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 Patent Document 1, for example. The piezoelectric device of Patent Document 1 is a piezoelectric film type actuator that drives an object by using a displacement generated by applying a voltage to a piezoelectric film formed on a substrate. In addition, the piezoelectric device of patent document 1 has a barium titanate film | membrane formed into a film by the aerosol deposition method as a piezoelectric film to a metal board | substrate.

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.

特開２０１１−１２９７４６号公報JP 2011-129746 A

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.

本発明の実施の形態による圧電型センサを模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the piezoelectric type sensor by embodiment of this invention. 図１の圧電型センサを含む拍動センサと測定系を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the pulsation sensor and measurement system containing the piezoelectric sensor of FIG. 圧電型センサの出力試験及び可撓性検証試験の試験系を示す図である。It is a figure which shows the test system of the output test of a piezoelectric type sensor, and a flexibility verification test. 拍動センサの出力波形を示すグラフである。It is a graph which shows the output waveform of a pulsation sensor.

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 piezoelectric sensor 1 according to an embodiment of the present invention includes a flexible substrate 10 and a piezoelectric film 20 formed on the substrate 10.

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 substrate 10 is made of metal and has a thickness ts. Although the thickness ts depends on the material of the substrate 10, it is preferably 20 μm to 100 μm in consideration of the balance between sensor sensitivity and ensuring flexibility. The substrate 10 may be made of, for example, an organic film as long as it has flexibility. However, since the piezoelectric film 20 is hardly damaged and the heat resistance of the piezoelectric sensor 1 is increased, the substrate 10 is not limited. 10 is preferably made of metal.

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 substrate 10 of the present embodiment is made of heat-resistant stainless steel containing Al, and a diffusion barrier layer made of aluminum oxide is formed on the surface. Since the diffusion barrier layer is provided, the reaction between the substrate 10 and the piezoelectric film 20 can be prevented during heat treatment at a high temperature of 900 ° C. or higher, which will be described later.

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 lower electrode 32 is formed on the upper surface of the substrate 10. In the present embodiment, the lower electrode 32 is made of a Pt film and has a thickness of about 0.5 μm. The lower electrode 32 is formed by sputtering, for example. The lower electrode 32 is not limited to the Pt film, and may be a metal film made of other noble metal (Ir or the like), for example.

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 piezoelectric film 20 is made of a lead-free piezoelectric ceramic material and has a thickness tp. The length of the piezoelectric film 20 in the longitudinal direction is L. Since the piezoelectric film 20 is made of a lead-free piezoelectric ceramic material, the piezoelectric film 20 is suitable for use on a living body, and the load on the environment during disposal is small.

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 piezoelectric film 20 of the present embodiment is made of barium titanate formed by an aerosol deposition (AD) method. Film formation by the AD method is performed by, for example, ejecting ceramic powder (specifically, barium titanate powder in the present embodiment) having a particle diameter of about 1 μm from a nozzle in a vacuum and colliding with the substrate 10. Is called. The film as formed by the AD method is hereinafter referred to as an as-deposited film in order to distinguish it from the final piezoelectric film 20. The as-deposited film is firmly bonded to the substrate 10 by the anchor effect. This strong bonding is maintained even in the final piezoelectric film 20. Therefore, it is possible to reduce the piezoelectric film 20 from being cracked or peeled off from the substrate 10 when the piezoelectric sensor 1 is bent and deformed. Thus, it can be said that the AD method is a method suitable for obtaining the piezoelectric film 20 having flexibility.

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 piezoelectric film 20. In the present embodiment, in order to ensure the strength of the piezoelectric film 20, the as-deposited film is heat-treated so that the average crystal grain size of the crystals constituting the piezoelectric film 20 is 500 nm or less. Furthermore, in order to improve the piezoelectric characteristics, it is desirable to heat-treat the as-deposited film so that the average crystal grain size of the crystals constituting the piezoelectric film 20 is 70 nm or more. For convenience of explanation, a film obtained by heat-treating the as-deposited film will be referred to as a post-heat-treated film hereinafter.

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 upper electrode 34 is formed on the film after the heat treatment. The upper electrode 34 in the present embodiment is made of an Au film and has a thickness of about 0.5 μm. The Au film can be formed, for example, by sputtering or vapor deposition. The upper electrode 34 is not limited to the Au film, and may be a metal film made of another metal.

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 lower electrode 32 and the upper electrode 34 formed so as to sandwich the post-heat treatment film, the post-heat treatment film functions as the piezoelectric film 20 by applying a predetermined voltage to the post-heat treatment film and performing polarization treatment. be able to.

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 piezoelectric film 20 is 20 μm or less. When the thickness tp of the piezoelectric film 20 is larger than 20 μm, the piezoelectric film 20 is easily peeled off from the substrate 10 at the time of film formation or bending deformation due to internal stress as the area increases. Therefore, when the piezoelectric sensor 1 is desired to have flexibility, the thickness tp of the piezoelectric film 20 is required to be 20 μm or less.

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 piezoelectric film 20 is preferably 5 μm or more. When the thickness tp is less than 5 μm, there is a problem that the capacitance increases and the output voltage decreases. In addition, a partial pinhole may occur in the piezoelectric film 20, which may reduce the manufacturing yield of the piezoelectric sensor 1.

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 piezoelectric film 20 and the thickness ts of the substrate 10 satisfy ts / tp> 1, and when the total thickness of the thickness ts of the substrate 10 and the piezoelectric film 20 is t, the thickness t The length L in the longitudinal direction of the piezoelectric film 20 satisfies L / t> 100. If these requirements are not satisfied, the piezoelectric film 20 may be peeled off from the substrate 10 or the piezoelectric film 20 may be damaged. On the other hand, the piezoelectric film 20 that satisfies the above-described requirements has flexibility. In the present embodiment, since the substrate 10 is also flexible, the piezoelectric sensor 1 has flexibility as a whole.

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 piezoelectric sensor 1 has flexibility, the degree of freedom of shape is high, and the object to which the piezoelectric sensor 1 is attached is not limited to a flat surface. That is, the piezoelectric sensor 1 of the present embodiment can be attached to an object having various shapes. Specifically, the piezoelectric sensor 1 can be used in contact with the wrist, neck, chest, and the like.

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 pulsation sensor 5 is configured using the flexibility of the piezoelectric sensor 1. Specifically, the pulsation sensor 5 is connected to the piezoelectric sensor 1 that generates a pulsation signal corresponding to the pulsation to be measured, a support 50 that supports the piezoelectric sensor 1, and the piezoelectric sensor 1. And a wireless communication unit 40 that transmits a pulsation signal.

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 support body 50 is a wristband, and the piezoelectric sensor 1 is provided inside the wristband. Thereby, the piezoelectric sensor 1 is pressed against the wrist during use, and can measure pulsation (specifically, pulse). The piezoelectric sensor 1 can obtain better measurement sensitivity when it is in direct contact with the wrist. However, if the piezoelectric sensor 1 is provided so as to measure pulsation, for example, the wrist and the piezoelectric sensor 1 By interposing an organic film or the like between them, the piezoelectric sensor 1 does not have to be in direct contact with the wrist. Also, a spacer may be sandwiched between the wristband and the wrist in order to increase the pressing sensitivity of the piezoelectric sensor 1 to the wrist and increase the measurement sensitivity.

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 wireless communication unit 40 is a means for transmitting a pulsation signal to the measurement system 60 including an oscilloscope. The communication means is not limited to wireless, but may be wired, but considering convenience, wireless is preferable.

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 support body 50 that supports the piezoelectric sensor 1 is formed of a wristband. However, the present invention is not limited to this, and for example, an adhesive tape is used as the support body. By attaching a support made of the adhesive tape to a living body, the piezoelectric sensor 1 may be attached to the living body and pulsation (beating or heartbeat) may be measured.

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 piezoelectric sensor 1 and the pulsation sensor 5 using the piezoelectric sensor 1 according to the above-described embodiment were manufactured, and the flexibility check test of the piezoelectric sensor 1 and the pulsation measurement by the pulsation sensor 5 were performed.

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 piezoelectric film 20, barium titanate powder, which is a lead-free piezoelectric ceramic material having an average particle size of 1 μm or less and manufactured by a hydrothermal synthesis method, was selected.

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 substrate 10 having a rectangular shape having a length of 5, 10, 15, 20, 30 mm, a width of 5 mm, and a thickness of 20, 50, 100 μm was prepared. The substrate 10 was made of heat resistant stainless steel containing 5% Al. Two types of substrates 10 were prepared depending on the heat treatment temperature after the formation of the piezoelectric film 20. Specifically, when the heat treatment temperature is less than 900 ° C., stainless steel is used as it is as the substrate, and when the heat treatment temperature is 900 ° C. or more, the stainless steel alone is previously heat treated at 1000 ° C. in the atmosphere and thermally oxidized. An Al oxide film was formed as a diffusion barrier layer, and a Pt layer was formed as a lower electrode 32 on the diffusion barrier layer by sputtering. When stainless steel was used as a substrate as it was, that is, when the heat treatment temperature was less than 900 ° C., stainless steel itself was used as the lower electrode.

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 substrates 10 by AD method so as to have film thicknesses of 5, 10, 20, and 30 μm, and heat treatment was performed from 600 ° C. to 1200 ° C. at intervals of 100 ° C., respectively.

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 upper electrode 34 by sputtering.

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 upper electrode 34 and the lower electrode (Pt film or stainless steel itself) so that an electric field strength of 2 V / μm is applied to the barium titanate film. Then, polarization treatment was performed. After the polarization treatment, the dielectric constant of the piezoelectric film 20 was measured at 1 kHz and 0.5 V using an impedance analyzer. Moreover, the surface of the piezoelectric film 20 was observed using an electron microscope (SEM), and the crystal grain size was measured from the SEM image. The crystal grain size was calculated from the average value of the cord lengths with a stereology form factor of 1.5.

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 piezoelectric sensor 1, a test system as shown in FIG. 3 was used. As shown in FIG. 3, the piezoelectric sensor 1 was supported in a cantilever shape by fixing a part of the substrate 10 of the piezoelectric sensor 1 to the fixing means 70. In this state, even if the piezoelectric sensor 1 is bent (bend-deformed) until the displacement H of the tip in the vertical direction becomes 5 mm, the piezoelectric film 20 that is not damaged is flexible. It was judged. Moreover, the peak value of the voltage generated by releasing the load after applying a load to the tip and bending the piezoelectric sensor 1 so that the displacement amount H becomes 5 mm is defined as an output (S). A voltage output width (Vpp) generated in a self-supporting state without being added was defined as noise (N), and a signal having an SN ratio of 5 or more was regarded as acceptable.

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 piezoelectric film 20 having a film thickness of 5, 10, 20, and 30 μm is formed on a substrate 10 having a thickness of 20,100 μm, a width of 5 mm, and a length of 30 mm, and heat treatment is performed at 1000 ° C. to perform a flexibility test It was. The results are shown in Table 1 below. As understood from Table 1, when the thickness of the substrate 10 was 100 μm, film cracking occurred in the sample having the piezoelectric film 20 having a thickness of 30 μm. Further, when the thickness of the substrate 10 was 20 μm, film cracking occurred in the samples with the piezoelectric film 20 having a thickness of 20 μm and 30 μm. On the other hand, no film cracking occurred in the sample in which the film thickness of the piezoelectric film 20 was thinner than the plate thickness of the substrate 10 (ts / tp> 1) and was 20 μm or less.

Figure 0006453019
Figure 0006453019

〔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 piezoelectric film 20 having a thickness of 5, 10 μm is formed on a substrate 10 having a thickness of 50 μm, a width of 5 mm, and a length of 30 mm, and heat treatment is performed at 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200 ° C. A flexibility test was performed. The results are shown in Table 2 below. As understood from Table 2, in the sample subjected to heat treatment at 1200 ° C., the crystal grain size was larger than 500 nm, and film cracking occurred. Further, in the samples subjected to heat treatment at 600 ° C. and 700 ° C., the crystal grain size was less than 70 nm, and a desired output sensitivity could not be obtained. On the other hand, film cracking did not occur in the sample having a crystal grain size of 500 nm or less, and good output sensitivity was obtained in the sample having a crystal grain size of 70 nm or more.

Figure 0006453019
Figure 0006453019

〔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 piezoelectric film 20 having a thickness of 10 μm is formed on a substrate 10 having a thickness of 100 μm, a width of 5 mm, and a length of 5, 10, 15, 20, and 30 mm, heat-treated at 1000 ° C., and subjected to a flexibility test. It was. The results are shown in Table 3. As understood from Table 3, film cracking occurred in the sample in which the ratio of the length L of the piezoelectric film 20 to the total thickness t of the piezoelectric film 20 and the substrate 10 was 100 or less (L / t ≦ 100). . On the other hand, in the sample of L / t> 100, no film cracking occurred.

Figure 0006453019
Figure 0006453019

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 piezoelectric sensor 1 having cleared the criteria of flexibility and sensitivity performance to the wristband (support 50) and attaching it to the wrist as described above. Thus, it was confirmed that the pulsation sensor 5 according to the embodiment of the present invention functions.

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 SYMBOLS 1 Piezoelectric sensor 5 Beat sensor 10 Board | substrate 20 Piezoelectric film 32 Lower electrode 34 Upper electrode 40 Wireless communication part 50 Support body (wristband)
60 measuring system 70 fixing means

Claims (5)

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. 請求項１記載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。 The piezoelectric sensor according to claim 1, wherein
The substrate is a piezoelectric sensor made of metal. 請求項２記載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。 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. 請求項１から請求項３までのいずれかに記載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。 The piezoelectric sensor according to any one of claims 1 to 3 , wherein the piezoelectric sensor generates a pulsation signal corresponding to the pulsation to be measured, and a support body that supports the piezoelectric sensor. A pulsation sensor comprising a communication unit connected to the piezoelectric sensor and transmitting the pulsation signal. 請求項４記載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。 The pulsation sensor according to claim 4 ,
The pulsation sensor, wherein the support is a wristband.
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