JP5994135B2 - 圧力センサ素子 - Google Patents
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Description
本発明は、例えば、内燃機関のグロープラグに取り付けられる圧力センサ素子のように、高温環境で使用される圧力センサ素子に関する。
高温環境下で圧電素子を使用する場合の問題点としては、温度ドリフトが知られている。温度ドリフトの原因の一つは、例えば、特許文献１に記載されているように、温度上昇に伴い圧電素子の抵抗値が低下することにある。特許文献１の圧力センサにおいては、特定の組成式で表わされる単結晶からなる圧電素子を用いることで、温度ドリフトの抑制をすることとしている。なお、温度補正に関する技術としては、例えば、特許文献２や特許文献３に開示されたものもある。特許文献２においては、特許文献１と異なり、温度上昇に伴い圧電素子の抵抗値が増加するものと考えられており、従って、温度が上昇するにつれて抵抗値が減少するような温度補正部材を圧電素子に付加して温度補正を行うこととしている。特許文献３においては、温度が上昇するにつれて圧電素子の静電容量が増加してしまうことの影響を排除すべく、温度上昇に伴い静電容量が低下するような温度補償素子を圧電素子に付加することとしている。
特許文献１記載のアプローチでは、温度ドリフトの問題を抱える既存の様々な圧電素子に対応することができない。
そこで、本発明は、温度ドリフト問題を解消し得る構造であって汎用性の高い構造を備える圧力センサ素子を提供することを目的とする。
本発明によれば、第１の圧力センサ素子として、
上面と下面とを有する圧電素子と、前記上面と前記下面との少なくとも一方を少なくとも部分的に覆う高抵抗材料膜とを備える圧力センサ素子であって、
前記高抵抗材料膜の電気抵抗値は前記圧電素子の電気抵抗値よりも大きい
圧力センサ素子が得られる。
上面と下面とを有する圧電素子と、前記上面と前記下面との少なくとも一方を少なくとも部分的に覆う高抵抗材料膜とを備える圧力センサ素子であって、
前記高抵抗材料膜の電気抵抗値は前記圧電素子の電気抵抗値よりも大きい
圧力センサ素子が得られる。
また、本発明によれば、第２の圧力センサ素子として、第１の圧力センサ素子であって、
前記圧電素子の前記上面全体と前記下面全体との少なくとも一方が前記高抵抗材料膜で覆われている
圧力センサ素子が得られる。
前記圧電素子の前記上面全体と前記下面全体との少なくとも一方が前記高抵抗材料膜で覆われている
圧力センサ素子が得られる。
また、本発明によれば、第３の圧力センサ素子として、第１又は第２の圧力センサ素子であって、
前記高抵抗材料膜は誘電体からなる
圧力センサ素子が得られる。
前記高抵抗材料膜は誘電体からなる
圧力センサ素子が得られる。
また、本発明によれば、第４の圧力センサ素子として、第１乃至第３のいずれかの圧力センサ素子であって、
前記高抵抗材料膜の抵抗率は、１×１０11Ω・cm以上かつ１×１０18Ω・cm以下である
圧力センサ素子が得られる。
前記高抵抗材料膜の抵抗率は、１×１０11Ω・cm以上かつ１×１０18Ω・cm以下である
圧力センサ素子が得られる。
また、本発明によれば、第５の圧力センサ素子として、第１乃至第４のいずれかの圧力センサ素子であって、
前記圧電素子と前記高抵抗材料膜との合成抵抗値は、１×１０11Ω以上である
圧力センサ素子が得られる。
前記圧電素子と前記高抵抗材料膜との合成抵抗値は、１×１０11Ω以上である
圧力センサ素子が得られる。
また、本発明によれば、第６の圧力センサ素子として、第１乃至第５のいずれかの圧力センサ素子であって、
前記高抵抗材料膜は、アモルファス構造のＳｉＯ２からなり、
前記高抵抗材料膜の膜厚は、０．１μｍ以上かつ１０μｍ以下である
圧力センサ素子が得られる。
前記高抵抗材料膜は、アモルファス構造のＳｉＯ２からなり、
前記高抵抗材料膜の膜厚は、０．１μｍ以上かつ１０μｍ以下である
圧力センサ素子が得られる。
また、本発明によれば、第７の圧力センサ素子として、第１乃至第６のいずれかの圧力センサ素子であって、
前記高抵抗材料膜は、浸漬、ゾルゲル法、印刷、スパッタリング、蒸着法又は化学気相堆積法のいずれかの方法により形成されたものである
圧力センサ素子が得られる。
前記高抵抗材料膜は、浸漬、ゾルゲル法、印刷、スパッタリング、蒸着法又は化学気相堆積法のいずれかの方法により形成されたものである
圧力センサ素子が得られる。
また、本発明によれば、第８の圧力センサ素子として、第１乃至第７のいずれかの圧力センサ素子であって、
前記圧電素子から電荷を取り出すための電極を更に備えている
圧力センサ素子が得られる。
前記圧電素子から電荷を取り出すための電極を更に備えている
圧力センサ素子が得られる。
また、本発明によれば、第９の圧力センサ素子として、第８の圧力センサ素子であって、
前記高抵抗材料膜の少なくとも一部は、前記圧電素子と前記電極との間に挟まれるように形成されている
圧力センサ素子が得られる。
前記高抵抗材料膜の少なくとも一部は、前記圧電素子と前記電極との間に挟まれるように形成されている
圧力センサ素子が得られる。
また、本発明によれば、第１０の圧力センサ素子として、第８又は第９の圧力センサ素子であって、
前記電極は、１以上の金属膜によって形成されており、
前記金属膜のそれぞれは、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｗ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｌ、Ｔａ、又はＭｏのいずれかからなる
圧力センサ素子が得られる。
前記電極は、１以上の金属膜によって形成されており、
前記金属膜のそれぞれは、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｗ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｌ、Ｔａ、又はＭｏのいずれかからなる
圧力センサ素子が得られる。
また、本発明によれば、第１１の圧力センサ素子として、第１乃至第１０のいずれかの圧力センサ素子であって、
前記圧電素子は、酸化亜鉛からなる
圧力センサ素子が得られる。
前記圧電素子は、酸化亜鉛からなる
圧力センサ素子が得られる。
本発明によれば、圧電素子を高抵抗材料膜で覆うことで、温度上昇によって圧力センサ素子の抵抗値が大きく低下することを避けることができる。
以下、本発明の実施の形態（以下「本実施形態」という。）について図面を使用して説明する。なお、以降の記載における「上」「下」等の方向は各図面における相対的な方向を示すに過ぎず、使用時等における方向を規定するものではない。
本実施形態による圧力センサ素子１は、高温環境下で使用されるものであり、例えば、内燃機関のグロープラグに取り付けられて使用される。図１及び図２に示されるように、圧力センサ素子１は、圧電材料からなる圧電素子１０と、誘電体等からなる高抵抗材料膜２０とを備えており、全体的に平板状に形成されている。詳しくは、圧電素子１０は、分極方向において表裏の関係にある上面１０ａと下面１０ｂとを有しており、上面１０ａの全体と下面１０ｂの全体とが高抵抗材料膜２０によって覆われている。図示した圧力センサ素子１は、圧電素子１０から電荷を取り出すための電極（電極膜）３０を更に備えている。圧力センサ素子１に電極３０を形成する場合、高抵抗材料膜２０は、少なくとも一部が圧電素子１０と電極３０との間に挟まれるように形成されていてもよいし（図１参照）、電極３０は、少なくとも一部が圧電素子１０と高抵抗材料膜２０との間に挟まれるように形成されていてもよい（図２参照）。また、図１から理解されるように、圧力センサ素子１の製造時点では電極３０を形成せず、必要に応じて取り付けることもできる。以上のように構成された圧力センサ素子１においては、圧電素子１０と高抵抗材料膜２０とが電気的に直列に接続されている。従って、高温環境において圧電素子１０の電気抵抗値が低下した場合でも、圧力センサ素子１全体としては高い電気抵抗値を維持することができる。
本実施形態における圧電素子１０は、酸化亜鉛単結晶からなる。圧電材料には大別して単結晶材料と多結晶材料とがある。単結晶材料としては、酸化亜鉛、水晶、ランガサイト系結晶、リン酸ガリウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等があり、多結晶材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウム等がある。圧電素子１０の材料は上述した酸化亜鉛単結晶に限定されるわけではないが、高温環境下で精度の高い圧力検出を行うためには、高抵抗を有するものが好ましい。
高抵抗材料膜２０は、圧力センサ素子１の使用温度範囲内において圧電素子１０の電気抵抗値よりも高い電気抵抗値を有する高抵抗材料によって形成されていればよい。有機・無機の種類や化学的組成の種類などは問わないが、圧電素子１０における分極が高抵抗材料の分極により上側及び下側の電極３０に伝えられることを考慮すると、例えば、ガラス系材料やセラミックス系材料のような、焦電効果を示さない誘電体を用いることが好ましい。具体的には、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＭｇＯ、ＳｉＡｌＯＮ、ＳｉＮのいずれか１つ又は２つ以上の混合物を高抵抗材料とし、１層又は２層以上（多層）に形成すればよい。本実施形態による高抵抗材料膜２０は、アモルファス構造のＳｉＯ２からなる。
電極３０は、１層の金属膜によって形成してもよいし、２層以上（多層）の金属膜を積層して形成してもよい。金属膜のそれぞれは、例えば、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｗ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｌ、Ｔａ、又はＭｏのいずれかを材料とすることができる。
図３（ａ）に示されるように、従来の圧力センサ素子１´は、圧電素子１０の分極方向である上側及び下側に電極３０が形成されており、高抵抗材料膜２０を備えていない。この圧力センサ素子１´の上下面に圧力が印加されると、圧力に比例する分極電荷が出力されるので、この分極電荷を測定することで印加された圧力を測定することができる。具体的には、圧力センサ素子１´をチャージアンプ５０に接続し、圧力センサ素子１´の起電力によって接点５１ａと接点５１ｂとの間に発生する電流を積分増幅し、接点５２ａと接点５２ｂとの間に発生する電圧を圧力信号として測定する。しかしながら、このような測定を行う場合、現実には付加的要因としてチャージアンプ５０の入力端子に発生するオフセット電圧が圧力センサ素子１´にオフセット電流を流すため、チャージアンプ５０は圧力に起因する電流とオフセット電流の和を積分増幅することになる。ここで、オフセット電流の大きさは圧力センサ素子１´の抵抗値とオフセット電圧に依存する。また、圧力センサ素子１´の抵抗値は温度に依存し、一般に温度上昇に伴い抵抗値は減少する。このため、例えば、ある電圧値を有するオフセット電圧が発生し、圧力センサ素子１´の抵抗値が温度に依存して変化する場合、以下に説明するように、測定精度の低下が生じる。まず、室温では圧力センサ素子１´の抵抗値が大きいため、図３（ｂ）に示されるように、オフセット電流は無視できるほど小さい。従って、実質的に、圧力センサ素子１´の起電力により発生する電流のみが積分増幅されるため、チャージアンプ５０の接点５２ａと接点５２ｂとの間に発生する電圧は、図３(ｃ)に示されるように観測される。一方、高温では圧力センサ素子１´の抵抗値が減少するため、図３（ｄ）に示されるようにオフセット電流が増加する。このため、オフセット電流を積分増幅することによるドリフト現象が発生し、チャージアンプ５０の接点５２ａと接点５２ｂとの間に図３（ｅ）に示されるような電圧が発生する。以上のように、従来の圧力センサ素子１´は、高温環境下において観測精度が低下する。
一方、本実施形態における圧力センサ素子１は、高抵抗材料膜２０を備えているので、高温環境化においても高い電気抵抗値を有し、このためドリフトが殆ど発生しない。従って、本実施形態における圧力センサ素子１は、高温環境下においても高い観測精度を保つことができる。換言すれば、高抵抗材料膜２０は、圧力センサ素子１の使用温度範囲内において、ドリフトが実質的に発生しない程度の抵抗値を有する必要がある。具体的には、高抵抗材料膜２０を備えた圧力センサ素子１は、４００℃〜５００℃の温度環境において、１×１０11Ω以上の抵抗値を有する必要があり（即ち、圧電素子１０と高抵抗材料膜２０との合成抵抗値が、１×１０11Ω以上である必要があり）、そのためには、高抵抗材料膜２０の常温における抵抗値が１×１０11Ω以上であることが好ましい。アモルファス構造のＳｉＯ２は上記の条件を満たしており、高抵抗材料膜２０の材料として適している。
ドリフトを防止するためには高抵抗材料膜２０の膜厚を厚くして抵抗値を高くした方がよいが、圧電素子１０に発生した電荷を電極３０にロスなく導くためには膜厚を薄くした方がよい。また、高抵抗材料膜２０の膜厚が過度に薄い場合（具体的には０．１μｍより薄い場合）には、圧電素子１０の表面の粗さ（凹凸）をカバーすることができない。逆に、高抵抗材料膜２０の膜厚が過度に厚い場合（具体的には１０μｍより厚い場合）には、高抵抗材料膜２０にクラックが入る恐れがある。さらに、高抵抗材料膜２０は、圧電素子１０に直列に接続される容量性物質層および応力緩衝層となるため、圧電素子感度と素子抵抗高抵抗化はトレードオフの関係にある。以上に説明した諸条件を鑑みると、高抵抗材料膜２０を、抵抗率が１×１０11Ω・cm以上かつ１×１０18Ω・cm以下（好ましくは１×１０14Ω・cm以上かつ１×１０18Ω・cm以下）のアモルファス構造のＳｉＯ２によって形成する場合、高抵抗材料膜２０の膜厚は０．１μｍ以上かつ１０μｍ以下とすることが好ましい。
本実施形態による高抵抗材料膜２０は、高抵抗材料からなるガラスコート液に圧電素子１０を浸漬し乾燥させることで形成することができる。また、ゾルゲル法、印刷、スパッタリング、蒸着法、又は化学気相堆積法（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）のいずれかの方法により形成することもできる。なお、高抵抗材料膜２０は、圧電素子１０の上面１０ａ又は下面１０ｂの一方にのみ形成してもよいし、上面１０ａ（下面１０ｂ）全体ではなく上面１０ａ（下面１０ｂ）の一部を覆っていてもよい。また、上面１０ａと下面１０ｂだけでなく側面に形成してもよい。さらに、高抵抗材料膜２０の膜厚は、上面１０ａ側と下面１０ｂ側で同一でもよいし、異なっていてもよい。即ち、高抵抗材料膜２０は、上面１０ａと下面１０ｂとの少なくとも一方を少なくとも部分的に覆っていればよい。
次に、具体的な例を挙げ、本発明についてより詳しく説明する。
（実施例）
まず、酸化亜鉛単結晶を材料とする平板状の圧電素子を作製した。圧電素子は２×２mmの上面及び下面を有しており、厚さは０．５mmである。圧電素子は上下方向に分極している。
まず、酸化亜鉛単結晶を材料とする平板状の圧電素子を作製した。圧電素子は２×２mmの上面及び下面を有しており、厚さは０．５mmである。圧電素子は上下方向に分極している。
次に、圧電素子全体にアモルファス構造のＳｉＯ２膜のコーティングを施した。具体的には、圧電素子をガラスコート剤（ＳＳＬ−ＳＤ２０００、（有）エクスシア製）に浸漬し、取り出した後、室温で乾燥させた。乾燥後、オーブンに入れて２５０℃で１時間加熱した。加熱後の圧電素子の上面及び下面は、膜厚２μｍのＳｉＯ２膜（高抵抗材料膜）によって覆われていた。最後に、上側及び下側の高抵抗材料膜に電極を取り付けた。以上の方法で、実施例の圧力センサ素子を得た。なお、本実施例ではチップ状態で高抵抗材料膜を形成したが、ウェハ状態の圧電素子材料へ高抵抗材料膜を形成後、ダイシングなどにより分割してチップ化しても良い。
（比較例）
実施例と同様に、酸化亜鉛単結晶を材料とする平板状の圧電素子を作製した。圧電素子は２×２mmの上面及び下面を有しており、厚さは０．５mmである。圧電素子は上下方向に分極している。この圧電素子の上側及び下側に電極を取り付けたものを比較例の圧力センサ素子とした。比較例の圧力センサ素子は高抵抗材料膜を備えていない。即ち、従来の圧力センサ素子である。
実施例と同様に、酸化亜鉛単結晶を材料とする平板状の圧電素子を作製した。圧電素子は２×２mmの上面及び下面を有しており、厚さは０．５mmである。圧電素子は上下方向に分極している。この圧電素子の上側及び下側に電極を取り付けたものを比較例の圧力センサ素子とした。比較例の圧力センサ素子は高抵抗材料膜を備えていない。即ち、従来の圧力センサ素子である。
実施例の圧力センサ素子と比較例の圧力センサ素子のそれぞれについて、常温における電気抵抗値を測定した。図４に示されるように、高抵抗材料膜を備えた実施例の圧力センサ素子は、比較例の圧力センサ素子に対して著しく電気抵抗が向上している。
実施例の圧力センサ素子と比較例の圧力センサ素子のそれぞれについて、感度を測定した。感度は、圧力センサ素子に直接荷重を加えた際に発生する電荷量を計測することで測定した。図５に示されるように、実施例の圧力センサ素子と比較例の圧力センサ素子とに感度の相違はない。即ち、高抵抗材料膜を備えることで圧力センサ素子の感度には大きな影響を与えずに電気抵抗の向上が得られている。
実施例の圧力センサ素子と比較例の圧力センサ素子のそれぞれについて、室温から４００℃までの範囲で温度を変化させて電気抵抗値を測定した。図６に示されるように、温度が高いほど、本発明による効果が大きい。例えば、４００℃の温度下において、比較例の圧力センサ素子は著しく電気抵抗値が低下しているのに対し、実施例の圧力センサ素子の電気抵抗値の低下は軽微である。なお、本実施例における高抵抗材料膜であるＳｉＯ２膜の電気抵抗値は、圧電素子の酸化亜鉛単結晶の示す電気抵抗値と比較して格段に大きく、本実施例である圧力センサ素子の示す電気抵抗値にほぼ一致すると考えてよい。また、この測定を行うために室温から４００℃までの昇降温を繰り返したが、実施例の圧力センサ素子については、圧電素子と高抵抗材料膜のいずれにもクラックや剥離が生じなかった。即ち、本発明による圧力センサ素子は、温度サイクル負荷に対しても信頼性が高いことが分かった。
本発明によるドリフト抑制効果を検証した。具体的には、実施例の圧力センサ素子と比較例の圧力センサ素子のそれぞれを、図３（ａ）と同様にチャージアンプに接続し、圧力センサ素子に圧力を印加しない状態で、接点５２ａと接点５２ｂの間の出力電圧を測定した。測定した出力電圧からドリフト電流の電荷量を求めた。図７に示されるように、室温下において、比較例の圧力センサ素子は時間が経過するに伴い電荷量が大きくなるが（ドリフトが大きくなるが）、実施例の圧力センサ素子についてはドリフトが観測されなかった。また、図８に示されるように、８０℃の温度下においては、比較例の圧力センサ素子は室温下での計測結果と比較してドリフトが著しく大きいが、実施例の圧力センサ素子のドリフトは極めて軽微である。
室温及び８０℃において計測されたドリフト電流の電荷量を表１に示す。表１に示されるように、比較例の圧力センサ素子に対する実施例の圧力センサ素子のドリフト電流の電荷量は、室温下では約１／１００であり、８０℃の温度下では約１／１０００である。
１、１´ 圧力センサ素子
１０ 圧電素子
１０ａ 上面
１０ｂ 下面
２０ 高抵抗材料膜
３０ 電極（電極膜）
５０ チャージアンプ
５１ａ、５１ｂ 接点
５２ａ、５２ｂ 接点
１０ 圧電素子
１０ａ 上面
１０ｂ 下面
２０ 高抵抗材料膜
３０ 電極（電極膜）
５０ チャージアンプ
５１ａ、５１ｂ 接点
５２ａ、５２ｂ 接点
Claims (11)
- 内燃機関内において用いられる圧力センサ素子であって、上面と下面とを有する圧電素子と、前記上面と前記下面との少なくとも一方を少なくとも部分的に覆う高抵抗材料膜とを備える圧力センサ素子において、
前記高抵抗材料膜の電気抵抗値は前記圧電素子の電気抵抗値よりも大きく、
前記圧電素子から電荷を取り出すため２つの電極を更に備えており、
前記高抵抗材料膜の少なくとも一部は、前記圧電素子と前記電極との間に挟まれるように形成されており、
前記電極の夫々は、前記圧力センサ素子の使用時に、チャージアンプに接続され、
前記圧力センサ素子が使用される前には、前記電極のうちの一方は上方に露出しており、前記電極のうちの他方は下方に露出している
圧力センサ素子。 - 請求項１記載の圧力センサ素子であって、
前記高抵抗材料膜と前記圧電素子との間の境界面は、前記圧電素子の圧電分極軸と直交している
圧力センサ素子。 - 請求項１又は請求項２記載の圧力センサ素子であって、
前記圧電素子の前記上面全体と前記下面全体との両方が前記高抵抗材料膜で覆われている
圧力センサ素子。 - 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の圧力センサ素子であって、
前記高抵抗材料膜は誘電体からなる
圧力センサ素子。 - 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の圧力センサ素子であって、
前記圧電素子は、単結晶材料からなる
圧力センサ素子。 - 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の圧力センサ素子であって、
前記高抵抗材料膜の抵抗率は、１×１０11Ω・cm以上かつ１×１０18Ω・cm以下である
圧力センサ素子。 - 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の圧力センサ素子であって、
前記圧電素子と前記高抵抗材料膜との合成抵抗値は、１×１０11Ω以上である
圧力センサ素子。 - 請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の圧力センサ素子であって、
前記高抵抗材料膜は、アモルファス構造のＳｉＯ２からなり、
前記高抵抗材料膜の膜厚は、０．１μｍ以上かつ１０μｍ以下である
圧力センサ素子。 - 請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の圧力センサ素子であって、
前記高抵抗材料膜は、浸漬、ゾルゲル法、印刷、スパッタリング、蒸着法又は化学気相堆積法のいずれかの方法により形成されたものである - 請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の圧力センサ素子であって、
前記電極は、１以上の金属膜によって形成されており、
前記金属膜のそれぞれは、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｗ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｌ、Ｔａ、又はＭｏのいずれかからなる
圧力センサ素子。 - 請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の圧力センサ素子であって、
前記圧電素子は、酸化亜鉛からなる
圧力センサ素子。
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