JP5463510B2 - 物理量センサ及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、複数の物理量を計測するための物理量センサ及びその製造方法に関する。
従来から、下記特許文献１に開示されているように、圧力を検出して、圧覚およびすべり覚の両方を同時に検出することができるとともに、表面状態の凹凸も検出することができるセンサが公知となっている。
特開２００２−３１５７４号公報
しかしながら、近年では、圧力検出機能だけでなく、被対象物から他の物理量を検出して、被対象物の状態を検出するようなセンサが求められている。例えば、被対象物からの圧力を検出するとともに、被対象物の曲げ動作変位検出などを一つのセンサで同時に行うことが望まれている。
そこで、本発明の目的は、複数の物理量を同時に検出することができる物理量センサ及びその製造方法を提供することである。
（１） 本発明の物理量センサは、第１の電極層と、前記第１の電極層上に設けられた第１の圧電素子と、前記第１の圧電素子上に設けられた第２の電極層と、を有した第１の物理量検出部と、第３の電極層と、前記第３の電極層上に設けられた第２の圧電素子と、前記第２の圧電素子上に設けられた第４の電極層と、を有した第２の物理量検出部と、を備えた物理量センサであり、前記第１の圧電素子の厚さ方向中心線が、前記物理量センサの中立軸と略一致又は一致するように、前記第１の圧電素子が配設され、前記第２の圧電素子の厚さ方向中心線が、前記物理量センサの中立軸に対して偏在するように、前記第２の圧電素子が配設されているものである。
上記（１）の構成によれば、複数の物理量を同時に検出することができる。例えば、第１の圧電素子によって被対象物からの圧力を検出するとともに、第２の圧電素子によって被対象物の曲げ動作変位検出などを同時に行うことができる。したがって、本発明の物理量センサは、例えば、接触センサとして用いることが可能である。
（２） 上記（１）の物理量センサにおいては、前記第１の物理量検出部と前記第２の物理量検出部とが並設されており、前記第１の電極層の一部と前記第３の電極層の一部とが、一層の電極層を形成するように接続されているものであってもよい。
上記（２）の構成によれば、センサの厚みを薄くすることができるとともに、第１の物理量検出部と第２の物理量検出部とに共通する電極を一つのプロセスで形成することが可能であることから、容易に製造することが可能である。
（３） 上記（１）の物理量センサにおいては、前記第１の物理量検出部の少なくとも一方側に、可撓性絶縁層を介して前記第２の物理量検出部が積層形成されているものであってもよい。
上記（３）の構成によれば、第１の物理量検出部及び第２の物理量検出部を集積化できるので、より小型の物理量センサとすることができる。また、第１の物理量検出部の圧電素子の両面側に配設するように第２の物理量検出部の圧電素子を積層形成することとすれば、第２の物理量検出部におけるセンサ感度を倍にすることができる。
（４） 上記（２）の物理量センサにおいては、前記第１の圧電素子側の第１の電極が基板に固定され、前記第２の圧電素子が外部からの振動によって所定方向に揺動可能な片持ち梁であってもよい。
上記（４）の構成によれば、例えば、第１の圧電素子によって被対象物からの圧力を検出するとともに、第２の圧電素子によって被対象物の振動検出を行うこともできる。
（５） 上記（１）〜（４）の物理量センサにおいては、表面の少なくとも一部に、ポリジメチルシロキサン（以下、ＰＤＭＳと表す。）基板が設けられていることが好ましい。
上記（５）の構成によれば、ＰＤＭＳ基板に生体適合性があるので、該ＰＤＭＳ基板を介して、本物理量センサを動物の肌などに長時間貼り付けることができるとともに、脈拍、心拍、呼吸などの生体情報を得ることができる。
（６） 本発明の物理量センサの製造方法は、上記（２）に記載の物理量センサの製造方法であって、前記一層の電極層上に圧電素子層を積層した後、エッチングして前記第１の圧電素子と前記第２の圧電素子とを形成する圧電素子形成工程と、前記第１の圧電素子及び前記第２の圧電素子上に導電層を積層した後、エッチングして前記第３の電極層を前記第１の圧電素子上に形成するとともに、前記第４の電極層を前記第２の圧電素子上に形成する電極層形成工程と、を有しているものである。
上記（６）の構成によれば、容易に上記（２）に記載の物理量センサを製造することができる。特に、第１の物理量検出部と第２の物理量検出部とに共通する電極を一つのプロセスで形成することが可能であることから、容易に上記（２）に記載の物理量センサを製造することが可能である。
本発明の第１実施形態に係る物理量センサの平面図である。 図１のＩ−Ｉ矢視断面図である。 図１に示した物理量センサにおける製造工程を順に示した図である。 本発明の第２実施形態に係る物理量センサの断面図である。 本発明の第３実施形態に係る物理量センサの断面図である。 本発明の第４実施形態に係る物理量センサの断面図である。 本発明の第１実施形態の変形例に係る物理量センサの断面図である。
＜第１実施形態＞
以下、図面を参照しながら、本発明の第１実施形態に係る物理量センサについて説明する。
図１及び図２に示すように、本実施形態に係る物理量センサ１００は、基板１と、基板１上に形成されている電極層２と、電極層２上に並設されている圧電素子３ａ及び圧電素子３ｂと、圧電素子３ａ、３ｂ上にそれぞれ形成されている電極層４ａ、４ｂと、電極層２、圧電素子３ａ、３ｂ及び電極層４ａ、４ｂを保護している保護層５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅと、を備えているものである。また、基板１、電極層２、圧電素子３ａ（第１の圧電素子）、電極層４ａ（第３の電極層）、保護層５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅで、第１の物理量検出部６を構成しており、基板１、電極層２、圧電素子３ｂ（第２の圧電素子）、電極層４ｂ（第４の電極層）で、第２の物理量検出部７を構成している。
基板１は、可撓性又は柔軟性を有した絶縁材料からなるものである。なお、基板１は、柔軟性又は可撓性を有したものであれば、目的によってどのような材質のものを用いてもよい。例えば、物理量センサ１００を生体に貼り付けて使用するような場合には、生体適合性を考慮して、ＰＤＭＳを用いてもよい。
電極層２、４ａ、４ｂは、可撓性又は柔軟性を有した電導性材料からからなり、例えば、銅、銀、金、ニッケル−銅合金、導電性ポリマーなどを用いることができる。
圧電素子３ａ、３ｂは、可撓性又は柔軟性を有した圧電材料からなるものである。例えば、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）などの圧電ポリマーが挙げられる。なお、図２に示したように、圧電素子３ａの厚さ方向中心線と、物理量センサ１００の下面位置Ａ１と上面位置Ａ２との中央位置（第１の物理量検出部６の厚さ方向中心線）Ａ３とは、一致している。圧電素子３ｂの厚さ方向中心線は、第２の物理量検出部の下面位置Ａ１と上面位置Ａ４との中央位置（第２の物理量検出部７の厚さ方向中心線）Ａ５に対して偏在している。
保護層５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅは、可撓性又は柔軟性を有した絶縁材料からなるものである。なお、保護層５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅは、基板１と同様、柔軟性又は可撓性を有したものであれば、目的によってどのような材質のものを用いてもよい。例えば、物理量センサ１００を生体に貼り付けて使用するような場合には、生体適合性を考慮して、ＰＤＭＳを用いてもよい。
次に、物理量センサ１００の動作について説明する。ここで、例えば、図２に示した物理量センサ１００が保護層５ｃ表面中央を頂点として塑性変形しない程度に凸型に反るように曲がったと仮定する。このとき、第１の物理量検出部６における圧電素子３ａにおいては、曲げ動作についての応力が付加されるが、圧電素子３ａの厚さ方向中心線と、下面位置Ａ１と上面位置Ａ２との中央位置（第１の物理量検出部６の厚さ方向中心線）Ａ３とが一致しているため、圧電素子３ａの応力変形は上面位置Ａ２側と下面位置Ａ１側とで対称となり、上下面で発生する表面電荷について打ち消し合いが起こる。つまり、第１の物理量検出部６は、曲げの力を検出しないことになる。これに対して、第２の物理量検出部７においては、圧電素子３ｂの厚さ方向中心線が、第２の物理量検出部７の下面位置Ａ１と上面位置Ａ４との中央位置（第２の物理量検出部７の厚さ方向中心線）Ａ５に対して偏在しているため、圧電素子３ｂの応力変形が上面位置Ａ４側と下面位置Ａ１側とで非対称となり、圧電素子３ｂ上下面で発生する表面電荷は打ち消し合わない。したがって、第２の物理量検出部７において発生した電圧値を測定することで、曲げの力の程度を値として検出することが可能である。なお、図２に示した物理量センサ１００が基板１表面中央を頂点として塑性変形しない程度に凹型に反るように曲がった場合も同様に、曲げの力の程度を値として検出することが可能である。
続いて、例えば、図２に示した物理量センサ１００について、基板１の両端が固定されており、保護層５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ表面を図２の上から下方向に向けて均等に加圧したと仮定する。このとき、圧電素子３ａは、保護層５ｂ、５ｃから加圧されて変形するので、圧電素子３ａ上下面で発生する表面電荷は打ち消し合わない。したがって、第１の物理量検出部６において発生した電圧値を測定することで、物理量センサ１００に負荷された圧力の程度を値として検出することが可能である。なお、図２に示した物理量センサ１００について、保護層５ａ、５ｅが固定されており、基板１表面を図２の下から上方向に向けて均等に加圧した場合も同様に、物理量センサ１００に負荷された圧力の程度を値として検出することが可能である。ここで、当然、圧電素子３ｂも保護層５ｃ、５ｄから加圧され、いくらかの影響を受けることになるが、該加圧によって保護層５ｃ、５ｄからどの程度の影響を受けるかを予め測定しておき、曲げ動作の力についての検出値から該加圧についての検出値を差し引くような補正をしておけば、保護層５ｃ、５ｄからの影響を受けないように設定することができる。
次に、図３を用いて、物理量センサ１００の製造方法について説明する。まず、基板１上に形成された電極層２の上に、スパッタリングなどにより圧電素子層３を積層する（図３（ａ）、（ｂ）参照）。次に、圧電素子層３を積層した後、エッチングして圧電素子３ａと圧電素子３ｂとをパターニング形成する（圧電素子形成工程：図３（ｃ）参照）。続いて、圧電素子３ａ及び圧電素子３ｂ上にスパッタリングなどにより導電層４を積層し（図３（ｄ）参照）、その後、エッチングして電極層４ａを圧電素子３ａ上に形成するとともに、電極層４ｂを圧電素子３ｂ上に形成する（電極層形成工程：図３（ｅ）参照）。そして、電極層４ａ、４ｂ側からスパッタリングなどにより絶縁材料層を積層し（図３（ｆ）参照）、その後、エッチングして保護層５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅをパターニング形成する（図３（ｇ）参照）ことによって、物理量センサ１００が完成する。
本実施形態の物理量センサ１００によれば、複数の物理量を同時に検出することができる。すなわち、圧電素子３ａによって被対象物からの圧力を検出するとともに、圧電素子３ｂによって被対象物の曲げ動作変位の検出を同時に行うことができる。したがって、物理量センサ１００は、例えば、接触センサとして用いることが可能である。
また、電極層２を第１の物理量検出部６と第２の物理量検出部７とで共用しているので、物理量センサ１００の厚みを薄くすることができる。さらに、第１の物理量検出部６と第２の物理量検出部７とに共通する電極層２を一つのプロセスで形成することが可能であることから、物理量センサ１００は容易に製造することが可能である。
また、基板１をＰＤＭＳ基板とした場合、ＰＤＭＳ基板には生体適合性があるので、該ＰＤＭＳ基板を有した物理量センサ１００を動物の肌などに長時間貼り付けることができるとともに、脈拍、心拍、呼吸などの生体情報を得ることが可能である。以下の実施形態及び変形例において、ＰＤＭＳを基板などに用いた場合も同様である。
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係る物理量センサについて説明する。なお、本実施形態における符合１１、１２、１３ａ、１４ａの部位は、順に、第１実施形態における符合１、２、３ａ、４ａの部位と同様であるので、説明を省略することがある。
図４に示すように、本実施形態に係る物理量センサ２００は、基板１１と、基板１１上に形成されている電極層１２と、電極層１２上に形成されている圧電素子１３ａと、圧電素子１３ａ上に形成されている電極層１４ａと、圧電素子１３ａ及び電極層１４ａの上に形成されている絶縁層１５と、絶縁層１５上に形成されている電極層１６と、電極層１６上に形成されている圧電素子１３ｂと、圧電素子１３ｂ上に形成されている電極層１４ｂと、を備えているものである。なお、第１の物理量検出部は、電極層１２（第１の電極層）、圧電素子１３ａ（第１の圧電素子）、電極層１４ａ（第３の電極層）を主要部として有しているとともに、物理量センサ２００における圧電素子１３ａ以外の部位を、圧電素子１３ａの配設位置を調整する層として有したものである。また、第２の物理量検出部は、電極層１６（第２の電極層）、圧電素子１３ｂ（第２の圧電素子）、電極層１４ｂ（第４の電極層）を主要部として有しているとともに、物理量センサ２００における圧電素子１３ｂ以外の部位を、圧電素子１３ｂの配設位置を調整する層として有したものである。
絶縁層１５は、可撓性又は柔軟性を有した絶縁材料からなるものである。なお、絶縁層１５は、基板１１と同様、柔軟性又は可撓性を有したものであれば、目的によってどのような材質のものを用いてもよい。
電極層１４ｂ、電極層１６は、電極層１４ａと同様、可撓性又は柔軟性を有した電導性材料からなり、例えば、銅、銀、金、ニッケル−銅合金、導電性ポリマーなどを用いることができる。
圧電素子１３ｂは、圧電素子１３ａと同様、可撓性又は柔軟性を有した圧電材料からなるものである。例えば、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）などの圧電ポリマーが挙げられる。なお、図４に示したように、圧電素子１３ａの厚さ方向中心線と、第１の物理量検出部の下面位置Ｂ１と上面位置Ｂ２との中央位置（第１の物理量検出部の厚さ方向中心線）Ｂ３とは、一致している。圧電素子１３ｂの厚さ方向中心線Ｂ４は、第２の物理量検出部の下面位置Ｂ１と上面位置Ｂ２との中央位置（第２の物理量検出部の厚さ方向中心線）Ｂ３に対して偏在している。
次に、物理量センサ２００の動作について説明する。ここで、例えば、図４に示した物理量センサ２００が電極層１４ｂ表面中央を頂点として塑性変形しない程度に凸型に反るように曲がったと仮定する。このとき、第１の物理量検出部における圧電素子１３ａにおいては、曲げ動作についての応力が付加されるが、圧電素子１３ａの厚さ方向中心線と、下面位置Ｂ１と上面位置Ｂ２との中央位置（第１の物理量検出部の厚さ方向中心線）Ｂ３とが一致しているため、圧電素子１３ａの応力変形は上面位置Ｂ２側と下面位置Ｂ１側とで対称となり、圧電素子１３ａ上下面で発生する表面電荷について打ち消し合いが起こる。つまり、第１の物理量検出部は、曲げの力を検出しないことになる。これに対して、第２の物理量検出部においては、圧電素子１３ｂの厚さ方向中心線が、第２の物理量検出部の下面位置Ｂ１と上面位置Ｂ２との中央位置（第２の物理量検出部の厚さ方向中心線）Ｂ３に対して偏在しているため、圧電素子１３ｂの応力変形が上面位置Ｂ２側と下面位置Ｂ１側とで非対称となり、圧電素子１３ｂ上下面で発生する表面電荷は打ち消し合わない。したがって、第２の物理量検出部において発生した電圧値を測定することで、曲げの力の程度を値として検出することが可能である。なお、図４に示した物理量センサ２００が基板１１表面中央を頂点として塑性変形しない程度に凹型に反るように曲がった場合も同様に、曲げの力の程度を値として検出することが可能である。
続いて、例えば、図４に示した物理量センサ２００について、基板１１の両端が固定されており、電極層１４ｂ表面を図４の上から下方向に向けて均等に加圧したと仮定する。このとき、圧電素子１３ａは、電極層１４ｂ側から加圧されて変形するので、圧電素子１３ａ上下面で発生する表面電荷は打ち消し合わない。したがって、第１の物理量検出部において発生した電圧値を測定することで、物理量センサ２００に負荷された圧力の程度を値として検出することが可能である。なお、図４に示した物理量センサ２００について、電極層１４ｂの両端が固定されており、基板１１表面を図４の下から上方向に向けて均等に加圧した場合も同様に、物理量センサ２００に負荷された圧力の程度を値として検出することが可能である。ここで、当然、圧電素子１３ｂも加圧され、いくらかの影響を受けることになるが、該加圧によってどの程度の影響を受けるかを予め測定しておき、曲げ動作での力についての検出値から該加圧についての検出値を差し引くような補正をしておけば、該加圧の影響を受けないように設定することができる。
次に、物理量センサ２００の製造方法について説明する。上記第１実施形態の物理量センサ１００の製造方法と同様に、スパッタリング、エッチングなどを用いて、各部位を基板１１上に積層及びパターニング形成する。具体的には、まず、基板１１上に形成された電極層１２の上に、スパッタリングなどにより圧電素子層を積層した後、エッチングして圧電素子１３ａをパターニング形成する。続いて、圧電素子１３ａ側からスパッタリングなどにより導電層を積層した後、エッチングして電極層１４ａを圧電素子１３ａ上に形成する。続いて、電極層１４ａ側からスパッタリングなどにより絶縁材料層を積層した後、エッチングして絶縁層１５を形成する。続いて、絶縁層１５側からスパッタリングなどにより導電層を積層した後、エッチングして電極層１６を絶縁層１５上に形成する。続いて、電極層１６側からスパッタリングなどにより圧電材料層を積層した後、エッチングして圧電素子１３ｂを形成する。そして、圧電素子１３ｂ側からスパッタリングなどにより導電層を積層した後、エッチングして電極層１４ｂを圧電素子１３ｂ上に形成することによって、物理量センサ２００が完成する。
本実施形態の物理量センサ２００によれば、複数の物理量を同時に検出することができる。すなわち、圧電素子１３ａによって被対象物からの圧力を検出するとともに、圧電素子１３ｂによって被対象物の曲げ動作変位の検出を同時に行うことができる。したがって、物理量センサ２００は、例えば、接触センサとして用いることが可能である。
また、第１の物理量検出部及び第２の物理量検出部を集積化できるので、より小型の物理量センサ２００とすることができる。
＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態に係る物理量センサについて説明する。なお、本実施形態における符合２２、２３ａ、２４ａの部位は、順に、第１実施形態における符合２、３ａ、４ａの部位と同様であるので、説明を省略することがある。
図５に示すように、本実施形態に係る物理量センサ３００は、基板２１と、基板２１上に形成されている電極層２２と、電極層２２上に形成されている圧電素子２３ａと、圧電素子２３ａ上に形成されている電極層２４ａと、圧電素子２３ａ及び電極層２４ａの上に形成されている保護層２５と、電極層２２下部に形成され、基板２１に埋設されている圧電素子２３ｂと、圧電素子２３ｂ下部に形成され、基板２１に埋設されている電極層２４ｂと、を備えているものである。なお、第１の物理量検出部は、電極層２２、圧電素子２３ａ（第１の圧電素子）、電極層２４ａ（第３の電極層）を主要部として有しているとともに、物理量センサ３００における圧電素子２３ａ以外の部位（基板２１を除く）を、圧電素子２３ａの配設位置を調整する層として有したものである。また、第２の物理量検出部は、電極層２２、圧電素子２３ｂ（第２の圧電素子）、電極層２４ｂ（第４の電極層）を主要部として有しているとともに、物理量センサ３００における圧電素子２３ｂ以外の部位（基板２１を除く）を、圧電素子２３ｂの配設位置を調整する層として有したものである。
基板２１は、可撓性又は柔軟性を有した絶縁材料からなるものである。なお、基板２１は、柔軟性又は可撓性を有したものであれば、目的によってどのような材質のものを用いてもよい。例えば、物理量センサ３００を生体に貼り付けて使用するような場合には、生体適合性を考慮して、ＰＤＭＳを用いてもよい。
圧電素子２３ｂは、圧電素子２３ａと同様の材料を用いて形成されており、電極層２２を中心として、圧電素子２３ａと対照位置に配設されているものである。なお、図５に示したように、圧電素子２３ａの厚さ方向中心線と、第１の物理量検出部の下面位置Ｃ１と上面位置Ｃ２との中央位置（第１の物理量検出部の厚さ方向中心線）Ｃ３とは、一致している。圧電素子２３ｂの厚さ方向中心線Ｃ４は、第２の物理量検出部の下面位置Ｃ１と上面位置Ｃ２との中央位置（第２の物理量検出部の厚さ方向中心線）Ｃ３に対して偏在している。
電極層２４ｂは、電極層２４ａと同様の材料を用いて形成されており、電極層２２を中心として、電極層２４ａと対照位置に配設されているものである。
保護層２５は、可撓性又は柔軟性を有した絶縁材料からなるものである。なお、保護層２５は、基板２１と同様、柔軟性又は可撓性を有したものであれば、目的によってどのような材質のものを用いてもよい。
次に、物理量センサ３００の動作について説明する。ここで、例えば、図５に示した物理量センサ３００が保護層２５表面中央を頂点として塑性変形しない程度に凸型に反るように曲がったと仮定する。このとき、第１の物理量検出部における圧電素子２３ａにおいては、曲げ動作についての応力が付加されるが、圧電素子２３ａの厚さ方向中心線と、下面位置Ｃ１と上面位置Ｃ２との中央位置（第１の物理量検出部の厚さ方向中心線）Ｃ３とが一致しているため、圧電素子２３ａの応力変形は上面位置Ｃ２側と下面位置Ｃ１側とで対称となり、圧電素子２３ａ上下面で発生する表面電荷について打ち消し合いが起こる。つまり、第１の物理量検出部は、曲げの力を検出しないことになる。これに対して、第２の物理量検出部においては、圧電素子２３ｂの厚さ方向中心線が、第２の物理量検出部の下面位置Ｃ１と上面位置Ｃ２との中央位置（第２の物理量検出部の厚さ方向中心線）Ｃ３に対して偏在しているため、圧電素子２３ｂの応力変形が上面位置Ｃ２側と下面位置Ｃ１側とで非対称となり、圧電素子２３ｂ上下面で発生する表面電荷は打ち消し合わない。したがって、第２の物理量検出部において発生した電圧値を測定することで、曲げの力の程度を値として検出することが可能である。なお、図５に示した物理量センサ３００が電極層２４ｂ表面中央を頂点として塑性変形しない程度に凹型に反るように曲がった場合も同様に、曲げの力の程度を値として検出することが可能である。
続いて、例えば、図５に示した物理量センサ３００について、基板２１両端が固定されており、保護層２５表面を図５の上から下方向に向けて均等に加圧したと仮定する。このとき、圧電素子２３ａは、保護層２５側から加圧されて変形するので、圧電素子２３ａ上下面で発生する表面電荷は打ち消し合わない。したがって、第１の物理量検出部において発生した電圧値を測定することで、物理量センサ３００に負荷された圧力の程度を値として検出することが可能である。なお、保護層２５両端が固定されており、基板２１及び電極層２４ｂの表面を図５の下から上方向に向けて均等に加圧した場合も同様に、物理量センサ３００に負荷された圧力の程度を値として検出することが可能である。ここで、当然、圧電素子２３ｂも加圧され、いくらかの影響を受けることになるが、該加圧によってどの程度の影響を受けるかを予め測定しておき、曲げ動作での力についての検出値から該加圧についての検出値を差し引くような補正をしておけば、該加圧の影響を受けないように設定することができる。
次に、物理量センサ３００の製造方法について説明する。上記第１実施形態の物理量センサ１００の製造方法と同様に、スパッタリング、エッチングなどを用いて、各部位を積層及びパターニング形成する。具体的には、まず、電極層２４ｂを形成しておき、電極層２４ｂの片面側を覆うように基板２１を積層した後、基板２１をエッチングして圧電素子２３ａ用の窪みを形成する。次に、上記窪みに圧電材料をスパッタリングで埋設し、圧電素子２３ａを形成する。続いて、基板２１及び圧電素子２３ａ上にスパッタリングなどにより、順次、電極層２２、圧電素子層を積層した後、エッチングして圧電素子２３ａをパターニング形成する。続いて、圧電素子２３ａ側からスパッタリングなどにより導電層を積層した後、エッチングして電極層２４ａを圧電素子２３ａ上にパターニング形成する。続いて、圧電素子２３ａ及び電極層２４ａ上にスパッタリングなどにより保護層２５を積層することによって、物理量センサ３００が完成する。
本実施形態の物理量センサ３００によれば、複数の物理量を同時に検出することができる。すなわち、圧電素子２３ａによって被対象物からの圧力を検出するとともに、圧電素子２３ｂによって被対象物の曲げ動作変位の検出を同時に行うことができる。したがって、物理量センサ３００は、例えば、接触センサとして用いることが可能である。
また、第１の物理量検出部及び第２の物理量検出部を集積化できるので、より小型の物理量センサ３００とすることができる。また、電極層２２を第１の物理量検出部と第２の物理量検出部とで共用しているので、物理量センサ３００の厚みを薄くすることができる。さらに、第１の物理量検出部と第２の物理量検出部とに共通する電極層２２を一つのプロセスで形成することが可能であることから、物理量センサ３００は容易に製造することが可能である。
＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態に係る物理量センサについて説明する。なお、本実施形態における符合３２、３３ａ、３４ａの部位は、順に、第１実施形態における符合２、３ａ、４ａの部位と同様であるので、説明を省略することがある。また、本実施形態における符合３３ｂ、３４ｂの部位は、順に、第３実施形態における符合２３ａ、２４ｂの部位と同様であるので、説明を省略することがある。
図６に示すように、本実施形態に係る物理量センサ４００は、基板３１と、基板３１上に形成されている電極層３２と、電極層３２上に形成されている圧電素子３３ａと、圧電素子３３ａ上に形成されている電極層３４ａと、圧電素子３３ａ及び電極層３４ａの上に形成されている絶縁層３５と、絶縁層３５上に形成されている電極層３６と、電極層３６上に形成されている圧電素子３７と、圧電素子３７上に形成されている電極層３８と、電極層３２下部に形成され、基板３１に埋設されている圧電素子３３ｂと、圧電素子３３ｂ下部に形成され、基板３１に埋設されている電極層３４ｂと、を備えているものである。なお、第１の物理量検出部は、電極層３２、圧電素子３３ａ（第１の圧電素子）、電極層３４ａ（第３の電極層）を主要部として有しているとともに、物理量センサ４００における圧電素子３３ａ以外の部位（基板２１を除く）を、圧電素子３３ａの配設位置を調整する層として有したものである。また、第２の物理量検出部は、電極層３２、圧電素子３３ｂ、電極層３４ｂを第１の主要部、電極層３６、圧電素子３７（第２の圧電素子）、電極層３８（第４の電極層）を第２の主要部として有したものである。また、上記第１の主要部における圧電素子３３ｂは、物理量センサ４００における圧電素子３３ｂ以外の部位を、圧電素子３３ｂの配設位置を調整する層として利用している。さらに、上記第２の主要部における圧電素子３７は、物理量センサ４００における圧電素子３７以外の部位を、圧電素子３７の配設位置を調整する層として利用している。
基板３１は、可撓性又は柔軟性を有した絶縁材料からなるものである。なお、基板３１は、柔軟性又は可撓性を有したものであれば、目的によってどのような材質のものを用いてもよい。例えば、物理量センサ４００を生体に貼り付けて使用するような場合には、生体適合性を考慮して、ＰＤＭＳを用いてもよい。
圧電素子３３ｂは、圧電素子３３ａと同様の材料を用いて形成されており、電極層３２を中心として、圧電素子３３ａと対照位置に配設されているものである。なお、図６に示したように、圧電素子３３ａの厚さ方向中心線と、第１の物理量検出部の下面位置Ｄ１と上面位置Ｄ２との中央位置（第１の物理量検出部の厚さ方向中心線）Ｄ３とは、一致している。圧電素子３７の厚さ方向中心線Ｄ４は、第２の物理量検出部の下面位置Ｄ１と上面位置Ｄ２との中央位置（第２の物理量検出部の厚さ方向中心線）Ｄ３に対して偏在している。また、圧電素子３３ｂの厚さ方向中心線Ｄ５は、第２の物理量検出部の下面位置Ｄ１と上面位置Ｄ２との中央位置（第２の物理量検出部の厚さ方向中心線）Ｄ３に対して偏在している。
絶縁層３５は、可撓性又は柔軟性を有した絶縁材料からなるものである。なお、絶縁層３５は、基板３１と同様、柔軟性又は可撓性を有したものであれば、目的によってどのような材質のものを用いてもよい。
次に、物理量センサ４００の動作について説明する。ここで、例えば、図６に示した物理量センサ４００が電極層３８表面中央を頂点として塑性変形しない程度に凸型に反るように曲がったと仮定する。このとき、第１の物理量検出部における圧電素子３３ａにおいては、曲げ動作についての応力が付加されるが、圧電素子３３ａの厚さ方向中心線と、下面位置Ｄ１と上面位置Ｄ２との中央位置（第１の物理量検出部の厚さ方向中心線）Ｄ３とが一致しているため、圧電素子３３ａの応力変形は上面位置Ｄ２側と下面位置Ｄ１側とで対称となり、圧電素子３３ａ上下面で発生する表面電荷について打ち消し合いが起こる。つまり、第１の物理量検出部は、曲げの力を検出しないことになる。これに対して、第２の物理量検出部においては、圧電素子３３ｂの厚さ方向中心線が、第２の物理量検出部の下面位置Ｄ１と上面位置Ｄ２との中央位置（第２の物理量検出部の厚さ方向中心線）Ｄ３に対して偏在しているため、圧電素子３３ｂの応力変形が上面位置Ｄ２側と下面位置Ｄ１側とで非対称となり、圧電素子３３ｂ上下面で発生する表面電荷は打ち消し合わない。したがって、第２の物理量検出部において発生した電圧値を測定することで、曲げの力の程度を値として検出することが可能である。なお、図６に示した物理量センサ４００が電極層３４ｂ表面中央を頂点として塑性変形しない程度に凹型に反るように曲がった場合も同様に、曲げの力の程度を値として検出することが可能である。
続いて、例えば、図６に示した物理量センサ４００について、基板３１両端が固定されており、電極層３８表面を図６の上から下方向に向けて均等に加圧したと仮定する。このとき、圧電素子３３ａは、電極層３８側から加圧されて変形するので、圧電素子３３ａ上下面で発生する表面電荷は打ち消し合わない。したがって、第１の物理量検出部において発生した電圧値を測定することで、物理量センサ４００に負荷された圧力の程度を値として検出することが可能である。なお、電極層３８両端が固定されており、基板３１表面を図６の下から上方向に向けて均等に加圧した場合も同様に、物理量センサ４００に負荷された圧力の程度を値として検出することが可能である。ここで、当然、圧電素子３３ｂ、３７も加圧され、いくらかの影響を受けることになるが、該加圧によってどの程度の影響を受けるかを予め測定しておき、曲げ動作での力についての検出値から該加圧についての検出値を差し引くような補正をしておけば、該加圧の影響を受けないように設定することができる。
次に、物理量センサ４００の製造方法について説明する。上記第１実施形態の物理量センサ１００の製造方法と同様に、スパッタリング、エッチングなどを用いて、各部位を積層及びパターニング形成する。具体的には、まず、基板３１をエッチングして、電極層３４ｂ用及び圧電素子３３ａ用の窪みを形成する。次に、上記窪みの所定箇所に順次、導電材料、圧電材料をスパッタリングで埋設し、電極層３４ｂ、圧電素子２３ａを順に形成する。続いて、基板３１及び圧電素子３３ａ上にスパッタリングなどにより、順次、電極層３２、圧電素子層を積層した後、エッチングして圧電素子３３ａをパターニング形成する。続いて、圧電素子３３ａ側からスパッタリングなどにより導電層を積層した後、エッチングして電極層３４ａを圧電素子３３ａ上にパターニング形成する。続いて、圧電素子３３ａ及び電極層３４ａ上にスパッタリングなどにより絶縁層３５を積層した後、絶縁層３５上に電極層３６を積層する。続いて、電極層３６上にスパッタリングなどにより圧電素子３７を積層した後、圧電素子３３ａ側からスパッタリングなどにより導電層を積層する。その後、該導電層をエッチングして電極層３８を圧電素子３７上にパターニング形成することによって、物理量センサ４００が完成する。
本実施形態の物理量センサ４００によれば、複数の物理量を同時に検出することができる。すなわち、圧電素子３３ａによって被対象物からの圧力を検出するとともに、圧電素子３３ｂ、３７によって被対象物の曲げ動作変位の検出を同時に行うことができる。したがって、物理量センサ４００は、例えば、接触センサとして用いることが可能である。
また、第１の物理量検出部及び第２の物理量検出部を集積化できるので、より小型の物理量センサ４００とすることができる。特に、第１の物理量検出部の圧電素子３３ａ両面側に配設するように第２の物理量検出部の圧電素子３３ｂ、３７を積層形成しているので、小型でありながら、第２の物理量検出部における曲げの力に対するセンサ感度を倍にすることができる。
また、電極層３２を第１の物理量検出部と第２の物理量検出部とで共用しているので、物理量センサ４００の厚みを薄くすることができる。さらに、第１の物理量検出部と第２の物理量検出部とに共通する電極層３２を一つのプロセスで形成することが可能であることから、物理量センサ４００は容易に製造することが可能である。
＜変形例＞
なお、本発明は上記実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。例えば、第１実施形態における第１の物理量検出部６と第２の物理量検出部７とは、電極層２を共用しているものであるが、電極層２の代わりに、第１の物理量検出部及び第２の物理量検出部のそれぞれについて独立形成した第１の電極層と第２の電極層とを用いてもよい。
また、上記第３実施形態における第１の物理量検出部と第２の物理量検出部とは、電極層２２を共用しているものであるが、電極層２２と圧電素子２３ｂとの間に、上側から順に絶縁層と電極層とを形成し、電極層２２を共用しない構成としてもよい。同様に、第４実施形態の物理量センサにおける電極層３２と圧電素子３３ｂとの間に、上側から順に絶縁層と電極層とを形成し、第１の物理量検出部と第２の物理量検出部とで電極層３２を共用しない構成としてもよい。
また、第１実施形態において、電極層２が十分な強度を有したものであるならば、基板１を有しない構成としてもよい。ただし、基板１がない構成の物理量センサとする場合においても、各部位の厚みを調整して、第１の圧電素子の厚さ方向中心線と第１の物理量検出部の厚さ方向中心線とが一致するように構成されるとともに、第２の圧電素子の厚さ方向中心線と第２の物理量検出部の厚さ方向中心線とが一致しないように構成されることは言うまでもない。
また、第２実施形態における電極層１４ｂ、第３実施形態における電極層２４ｂ、又は第４実施形態における電極層３８の表面に、ＰＤＭＳなどからなる保護層を設けてもよい。ただし、上記保護層を設けた構成の物理量センサとする場合においても、各部位の厚みを調整して、第１の圧電素子の厚さ方向中心線と第１の物理量検出部の厚さ方向中心線とが一致するように構成されるとともに、第２の圧電素子の厚さ方向中心線と第２の物理量検出部の厚さ方向中心線とが一致しないように構成されることは言うまでもない。
また、図７に示したように、第１実施形態と同構成の物理量センサ５００の一端を基台４８に取り付けて片持ち梁とするとともに、被対象物４９が第１の物理量検出部４６の保護層４５ａ、４５ｂ、４５ｃに接触するように配設しておくことで、被対象物４９に図７中の白矢印方向の力が付加された場合、圧電素子４３ａによって被対象物４９からの圧力を検出することができる。また、被対象物４９が図７の上下方向に振動するようなものであった場合には、圧電素子４３ａによって被対象物４９からの圧力を検出できるだけでなく、第２の物理量検出部４７（圧電素子４３ｂ）が揺動するので被対象物４９の振動検出を行うこともできる。ここで、符号４１〜４７の部位は、順に第１実施形態における符号１〜７の部位と同様のものであるので、説明を省略する。また、位置Ｅ１〜Ｅ５は、順に第１実施形態における位置Ａ１〜Ａ５と同様であるので、説明を省略する。なお、本変形例において、電極層４２に十分な強度がある場合には、基板４１を用いずに電極層４２を基板代わりに用いて、電極層４２を基台４８に直接取り付けて物理量センサを支持してもよい。ただし、電極層４２がない構成の物理量センサとする場合においても、各部位の厚みを調整して、第１の圧電素子の厚さ方向中心線と第１の物理量検出部の厚さ方向中心線とが一致するように構成されるとともに、第２の圧電素子の厚さ方向中心線と第２の物理量検出部の厚さ方向中心線とが一致しないように構成されることは言うまでもない。
また、上記実施形態及び変形例に係る物理量センサにおいては、第１の圧電素子の厚さ方向中心線と第１の物理量検出部の厚さ方向中心線との一致程度は、完全に一致するものを示したが、各物理量の検出精度をそれほど高く望まなくてもよいのであれば、第１の圧電素子の厚さ方向中心線と第１の物理量検出部の厚さ方向中心線との一致程度は、ほぼ一致（略一致）する程度でもよい。
また、上記実施形態及び変形例に係る物理量センサにおいては、保護層を設けている場合があるが、外部からの力に耐えうる材料からなる電極層、圧電素子であれば、特に保護層を設ける必要はない。ただし、保護層がない構成の物理量センサとする場合においても、各部位の厚みを調整して、第１の圧電素子の厚さ方向中心線と第１の物理量検出部の厚さ方向中心線とが一致するように構成されるとともに、第２の圧電素子の厚さ方向中心線と第２の物理量検出部の厚さ方向中心線とが一致しないように構成されることは言うまでもない。
また、第４実施形態の第２の物理量検出部においては、圧電素子３３ｂ、３７の２つを用いて、曲げのセンサ感度を圧電素子が一つの場合の倍となるように構成したが、圧電素子を３つ以上用いて、曲げのセンサ感度を圧電素子が一つの場合の３倍以上となるように構成してもよい。ただし、圧電素子を３つ以上用いる構成の物理量センサとする場合においても、各部位の厚みを調整して、第１の圧電素子の厚さ方向中心線と第１の物理量検出部の厚さ方向中心線とが一致するように構成されるとともに、第２の圧電素子の厚さ方向中心線と第２の物理量検出部の厚さ方向中心線とが一致しないように構成されることは言うまでもない。
１、１１、２１、３１、４１ 基板
２、４ａ、４ｂ、１２、１４ａ、１４ｂ、１６、２２、２４ａ、２４ｂ、３２、３４ａ、３４ｂ、３６、３８、４２、４４ａ、４４ｂ 電極層
３ 圧電素子層
４ 導電層
３ａ、３ｂ、１３ａ、１３ｂ、２３ａ、２３ｂ、３３ａ、３３ｂ、３３ａ、３７、４３ａ、４３ｂ 圧電素子
５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、２５、４５ａ、４５ｂ、４５ｃ、４５ｄ、４５ｅ 保護層
６、４６ 第１の物理量検出部
７、４７ 第２の物理量検出部
１５、３５ 絶縁層
４８ 基台
４９ 被対象物
１００、２００、３００、４００、５００ 物理量センサ

Claims (6)

  1. 第１の電極層と、前記第１の電極層上に設けられた第１の圧電素子と、前記第１の圧電素子上に設けられた第２の電極層と、を有した第１の物理量検出部と、
    第３の電極層と、前記第３の電極層上に設けられた第２の圧電素子と、前記第２の圧電素子上に設けられた第４の電極層と、を有した第２の物理量検出部と、を備えた物理量センサであり、
    前記第１の圧電素子の厚さ方向中心線が、前記物理量センサの中立軸と略一致又は一致するように、前記第１の圧電素子が配設され、
    前記第２の圧電素子の厚さ方向中心線が、前記物理量センサの中立軸に対して偏在するように、前記第２の圧電素子が配設されていることを特徴とする物理量センサ。
  2. 前記第１の物理量検出部と前記第２の物理量検出部とが並設されており、前記第１の電極層の一部と前記第３の電極層の一部とが、一層の電極層を形成するように接続されていることを特徴とする請求項１に記載の物理量センサ。
  3. 前記第１の物理量検出部の少なくとも一方側に、可撓性絶縁層を介して前記第２の物理量検出部が積層形成されていることを特徴とする請求項１に記載の物理量センサ。
  4. 前記第１の圧電素子側の第１の電極が基板に固定され、前記第２の圧電素子が外部からの振動によって所定方向に揺動可能な片持ち梁型のものであることを特徴とする請求項２に記載の物理量センサ。
  5. 表面の少なくとも一部に、ポリジメチルシロキサン基板が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の物理量センサ。
  6. 請求項２に記載の物理量センサの製造方法であって、
    前記一層の電極層上に圧電素子層を積層した後、エッチングして前記第１の圧電素子と前記第２の圧電素子とを形成する圧電素子形成工程と、
    前記第１の圧電素子及び前記第２の圧電素子上に導電層を積層した後、エッチングして前記第３の電極層を前記第１の圧電素子上に形成するとともに、前記第４の電極層を前記第２の圧電素子上に形成する電極層形成工程と、を有していることを特徴とする物理量センサの製造方法。
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