value of the physical quantity is corrected by collating the measured value of the resonance frequency obtained from the vibrator with the calibration curve. According to this method, since the temperature of the vibrator can be directly known, an error between the temperature of the temperature sensor and the temperature of the vibrator hardly occurs, and more accurate temperature correction is possible.
好ましくは、非測定時における検出手段からの物理量の検出値と、測定時における検出手段からの物理量の検出値との差に基づいて水素濃度を測定する。特に振動変位を測定することによって、水素の測定量の制度を著しく向上させることができる。 Preferably, the hydrogen concentration is measured based on the difference between the detected value of the physical quantity from the detecting means at the time of non-measurement and the detected value of the physical quantity from the detecting means at the time of measurement. In particular, by measuring vibration displacement, the measurement system of hydrogen can be remarkably improved.
また、好適な実施形態においては、基本振動において、振動変位が振動子の中心軸に対して略対称である。また、好適な実施形態においては、非測定時において、検出手段からの検出値が略0となるようにする。この場合には、略0からの変位を検出するので、一層測定感度が向上する上、環境変化の影響を低減できる。 In a preferred embodiment, in the fundamental vibration, the vibration displacement is substantially symmetric with respect to the central axis of the vibrator. In a preferred embodiment, the detection value from the detection means is set to approximately 0 when not measuring. In this case, since the displacement from about 0 is detected, the measurement sensitivity is further improved and the influence of the environmental change can be reduced.
好適な実施形態においては、基本振動が、振動子の厚さ方向のねじれ振動モードである。厚みねじれ振動子を利用することにより、原理的に、1ppm相当の水素濃度で水素検出を実現可能である。 In a preferred embodiment, the fundamental vibration is a torsional vibration mode in the thickness direction of the vibrator. By using a thickness torsional vibrator, hydrogen detection can be realized in principle at a hydrogen concentration equivalent to 1 ppm.
図1〜図6は、厚みねじれ振動モードを利用した水素センサに係るものである。図1は、センサ1を模式的に示す平面図であり、図2は、センサ1を模式的に示す斜視図であり、図3(a)、図4は、センサ1の横断面図正面図である。図3(b)は本発明外のセンサの横断面図である。図5(a)は、厚みねじれ振動モードを説明するための平面図であり、図5(b)は、厚みねじれ振動モードを説明するための斜視図であり、図6は回路例を示す。 1 to 6 relate to a hydrogen sensor using a thickness torsional vibration mode. 1 is a plan view schematically showing the sensor 1, FIG. 2 is a perspective view schematically showing the sensor 1, and FIGS. 3A and 4 are front sectional views of the sensor 1. It is. FIG. 3B is a cross-sectional view of a sensor outside the present invention. FIG. 5A is a plan view for explaining the thickness torsional vibration mode, FIG. 5B is a perspective view for explaining the thickness torsional vibration mode, and FIG. 6 shows a circuit example.
図1、図2に示すように、センサ1の振動子2は例えば角板形状をしている。振動子2の表面2a上には、駆動電極3A、3B、検出電極4が形成されており、表面2b上には、駆動電極3A、3Bおよび検出電極4が形成されている。また、振動子2上には水素吸着膜5が設けられている。膜5は駆動電極膜3Aによって包囲されている。15はリードであり、16はリード端子である。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
更に具体的には、図3(a)、図4に示すように、各駆動電極3A、3B、4は、下地膜13上に形成されている。また、水素吸着膜5も下地膜33上に形成されている。下地膜13と33とは平面的に見て連続的に形成されている。水素吸着膜5は駆動電極膜3Aによって包囲されており、吸着膜5と電極膜3Aとは連続的に形成されている。
More specifically, as shown in FIGS. 3A and 4, the
駆動回路部14(図6参照)の駆動電源8を使用し、駆動電極3Aの間、駆動電極3Bの間にそれぞれ逆相の交流電圧を印加することによって、図5(a)、図5(b)に示す矢印A、Bのように、厚みすべり振動を生じさせる。D1、D2は交流電圧印加端子であり、D1G、D2Gは接地端子である。駆動振動A、Bは、振動子の中心軸Dに対して略線対称である。
By using the
一対の検出電極4の間で振動子2に変位が生ずると、端子Pと接地端子PGとの間で電圧が生ずる。この電圧差を信号処理部6の検出増幅器9で検出し、駆動振動によって位相検波回路10で位相検波する。そして、駆動振動と同相の振動をローパスフィルター11に通し、出力する。
When the
ここで、中心の検出電極4における検出信号は、非測定時においては略ゼロとなるようにする。これは、駆動振動の変位A、Bが、振動子2の中心軸Dに対して略線対称となっているために、検出電極4の間の領域における振動子の振動変位はほぼゼロとなるからである。
Here, the detection signal at the
測定時に吸着膜5に水素が付着すると、吸着膜5の質量が増加し、振動子2の中心軸Dの左右における各質量のバランスが崩れる。この結果、中心軸Dに対する駆動振動A、Bの線対称性が崩れ、一対の検出電極4の間に、駆動振動と同相の信号電圧が発生する。この信号電圧に基づいて質量を算出する。
If hydrogen adheres to the
ここで、特許文献2記載のセンサでは、例えば図3(b)に示すセンサ16のように、下地膜13上に駆動電極膜3Aを形成し、その上に下地膜14を介して水素吸着膜5を形成していた。しかし、この方法では、水素吸着膜5と駆動電極膜3Aとの密着性が低く、吸着膜5が剥離しやすく、歩留りが低くなることが判明した。本発明によれば、例えば図3(a)に示すように、基板2上に直接あるいは下地膜13、33を介して、駆動電極膜3Aおよび吸着膜5を設けており、この際、吸着膜5が平面的に見て電極膜3Aと重ならないようにしている。本例では、特に電極膜3Aと吸着膜5とがほぼ連続的に形成されている。このような駆動素子では、吸着膜5の基板2への密着性は高く、剥離は生じにくく、従って駆動素子の歩留りを向上させることができる。
Here, in the sensor described in
図7、図8の例においては、駆動電極膜と吸着膜とが離間されており、両者の間に検出電極膜が設けられている。即ち、センサ21の振動子2は例えば角板形状をしている。振動子2の表面2a上には、駆動電極17、検出電極4、吸着膜18が形成されており、表面2b上には、駆動電極17および検出電極4が形成されている。15はリードであり、16はリード端子である。更に具体的には、図8に示すように、各駆動電極17、検出電極4、吸着膜18は、それぞれ下地膜13、33上に形成されている。
7 and 8, the drive electrode film and the adsorption film are separated from each other, and the detection electrode film is provided between them. That is, the
図1〜図6のセンサと同様にして振動子2に駆動振動を励振する。この際、パラジウムまたはパラジウム合金からなる吸着膜18と、これ以外の金属からなる駆動電極膜17とに、それぞれ逆相の交流電圧を印加することによって、図5(a)、図5(b)に示す矢印A、Bのように、厚みすべり振動を生じさせる。
Driving vibration is excited in the
一対の検出電極4の間で振動子2に変位が生ずると、端子Pと接地端子PGとの間で電圧が生ずる。この電圧差を信号処理部6の検出増幅器9で検出し、駆動振動によって位相検波回路10で位相検波する。そして、駆動振動と同相の振動をローパスフィルター11に通し、出力する。
When the
(実施例1)
(吸着膜の成膜工程)
図1〜図6に示す水素センサ1を製造した。具体的には、図9〜図11に示すプロセスに従った。即ち、図9(a)に示すように、縦2インチ、横2インチ、厚さ0.16mmの水晶基板2を希フッ酸にてエッチング洗浄した後、スピンドライヤーにて乾燥し、水晶基板2の両方の表面2a、2bを清浄化した。スパッタ装置を用いて水晶基板2に厚さ0.02μmのCrを下地層33として成膜し、その上に厚さ0.1μmのPd膜5を成膜した。
Example 1
(Adsorption film deposition process)
A hydrogen sensor 1 shown in FIGS. 1 to 6 was manufactured. Specifically, the process shown in FIGS. 9 to 11 was followed. That is, as shown in FIG. 9A, the
このPd膜5の成膜面上にフォトレジストを塗布し、図9(b)に示すように、厚さ1μmのレジスト膜24を形成した。レジストの溶剤成分を除去するため、オーブンを用いてプリベークした。
Photoresist was applied on the surface of the
次いで、Pd成膜パターンを描画したフォトマスクを用い、露光装置によりレジスト膜表面に、前記フォトマスクパターンをフォトリソグラフィによって転写し、図9(c)に示すようなレジストパターン24Aを形成し、未露光部分24を除去した(図9(d))。次いで、このレジストパターン24Aをマスクとして、硝酸と塩酸の混合液にて、水晶基板2上に成膜したPd膜5をエッチング除去し、硝酸第二セリウムアンモニウムにてCr膜33をエッチング除去し、図10(a)に示すように、Pd膜5およびCr膜33からなるエッチングマスクパターンを形成した。残留したフォトレジストをアセトンによって溶解除去し、Pd膜5を成形した(図10(b))。
Next, using a photomask on which a Pd film formation pattern is drawn, the photomask pattern is transferred onto the resist film surface by an exposure apparatus by photolithography to form a resist
(金膜の成膜工程)
水晶基板2の各表面2a、2bに再びフォトレジストをスピンコーターによって塗布して厚さ1μmのレジスト膜25、25Bを形成した(図10(c))。レジストの溶剤成分を除去するため、オーブンを用いてプリベークした。
(Gold film deposition process)
Photoresist was again applied to each
各表面の高精度アライメントが可能な露光装置と、電極エッチング加工パターンのみを描画したフォトマスクを用い、水晶基板2の表裏両面に前記フォトマスクパターンをフォトリソグラフィによって転写し、レジストパターン25Aを形成した(図10(d))。25は未露光部分である。この未露光部分25を除去した(図11(a))。
Using an exposure apparatus capable of high-precision alignment of each surface and a photomask on which only an electrode etching pattern was drawn, the photomask pattern was transferred onto both the front and back surfaces of the
各表面に蒸着装置を用いて、水晶基板2に厚さ0.02μmのCr膜を下地層13として成膜し、その上に厚さ0.1μmの電極用Au膜3を成膜した(図11(b))。残留したフォトレジスト25A、25Bをアセトンによって溶解除去し、Au電極膜3A、3B、4を成形した(図11(c))。
Using a vapor deposition device on each surface, a Cr film having a thickness of 0.02 μm was formed as a
こうして得られた基板を用いて、図1〜図6に示すセンサを構成し、水素吸着実験を行った。この結果、濃度0.01%の水素を検出可能であった。 A sensor shown in FIGS. 1 to 6 was constructed using the substrate thus obtained, and a hydrogen adsorption experiment was performed. As a result, hydrogen having a concentration of 0.01% could be detected.
(実施例2)
図1〜図6に示すようなセンサを作製した。ただし、吸着膜5の成膜までは実施例1と同じである(図9(a)から図10(b)までの工程)。ただし、次の駆動、検出電極膜の成膜工程は実施例1と異なる。
(Example 2)
Sensors as shown in FIGS. 1 to 6 were produced. However, the process up to the formation of the
即ち、水晶基板2の各表面2a、2bにスパッタ装置を用いて、厚さ0.02μmのCrを下地層13として成膜し、その上に厚さ0.1μmの電極用Au膜3を成膜した(図12(a))。このAu膜3の成膜面上にフォトレジストを塗布し、厚さ1μmのレジスト膜24、24Bを形成した(図12(b))。レジストの溶剤成分を除去するため、オーブンを用いてプリベークした。
That is, using a sputtering apparatus on each
各表面の高精度アライメントが可能な露光装置と、電極エッチング加工パターンのみを描画したフォトマスクを用い、水晶基板2の表裏両面に前記フォトマスクパターンをフォトリソグラフィによって転写し、レジストパターン24Aを形成した(図12(c))。24は未露光部分である。この未露光部分を除去した(図13(a))
Using an exposure apparatus capable of high-precision alignment of each surface and a photomask on which only an electrode etching pattern was drawn, the photomask pattern was transferred onto both the front and back surfaces of the
このレジストパターン24Aをマスクとして、ヨウ素とヨウ化カリウムの混合液にて、水晶基板上に成膜したAuとCrの多層膜13、3をエッチング除去して、エッチングマスクパターンを形成した(図13(b))。残留したフォトレジスト24Aをアセトンによって溶解し、除去し、Au電極膜3A、3B、4を成形した(図13(c))。
Using this resist
こうして得られた基板を用いて、図1〜図6に示すセンサを構成し、水素吸着実験を行った。この結果、濃度0.01%の水素を検出可能であった。 A sensor shown in FIGS. 1 to 6 was constructed using the substrate thus obtained, and a hydrogen adsorption experiment was performed. As a result, hydrogen having a concentration of 0.01% could be detected.
1、21 センサ 2 基板 3A、3B、17 パラジウムおよびパラジウム合金以外の金属からなる駆動電極 4 検出電極 5、18 パラジウムおよびパラジウム合金からなる吸着膜 13、33 下地膜 A、B 厚み滑り振動 D 中心軸 E 基本振動
1, 21
Claims (11)
この基板に対して電圧を印加するために前記基板上に形成され、金、銀、鉛または白金からなる電極膜、
前記基板上に前記電極膜と重ならないように形成されたパラジウムまたはパラジウム合金からなる機能膜、
前記電極膜と前記基板との間に設けられており、クロム膜、チタン膜またはクロム膜とチタン膜との積層膜からなる電極膜側下地膜、および
前記機能膜と前記基板との間に設けられており、チタン膜、クロム膜またはチタン膜とクロム膜との積層膜からなる機能膜側下地膜
を備えていることを特徴とする、駆動素子。 A substrate that can be driven by applying voltage,
An electrode film formed on the substrate for applying a voltage to the substrate, and made of gold, silver, lead or platinum ,
A functional film made of palladium or a palladium alloy formed so as not to overlap the electrode film on the substrate;
An electrode film-side base film that is provided between the electrode film and the substrate and includes a chromium film, a titanium film, or a laminated film of a chromium film and a titanium film; and
A functional film-side base film which is provided between the functional film and the substrate and is formed of a titanium film, a chromium film, or a laminated film of a titanium film and a chromium film. Driving element.
It said vibration, characterized in that it is a thickness torsional vibration mode of the vibrator, the driving device according to any one of claims 7-10.
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