JP5011834B2 - Piezoelectric membrane sensor - Google Patents
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Description
本発明は、下部電極膜、圧電膜、上部電極膜を積層してなるメンブレンを有する圧電型メンブレンセンサに関する。 The present invention relates to a piezoelectric membrane sensor having a membrane formed by laminating a lower electrode film, a piezoelectric film, and an upper electrode film.
従来より、この種の圧電型メンブレンセンサにおけるメンブレンは、一般に、薄膜状の薄膜構造体の上に下部電極膜、圧電体よりなる圧電膜、上部電極膜を積層してなるもので、これら薄膜構造体を含む薄膜状の積層体がメンブレンとして構成される。 Conventionally, a membrane in this type of piezoelectric membrane sensor is generally formed by laminating a lower electrode film, a piezoelectric film made of a piezoelectric material, and an upper electrode film on a thin film structure. A thin film-like laminate including a body is configured as a membrane.
そして、このメンブレンに対して圧力や超音波などが印加されたときに、当該メンブレンに生じる撓みに伴う圧電膜の圧電現象による電気的な変化、例えば圧電膜の電圧の変化が、上下の電極膜にて検出されることにより、印加圧力や印加超音波が測定されるようになっている(たとえば、特許文献1参照)。
ここで、本発明者は、従来技術に基づいて圧電型メンブレンセンサを試作し、検討を行った。図5は、本発明者の試作した試作品としての圧電型メンブレンセンサの概略断面構成を示す図である。この圧電型メンブレンセンサは、圧力センサとして適用されるものである。 Here, the inventor made a prototype of a piezoelectric membrane sensor based on the prior art and examined it. FIG. 5 is a diagram showing a schematic cross-sectional configuration of a piezoelectric membrane sensor as a prototype manufactured by the present inventor. This piezoelectric membrane sensor is applied as a pressure sensor.
このものにおいては、半導体基板10の裏面にエッチングなどにより凹部14を形成し、この凹部14に対応する表面側を薄膜構造体15として構成している。そして、この薄膜構造体15の上に下部電極膜20、圧電膜30、上部電極膜40を順次積層してなるメンブレン50が、構成されている。つまり、メンブレン50は、凹部14上の積層構造部に相当する。
In this structure, a
ここにおいて、メンブレン50の表側に正圧Pが付与された場合を想定すると、メンブレン50は図5のように撓む。メンブレン50の中央付近では下に凸な形状となり、圧電膜30に生じる曲げ応力は圧縮応力であり、メンブレン50の周辺部付近では上に凸な形状となり、圧電膜30に生じる応力は引っ張り応力である。
Here, assuming that a positive pressure P is applied to the front side of the
したがって、このメンブレン50の撓み時に圧電膜30に生じる応力と同様に、圧電d31定数に起因する発生電荷は、メンブレン50の中央とメンブレン50の周辺部付近で互いに逆極性になる。
Therefore, similarly to the stress generated in the
下部電極膜20、上部電極膜40が全面に配されている従来の一般的な構造では、この逆極性の電荷が打ち消し合うことになり、センサ出力に寄与する出力電荷量は小さくなり、結果としてセンサ感度の低下を招く。
In the conventional general structure in which the
この問題に対して、上記特許文献1では、圧電膜を挟む上下の電極膜のうち一方の電極を複数の領域に分割し、従来同一電極内で互いに打ち消し合っていた逆極性の電荷を、極性を逆にして電荷量を増やすように取り出す方法を採用している。 With respect to this problem, in Patent Document 1 described above, one of the upper and lower electrode films sandwiching the piezoelectric film is divided into a plurality of regions, and charges having opposite polarities that have been canceled with each other in the same electrode are converted into polarities. The method of taking out so as to increase the charge amount by reversing the above is adopted.
しかしながら、この方法では、1)取り出した極性の異なる電荷を積算するための信号処理回路が必要となり煩雑となること、2)電極の分割パターンが同心円ないしはそれに類するものとなった時、内側の電極からの電荷取り出しに対して、手段を講じる必要があること、などの問題がある。 However, in this method, 1) a signal processing circuit for integrating the extracted charges having different polarities is required, and it becomes complicated. 2) When the divided pattern of the electrodes becomes concentric or similar, the inner electrode There is a problem that it is necessary to take measures against the charge extraction from the battery.
たとえば、上記2)の問題では、多層配線を用いて内側の電極から配線を引き出す、あるいは外側の電極の一部を切り欠いて、内側電極からの配線を引き出す等の方策が考えられるが、いずれも配線引き出しに伴うパターンの非対称性のためにメンブレンの変形が歪むこと、また多層配線を用いる場合には工程が複雑になるというデメリットがある。 For example, in the above problem 2), measures such as drawing out wiring from the inner electrode using multilayer wiring, or drawing out wiring from the inner electrode by cutting out a part of the outer electrode can be considered. However, there is a demerit that the deformation of the membrane is distorted due to the asymmetry of the pattern accompanying the drawing of the wiring, and that the process becomes complicated when a multilayer wiring is used.
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、下部電極膜、圧電膜、上部電極膜を積層してなるメンブレンを有する圧電型メンブレンセンサにおいて、上下の電極膜を分割することなく、出力電荷量を大きくできるようにすることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and in a piezoelectric membrane sensor having a membrane formed by laminating a lower electrode film, a piezoelectric film, and an upper electrode film, the output is performed without dividing the upper and lower electrode films. The purpose is to increase the amount of charge.
本発明者は、上記目的を達成するために、上記図5に示されるように、メンブレン50の撓みにおいては、中立軸J(図5中の太い破線)という応力ゼロの境界線が存在することに着目した。この中立軸Jは、メンブレン50において必ず存在する仮想軸であり、力学的な数値計算により一般的に求められるものである。
In order to achieve the above object, the present inventor has a stress-free boundary line of neutral axis J (thick broken line in FIG. 5) in the bending of the
具体的には、中立軸Jは、これを境として中立軸Jよりも曲げ部の内側では圧縮、外側では引っ張りの曲げ応力が生じる。従来の一般的な構成では、上記図5に示されるように、中立軸Jは、メンブレン50の全面において圧電膜30の下側に位置している。そのため、上記図5のように、圧電膜30に発生する応力の極性が中央部と周辺部とでは異なり、結果的に、圧電膜30に発生する電荷の極性も同様に、部分的に異なる。
Specifically, the neutral axis J generates a bending stress that is compressive on the inside of the bending portion and tensile on the outside than the neutral axis J. In the conventional general configuration, as shown in FIG. 5, the neutral axis J is located below the
そこで、本発明者は、メンブレン50の変形時すなわち撓み時に圧電膜30に生じる応力がメンブレン50の全面領域に渡って同極性となるようにするため、メンブレン50のうちある部分では、中立軸Jを圧電膜30の上側に位置させ、他の部分では中立軸Jを圧電膜30の下側に位置させるというように、中立軸Jの位置を部分的に変えてやればよいと考えた。
Therefore, the present inventor makes a neutral axis J in a certain part of the
本発明は、このような知見に鑑みて創出されたものであり、請求項1に記載の発明では、基板(10)上に、下部電極膜(20)、圧電体よりなる圧電膜(30)、上部電極膜(40)が順次積層された積層構造を有する薄膜状のメンブレン(50)を備え、メンブレン(50)の外周端部が基板(10)に固定されることによりメンブレン(50)に撓みが生じたときにメンブレン(50)の中央部と周辺部とで生じる応力の極性が逆になるものとされており、このメンブレン(50)に生じる撓みに伴う圧電膜(30)の圧電現象による電気的な変化を、上下の電極膜(20、40)にて検出するようにしており、メンブレン(50)の撓みにおける中立軸(J)が圧電膜(30)よりも下側に位置するものである圧電型メンブレンセンサにおいて、メンブレン(50)の撓みにおける中立軸(J)がメンブレン(50)内にて圧電膜(30)を跨いで圧電膜(30)よりも上側に位置する部位と下側に位置する部位とが形成されるように、メンブレン(50)の積層構造を部分的に異ならせることにより、メンブレン(50)の撓み時に圧電膜(30)に生じる応力がメンブレン(50)の全面領域に渡って同極性となるようにしており、メンブレン(50)の積層構造を部分的に異ならせることは、メンブレン(50)にて部分的に膜(60)を圧電膜(30)よりも上側である上部電極膜(40)側に配置して付加することにより行われており、さらに、付加する膜(60)は、メンブレン(50)の周辺部に設けられ、中央部には設けられていないことを特徴とする。 The present invention was created in view of such knowledge. In the invention according to claim 1, the lower electrode film (20) and the piezoelectric film (30) made of a piezoelectric body are formed on the substrate (10). And a thin film-like membrane (50) having a laminated structure in which the upper electrode film (40) is sequentially laminated. When the bending occurs, the polarity of the stress generated in the central portion and the peripheral portion of the membrane (50) is reversed, and the piezoelectric phenomenon of the piezoelectric film (30) accompanying the bending generated in the membrane (50). Is detected by the upper and lower electrode films (20, 40), and the neutral axis (J) in the bending of the membrane (50) is located below the piezoelectric film (30). Piezoelectric membrane sensor In which the neutral axis (J) in the bending of the membrane (50) straddles the piezoelectric film (30) in the membrane (50) and is located above and below the piezoelectric film (30). As a result, the stress generated in the piezoelectric film (30) when the membrane (50) is bent is the same over the entire area of the membrane (50). The polarity of the laminated structure of the membrane (50) is partially different from that of the upper electrode, which is partially above the piezoelectric film (30) by placing the membrane (60) partially on the membrane (50). It is performed by arranging and adding on the membrane (40) side, and the added membrane (60) is provided in the peripheral portion of the membrane (50) and not in the central portion. And
それによれば、メンブレン(50)内にて中立軸(J)が圧電膜(30)を跨いで異なる側に位置するようにメンブレン(50)の積層構造を部分的に異ならせて、圧電膜(30)に生じる応力を、メンブレン(50)の全面領域に渡って同極性としているので、圧電膜(30)に生じる電荷も、メンブレン(50)の全面に渡って同極性とすることができる。そのため、上下の電極膜を分割することなく、出力電荷量を大きくできる。 According to this, the laminated structure of the membrane (50) is partially different so that the neutral axis (J) is located on a different side across the piezoelectric film (30) in the membrane (50), and the piezoelectric film ( Since the stress generated in 30) has the same polarity over the entire area of the membrane (50), the charge generated in the piezoelectric film (30) can also have the same polarity over the entire surface of the membrane (50). Therefore, the output charge amount can be increased without dividing the upper and lower electrode films.
ここで、メンブレン(50)の積層構造を部分的に異ならせることは、メンブレン(50)にて部分的に膜(60)を付加することにより行え、また、付加する膜(60)を圧電膜(30)よりも上側である上部電極膜(40)側に配置するようにすれば、この種の圧電型メンブレンセンサにおいて、上記圧電膜(30)に生じる応力をメンブレン(50)の全面領域に渡って同極性としやすい。 Here, the laminated structure of the membrane (50) can be partially changed by adding a film (60) partially by the membrane (50), and the film (60) to be added can be a piezoelectric film. If it is arranged on the upper electrode film (40) side above (30), in this type of piezoelectric membrane sensor, the stress generated in the piezoelectric film (30) is applied to the entire area of the membrane (50). It is easy to have the same polarity across.
なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each means described in the claim and this column is an example which shows a corresponding relationship with the specific means as described in embodiment mentioned later.
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, parts that are the same or equivalent to each other are given the same reference numerals in the drawings in order to simplify the description.
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態に係る圧電型メンブレンセンサとしての圧力センサ100の構成を示す図であり、(a)はメンブレン50の厚さ方向に沿った概略断面構成を示す図、(b)は(a)の上面図であり、メンブレン50およびその周辺部の概略平面構成を示す図である。なお、図1(b)では、識別のため便宜上、付加膜60の表面にハッチングを施してある。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a
圧力センサ100は、半導体基板10を有している。ここでは、半導体基板10は、第1のシリコン層11と第2のシリコン層12との間に酸化膜13が挿入されてなるSOI(シリコンオンインシュレータ)基板である。
The
この半導体基板10においては、その裏面側にKOHやTMAH(テトラメチルアンモニウムヒドロキシド)などによるウェットエッチングやドライエッチングなどにより凹部14が形成されており、この凹部14に対応する表面側の部分、つまり凹部14の底部は、薄膜状の薄膜構造体15として構成されている。
In this
ここでは、半導体基板10において、凹部14は裏面側の第1のシリコン層11および酸化膜13を除去してなるものであり、図1(b)に示されるように、円形の穴形状を有するものである。そして、薄膜構造体15は、半導体基板10の表面側に位置する第2のシリコン層12により構成され、円形薄板状をなしている。
Here, in the
そして、この薄膜構造体15の表面(図1(a)中の上面)には、下部電極膜20、圧電膜30、上部電極膜40が順次積層されている。これら圧電膜30およびこれを挟む各電極膜20、40は、一般的な圧電型メンブレンセンサにおけるものと同様のものであり、通常の半導体プロセスにより形成できるものである。
A
たとえば、下部電極膜20は、ポリシリコンやアルミニウムなどよりなる膜であり、圧電膜30は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT:Pb(Zr,Ti)O3)や酸化亜鉛(ZnO)などの圧電体よりなる膜であり、上部電極膜40は、アルミニウムなどよりなる膜である。
For example, the
このように、図1(a)において凹部14上に形成された積層体、すなわち薄膜構造体15の上に下部電極膜20、圧電膜30、上部電極膜40を順次積層してなる積層膜が、メンブレン50として構成されている。ここでは、凹部14が円形の穴形状であり薄膜構造体15が円形の膜であるため、メンブレン50も円形の薄膜である。つまり、メンブレン50の平面形状は凹部14の穴形状にて決まる。
As described above, in FIG. 1A, a laminated body formed on the
さらに、本実施形態では、このような薄膜状のメンブレン50において、メンブレン50の撓みにおける中立軸J(後述の図2参照)がメンブレン50内にて圧電膜30を跨いで圧電膜30の上下の膜に位置するようにメンブレン50の積層構造を部分的に異ならせている。
Furthermore, in this embodiment, in such a thin film-
この中立軸Jの位置関係等については後述するが、本実施形態では、それにより、メンブレン50の撓み時に圧電膜30に生じる応力がメンブレン50の全面領域に渡って同極性となるようにメンブレン30を構成している。
Although the positional relationship of the neutral axis J will be described later, in the present embodiment, the
本実施形態では、メンブレン50の積層構造を部分的に異ならせることは、図1に示されるように、メンブレン50の全面領域のうち部分的に付加膜60を付加することにより行われている。
In the present embodiment, the laminated structure of the
ここでは、付加膜60は、メンブレン50の中央部に設けられ、メンブレン30の周辺部には設けられていない。また、付加膜60は、圧電膜30よりも上側に配置され、特に、図1に示される例では、上部電極膜40よりも上側に配置されている。
Here, the
この付加膜60としては、プラズマCVDで形成されたシリコン酸化膜やシリコン窒化膜、あるいはスパッタや蒸着などにより形成されたアルミまたはアルミ系合金などの金属膜、さらには、印刷などにより形成されたポリイミドなどの樹脂材料よりなる樹脂膜などを、採用できる。
As this
また、付加膜60としては、単層膜に限られるものではなく、これらシリコン酸化膜やシリコン窒化膜、金属膜、樹脂膜などの中から選択された1種または2種以上の膜を、積層してなる積層であってもよい。
Further, the
このような付加膜60は、たとえば、この種の圧電型メンブレンセンサの一般的な製造工程により、付加膜60を除いたメンブレン50の部分までを作製した後に、さらに半導体プロセスなどに用いられる各種の成膜方法によって形成することができる。
Such an
かかる圧力センサ100における付加膜60の構成および作用などについて、図2も参照して、より詳しく述べる。図2は、本実施形態の圧力センサ100の作用を説明するための概略断面図である。
The configuration and operation of the
図2に示されるように、この圧力センサ100は、メンブレン50が受ける圧力Pを測定するものである。図2では、圧力Pとして正圧Pがメンブレン50の表面側に付与された場合を示している。
As shown in FIG. 2, the
正圧Pが付与されると、メンブレン50は、図2に示されるように、メンブレン50の中央付近では下に凸な形状となり、メンブレン50の周辺部付近では上に凸な形状となるように、撓む。
When a positive pressure P is applied, the
すると、このメンブレン50に生じる撓みに伴い、圧電膜30の圧電現象による電気的な変化が生じ、この電気的な変化は、圧電膜30を挟む上下の電極膜20、40により、当該電極膜20、40間の電圧変化として検出される。
Then, an electrical change due to the piezoelectric phenomenon of the
そして、電極膜20、40からの電気信号は、この電極膜20、40と電気的に接続された図示しないセンシング用回路によって処理され、センサ信号として出力される。それにより、圧力Pが測定される。
The electrical signals from the
ここで、本実施形態では、メンブレン50に付加膜60を備え、メンブレン50の積層構造を部分的に異なったものとしている。それにより、メンブレン50の撓みにおける中立軸J(図2中の太い破線にて図示)がメンブレン50内にて圧電膜30を跨いで圧電膜30よりも上側に位置する部位と、当該中立軸Jが下側に位置する部位とが形成されるようにしている。
Here, in this embodiment, the
具体的には、図2に示されるように、メンブレン50の中央部では圧電膜30よりも上側に中立軸Jが位置し、それ以外のメンブレン50の部分すなわちメンブレン50の周辺部では圧電膜30よりも下側に中立軸Jが位置している。つまり、本実施形態では、付加膜60をメンブレン50の中央部のみに設け、当該中央部を部分的に厚くすることにより、メンブレン50の中央部の中立軸Jを、従来の圧電膜30の下側から本実施形態のように上側へと移動させている。
Specifically, as shown in FIG. 2, the neutral axis J is located above the
このような中立軸Jの配置を実現することにより、図2に示されるように、正圧P印加によってメンブレン50が撓んだ時に圧電膜30に生じる応力は、メンブレン50の全面領域に渡って引っ張り応力、つまり同極性となる。
By realizing such an arrangement of the neutral axis J, as shown in FIG. 2, the stress generated in the
したがって、本実施形態では、このメンブレン50の撓み時に圧電膜30に生じる応力と同様に、圧電d31定数に起因する発生電荷は、メンブレン50の全面にわたって同極性となる。
Therefore, in the present embodiment, the generated charges due to the piezoelectric d31 constant have the same polarity over the entire surface of the
ここで、図2では、メンブレン50に正圧Pが印加された状態における作用を示したが、負圧Pの場合も同様である。図3は、本実施形態の圧力センサ100において、メンブレン50の表面側に負圧Pが印加された状態を示している。
Here, FIG. 2 shows the action in a state where the positive pressure P is applied to the
この場合、図3に示されるように、負圧Pが付与されると、メンブレン50は、図3に示されるように、メンブレン50の中央付近では上に凸な形状となり、メンブレン50の周辺部付近は下に凸な形状となるように、撓む。この場合も、正圧の場合と同様に、この撓みに伴う圧電膜30の電気的な変化を、上下の電極膜20、40により取り出して、圧力を測定できる。
In this case, as shown in FIG. 3, when negative pressure P is applied, the
ここで、この負圧Pの印加の場合も、中立軸Jは、メンブレン50の中央部では圧電膜30よりも上側に位置し、周辺部では圧電膜30よりも下側に位置している。それにより、負圧Pの場合には、圧電膜30に生じる応力は、メンブレン50の全面領域に渡って圧縮応力となる。そして、上記した正圧の場合と同様、発生電荷は、メンブレン50の全面にわたって同極性となる。
Here, also in the case of application of the negative pressure P, the neutral axis J is located above the
このように、本実施形態によれば、中立軸調整用の膜としての付加膜60をメンブレン50に備えることで、従来のような逆極性の電荷が打ち消し合うことによる出力電荷量の低下といった問題を回避でき、従来のように、上下の電極膜を分割することなく、出力電荷量を大きくできる。その結果、本実施形態においては、センサ感度の低下を防止することができる。
As described above, according to the present embodiment, the
ここで、メンブレン50において付加膜60を付加する領域は、圧電膜30に生じる応力の極性に対応するものである。そこで、付加膜60を付加する前の状態のメンブレン50において、数値解析によって、引っ張り応力領域と圧縮応力領域との応力分布を予想し、この応力分布に応じて付加膜60の配置パターンを設計すればよい。
Here, the region to which the
本実施形態では、凹部14を円形の穴形状とすることで円形のメンブレン50を形成しているが、メンブレン50が円形の場合には、応力分布は、引っ張り応力領域と圧縮応力領域との2つの領域が同心円状に分かれた形態となる。そのため、本実施形態では、上記図1(b)に示されるように、メンブレン50と同心円をなすように円形状の付加膜60を設けている。
In the present embodiment, the
ところで、上記付加膜60としては、上述した各膜が採用できるが、一般的な半導体プロセスで用いられるシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、および、アルミやアルミ合金などの金属膜などが有力である。
By the way, as the
付加膜60の形成は、上述のように工程的には終盤に近く、比較的低温プロセスが要求されるため、プラズマCVDによるシリコン酸化膜、シリコン窒化膜が付加膜60として特に有力である。ポリシリコンは、成膜温度的に考えて圧電膜30の形成後に形成することは困難であるため好ましくない。
The formation of the
また、付加膜60としては、上記したように、半導体プロセスに用いられるポリイミドなどの樹脂膜も使用可能であるが、一般に有機材料は柔らかい、すなわちヤング率が小さい。そのため、剛性に対する影響が小さく、つまり、上記した中立軸Jを移動させる効果も小さいことから、樹脂膜は比較的厚膜とする必要がある。
Further, as described above, a resin film such as polyimide used in a semiconductor process can be used as the
ところで、この種の圧電型メンブレンセンサとしては、図1に示されるように、メンブレン50は、下部電極膜20、圧電膜30、上部電極膜40が順次積層されてなるが、下部電極膜20の下側(メンブレン50の裏面側)に薄膜構造体15を含んで構成されるのが一般的である。そのため、通常は、圧電膜30よりも下側の部分の方が上側(メンブレン50の表面側)の部分よりも厚いものとなる。
By the way, as this type of piezoelectric membrane sensor, as shown in FIG. 1, the
このように、メンブレン50において圧電膜30よりも下部の方が厚い場合、中立軸調整用の付加膜60は、圧電膜30よりも上側に配置することで、上記した圧電膜30に生じる応力をメンブレン50の全面領域に渡って同極性とする効果が得られる。圧電膜30よりも下側であっても同様の効果があるように思えるが、全くの逆効果になるため、上側に配することに意味がある。
As described above, when the lower part of the
付加膜60を圧電膜30よりも上側に設ける場合、圧電膜30と上部電極膜40との間に付加膜60を挿入した形でもよい。ただし、圧電膜30と上部電極膜40の間に付加膜60として絶縁膜を挿入した場合、圧電膜30と上部電極膜40との間にキャパシタが直列接続される格好となり、受圧つまりセンシング動作によって圧電膜30の表面に発生する電荷が小さくなり、出力電荷量の低下を招きやすい。
When the
したがって、付加膜60として、上述したシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、樹脂膜などの絶縁膜を用いる場合、付加膜60は、上部電極膜40よりも上側に配置した方が効率的である。もっとも、付加膜60として金属膜を用いる場合には、圧電膜30と上部電極膜40との間に配設しても上記した電気的な影響はほとんどなく、出力電荷量の低下を防止できる。
Therefore, when the insulating film such as the above-described silicon oxide film, silicon nitride film, or resin film is used as the
なお、付加膜60形成前のメンブレン50において、メンブレン50の全面において圧電膜30よりも中立軸Jが上側にある場合には、付加膜60は、メンブレン50において圧電膜30よりも下側に部分的に設けてもよい。
When the neutral axis J is above the
(第2実施形態)
図4は、本発明の第2実施形態に係る圧電型メンブレンセンサとしての圧力センサ200の構成を示す図であり、(a)はメンブレン50の厚さ方向に沿った概略断面構成を示す図、(b)は(a)の上面図であり、メンブレン50およびその周辺部の概略平面構成を示す図である。なお、図4(a)では、メンブレン50が正圧で撓んだ状態を示している。また、図4(b)では、識別のため便宜上、付加膜60の表面にハッチングを施してある。
(Second Embodiment)
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a
上記第1実施形態では、付加膜60を、メンブレン50の中央部に設け、周辺部には設けないことにより、圧電膜30を跨いで、メンブレン50の中央部では圧電膜30よりも上側に中立軸Jが位置し、それ以外の周辺部では圧電膜30よりも下側に中立軸Jが位置するようにしていた。
In the first embodiment, the
それに対して、本実施形態の圧力センサ200では、図4に示されるように、付加膜60を、メンブレン50の周辺部に設け、中央部には設けていない。つまり、上記したような付加膜60形成前の円形のメンブレン50に生じる同心円状の応力分布において、上記実施形態では、正圧印加時に圧縮応力が生じる円形領域に付加膜60を設けたのに対し、本実施形態では、正圧印加時に引っ張り応力となる同心円状の領域に付加膜60を設けている。
On the other hand, in the
それにより、本実施形態では、メンブレン60の周辺部が部分的に厚いものとなり、圧電膜30を跨いで、メンブレン50の中央部では圧電膜30の下側に中立軸Jが位置し、それ以外のメンブレン50の部分では圧電膜30の上側に中立軸Jが位置するようになっている。
Thereby, in the present embodiment, the peripheral portion of the
そして、この場合、図4に示されるように、正圧印加によってメンブレン50が撓んだ時に圧電膜30に生じる応力は、メンブレン50の全面領域に渡って圧縮応力、つまり同極性となる。
In this case, as shown in FIG. 4, the stress generated in the
そのため、本実施形態においても、上記実施形態と同様に、圧電膜30に生じる電荷を、メンブレン50の全面に渡って同極性とすることができ、上下の電極膜を分割することなく、出力電荷量を大きくできる。
Therefore, in this embodiment as well, as in the above embodiment, the charge generated in the
(他の実施形態)
なお、上記実施形態においては、圧力センサは、センシング用回路と一体化して形成されたものであってもよい。このように、センシング用回路を一体形成する場合には、その回路形成プロセスに使われる膜を付加膜として用いることができる。また、この場合、その回路形成プロセスに使われる膜をパターニングする工程を利用して、付加膜のパターニングを行うようにしてもよい。
(Other embodiments)
In the above embodiment, the pressure sensor may be formed integrally with the sensing circuit. As described above, when the sensing circuit is integrally formed, a film used in the circuit forming process can be used as the additional film. In this case, the additional film may be patterned using a process of patterning a film used in the circuit formation process.
この場合、具体的には、例えば付加膜60としてシリコン窒化膜を用いようとする場合、回路工程に含まれるパッシベーション膜を共用することができる。さらに、パッシベーション膜のパターニング工程を共用して、付加膜60を形成することができる。つまり、全く工程を追加することなく、所望の効果を得ることが可能となる。
In this case, specifically, for example, when a silicon nitride film is used as the
また、センシング用回路を一体形成する場合、付加膜60として酸化膜を用いる場合には、層間絶縁膜などの共用が考えられる。さらに、付加膜60として金属膜を用いる場合には、回路工程で多層配線を用いる場合に行われる多層配線形成工程のいずれかを用いることができる。
In addition, when the sensing circuit is formed integrally, when an oxide film is used as the
もちろん、これら全てを積層したものを付加膜60として用いてもよい。付加膜60として厚膜が必要な場合にはこの方法が使える。積層する場合、各層のパターンエッジを同一にそろえることは工程的に困難を伴う。なぜなら、段差が大きくなることでホトリソグラフィー工程でのレジスト塗布に支障が生じるなど、そもそもパターン間のアライメントが困難だからである。そのため、各層のパターンエッジは多少ずらせばよい。通常、メンブレン50のサイズは数100um以上と大きいことが多く、上記のずれはほとんど問題にならない。
Of course, a laminate of all of these may be used as the
また、上記実施形態におけるメンブレン50としては、凹部14を矩形の穴形状として矩形のメンブレンとしてもよい。矩形の場合、上記した円形のものに比べて、引っ張り応力領域と圧縮応力領域との応力分布は多少複雑になるが、2領域に分かれる点は同様である。そのため、この場合にも、数値解析によって、当該応力分布を予想し、この応力分布に応じて付加膜60の配置パターンを設計すればよい。
Moreover, as the
また、上記実施形態では、メンブレン50の積層構造を部分的に異ならせることは、メンブレン50にて部分的に付加膜60を付加することにより行われているが、要は、積層構造を変えることでメンブレンを部分的に厚さの異なるものにして、上記した中立軸移動の効果を発揮できるようにすればよい。そこで、上記付加膜60以外にも、たとえばメンブレン50において部分的に積層数を変えて厚さを部分的に変えるなどの方法を採用してもよい。
Further, in the above-described embodiment, partially changing the laminated structure of the
また、メンブレン50としては、下部電極膜、圧電膜、上部電極膜が順次積層された積層構造を有する薄膜状のものであれば、本発明を適用できる。上記した図示例では、付加膜60を除くメンブレン50の部分は、下部電極膜20、圧電膜30、上部電極膜40の3層が示されていたが、これら3層20〜40以外にも、メンブレン50においては、たとえば、表面を保護する保護膜や内部の各層の間に介在する層間膜などの層が備えられていてもよい。
Further, the present invention can be applied to the
また、半導体基板10としては、その裏面にエッチングなどにより凹部14を形成し、この凹部14に対応する表面側を薄膜構造体15として構成できるものであるならば、上述のSOI基板に限定されるものではない。
Further, the
また、上記実施形態では、圧力センサを中心に述べてきたが、本発明は、圧電型メンブレンセンサであるならば、圧力センサに限定されるものではなく、超音波センサなどに適用してもよい。 In the above embodiment, the pressure sensor has been mainly described. However, the present invention is not limited to the pressure sensor as long as it is a piezoelectric membrane sensor, and may be applied to an ultrasonic sensor or the like. .
20…下部電極膜、30…圧電膜、40…上部電極膜、50…メンブレン、
60…付加する膜としての付加膜、J…中立軸。
20 ... Lower electrode film, 30 ... Piezoelectric film, 40 ... Upper electrode film, 50 ... Membrane,
60: Additional film as an additional film, J: Neutral axis.
Claims (1)
前記メンブレン(50)の外周端部が前記基板(10)に固定されることにより前記メンブレン(50)に撓みが生じたときに前記メンブレン(50)の中央部と周辺部とで生じる応力の極性が逆になるものとされており、
このメンブレン(50)に生じる撓みに伴う前記圧電膜(30)の圧電現象による電気的な変化を、前記上下の電極膜(20、40)にて検出するようにしており、
前記メンブレン(50)の撓みにおける中立軸(J)が前記圧電膜(30)よりも下側に位置するものである圧電型メンブレンセンサにおいて、
前記メンブレン(50)の撓みにおける中立軸(J)が前記メンブレン(50)内にて前記圧電膜(30)を跨いで前記圧電膜(30)よりも上側に位置する部位と下側に位置する部位とが形成されるように、前記メンブレン(50)の積層構造を部分的に異ならせることにより、
前記メンブレン(50)の撓み時に前記圧電膜(30)に生じる応力が前記メンブレン(50)の全面領域に渡って同極性となるようにしており、
前記メンブレン(50)の積層構造を部分的に異ならせることは、前記メンブレン(50)にて部分的に膜(60)を前記圧電膜(30)よりも上側である前記上部電極膜(40)側に配置して付加することにより行われており、
さらに、前記付加する膜(60)は、前記メンブレン(50)の周辺部に設けられ、中央部には設けられていないことを特徴とする圧電型メンブレンセンサ。 A thin film membrane (50) having a laminated structure in which a lower electrode film (20), a piezoelectric film (30) made of a piezoelectric body, and an upper electrode film (40) are sequentially laminated on a substrate (10),
Polarity of stress generated at the central portion and the peripheral portion of the membrane (50) when the membrane (50) is bent by fixing the outer peripheral end of the membrane (50) to the substrate (10). Is supposed to be reversed,
An electrical change due to the piezoelectric phenomenon of the piezoelectric film (30) accompanying the bending occurring in the membrane (50) is detected by the upper and lower electrode films (20, 40),
In the piezoelectric membrane sensor in which the neutral axis (J) in the bending of the membrane (50) is located below the piezoelectric film (30),
The neutral axis (J) in the bending of the membrane (50) is located above and below the piezoelectric film (30) across the piezoelectric film (30) in the membrane (50). By partially varying the laminated structure of the membrane (50) so that a part is formed,
The stress generated in the piezoelectric film (30) when the membrane (50) is bent has the same polarity over the entire area of the membrane (50),
When the laminated structure of the membrane (50) is partially different, the upper electrode film (40) in which the film (60) is partially above the piezoelectric film (30) in the membrane (50). It is done by placing and adding to the side,
Furthermore, the membrane (60) to be added is provided in the peripheral portion of the membrane (50), and is not provided in the central portion.
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