JP6453019B2 - Piezoelectric sensor and pulsation sensor - Google Patents
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Description
本発明は、圧電型センサとその新たな用途としての拍動センサに関する。 The present invention relates to a piezoelectric sensor and a pulsation sensor as a new application thereof.
圧電膜を有する圧電デバイスは、例えば、特許文献1に開示されている。特許文献1の圧電デバイスは、基板上に形成された圧電膜に電圧を印加することにより生ずる変位を利用して物体の駆動を行う圧電膜型アクチュエータである。なお、特許文献1の圧電デバイスは、金属製の基板に対してエアロゾルデポジション法により製膜されたチタン酸バリウム膜を圧電膜として有している。
A piezoelectric device having a piezoelectric film is disclosed in
一方、一般的な圧電センサは、基板上にセラミック板を張り付けてなるものであり、基板の変形に応じて圧電膜に生じた電圧を検知するものである。 On the other hand, a general piezoelectric sensor is formed by attaching a ceramic plate on a substrate and detects a voltage generated in the piezoelectric film in accordance with the deformation of the substrate.
本発明は、圧電型センサの新たな用途と、その用途に適用可能な構造的特徴を有する圧電センサを提供することを目的とする。 It is an object of the present invention to provide a new application of a piezoelectric sensor and a piezoelectric sensor having structural features applicable to the application.
本発明は、第1の圧電型センサとして、
可撓性を有する基板と、前記基板上に形成された圧電膜とを備える圧電型センサであって、前記基板の厚みをts、前記圧電膜の厚みをtp、前記圧電膜の長手方向の長さをL、前記基板の前記厚みtsと前記圧電膜の前記厚みtpの合計の厚みをtとした場合に、前記圧電膜の前記厚みtp及び前記基板の前記厚みtsはts/tp>1を満たしており、前記圧電膜の前記厚みtpは20μm以下であり、前記合計の厚みtと前記圧電膜の前記長手方向の前記長さLはL/t>100を満たしている、圧電型センサを提供する。
The present invention provides the first piezoelectric sensor as
A piezoelectric sensor comprising a flexible substrate and a piezoelectric film formed on the substrate, wherein the thickness of the substrate is ts, the thickness of the piezoelectric film is tp, and the longitudinal length of the piezoelectric film When the thickness is L, and the total thickness ts of the substrate and the thickness tp of the piezoelectric film is t, the thickness tp of the piezoelectric film and the thickness ts of the substrate satisfy ts / tp> 1. A piezoelectric sensor, wherein the piezoelectric film has a thickness tp of 20 μm or less, and the total thickness t and the longitudinal length L of the piezoelectric film satisfy L / t> 100. provide.
また、本発明は、第2の圧電型センサとして、第1の圧電型センサであって、
前記基板は金属製である
圧電型センサを提供する。
The present invention also provides a first piezoelectric sensor as the second piezoelectric sensor,
The substrate provides a piezoelectric sensor made of metal.
また、本発明は、第3の圧電型センサとして、第2の圧電型センサであって、
前記基板はAlを含有している耐熱性ステンレス鋼からなり、表面に酸化アルミニウムからなる拡散バリア層を有している
圧電型センサを提供する。
The present invention also provides a second piezoelectric sensor as the third piezoelectric sensor,
Provided is a piezoelectric sensor in which the substrate is made of heat-resistant stainless steel containing Al and has a diffusion barrier layer made of aluminum oxide on the surface.
また、本発明は、第4の圧電型センサとして、第1乃至第3のいずれかの圧電型センサであって、
前記圧電膜は、非鉛系圧電セラミック材料からなる
圧電型センサを提供する。
In addition, the present invention is any one of the first to third piezoelectric sensors as the fourth piezoelectric sensor,
The piezoelectric film provides a piezoelectric sensor made of a lead-free piezoelectric ceramic material.
また、本発明は、第5の圧電型センサとして、第4の圧電型センサであって、
前記圧電膜は、平均結晶粒径が500nm以下のチタン酸バリウムからなる
圧電型センサを提供する。
Moreover, this invention is a 4th piezoelectric sensor as a 5th piezoelectric sensor,
The piezoelectric film provides a piezoelectric sensor made of barium titanate having an average crystal grain size of 500 nm or less.
また、本発明は、第1の拍動センサとして、第1乃至第5のいずれかの圧電型センサであって測定対象である拍動に応じた拍動信号を生成する圧電型センサと、前記圧電型センサを支持する支持体と、前記圧電型センサに接続されて前記拍動信号を送信する通信部とを備える拍動センサを提供する。 Further, the present invention provides the first pulsation sensor, which is any one of the first to fifth piezoelectric sensors that generates a pulsation signal corresponding to the pulsation to be measured; There is provided a pulsation sensor comprising a support that supports a piezoelectric sensor and a communication unit that is connected to the piezoelectric sensor and transmits the pulsation signal.
また、本発明は、第2の拍動センサとして、第1の拍動センサであって、
前記支持体は、リストバンドである
拍動センサを提供する。
Moreover, this invention is a 1st pulsation sensor as a 2nd pulsation sensor,
The support provides a pulsation sensor that is a wristband.
可撓性を有する基板上に対して、20μm以下の厚みを有し且つts/tp>1及びL/t>100を満たす圧電膜を形成してなる圧電型センサは、可撓性を有している。そのため、平面ではなく曲面を形成しているような対象物に対して、圧電型センサを取り付けることができる。 A piezoelectric sensor formed by forming a piezoelectric film having a thickness of 20 μm or less and satisfying ts / tp> 1 and L / t> 100 on a flexible substrate has flexibility. ing. Therefore, the piezoelectric sensor can be attached to an object that forms a curved surface instead of a flat surface.
例えば、人体、特に、手首や首、胸などに圧電型センサを接した状態で使用することにより拍動(脈拍、心拍)を電圧信号として検出することができる。即ち、本発明によれば、圧電型センサを利用した拍動センサ(脈拍センサ又は心拍センサ)を実現することができる。 For example, pulsation (pulse, heartbeat) can be detected as a voltage signal by using a piezoelectric sensor in contact with a human body, in particular, a wrist, neck, chest or the like. That is, according to the present invention, a pulsation sensor (pulse sensor or heart rate sensor) using a piezoelectric sensor can be realized.
図1を参照すると、本発明の実施の形態による圧電型センサ1は、可撓性を有する基板10と、基板10上に形成された圧電膜20とを備えている。
Referring to FIG. 1, a
基板10は、金属製であり、厚みtsを有している。厚みtsは、基板10の材料にもよるが、センサ感度と可撓性の確保とのバランスを考慮すると、20μm〜100μmであることが好ましい。基板10は、可撓性を有するものであれば、例えば、有機フィルムからなるものであってもよいが、圧電膜20が破損し難く、圧電型センサ1の耐熱性が高くなることから、基板10は金属製であることが望ましい。
The
具体的には、本実施の形態の基板10は、Alを含有している耐熱性ステンレス鋼からなり、表面には酸化アルミニウムからなる拡散バリア層が形成されている。拡散バリア層が設けられていることから、後述する900℃以上の高温での熱処理の際に基板10と圧電膜20の反応を防ぐことができる。
Specifically, the
基板10の上面には、下部電極32が形成されている。本実施の形態において、下部電極32は、Pt膜からなるものであり、厚みは0.5μm程度である。下部電極32は、例えば、スパッタ法により形成される。下部電極32はPt膜に限定されるものではなく、例えば、他の貴金属(Irなど)からなる金属膜であってもよい。
A
圧電膜20は、非鉛系圧電セラミック材料からなるものであり、厚みtpを有している。また、圧電膜20の長手方向の長さはLである。圧電膜20が非鉛系圧電セラミック材料からなるため、生体に装着する用途に適しており、また、廃棄の際に環境に与える負荷も小さい。
The
具体的には、本実施の形態の圧電膜20は、エアロゾルデポジション(AD)法で形成されたチタン酸バリウムからなるものである。AD法による膜形成は、例えば粒径が1μm程度のセラミック粉末(本実施の形態において、具体的には、チタン酸バリウム粉末)を真空中においてノズルから噴射して基板10に衝突させることにより行われる。AD法により形成されたままの膜は、最終的な圧電膜20と区別するため、以下においてはアズデポ膜という。アズデポ膜は、基板10に対してアンカー効果により強固に接合される。この強固な接合は、最終的な圧電膜20においても保たれる。そのため、圧電型センサ1を曲げ変形させた際に圧電膜20が割れたり基板10から剥がれたりすることを低減することができる。このように、AD法は、可撓性を有する圧電膜20を得るために適した方法であると言える。
Specifically, the
アズデポ膜の微細組織は、AD法に使用した粉末の粒径よりも小さく、数十nm程度まで微細化されているが、粒径が小さいと圧電性が低いという問題がある。そのため、適切な温度条件で熱処理を行い、結晶粒を成長させる必要がある。一方、セラミックの破壊は一般的に粒界面で発生するため、圧電膜20の強度を向上させるには粒界面が多い微結晶組織の方が望ましい。本実施の形態においては、圧電膜20の強度の確保のため、圧電膜20を構成する結晶の平均結晶粒径が500nm以下となるようにアズデポ膜に対して熱処理を行うこととする。更に、圧電特性の向上のためには、圧電膜20を構成する結晶の平均結晶粒径が70nm以上となるようにアズデポ膜に対して熱処理を行うことが望ましい。説明の便宜上、以下においては、アズデポ膜を熱処理して得られる膜を熱処理後膜という。
The microstructure of the as-deposited film is smaller than the particle size of the powder used in the AD method and is refined to about several tens of nanometers. However, if the particle size is small, there is a problem that the piezoelectricity is low. For this reason, it is necessary to perform heat treatment under appropriate temperature conditions to grow crystal grains. On the other hand, since ceramic breakage generally occurs at the grain interface, a microcrystalline structure with many grain interfaces is desirable to improve the strength of the
アズデポ膜や熱処理後膜は多結晶組織であるため、そのままでは、電気分極の向きがランダムである。そこで、分極の向きを揃えるために分極反転する電界強度以上の電圧(所定の電圧)を熱処理後膜に印加する。 Since the as-deposited film and the heat-treated film have a polycrystalline structure, the direction of electric polarization is random as it is. Therefore, in order to align the direction of polarization, a voltage (predetermined voltage) higher than the electric field intensity that reverses the polarization is applied to the film after heat treatment.
分極処理の前に、熱処理後膜上に上部電極34を形成する。本実施の形態における上部電極34は、Au膜からなるものであり、0.5μm程度の厚みを有している。Au膜は例えばスパッタ法や蒸着により形成することができる。上部電極34は、Au膜に限定されるものではなく、他の金属からなる金属膜であってもよい。
Prior to the polarization treatment, the
熱処理後膜を挟むようにして形成された下部電極32と上部電極34とを用いて、熱処理後膜に対して所定の電圧を印加して分極処理を行うことで熱処理後膜を圧電膜20として機能させることができる。
Using the
本実施の形態において、圧電膜20の厚みtpは20μm以下である。圧電膜20の厚みtpが20μmより厚い場合、面積が広くなるにつれて、内部応力のために成膜時や曲げ変形させたときに基板10から剥がれてやすくなる。したがって、圧電型センサ1に可撓性を持たせたい場合、圧電膜20の厚みtpは20μm以下であることが求められる。
In the present embodiment, the thickness tp of the
圧電膜20の厚みtpは5μm以上であることが好ましい。厚みtpが5μm未満であると、静電容量が大きくなり、出力電圧が小さくなってしまうという問題がある。また、圧電膜20に部分的なピンホールが生じてしまうおそれがあり、圧電型センサ1の製造歩留りが下がってしまう可能性がある。
The thickness tp of the
圧電膜20の厚みtp及び基板10の厚みtsはts/tp>1を満たしており、更に、基板10の厚みtsと圧電膜20の厚みtpの合計の厚みをtとした場合に、厚みtと圧電膜20の長手方向の長さLはL/t>100を満たしている。これらの要件を満たしていない場合、圧電膜20が基板10から剥がれたり、圧電膜20の破損が生じる可能性がある。これに対して、上述した要件を満たした圧電膜20は可撓性を有している。本実施の形態においては、基板10も可撓性を有していることから、圧電型センサ1は全体として可撓性を有している。
The thickness tp of the
圧電型センサ1が可撓性を有していることから、形状の自由度が高く、圧電型センサ1を取り付ける対象物は平面を有するものには限定されない。即ち、本実施の形態の圧電型センサ1は、様々な形状を有する対象物に取り付けることができる。具体的には、圧電型センサ1は、手首や首、胸などに接触させて使用することができる。
Since the
図2に示されるように、本実施の形態においては、圧電型センサ1の可撓性を利用して、拍動センサ5を構成している。具体的には、拍動センサ5は、測定対象である拍動に応じた拍動信号を生成する圧電型センサ1と、圧電型センサ1を支持する支持体50と、圧電型センサ1に接続されて拍動信号を送信する無線通信部40とを備える。
As shown in FIG. 2, in this embodiment, the
本実施の形態において、支持体50は、リストバンドであり、圧電型センサ1はリストバンドの内側に設けられている。これにより、圧電型センサ1は、使用時においては手首に押し付けられ、拍動(具体的には脈拍)を測定することができる。圧電型センサ1は、手首に直接接触している方が良好な測定感度を得ることができるが、拍動を測定できるように設けられているのであれば、例えば、手首と圧電型センサ1との間に有機フィルムなどを介在させることにより、圧電型センサ1を手首に直接接触させなくてもよい。また、手首への圧電型センサ1の押付を強めて測定感度を上げるためにリストバンドと手首との間にスペーサを挟み込むこととしてもよい。
In the present embodiment, the
無線通信部40は、オシロスコープなどを備える測定系60に対して拍動信号を送信するための手段である。通信手段は無線に限らず、有線であってもよいが、利便性を考慮すると、無線の方が好ましい。
The
上述した実施の形態において、圧電型センサ1を支持する支持体50はリストバンドからなるものであったが、本発明は、これに限定されるわけではなく、例えば、粘着テープを支持体とし、その粘着テープからなる支持体を生体に貼付することで、圧電型センサ1を生体に取り付けて拍動(拍動や心拍)を測定することとしてもよい。
In the above-described embodiment, the
上述した実施の形態による圧電型センサ1及びそれを使用した拍動センサ5を作製し、圧電型センサ1の可撓性確認試験や拍動センサ5による拍動の測定を行った。
The
圧電膜20を形成するための材料としては、平均粒径が1μm以下で水熱合成法で製造された非鉛圧電セラミック材料であるチタン酸バリウム粉末を選択した。
As a material for forming the
基板10は、長さが5,10,15,20,30mm、幅が5mm、厚さ20,50,100μmの矩形状形状を有しているものを用意した。基板10の材質はAlを5%含有している耐熱性ステンレス鋼とした。また、基板10としては圧電膜20形成後の熱処理温度により、2種類用意した。具体的には、熱処理温度が900℃未満の場合はステンレス鋼をそのまま基板として用い、熱処理温度が900℃以上の場合は、予めステンレス鋼単体を大気中、1000℃で熱処理を行い、熱酸化によりAlの酸化皮膜を拡散バリア層として形成し、その拡散バリア層上に下部電極32としてPt層をスパッタ法で形成した。ステンレス鋼をそのまま基板として用いる場合、即ち、熱処理温度が900℃未満の場合には、ステンレス鋼自体を下部電極として使用した。
A
これらの基板10上にAD法でチタン酸バリウム膜を膜厚が5,10,20,30μmとなるように形成し、それぞれ600℃から100℃の間隔で1200℃まで熱処理を行った。
Barium titanate films were formed on these
その後、チタン酸バリウム膜の表面にメタルマスクをつけ、上部電極34としてAu層をスパッタ法で形成した。
Thereafter, a metal mask was attached to the surface of the barium titanate film, and an Au layer was formed as the
以上のような構成で、チタン酸バリウム膜に対して2V/μmの電界強度が加えられるように、上部電極34のAu膜と下部電極(Pt膜又はステンレス鋼自体)との間に電圧を印加して分極処理を行った。分極処理後、インピーダンスアナライザを使用して1kHz、0.5Vで圧電膜20の誘電率を測定した。また電子顕微鏡(SEM)を用いて圧電膜20の表面を観察し、そのSEM像から結晶粒径を測定した。結晶粒径はステレオジーの形態係数を1.5としたコード長さの平均値から算出した。
With the above configuration, a voltage is applied between the Au film of the
圧電型センサ1の出力試験及び可撓性検証試験には、図3に示されるような試験系を用いた。図3に示されるように、圧電型センサ1の基板10の一部を固定手段70に固定することにより、圧電型センサ1を片持ち梁状に支持した。この状態において、上下方向における先端の変位量Hが5mmとなるまで圧電型センサ1を撓ませても(曲げ変形させても)圧電膜20に破損が見られなかったものを可撓性があると判断した。また、先端に荷重を加えて変位量Hが5mmとなるように圧電型センサ1を撓ませた後に当該荷重を開放することで発生した電圧のピーク値を出力(S)とし、何の負荷も加えずに自立させた状態で発生している電圧出力幅(Vpp)をノイズ(N)として、そのSN比が5以上であるものを合格とした。
For the output test and the flexibility verification test of the
このようにして得られた評価結果を「圧電膜の厚さ」、「結晶粒径」及び「圧電膜の長さと厚さ」の3つの観点で以下に示す。 The evaluation results thus obtained are shown below from the three viewpoints of “piezoelectric film thickness”, “crystal grain size”, and “piezoelectric film length and thickness”.
〔圧電膜の厚さ〕
板厚20,100μm、幅5mm、長さ30mmの基板10に対して膜厚が5,10,20,30μmである圧電膜20を成膜し1000℃で熱処理を行い、可撓性試験を行った。結果を下記表1に示す。表1から理解されるように、基板10の板厚が100μmの場合、圧電膜20の膜厚が30μmのサンプルについては膜割れが発生した。また、基板10の板厚が20μmの場合、圧電膜20の膜厚が20μm及び30μmのサンプルについては膜割れが発生した。一方、圧電膜20の膜厚が、基板10の板厚よりも薄く(ts/tp>1)、且つ、20μm以下であるサンプルについては膜割れは発生しなかった。
[Thickness of piezoelectric film]
A
〔結晶粒径〕
板厚50μm、幅5mm、長さ30mmの基板10に対して膜厚が5,10μmである圧電膜20を成膜し、600,700,800,900,1000,1100,1200℃で熱処理を行い、可撓性試験を行った。結果を下記表2に示す。表2から理解されるように、1200℃で熱処理を行ったサンプルでは、結晶粒径が500nmよりも大きくなっており、膜割れが発生した。また、600℃及び700℃で熱処理を行ったサンプルでは、結晶粒径が70nmに満たず、望ましい出力感度が得られなかった。これに対して、結晶粒径が500nm以下であるサンプルでは膜割れは発生せず、更に、そのうち、結晶粒径が70nm以上であるサンプルでは良好な出力感度が得られた。
[Crystal grain size]
A
〔圧電膜の長さと厚さ〕
板厚100μm、幅5mm、長さ5,10,15,20,30mmの基板10に対して膜厚が10μmの圧電膜20を製膜し、1000℃で熱処理を行い、可撓性試験を行った。結果を表3に示す。表3から理解されるように、圧電膜20の長さLと圧電膜20及び基板10の厚みの総和tとの比が100以下(L/t≦100)のサンプルでは、膜割れが発生した。一方、L/t>100のサンプルでは、膜割れは発生しなかった。
[Piezoelectric film length and thickness]
A
以上のように可撓性、感度性能の基準をクリアした圧電型センサ1をリストバンド(支持体50)に取り付け、手首に装着して、脈拍をオシロスコープで測定した結果を図4に示す。このように、本発明の実施例による拍動センサ5が機能することが確認された。
FIG. 4 shows the result of measuring the pulse with an oscilloscope by attaching the
本発明は、曲げ変形や、振動、音響などを計測モニターするセンサとして利用することができる。 The present invention can be used as a sensor for measuring and monitoring bending deformation, vibration, sound, and the like.
1 圧電型センサ
5 拍動センサ
10 基板
20 圧電膜
32 下部電極
34 上部電極
40 無線通信部
50 支持体(リストバンド)
60 測定系
70 固定手段
DESCRIPTION OF
60
Claims (5)
前記基板の厚みをts、前記圧電膜の厚みをtp、前記圧電膜の長手方向の長さをL、前記基板の前記厚みtsと前記圧電膜の前記厚みtpの合計の厚みをtとした場合に、前記圧電膜の前記厚みtp及び前記基板の前記厚みtsはts/tp>1を満たしており、前記圧電膜の前記厚みtpは5μm以上20μm以下であり、前記合計の厚みtと前記圧電膜の前記長手方向の前記長さLはL/t>100を満たしており、
前記圧電膜は、平均結晶粒径が70nm以上500nm以下のチタン酸バリウムからなる
圧電型センサ。 A piezoelectric sensor comprising a flexible substrate and a piezoelectric film formed on the substrate,
When the thickness of the substrate is ts, the thickness of the piezoelectric film is tp, the length of the piezoelectric film in the longitudinal direction is L, and the total thickness of the thickness ts of the substrate and the thickness tp of the piezoelectric film is t Further, the thickness tp of the piezoelectric film and the thickness ts of the substrate satisfy ts / tp> 1, the thickness tp of the piezoelectric film is 5 μm or more and 20 μm or less, and the total thickness t and the piezoelectric The length L in the longitudinal direction of the membrane satisfies L / t>100;
The piezoelectric film is a piezoelectric sensor made of barium titanate having an average crystal grain size of 70 nm to 500 nm.
前記基板は金属製である
圧電型センサ。 The piezoelectric sensor according to claim 1, wherein
The substrate is a piezoelectric sensor made of metal.
前記基板はAlを含有している耐熱性ステンレス鋼からなり、表面に酸化アルミニウムからなる拡散バリア層を有している
圧電型センサ。 The piezoelectric sensor according to claim 2, wherein
The piezoelectric sensor, wherein the substrate is made of heat-resistant stainless steel containing Al and has a diffusion barrier layer made of aluminum oxide on the surface.
前記支持体は、リストバンドである
拍動センサ。 The pulsation sensor according to claim 4 ,
The pulsation sensor, wherein the support is a wristband.
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